這兩天，一篇討論塔筒類型的文章引起了業(yè)內(nèi)的關(guān)注。對(duì)于“高塔”未來的技術(shù)路線，以及“柔塔”的來龍去脈，且聽小編慢慢道來……

在“3060目標(biāo)”的指引下，全國各地都掀起了一股新能源投資熱潮。陸上風(fēng)電一直是新能源的主戰(zhàn)場(chǎng)，但近年來，戰(zhàn)斗在第一線的風(fēng)電開發(fā)人員明顯感覺到，受制于環(huán)保等因素，“找地”越來越難了。開發(fā)商不得不把目光放到了前幾年“看不上”的低風(fēng)速地區(qū)。

為了在低風(fēng)速地區(qū)保障風(fēng)機(jī)的發(fā)電量，讓不可行的項(xiàng)目變?yōu)?ldquo;可行”，加長風(fēng)機(jī)葉片，并抬升輪轂高度捕獲更多的風(fēng)能成為行業(yè)追求的風(fēng)向。

陸上風(fēng)電瓶頸何在？

下圖為中國氣候中心朱蓉老師分析顯示的因?yàn)榧夹g(shù)突破所帶來的全國風(fēng)電新增可開發(fā)區(qū)域（粉紅色區(qū)域）。通過進(jìn)一步調(diào)研分析，針對(duì)30m及以上高度的剪切值，發(fā)現(xiàn)超過0.2的區(qū)域主要集中于蘇北平原與安徽東部，距離海岸線10km范圍向內(nèi)陸延伸至洪澤湖一帶，面積約3.28萬平方公里；山東省西北部至河北省南部平原、天津和冀東平原一帶，約5.5萬平方公里，開發(fā)前景廣闊。可以說除去長葉片，高塔筒技術(shù)為風(fēng)電行業(yè)帶來前景無限。

歐洲地區(qū)對(duì)高塔筒的應(yīng)用較為普遍，目前全球最高的塔筒記錄也由歐洲國家保持。其中，世界上最高的全鋼制塔架風(fēng)機(jī)在風(fēng)電巨頭Vestas芬蘭開發(fā)的Viinam?ki風(fēng)電項(xiàng)目中安裝使用，塔架采用全新“斜拉式”風(fēng)機(jī)塔架技術(shù)。

目前世界上最高的塔架記錄由位于德國斯圖加特Gaildorf的Max Bgl 風(fēng)場(chǎng)創(chuàng)造。風(fēng)場(chǎng)安裝4臺(tái)GE 3.4-137風(fēng)機(jī)，輪轂高度178米，上部是鋼制塔筒，下部是40米高的抽水蓄能混凝土基礎(chǔ)。

那么問題來了，升高塔筒增加的發(fā)電收入是否能覆蓋增加的成本呢？一般來說，90米的傳統(tǒng)塔筒重量約300噸，而120米的傳統(tǒng)塔筒重量則接近600噸，可想而知140米的傳統(tǒng)塔筒在這非線性的增長下會(huì)達(dá)到什么重量。尋求經(jīng)濟(jì)可靠的高塔筒形式成為當(dāng)下行業(yè)的“痛點(diǎn)”。

高塔筒分類

全球范圍內(nèi)高塔筒技術(shù)已研制多年，具有多種技術(shù)路線，比如全鋼柔性塔架、混凝土塔架、鋼混塔架、桁架結(jié)構(gòu)塔架、斜拉索結(jié)構(gòu)塔架等。經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)在有較多應(yīng)用的有全鋼柔性塔筒、混凝土結(jié)構(gòu)（全混和半混均有批量應(yīng)用）、桁架結(jié)構(gòu)。各種主要路線的對(duì)比介紹如下。

1、全鋼柔性塔筒

全鋼柔性塔筒是指通過智能控制技術(shù)突破頻率對(duì)塔架設(shè)計(jì)的約束，大幅降低塔架的用鋼量，整機(jī)頻率低于風(fēng)輪一倍轉(zhuǎn)頻的全鋼高塔筒。最早在1982年便有成熟的應(yīng)用。

一般設(shè)計(jì)要求塔架的自然頻率要顯著高于風(fēng)機(jī)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，從而避免塔架的自然頻率和風(fēng)機(jī)風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)頻率相交而產(chǎn)生共振。柔性高塔架技術(shù)就是通過先進(jìn)的控制算法，在塔架高度增加的情況下確保塔架的極限和疲勞強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，但是不需要維持塔架的頻率必須顯著高于風(fēng)機(jī)的風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)頻率的約束條件，這可以顯著降低塔架成本。

