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風機設計規格書重點摘要

第1章:緒論 (Introduction)

本章介紹了反向旋轉軸浮動傾斜式(Counter Rotating Axis Floating Tilted, CRAFT)風力發電機技術 [cite: 1]。此設計旨在為離岸浮動風力發電提供具成本效益的解決方案 [cite: 1]。

  • 1.1 整體系統拓撲與術語 (Overall system topology and terminology):

    • 主要組件包含兩個反向旋轉的渦輪(T1為下方渦輪,T2為上方渦輪)安裝於共同的桅杆(Mast)上,直接驅動一個反向旋轉的發電機 [cite: 1]。
    • 渦輪直徑 (Turbine Diam.): 整個渦輪旋轉掃掠的直徑 [cite: 1]。
    • 葉片長度 (Blade length): 單一葉片的長度 [cite: 1]。
    • 桅杆 (Mast): 支撐兩個渦輪的主要結構 [cite: 1]。
    • 帽錐 (Hatcone):位於桅杆外部,連接上方渦輪(T2)的部件,並將扭矩傳遞至主桅杆軸 [cite: 1]。
    • 支撐臂 (Strut): 從桅杆連接至葉片中段,提供支撐的結構件 [cite: 1]。
    • 輔助支撐臂 (Suparm): 用於減少支撐臂挫曲長度的結構件 [cite: 1]。
    • 桅杆直徑 (Mast Diam.): T1與T2之間桅杆部分的直徑 [cite: 1]。
    • 浮體 (Floater): 提供浮力的主要結構,內部有Boia(發電機室) [cite: 1]。
    • 吃水深度 (Draft): CRAFT結構最下緣至水線的深度 [cite: 1]。
    • 浮筒 (Spar): 連接浮體與壓載艙的細長結構 [cite: 1]。
    • 浮筒軸 (Spar Shaft): 位於浮筒內部,傳遞反作用扭矩的軸件 [cite: 1]。
    • 壓載艙 (Ballast): 位於浮筒下端,提供穩定性的配重 [cite: 1]。
    • 轉塔 (Turret): 位於結構最下方,為繫泊系統與電力電纜的連接點,是操作中唯一不旋轉的部分 [cite: 1]。
    • 垂直間隙 (Vertical Clearance): 下方渦輪葉片尖端與水面之間的最小距離 [cite: 1]。
    • 桅杆設計角度 (MV° Mast design angle): 額定功率下桅杆軸線與水平面之間的期望角度 [cite: 1]。
    • 葉片角度 (BV° Blade angle): 葉片與桅杆軸線之間的角度 [cite: 1]。
    • 渦輪支撐臂角度 (TSA° Top strut angle): 支撐臂與桅杆軸線之間的角度 [cite: 1]。
  • 1.2 支索與桅杆配置 (Stay and Mast Configuration):

    • 桅杆由多組同心支索(Stays)支撐,以保持桅杆處於恆定壓縮負載狀態,提升耐久性 [cite: 1]。
    • 支索種類包含:頂部支索 (HeadStay)、主支索 (MainStay)、中間支索 (MidStay)、底部支索 (BasStay) 及浮筒支索 (SparStay) [cite: 1]。
  • 1.3 浮筒結構、浮體與壓載艙 (Sparbuoy, Float and Ballast):

    • 浮筒結構 (Sparbuoy) 由浮體 (Float)、浮筒 (Spar) 及壓載艙 (Ballast) 組成 [cite: 1]。
    • 浮體內部有 Boia 結構,支撐發電機並傳遞負載 [cite: 1]。
    • 浮體形狀參數 FSQR (Float Square ratio) 定義浮體下緣的圓滑程度 [cite: 1]。
  • 1.4 繫泊系統 (Mooring system):

    • 可採用單點繫泊 (SPM) 或三點繫泊 (3LM) [cite: 1]。
    • 整合一個或多個中繼浮筒 (Butank),用於調整繫泊纜繩進入角度,以優化不同風速下的傾斜角與發電效率 [cite: 1]。

