Ajakiri Inseneeria
Mart Arro, E-Betoonelement
Kuna tuuleenergiast on saanud maailma üks tähtsamaid taastuvenergia allikaid, olles sealjuures täiesti uue tööstusharu loojaks, on oluline mõista, kuidas kõige efektiivsemalt tuuleenergiat saada. Kui siiani on tuulegeneraatorite maste valmistatud peamiselt terasest, siis võimsamate ja kõrgemal paiknevate generaatorite mastide ehitamisel on otstarbekas kasutada betooni.
Aastaid tagasi täitsid tuulegeneraatorid enamasti põllumajanduslikke eesmärke, näiteks jahvatati nendest saadava energia abil vilja ja pumbati vett. Paljud neist inimese poolt tehtud meistritöödest on säilinud tänapäevani. Aastatega on aga nõudmised tuulegeneraatoritele ja nende mastidele tõusnud ning nii on turbiinide võimsused jõudsasti kasvanud. Algsetest 5–30 kW võimsusega generaatoritest on arenenud tänaseks 5–6 MW võimsusega generaatorid. Pidevalt on kasvanud ka tuulegeneraatori mastide kõrgus, alates 10 meetrist 1970 kuni 20 meetrini 1983, 50 meetrini 1990, kuni 85 meetrini 2000 ja kuni 140 meetrini täna.
Kõrgemal on “parem” tuul
Generaatorite ajaloos on katsetatud nii horisontaalse kui vertikaalse pöörlemisteljega tuulegeneraatoreid, samuti nii ühe-, kahe- kui ka kolmelabalisi generaatoreid. Tänapäeval on kõige levinumad kolmelabalised horisontaalse teljega tuulegeneraatorid, sest need on osutunud kõige efektiivsemaks. Kuidas siis tuulest energiat saadakse? Selle võib välja arvutada lihtsustatud valemi P = KD2V3 abil, kus P on energia, K koefitsient, D rootori diameeter, V tuule kiirus.
Teisisõnu on tuulest saadav energia võrdeline rootori diameetri ruudu ja tuule kiiruse kuubiga. Kui tõusta maapinnast kõrgemale, siis tuule tugevus tõuseb ja kvaliteet paraneb, sest maapinna läheduses, tingituna reljeefist, ehitistest ja metsast, tekivad hõõrdumine ning turbulents, mis oluliselt kahandavad tuule häid omadusi. Sellest tulenevalt annabki suurema läbimõõduga rootori (tiiviku) paigutamine suurematele kõrgustele võimaluse paremaks energiatootmiseks.
90 m on kõrguse veelahe
Maismaale püstitatavate tuulegeneraatorite standardiks on kujunemas 2,5–3 MW võimsusega turbiinid, mis esitab tuuleenergia kogumisel tornidele suure väljakutse. Näiteks kaalub 2,5–3 MW võimsusega turbiin koos 100-meetrise läbimõõduga rootoriga umbes 150 tonni. Tõstetuna 100 kuni 150 m kõrguse masti otsa, teeb sellise turbiini tiivik enamasti 10–20 pööret minutis. Sellistes tingimustes peavad tuulegeneraatorite mastid taluma suurt staatilist ja dünaamilist koormust. Just viimasest ning materjalide väsimusest tulenevad ohud muudavad tornide projekteerimise keeruliseks. Kuni 90 m kõrguseid torne, mis on mõeldud alla 2,5 MW võimsusega turbiinidele, on mõistlik ehitada terasest. Kõrgemate tornide ja võimsamate turbiinide puhul on nii rahalistel kui tehnilistel põhjustel mõistlik kasutada monteeritavat betooni. Betoonkonstruktsioon tagab torni piisava jäikuse suurte turbiinide ja pikkade labade puhul, mis aitab kontrollida vibratsiooni. Samuti on lihtsam luua resonantsikindlat mastilahendust. Metalltornide puhul ühendatakse sektsioonid omavahel poltidega ja ühe masti koostamiseks on vaja sadu polte. Alalise vibratsiooni tingimustes tuleb poltide kinnitusi kontrollida pidevalt. Betooniga sellist muret ei ole ning seetõttu on betoonmasti hooldamine tunduvalt soodsam. Lisaks on monteeritavast betoonist torni elemendid nägusad ning nendest saab kiiresti püstitada turbiinile sobiva torni. Tihti on juurdepääs tuuleparkidele piiratud, teed on kitsad ja kurvilised. Projekteerimise käigus valitakse monteeritavate elementide suurus nii, et tagatud on vaevata juurdepääs ka kõige raskemini ligipääsetavatele objektidele.
30 cm paksused seinad
Betoon on keskkonnasõbralik materjal, kättesaadav ja suhteliselt stabiilse hinnaga. Üle 100 m kõrguste mastide puhul annab betoonlahendus märgatava hinnaeelise terase ees, sest masti läbimõõt ja selle ehitamiseks kasutatava teraslehe paksus kasvavad oluliselt. Terassektsioonide massi kasv ja keeruline transport tõstavad teraslahenduse hinda hüppeliselt. Monteeritavast betoonist maste on kahte tüüpi: 100–110 m kõrgused täisbetoontornid, mille puhul betoonosa ulatub kuni turbiinini, või 100–150 m kõrgused hübriidtornid ehk kombinatsioon betoon ja terastornist. Hübriidmasti alumine osa on betoonist ning ülemine, umbes 50–70 m kõrgune osa on terasest. Hübriidmasti puhul on mõlema materjali head omadused ära kasutatud. Monteeritavast betoonist tuulegeneraatori mast on oma olemuselt umbes 30 cm paksuse seinaga tüvikoonus. See betoonmast on omakorda jagatud üksteise otsa asetatud, ligikaudu 10 kuni 15 m kõrgusteks silindriteks, mis omakorda on jagatud segmentideks ehk monteeritavateks elementideks. Elemendi laiema osa läbimõõt on ca 3,5 m ja kõrgus sõltuvalt silindri kõrgusest vahemikus 10–15 m. Elemendi mass on kuni 40 t. Monteeritavad elemendid valmistatakse tehases isetihenduvast betoonist. Ehitusplatsile tarnitud betoonpaneelid ehk segmendid eelmonteeritakse eelpool mainitud 10 kuni 15 m kõrgusteks silindriteks. Need silindrid tõstetakse omakorda üksteise peale, mille tulemusel moodustubki tüvikoonuselise masti betoonkeha. Masti otsa käib betoonist adapterplaat, mille külge kinnitatakse kas tuuleturbiin või hübriidtorni korral terasmast. Kogu betoonmast järelpingestatakse adepterplaadist vundamenti. See on vajalik, et tagada torni vastupidavus generaatori tööst tingitud dünaamilisele koormusele. Näiteks võib 100 m kõrgune torn kaaluda kuni 1500 tonni ning koosneda umbes 70 monteeritavast betoonelemendist.
