Floating offshore wind turbines (FOWT) představují vysoce efektivní technologii pro výrobu větrné energie na moři. Jejich konstrukce se opírá o různé typy podmořských struktur, které zajišťují stabilitu a odolnost proti silám větru a vln. V této kapitole se zaměříme na různé typy těchto podstruktur, jejich charakteristiky a význam jejich pohybových schopností v dynamickém prostředí oceánu.

Jedním z nejběžnějších typů floating substruktur je Spar-type, jehož konstrukce zahrnuje víceúrovňovou strukturu, která zajišťuje stabilitu i při extrémních povětrnostních podmínkách. Spary mají vertikální trup, který je připojen k mořskému dnu pomocí kotvovacích systémů, což poskytuje stabilitu proti silám způsobeným vlnami a větrem. Významnou součástí tohoto designu je ballast tank (balastní nádrž), která při naklopení poskytuje dočasnou vzbuzení, aby se konstrukce stabilizovala. Jakmile je substruktura vzpřímena, balastní nádrž se napustí pevným balastem, který je těžší než voda a zajišťuje nízké těžiště pro zajištění stabilní polohy.

Dalším typem konstrukce je column-stabilised (semi-submersible) floating substructure, která využívá sloupce nebo caissons připojené k podmořské části. Tato konstrukce závisí na vztlaku sloupců a poskytuje potřebnou stabilitu. Kolonky jsou spojeny s horní konstrukcí, která může být buď uzavřená, nebo otevřená. Tento typ konstrukce je obzvláště citlivý na síly vznikající v důsledku vlivu mořského proudu, což může vést k vibracím. Zde je kladeno velké důraz na mooring systém (kotvovací systém), který je navržen tak, aby minimalizoval dynamické síly a zabezpečil stabilitu podmořské struktury při pohybech způsobených vlnami.

Podobně jako u Spar-type konstrukce, semi-submersible substruktur je vystaveno horizontálním silám a musí být navrženo tak, aby minimalizovalo vibrace a nadměrné pohyby. Vzhledem k tomu, že tento typ konstrukce může mít větší povrchovou plochu vystavenou působení proudů, je třeba se věnovat i vortex-induced oscillations (vibracím způsobeným vírovým pohybem), které mohou zvyšovat odpor a nakonec i síly v průběhu pohybu konstrukce.

Různé konstrukce floating substruktur jsou citlivé na různé environmentální faktory. Například mooring systémy jsou klíčovým prvkem, který zabezpečuje, že větrná turbína zůstává v dané poloze, a to jak při klidných, tak extrémních podmínkách. Cílem je nejen stabilizovat strukturu proti větru a vlnám, ale také chránit systém před velkými momenty otáčení způsobenými rotací rotoru a jeho interakcí s konstrukcí. V závislosti na konkrétním designu může být použito několik typů kotvení – od catenary mooring (kabelového kotvení) až po taut-line mooring (napnuté linie), přičemž každý z nich má své specifické výhody a nevýhody v závislosti na místních podmínkách a požadavcích na stabilitu.

Pohybová charakteristika těchto podstruktur je navržena tak, aby přirozené frekvence pohybů byly mimo rozsah vlnových period. To znamená, že heave (vertikální pohyby) a jiné oscilační pohyby způsobené vlnami budou minimální, což je zásadní pro minimalizaci dynamických sil na kotvovací systémy a další komponenty. S ohledem na hloubku a strukturu může být tato stabilita dosažena bez potřeby velkých a těžkých stabilizačních prvků, což snižuje celkovou hmotnost a náklady na výrobu.

Další důležitým prvkem je volba vhodného kotvovacího systému. Catenary mooring je často používáno díky své schopnosti přizpůsobit se změnám geometrie vlnových pohybů. Tento typ kotvení je efektivní zejména pro oblasti s hlubokými vodami, kde může být použit řetěz a lana pro zajištění dostatečné tuhosti systému. Naproti tomu taut-line mooring je vhodnější pro mělké vody a vyžaduje použití elastických vláken pro zajištění dostatečného odporu vůči pohybům. Obě systémy mají své výhody, ale jejich výběr musí být optimalizován podle specifických podmínek umístění větrné turbíny.

