توربین بادی Wind turbine

مدیران انجمن: parse, javad123javad

ارسال پست
نمایه کاربر
rohamjpl

نام: Roham Hesamiرهام حسامی

محل اقامت: City of Leicester Area of Leicestershire LE7

عضویت : سه‌شنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴


پست: 1468

سپاس: 3152

جنسیت:

تماس:

توربین بادی Wind turbine

پست توسط rohamjpl »

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.تصویر
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 آنتصویر
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 آسنکرونتصویر
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 تصویر
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)
تصویر
(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 smile072 smile261 smile260 رهام حسامی ترم پنجم مهندسی هوافضا
تصویر

نمایه کاربر
rohamjpl

نام: Roham Hesamiرهام حسامی

محل اقامت: City of Leicester Area of Leicestershire LE7

عضویت : سه‌شنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴


پست: 1468

سپاس: 3152

جنسیت:

تماس:

Re: توربین بادی Wind turbine

پست توسط rohamjpl »

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.
توربین های بادی ساخته شده توسط شرکت های گوناگون در اجزای زیر مشترک می باشند:تصویر
روتور توربین بادی
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. اجزای توربین بادی – پره هاتصویر
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.
اجزای توربین بادی- هاب به همراه پوشش و دماغه
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)
اجزای توربین بادی- دماغه توربین بادی
ناسل(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)تصویر
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. عمدتاً دو نوع گیربکس در توربین‌های بادی مورد استفاده قرار می‌گیرد، گیربکس‌های با شفت‌های موازی و گیربکس‌های سیاره‌ای. برای توربین‌های سایز متوسط به بالا (بزرگتر از KW ۵٠٠) مزیت وزن و اندازه در گیربکس‌های سیاره‌ای نسبت به نوع دیگر یعنی گیربکس‌های با شفت موازی کاملاً بارزتر است. بعضی از توربین‌های بادی (محرک مستقیم) از یک طرح خاص برای ژنراتور استفاده می کند (ژنراتور با تعداد قطب بالا) که در آن نیازی به استفاده از گیربکس نمی‌باشد. برای اطلاعات بیشتر در مورد ژنراتور های محرک مستقیم مقاله آینده توربین بادی را مطالعه کنید.
ژنراتور: ژنراتور هایی که در توربین بادی به کار گرفته می شوند بر خلاف دیگر ژنراتور هایی که در صنعت مورد استفاده قرار می گیرند می بایست توانایی کارکرد را تحت شرایط نوسانی توان که از ماهیت نوسانی سرعت باد ناشی می شود داشته باشند. در توربین های کوچک از ژنراتور های جریان مستقیم (DC) با ظرفیت محدود چند وات تا چندین کیلو وات استفاده می شود و در سیستم های بزرگتر از ژنراتور های جریان متناوب (AC) تک فاز و یا سه فاز استفاده می شود. ژنراتور های متناوب خود می توانند به دو صورت باشند:
ژنراتور های القایی (آسنکرون)
ژنراتور های سنکرون
اجزای توربین بادی- ژنراتور سنکرون شرکت انرکون
سیستم جهت دهی (yaw system)
سیستم جهت دهی وظیفه دارد همواره توربین را در جهت وزش باد برای بدست آوردن حداکثر راندمان از یک توربین بادی سمت دهی کند که باید بتوان همواره صفحه روتور توربین را عمود بر جهت وزش باد قرار دهد. این سیستم از لحاظ عملکرد کمترین ارتباط را با مجموعه سیستم های داخل ناسل دارد و می توان آن را یک سیستم با عملکرد مستقل حساب کرد. این سیستم به دو صورت است، سیستم یاو آزاد (passive yaw) که به صورت دم در انتهای ناسل نصب می گردد(فقط در توربین های کوچک) و یا سیستم یاو فعال (active yaw) که محل اتصال ناصل با برج است و وظیفه اتصال ناسل به برج را به عهده دارد. سیستم یاو برای اندازه گیری جهت باد از باد نما استفاده می کند. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد جهت باد و تاثیر ان در توان خروجی، مقاله جهت باد را مطالعه کنید. به علت سنگینی توربین های بادی بزرگ از چند موتور الکتریکی برای چرخاندن توربین استفاده می شود.
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 جانبی 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 (مکانیزم گام یا پیتچ) 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.
سیستم های اکتریکی
علاوه بر ژنراتور ها در توربین های بادی از دیگر اجزا الکتریکی نیز استفاده می شود .این اجزا شامل موارد زیر می باشند:
کلید ها
ترانسفورماتورها
خازن ها
موتورهای سیستم جهت دهی(yaw system) و گام
باد سنج (Anemometer)
این وسیله سرعت باد را اندازه گرفته و اطلاعات حاصل از آن را به کنترل‌کننده‌ها انتقال می‌دهد.
باد نما (Wind vane)
وسیله‌ای است که جهت وزش باد را اندازه‌گیری می‌کند و کمک می‌کند تا جهت توربین نسبت به باد در وضعیت مناسبی قرار داشته باشد.
اجزای توربین بادی – باد سنج و باد نمای توربین بادی
برج توربین(tower)
برج در توربین های محور افقی از عوامل تعیین کننده در تکنولوژی توربین است که ممکن است تا ۲۰ درصد هزینه ساخت توربین را به خود اختصاص دهد. با افزایش ارتفاع برج هزینه های ساخت، حمل و نقل و نصب توربین افزایش می یابد در حالی که موجب افزایش بازده توربین نیز می شود. تلاقی منحنی های هزینه و بازده، مشخص کننده ی ارتفاع بهینه برج است. توربین های بادی علاوه بر بار های ناشی از وزن تجهیزات، در معرض نیرو های ناشی از باد نیز می باشند که این نیرو ها بسیار متغیر بوده و به همین سبب مشکلات بار های دینامیکی و خستگی مصالح را موجب می شوند. در طراحی برج بدترین شرایط بارگذاری باید مد نظر قرار گیرد، همچنین خستگی سازه برای عمر بین ۲۰ تا ۳۰ سال می بایست در طراحی لحاظ گردد. برج های متداول امروزی شامل برج های استوانه ای، خرپایی، مهاری می باشند 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. برای حمل راحت برج ان را به صورت چند تکه طراحی کرده اند و هر قسمت به دیگری به وسیله پیچ و مهره متصل می شود. اندازه گشتاور هر پیچ به صورت استاندارد تعیین و اعمال می شود.
فوندانسیون
اولین و مهم ترین عاملی که در طراحی فوندانسیون مورد توجه قرار می گیرد نیروی وارده بر توربین در بالاتری سرعت ممکن باد است، دومین عامل موثر پارامتر های طراحی نیروهای توربین در هنگام کار توربین است. نیرو هایی مانند ممان خمشی توربین، مکانیزم یاو و کنترل گام از جمله این نیرو ها است. بر اساس نیرو های ذکر شده، فوندانسیون به گونه ای طراحی می شود که تحمل بارهای وارده به ستون برج در بدترین شرایط را داشته باشد.
اتصال برج به فوندانسیون از طریق قطعه ای به نام امبدد(embeded) انجام می شود که این بخش در هنگام پی ریزی به فونداسیون متصل می گردد و برج از طریق فلنج به یاتاقان یاو و ناسل متصل می شود. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد فونداسیون مقاله نصب توربین بادی را مطالعه بفرمایید.
انواع فوندانسیون ها
فونداسیون در خشکی
فوندانسیون در دریا
فوندانسیون وزنه ای (gravity type foundation)
فوندانسیون تک شمع (mono pile)
فوندانسیون سه پایه(tripod)
پلتفورم شناور
مواردی که در طراحی توربین ها می تواند متغیر باشد به صورت زیر است :
تعداد پره ها ( به طور معمول دو پره و یا سه پره استفاده می شود )
نحوه قرار گیری روتور : رو به باد(upwind) و یا پشت به باد (downwind)
جنس پره ها، نحوه ساخت و پروفیل پره ها
کنترل قدرت به وسیله ی کنترل آیرودینامیکی(استال) و یا پیتچ متغیر
سرعت روتور ثابت و متغیر
سیستم یاو آزاد(passive yaw) و یاو فعال(active yaw)
ژنراتور القایی و یا سنکرون
جعبه دنده و یا ژنراتور مستقیم (بدون جعبه دنده).I hope I help you understand the question. Roham Hesami smile072 smile261 smile260 رهام حسامی ترم پنجم مهندسی هوافضا
آخرین ویرایش توسط rohamjpl پنج‌شنبه ۱۴۰۰/۹/۲۵ - ۱۸:۴۲, ویرایش شده کلا 1 بار
تصویر

