*172

1.7.2.2 تجزیه و تحلیل صورت‌های مالی PAGEREF _Toc412259148 h 29
2.7.2.2 ابزارهای اصلی تجزیه و تحلیل صورت‌های مالی PAGEREF _Toc412259149 h 30
3.7.2.2 نسبت‌های مالی PAGEREF _Toc412259150 h 30
1.3.7.2.2نسبت‌های نقدینگی PAGEREF _Toc412259151 h 31
2.3.7.2.2نسبت‌های فعالیت PAGEREF _Toc412259152 h 31
3.3.7.2.2نسبت‌های اهرمی PAGEREF _Toc412259153 h 31
4.3.7.2.2نسبت‌های سودآوری PAGEREF _Toc412259154 h 32
8.2.2 ارتباط میان نسبت‌ها و پیش‌بینی جریان نقد آتی PAGEREF _Toc412259155 h 32
1.8.2.2 معرفی نسبت‌ها PAGEREF _Toc412259156 h 33
1.1.8.2.2 نسبت‌های کفایت PAGEREF _Toc412259157 h 33
2.1.8.2.2 نسبت‌های کارایی PAGEREF _Toc412259158 h 34
9.2.2نسبت‌های مالی مبتنی بر صورت جریان‌های نقدی PAGEREF _Toc412259159 h 35
10.2.2 رویکردهای سود و جریان نقد آتی PAGEREF _Toc412259160 h 40
3.2 پیشینه پژوهش PAGEREF _Toc412259161 h 43
4.2 خلاصه فصل PAGEREF _Toc412259162 h 56
فصل سوم: روش های تحقیق
1.3 مقدمه PAGEREF _Toc412259163 h 59
2.3 طرح مسئله‌ی تحقیق PAGEREF _Toc412259164 h 59
3.3 روش تحقیق PAGEREF _Toc412259165 h 61
4.3 قلمرو تحقیق PAGEREF _Toc412259166 h 62
5.3 ابزار گردآوری اطلاعات PAGEREF _Toc412259167 h 62
6.3 روش گردآوری اطلاعات PAGEREF _Toc412259168 h 63
7.3 جامعه آماری، روش نمونه‌گیری و حجم نمونه PAGEREF _Toc412259169 h 63
8.3 فرضیه‌های تحقیق PAGEREF _Toc412259170 h 65
9.3متغیرهای تحقیق و نحوه اندازه‌گیری آن‌ها PAGEREF _Toc412259171 h 66
10.3 مدل تحقیق: PAGEREF _Toc412259172 h 66
11.3پایایی و اعتبار ابزار تحقیق PAGEREF _Toc412259173 h 67
12.3روش تجزیه و تحلیل داده‌ها PAGEREF _Toc412259174 h 67
13.3مدل‌های آماری و مراحل عمومی آزمون‌های آماری PAGEREF _Toc412259175 h 68
1.13.3 مدل رگرسیون PAGEREF _Toc412259176 h 69
2.13.3 آزمون خطی بودن PAGEREF _Toc412259177 h 70
3.13.3 آزمون خود همبستگی PAGEREF _Toc412259178 h 71
4.13.3 آزمون همسانی واریانس‌ها PAGEREF _Toc412259179 h 72
5.13.3 آزمون نرمال بودن پسماندها PAGEREF _Toc412259180 h 73
6.13.3 همبستگی PAGEREF _Toc412259181 h 73
7.13.3 ضریب همبستگی (r) PAGEREF _Toc412259182 h 74
8.13.3 ضریب تعیین (2r) PAGEREF _Toc412259183 h 75
14.3 خلاصه فصل PAGEREF _Toc412259184 h 76
فصل چهارم: برآورد مدل،تجزیه و تحلیل داده ها
1.4 مقدمه PAGEREF _Toc412259185 h 78
2.4 بررسی آماره‌های توصیفی متغیرهای فرضیه اول PAGEREF _Toc412259186 h 78
3.4آزمون‌های مربوط به فرضیه اول تحقیق PAGEREF _Toc412259187 h 80
1.3.4 ضرایب همبستگی PAGEREF _Toc412259188 h 80
2.3.4 آزمون‌های تعیین روش تخمین مدل PAGEREF _Toc412259189 h 81
4-4 بررسی آماره‌های توصیفی متغیرهای فرضیه دوم تحقیق PAGEREF _Toc412259190 h 84
4-5 آزمون‌های مربوط به فرضیه دوم تحقیق PAGEREF _Toc412259191 h 85
4-5-1 ضرایب همبستگی PAGEREF _Toc412259192 h 86
4-5-2 آزمون‌های تعیین روش تخمین مدل PAGEREF _Toc412259193 h 86
4-5-3 آزمون فرضیه اول تحقیق PAGEREF _Toc412259194 h 87
4-6 آزمون مانایی متغیرها PAGEREF _Toc412259195 h 89
4-7 خلاصه فصل PAGEREF _Toc412259196 h 90
فصل پنجم: نتیجه های تحقیق
1.5 مقدمه PAGEREF _Toc412259197 h 92
2.5 خلاصه تحقیق PAGEREF _Toc412259198 h 92
3.5 خلاصه نتایج آزمون فرضیه‌ها PAGEREF _Toc412259199 h 92
1.3.5 فرضیه اول PAGEREF _Toc412259200 h 92
2.3.5 فرضیه دوم PAGEREF _Toc412259201 h 94
4.5 محدودیت‌های تحقیق PAGEREF _Toc412259202 h 95
5-5 پیشنهادهای مبتنی بر نتایج تحقیق PAGEREF _Toc412259203 h 96
5-6 پیشنهاد برای تحقیقات آتی PAGEREF _Toc412259204 h 97
منابع فارسی: PAGEREF _Toc412259205 h 99
فهرست جداول
عنوان صفحه
TOC t "جدووووووووووووووووول,3" جدول 2-1: محاسبه جریان‌های نقدی حقوق صاحبان سهام PAGEREF _Toc412317781 h 17
جدول 2-2: محاسبه جریان نقدی آزاد PAGEREF _Toc412317782 h 18
جدول 23: خلاصه تحقیقات انجام‌شده در داخل کشور PAGEREF _Toc412317783 h 54
جدول 24: خلاصه تحقیقات انجام‌شده در خارج از کشور PAGEREF _Toc412317784 h 55
جدول 3 - 1: انتخاب نمونه آماری بر اساس حذف سیستماتیک PAGEREF _Toc412317785 h 64
جدول 3 - 2 صنعت‌های منتخب نمونه بورس اوراق بهادار PAGEREF _Toc412317786 h 65
جدول 4-1: آماره‌های توصیفی فرضیه اول PAGEREF _Toc412317787 h 79
جدول 4-2: ضرایب همبستگی فرضیه اول PAGEREF _Toc412317788 h 81
جدول 4-3: عامل تورم واریانس فرضیه اول PAGEREF _Toc412317789 h 81
جدول 4-4: آزمون F لیمر فرضیه اول PAGEREF _Toc412317790 h 82
جدول 4-5: آزمون هاسمن فرضیه اول PAGEREF _Toc412317791 h 82
جدول 4-6: خروجی نرم‌افزار مدل فرضیه اول PAGEREF _Toc412317792 h 83
جدول 4-7: آماره‌های توصیفی فرضیه دوم PAGEREF _Toc412317793 h 85
جدول 4-8: ضرایب همبستگی فرضیه دوم PAGEREF _Toc412317794 h 86
جدول 4-9: آزمون F لیمر فرضیه دوم PAGEREF _Toc412317795 h 87
جدول 4-10: آزمون هاسمن فرضیه دوم PAGEREF _Toc412317796 h 87
جدول 4-11: خروجی نرم‌افزار مدل فرضیه دوم PAGEREF _Toc412317797 h 88
جدول 4-12: آزمون مانایی متغیرها PAGEREF _Toc412317798 h 89

فهرست نمودارها
عنوان صفحه
TOC t "نمودارررررر,4" نمودار 2-1: رویکرد ارزشی شرکت در کاربرد جریان وجوه نقد تنزیل‌شده…………………………………….. PAGEREF _Toc412317990 h 18
نمودار 2-2: تفاوت بین جریان‌های وجوه نقد PAGEREF _Toc412317991 h 19

چکیده
پیش‌بینی جریان‌های نقدی یکی از اهداف مهم گزارشگری مالی است زیرا اطلاعات مهمی را برای استفاده‌کنندگان درون و برون‌سازمانی فراهم می‌سازد. در تصمیم‌گیری‌های اقتصادی پیش‌بینی مالی فعالیت مهمی محسوب می‌شود زیرا جریان‌های نقدی مبنایی برای فعالیت های عملیاتی، بازده سرمایه گذاری و سود پرداختی بابت تأمین مالی، مالیات بر درآمد، فعالیت های سرمایه گذاری و فعالیت های تأمین مالی می باشد.
هدف اصلی این مطالعه آزمون توان اجزای اصلی و غیر اصلی جریان‌های نقد برای پیش‌بینی جریان‌های نقدی آتی است. در راستای هدف پژوهش، دو فرضیه تدوین شده است که بر این اساس تأثیر هر یک از اجزای جریانات نقد بر پیش‌بینی جریان نقد آتی مورد سنجش قرار گرفته است. بدین منظور تعداد 106 شرکت از شرکت‌های پذیرفته‌شده در بورس اوراق بهادار تهران در قلمرو زمانی 1385 الی 1389 به عنوان نمونه انتخاب گردیده است و به منظور بررسی قابلیت پیش‌بینی اقلام مذکور از ضریب همبستگی پیرسون و تجزیه و تحلیل رگرسیون با داده‌های ترکیبی استفاده شده است.
نتایج حاصل از این پژوهش نشان می‌دهد که بین متغیرهای فروش و هزینه‌های عملیاتی (به عنوان اجزای اصلی جریان‌های نقدی) و جریان‌های نقدی آتی رابطه منفی و معنادار و بین متغیر بهای تمام‌شده کالای فروش رفته (به عنوان جزء اصلی دیگر جریان‌های نقدی) و جریان‌های نقدی آتی رابطه مثبت و معناداری وجود دارد.
همچنین بین متغیرهای بهره، مالیات و خالص سایر تحقق یافتنی ها (به عنوان اجزای غیر اصلی جریان وجه نقد) و جریان‌های نقدی آتی رابطه منفی و معنادار وجود دارد.
واژگان کلیدی: جریان نقدی، اجزای اصلی و غیر اصلی جریان نقد، جریان نقد آتی

فصل اول
کلیات پژوهش

1.1 مقدمه یکی از تحولات اخیر حسابداری، ضرورت تهیه «صورت جریان‌های نقدی» به عنوان یکی از صورت‌های مالی پایه توسط واحدهای تجاری است. پرسش‌هایی نظیر اینکه «آیا اجزای جریانهای نقد توان پیش‌بینی جریان نقد آتی را دارد؟» سال‌هاست که ذهن بسیاری از محققان را به خود مشغول کرده است. بر همین اساس تعدادی از فرضیات و نظریه‌های مختلف به منظور پاسخ به این پرسش‌ها مطرح شده است. با اینکه هنوز نظریه جامعی در این زمینه ارائه نشده است اما راهکارهایی وجود دارد که با اتکا به آن می‌توان با استفاده از اجزای اصلی و غیر اصلی جریان‌های نقد به جریان نقد آتی شرکت‌ها دست یافت. لذا این تحقیق با عنوان «تأثیر متغیرهای تشکیل دهنده جریانات نقدی (اجزای اصلی و غیر اصلی) در پیش‌بینی جریان نقد آتی شرکت‌ها» درصدد بررسی توان اجزای اصلی و غیر اصلی جریان‌های نقد برای پیش‌بینی جریان نقد آتی است. بر همین اساس در این فصل به مفاهیمی چون بیان مسئله، اهداف و ضرورت تحقیق پرداخته خواهد شد.

2.1بیان مسئله به دلیل اهمیت بسزای جریان‌های نقدی در موقعیت‌های واحدهای اقتصادی و ضرورت آن برای ادامه بقای آن‌ها، پیش‌بینی جریان‌های نقدی به عنوان یکی از اجزای لاینفک برنامه‌ریزی مالی، از موضوعات مهمی است که مورد توجه مدیران واحدهای اقتصادی قرار دارد. این امر از چنین اهمیتی برخوردار است که جریان‌های نقدی واحدهای اقتصادی را می‌توان به جریان گردش خون در بدن تشبیه کرد. وجه نقد از منابع مهم و حیاتی در هر واحد انتفاعی است و ایجاد توازن بین وجوه نقد در دسترس و نیازهای نقدی مهم‌ترین عامل سلامت اقتصادی هر واحد انتفاعی است. وجه نقد از طریق عملیات عادی و سایر منابع تأمین مالی به واحد انتفاعی وارد می‌شود و برای اجرای عملیات، پرداخت سود، پرداخت بهره و مالیات، بازپرداخت بدهی‌ها و گسترش واحد انتفاعی به کار می‌رود و بازتاب تصمیم‌گیری‌های مدیریت در مورد برنامه‌های کوتاه مدت و بلندمدت عملیاتی و طرح‌های سرمایه‌گذاری و تأمین مالی است. یکی از تحولات اخیر حسابداری، ضرورت تهیه «صورت جریان‌های نقدی» به عنوان یکی از صورت‌های مالی پایه توسط واحدهای تجاری است. تداوم فعالیت شرکت‌ها به عنوان یکی از مفروضات اساسی حسابداری، موضوعی است که عینیت بخشیدن به آن بدون در نظر گرفتن رخدادهای فعلی و نتایجی که در آینده برای آن متصور است، میسر نیست. نگرش تحلیلگران مالی به آینده بدون داشتن اطلاعات از وضعیت موجود، امری بعید به نظر می‌رسد. در این راستا فرآیند پیش‌بینی، جزء مهمی از فرآیند تصمیم‌گیری است زیرا آنچه که در آینده رخ خواهد داد را منعکس می‌کند. یکی از اهداف گزارشگری مالی کمک به سرمایه‌گذاران و اعتباردهندگان برای پیش‌بینی جریان‌های نقد آتی است. همچنین کمیته تدوین استانداردهای حسابداری ایران در بخش مفاهیم نظری گزارشگری مالی بیان نموده است که: «اتخاذ تصمیمات اقتصادی توسط استفاده‌کنندگان صورت‌های مالی، مستلزم ارزیابی واحد تجاری جهت ایجاد وجه نقد و قطعیت ایجاد آن است...». ارزیابی توان ایجاد وجه نقد از طریق تمرکز بر وضعیت مالی، عملکرد مالی و جریان‌های نقد واحد تجاری و استفاده از آن‌ها در پیش‌بینی جریان‌های نقدی مورد انتظار و سنجش انعطاف‌پذیری مالی، تسهیل می‌گردد (سازمان حسابرسی، 2002).
همچنین بر اساس مفاهیم بنیادی حسابداری مالی شماره یک آمریکا (SFAC) یکی از اهداف اصلی گزارشگری مالی به وسیله واحدهای تجاری، ارائه اطلاعاتی به سرمایه‌گذاران و اعتباردهندگان در جهت ارزیابی مقدار، زمان و میزان عدم اطمینان جریان‌های نقد حال و آینده است.
با توجه به اهمیت بسزای جریان‌های نقدی و نیاز به پیش‌بینی جریان وجوه نقد در تصمیمات اقتصادی مختلف، اهمیت این پیش‌بینی توسط بنیادهای استاندارد گذاری ملی و بین‌المللی حمایت‌شده و در این راستا محققین به طور مکرر از داده‌های حسابداری تعهدی و نقدی برای این پیش‌بینی استفاده نموده و نتایج متناقضی حاصل شده است اما مطالعات گذشته صریحاً قدرت اجزای جریان نقدی بر پیش‌بینی جریان نقد آتی را مورد بررسی قرار نداده است. تحلیل گران مالی بر اهمیت فراهم آوردن اطلاعات مربوط به اجزای جریانات نقدی (اجزای اصلی و غیر اصلی) تاکید می‌کنند و اینکه شفافیت و درستی و در دسترس بودن اطلاعات درباره جریان نقدی که از فعالیت‌های اصلی و غیر اصلی حاصل می‌شود، بخشی از اعتبار تجزیه و تحلیل خوب اطلاعات می‌باشد. توان و امکان دسترسی هر واحد انتفاعی به وجه نقد، مبنای بسیاری از تصمیم‌گیری‌ها و قضاوت‌ها درباره آن واحد است. به بیان دیگر، اطلاعات مربوط به جریان ورود و خروج وجه نقد در یک واحد انتفاعی شالوده بسیاری از تصمیم‌گیری‌ها و مبنای بسیاری از قضاوت‌های سرمایه‌گذاران، اعتباردهندگان و برخی دیگر از گروه‌های استفاده‌کننده از اطلاعات مالی را تشکیل می‌دهد. سرمایه‌گذاران و اعتباردهندگان برای برآورد جریان آتی وجوه نقد در یک واحد انتفاعی مشخصاً به تأثیر عملیات عادی و بازده سرمایه گذاریها وسود پرداختی بابت تأمین مالی، مالیات بر درآمد، فعالیت‌های تأمین مالی و سرمایه‌گذاری بر جریان وجوه نقد اهمیت می‌دهند. اگرچه اطلاعات مربوط به جریان وجوه نقد در مقایسه با اطلاعات مربوط به سودآوری که بر اساس حسابداری تعهدی اندازه‌گیری و ارائه می‌شود از لحاظ ارزیابی عملکرد واحد انتفاعی و مدیریت آن سودمندی کمتری دارد اما به تجربه نشان داده‌شده که رقم مربوط به سود نیز نمی‌تواند نشانه‌ی کامل و دقیقی از علائم حیاتی یک مؤسسه و ملاکی برای پیش‌بینی وضعیت آتی آن باشد. پیش‌بینی جریان نقدی مستلزم شماری تصمیمات اقتصادی به ویژه سرمایه‌گذاری می‌باشد. بدین لحاظ، تصمیمات مالی نسبت به گذشته اهمیت بیشتری یافته و مدیران را وادار ساخته با بهره‌گیری از فنون پیشرفته پیش‌بینی و تجزیه و تحلیل، نگرش خود را بلندمدت نموده و روش‌های کنترلی دقیق تر و گسترده‌تری را بکار گیرند. از طرفی سرمایه‌گذاران به دنبال برآورد جریان نقد مؤسسه‌ای که در آن سرمایه‌گذاری کرده‌اند هستند تا بتوانند درباره ارزش سهام خود به قضاوت بپردازند. همچنین برای برآورد ارزش سهام خود به اطلاعات جریان نقدی نیاز دارند، زیرا اغلب مدل های ارزشیابی سهام بر مبنای ارزش فعلی جریان نقدی مورد انتظار آن‌ها می‌باشند.
مسئله اصلی این است که امروزه در حرفه حسابداری از شاخص‌های مختلفی برای ارزیابی عملکرد واحد تجاری استفاده می‌شود که از جمله این شاخص‌ها می‌توان به شاخص مبتنی بر جریان وجه نقد اشاره نمود. این تحقیق به دنبال آن است که به روش علمی ثابت کند که آیا اجزای جریان نقد (اجزای اصلی و غیر اصلی) در بازار بورس ایران توانایی پیش‌بینی جریان‌های نقدی آتی شرکت‌ها را دارد یا خیر؟ به عبارت دیگر آیا اجزای اصلی و غیر اصلی جریان نقد با تفسیری که از آن خواهیم داشت، قدرت توضیحی و پیش‌بینی کنندگی جریان نقد آتی را دارد یا خیر؟ برای پاسخ به این سؤال باید بر مبانی نظری گزارشگری مالی تکیه کرد. چرا که بر اساس مبانی نظری گزارشگری مالی، بهترین شاخص برای ارزیابی عملکرد واحد تجاری شاخصی است که در فرآیند تصمیم‌گیری مفیدتر واقع شود.
3.1اهداف پژوهشتبیین نظری و تئوریک مبانی اقلام صورت جریان نقد و چگونگی ارتباط آن با پیش‌بینی جریان نقد یک سال پیش رو و جریان‌های نقدی آتی
بررسی عوامل موثر بر اقلام صورت جریان وجه نقد شرکت‌ها
بررسی تأثیرات اجزاء (اصلی و غیر اصلی) جریان نقد بر جریان نقد آتی شرکت‌ها در صنایع مختلف بورس اوراق بهادار
بررسی روش‌های معمول پیش‌بینی جریان نقد به تفکیک صنایع مختلف بورس اوراق بهادار
تبیین رابطه اقلام اصلی جریان نقد شرکت‌ها و پیش‌بینی جریان‌های نقد آتی یک سال پیش رو
تبیین رابطه اقلام غیر اصلی جریان نقد شرکت‌ها و پیش‌بینی جریان‌های نقد آتی یک سال پیش رو
تبیین رابطه جریان‌های نقدی جاری شرکت‌ها و پیش‌بینی جریان‌های نقد آتی
4.1ضرورت تحقیقبا توجه به اهمیت بسزای جریان‌های نقدی، نیاز به پیش‌بینی جریان نقد در تصمیمات اقتصادی مختلفی وجود دارد. اهمیت این پیش‌بینی توسط بنیادهای استاندارد گذاری ملی و بین‌المللی حمایت شده و در این راستا محققین به طور مکرر از داده‌های حسابداری تعهدی و نقدی برای این پیش‌بینی استفاده نموده و نتایج متناقضی حاصل شده است. چنانچه صورت جریان وجوه نقد بازتاب نتایج تصمیم‌‌های مدیران درباره فعالیت های عملیاتی، بازده سرمایه گذاریها و سود پرداختی بابت تأمین مالی، مالیات بر درآمد، فعالیت های سرمایه گذاری و فعالیت های تأمین مالی واحد تجاری باشد، در کنار سایر صورت‌های مالی، زمینه ارزیابی هر یک از تصمیم‌های یادشده فراهم می‌شود.
وجوه و یا به عبارتی پول، در بنگاه‌های اقتصادی همانند خون در بدن انسان، مایه حیات است. بنگاه‌های اقتصادی به منظور گردش عملیات و تداوم فعالیت خود و همچنین جهت دستیابی به هدف‌های خویش، از منابع وجوه استفاده می‌کنند. استفاده‌کنندگان از صورت‌های مالی نیز برای ارزیابی وضعیت مالی و اقتصادی مؤسسات بر آگاهی از چگونگی تأمین مالی مؤسسات ذیربط تاکید دارند، بنابراین برای کمک به تصمیم‌گیری‌های مفید اقتصادی باید اطلاعات مفید، مربوط، به هنگام و صحیح در اختیار استفاده‌کنندگان از صورت‌های مالی قرار گیرد. در این راستا، بنگاه‌های اقتصادی دست به تهیه و انتشار اطلاعاتی در قالب صورت‌های مالی می‌زنند. صورت‌های مالی بازتاب کلیه فعالیت‌ها و رویدادهای مالی، طی یک دوره‌ی زمانی (معمولاً یک سال) است. در سال‌های اخیر استفاده‌کنندگان از صورت‌های مالی به آگاهی از جریان‌های نقدی شرکت‌ها علاقه‌مند شده‌اند. صورت تغییرات در وضعیت مالی بر مبنای سرمایه در گردش، توانایی تشریح جریان‌های نقدی شرکت‌ها را ندارد؛ بنابراین از حدود سال‌های 1985 به بعد، تعدادی از کشورها، برای پاسخ به نیاز استفاده‌کنندگان از صورت‌های مالی تحقیقاتی درباره لزوم تهیه و انتشار صورت جریان‌های نقدی انجام دادند. امروزه بر اساس تئوری ذینفعان، رابطه‌ی تعاملی بین شرکت و ذینفعان (سرمایه‌گذاران، اعتباردهندگان و...) وجود دارد، به طوری که فعالیت‌های شرکت و نتایج آن کلیه‌ی ذینفعان را متأثر می‌سازد. صورت‌های مالی یکی از بهترین منابع اطلاعاتی در کنار سایر اطلاعات مانند اطلاعات اقتصادی جهت استفاده ذینفعان در رابطه با وضعیت مالی شرکت‌ها برای پیش‌بینی رویدادهای آتی به شمار می‌رود. یکی از این موارد، پیش‌بینی وقوع بحران مالی است که با استفاده از تجزیه و تحلیل نسبت‌های الگوهای مختلفی به وجود آمده است مانند الگو پیش‌بینی بیور، آلتمن، دیکن، تافلر، زاوگین، اسپرین‌گیت، والاس. موفق بودن الگوهای مذکور جهت پیش‌بینی، فرصت مناسبی را برای وسعت بخشیدن به تحقیقات پیشین فراهم می‌نماید به طوری که توسعه و بسط این الگوها با استفاده از متغیرهای صورت جریان وجوه نقد و متغیرهای کلان اقتصادی منطقی به نظر می‌رسد و تحقیق را به الگویی جدید و کاربردی هدایت می‌نماید.
سرمایه‌گذاران و تحلیل گران مالی از سود و جریان‌های نقدی به عنوان یکی از معیارهای ارزیابی شرکت‌ها به طور وسیعی استفاده می‌کنند. سرمایه‌گذاران علاقه دارند سود حاصل از سرمایه‌گذاری‌های خود را پیش‌بینی نمایند زیرا در اصل تفاوت در این پیش‌بینی‌هاست که تخصیص منابع سرمایه به بخش‌ها و واحدهای مختلف تجاری را تعیین می‌کند. آن‌ها با پیش‌بینی جریان‌های نقدی مورد انتظار آتی در باره ارزش جاری یک شرکت و ارزش یک سهم از سهام شرکت به قضاوت می‌پردازند. بر اساس همین پیش‌بینی‌هاست که یک سهامدار فعلی ممکن است تصمیم بگیرد سهامش را بفروشد یا نگه دارد.
یک سرمایه‌گذار بالقوه نیز با پیش‌بینی توزیع جریان‌های نقدی آتی یک سهام، تصمیم به خرید آن می‌گیرد و یا تشخیص می‌دهد در جای دیگری سرمایه‌گذاری کند. لذا انتظارات از توزیع جریان‌های نقدی آتی اوراق بهادار در تصمیمات سرمایه‌گذاری از درجه اول اهمیت برخوردارند و چون توزیع جریان‌های نقدی آتی به سود انباشته و رشد شرکت بستگی دارد، پس انتظارات از سودهای آتی در تصمیمات سرمایه‌گذاری بااهمیت تلقی می‌شوند، زیرا این انتظارات توسط بسیاری از سرمایه‌گذاران به عنوان یک فاکتور اصلی در پیش‌بینی توزیع سود سهام آتی بکار می‌رود و این سود نقدی سهام نیز نقش مهمی در تعیین ارزش سهام شرکت یا ارزش کل شرکت دارد. از آنجایی که توانایی واحد تجاری در ایجاد جریان‌های نقدی مطلوب، هم بر توانایی آن برای پرداخت سود سهام، بهره و هم بر قیمت‌های اوراق بهادار شرکت تأثیر می‌گذارد، لذا جریان‌های نقدی مورد انتظار سرمایه‌گذاران و اعتباردهندگان به جریان‌های نقدی مورد انتظار واحد تجاری که در آن سرمایه‌گذاری نموده یا به آن قرض داده‌اند مربوط می‌شود. لذا سرمایه‌گذاران علاقمندند برآوردهایی از وجوه نقد آتی در دسترس واحد تجاری داشته باشند.
5.1 فرضیه‌های پژوهشبین اجزای اصلی جریان نقد دوره جاری شرکت‌ها و جریان نقد آتی رابطه معنی‌داری وجود دارد.
بین اجزای غیر اصلی جریان نقد دوره جاری شرکت‌ها و جریان نقد آتی رابطه معنی‌داری وجود دارد.
6.1جامعه و نمونه آماریجامعه آماری پژوهش حاضر شرکت‌های پذیرفته‌شده در بورس اوراق بهادار تهران است. حجم نمونه 106شرکت بورسی در 10 صنعت منتخب طی سال‌های 1389-1385 می‌باشد.
در این تحقیق برای انتخاب نمونه آماری از روش حذف سیستماتیک استفاده خواهد شد. بدین منظور کلیه شرکت‌های جامعه آماری که دارای شرایط زیر باشند، به عنوان نمونه انتخاب و مابقی حذف خواهند شد:
اطلاعات مالی شرکت‌های نمونه در دسترس باشند.
سال مالی آن‌ها منتهی به پایان اسفندماه هر سال باشد.
عدم تغییر دوره مالی طی قلمرو زمانی تحقیق داشته باشند
شرکت‌های عضو صنایع سرمایه‌گذاری، بانک‌ها، هلدینگ، بیمه، نهادهای پولی و واسطه گر مالی نباشند.
اطلاعات مربوط به داده‌های صورت‌های مالی از ابتدای سال مالی 85 لغایت 89 در دسترس باشند.
شرکت‌های نمونه توقف معاملاتی بیش از 6 ماه طی دوره زمانی تحقیق نداشته باشند.
در این تحقیق داده‌های مورد نیاز مدل‌های تحقیق از نرم‌افزار ره‌آورد نوین، سایت رسمی سازمان بورس اوراق بهادار تهران، نرم‌افزار تدبیر پرداز استخراج می‌گردد و در صورت عدم وجود بخشی از اطلاعات مورد نیاز در نرم‌افزارهای مذکور، از صورت‌های مالی شرکت‌های نمونه استفاده خواهد شد. همچنین با مراجعه به منابع کتابخانه‌ای شامل کتب، مجلات هفتگی و ماهنامه‌ها، انتشارات مراکز تحقیقاتی و پژوهشی، پایان‌نامه‌های تحصیلی و رساله‌های تحقیقی مرتبط، جستجو در پایگاه‌های الکترونیکی اطلاعات و مراجعه به سازمان بورس و اوراق بهادار تهران، اطلاعات آماری مورد نیاز شرکت‌ها استخراج و برای نتیجه‌گیری مورد مطالعه و تجزیه و تحلیل قرار خواهد گرفت.
7.1روش تحقیقاین تحقیق از نظر نوع پس رویدادی است، زیرا از اطلاعات گذشته شرکت‌ها استفاده خواهد کرد و از نظر تئوریک در حوزه تحقیقات اثباتی بوده و از نظر استدلال،‌ تحقیقات استقرایی می‌باشد. از آن جا که در این تحقیق آزمون همبستگی بین متغیرها انجام می‌شود، از نوع همبستگی بوده و روابط بین متغیرها را بررسی می‌کند. همچنین در این تحقیق، درصدد توصیف روابط بین متغیرها (وابسته و مستقل) با استفاده از آزمون‌های آماری هستیم. پس از تدوین مدل، ضرایب متغیرهای مستقل و اندازه تأثیر گذاری آن‌ها بر متغیر وابسته (جریان نقد آتی) با استفاده از متد اقتصادسنجی و روش رگرسیون حداکثر درست نمایی (MLE) مشخص خواهد شد.
8.1 تعریف مفاهیم و واژگان عملیاتی CFO t+1 متغیر وابسته: جریان نقد آتی
جریان وجه نقد: افزایش یا کاهش در مبلغ وجه نقد ناشی از معاملات با اشخاص حقیقی یا حقوقی مستقل از شخصیت حقوقی واحد تجاری و ناشی از سایر رویدادها.
جریان وجه نقد ناشی از فعالیت‌های عملیاتی: جریان‌های نقدی ورودی و خروجی ناشی از فعالیت‌های عملیاتی واحد تجاری و همچنین جریان‌های نقدی که ماهیتاً به طور مستقیم قابل ارتباط با سایر طبقات جریان‌های نقدی صورت جریان وجه نقد نباشد.
اجزای اصلی:
C-SALE t فروش کالا و ارائه خدمات به کسر از تغییرات در حساب‌های دریافتنی تجاری
COGS t C-بهای تمام‌شده کالای فروش رفته: مخارجی که وقوع آن‌ها برای تحصیل یا تولید کالا لازم است.
بهای تمام‌شده کالای فروش رفته به کسر از تغییرات در موجودی و حساب‌های پرداختنی
OE t C- هزینه‌های عملیاتی: جریان نقد عملیاتی و هزینه های اداری که بعنوان هزینه های عملیاتی محاسبه شده، عبارت است از : فروش منهای بهای تمام شده کالای فروش رفته منهای هزینه های عملیاتی قبل از استهلاک منهای تغییر در خالص سرمایه در گردش به استثنای تغییر در حساب های دریافتنی تجاری، موجودی کالا، مالیات پرداختنی و بهره پرداختنی.
اجزای غیر اصلی:
C- INT t بهره پرداختی: بهره را می‌توان در اصطلاح هزینه استفاده از سرمایه نامید. این پرداخت اضافی را می‌توان به صورت نسبت مابه‌التفاوت مبلغ دریافتی و مبلغ بازپرداخت در پایان یک دوره معین به کل پول دریافتی عنوان کرد.
C- TAX t مالیات پرداختی: مالیات بخشی از سود فعالیت‌های اقتصادی است که نصیب دولت می‌گردد.
OTHER t C- خالص سایر تحقق یافتنی ها : سود عملیاتی به کسر از جریان نقد و حساب‌های دریافتنی و موجودی و حساب‌های پرداختنی و استهلاک دارایی ثابت و نامشهود
9.1 ساختار کلی تحقیق در این فصل کلیات تحقیق ارائه و مقدمه، بیان مسئله، قلمرو تحقیق، فرضیه‌ها و تعریف عملیاتی متغیرها انجام گردید.
در فصل دوم ضمن بیان مقدمه، مفاهیم نظری تحقیق تشریح و تبیین می‌شود و پژوهش‌هایی که پیرامون موضوع تحقیق صورت گرفته است مورد بررسی قرار می‌گیرد.
در فصل سوم، ابتدا قلمرو زمانی تحقیق، سپس به بیان روش انجام تحقیق، جامعه و نمونه آماری پرداخته‌شده و در نهایت روش گردآوری اطلاعات و تجزیه و تحلیل داده‌ها و آزمون سؤالات ارائه می‌گردد.
فصل چهارم به تجزیه و تحلیل نتایج اختصاص یافته است. چگونگی طبقه‌بندی اطلاعات و تجزیه آن‌ها از طریق به‌کارگیری روش‌ها و مدل‌های آماری مورد استفاده، بیان‌شده و در نهایت نتایج آزمون فرضیه‌ها ارائه می‌شود.
در فصل پنجم ابتدا خلاصه تحقیق ارائه می‌شود. در ادامه نتایج پژوهش ارائه و با نتایج تحقیقات قبلی مقایسه می‌شود. سپس محدودیت‌های تحقیق ذکرشده و در نهایت پیشنهادهایی برای تحقیقات آتی ارائه خواهد شد.

