風電機組復合材料塔架的分析
在霧霾肆虐的今天，風能作為一種清潔能源，越來越受到人們的重視。風電機組塔架是支承機艙和葉輪的部件，為風輪提供必要的工作高度。
目前，大多數的風電機組塔架都是由鋼材制成。比較常見的鋼材料塔架主要有桁架狀和圓筒式兩種。常規的鋼塔架作為部件在車間中生產，然后被輸送到安裝地點?；炷了芤彩且环N比較常見的塔架形式，然而混凝土塔架也存在重量大、施工難度大、周期長等問題。在風電行業中，能源需求量的增大導致了對更大型風電機組的需求。隨著風電機組尺寸的不斷增加，塔架直徑與重量也在不斷增加，終導致塔架的尺寸達到了不同的基礎結構所限定的界限，如在橋和隧道下的大高度、允許的大載重或者彎道的拐彎半徑等。
近年來，為了克服上述缺陷，人們逐漸開始了對復合材料塔架的研究。復合材料塔架具有質量輕、成本低、可降低風振負載且可現場制造的優點。鑒于此，本文詳細分析了風電機組復合材料塔架目前的申請現狀，并且對該領域的發展趨勢進行了總結。
現狀
有關風電機組復合材料塔架的申請主要集中F03D和B29C這兩個國際分類號上，涉及到的中文關鍵詞主要為：風力、塔架、復合、增強纖維等，對應的英文關鍵詞主要為：wind,tower,composite,ber等。筆者通過采用分類號加關鍵詞的檢索方式在檢索數據庫(CPRS)和歐洲檢索數據庫(EPODOC)中進行檢索，經閱讀篩選后，總共得到相關申請共18篇(排除同一申請的實用新型)，檢索日期截至到2015年5月。
由表1可知，該領域的總申請量不多，僅十幾件。相關的申請主要集中在公司、學校以及研究機構中，個人申請較少。從申請年代來看，涉及復合材料塔架的申請大部分集中在2008年-2014年之間;從申請人的國別來看，相關的申請主要集中在美國和;從申請的內容來看，大多涉及復合塔架的制作方式和結構。
由此可見，復合塔架這一技術目前還處于發展階段，且進展緩慢，但對技術水平要求和產業化要求較高，個人很難進入該領域。目前各國以及各個相關企業對于這一技術重視度還不高，并未投入過多精力進行研發，導致申請量偏低。
通過分析，筆者認為造成這一現狀的原因在于：
(1)研究人員更樂于研究能夠提高風能利用率的葉片、偏航變槳等結構，而忽視了對塔架這種僅用于支承風電機組基礎設施的研究，缺乏對復合塔架技術申請的動力。
(2)該技術對產業化的高要求使得研究范圍僅局限于相關企業和機構，研發力量不充足。
(3)雖然復合塔架技術是近幾年才慢慢開始發展，但是采用復合材料制作筒狀支承件卻已是現有技術。從授權的角度來看，這使得企業在復合塔架方面獲取權更加困難。例如，美國的四件申請中僅有一件在獲得授權。因此，申請熱情度不高。
復合塔架的重點技術
目前，相關申請技術大多涉及制造方式和塔架結構。通過詳細閱讀檢索到的相關申請，下面列出三種比較具有代表性的技術。
一、現場編織的復合材料塔架
通用電氣公司為復合材料塔架申請量多的申請人，其在2008年-2011年之間申請了四件申請，均涉及現場編織復合材料塔架及其制造方法。下面介紹其中一篇具有代表性的申請。
公布號：US2009211173A1
申請日：2008年2月27日
公布日：2009年8月27日
發明名稱：復合式風力渦輪機塔架
技術方案：
提供具有表面的心軸403，通過在該心軸403的表面上布置多個增強纖維401以及對這些增強纖維提供基體材料而形成復合層501。施加芯材料601到層上形成芯層。第二復合層701通過在芯層的至少一部分上布置多個增強纖維401且施加到芯層上，并且對這些增強纖維提供基體材料。該基體材料固化以形成復合風電機組塔架的至少一部分。塔架能夠部分或全部現場制造。其中纖維401包括縱向纖維405和環形纖維407。纖維401可為自然或人造纖維，如玻璃纖維、碳纖維、金屬纖維或其它適合形成復合材料的任何纖維。環形纖維407施加在縱向纖維405上以形成增強結構。基體材料通過紅外輻射、紫外輻射、熱或其它固定方法來固化。適當的基體材料包括但不限于聚酯、聚乙烯、環氧化物或其它適合形成復合材料的任何基體。圖1顯示出了分層復合式塔架形成裝置。
優點：
本申請的一個優點在于由分層復合結構所具有的阻尼特性，降低了風振負載，風力渦輪機的疲勞壽命因而延長。另一個優點為塔架制造過程可在現場進行。這樣不僅降低了制造工廠的成本，還降低了運輸成本。
二、采用真空灌注法制造的復合塔架
北京可汗之風科技有限公司提交了一種以條/板狀材料為主的復合材料風電機組塔架及其制造方法的申請，其中提供了兩種制作復合材料塔架的方法，其中一種是纏繞法，另一種是真空灌注法。下面主要介紹真空灌注法。
公布號：WO2011/075917A1
申請日：2009年12月25日
公布日：2011年6月30日
發明名稱：用于風電機組塔架
技術方案：
圖2為塔架制作真空灌注工藝示意圖，其中真空灌注法工藝流程如下：
步驟1：按照塔架的內徑尺寸制造內胎，材料采用鋼質材料，也可采用其他表面狀態良好的剛性材料;
