孙一琳
风电的开发用地具有占地性质复杂、手续办理难度大等特点，给人造成了风电用地“老大难”的错觉。但在实际中，风电占地少，且不影响农田等原有土地的使用性质。
除了本身的节地特性之外，风电之所以被称为“土地利用效率最高的发电技术之一”，更离不开技术的不断进步，特别是风电塔架技术的创新。日前，全球首台采用160米预应力构架式钢管塔架的风电机组在山东菏泽-城并网投运。该塔架结构由青岛华斯壮能源科技有限公司（下称“华斯壮”）与同济大学共同研发，支持提升轮毂高度，同时拥有更强的节地性，进一步拓宽中东南部低风速地区的风电开发空间。
华斯壮董事长王同华认为，“预应力构架式钢管塔架不仅仅是单一产品的成功研制，更是一种模式、一套体系的重新建构。”
更安全，拓宽风能资源利用空间
风电行业近几年的发展呈现出由“三北”地區向中东南部低风速、高负荷地区转移的趋势。为了捕获更多风能资源，提高发电效率，风电机组需要拥有更大的风轮直径和更高的轮毂高度。随着机组趋于大型化，压力落到了塔架环节上，亟需对其进行调整。
在高度超过100米之后，传统塔架的重量会呈指数级上升，经济性随之下降。采用柔性塔架，一方面，若想在不改变材料用量的条件下提高结构的抗弯模量和惯性矩，必须加大塔架直径，并减小壁厚。但塔架直径过大将影响运输，径厚比过大则无法保证局部稳定。另一方面，需要利用各种控制技术以规避共振的风险，难以保障机组的运行安全性。与此同时，行业还尝试运用混塔等多种方案，但从长远发展的角度来看，这些方案或多或少存在问题。
对于王同华而言，感受到的不只是压力，更多的是动力。华斯壮进入风电行业，不仅是基于业务的需要，更是希望推动国家的绿色低碳发展。于是2016年，在同济大学建筑设计研究院的一间办公室里，王同华带领华斯壮的技术人员与同济大学马人乐教授碰了面。双方此前在广播电视塔塔架研发和搭建上有过深入合作。马人乐很早就注意到了风电塔筒的结构，并开始相关研究。双方一拍即合，组建技术团队，决心为风电量身打造一个全新的塔架方案。
起初，技术团队结合国外的角钢塔技术，设计了一款桁架式角钢塔架。以桁架塔代替筒状塔，能够提高结构效率，同时用高强螺栓抗剪连接解决节点抗疲劳问题，桁架部分几乎无焊接。但这一方案在实践中也暴露出一些缺陷，比如角钢的迎风体型系数过大，截面回转半径太小。受角钢规格限制，该技术只能应用于塔架高度在140米以下的风电机组。
马人乐从不避讳技术缺陷，“对于任何结构，我们既要了解它的优点，也要明晰其缺点，通过一步步改进，获得更加完善的技术。”
在经过两年的研发试验后，技术团队选择了预应力构架式钢管塔架这种更稳定、安全的塔架结构。
据介绍，预应力构架式钢管塔架的塔身采用全钢结构。塔身下部设计为桁架结构，合理的结构布置可以高效提高结构刚度和极限承载能力。主要受力构件优先采用圆截面钢管，该类截面材料均匀分布于四周，回转半径大，整体稳定性高，且风荷载体型系数相对较小，通过优化节点构造与工艺实现局部抗疲劳性能提升。
技术团队以塔架过渡段的“钢管-插板焊接节点”为对象，进行了复杂的预应力抗疲劳试验研究。最终决定采用预压力降低塔柱及其节点在疲劳载荷下的平均应力，从而提升疲劳寿命。
预应力构架式钢管塔架技术很好地解决了焊接疲劳及共振矛盾等问题，不仅提高了塔架的安全性和使用寿命，更是突破塔架高度和载荷限制，提高了发电效率，适于低风速地区的风电开发。
此外，预应力构架式钢管塔架的原材料用量小，利于工厂模块化生产和运输。在工程量统计上，-城160米塔架比同等高度下传统塔架与基础的直接成本低5%～20%。
2018年，在试验室内经过上百万次打击之后，预应力构架式钢管塔架技术的可靠性得到验证。同时，它还在材料和设计上具有很好的经济性。然而，若想从试验室走向旷野，这中间又将是一段新的征程。
更节地，提高风电场经济性
《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》提出，加快推动绿色低碳发展。强化国土空间规划和用途管控，落实生态保护、基本农田、城镇开发等空间管控边界，减少人类活动对自然空间的占用。由此可见节地在我国绿色低碳转型中的重要性。
简单算一笔账：以正成为我国陆上风电市场主流机型的5MW机组为例，当采用目前国内常见的圆锥塔架时，单台机组露出地面的承台部分占地不到100平方米，在中东南部地区开发1亿千瓦风电装机占地约3000亩，相当于两个百万千瓦火电厂的面积。而预应力构架式钢管塔架支撑结构拥有4个角（类似于巴黎埃菲尔铁塔），每个角占地1.5平方米左右，总占地面积只有6平方米，开发1亿千瓦风电仅需用地12万平方米，即180亩，其推广后的节地效益由此可见一斑。
“发展一项新技术特别难，即使各方面优势明显，也难以找到合作方和实践的土壤。”为了促成新型塔架技术的落地推广，王同华跑了很多地方。在此期间，他更深刻了节地的重要性，同时也对新型塔架技术多了一份信心：“预应力构架式钢管塔架技术对土地的适应性极高。”
特殊的塔架结构使风电机组底部不再局限于一块完整的土地，可以跨河道、水塘、农田、道路等，基础底部不影响土地的原始用途。车辆可以在底部畅通无阻，农业机械化耕种不受限制。预应力构架式钢管塔架适用于山地等不平坦地面，其独立基础可分开浇筑，能最大化保护原有山体及植被。
这有利于扭转大众对风电用地的刻板印象。预应力构架式钢管塔架是推动我国生态环保、土地集约化利用等社会效益与风电开发经济效益有机结合的有益尝试，能有效激活土地潜力。有专家认为，未来，风电开发用地审批流程和用地方式可能因此发生改变。
目前，我国风电项目根据其所用土地的性质及使用用途的不同，适用的政策也不同，对于永久用地及占用农用地的，需办理征地审批手续。但在实践中，预应力构架式钢管塔架对农业生产的实际影响与输电线路铁塔十分接近，完全可以参考输电铁塔采用“以租代征”的用地形式。
首先，这种形式可为风电场直接节约用地成本。其次，原本因土地调规原则而采用的点状开发模式，可以转为线状模式，提高地方土地协调的效率。风电场线状开发模式还能带来一大优势，即进一步实现道路和集成线路的优化布局。
为了打造更有竞争力的产业，风电企业始终在压缩各个环节的成本，追求风电全生命周期度电成本的下降。现阶段，“以租代征”的用地形式尚未成为现实。但以山东胶州某安装17台3MW机组的风电场为例，王同华比较了点状开发与线状开发在线路布局费用上的差异。该项目进站道路长15千米，架设输电线路20千米，总计投资金额达2350万元，而采用线状开发布局，同等规模项目的进站道路和架设输电线路都将缩短至8千米，投资金额降至1038万元。
可以预见，在创新塔架的价值得以广泛实现之时，我们可以拥有更加绿色低碳的美好未来。
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