如果說風(fēng)電機(jī)組是風(fēng)能的CPU，那么風(fēng)電塔架便是風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)。

近三年，中國(guó)風(fēng)電機(jī)組新機(jī)型市場(chǎng)周期縮短，大型化趨勢(shì)迅猛，帶動(dòng)塔架高度同步攀升，頻頻刷新風(fēng)電新高度。

傳統(tǒng)塔筒難以適用市場(chǎng)變化，由此，衍生出全鋼柔塔、混塔、桁架塔等，圍繞提高發(fā)電量這一核心目標(biāo)，成本、穩(wěn)定性、安全性等成為考驗(yàn)各種風(fēng)機(jī)塔筒技術(shù)的關(guān)鍵要素。

2023年，各大業(yè)主、整機(jī)商及設(shè)計(jì)院等紛紛推動(dòng)更高、更輕量化的塔筒設(shè)計(jì)在項(xiàng)目中進(jìn)行應(yīng)用。尤以混塔為代表，以其廣泛適應(yīng)性和成本優(yōu)勢(shì)成為140米及以上項(xiàng)目的最佳選擇。

01

120-140米：柔塔為王

目前，高度在120米-140米風(fēng)電機(jī)組，已多數(shù)采用柔塔，相對(duì)剛性塔筒，塔筒重量及造價(jià)明顯降低。據(jù)風(fēng)電之聲 2021 年不完全統(tǒng)計(jì)，中國(guó)市場(chǎng)自 2016 年首臺(tái) 120 米全鋼柔性高塔率先投運(yùn)以來，市場(chǎng)上在運(yùn) 120-140 米高度高塔筒風(fēng)機(jī)已經(jīng)超過 6000 臺(tái)，其中全柔鋼塔約占 87%。

柔塔占據(jù)2021年中國(guó)市場(chǎng)的主要份額，并向更高的市場(chǎng)邁進(jìn)。

2021年，東方風(fēng)電、運(yùn)達(dá)股份、金風(fēng)科技分別完成150米全鋼柔塔、153米超高柔塔樣機(jī)、165米大直徑超高鋼制柔塔樣機(jī)的吊裝工作，其中金風(fēng)科技的165米柔塔一舉創(chuàng)下亞洲第一高柔塔紀(jì)錄。

但當(dāng)柔塔到達(dá)這一高度，柔塔的天然缺陷被進(jìn)一步放大。據(jù)悉，柔塔解決了塔底大直徑用鋼成本過高和運(yùn)輸受限的問題，但付出了降低塔架頻率的代價(jià)。

相較120-140米柔塔只需考慮一階振動(dòng)時(shí)的自動(dòng)偏航、變槳抗渦功能，二階振動(dòng)的液體阻尼器設(shè)置，吊裝時(shí)的渦激振動(dòng)而言，160米及以上柔塔需考慮高階振動(dòng)問題。

金風(fēng)科技全資子公司天源科創(chuàng)下屬天杉高科于2021年發(fā)文表示，柔塔為了避免受渦振破壞，需要采取一系列措施。同時(shí)國(guó)內(nèi)風(fēng)場(chǎng)的現(xiàn)狀是吊裝完成距離上電還有時(shí)間窗口期，運(yùn)營(yíng)期間也有斷電風(fēng)險(xiǎn)，沒電就意味著風(fēng)機(jī)失去控制。失電狀態(tài)則需要通過外接電源、加裝硬件阻尼等避免塔架發(fā)生二階渦振。這些預(yù)防措施全部需要經(jīng)過專業(yè)的算法和精確的測(cè)試才能制定，對(duì)于不同項(xiàng)目不同塔架必須制定針對(duì)性的整套方案，對(duì)系統(tǒng)控制技術(shù)能力及整機(jī)運(yùn)維技術(shù)能力要求非常高。

