Při návrhu větrných turbín, které jsou umístěny na pevných základech na mořském dně, je kladeno důraz na správné stanovení environmentálních zatížení. Tato zatížení hrají klíčovou roli při celkovém modelování zatížení a stabilitě konstrukce. K určení těchto zatížení lze využít modely, testy na místě nebo analytické metody, které jsou kompatibilní s příslušnými normami, jako jsou IEC 61400-3-1, API RP 2A, API RP 2T a další. Důležitým faktorem je zajištění dostatečné přesnosti použitých metod, aby byly přizpůsobeny charakteristikám systému a podmínkám daného místa.

Mezi environmentální zatížení, která je nutné zohlednit, patří:

  • Aerodynamická zatížení na rotorové nástavbě (RNA).

  • Větrné zatížení na věži a podstrukturách.

  • Hydrodynamická zatížení na podstrukturách vystavených vlnám a proudům.

  • Dynamické zesílení vlnových a proudových zatížení na flexibilní podstrukturu.

  • Zatížení způsobená akumulací ledu a sněhu, pokud jsou relevantní.

  • Zemětřesení a případně i ledová zatížení.

  • Další specifická zatížení, jako například nárazy vln, vlnové běhy, nárazy lodí nebo vibrace způsobené vírovým prouděním (VIV), pokud je to relevantní pro danou lokalitu.

Aerodynamická zatížení na rotorové nástavbě (RNA)

Aerodynamická zatížení, která vznikají vlivem proudění vzduchu kolem rotoru, jsou určována průměrnou rychlostí větru, turbulentností vzduchu, rychlostí rotace rotoru, hustotou vzduchu a aerodynamickými tvary komponent větrné turbíny. Důležité je také zohlednit interakční efekty, jako je aeroelastičnost a rotační vzorkování. Pro výpočet aerodynamických zatížení by měly být použity uznávané metody a výpočetní programy, přičemž směrodatné údaje jsou získávány na základě definovaných větrných modelů. Pokud se větrná farma nachází v oblasti, kde se mohou projevit stínové efekty nebo efekty „wake“, je nutné tyto faktory zohlednit při analýze sil a únavy materiálu.

Pro modelování aerodynamických sil se běžně používá teorie blade element momentum (BEM), která umožňuje výpočty založené na aerodynamických koeficientech dvourozměrných profilů. Kromě základní teorie BEM se při modelování musí vzít v úvahu i tři důležité korekce, které zohledňují nelineární aerodynamiku: ztrátu výkonu na špičkách a v oblasti náboje rotoru, dynamický příliv (dynamický wake) a vliv věže.

Větrné zatížení na věži a podstruktury

Větrné zatížení na věži větrné turbíny se modeluje jako rozdělené zatížení podél její výšky. Pro tento účel je věž rozdělena na malé elementy, na kterých je určeno větrné zatížení s ohledem na koeficient odporu a rychlost větru. Stejným způsobem se modelují i zatížení podstruktury, kde se používá podobný model rozděleného zatížení, ale podstruktura je navržena jako rámec trubkových prvků nebo soustava diskrétních prvků. Takové modely umožňují přesněji simulovat skutečné podmínky, kterým podstruktura čelí při vystavení větrným silám.

Vortex-Induced Vibrations (VIV)

Vortex-induced vibrations (VIV) jsou fenomén, který je třeba zvážit při analýze zatížení způsobených větrem na věži a štíhlé prvky podstruktury. Tyto vibrace vznikají, když vítr způsobuje rotaci a oscilace na pevných prvcích, jako jsou sloupy věže nebo sloupky podstruktury. Důležité je zohlednit jak složky tahu (drag), tak složky vztlaku (lift) při výpočtu těchto zatížení. V rámci konstrukční analýzy by měl být proveden důkladný výpočet těchto efektů, přičemž doporučené normy, jako IEC 61400-6 a IEC 61400-3-1, poskytují detailní návod pro správné zohlednění těchto účinků.

