Jak powstała najwyższa elektrownia wiatrowa świata
Od 1997 r. technicy niemieckiej firmy SeeBA Technik GmbH, działającej w branży energetyki wiatrowej, marzyli o tym, aby lepiej wykorzystać wyższe warstwy wiatru, charakteryzujące się większą siłą i niezmiennością oraz osiągać poprzez to znacznie lepszą opłacalność inwestycji.
Szacunkowe obliczenia danych z eksploatowanych wiatraków o wysokości piasty 100 m wykazały wzrost wydajności sięgający do 45% przy użytkowaniu piasty o wysokości równej 160 m. W 2000 r. padł pierwszy rekord świata w tej dziedzinie. W małej miejscowości Kirchbundem firma SeeBA zbudowała elektrownię wiatrową wysoką na 117 m, która jej właścicielom dała wiele satysfakcji z powodu osiąganej wydajności.
Jednak firma chciała więcej, dużo więcej. Od 2004 r. w firmie SeeBA zaczęły powstawać plany budowy stalowej wieży kratownicowej o niewyobrażalnej dotąd wysokości 160 m. To niezwykle trudne przedsięwzięcie, ponieważ porównywalnej konstrukcji do tej pory nie zbudowano. Znaleziono partnera W2E – doświadczony zespół wynalazców zajmujących się elektrowniami wiatrowymi, którzy byli zachwyceni tym pomysłem. Tym samym stało się jasne – wieża musi udźwignąć siłownię o mocy 2,5 MW (FL 2500) i ciężarze ponad 140 ton. Uzysk prądu na rok był prognozowany na ponad 7 mln kWh. Oszacowano, że ta jedna tylko elektrownia może zaopatrywać w prąd małą miejscowość z 1800 gospodarstwami czteroosobowymi przez cały rok.
Problemem okazało się znalezienie odpowiedniej miejscowości, ale w końcu udało się. Odpowiednie gospodarstwa odnaleziono daleko na wschodzie Niemiec (w odległosci 40 km od polskiej granicy) – w Laasow (Brandenburgia).
Latem 2006 r. monterzy i kierownicy budowy firmy SeeBA przystąpili do budowy wieży, modląc się żarliwie o dobrą pogodę, sprzyjajacą ustawieniu konstrukcji. W trakcie stawiania elektrowni wiatrowej paradoksalnie to wiatr jest dla niej największym zagrożeniem.
W odróżnieniu od wież rurowych, których nie można stawiać nazbyt wysokich (m.in. z przyczyn transportowych) wieża kratownicowa może osiągać znaczną wysokość, gdyż jest składana na miejscu.
Konstrukcja w Laasow (składajacą się z siedmiu segmentów) montowana była etapami. Jednym z końcowych był montaż tzw. gondoli, która musiała unieść turbinę wyglądającą jak wysoki garnek o średnicy 2,3 m. Kolejną czynnością było okablowanie, instalowanie urządzeń istotnych dla bezpieczeństwa oraz podniesienie turbiny. Dopiero po zrealizowaniu tych etapów nastapił montaż łopat wirnika, co sprawiło, że łączna wysokość wiatraka osiagnęła 205 m.
Dane techniczne
Wieża składa się z kwadratowej, stalowej konstrukcji szkieletowej. Jej szerokość na szczycie wynosi ok. 2,9 m, a u podstawy 29 m. 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.
Układ konstrukcji kratownicowej został wykonany z różnych kątowników profilowanych – najczęściej jako profil podwójny, z wyjątkiem najniższego odcinka, który powstał jako konstrukcja kratownicowa typu K.
Wieża posiada kratownicę rombową, przy czym przekątne skierowane na dół są dodatkowo usztywnione przez konstrukcję pomocniczą. Na zewnątrz przy gondoli, która umożliwia przejście do maszyny, nie ma na częściach nośnych żadnych spawanych połączeń.
Wszystkie przyłącza są skręcane na śruby, połączenia przenoszące siły wykonane są jako połączenia śrubowe o wysokiej wytrzymałości (HV) i wytrzymałe na przesuwanie się i wstępnie naprężone (GV), z dodatkowymi tulejkami rozprężnymi. Wszystkie części stalowe są ocynkowane ogniowo. Wieża posiada drabinkę do wchodzenia z zabezpieczeniami, która biegnie równolegle do narożnej rozpórki na jednym z narożników. Tam też poprowadzone są z góry na dół kable energetyczne oraz kable układu sterowania.