فصل دوم
ادبیات و پیشینه‌ی پژوهش

1.2مقدمهپیش‌بینی جزء مهمی از فرآیند تصمیم‌گیری است، زیرا تصمیم‌گیری، آنچه در آینده رخ خواهد داد را منعکس می‌کند. در تصمیم‌گیری‌های اقتصادی، پیش‌بینی مالی فعالیت مهمی محسوب می‌شود. نیاز به پیش‌بینی جریان وجوه نقد در تصمیمات اقتصادی مختلف وجود دارد زیرا جریان‌های نقدی مبنایی برای پرداخت سود سهام، بهره، مالیات، بازپرداخت بدهی و ...هستند. اطلاعات مربوط به جریان‌های نقدی یک واحد تجاری برای استفاده‌کنندگان صورت‌های مالی در فراهم کردن مبنایی به منظور ارزیابی توان آن واحد در بکار گیری این وجوه سودمند است. با توجه به اهمیت بسزای جریان‌های نقدی، نیاز به پیش‌بینی جریان وجوه نقد در تصمیمات اقتصادی مختلف وجود دارد. این فصل، ضمن ارائه مطالبی در خصوص مفهوم، تاریخچه، انگیزهها، طبقه‌بندی و ابزارهای شناخته‌شده جریان نقد، به معرفی جریان نقد آتی و تأثیر اجزای تشکیل‌دهنده‌ی آن (اجزای اصلی و غیر اصلی) بر پیش‌بینی جریان نقد آتی که اخیراً مورد توجه محققان قرار گرفته است، می‌پردازد و با مروری بر پژوهشهای (خارجی و داخلی) صورت گرفته در زمینه جریان نقد و پیش‌بینی جریان نقد آتی پایان می‌یابد.
2.2مبانی نظری1.2.2.جریان نقد جریان نقد از منابع مهم و حیاتی در هر واحد انتفاعی است و ایجاد توازن بین وجوه نقد در دسترس و نیازهای نقدی مهم‌ترین عامل سلامت اقتصادی هر واحد انتفاعی است. وجه نقد از طریق عملیات عادی و سایر منابع تأمین مالی به واحد انتفاعی وارد می‌شود و برای اجرای عملیات، بازده سرمایه گذاریها وسود پرداختی بابت تأمین مالی، پرداخت مالیات، بازپرداخت بدهی‌ها، گسترش واحد انتفاعی، تصمیم‌گیری‌های مدیریت در مورد برنامه‌های کوتاه و بلندمدت عملیاتی و فعالیت های سرمایه‌گذاری و تأمین مالی مورد استفاده قرار می‌گیرد. تداوم فعالیت شرکت‌ها به عنوان یکی از مفروضات اساسی حسابداری، موضوعی است که عینیت بخشیدن به آن بدون در نظر گرفتن رخدادهای فعلی و نتایجی که در آینده برای آن متصور است، میسر نیست. در این راستا فرآیند پیش‌بینی، جزء مهمی از فرایند تصمیم‌گیری است زیرا آنچه که در آینده رخ خواهد داد را منعکس می‌کند. یکی از اهداف گزارشگری مالی کمک به سرمایه‌گذاران و اعتباردهندگان برای پیش‌بینی جریان‌های نقد آتی است. با توجه به اهمیت بسزای جریان‌های نقدی و نیاز به پیش‌بینی جریان وجوه نقد در تصمیمات اقتصادی مختلف، اهمیت این پیش‌بینی توسط بنیادهای استاندارد گذاری ملی و بین‌المللی حمایت‌شده و در این راستا محققین به طور مکرر از داده‌های حسابداری تعهدی و نقدی برای این پیش‌بینی استفاده نموده و نتایج متناقضی حاصل شده است؛ اما مطالعات گذشته صریحاً قدرت اجزای جریان نقدی بر پیش‌بینی جریان نقد آتی را مورد بررسی قرار نداده است؛ بنابراین با تجزیه اجزای جریان نقدی به اجزای اصلی و اجزای غیر اصلی و مقایسه و بررسی این اجزا در پیش‌بینی جریان نقد آتی، نقش هر یک را به طور جداگانه در پیش‌بینی جریان نقد آتی مورد بررسی قرار می‌دهیم؛ و به طور خاص به این موضوع خواهیم پرداخت که آیا اجزای جریانات نقدی (اجزای اصلی و اجزای غیر اصلی فعالیت‌های تجاری) در رابطه با جریانات نقد آتی اطلاعات متفاوتی ارائه می‌کنند یا خیر؟
تحلیل گران مالی بر اهمیت فراهم آوردن اطلاعات مربوط به اجزای جریانات نقدی (اجزای اصلی و غیر اصلی) تاکید می‌کنند و اینکه شفافیت و درستی و در دسترس بودن اطلاعات درباره جریان نقدی که از فعالیت‌های اصلی حاصل می‌شود؛ بخشی از اعتبار تجزیه و تحلیل خوب اطلاعات می‌باشد. برای داشتن تعریفی از اجزای جریانات نقدی همان‌گونه که سودهای اصلی را ناشی از فعالیت‌های اصلی شرکت می‌دانیم، تحقیق حاضر نیز، جریان‌های نقدی اصلی را ناشی از عملیات اصلی شرکت‌ها مانند، «فروش، بهای تمام‌شده کالای فروش رفته، هزینه‌های عملیاتی» تعریف می‌کند و جریان‌های نقدی غیر اصلی را «بهره، مالیات و خالص سایر تحقق یافتنی ها» می‌داند.
در مورد جریان وجوه نقد، مفاهیم اساسی شامل جریان نقدی حقوق صاحبان سهام و جریان نقدی آزاد وجود دارد. همچنین، جریان نقدی سرمایه‌ای نیز از واژه‌هایی است که مورد استفاده قرار می‌گیرد. همواره گفته می‌شود با بهبود جریان وجوه نقد، شرکت بهتر کار می‌کند و ثروت سهامداران آن افزایش می‌یابد. اغلب در متون مالی، تعریف زیر برای جریان نقدی حسابداری بیان می‌شود:
استهلاک+ سود خالص پس از کسر مالیات = جریان نقدی حسابداری
سه تعریف متفاوت دیگر از جریان وجوه نقد به این شرح ارائه می‌شود:
1- جریان نقدی حقوق صاحبان سهام: جریان نقدی است که پس از تأمین نیازهای سرمایه‌گذاری‌های انجام‌شده، نیازهای سرمایه در گردش، پرداخت هزینه‌های مالی، هزینه‌های کارکنان و ایجاد بدهی جدید، در شر‌کت باقی می‌ماند. جریان نقدی حقوق صاحبان سهام، جریان نقدی در دسترس سهامداران در داخل شرکت را نشان می‌دهد که برای تقسیم سود یا بازخرید سهام به کار می‌رود. جریان نقدی حقوق صاحبان سهام در هر دوره مالی به سادگی، تفاوت بین جریان وجوه نقد ورودی و جریان وجوه نقد خروجی در آن دوره را نشان می‌دهد.
جریان نقدی حقوق صاحبان سهام= جریان‌های وجوه نقد ورودی دوره- جریان‌های وجوه نقد خروجی دوره.
در زمان انجام پیش‌بینی‌ها، پیش‌بینی جریان نقدی حقوق صاحبان سهام در یک دوره باید با سود قابل تقسیم پیش‌بینی‌شده به علاوه بازخرید سهام در آن دوره، برابر باشد.
2- جریان نقدی آزاد: جریان نقدی حاصل از عملیات بعد ازکسر مالیات بدون احتساب بدهی ها و هزینه های بهره شرکت است؛ بنابراین، جریان نقدی آزاد، وجوه نقدی است که بعد از پوشش دادن نیاز های سرمایه گذاری و سرمایه در گردش و با فرض نبود بدهی، در دسترس شر‌کت قرار می‌گیرد. در شرکت‌های بدون بدهی یا فاقد اهرم مالی، جریان نقدی آزاد، همان جریان نقدی حقوق صاحبان سهام است. بعبارتی جریان نقدی آزاد، همان جریان نقدی حقوق صاحبان سهام است با فرض این‌که شرکت بدهی نداشته باشد. اغلب گفته می‌شود که جریان نقدی آزاد، وجوه نقد ایجادشده در شرکت برای تأمین وجوه مورد نیاز برای سهامداران و بستانکاران را نشان می‌دهد. این ادعا صحیح نیست، زیرا جریان نقدی سرمایه‌ای نشان می‌دهد که وجوه نقد ایجادشده به وسیله شرکت متعلق به سهامداران و بستانکاران است.
3- جریان نقدی سرمایه‌ای: جریان وجوه نقد در دسترس برای بستانکاران به علاوه جریان نقدی حقوق صاحبان سهام است. جریان نقدی بستانکاران شامل مجموع وجوه پرداخت‌شده برای بهره به علاوه بازپرداخت اصل وام (پس از کسر افزایش در اصل وام) است.
جریان نقدی بدهی + جریان نقدی حقوق صاحبان سهام= جریان نقدی سرمایه‌ای
1.1.2.2 نحوه محاسبه جریان‌های وجوه نقد
محاسبه جریان‌های وجوه نقد تعریف‌شده به این شرح صورت می‌گیرد:
1- جریان نقدی حقوق صاحبان سهام
جریان نقدی حقوق صاحبان سهام بر اساس مفهوم جریان وجوه نقد است و جریان وجوه نقد طی دوره، تفاوت بین جریان‌های داخلی و خارجی وجوه در آن دوره است. جریان نقدی حقوق صاحبان سهام به شرح جدول صفحه بعد محاسبه می‌شود.
جدول 2-1: محاسبه جریان‌های نقدی حقوق صاحبان سهامشرح مبلغ
سود خالص پس از مالیات اضافه (کسر) می‌گردد: xxx
استهلاک دارایی‌های مشهود و نامشهود xxx
افزایش در سرمایه در گردش (xxx)
پرداخت اصل بدهی‌های مالی (xxx)
افزایش در بدهی‌های مالی xxx
افزایش در سایر دارایی‌ها (xxx)
سرمایه‌گذاری ناخالص در دارایی‌های ثابت (xxx)
ارزش دفتری دارایی‌های ثابت فروخته‌شده و ‌کنار گذاشته‌شده xxx
جریان نقدی حقوق صاحبان سهام xxx
جریان نقدی حقوق صاحبان سهام، افزایش در وجه نقد طی دوره قبل از پرداخت سود سهام، بازخرید سهام و افزایش سرمایه است.
2- جریان نقدی آزاد
جریان نقدی آزاد برابر با جریان وجوه نقد شر‌کتی است که هیچ بدهی در سمت بدهی‌های ترازنامه خود نداشته باشد. محاسبه جریان نقدی آزاد، طبق محاسبات جدول صفحه بعد صورت می‌گیرد.
جدول 2-2: محاسبه جریان نقدی آزادشرح مبلغ
سود پس از ‌کسر مالیات اضافه (کسر) می‌گردد: xxx
استهلاک دارایی‌های مشهود و نامشهود xxx
افزایش در سرمایه در گردش (xxx)
افزایش در سایر دارایی‌ها (xxx)
سرمایه‌گذاری ناخالص در دارایی‌های ثابت (xxx)
بهره دریافت شده xxx
ارزش دفتری دارایی ثابت فروخته‌شده و ‌کنار گذاشته‌شده xxx
جریان نقدی آزاد xxx
با توجه به نحوه محاسبه جریان‌های وجوه نقد یادشده، اگر شرکت هیچ‌گونه بدهی نداشته باشد، جریان نقدی حقوق صاحبان سهام و جریان نقدی آزاد آن یکسان می‌شود.
3- جریان نقدی سرمایه‌ای
جریان نقدی سرمایه‌ای، جریان وجوه در دسترس برای همه بستانکاران و سهامداران است و شامل جریان نقدی حقوق صاحبان سهام و جریان نقدی بستانکاران است که برابر با بهره دریافت شده منهای افزایش در اصل بدهی‌ها است.
150013455803نمودار 2-1: رویکرد ارزشی شرکت در کاربرد جریان وجوه نقد تنزیل‌شدهنمودار 2-2: تفاوت بین جریان‌های وجوه نقد2376685080
2.1.2.2 رابطه بین سود خالص بعد از مالیات با جریان نقدی حقوق صاحبان سهام= جریان نقدی حقوق صاحبان سهام
سود خالص پس از کسر مالیات
+ استهلاک
- سرمایه‌گذاری ناخالص در دارایی‌های ثابت
- افزایش در سرمایه در گردش
- کاهش در بدهی‌های مالی
+ افزایش در بدهی‌های مالی
- افزایش در سایر دارایی‌ها
+ ارزش دفتری دارایی‌های ثابت فروخته‌شده
اگر در شر‌کتی که در حال رشد نیست(‌ در این حالت، مشتریان آن ثابت می‌مانند)، دارایی‌های ثابت با استهلاک یکسانی خریداری‌شده، بدهی‌ها ثابت نگاه داشته شده و فقط دارایی‌های کاملاً مستهلک‌ شده فروخته شوند، جریان وجوه نقد آن افزایش می‌یابد.
3.1.2.2 رابطه بین جریان نقدی حسابداری با جریان نقدی حقوق صاحبان سهام
اگر در شر‌کتی که در حال رشد نیست، بدهی‌ها ثابت نگه داشته شده و فقط دارایی‌های ثابت کاملا مستهلک شده فروخته شوند و دارایی های ثابت نیز خریداری نشود، جریان نقدی حسابداری آن برابر با جریان نقدی حقوق صاحبان سهام شرکت خواهد بود.
همچنین در مواردی که شرکت وجه نقد از مشتریان خود وصول و آن وجه نقد را به طلبکاران پرداخت می‌کند،( سرمایه در گردش شرکت صفر) و در آن دارایی‌های ثابت خریداری نمی‌شود، جریان نقدی حسابداری با جریان نقدی حقوق صاحبان سهام مساوی خواهد بود.
4.1.2.2 جریان‌های نقدی برگشتیگاهی اوقات، مردم درباره جریان نقدی حقوق صاحبان سهام برگشتی و جریان نقدی آزاد برگشتی صحبت می‌کنند. این جریان‌های نقدی نیز مشابه سایر روش‌های جریان‌های وجوه نقد محاسبه می‌شوند و فقط یک تفاوت وجود دارد. در این حالت، سود خالص، افزایش در سرمایه در گردش، افزایش در هزینه‌های استهلاک‌پذیر یا سرمایه‌گذاری ناخالص در دارایی‌های ثابت را شامل می‌شود و به عبارت دیگر، سرمایه‌گذاری در شرکت‌های تازه تأسیس را شامل نمی‌شود. (مجله حسابرس)
2.2.2 تکنیک های پیش‌بینی در طبقه‌بندی انواع روش‌های پیش‌بینی، به طور کلی این روش‌ها به دو دسته مدل های کیفی و مدل های کمی تقسیم می‌شوند. روش‌های کیفی شامل دلفی، مقایسات تکنولوژی مستقل زمانی، روش برآورد ذهنی، درخت مناسب، تحقیق مرفولوژیکی و... می‌باشد. روش‌های کمی، مدلهای کلی تک متغیره و یا چند متغیره را شامل می‌گردند. در مدل های تک متغیره، مواردی از قبیل روش‌های هموارسازی نمایی، باکس_جنکینز و تحلیل روند و در مدل های چند متغیره، روش‌هایی از قبیل رگرسیون چند گانه و تحلیل‌های اقتصادسنجی مورد توجه می‌باشند، ولی در روش‌های نوین، شبکه‌های عصبی مورد توجه قرارگرفته‌اند. (آذر و رجب زاده، 1382)
در تحقیقات اقتصادی، بیش‌ترین مدلهای پیش‌بینی مورد استفاده، روش‌های اقتصادسنجی، تحلیل‌های واریانس_ اتوکوواریانس و همبستگی و به طور کلی تحلیل‌های علّی بوده‌اند. در موضوعات مالی، روش‌های باکس_جنکینز و هموارسازی یا رگرسیون چند متغیره برای تحلیل‌های علّی در مسائلی مانند پیش‌بینی سود شرکت‌ها، قیمت سهام شرکت‌ها، پیش‌بینی اقلام ترازنامه و صورت جریان نقد و در موضوعات و مسائل بازرگانی، روش‌های کیفی (بیشتر روش دلفی) بیش‌ترین استفاده را داشته‌اند. شاید مهم‌ترین دلیل این نحوه کاربرد، مسبوق به سابقه بودن استفاده از این روش‌ها در این علوم مختلف است.
رویکردهای نوین مانند روش شبکه عصبی، در انواع مختلف مسائل پیش‌بینی و در علوم مختلف مالی، اقتصادی و بازرگانی مورد استفاده قرارگرفته‌اند و در تحقیقات مختلف به آن استناد شده است. تحقیقات متعددی در مقایسه بین روش‌های پیش‌بینی مطرح‌شده‌اند. خصوصاً در دهه اخیر، این مقایسات بین روش‌های شبکه عصبی و روش‌های اقتصادسنجی و یا باکس_جنکینز مطرح‌شده و انجام گرفته است. در نتایج بعضی از این تحقیقات، شبکه‌های عصبی خطاهای کمتری را نشان داده و در بعضی نتایج دیگر، روش‌های کلاسیک عنوان‌شده از جمله روش‌های باکس_ جنکینز یا اقتصادسنجی جواب‌های بهتری داده‌اند. معمولاً شبکه‌های عصبی در تحلیل سری‌های زمانی غیرخطی نتایج بهتری نسبت به سایر روش‌ها نشان می‌دهند.
3.2.2 مدل های پیش‌بینی کاربرد اصلی تجزیه و تحلیل سری‌های زمانی «پیش‌بینی» است. بدیهی است، چنانچه وابستگی خاصی بین داده‌ها در طول زمان وجود داشته باشد، فرصت مناسبی پیش می‌آید تا با کمک آن مشاهدات بتوان روند آینده پدیده‌ای را پیش‌بینی کرد. یکی از وظایف اصلی مدیران، تصمیم‌گیری و سیاست‌گذاری برای آینده سازمان خویش است. پس تجزیه و تحلیل سری‌های زمانی و پیش‌بینی پدیده‌ها می‌تواند ابزار مناسبی برای تصمیم‌گیری مدیران باشد.
1.3.2.2 مدل میانگین متحرک
عناصر تصادفی در برخی از سری‌های زمانی ممکن است آن قدر قوی باشد که هر گونه نظمی را در سری زمانی از بین ببرند؛ بنابراین هر گونه تفسیر و تحلیل ذهنی و بصری در خصوص نمودار سری زمانی با مشکل رو به رو می‌شود. در چنین شرایطی، نمودار واقعی سری زمانی بسیار و ممکن است در عمل مجبور باشیم برای رسیدن به تصویر واضح از سری زمانی آن را «هموار» کنیم.
یکی از روش‌های هموارسازی «میانگین متحرک» است. اساس این روش در این ایده نهفته است که هر تغییر تصادفی بزرگ در هر لحظه از زمان اگر با نقاط هم‌جوارش میانگین گرفته شود، تأثیر ناچیزی از خود به جا خواهد گذاشت. ساده‌ترین فن از این نوع «میانگین متحرک ساده مرکزی (1m+2) نقطه» نامیده می‌شود. در این روش، نظر بر این است که هر مشاهده واقعی (Xt)  با میانگین خودش و m نقطه هم‌جوارش جایگزین شود.
5143534290
2.3.2.2 مدل نمو هموار ساده در بسیاری از موارد از مدل «نمو هموار ساده» برای پیش‌بینی مقادیر آینده سری زمانی استفاده می‌شود. این روش، یکی  از ساده‌ترین روش‌های پیش‌بینی است که مبنایی برای دیگر مدل های پیش‌بینی به حساب می‌آید. روش نمو هموار، برای آن دسته از سری‌های زمانی مفید است که تغییرات فصلی و دوره‌ای در آن مورد نظر نباشد. در این روش پیش‌بینی داده‌های دوره بعد عبارت است از:
هر قدر آلفا یا ضریب نمو هموار به صفر نزدیک شود نمایانگر بی‌ارزش بودن داده‌های اخیر است و هر قدر یا ضریب نمو هموار به «۱» نزدیک شود، نشان می‌دهد که داده‌های اخیر باارزش‌تر می‌باشند.
3238564135
3.3.2.2 مدل نمو هموار دوبل این روش متشکل از نمو هموار ساده با شاخص روند تعدیل شده است که نحوه محاسبه آن به شرح زیر است:
-381010160

4.2.2مفهوم و اهمیت جریان نقد
مفهوم معمولی اصطلاح وجوه با مفهوم خاصی که در حسابداری از آن استنباط می‌شود تفاوت دارد. در اصطلاح عادی وجوه جمع کلمه وجه به معنی پول نقد است. درحالی‌که در حسابداری اصطلاح وجوه معنی وسیع تری داشته و شامل هر نوع پول نقد یا معادل آن است که به مؤسسه وارد یا از آن خارج می‌شود. با این دیدگاه وجوه نقد از منابع بسیار مهم و حیاتی در مؤسسه تجاری بشمار می‌آید و ایجاد توازن مابین وجوه نقد در دسترس و نیازهای نقدی، مهم‌ترین عامل سلامت اقتصادی هر مؤسسه است وجه نقد از طریق عملیات عادی و سایر منابع تأمین مالی وارد مؤسسه می‌شود؛ و برای اجرای عملیات، بازده سرمایه گذاریها و سود پرداختی بابت تأمین مالی، پرداخت مالیات، فعالیت های سرمایه گذاری، فعالیت های تأمین مالی، بازپرداخت بدهی و گسترش واحد انتفاعی به مصرف می‌رسد. (خدامی پور و پوراحمد، 1389)
قابلیت دسترسی هر مؤسسه تجاری به وجه نقد، مبنای بسیاری از تصمیم‌گیری‌ها و قضاوت‌ها درباره آن مؤسسه است. به بیان دیگر، اطلاعات مربوط به جریان ورود و خروج وجه نقد در یک مؤسسه تجاری، مبنای بسیاری از تصمیم‌گیری‌ها و مبنای بسیاری از قضاوت‌های سرمایه‌گذاران، اعتباردهندگان و برخی دیگر از گروه‌های استفاده‌کننده از اطلاعات مالی را تشکیل می‌دهد. از سوی دیگر، سطح وجوه نقد باید به میزانی باشد که بتوان آن را با کارایی زیاد در مؤسسه به گردش آورد. چرا که وجوه نقد زیاد یا کم، هر دو به مفهوم عدم کارایی است. کمبود وجه به معنای آن است که کاری انجام نخواهد شد و وجوه زیاد نیز به معنای ضایعات است. در همین راستا چگونگی بهینه‌سازی موجودی نقد و کارا نمودن گردش وجوه نقد موضوعاتی است که در بحث مدیریت وجوه نقد و یا مدیریت نقدینگی به آن پرداخته می‌شود.
اگر یک شرکت بخواهد در عرصه تجارت باقی بماند، خالص جریان‌های نقدی حاصل از فعالیت‌های عملیاتی آن در بلندمدت باید مثبت باشد. شرکتی که جریان‌های نقدی ناشی از عملیاتش منفی باشد، قادر نخواهد بود همواره از سایر منابع، وجه نقد لازم را تأمین کند. در حقیقت، توان شرکت در تأمین وجه نقد از طریق فعالیت‌های سرمایه‌گذاری یا مالی تا حد زیادی به توانایی آن در تأمین وجه نقد از محل عملیات عادی شرکت بستگی دارد. اعتباردهندگان و سهامداران حاضر نیستند در شرکتی سرمایه‌گذاری کنند که از فعالیت‌های عملیاتی آن وجه نقد کافی فراهم نمی‌شود و در مورد پرداخت سود سهام، بهره ،مالیات و بدهی‌هایش در سررسید اطمینان وجود ندارد (خدامی پور و پوراحمد، 1389).
یکی از گزارش‌های مالی که در اختیار سرمایه‌گذاران قرار می‌گیرد، صورت جریان نقدی است. صورت جریان نقدی ابزار انتقال اطلاعات برای ارزیابی توان بازپرداخت بدهی، نقدینگی و انعطاف‌پذیری مالی است. وجه نقد از منابع مهم و حیاتی در هر واحد سودآوری است و ایجاد توازن وجوه نقد در دسترس و نیازهای نقدی، مهم‌ترین عامل سلامت اقتصادی هر واحد سودآور است. وجه نقد از طریق عملیات عادی و سایر منابع تأمین مالی، به واحد سودآور وارد می‌شود و برای اجرای عملیات، بازده سرمایه گذاریها و سود پرداختی بابت تأمین مالی، پرداخت مالیات، فعالیتهای سرمایه گذاری، فعالیتهای تأمین مالی، بازپرداخت بدهی‌ها و گسترش واحد سودآور به مصرف می‌رسد. روند ورود و خروج وجه نقد در هر واحد سودآور بازتاب تصمیم‌گیری‌های مدیریت در مورد برنامه‌های کوتاه و بلندمدت عملیاتی و طرح‌های سرمایه‌گذاری و تأمین مالی است (دستگیر و خدابنده، 1382). در صورت جریان وجوه نقد معمولاً وجوه نقد حاصل از فعالیت‌های عملیاتی بیانگر توانایی شرکت برای ایجاد جریان‌های نقدی است. با وجود این بسیاری از تحلیلگران مالی معتقدند وجوه نقد حاصل از فعالیت‌های عملیاتی وجوهی است که نه تنها باید در دارایی‌های ثابت جدیدی سرمایه‌گذاری شده تا شرکت بتواند سطح جاری فعالیت‌های خود را حفظ نماید بلکه بخشی از این وجوه نیز باید به منظور رضایت سهامداران تحت عنوان سود سهام و یا بازخرید آن بین آن‌ها توزیع شود. لذا وجوه نقد حاصل از فعالیت‌های عملیاتی به تنهایی نمی‌تواند به عنوان توانایی واحد تجاری برای ایجاد جریان‌های نقدی تلقی گردد.
شرکتی که دارای جریان وجه نقد بالایی باشد از مطلوبیت و محبوبیت بیشتری نزد سرمایه‌گذاران و بستانکاران برخوردار است. این مطلوبیت زمانی قابل‌قبول است که شرکت مرحله رشد را گذرانده باشد. در مقابل برخی از شرکت‌ها ممکن است با جریان وجه نقد منفی مواجه شوند، جریان وجه نقد منفی همیشه بد و نامطلوب نیست بلکه علل منفی شدن آن مهم بوده و بایستی مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرد. اگر بدان سبب منفی شده که سود خالص عملیاتی پس از کسر مالیات منفی باشد بی‌شک این نوع منفی شدن پیامد بدی را مخاطره می‌کند، زیرا که شرکت احتمالاً با مسائل و مشکلات عملیاتی روبرو شده است؛ اما چنانچه منفی شدن جریان وجه نقد ناشی از سرمایه‌گذاری وجوه در فرصت‌های سودآور موجود و به‌کارگیری منابع زیاد در اقلام سرمایه عملیاتی برای ادامه و تحقق رشد باشد، این نوع منفی شدن هیچ عیبی ندارد، مقطعی است و به دوره‌های کوتاه مدت زمان سرمایه‌گذاری مربوط می‌شود. مطلوبیت و سودآوری سرمایه‌گذاری در چنین فرصت‌هایی در بلندمدت ظاهر می‌شود و در درازمدت به مثبت شدن جریان وجه نقد منجر می‌گردد (رضوانی راز و همکاران، 1388).
5.2.2جریان‌های نقد آزاد و مدیریت سود بالا بودن میزان جریان نقدی آزاد برخلاف اهرم مالی، یک عامل مشوق در انجام رفتارهای فرصت‌طلبانه مدیران است. جنسن (1986) بیان می‌کند که وجود جریان نقدی آزاد بر میزان رفتارهای فرصت‌طلبانه مدیران تأثیر زیادی دارد. در شرایطی که یک شرکت دارای میزان زیادی از جریان نقدی آزاد است مدیر می‌تواند وجوه مازاد را در فرصت‌های مختلفی سرمایه‌گذاری کند. با توجه به محدود بودن فرصت‌های سرمایه‌گذاری مطمئن و پربازده، احتمالاً مدیران به سرمایه‌گذاری‌هایی دست خواهند زد که دارای بازدهای کمتر از نرخ هزینه سرمایه شرکت است و یا بسیار پرخطر هستند. به هزینه‌هایی که در این شرایط به سهامداران تحمیل می‌گردد در اصطلاح «هزینه‌های نمایندگی ناشی از جریان نقدی آزاد» اطلاق می‌گردد. هنگامی که شرکت با میزان زیادی از جریان نقدی آزاد مواجه باشد، میزان رفتارهای فرصت‌طلبانۀ مدیران نیز افزایش پیدا می‌کند. با افزایش اهرم مالی، به تدریج میزان این جریانات نقدی و در نتیجه میزان اختیارات مدیران در چگونگی مصرف وجوه نقد شرکت کاهش می‌یابد. با توجه به مطالب ذکرشده در قسمت‌های قبل، این موضوع می‌تواند به کاهش مدیریت سود منجر گردد. اگر شرکت‌هایی که درگیر افزایش اهرم مالی هستند دارای جریان نقدی آزاد محدودی باشند، در این صورت مدیران تلاش خواهند نمود وجوه نقد باقی‌مانده پس از بازپرداخت اصل و بهره بدهی‌ها را در سرمایه‌گذاری‌های مطمئن به منظور ارزش آفرینی برای سهامداران مصرف کنند و از سرمایه‌گذاری‌های پرخطر پرهیز خواهند نمود.
6.2.2مزایای صورت جریان‌های نقداطلاعات‌ ارائه‌ شده‌ در صورت‌ جریان‌ وجوه نقد در مقایسه‌ با صورتهای‌ جریان‌ وجوه‌ مبتنی‌ بر تغییر در سرمایه‌ در گردش‌ دارای‌ مزایای‌ زیر است‌:
الف.‌صورتهای‌ جریان‌ وجوه‌ مبتنی‌ بر تغییر در سرمایه‌ در گردش‌، ممکن‌ است‌ تغییرات‌ مرتبط‌ با نقدینگی‌ و تداوم‌ فعالیت‌ را پنهان‌ کند. برای‌ مثال‌، کاهش‌ قابل‌ ملاحظه‌ در وجه نقد موجود ممکن‌ است‌ به‌ خاطر افزایش‌ در موجودی‌ مواد و کالا یا بدهکاران‌ پنهان‌ بماند. بدین‌ ترتیب‌، واحدهای‌ تجاری‌ ممکن‌ است‌ علی‌رغم‌ گزارش‌ افزایش‌ در سرمایه‌ در گردش‌، دچار مشکل‌ نقدینگی‌ شوند. به‌گونه‌ای‌ مشابه‌، کاهش‌ در سرمایه‌ در گردش‌ لزوماً بیانگر کمبود نقدینگی‌ و خطر توقف‌ فعالیت‌ واحد تجاری‌ نیست‌.
ب‌.کنترل‌ وجوه نقد، یک‌ ویژگی‌ معمول‌ فعالیت‌ تجاری‌ است‌ و یک‌ تکنیک‌ تخصصی‌ حسابداری‌ به‌ شمار نمی‌رود. بدین‌ لحاظ‌ جریان‌ وجوه نقد مفهومی‌ است‌ که‌ در مقایسه‌ با تغییرات‌ در سرمایه‌ در گردش‌ از درک‌ و پذیرش‌ بیشتری‌ برخوردار است‌.
ج.در مدلهای‌ ارزیابی‌ واحدهای‌ تجاری‌، وجه نقد به عنوان‌ یک‌ داده‌ مستقیم‌ کاربرد دارد و لذا جریانهای‌ تاریخی‌ وجه نقد می‌تواند در این‌ گونه‌ موارد که‌ اطلاعات‌ مربوط‌ به‌ جریان‌ وجوه‌ مبتنی‌ بر تغییر در سرمایه‌ درگردش‌ فاقد کاربرد است‌، مورد استفاده‌ قرار گیرد.
د‌.صورتهای‌ جریان‌ وجوه‌ مبتنی‌ بر تغییر در سرمایه‌ در گردش‌ عمدتاً متکی‌ به‌ تفاوت‌ اقلام‌ دو ترازنامه‌ واحد تجاری‌ است‌ و درنتیجه‌ حاوی‌ اطلاعات‌ جدیدی‌ نیست‌ و تنها اطلاعات‌ موجود را با آرایش‌ متفاوتی‌ ارائه‌ می‌کند. صورت‌ جریان‌ وجوه نقد و یادداشتهای‌ توضیحی‌ مربوط‌ متضمن‌ اطلاعاتی‌ است‌ که‌ در صورتهای‌ جریان‌ وجوه‌ مبتنی‌ بر تغییرات‌ در سرمایه‌ در گردش‌ افشا نمی‌شود.(استانداردهای حسابداری)

7.2.2ماهیت صورت‌های جریان نقد صورت جریان‌های نقدی منبع تهیه اطلاعات، در ارتباط با تغییرات وجه نقد در طی دوره می‌باشد که می‌تواند برای ارزیابی نقدینگی شرکت، قابلیت انعطاف‌پذیری مالی و توانایی عملیاتی و ریسک شرکت مفید واقع شود.
معادل وجه نقد عبارت است از سرمایه‌گذاری‌های کوتاه مدت، یعنی سرمایه‌گذاری‌هایی با نقدینگی بالا که دارای ویژگی‌های زیر باشند:
الف) به سرعت و سهولت به مبالغی مشخص از وجه نقد قابل تبدیل باشد.
ب) تاریخ تبدیل آن به وجه نقد، آن قدر نزدیک باشد که احتمال تغییر در ارزش آن بعید به نظر برسد.
صورت‌ جریان‌ وجوه نقد باید منعکس‌ کننده‌ جریانهای‌ نقدی‌ طی‌ دوره‌ تحت‌ سرفصلهای‌ اصلی‌ زیر باشد:
ـفعالیتهای‌ عملیاتی‌،
ـبازده‌ سرمایه‌گذاریها و سود پرداختی‌ بابت‌ تأمین‌ مالی‌،
ـمالیات‌ بر درآمد،
ـفعالیتهای‌ سرمایه‌گذاری‌، و
- فعالیتهای‌ تأمین‌ مالی‌
در ارائـه‌ جریانهای‌ نقدی‌، رعایت‌ ترتیب‌ سرفصلها به‌ شرح‌ بالا و نیز ارائـه‌ جمع‌ جریانهای‌ نقدی‌ منعکس‌ شده‌ در هر سرفصل‌ و جمع‌ کل‌ جریانهای‌ نقدی‌ قبل‌ از سرفصل‌ فعالیتهای‌ تأمین‌ مالی‌ ضرورت‌ دارد.
صورت‌ جریان‌ وجوه نقد همچنین‌ باید شامل‌ صورت‌ تطبیق‌ مانده‌ اول‌ دوره‌ و پایان‌ دوره‌ وجه نقد باشد. صورت‌ تطبیق‌ مزبور باید هرگونه‌ تفاوتهای‌ ارزی‌ ناشی از مانده‌های‌ وجه نقد ارزی‌که‌ به‌ سود و زیان‌ منظور شده‌ است‌ منجمله‌ تفاوتهای‌ ارزی‌ ناشی از تسعیر جریانهای‌ نقدی‌ واحدهای‌ تجاری‌ فرعی‌ خارجی‌ به‌ نرخهایی‌ غیر از نرخ‌ تاریخ‌ ترازنامه‌ و سایر گردشهای‌ مربوط‌ را نشان‌ دهد
فعالیت‌های عملیاتی: فعالیتهای‌ عملیاتی‌ عبارت‌ از فعالیتهای‌ اصلی‌ مولد درآمد عملیاتی‌ واحد تجاری‌ است‌. فعالیتهای‌ مزبور متضمن‌ تولید و فروش‌ کالا و ارائـه‌ خدمات‌ است‌ و هزینه‌ها و درآمدهای‌ مرتبط‌ با آن‌ در تعیین‌ سود یا زیان‌ عملیاتی‌ درصورت‌ سود و زیان‌ منظور می‌شود. جریانهای‌ نقدی‌ ناشی از فعالیتهای‌ عملیاتی‌ اساساً دربرگیرنده‌ جریانهای‌ ورودی‌ و خروجی‌ نقدی‌ مرتبط‌ با فعالیتهای‌ مزبور است‌
بازده‌ سرمایه‌گذاریها و سود پرداختی‌ بابت‌ تأمین‌ مالی‌: بازده‌ سرمایه‌گذاریها و سود پرداختی‌ بابت‌ تأمین‌ مالی‌ دربرگیرنده‌ دریافتهای‌ حاصل از مالکیت‌ سرمایه‌گذاریها و سود دریافتی‌ از بابت‌ سپرده‌های‌ سرمایه‌گذاری‌ بلندمدت‌ و کوتاه‌مدت‌ بانکی‌ و نیز پرداختهای‌ انجام‌ شده‌ به‌ تأمین‌ کنندگان‌ منابع‌ مالی‌ است‌
مالیات‌ بر درآمد: به موجب‌ این‌ استاندارد، مجموع‌ جریانهای‌ نقدی‌ مرتبط‌ با مالیات‌ بر درآمد تحت‌ سرفصل‌ جداگانه‌ای‌ درصورت‌ جریان‌ وجوه نقد انعکاس‌ می‌یابد
فعالیتهای‌ سرمایه‌گذاری:‌ جریانهای‌ نقدی‌ منظور شده‌ تحت‌ سرفصل‌ ” فعالیتهای‌ سرمایه‌گذاری‌“ مشتمل‌بر جریانهای‌ مرتبط‌ با تحصیل‌ و فروش‌ سرمایه‌گذاریهای‌ کوتاه‌مدت‌، سرمایه‌گذاریهای‌ بلندمدت‌ و داراییهای‌ ثابت‌ مشهود و داراییهای‌ نامشهود و نیز پرداخت‌ و وصول‌ تسهیلات‌ اعطایی‌ به‌ اشخاص‌ مستقل‌ از واحد تجاری‌ بجز کارکنان‌ می‌باشد
فعالیتهای‌ تأمین‌ مالی‌: جریانهای‌ نقدی‌ ناشی از فعالیتهای‌ تأمین‌ مالی‌ شامل‌ دریافتهای‌ نقدی‌ از تأمین‌ کنندگان‌ منابع‌ مالی‌ خارج‌ از واحد تجاری‌ (شامل‌ صاحبان‌ سرمایه‌) و بازپرداخت‌ اصل‌ آن‌ است‌.(استاندارد های حسابداری)
1.7.2.2 تجزیه و تحلیل صورت‌های مالی یکی از اهداف حسابداری تفسیر اطلاعات مالی و یا در واقع استفاده از صورت‌های مالی به منظور تصمیم‌گیری اشخاص و مراجع مختلف ازجمله سرمایه‌گذاران، بانک‌ها، بستانکاران و سایر علاقه‌مندان است. ضرورت تفسیر صورت‌های مالی به نحوی که نیاز استفاده‌کنندگان مختلف از صورت‌های مالی را برطرف می‌کند منجر به پیدایش و توسعه روش‌ها و فنونی شد که روابط بین ارقام مندرج در صورت‌های مالی را تعیین و امکان مقایسه، تفسیر و توجیه آن‌ها را فراهم کرده است. مجموعه این روش‌ها و فنون که در جریان پیشرفت حسابداری در پاسخ به نیازهای فزاینده اطلاعات مالی ابداع و توسعه یافته است، تجزیه و تحلیل صورت‌های مالی نامیده می‌شود.
لی پولد معتقد است که استفاده‌کنندگان صورت‌های مالی جهت دستیابی به اهداف زیر اقدام به تجزیه و تحلیل صورت‌های مالی می‌نمایند.
الف) صاحبان اوراق بهادار جهت ارزیابی ریسک و بازده اوراق بهادار، به پیش‌بینی قدرت مالی برآورد سودهای آینده علاقه‌مند هستند
ب) بستانکاران به شناسایی خطرات ذاتی موجود در بدهی‌ها و پیش‌بینی‌ جریان وجوه آینده اقدام می‌کنند.
ج) صاحبان سرمایه جهت تصمیم‌گیری در مورد نگهداری، فروش و یا خرید سهام شرکت به تجزیه تحلیل صورت‌های مالی متوسل می‌شوند.
2.7.2.2 ابزارهای اصلی تجزیه و تحلیل صورت‌های مالی عمده‌ترین روش‌های تجزیه و تحلیل صورت‌های مالی به شرح زیر طبقه‌بندی می‌شود:
الف) مقایسه و اندازه‌گیری‌های مربوط به اطلاعات مالی برای دو دوره یا بیشتر (تجزیه و تحلیل افقی یا روند)
ب) مقایسه و اندازه‌گیری مربوط به داده‌های مالی دوره جاری (تجزیه و تحلیل عمودی یا درونی)
ج) بررسی با اهداف خاص
د) خطر سنجی
ت) تجزیه و تحلیل سرمایه در گردش

