《離岸風電的颱風減災效益》

台灣海峽風力資源的終極潛力

本節旨在建立台灣海峽離岸風電發展的物理與法規上限。分析將從宏觀的政策目標出發，深入至微觀的技術限制，以期對最大可能部署規模進行可信的估算。

劃定可開發海域範圍

分析的起點是台灣明確的國家政策，該政策設定了在2050年實現淨零路徑中，離岸風電裝置容量達到40至55 GW的宏大目標 。此一高層次的目標為評估物理潛力提供了政治與戰略背景。

然而，總可開發面積必須經過關鍵法規限制的修正。開發商在選址時，必須主動迴避如「中華白海豚野生動物重要棲息環境範圍」及「人工魚礁禁漁區」等生態敏感區域 。此外，政府作業要點明確規定，新申請場址邊界與既有已核准場址的邊界之間，必須保持至少1,200公尺的距離 。此舉旨在確保相鄰風場的施工安全，並避免因場址劃設不當而產生無法有效利用的「畸零空間」。這些法規與環境限制將從總面積中扣除，從而得出一個更為精確的淨可開發海域面積。

21-22 MW 風機陣列密度與容量建構

21 MW風機並非純屬假設。事實上，歐洲風機巨擘西門子歌美颯（Siemens Gamesa）已在丹麥的Østerild國家測試中心完成其最新一代旗艦原型機的安裝與測試 。該機型型號為SG 21-276 DD，額定功率高達21.5 MW，配備135公尺長的葉片，葉輪直徑達276公尺 。雖然此原型機的詳細抗颱風規格尚未完全公開，但西門子歌美颯已有多款大型離岸風機（如SG 11.0-200 DD）獲得T級（Typhoon-class）認證，能夠承受持續風速達每秒57公尺、瞬間陣風達每秒79.8公尺的極端條件 。這表明該公司已具備成熟的抗颱風技術，其下一代旗艦機組應用於台灣海峽在技術上具備高度可行性。與此同時，中國的明陽智能（Mingyang）亦已推出MySE 22MW機型，其葉片直徑超過310公尺，掃風面積相當於九座足球場，並同樣標榜為「抗颱風型」（typhoon-resistant）。這些尖端技術的發展證實，本分析採用一部通用型21-22 MW等級、葉片直徑介於276至310公尺的風機規格作為計算基礎，是具有現實依據的。

風機的間距佈局對風場的整體效益至關重要，它直接影響能源效率（最小化尾流效應）與航行安全。本報告分析了數個國際公認的佈局標準：

1. 基於葉片直徑的間距：工程實踐中，為減少風機間的尾流干擾，通常建議的間距為葉片直徑的5到10倍（5D至10D）。對於直徑310公尺的風機，這相當於1.55公里至3.1公里的間距。
2. 基於網格的間距：為確保船隻能夠安全、可預測地通過風場，美國海岸防衛隊建議沿大西洋海岸的風場採用1x1海里（約1.852公里 x 1.852公里）的統一網格佈局 。
3. 容量密度（MW/km2）：此一經驗指標提供了來自真實世界的參考基準。歐洲的離岸風場容量密度介於4.9至5.9 MW/km2之間，而美國的計畫平均約為4.4 MW/km2 。近期一項針對颱風區浮動式風場的研究，甚至實現了7.0 MW/km2的高密度佈局 。

綜合考量，本報告為台灣海峽推導出一個可信的容量密度。假設採用交錯式網格佈局以優化空間利用，約6D x 8D（約1.86公里 x 2.48公里）的間距是一個平衡尾流效應與安全需求的合理起點。此佈局下，每部風機佔用的海域面積約為4.6平方公里。對於一部21 MW的風機，其容量密度約為4.56 MW/km2。這個數值與國際基準高度吻合，證明其具備現實可行性 。

這種宏大目標與尖端技術之間的相互驅動，形成了一個正向循環。政府設定的高目標創造了巨大且可預測的市場需求，特別是在一個具有極端天氣挑戰的地區。這激勵了技術開發商（如西門子能源）投入資源，創新並生產專為此市場設計的產品，最終催生了抗颱風的超大型機組 。反過來，這些專用技術的出現，又使得政府的宏大目標在技術上變得可行。近年來台灣政策的轉變，例如在區塊開發3-3期中取消強制性的國產化要求，更能加速此一循環，允許開發商採購全球最頂尖的技術，從而可能降低成本並提升計畫的整體效益與韌性 。因此，在台灣海峽全面部署離岸風電的設想，並非遙不可及的科學幻想，而是一個由政策與技術相互強化所驅動的、具備高度可行性的未來情景。

