بررسی عددی نیروهای هیدرواستاتیک و هیدرودینامیک در اثر حرکات انتقالی و دورانی بر رفتار دینامیکی توربین بادی شناور

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه علوم و فنون دریایی خرمشهر، خرمشهر

2 دانشکده محیط زیست، دانشگاه تهران، تهران

چکیده

با توجه به بحران‌های پیش رو در خصوص استحصال انرژی و آلودگی‌های محیط‌زیست توربین‌های بادی شناور می‌توانند عملی‌ترین و اقتصادی‌ترین روش برای استخراج منابع عظیم انرژی باد فراساحلی در آب‌های عمیق و عمق متوسط باشند. توربین‌های بادی شناور سازه‌های پیچیده‌ای هستند که تحت اثر هم‌زمان تحریکات باد و موج قرار دارند. دینامیک سازه‌ای کوپل و معادلات پاسخ حرکت این توربین‌ها غیرخطی شدگی‌های هندسی میان حرکت‌های نسبی و سرعت‌ها را نشان می‌دهد توربین بادی شناور یک سیستم سازه‌ای مرکب آیرو-هایدرو-سرو-الاستیک هست؛ که برای چنین سازه‌هایی می‌بایست معادلات حرکت غیرخطی کوپل شده با در نظر گرفتن نیروهای تحریک و میرایی غیرخطی شامل تمام اثرات ناشی از باد و موج در حوزۀ زمان حل شوند. در پژوهش حاضر، آنالیز پاسخ‌های حرکت برای شرایط عملیاتی حرکات انتقالی و دورانی به‌منظور بررسی عملکرد و پایداری سازه‌ای توربین بادی شناور اسپار تحت نیروهای شناوری و هیدرودینامیک امواج موردبررسی قرار گرفته است. در این راستا اقدام به توسعه مدل عددی با استفاده از نرم‌افزار متلب گردید. پیش از انجام شبیه‌سازی دینامیکی توربین بادی شناور موردبررسی در این پژوهش به صحت‌سنجی مدول‌های موجود در مدل پرداخته می‌شود. درنهایت نتایج به‌دست‌آمده در حوزۀ زمان ارائه شده‌اند نتایج به‌دست‌آمده نشان می‌دهند در حرکات انتقالی، بیشترین و کمترین میزان نیروی شناوری به ترتیب در جهت‌های عمودی و عرضی و بیشترین و کمترین میزان نیروی هیدرودینامیک به ترتیب در جهت‌های طولی و عرضی بوده است. همچنین در حرکات دورانی، بیشترین و کمترین میزان نیروی شناوری به ترتیب در جهت‌های طولی و عمودی و حداکثر و حداقل میزان نیروی هیدرودینامیک به ترتیب در جهت‌های عمودی و عرضی بوده است. بررسی کمّی نتایج به‌دست‌آمده نشان می‌دهد، مقدار نیروی شناوری در راستای محور X حداقل 16000- کیلونیوتن و حداکثر 500کیلو نیوتن در راستای محور Yحداقل 50-کیلونیوتنو حداکثر 550کیلونیوتن و در راستای محور Z  حداقل 82000 کیلونیوتن و حداکثر 7800 کیلونیوتن بوده است. همچنین مقدار نیروی هیدرودینامیک در راستای محور X حداقل 350- کیلونیوتن و حداکثر 350 کیلونیوتن در راستای محور Yحداقل صفر و حداکثر 2/6 نیوتن و در راستای محور Z  حداقل صفر و حداکثر 260 کیلونیوتن بوده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Numerical Investigation of Hydrostatic and Hydrodynamic Forces from Translational and Rotational Motions of a Floating Wind Turbine

نویسندگان [English]

  • mohamad baroni 1
  • Morteza Bakhtiyari 1
  • Nasim ale ali 1
  • masoud sadri 2
1 kmsu
2 tehran university
چکیده [English]

