بخشی از فهرست مطالب پروژه انرژی الکتریکی تولید شده توسط توربین های بادی و نحوه انتقال آن به شبکه در word
تقدیم و تشکر
1- مزایا و معایب انرژی بادی
2- توربین¬های بادی
3- قسمت¬های اصلی توربین بادی
4- طبقه¬بندی توربین¬های بادی بر مبنای راستای محور و توربین در برابر باد
4-1 توربین¬های بادی با محور چرخش افقی
4-2 توربین¬های بادی با محور چرخش عمودی
5- طبقه¬بندی توربین¬های بادی بر مبنای نحوه ارتباط آن¬ها با شبکه سراسری
5- 1 توربین¬های بادی جدا از شبکه
5-2 توربین¬های بادی متصل به شبکه
5-2-1 توربین¬های بادی متصل به شبکه منفرد
5-2-2 توربین¬های بادی متصل به شبکه گروهی (مزارع بادی)
5- 3 طبقه¬بندی توربین¬های بادی بر مبنای ظرفیت تولید انرژی الکتریکی آنها
5-3-1 توربین¬های کوچک بادی مستقل از شبکه
5-3-2 توربین¬های متوسط بادی مستقل از شبکه
5-3-3 توربین های بزرگ بادی متصل به شبکه
6- مشکلات کیفیت توان شبکه¬های توزیع دارای منابع پراکنده
6- 1 تغییرات آرام یا سریع ولتاژ
6- 2 هارمونیک¬ها و هارمونیک¬های میانی
7- انواع فیلترهای بهبود کیفیت توان
7- 1 فیلترهای پسیو
7-2 فیلترهای اکتیو
7-3 فیلترهای هیربد
7-4 نتایج تحلیل و شبیه¬سازی
8- مدل ژنراتور القایی DFIG
8-1 کنترل کانورتر سمت روتور
8-2 کنترل کانورتر سمت شبکه
9- آزمایش عملکرد سیستم کنترل توان ماشین DFIG
10- مدلسازی و کنترل توان راکتیو یک نیروگاه بادی با n مدل ژنراتور DFIG
11- طراحی کنترل¬کننده فازی- عصبی (NFC)
12- آرایش¬های مختلف سیستم الکتریکی توربین¬های بادی سرعت متغیر برای اتصال به شبکه قدرت
12- 1 سیستم¬های کاربردی برای توربین بادی ظرفیت بالا
12-1-1 ژنراتور DC با پل اینورتری با کموتاسیون خط
12-1-2 کاربرد ژنراتور سنکرون و اینورتر / یکسوساز در توربین بادی
12-1-3 کاربرد ژنراتورهای القائی دو سوء تغذیه متصل به اینورتر / یکسوساز با رابطه جریان DC
12-1-3-1 ژنراتور القائی دو سو تغذیه متصل به اینورتر/ یکسوساز با روابط ولتاژ DC
12-1-3-2 سیستم ژنراتور القائی دو سوء تغذیه و سیکلوکانورتر
12-2 آرایش¬های توربین بادی سرعت متغیر با ظرفیت کم
12-2-1 ژنراتور DC با رابط ولتاژ DC و بکارگیری چاپرها
12-2-2 ژنراتور القائی با رابط ولتاژ DC
12-2-3 ژنراتور القائی با رابط جریان DC
12-2-4 آرایش ژنراتور القائی و سیکلوکانوتر
12-2-5 ژنراتور القائی و مبدلی با رابط فرکانسی بالا
12-2-6 آرایش ژنراتورهای آهنربایی دائم
12-3 مقایسه انواع سیستم¬های الکتریکی توربین بادی
13- نیازمندی¬های ظرفیت انتقال، در شبکه متصل به نیروگاه
13-1 نیازمندی¬های کیفیت توان
13-1-1 ولتاژ حالت پایدار
13-1-2 فلیکر و نوسانات ولتاژ
13-1-3 عملکرد سوئچ زنی
13-1-4 فرآیند تعیین تغییرات ولتاژ نسبی به علت عملکرد سوئیچ زنی
13-1-5 حدود آلودگی مجاز برای جریان هارمونیکی
13-1-6 تداخل با خطوط مخابراتی
13-1-7 تداخل در ادوات سوئیچینگ راه دور
13-2 نیازمندی¬های مربوط به رله¬های حفاظتی و اتوماسیون
منابع و مآخذ
1- مزایا و معایب انرژی بادی
انرژی باد یکی از صورت های منابع انرژی تجدید پذیر است که با توجه به ویژگی مشترک انرژی های تجدید پذیر به صورت گسترده و با تمرکز کم (چگالی کم) در اختیار بشر قرار گرفته است و استفاده از انرژی باد دارای مزایای بسیاری است که برخی از آن عبارتست از:
1- انرژی باد از نابع انرژی تجدید پذیر است که باعث می شود این انرژی به صورت پایان نا پذیر در اختیار بشر قرار داشته باشد.
