طراحی و ساخت توربین بادی 2 مگاواتی ملی

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.

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.

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.

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:

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.

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:

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:

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.

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.