大型風電機組塔架材料的現(xiàn)狀和發(fā)展

嚴科飛，萬家軍，任偉華，魏玉通，馮新明，王和

（中國航天科工集團第六研究院，內(nèi)蒙古金崗重工有限公司，呼和浩特 010010）

0 引言

隨著風電機組技術的不斷成熟，風力發(fā)電將向著大型化和海洋化發(fā)展，更大的葉輪直徑和更高的塔架已成為風電發(fā)展的主要趨勢[1-2]。塔筒是風電機組的重要組成部分，其作用是支撐機艙和葉輪，將葉輪舉到設計高度處運行，以獲得足夠的能量帶動發(fā)電機組發(fā)電[3]，其造價大約占單機總造價的20%[4]。當陸上兆瓦級大型風電機組輪轂高度超過80m時，目前使用最多的錐式鋼制塔筒底部直徑范圍處于4m～4.5m之間，塔筒將發(fā)展到100m～150m的高度，用于5MW～10MW的風電機組，特別是在深海風力發(fā)電場中使用的發(fā)電機。此時，由于經(jīng)濟方面、運輸受限和防腐蝕等方面的原因，鋼制塔筒不再是最佳選擇[5-7]。因此，本文分析了大型風電機組塔架材料的應用現(xiàn)狀及存在的問題，闡述了風電機組材料的發(fā)展方向和未來。

1 風電機組塔架材料的應用現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外大型風電機組塔架主要為鋼制塔架，包括鋼制塔架和錐式鋼制塔筒。國內(nèi)外關于鋼制塔架的研究已做了大量的工作，包括靜態(tài)力學性能分析、動態(tài)力學性能分析、防腐蝕研究等[7-10]。多年的使用經(jīng)驗和塔筒大型化的發(fā)展表明，鋼制塔架還存在一些難以解決的問題，歸納起來主要有以下幾點問題：

（1） 鋼制塔筒的成本高[11]。

隨著塔筒高度的增加，其成本所占比例也在不斷增加，SBIR對國外某風電機組3MW和5MW兩種機型的不同高度引起的相關成本變化做了專題研究，研究表明，鋼制塔筒的成本隨高度成指數(shù)規(guī)律增加[12]。

（2） 易腐蝕，維護成本高[13]。

鋼材易腐蝕，需要定期的檢查及維修。而海上風力發(fā)電運行環(huán)境十分復雜：高溫、高濕、高鹽霧和長日照等，腐蝕環(huán)境非?？量蹋瑢Ｉ巷L電塔筒的腐蝕防護提出了更為嚴峻的挑戰(zhàn)。目前使用的防銹復合劑會對環(huán)境造成嚴重的污染。

（3） 運輸、安裝困難[14]。

通常80m風電機組塔筒分段制造而成，直徑范圍處于4m～4.5m之間，長度約為20m，然后用卡車運輸?shù)斤L場。但是隨著塔筒高度的增加，必須增加它的直徑，直到該尺寸的塔筒再不能通過公路來運輸。對于海上風電機組，運輸更加困難，需要研制專用的運輸船舶。

2 風電機組塔架材料的發(fā)展

2.1 鋼/混凝土塔架

2.1.1 鋼筋混凝土復合塔架

鋼筋混凝土塔架以錐式塔筒出現(xiàn)，主要包括現(xiàn)場澆筑型和預制型兩種，其可分為預應力和非預應力型[4]。英國混凝土研究中心聯(lián)合GIFFORD工程設計咨詢機構出具了一份鋼筋混凝土塔筒應用于陸上和海上風力發(fā)電的報告[15]，對鋼筋混凝土塔筒的概念性設計進行了闡述。鋼筋混凝土塔架和鋼質(zhì)塔架相比優(yōu)勢非常明顯，主要有以下技術優(yōu)勢：動力響應和動力放大系數(shù)小、造價低廉、耐腐蝕性強、無運輸?shù)跹b限制和無塔體厚度限制等。但是鋼筋混凝土塔筒以下問題還需進一步研究，如施工難度大（特別是海上施工）、施工周期較長和報廢后垃圾無法處理等問題[16]。

2.1.2 下混上鋼組合塔架

下部采用錐式混凝土塔筒上部采用錐式鋼制塔筒形成下混上鋼組合塔筒，既充分利用了錐式鋼塔筒安裝方便和錐式混凝土塔筒維護費用低的優(yōu)點，又解決了風電機組底部塔筒尺寸過大而無法運輸?shù)膯栴}。

F.J. Brughuis[17]于2002年提出下混上鋼組合塔筒的概念，此后主要從經(jīng)濟和可行性兩方面對其進行了研究。他利用REST Screen international(一個用來對風電機組進行能量產(chǎn)出、經(jīng)濟效益評估和溫室氣體排放估算軟件)分別對陸上100m鋼結構塔架和120m下混上鋼組合塔架，近海100m鋼結構塔架和120m下混上鋼塔筒進行了分析。結果表明，下混上鋼組合塔架比錐式鋼塔架更有經(jīng)濟優(yōu)勢[5-6]。此外，他還對比了風電機組塔筒的價格和回收周期隨塔筒高度的變化情況，結果表明，90m以下錐式鋼塔架更有優(yōu)勢，但當高度大于90m時下混上鋼組合塔架更有優(yōu)勢，對于錐式鋼塔架來說塔架獲利最高的高度在90m～100m之間，超過100m后錐式鋼塔架的回收周期超過7年，而下混上鋼組合塔架的獲利最高的高度可達130m～140m，超過這個高度后，其回收周期也超過7年[18]。他從下混上鋼塔筒設計標準的制定、底部混凝土塔筒的厚度、每塊混凝土塔筒的尺寸、混凝土瓣之間的連接節(jié)點、塔筒整機的動力性能、混凝土塔筒部分的高度的確定、預應力的確定等方面對下混上鋼塔筒進行了詳細的討論，結果表明下混上鋼組合塔筒技術可行[15]。

