• • • • ایجاد اضافه بار ناحیه­ای در خطوط انتقال در شرایط کارکرد عادی و غیر عادی

     

     

• کاهش ظرفیت خطوط انتقال

• • افزایش نیاز برای توازن توان و میزان رزرو

• افزایش میزان تلفات سیستم

• افزایش نیاز شبکه به جبران راکتیو

در حال حاضر با توجه به میزان کنونی نفوذ انرژی­های نو، تاثیرات بیان شده در اکثر مناطق جهان، مقدار قابل توجهی ندارد. ولی با توجه به گسترش سریع این منابع، توجه به موارد بیان شده به خصوص در زمینه­ کنترل فرکانس ضروری بنظر می­رسد.
شکل ‏۲‑۲: روند رشد توان تولیدی توربین­های بادی

توربین بادی چگونه کار می کند

بطور کلی یک مولد انرژی بادی وقتی بوسیله نیروی باد بحرکت در می آید ، قدرت بوسیله روتور آن به خارج داده می شود. دو روش ابتدایی برای استفاده از نیروی باد وجود دارد:
الف) در روش اول (مطابق شکل ۲-۳) یک چتر نجات توسط نیروی رانش باد بطور افقی کشیده می شود و کابل متصل به آن ، سطل آب را از چاه بیرون می کشد . شکل ۲-۳ شمای یک توربین ساده با محور قائم را نشان می دهد که بوسیله نیروی رانش باد می چرخد و از محور قائم آن نیرو گرفته می شود. شایان ذکر است دو پره ای که در طرفین محور توربین قرار دارد، به ترتیب هر یک مقابل باد قرار گرفته و اخذ نیرو می­ کند و در همین زمان پره دیگر دور محور قائم خود ( نه محور قائم توربین ) ۹۰ درجه چرخیده و مانعی در مقابل باد نخواهد بود [۱۱]. در شکل های۲-۳، نیروی رانش باد به پاراشوت و نیز به دو صفحه توربین برخورد کرده و قدرت خود را برای آبکشی از چاه و یا گردانیدن توربین به مصرف می رساند. این نیروی رانش باد همان نیرویی است که هنگام حرکت اتومبیل در بزرگراه بوسیله باد به دست انسان که از پنچره ماشین بیرون باشد، اعمال می شود .
شکل ‏۲‑۳: نیروی باد برای آبکشی از چاه و توربین بادی با محور قائم و دوپره قابل برگشت
ب) در روش دوم، باد بواسطه عمل آیرودینامیکی که بالابر نامیده می شود، نیروی خود را به مبدل های بادی می­دهد( شکل۲-۴). نیروی بالابر همان نیرویی است که در بال­های هواپیما هنگام پرواز بوجود آمده و سبب صعود هواپیما می شود .باید بخاطر داشت، رشته های هوا هنگام برخورد با لبه پره توربین بادی که به فرم مخصوصی ساخته شده است، هنگام خروج در قسمت بالا و در قسمت پایین اندکی تغییر مسیر داده سپس بهم می پیوند( شکل۲-۴).
شکل ‏۲‑۴: توربین بادی با محور افقی
به سبب فرم پره توربین ، جریان هوایی که از بالای آن می­گذرد، مسیر طولانی تری را طی کرده، و در نتیجه رقیق گشته، روی پره تولید مکش می­ کند، عکس آن جریان هوایی است که از زیر پره می­گذرد و مسیر کمتری دارد، در نتیجه غلیظ بوده و به پره فشار وارد می­ کند. شکل ۲-۴ شمای یک توربین بادی افقی را نشان می­دهد، نیروی بالابر سبب چرخش پره های توربین می­گردد و قدرت تولید می­ کند و نیروی رانش که عمود بر سطح دایره گردش پره هاست، بوسیله پره ها و برج نگهدارنده توربین خنثی می شود. پره های توربین بادی اصولا طوری طراحی می­شوند که نیروی بالابر بزرگ و نیروی رانش کوچک می باشد، از طرفی قدرت توربین بالا می رود و از طرف دیگر بعلت پایین بودن نیروی رانش، صدمه­ای به برج نگهدارنده توربین وارد نمی­ شود .در توریبن­های بادی با محور افقی، باد عمود بر سطح چرخش پره ها وارد می­گردد، از این رو نیروی باد بر تمام پره ها بطور یکسان اثر می­ کند. ولی در مورد توربین های بادی با محور قائم، چون سطح ایجاد شده بوسیله چرخش پره­ها تقریبا یک سطح کروی است و زوایای پره­ها مرتبا نسبت به جهت باد تغییر وضع می­ دهند، نیروی رانش مرتبا کم و زیاد می­ شود.

