台灣風力發電現況與關鍵零組件技術發展趨勢分析

文/金屬工業研究發展中心 張瑞模

台灣目前正處在能源轉型的關鍵時刻,在電力需求安全不斷增加的情形下,亦步亦趨的發展綠色低碳能源,而其中風力發電的發展將扮演極為重要的角色,而風力發電的發展不只是推動解決綠色能源發展與用電的問題,更進一步也扮演經濟成長力的關鍵角色之一,也會為國內經濟成長與產業升級轉型,帶來驅動經濟的新契機。臺灣自有能源匱乏,百分之九十以上能源依賴進口,化石能源的依存度偏高,也因化石能源造成環境污染的問題時時刻刻困擾著各電廠所在地的地方政府,在核能電廠停機期間,更是成為全國空污討論議題,然而面對 2015年立法院通過「溫室氣體減量及管理法」與因應聯合國氣候變化綱要公約第21次締約方大會(COP21)通過之「巴黎協定」(Paris Agreement)等溫室氣體減量相關規範,我國身為高科技發展國家地球村的一員,對於溫室氣體減量是無法置身事外的,因此發展再生能源,尤其是減碳效益極大的風力發展是刻不容緩。而我國能源政策的核心價值目前朝向能源安全、綠色經濟、環境永續及社會公平等四大面向均衡並進,以促進台灣能源永續發展。

台灣風力發電發展現況

目前我們能源政策重要指標為2025年期盼能達到非核家園目標,2025年再生能源發電比例能佔全國總發電量的百分20以上,而再生能源發電以太陽能發電與風力發電裝置效益較具經濟規模,而太陽能發電面臨發電效率與用地取得困難及躉購電價調降等問題,目前建置需求已漸漸趨緩,而風力發電因離岸風力發電裝置等議題,逐漸成為發展再生能源的重要選項,隨著國際大廠如西門子、GE、Vestas等風機大廠搶進台灣離岸風電市場,使台灣成為亞洲發展離岸風電的焦點。

依據MAKE Consulting資料顯示,2017年全球風力發電新增裝置量約為49,219MW,較2016年52,414MW下降 6.1%,2018年全球風力發電新增置量則約為54,751MW,較2017年成長 11.2%,而至2019年以後全球風力發電整體市場大致維持平穩發展的趨勢。

2016年由上緯公司,完成我國首座離岸風電示範機組,如圖1所示,使我國正式邁向離岸風電發展的國家之列,而台灣長程發展風力發電目標需於2025年累計安裝600架離岸風力機、容量3GW風力機,及陸域450架1.2GW風力機,合計共需設置超過1,000架風力機,總裝置容量達4.2GW,而2018年辦理之遴選與競標作業合計規模則達到5.5GW,這代表2025年離岸風電需求目標調高變更為5.5GW,使得台灣離岸風力機的裝置需求變得炙手可熱。圖2所示為6MW之Enercon風力機。

圖1、上緯公司建置完成之我國首座離岸風電示範機組
圖2、所示為6MW之Enercon風力機

 

風力發電關鍵零組件發展技術與分析

風力發電機組目前主要可分為陸域型與離岸型風力機,陸域型風力機主要建置在陸地上,台灣目前建置的陸域型風力機則集中在桃園、台中、彰化等地區;離岸型風力機,主要是利用海上具有一定的風場優勢的特殊性,因此離岸風力發電設備安裝的功率或機型,較陸域風力機要大,同時對產品的使用可靠度和技術質量的要求相對更高,而離岸風力機裝置,主要包括近岸(Near Shore)、離岸(Off Shore)及遠岸(Remote Offshore),其中的區分以離岸距離、海床深度等來劃分。例如以水深5m以內稱為近岸,5~20m為離岸,20m以上為遠岸,而水深也將影響機組的規劃、機座選型、船隻維修、運轉可靠度及投資報酬率等因素,未來台灣離岸型風力機將會集中在彰濱外海及澎湖等海域附近,主要是取決於風力強度海象條件等風場優勢。

