超高風(fēng)塔怎么蓋，3D 打印行不行？

2017-12-28 12:16:27 科技新報　作者：藍弋豐　點擊量：評論 (0)

只要放過風(fēng)箏的人都知道，風(fēng)力越到高空越強而穩(wěn)定，這是因為地表的風(fēng)受地形與地面障礙物的影響，產(chǎn)生許多干擾亂流，越到高空，受地面的影響就越小。這個基本原理，決定了風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)展方向，那就是風(fēng)塔高度不

只要放過風(fēng)箏的人都知道，風(fēng)力越到高空越強而穩(wěn)定，這是因為地表的風(fēng)受地形與地面障礙物的影響，產(chǎn)生許多干擾亂流，越到高空，受地面的影響就越小。這個基本原理，決定了風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)展方向，那就是風(fēng)塔高度不斷往上成長。

隸屬于美國能源部的國家再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory，NREL)報告指出，在美國風(fēng)力資源最佳的中西部大平原區(qū)域，80 米高塔身的風(fēng)力發(fā)電機，年容量因數(shù)(capacity factor)達 45%~50%，最高甚至可超過 50%。容量因數(shù)是衡量可再生能源經(jīng)濟價值的重要數(shù)據(jù)，以風(fēng)能而言，由于一年到頭不是隨時都有風(fēng)或處于最佳風(fēng)速，因此無法隨時達到名目上的最大發(fā)電容量，風(fēng)機實際發(fā)出的電力，除以最大發(fā)電容量在同一段時間的理論最大發(fā)電量，就是容量因數(shù)。容量因數(shù)越高，代表實際發(fā)出的電力越多，平均下來的發(fā)電均化成本(LCOE)也就越便宜。

在美國其他地區(qū)，80 米高塔身的風(fēng)力發(fā)電機，容量因數(shù)無法像中西部大平原區(qū)域一樣理想，風(fēng)力發(fā)電的成本也就無法與美國廉價的頁巖氣燃?xì)獍l(fā)電以及快速降價的太陽能相競爭。為了推廣風(fēng)能到更廣大的區(qū)域，解決辦法是建造更高的風(fēng)塔，取用更高空的穩(wěn)定風(fēng)力，以有效提升容量因數(shù)，降低均化成本。據(jù)國家再生能源實驗室的模型推估，在中等風(fēng)力的地區(qū)，采用 140 米高塔身，將能降低風(fēng)力發(fā)電成本達二成之多。

事實上，靠著塔身高度快速提升，以及其他技術(shù)的進步，風(fēng)力發(fā)電成本已經(jīng)大幅下降，目前的風(fēng)力發(fā)電成本，比起 1980 年，僅當(dāng)時的 10%，而比起 2010 年，也僅為 60%。未來風(fēng)機的塔身還將更往上成長，甚至可能挑戰(zhàn) 250 米高。

然而該如何打造這么高的風(fēng)塔，成了大問題。風(fēng)塔越高，結(jié)構(gòu)越大，耗用的原物料越多，組件運輸?shù)睦щy性越高。為了蓋更高的風(fēng)塔，結(jié)構(gòu)設(shè)計得要“輕量化”，目前超高風(fēng)塔的建造方式有幾種主流辦法。

首先是借用超高大樓的建筑方式，采全混凝土結(jié)構(gòu)層層澆灌，先搭好模板澆灌一層混凝土，等混凝土硬化完成，就把作業(yè)平臺往上升到剛做好的這層，再重復(fù)同樣的作業(yè)。這樣的建造方式可確實挑戰(zhàn)超高高度，并且由于整座塔身都在施工現(xiàn)地澆灌而成，沒有運輸超大零組件的問題，缺點是耗用大量勞工，以及需一層層等待，拉長建造時間。

另一個也是借自超高大樓建筑方式的想法是，采用預(yù)鑄鋼筋混凝土組件，到現(xiàn)場才像組合積木一樣組裝起來，這樣一來可部分緩解運送超大部件的困難，但是仍有現(xiàn)場施工時間長，并且仍需運送大量物料，所以運輸成本仍高的問題。

鋼構(gòu)風(fēng)塔則以如何減輕塔身結(jié)構(gòu)為主要思考目標(biāo)，包括增大塔身直徑，這個想法乍看之下很違反直覺，因為塔身直徑越寬，直覺應(yīng)該會耗用更多鋼，事實上剛好相反，因為圓筒狀的塔身，直徑越大時，只需要更薄的厚度，就能提供相同的支撐力，所以塔身增大，用的鋼材反而減少，可減輕原物料成本及運輸壓力，但是，塔身增大的結(jié)果是建造勞力需求也跟著增加。

另一個想法是建造如大多數(shù)電塔，只有格子狀支架構(gòu)成的風(fēng)塔，可大幅度減少鋼材，但這種塔身的缺點是建造勞力需求相當(dāng)高，也導(dǎo)致建造時間拖長。

(Source：NREL)

