嚴(yán)科飛，萬(wàn)家軍，任偉華，魏玉通，馮新明，王和

（中國(guó)航天科工集團(tuán)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(fēng)電機(jī)組技術(shù)的不斷成熟，風(fēng)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(fēng)電發(fā)展的主要趨勢(shì)[1-2]。塔筒是風(fēng)電機(jī)組的重要組成部分，其作用是支撐機(jī)艙和葉輪，將葉輪舉到設(shè)計(jì)高度處運(yùn)行，以獲得足夠的能量帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電[3]，其造價(jià)大約占單機(jī)總造價(jià)的20%[4]。當(dāng)陸上兆瓦級(jí)大型風(fēng)電機(jī)組輪轂高度超過(guò)80m時(shí)，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(fēng)電機(jī)組，特別是在深海風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)中使用的發(fā)電機(jī)。此時(shí)，由于經(jīng)濟(jì)方面、運(yùn)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(fēng)電機(jī)組塔架材料的應(yīng)用現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，闡述了風(fēng)電機(jī)組材料的發(fā)展方向和未來(lái)。

1 風(fēng)電機(jī)組塔架材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外大型風(fēng)電機(jī)組塔架主要為鋼制塔架，包括鋼制塔架和錐式鋼制塔筒。國(guó)內(nèi)外關(guān)于鋼制塔架的研究已做了大量的工作，包括靜態(tài)力學(xué)性能分析、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能分析、防腐蝕研究等[7-10]。多年的使用經(jīng)驗(yàn)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(wèn)題，歸納起來(lái)主要有以下幾點(diǎn)問(wèn)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(duì)國(guó)外某風(fēng)電機(jī)組3MW和5MW兩種機(jī)型的不同高度引起的相關(guān)成本變化做了專(zhuān)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(hù)成本高[13]。

鋼材易腐蝕，需要定期的檢查及維修。而海上風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行環(huán)境十分復(fù)雜：高溫、高濕、高鹽霧和長(zhǎng)日照等，腐蝕環(huán)境非常苛刻，對(duì)海上風(fēng)電塔筒的腐蝕防護(hù)提出了更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。目前使用的防銹復(fù)合劑會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。

（3） 運(yùn)輸、安裝困難[14]。

通常80m風(fēng)電機(jī)組塔筒分段制造而成，直徑范圍處于4m～4.5m之間，長(zhǎng)度約為20m，然后用卡車(chē)運(yùn)輸?shù)斤L(fēng)場(chǎng)。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(guò)公路來(lái)運(yùn)輸。對(duì)于海上風(fēng)電機(jī)組，運(yùn)輸更加困難，需要研制專(zhuān)用的運(yùn)輸船舶。

2 風(fēng)電機(jī)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(fù)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(chǎng)澆筑型和預(yù)制型兩種，其可分為預(yù)應(yīng)力和非預(yù)應(yīng)力型[4]。英國(guó)混凝土研究中心聯(lián)合GIFFORD工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)機(jī)構(gòu)出具了一份鋼筋混凝土塔筒應(yīng)用于陸上和海上風(fēng)力發(fā)電的報(bào)告[15]，對(duì)鋼筋混凝土塔筒的概念性設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述。鋼筋混凝土塔架和鋼質(zhì)塔架相比優(yōu)勢(shì)非常明顯，主要有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：動(dòng)力響應(yīng)和動(dòng)力放大系數(shù)小、造價(jià)低廉、耐腐蝕性強(qiáng)、無(wú)運(yùn)輸?shù)跹b限制和無(wú)塔體厚度限制等。但是鋼筋混凝土塔筒以下問(wèn)題還需進(jìn)一步研究，如施工難度大（特別是海上施工）、施工周期較長(zhǎng)和報(bào)廢后垃圾無(wú)法處理等問(wèn)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(hù)費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)，又解決了風(fēng)電機(jī)組底部塔筒尺寸過(guò)大而無(wú)法運(yùn)輸?shù)膯?wèn)題。

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(jì)和可行性?xún)煞矫鎸?duì)其進(jìn)行了研究。他利用REST Screen international(一個(gè)用來(lái)對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行能量產(chǎn)出、經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估和溫室氣體排放估算軟件)分別對(duì)陸上100m鋼結(jié)構(gòu)塔架和120m下混上鋼組合塔架，近海100m鋼結(jié)構(gòu)塔架和120m下混上鋼塔筒進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，下混上鋼組合塔架比錐式鋼塔架更有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)[5-6]。此外，他還對(duì)比了風(fēng)電機(jī)組塔筒的價(jià)格和回收周期隨塔筒高度的變化情況，結(jié)果表明，90m以下錐式鋼塔架更有優(yōu)勢(shì)，但當(dāng)高度大于90m時(shí)下混上鋼組合塔架更有優(yōu)勢(shì)，對(duì)于錐式鋼塔架來(lái)說(shuō)塔架獲利最高的高度在90m～100m之間，超過(guò)100m后錐式鋼塔架的回收周期超過(guò)7年，而下混上鋼組合塔架的獲利最高的高度可達(dá)130m～140m，超過(guò)這個(gè)高度后，其回收周期也超過(guò)7年[18]。他從下混上鋼塔筒設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)、塔筒整機(jī)的動(dòng)力性能、混凝土塔筒部分的高度的確定、預(yù)應(yīng)力的確定等方面對(duì)下混上鋼塔筒進(jìn)行了詳細(xì)的討論，結(jié)果表明下混上鋼組合塔筒技術(shù)可行[15]。

