Жел турбинасының негізі және оңтайлы дизайн
Жел турбиналары энергияны таза қуат көздеріне көшірудің негізгі тірегі болып табылады. Дегенмен, айналмалы қалақтар мен биік мұнаралардың артында көбінесе аз назар аударылатын, бірақ жүйенің қауіпсіздігі, сенімділігі және қызмет ету мерзімі үшін маңызды компонент жатыр: іргетас. Жел турбинасының іргетасы мұнара мен гондоладан бүкіл жүктемені жерге немесе теңіз түбіне тасымалдауға қызмет етеді, сонымен қатар өзгеретін жел күштеріне, дірілдерге және күрделі геотехникалық жағдайларға қарсы тұрақтылықты сақтайды. Сондықтан, іргетастың оңтайлы дизайны тек «үлкен бетон жасау» мәселесі емес, керісінше құрылымдық, геотехникалық, құрылыстық, экономикалық және экологиялық аспектілер арасындағы тепе-теңдікті сақтау болып табылады.
Жел турбинасының іргетастарының рөлі мен қиындықтары
Жел турбинасының іргетастары жүктемелердің ерекше үйлесіміне ұшырайды. Тік жүктемелерден (құрылымның, гондоланың, ротордың және ішкі компоненттердің өзіндік салмағы) басқа, іргетас жел екпінінен, жел бағытының өзгеруінен, роторға аэродинамикалық күштерден және турбина жұмысының динамикалық әсерлерінен туындаған бүйірлік жүктемелерге және аударылу моменттеріне де төтеп береді. Белгілі бір жерлерде жер сілкінісі, құрлықтың шөгуі немесе мұздату-еріту циклдары сияқты қосымша жүктемелерді де ескеру қажет.
Қиындық мынада: бұл жүктемелер циклдік және динамикалық болып табылады, бұл іргетастардың материалдың шаршауына, топырақ қаттылығының өзгеруіне және ықтимал дифференциалды шөгуге төтеп беруін талап етеді. Егер іргетас тым икемді болса, мұнара шамадан тыс дірілге ұшырауы мүмкін, бұл жұмысты бұзып, компоненттердің қызмет ету мерзімін қысқартады. Керісінше, егер ол тым қатты және тым үлкен болса, шығындар сәйкес пайдасыз артады.
Жел турбинасының іргетас түрлері: құрлықта және теңізде
Жалпы, жел турбиналарының іргетастары екіге бөлінеді: құрлықтағы және теңіздегі. Әрқайсысының іргетас түрі әртүрлі нұсқалары бар.
1) Құрлықтағы қор
1. Гравитациялық базалық негіз (GBF)
Жағалаудағы турбиналардың ең көп таралған түрі - дөңгелек немесе көпбұрышты темірбетон іргетас. Тұрақтылық іргетастың өзіндік салмағы және топырақпен өзара әрекеттесуі арқылы қол жеткізіледі. GBF-терді құрастыру салыстырмалы түрде оңай, жеткілікті көтергіштігі бар топырақтарға жарамды және бәсекеге қабілетті бағаларды ұсынады.
2. Қадалы іргетас (қадалар)
Топырақтың беткі қабаты әлсіз немесе қалың жұмсақ қабат болған кезде қолданылады. Жүктеме топырақтың терең қабаттарына қадалар (бетон немесе болат) арқылы беріледі. Бұл жүйе бүйірлік сыйымдылықты арттырып, шөгуді азайта алады, бірақ әдетте қымбатырақ және арнайы жабдықты қажет етеді.
3. Тасқа бекітілген іргетас
Тасты жерлерде іргетастарды бекіткіш болттарды пайдаланып, негізгі жынысқа бекітуге болады. Бұл шешім тиімді болуы мүмкін, себебі ол бетон көлемін азайтады, бірақ ол жыныстың сапасына және бұрғылау/бекіту процедурасына қатты тәуелді.
