離岸風力發電為近年來台灣再生能源的趨勢。離岸風機之基礎和傳統陸上結構物基礎截然不同，嚴峻的海上條件大幅增加了設計上的困難。而離岸風場位於台灣西部海域，在結構物長期受到海洋環境及鹽害的影響下，勢必會加速鏽蝕的產生。為了確保整體結構和發電機組的使用壽命及穩定性，防蝕保護為離岸風機設計的一大重點。
本文將從以下大綱，介紹離岸風機基礎之設計概念以及其防蝕概念。
‧離岸風力發電之基礎設計
1. 遵循標準
2. 基礎型式
3. 基礎設計流程
4. 設計準則和極限荷載
(1) 設計準則
(2) 設計時所需考慮之極限荷載狀態
‧防蝕設計
1. 陰極保護(Cathodic Protection)
(1) 犧牲陽極
(2) 外加電流
2. 塗裝(Coating)
(1) 底層(Primer/Metal Coat)
(2) 中間層(Intermediate Coat)
(3) 頂層(Top Coat)
【內文精選】
離岸風力(Offshore Wind)發電為近年來台灣再生能源發展的重點，尤其國際研究組織4C Offshore指出台灣擁有相當優秀的離岸風場條件。離岸風場位於台灣西部海域，在結構物長期受到海洋環境及鹽害的影響下，勢必會加速鏽蝕的產生。為了確保整體結構和發電機組的使用壽命及穩定性，防蝕保護(Corrosion Protection)為離岸風機設計的一大重點。
離岸風力發電之基礎設計
1. 遵循標準
由於歐洲為離岸風電產業的發展先驅，因此目前國內是遵循歐洲的發展腳步。挪威船級社(DNV-GL)為一來自歐洲的國際知名機構，其主要業務為風險管理和第三方認證服務，亦發行大量的規範標準供產業界參考，本文所介紹之基礎和防蝕的設計皆是遵循DNV-GL所發行的規範。
2. 基礎型式
一般所謂離岸風力發電機主要包含上部的發電機組和下部的結構基礎，中間連結的介面稱之為轉接段(Transition Piece)。目前國際間普遍使用的樁基礎型式包含：單樁式、重力式、套筒式和浮式等，其中最常見的型式為設計複雜度較低的單樁式基礎，但一般來說僅適用於35公尺水深內，如圖一所示。
圖一、離岸風力發電機組示意圖（單樁式）
防蝕設計
由於離岸風機身處的環境條件，結構體的鏽蝕為一個不可輕忽的問題。對於防蝕設計而言，結構體分成外部環境和內部環境，並依照暴露等級的不同，區分為數種不同區域（如圖二和表一）。為了能夠反映實際的暴露量，防蝕設計除了考慮風機預計服役年限外，尚需包含基礎安裝和風力發電機安裝之所需時間，一般而言，防蝕之設計年限會比風力發電機組設計年限多一至兩年。
圖二、防蝕系統之示意圖
防蝕設計所考量的重點為腐蝕容許量(Corrosion Allowance; CA)，在進行風機基礎設計時，鋼材的尺寸和型式除了力學機制的考量外，需增加額外的基礎鋼壁厚度，以作為在設計壽命中因腐蝕所減少之鋼壁厚度的補償。防蝕設計除了額外的鋼壁厚度，減緩腐蝕作用亦為保護結構體的重要課題，使其在設計壽命內之腐蝕量能保持在腐蝕容許量之內，塗裝和陰極保護為常用之工程手段，說明如下。
1. 陰極保護(Cathodic Protection)
陰極保護係藉由降低電化學反應，使欲保護的結構體帶負電荷，成為陰極，同時降低金屬之腐蝕率。該反應深受海水環境參數影響，如：溶氧量、海流、溫度、海洋生長物和鹽度等。
(1) 犧牲陽極(Galvanic Anode Cathodic Protection; GACP)
在浸沒於水中的結構物旁設置活性較結構鋼材大的金屬塊，其性質會與海水產生氧化反應，以此降低結構體表面的腐蝕速度，此種方法稱為犧牲陽極。目前較常見的是鋁塊或鋅塊，其體積/面積皆相當龐大，由於金屬塊的效能會隨著時間而逐漸降低，因此可視狀況將其設計為可替換式，每隔數年就要進行一次替換，可將陽極塊置於轉接段的平台中，以在設計年限中方便替換，達到防蝕之最佳功效。犧牲陽極塊範例如圖三所示。
(2) 外加電流(Impressed Current Cathodic Protection; ICCP)
此種工法的概念為透過強制外加電流不停地流動，降低電子的流失以達到保護的功效。電極以金屬芯外覆氧化金屬膜製成，體積相對較小，且需要持續的供電，通常用於結構體內部，如圖五所示。
圖六和圖七分別為樁基礎外部和內部防蝕設計數值模擬結果示意圖，模擬為風力機組設計防蝕年限最後一年之情形。圖六左側為結構體外部的防蝕情形，此部分的陽極塊是焊接在結構體外圈，可保護所有鋼材結構表面直至海床面，右側僅顯示-900 mV以下之結果；圖七左側為結構體內部的防蝕情形...…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
作者：張中宇、王天佑、冀樹勇／財團法人中興工程顧問社
★本文節錄自「工業材料雜誌」385期，更多資料請見下方附檔。