Nové prvky v konstrukcích větrných elektráren

• Foto

Z hlediska uplatnění ve stavebnictví má ocel dlouhý historický vývoj. Čistě ocelové konstrukce se začaly budovat počátkem 19. století spolu s rozvojem výroby oceli [1]. Kromě ocelových konstrukcí začaly být ocelové tyče využívány i jako výztuž do betonu. Ocel je ve stavebnictví používaná pro své užitné vlastnosti, jakými jsou vysoká pevnost, houževnatost, možnost spojování a v poslední době vysoce ceněnou možnost recyklace. Limitujícím prvkem pro její použití v ocelových konstrukcích je koroze, která musí být kompenzována různými druhy povrchové ochrany, případně použitím patinujících ocelí. Využití nových ocelových výrobků v ocelových konstrukcích vyžaduje soustředěný výzkum ať již ve fázi jejich návrhu, tak i v jejich praktickém použití.

Zásady navrhování podle mezních stavů a požadavky na bezpečnost, použitelnost a trvanlivost konstrukcí byly zakotveny v základních evropských normách EN 1990 až EN1998. Vhodné typy ocelí pro ocelové konstrukce jsou uvedeny v další evropské normě EN 10025, zahrnující i termomechanicky válcované svařitelné jemnozrnné konstrukční oceli S420, S460, příp. S450, včetně patinujících ocelí, např. S355W [2].

Rozvoj alternativních zdrojů elektrické energie z větrných elektráren rozšiřuje možnost využití ocelových prvků v podobě příhradových konstrukcí. Důležitým prvkem vývoje takovéto konstrukce je nalezení optimálního technického řešení zabezpečující dobrou účinnost elektrárny i v kontinentálních podmínkách a při nižších rychlostech větru [3, 4]. V Evropě jsou nejlepší podmínky pro využití větrných elektráren v přímořských oblastech, kde vanou pravidelné a poměrně silné větry až 80 % roční doby. Ve vnitrozemských státech jako je ČR je pro výstavbu větrných elektráren nutno vytipovat oblasti s dostatečnou roční průměrnou rychlostí větru. V souhrnu bylo do roku 2011 v ČR instalováno 217 MW výkonu větrných elektráren. Celková výroba v roce 2011 činila 397 GWh, což odpovídá pokrytí spotřeby energie ve zhruba 113 000 domácnostech [6].

Vývojové práce společnosti ArcelorMittal byly soustředěny zejména na hledání nových řešení příhradových konstrukcí zavedením nových rozměrů rovnoramenných úhelníků a použitím výšepevných ocelí v konstrukci za účelem snížení počátečních nákladů na stavbu větrné elektrárny a možnost výstavby větrných elektráren s vyšším umístěním rotoru. Článek pojednává o posledních výsledcích možnosti konstrukčního řešení větrných elektráren z příhradových stožárů za použití těchto nových prvků.

KONSTRUKCE VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY A APLIKACE NOVÝCH PRVKŮ 
Základními prvky větrné elektrárny jsou rotor, gondola, stožár a základ konstrukce. Stožáry větrných elektráren jsou v dnešní době konstruovány ve třech základních typech, a to s ocelovým tubusovým stožárem, s prefabrikovaným betonovým stožárem a příhradovým stožárem. Výška stožáru se v dnešní době standardně pohybuje od 40 do 110 m. Najdeme ale nižší i vyšší instalace.

Z obrázku 1 je patrný trend směřování vývoje k větším průměrům rotorů a vyšším stožárům větrných elektráren. Vyššího využití větrné elektrárny je možné vždy lépe dosáhnout použitím vyšších stožárů, neboť vyšší stožár umožňuje umístit rotor do oblasti s výrazně vyšší rychlostí proudění a sbírat energii větru z větší plochy. Přitom zvětšení průměru rotoru v řádu metrů s sebou přináší zvětšení jeho plochy o stovky metrů čtverečních (v závislosti na výchozím průměru), které poskytují energii proudícího vzduchu touto navýšenou plochou a zvyšují tak výkon elektrárny.