Hydrodynamická zatížení na podstruktury

Pro podstruktury umístěné na mořském dně se modelování hydrodynamických zatížení provádí pomocí panelových modelů nebo Morisonovy metody. V případě větších těles by měly být zahrnuty také síly difrakce vln, které mají významný vliv na stabilitu a chování podstruktury ve vodě. Výhodou Morisonovy metody je, že zahrnuje jak rychlost proudu, tak kinematiku vln a pohyby podstruktury v jednom modelu. Pro velmi štíhlé podstruktury s poměrem průměru k vlnové délce větším než 0.2 je však nutné přistoupit k jiné metodě, protože Morisonova metoda není pro takové podmínky dostatečně přesná.

Dále by měla být zvážena i zatížení způsobená nárazy vln a běhy vln, která jsou obvykle považována za lokální zatížení. Pokud se při analýze zjistí, že existuje negativní vzduchová mezera mezi podstrukturovou základnou a hladinou vody, je nutné vyhodnotit globální účinky těchto nárazů, a to prostřednictvím pokročilých numerických simulací, analýz CFD nebo testů na modelech.

Důležité doplňky a poznámky

Pro správné určení environmentálních zatížení je důležité mít na paměti, že různé metodologie modelování mohou vést k odlišným výsledkům v závislosti na lokalitě a podmínkách prostředí. Důkladné zohlednění všech relevantních faktorů, jako je intenzita větru, vlivy oceanografie a struktura podstruktury, je zásadní pro dosažení optimálního a bezpečného návrhu větrné turbíny. Kromě toho je nezbytné mít přehled o aktuálních technických normách a metodologiích, které se vyvíjejí v souladu s novými výzkumy a technologickými pokroky v oblasti offshore větrné energie.

Jaké faktory je třeba vzít v úvahu při analýze globální výkonnosti a kotvení plovoucí větrné turbíny na moři?

Analýza výkonnosti plovoucí větrné turbíny je složitý proces, který musí zohlednit nejen aerodynamické a hydrodynamické síly, ale také vliv bezpečnostních a regulačních systémů turbíny, stejně jako dynamické reakce konstrukce. K tomu je nutné využít vhodný software pro simulace, který musí být schopen integrovat komplexní interakce mezi těmito faktory. Při výběru softwaru pro takovou analýzu je kladeno důraz na jeho schopnost správně modelovat chování plovoucí struktury a její stabilitu v různých provozních podmínkách.

Je nutné si uvědomit, že software může být buď komerčně dostupný a široce uznávaný v průmyslu, nebo vyvinutý in-house, tedy interně. V případě vlastního softwaru je zásadní, aby byl důkladně kalibrován na základě testů modelů a pole, nebo aby byl ověřen s pomocí jiných uznávaných nástrojů. Kromě toho je třeba brát v úvahu technické normy a pokyny pro navrhování plovoucích mořských struktur, jako jsou API RP 2T, API RP 2FPS, ISO 19904-1 a další směrnice týkající se kotvicích systémů, jejichž cílem je zajistit stabilitu a výkon v různých mořských podmínkách.

Globální pohyb plovoucí struktury a její analýza

Klíčovým aspektem při analýze plovoucí větrné turbíny je určení globálních pohybů plovoucí struktury. To zahrnuje sledování šesti stupňů volnosti (6 DOF) pohybů a zrychlení v bodech zájmu na trupu. Analýza "air gap", tedy mezery mezi hladinou vody a horní částí trupu, je zásadní pro posouzení bezpečnosti provozu turbíny v různých vlnových podmínkách. Důležitými faktory, které je třeba vyhodnotit, jsou například maximální posunutí plovoucí struktury, maximální kývání nebo napětí na kotevních lanech v různých částech kotvicích systémů.

Dalším klíčovým prvkem je analýza únosnosti kotvicích systémů, která zahrnuje posouzení celkového výkonu kotvení. Tato analýza se soustředí na napětí kotvicích lan, případně i úhly výtahu kotvicích lan na dně, a zajišťuje, že kotvení bude schopné odolat silám generovaným vlnami a větry bez ohrožení stability turbíny.