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

3.7.2.2 نسبت‌های مالی نسبت‌های مالی متداول‌ترین ابزار تجزیه و تحلیل صورت‌های مالی می‌باشند که مورد استفاده تحلیلگران مالی جهت ارزیابی نقاط قوت و ضعف شرکت‌ها قرار می‌گیرند.
جهت به‌کارگیری نسبت‌های مالی می‌توان مقایسه‌های زیر را انجام داد:
1-مقایسه نسبت‌های مالی دوره جاری با نسبت‌های دوره قبل (روند)
2-مقایسه نسبت‌های مالی دوره جاری و دوره‌های قبل با نسبت‌های متوسط صنعت
3-مقایسه نسبت‌های موجود در صورت‌های مالی یک شرکت با یکدیگر (تجزیه و تحلیل درونی)
4-مقایسه نسبت‌های مالی دوره جاری با نسبت‌های بودجه‌ای
نسبت‌های مالی موجود در صورت‌های مالی اساسی، تحت این دو طبقه مورد بررسی قرار می‌گیرد:
صورت‌های مالی سنتی (ترازنامه و سود و زیان) و صورت جریان‌های نقدی
تعریف و بررسی نسبت‌های مالی مبتنی بر صورت‌های مالی سنتی:
نسبت‌های مالی به آن دسته از نسبت‌هایی اطلاق می‌شود که با استفاده از اطلاعات و ارقام موجود در ترازنامه و صورت سود و زیان محاسبه می‌گردد. گروه‌های مختلف استفاده‌کنندگان از این صورت‌ها معمولاً این نسبت‌ها را در چهار گروه اصلی زیر بکار می‌گیرند:
1.3.7.2.2نسبت‌های نقدینگی این گروه از نسبت‌ها شامل نسبت جاری و نسبت آنی می‌باشد و توانایی واحد تجاری را در بازپرداخت بدهی‌های کوتاه مدت ارزیابی می‌نماید.
2.3.7.2.2نسبت‌های فعالیت نسبت‌های فعالیت، کارایی مدیران را در استفاده بهینه از دارایی‌ها (منابع مالی در اختیار) نشان می‌دهد. نسبت گردش موجودی‌ها، نسبت گردش دارایی‌ها و دوره وصول مطالبات نمونه‌ای از نسبت‌های فعالیت‌ می‌باشند.
3.3.7.2.2نسبت‌های اهرمی این نسبت‌ها به دو گروه تقسیم می‌شوند. گروه اول به بخش بدهی‌ها و حقوق صاحبان سهام (مندرج در ترازنامه) مربوط است و مبالغی را که شرکت از طریق وام گرفتن تأمین می‌کند محاسبه می‌نماید که نمونه‌های آن عبارت‌اند از: نسبت بدهی‌های بلندمدت به حقوق صاحبان سهام و نسبت کل بدهی‌ها به کل دارایی‌ها. گروه دوم توان شرکت را در ایجاد سود کافی برای پرداخت‌های شرکت نشان می‌دهد، مانند توان پرداخت بهره.
4.3.7.2.2نسبت‌های سودآوری هدف به‌کارگیری نسبت‌های سودآوری تعیین میزان موفقیت واحد تجاری در کسب سود است. با استفاده از این نسبت‌ها، به بازده سهام شرکت از دیدگاه‌های متفاوت ذیل توجه می‌شود:
سود هر سهم
بازده حاصل از یک ریال فروش
بازده هر ریال از دارایی‌ها (سرمایه‌گذاری‌ها)
بازده حقوق صاحبان سهام
8.2.2 ارتباط میان نسبت‌ها و پیش‌بینی جریان نقد آتی تحلیلگران به منظور پیش‌بینی متغیرهای مالی و همچنین ارزیابی عملکرد نسبی واحدهای تجاری از نسبت‌های مالی استفاده می‌کنند. آن‌ها برای پیش‌بینی ورشکستگی، احتمال بازپرداخت نشدن وام در سررسید و همچنین ارزش سهام، نسبت‌های مالی را به دو دسته نقدینگی و سودآوری تقسیم می‌کنند. بمنظور ارزیابی، درآمد های غیر مترقبه حذف وعملکرد واقعی انعکاس می یابد. در چنین ارزیابی‌هایی، عملکرد سایر شرکت‌ها می‌تواند اطلاعاتی در باب عملکرد یک شرکت مشخص را فراهم کند. اگرچه مطالعات انجام‌شده در مورد جریان‌های نقدی نتایج کاملاً متفاوتی را در بر داشته، لیکن بسیاری از این تحقیقات، باارزش بودن اطلاعات جریان‌های نقدی را تأیید کرده است. نتایج این مطالعات به ویژه در پیش‌بینی ورشکستگی و نابسامانی واحدهای تجاری کاملاً صحیح بوده است.
1.8.2.2 معرفی نسبت‌ها این مطالعه نقطه آغازی در شناسایی و بسط تعدادی از نسبت‌های جریان‌های نقدی و استانداردهای مربوط به این نسبت‌ها است. صورت جریان‌های نقدی، فعل‌وانفعالات نقدی یک واحد تجاری را در پنج بخش فعالیت های عملیاتی، بازده سرمایه گذاریها و سود پرداختی بابت تأمین مالی، مالیات بر درآمد، فعالیت های سرمایه گذاری و سود پرداختی بابت تأمین مالی ارائه می‌کند. بخش مربوط به جریان‌های نقدی ناشی از فعالیت‌های عملیاتی، آثار نقدی معاملات و سایر رویدادهای مرتبط در تعیین سود خالص را به طور خلاصه ارائه می‌کند. فعالیت‌های عملیاتی شامل عملیات اصلی یک واحد تجاری، یعنی تولید و عرضه کالا و خدمات است. این‌گونه فعالیت‌ها دارای بیش‌ترین اهمیت در واحدهای تجاری است و همچنین اولین متغیر مورد توجه در این مطالعه است. این نسبت‌ها به منظور توصیف کیفیت استفاده و به دو دسته کفایت و کارایی تقسیم شده است.
1.1.8.2.2 نسبت‌های کفایت نسبت کفایت جریان‌های‌ نقدی، توانایی یک شرکت در تحصیل وجه‌ نقد کافی برای پرداخت بدهی‌ها، سرمایه‌گذاری‌ مجدد در عملیات و پرداخت سود به صاحبان‌ آن را به‌ طور مستقیم اندازه‌گیری می‌کند. دستیابی به عدد 1 برای این نسبت در طول‌ دوره‌ای چندساله بیانگر توانایی رضایت‌بخش‌ در تأمین نیازهای نقدی اولیه آن است. نسبت‌های پرداخت بدهی‌های بلندمدت، پرداخت‌ سود سهام و سرمایه‌گذاری مجدد، اطلاعات‌ اضافی را در خصوص اهمیت هر یک از اجزای‌ فوق فراهم می‌کند. هنگامی‌که این سه نسبت به‌ درصد تبدیل‌شده و با یکدیگر جمع جبری‌ شوند، درصد وجه نقد ناشی از عملیات را که‌ برای مصارف احتیاطی در دسترس است، نشان خواهند داد. اگرچه یک شرکت می‌تواند از جریان‌های‌ نقدی ناشی از عملیاتی، بازده سرمایه گذاریها، فعالیت‌های سرمایه‌گذاری و تأمین مالی نیز در بازپرداخت بدهی‌ها استفاده‌ کند، امّا جریان‌های نقدی ناشی از فعالیت‌های‌ عملیاتی منبع اصلی تأمین وجه نقد در درازمدت است. نسبت پوشش بدهی‌ها بیانگر دوره بازپرداخت آن‌هاست. این نسبت برآورد می‌کند با توجه به میزان فعلی وجه نقد ناشی‌ از عملیات، چند سال طول خواهد کشید تا همه‌ بدهی‌ها بازپرداخت شود.
نسبت تأثیر استهلاک دارایی‌ها نشان‌دهنده‌ درصد وجه نقد ناشی از فعالیت‌های عملیاتی در نتیجه برگرداندن استهلاک دارایی‌ها است. مقایسه این نسبت با نسبت سرمایه‌گذاری‌ مجدد این امکان را به دست می‌دهد که بتوان‌ کفایت سرمایه‌گذاری مجدد و هزینه‌های‌ نگهداری دارایی‌های یک شرکت را مورد ارزیابی‌ قرارداد. در طول چند سال، نسبت سرمایه‌گذاری‌ مجدد باید بیش از نسبت تأثیر استهلاک‌ دارایی‌ها باشد تا بتوان اطمینان حاصل کرد که‌ جایگزینی دارایی‌ها به اندازه کافی و به میزانی‌ بیش از ارزش جاری آن‌ها انجام پذیرفته است. از این نسبت می‌توان برای ارزیابی کارایی‌ استفاده کرد. یک شرکت هنگامی می‌تواند کاراتر باشد که استهلاک دارایی‌های آن به طور نسبی تأثیر کمتری بر وجه نقد ناشی از عملیات آن داشته باشد.
2.1.8.2.2 نسبت‌های کارایی سرمایه‌گذاران، بستانکاران و دیگرانی که جریان‌های نقدی یک‌ شرکت را بررسی می‌کنند، به صورت حساب‌ سود و زیان و اندازه‌گیری‌های مربوط به سود نیز توجه دارند. نسبت جریان‌های نقدی به‌ فروش، درصد مبلغ فروش تحقق‌یافته‌ به عنوان وجه نقد ناشی از فعالیت‌های عملیاتی‌ را نشان می‌دهد. در طول زمان، این نسبت باید بازده فروش شرکت را برآورد کند. نسبت‌ شاخص عملیات وجه نقد ناشی از فعالیت‌های‌ عملیاتی را با سود حاصل از عملیات مستمر مقایسه می‌کند. این نسبت همچنین قابلیت‌ تحصیل وجه نقد از طریق عملیات مستمر را اندازه‌گیری می‌کند. نسبت بازده جریان‌های‌ نقدی به دارایی‌ها مبنایی برای اندازه‌گیری‌ بازده دارایی‌های به کار گرفته‌شده به منظور مقایسه شرکت‌ها از لحاظ تحصیل وجه نقد (به جای تحصیل سود) از دارایی‌های آن‌ها نسبت‌ به یکدیگر است.
نسبت‌های کفایت و کارایی نمونه‌ای از اطلاعات به دست آمده از صورت جریان‌های‌ نقدی است که در دسترس استفاده‌کنندگان از صورت‌های مالی قرار می‌گیرد. لازم است به این‌ نکته توجه شود که همانند تمامی تجزیه و تحلیل‌ها، نسبت‌های مربوط به یک واحد تجاری‌ در طی یک دوره مالی، اطلاعات محدودی را ارائه می‌کند. نسبت‌های مالی هنگامی سودمندتر خواهند بود که به منظور تعیین میانگین و روند تغییرات، اقدام به محاسبه نسبت‌ها برای‌ یک دوره چندساله شود و سپس نتایج‌ به دست آمده با میانگین صنعت مربوط مقایسه گردد.
9.2.2نسبت‌های مالی مبتنی بر صورت جریان‌های نقدیبه نظر می‌رسد اطلاعات صورت جریان‌های نقدی علیرغم سودمند بودن، کمتر مورد استفاده قرارمی گیرد شاید دلیل این امر جدید بودن تهیه و ارائه صورت جریان‌های وجوه نقد توسط شرکت‌ها و در نتیجه عدم آشنایی کافی استفاده‌کنندگان در به‌کارگیری نسبت‌های این صورت می‌باشد، نظریه تمرکز نیز موید همین مطلب است، یعنی استفاده‌کنندگان همه اطلاعات در دسترس را به اندازه کافی تجزیه و تحلیل نمی‌کنند. لذا اطلاعات موجود در نسبت‌های صورت جریان‌های نقدی را کمتر بکار می‌گیرند. نسبت‌های مالی مبتنی بر صورت جریان‌های نقدی نیز همانند نسبت‌های مالی مبتنی بر صورت‌های مالی سنتی به چهار گروه اصلی طبقه‌بندی می‌شوند:
الف) نسبت‌های ارزیابی توانایی پرداخت بدهی
ب) نسبت‌های کیفیت سود
ج) نسبت‌های مخارج سرمایه‌ای
د) نسبت‌های بازده جریان‌های نقدی
الف) نسبت‌های توانایی پرداخت و ایجاد نقدینگی:
این گروه از نسبت‌های موجود در صورت‌ جریان‌های نقدی تقریباً رهنمودی مشابه با گروه نسبت‌های نقدینگی که از صورت‌های مالی سنتی به دست می‌آید، ارایه می‌نماید. همان طوری که نسبت‌های نقدینگی توانایی پرداخت بدهی‌های شرکت را از محل دارایی‌های جاری نشان می‌دهد، نسبت توانایی پرداخت و ایجاد نقدینگی، به ارزیابی موسسه برای ایفای تعهدات و پرداخت سود سهام و بهره کمک می‌نماید. نسبت پوشش نقدی سود سهام و پوشش نقدی بدهی جزء این گروه از نسبت‌های صورت جریان‌های نقدی به شمار می‌رود:
الف -1) نسبت پوشش نقدی هزینه تأمین مالی: این نسبت نشانگر درصد پوشش هزینه‌های نقدی به وسیله وجه نقد حاصل از عملیات است. از طرفی این نسبت به اعتباردهندگان نشان می‌دهد که چند درصد کاهش در جریان وجه نقد خطری را متوجه بازپرداخت تعهدات مربوط به هزینه تأمین مالی موسسه نمی‌کند.
نسبت پوشش نقدی هزینه‌های تأمین مالی =هزینه بهره – وجه نقد حاصل از عملیاتسود سهام ممتازنسبت پوشش سود سهام=سود سهام ممتاز – هزینه بهره – وجه نقد حاصل از عملیاتسود سهام عادی
الف -2) نسبت پوشش نقدی بدهی: این نسبت به نسبت‌های زیر قابل تفکیک است:
نسبت پوشش نقدی حصه جاری بدهی‌های بلندمدت =وجه نقد حاصل از عملیات پس از کسر بهره و سود سهامحصه جاری بدهی‌های بلندمدتنسبت پوشش نقدی بدهی‌های جاری =وجه نقد حاصل از عملیات پس از کسر بهره و سود سهامبدهی‌های جاری
و یا به صورت کلی زیر بکار گرفت:
نسبت پوشش نقدی بدهی‌ها =وجه نقد حاصل از عملیات پس از کسر بهره و سود سهامبدهی‌های جاری +حصه جاری بدهی‌های بلند مدتنسبت‌های فوق نشان‌دهنده قدرت بازپرداخت بدهی جاری موسسه از محل جریان‌های نقدی حاصل از عملیات است. از آنجایی که یکی از معیارهای سنجش توانایی موسسه جهت تداوم فعالیت، توانایی موسسه در بازپرداخت تعهدات می‌باشد لذا از این نسبت‌ها می‌توان جهت ارزیابی توانایی موسسه جهت تداوم فعالیت و توانایی موسسه در بازپرداخت تعهدات استفاده نمود.
ب) نسبت‌های کیفیت سود:
اگر چه بسیاری از سرمایه‌گذاران، سودآوری را به عنوان عاملی تعیین‌کننده در پیش‌بینی توزیع سود سهام ونیز موفقیت وعدم موفقیت واحد تجاری در آینده می‌دانند ولی باید توجه داشت که در گزارش سود واحدهای تجاری، نشان داده نمی‌شود که سود کسب‌شده چگونه بر دارایی‌های موسسه اثر گذاشته است و آیا سود موجب افزایش وجه نقد موسسه نیز شده است؟ یا اینکه شرکت با وسیع‌تر کردن دامنه فروش‌های اعتباری خود، مبادرت به کسب سودهایی کرده که تنها موجب افزایش مطالبات شرکت شده است. اصولاً شرکت‌ها را بر حسب موفقیت در کسب سود و وجه نقد می‌توان به چهار گروه زیر طبقه‌بندی نمود:
کسب وجه نقد کسب سود شرح
ناموفق ناموفق گروه اول
موفق ناموفق گروه دوم
ناموفق موفق گروه سوم
موفق موفق گروه چهارم
به دلیل وجود اختلاف بین سود و جریان دریافت‌ها و پرداخت‌های شرکت است که ارائه صورت گردش وجوه نقد ضرورت می‌یابد و در همین راستا می‌توان از نسبت‌های کیفیت سود استفاده نمود. نسبت‌هایی که در این طبقه از نسبت‌های صورت جریان‌های نقدی قرار می‌گیرند، نسبت کیفیت نقدی سود و نسبت کیفیت نقدی فروش می‌باشد.
1_ب) نسبت کیفیت نقدی سود: از آنجایی که سود حسابداری شامل درآمدها و هزینه‌های تعهدی و همچنین هزینه‌های غیر نقدی مانند استهلاک است، اختلافی اساسی بین سود و وجه نقد حاصل از عملیات وجود دارد که از طریق این نوع نسبت‌ها مقایسه می‌شود.
نسبت کیفیت نقدی سود=وجه نقد حاصل از عملیاتسود قبل از کسر مالیات2_ب) نسبت کیفیت نقدی فروش: همچنان که قبلاً اشاره شد ممکن است مدیران واحدهای تجاری به منظور دست‌کاری سود در جهت مطلوب جلوه دادن واحد تجاری تحت سرپرستی خود و دستیابی به اهداف پاداشی اقدام به وسیع‌تر کردن دامنه فروش‌های اعتباری شرکت نمایند. در این صورت مشتریان رغبت بیشتری به خرید از خود نشان می‌دهند و سود موسسه نیز افزایش می‌یابد بدون آنکه موجب افزایش وجه نقد شود. این عمل می‌تواند حتی موجب کاهش وجه نقد شرکت، به دلیل افزایش خرید کالا و خدمات گردد. جهت بررسی این موضوع می‌توان از نسبت کیفیت نقدی فروش استفاده نمود:
کیفیت نقدی فروش=وجه نقد حاصل از عملیاتفروش
ج) نسبت‌های مخارج سرمایه‌ای:
دارایی‌های سرمایه‌ای که سهم عمده‌ای را در صورت وضعیت مالی مؤسسات به خود اختصاص داده است، منشأ فعالیت تولیدی مؤسسات می‌باشد. بنابراین شرکت‌ها برای اینکه بتوانند به فعالیت‌های خود ادامه دهند، ضروری است وجه نقد لازم را نه تنها جهت ایفای تعهدات خود، بلکه برای تأمین مخارج سرمایه‌ای موسسه فراهم نمایند. لذا تحلیلگران مالی در پی ابزاری هستند تا بتوانند توانایی شرکت‌ها را در زمینه تأمین مالی مخارج سرمایه‌ای موسسه فراهم نمایند.

Neda Bathaei

2-2 انواع میکسر ................................................................ ................................................................................ 21

و
1-2-2 میکسرهای غیر فعال ................................................................................................ 22 .........................
2-2-2 میکسر گیلبرت ................................................................................................................................... 24
3-2 کاربرد میکسر ............................................................................................................................................. 28
4-2 عملکرد میکسر ........................................................................................................................................... 29
1-4-2 میکسر به عنوان یک ضرب کننده .................................................................................................. 29
2-4-2 عملکرد میکسر به کمک یک سوئیچ .............................................................................................. 30
.3 فصل سوم: بررسی میکسرهای توزیع شدهی فراپهن باند ............................................................ 32
1-3 مقدمه .......................................................................................................................................................... 33
2-3 مدارات توزیع شده ..................................................................................................................................... 34
3-3 بررسی عملکرد سیگنال بزرگ میکسر گیلبرت به عنوان یک عنصر غیر خطی ............................... 35
4-3 میکسر سلول گیلبرت توزیع شده ........................................................................................................... 39
1-4-3 بهرهی تبدیل ...................................................................................................................................... 40
2-4-3 تکنیک تزریق جریان ......................................................................................................................... 40
3-4-3 تکنیک پیکینگ سلفی ...................................................................................................................... 42
5-3 مروری بر چند ساختار میکسر پهن باند ارایه شده ............................................................................... 44
1-5-3 ساختار میکسر .....................................................................................................................[18] 1 44
2-5-3 ساختار میکسر .....................................................................................................................[12] 2 45
3-5-3 ساختار میکسر .....................................................................................................................[19] 3 45
4-5-3 ساختار میکسر .....................................................................................................................[20] 4 46
5-5-3 ساختار میکسر .....................................................................................................................[21] 5 47
6-5-3 ساختار میکسر .....................................................................................................................[22] 6 48
7-5-3 ساختار میکسر .....................................................................................................................[23] 7 49
8-5-3 مقایسه ساختار های متفاوت میکسرهای فراپهن باند ................................................................ 51
.4 فصل چهارم: تحلیل اعوجاج و نویز در میکسر فراپهن باند .......................................................... 52
1-4 مقدمه .......................................................................................................................................................... 53
2-4 میکسر یک عنصر غیر خطی .................................................................................................................... 53
3-4 مدل غیر خطی گیرنده ............................................................................................................................. 54
4-4 اثرات اعوجاج در سیستمهای فراپهن باند ............................................................................................. 54
1-4-4 تولید هارمونیک .................................................................................................................................. 55
2-4-4 فشردگی بهره ...................................................................................................................................... 55
3-4-4 اینترمدولاسیون .................................................................................................................................. 56
4-4-4 اینترمدولاسیون مرتبهی دوم .......................................................................................................... 56
ز
5-4-4 اینترمدولاسیون مرتبهی سوم ......................................................................................................... 57
6-4-4 اعوجاج در سیستمهای متوالی ........................................................................................................ 59
7-4-4 مشخصات خطی گیرنده ................................................................................................................... 59
5-4 بررسی نویز میکسر به عنوان یک عنصر غیر خطی .............................................................................. 60
1-5-4 پردازش نویز متغیر با زمان .............................................................................................................. 60
2-5-4 نویز طبقهی راهانداز (طبقهی ................................................................................................(RF 61
3-5-4 نویز طبقهی سوئیچ (طبقهی ................................................................................................(LO 62
4-5-4 نویز طبقهی ..................................................................................................................................IF 63
.5 فصل پنجم: مدار پیشنهادی، طراحی مخلوط کنندهی فرکانسی فراپهن باند توزیع شده .......... 64
1-5 مقدمه .......................................................................................................................................................... 65
2-5 مدل المانهای مورد استفاده ................................................................................................................... 65
3-5 تحلیلگرهای استفاده شده در نرمافزار .....................................................................................ADS 67
1-3-5 تحلیلگر ..............................................................................HARMONIC BALANCE 68
2-3-5 تحلیلگر ............................................................................................................................... LSSP 68
4-5 طراحی میکسر توزیع شده با سلولهای میکسر تک بالانس .............................................................. 69
1-4-5 طراحی میکسر .................................................................................................................................... 69
2-4-5 بایاس مدار ........................................................................................................................................... 70
3-4-5 پارامترهای قابل تغییر و طراحی ..................................................................................................... 71
4-4-5 تحلیل و شبیهسازی .......................................................................................................................... 72
5-5 طراحی میکسر توزیع شده با سلولهای میکسر سلول گیلبرت ......................................................... 74
1-5-5 طراحی میکسر .................................................................................................................................... 74
2-5-5 بایاس مدار ........................................................................................................................................... 75
3-5-5 تحلیل و شبیهسازی .......................................................................................................................... 76
6-5 طراحی میکسر توزیع شده با سلولهای میکسر گیلبرت و با استفاده از تکنیک پیکینگ سلفی.. 78
1-6-5 تکنیک پیکینگ سلفی ...................................................................................................................... 78
2-6-5 بایاس مدار ........................................................................................................................................... 80
3-6-5 طراحی میکسر توزیع شدهی نهایی ................................................................................................ 80
4-6-5 مقادیر المانهای مدار میکسر پس از طراحی .............................................................................. 84
5-6-5 تحلیل و شبیه سازی ......................................................................................................................... 86
7-5 نتیجهگیری و مقایسه ............................................................................................................................... 90
.6 فصل ششم: نتیجهگیری و پیشنهادات ........................................................................................... 92
1-6 نتیجهگیری ................................................................................................................................................. 93
ح
2-6 پیشنهادات .................................................................................................................................................. 94
.7 فصل هفتم: منابع و ماخذ ................................................................................................................ 95
منابع لاتین ..................................................................................................................................................................... 96
چکیده انگلیسی: ................................................................................................................................................................ 98
ط
فهرست جدول ها:
عنوانشماره صفحه

جدول 1- 1 قابلیت UWB در مقایسه با سایر استانداردهای 14..[2] IEEE
جدول 1- 3 مقایسهی ساختارهای مختلف میکسرهای فراپهن باند51
جدول 1- 5 مقادیر سلفهای مدار نهایی85
جدول 2- 5 عرض ترانزیستورهای مدار نهایی85
جدول 3- 5 مقادیر پارامترهای DC ترانزیستورهای میکسر توزیع شده نهایی85
جدول 4-5 مقدار نشت پورت های مختلف میکسر پیشنهادی در یکدیگر بعد از مدل سازی اثر عدم تطبیـق ابعـاد
ترانزیستورها، روی ولتاژ آستانه88
جدول 5- 5 مقایسهی سه ساختار به دست آمده طول طراحی90
جدول 6- 5 مشخصات مدار میکسر توزیع شدهی پیشنهادی90
جدول 7- 5 مقایسه میکسر طراحی شده در این پایان نامه با کارهای انجام شدهی قبلی91
ی
فهرست شکلها:
عنوانشماره صفحه

شکل 1-1 تاریخچهی تکنولوژی فراپهن باند6
شکل 2-1 طرح ماسک توان برای سیستم UWB بر حسب فرکانس 7[3]
شکل 3-1 سیگنال باند باریک در حوزهی (a) زمان و (b) فرکانس8
شکل 4-1 یک پالس با Duty Cycle کم8
شکل 5-1 پالس UWB در حوزههای((a زمان و (b) فرکانس9
شکل 6-1 همزیستی سیگنالهای فراپهن باند با سیگنالهای باند باریک و باند پهن در طیف فرکانسی 10RF
شکل (a) 7-1 پدیدهی چند مسیره در انتقال بیسیم (b) اثر پدیدهی چند مسیره بر سیگنال های بانـد باریـک
(c) اثر پدیدهی چند مسیره بر سیگنالهای باند فرا پهن11
شکل 8-1 رفتار حوزههای زمان و فرکانس سیگنالهای UWB (a) و (b) باند باریک13
شکل 9-1 طیف فرکانسی UWB به همراه سیستمهای تداخلی داخل و خارج باند14
شکل 10-1 سیگنالهای (a) باند باریک، (b) طیف گسترده و (c) فراپهن باند در حوزههای زمان و فرکانس .. 16
شکل 11-1 روش دسترسی 16TDMA
شکل 12-1 عملیات کد کردن در 17[5] DS-CDMA
شکل 13-1 نحوهی استفاده از پهنای باند در سیستم 17DS-CDMA
شکل 14-1 گروه بندی طیف فرکانسی 18MB-OFDM
شکل 15-1 طیف فرکانسی 18[7] MB-OFDM
شکل 1-2 ساختار گیرنده سوپر هترودین20
شکل 2-2 میکسر به عنوان یک عنصر سه دهانه21
شکل 3-2 میکسر غیرفعال با تعادل دوگانه با 22..CMOS
شکل 4-2 میکسر گیلبرت ساده24
شکل 5-2 میکسر گیلبرت با تعادل دوگانه25
شکل 6-2 منحنی بهرهی سوئیچ میکسر گیلبرت با تعادل دوگانه26
شکل 7-2 میکسر گیلبرت با تعادل دوگانه با تکنیک ربودن جریان 27DC
شکل 8-2 میکسر به عنوان یک ضرب کننده 29[3]
شکل 9-2 میکسر با ساختار تکی31
شکل 10-2 میکسر با ساختار متوازن تکی31
شکل 1-3 بلوک دیاگرام مدار ترکیبی توزیع شده (a) موجبر هم محور واقعی (b) مدارات LC مصنوعی33[11]
شکل 2-3 مدل خطوط انتقال مصنوعی34
شکل 3-3 شمای نحوهی قرار گیری سلولهای مدار توزیع شده بین دو خط انتقال35
شکل 4-3 میکسر گیلبرت 36CMOS
شکل 5-3 یک میکسر فعال CMOS با تعادل تکی36
ک
شکل 6-3 شکل موجهای p0(t) و 38p1 (t)
شکل 7-3 مدار معادل خط انتقال40
شکل 8-3 شماتیک مدار میکسر گیلبرت با تکنیک تزریق جریان41
شکل 9-3 شماتیک مدار میکسر گیلبرت با طبقهی ترارسانایی مکمل41
شکل 10-3 مدل مدار ساده شده برای (a) میکسر متداول (b) میکسر با تکنیک پیکینگ سلفی سری43
شکل (a) 11-3 مدل سیگنال کوچک یک تقویت کننده (b) شـبکهی پسـیو اضـافه شـده بـرای ایزولـه کـردن
خازنهای پارازیتی (c) پیاده سازی این شبکه با سلف43
شکل 12-3 مدار میکسر ساختار 441
شکل 13-3 مدار میکسر ساختار 452
شکل 14-3 مدار میکسر ساختار 463
شکل 15-3 مدار میکسر ساختار 474
شکل 16-3 مدار تطبیق UWB برای سیگنال ورودی 47RF
شکل 17-3 مدار میکسر ساختار 485
شکل 18-3 مدار میکسر ساختار 496
شکل 19-3 مدار میکسر ساختار 507
شکل 1-4 طیف فرکانسی MB-OFDM به همراه سیستمهای تداخلی داخل و خارج باند 53[7]
شکل (a) 2-4 مدار سوئیچ ساده (b) سیستم غیر خطی متغیر با زمان (c) سیستم خطی متغیر با زمان54
شکل 3-4 طیف خروجی سیستم غیرخطی با درجهی دو و سه54
شکل 4-4 نقطه تراکم 561dB
شکل 5-4 مولفههای اینترمدولاسیون در خروجی یک سیستم غیرخطی درجهی 562
شکل 6-4 نحوهی تداخل اینترمدولاسیون مرتبهی 2 با سیگنال مطلوب 57[7]
شکل 7-4 مولفههای اینترمدولاسیون در خروجی یک سیستم با خاصیت غیرخطی مرتبهی سوم58
شکل 8-4 تداخل اینترمدولاسیون مرتبهی 3 با سیگنال مطلوب 58[7]
شکل (a) 9-4 دامنهی نقطه تقاطع مرتبهی سوم ورودی (b) نقطه تقاطع مرتبـهی سـوم ورودی و خروجـی بـه
صورت لگاریتمی 59[5] (IIP3,OIP3)
شکل 10-4 میکسر فعال تک بالانس 61CMOS
شکل 11-4 شکل موج 62p1 (t)
شکل 1-5 بلوک دیاگرام مدار توزیع شده (a)خطوط انتقال واقعی (b) پیاده سازی با مدارات LC (خـط انتقـال
مصنوعی)65
شکل 2-5 مدل ترانزیستور 66TSMC
شکل 3-5 مدل مدار معادل برای یک ترانزیستور 66[26] RF nMOS
شکل 4-5 مدل سلف 67TSMC
شکل 5-5 نمای Layout سلف در تراشه67
شکل 6-5 مدار معادل یک سلف استاندارد 67[26]
ل
شکل 7-5 تحلیلگر HARMONIC BALANCE در نرم افزار 68ADS
شکل 8-5 تحلیلگر LSSP در نرم افزار 68ADS
شکل 9-5 ساختار میکسر توزیع شدهی تک بالانس69
شکل 10-5 شماتیک میکسر توزیع شدهی تک بالانس در نرم افزار 70ADS
شکل 11-5 مدار بایاس طبقهی 70RF
شکل 12-5 مدار بایاس گیت ترانزیستورهای طبقهی 71LO
شکل 13-5 مدار بایاس درین ترانزیستورهای طبقهی 71LO
شکل 14-5 روابط به کار رفته در نرمافزار ADS برای محاسبهی 72IIP3
شکل 15-5 نمودار عدد نویز میکسر طراحی شده با سلول تک بالانس72
شکل 16-5 نمودار IIP3 میکسر طراحی شده با سلول تک بالانس73
شکل 17-5 نمودار IIP2 میکسر طراحی شده با سلول تک بالانس73
شکل 18-5 نمودار بهرهی تبدیل میکسر طراحی شده با سلول تک بالانس73
شکل 19-5 نمودار ضریب انعکاس ورودی میکسر طراحی شده با سلول تک بالانس74
شکل 20-5 نمودار ضریب انعکاس خروجی میکسر طراحی شده با سلول تک بالانس74
شکل 21-5 ساختار میکسر توزیع شدهی گیلبرت75
شکل 22-5 شماتیک میکسر توزیع شدهی گیلبرت در نرم افزار 75ADS
شکل 23-5 نمودار بهرهی تبدیل میکسر طراحی شده با سلول گیلبرت76
شکل 24-5 نمودار ضریب انعکاس ورودی میکسر طراحی شده با سلول گیلبرت77
شکل 25-5 نمودار ضریب انعکاس خروجی میکسر طراحی شده با سلول گیلبرت77
شکل 26-5 نمودار عدد نویز میکسر طراحی شده با سلول گیلبرت77
شکل 27-5 نمودار IIP3 میکسر طراحی شده با سلول گیلبرت78
شکل 28-5 ساختار میکسر توزیع شدهی گیلبرت با تکنیک پیکینگ سلفی79
شکل 29-5 ساختار میکسر توزیع شدهی گیلبرت با تکنیک پیکینگ سلفی در نرم افزار 79ADS
شکل 30-5 مدار بایاس درین ترانزیستورهای طبقهی 80LO
شکل 31-5 نمودار جریان مصرفی میکسر بر حسب تغییرات عرض ترانزیستورها81
شکل 32-5 نمودار تطبیق ورودی میکسر بر حسب تغییرات عرض ترانزیستورها در فرکانس 8210 GHz
شکل 33-5 نمودار بهرهی تبدیل میکسر بر حسب تغییرات عرض ترانزیستورها82
شکل 34-5 نمودار IIP3 میکسر بر حسب تغییرات عرض ترانزیستورها83
شکل 35-5 نمودار بهرهی تبدیل میکسر بر حسب تغییرات سلفهای پیکینگ در سه فرکانس83
شکل 36-5 بهرهی تبدیل میکسر بر حسب فرکانس و مقادیر مختلف سلفهای پیکینگ84
شکل 37-5 نمودار IIP3 میکسر بر حسب تغییرات سلفهای پیکینگ در سه فرکانس84
شکل 38-5 نمودارضرایب انعکاس ورودی و خروجی میکسر توزیع شدهی پیشنهادی86
شکل 39-5 نمودار بهره میکسر طراحی شده با دو سلول گیلبرت و با تکنیک پیکینگ سلفی86
شکل 40-5 نمودار نشت پورت LO در 87RF
م
شکل 41-5 نمودار نشت پورت LO در 87IF
شکل 42-5 نمودار نشت پورت RF در 87LO
شکل 43-5 نمودار نشت پورت RF در 88IF
شکل 44-5 عدد نویز میکسر طراحی شده با دو سلول گیلبرت و با تکنیک پیکینگ سلفی88
شکل 45-5 نقطه تقاطع مرتبه سوم ورودی (IIP3) میکسر طراحـی شـده بـا دو سـلول گیلبـرت و بـا تکنیـک
پیکینگ سلفی89
شکل 46-5 نقطه تقاطع مرتبه دوم ورودی (IIP2) میکسـر طراحـی شـده بـا دو سـلول گیلبـرت و بـا تکنیـک
پیکینگ سلفی89
شکل 47-5 نمودار P1dB میکسر طراحی شده با دو سلول گیلبرت و با تکنیک پیکینگ سلفی90
ن
فهرست رابطهها:
عنوانشماره صفحه

رابطهی 81- 1
رابطهی 92- 1
رابطهی 103-1
رابطهی 114-1
رابطهی 125-1
رابطهی 221-2
رابطهی 232-2
رابطهی 233-2
رابطهی 234-2
رابطهی 235-2
رابطهی 256-2
رابطهی 267-2
رابطهی 268-2
رابطهی 279-2
رابطهی 2710-2
رابطهی 2811-2
رابطهی 2912-2
رابطهی 2913-2
رابطهی 2914-2
رابطهی 351-3
رابطهی 362-3
رابطهی 373-3
رابطهی 374-3
رابطهی 375-3
رابطهی 376-3
رابطهی 377-3
رابطهی 378-3
رابطهی 379-3
رابطهی 3710-3
رابطهی 3811-3
س
رابطهی 3812-3
رابطهی 3813-3
رابطهی 3814-3
رابطهی 3915-3
رابطهی 3916-3
رابطهی 4017-3
رابطهی 4018-3
رابطهی 4119-3
رابطهی 4120-3
رابطهی 4221-3
رابطهی 4222-3
رابطهی 4223-3
رابطهی 4224-3
رابطهی 4225-3
رابطهی 4226-3
رابطهی 4327-3
رابطهی 4428-3
رابطهی 541-4
رابطهی 552-4
رابطهی 563-4
رابطهی 564-4
رابطهی 575-4
رابطهی 576-4
رابطهی 577-4
رابطهی 588-4
رابطهی 599-4
رابطهی 5910-4
رابطهی 6011-4
رابطهی 6112-4
رابطهی 6113-4
رابطهی 6114-4
رابطهی 6115-4
رابطهی 6216-4
رابطهی 6217-4
ع
رابطهی 6218-4
رابطهی 6219-4
رابطهی 6220-4
رابطهی 6321-4
رابطهی 6322-4
رابطهی 6323-4
رابطهی 6324-4
رابطهی 6325-4
رابطهی 6326-4
رابطهی 691-5
رابطهی 812-5
رابطهی 853-5
رابطهی 854-5
رابطهی 865-5
ف
چکیده:
رشد سریع تکنولوژی و پیشرفت موفق تجاری مخابرات بی سیم روی زنـدگی روزمـره ی مـا تـاثیر قابل توجهی گذاشته است. امروزه بهکار بردن میکسرهای فرکانس بالا در سیستم های ارتباطاتی بیسـیم، دارای اهمیت خاصی میباشد. میکسرها یکی از اجزای اساسـی گیرنـده در مخـابرات بـیسـیم محسـوب میشوند. اجرای میکسرهای پایین آورنده1 در گیرنده ها به لحاظ وجود نویز و تضعیف در سیگنال دریافتی از اهمیت بیشتری برخوردار است.
هدف اصلی این پایان نامه، تحلیل و طراحـی میکسـر بـرای کـاربرد در بانـد فرکانسـی فـراپهن (UWB) و با استفاده از تکنولوژی CMOS می باشد. ابتدا عملکرد یک میکسر توزیع شده بررسی شده، سپس مدار میکسر پیشنهادی توزیع شده، ارایه می گردد. میکسر پیشنهادی دارای بهـره ی تبـدیل 3dB، IIP3 برابر 5/5dBm، عدد نویز 7dB، پهنـای بانـد 3 تـا 10 گیگـاهرتز و تـوان مصـرفی 52 میلـی وات میباشد. میکسر فراپهن باند توزیع شدهی پیشنهادی با استفاده از تکنولوژی CMOS 0/18μm با منبع تغذیه 1/8 ولت طراحی شده است.

