توربین بادی Wind turbine
ارسال شده: دوشنبه ۱۴۰۰/۹/۸ - ۰۸:۰۳
طراحی توربین بادی برای نیروی باد
نماد انرژی باد در قلب هر سیستم تولید انرژی بادی تجدیدپذیر، توربین بادی است. طراحی توربین بادی عموماً شامل یک روتور، یک ژنراتور جریان مستقیم (DC) یا یک دینام جریان متناوب (AC) است که بر روی یک برج در بالای سطح زمین نصب میشود.
بنابراین چگونه توربین های بادی برای تولید برق طراحی می شوند. در ساده ترین عبارت، توربین بادی برعکس فن خانگی یا رومیزی است. این فن از برق شبکه اصلی برای چرخش و گردش هوا استفاده می کند و باعث ایجاد باد می شود.در نگاه اول به نظر می رسد که باد از بغل به تیغه ها خورده و آنها را به حرکت در می آورد، اما این نگاه کاملا اشتباه است. باد از روبرو و یا پشت ( بسته به نوع توربین که upwind باشد یا downwind) به صورت عمود با تیغه های توربین برخورد میکند. طراحی تیغه ها همانند طراحی بال های هواپیما است، یعنی قسمت پایینی آن صاف و قسمت بالا دارای خمیدگی است. این نوع طراحی باعث می شود که سرعت هوایی که از زیر تیغه ها حرکت می کند کمتر از قسمت بالای آن شود. این تغییر در سرعت باعث تغییر در فشار بالا و پایین تیغه ها می گردد، به گونه ای که فشار پایین از فشار بالا بیشتر شده و تیغه به سمت بالا حرکت می کند.
هرچه سرعت باد بیشتر باشد تیغه ها نیز با سرعت بیشتری حرکت می کنند و روتر را می چرخانند. حرکت چرخشی روتر توسط دو شفت و جعبه دنده به ژنراتور منتقل شده و در آنجا این انرژی مکانیکی به برق تبدیل می شود. اجزاء اصلی توربین های بادی
توربین بادی و اجزای آن
روتور:
روتور توربین باد شامل پره،پره ها (blades) : یکی از مهمترین بخش های توربین بادی بوده و وظیفه آن تولید نیروی لازم برای چرخاندن شفت اصلی توربین باد است. هاب،هاب (Hub) : هاب یا توپی توربین بادی کار اتصال پره های توربین بادی را به محور اصلی به عهده دارد. از لحاظ بار گذاری مکانیکی هیچ یک از قطعات توربین به اندازه هاب تحت تاثیر بارگذاری های متعدد و پیچیده نمی باشند. در داخل هاب سیستم گام یا پیتچ قرار دارد که با تغییر زاویه پره مقدار نیروی وارده به روتور را کاهش یا افزایش می دهد. در سرعت های باد بالا با افزایش زاویه پره ها می توان توان روتور را در یک مقدار نامی توربین، ثابت نگه دارد. دماغه و یاتاقان های پره می باشد .روتور یک توربین بادی محور افقی بطور خلاصه متشکل از تعدادی پره می باشد که بطور شعاعی در اطراف یک شفت که موازی باد قرار می گیرد نصب شده اند و بدین ترتیب روتوری را تشکیل می دهند که عمود بر جهت باد دوران می کند. معمولاً روتور توسط بک برج در ارتفاع مناسبی نسبت به زمین قرار می گیرد و البته پیش بینی های لازم برای هم جهت شدن امتداد شفت با جهات مختلف باد و همچنین برای کنترل سرعت آن صورت می گیرد و قدرت جذب شده توسط این روتور مستقیماً و یا توسط یک سیستم مکانیکی به ماشینی که قرار است رانده شود منتقل می گردد. تعداد پره ها معمولاً متغیر بوده و پهنای پره (کورد) ممکن است در تمام طول پره ها ثابت و یا آنکه متغیر باشد و پره از هاب به سمت نوک باریک شود. ضمناً پره ممکن است در امتداد محور طولی تاب داشته باشد یا اصطلاحاً پیچیده باشد و همچنین گام پره ممکن است ثابت و یا متغیر باشد.
پره: یکی از مهمترین بخش های توربین بادی بوده و وظیفه آن تولید نیروی لازم برای چرخاندن شفت اصلی توربین باد است. پره به گونه ای ساخته می شود که استحکام و استقامت بسیار بالا در برابر نیروهای دینامیکی و آیرودینامیکی داشته باشد.تعداد فرد یا زوج پره های روتور – طراحی توربین بادی که دارای تعداد پره های روتور «زوج»، 2، 4 یا 6، و غیره است، می تواند هنگام چرخش دچار مشکلات پایداری شود. زیرا هر تیغه روتور دارای یک تیغه دقیق و مخالف است که در جهت مخالف 180 درجه قرار دارد. همانطور که روتور می چرخد، درست در لحظه ای که بالاترین تیغه به صورت عمودی به سمت بالا اشاره می کند (موقعیت ساعت 12)، پایین ترین تیغه مستقیماً در مقابل برج پشتیبانی توربین قرار می گیرد. نتیجه این است که بالاترین تیغه به سمت عقب خم می شود، زیرا حداکثر نیرو را از باد دریافت می کند که به آن "بارگذاری رانش" می گویند، در حالی که تیغه پایینی مستقیماً در جلوی برج نگهدارنده به منطقه آزاد از باد می رود.
این خمش ناهموار پره های روتور توربین (بالاترین خم شده در باد و پایین ترین مستقیم) در هر تراز عمودی باعث ایجاد نیروهای ناخواسته بر روی پره های روتور و شفت روتور می شود زیرا دو پره هنگام چرخش به جلو و عقب خم می شوند. برای توربین های سخت آلومینیومی یا فولادی کوچک، این ممکن است برخلاف تیغه های پلاستیکی تقویت شده با فایبر گلاس طولانی تر، مشکلی ایجاد نکند.
