Geri Dön

Structural analysis of offshore wind turbine support structure under hydrodynamic and aerodynamic loads

Hidrodinamik ve aerodinamik yüklerin altındaki rüzgar türbini destek yapısının yapısal analizi

PDF İndir

  1. Tez No: 570498
  2. Yazar: MURTALA NYAKO MUSA
  3. Danışmanlar: Prof. Dr. AHMET ERGİN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Gemi Mühendisliği, Marine Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2019
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Gemi ve Deniz Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Açık Deniz Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 95

Özet

Değişen bir dünyada yaşıyoruz ve bununla birlikte dünya enerji talepleri de değişiyor. Nüfustaki artış ve daha fazla çevre bilinci, mühendislerin her zamankinden daha fazla enerji üretmeleri gerektiği anlamına geliyor. Bu, mühendisleri bu talepleri karşılamak için alternatifler bulmaya yönlendirdi. Sonunda fark yaratacak teknolojidir. Rüzgar enerjisi mühendisliği, bu değişikliklerin gerçekleştirilmesinde ön plandadır. Bugün açık deniz mühendisleri, rüzgar türbinlerinin etkinliğini artırmak için bazı kıyı rüzgar türbinlerini açık denizde hareket ettirmeye karar verdiler. Bunu yapmak için, mühendisler daha yüksek performansa erişebilmeleri için yeni teknolojiyi mevcut filoya dahil ediyorlar. Mühendisler, rüzgar teknolojisinin, herkesin yararına olacak şekilde dünya enerji talebinin gelecekteki aşamasını değiştireceğine inanıyor. Rüzgar enerjisi zaten kanıtlanmış bir teknolojidir, yıllar boyunca pek çok umut ve potansiyel göstermiştir. Dünya rüzgar enerjisi birliği enerjisinden (WWEA) yapılan bir basın bültenine göre,“2018 sonunda dünyaya kurulan toplam kapasite rüzgar türbinleri, WWEA tarafından yayınlanan istatistiklerle gösterildiği gibi yaklaşık 600 GW'a ulaşacak. 2018 yılında ticari şebekeye yaklaşık 54.000 Megawatt entegre edildi; bu, 2017 yılında, 52.555 Megawatt inşa edildiğinde beklenenden daha fazladır. Benzer şekilde, 2018'de büyüme artmaya devam etti, ancak yeni tesisler var, ancak önceki yıla göre %10,8 artıştan sonra yaklaşık %9,8 daha düşük bir oranda. Verilerin belirttiği gibi, 2018'in sonunda inşa edilen rüzgar türbinleri dünya elektrik enerjisi talebinin %7'sine ulaşabiliyor”(Gsänger, 2019). OWT'nin dinamik komplikasyonları ve çeşitli iç ve dış yüklemelere maruz kalmaları nedeniyle, OWT özellikle sürekli olarak özellikle aerodinamik ve hidrodinamik yüklerde çevresel yüklere maruz kalır. Bu nedenle, çevresel yük OWT'nin destek yapısının tasarımında göz önünde bulundurulması gereken önemli bir tasarım kriteridir. Açık deniz rüzgar türbininin (OWT) dinamik komplikasyonları ve çeşitli iç ve dış yüklemelere maruz kalmaları nedeniyle, açık deniz rüzgar türbinleri özellikle sürekli olarak özellikle aerodinamik ve hidrodinamik yüklerde çevresel yüklere maruz kalmaktadır. Bu nedenle, çevresel yük, açık deniz rüzgar türbininin destek yapısının tasarımında göz önünde bulundurulması gereken önemli bir tasarım kriteridir. Bu araştırmada asıl amaç, aşırı aerodinamik ve hidrodinamik yükler altında açık deniz rüzgar türbininin destek yapısına maruz kalan çeşitli çevresel yüklerin tepkisini ve etkisini xxiv araştırmaktır. Bunu yapmak