عضو شوید
عضویت سریع
تبادل لینک هوشمند 
آمار مطالب
آمار بازدید
2-4-3- مزاياي نيروگاههای بادی………….. ……………………………………………………………………. 16
2-5- توربين بادي…………………… ……………………………………………………………………………………… 19
2-5-1- كاربرد توربينهاي بادي………………. ………………………………………………………………….. 19
الف- كاربردهاي غيرنيروگاهي …………………….. ……………………………………………………………… 19
ب – كاربردهاي نيروگاهي…………………. ………………………………………………………………………… 19
2-5-2- انواع توربينهاي بادي………………………………………………………………………………………. 20
2-5-2-1- تقسيم بندي از حيث اندازه…………………………………………………………………………… 20
توربین های کوچک (small)………………….. ……………………………………………………………. 20
توربین های متوسط (medium)……….. ………………………………………………………………….. 20
توربين هاي بزرگ (large) ……. ………………………………………………………………………………20
2-5-3- بادها و توربينهاي بادي………. …………………………………………………………………………. 21
2-5-4 – انرژي دريافتي از توربين…………… …………………………………………………………………… 23
2-2-5- توان پتانسيل توربين………………… …………………………………………………………………….. 23
2-5-6- ضريب يکپارچگي……………………….. ………………………………………………………………. 25
2-5-7- برآورد پتانسيل باد……………………… …………………………………………………………………. 26
2-5-8 – ارزيابي آماري داده هاي باد.. …………………………………………………………………………… 27
2-5-9- محاسبه انرژي سالانه خروجي يک توربين بادي…………………………………………………. 29
2-6- ژنراتور سنکرون (Synchronous Generator)………………………………………………… 32
2-6-1 رتور در ژنراتور سنکرون……………………………………………………………………………………. 33
2-6-2 ساختمان و اساس کار………………………………………………………………………………………… 34
2-7- ژنراتورهای القایی یا آسنکرون……………………………………………………………………………. 35
2-7-1 مشخصه‌های الکتریکی……………………………………………………………………………………….. 36
2-7-2 مزایای ژنراتور القایی…………………………………………………………………………………………. 37
2-7-3 معایب ژنراتور القایی…………………………………………………………………………………………. 38
2-7-4 جریان هجومی در بهره‌برداری موازی…………………………………………………………………… 39
2-7-4 اتصال کوتاه سه‌فاز ناگهانی…………………………………………………………………………………. 40
2-7-5 اتصال کوتاه تک‌فاز……………………………………………………………………………………………. 40
2-7-6 پدیده خود تحریکی…………………………………………………………………………………………… 40
2-7-7 سیستم بهره‌برداری و کنترل………………………………………………………………………………… 41
2-7-8 راه‌اندازی………………………………………………………………………………………………………….. 41
2-7-9 بهره‌برداری موازی……………………………………………………………………………………………… 42
2-7-10 بارگذاری……………………………………………………………………………………………………….. 42
2-7-11 توقف آهسته…………………………………………………………………………………………………… 42
2-7-12 از کار افتادن (SHUT DOWN) ………………………………………………………………….. 42
2-7-13 توان اکتیو……………………………………………………………………………………………………….. 43
2-7-14 نیاز به بانک خازنی………………………………………………………………………………………….. 44
2-7-15 اتصال به شبکه و یا منفرد…………………………………………………………………………………. 44
2-8- سلول های خورشیدی و بررسی سیستم های فتوولتائیک(PV)…. ……………………………. 46
2-9- سلول خورشیدی……………………… …………………………………………………………………………….. 48
2-9-1- انواع سلولهای خورشیدی………………. ……………………………………………………………. 48
2-9-2- ساختار فیزیکی سلول های خورشیدی……………………………………………………………… 49
2-10- پنل خورشیدی ……………………………………………………………………………………………………… 54
2-11- نحوه ساخت پنل خورشیدی211 واتی………………………………………………………………………. 55
2-12- روشهای تولید انرژی خورشیدی …………….. …………………………………………………………… 56
2-13- سیستم فتوولتائیک (Photovoltaic)………………………………………………………………………. 57
2-13-1- مزایاي نظریه نيروگاههاي سلول خورشیدی………… ………………………………………….. 65
2-13-2- معایب نظریه نيروگاههاي سلول خورشیدی…… ……………………………………………….. 65
فصل سوم: باتری شارژرها…………………….. …………………………………………………………………. 66
3-1- مبانی سیستم باتری……………. ……………………………………………………………………………………. 66
3-1-1- سیستم های باتری………………… ………………………………………………………………………. 66
3-1-2- سلول سرب- اسیدی………. ……………………………………………………………………………. 66
3-1-3- مشخصه ی تخلیه………………. ………………………………………………………………………… 67
3-1-4- ملزومات شارژر………………. …………………………………………………………………………… 68
3-2- باتری شارژرها…………. ……………………………………………………………………………………………… 69
3-2-1- حالت زیرشارژ…………………….. ……………………………………………………………………….. 71
3-2-2- حالت فوق شارژ………. …………………………………………………………………………………… 72
3-2-3- شارژ سریع…………. ……………………………………………………………………………………….. 72
3-3- ایمنی……………………………… ……………………………………………………………………………………… 73
3-3-1- روش زمین کردن باتریهای 110 ولتی…………. ……………………………………………………. 73
3-3-2- زمین کردن سیستم باتری 48ولت………………. ……………………………………………………. 74
3-3-3- سیستم نشان دهنده آلارم باتری…… …………………………………………………………………… 74
3-4- سلولهای ترکیب مجدد……………………… ……………………………………………………………………… 75
3-5- راه اندازی باتریها ……………………. ……………………………………………………………………………… 77
3-5-1- راه اندازی باتریهای پلانته (سرب- اسیدی)….. …………………………………………………… 77
3-5-1-1- آزمایشهای باتری شارژر…………….. ……………………………………………………………… 77
3-5-1-2- آزمایش های تخلیه (دشارژ) باتری.. ……………………………………………………………… 79
3-5-1-3- رله اتصال زمین…………… ……………………………………………………………………………. 79
3-5-2- راه اندازی باتریهای آب بندی شده……….. ………………………………………………………….. 80
3-6- نقش شارژرها در پستهای برق…………………………………………………………………………………. 80
3-7- اصول کار شارژر………….. …………………………………………………………………………………………. 82
3-7-1- حالت شارژ نگهداری ……… …………………………………………………………………………….. 85
3-7-2- حالت شارژ سریع……………. ……………………………………………………………………………. 85
3-7-3- حالت شارژ اولیه…………………………………………………………………………………………….. 86
فصل چهارم: مدلسازی دینامیکی سلول خورشیدی و توربین بادی…………………… 88
4-1 – سلول فتوولتاییک …….. ……………………………………………………………………………………………. 88
4-2 – مدل توربین بادی …….. ……………………………………………………………………………………………. 93
4-3 مدل باد و مدل شبكه مصرفي…………………………………………………………………………….. 101
فصل پنجم: نتایج شبیه سازی شارژر کنترلر سیستم دوگانه خورشیدی و بادی متصل به باتری ……………………………………………………………………………………………………………………………. 108
نتیجه گیری و پیشنهادات ………………………………………………………………………………………….. 129
مراجع …………………………………………………………………………………………………………………….133
فهرست جدول ها
جدول 2-1 ميزان تغييرت دانسيته انرژي دريافتي با تغيير ارتفاع………………………………………………..22
جدول 2-2 نسبت انرژي توليدي به سرعت باد در شرايط استاندارد. …………………………………………23
جدول 2-3 منحنی توان توربین مدل NORDEX N-62…. ………………………………………………. 31
جدول 3-1 آماری هزینه تولید 1 کیلووات ساعت از انواع انرژی در سال 2008 در آمریکا……………53
جدول 5-1 ویژگیهای الکتریکی سلول خورشیدی مدل BP340… ………………………………………..80
فهرست شکل ها
شكل1-1 تفسير تصويري از ظرفيت و حالت شارژ باتري….. ……………………………………………………. 4
شکل 2-1 عامل بوجود آمدن باد…………………………………………………………………………………………. 16
شکل2-2 مقايسه قيمت تمام شده توليد انرژي توسط تکنولوژي هاي مختلف …………………………… 17
