بخشی از مقاله
چکیده
هدف سیستمهاي تولید انرژي بادي هوابرد - 1 - AWE
دستیابی به انرژي باد در ارتفاعات بالاتر از توربینهاي بادي معمول میباشد. این سیستمها بوسیلهي یک بال مهار شده توسط طناب - کایت - از نیروي ایرودینامیک جهت تولید انرژي الکتریکی بهره میبرند. این سیستمها داراي دو فاز عملکرد هستند: فاز تولید انرژي و فاز بازگشت. در این مقاله، روشی براي کنترل حرکت کایت در فاز تولید انرژي سیستمهاي بادي هوابرد ارایه شده است. کنترل حرکت کایت بر مبناي تنظیم زاویهي بردار سرعت آن میباشدطول. طناب ثابت فرض شده است.
هدف دستیابی مسیر پرواز کایت به شکل هشت لاتین - - میباشد تا بیشترین نیروي کشش از باد استخراج شود. در این مقاله براي تولید مسیر مطلوب حرکت کایت از چند نقطه هدف استفاده شده است که این روش نوین، دقت تولید مسیر و قدرت تنظیم آن را بالا میبرد. مسیرمطلوبی متفاوت از کارهاي قبلی در این زمینه براي پرواز کایت در فاز تولید انرژي ارایه شده است که طی آن مسیر بر اساس شبیهسازي انجامشده، میانگین نیروي کشش بیشتري از باد دریافت میشود. مدل سیستم به همراه کنترلکننده در نرم افزار متلب2 شبیهسازي شده است و نتایج آن و عملکرد سیستم در انتها گزارش داده شده است.
مقدمه
انرژي باد به عنوان یک منبع انرژي تجدید پذیر، پتانسیل این را دارد که جایگزینی مناسب براي سوختهاي فسیلی که منابع آن روز به روز در حال کاهشند، باشد. در مرجع [1] بر مبناي دادههاي عملی، تخمین زده شده است که کل نیاز دنیا به انرژي، با توربینهاي بادي نصب شده در زمینی به وسعت %2 سطح کره خاکی، مرتفع خواهد شد. برخلاف سوختهاي فسیلی انرژي باد براي محیط زیست بی خطر است و مسایلی از قبیل آلودگی هوا و پدیدههاي مربوط به افزایش گازهاي گلخانهاي را به همراه ندارد. هرچند در بسیاري نقاط هنوز استخراج انرژي بادي هزینهي بسیار بالاتري نسبت به تولید انرژي توسط سوختهاي فسیلی را میطلبد.
فناوري معمول استخراج انرژي باد بر اساس دکلها و توربینهاي بادي پرهاي، داراي محدودیتهایی است. پرههاي عظیم آن به دکلهایی مرتفع و بزرگ با شالودهاي سنگین نیازمند است که ساخت، انتقال، نصب و نگهداري آن هزینههاي بالایی را در پی دارد. در بسیاري از کشورها از جمله کشورهاي در حال توسعه، توجیه اقتصادي شرط اول را دارد. انرژي بادي براي توسعهي بیشتر و بالا بردن سهم خود در بازار رقابتی با سوختهاي فسیلی، باید ارزانتر گردد.
فناوري تولید انرژي بادي هوابرد - AWE - به فناوري استخراج انرژي باد بوسیله ي یک جسم پرنده میگویند. [2] این جسم میتواند یک کایت باشد که با طناب مهار شده است. این فناوري با فناوري تولید انرژي بر اساس توربینهاي بادي معمول، تفاوتهاي اساسی دارد. در فناوري انرژي بادي هوابرد طراحی کنترلکننده براي پرواز کایت در مقابل وزش باد جهت استخراج انرژي الکتریکی در سامانهي تولید انرژي بادي هوابرد
کایت میتواند آزادانه در هوا پرواز کند و در معرض بادها در ارتفاعهاي مختلف باشد تا از نیروي کشش باد بهره ببرد. درحقیقت کایت و طناب آن جایگزین توربینهاي پرهاي و دکل آن میگردد. وقتی این دو را با هم مقایسه میکنید، میتوانید کاهش هزینههایی را که سیستمهاي بادي هوابرد در پی دارنند، تصور کنید.
به مواردي از انگیزههاي استفاده از این سیستمها اشاره میکنیم:
1. مانند انرژي خورشیدي،انرژي بادي نیز یکی از معدود منابع انرژي تجدید پذیر می باشد و مقدار آن به اندازهایست که میتواند نیاز بشر را به انرژي مرتفع کند.
.2 برخلاف توربین هاي بادي معمول، این سیستمها میتوانند در ارتفاعات بالا - بالغ بر 1000 متر - مورد استفاده قرار گیرند و از منابع انرژي بادي در آن ارتفاع استفاده کنند. در حالی که توربینهاي بادي معمول در ارتفاعی بین 50 تا 150 متر از سطح زمین بکار گرفته می شوند. با دانش بر اینکه بادها در ارتفاعات بالا سریعتر، پرانرژي تر و پایدارتر میباشند.
