مطالب آموزشی مهندسی برق
مهندسی برق
-
فناوری نانو | عناصر پایه در فناوری نانو | ویژگی های نانو لوله های کربنی
-
لزوم کنترل ولتاژ در شبکه های توزیع
-
سیستم های فتوولتائیک
-
انرژی خورشیدی | کاربردهای غیر نیروگاهی انرژی خورشیدی
-
مشکلات پدیده چترینگ
-
تعریف اغتشاش و نامعینی در پارامترها
-
توربین های بادی | چیدمان توربین های باد در یك مزرعه بادی | انواع ساختارهای توربین های بادی
-
برتری موتورهای جریان مستقیم DC با تحریک جداگانه بر موتورهای آسنکرون در کاربردهای مکاترونیک
1- فناوری نانو | عناصر پایه در فناوری نانو | ویژگی های نانو لوله های کربنی
فناوری نانو واژه ای است کلی که به تمام فناوری های پیشرفته در عرصه کار با مقیاس نانو اطلاق می شود. معمولاً منظور از مقیاس نانو ابعادی در حدود ۱ نانومتر تا ۱۰۰ نانومتر می باشد (۱ نانومتر یک میلیاردیم متر است).
اولین جرقه فناوری نانو(البته در آن زمان هنوز به این نام شناخته نشده بود) در سال ۱۹۵۹ زده شد. در این سال ریچارد فاینمن طی یک سخنرانی با عنوان «فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد) ایده فناوری نانو را مطرح ساخت. وی این نظریه را ارائه داد که در آینده ای نزدیک می توانیم مولکول ها و اتم ها را به صورت مستقیم دستکاری کنیم.
واژه فناوری نانو اولین بار توسط نوریوتاینگوچی استاد دانشگاه علوم توکیو در سال ۱۹۷۴ بر زبان ها جاری شد. او این واژه را برای توصیف ساخت مواد (وسایل) دقیقی که تلورانس ابعادی آنها در حد نانومتر می باشد، بکار برد. در سال ۱۹۸۶ این واژه توسط کی اریک در کسلر در کتابی تحت عنوان: «موتور آفرینش: آغاز دوران فناوری نانو» باز آفرینی و تعریف مجدد شد. وی این واژه را به شکل عمیق تری در رساله دکترای خود مورد بررسی قرار داده و بعدها آن را در کتابی تحت عنوان «نانوسیستم ها ماشین های مولکولی چگونگی ساخت و محاسبات آنها» توسعه داد.
عناصر پایه در فناوری نانو
تفاوت اصلی فناوری نانو با فناوری های دیگر در مقیاس مواد و ساختارهایی است که در این فناوری مورد استفاده قرار می گیرند. البته تنها کوچک بودن اندازه مد نظر نیست؛ بلکه زمانی که اندازه مواد در این مقیاس قرار می گیرد، خصوصیات ذاتی آنها از جمله رنگ، استحکام، مقاومت خوردگی و غیره تغییر می یابد. در حقیقت اگر بخواهیم تفاوت این فناوری را با فناوری های دیگر به صورت قابل ارزیابی بیان نماییم، می توانیم وجود ”عناصر پایه” را به عنوان یک معیار ذکر کنیم. عناصر پایه در حقیقت همان عناصر نانو مقیاسی هستند که خواص آنها در حالت نانو مقیاس با خواص شان در مقیاس بزرگتر فرق می کند.
اولین و مهمترین عنصر پایه، نانوذره است. منظور از نانوذره، همانگونه که از نام آن مشخص است، ذراتی با ابعاد نانومتری در هر سه بعد می باشد. نانو ذرات می توانند از مواد مختلفی تشکیل شوند، مانند نانوذرات فلزی، سرامیکی و غیره.
دومین عنصر پایه، نانو کپسول است. همان طوری که از اسم آن مشخص است، کپسول هایی هستند که قطر نانومتری دارند و می توان مواد مورد نظر را درون آنها قرار داد و کپسوله کرد. سال هاست که نانو کپسول ها در طبیعت تولید می شوند؛ مولکول های موسوم به فسفولیپیدها که یک سر آنها آبگریز و سر دیگر آنها آبدوست است، وقتی در محیط آبی قرار می گیرند، خود به خود کپسول هایی را تشکیل می دهند که قسمت های آبگریز مولکول در درون آنها واقع می شود و از تماس با آب محافظت می شود. حالت برعکس نیز قابل تصور است.
