یکی از نگرانی هایی که توسعه شبکه های قدرت بزرگ و وسیع بوجود می‌آورند این است که انرژی الکتریکی تولید شده باید به طور مداوم مصرف شود. از نظر عملی ذخیره سازی انرژی تولیدی غیر ممکن می‌باشد. از آنجا که نیروگاه های حرارتی و آبی به دلایل اقتصادی باید در مقدار نامی خود کار کنند لذا پوشش تغییرات زمان تقاضا و فضای بزرگ بین تولید و تقاضا در مواقع بی باری شبکه بدون داشتن ظرفیت ذخیره سازی کافی در شبکه غیر ممکن خواهد بود. اخیراً با راه اندازی انرژی های نو مثل مزارع بادی نیاز به ذخیره سازی انرژی بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته است. در حال حاظر نیروگاه های تلمبه ذخیره ای یکی از بهترین گزینه ها برای ذخیره سازی انرژی تولیدی سایر واحدها از نظر انعطاف پذیری، قابلیت اطمینان، پاسخ سریع، بازدهی، امنیت و هزینه می‌باشد.

1- مقدمه:

نیروگاههای تلمبه ذخیره ای از انواع نیروگاههای برقابی هستندکه با عملکرد موتوری (پمپاژ آب به سد بالا دست) طی ساعات کم باری شبکه برق از یکسو و تولید برق در شرایط پیک بار سیستم از سوی دیگر می‌توانند نقش موثری در بهبود عملکرد سیستم تولید داشته باشند. نیروگاههای تلمبه ذخیره ای در شب یا زمان های کاهش تقاضا برای برق، با پمپ کردن آب از دریاچه مخزن در پائین دست به دریاچه یا مخزنی که در بالا دست و در ارتفاعی بالاتر قرار دارد انرژی را ذخیره می‌سازند و در زمانی که مازاد مصرف وجود دارد این انرژی پتانسیل با عبور آب از واحدهای توربین-ژنراتور به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. بنابراین ایده اساسی در نیروگاه تلمبه ذخیره ای ، ذخیره انرژی الکتریکی اضافی تولید شده در سیستم به شکل انرژی پتانسیل هیدرولیکی در زمانهای غیر پیک می‌باشد، که از این انرژی در زمانهای پیک سیستم که تقاضا بیش از کل ظرفیت تولید است استفاده خواهد شد. باید توجه داشت که زمان پیک یک سیستم می‌تواند روزانه ، هفتگی ، ماهانه و فصلی باشد. بکار گیری این نیروگاههای همانگونه که اشاره شد ، از دیرباز در سیستم های تولید برق دنیا آغاز گردیده، که راندمان آنها در حال حاضر ٨٠% می‌باشد و دارای مزایای زیادی می‌باشند.

   برخی از این خدمات و مزایا عبارتند از :

• انرژی اضافی موجود در شبکه را جهت انجام عمل پمپاژ جذب کرده و با ذخیره کردن آب در مخزن بالا دست به ذخیره سازی انرژی برای مواقع مصرف می‌پردازد.
• عملکرد این نیروگاهها دارای توانائی اصلاح منحنی بار (Load shaping) در شبکه برق می‌باشد.
• فراهم سازی بازار پایدار برای قدرت غیر پیک
• تاثیر احداث این نیروگاهها در کاهش ساخت و ساز نیروگاههای سوخت فسیلی و هسته ای
• فراهم سازی استفاده روزانه کار آمد از خطوط انتقال نیرو در نتیجه انرژی بیشتری که از نیروگاه حاصل می‌شود.
• این نیروگاهها به هنگام وقوع ایراد و خطای گسترده در شبکه برق براحتی امکان تامین قدرت اضطراری روی شبکه را دارا هستند.
• این نیروگاهها باعث بالا رفتن راندمان نیروگاههای سوخت فسیلی و افزایش قابلیت انعطاف پذیری آنها در چرخه کاری و بهبود کیفیت گازهای آلاینده از این نیروگاهها می‌شوند.
• عملکرد این نیروگاهها باعث بالا رفتن راندمان شبکه برق می‌شود .
• تعداد توقف و راه اندازی نیروگاههای سوخت فسیلی را کاهش می‌دهد (میزان آلاینده های هوا در هنگام راه اندازی این نوع نیروگاهها بیشتر از مواقع کار عادی است.)

