臺灣離岸風電之前景與半潛式浮臺之發展

Abstract

綠色能源產業近年受到各國重視，而臺灣位於季風區，擁有豐富而優良的風力能源，故政府也積極推動風力發電產業發展。由於陸域風機產生的噪音問題及可開發區域稀少，臺灣逐漸將發展重心轉向至電力潛力容量更大的離岸風電。本文先簡介台灣風電產業的發展，再討論目前離岸風電使用的固定式風機所面臨的瓶頸，然後進一步分析浮動式風機之優勢，及離岸風電產業之未來走向，包含浮動式在深水區能夠展現更低的成本，以及簡介臺灣海峽深水區尚未被涉足的豐富風力資源場址。最後，說明半潛式平臺優於浮筒式及張力腿式的諸多原因，並且介紹國內團隊聯合設計之15 MW半潛式浮式平臺，列舉其獨特的設計優點，期望能提供風電開發商優良的設計選擇，帶動國內產業供應鏈的發展，亦能為開發商參與風場競爭的方案加值。

Full text

臺灣離岸風電之前景與半潛式浮臺之發展
張宏駿*，馬開東*，王詮文**，劉潔**，蕭伊珊**，吳浩平 ***，徐一仁*，雲在天*，江茂雄*
* 臺灣大學 工程科學及海洋工程學系
** 台亞風能
*** 臺灣電力公司
摘要
綠色能源產業近年受到各國重 視，而臺灣位於季風區，擁有豐富而優良的風力能源，故政府也積極推動風
力發電產業發展。由於陸域風機產生的噪音問題及可開發區域稀少，臺灣逐漸將發展重心轉向至電力潛力容量
更大的離岸風電。本文先簡介台灣風電產業的發展，再討論目前離岸風電使用的固定式風機所 面臨的瓶頸，然
後進一步分析浮動式風機之優勢，及離岸風電產業之未來走向，包含浮動式在深水區能夠展現更低的成本，以
及簡介臺灣海峽深水區尚未被涉足的豐富風力資源場址。最後，說明半潛式平臺優於浮筒式及張力腿式的諸多
原因，並且介紹國內團隊聯合設計之 15 MW 半潛式浮式平臺，列舉其獨特的設計優點，期望能提供風電開發商
優良的設計選擇，帶動國內產業供應鏈的發展，亦能為開發商參與風場競爭的方案加值。
關鍵詞：風力發電，離岸風電，浮動式風機，海洋平臺，半潛式浮臺
臺灣風力發電 之 背 景 與 進程
離岸風電為台灣再生能源發展的重要標的之一，
根據國際工程顧問公司的統計，全球風速排名前 20
位中，台灣海峽就占了其中的 16 個海上風電場址，
這樣豐富的資源條件為台灣發展風力發電提供先天
優勢的機會。從 2016 年開始國內的離岸風電產業在
國家支持的示範計畫逐漸成形；然而，隨著國際趨
勢對於再生能源的需求日益提高且水深相對適合固
定式基礎的場址逐漸趨於飽和，故目標場址漸漸往
水深更深且風能潛勢更優質的場域開發。
在台灣風能潛勢較佳的目標場址中，多數坐落
於新竹、澎湖外海，而場址水深大多超過 65m。然
而，深水區的開發不僅將伴隨著固定式基礎用鋼量
增加而提高了開發成本，對於碼頭基礎設施以及施
工船隻的條件也更為嚴苛及受限。於此同時，浮式
基礎有著鋼材使用量穩定的優勢使其有與固定式基
礎競價的空間。
國內已有成熟的造船工業，風場開發的同時若
可以結合自主研發適合台灣海峽的浮動平台，更可
提高國內自主開發經驗且充實國內離岸風電產業的
量能。
為因應臺灣人民、企業用電的需求及能源的穩
定性與使用的風險性，臺灣政府訂定於 2025 年實現
能源轉型與無核家園的前景，在無核家園的政策下，
旨在由再生能源取代核電，將再生能源從 2016 年約
5% 增加到 2025 年的 20% [3]，預計臺灣的離岸風電
達到 5.7 GW，以緩解逐漸稀缺之陸域風機開發空間
與解放豐富的海上風力資源，風電開發商逐漸將重
心轉往海上發展。在 2016 年作為示範階段安裝了 2
臺 4MW 風機於臺灣苗栗西海岸，而後在 2019 年增
加額外 30 臺風機的安裝，總容量為 120MW [4]，隨
後Formosa 2 在2022 年完成了 47 臺8MW 風機，總
容量為 376MW [5]，這兩個離岸風場的資金幾乎是
由外商公司所投資的，主因為臺灣政府實施全球最
高之躉購費率(Feed-in Tariff, FIT) 以吸引外商投資，
與英國的 15 年FIT（74.75 和57.50 英鎊/MWh）和
德國的 12 年FIT 相比，臺灣的 FIT 不僅更高，而且
適用期更長[6]，未來將有更多風電廠商進駐。
圖1. 臺灣海域風能密度 [7]
從淺水區邁向風 能 潛勢佳的區域
新竹、澎湖外海為我國西部海域中風能潛勢優
異的目標場域，但其水深大多超過 65m，因此採用

