يكپارچه سازي شبكه و سيستم هاي ذخيره سازي انرژي كاربردهاي انرژي بادی

چكيده

يكپارچه سازي شبكه ي متغير برق بادي( توليد شده از باد) با چالش هاي زيادي روبروست. در اين مقاله، چالش ها و موضوعات مربوط به يكپارچه سازي در شبكه هاي برق بادي موجود، مورد بررسي قرار گرفته است. تكنولوژي هاي مربوط به توربين هاي مختلف و ويژگي هاي آنها مورد بررسي قرار گرفته است. يك بررسي مروري در زمينه ي جديدترين تكنولوژي هاي در زمينه ي ذخيره سازي انرژي، ويژگي هاي آنها و مقايسه ي آنها آورده شده است. در نهايت، كاربرد يك سيستم ذخيره سازي بر اساس ابرخازن- باطري هيبريدي( hybrid battery-supercapacitor)( با يك توربين بادي با سرعت حركت مستقيم متغير) پيشنهاد شده است و نتايج شبيه سازي گزارش شده است.

مقدمه

برق بادي يكي از نويد بخش ترين منابع انرژي پاك است زيرا در مقايسه با ساير منابع انرژي تجديد پذير، اين منبع انرژي را به سهولت مي توان بوسيله ي توربين بادي توليد كرد. توسعه هاي اخير در زمينه ي الكترونيك قدرت، پردازنده هاي سيگنال ديجيتال( DSPs) و تكنولوژي هاي مربوط به توربين هاي بادي با سرعت متغير باعث شدند تا افزايش سريعي در ظرفيت انرژي بادي در جهان شود و باعث گردد تا انرژي برق بادي سريع ترين تكنولوژي در حال رشد در زمينه ي منابع تجديد پذير گردد. به هر حال، مشكل اصلي سيستم انرژي بادي طبيعت دوره اي اين انرژي است( همانگونه كه در شكل 1 نشان داده شده است). به دليل آنكه باد داراي طبيعت تناوبي است، تغييرات برق ممكن است اتفاق افتد كه اين مسئله كارايي سيستم را تحت تأثير قرار مي دهد. سطح بالاي نفوذ برق بادي مب تواند چندين چالش ايجاد كند مثلا:

• اتصالات داخلي شبكه و كنترل
• تنظيم فركانس و ولتاژ
• تثبيت توان
• تأمين كيفيت برق
• چيره شدن خطاي ولتاژ پايين
• تغيير كردن ديناميك سيستم قدرت با ورود ميزان بالاي باد به مبدل
• جبران كردن نيازهاي مربوط به كد جديد براي شبكه
• امنيت شبكه، قابليت اطمينان و پايداري
• مسئله ي ايمني در حالت جديد و وسايل حفاظتي
• مديريت بار
• پيش بيني توان بادي و
• مسائل اقصادي عمليات شبكه

بنابراين برخي اندازه گيري ها براي سيستم توليد برق بادي متصل به شبكه ي قدرت موجود، لازم است. صاف كردن( smoothing) يك الزام براي كاهش دادن برخي از اين چالش هاست. پيشرفت هاي اخير در تكنولوژي هاي ذخيره سازي انرژي فرصتي براي استفاده از روش هاي ذخيره سازي مختلف ايجاد كرده كه بوسيله ي آن، اثر تغييرات باد بر روي سيستم قدرت كاهش مي يابد. ذخيره سازي انرژي مي تواند يك نقش حياتي براي صاف كردن تغييرات توان بوجود آمده به دليل نوسان باد، ايجاد كند. اين وسايل ذخيره سازي مي توانند همچنين براي تقويت باس dc در طي حالات گذرا استفاده شوند و بدين وسيله ولتاژ پايين آن را از طريق ارائه ي ظرفيت بالا بهبود دهند. تعدادي از تكنولوژي هاي ذخيره سازي انرژي براي كاربردهاي توربين بادي وجود دارد مانند استفاده از باطري، ابر خازن ها، چرخ طيار و تركيب هيبريدي از آنها.
اين مقاله اثر شبكه ي مبدل با توربين سرعت متغير را پيشنهاد مي كند و مروري در مورد تكنولوژي هاي ذخيره سازي انرژي براي كاربردهاي انرژي بادي ارائه مي دهد. در ادامه، يك مرور خلاصه در مورد سيستم تبديل انرژي بادي و فصل مشترك آن شبكه ي برق صحبت شده است.سپس در مورد اثرات و موضوعات مربوط به يكپارچه سازي شبكه ي توان متغير بادي با شبکه ي قدرت صحبت می شود. در بخش بعدی در مورد جديدترين سيستم هاي ذخيره سازي انرژي صحبت شده است. در بخش بعد نیز، كاربرد سيستم هاي ذخيره سازي هيبريدي باطري-ابرخازن آورده شده است. در نهايت نيز نتيجه گيري آورده شده است.

