Zpět na stavby

Sluneční elektrárna v Dubaji

Nejvyšší sluneční elektrárna na světě bude dominantou nejrozlehlejšího solárního parku nacházejícího se poblíž Dubaje. Muhammad bin Rašíd al-Maktúm Park je klíčovou součástí energetické strategie Spojených arabských emirátů, jejímž cílem je 50% zastoupení čisté energie do roku 2050. Na návrhu CSP věže pracovali i čeští inženýři ze společnosti Allcons Industry s.r.o., kteří za tento projekt získali hlavní cenu poroty v soutěži SCIA User Contest 2020.

Autor:


Absolvoval Fakultu stavební ČVUT v Praze (2009), následně doktorské studium v oboru konstrukce a dopravní stavby. Od roku 2009 pracuje ve společnosti Allcons Industry s.r.o., momentálně na pozici statik – senior.


Úvod

V současné době, kdy je veliký tlak na výrobu čisté elektrické energie, vznikají po celém světě obří solární parky. Ty nejvýkonnější se dokáží vyrovnat i jaderným elektrárnám. Celý park se skládá z několika systémů na výrobu elektrické energie. Jednotlivé zastoupení se řídí jak jejich výkonem ku zabrané ploše, tak i jejich možností uchovávat tepelnou energii, když není dostatek slunečního záření. Tento přístup rozložení jednotlivých systémů v solárním parku minimalizuje výpadky dodávek elektrické energie azároveňzaručípožadovanou výkonnost. Jedním  ze systémů  používaných v solárních parcích je tzv. CSP (Concentrated Solar Power) Tower. Dovolte nám seznámit vás s návrhem takové konstrukce v následujícím článku.

V polovině roku 2018 byla firma ALLCONS Industry s.r.o. oslovena dlouholetým zákazníkem, firmou John Cockerill, ve věci návrhu ocelového přijímače, který je součástí výše zmíněné solární elektrárny. Hlavním důvodem byla dřívější spolupráce na projektu CSP Tower Haixi, který se realizoval v Číně. Tentokrát bylo cílem zakázky navrhnout ocelový přijímač věže pro solární park Muhammad bin Rašíd Al Maktúm, který se nachází 50 km od hlavního města Spojených arabských emirátů Dubaje. Tento park má být dokončen v roce 2030 a jeho celkový výkon by měl dosahovat 5 000 MW. Výkon samotné CSP Tower je odhadován na 100 MW a současný výkon rozestavěného parku činí 950 MW. Celý solární park zaručí snížení emisí uhlíku o 1,6 mil. t/rok.

Věžovou solární elektrárnu tvoří primárně betonový podstavec nesoucí přijímač z ocelových prvků. Okolo věže jsou na zemi rozmístěna zrcadla, která soustředí sluneční záření na přijímač. Počet těchto zrcadel se pohybuje v rámci tisíců a celková plocha je u projektu v Dubaji 1 800 000 m2. Tato zrcadla jsou počítačově polohovatelná tak, aby zajišťovala odrážení co největšího slunečního záření během denního cyklu. Výška věže, a tedy i úroveň ocelového přijímače, závisí na poloměru plochy rozmístěných zrcadel. Solární věž v Dubaji bude nejvyšší sluneční elektrárnou světa s výškou betonového podstavce 222 m a celkovou výškou včetně přijímače 258 m. Dalšími neméně důležitými komponenty elektrárny jsou zásobníky studeného a horkého solného roztoku, parogenerátor, kondenzátor, parní turbína a generátor. Tato zařízení jsou umístěna na zemi poblíž elektrárny. Výměna studeného a horkého roztoku soli mezi přijímačem a zásobníky probíhá potrubím vedeným betonovým podstavcem.

Výroba zcela ekologické energie je založena na systému ohřevu solného roztoku (tepelná kapacita 15 hod.) v tepelných výměnících umístěných  na vrcholu věže koncentrovanou solární energií ze zrcadel obklopujících věž. Tepelný tok na povrchu přijímače může přesáhnout 1000 kW/m². Přitom sluneční tok na nejvíce exponovaných místech na zemi dosahuje hodnoty 1,0 kW/m2.

