نسل جدید ژنراتور توربینهای بادی محصول همکاری دانشگاه‌‌های شریف و کمبریج
سیناپرس: سید‌هاشم اورعی میرزمانی، رئیس انجمن علمی انرژی بادی ایران درسن 24 سالگی از دانشگاه کمبریج انگلستان دکتری مهندسی برق با تخصص ماشین‌‌های الکتریکی فارغ التحصیل شد. از سال 1364 که به ایران بازگشت تا سال 1370 یعنی به مدت شش سال، در دانشگاه فردوسی و از سال 70 به بعد در دانشگاه صنعتی شریف تهران فعالیت کرده و اکنون نزدیک به 23 سال است که در این دانشگاه مشغول فعالیت است و استاد کامل در گروه قدرت و موسس دانشگاه غیرانتفاعی سجاد نیز است.
دکتر اورعی میرزمانی که تجربه انجام کار‌های تحقیقاتی در کشور‌های آمریکا، انگلستان و کانادا را در کارنامه خود دارد موفق به تشکیل یک تیم تحقیقاتی بین‌المللی از دانشگاه‌‌های شریف، کمبریج و دور‌ه‌ام انگلیس شد تا بر روی توسعه نوعی ژنراتور جدید به نام ژنراتور القایی بدون جاروبک با تغذیه دوگانه کار کنند. این تیم پس از چندین سال تلاش، موفق به طراحی و ساخت این ژنراتور برای اولین بار در جهان شدند و بدین ترتیب چشم‌انداز جدیدی را در توسعه توربینهای بادی گشودند.
شما فعالیتهای صنعتی بسیاری را تا کنون در کشور انجام داد‌ه‌اید اما شاید اختراع ژنراتور القایی بدون جاروبک با تغذیه دوگانه را بتوان یکی از بزرگترین کار‌های شما دانست، لطفا توضیح دهید که این چه نوع ژنراتوری است و چگونه کار می کند؟
قبل از اینکه در مورد این ژنراتور خاص توضیح دهم، می خواهم بگویم که یک توربین باد از چه قسمت‌هایی تشکیل می شود. یک توربین باد شامل، دکل، گیربکس، سامانه الکترونیک قدرت،پره و ژنراتور است، در واقع 90 درصد کار را این بخش‌‌ها انجام می دهند. بحث ما به طور خاص بر روی ژنراتور است. درباره کارکرد ژنراتور باید بگوییم که ژنراتور، انرژی چرخشی پره را می گیرد و انرژی الکتریکی یا همان برق را تولید می کند، به عبارت دیگر با استفاده از خاصیت‌‌های میدان مغناطیسی انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند.
در این بین باید توجه کرد چون سرعت چرخش پره که معمولا حدود 15 دور در دقیقه است پایین بوده و از طرفی این سرعت به دلیل تغییر سرعت باد، متغییر است، در نتیجه وجود یک گیربکس قبل از ژنراتور لازم است، چون ژنراتور‌ها معمولا در سرعت 1500 دور در دقیقه یا 3 هزار دور در دقیقه کار می‌کنند و چون سرعت ژنراتور باید ثابت باشد تا فرکانس برق تولیدی یکسان باشد، لذا وجود یک گیربکس در اینجا کاملا احساس می شود.
درباره انواع ژنراتور‌های متداول در توربینهای بادی توضیح دهید؟
در این باره باید بگویم که این ژنراتور‌ها به دو گروه تفکیک می شوند، یکی ژنراتور‌های سرعت ثابت و دیگری ژنراتور‌های سرعت متغییر، ژنراتور‌های سرعت ثابت معمولا ژنراتور‌های سنکرون هستند، ویژگی آنها این است که در یک سرعت ثابتی می چرخند در نتیجه برق خروجی این ژنراتور‌ها دارای فرکانس ثابتی است. امروزه حدود 30 درصد ژنراتور‌های بادی در دنیا از این نوع سرعت ثابت است که بدون گیربکس هستند، 70 درصد باقی مانده هم از نوع ژنراتور القایی هستند و ویژگی شان این است که در سرعت متغییر انرژی تولید می کند اما با فرکانس متغییر در نتیجه برای رفع این مشکل بعد از خروجی ژنراتور باید به یک سیستم تثبیت فرکانس متصل شوند که فرکانس متغییر را گرفته و به فرکانس ثابت 50 هرتز تبدیل کند تا به شبکه برق دهد.
