- Turbiny wiatrowe pływające
- Multiturbiny wiatrowe na fundamentach pływających
- Turbiny morskie o pionowej osi obrotu
Konstrukcje farm morskich
W skład typowej pojedynczej farmy wiatrowej 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
fundament – wykonywany jest w kilku technologiach w zależności od odległości od brzegu i głębokości morza, a także budowy geologicznej dna morskiego. Wyróżnia się tutaj:
A) fundament monopalowy
B) fundament betonowy grawitacyjny
C) fundament trójnożny
D) czworonóg (quatropod)
E) fundament kratownicowy (jacket)
F) fundament pływający
Z powyższych rozwiązań najpopularniejsze są dwie pierwsze konstrukcje, dlatego zostaną omówione szczegółowo poniżej. Pozostałe systemy stosowane są sporadycznie.
A) fundament monopalowy (ang. monopile) – rodzaj fundamentu który jest wwiercany lub wbijany w dno morskie
Rys. Fundament monopalowy
Rozwiązanie stosowane jest dla głębokości morza w miejscu montażu turbiny od 0-30m. Fundament monopalowy wykonywany jest zwykle ze stalowej rury o średnicy 4-9m i grubości ścianki do 160mm. Waga dochodzi do 650 i więcej ton. Rura jest wbijana w dno kafarem zamocowanym na specjalnym statku, lub wwiercana w dno. Wybór metody zależy od konstrukcji geologicznej. Na tak zamocowaną rurę zakłada się element przejściowy (grot) z rury o większej średnicy i uszczelnia oba elementy przez cementowanie. Połączenie musi być wytrzymałe na siły pochodzące od falowania i momentu zginającego od masztu.
Rys. Szczegół połączenia pala z elementem przejściowym
Częstym rozwiązaniem zapewniającym dobrą stabilność monopala jest stożkowy element przejściowy (rys. obok). Powyżej pala dla tymczasowego oparcia do momentu cementowania, stosowane są elementy wspornikowe.
Element przejściowy to zwykle miejsce do którego podpływa łódź pontonowa z obsługą siłowni, dlatego posiada zamocowaną drabinkę i pomost roboczy, a w górnej części głowicę do zamocowania masztu.
Fot. (u dołu) Rura fundamentu palowego
Rury na fundament produkowane są z płyt stalowych poprzez gięcie na giętarkach trzy lub czterorolkowych, a następnie spawanie wzdłużne. Powstałe w ten sposób odcinki mają zwykle po 3m długości i są ze sobą łączone w podłużne rury za pomocą spawania. Obecnie technologia gięcia pozwala na wykonywanie profili zimnogiętych o grubości do 320mm i długości do 4,3m.
Wykonane pale stalowe przewożone są następnie na teren farmy morskiej. Do transportu stosuje sie statki transportowe lub platformy transportowe ciągnięte przez holowniki.
Fot. Statek transportowy z trzema palami.
Statki do transportu pali są podobne jak przy wydobyciu ropy naftowej. Generalnie występują tutaj dwie odmienne konstrukcje:
– platformy Jack-up
– statki typu Heavy-lift Vessels (HV), czyli ciężkie dźwigi pływające
Platformy typu Jack-up zbudowane są z kadłuba i czterech lub trzech nóg, które przenikają dno morza i pozwalają na uniesienie kadłuba powyżej poziomu wody dla optymalizacji prac i wyeliminowania efektu falowania.
Fot. Platforma pływająca typu Jack-up
Statki typu HV mają największy udźwig żurawia i pozwalają pracować na najwyższym obciążeniu
Fot. Statek typu HV.
Nawet przy ich zastosowaniu aktualne możliwości instalacji największych turbin 8MW na palach tzw. XL monopile, o średnicy 9m, z uwagi na ciężar samego pala pozwala na maksymalną głębokość do 30m. Przy tej głębokości, całkowita długość pala wynosi 60m a jego waga przekracza 1300 ton (nośnośc dźwigu wynosi max. 1500 ton). Na większych głębokościach do 40m można w tej technologii montować tylko mniejsze turbiny 3,3MW (http://www.esru.strath.ac.uk/EandE/Web_sites/14-15/XL_Monopiles/technical.html#instalation) . Teoretycznie można mocować pale typu XL na większych głębokościach wykorzystując specjalne konstrukcje statków dźwigów, ale koszt na dzisiaj jest zbyt wysoki. Montaż pala w dnie morskim odbywa sie za pomocą wbijania młotem udarowym lub młotem udarowo obrotowym.