Funkční schéma elektrárny
Funkční schéma elektrárny

Popis konstrukce

Jak již bylo zmíněno v úvodu, hlavní část elektrárny se skládá z betonového podstavce a ocelového přijímače. Betonový podstavec je umístěn na čtvercové základové desce tloušťky 3 m o půdorysných rozměrech 44 × 44 m. Uprostřed desky je vynechán čtvercový otvor o hraně 14 m kvůli snížení objemu použitého betonu. Deska je podpírána 128 pilotami s vodorovnou tuhostí 150 MN/m v horizontálním směru a 1500 MN/m ve směru vertikálním. Samotný podstavec má ve své spodní části čtvercový půdorys s hranou délky 27 m. Ve výšce 51 m nad základovou deskou následuje přechodový kus na válcovou část, která začíná v 80 m a se stejným průměrem 24,3 m pokračuje až do své finální výšky 222 m. Tloušťky jednotlivých betonových segmentů  se  pohybují  od  500  mm až do 1500 mm.

Celkový objem spotřebovaného betonu třídy C35 dosáhl 20 000 m3. Redukovaný modul pružnosti s ohledem na velkou výšku konstrukce byl určen hodnotou E = 29 750 MPa. Tato hodnota byla důležitá i pro výpočtáře ocelové části, jelikož má veliký vliv na celkovou tuhost konstrukce. Zajímavostí betonového podstavce je bezesporu otvor umístěný ve spodní čtvercové části. Pokud tedy ještě lze mluvit o otvoru, jelikož se jedná  o plochu 26 × 44 m. Snazší by bylo uvést, že jedna stěna podstavce zcela chybí. Tento konstrukční zásah do celistvosti konstrukce zvýšil nároky nejen na statický návrh, ale i na samotnou betonáž. Důvody k tomuto kroku budou vysvětleny v další části článku.

Na betonovém podstavci bude umístěna hlavní technologická část elektrárny a tou je ocelový přijímač slunečního záření. Rozhraní mezi betonovou částí a ocelovou  konstrukcí  tvoří  důmyslný  kotevní  systém. V šestnácti místech rovnoměrně umístěných po kruhovém obvodu byly vytvořeny kapsy pro umístění vrchního a spodního kotevního trámce. Tyto trámce jsou propojeny kotevními tyčemi M64 10.9 dostatečné délky umožňující mírné natočení. Na vrchní ploše spodního trámce jsou přivařeny dva plechy zajišťující dotykovou plochu mezi ním a betonem. Spodní trámec zabraňuje nadzvednutí podpory a přebírá tedy tahové vertikální síly. Vrchní mohutnější nosník je v betonové kapse umístěn na ložiscích dovolujících laterální posun. Posun je ve výsledku možný pouze v radiálním směru. Posunu v tangenciálním směru zabraňují instalované nárazníky na bocích vrchního trámce. Vrchní díl kotevní soustavy přenáší svislé tlakové a vodorovné tangenciální síly. Soustava šestnácti podpor  umístěných v kruhu tvoří ve středu konstrukce pevnou fiktivní podporu, ale zároveň umožňuje přijímači teplotní dilataci v radiálním směru.

Samotný ocelový přijímač vysoký 36 m má půdorysný tvar šestnáctiúhelníku. Tento tvar je po výšce konstrukce stejný, mění se pouze šířka  v jednotlivých částech. Ocelovou konstrukci lze rozdělit na tři části. Spodní část se šířkou 20,4 m je stejně jako 21 m široká vrchní část chráněna tepelným štítem. Střední část s šířkou 15,5 m je obklopena tepelnými výměníky, ve kterých dochází k ohřevu solného roztoku. Celková plocha výměníků činí 1060 m2. Na vrcholu  věže  je  instalován  servisní  otočný  jeřáb  sloužící  převážně k manipulaci s tepelnými výměníky během údržby. Součástí statického výpočtu byla i technologická plošina na úrovni 212 m. Ocelová konstrukce primárně tvoří nosný systém pro veškerou technologii. Tepelné výměníky jsou vyvěšeny z horní části konstrukce a částečně podpírány i spodní konstrukcí. V přijímači se dále nacházejí dvě hlavní plošiny, na kterých jsou umístěny vstupní a výstupní tanky na solný roztok. Dále je celá konstrukce protkána potrubními trasami, servisními plošinami, výtahem, kabelovými lávkami apod.