için, dengesiz aerodinamik rüzgarın yanı sıra açık deniz rüzgar türbini destek yapısına maruz kalan hidrodinamik dalgayı analiz etmek çok önemlidir. Tezin ilk bölümü, genel olarak OWT hakkında, OWT endüstrisinde tip destek yapısı olan OWT'nin yararına giriş niteliğindedir. Benzer alandaki diğer araştırmacılar tarafından yapılan geçmiş araştırmaların literatür taramasının yapılması daha da ileri gitti. Ulusal yenilenebilir enerji laboratuarı (NREL) rüzgar türbini bu araştırma için seçildi ve ikinci bölüm NREL 5MW rüzgar türbini ve tekel özelliklerini açıkladı. Ayrıca, bölüm, tezin kapsamını ve sınırlamalarını sunmaktadır, örneğin toprağı monopile etkileşiminin ihmal edildiği ve monopilin deniz yatağında statik bir sabit desteğe sahip olduğu varsayıldığı için sorunu basitleştirmek için gerekli varsayımlar yapılmıştır. Bölüm 3'te, tez problemiyle ilgili gerekli teorik arka plan sunulmuş ve yüklerin hesaplamaları takip edilmiştir. Hesaplamaları daha güvenilir yapmak için, aerodinamik ve hidrodinamik yükleri hesaplamak için bilinen standart uygulamalar kullanılır. Bu tezde kullanılan standartlardan biri Amerikan petrol enstitüsü (API) standardı olup, dalga yükü hesaplamalarında uygulanmaktadır. Det Norske Veritas (DNV) tarafından önerilen uygulama kuledeki rüzgar yükü hesaplamaları için kullanılırken rotor itme yükü hesaplamaları NREL 5MW rüzgar türbini tarafından yapılır. Bununla birlikte, rotor itişini hesaplamak için alternatif bir rotor teorisi çözümü verilmiştir. 4. bölümde, önceki bölümde hesaplanan yükler ve destek yapısındaki kısıtlamalar tanımlanmış ve destek yapı modelinde düzenlenmiştir. Sonlu elemanlar analizi yazılımı ANSYS APDL kullanılarak, destek yapısının tepkisi hesaplamaları yapılır. Destek yapısının azami en kötü durum senaryosunda yanıtını görmek için yük durumları varsayılır (Yük durumu 1 ve Yük durumu 2). Daha sonra simülasyonların sonuçları sunuldu ve analiz edildi. Destek yapısının yer değiştirmesi ve destek yapısındaki gerilmeler alanı olmak üzere iki ana alana bakılır. Sonuçlardan, yük durumu 1'in destek yapısının daha yüksek yer değiştirmesi yarattığı açıktır. Yük kasası 1 için azami yer değiştirme yaklaşık 0,97 m'dir, ancak uygulama yük kasası 2'ye geçtiğinde, azami yer değiştirme %11,9 azalır. Öte yandan, Von Mises stresi, yaklaşık 0.131E + 09pa (131Mpa) olan her iki yük durumu için aynı kalır. Bu, dalga yükü yönündeki değişimin Von Mises stresini etkilemediği anlamına gelir. Sonunda, kuledeki gerilmeleri azaltmak için iki alternatif öneride bulunulmuştur Von Mises stresi arsalarından, Von Mises stresi kulede monopile kıyasla daha yüksek olduğu açıktır. Bu, yük arttıkça başarısızlığın tekelden önce kulede başlayacağı anlamına gelir. Bu nedenle, kuledeki gerilimleri azaltmak için iki alternatif çözüm önerilmiştir. 1. Kulenin kalınlığındaki artış, kuledeki gerilmeleri azaltacaktır. Ancak, bu ekonomik giderler ile gelecek ve mantıklı bir şekilde yapılması gereken xxv 2. Kule yüksekliğini azaltın. Bu rüzgar türbini üzerindeki genel aerodinamik yükü azaltacaktır, dolayısıyla kule üzerindeki baskıları azaltacaktır. Ancak, bunun bir dezavantajı var, rüzgar türbininin çıkardığı rüzgar gücü düşük irtifa düşük rüzgar hızı anlamına geldiğinden tehlikeye girer.

