انرژی, انرژی بادی

ژنراتور توربین بادی

ژنراتور توربین بادی

ژنراتور توربین بادی : انواع، مزایا و معایب

یکی از چالش های اصلی انرژی باد، فناوری ژنراتور توربین بادی است. در مورد بهترین فناوری تولید ژنراتور توربین بادی بین دانشگاهیان و صنعت اتفاق نظر وجود ندارد. به طور سنتی، سه نوع اصلی از ژنراتورهای توربین بادی (WTG) وجود دارد که می تواند برای سیستم های مختلف توربین بادی در نظر گرفته شود، اینها ژنراتورهای جریان مستقیم(DC) ، سنکرون (synchronous) جریان متناوب(AC) و آسنکرون(asynchronous) جریان متناوب هستند.

در اصل می توان هر کدام را با سرعت ثابت یا متغیر(variable speed) اجرا کرد. با توجه به نوسان داشتن توان باد، کار با ژنراتور توربین بادی با سرعت متغیر که تنش فیزیکی را روی پره های توربین و قطار محرک(drive train) کاهش می دهد و باعث بهبود کارایی آیرودینامیکی (aerodynamic) سیستم و رفتارهای گذرا گشتاور(torque transient) می شود، سودمند است.

(الف) فن آوری های ژنراتور DC

در ماشین های DC معمولی، میدان(field) روی استاتور(stator) و آرماتور(armature) روی روتور(rotor) قرار دارد. استاتور شامل تعدادی قطب(pole) است که یا توسط آهن ربا های دائمی(permanent magnets) و یا با سیم پیچ های(windings) میدان DC تحریک می شوند. اگر دستگاه تحریک الکتریکی(electrically excited) است، تمایل دارد از مفهوم ژنراتور DC سیم پیچ شانت(shunt wound) پیروی کند.

فن آوری های قطار محرک سطح سیستمی

نمونه ای از سیستم ژنراتور بادی DC در شکل زیر نشان داده شده است. این شامل یک توربین بادی(wind turbine)، یک ژنراتورDC ، یک اینورتر ترانزیستور دو قطبی دروازه عایق (insulated gate bipolar transistor (IGBT) inverter) ، یک کنترل کننده، یک ترانسفورماتور(transformer) و یک شبکه قدرت(power grid) است. برای کسب اطلاعات بیشتر مقاله اجزای توربین بادی را مطالعه بفرمایید.

قطار محرک توربین بادی

قطار محرک توربین بادی

برای ژنراتورهای DC سیم پیچ شانت، جریان میدان (و در نتیجه میدان مغناطیسی) با سرعت بهره برداری افزایش می یابد در حالی که سرعت واقعی توربین بادی با تعادل بین گشتاور محرک WT و گشتاور بار تعیین می شود. روتور شامل هادی(conductors) است که روی یک آرماتور پیچیده می شوند و به یک اسلیپ رینگ(split-slip ring) یا اتصال گردشی متصل هستند. توان الكتریكی از طریق برس هایی (brushes) به کموتاتور (commutators) که برای یک سوکردن برق(rectify) متناوب تولید شده به خروجی DC استفاده می شود، متصل می شود. واضح است که به تعمیر و نگهداری منظم نیاز دارند و به دلیل استفاده از کموتاتور و برس نسبتاً هزینه بر هستند. به طور کلی، این نوع ژنراتور توربین بادی DC در برنامه های توربین بادی غیر معمول هستند، مگر در شرایط تقاضای کم برق که بار از نظر فیزیکی نزدیک به توربین بادی است و برای کاربرد های گرمایشی یا در شارژ باتری استفاده می شود.

ژنراتور توربین بادی

شماتیک یک سیستم ژنراتور توربین بادی DC

 

ژنراتور توربین بادی

کموتاتور روتور ژنراتور توربین بادی

 

ژنراتور توربین بادی

روتور ژنراتور توربین بادی شامل اسلیپ رینگ و براش

(ب) فن آوری های ژنراتور سنکرون AC

از زمان اولیه تولید توربین های بادی، تلاش های قابل توجهی برای استفاده از ماشین های سنکرون(همزمان) سه فاز انجام شده است. ژنراتور سنکرون AC می توانند تحریکات(excitations) ثابت یا DC را با آهن ربای دائمی یا مغناطیس الکتریکی(electromagnets) انجام دهند و از این رو به ترتیب از ژنراتورهای سنکرونمغناطیس دائمی (PMSG) و ژنراتورهای سنکرون تحریک الکتریکی (EESG) نام برده می شوند. هنگامی که روتور توسط توربین بادی حرکت می کند، یک توان سه فاز در سیم پیچ های استاتور تولید می شود که از طریق ترانسفورماتورها و مبدل های برق به شبکه متصل می شوند. برای ژنراتورهای سنکرون با سرعت ثابت(fixed speed)، سرعت روتور باید دقیقاً در سرعت سنکرون(synchronous speed) حفظ شود. در غیر این صورت همزمانی(سنکرون) از بین می رود.

