شکل (۲-۳) انواع روتورهای Darrieus
۲-۲-چرخش توربین‌ها
۲-۲-۱- چرخش توربین‌های بادی برپایه نیروی درگ
توربین‌های بادی برپایه نیروی درگ مانند یک بادبان باز عمل می‌کنند و نیروی باد سطح مورد نظر را جلو می‌برد. اولین توربین‌های بادی که در ایران باستان مورد استفاده قرار می‌گرفت با این رویکرد کار می‌کردند. روتور Savonius یک نمونه بسیار ساده از آسیاب‌های بادی بر پایه نیروی درگ می‌باشد. این توربین‌ها به چرخش در می آیند چراکه نیروی درگ در ناحیه باز و مقعر این روتورها بسیار بزرگتر و بیشتر از قسمت بسته و محدب آنها می‌باشد[۱].
شکل (۲-۴) چرخش توربین بادی بر پایه نیروی درگ برای توربین عمودی از نوع Savnoius

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

۲-۲-۲- چرخش توربین‌های بادی بر پایه نیروی لیفت
با بهره گرفتن از نیروی لیفت انرژی بیشتری نسبت به نیروی درگ بدست می‌آید. ولی تنها نیاز آن سطحی آیرودینامیکی شکل می‌باشد شبیه چیزی که در بالهای هواپیما استفاده می‌شود. این مقطع آیرودینامیکی برای ایجاد اختلاف فشار بین سطح بالا و پایین و ایجاد یک نیروی خالص عمود بر جهت باد می‌باشد[۱].
شکل (۲-۵) طراحی آیرودینامیکی بدنه پره‌های توربین بادی که موجب ایجاد نیروی لیفت می‌شود
۲-۳- اجزاء اصلی توربین‌های بادی محور افقی
- روتور:روتور توربین بادی شامل پره، هاب، دماغه و یاتاقانهای پره می‌باشد. روتور یک توربین بادی محور افقی بطور خلاصه متشکل از تعدادی پره می‌باشد که بطور شعاعی در اطراف یک شفت که موازی باد قرار می‌گیرد نصب شده‌اند و بدین ترتیب روتوری را تشکیل می‌دهند که عمود بر جهت باد دوران می‌کند.معمولاً روتور توسط یک برج در ارتفاع مناسبی نسبت به زمین قرار می‌گیرد و البته پیش‌بینی‌های لازم برای هم جهت شدن امتداد شفت با جهات مختلف باد و همچنین برای کنترل سرعت آن صورت می‌گیرد و قدرت جذب شده توسط این روتور مستقیما و یا توسط یک سیستم مکانیکی به ماشینی که قرار است رانده شود منتقل می‌گردد.تعداد پره‌ها معمولا متغیر بوده و پهنای پره (کورد) ممکن است در تمام طول پره‌ها ثابت و یا آنکه متغیر باشد و پره از هاب به سمت نوک باریک شود.ضمناً پره ممکن است در امتداد محور طولی تاب داشته باشد یا اصطلاحاً پیچیده باشد و بالاخره گام پره ممکن است ثابت و یا متغیر باشد.
- پره:یکی از مهمترین بخش‌های توربین بادی بوده و وظیفه آن تولید نیروی لازم برای چرخاندن شفت اصلی توربین بادی است. پره به گونه ای ساخته می‌شود که استحکام و استقامت بسیار بالا در برابر نیروهای دینامیکی و آیرودینامیکی داشته باشد.
- برج:سازه‌های مشبک فولادی- برج‌های استوانه‌ای فولادی یا بتنی و همچنین ستون‌های مهار شده توسط کابل از رایج‌ترین برج‌های نگهدارنده محسوب می‌شوند. ارتفاع برج معمولاً بین یک تا یک ونیم برابر قطر روتور در نظر گرفته می‌شود. انتخاب نوع برج وابستگی به شرایط سایت دارد. همچنین سفتی برج فاکتور مهمی در دینامیک سازه توربین باد محسوب می‌گردد چرا که احتمال کوپل شدن ارتعاشات بین برج و روتور که منجر به خطر رزونانس می‌گردد وجود دارد.
- ناسل:شامل پوشش خارجی مجموعه توربین، شاسی و سیستم دوران حول محور برج می‌باشد که روتور به آن متصل است. ناسل در بالای برج قرار دارد.بعضی از ناسل‌ها آنقدر بزرگند که تکنسین‌ها می‌توانند داخل آن بایستند.