步驟2：將玻璃纖維布53，板/條材54以及另外一層玻璃纖維布55 依次扎緊在內胎52上;
步驟3：連接進、出膠管51和56;
步驟4：使用玻璃鋼真空灌注成型法對這些材料進行真空灌注成型;
步驟5：將經過完全固化好的產品脫出內胎胎具，并修整成為所需產品。
優點：
在結構和材料上的優化，使得風電機組的塔架同時具備復合材料的高強度、高模量、低重量、易于運輸和裝機、防腐性能好等特點，以及傳統塔架的低成本、易回收等優點。
三、鋼與復合材料結合的復合塔筒
南京工業大學提交了一種鋼-復合材料風電機組塔筒的申請，以解決傳統風電機組鋼塔筒面臨的防腐、加工及運輸安裝等問題。
公布號：CN102817795A
申請日：2012年8月23日
公布日：2012年12月12日
發明名稱：鋼-復合材料風電機組塔筒
技術方案：
這種鋼-復合材料風電機組塔筒，包括多個錐形鋼管節段連接而成的鋼內管和由多個玻璃纖維復合材料管節段構成的復合材料外管。在每個鋼內管的表面粘貼具有防腐性質的E-玻璃纖維布，形成鋼-復合材料組合節段。該鋼-復合材料組合節段沿圓周方向分為兩片，沿每片的縱向設置縱向加勁肋，每兩片鋼-復合材料組合節段之間采用高強螺栓連接而成，終形成鋼-復合材料塔筒段。各鋼-復合材料塔筒段之間采用法蘭連接形成用于現場安裝的鋼-復合材料塔筒。所述E-玻璃纖維布通過防腐型的環氧樹脂粘附于鋼內管外表面，所述E-玻璃纖維布按四軸向準正交分兩層鋪設于每片鋼板外表面。
優點：
與傳統鋼風電機組塔筒相比，鋼-復合材料風電機組塔筒可以有效抵御風沙、風浪侵襲，耐疲勞、耐腐蝕，能夠保證塔筒的壽命。同時，無需進行大面積的金屬防銹防腐處理，結構全壽命過程費用相比傳統鋼塔筒較低，降低了制造成本。采用將塔筒段分片，方便工廠堆放，同時解決了塔筒運輸過程中過橋高度的限制問題，在工廠標準化制作完成后，現場吊裝、組裝也較為方便;由于復合材料外筒具有輕質高強的優點，鋼-復合材料風電機組塔筒較純鋼塔筒強度要高。
展望與建議
復合材料塔架由于具有質量輕、成本低、可降低風振負載且可現場制造的優點，現在越來越受到人們的重視。但是，復合材料塔架的申請卻數量稀少，技術點不多。改變這種現狀已刻不容緩。下面提出幾點改進建議，供大家參考。
一、借鑒復合材料在其他相關領域的申請方式，為我所用。事實上，復合材料本身已經是一個發展較為成熟的技術，并且被廣泛應用于各種領域。各種復合材料的特性以及所應用的領域也為大家所熟知。分析這些成熟的體系的申請思路，對比它們與本領域的共通之處，為復合材料塔架的申請提供參考。
例如，涉及風電機組的復合材料葉片這一技術的申請體系是相對成熟的，通過分析可以發現，相關申請涉及的技術內容相當廣泛。其中，不僅涉及材料選擇、制造工藝等與復合葉片直接相關的申請，還涉及復合葉片的葉型結構、制造葉片的設備、葉片的裝配方法、復合葉片的仿雷電、仿結冰結構等等方面。這些仿佛一張蜘蛛網，對復合葉片這一技術進行了全方面的保護。復合材料塔架可以借鑒復合材料葉片的這種申請模式，擴大申請范圍，增大申請量。
二、發掘可申請的技術點，廣泛布局。申請并不限于對現有技術改進程度的大小，不是只有開拓式發明才能申請。無論大的方面的改進還是小的方面的改進，都可以申請。在申請中，多數都是在已有的結構中進行的改進型發明。因此，大到整個復合塔架結構的變化，小到安裝復合塔架的一個螺釘位置的改變，只要能夠解決現有的技術問題，達到好的技術效果，均可以申請。
三、重視復合材料塔架這一技術，提高熱情度。通過檢索分析，可以看到，涉及復合葉片的數量多達三百多件，而涉及復合塔架的數量僅十幾件，兩者之間存在巨大的差距。雖然復合塔架這一技術是近些年才開始研究的技術，起步較晚，但是申請量并未隨著時間的增長而增加。如果投入更多的精力和人力來深入研究這一技術，并且申請保護研究的成果，相信必然能夠改變這種現狀。對于我國企業來說，這既是挑戰，又是機遇。把握好這個機遇，在該領域進行布局，有助于我國風電企業在風電領域占據一席之地。
四、將技術運用于產業實踐，在實踐中不斷改進技術。目前，僅知在2013年5月31日由緬因大學領導的DeepCwind聯合集團在美國緬因州布魯爾附近安裝了PPG工業支助的個復合材料風電塔架，而后再未見復合塔架實際應用的相關報道。任何理論都要禁得起實踐的檢驗。將復合塔架運用于實際應用中，才能發現更多的問題，而解決這些問題的技術方案將是好的申請素材。
結語
風電機組復合材料塔架具有廣闊的發展前景。本文對于風力復合材料塔架目前的現狀進行了介紹，分析了造成這種現狀的原因，介紹了三種具有代表性的復合材料塔架的技術，并對該技術的未來發展給出了建議，供相關企業和機構參考。期望風電機組復合塔架這一技術在未來能夠更快更好地發展。
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