زيادة كثافة الطاقة الكهربائية الحجمية للمولد الخطي

بشكل هندسي تم اقتراح طريقة لتحسين لف المولد الخطي لزيادة توليد الطاقة الكهربائية من الموجة المحيطية، كم تم تصميم المولد الخطي في بيئة (ANSYS / Maxwell) لتحليل طريقة تحسين اللف المقترحة، كذلك يتم تحليل الخصائص الكهربائية والمغناطيسية للمولد على نطاق واسع.

الغرض من زيادة كثافة الطاقة الكهربائية الحجمية للمولد الخطي

لضمان بيئة مستدامة؛ أعلنت الأمم المتحدة سبعة عشر هدفاً للتنمية المستدامة تحتل فيها الطاقة النظيفة وبأسعار معقولة المرتبة السابعة، ومع ذلك يتم توليد قدر كبير من الطاقة الكهربائية من الوقود الأحفوري، كما يؤثر حرق الوقود الأحفوري بشكل كبير على البيئة بسبب الانبعاث الضخم لثاني أكسيد الكربون (CO2)، كذلك يؤثر انبعاث ثاني أكسيد الكربون بشكل كبير على درجة الحرارة العالمية.

أيضاً تؤدي الزيادة في درجة الحرارة إلى ذوبان الجليد الذي يرفع مستوى سطح البحر باستمرار، كما أنه يزيد من اندلاع حريق في العديد من المناطق الجافة وتتدهور جودة الأراضي المعتادة بسرعة، ومن ناحية أخرى؛ فإن حرق الوقود الأحفوري الضخم يقلل من احتياطي الموارد الطبيعية، وبالنظر إلى التدهور البيئي واستنزاف الموارد الطبيعية؛ أصبحت المصادر البديلة للطاقة أي (الطاقة المتجددة) أحد المصادر الرئيسية للطاقة في العديد من البلدان.

أيضاً تعد الطاقة الشمسية وطاقة الرياح و”الغاز الحيوي” والطاقة المائية والحرارية الأرضية وطاقة الأمواج المحيطية أمثلة رائعة لمصادر الطاقة المتجددة، كذلك بعض هذه المصادر متقطعة بطبيعتها مثل الرياح والطاقة الشمسية، ونتيجة لذلك يتطلب إنتاج واستخدام الكهرباء من هذه المصادر المتقطعة بعض الأجهزة والاستثمارات الإضافية، وغالباً ما تكون أنظمة تخزين الطاقة المكلفة مع الصيانة الدورية مطلوبة لتشغيلها السلس.

كما أن مصادر الطاقة الكهرومائية والطاقة الحرارية الأرضية متاحة فقط في مواقع محددة قليلة، ومن ناحية أخرى تعتبر الموجة المحيطية مصدراً جذاباً للطاقة المتجددة ولا توجد قيود على توفرها مقارنةً بالطاقة الشمسية وطاقة الرياح، بالإضافة إلى ذلك تتمتع طاقة الأمواج المحيطية ببعض الميزات الأخرى مثل كثافة الطاقة العالية والقدرة على التنبؤ، لذلك لقد وجد أنه يمكن استخراج ما يقرب من (1-10) تيراواط من الطاقة الكهربائية من المحيط، كما يمكن حساب قوة الموجة (Pw) من خلال:

حيث أن:

(ρw): هي كثافة كتلة ماء البحر (1025 كجم / م³).

(Hw): هي ارتفاع الموجة.

(g): ثابت الجاذبية (9.81 مللي ثانية − 2).

(T): هي الفترة الزمنية للموجة.

وعلى الرغم من أن فكرة التقاط طاقة الأمواج المحيطية تم تقديمها في عام (1799)م؛ إلا أن التطور الرئيسي بدأ من عام (1973)م، وبسبب أزمة النفط؛ فإنه يتم استخدام أنواع مختلفة من الأجهزة لحصاد طاقة الأمواج المحيطية مثل (Pelamis)، (Wave Dragon)، (Limpet) وما إلى ذلك، في معظم الحالات تم دمج طوبولوجيا المولد الخطي المباشر (DDLG) وهو موضح في الشكل التالي (1).

مكونات محول طاقة الموجة الخاص بزيادة كثافة الطاقة الكهربائية

يحتوي محول طاقة الموجة بشكل أساسي على خمسة أجزاء، وهي العوامة، (DDLG)، المحول الرئيسي، العاكس، كما يعتبر (DDLG) عموماً مولداً كهربائياً خطياً ثلاثي الطور يتكون من مترجم ومجموعة ثابتة مع ثلاث لفات، كما أن الجزء العلوي من المترجم متصل بعوامة بقضيب، كذلك الجانب الآخر متصل بالقاعدة بنابض.

وعندما تتحرك العوامة رأسياً مع موجة البحر؛ يتحرك المُعرف مع العوامة، ونتيجة لذلك يتم تحفيز القوة الدافعة الكهربائية في لفات الجزء الثابت وطاقة التيار المتردد المتولدة لها جهد وتردد متغيران، لذلك يتم تصحيحه وتغذيته إلى العاكس للحصول على جهد وتردد ثابت، ثم يتم توفير طاقة التيار المتردد للحمل أو الشبكة الكهربائية من خلال المحول.

