عنوان مالکیت فکری: سیستم سخت افزاری برای شبیه سازی رفتار توربین بادی سرعت متغیر بدون جعبه دنده

خلاصه اختراع

بردهاي مدار چاپي از رده خارج بخش قابل توجهي از زباله هاي الكترونيكي را در دنيا و ايران شامل مي شوند. اين زباله ها به دليل داشتن قلع و سرب از نظر زيست محيطي خطرناك محسوب مي شوند. با توجه به حجم بالاي بردهاي از رده خارج در ايران و عدم وجود روشي مناسب و زيست سازگار براي امحاء آنها، در اين تحقيق روشي مناسب براي بازيافت آنها و استحصال فلزات خطرناك همچون سرب و قلع پيشنهاد شده است. روشي كه به منظور استحصال فلزات قلع، سرب و روي استفاده شده است در دسته روش هاي الكتروشيميايي قرار ميگيرد و راندمان بالايي را ايجاد مي نمايد. اين روش در نهايت ۲ نوع پودر با تركيب آلياژ لحيم (تقريبا ۶۵٪ قلع و ۳۵ سرب) و مس با خلوص حدودا ۹۵٪ به دست مي دهد. ضمن اينكه قطعات روي بردها نيز در پايان به صورت سالم بازيابي و قابل استفاده مي باشند. در اين تحقيق در ابتدا بردهاي مدار چاپي از رده خارج در اسيد فلويوريك ۴۲٪ حاوي تيتانيوم، غوطه ور شده تا قلع و سرب آن حل شود. سپس محلول به دست آمده الكتروليز شده تا قلع و سرب حل شده بر روي كاتد رسوب نمايد. در گام بعد و به منظور رسوب مس در ابتدا پايه بردها خرد شده و در اسيد نيتريك حل مي شود. سپس نمك كلريد سديم به محلول اضافه شده تا نقره به صورت كلريد نقره رسوب نمايد. سپس محلول الكتروليز شده و مس بر روي كاتد رسوب مي كند. با توجه به رشد روزافزون میزان استفاده از انرژی بادی در کشور، جهت تحلیل و بررسی رفتار توربین و هم‌چنین دانستن مواردی نظیر حداکثر میزان توان قابل استحصال از باد در منطقه مورد نظر، می توان قبل از نصب توربین واقعی بررسی های گوناگونی را توسط دستگاه ساخته شده انجام داد. این بررسی ها که بر اساس اطلاعات دریافتیِ مربوط به رفتار باد و دیگر شرایط محیطی از سازمان هواشناسی قابل انجام است، می تواند کمک بزرگی برای مطالعات فازهای اولیه پروژه های مرتبط با انرژی بادی باشد. کاربرد دیگر این دستگاه در زمینه های پژوهشی و آزمایشگاهی مختلف مرتبط با توربین بادی، نظیر اثرات اتصال سیستم انرژی بادی به شبکه و … بوده که نتایج آن می تواند در کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار گیرد.

حوزه کاربرد (زمینه فنی)

این اختراع در زمینه های مهندسی برق، سیستم های انرژی تجدیدپذیر و الکترونیک قدرت کاربرد دارد.

مشکل فنی موجود و هدف از این اختراع:

