ﺳﻪشنبه 06 تیر 1396
EN

مقدمه و معرفی پروژه اصلی

نظر به برنامه کلان انرژی کشور جهت توسعه صنعت باد و استفاده از انرژی بادی در سبد انرژی کشور و با توجه به تنوع فناوری و گستره عملکرد این سامانه‌ها، لازم است دانش فنی لازم برای ایجاد، بهره برداری، نگهداری و ارتقاء این سامانه ها در کشور استقرار یابد. بدین منظور پروژه ملی طراحی و ساخت توربین بادی مگاواتی در دوفاز مطالعات مقدماتی و فاز اصلی توسط شرکت توانیر بعنوان کارفرمای طرح به تصویب رسید و جهت انجام به پژوهشگاه نیرو ابلاغ گردید. اهداف اصلی طرح عبارتند از:

  • طراحی و ساخت توربین بادی ملی بر پایه انتقال و ایجاد دانش فنی
  • تجهیز تیم متخصص جهت پشتیبانی فنی صنعت انرژی بادی
  • احداث مرکز توسعه فناوری توربین های بادی

در فاز نخست مشخصات اصلی پروژه توربین ملی به شرح زیر تعیین گردید:

  • ظرفیت : 2 مگاوات
  • نوع رانش : گیربکس افزاینده
  • کلاس : IEC-II
  • روش اکتساب دانش : مشارکت فناوری

این پروژه در قالب چندین زیر پروژه انجام شد که برخی از عناوین اصلی اشاره شده اند.

پره

استخراج انرژی جنبشی از باد توسط پره های توربین بادی صورت می گیرد. لذا داشتن یک طراحی بهینه برای دریافت بیشترین مقدار انرژی بسیار مهم است. در واقع وظیفه اصلی این مرکز، رسیدن به چنین طرحی با استفاده از توامندی های تحلیلی و نرم افزاری است.

به صورت کلی، طراحی پره های توربین بادی محور افقی شامل دو بخش اصلی است. در مرحله اول، طراحی آیرودینامیک جهت رسیدن به توان نامی مورد نیاز با توجه به کلاس بادی توربین و نیز به دست آوردن بیشترین ضریب توان، انجام می‌شود. تئوری های موجود، برای رسیدن به طرح اولیه توربین قابل استفاده هستند. پس از این مرحله، باید تغییراتی در پره ها ایجاد شود به نحوی که مقدار نویز آیرودینامیک تولید شده توسط پره ها در محدوده مجاز قرار داشته باشد.

پس از تولید هندسه پره‌ها، شبیه‌سازی عملکرد و میزان توان تولیدی آنها در شرایط مختلف، ضروری است. این گروه توانایی انجام این کار را با استفاده از روشهای دوبعدی و نیز دینامیک سیالات محاسباتی و بکارگیری روش های پردازش موازی با بالاترین سطح دقت را دارد. دومین مرحله در طراحی پره‌های توربین بادی، بررسی مسائل سازه‌ای است. در این قسمت، سازه کامپوزیتی و توخالی پره به گونه‌ای طراحی می‌شود که بتواند بارگذاری های توصیه شده در استانداردهای مربوطه را تحمل کرده و ضرایب اطمینان کافی را تامین نماید. در نهایت، ارتعاشات پره بررسی شده و اتصالات و سایر جزئیات به طرح افزوده می شود.

Cinque Terre
Cinque Terre
Cinque Terre
  • تحلیل آیرودینامیک- لایه چینی پره - ریشه پره

قطعات ریخته گری

قطعات ریخته گری توربین بادی شامل هاب، شاسی اصلی و هوزینگ بیرینگ های شفت اصلی بواسطه سطح بالای تنش‌های وارده و کیفیت و یکنواختی خواص مورد انتظار از حساسیت بالایی برخوردارند. در راستای طراحی این قطعات، ابتدا با توجه به قیود هندسی، محل نصب و چیدمان قطعات طراحی اولیه صورت می پذیرد. سپس به تحلیل تنشی، ارتعاشی و خستگی این قطعات پرداخته می شود و ابعاد قطعه با توجه به بارگذاری، بهینه سازی می شود.