وفي الوقت الحاضر؛ فإنه يتم تمييز المولدات الخطية (LGs) من خلال نهج رياضي أو محاكاة أو بشكل تجريبي، كما يتم شرح محول طاقة موجة من النوع الدائري الجديد بمحاكاة عددية لتقدير امتصاص الطاقة سنوياً، كذلك تم اقتراح منفذ (LG) مزدوج جديد، والذي يمكنه توليد طاقة كهربائية حتى عند السرعة الرأسية الصفرية للعوامة بمساعدة مُعرف مدفوع، ولضمان أقصى امتصاص لطاقة أمواج البحر؛ فإنه تم تصميم وحدة تحكم.

التحسين المتعرج لزيادة بالكثافة الحجمية للطاقة الكهربائية

يعد التحسين المتعرج لـ (LG) أمراً مهماً لتقليل الحجم والوزن ولتعزيز كفاءة تحويل الطاقة، كما تم تحسين شكل (LG) لتقليل حجم النواة الفولاذية في المترجم والجزء الثابت عن طريق تطبيق الخوارزمية الجينية البشرية، كما تعتبر الهندسة ثنائية الأبعاد للتحليل بطريقة العناصر المحدودة، وتقريباً يتم قياس طاقة أكثر بنسبة (29٪) من خلال القلب المصمم على شكل “M” والملف النحاسي.

كذلك تم تحسين هيكل (LG) لتحقيق جهد خرج أفضل وقوة تسن أقل، كما يتكون النظام من أربعة معرفات متصلة مع عوامة، بحيث يتم تحليل الخصائص المغناطيسية للمولد بمساعدة تحليل العناصر المحدودة ثنائية الأبعاد، كذلك يتم تحليل المولد الكهربائي كذلك باستخدام طريقة عددية، أيضاً يتم جمع بيانات الموجة التاريخية لتعظيم الجهد وطاقة الخرج، كذلك يتم تطبيق آلية تحكم من نوع (bang-bang) لمحول طاقة الأموال للحصول على طاقة الإخراج المثلى.

تطبيق الخوارزميات لتحسين الزيادة الحجمية بالتوليد الكهربائي

يتم تطبيق الخوارزمية الجينية لتحسين شكل (LG) ولتحقيق أقصى طاقة خرج مع تقليل وزن المعرف، وبالإضافة إلى ذلك؛ فإنه يتم تحقيق الحد من الفقد الأساسي وتوليد طاقة خرج كبيرة من خلال تطبيق المواد المغناطيسية المناسبة، بالإضافة إلى ذلك يتم تحسين طاقة الخرج من خلال تطبيق مواد مغناطيسية عالية التدرج وهي (DI-Max HF-10 core)، (Supermendur core)، (N52 PM) ونيتريد الحديد (PM).

وعلى الرغم من أن تحسين المولد الخطي تمت مناقشته من خلال نتائج التجارب، ولكن ومع أهداف مختلفة؛ فإنه لم يتم التحقيق بعد في تحسين اللف. من أجل سد فجوة المعرفة، كما تم اقتراح طريقة لتحسين لف المولد الخطي في هذه الدراسة لزيادة توليد الطاقة الكهربائية من الموجة المحيطية، كذلك ليتم النظر في عوامل مختلفة مثل إعداد الشبكة وظروف الحدود والبناء والعزل والمواد الفعالة.

أيضاً يتم ملاحظة أداء (LG) من خلال التحليل من خلال الجهد الكهربائي المستحث وتحميل التيار الكهربائي ووصلة التدفق وطاقة الخرج، كما تستمر المحاكاة بشكل متكرر حتى يتم العثور على نتائج مرضية، بحيث يوضح الشكل التالي (2) مخطط انسيابي لطريقة تحسين اللف المقترحة.

وعندما يحدث فقدان النحاس بسبب مقاومة اللف التي تقلل بشكل أكبر من طاقة الخرج للمولد الخطي؛ فإن مقاومة اللف المنخفضة ستؤدي إلى خسارة منخفضة في النحاس، ومن ناحية أخرى؛ فإن الجهد المستحث يتناسب طردياً مع عدد الدورات التي ينتج عنها مقاومة لف عالية، كذلك تحسين اللف المقترح يحل المعضلة التي يتم من خلالها تحديد رقم الدوران المناسب وحجم الموصل لتوليد الطاقة القصوى، كما يتم تحليل خصائص الحمل للعثور على نقطة التشغيل لأعلى قدرة خرج.

في النهاية تم إنشاء المولد الخطي بالكامل باستخدام بياناته الهندسية، وبعد ذلك يتم تحديد خصائص المواد الخاصة بالمًعرف واللب والمغناطيس الدائم والملف وما إلى ذلك وتطبيقها على إعداد المحاكاة، وبالتالي يتم تحديد خصائص الحركة جنباُ إلى جنب مع إعداد الشبكة، وبعد ذلك يتم إجراء تحليل العناصر المحدودة للتصميم المقترح للمولد الخطي.