Ocelový tubusový stožár je v Evropě nejčastěji používaným typem stožáru pro menší výšky větrných elektráren [6]. Stožár je smontován ze segmentů, které mají délku přibližně 20 m (dělení na segmenty se používá kvůli snadnější přepravě). Segmenty jsou vyrobeny z plechových plátů, které jsou skruženy do prstenců a pak k sobě svařeny. Při stožárech vyšších než 100 m se již vyplatí uvažovat o výstavbě příhradové konstrukce. Odpadají problémy s dopravou oproti rozměrným segmentům tubusového stožáru, celková hmotnost stožáru je nižší o cca 20 % [7].

PŘÍHTADOVÝ STOŽÁR VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY 
Tento typ stožárů je v současné době rozvíjen zejména v zemích západní Evropy. Jeho použití má několik podstatných výhod oproti klasickému ocelovému tubusu:

• je ekonomicky výhodnější při výškách stožáru nad 100 m;
• výhodou příhradových konstrukcí je jejich transparentnost, jsou mnohem méně viditelné a mnohem méně exponovány zatížením větrem. Tubusový stožár může být při vhodných podmínkách viditelný i z větší vzdálenosti. Příhradový stožár při pohledu z dálky splývá s terénem.
• přeprava stožáru na místo je bezproblémová, protože montáž probíhá až na místě stavby a tak konstrukce pro přepravu sestává pouze z jednotlivých tyčových prvků o malé hmotnosti a pro přepravu příznivé délky. Doprava jednotlivých komponent na místo používá zcela standardní dopravní prostředky, což je podstatně levnější než přeprava nadrozměrných nákladů přes velká území za doprovodu asistence.
• oproti tubusovým stožárům vykazuje asi 60 % úspory nákladů při budování základů stožáru.

V poslední době je trendem výstavba stále vyšších stožárů. Pro tyto typy je z ekonomického hlediska ocelový příhradový stožár výhodnější, viz obr. 2. Statické a dynamické parametry příhradového stožáru jsou srovnatelné s tubusovými stožáry a při vyšším umístění rotoru má vyšší odolnost proti ohybu, což umožňuje snížit množství materiálu, potřebné k zabezpečení tuhosti konstrukce [5]. Vyšší výšky stožáru lze s výhodou uplatnit ve vnitrozemních aplikacích. Se zvyšující se výškou nad zemí vzrůstá i rychlost větru a proudění větru je méně ovlivněno drsností terénu (vliv budov, lesů, vlnitého reliéfu krajiny). Je spočítáno [6], že každý metr výšky stožáru větrné elektrárny v rozmezí 80 – 100 m vytvoří přídavek 0,9 % k ročnímu vyrobenému množství elektřiny. Stožár větrné elektrárny vysoký 160 m představuje zvýšení roční výroby elektrické energie o 35 – 45 %, oproti 100 m stožáru. V těchto vyšších výškových hladinách je nárůst roční výroby na jeden metr výšky stále asi 0,67 % [6]. Zatím nejvyšší větrná elektrárna v Evropě je Führlander 2 500 (2,5 MW), která je postavena v Laasowě u Brandenburgu ve východním Německu. Její příhradový stožár je vysoký 160 m a listy větrné elektrárny dosahují až do výšky 205 m. Při konstrukci nejvyšší větrné elektrárny v Laasově byly pro konstrukci nárožníků použity v kombinaci 3 úhelníky 250 × 250 × 28 mm.

