ژنراتور توربین بادی قسمت دوم

ژنراتور توربین بادی : مقایسه سنکرون و آسنکرون

امروزه این دو نوع تکنولوژی ژنراتور توربین بادی برای تولید انرژی الکتریکی از باد در بازار های جهانی موجود است که یک ژنراتور سرعت ثابت و دیگری ژنراتور سرعت متغییر می باشد. در بین تکنولوژی های مختلف با توجه به مزایا و معایب هر کدام، در سال های اخیر ژنراتور های القایی دو سو تغذیه به عنوان ژنراتور غالب مورد استفاده قرار گرفته است. در ژنراتورهای القایی به دلیل هزینه نگهداری کم، بدون داشتن جاروبک، ساختار ساده به طور چشمگیری به عنوان ژنراتور بادی مورد استفاده قرار گرفته اند. به طوری که در حدود 70 درصد توان نصب شده مزارع بادی در دنیا از تکنولوژی ژنراتور القایی دوسو تغذیه با جعبه دنده سه مرحله ای بهره برده اند. با پیشرفت صنایع ماشین های الکتریکی و ادوات الکترونیک قدرت، تکنولوژی های ظهور کرده اند که می توانند در آینده غالب بودن استفاده از ین نوع ماشین را با خطر مواجه کنند. بعضی از مهمترین عواملی که سازندگان ماشین های الکتریکی را به سمت ساخت تکنولوژی های مدرن سوق داده اند عبارتند از:

الزامات قوی تر شبکه
مزیت راندمان ژنراتور های با آهنربای دائم
توسعه فناوری مبدل های الکترونیک قدرت
نیاز به افزایش قابلیت اطمینان

در راستای تولید انرژی الکتریکی از انرژی باد، تکنولوژی هایی که بیشتر مورد توجه قرار گرفته اند را می توان به صورت زیر تقسیم بندی کرد:

ژنراتور القایی دوسو تغذیه با جعبه دنده 3 مرحله ای(Doubly Fed Induction Generator 3 Stage Gearbox)

ژنراتور سنکرون آهنربای دائم سرعت متوسط با جعبه دنده 1 مرحله ای (Medium Speed Permanent magnet synchronous generator with 1 step gearbox)

ژنراتور سنکرون آهنربای دائم با اتصال مستقیم و بدون جعبه دنده(permanent magnet synchronous Direct drive Generator)

ژنراتور سنکرون روتور سیم پیچی با اتصال مستقیم و بدون جعبه دنده (Electrical Excited synchronous Direct drive Generator)

ژنراتور توربین بادی — ژنراتور DFIG توربین بادی با جعبه دنده

مزایای توربین های بادی بدون جعبه دنده

افزایش راندمان با حذف یکی از عناصر پر اتلاف مسیر انتقال انرژی
افزایش تولید سالانه
افزایش عمر قطعات به دلیل سرعت کم چرخش
بهبود کیفیت توان
عدم نیاز به تعویض جعبه دنده که به طور تخمینی هر 6 سال صورت می گیرد
کاهش هزینه های نگه داری
کاه حجم ناسل
کاهش نویز تولیدی
رفع منشا بسیاری از خطا های توربین و افزایش قابلیت دسترسی آن
این توربین ها نسبت به گرد و خاک و خوردگی حساسیت کمتری دارند.

چالش ها و معایب توربین های بدون جعبه دنده

قیمت بالاتر نسبت به توربین های با جعبه دنده
ژنراتور های این توربین ها گران تر و بسیار خاص است و تولید کنندگان زیادی ندارد.
این توربین ها برای اتصال به شبکه نیازمند تجهیزات جانبی الکتریکی پر هزینه تری(مبدل های Full Scale) هستند.
افت توان در مدار الکترونیک و قدرت
اندازه و وزن بیشتر ژنراتور موجب بروز مشکلات و افزایش هزینه ها در حمل و نقل می گردد
در حال حاضر این توربین ها بیشتر به صورت سفارشی تولید می شوند