Pro optimální výkon a dlouhodobou životnost floating offshore wind turbine je důležité nejen správně navrhnout konstrukci a kotvovací systém, ale také pravidelně monitorovat chování těchto systémů v reálném provozu. Moderní senzory a monitoringové systémy poskytují cenné údaje, které umožňují analyzovat reakce struktury na změny v podmínkách a provádět potřebné úpravy, čímž zajišťují maximální efektivitu a minimalizují riziko neplánovaných poruch.

Jaké jsou klíčové kroky v inspekci a údržbě větrných turbín na mořském dně?

Při posuzování stavu větrných turbín umístěných na mořském dně je zásadní provádět pravidelné inspekce, které pomáhají identifikovat případné problémy a zajistit dlouhodobou životnost a bezpečnost těchto zařízení. Inspekce se zaměřují na různé aspekty konstrukce a provozu, přičemž zvláštní pozornost je věnována oblastem s vysokým napětím, místům s nízkou únavovou životností, poškozením, které vzniklo při instalaci nebo během provozu, a na opravy a modifikace provedené během služby. Každá inspekce musí být řádně zdokumentována a výsledky musí být předloženy ke schválení příslušným odborným institucím.

Po dokončení výstavby je nutné provádět tři hlavní typy inspekcí: pravidelné roční inspekce, speciální periodické inspekce a kontinuální inspekce. Každý typ inspekce má svůj specifický zaměření a požadavky na technické provedení, které musí být splněny, aby byla zajištěna bezpečnost a stabilita zařízení.

Roční inspekce zahrnují vizuální kontrolu nadvodní části konstrukce, přičemž zvláštní pozornost je věnována zóně stříkající vody, kde dochází k erozi a korozi. Pokud během této inspekce dojde k výraznému poškození nebo zhoršení stavu od předchozí inspekce, je nutné provést detailní podvodní prohlídku, včetně kontroly mořského dna, ochrany proti erozím a systému ochrany proti korozi.

Specializované periodické inspekce se zaměřují na rozsáhlejší a důkladnější kontrolu, včetně testování nedeformativními metodami na klíčových spojích konstrukce, a to i na podpůrných strukturách J-Tubů. Tato kontrola musí být provedena na základě schváleného plánu inspekce, který stanoví všechny podrobnosti týkající se metod testování a inspekce.

V případě významného poškození nebo zjištění sériových vad je možné provádět kontinuální inspekce na vybraných turbínách. Tyto inspekce umožňují průběžně monitorovat stav instalací a při potřebě provádět častější kontroly.

Po každé inspekci je také nutné provést měření tloušťky materiálu, zejména v oblastech vystavených splash zóně. Pokud se při vizuální kontrole nebo měření tloušťky prokáže významné zhoršení stavu konstrukce, musí být provedena inženýrská analýza, která prokáže, zda je konstrukce stále schopná bezpečně fungovat.

Speciální pozornost by měla být věnována také růstu mořských organismů. Tento růst může ovlivnit hydrodynamické vlastnosti konstrukce a její stabilitu. Pokud je růst příliš velký, musí být odstraněn, nebo musí být provedena analýza, která prokáže, že přidaná hmotnost neovlivní bezpečnost celého zařízení.

Kromě technických aspektů je nezbytné pravidelně monitorovat a kontrolovat účinnost systému ochrany proti korozi, což je klíčové pro zajištění dlouhodobé funkčnosti turbín. Ochranné systémy musí být pravidelně testovány, a to měřením potenciálních napětí generovaných těmito systémy.

Všechny tyto inspekce a testy musí být prováděny kvalifikovanými odborníky, kteří jsou schopni poskytnout správnou analýzu a doporučení pro případné opravy nebo údržbu. Výsledky každé inspekce jsou důležité pro posouzení celkového stavu turbíny a pro plánování její další údržby.

Z hlediska dlouhodobé životnosti je klíčové, aby všechny úpravy a opravy byly prováděny podle schválených postupů a byly řádně zdokumentovány. Tím je zajištěno, že turbína splňuje všechny technické požadavky a normy a že se její životnost prodlouží na maximální možnou dobu.

Jaké designové zátěžové případy je nutné zvážit při navrhování plovoucí větrné turbíny?

Při navrhování plovoucí větrné turbíny je nezbytné pečlivě zvážit různé designové zátěžové případy (DLC), které pokrývají všechny relevantní podmínky, kterým může turbína čelit během své životnosti. Tyto zátěžové případy jsou navrženy tak, aby zajistily, že turbína bude bezpečně fungovat při různých environmentálních podmínkách a v případě poruchy některých klíčových systémů. Základní požadavky pro tyto případy jsou uvedeny v tabulkách normy IEC 61400-3-1 (2019) a IEC TS 61400-3-2 (2019), které se zaměřují na větrné turbíny umístěné na pevných i plovoucích podpůrných strukturách.

