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、運輸及防腐等方面的制約?；旌鲜剿苡蓸藴输撏埠皖A(yù)制混凝土塔架組成，具備高頻率低振幅、無運輸限制、使用壽命長、技術(shù)成熟穩(wěn)定、經(jīng)濟性突出等優(yōu)點，尤其適用于低風(fēng)速、大風(fēng)切變、大湍流、運輸困難區(qū)域，以及大單機容量機組，是當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)電裝機呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。2014年，中國（不包括臺灣地區(qū)）新增裝機容量23，196MW，同比增長44.2%；累計裝機容量114，609MW，同比增長25.4%。新增裝機和累計裝機兩項數(shù)據(jù)均居世界第一。2015年，中國新增裝機30，500MW，同比上升31.5%；累計裝機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?shù)刎摵伤捷^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"日益嚴重。2015年全國棄風(fēng)電量339億千瓦時，全國平均棄風(fēng)率達到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)電價大幅下降，收益減少，風(fēng)電健康發(fā)展形勢嚴峻。對比“三北”地區(qū)棄風(fēng)嚴重的形勢，中東部及南部地區(qū)風(fēng)電發(fā)展趨勢看好，利用小時數(shù)高的風(fēng)場在福建、云南等地出現(xiàn)，由于更接近負荷中心，不需要遠距離輸送，消納市場大，不存在棄風(fēng)現(xiàn)象，國家已出臺相關(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)機來說，為獲得同樣的風(fēng)能，葉片直徑為100米的風(fēng)機對應(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，大葉輪風(fēng)機能獲得更多的風(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?？寺鼘印Ｆ绽侍貙右话闶艿乇碛绊戄^大，風(fēng)速較低，湍流強烈，疲勞強度較大，影響到風(fēng)機的壽命。風(fēng)機在強湍流下，葉片受力不均，傳導(dǎo)到主軸軸承、齒輪箱和發(fā)電機，引起機械損害增加?，F(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電機輪轂高度一般都低于100米。在?？寺鼘?，風(fēng)速會升高，湍流更小。舉一個中國中部的例子：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，延長了機組疲勞壽命。另外，由于高空風(fēng)能增加，風(fēng)機利用小時數(shù)提高，相應(yīng)減少了發(fā)電的波動性，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)

塔架是整個風(fēng)力發(fā)電機組的承載基礎(chǔ)，它要有足夠的強度和剛度，以保證機組在各種載荷情況下能正常運行。而且還要保證機組在遭受一些惡劣外部條件的安全性，如臺風(fēng)或暴風(fēng)襲擊。另外，由于風(fēng)速風(fēng)向的不穩(wěn)定性，機組運行時塔架所受影響也是動態(tài)隨機的，因此塔架還必須有一定的抗疲勞性能。當風(fēng)力機運行時，塔架受載狀況極為復(fù)雜。這些載荷通常包括風(fēng)載荷、機組自重、機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到100m以上的低風(fēng)速區(qū)風(fēng)場的應(yīng)用，同時鋼制塔架也受到加工、運輸及防腐等方面的制約。

為了滿足目前風(fēng)機發(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、無運輸限制、使用壽命長、技術(shù)成熟穩(wěn)定、經(jīng)濟性突出等優(yōu)點，尤其適用于低風(fēng)速、大風(fēng)切變、大湍流、運輸困難區(qū)域，以及大單機容量機組，是當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準鋼筒，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^一個接合器連接上半部分的鋼筒。混合塔架由于采用不同材料制造，經(jīng)過精確計算設(shè)計，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格更趨于穩(wěn)定。

由于本地制造及分塊運輸，可以縮短運輸半徑，不需要超大運輸車輛，無特別運輸要求。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)電項目投資的比例約16%，故對整場投資影響不大。經(jīng)實際測算，90-100米時混合塔架與純鋼塔架成本基本相當。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)電小時數(shù)增加了600小時，用3類風(fēng)場的電價計算，可以增收1800萬元（20年，2.5兆瓦的風(fēng)機），則每臺混合塔架凈增收入1500萬元，一個風(fēng)電場則增加收入3億元（20年，20臺2.5兆瓦風(fēng)機）。

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)的鋼管塔的運輸問題，同時也能滿足目前風(fēng)機發(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)動力學(xué)的優(yōu)點，是當前國際高輪轂塔架的主流趨勢。