2) Қор оффшорлық (оффшорлық)
1. Монопиль
Таяз және орташа сулардағы теңіз турбиналары үшін ең танымал түрі. Монопилдер - теңіз түбіне енгізілген үлкен диаметрлі болат құбырлар. Олардың артықшылықтарына қарапайым дизайн және салыстырмалы түрде жылдам орнату жатады, бірақ олар жүргізу кезінде қатаң динамикалық талдауды және шуды бақылауды қажет етеді.
2. Курткаға арналған тоналды крем
Бірнеше қадалы аяқтары бар болат ферма құрылымы. Терең сулар мен ауыр жүктерге жарамды. Қабық күрделірек, бірақ белгілі бір тереңдікте материалдық тұрғыдан тиімді.
3. Теңіздегі гравитациялық база
Құрлықтағы GBF-қа ұқсас, бірақ теңіз түбі мен гидродинамикалық жағдайларға арналған. Құрылысы үлкен және орнату қиын болуы мүмкін.
4. Қалқымалы іргетас (қалқымалы)
Терең суда іргетас қалқымалы (жартылай су асты, шпат немесе TLP) болып табылады және байлаулармен бекітіледі. Бұл терең сулы аймақтарда теңізде игеру үшін айтарлықтай мүмкіндіктер ашады, бірақ күрделі байлау мен динамикалық кабельдік жүйелерді жобалауды қажет етеді.
Оңтайлы дизайн принциптері
Оңтайлы іргетас жобасы құрылымдық өнімділік, геотехникалық жарамдылық, құрылыстың қарапайымдылығы және өмірлік цикл құны арасындағы тепе-теңдікке қол жеткізуі керек. Негізгі қағидаттар келесідей:
1) Орналасқан жер туралы деректерді мұқият түсініңіз
Оңтайландыру учаскені зерттеуден басталады: ұңғымаларды сынау, SPT/CPT, зертханалық сынақтар, геологиялық картаға түсіру, жер асты суларының деңгейі туралы деректер және көшкін немесе сұйылту тарихы. Жақсы жобалау жалпы болжамдарға сүйенбеуі керек, себебі топырақ жағдайының бірнеше метрге өзгеруі іргетас өлшемдеріне қойылатын талаптарды күрт өзгертуі мүмкін.
2) Домалау және сырғанау тұрақтылығын басқару
GBF үшін негізгі емтихандарға мыналар кіреді:
– Аудару: ұстап тұру моментінің (іргетастың және арматураның салмағынан) аударылу моментіне төтеп беру үшін жеткілікті екеніне көз жеткізу.
– Сырғанау: ығысу күшінің іргетас негізінің ығысу сыйымдылығынан аспауын қамтамасыз ету.
– Тірек сыйымдылығы: тиісті қауіпсіздік коэффициентімен іргетастың жанасу қысымының топырақтың көтергіштік шегінде болуын қамтамасыз етеді.
Қадалы іргетастарда назар бүйірлік сыйымдылықты, қада басындағы моменттерді және қада тобының әсерлерін қамтиды.
3) Динамикалық реакцияны және табиғи жиілікті басқару
Жел турбиналарының жұмыс жиіліктерінің диапазоны бар. Іргетастар мен мұнаралар құрылымның табиғи жиіліктері ротордың қоздыру жиіліктерімен (мысалы, үш қалақты турбинада 1P және 3P) «сәйкес келмейтіндей» етіп жобалануы керек. Бұл тұжырымдама өте маңызды, себебі резонанс дірілді арттырып, компоненттерді зақымдауы мүмкін. Сондықтан, оңтайландыру көбінесе іргетастың қаттылығын, мұнара диаметрін/қалыңдығын және қосылым бөлшектерін реттеуді қамтиды.
4) Қосылым мәліметтері: бекіткіш тор және тірек сақинасы
Жағалаудағы турбиналарда мұнара мен іргетас арасындағы қосылыс әдетте бетонға орнатылған якорь торларын (үлкен якорь болттарын) пайдаланады. Бұл бөлшек келесідей жобалануы керек:
– аударылу моменттерінен туындаған созылу күштеріне төтеп береді,
– бетон жарықтарын бақылау,
– мұнараны орнатуға төзімділікті сақтау,
– коррозияның алдын алады (әсіресе ылғалды/агрессивті ортада).