طراحی توربین بادی که تعداد پرههای روتور «ODD» (حداقل سه پره) دارد، نرمتر میچرخد زیرا نیروهای ژیروسکوپی و خمشی به طور یکنواخت در سراسر پرهها متعادلتر هستند و باعث افزایش پایداری توربین میشوند.روتورهای تک پره دارای وزن تعادلی در طرف مقابل روتور هستند اما به دلیل حرکت چرخشی نامنظم تک پره که باید برای جذب همان مقدار انرژی باد با سرعت بیشتری حرکت کند، از تنش و ارتعاش مواد زیادی رنج می برند.
همچنین با روتورهای تک یا حتی دو پره، بیشتر حرکت هوای موجود و در نتیجه نیروی باد از سطح مقطع جاروب نشده توربین بدون برهمکنش با روتور عبور میکند و باعث کاهش کارایی آنها میشود.
پره های روتور مورد استفاده برای طراحی توربین بادی با محور افقی بسیار بزرگ از کامپوزیت های پلاستیکی تقویت شده با متداول ترین کامپوزیت ها شامل رزین فایبر گلاس/پلی استر، فایبر گلاس/اپوکسی، فایبر گلاس/پلی استر و کامپوزیت های فیبر کربن ساخته شده اند. کامپوزیت های الیاف شیشه و الیاف کربن نسبت مقاومت فشاری به وزن به طور قابل توجهی در مقایسه با سایر مواد دارند. همچنین فایبرگلاس سبک، قوی، ارزان است، ویژگی های خستگی خوبی دارد و می تواند در انواع فرآیندهای تولیدی استفاده شود.
سرعت چرخشی توربین ها به صورت زیر تعریف می شود: دور در دقیقه = سرعت باد x نسبت نوک سرعت x 60 / (قطر x π).
اگر یک روتور توربین خیلی آهسته بچرخد، اجازه می دهد باد بیش از حد بدون مزاحمت از آن عبور کند و بنابراین تا آنجا که می تواند انرژی استخراج نمی کند. از سوی دیگر، اگر تیغه روتور خیلی سریع بچرخد، به نظر باد به عنوان یک دیسک دایرهای دوار مسطح بزرگ به نظر میرسد که مقدار زیادی تلفات کششی و نوک را ایجاد میکند و سرعت روتور را کند میکند. بنابراین، تطبیق سرعت چرخش روتور توربین با سرعت باد خاص بسیار مهم است تا بازده بهینه حاصل شود.
گام/زاویه تیغه روتور - پرههای روتور توربین بادی با طراحی ثابت معمولاً مانند بالهای هواپیما صاف یا مسطح نیستند، اما در عوض دارای پیچ و تاب و مخروطی کوچکی در طول خود از نوک تا ریشه هستند تا سرعتهای چرخشی مختلف در طول تیغه امکانپذیر باشد. . این پیچ و تاب به تیغه اجازه می دهد تا انرژی باد را زمانی که باد از زوایای مماسی مختلف به سمت آن می آید جذب کند و نه فقط مستقیم. یک تیغه روتور مستقیم یا صاف از بالا آمدن خودداری می کند و حتی ممکن است متوقف شود، اگر تیغه روتور در زوایای مختلف با باد برخورد کند، به خصوص اگر این زاویه حمله بیش از حد شیب دار باشد، "زاویه حمله" نامیده می شود.
پیچ تیغه روتور
بنابراین، برای اینکه تیغه روتور زاویه حمله بهینه ای را ببیند که باعث افزایش بالابر و کارایی می شود، تیغه های طراحی توربین بادی به طور کلی در طول تیغه پیچ خورده می شوند. علاوه بر این، این پیچ و تاب در طراحی توربین بادی از چرخش بیش از حد پره های روتور در سرعت های باد بالا جلوگیری می کند.
توان آیرودینامیکی تولید شده توسط توربین بادی را می توان با تنظیم زاویه گام توربین بادی در رابطه با زاویه حمله باد کنترل کرد زیرا هر پره حول محور طولی خود می چرخد. سپس تیغههای روتور با کنترل گام میتوانند صافتر و صافتر باشند، اما عموماً این تیغههای بزرگ در هندسه خود پیچش مشابهی دارند اما برای بهینهسازی بار مماسی روی تیغه روتور بسیار کوچکتر هستند.
هر تیغه روتور دارای مکانیزم چرخشی چرخشی، غیرفعال یا دینامیکی است که در ریشه تیغه تعبیه شده است، که یک کنترل افزایشی یکنواخت را در طول آن ایجاد می کند (پیچش ثابت). مقدار گام مورد نیاز تنها چند درجه است زیرا تغییرات کوچک در زاویه گام می تواند تأثیر چشمگیری بر توان خروجی داشته باشد زیرا از آموزش قبلی می دانیم که انرژی موجود در باد متناسب است.
به مکعب سرعت باد.طول تیغه روتور
اجزای توربین بادی در فناوری ها و برند های تجاری مختلف ان تقریبا یکسان است که در ادامه به شرح ان پرداخته می شود. توربین بادی وسیله ای است که انرژی جنبشی موجود در باد را به انرژی الکتریکی تبدیل می نماید. فرآیند تبدیل انرژی عبارت است از تبدیل انرژی جنبشی باد به انرژی جنبشی مجموعه روتور و سپس تبدیل ان به انرژی الکتریکی در ژنراتور است. امروزه بیشترین توربین های بادی، توربین هایی با محور افقی می باشند که در این قسمت اجزا این توربین ها معرفی می شوند. منظور از عبارت “محور افقی” این است که محور اصلی توربین بادی که نیرو محرکه را تولید می کند افقی است. روتور های(rotor) توربین های بادی با محور افقی بر اساس نحوه قرار گیری در جهت باد (رو به باد (upwind) و یا پشت به باد(downwind))، طراحی هاب(hub)، کنترل دور روتور (استال و یا گام(pitch))، تعداد پره ها(blade)(معمولا دو یا سه و حتی پنج پره) و نحوه کنترل جهت توربین با باد، سیستم یاو(yaw) دسته بندی می شوند.