最大裝置容量：量化評估

最終的計算將前述推導出的容量密度（4.56 MW/km2）應用於1.1節計算出的淨可開發海域面積。此步驟將得出台灣海峽離岸風電的最大潛在總裝置容量（以GW為單位）以及相對應的21 MW風機安裝數量。

為處理土地利用與未來政策的不確定性，結果將以區間方式呈現：

• 保守情景：僅基於目前已公告及已核准的風場計畫面積進行計算。
• 基準情景：納入所有已知的潛力場址，提供一個更全面的評估。
• 樂觀情景：一個前瞻性的估算，假設政府為達成55 GW政策目標的上限，將進一步劃設新的海域區塊供離岸風電開發 。

表1：台灣海峽離岸風電最大潛在容量估算

註：總可開發面積為基於公開資料的估算值，實際數值將依主管機關最終劃定為準。

颱風衰減的物理學：從數值模擬到量化預測

本節將分析從容量轉向物理影響。它闡述了大規模風場削弱颱風的科學基礎，並引用高階大氣模擬研究的先例，對此效應進行量化估算。

大氣能量擷取之物理機制

從氣象學的角度看，一個大規模的離岸風場從根本上改變了大氣邊界層的特性。數千支高聳的風機陣列，等同於在海面上人為地製造了巨大的地表粗糙度與空氣阻力 。

當氣流通過風機時，葉片轉動以產生電力，此過程實質上是從大氣中提取動能。這導致風的動量被轉移，並在每部風機的下游產生速度減緩的「尾流效應」（wake effect）。在傳統的風場設計中，工程師致力於最小化此效應以提升發電效率。然而，在抵禦風災的情境下，整個風場所有風機產生的累積性尾流與能量抽取，便成為削弱風暴強度的主要物理機制 。

預測台灣海峽之颱風衰減效應：一個多尺度耦合模型

要精準量化風場對颱風的影響，需要借助尖端的「多尺度耦合」（Mesoscale-to-Microscale Coupling, MMC）數值模型 。此方法結合了兩種不同尺度的模擬，以捕捉從大尺度天氣系統到單一風機微觀擾動的完整物理過程。

1. 中尺度模擬（Mesoscale Simulation）：此層級通常使用「天氣研究與預報模型」（Weather Research and Forecasting, WRF），模擬颱風的整體結構、路徑以及大範圍的風場 。WRF能夠處理大氣的熱力學與動力學過程，是預測颱風演變的標準工具。
2. 微尺度模擬（Microscale Simulation）：當颱風接近風場時，需要使用「大渦模擬」（Large Eddy Simulations, LES）來解析風機周圍的精細湍流結構 。LES能更精確地捕捉風機尾流的生成、擴散以及彼此間的交互作用，但其計算成本極高，不適用於模擬整個颱風系統。
3. 風場參數化方案（Wind Farm Parameterization, WFP）：WFP是連接這兩個尺度的橋樑。它在WRF這樣的中尺度模型中，以參數化的方式來表徵整個風場對大氣的總體效應，而無需解析每一支風機 。目前廣泛使用的Fitch參數化方案將風場視為一個「動量吸收器」與「湍流產生器」。其核心物理概念是，風機從氣流中提取的總動能（由推力係數CT​決定），一部分被轉換為電能（由功率係數CP​決定），而剩餘部分則轉化為次網格尺度的湍流動能（Turbulent Kinetic Energy, TKE），其係數為CTKE​=CT​−CP​ 23。這個額外產生的TKE會增強大氣邊界層的垂直混合，進而影響颱風的整體結構。

透過此一耦合模型，科學家得以進行對照實驗，模擬颱風在「有」和「沒有」大規模風場存在下的路徑與強度演變。一篇針對「天鴿颱風」的關鍵案例研究，為本報告提供了直接的量化基準。該研究利用WRF模型模擬了一個大規模離岸風場對天鴿颱風的影響，其主要發現如下 ：

• 風速顯著降低：模擬結果顯示，風場的存在使得沿岸地區的最大風速降低了3至5 m/s，局部區域的降幅最高可達8 m/s。
• 降水顯著減少：風場改變了低層大氣的水氣輻合，導致降水中心向風場區域轉移，並使總降水量出現了高達16%的顯著減少。
• 規模與密度依賴性：該研究中的敏感度實驗進一步證實，風場面積越大、風機佈局越密集，其對風速和降水的削弱效果就越顯著。此結論直接支持了本報告的核心前提：一個「滿載」的風場將產生最大的減災效益。

然而，另一項針對台灣海峽熱帶風暴「海棠」的研究則呈現了更複雜的圖像，模擬結果顯示風場僅造成了-0.25 m/s的微弱風速降低 。這凸顯了減災效益並非一成不變，而是高度依賴於颱風本身的強度、結構、路徑與風場的相對位置，以及當下的大氣穩定度條件。