- سیستم انتقال قدرت:سیستم انتقال قدرت شامل اجزاء گردنده توربین باد است. این اجزاء عمدتاً شامل محور کم سرعت (سمت روتور)، گیربکس و محور سرعت بالا (در سمت ژنراتور) می‌باشد. سایر اجزاء این سیستم شامل یاتاقان‌ها، یک یا چند کوپلینگ، ترمز مکانیکی و اجزاء دوار ژنراتور می‌باشد. در این مجموعه وظیفه گیربکس افزایش سرعت نامی روتور از یک مقدار کم (در حد چند ده دور در دقیقه) به یک مقدار بالا (در حد چند صد یا چند هزار دور در دقیقه) که مناسب برای تحریک یک ژنراتور استاندارد است، می‌باشد. عمدتاً دو نوع گیربکس در توربین‌های بادی مورد استفاده قرارمی‌گیرد: گیربکس‌های با شفت‌های موازی و گیربکس‌های سیاره‌ای. برای توربین‌های سایز متوسط به بالا (بزرگتر از KW 500 ) مزیت وزن و سایز در گیربکس‌های سیاره‌ای نسبت به نوع دیگر یعنی گیربکس‌های با شفت موازی کاملاً بارزتراست. بعضی از توربین‌های باد از یک طرح خاص برای ژنراتور استفاده می‌کند (ژنراتور با تعداد قطب بالا ) که در آن نیازی به استفاده از گیربکس نمی‌باشد.
- ژنراتور:  پره‌های توربین بادی انرژی جنبشی باد را به انرژی دورانی درسیستم انتقال تبدیل می‌کنند و در قدم بعدی ژنراتور، انرژی توربین را به شبکه برق منتقل می نماید. بطور معمول از سه نوع ژنراتور در توربین‌های بادی استفاده می‌شود.ژنراتور جریان مستقیم- آلترناتور یا ژنراتور سنکرون- ژنراتور القایی یا آسنکرون
- گیربکس(جعبه دنده): از آنجائی که محور توربین دارای دور کم و گشتاور بالا و برعکس آن محور ژنراتور دارای دور بالا و گشتاور کم است، سیستم انتقال قدرت باید به نحوی این دو محور را به یکدیگر متصل نماید.
- ترمز:در توربین‌های بادی با ظرفیت بسیار پایین (۱ الی ۵ کیلووات) معمولاً از سیستم‌های ترمز کفشکی استفاده می‌شود، زیرا جهت متوقف نمودن پره‌ها، نیروی زیادی مورد نیاز نیست. در توربین‌های بادی با ظرفیت بالا، از ترمزهای دیسکی استفاده می‌شود.
- سیستم کنترل: برای بدست آوردن حداکثر راندمان از یک توربین بادی، باید بتوان همواره صفحه دوران توربین را عمود بر جهت وزش باد قرار داد. برای این منظور از سیستم‌هایی برای تغیر جهت توربین بادی و قرار دادن سیستم در مسیر باد استفاده می‌شود.این سیستم (yaw system) یک سیستم ترکیبی الکتریکی- مکانیکی است که هدایت آن توسط واحد کنترل انجام می‌شود. در توربین‌های بادی سایز کوچک به جای چرخ انحراف (yaw system) از بالچه استفاده می‌کنند. همچنین سیستم‌هایی جهت کنترل و تنظیم سرعت دورانی در توربین بادی مورد استفاده قرار می‌گیرند. چنین سیستم‌هایی علاوه بر کنترل دور روتور، مقدار قدرت تولیدی و نیروهای وارده بر روتور در بادهای شدید را نیز محدود می‌کنند.
- سیستم هیدرولیک: سیستم‌های هیدرولیک به مجموعه جک و یونیت هیدرولیکی و اتصالات جانبی آنها اطلاق می‌شود. جک هیدرولیکی از یک سیلندر و پیستون دو طرفه تشکیل شده است و با انتقال سیال به هر ناحیه از آن، جک به سمت مخالف حرکت می‌کند. یونیت هیدرولیکی از الکتروموتور، پمپ، مخزن تامین فشار اولیه، شیرهای هیدرولیکی، شیلنگ‌های انتقال سیال به دو ناحیه داخل سیلندر جک، مخزن روغن، روغن مخصوص و تجهیزات جانبی تشکیل شده است. پس از دریافت فرمان، پمپ مقداری روغن را از داخل مخزن به محفظه جلو یا عقب سیلندر جک پمپ می‌کند تا جک بتواند به مقدار مورد نیاز محور تراورس را در جهت مورد نیاز حرکت دهد. محور تراورس محوری است که از سوراخ داخل شفت اصلی عبور می‌کند و یک سمت آن با جک هیدرولیکی و طرف دیگر آن با مکانیزم مثلثی واقع درون هاب مرتبط است. وظیفه این محور انتقال حرکت جک هیدرولیکی و در واقع فرمان کنترلر به مکانیزم مثلثی است که باعث چرخش پره‌هامی‌گردد. مکانیزم مثلثی درون هاب باعث تبدیل حرکت انتقالی محور تراورس به حرکت چرخشی و نتیجتا چرخش پره‌ها به دور محورشان می‌گردد[۱]و[۵].