سيستم هاي تبديل انرژي بادي

شكل 2 جزء اصلي يك شبكه ي متصل به سيستم تبديل انرژي بادي( شامل يك توربين بادي، جعبه دنده، واسط الكتريكي قدرت و يك مبدل براي اتصال شبكه) را نشان مي دهد. جعبه دنده سرعت پايين( گشتاور بالا) توربين را به سرعت بالا( گشتاور پايين) در ژنراتور تبديل مي كند. براي يك توربين بادي با سرعت متغير و رانش مستقيم، جعبه دنده ضروري نيست. ژنراتور توان مكانيكي را به توان الكتريكي با دامنه و فركانس متغير تبديل مي كند. اين توان از طريق يك ميانجي الكتريكي توان( از طريق تبديل ac-dc و dc-ac) به شبكه تزريق مي شود. يك مبدل براي اتصال شبكه استفاده مي شود.
متداول ترين انواع ژنراتور هايي كه براي كاربردهاي توربيني استفاده مي شوند عبارتند از ژنراتور القايي خود تهيجي( SEIG) ؛ ژنراتورهاي القايي تغذيه شونده به صورت مضاعف( DFIG) ؛ ژنراتور سينگتروني با روتور پيچشي( WRSG) و ژنراتور سينگتروني با آهنرباي دائمي و چرخش مستقيم( PMSG).
ژنراتور القايي خود تهيجي با روتور جعبه اي (cage rotor)، معمولا براي ثابت كردن سرعت در كاربردهاي توربين بادي استفاده مي شده است( به علت اثر ميرايي آن). آنها براي بدست آوردن ماكزيمم بازده در يك سرعت خاص طراحي شده اند. مزيت هاي توربين هاي بادي با سرعت ثابت شامل سادگي، قوي بودن، قابل اطمينان بودن و هزينه ي پايين است. يك خازن سينگتروني براي حمايت از توان رآكتيو استفاده مي شودكه به صورت موازي با بانك خازني ( همانگونه كه در شكل(a) 3 نشان داده شده است) و يا به صورت شبكه، قرار دارد. به هر حال اگر حمايت از توان رآكتيو كافي نباشد، SEIG ممكن است به دليل عدم پايداري در ولتاژ، تحت فشار قرار مي گيرد كه اين مسئله مهم ترين مسئله ي در پيش رو در يكپارچگي شبكه است. معايب اين نوع از سيستم هاي تبديل انرژي بادي عبارتند از:
مصرف توان رآگتيو غير قابل كنترل، تنش هاي مكانيكي و كيفيت توان محدود.
نوسان در سرعت باد منتقل شده كه موجب نوسان در گشتاور مكانيكي و در نتيجه باعث بوجود آمدن نوسان در توان الكتريكي شبكه مي شود.
در مورد شبكه ي ضعيف، نوسانات توان مي تواند همچنين منجر به ايجاد نوسانات ولتاژ گردد كه اين مسئله موجب كمبودهاي خطي بزرگي مي شود.
توربين هاي بادي با سرعت متغير براي بدست آوردن انرژي ماكزيمم از باد( در سرعت هاي مختلف) استفاده مي شوند. با كاركردن در سرعت هاي متغير، اين ممكن مي شود كه سرعت هاي چرخشي متغير توربين بادي را از بادهاي با سرعت هاي متغير توليد كرد. توربين هاي بادي با سرعت متغير به يك SEIG، DFIG، WRSG و يا PMSG مجهز است و از طريق يك مبدل توان( همانگونه كه در شكل(b)-(e) 3 نشان داده شده است) به شبكه و يا بار متصل مي گردد. مزيت هاي توربين هاي بادي با سرعت متغير بدست آوردن انرژي بيشتر از باد و بازده بالاتر، كاركردن در نقطه ي توان ماكزيمم، كاهش تنش هاي مكانيكي و بهبود كيفيت توان است.
مدار روتور يك DFIG مي تواند به يك مقاومت خارجي يا يك سيستم ac( از طريق يك مبدل ac-dc-ac) متصل گردد( همانگونه كه در شكل(b) 3 ديده مي شود) و عمليات با سرعت متغير جزئي با يك مقدار كوچكتر( 30% توان اسمي) مبدل الكتريكي توان يجاد مي كند. اندازه ي كوچكتر مبدل توان باعث مي گردد تا كمبودها جبران گردد و بازده سيستم افزايش يابد. اين نوع از سيستم يك راه اقتصادي براي حمايت از توان رآكتيو ماشين است و بوسيله ي آن عمليات در سرعت متغير حاصل مي شود.
علاقه مندي براي استفاده از توربين هاي بادي با سرعت متغير-رانش مستقيم به سرعت در حال افزايش است زيرا اين توربين ها داراي كارايي فوق العاده هستند و بوسيله ي استفاده از آن نقص هاي بوجود آمده در قابليت اين وسايل بهبود مي يابند. PMSG در كاربردهاي انرژي بادي بيشتر مورد توجه قرار گرفته است زيرا اين ژنراتور داراي مزايايي از جمله بازده بالاتر، اندازه ي كوچك و بدست آورده ميزان بالاتر انرژي از باد، است. PMSG را مي توان به نحوي طراحي كرد كه تعداد پل هاي بيشتري داشته باشد و بنابراين رانش مستقيم با ميران كمتر استحلاك در چرخ دنده ها حاصل شود. بنابراين هزينه به طور زيادي كاهش مي يابد. به هر حال اين مسئله نيازمند يك مبدل الكتريكي با ظرفيت ماكزيمم است تا بوسيله ي آن شبكه ي توان با ژنراتور در تماس باشد كه اين مسئله، افت توان در سيستم مبدل را بوجود مي آورد.

