در شکل ۱-۱، نمودار “Reference”بر اساس گزارش دور نمای انرژی جهان در سال ۲۰۰۴ از آژانس بین المللی انرژی^[۶] استوار است , سناریوی “Moderate” بیانگر شرایطی است که تمام اقدامات سیاسی لازم برای حمایت از انرژی های تجدیدپذیر (در دست احداث و یا در حال برنامه ریزی) صورت گیرد و در سناریوی “Advanced” فرض بر این است که تمام راهکارهای سیاسی به نفع تولید و گسترش استفاده از انرژی باد باشد. با بررسی شکل ۱-۱ که پیش بینی میزان ظرفیت توان باد تولیدی در سال ۲۰۰۴ را نشان میدهد و مقایسه آن با مقادیر واقعی ظرفیت توان باد در سال ۲۰۱۲ به وضوح می توان ملاحظه کرد که بهترین و خوشبینانه ترین پیشبینی ها در مورد آینده انرژی های باد بسیار با واقعیت فاصله دارند [۴]. بنابراین می توان به این نتیجه رسید که در سالهای آینده انرژی باد تبدیل به یکی از موثرترین و پرکاربردترین منابع انرژی جهان خواهد شد.

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

شکل ۱-۲- اطلس سرعت باد جهان در ارتفاع ۸۰ متری برای سال ۲۰۰۵
از آنجایی که میزان توان تولیدی توسط توربینهای بادی بسیار به سرعت باد وابسته است سعی بر آن است که مکان نیروگاههای بادی در مناطق با سرعت باد نسبتا زیاد انتخاب شود. شکل ۱-۲ نمونه ای از اطلس بادی که می تواند برای این منظور مورد استفاده قرار گیرد را نشان می دهد. در این شکل سرعت باد در مناطق مختلف جهان در ارتفاع ۸۰ متری از سطح زمین نشان داده شده است. به علاوه شکل ۱-۳ اطلس باد ایران در ارتفاع ۸۰ متری از سطح زمین را نشان می دهد. مطابق این شکل ایران از پتانسیل و توانایی بالایی برای بهره برداری از انرژی باد برخوردار است [۵].

شکل ۱-۳- اطلس سرعت باد ایران در ارتفاغ ۸۰ متری
تقریبا روند کارکرد تمامی توربین های بادی یکسان است بدین ترتیب که انرژی باد باعث ایجاد یک حرکت چرخشی^[۷] در پره های توربین میشود و این چرخش این پره ها باعث حرکت دادن محور ژنراتور الکتریکی^[۸] که درون نازل^[۹] قرار دارد می شود. سپس سرعت چرخشی محور توسط یک گیربکس^[۱۰] افزایش پیدا میکند به طوری که برای استفاده توسط ژنراتور الکتریکی مناسب باشد. ژنراتور با کمک یک میدان مغناطیسی^[۱۱]، انرژی جنبشی چرخشی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. در اخر سطح ولتاژ توسط یک ترانسفورمر از حدود ۷۰۰Vبه ولتاژ مناسب برای اتصال به شبکه مثلا ۲۰KV تبدیل می شود.
شکل۱-۴- توربین بادی محور افقی
در شکل ۱-۴ یک توربین بادی نشان داده شده است که یکی از مرسوم ترین انواع توربین برای تولید توان الکتریکی می‌باشد. انرژی بادی که سطح این توربین مشاهده می‌کند از رابطه زیر به دست می‌آید:

در رابطه ۱-۱، ρ چگالی هواست (تقریبا درسطح دریا برابر ۱٫۲۲۵ Kgm-3 می‌باشد)، Aمساحتی است که تیغه های روتور در طی مسیر حرکتشان از آن عبور می‌کنند و Vسرعت بادی است که رو به توربین می‌وزد^[۱۲]. با توجه به این رابطه، انرژی تولیدی توسط یک توربین بادی به شدت به سرعت باد وابسته است.
یکی از بزرگترین مشکلاتی که در راه گسترش استفاده از توربین های بادی قرار دارد، عدم قطعیتی^[۱۳] است که انرژی تولیدی توسط نیروگاههای بادی به همراه دارند. بدین معنی که تولید نمودن یا عدم تولید انرژی برق و یا به تعبیر دیگر وزش باد و همچنین سرعت وزش باد متغییر های تصادفی^[۱۴] می‌باشند. شکل۱-۵ این موضوع را به خوبی نشان می‌دهد. این شکل توان تولیدی توسط یک مزرعه بادی^[۱۵] با ظرفیت ۵۰ مگاوات را به نمایش می‌گذارد. به وضوح می‌توان ملاحظه کرد که این توان دارای نوسانات بسیار شدید و تصادفی است که برنامه ریزی برای تولید کل شبکه را می‌تواند دچار مشکل کند.
شکل ۱-۵- توان تولیدی یک مزرعه بادی نوعی با ظرفیت ۵۰MW در یک هفته
تکنولوژی های مختلف توربین بادی
از چند دیدگاه می‌توان توربین های بادی را مورد بررسی قرار داد. برای مثال، بسته با این موضوع که پره های توربین بادی حول محور افقی بچرخند یا حول محور عمودی، توربینهای بادی به دو دسته محور افقی^[۱۶] و محور عمودی^[۱۷] تقسیم می‌شوند.
توربین های محور افقی مزایا ومعایبی نسبت به توربین های محور افقی دارند که عبارتند از:
مزایا توربین های بادی محور عمودی نسبت به توربین های محور افقی:

• • عدم نیاز به سیستم کنترلی برای تعیین و تعقیب^[۱۸] جهت وزش باد.

