با گسترش روز افزون جوامع انسانی و توسعه صنعتی جوامع مختلف ، نیاز به منابع انرژی، در حال افرایش است. از سویی دیگر منابع فسیلی درجهان رو به اتمام هستند ( زنگ خطر )، این منابع، از نظر اندازه و مقدار محدود بوده و درضمن آلاینده محیط زیست نیز محسوب می شوند. از این رو در سالهای گذشته، گرایش به استفاده ار منابع نوین و تجدیدپذیر انرژی، رو به فزونی گذاشته است. یکی از ارزان ترین و سهل الوصل ترین آنها انرژی باد است. بررسی میزان استفاده از این انرژی در سال های اخیر به خوبی گویای اهمیت و جایگاه آن در تامین انرژی در سطح جهان است. نمودار زیر، هزینه تولید هر کیلووات ساعت انرژی الکتریکی از باد را در سالهای اخیر نشان می دهد ، که مزید بر علت بوده است.

در این پژوهش به صورت کاملاً مختصر به بررسی برخی از جوانب استفاده از این انرژی برای تامین بخشی از انرژی الکتریکی مورد نیاز بشر، خواهیم پرداخت.

● ساختمان توربین بادی

همان طور که در شکل نیز مشخص است، توربین بادی از برج نگهدارنده، پره ها ، جعبه دنده، ژنراتور، محور توربین تشکیل یافته است. از آنجا که سرعت چرخش پره ها کم است، از جعبه دنده استفاده می کنند تا بدین طریق سرعت چرخش محور ( شفت) ژنراتور را افزایش دهند.

برای اینکه بیشترین انرژی را از باد بگیریم، بایستی با تغییر سرعت باد زاویه پره ها تغییر کنند، که این کار با کنترل زاویه پره صورت می گیرد. همچنین پس از سنجش جهت باد، موتور کوچکی به نام یاو، کل قسمت بالای برج توربین را می چرخاند تا در راستای مناسب با جهت وزش باد قرار گیرد.

● طبقه بندی چگالی باد

کلاسه بندی و طبقه بندی چگالی باد، در ارتفاع ۱۰ متری و ۵۰ متری در جدول زیر آمده است.

● انواع توربین های بادی

۱) توربین های بادی با سرعت ثابت :

تا اوایل ۱۹۹۰ ، استاندارد نصب و بهره برداری بر مبنای توربین های بادی با سرعت ثابت بود. در این نوع توربین ها، صرف نظر از سرعت باد سرعت رتور توربین ( محور ) ثابت است. این سرعت به فرکانس شبکه ساختمان ژنراتور و نیز به نسبت دنده ها در گیربکس ، بستگی دارد.

این نوع توربین ها ، دارای ژنراتور القایی قفس سنجابی یا با رتور سیم پیچی شده ، هستند که مستقیماً متصل به شبکه قدرت می باشند. این ژنراتورها به یک استارتر نرم و به بانک های خازنی برای جبران توان راکتیو مجهز هستند. این ژنراتور به گونه ای طراحی شده اند که در یک سرعت مشخص باد بیشترین بازدهی را داشته باشند. به منظور افزایش توان تولیدی ژنراتور این توربین های بادی دارای دو نوع تنظیم بر روی سیم پیچی های استاتور هستند، یکی در سرعت های پایین باد (نوعاً ۸ قطب) و دیگری در سرعت های متوسط یا بالا ( ۴ قطب یا ۶ قطب ) مورد استفاده قرار می گیرد. این نوع توربین ها مزایایی از قبیل سادگی، استحکام و قابلیت اطمینان بالایی دارند و کار های علمی و پژوهشی بسیاری بر روی آنها انجام شده است. قیمت اجزای الکتریکی و درایو آنها نیز پایین است. معایب مهم این نوع توربین ها نیز عبارت است از توان راکتیو مصرفی غیرقابل کنترل، استرس مکانیکی و کنترل محدود کیفیت توان. به علت عملکرد سرعت ثابت آنها ، تمامی نوسانات در سرعت باد به صورت نوسانات در گشتاور مکانیکی و از آنجا به صورت نوسانات در توان الکتریکی شبکه ظاهر می شوند. در مورد شبکه های ضعیف ، نوسانات توان می تواند به نوسانات بزرگ ولتاژ منتهی شوند که باعث ایجاد تلفات قابل تامل در خطوط انتقال واسط می شوند.

