贾 锐
(中节能风力发电股份有限公司，北京 100082)
随着全球气候变暖和化石能源日趋枯竭，自20世纪70年代中期以来，世界主要发达国家和一些发展中国家都在加紧对可再生能源的开发和利用，风能作为一种取之不尽、用之不竭的绿色可再生能源，且在转化为电的过程中，具有不消耗燃料、不污染环境等优点受到各国的大力发展。自从风力机面世以来，不断朝着大型化方向发展。作为风力机重要组件的塔架的各方面特性，也越来越成为制约风机发展的因素。随着塔架高度以及体积的增大，造成塔筒制造难度及成本随之升高，而且塔架高度的增加，迫使其承受的载荷也更加难以控制，塔架失效的几率增加，这会对整个风力发电机组产生较大影响，甚至整机报废。因此，塔架的研究对于风力机提高单机容量，降低整机成本具有重要意义。
1 风力发电发展背景
1．1 风力发电的起步和发展
人类从中世纪甚至更早便开始利用风能，但将风能用于发电却是始于19世纪末。1887年，美国人Brush建造了第一台风力发电用风力机，可为350盏白炽灯和3个发动机提供电力［1］。
一次世界大战后，飞机螺旋桨技术和近代气体动力学理论为风力机叶片设计奠定了基础。二战前后欧美国家相继建造了一批大型风力发电机。到了1957年，这时出现的风力机已初具现代风力机雏形，风力机由1个发电机和3个旋转叶片组成［2］。
20世纪80年代以来，世界上逐渐开发出了100 kW，200 kW，2 MW，2．5 MW，6．2 MW 和7．2 MW 等各种级别的风力发电机组。而目前，世界上最大的“超级风力发电机”单机功率为7．3 MW［3］。
单机容量不断增大的同时，风力机的装机容量也持续增长。2009年，全球风机新增装机超过3 800万kW，同比2008年增长了31%;2010年全球风机新增装机3 580万kW，同比2009年增长了22．5%，累计装机19 440万kW［4］。可以看出风力发电行业依然保持强劲的发展势头。
1．2 我国风力发电发展现状
我国风能储量大，陆地上可开发利用的风能资源约2．53亿kW，加上近海的风能资源，全国可开发利用的总风能资源约10亿kW以上，居世界之首。
我国从1984年开始研制200 kW风电机组，起步较晚，但经过20多年的不断努力，不断创新，我国的风力发电机组的研究已经有了长足发展，且初步形成了完整的风电产业链。华锐风电研发的全球领先、中国单机容量最大的5 MW风电机组于2010年10月12日下线［5］。2011年5月18日在其江苏盐城综合产业基地首台6 MW风电机组下线，预示着我国风电设备制造业“6．0 MW”时代正式开启［6］。
虽然我国的风电行业发展迅猛，但我国风电机组的研制水平落后于国际先进水平，提高我国风电机组的设计和研究水平，实现“国产化”，对于我国风电事业的长期发展是非常重要的。
2 风机分类及组成
2．1 风力发电机分类
世界各国研制的风力发电机的形态和种类很多，但分类方法基本可归结为两种:第一种分法是按照风力发电机功率大小进行分类，划分的界限分别为10 kW和100 kW，在这两条界限之内为中型风力发电机，小于10 kW为小型风力发电机，大于100 kW自然成为大型风力发电机。第二种分类方法是按照风力发电机风轮轴方向进行分类，可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机(见图1)。目前，技术最成熟、生产应用最广泛的一种风力机是水平轴风力机。因其具有较高的风能利用系数和较低的传动结构要求［7，8］。
2．2 风力发电机的组成
风力发电机主要由风轮、机舱、塔架、基础四部分组成。其中，塔架是支撑机舱、风力及零部件的结构，它的重量占了整个风机总重的1/2左右，其成本占整个风机制造的15%左右［9］;它将风力机与地面连接，为风轮提供必要的工作高度，然后将风力机各部件受到的载荷传至地面。塔架的设计水平及性能将直接影响风机整机的性能，因此，可以说塔架是整个风机机组安全运行的保障。
3 国际上塔架的形式及其特点
由于塔架对于风机的重要性越来越受到重视，相关研究也不断深入，各种不同类型的塔架也相继出现，各有各的特点。目前，塔架的分类大体有如下两种:
1)按固有频率分类:可分为刚性塔架和柔性塔架。其固有频率大于风轮旋转频率的为刚性塔架，反之则为柔性塔架。目前，大中型风机塔架多为柔性塔架，因为柔性塔架具有质量轻且成本低等优点。但因为柔性塔架的固有频率低于叶片旋转频率，所以每当风力机升速时，叶片旋转频率会有一个短暂的接近或等于塔架固有频率的阶段，这个阶段将会引起瞬态共振。但是由于这个阶段时间较短，所以不会造成危害。2)按结构形式分类:可分为桁架式塔架和圆筒式塔架。相对于桁架式塔架，圆筒式塔架虽然成本高，但其具有较高的安全性，优雅的外观和维修方便等诸多优点，在大中型风力发电机组中被大量采用。