• • عدم نیاز به قرار دادن اجزای سنگین توربین بادی (مثل ژنراتور، گیربکس و سایر قسمتهای مکانیکی) در نازل که در ارتفاع زیادی از سطح زمین قرار دارد. این موضوع، تعمیر و نگهداری^[۱۹] این اجزا را آسان تر می‌کند و همچنین نیاز به ساخت سازه ای محکم برای نگهداری این ادوات سنگین را از میان بر می‌دارد.

معایب توربین های بادی محور افقی نسبت به توربین های محور عمودی:

• • تیغه ها در توربین های محور عمودی نسبتا به زمین نزدیک هستند. از آنجایی که سرعت باد در سطح زمین کمتر است، توانی که این توربین ها از باد جذب می‌کنند کمتر می‌شود.

• • باد در سطح زمین دارای تغییرات شدیدی^[۲۰] نیز هست که این موضوع باعث افزایش تنش های مکانیکی^[۲۱] وارده به توربین می‌شود.

• • توربین های بادی محور عمودی به خوبی و موثری توربین های بادی محور افقی تیغه های با کنترل زاویه^[۲۲] ندارند.

با در نظر گرفتن مجموعه معایب و مزایای ذکر شده در بالا، توربین های محور افقی بسیار بیشتر مورد استقبال قرار گرفته و تبدیل به وسیله مرسوم تولید انرژی الکتریکی از انرژی باد شده اند. عموما توربین های مدرن امروزی از سه تیغه تشکیل شده اند که عملکرد دینامیکی بسیار مناسبی را دارند. استفاده از تعداد زیاد تیغه باعث می‌شود که عبور یک تیغه باعث بر هم زدن دینامیک هوا شود و تنش مکانیکی روی تیغه های بعد افزایش یابد. استفاده از دو تیغه تنها در توربینهای با توان تولیدی بالا استفاده می‌شود. از معایب استفاده از دوتیغه تنش زیادی است که هنگام عبور این تیغه ها از کنار برج نگه دارنده نازل ایجاد می‌شود.
دسته بندی دیگر توربین های بادی بر اساس نحوه کارکرد و اجزای تشکیل دهنده این توربین هاست. بدین ترتیب دو دسته توربین سرعت ثابت^[۲۳] و سرعت متغییر^[۲۴] به وجود می‌آیند. توربین های سرعت ثابت بسیار ارزانتر هستند در حالی که توربین های سرعت متغیر عملکرد دینامیکی بسیار مناسبی دارند و می‌توانند جایگزین مناسبی برای ژنراتور های سنکرون که وظیفه اصلی کنترل توان را در شبکه های قدرت دارند باشند.
توربین بادی با ژنراتور القایی قفس سنجابی^[۲۵]
مرسوم ترین نوع توربین های سرعت ثابت، توربین با ژنراتور القایی قفس سنجابی است. شکل ۱-۶ این نوع توربین را نشان می‌دهد. همانطور که در این شکل نشان داده شده است، توان باد توسط تیغه ها جذب شده و پس از آنکه سرعت محور توسط گیربکس برای ژنراتور القایی مناسب شد توان الکتریکی تولید شده و از طریق یک ترانسفورمر به شبکه تحویل داده می‌شود. از آنجایی که معمولا سطح توان این توربین ها پایین است، توان تولیدی به شبکه قدرت با سطح ولتاژ توزیع تحویل داده می‌شود.
شکل ۱-۶- توربین بادی سرعت ثابت با ژنراتور القایی قفس سنجابی و بانک خازنی
ماشین های القایی برای کارکردن نیاز به شار مغناطیس کنندگی^[۲۶] دارند. بدین منظور این ماشین ها چه در حالت ژنراتوری و چه در حالت موتوری توان راکتیو^[۲۷] از شبکه جذب می‌کنند. به منظور کاهش توان راکتیو جذب شده از شبکه و اصلاح ضریب توان^[۲۸]، معمولا از یک بانک خازنی استفاده می‌شود تا توان راکتیو را برای ژنراتور تامین کند. سرعت چرخشی این نوع توربین ها به طور میانگین می‌تواند بین ۲ الی ۴ درصد تغییر کند و از آنجایی که این میزان تغییر سرعت بسیار ناچیز است به این دسته از منابع تولید باد سرعت ثابت گفته می‌شود.
توربین بادی با ژنراتور القایی دو سو تغذیه^[۲۹]
ژنراتور مورد استفاده در این توربین ها از نوع القایی است. بر خلاف توربین قفس سنجابی که روتور آنها اتصال کوتاه شده است و استاتور به شبکه متصل می‌شود، در توربین بادی با ژنراتور القایی دو سو تغذیه، روتور توسط یک مبدل^[۳۰] به شبکه متصل شده است. شکل ۱-۷ این نوع توربین را نشان می‌دهد.