Návrh konstrukce

Hlavní dodavatel elektrárny rozdělil konstrukci na jednotlivé celky, které rozprostřel mezi subdodavatele na základě jejich technického know-how, možností dodávkyatakéceny. Firma John Cockerill (JC) získala zakázkuna dodání technologické části v rámci přijímače, včetně ocelové konstrukce. Návrh konstrukce byl svěřen firmě ALLCONS Industry s.r.o. (AI). Naším subdodavatelem výkresové části je firma SteelPro 4 s.r.o. Návrh betonové věže a základů připadl organizaci Empresarios Agrupados (EA). Mezi těmito třemi firmami probíhala úzká spolupráce při návrhu solární věže. Společným úkolem nebylo pouze řešit geometrickou shodu a vzájemné napojení konstrukčních celků, nýbrž také zajistit celkovou funkčnost konstrukce. Jelikož se stavba při zatížení větrem a zemětřesením chová jako celek, nelze zjednodušeně počítat ocelový přijímač samostatně bez vlivu betonové věže. Totéž platí i obráceně, kdy pro návrh betonové věže je potřeba započítat i vliv ocelového přijímače.

Nebylo tedy jiné cesty než modelovat současně celou konstrukci, vyměňovat si průběžně vstupní data a po časových intervalech sledovat vzájemnou shodu výsledků. Přezkoumávaná data byla vlastní frekvence prvních vlastních tvarů, posuny v určených elevacích od větru a zemětřesení   a v neposlední řadě výslednice reakcí v patě konstrukce. Data byla průběžně zasílána zákazníkovi, který rozhodoval, jestli je shoda dostatečná a zda deformace v místě tepelných výměníků nemají nepříznivý vliv na funkčnost elektrárny. Firma EA poskytla našim statikům tvar podstavce, třídu použitého betonu, redukovaný modul pružnosti, umístění a tuhosti pilot pod základovou deskou i rozmístění hmot od technologie a zatížení. AI předala na oplátku všechny potřebné charakteristiky ocelového přijímače k vytvoření náhradního prvku simulujícího přijímač v detailním modelu betonové části.

Výpočetní model konstrukce byl vymodelován v programu SCIA Engineer. Posudky jednotlivých prutů a styčníků se prováděly podle americké normy AISC 360-16, přičemž zákazníkem předepsaná norma pro tvorbu kombinací byla ASCE 7-10. Konstrukce byla vyráběna v Čínské lidové republice, čemuž odpovídal i původně zvolený sortiment válcovaných profilů GB a čínské třídy ocelí Q345B a Q235B. V průběhu projektu však generální dodavatel projevil přání použít místo čínských materiálů oceli americké. Výsledkem je, že ve statickém modelu se na hlavní nosnou konstrukci použila vysokopevnostní ocel A572 Gr50 a na sekundární konstrukci běžná ocel A36, respektive A53 GrB. Čínské profily s americkým materiálem šlo lehce zkombinovat ve statickém programu, pro dílenskou dokumentaci však musela být vytvořena tabulka pro převedení čínských profilů na ekvivalentní profily americké.

Celková   hmotnost   navržené konstrukce je 900 t. Hlavní statický systém tvoří šestnáct sloupů rovnoměrně  rozmístěných do šestnáctiúhelníkového půdorysu. Vnější hrana sloupů je dána geometrií zavěšených výměníků. V patě konstrukce z každého sloupu vybíhá radiální nosník, na jehož konci je umístěna podpora. Toto vzájemné spojení vytváří v bokorysu písmeno L. K eliminaci nadměrného ohybového momentu ve spojení těchto dvou prvků je použita masivní vzpěra vedoucí od místa podpory do sloupu pod úhlem 45°, která přebírá veškerou normálovou sílu. Důvod takovéhoto řešení namísto zalomení sloupů je ten, že na začátku projektu nebylo jasné, v kterých místech bude přijímač uložen na pojízdný podvozek během výstavby. Zalomení nosného systému v patě konstrukce zajišťuje více možností pro geometrii posunovacího podvozku. Sloupy vzájemně propojuje svislé ztužení a takto vytvořený „válec“ je v pěti úrovních vodorovně ztužen hlavními plošinami, dnem a střechou přijímače. Mimo hlavní nosný systém obsahuje konstrukce i části nesoucí tepelný štít ve spodní i vrchní části a také všechny sekundární plošiny nezbytné k obsluze instalované technologie.