第2章:主要設計與模型分析 (Main Design and Modeling)

本章詳述設計所依賴的環境參數、各類模型分析方法,以及主要組件的細部設計。

  • 2.1 環境條件 (Environment):

    • 海水密度:1,025 ton/m³ (溫度15°C) [cite: 1]。
    • 年平均風速 (150m高度):10.0 m/s (韋伯分布 k=2.4) [cite: 1]。
    • 極端風速:42 m/s [cite: 1]。
    • 極端有效波高:13.5 m [cite: 1]。
    • 設計水深:200 m (淺於150m需考慮調整設計) [cite: 1]。
  • 2.2 模型分析 (Modeling):

    • 空氣動力學模型 (Aerodynamics models): 使用葉元理論 (BET) 和葉元動量理論 (BEM) 進行負載計算,並以高精度渦流法驗證優化設計 [cite: 1]。
    • 氣動彈性模型 (Aeroelastic modeling): 整合空氣動力學模型與結構力學 (FEM) [cite: 1]。
    • 水動力學模型 (Hydrodynamic models): 結合低精度方法 (Morrison方程式、阿基米德原理、表面摩擦阻力) 與高精度平滑粒子流體動力學 (SPH) [cite: 1]。
    • 電磁模型 (Electromagnetic models): 使用有限元素法 (FEM) 模擬完整發電機 [cite: 1]。
    • 電力轉換與控制模型 (Power conversion and control models): 使用Simulink進行模擬 [cite: 1]。
    • 繫泊系統模型 (Mooring system modeling): 使用OrcaFlex進行模擬,並整合QBlade的氣動模型 [cite: 1]。
  • 2.3 渦輪 (Turbine):

    • 渦輪結構 (Turbine structure): 兩個渦輪大致相同,上方渦輪 (T2) 尺寸可能略小以適應風切變。T2頂部安裝於「頂冠」(Crown),將扭矩傳至主桅杆軸。渦輪為三葉式,葉片與支撐臂均採用非對稱翼型 [cite: 1]。葉片設計使其在傾斜操作時掃掠錐形區域,投影面積為橢圓。支撐臂結構補償了葉片需加長的需求 [cite: 1]。
    • 可選葉片結構 (Optional Blade Structure): 考慮採用「雙翼葉片」(Biblade) 桁架結構,以使用更具成本效益的材料(如木材、鋁材),並實現模組化製造 [cite: 1]。
  • 2.4 桅杆、軸系與浮筒結構 (Mast, Shafts and Sparbuoy):

    • 木製桅杆 (The Wood Mast): 採用膠合層積木樑,透過支索預張力保持恆定壓縮狀態。分段製造,段間以金屬法蘭連接 [cite: 1]。
    • 主桅杆軸 (The Mast Shaft): 將上方渦輪的扭矩傳遞至位於Boia內的發電機。通常為薄壁鋁管,內部有滾輪系統定心 [cite: 1]。
    • 浮筒軸 (The Spar Shaft): 將次級發電機的反作用扭矩傳遞至固定的轉塔/繫泊系統。尺寸小於主桅杆軸,同樣有滾輪系統 [cite: 1]。
    • 浮筒結構 (The Sparbuoy): 小型CRAFT (<10 MW) 可用鋼材,大型CRAFT首選混凝土(滑模工法或模組化預鑄件組立) [cite: 1]。大部分浮筒內部填充海水作為壓載,提供穩定性。
  • 2.5 浮體與Boia (Float and Boia):

    • Boia: 浮體內部的混凝土(或鋼材)結構,支撐發電機、上部浮筒軸,並將桅杆的壓縮負載傳遞至浮筒 [cite: 1]。
    • 浮體 (Float): 下緣具圓角,其形狀由FSQR參數(0為半球形,1為純圓柱形)定義 [cite: 1]。
  • 2.6 發電機與電力轉換系統 (Generators and Power Conversion System):

