Jak modely proudů ovlivňují návrh větrných turbín na mořském dně?

Při návrhu větrných turbín umístěných na mořském dně je důležité brát v úvahu širokou škálu environmentálních faktorů, mezi nimiž hrají klíčovou roli mořské proudy. Tyto proudy mohou být vyvolány několika přírodními jevy, přičemž jejich intenzita a směr mají přímý vliv na stabilitu a bezpečnost instalace turbín. Při hodnocení proudů je třeba vycházet z několika různých modelů, které se zaměřují na specifické podmínky oblasti.

$U_b = \sqrt{2 \zeta g H_b}$

Pro hlubší analýzu a návrh turbín je nezbytné sestavit modely proudů s ohledem na konkrétní podmínky oblasti. Pokud jsou v oblasti přítomny specifické jevy, jako jsou říční výtoky nebo stratifikované proudy, je třeba do modelů zahrnout jejich vliv. To platí i pro různé typy proudů, které mohou vznikat v důsledku změn počasí, jako jsou přílivové nebo bouřkové proudy. Pro výpočet zátěží při návrhu je potřeba zohlednit nejen běžné proudy, ale i extrémní a přežití schopné proudy.

Modely proudů, jako je Normal Current Model (NCM), zohledňují dlouhodobou pravděpodobnostní distribuci metoceanických parametrů pro dané místo instalace. Tento model je navržen tak, aby reflektoval vliv větru na proudy při stanovení silových analýz pro běžné provozní podmínky. Pro analýzu únavy je pak třeba zahrnout i dlouhodobé rozdělení parametrů, což pomůže stanovit očekávané zátěže během celého životního cyklu zařízení.

Dalšími důležitými modely jsou Extreme Current Model (ECM) a Survival Current Model (SurCM). ECM je model, který zahrnuje proudy při extrémních podmínkách, které se vyskytují s určitou návratovou periodou. Tento model je kombinován s dalšími extrémními modely, jako je Extreme Wind Model (EWM) a Extreme Sea State (ESS). SurCM je pak podobný ECM, ale s delší návratovou periodou, která přesahuje 50 let.

Pro optimální návrh a analýzu je nutné vzít v úvahu nejen modely proudů, ale také vliv přílivů, bouřkových surků a změn vodních hladin. Přílivy mohou být rozděleny na astronomické, větrné a tlakové rozdíly, přičemž kombinace větru a tlaku vytváří bouřkové surky, které mohou výrazně ovlivnit hloubku vody v oblasti instalace. Výšky vody, jak jsou definovány pro potřeby výpočtu zátěží, by měly být uvedeny jasně, včetně maximálních a minimálních úrovní, jak je definováno pro návrh podporových struktur turbín.

Zajímavým faktorem, který ovlivňuje návrh turbín, je také teplota moře a vzduchu, která se vztahuje k hustotě vzduchu, materiálovým požadavkům a termálnímu zatížení konstrukce. Pro oblasti, kde je pravděpodobnost výskytu ledu a sněhu, je třeba vyhodnotit, do jaké míry mohou tyto jevy ovlivnit konstrukci turbíny.

Jak správně zohlednit extrémní metocean podmínky při návrhu podpůrných konstrukcí pro plovoucí větrné turbíny?

Při návrhu plovoucí podpůrné konstrukce pro větrné turbíny je kladeno důraz na zohlednění extrémních metocean podmínek, které mohou mít zásadní vliv na stabilitu, bezpečnost a celkovou životnost konstrukce. Tyto podmínky zahrnují extrémní větrné podmínky, vlny a proudy, které mohou v dané oblasti nastat s určitou návrhovou návratností. Ve většině případů je standardní přístup k návrhu spojen s konzervativním přístupem, který kombinuje všechny jednotlivé extrémy s odpovídající návratností, což může vést k vyšší bezpečnosti.

