توربین بادی – تبدیل انرژی باد به انرژی الکتریکی

توربین بادی – تبدیل انرژی باد به انرژی الکتریکی

توربین بادی – تبدیل انرژی باد به انرژی الکتریکی

1-            مقدمه

1-1-    پيشگفتار

1-2-    تاریخچه

1-2-1-     توربین بادی

1-2-2-       توربین‌های بادی در ایران..

1-3-    بررسی کارهای انجام شده

2-           مروری بر تحقیقات انجام شده در زمینه ردیابی حداکثر توان در سیستم های تبدیل انرژی باد به انرژی الکتریکی..

2-1-    مقدمه

2-2-    مشکلات و موانع جدید.

2-3-   توربین بادی چگونه كار مي كند.

2-4-    اجزاء اصلی توربینهای بادی..

2-5-     انواع ژنراتورهای مورد استفاده در نیروگاههای بادی..

2-6-     توربینهای بادی با ژنراتور القایی تغذیه دوگانه (DFIG)

2-7-    مدل دینامیکی توربین باد (DFIG)

2-1-        روش كنترل نسبت سرعت قله (TSR).

2-2-        كنترل گشتاور بهينه.

2-3-       كنترل فيدبك سيگنال توان..

2-4-        كنترل اغتشاش و مشاهده.

2-5-        كنترل کننده منطق فازي..

2-6-          روش Hill Climb Searching (HCS).

2-7-       استفاده از روشهای کنترل غیر خطی بدون سنسور.

3-            نتیجه گیری..

منبع

توربین بادی – تبدیل انرژی باد به انرژی الکتریکی

  توربین بادی

اولین کاربرد‌های انرژی باد به استفاده در توربین‌های چرخان در آسیاب‌های بادی برمی‌گردد. نخستین آسیاب‌های بادی، از آسیاب‌های بادی معروف هلندی، که تصویر آن‌ها در ذهن بسیاری از ما ثبت شده است،کاملا متفاوت بود. تعداد پره‌های این آسیاب‌ها به ۱۲ عدد می‌رسید و پره‌ها از بالای یک دیرک عمودی، همانند بادبان‌های یک کشتی که از فراز دکل و بازوی افقی دکل آویزانند، آویخته شده بود. شاید بتوان شکل کلی این آسیاب‌ها را با چرخ و فلک‌های شهربازی‌های امروزی مقایسه کرد که محور اصلی آن‌ها در مرکز یک دایره روی زمین نصب شده است و اتاقک‌های چرخ و فلک همیشه فاصله ثابتی از سطح زمین دارند. این نوع طراحی برای آسیاب‌های بادی، شاید از بادبان‌های یک کشتی، یا از چرخ‌های دعای بودایی‌های آسیایی، که با نیروی باد می‌چرخید، الهام گرفته شده باشد.

استفاده از انرژی باد پیشینه دراز مدتی داشته و به حدود سده ۲ پیش از میلاد در ایران باستان باز می‌گردد. برای نخستین بار، ایرانیان موفق شدند با استفاده از نیروی باد، دلو (دولاب) یا چرخ چاه را به گردش درآورده و آب را از چاه‌ها به سطح مزارع برسانند. نخستین ماشینی که با استفاده از نیروی باد به حرکت درآمد، چرخ بادی هرون بود؛ ولی نخستین آسیاب بادی عملی، در سده ۷ میلادی در سیستان ساخته شد. پیدایش آسیاب‌های بادی در اروپا مربوط به سده‌های میانه است. نخستین مورد ثبت‌شده در مورد استفاده از آسیاب‌هاب بادی در انگلستان مربوط به سده‌های ۱۱ و ۱۲ میلادی است.

نخستین توربین بادی با کاربرد تولید برق، یک ماشین شارژ باتری بود که در ژوئیه ۱۸۸۷ توسط یک مهندس اسکاتلندی به نام جیمز بلایث ساخته شد. چند ماه بعد، مخترع آمریکایی چارلز فرانسیس براش نخستین توربین باد خودکار را برای تولید برق در کلیولند در اوهایو ساخت. در سال ۱۹۰۸، ۷۲ توربین بادی با کاربرد تولید برق (بین ۵ تا ۲۵ کیلووات) در آمریکا فعال بودند. در دهه ۱۹۳۰، توربین‌های بادی کوچک برای تولید برق مورد نیاز مزارع در آمریکا، که هنوز سامانه سراسری توزیع برق راه‌اندازی نشده بود، بسیار متداول بودند. در پاییز سال ۱۹۴۱، نخستین توربین بادی در کلاس مگاوات در ورمونت راه‌اندازی شد. نخستین توربین بادی متصل به شبکه برق در بریتانیا در سال ۱۹۵۱ در جزایر اورکنی ساخته شد.

در سال ۲۰۰۶ برای اولین بار در اتحادیه اروپا رشد تولید برق از انرژی‌های نو بیش از رشد تولید برق از منابع فسیلی بود. از سال ۱۳۷۹ تا ۱۳۸۶ شمسی، ظرفیت تولید برق بادی جهان از ۱۸۰۰۰ مگاوات به ۹۲۰۰۰ مگاوات افزایش یافته است. از سال ۲۰۰۰ تاکنون این صنعت سالانه ۲۵٪ رشد کرده و هر سه سال دو برابر شده است و این در شرایطی است که رشد اقتصاد جهانی از یک تا دو درصد در سال بیشتر نیست [8].

جهت مشاهده و دانلود انواع توربین ها کلیک کنید .

  اجزاء اصلی توربین­ های بادی

پره ها[1] : بيشتر توربين­ها 2 يا 3 پره دارند، باد به پره ها برخورد مي كند و باعث چرخش آن­ها مي­شود.

ترمز[2] :  با استفاده از سيستم ترمز ديسكي مي توان توربين را بصورت هيدروليكي متوقف كرد.

بخش كنترل[3] : بخش كنترل توربين را وقتی سرعت باد بين 4 تا 25 متر بر ثانيه است بكار مي­اندازد و هنگامي كه سرعت باد به بالاتر از 25 متر بر ثانيه مي رسد آنها را متوقف مي­كند توربين ها نمي توانند در سرعت­هاي بيشتر از 25 متر بر ثانيه به كار خود ادامه دهند. در سرعت بالاي 30 متر بر ثانيه سقوط برج ها نيز وجود دارد.

جعبه دنده – گيربكس[4] : گيربكس توربين هاي بادي مي­توانند سرعت كم چرخش محور پره ها را با ضريب تبديل مثبت به سرعت بالا كه در ژنراتور استفاده مي شود، تبديل كند.

ژنراتور[5] : ژنراتور در حقيقت بخش تبديل انرژي مكانيكي باد به انرژي برق( الكتريكي ) است . ژنراتورهاي بكار برده شده، ژنراتورهاي آسنكرون و سنكرون مي باشند.

ناسل[6] : قسمت اصلي توربين بادي كه روتور به آن متصل است را ناسل مي­گويند. ناسل در بالاي برج قرار دارد، شامل جعبه دنده، شافت اصلي ژنراتور، بخش كنترل و ترمز است . بعضي از ناسل­ها آنقدر بزرگند كه تكنسين ها مي توانند داخل آن بايستند. در گذشته توربين هاي بادي با يك سرعت دوراني ثابت (دور روتور) كار مي­كردند، اما مدل­هاي امروزي تقريباً سيستم يك سرعته را كنار گذاشته اند. از ميان 58 مدل توربين موجود،2 مدل يك سرعته، 23 مدل دو سرعته و 34 مدل با سرعت متغير وجود دارند [11].

روتور[7] : به مجموعه تيغه ها و توپي وسط آنها روتور مي گويند.

دكل[8] : دكل­ها معمولاً از فولادهاي استوانه اي يا شبكه اي ميله هاي فولادي ساخته مي شوند، چون سرعت باد با افزايش ارتفاع زياد مي شود، دكل­هاي بلند باعث مي­شوند توربين انرژي بيشتري بگيرد و الكتريسيته بيشتري توليد كند.

سنسورهاي اندازه گيري[9] : شامل دو سنسور سرعت سنج و جهت نما مي باشد كه اولي سرعت باد و دومي جهت باد را به دقت مشخص مي كند و اطلاعات حاصل را به بخش كنترل مي دهد . براساس اين اطلاعات زمان كار توربين زاويه چرخ انحراف مشخص مي شود . اين چرخ،  توربين را دقيقا در جهت وزش باد قرار مي دهد.

موتور انحراف[10] : يك سيستم تركيبي الكتريكي مكانيكي است . هدايت اين سيستم توسط واحد كنترل انجام مي­شود. براساس اطلاعات رسيده از قسمت اندازه گيري واحد كنترل جهت باد قالب را تعيين ك رده به موتور انحراف فرمان مي دهد كه اين موتور توربين را در راستاي مناسب بچرخاند. اين سيستم فقط در توربين هاي بزرگ متصل به شبكه كاربرد دارد. در توربين­هاي بادي سايز كوچك به جاي چرخش انحراف از بالچه استفاده مي­كنند . اين بالچه، توسط جريان باد خود به خود توربين را در راستاي مناسب قرار مي دهد.

شفت سرعت بالا[11] : شفتی که ژنراتور را به حركت در مي آورد.

شفت سرعت پايين[12]: اين قسمت با سرعتي حدود 30 تا 60 دور در دقيقه چرخش مي كند.

استقرار پره ها[13] : پره ها به گردش در مي آيند تا سرعت باد را ثابت نگه دارند تا در سرعت بالا و يا پايين برق توليد شود.

[1] Blades

[2] Brake

[3] Controller

[4] Gearbox

[5] Generator

[6] Nacelle

[7] Rotor

[8] Tower

[9] Measure sensors

[10] Yaw motor

[11] High – speed shaft

[12] Low – speed shaft

[13] Pitch blades

نتیجه گیری

در سال‌های اخیر، توربین‌های بادی با سرعت متغیر، اکثریت غالب را در میان توربین‌های نصب‌شده تشکیل داده اند. در این حالت، امکان تنظیم سرعت چرخش رتور (با افزایش یا کاهش شتاب) وجود دارد. سیستم الکتریکی توربین های 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 مبدل به شبکه متصل می شوند. به منظور بهره برداری از توربینهای بادی، ردیابی و جذب حداکثر توان در آنها از اهمیت بالای برخوردار می باشد.

توربینهای بادی بر پایه ژنراتور سنکرون به عنوان یکی از ساختارهای موجود از طریق مبدلهای الکترونیک قدرت به شبکه متصل می شوند. این نوع از توربینها معمولاً در دو حالت سرعت ثابت و سرعت متغیّر بهره برداری می شوند. نوع سرعت ثابت به دلیل وجود ساز و کارهای کنترلی بیشتر، دارای هزینه و پیچیدگی بیشتری می باشد. ولی در توربینهای سر عت متغیّر بدلیل وجود سرعت باد متغیّر بایستی سیستم کنترلی طراحی گردد تا هر سرعت بادی، جذب توان حداکثر گردد.  در این سیستم تمام انرژی تولیدی توربین بادی به مبدلی که در مسیر شبکه قرار گرفته انتقال می­یابد.

زیرا فرکانس و توان تولیدی بر اثر تغییرات سرعت باد تغییر می‌کند. بنابراین از این مبدل برای سنکرون کردن شرایط توان تولیدی با شبکه استفاده می‌شود و سپس توان به شبکه تزریق می­شود. در این سیستم، مبدل سمت ژنراتور یک یکسو کننده بوده و مبدل سمت شبکه یک اینورتر می­باشد. استراتژی­های مختلفی برای کنترل این مبدل‌ها وجود دارد.  لذا کنترل و پیاده سازی یک روش مناسب برای این نوع از توربینهای بادی دارای اهمیت می باشد. از طرفی با توجه به اینکه سرعت باد متغیر می باشد، پارامتر های کنترلی بایستی متناسب با این تغییرات تنظیم گردند. لذا در این حالت با توجه به انعطاف پذیری سیستم های فازی،  این نوع از کنترل کننده ها پیشنهاد می شود.

جهت مشاهده و دانلود توربین گازی کلیک کنید .

نمونه ای از فهرست مراجع

• [1]    S. Morimoto. H. Nakayama. M. Sanada. and Y. Takeda, “Sensorless Output Maximization Control for Variable-Speed Wind Generation System Using IPMSG,” IEEE Trans. on IndustlY Applications, vol. 41, no. I, pp.60-67, Jan/Feb. 2005.
• [2]   T. Senjyu, N. Nakasone, A. Yona, S. A. Yousuf, T. Funabashi, and H. Sekine, “Operation Strategies for Stability of Gearless Wind Power Generation Systems,” Proceedings of IEEEIPES General Meeting 2008 (GM 2008), CD-ROM, pp. 1-7,20-24 July 2008, Pittsburgh, USA.
• [3]   Md. E. Haque, M. Negnevitsky, and K. M. Muttaqi, “A Novel Control Strategy for a Variable-Speed Wind Turbine With a Permanent-Magnet Synchronous Generator,” IEEE Trans. on Industry Applications, vol. 46, no. 1,2010.
• [4]   W. Qiao, L. Qu, and R. G. Harley, “Control of TPM Synchronous Generator for Maximum Wind Power Generation Considering Magnetic Saturation,” IEEE Trans. On Industry Applications, vol. 45, no. 3, pp. 1095-1105, May/June 2009.
• [5]   S. M. Muyeen, R. Takahashi, T. Murata, and J. Tamura, “Integration of an Energy Capacitor System With a Variable-Speed Wind Generator,” IEEE 7)·ans. on Energy Conversion, vol. 24, no. 3, 2009.
• [6]   F. D. Kanellos and N. D. Hatziargyriou, “Control of Variable Speed Wind Turbines in Isolated Mode of Operation,” IEEE 7)·ans. on Energy Conversion, vol. 23, no. 2, 2008.
• [7]   K. S. M. Raza, H. Goto, H-J. Guo, and O. Ichinokura, “A Novel Algorithm for Fast and Eftlcient Maximum Power Point Tracking of Wind Energy Conversion Systems,” Proceedings of the International Conference on Electrical Machines 2008 (ICEMS 2008)), 6 pages, 6-9 Sept., Vilamoura, 2008.
• [8]  Ahmad Y Hassan, Donald Routledge Hill. Islamic Technology: An illustrated history. Cambridge University Press، 54.1986.

توربین بادی

جهت مشاهده نمونه های دیگر از فصل دوم پایان نامه برق کلیک کنید.

https://scholarcommons.sc.edu/elct_etd/