.3 مهمترین آن، کم بودن تجهیزات مورد نیاز این سیستمها میباشد و میزان تجهیزات و هزینه ي بکار رفته بر توان بهرهبرداري شده از آن، از هر سیستم تولید انرژي تجدید پذیري کمتر است و این یعنی در قبال انرژي تولید شده، هزینه کمتري نسبت به سایر سیستمهاي تولید انرژي تجدید پذیر، نیاز است.
این ایده بیش از 30 سال پیش براي اولین بار در[4] توسط Loyd مطرح شد. توجهها به این ایده در سال هاي اخیر افزایش یافته است. در حال حاضر این فناوري یک فناوري به روز و نوپا است. با این وجود شرکتهایی از جمله Skysail و KiteGen نمونههایی عملی را آزمایش و راهاندازي کردهاند.
در این سیستم ها براي بهره بردن از سرعت نسبی کایت با زمین، مهار آن به یک ایستگاه زمینی متصل میشود. این ایستگاه زمینی مجموعهاي از مولد، عملگرها - براي هدایت کایت و باز یا جمع کردن طناب کایت - ، قرقرهها و کنترلگرها می باشد. کایت با پرواز در آسمان، نیروي کشش باد ر ا به طناب منتفل میکند. طناب در ایستگاه زمینی به دور قرقرهاي متصل به مولد پیچیده شده است. کشیده شدن طناب سبب چرخیدن قرقره و در نتیجه چرخیدن مولد میگردد تا این انرژي جنبشی به انرژي الکتریکی تبدیل شود. این فاز از عملکرد سیستم را فاز تولید انرژي مینامند.
براي استخراج بیشینه نیروي کشش از باد در فاز تولید انرژي، کایت باید در مسیري تقریبا عمود بر جهت وزش باد پرواز کند. مسیر معمول براي پرواز کایت، مسیري بصورت هشت لاتین خوابیده - - است تا هم بیشترین نیروي کشش باد استخراج شود و هم از پیچیده شدن طناب به دور خود جلوگیري شود.[6] مطابق »شکل«1
با فرض اینکه کایت در مقابل وزش باد پرواز میکند و با فرض کشیده - بدون موج - بودن طناب در حین عملکرد سیستم، محدوده پرواز کایت، سطح کره-ایست به شعاع طول طناب که از یک طرف از زمین و از طرف دیگر با صفحهي عمود بر جهت وزش باد محدود میشود. به این سطح کره، اصطلاحا پنجره باد3 میگویند. کایت با پرواز در میانههاي پنچره باد، بیشینه نیروي باد و در گوشههاي آن کمینه مقدار نیروي کشش را از باد دریافت میکند.
پس از آنکه در فاز تولید انرژي، طناب به بیشینه مقدار طول خود رسید، فاز دیگر سیستم به نام فاز بازگشت فعال می گردد. در این فاز طناب باید جمع شود تا سیستم براي ورود مجدد به فاز تولید انرژي آماده گردد. این عمل توسط عملگري که به قرقره ي طناب متصل است انجام میپذیرد. اما براي اینکه توانی که براي این فاز مصرف می کنیم از توانی که در فاز تولید انرژي دریافت می کنیم کمتر باشد، باید در فاز بازگشت کایت را به گوشه پنجره باد - که کمترین نیروي کشش از باد منتقل میشود - ببریم و عمل جمع کردن طناب در آن وضعیت انجام گیرد. این شیوه در [8] و [19-9] نیز مورد استفاده قرار گرفته است. در مجموع، طی این دو فاز از سیستم توان خروجی دریافت میشود. دیاگرام کلی از این فرایند را میتوانید در »شکل«2 مشاهده کنید.
شکل .1 مسیر هشت-شکل حرکت کایت در فاز تولید انرژي
طراحی کنترلکننده براي پرواز کایت در مقابل وزش باد جهت استخراج انرژي الکتریکی در سامانهي تولید انرژي بادي هوابرد
شکل .2 تصویر کلی از مسیر پرواز کایت در فاز تولید انرژي و بازگشت
همانطور که اشاره شد، پرواز کایت در دو شرایط متفاوت، تولید انرژي را به ارمغان می آورد، پس هدف ما تسلط بر رفتار کایت و وادار کردن کایت به پرواز در مسیر مطلوب ما است. چالش اصلی کنترل کایت است که رفتاري سریع، غیرخطی و ناپایدار دارد.
