بخشی از مقاله
چکیده
در اجرای توربین های بادی فراساحل سه بخش اصلی سازه عبارتند از سازه نگهدارنده، برج و یک قطعه رابط که پایه را به برج وصل می کند. دلیل اینکهبرج مستقیماً به پایه پیچ و مهره نمی شود آن است که پایه درون بستر دریا کوبیده می شود و بسیار دشوار است کهنراآ کاملاً قائم نگهداریم. بنابراین، قطعه رابط به صورت یک استوانه توخالی که اغلب قطر بزرگتری از پایه دارد روی پایه پوشیده شده و سطح بالایی آن به برج توربین فلنج می شود. نکته مهم آن است که لقی و اختلاف قطر بین قطعه رابط و پایه با ریختن گروت پر می شود.
در این تحقیق مدل توربین بادی تک پایه شامل شمع، قطعه رابط، برج و پره های توربین در قالب یک مدل کامل در شرایط محیطی در نرم افزار Abaqus Aqua مدل شده است. بارگذاری های موج، جریان و باد بر اساس مقادیر متعارف در یک سایت موجود به مدل اعمال و جابجایی تناوبی توربین بدست آمده است. در نهایت این جابجایی بصورت شرط مرزی به دو انتهای قطعه رابط در نرم افزار Abaqus وارد و توزیع تنش حل می شود. توزیع تنش نرمال الگوی تقارن قطری مورد انتظار را برآورده کرده است.
مقدمه
پایان پذیر بودن منابع انرژی فسیلی و آلودگی های زیست محیطی ناشی از آنها گرایش روز افزونی برای بهره برداری از منابع انژی تجدیدپذیر همچون باد خورشید و امواج دریا پدید آورده است. در میان گونه های مختلف انرژی های تجدیدپذیر انرژی باد با فناوری تثبیت شده ی توربین - ژنراتور های بادی از مطرح ترین منابع انرژی تجدیدپذیر کنونی به شمار می رود. نیروگاه های بادی هم در مناطق بادخیز در خشکی - معمولا در نقاط کوهستانی - و هم در سطح دریا و در نزدیکی سواحل دریا - فراساحل - قابل نصب هستند.
امروزه تولید انرژی از بادهای فراساحلی نظرات زیادی را در سراسر جهان به خود معطوف داشته است و گسترش استفاده از انرژی بادهای فراساحلی مورد بحث و تبادل نظر می باشد.فناوری جذب انرژی از باد های فراساحلی روز به روز گسترش بیشتری یافته و میتوان آنرا یکی از شیوه های مفید و سودمند برای برخورداری از یک منبع انرژی پاک برای همه کشورها و به خصوص مناطقی دانست که اراضی زیاد یا بادهای شدید برخوردار نیستند.گسترش استفاده از انرژی باد جهت رسیدن به قدرت اسمی بالاتر از توربین های بادی با تغییر مکان توربین ها به موقعیت های مناسب تر ارتباط دارد. اولین اقدام در این راستا،تغییر مکان از موقعیت های کرانه ای به موقعیت های فراساحلی می باشد.اقدام دیگر، مطالعه بر تغییر مکان از سواحل به آب های عمیق است که نیازمند استفاده از تجهیزات فراساحلی تولید انرژی از باد است.
در دو دهه اخیر گسترش تولید توان با استفاده از نیروگاه های بادی به عنوان یکی از منابع اصلی انرژی تجدیدپذیر در زمره ی سیاست های توسعه پایدار اکثر کشورها قرار گرفته است.در این راستا نیروگاه های بادی فراساحل به دلیل قابلیت تولید توان بالاتر سهم عمده ایی از تولید نیروگاه های بادی رو به خود اختصاص داده اند.
این نوع توربین بادی فراساحل برای استفاده در عمق های کمتر از 30 متر مناسبند و پرکاربرترین نوع توربین بادی فراساحل به حساب می آیند. پایه این توربین از یک شمع ساخته شده که در کف دریا فرو می رود و مجموه برج و توربین بر روی آن قرار سوار می شوند. این نوع توربین به دلیل هزینه کمتر نسیت به بقیه کاربرد فروان دارد. تنها معایب آن محدودیت عمق و وابستگی به ساختار زمین در کف دریا است
تاریخچه استفاده از انرژی باد
بشر از زمان های بسیار دور به نیروی لایزال باد پی برده و سال ها بود که از این انرژی برای به حرکت آوردن کشتی ها و آسیاب های بادی بهره می گرفت. طی سالیان دراز ثابت شده است که می توان انرژی باد را به انرژی مکانیکی و یا انرژی الکتریکی تبدیل کرد و مورد استفاده قرار داد،منابع تاریخی نشان می دهند که ساخت آسیاب ها در ایران،عراق،مصر و چین قدمت باستانی داشته و در این تمدن ها،از آسیاب های بادی برای خرد کردن دانه ها و پمپاژ آب استفاده می شده است.
