بخشی از مقاله
چکیده
از آنجا که مسئله ی آلودگی و کمبود منابع انرژی تجدید ناپذیر مانند زغال سنگ و نفت و گاز ظاهر شده است، از این رو میل عمومی به استفاده از منابع انرژی تجدید پذیر پیوسته در حال رشد است. یک راه حل تکنیکی امیدوارکننده برای به کارگیری انرژی تجدیدپذیر راه اندازی توربین های بادی فراساحل است. بادهای قویتر و با پایداری بیشتر و نیز کاهش نیاز به منطقه ی خشکی مزیت های قابل توجه این توربین ها در مقایسه با نصب توربین های ساحلی می باشد.
توربین بادی فراساحل از قسمت های مختلفی مانند ناسل، برج، قطعه ی انتقالی و فونداسیون تشکیل شده است. این سازه فونداسیون یا سازه نگهبان توربین بادی همواره تحت اثر بارهای هیدرودینامیکی و آیرودینامیکی و بارهای ثقلی در طول عمر خود می باشد. بنابراین برای طراحی بهینه این سازه، پیش بینی دقیق بارها نیاز است. استفاده از مدلسازی عددی دسترسی به این موضوع را آسان می کند.
در این مقاله سعی شده است که یک سازه جکت توربین بادی فراساحل به عنوان سازه نگهبان در شرایط محیطی خلیج فارس و با استفاده از داده های استخراج شده از سکوی 19C پارس جنوبی توسط نرم افزار SACS مدلسازی شود. پس از آن بارهای هیدرودینامیکی و آیرودینامیکی و ثقلی به سازه اعمال شده است و برای این سازه آنالیز IN-PLACE انجام شده است و تنش و کرنش مجاز یا همان unity check برای آن ها گزارش شده است.
مقدمه
مصرف و رشد بیش از اندازه از انرژی فسیلی مشکلات زیست محیطی جدی را ایجاد کرده است و این اعتقاد وجود دارد که در آن فاکتورهای بحرانی وجود دارد که در گرم شدن جهانی کره زمین شریک هستند.انرژی های تجدید پذیر مانند انرژی خورشید، باد، انرژی زمین گرمایی و زیست توده، همگی انرژی های پاک با مقدار منابع عظیم برای تولید الکتریسیته هستند
در چشم انداز کلی، منابع انرژی تجدیدپذیر مختلف براساس غلبه و تسلط مکانی آ نها به کارگرفته می شوند برای مثال انرژی خورشیدی در مناطقی که اشعه های خورشیدی قوی دارد، انرژی باد ساحلی در طول سواحل و انرژی آب در کوه ها وجود دارد.راه حل های تکنیکی جدید پیشرفت کرده اند، استخراج انرژی از باد در موقعیت های فراساحل میسر شده است
انرژی باد فراساحل آینده ی امیدوار کننده ای دارد به خصوص در کشورهایی که دارای فراوانی جمعیت بالایی است و شانس پیدا کردن موقعیت مناسب در ساحل کم است. در دریا باد سطح متغیر زبری مانند امواج پیدا می کند و مانعی دور از خشکی برای آن وجود ندارد. این امر اشاره می کند به این موضوع که سرعت باد تغییرات مهمی ندارد. بنابراین برج های بلند همانند در خشکی دیگر لازم نیست جنس و مواد آن کاهش یابد از این رو با ارزش و به صرفه خواهد شد. از طرف دیگر به طور کلی آشفتگی باد در دریا کمتر از خشکی است، در نتیجه دوره کار مفید توربین بادی توسعه می یابد. علاوه بر این آشفتگی باد در سطح دریا کمتر است به این دلیل که اختلاف درجه حرارت در ارتفاعات مختلف اتمسفر در زمانی که در دریا اتفاق می افتد نسبت به خشکی کمتر است
باد فراساحل در مقایسه با باد ساحلی چندین مزیت داردکه شامل موارد زیر می شود:
· عدم نیاز به موقعیت مناسب در خشکی برای احداث توربین بادی
· سرعت های باد بیشتر
· پایداری بیشتر بادها
· منابع عظیم باد فراساحل
· استفاده از توربین های بزرگتر
· آشفتگی کمتر و طول عمر بیشتر توربین ها
وضعیت حال و آینده توربین های بادی فراساحل
ازسال 2000 هرساله توربین های بادی فراساحل وارد خط می شوند.تا پایان سال 2012 تعداد1662 توربین بادی فراساحل با ظرفیت تولید 5 گیگا وات در طول 55 مزرعه ی بادی و در 10 کشور اروپایی راه اندازی شده است. آن ها 18 تراوات ساعت انرژی تولید می کنند که انرژی الکتریسیته حدوداً 5 میلییون خانوار را تامین می کند.
باد فراساحل 10 درصد کل انرژی باد در کل اروپا می باشد. این تنها شروع پیشرفت صنعت جهانی به رهبری اروپا می باشد. درکنار تقاضا برای استفاده از آب های عمیق، استفاده از توربین های بادی بزرگتر وجود دارد. میانگین اندازه ی شبکه ی توربین های نصب شده در طی سال 2012، چهار مگا وات می باشد که این در سال 2011، 3,6 مگا وات است.
درسال2012 ازمیان 38 مدل توربین بادی فراساحل جدید اعلام شده، تنها 9 تا یعنی 24 درصد ظرفیت تولید انرژیشان کمتر از 5 مگاوات می باشد.29 تای باقیمانده یعنی 76 درصد دارای ظرفیت بزرگتر بوده اند. طراحی های فراساحل عمیق برای رسیدن به تعادل بهینه ی بین تولید انرژی و هزینه نیازمند انطباق با این توربین های بزرگ خواهند بود.
