آشنایی با ساختمان و عملکرد انواع توربین های بادی

با گسترش روز افزون جوامع انسانی و توسعه صنعتی جوامع مختلف , نیاز به منابع انرژی, در حال افرایش است

● مقدمه

با گسترش روز افزون جوامع انسانی و توسعه صنعتی جوامع مختلف ، نیاز به منابع انرژی، در حال افرایش است. از سویی دیگر منابع فسیلی درجهان رو به اتمام هستند ( زنگ خطر )، این منابع، از نظر اندازه و مقدار محدود بوده و درضمن آلاینده محیط زیست نیز محسوب می‌شوند. از این‌رو در سالهای گذشته، گرایش به استفاده ار منابع نوین و تجدیدپذیر انرژی، رو به فزونی گذاشته است. یکی‌از‌ارزان‌ترین و‌سهل‌الوصل‌ترین آنها انرژی باد است. بررسی میزان استفاده از این انرژی در سال‌های اخیر به خوبی گویای اهمیت و جایگاه آن در تامین انرژی در سطح جهان است. نمودار زیر، هزینه تولید هر کیلووات ساعت انرژی الکتریکی از باد را در سالهای اخیر نشان می‌دهد ، که مزید بر علت بوده است.

در این پژوهش به صورت کاملاً مختصر به بررسی برخی از جوانب استفاده از این انرژی برای تامین بخشی از انرژی الکتریکی مورد نیاز بشر، خواهیم پرداخت.

● ساختمان توربین بادی

همان طور که در شکل نیز مشخص است، توربین بادی از برج نگهدارنده، پره‌ها ، جعبه دنده، ژنراتور، محور توربین تشکیل یافته است. از آنجا که سرعت چرخش پره‌ها کم است، از جعبه دنده استفاده می‌کنند تا بدین طریق سرعت چرخش محور (‌شفت) ژنراتور را افزایش دهند.

برای اینکه بیشترین انرژی را از باد بگیریم، بایستی با تغییر سرعت باد زاویه پره‌ها تغییر کنند، که این کار با کنترل زاویه پره صورت می‌گیرد. همچنین پس از سنجش جهت باد، موتور کوچکی به نام یاو، کل قسمت بالای برج توربین را می‌چرخاند تا در راستای مناسب با جهت وزش باد قرار گیرد.

● طبقه بندی چگالی باد

کلاسه‌بندی و طبقه‌بندی چگالی باد، در ارتفاع ۱۰ متری و ۵۰ متری در جدول زیر آمده است.

● انواع توربین‌های بادی

۱) توربین‌های بادی با سرعت ثابت :

تا اوایل ۱۹۹۰ ، استاندارد نصب و بهره برداری بر مبنای توربین‌های بادی با سرعت ثابت بود. در این نوع توربین‌ها، صرف نظر از سرعت باد سرعت رتور توربین ( محور ) ثابت است. این سرعت به فرکانس شبکه ساختمان ژنراتور و نیز به نسبت دنده‌ها در گیربکس ، بستگی دارد.

این نوع توربین‌ها ، دارای ژنراتور القایی قفس سنجابی یا با رتور سیم پیچی شده ، هستند که مستقیماً متصل به شبکه قدرت می‌باشند. این ژنراتورها به یک استارتر نرم و به بانک‌های خازنی برای جبران توان راکتیو مجهز هستند. این ژنراتور به گونه‌ای طراحی شده اند که در یک سرعت مشخص باد بیشترین بازدهی را داشته باشند. به منظور افزایش توان تولیدی ژنراتور این توربین‌های بادی دارای دو نوع تنظیم بر روی سیم پیچی‌های استاتور هستند، یکی در سرعت‌های پایین باد (نوعاً ۸ قطب) و دیگری در سرعت‌های متوسط یا بالا ( ۴ قطب یا ۶ قطب ) مورد استفاده قرار می گیرد. این نوع توربین ها مزایایی از قبیل سادگی، استحکام و قابلیت اطمینان بالایی دارند و کار‌های علمی و پژوهشی بسیاری بر روی آنها انجام شده است. قیمت اجزای الکتریکی و درایو آنها نیز پایین است. معایب مهم این نوع توربین‌ها نیز عبارت است از توان راکتیو مصرفی غیرقابل کنترل، استرس مکانیکی و کنترل محدود کیفیت توان. به علت عملکرد سرعت ثابت آنها ، تمامی نوسانات در سرعت باد به صورت نوسانات در گشتاور مکانیکی و از آنجا به صورت نوسانات در توان الکتریکی شبکه ظاهر می‌شوند. در مورد شبکه‌های ضعیف ، نوسانات توان می‌تواند به نوسانات بزرگ ولتاژ منتهی شوند که باعث ایجاد تلفات قابل تامل در خطوط انتقال واسط می‌شوند.

