بخشی از مقاله
چکیده
با گسترش صنعت توربینهای بادی فراساحلی، سیستم پی این توربین ها نیز از پیشرفت بیبهره نبوده و طی سالهای اخیر تحقیقات گستردهای در زمینه بهبود زیر سازهها رخ داده ا ست. امروزه پرکاربردترین زیر سازه تک شمعها ه ستند که تا عمق 25 متری عملکرد منا سبی دارند اما با افزایش ظرفیت توربینها، عمق دریا و ابعاد تک شمع و صعوبت شمعکوبی در دریا پروژه را از نظر فنی و اقتصادی توجیهناپذیر میکند. لذا یکی از راهکارهای بهبود و ضعیت زیر سازه گرایش به پیهای سطحیا ست. در این تحقیق تلاش شده تا و ضعیت باربری پی وزنی در شرایط خلیج فارس مورد برر سی قرار گیرد.
توربین 5 مگاوات NREL به عنوان توربین و منطقه درود با عمق 30 متری و خاک 12 لایه به عنوان منطقه هدف در نظر گرفته شدهاند . در تحقیق حاضر 8 پی وزنی با هندسههای متفاوت تحت بارگذاریهای ثقلی و بارهای محیطی به روش اجزاء محدود در نرم افزار اباکوس تحلیل شده و نتایج بین گزینهها مورد برر سی قرار گرفتها ست. نتایج این تحقیق ن شان از قابلیت ا ستفاده از این نوع پی در صورت طراحی صحیح در منطقه مورد مطالعه دارد. در پایان پی وزنی با ن سبت قطر به ارتفاع 1/5، بهعنوان منا سبترین گزینه برای نگهداری توربین هدف و عمق 30 متری خلیج فارس معرفی میشود.
کلمات کلیدی: انرژی باد، توربینهای بادی فراساحلی، پی های سطحی، فونداسیون وزنی
مقدمه
امروزه انرژی باد بیشترین استفاده را در صنعت تولید برق دارد. بر اساس گزارش انجمن انرژی باد اروپا1 همانطور که در شکل 1 مشخص شده است تا سال 2000، %2/4 از کل برق جهان توسط انرژی باد تامین می شد درحالی که طی 15 سال اخیر این مقدار به 15/6درصد رسیده است.با توجه به رویکرد جهانی در ایران نیز تحقیقات ب سیاری در را ستای تو سعه این مهم در ک شور انجام شده ا ست و مقالات زیادی در را ستای امکان سنجی استفاده از تکنولوژی توربین های بادی دریای چاپ شده اند، به عنوان مثال شعرابافیان و مصطفی پور در تمام ایران این مساله را مورد بررسی قرار داده [2] و ندایی به طور خاص در چالوس به بررسی امکان استفاده از انرژی باد در دریا پرداخته است [3] اما هنوز دانش توربین های بادی در کشور ما نوپا و در مرحله بررسی می باشد. به گزارش سازمان انرژی های نو ایران - سانا - یکی از اولویت های تحقیقاتی این سازمان از سال 91 مطالعه در رابطه با نیروگاه های بادی دریایی بوده است.
برای افزایش توان خروجی توربین، سایز توربینها رو به افزایش است و در حال حاضر به 8 مگاوات نیز رسیده است. این امر مستلزم وجود سازهی نگهدارندهی بزرگتر و قویتری است که در واقع چالش اصلی در مهندسی فراساحل میباشد. شمع های تکی فولادی و پی های وزنی بتنی با توجه به مبانی طراحی ساده که از دیرباز در خشکی نیز مرسوم بوده، پرکاربردترین پی های مورد استفاده در دریا هستند. با توجه به سختی شمع کوبی در دریا و هزینه های گزافی که صرف تجهیزات مورد نیاز آن می شود و همچنین هزینه های جانبی که بابت خطاهای طراحی و اتفاقات پیش بینی نشده از قبیل پلاگ شدن یا رسیدن به سنگ های بزرگ که به هنگام سروکار داشتن با اعماق بستر دریا با آن مواجه میشویم این تحقیق به بررسی امکان استفاده از پی های سطحی و آنالیز نتایج استفاده از این پی ها برای توربین های بادی و عواقب حذف شمع ها از این صنعت پرداخته است.
در این تحقیق ابتدا با مطالعه تحقیقات پی شین انجام شده در زمینه امکان سنجی ن صب توربینهای بادی فرا ساحلی در خلیج فارس، سایت دارای پتان سیل لازم انتخاب شده و با دریافت اطلاعات و دادههای مورد نیاز از منطقهی مزبور، مدل سازی شرایط محیطی و سازههای مورد نظر صورت گرفته ا ست. مدل سازی و تحلیل عملکرد پی ها به صورت عمده با ا ستفاده از نرم افزار آباکوس که یکی از قویترین و پرکاربردترین نرم افزارهای تحلیل و طراحی به روش اجزاء محدود تحت شرایط بارگذاری مختلف میباشد، انجام شده است. با به کارگیری این نرم افزار، تحلیلهای مورد نیاز برای ارزیابی رفتار فوندا سیون و تاثیر آن بر خاک پیرامون تحت بارگذاری های محیطی انجام شده از و رفتارهای هر پی مقای سه شده ا ست.