۲) توربین های بادی با سرعت متغیر

در سال های اخیر، توربین های بادی با سرعت متغیر، اکثریت غالب را (در میان توربین های نصب شده) تشکیل داده اند. در این حالت، امکان تنظیم سرعت چرخشی رتور ? (با افزایش یا کاهش شتاب) وجود دارد. ثابت سرعت ?، در یک مقدار ثابت و از پیش تعیین شده ای نگهداری و تثبیت می شود تا به ضریب توان بالایی دست پیدا کنیم. در این حالت، گشتاور ژنراتور نسبتاً ثابت نگهداشته می شود و تغییرات در وزش باد به تغییرات در سرعت ژنراتور می انجامد.

سیستم الکتریکی توربین های بادی با سرعت متغیر، بسیار پیچیده تر از توربینهای سرعت ثابت است. این نوع توربین ها، نوعاً دارای ژنراتور القایی یا سنکرون هستند و از طریق یک کانورتر توان به شبکه متصل می شوند. مزایای این نوع توربین ها عبارت است از: افزایش انرژی به دست آمده از باد، بهبود کیفیت توان و کاهش استرس مکانیکی. معایب آنها نیز عبارت است از: تلفات در قسمت های درایو الکترونیکی، استفاده از اجزا بیشتر و افزایش هزینه ناشی از تجهیزات سیستمهای الکترونیکی . در این نوع توربین ها ، نوسانات توان ناشی از نوسانات باد، عمدتاً بصورت تغییرات در سرعت روتور توربین و ژنراتور ظاهر می شود.

۱-۵) مفاهیم کنترل توان

ساده ترین، مقاوم ترین و ارزان ترین روش کنترلی، کنترل وامانده (کنترل غیرفعال) است که پره ها در داخل توپی با یک زاویه ثابت پیچ شده اند. طراحی رتور به گونه ای است که باعث می شود در صورتی که سرعت باد از حد معینی بیشتر شود، رتور توان باد را از دست بدهد. بنابراین توان آیرودینامیکی پره ها محدود می شود. چنین تنظیم توان آیرودینامیکی باعث می شود که نوسانات توان کمتری را نسبت به تنظیم توان با گام سریع داشته باشیم. برخی ار نارسائی های این روش، بازده پائین در سرعت های کم باد ، نداشتن استارت کمکی و تغییرات در توان ماکزیمم حالت ماندگار در اثر تغییرات در چگالی هوا و فرکانس های شبکه است.

نوع دیگر کنترل، کنترل گام است (کنترل فعال) که در آن، پره ها می توانند در زمان هایی که توان خروجی خیلی کم و یا خیلی زیاد می شود، به ترتیب به سمت جهت باد یا عکس آن پیچانده شوند.

در حالت کلی ، مزایای این نوع کنترل ، کنترل خوب توان ، استارت مجدد کمکی و توقف اضطراری است. از دیدگاه الکتریکی، کنترل خوب یعنی اینکه در سرعت های بالا ، مقدار اصلی توان خروجی ، نزدیک به مقدار نامی ژنراتور باشد. برخی معایب آن ، پیچیدگی اضافی ناشی از مکانیزم گام و نوسانات بیشتر توان در سرعت های بالاست. در هنگام طوفان و سرعت های محدود مکانیزم گام، توان لحظه ای حول و حوش مقدار نامی نوسان می کند.

سومین استراتژی کنترلی، وامانده فعال است. در سرعت های پایین باد، به منظور دسترسی به بیشترین بازده ، پره ها شبیه یک توربین بادی کنترل شونده با گام، چرخانده می شوند. در سرعت های بالا، پره ها به یک واماندگی عمیق و به صورت آرام و در جهت مخالف توربین کنترل شده با گام برده می شوند. با این نوع کنترل، توان محدود صاف تری (بدون نوسانات بالای توربین های بادی کنترل شده با گام)، به دست می آید. این نوع کنترل، مزایایی از قبیل قابلیت جبران سازی تغییرات چگالی هوا را دارا است. ترکیب با مکانیزم گام، توقف های حالت اضطراری و استارت توربین های بادی را آسان تر کرده است.

۱-۶) انواع ژنراتورهای مدرن

▪ نوع A : سرعت ثابت:

از آنجا که ژنراتور های القایی قفس سنجابی SCIG ، همواره از شبکه توان راکتیو می کشند، این آرامش از یک بانک خازنی برای جبران سازی توان راکتیو استفاده می کند. اتصال نرم و هموار و صاف به شبکه از طریق یک استارتر نرم حاصل می شود. همان طور که ذکر شد در مورد شبکه های ضعیف ، نوسانات باد به نوسانات ولتاژ تبدیل می شود. این نوع توربین ها می توانند مقادیر متغیر توان را از شبکه جذب کنند که این امر ، هم ارتعاشات ولتاژ و هم تلفات خط را افزایش می دهد.

