مهندسی برق

پایان نامه برق قدرت:بررسی حالات گذرای الکترومغناطیسی درتوربین های بادی

بررسی حالات گذرای الکترومغناطیسی درتوربین های بادی
 
 
 
 
 
استاد راهنما:
دکتر محمد محمدی
 
 
 
 
 
 
اسفند ماه ۹۲
 
متن پایان نامه :

چکیده
بررسی حالات گذرای الکترومغناطیسی در توربین­های بادی
به کوشش
حمید صمصامی
 
با توسعه روز­افزون توربین­های بادی، بالا بردن کارآیی آن حیاتی تر شده است. یکی از فاکتور­ها برای سنجش کارآیی توربین بادی، عملکرد آن در قبال مسائل حالت گذرا است. پدیده هایی که منجر به ایجاد حالات گذرای الکترومغناطیسی بر روی مزرعه بادی می شوند، به دو مقوله صاعقه و کلید­زنی تقسیم بندی شده است، که هر کدام به دو زیر ­شاخه تقسیم شده ­اند: مطالعات درون سیستم و مطالعات درون شبکه ای. در بخش صاعقه، مواردی از جمله میزان تاثیر­پذیری مبدل ها از صاعقه، نقش سیستم زمین در اضافه ولتاژ­ها، تاثیر ارتفاع توربین بر اضافه ولتاژ­ها، تاثیر وجود هر یک از برقگیر­ها بر کاهش اضافه ولتاژ­ها، تاثیر طراحی مزرعه (وجود یا عدم وجود ترانسفورماتور­های افزاینده) بر اضافه ولتاژ­ها، برخورد صاعقه به خط انتقال متصل به مزرعه و تاثیر آن بر توربین ها و برخورد صاعقه به ناسل توربین مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.

آدرس سایت برای متن کامل پایان نامه ها

در بخش کلید­زنی، عوامل اصلی کلید­زنی در دو حوزه بررسی شده است: کلید­زنی بر روی سیستم DFIG و کلید­زنی بر روی شبکه. از جمله عامل­های کلید­زنی بر روی سیستم DFIG می توان به سنکرون کردن توربین ها با شبکه، بی برق کردن توربین ها، وصل بانک های خازنی و بروز خطا­های ناخواسته بر روی مبدل­ها اشاره کرد. در حوزه کلید­زنی بر روی شبکه تنها به قطع و وصل خطوط اشاره شده است.
برای رسیدن به این اهداف، این پایان ­نامه در پنج فصل تدوین شده است. در فصل اول مقدمه ای اجمالی بر توربین­های بادی شامل معرفی انواع تقسیم بندی­های توربین­ها و همچنین معرفی اجزای یک توربین بیان شده است. حالت­های گذرای ممکن در یک DFIG در فصل دوم گنجانده شده است که شامل دو حوزه صاعقه و سوییچینگ می شود. فصل سوم به مدل سازی توربین بادی با ژنراتور DFIG پرداخته است. نتایج شبیه سازی که بوسیله مدل ارائه شده در فصل سوم بدست آمده است، در فصل چهارم گنجانده شده است و در انتها، نتیجه گیری و ارائه پیشنهادات جهت مطالعات آتی در فصل پنجم شرح داده شده است.
 