موضوعات و اثرات يكپارچه كردن انرژي بادي در شبكه

با وجود آنكه انرژي بادي داراي مزيت هاي زيادي نسبت به ساير انواع انرژي هاي تجديد پذير است، يكپارچه كردن اين شبكه مي تواند با چالش هاي فني و موضوعات بيشماري روبرو باشد كه اين مسئله به دليل طبيعت متناوب باد توليد شده بوجود مي آيد. اين مشكلات در زمان هايي كه ميزان باد افزايش مي يابد،‌ بيشتر به چشم مي آيند. اين چالش ها و موضوعات مرتبط با توليد باد و يكپارچگي شبكه در زير مورد بستگي قرار گرفته است.

خاصيت متناوب باد

خاصيت متناوب توليد باد در سيستم هاي با سطح بالاي اثرات نفوذي در كارايي ديناميك سيستم يعني پايداري زودگذر و سيگنال ضعيف. شكل 1 نشان مي دهد كه توان خروجي توربين بادي مي تواند به سرعت تغيير كند. يكپارچه كردن اين توان نوسان كننده در شبكه ي قدرت مي تواند موجب پديد آمدن مشكلات عديده اي گردد. در نيروگاه هاي برق متداول، هر عدم تطابق ميان توان توليد شده و توان مصرفي با ژنراتورهاي سينگتروني كه به صورت مستقيم به شبكه متصل شده اند، تنظيم مي گردد. به هر حال خروجي نيروگاه هاي بادي، اگر ميزان نفوذ بالا باشد، نيازمند تنظيم شدن هستند.

ركود سيستم(system inertia) و تنظيم فركانس

وقتي تعداد زيادي از توربين هاي بادي به شبكه ي برق متصل هستند، تغيير سريع در توان بار در مقياس زماني كوتاه مي تواند باعث انحراف فركانس شبكه از حالت نرمال خود شود. براي اطمينان از پايداري سيستم و امنيت آن، اين مهم است كه فركانس سيستم را در شرايط نرمال و غير نرمال كنترل كنيم. در زمان هاي قبل، فركانس شبكه در نيروگاه هاي برق بوسيله ي توليد سينگتروني تنظيم مي شدند، در يك نيروگاه برق سنتي، ركود ژنراتورهاي سينگتروني، نقش مهمي در نگهداري و امنيت سيستم توان در طي وضعيت هاي ناپايدار ايفا مي كنند. هر تفاوتي در ميان توان توليد شده و توان مصرف شده به سرعت مي تواند باعث تغيير در سرعت چرخش ژنراتور سينگتروني گردد و به همان نسبت فركانس شبكه را تغيير مي دهد. ركودهاي بزرگتر ژنراتورهاي سينگتروني باعث تغيير آهسته تر در سرعت چرخش( فركانس) ( در طي عدم تطابق توان ميان توليد و مصرف) مي شود. تفاوت داشتن كارايي ديناميك و پاسخ هاي داخلي توربين هاي بادي با سرعت متغير در مقايسه با ژنراتورهاي سينگتروني متداول باعث پديد آمدن مسائل جديد شده است كه مهندسين و اپراتورهاي اين سيستم ها با آنها روبروهستند.

خطاهاي بوجود آمده در قابليت توربين هاي بادي

قابليت حمايت شبكه در طي ناپايداري هاي ولتاژي زياد كه بوسيله ي اختلالات شبكه بوجود آمده اند، به ويژگي هاي فني و باري ژنراتور متصل شده و ويژگي هاي ديناميك شبكه ، بستگي دارد. مي توان گفت كه فاكتورهاي ايجاد كننده ي اين خطا ها به سيستم الكتريكي نسبت داده مي شود و اين فاكتورها و نقش اتصالات داخلي به صورت زير است:

• شكل شيب ولتاژ و سطح مطلق شيب ولتاژ
• نوع خطا و محل اتفاق افتادن آن
• سيگنال شبكه( توان مدار كوتاه)
• معماري شبكه( در هم جا افتاده(meshed) يا ستاره اي)
• شرايط توان اكتيو و رآكتيو قبل از بروز خطا
• نيازمندي ها ي توان اكتيو و رآكتيو پس از برطرف شدن خطا
• ويژگي هاي بار

