31549

مطالعه اي بر اثر تغييرات اقليمي بر عملكرد توربين هاي بادي

كارشناسي ارشد

مهندسي عمران - زلزله

1400

1403/02/29

آقاي دكتر پدرام قادري

ندارد

مهندسي عمران

يكي از بزرگترين چالش¬هايي كه انسان قرن 21 با آن مواجه شده است مسئله تغييرات اقليمي است. اين پديده سياستمداران و مديران در سطح كلان را مجاب كرده تا با بهره¬گيري از مطالعات و پيشنهادات پژوهشگران اين حوزه، در جهت كاهش آثار ناشي از تغييرات اقليمي اقدام به برنامه¬ريزي¬هاي ميان¬مدت و بلند مدت كنند. يكي از اين تصميمات، تلاش براي كاهش توليد گازهاي گلخانه¬اي است. از آن¬جا كه مقدار قابل توجهي از توليد گازهاي گلخانه¬اي در حوزه توليد انرژي با استفاده از سوزاندن سوخت¬هاي فسيلي است، روي آوردن به انرژي¬هاي پاك و تجديدپذير مانند انرژي بادي يكي از راهكارهاي پيشنهاد شده براي كنترل تغييرات اقليمي است. تبديل انرژي بادي به برق توسط توربين¬هاي بادي انجام مي¬شود كه امروزه احداث نيروگاه¬هاي بادي با سرعتي چشمگير در حال گسترش است. توربين¬هاي بادي در طول عمرشان تحت عوامل مخرب محيطي قرار مي¬گيرند كه تغييرات اقليمي مي¬تواند باعث كاهش و يا افزايش تاثير اين عوامل روي عملكرد توربين¬هاي بادي شود. از آن¬جا كه خرابي، تعميرات و يا هرگونه اخلال در عملكرد اين سازه¬ها در نهايت منجر به اتلاف سرمايه و هزينه توليد برق مي¬شود، لازم است هنگام طراحي اين سازه¬ها آثار تغييرات اقليمي بر اين سازه¬ها در طول عمر آن¬ها لحاظ شود. در اين پژوهش دو مورد از اين عوامل كه تغيير مشخصات باد و تغيير در نرخ خوردگي فولاد هستند بررسي شد. بدين منظور يك توربين 5 مگاوات آزمايشگاه تحقيقات انرژي¬هاي تجديد پذير ايالات متحده امريكا در نرم¬افزار متلب مدل شد. با استفاده از نرم¬افزار TurbSim تاريخچه زماني سرعت باد با مشخصات استخراج شده از استاندارد IEC 61400 تشكيل شد. سپس با استفاده از تئوري مومنتوم المان تيغه، بارهاي ايروديناميك ناشي از باد با كدنويسي در متلب محاسبه شد. در نهايت با توسعه مدل تحليل ديناميكي خطي در نرم¬افزار سيمولينك، پاسخ سازه توربين بادي تحت بار باد حاصل شد. جهت بررسي تاثيرات احتمالي تغييرات در مشخصات باد همين روند براي باد با مشخصات ديگر نيز تكرار شد و نتايج با يكديگر مقايسه شدند. مشاهده شد كه افزايش ميانگين سرعت باد مي¬تواند باعث افزايش قابل ملاحظه جابجايي در بالاي برج شود؛ به طور مثال با افزايش 40 درصدي ميانگين سرعت باد، باعث افزايش حداكثر جابجايي بالاي برج به ميزان 43 درصد شد. به منظور بررسي آثار خوردگي روي برج توربين¬هاي بادي، ابتدا با استفاده از روابط موجود در استانداردهاي مربوطه، تغيير نرخ خوردگي اتمسفريك فولاد بر حسب افزايش دما و درصد رطوبت بررسي گرديد. سپس تاثير تغيير نرخ خوردگي اتمسفريك بر رفتار لرزه¬اي توربين در مدت زمان عمر آن بررسي شد. مشاهده شد كه با افزايش توأم دما و رطوبت نسبي حداكثر جابجايي بالاي برج توربين تحت زلزله نورثريج-نيوهال 1994 حدود 10 درصد افزايش يافت. بنابراين نتيجه گرفته شد كه خوردگي اتمسفريك اگرچه در عملكرد توربين¬هاي بادي موثر است اما در مقايسه با خوردگي در ساير نقاط توربين، نگران كننده نيست. در نهايت با توجه به اين كه خوردگي در برج توربين يكنواخت نيست، با تمييز نقاطي از برج توربين كه در شرايط مختلف محيطي قرار دارند، خوردگي در سراسر برج توربين بررسي شد و در نهايت پاسخ لرزه¬اي توربين تحت شرايط خوردگي متفاوت بررسي شد. مشاهده شد كه حداكثر جابجايي بالاي برج تحت شتاب¬نگاشت مذكور در جهت x، 16 درصد و در جهت y، 30 درصد افزايش پيدا كرد. با توجه به اين كه عوامل محيطي مخرب كاملا متأثر از موقعيت جغرافيايي ساختگاه هستند، مطالعات مربوط به تاثير تغييرات اقليمي بر عوامل محيطي مي¬تواند مختص ساختگاه صورت بگيرد و داده¬هاي مربوط به آن ساختگاه در گذر زمان بررسي شود. با توجه به نبود بانك اطلاعاتي جامع در اين خصوص و زمان¬بر بودن ثبت داده¬ها در طول زمان، در اين پژوهش تاثير تغييرات اقليمي بر عوامل محيطي ذكر شده به صورت كلي و براي ساختگاه¬هاي با شرايط متعارف بررسي شد. براي اين منظور بازه¬هاي براي حدود تغييرات ميانگين سرعت باد، درصد آشفتگي باد و نرخ خوردگي فولاد در نظر گرفته شد كه اين بازه¬ها ساختگاه¬هاي با شرايط متعارف را شامل مي¬شود.

