W energetyce wiatrowej dużych mocy, stosowane są zasadniczo trzy konstrukcje wież:
A. Wieże stalowe rurowe
B. Wieże kratownicowe
C. Wieże betonowe
Możemy też mówić o wieżach monomateriałowych jak i hybrydowych, gdzie wieża jest wykonana w dwóch różnych technologiach (np. dół z betonu, a góra z rur stalowych). Obecnie na rynku pojawiają się również rozwiązania alternatywne, które próbują wyeliminować problem masy poszczególnych elementów np. wieże w technologii „steel shell”. Poniżej o wszystkich powyższych rozwiązaniach.
A. Wieże stalowe rurowe.
Wykonywane są z blach stalowych o grubości dochodzącej do 120mm i więcej (wieże siłowni off-shore).
Najgrubsze ściany mają najniżej położone segmenty. Ich średnica może dochodzić go 9m, a masa pojedynczego segmentu do 600 ton. Wieże monopalowe w technologii morskich farm wiatrowych potrafią ważyć nawet 1300 ton. Na lądzie tak ciężkich konstrukcji się nie stosuje, z uwagi na problemy logistyczne. Transport modułów o długości >30 m jest bardzo skomplikowany, dlatego wieże na farmach on-shore są zbudowane zawsze z kilku segmentów 3-5. Produkcja wież wymaga wygięcia arkusza blachy na zimno na specjalnych giętarkach, a następnie pospawania wzdłużnego. Pospawany walec blachy ma najczęściej 3m długości i łączony jest następnie przez spawanie doczołowe w dłuższe odcinki dochodzące do kilkudziesięciu metrów.
Rys. Po prawej – budowa wieży stalowej z dwóch sekcji. Na rys. wdoczne miejsca zamocowania kołnierzy (flange) oraz spawów poprzecznych (transverse weld) i podłużnych (longitudinal weld)
W Polsce wieże wiatrowe stalowe rurowe powstają w Stoczni Gdańskiej. Stosowana tam zwijarka do blach pozwala na zimne gięcie blach o grubości do 78 mm. Zwinięte blachy są następnie spawane metodą MAG i SAW. Powstała tzw. „zwijka” wraca po spawaniu na zwijarkę w celu kalibracji, dzięki czemu uzyskuje idealnie kolisty kształt. Pospawane ze sobą zwijki przechodzą na kolejną linię produkcyjną (maszynę FUTT), gdzie dospawywane są do nich kołnierze, za pomocą których cała wieża ulegnie później skręceniu na placu budowy.
Fot. Wieża z przyspawanym kołnierzem (gospodarkamorska.pl)
Fot. Po prawej budowa wieży wiatrowej stalowej rurowej.
Najwięcej pracy wymaga zawsze wykonanie dolnego elementu wieży, gdzie w ścianie zwijki wycina się otwór drzwiowy i przyspawuje do niego ościeżnicę. Po wykonaniu badań nieniszczących spoin i kontroli wymiarowej sekcji następuje kolejny etap, czyli trasowanie wewnętrzne do uzbrojenia sekcji elementami złącznymi. Wspawane do wnętrza wież tuleje służyć będą do montażu wyposażenia wewnętrznego, czyli kabli, schodów, podestów, drabin etc. Jest to bardzo precyzyjny proces. Głównie z racji tego, że należy zachować osiowość pomiędzy poszczególnymi sekcjami. Montaż tych elementów musi zostać zakończony jeszcze przed malowaniem sekcji. Gotowe sekcje z kołnierzami są następnie transportowane do Linii Konserwacyjno-Malarskiej (LKM), gdzie czeka je ostatni etap, czyli malowanie.