1982年，NASA旗下的United Technology就研發(fā)出了全球首臺(tái)采用柔塔的風(fēng)機(jī)——WTS-4。

全球首臺(tái)采用柔塔的風(fēng)機(jī)——WTS-4


采用柔塔的遠(yuǎn)景能源分布式風(fēng)電項(xiàng)目

全鋼柔性塔筒

優(yōu)點(diǎn)

經(jīng)濟(jì)性好。相較于其它技術(shù)路線，柔性設(shè)計(jì)使得用鋼量大幅降低。

生產(chǎn)制造運(yùn)輸工藝成熟。柔性塔筒的外形結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)塔架并無區(qū)別，所以生產(chǎn)制造質(zhì)量能夠充分保障，供應(yīng)鏈也很成熟，同時(shí)因?yàn)橥鈴奖３殖Ｒ?guī)塔筒的設(shè)計(jì)，運(yùn)輸也非常的方便。

吊裝效率高。圓錐鋼塔筒的吊裝工藝已經(jīng)非常成熟，而柔性塔筒與常規(guī)塔筒的吊裝工藝差別不大，熟練工和設(shè)備市場(chǎng)存量豐富，所以柔性塔筒的吊裝效率和現(xiàn)場(chǎng)吊裝質(zhì)量可以得到保證。相比于鋼混塔筒、桁架式塔筒，柔塔的產(chǎn)業(yè)鏈已完全成熟。

缺點(diǎn)

柔性塔筒對(duì)控制技術(shù)的要求較高，一般廠家難以掌握。如果控制技術(shù)不佳，塔架可能與輪轂發(fā)生共振而引發(fā)事故。

應(yīng)用業(yè)績

全球100m以上的柔性塔筒應(yīng)用業(yè)績接近萬臺(tái)，最高達(dá)到166米，主要應(yīng)用廠商集中在控制技術(shù)優(yōu)異的一流風(fēng)機(jī)廠家，比如維斯塔斯、歌美颯、西門子等，國內(nèi)掌握該技術(shù)的廠家主要有遠(yuǎn)景和金風(fēng)。

2、混凝土結(jié)構(gòu)塔筒

全球也有很多采用了混凝土結(jié)構(gòu)的塔架設(shè)計(jì)，包括全混凝土塔架、半鋼半混凝土塔架、圓環(huán)結(jié)構(gòu)混凝土預(yù)制塔架、方管結(jié)構(gòu)混凝土預(yù)制塔架、現(xiàn)澆塔架等。

混凝土結(jié)構(gòu)塔架

優(yōu)點(diǎn)

結(jié)構(gòu)剛度大，阻尼比高，相對(duì)穩(wěn)定，對(duì)于控制技術(shù)的要求不高。同時(shí)保持剛度設(shè)計(jì)的前提下，材料成本提高不多。

缺點(diǎn)

現(xiàn)澆混凝土現(xiàn)場(chǎng)施工周期長；預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)施工工藝復(fù)雜，模具成本高，工廠預(yù)制運(yùn)輸繁瑣，現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制質(zhì)量較難控制。

應(yīng)用業(yè)績

歐洲地區(qū)因?yàn)殇搩r(jià)很高所以應(yīng)用較多，在南美地區(qū)因?yàn)榛A(chǔ)工業(yè)水平低因此業(yè)績也不少，全球總計(jì)各種不同結(jié)構(gòu)形狀的超過120m混凝土結(jié)構(gòu)塔架有過千業(yè)績。

3、桁架結(jié)構(gòu)塔筒

進(jìn)入高塔架時(shí)代，桁架結(jié)構(gòu)效率高、剛度大，與傳統(tǒng)錐筒塔架相比用鋼量大大節(jié)省，又開始被應(yīng)用。桁架結(jié)構(gòu)也有因結(jié)構(gòu)型式不同的細(xì)分，包括3腿結(jié)構(gòu)、4腿結(jié)構(gòu)、5腿結(jié)構(gòu)，還有半筒半桁架結(jié)構(gòu)等。

桁架結(jié)構(gòu)塔架

優(yōu)點(diǎn)

