風力渦輪機基礎的結構和類型
風力渦輪機的建造不僅僅在於地面上可見的高聳塔架和大型葉片。還有一個至關重要的部件在地下或海底真正發揮作用：基礎。基礎的作用是將渦輪機的全部載荷（包括靜態和動態載荷）安全地傳遞到地面，從而維持穩定性，並確保結構的使用壽命達到設計目標。本文將探討風力渦輪機基礎的基本架構及其在陸上和海上應用的類型。
基金會必須承擔的角色和責任
風力渦輪機承受著複雜的負荷組合。在正常運作條件下，基礎必須支撐塔筒、機艙、轉子和內部組件的自重。然而，最大的挑戰往往來自環境載荷和動態載荷，例如：
1. 風荷載（空氣動力學）
旋翼產生的推力會對塔架產生很大的水平力，並引發傾覆力矩。
2. 動態負荷和疲勞
轉子旋轉、湍流以及風向/風速的變化會產生重複的負荷，隨著時間的推移，這些負荷會導致裂縫和剛度降低。
3. 地震荷載
在地震多發地區，地基的設計必須能承受地面加速度、潛在的液化和永久變形。
4. 土壤條件（土壤工程）
土壤剪切強度、固結度、地下水位和承載力的變化會極大地影響地基類型的選擇。
5. 海上作業：波浪、水流和腐蝕
海上基礎需要承受水動力、波浪衝擊和腐蝕性環境，因此需要額外的保護。
由於風力渦輪機是細長高聳的結構，因此抗傾覆穩定性以及變形/傾斜控制是關鍵問題。過大的沉降或差異沉降會破壞塔架的對準，加劇振動，並加速零件失效。
陸域風力發電機基礎整體結構
陸上風力渦輪機的基礎通常是鋼筋混凝土基座，透過螺栓系統將塔筒固定。此結構通常包括：
– 基座/底座：突出於地面之上的混凝土部分，用於支撐塔架法蘭。
– 錨固籠/錨栓：由埋入式螺栓組成的框架，用於將塔架連接到混凝土上；該部件非常關鍵，因為它承受傾覆力矩產生的拉力和壓力。
– 主混凝土塊或板：大量的混凝土，用於提供重量並抵抗傾覆力。
– 主鋼筋和剪力鋼筋：用於控制裂縫、抵抗拉力、保持延性。
– 土壤加固層（選購）：土壤改良、土工織物或顆粒材料，以提高承載力。
風力渦輪機的基礎設計通常依靠自身重量（重力）和土壤承載力來抵抗傾覆力矩，因此其尺寸可能相當大。
陸域風力渦輪機基礎類型
1.重力式擴展基礎（淺基礎）
這是承載力良好的土壤中最常見的類型。其形狀可以是圓形或矩形，尺寸從幾米到幾十米不等，具體取決於渦輪機的容量和土壤條件。
Kelebihan：
施工過程相對簡單且容易理解。
– 在硬地到中等硬度的土地上具有競爭力的成本。
安裝後幾乎無需維護。
凱庫蘭甘：
需要大量的混凝土。
– 較不適合厚厚的軟土層或沉降風險較高的地區。
2. 岩石錨固基礎（岩石區）
若場地岩層較淺，地基可採用岩錨來抵抗傾覆力矩所產生的拉力。由於岩錨提供了一部分抗拉強度，混凝土的用量可以減少。
Kelebihan：
– 減少混凝土用量及挖掘量。
– 對優質岩石效果非常好。
凱庫蘭甘：
– 高度依賴岩石品質和錨固安裝情況。
– 需要高品質的控制（錨拉試驗、灌漿）。
3. 樁基礎
在軟土或厚可壓縮土層中，淺基礎有風險。解決方法是使用鑽孔灌注樁，通常也會配合樁帽。
Kelebihan：
– 適用於鬆軟土壤、沼澤或承載力低的地區。
減少沉降並增加剛度。
凱庫蘭甘：
成本更高，物流更複雜。
– 需要特殊設備和振動/噪音控制（特別是對於打入式樁）。
4. 混合式地基（土壤改良+淺層）
通常選擇的替代方案是先改良土壤，例如進行土壤置換、石柱加固、深層攪拌或灌漿，然後再採用淺基礎。
Kelebihan：
– 可能比全桅杆更經濟。
– 若土壤改良方法合適，則加快施工速度。
凱庫蘭甘：
