孫一琳

風(fēng)電的開(kāi)發(fā)用地具有占地性質(zhì)復(fù)雜、手續(xù)辦理難度大等特點(diǎn)，給人造成了風(fēng)電用地“老大難”的錯(cuò)覺(jué)。但在實(shí)際中，風(fēng)電占地少，且不影響農(nóng)田等原有土地的使用性質(zhì)。

除了本身的節(jié)地特性之外，風(fēng)電之所以被稱為“土地利用效率最高的發(fā)電技術(shù)之一”，更離不開(kāi)技術(shù)的不斷進(jìn)步，特別是風(fēng)電塔架技術(shù)的創(chuàng)新。日前，全球首臺(tái)采用160米預(yù)應(yīng)力構(gòu)架式鋼管塔架的風(fēng)電機(jī)組在山東菏澤-城并網(wǎng)投運(yùn)。該塔架結(jié)構(gòu)由青島華斯壯能源科技有限公司（下稱“華斯壯”）與同濟(jì)大學(xué)共同研發(fā)，支持提升輪轂高度，同時(shí)擁有更強(qiáng)的節(jié)地性，進(jìn)一步拓寬中東南部低風(fēng)速地區(qū)的風(fēng)電開(kāi)發(fā)空間。

華斯壯董事長(zhǎng)王同華認(rèn)為，“預(yù)應(yīng)力構(gòu)架式鋼管塔架不僅僅是單一產(chǎn)品的成功研制，更是一種模式、一套體系的重新建構(gòu)?！?/p>

更安全，拓寬風(fēng)能資源利用空間

風(fēng)電行業(yè)近幾年的發(fā)展呈現(xiàn)出由“三北”地區(qū)向中東南部低風(fēng)速、高負(fù)荷地區(qū)轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。為了捕獲更多風(fēng)能資源，提高發(fā)電效率，風(fēng)電機(jī)組需要擁有更大的風(fēng)輪直徑和更高的輪轂高度。隨著機(jī)組趨于大型化，壓力落到了塔架環(huán)節(jié)上，亟需對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。

在高度超過(guò)100米之后，傳統(tǒng)塔架的重量會(huì)呈指數(shù)級(jí)上升，經(jīng)濟(jì)性隨之下降。采用柔性塔架，一方面，若想在不改變材料用量的條件下提高結(jié)構(gòu)的抗彎模量和慣性矩，必須加大塔架直徑，并減小壁厚。但塔架直徑過(guò)大將影響運(yùn)輸，徑厚比過(guò)大則無(wú)法保證局部穩(wěn)定。另一方面，需要利用各種控制技術(shù)以規(guī)避共振的風(fēng)險(xiǎn)，難以保障機(jī)組的運(yùn)行安全性。與此同時(shí)，行業(yè)還嘗試運(yùn)用混塔等多種方案，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的角度來(lái)看，這些方案或多或少存在問(wèn)題。

對(duì)于王同華而言，感受到的不只是壓力，更多的是動(dòng)力。華斯壯進(jìn)入風(fēng)電行業(yè)，不僅是基于業(yè)務(wù)的需要，更是希望推動(dòng)國(guó)家的綠色低碳發(fā)展。于是2016年，在同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院的一間辦公室里，王同華帶領(lǐng)華斯壯的技術(shù)人員與同濟(jì)大學(xué)馬人樂(lè)教授碰了面。雙方此前在廣播電視塔塔架研發(fā)和搭建上有過(guò)深入合作。馬人樂(lè)很早就注意到了風(fēng)電塔筒的結(jié)構(gòu)，并開(kāi)始相關(guān)研究。雙方一拍即合，組建技術(shù)團(tuán)隊(duì)，決心為風(fēng)電量身打造一個(gè)全新的塔架方案。

起初，技術(shù)團(tuán)隊(duì)結(jié)合國(guó)外的角鋼塔技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款桁架式角鋼塔架。以桁架塔代替筒狀塔，能夠提高結(jié)構(gòu)效率，同時(shí)用高強(qiáng)螺栓抗剪連接解決節(jié)點(diǎn)抗疲勞問(wèn)題，桁架部分幾乎無(wú)焊接。但這一方案在實(shí)踐中也暴露出一些缺陷，比如角鋼的迎風(fēng)體型系數(shù)過(guò)大，截面回轉(zhuǎn)半徑太小。受角鋼規(guī)格限制，該技術(shù)只能應(yīng)用于塔架高度在140米以下的風(fēng)電機(jī)組。

