這兩天，一篇討論塔筒類型的文章引起了業(yè)內(nèi)的關(guān)注。對于“高塔”未來的技術(shù)路線，以及“柔塔”的來龍去脈，且聽小編慢慢道來……

在“3060目標”的指引下，全國各地都掀起了一股新能源投資熱潮。陸上風電一直是新能源的主戰(zhàn)場，但近年來，戰(zhàn)斗在第一線的風電開發(fā)人員明顯感覺到，受制于環(huán)保等因素，“找地”越來越難了。開發(fā)商不得不把目光放到了前幾年“看不上”的低風速地區(qū)。

為了在低風速地區(qū)保障風機的發(fā)電量，讓不可行的項目變?yōu)?ldquo;可行”，加長風機葉片，并抬升輪轂高度捕獲更多的風能成為行業(yè)追求的風向。

陸上風電瓶頸何在？

下圖為中國氣候中心朱蓉老師分析顯示的因為技術(shù)突破所帶來的全國風電新增可開發(fā)區(qū)域（粉紅色區(qū)域）。通過進一步調(diào)研分析，針對30m及以上高度的剪切值，發(fā)現(xiàn)超過0.2的區(qū)域主要集中于蘇北平原與安徽東部，距離海岸線10km范圍向內(nèi)陸延伸至洪澤湖一帶，面積約3.28萬平方公里；山東省西北部至河北省南部平原、天津和冀東平原一帶，約5.5萬平方公里，開發(fā)前景廣闊。可以說除去長葉片，高塔筒技術(shù)為風電行業(yè)帶來前景無限。

歐洲地區(qū)對高塔筒的應用較為普遍，目前全球最高的塔筒記錄也由歐洲國家保持。其中，世界上最高的全鋼制塔架風機在風電巨頭Vestas芬蘭開發(fā)的Viinam?ki風電項目中安裝使用，塔架采用全新“斜拉式”風機塔架技術(shù)。

目前世界上最高的塔架記錄由位于德國斯圖加特Gaildorf的Max Bgl 風場創(chuàng)造。風場安裝4臺GE 3.4-137風機，輪轂高度178米，上部是鋼制塔筒，下部是40米高的抽水蓄能混凝土基礎(chǔ)。

那么問題來了，升高塔筒增加的發(fā)電收入是否能覆蓋增加的成本呢？一般來說，90米的傳統(tǒng)塔筒重量約300噸，而120米的傳統(tǒng)塔筒重量則接近600噸，可想而知140米的傳統(tǒng)塔筒在這非線性的增長下會達到什么重量。尋求經(jīng)濟可靠的高塔筒形式成為當下行業(yè)的“痛點”。

高塔筒分類

全球范圍內(nèi)高塔筒技術(shù)已研制多年，具有多種技術(shù)路線，比如全鋼柔性塔架、混凝土塔架、鋼混塔架、桁架結(jié)構(gòu)塔架、斜拉索結(jié)構(gòu)塔架等。經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)在有較多應用的有全鋼柔性塔筒、混凝土結(jié)構(gòu)（全混和半混均有批量應用）、桁架結(jié)構(gòu)。各種主要路線的對比介紹如下。

1、全鋼柔性塔筒

全鋼柔性塔筒是指通過智能控制技術(shù)突破頻率對塔架設(shè)計的約束，大幅降低塔架的用鋼量，整機頻率低于風輪一倍轉(zhuǎn)頻的全鋼高塔筒。最早在1982年便有成熟的應用。

一般設(shè)計要求塔架的自然頻率要顯著高于風機的風輪轉(zhuǎn)動頻率，從而避免塔架的自然頻率和風機風輪的旋轉(zhuǎn)頻率相交而產(chǎn)生共振。柔性高塔架技術(shù)就是通過先進的控制算法，在塔架高度增加的情況下確保塔架的極限和疲勞強度滿足設(shè)計要求，但是不需要維持塔架的頻率必須顯著高于風機的風輪旋轉(zhuǎn)頻率的約束條件，這可以顯著降低塔架成本。

1982年，NASA旗下的United Technology就研發(fā)出了全球首臺采用柔塔的風機——WTS-4。

全球首臺采用柔塔的風機——WTS-4


采用柔塔的遠景能源分布式風電項目

全鋼柔性塔筒

優(yōu)點

經(jīng)濟性好。相較于其它技術(shù)路線，柔性設(shè)計使得用鋼量大幅降低。

生產(chǎn)制造運輸工藝成熟。柔性塔筒的外形結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)塔架并無區(qū)別，所以生產(chǎn)制造質(zhì)量能夠充分保障，供應鏈也很成熟，同時因為外徑保持常規(guī)塔筒的設(shè)計，運輸也非常的方便。

吊裝效率高。圓錐鋼塔筒的吊裝工藝已經(jīng)非常成熟，而柔性塔筒與常規(guī)塔筒的吊裝工藝差別不大，熟練工和設(shè)備市場存量豐富，所以柔性塔筒的吊裝效率和現(xiàn)場吊裝質(zhì)量可以得到保證。相比于鋼混塔筒、桁架式塔筒，柔塔的產(chǎn)業(yè)鏈已完全成熟。

缺點

柔性塔筒對控制技術(shù)的要求較高，一般廠家難以掌握。如果控制技術(shù)不佳，塔架可能與輪轂發(fā)生共振而引發(fā)事故。

應用業(yè)績

全球100m以上的柔性塔筒應用業(yè)績接近萬臺，最高達到166米，主要應用廠商集中在控制技術(shù)優(yōu)異的一流風機廠家，比如維斯塔斯、歌美颯、西門子等，國內(nèi)掌握該技術(shù)的廠家主要有遠景和金風。

