目前，我國風(fēng)電發(fā)展已進(jìn)入穩(wěn)步增長(zhǎng)及結(jié)構(gòu)調(diào)整期。隨著國家大力扶持可再生能源政策的相繼出臺(tái)及電網(wǎng)、發(fā)電側(cè)的建設(shè)投資和技術(shù)進(jìn)步，2015年全國風(fēng)電發(fā)電量1860億千瓦時(shí)左右，相比2014年的1540億左右增長(zhǎng)了20%，而全社會(huì)用電量?jī)H微增0.5%，電網(wǎng)消納風(fēng)電能力明顯增長(zhǎng)，化石能源消耗進(jìn)一步壓縮。同時(shí)我們也應(yīng)該看到，隨著風(fēng)電裝機(jī)的快速增長(zhǎng)，棄風(fēng)問題更加突出：2015年全國棄風(fēng)電量339億千瓦時(shí)，全國平均棄風(fēng)率達(dá)到15%；今年一季度棄風(fēng)率26%，其中高風(fēng)速的“三北”地區(qū)接近40%。風(fēng)電參加交易后，上網(wǎng)電價(jià)大幅下降，收益減少，風(fēng)電健康發(fā)展形勢(shì)嚴(yán)峻。

 

　　對(duì)比“三北”地區(qū)棄風(fēng)嚴(yán)重的形勢(shì)，中東部及南部地區(qū)風(fēng)電發(fā)展趨勢(shì)看好，利用小時(shí)數(shù)高的風(fēng)場(chǎng)在福建、云南等地出現(xiàn)，由于更接近負(fù)荷中心，不需要遠(yuǎn)距離輸送，消納市場(chǎng)大，不存在棄風(fēng)現(xiàn)象，國家已出臺(tái)相關(guān)政策支持上述地區(qū)的低風(fēng)速風(fēng)場(chǎng)發(fā)展。然而對(duì)于年均風(fēng)速低于6.5米/秒(70米高)的中東部及南部，如何努力提高對(duì)較低速度風(fēng)能的利用率，是目前業(yè)內(nèi)非常關(guān)心的問題。
　　一、低風(fēng)速地區(qū)存在的主要問題
　　低風(fēng)速地區(qū)年均風(fēng)速低于6.5米/秒（70米高），常規(guī)風(fēng)機(jī)的發(fā)電量只有高風(fēng)速地區(qū)的一半到3/4，缺乏投資吸引力。低空湍流大、風(fēng)況偏差大，設(shè)備承受的載荷明顯增加。地形復(fù)雜，大件運(yùn)輸困難，從而引起建設(shè)及運(yùn)維成本高、投資回報(bào)率低。
　　二、低風(fēng)速風(fēng)機(jī)的重要技術(shù)手段
　　增大風(fēng)輪直徑。增大風(fēng)輪直徑也就增加了葉片的掃掠面積，測(cè)算表明，從風(fēng)中獲得的能量與葉片掃掠面積及風(fēng)功率密度密切相關(guān)，對(duì)于2兆瓦風(fēng)機(jī)來說，為獲得同樣的風(fēng)能，葉片直徑為100米的風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)250瓦/平米的風(fēng)功率密度，而葉片直徑為120米的風(fēng)機(jī)只需要180瓦/平米的風(fēng)功率密度，也可以說，同樣風(fēng)功率密度時(shí)，大葉輪風(fēng)機(jī)能獲得更多的風(fēng)能。
　　然而，根據(jù)貝茲極限理論，風(fēng)能不可能被全部獲得，否則風(fēng)將靜止。同時(shí)，葉片直徑增加有其極限，過大的直徑將會(huì)導(dǎo)致成本的很大增加及葉片尤其在垂直方向受力不均，風(fēng)機(jī)載荷增加，成本過大，壽命減少。
　　增高塔筒。以100米為界，大氣邊界層分為普朗特層和埃克曼層，低于100米為普朗特層，高于100米為埃克曼層。普朗特層一般受地表影響較大，風(fēng)速較低，湍流強(qiáng)烈，疲勞強(qiáng)度較大，影響到風(fēng)機(jī)的壽命。風(fēng)機(jī)在強(qiáng)湍流下，葉片受力不均，傳導(dǎo)到主軸軸承、齒輪箱和發(fā)電機(jī)，引起機(jī)械損害增加。現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)輪轂高度一般都低于100米。
　　在埃克曼層，風(fēng)速會(huì)升高，湍流更小。舉一個(gè)中國中部的例子：在70米高空風(fēng)速為5.06米/秒，則120米高空為5.62米/秒，風(fēng)速增加11%，對(duì)應(yīng)年發(fā)電量能增加33%。增高塔筒后，由于湍流減小，葉片受力相對(duì)均勻，延長(zhǎng)了機(jī)組疲勞壽命。另外，由于高空風(fēng)能增加，風(fēng)機(jī)利用小時(shí)數(shù)提高，相應(yīng)減少了發(fā)電的波動(dòng)性，電網(wǎng)更易于接納，因而增高塔架高度是在低風(fēng)速地區(qū)獲得更多風(fēng)能的有效技術(shù)手段。
　　三、混合塔架技術(shù)