شکل 2-3 توربین بادی……. ……………………………………………………………………………………………….. 20
شکل 2-4 تاثیر ارتفاع در سرعت و انرژی دریافتی از باد.. ………………………………………………………. 22
شکل 2-5 نمایی از نمودار گلباد……………. …………………………………………………………………………… 29
شکل 2-6 جدول منحنی سرعت- تناوب بعد اعمال ضرایب ویبول.. ……………………………………… 30
شکل2-7 مدار معادل یک ژنراتور القایی……………………………………………………………………………….. 36
شکل 2-9 سلولهای الف) پولیکریستال، ب) مونوکریستال ج) پنل حاوی سلول های Amorphous………………………………………………………………………………………………………………….. 49
شکل 2-10 ساختار اساسی سلول PV………………………………………………………………………………….. 51
شکل 2-11 یک نمونه مدل سلول خورشیدی………………………………………………………………………… 51 شکل 2-12 مشخصهی الکتریکی ولتاژ جریان یک سلول خورشیدی………………………………………. 52 شکل 2-13 مدل الکترونیکی سلول خورشیدی…………………………………………………………………….. 52 شکل 2-14 تاثیر تغییرات روشنایی بر روی نمودار ولتاژ-جریان در سلول خورشیدی………………… 53 شکل 2-15 یک نمونه مدل پنل خورشیدی………………………………………………………………………….. 55 شکل 2-16 مشخصه ولتاژ-جریان یک باتری خورشیدی در یک سطح تابش نور خورشید و در تاریکی………………………………………………………………………………………………………………………………..61
شکل 2-17 جریان الکتریکی تولید شده در سلول خورشیدی….. …………………………………………… 62 شکل 3-1 مقدار ولتاژ باتری شارژرهای مورد استفاده برای شارژ باتری های پلانته در پست فشار قوی……………………………………………………………………………………………………………………………………70
شکل3-2 نمونه از یک شارژر مورد استفاده در پست برق…. …………………………………………….. 80 شکل 4-1 مدل مداری سلول خورشیدی……………. ……………………………………………………………….. 88
شکل 4-2 دیاگرام I-V ویژگی الکتریکی ماژول PV در شرایط نامی…….. ……………………………….. 91
شکل 4-3 دیاگرام P-V ویژگی الکتریکی ماژول PV در شرایط نامی…. …………………………………. 92
شکل 4-4 زاویه چرخش تیغه QUOTE ………………………………………………………………………………………… 94
شکل 4-5 ضرایب توان در برابر زاویه چرخش تیغه…… …………………………………………………………. 94
شكل 4-6- شكل موج توان توربين بادي برحسب سرعت آن…………………………………………………. 95
شكل 4-7- مدل سیمولینکی توان تولیدی توربين بادي…………………………………………………………… 97
شكل 4-8- بلوك دياگرام كنترل توان توربين و كنترل زاويه گام……………………………………………… 98
شكل 4-9- صفحه اصلي مدل سازي سيستم……………………………………………………………………….. 100
شكل 4-10- مدل باد به كار گرفته شده در شبيه سازي………………………………………………………… 102
شكل 4-11- مدل شبكه برق مصرفي براي اتصال به واحد توليدي………………………………………… 102
شكل 4-12- نتايج مدل سازي به روش اول (π)………………………………………………………………… 104
شکل 4-13 ترکیب تولیدکننده انرژی بادی و سلول خورشیدی…….. ……………………………………… 106
شکل 5-1 بلوک دیاگرام مدل شبیه سازی شده…………………………………………………………………….. 109
شکل 5-2 بلوک جریان خروجی فتولتائیک………………………………………………………………………….. 110
شکل 5-3 مدل شبیه سازی شده پنل خورشیدی 67 آرایه ای…………………………………………………. 111
شکل 5-4 مدل شبیه سازی شده باتری……………………………………………………………………………….. 112
شکل 5-5 مدل شبیه سازی شده اینورتر………………………………………………………………………………..113
شکل 5-6 مدل شبیه سازی منبع سه فاز ac……………………………………………………………………….. 114
شکل5-7 نمودار توان تولیدی سلول خورشیدی، توربین بادی و توان عبوری از خط انتقال سیستم…………………………………………………………………………………………………………………………….. 115
شکل 5-8 نمودار duty cycle مبدل boost به کار رفته در سیستم.. ………………………………….. 115
شکل 5-9 ولتاژ خروجی اینورتر متصل شده به خروجی سیستم فتوولتائیک…………………………….. 116
شکل 5-10 نمودار فرکانس کاری سیستم……. ……………………………………………………………………. 116
شکل 5-11 نمودار سرعت روتور ژنراتور بر حسب پریونیت…………………………………………………. 117
شکل 5-12 نمودارهای توان (الکتریکی و مکانیکی)مربوط به توربین بادی، سلول خورشیدی و کل سیستم تولید انرژی به همراه نمودار زاویه پره توربین بادی (بر حسب درجه)…………………………… 117
شکل 5-13 نمودار aprespont ولتاژ دو سر یکسوساز پل دیودی متصل شده به شده به منبع ولتاژ AC باتری شارژر…………………………………………………………………………………………… 118
شکل 5-14 نمودارهای توان خروجی باتری شارژر……………………………………………………………… 119
شکل 5-15 نمودارهای ولتاژ reelle باتری شارژر………………………………………………………………. 119
شکل 5-16 نمودار secteur ولتاژ ورودی دوسر منبع AC تامین کننده توان و ولتاژ اولیه باتری شارژر…… …………………………………………………………………………………………………………………….. 120
شکل 5-71 نمودار ولتاژ ورودی باتری شارژر……….. …………………………………………………………. 120
شکل 5-18 نمودار جریان خروجی سیستم فتوولتايیک……… ……………………………………………….. 121
شکل 5-19 نمودار توان اکتیو خروجی سیستم فتوولتاییک…… ………………………………………………. 122
شکل5-20 نمودار خطای توان اکتیو تولیدی سیستم توربین بادی………………………………………….. 123
شکل 5-21 نمودار انحراف توان مکانیکی بین شفت توربین بادی و روتور ژنراتور القایی………… 124
شکل 5-22 نمودار تغییرات جریان سیم پیچی استاتور ژنراتور القایی…………………………………….. 125
شکل 5-23 نمودار ولتاژ سیم پیچی تحریک ژنراتور القایی…. ……………………………………………….. 126
شکل 5-24 نمودار توان اکتیو خروجی سیستم سه فاز………. ……………………………………………….. 127
شکل 5-25 نمودار توان اکتیو بار متصل شده به خروجی سیستم سه فاز………………………………… 128
چکیده:
در این پایان نامه، در فایل شبیه سازی از مدلهای واقعی سیستم فتوولتاییک، توربین بادی و ژنراتور سنکرون که از طریق یک خط انتقال 63 کیلو ولت و یک ترانسفورماتور کاهنده 20/63 کیلو ولت و یک بریکیر سه فاز به بار متصل شده استفاده شد. و به منظور ذخیره بخشی از انرژی الکتریکی تولید شده در سیستم فتوولتاییک از یک باتری شارژر نیز استفاده شد. این باتری شارژر در شرایطی که تولید توان الکتریکی از طریق سایر منابع تولید توان الکتریکی با کاهش مواجه شود می تواند با تزریق توان ذخیره شده به شبکه انرژی الکتریکی مورد نیاز بار سیستم را تامین نماید. سلول فتوولتاییک استفاده شده سیستمی غیرخطی میباشد که بصورت یک منبع جریان موازی با دیود مدل میشود. با توجه به پایین بودن ولتاژ خروجی سیستم فتوولتاییک، جهت کاربرد در سیستم توزیع الکتریکی لازم است از یک مبدل boost (افزاینده ولتاژ) در خروجی این سیستم استفاده شود تا ولتاژ خروجی به مقدار مطلوب برسد. الگوریتم استفاده شده در سیستم سلول خورشیدی الگوریتم P&Oمی باشد.
در این پروژه سرعت ثابت توربین بادی بر روی ژنراتور القایی مورد بررسی قرار گرفته است. سرعت توربین بادی پس از عبور از یک بهره تناسبی وارد تابع محاسبه کننده سرعت توربین بادی می شود. این تابع یک تابع غیر خطی است که سیگنال خروجی این تابع، به عنوان توان خروجی توربین بادی در نظر گرفته می شود. در ضمن توان مکانیکی ورودی توربین بادی پس از مقایسه با مقدار مرجع سیگنال کنترل تیغه پره توربین را تولید می کند که وارد کنترل کننده PI می شود. سیگنال خروجی کنترل کننده وارد بلوک محاسبه گر ضریب قدرت شده و پس از ضرب شدن در سیگنال توان مکانیکی، سیگنال توان خروجی توربین بادی را تولید می کند که به همراه توان خروجی سیستم فتوولتاییک جهت تامین بار سیستم توزیع تولید می شود.
