風電機組基礎與風電機組塔架連接研究

韓 博，靳先雨

(黑龍江省華富電力投資有限公司哈爾濱分公司，哈爾濱 150001)

人類的生存和發展離不開能源的開發和利用，能源、資源也是促進人類經濟社會發展的基礎。在經濟社會快速發展過程中，導致不可再生能源的過度消耗，例如石油、煤炭、天然氣等能源日趨緊張，不可再生能源的短缺已經成為制約經濟社會發展的主要因素之一。只有加快對新能源的研究、開發和利用，才能實現經濟社會的可持續發展。加大對風力等新能源的應用，還可以有效降低對環境的破壞和污染。

在人類大力開發和利用新能源過程中，風力能源憑借它的自身優勢在世界各國得到了快速持續的發展。風能具有建設周期短、應用效率高、環境要求低等特點，同時風力發電過程中憑借低排放、低污染、低碳環保的優勢，成為世界各國可持續發展的首選戰略之一。我國作為風力發電大國，在2014年風電裝機容量已達到20 700 MW，在風力發電技術上也得到不斷的突破，逐漸領先于世界。但是，我國的風力發電還存在一定的問題，需要去解決和完善。本研究基于此背景，對風電機組基礎與風電機組塔架連接的相關問題進行探討，并結合自身多年工作經驗提出一些發展建議。

1 風電機組基礎和塔架連接材料現狀

當前，風電機組基礎和塔架連接大多以鋼制結構為主，如鋼制的塔架和鋼制的塔筒等。鋼制結構連接技術的發展已經日趨成熟。在發展過程中，科研人員和建設人員也做了大量的驗證工作，包括靜態力學分析、動態力學分析、連接處防腐處理等。

1.1 應用鋼制材料的成本較高

隨著技術的發展，對風力發電量需求的增加，風電機組塔架的高度不斷增加，增加了機組塔架的成本。

1.2 連接處容易腐蝕，增加企業的維修成本

風力發電機組長期暴露在外部環境中，要面臨高濕度、高溫度、長時間日照等，在外部環境作用下，非常容易使鋼制結構出現腐蝕問題，如果得不到及時處理，就會污染環境。因此，風電企業要反復檢查和維護，增加了建設和維修成本。

1.3 鋼制結構塔架運輸、安裝難度較大

對普通高度的塔架可以采用分段的形式完成運輸和組裝，但是，隨著風電塔架結構的增加，塔架的直徑長度也會相應地增加。塔架直徑達到一定高度后，就無法用汽車運輸。隨著對風電需求量的增加，增加了塔架的運輸和安裝難度。

2 風電機組基礎和風電塔架連接技術研究

2.1 風電機組基礎與塔架鋼筋混凝土連接技術

鋼筋混凝土連接主要包括鋼混復合連接、上鋼下混組合連接等。

鋼混復合連接材料主要包括澆筑型和預制型兩種，每種類型又分為預應力和非預應力。鋼筋混凝土復合結構連接具有鋼架單一結構連接模式不可比擬的優勢，相對于鋼架單一結構連接，具有造價成本低、動力響應強、抗腐蝕性強以及有效解決運輸困難問題的特點。但是，與傳統連接技術相比，也存在一定的劣勢，如加大了施工難度、建設工期較長、施工過程中容易對附近環境造成破壞等。

上鋼下混組合連接搭架模式的下部要采用混凝土和上部采用鋼筋結構對風電機組基礎和塔架的有效連接，具有安裝便捷、維護成本低的優勢，同時也有效地解決了塔架尺寸大、無法運輸的難題。研究人員分別對地面高度100 m的鋼結構連接和海上120 m的下鋼上混的組合連接進行了詳細的數據對比，分析表明，組合連接模式更具經濟優勢。對上鋼下混組合連接模式和鋼結構單一連接模式的應用高度進行了分析研究，表明90 m以下風電機組適合應用鋼結構單一連接模式，90 m以上高度的風電機組適合上鋼下混組合連接模式。科研人員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討論，結果表明：下混上鋼組合塔筒技術可行。西方發達國家也對鋼結構和上鋼下混模式進行了系統性的分析和研究，結果表明：1.5 MW以下的大型風電機組采用混凝土澆筑連接成本較低，且施工周期較短，具有一定的優勢。但是，對于3.6 MW以及100 m以上高度的風電機組，上鋼下混組合連接模式是鋼結構或混凝土結構等單一模式成本的70%左右，應用的優勢較大。在選用風電機組基礎和塔架連接技術時，要充分考慮到機組的高度和機組的發電量等，才能不斷降低建設成本，提高風力發電效率。

2.2 風電機組基礎與風電機組塔架復合材料連接技術

在風力發電不斷推廣和應用過程中，世界各國的能源機構也加大了對風電機組基礎與風電機組塔架連接技術的研究。在塔基與塔架連接領域不斷涌現新的技術和新的材料，包括新型復合連接材料和連接技術的應用。2002年，美國風塔公司研究了一項以碳纖維復合材料為主的機組塔架和基礎連接材料，并與傳統的鋼制結構和鋼混結構進行了系統的數據對比。復合材料連接的基礎和塔架在重量上與傳統連接模式相比，降低了20%，運輸成本降低了30%左右，生產成本降低了25%。采用碳纖維等復合材料的連接技術具有廣闊的應用前景。希臘國家能源中心科研隊伍開發了一項以復合材料為主的風力發電機組，并在地形相對復雜的高速風電場進行了實驗。通過復合材料連接的風電機組相對于傳統材料、傳統技術連接的風電機組更具有優勢。加拿大能源中心科研機構研究了一項基礎和塔架復合材料連接制備方法，將一個可以旋轉的芯軸采用手糊纏繞工藝制備成一個多邊形的材料單元，工作人員將這些材料單元和芯軸粘接在一起，利用套筒將粘接處固定。將此連接制備方法應用到風電機組的建設中，工作人員做了大量的試驗，包括靜態失效載荷試驗、失效模式試驗、基本運動頻率和基本運動周期試驗。試驗數據表明，以復合材料為主的連接模式在靜態力學和動態力學試驗中取得了非常好的性能，與傳統的連接材料相比，該連接技術使風電機組基礎和風電機組塔架連接的更加牢固，減少了風電機組建設后的維修、維護頻率，降低了風電機組的建設成本。

3 結語

新型復合連接材料和技術的應用，有效彌補了傳統技術的不足，并在應用過程中取得了一定的經驗，成為當前風電機組基礎和風電機組塔架連接發展的主流方向。在大力發展風力發電項目過程中，不斷采用新技術、新理念來提高風力發電效率，提高我國風電企業在國際市場上的競爭力。