این دستگاه‌های تثبیت کننده در ژنراتور‌های معمولی گران قیمت هستند چرا که تمام برق که گاهی توان مگاواتی دارد باید از این تثبیت کننده بگذرد که این نیازمند یک دستگاه بزرگ است، اما از حدود 15 سال پیش یک نوع خاصی از ژنراتور القایی ساخته شد که به آن ژنراتور القایی با تغذیه دوگانه می گویند. کارکرد آن هم به این صورت است که برق ورودی را به دو قسمت می‌کند، به طور عادی ورودی این دستگاه‌‌ها به یک سیم پیچ می رود، اما در این نوع ژنراتور سیم پیچ را دو قسمت کرده، یک قسمت را سیم پیچ توان می گویند که وظیفه آن انتقال توان است، ورودی دوم را سیم پیچ کنترل گویند که بخشی از توان به این سیم پیچ داده می شود که وظیفه آن تثبیت فرکانس است، در نتیجه در این نوع ژنراتور، بخش الکترونیک قدرت را دو سوم کوچک می‌کند.
این اقدام چقدر در هزینه‌ها تاثیر دارد؟
این اقدام در کل مجموعه توربین بادی 10 تا 15 درصد هزینه‌ها را کاهش می دهد.دلیل اینکه توربینهای بادی در 15 سال اخیر در حال گسترش اند به همین دلیل است.
این کاهش تقریبا 15 درصدی قیمت معمولا چه مبلغی می‌شود؟
امروزه هر کیلووات توربین بادی حدود هزارو 500 دلار، یعنی هر مگاوات چیزی در حدود پنج میلیارد تومان هزینه دربردارد، در حالی این رقم در 10 سال پیش دوبرابر بود. حالا حساب کنید ۱۵ درصد این مبالغ برای یک نیروگاه مثلا پنج کیلوواتی چه عدد بزرگی می‌شود.
ایده شما برای بهبود ژنراتور‌های توربینهای بادی چه بود؟
حدود هفت سال پیش ما به این نتیجه رسیدیم که ژنراتور القایی با تغذیه دوگانه ایراد‌هایی دارد که دو عیب آن بسیار بارز بود، یکی اینکه این ژنراتور‌ها چون باید توان را به قسمت دوار منتقل کند، بخشی به نام جاروبک دارد، که باعث به وجود آمدن یک اتصال سایشی شده که خود این امر یک عیب محسوب می شود، علاوه بر این کل مجموعه جاروبک چند اشکال اساسی دارد، یکی اینکه سیستم را بزرگ و سنگین می کند و چون قرار است این قسمت در ارتفاع 70 متری بر روی دکل نصب شود در نتیجه هزینه بیشتری را برای ساخت سازه یک دکل می‌طلبد. عیب دیگر آن، هزینه نگهداری سیستم جاروبک است، چون اتصال آن از نوع سایشی است پس باید در فواصل کم مثلا هر سه تا شش ماه آن را از مدار خارج و تمیز کرد و دوباره بر روی دکل نصب کرد، در واقع نکته ای که در اینجا وجود دارد این است که در هر بار تعویض و تمیز کردن جاروبک هزینه تعمیر آن مهم نیست بلکه هزینههای تولید از دست رفته است که اهمیت بسیاری دارد، مساله مهم دیگر هزینههای نگهداری این جاروبک‌هاست، چرا که به طور معمول ما آنها را در محل‌هایی که دور از دسترس هستند، مانند، بیابان‌ها و دریا‌ها نصب می کنیم، پس هزینه نگه داری آنها بالا می رود و در مجموع این جاروبک‌ها باعث پایین آمدن قابلیت سیستم می شود که این امر از نظر اقتصادی بسیار مهم است.