3．1 桁架式塔架
桁架式塔架由于具有非常大的基宽(见图2)，在所有塔架形式中重量最轻和投资最小，迄今最高的风机已经装备了这种塔架。但这种塔架的优势被可能同样明显的劣势所抵消。因为其螺栓的数量是非常多，并且它们需要定期检查，而且塔架的动态特性也非常难控制［10］。在结冰条件下，大量堆积的冰在极端情况下可能破坏风机塔架［11］。而维修人员的安全可接受水平可能也难以被认可。最终这种形式塔架的可见特性都备受争议，但是欧洲现在仍在设计桁架塔，主要应用于印度。
图1 垂直轴与水平轴风力机
图2 桁架式塔架
3．2 圆筒式塔架
圆筒式塔架根据材料的不同，又可划分为高强度钢锥筒型塔架、预应力混凝土锥筒型塔架、混合式(下层混凝土部分和上层传统的高强度钢壳部分)锥筒型塔架和木塔(见图3)。
1)高强度钢锥筒型塔架。高强度钢锥筒型塔架主要是焊接钢壳塔。焊接钢壳塔目前在风机市场上占据了主导地位。它是由钢板弯曲成一个圆形并且纵向焊接而成的圆筒。横向焊缝连接几个这样的圆筒形成20 m～30 m的塔节。每一节末有一个钢制法兰盘，用螺栓连接起各个塔节。底部法兰连接到基础上，机舱连接在顶部法兰。一座塔的主要特点是应对在极端载荷条件下的张力和屈曲。理想情况下风机应该同时满足这两项准则，因为增加直径，并且相应的减少板厚，增加应力强度却会减小屈曲承受余度。最后还要进行抗疲劳检验。根据BSK和Eurocode规范，连接焊缝(横向和纵向)和尺寸变化(法兰)对强度起到了一个负面的影响。因此是焊缝和几何结构主要决定了疲劳强度而不是钢的质量。所以风机塔大多数采用普通质量的钢材料。
2)预应力混凝土塔筒。在风力发电行业，预应力混凝土塔也有一段很长的历史了。今天，大多数混凝土塔由预制组件组装成，并且铸造的尺寸允许公路运输。目前世界上最高的混凝土塔筒风机是Enercon公司于2009年生产的138 m高的E-82风力发电机，它的装机容量为2 kW［12］。在混凝土塔中混凝土基本仅承受压力，而吸收张力的主要是由设在混凝土或混凝土墙的内部/外部的管道中的预应力钢筋提供。把这些预应力筋安放在混凝土内部或者外部是为了便于检查。也有一些传统的未受张力的加强钢筋浇铸成的混凝土壳，用来提供抗压强度(见图4)。在极端载荷条件下，混凝土塔有较大的应对疲劳韧性，因此混凝土塔的动态性能优良。据推测，混凝土的张力预应力可以达到20 MPa。但是，由于混凝土塔筒的材料非均匀性，也给我们进行塔架的动态分析带来困难。在极端负载的情况下，压力侧卸载到接近零，而张力侧负载达到两倍。通过增加混凝土保护层的厚度，可能会增加塔的寿命，例如50年［13］。一座混凝土塔的寿命可以服务于两代风机，这明显的节省了经济成本。相对于钢塔，混凝土塔更重且需要花费更长的时间来建造。另一方面，混凝土或者混凝土构件相对于大直径基础的焊接钢塔，在运输的过程中非常的困难，会受到种种交通运输限制。
3)混凝土—钢混合塔。混凝土塔的优势集中在它的底部构件，这些构件能够以一种较经济的方式吸收巨大的力矩。因此市场上出现了下半部分是混凝土塔架而上半部分是钢壳塔的混合塔(见图5)，并且传统的焊接钢壳塔部分的设计与运输限制没有任何冲突。在现实中，它也可以更容易地设计具体的一部分，得到相应的本征频率。今天，混合型塔被Enercon公司广泛的应用并且还引进先进的塔系统。混合型塔一般比纯混凝土塔架更经济［13，14］。
图3 圆筒式塔架
图4 预应力混凝土塔筒节
4)木塔。木材用于建造风机叶片材料已经十年了，但是最近才提出将其用于建造风机塔。这看上去很奇怪，因为塔对木头的应用需求要比叶片还少。木头一般被认为是一种很经济的抗疲劳和屈曲的建筑材料。迄今为止只有德国的公司在2009年设计了一款1．5 MW风机的塔架是木头材料的风力机［15］(见图6)。由于发展和已知技术的欠缺尤其是关于关节问题，因此木塔的相应研究也比其他几种塔的研究少的相当多［10］。
图5 混凝土—钢混合塔架
图6 木塔
4 结论与展望
未来风机市场在美国和欧洲是很大的，但最大的潜在市场却是亚洲、拉丁美洲、前苏联和非洲。这些市场需要电力快速发展并最大限度的对国内能源资源依赖的可持续发展。随着技术的改进和演变，风机的组件也在不断发生变化，并且向重量更轻型系统发展已经成为一种趋势。减轻重量和降低材料成本对于占风机总重的60%的塔筒的发展尤其重要。
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