W skład typowej pojedynczej turbiny wiatrowej morskiej wchodzi: fundament, wieża, gondola, wirnik i piasta. Oprócz tych elementów, podobnie jak jest to w przypadku farm lądowych wyróżnić można infrastrukturę przyłączeniową wewnętrzną i zewnętrzną.
Piasta – podtrzymuje łopaty i mieści układ regulacji kąta nachylenia, który optymalizuje kąt nachylenia i prędkość obrotową łopat.
Łopaty – przechwytują energię wiatru i przekształcają ją w energię mechaniczną.
Gondola – mieści elementy, które przekształcają energię mechaniczną w energię elektryczną, w tym generator, wał i ewentualnie przekładnię.
Wieża – podtrzymuje masę gondoli, piasty i łopat, jednoczenie dystansując wirnik od powierzchni morza.
Na rys. poniżej pokazano schemat typowej elektrowni wiatrowej morskiej. Na fundamencie zakotwionym lub osadzonym w dnie morskim zamocowany jest element dystansowy umożliwiający wykonanie głównej platformy roboczej powyżej średniego poziomu morza. Zwykle platforma taka znajduje się na wysokości uniemożliwiającej zalewanie falami przy silnym wietrze. Na platformie znajduje się już klasyczna wieża wiatrowa z gondolą i wirnikiem. Serwisowanie siłowni odbywa się taborem pływającym, najczęściej pontonowym, dlatego w części dystansowej zawsze znajduje się przystań dla łodzi z drabiną lub schodkami do platformy.
Wieża wiatrowa nie przesyła prądu bezpośrednio na ląd. Prąd taki jest niestabilny, ma duże wahania częstotliwości, dlatego w pierwszej kolejności trafia do morskiej podstacji elektroenergetycznej (rys. poniżej). Stacja zbiera energię ze wszystkich siłowni farmy morskiej, obrabia ją i przesyła dalej na ląd kablem podmorskim.
Wiele wewnętrznych elementów wieży wiatrowej jest identycznych jak w siłowniach lądowych. Różnice mogą się pojawić w ich skali. Siłownie morskie, to jednostki o bardzo dużej mocy przekraczającej obecnie 15 MW, a w najbliższej przyszłości 20 MW. Dla porównania jednostki lądowe zwykle mają nie więcej niż 6,5 MW. Ograniczenia w mocy siłowni onshore wynikają z problemów logistycznych. Moc siłowni jest w głównej mierze składową jej średnicy wirnika, tym samym długości poszczególnych płatów. Transport elementów o długości >100m droga lądową jest z kolei problematyczny, jeśli nie niemożliwy. Wynika to z krzywizny łuków na zakrętach, czy skrzyżowaniach dróg, wymiarów łuków na rondach, itp. Drugim istotnym problemem jest masa gondoli i wymagana wysokość jej montażu. Przy bardzo dużych jednostkach masa ta dochodzi do ponad 100 ton i musi być windowana na wysokość > 160m. W przypadku lądu podnoszenie tak dużych mas na tak dużą wysokość jest bardzo trudne, z uwagi na problemy z przeciwbalastem urządzeń dźwigowych. Na morzu dźwig zamocowany jest na statku o dużej jednostkowej masie, która sama w sobie stanowi przeciwbalast i jego możliwości są dużo większe.
Poniżej scharakteryzuję więc elementy siłowni morskiej, których nie spotkamy na lądzie, jak:
- kable podmorskie
- stacje elektroenergetyczne
Fundamenty i ochrona przed korozją farm morskich zostały omówione w osobnych folderach.
Kable podmorskie
Kable na farmie morskiej służą do przesyłania energii bezpośrednio z siłowni do hubu energetycznego (podstacji morskiej), jak i z podstacji do stacji lądowej. Kable podmorskie to najczęściej kable typu HVDC (High Voltage Direct Current), czyli kable prądu stałego o wysokim napięciu. Kable tego typu nie wymagają synchronizacji częstotliwości z sieciami. Typowy kable podmorski składa się:
- rdzenia wykonanego z miedzi lub aluminium o wysokiej przewodności elektrycznej,
- izolacji elektrycznej z polietylenu usieciowanego (XLPE) lub papieru impregnowanego olejem izolacyjnym (Mass Impregnated, MI),
- ekranu przewodzącego z półprzewodzącej warstwy polimerowej lub metalowej (np. ołowiana),
- osłony przeciwzakłóceniowej wykonanego z oplotu miedzianego lub aluminiowego,
- warstwy ochronnej (polimerowa osłona z polietylenu wysokiej gęstości (HDPE) lub PVC z ew. dodatkowym zbrojeniem stalowym),
- zbrojenia mechanicznego z drutu stalowego lub kompozytowego o wysokiej wytrzymałości,
- powłoki zewnętrznej z materiałów odpornych na korozję, wodę morską i promieniowanie UV.