柔塔繼續(xù)向上攀升的難度可想而知，近兩年未在公開報(bào)道中查詢到有更高的柔塔項(xiàng)目布局。隨著塔架上升至160米的高度，柔塔與混塔此消彼長(zhǎng)，這一趨勢(shì)與國(guó)際市場(chǎng)占比吻合。

02

桁架塔研發(fā)多樣化

不用于傳統(tǒng)柔塔，桁架結(jié)構(gòu)的風(fēng)塔結(jié)構(gòu)剛度大，阻尼比大，可避免塔架與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)頻共振，不需要特殊的防止“塔筒共振”和“渦激振動(dòng)”的控制策略。

2022年6月，由中國(guó)電建山東電建三公司承建的全球首個(gè)預(yù)應(yīng)力桁架結(jié)構(gòu)風(fēng)電場(chǎng)——金膠州分散式風(fēng)電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)全部風(fēng)機(jī)并網(wǎng)發(fā)電。該風(fēng)電場(chǎng)由里岔、鋪集、洋河三個(gè)分散式風(fēng)電場(chǎng)組成，共安裝有18臺(tái)160米高和1臺(tái)170米高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

運(yùn)達(dá)股份為鋪集項(xiàng)目提供了桁架與塔筒混合式塔架的安裝模式，首臺(tái)桁架式風(fēng)電機(jī)組于2021年11月吊裝完成。由此，運(yùn)達(dá)股份成為國(guó)內(nèi)少數(shù)實(shí)現(xiàn)柔塔、桁架塔、鋼混塔三種塔架形式應(yīng)用的整機(jī)企業(yè)。

受益于桁架結(jié)構(gòu)，金膠州分散式風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目成為全國(guó)單個(gè)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土用量最少的項(xiàng)目，僅220立方，也成為全國(guó)單個(gè)風(fēng)電機(jī)組永久占地面積最少的項(xiàng)目，單機(jī)占地面積僅6平方米。

據(jù)了解，相較于傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，桁架塔可降低對(duì)塔下農(nóng)作物種植或塔下植被的影響，同時(shí)減少了鐵塔實(shí)際占地面積，節(jié)約了土地資源。在節(jié)地優(yōu)勢(shì)明顯的同時(shí)，這一技術(shù)適應(yīng)性很強(qiáng)，適用于跨河道、跨道路建設(shè)，適合山地等不平整路面，可應(yīng)用在集中式和分散式風(fēng)場(chǎng)，運(yùn)輸及吊裝更靈活。

近年來，整機(jī)商持續(xù)對(duì)桁架塔技術(shù)進(jìn)行研發(fā)。今年11月，由中車株洲所自主設(shè)計(jì)開發(fā)的國(guó)內(nèi)首臺(tái)三邊形桁架塔風(fēng)電機(jī)組在河南民權(quán)順利并網(wǎng)成功。據(jù)中車株洲所數(shù)據(jù)顯示，該桁架式超高塔技術(shù)產(chǎn)品發(fā)電量相對(duì)于普通機(jī)型增加15%，基礎(chǔ)建設(shè)成本降低30%左右，為構(gòu)建平價(jià)時(shí)代的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)提供有力支撐。

中車株洲所指出，該風(fēng)機(jī)塔架桁架部分采用的拉鉚連接技術(shù)相較常規(guī)連接方式，連接可靠性提升，保障機(jī)組運(yùn)行安全，并采取模塊化設(shè)計(jì)，三邊形結(jié)構(gòu)能夠減少鋼材用量，各單元結(jié)構(gòu)安裝方便快捷，有效節(jié)省安裝時(shí)間，整機(jī)及塔架安裝時(shí)間縮短至10天以內(nèi)。

中車株洲所還與中建五洲共同打造了三立柱式160米超高桁架塔樣機(jī)，該風(fēng)機(jī)今年10月落地河南商丘，風(fēng)機(jī)采用新型桁架結(jié)構(gòu)的新技術(shù)，通過轉(zhuǎn)接段設(shè)置的6片法蘭連接過渡桁架與筒體。該樣機(jī)的吊裝對(duì)超高桁架塔具有里程碑意義。