یکی از فعالیت های اساسی صورت گرفته بعد از طراحی و تحلیل تنشی قطعات، طراحی فرآیند ریخته‌گری این قطعات و بررسی امکان تامین این قطعات در داخل کشور است. از اینرو کلیه این قطعات در نرم افزار‌های مناسب مدل سازی شده و فرآیند انجماد آن ها و نقاط حساس بررسی می شوند و تغییر ضخامت های لازم انجام داده می شود. همچنین طراحی قالب و مدل، سیستم تغذیه، دستورالعمل‌های آزمون و کنترل‌های کیفی و انتخاب پوشش و رنگ این قطعات انجام می شود.

Cinque Terre
Cinque Terre
Cinque Terre
  • طراحی هندسی- تحلیل تنشی- تحلیل فرآیند انجماد هوزینگ بیرینگ های شفت اصلی

گیربکس

از آنجایی یکی از اجزای اصلی توربین بادی گیربکس می‌باشد، به منظور بومی سازی دانش فنی طراحی و ساخت گیربکس توربین بادی، در کنار طراحی مفهومی و تعیین مشخصات لازم برای سفارش خرید گیربکس مورد نیاز، طراحی کامل گیربکس بومی با هدف ساخت این کامپوننت راهبردی توربین بر مبنای توان داخلی به انجام رسیده‌است.

نسبت تبدیل گیربکس ملی طراحی شده 100 در نظر گرفته شد و طراحی کلیه اجزای گیربکس فوق شامل چرخدنده‌ها، شفت‌ها، بیرینگ‌ها، پوسته و همچنین طراحی سیستم روانکاری و خنک کاری توسط متخصصین داخلی تحت نظارت اساتید دانشگاهی و متخصصین صنعت انجام پذیرفته است.

Cinque Terre
  • نمای برش خورده گیربکس طراحی شده در مرکز توربین بادی

ژنراتور DFIG

با توجه به دانش فنی و سوابق موجود در گروه‌های تخصصی پژوهشگاه در زمینه طراحی و ساخت انواع ماشین‌های الکتریکی پیشرفته و نظر به راهبردی بودن کامپوننت ژنراتور، در کنار طراحی مفهومی و تعیین مشخصات خرید زنراتور مورد نیاز توربین ملی، پروژه طراحی ژنراتور بومی توربین ملی در دستور کار مرکز قرار گرفت. در این راستا برای طراحی ژنراتور DGIG توربین بادی به ترتیب گام های زیر برداشته شد:

  • طراحی و تحلیل الکترومغناطیسی
  • تحلیل مکانیکی و تنشی روتور و سایر اجزای ژنراتور
  • تحلیل حرارتی و سیستم خنکاری توربین با بررسی شرایط مختلف عملکردی توربین
Cinque Terre
Cinque Terre
Cinque Terre
  • تحلیل مکانیکی و الکترومغناطیسی اجزای ژنراتور

سیستم کنترل

سیستم كنترل و ایمنی در توربین‌های بادی مگاواتی، برخلاف عملكرد ساده و ابتدایی توربین‌های كوچك جز پیچیده‌ترین سیستم‌های كنترلی می‌باشند كه با تنوع در زیرسیستم‌های مورد استفاده، چالش‌های مختلفی را برای مهندسین این عرصه ایجاد نموده‌اند. از طرفی، با قرار گرفتن توربین در مسیر نیروی باد، به دلیل ماهیت تصادفی این نیرو، توربین به صورت مداوم تحت تنش‌های مكانیكی قرار می‌‌گیرد. بنابراین در كنار سیستم كنترل، الگوریتم سوپروایزری و در سطح بالاتر، سیستم ایمنی نیز در این سازهاز اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

گستره دانشی طراحی سیستم كنترل نیز، به دلیل تنوع زیرسیستم‌های مورد استفاده، قابل ملاحظه است و تسلط بر مباحثی چون ماشین‌های گردان و الكترونیك قدرت، دینامیك سیستم‌های مكانیكی منعطف و چندجسمی، ارتعاشات مكانیكی و آئرودینامیك را در کنار بینش لازم در زمینه طراحی سیستم كنترل و چگونگی‌ پیاده‌سازی و تست آن در یك بستر نرم‌افزاری و سخت‌افزاری طلب می نماید. با توجه به دانش فنی و سوابق موجود در پژوهشگاه نیرو، این مهم برای نمونه 2 مگاواتی انجام شد و قابلیت طراحی سیستم کنترل و پیاده‌سازی سیستم مانیتورینگ و سوپروایزری برای توربین های بادی در مرکز توربین بادی فراهم شده است.