Základními komponenty, které musí být zohledněny při hodnocení designových zátěžových případů, jsou plovoucí podpůrná struktura a systém udržování pozice. Tyto systémy musí být navrženy tak, aby byly schopné odolat silám způsobeným větrem, vlnami, mořskými proudy, a v některých případech i ledu, pokud je turbína umístěna na moři v oblasti s výskytem ledu. Navíc, pokud turbína disponuje aktivními řídicími systémy, jako jsou systémy pro řízení vyvážení nebo monitoring stavu moře, musí být zohledněny i možné poruchy těchto systémů, které by mohly negativně ovlivnit provoz turbíny.

Při hodnocení designových zátěžových případů pro plovoucí větrnou turbínu je nutné brát v úvahu i kombinace extrémních environmentálních podmínek s poruchami turbíny, pokud existuje pravděpodobnost, že tyto dvě události mohou nastat současně. Taková kombinace by měla být považována za dodatečný designový zátěžový případ. Dále je třeba se zaměřit na vlivy, jako jsou změny ponoru a náklonu (draft a trim), stejně jako na vlivy, které mohou být způsobeny vibracemi indukovanými vírem (VIV) nebo pohyby indukovanými vírem (VIM) na podpůrné konstrukci a systému udržování pozice.

V případech, kdy je plovoucí větrná turbína navržena pro nasazení v oblastech, kde je vysoký výskyt ledu, musí být navrženy zátěžové případy, které zohlední účinky rychlého vytváření ledu a pohybujícího se ledu na podpůrnou konstrukci a systém udržování pozice. To je zvlášť důležité v oblastech, kde se mohou tvořit ledové vrstvy, které budou působit na struktury turbíny, což může způsobit závažné poruchy nebo snížení efektivity.

Zátěžové případy definované v tabulce normy jsou rozděleny do různých kategorií podle specifických podmínek, kterým může turbína čelit. Patří sem například podmínky pro normální výrobu elektřiny (DLC 1.x), podmínky pro poruchy systému (DLC 2.x), startovní a nouzové stavy (DLC 3.x a 4.x), jakož i podmínky pro provoz při nečinnosti (DLC 6.x) a přenos, montáž či opravy (DLC 8.x). Každý z těchto případu musí být podrobně analyzován s ohledem na specifické parametry, jako jsou směr a síla větru, výška vln, hladina moře a další faktory, které mohou ovlivnit stabilitu a bezpečnost turbíny.

Důležité je také zohlednit specifické poruchy, které mohou nastat během provozu, jako je například porucha řízení otáčení nebo selhání elektrické sítě. Tyto poruchy mohou výrazně ovlivnit celkovou funkčnost turbíny, a proto je nutné je zahrnout do hodnocení návrhu zátěžových případů, aby bylo zajištěno, že turbína bude schopná bezpečně fungovat i v těchto situacích.

Při posuzování zátěžových případů je nezbytné mít na paměti, že každá turbína a její podpůrná struktura jsou jedinečné a mohou mít různé odpovědi na síly působící z okolního prostředí. Proto je nutné přizpůsobit design jednotlivým podmínkám, které mohou v oblasti nasazení nastat. Je také kladeno důraz na flexibilitu v návrhu, aby bylo možné upravit konstrukci v případě nových technologických nebo environmentálních výzev.

Tento komplexní přístup k navrhování zátěžových případů pro plovoucí větrné turbíny má zásadní význam pro dlouhodobou životnost a bezpečnost celého zařízení. Každý z těchto zátěžových případů představuje scénář, kterému může turbína čelit, a proto musí být pečlivě analyzován a navržen tak, aby minimalizoval rizika spojená s výskytem extrémních podmínek nebo poruch systémů.

Jaký je význam ISIP plánu pro inspekci plovoucích větrných turbín?

