نقش ژنراتور القایی در توربین برق امواج
خلاصه
در این مقاله از سایت دوار ماشین پارس 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 توربین های تولید برق از انرژی امواج مؤثر می باشند.
مقدمه مقاله توربین برق امواج
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 [۲ـ۱]. این روشها عبارتند از: بالا و پایین رفتن (Heaving)، بالا و پایین رفتن و غلتیدن (Heaving & Pitching)، غلتیدن و نوسان ستون آب (Osciallating Water Column) و پسزنی (Surge) .
سیستم تبدیل انرژی امواج
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.
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:
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 .
Fig.1 Principle of oscillating water column wave energy converter
Fig.2 Cross section of the proptotype
اصول کار OWC
اصول کار OWC در شکل شماره (۱) نشان داده شده است. 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.
تیغه های 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 .جدول شماره (۱) مشخصات فیزیکی این توربین را نشان میدهد.
جدول مشخصات توربین برق امواج
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.
تخلیه نیروی رآکتیو
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-55 ) 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.
مشخصات ژنراتور القایی به کار گرفته در نیروگاه مدل پروژه به شرح جدول (۲) می باشد.
عملکرد نیروگاه
به عنوان یک پروژه آزمایشی و به علت عدم دسترسی به آمار و اطلاعات عملی و متقن پیرامون عملکرد این گونه نیروگاهها وجود یک سیستم کنترل رایانهای جهت اندازهگیری و ثبت آمار و اطلاعات در مورد پارامترهای نیروگاه از مشخصات امواج گرفته تا مؤلفههای الکتریکی از ضروریات این پروژه میباشد.اختلال در عملکرد نیروگاه (ژنراتور القایی) به دلیل عدم ثبات و پایداری پارامترهای شبکه متصله از معضلاتی است که عموماً ژنراتورهای القایی متصل به شبکه چه در نیروگاه برق بادی و یا امواج با آن مواجه میباشند و این امور قبلاً توسط نگارنده مورد بررسی و تحقیق واقع شده اند [۵ـ۳] .از جمله مسایل مستثنایی که خاص نیروگاههای برق امواج میباشد حالت حداقل و حداکثر نیرو و خصوصیت تواتری نیروی ورودی ژنراتور القایی میباشد.
در یک دور ( سیکل ) به علت عوض شدن جهت، دو بار جریان هوا از حرکت بازمانده و نیروی حاصله به صفر میرسد. از آنجایی که نیروی تولید شده توسط توربینهای بادی نسبت مستقیم با مکعب سرعت هوا دارد، بنابراین بازدهی توربین نیز به صورت تواتری در نوسان خواهد بود. برای بررسی عملکرد ژنراتور تحت این گونه نوسانات لازم است معادلات دینامیکی در شرایط ترانزیت را به شرح زیر حل نمود.
مدل ریاضی و رایانهای
معادلات دینامیکی یک الکتروموتور القایی سه فاز [۷ـ۶] عبارتند از :
معادله شماره (۱)، مشتقبرداری شدت جریان برحسب پارامترهای الکتروموتور، سرعت و ولتاژ ترمینال میباشد. معادله شماره (۲) گشتاور الکترومکانیکی است که به ازای مؤلفههای شدت جریان و برحسب واحد مبنا (Per Unit) محاسبه میشود. سپس میتوان مشتق سرعت را از موازنه گشتاور مکانیکی تحت معادله زیر به دست آورد.
معادلات دینامیکی
معادلات دینامیکی (۳-۱) برای مطالعه و بررسی کلیه حالات ترانزیت به کار گرفته میشوند که البته در این محاسبات عوامل اشباع مغناطیسی، تلفات هستهای، پدیده پوستهای و اثر هارمونیکی در نظر گرفته نشده است و کلیه پارامترها غیرمتغیر و ثابت میباشند. در اینجا مؤلفههای شدت جریان یعنی Isx, Isy, irx, iry و سرعت متغیرهای وابسته سیستم میباشند که بردار مشتقشان برحسب متغیرهای مزبور، پارامترهای سیستم، ولتاژ ورودی و متغیر مستقل توسط معادلات (۳-۱) پس از مشخص شدن میزان اولیه مؤلفههای ولتاژ یعنی Vsx, Vsy به دست میآید.
مطالعات ترانزیت در ژنراتورهای القایی در حالات استارت، سوئیچ مجدد، اتصال لحظهای و غیره که غالباً در کاربری ژنراتور القایی در توربینهای برق بادی و توربینهای آبی کوچک حادث میشوند توسط نگارنده در مقالات قبلی به چاپ رسیده است که در مورد توربین برق امواج نیز صادق میباشند [۶ـ۴]. مسئله جدید و جدی که در رابطه با توربین برق امواج با آن مواجه هستیم طبیعت تواتری انرژی امواج میباشد که در این مقاله این نوع ترانزیت مورد بررسی قرار میگیرد.
Fig.3. Pulsating input torque characteristics for the wave energy sysytem
(a) Current and speed transients.