Бұл аймақтағы бөлшектерді анықтау немесе орнату қателіктері, тіпті іргетастың өлшемдері «жеткілікті үлкен» болып көрінсе де, күрделі мәселелерге әкелуі мүмкін.
5) Материалдың тиімділігі және құрылыс әдістері
Оңтайлы деген әрқашан бетон көлемінің минималды болуын білдірмейді, бірақ көбінесе бетон көлемінің, арматура мөлшерінің, жұмыс уақытының, ауыр жабдыққа қойылатын талаптардың және кідіріс қаупінің ең тиімді үйлесімін білдіреді. Мысалы:
– Бетон көлемін азайту шығындарды азайтуы мүмкін, бірақ егер қосымша күрделі арматура қажет болса, жалпы құны артуы мүмкін.
– Шалғай жерлерде материалдық логистика басым факторға айналады; қарапайым жобалар кейде үнемдірек болады.
6) Қоршаған ортаның тұрақтылығы және дренаж
Құрлықта іргетастарды эрозиядан және судың зақымдануынан қорғау қажет. Дренаж жүйелері, көлбеуден қорғау және жер үсті суларын бақылау іргетас айналасындағы шөгудің алдын ала алады. Құрлықта коррозия және толқындардың шаршауы негізгі мәселелер болып табылады, сондықтан катодтық қорғаныс пен жабындар басынан бастап жоспарлануы керек.
Тәжірибедегі оңтайландыру стратегиясы
Іргетастың дизайнын оңтайландыру әдетте келесі қадамдарды орындайды:
1. Қалыпты жұмыс жағдайларын, қатты дауылдарды, апаттық өшірулерді және тасымалдау/монтаждауды қамтитын турбина жеткізушісінен алынған жобалық жүктемелерді (жүктеме жағдайларын) анықтаңыз.
2. Топырақ қабаттары мен беріктік/сығымдалу параметрлерін көрсететін геотехникалық модель құрыңыз.
3. Айналуды, шөгуді және тиімді қаттылықты болжау үшін топырақ-құрылым өзара әрекеттесуін талдау.
4. Өнімділік мақсаттарына (тұрақтылық, жиілік, жарықшақтану, шаршау) жету үшін өлшемдер мен бөлшектерді қайталаңыз.
5. Құрылыстың қолжетімділігі мен құнын қарастырыңыз: қазу әдістері, сусыздандыру талаптары, бетон қоспасын араластыру, қатаю және сапаны бақылау/сапаны бақылау жоспарлары.
6. Тәуекелді азайту: тексеру жоспарлары, дірілді бақылау және техникалық қызмет көрсету стратегиялары.
Бұл тәсілмен оңтайлы дизайн бір жерден екінші жерге дейін өзгеруі мүмкін, тіпті бірдей турбина түрін пайдаланған кезде де.
Қорытынды
Жел турбинасының іргетастары құрлықта немесе теңізде болсын, турбинаның тұрақтылығы мен қызмет ету мерзімі үшін өте маңызды. Оңтайлы жобалау динамикалық жүктемелерді, топырақтың мінез-құлқын, қосылым бөлшектерін және ұзақ мерзімді құрылыс пен шығын аспектілерін мұқият түсінуді талап етеді. Тиісті іргетас түрін - гравитациялық негіз, қада, монопиль, қабықша немесе қалқымалы - таңдау әрқашан алаң жағдайлары мен өнімділік көрсеткіштеріне негізделуі керек. Геотехникалық және құрылымдық қағидаттар нақты құрылыс стратегиясымен біріктірілген кезде, нәтиже тек қауіпсіз ғана емес, сонымен қатар тиімді, сенімді және жел энергиясы жобасының тұрақтылығын қолдайтын іргетасқа айналады.
Қаласаңыз, мен бұл мақаланы техникалық тұрғыдан (мысалы, негізгі жобалау формулаларын, геотехникалық параметрлерді және қарапайым есептеу мысалдарын қосу) немесе жалпы оқырмандар үшін танымал ету үшін бейімдей аламын.