کلمات کلیدی: سیستم فتوولتاییک، باتری شارژر، توربین بادی، کنترل کننده
فصل اول
مقدمه
کنترل شارژر دستگاهی است که مابین پنل خورشیدی و باتری قرار می گیرد. وظیفه آن در سیستم های خورشیدی بسیار حیاتی و مهم است زیرا طول عمر باتری سیستم که تقریبا 30 درصد از کل هزینه را به خود اختصاص می دهد، بطور مستقیم به آن وابسته می باشد. چنانچه باتری بیش از حد شارژ گردد و یا اینکه بیشتر از حد ممکن تخلیه شود، آسیب جدی خواهد دید از این جهت دستگاه کنترل شارژر در مدار قرار داده می شود که در صورت شارژ یا دشارژ بیش از حد، باتری را محافظت نماید. شارژ کنترلرها بر مبنای اینکه تحمل چند آمپر جریان را دارند دسته بندی می‌شوند. استانداردهای بین‌المللی شارژ کنترلرها را ملزم به تحمل ۲۵% جریان اضافی در زمان محدود می نمایند. این موضوع باعث می-شود که در زمان افزایش بیش از حد تابش به کنترلر آسیبی نرسد. جریان بیش از حد می تواند به کنترلر آسیب برساند. انتخاب کنترلر شارژر با جریان بزرگ تر از حد مورد نیاز، امکان توسعه سیستم را در آینده فراهم می آورد بدون اینکه هزینه زیادی را تحمیل نماید. کنترلر همچنین از جریان معکوس در هنگام شب جلوگیری می نماید. جریان معکوس، مقدار جریانی است که هنگام شب در جهت معکوس از پانل می گذرد و باتری را تخلیه می کند.
همچنین امروزه نياز به بهينه‌سازي مصرف انرژی بدون به‌وجود آوردن مشكلات جديد براي مصرف کنندگان امريست ضروري، که در عين حال بايد قابليت اطمينان بالایی هم داشته باشد. بنابراين امروزه استفاده از سيستم هيبريد گريزناپذير است، که منجر به استفاده از مصرف كننده هاي الكتريكي بيشتر و قوي‌تر ميگردد و در نتيجه انرژي الكتريكي مورد نياز مصرف کننده افزايش مي‌يابد.
ازاين روي، صنايع باتري‌سازي در صدد عرضه باتريهاي نو هستند، كه همگام با تغيير تدريجي ساختار الكتريكي منابع تجدیدپذیر باشد. اين درحالي است که نقش باتري به عنوان يك وسيله محوري براي حفظ عملكرد مطلوب و افزايش قابليت اطمينان منابع تجدیدپذیر و مصرف کنندگان، كه قابل نظارت و مديريت نيز باشد، ارتقا يافته است[1].
از طرفي اغلب باتري‌ها نسبت به فراشارژ (overcharge) و فرودشارژ (over discharge) شدن حساسيت دارند و موجب تخريب باتري و صدمه زدن به آن ميگردد. علاوه بر آن در فرآيندهاي شارژ سريع، مطلوب است كه باتري با استفاده از روشهاي شارژ معمول كه عمدتاً با استفاده از جريانهاي بالا انجام مي‌گيرد، در كوتاهترين زمان ممكن به حالت شارژ كامل برسد در عين حال كه از ورود به ناحيه فراشارژ، جلوگيري گردد[3,2].
بنابراين عملكرد مطلوب باتري به تخمين حالت شارژ(SOC) و کنترل مناسب آن بستگي دارد. لذا ضروري است كه با اندازه‌گيري و تخمين آن، شرايط را براي عملكرد مناسب باتري و نيز دستگاه‌هاي الكتريكي، از طريق مديريت باتري در فراهم آورد. نظارت بر باتري سبب ميگردد كه بتوان از تمام توانايي باتري به بهترين شكل براي تأمين انرژي وسايلي كه وابستگي بالايي به انرژي الكتريكي دارند استفاده کرد[3,1]. از آنجا که موضوع اصلي پايان‌نامه درباره شارژ باتري و کنترل آن در سطح مشخصي است، در ادامه به ارائه تعريفي از حالت شارژ مي‌پردازيم.
1-2 مفهوم حالت شارژ
حال كه ضرورت آگاهي از حالت شارژ (SOC) باتري بيان گرديد بايد تعريف دقيقي از آن بيان نمود. در نظر نخست مي‌توان گفت كه حالت شارژ به‌طور ساده، درصد بار الكتريكي ذخيره شده حقيقي به كل باري است كه مي توان در باتري ذخيره نمود. فرض كنيد يك باتري در اختيار داريم كه از قبل داراي مقداري انرژي است و اکنون آن را با جريان شارژ(وارد به باتري) ، شارژ مي‌کنيم. در اين صورت مقدار بار تحويل داده شده به باتري برابر است با و از طرفي اگر باتري کاملاً خالي از انرژي باشد در نتيجه برابر كل باري است كه مي توان در باتري ذخيره نمود. در روابط فوق، راندمان باتري را نشان ميدهد که وابسته به جريان باتري است، زيرا در هنگام شارژ مقداري از توان الکتريکي در باتري تلف ميشود. براي جريان شارژ و براي جريان دشارژ است. با استفاده از تعريف بالا، حالت شارژ با رابطه زير تعريف مي گردد:
(1-1 )
که در آن حالت شارژ اوليه باتري، بار الکتريکي در لحظه و کل بار الکتريکي است که مي‌توان در باتري ذخيره نمود. اما نکته قابل توجه، در دسترس نبودن حالت شارژ اوليه باتري در اغلب کاربردهايي است که به‌طور پيوسته از آن بهره مي‌گيرند. لازم به ذکر است که رابطه(1-1) يکي از روشهاي مستقيم اندازه‌گيري حالت شارژ باتري در آزمايشگاه است که در ادامه بررسي روشهاي تخمين حالت شارژ به‌طور اجمالي معرفي خواهد شد. شكل1-1 تفسير تصويري از حالت شارژ باتري را به‌عنوان يك تابع حالت يكنواخت، با چشم‌پوشي از اثر دما، دشارژ دروني و انتشار جريان الكتريكي، ارائه ميدهد. همانگونه كه در ادامه بيان ميگردد، روشهاي بسياري براي بدست آوردن حالت شارژ باتري، چه با استفاده از حسگرهاي ويژه و چه با استفاده از الگوريتمهاي كلاسيك و هوشمند، بكار رفته است، كه هركدام داراي مزايا و معايبي است كه به آن اشاره خواهد شد[1,2,3,4].
شكل1-1: تفسير تصويري از ظرفيت و حالت شارژ باتري1-3 بررسي روشهاي تخمين حالت شارژ باتريمشخص كردن حالت شارژ باتري(SOC) بر اساس پيچيدگي يا سادگي نوع باتري و كاربردي كه در آن استفاده ميگردد، مي‌تواند مسأله‌اي اساسي باشد. در زير به بررسي اجمالي روشهاي بكار رفته براي تخمين حالت شارژ باتري‌ها مي‌پردازيم.
1-3-1 اندازه‌گيري حالت شارژ از طريق ويژگيهاي فيزيكي الكتروليتدر اغـلب باتريهاي داراي الکترولـيت مايع، مانند: انواع سربي- اسيدي، الكتروليت در بيـشتر واكنشهاي هنگام شارژ و دشارژ شركت مي‌كند. وابستگي خطي(بيشتر در مورد انواع سربي- اسيدي) كه بين تغيير چگالي اسيد و حالت شارژ باتري وجود دارد، براي تعيين حالت شارژ باتري بكار مي‌رود. اين روش تنها براي باتريهاي داراي الكتروليت مايع کاربرد دارد و براي اندازه‌گيري چگالي اسيد، با استفاده از حسگرهاي ويژه، قابل انجام است.
مشكلات ناشي از اين روش اندازه‌گيري، مربوط به لايه لايه شدن اسيد، كاهش آب اسيد، و همچنين عمر و توانايي سنسور مورد استفاده مي‌باشد. دو مشكل نخست با استفاده از هم زدن الكتروليت داخلي و نيز اضافه كردن آب مورد نياز به‌صورت خودكار مي‌تواند تا حدودي برطرف گردد. از طرف ديگر توجه به اين نكته اهميت دارد كه اندازه‌گيري خواص فيزيكي اسيد، درون سوراخ و منفذ الكترودها، كه محل مصرف و توليد اسيد است قابل انجام نيست. بنابراين در فرآيندهايي كه جريان بالا وجود دارد، انتشار الكتروليت به‌صورت آرام به عنوان يك عامل توليد خطا در اين روش عمل مي‌نمايد[4].
1-3-2 ولتاژ مدار بازمشابه آنچه كه در مورد اندازه‌گيري چگالي اسيد در بخش قبل گفته شد، ولتاژ مدار باز باتري به‌صورت مستقيم با حالت شارژ آن بستگي دارد. در كاربردهايي كه عموماً دوره‌هاي طولاني از استراحت، يعني عدم شارژ و دشارژ باتري وجود دارد، روش ذكر شده پيشنهاد ميگردد. در اين‌صورت اندازه‌گيري ولتاژ مدار باز بيشتر براي تنظيم كردن روشهاي ديگر تخمين حالت شارژ بكار مي‌رود.