(b) Transient in input and output power
Fig. 4(a-b) Transient response of the wave model by the pulsating wave torque
حالت پالسی انرژی امواج
از بزرگترین موانع و مسائل مربوط به نیروگاه برق امواج که احتمالاً دلیلی بر علل عدم توسعه بهرهبرداری از انرژی امواج میتواند باشد، حالت تواتری و ضربهای حرکت امواج است که نیروی حاصله در هر سیکل ۸ الی ۱۰ ثانیهای (یک حرکت رفت و برگشت) دومرحله به حداکثر و حداقل میرسد. بنابراین گشتاور وارده در زمانی در حدود ۴ تا ۵ ثانیه از صفر به حداکثر رسیده و دوباره به صفر بر میگردد. در مواقعی که جریان موج ضعیف است امکان اینکه سرعت ژنراتور از سرعت سنکرون کمتر شده و به حالت موتور در بیاید بعید نمیباشد. که در آن صورت به جای تزریق توان اکتیو به شبکه به یک الکتروموتور مصرفکننده توان اکتیو تبدیل میشود. بنابراین شناخت این وضعیت و متعاقباً اتخاذ تدابیر اولیه طراحی و نیز تدابیر تدارکاتی در امحاء حالت پالسی از ملزومات این سیستم میباشد.
عملکرد توربین برق امواج
عملکرد توربین برق امواج در حالت ترانزیت پالسی منبعث از امواج را نیز میتوان مشابه دیگر حالات ترانزیت با حل معادلات (۳-۱) بررسی و مشخص نمود. در این حالت شبیه حالت استارت، مقادیر اولیه سرعت و مؤلفههای شدت جریان صفر میباشند. وضعیت اولیه گشتاور وارده به شافت به صورت پالسی بوده و در شکل شماره (۳) نشان داده شده است. در اینجا حداکثر توان به میزان ۵/۱ برابر توان اسمی محاسبه شده است. در این حالت متوسط فرکانس تواتری امواج به میزان ۱/۰ در نظر گرفته شده است. بنابراین نیروی تولید شده در هر ۵ ثانیه یکبار از حداکثر به حداقل صفر میرسد.
لازم به ذکر است که سرعت تواتر یک موج به فصل و نوع آب و هوای منطقه بستگی دارد. به دلیل نوسان در نیروی ورودی ژنراتور، نیروی الکتریسته تولید شده نیز تواتری میگردد و شکل شماره (۴) نتایج حل معادلات دینامیکی برای ترانزیت حالت پالسی است که منحنی ترانزیت در توان ورودی، توان خروجی، شدت جریان و سرعت نیروگاه ۱۵۰ کیلوواتی را نشان میدهد.
نتیجهگیری
با توجه به تجارب و مطالعات انجام شده، بهرهبرداری از انرژی امواج در سطح گسترده امکانپذیر میباشد. لازم است این امر در راستای استحصال انرژی عظیم امواج در وسعت سواحل شمال و جنوب ایران نیز مورد توجه واقع گردد. استفاده از ژنراتور القایی در توربین برق امواج و اتصال آن به شبکه محلی/ سراسری از مناسبترین سیستمهای تولید برق از نیروی امواج میباشد. همانگونه که در مقاله تشریح گردید، عملاً کارآیی و مسائل مواجه با اینگونه نیروگاه برق امواج شناسایی شدهاند و لذا برنامه توسعه بهرهبرداری انرژی امواج در مجموعه انرژیهای تجدیدپذیر را میتوان در اولویت بالاتری قرار داد.
بررسی کارآیی و عملکرد ژنراتورهای القایی متصل به شبکه در نیروگاههای برق امواج تحت شرایط غیرعادی و حالات ترانزیت، خاصه در توربینهای برق امواج بسیار حائز اهمیت میباشد. این گونه ترانزیت را نیز میتوان از طریق معادلات دینامیکی و با استفاده از تئوری مؤلفههای متقارن لحظهای (instantaneous symmetrical component) و نیز روش RKM برای شبیهسازی و تهیه نرمافزار رایانهای تحلیل و بررسی نمود. همان گونه که در شکل (۴) آمده است میتوان نتایج به دست آمده برای حالات ترانزیت در مدل پروژه برق امواج ۱۵۰ کیلوواتی را به راحتی تحلیل نمود. تأثیرات بر شدت جریان، نشاندهنده ترانزیت در زمان شروع (۰۵/۰ ثانیه) میباشد که متعاقباً به حالت نوسانات تناوبی متعادل تبدیل میگردد .
الکتروموتور
روند منحنی سرعت نیز شاهد حداکثر ترانزیت ۱۵۵/۱ برابر میباشد که پس از گذشت ۰۷۱/۰ ثانیه به صورت تناوبی بالاتر و کمتر از سرعت سنکرون تواتر میکند. بنابراین متناسب با نوع امواج در مناطق مختلف، الکتروموتور به کار گرفته شده در هر دو حالت موتور و ژنراتور کار میکند. این گونه روند سرعت منجر به ذخیره انرژی اینرسی کافی نشده و لذا لازم است ژنراتور القایی برای دامنه وسیعتری از سرعت طراحی گردد تا بتوان انرژی اینرسی بیشتری ذخیره کرده و در حالت افت سرعت از موتور شدن ژنراتور جلوگیری نمود. توان خروجی ژنراتور که ضریبی از حالات لحظهای ولتاژ و شدت جریان میباشد. طبق منحنی شکل (۴ ـ ب) متناسب با گشتاور وارده در تواتر میباشد.
نظر به اینکه برای اولین بار است که این گونه تحقیقات در مورد نیروگاه های برق امواج صورت گرفته است لذا امید است که نتایج مزبور جهت توسعه تحقیقات و احداث اینگونه نیروگاههای نوظهور، مثمر ثمر واقع شود.
لیست اصلاحات
