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. 110Ej 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 v_ac202 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.

 

 

نوع ژنراتور	كل قدرت توليدي KW	تعداد ژنراتورها	نام ژنراتور
آسنكرون	600	20	Aero man – 125/30
آسنكرون	125	5	Electro mat 25
آسنكرون	275	5	Ener con 16
آسنكرون	330	2	Adler 25
آسنكرون	1000	4	HSW
آسنكرون	1000	5	Vestas -200
آسنكرون	1050	7	Anbonus 150130
آسنكرون	3300	10	Ener con 32

جدول (1-2) انواع ژنراتورهاي مورد استفاده

ضريب قدرت	توان نامي	توان نامي KW	ژنراتور
	توان ماكزيمم
8/0	21/1	250	HSW 250
9/0	01/1	200	Vestas v25
95/0	05/1	150	An bonus 32
95/0	00/1	330	Ener con 32

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.

 

 

 

 

 

شكل 1-3

2-3- طرح هاي اصلي توربين هاي بادي

شكل( 3-1): قدرت خروجي در برابر سرعت باد براي يك توربين و در مقايسه با توربين بادي سرعت ثابت همانطور كه در فصل اشاره شد توربين هاي بادي در دو نوع عمده طبقه بندي مي شوند: محور افقي و محور قائم. يك توربين از نوع محور قائم، حول يك محور عمود بر زمين دوران مي كنند. تعدادي از طرح هاي مربوط به هر دو نوع توربين در دسترس بوده و هر دو نوع ، مزايا و معايب خاص خود را دارد. با اين وجود تعداد توربين هاي موجود در بازار از نوع عمودي نسبت به نوع محور افقي بسيار كم است.

1-2-3- توربين نوع محور افقي

اين توربين رايج ترين توربين هاي بادي است و به دليل موازي بودن آن با زمين ، محور دوران پره ها موازي با جهت جريان باد است . برخي ماشينها (توربين ها) براي كاركردن در وضعيت رو به باد، طراحي مي‌شوند كه در اين حالت پره ها در قسمت جلوي برج قرار مي گيرند. در اين حالت معمولا از يك دنباله پره اي شكل ، استفاده مي شود تا پره هاي توربين را همواره به حالت رو در رو با باد نگه دارد. طرح هاي ديگر در وضعيت هم جهت كار مي كنند تا باد قبل از برخورد با پره ها از برج رد شده باشد. اگر از دنباله پره اي شكل ، استفاده نشود روتور توربين به طور طبيعي در وضعيت هم جهت با باد در مسير باد قرار مي گيرد. در برخي توربين هاي بادي بسيار بزرگ از يك مكانيزم موتور گردنده استفاده مي شود تا بسته به جهت وزش باد كه سنسور نصب شده روي برج نشان مي دهد، توربين را به چرخش در آورد.

2-2-3- توربين نوع محور عمودي

اگر چه توربين هاي محور عمودي قرن هاست كه وجود دارند ، اما اين نوع توربين ها به اندازه توربين هاي محور افقي رايج نيستند و دليل اين امر آن است كه اين نوع توربين ها قابليت قرار گرفتن در برابر سرعت هاي بالاتر باد در ارتفاعات بالاتر سطح زمين را مانند انواع توربين هاي محور افقي ندارند. طرح هاي نوع محور عمودي ، توربين هاي نوع داريوس با پره هاي منحني شكل يا انواع Girmill كه داراي پرههاي مستقيم بوده و نيز توربين هاي نوع Sauonius است كه از پره هاي نوع كروي يا محدب براي گرفتن باد استفاده مي كنندو توربين هاي نوع محور عمودي نياز ندارند كه با توجه به جهت وزش باد جهت گيري كنند زيرا شفقت آنها عمودي بوده و جعبه انتقال سرعت و ژنراتور مي توانند روي زمين سوار شود كه در اين صورت امكان سرويس دهي آسان تر و سبك تر شدن وزن سيستم و نيز پايين آمدن هزينه برج فراهم مي‌شود گرچه توربين هاي بادي نوع محور عمودي اين مزايا را دارند ولي در عين حال طرح هاي بكار رفته در آنها به اندازه طرح هاي موجود از انواع توربين هاي نوع محور افقي براي جمع كردن انرژي باد مناسب و كارا نيست.

3-2-3- توربين هاي تكميل شده

برخي توربين هاي بادي ازمايشگاهي داراي سازه هاي اضافه شده اي هستند كه در اين نوع توربين ها نوع Augenetor ناميده مي شوند و به منظور افزايش حجم بادي كه از ميان پره ها عبور مي كند ساخته شده اند. با اين وجود اين نوع توربين ها انرژي بدست آمده به ميزاني كه جبران كننده هزينه حاصل از افزودن امكانات اضافي به آن باشد را افزايش نمي دهند .

