رساله مهندسی برق : بررسی چگونگی بهره برداری از انرژی باد در تولید برق در 108 صفحه با فرمت WORD

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 دریا 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 کمک 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 عظیم 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 انرژی 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 انرژی 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 توربین ، ممکن است به چندین طریق اتفاق بیافتد، در برخی ماشین ها یک ترمز خودکار در چنین مواقعی توسط سنسور سرعت باد، فعال می شود، برخی ماشین ها با پیچاندن یا تغییر دادن زاویه پره ها جریان هوا را از زیر بال به طرف بالا در قسمت نوک ، هدایت می کنند. بعضی دیگر از توربین ها از زائده های سرعت گیر یا بالک های تاشو برای کاستن سرعت، استفاده می کنند که این زائده ها بر روی پره ها یا قطعه مرکزی، سوار شده و به طور خودکار در دورهای بالای روتور فعال می شوند یا به طور مکانیکی توسط فنری که از قبل پیچانده شده (تحت بار قرار گرفته) برای چرخاندن توربین به مسیری غیر از مسیر جریان باد برای از کار انداختن توربین استفاده می شود، پس از آنکه سرعت باد به حالت عادی برگشت معمولا توربین دوباره به حالت عادی به کار خود ادامه می دهد.

5-2 – حد بتز

این حد ، جریان هوایی است که از روی پره ها و از سطح روتور گذشته و سبب کار کردن توربین بادی می شود، توربین بادی با کند کردن سرعت باد، انرژی آن را می گیرد. به طور تئوریکی ماکزیمم مقدار انرژی موجود در باد که می تواند توسط روتور توربین بادی جمع آوری شود تقریبا 59 درصد است. این مقدار به «حد بتز» معروف است اگر بازدهی پره ها 100 درصد بود به دلیل اینکه انرژی هوا توسط پره ها گرفته می‌شد توربین به طور کامل از کار می افتاد و در عمل بازده گرفتن از انرژی توسط روتور به اندازه 59 درصد نمی رسد. این بازدهی معمولا بین 35 تا 45 درصد است.

یک سیستم انرژی باد کامل ، شامل روتور، جعبه دنده انتقال ، ژنراتور ، انباره و بقیه وسایل که همگی بازدهی پائین تر از ایده آل دارند، (بسته به مدل آن) بین 10 تا 30 درصد کل انرژی موجود در باد را تحویل خواهد داد.

6-2 – بررسی کمی سیستمهای مبدل باد

1-6-2- در سال 1984 در کالیفرنیا یک مزرعه باد با 75 توربین kw 330 و دو توربین kw 750 به شبکه سراسری متصل شده اند که مجموعا توان تولیدی آنها kw 26 است. در ابتدا که سیستم کوچک بود و یک بار محلی را تغذیه می کرد، در توربینهای kw 330 از ژنراتور سنکرون به خاطر کم بودن اغتشاشات قدرت خروجی آن استفاده می شد ولی با بزرگتر شدن سیستم و اتصال آن به شبکه سراسری از ژنراتورهای آسنکرون با ولتاژ v480 استفاده می شد بدون اینکه این مجموعه روی شبکه تاثیر سوء زیادی داشته باشد در عین اینکه قیمت آنها نیز کاهش یافته است . همچنین در همین مزرعه باد در توربین kw 750 نصب شده که در ان ها نیز از ژنراتور آسنکرون با ولتاژ خروجی kv 1/4 استفاده شده است.

2-6-2- در سال 1985 یک توربین بادی داریوس (Darrieus)kw 224 طراحی و نصب شده است که از طریق یک ژنراتور سنکرون 10 قطب ، kw 224، v 1080 ، و HZ 60 و یک مبدل الکترونیکی AC/DC/AC ، از دو مبدل 6 پالسی تشکیل شده که مبدل AC/DC آن ، یکسو کننده دیودی و مبدل DC/AC آن ، اینورتر تریستوری است که عمل تنظیم فرکانسی و کنترل ولتاژخروجی را انجام می دهد. ولتاژ خروجی ژنراتور توسط AVR (Automatic voltage Regulator ) کنترل می شود.

