بخشی از مقاله
-1 چکیده
در حال حاضر فراوانترین سازه نگهدارنده توربین بادی فراساحلی تکشمع میباشد. این سازه از مقطع لولهای ساده تشکیل شده که داخل بستر فرو میرود و تا عمق آب 25 متر مناسب است. هدف از این مقاله طراحی، تحلیل و ارزیابی سازهی نگهدارنده تکشمع برای یک توربین بادی فراساحلی با ظرفیت 5 مگاوات، در منطقه درود واقع در حوزه جزیره خارک با عمق 30 متر میباشد. تحلیلهای مورد نیاز برای ارزیابی سازه از نظر مقاومت، تغییر مکان و خرابیهای ناشی از خستگی تحت بارگذاریهای ثقلی شامل جرم سازه و توربین، موج، جریان و باد و با استفاده از نرمافزار SACS انجام شده و نتایج حاصله در نرم افزار ANSYSصحت سنجی شده است.
نهایتاً با توجه به هزینههای تقریبی پروژه، بررسی امکانات و تجهیزات مورد نیاز و موجود در ایران، امکان اجرای این سازه ارزیابی شده است. طراحی تکشمع نشان میدهد که برای چنین منطقه ای با مشخصات محیطی موجود، ابعاد مورد نیاز سازه شامل قطر 6/5 متر و عمق نفوذ 38 متر، ظرفیت فعلی ساخت و نصب را به چالش میکشد و تجهیزات و شناورهای خاصی برای نصب آن مورد نیاز است که فقدان آنها در ایران موجب هزینه بسیار زیاد و عدم صرفه اقتصادی طرح میشود.
-2 مقدمه
امروزه انرژی باد خشکی یک صنعت رشد یافته است که در سراسر دنیا بخشی از انرژی مورد نیاز هر کشور را تأمین میکند. با افزایش ظرفیت و در نتیجه افزایش ابعاد توربین های بادی و کمبود فضا در نواحی دارای پتانسیل در خشکی، بهره برداری از انرژی باد در حال انتقال به سمت فراساحل است که دارای بادهای قویتر، یکنواختتر و با کیفیتتر میباشد. در ایران نیز مطالعاتی در زمینه قابلیتسنجی استفاده از باد فراساحلی صورت گرفته و به کارگیری این صنعت در بعضی مناطق نظیر فراساحل استان بوشهر مناسب عنوان شده است
توسعه اقتصادی مزارع بادی فراساحلی وابسته به توسعه راهکارهای مؤثر در مسائل فنی است. یکی از این مسائل فنی، سازهی نگهدارندهی1 توربین بادی فراساحلی2 میباشد که باید توربین را پایدار نگهدارد تا عملکرد آن ایمن و کارا باشد. بنا بر گزارش ارائه شده توسط انجمن انرژی باد اروپا3 عمده توربینهای بادی فراساحلی در سال 2016 در مناطقی با متوسط فاصله 43/5 کیلومتر از ساحل و با عمق متوسط 29/2 متر و با ظرفیت متوسط 3/8 مگاوات بهرهبرداری شدهاند و در %81 آنها زیرسازه تکشمع4 به کار رفته است[3] که حاکی از محبوبیت این زیرسازهها5 میباشد.
در سال 2007 پروژه منگروو[4]6 به منظور طراحی اولیه و بررسی فنی و اقتصادی زیرسازه تکشمع انجام شد که در آن سه سایت مرجع با عمق 35 تا 40 متر و خاک نرم، متوسط و سخت در نظر گرفته شدند. آنالیزهای استاتیکی برجا، مودال و خستگی برای طراحی سازهی نامبرده صورت گرفت و طرحهای نهایی با هم مقایسه شدند. نتایج حاصل با بررسی مراحل ساخت، امکانات و تجهیزات لازم برای حمل و نصب زیرسازه دربردارنده این موضوع است که به کارگیری تکشمع در سایتهای مرجع باعث غیراقتصادی شدن پروژه میشود. شی7 و همکاران[5] در سال 2011 به بررسی پاسخ دینامیکی زیرسازه تکشمع برای یک توربین 5 مگاواتی در عمق 50 متر پرداختند. با تحلیل طیف زمانی پاسخ سازه مشخص شد که ارتعاشات تکشمع قابل توجه بوده و با اینکه ساخت و نصب به نسبت ساده ای دارد، اما برای چنین عمقی مناسب نیست.
وینگاردن[6]1 در سال 2013 به بررسی تکشمع برای نگهداشتن توربینهای 3/6، 6 و 8 مگاواتی در اعماق 20، 40 و 60 متر و امکان سنجی فنی طرح اولیه، هزینههای ساخت، حمل و نصب پرداخت. نتایج این پژوهش حاکی از آن است که تکشمع برای اعماق کمتر از 20 متر مناسب بوده و در اعماق بیشتر غیراقتصادی میشود. بنابراین لازم است تا با در نظر گرفتن زیرسازه دارای پتانسیل، در ابتدا به طرح اولیه و بهینه آن دست یافت و سپس با توجه به ملاحظات اجرایی مربوط، عملی بودن طرح را بررسی کرد.
