در سالهای اخیر استفاده از منابع انرژی تجدید پذیر برای تولید انرژی الکتریکی بسیار رواج یافته است. یکی از این منابع انرژی تجدید پذیر برای تولید انرژی الکتریکی انرژی باد است. انرژی باد دارای دو مزیت اساسی است این انرژی رایگان است و هیچ آلودگی زیست محیطی ندارد. در برخی از کشورها مزارع بادی فراساحلی بسیار گسترش یافته است.انرژی باد فراساحلی برای کشورهایی مناسب است که تراکم جمعیت بالایی دارند و پیدا کردن مکان مناسب برای نصب برج توربین بادی بر روی سطح زمین برای آن پیچیده است . هزینه های ساخت این مزارع بادی فراساحلی بیشتر بوده ولی از طرفی میزان تولید انرژی نیز بیشتر است. می توانید این پروژه مهندسی برق را به صورت فایل word دانلود نمایید.
مقدمه
قوي ترين و مداوم ترين باد در ارتفاع 10 كيلومتري از سطح زمين مي وزد كه با نام جريان جت شناخته مي شود. اين در حاليست كه توربين هاي باد تا ارتفاع 150 متري محدود مي باشند باد در اين محدوده بشدت تحت تاثير اصطكاك سطح زمين است و در نتيجه سرعت باد كمتر از ارتفاعات بالاتر است. ارتفاع كمتر از 1000 متر كه تحت تاثير اصطكاك سطح زمين مي باشد لايه مرزي ناميده مي شود. عموما سرعت باد بطور ثابت متناسب با ارتفاع افزايش مي يابد و سرعت باد در سطح زمين صفر است.پس از آزمايشات عملي فراوان مهندسان به اين نتيجه رسيده اند كه ميانگين سرعت باد براي به صرفه بودن تبديل انرژي باد به برق حدود 23 كيلومتر در ساعت است.
راندمان توربین های بادي 30 تا 40 درصد ميباشد كه از نيروگاههاي فسيلي با راندمان 30 تا 35 درصد بالا تر است ولي بهرهوري آنها به ميزان و سرعت باد بستگي دارد. يعني اينكه يك توربين بادي نميتواند در طول سال به طور 24 ساعته كار كند و اين يك نقطه ضعف است.
تا زمانی که سرعت باد ثابت نباشد تولید سالیانه انرژی الکتریکی توسط نیروگاه بادی هرگز برابر حاصلضرب توان تولیدی نامی در مجموع ساعت کار آن در یک سال نخواهد شد. نسبت میزان توان حقیقی تولید شده توسط نیروگاه و ماکزیمم ظرفیت تولیدی نیروگاه را ضریب ظرفیت می‌نامند. یک نیروگاه بادی نصب شده در یک محل مناسب در ساحل ضریب ظرفیتی سالیانه‌ای در حدود ۳۵٪ دارد.
برعکس نیروگاه‌های سوختی ضریب ظرفیت در یک نیروگاه بادی به شدت به خصوصیات ذاتی باد وابسته‌است. ضریب ظرفیت در انواع دیگر نیروگاه‌ها معمولا به بهای سوخت و زمان مورد نیاز برای انجام عملیات تعمیر بستگی دارد.
از آنجایی که نیروگاه‌های هسته‌ای دارای هزینه سوخت نسبتاً پایینی هستند بنابراین محدویت‌های مربوط به تامین سوخت این نیروگاه‌ها نسبتاً پایین است که این خود ضریب ظرفیت این نیروگاه‌ها را به حدود ۹۰٪ می‌رساند. نیروگاه‌هایی که از توربین‌های گاز طبیعی برای تولید انرژی الکتریکی استفاده می‌کنند به علت پر هزینه بودن تامین سوخت معمولاً تنها در زمان اوج مصرف به تولید می‌پردازند. به همین دلیل ضریب ظرفیت این توربین‌ها پایین بوده و معمولا بین ۵-۲۵٪ می‌باشد.
ضرورت انجام تحقیق
منابع تولید پراکنده علیرغم مزایای منحصر به فرد آن مانند نداشتن هزینه سوخت اولیه و نداشتن آلودگی محیط زیست ، دارای مشکلات عدم قطعیت تولید و تغییر پذیری توان خروجی با توجه به پروفایل سرعت متغیر باد می باشد. از آنجا که توان خروجی توربین بادی با مکعب سرعت باد رابطه دارد با تغییر اندکی در سرعت باد ، توان خروجی توربین بادی تغییرات زیادی پیدا می کند. این تغییر پذیری و نوسانات زیاد توان خروجی توربین بادی موجب خواهد شد که اپراتورهای شبکه در صورت ضریب نفوذ بالای توربین بادی در شبکه نتوانند پیش بینی صحیحی از میزان تولید در برنامه ریزی کوتاه مدت و بلند مدت شبکه انجام دهند که این موضوع منجر به مشکلاتی در کنترل فرکانس و کنترل ولتاژ شبکه خواهد شد. بنابراین ارائه یک راه حل مناسب و اثبات کارایی آن مانند استفاده از ذخیره ساز های انرژی برای حل این معضل از ضرورت و اهمیت فراوانی برخوردار است.
