بررسی تغییر شکل جانبی مونوپایل توربین های بادی فراساحلی ناشی از بارهای محیطی A Study on Lateral Deformation of Monopile of Offshore Wind Turbine due to Environmental Loads
- نوع فایل : کتاب
- زبان : فارسی
- ناشر : الزویر Elsevier
- چاپ و سال / کشور: 2016
توضیحات
رشته های مرتبط: مهندسی عمران، مکانیک و مهندسی انرژی، سازه های دریایی، تبدیل انرژی، انرژی های تجدیدپذیر
۱٫ مقدمه توربین های بادی ابزارهای قدرت مندی برای بهره برداری از انرژی باد هستند. توربین های بادی ساحلی نیاز به مقدار زیادی فضا برای تولید انرژی دارند. بنابراین این گامی طبیعی برای قرار گیری توربین های بادی دریایی بود (OWT). باد ها در دریا ها شدت بیشتری را در مقایسه با ساحل دارند. اجزای اصلی توربین های دریایی عبارتند از پره های توربین، گهواره روتور، قطعات انتقالی و پایه آن. توربین ها دارای ۲ یا ۳ پره هستند اما بیشتر ۳ پره مورد استفاده قرار می گیرد. ظرفیت متراکم برای توربین های بادی دریایی در اروپا تقریبا ۱۰-۹ GW است. اغلب ۴ تا ۱۱ دور در دقیقه برای هر توربین در نظر گرفته شده است. طراحی و ساختار فونداسیون توربین های بادی به سبب شرایط نا ملایم محیطی به یک چالش تبدیل شده است. ساختارهای پشتیبان برای OWT، سازه مونوپایل، سازه سه پایه ای، سازه شبکه ای، سازه های بر مبنای گرانش و سازه های شناور هستند. استفاده از مونوپایل زمانی رخ می دهد که عمق آب بین ۱۰ تا ۳۰ متر باشد. OWT که بر فونداسیون مونوپایل پشتیبانی می شود از نظر دینامیکی حساس است چرا که فرکانس های طبیعی این سازه ها نزدیک به فرکانس های متعدد اعمال شده بر آنها است. تضعیف سختی خاک بارگیری های چرخه ای و دینامیک از خاک ممکن است منجر به جابجایی زیاد توربین شود و عملکرد آن را به خطر بیندازد. معمولا توربین های بادی نمی توانند بیش از ۰٫۵ درجه زاویه انحراف داشته باشند. لنگر واژگونی در روساخت جاکت پشتیبانی شده با چند شمع، به عنوان بارهای محوری به مخالف شمع های پایه انتقال می یابند. برای مونوپایل ها، لنگر های واژگونی توسط واکنش افقی خاک در امتداد طول مونوپایل نگاه داشته می شوند. همان طور که شمع در بالای آن ثابت نیست، می توان آزادانه آن را چرخاند و انتقال داد. شمع بایستی به اندازه کافی بلند باشد که بتواند ظرفیت خاک را در امتداد خود جابجا کند تا همه بار انتقال یابد و از ضربه ی پنجه جلوگیری کند. بنابراین تعامل شمع-خاک تاثیر بسزایی برای مقاومت در برابر بارهای جانبی دارد. ارتباط بین نیروهای جانبی (P) به کار گرفته در مونوپایل و جابجایی جانبی شمع (Y) بر حسب منحنی P-Y نشان داده می شود که همان تعامل شمع-خاک سیستم سختی جانبی خاک است. این مطالعه با رفتار جابجایی شمع با در نظر گیری تعامل شمع-خاک برای بارگیری برج توربین بادی سروکار دارد. ۲٫ توربین های بادی و مشخصه های خاک حدود ۷۵ درصد توربین های بادی دریایی بر اساس های مونوپایل هستند. مکانی در بر اساس داده های محیطی بدست آمده از موسسه ملی تکنولوژی دریایی (NIOT) Chennai برای این امر انتخاب شد. اساسا سطح مقطع خاک متشکل از شن و چند لایه لای و خاک رس است. خاک به عنوان یک ماده ی الاستیک رفتار می کند ؛ بنابراین با مدل Drucker-prager مدل سازی می شود. معیار عملکرد Drucker-prager، یک مدل وابسته به فشار برای تعیین تسلیم شدگی مواد تحت فشار پلاستیکی است. این معیار برای مقابله با تغییر شکل پذیری پلاستیکی خاک معرفی شده است. مواد مونوپایل و برج توربین، فولاد هستند و مشخصه های مقاومت آن ها، مدول الاستیسیته، نسبت پواسون و چگالی هستند. برج توربین با ارتفاع ۸۰ متر و قطر متقاطع ۴٫۵ متر توسط NIOT انتخاب شده است. قطر (D) مونوپایل ها در محدوده ی ۴ تا ۶ متر و طول آن از D7 تا ۸D متغییر است.
