آینده توربین بادی: مقایسه جعبه دنده و محرک مستقیم

2020/09/30

آینده توربین بادی

آینده توربین بادی به دلیل داشتن پتانسیل امیدوار کننده، به عنوان یکی از بزرگترین منابع انرژی تجدید پذیر، بسیار روشن خواهد بود. از دید شیوه انتقال نیرو، دو نوع توربین بادی امروزه رقابت می کنند تا به عنوان طراحی غالب، شناخته شوند: توربین بادی با جعبه دنده(gearbox) یا محرک مستقیم(direct-drive). در این مقاله هر دو نوع توربین مورد بررسی قرار می گیرد و در مورد مزایا و معایب آنها و همچنین پتانسیل آنها برای تبدیل شدن به نوع غالب توربین های بادی در بازار بحث می شود.

توربین بادی با جعبه دنده

این فناوری در چند دهه گذشته چه در توربین های بادی ساحلی و چه دریایی تغییراتی کرده است که منجر به ساخت توربین بادی با سرعت متغیر(variable speed) با یک جعبه دنده چند مرحله ای(multi-stage gearbox) شده است. این نوع توربین دارای یک جعبه دنده بین روتور کم سرعت(low-speed rotor) و یک ژنراتور الکتریکی با سرعت بالاتر است (معمولاً یک ژنراتور القایی با تغذیه مضاعف(doubly-fed)). هدف جعبه دنده افزایش سرعت چرخش روتور قبل از اتصال آن به ژنراتور است.

برای این نوع توربین بادی، چرخش پره ها توسط یک شافت از طریق جعبه دنده به ژنراتور متصل می شود. به عنوان مثال، برای تولید برق در توربین بادی ۱ مگاواتی، جعبه دنده سرعت چرخش پره ها را از ۱۵ تا ۲۰ دور بر دقیقه تا حدود ۱۸۰۰ دور بر دقیقه افزایش می دهد. این نوع توربین های بادی به دلیل بارگیری و شرایط محیطی مورد نیاز برای عملکرد جعبه دنده، چالشی برای طراحان به وجود می آورد.

توان از طریق گشتاور روتور تولید می شود. با این حال گشتاور(moments) و نیرو های زیادی نیز توسط روتور روی سیستم پیشرانه توربین بادی اعمال می شود. برای جلوگیری از تمرکز تنش و خرابی ها، طراحان باید جعبه دنده را طوری تنظیم کنند که بارها و تنش ها را پشتیبانی کند. آب بند ها و سیستم های روغن کاری باید به طور مداوم در تغییرات دمایی گسترده کار کنند. در غیر این صورت ممکن است خاک و رطوبت درون جعبه دنده جمع شود.

شماتیک توربین بادی با جعبه دنده

توربین بادی محرک مستقیم

برای از بین بردن خرابی جعبه دنده و تلفات انتقال، تولید کنندگان توربین های بادی بدون جعبه دنده تولید کرده اند. این نوع توربین بادی در سال ۱۹۹۱ معرفی شد و به عنوان توربین بادی محرک مستقیم با سرعت متغیر شناخته می شود. فناوری محرک مستقیم پایه و اساس این توربین های بادی است. همانطور که در تصویر زیر نشان داده شده است، ژنراتور سنکرون مستقیماً توسط روتور تأمین می شود.

سرعت ژنراتور توربین بادی محرک مستقیم معادل سرعت روتور است زیرا روتور مستقیماً به ژنراتور متصل است. از آنجا که سرعت چرخشی ژنراتور کم است، طراحان چندین قطب مغناطیسی(magnetic pole) را در ژنراتور قرار دادند تا فرکانس خروجی بالای مناسب را بدست آورند.

شماتیک توربین بادی محرک مستقیم

دسته بندی ژنراتورهای توربین بادی

ژنراتورهای سنکرون تحریک الکتریکی (electrically excited synchronous generators (EESGs))

ژنراتورهای مغناطیس دائمی (permanent magnet generators (PMGs))

مغناطیس دائمی از مواد نادر مانند neodymium ساخته می شود. PMGها علاوه بر کوچک و سبک بودن در مقایسه با EESG ها دارای مزایای مختلفی مانند کارایی بالا با از بین بردن تلفات میدان هستند. PMG ها معمولاً در توربین های بادی مقیاس کوچک استفاده می شوند، اما می توانند در کاربردهای بزرگ MW نیز مورد استفاده قرار گیرند. EESGها مغناطیس دائمی ساخته شده از مواد نادر ندارند، استخراج آنها می تواند به محیط زیست آسیب برساند.

