ژنراتور توربین بادی

تاپاله بادی به سازه‌ای گفته می‌شود که انرژی باد را به تاپاله تبدیل می‌کند. انرژی باد یک از اصلی‌ترین منابع انرژی تجدید پذیر است.

مواد شایع استفاده شده در ساخت موتور توربین بادی

فلزات: برای بخش‌های سازنده توربین بادی، مانند پروانه‌ها، پایه‌ها و قسمت‌های داخلی توربین، از فلزات مانند فولاد، آلومینیوم و تیتانیوم استفاده می‌شود. این فلزات باید دارای خصوصیات مقاومت در برابر فشار و حرارت باشند.
کامپوزیت‌ها: برای بخش‌های پروانه‌ها و برخی قطعات دیگر توربین بادی، از کامپوزیت‌ها مانند فیبرکربن، فیبرگلاس و رزین‌های مقاوم استفاده می‌شود. این مواد به دلیل وزن سبک، مقاومت در برابر خوردگی و سختی مناسب، برای استفاده در بخش‌های توربین بادی مناسب هستند.
پلاستیک‌ها: برای بخش‌های نگهدارنده و عایقی توربین بادی، از پلاستیک‌های مقاوم در برابر شرایط جوی و حرارت استفاده می‌شود.
سرامیک‌ها: برای بخش‌های داخلی توربین که با دما و فشار بالا روبرو هستند، از سرامیک‌های مقاوم در برابر حرارت و فشار استفاده می‌شود.
الکترونیک و الکتریکال: در قسمت‌های الکترونیک و الکتریکال توربین بادی، از قطعات الکترونیکی، سیم و کابل‌های مقاوم در برابر شرایط جوی و الکتروموتورها استفاده می‌شود.
روغن و گریس: برای لوبریکانت و روانکاری قسمت‌های مکانیکی توربین بادی، از روغن و گریس‌های خاص استفاده می‌شود.

ژنراتور توربین بادی: انواع، مزایا و معایب[ویرایش]

یکی از چالش‌های اصلی انرژی باد، فناوری ژنراتور توربین بادی است. در مورد بهترین فناوری تولید ژنراتور توربین بادی بین دانشگاهیان و صنعت اتفاق نظر وجود ندارد. به‌طور سنتی، سه نوع اصلی از ژنراتورهای توربین بادی (WTG) وجود دارد که می‌تواند برای سیستم‌های 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 می‌توان 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 پره‌های توربین و قطار محرک(drive train) کاهش می‌دهد و باعث بهبود کارایی آیرودینامیکی (aerodynamic) سیستم و رفتارهای گذرا گشتاور(torque transient) می‌شود، سودمند است.

فن‌آوری‌های ژنراتور DC[ویرایش]

در ماشین‌های DC معمولی، میدان(field) روی استاتور(stator) و آرماتور(armature) روی روتور(rotor) قرار دارد. استاتور شامل تعدادی قطب(pole) است که یا توسط آهن‌رباهای دائمی(permanent magnets) یا با سیم پیچ‌های(windings) میدان DC تحریک می‌شوند. اگر دستگاه تحریک الکتریکی(electrically excited) است، تمایل دارد از مفهوم ژنراتور DC سیم پیچ شانت(shunt wound) پیروی کند. نمونه‌ای از سیستم ژنراتور بادی DC در شکل زیر نشان داده شده‌است. این شامل یک توربین بادی(wind turbine)، یک ژنراتورDC، یک اینورتر ترانزیستور دو قطبی دروازه عایق (insulated gate bipolar transistor (IGBT) inverter)، یک کنترل‌کننده، یک ترانسفورماتور(transformer) و یک شبکه قدرت(power grid) است.