اجزاء اصلی توربین­های بادی

پره ها^[۹] : بیشتر توربین­ها ۲ یا ۳ پره دارند، باد به پره ها برخورد می کند و باعث چرخش آن­ها می­ شود.
ترمز^[۱۰] : با بهره گرفتن از سیستم ترمز دیسکی می توان توربین را بصورت هیدرولیکی متوقف کرد.
بخش کنترل^[۱۱] : بخش کنترل توربین را وقتی سرعت باد بین ۴ تا ۲۵ متر بر ثانیه است بکار می­ اندازد و هنگامی که سرعت باد به بالاتر از ۲۵ متر بر ثانیه می رسد آنها را متوقف می­ کند توربین ها نمی توانند در سرعت­های بیشتر از ۲۵ متر بر ثانیه به کار خود ادامه دهند. در سرعت بالای ۳۰ متر بر ثانیه سقوط برج ها نیز وجود دارد.
جعبه دنده – گیربکس^[۱۲] : گیربکس توربین های بادی می­توانند سرعت کم چرخش محور پره ها را با ضریب تبدیل مثبت به سرعت بالا که در ژنراتور استفاده می شود، تبدیل کند.
ژنراتور^[۱۳] : ژنراتور در حقیقت بخش تبدیل انرژی مکانیکی باد به انرژی برق( الکتریکی ) است . ژنراتورهای بکار برده شده، ژنراتورهای آسنکرون و سنکرون می باشند.
ناسل^[۱۴] : قسمت اصلی توربین بادی که روتور به آن متصل است را ناسل می­گویند. ناسل در بالای برج قرار دارد، شامل جعبه دنده، شافت اصلی ژنراتور، بخش کنترل و ترمز است . بعضی از ناسل­ها آنقدر بزرگند که تکنسین ها می توانند داخل آن بایستند. در گذشته توربین های بادی با یک سرعت دورانی ثابت (دور روتور) کار می­کردند، اما مدل­های امروزی تقریباً سیستم یک سرعته را کنار گذاشته اند. از میان ۵۸ مدل توربین موجود،۲ مدل یک سرعته، ۲۳ مدل دو سرعته و ۳۴ مدل با سرعت متغیر وجود دارند [۱۱].
روتور^[۱۵] : به مجموعه تیغه ها و توپی وسط آنها روتور می گویند.
دکل^[۱۶] : دکل­ها معمولاً از فولادهای استوانه ای یا شبکه ای میله های فولادی ساخته می شوند، چون سرعت باد با افزایش ارتفاع زیاد می شود، دکل­های بلند باعث می­شوند توربین انرژی بیشتری بگیرد و الکتریسیته بیشتری تولید کند.
سنسورهای اندازه گیری^[۱۷] : شامل دو سنسور سرعت سنج و جهت نما می باشد که اولی سرعت باد و دومی جهت باد را به دقت مشخص می کند و اطلاعات حاصل را به بخش کنترل می دهد . براساس این اطلاعات زمان کار توربین زاویه چرخ انحراف مشخص می شود . این چرخ، توربین را دقیقا در جهت وزش باد قرار می دهد.
شکل ‏۲‑۵: ساختمان توربین بادی [۹]
موتور انحراف^[۱۸] : یک سیستم ترکیبی الکتریکی مکانیکی است . هدایت این سیستم توسط واحد کنترل انجام می­ شود. براساس اطلاعات رسیده از قسمت اندازه گیری واحد کنترل جهت باد قالب را تعیین ک رده به موتور انحراف فرمان می دهد که این موتور توربین را در راستای مناسب بچرخاند. این سیستم فقط در توربین های بزرگ متصل به شبکه کاربرد دارد. در توربین­های بادی سایز کوچک به جای چرخش انحراف از بالچه استفاده می­ کنند . این بالچه، توسط جریان باد خود به خود توربین را در راستای مناسب قرار می دهد.
شفت سرعت بالا^[۱۹] : شفتی که ژنراتور را به حرکت در می آورد.
شفت سرعت پایین^[۲۰]: این قسمت با سرعتی حدود ۳۰ تا ۶۰ دور در دقیقه چرخش می کند.
استقرار پره ها^[۲۱] : پره ها به گردش در می آیند تا سرعت باد را ثابت نگه دارند تا در سرعت بالا و یا پایین برق تولید شود.

انواع ژنراتورهای مورد استفاده در نیروگاه­های بادی

ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم: این نوع ژنراتورها در طرح­های کوچک ترجیح داده می­شوند زیرا بازده بالاتری دارند. هرچند طرح­های مقیاس بزرگ هم در نظر گرفته شده ­اند، اما قیمت مواد مغناطیس دائم کاربرد آن­ها را محدود ساخته است.
مزیت اصلی این نوع ژنراتورها در این است که نیاز به تحریک خارجی ندارند، بنابراین می­توان از یکسوکننده دیودی در ترمینال­های ژنراتور استفاده کرد[۱۲].
ژنراتور القایی روتور قفسی: از مزایای این نوع ژنراتور می­توان به ساختمان ساده و محکم، عمر طولانی، احتیاج بسیار کم به تعمیر و نگهداری اشاره کرد. اما دارای معایب محدودیت نیازمندی به توان راکتیو، کاهش ضریب قدرت شبکه و مشکل ناپایداری و نوسانات دینامیکی ولتاژ اشاره کرد[۱۲].
ژنراتور سنکرون روتور سیم پیچی شده: از آنجا که از سال­ها پیش این حقیقت مشخص شده بود که تغییر مقاومت روتور موتور القایی عاملی برای کنترل سرعت آن بود، از مقاومت­های خارجی از طریق حلقه­های لغزان برای کنترل سرعت موتور روتور سیم پیچی استفاده شد.
از مزایای این نوع ژنراتورها می­توان به عدم نیاز به توان راکتیو از شبکه، قابلیت کنترل مستقل توان اکتیو و راکتیو اشاره کرد. اما دارای معایبی است از جمله نیاز به تعمیر و نگهداری بیشتر نسبت به ژنراتور القایی و نیاز به سنکرون کردن دارند [۱۲].
ژنراتور القایی تغذیه دوگانه: این نوع ژنراتور از آغاز قرن حاضر شناخته شده است، البته در ابتدا پیچیدگی مدارهای کنترلی این نوع ژنراتور از کاربرد صنعتی آن می­کاست. هم اکنون این ژنراتور جزء پرکاربردترین انواع ژنراتورها در نیروگاه­های بادی است.
در این ژنراتور استاتور مستقیما به شبکه متصل است. سیم پیچ­های روتور به حلقه­های لغزان متصل بوده و از روتور بیرون آمده و به کانورتر سمت روتور متصل شده اند.
شکل ‏۲‑۶: توربین بادی سرعت متغیر با ژنراتور القایی تغذیه دوگانه