Hvernig undirstöður vindmyllu hafa áhrif á stöðugleika
Vindmyllur eru háar, grannar mannvirki sem starfa í umhverfi með miklum kraftmiklum álagi: sveiflum í vindi, titringi frá snúningi vindmylla, hitasveiflum og ófullnægjandi jarðvegsaðstæðum. Að baki virtist ráðandi blaða vindmyllu leynist þáttur sem oft er gleymdur en er mikilvægur fyrir öryggi og afköst: grunnurinn. Grunnurinn er meira en bara „grunnur“ til að bera álagið, heldur kerfi sem stýrir viðbrögðum mannvirkisins við hliðarkraftum, kemur í veg fyrir óhóflegt sig, kemur í veg fyrir að turninn halli og dregur úr titringi sem getur stytt líftíma vindmyllunnar. Þessi grein fjallar um hvernig grunnur vindmyllu hefur áhrif á stöðugleika, mikilvæga hönnunarþætti og afleiðingar rangra grunna.
1. Stöðugleiki túrbína byrjar með víxlverkun jarðvegs og byggingar
Stöðugleiki vindmyllu er mjög háður samspili jarðvegs og uppbyggingar. Turninn flytur álagið á grunninn, sem síðan flytur það til jarðvegsins. Ef jarðvegurinn er mjúkur, ójöfnur eða mettaður getur grunnurinn orðið fyrir ójöfnu sigi. Mismunandi sig allt niður í nokkra millimetra á stórum grunnþvermáli getur valdið því að turninn halli. Halli dregur ekki aðeins úr afköstum vindorkuframleiðslu heldur eykur einnig álag á drifbúnað og legur, sem eykur hættuna á skemmdum.
Auk sigs hefur jarðvegurinn einnig áhrif á hegðun undirstöðunnar þegar hún verður fyrir láréttum kröftum. Vindálag og loftaflfræðilegir kraftar snúningshluta valda miklum veltimómentum. Undirstöðurnar verða að vera nægilega stífar til að lágmarka snúning við turninn. Ef undirstöðurnar eru of sveigjanlegar mun turninn sveiflast meira, sem eykur þreytu í turninum, boltum og flanstengingum.
2. Tegundir álags sem grunnurinn verður að bera
Til að skilja hlutverk undirstöður í stöðugleika er mikilvægt að þekkja þær tegundir álags sem verkar á vindmyllur:
1. Lóðrétt álag: þyngd turnsins, nacelle, snúningshlutans og undirstöðunnar sjálfrar.
2. Lárétt álag: vindkraftar á turninn og snúningshlutann, sem og kraftar vegna breytinga á stefnu sveifluhreyfilsins.
3. Veltivog: Samsetning láréttrar krafts og hæðar turnsins skapar stórt tog sem reynir að „lyfta“ annarri hlið grunnsins og þjappa hinni hliðinni.
4. Breytileg/hringlaga álag: endurtekin álag frá snúningi snúningshlutans og vindóróa veldur efnisþreytu.
5. Mikil álag: stormar, vindhviður, jarðskjálftar eða neyðaraðstæður (t.d. hemlunartilvik).
Góður grunnur verður að þola allar þessar álagskröfur innan leyfilegra aflögunarmarka, í áratugi af notkun.
3. Stífleiki grunns og áhrif hans á titring
Einn mikilvægasti þátturinn er stífleiki grunnsins. Vindmyllur hafa eigintíðni. Ef stífleiki grunnsins er ekki fullnægjandi getur eigintíðni jarðvegs-grunns-turnskerfisins nálgast örvunartíðni snúningsvélarinnar (t.d. 1P, 3P), sem hugsanlega veldur ómun. Ómun eykur titringsvídd, flýtir fyrir þreytu í turninum og vélrænum íhlutum og veldur rekstrarvandamálum eins og óhóflegum titringsviðvörunum.
Hönnun grunns miðar almennt að því að halda eigintíðni innan öruggs bils, án þess að hún skarist við rekstrartíðni snúningshjólsins. Þetta þýðir að grunnurinn snýst ekki aðeins um burðargetu heldur einnig um aðlögun að eiginleikum túrbínunnar og jarðvegsaðstæðum á staðnum.
4. Grunnur og viðnám gegn velti
Stöðugleiki gegn velti er lykilatriði í hönnun vindmyllugrunna. Mikil vindálag veldur því að grunnurinn reynir að velta honum. Til að standast þetta notar grunnurinn nokkra aðferðir:
– Eiginþyngd grunnsins og yfirlags (fyrir grunnar undirstöður): bætir við þrýstikrafti til að styðja við upphækkaðar hliðar.
– Burðargeta jarðvegs: jarðvegurinn verður að geta þolað þrýsting í lægðinni án þess að skerbrotna.
– Óvirkir jarðvegskraftar (fyrir tiltekna undirstöðu): lárétt viðnám jarðvegsins gegn tilfærslu.
– Akkeri og staurar (fyrir djúpar undirstöður): tog-/þrýstiþol í staurunum hjálpar til við að standast mómentið.
Ef grunnurinn er ófullnægjandi getur orðið lyfting á sumum svæðum, sprungur í steypunni, losun akkerisbolta eða varanleg snúningur sem veldur því að turninn hallar.