1 down conversion
1
مقدمه:
رشد سریع تکنولوژی و گذار از مخابرات آنالوگ به دیجیتال، ترقی سیستم های رادیویی بـه نسـل سوم و چهارم و جانشینی سیستم های سیمی با Wi-Fi و Bluetooth مشـتریان را قـادر مـی سـازد بـه گستره ی عظیمی از اطلاعات از هرجا و هر زمان دسترسی داشته باشند. مخابرات UWB برای اولین بـار در دهــهی 1960 معرفــی شــد و در ســال 2002، FCC1 رنــج فرکانســی 3.1~10.6GHz را بــرای کاربردهای UWB معرفی و توان انتقال آنرا به -41.3dBm محدود کرد، بدین معنا کـه سیسـتمهـای
UWB روی فراهم کردن: توان کم، قیمت کم و عملکرد باند وسیع در مساحت کوتـاه تمرکـز کردنـد. در مقایسه با کاربردهای باند باریک طراحی المانها در سیستمهای UWB بسیار متفاوت و مشکل است.
یکی از بلوکهای مهم در گیرندههای UWB میکسرها هستند کـه بـرای تبـادل اطلاعـات بـین تعداد زیادی کانال مشابه UWB نقش کلیدی دارند. اهمیـت عملکـرد میکسـر بـه عنـوان یـک مبـدل فرکانس، در تامین فرکانسهای کاری مناسب با پایداری و نـویز مطلـوب اسـت. میکسـر مـیبایسـتی: (1
بهرهی تبدیل بالا، که اثرات نویز در طبقات بعدی را کاهش دهـد، (2 عـددنویز کوچـک، کـه LNA را از داشتن یک بهرهی بالا راحت کند و (3 خطی بودن بالا، که رنج دینامیک گیرنده را بهبود بخشد و سطوح اینترمدولاسیون2 را کاهش دهد. هر کارایی بایستی توسط مصالحه در طراحی میکسر بهدست آید. میکسر سلول گیلبرت با برخی تغییرات در ساختار آن نتایج قابل قبـولی بـرای کـاربرد در سیسـتمهـای UWB
بهدست میدهد.
دستیابی همزمان به بهره ی تبدیل و خطی بودن بـالا کـه افـزایش یکـی باعـث کـاهش دیگـری می گردد یکی از چالش های طراحی میکسر می باشد، در کارهایی کـه تـا کنـون انجـام شـده تمرکـز روی دستیابی یکی از این دو بوده به طوریکه یا میکسری غیر فعال با خطی بودن قابل قبـول و یـا میکسـری فعال با خطی بودن کم ارائه شده است. تطبیق امپدانس در کل رنج فرکانسی 7 گیگا هرتـزی و همچنـین عدد نویز پایین از دیگر پارامترهای مهم طراحی میکسر میباشد.
 اهداف پایان نامه
در این پایان نامه با بررسی میکسرهای فراپهن باند و مقایسهی آنها از نظر ساختار، بهرهی مدار، عدد نویز، تطبیق در ورودی و خروجی و خطی بودن، سـاختار مناسـب بـرای یـک میکسـر فـراپهن بانـد پیشنهاد شده و از لحاظ کارکرد در سیستمهای UWB بررسی گشته است.

Federal Communications Commission inter-modulation

1
2
2
بر خلاف کارهایی که تا کنون در این زمینه صورت گرفته که بر بهبود یکی از پارامترهای بهـره ی تبدیل یا خطی بودن میکسر تاکید شده، در اینجا سعی شـده اسـت تـا ضـمن دسـتیابی بـه هـر دو ایـن پارامترها در اندازههای قابل قبول برای گیرندهها، کل پهنای باند سیستمهای UWB پوشش داده شود.
بر این اساس در فصل اول سیستم های فراپهن باند بطور کامل معرفـی و بررسـی مـی گـردد، در فصل دوم به بررسی انواع میکسر، نحوهی عملکرد و کاربرد آنها پرداختـه شـده، در فصـل سـوم سـاختار میکسرهای توزیع شده، مشخصات و تکنیکهای بهبود کارایی آنها و در فصل چهارم اعوجـاج و نـویز در میکسر بررسی گردیدهاند. در فصل پنجم ساختار میکسر فراپهن باند طراحی شده بـه طـور مفصـل شـرح داده شده است. در فصل ششم نتیجهگیری و پیشنهادات و فصل هفتم نیز منابع و مأخذ مورد استفاده بـه تفکیک درج شدهاند.
3
.1 فصل اول: سیستمهای فراپهن باند (UWB)
4
1-1 تاریخچه تکنولوژی فراپهن باند UWB
در طول دهههای اخیر پیشرفت سریع ارتباطات باعث ایجاد تقاضا برای قطعات بهتـر و ارزانتـر و همچنین تکنولوژیهای پیشرفتهتر شده است. افزایش تقاضا برای انتقال سریع و افزایش نرخ اطلاعـات در عین مصرف کم توان تاثیرات شگرفی را بر تکنولوژی ارتباطات ایجاد کرده است. در هر دو بخش مخابرات بیسیم و سیمی این گرایش منجر به استفادهی هرچه بیشتر از مدولاسیونهایی با استفادهی بهینـهتـر از طیف فرکانسی و یا افزایش پهنای کانالها گشته است. این روشها به همـراه روشهـای مهندسـی بـرای کاهش توان، به منظور تولید تراشه های ارزان و با مصرف توان کم در صنعت استفاده میشود.
افزایش و گسترش استانداردها نه تنها باعث شده که سیستمها با طیفهای شلوغتری از لحاظ فرکانسی روبرو باشند بلکه باعث شده است تا سیستمها به سوی چند استاندارده بودن سوق داده شده و قابلیت انطباق با استانداردهای مختلف را داشته باشند. در حقیقت این پیشرفت تکنولوزی منجر به طراحی و تولید دستگاههایی شده است که قابلیت کارکرد در باندهای وسیعتری را داشته باشند، مانند تکنولوژی فرا پهن باند . (UWB)
تکنولوژی فراپهن باند (UWB) در دهه های اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفتـه اسـت. مـیتـوان گفت که شروع استفاده از دانش UWB مربوط به انتهای قرن نوزدهم می باشد. اولین سیستم بی سیم که توسط گاگلیرمو مارکونی1 در سال 1987 نمایش داده شد، خصوصیات رادیوی فـراپهن بانـد را دارد. رادیـو ساخته شده توسط مارکونی از پهنای باند وسیعی برای انتقال اطلاعات بهره می گرفت. اولین فرستنده های جرقه ای مارکونی فضای زیادی از طیف (از فرکانس هـای بسـیار پـایین تـا فرکـانس هـای بـالا) را اشـغال می کردند. همچنین این سیستم ها به طور غیراتوماتیک از پردازش زمان اسـتفاده مـی نمودنـد. چـون کـد مورس توسط اپراتورهای انسانی ارسال و دریافت می شد. پس از آن مفهوم UWB مجدداً در دهـه 1960
برای ساخت رادارهای ایمن در برابر تداخل با مصرف توان کم مورد توجه قرار گرفت .[1]
در اوایل پیدایش ، UWB به نامهای Carrier free ، باند پایه یا ضربه رایج بود که در حقیقت متضمن این نکته بود که استراتژی تولید سیگنال نتیجه یک پالس با Rise time بسیار سریع و یـا یـک ضربه میباشد که یک آنتن باند پهن را تحریک میکند. در اوایل سال 2002 میلادی تکنولوژی باند بسیار پهن (UWB) برای کاربردهای تجاری تصویب شد. این تکنولوژی جدید شـیوه ی جدیـدی در ارتباطـات بدون سیم ابداع کرد:"استفاده از حوزه زمان به جای حوزه فرکانس".
تکنولوژی فرا پهن باند (UWB) به شیوهی کاملاً متفاوتی از سایر تکنولوژی ها از بانـد فرکانسـی استفاده میکند. این سیستمها از پالسهای باریک و پـردازش سـیگنال در حـوزهی زمـانی بـرای انتقـال

1 Guglielmo Marconi
5
اطلاعات استفاده میکنند، بدین صورت سیستمهـای فـرا پهـن بانـد (UWB) قادرنـد در بـازهی زمـانی مشخص اطلاعات بیشتری را نسبت به سیستمهای قدیمیتر منتقل کنند زیرا حجـم انتقـال اطلاعـات در سیســتمهــای مخــابراتی بــه صــورت مســتقیم بــا پهنــای بانــد تخصــیص یافتــه و لگــاریتم SNR (Signal to Noise Ratio) متناسب است. استفاده از یک پهنای بانـد خیلـی وسـیع چنـدین مزیـت دارد: ظرفیت بالا، مخفی بودن، مقاومت در برابر مسدود شدن و همزیستی با سایر سیستم های رادیویی.
پایه و اساس سیستم های نوین فراپهن باند در دهه 80 توسط راس و با کار انجـام شـده در مرکـز تحقیقاتی Sperry بنیان گذاشته شد. تأکید بر استفاده از UWB بـه عنـوان یـک ابـزار تحلیلـی بـرای کشف خصوصیات شبکه های مایکروویو و خصوصیات ذاتی مـواد بـود. ایـن تکنیـک هـا بـه طـور منطقـی گسترش یافتند تا تحلیل و تولید تجربی المان های آنتن را انجام دهند. موفقیـتهـای اولیـه باعـث تولیـد سیستمی خانگی شد تا خصوصیات پاسخ ضربه اهداف یا موانع را اندازهگیری کند.
با افزایش درخواست کاربران برای ظرفیت بالاتر، سرویس های سریعتر و مخابرات بی سیم امن تـر، تکنولوژی های جدید مجبورند جایگاه خود را در طیف فوق العاده شلوغ و امن رادیـویی بیابنـد. بـه دلیـل اینکه هر تکنولوژی رادیویی یک بخش خاص از طیف را اشغال میکند و با معرفی سـرویس هـای جدیـد رادیویی محدودیت دسترسی طیف RF سخت گیرانه تر شده است. در این شرایط تکنولـوژی UWB یـک راه حل نوید بخش برای محدودیت دسترسی به طیف RF با اجازه به سرویس های جدید برای هم زیستی با سیستمهای رادیویی جاری با تداخل حداقل یا بدون تداخل است.
در فوریه ی سال 2002، FCC اولین طراحی و استاندارد مربوط بـه بانـدها و تـوان مجـاز بـرای کاربران UWB را صادر کرد. بدین ترتیب باند فرکانسی 3.1GHz تا 10.6GHz به UWB اختصـاص یافت. در همین زمان FCC مجوزی صادر کرد که حدود و میزان تشعشع عمدی یا سهوی دسـتگاه هـای مخابراتی در باندهای مختلف را مشخص نمود. این تشعشع مجاز در باندهای مورد استفاده، مبنـایی بـرای طراحی دستگاه های UWB شد. با گسترش تحقیقات در این زمینه، IEEE کمیتـه ی مخصوصـی بـرای استاندارد سازی این سیسـتم هـا تحـت عنـوان 802.15.3.x تشـکیل داد. شـکل 1-1 تاریخچـه ی ایـن تکنولوژی را به اختصار نشان میدهد .[2]

شکل 1-1 تاریخچهی تکنولوژی فراپهن باند
6
در اولین گام FCC توان خروجی سیستم های UWB را به -41.3dBm/MHz محدود کرد، این محدودیت این امکان را برای سیستم های UWB ایجاد میکند که بدون اینکه توان سیگنال خروجی آنها توسط سیستمهای باند باریک مجاور احساس شود از پهنای باند وسیعی برای انتقال اطلاعات خود استفاده کنند. محدودیت هایی که برای توان انتشار این سیستم ها ایجاد شد ، عمدتاً محدودیتهایی بودند که برای حفاظت از سیستم GPS و سایر سیستم های دولتی که در باند فرکانسی 690MHZ~1610MHz کار میکنند مطرح شده بود. همانطور که در شکل 2-1 نشان داده شده است این ماسک توان همچنین برای سایر سیستمهای دولتی که عملکرد آنها در فاصلهی 3.1GHz~10.6GHz
یعنی باندی که برای کاربرد داخلی UWB تعریف شده است نیز کاربرد دارد.

شکل 2-1 طرح ماسک توان برای سیستم UWB بر حسب فرکانس [3]
بنا به تعریف FCC پهنای باند -10dB یک سیگنال UWB بزرگتر از %25 فرکانس مرکزی یا بزرگتر از 1.5GHz میباشد. سیستمهای فرا پهـن بانـد بـا عـرض بانـد بـیش از 7GHz در بـازه فرکانسـی
3.1GHz~10.6GHz با سطح توان مجاز -41.3dBm/MHz فعالیت مـیکننـد. هـر کانـال رادیـویی در ایـن سیستمها بسته به فرکانس مرکزی خود میتواند عرض بانـدی بـیش از 500MHz داشـته باشـد. طـرح
انتقال OFDM1 به عنوان اولین کاندیـدا بـرای UWB در مـارچ 2003 در جلسـهی گروهـی IEEE 802.15.3a مطرح شد.

1 Orthogonal Frequency-Division Multiplexing
7
2-1 مفهوم UWB
سیستم های مخابراتی باند باریک متـداول سـیگنال هـای RF مـوج پیوسـته (CW)1 را بـا یـک فرکانس حامل خاص برای ارسال و دریافت اطلاعات مدوله می کنند. یک موج پیوسته یک انرژی سـیگنال تعریف شده در باند فرکانسی بانـد باریـک دارد کـه آن را بـرای آشکارسـازی و نفـوذ خیلـی آسـیب پـذیر میسازد. شکل 3-1 سیگنال باند باریک را در حوزههای زمان و فرکانس نشان میدهد.

شکل 3-1 سیگنال باند باریک در حوزهی (a) زمان و (b) فرکانس
سیستمهای UWB از پالسهای کوتاه بدون حامل (پیکو ثانیه تا نانو ثانیـه ) بـا Duty Cycle خیلی کم (کمتر از (%5 برای انتقال اطلاعات استفاده میکنـد. یـک تعریـف سـاده بـرای Duty Cycle
نسبت زمان حضور پالس به کل زمان انتقال است. (رابطهی (1-1

شکل 4-1 یک پالس با Duty Cycle کم رابطهی 1-1 T T Duty Cycle T Duty Cycle کم، متوسط توان انتقالی خیلی کمی در سیستمهـای UWB ایجـاب مـیکنـد.
متوسط توان انتقالی یک سیستم UWB در حد میکرو وات است، یعنی هزار بـار کمتـر از تـوان انتقـالی تلفن موبایل. به هر حال پیک یا توان لحظه ای پالس های UWB مستقل می تواند نسبتاً بزرگ باشـد، امـا چون آنها برای یک زمان خیلی کوتاه انتقال می یابند (Ton<1ns) توان متوسط به طـور قابـل ملاحظـه ای کم میشود، در نتیجه ادوات UWB به توان انتقال کم در اثر کنترل روی Duty Cycle نیاز دارند، کـه مستقیماً روی طول عمر باتری در تجهیزات قابل حمل تاثیر دارد.
از آنجایی که فرکانس با زمان نسبت عکس دارد پالس های UWB کوتاه مـدت، انـرژی را روی رنج عریضی از فرکانس ها، از نزدیک DC تا چندین گیگاهرتز با چگالی طیف توان (PSD)2 خیلـی کـم، پخش میکنند. شکل 5-1 پالس UWB را در حوزههای زمان و فرکانس نشان میدهد.

1 Continous Waveform 2 Power Spectral Density
8

شکل 5-1 پالس UWB در حوزههای((a زمان و (b) فرکانس
3-1 تعریف سیستم فراپهن باند
به طور کلی به سیستمی فراپهن باند (UWB) اطلاق میگردد که پهنای بانـد مـورد اسـتفادهی آن برای انتقال اطلاعات بیشتر از 500MHz باشد و یا پهنای باند نسبی آن در تمام زمانها بیشـتر از %20
باشد. پهنای باند کسری معیاری برای طبقهبندی سیگنال ها به بانـد باریـک، بانـد پهـن و فـرا پهـن بانـد می باشد و به وسیله ی نسبت پهنای باند در نقاط -10dB به فرکانس مرکزی توسط رابطهی 2-1 تعریـف میشود .[4]
رابطهی 2-1 100% f L fH 100% BW fL 2 fH fC با استفاده از این پهنای باند وسیع، چگالی طیف توان ارسالی این سیستم بسیار پایین اسـت و در نتیجه در مقابل شنود دارای مصونیت بالایی می باشـد. بـه منظـور جلـوگیری از تـاثیر نـامطلوب سیسـتم
UWB بر سیستم هایی که قبلاً در این باند وجود داشته اند، همان طور که قبلاً عنوان شـد FCC ماسـک مربوط به چگالی طیف توان این سیستمها را با سطح توان مجاز -41.3dBm/MHz مشخص نمود.
4-1 مزایای تکنولوژی فراپهن باند UWB
1-4-1 توانایی اشتراک طیف توانی
FCC سطح توان مجاز سیستم هـای UWB را -41.3dBm/MHz برابـر بـا 75nWatt/MHz تعریـف کرده و آنها را در ردهی تشعشعات غیر عمدی گذاشته است، چنین محـدودیت تـوانی بـه سیسـتم هـای
UWB اجازه می دهد که زیر سطح نویز یک گیرنده ی باند باریک نوعی قرار گیرند و سـیگنال UWB را قادر می سازد که با سرویس های رادیویی کنونی بدون تداخل و یا با تداخل حداقل همزیستی داشته باشد.
شکل 6-1 سطح توان مجاز تکنولوژیهای مختلف روی طیف فرکانسیRF را نشان میدهد .[2]
9

شکل 6-1 همزیستی سیگنالهای فراپهن باند با سیگنالهای باند باریک و باند پهن در طیف فرکانسی RF
2-4-1 ظرفیت بالای کانال
ظرفیت کانال یا میزان تغییرات داده ها، به صورت مینیمم میزان داده هایی که مـی تواننـد در هـر ثانیه روی یک کانال مخابراتی انتقال یابند تعریف می شود. فرمول هارتلی-شنون)1رابطـهی (3-1 ظرفیـت بالای کانال برای سیستم UWB را نشان میدهد .[2]
رابطهی 3-1 1 log C بیشترین ظرفیت کانال می باشد و به صورت خطی با پهنای باند (B) افـزایش مـی یابـد. پـس داشتن چندین گیگا هرتز پهنای باند برای سیگنال های UWB، نرخ انتقال داده ها در حد چند گیگا بیت بر ثانیه می تواند مورد انتظار باشد. در نتیجه ی محدودیت توان اعمال شـده از طـرف FCC بـرای انتقـال داده های UWB، این نرخ بالای انتقال داده فقط در فواصل کوتاه (تا 10 متر) در دسـترس اسـت، و ایـن باعث می شود سیستم های UWB کاندید مناسبی برای کاربردهای بی سـیم فواصـل کوتـاه و نـرخ بـالای اطلاعات مانند شبکه های WPAN باشند.
3-4-1 توانایی کار با SNR پایین
فرمول هارتلی-شنون برای ظرفیت حداکثر همچنین نشان میدهد که ظرفیت کانـال بـه صـورت لگاریتمی به SNR وابسته است، پس سیستم های مخابراتی UWB قابلیت کار در کانال هـای مخـابراتی خشن با SNR پایین را دارند و هنوز ظرفیت کانال بالایی در نتیجه پهنای باند بزرگ خود ارایه میدهند.
4-4-1 احتمال تشخیص و آشکارسازی کم
به دلیل میانگین توان انتقال پایین سیستم های UWB، این سیستم ها مصونیت ذاتی نسبت بـه تشخیص دارند. پالس های UWB در زمان با کدهای منحصر به فرد بـرای هـر جفـت فرسـتنده-گیرنـده

1 Hartley-Shannon
10
مدوله شدهاند. زمان مدولاسـیون پـالس هـای خیلـی باریـک بـه امنیـت انتقـال UWB مـی افزایـد زیـرا آشکارسازی پالسهای پیکو ثانیهای بدون دانستن اینکه چه زمانی میرسند غیر ممکن است.
5-4-1 مقاومت در برابر مسدود شدن
برخلاف طیف فرکانسی باند باریک شناخته شده، طیـف UWB رنـج وسـیعی از فرکـانس هـا از نزدیک DC تا چند گیگا هرتز را پوشش می دهد و بهره ی پردازش بالا برای سـیگنال هـای UWB ارایـه می کند. بهره ی پردازش (PG) یک معیار مقاومت سیستم ها در برابـر مسـدود شـدهگـی اسـت و توسـط رابطهی 4-1 تعریف میشود.
رابطهی 4-1

6-4-1 کارایی بالا در کانالهای چند مسیره
پدیده ی چند مسیره در کانال های مخابرات بی سیم اجتناب ناپذیر است و به علـت انعکـاس هـای چندگانه ی سیگنال انتقالی از سطوح متفاوت مانند ساختمان ها، درخـت هـا و غیـره روی مـی دهـد. خـط مستقیم بین فرستنده و گیرنده LOS و سیگنال های انعکاسی از سطوح NLOS هسـتند (شـکل (7-1،
اثر چند مسیره بر روی سیگنال های باند باریک نسبتاً شدید است که باعث تخریب سـیگنال تـا 40dB بـه خاطر ناهمفازی شکل موج های LOS و NLOS می شود. اما پالس های UWB خیلی کوتاه مدت کمتـر به اثر چند مسیره حساسند زیرا طول پالس های UWB کمتر از نانو ثانیه است و سیگنال بازتابی شـانس خیلی کمی برای برخورد با سیگنال LOS و تخریب آن دارد .[2]

شکل (a) 7-1 پدیدهی چند مسیره در انتقال بیسیم (b) اثر پدیدهی چند مسیره بر سیگنالهای باند باریک (c) اثر
پدیدهی چند مسیره بر سیگنالهای باند فرا پهن
11
5-1 چالشهای تکنولوژی فراپهن باند UWB
1-5-1 انحراف شکل پالس
پالس های UWB ضعیف و کم توان با انتقال می تواننـد بـه طـور قابـل تـوجهی تخریـب شـوند، میتوانیم این مطلب را با فرمول انتقال فریس1 (رابطهی (5-1 نشان دهیم.
رابطهی P PG G 4πdf5-1

که Pt و Pr به ترتیب توان های ارسالی و دریافتی، Gt و Gr به ترتیب بهرهی آنتنهای فرستنده و گیرنده، C سرعت نور و f فرکانس است. ملاحظه می شود که تـوان سـیگنال دریـافتی بـا مربـع فرکـانس کاهش می یابد. در سیستم های باند باریک که تغییر در فرکانس کم است، تغییـرات تـوان دریـافتی قابـل صرفه نظر است. اما به دلیل طیف فرکانسی وسیع سیستم های UWB تغییرات توان شدید بـوده و شـکل پالس را خراب می کند، که این امر کارایی گیرنده های UWB، که با پالس های دریافتی بـا یـک قالـب از پیش تعریف شده مثل فیلترهای تطبیق کلاسیک همبستگی دارد را محدود میکند.
2-5-1 تخمین کانال
تخمین کانال یک مبحث اساسی برای طراحی سیستم های مخابرات بی سیم اسـت. انـدازه گیـری همه ی مشخصات کانال مانند تضعیف و تاخیر مسیر انتشار، در میدان غیر ممکن است. اکثر گیرنـده هـای
UWB سیگنال دریافتی را با یک قالب سیگنال از پیش تعریف شده مرتبط میکننـد. اطلاعـات قبلـی از پارامترهای کانال بی سیم برای پیشگویی شکل قالب سیگنال، که سیگنال دریافتی را تطبیق میدهـد لازم است. به هرحال به خاطر پهنای باند زیاد و کاهش انرژی سیگنال، پالس های UWB دسـتخوش اعوجـاج شده، پس تخمین کانال در سیستمهای مخابرات UWB پیچیده است .[2]
3-5-1 تطبیق2 فرکانس بالا
انطباق زمانی یکی از چالش های اساسی در سیستم های مخابرات UWB است. نمونـه بـرداری و انطباق پالس های نانو ثانیه ای یک محدودیت اساسی در طراحی سیستم های UWB اسـت. بـرای نمونـه برداری این پالسهای باریک ADC(Analog-to-Digital converter) خیلـی سـریع در حـد گیگـا هرتز لازم است، به علاوه محدودیت های توان شدید و طول پالس کوتاه کارایی سیستم های UWB را بـه شدت به خطاهای زمانی حساس میکند.

1 Friis 2 Synchronization
12
4-5-1 تداخل دستیابی چندگانه1
در سیستم مخابره ی چند کـاربره یـا دسـتیابی چندگانـه، چنـدین کـاربر اطلاعـات را مسـتقل و همزمان روی یک خط واسط انتقال اشتراکی (مثل هوا در مخابرات بی سیم) می فرستند. در انتهـا یـک یـا چند گیرنده بایستی قادر به جداکردن و آشکارسازی اطلاعـات کاربرهـا از هـم باشـند. تـداخلات از سـایر کاربران با کاربر مورد علاقه تداخل دستیابی چندگانه (MAI) نامیده می شـود کـه یـک فـاکتور محـدود کننده ی ظرفیت کانال و کارایی گیرنده است، به علاوه MAI به همراه نویز غیر قابل پیشـگیری کانـال و تداخل باند باریک می تواند به طور موثری پالسهای کم توان UWB را تنزل دهد و مراحل آشکار سـازی را خیلی سخت کند.
UWB 6-1 در مقایسه با سایر استانداردهای IEEE
شکل 8-1 مقایسه ای بین مخابرات فراپهن باند و باند باریـک در حـوزه هـای زمـان و فرکـانس را نشان می دهد. همان طور که ملاحظه می شود سیستم های UWB مبتنی بر مدولاسیون پالسـی در زمـان دارای پالس های بسیار باریک می باشـد کـه در حـوزه ی فرکـانس، بانـد فرکانسـی 3-10GHz را اشـغال می کنند در حالیکه سیستم های باند باریک که در زمان دارای شکل موج پیوسته مـی باشـند در حـوزه ی فرکانس، باند فرکانسی بسیار کوچکتری را به خود اختصاص میدهند.

شکل 8-1 رفتار حوزههای زمان و فرکانس سیگنالهای UWB (a) و (b) باند باریک
در جدول 1-1 مقایسه ای بین مخابرات UWB و سایر اسـتانداردهای IEEE از نظـر بیشـترین نرخ داده ها، فاصله ی عملکرد و فرکانس کاری را نشان می دهد. می توان دید که UWB بـه دلیـل پهنـای

1 Multiple-Access Interference
13
باند وسیعی که دارد قابلیت انتقال نرخ بالایی از اطلاعات را در هر ثانیه در مقایسه با سـایر اسـتانداردهای
این جدول دارا میباشد.
جدول 1-1 قابلیت UWB در مقایسه با سایر استانداردهای [2] IEEE
استاندارد IEEE WLAN Bluetooth WPAN UWB
802.11a 802.11b 802.11g 802.15.1 802.15.3 802.15.3a
فرکانس کاری 5GHz 2.4GHz 2.4GHz 2.4GHz 2.4GHz 3.1-10.6GHz
بیشترین نرخ داده 54Mbps 11Mbps 54Mbps 1Mbps 55Mbps >100Mbps
حداکثر فاصله 100m 100m 100m 10m 10m 10m
به دلیل پهنای باند وسیع سیستم فراپهن باند، گیرنده های این سیسـتم بایسـتی قابلیـت کـار در محیط های پر تداخل را دارا باشند. در یک محیط کار معمولی سیستم های بی سیم مختلفی در حـال کـار هستند. گیرنده ی فراپهن باند همواره در معرض تـداخل و مسـدود شـده گـی توسـط سـایر سیسـتمهـای مخابراتی بی سیم که در باند فرکانسی 3-10GHz و یـا نزدیـک بـه آن قـرار دارنـد ماننـد Bluetooth، WLAN و غیره همانطور که در شکل 9-1 ملاحظه میشود قرار دارد.

شکل 9-1 طیف فرکانسی UWB به همراه سیستمهای تداخلی داخل و خارج باند
14
7-1 تفاوت بین UWB و طیف گسترده1
تعداد زیادی از افراد، مخابرات UWB را بـا تکنیـک هـای طیـف گسـترده ی پهـن بانـد اشـتباه می گیرند، هرچند هر دو خاستگاه مخابرات امن نظامی دارند لازم است تا یک تفاوت اساسـی میـان آن دو را روشن کنیم. برای این منظور لازم است تا دو روش متداول تکنیک طیف گسترده را معرفی کنیم.

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

1-7-1 رشتهی پیوستهی طیف گسترده(DSSS) 2
در DSSS یک کد شبه تصادفی برای گسترده کردن هر بیت از اطلاعـات بـا اسـتفاده از تعـداد زیادی از بیت ها که به مراتب کوچکتر از بیت اصـلی هسـتند اسـتفاده مـی شـود ایـن کـدها پهنـای بانـد اطلاعات را به پهنای باند بزرگتری گسترش میدهند.
2-7-1 جهش فرکانسی طیف گسترده(FHSS) 3
تکنیک FHSS در مفهوم شبیه DSSS است ولی در این روش گسترده کردن انـرژی سـیگنال در حوزهی فرکانس صورت میگیرد و مزایایی از مخابرات پهن باند را ارایه میدهد. به هر حال پهنای بانـد زیاد نتیجهی گسترده کردن اطلاعات مانند تکنیک DSSS نیست.
3-7-1 تفاوتهای اساسی بین UWB و طیف گسترده
هر دو تکنیک DSSS و FHSS منجر به وسیع شدن طیف فرکانس میگردند و مزایایی نسـبت به مخابرات باند باریک مانند چگالی طیف توان کمتر، ناهمپوشانی، تنوع فرکانسی بـرای کـارایی بهتـر در کانال های چند مسیره و مقاومت در برابر مسدود شده گی عمـدی و غیـر عمـدی دارنـد. امـا تفـاوت بـین
UWB و طیف گسترده چیست؟ هرچند هر دو تکنیک UWB و طیف گسترده همان مزایـای گسـترده کردن پهنای باند را دارند، روش دستیابی به پهنای باند بزرگ تفاوت اصلی بین این دو تکنیک است.
در تکنیک های متداول طیف گسترده سیگنال ها موج های سینوسی پیوسته اند که بایک فرکـانس حامل ثابت مدوله شده اند. در مخابرات UWB فرکانس حاملی وجـود نـدارد، پـالس هـای UWB کوتـاه مستقیماً پهنای باند گسترده تولید می کنند. فاکتور اختصاصی دیگر در UWB پهنای باند خیلـی بـزرگ است. در حالیکه تکنیک های طیف گسترده پهنای باند مگاهرتزی عرضه می کنند، UWB چندین گیگـا هرتز پهنای باند دارد. شکل 10-1سیگنال های باند باریک، پهن بانـد و UWB را در حـوزه هـای زمـان و فرکانس نشان میدهد .[2]

1 Spread Spectrum 2 Direct-Sequence Spread Spectrum 3 Frequency-Hopping Spread Spectrum
15

شکل 10-1 سیگنالهای (a) باند باریک، (b) طیف گسترده و (c) فراپهن باند در حوزههای زمان و فرکانس
8-1 روشهای پیاده سازی سیستم فراپهن باند
در حال حاضر دو روش برای پیاده سازی سیستم های فراپهن باند در باندهای اختصاص داده شده توسط FCC وجود دارد که در ادامه پس از معرفـی آنهـا بـه بررسـی نحـوهی بـه کـار گیـری آنهـا در سیستمهای فراپهن باند میپردازیم.
1-8-1 سیستم (Code Division Multiple Access) CDMA
در روش های قبلی مانند FDMA باند فرکانسی موجود به تعداد زیادی کانال تقسیم و هر کـدام به یک کاربر اختصاص می یافت. در روش TDMA همان مقدار باند فرکانسی برای هر کـاربر وجـود دارد ولی در زمان های متفاوت TDMA به تناوب یکی از فرستنده-گیرنـده هـا را بـه مـدت TSL ثانیـه فعـال می کند. کل پریود شامل تمام مقطع های زمانی را قاب (فریم) TF میگویند. در هر TF ثانیه هر کـاربر بـه اندازهی TSL ثانیه به کانال دسترسی دارد. شکل 11-1 این مطلب را نشان میدهد.

شکل 11-1 روش دسترسی TDMA
16
ولی در روش CDMA که برای استفاده ی بهینه تر از باند فرکانسی به کار می رود، سیگنال ها هم می توانند در فرکانس و هم در زمان با هم همپوشانی داشته باشند ولی با استفاده از پیـام هـای متعامـد از تداخل جلوگیری می شود. در شروع ارتباط به هر زوج فرستنده- گیرنـده یـک کـد معـین اختصـاص داده می شود و هر بیت اطلاعات باند پایه قبل از مدولاسیون با آن کد تغییر می کند (شـکل .(12-1 عمـل کـد کردن پهنای باند طیف داده را به اندازه ی تعداد پالس های موجود در کد افزایش می دهد ولی از آنجـا کـه
CDMA امکان می دهد طیف گسترده کاربران روی یک باند فرکانسی بیفتنـد، پـس CDMA ظرفیـت بالقوهی بیشتری نسبت به دو روش قبل دارد.

شکل 12-1 عملیات کد کردن در [5] DS-CDMA1
شکل 13-1 شیوه ی استفاده از باند فرکانسی UWB را توسط سیستم DS-CDMA که یکـی از پرکاربردترین انواع CDMA می باشد و بر مبنای انتشار سیگنال ها از- به کاربران مختلف بـا کـدهـای متفاوت می باشد را نشان می دهد. همان طور که ملاحظه می شود از دو باند فرکانسی بالا و پـایین اسـتفاده می کند. باند پایین از 3/1GHz تا 5/15GHz را می پوشاند و باند بـالا از 5/825GHz تـا 10/6GHz را در برمی گیرد. به دلیل تداخل با سیسـتم 802.11a از فاصـله ی فرکانسـی 5/15GHz تـا 5/825GHz
استفاده نمیشود.

شکل 13-1 نحوهی استفاده از پهنای باند در سیستم DS-CDMA

1 Direct -Sequence Code Division Multiple Access
17
2-8-1 سیستم (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) OFDM
در سیستمهای چند حاملی قدیمی، پهنای باند به N زیر کانـال نـاهم پوشـان تقسـیم مـیشـد و اطلاعات باند پایه روی هر حامل مدوله می گردید. فاصله ی فرکانسی بین حامل ها کـه بـرای جلـوگیری از تداخل در نظر گرفته می شود سبب از بین رفتن مقداری از پهنای بانـد مـی شـود. در OFDM اطلاعـات ارسالی به تعدادی زیر باند تقسیم شده و پس از محاسبهی عکس تبدیل فوریه اطلاعات روی مجموعـه ای از زیر حامل ها ارسال می گردد و از آنجایی که این حامل ها بر هم عمودند به فاصله ی فرکانسی کمـی نیـاز دارند. خرد کردن سیگنال در زیر باندها مقاومت سیستم در برابر محو سیگنال و از بین رفتن اطلاعـات را افزایش میدهد. در گیرنده با تبدیل فوریه بیتهای هر زیر باند استخراج میگردد.
سیسـتم MB-OFDM1 کـل بانـد فرکانسـی UWB را بـه 4 گـروه و 14 بخـش 528MHz
تقسیم میکند .[6] شکل 14-1 این تقسیم بندی فرکانسی را نشان میدهد.

