بخشی از مقاله
امواج
چکیده
در سالهای اخیر ، امواج به عنوان یکی از منابع مهم انرژی مخصوصاً برای مصرف در مناطق ساحلی مطرح شده است. مهمترین بحث در این زمینه چگونگی تبدیل این انرژی به انرژی دلخواه ( انرژی الکتریکی و ... ) است.
این مقاله کاربرد موتورهای هیدرولیکی در سیستم های تهویه مطبوع را بررسی می کند.
مقدمه
استخراج انرژی مفید از امواج اقیانوس ها بوسیله هر مبدل انرژی موج ( Wave Energy Convertor ) نیازمند این است که امواج نیرویی را به بعضی از مکانیزم های عکس العملی وارد کنند که این مکانیزم ها قادر به مقاومت در برابر نیروی عمل کننده ای که امواج تولید می کنند ، باشند. مکانیزمی که بوسیله آن ، انرژی بین امواج و دستگاه WEC منتقل و در نهایت به شکل انرژی قابل استفاده تبدیل می شود ، سیستم قدرت اتصال PTO نامیده می شود.
در مسئله استخراج انرژی امواج، موضوع مهم ، نشان دادن پتانسیل انرژی موج در مرحله ابتدایی کار است که این مهم در 2 زمینه بررسی می شود :
۱) اطمینان حاصل کردن از اینکه ماشین های مربوطه تحت شرایط دشوار دریا ، می توانند سالم باقی بمانند.
- ۲) قابل قبول بودن مقدار انرژی بدست آمده در پایان کار.
جهت استخراج بیشترین مقدار توان از امواج اتفاقی ( امواجی که براساس تابع و ضابطه خاصی ایجاد نمی شوند ) ، سیستم PTO باید توانایی ایجاد یک نیروی مهارکننده که به طور نسبی با زمان ، همراه با عکس العمل های سیستم WEC ، تغییر می کند را داشته باشد. این مسئله نیازمند اندازه گیری واقعی عکس العمل ها و واکنش های WEC و همچنین کنترل سیتم PTO در طی سیکل موج ، می باشد. بعلاوه ، برای مؤثرتر بودن فعالیت های دستگاه در حالات مختلف دریا ، سیستم کنترل کننده و همچنین سیستم PTO باید به گونه ای قادر به وفق دادن خود به شرایط محیط باشند به طوری که :
۱) جذب و دریافت قدرت در دریاهای کوچک به بیشترین مقدار خود برسد.
۲) ریسک آسیب دیدن دستگاه ها در دریاهای بزرگ به حداقل خود برسد.
راهکار دیگر برای بدست آوردن ماکزیمم مقدار جذب انرژی ، یک دستگاه WEC باید در خلاف جهت امواج به گونه ای واکنش نشان دهد که نیروی محرک و سرعت واکنش در یک فاز باشند .
هر چند که با یک طراحی مناسب ، یک دستگاه WEC می تواند دارای دینامیک مناسبی باشد آن چنانکه که فرکانس واکنش آن در محدوده صحیحی قرار گیرد طوری که با فرکانس محرک امواج در بیشتر حالات دریا منطبق شود ، با این حال یک کنترل فعال به منظور ماکزیمم کردن انرژی جذب شده از امواج در حالات مختلف دریا نیاز است. همچنین سیستم کنترل می تواند نقش مهمی را در بهبود ویژگی ها و مشخصات بقای دستگاه ایفا کند .
سیستم قدرت اتصالی مبدل پلامیس ( Pelamis PTO )
سیستم پلامیس، یک مبدل انرژی موج دور از ساحل و معلق است که به صورت منمتصل شده اند. این سیلندرها تا نصف حجم خود ، زیر سطح آب هستند. امواج با حرکت دادن قسمت های استوانه ای مجاو نسبت به یکدیگر در میان اتصالات با دو درجه آزادی ، بر روی سیستم پلامیس ، کار انجام می دهند. هر دو محوری که بوسیله یک لولا به یکدیگر متصل شده اند به صورت مایل نسبت به افق قرار دارند. این بدین منظور است که عکس العمل مایل کل شبکه توسط PTO ایجاد می شود. در این حالت دستگاه PTO در برابر حرکت زاویه ای نسبی اتصالات ( لولا ها) مقاومت کرده و واکنش نشان می دهد. واکنش مایل ، سختی هیدرواستاتیک مؤثری ، کمتر از یک واکنش عمودی را ایجاد می کند که باعث بوجود آمدن یک ارتعاش طبیعی وابسته به شیب محور می شود. بنابراین، ماشین می تواند به گونه ای طراحی شود که عکس العمل مقاومی را که تولید می کند با فرکانس غالب موج ( ماکزیمم فرکانس موج ) موجود در منطقه ای که دستگاه نصب شده است ، برابر شود ؛
که در نتیجه موجب کاهش توان مورد نیاز ( برای فعالیت) دستگاه PTO می شود . سطح ( مقدار ) انرژی محرک تبدیل شده به عکس العمل مقاوم بوسیله دستگاه PTO کنترل می شود.
