混合式塔架在低风速区的应用与发展

2016-12-10肖彤沈阳华创风能有限公司山东青岛266000

中国科技纵横 2016年19期

肖彤（沈阳华创风能有限公司，山东青岛 266000）

混合式塔架在低风速区的应用与发展

肖彤
（沈阳华创风能有限公司，山东青岛 266000）

在风能资源较好地区的高速风电开发受限于并网瓶颈而不断"弃风"的背景下，低风速区风场开发成为目前我国风电发展的重点方向之一。低风速区对轮毂高度提出了100m以上的要求，传统的钢制锥筒式塔架在此方面的应用受到加工、运输及防腐等方面的制约。混合式塔架由标准钢筒和预制混凝土塔架组成，具备高频率低振幅、无运输限制、使用寿命长、技术成熟稳定、经济性突出等优点，尤其适用于低风速、大风切变、大湍流、运输困难区域，以及大单机容量机组，是当前国际高轮毂塔架的主流趋势。

低风速区混合式塔架预制混凝土

1 国内风电发展现状

风能作为一种清洁的可再生能源，在我国利用起步虽然较晚，但是在国家政策的扶持下，近几年来取得了迅猛发展。2006年后，我国风电装机呈现爆发式增长。2014年，中国（不包括台湾地区）新增装机容量23，196MW，同比增长44.2%；累计装机容量114，609MW，同比增长25.4%。新增装机和累计装机两项数据均居世界第一。2015年，中国新增装机30，500MW，同比上升31.5%；累计装机1.45亿千瓦，同比上升26.6%。长期以来，由于风电开发高度集中“三北”地区、风电和电网建设不同步、当地负荷水平较低、灵活调节电源少、跨省跨区市场不成熟等原因，导致"弃风限电"日益严重。2015年全国弃风电量339亿千瓦时，全国平均弃风率达到15%；今年一季度弃风率26%，其中高风速的“三北”地区接近40%。风电参加交易后，上网电价大幅下降，收益减少，风电健康发展形势严峻。对比“三北”地区弃风严重的形势，中东部及南部地区风电发展趋势看好，利用小时数高的风场在福建、云南等地出现，由于更接近负荷中心，不需要远距离输送，消纳市场大，不存在弃风现象，国家已出台相关政策支持上述地区的低风速风场发展。

2 低风速区风机选用要求

低风速地区年均风速低于6.5米/秒（70米高），常规风机的发电量只有高风速地区的一半到3/4，低空湍流大、风况偏差大，设备承受的载荷明显增加。为增加投资低风速风场的回报率，有以下重要技术手段：

（1）增大风轮直径。增大风轮直径也就增加了叶片的扫掠面积，测算表明，从风中获得的能量与叶片扫掠面积及风功率密度密切相关，对于2兆瓦风机来说，为获得同样的风能，叶片直径为100米的风机对应250瓦/平米的风功率密度，而叶片直径为120米的风机只需要180瓦/平米的风功率密度，也可以说，同样风功率密度时，大叶轮风机能获得更多的风能。（2）增高塔筒。以100米为界，大气边界层分为普朗特层和埃克曼层，低于100米为普朗特层，高于100米为埃克曼层。普朗特层一般受地表影响较大，风速较低，湍流强烈，疲劳强度较大，影响到风机的寿命。风机在强湍流下，叶片受力不均，传导到主轴轴承、齿轮箱和发电机，引起机械损害增加。现有的风力发电机轮毂高度一般都低于100米。在埃克曼层，风速会升高，湍流更小。举一个中国中部的例子：在70米高空风速为5.06米/秒，则120米高空为5.62米/秒，风速增加11%，对应年发电量能增加33%。增高塔筒后，由于湍流减小，叶片受力相对均匀，延长了机组疲劳寿命。另外，由于高空风能增加，风机利用小时数提高，相应减少了发电的波动性，电网更易于接纳，因而增高塔架高度是在低风速地区获得更多风能的有效技术手段。

3 混合式塔架技术

塔架是整个风力发电机组的承载基础，它要有足够的强度和刚度，以保证机组在各种载荷情况下能正常运行。而且还要保证机组在遭受一些恶劣外部条件的安全性，如台风或暴风袭击。另外，由于风速风向的不稳定性，机组运行时塔架所受影响也是动态随机的，因此塔架还必须有一定的抗疲劳性能。当风力机运行时，塔架受载状况极为复杂。这些载荷通常包括风载荷、机组自重、机组重心偏移引起的偏心力矩以及由于风振引起的高耸结构的动态响应等。这些问题都制约了传统的钢制锥筒式塔架在轮毂高度达到100m以上的低风速区风场的应用，同时钢制塔架也受到加工、运输及防腐等方面的制约。

为了满足目前风机发展趋势对于塔架高度的需求，各国的生产厂家都在努力开发新型塔架，Dmch公司开发出了一种将钢管塔安装在预制的混凝土基础上的混合式塔架。该类型塔架在欧洲和南美洲广泛应用，技术成熟可靠。具备高频率低振幅、无运输限制、使用寿命长、技术成熟稳定、经济性突出等优点，尤其适用于低风速、大风切变、大湍流、运输困难区域，以及大单机容量机组，是当前国际高轮毂塔架的主流趋势。

典型的混合塔架上半部分是标准钢筒，下半部分是优质的预制混凝土塔架。混凝土部分每一段高度可以调整，由多片预制板材拼合而成，组合方式也可以调整。每一段混凝土塔筒首尾衔接起来。为增加混凝土塔身的抗拉性能，整体再通过预应力钢缆与地基相固定。混凝土部分的顶端通过一个接合器连接上半部分的钢筒。混合塔架由于采用不同材料制造，经过精确计算设计，塔架自振频率可调，可以避免与叶片的通过频率发生谐振，因而不用改变机组控制策略，其支撑刚度及抗疲劳性能提升。另外以水泥作为原材料的塔架价格更趋于稳定。

由于本地制造及分块运输，可以缩短运输半径，不需要超大运输车辆，无特别运输要求。预制混凝土塔架的预制板可以在室内批量生产，生产效率高，质量的一致性可以把控。虽然增高塔架高度增加了原材料使用及基础的投入，但由于塔架成本占整体风电项目投资的比例约16%，故对整场投资影响不大。经实际测算，90-100米时混合塔架与纯钢塔架成本基本相当。在中国，120米的纯钢塔架和上钢下混塔架相比，混合塔架的成本可降低30%左右，而且使用混合塔架后年发电量最大可增加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装成本增加了300万元，但年发电小时数增加了600小时，用3类风场的电价计算，可以增收1800万元（20年，2.5兆瓦的风机），则每台混合塔架净增收入1500万元，一个风电场则增加收入3亿元（20年，20台2.5兆瓦风机）。