3049-103137

نشریه مهندسی دریــا سال دهم/ شماره19 / بهار و تابستان1393(46-33)

شبیه سازي آیروهیدروالاستیک توربین بادي با سکوي کرجی وار
مهدي بقائی1*، حسین شاهوردي2، سید محمود هاشم ینژاد3

1کارشناس ارشد هوافضا دانشکده مکانیک و هوافضا دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران؛ [email protected]
2 استادیار، دانشکده هوافضا دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران؛[email protected] 3 استادیار، پژوهشگاه مواد و انرژي، کرج؛ [email protected]
5242569858248

اطلاعات مقاله

چکیده

چکیده

در این مقاله از سیستمی چند جسمی در محیط نرم افزار ADAMS براي مدل سازي رفتار غیرخطی توربین بادي با کرجی شناور تحت باد و موج تصادفی استفاده شده است. براي بارگذاري ناشی از باد ،داده هاي باد متلاطم توسط نرم افزار TurbSim استخراج و از ماژول AeroDyn براي محاسبه نیروهاي برا و پساي پره هاي توربین استفاده شده است. بارهاي هیدرودینامیکی در حوزه زمان با استفاده از ماژول HydroDyn استخراج و محاسبه گردیده اند. مدل محاسباتی موجود در این ماژول شامل سختی هیدرواستاتیکی خطی، پساي لزجت غیرخطی ناشی از سینماتیک موج برخوردي، جرم افزوده و سهم استهلاك تشعشع موج خطی می باشد با برقراري اتصال این ماژول ها با محیط حل گر نرم افزار ADAMS شبیه سازي آیروهیدروالاستیک توربین بادي کرجی وار در حوزه زمان حاصل شده است. نتایج حاصل از شبیه سازي حاضر با نتایج نرم افزار FAST مقایسه شده است. عمومیت تحلیل انجام یافته این اطمینان را می دهد که ابزار شبیه سازي براي تحلیل گونه هاي دیگر توربین بادي، سکوي نگهدارنده و اَشَکال سامانه مهار قابل بکارگیري است. تاریخچه مقاله:
تاریخ دریافت مقاله: 07/10/1392 تاریخ پذیرش مقاله: 13/05/1393 تاریخ انتشار مقاله: 31/06/1393

کلمات کلیدي:
توربین بادي شناور دینامیک چند جسمی سکوي کرجی وار آیروهیدروالاستیک

Aero-Hydro-Elastic Simulation of Barge Wind Turbine

Mehdi Baghaee1*, Hossein Shahverdi2, Seyyed Mahmoud HashemiNejad 3

1 Graduated MSc., Department of Aerospace and Mechanical Engineering, Science and Research, Islamic Azad University,
Tehran, Iran 2 Assistance Professor, Department of Aerospace Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran; [email protected]
3 Assistance, Professor, Material and Energy Research Center, Karaj, Iran; [email protected]

ARTICLE INFO

ABSTRACT

ARTICLE INFO

ABSTRACT

Article History:
Received: 28 Dec. 2013
Accepted: 4 Aug. 2014
Available online: 22 Sep. 2014 In this paper a multi-body system of barge type wind turbine under stochastic wave and wind has been modeled within MSC ADAMS. For wind loading, the stochastic turbulent wind data have been extracted using TurbSim software.Also, the AeroDyn module has been used for calculating lift and drag forces on the blades of turbine.. The

