本文基于公开信息渠道汇总整理了当前国内外风电项目中采用了高度超过100米塔架的陆地风电场的机组信息,综述了当前高塔架设计和应用的现状。
整体而言,风电项目是否采用高塔架取决于两个因素,即技术可行性和经济性。技术可行性涉及的内容主要包括塔架基础设计、塔架设计,设计过程必须考虑生产和运输的可实现性。对于风切变较大的风电场,应用高塔架会增加风资源捕获,提高项目收益,但同时项目的塔架采购成本和运输及安装成本会增加,经济性主要指所增加的收益和成本之间的权衡,本文主要考察技术的可行性。
一、 国内外高塔架的设计和应用现状 1、 Suzlon
Suzlon公司开发了一种新型的混合桁架塔,该混合桁架塔可将风机轮毂高度提高至传统机组的1.5倍。首个采用120米高的混合桁架塔的样机于2014年11月6日被安装在古吉拉特邦Kutch区Naniber镇的一个风电场。Suzlon公司的S97-2.1MW机型可用于IEC IIIA类风区,塔架最高可配置120米。
Suzon公司的S111-2.1MW机型适用于IEC IIIA类风区,轮毂高度可达120米。
2、 Nordex
目前该公司设计和生产基于2.4MW和3.3MW的两个级别的风电机组。Gamma系列机型包括N90/2500,N100/2500和N117/2400,主要市场在欧洲、非洲和北美。N100/2500包括高风速和低风速2个版本的机型。N117/2400 专为IEC III类风区设计,轮毂高度最高可达141 米。
另外,Nordex的N131/3000机型轮毂高度可以达到114米。
3、 Siemens
西门子SWT113/3200机型轮毂高度可以达到115米;SWT130/3300机型轮毂高度最高达135米。
4、 Senvion
该公司目前有6款3MW-3.4MW的机型所用的塔架高度在100米以上(最高达143米),高塔架机组多适用于IEC IIIA类风区。
5、 Vestas
V100-1800/2000机型适用于IECIIIA类地区时,轮毂高度设计为120米。
V110-2.0MW机型配置管状钢制塔筒,轮毂高度分别为95米和125米。
V100-2.0MW机型配置管状钢制塔筒,轮毂高度分别为80米、95米和120米(IEC IIB)。
V90-2MW机型配置管状钢制塔筒,轮毂高度可以达到125米(IEC IIIA)。
6、 GE
GE 2.75MW机型目前塔架高度可达139米,该高度塔架的机型在欧洲已有样机。该机型对应的110米塔架为成熟的设计方案。
7、 Gamesa
歌美飒的G114-2.0MW机型目前有成熟的高塔架设计方案,高度可达125米,该塔架高度的机型已有批量装机项目。
8、 远景能源
远景EN-121/2200型风电机组已有塔架高度120米的设计方案,2015年11月-12月在山西大同某风电场安装了一台120米塔架的样机,已完成吊装,据了解所安装的样机能够使得年平均风速在6.5m/s的区域具备开发价值。目前该机型已中标江苏东台某风电场(98MW,45台)。该塔架为全钢结构,每套重约300T,自2015年9月份发布塔架招标公告。
9、 金风科技
2015年5月13日,金风科技(002202)在第九届中国(上海)国际风能展会场上正式发布最新开发的金风科技1.5VP系列产品、120米柔性塔架和混合式塔架产品。
柔性塔架是金风科技专门为低风速、大容量和大叶轮机组所设计的一款塔架产品。柔性塔架的最大优势是在轮毂高度达到120米以上的高度、风机发电量得到提升的同时,实现塔架用钢量的大幅降低,节约制造和运输成本。
混合式风电塔架是钢段和混凝土段的组合式结构,可调节频率,是机电动力设备和建筑结构的一体化设计成果,经济性优异,适合于低风速区域和风切变系数高的区域。目前,混合式风电塔架可满足120米轮毂高度的需求。
金风I型现浇式混合塔架可满足90-120m轮毂高度的开发需求,混凝土段为15-20m的现浇式结构,能够有效的节约塔架及基础成本。金风II型预制装配式混合塔架可满足100米以上轮毂高度的开发需求,混凝土段为45m-70m工厂化预制产品,便于运输,施工进度快。国际市场由于人工成本高,对施工周期要求也比较高,多采用这种预制式塔架。
2015年伊始,金风在新疆某风电场安装了一台120米塔架高度的2.5MW机组,塔架采用全钢柔性结构设计;于2014年在山西某风电场安装了一台100米混凝土塔架用于1.5MW机组。金风已经具备了120米高度的混凝土塔架设计方案。
二、 结论
1、 塔架高度100米以上的机型在国内外都已有装机,国外装机多,国内装机少。多款介于2-3MW之间高塔架成熟机型,仅在国外有批量装机,如ENERCON\\VESTAS\\GEMESA\\GE等。其中欧洲市场上,ENERCON和VESTAS在2MW机型上所安装的机组最多,塔架高度在110米至140米之间多个高度上,均有批量化装机项目,这些项目的机组调试时间分布在2005年至2014年之间。据当前信息了解到,目前最高的风电机组塔架是德国一家风电企业于2006年安装的1台2500kW机组,轮毂高度160米。
2、 主机厂家的塔架设计能力较强,各类机型设计方案较多,领先于市场应用。国外主流厂商
的高塔架机组在国内未了解到有业绩表现。国内高塔架机组(100米以上)均为样机,如金风、远景。
3、 国内塔架设计的发展趋势是越来越高,以柔性塔架和钢混结构塔架为主方向;国外的塔架
设计样式丰富,有混合桁架式、钢壳式、空间框架塔等。市场决定了塔架设计的方向。 4、 结合目标项目来说,从技术成熟性和市场装机角度,建议优先考虑VESTAS 2.0MW /
GEMESA 2.0MW。就国内主机厂商来说,建议优先考虑远景和金风。 需要说明的是:根据《高耸结构设计规范》GBJ 135-90, 设计风机塔架基础时,主要考虑四个环节,即塔身与基础的连接;基础上部的承载能力;地基的承载能力;抗倾覆。在具体设计中,应按最不利荷载组合对各控制断面进行强度计算,还应对基础的整体稳定性、地基承载力和变形进行计算。设计风机塔架基础前,必须分析塔架的尺寸、安装标高、荷载数据及气象条件、工程地质资料。因此,对主机厂家而言,针对某机型的特定高度的已有设计方案应用到另一款机型上时,所需的设计周期会相对较短;同一机型不同高度的塔架设计周期会相对较长。 References:
http://news.bjx.com.cn/html/20150929/668210.shtml
http://www.cpnn.com.cn/dljspd/ynxw/201505/t20150513_800769.html http://www.chinabidding.com.cn/zbw/dlpd/info_show.jsp?record_id=73770 https://en.wikipedia.org/wiki/Nordex
https://www.senvion.com/global/en/wind-energy-solutions/wind-turbines/3xm/ http://www.energy.siemens.com/nl/pool/hq/power-generation/renewables/wind-power/Bolted_Steel_Shell_Tower_brochure_EN.pdf http://www.energy.siemens.com/hq/en/renewable-energy/wind-power/wind-turbine-technology/tower.htm https://www.vestas.com/en/products_and_services/turbines/v100-18_20_mw#! https://renewables.gepower.com/wind-energy/turbines.html https://renewables.gepower.com/wind-energy/turbines/275-120.html http://news.bjx.com.cn/html/20150522/622041.shtml http://www.dlztb.com/chinapowerbid/zbpt/20776.html http://www.envisioncn.com/smart_windpower.aspx
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