Typy plovoucích struktur

Plovoucí větrné turbíny mohou mít různé typy plovoucích struktur, z nichž každá má své charakteristiky a chování v různých podmínkách.

TLP (Tension Leg Platform) plovoucí struktura

TLP plovoucí struktura je vertikálně kotvený, plovoucí systém, který využívá nadbytečnou vztlakovou sílu trupu k napětí kotvicího systému. TLP struktury se vyznačují tím, že mají nízký odpor vůči horizontálním pohybům, ale jsou silně omezeny v pohybech vertikálních, jako je ponor (heave), rolování (roll) a náklon (pitch). Tento typ struktury je citlivý na vlny a jejich vysokofrekvenční síly, které mohou způsobit rezonance a výrazné zvýšení zátěže kotvicích lan. Kromě toho je pro TLP strukturu charakteristická související kinetická interakce mezi horizontálními pohyby (surge a sway) a vertikálním pohybem (heave), což ovlivňuje vzdálenost mezi turbínou a hladinou vody, tzv. air gap.

Spar plovoucí struktura

Spar plovoucí struktura je hlubokovodní plovoucí systém s vertikálním tvarem, obvykle válcového typu. Tento typ struktury je známý svou stabilitou v hlubokých vodách a využívá kotvení ke dnu moře k dosažení vysoké stability. Spar struktury mají víceúrovňový trup s horní, střední a spodní částí, přičemž horní část poskytuje vztlak pro podporu větrné turbíny a jejího zařízení. Tento typ konstrukce je méně citlivý na vlnové pohyby než jiné plovoucí systémy, což znamená, že nabízí stabilní podporu pro větrné turbíny i ve velmi hlubokých mořských oblastech.

Důležitost analýzy únavy kotvicích systémů

Analýza únavy kotvicích systémů je nezbytnou součástí návrhu plovoucí větrné turbíny, zejména v oblastech s vysokými vlnami a silnými větry, kde jsou kotvící lana vystavena dlouhodobým cyklickým silám. Tato analýza hodnotí schopnost kotvicích systémů odolávat opakovaným zatížením bez selhání. Parametry jako napětí v kotvicích lanech a jejich úhly výtahu mají přímý vliv na životnost celé turbíny, a proto je nezbytné zohlednit únosnost a únavové vlastnosti kotvicích systémů při dlouhodobých provozních simulacích.

Endtext

Jak navrhnout plovoucí podporu pro větrné turbíny v náročných mořských podmínkách

Pro správný návrh plovoucí podpory pro větrné turbíny je nezbytné podrobně analyzovat vlivy mořských podmínek, které mohou ovlivnit jak stabilitu samotné konstrukce, tak i její dlouhodobou životnost. V tomto kontextu se hodnotí různé environmentální faktory, mezi které patří dynamické reakce plovoucí podpory, interakce s vlnami a větrné podmínky, stejně jako únava materiálu vlivem opakovaných zatížení. Kromě toho se přihlíží k výjimečným situacím, jako jsou extrémní mořské podmínky, které mohou mít významný dopad na celkovou spolehlivost turbíny.

Vlnové podmínky a jejich vliv na návrh

Jedním z klíčových faktorů pro navrhování plovoucí podpory je správné určení vlnových podmínek. V závislosti na lokalitě je třeba vyhodnotit různé scénáře vlnových podmínek, přičemž se bere v úvahu nejen výška vlny, ale také její perioda a směr. Důležitým aspektem je výběr odpovídajících hodnot pro výpočty zatížení, které budou záviset na kombinaci těchto parametrů.

