風電機組基礎(chǔ)與風電機組塔架連接研究

韓 博，靳先雨

(黑龍江省華富電力投資有限公司哈爾濱分公司，哈爾濱 150001)

人類的生存和發(fā)展離不開能源的開發(fā)和利用，能源、資源也是促進人類經(jīng)濟社會發(fā)展的基礎(chǔ)。在經(jīng)濟社會快速發(fā)展過程中，導致不可再生能源的過度消耗，例如石油、煤炭、天然氣等能源日趨緊張，不可再生能源的短缺已經(jīng)成為制約經(jīng)濟社會發(fā)展的主要因素之一。只有加快對新能源的研究、開發(fā)和利用，才能實現(xiàn)經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。加大對風力等新能源的應(yīng)用，還可以有效降低對環(huán)境的破壞和污染。

在人類大力開發(fā)和利用新能源過程中，風力能源憑借它的自身優(yōu)勢在世界各國得到了快速持續(xù)的發(fā)展。風能具有建設(shè)周期短、應(yīng)用效率高、環(huán)境要求低等特點，同時風力發(fā)電過程中憑借低排放、低污染、低碳環(huán)保的優(yōu)勢，成為世界各國可持續(xù)發(fā)展的首選戰(zhàn)略之一。我國作為風力發(fā)電大國，在2014年風電裝機容量已達到20 700 MW，在風力發(fā)電技術(shù)上也得到不斷的突破，逐漸領(lǐng)先于世界。但是，我國的風力發(fā)電還存在一定的問題，需要去解決和完善。本研究基于此背景，對風電機組基礎(chǔ)與風電機組塔架連接的相關(guān)問題進行探討，并結(jié)合自身多年工作經(jīng)驗提出一些發(fā)展建議。

1 風電機組基礎(chǔ)和塔架連接材料現(xiàn)狀

當前，風電機組基礎(chǔ)和塔架連接大多以鋼制結(jié)構(gòu)為主，如鋼制的塔架和鋼制的塔筒等。鋼制結(jié)構(gòu)連接技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)日趨成熟。在發(fā)展過程中，科研人員和建設(shè)人員也做了大量的驗證工作，包括靜態(tài)力學分析、動態(tài)力學分析、連接處防腐處理等。

1.1 應(yīng)用鋼制材料的成本較高

隨著技術(shù)的發(fā)展，對風力發(fā)電量需求的增加，風電機組塔架的高度不斷增加，增加了機組塔架的成本。

1.2 連接處容易腐蝕，增加企業(yè)的維修成本

風力發(fā)電機組長期暴露在外部環(huán)境中，要面臨高濕度、高溫度、長時間日照等，在外部環(huán)境作用下，非常容易使鋼制結(jié)構(gòu)出現(xiàn)腐蝕問題，如果得不到及時處理，就會污染環(huán)境。因此，風電企業(yè)要反復(fù)檢查和維護，增加了建設(shè)和維修成本。

1.3 鋼制結(jié)構(gòu)塔架運輸、安裝難度較大

對普通高度的塔架可以采用分段的形式完成運輸和組裝，但是，隨著風電塔架結(jié)構(gòu)的增加，塔架的直徑長度也會相應(yīng)地增加。塔架直徑達到一定高度后，就無法用汽車運輸。隨著對風電需求量的增加，增加了塔架的運輸和安裝難度。

2 風電機組基礎(chǔ)和風電塔架連接技術(shù)研究

2.1 風電機組基礎(chǔ)與塔架鋼筋混凝土連接技術(shù)

鋼筋混凝土連接主要包括鋼混復(fù)合連接、上鋼下混組合連接等。

鋼混復(fù)合連接材料主要包括澆筑型和預(yù)制型兩種，每種類型又分為預(yù)應(yīng)力和非預(yù)應(yīng)力。鋼筋混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)連接具有鋼架單一結(jié)構(gòu)連接模式不可比擬的優(yōu)勢，相對于鋼架單一結(jié)構(gòu)連接，具有造價成本低、動力響應(yīng)強、抗腐蝕性強以及有效解決運輸困難問題的特點。但是，與傳統(tǒng)連接技術(shù)相比，也存在一定的劣勢，如加大了施工難度、建設(shè)工期較長、施工過程中容易對附近環(huán)境造成破壞等。

