Uppbygging og gerðir undirstaða fyrir vindmyllur
Smíði vindmylla snýst ekki bara um háu turnana og stóru blöðin sem sjást á yfirborðinu. Það er mikilvægur þáttur sem „virkar“ í raun neðanjarðar eða á sjávarbotni: undirstaðan. Undirstaðan þjónar til að flytja allan álag vindmylla á öruggan hátt - bæði kyrrstæðan og kraftmiklan - til jarðar, viðhalda stöðugleika og tryggja að endingartími mannvirkisins uppfylli hönnunarmarkmið. Þessi grein fjallar um grunnbyggingu vindmylluundirstöðum og gerðir þeirra fyrir notkun á landi og á hafi úti.
-
Hlutverk og byrði sem stofnanir verða að bera
Vindmyllur verða fyrir flóknu álagi. Við venjulegar rekstraraðstæður verður undirstaðan að bera eiginþyngd turnsins, nacelle, snúningshjólsins og innri íhluta. Hins vegar stafa stærstu áskoranirnar oft af umhverfis- og hreyfiálagi, svo sem:
1. Vindálag (loftaflfræðilegt)
Þrýstingurinn frá snúningshlutanum skapar mikinn láréttan kraft á turninn og veldur veltimóti.
2. Kraftmikil álag og þreyta
Snúningur snúningshluta, ókyrrð og breytingar á vindátt/hraða skapa endurteknar álagsmyndanir sem geta valdið sprungum og minnkaðri stífleika með tímanum.
3. Jarðskjálftaálag
Á jarðskjálftasvæðum verður að hanna undirstöður til að þola jarðhröðun, hugsanlega flæði og varanlega aflögun.
4. Jarðvegsaðstæður (jarðtæknilegar)
Breytileiki í skerstyrk jarðvegs, þjöppun, grunnvatnsstöðu og burðarþoli hafa mikil áhrif á val á undirstöðugerð.
5. Fyrir hafið: öldur, straumar og tæring
Undirstöður á hafi úti þola vatnsafl, ölduáhrif og tærandi umhverfi sem krefst aukinnar verndar.
Þar sem vindmyllur eru mjóar og háar mannvirki eru mikilvægustu atriðin stöðugleiki gegn velti og stjórn á aflögun/halla. Of mikil sig eða mismunur getur truflað röðun turnanna, aukið titring og flýtt fyrir bilun íhluta.
-
Almenn uppbygging vindmyllugrunns (á landi)
Í túrbínum á landi er grunnurinn yfirleitt steinsteyptur fótur sem festir turninn með boltakerfi. Mannvirkið samanstendur almennt af:
– Súla / Sökkill: steyptur hluti sem stendur út frá jörðu niðri sem stuðningur fyrir turnflansinn.
– Akkerigrind / akkerboltar: grind úr innfelldum boltum sem tengir turninn við steypuna; þessi þáttur er mjög mikilvægur því hann ber tog- og þjöppunarkrafta sem stafa af veltimótum.
– Aðalsteypublokk eða -plata: stór steypumassi sem þyngir og stendur gegn veltikrafti.
– Aðalstyrking og skerstyrking: til að stjórna sprungum, standast spennu og viðhalda teygjanleika.
– Jarðvegsstyrkingarlag (valfrjálst): jarðvegsbæting, jarðdúkur eða kornótt efni til að auka burðarþol.
Samkvæmt hönnun treysta undirstöður vindmyllna oft á blöndu af eiginþyngd (þyngdarafli) og burðargetu jarðvegs til að standast veltimót, þannig að stærð þeirra getur verið nokkuð mikil.
-
Tegundir undirstaða vindmyllu á landi
1. Undirstaða með þyngdarafjölda (grunn)
Þetta er algengasta gerðin fyrir jarðveg með góða burðarþol. Lögun hennar getur verið hringlaga eða rétthyrnd, með stærð frá nokkrum metrum upp í tugi metra, allt eftir afkastagetu túrbínunnar og jarðvegsaðstæðum.
