陸上風力發電機機組用塔架結構綜述

賈 銳

(中節能風力發電股份有限公司，北京 100082)

隨著全球氣候變暖和化石能源日趨枯竭，自20世紀70年代中期以來，世界主要發達國家和一些發展中國家都在加緊對可再生能源的開發和利用，風能作為一種取之不盡、用之不竭的綠色可再生能源，且在轉化為電的過程中，具有不消耗燃料、不污染環境等優點受到各國的大力發展。自從風力機面世以來，不斷朝著大型化方向發展。作為風力機重要組件的塔架的各方面特性，也越來越成為制約風機發展的因素。隨著塔架高度以及體積的增大，造成塔筒制造難度及成本隨之升高，而且塔架高度的增加，迫使其承受的載荷也更加難以控制，塔架失效的幾率增加，這會對整個風力發電機組產生較大影響，甚至整機報廢。因此，塔架的研究對于風力機提高單機容量，降低整機成本具有重要意義。

1 風力發電發展背景

1．1 風力發電的起步和發展

人類從中世紀甚至更早便開始利用風能，但將風能用于發電卻是始于19世紀末。1887年，美國人Brush建造了第一臺風力發電用風力機，可為350盞白熾燈和3個發動機提供電力［1］。

一次世界大戰后，飛機螺旋槳技術和近代氣體動力學理論為風力機葉片設計奠定了基礎。二戰前后歐美國家相繼建造了一批大型風力發電機。到了1957年，這時出現的風力機已初具現代風力機雛形，風力機由1個發電機和3個旋轉葉片組成［2］。

20世紀80年代以來，世界上逐漸開發出了100 kW，200 kW，2 MW，2．5 MW，6．2 MW 和7．2 MW 等各種級別的風力發電機組。而目前，世界上最大的“超級風力發電機”單機功率為7．3 MW［3］。

單機容量不斷增大的同時，風力機的裝機容量也持續增長。2009年，全球風機新增裝機超過3 800萬kW，同比2008年增長了31%;2010年全球風機新增裝機3 580萬kW，同比2009年增長了22．5%，累計裝機19 440萬kW［4］。可以看出風力發電行業依然保持強勁的發展勢頭。

1．2 我國風力發電發展現狀

我國風能儲量大，陸地上可開發利用的風能資源約2．53億kW，加上近海的風能資源，全國可開發利用的總風能資源約10億kW以上，居世界之首。

我國從1984年開始研制200 kW風電機組，起步較晚，但經過20多年的不斷努力，不斷創新，我國的風力發電機組的研究已經有了長足發展，且初步形成了完整的風電產業鏈。華銳風電研發的全球領先、中國單機容量最大的5 MW風電機組于2010年10月12日下線［5］。2011年5月18日在其江蘇鹽城綜合產業基地首臺6 MW風電機組下線，預示著我國風電設備制造業“6．0 MW”時代正式開啟［6］。

雖然我國的風電行業發展迅猛，但我國風電機組的研制水平落后于國際先進水平，提高我國風電機組的設計和研究水平，實現“國產化”，對于我國風電事業的長期發展是非常重要的。

2 風機分類及組成

2．1 風力發電機分類

世界各國研制的風力發電機的形態和種類很多，但分類方法基本可歸結為兩種:第一種分法是按照風力發電機功率大小進行分類，劃分的界限分別為10 kW和100 kW，在這兩條界限之內為中型風力發電機，小于10 kW為小型風力發電機，大于100 kW自然成為大型風力發電機。第二種分類方法是按照風力發電機風輪軸方向進行分類，可分為水平軸風力發電機和垂直軸風力發電機(見圖1)。目前，技術最成熟、生產應用最廣泛的一種風力機是水平軸風力機。因其具有較高的風能利用系數和較低的傳動結構要求［7，8］。

2．2 風力發電機的組成

風力發電機主要由風輪、機艙、塔架、基礎四部分組成。其中，塔架是支撐機艙、風力及零部件的結構，它的重量占了整個風機總重的1/2左右，其成本占整個風機制造的15%左右［9］;它將風力機與地面連接，為風輪提供必要的工作高度，然后將風力機各部件受到的載荷傳至地面。塔架的設計水平及性能將直接影響風機整機的性能，因此，可以說塔架是整個風機機組安全運行的保障。