Keywords:
Floating wind turbine,
Multi-body Dynamics, Tension Leg Platform, Aero-hydro-elastic.
hydrodynamic loads have been calculated using HydroDyn module within time domain. It composed of hydrostatic restoring; nonlinear viscous drag from incident wave kinematics; the added mass and damping contributions from linear wave radiation, including free surface memory effects and the incident wave excitation. By linking these modules with ADAMS/Solver milieu, the time domain, aero-hydroelastic simulation of Barge type wind turbines has been achieved. The derived results have been compared with FAST’s outputs. The comparison shows the prosperity and accuracy of implemented analysis. The generality of analysis ensures that the simulation tool is applicable for any other types of the wind turbine, floating support platform, and mooring system configurations.
1-مقدمه
توربین هاي بادي شناور یکی از ابزارهاي جدید مهار انرژي هاي تجدیدپذیر در جهان می باشند. با توجه به مسائل جوي و جغرافیایی در دریا از قبیل بالا بودن شدت و پیوستگی سرعت باد با کمترین میزان تلاطم و برش در دریا نسبت به خشکی، نبود محدودیت مکانی براي نصب و راه اندازي به علت وسعت زیاد دریاها و برطرف شدن اغتشاشات سمعی و بصري با نصب آنها در فواصل مناسب و دور از مناطق مسکونی، استفاده از این نوع توربین ها براي تولید انرژي الکتریکی جنبه اقتصادي پیدا کرده است .براي مهار انرژي باد موجود در دریاها و آبهاي فراساحل توسط توربین هاي بادي، باید آنها را در دریاها مستقر کرد. بر این اساس نصب توربین هاي بادي در دریاها را می توان از دو دیدگاه بررسی کرد .
دیدگاه اول نصب سازه این توربین ها در آبهاي کم عمق و دیدگاه دوم مربوط به آبهاي عمیق است. در آبهاي کم عمق (کمتر از 60 متر)، پایه برج این توربین ها همانند توربین هاي زمین پایه به کف دریا متصل می شود. براي آبهاي عمیق این روش جنبه اقتصادي و عملیاتی ندارد و بنابراین توربین هاي بادي بایستی بر روي سکوهاي شناور مخصوصی نصب شوند تا روي سطح دریا شناور و پایدار باقی مانده و نیز ضمن داشتن سازگاري هاي لازم با محیط اطراف خود به بهترین وجه انرژي باد را به انرژي الکتریکی تبدیل کنند.
توربین هاي بادي شناور بر اساس نوع سکویی که به آن متصل می باشند به سه گروه تقسیم می شوند: سکوي پایه کششی1 (TLP)، سکوي ستون شناور2 و سکوي کرجی وار3 . سکوي پایه کششی پایداري استاتیکی خود را با استفاده از خطوط مهاري4 کششی (کابل ها) و نیروي شناور حاصل از وجود مخزن در ته برج بدست می آورد، سکوي ستون شناور نیز که با استفاده از کابل هاي متصله به آن و کف دریا مهار می شود، پایداري استاتیکی خود را با ترازمندي پایین آوردن مرکز جرم مجموعه زیر مرکز شناوري آن به دست می آورد و سکو هاي کرجی وار نیز مانند یک کرجی روي آب شناور می باشند و حرکات آنها توسط کابل هاي متصله به آن و کف دریا مهار و نیز از طریق مساحت صفحه آب5 (مساحت کرجی) به پایداري می رسند که در این مقاله نیز به آن پرداخته شده و در شکل 1 نمایش داده شده است .
برخلاف توربین بادي زمین پایه، در محیط دریا بارهاي اعمالی دیگري نیز وجود دارند و لذا رفتار دینامیکی متفاوتی از سازه توربین انتظار می رود. بارهاي هیدرودینامیکی ناشی از تفرق موج6 و تشعشع سکو7، از منابع جدید نیروها در این حالت می باشند، که چالش هاي سخت و جدیدي را براي تحلیل توربین هاي بادي به همراه دارند. در تحلیل این توربین ها لازم است اندرکنش دینامیکی بین حرکت هاي سکوي نگهدارنده، توربین بادي و سامانه مهار در نظر گرفته شود.

شکل 1 -شماتیک توربین بادي کرجی وار[1]

