| Popis: |
Son yıllarda, rüzgâr enerjisi, yenilenebilir enerji kaynakları arasında en çok yatırım yapılan, geleceğin enerji kaynağı çözümü haline gelmiştir. Bu bağlamda, rüzgâr enerjisinden daha uygun maliyetle faydalanılması için çok sayıda mühendislik çalışması literatüre kazandırılmıştır. Açık denizlerdeki rüzgâr enerjisi potansiyelini ortaya koyan çalışmalar, rüzgâr türbinlerinin inşa sahasının kıyıdan uzak bölgelere genişletilmesi gerekliliğini ortaya çıkarmıştır. Bununla birlikte, denizlerde inşa edilen rüzgâr türbinlerinin deniz dibinde bir temel ile desteklenmesi gerekliliği, günümüze kadarki inşa sahalarını kıyıya yakın bölgelere kısıtlamıştır. Daha derin denizlerdeki enerji potansiyelinden faydalanabilmek, ancak yüzer rüzgâr türbinleri ile mümkündür. Maruz kaldığı yükler göz önünde bulundurulduğunda yüzer rüzgâr türbinleri tasarımı için kapsamlı yapısal analizlerin yapılması gerekir.Yüzer rüzgâr türbinlerinin tasarımında yapının rüzgâr ve dalga tahrik kuvvetlerine tepkisinin belirlenmesi esastır. Yapının hareketleri tahrik kuvvetlerinde değişime sebep olurken, tahrik kuvvetleri de yapının hareketlerini etkiler. Bu ilişki yapının elastik hareketlerinin aerodinamik ve hidrodinamik yükler ile bağlı analizini, diğer bir deyişle aero-hidro-elastik analizinin yapılmasını gerektirir. Bu çalışmada, rüzgâr türbinlerine yüzer destek yapısı olarak düşünülen büyük ölçekli bir platform, birbirleriyle aerodinamik etkileşimi ihmal edilen iki adet rüzgâr türbinini taşıyacak şekilde tasarlanmış ve yapının dalga ve rüzgâr yükleri altındaki aero-hidro-elastik yanıtı belirlenmiştir. Yüzer rüzgâr türbinlerinin dinamik analizi esnasında platformun yalnızca rijit hareketlerinin incelenmesinin yeterli olacağı genel olarak kabul görmüş olmasına rağmen, bu çalışmada, platformun boyutlarından dolayı elastik hareketler de dikkate alınmıştır. Analiz çerçevesinde yapıya etkiyen rüzgâr hızlarının yükseklikle beraber artışı, bir başka deyişle hava akışındaki sınır tabaka etkisi, üstel fonksiyon yaklaşımı ile belirlenmiştir. Dalgaların modellenmesinde ise düzenli bir dalga için akışkan hareketini tanımlayan lineer dalga teorisi kullanılmıştır. Karışık deniz modellerine temel oluşturan bu teori dalga yüksekliğinin, dalga boyuna göre küçük olduğu kabulüne dayanır. Platformun dinamik analizi için, öncelikle, tahrik kuvvetlerinden doğan yapısal tepkinin şekil değiştirme modları cinsinden temsil edilebileceği göz önüne alınarak, sonlu elemanlar yöntemi ile platformun dinamik karakteristikleri belirlenmiştir. Dinamik karakteristikler elde edilirken, türbinin pervane-motor beşiği düzeneği rotasyonel eylemsizliğe sahip noktasal kütle olarak düşünülmüş ve bu düzeneğin kule merkez hattı etrafındaki dönme serbestlik derecesinden dolayı, dinamik karakteristikler her bir vaka için rüzgâr geliş açısı dikkate alınarak güncellenmiştir. Hidrodinamik kuvvetler, akışkan-yapı etkileşim kuvvetleri ve dalga tahrik kuvvetleri olarak ikiye ayrılır. Etkileşim kuvvetleri, yapının sakin sudaki hareketinden dolayı ortaya çıkan akışkan kuvvetleridir. Dalga tahrik kuvvetleri ise yapının hareketsiz kabul edildiği bir durumda gelen dalgaların oluşturacağı kuvvetlerdir. Etkileşim kuvvetleri, yapının hareketi ile etrafa dağılan dalgaların hareketini tanımlayan radyasyon hız potansiyelinin, yapının dinamik karakteristiği olan mod şekilleri ile eşleştirilmesiyle yapının her bir doğal modu için elde edilebilir. Modal açılım olarak bilinen bu yaklaşım ile radyasyon potansiyelini tanımlayan sınır değer problemi akışkan-yapı ara yüzü üzerinde bir sınır integral denklem olarak ifade elde edilebilir. Bu integral denklem sınır eleman yöntemiyle çözülerek, yapı ıslak yüzeyi üzerindeki potansiyel dağılımı ve sonrasında yapıya etkiyen genelleştirilmiş etkileşim kuvvetleri (ek su kütlesi ve hidrodinamik sönüm etkileri olarak) elde edilmiştir. Sınır eleman uygulamasında kullanılan serbest yüzey Green fonksiyonunun akışkan serbest yüzey şartını tüm serbest yüzey üzerinde sağlamasından dolayı ortaya çıkan düzensiz frekans etkilerini ortadan kaldırmak için, yapının su hattındaki varsayımsal iç serbest yüzey, üzerinde duvar şartı tanımlanarak, problem sınır yüzeyine eklenmiştir. Genelleştirilmiş dalga tahrik kuvvetleri, gelen ve saçılan dalgaların hız potansiyelini içeren difraksiyon bir hız potansiyeliyle verilebilir. Bu çalışmada dalga tahrik kuvvetleri, Haskind ilişkileri kullanılarak, gelen dalga ve radyasyon potansiyelleri cinsinden doğrudan hesaplanmıştır. Akışkan-yapı etkileşim kuvvetlerinin zaman bölgesine taşınması, frekans bölgesi değerlerinin sayısal integrasyonu