وبلاگ

 
امروزه با افزایش روز افزون تقاضای انرژی برق و کاهش همزمان منابع انرژی فسیلی و نیز نگرانی از آلودگی زیست محیطی ناشی از آنها، کارشناسان در پی یافتن روش‌های تولید انرژی الکتریکی از منابع انرژی تجدیدپذیر برآمدند. انرژی خورشیدی، انرژی باد و انرژی موج دریا و… از این دسته می‌باشند. انرژی باد در مقایسه با سایر منابع انرژی‌های نو، ارزان‌تر و قابل اعتمادتر بوده و تقریبا در تمامی مکان‌ها قابل دسترسی است. لذا در طی سال‌های اخیر نصب توربین‌های بادی به عنوان یکی از موثرترین روش‌های تولید برق، هر روز گسترده‌تر و فراگیرتر می‌شود. بطوری‌که طبق آمار انجمن انرژی بادی جهان (WWEA[1]) در سال 2014 میلادی نزدیک به GW500 انرژی الکتریکی جهان از طریق توربین‌های بادی نصب شده در 98 کشور دنیا تامین می‌شود که در حدود 7% کل انرژی الکتریکی تولیدی می‌باشد. شکل 1-1 منحنی پیشرفت تولید انرژی برق به وسیله‌ی توربین‌های بادی در طی سال‌های 1997 تا 2014 و نیز پیش‌بینی این روند تا سال 2020 میلادی را بر حسب مگاوات نمایش می‌دهد.
شکل 1-1: منحنی توسعه انرژی الکتریکی حاصل از توربین‌های بادی جهان
صنایع مربوط به توربین‌های بادی به سرعت در حال پیشرفت و تحول می‌باشند. تنوع و گستردگی این توربین‌ها آنها را در طبقه‌بندی‌های مختلفی جای می‌دهد که در تمامی این انواع طبقه‌بندی، ژنراتور به عنوان قلب توربین، اساسی­ترین بخش است. در ادامه به بررسی انواع توربین‌های بادی و تنوع ژنراتورهای استفاده شده در هر دسته پرداخته می‌شود.

1-1-         انواع توربین‌های بادی سرعت متغیر و ژنراتورهای استفاده شده در آنها

تکنولوژی‌های استفاده از باد برای تولید انرژی الکتریکی و توربین‌های بادی مدرن امروزی از سال 1970 میلادی شروع به توسعه کرده‌اند و سرعت پیشرفت آنها از سال 1990 میلادی تاکنون بیش از پیش بوده است. با پیشرفت­های چشم­گیری که در عرصه سوئیچ­های الکترونیک قدرت در سال­های پایانی قرن گذشته اتفاق افتاد و با توجه به پایین بودن راندمان توربین های بادی با ساختار سرعت ثابت، ساختار سرعت متغیر معرفی گردید. طی دهه ی اول قرن بیست و یکم، این ساختار محبوبترین ساختار بین تولید­کنندگان توربین­های بادی بود. امروزه بیشتر توربین های نصب شده در سطح جهان از این نوع هستند. این ساختار به دلیل آنکه سرعت آن به خوبی قابل کنترل بوده و به همین دلیل راندمان آن بسیار بالاتر از انواع پیشین است، هنوز هم مورد استقبال قرار می­گیرد.
با توجه به حضور یا عدم حضور جعبه‌دنده می‌توان توربین‌ها را در دو دسته‌ی بدون جعبه‌دنده (DD[2]) و یا دارای جعبه‌دنده (GD[3]) طبقه‌بندی نمود. طبقه بندی‌های دقیق‌تر آنها را در سه دسته‌ی زیر جای می‌دهند:

• توربین‌های با جعبه‌دنده چند پله یا توربین‌های سرعت بالا

• توربین‌های با جعبه‌دنده تک پله یا توربین‌های سرعت متوسط

• توربین‌های بدون جعبه‌دنده یا توربین‌های سرعت پایین

انواع مختلفی از ژنراتورهایی که در این نوع توربین­ها مورد استفاده قرار می­گیرند عبارتند از:

1-1-1- ژنراتور القایی

• ژنراتورهای القایی قفس سنجابی

• 

•  

این ماشین در ردیف ژنراتورهای القایی سرعت ثابت قرار می­گیرد. امروزه پرکاربردترین ماشین در توربین های بادی ماشین­های القایی است[1]. یکی از مهمترین مباحث تحقیقاتی در زمینه توربین بادی مجهز به ماشین های القایی ، کنترل سرعت ماشین القایی می­باشد. امکان کنترل سرعت در این نوع ژنراتور وجود ندارد و تغییرات سرعت از بی باری تا بار کامل حداکثر بین 2 تا 4 در صد می­باشد. به این دلیل عموماً به این نوع ماشین لفظ ژنراتور سرعت ثابت اطلاق می­گردد. این ژنراتورها حداکثر تا قدرت 750 کیلو وات مورد بهره برداری قرار می­گیرند. از آنجایی که امکان تغییر سرعت در این ژنراتورها وجود ندارد، لذا امکان ماکزیمم کردن توان قابل استحصال از باد نیز وجود نخواهد داشت. تنها روشی که می توان بر اساس آن سرعت این نوع ماشین ها را تغییر داد، استفاده از ماشین های 4 قطب و 6 قطب است زیرا استفاده از دو قطب این امکان را فراهم می­کند که ماشین بتواند در فرکانس 50 هرتز در سرعت­های 1000 و 1500 دور بر دقیقه کار کند.
شکل 1-2: ساختار کلی توربین بادی سرعت متغیر با ژنراتور القایی قفس سنجابی
 
 
 
 

• ژنراتورهای القایی روتور سیم بندی شده

در شکل 1-3، شماتیک یک توربین مجهز به ژنراتور روتور سیم بندی شده را نشان می­دهد.
شکل1-3: توربین بادی مجهز به ژنراتور القایی[2]
با توجه به اینکه در ژنراتورهای روتور سیم بندی شده امکان تغییر مقاومت روتور وجود دارد، می توان تغییر سرعت محدودی را برای این نوع ماشین متصور بود. این موضوع در شکل 1-4 نشان داده شده است.
شکل1-4: کنترل سرعت توربین بادی مجهز به ژنراتور القایی روتور سیم بندی شده[2]
در ژنراتور القایی روتور سیم­بندی شده با امکان تغییر سرعت محدود، می­توان علاوه بر استحصال بیشتر انرژی از باد ، تنش های وارد بر توربین را نیز کاهش داد. در این ژنراتور ها یک بانک مقاومتی متغیر سه فاز که از طریق حلقه های لغزان به سیم پیچ های روتور وصل شده و وظیفه تغییر سرعت ماشین را بر عهده دارد. در این نوع ماشین ها امکان تغییر سرعت بین 5 تا 10 درصد سرعت سنکرون وجود دارد[3].

• ژنراتور های القایی با تغذیه دوگانه

در ژنراتورهای القایی با مقاومت متغیر روتور، می توان سرعت را تا 10 درصد افزایش داد ولی با این­کار راندمان ماشین کاهش می­یابد. چون با افزایش مقاومت روتور انرژی بیشتری در روتور بصورت گرما تلف می­شود. ولی اگر بتوان به نحوی انرژی ارسال شده به سیم پیچ های روتور را به منبع بازگرداند، می­توان سرعت ماشین را به نحوی کنترل کرد که راندمان ماشین کاهش نیابد. شکل 1-3 شماتیک ژنراتورهای القایی تغذیه دوبل که خاصیت فوق را دارند، نشان می­دهند[3].
شکل 1-5: توربین بادی مجهز به ژنراتور القایی تغذیه دوبل[2]
در یک ماشین القایی تغذیه دوگانه (DFIG[4]) انرژی ورودی به روتور با استفاده از مبدل های الکترونیک قدرت به سیستم قدرت برگردانده می­شود. این مبدل از دو مدار پل IGBT تمام کنترل شده تشکیل گردیده است. اینورتور سمت شبکه که به شبکه متصل می­شود. این دو اینورتور ماشین را قادر می­سازد که بتواند توان را از سمت روتور جذب یا به شبکه تحویل دهد. این ماشین­ها عموماً به عنوان ژنراتور در توربین های بادی بزرگ استفاده می­گردند و این قابلیت را دارند که قابلیت کنترل سرعت توربین را تا 30 درصد افزایش دهند. می توان نشان داد که جهت داشتن قابلیت 30 درصد تغییر در سرعت ژنراتور، نیاز است که قدرت مبدل در حدود 30 درصد قدرت نامی ماشین باشد. این ماشین قابلیت های بسیار بهتری نسبت به دیگر انواع ژنراتورهای القایی دارد ولی در عوض قیمت آن بسیار بالاتر است[2].
[1] World Wind Energy Association
[2] Direct Drive
[3] Geared Drive
[4] Doubly Fed Induction Generator
 
ما معمولا در این سایت متن کامل پایان نامه ها را درج می کنیم ولی استثنائا این پایان نامه فقط فصل اول موجود است