臺大浮臺（TaidaFloat）造型與尺寸（圖左），臺大浮臺搭載 15MW 風機（圖右）

作者/ 臺灣大學馬開東教授，臺灣國際造船/周志明副總經理，船舶中心/ 周顯光執行長，臺大工學院副院長/ 江茂雄教授

隨著風電開發開始涉足深度大於 65 米的深海水域，浮動式風機成為優於固定式風機的首選解決方案。在眾多浮動式平臺如半潛式（Semi-submersible）、柱狀浮筒式（SPAR）、以及張力腿式（TLP），半潛式浮臺擁有許多優點，目前在世界各個設計開發團隊中，已經有好幾個設計進入了建造規劃的階段。

國立臺灣大學、臺灣國際造船（CSBC）、財團法人船舶中心（SOIC）的研究人員和工程師們為了響應經濟部前瞻計畫以及科技部綠能研發計畫的召喚，共同組成了一個的設計團隊，初期目標是進行承載 15MW 風機半潛式浮臺的開發設計。以期提供風電開發商，於臺灣海峽中水深 60 米至 100 米的風場規劃部署時，能以本土設計與建造的浮臺結構為首選，除了可彰顯本土的技術能量，亦能為開發商參與風場競爭的方案加值。

本團隊在設計之初，即詳細審察過世界現有具代表性的八個半潛式浮臺計劃的數據，並將其部分設計參數彙整於下列圖表，表中大多數浮臺設計使用一個主柱來承載風機，這種設計使得碼頭的起重機能相對輕鬆地將風機安裝上浮臺，減小對安裝碼頭設備的要求。相反地，有些設計將風機放置在浮臺的正中心，但起重機和浮臺中心的距離較遠，也就是吊重力臂會增長，這會使得港口必須大規模整建來配置具有極高起重能力的吊重機，嚴重限制生產浮臺的便利性。

經過對世界知名設計的深入瞭解與分析，本研發團隊隨即根據浮台主要參數，從各個考量進行一系列的深層設計，進而取得了現今最佳的優化產品。

臺大浮臺（TaidaFloat）與世界各國其他設計之重量分布的比較

財團法人船舶中心（SOIC）於 2021 年發展了本土的第一款浮臺設計，命名為德塔浮臺（DeltaFloat），主要用於搭載 10～12 MW 的風機，為臺灣離岸風電產業加深本土化的發展建立了第一個里程碑。本設計團隊承襲了 DeltaFloat 的設計觀念，費時半年，遂行了進一步的優化工作，而完成了目前的初步設計，並暫時命名為「臺大浮臺（TaidaFloat）」。也由於本設計是以 SOIC 的 DeltaFloat 浮臺作為設計參考的起點，所以臺大浮臺與  DeltaFloat 外型類似，都選擇立體三角形為主結構，在 pontoon 的角落有三個立柱，風機將會由三個立柱之一承載，該柱稱為主柱，而未放置風機的稱為外柱。相對於石油產業使用的 4 個立柱的海洋產油平臺，這種 3 個立柱的配置已經成為離岸風電業界最典型的設計安排，可以減少鋼鐵材料的使用量。

針對因風機重量造成的浮臺重心偏移，以及船舶的穩定性考量，本設計團隊針對 20 多種尺寸組合，進行詳細地評估，並選定初版尺寸。

臺大浮臺初版之3D模型圖

對於整體浮臺結構的設計，在符合實際工程應用需求的前提下，本團隊並致力於在建造成本與結構外型之間取得最佳平衡，並且加強浮台在船廠大量製造的可行性。

另外，從經濟成本的角度來看，一個重要的指標是總排水量與風機（亦即葉片、塔架和 RNA 等）重量的比值。 在上圖所示的各種設計中，實際安裝項目的比值大約在 9.0 和 15.0 之間。臺大浮臺 的比值為 10.6，在該範圍中，屬於優質。另一個重要指標是浮臺空船重量與總排水量的比值，也就是鋼材重量（不包含風機）佔排水量的百分比，設計目標是盡可能節省鋼材的使用，並透過使用幾乎零成本的海水壓載，來獲得所需的排水量，臺大浮臺指標估計為 0.2，明顯地優於其他的設計。

