Jak správně modelovat dynamiku a zatížení větrných turbín s pevným základem

Modelování rotorových listů a systémů řízení a bezpečnosti větrných turbín zahrnuje zohlednění různých typů zatížení a jejich účinků na konstrukci. Mezi hlavní kategorie zatížení patří: gravitační a inerciální zatížení, aerodynamická zatížení, aktivační zatížení (nebo provozní zatížení) a další specifické zatížení, jako jsou zatížení způsobená větrnými nárazy, nárazové zatížení, zatížení ledem apod. Všechny tyto faktory by měly být řádně zahrnuty do modelu, přičemž zvláštní pozornost by měla být věnována vlivu systému řízení na aerodynamická zatížení a prevenci rezonance, která může způsobit dynamické zesílení pohybů.

Pro horizontální třílisté větrné turbíny je nutné vzít v úvahu kombinované účinky gravitačních, inerciálních a aerodynamických zatížení, které se dělí do několika frekvenčních složek: frekvence rotace rotoru (1P), frekvence přechodu listů (3P), harmonické frekvence 1P a 3P (2P, 6P, 9P atd.), přirozené frekvence rotorových listů a přirozené frekvence ostatních komponent RNA (Rotor-Nacelle Assembly). Tyto složky by měly být přesně modelovány pro správné posouzení zatížení a dynamiky větrné turbíny.

Gravitační a inerciální zatížení jsou statická a dynamická zatížení vyvolaná gravitací, vibracemi, rotacemi a seismickými aktivitami. V dynamických analýzách je nezbytné správně modelovat dynamické vlastnosti konstrukce a vzájemné propojení vibračních módů. K tomu patří elasticita listů, elastičnost pohonné soustavy a generátoru, elasticita věže a globální pohyby podpůrných struktur, včetně hmotnostní excentricity rotoru. Také dynamika helidoku nebo tuhost plovoucí podpory a ukotvení mohou mít vliv na celkovou dynamiku systému.

Aerodynamická zatížení rotorových listů jsou závislá na řadě faktorů, jako je rychlost rotace rotoru, průměrná rychlost větru v rovině rotoru, intenzita turbulence, hustota vzduchu a aerodynamické tvary komponent větrné turbíny. Výpočet aerodynamických zatížení obvykle vychází z teorie momentu elementu listu (BEM), ale mohou být použity i jiné metody, například metoda potenciálového toku nebo výpočetní dynamika tekutin (CFD). Mezi klíčové aspekty, které je třeba brát v úvahu, patří vliv perturbací větrného pole, dynamické jevy (např. dynamický stall) a aeroelastické efekty, které mohou ovlivnit stabilitu a výkonnost turbíny.

Větrné farmy a jejich vliv na okolní turbíny představují další složitý faktor v analýze zatížení. Interakce mezi turbínami v rámci větrné farmy, kde turbulence a změny větrného pole mohou zvyšovat intenzitu zátěže, musí být také zohledněna. To zahrnuje účinky, jako jsou vzdušné víry, stín věže a vliv vírového efektu mezi sousedními turbínami. Doporučuje se brát v úvahu vzdálenosti mezi turbínami až do 10 průměrů rotoru.

Pro správnou analýzu zatížení je kladeno velké důraz na modalní analýzu, která pomáhá vypočítat přirozené frekvence, tlumení a tvary módů turbínových listů, věže a podpůrné struktury. K tomu je nejčastěji používán model konečných prvků, který umožňuje detailně modelovat flexibilitu a vibrace konstrukce. Modalní analýza je důležitá nejen pro predikci únavy a extrémních zatížení, ale také pro správný návrh podpor a podpůrných struktur větrné turbíny.

Pro správné stanovení chování a spolehlivosti větrných turbín je nezbytné také pochopit, že každý systém je propojený. Zatížení působící na jednotlivé komponenty nejsou izolované, ale vzájemně ovlivňují celkovou dynamiku zařízení. To platí i pro vliv environmentálních faktorů, které mohou měnit charakteristiku zatížení v závislosti na lokalitě a specifických podmínkách větrné farmy.

Jaké jsou podmínky návrhových zátěžových případů pro větrné turbíny umístěné na dně oceánu?

DLC je klíčovým nástrojem pro zajištění struktury turbíny, jež bude odolná vůči těmto podmínkám. Tyto zátěžové případy pokrývají nejen běžné provozní situace, ale také speciální podmínky, jako jsou přeprava, montáž, údržba nebo opravy. Důležité je zahrnout i ty případy, které se vyskytují s určitým pravděpodobnostním výskytem, ale mohou mít významný vliv na celkovou bezpečnost zařízení. Pokud je větrná turbína umístěna v oblasti tropických cyklónů, je nezbytné zhodnotit její odolnost i v podmínkách extrémních zátěží, což zahrnuje i posouzení její schopnosti přežít takové extrémy.