NOVÉ PRVKY PRO PŘÍHRADOVÝ STOŽÁR 
Technickým problémem při stavbě vysokých stožárů je vyztužení nárožníků, které lze řešit několika způsoby: 

a) zvýšením počtu úhelníků, tzv. square a butterfly design, viz obr. 3;
b) použitím větších úhelníků 250 × 250 nebo 300 × 300 mm;
c) případně zvýšením pevnostních vlastností použitím výšepevných jakostí S420 nebo S460;

Technické parametry úhelníků uvádí rozměrová norma EN10056‑1. Její rozsah zahrnuje úhelníky maximálně 250 × 250 × 28 mm, případně 250 × 250 × 35 mm. Speciálně pro příhradové konstrukce, věže pro větrné elektrárny a anténní sloupy byly v ArcelorMittal vyvinuty další nové řady úhelníků 300 × 300 × 25 až 35 mm, viz tabulka 1, a doplněna řada úhelníků 250 × 250 v rozsahu tlouštěk ramen 18 až 35 mm. Použitím úhelníků 300 × 300 mm je nyní možno navrhovat konstrukce věží s mnohem větší výškou hřídele rotoru a tudíž i výkonu. Při použití úhelníků 300 × 300 mm místo úhelníku 250 × 250 mm bychom zvýšili při téže tloušťce ramene tuhost prvku o 74 % při současném zvýšení hmotnosti pouze o 20 %. Pro velmi zatížené konstrukce, jakými větrné elektrárny jsou, se při použití úhelníků 250 × 250 a 300 × 300 mm v butterfly provedení oproti provedení square redukuje hmotnost o 13 % [7] a při použití jednoduchého úhelníku oproti square nebo butterfly až o 26 % redukce hmotnosti při střední zátěži konstrukce.

Použití výšepevných ocelí S460 oproti S355 ve středně zatížených konstrukcích umožňuje další alternativu redukce hmotnosti až o 22 %. Z důvodu nízkého CEV obdobnému jakosti S355J2, je zaručována svařitelnost výšepevných oceli. Stejně tak je zachována možnost povrchové ochrany žárovým zinkováním, což má pozitivní přínos pro životní prostředí a zejména pro údržbu konstrukce.

ZÁVĚR
Větrné elektrárny znamenají v současné době významnou alternativu ke klasickým zdrojům energie. Jejich výkon se postupně zvyšuje až na 10 MW.

Úhelníky 300 × 300 mm spolu s kombinací výšepevných jakostí dovolují výrobu a design větrných elektráren větší výšky s výkonem přes 2 MW. Současně redukují hmotnost ocelových konstrukcí a umožňují jednodušší montáž. Nad 110 m je příhradová konstrukce nákladově až o 25 % výhodnější oproti tubusovému stožáru. Příhradová konstrukce může být navržena s větší výškou a je možné ji umístit v kopcovitém, případně v zalesněném terénu. Standardizované rozměry úhelníků umožňují jejich rychlou dostupnost. Životnost příhradového stožáru lze zvýšit použitím žárového zinkování jednotlivých prvků. Příhradové konstrukce jsou oproti tubusovým, případně železobetonovým stožárům výhodnější rovněž z pohledu jednoduššího transportu a jsou šetrnější k životnímu prostředí. Samozřejmostí je jejich možná 100 % recyklace.

LITERATURA:
[1] ADÁMEK, J. a kol.: Stavební materiály, VUT Brno, 1996. 204 s.
[2] STUDNIČKA, J. a kol.: Ocelové a dřevěné konstrukce. Navrhování podle evropských norem, Česká technika, 2006. 164 s.
[3] MASTNÝ, P. a kol.: Obnovitelné zdroje elektrické energie, ČVUT Praha, 2011
[4] www.spvez.cz 
[5] ELBERG, Ch.: Wind energy plant, 2012
[6] www.csve.cz 
[7] www.arcelormittal.com/sections 

New Components of Wind Power Plant Constructions
Use of new materials and profiles in steel constructions represents one of the possible ways how to achieve economical and effective construction solution. Lately, work of ArcelorMittal Group focused mainly on searching of new possibilities how to solve truss constructions of wind power plants. New dimensions of isosceles angle bars 250 × 250 and 300 × 300 mm with a quality of S420 and S460 characterised by increased strength properties were developed and put into production. The presented article deals with possibilities of application of these new components in steel constructions determined for wind power plants.

Autoři

• Ing. Vašek Zdeněk Ph.D.
• Ing. Abrahamčík Jan
• Ing. Škandera Andrej

Nové prvky v konstrukcích větrných elektráren