Dopuszczenie turbiny wiatrowej do eksploatacji wymaga wykazania dostatecznej wytrzymałości konstrukcji wsporczej dla szeregu kombinacji warunków środowiskowych i warunków pracy generatora. Macierz parametrów projektowych stanów obciążenia podawana jest przez:
- Przepisy towarzystw klasyfikacyjnych (np. DNV-GL – Offshore Standard DNV-OS-J101, May 2014, ABS – Guide for building and classing bottom-founded offshore wind turbine installations, 2013).
- Przepisy Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej (International Electrotechnical Commission – IEC): International Standard IEC 61400-1 „Wind turbines – Part 1: Design requirements”
Przepisy te wyróżniają następujące stany obciążenia:
- Produkcja energii
- Produkcja energii w warunkach wystąpienia uszkodzenia
- Rozruch
- Normalne zatrzymanie
- Awaryjne zatrzymanie
- Turbina odstawiona (nieruchoma lub na biegu jałowym)
- Turbina odstawiona, wystąpienie uszkodzenia
- Transport, montaż, obsługa i naprawa.
Dla każdego z wymienionych typów stanu obciążenia definiowane są zestawy parametrów warunków środowiskowych oraz warunków pracy turbiny, obejmujące:
- Stan morza (tzn. warunki falowania)
- Wiatr (prędkość, kierunek, zmiana kierunku, turbulencja)
- Prąd (prędkość, kierunek)
- Poziom wody.
- Inne warunki (np. rodzaj uszkodzenia dla stanów awaryjnych).
Poniżej podano przykład tabeli (na podstawie DNV-GL) zawierającej macierz parametrów projektowych dla stanu obciążenia „Produkcja energii”.
W ramach projektu AQUILO powstały cztery alternatywne projekty posadowionych konstrukcji wsporczych na akweny o dużej głębokości:
- Tripod palowany (ta konstrukcja jako jedyna nie była projektowana i w związku z tym nie ma swojego opracowania w zakładkach „Wstępny projekt….”)
- Tripod grawitacyjny
- Monopal XXL
- Stopa grawitacyjna
Weryfikacja opracowanych projektów prowadzona była z wykorzystaniem następujących metod:
- Obciążenia hydrodynamiczne: na podstawie analizy obliczeniowej opartej na półempirycznym równaniu Morisona
- Obciążenia hydrodynamiczne: na podstawie analizy obliczeniowej opartej na potencjalnym modelu przepływu oraz badania eksperymentalne
- Obciążenia aerodynamiczne: na podstawie analizy obliczeniowej CFD opartej na modelu przepływu RANS
Wyznaczanie obciążeń hydrodynamicznych na podstawie równania Morisona – schemat ideowyWyznaczanie obciążeń hydrodynamicznych na podstawie potencjalnego modelu przepływu – wizualizacja wyników
Wyznaczanie obciążeń hydrodynamicznych: badania eksperymentalne na modelu fizycznymZestawienie wyników analiz obliczeniowych z wynikami eksperymentu – obciążenia hydrodynamiczne oraz wizualizacja powierzchni swobodnejWyznaczanie obciążeń aerodynamicznych – obliczenia CFDW ramach projektu AQUILO przeprowadzono uproszczoną analizę porównawczą dla czterech zaprojektowanych konstrukcji, pozwalającą na ich zbiorczą ocenę pod kątem łącznego oddziaływania falowania i prądu morskiego. Przyjęte parametry falowania i prądu zestawiono w poniższej tabeli.
Znaczca wysokosc fali
HS [m] |
Okres modalny
TP [s] |
Współczynnik wzmocnienia piku widma
g [-] |
|
NSS | 1.41 | 5.4 | 5.00 |
ESS | 4.08 | 7.0 | 5.00 |
SSS | 9.23 | 11.3 | 4.36 |
Prędkość prądu o okresie powrotu 50 lat | |||
45 cm/s |
gdzie:
- NSS (normal sea state) – stan morza odpowiadający 10-minutowej prędkości wiatru na wysokości gondoli równej prędkości nominalnej
- ESS (extreme sea state) – ekstremalny stan morza dla okresu powrotu 1 rok
- SSS (severe sea state) – ciężki stan morza, odpowiednik ESS (extreme sea state) dla okresu powrotu 50 lat
Zestawienie wyników podano w postaci skumulowanych wykresów słupkowych. Podano sumaryczne wartości siły wzdłużnej i momentu przewracającego oraz udział siły generowanej przez falę i przez prąd. Należy zwrócić uwagę, że podane wartości są wartościami maksymalnymi, tzn. sumą stałej w czasie siły od prądu oraz maksymalnej wartości oscylującej siły od fali działającej w tym samym kierunku.
NSS – moment przewracającyESS – siła wzdłużna
Wykonana analiza porównawcza prowadzi do następujących wniosków:
- Udział siły od prądu w całkowitym obciążeniu konstrukcji jest znaczący tylko w przypadku stanu morza odpowiadającego nominalnej prędkości wiatru na wysokości gondoli, istotnego z punktu widzenia oceny wytrzymałości zmęczeniowej;
- Dla stanów morza odpowiadających sztormom roku i 50-lecia, udział prądu w całkowitym obciążeniu konstrukcji nie przekracza 5%;
- Dla każdego z przypadków obciążeń, siła wzdłużna oraz – w mniejszym stopniu – moment przewracający, są najmniejsze dla konstrukcji typu monopal. Jest to oczywiście osiągnięte kosztem największej podatności tego typu konstrukcji, mającej istotny wpływ na dynamikę układu wirnik-gondola;
- Konstrukcja typu posadowienie grawitacyjne charakteryzuje się wyraźnie największym obciążeniem siłą wzdłużną, mimo znacznie mniejszego niż pozostałe konstrukcje zanurzenia;
Konstrukcja typu tripod grawitacyjny charakteryzuje się największym obciążeniem momentem przewracającym ze względu na największą objętość elementów konstrukcyjnych w rejonie powierzchni swobodnej, gdzie prędkości od ruchu falowego są największe. Decyzja o zastosowaniu tego rodzaju konstrukcji wsporczej wymaga zatem dokładnej analizy sił w miejscu posadowienia ze względu na brak utwierdzenia.