創新塔架激活土地潛力

孫一琳

風電的開發用地具有占地性質復雜、手續辦理難度大等特點，給人造成了風電用地“老大難”的錯覺。但在實際中，風電占地少，且不影響農田等原有土地的使用性質。

除了本身的節地特性之外，風電之所以被稱為“土地利用效率最高的發電技術之一”，更離不開技術的不斷進步，特別是風電塔架技術的創新。日前，全球首臺采用160米預應力構架式鋼管塔架的風電機組在山東菏澤-城并網投運。該塔架結構由青島華斯壯能源科技有限公司（下稱“華斯壯”）與同濟大學共同研發，支持提升輪轂高度，同時擁有更強的節地性，進一步拓寬中東南部低風速地區的風電開發空間。

華斯壯董事長王同華認為，“預應力構架式鋼管塔架不僅僅是單一產品的成功研制，更是一種模式、一套體系的重新建構。”

更安全，拓寬風能資源利用空間

風電行業近幾年的發展呈現出由“三北”地區向中東南部低風速、高負荷地區轉移的趨勢。為了捕獲更多風能資源，提高發電效率，風電機組需要擁有更大的風輪直徑和更高的輪轂高度。隨著機組趨于大型化，壓力落到了塔架環節上，亟需對其進行調整。

在高度超過100米之后，傳統塔架的重量會呈指數級上升，經濟性隨之下降。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構的抗彎模量和慣性矩，必須加大塔架直徑，并減小壁厚。但塔架直徑過大將影響運輸，徑厚比過大則無法保證局部穩定。另一方面，需要利用各種控制技術以規避共振的風險，難以保障機組的運行安全性。與此同時，行業還嘗試運用混塔等多種方案，但從長遠發展的角度來看，這些方案或多或少存在問題。

對于王同華而言，感受到的不只是壓力，更多的是動力。華斯壯進入風電行業，不僅是基于業務的需要，更是希望推動國家的綠色低碳發展。于是2016年，在同濟大學建筑設計研究院的一間辦公室里，王同華帶領華斯壯的技術人員與同濟大學馬人樂教授碰了面。雙方此前在廣播電視塔塔架研發和搭建上有過深入合作。馬人樂很早就注意到了風電塔筒的結構，并開始相關研究。雙方一拍即合，組建技術團隊，決心為風電量身打造一個全新的塔架方案。

起初，技術團隊結合國外的角鋼塔技術，設計了一款桁架式角鋼塔架。以桁架塔代替筒狀塔，能夠提高結構效率，同時用高強螺栓抗剪連接解決節點抗疲勞問題，桁架部分幾乎無焊接。但這一方案在實踐中也暴露出一些缺陷，比如角鋼的迎風體型系數過大，截面回轉半徑太小。受角鋼規格限制，該技術只能應用于塔架高度在140米以下的風電機組。

馬人樂從不避諱技術缺陷，“對于任何結構，我們既要了解它的優點，也要明晰其缺點，通過一步步改進，獲得更加完善的技術。”

在經過兩年的研發試驗后，技術團隊選擇了預應力構架式鋼管塔架這種更穩定、安全的塔架結構。

據介紹，預應力構架式鋼管塔架的塔身采用全鋼結構。塔身下部設計為桁架結構，合理的結構布置可以高效提高結構剛度和極限承載能力。主要受力構件優先采用圓截面鋼管，該類截面材料均勻分布于四周，回轉半徑大，整體穩定性高，且風荷載體型系數相對較小，通過優化節點構造與工藝實現局部抗疲勞性能提升。

技術團隊以塔架過渡段的“鋼管-插板焊接節點”為對象，進行了復雜的預應力抗疲勞試驗研究。最終決定采用預壓力降低塔柱及其節點在疲勞載荷下的平均應力，從而提升疲勞壽命。

預應力構架式鋼管塔架技術很好地解決了焊接疲勞及共振矛盾等問題，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，提高了發電效率，適于低風速地區的風電開發。

此外，預應力構架式鋼管塔架的原材料用量小，利于工廠模塊化生產和運輸。在工程量統計上，-城160米塔架比同等高度下傳統塔架與基礎的直接成本低5%～20%。

2018年，在試驗室內經過上百萬次打擊之后，預應力構架式鋼管塔架技術的可靠性得到驗證。同時，它還在材料和設計上具有很好的經濟性。然而，若想從試驗室走向曠野，這中間又將是一段新的征程。

更節地，提高風電場經濟性

《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標的建議》提出，加快推動綠色低碳發展。強化國土空間規劃和用途管控，落實生態保護、基本農田、城鎮開發等空間管控邊界，減少人類活動對自然空間的占用。由此可見節地在我國綠色低碳轉型中的重要性。

簡單算一筆賬：以正成為我國陸上風電市場主流機型的5MW機組為例，當采用目前國內常見的圓錐塔架時，單臺機組露出地面的承臺部分占地不到100平方米，在中東南部地區開發1億千瓦風電裝機占地約3000畝，相當于兩個百萬千瓦火電廠的面積。而預應力構架式鋼管塔架支撐結構擁有4個角（類似于巴黎埃菲爾鐵塔），每個角占地1.5平方米左右，總占地面積只有6平方米，開發1億千瓦風電僅需用地12萬平方米，即180畝，其推廣后的節地效益由此可見一斑。

“發展一項新技術特別難，即使各方面優勢明顯，也難以找到合作方和實踐的土壤。”為了促成新型塔架技術的落地推廣，王同華跑了很多地方。在此期間，他更深刻了節地的重要性，同時也對新型塔架技術多了一份信心：“預應力構架式鋼管塔架技術對土地的適應性極高。”

特殊的塔架結構使風電機組底部不再局限于一塊完整的土地，可以跨河道、水塘、農田、道路等，基礎底部不影響土地的原始用途。車輛可以在底部暢通無阻，農業機械化耕種不受限制。預應力構架式鋼管塔架適用于山地等不平坦地面，其獨立基礎可分開澆筑，能最大化保護原有山體及植被。

這有利于扭轉大眾對風電用地的刻板印象。預應力構架式鋼管塔架是推動我國生態環保、土地集約化利用等社會效益與風電開發經濟效益有機結合的有益嘗試，能有效激活土地潛力。有專家認為，未來，風電開發用地審批流程和用地方式可能因此發生改變。

目前，我國風電項目根據其所用土地的性質及使用用途的不同，適用的政策也不同，對于永久用地及占用農用地的，需辦理征地審批手續。但在實踐中，預應力構架式鋼管塔架對農業生產的實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，這種形式可為風電場直接節約用地成本。其次，原本因土地調規原則而采用的點狀開發模式，可以轉為線狀模式，提高地方土地協調的效率。風電場線狀開發模式還能帶來一大優勢，即進一步實現道路和集成線路的優化布局。

為了打造更有競爭力的產業，風電企業始終在壓縮各個環節的成本，追求風電全生命周期度電成本的下降。現階段，“以租代征”的用地形式尚未成為現實。但以山東膠州某安裝17臺3MW機組的風電場為例，王同華比較了點狀開發與線狀開發在線路布局費用上的差異。該項目進站道路長15千米，架設輸電線路20千米，總計投資金額達2350萬元，而采用線狀開發布局，同等規模項目的進站道路和架設輸電線路都將縮短至8千米，投資金額降至1038萬元。

可以預見，在創新塔架的價值得以廣泛實現之時，我們可以擁有更加綠色低碳的美好未來。