3-3- اجزاي اصلي يك نيروگاه بادي

يك نيروگاه بادي از بخشهاي مختلفي تشكيل شده كه عبارتند از :

1- كنترل كننده مركزي 2- محور زاويه پره 3- توپي پره 4- شفت اصلي 5- خنك كننده روغن 6- گيربكس(جعبه دنده) 7- ترمز متوقف كننده

8- بالانگه دارنده 9- كنترل كننده فوقاني يا مبدل 10- سنسورهاي آتراسونيك 11-ترانسفورماتور 12- پره 13- بلبرينگ 14- سيستم قفل روتور

15- دستگاه هيدروليك 16- فونداسيون ماشين 17- چرخ دنده دوراني 18- اتصال دهنده ديسك مركب 19- ژنراتور 20- خنك كننده ژنراتور 21- برج

1-3-3- پره‌ هاي توربين

قسمتي از توربين كه انرژي را از باد مي گيرد، روتور ناميده مي شود روتور معمولا از دو يا چند پره از جنس چوب فايبرگلاس ، يا فلز است كه حول يك محور (به طور افقي يا عمودي) با سرعتي كه بر اساس سرعت باد تنظيم مي شود، مي چرخد. پره ها بر اساس شكل آنها روي قطعه مركزي سوار مي شوند كه انها هم به نوبه خود روي شفت اصلي سوار مي شود. به عنوان مثال در مدل VESTAMW 0/2-80V روتور داراي مشخصات زير مي باشد.

وزن پره ها نيز بسته به ابعاد آن در مولدهاي پرقدرت بالاي 1000 كيلوگرم مي باشد . باد موجب بالا رفتن پره ها و چرخش پروانه و محور آن شده ، مولد برق را به گردش در مي آورد. ميزان بالا رفتن و چرخش پره ها با وضعيت نصب انها قابل كنترل است. محور فولادي Blade hub پره هاي پرواز را به محور اصلي مرتبط و موجب انتقال گشتاور مي شود.

2-3-3- طراحي كششي

طراحي پره ها بر اساس كشش يا اصل بالا برندگي انجام مي شود در اصل طبق نيروي كشش، باد به طور جانبي پره ها را به خارج از مسير حركتشان مي راند. توربين هايي كه براساس نيروي كشش كار مي كنند داراي ويژگي سرعتهاي چرخشي پائين تر و قدرتهاي گشتاوري بالا هستند. اين توربين ها براي پمپ كردن، اره كردن يا سنگ زني مفيد ترند و كاري نظير آنچه كه آسياب هاي بادي هلندي و انواع مشابه كه در مزرعه بكار رفته و موردي كه با نيروي اسب كار مي كنند، انجام مي دهند به عنوان مثال يك آسياب بادي از نوعي كه در مزرعه بكار مي رود بايد گشتاور شروع بالايي را ايجاد كند تا آب را از يك چاه عميق ، پمپ كرده و به بالا بفرستد.

3-3-3- طراحي بر اساس نيروي بالا برنده

براي طراحي پره بالا برنده، از اصل مشابه آنچه كه هواپيما، كايتها و پرنده ها را قادر به پرواز مي كند استفاده شده است. پره اصولا داراي يك مقطع آئروديناميكي يا يك بال است . وقتي كه جريان هواي روي پره و فشار پائيني واقع در سطح پره ، بيشتر و بزرگتر شود، باعث بالا رفتن پره مي شود. هنگامي كه پره ها روي يك محور مركزي نظير روتور يك توربين بادي، سوار شده باشند نيروي بالابرنده ، تبديل به حركت دوراني مي شود . توربين هايي كه از قدرت بالا برندگي باد برخوردارند. سرعتهاي دوراني بالاتري از انواع پره هاي كه بر اساس نيروي كشش كار مي كنند و لذا براي توليد برق مناسب ترند.

4-3-3- نسبت سرعت نوك پره

سرعت نوك پره عبارت است از نسبت سرعت دوراني پره به سرعت باد كه هر چه اين نسبت بزرگتر باشد در يك سرعت مشخص باد، روتور توربين بادي دوران تندتري خواهد داشت. براي توليد برق به سرعتهاي دوراني بالايي نيازمنديم . توربين هاي بادي كه بر اساس نيروي بالا برندگي كار مي كنند داراي ماكزيمم سرعت نوك (تقريبا برابر با 10) هستند. در حالي كه اين نسبت براي توربين هايي كه بر اساس نيروي كشش، كار مي كنند تقريبا برابر با يك است . اگر به سرعت دوراني بالا براي توليد برق نياز باشد ، واضح است كه توربين بادي مبتني بر نيروي بالا برندگي براي اين منظور عملي تر براي اينكه يك روتور از نوع hift – type به طور موثري كار كند باد بايد به صورت يكنواخت روي پره ها جريان يابد. براي جلوگيري از وقوع اغتشاش در جريان باد، فاصله بين پره ها بايد به اندازه كافي بزرگ باشد تا هر يك از پره ها با جريان هواي مغشوش وضعيتي كه توسط پره قبلي بوجود آمده مواجه نشود، به اين دليل است كه اغلب توربين هاي بادي، دو يا سه پره بيشتر ندارند. نيروگاههاي بادي عمدتاً داراي سه پره هستند ولي به ندرت سيستم هايي با دو پره و تك پره نيز وجود دارد.

5-3-3- طراحي كششي

طراحي پره ها بر اساس كشش يا اصل بالا برندگي انجام مي شود. در اصل طبق نيروي كشش، باد به طور جانبي پره ها را به خارج از مسير حركتشان، مي راند. توربينهايي كه بر اساس نيروي كشش كار مي‌كنند داراي ويژگي سرعتهاي چرخش پايين تر و قدرت هاي گشتاوري بالا هستند. اين توربين ها براي پمپ كردن، اره كاري يا سنگ زني مفيدند و كاري نظير آنچه كه آسياب هاي بادي هلندي و انواع مشابه كه در مزرعه بكار رفته و موردي كه با نيروي اسب كار مي كنند، انجام مي دهند.

به عنوان مثال يك آسياب بادي از نوعي كه در مزرعه بكار مي رود بايد گشتاور شروع بالايي را ايجاد كند تا اب را از يك چاه عمق، پمپ كرده و به بالا بفرستد.

