混合式塔架在低風(fēng)速區(qū)的應(yīng)用與發(fā)展

肖彤（沈陽華創(chuàng)風(fēng)能有限公司，山東青島 266000）

混合式塔架在低風(fēng)速區(qū)的應(yīng)用與發(fā)展

肖彤
（沈陽華創(chuàng)風(fēng)能有限公司，山東青島 266000）

在風(fēng)能資源較好地區(qū)的高速風(fēng)電開發(fā)受限于并網(wǎng)瓶頸而不斷"棄風(fēng)"的背景下，低風(fēng)速區(qū)風(fēng)場開發(fā)成為目前我國風(fēng)電發(fā)展的重點(diǎn)方向之一。低風(fēng)速區(qū)對輪轂高度提出了100m以上的要求，傳統(tǒng)的鋼制錐筒式塔架在此方面的應(yīng)用受到加工、運(yùn)輸及防腐等方面的制約?；旌鲜剿苡蓸?biāo)準(zhǔn)鋼筒和預(yù)制混凝土塔架組成，具備高頻率低振幅、無運(yùn)輸限制、使用壽命長、技術(shù)成熟穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)性突出等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于低風(fēng)速、大風(fēng)切變、大湍流、運(yùn)輸困難區(qū)域，以及大單機(jī)容量機(jī)組，是當(dāng)前國際高輪轂塔架的主流趨勢。

低風(fēng)速區(qū) 混合式塔架 預(yù)制混凝土

1 國內(nèi)風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀

風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，在我國利用起步雖然較晚，但是在國家政策的扶持下，近幾年來取得了迅猛發(fā)展。2006年后，我國風(fēng)電裝機(jī)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。2014年，中國（不包括臺(tái)灣地區(qū)）新增裝機(jī)容量23，196MW，同比增長44.2%；累計(jì)裝機(jī)容量114，609MW，同比增長25.4%。新增裝機(jī)和累計(jì)裝機(jī)兩項(xiàng)數(shù)據(jù)均居世界第一。2015年，中國新增裝機(jī)30，500MW，同比上升31.5%；累計(jì)裝機(jī)1.45億千瓦，同比上升26.6%。長期以來，由于風(fēng)電開發(fā)高度集中“三北”地區(qū)、風(fēng)電和電網(wǎng)建設(shè)不同步、當(dāng)?shù)刎?fù)荷水平較低、靈活調(diào)節(jié)電源少、跨省跨區(qū)市場不成熟等原因，導(dǎo)致"棄風(fēng)限電"日益嚴(yán)重。2015年全國棄風(fēng)電量339億千瓦時(shí)，全國平均棄風(fēng)率達(dá)到15%；今年一季度棄風(fēng)率26%，其中高風(fēng)速的“三北”地區(qū)接近40%。風(fēng)電參加交易后，上網(wǎng)電價(jià)大幅下降，收益減少，風(fēng)電健康發(fā)展形勢嚴(yán)峻。對比“三北”地區(qū)棄風(fēng)嚴(yán)重的形勢，中東部及南部地區(qū)風(fēng)電發(fā)展趨勢看好，利用小時(shí)數(shù)高的風(fēng)場在福建、云南等地出現(xiàn)，由于更接近負(fù)荷中心，不需要遠(yuǎn)距離輸送，消納市場大，不存在棄風(fēng)現(xiàn)象，國家已出臺(tái)相關(guān)政策支持上述地區(qū)的低風(fēng)速風(fēng)場發(fā)展。

2 低風(fēng)速區(qū)風(fēng)機(jī)選用要求

低風(fēng)速地區(qū)年均風(fēng)速低于6.5米/秒（70米高），常規(guī)風(fēng)機(jī)的發(fā)電量只有高風(fēng)速地區(qū)的一半到3/4，低空湍流大、風(fēng)況偏差大，設(shè)備承受的載荷明顯增加。為增加投資低風(fēng)速風(fēng)場的回報(bào)率，有以下重要技術(shù)手段：

（1）增大風(fēng)輪直徑。增大風(fēng)輪直徑也就增加了葉片的掃掠面積，測算表明，從風(fēng)中獲得的能量與葉片掃掠面積及風(fēng)功率密度密切相關(guān)，對于2兆瓦風(fēng)機(jī)來說，為獲得同樣的風(fēng)能，葉片直徑為100米的風(fēng)機(jī)對應(yīng)250瓦/平米的風(fēng)功率密度，而葉片直徑為120米的風(fēng)機(jī)只需要180瓦/平米的風(fēng)功率密度，也可以說，同樣風(fēng)功率密度時(shí)，大葉輪風(fēng)機(jī)能獲得更多的風(fēng)能。（2）增高塔筒。以100米為界，大氣邊界層分為普朗特層和?？寺鼘?，低于100米為普朗特層，高于100米為?？寺鼘?。普朗特層一般受地表影響較大，風(fēng)速較低，湍流強(qiáng)烈，疲勞強(qiáng)度較大，影響到風(fēng)機(jī)的壽命。風(fēng)機(jī)在強(qiáng)湍流下，葉片受力不均，傳導(dǎo)到主軸軸承、齒輪箱和發(fā)電機(jī)，引起機(jī)械損害增加?，F(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)輪轂高度一般都低于100米。在埃克曼層，風(fēng)速會(huì)升高，湍流更小。舉一個(gè)中國中部的例子：在70米高空風(fēng)速為5.06米/秒，則120米高空為5.62米/秒，風(fēng)速增加11%，對應(yīng)年發(fā)電量能增加33%。增高塔筒后，由于湍流減小，葉片受力相對均勻，延長了機(jī)組疲勞壽命。另外，由于高空風(fēng)能增加，風(fēng)機(jī)利用小時(shí)數(shù)提高，相應(yīng)減少了發(fā)電的波動(dòng)性，電網(wǎng)更易于接納，因而增高塔架高度是在低風(fēng)速地區(qū)獲得更多風(fēng)能的有效技術(shù)手段。