 

離岸風力發電的優缺點特性與分析:

  • 離岸風力發電優點:

  1. 具開發經濟規模: 離岸風力發電可使用較大面積且完整區塊進行開發規劃,具有一定的開發經濟規模足以吸引風場開發商來投資開發,另一方面,海上具有高風速、低風切變的優點,由於海水面十分光滑,摩擦力較小,高塔架的風力機可以取得較大的風速,風速穩定,風向的變化較小,風剪效應(即風速隨高度的變化)也同樣愈小,因此在取得開發離岸風機點位不易的情況下,愈高瓦數的風力機組,不但可以獲得較大的發電量,同時可降低風電機組成本,更具開發見建置效益。

  2. 風電量高投資回收快: 離岸風力機具有低擾流的特性,對於海上風擾流強度小,具有穩定的主導風向,機組承受的疲勞負荷較低,風機壽命更長。同時海上風電場可能允許單機容量更大的風機存在,裝置單一機組可達5~10MW,由於對噪音要求較低,透過更高的轉動速度及電壓匹配,可獲取更高的能量產出,投資回收也較快。

  • 離岸風力發電缺點:

  1. 初期建置成本高: 離岸風力機須要打樁建立海中基礎,施工技術難度高,由於機組達5~10MW以上,單機造價昂貴,使用海底電纜連接,佈線施工及材料費用也較陸域施工高。因此若無岸邊較大電網相配合,須要額外增加線路及輸變電設施上的投資,會增加不少施工建置程本。海上風場一般平均風速較高,可以施工、吊裝的時間受限,工期長、難度高且風險較大。

  2. 維護成本高: 由於離岸風力機設置場址往往距離陸地有一段距離,人員接近困難,往往需要直升機、船隻交通工具及專業維護工程師等進行維運保養,維護成本相對較高,若無直升機或船隻及人員等技術支援,萬一離岸風力機故障或無法定期維修,導致停機,修復時間難以掌握,可能使停電時間過長,降低可利用率。因此維護成本高,每月需動用船舶或直升機等交通工具,所費不貲。

 

國內風力發電關鍵零組件發展情況:

風場開發目前由上緯企業主導,成功完成我國首座離岸風電示範機組,場址位於苗栗竹南外海,其結合外商沃旭能源與麥格理於2017年1月入股海洋風力發電,除了竹南場址進行第二期的示範示範風場開發,也在彰化地區進行風場開發。上緯企業本身為生產風力發電機葉片之樹脂材料之公司,樹脂材料主要市場為中國大陸,也是Siemens的供應鏈,近年來並積極爭取其他歐美客戶。2016年其成立之海洋風力發電公司,完成我國首座離岸風電示範機組,正式跨足離岸風力發電市場。另一方面,政府積極投入離岸風場開發也吸引許多國內外開發商積極投入台灣風場開發,最知名的業者如全球最大的離岸風場開發商沃旭能源(Ø rsted,原DongEnergy)、北陸電力(NPI;NorthlandPowerInc.)、哥本哈根基礎建設基金(CIP;CopenhagenInfrastructurePartners)、麥格理(Macquarie)、達德能源(wpd;原英華威)等,本地開發商則有臺電、上緯、永傳及力麗集團等,業者正在評估或已準備投入臺灣離岸風場開發。

風場維運服務開發主要以中國鋼鐵為主,中鋼本身成立風電事業發展委員會,初期目標為承接離岸風電EPC工程與風場開發、中期為投入風場維運服務、長期則拓展本地與海外風電業務。另一方面配合政府政策,籌組以風力發電零組件製造為核心的「W-Team」,協助發展我國離岸風電製造業產業鏈。圖3、圖4為風力機維修吊裝服務情形。

圖3、風力機維修吊裝服務情形
圖4、離岸風力機維運直升機

塔架製造目前以中鋼機械之技術較為成熟,生產風力機之塔架,國外廠商於台灣建置風力機組,中鋼機械供應建置之塔架,為不二人選,目前以供應臺灣本地建置風機市場為主,國內已安裝之陸域型風力機組塔架,大部份由中鋼機械供應,如Vestas、GE、Gamesa及Enercon等國際系統大廠在臺灣之塔架供應製造廠。

