Jak ovlivňují cyklické zatížení pohyby plovoucí větrné turbíny?

Pohyb plovoucí větrné turbíny je komplexní proces, který je ovlivněn řadou faktorů, přičemž každý z nich může vyvolat různé druhy cyklických zatížení. Tato zatížení se liší nejen svou frekvencí, ale i charakterem v závislosti na vnějších podmínkách, jako jsou vlny, vítr a mořské proudy. Abychom pochopili, jak tyto faktory ovlivňují celkový pohyb, musíme se podívat na několik základních kategorií cyklických zatížení.

Nízkofrekvenční cyklická zatížení, obvykle označovaná jako "pomalu se pohybující" zatížení, mají charakteristické období mezi 1 a 10 minutami. Tato zatížení vyvolávají dynamické vzrušení plovoucích struktur v jejich přirozených obdobích pohybu, jako je příklon (surge), vychýlení (sway), nebo otáčení (yaw). V případě plovoucí větrné turbíny typu Spar mohou být přítomné i pohyby v náklonu (pitch) a otáčení kolem podélné osy (roll).

Vlnová frekvence cyklických zatížení je typická pro periodu mezi 3 a 30 sekundami. Tato zatížení obvykle způsobují pohyby plovoucí struktury, které jsou nezávislé na tuhosti ukotvení. V přístupech, které zanedbávají tuhost ukotvení při výpočtu vlnových pohybů, bývá výsledek konzervativní. Nicméně u menších plovoucích struktur, kde první řády vlnových zatížení nejsou významné, zohlednění tuhosti může přinést realistické pohyby. Když je přirozená perioda pohybu turbíny blízká vlnovým periodám, může tuhost ukotvení ovlivnit pohyby.

Plovoucí větrné turbíny vykazují různé složky globálních pohybů. Mezi ně patří statické a průměrné odpovědi způsobené větrem, vlnami a mořskými proudy, nízkofrekvenční pohyby vyvolané vlnami, pohyby na vlnové frekvenci a vysokofrekvenční pohyby, zvláště u plovoucích struktur typu TLP. Vibrace mohou být také způsobeny zatížením věže a RNA (rotor-náboj-azimutální mechanismus), pokud je to relevantní.

Zvláště důležité je zohlednění pohybů otáčení (yaw), zejména u plovoucí turbíny s jednopunktovým ukotvením, protože tento typ může za určitých podmínek vykazovat velké nízkofrekvenční pohyby. Tyto pohyby mohou mít zásadní vliv na chování turbíny i její ukotvení, a proto je nezbytné je vzít v úvahu při globálních analýzách pohybů a modelových testech.

Před provedením jakýchkoli dynamických analýz je nutné určit rovnovážnou pozici bez vlivů větru, vln a proudů a průměrné pozice při působení stálých environmentálních sil. Tato analýza statických sil by měla zahrnovat:

• Průměrné větrné síly, vypočítané na základě průměrné rychlosti větru měřené během delšího období.

• Síly způsobené mořskými proudy, včetně tahových sil na ukotvení.

• Stálé vlnové síly, které ovlivňují trup turbíny díky difrakci vln a viskózním efektům.

Pokud jde o nízkofrekvenční pohyby, je pro jejich správné odhadnutí důležité věnovat pozornost tlumení, protože tyto pohyby jsou dominantně rezonantní. Odhady tlumení závisí na různých faktorech, jako je aerodynamické tlumení, viskózní tlumení plovoucí struktury a ukotvovacího systému. Důležité je také zohlednit tlumení způsobené vlnami a mořskými proudy.

Při analýze vysokofrekvenčních pohybů je kladeno důraz na vliv strukturálních vlastností plovoucí turbíny a tlumení v pohybech, zejména u vertikálních pohybů, jako je náklon a vzestup (heave). Takové analýzy vyžadují důkladné zohlednění všech faktorů, které mohou ovlivnit frekvenční chování systému. Důležitým krokem je také simulace dlouhých časových intervalů, aby bylo možné odhadnout extrémní hodnoty v pohybech turbíny.