6-3-3- طراحي بر اساس نيروي بالا برنده

براي طراحي پره بالا برنده ، از اصل مشابه آنچه كه هواپيما، كايتها و پرنده ها را قادر به پرواز مي كند استفاده شده است. پره اصولاً داراي يك مقطع آيرو ديناميكي با يك بال است. وقتي كه جريان هوايي روي پره و فشار پاييني واقع در سطح پره، بيشتر و بزرگتر شود، باعث بالا رفتن پره مي شود. هنگامي كه پره ها روي يك محور مركزي نظير روتوريك توربين بادي، سوار شده باشند نيروي بالا برنده تبديل به حركت دوراني مي شود. توربينهايي كه از قدرت بالا برندگي باد برخوردارند. سرعت هاي دوراني بالاتري از انواع پره هايي كه بر اساس نيروي كشش كار مي كنند و لذا براي توليد برق مناسب ترند.

7-3-3-شفت سرعت پايين

شفت سرعت پايين كلاهك روتور را به جعبه دنده متصل مي كند. در توربين بادي مدرن مثلاً mw2 چرخش با سرعت پايين انجام مي گيرد، حدود 15 دور در دقيقه مي باشد. شفت سرعت پايين داراي لوله‌هاي سيستم هيدروليكي است تا براي فرمان دهي و يا ترمز آيرو ديناميكي از آن استفاده مي شود.

 

8-3-3- جعبه دنده

جعبه دنده شامل شفت سرعت پايين در سمت چپ و شفت سرعت بالا در راست است كه سرعت را حدود 50 بار بيشتر از سرعت شفت سرعت پايين به شفت سرعت بالا منتقل مي كند.

شما تيك يك مولد بادي، بعنوان مثال در مثال بررسي شده mw2.0- V80 سرعت چرخش روتور 16.7 rpm كه در حدود 0.278 دور در ثانيه مي باشد. اين سرعت توسط گير بكس افزاينده حدود 3 و 52 برابر شده، يعني در قسمت شفت سرعت بالا به اندازه m/s15 خواهيم داشت. يعني در شفت سرعت بالا سرعتي به اندازه 900 دور در دقيقه خواهيم داشت.

9-3-3- شفت سرعت بالا

شفت سرعت بالا در مدل هاي مختلف براي سرعت هاي مختلفي طراحي شده است اما عموماً بين 1200 تا 1800 دور در دقيقه نيرو را به ژنراتور الكتريكي منتقل مي كند. اين شفت به سيستم ترمز اضطراري مكانيكي ديسكي مجهز است. اين سيستم در مواردي كه همچون سرويس دستگاه و يا عدم كار كرد صحيح يا قطع سيستم ترمز آيرو ديناميكي مورد استفاده قرار مي گيرد.

10-3-3- ژنراتورها

ژنراتور كه غالباً آنرا ژنراتور القايي يا آسنكرون مي گويند. وسيله اي است كه چرخش پره هاي يك توربين بادي را به برق تبديل مي كند. داخل اين قسمت، كويل هاي سيمي در يك ميدان مغناطيسي مي‌چرخند تا برق توليد كنند. طرح هاي متفاوتي از ژنراتورها وجود داشته كه جريان AC و DC توليد كرده و دامنه وسيعي از خروجي هاي با توان مختلف را به دست مي دهند.

اندازه يا نسبت ژنراتور بستگي به طول پره هاي توربين بادي دارد. چرا كه با بزرگتر شدن پره ها، انرژي بيشتري توليد مي شود. مهم است كه نوع درستي از ژنراتور را مطابق با مورد استفاده دلخواه انتخاب كنيم.

اغلب وسايل خانگي يا اداري با ولتاژ 120 ولت (يا 240 ولت) و فركانس متناوب 60 يا 50 هرتز كار مي‌كنند. برخي وسايل هم با AC و هم با DC كار مي كنند. نظير چراغ هاي برق، هيترهاي مقاومتي و بسياري از اين وسايل نيز براي كار با جريان DC قابل تنظيم هستند. سيستم هاي ذخيره انرژي باتري هاي برق DC را ذخيره كرده معمولاً با ولتاژهاي بين 12 تا 120 ولت ساخته مي شود. ژنراتورهايي كه برق AC توليد مي كنند عموماً به ويژگي هايي براي توليد ولتاژ مناسب (240-120) و فركانس ثابت (60 يا 50 هرتز) حتي براي حالتي كه سرعت باد نوسان داشته باشد، مجهزند. يعني با تغيير سرعت باد نيز فركانس ثابتي توليد كرده و ولتاژ خروجي تغيير نمي كند.

ژنراتور DC عموماً براي شارژ كردن باتري ها و راه اندازي ماشين آلات و وسايل بكار مي روند كه با برق DC كار مي كنند.

توليد انرژي الكتريكي در مولدهاي كوچك از tokw و در مولدهاي بزرگ از چند صد كيلو مگاوات تا 2 مگاوات عموميت دارد و حتي تا توان هاي 8 مگاوات نيز ساخته شده است. خروجي مولد همراه با سرعت متغير، تغيير مي يابد. انواع ژنراتورهاي بكار رفته در نيروگاه بادي و همچنين روش هاي اصلاح فركانس در فصل 5 توضيح داده مي شود.

نكته قابل ذكر در مورد مولد مذكور اين است كه از نوع آسنكرون با optispeed و با خروجي طبيعي kw 2000 و فركانس Hz60/ Hz50 با ولتاژ v690 مي باشد.

