التقدم في المولدات الكهربائية لتحويل طاقة الموجات المحيطية

يعد استخراج طاقة الأمواج المحيطية من خلال المولدات الكهربائية أحد أكثر الموضوعات إثارة للاهتمام في مجال هندسة الطاقة، بحيث تركز جميع أوراق المراجعة الحالية ذات الصلة تقريباً على المولد الكهربائي مع مبدأ العمل للحث الكهرومغناطيسي أو التأثير الكهروضغطي أو الكهرباء الاحتكاكية.

تحليل التقدم في المولدات الكهربائية لتحويل طاقة الموجات المحيطية

مع التقدم التكنولوجي وزيادة عدد السكان؛ يتزايد الطلب على “الطاقة الكهربائية” بشكل سريع، ولتسهيل الطلب على الكهرباء على نطاق عالمي؛ فإنه يجب زيادة قدرة توليد الطاقة الكهربائية، وفي الوقت الحاضر تعتمد معظم المولدات الكهربائية بشكل كبير على الوقود الأحفوري، حيث إنها حقيقة أن الوقود الأحفوري مثل الفحم والنفط والبنزين هي مصادر غير متجددة للطاقة وتتناقص بمعدل سريع.

كما تنبعث من هذه المصادر ثاني أكسيد الكربون وغازات الدفيئة الأخرى الضارة بالطبيعة، كما تظهر النتائج المتوقعة أنه بحلول نهاية هذا القرن، بحيث سيرتفع متوسط ​​درجة حرارة سطح الأرض بمقدار (1.4-5.8) درجة مئوية، علاوة على ذلك من المتوقع أن يكون معدل الاحترار (0.02) درجة مئوية سنوياً بناءً على العقود الأخيرة، كما سيتم ملاحظة العواقب الناجمة عن انبعاثات الكربون في المقام الأول بالقرب من المناطق الساحلية بسبب ارتفاع مستوى مياه البحر.

وعلاوة على ذلك، قد تغمر المياه الجزر الصغيرة بالكامل إذا لم يتم معالجة هذه المشكلة، كذلك أجرى العلماء والباحثون أبحاثاً لسنوات عديدة لإيجاد بديل للوقود الأحفوري لتقليل التأثير على البيئة، كما تُستخدم مصادر الطاقة المتجددة (RES) مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والطاقة المائية والكتلة الحيوية والطاقة الحرارية الأرضية كبديل للوقود التقليدي نظراً لتوافرها على نطاق واسع ولا تسبب أي ضرر يذكر للطبيعة.

كما يعرض الشكل التالي (1) القدرة الإجمالية لتوليد الطاقة لمختلف (RES)، بحيث تتمتع موارد الطاقة المتجددة مثل الطاقة المائية وطاقة الرياح والطاقة الشمسية بأعلى قدرة مقارنة بالآخرين حيث يتم إجراء أبحاث واسعة في هذه المجالات منذ سنوات عديدة، لذلك تمكن الأبحاث المكثفة حول الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والطاقة المائية من تسخير كمية كبيرة من الطاقة من خلالها، ومن ناحية أخرى تحتفظ طاقة الأمواج المحيطية (OWE) بكمية كبيرة من الطاقة؛ إلا أن قدرتها المركبة متناهية الصغر مقارنة بباقي (RESs).

تحليل العلاقة بين المولد كهربائي الخطي وطاقة الأمواج

يعتبر المولد الخطي الآن مركز اهتمام تحويل طاقة الأمواج المحيطية لأنه يحول الطاقة الميكانيكية مباشرة إلى طاقة كهربائية بكميات كبيرة، بحيث يتم الحصول على الطاقة الميكانيكية من الحركة الانتقالية من خلال أجهزة طاقة الأمواج، لذلك يتكون معظم المولد الخطي من مغناطيس دائم، ولكن هناك عدة تصنيفات تعتمد على البناء ومبدأ العمل والشكل المادي.

البناء والتركيب

تتكون (LG) بشكل أساسي من مواد نشطة مثل القلب المغناطيسي والملف والمغناطيس الدائم كما هو مطلوب في المولد الدوار، واعتماداً على البناء أو الهندسة الوصفية؛ فإنه يمكن أن تكون (LG) عبارة عن هيكل أنبوبي أو مسطح أو معقد موصوف في ما يلي:

• مولد خطي أنبوبي: يشبه بناء المولد الخطي الأنبوبي المولد الخطي المسطح، بحيث يحتوي كلا المولدين على جزء ثابت ومترجم متحرك. بشكل عام، كما تكون المناظر المقطعية للجزء الثابت والمترجم للمولد الأنبوبي دائرية.