عنصر پایه بعدی نانو لوله کربنی است. این عنصر پایه در سال ۱۹۹۱ در شرکت NEC کشف شدند و در حقیقت لوله هایی از گرافیت می باشند. اگر صفحات گرافیت را پیچیده و به شکل لوله در بیاوریم، به نانو لوله های کربنی می رسیم. این نانولوله ها دارای اشکال و اندازه های مختلفی هستند و می توانند تک دیواره یا چند دیواره باشند. این لوله ها خواص بسیار جالبی دارند که منجر به ایجاد کاربردهای جالب توجهی از آنها می شود.
ویژگی های نانو لوله های کربنی
نانولوله های کربنی که از صفحات کربن به ضخامت یک اتم و به شکل استوانه ای تو خالی شده است. در سال ۱۹۹۱ توسط سامیو ایجیما (از شرکت NEC ژاپن)کشف شد.
خواص ویژه و منحصر به فرد آن از جمله مدول یانگ بالا و استحکام کششی خوب از یک طرف و طبیعت کربنی بودن نانو لوله ها (به خاطر این که کربن ماده ای است کم وزن، بسیار پایدار و ساده جهت انجام فرایندها که نسبت به فلزات برای تولید ارزان تر می باشد) باعث شده که در دهه گذشته شاهد تحقیقات مهمی در کارایی و پرباری روش های رشد نانولوله ها باشیم.
کارهای نظری و عملی زیادی نیز بر روی ساختار اتمی و ساختارهای الکترونی نانولوله متمرکز شده است. کوششهای گسترده ای نیز برای رسیدگی به خواص مکانیکی شامل مدول یانگ و استحکام کششی و ساز و کار عیوب و اثر تغییر شکل نانولوله ها بر خواص الکتریکی صورت گرفته است.
می توان گفت این علاقه ویژه به نانولوله ها از ساختار و ویژگی های بی نظیر آن ها سرچشمه می گیرد.
اندازه بسیار کوچک (قطر کوچکتر از ۰٫۴ نانومتر).
حالت رسانا و نیمه رسانایی آن ها بر حسب شکل هندسی آنها.
نانولوله ها بر حسب نحوه رول شدن صفحات گرافیکی سازنده شان به صورت رسانا یا نیمه رسانا در می آیند.
2- لزوم کنترل ولتاژ در شبکه های توزیع
در سیستم های قدرت چند منطقه ای، عدم تعادل بین تولید و تقاضای بار الکتریکی منجر به فرکانس نامطلوب و تغییرات قدرت در خطوط ارتباطی می شود. مکانیزم کنترل فرکانس بار (LFC) که تعادل بین تولید برق و تقاضا را برآورده می کند. اهداف اصلی LFC سیستم قدرت حفظ فرکانس سیستم و توان تبادلی درون منطقه قدرت در نزدیکترین حالت ممکن به مقدار برنامه ریزی شده در طول بهره برداری عادی، و در زمان اختلالات یا تغییرات ناگهانی بار است.
سیستم های قدرت واقعی اغلب سیستم های بزرگ مقیاس شامل بسیاری زیر سیستم تشکیل شده است. بنابراین، کنترل چنین سیستم با ساختارهای کنترل متمرکز با توجه به پیچیدگی ذاتی محاسباتی، مشکلات قابلیت اطمینان و محدودیت های پهنای باند دشوار است. علاوه بر این، انواع مختلفی از محدودیت های فیزیکی مانند محدودیت نرخ تولید با اثرات قابل توجهی در دینامیکی سیستم قدرت LFC ها وجود دارد.
بسیاری از محققان در زمینه سیستم قدرت LFC از کنترل PI استفاده می کنند. روش داخلی مدل کنترل (IMC) با دو درجه آزادی در برای تنظیم PID از سیستم LFC استفاده می شود.