除此之外，美國(guó)新能源實(shí)驗(yàn)室也對(duì)錐式鋼塔筒、錐式混凝土塔筒和下混上鋼組合塔筒進(jìn)行了初步概念性設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析[19]。結(jié)果表明，對(duì)于1.5MW的大型風(fēng)電機(jī)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(shù)條件下可以考慮采用。對(duì)于3.6MW、100m高的風(fēng)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(jià)的68%，對(duì)于5.0MW、100m高的風(fēng)電機(jī)組塔筒，現(xiàn)澆筑錐式混凝土塔筒是錐式鋼塔筒造價(jià)的63%。

2.2 復(fù)合材料塔筒

2002年，美國(guó)風(fēng)塔系統(tǒng)公司開(kāi)展了一項(xiàng)美國(guó)能源部資助的多年研發(fā)項(xiàng)目，以對(duì)更輕、更高兆瓦級(jí)以上風(fēng)電機(jī)組塔筒進(jìn)行商業(yè)化。該公司后改名“風(fēng)塔復(fù)合材料公司（Wind Tower Composite）”，它開(kāi)發(fā)和測(cè)試了80m高的1.5MW風(fēng)電機(jī)組塔筒和零部件，這個(gè)最終被稱(chēng)為“空間框架（Space Frame）”的塔筒采用了碳纖維增強(qiáng)聚合物管進(jìn)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(jìn)行協(xié)調(diào)的MEGAWIND項(xiàng)目，該項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)致力于開(kāi)發(fā)一臺(tái)兆瓦級(jí)的風(fēng)電機(jī)組和復(fù)合材料塔筒，用于高風(fēng)速、地形復(fù)雜的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)。他們?cè)O(shè)計(jì)了兩種類(lèi)型的塔筒：一種是中空GFRP單柱結(jié)構(gòu)，另一種是由GFRP和其他材料建造的混雜系統(tǒng)。該項(xiàng)目在歐洲委員會(huì)聯(lián)合研究中心的結(jié)構(gòu)評(píng)估歐洲實(shí)驗(yàn)室（意大利伊斯普拉）進(jìn)行測(cè)試后表明，對(duì)于非常高的塔筒，復(fù)合材料提供了一個(gè)有潛在吸引力的解決方案。

加拿大馬尼托巴大學(xué)在美國(guó)申請(qǐng)的專(zhuān)利US 7866121B2[20]中介紹了一種復(fù)合材料塔筒及其制備方法，其主要特征是：在一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的芯軸上采用手糊－纏繞工藝制備復(fù)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(xué)博士論文[21]數(shù)值模擬了81m風(fēng)電機(jī)組塔筒在風(fēng)載和冰載情況下的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)形為。此復(fù)合材料塔筒包括16段，每段由3個(gè)邊長(zhǎng)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(xiàn)性有限元單元模型研究了81m復(fù)合材料塔筒的設(shè)計(jì)參數(shù)，包括：鋪層方式、厚度、三角形型材直徑等。實(shí)驗(yàn)制備了8.6m復(fù)合材料塔筒，并在測(cè)試了靜態(tài)力學(xué)性能和共振頻率。文獻(xiàn)[22]采用有限元和試驗(yàn)相結(jié)合研究了八單元連接成的復(fù)合材料塔筒的靜態(tài)和動(dòng)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(jié)果表明，有限元法能夠很好地預(yù)測(cè)靜態(tài)力學(xué)性能和動(dòng)態(tài)性能。

通用電器在美國(guó)申請(qǐng)的專(zhuān)利US 2009/0211173 A1[23]及在中國(guó)申請(qǐng)的專(zhuān)利CN 101539095A[24]中公開(kāi)了一種復(fù)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(fù)合材料塔筒的優(yōu)勢(shì)主要集中在以下幾方面：1）重量輕，運(yùn)輸安裝成本低[14]；2）耐腐蝕，維護(hù)成本低；3）溫度適應(yīng)性強(qiáng)；4）可設(shè)計(jì)性好；5）復(fù)合材料的原材料成本漲幅不大，具有材料價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[25-26]；6）環(huán)境更友好。

3 結(jié)論

鋼制塔架已顯示出其局限性，如制造成本高、易腐蝕、維護(hù)成本高和運(yùn)輸、安裝困難的問(wèn)題等。根據(jù)國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)顯示，錐式鋼筋混凝土塔筒和下混上鋼組合塔筒和復(fù)合材料塔筒是未來(lái)大型風(fēng)電機(jī)組塔架的發(fā)展方向。國(guó)外風(fēng)電發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)錐式鋼筋混凝土塔筒和下混上鋼組合塔筒和復(fù)合材料塔筒的研究和應(yīng)用已經(jīng)有了很多的經(jīng)驗(yàn)，但我國(guó)目前對(duì)于大型風(fēng)電機(jī)組鋼筋混凝土塔筒和下混上鋼組合塔筒的研究相對(duì)較少，對(duì)于復(fù)合材料塔筒還未見(jiàn)報(bào)道，建議加大相關(guān)方面的研究力度。

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