فونداسیون توربین بادی

مهمترین عاملی که در طراحی فونداسیون توربین بادی مورد توجه قرار می گیرد نیروی وارده بر توربین در بالاترین سرعت باد ممکن است. دومین عامل موثر در پارامتر های طراحی نیروهای توربین در هنگام کار توربین است. نیرو های مانند نیروهای ممان خمشی توربین، مکانیزم سمت دهی و کنترل گام از جمله این نیرو ها هستند. بر اساس نیرو های ذکر شده فونداسیون به گونه ای طراحی می شود که تحمل بار های وارده به ستون برج در بدترین شرایط را داشته باشد. شرایط سطح زیر فونداسیون و شرایط زمین شناسی نیز اهمیت ویژه ای در طراحی فونداسیون دارد.

اتصال برج به فونداسیون از طریق قطعه ای به نام مقطع فونداسیون یا Embeded انجام میشود که هنگام پی ریزی به فونداسیون متصل می گردد. سوراخ های روی امبدد با میل گرد پر می شود تا اتصال ان به فونداسیون تقویت شود. در این حالت بیشتر این قطعه زیر پی است و به بالایی بیرون از زمین قرار داد تا به وسیله پیچ به برج متصل شود.

حفاظت از سطوح برج به خصوص در محیط های خورنده، مانند رطوبت بسیار زیاد مهم است. به این منظور بعد از آماده سازی، سطح با روی پوش داده می شود. در برج هایی با ارتفاع 90 متر و بالا تر قطر پایه برج به 4.5 متر یا بیشتر بالغ می شود. همچنین ضخامت ورق به بیش از 40 میلی متر می رسد. در این حال ماشین های فرم دهی ورق ویژه ای مورد نیاز است و علاوه بر این حمل جاده ای چنین مقاطعی نیز مقدور نیست.

فونداسیون در خشکی

فونداسیون برج های توربین بادی در خشکی تخته بتون(Slab foundation) اجرا می شود. در این طرح معمولا پهنه بتونی به کل دایره یا چند ضلعی در پایه برج ساخته می شود و برج مدور فولادی روی آن بوسیله پیچ متصل می شود. برج های بتونی ریخته شده در سایت(site mixed concrete) یا پیش ساخته (Prefabricated) در هنگام بتون ریزی فونداسیون، در قالب فونداسیون قرار می گیرد. شکل زیر مفهوم تخته بتون فونداسیون در برج های مدور فولادی و بتونی را نشان می دهد. طبیعتاً عمق و ابعاد تخته بتون به ابعاد توربین و بار های وارده بر فونداسیون بستگی دارد.

در محل هایی با خاک ضعیف مانند سواحل که طرح تخته بتون از استحکام کافی برخوردار نیست از شمع کوبی استفاده می شود(Ram Pile). در این روش تیر هایی داخل خاک کوبیده می شود تابه لایه های محکم خاک برسد و بستری برای ایجاد فونداسیون ایجاد کنند. برای مثال فونداسیون برج توربین 6 مگاواتی E-126 بر روی 64 تیر با قطر 56 سانتی متر ساخته شده که به طور متوسط تا عمق 25 متر در خاک کوبیده شده اند.

فونداسیون در دریا

نصب توربین های بادی در دریا نیازمند زیر ساختهایی است که به زحمت می توان ان ها را فونداسیون نامید. قدمت فناوری سازه های دریایی تجربه کافی برای شناخت روش های مختلف سازه ها در دریا و مزایا و معایب هر روش فراهم آورده است. فونداسیون مورد نیاز برای نصب توربین های بادی قسمت بزرگی از هزینه ها را به خود اختصاص می دهد. همچنین اثرات مهمی بر خصوصیات ارتعاشی کل سازه برج توربین دارد. از این رو معدودی از روش های ایجاد فونداسیون، برای نصب توربین بادی پذیرفته شده اند. روش های اصلی ایجاد فونداسیون در دریا در ادامه تشریح شده است.