شکل 14-1 گروه بندی طیف فرکانسی MB-OFDM
همان طور که در شکل 15-1مشاهده می شود هر باند 528MHz از 128 زیر حامل بـا فاصـله ی فرکانسی 4/125MHz تشکیل میشود.

شکل 15-1 طیف فرکانسی [7] MB-OFDM

1 Multiband OFDM
18
.2 فصل دوم: مخلوطکنندههای فرکانسی
Mixer
19
1-2 تاریخچه
مبدع مخلوط کنندهی فرکانسـی (Frequency Mixer) دانشـمند بـزرگ مخـابرات رادیـویی ادوین آرمسترانگ1 میباشد. قبل از او تلاشهایی برای انتقال مستقیم فرکانس به باند پایه2 صورت گرفتـه بود، اما چون نوسان کنندههای محلی از پایداری (Stability) کافی برخوردار نبودند موفقیت چندانی در برنداشت. ایدهی آرمسـترانگ در اسـتفاده از فرکـانس واسـطه( IF) 3 کـه منجـر بـه طـرح گیرنـده هـای سوپرهترودین شکل 1-2 گردید امروزه در بسیاری از گیرندههای رادیویی مورد استفاده است.

شکل 1- 2 ساختار گیرنده سوپر هترودین
آرمسترانگ با استفاده از واسطهی لامپ خلاء (Vacuum Tube) مخلوطکنندهای سـاخت کـه فرکانس رادیویی RF را به یک فرکانس واسطه IF انتقال مـی داد در ایـن فرکـانس واسـطه، سـیگنال بـا کیفیت خوب، بهرهی زیاد و نویز کم، تقویت شده و در نهایت دمودله میگردید.
تا قبل از سال 1940 کارهای تئوری اندکی بر روی میکسـرها (کـه تـا آن زمـان از نـوع دیـودی بودند) انجام گرفته بود. دیودهای به کار رفته در این میکسرها از کیفیت و دقت پـایینی برخـوردار بودنـد.
در مدت کمتر از ده سال پیشرفت های زیادی در طراحی میکسرها و افزایش کیفیت دیودهـای مـایکروویو انجام گرفته به طوریکه افت تبدیل4 در میکسرهای مایکروویو از 20dB در 1940 بـه 10dB در 1945 بهبود یافت و در 1950 به حول و حوش 6dB رسید. امروزه با پیشرفت هایی که در ایـن زمینـه صـورت گرفته علاوه بر بهبود در افت تبدیل میتوان از بهرهی تبدیل5 میکسرها بهرهمند شد .[8]
امروزه بهکار بردن میکسرهای فرکانس بالا در سیسـتمهـای ارتباطـاتی بـدون سـیم، از اهمیـت خاصی برخورداراست. طراحی، ساخت و اندازهگیری مشخصات میکسرهای فرکانس بالا، باند مـایکروویو و باند میلیمتری، جزء تجربه های جدید مدارات مایکروویو بهشمار میآید.

1 Major Edwin Armstrong 2 Base Band 3 Intermediate Frequency 4 Conversion Loss 5 Conversion Gain
20
2-2 انواع میکسر
میکسرهای مایکروویو غیرفعال1 به طور معمول با دیودهای شاتکی صورت می پـذیرد. اسـتفاده از عناصر فعال نظیر ترانزیستورهای اثر میدانی برای ساخت میکسرها می توانـد سـبب بهبـود افـت تبـدیل و حتی ایجاد بهره ی تبدیل گردد. چنین میکسرهایی در مقایسه بـا میکسـرهای غیرفعـال سـاخته شـده بـا دیودهای شاتکی دارای معایبی نیز می باشند از جمله: احتمال ناپایداری و پیچیدگی مـدار میکسـر اشـاره کرد. چنانچه از ناحیه ی مقاومتی ترانزیستور اثر میدانی برای ساخت میکسر استفاده شود علاوه بر اینکـه مدارهای بایاس ساده تر شده احتمال ناپایداری نیز بسیار کاهش می یابد، از طرف دیگر به علت اسـتفاده از خاصیت غیرخطی ضعیف مقاومت کانال ترانزیستور، چنـین میکسـرهایی از مولفـه هـای اینترمدولاسـیون ضعیف توان اشباع 1dB بالا و درنتیجه محدودهی دینامیکی وسیعی برخوردار میباشند .[9]
میکسر، در واقع یک مبدل فرکانس است که در مدارات مخابراتی وظیفهی تبدیل (و یا ترکیـب)
سیگنال از یک فرکانس به فرکانس (های) دیگر را به عهده دارد. اهمیت ایـن عملکـرد در تهیـه و تـامین فرکانسهای کاری مناسب با پایداری و نویز مطلوب است. بنابراین باید تلف تبدیل کم و سطح نویز پایین سیگنال تولید شده را از مشخصات مطلوب و مورد نظر در طراحی دانست (هرچند تحقق همزمان ایـن دو مهم در طراحی و ساخت میکسر عملاً کار چندان سادهای نمی باشد.) میکسر را می توان یک مـدار سـه دهانه شامل دهانهی پمپ2 و یا همـان نوسـان کننـدهی محلـی (LO)، دهانـهی سـیگنال ورودی RF و
دهانهی سیگنال IF دانست. (شکل (2-2

شکل 2- 2 میکسر به عنوان یک عنصر سه دهانه
عمل ترکیب سیگنالها را عنصر غیر خطی (مانند دیود ویا ترانزیستور) انجام میدهد. بر همـین اساس میکسرها به دوگروه میکسرهای غیرفعال و فعال تقسیم مـیشـوند. تفـاوت مشخصـات میکسـرها بهطور عمده وابسته به عملکرد عنصر غیرخطی آنهاست. وظیفـه سـیگنال LO کـه معمـولاًدارای تـوان بالاتری نسبت به سیگنال RF است راهاندازی3 عنصر غیرخطی مدار میکسر است تا عملکـرد متغییـر بـا

1 Pasive 2 Pump 3 Driving
21
زمان میکسر را تامین کند. فرکانس سیگنال خروجی IF ترکیبی از هارمونیکهـای سـیگنالهـای RF و LO است که میتوان آنرا بهصورت mfRF+nfLO=fIF نوشت که m و n اعداد صحیح هستند.
1-2-2 میکسرهای غیر فعال
میکسرهای پسیو ساده ترین، شناخته شده ترین و اولین مدارات میکسر هستند. یک ترانسفورماتور و دو دیود، ساده ترین میکسرهای غیر فعال را تشکیل می دهند. ایـن نـوع از میکسـرها دارای ایزولاسـیون خوب بین LO و RF و نیز بین LO و IF می باشند اما سیگنال RF را مستقیماً به خروجی IF می برند. چون سوییچ می تواند با یک MOSFET ساده تحقق یابد میکسر غیر فعال می تواند با مـدارات CMOS
اجرا شود. (شکل ( 3- 2

شکل 3-2 میکسر غیرفعال با تعادل دوگانه1 با CMOS
با توجه به دامنهی مثبت و منفی LO سیگنال RF از مسیرهای مختلف بـه پـورت خروجـی IF
می رسد. با تولید سیگنال مخلوط شده ی IF هارمونیک های دیگری نیز در خروجی ظاهر می شوند. در یک طراحی متعادل تمامی هارمونیکهای زوج حذف میشوند.
بهرهی تبدیل
به صورت توان یا ولتاژ خروجی IF تقسیم بر توان یا ولتاژ ورودی RF تعریف میشود.
رابطهی ,1-2یا , AP

,,
خروجی این میکسر پایین آورندهی غیرفعال میتواند توسط رابطهی 2-2 بهدست آید.

1 Double Balanced
22
رابطهی 2-2 . . . رابطهی 3-2

که در روابط بالا gT(t) رسانایی معادل تونن متغییر با زمان دیده شده از سر خروجـی IF ، m(t)
تابع میکس (رابطهی (3-2 و TLO دوره تناوب سیگنال LO است .[10]
در این میکسر درایو بزرگ LO لازم است تـا ترانزیسـتورهای پسـیو بتواننـد متناوبـاً خـاموش و روشن شوند. توان DC بالایی مصرف می کند که این توان در خود میکسر مصرف نمیشـود ولـی مـدارات درایو LO مقدار زیادی توان برای فراهم کردن سویینگ کافی LO مصرف میکنند.
نویز:
چون قبل از میکسر LNA قرار دارد پس عدد نویز (NF) مـورد نیـاز میکسـر خیلـی بیشـتر از
LNA است زیرا عدد نویز LNA با NF کل مستقیماً جمع میشود ولی NF میکسر بـر بهـرهی LNA
تقسیم میشود. (رابطهی ( 4- 2
رابطهی 4-2 1 NFM 1 NFLNA 1 ALNA در یک قطعهی غیر فعال NF به افت توان نزدیک است.
خطی بودن:
خطی بودن یکی از مشخصات اصلی میکسر پایین آورنده است، سیگنال اصـلی و تـداخل هـردو قبل از ورود به میکسر توسط LNA تقویت می شوند. خیلی از تداخل ها بیش از اندازه به سـیگنال اصـلی نزدیک هستند که توسط فیلتر داخل چیپ فیلتر شوند و این تداخل ها می توانند خیلی قوی تر از سـیگنال مطلوب باشند، بنابراین میکسر به خطی بودن خیلی بیشتری از LNA نیاز دارد. همانطور که در رابطهی
5-2 دیده می شود اعوجاج سهیم شده توسط میکسر به انـدازه ی بهـره ی LNA از اعوجـاج سـهیم شـده توسط LNA بزرگتر است.
رابطهی 5-2 ALNA 1 1 IIP3M IIP3LNA IIP3 اگر سوئیچ های میکسر ایده آل باشند هیچ اعوجاجی توسط میکسر تولید نمی شود. به هر حال بـه خاطر مقاومت سوئیچ ها که نه تنها به ولتاژ درایو LO بلکه به ولتاژ ورودی نیز وابستهاند، سـیگنال توسـط سوئیچها دچار اعوجاج میشود.
23
2-2-2 میکسر گیلبرت
این میکسر به جای تبدیل سیگنال RF به ولتاژ، سیگنال RF را به جریان تبدیل می کنـد. یـک ترانزیستور وظیفه ی تبدیل سیگنال RF را به جریان را به عهـده دارد و سـپس یـک جفـت دیفرانسـیلی جریان را به خروجی های IF متمم در هر دوره ی تناوب LO تبدیل مـی کنـد. در ایـن میکسـر چـون بـه سوئینگ بزرگ بین گیت های جفت دیفرانسیلی برای تبدیل جریـان نیـاز نیسـت درایـو LO مـورد نیـاز کاهش قابل ملاحظهای مییابد.
میکسـر گیلبـرت سـاده (شـکل (4-2 نسـبت بـه میکسـر غیـر فعـال ایزولاسـیون بهتـری بـین سیگنال های RF و LO دارد، زیرا هیچ مسیر مستقیمی بین RF و LO وجود ندارد، اما هنوز نشت LO
به پورت IF از طریق خازنهای پارازیتی بین گیت و درین سوئیچها هست.

شکل 4-2 میکسر گیلبرت ساده
شکل 5-2 یک میکسر با تعادل دوگانه در تکنولوژی CMOS را نشان می دهـد. ایـن میکسـر از سه بخش زیر تشکیل شده است:
مبدل ولتاژ به جریان (ترارسانا)
ترانزیستورهای ضرب کننده (سوئیچها)
مبدل جریان به ولتاژ (بار)
این میکسر مشکل فوق را با اتصال سیگنال هـای LO دیفرانسـیلی بـه همـان خروجـی IF حـل کرده است، هر طرف خروجی IF به دو سوئیچ با سیگنالهای LO با 180˚ اختلاف فاز متصل اسـت پـس
24
نشت LO از دو سوئیچ یکدیگر را خنثی می کنند پس تنها میکس سیگنال هـای RF و LO در خروجـی
IF ظاهر میشود.

شکل 5-2 میکسر گیلبرت با تعادل دوگانه
بهرهی تبدیل:
بهره ی تبدیل میکسر گیلبرت شامل سه جزء )Asw (2 gm,rf (1بهره یا افـت سـوئیچ هـا) RO (3
(امپدانس خروجی)
رابطهی 6-2 , که در رابطهی Asw 6-2 تـابع شـیب و دامنـهی ولتـاژ درایـو LO و ولتـاژ over drive جفـت
سوئیچ هاست . (Vod,sw ) اگر سیگنال LO موج مربعی باشد و دامنهی آن بیشـتر از Vod,sw باشـد، آنگـاه -3.9dB یا Asw=2/π است، اگر سیگنال LO سینوسی باشد و دامنه ی آن به اندازه ی کـافی بزرگتـر از
Vod,sw باشد آنگاه Asw نزدیک به مقدار آن در مورد موج مربعی اسـت. شـکل 6-2 بهـره ی سـوئیچینگ میکسر گیلبرت با تعادل دوگانه ی نوعی را نمایش می دهد. Asw تابع دامنه ی ولتاژ LO اسـت وقتـی کـه دامنهی ولتاژ LO کوچکتر از ولتاژ over drive است، و مقدار ثابتی کمـی کـوچکتر از 2/π (بـه خـاطر افت پارازیتیک) دارد وقتی که دامنهی ولتاژ LO به اندازهی کافی بزرگ است.
25

شکل 6- 2 منحنی بهرهی سوئیچ میکسر گیلبرت با تعادل دوگانه
ولتـاژ over drive ترانزیسـتورهای سـوئیچ بـه جریـان دریـن ترانزیسـتور ورودی RF و ابعـاد ترانزیستورهای سوئیچ وابسته است. Vod,sw می تواند با رابطه ی I-V یک قطعه ی کانال بلند تخمـین زده شود. (رابطهی (7-2
,

رابطهی ,7-2

وقتی کانال ترانزیستورهای سوئیچ به اندازه ی کـافی کوتـاه باشـد معادلـه ی کانـال کوتـاه اعمـال میگردد. (رابطهی (8-2
2 1 2 V , ,
رابطهی 8-2 ρ ρ که در رابطهی 8-2، ρ0 برابر است با:
ρ V ,

به هر حال درایو LO بزرگ می تواند بهره ی سوئیچ Asw بزرگتری فراهم کند. درایو LO خیلـی بزرگ بهره ی تبدیل را کاهش میدهد. هارمونیک بزرگ LO میتوانـد ولتـاژ دریـن ترانزیسـتور ورودی را کاهش دهد و نهایتاً به ناحیهی ترایود هدایت کند.
به جای افزایش درایو LO، کاهش ولتاژ over drive جفت دیفرانسیلی میتواند بهرهی تبـدیل را افزایش دهد. برای این منظور از یک منبع جریان DC که به سورس مشـترک ترانزیسـتورهای سـوئیچ وصل می شود تا بخشی از جریان DC از درین ترانزیستور ورودی را بکشد، استفاده مـی شـود و درنتیجـه
26
ولتاژ over drive کاهش مییابد. تکنیک تزریق جریـان DC در شـکل 7-2 بـا دوایـری بـه دور منـابع جریان مشخص شده است .[10]

شکل 7-2 میکسر گیلبرت با تعادل دوگانه با تکنیک ربودن جریان DC
نویز:
سه منبع اساسی نویز در میکسر پایین آورنده داریم: (1 نویز تولید شده در ترانزیستور ورودی RF
(2 نویز سوئیچینگ
(3 نویز بارهای خروجی
نویز ترانزیستور ورودی RF شامل دو بخش است: (1 نویز گرمایی درین
رابطهی 9-2 , 8 , i و (2 نویز القایی گیت که تا حدودی به نویز گرمایی درین وابسته است. kTg 3 رابطهی 10-2 4 i , جفت دیفرانسیلی جریان RF را بین دو ترانزیستور با فرکانس LO سوئیچ می کنـد، کـه نـویز را نیز در مسیر سیگنال شرکت می دهد. یکی از سـهم هـای نـویز از افـت سـوئیچ هـا و دیگـری از نـویز روی سیگنال های LO است. نویز در گیت جفت دیفرانسیلی شامل نویز فاز و نویز حرارتـی روی سـیگنالهـای LO و نویز القایی گیت است. وقتی دامنهی LO خیلی بزرگتر از ولتاژ over drive جفـت دیفرانسـیلی باشد ( به این مفهوم که فاصله ای که هر دو ترانزیستور جفت دیفرانسیلی روشنند خیلی کـوچکتر از دوره تناوب LO باشد) هر دو نویز حرارتی LO و نویز القایی گیت شدت خیلی کمتری از نویز فاز LO دارند.
27
خطی بودن
خطی بودن میکسر گیلبرت با gm ترانزیستورهای ورودی RF محدود می شـود. یکـی از راه هـای افزایش خطی بودن میکسر گیلبرت بدون کاهش بهره ی تبدیل آن، افزایش جریان دریـن ترانزیسـتورهای ورودی RF و سپس ربودن جریان DC غیر ضروری از مسیر سیگنال است. (شکل (7-2
ادوات سوئیچ کننده خیلی در اعوجاج خروجی شرکت نمی کنند. میکسر گیلبرت بـه جـای ولتـاژ جریان را سوئیچ میکند، هنگامیکه ولتاژ درایو LO خیلـی بزرگتـر از ولتـاژ over drive باشـد، جفـت دیفرانسیلی جریان را به طور کامل سوئیچ میکند و در نتیجـه بهـرهی تبـدیل روی جریـان ورودی ثابـت است. به هر حال با چنین هدایت ناگهانی جریان، سیگنالهای RF با هارمونیکهای مراتب بلاتـر LO در خروجی میکسر تولید میشوند. فرکانسهای سیگنال خروجی میتواند توسط رابطهی 11-2 بیان گردد.
رابطهی 11-2 : , | | یک فیلتر پایین گذر بعد از میکسـر فرکـانس هـای تولیـد شـده ی بـالاتر از ǀfRF±fLOǀ را حـذف می کند. در یک میکسر گیلبرت با تعدل دوگانه همه ی هارمونیـک هـای زوج هـر دو سـیگنال RF و LO
حذف میشوند.
3-2 کاربرد میکسر
همانطور که گفته شد از میکسرها جهت انتقال فرکانس موج حامل به پایین یعنی از RF به IF
در گیرنده ها استفاده می شود، تا سیگنال حاصله با کیفیت خوب و نویز کم قابل پردازش و تقویـت باشـد.
در این انتقال فرکانسی هیچ تغییری در نوع مدولاسیون موج حامل ایجاد نمی شود، به ایـن معنـی کـه در دامنه، فاز یا انحراف فرکانس لحظه ای موج نباید تغییـری بـه وجـود آیـد. عـلاوه بـر ایـن از میکسـرها در فرستنده ها جهت انتقال فرکانس موج حامل به بالا یعنی از IF به RF استفاده می شـود. بـر ایـن اسـاس میکسرهایی که عمل انتقال فرکانس از بالا به پایین را انجام میدهند (پـایین برنـده(1 و میکسـرهایی کـه فرکانس پایین را به بالا انتقال میدهند (بالا برنده(2 نامیده میشوند.
غیر از پارامترهای تلف (و یا گین) و سطح نویز، حداکثر ایزولاسیون بین دهانههـا و فیلترکـردن مناسب برای انتخاب هارمونیک مـورد نظـر (از بـین هارمونیـکهـای تولیـد شـده) در خروجـی، حـذف سیگنالهای ناخواسته، حذف فرکانس تصویر و تطبیق امپدانسی دهانهها (بهویژه در میکسرهای فعال) از سایر مشخصاتی است که در طراحی میکسر مورد نظر است. نخستین گـام در طراحـی میکسـر، انتخـاب مناسب عنصر غیرخطی برای داشتن عملکرد مناسب در باند فرکانسی مورد نظر است.

1 Down Convert 2 Up Convert
28
بر همین اساس برای طراحی و ساخت میکسر در باند فرکانسی خـاص و بـا مشخصـات مطلـوب، ملاحظات تئوری و عملی زیادی باید در نظرگرفته شوند.
4-2 عملکرد میکسر
هرگاه یک سیگنال سینوسی به ورودی یک مدار خطی اعمال شـود شـکل مـوج خروجـی شـبیه شکل مـوج ورودی خواهـد بـود، ولـی اگـر سـیگنال سینوسـی بـه یـک مـدار غیـر خطـی اعمـال شـود هارمونیک های ورودی در خروجی ظاهر می شوند. حال اگر دو سیگنال بـا فرکـانس هـای f1,f2 بـه ورودی یک مدار غیر خطی اعمال شوند نه تنها هارمونیک های هریک از فرکانس های بلکه هارمونیک های دیگـری به شکل m) mf1+nf2وn اعداد صحیح هستند) در خروجی خواهیم داشت.
مشخصه ی یک مدار غیر خطی را با اسـتفاده از تـوان سـری بـه صـورت رابطـهی 12-2 در نظـر میگیریم:
رابطهی 12-2
با فرض ورودی V=V1+V2 خواهیم داشت:
رابطهی 13-2
از بسط رابطهی 13-2 میتوان نوشت:
رابطهی
14-2 3 3 2 در رابطـهی 14-2، V1m تولیـد کننـدهی فرکـانس mf1 و V2n تولیدکننـدهی فرکـانس nf2 و V1mV2n تولیدکنندهی فرکانسهای mf1+nf2 هستند. با توجـه بـه روابـط بـالا معلـوم اسـت کـه یـک مشخصهی غیرخطی میتواند فرکانس های خیلی زیادی تولید کند، که در تحلیل کلی دو دسـته فرکـانس خواهیم داشت، یکی از هارمونیکهای دو فرکانس اعمال شـده و دیگـری یـک دسـته مجمـوع و تفاضـل هارمونیکهای فرکانسهای اعمال شده است.
1-4-2 میکسر به عنوان یک ضرب کننده
به طور کلی میتوان یک میکسر را به عنوان یک ضربکننده در نظرگرفت. (شکل (8-2

شکل 8-2 میکسر به عنوان یک ضرب کننده [3]
29
در این شکل یک ضربکنندهی ایدهآل با دو ورودی RF و LO دیده میشود شامل یـک Tone
حامل در فرکانس ωRF و یک شکل موج مدوله شدهARF 1 میباشد، ورودی دیگری که بـه دهانـهی LO
اعمال میشود یک سینوسی خالص در فرکانس ωLO است.
با ضرب دو سیگنال سینوسی و تبدیل آن به مجموع دو سینوسی که یکی حاصل جمع و دیگری تفاضل دو فرکانس را میدهد، فرکانس مجموع را فیلتر کرده و فقط سیگنال تفاضـل بـاقی مـیمانـد کـه حاصل مخلوط کردن دو فرکانس میباشد، در واقع سیگنال خارج شده از فیلتر شکل موج ARF است کـه اکنون بر Tone حاصل دو فرکانس ωRF-ωLO سوار میباشد.
اگرچه ضربکنندهی ایدهآل دردسترس نیست اما هر عنصـر غیـر خطـی دارای خاصـیت ضـرب کنندهگی است. عملکرد عناصر غیرخطی از آن جهت با ضربکنندهی ایدهآل متفاوت است که این عناصر هارمونیکهای مختلف RF و LO و ترکیب آنها را تولید کرده و خروجیهایی با این هارمونیکها ایجـاد میکنند، حال اگر ورودی مدوله شده ی RF از ورودی غیر مدوله شدهی LO خیلی کوچکتـر باشـد کـه در عمل چنین نیز هست خروجی میکسر شامل ترم های فرکانسی زیر است:
ωn =ωRF+nωLO
پس در خروجی IF فرکانس ωRF به علاوه ی هارمونیکهای مختلف LO را خواهیم داشـت کـه خروجی دلخواه بهوسیلهی فیلتر در دسترس خواهد بود.
2-4-2 عملکرد میکسر به کمک یک سوئیچ
میکسر را میتوان به عنوان یک سوییچ نیز مطرح نمود که با فرکانس LO قطع و وصل میگردد.
شکل 9-2 یک میکسر با ساختار تکی2 را نشان میدهد که به صورت یک سوئیچ مدل شده است.
سیگنال IF حاصلضرب سیگنال RF در شکل موج سوئیچ شدهی S(t) میباشد. در برخی مـوارد ممکـن است شکل موج سوئیچ شده دارای زمان قطع و وصل% 50 3 نباشـد، بـه هرحـال همـهی هارمونیـکهـای فرکانس اصلی به علاوهی یک جـزء DC حاصـل مـیشـود. بنـابراین سـیگنال IF شـامل تعـداد زیـادی هارمونیکهای ناخواسته میباشد که با فیلتر کردن میتوان آنها را جدا ساخت.

1 Modulation Waveform 2 Single ended 3 Duty Cycle
30

شکل 9- 2 میکسر با ساختار تکی
شکل 10-2 نشان دهندهی نوع دیگری از ساختار میکسر است که به آن سـاختار متـوازن تکـی1 گفته میشود، که با استفاده از شکل موج دیگری برای S(t) مدل شدهاست.
در اینجا بهجای قطع و وصل سادهی سیگنال RF قطبهای مثبت و منفی سیگنال بـا فرکـانس سوئیچینگ LO عوض میشوند. مزیت اصلی این حالت حذف ترم DC در شکل موج S(t) اسـت (البتـه به شرط آنکه Duty Cycle، %50 داشته باشیم) و به تبع آن، دیگـر در طیـف خروجـی IF از فرکـانس
RF اثری نخواهد بود، در نتیجه یک ایزولاسیون ذاتی بین دریچههای RF و LO وجـود خواهـد داشـت
.[8]

شکل 10-2 میکسر با ساختار متوازن تکی

1 Single Balanced
31
.3 فصل سوم: بررسی میکسرهای توزیع شدهی
فراپهن باند
32
1-3 مقدمه
توپولوژی توزیع شده در ترکیب خطوط انتقال1 در ابتدا توسط گینزتون2 پیشنهاد شد.[11] به علـت عـدم پیشرفت تکنولوژی در طراحی و ساخت مدارت توزیع شده، اسـتفاده از ایـن مـدارات بـرای مـدت زیـادی متوقف شد. این مدارات دوباره در سال 1980 با پروسههای مختلفی شروع شد که از جمله آنها GsAs و
اخیراً تکنولوژی CMOS را میتوان نام برد. شروع دوباره به کارگیری مدارات توزیع شده اساساً ناشـی از قابلیت طراحی خطوط انتقال روی تراشه3 و سلفهای high-Q بود.
شکل 1-3 بلوک دیاگرام کلی شامل خطوط انتقال و طبقات بهره که روی خطوط انتقال توزیـع شـدهانـد، میباشد که هر طبقه میتواند یک ساختار مشخص میکسر در تکنولوژی دوقطبی4 باشـد. خطـوط انتقـال نیز میتوانند مطابق شکل (a)1-3 توسط موجبرهای هم محور یا مطابق شـکل (b) 1-3 توسـط مـدارات
LC تحقق یابند. در این شکل Ci خازنهای پارازیتی ورودی طبقه به اضـافهی همـه خـازنهـای خـارجی میباشد. همچنین Co خازنهای پارازیتی خروجی طبقات به اضافهی همه خازنهای خارجی میباشد.

شکل 1-3 بلوک دیاگرام مدار ترکیبی توزیع شده (a) موجبر هم محور واقعی (b) مدارات LC مصنوعی[11]
یکی از مشخصات بارز مدارات مجتمع این است که خطوط انتقـال روی تراشـه را بـرای افـزایش پهنای باند به کار میگیرند. در حوزهی فرکانس، خازنهای پارازیتی ترانزیستورها که در شـکل 1-3 دیـده می شود، جذب ثابتهای خطوط انتقال میشوند. بنابراین پهنای باند مدار توسـط فرکـانس قطـع خطـوط انتقال تعیین میشود.

1 Transmission Line 2 Ginzton 3 On chip 4 bipolar
33
نکتهی مهم در خصوص توپولوژی توزیع شده در مقایسه با سایر توپولوژیها، توان مصرفی بـالا و سطح اشغالی زیاد آنها است. توان مصرفی و سطح اشغالی با افزایش تعداد طبقات زیاد میشوند. بهتـرین راه، ایجاد مصالحه بین توان مصرفی و حاصلضرب بهره در پهنای باند یعنی 1GBW میباشد.
توان مصرفی مدارات توزیع شده با n طبقه، n برابر توان مصـرفی یـک مـدار یـک طبقـه اسـت.
مدرارت توزیع شده نسبت به مدارات فشرده مصـالحه ی بهتـری بـین تـوان مصـرفی و عـدد نـویز برقـرار میکنند.
2-3 مدارات توزیع شده
در ساختارهای توزیع شده که اخیراً استفاده از آنها در طراحی سیستمهای فـرا پهـن بانـد رشـد چشمگیری داشته است، معمولاً از چند سلول یکسان که بصورت موازی بین دو خط انتقال (بـا امپـدانس ذاتی معادل 50 اهم) ورودی و خروجی قرار گرفتهاند، استفاده می گردد. این خطوط انتقال مجازی کـه در شکل 2-3 ملاحظه می شوند، از مدل T معادل خط انتقال ناشی شده و اساساً دربرگیرندهی تعدادی سلف میباشند که در کنار خازنهای پارازیتیک ترانزیسـتور، تشـکیل خـط انتقـال بـا امپـدانس مـورد نظـر را میدهند .[12]

شکل 2-3 مدل خطوط انتقال مصنوعی
یکی از نکات مهم در استفاده از ساختار توزیع شده، در نظر گرفتن اختلاف فاز بین سیگنالهـای رسیده از هر کدام از سلولها با یکدیگر در خروجی میباشد. بدین معنی که اگر سـاختار توزیـع شـده بـا چهار سلول را به صورت شکل 3-3 در نظر بگیریم، آنگـاه مـثلاً سـیگنال ورودی A1 پـس از طـی مسـیر مشترک L1 به ورودی اولین سـلول رسـیده، سـپس بـا طـی مسـیرهای L4, L3, L2 و L5 بـه خروجـی میرسد. از طرف دیگر سیگنال A2 از مسیر دیگر بـا طـی مسـیر L1 وL2 بـه ورودی سـلول 2 رسـیده و سپس با طی مسیرهای L3 ، L4 و L5 به خروجی میرسد که این مساله به همین نحو برای سایر سلولها نیز ادامه دارد. با توجه به این که سلولها کاملاً یکسان میباشند، بنـابراین بایـد اخـتلاف فـاز طـی شـده

1 gain-bandwidth
34
توسط سیگنال عبوری از هر یک سلولها از ورودی تا خروجی تا حد ممکن یکسان باشد که در غیـر ایـن صورت باعث تاثیر منفی سیگنالهای سلولها بر یکدیگر و کاهش بازدهی از مقدار ایدهآل میشود. به این منظور باید مقادیر سلف های موجود در خط انتقال ورودی و خروجی و خـازنهـای پارازیتیـک بـه نحـوی انتخاب شوند که علاوه بر تامین امپدانس 50 اهم برای رسیدن به ضریب انعکاس قابل قبـول در ورودی و خروجی، بتوانند این هماهنگی در اختلاف فاز را نیز میسر سازند .[11]

شکل 3-3 شمای نحوهی قرار گیری سلولهای مدار توزیع شده بین دو خط انتقال
3-3 بررسی عملکرد سیگنال بزرگ میکسر گیلبرت به عنوان یک عنصر غیر خطی
در شکل 4-3 یک سلول گیبرت که به طور گسترده به عنوان میکسر مورد استفاده قرار می گیـرد و یک میکسر با تعادل دوگانه1 است مشاهده می شود. تعادل دوگانه به این مفهـوم کـه اگـر فقـط یکـی از سیگنال های ورودی یا LO اعمال شود، خروجی به طور ایـده آل صـفر مـی گـردد. در ایـن تحلیـل فـرض می کنیم که سیگنال خروجی به طور ایده آل هیچ جزئی در فرکانس LO و هارمونیـک هـایش نـدارد، کـه وجود ایزولاسیون بالای پورت به پوررت بین پایانه های ورودی، LO و خروجـی ایـن خواسـته را بـرآورده می کند. سلول گیلبرت شامل طبقهی ترارسانایی یا راهانداز، که یک جفت دیفرانسـیلی اسـت کـه در یـک نقطه کار ثابت بایاس شده است، دو جفت سوئیچ که با سیگنال قوی LO راه می افتند و بارهای مقـاومتی یا مدارات تانک در خروجی است.
رابطهی 1- 3 I I I I IO IO
1 Double Balanced
35

شکل 4-3 میکسر گیلبرت CMOS
نصف سلول گیلبرت خودش یک میکسر تک بالانس است که در شکل 5-3 نمـایش داده شـده و بدین گونه درنظر گرفتن آن، به تحلیل مدار کمک میکند.