• مولد خطي مسطح: عرض المقطع العرضي لمولد البطانة المسطحة مستطيل في الغالب، بحيث يمكن أن يكون المولد الخطي المسطح أحادي الجانب أو مزدوج الجوانب أو رباعي الجوانب أيضاً، كما تصميمه أبسط مقارنة بالبنية الأنبوبية، كما أن كل من المولد الخطي الأنبوبي والمسطح لهما مزايا وعيوب.

• مولد خطي مثمن: المولد الخطي المثمن معقد في الهندسة الوصفية، وليس من النوع الشائع للمولد الخطي، بحيث تم اقتراح مولد خطي مقدر بقدرة (100) كيلو وات لتحويل طاقة الأمواج المحيطية، حيث يكون شكل المقطع العرضي للجزء الثابت ثماني الأضلاع.

مبدأ العمل: وفقاً لمبدأ العمل؛ فإنه يمكن تصنيف المولدات الخطية بشكل أساسي على أنها مغناطيس دائم ومقاومة مبدلة وتبديل تدفق وتحريض، كما يمكن تشغيل كل نوع من أنواع المولدات الخطية، مثل المسطحة أو الأنبوبية بواسطة أي من مبادئ العمل هذه، كما يمكن أن يكون المولد الخطي ذو المغناطيس الدائم (PMLG) متزامناً أو غير متزامن.

كذلك لا تحتوي آلة التردد الكهربائي المحول على مغناطيس دائم، وبشكل عام لم يتم العثور على مولد الحث الخطي لاستخراج طاقة الأمواج، كما تُستخدم جميع آلات الحث الخطي تقريباً كمحركات لأنها غير مناسبة لاستخدامها كمولدات لهذا الغرض، ومن بين كل هذه الأنواع من (LGs)، بحيث تم العثور على (PMLGs) في الغالب بسبب كثافتها عالية الطاقة.

تحليل المولد الخطي الذي يحتوي المغناطيسي الدائم

تبرز (PMLGs) على الأنواع الأخرى بسبب قدرتها على توليد كمية كبيرة من الطاقة الكهربائية، بحيث يمكن أيضاً أن يكون (PMLG) أنبوبياً ومسطحاً، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (2-a) أو مثمناً أو يمكن أن يكون له أي بناء خاص آخر. يقع معظم المولد الخطي بتبديل التدفق في فئة (PMLG).

تحليل المولد الكهربائي الخطي ضمن مفاتيح التبديل

لا يحتوي مولد التردد الكهربائي المحول على هيكل معقد، لكن التحكم فيه صعب، بحيث تم تطوير وحدة تحكم في لمحول التردد الكهربائي (LG) للتحكم في تموج الجهد الكهربائي وأيضًاً لتقليل الخطأ المرتبط بدائرة القيادة، كما تم تطوير دالة التوزيع الحالية باستخدام مبدأ تقليل فقد النحاس لتقليل التموجات المرتبطة بتيار الطور، بحيث تم إثبات أن تموجات الجهد محدودة في حدود (± 0.5) فولت تقريباً مع خطأ منخفض.

وبالنسبة الى تدفق تحويل المولد الخطي؛ إنه يتم تبديل التدفق الذي يعمل بواسطة (LG) على مبدأ تبديل التدفق المغناطيسي في قلب الجزء الثابت (بشكل عام)، حيث يوجد معدل تغير في التدفق المغناطيسي حول لف الجزء الثابت، كما يتكون محول التدفق النموذجي (PMLG) من جزأين كما هو موضح في الشكل السابق (2-a)، بحيث يتحرك المترجم المتصل بالعوامة رأسياً حيث تميل أمواج المحيطات إلى إحداث إزاحة رأسية على العوامة.

كذلك يتكون الجزء الثابت من مغناطيس دائم ولفائف نحاسية، وخلال الوقت (t1) وإذا رفعت الموجة العوامة؛ فإنه يتحرك المترجم واتجاه صافي التدفق (Φg) ,يتوافق مع اتجاه الشكل (2-b)، كما يظهر اتجاه التدفق المغناطيسي بالسهم. بالنسبة لفترة (t2)، كما تتحرك العوامة مرة أخرى حيث يغير خط التدفق اتجاهه الذي يتوافق مع الشكل (2-c).

وأخيراً وعلى الرغم من إمكانية توليد الطاقة الكهربائية من الموجة المحيطية بواسطة أنواع مختلفة من المولدات؛ إلا أن التحليل الدقيق مطلوب للاختيار المناسب، كذلك يكون كل نوع من أنواع المولدات له إيجابيات وسلبيات جنباً إلى جنب، بحيث يُظهر (EMG) تياراً زائداً بسبب مقاومته الداخلية المنخفضة مما قد يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الجهاز، وعلاوة على ذلك يكون هيكلها الكبير وكثافة الكتلة العالية تجعلها ثقيلة جداً.