در این راستا در تحقیقاتی از جمله [23-20] از ابزار کنترل پیش بین غیرخطی در این زمینه بهره بردهاند. در این روش، کنترل کننده با داشتن دینامیک سیستم، رفتار آن را در لحظات بعدي پیش بینی میکند و قانون کنترلی مناسب که تابع هزینه مورد نظر را کمینه میکند، بدست میدهد. هرچند از آنجایی که دینامیک سیستم پیچیده است و روابط آن کاملا غیرخطیاند، حجم محاسبات در این روش بالا خواهد بود در نتیجه سیستم به زمان زیادي براي پاسخگویی نیاز خواهد داشت که این با رفتار سریع کایت در تضاد میباشد.
در مرجع [24] یک کنترلکننده bang-bang براي کنترل کایت در فاز تولید انرژي ارائه شده و بصورت عملی پیاده سازي و تست شده است. در آن مقاله یک رابطهي تجربی بین ورودي کنترلکننده و نرخ زاویهي یاو4 کایت معرفی شده است که صحت آن نیز در نتایج عملی به اثبات رسیده است. از معایب این مقاله کم بودن پارامتر براي تنظیم مسیر مطلوب میباشد و ایجاد یک مسیر خاص به تنظیمات پیشرفتهاي نیازمند است. همچنین مدلی که در این مقاله بکار رفته است هرچند از سادگی بهره میبرد اما در آن توصیفی از نیروهاي ایرودینامیک و پارامترهاي جو و چگونگی تاثیر این نیروها بر رفتار کایت وجود ندارد.
در مرجع [25] به تعریف متغیر زاویه بردار سرعت پرداخته است و با تعریف این متغیر به عنوان متغیر کنترلی، به سیستم مرتبه اول ساده تري رسیده است که با کنترل آن میتوان حرکت کایت را کنترل کرد. همچنین رابطهاي بین ورودي کنترل و نرخ تغییرات این زاویه بدست آ ورده است که در آن پارامترهاي بال - کایت - درنظر گرفته شده است. اما در آن از یک کنترل کننده سطح پایین خطی استفاده شده است. در این مقاله براي تولید مسیر هشت-شکل - - از دو نقطه به عنوان نقطه هدف استفاده کرده است که در هر لحظه با فعال بودن یکی از آنها کایت به سمت آن حرکت میکند و پس از نزدیک شدن به آن نقطه، نقطه هدف دیگر فعال می شود و کایت به سمت آن باز میگردد. این فرآیند باعث میشود تا کایت بصورت دورهاي مسیر رفت و برگشتی هشت- شکل داشته باشد. در این روش با پارامترهاي تنظیم موجود براي مسیر میتوان تنها مسیر را کشیدهتر یا قوسدار تر کرد. همچنین مولفان این مقاله در ادامه، کار خودشان را براي کنترل کایت در فاز بازگشت در [7] توسعه دادند.
در مرجع [16] نیز با رویکرد مشابه به کنترل زاویه بردار سرعت کایت پرداخته است. در این مقاله ردی ابی مسیر بصورت پیشرفته تري انجام شده است. و با استفاده از روش کنترل خطی ساز فیدبک به کنترل زاویه بردار سرعت پرداخته است. در آن مقاله با فرض اینکه مسیر از پیش تعیین شده است، زاویهي جهتگیري کایت را طوري کنترل می کند که در راستاي کم شدن اختلاف موقعیت فعلی کایت و موقعیت مطلوب باشد. سپس به ردیابی مسیر از پیش تعیین شده میپردازد. ولی درآن رابطه اي مشخص بین مدل فرض شده در طراحی کنترلکننده و مشخصههاي بال - کایت - مانند مساحت، جرم و... بیان نشده است.
هدف ما در این مقاله کنترل کایت در فاز تولید انرژي آن، با رویکرد کنترل زاویه بردار سرعت آن میباشد. ما رابطهي بین ورودي کنترلی و زاویهي بردار سرعت را مانند [25] بگونهاي تعریف میکنیم که پارامترهاي بال در آن در نظر گرفته ﺷﺪه باشد و در ادامه بهکمک روش خطی ساز فیدبک به کنترل آن میپردازیم. ما در این مقاله براي تولید مسیر مطلوب، از سریالی از نقاط هدف داراي ترتیب استفاده کردیم. این نقاط هدف مجموعهاي از نقاط اصلی مسیر مطلوب میباشند که ردیابی آنها تولید مسیر مطلوب را تضمین کنند.
ما در این مقاله براي تولید مسیر هشت- شکل، چند نقطه - شش نقطه - از نقاط اصلی این مسیر را به عنواننقاط هدف تعریف کرده ایم و زاویه بردار سرعت را به گونه اي کنترل کردیم تا در نتیجه کایت به سمت آن نقاط حرکت کند. در این روش با نزدیک شدن کایت به هر یک از نقاط، نقطه ي بعدي آن به ترتیب فعال میشود. کایت با دنبال کردن این نقاط مسیر مورد نظر را ردیابی میکند.