-3 اصول طراحی و مدلسازی تکشمع
پس از جانمایی مزرعه بادی2 و انتخاب نوع توربین بادی، طراحی سازهی نگهدارنده با جمعآوری دادههای محیطی آغاز میشود. دادههای محیطی شامل اطلاعات باد، موج، جریان، ترازهای آب و خاک منطقه مورد نظر میباشد. در این مقاله از مشخصات توربین 5 مگاواتی [7] NREL و اطلاعات محیطی منطقه درود واقع در خلیج فارس استفاده شده است.
سازه تکشمع از یک طراحی ساده برخوردار بوده و از دو قسمت اصلی تکشمع و قطعه انتقالی3 تشکیل شده است. قطعه انتقالی وظیفهی اتصال برج توربین به تکشمع را بر عهده دارد و اتصال آن با تکشمع با گروتریزی فضای مابین این دو قسمت در طول همپوشانی، برقرار میشود. تکشمع به درون خاک وارد میشود تا حدی که عمق نفوذ شمع برای تأمین مقاومت جانبی و قائم کافی باشد. در شکل زیر اجزای مختلف این زیرسازه مشاهده میشود.
شکل :1 تکشمع و سایر اجزای آن [8]
-1-3 تعیین ترازهای کلیدی4 برای تخمین ارتفاع کلی سازه، ضروری است تا در درجهی اول ترازهای کلیدی تعیین شوند.
-1 تراز عرشه:5 تراز عرشه طبق فرمول زیر محاسبه میشود:
: Z platform تراز عرشه - m -
: Z tide دامنه جزر و مدی - m -
: Z surge مد طوفان - m -
: Z air فاصله آزاد تاج موج تا عرشه - m -
: H max, 50 بیشترین ارتفاع موج 50 ساله - m -
-2 ارتفاع هاب:1 ارتفاع هاب به پارامترهای تراز عرشه، فاصله ایمنی تیغه و قطر روتور بستگی دارد. فاصله ایمنی تیغه، فاصله بین عرشه و نوک پره در پائینترین موقعیت است که حداقل 5 متر میباشد.[9] بنابراین ارتفاع هاب به دست میآید:
-3 تراز قسمت انتهایی قطعه انتقالی: این تراز از روی طول لازم برای گروتریزی بین تکشمع و قطعهی انتقالی به دست میآید کهعمدتاً 1/5 برابر قطر شمع است.
-4 تراز قسمت فوقانی تکشمع: میتواند بالاتر یا هم سطح یا پائینتر از تراز آب در نظر گرفتهشود.
-5 تراز قرارگیری پاشنه شمع:2 میزان طول نفوذ باید به حدی باشد که مقاومت عضو تامین شده و جابجایی نقاط بحرانی در حدود معین باشد. این شرایط در بخش های آتی تشریح می شوند.
-2-3 تعیین حدود مجاز فرکانس طبیعی سازه فرکانس طبیعی سازه باید به حد کافی از فرکانسهای تحریک دور باشد. در مورد توربینهای بادی فراساحلی فرکانسهای تحریک مربوط به باد و موج میباشند. چرخش روتور و عبور تیغههای توربین از جریان باد، یک حرکت متناوب بوده و فرکانسهای آن، مربوط به چرخش روتور - - 1P و عبور همه پرهها - 3P - میباشد.
در آنالیز خستگی، امواج با احتمال وقوع بالاتر، عموماً دارای ارتفاع مؤثر 1 تا 1/5 متر و پریود 4 تا 5 ثانیه، بیشترین اثر را روی خرابی سازه دارند که طیف مربوطه در شکل زیر رسم شده است. طبق.Error> Reference source not foundل مشخصات توربین مرجع، با توجه به کمینه سرعت چرخشی روتور در حداقل سرعت بهرهبرداری از باد و بیشینه آن در حداکثر سرعت بهرهبرداری از باد، محدوده فرکانس چرخشی روتور بین 0/115 و 0/202 و محدوده فرکانس عبور پرهها بین 0/345 و 0/605 قرار میگیرد. با حفظ حاشیه اطمینان %5 از مقادیر فرکانس تحریک [11]، نمودار زیر که بیانگر حدود مجاز فرکانس طبیعی سازه است، حاصل میشود. در این تحقیق مقدار 0/28 به عنوان اولین فرکانس طبیعی سازه در نظر گرفته میشود.
شکل : 2 نمودار حدود فرکانسهای تحریک و فرکانس انتخابی برای سازه
-3-3 تعیین هندسه اولیهی سازه ابعاد سازه نگهدارنده باید به گونهای تعیین شود که علاوه بر کفایت اعضا، حدود مجاز پارامترهایی نظیر تغییر مکان نوک برج و جابجایی بالای شمع رعایت شده و فرکانس طبیعی نیز در محدوده مجاز قرار بگیرد. حداقل ضخامت لازم برای شمعهایی که به روش کوبشی اجرا میشوند از آئیننامه [12] API و قطر و ضخامت قطعه انتقالی از [10] DNV مطابق روابط زیر به دست میآیند:
ضخامت گروت نیز حداقل 10تا 12 سانتیمتر میباشد .[13] تکشمع مدل شده به همراه ترازهای مهم و اجزای مختلف در شکل زیر نشان داده شده است.
