Menu

Turbiny wiatrowe pływające

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.

ozewia152.jpgozewia153.jpg

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.

ozewia155.jpgozewia156.jpg

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.

ozewia157.jpgozewia158.jpg

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.

ozewia160.jpgozewia161.jpg

Fot. Turbina prototypowa Blue H.

 

GICON

ozewia301.jpgKonstrukcja Gicon opiera się na systemie napiętych lin TLP. Projekt zakładał montaż turbiny na głębokości morza rzędu 100 i więcej metrów. W odróżnieniu do systemów SPAR mocowanym do dna morskiego poprzez liny swobodne, w konstrukcji GICON system TLP zapewnia stabilność i chroni konstrukcje przed momentem wywracającym przy pełnym ciągu turbiny. Teoretycznie system ten umożliwia zamocowanie turbin o mocach dochodzących do 10MW.

Rozwiązanie GICON ulegało przez lata szeregu modyfikacjom, od sytemu kotwicowego po system balastowy grawitacyjny, zamocowany na dnie morza, do którego podpięte są liny. Potencjał tego systemu jest ogromny, bowiem systemy TLP mogą być teoretycznie stosowane dla głębokości dochodzącym do 500m co jest wartością nieosiągalną w innych technologiach.

 

Rys. Po lewej - konstrukcja GICON platformy półzatopionej z systemem TLP

 

Montaż wieży wiatrowej na platformie odbywa się  w porcie. Cała platforma opiera się wtedy na zanurzonej barce. Po zamocowaniu wieży, konsoli i płatów, kompletna siłownia transportowana jest holownikami na miejsce montażu.

ozewia302.jpg

Rozwiązanie takie znacznie obniża koszty instalacji. Zapewnia też większe bezpieczeństwo, w przeciwieństwie do technologii fundamentów stałych (monopalowych, czy grawitacyjnych), poprzez znaczne skrócenie czasu pracy na pełnym morzu.

ozewia303.jpg

 

 SATH

ozewia304.jpg

 

SATH (Swinging Around Twin Hull) - to siłownie wiatrowe zamocowane na podwójnym, pływającym kadłubie wykonanym z betonu sprężonego połączonych konstrukcją ramową. 

Całość przypomina trochę katamaran. Betonowe kadłuby mają stożkowe zakończenia, są puste w środku, co zapewnia dużą siłę wyporu. W podwodnej części wykonano stabilizator zabezpieczający całą konstrukcję przed wywróceniem w czasie silnego falowania. W części przedniej znajduje sie system cumowania, do którego podpięte są liny kotwiące. Wykonanie cumy tylko z jednej strony platformy umożliwia jej obrót na morzu, dzięki czemu platforma może się ustawić w kierunku wiatru. 

 

Fot. Siłownia wiatrowa na platformie pływającej SATH (Saitec)

 

Konstrukcja została dostosowana do obsługi turbiny wiatrowej o mocy 5 MW, a jej wydajność została potwierdzona w warunkach eksploatacyjnych i ekstremalnych warunkach środowiskowych za pomocą obliczeń numerycznych i intensywnych testów z modelem w zmniejszonej skali w zbiornikach wodnych w I.H. Uniwersytetu w Kantabrii. Siłownia ma startować przy prędkości wiatru 3m/s, moc nominalną ma osiągać przy prędkości 11,4m/s.

ozewia305.jpgRys. Budowa platformy w systemie SATH Ozn.

1. Cumowanie jednopunktowe
2. Element przejściowy dystansowy dla wieży wiatrowej
3. Konstrukcja ramy
4. Poziome podwójne kadłuby z betonu spreżonego
5. Podwodny stabilizator
6. Krawędzie stożkowe

 

Stabilizator (5) wykonany w postaci płyty chroni cała konstrukcje przed nadmiernym kołysaniem w czasie silnego wiatru i fal. W punkcie mocowania (1) znajdują się nie tylko zaczepy do lin kotwiących, ale także okablowanie. Punkt ten jest wyposażony w element obrotowy i może się swobodnie ustawiać do kierunku wiatru. 

ozewia306.jpgRys. Po lewej - punkt cumowania. U góry po prawej kolorem żółtym zaznaczono właz serwisowy z drabinką złazową do komory.

 

BARGE

 

Fundament typu barka realizowany jest przez firmę BW Ideol. Projekt jest w zaawansowanej fazie. Konstrukcja barki ma już swoje pierwsze realizacje. W Croisic (Francja) na głębokości 33m zamontowano na niej turbinę Vestas V80 o mocy 2MW, w Kitakyushu (Japonia) powstała druga konstrukcja, tym razem na głębokości 55m z turbiną o mocy 3MW. Obie konstrukcje pracują od 2018 roku. Konstrukcja barki wykonana jest z betonu o zamkniętej strukturze, pustej w środku. Cały element betonowy produkowany jest w porcie i dostarczany na brzeg, gdzie przenoszony jest na półzatopioną barkę. Od tego momentu także w porcie odbywa sie instalacja wieży wiatrowej z konsolą, piastą i płatami wirnika. Dzięki pracy bezpośrednio w porcie instalacja wszystkich elementów jest prosta.

ozewia307.jpg

Fot. Fundament pływający typu barge (barka). (fot. BW Ideol)

 

Gotowa konstrukcja holowana jest przy uzyciu zwykle trzech holowników na pełne morze, gdzie następuje ostatni etap montażu, wykonanie lin kotwiących i podłączenie do systemu przesyłowego. Fundamenty barkowe ułatwiają cumowanie jednostek serwisowych. W tym wypadku płaska platforma pozwala na swobodne prowadzenie prac. Firma BW Ideol planuje wykonanie komercjalnego projektu w Occitanie (Francja) o mocy 30MW w latach 2022-23 na głębokości 55m. Jest też w stanie dostarczyć platformy barkowe dla większych projektów w dowolne miejsce globu, na głębokości do 100m

 

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.

ozewia162.jpg

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.

 

 

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});