3-سیستم های فتوولتائیک
پدیده تبدیل مستقیم انرژی فوتون های نور به ولتاژ و جریان فتوولتائیک نامیده میشود. یک فوتون نور با طول موج مناسب و انرژی کافی می تواند منجر به آزادسازی الکترون از اتم خود شود و اگر هم زمان با آن یک میدان الکتریکی به آن ماده اعمال شود، این الکترون های آزاد شده قادر به تولید جریان الکتریکی خواهند شد .در صنعت، تولید برق از طریق دریافت تابش نور بوسیله سلول های فتوولتائیک صورت می گیرد. بیش از ۸۵ درصد سلول های فتوولتائیک یا سلول های خورشیدی برای کاربرد زمینی مبتنی بر فناوری ویفر سیلیکنی ساخته می شوند. هنگامی که نور وارد این کریستال ها می شود، بارهای مثبت و منفی ایجاد شده (در اثر آزاد شدن الکترون از اتم) اختلاف پتانسیلی ایجاد می کنند که در صورت کامل شدن مدار، جریان الکتریکی مستقیم ایجاد می شود.
كاربردهاي سلولهاي فتوولتائيك
از جمله موارد کاربرد سلولهاي فتوولتائيك عبارتند از: تأمين انرژی مورد نياز حصارهاي الكتريكي، تأمين روشنايي مناطق دور افتاده، سيستمهاي مخابراتي از راه دور، پمپاژ كردن آب، سيستمهاي تصفيه آب، تأمين برق مناطق روستايي، ماشين حساب، ساعت و اسباببازيها، سيستمهاي اضطراري، يخچالهاي نگهداري واكسن و خون براي مناطق دورافتاده، سيستمهاي تهويه استخرها، ماهوارهها و تجهيزات فضايي.
به طور كلي كاربردهاي سلولهاي فتوولتائيك را ميتوان به سه دسته طبقهبندي نمود:
كاربردهاي متصل به شبكه
كاربردهاي منفصل از شبكه
كاربردهاي سيستمهاي پشتيباني
4-انرژی خورشیدی | کاربردهای غیر نیروگاهی انرژی خورشیدی
خورشید خود نه تنها منبع عظیم انرژی است بلکه سرآغاز حیات و منشاء سایر انرژی ها نیز هست. در هر ثانیه حدود ۲/۴ میلیون تن از جرم خورشید به انرژی تبدیل می شود. مطابق برآوردهای علمی این کره نورانی را می توان تا ۵ میلیارد سال آینده به عنوان منبع انرژی به حساب آورد.
انرژی ذخیره شده در سوخت های فسیلی، انرژی های باد، امواج دریا و بسیاری موارد دیگر از انرژی دریافتی زمین از خورشید ناشی می شود. به عبارتی تقریباً تمامی منابع انرژی روی زمین بوسیله خورشید تأمین می شود.
تنها نیمی از یک میلیاردیوم این انرژی به سطح بیرونی جو زمین برخورد می کند. این انرژی معادل ۱۰۱۸×۵/۱ کیلووات ساعت در سال است.
به دلیل بازتاب، تفرق و جذب توسط گازها و ذرات معلق در جو ۴۷% از این انرژی به زمین می رسد. بدین ترتیب انرژی تابیده شده به سطح زمین سالانه حدوداً ۱۰۱۷×۷ کیلووات ساعت می باشد.
کاربردهای غیر نیروگاهی انرژی خورشیدی
علاوه بر تولید برق به کمک حرارت خورشید در نیروگاه، میتوان از این انرژی در کاربردهای دیگری هم استفاده کرد. از کاربردهای غیرنیروگاهی می توان موارد زیر نام برد:
آب گرمکن و حمام خورشیدی
سرمایش و گرمایش خورشیدی
آب شیرین کن خورشیدی
خشک کن خورشیدی
اجاق خورشیدی
کوره های خورشیدی
5- مشکلات پدیده چترینگ
وقتی در یک سیستم لرزش داشته باشیم قطعا تلفات انرژی خواهیم داشت. بنابراین یکی از مشکلات عمده این پدیده اتلاف انرژی خواهد بود. وقتی یک سیستم شناسایی می گردد و دینامیک آن مشخص می شود و به دست مهندس کنترل داده میشود تا برای آن کنترل کننده طراحی کند، آن دینامیک دقیقا معرف دینامیک سیستم مورد نظر نمیباشد زیرا معمولا در شناسایی یک سیستم از خیلی از مسائل صرف نظر می شود مثلا بعضی از دینامیک ها مدل نمی شوند و یا اینکه از مد های فرکانس بالا صرف نظر می شود. پدیده چترینگ بدلیل فرکانس بالایی که دارد ممکن است مدهای فرکانس بالای سیستم را تحریک کند و سیستم را ناپایدار کند. بنابراین مشکل دوم پدیده چترینگ، تحریک مدهای فرکانس بالای سیستم می باشد.
