چه نوع ژنراتوری برای تولید برق بادی مناسب است؟
وظیفه اصلی یک توربین بادی تبدیل کارآمد و پایدار انرژی مکانیکی است که دائماً با سرعت باد تغییر میکند به انرژی الکتریکی که میتواند به شبکه متصل شود. بنابراین، ژنراتورهای مناسب برای تولید برق بادی مدلهای معمولی نیستند، آنها باید ویژگیهای سازگاری با سرعتهای مختلف باد، تحمل بارهای پیچیده و کنترل آسان شبکه را داشته باشند. صنعت مدرن برق بادی عمدتاً حول سه مسیر فناوری میچرخد که هر کدام مزایای خاص خود را دارند و برای سناریوهای مختلف مناسب هستند.
۱. ژنراتور آسنکرون دو تغذیه: تکیهگاه سابق صنعت
برای مدت طولانی، ژنراتورهای آسنکرون با تغذیه مضاعف، جریان اصلی بازار انرژی بادی بودهاند. اصل کار آنها هوشمندانه است: روتور ژنراتور از طریق حلقههای لغزان و جاروبکهای کربنی به یک مبدل فرکانس کوچکتر متصل است، در حالی که استاتور مستقیماً به شبکه برق متصل است.
بزرگترین مزیت این طرح، راندمان اقتصادی آن است. از آنجا که مبدل فرکانس فقط نیاز به پردازش حدود یک سوم توان در مدار روتور دارد، هزینه تجهیزات کمتر و تلفات انرژی نیز اندک است. علاوه بر این، با فناوری بسیار بالغ و یک زنجیره صنعتی کامل، در دو دهه گذشته به یک انتخاب رایج برای نیروگاه بادی ساحلی، به ویژه واحدهای سطح مگاوات، تبدیل شده است.
با این حال، معایب آن با توسعه صنعت به طور فزایندهای برجسته شده است. جاروبکهای کربنی و حلقههای لغزشی، اجزای تماس مکانیکی هستند که در محیط عملیاتی سخت مزارع بادی نیاز به نگهداری منظم دارند و نقاط بالقوه خرابی هستند. علاوه بر این، به دلیل اتصال مستقیم استاتور به شبکه برق، توانایی آن در مقابله با نوسانات ولتاژ در شبکه (یعنی "قابلیت عبور از ولتاژ پایین") نسبتاً ضعیف است.
۲، ژنراتور سنکرون با درایو مستقیم آهنربای دائم: مدلی از قابلیت اطمینان
فناوری درایو مستقیم رویکردی کاملاً متفاوت را اتخاذ میکند. این فناوری گیربکس سرعت بالا را کاملاً حذف میکند و به توربین بادی اجازه میدهد تا مستقیماً یک ژنراتور سنکرون آهنربای دائم چند قطبی را به حرکت درآورد. به دلیل سرعت پایین، فرکانس جریان ساطع شده بسیار متغیر است، بنابراین تمام انرژی الکتریکی قبل از ارسال به شبکه باید توسط یک اینورتر با توان کامل پردازش شود.
این طرح مزایای انقلابی به همراه دارد. حذف گیربکس با بالاترین نرخ خرابی، قابلیت اطمینان و نگهداری واحد را تا حد زیادی بهبود میبخشد، به خصوص برای مزارع بادی فراساحلی که به راحتی در دسترس نیستند. آهنرباهای دائمی یک میدان مغناطیسی بدون تلفات تحریک ایجاد میکنند و در نتیجه راندمان بالاتری را به همراه دارند. مهمتر از همه، مبدل فرکانس کامل برق به عنوان یک "دیوار آتش" عمل میکند و ژنراتور را کاملاً از شبکه جدا میکند و توربین بادی را نسبت به نوسانات شبکه بسیار غیر حساس میکند و قادر به پشتیبانی فعال از شبکه است که منجر به کیفیت عالی برق میشود.
چالش این است که نیاز به ایجاد ژنراتوری با قطر بزرگ و قطبهای متعدد برای تولید فرکانس کافی برق در سرعتهای پایین وجود دارد که منجر به حجم و وزن شگفتانگیزی میشود و چالشی برای حمل و نقل و بلند کردن ایجاد میکند. در عین حال، این دستگاه به مواد آهنربای دائمی کمیاب متکی است که منجر به هزینههای بالاتر میشود.
۳. ژنراتور سنکرون آهنربای دائم با سرعت متوسط (محرک نیمه مستقیم): محبوبترین فناوری فعلی
به منظور ایجاد تعادل بین قابلیت اطمینان سیستم محرک مستقیم و فشردگی سازههای سنتی، راهحلهای «نیمه محرک مستقیم» یا «محرک سرعت متوسط» پدیدار شدهاند و به سرعت به انتخاب اصلی برای توربینهای بادی بزرگ، به ویژه مدلهای فراساحلی، تبدیل شدهاند.
این سیستم دارای یک گیربکس سرعت متوسط ساده و محکم (معمولاً تنها با یک چرخدنده سیارهای) است که سرعت توربین بادی را به سطح متوسطی افزایش میدهد، یک ژنراتور سنکرون آهنربای دائم فشرده را به کار میاندازد و در نهایت از طریق یک مبدل فرکانس توان کامل به شبکه متصل میشود.
این را میتوان یک «ترکیب طلایی» نامید. این ترکیب با یک گیربکس ساده، اندازه و وزن ژنراتور را به میزان قابل توجهی کاهش میدهد و مشکل حمل و نقل واحدهای محرک مستقیم را حل میکند، در حالی که راندمان بالای موتورهای آهنربای دائمی و سازگاری عالی با شبکه مبدلهای فرکانس قدرت کامل را حفظ میکند. قابلیت اطمینان آن بسیار بالاتر از سیستمهای سنتی تغذیه دوگانه است. اگرچه ادغام فناوری دشوار است و هزینه اولیه کم نیست، اما مزایای آن از نظر هزینه برق در کل چرخه عمر قابل توجه است.
خلاصه و روندها
به طور کلی، مسیر تکامل فناوری توربینهای بادی مشخص است:
ژنراتورهای آسنکرون دو تغذیهه به دلیل بلوغ و اقتصادی بودنشان، هنوز در بازارهای خاص ساحلی از اهمیت بالایی برخوردارند.
ژنراتورهای سنکرون با درایو مستقیم آهنربای دائم با قابلیت اطمینان بینظیر خود، جایگاه محکمی در مناطق دریایی و مناطق با سرعت باد کم دارند.
ژنراتور سنکرون آهنربای دائم با سرعت متوسط، مزایای دو مورد اول را با موفقیت در خود جای داده و به رهبر فناوری مطلق در توسعه فعلی انرژی بادی در مقیاس بزرگ و فراساحلی تبدیل شده است و نشان دهنده جهت گیری آینده این صنعت است.
انتخاب ژنراتور اساساً جستجوی تعادل بهینه بین سرمایهگذاری اولیه، هزینههای بهرهبرداری و نگهداری، راندمان تولید برق و الزامات اتصال به شبکه است. با بزرگتر شدن و فراساحلی شدن توربینهای بادی، الزامات مربوط به قابلیت اطمینان و قابلیت پشتیبانی از شبکه بسیار زیاد شده است. این همچنین دلیل اساسی پیروزی مسیر فناوری ژنراتورهای آهنربای دائمی همراه با مبدلهای فرکانس قدرت کامل است.