本團隊在完成內部結構佈置後，為了確保有足夠的強度面對不同的作業條件和環境載荷，在設計期間即使用有限元素分析軟體對結構進行應力分析，依照滿載工作吃水情況下，對結構進行大量的系列分析。因為浮臺目標是臺灣海峽，目前取得新竹近海浮標的最佳海洋氣象數據。並將其與美國國家海洋暨大氣總署提供的數據進行回歸分析，總結出本設計項目會面臨的海洋氣象條件，列出了風、浪和海流的海洋氣象環境標準，作為結構載荷的輸入考量。

臺大浮臺有限元素模型

為了使浮臺的設計滿足公認標準，本團隊多方參考船級規則，例如美國驗船協會（ABS）法規。船級協會的設計指南對浮動式風機在設計、建造、安裝和調查各方面都提供相對應的標準，設計指南主要涉及三個主要領域：浮臺結構、繫泊錨碇系統以及機械設備，大部分的船級協會都有發布類似的規範。另外，運用船級協會提供的相關設計工具，提高工作效率和完整性，幫助檢查新設計是否符合規範要求，目前本團隊有系統地運用設計工具，以提高細部設計的工作效率。

臺大浮臺有限元素分析

本團隊目前完成了浮臺的初步設計，浮臺是個帶有環形 pontoon 的 3 柱半潛式浮臺，能夠承載大於 2200 噸的 15MW 風機，此設計擁有下述幾個優點：

1. 容易施工建造：臺大浮臺的設計比較了將近 20 種變化型，最終將圓形柱子進化成不規則六角形立柱，這個改進可以讓造船廠施工建造的流程變得極為流暢，不需要用彎板機耗時耗工地建造大型圓柱，大量的銲接也都轉變成可採自動或半自動的面銲接，不但簡化施工，並且間接地提高銲接品質。

2. 海面上的高度穩定性：通過安排三個柱體的最佳位置和尺寸大小來增加水面面積的慣性矩，以及在環形 pontoon 內使用水泥以及海水作為永久壓載來壓低整體重心，結果浮臺具有高穩定性，即使在柱內幫浦未運送壓載水時，也能在風浪中保持非常小的浮臺傾角，保持風機的最佳發電效率。

3.  平順且堅固的船體結構：浮臺形狀採用傳統環形 pontoon 加上立柱的布置方式，這在海洋石油業界已經取得了超過五十年的經驗驗證。環形 pontoon 與水平支撐（horizontal bracings）使整個浮臺外殼變得極為堅固，此設計避免了複雜的斜角支撐柱的使用，將疲勞斷裂的可能性降至最低。

4.  高效率的壓載重量分佈：將主柱尺寸增加，使得其額外的浮力可以用來支撐風機的重量。相較於三柱直徑相同的設計，臺大浮臺的外柱不需要額外的壓載來平衡主柱的風機重量。所有柱體都只需要保持小量壓載海水，該壓載可用於在工作運作階段來控制平臺傾角。由於外柱沒有額外大量海水壓載，降低了浮臺重心，也提高了浮臺穩定性。

5. 平緩的浮臺運動：寬大的 pontoon 可以提高阻尼，直接提供阻尼（damping），減緩了浮臺的運動，如起伏（heave）。Pontoon 內的永久壓載可以平衡內外壓力差，並且壓載水的質量也進一步增加穩定性，減緩浮臺在風浪中的運動。

6. 寬闊的甲板空間：主柱頂（甲板）和三根水平支撐提供了寬敞而又連續的作業空間，初期海上安裝時便立於工人進行施工程序。對於設計壽命中偶爾需要的不定期維修，也提供人員更好的運維工作環境。

本團隊將在下一階段進行全面的細部設計工作，其中包括浮臺內部結構以及繫泊系統的設計，典型的 3×1 繫泊系統（3 條錨鏈）是否能夠承受 50 年颱風的最大設計條件仍有待驗證，初步分析顯示繫泊系統可能會需要 3×2  的繫泊系統（6 條錨鏈）來抵抗臺灣海峽在極端環境條件下的劇烈風浪。另一個工作是浮臺重量的控制，減輕鋼材重量是細部設計重要的工作之一，內部構造還必須遵循船級協會規範中的設計公式，在下一階段將會通過更多的有限元素分析，實現最高效的浮臺結構設計。總結，如何降低建造成本以及減輕長期運維需求，仍將是離岸風電業界一個最大的挑戰。

本設計案的經費來自於科技部綠能研發計畫、經濟部能源局前瞻計畫、以及教育部玉山學者計畫。另外，感謝許多專家與單位的協助，包括臺大工科海洋系教授群、美國休士頓海洋工程專家群、美國驗船協會、上緯新能源、RWE Renewable 等。