3 國際上塔架的形式及其特點

由于塔架對于風機的重要性越來越受到重視，相關研究也不斷深入，各種不同類型的塔架也相繼出現，各有各的特點。目前，塔架的分類大體有如下兩種:

1)按固有頻率分類:可分為剛性塔架和柔性塔架。其固有頻率大于風輪旋轉頻率的為剛性塔架，反之則為柔性塔架。目前，大中型風機塔架多為柔性塔架，因為柔性塔架具有質量輕且成本低等優點。但因為柔性塔架的固有頻率低于葉片旋轉頻率，所以每當風力機升速時，葉片旋轉頻率會有一個短暫的接近或等于塔架固有頻率的階段，這個階段將會引起瞬態共振。但是由于這個階段時間較短，所以不會造成危害。2)按結構形式分類:可分為桁架式塔架和圓筒式塔架。相對于桁架式塔架，圓筒式塔架雖然成本高，但其具有較高的安全性，優雅的外觀和維修方便等諸多優點，在大中型風力發電機組中被大量采用。

3．1 桁架式塔架

桁架式塔架由于具有非常大的基寬(見圖2)，在所有塔架形式中重量最輕和投資最小，迄今最高的風機已經裝備了這種塔架。但這種塔架的優勢被可能同樣明顯的劣勢所抵消。因為其螺栓的數量是非常多，并且它們需要定期檢查，而且塔架的動態特性也非常難控制［10］。在結冰條件下，大量堆積的冰在極端情況下可能破壞風機塔架［11］。而維修人員的安全可接受水平可能也難以被認可。最終這種形式塔架的可見特性都備受爭議，但是歐洲現在仍在設計桁架塔，主要應用于印度。

圖1 垂直軸與水平軸風力機

圖2 桁架式塔架

3．2 圓筒式塔架

圓筒式塔架根據材料的不同，又可劃分為高強度鋼錐筒型塔架、預應力混凝土錐筒型塔架、混合式(下層混凝土部分和上層傳統的高強度鋼殼部分)錐筒型塔架和木塔(見圖3)。

1)高強度鋼錐筒型塔架。高強度鋼錐筒型塔架主要是焊接鋼殼塔。焊接鋼殼塔目前在風機市場上占據了主導地位。它是由鋼板彎曲成一個圓形并且縱向焊接而成的圓筒。橫向焊縫連接幾個這樣的圓筒形成20 m～30 m的塔節。每一節末有一個鋼制法蘭盤，用螺栓連接起各個塔節。底部法蘭連接到基礎上，機艙連接在頂部法蘭。一座塔的主要特點是應對在極端載荷條件下的張力和屈曲。理想情況下風機應該同時滿足這兩項準則，因為增加直徑，并且相應的減少板厚，增加應力強度卻會減小屈曲承受余度。最后還要進行抗疲勞檢驗。根據BSK和Eurocode規范，連接焊縫(橫向和縱向)和尺寸變化(法蘭)對強度起到了一個負面的影響。因此是焊縫和幾何結構主要決定了疲勞強度而不是鋼的質量。所以風機塔大多數采用普通質量的鋼材料。

2)預應力混凝土塔筒。在風力發電行業，預應力混凝土塔也有一段很長的歷史了。今天，大多數混凝土塔由預制組件組裝成，并且鑄造的尺寸允許公路運輸。目前世界上最高的混凝土塔筒風機是Enercon公司于2009年生產的138 m高的E-82風力發電機，它的裝機容量為2 kW［12］。在混凝土塔中混凝土基本僅承受壓力，而吸收張力的主要是由設在混凝土或混凝土墻的內部/外部的管道中的預應力鋼筋提供。把這些預應力筋安放在混凝土內部或者外部是為了便于檢查。也有一些傳統的未受張力的加強鋼筋澆鑄成的混凝土殼，用來提供抗壓強度(見圖4)。在極端載荷條件下，混凝土塔有較大的應對疲勞韌性，因此混凝土塔的動態性能優良。據推測，混凝土的張力預應力可以達到20 MPa。但是，由于混凝土塔筒的材料非均勻性，也給我們進行塔架的動態分析帶來困難。在極端負載的情況下，壓力側卸載到接近零，而張力側負載達到兩倍。通過增加混凝土保護層的厚度，可能會增加塔的壽命，例如50年［13］。一座混凝土塔的壽命可以服務于兩代風機，這明顯的節省了經濟成本。相對于鋼塔，混凝土塔更重且需要花費更長的時間來建造。另一方面，混凝土或者混凝土構件相對于大直徑基礎的焊接鋼塔，在運輸的過程中非常的困難，會受到種種交通運輸限制。

