نیروگاه بادی
نام درس: ماشین های الکتریکی سه فاز
نام استاد: جناب اقای احسان رسولی
تهیه کننده: پیروز گرجیان
نیروگاه بادی چیست ؟
توربین های بادی انرژی جنبشی باد را به توان مکانیکی تبدیل می نمایند و این توان مکانیکی از طریق شفت به ژنراتور انتقال پیدا کرده و در نهایت انرژی الکتریکی تولید می شود. توربین های بادی بر اساس یک اصل ساده کار می کنند. انرژی باد دو یا سه پره ای را که بدور روتور توربین بادی قرار گرفته اند را بچرخش در می آورد. روتور به یک شفت مرکزی متصل می باشد که با چرخش آن ژنراتور نیز به چرخش در آمده و الکتریسیته تولید می شود. توربین های بادی بر روی برج های بلندی نصب شده اند تا بیشترین انرژی ممکن را دریافت کنند بلندی این برج ها به ۳۰ تا ۴۰ متر بالاتر از سطح زمین می رسند. توربین های بادی در بادهایی با سرعت کم یا زیاد و در طوفان ها کاملاً مفید می باشند.
انواع توربین های بادی :
1- توربین بادی با محور افقی
2- توربین بادی با محور عمودی
توربین های بادی با محور عمودی به 2 دسته تقسیم می شوند :
1- توربین بادی داریوس
2- توربین بادی ساوونیوس
توربین بادی با محور افقی :
در توربین های بادی با محور افقی، روتور و ژنراتور الکتریکی در بالای یک برج بلند قرار گرفته و باید در راستای باد قرار گیرند. توربین های بادی کوچک برای تعیین جهت وزش باد از یک بادنمای ساده استفاده می کنند، ولی توربین های بزرگ تر معمولاً از یک سنسور باد که با یک سرووموتور در ارتباط است، استفاده می کنند. بیشتر این توربین های بادی، با استفاده از یک جعبه دنده، سرعت چرخش کُند پره ها را به سرعت بیشتری برای ژنراتور تبدیل می کنند.
در ادامه بیشتر به معرفی این توربین ها می پردازیم.
توربین بادی با محور عمودی :
در توربین های بادی با محور عمودی، روتور اصلی به صورت عمودی قرار می گیرد. مهم ترین برتری این نوع از توربین های بادی آن است که نیازی به تنظیم جهت قرارگیری نسبت به جهت وزش باد ندارند. این نکته در مکان هایی که جهت وزش باد خیلی متغیر است، مثلاً در بالای ساختمان های مسکونی، یک امتیاز به شمار می رود. مهم ترین عیب این نوع توربین ها، کم بودن سرعت دورانی آنها و درنتیجه زیادبودن گشتاور و هزینهٔ بیشتر سیستم انتقال قدرت، بارگذاری دینامیکی زیاد پره ها و همچنین پیچیدگی زیاد طراحی و تحلیل ایرفویل پره ها پیش از ساخت پیش نمونه (پروتوتایپ) است. با توجه به عمودی بودن محور، جعبه دنده و ژنراتور می توانند در نزدیکی زمین قرار گیرند که این موضوع دسترسی به این تجهیزات را برای نگهداری و تعمیرآسان تر می کند.
نحوه ی تولید برق در نیروگاه بادی :
اجزای تشکیل دهنده توربین بادی :
برج :
برج ها از فولادهایی که به شکل لوله درآمده اند ساخته می شوند. هرچه توان خروجی ژنراتور ها بیشتر باشد طول وقطر پایه ها افزایش می یابد. هر چه ارتفاع برج ها بیشتر باشد توربین ها انرژی بیشتری دریافت می کنند.
به طور مثال شرکت زیمنس برای توربین 3 مگاواتی اقدام به تولید
برج 140 متری کرده است.
ناسل :
شامل پوشش خارجی مجموعه توربین، شاسی و سیستم دوران حول محور برج می باشد که روتور به آن متصل است. ناسل در بالای برج قرار دارد.بعضی از ناسل ها آنقدر بزرگند که تکنسین ها می توانند داخل آن باستند.
روتور :
روتور توربین باد شامل پره، هاب، دماغه و یاتاقانهای پره می باشد. روتور یک توربین بادی محور افقی بطور خلاصه متشکل از تعدادی پره می باشد که بطور شعاعی در اطراف یک شفت که موازی باد قرار می گیرد نصب شده اند و بدین ترتیب روتوری را تشکیل می دهند که عمود بر جهت باد دوران می کند.معمولا روتور توسط بک برج در ارتفاع مناسبی نسبت به زمین قرار می گیرد و البته پیش بینی های لازم برای هم جهت شدن امتداد شفت با جهات مختلف باد و همچنین برای کنترل سرعت آن صورت می گیرد و قدرت جذب شده توسط این روتور مستقیما و یا توسط یک سیستم مکانیکی به ماشینی که قرار است رانده شود منتقل می گردد. تعداد پره ها معمولا متغیر بوده و پهنای پره (کورد) ممکن است در تمام طول پره ها ثابت و یا آنکه متغیر باشد و پره از هاب به سمت نوک باریک شود.ضمنا پره ممکن است در امتداد محور طولی تاب داشته باشد یا اصطلاحا پیچیده باشد و بالاخره گام پره ممکن است ثابت و یا متغیر باشد.