Wieże kratownicowe
Składają się ze spawanych profili stalowych, co czyni nie relatywnie lekkimi i łatwiejszymi w transporcie. Mniejsza masa samej wieży to jednocześnie mniejsza ilość betonu na fundament i dużo niższe koszty. Pod względem widoczności i zaburzenia krajobrazu kratownica jest o wiele mniej dokuczliwa od wieży rurowej. Pomimo tych wszystkich zalet konstrukcje tego typ nie znajdują szerszego zastosowania. Duża wysokość wież i brak wewnętrznych wind powoduje ogromne problemy z serwisem. Warto dodać, że wieże kratownicowe dzierżą obecnie rekord pod względem wielkości wież wiatrakowych. Największy tego typu obiekt na świecie o wysokości 160 m został wybudowany po raz pierwszy w miejscowości Lassowa w Niemczech około 40 km od granicy z Polską przez firmę SeeBa. Kratownica o przekroju kwadratowym miała u podstawy szerokość 29m, a na szczycie 2,9m. Zamontowana na niej gondola o masie 140 ton i wirnik posiadają moc 2,5 MW. Cała wieża waży 350 ton, narożne uchwyty wykonane są do wysokości ok. 45 m jako potrójne kątowniki (2x250x28 + 1x150x15), a powyżej jako kątowniki podwójne o wysokości 250 mm o różnych grubościach (24 do 28 mm). Jako materiał wykorzystano stal typu St 37 oraz St 52. Wszystkie połączenia skręcane są śrubami. Firma zbudowała już kilka wież tego rodzaju między innymi w Polsce w miejscowości Nowy Tomyśl.
Fot. Powyżej wieża kratownicowa (fot. Seeba). U dołu montaż dolnych partii wieży. Widoczna budowa segmentu z kratownicą wewnętrzną rombową.
Fot. Budowa wieży kratownicowej (Fot. Seeba).
Wieże betonowe
Stanowią niewielki procent wszystkich konstrukcji wież wiatrowych. Betonowe konstrukcje mogą być montowane co najmniej na dwa sposoby:
– jako budowle wylewane i zagęszczane bezpośrednio na placu budowy (takie rozwiązania stosowane są zwykle tylko do pewnej wysokości i wykorzystywane w wieżach hybrydowych)
– jako konstrukcje modułowe wykonane z szeregu prefabrykowanych elementów składanych na placu budowy.
Poniżej skupię się na drugim rozwiązaniu, które pozwala na budowę bardzo wysokich (>100m) i sztywnych konstrukcyjnie wież. Przykładem jest inwestycja firmy Pekabex
Fot. Prefabrykowane elementy wież betonowych (Pekabex)
Firma podjęła się budowy 10 wież wiatrowych w miejscowości Gostyń o wysokości 120 m każda. Wieże miały stanowić podstawę dla turbiny wiatrowej o mocy 3MW. Firma każdą wieżę zaprojektowała z 22 prefabrykowanych elementów łukowych, składających się łącznie na 6 segmentów o wysokości 20m każdy. Segment dolny został wykonany z 5-ciu elementów łukowych, a najwyższy górny z dwóch. Segmenty zostały odlane w specjalnie sprowadzonych do tego celu formach z Hiszpanii. Poniżej zdjęcie podobnej formy wykorzystywanej przez firmę Windtechnic.
Fot. Forma do odlewania prefabrykatów betonowych wież wiatrowych (Windtechnic)
Fot. Transport suwnicą ramową i składowanie gotowych elementów łukowych (Windechnic).