浮動式平台是為解決深水議題並布局更佳風能資源
之可行方案。在成本評估階段，相較於採用固定式
基礎之開發案因受到鋼材使用量導致其成本與水深
成正比，浮動式平台的整體開發成本更加彈性。另
外，浮式平台如同船舶的特性使得平台可以先在港
口進行風機組裝並使用拖船運送至目標場址進行安
裝，風機故障時亦可一同拖回港邊進行維修，大幅
降低在海上安裝及拆除之危險性。以上特性同時兼
顧了新綠能開發也帶動國內本土離岸風電產業進步，
使台灣在開發綠色能源的里程中大大邁進一步。
浮動式風機成為 深 水區選擇
浮動式風力發電機顧名思義是將風力發電機放
置於一座浮式平臺上，浮式平臺的概念設計是由石
油及天然氣產業所發展而來 [10]。技術上，浮動風
機的可行性是極高的，因為藉由數十年的海上石油
鑽井平臺的經驗證實了浮動結構的長期可用性，浮
臺是由繫泊系統將浮式平臺固定於海上，為了採集
較陸域更加豐富且穩定的風力資源 [11] 常選擇位於
離岸 10 到20 公里安裝，加上安裝於海上可採用更
大型的風機，當風機葉片的尺寸達兩倍長時，產出
的能源即可多達十倍 [12] ，具相當優良的經濟效率。
隨著離岸風電產業的興起，離岸風場無法避免
從淺水區轉往深水區發展，臺灣也不例外。目前臺
灣的離岸風場分布如圖 2，然隨著第三階段區塊開
發的的開放, 總建置容量 15GW 的風場容量將釋出，
風場的建置也勢必朝離岸更遠的的距離發展，浮動
式風機的發展將隨之發展。
圖2. 臺灣離岸風場分布 [13]
世界上商轉的浮動式風場有位於葡萄牙的
WindFloat Atlantic 及蘇格蘭的 WindFloat Kincardine
和Hywind Scotland。但這不代表浮動式風機不具有
應用價值，反而證明了浮動式風場技術正慢慢趨向
成熟。世界各國以及臺灣正致力於浮動式風機的相
關研究，之所以發展浮式風機原因如下:
1. 浮式平臺不受離岸風場的水深限制
2. 在施工及安裝方面比固定式風機容易許多
3. 比較不會因為自然災害而有風機損壞及結構破
壞的情形
4. 在安裝浮式平臺的技術方面提供多種解決方案
5. 風機尺寸不受基礎結構限制 (由圖 3，可知風
機尺寸愈大，發電容量愈大)
因此，若欲在水深 65 公尺以上的海域建置離岸
風場，根據過去已建造完成之固定式離岸風機的經
驗可知，該工程除了需耗費龐大的資金與時間之外，
海平面下面的結構亦非常昂貴且製造困難，加以需
使用租金非常高的安裝船，使用固定式風機的水下
基礎將不合乎成本效益，故產生採用浮動式平臺的
概念，以支撐一臺高度達到 200 公尺的風機。
圖3. 風機容量與成本價格之關係 [14]
浮動式風機之優 勢
基於前章節所述，浮動式風機於水深大於 65 公
尺之海域會較固定式有更大的優勢，水深越深固定
式基礎的成本將大幅上升，難以符合開發成本。
另外，浮動式相較於固定式對於承載更高瓦數
的風機的上限更高，而更高瓦數的風機即代表更低
的平均成本， Matt Shields 等人在 2021 所做的研究
[15] 提到，在一總風力資源為 1000MW 的風場，使
用20MW 風機進行設置之成本將會較使用 6MW 風
機進行設置之成本下降，包含減少 20%的系統總成
本及 30%的運維成本，主要下降體現於更少的風機
支數以及下部結構，而運維成本下降是因為當風機
支數下降，其需要維修的可能性也更低，也降低維
運船前往風場維護之頻率，如圖 4、5所示。