Dodatkowo wieżę jest wyposażono w windę. Budowlę oparto na czterech fundamentach, każdy ma jeden słup narożny. Poprzez odpowiednie umieszczenie środka ciężkości płyty fundamentowej powstały fundamenty obciążone siłami rozciągającymi i ściskającymi. Poszczególne części konstrukcji szkieletowej zostały pocięte, nawiercone oraz ocynkowane ogniowo na długości maksymalnie do 12 m.
Wcześniej posortowane części znajdujace się na placu budowy montowane były na ziemi, w stanie poziomym do poszczególnych segmentów, przy czym największy segment miał ciężar ok 100 ton oraz maksymalną wysokość 36 m.
Kolejny etap to montaż. Stawiano segment po segmencie za pomocą specjalnych dźwigów, które mogą unieść 800 ton. Ale naprawdę dużym wyzwaniem dla tych wielkich maszyn okazało się podniesienie gondoli. Przy łącznej wadze prawie 150 ton ciężar musiał zostać rozłożony na części pojedyncze. Następnie zamontowano 45 metrowe łopaty o wadze 10 ton każda. W połowie września 2006 r. zakończono montaż z użyciem dźwigów.
Ostatnim etapem było okablowanie oraz uruchomienie siłowni wiatrowej, co trwało do połowy października. Elektrownia zaczęła pracę pierwszego listopada 2006 r.
Monitoring wież kratowych SeeBA
Pierwszy i dotychczas jedyny monitoring wież elektrowni wiatrowych zastosowano w wieżach kratowych SeeBA. Monitoring jest pomiarem i wykorzystaniem drgań wież kratowych SeeBA, które są pobudzane przez zamontowaną na nich elektrownię wiatrową.
Drgania wieży ujmowane są przez dwa sensory przyspieszenia zainstalowane w gondoli elektrowni wiatrowej. Sensory mierzą wartości przyspieszenia na dwóch osiach, położonych pod kątem 90° w stosunku do siebie.
Tym samym mogą być zbadane linearne ruchy wieży oraz ruchy skrętu. W czujnikach znajduje się wzmacniacz pomiarowy, który za pomocą analogowo-cyfrowego licznika przekazuje do komputera sygnał napięcia odpowiedni dla przyspieszenia. Ze zmierzonych wartości przyspieszenia obliczane są za pomocą Software przyspieszenia linearne i skrętu, a także ruch linearny i skrętu.
Przy przekroczeniu wartości granicznej generowany jest meldunek błędu. Informacja o awarii trafia do komputera sterującego i w razie potrzeby eksploatacja elektrowni jest wstrzymywana. Wszelkie istotne dane zapisywane są na Flash Disku i mogą być odczytywane przy analizie przesyłu danych. Ważne dane eksploatacyjne sterowania elektrowni wiatrowej (prędkość wiatru, liczba obrotów, moc, kąt skrzydła) także są zapisywane. Przy przekroczeniu wartości granicznej wytwarzana jest trwająca 20 sekund sekwencja zapisywania wszystkich wartości pomiarowych (10 sekund przed i 10 sekund po wydarzeniu), by móc łatwiej analizować zdarzenie.
W pamięci danych zapisywane są co 10 min. wartości maksymalne wszelkich pomiarów tego okresu. Te mogą być odczytywane i zapisywane dzięki przesyłowi radiowemu danych. Umożliwia to kontrolę wartości maksymalnych przez cały okres eksploatacji.
Monitoring właściwości wież kratowych SeeBA oferuje optimum bezpieczeństwa przy eksploatacji elektrowni wiatrowej. Gwarantuje to kontrola, meldunki o błędach, a także w razie potrzeby wyłączenie elektrowni wiatrowej. Ciągły monitorowanie właściwości drgań umożliwia także przeprowadzenie analizy właściwości wieży w celu dalszych ulepszeń.
SeeBA planuje wspólnie z polskim partnerem rozpoczęcie jeszcze w tym roku roku budowy w Polsce parków wiatrowych na wieżach kratowych o wysokościach 105 do 160 m.
