بخشی از مقاله
کایت ژنراتور، تکنولوژي نو براي انرژي نو
چکیده
مشکل تولید انرژي از منابع فسیلی (تقریبا %80انرژي جهان( [1] به علت محدودیت منابع، آلودگی زیاد وتخریب محیط زیست باعث جلب توجه پژوهشگران به سمت منابع تجدید پذیر از قبیل انرژي هاي بادي، خورشیدي، هیدروالکتریک (برق آبی، انرژي زمین گرمایی، انرژي امواج دریا و... شده است. درهمین راستا یکی از ایده هایی جدید به منظور تولید برق از انرژي باد با عنوان کایت ژنراتور حجم عظیمی از تحقیقات پژوهشگران را به خود اختصاص داده وعلت این توجه خاص به این موضوع را می توان وجود مقدار زیاد انرژي باد در ارتفاعات بالا دانست چرا که توان قابل اکتساب با ارتفاع گرفتن از سطح زمین مطابق شکل (1 ) افزایش می یابد و تنها راه دستیابی به این ارتفاعات بالا استفاده از کایت ویا یک جسم پرنده قابل کنترل است. این ایده ابتدا در موسسه پلی تکنیک در شهر تورینو درکشورایتالیا به مرحله اجرا درآمد. 1]و[2
انرژي تولیدي دراین دستگاهها در دو فاز کشش و بازیابی تولید ومصرف می شود که آنها متعاقبا شرح داده خواهد شد ولازم به ذکر است بازده این سیستم به بالا بودن نسبت توان در کشش به توان در بازیابی است که اهمیت طراحی و کنترل را در فاز طراحی سیستم دو چندان می کند. [3] درشکل (2) یک شماي کلی از کارکرد کایت ژنراتور به تصویر کشیده شده است.
واژه هاي کلیدي:
کایت ژنراتور، انرژي بادي در ارتفاعات بالا، دینامیک، کنترل.
مقدمه:
حل مشکل ناشی از تولید برق به وسیله منابع فسیلی(به علت هزینه هاي بالا، محدودیت در مناطق، آلودگی زیاد، مشکلات محیطی و اقتصادي و ...) یک مسئله اساسی است که راه حل غلبه بر آن استفاده از منابع تجدید پذیر که ارزان، قابل دسترس و بدون مخاطره براي محیط است می باشد.
در اولین قدم در پروژه کایت جن ( ( kite gen یک نمونه اولیه در مقیاس کوچک براي نشان دادن قابلیت کنترل پرواز کایت، تنها با کشیدن دو طناب آن و نگه داشتن آن به وسیله این طناب ها براي استخراج مقدار قابل توجهی از انرژي، مورد توجه قرار گرفت و توانایی شبیه سازي براي یک مدل آن بررسی شده است. [4]
در پیکر بندي یویو( ( yoyo نشان داده شده در شکل( (1 واحد کنترل کایت ( ( KSU به نمایش گذاشته شده است. در این قسمت از این دو عملگر الکتریکی در عمل کشیدن طناب ها براي کنترل پرواز و بهره گیري از آن براي دوره بازیابی استفاده شده است. این عملگرهاي الکتریکی به رمین ثابت شده اند.
نتایج شبیه سازي که براي این نمونه اولیه بدست آمده است به این صورت است که در آن با استفاده از یک کایت با مساحت سطح مقطع 10 m2و طول طناب800 m بیش از 40 kw انرژي تولید شده است. [5]
پروژه کایت:
راه حل غلبه بر محدودیت تکنولوژي منابع قدرت بادي، پروژه کایت جن (kite gen) می باشد که اولین بار در شهر تورینو طراحی و ساخته شد که یک مدل جدید از ژنراتورهاي بادي می باشد.
این پروژه معطوف روي تسخیر انرژي بادي با مفهوم کنترل طناب هاي ایرفویل که به آن کایت می گویند می شود. شکل( 6] (2و[7 پروژه کایت طراحی و شبیه سازي شد به وسیله یک نمونه کوچک (در شکل( ( 3 مشاهده می کنید) که در آن دو طناب متصل به کایت می باشد و این طناب ها به یک غلتک که کوپل با ژنراتور می باشد، متصل شده است و با حرکت کایت به وسیله باد، حرکت خطی طناب ها را به دورانی غلتک و در نهایت سبب تولید انرژي الکتریسیته می شود.