 
فهرست مطالب
 

 
عنوان
فصل اول: مقدمه ای بر توربین های بادی      
۱-۱- مقدمه
۱-۲- توربین های بادی
۱-۲-۱- معرفی اجزای توربین بادی
۱-۳- تقسیم بندی توربین های بادی
۱-۴- ژنراتور القایی با تغذیه دو­گانه
۱-۴-۱- طراحی و عملکرد DFIG
۱-۴-۲- مزایای DFIG
۱-۴-۳- مدل ها و کنترل گذرا
۱-۵- مسائل موجود در بهره برداری DFIG
۱-۵-۱- ژنراتور بادی در حالت اتصال به شبکه
۱-۵-۲- توربین بادی در حالت جدا از شبکه
فصل دوم: حالت­های گذرای ممکن در DFIG
۲-۱- مقدمه
۲-۲- صاعقه
۲-۲-۱- فیزیک صاعقه
۲-۲-۲- جریان ناشی از اصابت صاعقه
۲-۳- کلید­زنی
۲-۳-۱- برق دار کردن توربین ها
۲-۳-۲- بی برق کردن توربین ها
۲-۳-۳- کلید­زنی بانک خازنی
فصل سوم: مدل سازی DFIG در حالت گذرا
۳-۱- سیستم مورد مطالعه
۳-۲- مدل تجهیزات در EMTP
۳-۲-۱- منبع جریان صاعقه
۳-۲-۲- ساختمان توربین بادی
۳-۲-۳- سیستم زمین
۳-۲-۴- ژنراتور القایی با تغذیه دو­گانه
۳-۲-۵- برقگیر
۳-۲-۶- خازن های پراکندگی
فصل چهارم: شبیه سازی
۴-۱- مقدمه
۴-۲- شبیه سازی حالت­های گذرای ناشی از صاعقه
۴-۲-۱- برخورد صاعقه به پره­های توربین بادی
۴-۲-۲- برخورد صاعقه به خط انتقال متصل به مزرعه بادی
۴-۳- شبیه سازی حالت های گذرای ناشی از کلید­زنی
۴-۳-۱- کلید­زنی بر روی سیستم DFIG
۴-۳-۲- کلید­زنی بر روی شبکه متصل به مزرعه بادی
فصل پنجم: نتیجه گیری و ارائه پیشنهادات
۵-۱- مقدمه
۵-۲- نتیجه گیری
۵-۲-۱- صاعقه
۵-۲-۲- کلید­زنی
۵-۳- ارائه پیشنهادات جهت مطالعات آتی
منابع و مأخذ
 
 
 
صفحه
۱
۱
۳
۳
۸
۹
۱۰
۱۰
۱۳
۱۶
۱۶
۲۱
۲۹
 
۲۹
۳۳
۳۳
۳۳
۳۵
۳۵
۳۹
۳۹
۴۱
۴۱
۴۳
۴۳
۴۴
۴۵
۴۷
۴۸
۴۹
۵۰
۵۰
۵۱
۵۱
۶۰
۶۱
۶۲
۹۱
۹۶
۹۶
۹۷
۹۷
۹۹
۱۰۲
۱۰۳

 
 
 
 
 
 