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

فن‌آوری‌های ژنراتور سنکرون AC[ویرایش]

از زمان اولیه تولید توربین‌های بادی، تلاش‌های قابل توجهی برای استفاده از ماشین‌های سنکرون (همزمان) سه فاز انجام شده‌است. ژنراتور سنکرون AC می‌توانند تحریکات(excitations) ثابت یا DC را با آهن‌ربای دائمی یا مغناطیس الکتریکی(electromagnets) انجام دهند و از این رو به ترتیب از ژنراتورهای سنکرون مغناطیس دائمی (PMSG) و ژنراتورهای سنکرون تحریک الکتریکی (EESG) نام برده می‌شوند. هنگامی که روتور توسط توربین بادی حرکت می‌کند، یک توان سه فاز در سیم پیچ‌های استاتور تولید می‌شود که از طریق ترانسفورماتورها و مبدل‌های برق به شبکه متصل می‌شوند. 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 می‌رود.

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 بوده‌است. نمودار برش خورده از یک ژنراتور سنکرون معمولی در شکل زیر نشان داده شده‌است. در تئوری، ویژگی‌های توان راکتیو(reactive power) ژنراتور توربین بادی سنکرون را می‌توان 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 دوره‌ای ناشی از اثرات سایه باد برج و تشدیدهای (resonances) طبیعی اجزا به شبکه برق منتقل می‌شوند.

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

در مورد استفاده از آهن‌ربای الکتریکی در ماشین‌های سنکرون، کنترل ولتاژ در دستگاه سنکرون صورت می‌گیرد در حالی که در ماشین‌های تهییج مغناطیسی دائمی، کنترل ولتاژ در مدار مبدل(converter circuit) حاصل می‌شود.

در دهه‌های اخیر، ژنراتورهای PM به دلیل چگالی توان بالا(high power density) و جرم کم به تدریج در برنامه‌های توربین بادی مورد استفاده قرار می‌گیرند. غالباً از این ماشین‌ها به عنوان ژنراتورهای سنکرون آهن‌ربای دائمی (PMSG) یاد می‌شود و به عنوان ماشین انتخابی در ژنراتور توربین بادی کوچک در نظر گرفته می‌شود. ساختار ژنراتور نسبتاً ساده (straightforward) است. همان‌طور که در شکل زیر نشان داده شده‌است، آهن‌رباها دائمی‌های ناهموار (rugged) بر روی روتور نصب می‌شوند تا یک میدان مغناطیسی ثابت تولید کنند و برق تولید شده با استفاده از کموتاتور، اسلیپ رینگ یا برس از آرماتور (استاتور) گرفته می‌شود و حتی در ژنراتور با استاتور بیرونی با اتصال سیمی ساده برق گرفته می‌شود. بعضی اوقات می‌توان PMها را به منظور کاهش هزینه‌ها در یک روتور آلومینیومی ریخته‌گری استوانه‌ای ادغام کرد. اصول عملکرد ژنراتورهای مغناطیس دائمی مانند ژنراتورهای سنکرون است با این تفاوت که ژنراتورهای PM می‌توانند به صورت غیر همزمان(asynchronously) هم کار کنند. استفاده از PMها سیم پیچ میدان(field winding) و تلفات برق مربوط به آن را برطرف می‌کند اما کنترل میدان را غیرممکن می‌کند و هزینه PMها برای ماشین‌های بزرگ بسیار زیاد است.

از آنجا که سرعت واقعی باد متغیر است، PMSG نمی‌توانند برق با فرکانس ثابت تولید کنند. در نتیجه، آنها باید از طریق تبدیل AC-DC-AC توسط مبدل‌های برق به شبکه برق متصل شوند؛ یعنی برق متناوب تولید شده (با فرکانس و اندازه متغیر) ابتدا به DC ثابت یک سو می‌شود و سپس دوباره به برق AC (با فرکانس و اندازه ثابت) تبدیل می‌شود. همچنین استفاده از این ماشین‌های آهنربای دائمی برای کاربرد محرک مستقیم بسیار جذاب است. بدیهی است که در این حالت آنها می‌توانند گیربکس‌های دردسرساز را که باعث خرابی اکثر توربین‌های بادی می‌شوند، حذف کنند. دستگاه‌ها باید تعداد قطب‌های زیادی (تعداد قطب بیشتر به معنای دور نامی کمتر است) داشته باشند و از نظر فیزیکی بزرگتر از یک ماشین دنده‌ای با توان مشابه هستند.