綜合上述研究，本報告對台灣海峽的情況提出一個基於情境的量化預測：

• 最佳情境（強颱風直擊風場密集區）：風速降低幅度有望達到天鴿颱風模擬的上限，預計可使登陸風速減少 5至8 m/s。
• 一般情境（颱風擦邊通過或強度中等）：風速降低效果較為溫和，預計可減少 2至5 m/s。
• 最差情境（弱颱風或路徑遠離）：風速降低效果可能微乎其微，預計減少 低於1 m/s。

此一風速降幅足以對颱風的災害潛力產生實質影響。在薩菲爾-辛普森颶風風力等級（Saffir-Simpson Hurricane Wind Scale）中，一個5 m/s（約11 mph）的風速降低，可能足以使颱風降級，或至少顯著削弱其在該等級內的強度 。舉例而言，一個位於四級颱風下限（風速約58 m/s）的風暴，在經過風場削弱後，其登陸風速可能降至51 m/s，從而降級為三級颱風。這意味著其潛在破壞力將從「災難性的」（Catastrophic）降至「毀滅性的」（Devastating），代表著威脅等級的顯著降低。

表2：颱風登陸強度預期降低之情景分析（以一般情境中間值 3.5 m/s 及最佳情境中間值 6.5 m/s 為例）

資料來源：基於Impacts of Large-Scale Offshore Wind Farms on Tropical Cyclones: A Case Study of Typhoon Hato的分析與推斷。

量化可避免的災害：從風速到經濟救贖

本節旨在提供使用者所要求的量化「證明」。它將第二節計算出的物理風速降低，與具體的經濟成果聯繫起來，展示風場保護效應所能帶來的巨大財務價值。

風致損害的指數性特徵

一個普遍的誤解是，災害損失會隨著風速的增加而線性增長。研究明確指出這是錯誤的。兩者之間的關係是高度非線性的，通常可以用冪定律（power law）來描述 。

破壞潛力並非在風速加倍時跟著加倍；它可能增加高達256倍(2的8次方)。一個看似微小的風速增加，例如從100 mph（約45 m/s）增加到110 mph（約49 m/s），就足以使潛在損害翻倍以上 。此原則是本節經濟論證的基石：對風速的線性降低，將導致災害損失的指數性減少。薩菲爾-辛普森等級的設計初衷，即是為了估算潛在的財產損失 。每提升一個等級，都代表著破壞力的巨大躍升，其中三級及以上的颱風因其可能造成災難性破壞和重大生命損失而被視為「主要颶風」（major hurricanes）。

可避免損失之經濟模型

颱風造成的經濟損失遠不止於重建被毀財產的直接成本。它還包括因經濟活動受到抑制而產生的長期、間接損失。

一篇利用1950至2008年全球氣旋數據的里程碑式研究，為此效應提供了穩健的計量經濟模型。研究發現，氣旋災害會對受災國的年均增長率造成微小但持續的抑制，影響時間長達災後15年 。其關鍵發現包括：

• 年均風速暴露每增加1 m/s，二十年後的人均GDP將降低0.37% 。
• 一場90百分位的災害事件（即十年一遇的強度），將在二十年後使人均收入減少7.4% 。

在菲律賓進行的個體層面研究，證實了這些宏觀發現。研究顯示，家戶所得會因風速暴露每增加1 m/s而線性下降0.39% 。這表明經濟上的痛苦遍及經濟體的各個層面。

為了使模型更貼近本地情況，本報告將納入台灣歷史上的颱風災損數據。在台灣，單次颱風事件造成的損失可達數十億甚至數百億新台幣 。例如，2024年的凱米颱風（Typhoon Gaemi）就造成了36億新台幣的財產損失 。

颱風減災為台灣帶來的經濟紅利

此處將進行最終的綜合計算。我們將模擬一個典型的強烈颱風侵襲台灣的情景。

1. 建立基準災損情景：利用前述的經濟模型 和歷史數據 ，估算一個未受減緩的四級颱風預期會造成的總經濟損失（直接損失 + 間接損失）。
2. 計算減災後的情景：使用第二節中計算出的降低後風速（例如，降低5 m/s）重新運行模型。
3. 量化可避免的損失：基準情景與減災情景之間的差額，即代表了風場在單次事件中所帶來的經濟效益。