شکل ۱-۷- توربین بادی سرعت متغیر با ژنراتور القایی دو سو تغذیه
این ژنراتور ها برای سطح توان بالاتر (در حدود چند مگاوات) مورد استفاده قرار می‌گیرند. به طور معمول، روتور ژنراتور القایی دو سو تغذیه توسط یک مبدل با ۲۵ الی ۳۰ درصد ظرفیت نامی ژنراتور به شبکه متصل می‌شود. این موضوع اجازه تغییر سرعتی تقریبا به همین میزان (۳۰-۲۵±) را به توربین می‌دهد. از آنجایی که افزایش بازه ای که سرعت توربین می‌تواند در آن تغییر کند باعث افزایش قابلیت جذب توان می‌شود، این توربین ها نسبت به توربین های سرعت ثابت قابلیت جذب توان بیشتر از انرژی باد را دارند. به علاوه سیستم مبدل اجازه تامین توان راکتیو و اکتیو را بنابر نیاز ممکن می‌سازد که باعث افزایش کنترل پذیری این توربین ها می‌شود. همچنین این مبدل ها می‌توانند نیاز به بانک خازنی را برای ایجاد شار مغناطیس کنندگی کاهش دهند و یا به طور کلی از میان بردارند. از معایب این توربین ها می‌توان به قیمت نسبتا زیاد آنها نسبت به نوع با ژنراتور قفس سنجابی و نیاز به حلقه های لغزنده^[۳۱] برای اتصال مبدل به روتور اشاره کرد.
توربین بادی با مبدل تمام توان^[۳۲]
در این نوع از توربین ها عموما از ژنراتور سنکرون استفاده می‌شود. مبدل مورد استفاده در این نوع از توربین ها معمولا ظرفیتی برابر با ظرفیت ژنراتور سنکرون دارد. توربین بادی با مبدل تمام توان تمامی مزایای مربوط به توربین بادی با ژنراتور القایی دو سو تغذیه را دارد با این تفاوت که توربین بادی با مبدل تمام توان به دلیل دارا بودن ظرفیت بسیار بالای مبدل الکتریکی قابلیت کنترل توان خیلی بیشتری را داراست و می‌تواند در بازه بسیار بزرگی توان اکتیو و راکتیو را به شبکه تزریق کند. به علاوه این نوع توربین ها می‌توانند سهم بسیار بزرگی از انرژی باد را جذب کنند. از دیگر مزایای این توربین های بادی سرعت متغیر نسبت به توربین های بادی سرعت ثابت قابلیت اتصال سیستم های ذخیره ساز انرژی به آنهاست که به واسطه حضور میدل الکتریکی فراهم می‌شود. بزرگترین عیب این نوع توربین ها هزینه بالای آنهاست که به خاطر استفاده از مبدل های الکتریکی با توان بالا درتوربین های با مبدل تمام توان است. شکل ۱-۸ این نوع توربین را نشان می‌دهد.
شکل ۱-۸- توربین بادی سرعت متغیر با مبدل تمام توان
توربین های سرعت متغیر به واسطه توانایی تغییر سرعت چرخش تیغه ها می‌توانند توان بیشتری را نسبت به توربین های سرعت ثابت از باد جذب کنند. شکل ۱-۹ این موضوع را به طور نشان می دهد. در این شکل توان تولیدی توسط توربین به صورت تابعی از سرعت چرخشی^[۳۳] تیغه ها نشان داده شده است.
شکل ۱-۹- توان تولیدی توسط توربین های سرعت ثابت و سرعت متغیر
برای جذب حداکثری توان از باد معمولا در توربین های سرعت متغیر از یک سیستم کنترلی با نام تعقیب کننده حداکثر نقطه کار^[۳۴] استفاده می‌شود.
مقدمه ای بر ریزشبکه^[۳۵] ها
تولید پراکنده^[۳۶]
در سال های اخیر، تولیدات پراکنده به عنوان مکملی برای نیروگاههای انرژی متمرکز خود را معرفی کرده اند. این روش مبتنی بر تولید توان الکتریکی به صورت پراکنده و در نزدیکی و مجاورت مراکز مصرف توان است در نتیجه، تولیدات پراکنده غالبا به شبکه هایی با سطح ولتاژ کم یا متوسط متصل می‌شوند. در چنین فضایی گروهی از مصرف کنندگان توانایی تامین توان مورد نیاز خود را خواهند داشت. سایر مزایای استفاده از تولیدات پراکنده عبارتند از [۷]:

• • کاهش تولید گازهای گلخانه ای به واسطه ی استفاده از تعداد بیشتر منابع کوچک دوستدار محیط زیست.

• • کاهش هزینه های مربوط به احداث و نگهداری خطوط انتقال جدید و کاهش تلفات ناشی از انتقال توان توسط این خطوط.

• تامین توان راکتیو و بهبود کیفیت توان به دلیل افزایش تعداد منابع تولید با کنترل پذیری و انعطاف پذیری بالا.