3)混凝土—鋼混合塔。混凝土塔的優勢集中在它的底部構件，這些構件能夠以一種較經濟的方式吸收巨大的力矩。因此市場上出現了下半部分是混凝土塔架而上半部分是鋼殼塔的混合塔(見圖5)，并且傳統的焊接鋼殼塔部分的設計與運輸限制沒有任何沖突。在現實中，它也可以更容易地設計具體的一部分，得到相應的本征頻率。今天，混合型塔被Enercon公司廣泛的應用并且還引進先進的塔系統。混合型塔一般比純混凝土塔架更經濟［13，14］。

圖3 圓筒式塔架

圖4 預應力混凝土塔筒節

4)木塔。木材用于建造風機葉片材料已經十年了，但是最近才提出將其用于建造風機塔。這看上去很奇怪，因為塔對木頭的應用需求要比葉片還少。木頭一般被認為是一種很經濟的抗疲勞和屈曲的建筑材料。迄今為止只有德國的公司在2009年設計了一款1．5 MW風機的塔架是木頭材料的風力機［15］(見圖6)。由于發展和已知技術的欠缺尤其是關于關節問題，因此木塔的相應研究也比其他幾種塔的研究少的相當多［10］。

圖5 混凝土—鋼混合塔架

圖6 木塔

4 結論與展望

未來風機市場在美國和歐洲是很大的，但最大的潛在市場卻是亞洲、拉丁美洲、前蘇聯和非洲。這些市場需要電力快速發展并最大限度的對國內能源資源依賴的可持續發展。隨著技術的改進和演變，風機的組件也在不斷發生變化，并且向重量更輕型系統發展已經成為一種趨勢。減輕重量和降低材料成本對于占風機總重的60%的塔筒的發展尤其重要。

［1] 熊禮儉．最新風力發電新技術與發電工程設計、運行、維護及標準規范實用手冊［M］．香港:中國科技文化出版社，2007．

［2] 張明明，彭祚登．國內外風能利用的情況和發展趨勢［C］．2010中國可再生能源科技發展大會，2010:2649-2653．

［3] 周燕莉．風力發電的現狀與發展趨勢［J］．甘肅科技，2008，24(3):9-11．

［4] 楊校生．風力發電技術與風電場工程［M］．北京:化學工業出版社，2011．

［5] 陸 宇．中國首臺自主研發——單機容量最大的5兆瓦風機出產［N］．中國能源報，2010-10-20．

［6] 中國新聞網．中國單機容量最大的風電機組投入商用［N/OL］．中國新聞網，2011-06-02．http://www．chinanews．com/ny/2011/06-02/3086932．shtml．

［7] 許振華．世界風力發電的現狀及遠景［J］．發電設備，2001(6):47-53．

［8] 宮靖遠．風電場工程技術手冊［M］．北京:機械工業出版社，2011．

［9] 李 崗，朱增兵，方寒梅．風力發電機塔架制造工藝分析［J］．西北水電，2010(6):47-49．

［10] Harikrishna P，Shanmugasundaram J，Comathinayagam S，etc．Analytical and experimental studies on the gust response of a 52 m tall steel lattice tower under wind loading［J］．Computers and Structures，1999(70):149-160．

［11] Eva Sundin，Lasse Makkonen．Ice Loads on a Lattice Tower Estimated by Weather Station Data［J］．Journal of Applied Meteorology，1997(37):523-529．

［12] 施躍文，高 輝，陳 鐘．國外特大型風力發電機組技術綜述［J］．電網技術，2008，32(18):87-91．

［13] Engstrom，Staffan，Tomas Lyrner，etc．Tall Towers for Large Wind Turbines［R］．Technical report，Elforsk，2010:13-24．

［14] Singh A N．Concrete Construction for Wind Energy Towers［J］．The Indian Concrete Journal，2007(15):43-49．

［15] Stefan Blume，Till Zimmermann．WEC Today and Tomorrowan LCA approach［C］．Proceedings of ECOS，2012:1-14．