۲) توربین‌‌های بادی با سرعت متغیر

در سال‌های اخیر، توربین‌های بادی با سرعت متغیر، اکثریت غالب را (در میان توربین‌های نصب شده) تشکیل داده‌اند. در این حالت، امکان تنظیم سرعت چرخشی رتور ? (با افزایش یا کاهش شتاب) وجود دارد. ثابت سرعت ?، ‌در یک مقدار ثابت و از پیش تعیین شده ای نگهداری و تثبیت می‌شود تا به ضریب توان بالایی دست پیدا کنیم. در این حالت، گشتاور ژنراتور نسبتاً ثابت نگهداشته می‌شود و تغییرات در وزش باد به تغییرات در سرعت ژنراتور می‌انجامد.

سیستم الکتریکی توربین‌های بادی با سرعت متغیر، بسیار پیچیده‌تر از توربینهای سرعت ثابت است. این نوع توربین‌ها، نوعاً دارای ژنراتور القایی یا سنکرون هستند و از طریق یک کانورتر توان به شبکه متصل می‌شوند. مزایای این نوع توربین‌ها عبارت است از: افزایش انرژی به دست آمده از باد، بهبود کیفیت توان و کاهش استرس مکانیکی. معایب آنها نیز عبارت است از: تلفات در قسمت‌های درایو الکترونیکی، استفاده از اجزا بیشتر و افزایش هزینه ناشی از تجهیزات سیستمهای الکترونیکی . در این نوع توربین‌ها ، نوسانات توان ناشی از نوسانات باد، عمدتاً بصورت تغییرات در سرعت روتور توربین و ژنراتور ظاهر می‌شود.

۱-۵) مفاهیم کنترل توان

ساده‌ترین، مقاوم‌ترین و ارزان‌ترین روش کنترلی، کنترل وامانده (کنترل غیرفعال) است که پره‌ها در داخل توپی با یک زاویه ثابت پیچ شده‌اند. طراحی رتور به گونه‌ای است که باعث می‌شود در صورتی که سرعت باد از حد معینی بیشتر شود، رتور توان باد را از دست بدهد. بنابراین توان آیرودینامیکی پره‌ها محدود می‌شود. چنین تنظیم توان آیرودینامیکی باعث می‌شود که نوسانات توان کمتری را نسبت به تنظیم توان با گام سریع داشته باشیم. برخی ار نارسائی‌‌های این روش، بازده پائین در سرعت‌‌های کم باد ، نداشتن استارت کمکی و تغییرات در توان ماکزیمم حالت ماندگار در اثر تغییرات در چگالی هوا و فرکانس‌های شبکه است.

نوع دیگر کنترل، کنترل گام است (کنترل فعال) که در آن، پره‌ها می‌توانند در زمان‌هایی که توان خروجی خیلی کم و یا خیلی زیاد می‌شود، به ترتیب به سمت جهت باد یا عکس آن پیچانده شوند.