چالشی ترین قسمت در یک توربین بادی پره می باشد، در واقع پره ها اجسام آیرودینامیکی هستند که وظیفه اصلی استحصال انرژی از جریان باد را به عهده دارند. پره ها به یک عضو مرکزی به نام “هاب” متصل می شوند و هاب حرکت دورانی را به محور (شفت)اصلی منتقل میکند. در توربین های جعبه دنده دار (gearbox) محور اصلی به یک جعبه دنده افزاینده مرتبط می شود که جعبه دنده سرعت دورانی را به سرعت مورد نیاز ژنراتور افزایش می دهد(ولی در سیستم های بدون جعبه دنده (direct drive) محور اصلی مستقیما به ژنراتور متصل می شود). پس از جعبه دنده در خط انتقال قدرت یک ترمز دیسکی قرار میگیرد. پس از آن، ژنراتور توربین در انتهای خط انتقال قدرت قرار می گیرد. در این خط انتقال قدرت بعضا اجزای فرعی چون کلاچ نیز استفاده می گردد.
روتور توربین باد شامل پره، هاب، دماغه و یاتاقان های پره می باشد. روتور یک توربین بادی محور افقی بطور خلاصه متشکل از تعدادی پره می باشد که بطور شعاعی در اطراف یک شفت که موازی باد قرار می گیرد نصب شده اند و بدین ترتیب روتوری را تشکیل می دهند که عمود بر جهت باد دوران می کند. روتور ها انرژی جنبشی باد را دریافت کرده و آن را تبدیل به نیروی مکانیکی محور می کند.
پره ها (blades) : یکی از مهمترین بخش های توربین بادی بوده و وظیفه آن تولید نیروی لازم برای چرخاندن شفت اصلی توربین باد است. پره ها تعیین کننده ترین عامل اصلی مقدار انرژی جذب شده از باد و همچنین بار وارده بر توربین هستند. پره ها به گونه ای ساخته می شود که استحکام و استقامت بسیار بالا در برابر نیروهای دینامیکی و آیرودینامیکی داشته باشد. پیشرفت های اخیر در زمینه تحلیل سازه موجب سبک تر شدن پره ها شده است. ساختن پره که از مواد کامپوزیتی به خصوص اپوکسی و فایبرگلس یا الیاف کربن ساخته می شود کماکان طولانی ترین فرآیند در ساخت توربین بادی است. بزرگ ترین کارخانه ساخت پره توربین شرکت LM در امریکا است.
هاب (Hub) : هاب یا توپی توربین بادی کار اتصال پره های توربین بادی را به محور اصلی به عهده دارد. از لحاظ بار گذاری مکانیکی هیچ یک از قطعات توربین به اندازه هاب تحت تاثیر بارگذاری های متعدد و پیچیده نمی باشند. در داخل هاب سیستم گام یا پیتچ قرار دارد که با تغییر زاویه پره مقدار نیروی وارده به روتور را کاهش یا افزایش می دهد. در سرعت های باد بالا با افزایش زاویه پره ها می توان توان روتور را در یک مقدار نامی توربین، ثابت نگه دارد.
پوشش هاب (hub cover)
دماغه (nose cone)
دماغه توربین بادی سازه ای مخروطی است که برای اصلاح جریان باد و کاهش مقاومت باد در نوک روتور طراحی می شود و معمولا برای کاهش وزن از کامپوزیت ساخته می شود. اتصال پره توربین به هاب دارای طرح های مختلفی می باشد :
طرح حلقه(Hutter)
طرح فلنج فولادی
طرح پیچ صلیبی(cross bolt)
طرح فلنج (bonded in flange) و غلاف پیوندی (bonded in sleeve)
ناس(nacelle)/موتور خانه یا گهواره
شامل پوشش خارجی مجموعه توربین، شاسی و سیستم دوران حول محور برج می باشد که روتور به آن متصل است. ناسل در بالای برج قرار دارد. بعضی از ناسل ها آنقدر بزرگند که تکنسین ها می توانند داخل آن بایستند.
شافت(shaft)
شافت توربین بادی گشتاور روتور را به جعبه دنده و در حالت محرک مستقیم به ژنراتور متصل می کند.
سیستم انتقال قدرت/جعبه دنده (gearbox): سیستم انتقال قدرت شامل اجزاء گرداننده توربین باد است. این اجزاء عمدتاً شامل محور کم سرعت (سمت روتور)، جعبه دنده (gearbox) و محور سرعت بالا (در سمت ژنراتور) می باشد. سایر اجزاء این سیستم شامل یاتاقان ها، یک یا چند کوپلینگ، ترمز مکانیکی و اجزاء دوار ژنراتور می باشد. در این مجموعه وظیفه جعبه دنده افزایش سرعت نامی روتور از یک مقدار کم (در حد چند ده دور در دقیقه) به یک مقدار بالا (در حد چند هزار دور در دقیقه) که مناسب برای تحریک یک ژنراتور استاندارد است، میباشد.
