LOGE-離岸風機支撐結構設計

離岸風機支撐結構設計

離岸風機支撐結構整體分析

本研究室參考美國國家再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory, NREL)OC3及OC4報告，以Bladed軟體建立5MW之單樁基礎(monopile)與套管基礎(jacket type foundation)型式之離岸風機(如圖1)，進行離岸風機動態反應整機分析。

圖1 (a)單樁基礎之離岸風機；(b)套管基礎之離岸風機

離岸風機支撐結構設計流程可區分成概念設計(concept design)、基本設計(basic design)及細部設計(detailed design)等三階段。進行離岸風機支撐基礎結構設計時，首先要檢核支撐結構自然振動頻率(fn)是否落在容許設計範圍，以避免風機運轉時與風、波等外力頻率或葉片轉動頻率相近而發生共振，導致離岸風機破壞。因此，本研究室透過Campbell圖檢核NREL OC3及OC4報告中參考風機之自然振動頻率。圖2為單樁基礎離岸風機自然振動頻率分析結果，NREL OC3報告模擬結果約為0.25Hz~0.28Hz，本研究室分別建立基礎固接及考慮我國彰濱先導型離岸風場土壤條件設定基礎勁度之離岸風機支撐結構數值模型，基礎固接之支撐結構自然振動頻率為0.278Hz，考慮基礎勁度之支撐結構自然振動頻率為0.259Hz。圖3為套管基礎離岸風機支撐結構自然振動頻率分析，NREL OC4報告模擬結果約為0.29Hz~0.31Hz，本研究室分別建立基礎固接及考慮基礎勁度之離岸風機支撐結構數值模型，基礎固接之支撐結構自然振動頻率為0.3Hz，考慮基礎勁度之支撐結構自然振動頻率為0.292Hz。

圖2 單樁基礎之離岸風機自然振動頻率

圖3 套管式基礎之離岸風機自然振動頻率

強震區高液化潛勢離岸風機支撐結構設計流程

離岸風機支撐結構設計與施工為離岸風場開發的重要工作項目；由於離岸風機支撐結構連接風力發電機組及海底輸電線路，因此需於風場運轉年限內(一般為20~25年)提供足夠之穩定性，避免造成發電機組損壞、海底纜線斷裂、甚至風機倒塌之意外。支撐結構主要由下部結構及塔架組合而成(圖1)，自機艙底部至維修平台為塔架(Tower)，中間以接合元件(Transition piece)透過灌漿接合基礎，接合元件一般長度約10~15m，接合元件與基礎（Foundation）稱為下部結構(Sub-structure)，樁基礎尺寸則依照風機設置點位的土壤條件決定。

圖1 離岸風機各部元件說明圖

(單樁基礎Monopile foundation及套管式基礎Jacket type foundation)

我國位處地震頻繁地區，本研究室針對我國離岸風場進行地震力分析及海床土壤液化潛勢評估，研究成果指出，我國離岸風場海床於回歸期475年設計地震條件下，土壤液化潛能極高(圖3)。此外，根據日本2011年發生311地震後針對陸域風力發電廠損害評估結果指出，地震引致土壤液化導致風機支撐結構傾斜角度超過風機運轉容許傾斜量(θ<0.5^。)(圖2)，土壤液化發生影響風機支撐結構之穩定性甚鉅。我國離岸風場發展在即，面對我國高液化潛勢離岸風場海床環境，必須審慎評估液化海床中離岸風機支撐結構穩定性，以確保離岸風機運轉年限內安全無疑。

圖2 我國先導型離岸風場液化潛勢圖-我國耐震規範建議評估方法 [郭(2015)]

圖3 日本茨城縣鹿島發電廠於311大地震後造成之風機相關損害[Umar and Ishihara (2012)]

現有離岸風機支撐結構設計規範[DNV(2014),GL(2010),BSH(2010)]明確指出對於強震區之離岸風場須將地震力與海床液化納入支撐結構設計。然而，由於現有歐洲離岸風場均非設置於強震區，因此國外設計顧問團隊亦無法提出合適之設計分析建議，其設計成果可能低估地震作用影響或過份保守設計，造成我國離岸風場建置與營運安全疑慮。

為解決我國高液化潛勢離岸風場海床土壤條件之風機支撐結構設計關鍵問題，本研究室執行第二期能源國家型科技計畫(NEP-II)與國家地震工程中心合作「產學合作計畫-高液化潛勢區離岸風機基礎穩定性評估(1/2)」計畫，首度提出強震區高液化潛勢離岸風機支撐結構設計流程，完成建立強震區高液化潛勢離岸風機支撐結構設計流程，補足目前國際現有離岸風機設計規範對於地震與海床液化設計說明不足，提供我國離岸風場開發參考應用。