در حالت کلی ،‌مزایای این نوع کنترل ، کنترل خوب توان ، استارت مجدد کمکی و توقف اضطراری است. از دیدگاه الکتریکی، کنترل خوب یعنی اینکه در سرعت‌‌های بالا ، مقدار اصلی توان خروجی ، نزدیک به مقدار نامی ژنراتور باشد. برخی معایب آن ، پیچیدگی اضافی ناشی از مکانیزم گام و نوسانات بیشتر توان در سرعت های بالاست. در هنگام طوفان و سرعت‌های محدود مکانیزم گام،‌توان لحظه‌ای حول و حوش مقدار نامی نوسان می‌کند.

سومین استراتژی کنترلی، وامانده فعال است. در سرعت‌‌های پایین باد، به منظور دسترسی به بیشترین بازده ، پره‌ها شبیه یک توربین بادی کنترل شونده با گام، چرخانده می‌شوند. در سرعت‌های بالا، پره‌ها به یک واماندگی عمیق و به صورت آرام و در جهت مخالف توربین کنترل شده با گام برده می‌شوند. با این نوع کنترل، توان محدود صاف‌تری (بدون نوسانات بالای توربین‌های بادی کنترل شده با گام)، به دست می‌آید. این نوع کنترل، مزایایی از قبیل قابلیت جبران سازی تغییرات چگالی‌ هوا را دارا است. ترکیب با مکانیزم گام، توقف‌های حالت اضطراری و استارت توربین‌های بادی را آسان‌تر کرده است.

۱-۶) انواع ژنراتورهای مدرن

▪ نوع A : سرعت ثابت:

از آنجا که ژنراتور‌های القایی قفس سنجابی SCIG ، همواره از شبکه توان راکتیو می‌کشند، این آرامش از یک بانک خازنی برای جبران سازی توان راکتیو استفاده می‌کند. اتصال نرم و هموار و صاف به شبکه از طریق یک استارتر نرم حاصل می‌شود. همان طور که ذکر شد در مورد شبکه‌های ضعیف ، نوسانات باد به نوسانات ولتاژ تبدیل می‌شود. این نوع توربین‌ها می‌توانند مقادیر متغیر توان را از شبکه جذب کنند که این امر ، هم ارتعاشات ولتاژ و هم تلفات خط را افزایش می‌دهد.

از این رو از مهمترین نارسائی‌های این ژنراتور و سیستم‌های مربوطه، عبارتند از :

۱) عدم کنترل بروی سرعت

۲) نیاز داشتن به شبکه قوی و

۳) نیاز داشتن به ساختمان قوی مکانیکی که بتواند استرس‌های بالای مکانیکی را تحمل کند.

▪ نوع B : سرعت متغیر محدود:‌

این دسته از توربین‌های بادی که با سرعت متغیر محدود هستند دارای مقاومت متغیر در رتور بوده و با نام Optislip شناخته می‌شوند. در این نوع آرایش ، از ژنراتور القایی رتور سیم پیچی شده استفاده می‌کنند. ژنراتور مستقیماً به شکل متصل است و برای بدست آوردن اتصال صافتر از یک استارتر نرم استفاده می‌شود. مقاومت متغیر رتور این نوع ژنراتورها، می‌تواند با کانورتر کنترل شونده به وسیله پالس‌های نوری که در بالای محور رتور نصب شده است، تنظیم شود. این تجهیزات نوری، به حلقه‌های لغزان گران قیمتی ( که به جاروبک و نگهداری نیازمند است)، احتیاج دارند. در این حالت مقاومت رتور می‌تواند تغییر کرده و بدین ترتیب لغزش را کنترل کند. با این کار توان خروجی سیستم کنترل می‌شود. محدوده کنترل دینامیکی سرعت بستگی به اندازه مقاومت متغیر رتور دارد. نوعاً محدوده سرعت، صفر تا ۱۰ درصد بالای سرعت سنکرون است. انرژی حاصل از تبدیل انرژی اضافی به صورت گرما تلف می‌شود. در سال ۱۹۹۸، دو مهندس به نامهای Wallen و Oliner ، مفهوم جایگزینی را معرفی کردند که در آن اجزا، پسیو به جای کانورترهای الکترونیک قدرت مطرح شده است بوده‌اند. این مفهوم، لغزش ۱۰ درصدی را نتیجه می‌داد ولی متاسفانه کنترلی برروی لغزش نداشت.