نمایه کاربر
rohamjpl

نام: Roham Hesamiرهام حسامی

محل اقامت: City of Leicester Area of Leicestershire LE7

عضویت : سه‌شنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴


پست: 1468

سپاس: 3152

جنسیت:

تماس:

Re: توربین بادی Wind turbine

پست توسط rohamjpl »

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.
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.
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 الکتریکی 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.
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.
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. 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.
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 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 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، 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.
نگامی 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).
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.
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 ۸۵٪ توربین های بادی نصب شده از DFIG استفاده می کنند و بیشترین ظرفیت برای تولید توربین بادی تجاری با DFIG به ۵ 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 ± 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 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 کنترل مستقیمی بر ولتاژ ترمینال (بنابراین توان راکتیو) 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.
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.
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.
لمینیت فولاد سیلیکون دار برای استاتور و روتور
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 ۶ تا ۸ 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 ۸ تا۱۵درصد 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.
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 ± ۵۰ 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 ۱۵ دور در دقیقه کار می کند و ژنراتور برای کار با ۱۲۰۰ دور در دقیقه (برای ۶۰ هرتز) طراحی شده است. برای مطابقت با سرعت / گشتاور توربین با این ژنراتور، یک جعبه دنده با سرعت ۱:۸۰ 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.
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.
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 ۱۰ 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.
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 ۱۰۰ تن محدود می شود به طوری که ژنراتور محرک مستقیم ممکن است بیشتر از ۱۰ 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 ۹ 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 ۸۶٪ ولتاژ ورودی)، حساسیت به اختلالات(disturbances) شبکه و اتلاف توان(conducting power loss) زیاد اشاره کرد..I hope I help you understand the question. Roham Hesami smile072 smile261 smile260 رهام حسامی ترم پنجم مهندسی هوافضا
تصویر

ارسال پست