ژنراتور از دیدگاه سازندگان توربین بادی

هم بازار توربین های اتصال مستقیم در سال 2012 حدود 17 درصد از توربین های نصب شده بوده که نسبت به سهم آن در بازار 2011 افزایش 4 درصدی داشته است. انرکون و گلدویند بزرگترین تامین کنندگان ژنراتور با اتصال مستقیم هستند. در گزارش کمپانی BTM پیش بینی شده سهم بازار توربین های با اتصال مستقیم در سال 2013 به 20 درصد افزایش یابد. در چند سال اخیر چین به عنوان بزرگ ترین تولید کننده در بازار های توربین های بادی شناخته شده است. در چند سال اخیر چین به عنوان بزرگترین تولید کننده در بازار توربین های بادی شناخته شده است.

در میان سه کارخانه اول این کشور، از لحاظ سهم سالیانه، شرکت سینوول و دنگفنگ از ژنراتور های القایی دو سویه تغذیه می کند و گلدویند از ژنراتور های آهنربای دائم با اتصال مستقیم استفاده می کنند که سبب شده، سهم بازار اتصال مستقیم در چین از 0.2 درصد در سال 2005 به 20 درصد در سال 2011 افزایش یابد. دفتر تحقیق و توسعه گلدویند نمونه های 2.5 مگاواتی با اتصال مستقیم و مدل هایبریدی 3 مگاواتی را با موفقیت به شبکه متصل کرده است که قرار بود تولید تجاری ان در سال 2011 آغاز شود و اکنون طرح ساخت نمونه 5 مگاواتی را در دست اجرا دارد.

امروزه ژنراتور های سنکرون روتور سیم پیچی 30 درصد و ژنراتور های سنکرون آهنربای دائم حدود 15 درصد سنگین تر از مدل با جعبه دنده است. همچنین از لحاظ هزینه نیز این توپولوژی ها حدود 20 درصد گران تر از مدل با جعبه دنده است که این مساله استفاده از این نوع را نسبت به اتصال مستقیم، غالب کرده است. با این حال در این راستا اکثر تولید کنندگان در تلاش اند تا وزن و هزینه نهایی توپولوژی اتصال مستقیم خود را کاهش دهند تا بتوانند بازار دریایی(Offshore) را در اختیار گیرند. جنرال الکتریک نیز پیشبینی کرده که تا سال 2014 احتمالا ژنراتور های اتصال مستقیم از لحاظ هزینه با ژنراتور های با جعبه دنده برابری می کنند. زیمنس اعتقاد دارد که می تواند توربین سبک تر و ارزان تر از مدل با جعبه دنده طراحی کند.

وستاس در ساخت توربین های مگاواتی خود، از ژنراتور های القایی با مقاومت متغیر با جعبه دنده ی سه مرحله ای بهره برده است، ولی در آخرین محصول خود در مدل V112-3MW، ژنراتور سنکرون آهنربای دائم 3 مگاواتی با مبدل کامل را با حفظ جعبه دنده سه مرحله ای، جایگزین ژنراتور های القایی با مقاومت متغیر کرده است.

جنرال الکتریک به عنوان یکی از بزرگترین سازندگان توربین بادی در جهان نیز در محصولات قبلی از ژنراتور های القایی دو سو تغذیه استفاده کرده است ولی د جدیدترین محصول خود از ژنراتور سنکرون آهنربای دائم با مبدل کامل و با حفظ جعبه دنده سه مرحله ای بهره برده است. جنرال الکتریک در مورد ژنراتور آهنربای دائم خود خصوصیات و مزایای زیر را ذکر کرده است.

استفاده از آهنربای دائم برای رسیدن به راندمان بالاتر در سرعت های کم باد
خود تحریکی برای سادگی بیشتر در تعمیرات

شرکت انرکون بزرگ ترین شرکتی است که از تکنولوژی ژنراتور های سنکرون با اتصال مستقیم استفاده میکند. انرکون از ژنراتور سنکرون روتور سیم پیچی استفاده می کند. سهم سالیانه این شرکت در بازار جهانی کاهش یافته است که البته بدان معنا نیست که با توجه به افزایش توان قابل توجه نصب شده در دنیا و ظهور سازندگان جدید این شرکت پیشرفت قابل توجهی در توان نصب شده سالیانه نداشته است. این شرکت از ژنراتور مغناطیس دائمی در توان ها بالاتر نیز بهره می برد.

