بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله تاثیر یک جاذب ارتعاش غیر فعال را روی پاسخ برج توربین بادی بررسی شده و هزینه های ساخت و نگه داری و تاثیر خستگی روی توربین کاسته می شود. توربین مورد استفاده در این مقاله دارای 3 پره چرخان که به یک روتور متصل است و کل این مجموعه به یک برج انعطاف پذیر که شامل یک سیستم دینامیکی می شود قرار دارد.
برج توربین شامل یک جرم صلب در بالای خود که شامل ناسل، اجزا داخل ناسل - ژنراتور، گیربکس و ... - و جرم پره ها می باشد. برای مدل سازی نیروی باد از آمار سرعت باد استفاده می شود که تاثیر نیروی درگ روی پره ها باعث ارتعاش عمود بر صفحه روتورآنها می شود و تاثیر نیروی باد روی خود برج نیز در نظر گرفته شده است. یک جاذب ارتعاش غیر فعال شامل یک جرم، یک فنر خطی و یک دمپر خطی در بالای برج توربین بادی قرار گرفته است که وظیفه ی آن جذب ارتعاشات ناشی از باد روی برج توربین است. در آخر با کمک روش اجزا محدود پاسخ زمانی برج را بدست می آوریم و تاثیر جاذب ارتعاش را بررسی می نماییم.
مقدمه
خنثی سازی ارتعاش در سازه ها در اثر نیرو های دینامیکی باد یک مسئله مهم در طول زمان شده است به خصوص که سازه ها هر روز بلندتر و سبکتر می شوند نتیجه این کارها این است که سازه ها بیشتر روی نیرو های وروردی حساس می شوند.
توربین های دریایی مانند آنهایی که در دریای ایرلند قرار گرفته اند بیشتر از 120 متر ارتفاع دارند و سفتی آنها با ارتفاع افزایش نمی یابد، این توربین ها تغییر شکل زیاد پره ها و و برج توربین را تجربه می کنند که ممکن است عواقب مضری در عملکرد صحیح توربین داشته باشد بنابراین این مهم است که تحقیقات کاربردی در رابطه با کنترل ارتعاش پره های توربین، زاویه Pitch و برج توربین انجام شود. توربین های بادی معمولا در محل هایی که شرایط محیطی خشنی دارند نصب می شوند که با نیروهای خارجی از جمله نیروی باد مواجه می شوند که ممکن است منجر به خرابی و یا خرج زیاد شوند.
برای اینکه توربین ها از لحاظ اقتصادی به صرفه باشند باید در این شرایط سخت بتوانند به خوبی در مقابل این نیروها تحمل بیاورند و به شکل بهینه کار خود را انجام دهند. قابل اعتماد بودن مسئله ای حیاتی در توربین ها است چون هزینه نگه داری بالا، خطرناک و در شرایط خاص غیر ممکن است.
کاربرد تکنیک های کنترلی تاثیر بسزایی در بهبود پاسخ سازه ها و در نتیجه قابل اعتماد بودن آنها دارد. در اینجا یک سیستم با درجات آزادی محدود به روش اجزا محدود مدل سازی شده است که با یک جاذب ارتعاش در بالای برج آن سعی در جذب ارتعاش برج را داریم که مشاهده می شود تاثیر بسزایی در پاسخ برج دارد.
ارتعاشات در توربین های بادی
انرژی های تجدیدپذیر یک دارایی برای منابع انرژی هستند که دوستار محیط زیست و با قیمت پایین هستند. یک منبع مهم انرژی تجدید پذیر تکنولوژی توربین بادی می باشد. به عنوان یک انرژی تجدیدپذیر انرژی باد به خاطر راحتی دستیابی، هزینه اجرا، قابل اعتماد بودن و بازدهی بالا نقش مهمی پیدا کرده است. محققان در زمینه بهینه سازی تاثیر توربین بادی بسیار فعال هستند.