Wykres. Poziom hałasu SEL i Peak w zależności od średnicy pala (Koschinski 2011)
Technologia zależy od głębokości zalegania skał. Przy palowaniu wytwarzany jest bardzo wysoki hałas, który może negatywnie oddziaływać na środowisko. W Niemczech przyjmuje się, ze dopuszczalny poziom hałasu w odległości 750 m od prac nie powinien przekraczać 160 dB (poziom ciśnienia akustycznego pojedynczego zdarzenia SEL) i 190 dB (peak-to-peak) przy hałasie szczytowym. badania wykazują, ze poziom hałasu jest przekraczany już przy średnicy pala >1,5m (wykres). Sytuacja taka może powodować problemy z pozwoleniem na budowę. Są oczywiście metody ograniczania hałasu, jak np. kurtyny pęcherzykowe, czy wiercenia typu rura w rurze.
Rys. Technologia wiercenia Low-noise, po prawej głowica wiercąca ( Herrenknecht AG)
Osadzony w dnie monopal w wyniku momentu zginającego może powodować wymywanie dna morskiego, powstawanie osuwisk itp. Aby temu przeciwdziałać cały pal na przestrzeni nawet do 25m wokół obsypuje się dodatkowo pokruszoną skałą. Miąższość takiej warstwy wynosi do 1,5m, przy czym idąc od dołu stosuje się żwir o granulacji 4-25mm, gruz 2-8 cali i na wierzchu skały o masie 100-500kg (rys)
Rys. Sposób wzmacniania podłoża (dna morskiego) wokół pala.
B) fundament grawitacyjny – wykonywany jest najczęściej jako element prefabrykowany z betonu w kształcie stożka, przewożony następnie na miejsce montażu. Prefabrykacja pozwala znacznie obniżyć koszty związane ze skomplikowanymi pracami prowadzonymi na morzu. Koszt fundamentów morskich to nawet 25% kosztów całej turbiny offshore (na lądzie tylko 6-10%). Fundamenty tego typu stosowane są na obszarach stosunkowo płytkich od 2-20 m głębokości.
Rys. Fundament grawitacyjny
Prefabrykacja fundamentu pozwala na pewne betonowanie z zachowaniem zasad BHP i wymagań materiałowych. Prefabrykacja może być prowadzona na lądzie lub na pływających platformach. Fundamenty betonowe grawitacyjne mają masę zapewniającą stabilność konstrukcji, są odporne na działanie wody morskiej, a po okresie pracy turbiny wiatrowej łatwo ulegają recyklingowi, są bezpieczne dla środowiska.
Rys. Fundamenty grawitacyjne wykonane w Polsce dla odbiorcy szwedzkiego.
Fot. Prefabrykacja i transport gotowych fundamentów grawitacyjnych na miejsce budowy.
Fundamenty grawitacyjne przewożone są teren farmy morskiej specjalnymi platformami pontonowymi o wyporności sięgającej 24000 ton, co pozwala na jednoczesne przewiezienie do kilkunastu fundamentów. Waga jednego elementu wynosi od 650-1000 ton. Do transportu mogą być też użyte tzw. półpodwodne barki, na których fundamenty transportowane są w częściowym zanurzeniu. Transport taki może być wykonywany na wiele kilometrów (np. farma Kårehamn u wybrzeży Szwecji – 2000 km). Jeśli montaż dotyczy tylko jednego fundamentu i jednej konkretnej siłowni wiatrowej, transport może być wykonywany indywidualnie przy pomocy ciężkiego dźwigu statku. W tym wypadku dźwig unosi fundament w porcie i transportuje go poza burtą na miejsce przeznaczenia.
Fot. Transport fundamentu za pomocą dźwigu na barce.
Podsumowując produkcja i transport fundamentów grawitacyjnych może się odbywać następującymi metodami:
– onshore – gdzie fundament prefabrykowany jest na suchym lądzie i po wykonaniu transportowy samobieżnymi ciągnikami na nabrzeże, a stamtąd ciężkim dźwigiem barkowym przewożony na miejsce montażu
– w suchym doku – prefabrykacja odbywa się na lądzie w specjalnym basenie, który po zakończeniu prac wypełniany jest wodą i barka z jednym lub wieloma elementami wyciągana jest z doku holownikiem, dalszy transport może się odbywać pojedynczo lub zbiorowo
– w mokrym doku – rozwiązanie przyszłościowe jeszcze nie stosowane
Fot. Operacja podnoszenia fundamentu z platformy brzegowej przez dźwig barkę.
