تحليل دائرة الرنين البسيطة لتحسين تحويل الطاقة الكهربائية
تعد طاقة أمواج المحيط من أكثر مصادر الطاقة المتجددة الواعدة نظراً لكثافة طاقتها، والتي تعد أعلى من طاقة الرياح والطاقة الشمسية، بحيث يتمتع هذا المصدر بإمكانية إنتاج طاقة عالمية تصل إلى (2000) تيرا واط ساعة، وهو ما يمثل (10٪) من الاستهلاك العالمي للطاقة الكهربائية، بالإضافة إلى ذلك؛ فإن طاقة الأمواج متوفرة ويمكن التنبؤ بها أكثر من طاقة الرياح.
ومع ذلك؛ فإن هذا المصدر يتنافس مع تقنيات طاقة الرياح والطاقة الشمسية الأكثر نضجاً، وعلاوة على ذلك، لا يزال تطوير طاقة أمواج المحيط يواجه العديد من الحواجز المتعلقة بالتقدم في التقنيات الأولية، وذلك فضلاً عن القضايا البيئية والاقتصادية.
ولتحسين القدرة التنافسية الاقتصادية لمحولات طاقة الأمواج (WECs)، تم تطوير العديد من تقنيات أنظمة التحكم لزيادة امتصاص الطاقة والتحويل من أمواج البحر، كما يوضح الشكل التالي (1) مخططاً لتكوين نظام تحكم عام لـ (WECs)، بحيث يمكن تقسيم أنظمة التحكم الخاصة بـ (WECs) إلى نوعين، وهما التحكم من جانب الماكينة (MSC) والتحكم من جانب الشبكة (GSC).
كما يزيد (MSC) من قوة الأمواج والامتصاص من البحر إلى أجهزة الإقلاع، كذلك يوفر (GSC) إشارات طاقة كهربائية مناسبة يمكن حقنها في الشبكة الكهربائية، بحيث يتم توصيل أنظمة (MSC) و (GSC)، وذلك عبر ارتباط (DC)، حيث أنه من الواضح أننا لا نحتاج إلى (GSC) إذا كان (WEC) يخدم حمولة محلية فقط، وفي هذه الدراسة يعتبر ذلك نظرنا فقط في (MSC).
كما تم اقتراح استراتيجيات مختلفة لـ (MSC)، مثل التحكم الذكي في الضبابية، وهو التحكم التنبئي النموذجي والتحكم القوي والتحكم الخالي من النماذج، وذلك على الرغم من أن هذه الأساليب يمكن أن توفر تحكماً مثالياً وتفرض قيوداً، إلا أن عيوبها الرئيسية هي التكلفة الحسابية العالية عبر الإنترنت وتعقيد الدوائر الإلكترونية للطاقة المستخدمة لتنفيذ قوى التحكم التفاعلية.
أيضاً تم اقتراح دائرة أقل تعقيداً لإلكترونيات القدرة المستخدمة لتنفيذ استراتيجيات التحكم في التخميد، بحيث استخدمت كلتا استراتيجيتي التحكم مبدأ تتبع نقطة الطاقة القصوى لتعظيم توليد الطاقة الكهربائية، وعلى وجه الخصوص لا تتطلب الدائرة سوى مقوم تعزيز بسيط ثلاثي الطور.
وعلى الرغم من أنها أبسط من استراتيجيات التحكم؛ فإنها لا تزال تتطلب المراقبة عبر الإنترنت للتسبب إشارات لاستراتيجية أقل تكلفة من الناحية الحسابية، كما تم إثبات التحكم في الطور عن طريق الإغلاق، حيث يتم إجبار سرعة الجسم على أن تكون في الطور مع قوة الإثارة؟، كذلك يمكن تنفيذ عملية الإغلاق باستخدام الأجهزة الميكانيكية أو الكهربائية، ومع ذلك لا يزال يتطلب المراقبة عبر الإنترنت لحالة البحر.
نموذج دائرة الرنين البسيطة (PMLG)
يتكون نموذج (PMLG) من جزأين، وهما تفاصيل التصميم والنموذج الكهربائي لـ (PMLG).
تصميم ونموذج (PMLG) المقترح: تم توضيح نموذج (PMLG) المقترح في الشكل التالي (2)، بحيث يتكون (PMLG) على الوجهين من لفائف ذات قلب هوائي بدون فتحة يتم وضعها بين صفين من المغناطيس الدائم، وفي التصميم المقترح يتحرك الملف رأسياً ويتصل بحبل باستخدام شريط تمرير. استخدمنا راتنجات الايبوكسي كعازل للملف ولإبقاء الملف معًا. يتم توصيل المغناطيس بجسم الغطاء الصلب للمولد الكهربائي.