ژنراتورهای سنکرون یک فن آوری ماشین آلات اثبات شده هستند، زیرا مدت زمان طولانی است که عملکرد آنها برای تولید برق مورد مطالعه و قبول بوده است. نمودار برش خورده از یک ژنراتور سنکرون معمولی در شکل زیر نشان داده شده است. در تئوری، ویژگی های توان راکتیو(reactive power) ژنراتور توربین بادی سنکرون را می توان به راحتی از طریق مدار میدان(field circuit) برای تحریک الکتریکی کنترل کرد. با این وجود، هنگام استفاده از مولدهای سنکرون با سرعت ثابت، نوسانات سرعت تصادفی باد و اختلالات دوره ای ناشی از اثرات سایه باد برج و تشدیدهای (resonances) طبیعی اجزا به شبکه برق منتقل می شوند.

علاوه بر این، ژنراتورهای توربین بادی سنکرون دارای اثر میرایی کم هستند به طوری که اجازه نمی دهند حالت گذرا های قطار محرک(drive train transients) به صورت الکتریکی جذب شوند. در نتیجه، آنها به یک عنصر میرایی اضافی (به عنوان مثال کوپلینگ(coupling) انعطاف پذیر در قطار محرک)، یا مونتاژ جعبه دنده نصب شده بر روی فنرها(springs) و دامپرها(dampers) نیاز دارند. وقتی آنها در شبکه برق ادغام می شوند، همگام سازی فرکانس آنها با شبکه، یک بهره برداری ظریف و دقیق را می طلبد. بعلاوه آنها معمولاً پیچیده تر، پرهزینه تر و مستعد خرابی، نسبت به ژنراتورهای القایی هستند.

در مورد استفاده از آهن ربای الکتریکی در ماشین های سنکرون، کنترل ولتاژ در دستگاه سنکرون صورت می گیرد در حالی که در ماشین های تهییج مغناطیسی دائمی، کنترل ولتاژ در مدار مبدل(converter circuit) حاصل می شود.

ژنراتور توربین بادی

برش ژنراتور آسنکرون توربین بادی

ژنراتور توربین بادی

روتور ژنراتور سنکرون براشلس

 

در دهه های اخیر، ژنراتورهای PM به دلیل چگالی توان بالا(high power density) و جرم کم به تدریج در برنامه های توربین بادی مورد استفاده قرار می گیرند. غالباً از این ماشین ها به عنوان ژنراتور های سنکرون آهنربای دائمی (PMSG) یاد می شود و به عنوان ماشین انتخابی در ژنراتور توربین بادی کوچک در نظر گرفته می شود. ساختار ژنراتور نسبتاً ساده (straightforward) است. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، آهنرباها دائمی های ناهموار (rugged) بر روی روتور نصب می شوند تا یک میدان مغناطیسی ثابت تولید کنند و برق تولید شده با استفاده از کموتاتور، اسلیپ رینگ یا برس از آرماتور (استاتور) گرفته می شود و حتی در ژنراتور با استاتور بیرونی با اتصال سیمی ساده برق گرفته می شود. بعضی اوقات می توان PM ها را به منظور کاهش هزینه ها در یک روتور آلومینیومی ریخته گری استوانه ای ادغام کرد. اصول عملکرد ژنراتورهای مغناطیس دائمی مانند ژنراتورهای سنکرون است با این تفاوت که ژنراتورهای PM می توانند به صورت غیر همزمان(asynchronously) هم کار کنند. استفاده از PM ها سیم پیچ میدان(field winding) و تلفات برق مربوط به آن را برطرف می کند اما کنترل میدان را غیرممکن می کند و هزینه PM ها برای ماشین های بزرگ بسیار زیاد است.

از آنجا که سرعت واقعی باد متغیر است، PMSG نمی توانند برق با فرکانس ثابت تولید کنند. در نتیجه، آنها باید از طریق تبدیل AC-DC-AC توسط مبدل های برق به شبکه برق متصل شوند. یعنی برق متناوب تولید شده (با فرکانس و اندازه متغیر) ابتدا به DC ثابت یک سو می شود و سپس دوباره به برق AC (با فرکانس و اندازه ثابت) تبدیل می شود. همچنین استفاده از این ماشین های آهنربای دائمی برای کاربرد محرک مستقیم بسیار جذاب است. بدیهی است که در این حالت آنها می توانند گیربکس های دردسرساز را که باعث خرابی اکثر توربین های بادی می شوند، حذف کنند. دستگاه ها باید تعداد قطب های زیادی(تعداد قطب بیشتر به معنای دور نامی کمتر است) داشته باشند و از نظر فیزیکی بزرگتر از یک ماشین دنده ای با توان مشابه هستند. برای کسب اطلاعات بیشتر پیرامون جعبه دنده و محرک مستقیم مقاله آینده توربین بادی را مطالعه بفرمایید.

ژنراتور توربین بادی

تصویر برش خورده یک ژنراتور سنکرون مغناطیس دائمی

 

ژنراتور توربین بادی

روتور ژنراتور مغناطیس دائمی

 

یک نوع بالقوه از ژنراتورهای سنکرون، ژنراتور ابررسانای دمای بالا(high-temperature superconducting) است. سیستم ژنراتور سنکرون HTS چند مگاواتی و سرعت پایین در شکل زیر نشان داده شده است. این دستگاه شامل آهن پشت یا یوک (back iron) استاتور، سیم پیچ مس استاتور، سیم پیچ های میدان HTS ، هسته روتور(rotor core)، ساختار پشتیبانی روتور، سیستم خنک کننده روتور، کریوستات(cryostat) و یخچال خارجی، سپر الکترومغناطیسی(electromagnetic shield) و دمپر(damper)، بلبرینگ، شافت و پوسته (housing) است. در طراحی دستگاه، تنظیمات استاتور، روتور، خنک کننده و جعبه دنده ممکن است چالش های خاصی را ایجاد کند تا سیم پیچ های HTS را در شرایط بهره برداری دمای پایین نگه دارد.