用鋼量節(jié)省，經(jīng)濟(jì)性較好。桁架結(jié)構(gòu)對(duì)于鋼材的利用效率高，如不考慮螺栓的維護(hù)，整體經(jīng)濟(jì)性較好。目前桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)廠家大多聲稱螺栓連接件是免維護(hù)設(shè)計(jì)。

結(jié)構(gòu)剛度大，相對(duì)穩(wěn)定。因?yàn)殍旒芙Y(jié)構(gòu)底部跨距較大，整體結(jié)構(gòu)剛度很大，因此機(jī)頭穩(wěn)定性較好，對(duì)于控制要求不高。

運(yùn)輸便利，用集裝箱就可以分批運(yùn)送到機(jī)位處，在復(fù)雜山地，或者穿越村莊的小路會(huì)有較大的優(yōu)勢(shì)。

缺點(diǎn)

現(xiàn)場(chǎng)安裝工序繁瑣，周期較長。螺栓的緊固工作量很大，如果是超過120m的設(shè)計(jì)，螺栓數(shù)量近萬，存在質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

全生命周期維護(hù)工作存在風(fēng)險(xiǎn)。雖然現(xiàn)在大多桁架塔架的設(shè)計(jì)方都聲稱免維護(hù)，但是高塔架還沒有得到時(shí)間的驗(yàn)證。

美觀性比較差，所以有些國家地區(qū)禁止采用該類設(shè)計(jì)。

同時(shí)爬塔舒適性較差。

應(yīng)用業(yè)績

超過120m的高塔架全球裝機(jī)量200臺(tái)左右，大多集中在德國、美國和印度。因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)人工消耗多，所以在歐洲的應(yīng)用也沒有太廣，在印度比較容易被接受。國內(nèi)目前有部分機(jī)構(gòu)在探索，尚無成熟應(yīng)用。

分片式：未來高塔新趨勢(shì)

隨著塔筒不斷升高，大直徑鋼塔陸上運(yùn)輸?shù)南拗埔残枰鉀Q，大直徑分片式技術(shù)可以使全鋼塔承載更大載荷和高度，并讓運(yùn)輸問題迎刃而解，目前主要應(yīng)用在陸上中低風(fēng)速區(qū)域的高塔。

分片式在全球已有不少應(yīng)用。2020年1月19日，維斯塔斯在河北省秦皇島市昌黎縣完成的162米高度V136-3.8MW風(fēng)機(jī)即采用了分片式塔筒結(jié)構(gòu)。

采用分片式塔筒結(jié)構(gòu)的維斯塔斯V136-3.8MW風(fēng)機(jī)

該技術(shù)早幾年已經(jīng)運(yùn)用在了維斯塔斯位于德國的166米高度機(jī)組上，使運(yùn)輸更加方便。

另一個(gè)風(fēng)電屆的傳奇公司Enercon也很早就啟用了分片式塔筒。塔筒鋼板通過螺栓連接進(jìn)行組裝，形成一個(gè)類圓形的塔筒，這種形式下不用考慮大直徑法蘭的生產(chǎn)難題。

Enercon風(fēng)機(jī)的分片式塔筒

據(jù)悉，天順風(fēng)能股份有限公司在2014年就承接制造了大直徑分片式鋼制塔筒項(xiàng)目，其技術(shù)經(jīng)理張華稱，2014年3月份，公司生產(chǎn)的大直徑分片式鋼制塔筒高度達(dá)到138米，用以滿足風(fēng)電開發(fā)商的需求，提高低風(fēng)速風(fēng)區(qū)風(fēng)機(jī)的發(fā)電量及效率。

大直徑鋼制塔筒增大了底部塔筒的直徑，能有效提高塔筒的載荷能力。直徑最大的底端塔筒將縱向分為3瓣，有利于運(yùn)輸便利，到現(xiàn)場(chǎng)后再通過縱向法蘭組裝在一起。

分片式繼承了全鋼塔的一系列優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)輕量化，提高經(jīng)濟(jì)性。高柔塔分片式的設(shè)計(jì)考驗(yàn)主機(jī)廠的設(shè)計(jì)和全套解決方案能力，金風(fēng)科技、遠(yuǎn)景能源等廠家均有技術(shù)儲(chǔ)備。

“對(duì)于維斯塔斯、遠(yuǎn)景、金風(fēng)等高柔塔技術(shù)掌握比較好的，完全可以通過常規(guī)全鋼柔塔或全鋼分片來解決高塔高度增加的需求。”張華表示。