Kako izboljšati odpornost stolpov za prenos električne energije proti vetru?

Mehanizmi vetrnih obremenitev, ki delujejo na stolpih za prenos električne energije

Mehanizmi vetrnih obremenitev povzročajo kritične napetosti na stolpih za prenos električne energije, kar zahteva natančno razumevanje za učinkovit načrtovanje odpornosti proti vetru. Aerodinamski medsebojni vplivi ustvarjajo zapletene vzorce sil – še posebej pri odprtih rešetkastih konstrukcijah – kjer se turbulentni tok, odpiranje vrtincev in dinamično ojačanje združijo in s tem ogrožajo konstrukcijsko celovitost med dogodki z močnim vetrom.

Ločitev turbulentnega toka in tlakova neuravnoteženost okoli površin rešetkastih stolpov

Ko veter poteka mimo rešetkastih stolpov, ustvarja območja turbulenc in neenakomernega razporeda tlaka na površini. Te razlike v tlaku povzročajo znatne sile upora, ki dodatno obremenjujejo konstrukcijske spojke in tanke dele okvirja, kar je še posebej opazno, ko se zračni tok ujame znotraj notranje strukture stolpa. Med močnimi sunki pogosto opazimo razlike v tlaku, ki presegajo 30 % med nasprotnima stranema stolpa, kar pospešuje obrabo in poškodbe teh ključnih povezovalnih točk. Raziskave iz aerodinamičnih tunelov to potrjujejo in kažejo, da so takšne neuravnoteženosti tlaka dejansko ena od glavnih vzrokov za ponavljajoče se napetostne cikle v rešetkastih prenosnih strukturah, kar je bilo objavljeno v časopisu Journal of Wind Engineering leta 2017. Za boj proti temu problemu inženirji najprej prilagodijo razdaljo med prečnimi rokavi. Ta konstruktivna sprememba pomaga razbiti urejene vzorce pretoka zraka in zmanjšati razlike v tlaku, preden se te razširijo po celotni konstrukciji stolpa.

Učinki odpiranja vrtincev, aerodinamskega senčenja in dinamičnega ojačevanja

Ko veter teče mimo elementov stolpa, povzroči pojav, imenovan odpiranje vrtincev, kar povzroča nihanje vzgona in upora na konstrukcijah. Včasih se ti sili ujemajo z naravnim nihanjem konstrukcije, kar povzroča težave. Predmeti v smeri vetra, kot so drugi bližnji stolpi ali celo reliefni elementi, ustvarjajo t.i. aerodinamične sence, ki jih inženirji tako imenujejo. Te sence motijo normalne vetrne vzorce in dejansko povečajo turbulenco na določenih mestih. Kombinacija vseh teh dejavnikov lahko znatno poveča odziv konstrukcije. Poljski poskusi so pokazali, da v takih primerih napetosti v materialih naraščajo za približno 40 %, kar potrjujejo študije, navedene v ASCE Manualu 74 iz leta 2010. Veter, ki piha pod kotom, še dodatno poudari te senčne učinke. Zato morajo inženirji namestiti dušilne sisteme, kot so helični grebeni, oviti okoli drogov, ali pa prilagojeni masni dušilniki, kot jih vidimo na visokih stavbah. Ti sistemi pomagajo razbiti vrtinčne vzorce, preden izhajajo iz nadzora in povzročijo poškodbe prek tega verižnega učinka.

Kritični načini odpovedi in strukturne ranljivosti ob močnih vetrovnih dogodkih

Zajezitev sklepov in nestabilnost elementov: izkušnje iz tajfunov Mangkhut (2018)

Vetreni sunki s hitrostjo 200 km/h iz tajfunov Mangkhut so razkrili resne šibkosti pri povezavah mrežastih stolpov, kar je povzročilo verižno reakcijo zrušitev po celotnem električnem omrežju provinca Guangdong. Vetrne sile, ki delujejo izven središča na vijčnih spojih, so povzročile postopno izvijanje pod kotom izvedenih konstrukcijskih elementov, kar je bilo še posebej opazno na spojih prečnih rokavov, kjer so upogibni napetosti in tlakovne sile presegale nosilnost spojev. Pri analizi posledic je bilo ugotovljeno, da je približno tri četrtine vseh okvar stolpov med tajfunom Mangkhut nastalo ravno zaradi teh problemov s spoji, kar je povzročilo škodo v višini več kot 1,2 milijarde dolarjev, kot so ugotovili Chen in sodelavci v raziskavi, objavljena leta 2022. To se razlikuje od preproste okvare posameznih komponent zato, ker se težave s spoji hitro širijo po celotni mrežasti konstrukciji. Zato novejši industrijski standardi, kot je npr. IEC 61400-24 iz leta 2019, zdaj zahtevajo, da inženirji pri načrtovanju spojev za območja, ki jih pogosto zadenejo tajfuni, izvajajo nelinearne dinamične analize.