Z důvodu cyklického namáhání vlivem větru byly pro všechny styčníky  na hlavní konstrukci použity předpjaté spoje. Jelikož únavová únosnost střižných spojů je velmi nízká, byly i na diagonály hlavního nosného systému použity přípoje s čelní deskou.

Zatížení větrem a seismicitou

Zatímco s posudkem prutů podle dané normy dokáže velice pomoci statický software, aplikace zatížení větrem a zemětřesením je stále z větší části mravenčí prací statika. Zadání zatížení větrem bylo prosté, převedení do praxe složité. Předpis zněl následně: vezměte rychlost větru z dubajské větrné normy a tlak větru na konstrukci aplikujte pomocí americké normy ACI 307-08. Ve volbě ACI 307-08 sehrály významnou roli úzké vztahy mezi koncovým zákazníkem a zhotovitelem návrhu betonového podstavce, jedná se totiž o standard pro betonové komíny. Jelikož udávané rychlosti větru v každé normě odpovídají jiným hodnotám trvání, pravděpodobnosti výskytu a návratnosti, bylo nutné převést zadanou hodnotu na rychlost odpovídající normě ASCE 7-02, která je kompatibilní s ACI 307-08. To bylo provedeno výpočtem podle rovnice C26.5.1 ASCE 7-10. Výsledná rychlost použitá pro výpočet zatížení vyšla 52 m/s. Celý postup vedoucí k tlaku větru v  podélném a příčném směru zahrnujícím vliv odtrhávání víru zabíral devět stran statického výpočtu. Posledním úkolem bylo zjistit součinitele tlaku na šestnáctiúhelník, k čemuž výpočtářům pomohla česká publikace z roku 1987 [1]. Výsledné hodnoty aplikovaného zatížení byly odsouhlaseny všemi stranami na společném jednání v Dubaji. Aplikované zatížení prošlo ještě následným ověřením na základě výsledků testů z větrného tunelu, který provedla Čeťiangská univerzita v Číně.

Odezva konstrukce od zatížení zemětřesením byla stanovena modální analýzou. Spektrum odezvy jsme sestavili na základě dubajské normy.  Zákazník  stanovil  úroveň  zemětřesení  E3,  což  je  stupeň   s největší intenzitou ve Spojených arabských emirátech odpovídající době návratnosti 2475 let. Jelikož výpočet konstrukce probíhal podle amerických norem IBC, součinitelé duktility, důležitosti, spolehlivosti a součinitel navýšení pevnosti vychází z  ASCE  7-16.  Konstrukce  byla zatříděna podle tabulky 15.4-1 ASCE 7-16 jako „Buiding Frame System – Steel Ordinary Concentrically Braced Frame“, čemuž odpovídá součinitel duktility 3,25. Oproti tomu pro betonový podstavec byla stanovena hodnota duktility 1,5. Použití rozdílné duktility pro oba konstrukční celky je  americkou  normou  povoleno  v  případě, že duktilita vrchní části je vyšší a síly vstupující z horního celku do nižšího jsou vynásobeny poměrem vyšší a nižší duktility. Zákazník také stanovil jako druhý krok přepočítání konstrukce pomocí časové analýzy. K němu do této chvíle nedošlo, jelikož se zatím nepodařilo sehnat potřebné histogramy.

Výstavba a zvedání

U dubajské solární věže se zákazník vrátil k postupu montáže přijímače, který použil již u projektu Atacama realizovaného v Chile. Zatímco u předešlého projektu Haixi byl přijímač montován prut po prutu na vrcholu betonového podstavce, v Dubaji bude použit již osvědčený systém ze zmíněné Atacamy. Vzhledem k tomu, že sestavení  konstrukce  vážící 900 t ve výšce 222 m je náročným úkolem, bylo rozhodnuto postavit celou konstrukci včetně veškeré technologie a opláštění na podvozek umístěný na kolejích vedoucích do útrob  betonového  podstavce.  Zde je odpověď na přítomnost otvoru ve spodní části betonové konstrukce – 36 m vysoký přijímač se po přesunutí do středu věže převěsí na šestnáct hydraulických zvedáků, které ho krok po kroku vyzvednou do finální polohy.