شکل 5-3 یک میکسر فعال CMOS با تعادل تکی
هنگامی که ولتاژ ac سیگنال بزرگ به سوئیچ ها اعمال می شـود، بایـاس M1 و M2 ثابـت نیسـت ولی به صورت متناوب با زمان تغییر می کند. وقتی ولتاژ دیفرانسیلی بزرگتر از مقدار مطمـئن Vx، کـه در شکل 6-3 آمده، بین گیت های ترانزیستورها اعمال می شود یکی از آن ها خـاموش مـی شـود، ولـی وقتـی مقدار مطلق ولتاژ لحظه ای VLO کمتر از Vx باشد، جریان طبقه ی راه انداز بین دو قطعه تقسیم می شـود.
میخواهیم جریان درین هر ترانزیستور را برای یک مقدار VLO و جریان بایاس طبقهی راهانداز بدانیم.
رابطهی 2- 3 V k VG V 36 ID 1 θ VGS
در رابطــهی 2-3 کــه رابطــهی جریــان-ولتــاژ ترانزیســتور MOS کانــال کوتــاه مــیباشــد،
θ فــــــــاکتور تنــــــــزل1 قابلیــــــــت حرکــــــــت میــــــــدان نرمــــــــال و k برابــــــــر است .[13]
ترانزیستور M3 را با یک منبع جریان ایده آل مدل می کنیم و فرض می کنیم ترانزیستورهای M1
و M2 در ناحیه ی اشباع باقی مـی ماننـد. در قسـمتی از دوره تنـاوب LO کـه ایـن ترانزیسـتورها روشـن هستند، رفتار سیگنال بزرگ جفت سوئیچها با روابط زیر مدل بیان میشود.
رابطهی 3- 3 I V VGS k V V VGS k و V 1 θ VGS 1 θ VGS IB رابطهی 4- 3 - نرمال میکنیم. GS که جریان و ولتاژ VLO را به صورت رابطهی 5 3 VLO VGS رابطهی -5-3 - θVLO - ULO IB- θ JB و در نتیجه رابطهی 3 3 و رابطهی 4 3 به صورت رابطهی 6 3 و رابطهی 7 3 درkمیآیند. و رابطهی 6- 3 JB U U 1 U U 1 رابطهی 7- 3
هنگامیکه همهی جریان بایاس از M1 میگذرد داریم:
JB 4 2 θ
رابطهی 8- 3 JB JB
gm ترانزیستورها نیاز می شود و می تواند از مشتق I نسبت به V یا در فرم نرمال شده می تواند از مشتق J نسبت به U محاسبه شود. رفتار جفت سوئیچ ها از Vt مستقل است و این به ما اجازه میدهد که gmbs را حذف کنیم. اگر از اثر خازنی صرفه نظر شود جریان خروجی میکسـر تـک بـالانس (شـکل (5-3
تابعی از ولتاژ پیوستهی LO و جریان طبقهی راهانداز است.
رابطهی 9- 3 , I I IO بسط اول تیلور رابطهی 9-3، رابطهی 10-3 را نتیجه میدهد:
رابطهی 10-3 . , , IO که میتوان آنرا به صورت زیر نوشت:

1 Degeneration
37
رابطهی 11-3 . در رابطهی p0(t) 11-3 و p1(t) توابع پریودیک هستند که در شکل 6-3 ملاحظه میشوند.

شکل 6-3 شکل موجهای p0(t) و p1(t)
در ساختار دوبل بالانس با تطبیق خوب تابع p0(t) حذف میشود.
در فاصله زمانی که -Vx<VLO<Vx است هر دو ترانزیستور سوئیچ روشن هسـتند و p0(t) و p1(t) به VLO و IB و مشخصات I-V ترانزیستورها وابستهاند. جریان سیگنال کوچـک در هـر شـاخه بـه وسیلهی تقسیم جریان تعیین میشود و به صورت رابطهی 12-3 دیده میشود .[14]
رابطهی 12-3

مطابق رابطهی 11-3 یک جزء سیگنال is(t) که آن را با x(t) نشان مـی دهـیم، در شـکل مـوج
p1(t) ضرب میشود پس طیف فرکانسی خروجی به صورت رابطهی 13-3 در میآید.
رابطهی 13-3 , که fLO فرکانس LO، p1,n سری فوریه ی p1(t) و X(f) طیف فرکانسی x(t) است. p1(t) فقط مولفههای فرکانسی فرد را دارا میباشد. (p1(t)= -p1(t+TLO/2)) توجه کنیم که ترمهای شـامل n=1
یا n=-1 بهره را معرفی می کنند و در این صورت رابطهی 14-3 بهره ی تبدیل جفت سوئیچ ها به تنهـایی را نشان میدهد.
رابطهی 14-3 , | . | 38
از آنجاییکه x(t)=gm3vin(t) که در آن vin(t) سیگنال ولتاژ ورودی در گیت ترانزیستور M3 و
gm3 ترارسانایی ترانزیستور M3 است، بهره ی تبدیل میکسر تک بالانس در فرم ترارسانایی رابطهی 15-3
است.
رابطهی g .15-3
برای دامنه های بزرگ LO، p1(t) به صورت مـوج مربعـی درمـی آیـد و c بـه 2/π مـیرسـد. در
شرایطی که VO>Vx است یعنی حالتی که برای کارکرد میکسر لازم است و بـا فـرض p1(t) یـک خـط مستقیم رابطهی 16-3 به عنوان تقریب خوبی برای c حاصل میشود .[14]
2 sin ∆
رابطهی 16-3


و برای LO سینوسی داریم: πΔfLO=arcsin(Vx/VO)
4-3 میکسر سلول گیلبرت توزیع شده
میکسر سلول گیلبرت توزیع شده تعداد یکسانی از ایـن میکسـرها مـی باشـد، کـه ترمینـالهـای ورودی و خروجی هر میکسر به نقاط اتصال وسط1 خطوط انتقال مصنوعی وصل شده است. اگر ثابت فـاز خطوط انتقال مصنوعی به درستی طراحی شده باشد خروجی IF هر سلول با سایر اجزاء IF کـه از سـایر سلولها میآیند هم فاز2 خواهد بود. این میکسر به یک بهرهی تبدیل بهتر در طول رنج فرکانسی پهـن در مقایسه با میکسر گیلبرت متداول دست مییابد.
مدارات با خطوط انتقال تاخیر انتشار را فدای پهنای باند سیگنال می کنند، در سیستم هـای بانـد وسیع تاخیر از پهنای باند محدود قابل تحمل تر است زیرا می تواند توسط مدارات پیشبینی تاخیر کالیبره گردد، که استفاده از مدارات توزیع شده در این کاربرد را توجیح مـی کنـد. پهنـای بانـد ایـن مـدارات بـه خصوص در پورت های RF و LO توسط ثابت زمانی RC محدود می شود. در حوزه ی فرکانس، یک منبع محدودیت پهنای باند در مدارات آنالوگ متداول، هنگامیکه فرکانس افزایش مـییابـد افـت در امپـدانس ورودی مدار است. در یک مدار توزیع شده که از شبکهی نردبانی LC بـرای بهبـود پهنـای بانـد اسـتفاده می شود، خازن ورودی ترانزیستور در داخل خطوط انتقال جذب (کشیده) میشود، از اینرو تـا زمـانیکـه فرکانس قطع خطوط انتقال نزدیک شود امپدانس ورودی و پهنای باند تا یک درجهی مطمئن ثابت بـاقی میمانند.
در اثر استفاده از خطوط انتقال مصنوعی بهبود تخت بودن بهره به دست میآید، هرچند طبیعـت مکانیسم اضافه کردن سلف در توپولوژی توزیع شده بهرهی تبدیل میکسر فعال را کاهش میدهد.

tap point in-phase

1
2
39
1-4-3 بهرهی تبدیل
با فرض رفتار سوئیچ جریان ایده آل برای طبقه ی سوئیچ جریان تفاضـلی خروجـی مـی توانـد بـه عنوان نتیجه ی ضرب جریان درین M1 با یک موج مربعی با دامنه ی واحد در نظر گرفته شود. هنگامی که دامنه ی جزء اصلی موج مربعی 4/π برابر دامنه ی موج مربعی است، ترارسـانایی کـل بـه صـورت رابطـهی
17-3 بیان میشود. در این رابطه 2/π به جای 4/π آمـده اسـت زیـرا سـیگنال IF بـین اجـزا مجمـوع و
تفاضل به طور مساوی تقسیم میشود .[15]
2
رابطهی G πg17-3
حال برای میکسر توزیع شده با n سلول بیشترین بهره ی تبدیل به صورت رابطهی 18-3 تعریـف
میشود.
رابطهی 18-3

برای افزایش بهره ی تبدیل می توان تعداد طبقات n، یا ترارسانایی gmRF را افزایش داد که هر دو موجب مصرف توان اضافی می شوند. راه دیگر افزایش ZIF است هنگامی که فرکانس قطع خـط انتقـال IF
) ) حفظ شود. شکل 7-3 مدار معادل خطوط انتقال IF را نشان می دهد که i2 تا
in مدل تاخیری i1 هستند .[11]

شکل 7-3 مدار معادل خط انتقال
2-4-3 تکنیک تزریق جریان
از رابطهی 18-3 نتیجه می شود که بهره ی تبدیل میکسر گیلبرت قویاً به بارهای مقاومتی وابسته است و برای بهره ی تبدیل بالا، مقاومت بار بزرگ نیاز است. با توجه به شکل 8-3، برای یـک جریـان ISS
مشخص خطی بودن میکسر ناشی از اضافه ولتاژ افت کرده روی RL رو به کاهش میگذارد. با ایجـاد یـک مسیر جریان بای پس IB جریان بایاس از مسیر RL به طور موثری کاهش می یابـد، هنگـامی کـه جریـان
DC کافی برای طبقهی ترارسانایی حفظ میشود.
40

شکل 8-3 شماتیک مدار میکسر گیلبرت با تکنیک تزریق جریان
تزریق جریان با یک مقاومت موازی یا منبع جریان فعال پیاده سازی میشود. برای تقویت بیشـتر ترارسانایی برای بهره ی تبدیل کمکی بدون مصرف جریان اضافی، یـک توپولـوژی تزریـق جریـان بـا یـک طبقه ی ترارسانایی مکمل که در شکل 9-3 ملاحظه می شود به کـار مـی بـریم. در ایـن توپولـوژی جفـت تفاضلی pMOS با ترارسانایی ورودی ترکیب شده اند. با انتخاب نسبت جریـان طبقـات مکمـل ماننـد α بهرهی تبدیل توسط رابطهی 19-3 داده میشود .[12]
αISS L µ C L I SS µ C CG 2 π RL
رابطهی 19-3 W W
شکل 9-3 شماتیک مدار میکسر گیلبرت با طبقهی ترارسانایی مکمل
می خواهیم خطی بودن مدار جدید را بررسی کنیم. معادله ی جریان سیگنال کوچک دریـن را بـه صورت رابطهی 20-3 مینویسیم:
رابطهی 20-3
41
و اگر -VOD VGS‐Vt باشد، آنگاه رابطهی 21-3 تا رابطهی 23-3را برای ضرایب g داریم. رابطهی 21 3 kVOD 2 θVOD ∂ID و θVOD 1 ∂VGS رابطهی 22-3 k 1 ∂ ID 1 و θVOD 2!∂VGS رابطهی 23-3 kθ 1 ∂ ID 1 θVOD 3!∂VGS بر اساس روابط بالا اینترمدولاسیونهای مرتبهی دوم و سوم به صورت زیر تعریف میشوند .[16]
رابطهی , ,24- 3

,,
رابطهی , ,25- 3

,,

4

3
از رابطهی 24-3 واضح است که با تکنیک تزریق جریان پیشنهادی بـرای میکسـر IIP2 بزرگتـر به دست می آید. هرچند به هرحال در نتیجه ی استفاده از طبقه ی ترارسانایی pMOS، IIP3 ممکن است کاهش یابد. بنابراین تعامل بین IIP3 و CG برای کارایی بهتر میکسر بایستی به دست آید.
3-4-3 تکنیک پیکینگ سلفی1
محدودیت دیگر پهنای باند کاری میکسر بانـد وسـیع خـازن هـای پـارازیتی در گـره ی خروجـی طبقه ی ترارسانایی هستند مخصوصاً وقتی که تکنیک تزریق جریان برای بالا بردن بهره استفاده می شـود.
یک مدل مدار ساده که در شکل (a)10-3 ملاحظه می شود برای تحلیل به کار رفته و تابع رابطهی 26-3
بهدست میآید.
رابطهی 26-3

1

1 Inductive Peaking
42

شکل 10-3 مدل مدار ساده شده برای (a) میکسر متداول (b) میکسر با تکنیک پیکینگ سلفی سری
برای کم کردن تاثیر قطب فرکانس پایین اضافی در پهنای باند کـاری میکسـر تکنیـک پیکینـگ سری که در اصل برای تقویت کننده های باند وسیع ایجاد شده به کار می رود. شکل (b)10-3 یـک مـدل ساده ی پیکینگ سلفی سری را نشان می دهد. اعمال یک سلف سری Lm بین طبقات ترارسانایی و سوئیچ برای جداکردن خازن های پارازیتی، با وارد کردن یک شبکه ی غیر فعال بـا مشخصـات پهـن بانـد صـورت میگیرد.

شکل (a) 11-3 مدل سیگنال کوچک یک تقویت کننده (b) شبکهی پسیو اضافه شده برای ایزوله کردن خازنهای
پارازیتی (c) پیاده سازی این شبکه با سلف
یک شبکه ی دو پورتی غیر فعال می تواند بین اجزاء ترانزیسـتور (R1,C1) و بـار (R2,C2) بـرای افزایش پهنای باند وارد شود(شکل .((b)11-3 اگر GBW1 شکل (a)11- 3 با رابطهی 27-3 بیان شود.
رابطهی 27-3

2

1 Gain-Bandwidth
43
GBW برای شکل (b)11-3 یا (c) که شبکه ی غیـر فعـال اعمـال شـده و در نتیجـه C1 تنهـا خازنی است که در پورت ورودی شبکه روی GBW اثر دارد، بنابراین برای این حالت GBW با رابطهی
28-3 محاسبه میشود .[17]
g
رابطهی GBW28-3
π
ملاحظه میشود که این تکنیک پهنای باند مدار را به طور قابل ملاحظهای افزایش میدهد.
5-3 مروری بر چند ساختار میکسر پهن باند ارایه شده
در این قسمت شماتیک مدار چندین ساختار میکسر پهن باند، که از بـه روزتـرین سـاختارها بـه شمار میروند، مرور شده است. در پایان بخش، این ساختارها از لحاظ فرکانس کار، بهـره ی تبـدیل، عـدد نویز و خطی بودن در یک جدول مقایسه شدهاند.
1-5-3 ساختار میکسر [18] 1
شماتیک مدار در شکل 12-3 دیده میشود. در طراحـی ایـن میکسـر از توپولـوژی توزیـع شـده استفاده شده و تعداد طبقات به طور دلخواه چهار انتخاب شده است. هر سلول یـک میکسـر تـک بـالانس است. ترانزیستورهای طبقه ی ترارسانایی (M31-M34) به طور یکسان تطبیق یافتـهانـد. در ایـن میکسـر خطوط انتقال مصنوعی در طول خطوط LO,RF وIF با شبکه ی نردبانی LC تحقق یافتهاند، که سلفها با استفاده از ماپیچهای داخل چیپ اجرا شدهاند و خازنها، خـازنهـای پـارازیتی ترانزیسـتورهای MOS
هستند که به خطوط تاخیر LC متصل شدهاند، امپدانس بار با امپدانس مشخصـه ی خطـوط تـاخیر LC
تطبیق یافتهاند.
پارامترهای بهره، عدد نویز، IIP3 این مدار در جدول 1-3 آمده است.

شکل 12-3 مدار میکسر ساختار 1
44
2-5-3 ساختار میکسر [12] 2
شماتیک مدار در شکل 13-3 دیده میشود. این میکسر با استفاده از توپولوژی توزیع شده ی غیر همسان طراحی شده، با ترکیب کردن طبقات سلف و خطوط انتقال مصنوعی با میکسـر گیلبـرت بهـره ی تبدیل بالا و تخت و نیز پهنای باند وسیع به دست می آید. در این سـاختار تزریـق جریـان بـرای افـزایش بهره ی تبدیل میکسر با تاثیر کمتر بـر خطـی بـودن آن بـه کـار رفتـه اسـت. همچنـین از تکنیـک هـای Degeneration خازنی و پیکینگ سلفی برای تقویت بهره و پهنای باند در فرکانس های بـالاتر اسـتفاده شده است.
پارامترهای بهره، عدد نویز، IIP3 این مدار در جدول 1-3 آمده است.

شکل 13-3 مدار میکسر ساختار 2
3-5-3 ساختار میکسر [19] 3
شماتیک مدار در شکل 14-3 دیده میشود. این میکسر با هسته ی سلول گیلبرت تحقـق یافتـه، سلول گیلبرت به دلیل داشتن ساختار دوبل بالانس که بهره ی تبـدیل بـالا و کـارایی مناسـب را در ابعـاد کوچک برای مجتمع سازی ارایه می دهد، انتخاب شده است. بـرای بهبـود پهنـای بانـد شـبکه ی تطبیـق امپدانس برای کاهش تلفات بازگشت سیگنال، با شبکه ی نردبانی LC که در مدارات توزیع شـده بـه کـار می رود در پورت های RF و LO به کار رفته است. این شبکه با خازن های Cgs ترانزیسـتورهای MOS و
سلف های مارپیچی، برای اجرای خطوط انتقال مصنوعی و دستیابی به پهنای باند بـالا اجـرا شـده و بـرای افزایش بهرهی تبدیل از روش تزریق جریان استفاده شده است.

payanneme

٣‐٧‐فرورزونانس در ترانسفورماتورهای توزیع ..................................................................................... ٢٢
٣‐٧‐١‐ فرورزونانس پایدار .............................................................................................................. ٢٣
٣‐٧‐٢‐ فرورزونانس ناپایدار............................................................................................................ ٢٣
٣‐٨‐ تاثیر نوع سیم بندی ترانسفورماتورها............................................................................................ ٢۴
٣‐٩‐ تاثیر بار بر اضافه ولتاﮊهای فرورزونانس....................................................................................... ٢۴
٣‐١٠‐ طبقه بندی مدلهای فرورزونانس ................................................................................................ ٢۵
٣‐١١‐ شناسایی فرورزونانس................................................................................................................. ٢۵
فصل چهارم: مبانی علمی روشهای پیشنهادی...............................................................................٢٧
۴‐١‐ از تبدیل فوریه تا تبدیل موجک.................................................................................................... ٢٨
۴‐٢‐ سه نوع تبدیل موجک................................................................................................................... ٣٣
۴‐٢‐١‐تبدیل موجک پیوسته............................................................................................................ ٣٣
۴‐٢‐٢‐ تبدیل موجک نیمه گسسته.................................................................................................. ٣۵
۴‐٣‐ انتخاب نوع تبدیل موجک......................................................................................................... ۷۳
۴‐۴‐ آنالیز مالتی رزولوشن و الگریتم DWT سریع ........................................................................... ۷۳
۴‐۴‐١‐ آنالیز مالتی رزولوشن ....................................................................................................... ٣٧
۴‐۵‐ زبان پردازش سیگنالی ............................................................................................................... ۴٠
۴‐۶‐ شبکه عصبی .............................................................................................................................. ۴۵
۴‐۶‐١‐ مقدمه .................................................................................................................................. ۴۵
۴‐۶‐٢‐ یادگیری رقابتی................................................................................................................. ۴۶
۴‐۶‐٢‐١‐روش یادگیری کوهنن ................................................................................................. ۴٧
۴‐۶‐٢‐٢‐ روش یادگیری بایاس .................................................................................................. ۴٨
۴‐٧‐ نگاشت های خود سازمانده ..................................................................................................... ۵٠
۴‐٨‐ شبکه یادگیری کوانتیزه کننده برداری ...................................................................................... ۵٢
۴‐٨‐١‐ روش یادگیری ................................................................................................... LVQ1 ۵٣
۴‐٨‐٢‐ روش یادگیری تکمیلی..................................................................................................... ۵۵
۴‐٩‐ مقایسه شبکه های رقابتی ........................................................................................................ ۵۵
فصل پنجم: جمعآوری اطلاعات ................................................................................................ ۵٧
۵‐١‐ نحوه بدست آوردن سیگنالها......................................................................................................... ۵٨
۵ ‐١‐١‐ بدست آوردن سیگنالهای فرورزونانس................................................................................. ۵٨
۵‐١‐٢‐ انواع کلیدزنیها و انواع سیم بندی در ترانسفورماتورها............................................................. ۵٩
۵ ‐١‐٣‐ اثر بار بر فرورزونانس .......................................................................................................... ۶۴
۵ ‐١‐۴‐ اثر طول خط......................................................................................................................... ۶۵
۵‐١‐۵‐ بدست آوردن سیگنالهای سایر حالات گذرا............................................................................. ۶۶
فصل ششم: پیاده سازی الگوریتم و نتایج شبیه سازی .............................................................. ٧۴
۶‐١‐ مقدمه ........................................................................................................................................ ٧۵
۶‐٢‐ تعیین کلاسها و تعداد الگوهای هر کلاس ................................................................................ ٧۵
۶‐٣‐ اعمال تبدیل موجک و استخراج ویژگیها ................................................................................. ٧۵
۶‐۴‐ پیاده سازی الگوریتم با استفاده از شبکه عصبی ................................................................LVQ ٨١
۶‐۵‐ پیاده سازی الگوریتم با استفاده از شبکه عصبی رقابتی.............................................................. ٨٨
فصل هفتم: نتیجه گیری و پیشنهادات........................................................................................ ٩۵
٧‐١‐ نتیجه گیری................................................................................................................................ ٩۶
٧‐٢‐ پیشنهادات ................................................................................................................................. ٩٨
فهرست منابع........................................................................................................................... ١٠٠
فهرست جدولها عنوان صفحه
جدول ۵‐۲. اطلاعات بارها ................................................................................................ ........................ ۹۵
جدول۵‐۳.مشخصات ترانسفورماتورها ....................................................................................................... ۹۵
جدول۶‐۱ در صد تشخیص شبکه LVQ با موجک ............................................................................ Db ۴۸
جدول ۶‐۲ در صد تشخیص شبکه LVQ با موجک ....................................................................... dmey ۴۸
جدول ۶‐۳ در صد تشخیص شبکه LVQ با موجک ....................................................................... haar ۵۸
جدول۶‐۴ در صد تشخیص شبکه رقابتی با موجک ............................................................................ Db ۱۹
جدول ۶‐۵ در صد تشخیص شبکه رقابتی با موجک ..................................................................... dmey ۱۹
جدول ۶‐۶ در صد تشخیص شبکه رقابتی با موجک ....................................................................... haar ۲۹
فهرست شکلها عنوان صفحه
۱‐۳. مدار معادل پدیده فرورزونانس............................................................................................................ ۰۲
۲‐۳ حل ترسیمی مدار LC غیر خطی.......................................................................................................... ۱۲
۴‐۱ نمایش پهن و باریک پنجرهای طرح زمان‐ فرکانس............................................................................. ۹۲
۴‐۲‐ چند خانواده مختلف ازتبدیل موجک. ................................................................................................ ۱۳
۴‐۳‐ دو عمل اساسی موجک‐ مقیاس و انتقال ‐ برای پر کردن سطح نمودار مقیاس زمان....................... ۳۳
۴‐۴‐ تشریح CWT طبق معادله۴ ................................................................................................................ ۴۳
۴‐۵ مثالی از آنالیزموجک پیوسته. در بالا سیگنال مورد نظر نمایش داده شده است. ............................... ۵۳
۴‐۶ طرح الگوریتم کد کردن زیر باند ......................................................................................................... ۱۴
۴‐۷ نمایش تجزیه توسط موجک................................................................................................................. ۳۴
۴‐۸ مثالیاز تجزیه .DWT سیگنال اصلی، سیگنال تقریب (AP) وسیگنالهای جزئیات CD1) تا ..................................................................................................................................................... (CD6 ۴۴
۴‐۹ معماری شبکه رقابتی............................................................................................................................ ۶۴
۴‐ ۰۱نمایش همسایگی................................................................................................................................ ۱۵
۴‐۱۱ معماری شبکه ......................................................................................................................... LVQ ۲۵
۵‐۱. فیدر .......................................................................................................................................... 20kV ۸۵
۵‐۲ ولتاﮊ فاز a ثانویه ترانس در کلیدزنی تکفاز.......................................................................................... ۹۵
۵‐۳ ولتاﮊ فاز a ثانویه ترانس در کلیدزنی دوفاز.......................................................................................... ۹۵
۵‐۴ ولتاﮊ فاز a ثانویه ترانس در کلیدزنی تکفاز.......................................................................................... ۰۶
۵‐۵ ولتاﮊ فاز a ثانویه ترانس در کلیدزنی دوفاز.......................................................................................... ۰۶
۵‐۶ ولتاﮊ فاز a ثانویه ترانس در کلیدزنی تکفاز.......................................................................................... ۰۶
۵‐۷ ولتاﮊ فاز a ثانویه ترانس در کلیدزنی دوفاز.......................................................................................... ۰۶
۵‐۸ ولتاﮊ فاز a ثانویه ترانس در کلیدزنی تکفاز.......................................................................................... ۱۶
۵‐۹ ولتاﮊ فاز a ثانویه ترانس در کلیدزنی دوفاز.......................................................................................... ۱۶
۵‐۰۱ ولتاﮊ فاز a ثانویه ترانس در کلیدزنی تکفاز........................................................................................ ۱۶
۵‐۱۱ ولتاﮊ فاز a ثانویه ترانس در کلیدزنی دوفاز........................................................................................ ۱۶
۵‐۲۱ ولتاﮊ فاز a ثانویه ترانس در کلیدزنی تکفاز........................................................................................ ۲۶
۵‐۳۱ ولتاﮊ فاز a ثانویه ترانس در کلیدزنی دوفاز........................................................................................ ۲۶
۵‐۴۱ ولتاﮊ فاز a ثانویه ترانس در کلیدزنی تکفاز........................................................................................ ۲۶
۵‐۵۱ ولتاﮊ فاز a ثانویه ترانس در کلیدزنی دوفاز ................................................................................... ۲۶
۵‐۶۱ ولتاﮊ فاز a ثانویه ترانس در کلیدزنی تکفاز........................................................................................ ۳۶
۵‐۷۱ ولتاﮊ فاز a ثانویه ترانس در کلیدزنی دوفاز........................................................................................ ۳۶
۵‐۸۱ ولتاﮊ ثانویه فاز a در اثر افزایش بار................................................................................................ ...۴۶
۵‐۹۱ ولتاﮊ ثانویه فاز a در اثر قطع تعدادی از بارها ................................ ...................................................۶۴
۵‐۰۲ ولتاﮊ فاز a ثانویه ترانس با کاهش طول خط................................ ......................................................۶۵
۵‐۱۲.ولتاﮊ فاز a ثانویه ترانس با افزایش طول خط................................ .....................................................۵۶
۵‐۲۲.پیکربندی فازها و اطلاعات مکانیکی................................................................ .................................۷۶
۵‐٢٣مدل فرکانسی بار CIGRE در ................................................................ EMTP ...............................۷۶
۵‐٢۴یک نمونه از منحنی مغناطیس شوندگی ترانسفورماتورها................................ ....................................٧٠
۵‐۵۲ . سه نمونه از سیگنالهای کلیدزنی خازنی................................................................ ...........................۰۷
۵‐۶۲. سه نمونه از سیگنالهای کلیدزنی بار ................................................................ ..................................۱۷
۵‐۷۲. سه نمونه از سیگنالهای کلیدزنی ترانسفورماتور ................................ ...............................................۱۷
۶ ‐۸ یک الگوی فرورزونانس، سیگنال تقریب((AP و سیگنالهایجزئیات(CD1 تا (CD6 با
استفاده از تبدیل موجک ................................................................ Daubechies ....................................۸۷
۶‐۹. یک الگوی کلیدزنی خازنی، سیگنال تقریب((AP و سیگنالهای جزئیات(CD1تا (CD6
با استفاده از تبدیل موجک ................................................................ Daubechies .................................۸۷
۶‐۰۱ یک الگوی کلیدزنی بار، سیگنال تقریب((AP و سیگنالهایجزئیات(CD1تا (CD6 با استفاده
از تبدیل موجک ................................................................Daubechies .................................................۸۷
۶‐۱۱یک الگوی کلیدزنی ترانسفورماتور، سیگنال تقریب((AP و سیگنالهای جزئیات(CD1تا
(CD6 با استفاده از تبدیل موجک ................................................................ Daubechies .....................۸۷
۶‐۲۱یک الگوی فرورزونانس، سیگنال تقریب((AP و سیگنالهایجزئیات(CD1تا (CD6 با استفاده
از تبدیل موجک ................................................................................................ Haar .............................۹۷
۶‐۳۱. یک الگوی کلیدزنی خازنی، سیگنال تقریب((AP و سیگنالهای جزئیات(CD1تا (CD6 با
استفاده از تبدیل موجک ................................................................ Haar .................................................۹۷
۶‐۴۱ یک الگوی کلیدزنی بار، سیگنال تقریب((AP و سیگنالهای جزئیات(CD1تا (CD6 با استفاده از
تبدیل موجک ................................................................................................ Haar .................................۹۷
۶‐۵۱یک الگوی کلیدزنی ترانسفورماتور، سیگنال تقریب((AP و سیگنالهای جزئیات(CD1تا (CD6
با استفاده از تبدیل موجک ................................................................ Haar .............................................۹۷
۶‐۶۱یک الگوی فرورزونانس، سیگنال تقریب((AP و سیگنالهایجزئیات(CD1تا (CD6 با استفاده
از تبدیل موجک ................................................................................................DMeyer ........................۰۸
۶‐۷۱یک الگوی کلیدزنی خازنی، سیگنال تقریب((AP و سیگنالهای جزئیات(CD1تا (CD6 با
استفاده از تبدیل موجک ................................................................ DMeyer ...........................................۰۸
۶‐۸۱ یک الگوی کلیدزنی بار، سیگنال تقریب((AP و سیگنالهایجزئیات(CD1تا (CD6 با استفاده
از تبدیل موجک ................................................................................................DMeyer ........................۰۸
۶‐۹۱یک الگوی کلیدزنی ترانسفورماتور، سیگنال تقریب((AP و سیگنالهای جزئیات(CD1تا (CD6
با استفاده از تبدیل موجک ................................................................ DMeyer ........................................۰۸
۶‐۰۲ الگوریتم ارائه شده ................................................................................................ ............................۱۸
۶‐۱۲‐ انرﮊی لحظه ای یک نمونه از جریان فاز دوم سیگنالها......................................................................۶۸
۶‐۲۲‐ انرﮊی لحظه ای یک نمونه از ولتاﮊ فاز سوم سیگنالها........................................................................۶۸
۶‐۳۲ مقایسه میانگین مولفه های متناظر بردارهای ویژگی استخراج شده توسط تبدیل موجک
Daubechies1 بر روی جریان فاز دوم چهار سیگنال بصورت نرمالیزه شده...........................................۷۸
۶‐۴۲‐ مقایسه میانگین مولفه های متناظر بردارهای ویژگی استخراج شده توسط تبدیل موجک
Daubechies2بر روی ولتاﮊ فازسوم چهار سیگنال بصورت نرمالیزه شده..............................................۷۸
۶‐۵۲‐ مقایسه میانگین مولفه های متناظر بردارهای ویژگی استخراج شده توسط تبدیل موجک 1
Daubechies بر روی جریان فاز دوم چهار سیگنال بصورت نرمالیزه شده. ............................................۲۹
۶‐۶۲‐ مقایسه میانگین مولفه های متناظر بردارهای ویژگی استخراج شده توسط تبدیل موجک
Daubechies2 بر روی ولتاﮊ فازسوم چهار سیگنال بصورت نرمالیزه شده ............................................۳۹
۶‐۷۲‐ انرﮊی لحظه ای یک نمونه از ولتاﮊ فاز سوم سیگنالها ......................................................................۳۹
۶‐۸۲‐ انرﮊی لحظه ای یک نمونه از جریان فازدوم سیگنالها ......................................................................۴۹
چکیده
یکــی از عوامــل ســوختن و خرابــی ترانــسفورماتورها در سیــستم هــای قــدرت، وقــوع پدیــده
فرورزونانس است. با توجه به اثرات مخرب این پدیده، تشخیص آن از سایر پدیده هـای گـذرا از
اهمیت ویژه ای برخوردار است که در این پایان نامه کارکرد دو شـبکه عـصبی یـادگیری کـوانتیزه
کننده برداری((LVQ١ و شبکه عصبی رقابتی در دسته بندی دو دسته سیگنال کـه دسـته اول شـامل
انواع فرورزونانس و دسته دوم شامل انواع کلیدزنی خازنی، کلیدزنی بار، کلیـدزنی ترانـسفورماتور
می باشد، با استفاده از ویژگیهای استخراج شده توسط تبدیل موجک٢ خانواده Daubechies تا شش
سطح مورد بررسی قرار گرفته است. نقش شبکه های عصبی مذکور بعنـوان طبقـه بنـدی کننـده،
جدا سازی پدیده فرورزونانس از سایر پدیده های گذرا است. سیگنالهای مذکور بـا شـبیه سـازی
توسط نرم افزار EMTP بر روی یک فیدر توزیع واقعی بدست آمده اند. بـرای اسـتخراج ویژگیهـا،
کلیه موجکهای موجود در جعبه ابزار Wavelet نرم افزار MATLAB بررسی شده اسـت کـه تبـدیل
موجک خانواده Daubechies بعنوان مناسبترین موجک تشخیص داده شد. به منظـور اسـتخراج هـر
چه بهتر ویژگیها سیگنالها، الگوها نرمالیزه (مقیاسبنـدی) شـدهانـد سـپس انـرﮊی شـش سـیگنال
جزئیات حاصل از اعمال تبدیل موجک به عنوان ویژگیهای استخراج شده از الگوها، برای آموزش
و امتحان دو شبکه عصبی مذکور بکار رفتهاست. به کمک این الگوریتم تفسیر برخـی از رخـدادها
که احتمال بروز پدیده فرورزونانس در آنها وجود دارد قابل انجام بوده، همچنین میتوان نسبت بـه
ساخت رله هایی برای مقابله با پدیده فرورزونانس کمک نماید. عناوین روشهای ارایه شده در این
پایان نامه به شرح زیر میباشند:

1 -Learning Vector Quantizer (LVQ)
2- Wavelet Transform
١) شناسایی فرورزونانس با استفاده از تبدیل موجک و شبکه عصبی LVQ
٢) شناسایی فرورزونانس با استفاده از تبدیل موجک و شبکه عصبی رقابتی
نتایج حاصل از این روشها بیانگر موفقیت بسیار هر دو روش در شناسـایی فرورزونـانس از سـایر
پدیده های گذرا می باشد.
کلید واﮊه: شبکه عصبی LVQ، شبکه عصبی رقابتی، تبدیل موجک، پدیده فرورزونانس, نـرم
افزار EMTP ، نرم افزار MATLAB

١
مقدمه
امروزه انرﮊی الکتریکی نقش عمدهای در زمینههای مختلف جوامـع بـشری ایفـا مـیکنـد و جـزﺀ
لاینفک زندگی است. بدیهی است که مانند سایر خـدمات اندیـسها و معیارهـایی جهـت ارزیـابی
کیفیت برق تولید شده مورد توجه قرار گیرد. اما ارزیابی میزان کیفیت برق از دید افراد مختلـف و
در سطوح مختلف سیستم قدرت بکلی متفاوت است. به عنوان مثال شرکتهای توزیع، کیفیت بـرق
مناسب را به قابلیت اطمینان سیستم برقرسانی نسبت میدهنـد و بـا ارائـه آمـار و ارقـام قابلیـت
اطمینان یک فیدر را مثلاﹰ ٩٩% ارزیابی میکنند سازندگان تجهیـزات الکتریکـی بـرق بـا کیفیـت را
ولتاﮊی میدانند که در آن تجهیزات الکتریکی به درسـتی و بـا رانـدمان مطلـوب کـار مـیکننـد و
بنابراین از دید سازندگان آن تجهیزات، مشخصات مطلوب ولتاﮊ شبکه بکلی متفاوت خواهد بـود.
اما آنچه که مسلم است آنست که موضوع کیفیت برق، نهایتـاﹰ بـه مـشترکین و مـصرف کننـدگان
مربوط میشود و بنابراین، تعریف مصرفکنندگان اهمیت بیشتری دارد.
بروز هر گونه اشکال یا اغتشاش در ولتاﮊ، جریان یا فرکانس سیستم قدرت کـه باعـث خرابـی یـا
عدم عملکرد صحیح تجهیزات الکتریکی مشترکین گردد به عنوان یک مشکل در کیفیت برق، تلقی
میگردد.
واضح است که این تعریف نیز از دید مشترکین مختلـف، معـانی متفـاوتی خواهـد داشـت. بـرای
مشترکی که از برق برای گرم کردن بخاری استفاده میکند، وجود هارمونیکها در ولتاﮊ یا انحراف
فرکانس از مقدار نامی هیچ اهمیتی ندارد، در حـالی کـه تغییـر انـدکی در فرکـانس شـبکه، بـرای
مشترکی که فرکانس برق شهر را به عنوان مبنای زمانبندی تجهیزات کنترلی یک سیـستم بـه کـار
گرفته است،میتواند به طور کلی مخرب باشد.
٢
یکی از مواردی که بعنوان یک مشکل در کیفیت برق تلقی می گردد، پدیده فرورزونانس است. در
اثر وقوع این پدیده و اضافه ولتاﮊ و جریان ناشی از آن، موجب داغ شدن و خرابی
ترانسفورماتورهای اندازه گیری و ترانسفورماتور های قدرت می گردد که میتوانند بر حسب
شرایط اولیه، ولتاﮊ و فرکانس تحریک و مقادیر مختلف پارامترهای مدار (کاپاسیتانس وشکل
منحنی مغناطیسی)، مقادیر متفاوتی پیدا کنند، بنابراین بایستی محدودیت هایی بر پارامترهای
سیستم اعمال کرد تا از وقوع چنین پدیده ناخواسته جلوگیری نمود.
با توجه به اهمیت شناسایی پدیده فرورزونانس از سایر حالتهای گذرا دراین پایان نامه تلاش شد
تا سیستمی هوشمند جهت تشخیص این پدیده از سایر حالتهای گذرای کلیدزنی ارائه گردد. در
طراحی این سیستم هوشمند اولاﹰ از جدیدترین روش های تجزیه و تحلیل و پردازش سیگنالهای
الکتریکی برای پردازش دادهها استفاده گردید. ثانیاﹰ از طبقهبندی کنندههای پیشرفته با توانایی بالا
در دستهبندی دادهها بهره گرفته شد. به منظور مقایسه نتایج حاصل از فرورزونانس با سایر
سیگنالهای گذرای شبکه توزیع، تعدادی از حالتهای گذرا نظیر کلیدزنی بار، کلیدزنی خازنی و
کلید زنی ترانسفورماتور توسط نرم افزار EMTP بر روی یک فیدر توزیع واقعی شبیه سازی شد.
در فصل دوم به مروری بر کارهای انجام شده در زمینه پـردازش سـیگنال در سیـستمهای قـدرت
پرداخته، در فصل سوم به معرفی پدیده فرورزونانس خـواهیم پرداخـت. در فـصل چهـارم مبـانی
علمی روشهای پیشنهادی، در فصل پنجم نحوه جمع آوری اطلاعات و سیگنالها بررسی مـی شـود
و درفصل ششم نحوه پیاده سازی روشهای پیشنهادی بررسی مـی شـود و نهایتـا نتیجـه گیـری و
پیشنهادات پایان بخش مطالب خواهند بود.
٣