Transport za pomocą dźwigu barki odbywa się tylko na krótkich dystansach do kilku-kilkunastu kilometrów. Pozwala jednak na przetransportowanie bardzo dużych elementów. Przypuszcza się, że ta metoda będzie można w przyszłości transportować fundamentu o masie do 6000 ton zdolne do montażu na głębokości do 60m. Rozwiązania takie mogą okazać cenne z uwagi na fakt, ze im dalej od brzegu tym silniejszy wiatr.
Etapy montażu
– pogłębianie dna – ma na celu usunięcie warstwy mułu, w zależności od budowy i morfologii podłoża usuwa sie od 0,5-10m gruntu, bagrowanie odbywa sie przy pomocy barki z koparką i drugiej barki na którą odkładany jest usunięty muł. Po jej wypełnieniu barka ta odpływa i w bezpiecznym miejscu jest opróżniana do morza
Rys. bagrowanie dna w miejscu montażu fundamentu
– wykonywanie podsypki żwirowej – na oczyszczonym dnie wykonuje sie warstwę wyrównawcza ze żwiru, potłuczonych skał o granulacji od 0-63mm i od 10-80mm. Grubość podsypki zależy od głębokości usuniętej warstwy ale zwykle wynosi do 1,5m dla mniejszej granulacji żwiru i do 0,7m dla większej. Żwir moze byc podawany metoda nasypową lub pneumatycznie za pomocą mobilnego systemu (rys.)
Rys. Wykonywanie podsypki żwirowej
Operacja musi być przeprowadzona z bardzo dużą precyzją tak, aby podłoże było równe z maksymalną odchyłką od poziomu rzędu 3-5cm. Poniżej w tabeli parametry dla różnych wielkości turbin.
| Wielkość turbiny | 3,6MW | 5MW | 8MW |
| Orientacyjna średnica usuwanego gruntu [m] | 50 | 55 | 60 |
| Powierzchnia usuwanego gruntu [m2] | 1963 | 2375 | 2827 |
| średnia głębokość usuwanego gruntu [m] | 3 | 3 | 3 |
| Objętość usuwanego materiału [m3] | 5889 | 7125 | 8481 |
| Orientacyjna średnica podsypki żwirowej [m] | 30 | 35 | 40 |
| Wysokość podsypki żwirowej [m] | 2 | 2,25 | 2,5 |
| Objętość podsypki żwirowej [m3] | 1414 | 2165 | 3140 |
–zatapianie fundamentu – jedna z najbardziej skomplikowanych operacji. Na wykonaną podsypkę opuszczany jest powoli betonowy fundament i poziomowany przy użyciu kilku holowników. Technologie są różne w zależności od budowy fundamentu, sposobu jego transportu a nawet wielkości fal w czasie operacji. Fundament następnie stabilizowany jest przy pomocy żwiru sypanego wokół konstrukcji lub worków tzw. „Big Bag”.
Rys. Stabilizowanie fundamentu za pomocż żwiru lub worków Big bagów
– wypełnianie fundamentu od środka – fundamenty grawitacyjne są puste w środku dla maksymalnego obniżenia masy i kosztów transportu. Wypełnianie fundamentu żwirem lub piaskiem odbywa się bezpośrednio po jego zastabilizowaniu.
C) fundament trójnożny (tripod) – zbudowany jest z lekkiej stalowej konstrukcji o mechanice kratownicy opartej na trzech nogach, które przenoszą na morskie podłoże ciężar kolumny z siłownią wiatrową.
Rys. Fundament trójnożny (tripod)
Zwolennicy tej konstrukcji uważają, że jest ona bardziej odpowiednia przy większych głębokościach >20m, eliminuje też efekt rozmycia dna występujący w monopalu. Przeciwnicy twierdzą, że nie nadaje się z kolei na dna kamieniste, o nierównym podłożu. A trzy nogi mogą być mniej odporne na falowanie i korozję zmęczeniową.
Fundamenty trójnożne wykonywane są na lądzie a następnie ładowane na barki transportowe i przewożone do miejsca montażu.
Sposób osadzenia na dnie morza zależy w dużej mierze od rodzaju podłoża. Przy podłożach skalistych, trójnóg osadza sie na trzech palach wbitych lub wwierconych w podłoże na głębokość 10-20m. Pale mają tutaj małą średnicę rzędu 0,9m. Przy podłożach luźnych mulistych, stosuje metodę odsysania płaszczowego (Tripod suction bucket). W tym wypadku wieża opuszczana jest na dno, a następnie uruchamiane są pompy próżniowe i jednocześnie spod trzech cylindrów odpompowywany jest muł. Konstrukcja ulega kontrolowanemu zagłębieniu, a operator tak dopasowuje intensywność ssania, aby w końcowym efekcie uzyskać idealne pionowanie wieży. Na koniec na samą górę cylindrów wtłaczana jest mieszanka cementowa, ostatecznie wiążąca fundament z podłożem.