ژنراتور توربین بادی

شماتیک یک سیستم ژنراتور سنکرون HTS

 

 

ژنراتور توربین بادی ابررسانا

ژنراتور توربین بادی ابررسانا

 

سیم پیچهای ابررسانا ممکن است 10 برابر سیمهای مسی معمولی با مقاومت و تلفات ناچیز جریان حمل کنند. بدون تردید، استفاده از ابررساناها تمام اتلاف توان مدار میدانی را از بین می برد و توانایی ابررسانایی برای افزایش چگالی جریان را برای میدان های مغناطیسی بالا امکان پذیر می کند، که منجر به کاهش قابل توجهی در جرم و اندازه ژنراتور توربین بادی می شود.

بنابراین، ژنراتورهای ابررسانا نویدبخش افزایش ظرفیت و کاهش وزن هستند، شاید برای توربین های بادی با ظرفیت 10 مگاوات یا بیشتر بهتر باشد. در سال 2005، زیمنس با موفقیت اولین مولد توربین بادی ابررسانا در جهان را که یک مولد سنکرون 4 مگاواتی بود، راه اندازی کرد. با این حال، چالش های فنی زیادی به خصوص برای سیستم های توربین بادی با طول عمر بالا و نگهداری کم وجود دارد. به عنوان مثال، همیشه نیاز به حفظ سیستم های برودتی وجود دارد تا زمان خنک شدن و بازیابی عملیات پس از توقف کنترل شود.

(ج) ژنراتورهای آسنکرون  AC

در حالی که تولید برق متداول از ماشین های سنکرون استفاده می کند، سیستم های مدرن انرژی باد از ماشین های القایی(induction machines) به طور گسترده ای در کاربردهای توربین بادی استفاده می کنند. این ژنراتورهای القایی به دو نوع تقسیم می شوند: ژنراتورهای القایی با سرعت ثابت  fixed speed induction generators (FSIG)) با روتور قفس سنجابی (squirrel cage) که بعضی اوقات به آن ژنراتورهای القایی قفس سنجابی SQIG  گفته می شود و ژنراتورهای القایی با تغذیه مضاعف (doubly-fed induction generators (DFIGs)) با روتورهای سیم پیچی(wound rotors). نمودارهای برش خورده از یک ژنراتور القایی قفس سنجابی و یک ژنراتور القایی با تغذیه مضاعف به ترتیب در شکل های زیر ارائه شده اند و توپولوژی سیستم آنها در شکل بعد بیشتر نشان داده شده است.

ژنراتور توربین بادی

روتور قفس سنجابی و اسلیپ رینگ

هنگامی که با برق سه فاز متناوب به استاتور عرضه می شود، یک میدان مغناطیسی چرخان (rotating magnetic field) در سراسر فاصله هوایی(airgap) ایجاد می شود. اگر روتور با سرعتی متفاوت از سرعت سنکرون بچرخد، یک لغزش(slip) ایجاد می شود و مدار روتور انرژی می گیرد. به طور کلی، ماشین های القایی ساده، قابل اعتماد، ارزان و به خوبی توسعه یافته اند. آنها دارای درجه بالایی از میرایی(damping) هستند و قادر به جذب نوسانات سرعت روتور و انتقال گذرای قطار محرک (به عنوان مثال تحمل خطا(fault tolerant)) هستند. با این حال، ماشین های القایی توان راکتیو را از شبکه می گیرند و بنابراین نوعی جبران توان راکتیو مانند استفاده از خازن ها یا مبدل های برق مورد نیاز است. برای ژنراتورهای القایی با سرعت ثابت، استاتور از طریق یک ترانسفورماتور به شبکه و روتور از طریق یک جعبه دنده به توربین بادی متصل می شود. سرعت روتور ثابت در نظر گرفته می شود (در واقع، در یک محدوده باریک متفاوت است). تا سال 1998 بیشتر تولیدکنندگان توربین بادی ژنراتورهای القایی با سرعت ثابت 1.5 مگاوات و کمتر تولید کردند. این ژنراتورها به طور معمول با 1500 دور در دقیقه (دور در دقیقه) برای شبکه 50 هرتزی و با یک جعبه دنده سه مرحله ای(three-stage gearbox) کار می کردند.

ژنراتور توربین بادی

برشی از ژنراتور القایی قفس سنجابی

ژنراتور توربین بادی

برش یک ژنراتور القایی با تغذیه مضاعف با یک ترانسفورماتور دوار

 

از SCIG ها می توان در توربین های بادی با سرعت متغیر، مانند کنترل ماشین های همزمان استفاده کرد. با این حال، ولتاژ خروجی قابل کنترل نیست و نیاز به تزریق توان راکتیو از بیرون است. واضح است که ژنراتورهای القایی با سرعت ثابت فقط در محدوده بسیار کمی از سرعت گسسته(discrete speeds) کار می کنند. سایر معایب ماشین آلات مربوط به اندازه دستگاه، سر و صدا، کارایی کم و قابلیت اطمینان است. ثابت شده است که این ماشین ها باعث خرابی فوق العاده سرویس و در نتیجه نگهداری می شوند.