انواع توربین های بادی از نظر تنظیم سرعت
انواع توربین های بادی از نظر تنظیم سرعت عبارتند از :
1-نوع A سرعت ثابت
2-نوع B سرعت متغیر (با مقاومت روتور)
3-نوع C با تغذیه دوبل و سرعت متغیر
4-نوع D –سرعت متغیر دارای مبدل با توان نامی
از نقطه نظر الکتریکی چهار نوع اصلی توربین بادی وجود دارد :
1-ژنراتور القایی با مقاومت روتور ثابت
2-ژنراتور القایی با مقاومت روتور متغیر
3-ژنراتور القایی دوبل تغذیه
4-ژنراتورهای با مبدل کامل که نوع ژنراتور می تواند سنکرون یا القایی باشد .
بیشتر توربین های بادی جدید از نوع سوم و چهارم هستند.
انواع تکنولوژی های ذخیره سازی انرژی الکتریکی
ذخیره سازهای مختلف می توانند بر حسب موارد مختلفی تقسیم بندی شوند مثلا بر اثر زمان شارژ و دشارژ انرژی به زمان کوتاه (short term) ، زمان متوسط (mid term) و زمان طولانی (long term) . هم چنین می توانن بر حسب سرعت پاسخ دینامیکی به ذخیره ساز سریع یا کند تقسیم شوند. یکی از دسته بندی ها برای ذخیره ساز انرژی بر حسب تکنولوژی ذخیره سازی انرژی است که می تواند به سه دسته مکانیکی ، شیمیایی ، الکترومغناطیسی تقسیم شوند.
باتری ها
باتری ها با دو دسته باتری های قابل شارژ و باتری های غیر قابل شارژ تقسیم بندی می شوند. قدیمی ترین باتری های قابل شارژ که در سال 1859 اختراع شد باتری های سرب اسید هستند که در خودروهای بنزینی برای راه اندازی موتور کاربرد گسترده دارند.
ولتاژ نامی سلول باتری سرب اسید 2 ولت بوده و می تواند در دمای 5- درجه تا 40 درجه کار کند. چگالی انرژی مخصوص این خودروها پایین و در حد 25 وات ساعت بر کیلوگرم می باشد. همچنین باتری های به نام نیکل آهن (NiFe) ، نیکل کادمیم (NiCd) و نیکل متال هایدرید (NiMH) نیز وجود دارند که در دسته باتری های آلکالین قرار می گیرند . این باتری ها از از اکسید نیکل برای کاتد و هیدروکسید پتاسیوم برای الکترولیت استفاده می کنند. باتری نیکل آهن به خاطر راندمان الکتریکی پایین آن خیلی برای ذخیره سازی انرژی الکتریکی مناسب نیست .همچنین دارای ویژگی دشارژ خود به خودی می باشد. در عوض باتری های نیکل کادمیوم به طور گسترده ای در کاربرد های پرتابل و ساکن استفاده می شوند و در مقایسه با سرب اسید دارای ویژگی های برتری مانند چگالی انرژی بالا 60 وات ساعت بر کیلوگرم و طول عمر طولانی (1500-3000 سیکل) می باشد. همچنین باتری های دیگری مانند لیتیوم یون و ... نیز وجود دارند.
خازن ها و ابر خازن ها
خازن ها و ابرخازن ها شامل دو الکترود فلزی هستند که به وسیله عایق از هم جداشده اند. انرژی ذخیره شده در خازن ها در نتیجه بروز میدان الکتریکی است به طوری که با اعمال اختلاف ولتاژ بین دو الکترود بوجود می آید. خازن ها نسبت به باتری خیلی سریع شارژ می شوند و چگالی توان بالاتری دارند. نقطه ضعف آنها در مقابل باتری ها این است که نرخ دشارژ خود به خودی آن ها بالاست و چگالی انرژی پایینی دارند. ابر خازن ها ، خازن هایی با ظرفیت انرژی بالا هستند که نقاط قوت باتری و خازن را با همدیگر دارا می باشند.
