بخشی از مقاله
خلاصه
برج توربین بادی بخش قابل ملاحظهای از هزینههای ساخت توربین بادی را به خود اختصاص میدهد. برجهای فولادی جدار نازک خودایستا یا مهارشده توسط کابل از رایجترین سیستمهای نگهدارنده این توربینها محسوب میشوند. در این مقاله، یک تحلیل پارامتری برای انتخاب سیستم برج یک توربین بادی کوچکمقیاس انجام میشود. این تحلیل شامل دو سیستم باربری برج خودایستا و برج با کابل مهاری، دو مقدار برای جرم متمرکز نصب شده بر بالای برج و سه مقدار برای ارتفاع برج میشود. دوازده الگوی حاصل، بر اساس ضوابط آییننامههای معتبر توربینهای بادی، در نرمافزار اجزای محدود SAP2000 مدلسازی و طراحی میگردد. با معیار قرار دادن مقدار وزن برج توربین و میزان توان تولیدی توربین در مدت عمر مفید آن، میتوان طرح مناسب و مطلوب را برگزید. نتایج تحلیل نشان میدهد، برای برجهای کوتاهتر استفاده از سیستم برج خودایستا مناسبتر از سیستم برج مهارشده باکابل میباشد. در مقابل برای برجهای بلندتر، سیستم برج مهار شده با کابل اقتصادیتر است. همچنین، اثر جرم بالای برج میتواند بر مقطع طراحی تأثیرگذار باشد.
کلمات کلیدی: توربین بادی کوچک مقیاس، برج خودایستا، برج مهارشده با کابل، تحلیل پارامتری.
1.مقدمه
در دو دهه اخیر، توجه فراوانی به استفاده از انرژیهای پاک و تجدیدپذیر مانند انرژی خورشید و باد شده است. در این میان، توربین بادی به عنوان یکی از نمادهای اصلی تولید انرژی در این زمینه شناخته میشود که با توجه به نیاز روزافزون جهان به انرژی، تمایل به ساخت و استفاده از آن روز به روز در حال افزایش است. در ایران نیز رویکرد مطلوبی به استفاده از توربینهای بادی به وجود آمده است که احداث چندین مزرعه بادی در سطح کشور، مانند مزرعههای بادی منجیل در استان گیلان، بینالود در استان خراسان رضوی و کهک در استان قزوین، نمونههایی از این رویکرد میباشند. با توجه به اهمیت شناخت ویژگیهای فناوریهای جدید برای استفاده بهینه از آنها، لازم است بخشهای مختلف جامعه مهندسی کشور با جنبههای مختلف طراحی، ساخت، راهاندازی و نگهداری توربین بادی آشنا شوند تا بتوان در آینده نزدیک، اقدام به بومی سازی تمام یا بخشی از این صنعت نمود.
از دیدگاه سازهای، توربین بادی شامل چهار بخش روتور، ناسل، برج و زیرسازه - پی - میشود. در توربینهای بادی، بخش قابل توجهی از جرم کل سازه در بالای آن - روتور و ناسل - متمرکز است و همچنین دارای اجزای دینامیکی با حرکت دورانی حول محوری افقی یا عمودی میباشند. بنابراین برج توربین بادی به طور متناوب، تحت تأثیر نیروهای دینامیکی ناشی از وزش باد و نیز اجزای متحرک بالای آن قرار دارد. از این دیدگاه، فرآیند طراحی آن در مقایسه با سازههای رایج در مهندسی عمران مانند ساختمانهای طبقاتی و پلها قدری تفاوت دارد. در طراحی برجهای توربین بادی، علاوه بر محدود کردن تنشها و تغییرمکانها، باید طراحی برج بهگونهای انجام شود که بسامد طبیعی نوسان برج، تداخلی با بازه »بسامد کاری توربین« که در آن بازه توان الکتریکی تولید میشود، نداشته باشد.
در غیر این صورت، به هنگام کار توربین، پدیده تشدید در برج اتفاق میافتد و کل سازه فرو خواهد ریخت. بازه بسامد کاری توربین، به بازهای از سرعت دورانی پرههای توربین بادی گفته میشود که سبب دوران ژنراتور و تولید انرژی برق میشود.برای طراحی توربینهای بادی، استانداردها و ضوابط متعددی در نقاط مختلف دنیا ارائه شده است .[3-1] یکی از معتبرترین استانداردها، IEC [3] 61400 میباشد که یک مبنای معتبر برای تعیین ضوابط طراحی توربین بادی در کشورهای مختلف و نیز بستن قراردادهای بینالمللی میباشد. این استاندارد دارای سه بخش اصلی میباشد که بخش دوم آن با نام [4] IEC 61400-2 به ارائه حداقل الزامات طراحی توربینهای بادی کوچکمقیاس میپردازد.