11-3-3- كنترل كننده مكانيكي

كنترل كننده مكانيكي شامل يك كامپيوتر حالت توربين و مكانيزم چرخش را مراقبت و مونيتورينگ مي كند. اگر سيستم بد عمل كند (مثلاً جعبه دنده و ژنراتور از حد مجاز گرم تر شوند) بطور اتوماتيك توربين بادي را مي ايستاند و به اپراتور كامپيوتر از طريق سيستم تلفن و دستگاه مودم اطلاع مي دهد.

12-3-3- سيستم هيدروليك

سيستم هيدروبيك وسيله اي است براي reset نمودن ترمز آيروديناميك يك توربين بادي .

13-3-3-قسمت خنك كننده

قسمت خنك كننده شامل يك فن الكتريكي است كه براي خنك نمودن از آن استفاده مي شود. در نمونه بهتر خنك كننده روغن است كه روغن جعبه دنده را خنك مي كند. بعضي از توربين ها داراي خنك كننده آبي ژنراتور هستند.

14-3-3- تنظيم كننده گام و زاويه پره

دستگاه تنظيم كننده گام پره ، قدرت موتور را به وسيله تغيير زاويه، قدرت موتور را به وسيله تغيير زاويه نصب پره كنترل كرده، براي اين منظور از يك پيستون هيدروليكي طول استفاده مي شود.

هنگاميكه پره هاي روتورهاي متاثر از نيروي باد هستند. توربين برق توليد مي كند. در حالي كه پره ها موازي جهت باد قرار گيرند، روتور چرخش نمي كند. از دستگاه تنظيم كننده گام براي راه اندازي توقف توربين استفاده مي كنند.

15-3-3- دستگاه جهت ياب

اين وسيله، وضعيت جهت يابي را كنترل كرده ، پيشاني توربين را در مقابل باد نگه مي دارد. متشكل از تكيه گاه براي دستگاه جهت ياب توربين است. يك سيستم محرك حركت توربين هنگام تغيير مسير باد، تك سيستم حساس نمايشگر خطا و يك ترمز مكانيكي براي سرويس سيستم است. سيستم محرك yaw نيز از يك موتور هيدروليكي، دندانه هلالي و ضربه گير هيدروليكي تشكيل شده است. سيستم كنترل yaw از تغيير مسير توربين هنگام گردش جلوگيري مي كند. اين موضوع موجب كاهش مشكلات بهره برداري مي شود.

16-3-3- محفظه توربين

Nacelle محفظه اي فايبرگلاس بوده، توربين را از عوامل مخرب زيست محيطي شامل، بارندگي، ذرات معلق موجود در هوا و تابش خورشيد محافظت مي كند به منظور ايجاد تسهيلات سرويس دهي روي پايه ديواره هاي جنبي محفظه به يكديگر متصل شده و قابل باز شدن است. براي نمونه تعميرات به وسيله Nacelle و در روي پايه قابل اجرا است.

17-3-3- مكانيزم چرخش

مكانيزم چرخش سيستمي است با موتور الكتريكي براي چرخاندن كپسول و روتور به سمت باد مكانيزم چرخش توسط كنترل كننده الكتريكي كه جهت باد را توسط بادنما بررسي مي كند فرمانگيري مي شود. معمولاً توربين داراي سيستم چرخش در چند درجه كم را در يك زمان براي تغيير جهت استفاده مي كند

18-3-3-باد سنج و بادنما

بادسنج و بادنما وسايلي براي سرعت و تشخيص جهت باد مي باشند. سيگنالهاي فرستاده شده از بادسنج مورد استفاده سيستم كنترل كننده توربين براي راه اندازي آن هنگاميكه سرعت باد مثلاً m/s5 رسيد قرار گيرد.

كامپيوتر به سيستم در هنگاميكه سرعت باد به m/s25 برسد فرمان ايتسادن توربين به جهت جلوگيري از آسيب ديدن توربين را مي دهد. و نيز سيگنالهاي بادنما مورد استفاده سيستم كنترل براي چرخش توربين بادي به سمت باد توسط مكانيزم چرخش قرار مي گيرد. توربين هاي بادي توليد كننده انرژي الكتريكي تا قدر امكان ارزان طراحي مي شوند. توربين هاي بادي معمولاً براي سرعت باد m/s 15 طراحي مي شوند. هيچگاه براي رسيدن ماكزيمم توربين در بادهاي قوي هزينه نمي شود، چرا كه بادهاي قوي نادر و كميابند.

در مورد بادهاي قوي كه عموماً بين 45 تا 80 متر بر ثانيه مي باشند. اغلب توربين هاي بادي، توليد برق را متوقف كرده و از كار مي افتند. اين سرعت باد موجب از كارافتادگي توربين مي شود به نام سرعت قطع، خوانده مي شود. داشتن سرعت قطع ، يك ويژگي ايمني براي عدم خرابي توربين است كه از توربين در برابر آسيب احتمالي، حفاظت مي كند. از كارافتادگي در توربين، ممكن است به چندين طريق اتفاق بيافتد، در برخي شينها يك ترمز خودكار در چنين مواقعي توسط سنسور سرعت باد، فعال مي شود. برخي ماشينها 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 با لك 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 دوره هاي بالاي روتور فعال مي شوند يا به طور مكانيكي توسط فنري كه از قبيل پيچانده شده (تحت بار قرار گرفته) براي چرخاندن توربين به مسير غير از مسير جريان باد براي از كار انداختن توربين استفاده مي شود. پس از آن سرعت باد به حالت عادي برگشت معمولاً توربين دوباره به حالت عادي به كار خود ادامه مي دهد. دو نوع مختلف و رايج براي ايمني توربين هاي مدرن به صورت زير وجود دارد.