通過考慮侵襲台灣的強烈颱風的平均頻率（每年約有3-4個颱風接近或登陸，儘管並非所有都達到強烈等級），我們可以估算出一個

年化經濟效益。此數字代表了風場保護服務的長期平均價值。

本報告將三個獨立的研究領域聯繫起來：大氣科學（風場降低風速）、工程學（損害隨風速呈指數增長）和經濟學（氣旋對GDP造成持續性負面影響）。這個分析鏈條揭示了一個非線性的經濟乘數效應。第二節建立了一個合理的線性風速降低（例如-5 m/s）。工程數據顯示，損害與風速的高次方（例如

V的8次方）成正比 。因此，一個微小的線性風速下降，會導致一個巨大的指數性損害減少。經濟數據進一步表明，這些損害並非一次性成本，而是會引發長期的經濟增長拖累 。因此，通過阻止初始的、指數級增長的損害，風場同時也阻止了長期的經濟創傷。這意味著風場的經濟效益遠比單純分析風速降低所顯示的要大得多。「減災回報」首先被破壞物理學放大，其次被經濟創傷的持續性再次放大。這是證明該計畫雙重效益屬性的最強有力的量化論據。

表3：颱風減災之年化經濟效益估算（示意性）

註：此為基於學術模型及歷史災損數據的示意性估算，旨在說明數量級。實際數值取決於颱風的具體路徑、強度及影響範圍。

戰略綜合：作為國家盾牌的能源基礎設施

本報告的結論部分將分析從技術研究提升至戰略建議的層面。它旨在重塑台灣對離岸風電發展的整體論述，主張在評估、融資和優先級排序方面進行典範轉移。

雙重效益典範：重塑投資論述

本報告的發現，促使我們必須重新評估離岸風電的價值。它不僅僅是一座發電廠，更是一項具備動態性、能創造收入且規模達國家級的防禦性基礎設施。

目前的計畫評估主要權衡資本支出與預期的售電收入。本報告主張，第三節計算出的年化可避免災損，必須作為一項可量化的正面外部性，被正式納入成本效益分析之中。這將從根本上改變計畫的淨現值及其對國家的戰略重要性。

內在風險與技術韌性

承認並應對極端颱風對風場本身構成的內在風險至關重要。研究和真實世界的事件均顯示，風機可能因颱風而受損或被摧毀，特別是對於老舊機型或偏航控制系統（yaw control system）失效的情況 。

然而，此風險正被積極地透過工程技術來應對。「抗颱風型」風機的發展正是對此挑戰的直接回應 。其關鍵技術包括：

• 更堅固的材料與結構設計：採用如碳纖維等高強度輕量化材料製造葉片，並強化塔架與基礎結構 。
• 先進的偏航控制系統：配備備用電源，確保在電網失效時，風機仍能轉動機艙，使葉片以最小受風面積（順槳狀態）應對強風，從而大幅降低風機負載 。
• 智慧控制系統：整合衛星氣象數據，允許風場進行遠程通訊與控制，即時調整所有風機的姿態以應對颱風來襲 。

近期2024年超級颱風「Yagi」侵襲華南地區的事件，為現代風機的韌性提供了強有力的真實世界證據。據報導，超過1,700台風機（包括一座最新的20 MW原型機）在內的多個風場成功抵禦了風暴 。而被嚴重摧毀的風場，其風機為正在進行汰換更新工程的舊有機組，且其偏航系統在颱風來襲時並未運作 。這表明，風險是可控的，現代、維護得當的抗颱風技術是有效的。

戰略性政策建議

1. 將減災價值納入政策考量：政府主管機關，特別是經濟部能源署，應在未來的區塊開發選商機制中（如即將到來的3-3期），正式將「可避免災損價值」納入評選標準 。對於那些提出具有卓越保護效益之風場佈局的計畫，可給予評分優待或更高的價格下限。
2. 透過公共財政為投資去風險化：離岸風電所產生的巨大公共利益（減災），為利用公共財政機制來降低私人投資風險提供了正當性。這包括擴大國家融資保證計畫的擔保比例 ，並鼓勵公股行庫及保險機構參與。此舉應被視為政府為其所獲得的國家級防護罩進行的「共同支付」，而非單純的「補貼」。離岸風電計畫面臨著高昂的資本成本和在後躉購費率時代尋找企業購電合約的挑戰 。將其重新定義為提供公共財的基礎設施，從根本上改變了政治和金融的計算方式，為政府支持提供了強有力的理由，並將整個離岸風電計畫從一項能源倡議提升為台灣國家氣候適應與韌性戰略的基石。
3. 優先考慮戰略性選址：未來的風場區塊劃設，應由能源與災害管理單位共同進行。選址決策不僅應基於風力資源的優劣，更應考量如何策略性地部署大規模風場集群，使其能有效地為人口最稠密、經濟活動最集中的沿海都會區提供屏障。