از این رو از مهمترین نارسائی های این ژنراتور و سیستم های مربوطه، عبارتند از :

۱) عدم کنترل بروی سرعت

۲) نیاز داشتن به شبکه قوی و

۳) نیاز داشتن به ساختمان قوی مکانیکی که بتواند استرس های بالای مکانیکی را تحمل کند.

▪ نوع B : سرعت متغیر محدود:

این دسته از توربین های بادی که با سرعت متغیر محدود هستند دارای مقاومت متغیر در رتور بوده و با نام Optislip شناخته می شوند. در این نوع آرایش ، از ژنراتور القایی رتور سیم پیچی شده استفاده می کنند. ژنراتور مستقیماً به شکل متصل است و برای بدست آوردن اتصال صافتر از یک استارتر نرم استفاده می شود. مقاومت متغیر رتور این نوع ژنراتورها، می تواند با کانورتر کنترل شونده به وسیله پالس های نوری که در بالای محور رتور نصب شده است، تنظیم شود. این تجهیزات نوری، به حلقه های لغزان گران قیمتی ( که به جاروبک و نگهداری نیازمند است)، احتیاج دارند. در این حالت مقاومت رتور می تواند تغییر کرده و بدین ترتیب لغزش را کنترل کند. با این کار توان خروجی سیستم کنترل می شود. محدوده کنترل دینامیکی سرعت بستگی به اندازه مقاومت متغیر رتور دارد. نوعاً محدوده سرعت، صفر تا ۱۰ درصد بالای سرعت سنکرون است. انرژی حاصل از تبدیل انرژی اضافی به صورت گرما تلف می شود. در سال ۱۹۹۸، دو مهندس به نامهای Wallen و Oliner ، مفهوم جایگزینی را معرفی کردند که در آن اجزا، پسیو به جای کانورترهای الکترونیک قدرت مطرح شده است بوده اند. این مفهوم، لغزش ۱۰ درصدی را نتیجه می داد ولی متاسفانه کنترلی برروی لغزش نداشت.

▪ نوع C : سرعت متغیر با مبدل فرکانسی با ظرفیت کسری:

این نوع آرایش با نام ژنراتور القایی با تغذیه دو گانه شناخته شده است. ظرفیت کانورتر (مبدل فرکانسی با ظرفیت کسری)، حدود ۳۰ درصد توان نامی ژنراتور است. این کانورتر جبران سازی توان راکتیو را انجام می دهد و در ضمن در زمان اتصال به شبکه قدرت، حالت صاف و هموارتری را نتیجه می دهد. این نوع آرایش ، محدوده وسیعتری در مقایسه با Optislip در کنترل دینامیکی ولتاژ دارد. محدوده سرعت آنها، معمولاً در حدود وسیعتری در مقایسه با سرعت سنکرون است. کانورتر فرکانسی کوچکتر، از نقطه نظر اقتصادی به صرفه است. عمده ترین نارسائی های این روش، استفاده از حلقه های لغزان و محافظت آن در برابر خطاهای شبکه است.

▪ نوع D : سرعت متغیر با مبدل فرکانسی با ظرفیت کامل:

در این روش، ژنراتور از طریق یک کانورتر ( مبدل فرکانسی با ظرفیت کامل ) به شبکه متصل می شود. کانورتر فرکانسی، جبران سازی توان راکتیو را انجام می دهد و در زمان اتصال به شبکه مشخصه صاف و هموارتری دارد . این نوع ژنراتور می تواند به صورت الکتریکی تحریک شود، مانند WRIG، WRSG ها، یا از طریق یک مغناطیس دائم (PMSG ) تحریک شود. برخی ازتوربینهای بادی سرعت متغیر کامل، هیچ نوع جعبه دنده ای ندارند. در این موارد، از ژنراتورهای چند قطبی که به صورت مستقیم فرمان داده می شوند (با قطر بزرگ) مورد استفاده قرار می گیرد.