برج:
سازه های مشبک فولادی- برجهای استوانه ای فولادی یا بتنی و همچنین ستون های مهار شده توسط کابل از رایج ترین برج های نگهدارنده محسوب می شوند. ارتفاع برج معمولاً بین یک تا یک و نیم برابر قطر روتور در نظر گرفته می شود. انتخاب نوع برج وابستگی به شرایط سایت دارد. همچنین استحکام برج فاکتور مهمی در دینامیک سازه توربین باد محسوب می گردد چرا که احتمال کوپل شدن ارتعاشات بین برج و روتور که منجر به خطر رزونانس می گردد وجود دارد.
ناسل: شامل پوشش خارجی مجموعه توربین، شاسی و سیستم دوران حول محور برج می باشد که روتور به آن متصل است. ناسل در بالای برج قرار دارد. بعضی از ناسل ها آنقدر بزرگند که تکنسین ها می توانند داخل آن بایستند.
سیستم انتقال قدرت:
سیستم انتقال قدرت شامل اجزاء گردنده توربین باد است. این اجزاء عمدتاً شامل محور کم سرعت (سمت روتور)، گیربکس و محور سرعت بالا ( در سمت ژنراتور) می باشد. سایر اجزاء این سیستم شامل یاتاقان ها، یک یا چند کوپلینگ، ترمز مکانیکی و اجزاء دوار ژنراتور می باشد. در این مجموعه وظیفه گیربکس افزایش سرعت نامی روتور از یک مقدار کم (در حد چند ده دور در دقیقه) به یک مقدار بالا (در حد چند صد یا چند هزار دور در دقیقه) که مناسب برای تحریک یک ژنراتور استاندارد است، میباشد. عمدتاً دو نوع گیربکس در توربینهای بادی مورد استفاده قرار میگیرد: گیربکسهای با شفتهای موازی و گیربکسهای سیارهای.
ژنراتور: پره های توربین بادی انرژی جنبشی باد را به انرژی دورانی در سیستم انتقال تبدیل می کنند و در قدم بعدی، ژنراتور انرژی توربین را به شبکه برق منتقل می نماید. بطور معمول از سه نوع ژنراتور در توربین های بادی استفاده می شود. ژنراتور جریان مستقیم – آلترناتور یا ژنراتور سنکرون – ژنراتور القایی یا آسنکرون
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 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.
(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.
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.
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.
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.
(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.
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)
(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.
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.
گیربکس(جعبه دنده) : از آنجائی که محور توربین دارای دور کم و گشتاور بالا و بر عکس آن محور ژنراتور دارای دور بالا و گشتاور کم است، سیستم انتقال قدرت باید به نحوی این دو محور را به یکدیگر متصل نماید.
سیستم یاو:
در توربین های بادی از سیستم یاو جهت حفظ موقعیت صحیح رتور نسبت به جهت ورزش باد به کار می رود. سیستم یاو از موتور الکتریکی یا هیدرولیکی بر روی ناسل قرار گرفته است. در سیستم یاو از یک ترمز به منظور نگه داشتن توربین در موقعیت مناسب و حفظ عملکرد طبیعی استفاده می شود.
ترمز :
در توربین های بادی با ظرفیت بسیار پایین ( ١ الی ۵ کیلووات) معمولاً از سیستم های ترمز کفشکی استفاده می شود، زیرا جهت متوقف نمودن پره ها، نیروی زیادی مورد نیاز نیست. در توربین های بادی با ظرفیت بالا، از ترمزهای دیسکی استفاده می شود.
سیستم کنترل:
برای بدست آوردن حداکثر راندمان از یک توربین بادی، باید بتوان همواره صفحه دوران توربین را عمود بر جهت وزش باد قرار داد. برای این منظور از سیستم هایی برای تغیر جهت توربین بادی و قرار دادن سیستم در مسیر باد استفاده می شود. این سیستم (yaw system) یک سیستم ترکیبی الکتریکی- مکانیکی است که هدایت آن توسط واحد کنترل انجام می شود. در توربین های بادی سایز کوچک به جای چرخ انحراف (yaw system) از بالچه استفاده می کنند. همچنین سیستم هایی جهت کنترل و تنظیم سرعت دورانی در توربین بادی مورد استفاده قرار می گیرند. چنین سیستم هایی علاوه بر کنترل دور روتور، مقدار قدرت تولیدی و نیروهای وارده بر روتور در بادهای شدید را نیز محدود می کنند.
سیستم هیدرولیک:
سیستم های هیدرولیک به مجموعه جک و یونیت هیدرولیکی و اتصالات جانبی آنها اطلاق می شود. جک هیدرولیکی از یک سیلندر و پیستون دو طرفه تشکیل شده است و با انتقال سیال به هر ناحیه از آن، جک به سمت مخالف حرکت می کند. یونیت هیدرولیکی از الکتروموتور، پمپ، مخزن تامین فشار اولیه، شیرهای هیدرولیکی، شیلنگ های انتقال سیال به دو ناحیه داخل سیلندر جک، مخزن روغن، روغن مخصوص و تجهیزات جنبی تشکیل شده است. پس از دریافت فرمان، پمپ مقداری روغن را از داخل مخزن به محفظه جلو یا عقب سیلندر جک پمپ می کند تا جک بتواند به مقدار مورد نیاز محور تراورس را در جهت مورد نیاز حرکت دهد. محور تراورس محوری است که از سوراخ داخل شفت اصلی عبور می کند و یک سمت آن با جک هیدرولیکی و طرف دیگر آن با مکانیزم مثلثی واقع درون هاب مرتبط است. وظیفه این محور انتقال حرکت جک هیدرولیکی و در واقع فرمان کنترلر به مکانیزم مثلثی است که باعث چرخش پره ها می گردد. مکانیزم مثلثی درون هاب باعث تبدیل حرکت انتقالی محور تراورس به حرکت چرخشی و در نتیجه چرخش پره ها به دور محورشان می گردد.I hope I help you understand the question. Roham Hesami رهام حسامی ترم پنجم مهندسی هوافضا
نماد انرژی باد در قلب هر سیستم تولید انرژی بادی تجدیدپذیر، توربین بادی است. طراحی توربین بادی عموماً شامل یک روتور، یک ژنراتور جریان مستقیم (DC) یا یک دینام جریان متناوب (AC) است که بر روی یک برج در بالای سطح زمین نصب میشود.