فهرست شکل­ها
 

عنوان
شکل شماره ۱- اجزای توربین بادی
شکل شماره ۲- اتصال ژنراتور القایی از نوع DFIG به شبکه
شکل شماره ۳- سیستم تبدیل انرژی بادی با بهره گرفتن از DFIG
شکل شماره ۴- الگوریتم کنترلی مبدل سمت روتور برای کنترل و
شکل شماره ۵- کنترل مبدل سمت خط برای تنظیم ولتاژ dc و تامین توان راکتیو
شکل شماره ۶- دیاگرام تک خطی یک سیستم قدرت ساده
شکل شماره ۷- بلوک دیاگرام کنترل کننده برای اینورتر سمت شبکه
شکل شماره ۸- بلوک دیاگرام فرکانس شبکه مبتنی بر کنترل اینورتر سمت شبکه
شکل شماره ۹- سیستم قدرت DC
شکل شماره ۱۰- سیستم قدرت تجدید­پذیر AC
شکل شماره ۱۱- یک سیستم قدرت بادی – دیزلی بزرگ
شکل شماره ۱۲- سیستم DFIG در حالت جدا از شبکه
شکل شماره ۱۳- مدار معادل خازن­های بزرگ (CS)
شکل شماره ۱۴- تغییرات ولتاژ حاصل از تخلیه جوی الکتریکی
شکل شماره ۱۵- مدل صاعقه
شکل شماره ۱۶- سیستم DFIG
شکل شماره ۱۷- سیستم بادی مورد مطالعه
شکل شماره ۱۸- طرح کلی توربین بادی
شکل شماره ۱۹- شکل موج صاعقه
شکل شماره ۲۰- مدل خط با پارامتر­های توزیع شده
شکل شماره ۲۱- مدل DFIG
شکل شماره ۲۲- مبدل PWM
شکل شماره ۲۳- اضافه ولتاژ ایجاد شده در نقطه m2 ناشی از برخورد صاعقه به پره
شکل شماره ۲۴- سیستم DFIG
شکل شماره ۲۵- اضافه ولتاژ ایجاد شده بر روی مبدل­های سیستم DFIG
شکل شماره ۲۶- نمودار­های پیک اضافه ولتاژ بر حسب ارتفاع توربین
شکل شماره ۲۷- زمان میرایی اضافه ولتاژ­ها بر حسب ارتفاع توربین
شکل شماره ۲۸- مقایسه اضافه ولتاژ­ها در دو سناریوی مختلف برای نقطه m2
شکل شماره ۲۹- مقایسه اضافه ولتاژ­ها در دو سناریوی مختلف برای سیستم زمین
شکل شماره ۳۰- مقایسه اضافه ولتاژ ایجاد شده بر روی m2 در دو حالت برخورد صاعقه به پره و ناسل
شکل شماره ۳۱- تاثیر وجود برقگیر­های تعبیه شده در دو سمت ترانسفورماتور افزاینده بر اضافه ولتاژ
نقطه m2
شکل شماره ۳۲- تاثیر وجود برقگیر­های تعبیه شده در دو سمت ترانسفورماتور افزاینده بر اضافه ولتاژ
نقطه m8
شکل شماره ۳۳- تاثیر وجود برقگیر تعبیه شده در سمت HV ترانسفورماتور بر اضافه ولتاژ نقطه m2
شکل شماره ۳۴- مقایسه اضافه ولتاژ ایجاد شده برای دو سیستم مذکور در نقطه m2
شکل شماره ۳۵- برخورد صاعقه به خط انتقال و مقایسه اضافه ولتاژ ایجاد شده در دو حالت مذکور برای نقطه m2
شکل شماره ۳۶- سیستم DFIG
شکل شماره ۳۷- ولتاژ سمت LV ترانسفورماتور افزاینده در ترتیب اول
شکل شماره ۳۸- ولتاژ استاتور در ترتیب اول
شکل شماره ۳۹- ولتاژ حاصل بر روی مبدل سمت شبکه DFIG در ترتیب اول