شکل زیر نمایی از اجزای توربین بادی را نشان می‌دهد که شامل[۱]و[۵]:
پره (۱)، توپی پره (hub ) (2)، یاتاقان(Bearing ) (3)، محور اصلی (۴)، مولد ثانویه (مدل ۲۰۰/۶۶۰) (۵)، گیربکس (۶)، ترمز دیسکی (۷)، خنک‌کن روغن (۸)، محور گاردان (۹)، مولد اصلی (۱۰)، بالا بر (۱۱)، جک Pitch (تنظیم زاویه پره) (۱۲)، شاسی (۱۳)، برج (۱۴)، کنترل Yaw (تنظیم زاویه توربین) (۱۵)، دسته گیربکس (۱۶)، چرخ دنده Yaw (17)، گیربکس Yaw (18)، سیستم کنترل فوقانی VMP (19)، واحد هیدرولیک (۲۰).
شکل (۲-۶) اجزای مختلف یک توربین بادی
۲-۴- انواعمختلفتوربین‌هایسرعتمتغیر
در این قسمت شکل اصلی ژنراتورها و مبدل‌های الکترونیک قدرت استفاده شده برای اتصال توربین‌های بادی سرعت متغیر به شبکه آورده شده است[۴].
۲-۴-۱- ژنراتورهای سنکرون
یک ژنراتور سنکرون معمولا شامل یک استاتور سیم‌پیچی شده ۳ فاز است که بار خارجی را تغذیه می‌کند و یک روتورکه یک منبع میدان مغناطیسی است.روتور ممکن است مغناطیس دائم یا دارای سیم‌پیچی میدان باشد.
۲-۴-۱-۱- ژنراتور سنکرون با سیم‌پیچی میدان
سیستم قدرت بادی با ژنراتور سنکرون با سیم‌پیچی میدان در شکل (۲-۷) نشان داده شده است.
شکل(۲-۷) ژنراتور سنکرون با سیم سیم‌پیچی میدان
سیم‌پیچی‌های استاتور از طریق یک مبدل الکترونیک قدرت به شبکه متصل می‌شود.مبدل طرف استاتور گشتاورالکترومغناطیسی را تنظیم می‌کند درحالی که مبدل طرف شبکه توان اکتیو و راکتیو انتقالی از سیستم بادی به شبکه را تنظیم می‌کند.ژنراتور سنکرون با سیم‌پیچی میدان دارای مزایای زیر است:
بازده ماشین معمولاً بالا است به خاطر این که کل جریان استاتور برای تولید گشتاور الکترومغناطیسی به کار می‌رود.
مزیت اصلی به کارگیری ژنراتور سنکرون با سیم‌پیچی میدان این است که کنترل مستقیمضریب توان (PF) ماشین را فراهم می‌کند و جریان استاتور ممکن است در هر وضعیت کاری مینیمم شود.
گام قطبی این ژنراتور می‌تواند کوچکتر از ماشین القایی باشد.این خاصیت مهمی برای به دست آوردن ماشین‌های چند قطب سرعت پایین با حذف گیربکس می‌باشد.
وجود سیم‌پیچی در روتور یک عیب محسوب می‌شود.به علاوه برای تنظیم توان اکتیو و راکتیو تولیدی اندازه‌ی مبدل باید معمولاً ۱.۲ برابر توان نامی سیستم بادی باشد که منجر به قیمت بالای آن می‌شود.
۲-۴-۱-۲- ژنراتور سنکرون مغناطیس دایم
شکل(۲-۸) یک سیستم بادی ژنراتور سنکرون مغناطیس دایم متصل به یک یکسوساز سه فاز با مبدل افزاینده را نشان می‌دهد. در این حالت مبدل افزاینده گشتاور الکترومغناطیسی را کنترل می‌کند.مبدل طرف منبع ولتاژ اتصالdc را تنظیم می‌کند و ضریب توان (PF) ورودی را کنترل می‌کند. یکی از معایب استفاده از این الگو از یکسوساز دیودی است که دامنه جریان و اعوجاجات ناشی از (Permanent Magnet Synchronous Generator PMSG) را افزایش می‌دهد.دیگر طرح مورد استفاده PMSGدر شکل (۲-۹) نشان داده شده است. در این سیستم یکسوساز (PWM^[4]) بین ژنراتور و اتصال DC واقع شده است و وارونگرPWM به شبکه متصل شده است.