Özet (Çeviri)

We live in a changing world, and the world energy demands changes with it. The increase in population and a greater environmental awareness means engineers has to produce more energy than ever and more sustainably. This has led engineers to find alternatives to meet those demands. Ultimately it is technology that will make the difference. Wind energy engineering is among the forefront of making this change happen. Today, offshore engineers set out to move some the onshore wind turbine offshore in other to increase effectiveness of wind turbines. To do that, engineers are integrating new technology into existing fleet to give them access to a higher performance. Engineers believe wind technology will change the future phase of world energy demand for the benefit of all. Wind energy is already a proven technology, it has shown lots promise and potential over the years. According to a press release from world wind energy association energy (WWEA),“The total capacity wind turbines installed around the world at the end of 2018 will get to almost 600 GW, as shown by statistics published by WWEA. About 54,000 Megawatt were integrated to the commercial grid in the year 2018, which is relatively more than what is expected in the year 2017 when about 52'552 Megawatt were constructed. Similarly, in 2018 the growth has continued to increase, there are new installations although, it's at a lower rate of about 9.8 %, after 10.8% growth the previous year. As pointed out by data, wind turbines constructed by end of 2018 can reach up to 7% of worldwide electric power demand”(Gsänger, 2019). Due to the dynamic complication of offshore wind turbine OWT and their subjection to various internal and external loading, offshore wind turbine is especially constantly subjected to environmental loadings especially aerodynamic and hydrodynamic loads. Therefore, the environmental load is an important design criterion that should be considered during the design of support structure of OWT. Due to the dynamic complication of offshore wind turbine (OWT) and their subjection to various internal and external loading, OWT are especially constantly subjected to environmental loadings especially aerodynamic and hydrodynamic loads. Therefore, the environmental load is an important design criterion that should be considered during the design of support structure of OWT. In this research, the main objective is to investigate the response and influence of various environmental loads subjected on the support structure of offshore wind turbine under extreme aerodynamic and hydrodynamic load. In order to do this, it is very important to xx analyze the unstable aerodynamic wind as well as the hydrodynamic wave that is subjected on the offshore wind turbine (OWT) support structure. The first chapter of the thesis give the introduction about OWT in general, the benefit of offshore wind turbine, the type support structure in the OWT industry. It went further to give literature review of past research done other researchers in similar field. National renewable energy laboratory (NREL) wind turbine is selcted for the research, and the second chapter presents the specification of the NREL 5MW wind turbine and the monopile. Furthermore, the chapter presents the scope and limitations of the thesis necessary assumptions are made in order to simplify the problem for instance the soil monopile interaction is neglected and it is assumed the monopile has a static fixed support at the sea bed. In chapter 3, necessary theoretical background related to the problem of the thesis is presented and it is followed by calculations of the loads. To make the calculations more reliable, renowned recommended standard practices are used to calculate the aerodynamic and hydrodynamic loads. One of the standards used in this thesis is the American petroleum institute (API) standard, it is applied in the calculations for the wave loads. Recommended practice by Det Norske Veritas (DNV) is used for the wind load calculations on the tower while the rotor thrust load calculations is as giving by the NREL 5MW wind turbine. However, an alternative rotor theory solution was given for calculating the rotor thrust. In chapter 4 the loads calculated in the previous chapter and constrains on the support structure are defined and it is set up on the support structure model. Using finite element analysis software ANSYS APDL the calculations of the response of the support structure is carried out. Load cases is assumed (Load case 1 & Load case 2) in order to see the response of the support structure under a maximum worst-case scenario. Afterwards, results of the simulations are presented and analyzed. Two main areas are looked at, the displacement of the support structure and the stresses field in the support structure. From the results, it is evident the load case 1 create higher displacement of the support structure. The maximum displacement for the load case 1 is about 0.97m however, when the application is change to load case 2, the max displacement decreases by 11.9%. On the other hand, the Von Mises stress remain the same for both load cases which is about 0.131E+09pa (131Mpa). This means the change of wave load direction has no effect on the Von Mises stress. From the result of the Von Mises stress it is evident the Von Mises stress are higher at the tower when compared to the monopile. This means that failure will begin at tower before the monopile when the load is increased. Therefore, in order to reduce the stresses in the tower two alternative solutions are proposed. xxi 1. Increase in the thickness of the tower will reduce the stresses in the tower. however, this will come with economical expenses and should be done in a logical way 2. Decrease the tower height. This will reduce the overall aerodynamic load on the wind turbine consequently it will reduce stresses on the tower. However, there's a drawback to this, the wind power extracted by the wind turbine will compromised since lower altitude means low wind speed.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    286460

    Analysis and optimization of monopile type offshore wind turbines under wind and wave loading

    Kazık tipi açık-yapı rüzgar türbinlerinin rüzgar ve dalga yükleri altında analizi ve optimizasyonu

    CAN AYDIN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2011

    İnşaat MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. SERDAR SOYÖZ

  2. Tez No

    637616

    Rüzgar türbinlerinin sismik ve rüzgar yükleri altındaki davranışı

    Behavior of wind turbines under seismic and wind loads

    ELİF ALTUNSU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ALİ SARI

  3. Tez No

    66829

    Rüzgar enerjisi dönüşüm sistemlerinin aerodinamik kapsamı ve güç belirlenmesi analizlerinde potansiyel akım yöntemleri

    Aerodynamic aspects of wind energy conversion systems and potential flow methods in performance prediction analysis

    ALİ ALPER AKYÜZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1997

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. M. ADİL YÜKSELEN

  4. Tez No

    763383

    Hysterical effects in flow characteristics in the wake region of group of cylinders during the passage of gradually varying unsteady flow

    Tedrici değişken akım koşullarında silindir iz bölgesindeki akım ve türbülans karakteristiklerinde histerik etkiler

    ERYILMAZ ERDOG

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ORAL YAĞCI

  5. Tez No

    826426

    Dynamic numerical analysis of typical monopile foundations for offshore wind turbine applications

    Deniz rüzgar türbini uygulamaları için tipik tek kazıklı temellerin dinamik sayısal analizi

    ABDUH KIWANUKA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    İnşaat MühendisliğiMersin Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖZGÜR LÜTFİ ERTUĞRUL

Geri Dön