2、混凝土結(jié)構(gòu)塔筒

全球也有很多采用了混凝土結(jié)構(gòu)的塔架設(shè)計，包括全混凝土塔架、半鋼半混凝土塔架、圓環(huán)結(jié)構(gòu)混凝土預制塔架、方管結(jié)構(gòu)混凝土預制塔架、現(xiàn)澆塔架等。

混凝土結(jié)構(gòu)塔架

優(yōu)點

結(jié)構(gòu)剛度大，阻尼比高，相對穩(wěn)定，對于控制技術(shù)的要求不高。同時保持剛度設(shè)計的前提下，材料成本提高不多。

缺點

現(xiàn)澆混凝土現(xiàn)場施工周期長；預制混凝土結(jié)構(gòu)件現(xiàn)場施工工藝復雜，模具成本高，工廠預制運輸繁瑣，現(xiàn)場預制質(zhì)量較難控制。

應用業(yè)績

歐洲地區(qū)因為鋼價很高所以應用較多，在南美地區(qū)因為基礎(chǔ)工業(yè)水平低因此業(yè)績也不少，全球總計各種不同結(jié)構(gòu)形狀的超過120m混凝土結(jié)構(gòu)塔架有過千業(yè)績。

3、桁架結(jié)構(gòu)塔筒

進入高塔架時代，桁架結(jié)構(gòu)效率高、剛度大，與傳統(tǒng)錐筒塔架相比用鋼量大大節(jié)省，又開始被應用。桁架結(jié)構(gòu)也有因結(jié)構(gòu)型式不同的細分，包括3腿結(jié)構(gòu)、4腿結(jié)構(gòu)、5腿結(jié)構(gòu)，還有半筒半桁架結(jié)構(gòu)等。

桁架結(jié)構(gòu)塔架

優(yōu)點

用鋼量節(jié)省，經(jīng)濟性較好。桁架結(jié)構(gòu)對于鋼材的利用效率高，如不考慮螺栓的維護，整體經(jīng)濟性較好。目前桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計廠家大多聲稱螺栓連接件是免維護設(shè)計。

結(jié)構(gòu)剛度大，相對穩(wěn)定。因為桁架結(jié)構(gòu)底部跨距較大，整體結(jié)構(gòu)剛度很大，因此機頭穩(wěn)定性較好，對于控制要求不高。

運輸便利，用集裝箱就可以分批運送到機位處，在復雜山地，或者穿越村莊的小路會有較大的優(yōu)勢。

缺點

現(xiàn)場安裝工序繁瑣，周期較長。螺栓的緊固工作量很大，如果是超過120m的設(shè)計，螺栓數(shù)量近萬，存在質(zhì)量風險。

全生命周期維護工作存在風險。雖然現(xiàn)在大多桁架塔架的設(shè)計方都聲稱免維護，但是高塔架還沒有得到時間的驗證。

美觀性比較差，所以有些國家地區(qū)禁止采用該類設(shè)計。

同時爬塔舒適性較差。

應用業(yè)績

超過120m的高塔架全球裝機量200臺左右，大多集中在德國、美國和印度。因為現(xiàn)場人工消耗多，所以在歐洲的應用也沒有太廣，在印度比較容易被接受。國內(nèi)目前有部分機構(gòu)在探索，尚無成熟應用。

分片式：未來高塔新趨勢

隨著塔筒不斷升高，大直徑鋼塔陸上運輸?shù)南拗埔残枰鉀Q，大直徑分片式技術(shù)可以使全鋼塔承載更大載荷和高度，并讓運輸問題迎刃而解，目前主要應用在陸上中低風速區(qū)域的高塔。

分片式在全球已有不少應用。2020年1月19日，維斯塔斯在河北省秦皇島市昌黎縣完成的162米高度V136-3.8MW風機即采用了分片式塔筒結(jié)構(gòu)。

采用分片式塔筒結(jié)構(gòu)的維斯塔斯V136-3.8MW風機

該技術(shù)早幾年已經(jīng)運用在了維斯塔斯位于德國的166米高度機組上，使運輸更加方便。

另一個風電屆的傳奇公司Enercon也很早就啟用了分片式塔筒。塔筒鋼板通過螺栓連接進行組裝，形成一個類圓形的塔筒，這種形式下不用考慮大直徑法蘭的生產(chǎn)難題。

Enercon風機的分片式塔筒

據(jù)悉，天順風能股份有限公司在2014年就承接制造了大直徑分片式鋼制塔筒項目，其技術(shù)經(jīng)理張華稱，2014年3月份，公司生產(chǎn)的大直徑分片式鋼制塔筒高度達到138米，用以滿足風電開發(fā)商的需求，提高低風速風區(qū)風機的發(fā)電量及效率。

大直徑鋼制塔筒增大了底部塔筒的直徑，能有效提高塔筒的載荷能力。直徑最大的底端塔筒將縱向分為3瓣，有利于運輸便利，到現(xiàn)場后再通過縱向法蘭組裝在一起。

分片式繼承了全鋼塔的一系列優(yōu)勢，同時可實現(xiàn)輕量化，提高經(jīng)濟性。高柔塔分片式的設(shè)計考驗主機廠的設(shè)計和全套解決方案能力，金風科技、遠景能源等廠家均有技術(shù)儲備。

“對于維斯塔斯、遠景、金風等高柔塔技術(shù)掌握比較好的，完全可以通過常規(guī)全鋼柔塔或全鋼分片來解決高塔高度增加的需求。”張華表示。