بخشی از مقاله
خلاصه
با افزایش جمعیت جهان و محوری بودن منابع انرژی، کشورها با مشکل انرژی روبهرو هستند. اوایل دهه 1970 آشکار شد که سوختهای فسیلی که از سالها پیش پایه و اساس موازنه انرژی را در اقتصاد جهان تشکیل میدادند، در آیندهای نهچندان دور تمام خواهند شد. درنتیجه محققان به فکر استفاده از انرژیهای پاک و تجدیدپذیر نظیر انرژی خورشیدی، بادی، زمینگرمایی، هیدروژنی، امواج دریا و غیره به جای سوختهای فسیلی افتادند.
کارشناسان بعد از قرن هجده به دریافت انرژی موجود در اقیانوس علاقمند شدهاند. تاکنون دستگاههای مختلفی جهت جذب انرژی از امواج دریا معرفی شده است که با توجه به ویژگیهای امواج دریا از قبیل فرکانس پایین، حرکت آرام و غیره، ژنراتورهای خطی یکی از مناسبترین ابزارها جهت تبدیل انرژی موج به انرژی الکتریکی میباشند.
هدف از این مقاله طراحی و شبیهسازی ژنراتور خطی آهنربای دائم استوانهای دوفاز میباشد. در نتیجه ابتدا مراحل طراحی ژنراتور موردنظر بهطورکامل بررسی خواهد شد. در ادمه جهت بررسی صحت طراحی ژنراتور از روش اجزاء محدود دوبعدی استفاده شده است. تحلیل اجزاء محدود - FEM - دستیابی بهدقت بالا، بدون فرضهای زیاد را ممکن میسازد. در انتها ژنراتور طراحیشده، با استفاده از روش اجزاء محدود دوبعدی شبیهسازی شده و نتایج حاصل از شبیهسازی با فرضیات طراحی مقایسه میشوند و صحت طراحی مورد ارزیابی قرار خواهد گرفت.
.1 مقدمه
گردش زمین به دور خورشید و میدان گرانش ماه باعث ایجاد موج میشود.[1] مناسبترین موج برای تبدیل به انرژی الکتریکی، موجی است که از برخورد باد با سطح دریا ایجاد میشود[1]،.[2] انرژی موج در مقایسه با انرژی خورشید و باد متمرکزتر میباشد و باوجود متغیر بودن، پایدارتر و قابل پیش بینیتر میباشد[1]،[2]،.[3] همچنین انرژی موج دائمی است اما انرژی باد و خورشید در زمانهای خاصی در دسترس میباشد.
با در نظر گرفتن این موضوع که تقرباًی %75 از سطح زمین را آب تشکیل میدهد[4]، انرژی موج یکی از جذابترین انرژیهای موجود در دنیا است. پیش بینی شده است که با پیشرفت فناوری استخراج انرژی از دریا، بشر قادر خواهد بود که به میزان 2000 تراوات ساعت انرژی از دریا در سال استخراج کند[5]، .[6] روش های مختلفی برای استخراج انرژی از امواج, جزر و مد, حرارت اقیانوس ها وجود دارد.
در سال های اخیر تحقیقات زیادی بر روی امواج اقیانوس ها، که آشکارترین شکل انرژی در اقیانوس ها می باشند انجام شده است. اولین مبدل انرژی موج در سال 1799اختراع شده است و در 170 سال بعد آن چند صد اختراع دیگر در این مورد به ثبت رسیده است.[7] تا سال 1940 بیشتر تحقیقات در مورد انرژی موج توسط آقای یوشیو ماسودا1 ،که از او به عنوان پدر تحقیقات نوین در انرژی موج یاد می شود، انجام شده است[8]، .[9] بحران نفت در سال 1973منجر به تحقیقات گسترده ای در مورد انرژی های تجدید پذیر از جمله انرژی موج شد.
