اولین شناور نظامی تمام برقی؛ قسمت دوم

اسکات لیتل فیلد و آنتونی نیکنس دفتر تحقیقات نیروی دریایی

15 فوریه 2005

افق آینده

اولین اعضای نسل جدید شناورهای رزمی تمام برقی توسط دو مقاطعه کار نیروی دریایی آمریکا تولید خواهند شد. اولین آنها ،کشتی جنگی دی.دی.اکس، به وسیله یک سیستم یکپارچه الکتریکی پیشرفته قدرت خواهد گرفت و توسط نورث روپ گرومن (مقاطعه کار اصلی) و رایتئون (مسئول ساخت سلاح ها و تجهیزات الکترونیکی) ساخته خواهد شد. نیروی دریایی قرار است که جزئیات طرح این کشتی را اوایل امسال اعلام کند. برنامه ریزی تحویل اولین نمونه این کشتی برای سال 2011 انجام شده است و قرار است که تا سال 2013 به خدمت وارد شود. نمونه دوم کشتی لجستیک رزمی تی-آ.ک.ئی است که طراحی و ساخت آن توسط فولاد ملی سان دیگو و یکی از شعبه های جنرال دینامیکز انجام شده است. این شناور از یک پیشرانه برگرفته از نمونه های تجاری موجود استفاده می کند و قرار است تا در میانه سال 2005 تحویل داده شود. سیستمهای الکتریکی هر دو کشتی بر اساس تکنولوژی توربو-ژنراتورهای امروزی خواهد بود. یک باسبار نیروی موتورهای الکتریکی معمولی متصل به محورهای کشتی را فراهم می کند.

دریادار جای کوهن ،رییس دفتر تحقیقات نیروی دریایی، برای برنامه "نیروی دریایی آینده" اهمیت گذار از کشتی هایی با پیشرانه الکتریکی به سوی کشتی های تمام برقی را دریافته و بر روی نیازهای علمی و توسعه فنی این پروژه سرمایه گذاری کرده است. با نگاه به آینده ، دریادار کوهن می گوید:" پیشرانه برقی مانند تغییر پیشرانه از بادبان به موتور بخار ،نفت به نیروی هسته ای یا توپ به موشک یک طرح انقلابی است." اما برای اینکه کشتی تمام برقی به واقعیت بپیوندد نیروی دریایی مجبورخواهد بود تا مقدار زیادی بر توسعه  تکنولوژی های جدیدتر در حوزه هایی مانند تولید و پخش نیروی الکتریکی، ذخیره برق، رسانایی و پخش بار و پیشرانه ها تأکید کند.

تصویر3- وصل کن و بازی کن. اندازه سلاح های برقی آینده و حسگرها یک سیستم قدرت یکپارچه را تقاضا می کنند.

پیشرفت در الکترونیک- تحقیقات در حوزه تجهیزات الکترونیک قدرت و کنترل مستقیما برآمده از تعامل بین تجهیزات کلید زنی پیشرفته و ماجولهای قدرت برای کارکردن در ولتاژها بالاتر بود. این تکنولوژی در دسترس است اگرچه باید کار بیشتری صورت بگیرد تا تولیدات کارخانه ها بر اثر توسعه فنی قیمت ، اندازه و وزن کمتری در برداشته باشند. جلوگیری از امواج ضربه قدرت بالا وظیفه بلاکهای الکترونیکی قدرت هستند که کلیدهای قدرت بالا را با تجهیزات کم قیمت، انعطاف پذیر و کنترل کننده های قابل برنامه ریزی ترکیب می کنند. یک نمونه 9 مگاولت آمپر برای آزمایش در اواخر امسال آماده شده و یک نمونه 13 مگا ولت آمپر نیز در حال توسعه می باشد.

