【丰云】超高风塔怎幺盖,3D 列印行不行?

发布于 2020-06-12   899人围观


【丰云】超高风塔怎幺盖,3D 列印行不行?

只要放过风筝的人都知道,风力越到高空越强而稳定,这是因为地表的风受地形与地面障碍物的影响,产生许多干扰乱流,越到高空,受地面的影响就越小。这个基本原理,决定了风力发电机的发展方向,那就是风塔高度不断往上成长。

隶属于美国能源部的国家再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory,NREL)报告指出,在美国风力资源最佳的中西部大平原区域,80 公尺高塔身的风力发电机,年容量因数(capacity factor)达 45%~50%,最高甚至可超过 50%。容量因数是衡量可再生能源经济价值的重要数据,以风能而言,由于一年到头不是随时都有风或处于最佳风速,因此无法随时达到名目上的最大发电容量,风机实际发出的电力,除以最大发电容量在同一段时间的理论最大发电量,就是容量因数。容量因数越高,代表实际发出的电力越多,平均下来的发电均化成本(LCOE)也就越便宜。

在美国其他地区,80 公尺高塔身的风力发电机,容量因数无法像中西部大平原区域一样理想,风力发电的成本也就无法与美国廉价的页岩气燃气发电以及快速降价的太阳能相竞争。为了推广风能到更广大的区域,解决办法是建造更高的风塔,取用更高空的稳定风力,以有效提升容量因数,降低均化成本。据国家再生能源实验室的模型推估,在中等风力的地区,採用 140 公尺高塔身,将能降低风力发电成本达二成之多。

事实上,靠着塔身高度快速提升,以及其他技术的进步,风力发电成本已经大幅下降,目前的风力发电成本,比起 1980 年,仅当时的 10%,而比起 2010 年,也仅为 60%。未来风机的塔身还将更往上成长,甚至可能挑战 250 公尺高。

然而该如何打造这幺高的风塔,成了大问题。风塔越高,结构越大,耗用的原物料越多,组件运输的困难性越高。为了盖更高的风塔,结构设计得要「轻量化」,目前超高风塔的建造方式有几种主流办法。

首先是借用超高大楼的建筑方式,採全混凝土结构层层浇灌,先搭好模板浇灌一层混凝土,等混凝土硬化完成,就把作业平台往上升到刚做好的这层,再重複同样的作业。这样的建造方式可确实挑战超高高度,并且由于整座塔身都在施工现地浇灌而成,没有运输超大零组件的问题,缺点是耗用大量劳工,以及需一层层等待,拉长建造时间。

另一个也是借自超高大楼建筑方式的想法是,採用预铸钢筋混凝土组件,到现场才像组合积木一样组装起来,这样一来可部分缓解运送超大部件的困难,但是仍有现场施工时间长,并且仍需运送大量物料,所以运输成本仍高的问题。

钢构风塔则以如何减轻塔身结构为主要思考目标,包括增大塔身直径,这个想法乍看之下很违反直觉,因为塔身直径越宽,直觉应该会耗用更多钢,事实上刚好相反,因为圆筒状的塔身,直径越大时,只需要更薄的厚度,就能提供相同的支撑力,所以塔身增大,用的钢材反而减少,可减轻原物料成本及运输压力,但是,塔身增大的结果是建造劳力需求也跟着增加。

另一个想法是建造如大多数电塔,只有格子状支架构成的风塔,可大幅度减少钢材,但这种塔身的缺点是建造劳力需求相当高,也导致建造时间拖长。

【丰云】超高风塔怎幺盖,3D 列印行不行?

减少钢材的需求也让「软软」(Soft-Soft)式风塔浮上檯面。目前风塔以「软硬」(Soft-Stiff)式风塔为主流,所谓的「软」或「硬」,指的是塔身的共振频率,由于风力发电机的特性,风塔要考量两种频率,第一种是风机本身的运转频率,第二种是风机叶片经过塔身的频率。由于主流风机有 3 片叶片,每转一圈叶片会经过塔身 3 次,因此叶片经过塔身的频率就是风机本身运转频率的 3 倍,第一个「软/硬」,指的是风塔共振频率是否高于叶片经过频率,第二个「软/硬」指的是风塔共振频率是否高于风机运转频率。

若是风塔的自然共振频率高于叶片经过频率,则称为「硬」或「硬硬」式风塔;若介于风机频率与叶片经过频率之间,称之为「软」或「软硬」式风塔;若低于风机频率,称为「软软」式风塔。软风塔有可能在运转中造成共振而发生严重损坏,所以过去很少会建造「软软」风塔,但如今随着智慧控制技术进步,可以利用多种调控方式,避免风塔共振损毁,加上超高风塔的减轻重量需求,因此开启了「软软」式风塔的空间。

另一方面,在现地打造,以减轻运输压力的想法,应用在钢构风塔上,产生的就是螺旋焊接式风塔,这种风塔建造方式是现地螺旋捲起长条钢板,有如捲纸筒,然后将螺旋接缝处焊接起来,就可现地完成超高钢构风塔,不过,这个办法还是要运送长条钢板到现地,仍然有一定的运输瓶颈障碍。

目前既有的技术都不是那幺完美,于是新的挑战者出现。加州新创公司「强化混凝土积层製造科技」(RCAM Technologies),想到将混凝土积层製造,也就是所谓的混凝土 3D 列印技术,应用在超高风塔的製造。

提到 3D 列印,一般想到的是较小模型或小元件等,但以混凝土为列印材料、大型手臂搭载混凝土挤出口为列印头,可「列印」出房屋等建筑物的大规模 3D 列印,也可算是广义 3D 列印的一环。这类技术过去主要为概念演示,或设想应用于太空,例如美国航太总署(NASA)等机构曾构想以火星土壤为材料製成混凝土列印,或是在寒冷行星或卫星以水冰列印出太空人住处的想法,如今在地球上,因为超高风塔的需求,也有了混凝土 3D 列印大显身手的机会。

强化混凝土积层製造科技于 2017 年 11 月取得加州能源委员会(California Energy Commission) 125 万美元资助,测试发展风塔混凝土 3D 列印技术,预期可在一天内完成 140~170 公尺高的超高风塔建造,并且比目前主流的超高风塔建造技术节省半数经费,反应到最终电力均化成本,在低风速的风场可减少 11% 成本。所需的混凝土由一般水泥车运到现场,或是现场準备混凝土预拌场,就如同打造风塔的混凝土地基时一样。

许多欧洲国家已应用混凝土风塔 10 年之久,目前主要都採用预铸混凝土技术,在 120 公尺高以上的风塔,混凝土技术越来越受重视,有取代钢构风塔的趋势。但是越高大的风塔,预铸组件也随之扩大而产生运输困难,採用混凝土 3D 列印技术,将可解除运输障碍,也节省运输费用。

若是强化混凝土积层製造科技的想法能实现,将可望大为拓展风力发电的分布区域,汲取过去风场资源不佳地区的高空风力。以加州而言,可望大为增加风力发电总容量,从 6 吉瓦(gigawatt)增为 10 倍的 60 吉瓦。现在唯一的问题是,这项技术是否真能达到理论所宣称的又快又便宜?强化混凝土积层製造科技将于加州大学尔湾分校测试,结果很快就能见真章。