2- اجزا تشکیل دهنده یک نیروگاه تلمبه ذخیره ای:

توربین آبی یکی از مهمترین تجهیزات نیروگاه آبی محسوب می‌شوند و وظیفه آن، تبدیل انرژی موجود در آب به انرژی مکانیکی برای به چرخش درآوردن محور توربین می‌باشد. چرخ محرک توربین و و روتور ژنراتور معمولاً هم محور می‌باشند، لذا با چرخش محور توربین، گشتاور مورد نیاز برای چرخش محور روتور ایجاد می‌گردد. توربین های آبی به طور کلی به دسته نوع اصلی که عبارت از توربین های کاپلان، توربین های فرانسیس و توربین های پلتون می‌باشند، تقسیم می‌شوند. این توربین ها دارای بازدهی بالا و ساختمان نسبتاً ساده ای هستند. توربین های کاپلان و فرانسیس از نوع عکس العملی می‌باشند، در حالیکه توربین پالتون از نوع ضربه ای محسوب می‌گردد. در توربین های عکس‌العملی، بخشی از انرژی لازم برای چرخش توربین توسط انرژی جنبشی آب و بخشی دیگر توسط فشار تأمین می‌گردد. پره های متحرک این توربین ها به گونه ای هستند که آب پس از برخورد با آن ها از سرعت و فشارش کاسته می­گردد. آب پس از خروج از توربین هنوز دارای مقدار قابل توجهی انرژی جنبشی و فشار می‌باشد، که با عبور از لوله مکش (لوله خروج آب) بر روی توربین عکس العمل نشان می‌دهد. بدین ترتیب بخش دیگری از انرژی مورد نیاز برای چرخش توربین را فراهم می‌آورد. سطح مقطع لوله مکش در جهت ابتدا به انتهای آن به طور تدریجی افزایش می‌یابد، که این امر موجب می‌شود تا در انتهای لوله انرژی جنبشی آب به کمترین مقدار خود برسد و تقریباً به طور کامل به انرژی عکس العملی تبدیل گردد. در توربین های ضربه ای که فاقد لوله مکش هستند، تمامی انرژی مورد نیاز توربین برای چرخش، توسط انرژی جنبشی آب در زمان برخورد با توربین تأمین می‌گردد. این توربین ها دارای پره های متحرکی هستند، که سرعت آب در برخورد با آن ها کم می‌شود، ولی فشار آب ثابت می‌ماند. انتخاب مناسب برای یک نیروگاه آبی با توجه به بررسی پارامترهایی نظیر ارتفاع ریزش آب، دبی آب، سرعت چرخش توربین، سرعت دور مخصوص توربین و ... صورت می‌پذیرد.

3- نیروگاه‌های تلمبه ذخیره‌ای دور متغیر:

نخستین بار طرح سیستم های دور متغیر در سال 1970 از نظر تئوری بررسی شد. در سال 1987 واحد دور متغیر Narude به عنوان یک تجربه ساخته و مورد بررسی قرار گرفت. در سال 1990 یکی از سه واحد نیروگاه Yagisawa در ژاپن به عنوان نخستین نیروگاه تلمبه ذخیره ای دور متغیر با ظرفیت 85 مگا ولت آمپر و امکان تغییر سرعت 130 تا 156 دور بر دقیقه مورد بهره برداری قرار گرفت. بزرگترین نیروگاه تلمبه ذخیره ای دور متغیر نیز در سال 1995 در Ohakawachi ژاپن متشکل از دو واحد 395 مگا ولت آمپر با امکان تغییر سرعت از 330 تا 390 دور بر دقیقه ساخته شده است. لیست جدول زیر نشان دهنده این مطلب است که در سال های اخیر تمایل کشورهای مختلف برای نصب نیروگاه تلمبه ذخیره ای دور متغیر افزایش یافته است.

جدول 1-1: نمونه های نصب شده از نیروگاه تلمبه ذخیره ای دور متغیر نصب شده در نقاط مختلف

واحد	کشور	سال بهره برداری	ظرفیت (مگاولت آمپر)	محدوده سرعت (rpm)	سیستم تحریک	سازنده
Narude	ژاپن	1987	22	210-190	-	HITACHI
Yagisawa No.2	ژاپن	1990	85	156-130	Cyclo-converter	TOSHIBA
Takami No.2	ژاپن	1992	140	254-209	GTO-Inverter	MITSUBISHI
Ohkawachi No.4	ژاپن	1993	395	392-331	Cyclo-converter	HITACHI
Shiobara No.3	ژاپن	1995	360	394-356	Cyclo-converter	TOSHIBA
Ohkawachi No.3	ژاپن	1995	395	400-240	Cyclo-converter	HITACHI
Yagisawa No.3	ژاپن	1996	85	156-130	Cyclo-converter	TOSHIBA
Okukiyotsu No.2	ژاپن	1996	345	450-408	GTO-Inverter	TOSHIBA
Okinawa Yanbaru	ژاپن	1999	31×5	477-423	-	TOSHIBA
Goldisthal (No. 3 & 4)	آلمان	2003	330×2	347-300	Cyclo-converter	VATECH
Avce	اسلونی	2008	180	636-576	GCT-Inverter	-
Omarugawa No. 3	ژاپن	2008	350	624-576	GCT-Inverter	MTSUBISH
Omarugawa No. 4	ژاپن	2008	370	624-576	Cyclo-converter	HITACHI
Iowa Hill	آمریکا	2010	133×3	-	GTO-Inverter	-
Kuang-Ming (3 Unit)	تایوان	2010	235×3	-	-	-
Omarugawa No. 1	ژاپن	2010	330	624-576	GCT-Inverter	MTSUBISH
Omarugawa No. 2	ژاپن	2010	330	624-576	Cyclo-converter	HITACHI
Limberg II	اتریش	2012	240	-	-	Andritz VATECH
Kyogoku	ژاپن	2015	228	-	GTO-Inverter	TOSHIBA
Linthal	سوئیس	2015	250×4	530-470	GCT-Inverter	ALSTOM
Nant de Drance	سوئیس	2015	155×4	459-399	GCT-Inverter	ALSTOM
Kazunogawa No.3 & 4	ژاپن	2017	475×2	520-480	GTO-Inverter	TOSHIBA