圖4. 總系統成本隨風機瓦數上升而下降 [15]
圖5. 運維成本隨風機瓦數上升而下降 [15]
對於台灣來說，附近海域的潛在風力能源較大
部分仍為水深 50 公尺以上的深水區，工業技術研究
院於 2015 提出一份”台灣離岸風力潛能與優選離岸
區塊場址研究” [16]，對離岸風力可開發量進行推估，
當水深達到 50~100 公尺時，臺灣佔海面積達到約
12000 平方公里，潛力容量可達到 90 GW，但考量
到海底纜線或航道等需要避開的區域，以及漁業衝
突或技術難度等因子影響開發量，最後估計之開發
量為 9 GW。而水深 5~50 公尺之水域綜合開發量估
計為 6.2 GW，這表示在台灣，深水區包含約淺水區
1.5 倍的風力資源。而這是以 20%開發率為計算因子，
而開發率會因浮式風電的技術上升而提高，使得深
水區的風力資源能得到更完整的開發。綜合以上所
述，浮動式風機的願景代表的是更低的成本下限以
及仍未曾被踏足的豐富風力資源，當淺水區的風力
資源被固定式風機開發完畢時，台灣的綠色能源勢
必要將目光投向下一階段的浮動式風機。
半潛式浮臺優 於 浮 筒式及張力腿式
風機的發電原理，是藉由空氣流動吹向葉片帶
動軸承旋轉將風能轉換為動能，並透過軸承旋轉帶
動轉軸內部的磁場交變形成電場，將動能轉換為電
能的機制，經由海纜傳輸電力到陸上，理想上發電
機需為穩定速度的旋轉，才能將風能與電能之間的
轉換效率達到最大。由此可知，浮動式風機的浮臺
穩定度對風力發電的效率而言，也有著不容小覷的
影響力，例如離岸風機在發電時，若浮臺受到風浪
影響使整座風機產生不連續的晃動，則會導致浮臺
無法獲得最大受風的力量，進而影響發電的效率，
即便能夠透過葉片旋角系統去控制葉片的角度，但
對於整體發電效率而言，仍不及固定式風機的效率，
藉由半潛式浮臺的設計，除了浮臺本身就有相當高
的穩定性之外，在塔柱吃水部分的設計有更多的調
整空間，並且透過精密的氣液壓控制系統，隨著波
浪的起伏控制三個塔柱進水量使得浮動式風機浮在
海面上能夠十分穩定，對於發電的效率也能夠提升。
以上說明了半潛式浮臺在穩定性上的優點，如
果綜合比較四種不同型態的浮臺，整體而言，半潛
式浮臺是較為優異的選擇，因為其優點多，而限制
性的缺點很少，目前在世界各國工業界以及學術界
所推出的設計概念，半潛式浮臺佔了絕大多數 [19]。
以下簡單說明另外三種型態浮臺的主要缺點:
(1) 浮筒式: 浮臺吃水非常深，通常可以達到 90
米左右，臺灣海峽海水深度不夠，然而臺灣東岸太
平洋海域雖然水深足夠，但是因為臺灣沿岸的港灣
深度最多也就只有數10 米，沒有像挪威的深水峽灣
可以作為風機塔臺與葉片安裝所需要的平靜海面，
所以浮筒式在臺灣周邊海域完全無法安裝。
(2) 張力腿式: 浮臺的安裝較為困難，主要原因
是安裝程序較為複雜，這種複雜性曾經在石油業界
造成重大事故，另外，張力腿要承受非常高的系泊
張力，造成對於錨碇的設計要求極高，錨碇成本也
因而提高，所以到目前為止，世界各國採用張力腿
式的設計概念算是少數。
(3) 駁船式: 浮臺有其先天上的缺陷，因為其形
狀，船體在水面的體積較為龐大，所以受到風浪流
的作用力也會因而比較大，在有颱風環境的海域這
會成為一大缺點，目前在世界各國採用的各種設計
概念中，駁船式也比較少被採用。
臺灣設計之半潛 式 浮臺
國立臺灣大學、臺灣國際造船（CSBC）、財
團法人船舶中心（SOIC）的研究人員和工程師共同
組成了設計團隊，目標是進行承載 15MW 風機半潛
式浮臺”臺大浮臺”的開發設計(如圖 6、7所示)，以
期提供風電開發商，於臺灣海峽中水深 60 公尺至
100 公尺的風場規劃部署時，能以本土設計與建造
的浮臺結構為首選，除了可彰顯本土的技術能量，
亦能為開發商參與風場競爭的方案加值。
目前完成了浮臺的初步設計，浮臺是個帶有環
形 pontoon 的 3 柱半潛式浮臺，能夠承載大於 2200
噸的 15MW 風機，此設計擁有下述幾個優點 [19]：