بنابراین چگونه توربین های بادی برای تولید برق طراحی می شوند. در ساده ترین عبارت، توربین بادی برعکس فن خانگی یا رومیزی است. این فن از برق شبکه اصلی برای چرخش و گردش هوا استفاده می کند و باعث ایجاد باد می شود.در نگاه اول به نظر می رسد که باد از بغل به تیغه ها خورده و آنها را به حرکت در می آورد، اما این نگاه کاملا اشتباه است. باد از روبرو و یا پشت ( بسته به نوع توربین که upwind باشد یا downwind) به صورت عمود با تیغه های توربین برخورد میکند. طراحی تیغه ها همانند طراحی بال های هواپیما است، یعنی قسمت پایینی آن صاف و قسمت بالا دارای خمیدگی است. این نوع طراحی باعث می شود که سرعت هوایی که از زیر تیغه ها حرکت می کند کمتر از قسمت بالای آن شود. این تغییر در سرعت باعث تغییر در فشار بالا و پایین تیغه ها می گردد، به گونه ای که فشار پایین از فشار بالا بیشتر شده و تیغه به سمت بالا حرکت می کند.
هرچه سرعت باد بیشتر باشد تیغه ها نیز با سرعت بیشتری حرکت می کنند و روتر را می چرخانند. حرکت چرخشی روتر توسط دو شفت و جعبه دنده به ژنراتور منتقل شده و در آنجا این انرژی مکانیکی به برق تبدیل می شود. اجزاء اصلی توربین های بادی
توربین بادی و اجزای آن
روتور:
روتور توربین باد شامل پره،پره ها (blades) : یکی از مهمترین بخش های توربین بادی بوده و وظیفه آن تولید نیروی لازم برای چرخاندن شفت اصلی توربین باد است. هاب،هاب (Hub) : هاب یا توپی توربین بادی کار اتصال پره های توربین بادی را به محور اصلی به عهده دارد. از لحاظ بار گذاری مکانیکی هیچ یک از قطعات توربین به اندازه هاب تحت تاثیر بارگذاری های متعدد و پیچیده نمی باشند. در داخل هاب سیستم گام یا پیتچ قرار دارد که با تغییر زاویه پره مقدار نیروی وارده به روتور را کاهش یا افزایش می دهد. در سرعت های باد بالا با افزایش زاویه پره ها می توان توان روتور را در یک مقدار نامی توربین، ثابت نگه دارد. دماغه و یاتاقان های پره می باشد .روتور یک توربین بادی محور افقی بطور خلاصه متشکل از تعدادی پره می باشد که بطور شعاعی در اطراف یک شفت که موازی باد قرار می گیرد نصب شده اند و بدین ترتیب روتوری را تشکیل می دهند که عمود بر جهت باد دوران می کند. معمولاً روتور توسط بک برج در ارتفاع مناسبی نسبت به زمین قرار می گیرد و البته پیش بینی های لازم برای هم جهت شدن امتداد شفت با جهات مختلف باد و همچنین برای کنترل سرعت آن صورت می گیرد و قدرت جذب شده توسط این روتور مستقیماً و یا توسط یک سیستم مکانیکی به ماشینی که قرار است رانده شود منتقل می گردد. تعداد پره ها معمولاً متغیر بوده و پهنای پره (کورد) ممکن است در تمام طول پره ها ثابت و یا آنکه متغیر باشد و پره از هاب به سمت نوک باریک شود. ضمناً پره ممکن است در امتداد محور طولی تاب داشته باشد یا اصطلاحاً پیچیده باشد و همچنین گام پره ممکن است ثابت و یا متغیر باشد.
پره: یکی از مهمترین بخش های توربین بادی بوده و وظیفه آن تولید نیروی لازم برای چرخاندن شفت اصلی توربین باد است. پره به گونه ای ساخته می شود که استحکام و استقامت بسیار بالا در برابر نیروهای دینامیکی و آیرودینامیکی داشته باشد.تعداد فرد یا زوج پره های روتور – طراحی توربین بادی که دارای تعداد پره های روتور «زوج»، 2، 4 یا 6، و غیره است، می تواند هنگام چرخش دچار مشکلات پایداری شود. زیرا هر تیغه روتور دارای یک تیغه دقیق و مخالف است که در جهت مخالف 180 درجه قرار دارد. همانطور که روتور می چرخد، درست در لحظه ای که بالاترین تیغه به صورت عمودی به سمت بالا اشاره می کند (موقعیت ساعت 12)، پایین ترین تیغه مستقیماً در مقابل برج پشتیبانی توربین قرار می گیرد. نتیجه این است که بالاترین تیغه به سمت عقب خم می شود، زیرا حداکثر نیرو را از باد دریافت می کند که به آن "بارگذاری رانش" می گویند، در حالی که تیغه پایینی مستقیماً در جلوی برج نگهدارنده به منطقه آزاد از باد می رود.
این خمش ناهموار پره های روتور توربین (بالاترین خم شده در باد و پایین ترین مستقیم) در هر تراز عمودی باعث ایجاد نیروهای ناخواسته بر روی پره های روتور و شفت روتور می شود زیرا دو پره هنگام چرخش به جلو و عقب خم می شوند. برای توربین های سخت آلومینیومی یا فولادی کوچک، این ممکن است برخلاف تیغه های پلاستیکی تقویت شده با فایبر گلاس طولانی تر، مشکلی ایجاد نکند.