شکل شماره ۴۰- شکل موج ولتاژ سمت LV ترانسفورماتور افزاینده در ترتیب دوم
شکل شماره ۴۱- شکل موج ولتاژ استاتور در ترتیب دوم
شکل شماره ۴۲- ولتاژ حاصل بر روی مبدل سمت شبکه DFIG در ترتیب دوم
شکل شماره ۴۳- شکل موج ولتاژ سمت LV ترانسفورماتور افزاینده در ترتیب سوم
شکل شماره ۴۴- شکل موج ولتاژ استاتور در ترتیب سوم
شکل شماره ۴۵- ولتاژ حاصل بر روی مبدل سمت شبکه DFIG در ترتیب سوم
شکل شماره ۴۶- شکل موج ولتاژ سمت LV ترانسفورماتور افزاینده در ترتیب چهارم
شکل شماره ۴۷- شکل موج ولتاژ استاتور در ترتیب چهارم
شکل شماره ۴۸- ولتاژ حاصل بر روی مبدل سمت شبکه DFIG در ترتیب چهارم
شکل شماره ۴۹- شکل موج ولتاژ سمت LV ترانسفورماتور افزاینده در ترتیب پنجم
شکل شماره ۵۰- شکل موج ولتاژ استاتور در ترتیب پنجم
شکل شماره ۵۱- ولتاژ حاصل بر روی مبدل سمت شبکه DFIG در ترتیب پنجم
شکل شماره ۵۲- اضافه ولتاژ سمت LV ترانسفورماتور افزاینده در ترتیب اول
شکل شماره ۵۳- اضافه ولتاژ سمت LV ترانسفورماتور افزاینده در ترتیب دوم
شکل شماره ۵۴- شکل موج ولتاژ استاتور در ترتیب دوم
شکل شماره ۵۵- شکل موج ولتاژ سمت LV ترانسفورماتور افزاینده در ترتیب سوم
شکل شماره ۵۶- شکل موج ولتاژ استاتور در ترتیب سوم
شکل شماره ۵۷- ولتاژ حاصل بر روی مبدل سمت شبکه DFIG در ترتیب سوم
شکل شماره ۵۸- ولتاژ حاصل بر روی مبدل سمت شبکه DFIG در ترتیب چهارم
شکل شماره ۵۹- شکل موج ولتاژ سمت LV ترانسفورماتور افزاینده در ترتیب پنجم
شکل شماره ۶۰- شکل موج ولتاژ استاتور در راه حل اول
شکل شماره ۶۱- شکل موج ولتاژ مبدل­های DFIG در راه حل اول
شکل شماره ۶۲- شکل موج ولتاژ سمت LV ترانسفورماتور افزاینده در راه حل دوم
شکل شماره ۶۳- شکل موج ولتاژ استاتور در راه حل دوم
شکل شماره ۶۴- شکل موج ولتاژ مبدل سمت شبکه در راه حل دوم
شکل شماره ۶۵- شکل موج ولتاژ القا شده استاتور ناشی از نابرابر بودن ولتاژ­ها
شکل شماره ۶۶- مقایسه دو ترتیب عنوان شده در برق دار کردن ترانسفورماتور­های افزاینده
شکل شماره ۶۷- مقایسه اضافه ولتاژ ایجاد شده در سمت HV ترانسفورماتور بدون حضور خازن
شکل شماره ۶۸- مقایسه اضافه ولتاژ ایجاد شده در سمت LV ترانسفورماتور بدون حضور خازن
شکل شماره ۶۹- مقایسه اضافه ولتاژ ایجاد شده در سمت HV ترانسفورماتور با حضور خازن
شکل شماره ۷۰- مقایسه اضافه ولتاژ ایجاد شده در سمت LV ترانسفورماتور با حضور خازن
شکل شماره ۷۱- مقایسه اضافه ولتاژ ایجاد شده در سمت HV ترانسفورماتور با و بدون شار باقیمانده با حضور بانک خازنی