1403/08/20

A study on the influence of climate change on the vibration based performance of wind turbines

1/1/1900 12:00:00 AM

Climate change is one of the greatest challenges that 21st-century humans are facing. This phenomenon has compelled policymakers and executives at the macro level to strive for its control by utilizing the studies done by the researchers in this subject. On of the crucial decisions made by the authorities is reducing the greenhouse gas emissions. Since burning fossil fuels is a primary factor in the production of greenhouse gases, turning to clean and renewable energies such as wind as means of producing electricity is one of the suggestions made by the researchers and scientists to control climate change effects. Converting wind energy to electricity is done by wind turbines and development of windfarms are noticeable across the globe with an ever-increasing speed. Wind turbines during their lifetime are under harmful environmental conditions and climate change can change the intensity of the influence of these conditions on the performance of wind turbines. Since destruction, down-time due to repairment or any disruption in the operation of wind turbines will result in loss of capital and increase in cost of energy production, it is necessary to consider the climate change effects when designing wind turbines. In this study, two of these factors have been studies. One is the changing in wind characteristics and the other is change of the corrosion rate in steel. For this purpose, a 5MW National Renewable Energy Laboratory of the United States of America has been modelled in MATLAB, then using TurbSim simulator, wind speed time history of a wind with the characteristics stated in IEC 61400 standard was extracted. A MATLAB code got developed to incorporate Blade Element Momentum Theory and calculate aerodynamic loads on the blade due to wind. Also, in order to calculate the dynamic response of wind turbine under any arbitrary load, a Simulink model was developed and utilized to calculate response of the wind turbine under the mentioned aerodynamic loads. To assess the change in wind characteristics, same procedure was repeated for other wind mean speeds and turbulence intensities and compared the results at the end. The study shows that increase in mean wind speed can cause notably larger displacements at the tower top. In order to study the effects of corrosion on wind turbine towers, at first by using formulas present in the respective standards, change of steel atmospheric corrosion rate with respect to the rise of both temperature and humidity during lifetime of wind turbine underwent examination. It was observed that even though the atmospheric corrosion is considerable, but comparing to corrosion rate in other parts of the wind turbine tower is not critical. Lastly since corrosion effect is not uniform across the wind turbine tower, by acknowledging that each part of the tower has their own respective corrosion rate, corrosion was studied throughout the whole tower and seismic response of wind turbine affected by different corrosion rates was compared.

تحليل ديناميكي خطي , تغييرات اقليمي , توربين بادي , سلامت سازه

Linear Dynamic Analysis , Climate Change , Wind Turbine , Structural Safety

Sahand Imani

Dr. Pedram Ghaderi