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平价时代,我国风电新能源发展到了一个新的阶段,随着优质风能资源越来越少,国家补贴的退出,风电项目的投资回报率越来越低,开发难度越来越大。项目成本控制涉及风电整机设备、塔筒、基础以及施工等诸多环节,今年以来,风电机组价格不断突破新低,部分项目风机报价已接近1500元/KW左右,风电整机市场异常激烈。
相比风电整机市场,近年来,我国风电塔架技术技术进步幅度小,缺乏创新性、跨越性的技术革命。相反,随着大型化趋势加快,风电机组高度不断增加,风电塔筒占比整个风力发电机组设备的比重越来越大,以4MW、140m风电机组为例,风塔和基础造价700万左右,与机头价格相当,因此,如何降低成本成为整个风电项目成本控制的关键。
风电塔架与一般建构筑物不同,除了安全性外,对刚度、制造难度、可靠性、运输、安装周期、运维都有要求。这些设计目标与成本控制相矛盾。传统风塔各有优缺点,技术上很难满足高轮毂大容量风机要求。如何设计一款安全经济的风塔成为了巨大的挑战。从技术角度,安全经济的风塔需做到以下几点:
§ 风塔刚度大,避免涡激共振发生;
§ 结构有弹塑性发展能力,弹塑承载力比弹性承载力高1.3倍以上;
§ 结构材料延性好,抗冲击变形能力高;
§ 制造简单,运输方便、安装容易。
截面选型角度:与实腹型结构相比,空间布置截面具有更大的抗弯截面模量。相同的材料下获得更多的刚度和强度,例如大型的机场和火车候车大厅都采用空间结构。风塔底部30m-50m工程量最大,最影响结构刚度。需要采用空间截面布置截面代替实腹型截面。
构件材料角度:钢管混凝土中的混凝土为三向约束混凝土,抗压承载力是普通混凝土2倍以上。钢管中设置钢绞线预紧力提高构件抗疲劳和抗拉承载力。钢管混凝土构件延性性能好,结构抗倒塌能力高。
图1. 纯钢屈曲与钢管混凝土破坏过程(R1-弹性承载力 R2—薄壁钢筒屈曲破坏承载力,R3—钢管混凝土破坏承载力)
武汉釜硕新能源科技有限公司研发团队从结构基本原理出发,充分研究风塔力学行为特点,辩证选择结构布置和构件材料,同时充分考虑风塔制作、运输和吊装等需要,研发出“人字形”空间钢管混凝土风力发电塔架。该塔架综合成本降低25%以上。首台样机实施表明,该风塔制造简单、运输方便、吊装周期短、运维容易。目前,釜硕风塔获得风电行业权威认证机构鉴衡认证中心的设计认证,获得十多项专利。
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