2- استفاده از انرژی های نو باعث کاهش مصرف سوخت های فسیلی و ذخیره ماندن آن ها برای نسل های آینده شود.
3- انرژی باد یک انرژی پاک می باشد که هیچ خطری برای محیط زیست ایجاد نمی کند و به صورت رایگان در اختیار بشر قرار دارد.
4- توربین های بادی دارای قابلیت قدرت مانور بالا جهت بهره برداری در ظرفیت های مختلف تولید (از چند وات تا چندین مگاوات) با تغییر قطر روتور بین آنها را دارند.
5- پایین بودن هزینه برق تولیدی توسط توربین های بادی.
6- عدم نیاز به آب و یا دیگر سیالات در پروسه تولید برق.
7- عدم نیاز به زمین های بزرگ ساختمان های مخصوص بخش های کنترل و بهره برداری و ..
8- ایجاد اشتغال و کارآفرینی با توجه به مزایای ذکر شده در مورد استفاده از انرژی باد، وابستگی انرژی باد به شرایط جوی و محیطی و تغییرات انرژی باد در طول روز را می توان به عنوان معایب استفاده از انرژی باد بیان کرد.
2- توربین های بادی
تبدیل انرژی باد به انرژی مکانیکی و سپس انرژی الکتریکی در توربین های بادی انجام می شود. توربین های بادی در اندازه های مختلف با اجزای مختلف و ویژگی های متفاوت با توجه به شرایط محیط و میزان نیاز تولید توان الکتریکی ساخته می شوند، این توربین ها از پره ها با قطر روتور چندین متر تا حدود 100 متر برای تولید توان های چندین کیلو وات تا 2000 گیلووات مورد استفاده قرار می گیرند علاوه بر تولید توان الکتریکی از توربین های بادی برای پمپاژ آب نیز استفاده می شود.
3- قسمت های اصلی توربین بادی
یک توربین بادی به طور کلی از قسمت هایی مانند روتور، جعبه دنده، محور ساعت پایین، محور سرعت بالا، ژنراتور، برج نگهداری سیستم روتور، مکانیزم های ترمز و مکانیزم های انحراف توربین، بادنما بادسنج و بدنه توربین تکیل شده است که هر یک از این اجزاء ، نقش مخصوصی را در توربین ایفا می کنند. حال با طرز کار، عملکرد و وظیفه هر بخش به طور مختصر آشنا می شویم.
• روتور
روتور، یک توربین از پره ها، توپی و اجزای داخل آن تشکیل شده است. روتور از طریق توپی خود به محور ساعت پایین متصل است و انرژی دورانی خود را به محور سرعت پایین منتقل می کند. روتورها بر دو نوع با محور افقی (HAWT) و با محور عمودی (VAWT) ساخته می شوند و پره های آنها را می توان از فایبرگلاس تقویت شده با پلی استر و یا پوب چند لایه و یا فولاد ساخت که پره های ساخته شده با فاییبرگلاس تقویت شده سبک می باشند و تنش کمتری بر یاتاقان ها و توپی وارد می کنند. پره های ساخته شده با چوب چند لایه دارای مقاومت بسیار مطلوب در برابر خستگی می باشند و پره های فولادی به خاطر تکنولوژی ساده ساخت، استحکام بالا و هزینه ساخت کم مورد استفاده قرار می گیرند. قطر پره های توربین-ها می توانند از چند متر تا حدود چند ده متر ساخته شود و توان قابل تولید در یک توربین بادی متناسب با سطح دایره ای شکلی است که از چرخش پره های روتور به حول محور روتور حاصل می شود و به این دلیل با توجه به شرایط محیط و باد در هر منطقه و میزان توان مورد نیاز، پره های توربین روتور در اندازه های مختلف ساخته می شوند و پره های تا قطر روتور 85 متر برای تولید توان 2500 کیلو وات به صورت عملی طراحی و تولید شده است.
• محورهای سرعت بالا و پایین
محور سرعت پایین از یک طرف به پره های روتور و از طرف دیگر به جعه دنده متصل می باشند و سرعت چرخش آن برابر سرعت پره های روتور می باشد و وظیفه این محور انتقال انرژی دورانی تولید شده در اثر وزش باد به جعبه دنده می باشد.