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 شده‌است. این دستگاه شامل آهن پشت یا یوک (back iron) استاتور، سیم پیچ مس استاتور، سیم پیچ‌های میدان HTS، هسته روتور(rotor core)، ساختار پشتیبانی روتور، سیستم خنک‌کننده 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، خنک‌کننده و جعبه دنده ممکن است چالش‌های خاصی را ایجاد کند تا سیم پیچ‌های HTS را در شرایط بهره‌برداری دمای پایین نگه دارد.

سیم پیچ‌های ابررسانا ممکن است ۱۰ 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 می‌برد و توانایی ابررسانایی برای افزایش چگالی جریان را برای میدان‌های مغناطیسی بالا امکان‌پذیر می‌کند، که منجر به کاهش قابل توجهی در جرم و اندازه ژنراتور توربین بادی می‌شود.

بنابراین، ژنراتورهای ابررسانا نویدبخش افزایش ظرفیت و کاهش وزن هستند، شاید برای توربین‌های بادی با ظرفیت ۱۰ مگاوات یا بیشتر بهتر باشد. در سال ۲۰۰۵، زیمنس با موفقیت اولین مولد توربین بادی ابررسانا در جهان را که یک مولد سنکرون ۴ مگاواتی بود، راه اندازی کرد. با این حال، چالش‌های فنی زیادی به خصوص برای سیستم‌های توربین بادی با طول عمر بالا و نگهداری کم وجود دارد. به عنوان مثال، همیشه نیاز به حفظ سیستم‌های برودتی وجود دارد تا زمان خنک شدن و بازیابی عملیات پس از توقف کنترل شود.

ژنراتورهای آسنکرون AC[ویرایش]

در حالی که تولید برق متداول از ماشین‌های سنکرون استفاده می‌کند، سیستم‌های مدرن انرژی باد از ماشین‌های القایی(induction machines) به‌طور گسترده‌ای در کاربردهای توربین بادی استفاده می‌کنند. این ژنراتورهای القایی به دو نوع تقسیم می‌شوند: 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 می‌شود و ژنراتورهای القایی با تغذیه مضاعف (doubly-fed induction generators (DFIGs)) با روتورهای سیم پیچی(wound rotors).

هنگامی که با برق سه فاز متناوب به استاتور عرضه می‌شود، یک میدان مغناطیسی چرخان (rotating magnetic field) در سراسر فاصله هوایی(airgap) ایجاد می‌شود. اگر روتور با سرعتی متفاوت از سرعت سنکرون بچرخد، یک لغزش(slip) ایجاد می‌شود و مدار روتور انرژی می۲گیرد. به‌طور کلی، ماشین‌های القایی ساده، قابل اعتماد، ارزان و به خوبی توسعه یافته‌اند. 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، ماشین‌های القایی توان راکتیو را از شبکه می‌گیرند و بنابراین نوعی جبران توان راکتیو مانند استفاده از خازن‌ها یا مبدل‌های 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 می‌شود. سرعت روتور ثابت در نظر گرفته می‌شود (در واقع، در یک محدوده باریک متفاوت است). تا سال ۱۹۹۸ بیشتر تولیدکنندگان توربین بادی ژنراتورهای القایی با سرعت ثابت ۱٫۵ مگاوات و کمتر تولید کردند. این ژنراتورها به‌طور معمول با ۱۵۰۰ دور در دقیقه (دور در دقیقه) برای شبکه ۵۰ هرتزی و با یک جعبه دنده سه مرحله ای(three-stage gearbox) کار می‌کردند.