تفاوت بين ولتاژ مدار باز باتري هنگامي كه به‌طور كامل شارژ باشد، با هنگامي كه فراشارژ شده باشد، ناچيز است و درنتيجه در هنگام فراشارژ، آزمون دچار خطا ميگردد. همچنين باتري‌هايي وجود دارند که ساعتهاي زيادي طول مي‌كشد به حالت ماندگار خود برسند، تا براي انجام آزمون ولتاژ مدار باز آماده شوند. اين ويژگي مي‌تواند باعث مشكلاتي گردد. علاوه بر آن، در اغـلـب كاربردها مقـداري جـريان به‌طور دائم بـراي ديگر وسايـل الكتريكي مـورد استفـاده لازم اسـت، كه در اين صورت آزمايش ولتاژ مدار باز براي تخمين حالت شارژ کارا نمي‌باشد.
وابستگي خطي حالت شارژ با ولتاژ مدار باز به‌صورت رابطه زير نشان داده ميشود:
(1-2)
كه در آن نشان دهنده حالت شارژ باتري برحسب درصد است، ولتاژ پايانه باتري هنگامي كه است و با استفاده از و اندازه گيري ولتاژ مدار باز در از معادله (1-2) قابل محاسبه است. از رابطه(1-2) براي محاسبه حالت شارژ با استفاده از تخمين ولتاژ مدار باز باتري با مدل تونن يا نورتن، در روشهاي كلاسيك تخمين مانند: فيلتر كالمن استفاده ميشود، كه در قسمت بعد به اين روش مي‌پردازيم[4].
1-3-3 شمارش آمپر ساعت اين روش يكي از معمولي‌ترين روشها براي محاسبه حالت شارژ است. از آنجا كه شارژ و دشارژ بطور مستقيم به جريان باتري بستگي دارند، استفاده از جريان شارژ يا دشارژ براي اندازه‌گيري حالت شارژ باتري ايده‌اي معقول است. اگر از قبل بدانيم که چه مقدار انرژي در باتري وجود دارد، با استفاده از رابطه(1-1) که در زير تکرار ميگردد، به‌طور مستقيم حالت شارژ را مي‌توان بدست آورد:
(1-3)
كه در آن ظرفيت نامي، Ib جريان باتري و راندمان باتري است. همانگونه که مشخص است، روش ذكر شده داراي دو مشكل اساسي است، نخست آنكه اندازه‌گيري نادرست جريان مي‌تواند به خطاي زيادي منجر گردد، در عين حال كه اندازه‌گيري جريان دقيق گران تمام ميشود. دوم اينكه تمام جرياني كه باتري را تغذيه مي‌كند براي شارژ مصرف نمي‌گردد، در نتيجه تلفات بايد محاسبه گردد. مشكل نخست، با استفاده از صرف هزينه براي تهيه تجهيزات اندازه‌گيري دقيق جريان قابل رفع است و براي برطرف کردن مشکل دوم، يكي از ساده ترين روشها براي محاسبه جريان تلفاتي، به‌كاربردن ضريبي ثابت از جريان شارژ باتري در هر شارژ است. به اين معني كه تلفات را به‌صورت ثابت كه با ضريب مناسبي با جريان شارژ رابطه مستقيم دارد، در نظر بگيريم.
شمارش آمپرساعت يكي از معمولي ترين روشهاي اندازه‌گيري حالت شارژ است، كه براي بيشتر سيستمها و كاربردها بكار مي‌رود. اما روش ذكر شده مادامي كه اندازه‌گيري جريان به‌صورت دقيق انجام شود، روشي آسان و قابل اطمينان براي اندازه‌گيري حالت شارژ است. براي مثال در خودروهاي الكتريكي خالص روش به‌كار رفته اگر طوري باشد كه باز‌شارژهاي كامل به‌صورت منظم و تحت شرايط كنترل شده انجام گيرد، داراي مزيت است. در اين زمينه كاربرد روش ارائه شده داراي محدوديت است، زيرا هميشه مقدار شارژ اوليه باتري در دسترس نيست، اما از طرفي اين روش قابل اعمال به تمام سيستمهاي باتري كه در خودروهاي الكتريكي خالص به‌كار مي‌رود، مانند باتـري‌هاي سربي- اسيدي، نيكـل كادميوم، نيكل- متال- هيدريد و باتريهاي ليتيومي است[4].
1-3-4 تخمين با استفاده از منطق فازيتحقيقات زيادي برروي طيف امپدانسي باتري انجام گرفته است. اين روش، تكنيكي عمومي براي اندازه‌گيري و بررسي فرآيندهاي الكتروشيميايي است و تا كنون برروي تمام انواع باتري، نه تنها براي تخمين حالت شارژ، بلكه براي تعيين حالت سلامتي باتري (SOH) نيز، به‌كار رفته است[5,4].
همانگونه كه از تحقيقات تجربي بدست آمده است، امپدانس باتري در فركانسهاي مختلف موج تحريك سينوسي و همچنين بسته به مقدار حالت شارژ باتري، متفاوت است. اما از آنجاكه بدست آوردن رابطه‌اي رياضي، براي مشخص كردن حالت شارژ(SOC) از روي ويژگيهاي بدست آمده از طيف‌نمايي امپدانس كاري پيچيده‌است، بنابراين از منطق فازي براي ايجاد چنين رابطه‌اي استفاده ميگردد. دو روش براي بهينه‌سازي مدل فازي وجود دارد، كه عبارتند از: روش يادگيري تحت نظارت و يادگيري آزاد. به اين معني كه با تنظيم كردن توابع عضويت ورودي و خروجي، مدل سيستم فازي بهينه ميگردد. در حالت يادگيري تحت نظارت، مي‌توان با استفاده از پسخورخبره(Expe–eedback) يا شبكه عصبي، مانند الگوريتم پس انتشار، مدل فازي را بهينه كرد. ولي در حالت يادگيري آزاد، براي دسته‌بندي كردن فضاي ورودي و خروجي كه از آن، توابع عضويت و قواعد اوليه قابل استخراج باشد، مي‌توان از الگوريتم‌هايي چون خوشه‌سازي بهره گرفت[7,5].
با وجود آنـكه تحقيقات گسترده‌اي در اين روش انجام گرفته است، طيف‌نماي امپدانس به ندرت در عمل براي اندازه‌گيري حالت شارژ بكار مي‌رود. طبق تحقيقات انجام‌شده، مشخص شده‌است كه طيف‌نماي امپدانس حساسيت بسيار زيادي به دما دارد به‌طوريكه تنها در فركانسهاي بسيار بالا قابل استفاده است[3].
1-3-5 شبكه هاي عصبي مصنوعياز آنجا كه شبكه‌هاي عصبي بين داده‌هاي ورودي و خروجي هر سيستمي، رابطه‌اي مشخص ايجاد مي‌كنند، بنابراين براي هر نوع باتري و هر نوع سيستمي مي‌توانند به‌کار روند. در بعضي روشها براي تخمين حالت شارژ باتري با استفاده از شبكه‌هاي عصبي، شبكه قبل از استفاده، آموزش داده ميشود. در صورتيكه در بعضي روشهاي ديگر، شبكه به‌صورت وفقي و در حين كار باتري آموزش مي‌بيند. در روش آخر استفاده از ديگر روشهاي تخمين، براي توليد داده‌هاي آموزشي ضروري است. خطاي بوجود آمده در تخمين به نحو چشمگيري به داده‌هاي آموزشي و روش آموزشي مربوط است[12,11,10,9,8].
1-3-6 تخمين با استفاده از فيلتر کالمن فيـلتر کالمن يکي از الگـوريتمهاي موفق تخمين است که بـراساس مدل گسسته فضاي حالت سيستمهاي ديناميکي، به‌صورت وفقي و با محاسبات برگشتي، قادر است حالتهاي دروني سيستم را که به‌صورت مستقيم قابل اندازه‌گيري نمي‌باشند، تخـمين بـزند. از ايـن‌روي در بسيـاري از تحقيقات، که برروي تخمين حـالت شارژ باتـري‌ها انـجام شده‌اسـت، از الگوريتم فيلتر کالمن بهره جسته‌اند[17,16,15,14,13].
در برخي از کارهاي انجام شده، از اين تخمينگر براي تخمين ولتاژ مدارباز باتري يا برخي پارامترهاي داخلي باتري که داراي رابطه‌اي مستقيم با حالت شارژ باتري هستند، استفاده شده‌است[14,13] .اما دربرخي ديگر با استفاده از حالت شارژ به‌عنوان يکي از متغيرهاي حالت مدل باتري، حالت شارژ به‌طور مستقيم، با استفاده از فيلتر کالمن توسعه يافته، تخمين زده ميشود[17,16,15,3]. يکي از مزاياي فيلتر کالمن، قابليت اعمال آن به هر نوع باتري است و از معايبش، حجم بالاي محاسباتي و همچنين طراحي مدلي خوب براي باتري استفاده شده، مي‌باشد.
