Konstrukce přijímače unikátní solární elektrárny je z oceli

• Foto

ZÁKLADNÍ ÚDAJE

• Název stavby: Solar project HAIXI
• Investor: Luneng Group Co., Ltd.
• Místo stavby: Haixi, provincie Qinghai, Čínská lidová republika
• Generální dodavatel: Shandong Electric Power Construction Corporation III (SEPCO III)
• Projektant technologie: Cockerill Maintenance & Ingenierie s.a. (CMI)
• Návrh ocelových konstrukcí: Allcons Industry s. r. o.
• Software použitý pro návrh ocelové konstrukce: RFEM (Dlubal)
• Výkresová dokumentace ocelové konstrukce: SteelPro 4 s. r. o.
• Realizace projektové a výrobní dokumentace: 12/2017 – 12/2018
• Výstavba: od 8/2018
• Celková hmotnost OK: 600 tun

ÚVOD

V loňském roce jsme v mezinárodní kooperaci navrhli konstrukci 41 metrů vysokého přijímače slunečního záření pro solární elektrárnu v čínském Haixi. Přijímač je postavený na 147,5 m vysoké betonové věži. Stovky zrcadel koncentrují sluneční svit na přijímač elektrárny s elektrickým výkonem 50 MW. K přenosu tepelné energie z koncentrovaného slunečního záření je využito médium, jehož základem je solný roztok (Molten Salt Liquid – MSL). Toto médium se následně používá ke generování páry pro pohon turbíny a generátoru. Navržená Concentrated Solar Power (CSP) solární elektrárna je vybavena zásobníky pro skladování tepelné energie po dobu 12 hodin. Díky tomu, je možné touto technologií vyrábět a dodávat elektřinu do sítě kontinuálně, stabilně a i v noci!

SOLÁRNÍ ELEKTRÁRNA SE STABILNÍ A KONTINUÁLNÍ DODÁVKOU ENERGIE I V NOCI

Jedním z nejlepších způsobů, jak zajistit stabilní dodávku elektrické energie, a to i přes noc, je ukládat absorbovanou solární energii do speciálních solných roztoků (MSL) – nízkonákladových, nehořlavých a ekologicky nezávadných kapalin. 

Termodynamický proces, specifický pro CSP elektrárny, je mnohem efektivnější a ekologičtější než fotovoltaické elektrárny. Díky možnosti skladování energie je také tento zdroj ekonomicky výhodný, výkonově stabilní a nepřetěžuje síť nepředvídatelnými výkyvy způsobenými změnami počasí.

V přijímači solární věže se nejprve absorbovaná sluneční energie přemění na tepelnou energii zahřátím roztoku MSL. Ta je následně uložena v zásobníku ohřátého roztoku MSL. Pára ohřátá horkým roztokem MSL v parogenerátoru pohání turbínu, která roztáčí generátor. Ochlazený roztok se vrací do zásobníku ochlazeného roztoku MSL, ze kterého putuje opět do solárního přijímače k dalšímu cyklu ohřívání.

Nejdůležitější část přijímače se skládá ze svislých panelů tepelných výměníků, ve kterých roztok MSL absorbuje energii koncentrovaného solárního toku. Tepelný tok na povrchu přijímače může přesáhnout 1 000 kW/m². To je více než 1 000násobek přirozeného slunečního toku na nejvíce exponovaných místech na zemi. Tato vysoká intenzita záření vyžaduje použití speciálních materiálů, jako jsou nerezové oceli a slitiny niklu. Kvůli extrémním teplotám jsou kladeny vysoké požadavky na zpracování konstrukce, technologie a jejich detailů. Části mimo panely tepelných výměníků jsou chráněny tepelným štítem, který zajišťuje bezpečné podmínky uvnitř přijímače.

O PROJEKTU

Elektrárna na výrobu energie z obnovitelných zdrojů je součástí unikátního projektu 23 multienergetických zařízení, kombinující několik technologií pro výrobu energie z obnovitelných zdrojů na jednom místě. Celý komplex je umístěn v prostředí s vysokou nadmořskou výškou, náročnými povětrnostními podmínkami a silnými zemětřeseními.

Ve společnosti Allcons Industry s. r. o. byl proveden komplexní detailní návrh celé konstrukce přijímače. K tomu byly použity programy Dlubal RFEM a Idea Statica. Následně byl partnerskou společností SteelPro4 s. r. o. zpracován kompletní dílenský model celé konstrukce, podle kterého čínský výrobce vytvořil výrobní dokumentaci a poté realizoval výrobu.

ZAJÍMAVOSTI KONSTRUKCE

Aby bylo možné soustředit sluneční energii ze zrcadel, rozmístěných v širokém prostoru kolem, je přijímač slunečního záření elektrárny umístěn do výšky 200 metrů nad zemí. Zároveň má konstrukce válcový tvar o průměru 10 metrů, který je náchylný na odtrhávání vírů. V kombinaci se seizmicky aktivní oblast a velkými výkyvy teploty bylo třeba řešit řadu obtížných úkolů při návrhu konstrukce.

