تولید توان بادی کوچک با استفاده از دینام خودرو

چکیده

کلیدواژه ها

مقدمه

2.مدلسازی عملکرد دینام

3.عملکرد خروجی اندازه‌گیری‌شده

1.3 تست مدار باز

2.3. تلفات و راندمان

  3.3. مشخصات توان خروجی

 4.بهینه‌سازی عملکرد دینام

1.4. تامین جریان متغیر و ثابت میدان

2.4. انتخاب توربین

3.4. انتخاب نسبت دنده

 5.مقایسۀ انرژی حاصل و هزینه 

1.5. انرژی حاصل

2.5. مقایسۀ هزینه

6.نتیجه‌گیری

ترجمۀ شکل‌ها:

شکل1. اجرای یک دینام خودرویی مرسوم:

الف) و ب) استاتور که نشان دهندۀ دندانه‌ها و شیارها است؛

ج) روتور؛ 

د) الکترونیک قدرت. استاتور دارای هستۀ ورقه ورقه با سیم‌های مسی تعبیه شده در شیارهاست. سیم‌پیچ‌های میدانی روتور از سیم خوب ساخته شده است و شامل پنجه‌های روتور ساخته شده از آهن صلب هستند. الکترونیک قدرت شامل یکسوساز دیودی و رگولاتور داخلی است.

 شکل2. یکسوساز پل دیودی سه فاز با یک بار ولتاژ ثابت و سلف و مقاومت سمت ac.

 شکل3. شکل‌موج‌‌های شبیه‌سازی شدۀ جریان و ولتاژ برای یکسوساز پل دیودی سه فاز در حالت هدایت پیوسته در سرعت 1800 دور بر دقیقه (E_m=20  ولت، R_s=0.08 اهم، L_s=180 میکروهانری). (ب) شکل‌موج‌‌های شبیه‌سازی شدۀ جریان و ولتاژ برای یکسوساز پل دیودی سه فاز در حالت هدایت پیوسته در سرعت 5400 دور بر دقیقه (E_m=60  ولت، R_s=0.08 اهم، L_s=180 میکروهانری).

 شکل4. شکل‌موج جریان اندازه‌گیری شدۀ فاز دینام در فرکانس 180 هرتز (سرعت 1800 دور بر دقیقه) برای بار 13 آمپر (سمت چپ) و 32 آمپر (سمت راست).

 شکل5. مسیرهای جریان در طی شش فاصلۀ سیکل کامل. خطوط ضخیم نشان دهندۀ مسیر جریان هستند.

 شکل6. طرح اتصال دینام به چیدمان اندازه‌گیری آزمایشگاهی.

 شکل7. الف) تغییر اندازه‌گیری شدۀ مولفه‌های تلفات دینام در برابر سرعت چرخشی، و ب) تعییر توان خروجی DC اندازه‌گیری شدۀ دینام در برابر ولتاژ خروجی در جریان ثابت میدان 5/3 آمپر.

 شکل8. تغییر توان خروجی اندازه‌گیری شده در برابر سرعت برای مقادیر مختلف جریان میدان.

 شکل9. پیش‌بینی‌های تحلیلی مشخصات C_p –λ برای یک توربین مشخص.

 شکل10. تغییر توان خروجی توربین در برابر سرعت با استفاده از مشخصات پیش‌بینی شدۀ C_p –λ.

 شکل11. توان خروجی توربین و تغییر توان ورودی اندازه‌گیری شدۀ دینام در برابر سرعت.

 شکل12. الف) سیستم انتقال سرعت ارائه شده و ب) انتخاب نسبت دنده.

 شکل13. تغییر انرژی حاصل سالیانه در برابر سرعت باد برای سیستم دینام در مکانی با سرعت متوسط باد برابر 7/3 متر بر ثانیه.

 شکل14. انرژی حاصل سالیانه به ازای ناحیۀ جاروب سیستم دینام برای سه مکان با سرعت متوسط باد برابر 5/4، 4 و 7/3 متر بر ثانیه. قطر توربین 9/3 متری به کار برده شد.

 بالانویس جداول

 جدول1: فواصل یک سیکل کامل، دیودهای هدایتی و ولتاژ ورودی دیود.

جدول2: پارامترهای دینام خودرویی.

جدول3: تلفات اندازه‌گیری شدۀ یاتاقان و فن در سرعت 2740 دور بر دقیقه.

جدول4: مولفه‌های تلفات اندازه‌گیری شده در سرعت 2740 دور بر دقیقه (I_f=3.5 آمپر).

جدول5: مشخصات توربین بادی برای سیستم دینام خودرو.

جدول6: مقایسۀ انرژی حاصل و هزینۀ برق تولیدی با توربین‌های بادی کوچک موجود تجاری بای مکانی با سرعت متوسط باد برابر 7/3 متر بر ثانیه.

