نیروگاه بادی

در شبکه برق سنتی (نیروگاه­های حرارتی و گازی)، تولید انرژی الکتریکی در مکان‌های نزدیک به منبع انرژی می­باشد و این انرژی به مصرف‌کنندگان که به‌طور کلی دورتر از این نیروگاه­ها قرار دارند، منتقل می‌شود. در انتقال انرژی الکتریکی، بخش قابل‌ توجهی از قدرت به علت تلفات (طولانی بودن مسیر)، از بین می­رود. در این راستا مفهوم انرژی­های تجدیدپذیر برای پرداختن به چالش هدر رفت زیاد انرژی در شبکه‌ها تعریف و به کار گرفته شده است.

در دهه‌های اخیر به منظور کاهش آلاینده‌های زیست ‌محیطی، به منابع تولید پاک از جمله نیروگاه­ های بادی و خورشیدی توجه بیشتری شده است. استفاده از منابع انرژی‌های تجدید پذیر براي تولید برق مزایاي بسیار زیادي دارد که برخی از آن‌ها کاهش آلودگی، کاهش هزینه‌هاي تولید و در برخی از موارد بازده تولید انرژي بالاتر می­باشند. همچنین به دلیل اینکه اغلب منابع انرژی‌های تجدید پذیر در نزدیکی مراکز مصرف نصب می‌شوند باعث کاهش تلفات انتقال انرژي در شبکه‌های انتقال و توزیع نیز می‌گردند.

منابع انرژی‌های تجدیدپذیر جایگزین مناسبی براي گسترش و توسعه خطوط انتقال انرژي و شبکه‌های توزیع و انتقال که بسیار پرهزینه و احداث آن­ها زمان‌بر است، می‌باشند. بنابراین انتظار می‌رود که استفاده از انرژی‌های تجدید پذیر در شبکه‌، افزایش بسیار زیادی داشته باشد. از سوي دیگر به دلیل اینکه حضور منابع انرژی‌های تجدید پذیر در شبکه قدرت ساختار شبکه را تغییر خواهد داد تأثیر زیادي بر بهره‌برداری و برنامه‌ریزی شبکه­هاي قدرت خواهد داشت و باعث پیچیدگی کنترل، حفاظت و تعمیر و نگهداري شبکه‌های انتقال می‌شود.

انرژی بادی در مقادیر زیاد در مزارع بادی تولید و به شبکه الکتریکی متصل می‌شود. همچنین از توربین‌ها در تعداد کم، معمولاً برای تأمین برق در مناطق دور افتاده استفاده می‌شود. در پایان سال 2018 میلادی، میزان ظرفیت نامی تولید برق بادی در سراسر جهان برابر 540 گیگاوات بوده است که نسبت به سال 2017 حدود 10% افزایش یافته است. کشورهای دانمارک با 55%، اروگوئه با 30% و آلمان با 28% از نظر درصد تولید برق بادی و خورشیدی از کل تولید انرژی الکتریکی، در جایگاه‌های نخست قرار دارند.

ظرفیت نیروگاه بادی جهان تا پایان سال 2018

 

سهم نیروگاه­های بادی و خورشیدی در تولید نیروی برق 10 کشور برتر تا پایان سال 2018

در ایران با توجه به وجود مناطق باد خیز، بستر مناسبی جهت گسترش بهره برداری از توربین­های بادی فراهم می­باشد. یکی از مهم­ترین پروژه­های انجام شده در زمینه انرژی بادی، تهیه اطلس بادی کشور بوده است که پروژه مذکور در سازمان انرژی­های نو ایران صورت گرفته و به عنوان یکی از پروژه­های ملی در صنعت انرژی باد محسوب می­گردد. طبق اطلس بادی تهیه شده و بر اساس اطلاعات دریافتی از ۶۰ ایستگاه و در مناطق مختلف کشور، میزان ظرفیت اسمی سایت­ها در حدود ۶۰۰۰۰ مگاوات می­باشد. بر پایه پیش بینی­های صورت گرفته، میزان انرژی قابل استحصال بادی کشور از لحاظ اقتصادی بالغ بر ۱۸۰۰۰ مگاوات تخمین زده می­شود که مؤید پتانسیل قابل توجه کشور در زمینه احداث نیروگاه­های بادی و همچنین اقتصادی بودن سرمایه­گذاری در صنعت انرژی بادی می­باشد.

همچنین ایران کشوری است که با وجود ۳۰۰ روز آفتابی در بیش از دو سوم آن و متوسط تابش 5/5-4/5 کیلووات ساعت بر متر مربع در روز یکی از کشورهای با پتانسیل بالا در زمینه انرژی خورشیدی معرفی شده است. با مطالعات انجام شده در این زمینه، امکان نصب بیش از ۶۰۰۰۰ مگاوات نیروگاه حرارتی خورشیدی در ایران وجود دارد.

اجزاي نیروگاه بادي:

 

برج نیروگاه بادی:

سازه های مشبک فولادی برج های استوانه ای فولادی یا بتنی و همچنین ستون های مهار شده توسط کابل از رایج ترین برج های نگهدارنده محسوب می شوند. برج های قدیمی اصطلاحاً فرکانس بالا ساخته می شدند به این معنا که فرکانس طبیعی یا اصلی آن ها بسیار بالاتر از فرکانس منابع تحریکی همچون عبور پره ها از مقابل برج و غیره انتخاب می گردید و این بدان دلیل بود که شناخت کافی از منابع تحریک در واقع نیروهای متناوب اعمال شده بر برج وجود نداشت. چنین برج هایی بسیار محکم و نتیجتاً گران بودند. اما اخیرا روتورهای فرکانس بالا را بر برج های فرکانس پایین نصب می کنند. چنین برج هایی سبکتر، ارتجاعی تر و بالاخره اقتصادی تر از برج های فرکانس بالا می باشند. برای طراحی چنین برج هایی شناخت دقیق دینامیک سیستم و برج ضروری است و به همین دلیل شکل این برج ها بسیار ساده است.

یکی دیگر از نکاتی که اخیرا در طراحی بعضی از برج ها مورد توجه قرار گرفته است، تحمل و مقاومت آن ها به هنگام فقدان یکی از پره ها است. اگر این نکته به هنگام طراحی برج مد نظر قرار گیرد در صورت شکستن یکی از پره ها، نیروگاه بکلی معدوم نمی گردد.

فونداسیون برج

مونتاژ قطعات برج

ارتفاع برج معمولاً بین یک تا یک ونیم برابر قطر روتور درنظرگرفته می شود. انتخاب نوع برج وابستگی به شرایط سایت دارد. همچنین سفتی 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 توربین های با روتور پشت به باد اثر سایه برج (وقفه ای که بواسطه جریان باد در حول برج ایجاد می شود) دینامیک توربین، نوسانات توان و صدای تولید شده در محاسبات مربوطه می بایست لحاظ گردند. برای مثال بدلیل وجود اثر سایه برج، توربین های پشت به باد معمولاً نسبت به انواع رو به باد پر سرو صداتر هستند. از آنجا که قیمت تمام شده برج چیزی در حدود 20 درصد قیمت کل توربین بادی  می باشد، انتخاب بهینه ارتفاع و نوع برج از نکات حائز اهمیت می باشد.

در میان برج ها، نوع مشبک آن از سایر انواع ارزانترمی باشد و دلیل آن کاهش میزان فولاد بکار رفته در این نوع از برج می باشد. همچنین اثر سایه برج در این دسته از برجها کمتر است. نمایی از داخل برج جهت دسترسی به قسمتهای داخلی برج و به ویژه ناسل، معمولاً از  پلکان هایی که در داخل برج تعبیه شده اند، استفاده می گردد.

