目前，我國風電發展已進入穩步增長及結構調整期。隨著國家大力扶持可再生能源政策的相繼出臺及電網、發電側的建設投資和技術進步，2015年全國風電發電量1860億千瓦時左右，相比2014年的1540億左右增長了20%，而全社會用電量僅微增0.5%，電網消納風電能力明顯增長，化石能源消耗進一步壓縮。同時我們也應該看到，隨著風電裝機的快速增長，棄風問題更加突出：2015年全國棄風電量339億千瓦時，全國平均棄風率達到15%；今年一季度棄風率26%，其中高風速的“三北”地區接近40%。風電參加交易后，上網電價大幅下降，收益減少，風電健康發展形勢嚴峻。

 

　　對比“三北”地區棄風嚴重的形勢，中東部及南部地區風電發展趨勢看好，利用小時數高的風場在福建、云南等地出現，由于更接近負荷中心，不需要遠距離輸送，消納市場大，不存在棄風現象，國家已出臺相關政策支持上述地區的低風速風場發展。然而對于年均風速低于6.5米/秒(70米高)的中東部及南部，如何努力提高對較低速度風能的利用率，是目前業內非常關心的問題。
　　一、低風速地區存在的主要問題
　　低風速地區年均風速低于6.5米/秒（70米高），常規風機的發電量只有高風速地區的一半到3/4，缺乏投資吸引力。低空湍流大、風況偏差大，設備承受的載荷明顯增加。地形復雜，大件運輸困難，從而引起建設及運維成本高、投資回報率低。
　　二、低風速風機的重要技術手段
　　增大風輪直徑。增大風輪直徑也就增加了葉片的掃掠面積，測算表明，從風中獲得的能量與葉片掃掠面積及風功率密度密切相關，對于2兆瓦風機來說，為獲得同樣的風能，葉片直徑為100米的風機對應250瓦/平米的風功率密度，而葉片直徑為120米的風機只需要180瓦/平米的風功率密度，也可以說，同樣風功率密度時，大葉輪風機能獲得更多的風能。
　　然而，根據貝茲極限理論，風能不可能被全部獲得，否則風將靜止。同時，葉片直徑增加有其極限，過大的直徑將會導致成本的很大增加及葉片尤其在垂直方向受力不均，風機載荷增加，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，風速較低，湍流強烈，疲勞強度較大，影響到風機的壽命。風機在強湍流下，葉片受力不均，傳導到主軸軸承、齒輪箱和發電機，引起機械損害增加。現有的風力發電機輪轂高度一般都低于100米。
　　在埃克曼層，風速會升高，湍流更小。舉一個中國中部的例子：在70米高空風速為5.06米/秒，則120米高空為5.62米/秒，風速增加11%，對應年發電量能增加33%。增高塔筒后，由于湍流減小，葉片受力相對均勻，延長了機組疲勞壽命。另外，由于高空風能增加，風機利用小時數提高，相應減少了發電的波動性，電網更易于接納，因而增高塔架高度是在低風速地區獲得更多風能的有效技術手段。
　　三、混合塔架技術

 

　　MECAL公司開發的混合塔架有兩種形式。典型的混合塔架上半部分是標準鋼筒，下半部分是優質的預制混凝土塔架。混凝土部分每一段高度可以調整，由多片預制板材拼合而成，組合方式也可以調整。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，整體再通過預應力鋼纜與地基相固定。混凝土部分的頂端通過一個接合器連接上半部分的鋼筒。這一設計已經把塔架建到了160米，如果吊裝條件允許甚至可以建到200米以上。另外也可以根據不同成本估算的需求把增高型塔架設計為全預制混凝土塔架，這種塔架已有建到140米的實例。這些技術在中國已經取得了專利。
　　混合塔架由于采用不同材料制造，經過精確計算設計，塔架自振頻率可調，可以避免與葉片的通過頻率發生諧振，因而不用改變機組控制策略，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格更趨于穩定。
　　混合塔架的制造：混凝土部分可實現本地制造（本地工廠或移動工廠），本地雇傭人力，原材料本地化。
　　運輸：由于本地制造及分塊運輸，可以縮短運輸半徑，不需要超大運輸車輛，無特別運輸要求。
　　安裝：先使用100噸起重機進行混凝土塔架的分段/或分片預裝配，再進行整段吊裝及鋼筒吊裝，安裝內部階梯及電纜、預應力鋼纜。拼裝很快，兩三天就能完成。最后可以用600噸-700噸的起重機進行機艙和葉片的吊裝。混合塔架無需維護。
　　質量：預制混凝土塔架的預制板可以在室內批量生產，生產效率高，質量的一致性可以把控。
　　混合塔架的經濟性：雖然增高塔架高度增加了原材料使用及基礎的投入，但由于塔架成本占整體風電項目投資的比例約16%，故對整場投資影響不大。經實際測算，90-100米時混合塔架與純鋼塔架成本基本相當。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電量最大可增加50%左右。以上提到中國中部的實例中，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，但年發電小時數增加了600小時，用3類風場的電價計算，可以增收1800萬元（20年，2.5兆瓦的風機），則每臺混合塔架凈增收入1500萬元，一個風電場則增加收入3億元(20年，20臺2.5兆瓦風機)。
　　目前，MECAL公司設計的混合塔架已經在美國、西班牙、德國、巴西、印度等世界各地應用超過1500臺。MECAL（北京）工程技術有限公司將繼續致力于在中國的風機整機設計、優化、認證，并為混合塔架及純混凝土塔架的制造、運輸及安裝提供設計以及工程咨詢服務，衷心希望與業內同仁一道為中國低風速地區風電發展盡綿薄之力，為中國乃至世界可再生能源事業發展做貢獻。
作者：奧云女士，MECAL（北京）工程技術有限公司總經理
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