Wieże betonowe segmentowe TU Wien
Fot. Segmenty betonowe dwuścienne do montażu na placu budowy (TU Wien)
Zespół wokół prof. Johanna Kolleggera z Instytutu Projektowania Strukturalnego na Uniwersytecie Technicznym w Wiedniu opracował nową technikę budowy wieży. Projekt UT zakłada budowę wież wiatrowych z elementów betonowych dwuściennych, o przekroju oktagonalnym. Duże elementy podwójnej ściany są najpierw łączone na ziemi, a następnie podnoszone i ostatecznie wypełniane betonem. Budowa turbin wiatrowych powinna zatem stać się szybsza i bardziej ekonomiczna. Po obszernych obliczeniach i wstępnych pracach, nowa technologia została przetestowana w praktyce 15 lipca w miejscowości Gars am Kamp. Połączono tam po raz pierwszy sześć segmentów o wysokości do 6 m i wadze 19 ton każdy. Cała wieża została pomyślnie zmontowana, podniesiona i wypełniona betonem. Projekt był wspierany przez prototypowe finansowanie z Ministerstwa Nauki, Badań i Gospodarki. ” Według opinii instytutu, nowa metoda budowy jest prosta i szybka, elementy z podwójnymi ściankami są łatwe w transporcie. Po wszystkich dotychczasowych doświadczeniach można się spodziewać, że nowa metoda jest ekonomiczna i może się ugruntować w porównaniu z poprzednimi metodami budowy, nawet dla bardzo wysokich turbin wiatrowych.”
Wieże typu Steel Shell
Fot. Wieża typu Steel Shell
Budowa wież przekraczających 100m wysokości zapewnia wysokie sprawności farm wiatrowych, ale pociąga za sobą koszty i wyzwania logistyczne. Ogromne masy modułów wież stalowych rurowych komplikują transport i montaż, wymagając specjalistycznego sprzętu . Spowodowało to konieczność poszukiwania innych alternatywnych rozwiązań, jednym z nich jest technologia montażu Steel Shell opatentowana przez firmę Siemens.
Wieże w technologii Steel Shell (dosłownie „stalowa muszla”) składają się z modułów w kształcie litery U skręcanych za pomocą śrub typu HTC z regulowanym naprężeniem. Na placu budowy na fundamencie wieży w pierwszej kolejności mocowana jest sekcja dolna o małej wysokości modułów.
Fot. Montaż sekcji dolnej w technologii Steel Shell.
Na niej zostaje zamocowany kolejny moduł przez skręcenie aż 56×14 śrub. Moduły każdej sekcji uszczelniane są między sobą uszczelkami gumowymi, aby do środka wieży nie dostawała się woda deszczowa. Technologia montażu śrub HRC nie wymaga ich ponownego dokręcania podczas eksploatacji wieży. Zwykle wieża składa sie z 9 modułów zamocowanych jeden nad drugim, zwężających się ku górze. W zależności od wysokości piasty, wieże są zbudowane z 9 lub więcej sekcji o średnicy dolnej 8 m lub większej. Modułowa koncepcja przestrzeni z wieżami ze stali stopowej pozwala na bardzo wysokie wysokości piasty (powyżej 140 m) przy bardzo niskich wymaganiach transportowych. Wieża jest wzniesiona w krótkim czasie i wymaga minimalnej konserwacji.
Przy produkcji tego typu wież nie zachodzi spawanie, nie ma więc niebezpieczeństwa zmęczenia materiałowego spoin lub błędów ich wykonania. Każdy moduł wykonany jest w formie prefabrykatu metodą zimnego gięcia ze stali o podwyższonej jakości i wytrzymałości. Zużywa się przy tym mniej stali niż przy wieżach rurowych z uwagi na mniejsze grubości ścianek. Po wewnętrznej stronie modułów istnieje możliwość zamocowania drabinek i podestów. Całość pozwala na budowę wież o niemal nieograniczonej wysokości uzależnionej tylko technologią dźwigową.
Prototyp wieży w technologii firmy Siemens został wykonany w maju 2011 roku. Seryjna produkcja trwa od 2012 roku.
Wieże modułowe systemu Steel Shell nie są tylko domeną firmy Siemens. Podobne rozwiązanie o nazwie NMT posiada w swojej ofercie firma Northstar Wind. Połączenia śrubowe występują tutaj na obwodzie wieży i w pionie.
Fot. Połączenie śrubowe w wieży Fuhrländer 2,5 MW w Celle, Niemcy.