In-Service Inspection Programme (ISIP) představuje zásadní dokument pro plánování inspekčních činností a udržování bezpečnosti plovoucích větrných turbín po celou dobu jejich provozu. Tento plán, zahrnující všechny klíčové komponenty systému, by měl být součástí povinného schválení během inspekcí prováděných na základě klasifikačních pravidel. ISIP je nezbytné pro správné vykonávání kontrol a revizí na různých fázích životního cyklu turbíny a tvoří základ pro vykonávání Special Periodical Survey a dalších periodických inspekcí.

Pokud jde o plovoucí větrné turbíny, inspekční plán musí pokrývat všechny aspekty jejich údržby, včetně přístupu k jednotlivým oddílům a podrobného popisu postupů pro inspekci strukturálně kritických bodů. To zahrnuje nejen vizuální kontroly, ale i pokročilé metody, jako je nedestruktivní testování (NDT), které umožňuje detekci případných mikrotrhlin a jiných neviditelných defektů. Alternativní techniky inspekce musí být rovněž podrobně uvedeny v ISIP plánu a musí být schváleny příslušnou třídící organizací.

Zcela zásadní je i fakt, že ISIP by měl pokrývat různé typy inspekcí v rámci celého životního cyklu turbíny, počínaje pravidelnými ročními inspekcemi až po detailní Special Periodical Survey, které se provádí každých pět let. Tento cyklus inspekcí je navržen tak, aby zajistil maximální bezpečnost a výkonnost plovoucí větrné turbíny, přičemž každá inspekce musí být realizována v souladu s požadavky dané klasifikační společnosti a dalších pravidel pro provoz na moři.

Roční inspekce se provádí obvykle v období tří měsíců před nebo po výročí předchozí inspekce, kdy je zajištěno, že všechny požadované položky jsou zkontrolovány a certifikovány. Zvláštní pozornost by měla být věnována stavu ochrany proti korozi, zejména u komponent jako jsou balastní nádrže, které jsou klíčové pro stabilitu celé konstrukce. Pokud se jedná o plovoucí turbínu na trvalém inspekčním programu, musí být všechny položky inspekce provedeny v daném roce.

Special Periodical Survey, jež probíhá každých pět let, se zaměřuje na komplexní hodnocení stavu turbíny, včetně podvodních částí, kotevních systémů a dalších klíčových mechanických a elektrických komponent. Tato inspekce je povinná pro potvrzení dlouhodobé životnosti zařízení a pro ověření efektivity systémů koroze a dalších ochranných technologií.

Pokud je rozhodnuto o použití metody inspekce nazvané Underwater Inspection in Lieu of Drydocking Survey (UWILD), je třeba si uvědomit, že tuto inspekci provádí externí specialisté schválení klasifikační společností. UWILD inspekce je zaměřena na kontrolu podvodních částí plovoucí turbíny a dalších připojených systémů, jako jsou kotvicí a napájecí kabely. Tato metoda je prováděna jednou za pět let a musí být realizována v rámci Special Periodical Survey.

Další důležitou metodou je Continuous Survey Program, která umožňuje rozložit požadavky Special Periodical Survey rovnoměrně na pět let. Tento program představuje efektivní způsob, jak zajistit pravidelnou kontrolu všech kritických komponent zařízení bez nutnosti soustředit všechny inspekce do krátkého časového úseku.

Pro zajištění správného vykonání všech těchto inspekcí je klíčové pravidelně aktualizovat ISIP plán, který musí odpovídat aktuálním technickým požadavkům a specifikacím. Jakákoli změna v provozních podmínkách nebo konstrukčních prvcích plovoucí turbíny musí být promítnuta do tohoto plánu, aby byla zajištěna bezpečnost a efektivní provoz zařízení.

Plán ISIP by měl být rovněž doplněn o konkrétní technické detaily týkající se inspekčních postupů a metod, které jsou schopny detekovat různé druhy závad, včetně těch, které jsou obtížně zjistitelné pouhým okem. Speciální pozornost by měla být věnována detekci mikroskopických trhlin a koroze v kritických strukturálních bodech, které mohou mít dlouhodobé negativní důsledky pro stabilitu a bezpečnost turbíny.

Pokud by došlo k jakýmkoli neobvyklým událostem nebo haváriím, je nutné rychle upravit plány inspekcí, přičemž všechny změny musí být provedeny v souladu s normami a pravidly dané klasifikační společnosti.

Jak Dakota převezl gang a proč je jeho příběh tak nebezpečný
Jak materiály 2D mohou změnit budoucnost elektroniky a telekomunikací?
Jak překonat stud a hanbu, když všechno vyjde najevo?