Jak navrhovat plovoucí podstruktury pro offshore větrné turbíny

Navrhování plovoucích podstrukturových systémů pro offshore větrné turbíny zahrnuje řadu specifických požadavků a doporučení, které se týkají jak materiálů, tak i zatížení, údržby a dlouhodobé výkonnosti. V tomto kontextu je důležité mít na paměti, že plovoucí podstruktura je základním prvkem, který musí odolávat jak environmentálním podmínkám, tak náročným operačním podmínkám spojeným s instalací a provozem větrné turbíny na moři.

Plovoucí podstruktura může být navržena v několika variantách, jako je stabilizovaná sloupová struktura, TLP (Tension Leg Platform), spar-type nebo barge. Každý z těchto typů má specifické vlastnosti a výhody v různých podmínkách, jako je hloubka vody nebo specifika mořských podmínek. Pokud je na plovoucí podstruktuře umístěna horní struktura, tedy nadstavba s turbínou, může být tato struktura navržena buď samostatně, nebo integrovaně s trupem plovoucí podstruktury.

Návrh plovoucí podstruktury musí zahrnovat několik klíčových aspektů. Je nutné se zaměřit na design ocelových a betonových komponent, přičemž každý materiál má své specifické požadavky na pevnost, odolnost vůči korozi a údržbu. Požadavky pro návrh ocelových konstrukcí jsou obvykle uvedeny ve formátu pracovního napětí (WSD) nebo metody faktoru zatížení a odporu (LRFD), které jsou základem pro návrh konstrukcí. Na druhé straně betonové komponenty plovoucí podstruktury podléhají jiným specifikacím, obvykle vycházejícím z metody LRFD.

V rámci návrhu je rovněž důležité zohlednit několik faktorů, které ovlivňují dlouhodobou funkčnost struktury. To zahrnuje účinky, jako jsou vibrace způsobené stroji a vybavením, koncentrace napětí na kritických spojích, sekundární napětí vyvolaná velkými deflexemi a kumulativní únavu materiálu. Kromě toho je třeba brát v úvahu i účinky koroze, opotřebení způsobeného ledem a mrazové cykly, které mohou ovlivnit jak ocelové, tak betonové komponenty.

Navrhování plovoucí podstruktury musí zahrnovat i analýzu zatížení. Kombinace různých typů zatížení, včetně operačních zatížení větrné turbíny a environmentálních faktorů, jako jsou vlny, vítr nebo dynamické efekty, musí být důkladně prozkoumána. V případě únava materiálu je nutné provést dlouhodobou analýzu rozdělení napětí, která by měla zohlednit všechny očekávané zátěže jak během fáze před uvedením do provozu, tak i v průběhu samotného provozu.

Dalším klíčovým aspektem je zajištění dostatečné ochrany proti korozi. K tomu slouží speciální systémy ochrany, jako jsou povlaky nebo katodická ochrana. Tato ochrana musí být účinná od okamžiku instalace podstruktury na místo a musí brát v úvahu specifické korozivní účinky mořského prostředí, včetně neobvyklých kontaminantů, které mohou být přítomny v dané oblasti.

Důležitým faktorem při navrhování plovoucí podstruktury je také dlouhodobá životnost konstrukce. Ta by měla být v souladu s doporučeními pro návrh, přičemž celková životnost by měla být přizpůsobena očekávaným podmínkám na moři a specifikům použitého materiálu. To zahrnuje nejen odolnost proti korozi, ale i opotřebení materiálů v důsledku dlouhodobé expozice náročným povětrnostním a mořským podmínkám.

Při navrhování podstruktury by se měl brát v úvahu i vliv druhotných efektů, které mohou vzniknout v důsledku velkých deflexí konstrukce, místní vibrace nebo únavy materiálu. Tyto faktory mohou mít významný dopad na stabilitu a dlouhodobou funkčnost celé struktury. Speciální pozornost je třeba věnovat i zónám vystaveným nejintenzivnějším korozním podmínkám, jako jsou zóny ponořené pod vodní hladinou nebo zóny splachování.