2010/04/05
經濟部能源局
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▓撰文：陳文杰 ▓圖片提供：工研院能環所
風力能源（Wind Energy）開發在再生能源中的占比是相當重要的一環。依據世界風能協會（WWEA）報告，至2008年全球累積裝置容量為121,188MW，年發電量達260TWh，相當於全球電力消耗的1.5％，預計到2020年，全球總裝機容量將達1,500,000MW。對此，我國政府亦規劃以風力發電做為主要推動項目，並在2010年達成於再生能源發電占比為10％目標。
近年來，對於陸域風場開發逐漸飽和的國家來說，已逐漸將風電開發的重心放在離岸式風力場址上，我國亦於2007年9月1日公告實施「第一階段設置離岸式風力發電廠」方案，未來離岸風力的開發將為我國建構永續經濟發展，再向前邁進一大步，據此，離岸風速觀測成為首要項目。
離岸風速觀測塔重要性
推動離岸風電的開發工作，首要的工作是要遴選、確認優勢風場，因此建立海域風能（或風速）觀測成為重要的基礎建設。風能觀測工作的功能在於收集標的風場場址之相關風力環境資料，如風速、風向、濕度、溫度及氣壓等風力電廠的設計基本資訊，進而做為評估風場風力資源、未來開發成效（離岸風力電廠的開發投資金額龐大且需有長期營運的規劃）、風機（Wind Turbine）的選用與建造及配合後續電廠運轉監測工作。
因此，風能觀測塔不但是設置離岸風力電廠之前導示範與驗證工作，除可提供申請離岸風場開發申請的相關必要資訊之收集外，亦可避免開發計畫的無謂風險與失敗。風能觀測塔所獲取的風能資料，正是風能開發商對新設離岸風力電廠開發、投資前最重要的考量、依循資料之一。
離岸風速觀測塔形式
依風場所在場址的地質、水深等不同環境條件，測風塔在設計上會結合不同水下結構體種類（風機的建造亦常考量場址的地質、水深而有不同的基座設計），而有重力式基礎、負壓沈箱基礎、單樁基礎、三腳基礎、塔架基礎等幾種主要的設計型式，其中水下結構以單樁形式居多，而塔架結構以三腳或四腳的管柱椼構組合為主，同時有些時候測風塔也會利用所謂的光達遙測技術（Light Detecting and Ranging, LIDAR），惟從國外所建置的離岸風速觀測塔建置分析，以不具LIDAR塔居多。
國內外風能測風塔建置
各海域風速塔觀測站的建置目的，乃是為了獲取海域上方高空風場資訊，而帶動風機葉片旋轉發電的力量，正是該處的風能力量，因此測風塔建置、利用是相當重要的工作。一般而言，風能物理量的量測測具會安裝在高聳測風塔塔架的不同高度位置處，以收集各處點的風能資訊。附表為國內外已建置的測風塔案例，可供國內未來離岸風場建置、評估時參考。
離岸測風塔設計
離岸風速觀測塔的功能除了調查風能特性外，亦可考慮預留適當空間提高塔架的功能性，如氣象測量（溫度、壓力、太陽、雨）、水中測量（水流、潮汐、波浪、溫度、密度）及結構測量（延伸應變、加速度）等。我國目前積極在西部海域所推動進行的離岸風廠開發工作的前置離岸風速觀測塔個案不多，未來對於風速觀測塔建置的設計考量，應加上下列相關問題：
一、颱風地震：海峽區域的地理、氣象特性所造成的極端負荷與匹配強度。
二、海床：地質（質細砂、質黏土及黏土質沉泥）鬆軟惡劣需有植樁強度、型式考量。
三、湧浪：最大浪高與週期。
四、漂砂：避免地質不穩定區域。
五、上下船塔：塔架上工作所需的泊船定位與人員安全設施。
六、腐蝕：塔架結構的浸海、鹽害與潮間帶等防蝕。
七、海洋生物：對海洋生物的防污措施。
八、工作電源：太陽光電、風電、蓄電池等測具動力的提供。
九、運補維修：包括空中、海上、甲板面與塔頂的運補維修。
因此，一座離岸風速觀測塔的硬體設計，應從場址處的環境條件如：颱風、地震、雷擊、腐蝕及地質等面向開始，進行塔站的地質調查（如鑽探）與環境分析（如海域的波浪、海流、潮汐、季風、漂砂等）工作，然後進行測風塔本體及水下結構物的設計與驗證分析。最後結合物理量的量測測具及其資料處理系統的妥善安裝，以及架台的交通、防腐、避雷、航行警示等事項的規劃。
未來與展望
離岸風力電廠的開發，首要工作即是場址的風能潛力評估，因此風能觀測塔的建立是相當重要的，在風速塔所獲取的風能資料，是風能開發商對新設離岸風力電廠開發、投資前最重要的技術考量資料。而建置離岸風速塔架除可借鏡國外已建置之硬體案例的設計及考量外，惟在量測方法與程序步驟方面更應探討、謹慎，因為場址有效、代表性的風能資料具高度商業性價值。
我國西部海象環境惡劣，多颱風及地震，技術之風險高於歐洲地區，因此在台灣海峽區域的地震、颱風、季風、風浪、洋流等，對風速觀測塔及爾後風場風機設立結構的交互負荷，除須先行地質調查外，塔架的設計、結構尺寸的訂定，宜遵循相關工程規範，並對於限制區域、生態保護等事件，亦應先行考量。
我國現正積極開發離岸風能之際，目前國內的風能專用觀測站有限（3座陸域及1座海域），而氣象局觀測站分布不均且高度不足，該4座60公尺高風能觀測站所能提供資訊有限，對於國內陸海域風能數值模擬推估之精確度有待提升。（作者任職於工研院能環所）