نمایی از داخل برج

توربین نیروگاه بادی:

امروزه انواع زیادي از سیستم­هاي توربین بادي در بازار رقابت می­کنند که آن­ها را می­توان به دو گروه اصلی تقسیم نمود. گروه اول توربین­هاي بادي سرعت ثابت هستند که ژنراتور به طور مستقیم بـه شـبکه متصل شده است. در واقع هیچ گونه کنترل الکتریکی براي این سیستم وجـود نـدارد که باعث می­شود تغییـرات سریع در میزان سرعت باد، سریعاً روي بار القاء ­شود (به علت تغییرات توان) که ایـن تغییـرات بـراي توربین بادي که به سیستم قدرت متصل است باعـث ایجـاد فشـارهاي مکـانیکی روي توربین می­شود و عمر توربین را کم و از کیفیت توان می­کاهد. در توربین بادي سرعت ثابت فقط یک سرعت باد وجود دارد که توربین در آن سرعت بهینه کار می­کند، از این رو توربین بادي سرعت ثابت اغلب خارج از عملکرد بهینه خود کار می­کند و به طور معمول ماکزیمم توان از باد گرفته نمی­شود.

گروه دوم توربین­های بادي سرعت متغیر می­باشند. در این نوع توربین­ها، ژنراتور به طور مستقیم به شـبکه متصـل نمـی­شود. نوع سرعت متغیر توربین بادي، قابلیت کنترل سرعت روتور را فراهم می­کند که اجـازه می­دهد توربین بادي نزدیک نقطه بهینه خود کار کند. بیشتر  توربین­ هاي بادي از نوع سرعت متغیر می­باشند. توربین بادی سرعت متغیر (Variable speed wind turbine) بیش‌ترین بازده را برای جذب حداکثر توان در محدوده وسیعی از سرعت باد را دارد. توربین بادی سرعت چرخش خود را با توجه به تغییر در سرعت باد تنظیم می‌کند تا بیش‌ترین انرژی را از باد جذب کند. برای داشتن سرعت متغیر در روتور، توربین به وسیله دو مبدل به شبکه متصل می‌شود. بدین ترتیب مبدل وظیفه کنترل سرعت ژنراتوری را دارد که به صورت مکانیکی به پره متصل است. در جدول ذیل مزایا و معایب هر یک از توربین­ های بادی سرعت ثابت و متغیر را بیان کرده است.

مقایسه مزایا و معایب توربین­های بادی سرعت ثابت و متغیر

 

در شکل ذیل منطقه عملیاتی توربین بادی سرعت متغیر نشان داده شده است.

منحنی توان توربین بادی سرعت متغیر

ژنراتورهای مورد استفاده در نیروگاه بادی:

1- ژنراتورهاي سنکرون:

در یک ژنراتور سنکرون یک جریان dc به سیم پیچ رتور اعمال می­گردد تا یک میدان مغناطیسی رتور تولید شود. سپس روتور مربوط به ژنراتور به وسیله یک محرک اصلی چرخانده می­شود، تا یک میدان مغناطیسی دوار در ماشین به وجود آید. این میدان مغناطیسی یک ولتاژ سه فاز را در سیم پیچ­های استاتور ژنراتور القاء می نماید.

2- ژنراتور سنکرون با سیم­پیچی میدان:

نیروگاه بادي با ژنراتور سنکرون سیم پیچی میدان در شکل ذیل نشان داده شده است.

در این ژنراتور سیم پیچی­هاي استاتور به وسیله یک مبدل الکترونیک قدرت به شبکه متصل می گردد. در این حالت مبدل سمت استاتور گشتاور الکترومغناطیسی را تنظیم و مبدل سمت شـبکه، تـوان اکتیـو و راکتیو انتقالی از ژنراتور بادي به شبکه را تنظیم می نماید. از جمله مزایای ژنراتور سنکرون بـا سـیم پیچـی میـدان می­توان به بازده بالا، کنتـرل مستقیم ضریب توان و کوچکتر بودن گام قطبی ژنراتور اشاره نمود.