Zvláštní pozornost by měla být věnována těmto aspektům:

1. Návrh extrémních větrných, vlnových a proudových podmínek: Při určování návrhových podmínek je nutné vzít v úvahu celkový vliv různých environmentálních faktorů, a to včetně jejich vzájemné kombinace. To znamená, že kombinace větru, vln a proudů s podobnou návratností může často vést k konzervativnějšímu, ale bezpečnějšímu návrhu.

2. Zatížení během provozu a při neobvyklých podmínkách: U těchto konstrukcí se hodnotí i dočasné fáze operací, jako je nakládání, transport, instalace, údržba a opravy, při nichž se berou v úvahu méně časté, ale stále významné extrémní podmínky. Pro tyto operace by měly být použity podmínky, které odpovídají návratnosti během 10letého období pro transport po pevninské trase a 1letého období pro námořní transport. Tyto podmínky zajišťují, že i v případě, kdy jsou okolní podmínky výjimečné, konstrukce vydrží a splní požadované standardy.

3. Poškození při dočasných fázích: Doplnění nového návrhového zatížení (DLC 8.2) pro poškození způsobené únavou během dočasné fáze je klíčové pro zajištění dlouhodobé spolehlivosti konstrukce. Tento přístup zajistí, že i při nepravidelných, ale intenzivních podmínkách, jaké mohou nastat při instalaci či opravách, nebude konstrukce zbytečně poškozena.

4. Vliv směrů větru a vln: Při určování návrhových zatížení pro plovoucí podpůrné konstrukce je nutné brát v úvahu možné nesoulady mezi směrem větru a směrem vln. Pokud nejsou k dispozici konkrétní údaje o směrových podmínkách pro konkrétní lokalitu, je důležité se zaměřit na kombinace, které budou mít nejvíce nepříznivý vliv na konstrukci.

5. Analýza únavy: U plovoucích podpůrných konstrukcí je třeba pravidelně hodnotit riziko únavy materiálu. Specifické návrhové zatížení týkající se únavy (DLC 9.1, 9.2, 9.3 a 10.1, 10.2) vychází z normy IEC TS 61400-3-2 a zahrnuje specifické podmínky pro situace, kdy dojde k poškození, například při ztrátě kotvícího lana nebo při změně polohy konstrukce.

6. Kombinace zatížení a zajištění bezpečnosti: Kombinace zatížení, která přináší nejzávažnější lokální a globální účinky na plovoucí podpůrnou konstrukci, by měla být použita pro posouzení konstrukční způsobilosti. Zatímco tyto kombinace zajišťují maximální bezpečnost, je třeba brát v úvahu i dlouhodobý vliv zatížení na materiály a jejich únavovou životnost.

7. Specifické podmínky pro kotvení: Pro návrh systému kotvení je nezbytné zohlednit nejen základní metocean podmínky, ale i specifické faktory, jako jsou vektory větru a proudů, které mohou ovlivnit stabilitu kotvícího systému. To zahrnuje například nevyvážené aerodynamické síly působící na rotor nebo účinky vlnového pohybu a víření v důsledku proudu.

Všechny tyto aspekty by měly být pečlivě zohledněny při návrhu plovoucí podpůrné struktury pro větrné turbíny. Bez řádné analýzy a implementace návrhových zatížení může dojít k předčasnému selhání konstrukce, což by mělo vážné důsledky nejen pro ekonomiku projektu, ale i pro bezpečnost pracovníků a ochranu životního prostředí.

Pokud jde o konstrukci takto složitého systému, je důležité si uvědomit, že každý projekt je unikátní a vždy vyžaduje podrobnou analýzu specifických místních podmínek, včetně detailního sledování meteorologických a oceánografických dat, která mohou ovlivnit výsledky simulací a konečný návrh. Také je nezbytné mít zajištěný monitoring prostředí a bezpečnostní opatření, která umožní včasné zjištění jakýchkoli změn v metocean podmínkách.