اشکال بزرگ دیگر این جاروبک این است که ما را مجبور به استفاده از گیربکس‌های سه مرحله ای می‌کند، که این نوع گیربکس هم بزرگ بوده و هم حجیم و سنگین که در نهایت باعث بالا رفتن قیمت آن می‌شود. پس ما به این نتیجه رسیدیم که اگر بتوانیم قسمت جاروبک را حذف کنیم، هم خود ژنراتور کوچکتر و ارزانتر می شود و هم می توان یک مرحله از گیربکس را حذف کرد. این یک ایده تحقیقاتی بود که با یک تیم تحقیقاتی قوی در دانشگاه کمبریج شروع به کار کردیم.
اساس کار ما بر این بود که با ایجاد تغییراتی سیم پیچی موتور را به گونه ای طراحی کنیم که نیازی به جاروبک نداشته باشد. این کار را کم کم توسعه دادیم تا جایی که سه مرکز تحقیقاتی برای این پروژه که دو مرکز آن در انگلستان و یک مرکز آن در ایران بود، در نظر گرفته شد و به کمک هم توانستیم یکی از قوی‌ترین تیم‌های تحقیقاتی را در دنیا به وجود آوریم.
بعد از مدتی تیم ما تصمیم گرفت که کار را بین سه گروه تقسیم کند، تیم دانشگاه کمبریج به سرپرستی دکتر ریچارد ماک ماهون، مسئول اجرای مراحل ساخت و انجام آزمایشات و مدلسازی شد، تیم دانشگاه دور‌ه‌ام، به سرپرستی پروفسور پیتر تونر، مسئول بحث تحلیل تاثیر این اقدامات بر قابلیت اطمینان و مسایل اقتصادی مربوطه شد، تیم دانشگاه صنعتی شریف هم چون در بعد مغز افرازی قوی‌تر بود، مسوول طراحی ژنراتور، مسایل مربوط به اتصال به شبکه و کنترل شد، در واقع اصل مسایل فنی این طرح بر عهده تیم ایرانی بود.
این سه تیم تحقیقاتی با همکاری هم شروع به کار کردند و در نهایت طراحیهای بسیاری خوبی بر روی این ژنراتور‌ها انجام داده که در حال حاضر تز‌ها و مقالات مختلفی در این زمینه وجود دارد. دکتر گرگین پور، دکتر عربیان، دکتر براتی، دکتر توحیدی از جمله افرادی هستند که در ایران مسئول مستقیم این پروژه هستند.
دانشگاه کمبریج در سال 2007 با استفاده از طراحیهای دانشگاه شریف، اولین ژنراتور القایی بدون جاروبک با تغذیه دوگانه ۲۰ کیلوواتی را ساخت که بعد از انجام تست‌های اولیه مجوز‌های لازم را اخذ کرد و کنار دانشکده مهندسی دانشگاه کمبریج آن را نصب کردیم که در حال حاضر در همان مکان قرار دارد و با اتصال به شبکه مشغول به کار است. اما این برای ما پایان کار نبود، به همین دلیل ما شروع کردیم به فعالیتهای دیگری مانند، تحلیل حرارتی، حل مسایل مربوط به ارتعاشات مکانیکی و غیره، در کل باید این ژنراتور 20 کیلوواتی را از زوایای مختلفی چون عایق بودن، مسایل مکانیکی، دینامیکی و … بررسی می‌کردیم. در واقع ما فقط ایده را نشان داده بودیم و به دنبال مسایل اقتصادی نبودیم و حالا باید سعی در بهینه سازی آن می‌کردیم.