1-4 کنترل حالت شارژدر روشهاي سنتي كاركرد باتري‌ها، تنها از حدود مـشخص براي ولتاژ پايانه‌هاي باتري جهت حفاظت آن از اضافه شارژ و اضافه دشارژ آن استفاده مي‌شد که روشي ناکارآمد است و باعث تخريب و كاهش عمر باتري ميگردد[18,3].
در[20] از يك كنترل‌كننده فازي، با استفاده از دو مد دريافت و شارژ، براي كنترل حالت شارژ باتري استفاده شده است. در مد دريافت، كه داراي بازه زماني بسيار كوچكتري نسبت به مد شارژ است، ولتاژ مدارباز و همچنين جريان شارژ اندازه‌گيري ميشود و با استفاده از داده‌هاي به‌دست آمده، كنترل‌كننده فازي به كنترل حالت شارژ در مد شارژ مي‌پردازد. روش ارائه شده به دليل قطع‌كردن بار در مد دريافت، نياز به سوئيچ‌هاي اضافي و بيشتر شدن هزينه دارد و همچنين براي كاربرد در خودروهاي هيـبريد كه علاوه بر افزايـش هزينه، قطـع بار مي‌تواند موجب صدمه به مصرف‌كننده‌هاي الكتريكي باشد، مناسب به نظر نمي‌آيد.
در مرجع[21] از سيستم كنترلي براي كنترل يك ماژول هيجده تايي متشكل از دو شارژکننده، استفاده شده است كه شارژکننده اصلي براي شارژ كردن كل ماژول به‌كار مي‌رود، در صورتيكه شارژرکننده كمكي براي متوازن كردن حالت شارژ هر كدام از سلول‌ها استفاده ميگردد. در مرجع ذكر شده براي كنترل از روش شارژ جريان ثابت و براي تخمين حالت شارژ از روش شمارش آمپرساعت بهره گرفته شده‌است.
فصل دوم
منابع تولید پراکنده
2-1 بحران انرژی در جهان
آنچه اكنون به عنوان بزرگترين مشكل جهاني، بشر را تهديد مي كند، كمبود انرژي و آلودگي هوا بر اثر استفاده از سوخت هاي فسيلي است. براي رفع اين دو معضل بزرگ از مدتها پيش، پژوهشگران و دانشمندان مطالعه و تحقيق براي استفاده از انرژي هاي تجديد پذير و پاك را شروع كرده اند و اكنون كه دشواري هاي گراني و كمبود سوخت هاي فسيلي و حداقل در50 سال آينده، پايان يافتن اين قبيل سوخت ها، پيش بيني شده و شدت آلودگي هوا، كلان شهرهاي دنيا را بشدت تهديد مي كند، مسئولان كشورها نيز با اختصاص بودجه هاي سنگين، تمامي دانشگاهها و مراكز پژوهشي را تشويق به يافتن انرژي هاي جايگزين و كم مخاطره مي كنند .مي توان گفت، اكنون که دو مسئله به هم پيوسته انرژي و آلودگي هوا (محيط زيست)، به عنوان يك مشكل جهاني عظيم روز بروز تشديد مي شود و تا زماني كه راهكارهاي علمي و عملي براي آن پيدا نشود، انسان خاكي در مخاطره جدي قرار دارد. از گذشته هاي نه چندان دور، راه حل هايي براي توليد انرژي از منابع طبيعي مورد مطالعه قرار گرفته و عناصري مانند، آفتاب (نور خورشيد)، آب، باد و امواج اقيانوس ها مورد توجه قرار گرفته است و دانشمندان مي كوشند با استفاده از اين عناصر طبيعي، مشكل انرژي را حل كنند كه پي آمد آن، كاهش آلودگي هوا و محيط زيست سالم خواهد بود. استفاده از قايق ها و کشتي هاي بادباني و آسياب هاي بادي و آبي، استفاده وسيع از انرژي آفتاب در مقاصد گرمايش و سوزاندن چوب و امثالهم براي توليد حرارت، تعبيه بادگيريهاي طبيعي براي سرمايش اماکن مسکوني و بسياري موارد ديگر از جمله مثال هاي بارز استفاده انسان از منابع انرژي طبيبعي مي باشد. با گذشت زمان و در اثر رشد جوامع و پيچيده تر شدن صنعت و تکنولوژي، نياز بشر به منابع انرژي شدت يافت و کشف و بهره برداري وسيع منابع فسيلي را ناگزير نمود. در دنياي امروز انفجار جمعيت و ارتقاء سطح زندگي و رفاه انسان ها که نياز به منابع انرژي را بيش از پيش شدت بخشيده است از يک طرف و آسيب ها و تهديدات روز افزوني که استفاده بي رويه از انرژيهاي فسيلي به طبيعت و محيط زيست وارد کرده و مي کند از طرف ديگر، ادامه اين روند را غير ممکن ساخته است، بطوريکه شوک نفتي دهه هفتاد به عنوان يک نقطه گسسته، لزوم توجه به منابع جايگزين را بيش از پيش براي سياستگذاران انرژي کشور هاي صنعتي مطرح نموده است. لذا از آن زمان به بعد، بشر با نگاهي دوباره به خورشيد، باد، امواج و ساير منابع طبيعي پاک و لايزال) منابع تولید پراکنده (، سعي نموده است که وابستگي خود به منابع فسيلي را تا حد امکان کم نمايد.
2-2 منابع تولید پراکنده :
منظور از تولید پراکنده برق، واحدهای تولیدی کوچک(کمتر از یک مگاوات) است که نزدیک مصرف کننده قرار دارند و می توانند مستقلا یا متصل به شبکه سراسری، برق تولید نمایند.
این نیروگاهها، بسته به مکان مورد استفاده می توانند از انواع مختلف زیر باشند: نیروگاه های خورشیدی، بادی، ژئوترمال(زمین گرمایی) و نیز نیروگاههای که با استفاده از سوخت های فسیلی مثل گاز طبعیی کار می کنند.
علاقمندی به استفاده از نیروگاههای تولید پراکنده از سال 1973 شروع شد. علاوه بر آنچه گفته شد با توسعه استفاده از منابع انرژی تجدید پذیر، نیروگاههای تولید پراکنده برای مصرف کننده های کوچک که دور از شبکه سراسری برق قرار دارند مناسب گردیده است. علاوه بر این، این واحد- ها برای در فضا و زیر آب و مصارف پزشکی کاربرد دارند، همچنین تقریبا بیش از یک میلیون روستای پراکنده در جهان وجود دارد که امکان دسترسی به شبکه برق سراسری را ندارند و استفاده از تولید پراکنده بهترین راه رساندن برق به این منطقه است.
2-3 فناوریهای تولید پراکنده:
فناوریهای زیادی برای تولید پراکنده ارائه شده و به کار گرفته شده و به کار گرفته شده اند، توان تولیدی نیروگاههای تولید پراکنده بسته به کاربرد آنها در دامنه میلی وات تا مگاوات تغیر می یابد. تعدادی از این فناوری ها در ذیر آورده شده است.
سیستم های تبدیل انرژی بادی به الکتریکی
نیروگاههای فتوولتاییک
نیروگاههای ژئوترمال
سیستم های تبدیل انرژی موجی و جزر و مدی به الکتریکی
پیلهای سوختی
سیستم های تبدیل انرژی های خورشیدی-گرمایی-الکتریکی
ترموالکتریک
استفاده و بازیافت توده های زیست محیطی(بیومس)
ترمیونیک
2-4- انرژي باد و نیروگاه بادی- سلول های خورشیدی و بررسی سیستم های فتوولتائیک(PV)
2-4-1 انرژي باد و نیروگاه بادی:
بي ترديد انرژي يکي از مهمترين عوامل پيشرفت و توسعه جوامع بشري است. انسان براي تغذيه، بهداشت و درمان، جابجايي، ساخت وساز، تفريح و اغلب فعاليت هاي حياتي خود به بيان ديگر براي زندگي وبقاء به توليد ومصرف انرژي وابسته است. پيش از کشف و به خدمت گيري منابع انرژي فسيلي، انسان عمدتا نياز خود را از منابعي تامين مي نمود که امروزه انرژي هاي تجديد پذير خوانده مي شوند روند پرشتاب استفاده از منابع انرژي تجديد پذير در چند سال گذشته و نيز برنامه هاي آتي کشور هاي صنعتي که در پي آنند تا سهم منابع تجديد پذير را در سبد انرژي خود بيشتر و بيشتر نمايند، گواه اين مدعاست. براي رويارويي با شرايط كنوني، مدتها است كه انرژي وزش باد، به عنوان جايگزيني خوب در نظر گرفته شده و فكر پژوهشگران را به خود مشغول داشته است. از انرژي باد در ادوار گذشته. در برخي از كشورها به طریق مختلف استفاده مي شده و نمونه ساده آن استفاده از آسيابهاي بادي است. نكته حائز اهميت اينكه در گذشته هيچ محاسبه يا برآوردي در خصوص مقدار انرژي باد انجام نشده است .براساس پژوهش ها، حدود نيم درصد از انرژي تابشي خورشيد زماني كه به زمين مي رسد، به صورت باد تبديل به انرژي جنبشي مي شود و در هر مترمكعب از هواي متحرك در بالاي سطح زمين حدود1/7 وات انرژي وجود دارد. در اندازه هاي كوچك- اين انرژي به گونه متمركز و بصورت جريان هاي شديد هواست ولي براي استفاده بسيار زياد، بيشترين انرژي بادها در ارتفاعات بالا قرار دارد، به طوري كه دانشمندان دريافته اند دو سوم كل انرژي باد بالاتر از لايه تروپوسفر و دور از دسترس ما قرار دارد.
