基礎勁度對離岸風機支撐結構行為影響研究

隨著國際間環保意識興起及產業開發需求，我國近年積極發展再生能源。目前國內所有的風力發電量均來自於陸域風場，欲開發更高效率及更符合國內土地利用效益之風力能源，台灣風力發電勢必需往離岸發展。然而，離岸風機受力行為複雜，於設計支撐結構時必須搭配驗證程序以確保風機運轉安全性。

為於支撐結構設計驗證階段將風機載重來源完整納入安全性評估，需仰賴整體設計軟體進行環境條件、風機規格參數整合，其中基礎土壤互制行為可能影響風機反應，故於設計時必須考量。大多數軟體均以基礎勁度表示基礎土壤互制行為，且需由使用者自行輸入，故本研究利用現有方法計算基礎勁度，並進一步考慮耦合勁度矩陣、側向非線性基礎勁度、基礎勁度疊代計算等三種不同基礎勁度設定方式對離岸風機動態行為影響。

本研究利用Bladed軟體，參考美國國家再生能源研究室(NREL) OC3計畫報告中之大口徑單樁尺寸，建立一整體設計模型 (圖1)，依據DNV規範定義之設計載重條件6.2a由台灣彰濱風場現地觀測資料率定出合理參數進行ULS極限載重條件分析，並針對支撐結構自然頻率、支撐結構振態、塔架整體變形量與鋼材應力進行成果比較。

分析結果顯示，不同基礎勁度設定方式對於自然振動頻率以及振態影響不顯著，利用耦合勁度矩陣計算之樁頭變形量明顯大於其他方式之計算結果(圖2)。鋼材應力部分，隨著基礎勁度計算方式不同，結構最大應力位置可能出現於海床面、接合元件處或是塔頂位置(圖3)。利用本研究建置之風機模型搭配基礎勁度設定方法，可將環境條件與樁土互制行為納入考量，盼能於設計階段合理評估支撐結構安全性。

圖1 NREL 5MW 風機模型

圖2 支撐結構整體變形量成果	圖3 支撐結構整體應力