考慮台灣極端風況建立離岸風機塔柱易損性曲線:以15-MW參考風機模型為例

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姓名

許方銘(Fang-Ming Hsu) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

考慮台灣極端風況建立離岸風機塔柱易損性曲線:以15-MW參考風機模型為例

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摘要(中)

本文以巨災風險評估的角度著手，針對台灣極端風況下，造成離岸風力發電機的塔
柱損壞程度，與歐洲標準規範計算的軸向特徵挫曲應力作比較，建立離岸風機的塔柱易
損性曲線，對未來我國離岸風機產業的發展作出微薄的貢獻。
研究內容選用額定功率為 15MW 的參考風機模型，以美國再生能源研究室 NREL
針對風力發電機所開發之 OpenFAST 進行情境條件參數設置模擬分析，假設三種情境
分別為機艙轉向錯位 8 度、機艙轉向錯位 15 度及單支扇葉旋向 70 度偏差，分析風速由
30m/s 至 100m/s 區間內，參考風機模型的整體結構受力行為。同時藉由蒙地卡羅法模擬
5000 組隨機塔柱斷面，根據歐洲標準規範 EN1993-1-6【22】計算塔柱所受軸向特徵挫
曲應力，經由應力比較判斷 5000 組塔柱斷面在各個情境中的損壞程度，建立離岸風機
之塔柱易損性曲線圖，便可從圖形中推估各個情境條件在不同風速的塔柱結構損壞率。
根據研究結果顯示，三種情境條件下，單支扇葉旋向 70 度偏差會使塔柱結構最早
發生損壞；接著機艙轉向錯位 15 度；最後是機艙轉向錯位 8 度，可以得知單支扇葉若
發生故障造成旋向偏差，對離岸風機可能造成嚴重的損壞情形，機艙轉向錯位 15 度之
角度誤差約為 8 度兩倍，雖然機艙轉向 8 度仍處於安全狀態，但當角度誤差持續增加時，
可能造成離岸風機損壞程度大幅提升。

摘要(英)

This study accesses the damage of offshore wind turbine towers under extreme wind
conditions in Taiwan with the axial characteristic stress evaluated by European standards, and
establishes the vulnerability curve of offshore wind turbine towers to make contribution to the
future development of the offshore wind turbine industry in Taiwan.
A reference wind turbine model with a rated power of 15 MW is used to simulate the
parameters of the OpenFAST scenario developed by NREL, a renewable energy research
laboratory in the United States, for wind turbines. The overall structural force behavior of the
wind turbine model was analyzed in the range of wind speed from 30m/s to 100m/s. In addition,
5000 sets of random tower sections were simulated by Monte Carlo method, and the axial
characteristic stresses were calculated according to the European standard EN1993-1-6 【22】,
and the damage degree of the 5000 sets of tower sections in each scenario was determined by
stress comparison. The damage rate of the tower structure under different wind speeds can be
estimated from the graphs.
According to the results of the study, deviation of different angles may cause different
levels of damage to the offshore fan , the single fan rotational deviation of 70 degrees will cause
the earliest damage to the tower column structure, followed by the nacelle rotational
misalignment of 15 degrees, and finally the nacelle rotational misalignment of 8 degrees.
Although the nacelle rotation of 8 degrees is still in a safe condition, when the angle error
continues to increase, the damage to the offshore fan may increase significantly.

關鍵字(中)

★ 離岸風力發電機
★ NREL
★ OpenFAST
★ 易損性曲線

關鍵字(英)