1. 容易施工建造：臺大浮臺的設計比較將近 20
種變化型，最終將圓形柱子進化成不規則六角
形立柱，這個改進可以讓造船廠施工建造的流
程變得極為流暢，不需要用彎板機耗時耗工地
建造大型圓柱，大量的銲接也都轉變成可採自
動或半自動的面銲接，不但簡化施工，且能夠
間接提高銲接品質。
2. 海面上的高度穩定性：透過安排三個柱體的最
佳位置和尺寸大小來增加水面面積的慣性矩，
以及在環形 pontoon 內使用海水作為永久壓載
來壓低整體重心，使得浮臺具有高穩定性，即
使在柱內幫浦未運送壓載水時，也能在風浪中
保持非常小的浮臺傾角，保持風機的最佳發電
效率。
3. 堅固的船體結構：浮臺形狀採用傳統環形 pon-
toon 加上立柱的布置方式，這在海洋石油業界
已經取得了超過五十年的經驗驗證。環形 pon-
toon 與水平支撐（horizontal bracings）使整個
浮臺外殼變得極為堅固，此設計避免了複雜的
斜角支撐柱的使用，將疲勞斷裂的可能性降至
最低。
4. 高效率的壓載重量分佈：將主柱尺寸增加，使
得其額外的浮力可以用來支撐風機的重量。相
較於三柱直徑相同的設計，臺大浮臺的外柱不
需要額外的壓載來平衡主柱的風機重量。所有
柱體都只需要保持小量壓載海水，該壓載可用
於在工作運作階段來控制平臺傾角。由於外柱
沒有額外大量海水壓載，降低了浮臺重心，也
提高了浮臺穩定性。
5. 平緩的浮臺運動：寬大的 pontoon 可以直接提
供阻尼（damping）以減緩浮臺的運動，如起
伏（heave）。Pontoon 內的永久壓載可以平衡
內外壓力差，壓載水的質量也進一步增加浮臺
穩定性，減緩浮臺在風浪中的運動。
6. 寬闊的甲板空間：主柱頂（甲板）和三根水平
支撐提供了寬敞而又連續的作業空間，初期海
上安裝時便利於施工人員進行施工程序。對於
設計壽命中偶爾需要的不定期維修，能提供運
維人員更好的工作環境。
圖6. 台灣的半潛式浮臺設計 -- 臺大浮臺(TaidaFloat)
圖7. 臺大浮臺在海上作業的電腦示意圖
結論
台灣的風力能源發展從 2000 年開始從陸域風機
開始嘗試，並在 2016 年一路進入離岸風電，而目前
離岸風電只以固定式為載體，但在 2025 年左右，開
發商將目光移向深水區時，浮動式風機則會因成本
以及乘載風機之高瓦數，而成為更好的選項。更大
的風機瓦數代表著更低的成本下限，且深水區蘊含
著較淺水區更大量的風力資源等待開發。
國立臺灣大學、臺灣國際造船（CSBC）、財
團法人船舶中心（SOIC）共同設計了 15MW 半潛式
浮臺。在世界各國推出的浮臺設計之中，臺灣本土
設計的”臺大浮臺”擁有多項獨特的優點，有機會成
為風電開發商之選擇，期望能成為風電開發商之首

選，一能彰顯本土的技術能量，帶動國內產業供應
鏈的發展，亦能為開發商參與風場競爭的方案加值。
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