3-6-2- در سال 1985 یک توربین باد محور عمودی با ظرفیت mw 4 طراحی و ساخته شد. مبدل الکتریکی این توربین از ژنراتور سنکرون، مبدل الکترونیک AC/DC/AC به همراه فیلتر ترانسفورمر قدرت در خروجی تشکیل شده است. مشخصات این مبدل به شرح زیر است.

ژنراتور سنکرون :

KVA 4140 ، KW 3726 ، Rpm 25/14 (HZ 24/19) و v 3600 سیستم تحریک ژنراتور سنکرون: یک مبدل الکترونیکی (تریستوری) میدان را تغذیه می کند. ورودی این مبدل ولتاژ v_ac202 و DC 457 می باشد.

4-6-2- در سال 1988 در اسپانیا یک سیستم هیبرید متشکل از یک توربین باد kw 225 و دو ماشین دیزل kva 60 برای تغذیه یک بار محلی طراحی و نصب شد. استراتژی کنترل توربین باد گام متغیر با سرعت ثابت rpm 32/43 بوده و از یک ژنراتور آسنکرون kw 225 استفاده می کند . همچنین دیزل ها از ژنراتور سنکرون kva 75 استفاده می کنند.

مشخصات ژنراتور آسنکرون:

kw225 ، A 400 ، شش قطب با 31/0 = cos که با بانک خازنی kvar5/87 ، جریان خروجی به A345 و ضریب توان به 94/0 تغییر می یابد.

مشخصات ژنراتور سنکرون:

kw50 ، A 100 ، V 400 ، هشت قطب با 72/0 = cos که با بانک خازنی KVAR 25، جریان خروجی به A 80 و ضریب توان به 91/0 تغییر می یابد.

این سیستم سه مد عملیاتی دارد:

الف- فقط دیزلها انرژی تولید می کنند.

ب- دیزل ها و توربینهای باد با هم انرژی تولید می کنند.

پ- فقط توربین باد انرژی تولید می کند.

حالت الف- هنگامی اتفاق می افتد که سرعت باد کمتر از سرعت راه اندازی باشد .

حالت ب – توان اکتیو به توسط توربین باد و ماشینهای دیزل در حالت فوق تحریک تامین می‌کند.

در حالت پ -دیزل ها از ژنراتور ها جدا می شوند در این صورت یک سیستم کنترل ، با کنترل جریان تحریک ماشینهای سنکرون (که به صورت موتوری کار می کنند) توان راکتیو لازمه را تولید می کند. در صورت نیاز به توان راکتیو بیشتر ، بانک خازنی را وارد مدار می کند. این سیتم چهار نوع بار مختلف با تغییرات متفاوت را تغذیه می کند. بار پیش بینی شده برای این سیستم در یک پریود 24 ساعته است.

5-6-2 – در سال 1989 در آلمان پروژه مزرعه باد SCHLESWAG برای اتصال به شبکه KV 20 ، طراحی و نصب شد در این پروژه از چند نوع توربین باد مختلف با ظرفیت های متفاوت استفاد شده است. در جدول (1-1) و (2-1) نوع مبدل الکتریکی این توربین ها ، توان نامی و ضریب قدرت نامی آنها اورده شده است. ملاحظه می شود که بجز سه توربین KW 330 و KW 55 و KW 25 که از ژنراتور های سنکرون استفاده می کنند و در بقیه موارد ، مبدل الکتریکی فقط یک ژنراتور سنکرون می باشد.

فهرست مطالب:

فصل اول مقدمه. 3

1-1- مقدمه. 4

2-1- تاریخچه انرژی باد در جهان. 6

3-1- تلاش برای تسخیر دریا 7

4-1- وضعیت کنونی بهره برداری از انرژی باد در جهان. 7

1-4-1 نداشتن هزینه اجتماعی: 8

2-4-1 اثرات زیست محیطی: 8

3-4-1- اثرات گلخانه ای.. 9

5-1 اهمیت و لزوم بکارگیری انرژی باد از بعد اقتصادی.. 9

6-1 بحران انرژی.. 11

فصل دوم استفاده از انرژي باد. 13

1-2 استفاده از انرژی باد. 14

2-2 سرعت وصل.. 15

3-2 سرعت اسمی.. 15

4-2 سرعت قطع. 15

5-2 - حد بتز. 16

6-2 - بررسي كمي سيستمهاي مبدل باد. 16

فصل سوم معرفي انواع توربين هاي بادي- ساختار الكتريكي مكانيكي.. 22

1-3- سيستم هاي انرژي باد. 23

2-3- طرح هاي اصلي توربين هاي بادي.. 23

1-2-3- توربين نوع محور افقي.. 23

2-2-3- توربين نوع محور عمودي.. 24

3-2-3- توربين هاي تكميل شده. 24

3-3- اجزاي اصلي يك نيروگاه بادي.. 25

1-3-3- پره‌ هاي توربين.. 25

2-3-3- طراحي كششي.. 26

3-3-3- طراحي بر اساس نيروي بالا برنده. 26

4-3-3- نسبت سرعت نوك پره. 26

5-3-3- طراحي كششي.. 27

6-3-3- طراحي بر اساس نيروي بالا برنده. 27

7-3-3-شفت سرعت پايين.. 28

8-3-3- جعبه دنده. 28

9-3-3- شفت سرعت بالا.. 28

10-3-3- ژنراتورها 29

11-3-3- كنترل كننده مكانيكي.. 30

12-3-3- سيستم هيدروليك.... 30

13-3-3-قسمت خنك كننده. 30

14-3-3- تنظيم كننده گام و زاويه پره. 30

15-3-3- دستگاه جهت ياب... 31

16-3-3- محفظه توربين.. 31

17-3-3- مكانيزم چرخش.... 31

18-3-3-باد سنج و بادنما 32

1-18-3-3- كنترل شيب توربين هاي بادي.. 33

2-18-3-3- سيستم ايستايي كنترل توربين هاي بادي.. 33

19-3-3- سيستم كنترل ايستايي فعال توربين هاي بادي.. 33

20-3-3- سيستم كنترل و فرمان. 34

21-3-3-سيستم سنكرونيزاسيون. 34

22-3-3-دستگاه هيدروليكي مبدل فركانس.... 34

23-3-3- سيستم توزيع الكتريكي.. 35

24-3-3- سيستم ارتباطات و كنترل. 36

25-3-3- سازه هاي نگهدارنده توربين بادي.. 36

1-25-3-3- توربين هاي بادي كوچك: 36

2-25-3-3- توربين بادي بزرگ.... 37

4-3- سازه نگهدارنده توربين بادي.. 37

1-4-3- سازه هاي خودايستا: 38

2-4-3- سازه هاي به صورت خرپايي.. 39

3-4-3- سازه هاي به صورت پوسته فلزي.. 39

4-4-3-سازه هاي بتني.. 40

5-4-3- سازه هاي مهار بندي شده: 40

5-3- ضوابط طراحي ساده. 41

6-3- سيستم هاي كنترل دور در توربين هاي بادي.. 42

1-6-3- به توربين هاي بادي.. 42

2-6-3- كنترل توسط پره (ترمز هوايي) 43

1-2-6-3-توربين هاي محور افقي.. 43

2-2-6-3-كنترل توسط تغيير زاويه گام. 44

3-2-6-3-كمك به ايجاد استال. 44

4-2-6-3- استال تنظيم شده: 45

7-3- ترمز هاي مكانيكي.. 46

1-7-3- ترمز هاي ديسكي.. 46

2-7-3- مزاياي استفاده از ترمزهاي ديسكي در توربين هاي بادي.. 47

8-3- نتيجه گيري.. 47

فصل چهارم ژنراتور نيروگاه بادي.. 49

1-4- ژنراتور مغناطيس دائم با اينورتر منبع جريان براي توربين هاي سرعت متغير. 50

2-4- ژنراتور سنكروه با اينورتر منبع جريان. 51

3-4- ژنراتور با قطب برنامه ريزي شده براي توربين هاي سرعت متغير: 52

فصل پنجم بررسي سيستم هاي مبدل باد به انرژي الكتريكي.. 55

1-5- مقدمه. 56

2-5 سيستم انتقال. 59

3-5 مبدل الكتريكي.. 60

1-3-5 سيستمهاي مبدل قدرت سنكرون. 6