ایرانیان اولین کسانی بودندکه در حدود 200 سال قبل از میلاد مسیح برای آرد کردن غلات از آسیاب های بادی با محور عمود استفاده می کردند. بعد از ایران کشورهای عربی و اروپایی به تقلید از ایرانیان اقدام بل استفاده از انرژی باد کردند.در قرون وسطی، آسیابهای بادی دز ایتالیا،فرانسه،اسپانیا و پرتغال متداول گردیده وکمی بعد در بریتانیا، هلند و آلمان نیز به کار گرفته شد.آسیاب های بادی که در اروپا ساخته می شدند از نوع آسیاب های محور افقی و چهارپره بودندکه برای آردکردن حبوبات و گندم به کار می رفتند.
توربین بادی انرژی جنبشی را از طریق پره های یک روتور که محور آن با محور چرخانیک ژنراتورالکتریکی کوپل گردیده است به انرژی و گشتاور مکانیکی دورانی تبدیل می نماید.از دید آیرودینامیک در بهترین حالت حداکثر %59 از انرژی جنبشی حرکت باد توسط توربین قابل جذب است و در شرایط واقعی میزان توان و انرژی جذب شده توسط توربین به پارامتر های متعددی از جمله نسبت سرعت دوران توربین به سرعت باد بستگی دارد.مدل آیرودینامیکی توربین بادی رابطه توان مکانیکی جذب شده توسط توربین را در سرعت های مختلف باد تعیین می نماید.
از نظر عملکردی در توربین های بادی انرژی جنبشی باد به انرژی مکانیکی و سپس به انرژی الکتریکی تبدیل می شود و دارای دو نوع است:[2] الف - توربین های بادی با محور چرخش عمودی ب - توربین های بادی با محور چرخش افقی
توان توربین باد
انرژی موجود در باد را می توان با عبور آن از داخل پره هایی و سپس انتقال گشتاور پره ها به روتور یک ژنراتور استخراج کرد. در این حالت میزان تبدیلی به چگالی باد، مساحت ناحیه جاروب شده توسط پره و مکعب سرعت باد بستگی دارد. به این ترتیب میزان توان قابل تبدیل در باد را می توان از رابطه - 1 - به دست آورد.
زمانی که توربین انرژی باد را می گیرد سرعت باد کم خواهد شد که این خود باعث جدا شدن باد می شود.آلبرت بتز فیزیکدان آلمانی در 1919 اثبات کرد که توربین حداکثر می تواند 59 درصد از انرژی بادی را که در مسیر آن می وزد را استخراج کند و به این ترتیب آلفا در معادله بالا هرگز بیشتر از 0/59 نخواهد شد
به این ترتیب کشورها قادرند تا از ظرفیت مناطق بادخیز خود در قسمت های کم عمق بهره مند شوند. این مزارع بادی دریایی علاوه بر تولید بخشی از انرژی موردنیاز کشور ها جلوه ی زیبایی به مناطق ساحلی داده و تاثیر مثبتی روی صنعت گردشگری این مناطق داشته اند.
انرژی بادی فراساحلی
پس از مفید واقع شدن استفاده از توربین های بادی در مناطق خشکی و وجود برخی از مشکلات برای احداث مزارع بادی در خشکی مانند آلودگی صوتی و مزاحمت برای ساکنین منطقه، محققان متوجه سرعت های بالای باد در مناطق دور از ساحل شدند.این توجه دانشمندان و دولتها را به سوی مطالعه این مناطق برای بررسی امکان استفاده از این انرژی پاک تشویق کرده است. در نهایت این تحقیقات به طراحی و ساخت توربین های بادی پایه ثابت در دریاها انجامید.
ایده احداث مزارع بادی فراساحلی نخستین بار در سال 1972 توسط هرنماس ارائه گردید. نخستین توربین بادی فراساحلی در سال 1991 در سوئد و اولین مزرعه بادی فراساحلی در سال 1992 در آب های کم عمق 5-2 - متر - سواحل دانمارک و در نزدیکی شهر ویندبی احداث شد - شکل . - 10,2 این مزرعه بادی شامل یازده توربین 450 مگاواتی بود که این توربین ها در فاصله بیش از 3 کیلومتری از ساحل نصب شده بودند. پس ازآن مزارع بادی دیگری در هلند، دانمارک، انگلستان و سوئد احداث گردیدند.