سلولهای سوختی دریایی- سلولهای سوختی دریایی (SSFC) ثابت خواهند کرد که یک سلول سوختی ، به همراه یک بهینه ساز سوخت دیزل، می تواند به عنوان یک پیشرانه پیشرفته برای شناورها بکاربرده شود و توربینهای گازی را از دور خارج کند. سلولهای سوخت می توانند قدرت جریان مستقیم را بدون نیاز به موتورهای درون سوز با بازدهی بالاتر از 50 درصد تولید کنند. آنها همچنین آلاینده ای غیر از آب نخواهندداشت و هزینه کمتری نیز دارند. کلید اصلی برای توسعه این سلولهای سوختی یک بهینه ساز است که می تواند هیدروژن/متان را ،همانند یک دستگاه تصفیه گوگرد کاتالیزوری، از سوخت استاندارد نیروی دریایی جداکند. اما به دلیل زمان بالای راه اندازی یک سلول سوختی دمای ،نسبت به سلولهای سوختی دمای پایین، باید عامل سرعت را نیز در نظر گرفت. ممکن است که شتاب برای یک شناور غیرنظامی مسئله چندان مهمی نباشد اما برای یک کشتی جنگی زمان می تواند عاملی برای مرگ یا زندگی باشد.

سلولهای سوختی دریایی

در پیشرانه های ترکیبی که برای کشتی های جنگی تمام برقی آینده متصور می شوند سلولهای سوختی سهمی اساسی در تهیه توان مورد نیازدارند. امروزه، دو نوع سلول سوختی آزمایشی موجود است. اولی از یک غشای تبادل پرتونی (PEM) استفاده می کند و دومی ماجولهای مولتن کربنات هستند. بسته به توسعه در حوزه تجاری، هزینه های تحقیقاتی و نتایج آزمایشی یکی از این دو در نهایت برای شناور آینده نیروی دریایی انتخاب خواهند شد.

توسعه یک سلول سوختی غشای تبادل پرتونی با قدرت 500 کیلووات تا مرحله نهایی توسط US.DOE ادامه پیداخواهد کرد. این پروژه تولید یک مولد سوخت یکپارچه موثر برای تهیه سوخت استاندارد نیروی دریایی به یک سوخت مناسب در سلولهای سوختی را هدف قرارداده است. این مولد سوخت باید شامل یک بهینه ساز با تحمل گوگرد، بستر جذب سطحی گوگرد قابل بازیافت و بسترهای کاتالیستی محافظ باشد. طرح مولد سوخت قبلا کامل شده است و قرار است تا در پایان سال 2004 مورد آزمایش قرار بگیرد. طرح نهایی در یک ماجول مجتمع به همراه چگالی قدرتی سه برابر بیشتر نصب خواهد شد. آزمایش کامل مجموعه قرار است تا در سال بعد دنبال شود. پیش بینی شده است که بهره برداری از سلول سوختی در درجه حرارت 80 درجه سانتیگراد بازدهی در حدود 40 درصد و طول عمر 40000 ساعت به همراه داشته باشد. شرکت SOF Co-EFS قرار است که این مجموعه را با تقسیم هزینه ها با دفتر تحقیقات نیروی دریایی تأمین کند.

تصویر 4- سلول سوختی (PEM) 

مترجم:رضاکیانی موحد 

منبع 

http://www.powermag.com/renewables/synfuel/Roadmap-for-the-all-electric-warship_1044_p2.html

اولین شناور نظامی تمام برقی؛ قسمت اول

اسکات لیتل فیلد و آنتونی نیکنس دفتر تحقیقات نیروی دریایی

15 فوریه 2005

کشتی 19360 تنی یو.اس.اس ژوپیتر اولین نتیجه علاقه نیروی دریایی آمریکا به نیروی محرکه الکتریکی بود. ژوپیتر دارای یک پیشرانه آزمایشی بود که بعدها به صورتی گسترده در نبردناوی ساخته شده در دهه های 1910 و 1920 بکارگرفته شد. به عنوان مثال، نبردناو 36000 تنی یو.اس.اس نیومکزیکو ،که در سال 1918 به خدمت پیوست، اولین نبردناو از سه فروند نبردناوی بود که از موتور الکتریکی استفاه می کرندد.  پیشرانه نیومکزیکو عبارت بود از 4 دستگاه توربین بخار که به وسیله 6 دستگاه دیگ بخار نیرویی برابر با 40000 اسب بخار تولید می کرد و می توانست سرعت نبردناو را به 21.5 گره دریایی برساند. در طی همان دوره، چند کلاس مختلف از ناوشکن ها و زیردریایی های دیزلی با موتورهای جریان مستقیم ،که مستقیما به پروانه های شناور متصل شده بودند، ساخته شدند.