آیا این ایده را در آن زمان ثبت کردید؟
تا به این جای کار خیر، ما هنوز نتوانسته بودیم ایده را ثبت کنیم، در این زمان هر سه گروه تحقیقاتی دستور کار جدیدی را برای خود تنظیم کردند که آن هم دستور ساخت ژنراتور 250 کیلووات بود. به این دلیل که ما متوجه شدیم در طراحیهای بعدی باید مسایل اقتصادی را هم مدنظر داشته باشیم. تیم شروع به کار کرد و طراحی در ایران انجام شد و بعد به کارخانه‌ای در انگلیس سفارش ساخت داده شد و در همان محل کارخانه تست‌های لازم بر روی این ژنراتور انجام شد و شرکتهای معتبر در این زمینه هم ژنراتور ساخته شده را تایید کردند. به همین دلیل ما در سال 2008 که تمام تاییدیه‌های لازم را گرفته بودیم تصمیم گرفتیم تحقیقات خود را تجاری کنیم و من مسوول تجاری سازی این پروژه شدم.
استراتژی شما برای تجاری سازی این طرح به چه صورت بود؟
تمام این اقدامات در نهایت منجر به این شد که ما یک شرکتی را در کمبریج ثبت کردیم، در این زمان بحث تحریمها و محدودیت‌‌های بین المللی داشت جدی می شد، به همین دلیل متاسفانه ما نتوانستیم ردپای هیچ دانشگاه و شرکت ایرانی را به طور مستقیم در این شرکت بگذاریم، اما نمی‌توانستیم 55 درصد شرکت را به طور غیر مستقیم برای ایران ثبت کنیم.
تا امروز ما بیش از دو میلیون پوند، یعنی بیش از 10 میلیارد تومان از دولت انگلستان و مراکز دیگری که حمایت می دادند، کمک مالی دریافت کنیم. آخرین کمک مالی شرکت یک و هفت دهم میلیون یورو، از طرف اتحادیه اروپا به طور خاص برای ساخت و طراحی یک ژنراتور سه مگاوات بدون جاروبک اختصاص داده شد، که برنامه ریزی ما به گونه ای است که به امید خدا در اردیبهشت سال آینده تیم بتواند ژنراتور سه مگاواتی را هم تولید کند بعد از آن نوبت به انجام آزمایشات در محیط واقعی می‌رسد که من امیدوارم این ژنراتور را برای نصب بر روی توربینها به ایران بیاورم البته متاسفانه به خاطر تحریمها مخالفت‌های زیادی با این اقدام وجود دارد مگر اینکه تا آن زمان شرایط بین المللی مناسب و مساعد شود.
وظایف من در این تیم این بود که اول مطمئن شوم که کنترل این پروژه از دست ایران و ایرانی خارج نشود، در واقع وظیفه من این بود که این طرح هم مال ما باشد و هم اسمی از ما نباشد، در واقع اگر سازمان‌های جهانی می‌فهمیدند که ایران در این طرح یک رکن اصلی است نه تنها کمکی نمی‌کردند، بلکه دانشگاه کمبریج را مجبور می کردند که این پروژه را متوقف کند.
بعد از اینکه ما ژنراتور 250 کیلووات را ساختیم به دنبال ثبت رفتیم، که یک کار بسیار دشوار و پرهزینه بود و تا به امروز دو اختراع ثبت شده بین المللی در قسمت طراحی و کنترل داریم و یک طرح دیگر هم داریم که در دست بررسی است، البته ما مراحل فنی را گذرانده ایم و به نوعی مراحل قانونی آن باید طی شود.
هزینههای توسعه این طرح تا قبل از اینکه به صورت شرکت به ثبت برسد چه مقدار بوده و این هزینه‌ها را چه کسی پرداخت می‌کرد؟
تاکنون حدود سه میلیون پوند در این شرکت هزینه شده که چیزی در حدود 60 درصد این رقم را وزارت انرژی انگلستان و سازمان‌های محیط زیست کمک کرده اند، بخشی از این را دانشگاه کمبریج پرداخت کرده چون 10 درصد از سهام شرکت متعلق به دانشگاه کمبریج است، بخشی از هزینه‌ها هم توسط ایران از قسمت‌هایی که خودم مشغول به فعالیت هستم و توانستم آنها را متقاعد کنم، پرداخت کرد‌ه‌ایم که تمام این مبالغ خصوصی بوده است. این شرکت تا به امروز با 60 درصد کمک‌های خارجی و 40 درصد کمک‌های سهام داران به فعالیت خود ادامه داده است.