با این حال، از آنجا که گشتاور مورد نیاز بزرگ است، توربین های بادی محرک مستقیم تا ۷-۱۰ مگاوات به ژنراتورهای بزرگتر و سنگین تری نیاز دارند. در این حالت، جعبه دنده تک مرحله ای یا دو مرحله ای گزینه بهتری است، زیرا یک راه حل بسیار سبک تر و کوچک تر است و همان مزایای مولد محرک مستقیم را فراهم می کند.

برای تولید برق با سرعت گردش پایین، تولیدکنندگان مجبور شدند ژنراتور خاصی را طراحی کنند. از آنجا که ژنراتورهای سنتی شکل استوانه ای دارند، ژنراتورهای سنکرون مغناطیس دائمی به دلیل ساختار “دونات” شکل برای محرک مستقیم مناسب تر است. با این حال، برای دستیابی به گشتاورهای(torques) زیاد مورد نیاز، حرکت چرخشی موثر مغناطیس دائمی(effective permanent magnet rotary motion) باید افزایش یابد. در نهایت، این بدان معنی است که باید یک مولد با قطر بزرگ تر تهیه شود.

مزیت توربین بادی محرک مستقیم

مزیت توربین های محرک مستقیم بهره وری بالای مولدهای مغناطیس دائمی سنکرون است. یک واقعیت مهم این است که به دلیل بی ثباتی باد، توربین ها اغلب با بارهای جزئی کار می کنند. بازده ژنراتور PM حتی در این شرایط نیز، برتری دارد زیرا تقریباً نزدیک به مقدار اسمی کار می کند. مزایای متعددی در اینجا با ویژگی های کنترل پیشرفته اضافه شده است که خروجی انرژی بالا، عملکرد بی صدا، قابلیت اطمینان و در دسترس بودن طولانی مدت را برای کاربران فراهم می کند.
از آنجا که توربین های بادی با محرک مستقیم فاقد جعبه دنده هستند، نویز مکانیکی کمتری به خاطر اجزای چرخشی کمتر دارند. علاوه بر این، این نوع توربین بادی دارای یاتاقان اصلی تک(single main bearing) برای مونتاژ روتور و ژنراتور است، که علاوه بر این تعداد قطعات متحرک و همچنین هزینه های نگهداری و تعمیر را کاهش می دهد.

امکانات تست بزرگترین توربین بادی محرک مستقیم جهان در دانشگاه Clemson

آینده توربین بادی: جعبه دنده در مقابل محرک مستقیم

وقتی نوبت به توربین بادی با جعبه دنده می رسد، تلاطم باد می تواند استرس زیادی به چرخ ها و یاتاقان های یک جعبه دنده وارد کند، که می تواند به نوبه خود منجر به نقص در اجزای توربین شود و در نهایت سیستم متوقف شود. هرچه سرعت باد بیشتر باشد جعبه دنده ها آسیب پذیرتر هستند. این بدان معنی است که توربین بادی دریایی بیشتر از توربین بادی ساحلی در معرض قرار می گیرد.

جعبه دنده بالاترین نگهداری را در توربین دارد. بنابراین، حذف جعبه دنده قابلیت اطمینان یک توربین را بهبود می بخشد. جعبه دنده همچنین از نظر وزنی سنگین ترین عنصر توربین است، بنابراین حذف آن باعث بهبود این جنبه از توربین نیز می شود.

تولیدکنندگان سالها در حال تحقیق در مورد چگونگی افزایش رقابت توربین بادی با جعبه دنده در مقابل محرک مستقیم هستند. به همین دلیل است که فناوری قبلی در طراحی، هم از نظر پیچیدگی و هم از نظر نگهداری، توربین های محرک مستقیم را برای کاربردهای دریایی عملی می کند.

نکات منفی فناوری محرک مستقیم – هزینه و وزن توربین های محرک مستقیم – مانع از آن می شود که تا همین اواخر رقابت عمده ای را با توربین بادی با جعبه دنده ارائه دهد. پیشرفتهایی در چیدمان ژنراتور و مغناطیس محرک مستقیم منجر به یک مدل ارزان تر و سبک تر محرک مستقیم شد. قیمت مغناطیس های دائمی مورد استفاده در توربین های محرک مستقیم نیز به میزان قابل توجهی کاهش یافته و محبوبیت آن را افزایش داده است.