▪ نوع C :‌سرعت متغیر با مبدل فرکانسی با ظرفیت کسری:‌

این نوع آرایش با نام ژنراتور القایی با تغذیه دو گانه شناخته شده است. ظرفیت کانورتر (مبدل فرکانسی با ظرفیت کسری)، حدود ۳۰ درصد توان نامی ژنراتور است. این کانورتر جبران‌سازی توان راکتیو را انجام می‌دهد و در ضمن در زمان اتصال به شبکه قدرت، حالت صاف و هموارتری را نتیجه می‌دهد. این نوع آرایش ، محدوده وسیعتری در مقایسه با Optislip در کنترل دینامیکی ولتاژ دارد. محدوده سرعت آنها، معمولاً در حدود وسیعتری در مقایسه با سرعت سنکرون است. کانورتر فرکانسی کوچکتر، از نقطه‌نظر اقتصادی به صرفه است. عمده‌ترین نارسائی‌های این روش، استفاده از حلقه‌‌های لغزان و محافظت آن در برابر خطاهای شبکه است.

▪ نوع D : سرعت متغیر با مبدل فرکانسی با ظرفیت کامل:‌

در این روش، ژنراتور از طریق یک کانورتر ( مبدل فرکانسی با ظرفیت کامل ) به شبکه متصل می‌شود. کانورتر فرکانسی، جبران سازی توان راکتیو را انجام می‌دهد و در زمان اتصال به شبکه مشخصه صاف و هموارتری دارد . این نوع ژنراتور می‌تواند به صورت الکتریکی تحریک شود، مانند WRIG، WRSG ها، یا از طریق یک مغناطیس دائم (PMSG ) تحریک شود. برخی ازتوربینهای بادی سرعت متغیر کامل، هیچ نوع جعبه‌ دنده‌ای ندارند. در این موارد، از ژنراتورهای چند قطبی که به صورت مستقیم فرمان داده می‌شوند (با قطر بزرگ) مورد استفاده قرار می‌گیرد.

● ژنراتورهای آسنکرون (القایی)

ژنراتور آسنکرون، متداول‌ترین نوع ژنراتور مورد استفاده در توربین‌های بادی هستند. استحکام و سادگی مکانیکی و قیمت ارزان جزء مزایای آن و نیاز به جریان مغناطیس‌کنندگی جزء معایب آن است. توان راکتیو مصرفی آن یا توسط بانک خازنی و توسط ادوات الکترونیک قدرت تامین می‌شود. میدان مغناطیسی به وجود آمده در آن با سرعتی که توسط قطب‌های سیم پیچی و فرکانس شبکه تعیین می‌شود و سرعت سنکرون نام دارد ، می‌چرخد. چنانچه رتور با سرعتی بیش از سرعت سنکرون بچرخد ، در آن میدان مغناطیسی، ولتاژ القا می‌شود و جریان در سیم‌پیچی‌های آن جاری می‌شود. در ژنراتورهای SCIG که سرعت آنها تنها حدود چند درصد به دلیل تغییرات سرعت باد تغییر می‌کند لذا بیشتر بهمراه توربین‌های نوع A (سرعت ثابت) استفاده می‌شوند. ژنراتورهای SCIG مشخصه گشتاور- سرعت تندی دارند و از این رو ارتعاشات توان باد، مستقیماً به شبکه قدرت منتقل می‌شوند. این حالت‌های گذرا خصوصاً در زمان اتصال توربین بادی به شبکه ، بحرانی هستند چرا که باعث ایجاد جریان هجومی، ۷،۸ برابر جریان نامی می‌شوند در شبکه‌های ضعیف، این مقدار جریان هجومی می تواند موجب اختلال شدیدی شود. از این رو اتصال ژنراتور‌های SCIG به شبکه به آرامی و توسط یک استارتر نرم انجام می‌شود تا جریان هجومی را محدود کند. در ژنراتور‌های SCIG، رابطه خطی بین مقدار بانک خازنی لازم، توان اکتیو، ولتاژ ترمینال و سرعت رتور وجود دارد. یعنی اینکه در باد‌های شدید، توربین به شرطی می‌تواند توان اکتیو بیشتری را تولید کند که بتواند توان راکتیو بیشتری را از شبکه جذب کند. در این نوع ژنراتورها اگر خطایی رخ دهد ، به خاطر عدم تعادل توان‌های مکانیکی و الکتریکی، سرعت رتور افزایش می‌یابد. لذا با برطرف‌شدن خطا، SCIG توان راکتیو بیشتری از شبکه می‌کشد که کاهش بیشتر ولتاژ را سبب می‌شود.

