Jak analyzovat globální pohyby a mezeru mezi vodní hladinou a plovoucí větrnou turbínou

V oblasti analýzy globálních pohybů plovoucích větrných turbín je nutné zohlednit různé typy tlumení, jako je hydrodynamické, aerodynamické a tlumení, které je spojené s ukotvením. Tyto efekty jsou důležité především při výpočtu odpovědí na pružení a zvonění, stejně jako vibrací, které jsou vyvolány torzem a RNA. Tyto vibrace mohou mít zásadní vliv na únavu kabelů a kotvících systémů.

Pro analýzu globálních pohybů plovoucí větrné turbíny se používají tři hlavní přístupy: analýza v frekvenční doméně, analýza v časové doméně a kombinovaná analýza frekvenční a časové domény.

V rámci přístupu v frekvenční doméně se vyhodnocují různé frekvenční složky pohybů turbíny. V první fázi se zohledňují reakce v oblasti střední, nízké a vlnové frekvence. Střední reakce jsou vypočítány na základě statického rovnovážného stavu nebo průměrné polohy. Pohyby s nízkou frekvencí a ty spojené s posuny kvůli offsetu se počítají ve frekvenční doméně, přičemž se bere v úvahu vliv tlumení větru, mořského proudu a ukotvení. Reakce vlnové frekvence, které jsou způsobeny radiačními a difrakčními efekty vln, jsou vyhodnoceny s ohledem na vlnové zatížení. Důležité je také správně modelovat tlumení působící od větru, proudu a ukotvení.

Při kombinované analýze v časové a frekvenční doméně jsou reakce na vlny a vlnové zatížení počítány ve frekvenční doméně, zatímco pohyby s nízkou frekvencí a offset spojený s nimi se počítají v časové doméně. Výsledky jsou následně kombinovány, aby se získaly celkové pohyby turbíny.

V analýze mezery je potřeba zvážit výšku vlnového vrcholu a pohyby trupu, jako je naklonění, rolování a výkyv. Při výpočtu výšky vlnového vrcholu je nutné vzít v úvahu nelinearitu vlnového profilu, vliv difrakce a běhu vln, stejně jako přílivové a vodní úrovně a změny ponoru plovoucí konstrukce.

Pokud je prováděna analýza v časové doméně, je potřeba počítat povrchové elevace vln, přičemž se opět zohlední vlivy radiačních a difrakčních efektů vln. Výška mezery mezi vodní hladinou a konstrukcí je určena na základě těchto povrchových elevací vln a pohybů trupu.

Kromě analytických metod, je nezbytné, aby byla zajištěna správná kalibrace použité úrovně tlumení a aby byly provedeny modelové testy, které pomohou ověřit přesnost výpočtů.

Je důležité mít na paměti, že dynamické efekty a vzájemné chování různých pohybů konstrukce nebudou mít pro analýzu mezery mezi vodní hladinou a plovoucí turbínou vždy zásadní vliv. Proto lze využít jakýkoli z výše uvedených přístupů jak v předběžném návrhu, tak ve fázi detailního návrhu, pokud jsou pohyby trupu správně zohledněny.

Jaká je optimální délka simulace a počet náhodných výběrů pro modelování zatížení?

Délka simulace je klíčová pro predikci extrémních hodnot odpovědí. Pokud je cílem získat statisticky významné extrémy odpovědí na vlnové frekvence, je obvykle potřeba provést několik tříhodinových simulací. Optimální délka simulace závisí na mnoha faktorech, mezi něž patří přirozené periody vlnových frekvencí a nízkofrekvenčních odpovědí, jejich příspěvek k celkové odpovědi systému, stupeň nelinearity a tlumení systému.

V případě zátěžových případů 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 3.x, 4.x a 5.1 je doporučeno generovat tři až šest sad osmnácti 10minutových simulací, pokud RNA zahrnuje přechodný jev. U některých DLCs, jako je DLC 1.2, 2.4, 3.1 a 4.1 pro analýzu únavy, je možné počet simulací snížit.

Pro konkrétní typy analýz, jako jsou zátěžové případy 1.4, 1.5, 2.3, 3.2 a 3.3, kdy dochází k extrémním událostem (například nárazovým větrům nebo silným mořím), je třeba pro každý set 18 simulací určit maximální hodnotu odpovědi v případě nejhoršího scénáře. U více sad simulací je maximální hodnota odpovědi určena průměrem maximálních odpovědí z jednotlivých sad.

