撰文者：綠能科技產業推動中心技術發展組 林曉琪副研究員
在去年底經濟部工業局如期完成離岸風力本土化產業關聯的審查後，開發商已開展各自的風電專案，而無需滿足在地採購的示範場或前期風場，則開始下訂單及運送風力機組件，例如海洋風電示範風場，第二階段所購置的葉片與塔架已於今年四月陸續抵台，目前正在台中港組裝，力拼年底完工。
離岸風場主要是由離岸風力機、水下基礎、離岸變電站、海底電纜、陸域電纜以及陸域變電站等硬體構成；離岸風場所產生的電力將透過離岸變電站收集且升壓後，經由海底電纜傳輸至陸域電纜，最後併聯至台電的電力系統。
離岸風力機可視同風場核心，若將風場核心對比於人體的構造，塔架等同於風力機的脊椎，為風力機提供支撐力量，葉片等同於風力機的手臂，帶動空氣形成風能，風力機艙則是風力機的腦，不僅將擷取的風能有效的轉化為電能，在風速過快時，可透過指令，使葉片暫時停止運轉，來保護風力機，不論是頭腦、脊椎或手臂，都需要依賴雙腳的力量，才能使風力機穩固站立海中，而這風力機的雙腳，則是水下基礎。
風機的雙腳，不同場址會有不同樣貌
台灣與歐洲的環境條件不同，歐洲風場在冬日極為寒冷時雖然會面臨葉片結凍造成無法轉動，但歐洲風場風況穩定、且地貌平坦，因此風場施工需要因應的技術問題較小，而台灣不只有颱風與地震的威脅，地貌條件亦與歐洲有所差異；在台灣的西部海域多為砂土與黏土層，容易受海流沖刷侵蝕，這在風場的設計階段，就必須考慮及選擇哪一種水下基礎，可最穩穩地打入地質；換言之，可將水下基礎看作是房子的地基，地基夠穩固才能承載整座風力機的負重。
依據國際目前風場開發的經驗，可將水下基礎分為四種型式，包含單樁式(Monopile)、套管式(Jacket)、三腳式(Tripod)與重力式(Gravity)。
單樁式，顧名思義，就是單一獨立的基礎，適合淺水、海床條件為礫石、砂土或黏土的海域，由於結構簡單，製造容易，因此較小的風場安裝單樁式水下基礎可縮短施工時程，大規模的風場單樁式水下基礎也降低開發成本，有名的例子則是目前全球風場規模最二大的英國London Array風場﹝註1﹞。
相對於單樁式水下基礎，套管式水下基礎結構較為複雜，為層層堆砌的鋼構桁架系統，這是因應風量較大或可能產生暴風的風場而生的設計，南韓首批具商業規模的Tamra風場即是採用套管式水下基礎﹝註2﹞。
在海流更強、更容易產生劇烈氣候的風場，例如海水可能結冰的風場，三腳式水下基礎較套管式來的適用，因其結構又比套管式水下基礎再複雜一些，但結構複雜意味製造成本偏高，國際上使用尚不普遍，德國首座離岸示範風場Alpha Ventus即為少數採用三腳式水下基礎者［註3］。
另一種亦不常見的水下基礎型態是重力式，重力式水下基礎由於不需打樁，成本較低，海上施工時間亦較短，但因是利用混凝土的重量對抗水壓，在地質堅硬且平坦的海域較不會有施工疑慮，已於除役的丹麥Vindeby 風場即採用此一型式。［註4］
圖：水下基礎示意圖，由左而右分別為單樁式、三腳式、套管式與重力式
取得國際認證，確保施工的品質與安全
與水下基礎技術最直接相關的產業包含鋼板及鋼管製造業、鋼構製造加工業與扣件業等，其中囊括如吊裝、電焊、氣焊的從業人員，而這類產業因施工過程常伴隨強光或火花，因此不論是施工環境或是從業人員的安全，均需符合特定規範。
從業人員的安全需藉由健全施工環境的安全方能獲得保障，就施工環境而言，從事鋼構產業的工廠，需取得由國際標準化組織(International Organization for Standardization, ISO)制定的標準，如ISO 9001，明確列出業者應建立的品質管理原則、流程及業者應具備的責任，而業者建立的系統或程序是否完善，通過第三方驗證單位的檢核後，才能獲得相關證書。