در ژنراتور القایی رتور سیم پیچی شده، مشخصه‌های الکتریکی رتور می‌تواند ازبیرون کنترل شود و ولتاژ آن را تحت تاثیر قرار دهند. سیم‌‌بندی رتور می‌تواند از طریق جاروبک و حلقه‌های لغزان به بیرون وصل شود یا از طریق ادوات الکترونیک قدرت که ممکن است به حلقه‌های لغزان و جاروبک نیاز داشته باشند. یا نیاز نداشته باشند ژنراتور می‌تواند از طریق استاتور و یا رتور، مغناطیسی شود. امکان بازیابی انرژی لغزشی از مدار رتور و باز پس دادن به خروجی استاتور نیز وجود دارد. در توربین‌های بادی، بیشتر از آرایش‌های زیر که مربوط به WRIG است ، استفاده می‌کنند.

۱) ژنراتور القایی R) Optislip) که در نوع OSIG)B) استفاده می‌شود.

۲) ژنراتورالقایی‌باتغذیه دوگانه (DFIG) که در نوع C مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در ژنراتور‌های Optislip ، کانورتر به صورت نوری کنترل می‌شود (کانورتری که مقاومت رتور را تغییر می‌دهد) از این رو نیازی به حلقه‌های لغزان نیست. استاتور نیز مستقیماً به شبکه قدرت متصل می‌شود. محدوده سرعت کاری در این حالت نسبت به ژنراتور‌های SCIG ، بیشتر و از نظر سیستم، پیشرفته‌تر است، برای یک گستره مشخص ، این مفهوم می‌تواند بارهای مکانیکی و ارتعاشات توان ناشی از طوفان‌ها را کاهش دهد. معایب این روش عبارتند از:

۱) محدوده سرعت، نوعاً در حدود صفر تا ۱۰ درصد است و این مستقل از مقدار مقاومت متغیر رتور است.

۲) کنترل ضعیفی روی توان‌های اکتیو و راکتیو دارد.

۳) توان لغزشی در مقاومت متغیر، به صورت تلفات از بین می‌رود.

ژنراتور القایی با تغذیه دوگانه (DFIG)، گزینه‌ای جالب ،‌ با بازاری رو به فزونی،‌ و با تقاضا است. DFIG ، یک WRIG، است که استاتور به طور مستقیم به شبکه سه فاز با فرکانس ثابت متصل است و سیم پیچی رتور با یک کانورتر منبع ولتاژ با کلید‌های IGBT ، با طبقات پشت به پشت تک جهته تغذیه می‌شود. عبارت تغذیه دوگانه به این واقعیت اشاره دارد که استاتور به شبکه قدرت، ‌ولتاژ برای تغذیه بارها می‌دهد و ولتاژ رتور نیز به وسیله کانورتر توان، ایجاد می‌شود. سرعت عملکرد این سسیستم در یک گستره وسیع اما محدود قراردارد. کانورتر اختلاف فرکانس الکتریکی و مکانیکی را با تزریق جریان به رتور با یک فرکانس متغیر، ‌جبران می‌کند. هم در طول عملکرد عادی و هم در طول خطاها، رفتار ژنراتور توسط کانورتر توان و کنترل‌کننده‌های آن تنظیم می‌شود. کانورتر توان، متشکل از دو کانورتر است،‌ کانورتر طرف شبکه و کانورتر طرف رتور،‌ که هر کدام به صورت مستقل کنترل می‌شود. ایده اصلی آن است که کانورتر طرف رتور توان‌های اکتیو و راکتیو را با کنترل اجزاء جریان رتور کنترل می‌کند، در حالی که کانورتر طرف خط، ولتاژ طرف DC را کنترل می‌کند تا از عملکرد کانورتر در ضریب توان واحد (توان راکتیو صفر) اطمینان حاصل شود. بسته به شرایط کاری درایو، توان به رتور وارد می‌شود یا از آن خارج می‌شود. در شرایط فوق سنکرون توان از رتور به طرف شبکه و در شرایط زیر سنکرون، ‌توان از شبکه به طرف رتور جاری می‌شود. در هر دو حالت ، توان از استاتور به طرف شبکه می‌رود مزایای ژنراتور‌های DFIG عبارت است:‌

