Aktualnie stosowane rozwiązania konstrukcji wsporczych turbin wiatrowych

Stała morska turbina wiatrowa składa się z kilku części. Jej zasadniczym elementem jest wirnik zamocowany do układu konwersji energii mechanicznej na elektryczną znajdującego się w gondoli. Gondola jest z kolei zamocowana do wieży, która wraz z podwodną konstrukcją wsporczą odpowiada za przenoszenie sił przez turbinę do dna w celu zapewnienia równowagi statycznej i dynamicznej konstrukcji.

Istnieją różne definicje konstrukcji wsporczej morskiej turbiny wiatrowej. Przez konstrukcję wsporczą rozumie się część podwodną turbiny wiatrowej, która stoi bezpośrednio na dnie i jest połączona z cylindrem kontrolującym pionowe ułożenie wieży. Obecnie stosowanymi typami podwodnych konstrukcji wsporczych są: zwykły cylinder (z ang. monopile), trójnóg (z ang. tripod), konstrukcja kratownicowa (z ang. jacket) i noga żelbetowa w postaci odwróconego stożka połączona z cylindrem (z ang. gravity based structure).

rysunek monopile

Najprostszym rozwiązaniem jest użycie pojedynczego cylindra jako konstrukcji wsporczej, który jest wbijany na znaczną głębokość w dno. W przypadku zastosowania tego rozwiązania na głębszych wodach i dla większych turbin średnica takiego cylindra i grubość ścianki muszą być odpowiednio zwiększone aby układ skutecznie przenosił siły poprzeczne działające na konstrukcję. Przy głębokościach akwenu większych niż 40 m rozwiązanie to napotyka na problemy technologiczne.

rys gravity based structure

Noga żelbetowa jest bardzo ciężką konstrukcją wsporczą, która stoi nieprzymocowana na dnie znacznie. Rozwiązanie to umożliwia obniżenie położenia punktu ciężkości turbiny a zatem poprawia jej stabilność. Ten typ konstrukcji wsporczej wymaga zastosowania specjalnych technik „wzmocnienia” dna ponieważ konstrukcja ta wywiera duży nacisk na dno i może osiąść w sposób nierównomierny przechylając się w określonym kierunku.

rysunek jacket

Rozwiązaniem, które sprawdza się od szeregu lat i stosuje się w morskim przemyśle wydobywczym jest konstrukcja kratownicowa. Ten typ konstrukcji świetnie sprawdza się w trudnych warunkach środowiskowych. Z drugiej strony, ze względu na liczne połączenia spawane pomiędzy różnymi elementami tej konstrukcji, koszt jednostkowy takiej konstrukcji jest duży, co w powiązaniu z faktem występowania dużej liczby turbin w pojedynczej farmie wiatrowej, zmusza inwestora do podwyższenia finansowania projektu.

rysunek tripod

Rozwiązaniem pośrednim pomiędzy zwykłym cylindrem (nieskomplikowana geometrycznie konstrukcja) a konstrukcją kratownicową (efektywność w przenoszeniu sił poprzecznych na głębszych wodach) jest trójnóg. Trójnóg jest konstrukcją dużo mniej skomplikowaną geometrycznie niż kratownica ponieważ składa się pionowej rury do której przyspawane są trzy stężenia, które wraz z małymi cylindrami tworzą nogi trójnoga. Podstawa trójnoga rozumiana jako obszar koła, w który wpisane są nogi tej konstrukcji jest znacznie większy od średnicy zwykłego cylindra co czyni to rozwiązanie bardziej skuteczne w przenoszeniu sił poprzecznych działających na konstrukcję. Konstrukcje typu „jacket” i „tripod” są zamocowywane do dna za pomocą szpilek aby zapewnić odpowiednią stabilność warunków posadowienia.

Ze względu na swoje zalety konstrukcja trójnoga została wybrana do dalszej analizy pod kątem zastosowania czujników odkształceń do oceny stanu konstrukcji. Stan konstrukcji jest rozumiany jako stan mechaniczny konstrukcji z ustalonymi warunkami brzegowymi, która jest poddana znanym obciążeniom statycznym i nieznanym obciążeniom dynamicznym i w której może się ujawnić uszkodzenie w postaci np. pęknięcia.