● ژنراتورهای آسنکرون (القایی)

ژنراتور آسنکرون، متداول ترین نوع ژنراتور مورد استفاده در توربین های بادی هستند. استحکام و سادگی مکانیکی و قیمت ارزان جزء مزایای آن و نیاز به جریان مغناطیس کنندگی جزء معایب آن است. توان راکتیو مصرفی آن یا توسط بانک خازنی و توسط ادوات الکترونیک قدرت تامین می شود. میدان مغناطیسی به وجود آمده در آن با سرعتی که توسط قطب های سیم پیچی و فرکانس شبکه تعیین می شود و سرعت سنکرون نام دارد ، می چرخد. چنانچه رتور با سرعتی بیش از سرعت سنکرون بچرخد ، در آن میدان مغناطیسی، ولتاژ القا می شود و جریان در سیم پیچی های آن جاری می شود. در ژنراتورهای SCIG که سرعت آنها تنها حدود چند درصد به دلیل تغییرات سرعت باد تغییر می کند لذا بیشتر بهمراه توربین های نوع A (سرعت ثابت) استفاده می شوند. ژنراتورهای SCIG مشخصه گشتاور- سرعت تندی دارند و از این رو ارتعاشات توان باد، مستقیماً به شبکه قدرت منتقل می شوند. این حالت های گذرا خصوصاً در زمان اتصال توربین بادی به شبکه ، بحرانی هستند چرا که باعث ایجاد جریان هجومی، ۷،۸ برابر جریان نامی می شوند در شبکه های ضعیف، این مقدار جریان هجومی می تواند موجب اختلال شدیدی شود. از این رو اتصال ژنراتور های SCIG به شبکه به آرامی و توسط یک استارتر نرم انجام می شود تا جریان هجومی را محدود کند. در ژنراتور های SCIG، رابطه خطی بین مقدار بانک خازنی لازم، توان اکتیو، ولتاژ ترمینال و سرعت رتور وجود دارد. یعنی اینکه در باد های شدید، توربین به شرطی می تواند توان اکتیو بیشتری را تولید کند که بتواند توان راکتیو بیشتری را از شبکه جذب کند. در این نوع ژنراتورها اگر خطایی رخ دهد ، به خاطر عدم تعادل توان های مکانیکی و الکتریکی، سرعت رتور افزایش می یابد. لذا با برطرف شدن خطا، SCIG توان راکتیو بیشتری از شبکه می کشد که کاهش بیشتر ولتاژ را سبب می شود.

در ژنراتور القایی رتور سیم پیچی شده، مشخصه های الکتریکی رتور می تواند ازبیرون کنترل شود و ولتاژ آن را تحت تاثیر قرار دهند. سیم بندی رتور می تواند از طریق جاروبک و حلقه های لغزان به بیرون وصل شود یا از طریق ادوات الکترونیک قدرت که ممکن است به حلقه های لغزان و جاروبک نیاز داشته باشند. یا نیاز نداشته باشند ژنراتور می تواند از طریق استاتور و یا رتور، مغناطیسی شود. امکان بازیابی انرژی لغزشی از مدار رتور و باز پس دادن به خروجی استاتور نیز وجود دارد. در توربین های بادی، بیشتر از آرایش های زیر که مربوط به WRIG است ، استفاده می کنند.

۱) ژنراتور القایی R) Optislip) که در نوع OSIG)B) استفاده می شود.

۲) ژنراتورالقایی باتغذیه دوگانه (DFIG) که در نوع C مورد استفاده قرار می گیرد.

در ژنراتور های Optislip ، کانورتر به صورت نوری کنترل می شود (کانورتری که مقاومت رتور را تغییر می دهد) از این رو نیازی به حلقه های لغزان نیست. استاتور نیز مستقیماً به شبکه قدرت متصل می شود. محدوده سرعت کاری در این حالت نسبت به ژنراتور های SCIG ، بیشتر و از نظر سیستم، پیشرفته تر است، برای یک گستره مشخص ، این مفهوم می تواند بارهای مکانیکی و ارتعاشات توان ناشی از طوفان ها را کاهش دهد. معایب این روش عبارتند از:

۱) محدوده سرعت، نوعاً در حدود صفر تا ۱۰ درصد است و این مستقل از مقدار مقاومت متغیر رتور است.

۲) کنترل ضعیفی روی توان های اکتیو و راکتیو دارد.

۳) توان لغزشی در مقاومت متغیر، به صورت تلفات از بین می رود.