در سال 1990به دلیل افزایش گازهای گلخانه ای توجه به منابع انرژی پاک به میزان قابل توجهی افزایش یافت[3]، .[9] ژنراتورهای الکتریکی به دلیل کاربردیکه دارند اصولاً به صورت دوار طراحی میشوند اما در مواردی چون استخراج انرژی از موج، ژنراتورهای خطی بهترین ابزار جهت تبدیل انرژی موج به انرژی الکتریکی میباشند . روتور ژنراتورهای خطی برخلاف ژنراتورهای دورانی، حرکت خطی و رفت و برگشتی دارد. درنتیجه به جای روتور، به آن ترانسلیتور2 گفته میشود. در بین ساختارهای مختلف ژنراتورهای خطی، ژنراتور خطی آهنربای دائم استوانهای از اهمیت خاصی برخوردار است.[10]
از مزایای این نوع ژنراتورها چگالی نیروی بالا، بازدهی بالا و ناچیز بودن نیروی جاذبهی بین سیمپیچ و آهنربا میباشد[11]،.[12] از طرفی با توجه به حرکت آرام ترانسلیتور، ساختاری مناسب است که نیروی دندانهای در آن به حداقل برسد. درنتیجه آرمیچر بدون شیار انتخاب مناسبتری است. در ضمن در بین آرایشهای مختلف آهنربا، آهنربا با مغناطیس شوندگی محوری به نسبت آهنربا با مغناطیس شوندگی شعاعی هارمونیک چگالی شار کمتری دارد.
در نتیجه ژنراتور خطی آهنربای دائم استوانهای با مغناطیس شوندگی محوری به عنوان ساختاری مناسب انتخاب شده و طراحی آن در این مقاله مورد بررسی قرار خواهد گرفت. از طرفی با توجه به آرایش سیم بندی ژنراتور موردنظر سه حالت تکفاز، دوفاز و سهفاز امکانپذیر میباشد. آرایش تکفاز به نسبت دو حالت دیگر از بازده ی کمتری برخوردار است و در آرایش سهفاز به دلیل وضعیت قرارگیری سیمپیچها، ولتاژ خطوط نامتعادل خواهد بود. درنتیجه در این مقاله طراحی ساختار دوفاز مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
ساختار مقاله به طور خلاصه به صورت زیر است: در بخش دوم مشخصات ژنراتور خطی مورد نظر مورد بررسی قرار خواهد گرفت. در بخش سوم طراحی ژنراتور موردنظر بهطورکامل بررسی خواهد شد. در بخش چهارم ژنراتور طراحیشده در فصل قبل شبیهسازی شده و نتایج حاصل از شبیهسازی با نتایج تحلیلی مقایسه خواهند شد. و در انتها نتیجهگیری در بخش پنجم آورده شده است.
.2 پارامترهای ژنراتور خطی استوانهای آهنربای دائم
همانطور که پیشتر اشاره شد ژنراتور خطی استوانهای آهنربای دائم بدون شیار ویژگیهای مناسبی جهت استخراج انرژی از امواج دریا را دارا می باشد. در نتیجه در این قسمت پارامترهای مختلف این مدل از ژنراتور را مورد بررسی قرار می دهیم. نمایی سهبعدی از ژنراتور مورد نظر در شکل 1 نشان داده شده است. قسمتهای مختلف این ژنراتور ازقبیل سیمپیچی، آهنربای دائم و ترانسلیتور در این شکل نشان داده شده است.
نمایی دوبعدی از ژنراتور استوانهای آهنربای دائم دوفاز در شکل - 2 - نشان داده شده است. ساختار نشان داده شده در شکل - - 2 شامل دو قطب است که مغناطیسشوندگی آهنربای دو قطب در جهت عکس یکدیگر میباشد. آهنرباهای موجود در دو قطب متوالی توسط یک آهن از یکدیگر جدا شدهاند. عرض آهن با f و عرض آهنربا با m نشان دادهشده است. پهنای یک قطب است که برابر با مجموع پهنای آهن و آهنربا است. هر قطب شامل دو سیمپیچ است که عرض آن با نصف عرض یک قطب تقرباًی برابر است . - Lc≅2τ -