از SCIGها می‌توان در توربین‌های بادی با سرعت متغیر، مانند کنترل ماشین‌های 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 می‌کنند. سایر معایب ماشین آلات مربوط به اندازه دستگاه، سر و صدا، کارایی کم و قابلیت اطمینان است. ثابت شده‌است که این ماشین‌ها باعث خرابی فوق‌العاده سرویس و در نتیجه نگهداری می‌شوند.

SCIGs در گذشته بازار توربین‌های بادی را رهبری می‌کرد که با انتخاب گسترده DFIG جایگاه خود را از دست داد. امروزه، بیش از ۸۵٪ توربین‌های بادی نصب شده از DFIG استفاده می‌کنند و بیشترین ظرفیت برای تولید توربین بادی تجاری با DFIG به ۵ مگاوات در صنعت افزایش یافته‌است. در توپولوژیDFIG، استاتور مستقیماً از طریق ترانسفورماتورها به شبکه و روتور از طریق مبدل‌های برق PWM به شبکه متصل می‌شوند. مبدل‌ها می‌توانند 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) (به‌طور معمول ± ۳۰٪ 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 می‌دهند. برای ژنراتورهای القایی، تمام توان راکتیو فعال کننده مدارهای مغناطیسی باید توسط شبکه یا خازن‌های محلی تأمین شود. ژنراتورهای القایی مستعد بی‌ثباتی ولتاژ هستند. وقتی از خازن‌ها برای جبران ضریب توان(power factor) استفاده می‌شود، خطر ایجاد خود برانگیختگی(self-excitation) وجود دارد. علاوه بر این، اثر میرایی ممکن است باعث از بین رفتن قدرت در روتور شود. هیچ کنترل مستقیمی بر ولتاژ ترمینال (بنابراین توان راکتیو) و همچنین جریان‌های خطای پایدار (sustained fault currents) وجود ندارد.

روتور DFIG از طریق سیستم قطار محرک به صورت مکانیکی به توربین بادی متصل می‌شود که ممکن است دارای شافت‌های سرعت بالا و پایین، یاتاقان و جعبه دنده باشد. روتور توسط مبدل‌های منبع ولتاژ دو جهته(bi-directional voltage-source) تغذیه می‌شود. بدین ترتیب، می‌توان سرعت و گشتاور DFIG را با کنترل مبدل سمت روتور (grid-side converter (GSC)) تنظیم کرد. ویژگی دیگر این است که DFIGها می‌توانند هم شرایط زیر همزمان(sub-synchronous) و هم ابر همزمان(super-synchronous) کار کنند. استاتور همیشه برق را به شبکه منتقل می‌کند در حالی که روتور می‌تواند از هر دو جهت توان را کنترل کند. مبدل‌های 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 یکسوکننده(rectifier) عمل می‌کند. این حالت، جریان فعال از شبکه به روتور جریان دارد. در شرایط ابر همزمان RSC به عنوان یکسوساز و GSC به عنوان اینورتر کار می‌کند. در نتیجه، قدرت فعال از استاتور و همچنین روتور به شبکه قدرت جریان دارد.

فن‌آوری ژنراتور رلوکتانس سوئیچی[ویرایش]

ژنراتور رلوکتانس سوئیچی (Switched Reluctance Generator) با روتورهای برجسته(salient rotors) و استاتور مشخص می‌شوند. با چرخش روتور، رلاکتانس مدار مغناطیسی متصل کننده استاتور و روتور تغییر می‌کند و به نوبه خود باعث ایجاد جریاناتی در سیم پیچ روی آرماتور (استاتور) می‌شود.