5. Mismunandi gerð undirstöðu og áhrif þeirra á stöðugleika
a) Grunnur grunnur (breiður grunnur / þyngdarkraftur)
Algengt fyrir landmyllur í nægilega sterkum jarðvegi. Yfirleitt eru þetta stórar hringlaga eða áttahyrndar steinsteypuplötur. Stöðugleiki næst með stóru snertiflatarmáli og þyngd undirstöðunnar. Ókostir: Krefst jarðvegs með fullnægjandi afkastagetu og góðrar sigstýringar.
b) Stauragrunnur
Notað í mjúkum eða lagskiptum jarðvegi sem þolir ekki álag grunnra undirstöðu. Staurar geta flutt álagið yfir á dýpri og sterkari jarðlög. Stöðugleiki batnar, sérstaklega gegn veltimótum, en hönnunin verður flóknari þar sem hún verður að taka tillit til tog-/þjöppunarþols, hliðarbeygju og áhrifa staurahópa.
c) Grunnur akkeris
Ef svæðið er á bergi er hægt að nota akkeri sem eru fest í bergmassann. Þetta veitir frábæran stöðugleika en krefst ítarlegrar jarðfræðilegrar rannsóknar þar sem berggæði geta verið mismunandi og sprungur (samskeyti) geta dregið úr afkastagetu.
d) Undirstöður á hafi úti: einhýsi, kápa, þyngdarkraftsgrunnur
Fyrir sjávarþyrplinga eru undirstöður eins og einstaurar (stór stálrör sem eru felld inn í þær) mjög algengar. Stöðugleiki er undir áhrifum af innfellingardýpt, þvermáli, láréttri stífleika og set- og skógaraðstæðum. Jakkarmannvirki bjóða hins vegar upp á flóknari álagsdreifingu en geta verið stöðugri í ákveðnum sjó. Mannvirki á hafi úti bjóða upp á frekari áskoranir: öldur, strauma og tæringu.
6. Hlutverk byggingargæða í stöðugleika
Góð hönnun er ekki nóg ef framkvæmdin er léleg. Sumir byggingarþættir sem hafa bein áhrif á stöðugleika eru:
– Gæði steypu og herðing: steypa sem nær ekki hönnunargæðum er líklegri til að sprunga og skemmast.
– Staðsetning styrkingar: Villur í þekju eða styrkingu geta dregið úr togþoli.
– Stilling akkerisboltabúrs: Ónákvæm staðsetning bolta getur valdið sérkenni og aukið spennuþéttni.
– Þjöppun fyllingar: Óþjöppuð fylling veldur sigi og dregur úr stífleika kerfisins.
– Frárennsli: Innsiglað vatn getur veikt jarðveginn og flýtt fyrir rofi.
Jafnvel lítill munur á jafnvægi eða boltaspennu getur leitt til langtímavandamála í formi aukinnar titrings og liðþreytu.
7. Umhverfisáhrif: Vatn, rof og erting
Umhverfisaðstæður eru oft orsök óvænts óstöðugleika í grunnum. Á landi geta breytingar á grunnvatnsborði vegna regntíma, flóða eða leka í frárennsli dregið úr burðarþoli. Á svæðum með víðfeðman jarðveg valda breytingar á rakastigi rýrnun og þenslu, sem getur leitt til sprungna og snúnings.
Úti á landi er jarðvegseyðing stórt vandamál. Straumar og öldur geta rofið setlög í kringum einhyrninga, sem dregur úr virkri dýpt þeirra og láréttri stífleika. Ef jarðvegseyðingu er ekki stjórnað (til dæmis með grjótdumpingu eða jarðvegsvörn) breytist kraftmikil svörun túrbínunnar og hætta á þreytu eykst.
8. Eftirlit og viðhald til að viðhalda stöðugleika
Þar sem grunnstoðir starfa undir lotubundnu álagi í mörg ár er mikilvægt að fylgjast með þeim. Algengar starfsvenjur eru meðal annars:
– mæling á halla turnsins (hallaeftirlit),
– skoðun á sprungum í steypu og ástandi fúguefna,
– spenna bolta eftir ef þörf krefur,
– reglubundnar jarðtæknilegar kannanir á stöðum þar sem hætta er á landnámi,
– skoðun á útskornum túrbínum á hafi úti.
Eftirlit hjálpar til við að greina snemma breytingar á stífleika grunnsins, þannig að hægt sé að grípa til leiðréttinga áður en stór bilun á sér stað.
Niðurstaða
Undirstöður vindmyllu hafa áhrif á stöðugleika með getu þeirra til að þola lóðrétt, lárétt og veltiálag, en stjórna einnig sigi og titringi. Stífleiki undirstöðunnar ákvarðar kraftmikil viðbrögð kerfisins og tengist beint hættu á ómun og þreytu í burðarvirki. Val á gerð undirstöðu - grunn, staura, bergakkeri eða sjávarkerfi - verður að vera sniðið að jarðvegsaðstæðum, umhverfi og eiginleikum vindmyllunnar. Auk hönnunar eru gæði byggingar, frárennsli og langtímaeftirlit mikilvægir þættir í velgengni. Að lokum heldur rétt hönnuð og smíðuð undirstaða ekki aðeins vindmyllunni "stöðunni" heldur einnig tryggt að hún haldist stöðug, skilvirk og örugg allan líftíma hennar.