Kluzné uložení a tepelná roztažnost

Struktura konstrukce přijímače je od počátku navržena tak, aby byla umožněna jeho volná dilatace v radiálním směru. V místě styku ocelové konstrukce a betonové věže však není možné bezpečně tuto dilataci zajistit s použitím běžných kotevních postupů. Nelze totiž uvažovat, že ocelová i betonová konstrukce budou mít v čase shodnou teplotu. Z tohoto důvodu jsme vyvinuli vícestupňový systém kotvení, který není díky průtažné délce tyčí náchylný na únavové porušení, zároveň ale umožňuje radiální deformaci ocelové konstrukce. Tangenciálně je přitom konstrukce držena. Vzniká tak jedna virtuální podpora ve středu věže.

Princip kotvení je takový, že na horním trámci je uložena ocelová konstrukce. Trámec je uložen v kapse v betonu, kde jsou připravena vodorovná ložiska zajišťující radiální posun a podporu pro síly působící svisle dolů. Na krajích trámce jsou svislá ložiska, která znemožňují tangenciální posun. Přes dvojici předepnutých kotevních šroubů M76‑10.9 je připojen spodní trámec, který je na horním povrchu pomocí ložisek opřen do betonu, tím je zajištěna konstrukce proti nadzdvižení.

Seismicita

Čínská norma pro zatížení zemětřesením předepisuje pro stavby nad 100 metrů výšky, jako kontrolní výpočet, použití výpočtu časového průběhu odezvy – Time History Analysis. Nakonec tento způsob výpočtu nebyl použit, protože zákazník nedodal pro danou lokalitu patřičnou sadu histogramů. Proto byla nakonec konstrukce posouzena pouze pomocí modální analýzy.

Vítr

Vzhledem k výšce a válcovému tvaru elektrárny bylo nutné uvažovat s účinky zatížení příčným kmitáním, vyvozeným karmánovými víry. Zmíněný efekt je možné podle čínské normy pro zatížení větrem nahradit ekvivalentním statickým zatížením, což s ohledem na rozsah a složitost konstrukce výrazně zkrátilo potřebný výpočetní čas. Aby se zabránilo střídavému namáhání šroubových spojů, jsou šroubované styky hlavní nosné konstrukce navržené předepnuté. Aby se minimalizovalo množství detailů vystavených střídavému namáhání, jsou sekundární konstrukce napojeny na hlavní systém tak, aby se do nich nepřelévaly tyto střídavé účinky.

MEZINÁRODNÍ SPOLUPRÁCE

Návrh elektráren je vždy víceoborový projekt, který řeší odborníci doslova z celého světa. Technologie CSP elektráren je poměrně mladá, takže je tato diverzita ještě více patrná.

Hlavním dodavatelem je čínská společnost SEPCO III, zrcadla pro směřování světla na přijímač jsou navržena a vyrobena ve Španělsku. Návrh a provádění betonové věže je realizováno čínskou stranou. Návrh a dodávku technologického zařízení a ocelové konstrukce zajišťuje společnost CMI Solar z Belgie, pro kterou provádíme komplexní návrh ocelové konstrukce přijímače v Praze – ve společnosti ALLCONS Industry s. r. o.

Při takovéto spolupráci nejde jen o vzájemnou geometrickou koordinaci, ale i o celkovou funkčnost návrhu. Jelikož se konstrukce při zatížení větrem a zemětřesením chová jako celek, nelze zjednodušeně počítat ocelový přijímač samostatně bez vlivu betonové věže. To samé platí i obráceně, kdy pro návrh betonové věže je potřeba započítat i vliv ocelového přijímače.

Ocelová konstrukce byla řešena v programu Dlubal RFEM, zatímco podpůrná věž v Číně v jiném programovém prostředí. Rozdělení konstrukce na dva samostatné celky bylo dáno specializací jednotlivých projekčních společností, jejich programovým vybavením a hlavně rozhodnutím finálního zákazníka. Obě projekční společnosti tedy modelovaly celou konstrukci skládající se ze dvou celků, přičemž se ve finální fázi projektování zaměřily na detailní návrh své části.

Společnost Allcons poskytla čínským kolegům charakteristiky konstrukce přijímače převedené na jednotkový ocelový prut, rozdělení hmot a aplikovaná zatížení a naopak obdržela tvar betonové věže, modul pružnosti a objemovou hmotnost použitého betonu a aplikované zatížení na betonovou věž. Předávané informace se částečně měnily v průběhu zakázky, ale po několika iteracích byla nalezena vzájemná shoda modelů ověřená porovnáním výchylek konstrukce na dané zatěžovací stavy, prvních čtyř vlastních frekvencí a celkového smyku v patě konstrukce vyvolaného zemětřesením a větrem. Vzájemná odchylka kontrolovaných veličin nepřesahovala 1% mez.

ZÁVĚR

Díky kvalitní spolupráci všech stran a vysoké technické úrovni byla splněna očekávání zákazníka a projekt dokončen včas. V současné době je elektrárna ve výstavě. Je dokončena podpůrná betonová věž, všechny ocelové plošiny umístěné uvnitř betonové konstrukce a je zahájena výstavba vlastního solárního přijímače. Dokončení stavby se očekává do poloviny roku 2019.

Autoři

• Ing. Vopička Jan
• Ing. Pošta Radek Ph.D.