شماتیک دو سیستم ژنراتور القایی

شماتیک دو سیستم ژنراتور القایی

SCIGs  در گذشته بازار توربین های بادی را رهبری می کرد که با انتخاب گسترده DFIG جایگاه خود را از دست داد. امروزه، بیش از 85٪ توربین های بادی نصب شده از DFIG استفاده می کنند و بیشترین ظرفیت برای تولید توربین بادی تجاری با DFIG به 5 مگاوات در صنعت افزایش یافته است. در توپولوژیDFIG ، استاتور مستقیماً از طریق ترانسفورماتورها به شبکه و روتور از طریق مبدل های برق PWM به شبکه متصل می شوند. مبدل ها می توانند جریان مدار روتور، تغییر فرکانس و زاویه فاز را کنترل کنند.

چنین ژنراتورهای القایی قادر به کار در یک دامنه لغزش گسترده(wide slip range) (به طور معمول ± 30٪ سرعت سنکرون) هستند. در نتیجه، آنها مزایای زیادی از جمله بازدهی زیاد انرژی، کاهش تنشهای مکانیکی و نوسانات توان و قابلیت کنترل توان راکتیو را ارائه می دهند. برای ژنراتورهای القایی، تمام توان راکتیو فعال کننده مدارهای مغناطیسی باید توسط شبکه یا خازن های محلی تأمین شود. ژنراتورهای القایی مستعد بی ثباتی ولتاژ هستند. وقتی از خازن ها برای جبران ضریب توان(power factor) استفاده می شود، خطر ایجاد خود برانگیختگی(self-excitation) وجود دارد. علاوه بر این، اثر میرایی ممکن است باعث از بین رفتن قدرت در روتور شود. هیچ كنترل مستقیمی بر ولتاژ ترمینال (بنابراین توان راكتیو) و همچنین جریانهای خطای پایدار (sustained fault currents) وجود ندارد.

همانطور که در شکل بالا نشان داده شده است، روتور DFIG از طریق سیستم قطار محرک به صورت مکانیکی به توربین بادی متصل می شود که ممکن است دارای شافت های سرعت بالا و پایین، یاتاقان و جعبه دنده باشد. روتور توسط مبدلهای منبع ولتاژ دو جهته(bi-directional voltage-source) تغذیه می شود. بدین ترتیب، می توان سرعت و گشتاور DFIG را با کنترل مبدل سمت روتور (grid-side converter (GSC)) تنظیم کرد. ویژگی دیگر این است که DFIG ها می توانند هم شرایط زیر همزمان(sub-synchronous) و هم ابر همزمان(super-synchronous) کار کنند. استاتور همیشه برق را به شبکه منتقل می کند در حالی که روتور می تواند از هر دو جهت توان را کنترل کند. مبدل های PWM قادر به تأمین ولتاژ و جریان در زوایای فاز مختلف هستند. در عملیات زیر همزمان، مبدل سمت روتور به عنوان یک اینورتر(inverter) و مبدل سمت شبکه (GSC) به عنوان یکسو کننده(rectifier) عمل می کند. این حالت، جریان فعال از شبکه به روتور جریان دارد. در شرایط ابر همزمان RSC به عنوان یکسوساز و GSC  به عنوان اینورتر کار می کند. در نتیجه، قدرت فعال از استاتور و همچنین روتور به شبکه قدرت جریان دارد.

مدار معادل هر فاز ژنراتور القایی تزریق مضاعف

مدار معادل هر فاز ژنراتور القایی تزریق مضاعف

برای تجزیه و تحلیل عملکردDFIG ، همیشه باید مدار معادل آن را در هر فاز انتخاب کنید، همانطور که در شکل قبل نشان داده شده است. از این شکل می توان دریافت که DFIG با ماشین القایی معمولی در مدار روتور که منبع ولتاژ برای تزریق ولتاژ به مدار روتور اضافه می شود، متفاوت است. کنترلd-q  واقعی DFIG مشابه اندازه و کنترل فاز ولتاژ تزریق شده در مدار است.

در DFIGs توان فعال برای ارزیابی توان خروجی استفاده می شود و توان راکتیو مسئول رفتار الکتریکی آن در شبکه قدرت استDFIG  برای ایجاد میدان مغناطیسی خود به مقداری توان راکتیو نیاز دارد. در مورد سیستم های متصل به شبکه، ژنراتور توان راکتیو را از خود شبکه به دست می آورد

 در صورت کارکرد سیستم ایزوله(isolated system)، توان راکتیو باید توسط منابع خارجی مانند خازن ها یا باتری ها تأمین شود.

 (د) فن آوری ژنراتور رلاکتانس سوئیچی

ژنراتور رلاکتانس سوئیچی (Switched Reluctance Generator) با روتورهای برجسته(salient rotors) و استاتور مشخص می شوند. با چرخش روتور، رلاکتانس مدار مغناطیسی متصل کننده استاتور و روتور تغییر می کند و به نوبه خود باعث ایجاد جریاناتی در سیم پیچ روی آرماتور (استاتور) می شود. برای مشاهده شماتیک سیستم ژنراتور رلاکتانس سوئیچی به شکل زیر نگاه کنید.