در سيستم توان متداول، فاكتورهاي مؤثر بر ايجاد خطا، آنهايي هستند كه به واحد توليد نسبت داده مي شوند (يعني ركود چرخش، رآكتانس ژنراتور، طراحي سيستم تهيج وكنترل AVR( تنظيم كننده ي خودكار ولتاژ)، پاسخ هاي موتور و كنترل). مي توان گفت كه سيستم الكتريكي موقتي پايدار است كه ماشين هاي سنگتروني متصل به آن به حالت سنگتروني كار كنند و با يك ديگر موازي باشند. و بدين صورت يك توازن ميان تقاضا و توليد( هم توان رآكتيو(Q) و هم اكتيو(P)) بوجود مي آيد.
با نفوذ باد فزاينده، اپراتورهاي اين بخش ها مجبورند تا اطمينان يابند كه سيستم برق به طور مناسب و با كيفيت و پايدار عمل كي كند. سيستم توان بايد قادر باشد تا برق مهيا كند و در هر حالت توزيع شبكه اي وصل باشد. نيروگاه هاي بادي بايد توان هاي اكتيو و رآكتيو را مهيا كنند به نحوي كه ولتاژ و فركانس پس از هر اختلال يا خطايي تنظيم گردد. اين اختلال ها مي تواند به صورت تغيير ناگهاني در مقدار بار، خطاها در داخل سيستم توزيع و انتقال و فقدان توليد حاصل شود. شركت هاي عمومي برخي كشورها كدهاي اتصال شبكه ي خاص را براي توسعه دهندگان نيروگاه هاي بادي، معرفي كرده اند كه شامل كنترل توان رآكتيو، پاسخ هاي فركانسي و خطاهاي اتفاق افتاده در مكان هايي است كه توربين هاي بادي به عنوان مهياكننده ي برق بخشي از شبكه ي كل برق است. مثال هايي از اين كشورها عبارتند از اسپانيا، دانمارك، آلمان و برزيل. شكل 4 نيازمندي هاي مواجهه با خطاهاي بوجود آمده در برخي كشورها را نشان مي دهد. اين كدهاي اتصال شبكه شرايط مرزي كاركرد يك نيروگاه بادي متصل به شبكه ي برق را تعريف مي كند و فهميدن مفاهيم اين كدها براي توليد كنندگان توربين هاي بادي، توسعه دهندگان و اپراتورهاي نيروگاه هاي بادي، مهم است. از جمله ي اين نيازهاي شبكه، خطاهاي بوجود آمده در طي كاركرد به عنوان چالش اصلي براي توليد كنندگان توربين هاي بادي در نظر گرفته مي شود.

افزايش(ramping) به خاطر تغييرات سرعت باد

افزايش سريع برق به دليل تغيير سرعت باد يك موضوع ديگر در زمينه ي يكپارچگي انرژي باد است. نرخ تغيير توان از تغييرات سرعت باد‌، بايد محدود گردد تا تأثير بر روي قابليت سيستم كاهش يابد. در بسياري كشورها، فركانس شبكه به طور خاص بوسيله ي تنظيم خروجي توان توربين گازي fast-ramping،‌تنظيم مي گردد. توربين هاي گازي براي كاركرد، گران تر باشند و و بازده كم تري داشته باشند و در هنگامي كه به سرعت توان خروجي آنها تغيير مي كند، نيز باعث انتشار گازNO_x مي شود. باطري ها و چرخ هاي طيار از لحاظ فني، براي توليد يا جذب سريع برق مناسبند اما از لحاظ تجاري واحدهاي موجود در مقياس مورد نياز براي نفوذ توان بادي( كه در دهه هاي آينده مورد نياز است) بسيار گران خواهد بود؛ اگر چه برخي سيستم هاي نويد دهنده در فاز توسعه هستند. نيروي برق آبي و مخصوصا مخازن آبي پمپ شده( pumped hydro storage) از لحاظ فني براي تغيير سريع توان خروجي مناسب و به نسبت ارزان ترند. به هر حال مخازن آبي پمپ شده ي جديد در حال توسعه هستند.

تراكم در شبكه هاي انتقال نيرو

جريان توان به دليل افزايش اتصالات، مي تواند باعث گردد تا خطوط انتقال با ترافيك بالا مواجه شوند. ناتواني خطوط انتقال براي توان تحويل داده شده تحت برخي شرايط باري تراكم انتقال( transmission congestion) ناميده مي شود. افزايش در تقاضاي توان و توليد معمولا باعث ايجاد تراكم مي شود مگر آنكه شبكه هاي انتقال ارتقاء داده شوند و يا تراكنش ها هماهنگ شوند. توليد برق از منابع برگشت پذير در جهان در حال افزايش است. بنابراين خطوط انتقال برق نيز به سرعت در حال رشد هستند. به هر حال خطوط انتقال برق به همين سرعت در حال گسترش هستند. همين طور كه سطح نفوذ منابع انرژي تجديدپذير در حال افزايش است، تراكم انتقال يك چالش جديد در محيط هاي دسترسي باز شبكه هاي انتقال الكتريسيته است.

