Выбрать страницу

Журнал «Inseneeria»
Март Арро, E-Betoonelement

Поскольку ветряная энергия является одним из наиболее важных возобновляемых источников энергии в мире, а также совершенно новой отраслью промышленности, очень важно научиться получать энергию ветра максимально эффективным способом. До сих пор мачты для наземных ветрогенераторов изготавливались преимущественно из стали. Более мощные генераторы необходимо устанавливать на более высокие мачты, для строительства которых целесообразнее использовать бетон.

Много лет назад ветрогенераторы преимущественно использовались в сельскохозяйственных целях (для перемалывания зерна, закачки воды и т.д.). Эти величественные строения, многие из которых сохранились до наших дней, являются живым свидетельством того, чего может добиться человек, используя свои способности. Тем не менее, с годами требования к ветрогенераторам и мачтам для них существенно возросли, так же как и их мощность - с изначальных 5-30 кВт до современных 5-6 мВт. Также постоянно растет высота мачт ветрогенераторов – от 10 метров в 1970 до 20 м в 1983, от 50 м в 1990 до 85 м в 2000 и до 140 м сегодня.

Наверху – ветер «лучше»
В ходе всей истории существования генераторов предпринимались попытки производства и установки ветрогенераторов с горизонтальной и вертикальной осью вращения, а также генераторов с одной, двумя и тремя лопастями. На сегодняшний день наиболее распространенными являются трехлопастные ветрогенераторы с горизонтальной осью, т.к. они являются наиболее эффективными. Как же из ветра получают энергию? Количество энергии можно вычислить при помощи упрощенной формулы P = KD2V3, где P – это энергия, K - коэффициент, D – диаметр ротора и V – скорость ветра.

Другими словами, ветряная энергия равна диаметру ротора в квадрате и скорости ветра в кубе. Чем выше установлена мачта от поверхности земли, тем больше скорость ветра и лучше качество, т.к. в непосредственной близости от земной поверхности, в зависимости от рельефа, строений и леса, возникают трение и турбулентность, которые существенно ухудшают свойства ветра. Следовательно, чем больший диаметр имеет ротор (крыльчатка) и чем выше он установлен, тем больше будет выработано электроэнергии.

90 м – рубеж по высоте
Среди назменых ветрогенераторов стандартом являются турбины мощностью 2,5-3 мВт, и башни, на которых они устанавливаются, соответственно, должны отличаться прочностью и устойчивостью. Например, турбина мошностью 2,5-3 мВт вместе с ротором диаметром 100 метров весит около 150 тонн. Крыльчатка такой турбины, установленная на мачте высотой 100-150 метров, делает около 10-20 оборотов в минуту. В таких условиях мачты для ветрогенераторов должны быть высокоустойчивыми к большой статической и динамической нагрузкам. Именно опасности, связанные с большими нагрузками, а также с износом материалов очень усложняют проектирование башен. Башни высотой до 90 м, предназначенные для установки турбин мощностью менее 2,5 мВт, можно изготавливать из стали. При производстве более высоких башен для установки более мощных турбин как по техническим, так и финансовым соображениям целесообразнее использовать монтируемый бетон. Бетонная конструкция обеспечивает достаточную жесткость башни при установке больших турбин и длинных лопастей, что помогает контролировать вибрацию. Также из бетона проще изготавливать резонансоустойчивые решения для мачт. При производстве металлических башен секции соединяются между собой посредством болтового соединения, и для сооружения одной мачты требуются сотни болтов. В условиях постоянной вибрации необходимо постоянно проверять болтовые соединения. При использовании бетонных мачт таких проблем просто-напросто не существует, и, следовательно, их обслуживание обходится намного дешевле. Кроме того, элементы башен из монтируемого бетона являются более привлекательными, и из них можно довольно быстро собрать башню, подходящую для установки той или иной модели турбины. Зачастую доступ к ветропаркам ограничен, а дороги узкие и извилистые. В ходе проектирования размер монтируемых элементов подбирается таким образом, чтобы их доставка даже к наиболее труднодоступным объектам была несложной и беспроблемной.

Стены толщиной 30 см
Бетон – это общедоступный, безвредный для окружающей среды материал, который к тому же имеет относительно стабильную стоимость. При строительстве мачт высотой более 100 м бетонные решения гарантируют ощутимые преимущества в плане стоимости по сравнению со стальными мачтами, т.к. диаметр мачты и толщина стального листа, необходимого для её строительства, значительно возрастают. Увеличение массы стальных секций и проблемы с транспортировкой, скорей всего, будут способствовать скачкообразному росту стоимости стальных конструкций. Мы изготавливаем два типа мачт из монтируемого бетона: мачты высотой 100-110 м, изготовленные полностью из бетона, в которых бетонная часть достигает турбины, и мачты-гибриды высотой 100-150 м, изготовленные частично из бетона и частично из стали. Нижняя часть мачты-гибрида изготавливается из бетона, а верхняя часть высотой 50-70 м – из стали. В гибридных мачтах полезные свойства обоих материалов нашли свое достойное применение. Мачта для ветрогенератора из монтируемого бетона – это, по сути, усеченный конус со стенкой толщиной ок. 30 см. Эта бетонная мачта, в свою очередь, разделена на цилиндры высотой приблизительно 10-15 м, установленные друг на друга, которые, в свою очередь, разделены на сегменты, или монтируемые элементы. Размер самой широкой части элемента составляет 3,5 м, а высота зависит от высоты цилиндра – от 10 до 15 м. Максимальный вес элемента – 40 тонн. Монтируемые элементы изготавливаются на заводе из самоуплотняющегося бетона. Бетонные панели, или сегменты, поставляемые на строительную площадку, предварительно монтируются в виде упомянутых ранее цилиндров высотой 10-15 м. Эти цилиндры, в свою очередь, поднимаются и устанавливаются один на другой, в результате чего образуется бетонное тело мачты в форме усеченного конуса. На конец мачты устанавливается бетонная адаптерная плита, к которой крепится ветряная турбина или если речь идет о башне-гибриде – стальная мачта. Вся бетонная мачта от адаптерной плиты до фундамента подвергается предварительному напряжению. Это необходимо для того, чтобы гарантировать прочность башни относительно динамических нагрузок, обусловленных работой генератора. Например, башня высотой 100 м может весить до 1500 тонн и состоять приблизительно из 70 монтируемых бетонных элементов.