شماتیک سیستم ژنراتور رلاکتانس سوئیچی

شماتیک سیستم ژنراتور رلاکتانس سوئیچی

 

 

ژنراتور توربین بادی

موتور رلاکتانس سوئیچی- روتور و استاتور

 

روتور رلاکتانس از ورق های فولادی لایه ای (laminated) ساخته شده است و هیچ سیم پیچ میدان الکتریکی یا آهنربای دائمی ندارد. در نتیجه، ماشین رلاکتانس ساده است و ساخت و مونتاژ آسان دارد. یک ویژگی بارز، قابلیت اطمینان(reliability) بالای آنها است زیرا آنها می توانند در محیط های سخت یا دمای بالا کار کنند. از آنجا که گشتاور رلاکتانس فقط کسری از گشتاور الکتریکی است، روتور رلاکتانس سوئیچی به طور کلی بزرگتر از بقیه با تحریک های الکتریکی برای یک گشتاور نامی مشخص است. اگر ماشین های رلاکتانس با ویژگی های محرک مستقیم ترکیب شوند، دستگاه بسیار بزرگ و سنگین خواهد بود و باعث می شود در کاربردهای توربین بادی کمتر مطلوب باشند.

ژنراتور توربین بادی

لمینیت فولاد سیلیکون دار برای استاتور و روتور

ملاحظات و چالش های طراحی ژنراتور توربین بادی

به طور کلی، ژنراتورهای توربین بادی را می توان از ماشین های الکتریکی موجود در بازار با یا بدون تغییرات جزئی انتخاب کرد. اگر برای مطابقت با یک سایت خاص نیاز به طراحی توربین بادی باشد، برخی از موارد اصلی باید در نظر گرفته شوند. که شامل موارد زیر است:

  • انتخاب ماشین
  • نوع قطار محرک
  • توپولوژی برس (Brush topology)
  • سرعت بهره برداری و سرعت نامی
  • گشتاور بهره برداری و گشتاور نامی
  • توان و جریان
  • تنظیم ولتاژ (ژنراتورهای سنکرون)
  • روش های راه اندازی
  • جریان راه اندازی (ژنراتورهای القایی)
  • همگام سازی(Synchronizing) (ژنراتورهای همزمان)
  • سیستم خنک کاری
  • ضریب توان و جبران توان راکتیو (ژنراتورهای القایی)
  • توپولوژی مبدل برق
  • وزن و اندازه
  • خوردگی و حفاظت (محیط دریایی)
  • هزینه سرمایه گذاری و نگهداری

در میان این ملاحظات طراحی، انتخاب سرعت کاری(operating speed)، نوع حرکت(drive type)، توپولوژی برس و مبدل توان بیشتر روی جزئیات متمرکز می شوند.

(الف) سرعت ثابت یا متغیر؟

واضح است که کار با WTG ها با سرعت متغیر به چند دلیل سودمند است. هنگامی که سرعت باد کمتر از حد مجاز است، چرخش روتور با سرعت باد زمانی بیشترین توان را می دهد که نسبت سرعت خطی نوک پره به سرعت هوا(عدد لاندا که بین 6 تا 8 فرض می شود) ثابت نگه داشته شود.

عملکرد با سرعت متغیر به کاهش تنش های مکانیکی نوسان در قطار محرک و شافت دستگاه، احتمال خستگی(fatigue) و آسیب و همچنین صدای صوتی آئرودینامیکی کمک می کند. روتور می تواند به عنوان یک واحد ذخیره باز تولید کننده(regenerative) عمل کند (به عنوان مثال چرخ طیار(flywheel))، گشتاور و نوسانات توان را صاف(smoothing out) می کند. کنترل مستقیم گشتاور فاصله هوایی نیز در به حداقل رساندن نوسانات گشتاور گیربکس کمک می کند. از آنجا که بین ژنراتور توربین بادی و شبکه برق یک مبدل فرکانس وجود دارد، امکان جدا کردن فرکانس شبکه و سرعت چرخش روتور وجود دارد. این اجازه کار روتور با سرعت متغیر و قابلیت کنترل گشتاور فاصله هوایی در دستگاه را می دهد. بعلاوه، عملکرد با سرعت متغیر امکان کنترل جداگانه توان فعال و راکتیو و همچنین ضریب توان را فراهم می کند. در تئوری، ممکن است از برخی ژنراتورهای توربین بادی برای جبران ضریب توان کم ناشی از مصرف کنندگان همسایه(neighboring consumers) استفاده شود. از نظر اقتصادی، توربین بادی با سرعت متغیر می تواند 8 تا15درصد بیشتر از سرعتهای ثابت تولید کند. با این وجود، هزینه های سرمایه ناشی از محرک سرعت متغیر و مبدل های قدرت و همچنین پیچیدگی و الزامات کنترل افزایش می یابد.

سیستم کنترل سرعت متغیر

سیستم کنترل سرعت متغیر

اصولاً با استفاده از گیربکس های دیفرانسیل(differential) یا سیستم های انتقال متغیر پیوسته(continuously-variable transmission systems)، بر اساس کنترل سرعت و سرعت زاویه ای(angular speed) ژیروسکوپ ها(gyroscopes)، می توان به صورت مکانیکی بهره برداری سرعت متغیرقابل دستیابی است. اما روش کلی دستیابی به این هدف از طریق وسایل الکتریکی است.