Rys. Budowa kabla podmorskiego eksportowego, do przesyłu energii z podstacji na ląd.
Dodatkowo w kablach umieszczone mogą być światłowody do monitoringu stanu kabla oraz warstwy hydroizolacyjne, które zapobiegają przedostawaniu się wody do wnętrza w przypadku uszkodzenia zewnętrznej powłoki.
Układanie kabli prowadzi się w strefach dna wolnych od działalności rybackiej, pozbawionych silnych prądów morskich i nie wpływających na ekologię. Trasa nie może zawierać zatopionych okrętów, pęknięć dna morskiego, uskoków, czy innych potencjalnych przeszkód. Montażem kabli zajmują się specjalne statki kablowe. Najczęściej kabel rozwijany jest od strony brzegowej ku morzu. Stosowane są przy tym dwie metody:
- układanie bezpośrednie – kabel jest opuszczany na dno i układany zgodnie z trasą określoną wcześniej przez systemy nawigacyjne statku (przy użyciu techniki dynamicznego pozycjonowania jednostki),
- zakopywanie kabli – metodami takimi jak: trenching (używa się urządzeń kopiących rowki w dnie morskim), plowing (oranie, specjalne pługi wciągają kabel w dno morskie, tworząc rowek, który automatycznie się zasypuje) oraz jetting (mycie wodą, strumienie wody pod wysokim ciśnieniem są używane do tworzenia rowków, w które wprowadza się kabel).
Fot. Trencher do zakopywania kabli podmorskich. Umożliwia montaż kabla na głębokości 2,7 m pod dnem morskim i prace na głębokościach do 1500m. (źr. Helix Energy Solution).
Kable podmorskie muszą być chronione przed działaniem fal, pływów, a także w miejscach, gdzie kabel łączy się z turbiną wiatrową. W tym ostatnim przypadku stosuje sie tzw. J-tube, czyli rurę w kształcie litery J, lub podobnym.
Rys. J-tube na fundamencie typu jacket.
Zagięta rura J ułatwia wprowadzenie kabla z dna morskiego bezpośrednio do fundamentu turbiny. Rury takie wykonywane są ze stali i zabezpieczane zewnętrznie przed korozją powłokami ochronnymi. Ochronę wewnętrzną wykonuje się w postaci uszczelnienia przed wnikaniem wody morskiej. Zwykle są to uszczelnienia pasywne w postaci specjalnych krążków uszczelniających, wciąganych do rury J wraz z kablem (fot. poniżej).
Fot. Po lewej – połączenie szczelne kabla podmorskiego z rurą J. (źr. Marineec.com). Na wejściu widoczne dodatkowe zabezpieczenie w postaci usztywniaczy gięcia (specjalnych stożków chroniących przed załamaniem kabla na giętym łuku).
Ochronę przed ścieraniem, kontaktem z podłożem i uderzeniami zapewniają maty ochronne i tuleje ochronne. Chronią one kabel w miejscach, gdzie leży on odsłonięty na dnie morskim, jak też w miejscach jego wejścia lub wyjścia z dna morskiego lub w miejscach, gdzie przecina inne trasy kablowe.
Rys. Ochrona kabla w miejscu wyjścia z dna morskiego (źr. csub.com)
Podstacja morska (substation)
Fot. Podstacja na morskiej farmie wiatrowej. (źr. BVG Associates)
Podstacja na morskiej farmie wiatrowej spina wszystkie kable biegnące po dnie morskim od poszczególnych siłowni i łączy je z kablami eksportowymi, biegnącymi na ląd. Wykonana jest na osobnym fundamencie i zawiera transformator podwyższający napięcie oraz układ kompensacji współczynnika mocy. Często pełni funkcję zamiany prądu sinusoidalnego AC na prąd stały dla kabla eksportowego w celu zminimalizowania strat energii.
Podstacje dzielą się (z uwagi na głębokość morza w miejscu montażu), na:
- stałe, zamocowane na fundamencie palowym, grawitacyjnym lub płaszczowym typu Jacket
- pływające, zamocowane do dna morskiego za pomocą lin nienapiętych, lub napiętych
Podstacje morskie posiadają w swojej budowie i na wyposażeniu ogrzewanie, wentylację i klimatyzację, które są niezbędne dla zapewnienia ciągłości działania przez cały rok. Odpowiednia temperatura i wilgotność chronią wrażliwe podzespoły przed uszkodzeniem, umożliwiają też komfort pracy dla personelu. Podstacje, chociaż nie pełnią klasycznych platform serwisowych często posiadają też dodatkowe lądowisko dla helikopterów (fot.).
Przykładowe uzbrojenie podstacji morskiej pokazano na poniższym rysunku
