離岸風力發電-選址與風場設計規劃

•一個離岸風力發電場選址應首先評估其可用的風能資源和限制因素，這些限制因素來自於其他海上作業者。

•此外技術上的條件也需要加以考慮。多準則分析對於多方面因素的綜合評價一個非常有用的工具。

•風力發電開發首重找尋風力潛能佳之開發場址，風能的好壞攸關開發場址發電效益，所以當特定場址鄰近地區無任何觀測資料可作為分析或參考依據時，透過中尺度數值模擬結合局部風能評估之方法，可得到高空間解析度與高時間解析度的資料，以補觀測資料之不足，進而有效性及快速性地得知場址風力潛能。

•必須注意的是風力發電的效益與設置地點周遭地型與地物等環境因素有極大的關係（very local sensitive），而區域之基本風能分布為一較大範圍之風能評估，僅可作為選址與初步規劃之參考。若欲實際設置風力機時，則必須進一步作詳細現場調查與細部場址規劃（micro-siting），以獲得最佳之發電效益。

•同時基本風能分布為大區域數值模擬的結果，具有一定程度之不準確性，若欲大規模開發風力發電場（wind farm）時，則必須於規劃場址事先架設測風儀器，蒐集至少一年以上之風力資料（最好能有數年資料，因為每年之風力亦會變化），以確保最大之投資效益。

•觀測資料: 風能觀測部份包含現有各海域風能觀測站（10 m、30 m、50 m、60 m）、測風塔（10 m、30 m、50 m、70 m）以及氣象局測站（10 m），資料包含逐時風速、風向、氣壓、溫度等觀測項目；全球氣象網格資料部份包含NCEP Final Analysis以及QuikSCAT衛星風場，分別作為氣象模式初始場以及加強海域觀測數據。

•數值模式: 使用『The Weather Research and Forecasting Model 3.0』，WRF模式系統架構可以分為前處理系統（WRF Pre-Processing System；簡稱WPS，模式初始場之建立），系統模擬中心（WRF ARW model），及後處理系統（Post-Processing & Visualization，模式之輸出繪圖與診斷分析）。WPS作為模式初始化的前處理系統，主要作為統計場與domains網巢設定、分析場與預報資料的網格處理、氣象資料依照設定網格做水平內插，主要流程是先由處理模擬的地圖投影部份，並將地形與地表之特徵建立且內插至模式之網格中，再引進低解析度之全球觀測分析資料作為模式網格的初始場。前處理系統所產生之初始場內差至WRF模式網格系統後，經積分運算所獲得之結果透過後處理系統輸出處理，藉由繪圖軟體將結果加以分析並進行風場之繪製。

•資料分析與修正: 使用WRF數值模式，動力積分解模擬陸海域地區風能特性。模擬作法以Cold start run的方式進行真實個案時序列模擬，每次模擬時間為48小時，每隔6小時更新一次大尺度邊界條件，模式每小時有一筆輸出。透過數值模式可得大範圍高解析度風場分布情形，再利用Model Evaluation Tools（由美國國家大氣研究中心（NCAR）之發展測試中心（DTC）針對WRF數值模式所發展之驗證工具），進行模式結果與陸海域實測資料之比對。

•對於一個可行的專案而言，良好的經濟效益和良好的風力資源是必不可少的。因此，選址過程中的首要步驟之一即是開展風能資源評估。初始能源產量的計算需要瞭解平均風速天氣狀況。對於大片區域而言，梯度值可能發揮很重要的作用。其他氣候特徵，如湍流強度水準和極端風速將決定該項目中風電機組的選型範圍。

•在專案初期階段，初步風能資源評估通常依賴于現有的資料來源。通常情況下，即將建設的海上風電場附近有海上風資源測量裝置，所以從一定距離外的現有海上測風塔或者從沿海測量站向外推算風速資料是十分必要的。若沒有任何測風儀器，可使用這個階段內、從全球天氣模型中獲取的類比風資料。此外，從之前的分析中可得到風速圖。這些資料來源可能不太合適用於風能評估，但當權衡項目早期階段的成本和精度大小時，這些資料來源可能有其附加值。

•在項目後期階段，如果風電場附近有風資源測量設備（例如：近海石油和天然氣平臺的測風設備，海上氣象觀測站），就必須根據其提供的資料進行一個詳細的風能資源評估。若沒有此類設備，就有必要進行現場測試。在海上以適當的規格安裝海上測風塔的基礎需要很大的投資。所以更加節約成本的測量技術正在普及，如雷射雷達技術(LiDAR)。

為確保所選定之離岸風場可達到可行性研究階段之預估產電效能，使得所投入之鉅額離岸風場開發案能獲致預定之效益，一般會於預定場址先進行現場風資料的實測與分析，以掌握該風場之可開發風能；並於風場開發初期，針對不同風與大氣條件下之各種風速範圍，進行風速及電力輸出資料之同步量測與蒐集，並建立足夠觀測長度之統計資料庫，以獲得功率曲線(power curve)，藉以決定風機之功率性能特性(power performance characteristics)，進而評估風場的年發電量AEP(annual energy production)。而離岸觀測塔之設置，主要係作為觀測儀器的載具，以蒐集風場之相關資訊，供前期風力機組選擇、整體風場調整及後續營運階段之產能監控、推估、預測及營運管理維護之憑據。