از طرف دیگر، هزاران توربین بادی با جعبه دنده در حال حاضر در بازار موجود هستند و به این معنی که این نوع توربین ها نمی توانند ناگهان بازنشسته شوند. به همین دلیل، تولیدکنندگان توربین بادی به منظور کاهش خرابی ها و افزایش قابلیت اطمینان، به توسعه فناوری جعبه دنده ادامه می دهند. در نتیجه، سیستم های مغناطیسی توربین های بادی اکنون سبک تر شده و به مس کمتری نیاز دارند.

چیدمان سطوح مختلف جعبه دنده توربین بادی

عوامل تعیین کننده برای آینده توربین بادی

جنبه هایی که بر کارایی فناوری تأثیر می گذارد و تعیین می کند کدام نوع توربین در بازار غالب شود:

شهرت و اعتبار نام تجاری سازنده
مشخصات فنی: انرژی حاصل کل، هزینه و قابلیت اطمینان
قیمت: قیمت محصول و قیمت خدمات و نگهداری
در دسترس بودن مواد کمیاب (به عنوان مثال مغناطیس هایی که برای تولید ژنراتور محرک مستقیم استفاده می شود)
ضمانت تولید کننده
تعداد تأمین کنندگان قطعات

مهمترین عوامل برای انتخاب توربین های بادی مناسب، هزینه و قابلیت اطمینان فناوری هستند. هزینه انرژی عامل اصلی است که بر تصمیم استراتژیک برای ایجاد نیروگاه های بادی جدید تأثیر می گذارد. در حالت ایده آل، قیمت باید برای مدت زمان معینی ثابت بماند، که این امکان را فراهم می کند تا بتوان فناوری با کمترین هزینه انرژی را نسبت به رقبای خود تأمین کند.

دومین عامل مهم قابلیت اطمینان توربین های بادی است. توربین های بادی برای کار در مکان های مختلف، از زمینه های قابل دسترسی آسان تا مکان های دور افتاده از دریا یا کوهستان، مورد نیاز هستند. تعمیرات و نگهداری برنامه ریزی نشده ناشی از قابلیت اطمینان ضعیف می تواند بسیار پرهزینه و زمانبر باشد. فناوری هایی مانند نظارت هوشمند آنلاین(smart online monitoring) می توانند قابلیت اطمینان کلی را افزایش دهند.

کارشناسان هر دو فناوری را شانه به شانه می دانند. می توان به دو روش نتیجه گیری شود: یا هر دو فناوری تا زمان غالب شدن یکی ادامه خواهند یافت و یا هر دو نوع مشتری کافی را برای همزیستی در بازار پیدا خواهند کرد.

چرا آینده توربین بادی متعلق به محرک مستقیم خواهد بود؟

کارشناسان دیگر ادعا می کنند که فناوری محرک مستقیم در نهایت به یک فناوری غالب تبدیل خواهد شد. آنها در طرح این ادعا سه استدلال ارائه می دهند:

هزینه های مربوط به ساختار پشتیبانی دریایی برای توربین های بادی محرک مستقیم به دلیل وزن کم آن کمتر است.
محرک مستقیم پتانسیل بیشتری برای پیشرفت دارد. کارشناسان استدلال می کنند توربین بادی با جعبه دنده تقریباً در نهایت بازدهی خود قرار دارد، در حالی که توربین های محرک مستقیم امکان بیشتری برای بهبود دارند.
محرک مستقیم برای وزش باد با قدرت بالاتر در آینده کارآمدتر است زیرا توربین های بادی با جعبه دنده به سطوح اضافی دنده نیاز دارند که منجر به تلفات انرژی بیشتر می شود.

در پایان، فناوری جعبه دنده در حال مرگ نیست. با این حال، قطعات چرخان باید اثربخشی و کارایی خود را افزایش دهند همان طور که هزینه های مربوط به فناوری محرک مستقیم کاهش می یابد. علاوه بر این، این امر همچنین فناوری جعبه دنده را مجبور به افزایش قابلیت اطمینان می کند. همچنین امکان طراحی هیبریدی، ترکیبی از عناصر جعبه دنده و محرک مستقیم وجود دارد.

مقاله از ادیس عثمان