هدف این مقاله ارزیابی امکانپذیری استفاده از دینام قطب پنجه‌ای خودرو به عنوان یک مولد (ژنراتور) برای توربین‌های بادی کوچک و مقایسۀ انرژی حاصل و هزینۀ برق تولیدی آن با سیستم‌های موجود تجاری است. این مقایسه مبتنی بر انرژی حاصل به ازای ناحیۀ جاروب شده و هزینۀ هر واحد انرژی تولید شده در یک شرایط جوی با سرعت کمِ باد است. مفاهیمی چون انتخاب پارامترهای مناسب توربین و نسبت دنده به منظور بدست آوردن تطبیق مناسب مشخصات توربین با عملکرد دینام به کار رفته، مورد استفاده قرار گرفت تا در نهایت انرژی خروجی دینام در کابردهای شارژ باتری بهبود یابد. انرژی حاصل از دینام متصل به یک توربین با قطر 9/3 متر با انرژی بیشتر توربین‌های موجود تجاری قابل مقایسه است. هزینۀ برق تولیدی یک توربین تجاری موجود را می‌توان از طریق جایگزینی مولد آن با دینام پیشنهاد شده در اینجا تا دو برابر کاهش داد. بنابراین سیستم توربین مبتنی بر دینام یک راهکار با هزینۀ پایین است که هدف آن تامین انرژی باد در زمینه‌هایی است که هزینۀ کنونی فناوری بادی کاربرد آن را با محدودیت مواجه کرده است.

انرژی بادی درصد بالایی از انرژی تامین شدۀ شبکۀ برق را به خود اختصاص می‌دهد. تولید برق از باد هم‌اکنون نسبت به دیگر منابع تجدیدپذیر ارزان‌تر بوده و در مقایسه با بیشتر منابع موجود رایج تولید برق از لحاظ هزینه قابل رقابت است. با این حال، این رشد چشمگیر عمدتا به دلیل پیشرفت در زمینۀ توربین‌های بادی بزرگ است. از طرف دیگر، توربین‌های بادی کوچک با چنین رشد و پیشرفتی مواجه نبوده‌اند. در چند سال اخیر، نرخ رشد سالانۀ 30% برای ظرفیت نصب شدۀ توربین‌های بادی بزرگ به ثبت رسیده است، حال آنکه رشد متوسط توربین‌های بادی کوچک تنها 9% بوده است. این موضوع علیرغم توانایی بالای آنها در تامین برق بیش از یک میلیارد جمعیتی است که در کشورهای در حال توسعه زندگی کرده و با فقدان برق مواجه‌اند. یکی از دلایل اصلی برای مداومت نفوذ پایین توربین‌های بادی کوچک، هزینۀ بالای سیستم‌های رایج است. بررسی انرژی حاصل از توربین‌های بادی کوچک موجود تجاری نشان می‌دهد که هزینۀ برق تولیدی (و هزینۀ توان نامی واحد) توربین‌های بادی کوچک با حداکثر و حداقل کارائی از لحاظ هزینه به ترتیب برابر 34/0 €/kwh (و 3200 €/kw) و 4 €/kwh (و 8500 €/kw) است و این مقادیر برای توربین‌های بادی بزرگ برابر 05/0 €/kwh (و 1300 €/kw) می‌باشد [1]. این تحلیل همچنین توسط انجمن انرژی بادی اروپا حمایت می‌شود [2] که در این انجمن گزارش شده است هزینۀ توربین بادی کوچک و خودکفای کنونی به ازای هر کیلووات نصب شده بین 2500 € تا € متغیر است. مولد (ژنراتور) از اجزای کلیدی و اصلی توربین‌های بادی کوچک بوده و وظیفۀ تبدیل انرژی مکانیکی توربین به انرژی الکتریکی را بر عهده دارد. واضح است که کاهش هزینۀ مولدهای به کار رفته برای توربین‌های بادی کوچک هزینۀ کلی توربین را پایین آورده و از لحاظ هزینه آن را رقابت‌پذیر خواهد کرد. بررسی مشخصات توربین‌های بادی کوچک موجود تجاری در محدودۀ 100 تا 5000 وات نشان می‌دهد که بیشتر توربین‌های بادی کوچک از نوع ژنراتورهای سنکرون مغناطیس دائم با راه‌اندازی مستقیم هستند. با این حال، بازار چنین آهنرباهای دائمی می‌تواند در پاره‌ای از اوقات دستخوش سیاست‌های اتخاذ شده گردد که منجر به وضعیتی خواهد شد که دسترسی به مغناطیس‌های دائم (PM ها) در همۀ زمان‌ها قابل تضمین نباشد. علاوه بر این، هزینۀ بالای مغناطیس‌های دائم باعث افزایش هزینۀ ژنراتور و در نهایت هزینۀ توربین می‌شود. دینام‌های قطب پنجه‌ای می‌توانند جایگزینی کم هزینه برای ژنراتورهای مغناطیس دائم در کاربردهای توربین بادی کوچک باشند.