Na podstawie materiałów nadesłanych przez firmę SeeBa opracowała Urszula Wojciechowska
Szacunkowe obliczenia danych z eksploatowanych wiatraków o wysokości piasty 100 m wykazały wzrost wydajności sięgający do 45% przy użytkowaniu piasty o wysokości równej 160 m. W 2000 r. padł pierwszy rekord świata w tej dziedzinie. W małej miejscowości Kirchbundem firma SeeBA zbudowała elektrownię wiatrową wysoką na 117 m, która jej właścicielom dała wiele satysfakcji z powodu osiąganej wydajności.
Jednak firma chciała więcej, dużo więcej. Od 2004 r. w firmie SeeBA zaczęły powstawać plany budowy stalowej wieży kratownicowej o niewyobrażalnej dotąd wysokości 160 m. To niezwykle trudne przedsięwzięcie, ponieważ porównywalnej konstrukcji do tej pory nie zbudowano. Znaleziono partnera W2E – doświadczony zespół wynalazców zajmujących się elektrowniami wiatrowymi, którzy byli zachwyceni tym pomysłem. Tym samym stało się jasne – wieża musi udźwignąć siłownię o mocy 2,5 MW (FL 2500) i ciężarze ponad 140 ton. Uzysk prądu na rok był prognozowany na ponad 7 mln kWh. Oszacowano, że ta jedna tylko elektrownia może zaopatrywać w prąd małą miejscowość z 1800 gospodarstwami czteroosobowymi przez cały rok.
Problemem okazało się znalezienie odpowiedniej miejscowości, ale w końcu udało się. Odpowiednie gospodarstwa odnaleziono daleko na wschodzie Niemiec (w odległosci 40 km od polskiej granicy) – w Laasow (Brandenburgia).
Latem 2006 r. monterzy i kierownicy budowy firmy SeeBA przystąpili do budowy wieży, modląc się żarliwie o dobrą pogodę, sprzyjajacą ustawieniu konstrukcji. W trakcie stawiania elektrowni wiatrowej paradoksalnie to wiatr jest dla niej największym zagrożeniem.
W odróżnieniu od wież rurowych, których nie można stawiać nazbyt wysokich (m.in. z przyczyn transportowych) wieża kratownicowa może osiągać znaczną wysokość, gdyż jest składana na miejscu.
Konstrukcja w Laasow (składajacą się z siedmiu segmentów) montowana była etapami. Jednym z końcowych był montaż tzw. gondoli, która musiała unieść turbinę wyglądającą jak wysoki garnek o średnicy 2,3 m. Kolejną czynnością było okablowanie, instalowanie urządzeń istotnych dla bezpieczeństwa oraz podniesienie turbiny. Dopiero po zrealizowaniu tych etapów nastapił montaż łopat wirnika, co sprawiło, że łączna wysokość wiatraka osiagnęła 205 m.
Dane techniczne
Wieża składa się z kwadratowej, stalowej konstrukcji szkieletowej. Jej szerokość na szczycie wynosi ok. 2,9 m, a u podstawy 29 m. 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.
Układ konstrukcji kratownicowej został wykonany z różnych kątowników profilowanych – najczęściej jako profil podwójny, z wyjątkiem najniższego odcinka, który powstał jako konstrukcja kratownicowa typu K.
Wieża posiada kratownicę rombową, przy czym przekątne skierowane na dół są dodatkowo usztywnione przez konstrukcję pomocniczą. Na zewnątrz przy gondoli, która umożliwia przejście do maszyny, nie ma na częściach nośnych żadnych spawanych połączeń.
Wszystkie przyłącza są skręcane na śruby, połączenia przenoszące siły wykonane są jako połączenia śrubowe o wysokiej wytrzymałości (HV) i wytrzymałe na przesuwanie się i wstępnie naprężone (GV), z dodatkowymi tulejkami rozprężnymi. Wszystkie części stalowe są ocynkowane ogniowo. Wieża posiada drabinkę do wchodzenia z zabezpieczeniami, która biegnie równolegle do narożnej rozpórki na jednym z narożników. Tam też poprowadzone są z góry na dół kable energetyczne oraz kable układu sterowania.