    • 主發電機 (Primary Generator): 連接至兩個渦輪,利用反向旋轉使相對轉速加倍。採用永磁同步發電機 (PMSG),使用鐵氧體磁鐵 [cite: 1]。
    • 次級電機 (Secondary Machine): 控制上方渦輪,可作發電機或馬達。選用非同步電機,成本較低 [cite: 1]。
    • 電力轉換系統 (Power Conversion System): PMSG輸出經二極體整流器轉為直流,再由升壓轉換器升壓(額定轉速附近不作用),最後經逆變器轉為交流併網 [cite: 1]。
  • 2.7 控制系統 (Control system):

    • 透過發電機扭矩直接控制渦輪轉速,實現電氣誘導失速控制,無需葉片變槳機構 [cite: 1]。
    • 發電機短路扭矩可用於煞車及強風停機鎖定 [cite: 1]。啟動時,主次發電機均可作馬達使用 [cite: 1]。
    • 核心為基於比例積分 (PI) 控制器的速度迴路 [cite: 1]。
  • 2.8 繫泊系統 (Mooring system):

    • 比較三點繫泊與單點繫泊的優缺點。中繼浮筒 (Butank) 功能在於不同風速下調整繫泊力引入角度,優化傾角與吸能 [cite: 1]。
    • 合成纖維繫泊纜 (Synthetic mooring lines): 與傳統鋼纜比較,合成纜(聚酯、尼龍、HMPE)重量輕、抗腐蝕、抗疲勞性佳,但需注意紫外線老化與磨損問題 [cite: 1]。
  • 2.9 電力傳輸 (Power transfer):

    • 旋轉電力傳輸 (Rotational power transfer): 採用電氣旋轉接頭(滑環),將電力從旋轉的定子傳至固定組件 [cite: 1]。
    • 動態電纜考量 (Dynamic cable considerations): 分析三點繫泊與單點繫泊對動態電纜負載與壽命的影響。三點繫泊負載分散但頻繁,單點繫泊負載集中於懸掛點 [cite: 1]。
  • 2.10 軸承系統 (Bearing systems):

    • 帽錐滾輪系統 (The Hatcone roller system): 帽錐下緣採用大型滾輪系統(類似軌道車輪)在桅杆外表面滾動,作為大型軸承 [cite: 1]。
    • 軸系軸承 (The Shafts bearings): 主桅杆軸與浮筒軸內部採用小型滾輪系統定心 [cite: 1]。
    • 發電機軸承 (Generator Bearings): 大型直驅PMSG轉子需要能承受高徑向力與軸向力(主要為轉子重量)的軸承系統 [cite: 1]。
    • 壓載艙內轉塔軸承 (Turret Bearings in ballast): 轉塔繫泊系統需使用水下軸承,管理巨大的繫泊力。通常為雙軸承配置,並需整合潤滑、密封及淡水注入系統以抗腐蝕 [cite: 1]。

第3章:製造、組裝與佈署 (Manufacturing, Assembly and Deployment)