روتور رلاکتانس از ورق‌های فولادی لایه‌ای (laminated) ساخته شده‌است و هیچ سیم پیچ میدان الکتریکی یا آهن‌ربای دائمی ندارد. در نتیجه، ماشین رلوکتانس ساده است و ساخت و مونتاژ آسان دارد. یک ویژگی بارز، قابلیت اطمینان(reliability) بالای آن‌ها است زیرا آن‌ها می‌توانند در محیط‌های سخت یا دمای بالا کار کنند. از آنجا که گشتاور رلوکتانس فقط کسری از گشتاور الکتریکی است، روتور رلوکتانس سوئیچی به‌طور کلی بزرگ‌تر از بقیه با تحریک‌های الکتریکی برای یک گشتاور نامی مشخص است. اگر ماشین‌های رلوکتانس با ویژگی‌های محرک مستقیم ترکیب شوند، دستگاه بسیار بزرگ و سنگین خواهد بود و باعث می‌شود در کاربردهای توربین بادی کمتر مطلوب باشند.

ملاحظات و چالش‌های طراحی ژنراتور توربین بادی[ویرایش]

به‌طور کلی، ژنراتورهای توربین بادی را می‌توان از ماشین‌های 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 بهره‌برداری و سرعت نامی
گشتاور بهره‌برداری و گشتاور نامی
توان و جریان
تنظیم ولتاژ (ژنراتورهای سنکرون)
روش‌های راه‌اندازی
جریان راه‌اندازی (ژنراتورهای القایی)
همگام سازی(Synchronizing) (ژنراتورهای همزمان)
سیستم خنک‌کاری
ضریب توان و جبران توان راکتیو (ژنراتورهای القایی)
توپولوژی مبدل برق
وزن و اندازه
خوردگی و حفاظت (محیط دریایی)
هزینه سرمایه‌گذاری و نگهداری

ویژگی‌های ژنراتور[ویرایش]

موتور توربین بادی برای بهره‌برداری بهینه باید دارای ویژگی‌های زیر باشد:

کارایی بالا: موتور توربین بادی باید کارایی بالایی داشته باشد تا بتواند حداکثر انرژی ممکن را از باد به دست آورد.
پایداری: موتور توربین بادی باید در شرایط مختلف آب و هوا، از جمله باد قوی یا ضعیف، پایداری داشته باشد و عملکرد مناسبی را ارائه دهد.
سازگاری با محیط زیست: موتور توربین بادی باید از جنبه‌های زیست‌محیطی نیز سازگار با محیط زیست باشد و تأثیر کمتری روی پرنده‌ها، جانوران و محیط زیست داشته باشد.
قابلیت تنظیم: موتور توربین بادی باید قابلیت تنظیم و تغییرپذیری داشته باشد تا بتواند به بهترین شکل ممکن از شرایط مختلف باد بهره ببرد.
دوام و پایداری ساختاری: ساختار موتور توربین بادی باید دارای دوام و پایداری مناسب باشد تا بتواند در طولانی‌مدت عملکرد خود را حفظ کند.
کنترل و نظارت: موتور توربین بادی باید دارای سیستم‌های کنترل و نظارت مناسب برای عملکرد و ایمنی باشد تا در شرایط مختلف به بهترین شکل عمل کند.
انطباق با شبکه برق: موتور توربین بادی باید قابلیت انطباق با شبکه برق را داشته باشد تا بتواند انرژی الکتریکی تولید شده را به صورت مستقل یا به صورت مشارکتی با شبکه برق منطقه‌ای ارسال کند.

این ویژگی‌ها از جمله موارد مهم هستند که در طراحی و ساخت موتور توربین بادی باید مد نظر قرار گیرند.

موتورهای توربین بادی از مواد مختلف ساخته می‌شوند که برای هر قسمت از توربین، مواد متفاوتی استفاده می‌شود.

جستارهای وابسته[ویرایش]

توربین بادی

منابع[ویرایش]

کتاب توربین‌های بادی (آشنایی با نظریه‌ها و اجزای سازنده) نوشتهٔ مهندس سروش عزیزی

کتاب توربین‌های بادی نوشتهٔ پاول بریز

کتاب توربین‌های بادی نوشتهٔ اریش هاو