Umframmagn:
– Smíði er tiltölulega einföld og kunnugleg.
– Samkeppnishæf verð á erfiðu til meðal erfiðu landi.
- Lágmarks viðhald eftir uppsetningu.
Skortur:
– Þarfnast mikils magns af steypu.
– Hentar síður þykkum, mjúkum jarðvegi eða svæðum þar sem mikil hætta er á sigi.
2. Grunnur klettasankera (grjótsvæði)
Ef grjót er grunnt er hægt að nota bergfestingar til að standast togkrafta sem orsakast af veltimótum. Hægt er að gera steypuna hallari þar sem festingarnar leggja sitt af mörkum við togþolið.
Umframmagn:
– Minnkar steypu- og uppgröftarmagn.
– Mjög áhrifaríkt á góðum steinum.
Skortur:
– Mjög háð gæðum bergsins og uppsetningu akkera.
– Krefst mikillar gæðaeftirlits (akkeriprófun, fúguefni).
3. Staurgrunnur
Í mjúkum jarðvegi eða þykkum, þjappanlegum lögum getur grunn undirstaða orðið áhættusöm. Lausnin er að nota boraða staura, oftast ásamt staurahettum.
Umframmagn:
– Hentar vel í mjúkum jarðvegi, mýrlendi eða svæðum með litla burðarþol.
– Minnkar sig og eykur stífleika.
Skortur:
– Hærri kostnaður og flóknari flutningsaðferðir.
– Krefst sérstaks búnaðar og titrings-/hávaðavörn (sérstaklega fyrir rekna staura).
4. Blendingsgrunnur (jarðvegsbætur + grunnt undirlag)
Sá möguleiki sem oft er valinn er að bæta jarðveginn fyrst, til dæmis með jarðvegsskiptingu, steinsúlum, djúpblöndun eða fúgufun, og nota síðan grunnan grunn.
Umframmagn:
– Getur verið hagkvæmara en fullur mastur.
– Flýta fyrir framkvæmdum ef jarðvegsbætingaraðferðin hentar.
Skortur:
– Krefst ítarlegra jarðtæknilegra rannsókna og strangs gæðaeftirlits.
-
Undirstöður vindmyllu á hafi úti: Áskoranir og algengar mannvirki
Undirstöður á hafi úti verða að virka í árásargjarnara og kraftmeira umhverfi. Auk þess að bera álag á túrbínum verða undirstöður einnig að hafa í huga:
– Skerjun (rof á sjávarbotni) í kringum grunninn vegna strauma/öldu.
– Tæring á stálvirkjum og samskeytum.
– Flutningur og uppsetning með sérstökum skipum og veðurtakmörkunum (veðurgluggi).
Mannvirki á hafi úti innihalda almennt millistykki milli grunnsins og turnsins, tæringarvörn (húðun/kaþóðvörn) og ertingarvarnarkerfi (brynjusteinn, dýna eða geotextíl).
-
Tegundir undirstöður fyrir vindmyllur á hafi úti
1. Einhögg
Einstöng er stór stálpípa sem er rekin niður í sjávarbotninn. Þetta er algengasta gerðin fyrir grunnt til meðalsjó, allt eftir þvermáli, dýpi og jarðvegsaðstæðum.
Umframmagn:
– Tiltölulega einföld hönnun, mikil reynsla í greininni.
– Hrað uppsetning (staurar/boranir) ef veður leyfir.
Skortur:
– Mikill hávaði við stauragerð (hefur áhrif á lífríki sjávar).
– Minni skilvirkni í dýpri sjó eða mjög hörðum/grýttum jarðvegi.
2. Jakki (grindargrind)
Undirstöður með kápu eru þrí- eða fjórfætt stálgrindur sem eru festar við sjávarbotninn með staurum. Þær eru almennt notaðar á meira dýpi en einstaurar.
Umframmagn:
– Stöðugara fyrir meðaldjúpt dýpi.
– Álag dreift yfir marga fætur, hentugt við ákveðnar aðstæður.