馬人樂(lè)從不避諱技術(shù)缺陷，“對(duì)于任何結(jié)構(gòu)，我們既要了解它的優(yōu)點(diǎn)，也要明晰其缺點(diǎn)，通過(guò)一步步改進(jìn)，獲得更加完善的技術(shù)?！?/p>

在經(jīng)過(guò)兩年的研發(fā)試驗(yàn)后，技術(shù)團(tuán)隊(duì)選擇了預(yù)應(yīng)力構(gòu)架式鋼管塔架這種更穩(wěn)定、安全的塔架結(jié)構(gòu)。

據(jù)介紹，預(yù)應(yīng)力構(gòu)架式鋼管塔架的塔身采用全鋼結(jié)構(gòu)。塔身下部設(shè)計(jì)為桁架結(jié)構(gòu)，合理的結(jié)構(gòu)布置可以高效提高結(jié)構(gòu)剛度和極限承載能力。主要受力構(gòu)件優(yōu)先采用圓截面鋼管，該類截面材料均勻分布于四周，回轉(zhuǎn)半徑大，整體穩(wěn)定性高，且風(fēng)荷載體型系數(shù)相對(duì)較小，通過(guò)優(yōu)化節(jié)點(diǎn)構(gòu)造與工藝實(shí)現(xiàn)局部抗疲勞性能提升。

技術(shù)團(tuán)隊(duì)以塔架過(guò)渡段的“鋼管-插板焊接節(jié)點(diǎn)”為對(duì)象，進(jìn)行了復(fù)雜的預(yù)應(yīng)力抗疲勞試驗(yàn)研究。最終決定采用預(yù)壓力降低塔柱及其節(jié)點(diǎn)在疲勞載荷下的平均應(yīng)力，從而提升疲勞壽命。

預(yù)應(yīng)力構(gòu)架式鋼管塔架技術(shù)很好地解決了焊接疲勞及共振矛盾等問(wèn)題，不僅提高了塔架的安全性和使用壽命，更是突破塔架高度和載荷限制，提高了發(fā)電效率，適于低風(fēng)速地區(qū)的風(fēng)電開(kāi)發(fā)。

此外，預(yù)應(yīng)力構(gòu)架式鋼管塔架的原材料用量小，利于工廠模塊化生產(chǎn)和運(yùn)輸。在工程量統(tǒng)計(jì)上，-城160米塔架比同等高度下傳統(tǒng)塔架與基礎(chǔ)的直接成本低5%～20%。

2018年，在試驗(yàn)室內(nèi)經(jīng)過(guò)上百萬(wàn)次打擊之后，預(yù)應(yīng)力構(gòu)架式鋼管塔架技術(shù)的可靠性得到驗(yàn)證。同時(shí)，它還在材料和設(shè)計(jì)上具有很好的經(jīng)濟(jì)性。然而，若想從試驗(yàn)室走向曠野，這中間又將是一段新的征程。

更節(jié)地，提高風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)濟(jì)性

《中共中央關(guān)于制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》提出，加快推動(dòng)綠色低碳發(fā)展。強(qiáng)化國(guó)土空間規(guī)劃和用途管控，落實(shí)生態(tài)保護(hù)、基本農(nóng)田、城鎮(zhèn)開(kāi)發(fā)等空間管控邊界，減少人類活動(dòng)對(duì)自然空間的占用。由此可見(jiàn)節(jié)地在我國(guó)綠色低碳轉(zhuǎn)型中的重要性。

簡(jiǎn)單算一筆賬：以正成為我國(guó)陸上風(fēng)電市場(chǎng)主流機(jī)型的5MW機(jī)組為例，當(dāng)采用目前國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的圓錐塔架時(shí)，單臺(tái)機(jī)組露出地面的承臺(tái)部分占地不到100平方米，在中東南部地區(qū)開(kāi)發(fā)1億千瓦風(fēng)電裝機(jī)占地約3000畝，相當(dāng)于兩個(gè)百萬(wàn)千瓦火電廠的面積。而預(yù)應(yīng)力構(gòu)架式鋼管塔架支撐結(jié)構(gòu)擁有4個(gè)角（類似于巴黎埃菲爾鐵塔），每個(gè)角占地1.5平方米左右，總占地面積只有6平方米，開(kāi)發(fā)1億千瓦風(fēng)電僅需用地12萬(wàn)平方米，即180畝，其推廣后的節(jié)地效益由此可見(jiàn)一斑。