本章介紹關鍵部件的製造方法、整體組裝流程及海上安裝步驟。

  • 3.1 渦輪製造 (Turbine Manufacturing): 葉片與支撐臂可採用標準玻璃纖維強化塑膠 (GRP) 製程,如預浸料或真空灌注法 [cite: 1]。
  • 3.2 桅杆製造 (Mast Manufacturing): 膠合層積木樑經切割特定角度後膠合成彎曲的1/3段(120度),便於儲存運輸,現場再組裝成完整桅杆段 [cite: 1]。
  • 3.3 支索 (Stays): 可用鋼材或複合材料(碳纖維強化塑膠CFRP、玻璃纖維強化塑膠GFRP、玄武岩纖維強化塑膠BRP)。鋼索有尺寸上限問題,不銹鋼棒材是可能選項但需額外阻尼。複合材料抗腐蝕性佳但成本較高 [cite: 1]。
  • 3.4 含Boia之浮體 (Float with Boia): 混凝土浮體內含Boia結構。Boia為發電機提供徑向穩定性並傳遞壓縮力 [cite: 1]。
  • 3.5 浮筒結構 (Sparbuoy):
    • 滑模工法 vs. 段件組裝 (Slipform vs assembly of sections): 滑模工法(如Hywind Tampen)結構連續性好但需深水港。預鑄混凝土段件組裝則更具彈性,可在淺水設施附近製造 [cite: 1]。
    • 浮筒材料 (Sparbuoy material): 混凝土材料成本低、維護需求少、壽命長,但排放較高。鋼材回收性佳,但初始及維護成本較高 [cite: 1]。
    • 壓載艙 (Ballast): 可用重質混凝土(含鐵礦,密度可達4800 kg/m³)、鬆散氧化鐵礫石(密度約5000 kg/m³)或現場泵送壓載水泥漿 [cite: 1]。
  • 3.6 碼頭組裝 (On Dock Assembly): 浮筒結構與浮體可在碼頭水平組裝,桅杆分段吊裝連接,支索逐步安裝並預張。渦輪葉片在結構水平時以折疊狀態安裝 [cite: 1]。
  • 3.7 佈署與安裝 (Deployment and Installation): 結構水平拖運至安裝地點。透過調整壓載使結構直立。與預先安裝好的轉塔對接。葉片利用重力及絞盤系統依序展開並鎖定 [cite: 1]。

第4章:2.4 MW CRAFT

本章提供2.4 MW CRAFT系統的設計參數與性能特性,作為大型系統的縮小測試模型。

  • 4.1 2.4 MW系統設計參數 (The 2.4 MW system Design Parameters):

    下表列出主要的尺寸參數:

    2.4 MW CRAFT 主要尺寸參數

    參數類別 (Category)參數 (Parameter)數值 (Value)單位 (Unit)備註 (Notes)
    整體系統參數
    渦輪直徑 (Turbine Diam.)87.00m
    葉片長度 (Blade length)48.50m
    支撐臂長度 (Strut length)19.19m
    帽錐高度 (Hatcone height)14.25m
    主桅杆軸長度 (Mast-shaft length)66.68m
    主桅杆軸直徑 (Mast-shaft diam.)0.80m
    吃水深度 (Draft)24.94m
    浮筒軸直徑 (Spar shaft diam.)0.59m
    浮筒軸長度 (Spar shaft length)20.74m
    桅杆與支索結構
    頂部支索直徑 (Headstay diam.)0.038m
    頂部支索長度 (Headstay length)14.25m
    主支索直徑 (Mainstay cross diam.)0.057m
    主支索長度 (Mainstay length)52.44m
    中間支索直徑 (Midstay cross diam.)0.049m
    中間支索長度 (Midstay length)26.49m
    底部支索直徑 (Basstray cross diam.)0.048m
    底部支索長度 (Basstya length)12.36m
    總桅杆長度 (TotMast length)66.68m
    帽錐高度 (Hatcone Height HatCH)14.25m
    中間桅杆高度 (MelMa Height)26.49m
    桅杆上部高度 (MastUp)54.99m
    第二渦輪處桅杆高度 (MastT2)40.74m
    第一渦輪處桅杆高度 (MastT1)11.70m
    浮筒、浮體與Boia
    浮體直徑 (Float diam. Fdia)11.00m
    浮體高度 (Float Height FH)7.00m
    額外水線高度 (Extra water level FXH)0.70m
    設計水深 (Design Depth De Dyp)22.00m
    浮筒長度 (Spar Length SparL)18.50m
    浮筒頂部直徑 (Spar top diam SpTopD)11.00m
    浮筒頂部高度 (Spar top height SpTopH)5.18m
    浮筒直徑 (Spar Diam.)2.8m
    浮筒中間高度 (Spar mid height)11.08m
    壓載艙半高 (Ballast halfheight BalHH)2.24m
    總壓載艙高度 (Total Ballast height)4.48m計算值: 2*BalHH
    壓載艙最大直徑 (Ballast max diam. BalDia)6.501m
    水深 (Water Depth)200m設計場址水深
    轉塔軸直徑 (Turret shaft)0.396m
    Boia 直徑 (Boia diam)5.13m
    Boia 高度 (Boia height)3.26m
    渦輪結構
    頂冠直徑 (Crown diameter)3m註:原文此處單位未標明,根據上下文推測為m
    頂冠管直徑 (Crown tube diam.)0.346m
    頂冠管長度 (Crown tube length)2.60m
    桅杆頂部直徑 (Mast top diam)2.00m
    支撐臂長度 (Suparm length)8.42m
    支撐臂直徑 (Suparm dia)0.56m
    轉塔與繫泊
    轉塔直徑 (Turret diameter)3.74m
    轉塔高度 (Turret height)0.77m
    中繼浮筒深度 (Butank depth)29.93m
    繫泊纜長度 (BuLine Length)170.07m
  • 4.2 2.4MW CRAFT 性能特性 (The 2.4MW CRAFT Properties):