6-تعریف اغتشاش و نامعینی در پارامترها
سیستم هدایت یک موشک را در نظر بگیرید. وقتی موشک به سمت هدف پرتاب می شود در طول مسیر اتفاقاتی می افتد که ما تقریبا هیچ شناختی از آن ها نداریم. یکی از این اتفاقات این است که این موشک در یک روز بارانی یا طوفانی به سمت هدف پرتاب شده باشد بنابراین ممکن است از بیرون به موشک نیروی باد یا باران به آن وارد گردد که ما هیچ اطلاعی از مقدار این نیرو نداریم این نیرو همان اغتشاش است یعنی نیرویی که از بیرون به سیستم وارد می شود.
7-توربین های بادی | چیدمان توربین های باد در یك مزرعه بادی | انواع ساختارهای توربین های بادی
باد نقشی اساسی براي آنالیز توربین بادي دارد. سرعت نوسانی آن منجر به توان ضربانی تولیدي می شود. مدل بادشامل چهار قسمت است: اصلی، تند باد، نویز دار و شیب دار است. مولفه اصلی داراي سرعت ثابت است. مولفه تند باد بصورت شکل موج سینوسی یا کسینوسی یا ترکیب آنها بیان می شود که در آن فرکانس و دامنه قابل تنظیم است. همچنین یک تابع شیب ساده براي مولفه شیب دار و یک تابع موج مثلثی براي قسمت نویز دار در نظر گرفته می شود.
در حالت کلی توربین های بادی به چهار دسته کلی قابل تقسیم بندی هستند. دو نوع A و B مبتنی بر ژنراتور القایی بوده که نوع A بهره برداری سرعت ثابت را فراهم میکند و نوع B نیز دارای بهره برداری در حالت سرعت متغییر با بازه ی محدود است. نوسانی بودن توان انتقالی به شبکه به علت تغییرات سرعت باد از معایب اصلی توربین های نوع A و B می باشند. توربین های بادی نوع C و D که به ترتیب مبتنی بر ژنراتور القایی DFIG و ژنراتور سنکرون مغناطیسی دائم (PMSG) هستند، بهره برداری سرعت متغییر را در بازه ی وسیع تری فراهم می کنند. مزیت اصلی این دو نوع توربین، کاهش نوسانات توان خروجی و استخراج بیشینه توان از باد می باشد. پیکربندی نوع C رایج ترین گزینه در پروژه های مزارع بادی می باشد.
چیدمان توربین های باد در یك مزرعه بادی
توربینهای بادی با توجه به مورفولوژی (فرم و شکل) منطقه با فواصل مشخص و در شکل متقارن و مناسب، سازگار با منظرة طبیعت طوری نصب می شوند که برای تولید ماکزیمیم قدرت، در جهت وزش باد غالب منطقه باشند. جهت باد غالب توسط گلباد های رسم شده با نرم افزارهای تخصصی باد می تواند مشخص شود.
در صورت داشتن محدودیت در نوع زمین بهتر است از توربینهای با ظرفیت بالا استفاده شود و فواصل آنها در محاسبه شده و معقول از یکدیگر باشد. در یک مزرعة بادی فاصله بین توربینها باید به نحوی انتخاب شود که حداکثر بهره برداری از آنها اقتصادی ترین حالت آن انجام شود. تأثیر متقابل توربین و باد حداقل بستگی به دو عامل دارد.