上鋼下混組合連接搭架模式的下部要采用混凝土和上部采用鋼筋結(jié)構(gòu)對風電機組基礎(chǔ)和塔架的有效連接，具有安裝便捷、維護成本低的優(yōu)勢，同時也有效地解決了塔架尺寸大、無法運輸?shù)碾y題。研究人員分別對地面高度100 m的鋼結(jié)構(gòu)連接和海上120 m的下鋼上混的組合連接進行了詳細的數(shù)據(jù)對比，分析表明，組合連接模式更具經(jīng)濟優(yōu)勢。對上鋼下混組合連接模式和鋼結(jié)構(gòu)單一連接模式的應(yīng)用高度進行了分析研究，表明90 m以下風電機組適合應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)單一連接模式，90 m以上高度的風電機組適合上鋼下混組合連接模式?？蒲腥藛T從下混上鋼塔筒設(shè)計標準的制定、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、塔筒整機的動力性能、混凝土塔筒部分的高度的確定、預(yù)應(yīng)力的確定等方面對下混上鋼塔筒進行了詳細討論，結(jié)果表明：下混上鋼組合塔筒技術(shù)可行。西方發(fā)達國家也對鋼結(jié)構(gòu)和上鋼下混模式進行了系統(tǒng)性的分析和研究，結(jié)果表明：1.5 MW以下的大型風電機組采用混凝土澆筑連接成本較低，且施工周期較短，具有一定的優(yōu)勢。但是，對于3.6 MW以及100 m以上高度的風電機組，上鋼下混組合連接模式是鋼結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)等單一模式成本的70%左右，應(yīng)用的優(yōu)勢較大。在選用風電機組基礎(chǔ)和塔架連接技術(shù)時，要充分考慮到機組的高度和機組的發(fā)電量等，才能不斷降低建設(shè)成本，提高風力發(fā)電效率。

2.2 風電機組基礎(chǔ)與風電機組塔架復(fù)合材料連接技術(shù)

在風力發(fā)電不斷推廣和應(yīng)用過程中，世界各國的能源機構(gòu)也加大了對風電機組基礎(chǔ)與風電機組塔架連接技術(shù)的研究。在塔基與塔架連接領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)新的技術(shù)和新的材料，包括新型復(fù)合連接材料和連接技術(shù)的應(yīng)用。2002年，美國風塔公司研究了一項以碳纖維復(fù)合材料為主的機組塔架和基礎(chǔ)連接材料，并與傳統(tǒng)的鋼制結(jié)構(gòu)和鋼混結(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對比。復(fù)合材料連接的基礎(chǔ)和塔架在重量上與傳統(tǒng)連接模式相比，降低了20%，運輸成本降低了30%左右，生產(chǎn)成本降低了25%。采用碳纖維等復(fù)合材料的連接技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。希臘國家能源中心科研隊伍開發(fā)了一項以復(fù)合材料為主的風力發(fā)電機組，并在地形相對復(fù)雜的高速風電場進行了實驗。通過復(fù)合材料連接的風電機組相對于傳統(tǒng)材料、傳統(tǒng)技術(shù)連接的風電機組更具有優(yōu)勢。加拿大能源中心科研機構(gòu)研究了一項基礎(chǔ)和塔架復(fù)合材料連接制備方法，將一個可以旋轉(zhuǎn)的芯軸采用手糊纏繞工藝制備成一個多邊形的材料單元，工作人員將這些材料單元和芯軸粘接在一起，利用套筒將粘接處固定。將此連接制備方法應(yīng)用到風電機組的建設(shè)中，工作人員做了大量的試驗，包括靜態(tài)失效載荷試驗、失效模式試驗、基本運動頻率和基本運動周期試驗。試驗數(shù)據(jù)表明，以復(fù)合材料為主的連接模式在靜態(tài)力學和動態(tài)力學試驗中取得了非常好的性能，與傳統(tǒng)的連接材料相比，該連接技術(shù)使風電機組基礎(chǔ)和風電機組塔架連接的更加牢固，減少了風電機組建設(shè)后的維修、維護頻率，降低了風電機組的建設(shè)成本。

3 結(jié)語

新型復(fù)合連接材料和技術(shù)的應(yīng)用，有效彌補了傳統(tǒng)技術(shù)的不足，并在應(yīng)用過程中取得了一定的經(jīng)驗，成為當前風電機組基礎(chǔ)和風電機組塔架連接發(fā)展的主流方向。在大力發(fā)展風力發(fā)電項目過程中，不斷采用新技術(shù)、新理念來提高風力發(fā)電效率，提高我國風電企業(yè)在國際市場上的競爭力。