انتخاب نوع ذخیره ساز هیبرید مناسب برای توربین بادی
همان طور که بیان شد سیستم های ذخیره ساز انرژی برای توربین های بادی می توانند انرژی مازاد اضافی توربین بادی را جذب کرده و در زمان لازم این انرژی را در شبکه تخلیه کنند. بنابراین سیستم های ذخیره ساز انرژی ، تنظیم توان خروجی الکتریکی را برعهده دارند. ذخیره ساز انرژی الکتریکی می تواند از طریق مستقیم یا غیر مستقیم (با استفاده از مبدل dc-dc) به سیستم توربین بادی متصل شود. در توربین های بادی نوع D ، ذخیره ساز انرژی به ترمینال خروجی توربین بادی یا به لینک dc توربین بادی متصل می شود. هر کدام از ذخیره سازهای انرژی یک مزیت و یک عیبی را دارند و برای مشکل خاصی در شبکه قدرت یا سایر کاربردها به کار می روند.مثلا ذخیره ساز انرژی باتری دارای چگالی انرژی بالا و چگالی توان کم می باشد. از طرفی ذخیره ساز انرژی ابرخازن دارای چگالی توان بالا و چگالی انرژی کم می باشد. بنابراین با طراحی یک سیستم ترکیبی ذخیره سازشامل باتری و ابرخازن می توان مزایای هر دو ذخیره ساز را باهم داشت و معایت آن ها نیز حذف می گردد. به همین دلیل در این پایان نامه از ذخیره ساز ترکیبی ابرخازن و باتری برای کاهش نوسانات توربین بادی استفاده شده است.
وضعیت ذخیره سازی انرژی در جهان
اطلاعات آماری مختلفی در مورد میزان ظرفیت ذخیره سازی انرژی الکتریکی در سیستم های امروزی انرژی وجود دارد. علی رغم گستردگی و نبود اطلاعات در دسترس، تلاش هایی برای گردآوری بانک اطلاعاتی جامع که گویای وضعیت کنونی ذخیره سازی در دنیا باشد انجام شده است. تعیین حداقل انرژی ذخیره سازی شده توسط برخی از تکنولوژی های ذخیره سازی در برخی از کشورها شامل ایالات متحده، ژاپن و برخی از مناطق اروپا به سادگی قابل انجام است. در این موارد اطلاعات مورد نیاز در سیستم های ذخیره سازی مقیاس بالای متصل به شبکه قابل دسترسی می باشد.
فصل اول – کلیات تحقیق ..................................................................................................... 3
· مقدمه
· بیان مسئله اساسی تحقیق
· ضرورت انجام تحقیق
· جنبه های نوآوری و مشارکت این پایان نامه
· هدف از انجام این پایان نامه
فصل دوم - پشتوانه تحلیلی و اصول تولید توان در توربین بادی .................................................... 9
· مروری بر کارهای گذشته
· معادلات حاکم بر ژنراتورهای توربین بادی
· معادلات تحلیلی حاکم بر ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم
· معادلات تحلیلی حاکم بر ژنراتور القایی دوبل تغذیه
· انواع توربین های بادی از نظر تنظیم سرعت
· تشریح عملکرد توربین های بادی سرعت ثابت (نوع A)
· مزایای توربین بادی سرعت ثابت
· معایب توربین های بادی سرعت ثابت
· تشریح عملکرد توربین های بادی سرعت متغیر
· مزایای توربین بادی سرعت متغیر
· معایب توربین بادی سرعت متغیر
· توربین بادی با سرعت متغیر محدود
· توربین بادی سرعت متغیر نوعC
· توربین بادی سرعت متغیر نوع D با مبدل کامل
فصل سوم - بررسی سیستم های ذخیره ساز انرژی وتبیین ایده پیشنهادی............................................... 30
· مقدمه
· انواع تکنولوژی های ذخیره سازی انرژی الکتریکی
· ذخیره ساز انرژی نوع تلمبه ذخیره ای
· تکنولوژی ذخیره سازی انرژی هوای فشرده
· ذخیره ساز انرژی چرخ طیار
· باتری ها
· خازن ها و ابر خازن ها
· ذخیره ساز ابررسانای انرژی مغناطیسی (SMES)
· مقایسه فنی و اقتصادی انواع ذخیره ساز های انرژی
· انتخاب نوع ذخیره ساز هیبرید مناسب برای توربین بادی
· وضعیت ذخیره سازی انرژی در جهان
· ذخیره سازها و انرژی تجدید پذیر
· معادلات حاکم برای اجرای ایده پیشنهادی
فصل چهارم – مدلسازی و شبیه سازی سیستم تحت مطالعه و تحلیل نتایج.............................................. 50
· مقدمه
· تشریح سیستم تحت مطالعه
· ارائه نتایج شبیه سازی بدون حضور ذخیره ساز
· ارائه نتایج شبیه سازی با حضور ذخیره ساز
فصل پنجم-نتیجه گیری و پیشنهادات.................................................................................. 67
مراجع ......................................................................................................................... 70