國立台灣大學 水下聲學實驗室
National Taiwan University Underwater Acoustics Lab
離岸風機運轉噪音模擬分析
Simulation of Offshore Wind Turbine Operational Underwater Noise
國立台灣大學 水下聲學實驗室
國立臺灣大學工學院工程科學及海洋工程學研究所碩士論文
作者：洪浩哲 指導教授：陳琪芳
本研究重點在於針對離岸風機的運轉噪音進行影響評估與模擬分析，現今大部分文獻研究對於離岸風機的運轉噪音研究集中在量測，並依據量測結果與相關風機參數結果推展出依離岸風機設計功率、風速、距離等參數所相對應的運轉噪音。而本研究將依據現今台灣評估離岸風機打樁噪音的方式，依循一套聲源由有限元素法進行模擬，並使用拋物線音傳方程式，計算離岸風機運轉噪音傳遞至遠場距離的噪音大小，此方法流程目前被廣泛應用於離岸風機的打樁噪音評估。本研究將會主要分成三大部分，噪音影響、模擬結果與離岸浮式風機模擬。噪音影響部分會回顧離岸風機相關的噪音，再對運轉噪音之噪音特性進行整理，最後將會是統整該噪音會對海域生物所造成的影響。而模擬結果將分為三個階段，驗證輸入函數、固定式基礎實際案例對比與浮式風機實際案例對比，本研究將藉由此三種案例驗證該方法的可行性與準確性。最後，本研究所使用之案例風機設計功率都在6MW以下，在未來應對大功率的離岸風機時仍需額外的驗證。
關鍵字：離岸風機、離岸浮式風機、運轉噪音、有限元素法、風機震動函數
(左)台灣離岸風電潛力場址
(中)台灣離岸風電場之規劃海域敏感區域
(右)中華白海豚野生動物保護範圍
圖 1
國際工程顧問公司4C Offshore 於2022年公布全球20處風力最強的離岸風場，其中有9處位於台灣海峽，然而台灣沿岸海域為十分繁忙的航道，相關的電纜、天然氣管線與漁場等國家管制區眾多，此外環境意識的抬頭與相關漁民議題，都使離岸風力發電開發需要經過審慎的評估與溝通，因此政府相關的環境評估顯得十分重要。
各種種類的離岸風力發電機基礎示意
圖 2
離岸風力發電機分成需多不同的種類，有依據其固定方式大致分成兩種，固定式與浮式風機，這當中固定式又依據其固定的基礎分成需多不同的種類，重力式、單樁式、三腳式與套筒式，而浮式也依據其浮台分成不同的種類，半浮潛式、張力腿與桅桿式，這些不同種類會讓模擬分析離岸風機運轉噪音的參數會依據不同種類而有所變化。
離岸風機相關水下噪音於不同時期(左)離岸風機噪音來源與路徑(右)
圖 3
離岸風電運轉噪音之聲源，主要噪音來源分成兩種，空氣噪音與水下噪音，空氣噪音來自葉片尖端之風切聲，而水下噪音則來自於發電機艙當中發電機與齒輪組所產生的震動經由塔柱傳遞至海水與海床當中。離岸風機在被設計建造的期間當中有三個主要的噪音污染來源，打樁噪音、運轉噪音與拆除噪音。
運轉噪音特性(左)運轉噪音對海洋生物造成行為改變範圍(右)
圖 4
離岸風機運轉噪音評估流程(左) 近場結果轉換至遠場模擬示意圍(右)
圖 5
模擬離岸風力發電運轉噪音使用COMSOL Multiphysics 5.5軟體進行有限元素法聲固耦合模式模擬聲源，也就是近場。而受廣大的海洋環境所影響，無法全部使用有限元素法進行模擬，因此需要遠場的因船模擬來幫助，也就是圖5右進場與遠場轉換結合以此來評估在一定距離下的運轉噪音結果。
離岸風機模擬模型(左) 驗證風機震動函數案例比對結果(中) 驗證風機震動函數案例單位風機震動函數結構頻率響應(右)
圖 6
在前段提及模擬流程，而除了模擬流程以外，模擬運轉噪音最重要的是運轉噪音的輸入震動函數。模擬的案例來自蘇格蘭政府底下出版的蘇格蘭海洋與淡水科學當中一份報告，該篇研究提出如何利用風機震動函數來模擬離岸風機運轉噪音，而本研究也依據其概念改寫風機震動函數，此案例將是為了驗證本研究所使用的風機震動函數與該研究所使用的函數所產出的結果相似。
離岸風機實際地點(左)模擬與實際案例比對比對結果(中)模擬與實際案例1.35公里處比對結果(右)
圖 7
此案例為進行模擬的離岸風機為上緯公司在台灣苗栗外海所興建的21號示範風機，所想比對的資料來自本實驗室先前進行量測結果，結果分為風基點未與1.35公里以外，兩者可以看到最主要頻率峰值有所對應，而運轉噪音在傳遞一定距離後有非常明顯的衰減現象。
離岸浮式風機實際地點(左) 模擬模型(中)模擬與實際案例比對結果(右)
圖 8
最後本研究還針對浮式風機當中的桅杆式平台進行運轉噪音的模擬與實際案例進行比對，此種平台雖說較不適合台灣海峽，受限於安裝與結構水深，但仍舊可以做為浮式風機運轉噪音的模擬案例參考。此案例位於挪威西南海域的離岸示範浮式風機Hywind Demo，由JASCO公司對其於2011年進行長時間的量測報告。總結來說，為應對綠能開發與生態之間的平衡，針對離岸風機運轉噪音提出可以評菇的模擬結果，便是本研究的主要目的，同時也可以從上述所呈現得結果看出，不同平台的實際量測與模擬的結果之間的差異僅差在特徵峰值間，在整體趨勢上具有高度的相似性。