齒輪箱為風力發電機之極為核心的關鍵零組件,製造方面國際上仍以ABB為主要的供應商,臺朔重工具備2MW風力機齒輪箱生產能力,風力機齒輪箱已得GL認證,對於離岸風力發電機之齒輪箱,目前可能尚無商業化製造技術與供應能力。圖5為風力機關鍵零組件齒輪箱多級齒輪設計內部結構情形

圖5、風力機關鍵零組件齒輪箱內部設計情形

而在水下基樁製造方面,世紀鋼鐵目前已成立世紀離岸風電設備,投入離岸風電水下基樁開發,具水下基樁之製造能量,而日嘉工業具有水下基樁的零組件開發與製造能力,為Vestassa、GE等國際風力機系統大廠供應商

圖6、離岸風力機所用之水下基樁

HUB等鑄件製造部分,國內首屈一指為永冠能源公司,其生產應用於風電設備的鑄件產品,已有5MW以上鑄件設計與製造能力,為Vestas、Gamesa、GE、Siemens、金風等國際風力機系統大廠供應商,目前已規劃在中部設置離岸風電鑄件專業生產工廠。另外源潤豐、正昇、穎杰、源合興等廠商,具體一定能量之風力發電相關鑄件零件製造能量與實績。

圖7、風力機關鍵零組件輪轂鑄件

其他零組件如先進複材之葉片製作、光隆之煞車零組件等,圖9為光隆公司設計開發之離岸風電煞車零組件。國內風電零件模具製作以益光技術與能量最具國際競爭優勢,益光木模以數位化自動加工機製作,為Vestas、GE、Siemens等國際風力機系統大廠之模具供應商,圖10為益光公司設計開發之離岸風電零件HUB之模具。

圖8、風力發電葉片製作斷面破壞分析情況
圖9、光隆公司設計開發之離岸風電煞車零組件
圖10、益光公司設計開發之離岸風電零件HUB之模具

 

乘風而起的綠電商機

鑒於全球風電市場規模至2020年將突破1,000億美元,其中又以離岸風電為各國發展的主軸,因此建議國內有意投入風電產業與發展的業者,應該提早準備,建立設計與製作能量,台灣業者相對於歐洲國家,在離岸風電技術發展起步較晚,但機會仍然是給予已準備之業者。在政府大力推動綠色能源目標的同時,應參考國際組織與各國政府在能源管理與再生能源技術發展趨勢,以因應國際發展再生能源的技術與趨勢。

為達成2025年能源政策重要之非核家園指標,應優先以發展綠電為優先,協助風場開發商引進先進風機機組與技術,以開放風場培養本土技術,初期以零組件及維運技術需求為主,逐步建立國內風電產業與技術能力。過份強調技術移轉、本土採購比例的要求,可能對於發展國內風力發電產業緩不濟急。

由於離岸風力發電零組件趨於大型化,對於國內產業鏈之設備與製造能力可能無法趕上,國產化之目標對於國內金屬零組件、水下基礎結構、海事工程及維運技術管理等,可能較有發展機會。

  • 參考資料:
  1. 林其加,張瑞模,潘永寧, “大型風力機之關鍵球墨鑄鐵件之鑄造技術,”鑄造工程學刊 (J. of Taiwan Foundry Society), 第38卷第2期 (第153期) , Pp.26-34, June 2012.
  2. 潘永寧、莊雅筑、張瑞模、吳明岩、黃加再、陳瓊肯, “大型離岸風力發電機(3~5MW)之輪轂及機座鑄件之鑄造技術研發,”2015年台灣風能學術研討會,台大醫院國際會議中心, 2015年12月7日.
  3. 能源局網站資料。

我國風力發電產業發展現況與未來展望,經濟部產業拓展處。

文章轉載自工具機與零組件雜誌