獲得ISO相關證書僅能視為獲得可從事水下基礎製造的門票，水下基礎涉及高強度鋼的焊接作業，尤其以套管式的鋼件結構更為複雜，不僅從業人員需取得焊工資格的證書，尚須累積一定次數的操作經驗，才可投入水下基礎的製造。水下基礎需要承載整座風力機的負重，對於焊工的工藝要求也就特別嚴謹，因此有關焊接的材料、焊接設備的管理、焊接人員的資格，另需符合如ISO 3834標準的要求，換言之，ISO 3834可視為焊接版的ISO 9001，符合ISO 3834，才能確保焊接工藝及品質。
圖、ISO 3834證書示意圖
資料來源：TÜV SÜD提供
拓展綠海，協助產業升級或轉型
鋼鐵產業可謂傳統產業中的代表之一，因屬勞力密集又須經過大量的製造加工，才能成為金屬製品或被運輸設備、基礎建設所用，而台灣過去幾年鋼鐵業均以外銷為主，但紅色供應鏈的崛起，也使得國際市場的競爭更加激烈，台灣廠商必須積極開發其他方案，以降低未來可能面臨削價競爭的疑慮。
離岸風電作為台灣發展綠色能源重點項目之一，除了落實2025年5.5 GW的裝置容量目標以外，亦承載著建構本土產業供應鏈的期待，在開發商與具備實務經驗的國際廠商的輔導與合作下，促使國內鋼鐵產業廠商取得國際訂單，依照國內投入水下基礎製造業者的評估，至2025年的產線幾近滿載，水下基礎的製造實為台灣的鋼鐵產業開闢一條新的道路。
進一步而言，固定式的水下基礎有適用的水深範圍，超過適用水深可能致使成本增加，且風力發電設置由近海朝向深海，亦為國際趨勢，有鑑於此，國際已出現浮動式載台的技術，以英國已併網的Hywind Scotland風場［註5］最為著名，鄰國日本也投入相關研究，隨著科技進步與政策支持，當下所認為的前瞻技術，未來都將有實現的可能，供應鏈的投入，不只活絡綠能市場，亦為下一階段的開發預做準備。
本文所提及之風場介紹
註1：
英國London Array風場位於泰唔士河外海11公里處，採用單樁式水下基礎，共安裝Siemens 3.6MW風力機175座，總裝置容量達630MW，於2013年4月商轉，風場規模原為全球第一大，直自2018年6月，其全球第一大的位置被英國Walney Extension風場所取代而退居第二。
註2：
南韓Tamra風場位於濟州島離岸0.5至1公里處，慮及海島臨風面積大，因此採用套管式水下基礎，共安裝斗山重工3MW風力機10座，總裝置容量30MW，於2017年9月商轉，為南韓首批具商業規模的風場。
註3：
由於北海沿岸經德國聯邦政府劃為國家公園，亦為聯合國認證的自然文化遺產，故德國北海離岸20公里內無法蓋風場，而德國首座示範離岸風場Alpha Ventus位於Borkum北方約45公里處，海域已屬深水區，基礎的深度與結構都必須更加強化，因而採用三腳式水下基礎，共安裝Adwen 5MW風力機12座，總裝置容量60MW，於2010年4月併網。
註4：
丹麥Vindeby風場是全球第一個建造的離岸風場，自1991年併聯商轉，總計安裝11支風機，總裝置容量達4.95MW，伴隨風力機越來越大，風力機技術亦成熟許多，而風場也達到當初設定的營運目標25年，在完成向世界證明離岸風力的可行後，風場已於2017年9月除役，除了原場址恢復至原貌以外，其中一座風力機放置丹麥能源博物館，而風力機的葉片將提供予丹麥科技大學(DTU)做為研究素材。
註5：
英國Hywind Scotland風場是由挪威國家石油公司(Equinor)所推動的浮動式離岸風電示範計畫，此示範案場結合離岸風力發電技術、浮動式鑽油探勘平台等技術，總裝置容量30MW，全數已於2017年10月併網，是全球第一座商轉的浮動式離岸風場。