در پایان سال2012 تنها 5 گیگا وات انرژی باد فراساحل در اروپا به کارگرفته شد. انجمن انرژی باد اروپا پیش بینی می کند که تا سال 2020، 40گیگا وات ظرفیت انرژی باد را می توان در اروپا بهره برداری کرد و مقدار 148 ترا وات ساعت برق تولید نمود، که این مقدار انرژی برای تامین انرژی 38 میلیون خانواده کافی می باشد. تا سال 2020 باد فراساحل 30 درصد بازار باد سالانه ی تازه راه اندازی شده را به خود اختصاص می دهد.
انجمن انرژی باد اروپا تا سال 2030 پیشبینی می کند که 150 گیگا وات ظرفیت باد فراساحل راه اندازی شود که این مقدار معادل با تامین انرژی 145 میلیون خانوار می باشد. باد فراساحل 60 درصد بازار باد سالانه ی تازه راه اندازی شده را دربرمی گرد که این مقدار بیش تر از بازار ساحل می باشد. همچنین انجمن انرژی باد اروپا 141 گیگا وات پروژه در آب های اروپا تعریف می کند که یا در حال کارهستند و یا در حال احداث و یا در دست طراحی می باشند. از این 1414 گیگا وات 22 گیگا وات یعنی 16 درصددر دریای آتلانتیک و 16 گیگاوات معادل 11درصد در دریای مدیترانه که آبهای عموماً عمیق هستند قراردارد.
نهایتا تا سال 2050 باد فراساحل به 460 گیگاوات میرسد که معادل تولید انرژی به اندازه ی 1813 تراوات ساعت است و علاوه بر این کمک می کند که ذخیره انرژی اروپا به 50 درصد برسد که این بااستفاده از باد موثر است. این رشد نمایی تنها زمانی دست یافتنی می باشد که طراحی های فراساحل عمیق به کارگرفته شوند
انواع سازه های نگهبان برای توربین بادی فراساحل توربین بادی فراساحل شامل چندین مولفه است که در شکل 1 نمایش داده شده است. مهممترین این مولفه ها به صورت زیر می باشد :[
· ناسل: ژنراتور و جعبه دنده و تمام مولفه های دیگر که انرژی باد را به انژی موثر و کارآمد الکتریکی تبدیل می کنند در ناسل قرار می گیرند
· رتور: شامل هاب - توپی چرخ - و پره ها می شود. پره ها به هاب متصل هستند که انرژی چرخشی را به وسیله محور اصلی به جعبه دنده انتقال می دهند. پره ها می توانند 75 متر طول داشته باشند
· برج: این قسمت در واقع وظیفه نگهداری سیستم های ذکر شده در بالا را دارد. برج ها سازه هایی لوله ای شکل هستند که از چندین بخش ایجاد شده اند. به طور کلی ارتفاع برج ها در حدوده ای بین 80 الی 130 متر است.
· قطعه ی انتقالی: این قسمت برج را به ستون فونداسیون وصل می کند. سپس پهلوگیر شناور و دسترسی عرشه و پلکان بر روی آن نصب می شوند که امکان ورود به برج را فراهم می کنند.
· فونداسیون: این قسمت توربین بادی را در محیط فراساحل نگه می دارد. انواع مختلفی از سازه های فونداسیون وجود دارد که در ادامه توضیح داده خواهد شد. نوع سازه فونداسیون به طور خاصی به عمق آب بستگی دارد.
شکل:1 شکل شماتیک توربین باد
انواع مختلف فونداسیون برای نصب توربین بادی فراساحل وجود دارد که در شکل 2 نمایش داده شده است. نوع فونداسیون به کار گرفته شده در دریا به طور خاص به عمق آب وابسته است. مدل های مختلف فونداسیون های موجود به شرح زیر است:
· تریپد: دارای یک ستون مرکزی قئم است که سه ستون فولادی استوانه ای شکل به آن متصل شده است و این ستون مرکزی تا بستر دریا حفر شده است. تریپد برای آب های عمیق با عمقی در محدوده ی 20 الی 80 متر بسیار مناسب است.
· جکت: از سه یا چهار پایه ی اصلی ساخته شده است که این پایه ها به همدیگر وصل شده اند. پایه های اصلی به وسیله ی پایل هایی که در بستر خاک کوبیده شده اند پشتیبانی می شوند.اعضای جکت از لوله های استوانه ای ساخته شده اند و به صورت دستی به همدیگر جوش داده می شوند. به علت هزینه بالای کار برای ساخت جکت، سازه جکت یک سازه ی گران قیمتی است. این سازه ها می توانند در آب های عمیق تا عمق 80 متر مورد استفاده قرار گیرند.
· سازه های ثقلی: این سازه ها با وزن خودشان توربین بادی را در بستر دریا حفظ می کنند. وزن اضافی در کف می تواند به شکل شن و ماسه، صخره ی سنگ و یا آهن باشد. این سازه ها فقط در آب های خیلی کم عمق اقتصادی هستند.
منوپایل بیشتر برای نصب توربین بادی فراساحل مورد استفاده قرار گرفته است. اگرچه برای آب ها با عمق زیاد، ابعاد منوپایل سریعاً افزایش می یابد تا در برابر بارگذاری های بالا مقاومت کند و نیز فرکانس طبیعی صحیح را حفظ کند. در نتیجه به علت هزینه ی بالا مواد و مصالح این نوع سازه تحت چنین شرایطی، از لحاظ اقتصادی مناسب نمی باشد. بنابراین سازه جکت برای آب های عمیق مناسب است
