Chân đế tuabin gió

Chân đế tuabin gió là gì?

Để đảm bảo sự ổn định của tuabin gió, người ta sử dụng cọc hoặc nền phẳng làm trụ đỡ cho tuabin gió, tùy thuộc vào độ chắc chắn của nền bên dưới.[1]

Đối với điện gió trên đất liền thì phần chân đế (nền móng) cố định máy phát điện gió vào lòng đất. Để đảm bảo sự ổn định của máy phát điện gió, chân đế đơn hoặc chân đế nông được xây dựng tùy thuộc vào mức độ ổn định của lớp đất dưới mặt đất.

Hình 2‑1 Phần chân đế hình chữ thập của tuabin gió đã hoàn thành ở trang trại gió Uetersen, Đức.

 Phân loại chân đế

Tùy theo những yếu tố như độ sâu nền biển, dòng hải lưu, chiều cao của sóng, đặc tính nền biển tại đại điểm lắp đặt tuabine điện gió mà việc thiết kế và xây dựng chân đế có những phương thức khác nhau. Đối với điện gió ngoài khơi, hiện tại, có rất nhiều nghiên cứu vẫn đang được thực hiện và thử nghiệm được trình bày dưới đây.

• Các chân đế trọng lực (Gravity- based foundations (GBFs)): thường được sử dụng và đặt dưới đáy biển với trọng lượng bê tông khổng lồ nặng cỡ vài tấn và ổn định đến mức chúng không cần cố định thêm vào đáy biển. Chiều rộng đế có thể được điều chỉnh để phù hợp với điều kiện thực tế của đất. Thiết kế được đề xuất xây dựng bao gồm một trục thép hoặc bê tông trung tâm để chuyển tiếp sang tháp tuabin gió.

Hình 2‑2 Hình ảnh một chân đế trọng lực GBFs [2]

• Chân đế ba chân (Tripod): Có cấu tạo ba chân làm bằng ống thép hình trụ. Các cọc bên dưới tháp được kết nối với một khung thép giúp phân bổ lực của tháp lên ba cọc thép. Trụ thép trung tâm của chân đế thực hiện chuyển tiếp sang tháp tuabin gió. Giá ba chân có thể được thiết kế cọc thẳng đứng hoặc nghiêng. Ống bọc cọc nghiêng được sử dụng khi kết cấu được lắp đặt với giàn khoan tự nâng. Chiều rộng đế và chiều sâu xuyên cọc có thể được điều chỉnh cho phù hợp với điều kiện môi trường và đất thực tế.

Hình 2‑3 Hình ảnh một chân đế ba chân Tripod [2]

• Chân đế thùng (Bucket- Jacket): Kết câu của chân đế thùng khá giống với Tripod nhưng khác ở chỗ nó bao gồm các hình trụ bằng thép được mở về phía dưới nhằm bơm nước ra ngoài. Áp lực âm sinh ra bên trong chân đế ép chân đế cắm sâu xuống lòng đất. Vật liệu được bơm từ ngoài vào ở đáy bên trong của hình trụ, hỗ trợ cho chân đế và cố định nó vào đáy biển, thích hợp hơn với các điều kiện đa dạng.

Hình 2‑4 Hình ảnh chân đế thùng Bucket- Jacket [2]

• Chân đế đơn (Monopile): Đây là một loại thiết kế đơn giản hơn so với các kiểu chân đế còn lại. Nó có hình dạng như một chiếc cọc cắm sâu vào lòng đất. Khi tiến hành xây dựng người ta cho một cọc bằng thép có đường kính xấp xỉ 4 mét chìm xuống đáy biển. Tùy thuộc vào vị trí lắp đặt gần hay xa bờ mà chân đế đơn được xây dựng với độ sâu khoảng 10 - 20 mét dưới đáy biển.

Hình 2‑5 Hình ảnh chân đế đơn Monopile

• Chân đế nổi (Floating): Kết cấu hỗ trợ nổi của nó bao gồm một bệ nổi và một hệ thống neo của bệ. Chân đế có một phần chuyển tiếp để cài đặt tháp trên đỉnh đó. Có thể có một số kiểu Floating: kết cấu spar, kết cấu bán chìm và kết cấu áp lực cao TLP (Tension Leg Platform)

Hình 2‑6 Loại chân đế và độ sâu của nền biển

Chân đế nổi

Chân đế nổi – tương lai điện gió ngoài khơi. Với quỹ đất xây dựng điện gió trong đất liền ngày càng ít đi thì các dự án điện gió ngoài khơi đang dần chứng tỏ mình là xu hướng của tương lai. Như trình bày ở mục 2.1.2 thì chân đế nổi đang dần chứng tỏ mình với việc ít tác động tới môi trường cảnh quan biển nhất so với “anh em họ” của nó bởi nó không cần quá nhiều diện tích đáy biển cho việc làm các chân đế. Dưới đây sẽ trình bày về các kiểu chân đế nổi.

1. Chân đế kết cấu bán chìm

Các tàu bán chìm thường bao gồm nhiều cột và phao. Các cột chủ yếu cung cấp sự ổn định, trong khi phao cung cấp thêm sức nổi. Trọng tâm nằm trên tâm nổi, tính ổn định đạt được nhờ mômen phục hồi của các cột. Kết cấu nổi được giữ ở vị trí bằng hệ thống neo. 

