معرفی مقاله علمی
در این مقاله ضمن معرفی و تشریح سیستم نیروگاه تولید برق از انرژی امواج، عملکرد توربین برق بادی با در نظر گرفتن پارامترهای تجربی آن مورد بررسی قرار میگیرد. مولد مدل مربوطه یک ژنراتور القایی ۱۵۰ کیلوواتی متصل به شبکه محلی میباشد.
سرویس صفحه نخست برق نیوز: در این مقاله ضمن معرفی و تشریح سیستم نیروگاه تولید برق از انرژی امواج، عملکرد توربین برق بادی با در نظر گرفتن پارامترهای تجربی آن مورد بررسی قرار میگیرد. مولد مدل مربوطه یک ژنراتور القایی ۱۵۰ کیلوواتی متصل به شبکه محلی میباشد.
تغییرات در توان ژنراتور مزبور متأثر از طول موج و نوسانات فصلی در امواج دریا میباشد که موجب نوسانات زودگذر ولی قابل توجهی در بازدهی ژنراتور میگردد. نوسانات مزبور تحت عنوان حالت ترانزیت تواتری، مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است و منحنی مختصات هر یک تشریح شده است. نتایج این مقاله در طراحی بهینه توربینهای تولید برق از انرژی امواج مؤثر میباشند.
امواج در اثر انتقال انرژی از باد به دریا به وجود میآیند. نرخ این انتقال انرژی بستگی به سرعت باد و مسافتی دارد که در طول آن باد با سطح آب در تماس است. قدرت موج بر حسب کیلوولت بر متر میباشد که بیانگر نرخ انتقال انرژی از عرض یک مسیر معینی به طول یک متر و موازی با جبهه موج میباشد.
بالاترین دانسیته انرژی امواج در سواحلی که در معرض میدان وزش بادهای طولانی و مستمر قرار دارند به وجود میآید. علیرغم پوشش بیش از دو سوم کره زمین توسط دریاها و وجود سواحل گسترده و مساعد جهت استحصال انرژی کلان نهفته در امواج نیرومند دریاها متأسفانه بشر نتوانسته است به صورت بایستهای از این منبع عظیم انرژی بهرهبرداری نماید.
در طی قرن اخیر، ایده استحصال انرژی از امواج کماکان به صورت پراکنده مطرح بوده است ولی عملاً در راستای این امر در دهه ۱۹۷۰ تعدادی از کشورها از جمله انگلستان، آمریکا، هندوستان، ژاپن، ایرلند و کانادا پروژههایی غالباً در سطوح آزمایشی و تحقیقاتی راهاندازی نمودهاند. آنچه باعث تفکیک سیستمهای تبدیل انرژی امواج میگردد مبتنی بر روشی است که توربین امواج را به حرکت در میآورد [۲ ـ ۱]. این روشها عبارتند از: بالا و پایین رفتن (Heaving)، بالا و پایین رفـــتــن و غــلتیــــدن (Heaving & Pitching)، غلــتیـــدن و نوســـان ستــــون آب (Osciallating Water Column) و پسزنی (Surge).
یک سیستم تبدیل انرژی امواج را میتوان به سه بخش ایجاد حرکت، توربین و بخش ژنراتور الکتریکی تفکیک نمود. بخش تحرک که موجب حرکت توربین میشود متناسب با روشهای چهارگانه فوقالذکر دارای اشکال و سازههای مختلفی میباشد ولی عموماً روش ستون نوسانگر آب یا OWC روشی است که در اغلب پروژههای بهرهبرداری از انرژی امواج عمل جذب انرژی امواج، جهت انتقال به توربین را عهدهدار میباشد.
از جمله نیروگاههای برق امواج از نوع OWC، نیروگاههای ۷۵، ۱۵۰ و ۵۰ کیلوواتی میباشند که به ترتیب در کشورهای انگلیس، هند و ژاپن به عنوان پروژههای تحقیقاتی و آزمایشی احداث و راه اندازی شدهاند. در این مقاله نیروگاه ۱۵۰ کیلوواتی مستقر در بندر ویزینجام واقع در استان کرلا کشور هندوستان که نگارنده در تحقیقات و طراحی بخش الکتریکی آن مشارکت داشته است به عنوان مدل پروژه این کار تحقیقاتی مورد بررسی و تحلیل قرار میگیرد.