 

در نیروگاه های تلمبه ذخیره ای د ور ثابت از ماشین های سنکرون قطب برجسته به همراه پمپ و توربین جداگانه و یا پمپ- توربین های دوطرفه استفاده می‌شد. این نوع توربین ها می‌توانند به صورت افقی یا عمودی نصب شوند. در نیروگاه های دور متغیر با به کاربردن کانورترها و یا سیکلو کانورترهای ولتاژ متوسط، ماشین های الکتریکی می‌توانند در محدوده خوبی سرعت خود را تغییر دهند. برای نصب توان های پایینتر از MW50 می‌توان ژنراتورهای سنکرون استفاده نمود. در این نوع واحدها خروجی استاتور ژنراتور به وسیله کانورتر ولتاژ متوسط به شبکه متصل می‌شوند. در توان های بالاتر استفاده از این روش به صرفه اقتصادی نبوده و استفاده از ماشین­های القایی دوسو تغذیه با روتور سیم پیچی شده مرسوم می‌باشند. در این نوع ماشین ها روتور ماشین در هر دو مد ژنراتوری و موتوری از کانورتری با توان کسری از توان نامی ماشین (بسته به تغییر لغزش مورد نیاز)، تغذیه می‌شوند.

4- مزایای واحدهای دور متغیر:

مزیت اصلی واحدهای دور متغیر این است که امکان تغییر توان جذب شده در مد پمپی در رنج خاصی با تغییر سرعت پمپ انجام می‌شود. در ارتفاع موثر پمپ، توان جذب شده از شبکه در رنج خاص قابل تغییر است. این امر این امکان را می‌دهد تا این نوع نیروگاه ها فرکانس شبکه را حتی در حالت پمپی با بازدهی بالا تنظیم کنند. در نیروگاه های دور ثابت تنظیم فرکانس فقط در حالت مد توربینی امکان پذیر می‌باشد. مزیت دیگر این واحدهای دور متغیر این است که توانایی دینامیکی بیشتر و سریعتری در تغییر مقدار توان مرجع را خواهند داشت. در واحدهای دور ثابت تغییر توان فقط از طریق تغییر تیغه هدایت بازکننده دریچه ورودی توربین انجام می‌شود، که در این کار نیز باید به طوری انجام شود که باعث تغییر ناگهانی فشار زیاد در لوله های پنستاک و لوله های خروجی توربین نشود. در واحدهای دور متغیر این کار باز هم بوسیله این تیغه ها انجام می‌شود اما این کار با تغییر ناگهانی بسیار کمتری نسبت به واحدهای دور ثابت انجام می‌شود و تغییر در توان با تغییر مقدار مرجع توان مرجع در قسمت الکتریکی با ثابت زمانی بسیار پایین تری قابل انجام خواهد بود. مزیت دیگر این است که تغییر سرعت در حالت پمپی باعث کاهش منطقه های بحرانی در این مد می­‌شود. زیرا در صورت ثابت بودن سرعت شفت موتور در صورت تغییر ناگهانی در توان وارد شده به پمپ ممکن است باعث معکوس شدن عملکرد پمپ شود.

5- بخش های اصلی نیروگاه تلمبه ذخیره ای:

اجزا اصلی نیروگاه تلمبه ذخیره ای را می‌توان در دو بخش الکتریکال و مکانیکال تقسیم بندی نمود.

بخش الکتریکال:

بخش الکتریکی یک نیروگاه تلمبه ذخیره­ای شامل یک ماشین القایی روتور سیم پیچی شده (DFIM) و یک کانورتر می‌شود. در نیروگاه های تلمبه ذخیره ای به دلیل محدودیت های مکانیکی موجود در نیروگاه رنج توان یک ژنراتور DFIM در این نیروگاه حدود 300-400 مگاوات و سطح ولتاژ کانورتر معمولاً 18کیلو ولت است.

بخش مکانیکال:

اجزا مکانیکی موجود در نیروگاه شامل موارد زیر می‌شوند.

• پمپ- توربین
• لوله های انتقال دهنده آب (پنستاک)
• مخزن فشار شکن
• دریچه ورودی

نگارش: دکتر محسن علیزاده بیدگلی