1-18-3-3- كنترل شيب توربين هاي بادي

سيستم كنترل اوج توربين مقدار انرژي خروجي توربين را در طول زمان در هر ثانيه چك مي كند. هنگامي كه قدرت سيستم خروجي بسيار بالا رود اين سيستم به پره هاي توربين دستور مي دهد كه شيب خود را نسبت به باد از بين ببرند. مشخص است كه در صورت پايين آمدن سرعت باد اين پره ها به شيب مناسب بر مي گردند. اين سيستم توسط مكانيزم هيدروليكي فرمان دهي مي شود.

2-18-3-3- سيستم ايستايي كنترل توربين هاي بادي

در اين سيستم پره هاي روتور در زاويه اي خاص ثابت شده و ديگر نمي چرخند. اينكار احتياج به سيستم هيدروليكي دارد كه مشكلات زيادي را توليد مي كند كه مي بايستي با مكانيزم آيروديناميكي توربين كاملاً درگير شود. هم اكنون بسياري از توربين هاي موجود در جهان از سيستم كنترل ايستايي استفاده مي كنند.

19-3-3- سيستم كنترل ايستايي فعال توربين هاي بادي

براي سيستم هاي بزرگ (MW1) به بالا از روش مكانيزم كنترل فعال استفاده مي كنند. اين روش شيوه اش شبيه به روش كنترل شيب است. براي بدست آوردن نيروي گشتاور بيشتر از باد كمتر از سيستم كنترل شيب براي بدست آوردن انرژي مورد نياز از بادهاي با سرعت پايين استفاده مي شود.

هنگاميكه ماشين به قدرت نامي رسيد شما متوجه يك اختلاف مهم در ماشين هاي كنترل شيب مي‌شويد: اگر ژنراتور حالت اضافه بار پيش آيد، ماشين شيب پره ها را برخلاف جهت تعيين شده توسط سيستم كنترل شيب مي چرخاند. به بيان ديگر، زاويه حمله پره ها روتور را افزايش مي دهد تا ايستايي را بيشتر و عميق تر كند. بدين ترتيب انرژي باد را به هدر مي دهند.

فايده ديگر كنترل فعال ايستايي اين است كه قدرت خروجي را بهتر و دقيق تر از كنترل ايستايي غيرفعال كنترل مي كند، همچنين از نوسان نسبت به قدرت تعيين شده از قبل ناشي از تند باد جلوگيري مي كند.

فايده ديگر اينكه تقريباً در تمام بادهاي سرعت بالا بطور دقيق از پيش تعيين شده كار مي كند. سيستم باد انرژي خروجي اش افت مي كند چرا كه پره هايش را براي ايستائي بيشتري مي چرخاند. مكانيزم شيب معمولاً با هيدروليك و موتور پله اي فرمان دهي مي شود.

 

20-3-3- سيستم كنترل و فرمان

بخشي از نيروگاه است كه تمام عمليات نيروگاه و عوامل مختلف نظير سرعت و جهت باد، سرعت شفت، ولتاژ و فركانس خروجي، فشار روغن و ..... را زير نظر داشته و متناسب با شرايط، فرمان هايي را به عملگرها ارسال مي كند. كنترل كننده اكثر نيروگاه هاي بادي PLC است.

21-3-3-سيستم سنكرونيزاسيون

سيستمي است كه به اندازه گيري و اختلاف فاز در نيروگاه و شبكه ، در مواقع مقتضي و مناسب اجازه اتصال نيروگاه به شبكه را صادر مي كند.

22-3-3-دستگاه هيدروليكي مبدل فركانس

سيستم الكترونيك قدرت، در واقع مبدل فركانس برق متغير به فركانس سنكرون شبكه، براي تغذيه سيستم است. سيستم از ترانزيستور دو قطبي با گيت عايق شده كه با فركانس بالا توليد موج جريان AC كار مي كند، تشكيل شده است. برق حاصل از اين طريق مورد تاييد كامل IEEE-519 است. سيستم هاي الكترونيكي مورد بحث در مجاورت پايه برج جايگزين شده اند.

هر توربين برق فشار ضعيف توليد كرده ، به وسيله ي سيستم الكترونيك قدرت با فركانس Hz60 صاف و يكنواخت شده است.

قدرت حاصل از مجموعه 2 تا 3 توربين در ترانسفورماتور به ولتاژ متوسط افزايش يافته، سپس به وسيله ي خطوط انتقال، در ايستگاه نيروگاه بادي متمركز شده، و در حالي كه ولتاژ افزايش مي يابد، به شبكه توزيع هدايت مي شود. قدرت از طريق يك خط جديد مي تواند براي بهره برداري شركت ها مورد استفاده قرار گيرد.

23-3-3- سيستم توزيع الكتريكي

سيستم توزيع الكتريكي نيروگاههاي بادي تركيبي از سيستمهاي فرعي فشار ضعيف و متوسط خواهد بود. سيستم فرعي فشار ضعيف داراي ولتاژ 480 ولت بوده ، شامل كابل هاي زميني مرتبط به توربين ها و امكانات پاييني برج به ترانسفورماتور افزاينده خواهد بود. ترانسفورماتور نصب شده ولتاژ پايين را به حد ولتاژ متوسط 5 و 34 كيلو ولت افزايش داده و شامل كليدي با حفاظت ثانويه 600 ولت، ترانسفورماتور سه فاز افزاينده و كليد قطع و وصل با حفاظت فيوزي اوليه است. توربين هاي بادي مي توانند انرژي حقيقي را كه افزايش كارآيي انتقال و تثبيت ولتاژ مفيد است، توليد كنند. ماهيت آنچه كه به وسيله منبع باد توزيع مي‌شود. موجب نزديكتر شدن مولدها به مراكز مصرف شده تلفات ناشي از انتقال انرژي را از بين مي رود.