۲ ـ مدل پروژه توربین برق امواج
این پروژه تحقیقاتی توسط بخش بهرهبرداری و توسعه اقیانوسهای هندوستان اجرا شده است. بخشهای الکتریکی پروژه توسط گروه ماشینهای الکتریکی دانشکده برق و الکتریک " IIT ” دهلی برنامهریزی و طراحی شده است. اولین ژنراتور القایی جهت تبدیل نیروی امواج با ظرفیت ۱۵۰ کیلووات توسط گروه مزبور و با تحقیق نگارنده در سال ۱۹۹۴ طراحی گردید و متعاقباً این ژنراتور طبق مشخصات طراحی شده توسط کمپانی کیلسکر هندوستان ساخته شد. در حال حاضر نیروگاه مزبور با موفقیت کامل تحت بهرهبرداری میباشد. شکل شماره (۲) اسکلت این واحد نیروگاه برق امواج را نشان میدهد. مشخصات بخشهای مختلف این نیروگاه به شرح زیر میباشند:
۱ ـ ۲ ـ محرک و توربین پروژه
توربین به کار گرفته در این پروژه از نوع توربین ”ولز" میباشد. این توربین به روش OWC به حرکت در میآید.
در اینجا حفرهای که از قسمت پایین باز است، در مسیر حرکت موج قرار میگیرد. نیروی امواج که به صورت تواتری به حداکثر و حداقل میرسد باعث انقباض و انبساط (رفت و برگشت) هوا در محفظه قسمت بالای حفره شده و جریان هوا با حرکت تواتری مشابهی از دهانه بالایی حفره عبور مینماید. سپس جریان دوطرفه وارد توربین ولز شده و آن را به حرکت در میآورد. توربین ولز به عنوان توربین یکسو کننده جریان هوا عمل مینماید و تحت جریان ورودی دوطرفه چرخش توربین کماکان در یک جهت باقی میماند. تیغههای توربین ولز نسبت به صفحه دوران دارای پروفیل قرینه و متقارن بوده و در طول شعاع بدون پیچش میباشند. بنابراین طول وتر در سرتاسر تیغه ثابت است و سطح جاروب تیغهها حدوداً ۶۰% سطح حلقوی توربین میباشد. حداکثر راندمان توربین ۶۰ درصد است و تأمین این راندمان تحت زاویه حمله بسیار کوچک حدود ۱۰ الی ۱۵ درجه امکان پذیر میباشد.
۲ ـ ۲ ـ ژنراتور پروژه
در کنار گزینهای که آیا ژنراتور پروژه متصل به شبکه و یا مستقل از شبکه باشد، انتخاب ژنراتور از نوع جریان متناوب و جریان مستقیم و یا حتی در حالت متناوب نوع آسنکرون و سنکرون آن از جمله مباحث مطرح در این گونه پروژهها میباشند. ژنراتور جریان مستقیم هرچند از پایداری خوبی برخوردار میباشد ولی به علت قیمت بالا و هزینه سرویس و نگهداری بالاتر از رده انتخاب خارج است. با توجه به اینکه توربین و محرک ژنراتور به علت نیروی متغیر امواج دارای سرعتی متواتر و متغیر میباشد لذا کاربری ژنراتور سنکرون باعث تولید فرکانس متغیر میشود که جهت رفع آن بایستی یک مبدل تنظیم فرکانس (Frequency Convertor) و یا وارونگر سرعت متغیر و فرکانس ثابت (VSCF) به مدار اضافه گردد.
مضافاً اینکه به کار گرفتن روش اتوماتیک جهت سنکرون نمودن خروجی ژنراتور به شبکه و نیز یک منبع جریان مستقیم برای تأمین جریان میدان مغناطیسی لازم میباشد. وجود حلقههای اصطکاک و جاروبکها در ژنراتور سنکرون، قطعات مضاعفی هستند که مستلزم سرویس و نگهداری میباشند. در صورتی که ژنراتور آسنکرون، ضمن عاری بودن از مسائل فوقالذکر الکتریسته تبدیل شده را مستقیماً به شبکه تزریق مینماید و دارای بدنهای مقاوم و مساعد برای محیطهای دارای شرایط سخت نظیر سواحل دریایی میباشد. شبکه متصل به ژنراتور القایی ضمن تأمین ولتاژ و فرکانس، نیروی رآکتیو مورد نیاز ژنراتور را نیز تأمین مینماید و تخلیه نیروی رآکتیو از شبکه به خصوص در نیروگاههای برق امواج متمرکز نبوده و در مساحت وسیعی به موازات ساحل گسترده میباشند و لذا برای شبکه مشکلساز نخواهند گردید.