اصلی ترین مزیت نیروگاه های بادی فراساحل نسبت به نیروگاه های بادی در خشکی چگالی تولید توان و انرژی بالاتر به دلیل سرعت باد بیشتر و مدت زمان طولانی تر وزش باد در سطح دریا می باشد.به دلیل بهره وری بالا نیروگاه های بادی فراساحل علیرغم هزینه زیاد نصب و راه اندازی امروزه اهمیت بیشتری در بحث تولید انرژی یافته و سرمایه گذاری زیادی را در بخش های تحقیقاتی و صنعتی به خود اختصاص داده اند. یکی دیگر از مزیت نیروگاه های فراساحلی نسبت به نیروگاه های ساحلی، قابلیت تولید توان های بالا به دلیل سرعت های بالاتر باد فراساحل است.سرعت باد در نقاطی که نزدیکی ساحل قرار دارند %20-%15 و در سطح آزاد آب %40-%30 بیش از نقاط ساحلی است.[5] چنین مزیتی باعث می شود سهم تولید انرژی نیروگاه های بادی فراساحل به طور قابل توجهی از نیروگاه های بادی ساحلی بیشتر شود.
بر طبق برآوردی از EWEA تا سال 2020 میلادی 180 گاگاوات توان از انرژی بادی تولید خواهد شد که از این مقدار 120 گیگاوات آن از محل نیروگاه های فراساحل تأمین خواهد شد.[6] در نتیجه افزایش قیمت سوخت های فسیلی و پیشرفت انرژی های تجدیدپذیر در طول دهه گذشته صنعت انرژی بادی در اروپا به سرعت گسترش یافته و امروزه یکی از شاخه های مهم اقتصاد، انرژی است. توربین بادی با بیش از 40000 مگاوات ظرفیت در اروپا تا پایان سال 2005 و با نرخ رشد سالانه نزدیک به %20 نصب شده است
باد سریع ترین رشد را در منابع انرژی تجدیدپذیر به خود اختصاص داده است،به طوری که سال 2007 نرخ رشد آن %25 و ظرفیت نصب شده آن 74 گیگاوات در کل جهان بوده است.اکثر نیروی برق تولید شده از باد از میادین داخل خشکی تولید می شوند. با این حال رشد آن ها با توجه به کمبود زمین های ارزان نزدیک مراکز جمعیت اصلی و نیز آلودگی بصری توربین های بادی بزرگ محدود است.
از آنجا که مکان های سودبخش اقتصادی برای میدان های در خشکی رفته رفته کمیاب میشوند راهکار جدید برای انرژی بادی علاوه بر گسترش میدات های بادی قدیمی، استفاده از میدان های فراساحل می باشد .[7] مناطق دریایی بزرگ با بادهای قوی تر و مداوم تر برای گسترش میادین بادی موجود هستند و برج های توربین 5 مگاواتی در فاصله 20 مایلی از ساحل واقع می شوند طوری که حتی دیده نمی شوند. توربین های بادی فراساحل امروزی به وسیله تک شمع هایی که در محل های نزدیک ساحل با چند مایل فاصله از آن و در اعماق حدود 15تا 20متر به بستر دریا کوبیده می شوند مهار می شوند.
قطعه رابط در توربین تک پایه
قطعه ای که وظیفه اتصال بین پایه و برج توربین را بر عهده دارد. معمولاً دارای قطری به اندازه 7 متری و ضخامتی حدود 100 میلی متری را دارد. در شکل 1این قطعه به رنگ زرد دیده می شود که البته معمولاً در واقعیت هم به همین ترتیب رنگ می شود.
شکل : 1 شماتیک قطعه رابط [
گروت داخل قطعه رابط تشکیل شده از آب، سیمان، ماسه و افزودنی های متداول دیگر می باشد. از گروت ها جهت پر کردن فضاهای خالی و ترک های بزرگ، لایه لایه شدن و یا خرد شدن استفاده می شود. از این لحاظ کاربرد گروت مشابه ملات می باشد. گروت کاربردی در زیر صفحه ستون ها، آنکربلت ها، نصب ریل ماشین آلات، برینگ پل ها، بلت ها، ریل ها، حایل ها دارند.
مهم ترین مزایای گروت ها این است که مکانی که در آن گروت ریخته می شود را کامل پر می کند. چون گروت منبسط شونده خاصیت غیر انقباضی دارد از گروت آماده جهت مصارف مختلفی مثل، زیر صفحه ستون ها، آنکربلت ها، نصب ریل ماشین آلات، برینگ پل ها، بلت ها، ریل ها، حایل ها و ...استفاده می شود. شکل 2 محل قرارگیری گروت در توربین بادی مونوپایل را نشان می دهد