Fot. Wieża w technologii firmy Nothstar, po prawej przekrój przez ścianę, na poziomie śrub montażowych. Wszystkie połączenia zabezpieczone są tutaj zewnętrzną osłoną.
Ustawienie wieży Northstar odbywa się zasadniczo w taki sam sposób, jak w przypadku konwencjonalnej wieży. Po złożeniu na [poziomie ziemi poszczególnych sekcji są one unoszone i wsuwane na miejsce, a następnie przymocowywane do sekcji położonej niżej. Zamiast połączenia typu kołnierz-kołnierz, NMT wykorzystuje połączenie poziome.
Wieże teleskopowe
Pomysł firmy Esteyco, to na razie projekt, ale w bardzo zaawansowanej fazie. Pierwszy, model wieży teleskopowej w dużej skali został już wykonany, aby udowodnić możliwości realizacyjne. Ideą rozwiązania jest możliwość wznoszenia wysokich wież wiatrowych bez potrzeby stosowania skomplikowanych dźwigów o bardzo dużych wysięgnikach. Im większa bowiem wysokość tym mniejszy udźwig takich maszyn, co powoduje trudności z realizacją coraz potężniejszych turbin.
Wieża teleskopowa unosi się „sama” na zasadzie wysuwania się poszczególnych modułów.
Rys. Etapy wznoszenia wieży teleskopowej. Różnymi kolorami oznaczono poszczególne moduły.
Pierwszym krokiem jest montaż wszystkich elementów prefabrykowanej wieży betonowej na poziomie gruntu (konstrukcyjnie przypomina to składanie matrioszki). Montaż odbywa się od wewnątrz, a najbardziej wewnętrzna sekcja to jednocześnie górna część z gondolą. Po zakończeniu montażu można rozpocząć podnoszenie. Zaczyna się ono od środkowego modułu, który przesuwając się w górę zaczepia ostrzami o następny, bardziej zewnętrzny moduł. Samo podnoszenie wieży odbywa się za pomocą ciężkich podnośników. Są to komercyjnie dostępne urządzenia, obecnie używane w wielu branżach.
To rozwiązanie oszczędza główny dźwig: do montażu wszystkich komponentów potrzebny będzie tylko mniejszy dźwig o nośności od 350t do 500t.
Aby uzyskać wieżę o wysokości 120 m potrzebne są 4 sekcje, które w pozycji złożonej będą miały wysokość tylko około 40 metrów. Długość wysięgnika dźwigowego nie musi w tym wypadku przekraczać 50m (rys.)
Oczekiwany czas montażu i podnoszenia wszystkich komponentów wynosiłby około 3 dni.
Dodatkowym bonusem, ze względu na zwiększoną masę wieży (działającej jako obciążenie stabilizujące), fundament WTG byłby mniejszy w porównaniu ze stalową wieżą o tej samej wysokości.
Wieże hybrydowe
To konstrukcje zbudowane w kilku technologiach, np. dół wieży betonowy, góra z rury stalowej. Obecnie to najbardziej obiecujący rynek rozwojowy energetyki wiatrowej, zarówno lądowej jak i morskiej. Konstrukcje wież hybrydowych umożliwią w przyszłości przekroczenie niedostępnych do tej pory barier wysokościowych umożliwiając umieszczenie piasty wirnika na niebotycznej wysokości >200m. Poniżej kilka konstrukcji i prototypów.
Wieża kratownicowo-rurowa (hybrid lattice-tubular tower)
Fot. Wieża kratownicowo-rurowa (zdj. Researchgate)
Ten typ wieży składa się z 3 części:
– dolnej części kratownicy przymocowanej do fundamentu i zmontowanej w miejscu instalacji,
– części rurowej wieży składającej się z kilku modułów skręconych ze sobą, jak to ma miejsce w większości wież rurowych,
– części przejściowej, która zapewnia połączenie i przekazanie momentów sił miedzy dwiema głównymi częściami.
