大型风电机组塔架材料的现状和发展

严科飞，万家军，任伟华，魏玉通，冯新明，王和

（中国航天科工集团第六研究院，内蒙古金岗重工有限公司，呼和浩特 010010）

0 引言

随着风电机组技术的不断成熟，风力发电将向着大型化和海洋化发展，更大的叶轮直径和更高的塔架已成为风电发展的主要趋势[1-2]。塔筒是风电机组的重要组成部分，其作用是支撑机舱和叶轮，将叶轮举到设计高度处运行，以获得足够的能量带动发电机组发电[3]，其造价大约占单机总造价的20%[4]。当陆上兆瓦级大型风电机组轮毂高度超过80m时，目前使用最多的锥式钢制塔筒底部直径范围处于4m～4.5m之间，塔筒将发展到100m～150m的高度，用于5MW～10MW的风电机组，特别是在深海风力发电场中使用的发电机。此时，由于经济方面、运输受限和防腐蚀等方面的原因，钢制塔筒不再是最佳选择[5-7]。因此，本文分析了大型风电机组塔架材料的应用现状及存在的问题，阐述了风电机组材料的发展方向和未来。

1 风电机组塔架材料的应用现状

目前国内外大型风电机组塔架主要为钢制塔架，包括钢制塔架和锥式钢制塔筒。国内外关于钢制塔架的研究已做了大量的工作，包括静态力学性能分析、动态力学性能分析、防腐蚀研究等[7-10]。多年的使用经验和塔筒大型化的发展表明，钢制塔架还存在一些难以解决的问题，归纳起来主要有以下几点问题：

（1） 钢制塔筒的成本高[11]。

随着塔筒高度的增加，其成本所占比例也在不断增加，SBIR对国外某风电机组3MW和5MW两种机型的不同高度引起的相关成本变化做了专题研究，研究表明，钢制塔筒的成本随高度成指数规律增加[12]。

（2） 易腐蚀，维护成本高[13]。

钢材易腐蚀，需要定期的检查及维修。而海上风力发电运行环境十分复杂：高温、高湿、高盐雾和长日照等，腐蚀环境非常苛刻，对海上风电塔筒的腐蚀防护提出了更为严峻的挑战。目前使用的防锈复合剂会对环境造成严重的污染。

（3） 运输、安装困难[14]。

通常80m风电机组塔筒分段制造而成，直径范围处于4m～4.5m之间，长度约为20m，然后用卡车运输到风场。但是随着塔筒高度的增加，必须增加它的直径，直到该尺寸的塔筒再不能通过公路来运输。对于海上风电机组，运输更加困难，需要研制专用的运输船舶。

2 风电机组塔架材料的发展

2.1 钢/混凝土塔架

2.1.1 钢筋混凝土复合塔架

钢筋混凝土塔架以锥式塔筒出现，主要包括现场浇筑型和预制型两种，其可分为预应力和非预应力型[4]。英国混凝土研究中心联合GIFFORD工程设计咨询机构出具了一份钢筋混凝土塔筒应用于陆上和海上风力发电的报告[15]，对钢筋混凝土塔筒的概念性设计进行了阐述。钢筋混凝土塔架和钢质塔架相比优势非常明显，主要有以下技术优势：动力响应和动力放大系数小、造价低廉、耐腐蚀性强、无运输吊装限制和无塔体厚度限制等。但是钢筋混凝土塔筒以下问题还需进一步研究，如施工难度大（特别是海上施工）、施工周期较长和报废后垃圾无法处理等问题[16]。

2.1.2 下混上钢组合塔架

下部采用锥式混凝土塔筒上部采用锥式钢制塔筒形成下混上钢组合塔筒，既充分利用了锥式钢塔筒安装方便和锥式混凝土塔筒维护费用低的优点，又解决了风电机组底部塔筒尺寸过大而无法运输的问题。

F.J. Brughuis[17]于2002年提出下混上钢组合塔筒的概念，此后主要从经济和可行性两方面对其进行了研究。他利用REST Screen international(一个用来对风电机组进行能量产出、经济效益评估和温室气体排放估算软件)分别对陆上100m钢结构塔架和120m下混上钢组合塔架，近海100m钢结构塔架和120m下混上钢塔筒进行了分析。结果表明，下混上钢组合塔架比锥式钢塔架更有经济优势[5-6]。此外，他还对比了风电机组塔筒的价格和回收周期随塔筒高度的变化情况，结果表明，90m以下锥式钢塔架更有优势，但当高度大于90m时下混上钢组合塔架更有优势，对于锥式钢塔架来说塔架获利最高的高度在90m～100m之间，超过100m后锥式钢塔架的回收周期超过7年，而下混上钢组合塔架的获利最高的高度可达130m～140m，超过这个高度后，其回收周期也超过7年[18]。他从下混上钢塔筒设计标准的制定、底部混凝土塔筒的厚度、每块混凝土塔筒的尺寸、混凝土瓣之间的连接节点、塔筒整机的动力性能、混凝土塔筒部分的高度的确定、预应力的确定等方面对下混上钢塔筒进行了详细的讨论，结果表明下混上钢组合塔筒技术可行[15]。

