بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحي سيستم انتقال برق بيسيم براي صفحات خورشيدي PV
چکيده - در اين مقاله به طراحي و اناليز يک سيستم انتفال توان بيسيم WPT به منظور اتصال به پنل هاي خورشيدي PV نصب شده بر روي سقف يا ديوارهاي ساختمان مي پردازيم . هدف از اين طراحي انتقال توان توليديPV ها به صورت بيسيم به منابع ذخيره کننده انرژي و حذف سيم کشي صفحات خورشيدي در مکانهايي که استفاده از سوراخ کاري براي عبور سيم و کابل ها به داخل ساختمان مقدور نيست . همچنين اين طرح مزاياي ديگري همچون حذف سيم اتصال زمين صفحات PV و امکان نصب و تعويض آسانتر اين صفحات را دارا مي باشد. طراحي اين سيستم در باند فرکانسي HF انجام شده که اين امر موجب هرچه بيشتر شدن راندمان گرديده است .
کليد واژه - کوپلينگ مغناطيسي رزونانسي، وايتريسيتي، انتقال توان بيسيم .
١- مقدمه
در سالهاي اخير استفاده از انرژيهاي تجديد پذير همچون نصب پنل هاي خورشيديPV در خانه هاي مسکوني روند رو به رشدي داشته اند. در حال حاظر قيمت پنل هاي خورشيديPV کاهش قابل توجه داشته اند. مسائلي مانند اصلاح ساختار، نصب و راه اندازي همچون ايجاد سوراخ در ساختمان به منظور عبور کابل ها و يا کابل محافظِ زمين شده براي حفاظت پنل ها در برابر خطرات رعد و برق و... هزينه هاي زيادي را دربر دارد که اغلب اين هزينه ها مقدار قابل توجهي نسبت به خود صفحات PV دارند تصوير١ تفاوت بين يک سيستم متداول و يک سيستم انرژي خورشيدي با انتقال توان بيسيم (WPT) را نشان ميدهد [١]. به همين دليل ما سعي در طراحي سيستم انتقال توان بيسيم به منظور انتقال توان توليدي صفحات PV به داخل محيط خانه را داريم انتقال توان بيسيم تکنولوژي است که به تازگي مورد توجه بسياري از محققان قرار گرفته . اين سيستم نه تنها قابليت شارژ محصولات مصرفي همچون موبايل و گجت هاي الکترونيکي را دارد بلکه کاربرد وسيعي در ساير تکنولوژيها همچون تغذيه ايمپلت هايي که در بدن افراد جايگذاري شده ، تغذيه خودروهاي الکتريکي در حال حرکت [٢] و يا شارژ خودروهاي الکتريکي از طريق پدهاي تعبيه شده در کف پارکينک ها را نيز دارد[٣],[٤]. انتقال توان بيسيم معمولا در دو دسته radiative و non-radiative طبقه بندي ميشود. روش radiative معمولا از طريق تحريک فرکانس بالا توسط منبع و ساطع کردن امواج الکترومغناطيسي از طريق انتن در فواصل متوسط و طولاني(اکثر اوقات بيشتر از ابعاد انتن ) انجام ميشود اما در روش non-radiative کوپلينک مغناطيسي ميدان نزديک (near filde) از طريق حلقه هاي فرستنده و گيرنده تشکيل ميشود و انرژي در مسافت هاي کوتاه (معمولا به اندازه شعاع حلقه هاي کوپلينگ ) انتقال مييابد [٥]. تاکنون مهمترين کاربردهاي انتقال توان بيسيم در مصارف پزشکي و دستگاه هاي ايمپلنت بوده که از تکنيک کوپلينگ القايي ميدان نزديک بهره برده است .
اما در اين روش اگر فاصله را به چند ده سانتي متر افزايش دهيم بازدهي انتقال به شدت افت پيدا ميکند و به ١ تا ٢ درصد ميرسد. تا اينکه در سال ٢٠٠٦ کوپلينگ مغناطيسي رزونانسي معرفي شد که به واسطه آن انتقال توان زياد در فاصله ي طولاني - تر و با بازدهي بيشتر امکان پذير شد که در بخش بعد به معرفي و اناليز اين سيستم مي پردازيم .
٢- اناليز سيستم WPT
در انتقال توان بيسيم به روش کوپلينگ مغناطيسي رزونانسي معمولا از چهار سيم پيچ يا حلقه استفاده ميشود، دو
سيم پيچ براي فرستنده و دو سيم پيچ براي گيرنده . فرستنده شامل حلقه ي درايو و حلقه ي اوليه و گيرنده نيز شامل حلقه ي ثانويه و حلقه ي بار است که در تصوير١ نشان داده شده . در اين سيستم خازن جبرانساز المان کليدي اضافه شده به کويل القايي (در روش کوپلينگ القايي است ) تا سيستم به فرم رزونانسي درآيد. شماتيک معادل چنين سيستمي را ميتوان به فرم تصوير٢ نشان داد [٦].
شکل ١: مقايسه بين سيستم هاي موجود(a) و سيستم انتقال توان بيسيم (b)[1].
شکل ٢: شماتيک يک سيستم انتقال توان بيسيم متشکل از حلقه ي درايو،
چنين سيستمي را ميتوان با مدار معادل تقريبي و ساده سازي شده RLC به فرم شکل ٣ نشان داد.
به منظور تحلیل مدار از قوانین KVL در مدار معادل تونن تصویر 3 استفاده میکنیم .
که در ان که vˆs ولتاژ تغذيه ي فازوري کويل فرستنده ˆI جريان مختلط القايي وˆZ ماتريس امپدانس [٧]. با انجام KVL در مدار تصوير٣ ماتريس (٢) بدست مي ايد.
که در آن ، Vs ولتاژ منبع به ترتيب جريان حلقه هاي اول و دوم و سوم و چهارم ميباشد.Rource مقاومت داخلي منبع ، Rp مقاومت داخلي هر حلقه و M اندوکتانس متقابل بين حلقه ها که از رابطه زير بدست مي ايد [٨].
که در آن ، اندوکتانس متقابل بين حلقه ي ضريب کوپلينگ مغناطيسي بين حلقه ي x و y ميباشد و فرکانس رزونانس برابر است [٩]. به منظور ساده - سازي سيستم معمولا از مقادير دو حلقه دور از هم همچون و ترانهاد اين مقادير (ماتريس متقارن است بنابراين ) صرف نظر ميشود. براي محاسبه ضريب کوپلينک مغناطيسي و اندوکتانس متقابل ميتوان از روابط (٤) که در ادامه به ان خواهيم پرداخت استفاده کرد. تصوير٤ دو سيم پيچ حلقه اي غير هم مرکز را نشان ميدهد که با استفاده از روابط زير اندوکتانس متقابل بين اين دو حلقه را محاسبه خواهيم کرد اين کار براي هر جفت حلقه نزديک به هم بايد تکرار شود. اما اگر اين حلقه ها نسبت به هم ، هم مرکز باشند يعني زاويه روابط (٤) به صورت رابطه (٥) قابل ساده سازي است .
که در ان
در صورتی که حلقه ها به صورت هم مرکز باشد رابطه 4 به صورت زیر ساده میشود