نيازمنديهاي مورد نياز براي افزايش كيفيت توربين هاي بادي متصل به شبكه

موضوع كيفيت برق يك موضوع مورد جالب در مهندسي سيستم هاي قدرت است. كيفيت برق در سيستم هاي قدرت مدرن بسيار بالاست و افزايش كيفيت توان در شبكه ممكن است به عنوان يك سرمايه گذاري مد نظر قرار گيرد. به هر حال جنبه هاي ظاهري تغيير كرده است و تعديل نياز سيستم هاي توليد برق جديدي كه در آنها منابع جديد تجديد پذير وارد شده اند،‌ مد نظر است.
مبدل هاي الكتريكي قدرت كه بوسيله ي توربين هاي بادي با سرعت هاي متغير تغذيه مي شوند، به عنوان منابع بالقوه ي پايين برنده ي كيفيت در نظر گرفته مي شوند. مطالعات اخير نشان داد كه اثر كيفيت برق بهبود يافته است مخصوصا مشكل چشمك زدن برق. به هر حال در برخی منابع گزارش شده است كه مبدل هاي مدرن forced-commutated كه در برخي منابع غير سينگتروني استفاده مي شده اند، نه تنها هارمونيك هستند بلكه باعث پديد آمدن هارموني داخلي(inter-harmonics) مي شوند. هارموني داخلي(inter-harmonics) همانگونه كه در IEC-1000-2-1تعريف شده است،‌عبارتست از اجزاي ويژه اي كه در ميان هارموني هاي فركانس، ولتاژ و جريان بوجود مي آيد. همچنين فركانس هايي را مي تواند مشاهده كرد كه عدد صحيحي از حاصلضرب مقادير پايه،‌نيستند. به هر حال همانگونه كه در منبعی دیگر گفته شده است، هم اكنون روش هاي به كار گرفته شده( بر اساس تبديل فوريه) هميشه براي تخمين هارموني داخلي مناسب نمي باشد. اين موضوع ممكن است براي توليد برق بادي در مقياس بزرگ وخيم تر گردد.

مرور تكنولوژي هاي ذخيره سازي انرژي براي كاربردهاي توليد انرژي از باد

يكپارچگي شبكه توان بادي متغير با چندين چالش مواجه است. اين تغيير غير منظم توان بادي اصلي ترين عامل است كه باعث مي شود برخي از اين چالش ها بوجود آيند و در برخي ديگر به طور جزئي اثر دارند. تغيير توان بادي به دليل طبيعت نوساني سرعت باد، اصلي ترين مانع در سيستم انرژي بادي است. صاف كردن نوسانات توان بادي كه به دليل تغيير سرعت باد رخ مي دهد، براي مقابله با اين چالش ها و توليد گسترده ي انرژي بادي، حياتي است.
يكپارچه سازي سيستم ذخيره ي انرژي در يك نيروگاه بادي مي تواند برخي از چالش ها و موضوعات مربوط به يكپارچه سازي انرژي بادي را از بين ببرد و يا آنها را به حداقل برساند. سيستم ذخيره سازي انرژي در سيستم هاي يكپارچه سازي انرژي بادي مورد نياز است تا بوسيله ي آنها مشكلات بوجود آمده در پيك تقاضاي برق و مشكلات بوجود آمده در رفتار ديناميك سيستم و در طي نوسانات برطرف گردد. شكل 5 نشان وي دهد كه چگونه يك سيستم ذخيده سازي انرژي مي تواند براي حمايت از شبكه در طي زمان هاي پيك مصرف و زمان هايي كه ژنراتورهاي بادي توان كمتري توليد مي كنند، مورد استفاده قرار گيرد. طرز كار سيستم ذخيره سازي انرژي مانند يك جاذب شوك(shock absorber) براي سيستم برق است و موجب مي شود تا امنيت و قابليت اعتماد آن افزايش يابد. صنعت بايد يك شبكه ي تحويل يكپارچه را توسعه و نگهداري كند به نحوي كه قادر باشد بزرگترين پيك سال را بدون ذخيره سازي انرژي،‌تحمل كند. با استفاده از ذخيره ساز، مالكين تنها نياز دارند كه چيزي را بسازند كه براي انتقال بار سنگين اما نرمال، مورد نياز است. بنابراين ذخيره سازي به معني استفاده ي بيشتر از وسايل موجود و بازگشت سرمايه گذاري ناميده تعريف مي شود. بدون وجود ظرفيت ذخيره سازي كافي در صنعت قدرت صنعتي، توليد اضافي و سهولت انتقال( كه براي برطرف كردن تقاضاي پيك مورد نياز است)،‌ باعث مي گردد تا در بيشتر سال تجهيزات مورد استفاد در كمتر از توان خود كار كنند.
يك مرور در زمينه ي تكنيك هاي اصلي ذخيره سازي انرژي براي كاربردهاي بادي در ادامه آورده شده است.