ژنراتور القایی با تغذیه دوگانه (DFIG)، گزینه ای جالب ، با بازاری رو به فزونی، و با تقاضا است. DFIG ، یک WRIG، است که استاتور به طور مستقیم به شبکه سه فاز با فرکانس ثابت متصل است و سیم پیچی رتور با یک کانورتر منبع ولتاژ با کلید های IGBT ، با طبقات پشت به پشت تک جهته تغذیه می شود. عبارت تغذیه دوگانه به این واقعیت اشاره دارد که استاتور به شبکه قدرت، ولتاژ برای تغذیه بارها می دهد و ولتاژ رتور نیز به وسیله کانورتر توان، ایجاد می شود. سرعت عملکرد این سسیستم در یک گستره وسیع اما محدود قراردارد. کانورتر اختلاف فرکانس الکتریکی و مکانیکی را با تزریق جریان به رتور با یک فرکانس متغیر، جبران می کند. هم در طول عملکرد عادی و هم در طول خطاها، رفتار ژنراتور توسط کانورتر توان و کنترل کننده های آن تنظیم می شود. کانورتر توان، متشکل از دو کانورتر است، کانورتر طرف شبکه و کانورتر طرف رتور، که هر کدام به صورت مستقل کنترل می شود. ایده اصلی آن است که کانورتر طرف رتور توان های اکتیو و راکتیو را با کنترل اجزاء جریان رتور کنترل می کند، در حالی که کانورتر طرف خط، ولتاژ طرف DC را کنترل می کند تا از عملکرد کانورتر در ضریب توان واحد (توان راکتیو صفر) اطمینان حاصل شود. بسته به شرایط کاری درایو، توان به رتور وارد می شود یا از آن خارج می شود. در شرایط فوق سنکرون توان از رتور به طرف شبکه و در شرایط زیر سنکرون، توان از شبکه به طرف رتور جاری می شود. در هر دو حالت ، توان از استاتور به طرف شبکه می رود مزایای ژنراتور های DFIG عبارت است:

۱) داشتن توانایی کنترل بر روی توان راکتیو

۲) توانایی کنترل مستقل توان های اکتیو و راکتیو با کنترل جریان رتور

۳) قابلیت مغناطیس شدن از طرف رتور

۴) قابلیت تولید توان راکتیو که به استاتور تحویل داده می شود . همان طوری که گفته شد، کانورتر طرف شبکه در ضریب توان واحد عمل می کند و خود را درگیر تبادل توان راکتیو نمی کند. البته در مورد شبکه های ضعیف، ژنراتور های DFIG ممکن است. در صورت نوسان ولتاژ، به منظور تبادل توان راکتیو با شبکه، فرمان داده شود که البته قابلیت کنترل ولتاژ نه با توان کلی ژنراتور، بلکه با محدوده سرعت و توان لغزشی مرتبط خواهد بود. قیمت کانورتر، متناسب با محدوده سرعت در اطراف سرعت سنکرون است. نارسایی اجتناب ناپذیر ژنراتور های DFIG ، استفاده از حلقه های لغزان است.

- ژنراتور سنکرون

ژنراتور سنکرون در قیاس با یک ژنراتور القایی با مشخصات مشابه و با اندازه مشابه، بسیار گرانتر و پیچیده تر است، مهمترین مزیت آن، نیاز نداشتن به جریان جهت مغناطیس کنندگی است و از طریق یک کانورتر (الکترونیک قدرت)، به شبکه اصلی متصل می شود. کانورتر دو هدف مهم زیر را بدنبال دارد:

۱) برای عمل کردن به عنوان یک تقویت کننده توان در مقابل ارتعاشات توان ( ناشی از انرژی متغییر باد و طوفان ) و حالت های گذرای سمت سیستم قدرت.

۲) برای کنترل میدان مغتاطیسی برای حفظ سنکرونیزم و جلوگیری از مشکلات سنکروناسیون شدن با شبکه قدرت.

کاربرد چنین ژنراتوری، اجازه کار با یک سرعت متغیر را به توربین های بادی می دهد. این نوع ژنراتورها یا از نوع رتور سیم پیچی شده اند ( WRSG ) یا از نوع روتور مغناطیسی دائم ( PMSG ).

به دلیل مشخص بودن عملکرد ماندگار و گذرای این نوع ژنراتور ها، بحث زیادی روی آنها نمی شود. دیگر ژنراتور های مورد استفاده برای توربین های بادی عبارتند از:

۱) ژنراتور های ولتاژ بالا.

۲) ژنراتور های سوئیچ رلوکتانسی

۳) ژنراتور های شارمورب.