شایان ذکر است که نرم افزار آباکوس برای بارگذاری های محیط دریا از ماژول آکوا بهره می برد که به علت عدم ارائه آن در نسخه گرافیکی و نیاز به کد نویسی کمتر در تحقیقات پیشین مورد استفاده قرار گرفته شده است. به منظور صحت سنجی نتایج حاصل از تحلیلها، به عنوان نمونه یک نمونه فونداسین وزنی و یک نمونه سطل مکشی بر اساس مقالات انجام شده ساخته شده و تطابق بسیار خوب نتایج حاکی از صحت مدلسازی سازههای مورد نظر و نتایج ارائه شده دارد. نهایتاً با توجه به امکان اجرایی بودن و تجهیزات موجود در ایران، بهترین گزینه برای به کارگیری در خلیج فارس از میان گزینههای موجود معرفی میشود.
روند اولیه طراحی
صنعت توربین های بادی یک صنعت چند تخصصی است. اکثر مهندسین با این صنعت به نوعی درگیر هستند اما مهندسین برق، مکانیک و عمران سهم بی شتری ن سبت به بقیه دارند. توربین ما شینی ا ست که وظیفه دارد انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل کند و این توربین با توجه به ابعاد بزرگی که دارد نیاز دارد تا توسط یک سازه پایدار بتواند در برابر نیروهایی که به آن وارد می شود مقاومت کند. لذا مهندسین رشته های برق، مکانیک و عمران هریک اجزائی را فراخور نیاز تخصص خود به توربین های اضافه کرده اند. مهم ترین قسمت توربین های بادی برای مهندسین عمران سازه نگهدارنده آن ا ست و تمرکز این تحقیق نیز روی همین بخش از این ما شین غول پیکر می با شد. سازه توربین بادی خود به دو بخش تقسیم می شود، تاور که که بار توربین را به زیر سازه منتقل می کند و جزئی از خود توربین است، زیر سازه که بار توربین را به فونداسیون منتقل می کند و فونداسیون که بار سازه را به بستر منتقل می کند.
بارهای وارد بر توربین های بادی فراساحلی از نظر آیین نامه طراحی توربین های فراساحلی DNV به 5 گروه بارهای دائمی، عملیاتی متغیر، محیطی، تصادفی و جابجایی ها تقسیم می شود. [4] این بارها برای طراحی موقت که مربوط مراحل ساخت است، و طراحی دائمی مربوط به شرایط بهره برداری متفاوتند که رویکرد این تحقیق طراحی دائمی می باشد. بارهای دائمی بارهایی هستند که بزرگی، موقعیت و جهت آنها در دوران بهرهبرداری در نظر گرفته شده تغییر نخواهد کرد. این بارها در حین بهره برداری عادی از توربین مقدار، موقعیت و جهت های متفاوتی به خود میگیرند. بارهای محیطی بارهایی هستند که احتمال تغییر مقدار، موقعیت و جهت آن در حین بهره برداری عادی از توربین وجود دارد بارهای ت صادفی مربوط ه ستند به اتفاقات غیرعادی در بهرهبرداری و م شکلات فنی پیش بینی ن شده و بارهای نا شی از جابجایی بارهایی ه ستند که از تغییرشکل و جابجایی اجزاء ناشی می شود.
نیروی باد
نیروی بادی که با سرعت v در مساحتی به اندازه A در جریان است برابر است با:
منظور از ρ چگالی هواست. نیروی باد همان انرژی جنبشی بادی است که توسط جرم هوایی که از مساحتی خاص در زمانی معین می گذرد - شکل : - 2
در پره های توربین بادی دو نوع نیروی لیفت و درگ به وجود می آیند که مقادیر آنها در هر جزء طول از پره ها برابر است با:
که در این روابط c مقدار طول کورد2 پره است. نیروی درگ3 در جهت سرعت نسبی و نیروی لیفت در جهت عمود بر آن تشکیل می شوند. این دو نیرو قابل تجزیه به دو نیرو در جهت مماس بر صفحه دایره ای چرخش پره ها و جهت باد می با شند که به آنها به ترتیب نیروی مما سی4 و نیروی تراست5 می گویند و مقادیر آنها با توجه به شکل 3 برابر است با:
نکته مشترک تمام روابط ارائه شده برای محاسبه نیرو، توان و گشتاورهای مربوط به توربین های بادی وابستگی آنها به زاویه سرعت نسبی - - است. برای طراحی توربین ها محاسبه تمام پارامتر ها برای مقادیر مختلف کار پرتکرار و فرسایشی است. لذا برای ساده سازی محاسبات نمودار هایی ارائه شدند که ویژگی های محتلف توربین برای مقادیر مختلف براورد شوند. اما در توربین های بی بعد مقدار بی بعد مرجع برای این نمودار ها نسبت سرعت نوک یا میباشد که تمام ویژگی های توربین بر اساس آن بیان می شود و از سرعت باد بالادست - v1 - نیز به عنوان سرعت مرجع
استفاده می شود . - = Ω - بدین صورت که تمام پارامترها به دو بخش نیروی دینامیکی به ازای:
و یک ثابت برحسب تجزیه میشوند. نیروی داینامیک درواقع حاصل ضرب فشاردینامیکی - 2 2 - و مساحت دایره چرخش پره های توربین است - 2 - ، درنتیجه خواهیم داشت :[5]
