Jak správně modelovat dynamiku plovoucích větrných turbín a jejich interakci s prostředím

Při analýze zatížení plovoucích větrných turbín je klíčové správně modelovat různé typy zatížení a dynamické jevy, které mohou ovlivnit jejich výkon a stabilitu. To zahrnuje nelineární časově-domenovou dynamickou analýzu, modelování komponent jako jsou kotvící systémy, pohonné soustavy, listy rotoru, a vliv prostředí, včetně vln a hydrodynamických sil. Každý z těchto faktorů musí být pečlivě zohledněn, aby bylo možné odhadnout extrémní odpovědi a zajistit optimální návrh systému.

Jedním z důležitých aspektů je správné modelování nelineárních dynamických jevů, zejména při analýzách s nepravidelnými vlnami. Takové simulace vyžadují dlouhé časové úseky, což činí výpočetní nároky velmi vysokými. Proto je často užitečné aplikovat zjednodušené metody analýzy, například linearizované časově-domenové analýzy nebo analýzy ve frekvenční doméně, které mohou poskytovat efektivnější výsledky při zachování dostatečné přesnosti.

Dynamika pohonných soustav je další klíčový faktor, který musí být zohledněn v rámci integrované analýzy zatížení (ILA). Minimálně by měl být v analýze zahrnut torzní režim pohonné soustavy, která zahrnuje všechny komponenty přenášející točivý moment od rotoru k generátoru. Parametry modelu pohonné soustavy by měly být ověřeny pomocí podrobnějších výpočtů a modelů, což zahrnuje například ověření první vlastní frekvence získané z podrobného modelu pohonné soustavy vůči globálnímu modelu simulace zatížení.

U plovoucích větrných turbín je rovněž důležité správně modelovat rotorové listy a systémy řízení a bezpečnosti. Zatížení způsobená inerciálními silami, včetně gyroskopických účinků, je pro plovoucí systémy zvláště významné, neboť jejich dodatečná flexibilita může vést k vyšší dynamické odezvě způsobené aerodynamickými a hydrodynamickými silami. Kontrola vzorců chování turbíny, která by měla být zohledněna při návrhu a analýze zatížení, se pak stává nezbytnou součástí celkového modelování.

Dalším důležitým aspektem je interakce větrných turbín v rámci větrné farmy. Turbulence spojená s tokem vzduchu za rotory může zvyšovat intenzitu turbulencí ve srovnání s okolním prostředím. Při návrhu je nutné zohlednit vzájemný vliv větrných turbín na sebe, a to až do vzdálenosti deseti průměrů rotoru mezi turbínami. Tato vzájemná interakce by měla být zahrnuta do simulací zatížení a výpočtů, a to včetně momentu rotace, který může být způsoben nerovnoměrnými aerodynamickými zatíženími v důsledku stínu nebo vlivu větru z okolních turbín.

Modelování kabelových systémů pro export elektrické energie je dalším zásadním prvkem. Dlouhé visící segmenty kabelů mezi trupem turbíny a dnem oceánu mohou mít vliv na interakci s plovoucí strukturou a kotvícími systémy. Vlny a proudy mohou zvyšovat zátěž na kotvy, zatímco tuhost kabelového systému pomáhá stabilizovat celý systém a snižovat nízkofrekvenční pohyby, což ve výsledku může snížit napětí v kotvících systémech.

Modalní analýza je nezbytným nástrojem pro výpočet přirozených frekvencí, tlumení a tvarů režimů větrné turbíny, věže a podpůrné struktury. Tyto údaje jsou zásadní pro správnou parametrizaci modelu a pro predikci únavy a extrémních zatížení. Speciálně u plovoucích větrných turbín je třeba zahrnout účinky přidané hmotnosti plovoucí struktury, hydrostatické tuhosti a tuhosti kotvících linií do modalní analýzy. Ověření správného tlumení a rozdělení frekvencí mezi rotorem a dynamickými režimy turbíny je klíčové pro zajištění stability a životnosti systému.