دستگاه PTO یِ پلامیس شامل یک مجموعه از سیلندرها
ی هیدرولیکی است که سیال مورد نظر را از طریق لوه های رابط ، به انباشتگر ( accumulator ) های پرفشار به منظور ذخیره سازی کوتاه مدت پمپ می کند. موتورهای الکتریک از انرژی سیال پرفشار که از انباشتگرها می آید ، استفاده می کنند و ژنراتورهایی را که به آنها وصل هستند ، تغذیه می کنند.
دستگاه PTO ی ِ پلامیس در دو قسمت قابل بررسی است ، که یکی قسمت انتقال قدرت اولیه و دیگری قسمت انتقال قدرت ثانویه نامیده می شود . قسمت انتقال قدرت اولیه ، شامل سیلندرهای هیدرولیک و دستگاه های کنترل کننده آنها ، کار انجام شده توسط امواج بر روی سیستم را به انرژی ذخیره شده تبدیل می کند. قسمت ا
نتقال قدرت ثانویه ، شامل موتورهای هیدرولیکی متصل به ژنراتورهای الکتریکی ، انرژی ذخیره شده در مخازن را به برق تبدیل کرده و در نهایت برق ایجاد شده را به ساحل منتقل می کند . این نوع تقسیم بندی که بوسیله انباشتگرهای پرفشار سیال فراهم می شود، جذب و دریافت با صرفه انرژی را تحت شرایط مختلف آب و هوایی دریا و نیروی متغیر امواج میسر می کند .
گشتاور مفصلی ایجاد شده توسط سیلندرها ، باید با هر چرخه موج طوری تغییر کند که امواج ماکزیمم کار خود را بر روی سیستم انجام دهد. کنترل لحظه ای گشتاور مفصلی با استفاده از یک سری دریچه های کنترل شده الکتریکی ، که جریان سیال را مابین سیلندرهای هیدرولیکی و انباشتگرها و مخازن اصلی کنترل می کند ، بدست می آید.
انتقال قدرت هیدرواستاتیکی مرسوم و قدیمی ، که از پمپ های جفتی با جابجایی متغیر به منظور تحویل جریان و فشار متغیر سیال ، استفاده می کند ، به طور عادی یک بازده ماکزیمم در حدود 60% دارد. در این سیستم ها، راندمان از نقطه اده ال فعالیت خود به صورت قابل توجهی پایین می آید. بعلاوه ، یک سیستم قدیمی انتقال قدرت که برای جذب کامل انرژی امواج اتفاقی ( امواج ناگهانی = incident waves ) ارزیابی شده است ، در مقابل امواج کم قدرت و ضعیف ، فعالیتی غیراقتصادی و با ازده کم دارد.
در مقابل ، در دستگاه PTO هر زمان که یک محفظه انرژی مبادله سیال با انباشتگرها را تحت شرایط با فشار بالا انجام دهد، تنها موضوعاتی که باعث پایین آوردن بازده می شوند، مربوط به تراکم پذیری سیال ، اصطکاک دستگاه ها و خمیدگی لولا ها و در نهایت جریان های از دست رفته از طریق لوله ها و دریچه ها است. بنابراین یک طراحی دقیق و هوشیارانه می تواند مجموعه این افت ها را به کمتر از 20 % در تمامی شرایط کاری برساند. قسمت انتقال قدرت اولیه پلامیس می تواند به راحتی جذب انرژی را از امواج ناگهانی تا 10 برابر نسبت به سیستم قدیمی افزایش دهد. همچنین در برابر امواج ضعیف و کم توان که در بیشتر ایام سال بر دریا حاکم هستند ، راندمان بالایی بدست می آید.
نکاتی در مورد طراحی سیستم PTO
سیستم PTO قبل از ساخت نهایی ، ابتدا با استفاده از نرم افزارهای مخصوص مدل سازی می شود. اصول واثراتی که در مورد سیستم PTO در طراحی ها و مدل سازی ها مورد بررسی قرار می گیرد ، به طور مختصر در زیر آمده است :
- دریچه های کنترلی با استفاده از محدودیت های شرایط محیطی و توابعی که جریان سیال و فشار آن را به یکدیگر مربوط می کنند ، مدل می شوند.
- افت های جریان در لوله های رابط در ترسیم منحنی های مقاومت سیال برای دریچه ها در نظر گرفته می شود.
- انباشتگرها با توجه به قانون های گازی و با استفاده از انتقال گرمای محاسبه شده با به کار بردن یک شاخص پلی تروپیک ، مدل سازی می شوند.
- تراکم پذیری سیال درون محفظه های انرژی به عنوان منبع حجمی سیال ، بر پایه یک مدول حجمی ثابت محاسبه و مدل می شود.