除中車株洲所外，今年遠(yuǎn)景能源對(duì)外透露已完成桁架式樣機(jī)設(shè)計(jì)，公司將為行業(yè)提供包括鋼塔、分片式、鋼混塔、桁架式等適應(yīng)不同場(chǎng)景的全棧解決方案。

03

140米以上：鋼混塔架占比超過1/3

對(duì)于超過140米以上的超高風(fēng)機(jī)，混塔風(fēng)電機(jī)組具有就地部署、倒運(yùn)便捷的優(yōu)勢(shì)，且成本明顯占優(yōu)，滿足風(fēng)機(jī)平價(jià)時(shí)代業(yè)主對(duì)投資回報(bào)率的要求。

對(duì)于大葉輪大功率機(jī)組而言，混塔也具有大剛度、高頻率的特性，抗疲勞性好、穩(wěn)定性高，無論是應(yīng)用于高切變高風(fēng)速地區(qū)，還是應(yīng)用于低風(fēng)速高塔架場(chǎng)景，都能提供更好的結(jié)構(gòu)安全保障。

2021年，天杉高科研發(fā)并安裝了155米預(yù)制裝配式塔筒架，標(biāo)志155米高度鋼混塔架進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)行階段。同年，國(guó)內(nèi)首臺(tái)170米鋼混塔架在國(guó)電投魯陽風(fēng)電場(chǎng)落地，許繼風(fēng)電這臺(tái)機(jī)組下部為三節(jié)層層嵌套的多邊形混凝土結(jié)構(gòu)，采用自提升裝置將整機(jī)送上170米高空。

這是柔塔難以觸碰的高度，混塔的市場(chǎng)前景開始釋放。2022年，包括金風(fēng)、明陽、運(yùn)達(dá)、電氣風(fēng)電等在內(nèi)，頭部整機(jī)商自研混塔紛紛進(jìn)入批量商業(yè)化應(yīng)用階段，風(fēng)電塔架商用高度正式邁向160米。

當(dāng)年8月，由明陽智能自主研發(fā)設(shè)計(jì)的160米超高鋼混塔架在安徽靈璧靈北風(fēng)電項(xiàng)目成功吊裝；同月，天杉高科承接的國(guó)內(nèi)首批19X葉輪直徑5.X風(fēng)電機(jī)組160m鋼混塔架于安徽譙城首吊成功。另外，安徽省首個(gè)批量使用160米混塔方案的陸上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目——亳州市萬通風(fēng)電場(chǎng)首臺(tái)風(fēng)機(jī)混塔段吊裝完成。

10月，運(yùn)達(dá)股份襄北風(fēng)儲(chǔ)一體化風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目輪轂高度160米混塔機(jī)組完成吊裝，電氣風(fēng)電首臺(tái)自研自制的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化“3060混塔”型風(fēng)電機(jī)組在甘肅省金昌市潮水山戈壁灘順利完成吊裝。

2023年，這一高度再次躍升。金風(fēng)科技于今年9月成功完成185米風(fēng)電塔架吊裝，該高度相當(dāng)于近60層樓，創(chuàng)造全球陸上風(fēng)電塔架高度新紀(jì)錄。

CCPA風(fēng)電混塔分會(huì)表示，自風(fēng)電平價(jià)時(shí)代起，鋼混塔架作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)在平原、東北、山地、丘陵等區(qū)域?qū)崿F(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用，塔架高度也從120米至185m米實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)主流機(jī)型的匹配。

有數(shù)據(jù)顯示，近年來，在140m以上風(fēng)電機(jī)組中，鋼混塔架占比超過1/3，風(fēng)電機(jī)組大型化更有利于充分發(fā)揮鋼混塔架承載性能。2023年，裝配式高強(qiáng)度混凝土風(fēng)電塔筒發(fā)展進(jìn)入高速發(fā)展期，并隨高度增加混塔占比越來越大。