۱٫ مقدمه توربین های بادی ابزارهای قدرت مندی برای بهره برداری از انرژی باد هستند. توربین های بادی ساحلی نیاز به مقدار زیادی فضا برای تولید انرژی دارند. بنابراین این گامی طبیعی برای قرار گیری توربین های بادی دریایی بود (OWT). باد ها در دریا ها شدت بیشتری را در مقایسه با ساحل دارند. اجزای اصلی توربین های دریایی عبارتند از پره های توربین، گهواره روتور، قطعات انتقالی و پایه آن. توربین ها دارای ۲ یا ۳ پره هستند اما بیشتر ۳ پره مورد استفاده قرار می گیرد. ظرفیت متراکم برای توربین های بادی دریایی در اروپا تقریبا ۱۰-۹ GW است. اغلب ۴ تا ۱۱ دور در دقیقه برای هر توربین در نظر گرفته شده است. طراحی و ساختار فونداسیون توربین های بادی به سبب شرایط نا ملایم محیطی به یک چالش تبدیل شده است. ساختارهای پشتیبان برای OWT، سازه مونوپایل، سازه سه پایه ای، سازه شبکه ای، سازه های بر مبنای گرانش و سازه های شناور هستند. استفاده از مونوپایل زمانی رخ می دهد که عمق آب بین ۱۰ تا ۳۰ متر باشد. OWT که بر فونداسیون مونوپایل پشتیبانی می شود از نظر دینامیکی حساس است چرا که فرکانس های طبیعی این سازه ها نزدیک به فرکانس های متعدد اعمال شده بر آنها است. تضعیف سختی خاک بارگیری های چرخه ای و دینامیک از خاک ممکن است منجر به جابجایی زیاد توربین شود و عملکرد آن را به خطر بیندازد. معمولا توربین های بادی نمی توانند بیش از ۰٫۵ درجه زاویه انحراف داشته باشند. لنگر واژگونی در روساخت جاکت پشتیبانی شده با چند شمع، به عنوان بارهای محوری به مخالف شمع های پایه انتقال می یابند. برای مونوپایل ها، لنگر های واژگونی توسط واکنش افقی خاک در امتداد طول مونوپایل نگاه داشته می شوند. همان طور که شمع در بالای آن ثابت نیست، می توان آزادانه آن را چرخاند و انتقال داد. شمع بایستی به اندازه کافی بلند باشد که بتواند ظرفیت خاک را در امتداد خود جابجا کند تا همه بار انتقال یابد و از ضربه ی پنجه جلوگیری کند. بنابراین تعامل شمع-خاک تاثیر بسزایی برای مقاومت در برابر بارهای جانبی دارد. ارتباط بین نیروهای جانبی (P) به کار گرفته در مونوپایل و جابجایی جانبی شمع (Y) بر حسب منحنی P-Y نشان داده می شود که همان تعامل شمع-خاک سیستم سختی جانبی خاک است. این مطالعه با رفتار جابجایی شمع با در نظر گیری تعامل شمع-خاک برای بارگیری برج توربین بادی سروکار دارد. ۲٫ توربین های بادی و مشخصه های خاک حدود ۷۵ درصد توربین های بادی دریایی بر اساس های مونوپایل هستند. مکانی در بر اساس داده های محیطی بدست آمده از موسسه ملی تکنولوژی دریایی (NIOT) Chennai برای این امر انتخاب شد. اساسا سطح مقطع خاک متشکل از شن و چند لایه لای و خاک رس است. خاک به عنوان یک ماده ی الاستیک رفتار می کند ؛ بنابراین با مدل Drucker-prager مدل سازی می شود. معیار عملکرد Drucker-prager، یک مدل وابسته به فشار برای تعیین تسلیم شدگی مواد تحت فشار پلاستیکی است. این معیار برای مقابله با تغییر شکل پذیری پلاستیکی خاک معرفی شده است. مواد مونوپایل و برج توربین، فولاد هستند و مشخصه های مقاومت آن ها، مدول الاستیسیته، نسبت پواسون و چگالی هستند. برج توربین با ارتفاع ۸۰ متر و قطر متقاطع ۴٫۵ متر توسط NIOT انتخاب شده است. قطر (D) مونوپایل ها در محدوده ی ۴ تا ۶ متر و طول آن از D7 تا ۸D متغییر است.
Description
Wind turbines are power tools to tap nonconventional wind energy. Onshore wind turbine needs plenty of land area for power generation. Thus it was a natural step to take Offshore Wind Turbine (OWT). The wind resources are even more abundant and of better quality at sea as compared to onshore. The major components of the offshore turbine are turbine blades, Rotor- Nacelle Assembly (RNA), tower transition piece and the foundation. It can provide 2 or 3 blades for turbine, but mostly 3 blades are provided. Cumulative Capacity for offshore wind turbine is approximately 9 -10 GW in Europe. Mostly 4 to 11 rpm is approximately taken for a wind turbine. The design and construction of foundations for offshore turbines are challenging because of the harsh environmental conditions. The support structures for OWT are monopile structure, tripod structure, lattice structure, gravity structure, tripile foundation, and floating structure. The choice of monopiles results when water depth ranges from 10 m to 30 m. OWT supported on monopile foundations are dynamically sensitive because the overall natural frequencies of these structures are close to the different forcing frequencies imposed upon them. Degradation of soil stiffness due to dynamic and cyclic loading may lead to permanent displacement of the turbine which may jeopardise its performance. Wind turbines typically cannot tolerate more than 0.5 degrees tilt [1]. The overturning moment in jacket super structure supported in multi-piles is transferred as axial loads to opposing foundation piles. For monopile the overturning moment is resisted by horizontal soil reaction along embedded length of monopile. As the pile is not fixed at the top, it is free to rotate and translate. The pile must be long enough to mobilise enough soil over its length to transfer all loads and prevent toe kick. Hence soil pile interaction has an important influence to resist lateral loads. Relation between lateral forces (P) applied to monopile and lateral displacement of pile (y) is the P-y curve shows soil pile interaction of the system is the lateral stiffness of soil. This study deals with pile displacement behavior by considering soil pile interaction for laterally loaded wind turbine tower.