پره ها:
یکی از مهمترین بخشهای توربین بادی بوده و وظیفه آن تولید نیروی لازم برای چرخاندن شفت اصلی توربین باد است. پره به گونه ای ساخته می شود که استحکام و استقامت بسیار بالا در برابر نیروهای دینامیکی و آیرودینامیکی داشته باشد.
گیربکس و شفت های متصل به ان:
چرخ دنده ها به شفت سرعت پایین متصل هستند و آنها از طرف دیگر همان طور که در شکل مشخص شده به شفت با سرعت بالا متصل می باشند و افزایش سرعت چرخش از ۳۰ تا 60 rpm به سرعتی حدود ۱۲۰۰ تا 1500 rpm را ایجاد می کنند. این افزایش سرعت برای تولید برق توسط ژنراتور الزامیست. هزینه ساخت گیربکس ها بالاست درضمن گیر بکس ها بسیار سنگین هستند. مهندسان در حال انجام تحقیقات گسترده ای می باشند تا درایوهای مستقیمی کشف نماید و ژنراتورها را با سرعت کمتری به چرخش درآورند تا نیازی به گیربکس نداشته باشند.
شفت سرعت
پایین
به روتور متصل می شود
30-60 rpm
سرعت کم-گشتاور بالا
گیربکس
شفت سرعت
بالا
به ژنراتور متصل می شود
1200-1500rpm
سرعت زیاد-گشتاور کم
ترمز ها :
از این وسیله برای توقف روتور در مواقع اضطراری مانند زیر استفاده می شود. عمل ترمز کردن می تواند بصورت مکانیکی، الکتریکی یا هیدرولیکی انجام گیرد.
1- وقتی سرعت باد شدید باشد
2- جهت تعمیر و سرویس توربین
3- برای مواقع اضطراری
4- و…
عمل ترمز به 2 صورت است :
1- پره های ایرودینامیک
2- ترمز های دیسکی و کفشکی
ترمز- پره های ایرودینامیک :
در نوک پره ها پره ای دیگر موجود است (پره ایرو دینامیکی) که از نوک پره اصلی فاصله دارد و تغییر حالت آن موجب توقف پره های اصلی میگردد (ترمز دینامیکی)
این ترمز در توربین های بادی پیشرفته وجود دارد.
ترمز- دیسکی و کفشکی :
این ترمز که از نامش پیداست در مواقع ارسال فرمان به این ترمز به صورت مکانیکی به شفت چسبیده و باعث متوقف شدن توربین و ژنراتور می شود.
ژنراتور :
پره های توربین بادی انرژی جنبشی باد را به انرژی دورانی درسیستم انتقال تبدیل می کنند و در قدم بعدی ژنراتور، انرژی توربین را به شبکه برق منتقل می نماید. بطور معمول از سه نوع ژنراتور در توربینهای بادی استفاده می شود.
1- ژنراتور جریان مستقیم
2- ژنراتور سنکرون
3- ژنراتور القایی اسنکرون
موتور انحراف و مکانیزم انحراف :
مکانیزم انحراف وسیله ایست که وضعیت توربین را هنگامیکه باد در خلاف جهت می وزد کنترول می کند و زمانی استفاده می شود که قرار است روتور در مقابل وزش باد از روبرو قرار گیرد اما زمانی که باد در جهت توربین می وزد نیازی به استفاده از این وسیله نمی باشد.
برای به حرکت در اوردن مکانیزم انحراف از موتور انحراف استفاده می کنند.
مکانیزم انحراف
موتور انحراف
باد سنج و باد نما :
باد سنج : این وسیله سرعت باد را اندازه گرفته و اطلاعات حاصل از آنرا به کنترل کننده ها انتقال می دهد.
باد نما : وسیله ای است که جهت وزش باد را اندازه گیری می کند و کمک می کند تا جهت توربین نسبت به باد در وضعیت مناسبی قرار داشته باشد.
باد نما
باد سنج
واحد کنترل :
وظایف واحد کنترل به شرح زیر است :
1- ارسال فرمان ترمز :اگر سرعت باد به بالای 65 rpm برسد سرعت ژنراتور زیاد شده و باعٍ گرم شدن بیش از حد سیم پیچ ها می شود به همین دلیل برای جلوگیری از اسیب به ژنراتور کنترلر به ترمز فرمان می دهد که سیستم را متوقف کند.
2- دریافت سرعت باد در هر لحظه از باد سنج : اگر سرعت باد به 12km/s کنترلر توربین را روشن می کند.
3- تشخیص جهت باد از طریق باد نما : برای فرمان دادن به موتور انحراف ابتدا جهت باد را تشخیص داده و در صورت نیاز به ان فرمان می دهد.
نیروگاه بادی منجیل – ایران
نیروگاه بادی بینالود – ایران
بزرگترین توربین بادی جهان با محور افقی
توربین بادی با محور عمودی – داریوس
توربین های ساخته شده توسط شرکت زیمنس – المان
ژنراتور به همراه گیربکس ساخت شرکت زیمنس – المان
پروژه تاسیس 6 توربین بادی توسط شرکت زیمنس – المان
پایان
موفق باشید