در سال هاي اخیر ابزارهاي متنوع آیروسروالاستیک براي مدل سازي توربینهاي بادي فراساحل به وجود آمده است. براي محاسبات بارهاي هیدرودینامیکی، همه این کدها از معادله موریسون8 استفاده می کنند. این معادله ساده ترین تئوري در هیدرودینامیک است که نیروهاي وارده بر یک سیلندر درون آب را بدست می دهد.
سینماتیک موج برخوردي در این کدها از یک طیف موج مناسب با تئوري موج خطی آیري9 براي دریاهاي نامنظم یا یکی از اشکال غیرخطی تابع جریان تئوري موج براي دریاهاي منظم و وسیع ،استفاده می کنند. روش موریسون، براي استوانه هاي باریک مدور عمودي که در کف دریا قرار داده شده، معتبر بوده و سینماتیک نسبی بین سیال و حرکات زیر سازه ها، شامل جرم افزوده، اینرسی موج و پساي حاصل از لزجت سیال، را بدست می دهد. این بیان در مسئله تشعشع از آثار پتانسیل حاصل از سطح آزاد و اندرکنش هاي غیر معمول بین مود هاي حرکتی که از جرم افزوده ناشی می شوند ،چشم پوشی می کند[ 3،2] و از مزیت تقریب طول موج بلند جی آي تیلور10، براي ساده سازي مسئله تفرق، بهره می گیرد[4]. این تئوري ساده ترین تئوري براي بیان رفتار سیال داراي حرکت موجی است. این چشم پوشی ها و تقریب هاي ذاتی در بیان موریسون ،قابلیت به کارگیري آن براي تحلیل بسیاري از گونه هاي سکوي نگهدارنده پیشنهاد شده براي توربین هاي بادي شناور را محدود می کند.
در اکثر مطالعات انجام یافته در زمینه تحلیل دینامیکی توربین هاي بادي معلق از تحلیل خطی در حوزه فرکانس استفاده شده است ،که اغلب در صنایع نفت و گاز به کار گرفته می شود. براي مثال بولدر و همکاران از روابط هیدرودینامیکی خطی در حوزه فرکانس براي یافتن عملگر دامنه پاسخ ها11 (RAO) و دامنه انحرافات استاندارد مودهاي حرکتی 6 درجه آزادي جسم صلب سکوي نگهدارنده نوع سه پایه معلق، توربین بادي 5 مگاواتی استفاده کرده اند[5-6]. لی از فرایند مشابهی براي تحلیل توربین فراساحل 5/1 مگا واتی از نوع TLP، پایه کششی و نوع ستون شناور استفاده کرد. وایمن و همکاران نیز از فرایند مشابهی براي تحلیل توربین بادي فراساحل 5 مگا واتی از نوع TLP چندگانه و نوع کرجیوار کششی کم عمق12 (SDB) بهره برده اند[7-9]. ویجفوژن با بهرهگیري از تحلی لهاي حوزه فرکانس، کرج یاي براي توربین بادي فراساحل 5 مگا واتی طراحی کرده است که علاوه بر اینکه سکویی براي توربین بادي است، وسیله اي نیز براي جذب انرژي امواج آب می باشد که به ستون آبی مرتعش13 (OWC) معروف است. در این مطالعات ماتریس جرم معادله حرکت با استفاده از خواص فیزیکی و هندسی توربین بادي بدست می آید. ماتریس هاي استهلاك هیدرودینامیکی و سختی نیز با استفاده از استهلاك آیرودینامیک روتور و بخشهاي ارتجاعی و ژیروسکوپیک سازه توربین بادي تعیین می شوند. براي استخراج ماتریس سختی سامانه مهار، سامانه حول یک وضعیت تغییر مکان جابجا شده سکوي نگهدارنده ناشی از تراست آیرودینامیکی روتور خطی سازي شده و تعیین شده است. در این تحقیقات خواص الاستیسیته بسیاري از بخش هاي توربین بادي نادیده گرفته شده است. بنابراین اکثر تحلیل هاي انجام یافته مربوط به حوزه فرکانس بوده و در مواردي که تحلیل در حوزه زمان انجام شده است، فرضیات سینماتیکی اعمال شده سازه توربین زیاد بوده است که در این مقاله به حداقل رسیده است.
در مطالعه حاضر با استفاده از نرم افزار تحلیل دینامیکی ADAMS، مدل غیرخطی دینامیک چند جسمی توربین بادي شناور کرجی وار با کمترین فرضیات سینماتیکی نسبت به مطالعات پیشین ایجاد و براي یافتن پاسخ هاي حاصل از اندرکنش دینامیکی بین بارهاي آیرودینامیکی و هیدرودینامیکی وارده بر سازه توربین بادي شناور حل می گردد. ارتعاشات پیچشی پره ها و برج برخلاف سایر تحقیقات در مطالعه حاضر در نظر گرفته میشود. در این راستا از ماژولهاي مجزاي AeroDyn براي محاسبات آیرودینامیکی و HydroDyn براي محاسبات هیدرودینامیکی استفاده می شود. در گام اول ابتدا محاسبات و تئوريهاي هیدرودینامیکی و آیرودینامیکی به کار برده شده در مدل سازي ارائه می شوند. در ادامه با استفاده از راهکار کنترل کلاسیک ،مدل سازي توربین شناور فراساحل با ملازمات کافی در حوزه زمان توسعه داده می شود تا محدودیت هاي مطالعات حوزه فرکانس و زمانی قبل را برطرف کند. از این ملازمات می توان به اعمال تحلیل همزمان همه بارهاي وارده بر قسمت هاي مختلف توربین بادي، از قبیل سکوي نگهدارنده، پره ها، سامانه مهار و سازه برج اشاره کرد که از آن به عنوان تحلیل آیروهیدروسروالاستیک حوزه زمان یاد می شود، نام برد. منظور از آیروهیدروالاستیک آن است که مدل هاي آیرودینامیکی، مدل هاي الاستیک سازه ها و مدل هاي هیدرودینامیکی در یک محیط کاملا کوپله باهم تلفیق و تحلیل می گردند . از این ماهیت می توان براي ارتقاء طراحی بهینه پروژه هاي ممکن در این زمینه سود جست. نتایج تحلیل بارها و مقایسه آنها با خروجی نرم افزار FAST نشان از موفقیت آمیز بودن تحلیل دارد .