    • 額外尺寸 (Additional dimensions):
      • 葉片弦長 (支撐臂處): 3.30 m [cite: 1]
      • 葉片弦長 (A-top處): 5.46 m [cite: 1]
      • 葉片弦長 (葉尖處): 1.77 m [cite: 1]
      • 支撐臂弦長 (葉片處): 3.77 m [cite: 1]
      • 浮體乾舷: 2.80 m [cite: 1]
      • 浮筒結構吃水深度: 24.94 m [cite: 1]
      • 牆壁厚度 (Wall thickness): 30 mm [cite: 1] (建議查證此厚度對應的具體部件)
      • 傾斜MV°時高度: 91.14 m [cite: 1]
      • 直立0°時高度: 80.99 m [cite: 1]
      • 最大吃水深度: 25.71 m [cite: 1]
    • 性能指標:
      • 額定功率下計算風速: 11.81 m/s [cite: 1]
      • 切入風速: 2.73 m/s [cite: 1]
      • 切出風速: 25.00 m/s [cite: 1]
      • 額定功率下最大傾角: 32.71 度 [cite: 1]
      • 年發電量: 7,973 MWh/年 [cite: 1]
      • 滿載等效小時數 (FLH): 3,322 小時 [cite: 1]
      • 容量因子: 37.9% [cite: 1]
      • 單位掃掠面積功率: 419 W/m² [cite: 1]

第5章:24 MW CRAFT

本章為24 MW商業化系統的設計參數與性能特性。

  • 5.1 24 MW系統設計參數 (The 24 MW system Design Parameters):

    下表列出主要的尺寸參數:

    24 MW CRAFT 主要尺寸參數

    參數類別 (Category)參數 (Parameter)數值 (Value)單位 (Unit)備註 (Notes)
    整體系統參數
    渦輪直徑 (Turbine Diam.)302.02m
    葉片長度 (Blade length)160.00m
    支撐臂長度 (Strut length)77.16m
    帽錐高度 (Hatcone height)60.20m
    主桅杆軸長度 (Mast-shaft length)261.59m
    主桅杆軸直徑 (Mast-shaft diam.)3.20m
    吃水深度 (Draft)94.33m
    浮筒軸直徑 (Spar shaft diam.)2.36m
    浮筒軸長度 (Spar shaft length)70.70m
    桅杆與支索結構
    頂部支索直徑 (Headstay diam.)0.212m
    頂部支索長度 (Headstay length)60.20m
    主支索直徑 (Mainstay cross diam.)0.401m
    主支索長度 (Mainstay length)201.39m
    中間支索直徑 (Midstay cross diam.)0.430m
    中間支索長度 (Midstay length)108.40m
    底部支索直徑 (Basstray cross diam.)0.468m
    底部支索長度 (Basstya length)48.42m
    總桅杆長度 (TotMast length)261.59m
    帽錐高度 (Hatcone Height HatCH)60.20m
    中間桅杆高度 (MelMa Height)93.82m
    桅杆上部高度 (MastUp)214.22m
    第二渦輪處桅杆高度 (MastT2)154.02m
    第一渦輪處桅杆高度 (MastT1)47.37m
    浮筒、浮體與Boia
    浮體直徑 (Float diam. Fdia)32.00m
    浮體高度 (Float Height FH)34.00m
    額外水線高度 (Extra water level FXH)6.63m
    設計水深 (Design Depth DeDyp)80.00m
    浮筒長度 (Spar Length SparL)63.00m
    浮筒頂部直徑 (Spar top diam SpTopD)13.60m
    浮筒頂部高度 (Spar top height SpTopH)3.59m
    浮筒直徑 (Spar Diam.)6.42m
    浮筒中間高度 (Spar mid height)51.71m
    壓載艙半高 (Ballast halfheight BalHH)7.70m
    總壓載艙高度 (Total Ballast height)15.41m計算值: 2*BalHH
    壓載艙最大直徑 (Ballast max diam. BalDia)17.456m
    水深 (Water Depth)200m設計場址水深
    轉塔軸直徑 (Turret shaft)1.227m
    Boia 直徑 (Boia diam)12.60m
    Boia 高度 (Boia height)7.44m
    渦輪結構
    支撐臂直徑 (Suparm dia)2.12m註:24MW渦輪結構中僅列此項尺寸,其餘如頂冠等未在參數表中列出,建議查證
    轉塔與繫泊
    轉塔直徑 (Turret diameter)10.88m
    轉塔高度 (Turret height)2.24m
    中繼浮筒深度 (Butank depth)94.33m
    繫泊纜長度 (BuLine Length)105.67m
  • 5.2 24MW CRAFT 性能特性 (The 24MW CRAFT Properties):

    • 額外尺寸 (Additional dimensions):
      • 葉片弦長 (支撐臂處): 13.20 m [cite: 1]
      • 葉片弦長 (A-top處): 12.96 m [cite: 1]
      • 葉片弦長 (葉尖處): 3.62 m [cite: 1]
      • 支撐臂弦長 (葉片處): 6.97 m [cite: 1]
      • 浮體乾舷: 10.37 m [cite: 1]
      • 浮筒結構吃水深度: 94.33 m [cite: 1]
      • 牆壁厚度 (Wall thickness): 400 mm [cite: 1] (建議查證此厚度對應的具體部件)
      • 傾斜MV°時高度: 318.86 m [cite: 1]
      • 直立0°時高度: 285.38 m [cite: 1]
      • 最大吃水深度: 96.57 m [cite: 1]
    • 性能指標:
      • 額定功率下計算風速: 10.96 m/s [cite: 1]
      • 切入風速: 3.18 m/s [cite: 1]
      • 切出風速: 26.00 m/s [cite: 1]
      • 額定功率下最大傾角: 35.28 度 [cite: 1]
      • 年發電量: 116,844 MWh/年 [cite: 1]
      • 滿載等效小時數 (FLH): 4,869 小時 [cite: 1]
      • 容量因子: 55.6% [cite: 1]
      • 單位掃掠面積功率: 331 W/m² [cite: 1]

總結與建議查證項目:

  • 本文件詳細描述了CRAFT風力發電機的設計理念、各系統組件、製造與安裝流程,並提供了2.4 MW及24 MW兩種規格的詳細參數。
  • 建議查證項目已在表格備註中標出,主要為部分單位不明確或24MW渦輪結構尺寸參數較少的問題。
  • 牆壁厚度 (Wall thickness) 在兩份參數表中均有列出,但未指明是哪個部件的厚度,通常可能指浮筒或浮體的主要結構壁厚,建議釐清。

希望這份整理符合您的專業需求。