بر اساس تعریف ارائه شده در این استاندارد، هر توربین بادی که سطح جاروب شده توسط روتور آن کمتر از 200 متر مربع باشد، توربین کوچکمقیاس نامیده میشود. بر این اساس، اکثر توربینهای با توان تولیدی کمتر از 50 کیلووات، در رده توربینهای کوچکمقیاس قرار میگیرند.به طور معمول، سه سیستم سازهای برای برج توربینهای بادی کوچکمقیاس مورد استفاده قرار میگیرد: برج خودایستا، برج با کابل مهاری و برج مشبک. استفاده از هر یک از این سیستمها مزیتها و کاستیهایی دارد که سبب میشود در موارد مختلف، بسته به شرایط جوی محیط و نیز عوامل فنی، اقتصادی و زیباییشناسی، یک سیستم بر دیگری ترجیح داده شود. با این حال، تا کنون در ایران مطالعه چندانی درباره عوامل مؤثر بر انتخاب سیستم برج توربینهای بادی انجام نشده است و نیاز به انجام پژوهشهایی کاربردی در این زمینه میباشد.
هدف این مقاله، بررسی عاملهای فنی تأثیرگذار در انتخاب سیستم برج توربینهای بادی کوچکمقیاس میباشد. بدین منظور، یک تحلیل پارامتری برای توربین بادی با توان نامی 1 کیلو وات، ساخته شده در پژوهشکده هواخورشید دانشگاه فردوسی مشهد انجام میشود. دوازده حالت مختلف طراحی در نظر گرفته میشود که شامل دو نوع سیستم برج خودایستا و برج با کابل مهاری، دو مقدار برای جرم متمرکز بالای برج، و سه مقدار برای ارتفاع برج میباشد. همچنین برای بارگذاری برج، از استاندارد [4] IEC61400-2، مبحث ششم مقررات ملی ساختمان [5]، استاندارد 2800 ایران [6] و نیز دادههای بادسنجی بهرهگیری میشود. تحلیل و طراحی سازه برج نیز در نرمافزار [7] SAP2000 با در نظر گرفتن اثرات غیرخطی هندسی و بر اساس مبحث دهم مقررات ملی ساختمان [8] به انجام میرسد.
.2 مشخصات تحلیل پارامتری
تحلیل پارامتری ارائه شده در این مقاله شامل دوازده حالت طراحی برای سازه برج توربین بادی 1 کیلووات میباشد. در این مجموعه، دو نوع سیستم برج خودایستا و برج با کابل مهاری در نظر گرفته شده است. برج خودایستا، شامل یک ستون تک با مقطع لولهای میباشد. برج با کابل مهاری، متشکل از یک ستون لولهای است که توسط کابلهایی در طول خود به زمین اطراف مهار شده است. برای جرم متمرکز بالای برج - مجموع جرم روتور و ناسل - ، دو مقدار 35 و 70 کیلوگرم در نظر گرفته شده است. این دو مقدار، بر اساس مقدارهای واقعی دو توربین 1 کیلووات که یکی توسط پژوهشکده هواخورشید دانشگاه فردوسی مشهد و دیگری توسط یک شرکت خارجی ساخته شده، انتخاب گشته است.
همچنین برای مطالعه تأثیر ارتفاع برج، سه ارتفاع 6، 12 و 18 متر برای برج توربین در نظر گرفته شده است. با ترکیب هر یک از دو سیستم باربری برج با هر یک از دو مقدار وزن بالای برج و سه ارتفاع برج، در مجموع دوازده حالت طراحی تولید میشود. برای هر یک از این حالتها، طراحی سازه بر اساس معیارهای محدودیت بسامد و کنترل تنش انجام شده و وزن اجزای سازه برج مقایسه میگردد. همچنین، میزان توان تولیدی سالانه هر توربین، بر اساس روشهای استاندارد [9] محاسبه گشته و مقایسه میشود.
.3 بارگذاری برج توربین بادی
بارگذاری توربین شامل بارهای مرده، زنده، باد و زلزله میباشد. بار مرده، تنها شامل وزن برج بوده و وزن ناسل و روتور به عنوان بارهای زنده به سازه اعمال میشوند. بار زنده توربین برای دو حالت سکون1 و بهرهبرداری2 تعریف میشود. در حالت سکون علاوه بر اثرات وزن خارج از محور ناسل و روتور، نیروی فشار باد بر روتور توربین نیز به صورت متمرکز به نوک برج اعمال میگردد .[4] در حالت بهرهبرداری، مقدار این نیروی فشاری تغییر کرده و گشتاور حاصل از مؤلفه قائم - بالابر - 3 نیروی باد بر پره نیز در نوک برج وارد میشود. یادآوری میگردد که در هر دو حالت، اثر نیروی باد بهرهبرداری بر برج نیز با اثر سایر بارها جمع خواهد شد. بار باد وارد بر برج، شامل بار باد بهرهبرداری و بیشینه باد 50 ساله است که به دو صورت بر برج اثر میکند:
·به صورت بار وارد بر روتور توربین در تراز ارتفاعی هاب . - Hhub - نیروی خارجی حاصل از این بار، به صورت نیروها و لنگرهای متمرکز در تراز Hhub به برج اعمال میشوند.