شکل شماره ۷۲- مقایسه اضافه ولتاژ ایجاد شده در سمت LV ترانسفورماتور با و بدون شار باقیمانده با حضور بانک خازنی
شکل شماره ۷۳- مقایسه اضافه ولتاژ ایجاد شده در سمت HV ترانسفورماتور با و بدون شار باقیمانده بدون حضور بانک خازنی
شکل شماره ۷۴- مقایسه اضافه ولتاژ ایجاد شده در سمت LV ترانسفورماتور با و بدون شار باقیمانده بدون حضور بانک خازنی
شکل شماره ۷۵- شکل موج ولتاژ PCC و اضافه ولتاژ ایجاد شده ناشی از کلید­زنی بانک خازنی در یک پله
شکل شماره ۷۶- شکل موج ولتاژ LV ترانسفورماتور افزاینده و اضافه ولتاژ ایجاد شده ناشی از کلید­زنی خازنی در یک پله
شکل شماره ۷۷- شکل موج ولتاژ PCC و اضافه ولتاژ ایجاد شده ناشی از کلید­زنی بانک خازنی در ۱۶ پله
شکل شماره ۷۸- کل موج ولتاژ LV ترانسفورماتور افزاینده و اضافه ولتاژ ایجاد شده ناشی از کلید­زنی خازنی در ۱۶پله
شکل شماره ۷۹- مقایسه اضافه ولتاژ ناشی از کلید­زنی اول در دو حالت مذکور برای PCC
شکل شماره ۸۰- مقایسه اضافه ولتاژ ناشی از کلید­زنی اول در دو حالت مذکور برای سمت LV ترانسورماتور افزاینده
شکل شماره ۸۱- تاثیر روش VZSC بر کاهش گذراهای ناشی از کلید­زنی خازنی در PCC
شکل شماره ۸۲- تاثیر روش VZSC بر کاهش گذرا­های ناشی از کلید­زنی خازنی در ولتاژ سمت LV ترانسفورماتور افزاینده
شکل شماره ۸۳- تنظیم نبودن زمان وصل فاز b کلید قدرت و تاثیر منفی آن بر فاز a ولتاژ ترانسفورماتور
شکل شماره ۸۴- تاثیر روش VPZC بر کاهش گذرا­های ناشی از کلید­زنی خازنی در ولتاژ PCC
شکل شماره ۸۵- تاثیر روش VPSC بر کاهش گذرا­های ناشی از کلید­زنی خازنی در ولتاژ سمت LV ترانسفورماتور افزاینده
شکل شماره ۸۶- تنظیم نبودن ولتاژ اولیه خازن در فاز b و تاثیر منفی آن بر فاز a ولتاژ ترانسفورماتور
شکل شماره ۸۷- تریستور
شکل شماره ۸۸- تاثیر سوختن تریستور بر ولتاژ مبدل DFIG در حالت on-grid
شکل شماره ۸۹- تاثیر سوختن تریستور بر ولتاژ مبدل DFIG در حالت off-grid
شکل شماره ۹۰- تاثیر سوختن تریستور بر ولتاژ LV ترانسفورماتور افزاینده در حالت off-grid
شکل شماره ۹۱- تاثیر قطع شدن خط انتقال بر PCC
شکل شماره ۹۲- تاثیر قطع شدن خط بر ولتاژ LV ترانسفورماتور
شکل شماره ۹۳- مقایسه اضافه ولتاژ ایجاد شده در فاز a از PCC ناشی از قطع شدن خط در صورت وجود و عدم وجود برقگیر
شکل شماره ۹۴- مقایسه اضافه ولتاژ ایجاد شده در PCC در سه سناریوی مذکور
شکل شماره ۹۵- شکل موج ولتاژ PCC بعد از وصل خط
شکل شماره ۹۶- شکل موج ولتاژ LV ترانسفورماتور افزاینده بعد از وصل خط
شکل شماره ۹۷- شکل موج ولتاژ HV ترانسفورماتور افزاینده بعد از وصل خط
 