شرکت سینوول سازنده پیشگام در چین، از ژنراتور های القایی دوسو تغذیه استفاده می کند. شرکت گلدویند از ژنراتور های آهنربای دائم با اتصال مستقیم و دنگفنگ، سومین کارخانه پیشتاز در چین نیز از ژنراتور های القایی دو سو تغذیه بهره می برد.

با افزایش سایز توربین ها علاقه به کاهش وزن و هزینه کل سیستم افزایش یافته است. در این راستا سیستم های هایبرید با ژنراتور سنکرون آهنربای دائم سرعت متوسط و جعبه دنده یک و یا دو مرحله ای با مبدل قدرت کامل مطرح شدند که با توجه با افزایش سایز توربین ها، مورد استفاده بسیاری از سازندگان قرارگرفته اند. کلیپرویند، مالتیبرید و وینویند از شرکت های فعال در این زمینه هستند.

شرکت گمسا که از ژنراتور القایی دو سو تغذیه در محصولات خود استفاده می کند در جدید ترین محصولات خود یعنی مدل G10X-4.5MW، از دو مرحله جعبه دنده خورشیدی با نسبت1:37 و ژنراتور سنکرون آهنربای دائم سرعت متوسط(448RPM) با مبدل قدرت کامل استفاده کرده است.

دو شرکت Shanghai Electric و XEMC از چین که به ترتیب ژنراتور های DFIG و DD PMSG تولید می کنند. با توجه به این که تفاوت چندانی بین هزینه های ساخت این توربین های وجود ندارد، با عنایت به هزینه بسیار پایین تعمیرات و نگه داری توربین های بدون جعبه دنده، توربین های بادی با ژنراتور های DD PMSG برتری دارند.

امروزه در صنعت برق عمدتا از ژنراتور های القایی قفس سنجابی و سیم پیچی با تغذیه دوگانه، استفاده می شود. در این ژنراتور ها الکتریسیته خروجی با فرکانس متغییر در مبدل توان به یک کلکتور متصل میشود. این در حالیست که در توربین های امروزی از ژنراتور های سرعت پایین و مغناطیس دائم همراه تبدیل تمام قدرت که می توانند در شرایط بحرانی به کار خود ادامه دد، استفاده می شود.

طراحی های جدیدی برای سیستم انتقال قدرت در دست انجام است تا بتوان وزن و هزینه این مجموعه را کاهش دهد. جعبه دنده اصلی ترین بخش سیستم انتقال قدرت است که در معرض آسیب قرار دارد. بعضی از شرکت های بزرگ از جمله شرکت انرکون، در محصولات خود از ژنراتور بدون جعبه دنده استفاده کرده اند. استفاده از آهنربای دائم و کاهش هزینه آن نقش موثری در کاهش اندازه و هزینه های سیستم انتقال قدرت در آینده خواهد داشت. آهنربای دائم بسیار سبک وزن و کوچک اندازه است و در عین حال منجر به کاهش تلفات برق در سیم پیچی می شود.

