风电机组基础与风电机组塔架连接研究

韩 博，靳先雨

(黑龙江省华富电力投资有限公司哈尔滨分公司，哈尔滨 150001)

人类的生存和发展离不开能源的开发和利用，能源、资源也是促进人类经济社会发展的基础。在经济社会快速发展过程中，导致不可再生能源的过度消耗，例如石油、煤炭、天然气等能源日趋紧张，不可再生能源的短缺已经成为制约经济社会发展的主要因素之一。只有加快对新能源的研究、开发和利用，才能实现经济社会的可持续发展。加大对风力等新能源的应用，还可以有效降低对环境的破坏和污染。

在人类大力开发和利用新能源过程中，风力能源凭借它的自身优势在世界各国得到了快速持续的发展。风能具有建设周期短、应用效率高、环境要求低等特点，同时风力发电过程中凭借低排放、低污染、低碳环保的优势，成为世界各国可持续发展的首选战略之一。我国作为风力发电大国，在2014年风电装机容量已达到20 700 MW，在风力发电技术上也得到不断的突破，逐渐领先于世界。但是，我国的风力发电还存在一定的问题，需要去解决和完善。本研究基于此背景，对风电机组基础与风电机组塔架连接的相关问题进行探讨，并结合自身多年工作经验提出一些发展建议。

1 风电机组基础和塔架连接材料现状

当前，风电机组基础和塔架连接大多以钢制结构为主，如钢制的塔架和钢制的塔筒等。钢制结构连接技术的发展已经日趋成熟。在发展过程中，科研人员和建设人员也做了大量的验证工作，包括静态力学分析、动态力学分析、连接处防腐处理等。

1.1 应用钢制材料的成本较高

随着技术的发展，对风力发电量需求的增加，风电机组塔架的高度不断增加，增加了机组塔架的成本。

1.2 连接处容易腐蚀，增加企业的维修成本

风力发电机组长期暴露在外部环境中，要面临高湿度、高温度、长时间日照等，在外部环境作用下，非常容易使钢制结构出现腐蚀问题，如果得不到及时处理，就会污染环境。因此，风电企业要反复检查和维护，增加了建设和维修成本。

1.3 钢制结构塔架运输、安装难度较大

对普通高度的塔架可以采用分段的形式完成运输和组装，但是，随着风电塔架结构的增加，塔架的直径长度也会相应地增加。塔架直径达到一定高度后，就无法用汽车运输。随着对风电需求量的增加，增加了塔架的运输和安装难度。

2 风电机组基础和风电塔架连接技术研究

2.1 风电机组基础与塔架钢筋混凝土连接技术

钢筋混凝土连接主要包括钢混复合连接、上钢下混组合连接等。

钢混复合连接材料主要包括浇筑型和预制型两种，每种类型又分为预应力和非预应力。钢筋混凝土复合结构连接具有钢架单一结构连接模式不可比拟的优势，相对于钢架单一结构连接，具有造价成本低、动力响应强、抗腐蚀性强以及有效解决运输困难问题的特点。但是，与传统连接技术相比，也存在一定的劣势，如加大了施工难度、建设工期较长、施工过程中容易对附近环境造成破坏等。

上钢下混组合连接搭架模式的下部要采用混凝土和上部采用钢筋结构对风电机组基础和塔架的有效连接，具有安装便捷、维护成本低的优势，同时也有效地解决了塔架尺寸大、无法运输的难题。研究人员分别对地面高度100 m的钢结构连接和海上120 m的下钢上混的组合连接进行了详细的数据对比，分析表明，组合连接模式更具经济优势。对上钢下混组合连接模式和钢结构单一连接模式的应用高度进行了分析研究，表明90 m以下风电机组适合应用钢结构单一连接模式，90 m以上高度的风电机组适合上钢下混组合连接模式。科研人员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讨论，结果表明：下混上钢组合塔筒技术可行。西方发达国家也对钢结构和上钢下混模式进行了系统性的分析和研究，结果表明：1.5 MW以下的大型风电机组采用混凝土浇筑连接成本较低，且施工周期较短，具有一定的优势。但是，对于3.6 MW以及100 m以上高度的风电机组，上钢下混组合连接模式是钢结构或混凝土结构等单一模式成本的70%左右，应用的优势较大。在选用风电机组基础和塔架连接技术时，要充分考虑到机组的高度和机组的发电量等，才能不断降低建设成本，提高风力发电效率。

2.2 风电机组基础与风电机组塔架复合材料连接技术

在风力发电不断推广和应用过程中，世界各国的能源机构也加大了对风电机组基础与风电机组塔架连接技术的研究。在塔基与塔架连接领域不断涌现新的技术和新的材料，包括新型复合连接材料和连接技术的应用。2002年，美国风塔公司研究了一项以碳纤维复合材料为主的机组塔架和基础连接材料，并与传统的钢制结构和钢混结构进行了系统的数据对比。复合材料连接的基础和塔架在重量上与传统连接模式相比，降低了20%，运输成本降低了30%左右，生产成本降低了25%。采用碳纤维等复合材料的连接技术具有广阔的应用前景。希腊国家能源中心科研队伍开发了一项以复合材料为主的风力发电机组，并在地形相对复杂的高速风电场进行了实验。通过复合材料连接的风电机组相对于传统材料、传统技术连接的风电机组更具有优势。加拿大能源中心科研机构研究了一项基础和塔架复合材料连接制备方法，将一个可以旋转的芯轴采用手糊缠绕工艺制备成一个多边形的材料单元，工作人员将这些材料单元和芯轴粘接在一起，利用套筒将粘接处固定。将此连接制备方法应用到风电机组的建设中，工作人员做了大量的试验，包括静态失效载荷试验、失效模式试验、基本运动频率和基本运动周期试验。试验数据表明，以复合材料为主的连接模式在静态力学和动态力学试验中取得了非常好的性能，与传统的连接材料相比，该连接技术使风电机组基础和风电机组塔架连接的更加牢固，减少了风电机组建设后的维修、维护频率，降低了风电机组的建设成本。

3 结语

新型复合连接材料和技术的应用，有效弥补了传统技术的不足，并在应用过程中取得了一定的经验，成为当前风电机组基础和风电机组塔架连接发展的主流方向。在大力发展风力发电项目过程中，不断采用新技术、新理念来提高风力发电效率，提高我国风电企业在国际市场上的竞争力。