امروزه، انرژی های پاک و تجدیدپذیر، به ویژه انرژی های بادی و خورشیدی، محبوبیت و مقبولیت قابل توجهی را در زمینه تأمین انرژی الکتریکی کسب کرده اند. از دلایل این امر، نگرانی های روزافزون در زمینه اثرات مخرب زیست‌محیطی ناشی از مصرف بیش از حد سوخت های فسیلی و هم‌چنین کاهش روزافزون منابع این انرژی ها است. انرژی بادی از دیرباز در کاربردهایی نظیر آسیاب های بادی و … مورد استفاده قرار می گرفته است. با توجه به در دسترس بودن و هم‌چنین رایگان بودن انرژی باد، این منبع انرژی همواره به عنوان گزینه جذابی برای تأمین برق به خصوص برای نقاط دوردست و دور از شبکه اصلی مطرح بوده است. امروزه با پیشرفت فناوری، توسعه و ساخت نیروگاه ها و مزارع بادی به سرعت در حال پیگیری و انجام است. از اجزای اصلی مورد استفاده در نیروگاه-های بادی، توربین بادی و هم‌چنین مولد الکتریکی متصل به آن بوده که به ترتیب وظیفه تبدیل انرژی باد به انرژی مکانیکی دورانی و تبدیل انرژی مکانیکی دورانی به انرژی الکتریکی را بر عهده دارند. توربین‌های بادی مورد استفاده به دو نوع سرعت ثابت و سرعت متغیر تقسیم بندی شده که با توجه به مزایای متعدد نوع سرعت متغیر همچون امکان ردیابی نقطه حداکثر توان، استفاده از این نوع مرسوم تر است. هم‌چنین، دو نوع از پراستفاده‌ترین مولدهای مورد استفاده در این سیستم ها، مولدهای القایی دو سو تغذیه (DFIG) و مولدهای سنکرون مغناطیس دائم (PMSG) هستند. به کارگیری مولد PMSG دارای مزایای متعددی از جمله عدم نیاز به استفاده از جعبه دنده، عدم وجود جاروبک و …. بوده و به همین دلیل برای استفاده در سیستم های انرژی بادی بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. از سوی دیگر، فعالیت های پژوهشی و تحقیقاتی متنوعی در زمینه سیستم های انرژی بادی در ایران و جهان در حال انجام است. برخی از موضوعات تحقیقاتی شامل ردیابی نقطه حداکثر توان (MPPT) و استخراج توان حداکثر از انرژی باد، بهبود کیفیت توان در سیستم های بادی، چالش های موجود در زمینه اتصال به شبکه قدرت و …. می باشد. هدف نهایی از انجام همه این پژوهش ها، توسعه و معرفی راهکارهایی برای بهبود عملکرد سیستم‌های انرژی بادی تجاری و صنعتی است. با توجه به آنکه توربین های بادی تجاری عموماً دارای ابعاد بزرگ و هم‌چنین قیمت های بالا هستند، استفاده از آن ها در پژوهش های آزمایشگاهی امکان‌پذیر نبوده و معقول به نظر نمی رسد. بنابراین، توسعه و ساخت یک سیستم سخت افزاری که قادر باشد رفتار خروجی یک توربین بادی را با دینامیک مناسب و در شرایط مختلف شبیه سازی کند، امری ضروری به نظر می رسد.

ارایه راه حل برای مشکل فنی موجود همراه با شرح دقیق و کافی و یکپارچه اختراع

جهت به کارگیری و راه اندازی دستگاه شبیه ساز توربین بادی ساخته شده، می توان گام های زیر را طی نمود:
1) ابتدا باید داده های مربوط به سرعت باد با گام نمونه برداری مناسب و در قالب یک آرایه گسسته ثبت شده و سپس به محیط MATLAB/Simulink انتقال داده شود.
2) در ادامه باید پارامترهای توربین بادی نظیر شعاع پره، ضرایب ثابت موجود در معادلات مدل توربین و هم‌چنین اطلاعاتی نظیر توان و سرعت نامی مولد و سرعت باد مرجع در رابط کاربری طراحی شده وارد شود.
3) مرحله بعدی اعمال نمودن زاویه نوک پره و هم‌چنین سرعت دورانی توربین (دریافتی از رابط JTAG) به عنوان ورودی به مدل توربین می باشد.
4) در گام بعدی، فرمان شروع شبیه سازی به MATLAB/Simulink داده و گشتاور مرجع محاسبه می شود.
5) در نهایت، دریافت و مشاهده نتایج موردنظر به صورت نمودارهای گوناگون امکان پذیر است.
به منظور بررسی صحت عملکرد دستگاه ساخته شده و بر اساس مقادیر توان و سرعت نامی موتور و مولد استفاده شده، پارامترهای مناسب برای تولید مشخصه های یک توربین بادی نمونه در محیط نرم افزار وارد می‌شود. بدین منظور، برای سه سرعت باد مختلف 10 و 11 و 12 متر بر ثانیه، مشخصه های مرجع گشتاور-سرعت تولیدی توسط مدل کامپیوتری، در شکل 9 نشان داده شده است. در ادامه، با راه اندازی سیستم و تغییر بار مولد، عملکرد سیستم مورد نظر و روش کنترلی پیشنهادی در نقاط کار مختلف بررسی می شود (لازم به توضیح است که در اینجا کنترلی بر روی مولد و در نتیجه سرعت دورانی اعمال نشده و سرعت شفت موتور و مولد تنها تابع بار است). مقادیر گشتاور منتقل شده به مولد برای سرعت های باد و بارهای مختلف با علامت ستاره مشخص شده اند. با توجه به این نتایج و نزدیکی این گشتاورها به مقادیر مرجع، صحت عملکرد دستگاه ساخته شده و روش کنترلی استفاده شده مورد تصدیق قرار می گیرد.