Ví dụ, WindFloat (Hình 1) được phát triển bởi Principle Power có ba cột đường kính lớn với các thanh giằng đường kính nhỏ làm bằng thép; Thiết kế VolturnUS (Hình 2) sử dụng thân tàu nổi nửa chìm nửa nổi bằng bê tông.  

Tua bin gió có thể được đặt ở trung tâm của thiết bị nổi hoặc trên đỉnh của một cột. Trong trường hợp thứ hai, cần có thêm chấn lưu để chống lại trọng lượng của tuabin. 

Hình 2‑7 Hình ảnh của một chân đế nổi kiểu bán chìm WindFloat [3]

Hình 2‑8 Hình ảnh của một chân đế nổi kiểu bán chìm VOLTURNUS [3]

Mặc dù bán chìm có độ ổn định của kết cấu này cơ bản kém hơn Spars và TLP, nhưng nó vẫn là kiểu phổ biến nhất cho đến nay trong ngành vì những lý do sau [4]:  

• Nó có thể được áp dụng cho một loạt các độ sâu nước thường từ độ sâu nước 40 mét.  
• Chi phí của hệ thống neo thấp hơn TLP.  
• Việc vận chuyển và lắp đặt nó đơn giản hơn hai kiểu chân đế còn lại.  
• Việc xây dựng, lắp ráp và trang bị kết cấu này và thậm chí cả việc lắp đặt các tuabin gió có thể được thực hiện trên bến tàu sau đó có thể được kéo ra ngoài hiện trường, tránh việc lắp đặt ngoài khơi tốn kém. 

Kết cấu Spar là một hình trụ nổi thẳng đứng có đường kính lớn được dằn (ở đầu dưới cùng) với mớn nước sâu, làm cho kết cấu ít phản ứng với gió, sóng và dòng điện. Tương tự như kết cấu bán chìm, móng cọc được giữ ở vị trí bằng các dây neo dạng dải hoặc căng bằng neo kéo hoặc hút. Trang trại điện gió nổi đầu tiên trên thế giới Hywind sử dụng chân đế đơn (Hình 3) [3].

Kết cấu Spar có những ưu điểm sau:

• Nó ổn định hơn kết câu bán chìm vì trong thiết kế phần chìm của nó sâu hơn.
• Cấu hình cấu trúc của Spar thường đơn giản hơn cấu trúc nửa chìm và TLP
• Chi phí của hệ thống neo thấp hơn TLP.

Tuy nhiên, do cấu trúc thân tháp của spar cao, nó chỉ có thể được áp dụng cho độ sâu nước lớn hơn 100 mét; thật khó để giữ được tư thế thẳng đứng trong quá trình vận chuyển ở vùng nước nông; và việc lắp đặt tuabin của spar rất có thể sẽ diễn ra ở ngoài khơi, cũng như với các móng cố định dưới đáy.

Hình 2‑9 Hình ảnh một chân đế nổi kiểu SPAR [3]

Giống như một kết cấu nửa chìm nửa nổi, một kết cấu TLP thường bao gồm các cột và phao. Tính năng độc đáo của TLP là hệ thống neo của nó - các dây neo căng, thẳng đứng, tạo sự ổn định cho kết cấu. Cấu trúc TLP được hạn chế theo chiều dọc bao gồm các chuyển động theo chiều dọc (phập phồng) và quay (sự nhồi sóng và cuộn tròn), nhưng nó tuân thủ các chuyển động ngang (lướt trên sóng và lắc).

Một số đặc điểm của TLP được trình bày như dưới đây:

• Là kết cấu thả nổi ổn định nhất trong ba loại bởi kích thước cấu trúc của TLP có thể nhỏ hơn nhiều so với kết cấu bán chìm.
• Chi phí vật liệu thấp hơn.

• Tương tự như nửa chìm nửa nổi, TLP có thể được lắp đặt ở một phạm vi độ sâu nước rộng từ 40 mét và tuabin gió có thể được lắp đặt trên TLP ở mạn tàu và được kéo ra ngoài địa điểm lắp đặt.
• Do cấu trúc có độ cứng cao, TLP thường dễ bị tải động tần số cao có thể tạo ra chuyển động cao độ cộng hưởng và chuyển động phập phồng dẫn mệt mỏi cho hệ thống neo. TLP cũng có hệ thống neo đắt tiền nhất trong số ba kết cấu về chế tạo và lắp đặt.

  Hình 2‑10 Hình ảnh một chân đế nổi kết cấu TLP [3]

[1]      “The Structure of a Modern Wind Turbine-An Overview.”

[2]      R. R. Damiani, “10 - Design of offshore wind turbine towers,” 2016, doi: 10.1016/B978-0-08-100779-2.00010-6.

[3]      “Floating Wind. Semi-Submersible, Spar, TLP - Empire engineering.” https://www.empireengineering.co.uk/semi-submersible-spar-and-tlp-floating-wind-foundations/ (accessed Nov. 17, 2021).