- هر یک از پیستون های مسدود کننده درون سیلندرها ، با در نظر گرفتن لزجت سیال و فشار آن ، مدل سازی می شود.
- تجهیزات تولید قدرت با استفاده از رابطه بین فشار ، جریان سیال و راندمان سیستم ، مدل می شوند.
مایعات تقریباً تراکم ناپذیر هستند. این ویژگی سبب شده است که از مایعات به عنوان وسیله مناسبی برای تبدیل و انتقال کار استفاده شود. بنابراین میتوان از آنها برای طراحی ماشینهایی که در عین سادگی، با نیروی محرک خیلی کم بتواند نیروی مقاوم فوق العاده زیادی را جابجا نماید، استفاده نمود. به این ویژگی و همچنین
دانش مطالعه این ویژگی هیدرولیک گفته می‌شود.
امروزه در بسیاری از فرآیندهای صنعتی ، انتقال قدرت آن هم به صورت کم هزینه و با دقت زیاد مورد نظر است در همین راستا بکارگیری سیال تحت فشار در انتقال و کنترل قدرت در تمام شاخه های صنعت رو به گسترش است. استفاده از قدرت سیال به دو شاخه مهم هیدرولیک و نیوماتیک ( که جدیدتر است ) تقسیم می‌شود . از نیوماتیک در مواردی که نیروهای نسبتاً پایین (حدود یک تن) و سرعت های حرکتی بالا مورد نیاز باشد (مانند سیستم‌هایی که در قسمت‌های محرک رباتها بکار می روند) استفاده می‌کنند در صورتیکه کاربردهای سیستم‌های هیدرولیک عمدتاً در مواردی است که قدرتهای بالا و سرعت های کنترل شده دق
یق مورد نظر باشد(مانند جک های هیدرولیک ، ترمز و فرمان هیدرولیک و...). حال این سوال پیش میاید که مزایای یک سیستم هیدرولیک یا نیوماتیک نسبت به سایر سیستم‌های مکانیکی یا الکتریکی چیست؟در جواب می توان به موارد زیر اشاره کرد: ۱) طراحی ساده ۲) قابلیت افزایش نیرو ۳) سادگی و دقت کنترل ۴) انعطاف پذیری ۵) راندمان بالا ۶) اطمینان در سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک نسبت به سایر سیستم‌های مکانیکی قطعات محرک کمتری وجود دارد و میتوان در هر نقطه به حرکتهای خطی یا دورانی با قدرت بالا و کنترل مناسب دست یافت ، چون انتقال قدرت توسط جریان سیال پر فشار در خطوط انتقال (لوله ها و شیلنگ ها) صورت میگیرد ولی در سیستم‌های مکانیکی دیگر برای انتقال قدرت از اجزایی مانند بادامک ، چرخ دنده ، گاردان ، اهرم ، کلاچ و... استفاده می‌کنند. در این سیستم‌ها میتوان با اعمال نیروی کم به نیروی بالا و دقیق دست یافت همچنین میتوان نیرو های بزرگ خروجی را با اعمال نیروی کمی (مانند بازو بسته کردن شیرها و ...) کنترل نمود. استفاده از شیلنگ های انعطاف پذیر ، سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک را به سیستم‌های انعطاف پذیری تبدیل می‌کند که در آنها از محدودیتهای مکانی که برای نصب سیستم‌های دیگر به چشم می خورد خبری نیست. سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک به خاطر اصطکاک کم و هزینه پایین از راندمان بالایی برخوردار هستند همچنین با استفاده از شیرهای اطمینان و سوئیچهای فشاری و حرارتی میتوان سیستمی مقاوم در برابر بارهای ناگهانی ، حرارت یا فشار بیش از حد ساخت که نشان از اطم
ینان بالای این سیستم‌ها دارد. اکنون که به مزایای سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک پی بردیم به توضیح ساده ای در مورد طرز کار این سیستم‌ها خواهیم پرداخت. برای انتقال قدرت به یک سیال تحت فشار (تراکم پذیر یا تراکم ناپذیر) احتیاج دار
یم که توسط پمپ های هیدرولیک میتوان نیروی مکانیکی را تبدیل به قدرت سیال تحت فشار نمود. مرحله بعد انتقال نیرو به نقطه دلخواه است که این وظیفه را لوله ها، شیلنگ ها و بست ها به عهده میگیرند . بعد از کنترل فشار و تعیین جهت جریان توسط شیرها سیال تحت فشار به سمت عملگرها (سیلندرها یا موتور های هیدرولیک ) هدایت می‌شوند تا قدرت سیال به نیروی مکانیکی مورد نیاز(به صورت خطی یا دورانی ) تبدیل شود. اساس کار تمام سیستم های هیدرولیکی و نیوماتیکی بر قانون پاسکال استوار است.