دو روش عمده در استفاده وجود دارد: سرعت متغیر دامنه وسیع(broad range) و دامنه باریک(narrow range). اولی به یک دامنه عملیاتی گسترده از صفر تا سرعت نامی کامل اشاره دارد و دومی به یک محدوده عملیاتی کسری (تا ± 50 درصد)) سرعت سنکرون اشاره دارد. در واقع، این محدوده باریک عملا کافی است و می تواند در هزینه های قابل توجهی در مبدل های الکترونیکی برق صرفه جویی کند. کنترل سرعت حلقه بسته(closed loop) از چنین روشی در شکل بالا نشان داده شده است.

در طراحی توربین های بادی با سرعت متغیر، سه جنبه کنترل در ارتباط با سرعت باد باید مورد توجه قرار گیرد.

  • اول باید برای دستیابی به حداکثر بازده آیرودینامیکی با تغییر سرعت روتور با سرعت واقعی باد، یک سرعت نوک(tip speed) بهینه شده ثابت حفظ شود.
  • دوم، سرعت روتور پس از رسیدن روتور به سرعت نامی باید ثابت باشد، اما در مورد وزش باد متوسط توان ثابت نخواهد بود.
  • سوم، هنگامی که سرعت باد بیشتر است، سیستم های کنترلی زاویه گام(pitch angle control) یا کنترل استال(stall control) برای حفظ یک توان نامی ثابت وجود دارد. در حالی که از کنترل زاویه گام استفاده می شود، زاویه پره برای کنترل سرعت روتور همراه با گشتاور ژنراتور تغییر می کند.

(ب) محرک مستقیم یا دنده ای؟

در یک توربین بادی دنده ای، سرعت ژنراتور با نسبت دنده افزایش می یابد به طوری که کاهش وزن دستگاه با افزایش وزن گیربکس جبران می شود. به عنوان مثال، توربین بادی با سرعت 15 دور در دقیقه کار می کند و ژنراتور برای کار با 1200 دور در دقیقه (برای 60 هرتز) طراحی شده است. برای مطابقت با سرعت / گشتاور توربین با این ژنراتور، یک جعبه دنده با سرعت 1:80 مورد نیاز است.

با این حال، از نظر تاریخی، خرابی جعبه دنده چالش های اساسی برای بهره برداری از مزارع بادی است. این امر به ویژه در مورد توربین های بادی دریایی که در محیط های سخت(harsh) و کم دسترسی واقع شده اند، صادق است. به همین دلیل، سیستم های محرک مستقیم به طور فزاینده ای در سیستم های جدید توربین بادی مطلوب هستند. یک مثال ژنراتور سنکرون تهییج شده با روتور میدان سیم پیچی شده(wound field)، یک طراحی کاملاً ثابت در بازار است و دیگری ممکن است یک طراحی ژنراتور آهنربای نئودیمیم (neodymium) باشد که همچنین توجه بسیاری را در بازار جلب می کند.

انواع آهنربای نئودیمیم

انواع آهنربای نئودیمیم

 

بدیهی است که با پیکربندی(configuration) محرک مستقیم، نیاز به چرخ دنده و مشکلات قابلیت اطمینان مربوطه را برطرف می کند. بنابراین، برخی از تولیدکنندگان توربین بادی اکنون برای افزایش قابلیت اطمینان سیستم به سمت ژنراتور های محرک مستقیم حرکت می کنند. از آنجا که ژنراتور توربین بادی با مبدلهای الکترونیکی قدرت کار می کنند، توپولوژی محرک مستقیم می تواند تا حدی انعطاف پذیری در ولتاژ و توان مورد نیاز ماشین ها را فراهم کند. با این وجود، یک نقص محرک مستقیم با سرعت کم کارکرد ژنراتور توربین همراه است. همانطور که سرعت اسمی دستگاه کاهش می یابد، حجم و وزن روتور آن برای یک توان خروجی معین تقریباً در نسبت معکوس افزایش می یابد. این را می توان در معادله زیر حاوی توان خروجی هر ماشین الکتریکی چرخان توضیح داد.

توان ژنراتور توربین بادی

توان ماشین الکتریکی چرخان

که در ان k عدد ثابت،n  سرعت چرخش روتور،D  قطر روتور و L طول روتور، در واحدهای دلخواه است. محرک مستقیم اندازه ژنراتورهای الکتریکی را افزایش می دهد که بخشی از صرفه جویی در وزن ناشی از حذف گیربکس ها را جبران می کند. برای ژنراتور توربین بادی محرک مستقیم، شکل زیر را ببینید که بیش از 10 برابر بزرگتر از ژنراتور دنده ای معادل آن است. علاوه بر این، به طور معمول برای اتصال شبکه به مبدل های قدرت نامی کامل (full rated) نیاز دارد. در نتیجه، همیشه ایجاد تعادل بین وزن ماشین آلات و وزن گیربکس ها لازم است. سیستم های ترکیبی(Hybrid) به جای سه یا چهار سطح دنده مورد نیاز ژنراتورهای معمولی مگاوات از یک یا دو سطح چرخ دنده استفاده می کنند. گاهی اوقات، سیستم های ترکیبی می توانند از نظر عملکرد کلی سیستم توربین بادی، سازش بهتری ارائه دهند.