ذخيره سازي انرژي با باطري

باطري يك پيل تك سلولي يا چند سلولي است كه انرژي شيميايي ذخيره شده در خود را به انرژي الكتريكي تبديل مي كند. باطري ها به طور گسترده در وسايلي كه در آنها عمل ذخيره سازي انرژي نياز است،‌استفاده مي شود زيرا باطري به اين وسايل قابليت حمل و نقل مي دهد. استفاد از باطري هاي سربي-اسيدي براي ذخيره سازي انرژي به ميانه ي دهه ي 1800 ميلادي بر مي گردد. اگرچه باطري هاي سربي-اسيدي داراي دانسيته ي انرژي پاييني هستند و عمر مفيد آنها كم است، آنها هنوز در كاربردهاي حساس به قيمت ( مانند روشنايي، احتراق و استارت اتومبيل) مورد استفاده قرار مي گيرد. پيشرفت هاي اخير كمك كرد تا باطري هاي سربي با مواد سبك تر مانند كربن جايگزين گردند تا بواسطه ي اين كار دانسيته ي انرژي و توان افزايش يابد. مزيت هاي باطري هاي ليتيمي نسبت انرژي به وزن بالا، بدون اثر حافظه اي و خالي شدن خود به خود كم است. به هر حال قيمت باطري هاي ليتيمي بالاست. كاربردهاي كنوني اين نوع باطري در لپ تاپ ها، دوربين ها، وسايل الكترونيكي قابل حمل و ساير وسايل الكتروني است. باطري هاي ليتيمي ممكن است، بهترين تكنولوژي باطري در آينده( براي كاربردهايي مانند وسايل الكتريكي/هيبريدي و كاربردهاي انرژي بادي) است كه علت آن دانسيته ي انرژي بالاي آنهاست.
باطري هاي نيكل-كادميمي داراي دانسيته ي انرژي بالاتري و عمر مفيد بالاتري نسبت به باطري هاي سربي-اسيدي هستند اما از لحاظ از شيميايي از باطري هاي ليتيمي و هيبريد نيكلي( NiMH) نامرغوب ترند. ساير بدي هاي باطري هاي نيكل كادميمي در مقايسه با NiMH عبارتند از طول عمر كم،‌اثر حافظه اي، سميت كادميم كه بازيافت اين باطري ها را پيچيده تر مي كند، دانسيته ي انرژي پايين تر، نمودار دشارژ شدن يكنواخت، و ضريب دمايي منفي كه ممكن است باعث فرار گرمايي در هنگام شارژ كردن كنترل شده ي ولتاژ مي شود.
اخيرا باطري هاي NiMH اهميت بيشتري نسبت به باطري هاي NiCd پيدا كرده اند. اين باطري داراي دانسيته ي قدرت نسبتا بالاست، ايمن است، تلورانس استعمال بد خوب و داراي عمر مفيد بسيار طولاني است. بدي هاي باطري NiMH نرخ دشارژ شدن نسبتا بالا است؛ اگرچه استفاده از جداكننده هاي جديد اين مشكل را حل كرده است. باطري هاي NiMH وقتي بيش از حد شارژ شوند، از انرژي اضافي براي تجزيه و تركيب مجدد آب استفاده مي كنند. بنابراين اين باطري ها نياز به نگهداري ندارند. به هر حال اگر اين باطري ها با سرعت شارژ كردن بسيار بالايي شارژ شوند، توليد هيدروژن مي تواند موجب شكستن باطري شود. اگر باطري بيش از حد دشارژ شود، سلول به طور بازگشت پذير پلاريزه مي شود و اين مسئله منجر به كاهش ظرفيت مي شود.
باطري هاي NaS داراي چندين مزيت هستند( كه اين مزيت ها 4 برابر باطري هاي سربي-اسيدي است) مانند دانسيته و توان بالا، ضريب كلمبي بالا، پايداري دمايي خوب،‌عمر مفيد بالا،‌ قيمت پايين و ايمني بالا. باطري هاي NaS از مواد ارزان ساخته مي شوند و از اين رو اين باطري ها براي توليد باطري هاي بزرگ مناسب است. باطري هاي NaS مي توانند براي تنظيم كردن بار، فراهم آوردن برق اضطراري و يا كاربردهاي UPS مورد استفاده قرار گيرند. اين نوع باطري براي كاربردهاي عمومي و سيستم هاي انرژي بادي مناسب است. باطري هاي NaS بوسيله ي اداره ي برق آمريكا(American Electric Power) در ايستگاه هاي فرعي واقع در Charleston VA مورد استفاده قرار داده است. اين سيستم ذخيره سازي با استفاده از باطري NaS مي تواند بيش از 1.2 مگا وات برق را در طي 7 ساعت توليد كند كه اين مقدار به خوبي براي ايستگاه مناسب است.
باطري هاي جرياني(‌flow batteries)(FBs) يك تكنولوژي مورد قبول است كه انرژي ذخيره شده ي كل را از توان اسمي جدا مي كند. توان اسمي به اندازه ي رآكتور بستگي دارد، ‌درحالي كه ظرفيت ذخيره شده به حجم تانك اضطراري بستگي دارد. اين ويژگي ها باطري جرياني را قادر مي سازد تا مقدار بزرگي از برق و انرژي را كه براي مصارف الكتريكي مناسب است،‌توليد كند. مزيت هاي تكنولوژي باطري جرياني عمر مفيد بالاي آنها بواسطه ي تعويض الكتروليت آنها، توان بالا و ظرفيت انرژي بالا، قابليت دشارژ كردن كامل، استفاده از مواد غير خورنده و دماي كاركرد پايين است. به هر حال بدي هاي اين سيستم نياز به حركت مكانيكي بخش ها يي مانند سيستم هاي پمپ است كه نگهداري اين سيستم را مشكل مي كند. تكنولوژي هاي اصلي كه هم اكنون مورد استفاده قرار مي گيرند در جدول 1 آورده شده است.
اين ضروري است كه آگاهي خوبي از ويژگي باطري و حالت باري(SOC)، براي مديريت ذخيره سازي مؤثر اين باطري ها، داشته باشيم. SOC يك باطري ظرفيت موجود آن است كه بيان كننده ي درصد ماكزيمم ظرفيت موجود آن است. SOC برابر است با:
ظرفيت موجود(‌Ah) / ماكزيمم ظرفيت موجود(Ah) (1)
در بسياري موارد، عمر مفيد باطري با افزايش زمان دشارژ شدن كاهش مي يابد و شيمي سلول باطري در بسياري مواد زمان دشارژ شدن را تحت شعاع قرار نمي دهد كه اين مسئله ممكن است باعث پديد آمدن آسيب هاي دائمي در باطري شود. از اين رو براي بهبود عمر مفيد باطري، و جلوگيري از آسيب هاي دائمي، ضروري است كه دشارژ شدن ها را محدود كنيم كه اين مسئله با حالت بار(SOC) شناخته مي شود. SOC به معني ظرفيت موجود كه بيان كننده ي درصد ظرفيت اسمي است. باطري پاسخ سريعي نسبت به شارژ و دشارژ مي دهد. اما سرعت دشارژ شدن به نوع مختلف باطري و واكنش شيميايي كه درون آن رخ مي دهد،‌بستگي دارد. در جدول 2 مقايسه ي انواع مختلف باطري ها آورده شده است.

