超高風塔怎么蓋，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)

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

只要放過風箏的人都知道，風力越到高空越強而穩(wěn)定，這是因為地表的風受地形與地面障礙物的影響，產生許多干擾亂流，越到高空，受地面的影響就越小。這個基本原理，決定了風力發(fā)電機的發(fā)展方向，那就是風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，在美國風力資源最佳的中西部大平原區(qū)域，80 米高塔身的風力發(fā)電機，年容量因數(capacity factor)達 45%~50%，最高甚至可超過 50%。容量因數是衡量可再生能源經濟價值的重要數據，以風能而言，由于一年到頭不是隨時都有風或處于最佳風速，因此無法隨時達到名目上的最大發(fā)電容量，風機實際發(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。容量因數越高，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 米高塔身的風力發(fā)電機，容量因數無法像中西部大平原區(qū)域一樣理想，風力發(fā)電的成本也就無法與美國廉價的頁巖氣燃氣發(fā)電以及快速降價的太陽能相競爭。為了推廣風能到更廣大的區(qū)域，解決辦法是建造更高的風塔，取用更高空的穩(wěn)定風力，以有效提升容量因數，降低均化成本。據國家再生能源實驗室的模型推估，在中等風力的地區(qū)，采用 140 米高塔身，將能降低風力發(fā)電成本達二成之多。

事實上，靠著塔身高度快速提升，以及其他技術的進步，風力發(fā)電成本已經大幅下降，目前的風力發(fā)電成本，比起 1980 年，僅當時的 10%，而比起 2010 年，也僅為 60%。未來風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塔，成了大問題。風塔越高，結構越大，耗用的原物料越多，組件運輸的困難性越高。為了蓋更高的風塔，結構設計得要“輕量化”，目前超高風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，采全混凝土結構層層澆灌，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，采用預鑄鋼筋混凝土組件，到現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。

鋼構風塔則以如何減輕塔身結構為主要思考目標，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電塔，只有格子狀支架構成的風塔，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高，也導致建造時間拖長。

(Source：NREL)

減少鋼材的需求也讓“軟軟”(Soft-Soft)式風塔浮上臺面。目前風塔以“軟硬”(Soft-Stiff)式風塔為主流，所謂的“軟”或“硬”，指的是塔身的共振頻率，由于風力發(fā)電機的特性，風塔要考量兩種頻率，第一種是風機本身的運轉頻率，第二種是風機葉片經過塔身的頻率。由于主流風機有 3 片葉片，每轉一圈葉片會經過塔身 3 次，因此葉片經過塔身的頻率就是風機本身運轉頻率的 3 倍，第一個“軟/硬”，指的是風塔共振頻率是否高于葉片經過頻率，第二個“軟/硬”指的是風塔共振頻率是否高于風機運轉頻率。

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

另一方面，在現地打造，以減輕運輸壓力的想法，應用在鋼構風塔上，產生的就是螺旋焊接式風塔，這種風塔建造方式是現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，就可現地完成超高鋼構風塔，不過，這個辦法還是要運送長條鋼板到現地，仍然有一定的運輸瓶頸障礙。

目前既有的技術都不是那么完美，于是新的挑戰(zhàn)者出現。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，應用在超高風塔的制造。

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)。這類技術過去主要為概念演示，或設想應用于太空，例如美國航太總署(NASA)等機構曾構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)展風塔混凝土 3D 打印技術，預期可在一天內完成 140~170 米高的超高風塔建造，并且比目前主流的超高風塔建造技術節(jié)省半數經費，反應到最終電力均化成本，在低風速的風場可減少 11% 成本。所需的混凝土由一般水泥車運到現場，或是現場準備混凝土預拌場，就如同打造風塔的混凝土地基時一樣。

許多歐洲國家已應用混凝土風塔 10 年之久，目前主要都采用預鑄混凝土技術，在 120 米高以上的風塔，混凝土技術越來越受重視，有取代鋼構風塔的趨勢。但是越高大的風塔，預鑄組件也隨之擴大而產生運輸困難，采用混凝土 3D 打印技術，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，將可望大為拓展風力發(fā)電的分布區(qū)域，汲取過去風場資源不佳地區(qū)的高空風力。以加州而言，可望大為增加風力發(fā)電總容量，從 6 吉瓦(gigawatt)增為 10 倍的 60 吉瓦。現在唯一的問題是，這項技術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爾灣分校測試，結果很快就能見真章。