Rys. Montaż fundamentu trójnożnego w mulistym dnie metodą próżniowego odsysania mułu.
Chociaż ta metoda kotwienia wydaje się mało wytrzymała, to trzeba zaznaczyć, że konstrukcje są tutaj nieco odmienne. Cylindryczne płaszcze mają zdecydowanie większe średnice niż pale fundamentowe (fot. poniżej). Często stosuje się też, jako ostateczny sposób kotwienia przysypanie cylindrów od góry ciężkimi kamieniami.
Fot. Wygląd z góry fundamentów trójnożnych wykonywanych metodą odsysania podłoża.
Fot. Pierwszy etap montażu fundamentu, odpompowywanie wody spod cylindrów w celu opuszczenia całej konstrukcji na dno morza.
System trójnożny montowany na palach wbitych w dno.
Fundament kratownicowy (Jacket)
Jest rozwiązaniem o różnych wykonaniach z trzema lub czterema kotwieniami w dnie. Całość oparta jest na konstrukcji kratownicowej wykonanej z rur o średnicy dochodzącej do 2m, które tworzą wieżę z platforma do montażu siłowni. Z dotychczasowych doświadczeń wynika, że fundamenty tego typu mogą być
wykonywane na wodach o głębokości dochodzącej do 50m (45 Beatrice). Zalety konstrukcji kratownicowej to:
– większa wytrzymałość na falowanie z uwagi na mniejsze przekroje rur
– dobrze znana konstrukcja z uwagi na jej powszechność stosowania przy wydobyciu ropy i gazu
Wady:
– większe koszty wstępne wykonania
– problematyczny trasport
Instalacja
Istnieją generalnie dwie metody:
– palowanie przed montażem fundamentu (pre-piling)
– palowanie po montażu (post-piling)
W pierwszym przypadku (pre-piling), w dnie morza wykonywane są pale fundamentowe (trzy lub cztery w zależności od typu wieży), na które nakładana jest kratownica i pionowana. Zaletą tej metody jest możliwość osobnego wykonywania dwóch elementów (na morzu fundamentów palowych, w zakładzie na brzegu wieży kratownicowej). Wieża jest tutaj chroniona przed masami błotnymi bowiem brudne prace wykonywane są przed jej osadzeniem. Pierwsza elektrownią wiatrową gdzie wykorzystano pre-palowanie była Alpha Ventus. Przy jej montażu dostrzeżono kolejną zaletę, krótki czas wykonywania prac na morzu, możliwość wykorzystania okien pogodowych (niskie falowanie).
Post piling – metoda rzadko stosowana. Kotwienie do dna odbywa sie tutaj po osadzeniu kratownicy na dnie morza, poprzez specjalne otwory montażowe, przez które wbijane są pale fundamentowe. Po zakończeniu palowania całość unieruchamia się tulejami zamocowanymi do pali
Fot. Turbiny wiatrowe na fundamentach kratownicowych OWEC Tower na farmie Ormonde offshore wind farm w pobliżu Irlandii.
Fundamenty pływające (floating structures)
Są rozwiązaniem dla krajów które nie mają możliwości płytkiego posadowienia podbudowy siłowni morskiej, z uwagi na głębokie przybrzeżne wody. Zastosowanie tego rozwiązania znacznie zwiększa potencjalny obszar farm morskich. Należy też zwrócić uwagę, że im większa odległość od brzegu farmy wiatrowej, tym większa potencjalna siła wiatru. To także większe falowanie, dochodzące do kilkunastu metrów. Stosowanie w tych warunkach klasycznych fundamentów jest nieekonomiczne, stanowi też zagrożenie dla farmy z uwagi na zbyt silne parcie na sztywną konstrukcję. Problemu tego nie mają farmy pływające, nie związane na stałe z dnem morskim. W czasie silnego sztormu fundament wraz z masztem poddaje się lekkiemu wychyleniu nie dopuszczając tym samym do przekroczenia dopuszczalnych naprężeń w materiale. Istnieją trzy podstawowe struktury fundamentów pływających:
– pływający słup (the spar)
– system TLP
– pływający płaszcz (floating jacket)
Rys. Porównanie możliwości poszczególnych fundamentów pod względem głębokości posadowienia
Pływający słup (the spar) – rozwiązanie przypominające trochę spławik wędkarski z obciążeniem. W odróżnieniu do systemu monopalowego, gdzie stalowy słup zagłębiony jest w dnie morskim, tutaj słup znajduje się w stanie zawieszenia wystając z wody na niewielką wysokość potrzebną do zamocowania platformy serwisowej. Reszta słupa znajduje się pod wodą Słup jest pusty w środku wypełniony w dolnej części balastem ze skał, co zapewnia mu stabilność. Dodatkowe kotwienie dla unieruchomienia go względem dna i uniemożliwienia przemieszczaniu w wodzie stanowią trzy liny stalowe.