Přesun a vyzdvižení konstrukce má v popisu práce italská firma Fagioli. Prvním vzájemným úkolem byl návrh ocelového podstavce. ALLCONS Industry s.r.o. navrhlo minimální ohybovou tuhost hlavního rámu podvozku zaručující minimální relativní deformace mezi jednotlivými kotevními paprsky přijímače. Vstupem od Fagioli pro naše výpočtáře byla maximální rychlost větru, při které se bude konstrukce posouvat a zvedat nad úroveň 222 m, způsob podepření pojízdného  podstavce,  minimální  počet  fungujících  zvedáků a umístění příčných kolesových nárazníků během zvedání. Posudek konstrukce musel být proveden nelineárním výpočtem, jelikož fiktivní pruty nahrazující kotevní lana mohly přebírat pouze tahové síly a příčné nárazníky pouze síly tlakové, navíc s povolenou vůlí 20 mm. Statických modelů pro zvedání bylo vytvořeno několik ve snaze obsáhnout co nejvíce možností dvou nefunkčních zvedacích zařízení. Toto opatření vedlo k tomu, že některé prvky a spoje navržené konstrukce musely být změněny. Důvodem byla redistribuce vnitřních sil mezi podepřenými a volnými částmi konstrukce.

Závěr

Díky kvalitní spolupráci všech stran a vysoké technické úrovni byla splněna očekávání zákazníka a projekt vyhotoven včas. Dne 17. 5. 2020 proběhl posun již kompletní konstrukce solárního přijímače do vnitřku betonové věže, jejíž betonáž byla dokončena v lednu. Vyzdvihnutí přijímače do finální polohy bylo dokončeno 12. 6. 2020. Uvedení do provozu se plánuje na třetí čtvrtletí 2021 a tím bude završena čtvrtá fáze výstavby solárního parku Mohammed bin Rashid Al Maktoum. Projekt CSP Tower zpracovaný společností Allcons Industry a.s. získal hlavní cenu poroty v soutěži SCIA User Contest 2020 [3]. Průběh prací lze sledovat na webových stránkách [4] a [5].

Zdroje:
[1] TICHÝ, M. a kol. Zatížení stavebních konstrukcí. Praha: SNTL, 1987.
[2] XIE, Jiming. Wind Engineering Studies of 700MW CSP – Solar Tower Dubai, UAE.
[3] https://www.scia.net/en/company/references/projects/dewa-concentrated-solar -power-tower
[4] https://www.multivu.com/players/English/8676751-shanghai-electric-dewa-dubai-solar-
power-project/
[5] https://www.facebook.com/ShanghaiElectric/videos/598132977477135

Základní údaje o stavbě

Název stavby: DEWA CSP Tower
Investor: Noor Energy 1
Místo stavby: Dubaj, Spojené arabské emiráty
Generální dodavatel: Shanghai Electric
Projektant technologie: John Cockerill (JC)
Návrh ocelových konstrukcí: ALLCONS Industry s.r.o.
Software použitý pro návrh ocelové konstrukce: SCIA Engineer
Výkresová dokumentace ocelové konstrukce: SteelPro 4
Realizace projektové a výrobní dokumentace: 8/2018–2/2019
Celková hmotnost ocelové konstrukce: 900 t

Základní údaje o stavbě

Název stavby: DEWA CSP Tower
Investor: Noor Energy 1
Místo stavby: Dubaj, Spojené arabské emiráty
Generální dodavatel: Shanghai Electric
Projektant technologie: John Cockerill (JC)
Návrh ocelových konstrukcí: ALLCONS Industry s.r.o.
Software použitý pro návrh ocelové konstrukce: SCIA Engineer
Výkresová dokumentace ocelové konstrukce: SteelPro 4
Realizace projektové a výrobní dokumentace: 8/2018–2/2019
Celková hmotnost ocelové konstrukce: 900 t