Návrh větrné turbíny vyžaduje analýzu nejen běžných podmínek, ale i těch neobvyklých, které by mohly nastat v případě závažných poruch nebo havárií. Výsledky analýzy pevnosti se používají k posouzení schopnosti struktury odolávat deformacím a zhroucení, zatímco analýza únavy slouží k posouzení její dlouhodobé odolnosti proti opakovaným zátěžím.

Podmínky pro analýzu návrhu zátěžových případů se klasifikují do tří hlavních kategorií: normální podmínky (N), abnormální podmínky (A) a podmínky týkající se dočasných operací (T). Tyto kategorie určují, jaké bezpečnostní faktory je nutné při návrhu uplatnit. Například pro normální provoz je nutné počítat s běžnými operacemi, kdy turbína funguje v optimálních podmínkách, zatímco abnormální podmínky mohou zahrnovat vážné poruchy systému, které aktivují ochranné mechanismy turbíny.

Kromě těchto základních podmínek musí návrh zohlednit i specifické podmínky instalace v oblastech, kde mohou být přítomny tropické cyklóny. Tyto oblasti vyžadují upravené návrhové zátěžové případy, které jsou přizpůsobeny pro zvládání silných větrů a vln s dlouhými návratovými obdobími, což je v souladu s mezinárodními standardy, jako je IEC 61400-3-1 (2019). Některé zátěžové případy jsou definovány podle specifických environmentálních podmínek, jako jsou rychlosti větru, výšky vln a hladiny vody v závislosti na konkrétní lokalitě a podmínkách dané oblasti.

Pro správné posouzení struktury a zajištění její bezpečnosti je rovněž důležité detailně zohlednit všechny environmentální faktory, které mohou ovlivnit provoz větrné turbíny. Významným faktorem je například intenzita větru, směr větru, perioda vln, rychlost mořských proudů a hladina vody. Tyto faktory určují, jak bude turbína reagovat na různé klimatické podmínky a jaký vliv mohou mít na její dlouhodobou stabilitu.

Jaké jsou klíčové faktory pro inspekce a certifikace plovoucí větrné turbíny?

Provoz plovoucích větrných turbín (FOWT) v offshore podmínkách vyžaduje pravidelné a důkladné inspekce, aby byla zajištěna jejich dlouhodobá bezpečnost a efektivita. Kromě standardních metod inspekce je v současnosti stále častěji využívána metoda založená na hodnocení rizik, která poskytuje flexibilní přístup k plánování a provádění pravidelných prohlídek. Tento přístup se liší od tradičních metod klasifikace založených na pevném časovém harmonogramu a je vysoce přizpůsobivý specifickým potřebám každé instalace.

Před provedením jakékoliv změny nebo úpravy na existující plovoucí větrné turbíně je nezbytné posoudit její stav, zejména pokud došlo k opravám nebo modifikacím během provozu. Každá změna v konstrukci nebo výměna komponentů by měla být pečlivě zkontrolována, aby se zajistilo, že instalace bude i nadále splňovat požadavky pro provoz v daných podmínkách. V tomto procesu se zahrnují nejen mechanické zkoušky a inspekce jednotlivých komponentů, ale i komplexní hodnocení únavy materiálů a predikce životnosti na základě dosavadních provozních podmínek.

V případě, že se rozhodne o přesunu plovoucí turbíny na nové umístění, musí být provedeny specifické analýzy, které zahrnují nejen fyzickou přepravu a opětovnou instalaci zařízení, ale i inženýrské výpočty týkající se integrality instalace pro novou lokalitu. Tato analýza je nezbytná k tomu, aby bylo zajištěno, že všechny parametry a kritéria pro dlouhodobý provoz zařízení budou na novém místě i nadále splněna. V rámci tohoto procesu je nutné zajistit i splnění specifikovaných požadavků pro pravidelné inspekce, jak je uvedeno v předchozích kapitolách.

Pokud je požadováno provedení inspekcí a certifikace na základě požadavků pobřežních států nebo jiných vládních orgánů, musí být dodrženy stanovené normy a specifikace těchto orgánů. V některých případech může být potřeba vykonat speciální inspekce, které mohou být v rozporu s běžnými standardy klasifikace. V takových případech mají požadavky pobřežního státu přednost a je nutné je brát v úvahu při plánování inspekcí.

Dalším klíčovým aspektem je metoda hodnocení rizik (RBI – Risk-Based Inspection), která se stále více využívá jako alternativa k tradičním inspekčním postupům. Tento přístup je zaměřen na identifikaci potenciálních rizik a umožňuje flexibilní přizpůsobení inspekčního plánu specifickým potřebám každé plovoucí turbíny. V rámci tohoto plánu jsou zahrnuty jak pravidelné roční prohlídky, tak i speciální inspekce v závislosti na provozních podmínkách a předchozích výsledcích hodnocení rizik. Vytvoření takového plánu musí být prováděno v souladu s příslušnými pokyny klasifikačních organizací pro inspekce plovoucích offshore instalací.

