壹、前言
繼去年經濟部工業局完成離岸風力發電產業關聯執行方案審查後，不論是與零組件廠商協調量產時程或洽談船舶施工等，風場開發商逐步開展各自的風電專案；在此之外，承接示範場域或前期無需滿足組件在地採購要求的風場，為確保建造期程符合專案規劃，早已如火如荼進行組件的訂單及運送，以上緯為例，其海洋風電示範風場第二階段購置的風力機葉片與塔架已於今年4月中陸續抵台（圖1），正在台中港卸載及組裝，力拼年底完工，台灣著實邁入風電大舉開發時期。
資料來源：上緯提供
圖1、海洋風電示範風場的塔架於台中港的運輸過程
離岸風力機可謂風場核心，若以風力機對比人體構造，塔架猶如風力機的骨幹，支撐風力機；葉片猶如風力機的雙臂，透過空氣動力運轉形成風能；風力機艙是風力機的腦，將擷取的風能有效轉化為電能；使風力機穩固站立海中的，則是風力機的雙腳：水下基礎。
貳、水下基礎的形式－離岸風力機的雙腳，不同場址條件呈現不同樣貌
台灣的地質及海氣象情況均與歐洲不同，歐洲風場風況穩定，地貌多呈平坦，而台灣除了受颱風、地震等自然天災的威脅，由於西部海域多屬海床沈積層，以砂土與黏土層層堆疊，容易面臨海流不斷沖刷而發生侵蝕問題，致使水下基礎在設計階段，即必須將這類特殊因子納入考量。
再進一步而言，容量更大的風力機有助於捕捉較多風量，伴隨風力機技術與製造愈加成熟，對水下基礎穩定度也愈加要求，不同的海床條件所適用的水下基礎型式亦不相同；依固定式基礎結構，水下基礎大略可分為四種型態（如圖2所示），包含單樁式(Monopile)、套管式(Jacket)、三腳式(Tripod)與重力式(Gravity)。
資料來源：節錄4C Offshore
圖2、水下基礎示意圖，由左而右分別為單樁式、套管式、三腳式與重力式。
「單樁式水下基礎」適用淺水、海床條件為礫石、砂土或粘土的海域，面積小的風場可利用其縮短施工時程，或大規模的風場可用其降低開發成本，例如退居世界第二大的英國London Array風場、或經擴建的Kentish Flats風場與目前全球最大的Walney Extension風場均採用此型式。
若是深水且較不受海床條件限制的海域，「套管式水下基礎」應是首選，鋼構桁架系統非常適合應用在風量大或可能產生暴風的風場，採用此型式者包含南韓首批具商業規模的Tamra風場、美國首座商轉風場Block Island 與法國即將在2023年商轉的Saint Brieuc風場。
同樣不受海床條件限制，但水深中等的海域，可選擇「三腳式水下基礎」，其適合應用在海流強或可能產生劇烈氣候的風場，然因重量偏重使得製造成本偏高，國際上較不普遍，德國首座離岸示範風場Alpha Ventus即為少數採用此技術者之一。若是淺水，而地質堅硬的海域，尚有另一個選項為「重力式水下基礎」，不過國際上多利用混凝土放置海床，故平坦地質較無施工疑慮，已於2017年除役的丹麥Vindeby 風場即採用此型式。
依據中央地質調查所公布之地質資料對應台灣離岸風場，桃園、苗栗及雲林區域多為礫石層且土質偏粘土，故選用單樁式水下基礎較有利施工，而彰化區域因受濁水溪與大肚溪同時沖刷，地質多為沖積層，土質更為鬆軟，水下基礎若採用套管式則較可穩固打入地質（如圖3）。
資料來源：本研究繪製(2019)。
圖3、台灣各場域風場對應之水下基礎型式
簡言之，各種固定式的基礎型式其適用環境條件、優勢及限制條件（初步整理如表1）。
表1、固定式的水下基礎型式比較表
|
基樁
型式
|
適用
海床條件
|
平均適用水深
(公尺/Meter)
|
優勢
|
限制
|
|
單樁
|
砂質偏
軟岩盤
|
10-30
|
結構簡單，製造成本低；可降低生態環境及船隻航行影響。
|
不適用堅硬岩盤；打樁垂直度要求高。
|
|
套管
|
適用多種
海床
|
30-50
|
穩定性強，可承載風暴負載。
|
焊接節點多、製造及施工成本高、易受疲勞影響。
|
|
三腳
|
適用多種
海床
|
20-40
|
焊接節點少、承載能力強。
|
重量重、施工成本高、須強化焊接節點施工，以避免焊接節因彈性疲勞而產生裂痕。
|
|
重力
|
海床平坦且
堅硬
|
10-20
|
結構簡單，成本低、疲勞影響低。
|
製造時程久、需整平海床。
|
資料來源：本研究整理(2019)。
叁、水下基礎的測試或驗證－取得國際認證，穩紮穩打的水下力量
與水下基礎技術最直接相關之產業包含鋼板及鋼管製造業、鋼構製造加工業與扣件業等，其中即囊括如吊裝、電銲、氣銲從業人員；一般而言，從事前述製造或加工業之企業，需取得由國際標準化組織(International Organization for Standardization, ISO)制定的標準，即ISO 9000系列認證，以確保管理企業採用標準管理程序與穩定管理品質。另，基於風電技術規範大多來自歐洲，從事水下基礎的企業不僅須取得鋼結構製造規範EN 1090認證，更須取得銲接品質管理系統ISO 3834認證（如表2）。