2-4-2 تار يخچه استفاده از انرژي باد
بشر از زمانهاي بسيار دور به نيروي لايزال باد پي برده بود. آسيابها و کشتي هاي بادي که هزاران سال قبل معمول بود، گوياي اين امر است. طبق اسناد و مدارک موجود، اولين کرجي که با نيروي باد کار مي کرد، توسط مصريان ساخته شد و اولين آسياب بادي با محور قائم براي آرد کردن غلات، 200 سال قبل از ميلاد مسيح توسط ايرانيان بنا گرديد. هم اکنون تعدادي آسياب بادي در روستاهاي بين خواف و تايباد وجود دارد که به کار مشغولند. آسياب هاي بادي اوليه داراي محور قائم بودند، بعد از مدتي آسياب هاي بادي با محور افقي و پروانه هاي سه گوش باد بزني معمول گشت. هنوز هم نمونه هايي از اين آسيابها را مي توان در نواحي مديترانه پيدا کرد. در قرن يازدهم ميلادي در خاورميانه از آسياب هاي بادي استفاده هاي گوناگوني مي‌شد. آسياب هاي بادي در قرن سيزدهم ميلادي به کشورهاي اروپايي راه يافت. نصب بادبان به يک محور مرکزي که با استفاده از نيروي باد، توليد نيروي چرخشي مي کرد، بعد از انجام گرفت و بشر به وسيله آن توانست نيروي لازم را براي آبکشي به منظور آبياري، آرد کردن غلات و سرانجام اره کردن چوب به دست آورد.
خشکي‌ها زمين نسبت به درياها زودتر گرم و زودتر سرد مي‌شوند. در مناطق گرمسير، تابش نور خورشيد سبب افزايش حرارت محيط مي گردد و در مناطق قطبي افت درجه حرارت بوجود مي- آيد .اتمسفر بوسيله چرخش زمين حول محور PP’ خود که از قطبين زمين عبور مي كند، و همچنين در عرض هاي مختلف كره زمين موجب تغييراتي در فشار و دماي هوا مي شود و گرما را از مناطق گرمسير به مناطق قطبي انتقال مي دهد .در مقياس جهاني، اين جريانات اتمسفري به صورت يك عامل مهم انتقال گرما عمل مي نمايد. اين تفاوت دماي جهاني موجب به وجود آمدن يک سيستم جهاني تبادل حرارتي خواهد شد که از سطح زمين تا هوا کره، که مانند يک سقف مصنوعي عمل مي‌کند. (شکل 2-1)
شکل 2-1 عامل بوجود آمدن باد
بيشتر انرژي که در حرکت باد وجود دارد را مي‌توان در سطوح بالاي جو پيدا کرد جايي که سرعت مداوم باد به بيش از ۱۶۰ کيلومتر در ساعت مي‌رسد و سرانجام باد انرژي خود را در اثر اصطکاک با سطح زمين و جو از دست ميدهد. بادها را معمولاً به سه دسته بادهاي جهاني، بادهاي منطقه اي و بادهاي محلي تقسيم مي کنند. که در اين ميان بادهاي جهاني داراي الگوهاي قابل پيش بيني تري هستند و سطح وسيع تري را نسبت به انواع ديگر پوشش مي دهند. اين در حالي است که بادهاي محلي و منطقه اي بيشتر تحت تاثير عوامل منطقه اي از جمله تفاوت در دما و فشار هوا و نيز ساختار اقليمي منطقه قرار دارد. علاوه بر عوامل فوق، عوامل ديگري مانند مشخصات توپوگرافي محل و تغييرات فصلي دما، توزيع انرژي باد را تغيير مي دهند .براي مثال اختلاف ظرفيت گرمايي بين زمين و آب دريا در ساحل، ايجاد نسيم دريايي مي كند و در دره ها و كوهستان ها فرايند مشابهي منجر به ايجاد باد هاي محلي مي شود .
2-4-3 مزاياي نيروگاههای بادی
استفاده از تکنولوژي توربينهاي بادي به دلايل زير مي تواند يک انتخاب مناسب در مقايسه با ساير منابع انرژي تجديد پذير باشد:
1- قيمت پايين توربينهاي برق بادي در مقايسه با ديگر صورت انرژيهاي نو
هر چند در ابتداي کار توربين هاي بادي، قيمت تمام شده براي هر کيلو وات 30 تا 50 سنت بود ليکن هم اکنون به کمتر از 4 سنت رسيده است. اين کاهش قابل توجه را مي توان ناشي از موارد زير دانست.
پيشرفت هاي قابل توجه تکنولوژي ساخت توربينها و در نتيجه کاهش هزينه تمام شده نهايي
استفاده ازسيستم هاي کامپيوتري به منظور نظارت بر عملکرد و کاربرد توربين ها
ساخت توربين هاي بزرگ و افزايش توليد برق توسط هر توربين از KW 10 به KW 50و يا بالاتر
کاهش ريسک سرمايه گذاري در انرژي بادي به سبب استقبال مردم از انرژي هاي پاک و استقبال دولتها به آن.
شکل2-2- مقايسه قيمت تمام شده توليد انرژي توسط تکنولوژي هاي مختلف
2- کمک در جهت ايجاد اشتغال در کشور
ايجاد اشتغال اين صنعت در ميان ديگر صنايع انرژي از همه بيشتر است نصب يک مگا وات برق بادي در اروپا براي 15 الي 19 نفر اشتغال ايجاد مي کند که اين رقم در کشور هاي در حال توسعه تا دو برابر مي رسد.
3- عدم آلودگي محيط زيست
طبق آمار موجود توليد هر کيلو وات ساعت انرژي الکتريکي از باد مي توانداز انتشار حدود يک کيلوگرم CO2 در مقايسه با نيروگاه هاي سوخت فسيلي جلوگيري نمايد. به طوري کلي با جايگزيني هر 1% از انرزي برق بادي با انرژي برق توليدي از نيروگاه هاي سوخت فسيلي مي توان حدود 3% از انتشار گازهاي گلخانه اي کاست. به عنوان نمونه در منطقه منجيل هر توربين 500 کيلو وات در سال، حداقل 1500 مگا وات ساعت انرژي الکتريکي توليد مي نمايد که باعثٍ کاهش آلاينده هاي محيط زيست به مقدار زير خواهد گرديد.
خاکستر = Kg 82500 خاک = Kg 150 kg 3900 NO = 4350 SO2 = kg 1275000 CO2=
از ديگر مزاياي استفاده از اين انرژي، عدم نياز توربين بادي به سوخت، رايگان بودن انرژي، توانايي تامين بخشي از تقاضاهاي انرژي برق، کمتر بودن نسبي قيمت انرژي باد نسبت به انرژي فسيلي در بلند مدت، استفاده از توربين هاي بادي براي آبکشي از چاه به ويژه در مناطق دور از شبکه برق سراسري، تنوع بخشيدن به منابع انرژي و ايجاد سيستم پايدار انرژي، قدرت مانور زياد در بهره برداري(از چند وات تا چندين مگاوات)، عدم نياز به آب عدم نياز به فضاي زياد، کمتر بودن هزينه هاي جاري و سرمايه گذاري انرژي باد در بلند مدت و افزايش قابلت اطمينان در توليد انرژي برق مي باشد.
2-5 توربين بادي
يک توربين بادي دستگاهي است که داراي تعدادي پره مي باشد که اين پره ها قابليت دريافت انرژي، از باد و تبديل آن را از طريق يک محور به انرژي مکانيکي دارا مي باشد اين انرژي مکانيکي در غالب موارد به يک ماشين الکتريکي منتقل مي شود و در نهايت انرژي الکتريکي توليد مي شود.