بازار جهانی این محصول چگونه است و نیاز به این محصول در ایران چقدر احساس می شود؟
ببینید در این بحث باید به انرژی بادی توجه کرد، انرژی بادی به شدت در دنیا در حال رشد است به طوری که در جدیدترین آمار در کشور انگلیس در سه ماه اول سال جاری میلادی طبق اعلام روزنامه گاردین برای اولین بار ۱۹.۴ درصد کل انرژی الکتریکی را از انرژی تجدیدپذیر تامین کرده است که 12 درصد آن متعلق به انرژی بادی است، این رقم در کشور‌های مختلف متفاوت است به عنوان مثال دانمارک بالای 30 درصد انرژی برق خود را از انرژی باد تامین می کند، در واقع نرخ رشد توربینهای بادی در دنیا به شدت در حال افزایش است در نتیجه تقاضا برای این توربینها هم در حال افزایش است.
در ایران نیز برنامه توسعه اقتصادی پنجم در بند 19 بودجه سال 92 وزارت نیرو و سازمان‌های مرتبط را مکلف می‌کند که در افزایش سهم انرژی‌های تجدیدپذیر فعالیت لازم را انجام دهند. در نتیجه وزارت نیروی دولت یازدهم یکی از اهداف اصلی خود را افزایش سهم انرژی‌های تجدیدپذیر قرار داده است. در این میان سه نوع به بلوغ رسید‌ه‌اند، یکی برق آبی است که امروزه به دلیل کمبود آب تقریبا بدون استفاده مانده، دومی انرژی خورشیدی است که به دلیل قیمت بالای یک کیلو وات هزینه خورشیدی که دو و نیم برابر بادی است، در نتیجه انرژی بادی هم عملی است و هم اقتصادی که می توان بخش اعظمی از برق را از این طریق تامین کرد. در بررسیهایی که من کردم متوجه شدم که اگر ما سالانه 300 مگاوات سفارش داشته باشیم می توانیم حتی صادرات هم در این زمینه داشته باشیم. در واقع می توانیم تامین کننده ژنراتور‌های توربینهای بادی در منطقه و در جهان باشیم. بنده معتقدم نباید همیشه پشت سر بقیه حرکت کنیم بلکه در این مورد ما می‌توانیم در جهان پیشتاز باشیم.
به نظر می‌رسد همکاری بین‌المللی که در جریان ساخت این ژنراتور نسل جدید شکل گرفت برای کشور ما اگر نگوییم منحصر به فرد ولی تجربه ای نادر محسوب می‌شود. اگر ممکن است درباره دستاورد‌های این نوع همکاری توضیح دهید.
اگر از زاویه انتقال فناوری به ماجرا نگاه کنیم، داستان ساخت این ژنراتور‌های بادی جدید و همکاری‌‌های صورت گرفته در این راه یک الگوی بسیار مناسبی را در اختیار ما قرار می‌دهد. به طور کلی دو نگاه برای کسب فناوری وجود دارد یکی می‌گوید باید از صفر شروع کنیم که این اگر هم بشود راندمان پایینی دارد، وقتی هم که سرعت کم باشد بقیه دنیا به سرعت از شما جلو میزنند و به سرعت فناوری که به دست می‌آورید منسوخ شده به حساب می‌آید و من شخصا این تفکر را قبول ندارم.
