Modelování metacentických výšek (GML, GMT) je klíčové pro určení polohy centra vztlaku a stabilitu plovoucí větrné turbíny. Při určování metacentických výšek by měly být brány v úvahu účinky volného povrchu ve částečně naplněných nádržích. Důležitá je i korektní zahrnutí příspěvků od kotvicích systémů a lan. Rozložení hmoty trupu může být reprezentováno buď globální maticí hmoty, nebo podrobným modelem rozložení hmoty (například FE model). Koordinační systém vstupu je obvykle závislý na softwaru, který je použit, a jeho počátek může být umístěn na vertikálním těžišti nebo na hladině klidné vody. Korektní zadání radii zrychlení pro kymácení a naklánění je zásadní a vyžaduje správnou definici referenčních os.

Pro hydrodynamické modelování plovoucí podpory se používají různé přístupy, mezi které patří panelový model, model Morisonova prvku nebo kombinace těchto dvou metod. K výpočtu hydrodynamických zatížení se obvykle používá analýza difrakce-radiace na základě panelového modelu, který je postaven na metodě okrajových prvků. Hlavním výstupem této analýzy jsou excitační síly a momenty prvního řádu ve formě amplitudových operátorů (RAOs), hydrostatické parametry, potenciální tlumení, přidaná hmotnost, první řády pohybů v 6 DOF (stupeň volnosti) a druhý řád sil a momentů ve formě kvadratických přenosových funkcí (QTF). Tyto operátory slouží jako vstup pro výpočet hydrodynamických zatížení na plovoucí trup v rámci analýzy zatížení (ILA). Pro podrobnosti o výpočtu hydrodynamických zatížení je možné se obrátit na sekci 4.4.

Instabilita systému může být způsobena časově závislou tuhostí. U plovoucí větrné turbíny může dojít k instabilitě z několika důvodů. Specificky existují dvě scénáře, které mohou vyvolat nestabilitu: nepravidelná tuhost kymácení způsobená geometrií trupu a nepravidelná tuhost naklánění způsobená nelineárním vztahem mezi kymácením a nakláněním. K nelineárnímu chování může dojít například u jedno-sloupového trupu s nízkým tlumením kymácení. Instabilitu lze identifikovat pomocí numerických simulací a modelových nebo terénních testů.

Při modelování flexibility věže je vhodné používat lineární elastickou teorii, ale v některých případech je nutné zohlednit nelineární vztahy mezi zatížením a účinky zatížení. Strukturní tlumení věže je třeba přesně určit, stejně jako vlivy větrného zatížení na věž. Analýza větrného zatížení by měla zahrnovat vliv stínu věže nebo vliv jejího předního účinku na poruchu větrného pole. Struktury věže lze modelovat pomocí metody konečných prvků (FEM). Model by měl zahrnovat distribuovanou tuhost a vlastnosti hmoty podél osy věže, včetně momentu setrvačnosti. Dynamická struktura věže může být analyzována pomocí metody superpozice módů, přičemž je třeba zahrnout dostatečný počet módů. Minimálně by měly být zahrnuty první ohybové módy, a pokud věž nemá dostatečnou torzní tuhost, měly by být zohledněny i torzní módy.

V některých typech plovoucích větrných turbín, například u plovoucích typů jako Spar nebo Semi-submersible, může být věž modelována jako součást tuhé části plovoucí podpůrné struktury při předběžném návrhu kotvicího systému. Nicméně, pro finální podrobný návrh by měla být flexibilita věže správně modelována. Doporučení pro analýzu módů věže lze nalézt v sekci 3.9.

Při modelování kotvicího systému existují dva hlavní přístupy: quasi-statická analýza a dynamická analýza. Quasi-statická analýza je vhodná pro počáteční fáze návrhu, zatímco dynamická analýza v časové oblasti je nezbytná pro zohlednění nelinearity a dynamických efektů kotvicího (nebo tendónového) systému. Formulace pro modelování kotvicího systému je obvykle založena na metodě konečných prvků (FEM) nebo na metodě soustředěné hmoty. Kotvicí linie jsou modelovány jako štíhlé válcové prvky. Modelování kotvicích linií by mělo zohlednit následující účinky: hydrodynamická zatížení způsobená vlnami a proudy, účinky ledu (pokud jsou relevantní), vibrace indukované vírovými efekty a přítomnost mořského růstu.