除此之外，美國新能源實驗室也對錐式鋼塔筒、錐式混凝土塔筒和下混上鋼組合塔筒進行了初步概念性設計和經(jīng)濟性對比分析[19]。結果表明，對于1.5MW的大型風電機組塔筒而言，現(xiàn)澆筑錐式混凝土塔筒最便宜，在現(xiàn)有的施工技術條件下可以考慮采用。對于3.6MW、100m高的風力發(fā)電組塔筒，現(xiàn)澆筑錐式混凝土塔筒是錐式鋼塔筒造價的68%，對于5.0MW、100m高的風電機組塔筒，現(xiàn)澆筑錐式混凝土塔筒是錐式鋼塔筒造價的63%。

2.2 復合材料塔筒

2002年，美國風塔系統(tǒng)公司開展了一項美國能源部資助的多年研發(fā)項目，以對更輕、更高兆瓦級以上風電機組塔筒進行商業(yè)化。該公司后改名“風塔復合材料公司（Wind Tower Composite）”，它開發(fā)和測試了80m高的1.5MW風電機組塔筒和零部件，這個最終被稱為“空間框架（Space Frame）”的塔筒采用了碳纖維增強聚合物管進行改造，與鋼制塔筒相比，重量降低了20%，生產(chǎn)成本降低了25%。

希臘Pikermi可再生能源和節(jié)能中心進行協(xié)調(diào)的MEGAWIND項目，該項目的開發(fā)團隊致力于開發(fā)一臺兆瓦級的風電機組和復合材料塔筒，用于高風速、地形復雜的風力發(fā)電場。他們設計了兩種類型的塔筒：一種是中空GFRP單柱結構，另一種是由GFRP和其他材料建造的混雜系統(tǒng)。該項目在歐洲委員會聯(lián)合研究中心的結構評估歐洲實驗室（意大利伊斯普拉）進行測試后表明，對于非常高的塔筒，復合材料提供了一個有潛在吸引力的解決方案。

加拿大馬尼托巴大學在美國申請的專利US 7866121B2[20]中介紹了一種復合材料塔筒及其制備方法，其主要特征是：在一個可旋轉(zhuǎn)的芯軸上采用手糊－纏繞工藝制備復合材料多邊形型材單元，然后將這些型材單元軸向粘接，并在縱向采用套筒連接。加拿大馬尼托巴大學博士論文[21]數(shù)值模擬了81m風電機組塔筒在風載和冰載情況下的靜態(tài)和動態(tài)形為。此復合材料塔筒包括16段，每段由3個邊長為450mm的等邊三角形型材單元粘接而成，縱向采用套筒方式連接。采用多種不同有非線性有限元單元模型研究了81m復合材料塔筒的設計參數(shù)，包括：鋪層方式、厚度、三角形型材直徑等。實驗制備了8.6m復合材料塔筒，并在測試了靜態(tài)力學性能和共振頻率。文獻[22]采用有限元和試驗相結合研究了八單元連接成的復合材料塔筒的靜態(tài)和動態(tài)性能，包括靜態(tài)失效載荷、失效模式、基本頻率和周期。試樣高度為4.88m。結果表明，有限元法能夠很好地預測靜態(tài)力學性能和動態(tài)性能。

通用電器在美國申請的專利US 2009/0211173 A1[23]及在中國申請的專利CN 101539095A[24]中公開了一種復合材料塔筒及其制備方法，其制備方法是采用纏繞成本工藝。

復合材料塔筒的優(yōu)勢主要集中在以下幾方面：1）重量輕，運輸安裝成本低[14]；2）耐腐蝕，維護成本低；3）溫度適應性強；4）可設計性好；5）復合材料的原材料成本漲幅不大，具有材料價格競爭優(yōu)勢[25-26]；6）環(huán)境更友好。

3 結論

鋼制塔架已顯示出其局限性，如制造成本高、易腐蝕、維護成本高和運輸、安裝困難的問題等。根據(jù)國外的經(jīng)驗顯示，錐式鋼筋混凝土塔筒和下混上鋼組合塔筒和復合材料塔筒是未來大型風電機組塔架的發(fā)展方向。國外風電發(fā)達國家對錐式鋼筋混凝土塔筒和下混上鋼組合塔筒和復合材料塔筒的研究和應用已經(jīng)有了很多的經(jīng)驗，但我國目前對于大型風電機組鋼筋混凝土塔筒和下混上鋼組合塔筒的研究相對較少，對于復合材料塔筒還未見報道，建議加大相關方面的研究力度。

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