• جعبه دنده
سرعت چرخش روتور در توربین های بادی پایین می باشد و با توجه به شرایط و نوع توربین در حدود 30 تا 40 دور در دقیقه خواهد بود در حالی که برای تولید انرژی در محدوده فرکانس 60 هرتز با توجه به تعداد قطب های ژنراتور نیاز به سرعتی بین 1200 تا 1800 دور در دقیقه می باشد که جهت ایجاد چنین سرعتی نیاز به یک مکانیزم انتقال قدرت داریم که سرعت پایین و گشتاور بالای محور ساعت پایین را به سرعت بالا و گشتاور پایین در محور ساعت بالا تبدیل کند، این مکانیزم جعبه دنده نام دارد و در جعبه دنده توربین های بادی نرخ افزایش سرعت ثابت است و چرخ دنده های موجود در آن فقط سرعت چرخش محور سرعت پایین را به یک نسبت مشخص بالا خواهند برد که معمولاً این نسبت در حدود یک به پنجاه بود که باعث می شود چرخش محور ساعت بالاپنجاه برابر سرعت چرخش محور سرعت پائین باشد.
استفاده از جعبه دنده به دلیل اصطکاک بالای قطعات آن و وزن بسیار سنگین و هزینه بسیار بالا مطلوب نمی باشد و بدین دلیل تحقیقات بسیاری برای حذف مکانیزم جعبه دنده از سیستم توربین ها انجام شده است که یکی از راهکارهای آن افزایش تعداد قطب ژنراتوربه حدی است که با همان سرعت چرخش پایین روتور، بتوان به فرکانس حوالی 60 هرتز رسید که این راهکار از لحاظ علمی به دلیل بزرگ شدن حجم ژنراتور و نیاز به نصب زنراتور در بالای سطح زمین منتفی است و روش دیگر افزایش سرعت چرخش روتور به مقدار مطلوب برای ژنراتور (در حدود 1200 تا 1600 دور در دقیقه) است که این راهکار هم به علت افزایش تلفات مکانیکی سیستم و محدودیت های مکانیکی موجود غیر قابل استفاده است و راهکارهای دیگر هم مانند این دو راهکار به نتیجه مطلوبی نرسیدهو تلاش طراحان برای طراحی یک توربین بدون مکانیزم جعبه دنده همچنان ادامه دارد.
• ژنراتور
ژنراتورهای مورد استفاده در توربین های بادی معمولاً از نوع ژنراتورهای القائی (آسنکرون) می باشد که اغلب دارای 4 یا 6 قطب می باشند ولی در برخی موارد از ژنراتورهای سنکرون نیز استفاده میشود. ژنراتورهای القایی در حوزه کاری خود می توانند به صورت موتور القایی به شبکه متصل شوند و توربین را به چرخش در آورند و به حوالی سرعت سنکرون برسانند.
ساختمان ساده و ارزان بودن و رنج وسیع آن ها از چند وات تا چندین مگاوات باعث شده این ژنراتورها در بیشتر تورین های بادی مورد استفاده قرار گیرند ولی نقص عمده این ژنراتورها اخذ توان اکتیو از شبکه می باشد که باعث پایین آمدن ظرفیت موجود در خطوط انتقال نیرو می شود و برای حل این مشکل باید از واحد های جبران ساز راکتیو در محل نیروگاه برای تامین توان راکتیو مورد نیاز ژنراتور القائی استفاده کرد که باعث افزایش هزینه احداث نیروگاه می شود ولی این هزینه در مقایسه با استفاده از ژناتورهای سنکرون گران قیمت که نیاز به نصب خازن ندارند، سبیار کمتر می باشد.
با گسترش استفاده از انرژی باد و تولید برق بادی، توربین های بادی متصل به ژنراتور القایی با تغذیه دو گانه یا (Double Fed Induction Generator) DFIG به طور گسترده ای به کار گرفته می شوند. این ژنراتور ها به دلیل ویژگی که در کارکرد با سرعت های متغیر باد دارند، مورد توجه ویژه قرار می گیرند.
استفاده از نیروگاههای بادی با سرعت متغییر مزایایی نسبت به نیروگاه های بادی با سرعت ثابت دارد. اگر چه نیروگاههای بادی با سرعت ثابت، می توانند مستقیماً به شبکه متصل شوند، اما دامنه وسیع تری از انرژی، توسط نیروگاههای بادی سرعت متغیر، پوشش داده می شود و استرس های مکانیکی کمتری دارد، نویز صوتی هم در آنها کمتر است. امروزه با پیشرفت پاورالکترونیک، دیگر کنترل همه سرعت ها ممکن و به صرفه شده است.