2-5-1 كاربرد توربينهاي بادي
الف- كاربردهاي غيره نيروگاهي:
پمپهاي بادي آبكش جهت :
تأمين آب آشاميدني حيوانات در مناطق دورافتاده
آبیاری در مقیاس کم
آبكشي از عمق كم جهت پرورش آبزيان
تأمين آب مصرفي خانگي
كاربرد توربينهاي بادي كوچك بعنوان توليد كننده برق برای:
مصرف جزيره ها، مکان های دور افتاده از شبکه برق
تأمين برق شارژ باتري
ب – كاربردهاي نيروگاهي:
نيروگاههاي بادي منفرد جهت تأمين انرژي الكتريكي واحدهاي مسكوني، تجاري، صنعتي و يا كشاورزي
مزارع برق بادي جهت تأمين بخشي از تقاضاي انرژي برق شبكه
2-5-2 انواع توربينهاي بادي
الف) تقسيم بندي از حيث اندازه
توربين هاي بادي را از حيث اندازه نيز به سه دسته تقسيم مي کنند.
شکل 2-3- توربین بادی
توربین های کوچک :(small)
توربين هاي کوچک قادرند 50 تا 60 کيلووات انرژي توليد کنند. پره هاي روتور آن روي دايره اي به قطر 1 تا 15 متر مي چرخند. توربين هاي بادي کوچک اصولاً در جاهاي پرت و جاهايي که برق رساني به آنها به صرفه نيست به کار مي روند.
توربین های متوسط (medium):
بيشتر ژنراتورهاي بادي تجاري از نوع دوم هستند قطر دايره اي که پره هاي روتور روي آن جابجا مي شود 15 تا 60 متر است و 50 تا kw 1500انرژي توليد مي کنند. اما انواع متداول آنها بين 500 تا kw 750 برق توليد مي کنند.
توربين هاي بزرگ (large) :
توربين هاي بزرگ که قطر دايره حرکت پره ها در آنها 60 تا 100 متر است بين 2 تا MW 3 برق توليد مي کنند. با افزايش تعداد کارخانه ها و بزرگ شدن آنها، فکر استفاده از توربين هاي بزرگ به جاي توربين هاي متوسط غالب شد. بسياري از کشورها روي اين موضوع سرمايه گذاري کردند. اما به زودي مشخص شده که صرفه ي اقتصادي توربين هاي بزرگ و قابليت اطمينان آنها در مقابل توربين هاي متوسط با مراتب کمتر است.
2-5-3 بادها و توربينهاي بادي
خوشبختانه توربين هاي بادي توانايي کار کردن با هر نوع بادي را دارند و نوع بادها در بازدهي آنها تاثيري ندارد. از نکات جالب در طراحي توربين هاي بادي اين است که با افزايش 50 متر در ارتفاع توربين هاي بادي ميزان انرژي دريافتي 100 درصدافزايش مي يابد. ميزان تاثير گذاري ارتفاع در دانسيته انرژي قابل دريافت در فرمول زير نيز به خوبي مشهود است.
(2-1) که در آن
که در اين فرمول Z معرف ارتفاع است، P دانسيته انرژي و V سرعت باد را نشان مي دهد. K نيز درجه پايداري ناميده مي شود.
شکل 2-4: ميزان تأثير گذاري ارتفاع در سرعت و انرژي دريافتي از باد را نشان مي دهد.
شکل 2-4- تاثیر ارتفاع در سرعت و انرژی دریافتی از باد
همانگونه که در فرمول نيز مشاهده مي شود دانسيته انرژي استحصالي با ازدياد تغيير ارتفاع به صورت نمايي رشد مي کند. که آن نيز به دليل افزايش سرعت باد در ارتفاعات است.
جدول 2-1 ميزان تغييرت دانسيته انرژي دريافتي با تغيير ارتفاع
ارتفاع 50 متری ارتفاع 30 متری ارتفاع 30 متری کلاس
سرعت دانسیته انرژی سرعت دانسیته انرژی سرعت دانسیته انرژی 6/5 200 1/5 160 4/4 10 1
4/6 300 9/5 240 1/5 150 2
0/7 400 5/6 320 6/5 200 3
5/7 500 0/7 400 0/6 250 4
0/8 600 4/7 480 4/6 300 5
8/8 800 2/8 640 0/7 400 6
9/11 2000 0/11 1600 9/4 1000 7
2-5-4 انرژي دريافتي از توربين
در حالت ايده آل ميزان انرژي قابل استحصال از باد در سرعت هاي مختلف در جدول 2-2 آورده شده است. اين آمار براي دانسيته هواي استاندارد يعني kg/m3 225/1 و دماي استاندارد 15 درجه سانيتگراد معتبر هستند.
جدول 2-2- نسبت انرژي توليدي به سرعت باد در شرايط استاندارد
w/m3 m/s w/m3 m/s w/m3 m/s
8/2508
2/3009
1/3572
1/4201
0/4900
4/5672
9/6521
3/7452 16
17
18
19
20
21
22
23 6/313
5/446
5/612
2/815
4/1058
7/1345
7/1680
2/2067 8
9
10
11
12
13
14
15 0
6/0
9/4
5/16
2/39
2/76
3/132
1/210 0
1
2
3
4
5
6
7
ولي با توجه به تجريبات کسب شده هر چند با افزايش سرعت باد ميزان انرژي دريافتي از آن بيشتر مي شود اما توربين هاي بادي براي توليد انرژي يک حد اشباع دارند. بدين معني که بادهايي که بيشتر از اين حد اشباع سرعت داشته باشند عملاً انرژي بيشتري توليد نمي کند.
2-5-5 توان پتانسيل توربين
انرژي موجود در باد را مي‌توان با عبور آن از داخل پره‌هاي و سپس انتقال گشتاور پره‌ها به روتور يک ژنراتور استخراج کرد. در اين حالت ميزان توان تبديلي با تراکم باد، مساحت ناحيه جاروب شده توسط پره و مکعب سرعت باد بستگي دارد .به اين ترتيب ميزان توان قابل تبديل در باد را مي‌توان به اين ترتيب به دست آورد:
(2-2)
که در اين فرمول P توان تبديلي به وات، α ضريب بهره‌وري (که به طراحي توربين وابسته است ) ρ تراکم باد بر حسب کيلوگرم بر مترمکعب،r شعاع پره‌هاي توربين برحسب متر و v سرعت باد برحسب متر برثانيه است .زماني که توربين انرژي باد را مي‌گيرد سرعت باد کم خواهد شد که اين خود باعث جدا شدن باد ميشود. آلبرت بتز (Albert Betz) فيزيکدان آلماني درسال 1919 اثبات کرد که يک توربين حداکثر مي‌تواند 59 درصد از انرژي بادي را که در مسير آن مي‌وزد را استخراج کند و به اين ترتيب α در معادله بالا هرگز بيشتر از 59/0 نخواهد شد .از ترکيب اين قانون با معادله بالا مي‌توان اينگونه نتيجه گرفت:
1- حجم هوايي که از منطقه جاروب شده توسط پره‌ها عبور مي‌کند به ميزان سرعت باد و چگالي هوا وابسته است. براي مثال در روزي سرد با دماي 15 درجه سانتي‌گراد (59 درجه فارنهايت) در سطح دريا، چگالي هوا برابر 225/1کيلوگرم بر متر مکعب است. در اين حالت عبور بادي با سرعت 8 متر بر ثانيه در روتوري به شعاع 100 متر تقريباً موجب عبور 77000 کيلوگرم باد در منطقه جاروب شده توسط پره‌ها خواهد شد.
2- انرژي جنبشي حجم مشخصي هوا به مجذور سرعت آن وابسته است و از آنجايي که حجم هواي عبور از توربين به صورت خطي با سرعت رابطه دارد، ميزان توان قابل دسترسي در يک توربين با مکعب سرعت نسبت مستقيم دارد. مجموع توان در مثال بالا در توربيني با شعاع جاروب 100 متر برابر 5/2 مگاوات است که بر طبق قانون بتز بيشترين ميزان انرژي استخراج شده از آن تقريباً برابر 5/1 مگاوات خواهد بود.
2-5-6 ضريب يکپارچگي:
نسبت سطح پره هاي توربين بادي به سطحي که توسط اين پره ها هنگام چرخش جارو مي شود، ضريب يکپارچگي نام دارد.
ضريب یکپارچگي = سطح پره هاي توربين بادي
سطح جارو شده توسط پره هاي توربين
تعیین سرعت باد:
بطور کلي براي تعيين سرعت باد در اثر زبري سطح زمين مي توان از دو الگوي زير استفاده کرد:
معادله هلمن
اين معادله به شکل زير نوشته مي شود
(2-3)
که در آن و به ترتيب سرعت هاي باد در ارتفاعهاي و هستند و a که مبين زبري سطح مي باشد، توان هلمن ناميده مي شود. مقدار a را مي توان بر اساس وضعيت سايت و کلاس زبري سطح از مراجع معتبر تعيين نمود.