“發(fā)展一項(xiàng)新技術(shù)特別難，即使各方面優(yōu)勢(shì)明顯，也難以找到合作方和實(shí)踐的土壤。”為了促成新型塔架技術(shù)的落地推廣，王同華跑了很多地方。在此期間，他更深刻了節(jié)地的重要性，同時(shí)也對(duì)新型塔架技術(shù)多了一份信心：“預(yù)應(yīng)力構(gòu)架式鋼管塔架技術(shù)對(duì)土地的適應(yīng)性極高?！?/p>

特殊的塔架結(jié)構(gòu)使風(fēng)電機(jī)組底部不再局限于一塊完整的土地，可以跨河道、水塘、農(nóng)田、道路等，基礎(chǔ)底部不影響土地的原始用途。車輛可以在底部暢通無(wú)阻，農(nóng)業(yè)機(jī)械化耕種不受限制。預(yù)應(yīng)力構(gòu)架式鋼管塔架適用于山地等不平坦地面，其獨(dú)立基礎(chǔ)可分開(kāi)澆筑，能最大化保護(hù)原有山體及植被。

這有利于扭轉(zhuǎn)大眾對(duì)風(fēng)電用地的刻板印象。預(yù)應(yīng)力構(gòu)架式鋼管塔架是推動(dòng)我國(guó)生態(tài)環(huán)保、土地集約化利用等社會(huì)效益與風(fēng)電開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)效益有機(jī)結(jié)合的有益嘗試，能有效激活土地潛力。有專家認(rèn)為，未來(lái)，風(fēng)電開(kāi)發(fā)用地審批流程和用地方式可能因此發(fā)生改變。

目前，我國(guó)風(fēng)電項(xiàng)目根據(jù)其所用土地的性質(zhì)及使用用途的不同，適用的政策也不同，對(duì)于永久用地及占用農(nóng)用地的，需辦理征地審批手續(xù)。但在實(shí)踐中，預(yù)應(yīng)力構(gòu)架式鋼管塔架對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際影響與輸電線路鐵塔十分接近，完全可以參考輸電鐵塔采用“以租代征”的用地形式。

首先，這種形式可為風(fēng)電場(chǎng)直接節(jié)約用地成本。其次，原本因土地調(diào)規(guī)原則而采用的點(diǎn)狀開(kāi)發(fā)模式，可以轉(zhuǎn)為線狀模式，提高地方土地協(xié)調(diào)的效率。風(fēng)電場(chǎng)線狀開(kāi)發(fā)模式還能帶來(lái)一大優(yōu)勢(shì)，即進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)道路和集成線路的優(yōu)化布局。

為了打造更有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)業(yè)，風(fēng)電企業(yè)始終在壓縮各個(gè)環(huán)節(jié)的成本，追求風(fēng)電全生命周期度電成本的下降。現(xiàn)階段，“以租代征”的用地形式尚未成為現(xiàn)實(shí)。但以山東膠州某安裝17臺(tái)3MW機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)為例，王同華比較了點(diǎn)狀開(kāi)發(fā)與線狀開(kāi)發(fā)在線路布局費(fèi)用上的差異。該項(xiàng)目進(jìn)站道路長(zhǎng)15千米，架設(shè)輸電線路20千米，總計(jì)投資金額達(dá)2350萬(wàn)元，而采用線狀開(kāi)發(fā)布局，同等規(guī)模項(xiàng)目的進(jìn)站道路和架設(shè)輸電線路都將縮短至8千米，投資金額降至1038萬(wàn)元。

可以預(yù)見(jiàn)，在創(chuàng)新塔架的價(jià)值得以廣泛實(shí)現(xiàn)之時(shí)，我們可以擁有更加綠色低碳的美好未來(lái)。