• به صورت مستقیم بر بدنه برج و در طول ارتفاع آن. این بار، به صورت یک بار گسترده افقی با شدت متغیر در ارتفاع برج توزیع میشود.
برای تعیین بار طراحی برج ناشی از روتور توربین، از آییننامه [4] IEC 61400-2 استفاده شده که به طور ویژه برای توربینهای کوچکمقیاس ارائه گشته است. در روش بارگذاری سادهسازی شده که در بخش 4-7 این آییننامه آمده است، در حالت کلی 10 ترکیب بار معرفی شده و برای هر یک، رابطهای ساده ارائه گشته است. بر اساس این ترکیب بارها، بیشینه نیروهای وارد بر برج توربین به دست میآید. بار باد وارد بر بدنه برج در طول ارتفاع آن در دو حالت بار باد بهرهبرداری و بیشینه باد 50 ساله، به طور جداگانه و بر اساس آییننامه [4] IEC 61400-2 محاسبه شده است.برای محاسبه بار زلزله، از روش استاتیکی معادل استفاده میشود .[10] در این روش، نیروی جانبی معادل با زلزله، به صورت ضریبی از وزن کل سازه در نظر گرفته میشود. این ضریب، با C نمایش داده شده و به صورت زیر محاسبه میگردد:
در این رابطه، A نسبت شتاب مبنای طرح، B ضریب بازتاب، I ضریب اهمیت و ضریب رفتار میباشند. در این تحقیق، عمر مفید توربین 15 سال در نظر گرفته میشود. بر این اساس، شتاب مبنای طرح با احتمال وقوع %10 در 15 سال - دوره بازگشت 150 سال - ، برابر 0/21 g به دست میآید. با توجه به ویژگیهای ذکر شده در گزارشهای مکانیک خاک محل پروژه - سایت بادی بینالود - ، نوع خاک در دسته بندی انواع خاک استاندارد [6] 2800، از نوع III است. درنتیجه، ضریب بازتاب برابر 2/75 میباشد. همچنین نسبت معادل 1/5 در محاسبات وارد شده است. این نسبت در پژوهشهای مختلف و توصیهنامههای مربوط به توربینهای بادی، عددی بین 1 و 2 توصیه شده است. مدلسازی تحلیلی برج توربین در نرمافزار SAP2000 انجام شده و برای طراحی در این نرمافزار، از آییننامه [11] AISC-ASD 89 که معادل با مبحث دهم مقررات ملی ساختمان است، استفاده شده است.
.4 تحلیل و طراحی برج توربین بادی
خلاصه ویژگیهای توربین 1 کیلووات و مصالح فولادی برج آن در جدولهای 1 و 2 ارائه شده است. این برج به روش Tilt-up و به کمک میله برپاساز1 و کابل در محل خود نصب میگردد. شایان توجه است با توجه به بازه بسامد کاری توربین، بسامد طبیعی برج جهت جلوگیری از پدیده تشدید، نباید در بازه بین 3/2 و 8/6 هرتز قرار گیرد.به منظور مدلسازی برج توربین از جزء قاب در نرمافزار اجزای محدود SAP2000 استفاده شده است. جرمهای مربوط به ناسل و روتور نیز به صورت متمرکز و در محل دقیق آنها با اعمال خروج از محوری قرار داده میشوند.
با توجه به این که نحوه توزیع جرم برج در ارتفاع بر بسامدهای طبیعی سازه اثرگذار است، بایستی تعداد مطلوب جزءهای مورد نیاز به کار گرفته شود. برج توربین بایستی به گونهای طراحی شود که علاوه بر دارا بودن قابلیت تحمل نیروهای وارد شده، بسامدهای طبیعی آن در محدوده غیرمجاز قرار نگیرد. به منظور کنترل بسامدهای طبیعی برج، مدل برج توربین در نرمافزار SAP2000 تحت تحلیل مودال قرار میگیرد. از دیدگاه کنترل کفایت تنش نیز، مقاطع برج توربین باید به صورت عضو تیر- ستون که تحت اثر نیروی محوری و لنگر خمشی به طور همزمان قرار دارد، طراحی شود. شایان ذکر است، حد مجاز نسبت تنشها در حالت معمول برابر 1 و در حالتی که نیروهای زلزله یا باد هم در ترکیب بار وارد شوند، برابر 1/33 در نظر گرفته شده است.