 

تصویر1- اولین شناور نیروی دریایی آمریکا با موتور الکتریک یو.اس.اس ژوپیتر (بعدها به یو.اس.اس لانگلی تغییر نام داد).

در آن زمان، به موتورهای الکتریکی به عنوان نسل بعدی پیشرانه ها (در برابر موتورهای بخار با دور پایین که در ابتدای قرن ناوگان سفید را بوجود آوردند) نگریسته می شد. تولید توربینهای بخار با دور بالا در ابتدای قرن بیستم به این معنی بود که برای انتقال نیروی تولید شده به محورهای کشتی یا باید از یک جعبه دنده کاهنده یا یک موتور الکتریکی استفاده کرد. پیشرفتهای ساخت جعبه دنده ها سب شد تا طراحان کشتی ها به سیستمهای اتصال مستقیم پیشرانه متمایل شوند چرا که موتورهای الکتریکی آن زمان بزرگتر، سنگین تر، با بازده کمتر و از نظر تعمیرات پرهزینه تر از جبعه دنده های مکانیکی بودند. به هرحال، در طول جنگ جهانی دوم کمبود ظرفیت کارخانه های جعبه دنده سازی سبب شد تا در تعدادی از کشتی های جنگی آمریکا موتورهای الکتریکی نصب شوند.

علاقه به این موتورها پس از پایان جنگ به دلیل توسعه پیشرانه هسته ای و توربینهای گازی کاهش یافت. امروزه، غیر از ناوهای هواپیمابر با پیشرانه هسته ای، کشتی های جنگی نوعا یک جفت توربین گازی ال.ام2500 ساخت جنرال الکتریک دارند که از طریق یک کلاچ اس.اس.اس به یک جعبه دنده کاهنده مشترک وصل شده اند. این کلاچها 50000 اسب بخار را به محورهای کشتی منتقل می کنند با یک پروانه با زاویه گام قابل تغییر در آب حرکت می کند. بعضی از شناورها به 100000 اسب بخار بر روی محور نیازدارند تا وزن 10000 تنی خود را به سرعت بیش از 30 گره دریایی در دریا برانند اگرچه بیشتر کشتی های جنگی 90 درصد عمر خود را تنها با یک یا دو موتور سرمی کننند. چون افزایش قدرت با توان دوم افزایش سرعت نسبت دارد هر کشتی چند موتور اضافی دارد تا زمانی که باید از منطقه خطر فرار کنند و نیاز به سرعت بیشتر دارند از آنها استفاده کنند.

بار الکتریکی نوعی کشتی های نظامی (شامل چراغ ها و سلاح ها) به وسیله سه توربین گازی آلیسک 501 (موسوم به اس.اس.تی.جی) که هرکدام به وسیله بازیافت حرارت آبهای داغ تولید شده تقویت می شوند تأمین می شود.

احیای کشتی های برقی

با آغاز دهه 1970 توانایی ساخت قطعات الکترونیکی و کلیدهای حالت جامد سریعتر و موتورهای جریان متناوب سنکرون پرقدرت سبب شد تا نیروی دریایی دوباره به کشتی های تمام برقی علاقمند شود. در گذشته، طراحان کشتی به وسیله فشارهای تعیین محل نصب ماجولهای پیشرانه در فشار بودند. محل پروانه های کشتی به گونه ای بود که باید محور کشتی در وسط قرار می گرفت و به ناچار توربینهای گازی به صورت عمودی در کشتی نصب می شدند. به خاطر قابلیت بقای بیشتر یک ماجول در سینه و دیگری در پاشنه کشتی نصب می شدند. به صورتی معنی دار، کشتی های تمام برقی طراحان را از مکان یابی توربینهای گازی آزادکرده است و درنتیجه آنها می توانند وزن و تعادل کشتی را بهینه کنند. توربوژنراتورها با استفاده از کابل و قطعات پرسرعت الکترونیک به موتورهای الکتریکی پیشرانه نصب شده اند.