پروفيل لگاريتمي
معادله کلي اين پروفيل عبارت است از:
(2-4)
که در آن و به ترتيب سرعتهاي باد در ارتفاع هاي و مي باشند، طول زبري ( بر حسب متر ) و d ضخامت لايه جابجايي ( بر حسب متر ) مي باشد. توضيح اينکه بر اساس کلاس زبري سطح و d بر مبناي وضعيت و ارتفاع موانع موجود در مسير باد تعيين مي شوند و مقادير آنها در مراجع موجود است. اگر در مسير باد تا توربين بادي مانعي وجود نداشته باشد مقدار d برابر صفر خواهد بود.
2-5-7 برآورد پتانسيل باد
براي تخمين پتانسيل انرژي باد در يک سايت بايستي اطلاعات مربوط به سرعت و جهت باد در دسترس باشد. پتانسيل سنجي انرژي باد در يک سايت را مي توان بسته به موجود بودن اطلاعات باد، از سه طريق زير محاسبه کرد:
استفاده از داده هاي سرعت باد
در اين روش دکل هاي بادسنجي در محدوده سايت نصب مي شود و اطلاعات حداقل يکساله باد استخراج مي شوند. سپس بصورت دستي يا با استفاده از نرم افزار Windpro و نرم افزار هاي مشابه، مشخصات آماري باد و نهايتا پتانسيل انرژي باد تعيين مي شود.
استفاده از داده هاي سرعت باد در مجاورت سايت
اگر در خود سايت مورد مطالعه دکل هاي هواشناسي نصب نشده باشد ولي اطلاعات و آمار باد در سايت هاي مجاور موجود باشد نيز مي توان اطلاعات باد را در سايت بدست آورد. در اين شرايط معمولا از نرم افزار WASP استفاده مي شود. در اين حالت از مدلهاي هواشناسي Microscale و نيز اطلاعات باد سنجي سايت هاي مجاور بطور همزمان استفاده مي شود.
استفاده از اطلاعات هواشناسي
در اين روش که نسبت به دو روش قبل از دقت کمتري برخوردار است، از اطلاعات و آمار سرويس هاي هوا شناسي استفاده مي شود و با کمک مدل هاي هواشناسي Mesoscale ، تخميني از شرايط باد در سايت مورد نظر بدست مي آيد.
توضيح اينکه براي تعيين پتانسيل باد يک سايت، روش سوم به هيچ وجه داراي دقت کافي نمي باشد و روش اول نيز به روش دوم ارجعيت دارد.
2-5-8 ارزيابي آماري داده هاي باد
سرعت ( و جهت ) باد در يک سايت بطور پيوسته نسبت به زمان تغيير مي کند. به همين دليل براي تجزيه و تحليل اطلاعات سرعت باد از روش هاي آماري استفاده مي شود. معمولا فرکانس ثبت ابزار هاي باد سنجي 1 هرتز و فاصله زماني ميانگين گيري 10 دقيقه است. ارتفاع اندازه گيري سرعت، 10 متر، 20 متر، 40 متر يا بيشتر مي باشد. مهمترين پارامتر هاي آماري مربوط به سرعت باد عبارتند از: سرعت متوسط، سرعت ماکزيمم، سرعت مينيمم و انحراف معيار استاندارد.
يکي از مهمترين منحني هاي سرعت باد در يک سايت، منحني سرعت – تناوب مي باشد که براي تخمين انرژي خروجي توربين هاي بادي مورد استفاده قرار مي گيرد.
براي اينکه بتوان از نمودار توزيع فرکانسي بهتر استفاده کرد، معمولا آن را با يک تابع توزيع آماري تقريب مي زنند. بر اساس تجربه تابع توزيع آماري تقريب مي زنند. بر اساس تجربه تابع توزيع ويبول مناسب ترين تقريب را جهت مدل سازي رياضي نمودار توزيع فرکانسي بدست مي دهد. رابطه کلي توزيع ويبول به شکل زير است:
(2-5)
که در آن f چگالي فرکانس (s/m)، v سرعت باد در مرکز هر بازه سرعت (m/s)، A ضريب مقياس (m/s) و C ضريب شکل ( بدون بعد ) مي باشد.
براي مشخص کردن تقريب ويبول يک منحني سرعت – تناوب خاص، بايستي ضرايب ويبول مربوط را محاسبه کرد. بطور کلي محاسبه ضرايب C و A با استفاده از محاسبه سرعت متوسط و انحراف معيار انجام مي گيرد. ليکن روش هاي تقريبي قابل قبول و مناسبي نيز در اين خصوص وجود دارد که در مراجع پتانسيل سنجي انرژي باد قابل دسترسي است. سرعت متوسط باد توسط رابطه زير به ضرايب ويبول مرتبط مي شود :
(2-6)
که در آن تابع تابع گاما مي باشد و مقدار آن از جداول مربوطه قابل دسترسي است.
چنانکه قبلا اشاره شد، علاوه بر تغييرات سرعت، جهت وزش باد نيز نسبت به زمان متغير مي باشد. براي نشان دادن وابستگي پارامتر هاي آماري سرعت نسبت به جهت وزش، از نمودار هايي به نام گلباد استفاده مي شود که مشخصاتي نظير سرعت متوسط، سرعت ماکزيمم و غيره را در جهت هاي مختلف نشان ميدهد در شکل 2-5 يک نمونه از نمودار گلباد نشان داده شده است.
شکل 2-5- نمایی از نمودار گلباد
2-5-9 محاسبه انرژي سالانه خروجي يک توربين بادي
فرض کنيد مي خواهيم انرژي سالانه خروجي را براي يک سايت مشخص که منحني سرعت – تناوب آن پس از محاسبه ضرايب ويبول بصورت شکل 2-6 خلاصه شده است، برآورد نماييم. اولين مرحله اين است که بر اساس منحني مذکور، نمودار ( يا جدول ) سرعت تداوم را مشخص نماييم. يعني تعيين کنيم که مدت زمان ( معمولا بر حسب ساعت) مربوط به هر بازه سرعت در طول يکسال چقدر است. براي اين کار کافي است درصد فرکانس مربوط به هر محدوده سرعت را در تعداد ساعات سال (8760) ضرب نماييم.
شکل 2-6- جدول منحنی سرعت- تناوب بعد اعمال ضرایب ویبول
بطور مثال در شکل 2-6 براي محدوده سرعت شماره 5 ( با سرعت شاخص m/s 5/4 ) خواهيم داشت:
(2-7)
اگر عمل مشابه را براي کليه محدوده های (بازه ها) سرعت انجام دهيم، تداوم هر رنج سرعت بر حسب سرعت مشخص خواهد شد که منحني به نام نمودار سرعت – تداوم را مشخص مي کند.
براي برآورد انرژي سالانه توليدي يک توربين مشخص در يک سايت معين، از منحني توان (power curve ) توربين استفاده مي شود. به عنوان مثال فرض کنيد بخواهيم يک توربين بادي از نوع NORDEX N-62 با توان نامي MW 3/1 را که منحني توان آن در در جدول 2-3 خلاصه شده است، در سايت با شرايط فوق نصب نماييم.
جدول 2-3 منحنی توان توربین مدل NORDEX N-62
P (kw) V (m/s) P (kw) V (m/s) P (kw) V (m/s)
23/1330 46/15 55/669 51/9 34/24 59/3
12/1364 97/15 51/739 99/9 76/35 04/4
55/1375 55/16 36/841 51/10 01/60 52/4
71/1394 03/17 12/908 01/11 4/79 05/5
04/1380 44/17 22/966 08/11 79/108 52/5
51/1357 08/18 47/1030 49/11 37/147 6
35/1358 54/18 05/1107 5/12 28/193 5/6
79/1361 91/18 87/1152 13 79/272 02/7
68/1360 43/19 39/1194 49/13 97/341 51/7
02/1397 01/20 31/1241 14 04/418 8
76/1267 49/14 34/504 51/8
84/1313 01/15 84/590 02/9
در اين صورت توان توليدي مربوط به هر محدوده سرعت مشخص خواهد شد. بدين ترتيب براي محاسبه انرژي سالانه توليدي هر محدوده سرعت کافي است توان متناظر با آن را در تداوم مربوط ضرب نماييم. به عنوان نمونه انرژي توليدي سالانه مربوط به محدوده سرعت شماره 5 عبارت خواهد بود از :
(2-8) E = Wt = ( 60.00 Kw ) * (1130.92 hr ) = 67855 Kw .hr
حال اگر روش فوق را براي کليه محدوده هاي سرعت ( wind speed bins ) تکرار نماييم، ساير ستون هاي جدول 2-3 ايجاد خواهد شد. با جمع زدن ارقام ستون آخر جدول، مقدار انرژي سالنه برآورد مي شود که در اين مثال خاص عبارت است از :