Zastosowanie kratownicy u dołu wieży zapewnia mniejszy nacisk na fundament. Element rurowy umożliwia z kolei zastosowanie wewnętrznej platformy, gdzie może być zainstalowane wyposażenie niezbędne do serwisu i sterowania. Pierwsza wieża tego typu powstała w Indiach w miejscowości Gujarat.
Wieża hybrydowa betonowo-rurowa (concrete-steel hybrid towers)
Pomysł takiej wieży polega na zastosowaniu betonu w szerokiej dolnej części i rury stalowej w górnej części, gdzie konwencjonalna spawana stalowa sekcja wieży może być zaprojektowana bez ryzyka ograniczeń transportowych . W rzeczywistości ułatwia również projektowanie części betonowej i uzyskanie właściwych częstotliwości drgań własnych.
Fot. Koncepcja (po lewej) i realizacja (po prawej) wiezy hybrydowej betonowo-stalowej. Po prawej na zdjęciu wieża firmy ATS zbudowana w Niemczech.
W maju ubiegłego roku holenderska firma Advanced Tower Systems (ATS) zbudowała prototypową wieżę hybrydową z betonu i rur stalowych na polu testowym w Niemczech. Gondola Siemens o mocy 2,3 MW z 93-metrową średnicą wirnika została dzięki temu zamocowana na wysokości 133m. Opatentowana konstrukcja ma czworoboczną, zwężającą się betonową sekcję dolną z zaokrąglonymi narożnikami i rurową sekcją stalową na górze. Jedną z oszczędności kosztów jest to, że dopasowane stalowe wieże ze stali są produktami tej samej spółki.
Firma wypróbowała trójkątny kształt i ostatecznie dotarła do obecnej wersji. Wieża ATS składa się z wielu smukłych, prefabrykowanych elementów o szerokości od 0,5 do 4 metrów i wysokości 16 metrów, które mogą być transportowane standardowymi ciężarówkami. Sekcje składają się z czterech cylindrycznych elementów narożnych o kącie 90 stopni i czterech płaskich elementów stożkowych, które mieszczą się pomiędzy nimi. Elementy stojące zmniejszają się, a elementy narożne pozostają takie same. Podstawa wieży ma wymiary 8,3 m2.
Uważa się, że rozwiązanie ATS tower jest opłacalne ekonomicznie dla wysokości piasty do 150 metrów i 1,5 MW.
Wieże kratownicowo-rurowe z systemem self-erection
To nowatorskie rozwiązanie formy Nabralift. W odróżnieniu do wcześniejszych wież hybrydowych kratownicowo-rurowych, w systemie Nabralift, wieża rurowa montowana jest w pierwszej kolejności na pojedynczym module kratownicowym, a następnie podnoszona w celu zamocowania kolejnego elementu kratownicy, itd. Pierwszy prototyp Nabralift (o wysokości piasty 160 m) jest już w budowie i zostanie zainstalowany w 2018 roku w miejscowości Eslava (Hiszpania). Będzie to trzecia pod względem wysokości wieża turbiny wiatrowej na świecie, a najwyższa zainstalowana poza granicami Niemiec. Składa się z dwóch segmentów: 86-metrowej ramy o trzech kolumnach zaprojektowanych i opatentowanych przez NBTECH, na szczycie których umieszczono wieżę konwencjonalną z rur stalowych o wysokości 71 metrów.
Firma zdecydowała sie na prototyp o wysokości nie przekraczającej dotychczasowych rekordowych konstrukcji wież, ale w planach ma wieże o wysokości piasty 200m. Generalnie zastosowanie systemu samowznoszącego powoduje ograniczenie kosztów budowy o 30% a czas budowy zostaje skrócony aż o 50%. Animację ze wznoszenia wieży można obejrzeć na stronie:
http://www.nabrawind.com/products/self-erected-tower/