یک طرح تکمیل شده کشتی جنگی تمام برقی یک پریز دیواری برای تمامی تکنولوژی های آینده مانند توپهای برقی، لیزرهای پرقدرت، حسگرهای قدرتمند و پهپهادهای شناسایی محسوب می شود. چنین طرحی به صورتی مهیج توانایی های رزمی و انعطاف پذیری کشتی را بهبود می بخشد. به علاوه برای کاهش هزینه های عملیاتی و نگهداری، کشتی می تواند بقاپذیری بیشتری داشته باشد چرا که تولید نیرو می تواند در کشتی پخش شود. یک سیستم یکپارچه قدرت همچنین بازده بیشتری دارد که با مشخصات نوعی یک عملیات رزمی بیشتر مطابقت دارد: سرعت بالا در عملیات و کاهش سرعت در هنگام گشت زنی. 

  

تصویر2- شوک آینده- کشتی جنگی تمام برقی

مترجم: رضاکیانی موحد 

منبع: 

http://www.powermag.com/renewables/synfuel/Roadmap-for-the-all-electric-warship_1044.html

روشهای خنک سازی ترانسفورماتورها

یکی از مشخصه های انواع ترانسفورماتورها -فارغ از ابعاد، نوع یا ساختار آنها- این است که زمانی که برقدار می شوند دارای تلفات انرژی هستند.

قسمتی از این تلفات مربوط به مدارات مغناطیسی و هسته (تلفات آهنی) آنها و قسمتی هم تلفات مسی در زمان  بارگیری ترانسفورماتور می باشند. هر دو این تلفات خود را به صورت تلفات حرارتی ظاهر می کنند و حرارت هم البته یکی از دشمنان اصلی عایقهای بکارگرفته شده در تأسیسات الکتریکی است. از این رو، یکی از وظایف اصلی طراحان ترانسفورماتورها پراکنده کردن این تلفات فزون یابنده و در نتیجه اطمینان از طول عمر طولانی عایقهای موجود در تجهیز است.

برای ترانسفورماتورهای خنک شونده با هوا این امر با تهویه مناسب و ایجاد سوراخهای خنک کاری در هسته انجام می پذیرد. جایی که جریان کافی هوا وجود نداشته باشد، از چند پنکه برای افزایش انتقال حرارت از هسته و سیم پیچها استفاده می شود.

برای ترانسفورماتورهایی که با مایع خنک می شوند نیز وضعیت مشابه است. سوراخ های خنک کاری موجود در هسته باید در تعداد و اندازه مناسب تعبیه شوند تا اجازه دهند که جریان سیال از درون هسته عبور کرده و آن را خنک کند. این سیال می تواند به سادگی توسط همرفت جابجا شود یا می توان از روش "خنک کاری اجباری" توسط پمپ بهره گرفت. به علاوه، سطح خارجی مخزن باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا انتقال حرارت با روشهای رسانایی، همرفت و تشعشع به سادگی صورت پذیرد. هرچه ابعاد ترانسفورماتور بزرگتر باشد، دفع حرارت از سطح مخزن نابسنده تر می شود و به ناچار باید از پره های اضافی رادیاتور برای افزایش سطح موثر مخزن استفاده کرد. برای حداکثر کردن این فرایند می تواند از پنکه های خنک کننده برای خنک کردن رادیاتورها نیز بهره گرفت.