2-هیدرودینامیک توربین بادي شناور
نیروهاي هیدرودینامیکی از انتگرالگیري فشار دینامیکی آب روي سطح خیس شده ي سکوي نگهدارنده بدست می آیند. این نیروها شامل سهمی از جرم افزوده و پساي خطی (تشعشع)، شناوري (بازگردان)، پخش موج برخوردي (تفرق)، جریان دریا و آثار غیرخطی می باشند. ماژول HyroDyn نیروهاي مذکور را محاسبه و به صورت گام به گام در اختیار نرم افزار ADAMS قرار می دهد[10]. براي سینماتیک و سنتیک سکوي نگهدارنده، فرض شده است که سکوي نگهدارنده شناور به عنوان یک جسم صلب شش درجه آزادي متناسب با سه تغییرمکان کوچک چرخشی بیان شده باشد. فرض کوچک بودن زاویه چرخشی در این مورد فرض صحیحی میباشد. بعلاوه فرض می شود که برج به صورت تیر یک سر گیردار به سکوي نگهدارنده متصل است .
فرض اساسی در توسعه ماژول هیدرودینامیکی HydroDyn، خطی سازي مسئله هیدرودینامیک دریایی کلاسیک میباشد. اولین مسئله خطی سازي هیدرودینامیک یعنی خطی سازي سینماتیک غیرخطی و شرایط مرزي دینامیکی سطح آزاد، اشاره بر این دارد که دامنه هاي امواج برخوردي خیلی کوچکتر از طول موجهاي آنان است و این، امکان استفاده از ساده ترین تئوري سینماتیک موج برخوردي را که به تئوري موج آیري معروف است فراهم میکند .مسئله دوم، اشاره بر این دارد که جابجایی هاي انتقالی سکوي نگهدارنده نسبت به اندازه بدنه آن (مشخصه طول بدنه)، کوچک میباشد. بدین ترتیب مسئله هیدرودینامیک به سه مسئله ساده تر و مجزا تقسیم میشود: تشعشع، تفرق و هیدرواستاتیک[12،11]. سومین مسئله خطی سازي این است که میتوان از مزایاي روش قدرتمند اصل جمع آثار سود برد. همچنین باید توجه داشت که مسئله هیدرودینامیک دریایی کلاسیک، از تئوري جریان پتانسیل غیردائم براي بدست آوردن معادلات حاکم حرکت سیال بهره می برد. این تئوري فرض بر این دارد که سیال غیر قابل تراکم، غیر چرخشی و غیر لزج می باشد و تنها تحت نیروهاي حجمی پایستار (گرانش) است.
مسئله تشعشع به دنبال پیدا کردن بارهاي وارده بر سکوي نگهدارنده، که بدون حضور موج سطحی برخوردي، تحت



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید