برج

سازه‌های مشبک فولادی- برج‌های استوانه‌ای فولادی یا بتنی و همچنین ستون‌های مهار شده توسط کابل از رایج‌ترین برج‌های نگهدارنده محسوب می‌شوند. برج‌های قدیمی اصطلاحا فرکانس بالا ساخته می‌شدند به این معنا که فرکانس طبیعی یا اصلی آنها بسیار بالاتر از فرکانس منابع تحریکی همچون عبور پره‌ها از مقابل برج و غیره انتخاب می‌گردید و این بدان دلیل بود که شناخت کافی از منابع تحریک در واقع نیروهای متناوب اعمال شده بر برج وجود نداشت. چنین برج‌هایی بسیار محکم- صلب و نتیجتا گران بودند.

introduction-to-wind-energy-ecogeek-019

اما اخیرا روتورهای فرکانس بالا را بر برج‌های فرکانس پایین نصب می‌کنند. چنین برج‌هایی سبکتر- ارتجاعی تر و بالاخره اقتصادی‌تر از برج‌های فرکانس بالا می‌باشند. برای طراحی چنین برج‌هایی شناخت دقیق دینامیک سیستم و برج ضروری است و به همین دلیل شکل این برج‌ها بسیار ساده است.

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

ارتفاع برج معمولا بین یک تا یک و نیم برابر قطر روتور در نظر گرفته می‌شود. انتخاب نوع برج وابستگی به شرایط سایت دارد. همچنین سفتی برج فاکتور مهمی در دینامیک سازه توربین باد محسوب می‌گردد چرا که احتمال کوپل شدن ارتعاشات بین برج و روتور که منجر به خطر رزونانس می‌گردد وجود دارد. برای توربین‌های با روتور پشت به باد اثر سایه برج (وقفه‌ای که بواسطه جریان باد در حول برج ایجاد می شود) دینامیک توربین، نوسانات توان و صدای تولید شده در محاسبات مربوطه می‌بایست لحاظ گردند.

introduction-to-wind-energy-ecogeek-020

برای مثال بدلیل وجود اثر سایه برج، توربین‌های پشت به باد معمولا نسبت به انواع رو به باد پر سرو صداتر هستند. از آنجا که قیمت تمام شده برج چیزی در حدود ۲۰ درصد قیمت کل توربین بادی می‌باشد، انتخاب بهینه ارتفاع و نوع برج از نکات حائز اهمیت می‌باشد.

در میان برجها، نوع مشبک آن از سایر انواع ارزانتر می‌باشد 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.

پیش از نصب برج، محل دقیق توربین مشخص شده و فونداسیون مناسب آن با توجه به شدت و قدرت باد طراحی و ساخته می‌شود.

introduction-to-wind-energy-ecogeek-021

پس از ساخت فونداسیون، قطعات پایینی و بالایی برج به ترتیب بر روی هم مونتاژ می‌شوند.

introduction-to-wind-energy-ecogeek-022

ناسل

شامل پوشش خارجی مجموعه توربین، شاسی و سیستم دوران حول محور برج می‌باشد که روتور به آن متصل است. ناسل در بالای برج قرار دارد. بعضی از ناسل‌ها آنقدر بزرگند که تکنسین‌ها می توانند داخل آن بایستند.

introduction-to-wind-energy-ecogeek-023

در گذشته توربین‌های بادی با یک سرعت دورانی ثابت (دور روتور) کار می‌کردند، اما مدل‌های امروزی تقریبا سیستم یک سرعته را کنار گذاشته‌اند. از میان ۵۸ مدل توربین موجود، ۲ مدل یک سرعته، ۲۲ مدل دو سرعته و ۳۴ مدل با سرعت متغیر وجود دارند.

introduction-to-wind-energy-ecogeek-024

پس از نصب برج، ناسل بر روی آن قرار می‌گیرد. و در نهایت روتور و پره ها نصب می‌شوند.

introduction-to-wind-energy-ecogeek-025

سیستم انتقال قدرت:

سیستم انتقال قدرت شامل اجزاء گردنده توربین باد است. این اجزاء عمدتاً شامل محور کم سرعت (سمت روتور)، گیربکس و محور سرعت بالا  (در سمت ژنراتور) می‌باشد . سایر اجزاء این سیستم شامل یاتاقان‌ها ، یک یا چند کوپلینگ، ترمز مکانیکی و اجزاء دوار ژنراتور می‌باشد. در این مجموعه وظیفه گیربکس افزایش سرعت نامی روتور از یک مقدار کم (در حد چند ده دور در دقیقه) به یک مقدار بالا (در حد چند صد یا چند هزار دور در دقیقه) که مناسب برای تحریک یک ژنراتور استاندارد است، می‌باشد.

عمدتاً دو نوع گیربکس در توربین‌های بادی مورد استفاده قرارمی‌گیرد: گیربکس‌های با شفت‌های موازی و گیربکس‌های سیاره‌ای.

برای توربین‌های سایز متوسط به بالا (بزرگتر از ۵۰۰ KW ) مزیت وزن و سایز در گیربکس‌های سیاره‌ای نسبت به نوع دیگر یعنی گیربکس‌های با شفت موازی کاملاً بارزتراست.

بعضی از توربین‌های بادی از یک طرح خاص برای ژنراتور استفاده می‌کند (ژنراتور با تعداد قطب بالا) که در آن نیازی به استفاده از گیربکس نمی‌باشد. در حالی که طراحی سیستم انتقال قدرت یک توربین بادی از همان مفاهیم اصول متداول مهندسی مکانیکی در طراحی اجزاء ماشین سود می‌جوید، مسأله بارگذاری اجزاء این سیستم احتیاج به ملاحظات ویژه و خاص دارد، چرا که اغتشاشات باد و دینامیک اجسام بزرگ و گردنده روتور باعث تحمیل بارهای کاملاً متغییر و متفاوت به مجموعه اجزاء سیستم انتقال قدرت می‌گردد.

ژنراتور

پره‌های توربین بادی انرژی جنبشی باد را به انرژی دورانی در سیستم انتقال تبدیل می‌کنند و در قدم بعدی ژنراتور، انرژی توربین را به شبکه برق منتقل می‌نماید. بطور معمول از سه نوع ژنراتور در توربین‌های بادی استفاده می‌شود.

– ژنراتور جریان مستقیم

– آلترناتور یا ژنراتور سنکرون

– ژنراتور القایی یا آسنکرون

در نیروگاه‌ها و تاسیسات کوچک سابقا بیشتر از ژنراتورهای جریان مستقیم استفاده می‌شد و اکنون در بعضی از مولدهای کوچک که برای شارژ باتری بکار می‌روند از این گونه ژنراتورها استفاده می‌گردد. همچنین برای تامین قدرت وسایل مخابراتی، چراغ‌های دریایی و اماکن دور افتاده که به انرژی الکتریکی کمی نیاز دارند بکار گرفته می‌شود.

از مزیت‌های جریان مستقیم این است که با متصل کردن باتری‌ها امکان برق رسانی دائم، حتی در صورت از کار افتادن ژنراتور در نیروگاه، امکان پذیر می‌باشد.

بنابراین نیروگاه‌های اولیه دارای انبارهای بزرگ باتری بودند. این سیستم‌ها با توربین‌های بادی به عنوان منبع اصلی انرژی کاملا منطبق بودند و با این ذخیره بزرگ باتری‌ها، برق رسانی به صورت آرام امکان پذیر می‌بود. یکی از معایب بزرگ سیستم جریان مستقیم، ایجاد جرقه الکتریکی قوی بر اثرقطع جریان در ولتاژهای بالا می‌باشد. از دیگر معایب این سیستم، عدم کارایی ذخیره انرژی باتری‌ها در سیستم شبکه‌های الکتریکی به دلیل افزایش مصرف امروزی می‌باشد. بنابراین با افزایش روزافزون مصرف انرژی، سیستم برق مستقیم روش منطقی نبوده و به تدریج با سیستم برق متناوب جایگزین شد.

همانگونه که می‌دانیم، ماکزیمم ولتاژ در جریان متناوب از ماکزیمم ولتاژ در جریان ثابت بیشتر است تا بتواند همان توان را تامین کند. مزیت اصلی جریان متناوب، قابلیت استفاده از ترانسفورماتورها می‌باشد. این مزیت باعث تناوب ولتاژ بدون افت انرژی شده و همچنین امکان افزایش ولتاژ جهت انتقال برق را مهیا می‌سازد.

اکنون اکثر مولدهای جریان مستقیم با ژنراتورهای سنکرون یا آسنکرون جایگزین شده‌اند. این ژنراتورها جریان متناوب تولید می‌کنند که می‌توان به سادگی و توسط یکسوکننده ها که بسیار ارزان هستند این جریان را در صورت لزوم به جریان مستقیم تبدیل نمود. مزیت استفاده از آلترناتورها یا ژنراتورهای سنکرون نسبت به ژنراتورهای برق مستقیم که در توربین‌های بادی کوچک بکار می‌روند در این است که اولا راندمان بالاتری دارند و ثانیا در رنج وسیع‌تری از سرعت دوران نسبت به ژنراتورهای جریان مستقیم قادر به تولید الکتریسیته می‌باشند و در واقع نسبت بین حداکثر و حداقل سرعت دورانی برای تولید الکتریسیته در ژنراتور جریان متناوب بالاتر است.

ژنراتورهای سنکرون نسبت به ژنراتورهای آسنکرون گرانتر (جریان مغناطیس کننده خود را فراهم می کنند) و ضمنا پیجیده‌تر هستند، در نتیجه بیشتر به تعمیر نیاز پیدا می‌کنند. از مزیت های مهم ماشین‌های سنکرون آن است که می‌توانند بعنوان یک ژنراتور مستقل عمل نموده و بدون هیچ منبع خارجی قادر به تامین جریان میدان مغناطیسی مدار تحریک خود باشند. ژنراتورهای آسنکرون ضمن اینکه ارزانترند، از نظر ساختمانی نیز ساده تر و لذا قابل اعتمادتر می‌باشند و بعلاوه مزیت‌های زیر را دارا هستند:

  • به سادگی به شبکه متصل می‌شوند، زیرا می‌توانند با حدود چند درصد اختلاف سرعت از سرعت سنکرون، بدون هیچ مشکلی به شبکه مرتبط شوند.
  • به هنگام اتصال به شبکه ارتعاشی در آنها تولید نمی‌شود.
  • سرعت چرخش روتور هماهنگ با فرکانس شبکه می‌باشد و با به کار بردن تجهیزات کنترلی لازم می‌توان برق را به طور مستقیم به شبکه تزریق نمود.
  • از معایب استفاده ژنراتورهای آسنکرون، وابستگی و حساسیت زیاد به سرعت چرخش روتور می‌باشد.

introduction-to-wind-energy-ecogeek-026

اجزا، این ژنراتورها عبارتند از:

  1. محور ژنراتور
  2. یاتاقانهای غلتان
  3. روتور
  4.  میله آلومینیومی روتور
  5. حلقه آلومینیومی روتور
  6. استاتور(قسمت ثابت – پوسته)
  7. سیم پیچ
  8. صفحه استاتور
  9. دماغه سیم پیچ
  10. هواکش
  11. جعبه اتصال

یکی از مزایای بزرگ ژنراتورهای آسنکرون، قابلیت این ژنراتورها در استفاده از سیستمی است که به ژنراتور اجازه می‌دهد تا هنگام وزش بادهای شدید دور روتور و ژنراتور تا حدود ۱۰ % نسبت به سرعت گردش میدان مغناطیسی در استاتور تغییر کند و با به حداقل رساندن نوسانات احتمالی نا خواسته در شبکه و کاهش اعمال شوک به اجزاء حیاتی توربین، به میزان محسوسی کیفیت قدرت خروجی افزایش یابد. با این عمل فرسایش و استهلاک در گیربکس کاهش پیدا خواهد کرد. به همین دلیل در توربین‌های بادی که ژنراتور آن‌ها بطور مستقیم به شبکه برق سراسری متصل می‌شود، استفاده از ژنراتورهای آسنکرون ارجحیت دارد.

introduction-to-wind-energy-ecogeek-027

ژنراتورهای آسنکرون برای اولین بار در کشور دانمارک در سال ۱۹۵۷ در یک توربین بادی ۲۰۰ KW مورد استفاده قرار گرفتند. در حقیقت ژنراتور آسنکرون نوعی موتور است که به عنوان ژنراتور نیز می‌تواند عمل کند. موتور آسنکرون، موتوریست که در اغلب ماشین‌های لباس شویی و به صورت گسترده در صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرد.

این موتور از دو قسمت اصلی تشکیل شده، استاتور (پوسته) و روتور.

استاتور موتور از یک سری سیم پیچ تشکیل شده که در واقع باید دو به دو به سه بخش تقسیم شود.(در سیستم سه فاز) در شکل بالا موتور از شش سیم پیچ تشکیل شده است که به صورت دو به دو به برق شبکه سه فاز متصل هستند که یک میدان مغناطیسی دوار در داخل استاتور به وجود می‌آورند.

سرعت چرخش ژنراتور به فرکانس سیستم شبکه برق سراسری بستگی دارد که عموما ۵۰ یا ۶۰ هرتز  می‌باشد. برخی از تولیدکنندگان توربین‌های بادی از ژنراتورهای سنتی برای تولید جریان متناوب (فرکانس ۵۰ و ۶۰ هرتز) استفاده می کنند که این دست از ژنراتورها مستقیما به شبکه متصل می‌شوند. این ژنراتورها (سنکرون) تنها با چرخش در سرعت سنکرون یا نزدیک به آن (حدود ۱۵۰۰ دور در دقیقه) قادر به تولید الکتریسیته می‌باشند. به این منظور باید از جعبه دنده یا گیربکس برای هماهنگی سرعت روتور استفاده کرد. به عنوان مثال، ژنراتوری با سرعت ۱۵۰۰ دور در دقیقه و گردش محور اصلی ۳۰ دور در دقیقه، نیازمند به جعبه دنده‌ای با نسبت ۵۰:۱ می باشد. اگر جعبه دنده تنها دارای یک نسبت سرعت باشد، در آن صورت طراح باید تنها برای یک سرعت باد طراحی نماید. اگر جعبه دنده دارای دو نسبت سرعت باشد، این امکان وجود دارد که با استفاده از جعبه دنده افزایشی، سرعت روتور را برای هماهنگی با بادهای کم سرعت کاهش داد.

با بیشتر شدن سرعت باد از حد تعریف شده برای تولید، همچنان الکتریسیته تولید می‌گردد، ولی انرژی بدست آمده دارای کارایی پایین‌تری می‌باشد. در سرعت‌های خیلی بالا این کاهش بازدهی یک مزیت بوده، چرا که ژنراتور دچار اضافه بار (Overload) نمی‌شود. این نوع طراحی به «تنظیم کننده استال» معروف است.

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 دنده‌ها بستگی به نسبت تبدیل، قدرت جعبه دنده و راندمان آن دارد. در چرخ دنده‌های ساده نسبت بین دو دنده ۱ به ۱ الی ۱ به ۸ در یک کاهش یا افزایش دور می‌باشد. چنانچه نسبت افزاش دور بیشتری مورد نظر باشد، باید از دو یا سه مرحله چرخ دنده ساده استفاده نمود.

introduction-to-wind-energy-ecogeek-028

حجم و وزن جعبه دنده‌ها بسیار متغیر و متنوع است. وزن جعبه دنده تابعی از نسبت دور نیز می‌باشد. در توربین‌های محور افقی، معمولا دو نوع جعبه دنده، محور موازی و خورشیدی استفاده می‌شود. اختلاف اساسی میان سرعت‌های دوران روتور و ژنراتور، سبب بالا بردن گشتاورهای ورودی و نسبت دور جعبه دنده می‌گردد.

جعبه دنده‌های با محور موازی در مقایسه با جعبه دنده‌های خورشیدی، از نظر طراحی و نگهداری ساده‌تر اما وزن آن‌ها بیشتر است. در جعبه دنده‌های خورشیدی، محورهای خروجی و ورودی معمولا در یک امتداد قرار دارند، اما در جعبه دنده‌های محور موازی، امتداد محور ورودی با خروجی یکسان نیست.

بعنوان مثال برای یک توربین بادی سه پره با ظرفیت اسمی ۵/ ۱ مگاوات که سرعت گردش روتور آن ۱۹ دور در دقیقه است، جعبه دنده‌ای با نسبت ۱ به ۸۰ با سیستم خنک کننده روغن مورد نیاز است. همچنین در مورد یک توربین بادی دو پره با ظرفیت اسمی ۳۰۰ کیلووات، که سرعت گردش روتور آن ۷۲ دور در دقیقه است، جعبه دنده دو مرحله‌ای با نسبت ۱ به ۲۵ مورد نیاز می‌باشد.

یکی از نکات بسیار قابل توجه در طراحی گیربکس توربین‌های بادی، حداقل بودن سر و صدای حاصل از گیربکس و در عین حال بالا بودن راندمان سیستم می‌باشد.

ترمز

در توربین‌های بادی با ظرفیت بسیار پایین (۱ الی ۵ کیلووات) معمولا از سیستم‌های ترمز کفشکی استفاده می‌شود، زیرا جهت متوقف نمودن پره‌ها، نیروی زیادی مورد نیاز نیست. ترمزهای کفشکی پس از نگهداشتن دیسک متصل به محور گیربکس، سیستم را کاملا متوقف می‌سازد.

در توربینهای بادی با ظرفیت بالا، از ترمزهای دیسکی استفاده می‌شود. مزایای استفاده از اینگونه ترمزها در توربین‌های بادی شامل:

  • سطوح تحت اصطکاک عمدتا در معرض جریان هوا قرار دارند.
  • در دماهای بالا، میزان انبساط شعاعی وجانبی در ترمز بسیار ناچیز بوده و بر روی ابعاد ترمز تاثیری نمی‌گذارد.
  • بدلیل مسئله خود تنظیمی، کاربرد اینگونه ترمزها راحت‌تر است.
  • بازرسی و تعویض کفشک‌ها به سهولت قابل انجام است.

در توربین‌های بادی، پس از دریافت فرمان از سنسورهای بادسنج، توسط سیستم کنترل و از سیستم کنترل به ترمزها، توسط یک سیستم هیدرولیک، فرمان لازم به ترمزها داده شده و ترمز دیسکی فعال می‌گردد.

 هزینه سیستم‌های ترمز در توربین بادی حدودا ۱% کل قیمت توربین بادی است.

سیستم کنترل

برای بدست آوردن حداکثر راندمان از یک توربین بادی، باید بتوان همواره صفحه دوران توربین را عمود بر جهت وزش باد قرار داد. برای این منظور از سیستم هایی برای تغیر جهت توربین بادی و قرار دادن سیستم در مسیر باد استفاده می شود. این سیستم یک سیستم ترکیبی الکتریکی- مکانیکی است که هدایت آن توسط واحد کنترل انجام می‌شود. در توربین‌های بادی سایز کوچک به جای چرخ انحراف (yaw system) از بالچه استفاده می‌کنند. همچنین سیستم هایی جهت کنترل و تنظیم سرعت دورانی در توربین بادی مورد استفاده قرار می گیرند. چنین سیستمهایی علاوه بر کنترل دور روتور، مقدار قدرت تولیدی و نیروهای وارده بر روتور در بادهای شدید را نیز محدود می کنند.

بنابراین سیستم کنترل مناسب ترین وضعیت مورد نیاز توربین بادی را انتخاب خواهد کرد. این سیستم تماما اتوماتیک بوده و قادر است عملکرد کلیه اجزاء و سنسورها و مقادیر واقعی سرعت دورانی و قدرت خروجی را کنترل نماید.

سیستم کنترل علاوه بر هدایت توربین های بادی به منظور استفاده بهینه، ابزاری جهت ایمن سازی آن در مقابل حوادث مختلف جوی نیز می باشد. برخی عوامل که توسط سیستم های کنترل مورد مراقبت قرار می گیرند، شامل:

  • کنترل افزایش ولتاژ ناگهانی بر اثر پدیده های مختلف نظیر رعد و برق و …
  • کنترل جهت قطع آرام سیستم توربین بادی
  • کنترل مشخصات هواشناسی نظیر سرعت و جهت باد، درجه حرارت محیط، فشار محیط، سرعت توربین
  • کنترل مشخصه های شبکه نظیر تجهیزات ولتاژ فاز، شدت جریان، ولتاژ ترانسفورماتورها و فرکانس برق تولیدی
  • کنترل جهت محور توربین در بهترین شرایط در مسیر باد
  • کنترل سرعت پره ها از طریق اعمال ترمز در زمانهای مورد نیاز
  • کنترل سرعت ژنراتور

بطورکلی سیستمهای کنترل شامل کنترل بخشهای مکانیکی، الکتریکی، زیست محیطی و بهره برداری بهینه و ایمن می باشد.

سیستم‌های هیدرولیک

به مجموعه جک و یونیت هیدرولیکی و اتصالات جانبی آنها اطلاق می شود. جک هیدرولیکی از یک سیلندر و پیستون دو طرفه تشکیل شده است و با انتقال سیال به هر ناحیه از آن، جک به سمت مخالف حرکت می کند.

یونیت هیدرولیکی از الکتروموتور، پمپ، مخزن تامین فشار اولیه، شیرهای هیدرولیکی، شیلنگهای انتقال سیال به دو ناحیه داخل سیلندر جک، مخزن روغن، روغن مخصوص و تجهیزات جنبی تشکیل شده است.

introduction-to-wind-energy-ecogeek-029 introduction-to-wind-energy-ecogeek-030

پس از دریافت فرمان، پمپ مقداری روغن را از داخل مخزن به محفظه جلو یا عقب سیلندر جک پمپ می کند تا جک بتواند به مقدار مورد نیاز محور تراورس را در جهت مورد نیاز حرکت دهد.

محور تراورس محوری است که از سوراخ داخل شفت اصلی عبور می کند و یک سمت آن با جک هیدرولیکی و طرف دیگر آن با مکانیزم مثلثی واقع درون هاب مرتبط است. وظیفه این محور انتقال حرکت جک هیدرولیکی و در واقع فرمان کنترلر به مکانیزم مثلثی است که باعث چرخش پره ها می گردد.

مکانیزم مثلثی درون هاب باعث تبدیل حرکت انتقالی محور تراورس به حرکت چرخشی و نتیجتا چرخش پره ها به دور محورشان می گردد.

 

برگه‌ها : 1 2 3 4 5 6 7