Skortur:
– Smíði og uppsetning eru flóknari.
– Hærri kostnaður en einstaurar á grunnu dýpi.
3. Þyngdargrunnsbygging (GBS)
GBS er þungur undirstaða (venjulega úr steinsteypu) sem sett er á sjávarbotninn. Stöðugleiki næst með massa mannvirkisins og núningstengingu við sjávarbotninn, stundum bætt við með kjölfestu.
Umframmagn:
– Lágmarks vinna við stauragerð (hávaðavænna).
– Hentar vel á stöðum með sjávarbotni sem hægt er að undirbúa vel.
Skortur:
– Krefst vandlegrar undirbúnings á sjávarbotni.
– Flutningur stórra eininga krefst mikillar flutninga.
4. Sogfötu / Sogkassi
Þessi gerð notar stálfötu sem er sett upp með mismunadrýsti (sog). Hún er aðlaðandi vegna þess að hún er tiltölulega fljótleg í uppsetningu og getur verið hljóðlátari en stauragerð.
Umframmagn:
– Uppsetningin er hraðari og hugsanlega umhverfisvænni.
– Hægt er að draga úr þörfinni fyrir hamarstöflun.
Skortur:
– Viðkvæmt fyrir jarðvegsgerð (mjög háð jarðtæknilegum aðstæðum).
– Krefst strangs uppsetningareftirlits og þrýstingseftirlits.
5. Fljótandi grunnur (fljótandi túrbína)
Á djúpum sjó verða fastar undirstöður óhagkvæmar. Túrbínur nota fljótandi palla eins og baujur, hálfkafbáta eða spennuleggspalla (TLP), sem eru haldnir á sínum stað með festarkerfi.
Umframmagn:
– Að opna möguleika á stöðum með sterkum vindi í djúpsjó.
– Uppsetning er að mestu leyti hægt að gera í höfninni og síðan draga hana á staðinn.
Skortur:
– Flóknari hönnun og rekstur (vökvafræði-mannvirki).
– Krefst kraftmikillar akkeris- og kapalinnviða.
-
Þættir við val á gerð grunns
Ekki er hægt að alhæfa um val á undirstöðu, því það ræðst af eftirfarandi þáttum:
– Afköst túrbínu (MW), hæð turnsins og þvermál snúningshluta.
– Jarðvegseinkenni: burðarþol, mjúk lög, berg, flæðigeta.
– Vatnsdýpi og aðstæður í úthafinu (fyrir hafið).
– Takmarkanir á framkvæmdum: aðgangur að þungavinnuvélum, flutningar á steypu, framboð á uppsetningarskipum.
– Líftímakostnaður: ekki aðeins upphafskostnaður, heldur einnig skoðanir, tæringarvörn og viðgerðir.
– Umhverfisreglur og áhrif: hávaði, röskun á búsvæðum og meðhöndlun uppgrafins efnis.
-
Lokun
Undirstöður eru „rætur“ vindmyllu og ákvarða stöðugleika, afköst og endingartíma alls kerfisins. Á landi eru grunnir undirstöður byggðar á þyngdarkrafti mikið notaðar, en staurar, bergfestingar eða blendingar eru valdir þegar jarðvegurinn krefst sérhæfðrar lausnar. Á hafi úti eru einstaurar enn ráðandi, en undirstöður, þyngdarkraftsfestingar, sogfötur og jafnvel fljótandi pallar halda áfram að þróast til að mæta þörfum fyrir dýpt og skilvirkni. Með réttum jarðtæknilegum rannsóknum, nákvæmum útreikningum á burðarvirkjum og viðeigandi uppsetningaraðferðum geta undirstöður tryggt að vindmyllur starfi örugglega og áreiðanlega í áratugi.
Ef þú vilt get ég aðlagað þessa grein að tæknilegri þætti (t.d. með því að bæta við hönnunarbreytum, viðmiðunarstöðlum eins og IEC/DNV og dæmum um víddarmælingar) eða að hún verði vinsælli fyrir almenna lesendur.