Pro kotvicí linie je třeba uvažovat čtyři hlavní nelineární efekty: nelineární chování v tahu, geometrické změny, účinky fluidního zatížení a interakce se dnem moře. Tyto nelineární efekty je možné modelovat v časové oblasti, kdy se každý časový krok přepočítává a modelování zahrnuje aktualizace masy, tlumení a tuhosti. Naopak v frekvenční oblasti je vše lineární a nelineární efekty je třeba zjednodušit.

Metoda konečných prvků (FE) se ukazuje jako efektivní přístup pro modelování kotvicích systémů v analýzách globálního výkonu plovoucí větrné turbíny. Pro adekvátní modelování by měly být použity 3D formulace, malé deformace, schopnost zohlednit materiálové a geometrické vlastnosti a nelineární materiály. Kromě toho je třeba zahrnout formulaci interakcí s dnem moře a substrátem.

Pro správné navržení plovoucí větrné turbíny na moři je nezbytné komplexní zohlednění všech těchto faktorů. Zahrnutí dynamických a nelineárních účinků, správné modelování struktury věže, stejně jako analýza kotvicích systémů, jsou klíčové pro dosažení stabilního a efektivního provozu těchto složitých zařízení.

Jak zohlednit různé typy zatížení při návrhu podpůrné struktury pro offshore větrnou turbínu?

Při návrhu podpůrné struktury pro offshore větrné turbíny je nezbytné zohlednit širokou škálu zatížení, která mohou ovlivnit její stabilitu a dlouhodobou funkčnost. Kromě základních faktorů, jako jsou statické zatížení a zatížení způsobená vlnami, je důležité věnovat pozornost i složitějším aspektům, jako jsou dynamické síly, vlivy námrazy, zemětřesení, růst mořské fauny nebo interakce s ledem.

Když se zohledňuje efekt vlnových sil, je důležité brát v úvahu vlivy mělkých vod, které mohou změnit kinematiku vln a zvýšit rychlost proudu v důsledku účinků blokády. V případě, že se při návrhu počítá s efektem zlomových vln, je doporučeno se obrátit na normy, jako je IEC 61400-3-1 (2019), které poskytují podrobné pokyny ohledně hydrodynamiky zlomových vln a zatížení, které na strukturu působí.

Pokud jde o zatížení vyvolané proudy, jsou pro jejich výpočet nutné analytické metody, modelové testy nebo měření v reálném měřítku. Když se na strukturu působí jak proudy, tak vlny, musí se rychlost proudu přičítat vektorově k rychlosti částic indukované vlnami, než se přistoupí k výpočtu celkových sil. Výpočty profilů proudů používané při návrhu by měly odpovídat očekávaným podmínkám v místě instalace.

V případě dlouhých válcových prvků s velkým poměrem délky k průměru může být vztah mezi zdvihem a odporem velmi významný a musí být zohledněn při návrhu. Dynamické účinky způsobené vírovým rezonancí (VIV) mohou mít vliv na únavu materiálu a zvýšené zatížení odporem. Takovéto účinky by měly být řádně posouzeny pro jednotlivé konstrukční prvky. Je nutné také zohlednit možné zvýšení dynamického zatížení v důsledku vírového poklesu, pokud to bude považováno za relevantní.

Další důležitý aspekt, který nelze opomenout, je účinek akumulace ledu a sněhu na strukturu větrné turbíny, zejména v oblastech, kde jsou tyto podmínky běžné. Akumulace ledu může mít vliv na zvýšení hmotnosti struktury a změnu účinné plochy konstrukčních členů. Tyto změny mohou vést k významnému nárůstu aerodynamických a hydrodynamických zatížení, která je třeba zvážit při návrhu. Akumulace ledu může rovněž změnit povrchovou drsnost rotujících i nerotujících částí turbíny, což ovlivňuje její výkon a stabilitu.