 

3- ژنراتور سنکرون مغناطیس دایم (PMSG):

شکل (1) یک سیستم بادي ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم متصل به یک یکسوساز سه فـاز بـا مبدل افزاینده را نشان می دهد. مبدل طرف منبع ولتاژ لینک dc راتنظیم  و ضریب توان ورودي را کنترل مـی­کند. دیگر طرح مورد استفاده PMSG در شکل (2) نشان داده شده است.

شکل (1): ژنراتورسنکرون مغناطیس دائم

مزیت سیستم شکل (2) نسبت به سیستم شکل (1) ایـن اسـت کـه اسـتفاده از کنترل همراستاي میدان در آن به ژنراتور اجازه می دهد تا نزدیک نقطه کار بهینـه خـود عمل کند. در نتیجه تلفات در ژنراتور و مدارات الکترونیک قدرت به حداقل خواهد رسید.

 شکل (2):PMSG  با مبدل  PWM

4- ژنراتور القایی از دوسو تغذیه (DFIG):

در بيشتر موارد از بين ژنراتور­هاي القايي و سنکرون بايد يکي را بعنوان مولد در نیروگاه بادی انتخاب کرد. ژنراتور­هاي القايي با توجه به فاکتورهايي مانند ساختمان ساده و بدون جاروبک روتور، پايين بودن هزينه واحد، قابليت نگهداري بالا و … مورد توجه بيشتري قرار گرفتند. در میان انواع توربین­های بادی، توربین بادی بر اساس ژنراتور القایی دو سو تغذیه (DFIG) که مزایای بسیاری نسبت به ژنراتور القایی سرعت ثابت و ژنراتور سنکرون با ظرفیت کامل دارد، استفاده می­شود. دلایل زیادی برای استفاده از DFIG ها وجود دارد که از بین آن­ها می­توان به افزایش توانایی استخراج انرژی از نیروی باد، کاهش تنش­های مکانیکی بر روی اجزا توربین، کاهش صداهای اضافه و مهمتر از همه توانایی کنترل همزمان توان اکتیو و راکتیو اشاره نمود.

سیستم قدرت بادي نشان داده شده در شکل ذیل شامل یک ژنراتور القایی از دو سـوتغذیه اسـت که سیم پیچی هاي استاتور به طور مستقیم به شبکه متصل شده است و سیم پیچی روتور از طریق یک مبدل قدرت پشت به پشت PWM  به شبکه متصل شده است.

سیستم قدرت بادي نشان داده شده در شکل ذیل یک ژنراتورالقایی تمام کنترلی از دو سو تغذیه با یک اتصال DC و با قابلیت کنترل ولتاژ و فرکانس­های روتور می­باشد. این سیستم قابلیت کنترلی بالاتري نسبت به ژنراتور القـایی از دو سو تغذیه معمولی دارد.

ژنراتور القایی از دو سو تغذیه تمام کنترلی

روتور ژنراتور DFIG از طریق مبدل الکترونیک قدرت ac/dc/ac و فرکانس متغیر با توان نامی در حدود 25 تا 30 درصد توان نامی ژنراتور، به سیستم قدرت متصل می­گردد. مبدل الکترونیک قـدرت شـامل مبـدل سمت روتور (RSC) و مبدل سمت شبکه (GSC) است که به طور پشت به پشت از طریق یک خـازن لینک dc بـه هـم متصل شده­اند. مبدل سمت روتور (RSC) برای کنترل توان خروجی توربین بادی و یا گشتاور و یا سرعت و همچنین کنترل ضریب توان و در نتیجه کنترل توان رأکتیو و ولتاژ استفاده می شود و مبدل سمت شبکه (GSC) برای تثبیت و کنترل ولتاژ لینک DC استفاده می­شود.

مزرعه بادی شامل ژنراتور DFIG، توربین بادی، مبدل سمت روتور (RSC)، مبدل سمت شبکه (GSC)، لینک DC، سیستم کنترل و حفاظت و ترانسفورماتورهای افزاینده سمت شبکه می­باشد که در شکل ذیل نشان داده شده است.