وفي هذه الدراسة، تم تقسيم معطيات (PMLG) المقترحة إلى ثلاث فئات: التصميم العام والملف والمغناطيس الدائم، وفي كل فئة تم تعريف نوعين من المعطيات، ومنها المعطيات الأساسية، والتي يحددها المصمم والمعطيات المشتقة، والتي يتم حسابها من المعطيات الأساسية.
وفي فئة التصميم العامة؛ فإن هناك خمس معطيات أساسية، وهي الحد الأقصى (ds) وعدد الملفات (Nc) والسرعة الخطية المقدرة (vl) وطول قسم العمل (dw) والطول النشط (da)، بحيث تتوافق المعطيات (dw ، da) الموصوفتان في الشكل التالي (3-A) مع طول سلسلة الملف وطول المغناطيس، وذلك على التوالي، كما أن هناك ثلاث معطيات مشتقة في هذه الفئة، وهي العدد الإجمالي للأقطاب النشطة على جانب واحد (Na)، والعدد الإجمالي للأقطاب على جانب واحد (Np) وخطوة القطب (τp).
دائرة الرنين المقترحة: يُشتق التكوين المقترح لدائرة الرنين من مقوم تقليدي بست نبضات يتكون من ستة صمامات ثنائية متصلة كما هو موضح في الشكل (4-A) يعمل المقاوم (RL) كمقاومة للحمل ويعمل (CL) كسعة تحويلية للحمل لتنعيم التيار والجهد عند الحمل، وفي المجموعة العليا من الثنائيات (على سبيل المثال D1 ، D3 ، D5)، بحيث سينتقل الصمام الثنائي ذو القطب الموجب الأكثر إيجابية وسيكون الاثنان الآخران منحازين عكسياً.
وبالمثل؛ فإن الصمام الثنائي الذي يحتوي على أكثر الكاثود سالب في المجموعة السفلية من الثنائيات (على سبيل المثال D2 ، D4 ، D6 زوج من الثنائيات (واحد من كل مجموعة) سوف يعمل في نفس الوقت، مما يؤدي إلى إنشاء مسار توصيل يتضمن مرحلتين من العرض، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (4-B)، كما تتكرر هذه العملية كل (3 rad) لست مجموعات مختلفة من أزواج الصمام الثنائي (أي (D1D6 ، D1D2 ، D3D2 ، D3D4 ، D4D5 ، D5D6).
في التكوين المقترح لدائرة الرنين، تم اضافة مكثف تحويلة في كل مجموعة من أزواج الصمام الثنائي، وذلك كما هو مبين في الشكل التالي (5)، وهي قيمة مكثف التحويل (Cr)، وهي محسوبة لإلغاء المكون التفاعلي لدائرة التوصيل، كما يوضح الشكل (6-A) الدائرة المغلقة عند إجراء (D1 ، D6)، كما أنه لم يتم التفكير في (CL) لأن هذا المكثف يستخدم فقط لتنعيم التيار والجهد عند الحمل، ومن الشكل (6-B) الممانعة المكافئة (ZRC) للتوصيل المتوازي بين (Cr ، RL) عند تردد رنين كهربائي معين [fre (Hz)]، هي:
كما أن إجمالي الممانعة المكافئة (ZE) لدائرة مغلقة في الشكل (6-B) هي:
ولتحقيق الرنين الكهربائي، وبالتالي نقل القدرة القصوى يتم إلغاء المكون التفاعلي للمعادلة الأخيرة عن طريق معادلته بالصفر، لذلك يمكن الحصول على قيمة (Cr) من خلال حل المعادلة التالية:
لذلك يتم تحديد تردد التردد بالرنين الكهربائي على أساس تردد الذروة (السائد) لموجات البحر حيث يتم تثبيت (WECs)، وبالنسبة لحالة البحر أحادية اللون (الجيبية)؛ فإن تردد ذروة واحد للمحيط يولد [Fe (t)] في (PMLG)، وذلك كما هو موضح المعادلات السابقة، بحيث لوحظ أن [fe (t)] يختلف مع الوقت، في حين أن (fre) ثابت.
كذلك نختار (fre) بإيجاد القيمة الفعالة (rms) لـ [fe (t)]، وذلك بالنظر إلى هذا الافتراض، كما يمكن الحصول على حالة الرنين حول قيمة (Cr)، لذلك تم اجراء محاكاة لإيجاد أقصى طاقة كهربائية عند (R) لقيمة مكثف حول تلك المحسوبة لـ (Cr)، كما لوحظ أن ذروة الطاقة الكهربائية سوف يتم إزاحتها قليلاً عن تردد الرنين المصمم لأن [fe (t)] يختلف مع الوقت وشكل التيار أو الجهد في (PMLG) يكون في شكل موجة جيبية معدلة جيبياً ويتم ضبطها قيمة المكثف.
