近日,河北張家口張北縣一種全新的風力發電塔現世。該風塔高度140m,底部高度50多米,由8條鋼管混凝土兩兩相交成“人字形”空間結構組成,中間設檢修平臺,上部為純鋼塔筒。據了解,該新型風塔由武漢釜碩新能源科技有限公司獨立研發設計,示范風電機組樣機單機容量7MW,葉輪直徑187m,是國內首臺已吊裝陸上7MW風電機組,也是目前國內單機容量最大的示范樣機。
平價時代,我國風電新能源發展到了一個新的階段,隨著優質風能資源越來越少,國家補貼的退出,風電項目的投資回報率越來越低,開發難度越來越大。項目成本控制涉及風電整機設備、塔筒、基礎以及施工等諸多環節,今年以來,風電機組價格不斷突破新低,部分項目風機報價已接近1500元/KW左右,風電整機市場異常激烈。
相比風電整機市場,近年來,我國風電塔架技術技術進步幅度小,缺乏創新性、跨越性的技術革命。相反,隨著大型化趨勢加快,風電機組高度不斷增加,風電塔筒占比整個風力發電機組設備的比重越來越大,以4MW、140m風電機組為例,風塔和基礎造價700萬左右,與機頭價格相當,因此,如何降低成本成為整個風電項目成本控制的關鍵。
風電塔架與一般建構筑物不同,除了安全性外,對剛度、制造難度、可靠性、運輸、安裝周期、運維都有要求。這些設計目標與成本控制相矛盾。傳統風塔各有優缺點,技術上很難滿足高輪轂大容量風機要求。如何設計一款安全經濟的風塔成為了巨大的挑戰。從技術角度,安全經濟的風塔需做到以下幾點:
風塔剛度大,避免渦激共振發生;
結構有彈塑性發展能力,彈塑承載力比彈性承載力高1.3倍以上;
結構材料延性好,抗沖擊變形能力高;
制造簡單,運輸方便、安裝容易。
截面選型角度:與實腹型結構相比,空間布置截面具有更大的抗彎截面模量。相同的材料下獲得更多的剛度和強度,例如大型的機場和火車候車大廳都采用空間結構。風塔底部30m-50m工程量最大,最影響結構剛度。需要采用空間截面布置截面代替實腹型截面。
構件材料角度:鋼管混凝土中的混凝土為三向約束混凝土,抗壓承載力是普通混凝土2倍以上。鋼管中設置鋼絞線預緊力提高構件抗疲勞和抗拉承載力。鋼管混凝土構件延性性能好,結構抗倒塌能力高。
圖1. 純鋼屈曲與鋼管混凝土破壞過程(R1-彈性承載力 R2—薄壁鋼筒屈曲破壞承載力,R3—鋼管混凝土破壞承載力)
武漢釜碩新能源科技有限公司研發團隊從結構基本原理出發,充分研究風塔力學行為特點,辯證選擇結構布置和構件材料,同時充分考慮風塔制作、運輸和吊裝等需要,研發出“人字形”空間鋼管混凝土風力發電塔架。該塔架綜合成本降低25%以上。首臺樣機實施表明,該風塔制造簡單、運輸方便、吊裝周期短、運維容易。目前,釜碩風塔獲得風電行業權威認證機構鑒衡認證中心的設計認證,獲得十多項專利。