ذخيره ي انرژي در ابرخازن

يك خازن دولايه اي الكتريكي(‌EDLC) به عنوان يك ابرخازن(SC) و يا يك فراخازن(ultracapacitor) شناخته مي شود. حجم يك ابرخازن مي تواند هزاران برابر بزرگتر از يك خازن الكتريكي باشد. ابر خازن هاي بزرگتر داراي ظرفيتي بالاتر از 5000 فاراد است. بزرگترين دانسيته ي انرژي در توليد برابر 30 وات ساعت بر كيلوگرم است. كه اين مقدار كمتر از باطري هاي ليتيم تيتاناتي( سريع شارژ شونده) است. به دليل تراوايي بالا و نزديكي زياد الكترودها، SCs داراي ظرفيت مقاومت به ولتاژ پاييني( به طور نمونه 2-3 ولت) است. ابرخازن ها انرژي را به طور فيزيكي ذخيره مي كند كه شبيه به شارژ كردن نيست. اين مسئله داراي مفهوم عميقي در زمينه ي عمر مفيد، بازده، دانسيته ي انرژي و بار دارد. SCs داراي عمر مفيد بالايي است كه علت آن اين حقيقت است كه هيچ تغيير شيميايي بر روي الكترودها( در حالت نرمال) رخ نمي دهد. SCs داراي بازده بالايي است. به طور عكس، دانسيته ي بار كم است زيرا الكترودها بوسيله ي واكنش هاي شيميايي پيوند نخورده اند. اين فقدان پيوند دهي شيميايي، همچنين نشان دهنده ي اين است كه SCs مي تواند به طور كامل دشارژ شود. كه اين مسئله منجر به نوسان هاي ولتاژ بيشتر به عنوان تابعي از حالت بار مي شود. SC به طور كامل نمي تواند جايگزين باطري شود. به هر حال سيستم هاي باطري-ابرخازنمي تواند كارايي ذخيره سازي را بالا ببردو عمر مفيد باطري را افزايش دهد. اين سيستم ذخيره سازي انرژي مي تواند براي وسايل الكتريكي و كاربردهاي انرژي بادي مفيد باشد.

ذخيره سازي انرژي با چرخ طيار

ذخيره سازي انرژي با چرخ طيار(FES) با شتاب دادن يك روتور( چرخ طيار) و رساندن سرعت آن به مقدار بالا و نگهداري انرژي چرخشي آن، انجام مي شود. وقتي انرژي از سيستم استخراج مي شود، سرعت چرخشي چرخ طيار در جهت تبديل به انرژي كاسته مي شود. در هنگام افزوده شدن انرژي به سيستم، سرعت چرخ طيار افزايش مي يابد. مبدل هاي ac به ac دوسويه را مي توان براي كاربردهاي توربين بادي استفاده كرد و بوسيله ي آنها ژنراتور/موتور متصل به چرخ طيار افزايش و كاهش مي يابد. سرعت چرخ هاي طيار مي تواند از 20000 تا 50000 rpm تغيير كند. سيستم هاي ذخيره سازي بوسيله ي چرخ طيار داراي عمر مفيد بالا، دانسيته ي انرژي بالا( 100-130 وات ساعت بر كيلوگرم) و توان خروجي بالاست. بازده انرژي چرخ هاي طيار مي تواند تا 90%‌باشد. گستره ي ظرفيت نمونه وار از 3 تا 133 كيلو وات ساعت است. شارژ كردن سريع يك سيستم در كمتر از 15 دقيقه انجام مي شود. جريان هاي انرژي در سيستم ذخيره سازي انرژي بوسيله ي چرخ طيار بوسيله ي ماشين الكتريكي متصل شده به چرخ طيار كنترل مي شود. معمولا اين ماشين واحد ژنراتور /موتور ac سه فاز است. سيستم ذخيره سازي انرژي بوسيله ي چرخ طيار مي تواند براي تنظيم فركانس و بهبود كيفيت توان شبكه ي برق با نفوذ باد در گستره ي بزرگ،‌استفاده شود.