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2023年，混塔項(xiàng)目頻落地

今年，整機(jī)商你追我趕，已完成多個(gè)超高鋼混塔項(xiàng)目吊裝工作。

按照吊裝時(shí)間看，繼去年10月完成首臺(tái)混塔吊裝后，2月，電氣風(fēng)電又一自研自制的160米高“3060混塔”，在華電齊齊哈爾富拉爾基50MW風(fēng)電項(xiàng)目順利完成首臺(tái)吊裝，開創(chuàng)在高寒地區(qū)安裝混塔式風(fēng)機(jī)的先河。

5月明陽智能羅山風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目順利完成首臺(tái)170米鋼混塔風(fēng)電機(jī)組吊裝。該項(xiàng)目為國(guó)內(nèi)首個(gè)170米預(yù)制混凝土塔架批量應(yīng)用的風(fēng)電項(xiàng)目，混塔段采用高精度預(yù)制結(jié)構(gòu)。

6月中國(guó)海裝在河南地區(qū)完成適配市場(chǎng)主流風(fēng)電機(jī)型的160米級(jí)鋼混塔筒完成吊裝，該鋼混塔筒由標(biāo)準(zhǔn)鋼制塔段和混凝土塔段，加上轉(zhuǎn)接段連接組成，是中國(guó)海裝眾多支撐結(jié)構(gòu)中的主打產(chǎn)品。

9月，金風(fēng)科技成功完成185米風(fēng)電塔架吊裝，該高度相當(dāng)于近60層樓，創(chuàng)造全球陸上風(fēng)電塔架高度新紀(jì)錄，為風(fēng)能資源的高效開發(fā)與利用拓展了新的邊界。

10月，遠(yuǎn)景能源首個(gè)自研GTS全棧式塔架系統(tǒng)的170米混塔+135米分片式鋼塔項(xiàng)目在臺(tái)前批量交付，其中混段高達(dá)137.3米。

同月，運(yùn)達(dá)股份180米超高混塔批量商業(yè)化項(xiàng)目——巨石江蘇漣水項(xiàng)目首臺(tái)WD200-5000機(jī)組完成現(xiàn)場(chǎng)吊裝，該項(xiàng)目是全球范圍內(nèi)首臺(tái)超高性能混凝土（UHPC150）塔筒首次投入使用，亦是全球混塔段中最高強(qiáng)度等級(jí)的塔筒，混塔段高達(dá)157.4米。

以上項(xiàng)目多位于河南等低風(fēng)速地區(qū)，如明陽智能項(xiàng)目位于河南省信陽市羅山縣東部，羅山區(qū)域是典型的低風(fēng)速高切變地區(qū)，風(fēng)切變指數(shù)達(dá)到0.27以上。輪轂高度每提升10米，年平均風(fēng)速增加0.11m/s，年發(fā)電小時(shí)數(shù)可以提升85小時(shí)，全投資收益率可提升0.2%，資本金收益率可提升0.55%。

由此，隨著高塔技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用、風(fēng)機(jī)葉輪直徑的增大、風(fēng)機(jī)智能化水平的提升，包括河南、江蘇等在內(nèi)的低風(fēng)速區(qū)域已成為了陸上風(fēng)電的新“藍(lán)海”。

05

結(jié)語

站在2023年時(shí)間節(jié)點(diǎn)上，縱覽近三年風(fēng)電塔筒的飛速發(fā)展，可以看到，185米不是塔架高度的極限。風(fēng)機(jī)大型化趨勢(shì)下，整機(jī)商在高度上的探索不會(huì)停止，隨著混塔技術(shù)的成熟以及180米、185米塔架的批量投用，探索開發(fā)200米以上高度空間的風(fēng)能資源或指日可待。