Zatímco tento přístup přináší flexibilitu a efektivitu, je důležité mít na paměti, že každá plovoucí větrná turbína je unikátní zařízení, které může vyžadovat specifické inspekce a opatření na základě její konstrukce, umístění a provozních podmínek. Významnou roli v tomto procesu hraje také předvídání možných problémů, které mohou nastat během dlouhodobého provozu, a to jak v oblasti únavy materiálů, tak v oblasti mechanických a elektrických systémů.

V neposlední řadě je třeba zdůraznit, že údržba a inspekce plovoucích větrných turbín nejsou pouze otázkou technické způsobilosti, ale i zajištění dlouhodobé ekologické a ekonomické udržitelnosti. Správně provedené inspekce a následné opravy mohou prodloužit životnost zařízení a minimalizovat riziko výpadků nebo neplánovaných odstávek, což je klíčové pro zachování provozní efektivity.

Jaké jsou přístupy k dynamické analýze a analýze zatížení pro offshorové větrné turbíny?

Dynamická analýza hraje klíčovou roli v navrhování systémů kotvení pro offshore větrné turbíny, zvláště pokud jde o jejich schopnost reagovat na časově proměnné účinky, jako jsou masy, tlumení a zrychlení tekutiny. I když některé systémy, jako kotvení na dně, mohou být analyzovány pomocí statických nebo kvazistatických metod, komplexnější analýzy vyžadují zahrnutí dynamických vlastností struktury a interakcí mezi jednotlivými komponenty systému.

U plovoucích offshore větrných turbín se dynamická analýza zaměřuje na složitější problém časově proměnlivých efektů, způsobených pohyby plavidla v různých směrech (surge, sway, heave, roll, pitch, yaw), které ovlivňují celý kotvící systém. V těchto případech se používají dynamické modely pro predikci odpovědí kotvících linek na pohyby fairleadu, přičemž je možné použít buď frekvenční analýzu, nebo časovou doménu pro simulaci dynamických reakcí.

Propojené, polopropojené a nepropojené analýzy v dynamických systémech offshore větrných turbín

Propojená analýza zahrnuje interakce mezi jednotlivými subsystémy turbíny, jako jsou podpůrná struktura, věž, rotační část turbíny (RNA) a základna. V případě zakotvených turbín se provádí analýza v časové doméně, kde se řeší celé soustavy rovnic pro strukturální model podmořské struktury, elastické modely věže a RNA, modely základu i kontrolního systému. Tento přístup umožňuje přesnější simulaci dynamických reakcí, které vznikají v důsledku vzorců pohybů a zatížení na různých částech turbíny. U plovoucích turbín zahrnuje propojená analýza rovněž chování kotvícího systému, kde jsou všechny interakce mezi strukturou, kotvením, ovládacím systémem a elektrickými kabely modelovány v dynamickém režimu.

Nepropojené analýzy, které jsou nejjednodušší formou, přistupují k problému zjednodušeně. Pro větrné turbíny, zakotvené na dně, tento přístup není obvykle vhodný, protože flexibilita věže a listů může mít výrazný vliv na dynamické chování celého systému. Pro plovoucí turbíny se používají nepropojené analýzy pro modelování pohybů hmotnosti systému a kotvícího systému, kde jsou všechny efekty jako tlumení a účinky proudění vody na kotvících linkách předpočítány a vloženy do analýzy jako přímé vstupy.

Analýza integrovaného zatížení

Integrovaná analýza zatížení slouží k výpočtu zatížení a účinků zatížení pro celou offshore větrnou turbínu, včetně RNA a podpůrné struktury. V rámci této analýzy se provádí hodnocení návrhu komponent turbíny a podpůrné struktury, přičemž se používají výsledky z integrované analýzy zatížení. Tato analýza se obvykle provádí ve fázi podrobného návrhu, přičemž je zapojena jak projektant podpůrné struktury, tak výrobce větrné turbíny, a často i nezávislý třetí subjekt pro ověření výsledků.

Integrovaná analýza zatížení běžně využívá přístup propojené analýzy v časové doméně, kde je zahrnuta interakce mezi aerodynamickými, hydrostatickými a servo-elastickými faktory. V některých případech jsou použity sofistikované softwarové nástroje pro provádění komplexních analýz, které zahrnují všechny relevantní faktory, od elastických vlastností lopatek turbíny až po vlivy vln a větru.

Co je důležité k těmto analýzám dodat?

Při provádění dynamických analýz je důležité věnovat pozornost parametrům, které mohou mít zásadní vliv na výkonnost systému. To zahrnuje správné nastavení všech vstupních parametrů, jako jsou vlastnosti půdy, tuhost materiálů, aerodynamické a hydrostatické síly. Důležité je také správné modelování interakcí mezi jednotlivými subsystémy, což zahrnuje přesné definování kontrolního systému a jeho vliv na výkonnost turbíny. Nejen že je nutné brát v úvahu různé environmentální faktory, ale i konkrétní provozní podmínky turbíny v různých fázích jejího životního cyklu, jako je např. její odstavení nebo údržba.