صفحه
۳
۶
۱۱
۱۵
۱۵
۱۷
۲۰
۲۱
۲۳
۲۴
۲۵
۲۷
۲۷
۳۱
۳۵
۳۶
۴۱
۴۲
۴۴
۴۵
۴۷
۴۸
۵۲
۵۳
۵۳
۵۴
۵۵
۵۶
۵۶
۵۷
 
۵۸
 
۵۸
۵۹
۶۰
 
۶۱
۶۳
۶۴
۶۴
۶۴
۶۵
۶۵
۶۵
۶۶
۶۷
۶۷
۶۷
۶۸
۶۸
۶۹
۶۹
۶۹
۷۰
۷۱
۷۱
۷۱
۷۲
۷۲
۷۲
۷۳
۷۴
۷۴
۷۴
۷۵
۷۵
۷۶
۷۷
۷۸
۷۸
۷۹
۷۹
 
۸۰
 
۸۱
 
۸۲
 
۸۲
۸۳
 
۸۳
۸۴
 
۸۴
۸۵
 
۸۵
۸۶
 
۸۶
۸۷
۸۷
 
۸۸
۸۸
۸۹
۹۰
۹۱
۹۱
۹۲
۹۳
 
۹۳
۹۴
۹۵
۹۵
۹۵
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
فهرست نشانه­ های اختصاری
 
C= خازن
= باند هیسترزیس برای کنترل جریان هیسترزیس
= بردار جریان سمت منبع برای سیستم DFIG
= مولفه راکتیو جریان مبدل سمت منبع
= بردار جریان سمت روتور برای سیستم DFIG
= جریان مرجع
= مولفه راکتیو جریان روتور
= بردار جریان سمت استاتور برای سیستم DFIG
J= ممان اینرسی ماشین
= توان تحویل شده به سیستم از طرف مبدل سمت منبع
= توان الکترومکانیکی ماشین
= توان تحویل داده شده به شبکه از طرف DFIG
= توان مکانیکی ورودی به ماشین
= توان اسمی ماشین
= توان تحویل داده شده به شبکه از طرف استاتور
= توان مرجع تحویل داده شده به شبکه از طرف استاتور
= توان راکتیو تحویل داده شده بوسیله مبدل سمت منبع
= توان مرجع راکتیو تحویل داده شده بوسیله مبدل سمت منبع
= توان راکتیو تحویل داده شده به شبکه از سمت DFIG
= توان مرجع راکتیو تحویل داده شده به شبکه از سمت DFIG
= توان راکتیو تحویل داده شده به شبکه
= توان مرجع راکتیو تحویل داده شده به شبکه
= مقاومت روتور DFIG دیده شده از سمت استاتور
= مقاومت استاتور DFIG دیده شده از سمت استاتور
= توان راکتیو تامین شده از طرف مبدل سمت روتور
= گشتاور الکترومغناطیسی
= گشتاور مکانیکی ورودی
= ولتاژ DC
= بردار ولتاژ در شاخه مغناطیس شوندگی DFIG
= ولتاژ القا شده از طرف روتور
= راکتانس مغناطیس شوندگی DFIG
= راکتانس روتور DFIG دیده شده از سمت استاتور
= راکتانس استاتور DFIG دیده شده از سمت استاتور
= زاویه پره توربین نسبت به زمین
= زاویه بردار ولتاژ سمت روتور نسبت به بردار ولتاژ سمت استاتور
= زاویه مکانیکی روتور
= زاویه الکتریکی روتور
= زاویه بردار ولتاژ استاتور به دست آمده از PLL
= سرعت زاویه ای مکانیکی روتور
= مرجع سرعت زاویه ای مکانیکی روتور
= سرعت زاویه ای الکتریکی روتور
= سرعت زاویه ای بردار ولتاژ شبکه
= سرعت زاویه ای سنکرون



 
 