表2：ISO 3834各部分的內容
|
等級
|
說明
|
|
ISO 3834-1:2005
|
選擇適合品質要求等級的準則。
|
|
ISO 3834-2:2005
|
完整的品質要求。
|
|
ISO 3834-3:2005
|
標準的品質要求。
|
|
ISO 3834-4:2005
|
基本的品質要求。
|
|
ISO 3834-5:2015
|
宣告符合 ISO3834-2、ISO3834-3 或 ISO3834-4時應符合之文件。
|
|
ISO 3834-6:2007
|
實施ISO 3834的指引。
|
資料來源：本研究整理(2019)。
ISO 3834標準涵蓋銲接品質的生產計畫、母材儲存、設備安全、銲接材料與程序管理、銲接品質要求、銲接從業與管理人員的技能檢定等，並加以區分為基本(ISO 3834-4)、標準(ISO 3834-3)與完整性(ISO 3834-2)的等級（如表3所示）。
表3：ISO 3834-2至ISO 3834-4各部分的差異
|
要項
|
ISO 3834-2
完整的品質要求
|
ISO 3834-3
標準的品質要求
|
ISO 3834-4
基本的品質要求
|
|
審查要求
|
要審查且要記錄
|
要審查且可能需要記錄
|
要審查但不需記錄
|
|
技術要求
|
要審查且要記錄
|
要審查且可能需要記錄
|
要審查但不需記錄
|
|
最終品質責任
|
不論製造商是否將其生產或服務再對外發包，
最終品質責任仍為製造商。
|
|
銲接作業者及
銲接操作者
|
均具備資格檢定認可的要求。
|
|
銲接測試與
驗證人員
|
|
銲接管理者
|
具備資格檢定認可之要求
|
無特定要求
|
|
生產與測試設備
|
準備過程、執行方法、檢測與驗證、運輸、升降均應結合安全設施及防護等，且應確保安全設施及防護的適當性及可用性。
|
|
設備維護
|
須確保設備確實可生產產品
|
無特定要求
|
|
需有文件紀錄
|
建議有文件紀錄
|
|
設備說明
|
需有設備說明的文件清單
|
無特定要求
|
|
生產計畫
|
需檢具生產計畫
及相關文件清單
|
建議檢具生產計畫
及相關文件清單
|
無特定要求
|
|
銲接程序規範書
|
均應檢具銲接程序規範書與
程序檢定之相關文件
|
無特定要求
|
|
銲接程序檢定
|
|
銲接材料之
批次測試
|
被要求時實施
|
無特定要求
|
|
銲接材料之
貯存與運輸
|
應依供應商要求檢具相關程序及
說明之文件清單
|
依據供應商之要求
|
|
母材貯存
|
應檢具避免受到環境影響的保護措施，
且應有存放位置與材料的識別方式。
|
無特定要求
|
|
銲接前、中、後檢測與驗證
|
要求實施
|
被要求時實施
|
|
銲後熱處理
|
應符合製品的標準要求或滿足規範
|
無特定要求
|
|
應檢具程序及
相關紀錄
|
建議檢具程序及
相關紀錄
|
|
不符合程序及
矯正措施
|
落實管控措施，要求有修護或
改正程序文件
|
無特定要求
|
|
檢測與驗證設備
之校正及量測
|
需檢具設備校正及量測相關文件
|
建議應檢具設備校正及量測相關文件
|
無特定要求
|
|
過程中的識別性
|
應依供應商要求時要求實施
|
無特定要求
|
|
追溯性
|
應依供應商要求時要求實施
|
無特定要求
|
|
品質紀錄
|
應依供應商要求時要求實施
|
資料來源：吳隆佃、莊士誠(2014)及本研究整理(2019)。
依國內已接到風場開發商訂單之業者經驗，通過前述之EN 1090與ISO 3834標準僅能表示及格，其他尚有各項專案規範引用之ISO非破壞性檢測(Non-Destructive Testing)要求需要滿足，以確保水下基礎結構與運作的可靠性（如圖4）。
資料來源：世紀風電提供
圖4、水下基礎至少應取得之國際認證
肆、小結－建構在地供應鏈，協助產業升級或轉型
固定式的水下基礎有其適用的水深範圍，超過適用水深可能致使成本增加，因此國際已出現浮動式載台的技術，以英國已併網的Hywind Scotland風場最為著名，鄰國日本也投入相關研究，並興建兩項示範案，伴隨離岸風電開發階段將由潛力場址走向區塊開發，當下的前瞻技術，都將有實現的可能。
我國離岸風電自去年邁入開發元年，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；國內雖尚未有全面性的技術條件，藉由滿足政府在地採購的政策，逐步累積離岸風電的工程實務經驗，而水下基礎正顯現著傳統鋼構製造的技術轉型，為離岸風場提供穩定而札實的力量。
本文相關風場簡介
-
由德國意昂集團(E. ON)、丹麥沃旭能源(Ørsted)與魁北克儲蓄投資集團(Caisse de dépôt et placement du Québec)共同開發英國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之水深約25公尺，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；資料來源：4C Offshore。