جعبه دنده توربین بادی

انواع جعبه دنده توربین بادی

 

ژنراتور توربین بادی محرک مستقیم

نمونه ای از ژنراتور توربین بادی محرک مستقیم مگاواتی

 

برای محرک مستقیم، گزینه محبوب، ماشین های سنکرون مغناطیس دائمی است. اگرچه تلاش و سرمایه گذاری قابل توجهی برای بهبود دستگاههای رلاکتانس انجام شده است و آنها هنوز از نظر تجاری قابل رقابت نیستند. محرک مستقیم برخی از چالش های طراحی را بر روی ژنراتور و مبدل های برق ایجاد می کند. برای ژنراتورهای محرک مستقیمPM ، آنها به مقدار قابل توجهی آهنربای دائمی عناصر کمیاب گران قیمت احتیاج دارند. علاوه بر این، نیاز به افزایش نرخ IGBT در مبدل پشت به پشت(back-to-back converter) یا ادغام اجزای مبدل فرعی(side converter) ماشین با سیم پیچ های(windings) استاتور است. بدیهی است که مزیت محرک مستقیم حذف جعبه دنده به ازاء افزایش اندازه و وزن ژنراتور توربین بادی است.

به عنوان یک قاعده کلی، حجم دستگاه متناسب با گشتاور مورد نیاز و معکوس با سرعت بهره برداری در یک توان معین است. افزایش جرم ژنراتور می تواند یک عامل محدود کننده برای توربین بادی دریایی باشد زیرا ظرفیت حمل و نقل به طور کلی به 100 تن محدود می شود به طوری که ژنراتور محرک مستقیم ممکن است بیشتر از 10 مگاوات نباشد.

با گزینه هیبریدی، اندازه و سرعت ژنراتور بین محرکهای مستقیم و جعبه دنده قرار دارد. در این حالت ماشین های سنکرون محبوبیت بیشتری نسبت به ماشین های القایی دارند. به طور کلی شامل ژنراتورهای با سرعت متوسط و چند قطبی است که تقریباً منحصراً ماشین های آهنربای دائمی هستند.

ژنراتور توربین بادی محرک مستقیم

ژنراتور توربین بادی محرک مستقیم شرکت انرکون

(ج) توپولوژی بدون برس یا برس دار؟

به طور کلی، ماشین هایDC ، ژنراتور های سنکرون روتور سیم پیچی، ژنراتورهای القایی روتور سیم پیچی همه از کموتاتور(commutators)، برس یا اسلیپ رینگ برای دسترسی به مدارهای روتور چرخان استفاده می کنند. در نتیجه، تعمیر و نگهداری و تعویض معمول باعث ایجاد برخی مشکلات در کاربردهای انرژی باد، به ویژه برای تاسیسات دریایی می شود. بدیهی است که از بین بردن هرگونه اجزای متصل فیزیکی به قسمتهای چرخان توربین های بادی بسیار مطلوب خواهد بود. روش های مختلفی برای دستیابی به این هدف وجود دارد. به عنوان مثال با استفاده ازDFIG ، ژنراتورهای تغذیه مضاعف بدون برس (brushless doubly-fed generators (BDFGs)) می توانند یک راه حل باشند. آنها از دو سیم پیچ روی استاتور (سیم پیچ توان و سیم پیچ کنترل) با تعداد قطب متفاوت استفاده می کنند. روتور می تواند از نوع قفس سنجاب باشد و یک اتصال غیر مستقیم دو سیم پیچ استاتور از طریق روتور برقرار می شود. همچنین این ممکن است که روتور رلاکتانس را در این توپولوژی استفاده کرد جاییکه ماشین یک ژنراتور رلاکتانس بدون برس(brushless reluctance generator) است. با اصلاح ماشین های معمولی، به دلیل عدم وجود برس و اسلیپ رینگ، اطمینان بیشتری حاصل می شود. جریمه، استفاده از دو ماشین در یک پوسته ماشین است.

(د) مبدل دو سطح، چند سطح یا ماتریس؟

الکترونیک قدرت به عنوان یک جز اصلی و توانمند در سیستم های توربین بادی شناخته شده است. به طور کلی، سه نوع مبدل وجود دارد که به طور گسترده در بازار باد استفاده می شود. این مبدل های دو سطح، چند سطح(multi-level) و ماتریس(matrix) هستند.

همانطور که در شکل زیر (الف) نشان داده شده است، مبدل های دو سطح قدرت معمولاً “مبدل های پشت به پشت PWM (back-to-back PWM converters) نامیده می شوند. آنها شامل دو اینورتر منبع ولتاژ (با طرح کنترل PWM ) متصل از طریق یک خازن DC هستند. این یک فناوری پیشرفته است اما ایراداتی چون هزینه های زیاد، افت سوئیچینگ بالا(switching loss) و خازن های بزرگ DC دارند.