توربین های بادی دریایی را می توان بر اساس پی به دو دسته ثابت و شناور تقسیم کرد. در آب های کم عمق تا حدوداً 50 متر، مانند توربین بادی ساحلی پی ثابت استفاده می شود. پی توربین ها ممکن است یک پایه، سه پایه یا به صورت Jacket باشد.

فونداسیون وزنه ای

در روش فونداسیون وزنه ای (Gravity type foundation) که معمولا در آب های کم عمق مورد استفاده قرار می گیرد. محفظه ای به نام کایسون(Caisson) که در خشکی ساخته شده و در محل نصب با شن و سنگ پر می شود تا به وزن مورد نظر برسد. به عنوان نمونه وزن مورد نیاز برای یک توربین 2 مگاواتی به 1500 تن بالغ می شود. با افزایش وزن مورد نیاز به صورت تصاعدی زیاد می شود و به همین علت این روش به آب هایی با عمق ده متر محدود می شود. ایراد دیگر این روش نیاز به تراز کردن سطح کف دریا و هزینه بالای عملیات زیر آبی است.

فونداسیون تک شمع

فونداسیون یک شمع(Mono Pile) از یک ستون فولادی تشکیل شده که در بستر دریا کوبیده می شود. این طرح به علت سادگی و هزینه پایین می تواند مورد توجه قرار گیرد. اجرای ان تقریبا به آماده سازی خاصی در بستر دریا نیاز ندارد و البته در بستر های شنی قابل اجرا است. شمع با چکش های هیدرولیک تا عمق 10 الی 20 متر کف دریا کوبیده می شود. این نوع فونداسیون از لحاظ ارتعاشی، یک سیستم نرم ایجاد می کند و بنابراین اثر این فونداسیون بر فرکانس طبیعی برج باید در نظر گرفته شود. البته این خصوصیات ارتعاشی باعث می شود که استفاده از فونداسیون تک شمع به آب هایی تا عمق 25 متر محدود شود.

فونداسیون سه پایه

در طرح فونداسیون سه پایه(Tripod) ستون برج روی یک سه پایه نصب می شود. در این طرح وزن فونداسیون کاهش یافته و بنابراین برای آب های عمیق مناسب تر است. سه پایه به وسیله لوله های فولادی با قطر کمتر(در حدود 0.9 متر) به بستر دریا کوبیده میشود. عمق نفوذ این لوله ها می تواند تا 20 متر باشد و بنابراین سفتی این مجموعه حتی در بستر های نا هموار دریا بالاست. این فونداسیون به مقدار محدودی زیرسازی نیاز دارد. ایراد این روش هزینه ساخت و حمل بالاست ولی با این حال رایج ترین روش برای نصب در آب های عمیق است.

طرح پلتفرم شناور

پلتفرم های شناور در صنایع دریایی به خوبی شناخته شده اند. با توجه به این که توربین های بادی معمولا در نزدیک ساحل نصب می شود ولی این طراحی ها در آب های عمیق ناگذیر خواهد بود. جکت هایی که در صنعت نفت استفاده می شود در عمق 20 تا 80 متری از دریا می تواند برای توربین بادی استفاده شود. برای عمق های بیش از 80 متر استفاده از پی ثابت از لحاظ فنی غیر ممکن است و دیگر اقتصادی نخواهد بود. از این رو توربین بادی شناوری نیاز است که به کف دریا متصل باشد. در سال 2009 اولین توربین بادی دریایی شناور در مقیاس واقعی در دریای شمالی نروژ نصب شد.

امروزه توربین های بادی دریایی شناور به تعداد خیلی کم نصب شده اند اما چشم انداز بزرگ تری برای ان تصویر می شود. برای مثال چین می خواهد تا سال 2030 یک گیگاوات از این فناوری نصب کند. انجمن انرژی باد ژاپن تا سال 2050 مقدار 18 گیگاوات توربین بادی شناور در این کشور نصب می کند. کره جنوبی 1.3 میلیارد دلار برای گسترش این فناوری تا سال 2022 سرمایه گذاری خواهد کرد.