 

　　MECAL公司開發(fā)的混合塔架有兩種形式。典型的混合塔架上半部分是標(biāo)準(zhǔn)鋼筒，下半部分是優(yōu)質(zhì)的預(yù)制混凝土塔架。混凝土部分每一段高度可以調(diào)整，由多片預(yù)制板材拼合而成，組合方式也可以調(diào)整。每一段混凝土塔筒首尾銜接起來。為增加混凝土塔身的抗拉性能，整體再通過預(yù)應(yīng)力鋼纜與地基相固定。混凝土部分的頂端通過一個(gè)接合器連接上半部分的鋼筒。這一設(shè)計(jì)已經(jīng)把塔架建到了160米，如果吊裝條件允許甚至可以建到200米以上。另外也可以根據(jù)不同成本估算的需求把增高型塔架設(shè)計(jì)為全預(yù)制混凝土塔架，這種塔架已有建到140米的實(shí)例。這些技術(shù)在中國已經(jīng)取得了專利。
　　混合塔架由于采用不同材料制造，經(jīng)過精確計(jì)算設(shè)計(jì)，塔架自振頻率可調(diào)，可以避免與葉片的通過頻率發(fā)生諧振，因而不用改變機(jī)組控制策略，其支撐剛度及抗疲勞性能提升。另外以水泥作為原材料的塔架價(jià)格更趨于穩(wěn)定。
　　混合塔架的制造：混凝土部分可實(shí)現(xiàn)本地制造（本地工廠或移動(dòng)工廠），本地雇傭人力，原材料本地化。
　　運(yùn)輸：由于本地制造及分塊運(yùn)輸，可以縮短運(yùn)輸半徑，不需要超大運(yùn)輸車輛，無特別運(yùn)輸要求。
　　安裝：先使用100噸起重機(jī)進(jìn)行混凝土塔架的分段/或分片預(yù)裝配，再進(jìn)行整段吊裝及鋼筒吊裝，安裝內(nèi)部階梯及電纜、預(yù)應(yīng)力鋼纜。拼裝很快，兩三天就能完成。最后可以用600噸-700噸的起重機(jī)進(jìn)行機(jī)艙和葉片的吊裝。混合塔架無需維護(hù)。
　　質(zhì)量：預(yù)制混凝土塔架的預(yù)制板可以在室內(nèi)批量生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，質(zhì)量的一致性可以把控。
　　混合塔架的經(jīng)濟(jì)性：雖然增高塔架高度增加了原材料使用及基礎(chǔ)的投入，但由于塔架成本占整體風(fēng)電項(xiàng)目投資的比例約16%，故對(duì)整場(chǎng)投資影響不大。經(jīng)實(shí)際測(cè)算，90-100米時(shí)混合塔架與純鋼塔架成本基本相當(dāng)。在中國，120米的純鋼塔架和上鋼下混塔架相比，混合塔架的成本可降低30%左右，而且使用混合塔架后年發(fā)電量最大可增加50%左右。以上提到中國中部的實(shí)例中，塔架的高度由70米增加至120米以后，塔架的材料成本以及吊裝成本增加了300萬元，但年發(fā)電小時(shí)數(shù)增加了600小時(shí)，用3類風(fēng)場(chǎng)的電價(jià)計(jì)算，可以增收1800萬元（20年，2.5兆瓦的風(fēng)機(jī)），則每臺(tái)混合塔架凈增收入1500萬元，一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)則增加收入3億元(20年，20臺(tái)2.5兆瓦風(fēng)機(jī))。
　　目前，MECAL公司設(shè)計(jì)的混合塔架已經(jīng)在美國、西班牙、德國、巴西、印度等世界各地應(yīng)用超過1500臺(tái)。MECAL（北京）工程技術(shù)有限公司將繼續(xù)致力于在中國的風(fēng)機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)、優(yōu)化、認(rèn)證，并為混合塔架及純混凝土塔架的制造、運(yùn)輸及安裝提供設(shè)計(jì)以及工程咨詢服務(wù)，衷心希望與業(yè)內(nèi)同仁一道為中國低風(fēng)速地區(qū)風(fēng)電發(fā)展盡綿薄之力，為中國乃至世界可再生能源事業(yè)發(fā)展做貢獻(xiàn)。
作者：奧云女士，MECAL（北京）工程技術(shù)有限公司總經(jīng)理
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