به خصوص در مورد نیروگاههایی در ظرفیت مدل پروژه، تخلیه نیروی رآکتیو زیاد مؤثر نبوده ولی به هر حال بکار گرفتن خازن مهارکننده تخلیه توان رآکتیو امری است پیشگیرنده و اجتنابناپذیر که غالباً به همراه ژنراتورهای القایی کاربرد دارد. معالوصف، ژنراتور القایی مورد استفاده در نیروگاه برق امواج نمیتواند از نوع الکتروموتورهای معمول باشد و باید برخوردار از شرایط خاصی به شرح زیر باشد:
- در شرایط قطع شبکه نیروی سیستم به صفر میرسد در حالی که توربین شتاب داشته و امکان وقوع حالت سرعت مضاعف و تا حد دو برابر سرعت سنکرون بعید نمیباشد. بنابراین ژنراتور بایستی طوری طراحی گردد که روتور آن قادر به تحمل سرعتی درحد دو برابر سرعت سنکرون باشد.
- بدنه ژنراتور باید طوری طراحی گردد (طبق استاندارد IP-۵۵) که قادر به محافظت بخشهای داخلی از رطوبت بالای حاکم بر محیطهای دریایی و حتی مقاوم در برابر ریزش آب باشد.
- با توجه به اینکه توربین نیروگاه برق امواج دارای شافت عمودی میباشد بنابراین فلانچ شافت عمودی لازم است.
- به علت شرایط کاری نامساعد، احتمال گرم شدن ژنراتور از حد مجاز زیاد است لذا ژنراتور باید در کلاس F و حرارت محیط ۴۵ درجه سانتیگراد باشد.
- عموماً عملکرد ژنراتور القایی در محدوده تعریش منفی (Slip) صفر الی ۱۰% پایدار میماند ولی در ژنراتور نیروگاه برق امواج به دلیل تغییرات زیاد در سرعت توربین باید برخوردار از محدوده بالاتری از تعریش باشد. برای مثال محدوده توان خروجی پایدار برای ژنراتور مدل پروژه باید در حد ۲۰ الی ۱۵۰ کیلووات کارآیی داشته باشد.
- ژنراتور بایستی متناسب با مشخصات توربین امواج طراحی و ساخته شود.
توجه: برق نیوز اقدام انتشار مقالات علمی برق نموده است. ممکن است آمارها و مطالب ارائه شده قدیمی باشد.
تغییرات در توان ژنراتور مزبور متأثر از طول موج و نوسانات فصلی در امواج دریا میباشد که موجب نوسانات زودگذر ولی قابل توجهی در بازدهی ژنراتور میگردد. نوسانات مزبور تحت عنوان حالت ترانزیت تواتری، مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است و منحنی مختصات هر یک تشریح شده است. نتایج این مقاله در طراحی بهینه توربینهای تولید برق از انرژی امواج مؤثر میباشند.
امواج در اثر انتقال انرژی از باد به دریا به وجود میآیند. نرخ این انتقال انرژی بستگی به سرعت باد و مسافتی دارد که در طول آن باد با سطح آب در تماس است. قدرت موج بر حسب کیلوولت بر متر میباشد که بیانگر نرخ انتقال انرژی از عرض یک مسیر معینی به طول یک متر و موازی با جبهه موج میباشد.
بالاترین دانسیته انرژی امواج در سواحلی که در معرض میدان وزش بادهای طولانی و مستمر قرار دارند به وجود میآید. علیرغم پوشش بیش از دو سوم کره زمین توسط دریاها و وجود سواحل گسترده و مساعد جهت استحصال انرژی کلان نهفته در امواج نیرومند دریاها متأسفانه بشر نتوانسته است به صورت بایستهای از این منبع عظیم انرژی بهرهبرداری نماید.
در طی قرن اخیر، ایده استحصال انرژی از امواج کماکان به صورت پراکنده مطرح بوده است ولی عملاً در راستای این امر در دهه ۱۹۷۰ تعدادی از کشورها از جمله انگلستان، آمریکا، هندوستان، ژاپن، ایرلند و کانادا پروژههایی غالباً در سطوح آزمایشی و تحقیقاتی راهاندازی نمودهاند. آنچه باعث تفکیک سیستمهای تبدیل انرژی امواج میگردد مبتنی بر روشی است که توربین امواج را به حرکت در میآورد [۲ ـ ۱]. این روشها عبارتند از: بالا و پایین رفتن (Heaving)، بالا و پایین رفـــتــن و غــلتیــــدن (Heaving & Pitching)، غلــتیـــدن و نوســـان ستــــون آب (Osciallating Water Column) و پسزنی (Surge).