اما کارخانه های سازنده ترانسفورماتور اطلاعات مربوط به سیستم خنک کاری را چگونه بر روی آن درج می کنند؟ برای ترانسفورماتورهای خشک -که با هوا خنک می شوند- استاندارد 57.12.01 ANSI/IEEE C می گوید:

1.     تهویه خودبه خودی: کلاس AA

2.     تهویه هوا با فن : کلاس AFA

3.     تهویه خود به خودی/ فن: کلاس AA/FA

4.     بدون تهویه خود به خودی: کلاس ANV

5.     تهویه خود به خودی نشت بندی شده: کلاس GA

ترانسفورماتورهای روغنی چند گزینه بیشتر برای خنک کاری ارائه می کنند. استاندارد  57.12.00 ANSI/IEEE C برای مشخص کردن سیستم خنک کاری این گونه ترانسفورماتورها یک روش 4 حرفی ارائه می کند. حرف اول نشان دهنده سیستم خنک کاری داخلی است:

O: روغن صنعتی با نقطه اشتعال کمتر از 300 درجه

K: روغن مخصوص با نقطه اشتعال بیش از 300 درجه

L: روغن مخصوص با نقطه اشتعال غیرقابل اندازه گیری

حرف دوم نشان دهنده یکی از حالتهای زیر است:

N: همرفت طبیعی سیال از میان سیم پیچها و هسته

F: همرفت اجباری به وسیله پمپ

D: همرفت اجباری جهت داده شده به وسیله تجهیزات خنک کاری و پمپ

حرف سوم نشان دهنده ماده بکارگرفته شده در سیستم خنک کاری خارجی است:

A: آب

W: هوا

و  چهارم روش خنک کاری خارجی را بیان می کند:

N: همرفت طبیعی

F: همرفت اجباری

برای مثال ONAN نشان دهنده یک ترانسفورماتور با خنک کننده روغن است که روغن آن به صورت همرفت طبیعی خنک می شود. سطح مخزن روغن به وسیله هوا و آن هم به وسیله همرفت طبیعی خنک می شود. اگر این ترانسفورماتور را به پنکه های خارجی برای خنک کاری سطح مخزن روغن مجهز کنید از نشانگر ONAF استفاده می کنیم.

ترانسفورماتوری که در وضعیت عادی از خنک کاری طبیعی در روغن و هوا استفاده می کند ولی می تواند با در هنگام اضافه شدن بار یا گرم شدن روغن از پنکه نیز استفاده کند با نشانگر ONAN/ONAF مشخص می شود.

ترانسفورماتور با روغن خنک کننده مخصوص که در حرارت بالا مشتعل می شود و خنک کاری آن به صورت طبیعی است با حروف KNAN و همان ترانسفورماتور اگر به پنکه هوا مجهز باشد با حروف KNAF نشان داده می شود.

مایک دیکینسون 

مترجم:رضاکیانی موحد 

منبع :

http://ezinearticles.com/?ONAN-Or-ONAF,-What-Is-the-Difference?&id=5229489

نگاهی دیگر به نیروگاه های خورشیدی و بادی

در سالهای اخیر تمرکز شدیدی بر روی منابع انرژی تجدید پذیر در ایالات متحده صورت گرفته است. بیشترین تأکید بر روی نیروگاه های بادی و خورشیدی است و ظاهرا توجه زیادی به نواحی صحرایی جنوب کالیفرنیا برای تأسیس این نیروگاه ها می شود. به همراه شنزارهای میلیون هکتاری، صحراهای موجاوه و کلورادو جایگاهی مناسب برای نصب نیروگاه های بادی و خورشیدی بشمار می آیند. جالب اینکه، دولت ایالات متحده بر تعدادی از این پروژه ها مهر تأیید زده است و بسیاری از آنها به سرعت پیگیری می شوند. امروزه کالیفرنیا نقش پایتخت تولید انرژی خورشیدی را برعهده گرفته است. اما، در حالی که توجه زیادی به منابع انرژی تجدید پذیر می شود و سرمایه کلانی به گلوی آن ریخته می شود بسیاری فکر می کنند که این گونه نیروگاه ها سبب کاهش وابستگی ما به نیروگاه های فسیلی نمی شوند.