Při návrhu struktur v seismických oblastech je nezbytné zohlednit účinky zemětřesení. Tyto účinky by měly být posouzeny na základě seismických dat konkrétní oblasti instalace. Zemětřesení ovlivňuje strukturální integritu větrné turbíny a její podpůrnou konstrukci, přičemž je třeba brát v úvahu nejen amplitudu pohybu, ale i jeho frekvenční spektrum a dobu trvání. Dále je nutné zvažovat potenciální účinky, jako jsou ztráta stability půdy (liquefakce), sesuvy půdy, vlny tsunami nebo akustické šokové vlny, které mohou ovlivnit konstrukci.

Návrh struktury musí rovněž počítat s růstem mořské fauny, což může mít vliv na hydrodynamické parametry konstrukce. Zatížení způsobené tímto růstem může vést k nárůstu průměru konstrukce, zvýšení povrchové drsnosti a zvýšení inertní hmotnosti. Tyto faktory mohou ovlivnit celkový odpor, který struktura klade proudu vody, a tím i její stabilitu.

Kromě výše zmíněných faktorů je nutné zohlednit i vlivy interakcí s ledem. Led může působit jak statické, tak dynamické zatížení na podpůrné konstrukce, přičemž tyto síly mohou být generovány teplotními změnami, ledovými překážkami nebo pohybujícím se ledem. K vyčíslení těchto sil jsou k dispozici konkrétní metodiky, jak například IEC 61400-3-1 (2019), API RP 2N nebo ISO 19906.

Je rovněž nezbytné analyzovat možné vlivy hromadění ledu mezi nohama podpůrné struktury v případě, že struktura obsahuje více sloupů, což může vést k poškození a ztrátě stability. V některých případech může být rovněž důležité zvážit vlivy způsobené repetitivními kompresními silami ledu na podložní půdu, což může vést k jejímu zpevnění nebo naopak ke změnám v její strukturační stabilitě.

Tento komplexní přístup k návrhu struktur offshore větrných turbín zajišťuje, že jsou zohledněny všechny relevantní faktory, které mohou ovlivnit dlouhodobou stabilitu a bezpečnost zařízení. Bez pečlivého hodnocení těchto faktorů může být struktura vystavena nečekaným a potenciálně destruktivním vlivům, které mohou ohrozit její výkon a životnost.

Jak navrhnout systém uchycení pro plovoucí větrné turbíny?

Systémy kotvení plovoucích větrných turbín jsou klíčové pro jejich stabilitu a správnou funkci. Jedním z hlavních компонентů těchto systémů je tenden, což je vlastně hlavní část kotvícího systému, která spojuje plovoucí větrnou turbínu s fundamentem na mořském dně. Tento tenden je obvykle vyroben z ocelových trubek, ale pro zvláštní potřeby mohou být zváženy i jiné materiály, jako jsou kompozity nebo nekovové materiály, pokud splňují požadavky na funkčnost. Tenden může být složen z několika jednotlivých elementů, které jsou spojeny pomocí speciálních konektorů. Tyto konektory mohou být mechanické, svařované nebo jiné formy strukturálního spojení, jež splňují požadavky pro danou službu.

Kromě samotného tendenu může systém obsahovat i další komponenty, jako jsou ochrany proti korozi, zařízení pro monitorování zatížení a výkonu, a zařízení pro potlačení vibrací, která vznikají v důsledku pohybů plovoucí struktury ve vodě. Když se mluví o tendenu v rámci tohoto textu, je tím myšleno celé těleso tendenu mezi palubou a kotevním systémem.

