Ανάλυση-Σύγκριση φορτίσεων διαφόρων τύπων υπεράκτιων Ανεμογεννητριών και στρατηγικές ελέγχου για τη μείωση τους

Abstract

Το πλούσιο αιολικό δυναμικό σε θαλάσσιες περιοχές ρηχών και βαθέων υδάτων αποτελεί μια πολύ καλή προοπτική για την αυξανόμενη χρήση υπεράκτιων πλωτών ανεμογεννητριών, που θα παρέχουν ρεύμα με ανανεώσιμο τρόπο σε μεγάλο μέρος του κόσμου. Για το σκοπό αυτό έχουν αναπτυχθεί ποικίλα ολοκληρωμένα πακέτα προσομοίωσης που λαμβάνουν υπόψη τη συζευγμένη διέγερση και απόκριση του συνολικού συστήματος της πλωτής ανεμογεννήτριας, συμπεριλαμβανομένων των επιδράσεων της ροής του ανέμου, της αεροδυναμικής, της ελαστοδυναμικής, του συστήματος ελέγχου, των κυμάτων και των θαλάσσιων ρευμάτων καθώς επίσης και της υδροδυναμικής. Ένα από αυτά τα αέρο-ύδρο-σέρβο-ελαστικά πακέτα είναι και το HydroGAST (Hydrodynamic, General Aerodynamic and Structural Tool), ανεπτυγμένο στο εργαστήριο Αεροδυναμικής του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, το οποίο χρησιμοποιείται για τις ανάγκες της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Με τη βοήθεια του HydroGAST αναλύεται η συμπεριφορά Ανεμογεννητριών με υποστηρικτική υποδομή τύπου μονοπασσάλου (monopile) και τύπου spar-buoy απέναντι σε διάφορες περιπτώσεις φορτίσεων σχεδιασμού που ορίζονται από τον κανονισμό. Στη συνέχεια γίνεται στατιστική επεξεργασία (μέση τιμή, τυπική απόκλιση, ελάχιστες τιμές, μέγιστες τιμές ) και παραμετρική ανάλυση όλων των δυνάμεων και ροπών καθώς επίσης και της παραγόμενης ισχύος συναρτήσει της ταχύτητας του ανέμου για όλο το πεδίο ταχυτήτων λειτουργίας της ανεμογεννήτριας. Διαπιστώνονται υπερβάλλοντα φορτία στην ονομαστική ταχύτητα και σε μεγαλύτερη από αυτήν για την περίπτωση spar-buoy και καταδεικνύεται η ανάγκη εύρεσης ενός τρόπου για τη μείωση αυτών των υπερβαλλόντων φορτίων. Στην παρούσα εργασία η λύση δίνεται μέσα από την τροποποίηση του συμβατικού συστήματος ελέγχου και το σχεδιασμό ενός εναλλακτικού συστήματος ελέγχου που εισάγει μια πρόσθετη ανάδραση στη ροπή της γεννήτριας λαμβάνοντας υπόψη τη διαμήκη επιτάχυνση της κορυφής του πύργου, φιλτραρισμένη σε ένα χαμηλοπερατό φίλτρο. Η ύπαρξη του φίλτρου σε συνδυασμό με την επιπλέον ανάδραση στο σύστημα ελέγχου είναι ουσιώδους σημασίας, καθότι επιτυγχάνεται μείωση φορτίσεων έως και 40%.

The vast deepwater wind resource represents a potential to use floating offshore wind turbines to power much of the world with renewable energy. For this reason, a lot of comprehensive simulation tools that account for the coupled excitation and response of the complete system, including the influences of wind inflow, aerodynamics, structural dynamics, controls, waves currents and hydrodynamics, are used to design and analyze wind turbines. Such a fully coupled aero-hydro-servo-elastic simulation tool is also HydroGAST (Hydrodynamic, General Aerodynamic and Structural Tool), developed at the laboratory of aerodynamics at the National Technical University of Athens (NTUA). HydroGast tool is used for the purposes of my diploma thesis. In the course of this work first I analyzed the behavior of the monopile and floating spar-buoy design concepts in terms of loads using, as mentioned before, the fully coupled hydro-servo-aeroelastic design tool HydroGast for the modeling of the full wind turbine. The analysis was done for many Design Load Cases (DLC). Then, a statistical post-process including mean values, standard deviations, minimum and maximum values of forces and moments and power production for each wind speed velocity was done and presented through a parametrical analysis in charts. Facing excessive loads by the floating turbine in rated and above rated wind speeds, a way to mitigate loading was sought. This thesis proposes a solution to this problem through my personal modification of the control system. In the new control system an additional generator action taking into account the low pass filtered fore-aft acceleration of the nacelle is introduced. The impact of the low pass filter in cooperation with the additional feedback in the generator torque is of great importance, because with that way a load reduction of 40 percent is achieved.