دوم انتقال فناوری است. بنده طی سال‌‌ها فعالیت صنعتی و دانشگاهی خودم شاهد بودم که هیچوقت نتوانستیم فناوری را خوب منتقل کنیم. دلیلش هم این بوده است که ما گیرندگان خوبی نبود‌ه‌ایم. چرا که ما تصور می‌کنیم فناوری مثل یک سی دی است که می‌توان آن را با پول خرید و از اطلاعاتش درست مثل دیگران استفاده کرد. اما فناوری که به این صورت به دست بیاید می‌شود همان پیکان، چرا که ما نمی‌دانستیم در این میان چه می‌کنیم و جایگاهمان کجاست. انتقال فناوری یک فرآیند است. این‌گونه نیست که تنها با پرداخت هزینه خریداری شود. در نتیجه تنها راهش این است که همزمان با تدوین فناوری باید نیروی متخصص در آن زمینه را هم تربیت کرد. این افراد هستند که باعث می‌شوند فناوری قابل جذب بشود. ما نمی‌توانیم بذر را در یک زمین خشک بپاشیم و انتظار داشته باشیم بدون آب دادن و رسیدگی کردن محصولی به بار بیاورد.
روشی که ما در جریان کسب فناوری این ژنراتور‌ها استفاده کردیم بر مبنای یک سری فرمول‌‌ها، تفکرات و نظریات و قوانین خشک نبوده است. به این صورت که جرقه ابتدایی این کار به ارتباطات بین‌المللی قبلی میان متخصصین بر می‌گردد. اساسا دلیل اینکه من توانستم این کار را انجام دهم این بود که بنده با اساتید معروف جهان که زمانی در کمبریج تحصیل می‌کردند در دوره دکترا هم‌دوره بود‌ه‌ام و چندین سال با برخی از آنها هم اتاقی بود‌ه‌ام و این نتایج را مرهون همین ارتباطات و رفاقت‌‌ها هستم. لذا کاری که انجام شد این بود که من با شناختی که از توانمندی‌‌های مغز‌افزاری دانشگاه شریف و قابلیت‌‌های دانشگاه‌‌های انگلیسی داشتم توانستم ارتباطات مناسبی را برای شکل گیری این فعالیت ایجاد کنم. پس از آن مدل همکاری ایجاد شد که بر اساس همین روابط شکل گرفت و تا حدی موفقیت آمیز بود که با وجود تمامی تحریمها به دلیل عضویت دانشمندان برجسته جهانی در گروه پژوهشی، نه تنها کار متوقف نشد بلکه این گروه موفق به جذب حمایت‌‌های همه جانبه دولت‌‌های غربی هم شد. فارغ از این مسایل، مزیت دیگر این همکاری را می‌توان قدرت نفوذی دانست که با استفاده از یک شرکت بین‌المللی در بازار جهانی به دست آورد‌ه‌ایم.
برنامه شما برای آینده این طرح چیست؟
برنامه این است که ما این فناوری را که هم‌اکنون در یک شرکت با تابلوی انگلیسی اما تحت کنترل خودمان داریم را برای تولید انبوه در ایران آماده کنیم. برای این کار طبق بررسیهایی که من کرد‌ه‌ام نیازی نیست که از صفر همه چیز را شروع کنیم بلکه تنها چیزی در حدود بیست درصد نیاز به افزایش توان داخلی داریم چرا که در حال حاضر شرکتهای بزرگی در ایران با توانمندی بالا مشغول فعالیت هستند و ما می‌توانیم تنها با سرمایه‌گذاری کمی پلتفرم یک پایگاه تولید انبوه ژنراتور‌های القایی با تغذیه دوگانه بدون جاروبک در دنیا برای اولین بار ایجاد بکنیم. همانطور که می‌دانید الان در زمینه فناوری تولید انرژی بادی رقابت سختی وجود دارد من شاهد بودم که در پنج سال اخیر عدد سرمایه گذاری از 2500 دلار برای هر کیلووات به 1500 دلار برای هر کیلووات رسیده است. اگر ما بتوانیم این ژنراتور را تولید بکنیم در واقع به رشد این صنعت در جهان کمک کرد‌ه‌ایم.
No tags for this post.
