کنترل فعال ارتعاشات و کاهش نیروی برشی توربین بادی 5 مگاواتی به‌وسیله عملگر ژیروسکوپ

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد مکاترونیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه اراک، اراک، ایران

2 دانشیار، دانشکده مهندسی مکانیک ، دانشگاه اراک، اراک، ایران

3 دکتری هوافضا، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

چکیده

یکی از دغدغه‌های اساسی در فن‌آوری‌های انرژی تجدید پذیر مانند توربین بادی، هزینه‌های اقتصادی و صرفه جویی در هزینه‌های مرتبط با ساخت آن است. کاهش ارتعاشات سازه توربین بادی می‌تواند خستگی مکانیکی سازه ناشی از بارهای باد را کاهش داده و منجر به کاهش مواد مصرفی و هزینه شود. علاوه بر این اگر نیروی برشی و ممان خمشی در پایه سازه توربین کاهش یابد، می‌توان از فونداسیون با ابعاد کوچکتر و مصالح کمتر استفاده کرد. همه این عوامل تاثیر مثبت در کاهشی هزینه یک توربین بادی دارد. در این مطالعه یک ژیروسکوپ پایدارساز جهت کاهش ارتعاشات ناشی از باد در یک توربین 5 مگاواتی مورد بررسی قرار گرفته است. برای این‌کار مدل معتبر فست مورد استفاده قرار گرفته است. علاوه‌بر‌ این از دو نسخه ژیروسکوپ استفاده شده است در حالت اول ژیروسکوپ بصورت غیرفعال نقش پایدار ساز داشته و در حالت دوم به عنوان عملگر فعال عمل می کند. همچنین یک کنترل کننده PID جهت کنترل سیستم فعال طراحی شده است. تاثیر عملگر ژیروسکوپ بر ارتعاشات، نیروی برشی و ممان خمشی ناشی از بارهای باد از طریق شبیه‌سازی مورد بررسی قرار گرفته است و نشان داده شده است که سیستم پیشنهادی در حالت فعال توانایی کاهش میزان ارتعاشات، نیروی برشی و ممان خمشی پایه توربین را در حدود 32 درصد و در حالت غیرفعال در حدود 14 درصد داراست.

کلیدواژه‌ها


[1] International Energy Agency (2019) Global energy and CO2  status report: 3-23, Available at: www.iea.org.
[2] Enviromental Protection Agency (2017) Inventory of U.S. Greenhouse gas emissions and sinks report: 522-525, Available at: www.epa.gov.
[3] Energy Information Agency (2019) U.S. Energy-related carbon dioxide emissions report: 4-14, Available at: www.eia.gov.
[4] World Wide Energy Association (2021) Global wind installation in 2020 report:1-2, Available at: www.wwea.org.
[5] Stephy T, et al. (2020) 2018 Cost of wind    energy review. National Renewable Energy Lab (NREL).
[6] Fitzgerald B, et al. (2020) Vibration control of wind turbines: Recent advances and emerging trends Int J Sustain Struct Mater-Sys 4(2-4): 347-472.
[7] Sayigh A, Milborrow D (Eds.) (2019) The age of wind energy: Progress and future directions from a global perspective. Springer Nature, Switzerland. 313-314.
[8] Taylor M (2012) Renewable energy technologies: Cost analysis series, wind power. Renew Energ 1(5): 1-64.
[9] Bossanyi EA (2003) Individual blade pitch control for load reduction. Wind Energy 6(2): 119-128.
[10] Argyriadis K, Hille N. (2004). Determination of fatigue loading on a wind turbine with oil damping device. Proc 2004 EWEC: (1-6).
[11] Murtagh P, et al. (2008) Passive control of wind turbine vibrations including blade/tower interaction and rotationally sampled turbulence. Wind Energy 11(4): 305-317.
[12] Colwell S, Basu B (2009) Tuned liquid column dampers in offshore wind turbines for structural control. Adv Earthq Engn 31(2): 358-368.
[13] Karimi HR, Zapateiro M, Luo N (2010) Semiactive vibration control of offshore wind turbine towers with tuned liquid column dampers using H output feedback control. IEEE Intl Conf Contr 2245-2249.
[14] Lackner MA, Rotea MA (2011) Passive structural control of offshore wind turbines. Wind Energy 14(3): 373-388.
[15] Jie L, Zili Z, Jianbing C (2012) Experimental study on vibration control of offshore wind turbines using a ball vibration absorber. Energy Power Eng 4(3):153-157.
 
[16] Si Y, Karimi HR, Gao H (2014) Modelling and optimization of a passive structural control design for a spar-type floating wind turbine. Adv Earthq Engn 69: 168-182.
[17] Caterino N (2015) Semi-active control of a wind turbine via magnetorheological dampers. J Sound Vib 345: 1-17.
[18] Zuo H, Bi K, Hao H (2017) Using multiple tuned mass dampers to control offshore wind turbine vibrations under multiple hazards. Eng Struct 141: 303-315.
[19] Jahangiri V, Sun C (2019) Integrated bi-directional vibration control and energy harvesting of monopile offshore wind turbines. Ocean Eng 178: 260-269.
 [20] Guntur S, et al. (2017) A validation and code-to-code verification of FAST for a megawatt-scale wind turbine with aeroelastically tailored blades. Wind Energy Sci 2(2): 443-468.
[21] Guntur S, et al. (2016) Fast v8 verification and validation using experiments from aeroelastically tailored megawatt-scale wind turbine blades. National Renewable Energy Laboratory Report: 7-17, Available at: www. nrel. gov/docs.
[22] Jonkman JM (2007) Dynamics modeling and loads analysis of an offshore floating wind turbine. National Renewable Energy Report: 51-71, Available at: www. nrel. gov/docs.
[23] Jonkman J, et al. (2009) Definition of a 5-MW reference wind turbine for offshore system development. National Renewable Energy       Lab Report: 6-11, Available at: www.nrel. gov/docs.
[24] Svensson H (2010) Design of foundations for wind turbines. Eng Struct: 10-13, ISSN 0281-6679.
[25] Söndgen S, Predki W (2013) Power loss and axial load carrying capacity of radial cylindrical roller bearings. Power Transm Eng 42-47.
[26] Nelias D, et al. (1994) Power loss prediction in high-speed roller bearings. Tribology S 27: 465-478.
[27] American Roller Bearigs Company (2013) Heavy duty bearings catalog 201223. 1350 4th St Dr NW Hickory, NC 28601.
[28] Jonkman BJ, Buhl Jr ML (2006) TurbSim user's guide. National Renewable Energy Lab Report: 5-17. Available at: www.wind.nrel.gov/designcodes /preprocessors/turbsim.
[29] Ünker F, Çuvalcı O (2015) Seismic motion control of a column using a gyroscope. Procedia Soc Behav Sci 195: 2316-2325.
[30] Ziegler JG, Nichols NB (1993) Optimum settings for automatic controllers. ASME J Dyn Syst Meas Contr 115(2(B)): 220-222.
[31] IRENA (2020) Renewable Power generation costs in 2019 report: 25-30. Available at: www.irena.org/publications.