شکل(۲-۸) ژنراتور سنکرون مغناطیس دایم
مزیت این سیستم نسبت به سیستم نشان داده شده در شکل (۲-۸) این است که استفاده از کنترل همراستای میدان (FOC^[5]) در آن به ژنراتور اجازه می‌دهد تا نزدیک نقطه کار بهینه خود عمل کند.به عبارت دیگر تلفات در ژنراتور و مدارات الکترونیک قدرت مینیمم خواهد داشت. ایراد اصلی در استفاده ازPMSG هزینه مغناطیس دایم است که قیمت ماشین را افزایش می‌دهد و همچنین نمی‌توان ضریب توان ماشین را کنترل کرد.
شکل (۲-۹) PMSG با مبدل PWM
۲-۴-۲- ژنراتورهای القایی
نوعی از ژنراتورACکه بیشترین استفاده را در توربین‌های بادی دارد ژنراتور القایی است.دو نوع ژنراتور القایی مورد استفاده در توربین بادی عبارتند از:روتور قفسی و روتور سیم‌پیچی[۴].
۲-۴-۲-۱- ژنراتور القایی از دو سو تغذیه (DFIG)
سیستم قدرت بادی نشان داده شده در شکل(۱۰-۲) شامل یک ژنراتور القایی از دو سو تغذیه است که سیم‌پیچی‌های استاتور بطور مستقیم به شبکه متصل شده است وسیم‌پیچی روتور از طریق یک مبدل قدرت پشت به پشتPWM به شبکه متصل شده است[۴],[۶],[۷].
شکل (۲-۱۰) ژنراتور القایی از دو سو تغذیه
در مقایسه با ژنراتور سنکرون DFIG دارای مزایای زیر است:
هزینه مبدل الکترونیک قدرت کاهش می‌یابد به این خاطر که معمولاً بازده توان مبدل ۳۰-۲۵ درصد کل توان سیستم است.
هزینه فیلتر مبدل و فیلتر (EMI^[6]) کاهش می‌یابد به این خاطر که بازده توان این فیلترها برابر یک چهارم توان کل سیستم است و هارمونیک‌های موجود قسمت کوچک هارمونیک‌های کل سیستم می‌باشد.
پاسخ مقاوم و پایدار این ماشین در مواجهه بااختلالات خارجی ایراد DFIG استفاده از جاروبک است که نیازمند تعمیرات دوره‌ای می‌باشد به‌ خصوص در مزارع بادی که در کنار ساحل دریا قرار دارند.
سیستم قدرت بادی نشان داده شده در شکل(۱۱-۲) یک ژنراتور القایی تمام کنترلی از دو سو تغذیه با یک اتصال DC است.این نوع از سیستم قدرت بادی اجازه می‌دهد تا ولتاژها و فرکانس‌های روتور و استاتور را کنترل کنیم.این سیستم انعطاف‌پذیری کنترلی بالاتری نسبت به ژنراتور القایی از دو سو تغذیه معمولی نشان داده شده در شکل (۱۰-۲) دارد.به علاوه این سیستم قدرت بادی برای مزارع بادی که در دریا واقع شده‌اند و از طریق کابل‌های دریایی به سرزمین‌های مجاور خود متصل می‌شوند در نظر گرفته شده است.
شکل(۲-۱۱) ژنراتور القایی از دو سو تغذیه تمام کنترلی
روش دیگری برای اتصال DFIG به شبکه وجود دارد که عبارتند از: سیکلو کانورترها ومبدل ماتریسی. بعضی از ایرادات این سیستم‌ها عبارتند از:ضریب توان ضعیف خط انحرافات هارمونیکی بالا در خط و جریان ماشین برای سیکلو کارنوترها و برای مبدل ماتریسی حذف خازن DC این کارنوتر پیچیدگی‌های زیادی دارد و تکنولوژی آن بلوغ زیادی نیافته است.
۲-۴-۲-۲- ژنراتور القایی روتور قفسی
یک سیستم قدرت بادی با ژنراتور القایی روتور قفسی در شکل(۲-۱۲) نشان داده شده است.سیم‌پیچی‌های استاتور از طریق یک مبدل الکترونیک قدرت به شبکه متصل شده است.سیستم کنترل مبدل طرف استاتور گشتاور الکترومغناطیسی را کنترل می‌کند وتوان راکتیو مورد نیاز ماشین را فراهم می‌کند.مبدل طرف شبکه توان اکتیو و راکتیو انتقالی از سیستم به شبکه را کنترل می‌کند و ولتاژ اتصال DC را تنظیم می‌کند.
شکل(۲-۱۲) ژنراتور القایی روتور قفسی
استفاده از ژنراتور القایی روتور قفسی مزایای زیر را دارد:
ماشین القایی روتور قفسی مقاوم بدون جاروبک قابل اطمینان اقتصادی و بطور جهانی مشهور است.