Zloraba zaradi utrujenosti nasproti statičnemu zlomu: zakaj se mora sodobna ocena stolpov razvijati

Večina tradicionalnih metod se osredotoča na meje statičnega zloma, pri tem pa spregleduje postopno poškodbo zaradi utrujenosti, ki jo povzročajo ponavljajoči se vetrovi. Glede na nedavne študije približno 60 odstotkov odpovedi, povezanih z vetrom, dejansko izvirajo iz majhnih razpok, ki se širijo na mestih koncentracije napetosti, namesto iz nenadnih preobremenitvenih dogodkov, kot jih navaja letno poročilo EPRI o odpornosti iz leta 2023. Težava se še poslabša ob obalah, saj se korozija zaradi morske vode združi s stalnimi cikli napetosti in skrajša čas, koliko dolgo materiali lahko vzdržijo te sile, kar znaša skoraj polovico. Zaradi tega razumevanja so si mnoge vodilne energetske podjetja začele uporabljati pristope k ocenjevanju, ki so odporni proti poškodbam, namesto da bi se omejile le na preverjanje trdnosti. Zamenjale so stare metode pregleda z napredno ultrazvočno preskušanjem faznega niza, ki najde skrite napake pod površino, preden se razpoke razširijo do mere, ki jo ni več mogoče prezreti.

Preizkušene strategije oblikovanja za izboljšanje odpornosti stolpa proti vetru

Aerodinamske izboljšave: optimizacija geometrije prečnih rok in tehnike zmanjšanja površine

Ko inženirji prilagajajo obliko prečnih nosilcev, lahko zmanjšajo količino vetra, ki zadene prednjo površino, ter preprečijo nastanek nadležnih vrtinc. Številke to tudi potrjujejo: eliptične oblike dejansko zmanjšajo vibracije, povzročene z vrtinčastim zrakom, za približno 15 do 20 odstotkov v primerjavi s tradicionalnimi kvadratnimi oblikami, kar je pokazala raziskava Nacionalnega laboratorija za obnovljive vire energije (NREL) iz leta 2023. Druga metoda je zmanjšanje skupne površine, izpostavljene vetru. To vključuje odstranitev nekaterih konstrukcijskih elementov tam, kjer je to mogoče, ter vrtanje lukenj v dele, ki ne morajo nositi obremenitve. Te spremembe zmanjšajo upor za približno 10 do 14 odstotkov, hkrati pa ohranjajo celotno konstrukcijo enako trdno in stabilno. Računalniški modeli, imenovani CFD-simulacije, preverjajo, ali vse te izboljšave ustrezno delujejo tudi, ko veter udari pod različnimi koti – od 0 stopinj (popolnoma čelno) do 180 stopinj (nasprotno čelno). Pri zelo visokih stolpih višine več kot petdeset metrov v območjih, ki so podvržena tajfunom, je ključnega pomena zagotoviti, da razmerje med površino trdnih materialov in skupno površino ostane pod 0,3, kar dosežemo z večjim razmikom med konstrukcijskimi elementi. To znatno zmanjša neželene tresljaje, še posebej med kaotičnimi vremenskimi razmerami, ko veter piha hkrati iz več smeri.

Konstrukcijsko okrepitev: izboljšave opore, togost sklepov in integracija dušenja

Pri okrepljanju konstrukcij za preprečevanje odpovedi inženirji osredotočijo pozornost na problematična območja z uporabo trikotnih podpor, ki pomagajo razpršiti bočne vetrne sile. Nadgradnja diagonalnih podpor lahko poveča stransko togost približno za 25 do celo 30 odstotkov. Namestitev K-podpor se izjemno dobro izkaže pri preprečevanju izgube stabilnosti tlakovnih elementov ob zelo močnih sunkih vetra, kar potrjujejo standardi, kot je IEC 61400-24 iz leta 2019. Okrepitev spojev vključuje ukrepe, kot so dodajanje križnih plošč, predmontažno pritiskanje visokotrdnih vijakov ter okrepitev osnovnih plošč. Ta pristop zmanjša težave z vrtenjem in zniža verjetnost nastanka razpok zaradi utrujenosti za približno štirideset odstotkov. Za dodatno zaščito pred tresenjem, povzročenim z vetrom, se uporabljajo dopolnilne metode dušenja. Med njimi so npr. usklajeni masni dušilniki ali naprave, napolnjene z viskoznimi tekočinami, ki med nadležnimi, vetrom povzročenimi vibracijami absorbirajo približno petnajst do petindvajset odstotkov kinetične energije. Skupaj ti različni pristopi premaknejo mejo, pri kateri bi konstrukcije mogle podlegniti, čez hitrosti vetra, višje od petdeset petih metrov na sekundo. Celoviti preskusi so učinkovitost teh ukrepov potrdili tudi pod simuliranimi pogoji tajfunov, kar inženirjem zagotavlja zaupanje v njihove načrte.

Pogosta vprašanja

Kaj je odvajanje vrtincev?

Odvajanje vrtincev nastopi, ko veter poteka čez konstrukcijo, kar povzroči izmenične območja nizkega tlaka, ki ustvarjajo nihanje naprej-nazaj in s tem dvigalne in uporne sile na konstrukciji.

Kako lahko aerodinamsko senčenje vpliva na stolp električnega omrežja?

Aerodinamsko senčenje moti normalne vzorce vetra, povečuje turbulenco in obremenitev stolpov, še posebej v območjih za ovirami, kot so drugi stolpi ali reliefne značilnosti.

Kateri so načini oblikovanja za izboljšanje odpornosti stolpov električnega omrežja proti vetru?

Načini oblikovanja vključujejo optimizacijo geometrije prečnih rokavov, tehnike zmanjšanja površine, dodajanje izboljšanih opor, oklepanje sklepov ter integracijo dušilcev, da se vetrne sile razpršijo in preprečijo strukturne ranljivosti.