۴
۲‐۱‐ مقدمه
با دستهبندی دقیق مسائل، همچنین میتوان منابع تولید هر دسته از مشکلات را نیز شناسـایی و در
دستهبندی فوق جـای داد. بـه ایـن ترتیـب پـس از شناسـایی نـوع اغتـشاش از روی پارامترهـای
اندازهگیری شده اقدام برای بهبود کیفیت برق نیز تا حدودی آسانتر خواهد شد. در ضمن میتـوان
اغتشاشهای بوجود آمده در هر دسته را با اندیسها و مشخصههای مربوط به خودش تعریف کرد و
بنابراین توصیف کاملی از انحرافات بوجود آمده در شکل مـوج ولتـاﮊ نـسبت بـه حالـت ایـدهآل
بدست آورد.
به منظور تشخیص پدیده های تصادفی در سیستم های قدرت, سـیگنالهای مختلفـی مـورد توجـه
قرار گرفته اند. از این سیگنالها می توان به سیگنالهای کیفیت توان و سـیگنالهای خطـای امپـدانس
بالا و سیگنالهای فرورزونانس اشاره کرد که در ادامه مـروری بـر روشـهای شناسـایی سـیگنالهای
کیفیت توان و سیگنالهای خطای امپدانس بالا شده است. لازم به ذکر است با توجـه بـه اینکـه در
زمینه شناسایی سیگنالهای فرورزونانس از سایر سیگنالهای گذرا، مقالـه یـا کـار تحقیقـاتی وجـود
ندارد در این پایان نامه روشهای شناسایی این پدیده بررسی شده است.
٢‐٢‐ مروری بر روشهای شناسایی اغتشاشات کیفیت توان
در این بخش قبل از بررسی کامل روشهای گوناگون شناسایی اغتشاشات کیفیت توان لازم دیـدیم
که با توجه به کاربرد وسیع روشهای پردازش سیگنال در بحث کیفیت توان نکات چندی را خـاطر
نشان سازیم. در وهله اول، با توجه به توضیحات قسمت قبل، لزوم جداسازی اغتشاشات و تعیـین
نوع آنها هرچه بیشتر اهمیت مییابد. در ضمن با مرور کارهـای گذشـته و انجـام شـده در بحـث
کیفیت توان روشهای مختلف پردازش سیگنال به صورت عمده در سه بخش زیـر مـورد اسـتفاده
۵
قرار گرفتهاند:
١‐ کاربرد پردازش سیگنال و تکنیکهای آن در فشردهسازی اطلاعات و شکل موجهـا و کـاربرد
آن در کیفیت توان
٢‐ استفاده از تکنیکهای مختلف پردازش سیگنال و سیستمهای خبره در جداسازی اغتشاشات
٣‐ استفاده از تکنیکهای مختلف پردازش سیگنال در تشخیص نوع اغتشاش بوجود آمده
١. سیستمهای هوشمند در طبقهبندی اغتشاشات
در این قسمت تشخیص دو موضوع عمده ضروری است. اول آنکه کدام یک از روشهای پردازش
سیگنال اعم از تبدیل فوریه، موجک و … جهت تجزیه و تحلیل و استخراج ویژگیهای مربوط بـه
هر یک از اغتشاشات به کار گرفته شدهاند و در مرحله دوم دستهبندی کننده موردنظر جـزﺀ کـدام
یک از سیستمهای هوشمند مانند شبکههای عصبی، فازی و … بوده است.
الف) تکنیک مورد استفاده در پردازش شکل موجهای مربوط به اغتشاشات
تکنیکهای مورد استفاده در طبقهبندی اغتشاشات کیفیت توان در چهار دسته زیر قرار می گیرند:
۱. تکنیکهای مطرح شده با استفاده از تبدیل فوریه (FFT, STFT)
٢. تکنیکهای مطرح شده با استفاده از تبدیل موجک (DWT, CWT)
۳. تکنیکهای ترکیبی
۴. تکنیکهای نوین مطرح شده در حوزه پردازش سیگنال
اگر قرار باشد به سراغ کارهای قدیمی در حوزه پردازش سیگنال بـرویم آنگـاه تبـدیل فوریـه بـه
عنوان یک ابزار قوی در این زمینه مطرح میگردد. تبدیل فوریه سریع و تبدیل فوریه زمان کوتاه از
جمله تکنیکهایی هستند که در این قسمت مورد استفاده قرار گرفتهاند] ۱.[
ابزار جدید مطرح شده در حوزه پردازش سـیگنال تبـدیل موجـک مـیباشـد. بـا توجـه بـه آنکـه
۶
تکنیکهای گسسته پردازش سیگنال امروزه فراگیر شدهاند، اکثریت قریب به اتفـاق کارهـای انجـام
شده با استفاده از تبدیل موجک به DWT یا همان تبدیل موجک گسسته برمیگـردد. نمونـه هـای
فراوانی از کاربردهای این تبدیل را در کارهای قبلی می توان مشاهده کرد]۲.[
عدهای از محققان روشهای ترکیبی را جهت استخراج ویژگیهایی اغتـشاشات بـه کـار بـردهانـد. از
جمله این روشها میتوان به ترکیب تبدیل فوریه و تبدیل والش در ]۳[ و ترکیب تبـدیل فوریـه و
موجک در ]۴[ اشاره کرد. از طرفی با پیشرفتهای بدست آمده در حوزه پردازش سـیگنال مـیتـوان
نمونههایی از به کارگیری تبدیلهای جدید مانند S Transform را در بحث طبقهبنـدی اغتـشاشات
درمراجع یافت] ۵.[
آنچه که در تمامی این تحقیقات بیش از همه به چشم می آید عدم وجود یک شـبکه واقعـی اسـت
که نتایج این روشها را همچنان در هالهای از ابهام نگه میدارد.
ب) سیستمهای خبره به کار گرفته شده
تحت عنوان طبقهبندی کننده اغتشاشات کیفیت توان قبل از بـه کـارگیری یـک سیـستم هوشـمند
جهت تشخیص اغتشاشات موردنظر در یک بازه زمانی خاص لازم است ویژگیهایی جهت هر یک
از اغتشاشات استخراج شود. این ویژگیها میتوانند مجموع ضرایب، مجمـوع قـدرمطلق ضـرایب،
ماکزیمم ضرایب، انحراف معیار ضرایب یا هرچیز دیگـر باشـند. در ادامـه ضـمن معرفـی سیـستم
هوشمند در هر تحقیق ویژگیهای استفاده شده در آن تحقیق را بررسی می کنیم.
شبکه های موجک: شبکههای موجک نوع خاصی از شبکههای عصبی مـیباشـند کـه در آنهـا توابع متداول شبکه های عصبی با توابع موجک مادر جایگزین مـیشـوند. ایـن شـبکههـا بـه خصوص در سالهای اخیر توانایی خاصی از خود در تقریب توابع نشان دادهاند. این شـبکههـا به همراه دوره اغتشاشی سیگنال جهت طبقـهبنـدی اغتـشاشات کیفیـت تـوان بـه کـار گرفتـه
٧
شدهاند]۶.[
شبکه های عصبی: شبکههای عصبی مورد اسـتفاده در طبقـهبنـدی اغتـشاشات بیـشتر از نـوع شبکههای عصبی چند لایه پرسپترون یا همان MLP بوده، البته کارهایی از شبکههـای عـصبی احتمالی (PNN) و شبکههای عصبی خودسازمانده تطبیقی را در این بحث مـیتـوان مـشاهده کرد. ویژگیهای موردنظر جهت آموزش این شبکهها مشتمل بر انحراف معیار ضـرایب، انـرﮊی سیگنال در سطوح مختلف فرکانسی، ماکزیمم ضرایب سیگنالها در سطوح مختلف فرکانسی، متوسط و واریانس آنها و مینیمم آنها بوده اند]۷.[
منطق فازی: در استفاده از منطق فازی، تحقیقات انجام شده براساس قوانین – مبتنی بر ویژگیهای استخراج شده استوار بوده است. به عنوان مثال انرﮊی سیگنال در سطوح مختلف فرکانسی یک بردار ویژگی میسازد که مولفههای این بردار بسته به نوع اغتشاش دارای شدت یا ضعف خواهند بود. این شدت یا ضعف انرﮊی سـیگنال در سـطوح مختلـف فرکانـسی بـه همراه استنتاج فازی سیستم هوشمندی را میسازد که توانایی آن در دستهبندی اغتشاشات قابل ملاحظه است]۸.[
مدل مخفی مارکوف: این مدل که براساس نظریه مارکوف و نظریه احتمالات بنا نهـاده شـده است و در سالهای اخیر با منطق فازی نیز ترکیب شده علـیرغـم داشـتن توانـایی مناسـب در بحث طبقهبندی از پیچیدگیهای خاصی برخوردار است]۹.[
درخت تصمیمگیری: درخت تصمیمگیری از مباحـث مطـرح شـده در Machine Learning میباشد. این دستهبندی کننده به همراه ویژگیهای استخراج شده از تبـدیل موجـک بـه عنـوان یک دستهبندی کننده توانمند در حوزه کیفیت توان مطرح شده است]۰۱.[
٨
فیلتر کالمن: فیلتر کالمن بویژه فیلتر کالمن غیرخطی در سالهای اخیر به عنوان یک ابزار قـوی جهت تجزیه و تحلیل سیگنالهای مختلف به کار گرفته شده است. اگر شکل موج اغتشاشی به عنوان ورودی این فیلتر به کار رود. خروجی فیلتر مـیتوانـد نـوع اغتـشاش بوجـود آمـده را شناسایی کند]۱۱.[
٢‐٣‐ مروری بر روشهای شناسایی خطای امپدانس بالا
این روشها مبتنی بر تجزیه و تحلیل ولتاﮊها و جریانهای ابتدای فیـدر مـی باشـند و در یـک طبقـه
بندی کلی به چهار گروه تقسیم می شوند.
١. روشهای ارائه شده در حوزه زمان
٢. روشهای ارائه شده در حوزه فرکانس
٣. روشهای ارائه شده در حوزه زمان‐ فرکانس
١. روشهای ارائه شده در حوزه زمان:
این روشها بر اساس اطلاعات زمانی سیگنالها اقدام به شناسایی خطاهای امپدانس بالا مـی نماینـد
تعدادی از آنها عبارتند از:
الف) الگوریتم رله تناسبی
برای سیستمهایی که در چند نقطه زمین شده اند زاویه و دامنه جریان عدم تعـادل بـار( ( IO ثابـت
نیستند و جریان خطا نیز متغیر است. در نتیجه رله های اضافه جریان را نمی توان حساس ساخت.
٩
اگر رله ای بتواند فقط جریان خطا را حس کند، حساسیت آن بالا مـی رود. در رلـه پیـشنهادی بـا
توجه به سهولت اندازه گیری جریان عـدم تعـادل بـار( IO )، جریـان سیـستم نـول( I N )، جریـان
خطا( ( It طبق رابطه ١‐٢ محاسبه و موجب عملکرد رله می گـردد]۲۱.[
(۱‐۲)
It  K1 IO  K2 I N
که در آن IO و I N به ترتیب جریان عدم تعادل بار و جریان سیم نـول و K1 و K2 ثابـت مـی
باشند.
ب) الگوریتم رله نسبت به زمین
این رله به خاطر غلبه بر اثر تغییرات بار بر روی حساسیت رله هـای اضـافه جریـان سـاخته شـده
است و گشتاور عملکرد آن بطور اتوماتیک بار تغییر می کند] ۳۱.[
ج) استفاده از رله های الکترومکانیکی
در این رابطه برای شناسایی خطاهای امپدانس بالا بر روی شبکه های چهـار سـیمه شـرکت بـرق
پنسیلوانیا با همکاری شرکت وستینگهاوس اقدام به ساخت رلـه ای نمـوده انـد کـه بـا اسـتفاده از
نسبت جریان باقیمانده( (3 IO به جریان مولفه مثبت( ( I1 عمل می کند. اگر نسبت 3 IO از مقـدار
تنظیم شده رله فراتر رفت رله عمل خواهد کرد.] ۴۱.[
د) الگوریتم تغییرات جریان
در یکی از روشهای ارائه شده با توجه به تغییرات ملایم جریان به هنگام کلیـدزنی بـار از سـرعت
١٠
تغییرات جریان برای شناسایی خطاهای امپدانس بالا استفاده شـده اسـت]۵۱.[ ایـن روش کـارایی
خود را هنگامیکه جریانهای خطا دارای تغییرات اولیـه سـریع نیـستند از دسـت میدهـد. در روش
دیگر از تغییرات لحظه ای دامنه جریان برای آشکارسازی خطا استفاده شده اسـت]۶۱.[ هـر چنـد
خطاهای امپدانس بالا رفتار تصادفی دارند ولی سطح جریان همه آنها برای چند سـیکل زیـاد مـی
شود(لحظه وقوع جرقه) و بعد به میزان جریان بار می رسد. با توجه به این تغییـرات کـه در سـایر
کلیدزنیها وجود ندارد اقدام به شناسایی آنها گردیده اسـت. در روش دیگـری از تغییـرات بوحـود
آمده در نیم سیکل مثبت و منفی شکل موج جریان برای آشکارسازی استفاده شده است]۷۱.[
برای فیدرهایی که از طریق ترانسهای ∆ − ∆ تغذیه می شوند افزایش دامنـه جریـان و پـیش فـاز
شدن آن برای شناسایی خطای امپدانس بالا استفاده شده است] ۸۱.[
٢. روشهای ارائه شده در حوزه فرکانس:
این روشها بر اساس اطلاعات حوزه فرکانس سیگنالها عمل می کننـد و در آنهـا عمـدتا از تبـدیل
فوریه برای نگاشت سیگنالهای حوزه زمان به حوزه فرکانس استفاده می شود که در ادامه تعـدادی
از روشهای حوزه فرکانس ارائه می گردند
الف) استفاده از هارمونیک دوم و سوم جریان برای شناسایی خطاهای امپدانس بالا
برخورد هادی انرﮊی دار با زمین باعث ایجاد جرقه می گردد. این جرقه ها باعث ایجاد ناهماهنگی
و عدم تقارن شکل موج جریان می شوند که این عدم تقارن تولید هارمونیک های دوم و سـوم در
جریان خطا می کند و تعدادی از روشهای آشکارسازی بر این اساس ارائـه شـده انـد. در یکـی از
روشها نسبت دامنه مولفه دوم جریان به مولفه اصلی آن برای هـر سـه فـاز بعنـوان معیـاری بـرای
١١
شناسایی معرفی شده اند] ۹۱ .[ در روش دیگری از نسبت دامنه هارمونیک سوم جریان بـه مولفـه
اصلی برای شناسایی استفاده شده است] ۰۲.[
در روش دیگر با استفاده از مولفه هـای صـفر و منفـی هارمونیکهـای دوم، سـوم و پـنجم بعنـوان
ویژگیهای مناسب و روشی درست اقدام به جداسازی خطای امپدانس بالا از سایر حالتهـای گـذرا
همچون کلیدزنی بار، کلیدزنی خازنها و جریان هجـومی ترانـسها گردیـده اسـت] ۱۲ .[ همچنـین
انرﮊی سیگنال در یک فرکانس یـا محـدوده فرکانـسی بعنـوان ویژگیهـای مناسـبی بـرای ارزیـابی
خطاهای امپدانس بالا در نظر گرفته شده اند]۲۲.[
ب) استفاده از مولفه های فرکانس بالا جهت شناسایی خطاهای امپدانس بالا
٩۵% خطاهای امپدانس بالا با جرقه توام هستند و این جرقه ها ایجـاد نوسـانات فرکـانس بـالا در
محدوده kHz١٠‐ ٢ می نمایند. حد پایین به منظور عدم تداخل با فرکانسهای پایین که در شـرایط
معمولی وجود دارند، تعیین گ
ردیده و حد بالا به علت کاهش انرﮊی سیگنال در فرکانسهای بسیار بالا انتخاب شـده انـد. نتـایج
عملی نشان می دهند که این مولفه ها برای شناسایی مناسب هستند. هر چند اگر دامنه جریان کـم
و یا بانکهای خازنی بزرگ در شبکه وجود داشته باشند موجب حذف این مولفه ها مـی گردنـد و
عمل آشکارسازی را با مشکل مواجه می سازد] ۳۲ .[
ج) شناسایی خطاهای امپدانس بالا به کمک مولفه های بین هارمونیکی
علاوه بر هارمونیک های فرکانس پایین و فرکانس بالا مولفه های بین هـارمونیکی بـرای فرکـانس
پایه ۵٠ هرتز عبارتند از:٢۵،٧۵ و ١٢۵ هرتز و بـرای فرکـانس پایـه ۶٠ هرتـز، ٣٠،٩٠، ١۵٠، ٢١٠
١٢
هرتز می باشند] ۴۲،۵۲.[ این فرکانـسها تغییـرات دامنـه و زاویـه زیـادی در هنگـام وقـوع خطـای
امپدانس بالا از خود نشان می دهند و با حذف فرکانسهای پایه و بعضی از هارمونیک ها به کمـک
فیلتر کردن جریان می توان به آنها دست یافت و برای آشکار سازی از آنها اسـتفاده کـرد. مـشکل
عمده این روشها ساخت فیلتر هایی است که مولفه های بین هارمونیک را از خود عبور دهند] ۴۲
.[استفاده از انرﮊی این مولفه ها نیز بعنوان روشی برای جداسازی خطاهای امپـدانس بـالا از سـایر
حالات مطرح شده است] ۵۲ .[
د) آشکارسازی به کمک فیلتر کالمن
تبدیل فوریه برای سیگنالهای ایستان که دامنه آنهـا بـا زمـان تغییـر نمـی کنـد مناسـب هـستند در
صورتیکه خطاهای امپدانس بالا دارای ماهیت غیر ایستان می باشند و استفاده از تبدیل فوریه برای
تجزیه و تحلیل آنها روش بهینه ای نیست. یکی از روشـهایی کـه بـرای بررسـی سـیگنالهای غیـر
ایستان بکار می رود فیلتر کالمن است، در این روش هم مولفه اصلی و هم هارمونیک هـا بررسـی
می شوند. فیلتر کالمن برآورد مناسبی برای تغییرات زمانی فرکانس اصلی و هارمونیک ها ارائه می
کند و خطاهای مربوط به فیلترهای کلاسیک و فوریه را ندارد] ۶۲ .[
٣.روشهای ارائه شده در حوزه زمان‐ فرکانس
در این روشها از تبدیل موجک برای تجزیه و تحلیل سیگنالها استفاده می شود. با توجه به مزیـت
این تبدیل نسبت به تبدیل فوریه اخیرا در پردازش سیگنالها از جمله سیگنالهای ناشی از خطاهـای
امپدانس بالا تبدیل موجک بعنوان تبدیلی کارآمد مورد توجه قرار گرفته است. مقالاتی که در ایـن
ارتباط ارائه شده اند عبارتند از:
١٣
الف) اولین کاربرد موجک برای شناسایی خطاهای امپدانس بالا مربوط به خطاهایی اسـت کـه در
آنها از یک مقاومت زیاد بعنوان مدل خطا استفاده شده است. شبکه بررسی شـده یـک شـبکه سـه
شینه، kV۴٠٠ بوده و با استفاده از برنامه EMTP شـبیه سـازی شـده و اطلاعـات مـورد نیـاز بـا
فرکانس نمونه برداری kHZ ۴ ثبت گردیده و سه سیکل از شکل موج ولتاﮊ برای پردازش اسـتفاده
شده است. کاهش دامنه ضرایب بعنوان معیاری برای شناسایی خطا استفاده گردیده است] ۷۲ .[
ب) کاربرد دیگر تبدیل موجـک اسـتفاده از موجـک Spline و قـدر مطلـق ضـرایب سـطوح ۱و۲
سیگنالهای جریان تجزیه شده برای شناسایی خطاهای امپدانس بـالا مـی باشـد. اطلاعـات لازم بـا
شبیه سازی یک فیدر kV۱۱ با استفاده از برنامه EMTP ثبت شده اند و سه سیکل از سـیگنالهای
جریان پردازش شده اند] ۸۲. [
١۴

١۵
۳‐۱‐ مقدمه
فرورزونانس اصطلاحی است که بمنظور توصیف پدیده رزونانس در مداری که حداقل دارای یک
عنصر غیر خطی اندوکتیو است، بکار برده می شود. مداری که شامل ترکیب سری یک اندوکتانس
قابل اشباع و مقاومت خطی وخازن است، مدار فرورزونانس نامیده می شود.
رزونانسی که در مدار شامل راکتور خطی رخ می دهد به رزونانس خطی سری و رزونانسی که در
مدار شامل راکتور قابل اشباع رخ می دهد به فرورزونانس یا رزونانس جهشی موسوم است.
بواسطه مشخصه غیر خطی راکتور، مقدار اندوکتانس در ناحیه اشباع تابعی از درجه اشباع هسته
مغناطیسی که خود وابسته به ولتاﮊ دو سر راکتور است، می باشد و از این رو در ناحیه اشباع
اندوکتانس می تواند مقادیر متعددی را به خود اختصاص دهد که ممکن است در هر یک از این
مقادیر تحت شرایط خاصی پدیده فرورزونانس تحقق یابد.
در حقیقت پدیده فرورزونانس مورد خاصی از رزونانس جهشی است که در آن غیر خطی بودن،
مربوط به هسته مغناطیسی راکتور است. رزونانس جهشی به این معناست که هر گاه در سیستمی
که توسط منبع سینوسی تحریک می شود، در اثر افزایش مقدار یا فرکانس ورودی و یا مقدار یکی
از پارامترهای سیستم، یک جهش ناگهانی در مقدار یکی از سیگنالهای دیگر سیستم پیش آید. این
جهش می تواند در ولتاﮊ یا جریان و یا فلوی مغناطیسی یا در تمامی آنها ایجاد گردد.
هنگامیکه در اثر اشباع هسته مغناطیسی و تحت شرایط خاصی چنین پدیده ای رخ می دهد ولتاﮊ
زیادی در دو سر راکتور ظاهر شده و جریان مغناطیس کننده در نقاطی که ولتاﮊ تغییر جهت می
دهد به شکل پالس به مقدار زیادی افزایش می یابد.
١۶
۳‐۲‐ تاریخچه فرورزونانس
تحقیقات در مورد پدیده فرورزونانس سابقه هشتاد ساله دارد. کلمه فرورزونانس در مقالات علمی
دهه ١٩٢٠ دیده شد. علایق عملی در سال ١٩٣٠ زمانی به وجود آمد که استفاده از خازنهای سـری
برای تنظیم ولتاﮊ در سیستمهای توزیع آن زمان، باعث بروز اضافه ولتاﮊ در شبکه توزیع می گـردد
]۹۲.[ از آن زمان تاکنون بیشتر تحقیقات در این زمینه بر مـدل سـازی دقیـق تـر ترانـسفورماتور و
مطالعه پدیده فرورزونانس در سطح سیستم متمرکـز بـوده اسـت. اصـولا فرورزونـانس پدیـده ای
غیرخطی است. بنابراین بسیاری از روشهای بکار برده شده جهت بررسـی ایـن پدیـده مبتنـی بـر
حوزه زمان و با بکار بردن نرم افزار EMTP می باشد
٣‐٣‐ موارد وقوع فرورزونانس در سیستم های قدرت
در سیستم های قدرت الکتریکی مواردی که در آنها احتمال وقوع فرورزونانس وجود دارد عبارتند
از :
الف‐ ترانسفورماتورهای ولتاﮊ (CVT, VT)
ب‐ خطوط انتقال موازی EHV جابجا نشده
ج‐ سیستم توزیع انرﮊی
این پدیده معمول بواسطه اثر متقابل ترانسفورماتور (بدون بار یا بار کم) با کاپاسیتانس سیستم
بوجود می آید.
مثلا اگر ولتاﮊی در نقطه صفر شکل موج آن به ترانسفورماتور بدون بار اعمال شود، یک جریان
زیادی از مقدار عبور می کند زیرا، فلوی مغناطیسی تمایل دارد که در سیکل اول مقدارش را دو
١٧
برابر نماید و در نتیجه هسته به میزان زیادی اشباع می گردد، این جریان زیاد تا چند سیکل ادامه
می یابد و در شرایط ماندگار جریان تحریک به مقدار معمولش تنزل می یابد.
اما اگر چنانچه ترانسفورماتور از طریق یک خازن سری انرﮊی دار گردد این جریان غیرعادی
درشرایط ماندگار نیز ادامه می یابد، این جریان حتی از جریان بار نیز بزرگتر است و در این حالت
شکل موج جریان و ولتاﮊ دو سر ترانسفورماتور اعوجاج یافته اند و پدیده فرورزونانس تحقق
یافته است.
٣‐۴‐ شروع فرورزونانس
پدیده فرورزونانس همواره پس از وقوع یک اغتشاش فاحش، رخ میدهد. اغتشاش وارده به
سیستم ممکن است منجر به تغییر افزایشی در مقدار فرکانس ورودی سیستم یا مقادیر پارامترهای
سیستم گردد.در سیستم های قدرت، معمولا اغتشاش ناشی از قطع خط ترانسفورماتور بدون بار و
شرایط سوئیچینگ نامطلوب، احتمال وقوع فرورزونانس را افزایش می دهد. اغلب این پدیده در
سیستم قدرتی که دارای تلفات کم است آغاز می گردد.
٣‐۴‐١ شرایط ادامه یافتن فرورزونانس
وقوع فرورزونانس در سیستم های قدرت به شرایط اولیه مخصوصا به انرﮊی اولیه ذخیره شده
سیستم در زمان پس از اغتشاش وابسته است اگر این انرﮊی کافی باشد اندوکتانس با هسته آهنی
را به اشباع می برد.
اگر برای تغذیه تلفات سیستم بقدر کافی انرﮊی از منبع تغذیه انتقال یابد پدیده فرورزونانس ادامه
می یابد، البته مکانیزم انتقال انرﮊی در موارد مختلف، متفاوت خواهد بود.
١٨
مثلا در خطوط دوبل EHV وقتی یک از مدارها قطع می شود و خط دیگر انرﮊی دار می گردد،
انتقال توان از طریق کاپاسیتانس کوپلاﮊ بین دو خط از خط انرﮊی دار صورت می گیرد.
نتایج نشان می دهد که با وارد کردن مقاومت بزرگ در مدار امکان وقوع فروزونانس کاهش
مییابد که از آن می توان برای جلوگیری فروزونانس درترانسفورماتور ولتاﮊ استفاده نمود.
داغ شدن ترانسفورماتور قدرت عایقی آن را تضعیف کرده و منجر به شکست عایق تحت تنشهای
الکتریکی می شود. در صورت عدم توقف این پدیده ترانسفورماتور شدیدا آسیب دیده و ممکن
است باعث اتصال کوتاه و با انفجار و یا حتی آتش سوزی شود.
اضافه ولتاﮊهای ناشی از پدیده فرورزونانس می تواند تا حدود ۵ پریونیت افزایش یابد. بدیهی
است چنین اضافه ولتاﮊهایی به راحتی می توانند به سیم پیچی ترانسفورماتور آسیب برسانند. با
توجه به مسائل و مشکلات فوق شبیه سازی و تفهیم پدیده فرورزونانس موضوع بسیاری از
مقالات بوده است.
۳‐۵‐ اثرات نامطلوب فرورزونانس] ۰۳[
به وجود آمدن ولتاﮊها و جریانهای بزرگ ماندگار یا موقت در سیستم
ایجاد اعوجاج در شکل موجهای ولتاﮊ جریان
تولید صداهای گوش خراش پیوسته در ترانسفورماتورها و راکتورها
تخریب تجهیزات الکتریکی به علت گرمای زیاد یا شکست الکتریکی
عملکرد ناخواسته رله ها
گرم شدن ترانسفورماتور (در حالت بی باری)
١٩
به علت اشباع هسته ترانسفورماتور و عبور جریانهای لحظه ای بزرگ در سیم پیچهای
ترانسفورماتور در زمان وقوع این پدیده، ترانسفورماتور داغ می شود.
٣‐۶‐ مبانی پدیده فرورزونانس
به منظور تفهیم هر چه بهتر پدیده فرورزونانس مدار شکل (١‐٣) را در نظر بگیرید که در آن
سلف دارای مشخصه غیر خطی است. هر گاه منبع ولتاﮊ سینوسی باشد، می توان KVL را طبق
رابطه (١‐٣) نوشت :
L

C
R
E
شکل ۱‐۳. مدار معادل پدیده فرورزونانس
R ≈ 0 (١‐٣) jI ) V  E  − j E  I ( jwL  wC wC با توجه به شکل (٢‐٣) مشخص است که به تناسب مقدار ظرفیت خازنی، یک یا سه نقطه تقاطع
بین منحنی سلف غیرخطی و راکتانس خازنی وجود دارد. نقطه تقاطع (٢) ناپایدار می باشد. و
فقط در حالتهای گذرا چنین نقطه ای به وجود می آید. همچنین واضح است که اگر نقطه
تقاطع(۳) نقطه کار باشد در آن صورت ولتاﮊ و جریانهای بسیار بزرگی به وجود می آیند.
در مقادیر کم ظرفیت خازنی، نقطه کار فقط، نقطه سوم بوده و چون در این حالت راکتانس
خازنی بزرگ است، موجب جریان پیشفاز در سیستم و ولتاﮊ بزرگتر روی سلف می شود. با
٢٠
افزایش مقدار ظرفیت خازنی نقطه تقاطع دیگری به وجود می آید که تمایل سیستم به نقطه تقاطع
که دارای حالت سلفی با جریان پسفاز است. بیشتر می باشد.
هر گاه مقدار ولتاﮊ اعمالی به اندازه کمی تغییر نماید آنگاه نقطه کار (١) حذف و نقطه کار به نقطه

(٣) پرش خواهدکرد.
voltage
2
1
current
3
شکل۲‐۳ حل ترسیمی مدار LC غیر خطی
در این حالت جریان بسیار زیادی از سلف می گذرد و طبیعی است که با عبور این جریان بزرگ،
ولتاﮊ دوباره کاهش یافته و دبواره نقطه کار (١) به وجود می آید. و بدین ترتیب نقطه کار بین (١)
و (٣) پرش خواهد کرد. در این صورت ولتاﮊ و جریانهای به وجود آمده کاملا تصادفی و غیر
قابل پیش بینی می باشند.
در سیستمهای توزیع، پدیده فرورزونانس زمانی اتفاق می افتد که بانک خازنی و یا طولی از کابل
با مشخصه مغناطیسی ترانسفورماتور و یک منبع ولتاﮊ بطور سری قرار بگیرد. برای کابلهای با
طول کم فقط یک نقطه کار در ناحیه سوم وجود دارد و بنابراین شکل موج ولتاﮊ و جریان ناشی
از فرورزونانس دارای پریودی برابر پریود شبکه میباشد. با افزایش ظرفیت خازنی قله این اضافه
٢١
ولتاﮊها روی منحنی اشباع مدام بالا می رود تا جائیکه اندازه ولتاﮊ بسیار بیشتر از حالت عادی می
شود. با افزایش بیشتر ظرفیت خازنی نقطه کار (١) نیز فعال می شود و به تناسب نوع حالت
گذاری پیش آمده، اضافه ولتاﮊهای به وجود آمده در دو سر اندوکتانس غیرخطی، ممکن است
دارای پریود پایدار و یا شکل موج آشفته باشند.
با افزایش دوباره ظرفیت خازنی زمانی فرا می رسد که نقطه تقاطع سوم حذف می شود و در
حالت عادی در ناحیه فرورزونانس نخواهیم بود. اما حالتهای گذرا نظیر کلید زنی می توانند باعث
به وجود آوردن چنین نقطه کاری در ناحیه سوم شوند.
٣‐٧‐ فرورزونانس در ترانسفورماتورهای توزیع] ۱۳[
با گسترش خطوط کابلی زیر زمینی و همچنین تمایل روزافزون استفاده از ترانسفورماتورهای با
تلفات کم، مخصوصا ترانسفورماتور های ساخته شده از ورقه های فولاد حاوی سیلیکان، احتمال
وقوع فرورزونانس در این ترانسفورماتورها بیشتر شده است. این مشکل زمانی رخ می دهد که
ترانسفورماتور بی بار تغذیه شده از طریق خط کابلی (و یا متصل شده به بانک خازنی) تحت کلید
زنی تک فاز و یا دو فاز قرار می گیرد. همچنین در خطوط انتقال توزیع طولانی نیز، این مشکل
می تواند اتفاق بیافتد.
البته در رده توزیع خوشبختانه تمامی کلیدهای قدرت دارای قطع سه فاز بوده و این مسئله زیاد
جدی نمی باشد. اما در حالتهایی که از وسایل قطع تک فاز مانند کات آوت فیوزاستفاده می شود
امکان وقوع چنین شرایطی بسیار مهیا است. در این حالت مدار فرورزونانس شامل ولتاﮊ القایی
(ولتاﮊ القا شده از فازهای دیگر ترانسفورماتور به فاز قطع شده) و مشخصه مغناطیسی هسته
ترانسفورماتور و ظرفیت خازنی بین کابل (یا خط انتقال) و زمین می باشد. در این حالت ولتاﮊ
٢٢
ظاهر شده در فاز قطع شده ترانسفورماتور به تناسب مقدار ظرفیت خازنی کابل متصل به آن و
سایر پارامترها می تواند از چند پریونیت تجاوز نماید. شکل هسته ترانسفورماتور و منحنی
مشخصه آن در رفتار ترانسفورماتور بسیار با اهمیت می باشد.
فرورزونانس زمانی اتفاق می افتد که در هنگام بی باری و یا کم باری ترانسفورماتور در نقطه ای
دور از آن قطع تک فاز و یا دو فاز انجام شود. به تناسب پارامترهای مقدار امکان دارد که
فرورزونانس دارای دو حالت مختلف به شرح زیر میباشد:
٣‐٧‐١‐ فرورزونانس پایدار
در این حالت اضافه ولتاﮊهای فرورزونانس تا زمانی که فاز قطع شده بی برق بماند، پایدار می
باشند. این اضافه ولتاﮊها ممکن است که دارای قله بسیار بزرگی نباشند ولی به دلیل پایدار بودن
می توانند باعث صدمات جدی به برقگیرها و حتی انفجار آنها در عرض چند دقیقه شوند.
٣‐٧‐٢‐ فرورزونانس ناپایدار
در این حالت نقاط کار سیستم در حالت پایدار در محدوده فرورزونانس نمی باشند، اما حالتهای
گذرا نظیر کلید زنی می توانند نقاط کار سیستم را برای مدت کوتاهی به این محدوده وارد نمایند.
در این حالت اضافه ولتاﮊهای فرورزونانس برای مدت کوتاهی بعد از کلید زنی پدیدار شده ولی
به زودی میرا می شوند.
٢٣
٣‐٨‐ تاثیر نوع سیم بندی ترانسفورماتور
یکی از مزیتهای مدلسازی دوگانی ترانسفورماتورهای قدرت که در این مطالعه استفاده شده است،
این است که بدون تغییر در مدل هسته ترانسفورماتور، می توان سیم بندی ترانسفورماتور را
تعویض نمود] ۲۳.[
در ظرفیتهای خازنی مساوی، اضافه ولتاﮊهای فرورزونانس در ترانسفورماتور مورد نظر در حالت
اتصال ستاره با نوترال زمین شده بسیار کمتر است. با قطع نوترال ترانسفورماتور مورد نظر و قطع
تک فاز و دو فاز اضافه ولتاﮊهای بسیار بزرگتری حاصل می شوند که حتی از حالت اتصال
مثلث‐ ستاره بزرگتر می باشند
۳‐۹‐ تاثیر بار بر اضافه ولتاﮊهای فرورزونانس
همچنانکه می دانیم اضافه ولتاﮊهای فرورزونانس در هنگام بی باری و یا کم باری ترانسفورماتور
به وجود می آید. شبیه سازیها نشان می دهد که در مقادیر پایین ظرفیت خازنی مقدار بار لازم
برای حذف پدیده فرورزونانس بسیار کم است ولی با اضافه شدن ظرفیت خازنی مقدار بار لازم
برای قطع تک فاز و دو فاز بیشتر می شود. اضافه ولتاﮊهای فرورزونانس در ترانسفورماتورهای با
اولیه زمین شده کمتر هستند.
فازهای مختلف ترانسفورماتور دارای رفتار مساوی درمقابل اضافه ولتاﮊهای فرورزونانس نیستند.
با افزایش ظرفیت خازنی، میزان بارلازم برای حذف اضافه ولتاﮊهای فرورزونانس افزایش می یابد.
باری در حدود ۵ % بار نامی ترانسفورماتور در بیشتر حالات، قادر به حذف اضافه ولتاﮊهای
فرورزونانس می باشد.
٢۴
٣‐١٠‐ طبقه بندی مدلهای فرورزونانس
مدل پایه
در این حالت ولتاﮊ و جریان پریودیک می باشند و پریود آنها با پریود سیستم برابر است.
مدل زیر هارمونیک
در این حالت ولتاﮊ و جریان با پریودی نوسان می کنند که ضریبی از پریود منبع می باشند. این
حالت به زیر هارمونیک n ام معروف است که حالت فرورزونانس زیر هارمونیک فرد می باشد.
مدل شبه پریودیک
در این نوع فرورزونانس نوسانات کاملا اتفاقی و غیر پریودیک می باشند
٣‐١١‐ شناسایی فرورزونانس
بروز فرورزونانس با اثرات وعلایمی به شرح زیر همراه است:
اضافه ولتاﮊهای با دامنه زیاد و دائمی بصورت فاز به فاز و فاز به زمین اضافه جریانها با دامنه زیاد و دائمی اعوجاجها با دامنه زیاد و دائمی در شکل موج ولتاﮊ و جریان جابجایی ولتاﮊ نقطه صفر افزایش دمای ترانس در حالت بی باری
افزایش بلندی نویز ترانسها و راکتورها تریپ بی موقع تجهیزات حفاظتی
البته بعضی از این علایم مختص این پدیده نیست بطور مثال جابجایی نقطه صفر در شبکه هایی
که نقطه صفر آنها زمین نشده است می تواند بدلیل وقوع اتصال فاز به زمین رخ دهد.
٢۵
٣‐١١‐١ شرایط لازم برای بروز پدیده فرورزونانس
۱‐ حضور همزمان خازن با راکتور غیر خطی در سیستم
۲‐ وجود حداقل یک نقطه از سیستم که دارای ولتاﮊ ثابت نباشد
۳‐ وجود اجزا سیستم با بار کم مانند ترانسهای قدرت یا ترانسهای ولتاﮊ بدون بار یا منابع انرﮊی
با اتصال کوتاه پایین مانند ﮊنراتورهای اضطراری
در صورتیکه هر کدام از این سه شرط برقرار نباشد احتمال وقوع فرورزونانس بسیار ضعیف است
در غیر این صورت باید تحقیقات گسترده ای به عمل آورد.
٢۶

٢٧
۴‐۱‐ از تبدیل فوریه٣ تا تبدیل موجک ]۳۳[
در قرن نوزدهم، ﮊان پاپتیست فوریه، ریاضی دان فرانسوی، نشان داد که هر تابع متناوب را میتـوان
به صورت حاصل جمعی نامحدود از توابع نمایی مختلط متناوب نمایش داد. سالها بعـد از عنـوان
شدن این خاصیت مهم، ایده او به نمایش سیگنالهای نامتناوب و سپس سیگنالهای گسسته متناوب
و نامتناوب گسترش یافت. بعد از این عمومیت بـه حـوزه گسـسته، تبـدیل فوریـه در محاسـبات
کامپیوتری بسیار موثر واقع گردید. در سال ۵۶۹۱، الگوریتم جدیدی به نـام تبـدیل فوریـه سـریع۴
عنوان شد، که نسبت به الگوریتم های قبلی تبدیل فوریه بیشتر به کار گرفته شد.
FFT چنین تعریف میشود
(۴‐ ۱) ∞∫ f (t )e − jwt dt F (w)  − ∞ (۴‐ ۲) f (t)  ∞∫F(w)e jwt dw −∞ اطلاعات حاصل از انتگرال، مربوط به تمام زمانها میباشد، چرا کـه انتگـرال گیـری از زمـان منفـی
بینهایت تا مثبت بینهایت انجام میشود. به همین علت، اگر سیگنال شامل فرکانسهای متغییر با زمان
باشد، یعنی سیگنال ثابت نباشد، تبدیل فوریه مناسب نخواهد بود. این بـدان معناسـت کـه تبـدیل
فوریه تنها مشخص میکند که آیا یک مولفه فرکانسی بخصوص در یک سیگنال وجود دارد یـا نـه،
و اطلاعاتی در مورد زمان ظاهر شدن این فرکانس به ما نمی دهد.

