مقاله کامل پايان نامه در مورد برق

فصل اول
مقدمه
1-1- مقدمه
استفاده از منابع انرژی فسیلی و هسته ای، مستلزم هزینه زیاد و افزایش آلودگی محیط زیست و عوارض مخرب ناشی از آن است، از این رو با بروز پدیده بحران انرژی در دنیا و از طرف دیگر پیشرفت تکنولوژی تبدیل انرژی باد، به انرژی الکتریکی که به کاهش قیمت آنها منجر شده، استفاده از انرژی باد اجتناب ناپذیر شده است. سیستم های مبدل انرژی باد، به انرژی الکتریکی از سال 1975 به شکل تجاری و در سطح وسیع در دنیا مورد استفاده قرار گرفته اند. هم اکنون با پیشرفت تکنولوژی میکروکامپیوترها و نیمه هادیهای قدرت امکان استفاده از سیستم کنترلی مدرن و در نتیجه تولید قدرت الکتریکی با کیفیت بالا از نیروی باد ایجاد شده است. تجربه نصب و راه اندازی نیروگاههای بادی در کشورهای صنعتی، به خصوص آمریکا و دانمارک نشان داده است که هزینه این سیستم ها قابل مقایسه با هزینه روش های سنتی و متداول تولید انرژی الکتریکی می باشد.
تامین انرژی الکتریکی برای بارهای شبکه با کیفیت بالا و تولید وقفه نیروی برق هدف اصلی یک سیستم قدرت می باشد. برای بالا بردن کیفیت انرژی الکتریکی نیاز است. کمیت های مختلف سیستم قدرت مانند راه اندازی از مدار خارج نمودن، بهره برداری در شرایط توان ثابت و…. کنترل شود. با توجه به ماهیت تغییرات سرعت باد در زمان های مختلف ایجاد شرایط کنترل برای سیستم های قدرت شامل مبدل های انرژی باد به الکتریکی حائز اهمیت می گردد. اجزاء مختلف یک سیستم قدرت بادی شامل: توربین بادی، ژنراتور، کنترل کننده زاویه گام پره و سیستم تحریک می باشد. که هر یک از این اجزاء انواع مختلف داشته و در مدل های مختلف براساس نیاز ساخته می شوند. لذا با توجه به موقعیت جغرافیایی ایران و اهمیت انرژی‌های تجدیدپذیر به این موضوع پرداخته می شود.
باد رایگان است بشر از عهد باستان این نکته را به خوبی دریافته است و آسیاب بادی را ساخته است تا آب چاهها را بیرون بکشد و غلات را آرد کند. امروزه آسیابهای بادی دیگر منسوخ شده اند و جای خود را به مولدهای بادی داده اند که الکتریسته تولید می کنند. بهترین جا برای تاسیس مولدهای بادی سواحل دريا و تپه ها هستند. در این نقاط باد شدیدتر و منظم تر از نقاط دیگر می‌وزد. (برای تولید الکتریسته سرعت باد باید به طور متوسط 5 متر بر ثانیه، یعنی 18 کیلومتر در ساعت باشد.) اما باد این عیب بزرگ را دارد که فقط بعضی روزها و بعضی ساعات می وزد. اگر فقط به انرژی باد اتکا کنیم، به سرعت دچار کمبود الکتریسته می شویم. پس راه حل چیست؟ راه حل این است که با استفاده از باتریها الکتریسته ای را که در ساعات بادخیز تولید شده است، ذخیره کنیم. راه دوم این است که مولد بادی را با موتوری که با سوخت کار می کند همراه سازیم. و در واقع یک گروه الکترون بوجود می آوریم. به این ترتیب می توانیم وقتی که باد نیست از الکتریسته ای که ماشین دوم تولید می کند استفاده کنیم. در حال حاضر در بسیاری از کشورهای در حال توسعه یا نقاط دور افتاده ای که برق رسانی به آنها ممکن نیست ازجمله در آرژانتین، استرالیا، آفریقای جنوبی … موادهای بادی می توانند نیاز یک مزرعه، چند خانه یا روستا را به برق تامین کنند. در اوایل قرن 14 میلادی بهره برداری گسترده از آسیابهای بادی در اروپا رایج گردید. اروپائیان بعدها روتور آسیابها را به
بالای برجی انتقال داده اند که از چندین طبقه تشکیل می شود. نکته حائز اهمیت درباره آسیابهای مذکور آنست که پره ها بطور دستی در جهت باد قرار داده می شوند و این امر به کمك اهرم بزرگی در پشت آسیاب صورت می گرفت. بهینه سازی انرژی خروجی و حفاظت آسیاب در برابر آسیب دیدگی ناشی از بادهای شدید با جمع کردن پره های آن صورت می گرفت. نخستین مولدهای بزرگ به منظور تولید الکتریسته سال در اوهایو توسط چارلز براش ساخته شد. در سال 1888 ابداع انواع مولدهای بادی در مقیاس وسیع در 1930 در روسیه با ساخت ژنراتور بادی 100 کیلو واتی آغاز شد. طراحی روتورهای پیشرفته با محور عمودی در فرانسه توسط داریوس در دهه 1920 آغاز شد. از میان طرحهای پیشنهادی داریوس مهمترین طرح، روتوری است با پره های ایرفویل و انحنا دار که از بالا و پایین به یک محور عمودی متصل می شوند. در این زمینه، ابداعات دیگری صورت نگرفت و این طرح در سالهای اخیر به نام توربین داریوس مورد توجه قرار گرفته است. توسعه صنعت توربین های بادی، بسیار سریع بوده و در حال پیشرفت است. از ابتدای دهه 1980 تاکنون ظرفیت متوسط توربین بادی از 15 کیلو وات تا 8 مگا وات ارتقاء یافته است. مجموع ظرفیت نصب شده توربین های بادی در جهان به بیش از 25000 مگا وات بالغ می گردد. بنا بر محاسبات انجام شده، از باد در جهان می توان 105-Ej (هر Ej ژول) برق گرفت و آنچه در عمل بدست می آید. Ej است و پیش بینی شده است تا 2020 میلادی 10 درصد از برق کل جهان از انرژی باد تولید خواهد شد. این صنعت همچنین باعث ایجاد 7/1 میلیون شغل می شود.
2-1- تاریخچه انرژی باد در جهان
انرژی باد از انواع قدیمی انرژی است که از بدو پیدایش کره زمین در آن وجود داشته و با پیشرفت جوامع انسانی مورد استفاده قرار گرفته است. کهن ترین دستگاههای مبدل باد در خاورمیانه، برای تهویه منازل بکار رفت که هنوز هم در بعضی شهرهای کویری ایران نظیر یزد بنام بادگیر از آن استفاده می شود. اولین توربین های بادی یا مبدل های انرژی باد به انرژی جنبشی در ایران شکل گرفت و کمی بعد در عصر حمورابی پادشاه بابل در عراق نیز گسترش یافت. نمونه های اولیه این توربین ها از محور عمودی استفاده می کردند و دارای 4 پره بودند.
استفاده اصلی این توربین ها در آرد کردن غلات بود در 3 قرن قبل از میلاد، مصریها نمونه ای از توربین با محور افقی و 4 پره را ابداع کردند و بوسیله آن، هوای فشرده جهت ساختن ارگ در مراسم مذهبی را تامین کردند. آسیاب بادی در قرون وسطی در ایتالیا، پرتغال و اسپانیلا ظاهر شد و کمی بعد در انگلستان، هلند و آلمان نیز بکار برده شد. این ماشین ها می خواستند آب را به ارتفاع 5 متر پمپ نمایند. حتی از آن برای استخراج روغن از دانه های روغنی نیز استفاده کردند و بعدا انرژی باد علاوه بر خشکی در دریا نیز برای پیشبرد کشتی ها استفاده شد.
3-1- تلاش برای تسخیر دریا
در اروپا مولدهای بادی بیشتر برای تولید الکتریسته «پاک» که در شبکه های سراسری تزریق می شود مورد استفاده قرار می گیرند. تاسیس مولدهای بادی در خشکی گاهی سبب اعتراض هایی می شود (حمایت از پرندگان و محیط زیست) برای اجتناب از این گونه دردسرها، بهتر است که پیش از نصب مولد های بادی مطالعات لازم را انجام دهیم.
همچنین بایستی موقعیت نصب مولدهای بادی، در معرض راه پرندگان مهاجر قرار نگیرد. حال که نصب این مولدها در خشکی مشکلاتی دارد، پژوهشگران متوجه دریاها شدند. مثلا کشور دانمارک با نصب مولدهای بسیار عظیم در مناطق کم عمق سواحل خود نمونه بسیاری خوبی را ارائه داده است (دکل این مولدهای بادی 90 متر و طول متغیرهایش 40متر است.) آلمان، بلژیک، ایرلند هم به پیروی از دانمارک قصد دارند که با ایجاد پارک های بزرگ و نصب ژنراتورهای بادی در آنها به اندازه نیروگاه های معمولی الکتریسته تولید کنند. امروزه مولدهای بادی را در مناطق کم عمق دریاها کار می گذارند.
4-1- وضعیت کنونی بهره برداری از انرژی باد در جهان
نیروگاههای بادی در سراسر جهان به سرعت در حال گسترش می باشند. به طوریکه انرژی باد در میان دیگر منابع و گزینه های انرژی عنوان سریع الرشدترین صنعت را به خود اختصاص داده اند. نرخ رشد این صنعت در سال 2001 میلادی سالانه 35 درصد و در سال 2002 میلادی سالانه 28 درصد گزارش شده است. در پایان سال 2002 میلادی کل ظرفیت نصب شده جهان به 22400 مگاوات رسیده که در این میان آلمان، اسپانیا، آمریکا، دانمارک و هند سهم بیشتری دارند. تا پایان 2002 میلادی این 5 کشور روی هم 26000 مگا وات یعنی 84 درصد از ظرفیت نصب شده در جهان را در اختیار داشته اند.
کل سرمایه در گردش صنعت انرژی باد در سال 2002 میلادی 7 میلیارد یورو بوده است. هر کیلو وات برق 1000 دلار هزینه دارد که 750 دلار آن به هزینه تجهیزات و مابقی به هزینه های آماده کردن سایت، نصب، راه اندازی و نگهداری مربوط می شود. در چند سال اخیر با بزرگ شدن سایز، توربین های تجاری، قیمت سرمایه گذاری آنها کاهش یافته است. صنعت انرژی باد منافع اقتصادی و اجتماعی مختلفی دارد که مهمترین آنها عبارتند از:
1-4-1 نداشتن هزینه اجتماعی:
این هزینه ها در تمام گزینه های متعارف انرژی (مانند منابع فسیلی) وجود دارند، اما با وجود هزینه های قابل توجه در بررسی های اقتصادی لحاظ نمی شود. انجمن انرژی باد در جهان (W.W.E.A) هزینه ها را به کوه یخی تشبیه کرده است. که حجم عظيم آن زیر آب است! کاهش اتکا به منابع انرژی وارداتی: در کشورهایی مثل ایران که می توان به این موضوع از جنبه افزایش صادرات نفت نگاه کرد.
2-4-1 اثرات زیست محیطی:
در جوامع بشری توسعه با بکار گیری انرژی بیشتر، میسر می گردد و بدین ترتیب انسان خصوصیات فیزیکی، شیمیایی، بیولوژیکی اجتماعی و سنتی محیط زیست و منطقه ای نقش مهمی را به عهده دارد و کسب اطلاع از میزان اثر بخشی انواع مختلف انرژیهای مورد استفاده بر سلامت محیط زیست و موجودات زنده، وضع مقررات و استانداردهای زیست محیطی جهت کاهش آثار زیانبار همچنین استفاده از تکنولوژی و فن آوری مناسب جهت کنترل آلودگی و از همه بهتر جایگزینی انرژی تجدید شوند و پاکیزه به جای انرژي های آلاینده و تجدید ناشونده شاید بتوان آینده ای پاک را برای انسانها به ارمغان آورد.
با پیدایش نوآوریهایی در زمینه تولید انرژی مناسب برای هر کار خاص می توان مانع از ضایعات زیست محیطی و آلودگی هوا و … شد. احتراق سوختهای فسیلی موجب ورود حجم عظیمی از اکسیدهای سولفور، نیتروژن، مونوکسیدکربن و دی اکسید کربن در هوا می شود. میزان انتشار آلاینده ها فوق به ترتیب به نوع سوخت و همچنین مکانیزم های بکار گرفته شده در کنترل آلودگی بستگی دارد. آلودگی هوا می تواند به شکل مه- دود، باران اسیدی و ذرات معلق پدیدار گردد. واکنش های هیدروکربن ها و اکسیدهای نیتروژن در حضور تشعشعات فرابنفش موجب تولید ترکیبات سمی می گردد که در نهایت سلامتی و حیات انسان، جانوران و به طور کلی اکوسیستم را در معرض خطر قرار خواهد داد.
3-4-1- اثرات گلخانه ای
از بعد دیگر سوختهای فسیلی موجب بالا رفتن درجه حرارت اتمسفر و افزایش میزان در دراز مدت شاهد افزایش درجه حرارت کره زمین، ذوب یخهای قطبی، بالا آمدن سطح آبها، به زیر آب رفتن مناطق ساحلی خواهیم بود. چنانچه گفته شد در دهه های اخیر همگام با صنعتی شدن جوامع پیشرفت های سریع تکنولوژی به علت استفاده بیش از حد از منابع انرژی تجدید ناپذیر (سوختهای فسیلی)، بشر به فکر دستیابی به منابع بهتر و مطلوبتر انرژی افتاده است. در این بخش ما به انرژی تجدید پذیر باد می پردازیم.
5-1 اهمیت و لزوم بکارگیری انرژی باد از بعد اقتصادی
بازارانرژی یک بازار رقابتی است که در آن تولید برق در نیروگاههای بادی در مقایسه با نیروگاه های سوختهای فسیلی برترهای نوینی را پیش روی کاربران قرار داده است. از برتریهای نیروگاه بادی اینست که در طول مدت زمان، عمر خود، سالهای زیادی را بدون نیاز به هزینه سوخت، تولید خواهد کرد. در حالیکه هزینه دیگر منابع تولید انرژی در طول این سالها افزایش خواهند یافت. فعالیت های گسترده بسیاری از کشورهای جهان برای تولید الکتریسته از انرژی باد، سرمشقی برای دیگر کشورهایی است که در این زمینه راه درازی را در پیش دارند. بسیاری از مناطق اقتصادی در حال رشد در منطقه آسیا واقع شده اند. و اقتصاد رو به رشد کشورهای آسیایی از جمله ایران باعث شده تا این کشورها بیش از پیش به تولید الکتریسته احساس نیاز کرده و اقدام به تولید الکتریسته از منابع غیر فسیلی کند. افزون بر این موارد؛ نبود شبکه برق سراسری در بسیاری از بخش های روستایی نیز مهر تاییدی بر سیستم های تولید انرژی زده است. پس در
خصوص دورنمای آینده اقتصادی استفاده از انرژی باد در ایران می بایست گفت استفاده از این انرژی موجب صرفه جویی فرآورده های نفتی به عنوان سوخت می شود. صرفه جویی حاصل در درجه اول موجب حفظ فرآورده های نفتی گشته که امکان صادرات و مهم تر اینکه تبدیل آن به مشتقات بسیار زیاد پتروشیمی با ارزش افزوده بالا را فراهم می سازد. در درجه دوم تولید الکتریسیته از این انرزی فاقد هر گونه آلودگی زیست محیطی بوده که همین عامل کمک شایانی به حفظ طبیعت سالم محیط زیست بشری کرده و در نتیجه مسیر برای نیل به توسعه پایدار اقتصادی اجتماعی فراهم می گردد. گسترش نیروگاه های بادی در راستای کاهش بهای تمام شده برق تولیدی افزایش چشم گیری نشان می دهد. به گونه ای که بهای هر کیلووات ساعت برق تولیدی از 40 سنت در سال 1990 به حدود 6 سنت در سال 2002 رسیده است. عدم مصرف سوخت، هزینه کم راهبری، تعمیر و نگهداری و آلوده نکردن محیط زیست از مزایای نیروگاه های بادی است. لازم به ذکر است به طور متوسط برای هر کیلووات ساعت برق تولیدی نیروگاه بادی حدودا 28/0 متر مکعب گاز طبیعی با آهنگ جهانی 4 سنت بر متر مکعب صرفه جویی می شود.
بهره برداری از انرژی باد در تولید برق، به ویژه ظرفیت های چند مگاواتی تنها روش اقتصادی تولید در مقایسه با دیگر روش های تولیدی، مبتنی بر انرژی های بازیافت پذیر( خورشیدی، بیوماس، زمین گرمایی، امواج و سلول ساختی) است. لازم به ذکر است افزایش سهم انرژی های بازیافت پذیر در تولید توان الکتریکی، از سیاست های راهبردی میان مدت و بلند مدت بسیاری از کشورهای جهان است. گسترش نیروگاه های بادی در بسیاری از کشورها، نیازمند حمایت های مستقیم و غیر مستقیم دولتی است. در ایران نیز علی رقم این که مشاهده می شود با در نظر گرفتن هزینه های خصوصی نیروگاه های بادی و فسیلی، توسعه نیروگاه های بادی برای تولید برق هم اکنون کاملا اقتصادی نیست و در حال اقتصادی شدن است، ولی اگر هزینه های اجتماعی نیروگاه های فسیلی که در برگیرنده اثرات منفی است مبنای مقایسه قرار گیرد هزینه تولید در مولدهای بادی کمتر از فسیلی خواهد بود و برق حاصل از آن می تواند به عنوان یک انرژی پایدار در توسعه پایدار اقتصادی- اجتماعی کشور مورد استفاده قرار گیرد. استفاده از انرژی باد در ایران علاوه بر عمران و آبادی موجب ایجاد مشاغل جدید شده و بالاخره با بومی سازی فناوری انرژی باد اقتصاد کشور رشد بیشتری خواهند یافت. طبق بررسی های اینترنتی قلم سبز ایران: با تبدیل نیروگاه های گازی به بادی، سالانه 805 هزار مترمکعب گاز صرفه جویی می شود. بررسی های سازمان انرژی های نو نشان می دهد یک توربین بادی با ظرفیت 660 کیلووات، توانایی تولید 2 میلیون و 300 هزار کیلووات ساعت انرژی را در سال داراست. با جایگزین کردن توربین های بادی، سالیانه یک هزار و 140 تن در میزان آلاینده ها کاهش ایجاد می شود. این گزارش حاکی است، قیمت هر کیلووات ساعت برق تولیدی توسط نیروگاه بادی 308 تا 440 ریال است و این در حالی است که با در نظر گرفتن قیمت واقعی سوخت، قیمت واقعی هر کیلووات ساعت برق تولیدی نیروگاه گازی 510 ریال است. به دلیل پائین بودن دستوری قیمت گاز طبیعی در ایران و پرداخت یارانه ای گزاف به این حاصل انرژی، قیت تمام شده برق تولیدی با استفاده از گاز طبیعی یارانه ای به 150 ریال در هر کیلووات میرسد. واقعی نبودن قیمت ها سبب شده است سرمایه گذاری برای تبذیل نیروگاه های گازی به بادی فاقد صرفه اقتصادی باشد. یکی از مواردی که در دیدگاه اقتصاد انرژی حائز
اهمیت است این است که تامین برق از طریق شبکه های توزیع به مناطق دورافتاده پرهزینه و گران است. در این بین مناطق جزیره ای و ساحلی که از شبکه اصلی دور بوده و در آنها میزان سرعت وزش باد مناسب باشد استفاده از توربین های بادی به عنوان محرک مکانیکی ژنراتورهای الکنریکی اهمیت ویژه ای یافته است. طبیعت غیر دائمی و سرعت متغیر باد ، تغییرات قدرت خروجی ژنراتور را به دنبال خواهد داشت. لذا این امر کاربرد این سیستم را برای مصرف کننده ها مشکل می سازد.
6-1 بحران انرژی
امروزه استفاده از انرژی های الکتریکی جهت تامین تقاضای مصرف کننده ها اهمیت شایانی یافته است به گونه ای که عرضه و تقاضای انرژی در جهان به صورت یکی از مهم ترین مسائل روز درآمده است. با توجه به این که انرزی های فسیلی از جمله نفت و گاز و زغال سنگ مسائل و مشکلات متعددی را دارند. لذا چرخ تمدن بشری که بستگی مستقیمی به انرژی دارد با مشکل روبرو خواهد شد. این امر سبب گردیده که کشورهای توسعه یافته صنعتی با جدیت هر چه تمام تر جهت استفاده از انرژی های موجود در طبیعت اقدام کنند. نظر به این که دانشمندان و محققین از نایابی سوخت های فسیلی در اوایل قرن 21 خبر می دهند و ذخایر نفتی تا چند دهه ی دیگر بیشتر باقی نخواهند ماند، قبل از فرا رسیدن بحران انرژی لازم است که پژوهشگران به بررسی و تحقیق در خصوص استفاده از انرژی های زوال ناپذیر یا تجدید شونده مانند باد بپردازند. وابستگی سیستم های تیدبل انرژی سوخت های فسیلی مانند نیروگاه های حرارتی به مواد خام انرزی زا مانند نفت و یا گاز طبیعی بسیار روشن است. در حالی که در سال های آتی این ذخایر یا رو به پایان می نهند و یا استخراج آنها با روش های کنونی غیر اقتصادی خواهد بود. ونهایتا این مه موضوع توسعه پایدار به عنوان یک محور اساسی فعالیت های اقتصادی نیز در این ارتباط قابل دقت و بررسی می باشد. توسعه پایدار به این معنا که استفاده از منابع طبیعی از جمله انرژی به نحوی باشد که امکان بهره برداری برای نسل های آینده وجود داسته باشد.
فصل دوم
استفاده از انرژي باد
1-2 استفاده از انرژی باد
با توجه به این که افزایش سرعت باد موجب چرخش سریعتر توربین می شود. (توربین با سرعت متغیر)، از بادهای با سرعت بالا می توان قدرت بیشتری گرفت. این موضوع منتج به کارایی بیشتر ماشین شده، همانطور که با نیروی اعمالی روی ماشین آلات در این سرعت های بالا کاهش یافته است. این ماشین آلات نیز هم ارزان و هم مطمئن تر می شوند. هم چنین این مسئله موجب برتری توربین های فعلی می باشد. این توربین ها با تولید انرژی 4 برابر تنها دارای هزینه 5/2 برابر هستند.
انرژی باد به گونه ای فزاینده و به دلایل عدیده، جدا از هزینه های رقابتی جدیدش، مورد توجه عموم قرار گرفته است. توربین های بادی می توانند انرژی حقیقی و مگاوات را که در افزایش کارایی انتقال و تثبیت ولتاژ مفید است، تولید کنند. ماهیت آنچه که به وسیله منبع باد توزیع می شود، موجب نزدیکتر شدن مولدها به مراکز مصرف شده، تلفات ناشی از انتقال انرژی از بین می رود. ماهیت مدولار نیروگاه های بادی و سرعت احداث آنها ، یک هدف با ارزش برای انعطاف در طراحی است. از آنجا که سوخت بدست آمده مجانی و منابع باد نیز قابل پیش بینی است هزینه های انرژی باد با اطمینان زیاد قابل پیش بینی و تخمین است، نوسان های تهاجمی سوخت آسیب پذیر نشده و در ضمن قابل دسترس هستند. حال که به نقش تولید الکتریسیته توسط باد پی بردید به این منظور در این بخش سعی شده است تعریفی مختصر در مورد انرژی باد، خواص و خصوصیات آن ارائه شود تا در درک بهتر مطالب آتی کمک کند. لذا جهت اطلاعات کامل تر توصیه می شود به پروژه بررسی اقتصادی بودن کاربرد نیروگاه های بادی برای برقرار کردن روستاهای فاقد برق و دورافتاده استان خراسان-1377 و هم چنین مقاله دکتر گری جانسون مراجعه فرمائید. عموما شرح کامل درباره باد خارج از بحث ما می باشد و فقط به عنوان یادآوری برای علاقه مندان به موارد زیر اشاره می گردد : 1- بادهای گلوبال 2- باد جیوسترافیک 3- باد سطحی 4- باد منطقه ای 5- قدرت باد 6- نمودار گل سرخی 7- قانون بتز 8- شناخت مسیرهای باد 9- مطالعات آماری باد
موارد فوق را می توانید با مطالعه منابع اصلی و دیگر منابع بیاموزید. مواردی که لازم به توضیح می باشند به صورت زیر خواهد بود.
2-2 سرعت وصل
حداقل سرعت باد است که در آن پره ها به حرکت در آمده و توان مصرفی، تولید می کنند. این سرعت باد عموما بین 7 تا 10 متر بر ساعت می باشد.
3-2 سرعت اسمی
سرعت اسمی می نیمم سرعتی است که در آن توربین بادی توان مصرفی پیش بینی شده را تولید می کند به عنوان مثال یک توربین 10 کیلوواتی تا زمانی که سرعت باد به میزان 25 متر بر ساعت نرسد توان 10 کیلووات را تولید نخواهد کرد. سرعت اسمی برای اغلب ماشین ها در محدوده 25 تا 35 متر بر ساعت
است. در سرعتهای باد بین سرعتهای وصل و سرعت اسمی، خروجی توان از توربین بادی با افزایش سرعت باد افزایش می یابد.خروجی بیشتر ماشینها از حد اسمی آن تجاوز نمی کند، از این رو اغلب سازندگان، گرافهایی به نام «منحنی های توان» را ارائه می دهند که این منحنی ها نشان می دهند که چگونه خروجی توربین با تغییر سرعت باد، تغییر می کند.
4-2 سرعت قطع
در سرعت های بسیار بالای باد، عموما بین 45 تا 80 متر بر ساعت، اغلب توربین های بادی، تولید برق را متوقف کرده و از کار می افتند. این سرعت باد که موجب از کار افتادگی توربین می شود به نام سرعت قطع، خوانده می شود. داشتن سرعت قطع، یک ویژگی ایمنی برای عدم خرابی توربین است که از توربین در برابر آسیب احتمالی، محافظت می کند. از کار افتادگی در توربين ، ممكن است به چندين طريق اتفاق بيافتد، در برخي ماشين ها يك ترمز خودكار در چنين مواقعي توسط سنسور سرعت باد، فعال مي شود، برخي ماشين ها با پيچاندن يا تغيير دادن زاويه پره ها جريان هوا را از زير بال به طرف بالا در قسمت نوك ، هدايت مي كنند. بعضي ديگر از توربين ها از زائده هاي سرعت گير يا بالك هاي تاشو براي كاستن سرعت، استفاده مي كنند كه اين زائده ها بر روي پره ها يا قطعه مركزي، سوار شده و به طور خودكار در دورهاي بالاي روتور فعال مي شوند يا به طور مكانيكي توسط فنري كه از قبل پيچانده شده (تحت بار قرار گرفته) براي چرخاندن توربين به مسيري غير از مسير جريان باد براي از كار انداختن توربين استفاده مي شود، پس از آنكه سرعت باد به حالت عادي برگشت معمولا توربين دوباره به حالت عادي به كار خود ادامه مي دهد.
5-2 – حد بتز
اين حد ، جريان هوايي است كه از روي پره ها و از سطح روتور گذشته و سبب كار كردن توربين بادي مي شود، توربين بادي با كند كردن سرعت باد، انرژي آن را مي گيرد. به طور تئوريكي ماكزيمم مقدار انرژي موجود در باد كه مي تواند توسط روتور توربين بادي جمع آوري شود تقريبا 59 درصد است. اين مقدار به «حد بتز» معروف است اگر بازدهي پره ها 100 درصد بود به دليل اينكه انرژي هوا توسط پره ها گرفته مي‌شد توربين به طور كامل از كار مي افتاد و در عمل بازده گرفتن از انرژي توسط روتور به اندازه 59 درصد نمي رسد. اين بازدهي معمولا بين 35 تا 45 درصد است.
يك سيستم انرژي باد كامل ، شامل روتور، جعبه دنده انتقال ، ژنراتور ، انباره و بقيه وسايل كه همگي بازدهي پائين تر از ايده آل دارند، (بسته به مدل آن) بين 10 تا 30 درصد كل انرژي موجود در باد را تحويل خواهد داد.
6-2 – بررسي كمي سيستمهاي مبدل باد
1-6-2- در سال 1984 در كاليفرنيا يك مزرعه باد با 75 توربين kw 330 و دو توربين kw 750 به شبكه سراسري متصل شده اند كه مجموعا توان توليدي آنها kw 26 است. در ابتدا كه سيستم كوچك بود و
يك بار محلي را تغذيه مي كرد، در توربينهاي kw 330 از ژنراتور سنكرون به خاطر كم بودن اغتشاشات قدرت خروجي آن استفاده مي شد ولي با بزرگتر شدن سيستم و اتصال آن به شبكه سراسري از ژنراتورهاي آسنكرون با ولتاژ v480 استفاده مي شد بدون اينكه اين مجموعه روي شبكه تاثير سوء زيادي داشته باشد در عين اينكه قيمت آنها نيز كاهش يافته است . همچنين در همين مزرعه باد در توربين kw 750 نصب شده كه در ان ها نيز از ژنراتور آسنكرون با ولتاژ خروجي kv 1/4 استفاده شده است.
2-6-2- در سال 1985 يك توربين بادي داريوس (Darrieus)kw 224 طراحي و نصب شده است كه از طريق يك ژنراتور سنكرون 10 قطب ، kw 224، v 1080 ، و HZ 60 و يك مبدل الكترونيكي AC/DC/AC ، از دو مبدل 6 پالسي تشكيل شده كه مبدل AC/DC آن ، يكسو كننده ديودي و مبدل DC/AC آن ، اينورتر تريستوري است كه عمل تنظيم فركانسي و كنترل ولتاژخروجي را انجام مي دهد. ولتاژ خروجي ژنراتور توسط AVR (Automatic voltage Regulator ) كنترل مي شود.
3-6-2- در سال 1985 يك توربين باد محور عمودي با ظرفيت mw 4 طراحي و ساخته شد. مبدل الكتريكي اين توربين از ژنراتور سنكرون، مبدل الكترونيك AC/DC/AC به همراه فيلتر ترانسفورمر قدرت در خروجي تشكيل شده است. مشخصات اين مبدل به شرح زير است.
ژنراتور سنكرون :
KVA 4140 ، KW 3726 ، Rpm 25/14 (HZ 24/19) و v 3600 سيستم تحريك ژنراتور سنكرون: يك مبدل الكترونيكي (تريستوري) ميدان را تغذيه مي كند. ورودي اين مبدل ولتاژ vac202 و DC 457 مي باشد.
شكل 1-2
4-6-2- در سال 1988 در اسپانيا يك سيستم هيبريد متشكل از يك توربين باد kw 225 و دو ماشين ديزل kva 60 براي تغذيه يك بار محلي طراحي و نصب شد. استراتژي كنترل توربين باد گام متغير
با سرعت ثابت rpm 32/43 بوده و از يك ژنراتور آسنكرون kw 225 استفاده مي كند . همچنين ديزل ها از ژنراتور سنكرون kva 75 استفاده مي كنند.
مشخصات ژنراتور آسنكرون:
kw225 ، A 400 ، شش قطب با 31/0 = cos كه با بانك خازني kvar5/87 ، جريان خروجي به A345 و ضريب توان به 94/0 تغيير مي يابد.
مشخصات ژنراتور سنكرون:
kw50 ، A 100 ، V 400 ، هشت قطب با 72/0 = cos كه با بانك خازني KVAR 25، جريان خروجي به A 80 و ضريب توان به 91/0 تغيير مي يابد.
اين سيستم سه مد عملياتي دارد:
الف- فقط ديزلها انرژي توليد مي كنند.
ب- ديزل ها و توربينهاي باد با هم انرژي توليد مي كنند.
پ- فقط توربين باد انرژي توليد مي كند.
حالت الف- هنگامي اتفاق مي افتد كه سرعت باد كمتر از سرعت راه اندازي باشد .
حالت ب – توان اكتيو به توسط توربين باد و ماشينهاي ديزل در حالت فوق تحريك تامين مي‌كند.
در حالت پ -ديزل ها از ژنراتور ها جدا مي شوند در اين صورت يك سيستم كنترل ، با كنترل جريان تحريك ماشينهاي سنكرون (كه به صورت موتوري كار مي كنند) توان راكتيو لازمه را توليد مي كند. در صورت نياز به توان راكتيو بيشتر ، بانك خازني را وارد مدار مي كند. اين سيتم چهار نوع بار مختلف با تغييرات متفاوت را تغذيه مي كند. بار پيش بيني شده براي اين سيستم در يك پريود 24 ساعته است.
5-6-2 – در سال 1989 در آلمان پروژه مزرعه باد SCHLESWAG براي اتصال به شبكه KV 20 ، طراحي و نصب شد در اين پروژه از چند نوع توربين باد مختلف با ظرفيت هاي متفاوت استفاد شده است. در جدول (1-1) و (2-1) نوع مبدل الكتريكي اين توربين ها ، توان نامي و ضريب قدرت نامي آنها اورده شده است. ملاحظه مي شود كه بجز سه توربين KW 330 و KW 55 و KW 25 كه از ژنراتور هاي سنكرون استفاده مي كنند و در بقيه موارد ، مبدل الكتريكي فقط يك ژنراتور سنكرون مي باشد.
جدول (1-2) انواع ژنراتورهاي مورد استفاده
جدول (2-2) مشخصات توان ژنراتور هاي مورد استفاده.
ثابت مي شود كه در سيستم هاي سرعت ثابت ، هر چه تعداد ژنراتورهاي يك مزرعه باد افزايش پيدا كند اغتشاشات قدرت خروجي كمتر خواهد بود. همچنين نشان داده مي شود كه در مزرعه باد با ژنراتورهاي توان بالا، اغتشاشات قدرت خروجي با نسبت n 8/1 متناسب مي باشد كه n تعداد ژنراتورهاي مزرعه بادي است.
از اين جهت در سيستم هاي بزرگ سعي مي شود كه توربينها به صورت سرعت ثابت كنترل شوند.
6-6-2- در هلند يك مبدل الكترونيكي AC/DC/AC (KVA 30) براي اتصال به يك ژنراتور سنكرون يا آسنكرون كه محور آن با توربين سرعت متغير چرخانده مي شود ساخته شده است. هدف از طراحي اين مبدل الكترونيكي ، ايجاد امكان كارژنراتور در رنج وسيعي از سرعت روتور (با تثبيت فركانس) و همچنين افزايش كيفيت ولتاژ خروجي است. اين مبدل يا كنترل خروجي ژنراتور و جريان تزريق شده به شبكه، كيفيت ولتاژ و جريان خروجي و نتيجتاً ضريب توان را بهبود مي بخشد. مبدل AC/DC از دو قسمت يكسو كننده ديودي و برشگر افزاينده با سوئيچ IGBT براي كنترل ولتاژ DC خروجي، مطابق شكل (3-1) تشكيل شده است. سوئيچ IGBT داراي تلفات توان كم و سرعت سوئيچينگ بالا مي باشد.
مبدل DC/AC يك اينورتر سه فاز، متشكل از سه اينورتر مشابه تكفاز H3 ، H2 ، H1 با 120 درجه فاز بوده كه نهايتا به يك ترانسفورمر افزاينده سه فاز متصل مي شود.
شكل (2-2) مبدل AC/DC با برشگر افزاينده
شكل (3-2) مبدل DC/AC با ترانسفورمر خروجي
براي كنترل اين مبدل دو ميكرو كنترلر با قابليت ورودي و خروجي بالا (مثل DSPها) استفاده شده است يكي براي جمع آوري داده ها از قسمت هاي مختلف سيستم و ديگري براي صدور فرمان و اعمال آن به مبدل و توربين باد.
در اين سيستم، اگر سرعت باد از سرعت نامي بيشتر شود گام توربين قدرت خروجي را محدود مي كند و اگر سرعت باد كمتر از سرعت نامي شود با كنترل برشگر ، ولتاژ خروجي تثبيت مي‌شود.
يكي از معايب اين سيستم اين است كه با افزايش قدرت اعوجاج هارمونيكي جريان خروجي به خاطر وجود مسئله EMC (همگوني با تغييرات الكترومغناطيسي Electro magnetic compatibility ) زياد مي شود.
فصل سوم
معرفي انواع توربين هاي بادي- ساختار الكتريكي مكانيكي
1-3- سيستم هاي انرژي باد
با توجه به شكل نيروگاه بادي مي توان گفت ساختار آن را شرح داد . اصولا توربين ها يا در جهت باد و يا در خلاف جهت باد مي توانند قرار بگيرند. برخي مدلها با سرعت متغير، همراه با افزايش سرعت باد، سريعتر چرخيده ، قادر به دريافت انرژي باد با بازده بيشتر است. يك دستگاه الكتروني قدرت توان حاصل از جريان متناوب اسنكرون با فركانس متغير را براي ارسال به خطوط انتقال به توان بالا با فركانس ثابت تبديل مي كنند . در كاتالوگ هاي توربين هاي بادي هميشه محدوده كا رطراحي شده سرعت باد تعيين مي شود كه عموما 5/4 تا m/s 30 مي باشد. در سرعت هاي بالاتر از اين حد پره ها به موازات وزش باد قرار گرفته و همزمان با وزش باد پرپر مي زنند و چرخش روتور متوقف مي شود.
سيستم الكترونيك قدرت در واقع مبدل فركانس برق متغير به فركانس سنكرون شبكه ، براي تغذيه سيستم است . شكل زير نمايشگر چگونگي تغييرات خروجي متاثر از سرعت باد براي يك توربين سرعت ثابت بوده ، آنها را با هم مقايسه مي كند.

فایل : 90 صفحه

فرمت : Word