مقایسه فنی ژنراتور های DFIG و PMSG

امروزه تکنولوژی های متعددی در دفاتر تحقیق و توسعه سازندگان مختلف در حال بررسی هستند تا بتوانند کارایی بهتری را بسته به محل کاربرد برای توربین بادی فراهم سازند. از لحاظ عملکرد و قابلیت اطمینان توربین های سنکرون با اتصال مستقیم، عملکرد بهتری نسبت به ژنراتور های القایی دو سو تغذیه دارند، ولی وزن بیشتر، تکنولوژی تقریبا منحصر به فرد و هزینه کلی بیشتر، عواملی هستند که استفاده از این فناوری را با محدودیت روبرو ساخته اند. امروزه با توجه به گرایش کشور ها در بهره گیری از توربین های Offshore و اینکه در این صورت با توجه به هزینه بالای تعمیرات، سیستم با قابلیت بالاتری نیاز است، بحث استفاده از توربین با اتصال مستقیم، پررنگ تر شده است. از سوی دیگر، رشد فناوری ها و گرایش به استفاده از ژنراتور هایی با توان بالاتر، بحث مربوط به توربین های هایبریدی را برای سازندگان جذاب کرده است. از دیدگاه اتصال به شبکه، ژنراتور های سنکرون بدلیل استفاده از حلقه های تریستوری سوئیچ شونده جهت تبدیل فرکانس، مقدار هارمونیک وارد شبکه می کنند که البته با گسترش و پیشرفت صنایع نیمه هادی این نقص در حال کمرنگ شدن است. از دیدگاه فلیکر نیز، ژنراتور های DFIG به دلیل اتصال مستقیم و بی واسطه با شبکه از کیفیت توان تولیدی بالاتری برخوردار است.

رویکرد های فناوری در توربین های بادی را می توان به 3 ناحیه تقسیم کرد:

رویکرد افزایش توان خروجی با افزایش دوره کاری(استخراج توان بیشتر از باد موجود)
رویکرد به هزینه کمر در ساخت توربین(رقابت در کل هزینه نصب شده)
رویکرد در ابزار تشخیص خطا که مدت خارج از مدار بودن توربین را کاهش داده و نگهداری را آسان می کند.

جدول زیر مزایای این دو فناوری را با یکدیگر مقایسه می کند:

PMSG	DFIG
اجزای کمتر، قابلیت اطمینان بالاتر، تلفات کمتر در نتیجه نبود جعبه دنده و نگهداری ساده تر روتور	فراهم شدن اجزا از منابع مختلف
راندمان بالاتر در بر های جزیی(35 درصد انرژی دریافتی بیشتر با تحریک آهنربای دائم	ابعاد و وزن کم( ساخت و حمل و نقل راحت تر)
عدم وجود حلق لغزان (هزینه نگهداری کمتر)	مبدل قدرت کوچکتر (ارزانتر)
سرعت کمتر، قابلیت اطمینان بالاتر روتور	کیفیت توان بالاتر

مقایسه اقتصادی ژنراتور ها

هزینه جعبه دنده و ژنراتور با توان بادی 1500 کیلووات در جدول زیر نشان داده شده است. همانطوریکه در این جدول مشاهده می شود، هزینه توربین بادی محرک مستقیم بیشتر از ژنراتور سرعت بالا با جعبه دنده سه مرحله ای می باشد.

نوع توربین	هزینه ژنراتور	هزینه جعبه دنده	هزینه کل
ژنراتور سرعت بالا با جعبه دنده سه مرحله ای	97500	152441	249941
سیستم محرک مستقیم	328995	–	328995

حدود 75 درصد کل هزینه ساخت و نصب یک توربین بادی مربوط به هزینه توربین، فونداسیون،اینورتر، تجهیزات الکتریکی، اتصال به شبکه، حمل و نقل و … می باشد. واضح است که نوسانات قیمت سوخت در هزینه تولید انرژی توربین بادی اثری ندارد. در مقایسه با نیروگاه های معمول، یک توربین بادی هزینه اولیه بالاتر و هزینه تعمیرات و نگهداری کمتری دارد. به عنوان مال حدود 40 تا 70 درصد هزینه های یک نیروگاه گازی مربوط به سوخت و تعمیر و نگه داری است.

برای یک توربین بادی 5 مگاوات حدود 13 درصد هزینه کل ان مربوط به جعبه دنده می شود که نشان می دهد حضور یا عدم حضور آن می تواند اثر قابل ملاحظه ای در هزینه توربین بادی داشته باشد. البته لازم به ذکر است که ژنراتور های محرک مستقیم، هزینه بالاتری نسبت به ژنراتور ها با جعبه دنده دارند ولی این نوع توربین باد انرژی بیشتری تولید می کند. در نتیجه در انتخاب نوع ژنراتور باید مقدار انرژی را نیز در نظر گرفت.