參考文獻

國內外期刊發表

•	王昱凱，廖偉宏，許博凱，曾韋禎，郭玉樹 (2015). “離岸風機支撐結構自然振動頻率受基礎勁度影響數值分析,” 風電月刊, 2015年8月號, pp.9-16.
•	郭玉樹、王昱凱、許博凱、曾韋禎 (2014). “離岸風機基礎設計與驗證考量,” 地工技術, 2014年12月號, No. 142, pp.7-16.
•	何玉玲、吳明珠、蔡潔忞、郭玉樹(2013). “我國離岸風場基礎型式選擇及設計考量,” 風電月刊, 2013年4月號, pp.12- 18.

國內外研討會發表

•	Kuo, Y.-S., Abdel-Rahman, K., Wu, K.-T., Huang, T.-Y. and Achmus, M. (2014). “Suitability of a Pile Group Foundation for an Offshore Wind Turbine,” Proceedings of the 24th International Ocean and Polar Engineering Conference, Busan, Korea, Vol. 1, pp.222-226. (EI)
•	Tseng, W.-C., Wang, Y.-K. and Kuo, Y.-S. (2014). “Scour Effects on the Deformation Responses and Natural Frequency of Offshore Wind Turbine Support Structures,” Chinese-German Joint Symposium on hydraulic and ocean engineering, Hannover, German.
•	Su, F.-C., Chung, C.-Y., Chiu, S.-Y., Wu, M.-J., Kuo, Y.-S. (2012). “Application of Lagrange’s equation of motion to estimate natural frequencies of monopile foundations,”The 6th Chinese-German Joint Symposium, Keelung, Taiwan, pp.671-679.
•	Achmus, M., Kuo, Y.-S. and Abdel-Rahman, K. (2010). “ Numerical investigation of scour effect on lateral resistance of piles,” International offshore and polar engineering conference, ISOPE 2010, Beijing, China, Vol. 2, pp.619-623. (EI)
•	郭玉樹、廖偉宏、蕭蘊璇、陳克維 (2014). “離岸風機單柱支撐結構於側向載重下之行為,” 2014台灣風能學術研討會, 台北, Session D, OW-03.
•	郭玉樹、吳冠廷、曾玉修、陳景文 (2014). “反覆側向載重對群樁效應影響研究,” 2014 SIMULIA Regional User Meeting, 台北.
•	蘇峰堅、郭玉樹、曾韋禎、邱盛彥、吳坦融 (2012). “反覆載重作用對離岸風機支承結構自然振動頻率影響,”2012台灣風能學術研討會, 新竹, G6-16.
•	練詠莊、黃迪瑩、曾韋禎、何玉玲、郭玉樹 (2012). “離岸風機單樁基礎側向變形分析— p-y 曲線法,” 第34屆海洋工程研討會, 台南, pp. 863-868.
•	郭玉樹、曾韋禎、練詠莊、陳冠廷、陳景文 (2011). “海床掏刷對單樁基礎側向變形影響研究-現有分析法比較,” 2011台灣風能學術研討會, 台南.
•	郭玉樹、曾韋禎、陳景文、Achmus, M. (2010) . “以數值模型模擬海床掏刷對海上風力發電機單樁基礎側向變形影響,” 2010台灣風能學術研討會, 澎湖.

畢業論文

•	彭珩筑 (2015)，「離岸風機大口徑單樁基礎受側向力時樁週孔隙水壓分佈」，碩士論文，國立成功大學水利及海洋工程所，台南。
•	林柏延 (2015)，「離岸風機大口徑單樁基礎受地震力作用之行為」，碩士論文，國立成功大學水利及海洋工程所，台南。
•	許博凱 (2015)，「基礎勁度對離岸風機支撐結構行為影響研究」，碩士論文，國立成功大學水利及海洋工程所，台南。
•	蔡潔忞 (2014)，「波浪引致砂質海床中孔隙水壓變化」，碩士論文，國立成功大學水利及海洋工程所，台南。
•	吳冠廷 (2014)，「群樁在無凝聚性土壤中受反覆側向載重行為之研究」，碩士論文，國立成功大學水利及海洋工程所，台南。
•	施淳仁 (2013)，「台灣西部離岸風場液化潛能評估」，碩士論文，國立成功大學水利及海洋工程所，台南。
•	練詠莊 (2013)，「離岸風機群樁平台基礎側向變形行為初步研究」，碩士論文，國立成功大學水利及海洋工程所，台南。