Dodatkowo wieżę jest wyposażono w windę. Budowlę oparto na czterech fundamentach, każdy ma jeden słup narożny. Poprzez odpowiednie umieszczenie środka ciężkości płyty fundamentowej powstały fundamenty obciążone siłami rozciągającymi i ściskającymi. Poszczególne części konstrukcji szkieletowej zostały pocięte, nawiercone oraz ocynkowane ogniowo na długości maksymalnie do 12 m.
Wcześniej posortowane części znajdujace się na placu budowy montowane były na ziemi, w stanie poziomym do poszczególnych segmentów, przy czym największy segment miał ciężar ok 100 ton oraz maksymalną wysokość 36 m.
Kolejny etap to montaż. Stawiano segment po segmencie za pomocą specjalnych dźwigów, które mogą unieść 800 ton. Ale naprawdę dużym wyzwaniem dla tych wielkich maszyn okazało się podniesienie gondoli. Przy łącznej wadze prawie 150 ton ciężar musiał zostać rozłożony na części pojedyncze. Następnie zamontowano 45 metrowe łopaty o wadze 10 ton każda. W połowie września 2006 r. zakończono montaż z użyciem dźwigów.
Ostatnim etapem było okablowanie oraz uruchomienie siłowni wiatrowej, co trwało do połowy października. Elektrownia zaczęła pracę pierwszego listopada 2006 r.
Monitoring wież kratowych SeeBA
Pierwszy i dotychczas jedyny monitoring wież elektrowni wiatrowych zastosowano w wieżach kratowych SeeBA. Monitoring jest pomiarem i wykorzystaniem drgań wież kratowych SeeBA, które są pobudzane przez zamontowaną na nich elektrownię wiatrową.
Drgania wieży ujmowane są przez dwa sensory przyspieszenia zainstalowane w gondoli elektrowni wiatrowej. Sensory mierzą wartości przyspieszenia na dwóch osiach, położonych pod kątem 90° w stosunku do siebie.
Tym samym mogą być zbadane linearne ruchy wieży oraz ruchy skrętu. W czujnikach znajduje się wzmacniacz pomiarowy, który za pomocą analogowo-cyfrowego licznika przekazuje do komputera sygnał napięcia odpowiedni dla przyspieszenia. Ze zmierzonych wartości przyspieszenia obliczane są za pomocą Software przyspieszenia linearne i skrętu, a także ruch linearny i skrętu.
Przy przekroczeniu wartości granicznej generowany jest meldunek błędu. Informacja o awarii trafia do komputera sterującego i w razie potrzeby eksploatacja elektrowni jest wstrzymywana. Wszelkie istotne dane zapisywane są na Flash Disku i mogą być odczytywane przy analizie przesyłu danych. Ważne dane eksploatacyjne sterowania elektrowni wiatrowej (prędkość wiatru, liczba obrotów, moc, kąt skrzydła) także są zapisywane. Przy przekroczeniu wartości granicznej wytwarzana jest trwająca 20 sekund sekwencja zapisywania wszystkich wartości pomiarowych (10 sekund przed i 10 sekund po wydarzeniu), by móc łatwiej analizować zdarzenie.
W pamięci danych zapisywane są co 10 min. wartości maksymalne wszelkich pomiarów tego okresu. Te mogą być odczytywane i zapisywane dzięki przesyłowi radiowemu danych. Umożliwia to kontrolę wartości maksymalnych przez cały okres eksploatacji.
Kolejne etapy budowy elektrowni wiatrowej. Na konstrukcję wieży zużyto 350 ton stali. Elektrownia ma 160 m wysokości. Pierwsze cztery miesiące funkcjonowania przebiegły bez awarii i są zgodne z prognozą wydajności.
Monitoring właściwości wież kratowych SeeBA oferuje optimum bezpieczeństwa przy eksploatacji elektrowni wiatrowej. Gwarantuje to kontrola, meldunki o błędach, a także w razie potrzeby wyłączenie elektrowni wiatrowej. Ciągły monitorowanie właściwości drgań umożliwia także przeprowadzenie analizy właściwości wieży w celu dalszych ulepszeń.
SeeBA planuje wspólnie z polskim partnerem rozpoczęcie jeszcze w tym roku roku budowy w Polsce parków wiatrowych na wieżach kratowych o wysokościach 105 do 160 m.
Na podstawie materiałów nadesłanych przez firmę SeeBa opracowała Urszula Wojciechowska