به طور کلی ژنراتور های القايی بسیار کوچک تر از ژنراتور های سنکرون بوده و هزینه ان پایین تر است که این امر، نسبت پایینتر هزینه به توان تولیدی را توجیه می کند. در مقالات بسیاری ژنراتور توربین های بادی با و بدون جعبه دنده مورد بررسی قرار گرفته اند.

EESG DD > PMSG DD > PMSG 1G > DFIG 3G

برای کسب اطلاعات بیشتر مقالات قیمت توربین بادی و هزینه توربین بادی را مطالعه بفرمایید.


	DFIG 1G	PMG 1G	DD PMG	DD SG	DFIG 3G
هزینه(هزار یورو)
مواد فعال ژنراتور	67	43	162	287	30
ساخت ژنراتور	60	50	150	160	30
جعبه دنده	120	120	–	–	220
کانورتر	40	120	120	120	40
هزینه سیستم ژنراتور	287	333	432	567	320
هزینه های دیگر توربین بادی	1300	1300	1300	1300	1300
هزینه بالاسری شرکت	250	250	250	250	250
هزینه کل	1837	1883	1982	2117	1870
انرژی سالیانه (MWh)
تلفات مس	232	48	189	456	82
تلفات آهن	123	123	89	40	70
تلفات کانورتر	79	232	235	243	78
تلفات جعبه دنده	267	273	–	–	533
تلفات کل	701	674	513	739	763
انرژی خروجی	7800	7840	8040	7880	7730
انرژی خروجی سالانه نسبت به هزینه کل
(kWh/Euro)	4.25	4.16	4.05	3.72	4.13

با توجه به جدول بالا ژنراتور DFIG 3G سبکترین ژنراتور بوده و از نظر هزینه مناسب می باشد که این امر علت استفاده گسترده از این ژنراتور را روشن می کند. اگر چه انرژی بدست آمده از این ژنراتور به علت تلفات بالا در جعبه دنده، کمتر از سایر موارد است، با توجه به این که سیستم از اجزای استاندارد مانند مس و آهن ساخته شده است، بهبود زیادی در راندمان و کاهش هزینه ها انتظار نمی رود.

سیستم DD PMSG به نظر سنگین ترین و گرانترین در بین سیستم های موجود می باشد. یکی از سازندگان توربین های باد بزرگ انرکون، از ان در محصولات خود استفاده می کند. این ژنراتور نسبت به سایر ژنراتور با محرک مستقیم، مناسب تر به نظر میرسد زیرا وزن مواد فعال این ژنراتور برای فاصله هوایی یکسان، نصف دیگر موارد است. اما در مقایسه با ژنراتور های مجهز به جعبه دنده هزینه بالاتری دارد. برای این نوع ژنراتور پیشرفت های زیادی انتظار میرود زیرا هزینه آهنربای مغناطیس دائم و ادوات الکترونیک قدرت رو به کاهش است. اگر بتوان از ژنراتور PMSG 1G در صنایع دیگر نظیر کشتیرانی استفاده نمود. گزینه جالب توجهی می باشد. زیرا در این سیستم هزینه مبدل و تلفات ناشی از مبدل ها کاهش می یابد.

با توجه به بحث های مطرح شده در این بخش، می توان گفت که توربین بادی با ژنراتور DD PMSG بیشترین انرژی را از باد دریافت می کند. با این حال گرچه هزینه جعبه دنده ا این توربین حذف شده است، هزینه این ژنراتور بیشتر از هزینه ژنراتور DFIG می باشد. از طرف دیگر فناوری ژنراتور های DD PMSG رو به پیشرفت بوده و هزینه ان در سال های آینده کمتر خواهد شد. بنابر این می توان گفت که هرچند در حال حاضر، توربین های بادی مجهز به ژنراتور القایی دو سو تغذیه از نظر اقتصادی مقرون به صرفه می باشند، در آینده انتظار می رود سیستم توربین بادی با اتصال مستقیم، توجه سازندگان توربین بادی را به خود جلب کند.