減少鋼材的需求也讓“軟軟”(Soft-Soft)式風(fēng)塔浮上臺面。目前風(fēng)塔以“軟硬”(Soft-Stiff)式風(fēng)塔為主流，所謂的“軟”或“硬”，指的是塔身的共振頻率，由于風(fēng)力發(fā)電機的特性，風(fēng)塔要考量兩種頻率，第一種是風(fēng)機本身的運轉(zhuǎn)頻率，第二種是風(fēng)機葉片經(jīng)過塔身的頻率。由于主流風(fēng)機有 3 片葉片，每轉(zhuǎn)一圈葉片會經(jīng)過塔身 3 次，因此葉片經(jīng)過塔身的頻率就是風(fēng)機本身運轉(zhuǎn)頻率的 3 倍，第一個“軟/硬”，指的是風(fēng)塔共振頻率是否高于葉片經(jīng)過頻率，第二個“軟/硬”指的是風(fēng)塔共振頻率是否高于風(fēng)機運轉(zhuǎn)頻率。

若是風(fēng)塔的自然共振頻率高于葉片經(jīng)過頻率，則稱為“硬”或“硬硬”式風(fēng)塔;若介于風(fēng)機頻率與葉片經(jīng)過頻率之間，稱之為“軟”或“軟硬”式風(fēng)塔;若低于風(fēng)機頻率，稱為“軟軟”式風(fēng)塔。軟風(fēng)塔有可能在運轉(zhuǎn)中造成共振而發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞，所以過去很少會建造“軟軟”風(fēng)塔，但如今隨著智慧控制技術(shù)進步，可以利用多種調(diào)控方式，避免風(fēng)塔共振損毀，加上超高風(fēng)塔的減輕重量需求，因此開啟了“軟軟”式風(fēng)塔的空間。

另一方面，在現(xiàn)地打造，以減輕運輸壓力的想法，應(yīng)用在鋼構(gòu)風(fēng)塔上，產(chǎn)生的就是螺旋焊接式風(fēng)塔，這種風(fēng)塔建造方式是現(xiàn)地螺旋卷起長條鋼板，有如卷紙筒，然后將螺旋接縫處焊接起來，就可現(xiàn)地完成超高鋼構(gòu)風(fēng)塔，不過，這個辦法還是要運送長條鋼板到現(xiàn)地，仍然有一定的運輸瓶頸障礙。

目前既有的技術(shù)都不是那么完美，于是新的挑戰(zhàn)者出現(xiàn)。加州新創(chuàng)公司“強化混凝土積層制造科技”(RCAM Technologies)，想到將混凝土積層制造，也就是所謂的混凝土 3D 打印技術(shù)，應(yīng)用在超高風(fēng)塔的制造。

提到 3D 打印，一般想到的是較小模型或小元件等，但以混凝土為打印材料、大型手臂搭載混凝土擠出口為打印頭，可“打印”出房屋等建筑物的大規(guī)模 3D 打印，也可算是廣義 3D 打印的一環(huán)。這類技術(shù)過去主要為概念演示，或設(shè)想應(yīng)用于太空，例如美國航太總署(NASA)等機構(gòu)曾構(gòu)想以火星土壤為材料制成混凝土打印，或是在寒冷行星或衛(wèi)星以水冰打印出宇航員住處的想法，如今本地球上，因為超高風(fēng)塔的需求，也有了混凝土 3D 打印大顯身手的機會。

強化混凝土積層制造科技于 2017 年 11 月取得加州能源委員會(California Energy Commission) 125 萬美元資助，測試發(fā)展風(fēng)塔混凝土 3D 打印技術(shù)，預(yù)期可在一天內(nèi)完成 140~170 米高的超高風(fēng)塔建造，并且比目前主流的超高風(fēng)塔建造技術(shù)節(jié)省半數(shù)經(jīng)費，反應(yīng)到最終電力均化成本，在低風(fēng)速的風(fēng)場可減少 11% 成本。所需的混凝土由一般水泥車運到現(xiàn)場，或是現(xiàn)場準(zhǔn)備混凝土預(yù)拌場，就如同打造風(fēng)塔的混凝土地基時一樣。

許多歐洲國家已應(yīng)用混凝土風(fēng)塔 10 年之久，目前主要都采用預(yù)鑄混凝土技術(shù)，在 120 米高以上的風(fēng)塔，混凝土技術(shù)越來越受重視，有取代鋼構(gòu)風(fēng)塔的趨勢。但是越高大的風(fēng)塔，預(yù)鑄組件也隨之?dāng)U大而產(chǎn)生運輸困難，采用混凝土 3D 打印技術(shù)，將可解除運輸障礙，也節(jié)省運輸費用。

若是強化混凝土積層制造科技的想法能實現(xiàn)，將可望大為拓展風(fēng)力發(fā)電的分布區(qū)域，汲取過去風(fēng)場資源不佳地區(qū)的高空風(fēng)力。以加州而言，可望大為增加風(fēng)力發(fā)電總?cè)萘?，?6 吉瓦(gigawatt)增為 10 倍的 60 吉瓦。現(xiàn)在唯一的問題是，這項技術(shù)是否真能達到理論所宣稱的又快又便宜?強化混凝土積層制造科技將于加州大學(xué)爾灣分校測試，結(jié)果很快就能見真章。

責(zé)任編輯：lixin

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