ارتعاشات روی بهرهوری و نتیجتا کاهش بازدهی آنها می شود. [2] ارتعاشات در توربین های بادی از بین نمی رود ولی می توان آن را کاست یا به انرژی تبدیل کرد. سیستم های کنترل ارتعاش پاسخ سازه را بهبود می بخشد، قابلیت اطمینان را بالا می برد و تاثیر در عمر نهایی قطعات دارد. کاهش مقدار ارتعاشات سیستم می تواند نویز سیستم را کاهش دهد به کاربر اطمینان دهد، کارایی را بالاتر ببر و راندمان کلی توربین بر اساس پایداری بالاتر ببرد. همه این موارد دست به دست یکدیگر می دهند که عمر سازه توربین و همچنین اجزا مکانیکی آن طولانی تر شود. × [3]
اهمیت انجام پژوهش
چندین چالش در رابطه با توربین های بادی همچون: نگه داری، باد طبیعی متناوب، مقبولیت جهانی، بازار سوخت های فسیلی، هزینه، رقابت با دیگر انرژی های پاک و ... وجود دارد.
روش پیشنهاد شده در این مقاله کارایی توربین های بادی اعم از نگه داری جعبه دنده، پره ها و بلبرینگ افزایش می دهد. توربین های افقی محور و عمودی محور براساس جهت چرخش و ساختار خود بازدهی های متفاوتی دارند. توربین های افقی محور در حالت کلی در مکان های با سرعت باد بالا نصب می شوند و توربین های عمودی محور در مکان های شهری با سرعت باد کم کاربرد دارند. توربین های افقی محور سازه های بزرگتر دارند و بازدهی تولید انرژی آنها بالاتر است. توربین های عمود محور نصب راحت تر و هزینه نگه داری پایین تری دارند.
هنگامی که تکنولوژی توربین بادی یکی از پر کاربردترین تکنولوژی ها برای تولید برق شد. به خاطر بلندی برج توربین های محور افقی و سرعت بالای باد ارتعاشات زیادی در برج و پره های این توربین ها اتفاق می افتد. همچنین این توربین ها ارتعاشات زیادی به خاطر بارهای سنگینی که به خاطر ژنراتور، جعبه دنده و دیگر اجزا دارند تجربه می کنند. توربین های عمود محور نیز به هوا به سمت زمین تلاتم دارد به وسیله ارتعاشات مورد تاثیر قرار می گیرد .
ارتعاشات در توربین های بادی کارایی را کاهش می دهد و برای همین اجرا سیستم های کنترل ارتعاش در این توربین ها ضروری است. سپس سطح ارتعاش در این توربین ها کاهش و بهینه می گردد. تحریک باد، زلزله و تحریک موج های آب - برای توربین های بادی داخل آب - از مهم ترین عوامل ایجاد ارتعاش در توربینهای بادی هستند. تلاش های مهمی در جهت کاهش ارتعاشات توربینهای بادی در سال های اخیر انجام شده است. به عنوان نمونه، دستگاه های اصلی کنترل ارتعاش مثل فعال، نیمه فعال و غیر فعال با اشتیاق زیادی دنبال شده اند. [4] در این تحقیق با توجه به امکانات و شرایط یک توربین ساده شده به وسیله روش اجزا محدود مدل سازی می شود. سپس نیروی باد به پره های آن وارد می شود و پاسخ پره را می یابیم و با توجه به پاسخ پره نیروی انتقالی به برج را نیز بدست می آوریم. با توجه به وزن اجزا دیگر مانند ژنراتور، جعبه دنده و ناسل برج توربین نیز به صورت مخروط تو خالی که آن اجزا را در بالای خود دارد مدل سازی می کنیم.
انواع روش های کنترل
روش های مختلفی برای افزایش بازدهی توربین های بادی وجود دارد یکی از مهم ترین این روش ها کنترل ارتعاش سازه برج، پره توربین بادی و دیگر اجزا می باشد . روش های کنترلی زیادی از گذشته تا کنون برای کنترل انواع سازه ها مثل سازه های بلند، پل های بلند و توربین های بادی برای کاهش ارتعاشات تحریکات خارجی مورد استفاده قرار گرفته است. ضرورت و کاربرد کنترل سازه ها در [5] آمده است. 3 تا از مهم ترین تکنیک های ارتعاش که بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند در زیر به آنها اشاره شده است.