•離岸風電場選址很大程度上受到一系列現有及未來海域使用者的限制。一些典型的海上風電場場址限制條件見下表

•限制條件的研究結果可能很難解釋，或可能幾乎沒有留下任何可用于建設離岸風電場的地方。因而先進行軟硬限制分類是有用的。硬性限制條件完全排除開發任何風電場的可能性。採取適當的緩解措施後，軟性限制可能會消除。這些都需要與利益相關者協調商議輔助措施（或額外費用）。

•其次，無論是在給定限制條件下確定可能的建設地點，或是努力實現風力發電場經濟可行性，多標準分析都是一個有用的分析工具。分析是基於結合和權衡確定的限制因素。為實現視覺化，其結果可測繪為受限最少區域圖。

•多準則分析用來確定離岸風電場受限最少區域。軍事領域在此被認為是一個硬性限制條件，因為它是一個重要的海軍管制區，海底也有存在未爆炸武器的高風險。其他所有限制條件均是軟性限制，但其各自的重要性不同。

•譬如，交通運輸繁忙的海運航線是一個主要的制約因素，與此同時，風電場對近海區域的較高視覺衝擊影響也不容小覷。雖然這些制約因素的影響可能被消除或弱化，但項目成本和風險會因此而更高。

•風場內的水深也是軟性限制因素之一，因為水深沒有超出典型海底基礎的技術限制要求。此外，因為可能有適用的技術來儘量減少任何負面影響，魚群是一個影響較小的限制因素。

•之前的選址過程已經確定了風電場可以規劃的邊界。接著，佈局設計中需考慮其他一些因素;從現有風電場佈局中可瞭解到一些需要考慮的因素。

•此步驟中，風電機組選型（或考察風電機組的類型範圍）也是關鍵因素。

•充分瞭解場址資訊，優化佈局以使能源成本最低，其結果使成本和發電量間達到平衡。

•離岸風電場佈局設計的關鍵因素：

•風電機組類型

•輪轂高度

•風電場容量

•風電機組間距

•每個因素都與其他因素息息相關。譬如：改變風電機組的類型就得重新考慮其他三個要素。同樣地，風電機組間距的變化可能會改變風電場的總容量。

•每個要素的選擇取決於幾個因素。首先，是離岸風電場的許可條件。通常會指定風電場場址邊界，限制最大容量，葉片頂端高度和/或轉子直徑。也可能是限制使用某些技術，如基礎類型或安裝方法。許可性條件通常是基於審批過程中影響因數評估。例如，其可能涉及到航行的安全性，海底噪音或者電網容量。所以，必須綜合考慮所有情況，細緻瞭解背景資訊，以確保佈局方案能完全兼顧所有方面。

•設計風電場第二個關鍵因素是尾流影響。良好的風力發電場設計應重視現場的主導風向，以減少尾流損失。例如：增加風電機組的間距可以減少尾流損失，雖然該方案可能降低風電場容量（邊界內風電機組數量變少）或增加場內電纜的成本。因此，減少尾流損失需權衡技術和經濟兩方面。

•兩例旨在減少尾流損失的風電場佈局如圖6-5，6-6所示。第一幅圖為荷蘭108MW的Windpark Egmond-aan-Zee (OWEZ)海上風電場。橫向機組的排列方向與主導風向（西南）垂直，行間距較寬。第二個風電場離第一個風電場不遠，為120MW的海上風電場。該風電場中行排列是交錯的，這增加了主導風向上的有效間距。

•海上風力發電場佈局設計的第三個限制條件是場址條件，特別是湍流強度和極端風速。IEC標準定義了最高條件下設計水準的分類標準，可據其內容對海上風電場風電機組進行認證。

•現場條件也會影響風場的間隔。雖然海上周圍湍流強度水準普遍較低，考慮附加尾流的湍流影響仍是必要的。正如尾流損失，通過增加風場的間隔，可能降低附近尾流的湍流影響。這一點在風電機組按湍流強度B等級核證時尤為重要；IB或者IIB等級的認證在風電機組中得到了更廣泛的應用。

•160MW的Horns Rev丹麥的風力發電場在尾流影響下有相對低的湍流值。風電機組以7倍於風輪直徑的距離均勻地分隔開，如圖6-7。

•決定風電場佈局的最後一個因素往往是成本。例如，風電場水位較深需要較大的基礎，成本可能會更高。雖然從整體上看需要較少的基礎，但大型風電機組的基礎更為昂貴。風電場設計也能影響電氣基礎的成本。風電場容量增加可能需要更大截面的輸出電纜，這是問題的根源所在。或者，提高風電機組間距可能意味著需要更長的場內電纜。

•330MW Belwind海上風力發電場的佈局設計主要出於最大限度降低成本的目的。此專案分為兩個階段，第一階段165MW依據泥沙河床淺水設計。這是由於單樁基礎的限制;第二階段可能會需要不同的基礎。

•從英國Greater Gabbard 500MW 風電場佈局（圖6-9 ）可以看出，海上風電場的設計通常是平衡一定範圍內各種因素的過程。該風場由一個海運航線主幹道分為兩個主區域，與此同時，每個區域均鑒於許可權，限制在生態敏感的沙洲區域內建設。