توان قابل اکتساب بر حسب ارتفاع از باد در جدول زیر امده است. [8]
فاز کشش و ریکاوري:
انرزي تولیدي در این دستگاه در دو فاز کشش و ریکاوري تولید می شود.در مرحله ي اول که فاز کشش است مقدار مشخصی انرژي در اثرحرکت کابل ها توسط باد به وسیله کایت تولید می شود. وقتی که کابل به ماکزیمم کشش خود می رسد، آنگاه مر حله دوم که فاز ریکاوري است شروع می شود.[5 ] در این مرحله بخش کوچکی از انرژي تولیدي در مرحله اول صرف برگرداندن کایت به حالت اولیه براي شروع یک مرحله جدید حهت تولید انرژي می شود که طبق نتایج شبیه سازي در حدود%12 می باشد.[1] عمل ریکاوري توسط موتورهاي برقی که وینچ نام دارد انجام می شود. جهت بهینه سازي انرژي تولیدي یعنی تولید انرژي بیشینه با تابع هزینه ي کمینه نیاز به یک کنترل صحیح است که جهت یک کنترل صحیح داشتن یک مدل ریاضی یا دینامیک صحیح براي پرواز کایت می باشد.
تا کنون روش هاي زیادي براي تحلیل این دستگاه و ارتقاي کیفیت آن انجام شده است که در این قسمت به تعدادي از آنها اشاره می کنیم.
در سال 2007 آقاي فاگینو به همراه همکارانش جهت آنالیز دینامیکی و کنترل دستگاه روش هایی را ارائه داده اند که در قسمت آنالیز دینامیکی با استفاده از مختصات کروي و با فرض صلب بودن کایت معادلات غیر خطی حرکت آن را با استفاده از قانون دوم نیوتون بدست آورده و سپس با خطی سازي حول مسیرنامی سعی در بردن معادلات به فضاي حالت و طراحی یک کنترولر کرده اند و با ساخت یک نمونه اولیه از دستگاه، توانایی پرواز آن را نشان داده اند. [5] در سال 2008 تحقیقی تحت عنوان تخمین انرژي مکانیکی خروجی از ژنراتور هاي بادي انجام شده که در آن به آنالیز مدل سازي ژنراتور هاي بادي پرداخته شده است.
هدف اصلی از این کار برآورد انرژي خروجی براي یک مولد بادي بوده که یک فرمول تقریبی ساده براي متوسط انرژي مکانیکی تولید شده به دست آمده است. [2]
در سال 2009 تحقیقی تحت عنوان برآورد راندمان تبدیل انرژي براي دستگاه انجام شد که به حل تحلیلی و شبیه سازي ژنراتور بادي پرداخته شده است. این کار بر اساس مدل ریاضی حرکت باد مخالف انجام شده است. [11] در سال2010 تخمینی براي طراحی کابل ها و مدل سازي قسمت هاي مختلف کایت و آنالیز روئیت پذیري انجام شد که نتیجه ي آن مشاهده پذیر بودن کایت بوده است. [12]
در همان سال هاي اولیه مدل هاي زیادي براي ارتقاي دستگاه از قبیل چرخ و فلک و لادرمیل ارائه شد. در سال 2006 کاري تحت عنوان کنترل تعدادي کایت به صورت لادرمیل و ارتقاي دستگاه پیشنهاد شد.
مفهوم لادرمیل ابتدا توسط (Oskols) مطرح شد. در این کار پایداري تولید انرژي با استفاده از توصیف پارامتر هاي تصادفی انجام شد .براي بیان و حل مشکل اولین بار توسط( ( Gitman در سال 1996 نظریه اي مطرح شد که در آن از یک سري روش هاي توصیف ریاضی استفاده شده بود. [13] جهت کنترل صحیح زاویه که در اثر تغییر کشش در طناب ها به وجود می آید به عنوان ورودي و پارامترهاي (r,Ѳ,ф) به عنوان پارامترهاي خروجی در نظر گرفته شد. شکل (4)
کنترل:
کنترل دستگاه بر اساس کنترل فیدبک از متغر هاي حالت کایت و بردارهاي سرعت که باید به دقت تخمین زده شود، انجام می شود. هر کدام از ایرفویل هاي کایت به گونه اي که با یک جفت سه محوري شتاب سنج و یک جفت سه محوري مغناطیس سنج که روي این ایرفویل ها در لبه کناري آن قرار گرفته است، آراسته می شود. از این سنسورها جهت تشخیص موقعیت کایت و به دست آوردن سرعت کایت و انتقال داده ها به واحد فرمان استفاده می شود. براي صحت در تخمین از یک سري سنسور