یک سیستم تبدیل انرژی امواج را میتوان به سه بخش ایجاد حرکت، توربین و بخش ژنراتور الکتریکی تفکیک نمود. بخش تحرک که موجب حرکت توربین میشود متناسب با روشهای چهارگانه فوقالذکر دارای اشکال و سازههای مختلفی میباشد ولی عموماً روش ستون نوسانگر آب یا OWC روشی است که در اغلب پروژههای بهرهبرداری از انرژی امواج عمل جذب انرژی امواج، جهت انتقال به توربین را عهدهدار میباشد.
از جمله نیروگاههای برق امواج از نوع OWC، نیروگاههای ۷۵، ۱۵۰ و ۵۰ کیلوواتی میباشند که به ترتیب در کشورهای انگلیس، هند و ژاپن به عنوان پروژههای تحقیقاتی و آزمایشی احداث و راه اندازی شدهاند. در این مقاله نیروگاه ۱۵۰ کیلوواتی مستقر در بندر ویزینجام واقع در استان کرلا کشور هندوستان که نگارنده در تحقیقات و طراحی بخش الکتریکی آن مشارکت داشته است به عنوان مدل پروژه این کار تحقیقاتی مورد بررسی و تحلیل قرار میگیرد.
۲ ـ مدل پروژه توربین برق امواج
این پروژه تحقیقاتی توسط بخش بهرهبرداری و توسعه اقیانوسهای هندوستان اجرا شده است. بخشهای الکتریکی پروژه توسط گروه ماشینهای الکتریکی دانشکده برق و الکتریک " IIT ” دهلی برنامهریزی و طراحی شده است. اولین ژنراتور القایی جهت تبدیل نیروی امواج با ظرفیت ۱۵۰ کیلووات توسط گروه مزبور و با تحقیق نگارنده در سال ۱۹۹۴ طراحی گردید و متعاقباً این ژنراتور طبق مشخصات طراحی شده توسط کمپانی کیلسکر هندوستان ساخته شد. در حال حاضر نیروگاه مزبور با موفقیت کامل تحت بهرهبرداری میباشد. شکل شماره (۲) اسکلت این واحد نیروگاه برق امواج را نشان میدهد. مشخصات بخشهای مختلف این نیروگاه به شرح زیر میباشند:
۱ ـ ۲ ـ محرک و توربین پروژه
توربین به کار گرفته در این پروژه از نوع توربین ”ولز" میباشد. این توربین به روش OWC به حرکت در میآید.
در اینجا حفرهای که از قسمت پایین باز است، در مسیر حرکت موج قرار میگیرد. نیروی امواج که به صورت تواتری به حداکثر و حداقل میرسد باعث انقباض و انبساط (رفت و برگشت) هوا در محفظه قسمت بالای حفره شده و جریان هوا با حرکت تواتری مشابهی از دهانه بالایی حفره عبور مینماید. سپس جریان دوطرفه وارد توربین ولز شده و آن را به حرکت در میآورد. توربین ولز به عنوان توربین یکسو کننده جریان هوا عمل مینماید و تحت جریان ورودی دوطرفه چرخش توربین کماکان در یک جهت باقی میماند. تیغههای توربین ولز نسبت به صفحه دوران دارای پروفیل قرینه و متقارن بوده و در طول شعاع بدون پیچش میباشند. بنابراین طول وتر در سرتاسر تیغه ثابت است و سطح جاروب تیغهها حدوداً ۶۰% سطح حلقوی توربین میباشد. حداکثر راندمان توربین ۶۰ درصد است و تأمین این راندمان تحت زاویه حمله بسیار کوچک حدود ۱۰ الی ۱۵ درجه امکان پذیر میباشد.
۲ ـ ۲ ـ ژنراتور پروژه
در کنار گزینهای که آیا ژنراتور پروژه متصل به شبکه و یا مستقل از شبکه باشد، انتخاب ژنراتور از نوع جریان متناوب و جریان مستقیم و یا حتی در حالت متناوب نوع آسنکرون و سنکرون آن از جمله مباحث مطرح در این گونه پروژهها میباشند. ژنراتور جریان مستقیم هرچند از پایداری خوبی برخوردار میباشد ولی به علت قیمت بالا و هزینه سرویس و نگهداری بالاتر از رده انتخاب خارج است. با توجه به اینکه توربین و محرک ژنراتور به علت نیروی متغیر امواج دارای سرعتی متواتر و متغیر میباشد لذا کاربری ژنراتور سنکرون باعث تولید فرکانس متغیر میشود که جهت رفع آن بایستی یک مبدل تنظیم فرکانس (Frequency Convertor) و یا وارونگر سرعت متغیر و فرکانس ثابت (VSCF) به مدار اضافه گردد.
