零距離科學:建立離岸風電場的挑戰

零距離科學:建立離岸風電場的挑戰

我們想讓你知道的是

今集的《零距離科學》,主要以英國東英格蘭海峽風力場項目(East Anglia One Wind Farm)為例,探討建立離岸風電場的挑戰。

文:吳家亮(香港中文大學通識教育基礎課程講師)
圖:香港電台

近一年多以來,因為疫情的緣故,大家都被困在香港,沒法出外旅遊。折衷的方案是,假日去去離島,發掘本地好去處。如果大家去過南丫島,便會發現那裏矗立著一座風力發電機,大扇葉氣勢磅礴地運轉。不過,陸上的風遠遠不及海風強勁,因此不少國家已向近岸淺水區進發,在那裏興建離岸風力發電場,力求提升綠色能源的佔比。

今集的《零距離科學》,主要以英國東英格蘭海峽風力場項目(East Anglia One Wind Farm)為例,探討建立離岸風電場的挑戰。

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離岸風力發電場

穩妥的支撐

建立離岸風電場要比建立陸上風電場困難得多。海上的環境險惡,風力發電機重達400噸,還面對著時速150公里的巨風和8米高的巨浪,因此它需要一個非常穩妥的支撐。

一般的支撐塔(Jacket)採用四腳設計,但它們佔用的空間較大,需要更多的載貨船才能把合共102座支撐塔從廠房運輸至風電場。為了節省成本,項目主管決定把設計改為三腳。但三腳設計會削弱結構的穩定性,那該怎麼辦?

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載貨船可一次過承載更多的三腳支撐塔,減低運輸成本。

竅門在支撐塔下方深入海床的鋼樁柱。工程師發現,只需把每條樁柱的直徑增加15厘米,便能彌補三腳設計的弱點。

支撐塔的上方則承托著風力發電機,接駁位有一個名為法蘭盤(Flanges)的裝置。這個圓盤既要堅固亦需精準,它要經攝氏千度洪爐火燒製,但因熱漲冷縮,法蘭盤的大小會在冷卻後有所變化,工程師必須仔細計算,讓它最後達至600.2厘米的直徑,不大也不小。

電力的海陸運輸

另一個要解決的問題是要把電力從海上運輸到陸上。這牽涉到離岸變電站(Offshore substation)的建造。這個變電站位於風電場的中央,把102個風力發電機的電力聚合,並把電壓提升至二十萬伏特,以讓電力在運輸途中減少能源損耗。

接著,電力就會由85公里長的海底電纜運輸,上岸後再以地底電纜運送大約40公里才到達陸上變電站,連接全國性電網。這個風電場所製造的電力可滿足63萬個家庭所需。

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電力從海上的風電場輸往內陸。

運輸和建造的挑戰

這計劃的另一個難處,就是把不同地方建造的支撐塔、風力發電機、離岸變電站運往風電場所在地。離岸變電站的支撐塔從西班牙運來,期間要行經一道已經高達69米的橋底,載貨船尚要抓緊潮退的時間,才能勉強成功。離岸變電站則重達4000噸,需要超巨型的載貨船才能運送。

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離岸變電站的支撐塔驚險地經過橋底。

抵達風電場後,更困難的是把這些巨型結構吊起,放置在合適的位置組裝。要吊起離岸變電站,便要用上全球僅有兩艘的巨型起重船!項目負責人在三年前便需要預約這起重船,並需依時完成所有工序,一旦延誤便會蒙受巨大損失。

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載貨船把風力發電機的組件運往風電場。

這艘起重船雖已重達一萬噸,長達200米,但要吊起4000噸的離岸變電站還是有翻船的風險。他們最後要在起重船上添上三萬噸壓艙物,才能平衡離岸變電站,完成任務。

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超巨型起重船吊起重達4000噸的離岸變電站

接著,其他起重船便接手組裝102台風力發電機,包含著支柱、發電機、和三塊長達75米的扇葉。這項任務相比起組裝離岸變電站容易得多,但每台的組裝也要長達14小時!

終於,東英格蘭海峽風電項目在2020年4月竣工,並在7月投入營運。

浮在水上的風電場

不過,世上超過95%海洋的水深都不適合以支撐塔的方式固定風力發電機。工程師需要另覓良方,才能使風力發電普及全球。

他們想到以一個巨型長圓筒來把風力發電機浮在海上。經過電腦模擬和實驗室測試,他們終於付諸實行,在西班牙建造了長90米,寛14米,重達2000噸的圓筒,繼而運送至挪威風平浪靜的哈當格峽灣,在那裏進行最後組裝。

他們先在圓筒注了3000噸水,但單單是水並不足夠,圓筒的重心會太高。他們加入了5000噸鐵礦才能成事。接著,巨型起重船把170米高的風力發電機吊起,小心翼翼地安裝在圓筒上。

最後,拖船用了五天的時間才能把完成品運送至蘇格蘭的彼得黑德鎮(Peterhead)。這個小型風電場除了為這小鎮帶來源源不絕的電力,還證明了浮體式離岸風力發電的潛力。這種方式容許公司因應風力的轉變遷移風力發電機,供電的效能便可更為提高。

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浮體式風力發電機

今天,我們強調減碳,著重安全。風力發電可以一次過達成兩個願望!今次項目的成功,顯示當科技用得其所,確能使世界變得更美好。

《零距離科學》(節目網站)集合世界各地有趣的科學紀錄片,網羅與大眾息息相關的科學資訊,啟發觀眾的好奇心和求知慾,節目逢星期五晚10時在港台電視31播映。本集於8月20日播出。港台網站及流動程式RTHK Screen視像直播及提供節目重溫。

責任編輯:Alvin
核稿編輯:Alex


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