فصل اول
مقدمه ای بر توربین­های بادی
 
 
۱-۱- مقدمه
 
آنچه اکنون به عنوان یکی از بزرگترین مشکلات جهانی، بشر را تهدید می کند، کمبود انرژی و آلودگی هوا بر اثر استفاده از سوخت های فسیلی است. برای رفع این معضل بزرگ، از مدت ها پیش پژوهشگران و دانشمندان، مطالعه و تحقیق برای استفاده از انرژی های تجدید­پذیر و پاک را شروع کرده اند. از گذشته های نه چندان دور، راه حل هایی برای تولید انرژی از منابع طبیعی مورد مطالعه قرار گرفته و عناصری مانند آفتاب، آب، باد و امواج اقیانوس ها مورد توجه قرار گرفته است و دانشمندان می کوشند با بهره گرفتن از این عناصر طبیعی، مشکل انرژی را حل کنند که پی آمد آن، کاهش آلودگی هوا و محیط زیست سالم خواهد بود. استفاده از قایق ها و کشتی های بادبانی و آسیاب های بادی و آبی، استفاده وسیع از انرژی آفتاب در مقاصد گرمایش و سوزاندن چوب و امثال آن برای تولید حرارت، تعبیه باد­گیر های طبیعی برای سرمایش اماکن مسکونی و بسیاری موارد دیگر از جمله مثال های بارز استفاده انسان از منابع انرژی طبیعی می باشد.
با گذشت زمان و در اثر رشد جوامع و پیچیده تر شدن صنعت و تکنولوژی، نیاز بشر به منابع انرژی شدت یافت و کشف و بهره برداری وسیع منابع فسیلی را ناگزیر نمود. در دنیای امروز، انفجار جمعیت و ارتقاء سطح زندگی و رفاه انسان ها که نیاز به منابع انرژی را بیش از پیش شدت بخشیده است از یک طرف، و آسیب ها و تهدیدات روزافزونی که استفاده بی رویه از انرژی های فسیلی به طبیعت و محیط زیست وارد کرده و می کند از طرف دیگر، ادامه این روند را غیر ممکن ساخته است. لذا، بشر با نگاهی دوباره به خورشید، باد و سایر منابع طبیعی پاک و لایزال، سعی نموده است که وابستگی خود به منابع فسیلی را تا حد امکان کم نماید. یکی از ارزان­ترین و سهل الوصول ترین آنها انرژی باد است [۱]. بررسی میزان استفاده از این انرژی در سال­های اخیر به خوبی گویای اهمیت و جایگاه آن در تامین انرژی در سطح جهان می باشد

  • مزایای بهره برداری از انرژی باد

انرژی باد نیز مانند سایر منابع انرژی تجدید­پذیر، از ویژگی ها و مزایای بالایی نسبت به سایر منابع انرژی برخوردار است که اهم این مزایا عبارتند از:

  • عدم نیاز توربین های بادی به سوخت، که در نتیجه از میزان مصرف سوخت های فسیلی می­کاهد.
  • رایگان بودن انرژی باد
  • توانایی تامین بخشی از تقاضا­های انرژی برق
  • کمتر بودن هزینه های جاری و هزینه های سرمایه گذاری انرژی باد در بلند مدت
  • تنوع بخشیدن به منابع انرژی و ایجاد سیستم پایدار انرژی
  • قدرت مانور زیاد جهت بهره برداری در هر ظرفیت و اندازه (از چند وات تا چندین مگاوات)
  • عدم نیاز به زمین زیاد برای نصب
  • نداشتن آلودگی محیط زیست نسبت به سوخت های فسیلی

 
 
 
۱-۲- توربین های بادی
 
یک توربین بادی دستگاهی است که دارای تعدادی پره می باشد که این پره ها، قابلیت دریافت انرژی از باد و تبدیل آن به انرژی مکانیکی را دارا می باشند. این انرژی مکانیکی به یک ماشین الکتریکی منتقل می شود و انرژی الکتریکی تولید می شود.
۱-۲-۱- معرفی اجزای توربین بادی:
یک توربین بادی به طور کلی از قسمت هایی مانند روتور، جعبه دنده، محور سرعت پایین، محور سرعت بالا، ژنراتور، برج نگه داری سیستم روتور، مکانیزم های ترمز و مکانیزم های انحراف توربین، بادنما، باد سنج و بدنه توربین تشکیل شده است. شکل (۱-۱) شمای کلی اجزای یک توربین بادی را نمایش می دهد.
شکل ۱-۱- اجزای توربین بادی
در زیر پاره ای از اجزای نشان داده شده در شکل (۱-۱) شرح داده شده است:
 

  • روتور

روتور یک توربین از پره ها، توپی و اجزای آن تشکیل شده است. روتور از طریق توپی خود به محور سرعت پایین متصل است و انرژی دورانی خود را به محور سرعت پایین منتقل می کند. روتور ها بر دو نوع با محور افقی (HAWT)[1] و با محور عمودی (VAWT)[2] ساخته می شوند و پره های آن ها را می توان از فایبر گلاس تقویت شده با پلی استر و یا چوب چند لایه و یا فولاد ساخت که پره های ساخته شده با فایبر گلاس 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 تواند از چند متر تا 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.