-
英國Kentish Flats風場屬瑞典能源公司Vattenfall所有，位於英國 Thanet海岸以南11公里處，採用單樁式水下基礎之水深約10-16公尺，原安裝Vestas 3MW風力機共30座，總裝置容量90MW，Vattenfall於2013年2月獲准擴建風場49.5MW，新增Vestas 3.3MW風力機共15座，全數已於2015年9月併網；資料來源：4C Offshore。
-
英國Walney Extension風場屬Ørsted所有，位於沃爾尼島以西約15公里處，採用單樁式水下基礎之水深約30公尺，原Walney 1與Walney 2風場已安裝Siemens 3.6MW風力機共102座，總裝置容量367.2MW，並於2012年3月併網；隨著大型風力機出現，Ørsted於2014年11月獲准擴建風場659 MW，新增Vestas 8.25MW風力機40座與Siemens 7MW風力機47座，全數已於2018年6月併網；資料來源：Walney Extension風場官方網站。
-
南韓Tamra風場屬南韓東南電力公司(KOEN)所有，位於濟州島離岸0.5至1公里處，採用套管式水下基礎之水深約20公尺，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；資料來源：4C Offshore。
-
美國Block Island風場屬Ørsted所有，距離羅德島州海灣約6公里處，採用套管式水下基礎之水深約20公尺，共安裝GE 6 MW風力機5座，總裝置容量30MW，於2016年12月併網，為美國首批商轉的風場；資料來源：Block Island風場官方網站。
-
法國Saint-Brieuc風場由西班牙私營跨國電氣公司Iberdrola持有，位於Saint Brieuc海灣約20公里處，採用套管式水下基礎之水深約40公尺，將安裝Siemens 8MW風力機62座，總裝置容量496MW，預計2023年商轉；資料來源：Iberdrola官方網站。
-
德國首座示範離岸風場Alpha Ventus由德國電力公司EWE、E. ON與Vattenfall共同持有，位於Borkum北方約45公里處，採用三腳式水下基礎之水深約30公尺，共安裝Adwen 5MW風力機12座，總裝置容量60MW，於2010年4月併網；資料來源：4C Offshore。
-
由沃旭持有的丹麥Vindeby風場是全球第一個離岸風場，鄰近Lolland約2公里處，採用重力式水下基礎之水深約4公尺，共安裝Siemens 450kW風力機11座，總裝置容量4.95MW，已於2017年9月除役；資料來源：4C Offshore。
參考文獻
4C Offshore，https://www.4coffshore.com/。
Block Island風場官方網站，http://dwwind.com/project/block-island-wind-farm/。
Iberdrola官方網站，https://www.iberdrola.com/home。
Walney Extension風場官方網站，https://walneyextension.co.uk/。
中央地質調查所，山崩與地滑地質敏感區劃定計畫書，桃園市，2015年12月，https://www.moeacgs.gov.tw/newlaw/downloads/announcement/1041231/L0011/桃園市劃定計畫書_公告版(定稿).pdf。
中央地質調查所，山崩與地滑地質敏感區劃定計畫書，苗栗縣，2015年12月，https://www.moeacgs.gov.tw/newlaw/downloads/announcement/1041231/L0013/苗栗縣劃定計畫書_公告版(定稿).pdf。
中央地質調查所，山崩與地滑地質敏感區劃定計畫書，彰化縣，2015年12月，https://www.moeacgs.gov.tw/newlaw/downloads/notice/1050523/彰化縣劃定計畫書_預告.pdf。
中央地質調查所，山崩與地滑地質敏感區劃定計畫書，雲林縣，2015年12月，https://www.moeacgs.gov.tw/newlaw/downloads/announcement/1050829/L0015/L0015雲林縣劃定計畫書.pdf。
吳隆佃、莊士誠，與銲接品質管理有關的ISO標準－從ISO 3834的品質要求談起，〈銲接與切割〉，頁24-27，24卷3期，103年9月。
資料下載：離岸風力機的雙腳─水下基礎技術簡述.pdf