3 混合式塔架技術(shù)

塔架是整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的承載基礎(chǔ)，它要有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證機(jī)組在各種載荷情況下能正常運(yùn)行。而且還要保證機(jī)組在遭受一些惡劣外部條件的安全性，如臺(tái)風(fēng)或暴風(fēng)襲擊。另外，由于風(fēng)速風(fēng)向的不穩(wěn)定性，機(jī)組運(yùn)行時(shí)塔架所受影響也是動(dòng)態(tài)隨機(jī)的，因此塔架還必須有一定的抗疲勞性能。當(dāng)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行時(shí)，塔架受載狀況極為復(fù)雜。這些載荷通常包括風(fēng)載荷、機(jī)組自重、機(jī)組重心偏移引起的偏心力矩以及由于風(fēng)振引起的高聳結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)等。這些問題都制約了傳統(tǒng)的鋼制錐筒式塔架在輪轂高度達(dá)到100m以上的低風(fēng)速區(qū)風(fēng)場的應(yīng)用，同時(shí)鋼制塔架也受到加工、運(yùn)輸及防腐等方面的制約。

為了滿足目前風(fēng)機(jī)發(fā)展趨勢對于塔架高度的需求，各國的生產(chǎn)廠家都在努力開發(fā)新型塔架，Dmch公司開發(fā)出了一種將鋼管塔安裝在預(yù)制的混凝土基礎(chǔ)上的混合式塔架。該類型塔架在歐洲和南美洲廣泛應(yīng)用，技術(shù)成熟可靠。具備高頻率低振幅、無運(yùn)輸限制、使用壽命長、技術(shù)成熟穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)性突出等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于低風(fēng)速、大風(fēng)切變、大湍流、運(yùn)輸困難區(qū)域，以及大單機(jī)容量機(jī)組，是當(dāng)前國際高輪轂塔架的主流趨勢。

典型的混合塔架上半部分是標(biāo)準(zhǔn)鋼筒，下半部分是優(yōu)質(zhì)的預(yù)制混凝土塔架?；炷敛糠置恳欢胃叨瓤梢哉{(diào)整，由多片預(yù)制板材拼合而成，組合方式也可以調(diào)整。每一段混凝土塔筒首尾銜接起來。為增加混凝土塔身的抗拉性能，整體再通過預(yù)應(yīng)力鋼纜與地基相固定?；炷敛糠值捻敹送ㄟ^一個(gè)接合器連接上半部分的鋼筒?；旌纤苡捎诓捎貌煌牧现圃欤?jīng)過精確計(jì)算設(shè)計(jì)，塔架自振頻率可調(diào)，可以避免與葉片的通過頻率發(fā)生諧振，因而不用改變機(jī)組控制策略，其支撐剛度及抗疲勞性能提升。另外以水泥作為原材料的塔架價(jià)格更趨于穩(wěn)定。

由于本地制造及分塊運(yùn)輸，可以縮短運(yùn)輸半徑，不需要超大運(yùn)輸車輛，無特別運(yùn)輸要求。預(yù)制混凝土塔架的預(yù)制板可以在室內(nèi)批量生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，質(zhì)量的一致性可以把控。雖然增高塔架高度增加了原材料使用及基礎(chǔ)的投入，但由于塔架成本占整體風(fēng)電項(xiàng)目投資的比例約16%，故對整場投資影響不大。經(jīng)實(shí)際測算，90-100米時(shí)混合塔架與純鋼塔架成本基本相當(dāng)。在中國，120米的純鋼塔架和上鋼下混塔架相比，混合塔架的成本可降低30%左右，而且使用混合塔架后年發(fā)電量最大可增加50%左右。例如，塔架的高度由70米增加至120米以后，塔架的材料成本以及吊裝成本增加了300萬元，但年發(fā)電小時(shí)數(shù)增加了600小時(shí)，用3類風(fēng)場的電價(jià)計(jì)算，可以增收1800萬元（20年，2.5兆瓦的風(fēng)機(jī)），則每臺(tái)混合塔架凈增收入1500萬元，一個(gè)風(fēng)電場則增加收入3億元（20年，20臺(tái)2.5兆瓦風(fēng)機(jī)）。

4 結(jié)語

隨著風(fēng)電開發(fā)轉(zhuǎn)向低風(fēng)速區(qū)，輪轂高度提升，混合式塔架也逐漸表現(xiàn)了出優(yōu)異性。這種塔架克服了傳統(tǒng)的鋼管塔的運(yùn)輸問題，同時(shí)也能滿足目前風(fēng)機(jī)發(fā)展趨勢對于塔架高度的需求，并且這種混凝土塔架基礎(chǔ)也顯示出了其結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前國際高輪轂塔架的主流趨勢。