· کنترل غیر فعال
· کنترل فعال
· کنترل نیمه فعال
کنترل غیر فعال
روش کنترل غیر فعال ساده و قابل اعتماد است. این روش کنترل به نیروی خارجی نیاز ندارد. کنترل غیر فعال به راحتی قابل اجرا است که منجر به کاهش ارتعاشات می شود و به صورت گسترده در تکنولوژی های توربین بادی مورد استفاده قرار می گیرد . روش متداول کنترل ارتعاش متشکل از فنر و دمپر به عنوان یک روش غیر فعال شناخته می شود.
اصول کارکرد فنر و دمپر در کنترل ارتعاش بدین گونه است که انرژی ارتعاش یا مسیر جا به جایی را جذب می نماید. اصول اولیه کنترل غیر فعال در [14] آمده است. کنترل غیر فعال ممکن است دارای سنسورهایی باشد که مقدار تحریک را اندازه گیری می نماید. از آنجایی که هیچ نیروی خارجی وجود ندارد و مقدار ارتعاش به وسیله کنترل نیروهای داخلی که از حرکت سازه نشات می گیرد انجام می شود.
کنترلر های سیستم همچنین برای کنترل نیروهای داخلی طراحی شده است. چندین تحقیق در رابطه با سیستم های کنترل غیر فعال برای مصارف مختلف به خاطر راحتی و کارایی آنها انجام شده است. شکل 1-3 اصول پایه ای کنترل غیر فعال را که نیروی خارجی نیاز ندارد را نشان داده است. پارامتر های K و C به ترتیب نشانگر ضریب سفتی و میرایی برای یک سازه با یک درجه آزادی است را نشان می دهد . کنترل غیر فعال ساده و ماثر است، آن به صورت گسترده در کنترل ارتعاش ها استفاده می شود.
دستگاه های کنترل غیر فعال در توربین های بادی گسترش و مورد استفاده قرار گرفته اند. یکی دیگر از کاربرد های استفاده از کنترل غیر فعال در کنترل ارتعاش توربین های بادی واقع در آب می باشد که این توربین ها با توجه به اینکه در معرض نیروی باد شدید و نیروی موج های آب هستند کنترل ارتعاش در آنها نقش بسار حیاتی دارد و در [7] به تفسیر در مورد آنها بحث شده است.
شکل:1-3 شماتیک کنترل غیر فعال
کنترل فعال
دستگاه های کنترل فعال نیز وظیفه بهبود پاسخ سازه را دارند با این تفاوت که با دستگاه های نیرو رسانی، پردازنده های داده و سنسورها تشکیل شده اند. دستگاه های کنترل فعال از یک یا چند محرک تشکیل شده اند که نیرو و گشتاور را براساس قانون کنترلی خود به سازه دارد وارد می نماید. محرک های خارجی نیروی خارجی خنثی سازی ارتعاش را فراهم می آورند.
پردازنده های داده اطلاعات اندازه گیری شده را پردازش می کنند و سنسورها مقدار تحریک و پاسخ سازه را اندازه می گیرند. نیرو های خارجی با electro-hydraulic actuator ها تولید می شوند که به یک منبع بزرگی احتیاج دارند. سیستم های کنترل فعال کارایی را به وسیله ظرفیت actuator ها افزایش می دهند. محققان از کنترل فعال برای مصارف گوناگونی در جهت کاهش ارتعاشات استفاده می کنند. شکل 2-3 یک سازه با کنترل فعال را نشان می دهد که نیروی کنترلی U به آن وارد می شود. پارامترهای K و C به ترتیب ضرایب سفتی و دمپ سازه یک درجه آزادی می باشند. در طی تحریک سازه پاسخ به وسیله ی سنسور ها اندازه گیری شده و نیروی کنترلی مناسب وارد می شود.
به کار گیری روش فعال کنترل در سال های اخیر بسیار مورد توجه سازه هایی با تحریک گوناگون قرار گرفته است. طراحی، نصب و کارایی روش های کنترلی فعال در سازه ی واقعی در [8] آمده است . چندی دیگر از تحقیقات در رابطه با کنترل فعال در [8] آمده است. کنترل فعال را می توان کنترل غیر فعال ملحق کرد و سیستم کنترل ارتعاش غیرفعال-فعال را تشکیل داد. دیدگاه کنترل فعال یکی دیگر از روش هایی است که به طور گسترده در کنترل توربین های بادی استفاده می شود.