اندازه ترانسفورماتورها به وسيله آرايش گروهي توربين ها تعيين مي شود. كابل هاي فشار متوسط براي يك گروه ترانسفورماتور در داخل زمين داير شده و داراي نقطه اتصال به خطوط هوايي هستند. پايه انتقال در محل اتصال داراي كليد سه فاز نصب شده در بخش فوقاني (با قابليت قطع از پايين) برقگيري محافظ، اتصالات كابل عايق شده، سيم هاي رابط (پوشش محافظ كابل) هادي يا مفصل است. خطوط انتقال مزبور در پست فرعي نيروگاه بادي يعني همان محلي كه ولتاژ براي انتقال به شبكه تا kv230 افزايش يافته است، به يكديگر مي پيوندند. تمام تجهيزات، كابل ها توربين هاي بادي و پايه هاي داراي يك شبكه فلزي توري اتصال زمين خواهند بود. سيستم ياد شده جريان اتصال زمين، ولتاژهاي تماس و گام، اضافه ولتاژها و ضربات صاعقه را به سهولت به زمين منتقل مي كند.

24-3-3- سيستم ارتباطات و كنترل

هر توربوژنراتور بادي شامل ارتباط الكترونيكي است كه رفتار توربين را به طور پي گير نمايش مي دهد. اين سيستم سخت افزار و نرم افزار اختصاصي را مورد استفاده قرار داده و شامل سيستم برق SCADA است. نيروگاه بادي با استفاده از كابل هاي ارتباطي جديد و شبكه اطلاعاتي تلفني موجود و كنترل از راه دور تحت مراقبت قرار مي گيرد.

سيستم الكترونيكي نشان دهنده براي هر دوربين به جعبه يا تابلو ارتباطات پايين برج متصل خواهد شد از اين محل اتصالات ارتباطي در مجاورت خطوط هوايي جمع شده قرار گرفته، خطوط زميني و هوايي، اين خطوط را از داخل ساختمانهاي كوچك ارتباطي، براي ارسال از طريق خطوط تلفن به مركز بهره برداري هدايت خواهند كرد. به اين نحو اپراتورها قادر به كنترل و بهينه سازي رفتار توربين ها به صورت هم زمان هستند.

25-3-3- سازه هاي نگهدارنده توربين بادي

سازه نگهدارنده توربين بادي براي نگهداري ژنراتور و قسمتهاي گردنده يا پره هاي توربين بادي بكار مي رود. توربين هاي بادي از حيث ميزان برق توليدي به دو دسته واحدهاي كوچك و واحدهاي بزرگ تقسيم مي شوند و از اين لحاظ با توجه به توان مورد نياز، طول پره و ارتفاع هاي متفاوت دارند.

1-25-3-3- توربين هاي بادي كوچك:

اين نوع واحدها را براي توان توليدي از 50 وات تا 100 كيلووات بكار مي برند. ارتفاع سازه آنها بين 9 تا 18 متر مي باشد كه با توجه به قطر و وزن مجموعه توربين و ژنراتور انتخاب مي شود. سازه اين توربين ها وابسته به مورد مي توان از نوع خودايستا به صورت فلزي يا بتني ، و يا از نوع مهاري برگزيد.

2-25-3-3- توربين بادي بزرگ

اين واحدها براي توان توليد از 100 كيلووات به بالا ساخته مي شوند. ارتفاع سازه آنها از 20 متر به بالا و طراحي آنها براي سرعتهاي بيشتر باد است. وزن تقريبي توربين و ملحقات آن مي تواند از 50 تا 300 تن باشد. به عنوان نمونه يكي از محصولات شركت Vestas به نام V80-2/0mw به صورت زير خواهد بود.

78m	67m	60m	طول بخش چرخشي
203t/199t	158t/142t	140t/124t	برج
61t	61t	61t	كپسول
37t	37t	37t	روتور
301t/297t	256t/240t	238t/22t	جمع وزن كل

براي نگه داري اين توربين ها از سازه هاي فلزي مخروطي شكل يا بتني استفاده مي شود. سازه نگهدارنده و همچنين پي سازي، قسمتهاي ساختماني پروژه را تشكيل مي دهند. در اين مقاله ابتدا انواع سازه هاي متداول را براي نگهداري توربين بادي معرفي و سپس با توجه به بارهاي وارده مشخصات فني اين سازه ها را بررسي مي كنيم.

4-3- سازه نگهدارنده توربين بادي

سازه هاي توربين بادي براي نگهداري ژنراتور و قسمتهاي گردنده يا پره هاي توربين بادي به كار مي‌روند و به دو نوع سازه هاي خود ايستا و سازه هاي مهار تقسيم مي شوند.

1-4-3- سازه هاي خودايستا:

اين سازه ها در انواع مختلف و با سختيهاي متفاوت ساخته مي شوند و از حيث جنس به دو نوع فولادي و بتني تقسيم مي گردند.

سازه هاي فلزي، هم براي واحدهاي بزرگ و هم براي واحدهاي كوچك به كار مي روند دو گونه اند.