• عملکرد ژنراتور القایی در سرعت ثابت
در سیستم های تولید انرژی با سرعت ثابت اغلب از ژنراتورهای القای قفس سنجابی Squirrel استفاده می شود که با اتصال مستقیم به شبکه وصل می شوند. به این سیستم ها Fixed Speed Wind Electric Conversion Systems یا به اختصار،سیستم های سرعت ثابتWECS).می گویند. در این حالت به منظور عملکرد در حداقل و حداکثر سرعت های ممکن باد، از روش تغییر دادن تعداد قطب های ماشین استفاده می کنند. مزایای این روش کنترلی صرفه جویی قتصادی می باشد اما از آنجایی که پوشش کاملی در همه سرعت های باد وجود ندارد و نمی توان از تمام انرژی باد به نحو احسن استفاده کرد، نمودار گشتاور سرعت، پله ای می باشد، به علاوه با وجود نوسانات در سرعت باد، ولتاژ و همچنین توان خروجی نوسانی می باشند (5,4).
از آنجاییکه روش کنترل توان راکتیو به صورت ذاتی در این روش وجود ندارد، باید حتماً از بانک خازنی استفاده گردد تا توان راکتیو لازم تامین شود.
ناگفته نماند که از کنترل زاویه پیچش و کنترل گام نیز، در پره های توربین استفاده می شود که به منظور کنترل سرعت روتور در بازه های بین دو پله از تغییر تعداد قطب ها می باشد.
• عملکرد ژنراتور القایی در سرعت متغیر
در توربین های سیستم های با سرعت متغیر در واقع قسمت دوار توربین نوسانات توان مکانیکی باد را با تغییر سرعت خود را جذب می کند و منحنی توان خروجی صاف تر است، این امر به بهبود کیفیت توان کمک می کند، اما از آنجائیکه سرعت متغیر تولید فرکانس های متغیر ولتاژ می کند، جهت تبیت فرکانس باید از کانورتر پاور الکترونیک استفاده کرد. در ادامه عملکرد سرعت متغیر برای دو نوع ژنراتور القایی قفس سنجابی و روتورسیم پیچی شده مورد بررسی قرار می گیرد.
- ژنراتور قفس سنجابی تحت سرعت متغیر
در این مدل، کانوترپل back to back، بین شبکه و ژنراتور به صورت سری متصل است. در نتیجه کانورتر باید متناسب با قدرت ژنراتور طراحی و ساخته شود، زیرا باید بتواند تمام توان استاتور را از خود عبور دهد. در نتیجه محدودیت موجود در این روش، هزینه ی کانورتر اسست.
در شکل 1- نحوه اتصال نراتور قفس سنجابی در عملکرد سرعت متغیر باد نشان داده شده است. مزایای این روش، توانایی در استفاده بهینه از قدرت باد و محدود کردن نیاز به استفاده از بانک خازنی می باشد و از معایب آن بالا بودن هزینه کانورتر با توجه به ریتینگ آن می باشد.
- ژنراتور روتور سیم پیچی شده تحت سرعت متغیر
با استفاده از ژنراتور القایی دارای روتور سیم پیچی شده دیگر نیازی به پرداخت هزینه بالا جهت ساخت یا خرید کاروتر نمی باشدزیرا در این روش کانورتر تنها بین روتور و شبکه متصل می شود و تنها لازم است، توام لغزش را تحمل کند. اما هزینه خود ژنراتور القایی روتور سیم پیچی شده بیشتر است، ولی به طور کلی در توان های بالا هزینه دو سیستم قابل مقایسه می شود و در مجموع مزایای استفاده از ژنراتر سیم بندی شده با توجه به کیفیت کنترلی که روی توان دارد، بیشتر از ژنراتور قفس سنجایی می باشد. در شکل 2 نحوه اتصال ژنراتور سیم پیچی شده با تغذیه دو گانه را در اتصال به شبکه مشاهده می کنید.
بخشی از منابع و مراجع پروژه انرژی الکتریکی تولید شده توسط توربین های بادی و نحوه انتقال آن به شبکه در word
1- J. H. Horlock. "Cogeneration- Combined Heat and Power (CHP)- 1987.
2- Mikko Laakkonen- " Vuosaari Bturns up the Heat in Helsinki"- Mps- MARCLL 1995- Vol.15
3- "Sachsen Papier Uses Combined cycle for CHP"MPS- January 1994- Vol. 14.
4- Allen. R.P- Gas Turbine Cogneration- Principles and Practice "Journal of Eng. 106-4-725-730-1984
5- "Hear- duty gas turbines" ABB power Generationکاتالوگ
6- Co,bined heat and Power Plant at dairy gold cooperative- Mitchelstown. Prepared by I rish energy center.
7- Study report on cogeneration in industrial and commercial sectors of Bangladesh, Prepared by Center for energy studies, Bangladesh university of Engineering & technology. Dhaka, Bangladesh.
8- WWW. Ecopower. De