مضافاً اینکه به کار گرفتن روش اتوماتیک جهت سنکرون نمودن خروجی ژنراتور به شبکه و نیز یک منبع جریان مستقیم برای تأمین جریان میدان مغناطیسی لازم میباشد. وجود حلقههای اصطکاک و جاروبکها در ژنراتور سنکرون، قطعات مضاعفی هستند که مستلزم سرویس و نگهداری میباشند. در صورتی که ژنراتور آسنکرون، ضمن عاری بودن از مسائل فوقالذکر الکتریسته تبدیل شده را مستقیماً به شبکه تزریق مینماید و دارای بدنهای مقاوم و مساعد برای محیطهای دارای شرایط سخت نظیر سواحل دریایی میباشد. شبکه متصل به ژنراتور القایی ضمن تأمین ولتاژ و فرکانس، نیروی رآکتیو مورد نیاز ژنراتور را نیز تأمین مینماید و تخلیه نیروی رآکتیو از شبکه به خصوص در نیروگاههای برق امواج متمرکز نبوده و در مساحت وسیعی به موازات ساحل گسترده میباشند و لذا برای شبکه مشکلساز نخواهند گردید.
به خصوص در مورد نیروگاههایی در ظرفیت مدل پروژه، تخلیه نیروی رآکتیو زیاد مؤثر نبوده ولی به هر حال بکار گرفتن خازن مهارکننده تخلیه توان رآکتیو امری است پیشگیرنده و اجتنابناپذیر که غالباً به همراه ژنراتورهای القایی کاربرد دارد. معالوصف، ژنراتور القایی مورد استفاده در نیروگاه برق امواج نمیتواند از نوع الکتروموتورهای معمول باشد و باید برخوردار از شرایط خاصی به شرح زیر باشد:
- در شرایط قطع شبکه نیروی سیستم به صفر میرسد در حالی که توربین شتاب داشته و امکان وقوع حالت سرعت مضاعف و تا حد دو برابر سرعت سنکرون بعید نمیباشد. بنابراین ژنراتور بایستی طوری طراحی گردد که روتور آن قادر به تحمل سرعتی درحد دو برابر سرعت سنکرون باشد.
- بدنه ژنراتور باید طوری طراحی گردد (طبق استاندارد IP-۵۵) که قادر به محافظت بخشهای داخلی از رطوبت بالای حاکم بر محیطهای دریایی و حتی مقاوم در برابر ریزش آب باشد.
- با توجه به اینکه توربین نیروگاه برق امواج دارای شافت عمودی میباشد بنابراین فلانچ شافت عمودی لازم است.
- به علت شرایط کاری نامساعد، احتمال گرم شدن ژنراتور از حد مجاز زیاد است لذا ژنراتور باید در کلاس F و حرارت محیط ۴۵ درجه سانتیگراد باشد.
- عموماً عملکرد ژنراتور القایی در محدوده تعریش منفی (Slip) صفر الی ۱۰% پایدار میماند ولی در ژنراتور نیروگاه برق امواج به دلیل تغییرات زیاد در سرعت توربین باید برخوردار از محدوده بالاتری از تعریش باشد. برای مثال محدوده توان خروجی پایدار برای ژنراتور مدل پروژه باید در حد ۲۰ الی ۱۵۰ کیلووات کارآیی داشته باشد.
- ژنراتور بایستی متناسب با مشخصات توربین امواج طراحی و ساخته شود.
برای دانلود فایل کامل لینک زیر را کلیک نمایید
توجه: برق نیوز اقدام انتشار مقالات علمی برق نموده است. ممکن است آمارها و مطالب ارائه شده قدیمی باشد.
لینک کوتاه
از ارسال دیدگاه های نا مرتبط با متن خبر، تکرار نظر دیگران، توهین به سایر کاربران و ارسال متن های طولانی خودداری نمایید.
لطفا نظرات بدون بی احترامی، افترا و توهین به مسئولان، اقلیت ها، قومیت ها و ... باشد و به طور کلی مغایرتی با اصول اخلاقی و قوانین کشور نداشته باشد.
در غیر این صورت، «برق نیوز» مطلب مورد نظر را رد یا بنا به تشخیص خود با ممیزی منتشر خواهد کرد.