- ساخته شده از پوسته فلزي

- سازه هاي بتني در مورد بعضي از توربين هاي بزرگ به كار مي روند و براي طرح هاي بزرگ اقتصادي تر ينند.

- به صورت خرپايي

- سازه هاي مهار بندي شده در اين سازه ها نيروهاي وارد بر پايه اصلي به چند مهار منتقل مي گردد.

عملكرد هر يك از اين سازه ها از لحاظ ايستايي تفاوت دارد وابسته به مسائل اقتصادي و در دسترس بودن مصالح نيز مي تواند خود عامل تعيين كننده اي براي انتخاب هر يك از گونه هاي برج باشد. عمر مفيد هر يك از اين سازه ها را نيز بايد طوري در نظر گرفت كه مساوي عمر مفيد توربين و يا كمي بيش از آن باشد.

سازه هاي فلزي را مي توان با هر ارتفاع و مقاومتي كه نياز باشد ساخت. در مورد سازه هاي بتني، مسائل نوع سيمان مصرفي، روش ساخت و بتن ريزي با توجه به موقعيت منطقه مطرح است. به طور كلي استفاده از مصالح فلزي رواج بيشتري دارد. و مصالح بتني اكثراً از براي واحدهاي بزرگ به كار مي رود.

پايه ها بايد تامين كننده نياز هاي زير باشند.

ý بارگذاري و ضرايب اطمينان مطلوب

ý مقاومت در مقابل عوامل محيطي و خرابي حاصل از آنها

ý مسائل زمين شناختي و توپرگرافي منطقه

ý مسائل زيبايي شناختي

اكنون درباره هر يك از اقسام سازه هاي ياد شده به شرح مختصري مي پردازيم.

2-4-3- سازه هاي به صورت خرپايي

در اعضاي سازه خرپايي با مشبك فقط نيروي محوري ايجاد مي شوند ك ممكن است به صورت فشاري يا كششي باشند. البته در نتيجه وزن در سازه خمش كمي ايجاد مي شود كه عملاً از آن صرف نظر مي كنند. در ساخت سازه خرپايي براي توربين بادي عموماً از فولاد گالوانيزه استفاده مي شود. تا در مقابل زنگ زدگي و خوردگي مقاوم باشد.

سازه خرپايي در مقايسه با سازه هاي ساخته شده از صفحات فلزي با مقطع دايره اي مساحت بيشتري از زمين را اشغال مي كند كه البته چون توربين هاي بادي اغلب در مناطق دور از شهر ساخته مي شوند اين مسئله اهميتي ندارد.

3-4-3- سازه هاي به صورت پوسته فلزي

سازه نگهدارنده توربين بادي را مي توان به صورت يك قطعه تو خالي به مقطع دايره اي متغير يا ثابت ساخت. صفحات فلزي مي توانند به صورت جوشي به يكديگر متصل مي شوند. و يا به طرز اتصال تلسكوپي به داخل هم روند كه در اين حالت برج از قطعات متشكل است كه در محل به يكديگر متصل مي گردند. سازه پوسته اي به ملحقات ديگري هم براي نصب و هم براي بهره برداري دائم احتياج دارد. مثل زائده هاي مناسب براي نصب نردبان، قفس ايمني و.....

اتصال پايه، با پيچ صورت مي گيرد. بنابراين سازه به توسط صفحه كف ستون به كمك ميله هاي مهار به فونداسيون متصل مي شوند.

 

4-4-3-سازه هاي بتني

سازه هاي بتني را گاهي براي بعضي از انواع توربين، بادي به كار مي برند اين سازه ها به دليل حجم زياد بتن ريزي و مشكلات خاص خود از قبيل قالب بندي، تهيه و حمل بتن تا محل مورد نظر ، عمل آوردن بتن و غيره براي واحدهاي بزرگ اقتصادي ترند. عموماً اين پايه ها با مقطع دايره اي هستند و بسته به مورد مي توانند با مقطع متغير و يا ثابت باشند.

پايه هاي بتني به دليل ارتفاع زياد قابل ساخت در كارگاه و حمل به محل نيستند. بنابراين به دليل قرار گيري سازه توربين بادي در محل دور از شهر كار تهيه بتن با كيفيت مناسب، قالب بندي تا ارتفاع زياد، عمل آوري و نگهداري پس از بتن ريزي مي توانند مسائل زيادي را به دنبال داشته باشند.

5-4-3- سازه هاي مهار بندي شده:

سازه هاي مهار بندي شده از نظر جزئيات مربوط به بدنه برج نگهدارنده توربين همانند برجهاي فولادي خود‌ايستا هستند. اشكال عمده برج هاي مهاربندي شده نياز آنها به فضاي زيادي براي مهار بندي است همچنين در اثر عوامل مختلف، امكان دارد كه مهارها شل شده و به سفت كردن آنها نياز باشد. تعداد مهارهاي برج در هر مقطع معمولاً سه يا چهار عدد مي باشد. و در برخي موارد با شش مهار نيز اجرا شده است.

همچنين مي توان برج را در چند نقطه از ارتفاع مهار بندي كرد. مهاربندها به عنوان تكيه گاه جانبي برج در برابر بارهاي جانبي نظير با دو زلزله عمل مي كنند.