除此之外，美国新能源实验室也对锥式钢塔筒、锥式混凝土塔筒和下混上钢组合塔筒进行了初步概念性设计和经济性对比分析[19]。结果表明，对于1.5MW的大型风电机组塔筒而言，现浇筑锥式混凝土塔筒最便宜，在现有的施工技术条件下可以考虑采用。对于3.6MW、100m高的风力发电组塔筒，现浇筑锥式混凝土塔筒是锥式钢塔筒造价的68%，对于5.0MW、100m高的风电机组塔筒，现浇筑锥式混凝土塔筒是锥式钢塔筒造价的63%。

2.2 复合材料塔筒

2002年，美国风塔系统公司开展了一项美国能源部资助的多年研发项目，以对更轻、更高兆瓦级以上风电机组塔筒进行商业化。该公司后改名“风塔复合材料公司（Wind Tower Composite）”，它开发和测试了80m高的1.5MW风电机组塔筒和零部件，这个最终被称为“空间框架（Space Frame）”的塔筒采用了碳纤维增强聚合物管进行改造，与钢制塔筒相比，重量降低了20%，生产成本降低了25%。

希腊Pikermi可再生能源和节能中心进行协调的MEGAWIND项目，该项目的开发团队致力于开发一台兆瓦级的风电机组和复合材料塔筒，用于高风速、地形复杂的风力发电场。他们设计了两种类型的塔筒：一种是中空GFRP单柱结构，另一种是由GFRP和其他材料建造的混杂系统。该项目在欧洲委员会联合研究中心的结构评估欧洲实验室（意大利伊斯普拉）进行测试后表明，对于非常高的塔筒，复合材料提供了一个有潜在吸引力的解决方案。

加拿大马尼托巴大学在美国申请的专利US 7866121B2[20]中介绍了一种复合材料塔筒及其制备方法，其主要特征是：在一个可旋转的芯轴上采用手糊－缠绕工艺制备复合材料多边形型材单元，然后将这些型材单元轴向粘接，并在纵向采用套筒连接。加拿大马尼托巴大学博士论文[21]数值模拟了81m风电机组塔筒在风载和冰载情况下的静态和动态形为。此复合材料塔筒包括16段，每段由3个边长为450mm的等边三角形型材单元粘接而成，纵向采用套筒方式连接。采用多种不同有非线性有限元单元模型研究了81m复合材料塔筒的设计参数，包括：铺层方式、厚度、三角形型材直径等。实验制备了8.6m复合材料塔筒，并在测试了静态力学性能和共振频率。文献[22]采用有限元和试验相结合研究了八单元连接成的复合材料塔筒的静态和动态性能，包括静态失效载荷、失效模式、基本频率和周期。试样高度为4.88m。结果表明，有限元法能够很好地预测静态力学性能和动态性能。

通用电器在美国申请的专利US 2009/0211173 A1[23]及在中国申请的专利CN 101539095A[24]中公开了一种复合材料塔筒及其制备方法，其制备方法是采用缠绕成本工艺。

复合材料塔筒的优势主要集中在以下几方面：1）重量轻，运输安装成本低[14]；2）耐腐蚀，维护成本低；3）温度适应性强；4）可设计性好；5）复合材料的原材料成本涨幅不大，具有材料价格竞争优势[25-26]；6）环境更友好。

3 结论

钢制塔架已显示出其局限性，如制造成本高、易腐蚀、维护成本高和运输、安装困难的问题等。根据国外的经验显示，锥式钢筋混凝土塔筒和下混上钢组合塔筒和复合材料塔筒是未来大型风电机组塔架的发展方向。国外风电发达国家对锥式钢筋混凝土塔筒和下混上钢组合塔筒和复合材料塔筒的研究和应用已经有了很多的经验，但我国目前对于大型风电机组钢筋混凝土塔筒和下混上钢组合塔筒的研究相对较少，对于复合材料塔筒还未见报道，建议加大相关方面的研究力度。

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