Výsledky simulací závisí na mnoha parametrech, včetně rychlosti větru, turbulence a výšky vln. Je důležité upravit tyto hodnoty v závislosti na délce simulace, což umožní získání přesnějších výsledků pro konkrétní podmínky. Například pro zátěžové případy, které vyžadují 10minutové simulace, je obecně doporučeno provést alespoň 18 simulací (což je ekvivalentní 3 hodinám), pokud jsou větrné podmínky založeny na 10minutovém průměru.

Pro zátěžové případy, jako je DLC 1.6, 6.1 a 2.6, je kladeno důraz na statistickou spolehlivost a je doporučeno použít 1hodinové nebo 3hodinové simulace k dosažení dostatečné přesnosti při odhadu maximálních hodnot odpovědí systému. U specifických zátěžových případů je nutné vzít v úvahu různé parametry pro úpravu podmínek simulace, aby bylo dosaženo co nejpřesnějších a statisticky spolehlivých výsledků.

Jaké jsou klíčové aspekty analýzy integrovaného zatížení pro větrné turbíny na moři?

Analýza integrovaného zatížení (ILA) pro větrné turbíny na moři je komplexní proces, který vyžaduje simultánní modelování různých modulů systému, včetně aerodynamiky, hydrodynamiky, řídicího systému, a dynamiky struktur. Tento přístup umožňuje lépe pochopit interakce mezi jednotlivými částmi, jako jsou rotorová jednotka (RNA), věž, podstrukturální systém a základy. Veškeré tyto komponenty jsou řešeny společně v časové doméně, což se ukazuje jako klíčové pro realistické hodnocení celkového chování systému. Vhodně navržený software pro ILA dokáže poskytnout vysoce přesné výsledky, které mohou sloužit pro detailní návrh, certifikaci a ověření součástí větrných turbín na moři.

Co se týče modelování jednotlivých složek systému, existují různé přístupy, které mohou být využity v závislosti na požadované úrovni přesnosti a komplexnosti. Pro aerodynamiku se běžně používá metoda Blade Element Momentum (BEM) spolu s modelem dynamického wake (DW) a dynamického skluzu (DS), což poskytuje dostatečně přesné výsledky pro většinu aplikací. Pro vysoce přesné simulace se ale mohou použít pokročilejší metody jako metoda volného víru (FVW), která lépe zachycuje složité dynamické jevy během provozu turbíny.

V oblasti hydrodynamiky jsou v rámci analýzy integrovaného zatížení běžně využívány modely, jako je panelový model a model Morisonova prvku. Panelový model je často importován jako výsledek z externího software pro difrakci a radiaci v oceánských podmínkách. Morisonův prvek je užitečný pro výpočet zatížení na tenkých prvcích, jako jsou například kotvící lana nebo podpůrné struktury, kde se uplatňuje především odporové zatížení způsobené vlnami.

Kontrolní systémy turbíny jsou obvykle modelovány pomocí externí knihovny dynamického propojení (DLL). Tento přístup umožňuje flexibilitu při integraci různých systémů řízení, například při používání uživatelských podprogramů nebo speciálních řídicích softwarů, což usnadňuje testování a optimalizaci specifických řídicích algoritmů.

Dynamika struktury větrné turbíny je rovněž klíčovým faktorem, který je třeba zahrnout do analýzy. K tomu se používají různé metody, jako je metoda více těles (Multibody Dynamics), metoda konečných prvků (FEM) a metoda modalní superpozice. Metody FEM jsou zvláště užitečné pro modelování tenkých a pružných komponent, jako jsou listy rotoru, věž nebo kotvící lana. Modalní analýza, která poskytuje informace o kmitových módech, se používá především pro předpověď vibrací a deformací těchto struktur během provozu turbíny.

Pro úspěšnou implementaci ILA je nezbytné mít nejen správně nastavený software, ale i odpovídající návrhová data a výkresy, které jsou potřebné pro ověření a certifikaci komponent. Tyto údaje zahrnují informace o geotechnických vlastnostech podloží, konkrétních parametrech pro základy a kotvení a detailní výkresy jednotlivých struktur. Správná integrace těchto dat umožňuje přesnou simulaci a hodnocení výkonu větrné turbíny na moři v reálných podmínkách.