5-3- ضوابط طراحي ساده

در موارد بارگذاري سازه توربين بادي از آنجا كه باد دائماً در حال تغيير است، تنشهاي مصالح فولادي حتي اگر به حد انحنا نيز نرسد، مي توان باعث خرابي مصالح شود كه اين همان پديده كم شدن مقاومت در اثر نيروهاي تكرار شونده يا خستگي مصالح مي باشد. پديده خستگي حتي اگر شرايط آرماني هم برقرار باشد به وقوع مي پيوندد.

شرايط آرماني يعني شرايطي كه در آن هيچ گونه تمركز ناشي از زخم يا شيار بوجود نيايد، مصالح رفتار كاملاً شكل پذير داشته باشد. تنش به حالت يك محوره و بالاخره طاقت مصالح بالا باشد. شرايط عكس يعني وجود تمركز تنش، مصالح ترد و شكننده و تنش محوره باعث كاهش مقاومت خستگي مي شود.

ارتعاشات سبب اصل ايجاد خستگي هستند. عوامل زير باعث ايجاد آن مي شوند.

- همراستا ننمودن محور روتور توربين با سرعت باد كه باعث مي شود بردارهاي سرعت براي همه پره ها مشابه نباشند.

- توزيع نامساوي سرعت باد روي سطحي كه به توسط پره ها جاروب مي شود. (تفاوت بين سرعت هاي باد در قسمت هاي بالا و پايين سطح)

- تغييرات ناگهاني سرعت باد.

- نيروهاي وزن موثر بر هر پره كه نحوه اثر با توجه به محل محور پره و گردش آن تغيير مي كند.

- تغييرات جهت باد كه باعث مي شود محور روتور تغيير جهت بدهد و باعث تنش هاي در داخل پره ها شود.

با توجه به دلايل فوق و اينكه پره ها سازه هاي الاستيك هستند. ارتعاش هميشه بوجود مي آيد. بنابراين طراحي سازه بايد به نحوي باشد كه ضرايب اطمينان را براي نيروگاه بادي تامين كند. چنانچه گفتيم اين ارتعاشات باعث ايجاد خستگي در مصالح برج مي شود، يعني مقاومت مصالح با توجه به بارهاي متناوب پايين مي آيد. هرگونه تغيير ناگهاني در سطح مقطع باعث ايجاد تمركز تنش و در نتيجه كاهش مقاومت خستگي خواهد شد.

لذا در ساخت بخش هايي كه تحت تاثير خستگي قرار مي گيرند بايد دقت بيشتري به عمل آيد و تبديل يك مقطع به مقطع ديگر بايد تدريجي باشد.

اگر تعداد دور توربين در هر ثانيه n فرض شود. فركانس تغييرات نيروي وارد بر برج براي توربينهاي دو پره اي (كه به صورت نيروي محوري وارد مي شود) 2n خواهد بود. در طراحي بايد از حالتي كه بين پريود طبيعي سازه نگهدارنده و پريود بارگذاري پديده شديد رخ مي دهد پرهيز كرد. بنابراين فركانس طبيعي سازه نگهدارنده را بايد چنان برگزيده كه با فركانس تحميل شده اولي 2n حالت شديد ايجاد نكند. در طراحي قطعات و اتصالاتي كه تحت تاثير تنش هاي متغير مكرر ناشي از بارهاي زنده واقع مي شوند بايد به تعداد دفعات تغيير تنش، حدود تغييرات قابل پيش بيني تنش و محل قطعه و ديگر جزئيات توجه داشت.

6-3- سيستم هاي كنترل دور در توربين هاي بادي

تغييرات باد و گاهي نوسانات شديد آن همواره موجب ايجاد حالات بحراني در چرخش روتور توربين هاي بادي مي گردد كه اين امر وجود يك سيستم كنترل و حفاظت را در توربين هاي بادي ضروري مي سازد. اين كنترل شامل كنترل سرعت هاي بالا به دليل عدم تامين محدوده عملكرد ژنراتور و همينطور جلوگيري از استهلاك و خرابي احتمالي روتور مي گردد. اين قسمت به بررسي اين گونه سيستم هاي ترمزي توربين هاي بادي مي پردازد.

1-6-3- در بحث راجع به توربين هاي بادي و سيستم هاي تشكيل دهنده آنها اصولاً (كنترل) نقش كليدي را ايفا مي كند. يكي از اين كنترل ها، كنترل دور و قدرت توربين بادي مي باشد كه توسط يكي از عوامل زير اعمال مي گردد.

(الف) كنترل توسط بار

(ب) كنترل توسط پره (ترمز هوايي)

ج) كنترل حالت هاي اضطراري توسط ترمزهاي مكانيكي

در حالت الف و ب عمل كنترل به صورت پيوسته انجام مي گيرد. اما آنچه كه تحت عنوان ترمز در توربينهاي بادي بكار مي رود و موجب كنترل سرعت دوراني و در نتيجه قدرت توربين بادي مي گردد ترمزهاي هوايي و ترمزهاي مكانيكي است كه شرح آنها ارائه مي گردد.

2-6-3- كنترل توسط پره (ترمز هوايي)

يكي از روشهاي كنترل دور توربين در حالتهاي حدي، استفاده از سيستم ترمز هوايي است. در مبحث ترمز هوايي با كنترل توسط پره، اين قسمت تنها به بررسي اين سيستم در توربين هاي محور افقي مي‌پردازد.

1-2-6-3-توربين هاي محور افقي

عموماً در اينگونه توربين ها، گام پره متغير يا ثابت است. در صورت متغير بودن گام پره كنترل دور توربين به دو روش انجام مي گيرد.

- كنترل توسط تغيير زاويه گام

- كنترل توسط سيستم ايجاد استال