  • محور های سرعت بالا و پایین

محور سرعت پایین از یک طرف به پره های روتور و از طرف دیگر به جعبه دنده متصل می باشد و سرعت چرخش آن برابر با سرعت پره های روتور می باشد و وظیفه این محور، انتقال انرژی دورانی تولید شده در اثر وزش باد به جعبه دنده می باشد.
محور سرعت بالا از یک طرف به جعبه دنده و از طرف دیگر به شافت ژنراتور متصل است و وظیفه ی آن انتقال انرژی تغییر یافته چرخشی در جعبه دنده به محور ژنراتور می باشد.

  • جعبه دنده

سرعت چرخش روتور در توربین های بادی پایین می باشد و با توجه به شرایط و نوع توربین در حدود ۳۰ تا ۴۰ دور در دقیقه خواهد بود در حالی که برای تولید انرژی در محدوده فرکانس ۶۰ هرتز با توجه به تعداد قطب های ژنراتور نیاز به سرعتی بین ۱۲۰۰ تا ۱۸۰۰ دور در دقیقه می باشد که جهت ایجاد چنین سرعتی نیاز به یک مکانیزم انتقال قدرت داریم که سرعت پایین و گشتاور بالای محور سرعت پایین را به سرعت بالا و گشتاور پایین در محور سرعت بالا تبدیل کند. این مکانیزم جعبه دنده نام دارد. در جعبه دنده ی 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 معمولا این نسبت در حدود یک به پنجاه خواهد بود که باعث می­شود سرعت چرخش محور سرعت بالا پنجاه برابر سرعت چرخش محور سرعت پایین باشد.

  • ژنراتور

ژنراتور های مورد استفاده در توربین های بادی معمولا از نوع ژنراتور های القایی می باشند که اغلب دارای ۴ یا ۶ قطب می باشند ولی در برخی موارد از ژنراتور های سنکرون نیز استفاده می شود. ژنراتور های 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 گستره وسیع آن ها از چند وات تا چندین مگا وات باعث شده است این ژنراتور ها در بیشتر توربین های بادی مورد استفاده قرار گیرند ولی نقص عمده این ژنراتورها اخذ توان راکتیو 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 القایی استفاده کرد که باعث افزایش هزینه احداث نیروگاه می شود ولی این هزینه در مقایسه با بهره گرفتن از ژنراتور های سنکرون گران قیمت که نیاز به نصب خازن ندارند، بسیار کمتر می باشد.
با گسترش استفاده از انرژی باد و تولید برق، توربین های بادی متصل به ژنراتور القایی با تغذیه دوگانه (DFIG)[3] به طور گسترده ای به کار گرفته می شوند [۲]. این ژنراتور ها به دلیل ویژگی که در کارکرد با سرعت های متغیر باد دارند مورد توجه ویژه قرار می گیرند.
استفاده از نیروگاه های بادی با سرعت متغیر مزایایی نسبت به نیروگاه های بادی با سرعت ثابت دارد. اگر چه نیروگاه های بادی با سرعت ثابت، می توانند مستقیما به شبکه متصل شوند، اما دامنه وسیع تری از انرژی، توسط نیروگاه های بادی سرعت متغیر، پوشش داده می شود و فشار های مکانیکی کمتری دارد، نویز صوتی هم در آن ها کمتر است. امروزه با پیشرفت های الکترونیک قدرت، دیگر کنترل همه سرعت ها ممکن و به صرفه شده است.
[۱] Horizental Axis Wind Turbine
[۲] Vertical Axis Wind Turbine
[۳] Double Fed Induction Generator
متن پایان نامه :

99