ذخيره سازي انرژي مغناطيس-ابررسانا

ذخيره سازي انرژي مغناطيس-ابررسانا(SMES) يك سيستم الكترومغناطيس است كه در آن انرژي در ميدان مغناطيسي بوجود آمده بوسيله ي جريان dc اعمال شده به يك پيچه ابر رسانا،‌ ذخيره سازي مي شود. اين پيچه بوسيله ي هليوم مايع خنك سازي مي شود تا جايي كه دما به زير دماي بحراني ابر رسانا برسد. اولين سيستم SMES در سال 1972 گزارش شده است[55]. SMES داراي دانسيته ي انرژي بالا، بازده ذخيره سازي بالا( 90%)، پاسخ ديناميك سريع( در حد ميلي ثانيه) است. SMES مي تواند در بهبود كيفيت توان مورد استفاده در كاربردهاي انرژي مفيد باشد.

سيستم ذخيره سازي انرژي هيبريدي

انتخاب سيستم ذخيره سازي انرژي براي يك كاربرد به ميزان انرژي و توان، زمان پاسخ گويي، وزن، حجم و دماي عملياتي بستگي دارد. برخي كاربردهاي ممكن است نيازمند تركيبي از نيازها براي قدرت، دانسيته ي انرژي، هزينه هاي و عمر سيكل باشد. اين نيازها ممكن نيست از طريق يك منبع ذخيره سازي انرژي( به تنهايي) تأمين گردد. يك سيستم ذخيره سازي انرژي هيبريدي، متشكل از 2 يا تعداد بيشتري وسيله ي ذخيده سازي انرژي مختلف است كه با استفاده از ويژگي تركيبي مي توانند به صورت الكتريكي تركيب شوند يك چنين سيستم هاي ذخيره سازي هيبريدي شامل:
باطري( انرژي) و ابر خازن( قدرت)
باطري( انرژي) و چرخ هاي طيار(قدرت)
باطري( انرژي) و SMES(قدرت)
سلول سوختي( انرژي) و باطري(قدرت) و
ذخيره سازي انرژي با هواي فشرده شده( انرژي) و باطري يا ابرخازن(قدرت) است.
جدول 3 پارامترهاي خاص در تكنولوژي هاي مختلف ذخيره سازي انرژي آورده شده است.

كاربرد ذخيره سازي هيبريدي باطري-ابرخازن در سيستم انرژي بادي

شكل 6 يك سيستم تبديل انرژي بادي ( با سرعت متغير) را نشان مي دهد كه بر پايه ي PMSG با رانش مستقيم است و به همراه يك سيستم هيبريدي ذخيره سازي انرژي باطري-ابرخازن آورده شده است( اين سيستم در محيط Matlab/Simpower شبيه سازي شده است). اين ابررسانا داراي دانسيته ي توان بالاتر از باطري است كه اجازه مي دهد ابررسانا توان بيشتري را در دوره ي زماني كوتاه ايجاد كند( اين مسئله براي سيستم انرژي بادي ضروي است). براي يك عمليات دشارژ با بازده بالا، باطري ها مي توانند قابليت توان پايين تري داشته باشند به عبارت ديگر اين باطري داراي دانسيته ي انرژي بالاتري براي ذخيره و آزاد سازي در زمان طولاني تري دارد. ذخيره سازي انرژي هيبريدي مي تواند نقش حياتي در صاف كردن توان،‌بهبود كيفيت و كاهش خطاها در طي عمليات سيستم انرژي بادي، داشته باشد. شكل 7 نشان مي دهد كه چگونه يك ذخيره سازي هيبريدي باطري-ابررسانا ولتاژ را در خروجي توربين بادي تنظيم مي كند. ولتاژ در زمان t=10 ثانيه همين طور كه سرعت باد كاهش مي يابد،‌ افت مي كند. به هر حال همين طور كه ذخيره سازي انرژي هيبريدي در t=11 ثانيه شروع به دشارژ شدن مي كند، مبدل هاي dc به dc دوسويه به حالت تقويت در مي آيند و ولتاژ خروجي مبدل در مقدار بار مورد نياز، تنظيم مي شود. اين فركانس همچنين به خوبي تنظيم مي شود.

نتيجه گيري ها

در اين مقاله، اثرات يكپارچه سازي شبكه ي توربين هاي بادي با سرعت متغير مورد بحث قرار گرفت. ميزان بالاي سطح نفوذ توان بادي مي تواند چالش هايي را بوجود آورد كه به طور مفصل مورد بررسي قرار گرفت. تكنولوژي هاي مختلف توربين بادي و ويژگي هاي فني آنها ارائه شد. يك مرور در مورد جديدترين تكنولوژي هاي ذخيره سازي براي كاربردهاي توربين بادي، ويژگي هاي شاخص و مقايسه ي آنها ارائه شد. در نهايت سيستم هاي هيبريدي ذخيره سازي انرژي بر اساس باطري-ابر رسانا ( با يك توربين بادي با سرعت متغير) پيشنهاد شد و نتايج شبيه سازي ارائه شد. نتايج نشان داد كه يك ذخيره سازي انرژي هيبريدي مي تواند به تنظيم ولتاژ تحت شرايط بادي متغير،‌ كمك كند.