ile elde edilen etki-tepki fonksiyonlarına (impulse response function) konvolusyon uygulanmasıyla gerçekleştirilmiştir. Bu ifade, belirli bir an için etkileşim kuvvetlerinin yapının hareket geçmişine bağlı olduğuna işaret eder. Bu nedenle, analiz esnasında yapının hareket geçmişinin belirli bir zaman dilimi için elde tutulması gerekir. Dalga tahrik kuvvetlerinin zaman bölgesinde temsili için, frekans bölgesinde birim dalga genliği için elde edilen tahrik kuvvetlerine sinüs dönüşümü uygulanmıştır. Dalga genlikleri Pierson-Moskowitz dalga spektrumu kullanılarak hesaplanmıştır.Aerodinamik kuvvetler kanat eleman momentum teorisi kullanarak hesaplanmıştır. Bu teoride, rüzgâr türbini kanatları yeter sayıda elemanla ayrıklaştırılarak, her eleman kesiti üzerinde iki boyutlu akış analizi yapılır ve her eleman için elde edilen kuvvetler kanat boyunca tümlenerek rotor üzerindeki rüzgâr kuvvetleri elde edilir. Bu kapsamda, her zaman adımında rotor üzerindeki kuvvetler hesaplanmış ve motor beşiği aracılığıyla kulelere aktarılmıştır. Bu aşamada, açık kaynak simülasyon kodu FAST kullanılmıştır.Sonlu eleman modeline türbin kulesinin üst noktasından aktarılacak aerodinamik yükler hesaplanırken, kanatların elastik hareketleri, jeneratörün dönme hareketi, şaft burulması ve motor beşiğinin yalpa hareketi dikkate alınmıştır. Aerodinamik kuvvetler laminer sabit hızlı rüzgâr durumu düşünülerek hesaplanmıştır.Yapının zaman bölgesindeki genelleştirilmiş hareket denklemi durum uzayında temsil edilmiş, çözüm için 4. dereceden Runge-Kutta metodu kullanılmıştır. Her zaman adımı için yapı üzerine etkiyen tahrik ve etkileşim kuvvetleri ve bu kuvvetlere yapının cevabı olarak, deplasman, hız ve ivme değerleri elde edilmiştir.Analizler sonucunda pervane-motor beşiği düzeneğinin yönünün dinamik karakteristikler üzerindeki etkisi gözlemlenmiş, modellenen rüzgâr türbininde bu düzenek kule ekseni etrafında dönme serbestlik derecesine sahip ise, her çevresel durum için dinamik karakteristiklerin güncellenmesi gerektiği sonucuna ulaşılmıştır.İncelenen yüzer rüzgâr tribünü sistemi için, genelleştirilmiş aerodinamik kuvvetlerin genelleştirilmiş hidrodinamik kuvvetlere göre daha büyük mertebede olduğu gözlenmiştir. Yapısal tepkinin daha ziyade aerodinamik kuvvetlerce belirlenmesi, etkileşim kuvvetleri şiddetinde kanat geçiş frekansı ile (üç kanatlı pervane için dönme frekansının üç katı) bir salınıma sebep olmuştur. İncelenen çevre durumları kapsamında, yapısal tepkinin yanal dalga-rüzgâr durumu için minimumda olduğu görülse de, azami enerji üretimi çaprazdan gelen dalga-rüzgâr durumu için elde edilmiştir. In recent years, studies demonstrating the potential of the offshore wind energy have shown that the installation site of the wind turbines needs to be extended to areas farther from the shore. However, bottom founded type offshore wind turbines have limited the installation site to the near-shore areas, so far. Making more use of the wind energy source is possible through the floating type offshore wind turbines. Due to the extreme loads, comprehensive response analysis of the floating offshore wind turbines under combined wave and wind excitation is essential during the initial design.In this study, the response analysis of the large-scale floating platform carrying two wind turbines is performed under combined wave and wind loads. It is well accepted that the investigation of the rigid body motions of the floater is sufficient in response analysis; however, the elastic motions of the floater should be considered in present study due to its dimensions.In order to analyze the aero-hydro-elastic response of the floater, firstly the dynamic characteristics are determined by the finite element analysis by considering that the response of the structure can be represented by its dynamic characteristics. The rotor-nacelle assembly of the wind turbine is imitated by a concentrated mass with rotational inertia in finite element analysis. Hydrodynamic radiation and wave forces in frequency domain are computed according to the dynamic characteristics by using the boundary element method and transformed to their time domain representation by the convolution of the radiation impulse response function and using the sine transformation, respectively. The sea state is modeled by using the Pierson-Moskowitz wave spectra. The aerodynamic forces are obtained by considering the steady wind condition and using the blade element momentum theory. The time domain response of the structure is acquired by the time integration of the equation of motion. 89 |