عیب اصلی توربین­هاي بادي سرعت متغیر به خصوص توربین­هایی شامل ژنراتورDFIG ، عملکرد آن­ها در طی بروز اتصال کوتاه در سیستم قدرت می­باشد. اتصال کوتاه در سیستم قدرت حتی اگـر از محل نیروگاه بادي دور باشد، باعث ایجاد افت ولتاژ در نقطه اتصال توربین بادي به سیستم قدرت (باس PCC) می­شـود. این امر باعث افزایش جریان در سیم­پیچ استاتور و در نتیجه به علت کوپل مغناطیسی بین استاتور و روتور، این جریان در مدار روتور القا و منجر به صدمه دیدن مبدل می­گردد.

جنس پره ها:

پره ها را از چوب، آلومینیوم، فایبر گلاس تقویت شده، فولاد و یا ترکیبی از این مواد می سارند. چوب اغلب برای ساختن پره توربینهای بادی کوچک بطور یکپارچه مورد استفاده قرار می گیرد، بدین ترتیب که آنرا به شکل مناسب تراشیده و با پیچهای فولادی به هاب متصل می کنند.

برای توربین های بزرگتر، چوب بصورت تخته چندلا یا ورقه های نازک به ضخامت تقریبی سه میلیمتر که بطور مناسب برروی یکدیگر متصل می گردند، استفاده می شود. پره های چوبی از خواص خوبی برخوردارند، اما باید حتما ضد آب شوند، زیرا رطوبت موجب متورم شدن چوب می شود که نه تنها بر شکل هندسی پره و نتیجتاً مشخصه آئرودینامیکی اثر می گذارد، بلکه موجب عدم توازن و گاه ایجاد ترک در پره ها نیز می گردد. معمولا برای حفاظت پره های چوبی در برابر رطوبت، آنها را با ورقه ای از فایبر گلاس، رزین و یا مواد مناسب دیگر می پوشانند.

آلیاژهای آلومینیوم نیز برای ساخت پره ماشین های کوچکی که کورد ثابتی دارند بکار می روند. اخیراً فایبرگلاس تقویت شده که از استحکام و قابلیت شکل پذیری خوبی برخورداراست مورد توجه تولیدکنندگان قرار گرفته است، بطوریکه پره اکثر توربینهای کوچک و متوسط امروزی از این جنس ساخته می شوند.

گاهی پره های مرکب از فایبرگلاس و فولاد نیز مشاهده می شود. خصوصیت خستگی فابیرگلاس تقویت شده بهتر از آلیاژهای فلزی است و ضمنا مقاومت خوردگی آنها بسیار خوبست.

پره روتورهای بادی خیلی بزرگ بصورت تلفیق آلیاژهای آلومینیوم و فولاد ساخته می شوند. باید توجه داشت که در مناطق نزدیک دریا پاشش نمک می تواند عامل نگران  کننده ای برای این نوع پره ها باشد، زیرا در شرایط دریایی (فولاد دیگر حد تحملی نخوهد داشت) بیش ترین تنشی که جسم علیرغم دفعات تکرار و تغییر تنش تحمل می نماید و بالاخره پره توربین های پرپره از ورقه های گالوانیزه ساخته می شوند.

 

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. ترکیب وآرایش جعبه دنده ها بستگی به نسبت تبدیل، قدرت جعبه دنده و راندمان آن دارد. در چرخ دنده های ساده نسبت بین دو دنده 1 به 1 الی 1 به 8 در یک کاهش یا افزایش دور می باشد. چنانچه نسبت افزاش دور بیشتری مورد نظر باشد، باید از دو یا سه مرحله چرخ دنده ساده استفاده نمود.

حجم و وزن جعبه دنده ها بسیار متغیر و متنوع است. وزن جعبه دنده تابعی از نسبت دور نیز می باشد. در توربین های محور افقی، معمولا دو نوع جعبه دنده، محور موازی و خورشیدی استفاده می شود. اختلاف اساسی میان سرعت های دوران روتور و ژنراتور، سبب بالا بردن گشتاورهای ورودی و نسبت دور جعبه دنده می گردد.