طراحی توربین بادی که تعداد پرههای روتور «ODD» (حداقل سه پره) دارد، نرمتر میچرخد زیرا نیروهای ژیروسکوپی و خمشی به طور یکنواخت در سراسر پرهها متعادلتر هستند و باعث افزایش پایداری توربین میشوند.روتورهای تک پره دارای وزن تعادلی در طرف مقابل روتور هستند اما به دلیل حرکت چرخشی نامنظم تک پره که باید برای جذب همان مقدار انرژی باد با سرعت بیشتری حرکت کند، از تنش و ارتعاش مواد زیادی رنج می برند.
همچنین با روتورهای تک یا حتی دو پره، بیشتر حرکت هوای موجود و در نتیجه نیروی باد از سطح مقطع جاروب نشده توربین بدون برهمکنش با روتور عبور میکند و باعث کاهش کارایی آنها میشود.
پره های روتور مورد استفاده برای طراحی توربین بادی با محور افقی بسیار بزرگ از کامپوزیت های پلاستیکی تقویت شده با متداول ترین کامپوزیت ها شامل رزین فایبر گلاس/پلی استر، فایبر گلاس/اپوکسی، فایبر گلاس/پلی استر و کامپوزیت های فیبر کربن ساخته شده اند. کامپوزیت های الیاف شیشه و الیاف کربن نسبت مقاومت فشاری به وزن به طور قابل توجهی در مقایسه با سایر مواد دارند. همچنین فایبرگلاس سبک، قوی، ارزان است، ویژگی های خستگی خوبی دارد و می تواند در انواع فرآیندهای تولیدی استفاده شود.
سرعت چرخشی توربین ها به صورت زیر تعریف می شود: دور در دقیقه = سرعت باد x نسبت نوک سرعت x 60 / (قطر x π).
اگر یک روتور توربین خیلی آهسته بچرخد، اجازه می دهد باد بیش از حد بدون مزاحمت از آن عبور کند و بنابراین تا آنجا که می تواند انرژی استخراج نمی کند. از سوی دیگر، اگر تیغه روتور خیلی سریع بچرخد، به نظر باد به عنوان یک دیسک دایرهای دوار مسطح بزرگ به نظر میرسد که مقدار زیادی تلفات کششی و نوک را ایجاد میکند و سرعت روتور را کند میکند. بنابراین، تطبیق سرعت چرخش روتور توربین با سرعت باد خاص بسیار مهم است تا بازده بهینه حاصل شود.
گام/زاویه تیغه روتور - پرههای روتور توربین بادی با طراحی ثابت معمولاً مانند بالهای هواپیما صاف یا مسطح نیستند، اما در عوض دارای پیچ و تاب و مخروطی کوچکی در طول خود از نوک تا ریشه هستند تا سرعتهای چرخشی مختلف در طول تیغه امکانپذیر باشد. . این پیچ و تاب به تیغه اجازه می دهد تا انرژی باد را زمانی که باد از زوایای مماسی مختلف به سمت آن می آید جذب کند و نه فقط مستقیم. یک تیغه روتور مستقیم یا صاف از بالا آمدن خودداری می کند و حتی ممکن است متوقف شود، اگر تیغه روتور در زوایای مختلف با باد برخورد کند، به خصوص اگر این زاویه حمله بیش از حد شیب دار باشد، "زاویه حمله" نامیده می شود.
پیچ تیغه روتور
بنابراین، برای اینکه تیغه روتور زاویه حمله بهینه ای را ببیند که باعث افزایش بالابر و کارایی می شود، تیغه های طراحی توربین بادی به طور کلی در طول تیغه پیچ خورده می شوند. علاوه بر این، این پیچ و تاب در طراحی توربین بادی از چرخش بیش از حد پره های روتور در سرعت های باد بالا جلوگیری می کند.
توان آیرودینامیکی تولید شده توسط توربین بادی را می توان با تنظیم زاویه گام توربین بادی در رابطه با زاویه حمله باد کنترل کرد زیرا هر پره حول محور طولی خود می چرخد. سپس تیغههای روتور با کنترل گام میتوانند صافتر و صافتر باشند، اما عموماً این تیغههای بزرگ در هندسه خود پیچش مشابهی دارند اما برای بهینهسازی بار مماسی روی تیغه روتور بسیار کوچکتر هستند.
هر تیغه روتور دارای مکانیزم چرخشی چرخشی، غیرفعال یا دینامیکی است که در ریشه تیغه تعبیه شده است، که یک کنترل افزایشی یکنواخت را در طول آن ایجاد می کند (پیچش ثابت). مقدار گام مورد نیاز تنها چند درجه است زیرا تغییرات کوچک در زاویه گام می تواند تأثیر چشمگیری بر توان خروجی داشته باشد زیرا از آموزش قبلی می دانیم که انرژی موجود در باد متناسب است.
به مکعب سرعت باد.طول تیغه روتور
اجزای توربین بادی در فناوری ها و برند های تجاری مختلف ان تقریبا یکسان است که در ادامه به شرح ان پرداخته می شود. توربین بادی وسیله ای است که انرژی جنبشی موجود در باد را به انرژی الکتریکی تبدیل می نماید. فرآیند تبدیل انرژی عبارت است از تبدیل انرژی جنبشی باد به انرژی جنبشی مجموعه روتور و سپس تبدیل ان به انرژی الکتریکی در ژنراتور است. امروزه بیشترین توربین های بادی، توربین هایی با محور افقی می باشند که در این قسمت اجزا این توربین ها معرفی می شوند. منظور از عبارت “محور افقی” این است که محور اصلی توربین بادی که نیرو محرکه را تولید می کند افقی است. روتور های(rotor) توربین های بادی با محور افقی بر اساس نحوه قرار گیری در جهت باد (رو به باد (upwind) و یا پشت به باد(downwind))، طراحی هاب(hub)، کنترل دور روتور (استال و یا گام(pitch))، تعداد پره ها(blade)(معمولا دو یا سه و حتی پنج پره) و نحوه کنترل جهت توربین با باد، سیستم یاو(yaw) دسته بندی می شوند.
