【丰云】超高風塔怎麼蓋,3D 列印行不行?

作者 | 發布日期 2017 年 12 月 25 日 8:00 | 分類 3D列印 , 能源科技 , 風力 follow us in feedly

只要放過風箏的人都知道,風力越到高空越強而穩定,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,決定了風力發電機的發展方向,那就是風塔高度不斷往上成長。



隸屬於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域,80 公尺高塔身的風力發電機,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,由於一年到頭不是隨時都有風或處於最佳風速,因此無法隨時達到名目上的最大發電容量,風機實際發出的電力,除以最大發電容量在同一段時間的理論最大發電量,就是容量因數。容量因數越高,代表實際發出的電力越多,平均下來的發電均化成本(LCOE)也就越便宜。

在美國其他地區,80 公尺高塔身的風力發電機,容量因數無法像中西部大平原區域一樣理想,風力發電的成本也就無法與美國廉價的頁岩氣燃氣發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域,解決辦法是建造更高的風塔,取用更高空的穩定風力,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,採用 140 公尺高塔身,將能降低風力發電成本達二成之多。

事實上,靠著塔身高度快速提升,以及其他技術的進步,風力發電成本已經大幅下降,目前的風力發電成本,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 250 公尺高。

然而該如何打造這麼高的風塔,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築方式,採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,就把作業平台往上升到剛做好的這層,再重複同樣的作業。這樣的建造方式可確實挑戰超高高度,並且由於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築方式的想法是,採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,並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)式風塔浮上檯面。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,由於風力發電機的特性,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。由於主流風機有 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於葉片經過頻率,第二個「軟/硬」指的是風塔共振頻率是否高於風機運轉頻率。

若是風塔的自然共振頻率高於葉片經過頻率,則稱為「硬」或「硬硬」式風塔;若介於風機頻率與葉片經過頻率之間,稱之為「軟」或「軟硬」式風塔;若低於風機頻率,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捲起長條鋼板,有如捲紙筒,然後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麼完美,於是新的挑戰者出現。加州新創公司「強化混凝土積層製造科技」(RCAM Technologies),想到將混凝土積層製造,也就是所謂的混凝土 3D 列印技術,應用在超高風塔的製造。

提到 3D 列印,一般想到的是較小模型或小元件等,但以混凝土為列印材料、大型手臂搭載混凝土擠出口為列印頭,可「列印」出房屋等建築物的大規模 3D 列印,也可算是廣義 3D 列印的一環。這類技術過去主要為概念演示,或設想應用於太空,例如美國航太總署(NASA)等機構曾構想以火星土壤為材料製成混凝土列印,或是在寒冷行星或衛星以水冰列印出太空人住處的想法,如今在地球上,因為超高風塔的需求,也有了混凝土 3D 列印大顯身手的機會。

強化混凝土積層製造科技於 2017 年 11 月取得加州能源委員會(California Energy Commission) 125 萬美元資助,測試發展風塔混凝土 3D 列印技術,預期可在一天內完成 140~170 公尺高的超高風塔建造,並且比目前主流的超高風塔建造技術節省半數經費,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,目前主要都採用預鑄混凝土技術,在 120 公尺高以上的風塔,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,採用混凝土 3D 列印技術,將可解除運輸障礙,也節省運輸費用。

若是強化混凝土積層製造科技的想法能實現,將可望大為拓展風力發電的分布區域,汲取過去風場資源不佳地區的高空風力。以加州而言,可望大為增加風力發電總容量,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?強化混凝土積層製造科技將於加州大學爾灣分校測試,結果很快就能見真章。

(首圖來源:NREL)