Due to the forthcoming crisis for the extraction of energy as well as environmental pollution, floating offshore wind turbines (FOWT) can be the most practical and economic way to extract offshore wind energy resources in the deep waters of intermediate depth. FOWTs are a complex system that are under simultaneous effect of movements resulting from wind and sea waves. Coupled dynamic structures and motion response equations of these turbines show geometric non-linearities between relative forces and speeds. Floating wind turbine is a compound Aero-Hydro-Servo-Elastic system, for which coupled nonlinear motion equations must be designed taking into consideration movement forces and nonlinear damping involving all effects of wind and waves on time lapse. In the present study motion response for operation conditions in translational and rotational motions were analyzed to investigate functionality and structural stability of floating offshore wind turbine under buoyancy and Hydrodynamics forces. For this, a numerical model was developed in MATLAB software. Before dynamic simulation of the FOWT under study, present modules in the model were verified. Finally the obtained results were presented in time domain. The extracted results show that in translational motions, the maximum and minimum of buoyancy forces are in length and  width directions respectively and maximum and minimum of Hydrodynamic forces values are in surge and sway directions respectively. Also, in rotational motions maximum and minimum of Buoyancy forces are in length and vertical directions respectively and maximum and minimum of the Hydrodynamic forces are in vertical and width directions respectively.     

کلیدواژه‌ها [English]

  • Floating wind turbine
  • Bouancy forces
  • Hydrodinamuc forces
  • MATLAB software

[1] Spera DA. Wind Turbine Technology: Fundamental Concepts in Wind Turbine Engineering: ASME. New York, NY, USA. 2009.

[2] Jonkman JM. Dynamics modeling and loads analysis of an offshore floating wind turbine [Ph. D thesis]. University of Colorado, Boulder. 2007.p.237.

[3] Jonkman JM. Dynamics of offshore floating wind turbines—model development and verification. Wind Energy: An International Journal for Progress and Applications in Wind Power Conversion Technology. 2009 Jul;12(5):459-92.

[4] Tong KC. Technical and economic aspects of a floating offshore wind farm. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 1998 Apr 1;74:399-410.

[5] Lee KH. Responses of floating wind turbines to wind and wave excitation [disseration].  Massachusetts Institute of Technology; 2006.

[6] Larsen TJ, Hanson TD. A method to avoid negative damped low frequent tower vibrations for a floating, pitch controlled wind turbine. Journal of Physics Conference Series.2007, 75(1):012073.doi: 10.1088/1742-6596/75/1/012073.

[7] Hansen MO.L. Aerodynamics of wind turbines. 2nd ed. USA;scientific American; 2008. p. 130-80.

[8] Savenije LB. Modeling the dynamics of a spar-type floating offshore wind turbine. [masters thesis].  Technical University Delft; 2009.

[9] Sclavounos PD, Lee S, DiPietro J, Potenza G, Caramuscio P, De Michele G. Floating offshore wind turbines, tension leg platform and taught leg buoy concepts supporting 3-5 MW wind turbines. European wind energy conference; 2010 Apr 20-23; Warsaw, Poland.

[10] Karimirad M, Moan T. Wave-and wind-induced dynamic response of a spar-type offshore wind turbine. Journal of waterway, port, coastal, and ocean engineering. 2011 Jan 24;138(1):9-20

[11] Skaare B, Nielsen FG, Hanson TD, Yttervik R, Havmøller O, Rekdal A. Analysis of measurements and simulations from the Hywind Demo floating wind turbine. Wind Energy. 2015 Jun;18(6):1105-22.

[12] Wang K, Moan T, Hansen MO. Stochastic dynamic response analysis of a floating vertical-axis wind turbine with a semi-submersible floater. Wind Energy. 2016 Oct;19(10):1853-70.

[13] Browning JR, Jonkman J, Robertson A, Goupee AJ. Calibration and validation of a spar-type floating offshore wind turbine model using the FAST dynamic simulation tool. Journal of Physics Conference Series. 2007;55(1):012015.doi:10.1088/1742-6596/75/1/012073.