V rámci kotvících systémů plovoucích větrných turbín existují dva hlavní typy systémů: redundantní a neredundantní. Redundantní systémy jsou takové, které jsou navrženy tak, že i při poruše jednoho kotvícího prvku (například přetržení jedné kotvy) může turbína stále udržet požadovanou pozici a splnit bezpečnostní normy. Neredundantní systém je naproti tomu navržen tak, že při poruše jednoho kotvícího prvku již není schopen udržet stabilitu a pozici turbíny v požadovaném rozsahu.

Při navrhování kotvícího systému je nutné zohlednit různé zatěžovací podmínky a provozní situace. Tyto podmínky zahrnují jak normální provozní zatížení, tak i extrémní situace, jako jsou přežití v těžkých povětrnostních podmínkách. Pro každý z těchto případů existují specifikované bezpečnostní faktory, které určují maximální zatížení, jaké může kotvící systém vydržet, aniž by došlo k jeho selhání.

Zatěžovací podmínky pro návrh kotvícího systému zahrnují několik scénářů. Například, při normálním stavu, kdy je celý kotvící systém v plné funkčnosti, je nutné zohlednit zatížení způsobené větrem, vlnami a proudy. V případě poruchy, kdy dojde k přetržení jednoho kotvícího prvku, je třeba upravit návrh tak, aby plovoucí turbína dokázala udržet stabilitu a nepřekročila limity pohybu. Tato situace zahrnuje tzv. dočasné stavy, kdy se plovoucí struktura pohybuje do nové rovnovážné pozice, než se ustálí.

Je také nutné počítat s možností poškození, které může způsobit nejen přetržení kotvy, ale i deformace ostatních částí kotvícího systému, například ohyby řetězů nebo tendencí k nevyváženému zatížení. Takováto analýza se provádí ve všech fázích návrhu, přičemž je nutné posoudit, jaký vliv bude mít poškození na celé kotvení a jeho schopnost udržet plovoucí turbínu v požadovaném prostoru.

Návrh životnosti kotvícího systému je důležitým parametrem, který musí splňovat minimální požadavky na dobu, po kterou musí být systém schopen vykonávat svou funkci bez selhání. Tento aspekt je klíčový pro celkovou životnost plovoucí větrné turbíny a ekonomickou efektivitu jejího provozu.

Pokud jde o samotný návrh ocelových kotvících prvků, je důležité dodržet požadavky na pevnostní kritéria, která jsou stanovena pro různé provozní podmínky. To zahrnuje nejen výběr materiálů, ale i použití správných bezpečnostních faktorů, které se uplatňují na minimální mezní pevnost kotvících linek a tendencí. Tento návrh musí splňovat standardy, jako jsou API RP 2T pro systém tendencí a API RP 2SK pro jiné typy kotvících systémů.

Důležitým aspektem návrhu je také analýza únosnosti a únavy materiálů, z nichž jsou kotvy vyrobeny. Každý kotvící prvek musí být navržen tak, aby vydržel dlouhodobé zatížení a neporušil se ani při pravidelných cyklech zatížení způsobených větrem, vlnami a pohybem plovoucí struktury. Tato analýza únosnosti se provádí na základě specifických metod, jako je analýza v časové nebo frekvenční oblasti.

Je nutné, aby každý komponent kotvícího systému byl navržen s ohledem na jeho únavovou životnost. To znamená, že návrh musí zohlednit nejen momentální zatížení, ale i dlouhodobý vliv cyklického zatížení, které může vést k únavovým prasklinám a poškození.

Systémy kotvení pro plovoucí větrné turbíny jsou tedy složitým souborem technologií, které musí být navrženy s maximální precizností a respektem k požadavkům na bezpečnost a dlouhověkost. Každý prvek systému musí splňovat přísné normy a specifikace, které zajistí stabilitu a efektivní fungování turbíny v náročném mořském prostředí.

Jak funguje predikce v 3D-HEVC a jaké jsou její struktury a metody pro efektivní kódování videa
Jak modelování a optimalizace zlepšují výkon fotovoltaických zařízení?
Jak fungují hyperbolické tesselace a их геометрическая природа?