Konečně, při výpočtu environmentálních zatížení je nutné zohlednit aerodynamická zatížení na rotorové a návěsové součásti, větrné síly na věžích a plovoucí podstruktury, hydrodynamické účinky na kotvící systémy a samotnou plovoucí strukturu působící vlnami a proudy. Pro tyto analýzy se mohou využívat analytické metody nebo modely a testy z reálných podmínek, které odpovídají specifickým podmínkám lokality. Výpočet zatížení musí být proveden s ohledem na příslušné normy, jako jsou IEC TS 61400-3-2, API RP 2FPS a další, které definují standardy pro navrhování a posuzování plovoucích větrných turbín.

Jak posoudit vlivy ledových a sněhových zatížení na plovoucí větrné turbíny?

Při posuzování zatížení způsobeného vírovými vibracemi (VIV) na jednotlivé komponenty je nutné vzít v úvahu účinky těchto vibrací na únavu materiálu. Analýza VIV obvykle slouží k posouzení vlivů vírových vibrací na únavu tenkých částí konstrukce. Tento proces by měl zahrnovat doporučení uvedená v normách jako ISO 19904-1 a API RP 2FPS, které se zaměřují na specifika analýzy pro různé typy strukturálních prvků, včetně podmořských komponent a podpůrných systémů.

V oblastech s chladným klimatem musí být posouzeny i účinky akumulace ledu a sněhu, které mohou způsobit výrazné změny v návrhových podmínkách. Následky nízkých teplot a vznikající námrazy by měly být zohledněny při hodnocení zatížení v rámci analýzy ILA (Integrated Load Analysis). Taková analýza by měla zahrnovat i konkrétní návrhové parametry, které se týkají chladného klimatu a akumulace ledu, jak je uvedeno v normách IEC 61400-1 a ISO 19906.

Akumulace ledu na rotorových lopatkách, a tím i změna jejich aerodynamických vlastností, představuje další klíčový aspekt. Icing ovlivňuje nejen samotné lopatky, ale i celkovou aerodynamiku turbíny. Proto je důležité, aby se při výpočtu zatížení v chladných podmínkách zohlednily změny v hustotě vzduchu, které jsou ovlivněny přítomností námrazy. Pro výpočet této hustoty by měl být použit ideální plynový zákon dle příslušných norem, například IEC 61400-1, Annex A.2.

Dále je nutné posoudit vliv ledu a sněhu na stabilitu celkové struktury větrné turbíny, zejména na její podmořskou podpůrnou konstrukci. Nezohlednění těchto vlivů může mít vážné důsledky na vyvážení a stabilitu celé konstrukce, což se může projevit nejen v samotném zatížení větrné turbíny, ale i v reakci plovoucí struktury na proměnlivé podmínky mořského prostředí. Při analýze tohoto zatížení by měly být zohledněny specifické změny v hmotnosti a vztlaku plovoucí podpory v důsledku nehomogenní distribuce sněhu a ledu na konstrukci.

Pokud jde o seizmické zatížení, pro turbíny umístěné v seismických oblastech je nutné stanovit správný výběr parametrů zemětřesení, které by měly zahrnovat jak spektrum odezvy, tak i záznamy o pohybech země zodpovědné za účinky na konstrukci. Zde je zásadní odkaz na standardy jako IEC 61400-3-2 Annex J a API RP 2T, které poskytují směrnice pro návrh systému kotev a pro posouzení seizmického zatížení pro plovoucí větrné turbíny.

Další problematikou je působení ledu na plovoucí turbíny, které může vést k statickým i dynamickým zatížením. Kromě přímého kontaktu s ledem, může pohybující se led vytvářet silné nárazy na konstrukci, což si žádá speciální modelování a výpočty. Tyto interakce mohou být složité, protože závisí na specifických mechanických vlastnostech ledu, jeho geometrii a rychlosti pohybu, což vše ovlivňuje směr a velikost zatížení.

V neposlední řadě je třeba vzít v úvahu vliv potenciálních lavin nebo zemětřesení podmořského prostředí, které mohou mít přímý dopad na stabilitu celé konstrukce. Tyto faktory by měly být zahrnuty v analýze v rámci standardů, jako je ISO 19906, API RP 2FPS, a API RP 2N.