هر مبدل توان دارای سه سطح ولتاژ یا بیشتر، “مبدل چند سطح” نامیده می شود. اینها در شکل زیر (ب) نشان داده شده است. آنها به ویژه در توربین های بادی چند مگاواتی مورد علاقه هستند زیرا ولتاژ و ظرفیت توان بهتر، افت سوئیچینگ و اعوجاج هارمونیک(harmonic distortion) کل کمتری را ارائه می دهند. با این حال، مدارهای الکترونیکی قدرت پیچیده تر و پرهزینه هستند.

 

مبدل برق توربین بادی

سه نوع مبدل برق در کاربرد توربین بادی

مبدل های ماتریسی در نحوه تبدیل AC-AC متفاوت هستند. آنها ضرورت یک مرحله DC را برطرف می کنند و مستقیماً شکل موج ولتاژ AC ورودی را برای مطابقت با خروجی AC مورد نیاز تولید می کنند. همانطور که در بالا (c) نشان داده شده است، آنها به طور کلی دارای 9 سوییچ الکترونیکی قدرت هستند که سه پایه مشترک دارند. حذف خازن هایDC، قابلیت اطمینان، اندازه، کارایی و هزینه مبدل های برق را بهبود می بخشد. از نکات منفی می توان به ولتاژ محدود (تا 86٪ ولتاژ ورودی)، حساسیت به اختلالات(disturbances) شبکه و اتلاف توان(conducting power loss) زیاد اشاره کرد.

مقایسه عملکرد ژنراتور توربین بادی

مقایسه کمی ژنراتورهایDFIG ، سنکرون و مغناطیس دائمی در جدول 1 ذکر شده است. مشاهده می شود که ژنراتورهای توربین بادی محرک مستقیم در مقایسه با نمونه های جعبه دنده ای بزرگتر و دارای طول کمتری هستند. با این داده های محدود، به نظر می رسد DFIG های سه سطحی سبک ترین هستند. ژنراتورهای سنکرون معمولی سنگین ترین و بیشترین هزینه را دارند. علاوه بر این، مقایسه عملکرد ژنراتورهای مختلف توربین بادی در جدول 2 خلاصه شده است.

 

مقایسه کمی ژنراتور توربین بادی

مقایسه کمی ژنراتور توربین بادی

 

مقایسه کمی ژنراتور توربین بادی

مقایسه کمی ژنراتور توربین بادی

نتیجه گیری

انرژی باد بسیار مورد توجه جوامع تحقیقاتی و صنعتی قرار گرفته است. تصور می شود یکی از مناطق رشد در بازار، توربین های بادی دریایی باشد. تلاش مداوم برای توسعه فناوری های پیشرفته ژنراتور توربین بادی در حال حاضر به افزایش تولید، قابلیت اطمینان، قابلیت نگهداری و مقرون به صرفه بودن منجر شده است. در این مرحله، فناوری ژنراتور القایی با تغذیه مضاعف (مجهز به ظرفیت عبور از خطا(fault-ride-through capacity)) همچنان در توربین های بادی متوسط و بزرگ رواج خواهد یافت در حالی که مولدهای آهنربای دائمی ممکن است در توربین های بادی کوچک قابل رقابت باشند. انواع دیگر ژنراتورهای توربین بادی شروع به نفوذ به بازارهای بادی با درجه متفاوتی کرده اند. تجزیه و تحلیل نشان می دهد که یک روند از ژنراتورهای با سرعت ثابت، دنده ای و برس دار به سمت فناوری های مولد با سرعت متغیر، بدون دنده و بدون برس حرکت می کند. در حالی که هنوز وزن سیستم، هزینه و نرخ خرابی را کاهش می دهد.

در این مقاله مروری بر ژنراتورهای مختلف توربین بادی از جمله ژنراتورهای توربین بادی DC ، سنکرون و آسنکرون با مقایسه مزایا و معایب نسبی آنها ارائه شده است. در صورت بهبود بیشتر مولدهای توربین بادی، باید در طراحی، کنترل و بهره برداری از توربین های بادی تجزیه و تحلیل عمیق تری انجام شود. با وجود این، تلاشهای تحقیقاتی و تحقیقاتی مستمر همچنان ادامه دارد، چالشهای متعدد فناوری، زیست محیطی و اقتصادی در سیستمهای بادی وجود دارد. به طور خلاصه، ممکن است بهترین فناوری ژنراتور توربین بادی برای پاسخ به همه ی معیارها وجود نداشته باشد. انتخاب سیستم های پیچیده توربین بادی عمدتا توسط سرمایه و هزینه های بهره برداری تعیین می شود زیرا بازار باد اساساً از نظر هزینه حساس است. در واقع، این تصمیم همیشه به مقایسه هزینه های مواد بین آهنرباهای دائمی، ابررساناها، مس، فولاد یا سایر مواد فعال است که ممکن است از زمان به زمان متفاوت باشد. برای کسب اطلاعات بیشتر مقاله هزینه توربین بادی را مطالعه بفرمایید.

برگرفته از مقاله فناوری ژنراتور توربین بادی از پروفسور مکرو در دانشگاه نیوکاسل

برای کسب اطلاعات بیشتر می تواند مقالات زیر را مطالعه بفرمایید.

 اجزای توربین بادی

ژنراتور توربین بادی

ارتفاع برج توربین بادی

هزینه توربین بادی

نصب توربین بادی

اتصال نیروگاه بادی

پره توربین بادی

جهت باد غالب

میدان بادی

سابه باد

مطالب مرتبط