– 需要進行詳細的土壤工程勘察和嚴格的品質控制。
離岸風力渦輪機基礎：挑戰與常見結構
在海上環境中，基礎必須在更惡劣、更動態的環境中運作。除了支撐渦輪機的負荷外，基礎還必須考慮以下因素：
– 由於水流/波浪作用，地基周圍出現沖刷（海底侵蝕）。
鋼結構和接頭的腐蝕。
– 使用特殊船舶進行運輸和安裝，並受天氣限制（天氣窗口）。
海上結構通常包括基礎和塔架之間的過渡段、防腐蝕（塗層/陰極保護）和防沖刷系統（護面石、墊層或土工織物）。
離岸風力渦輪機基礎類型
1. 單樁
單樁是一種打入海底的大型鋼管。根據其直徑、深度和土壤條件，這是淺水至中水區域最常見的結構類型。
Kelebihan：
設計相對簡單，但擁有豐富的行業經驗。
– 若天氣允許，可快速安裝（打樁/鑽孔）。
凱庫蘭甘：
– 打樁過程中噪音很大（影響海洋生物）。
– 在較深的水域或非常堅硬/多石的土壤中效率較低。
2. 外套（網格框）
導管架式基礎由三腳或四腳鋼框架組成，透過樁基錨定在海床上。它們通常用於比單樁基礎更深的海域。
Kelebihan：
– 在中深水區較穩定。
– 負載分散在多條腿上，適用於某些條件。
凱庫蘭甘：
製造和安裝更加複雜。
– 淺層樁的成本高於單樁。
3. 重力式基礎結構（GBS）
海底基礎（GBS）是一種放置在海底的重型基礎（通常為混凝土）。其穩定性主要依靠結構的質量和與海底的摩擦接觸來實現，有時會輔以壓載物。
Kelebihan：
– 樁基工程量極小（噪音較小）。
– 適用於海底可以進行良好開發的地點。
凱庫蘭甘：
需要仔細準備海底。
運輸大型設備需要強大的物流能力。
4. 吸水桶/吸水沉箱
這種類型的樁基採用鋼製鬥體，利用壓力差（吸力）進行安裝。它的優點在於安裝速度相對較快，而且比打樁更安靜。
Kelebihan：
安裝速度更快，而且可能更環保。
– 可以減少對錘式打樁的需求。
凱庫蘭甘：
– 對土壤類型敏感（高度依賴岩土工程條件）。
– 需要嚴格的安裝控制和壓力監控。
5. 浮動基礎（浮動式風力渦輪機）
對於深水區域，固定式基礎變得不經濟。渦輪機使用浮動平台，例如立柱式浮標、半潛式平台或張力腿平台（TLP），並透過繫泊系統固定到位。
Kelebihan：
—— 開啟了深海強風區域的可能性。
– 安裝工作大多可以在港口完成，然後拖曳到目的地。
凱庫蘭甘：
– 更複雜的設計與操作（流體力學-結構）。
– 需要動態繫泊和電纜基礎設施。
選擇基礎類型的因素
地基的選擇不能一概而論，因為它取決於以下因素的綜合作用：
– 渦輪機容量（兆瓦）、塔筒高度和轉子直徑。
– 土壤特性：承載力、軟土層、岩石、液化潛力。
– 水深和海洋氣象條件（適用於近海）。
施工限制：重型設備的取得、混凝土物流、安裝船隻的可用性。
– 生命週期成本：不僅包括初始成本，還包括檢查、防腐蝕和維修。
– 環境法規與影響：噪音、棲息地破壞和挖掘材料的管理。
關閉
基礎是風力渦輪機的“根基”，決定整個系統的穩定性、性能和使用壽命。陸上風力渦輪機通常採用淺層重力式基礎，但當土壤條件需要特殊解決方案時，則會選擇樁基、岩錨或混合式基礎。離岸風力渦輪機目前仍以單樁基礎為主，但導管架、重力式基礎、吸力桶式基礎，甚至浮式平台等基礎技術也不斷發展，以滿足對深度和效率的需求。透過適當的岩土工程勘察、精確的結構計算和合適的安裝方法，基礎可以確保風力渦輪機安全可靠地運作數十年。
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