V rámci dlouhodobých předpovědí je třeba počítat i s vlnami, které mohou mít nižší výšku, ale odlišnou periodu nebo směr. Tyto vlny, i když nejsou nejvyšší, mohou mít zásadní vliv na únava materiálu a dynamické chování celé struktury. Předpokládá se také, že pro plovoucí větrné turbíny mohou mít velký význam i swely, tedy dlouhovlnné vlny, které se vyznačují nízkou frekvencí a mohou vyvolávat rezonance v konstrukci.

Při hodnocení extrémních mořských podmínek je kladeno důraz na výšku vlny, která se má pro danou lokalitu považovat za maximální, přičemž toto hodnocení je založeno na dlouhodobých měřeních nebo predikcích na základě historických dat. Tyto podmínky se následně používají pro výpočty zatížení při návrhu turbíny, přičemž je potřeba zohlednit i případné interakce s jinými environmentálními faktory, jako jsou vítr nebo proudy.

Mořské proudy a jejich vliv na návrh

Dalším klíčovým faktorem jsou mořské proudy, které mohou ovlivnit stabilitu plovoucí podpory a interakci s jejím kotvícím systémem. Pro návrh je nezbytné analyzovat rychlost a směr těchto proudů, a to jak v hloubce, tak i na hladině. Tyto údaje je třeba získat na základě měření na konkrétní lokalitě nebo použít ověřené empirické vztahy. Významné jsou zejména proudy generované větrem, přílivové a odlivové proudy, a také proudy spojené s říčními výtoky, které mohou mít specifické profilové charakteristiky.

Při návrhu je potřeba vyhodnotit, jak různé typy proudů mohou ovlivnit plovoucí podporu. Například proudy generované větrem mohou mít přímý vliv na stabilitu konstrukce, zatímco přílivové proudy mohou působit na její základnu. Důležité je také zohlednit vliv pohybů mořské vody v hlubokých a mělčích vodách, které mohou mít vliv na stabilitu v závislosti na místních podmínkách.

Přílivy, bouřkové vlny a hladiny moře

Přílivy a bouřkové vlny jsou dalšími faktory, které je třeba zohlednit při návrhu plovoucí podpory. Tyto podmínky mohou výrazně ovlivnit stabilitu struktury a její schopnost odolávat extrémním silám. Při návrhu je důležité vycházet nejen z průměrných hodnot, ale i z extrémních událostí, které mohou nastat během bouří nebo v důsledku dlouhodobých změn hladiny moře. To vyžaduje vysoce specializované modelování, které zohledňuje vlivy nejen samotného moře, ale i atmosférických a klimatických změn.

Je také nezbytné posoudit možnost výskytu lomů nebo rozrušení vln při kontaktu s instalovanou strukturou, což může mít vážný dopad na její integritu. Pro hodnocení těchto jevů se používají empirické limity a teoretické modely, které zohledňují jak hloubku vody, tak i konkrétní vlnové podmínky na daném místě.

Extrémní a přežití podmínky

Pro návrh je nutné zohlednit i extrémní mořské podmínky, které se vztahují k návrhu přežití struktury v případě naprosto extrémních podmínek. To zahrnuje scénáře, kdy je pravděpodobnost jejich výskytu velmi nízká (např. podmínky s návratností 50 let a více). Tyto podmínky jsou aplikovány na komplexní modely, které zohledňují souběh všech extrémních environmentálních faktorů – od vln přes proudy až po vítr a změny hladiny moře. Navržené scénáře zahrnují vysoce náročné podmínky, které mohou nastat při silných bouřích nebo při dalších extrémních jevech.

Důležité je si uvědomit, že i v případě výskytu takovýchto extrémních podmínek musí konstrukce větrné turbíny zajistit dostatečnou stabilitu a funkčnost. Proto je nezbytné uplatňovat přísná pravidla pro modelování a testování v takovýchto podmínkách.

Proč je důležité rozumět motivacím a konfliktům mezi postavami v příběhu?
Jaké jsou tajemství piraní a jejich neuvěřitelná efektivita při lovu?
Jaký je vztah mezi divokou přírodou a vnitřní klidností?
Jak se dráhy mění krajinu: Příběh rozvoje a lidských osudů