۱) داشتن توانایی کنترل بر روی توان راکتیو

۲) توانایی کنترل مستقل توان‌های اکتیو و راکتیو با کنترل جریان رتور

۳) قابلیت مغناطیس شدن از طرف رتور

۴) قابلیت تولید توان راکتیو که به استاتور تحویل داده می‌شود . همان طوری که گفته شد، کانورتر طرف شبکه در ضریب توان واحد عمل می‌کند و خود را درگیر تبادل توان راکتیو نمی‌کند. البته در مورد شبکه‌های ضعیف، ‌ژنراتور ‌های DFIG ممکن است. در صورت نوسان ولتاژ، به منظور تبادل توان راکتیو با شبکه، فرمان داده شود که البته قابلیت کنترل ولتاژ نه با توان کلی ژنراتور، بلکه با محدوده سرعت و توان لغزشی مرتبط خواهد بود. قیمت کانورتر، متناسب با محدوده سرعت در اطراف سرعت سنکرون است. نارسایی اجتناب‌ناپذیر ژنراتور‌های DFIG ، استفاده از حلقه‌های لغزان است.

- ژنراتور سنکرون

ژنراتور سنکرون در قیاس با یک ژنراتور القایی با مشخصات مشابه و با اندازه‌ مشابه،‌ بسیار گرانتر و پیچیده‌تر است، مهمترین مزیت آن، ‌نیاز نداشتن به جریان جهت مغناطیس‌کنندگی است و از طریق یک کانورتر (الکترونیک قدرت)، به شبکه اصلی متصل می‌شود. کانورتر دو هدف مهم زیر را بدنبال دارد:‌

۱) برای عمل کردن به عنوان یک تقویت کننده توان در مقابل ارتعاشات توان (‌ناشی از انرژی متغییر باد و طوفان ) و حالت‌های گذرای سمت سیستم قدرت.

۲) برای کنترل میدان مغتاطیسی برای حفظ سنکرونیزم و جلوگیری از مشکلات سنکروناسیون شدن با شبکه قدرت.

کاربرد چنین ژنراتوری، اجازه کار با یک سرعت متغیر را به توربین های بادی می‌دهد. این نوع ژنراتورها یا از نوع رتور سیم پیچی شده‌اند ( WRSG ) یا از نوع روتور مغناطیسی دائم ( PMSG ).

به دلیل مشخص بودن عملکرد ماندگار و گذرای این نوع ژنراتور‌ها، بحث زیادی روی آنها نمی‌شود. دیگر ژنراتور‌های مورد استفاده برای توربین‌های بادی عبارتند از:

۱) ژنراتور‌های ولتاژ بالا.

۲) ژنراتور‌های سوئیچ رلوکتانسی

۳) ژنراتور‌های شارمورب.

در شکل زیر برای جمع‌بندی سه نوع کلی توربین‌های بادی نشان داده شده است.

مهندس محسن خالقی

منبع : ماهنامه صنعت برق