توصيفگر ها :
انرژي باد هوابرد , كايت انرژي , توان باد , انرژي الكتريكي , كنترلر مود لغزشي , سيكل حركت , كشش كابل
چكيده فارسي :
در سال‌هاي اخير، مسائل اقتصادي، زيست‌محيطي و بسياري از عوامل ديگر توجه جامعه دانشگاهي و كارآفرينان در سراسر دنيا را به سمت استحصال انرژي از باد هوابرد جلب كرده است. از آنجا كه باد در ارتفاعات بالا داراي ثبات و قدرت بيشتري است، لذا با بهره‌مندي از آن مي‌توان به توان توليدي بيشتر دست يافت. يكي از روش‌هاي پيشنهادي در اين زمينه استفاده از كايت انرژي مي‌باشد. كايت در حالت صلب كه در اين پروژه در نظر گرفته شده شبيه به يك هواپيماي بدون سرنشين است و همين‌طور مي‌تواند غير صلب و مشابه يك بادبادك باشد كه همواره در ارتفاع عملياتي بسيار بيشتر از توربين‌هاي بادي قرار گرفته و از آنجا كه همچون توربين‌هاي بادي به زيرساخت‌هاي عظيم و هزينه‌هاي نگهداري هنگفت نياز نخواهد داشت، ميزان هزينه‌هاي مصرفي به توان توليدي در اين روش بارها كمتر از روش‌هاي تجديدپذير ديگر خواهد بود. در فناوري نامبرده كايت به‌وسيله يك طناب مهار شده و در اثر نيروي باد و گشتاورهاي اعمالي از طرف آن به پرواز در مي‌آيد. با اعمال نيروي برآ از طرف باد، كايت يك مسير 8-لاتين خوابيده را طي مي‌كند كه باعث كشش در طناب و حركت ژنراتور مستقر بر زمين گرديده و در نتيجه آن، انرژي الكتريكي توليد مي‌شود. . در اين پژوهش ، ابتدا معادلات حركت كايت مدل‌سازي شده و سپس براي اولين بار، تحليل سه‌بعدي ديناميكي يك كايت مقيد به كابل با در نظر گرفتن شتاب و كنترل كامل كايت، گسترش يافته و روابط آن استخراج گرديده است. از يك ساختار كنترل دو حلقه¬اي براي كنترل سيستم استفاده مي¬شود؛ كه حلقه بيروني مبتني بر فيدبك خطي ساز و براي كنترل حركت انتقالي كايت است؛ در حالي كه حلقه داخلي براي كنترل زواياي اويلر كايت و مبتني بر كنترل مود لغزشي است. خروجي حلقه كنترلي بيروني زواياي اويلر مطلوب و كشش كابل، و خروجي حلقه كنترلي داخلي زواياي سطوح كنترلي كايت است. براي نخستين بار الگوريتم هدايتي گسترش داده شده است كه در اكثر نقاط سيكل حركت پيشنهادي كشش كابل مثبت و استحصال انرژي بيشينه باشد؛ و همچنين در نهايت و بعد از طي تعداد سيكل مشخص، كايت با طي يك مسير برگشت دقيقاً به شرايط ابتدايي برگردد. با توجه به كم¬عملگر بودن سيستم، براي اولين بار الگوريتمي ارائه شده كه كشش كابل، زواياي اويلر و در نتيجه آن زاويه حمله، زاويه سرش جانبي، و ماتريس انتقال نيروهاي آيروديناميك از دستگاه باد به دستگاه اينرسي به گونه¬اي محاسبه گردد كه در نهايت برآيند نيروهاي كشش، وزن، و آيروديناميك وارد بر كايت با نيروي مطالبه شده توسط كنترلر برابر شود. ضرايب نيروها و گشتاورهاي آيروديناميكي با استفاده از نرم‌افزار "xflr5" و با توجه به زوايه بالك‌ها استخراج شده‌اند.
چكيده انگليسي :
In recent years, economic, environmental, and many other factors have drawn the attention of the academic community and entrepreneurs worldwide towards harnessing energy from high-altitude wind. A tethered rigid kite energy system is designed and its guidance and control systems are developed in this research. Due to the applied forces from the wind and the cable, the kite traces out a path like an eight, creating tension in the tether and inducing motion in a ground-based generator, generating electrical energy. In this research, the dynamic equations of the kite are modeled, and for the first time, a three-dimensional dynamic analysis of a cable-tethered kite is derived, accounting for both acceleration and full kite control. A dual-loop control structure is employed for the system: an outer loop based on feedback linearization for controlling kite translational motion, and an inner loop for controlling kite Euler angles using sliding mode control. The outputs of the outer control loop are the desired Euler angles and cable tension, while the outputs of the inner control loop are the controlled angles of the kite's control surfaces. For the first time, an expanded guidance algorithm is developed, aiming for positive cable tension and maximal energy extraction throughout most of the proposed motion cycle. After a specified number of cycles, the kite returns precisely to its initial conditions via a proposed trajectory. Since the tethered kite is an under actuated system, a novel algorithm is presented for calculating cable tension, Euler angles, and consequently angle of attack, sideslip angle, and the transfer matrix from the wind frame to the inertial frame in a way that the resultant forces of tension, weight, and aerodynamics on the kite match the demanded force by the controller. The conceptual design and extraction of aerodynamic force and torque coefficients are conducted using the "xflr5" software.