Rys. Pływająca turbina wiatrowa typu (Spar)
Na świecie technologię pływającego słupa opracowała firma Statoil Hydro. System nosi nazwę HYWIND. Poniżej przedstawiam podstawowe jej założenia.
Montaż i instalacja systemu Hywind:
1. Gotowy element słupa, uszczelniony i pusty w środku holuje sie holownikami wystarczającą odległość od brzegu, aby można było przeprowadzić operację montażu przy pełnym roboczym zanurzeniu. Słup przy turbinie o mocy kilku MW ma długość dochodzącą do 100 m, przy czym ponad 80% pozostaje w zanurzeniu, dlatego głębokość morza w miejscu montażu musi wynosić około 100m.
2. Holowniki dokonują pionowania słupa, za pomocą kilku lin.
Rys. Transport na miejsce montażu i pionowanie słupa.
3. Po spionowaniu słup wypełniany jest od góry balastem. Do słupa podpływa barka ze żwirem i za pomocą koparki i dźwigu z urządzeniem zasypowym żwir podawany jest od góry do środka słupa aż osiągną wymagana głębokość zanurzenia.
Rys. Wypełnianie słupa balastem.
4. Po osiągnięciu wymaganego zanurzenia na słupie montuje sie element środkowy wieży, a następnie element główny wraz z gondolą. Po każdym montażu zwiększa się zanurzenie słupa.
Rys. Montaż elementu środkowego wieży i głównego wraz z gondolą.
5. Montaż wirnika do piasty gondoli. Wszystkie elementy wchodzące w skład turbiny wiatrowej mogą być w tym momencie dowożone z brzegu lub ze statku bazy. Gotowa zmontowana wieża dopiero teraz przewożona jest (holowana w wodzie) do miejsca farmy wiatrowej i tam za pomocą trzech lub więcej lin i kotwic mocowana do dna morza.
Rys. Montaż wirnika i holowanie zmontowanej siłowni do miejsca farmy wiatrowej.
System TLP (Tension Leg Platform) – opracowany został przez firmę Blue H Technologies, stanowi pływająca platformę zakotwiona do dna morskiego systemem lin które przymocowane są do częściowo zamocowanym w dnie morskim słupów lub fundamentu grawitacyjnego (przeciwwagi). Prototypowe rozwiązanie po raz pierwszy zostało wykonane u wybrzeży Włoch (Brindisi).
Rys. System TLP
W odróżnieniu do opisywanego powyżej systemu (SPAR) z pływającym palem gdzie liny kotwiące nie były naprężone, tutaj liny znajdują się pod stałym napięciem, stąd określenie (Tension). System zamocowany prototypowo w Brindisi został wykonany na głębokości 111m. Kolejną nowością jest wybór turbiny dwupłatowej, o większej prędkości obrotowej ale mniejszej masie. Zadecydowała o tym duża odległość od brzegu co wyklucza problem efektu stroboskopowego i hałasu. Pierwszy roboczy model platformy pokazuje zdjęcie poniżej.
Fot. Turbina prototypowa Blue H.
System Floating Jacket – znany jest tez pod nazwą „semi submersible” czyli częściowo podwodny lub „półgłębinowy”. Stanowi połączenie dwóch poprzednich rozwiązań, zbudowany jest z platformy częściowo zanurzonej w wodzie, która zakotwiczona jest w dnie morskim przy użyciu lin.
Rys. System semi-submersible.
Platforma składa się z trzech lekkich stalowych kolumn połączonych konstrukcją kratownicową, co czyni całość bardzo odporną na działanie fal i wiatru. W jednej z kolumn zamocowany jest maszt z wirnikiem siłowni wiatrowej. Kolumny pozostają w częściowych zanurzeniu i zakotwiczone są linami do dna. Konstrukcja została juz wykorzystana praktycznie u wybrzeży Portugalii przez firmę ASM Group. Nieco inna konstrukcja o mocy 2MW powstała też u wybrzeży japońskiej Fukushimy. Powyższa technologia jest obecnie jedną z bardziej zaawansowanych na świecie i najbardziej obiecujących w grupie dużych mocy siłowni wiatrowych offshore.