چالشی ترین قسمت در یک توربین بادی پره می باشد، در واقع پره ها اجسام آیرودینامیکی هستند که وظیفه اصلی استحصال انرژی از جریان باد را به عهده دارند. پره ها به یک عضو مرکزی به نام “هاب” متصل می شوند و هاب حرکت دورانی را به محور (شفت)اصلی منتقل میکند. در توربین های جعبه دنده دار (gearbox) محور اصلی به یک جعبه دنده افزاینده مرتبط می شود که جعبه دنده سرعت دورانی را به سرعت مورد نیاز ژنراتور افزایش می دهد(ولی در سیستم های بدون جعبه دنده (direct drive) محور اصلی مستقیما به ژنراتور متصل می شود). پس از جعبه دنده در خط انتقال قدرت یک ترمز دیسکی قرار میگیرد. پس از آن، ژنراتور توربین در انتهای خط انتقال قدرت قرار می گیرد. در این خط انتقال قدرت بعضا اجزای فرعی چون کلاچ نیز استفاده می گردد.
روتور توربین باد شامل پره، هاب، دماغه و یاتاقان های پره می باشد. روتور یک توربین بادی محور افقی بطور خلاصه متشکل از تعدادی پره می باشد که بطور شعاعی در اطراف یک شفت که موازی باد قرار می گیرد نصب شده اند و بدین ترتیب روتوری را تشکیل می دهند که عمود بر جهت باد دوران می کند. روتور ها انرژی جنبشی باد را دریافت کرده و آن را تبدیل به نیروی مکانیکی محور می کند.
پره ها (blades) : یکی از مهمترین بخش های توربین بادی بوده و وظیفه آن تولید نیروی لازم برای چرخاندن شفت اصلی توربین باد است. پره ها تعیین کننده ترین عامل اصلی مقدار انرژی جذب شده از باد و همچنین بار وارده بر توربین هستند. پره ها به گونه ای ساخته می شود که استحکام و استقامت بسیار بالا در برابر نیروهای دینامیکی و آیرودینامیکی داشته باشد. پیشرفت های اخیر در زمینه تحلیل سازه موجب سبک تر شدن پره ها شده است. ساختن پره که از مواد کامپوزیتی به خصوص اپوکسی و فایبرگلس یا الیاف کربن ساخته می شود کماکان طولانی ترین فرآیند در ساخت توربین بادی است. بزرگ ترین کارخانه ساخت پره توربین شرکت LM در امریکا است.
هاب (Hub) : هاب یا توپی توربین بادی کار اتصال پره های توربین بادی را به محور اصلی به عهده دارد. از لحاظ بار گذاری مکانیکی هیچ یک از قطعات توربین به اندازه هاب تحت تاثیر بارگذاری های متعدد و پیچیده نمی باشند. در داخل هاب سیستم گام یا پیتچ قرار دارد که با تغییر زاویه پره مقدار نیروی وارده به روتور را کاهش یا افزایش می دهد. در سرعت های باد بالا با افزایش زاویه پره ها می توان توان روتور را در یک مقدار نامی توربین، ثابت نگه دارد.
پوشش هاب (hub cover)
دماغه (nose cone)
دماغه توربین بادی سازه ای مخروطی است که برای اصلاح جریان باد و کاهش مقاومت باد در نوک روتور طراحی می شود و معمولا برای کاهش وزن از کامپوزیت ساخته می شود. اتصال پره توربین به هاب دارای طرح های مختلفی می باشد :
طرح حلقه(Hutter)
طرح فلنج فولادی
طرح پیچ صلیبی(cross bolt)
طرح فلنج (bonded in flange) و غلاف پیوندی (bonded in sleeve)
ناس(nacelle)/موتور خانه یا گهواره
شامل پوشش خارجی مجموعه توربین، شاسی و سیستم دوران حول محور برج می باشد که روتور به آن متصل است. ناسل در بالای برج قرار دارد. بعضی از ناسل ها آنقدر بزرگند که تکنسین ها می توانند داخل آن بایستند.
شافت(shaft)
شافت توربین بادی گشتاور روتور را به جعبه دنده و در حالت محرک مستقیم به ژنراتور متصل می کند.
سیستم انتقال قدرت/جعبه دنده (gearbox): سیستم انتقال قدرت شامل اجزاء گرداننده توربین باد است. این اجزاء عمدتاً شامل محور کم سرعت (سمت روتور)، جعبه دنده (gearbox) و محور سرعت بالا (در سمت ژنراتور) می باشد. سایر اجزاء این سیستم شامل یاتاقان ها، یک یا چند کوپلینگ، ترمز مکانیکی و اجزاء دوار ژنراتور می باشد. در این مجموعه وظیفه جعبه دنده افزایش سرعت نامی روتور از یک مقدار کم (در حد چند ده دور در دقیقه) به یک مقدار بالا (در حد چند هزار دور در دقیقه) که مناسب برای تحریک یک ژنراتور استاندارد است، میباشد.