جعبه دنده های با محور موازی درمقایسه با جعبه دنده های خورشیدی، از نظر طراحی و نگهداری ساده تر اما وزن آن ها بیشتر است. در جعبه دنده های خورشیدی،محورهای خروجی و ورودی معمولاً در یک امتداد قرار دارد، اما در جعبه دنده های محور موازی، امتداد محور ورودی با خروجی یکسان نیست. بعنوان مثال برای یک توربین بادی سه پره با ظرفیت اسمی 1/5 مگاوات که سرعت گردش روتور آن 19 دور در دقیقه است، جعبه دنده ای با نسبت 1 به 80 با سیستم خنک کننده روغن مورد نیاز است. همچنین در مورد یک توربین بادی دو پره با ظرفیت اسمی 300 کیلووات، که سرعت گردش روتور آن 72 دور در دقیقه است، جعبه دنده دو مرحله ای با نسبت 1 به 25 مورد نیاز    می باشد.

یکی از نکات بسیار قابل توجه در طراحی گیربکس توربین های بادی، حداقل بودن سر و صدای حاصل از گیربکس و در عین حال بالا بودن راندمان سیستم می باشد.

الزامات شبکه برق ایران برای اتصال مزارع بادی به شبکه:

بنابر استاندارد و تقسيم بندي شبكه برق ايران، مي­توان واحدهاي بادي متصل به شبكه ايران را از نظر تأثيرگذاري بر شبكه به دو دسته متفاوت تقسيم نمود. دسته اول، آن دسته از واحدهاي بادي متصل به شبكه كه زير سطح ولتاژ 33 كيلوولت هستند و توان خروجي زير 25 مگاوات توليد مي­كنند. اين دسته جزء واحدهاي توليد پراكنده هستند كه تأثير كمي بر پايداري شبكه دارند. دسته دوم، واحدهاي بادي متصل به شبكه كه داراي حداقل سطح ولتاژ 63 كيلوولت در نقطه اتصال هستند يا از نظر توان، توليد بيش از 25 مگاوات دارند. اين دسته به سطح فوق توزيع يا انتقال متصل شده و شبكه متأثر از تغييرات آن­هاست. در این قسمت نوسانات ولتاژ و زمان رفع خطا برای نیروگاه بادی شبکه برق ایران توضیح داده می­شود.

نوسانات در شبکه برق ایران به ميزان 2% ولتاژ نامی مجاز می­باشد. همچنين، افزايش ولتاژ پست­هاي انتقال تا ميزان 5% (حالت هشدار) و یا کاهش آن­ها به ميزان 10% (حالت اضطراری) در محدوده ولتاژ غيرعادي و افزايش بيش از 5% (حالت فوق اضطراري سطح 1) و كاهش بيش از 10% ولتاژ نامی (حالت فوق اضطراري سطح 2)، در محدوده ولتاژ غير قابل تحمل مي­باشد. در صورت افزايش يا كاهش ولتاژ به ميزان بيش از حد غيرعادي (رسيدن به محدوده غير قابل تحمل)، بايد با استفاده از كليه امكانات، ولتاژ كليه نقاطي از شبكه كه در محدوده غير قابل تحمل قرار دارند به محدوده غيرعادي بازگردانده شود.

در صورت تغيير آرام ولتاژ (منظور از تغيير آرام ولتاژ، تغيير ولتاژ در شرايط كار عادي است) نيروگاه بادي بايد مطابق با جدول ذیل عمل نمايد (منظور از حالت بار خانگي جدا شدن از شبكه و در مدار بودن كليه تجهيزات نيروگاه با استفاده از توان توليد شده توسط ژنراتورها جهت تأمين مصرف داخلي نيروگاه مي­ باشد).

محدوده تغييرات ولتاژ نيروگاه بادي ایران