Cinque Terre
Cinque Terre
  • شمايی از صفحات مانيتورينگ توربين بادی ، شمای گرافيكی ارتباطات سخت افزاری

طراحی سازه

برج توربین بادی بزرگترین، سنگین‏ترین و گران‏ترین بخش از توربین بادی است. همچنین به لحاظ سطح ایمنی برج مهمترین قطعه در توربین بادی است زیرا خرابی آن می تواند سبب خرابی کل توربین بادی می‏شود. طراحی صحیح و بهینه برج توربین بادی سبب کاهش چشمگیر قیمت تمام شده توربین بادی و افزایش عمر توربین بادی می‏شود. برج طراحی شده یک سازه فولادی با هندسه مخروطی و دارای چهار سگمنت می باشد که توسط اتصالات پیچ و فلنج بر روی یکدیگر سوار می شود. طراحی برج شامل گام‌های اصلی زیر می باشد:

  • تحلیل اتصالات جوش و پیچ و مهره
  • تحلیل استحکامی پوسته شامل تحلیل‌های استاتیکی، کمانش و خستگی
  • آنالیز مودال و ارتعاشی
  • طراحی و انتخاب کلیه اجزاء داخلی برج شامل درگاه ورودی، نردبان، آسانسور و سكوهای داخلی
Cinque Terre
Cinque Terre
  • نمایی از ساختار، سازه وتحلیل تنش ورودی برج

سیستم تهویه مطبوع

از آنجایی که توربین بادی دارای تجهیزات مختلف الکتریکی و مکانیکی می‌باشد و هر یک از این تجهیزات دارای بازه دمایی مطلوب برای کارکرد می‌باشند. در صورتی که این تجهیزات خارج از این محدوده دمایی قرار گیرند موجب کاهش بازده کاری کل توربین می‌شوند. با فاصله گرفتن از این بازه دمایی مطلوب به دلیل آسیب دیدن تجهیزات، توربین قادر به کار و تولید توان نمی‌باشد. بازه دمایی مطلوب شامل حد بالا و پایین است. در حد بالای دمایی سیستم سرمایش و در حد پایین دمایی سیستم گرمایش توربین باید به گونه‌ای طراحی شود که وظیفه کنترل دما را به خوبی به عهده بگیرد. لذا با توجه به شرایط آب و هوایی که توربین در آن مورد استفاده قرار می گیرد، باید طراحی و حدود کاری اجزا مورد بازبینی قرار گیرد. به خصوص این مسئله در مورد توربین های وارداتی که اکثراً اروپایی هستند و برای آب و هوای بسیار سرد طراحی شده اند، باید برای شرایط آب و هوایی ایران طبق استاندارهای مشخص مورد بررسی قرار گیرند.

در این راستا برای طراحی سیستم HVAC توربین بادی فعالیت های زیر انجام می شوند:

  • تعیین کلاس حرارتی توربین بادی

داده‌های هوا شناسی محل نصب توربین در طی سال‌ها جهت تعیین کلاس حرارتی توربین مورد استفاده قرار می‌گیرد. در هر یک از این تقسیم‌بندی‌ها، الزاماتی توسط طراح در بخش خنک‌کاری و دیگر بخش‌های سازه توربین باید رعایت گردد. همچنین در این مرحله محدوده دمای کاری توربین و حد بقای آن مشخص می‌شود.

  • محاسبه بار حرارتی توربین بادی بر اساس محل نصب

دو عامل باعث ایجاد بار حرارتی در توربین بادی می‌گردد که شامل تجهیزات الکتریکی و مکانیکی و عوامل محیطی همانند تابش است. در این بخش بار حرارتی هر یک از اجزاء با توجه به مشخصات فنی آن‌ها استخراج می‌شود. همچنین حداکثر بار حرارتی تابشی وارد بر توربین با توجه به سطح مقطع موثر و جنس دیواره بخش‌های مختلف توربین محاسبه می‌شود.

  • انتخاب مناسب‌ترین روش خنک‌کاری تجهیزات

در توربین‌ بادی با توجه به محل نصب و تجهیزات استفاده شده در آن، روش‌های متنوعی برای سیستم خنک‌کاری مورد استفاده قرار می‌گیرد. عمده تقسیم‌بندی این روش‌ها شامل آب خنک و هوا خنک می‌باشد که در تجهیزات اصلی توربین مانند ژنراتور، گیربکس و کانورتر استفاده می‌شود.

Cinque Terre
  • مسیر عبور داکت ها و کانال های تهویه توربین بادی