論文目次

摘要 i
ABSTRACT ii
目錄 iii
圖目錄 vi
表目錄 viii
第一章緒論 1
1.1 研究背景及目的 1
1.2 研究內容 2
第二章文獻回顧 3
2.1 離岸風力發電機之組成 3
2.1.1 風機機艙內部組成介紹 4
2.2 國際與台灣能源概況比較 6
2.3 台灣離岸風場分布與政策規劃 10
2.3.1 邁向2025非核家園目標推動新能源政策 10
2.3.2 離岸風電之產業架構 11
2.3.3 台灣離岸風場分布 14
2.3.4 台灣首座14MW全球最大離岸風機 15
2.4 參考風機模型介紹 16
2.4.1 IEA Wind Task37介紹 17
2.4.2 IEA Wind Task37 10MW 參考風機模型 18
2.4.3 IEA Wind Task37 15MW 參考風機模型 20
2.5 巨災風險評估模型 24
2.5.1 推測事件模組(Stochastic Event Module) 25
2.5.2 危害度分析模組(Hazard Module) 25
2.5.3 損害分析模組(Vulnerability Module) 25
2.5.4 財務分析模組(Financial Analysis Module) 25
2.5.5 離岸風機平均損失估算流程 26
第三章執行分析軟體之應用說明 27
3.1 TurbSim 27
3.2 主要輸入檔(.FST) 30
3.3 ElastoDyn 32
3.4 AeroDyn 36
3.5 ServoDyn 38
3.6 HydroDyn 42
3.7 SubDyn 44
3.8 InflowWind 47
3.9 輸出檔內容說明 48
3.9.1 總結檔(.SUM) 48
3.9.2 ElastoDyn總結檔(ED.SUM) 51
3.9.3 主要輸出檔(.OUT) 53
第四章塔柱易損性曲線建立與案例分析 55
4.1 研究流程 55
4.2 以OpenFAST分析風機數據 56
4.2.1 分析情境之參數設定 56
4.2.2 利用Excel整理數據結果 57
4.2.3 6組隨機因子合力矩趨勢 58
4.3 薄殼結構軸向挫曲應力計算 62
4.3.1 EN1993-1-6歐洲標準規範 62
4.3.2 薄殼結構條件之選用 62
4.3.3 鋼材選用說明 64
4.3.4 彈性臨界挫曲應力之計算 65
4.3.5 製作組裝品質壓縮量Q 66
4.3.6 軸向挫曲細長比之計算 67
4.3.7 軸向挫曲應力之計算 67
4.4 塔柱斷面尺寸之模擬 68
4.4.1 Python軟體之介紹 69
4.4.2 常態分佈介紹 69
4.4.3 對數分佈介紹 72
4.4.4 蒙地卡羅法之介紹 73
4.5 易損性曲線之建立 73
4.6 15MW參考風機案例分析結果 74
4.6.1 15MW-機艙轉向錯位8˚之易損性曲線 76
4.6.2 15MW-機艙轉向錯位15˚之易損性曲線 77
4.6.3 15MW-單支扇葉旋向70˚之易損性曲線 78
第五章結論與建議 79
5.1 研究結論 79
5.1.1 建議 82
參考文獻 83

參考文獻

【1】 Offshore Wind Farm Noise Raises Concerns About Marine Life.(2021年8月6日).
https://www.capenews.net/falmouth/news/offshore-wind-farm-noise-raises-concerns-about-marine-life/article_f89cbb58-1fec-526c-b854-c5c0e2fa2fa5.html.
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【3】國際能源總署(International Energy Agency)發佈「2021年世界能源展望」報告.
https://info.taiwantrade.com/biznews/.
【4】經濟部能源局.(2020)經濟部能源局109能源統計手冊.中華民國:經濟部。
【5】許凱敦-淺談離岸風力產業架構.(2022年3月) 。
https://medium.com/@gray860818/sustainability%E9%9B%A2%E5%B2%B8%E9%A2%A8%E9%9B%BB%E7%9A%84%E7%94%A2%E6%A5%AD%E6%9E%B6%E6%A7%8B-527406ea8095
【6】環境資訊中心.台灣離岸風電三階段(2020年2月20日)。
https://e-info.org.tw/node/223117
【7】 IEA Wind TCP(International Energy Agency Wind Technology Collaboration Programme)
【8】 IEA Wind TCP 2020 Task 45 First General Meeting 2020 report
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【12】蔣偉寧.(97年) 結合替代風險移轉工具之巨災模型整合研究Integration of Alternative Risk Transfer and Engineering Model for the Catastrophe Risk Management.
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【23】 Material S355 Steel Properties, Comparison, Equivalent Grade, EN 10025-2.(2021年3月31日). 擷取自 The World Material:
https://www.theworldmaterial.com/material-s355-steel-en-10025/
【24】 Normal Distribution PDF.svg常態分佈曲線圖
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Normal_Distribution_PDF.svg
【25】 Lognormal distribution PDF.svg 對數分佈曲線圖
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lognormal_distribution_PDF.png

指導教授

蔣偉寧

審核日期

2022-8-29

推文