برج:
سازه های مشبک فولادی- برجهای استوانه ای فولادی یا بتنی و همچنین ستون های مهار شده توسط کابل از رایج ترین برج های نگهدارنده محسوب می شوند. ارتفاع برج معمولاً بین یک تا یک و نیم برابر قطر روتور در نظر گرفته می شود. انتخاب نوع برج وابستگی به شرایط سایت دارد. همچنین استحکام برج فاکتور مهمی در دینامیک سازه توربین باد محسوب می گردد چرا که احتمال کوپل شدن ارتعاشات بین برج و روتور که منجر به خطر رزونانس می گردد وجود دارد.
ناسل: شامل پوشش خارجی مجموعه توربین، شاسی و سیستم دوران حول محور برج می باشد که روتور به آن متصل است. ناسل در بالای برج قرار دارد. بعضی از ناسل ها آنقدر بزرگند که تکنسین ها می توانند داخل آن بایستند.
سیستم انتقال قدرت:
سیستم انتقال قدرت شامل اجزاء گردنده توربین باد است. این اجزاء عمدتاً شامل محور کم سرعت (سمت روتور)، گیربکس و محور سرعت بالا ( در سمت ژنراتور) می باشد. سایر اجزاء این سیستم شامل یاتاقان ها، یک یا چند کوپلینگ، ترمز مکانیکی و اجزاء دوار ژنراتور می باشد. در این مجموعه وظیفه گیربکس افزایش سرعت نامی روتور از یک مقدار کم (در حد چند ده دور در دقیقه) به یک مقدار بالا (در حد چند صد یا چند هزار دور در دقیقه) که مناسب برای تحریک یک ژنراتور استاندارد است، میباشد. عمدتاً دو نوع گیربکس در توربینهای بادی مورد استفاده قرار میگیرد: گیربکسهای با شفتهای موازی و گیربکسهای سیارهای.
ژنراتور: پره های توربین بادی انرژی جنبشی باد را به انرژی دورانی در سیستم انتقال تبدیل می کنند و در قدم بعدی، ژنراتور انرژی توربین را به شبکه برق منتقل می نماید. بطور معمول از سه نوع ژنراتور در توربین های بادی استفاده می شود. ژنراتور جریان مستقیم – آلترناتور یا ژنراتور سنکرون – ژنراتور القایی یا آسنکرون
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 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.
(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.
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.
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.
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.
(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.
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)
(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.
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.
گیربکس(جعبه دنده) : از آنجائی که محور توربین دارای دور کم و گشتاور بالا و بر عکس آن محور ژنراتور دارای دور بالا و گشتاور کم است، سیستم انتقال قدرت باید به نحوی این دو محور را به یکدیگر متصل نماید.
سیستم یاو:
در توربین های بادی از سیستم یاو جهت حفظ موقعیت صحیح رتور نسبت به جهت ورزش باد به کار می رود. سیستم یاو از موتور الکتریکی یا هیدرولیکی بر روی ناسل قرار گرفته است. در سیستم یاو از یک ترمز به منظور نگه داشتن توربین در موقعیت مناسب و حفظ عملکرد طبیعی استفاده می شود.
ترمز :
در توربین های بادی با ظرفیت بسیار پایین ( ١ الی ۵ کیلووات) معمولاً از سیستم های ترمز کفشکی استفاده می شود، زیرا جهت متوقف نمودن پره ها، نیروی زیادی مورد نیاز نیست. در توربین های بادی با ظرفیت بالا، از ترمزهای دیسکی استفاده می شود.
سیستم کنترل:
برای بدست آوردن حداکثر راندمان از یک توربین بادی، باید بتوان همواره صفحه دوران توربین را عمود بر جهت وزش باد قرار داد. برای این منظور از سیستم هایی برای تغیر جهت توربین بادی و قرار دادن سیستم در مسیر باد استفاده می شود. این سیستم (yaw system) یک سیستم ترکیبی الکتریکی- مکانیکی است که هدایت آن توسط واحد کنترل انجام می شود. در توربین های بادی سایز کوچک به جای چرخ انحراف (yaw system) از بالچه استفاده می کنند. همچنین سیستم هایی جهت کنترل و تنظیم سرعت دورانی در توربین بادی مورد استفاده قرار می گیرند. چنین سیستم هایی علاوه بر کنترل دور روتور، مقدار قدرت تولیدی و نیروهای وارده بر روتور در بادهای شدید را نیز محدود می کنند.
سیستم هیدرولیک:
سیستم های هیدرولیک به مجموعه جک و یونیت هیدرولیکی و اتصالات جانبی آنها اطلاق می شود. جک هیدرولیکی از یک سیلندر و پیستون دو طرفه تشکیل شده است و با انتقال سیال به هر ناحیه از آن، جک به سمت مخالف حرکت می کند. یونیت هیدرولیکی از الکتروموتور، پمپ، مخزن تامین فشار اولیه، شیرهای هیدرولیکی، شیلنگ های انتقال سیال به دو ناحیه داخل سیلندر جک، مخزن روغن، روغن مخصوص و تجهیزات جنبی تشکیل شده است. پس از دریافت فرمان، پمپ مقداری روغن را از داخل مخزن به محفظه جلو یا عقب سیلندر جک پمپ می کند تا جک بتواند به مقدار مورد نیاز محور تراورس را در جهت مورد نیاز حرکت دهد. محور تراورس محوری است که از سوراخ داخل شفت اصلی عبور می کند و یک سمت آن با جک هیدرولیکی و طرف دیگر آن با مکانیزم مثلثی واقع درون هاب مرتبط است. وظیفه این محور انتقال حرکت جک هیدرولیکی و در واقع فرمان کنترلر به مکانیزم مثلثی است که باعث چرخش پره ها می گردد. مکانیزم مثلثی درون هاب باعث تبدیل حرکت انتقالی محور تراورس به حرکت چرخشی و در نتیجه چرخش پره ها به دور محورشان می گردد.I hope I help you understand the question. Roham Hesami رهام حسامی ترم پنجم مهندسی هوافضا