مشخصه های آئرودینامیکی توربین
شرایط آب و هوایی منطقه استقرار
انواع ساختارهای توربین های بادی:
توربین های بادی از نظر نوع ساختار و نحوه ی عملکرد به ۲ دسته کلی تقسیم می گردند:
توربین های بادی سرعت ثابت با راه انداز نرم
توربین های بادی سرعت متغیر
توربین های بادی سرعت متغیر به علت قابلیت های بیشتری که داشتند بیشتر مورد توجه قرار گرفته اند لذا با گذشت زمان، و با پیشرفت ادوات Power Electronics پیشرفت هایی در ساختار و نحوه ی کنترل توربین های بادی سرعت متغیر صورت گرفته است.
دسته بندی زیر برای توربین های بادی سرعت متغیر ارائه میگردد:
الف) توربین های بادی سرعت متغیر به کمک ژنراتور القایی و با کنترل مقاومت روتور (کنترل لغزش دینامیکی)
ب) توربین های بادی سرعت متغیر به کمک ژنراتور القایی تغذیه دوگانه (DFIG)
ج) توربین های بادی سرعت متغیر به کمک مبدل کامل
از این میان دسته ی (ج) از منظر نوع ماشین الکتریکی اصلی به کار گرفته شده، خود به ۴ ساختار مختلف قابل تقسیم می باشد:
۱- مبدل کامل با ژنراتور القایی به همراه جعبه دنده
۲- مبدل کامل با ژنراتور سنکرون به همراه جعبه دنده
۳-مبدل کامل با ژنراتور سنکرون با تعداد قطب بالا
۴-مبدل کامل با ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم (PM) با تعداد قطب بال
8- برتری موتورهای جریان مستقیم DC با تحریک جداگانه بر موتورهای آسنکرون در کاربردهای مکاترونیک
در واقع برخلاف این تصور که موتورهای آسنکرون درصنعت کاربرد گسترده تری دارند برتری فنی و تکنیکی از آن موتورهای سنکرون DC با تحریک جداگانه و ثابت است. این برتری مخصوصا زمانی که کاربردهائی با دقت دینامیکی بالا یا مصرف توان بالاتر داریم، بیشتر بروز می کند.
تکنولوژی موتورهای جریان مستقیم آهنربای دائم با وجود قدیمی بودن هنوز هم بدلایلی همچون دقت بالا، دوام زیاد، قیمت ارزانتر و پایداری زیاد دارای کاربرد گسترده در صنایع و دستگاه ها هستند.
یکی از مهمترین کاربردهای این محرکها در مکانیسم های کوچک و دقیقی مانند چرخهای ژنوا، میزهای دوار، دستگاه های چاپ، بازوهای رباتیک و جابجا کننده ها و… میباشد. درواقع بنظر می آید که با پیشرفت صنایع و بروز نیازهای گسترده تر به ایجاد حرکتهای دقیق و سریع استفاده از این تکنولوژی قدیمی رو به گسترش میباشد ولی این تمام ماجرا نیست چرا که مزایای چشمگیر این محرکها باعث شده است که تحقیقات گسترده ای درمورد طراحی و ساخت نمونه های قدرتمندتر برای استفاده در ادوات سنگین تر نیز صورت پذیرد.
ساخت ساده تر و عدم نیاز به سیم پیچی استاتور.
داشتن یک میدان مغناطیسی یکسان و ثابت بجای تحمل جریان اتصال کوتاه استفاده شده در طراحی موتورهای آسنکرون.
رسیدن به نسبتهای گشتاور بر وزن بالاتر.
وزن و اینرسی کمتر روتور که منجر به افزایش دقت میشود.
عدم نیاز به جریان مغناطیس ساز.
تلفات مسی و گرمائی بسیار کمتر.
عدم نیاز به مدارات راه انداز مورد نیاز در برخی موتورهای آسنکرون.
عملکرد مقاوم دربرابر تغییرات بار مکانیکی.
مدارات کنترل ساده تر و ارزانتر نسبت به اینورترهای مورد نیاز برای کنترل موتورهای آسنکرون.
بازدهی بالاتر و ضریب توان بالاتر.
