Επιρροή της θεμελίωσης στο βέλτιστο σχεδιασμό ανεμογεννητριών

Abstract

Η Αιολική Ενέργεια καταγράφει εντυπωσιακή ανάπτυξη τα τελευταία χρόνια, ενώ η σημασία της προστασίας του περιβάλλοντος παράλληλα με την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών του ανθρώπου έχει έρθει στην επιφάνεια. Καινούργιες τεχνολογίες καθιστούν την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τον άνεμο πιο οικονομική σε αντίθεση με την αυξανόμενη τάση του κόστους στην εξόρυξη ορυκτών καυσίμων. Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της επιρροής της θεμελίωσης στο βέλτιστο σχεδιασμό ανεμογεννητριών. Γίνεται βελτιστοποίηση του δομικού σχεδιασμού, με βάση το κόστος ενός χαλύβδινου σωληνοειδή πύργου που στηρίζει μια τυπική ανεμογεννήτρια οριζοντίου άξονα, συναρτήσει του ύψους του. Στη συνέχεια διερευνάται το κέρδος με βάση την παραγωγή ενέργειας από κάθε τύπο ανεμογεννήτριας λαμβάνοντας υπόψη το κόστος του πύργου και της θεμελίωσής του. Για την επίτευξη αυτού του στόχου σχεδιάζονται στο πρόγραμμα SAP2000 πέντε μοντέλα του πύργου της ανεμογεννήτριας σε τέσσερα διαφορετικά ύψη των 80, 100, 120, 140 μέτρων, με διαφορετικό τύπο ανεμογεννήτριας Vestas V80-MW, V90-MW, V112-MW. Εφαρμόζονται τα φορτία που ενεργούν στον πύργο και σχεδιάζεται και η θεμελίωση του κάθε μοντέλου. Τρεις τύποι θεμελίωσης χρησιμοποιούνται, πάκτωση, επιφανειακό πέδιλο και πάσσαλοι και δύο ποιότητες χάλυβα(S235, S450). Στη συνέχεια, τα μοντέλα εισάγονται στο πρόγραμμα βελτιστοποίησης Optimus, στο οποίο διατυπώνεται πλήρως το πρόβλημα βελτιστοποίησης που αφορά τον στόχο σχεδιασμού, τις μεταβλητές σχεδιασμού, τις προκαθορισμένες παραμέτρους και τους σχεδιαστικούς περιορισμούς. Το πρόγραμμα Optimus χρησιμοποιώντας αλγόριθμο βελτιστοποίησης με βάση την μέθοδο διαφορικής εξέλιξης δίνει το βέλτιστο σχεδιασμό με βάση το κόστος. Κατόπιν, αναπτύσσεται μια μεθοδολογία που υπολογίζει τις παραγόμενες κιλοβατώρες για κάθε ύψος του πύργου στον κύκλο ζωής της ανεμογεννήτριας (20 χρόνια), για ένα φάσμα μέσων ετήσιων ταχυτήτων του ανέμου που στηρίζεται σε επί τόπου μετρήσεις σε ύψος 10 μέτρων. Από τις παραγόμενες κιλοβατώρες υπολογίζονται τα αναμενόμενα μικτά κέρδη από τη λειτουργία της ανεμογεννήτριας και ύστερα από αφαίρεση του αρχικού συνολικού κόστους της ανεμογεννήτριας υπολογίζεται το αναμενόμενο κέρδος για κάθε ένα από τα βελτιστοποιημένα μοντέλα ανεμογεννήτριας για όλο το εξεταζόμενο φάσμα μέσων ετήσιων ταχυτήτων αναφοράς. Τέλος, μελετάται η επιρροή του διαφορετικού τύπου θεμελίωσης στο κόστος και κατά συνέπεια στο κέρδος για το κάθε μοντέλο.

Wind Energy shows impressive growth over the last years, while the importance of protecting the environment as the energy needs of human are covered, has come to the surface. New technologies make electricity generation from the wind more economical, in contrast to the increasing cost of fossil fuel extraction. The aim of this thesis is to study the influence of the foundation to optimal design of wind turbines. The structural design is optimized, based on the cost of a tubular steel tower which supports a standard horizontal axis wind turbine in relation with its height. Then, the gain on the output power from each turbine type is examined, taking into account the cost of the tower and its foundation. To achieve this goal, four models of the tower of the wind turbine were designed in the SAP2000 at four different heights of 80, 100, 120, 140 meters, with a different type of wind turbine Vestas V80-MW, V90-MW, V112-MW. Loads acting on the tower were applied and the foundation of every model was designed. Three types of foundation are used, compaction, surface slab and piles and two steel grades(S235 and S450). Then, the models were inserted in the Optimus programme using optimization algorithm in which the full optimization problem was stated, regarding the objective design, the design variables, default parameters and design constraints. The Optimus programme using optimization algorithm based on differential evolution method gives the optimal design based on cost. In addition, a methodology that calculates the kilowatt per hour (kWh) generated for each level of the tower in the life cycle of a wind turbine (20 years) was developed, for a range of average annual wind speed, based on in situ measurements at a height of 10 meters. From the kWh generated, the expected gross profits from the operation of the wind turbine were calculated and after deducting the initial total cost of the wind turbine the expected profit for each of the optimized wind turbine models is calculated for the entire range of reference speeds’ annual average. Finally, the impact of the different types of foundation on the cost and consequently on the profit for each model is examined.