آیا زیرساختهای صنعت برق برای انرژی های تجدیدپذیر آماده اند؟

به نظر می رسد که تولید انرژی از منابع تجدید پذیر تنها یک روی سکه باشد. روی دیگر سکه اهمیت زیرساختهای صنعت برق در تولید و پخش توان الکتریکی می باشد. آمریکا یکی از بزرگترین تولید کننده های انرژی الکترکی دنیا است و بزرگترین شبکه تولید و پخش توان در جهان را داراست. متاسفانه بیشتر تأسیسات این صنعت قدیمی و کهنه می باشند. قدمت این شبکه حجم زیادی از انرژی تولید شده را هدر می دهد. همچنین، سیستمهای پخش نیاز به برنامه های به روزسازی دارند تا بتوانند مواجه با مقتضیات منابع انرژی های قدیمی تر و جدید را همزمان به سامان برسانند.

بدون شک نیروگاه های خورشیدی و بادی می توانند روشنایی میلیونها خانه را در آمریکا تأمین نمایند. باوجود سرمایه گذاری اولیه بالا، منابع تجدید پذیر انرژی به صورت طبیعی در چند سال هزینه خود را مستهلک می نمایند و تولید گازهای گلخانه ای و نیاز به واردات نفت از خارج را کاهش می دهند. اما قبل از تأکید بر روی مزایای این گونه منابع انرژی نیاز داریم تا زیرساختهای لازم برای ذخیره سازی، انتقال و پخش این انرژی را به صورتی با کارایی بالا فراهم آوریم.

مشکلات همراه با منابع انرژی تجدید پذیر

یکی از اشکالات مهم منابع انرژی تجدید پذیر این است که توان خروجی متغیری دارند. این مشکل را تنها می توان با نصب واحدهای ذخیره سازی انرژی و ذخیره آن هنگامی که تولید زیاد بوده و استفاده از آن در زمانی که تولید کم می باشد برطرف کرد. به نظر می رسد که باتری خانه های بزرگ راه حل مناسبی برای این مشکل می باشند.

شبکه های هوشمند یکی دیگر از زیرساختهای هستند که نیاز است نسبت به آنها پاسخگو باشیم. این شبکه ها باید آنقدر باهوش باشند که بتوانند پیامدهای ناشی از نوسان انرژی خروجی را دسته بندی کرده و این که انرژی تولید شده کجا مصرف می شود و کجا کمبود انرژی وجود دارد را رهگیری کنند. به هرحال بزرگترین پیامد خود را در قالب انرژی تلف شده در ترانسفورماتورها نشان می دهد. ترانسفورماتورها نقش حساسی در شبکه های توزیع و انتقال، از جمع آوری انرژی در نیروگاه گرفته تا انتقال آن با ولتاژ بالا و توزیع آن با ولتاژ پایین، بازی می کنند.

هزاران ترانسفورماتور در شبکه برق ایالات متحده وجود دارند که در حال خارج شدن از رده هستند و باید که با ترانسفورماتورهای با بازده بالاتر تعویض شوند. ترانسفورماتورهای جدیدتر با دوام تر می باشند و می توانند انرژی تولید شده توسط نیروگاه های مدرن تر یا قدیمی را انتقال دهند.

مانند بیشتر ترانسفورماتورهای بکارگرفته شده در یکسوسازها، ترانسفورماتورهای موجود در نیروگاه های بادی برای کار با هارمونیکها و بارهای اضافی طراحی شده اند و دارای محافظ الکترواستاتیک هستند تا از انتقال هارمونیکها از سیم پیچ اولیه به ثانویه جلوگیری کنند.

پس در حالیکه امروزه تأکید اصلی بر روی منابع تجدید پذیر می باشد زمان آن فرارسیده است تا توانایی های ترانسفورماتورهای در تبدیل انرژی مورد نیاز به صورت جدی مورد بررسی قراربگیرند.