3-Fourier Transform 4-Fast Fourier Transform
٢٨
به همین دلیل، یک نمایش فرکانسی‐ زمانی به نام تبدیل فوریه زمان کوتاه۵ معرفی شد. در STFT،
سیگنال به قطعات زمانی به اندازه کافی کوتاه تقسیم میسود، بطوری که میتوان این قسمتهای کوتاه
را سیگنال ثابت فرض کرد. برای رسیدن به این هدف، یک تابع پنجره انتخاب میشود. پهنـای ایـن
پنجره باید با طولی از سیگنال که میتوان آنرا فرایند ثابت در نظر گرفت، برابر باشد. نمـایش STFT
به شکل زیر تمام مطالب ذکر شده در این مورد را خلاصه میکند:

(۴‐۳)
که w تابع پنجره میباشد.
نکته مهم در STFT پهنای پنجره بکار رفته میباشد. این پهنا را تکیه گاه پنجره نیز مینامند. هر چقدر
پهنای پنجره را کاهش دهیم، رزولوشن زمانی بهتر، و فرض فراینـد ثابـت محکمتـر میـشود ولـی
رزولوشن فرکانسی ضعیفتر خواهد شد، و بر عکس‐ شکل۴‐۱ راببینید.

شکل۴‐۱ نمایش پهن و باریک پنجرهای طرح زمان‐ فرکانس

5-Short Time Fourier Transform
٢٩
مشکل STFT را میتوان به وسیله اصل عدم قطعیت هایزنبرگ۶ مطرح کرد. ایـن اصـل معمـولاﹲبرای
مقدار جنبش و موقعیت مکانی ذرات در حال حرکت به کار میرود، با این حال میتوان آنـرا بـرای
اطلاعات حوزه زمانی‐فرکانسی بکار ببریم. بطور مختصر، ایـن اصـل مـیگویـد کـه نمـیتـوانیم
تشخیص دهیم که در هر لحظه زمانی کدام فرکانس وجود دارد. آنچه که ما میتـوانیم بفمـیم ایـن
است که در هر بازه زمانی کدام باندهای فرکانسی وجود دارند.
بنابراین، مساله انتخاب یک تابع پنجره، واستفاده از آن در تمام آنالیز میباشد. جـواب ایـن مـساله
بستگی به کاربرد دارد. اگر اجزاﺀ فرکانسی در سیگنال اصلی به خوبی از هم تفکیک شـده باشـند،
میتوانیم رزولوشن فرکانسی را در یک انـدازه مناسـب در نظـر بگیـریم و آنگـاه بـه طراحـی یـک
رزولوشن زمانی خوب بپردازیم، چرا که مولفههای طیفی قبلاﹲ از هم تفکیک شدهاند. در غیـر ایـن
صورت، پیدا کردن یک تابع پنجره مناسب بسیار مشکل خواهد بود.
اگر چه مشکل رزولوشن فرکانسی و زمانی از یک پدیده فیزیکی (اصل عـدم قطعیـت هـایزنبرگ)
ناشی میشود، و همواره برای هر تبدیل بکار رفته وجود دارد، میتوان سـیگنال را بـا یـک تبـدیل
دیگر بنام تبدیل موجک (WT) آنالیز کنیم
تبدیل موجک سیگنال را در فرکانسهای مختلف با رزولوشنهای مختلف آنالیز میکنـد. و بـا
تمام اجزاﺀ فرکانسی به صورت یکسان، آنطور که در STFT عمل میشد، برخورد نمیشود.
تبدیل موجک طوری طراحی شده است که در فرکانسهای بالا رزولوشن زمانی خوب و رزولوشن
فرکانسی ضعیف، و در فرکانسهای پایین، رزولوشن فرکانسی خوب و رزولوشـن زمـانی ضـعیف
داشته باشد. این خاصیت هنگامی که سیگنال تحت بررسـی دارای فرکانـسهای بـالا در بـازههـای

6-Heisenberg 's Uncertainty Principle
٣٠
زمانی کوتاه و فرکانسهای پایین برای زمانهای طولانی میباشد. دو تفاوت عمده بین STFT و CWT
عبارتند از
۱_ تبدیل فوریه سیگنال حاصل از اعمال تابع پنجره، گرفته نمیشود.
۲_ هنگامی که تبدیل برای یک جزﺀ طیفی محاسبه میشود، طول پنجره تغییر میکند. احتمالاﹲ ایـن
مهمترین مشخصه تبدیل موجک میباشد.
تبدیل موجک پیوسته (CWT) بصورت زیر تعریف میشود(:(Daubechies92
(۴‐۴)

که

(۴‐۵)
یک تابع پنجره است که موجک مادر٧ نامیده میشود، a یک مقیاس و b یک انتقال است.

شکل۴‐۲‐ چند خانواده مختلف ازتبدیل موجک. عدد بعد از نام موجک معرف تعداد لحظات محو شدن
است

7-Mother Wavelet
٣١
اصطلاح موجک به معنی موج کوچک میباشد. کوچکی برای شرایطی تعریف شده است که تـابع
پنجره طول محدود داشته باشد. موج هم برای شرایطی تعریف شده است کـه ایـن تـابع نوسـانی
باشد. اصطلاح مادر بر این نکته دلالت دارد که توابع بـا نـواحی مختلـف کـارایی، کـه در تبـدیل
استفاده میشوند، از یک تابع اصلی یا تابع مادر یک نمونه اصلی بـرای تولیـد سـایر توابـع پنجـره
میباشد. یک نمونه ازموجک مادر را در شکل۴‐۲ مشاهده میکنیم
اصطلاح انتقال به همان نحو که برای STFT بکار میرفت، در اینجا استفاده میشود. این اصـطلاح
به مکان پنجره، هنگامی که در امتداد سیگنال شیفت مییابد، دلالت میکند. واضح اسـت کـه ایـن
اصطلاح به اطلاعات زمانی در حوزه تبدیل مربوط میشود. با ایـن وجـود، مـا پـارامتر فرکانـسی،
آنطور که برایSTFT داشتیم، برای تبدیل موجک نداریم. در عوض در اینجا یـک مقیـاس موجـود
میباشد. مقیاس دهی همانند یک تبدیل ریاضی، به معنی گسترده یا فشرده کردن سیگنال میباشد.
مقیاسهای کوچکتر به معنی سیگنالهای گستردهتر و مقیاسهای بزرگتر به معنی سیگنالهای فشردهتـر
میباشد. از آنجا که در مبحث موجک پارامتر مقیاس دهی در مخرج بکار میرود، عکـس عبـارت
فوق در اینجا صادق خواهد بود.
رابطه بین مقیاس و فرکانس این است که مقیاسهای پایین مربوط به فرکانـسهای بـالا و مقاسـهای
بالا مربوط به فرکانسهای پایین میباشد. با توجه به بحث ذکر شده، ما تا بحال طرح زمـان‐مقیـاس
داریم. توصیف شکل۴‐۳ معمولاﹲ در توضیح اینکه چگونه رزولوشنهای زمانی و فرکانسی تفسیر
شوند، بکار میرود.
٣٢

شکل۴‐۳‐ دو عمل اساسی موجک‐ مقیاس و انتقال ‐ برای پر کردن سطح نمودار مقیاس‐ زمان
هر مستطیل در شکل۴‐۳ مربوط به یک مقدار تبدیل موجک در صفحه زمـان‐مقیـاس مـیباشـد.
توجه کنید که مستطیلها یک مساحت غیر صفر مشخص دارند، که این بدان معناسـت کـه مقـدار
یک نقطه بخصوص در طرح زمان‐مقیاس قابل تشخیص نیـست. اگـر ابعـاد جعبـههـا را در نظـر
نگیریم، مساحت جعبهها، در STFT و WTبـا هـم برابـر هـستند و بـا نامـساوی هـایزنبرگ تعیـین
میشوند. خلاصه، مساحت مستطیلها برای تابع پنجره (STFT) و (WT) ثابت است. همچنین، تمام
مساحتها دارای حد پایین محدود شده به ۴π/ هستند. یعنی، طبـق اصـل عـدم قطعیـت هـایزنبرگ
نمیتوانیم مساحت جعبهها را هر اندازه که بخواهیم، کاهش دهیم.
۴‐۲‐سه نوع تبدیل موجک ]۳۳[
ما سه نوع تبدیل در اختیار داریم: پیوسته، نیمه گسسته٨ و گسسته در زمان. اختلاف انـواع مختلـف
تبدیل موجک مربوط به روشی است که مقیاس وشیفت را پیاده سازی میکند. در این بخـش ایـن
سه نوع مختلف را ریزتر بررسی خواهیم کرد.

8-Semidiscrete
٣٣
۴‐۲‐۱‐ تبدیل موجک پیوسته
برای CWT پارامترها به صورت پیوسته تغییر میکنند. این موضـوع باعـث حـداکثر آزادی در
انتخاب موجک مناسب برای آنالیز خواهد شد. تنها لازم است که تبدیل موجـک شـرط (۴‐۷)، و
مخصوصاﹲ مقدار متوسط صفر را داشته باشد. این شرط برای اینکه CWT معکـوس پـذیر باشـد،
لازم است. تبدیل عکس به صورت زیر تعریف میشود:
(۴‐۶)

که Ψ شرط لازم زیر را باید ارضا کند

(۴‐۷)
که Λψ تبدیل فوریه Ψ است.
بطور شهودی واضح است که CWT بر محاسبه "ضریب همبـستگی" بـین سـیگنال وموجـک
اصرار دارد. شکل۴ را ببینید

شکل۴‐۴‐ تشریح CWT طبق معادله۴
الگوریتم CWT را میتوان به شکل زیر توصیف کرد‐شکل۴‐۴ را ببینید.
۱_ یک موجک در نظر بگیرید و آنرا با با قسمتی از ابتدای سیگنال اصلی مقایسه کنید.
٣۴
۲_ ضریب c(a,b) که نمایانگر میزان ارتباط موجک با این قـسمت از سـیگنال اسـت را محاسـبه
کنید. هر چقدر c بیشتر باشد، شباهت بیشتر است. توجه کنید که نتیجه به شکل موجک انتخـاب
شده دارد.
۳_موجک را به سمت راست شیفت دهید و مراحل ۱و ۲ را تا رسیدن بـه انتهـای سـیگنال تکـرار
کنید.
۴_موجک را به سمت راست شیفت دهید و مراحل ۱ تا ۳ را تکرار کنید.
یک مثال از ضرایب CWT مربوط به سیگنال استاندارد در شکل۴‐۵ نشان داده شده است.

شکل۴‐۵ مثالی از آنالیزموجک پیوسته. در شکل بالا سیگنال مورد نظر نمایش داده شده است.
شکل پایین ضرایب موجک مربوطه را نشان میدهد.
٣۵
۴‐۲‐۲ تبدیل موجک نیمهگسسته
در عمل، محاسبه تبدیل موجک برای بعضی مقادیر گسسته a و b بسیار متداولتر است. برای مثـال، بکارگیری مقیاسهای a 2j dyadic و شـیفتهای صـحیح b  2j k بـا (j, k) z2 راتبـدیل
موجک نیمه گسسته (SWT) مینامیم.
در صورتی که مجموعه متناظر با الگوها، یک قالب موجـک را تعریـف کنـد، تبـدیل عکـسپـذیر
خواهد بود. به عبارت دیگر، موجک باید طوری طراحی شود که

(۴‐۸)
در اینجا A و B دو ثابت مثبت، ملقب به حدود قالب هستند. که ما باید برای بدستآوردن ضرایب
موجک انتگرالگیری انجام دهیم، چرا که f(t) هنوز یک تابع پیوسته است.
۴‐۲‐۳ ‐ تابع موجک گسسته
در اینجا، تابع گسسته f(n) و تعریف موجک (DWT) داده شده بـه صـورت زیـر را در اختیـار
داریم:
(۴‐۹)

که ψj,x یک موجک گسسته تعریف شده به شکل زیر میباشد:

(۴‐۰۱)
پارامترهای a و b به شکل a2j و b  2jkتعریف میشوند. عکس تبدیل به شـکلی مـشابه،
چنین تعریف میشود:
٣۶

(۴‐۱۱)
اگر حدود قالب در معادله۴‐٨ A=B=1 باشد، آنگـاه تبـدیل عمـودی خواهـد بـود. ایـن تبـدیلهـا
میتوانند با یک آنالیز چند بعدی، که در بخش بعد بحث خواهد شد، شروع شوند.
۴‐۳‐ انتخاب نوع تبدیل موجک
چه موقع آنالیز پیوسته از آنالیز گسسته مناسبتر است؟ هنگامی که انرﮊی سیگنال محدود است، اگر
از یک تبدیل موجک مناسب استفاده کنیم، تمام مقادیر یک تجزیه برای بازسازی شکل موج اصلی
لازم نخواهد بود. در این شرایط، یک سیگنال پیوسته را میتوان بوسیله تبـدیل گسـسته آن کـاملاﹰ
مشخص کرد. بنابراین آنالیز گسسته کافی است و آنالیز پیوسته اضافی خواهـد بـود. هنگـامی کـه
سیگنال بصورت پیوسته یا یک شبکه زمانی ریز ثبت میشود، هر دو نوع آنالیز، امکانپذیر خواهـد
بود. کدامیک باید استفاده شود؟ جواب این است: هر یک مزایای مربوط به خود را دارد.
آنالیز پیوسته معمولاﹰ برای تفسیر آسانتر اسـت، چـرا کـه اضـافات آن، تمایـل بـه تقویـت ویژگیها دارد و و اطلاعات را بسیار واضحتر خواهد کرد. این موضوع بـرای بـسیاری از ویژگیهای مفید درست است. آنالیز پیوسته تفسیر را راحتر، و خوانایی را بیشتر مـی کنـد، در عوض حجم بیشتری برای زخیره لازم دارد.
آنالیز گسسته حجم ذخیره سازی را کاهش میدهد و برای بازسازی کافی است.
٣٧
۴‐۴‐ آنالیز مالتی رزولوشن٩ و الگوریتم DWT سریع
برای اینکه تبدیل موجک مفید باشد، باید آنرا با الگوریتمهای سریع به منظور استفاده در ماشینهای
محاسباتی، پیادهسازی کنیم. یعنی روشی مثل FFT که هم ضرایب تبدیل wavwlet را بدست آورد و
هم بازسازی تابعی را که نمایش میدهد، انجام دهد.
۴‐۴‐۱‐آنالیز مالتی رزولوشن (MRA)
آنالیز مالتیرزولوشن Mallat را که خیلی عمومیت دارد، توضیح میدهیم. با فضایl2 که شامل تمام
توابع جمعپذیر مربعی است، شروع میکنیم، یعنی: f در فضای l2 (s) است، اگرMRA . ∫f 2  ∞
s
یک سری افزایشی از زیر فضای بسته {vj}jzاسـت، کـه l2 (R)را تخمـین میزنـد. شـروع کـار،
انتخاب یک تابع مقیاسدهی مناسـبΦ اسـت. تـابع مقیـاسدهـی بـه منظـور ارضـاﺀ پیوسـتگی،
یکنواختی و بعضی شرایط لازم بعدی انتخاب شده است. اما نکته مهمتر این اسـت کـه، مجموعـه
{φ(x − k), k z} یک اساس درست برای فضای مرجع v0 ایجاد میکند. رابطههای زیر آنالیز را
توصیف میکنند:
(۴‐۲۱)...v-1 v0 v1
فضاهایvj به صورت تودرتو قرار گرفتهاند. فضای l2 (R) اشتراک تمامvj را شامل مـیشـود. بـه
عبارت دیگر j z vj در(l2 (R متراکم شده است. اشتراک همهvj ها تهی است.
(۴‐۳۱)

9-Multiresolution
٣٨
فضاهای vj وvj1 مشابه هستند. اگر فضایvj دارای فاصـلههـای خـالی(φ1,k (x ، k z باشـد،
آنگـــاه فـــضایij1 دارای فاصـــلههـــای(φ1,k (x ، k z اســـت. فاصـــلهvj1 بوســـیله تـــابع
، که تولید میشود.
حالا شکلگیری موجک را توضـیح مـیدهـیم. چـون v0 v1 ، هـر تـابعی در v0 را مـیتـوانیم
بصورت ترکیبی از توابع پایه 2φ(x − k) ازv1 بنویسیم. مخصوصاﹰΦ باید معادلات دو بعـدی ۴۱

و ۵۱ را برآورده کند:
(۴‐۴۱)2φ (x − k) (φ (x)  ∑h(k

k
ضرایب h(k) بصورت((2Φ(x − k h(k)  (Φ(x), تعریف شـدهانـد. حـال بـه عـضو عمـودی

wj از vj برvj1 ،vj1  vj wj را در نظر بگیرید. این بدان معناست که تمام اعضایvj بـر
اعضای wj عمود هستند. ما لازم داریم که

تعریف زیر را ارائه میدهیم:
(۴‐۵۱)2∑(−1)k h(−k  1)φ (x − k) ψ (x) 

k
ما میتوانیم نشان دهیم کـه2{ψ(x − k), k z} یـک اسـاس درسـت بـرایw1 اسـت. دوبـاره، خاصیت تشابه MRI عنوان میکند که2j{ψ( 2jx − k), k z} یک اساس بـرایwj اسـت. از

آنجــــا کــــه v  wدر l2 (R) متمرکــــز اســــت، خــــانواده داده شــــده
jj z jj z
2j{ψ( 2jx − k), k z} یک اساس بـرای l2 (R) اسـت. بـرای یـک تـابع داده شـده f l2 (R)

٣٩
میتوان N را طوری بیابیم که f N vj ، f را بالاتر از دقت تعیین شده، تقریب بزند. اگـرgi wi
و f i vi آنگاه

(۴‐١۶)
معادله (۴‐١۶) تجزیه موجک تابع f است.
۴‐۵ ‐ زبان پردازش سیگنالی]۳۳و۴۳[
ما مراحل آنالیز مالتیرزولوشنی را با زبان پردازش سیگنالی تکرار میکنیم. آنالیز مالتی رزولوشـن
waveletبا الگوریتم کد کردن زیرباند یا محوطهای در پردازش سیگنال در ارتباط اسـت. همچنـین،
فیلترهای آینهای مربعی هم در الگوریتم مالتی رزولوشـن Mallat قابـل تـشخیص اسـت. در نتیجـه
نمایش زمان‐ مقیاس یک سیگنال دیجیتال با اسـتفاده از روشـهای فیلتـر کـردن دیجیتـال حاصـل
میشود.
معادلات۴‐۴۱ و۴‐۵۱ را از بخش قبل به خاطر بیاورید. سـریهای{h(k), k z} و {g(k), k z}
در اصطلاح پردازش سیگنال، فیلترهای آیینهای مربعی هستند. ارتباط بین h و g چنین است:
(۴‐۷۱)g(k)  (−1)n h(1 − n)
h(k) فیلتر پایین گذر و g(k) فیلتر بالا گذر است. این فیلتر با خانواده فیلترهای بـا پاسـخ ضـزبه
محدود (FIR) تعلق دارند. خواص زیر را میتوان با استفاده از تبدیل فوریه و عمـود بـودن اثبـات
کرد:
(۴‐۸۱) ∑g(k)  0 ∑h(k)  2
k k

۴٠
عملیات تجزیه با عبور سیگنال (دنباله) از یک فیلتر پایین گذر نیم باند دیجیتال با پاسخ ضربه h(n)
شروع میشود. فیلتر کردن یک سیگنال معادل با عملیات ریاضی کانولوشن سیگنال با پاسخ ضـربه
فیلتر میباشد. یک فیلتر پایین گذر نـیم بانـد تمـام فرکانـسهایی را کـه بـالاتر از نـصف بیـشترین
فرکانس سیگنال قرار دارند را حذف میکند
اگر سیگنال با نرخ نایکویست (که دو برابر بیشترین فرکانس در سیگنال است) نمونهبرداری شـده
باشد، بالاترین فرکانس که در سیگنال وجود داردπرادیان است. یعنـی، فرکـانس نایکویـست در
حوزه فرکانسی گسسته مطابق با π(--/s) میباشد. بعد از عبور سیگنال از یک فیلتر پایین گذر نـیم
باند، طبق روش نایکویست میتوان نصف نمونهها را حذف کـرد، چـرا کـه حـال سـیگنال دارای
حداکثر فرکانس(π/2(--/s میباشد. به این ترتیب سیگنال حاصل دارای طـولی بـه انـدازه نـصف
طول سیگنال اولیه میباشد.

شکل۴‐۶ طرح الگوریتم کد کردن زیر باند(قسمت بالا تجزیه و قسمت پایین ترکیب را نمایش میدهد)
۴١
حال مقیاس سیگنال دو برابر شده است. توجه کنید فیلتـر پـایینگـذر، اطلاعـات فرکـانس بـالای
سیگنال را حذف کرده است، اما مقیاس را بدون تغییر گذاشته است. این تنها کاهش تعداد نمونهها
است که مقیاس را تغییر میدهد. از طرف دیگر رزولوشن که به میزان اطلاعلت موجود در سیگنال
ارتباط دارد، توسط فیلتر کردن تغییر کرده است. فیلتر پـایین گـذر نـیم بانـد نـصف، فرکانـسها را
حذف کرده است، که میتوان این عمل را به نصف شدن اطلاعات تفـسیر کـرد. توجـه کنیـد کـه
کاهش نمونهها بعد از فیلتر کردن تاثیری در میزان رزولوشن ندارد، چرا کـه بعـد از فیلتـر کـردن
نصف نمونهها اضافی خواهد بود. پس نصف کردن نمونههـا باعـث حـذف هیچگونـه اطلاعـاتی
نمیشود. خلاصه، فیلتر کردن اطلاعات را نصف میکند، ولی مقیـاس را تغییـر نمـیدهـد. سـپس
سیگنال با نرخ دو نمونه برداری میشود، چرا که حال نصف نمونهها اضـافی اسـت. ایـن عمـل ،
مقیاس را دو برابر میکند. عملیات توصیف شده در شکل۴‐۶ نشان داده شده است.
یک روش بسیار مختصر برای توصیف این عملیات و همچنین عملیات موثر برای تعیین ضـرایب
موجک نمایش عملکرد فیلترها است. برای یک دنبالـه، f  {f n} نمایـانگر سـیگنال گسـستهای
است که باید تجزیه شود و G وH بوسیله روابط هممرتبه زیر تعریف می شوند:
(۴‐۹۱)

(۴‐۰۲)
معادلات ۴‐۹۱و ۴‐۰۲ فیلتر کردن سیگنال با فیلترهای دیجیتال h(k) و g(k) که معـادل عملگـر
ریاضی کانولوشن با پاسخ ضربه فیلترها میباشد، را نمایش میدهد. فاکتور 2k کاهش نمونههـا را
نمایش میدهد.
۴٢
عملگرهای G و H مربوط به گام اول در تجزیه موجک میباشند. تنها تفاوت این است که روابط با
از ضریب 2 معادلات ۴‐١٣و۴‐١۴ چشمپوشی کرده است. بنابراین تبـدیل موجـک گسـسته را

میتوان در یک خط خلاصه کرد‐ شکل ۴‐۷ را ببینید:

(۴‐۱۲)
(0)0(j 1)(j 2)(1)
که ما میتوانیم d  ,d  ,..., d ,d را جزئیات ضرایب و cرا تقریب ضرایب بنامیم.
جزئیات و ضرایب با روش تکرار حاصل می شوند:

شکل۴‐۷ نمایش تجزیه توسط موجک
برای مقایسه این روش با SWT، بیایید دنباله x(k) حاصـل از ضـرب داخلـی سـیبگنال پیوسـته
u(t) با انتقالهای صحیح تابع مقیاس دهی را تعریف کنیم

(۴‐۲۲)
حال، ما میتوانیم SWT را با استفاده از DWT طبق رابطه زیر بدست آوریم
(۴‐۳۲)

که برای هر عدد صحیح j ≥ 0 و هر عدد صحیح k درست است.
۴٣
عملیات بازسازی مشابه عملیات تجزیه است. تعداد نمونههای سـیگنال در هـر سـطحی دو برابـر
− −− −
میشود، از فیلترهای ترکیب کننده نشان داده شده بـا H و G عبـو داده مـیشـود، و سـپس جمـع
− −− −
H و G را طبق روابط زیر تعریف میکنیم

(۴‐۴۲)
(۴‐۵۲)
AP Signal 4 10 x 10 2 5 0 15 10 5 00 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -2 CD5 5 CD6 0.5 0 0 30 20 CD3 10 -50 15 10 CD4 5 0 -0.5 0.5 1 0 0 80 60 40 20 -0.50 40 30 20 10 0 -1 CD1 0.2 CD2 0.5 0 0 400 300 200 100 -0.20 200 150 100 50 0 -0.5
شکل۴‐۸ مثالی از تجزیه .DWT سیگنال اصلی، سیگنال تقریب((AP
و سیگنالهای جزئیات(CD1تا (CD6
با استفاده مکرر از روابط بالا داریم

(۴‐۶۲)
۴۴
که در حوزه زمانی
(۴‐۷۲)

Dj و cجزئیات و تقریب نامیده میشوند. یک مثـال از تجزیـه در شـکل۸ ، همـراه بـا تقریـب و
جزئیات و سیگنال اصلی نشان داده شده است.
۴‐۶‐ شبکه عصبی
۴‐۶‐۱ مقدمه]۵۳[
خودسازماندهی١٠ شبکهها یکی از موضوعات بـسیار جالـب در شـبکههـای عـصبی میباشـد. ایـن
شبکهها میتوانند انتظام و ارتباط موجود در ورودی خود را تشخیص و به ورودیهـای دیگـر طبـق
این انتظام پاسخ دهند. نرونهای شبکه های عـصبی رقـابتی طـرز تـشخیص گـروه هـای مـشابه از
بردارهای ورودی را یاد میگیرند. نگاشـتهای خـود سـازمانده طـرز تـشخیص گـروه هـای مـشابه
بردارهای ورودی را به این شکل یاد میگیرند که نرونهـای مجـاور هـم از لحـاظ مکـانی در لایـه
نرونی، به بردارهای ورودی مشابه پاسخ می دهند.
یادگیری کوانتیزه نمودن برداری (LVQ) روشی است که از ناظر برای یادگیری شبکه هـای رقـابتی
استفاده میکند. یک لایه رقابتی خود به خود طبقه بندی بردارهای ورودی را یـاد میگیـرد. بـا ایـن
وجود، کلاسهایی که لایه رقابتی پیدا می کند، تنها به فاصله بردارهای ورودی ارتباط دارد. اگـر دو
بردار ورودی خیلی به هم شبیه باشند، احتمالآ لایه رقابتی آن دو را در یک کلاس قرار مـی دهـد.
در شبکه های عصبی رقابتی، روشی یرای تشخیص اینکه آیا دو نمونه بردار ورودی در یک طبقـه

10-Self Organizing
۴۵
قرار می گیرند یا نه، وجود ندارد. با این وجود، شبکه های طبقـه بنـدی بردارهـای ورودی را در
طبقه هایی که توسط خود کاربر تعیین می شوند، انجام می دهد.
۴‐۶‐۲‐ یادگیری رقابتی١١
نرونها در یک لایه رقابتی طوری توزیع می شوند که بتوانند بردارهای ورودی را تـشخیص دهنـد.
معماری یک شبکه رقابتی در شکل(۴‐۹) نشان داده شده است.
جعبه ||dist|| بردار ورودی p و ماتریس وزن ورودی IW1,1 را بـه عنـوان ورودی دریافـت مـی
کند، و برداری شامل s1 عنصر تولید می کنـد. ایـن عناصـر، منفـی فاصـله بـین بـردار ورودی و
بردارهای j IW1,1 تشکیل شده از سطر های ماتریس وزن ورودی، می باشند.

شکل۴‐۹معماری شبکه رقابتی
ورودی خالص١٢ n1 یک لایه رقابتی، با جمع کردن بایاس b با فاصله هـای بردارهـای ورودی از
سطرهای ماتریس وزن، محاسبه میشوند. اگر بایاسها صفر باشند، بیشترین مقداری که یـک ورودی
خالص میتواند داشته باشد، صفر خواهد بود. این هنگامی اتفاق می افتد که بردار ورودی p برابر با
یکی از بردارهای وزن شبکه باشد.

-Competitive Learning -Net Weight

11
12
۴۶
تابع تبدیل رقابتی یک بردار وزن خالص را دریافت می کند، و خروجی صفر را برای همه نرونهـا،
به غیر از نرون برنده (نرون دارای کمترین فاصله)، که همـان نـرون مربـوط بـه بزرگتـرین عنـصر
ورودی خالصn1 میباشد، تولید می کند، و نـرون برنـده دارای خروجـی ۱ خواهـد بـود. فوائـد
استفاده از جمله بایاس در هنگام بحث از آموزش شبکه روشن خواهد شد.
۴‐۶‐۲‐۱ روش یادگیری کوهنن١٣ (learnk)
وزنهای نرون برنده (یک سطر در ماتریس وزن ورودی) با روش یادگیری کوهنن تنظیم می شـود.
فرض کنید که i امین نرون برنده شـود، آنگـاه عناصـر i امـین سـطر از مـاتریس وزن ورودی بـه
صورت زیر تنظیم میشود.
(۴‐۸۲)j IW1,1 (q) j IW1,1 (q − 1)  α ( p(q)− jIW1,1(q−1))
روش یادگیری کوهنن باعث میشود که وزنهای نرون یک بردار ورودی را یـاد بگیرنـد، و بـه ایـن
دلیل در کاربردهای تشخیص الگو مفید می باشد.
به این ترتیب نرونی که بردار وزن آن از همه نرونهای دیگـر بـه ورودی نزدیکتـر اسـت، طـوری
تغییر میکند که بیشتر به ورودی نزدیکتر شود. نتیجه این تغییـر ایـن خواهـد بـود کـه در صـورت
عرضه کردن ورودی مشابه ورودی قبلی بـه شـبکه، نـرون برنـده در رقابـت قبلـی، دارای شـانس
بیشتری برای برنده شدن مجدد خواهد داشت.
هر چقدر ورودیهای بیشتری به شبکه عرضه شود، هر نرونی که بـه ایـن ورودیهـا نزدیکتـر باشـد
بردار وزن آن طوری تنظیم میشود که به این ورودیها نزدیک ونزدیکتر شود. در نتیجه، اگـر تعـداد
نرونها به اندازه کافی باشد، هر خوشه از ورودیهای مشابه، یک نرون خواهد داشـت کـه خروجـی

13-Kohonen Learning Rule
۴٧
آن با عرضه کردن یک بردار از این خوشه یک و در غیر این صورت صـفر خواهـد بـود. بـه ایـن
ترتیب شبکه یاد گرفته است که بردارهای ورودی عرضه شده را طبقه بندی کند.
۴‐۶‐۲‐۲ روش یادگیری بایاس١۴ (learncon)
یکی از محدودیتهای شبکه های رقابتی این است که یک نرون ممکن است هرگز تنظیم نشود. بـه
عبارت دیگر، بعضی از بردارهای وزن نرونی ممکن است در آغاز از هر بردار ورودی دور باشـند،
و هر چند آموزش را ادامه دهیم هرگز در رقابت پیروز نشوند. نتیجـه ایـن اسـت وزن هـای آنهـا
تنظیم نمیشود و هرگز در رقابت پیروز نمی شوند. این نرون های نا مطلـوب، کـه بـه نـرون هـای
مرده اطلاق می شوند، هرگز عمل مفیدی انجام نمی دهند.
برای جلوگیری از روی دادن این مورد، بایاسهایی اعمال میشود تا اینکه نرونهـایی کـه بـه نـدرت
برنده میشوند، احتمال برنده شدن را دررقابتهای بعدی داشته باشند. یک با یـاس مثبـت بـه منفـی
فاصله اضافه می شود، به این ترتیب احتمال برنده شدن نرون دورتر بیشتر می شود.
به این منظور، یک متوسط از خروجی نرونها نگهداری میشود. این مقادیر نمایانگر درصـد برنـده
شدن نرونها در رقابتهای قبلی می باشد. و از آنها برای تنظیم با یاس های نرونها استفاده می شوند
به این ترتیب که با یاس نرونهای غالبا برنده کاهش و بر عکس با یاس نرونهایی که بندرت برنـده
می شود، افزایش می یابد.
برای اطمینان از درستی متوسطهای خروجی، نرخ یادگیری learncon بسیار کمتر از learnk انتخـاب
می شود. نتیجه این است که بایاس نرونهایی که اغلب بازنده اند در مقابل نرون هـای غالبـا برنـده
افزایش مییابد. هنگامی که بایاس نرونهای غالباﹰ بازنده افزایش می یابد، فضای ورودی که نرون بـه

14-Bias Learning Rule
۴٨
آن پاسخ می دهد نیز گسترش می یابد. هر چقـدر فـضای ورودی افـزایش بیابـد، نرونهـای غالبـاﹰ
بازنده، به ورودیهای بیشتری پاسخ میدهند. سرانجام این نرون نـسبت بـه سـایر نرونهـا بـه تعـداد
برابری از ورودیها پاسخ خواهد داد
این امر، دو نتیجه خوب دارد. اول اینکـه، اگـر یـک نـرون بـه علـت دوری وزنهـای آن از همـه
ورودیها هرگز برنده نشود، بایاس آن عاقبت به حدی بزرگ خواهد شد که این نرون بتواند برنـده
شود. وقتی که این اتفاق ( برنده شدن نرون ) روی داد، این نرون به سمت دسته هـایی از ورودی
حرکت خواهد کرد. هنگامی که وزن یک نرون در بازه یک دسته از ورودیها قـرار گرفـت، بایـاس
آن به سمت صفر کاهش خواهد یافت به این ترتیب مشکل نرون بازنده حل خواهد شد.
فایده دوم استفاده از بایاس این است که آنها نرونها را وادار می کننـد کـه هـر کـدام درصـدهای
یکسانی از ورودیها را طبقه بندی کنند. بنابراین، اگـر یـک ناحیـه از فـضای ورودی دارای تعـداد
بیشتری از بردارهای ورودی نسبت به سـایر مکانهـا باشـد، ناحیـه بـا چگـالی بیـشتر در ورودی،
نرونهای بیشتری جذب خواهد کرد. و در نتیجه این ناحیه بـه زیـر گروههـای کـوچکتری تقـسیم
خواهد شد.
۴‐۷‐ نگاشت های خود سازمانده١۵ (SOM)
نگاشت های خود سازمانده یاد می گیرند کـه بردارهـای ورودی را آنطـور کـه در فـضای ورودی
طبقه بندی شده اند، طبقه بندی کنند. تفاوت آنها با لایه های رقابتی این است که نرونهای مجـاور
نگاشت خود سازمانده، قسمتهای مجاور از فضای ورودی را تشخیص می دهند.

15-Self Organizing Maps
۴٩
بنابراین، نگاشتهای خود سازمانده هم توزیع( مثل لایه ها رقابتی) و هم موقعیت مکانی بردارهای
ورودی آموزشی را یاد می گیرند. در اینجا یک شبکه نگاشت خود سازمانده نرون برنـده i* را بـه
روشی مشابه لایه رقابتی تعیین می کند. اما به جای اینکه تنها نرون برنده تنظیم شود، تمام نرونهـا
در یک همسایگی مشخص N (d) از نرون برنده با استفاده از قانون کوهنن تنظیم می شوند. یعنی،
i*
ما تمام نرونهای i Ni* (d) را طبق رابطه زیر تنظیم می کنیم
(۴‐۹۲)i W (q)i W (q − 1)  α ( p(q)−i IW (q−1))
یا
(۴‐٣٠i W (q) (1−α) i W (q − 1)  αp(q)(
در اینجا همسایگی N (d) شامل آندیس تمام نرونهایی است کـه در شـعاع d بـه مرکزیـت نـرون
i*
برنده i* قرار دارند.
(۴‐۱۳)Ni* (d)  {j,dij≤d}
بنابراین، هنگامی که بردار p به شبکه عرضه میشود، وزنهای نرون برنده و همسایه های نزدیک آن
به سمت p حرکت خواهد کرد. در نتیجه، بعد از آزمونهای پی در پی فـراوان، نرونهـای همـسایه،
نمایانگر بردارهای مشابه هم خواهند بود.
برای توضیح مفهوم همسایگی، شکل ۴‐۰۱ را در نظر بگیرید. شکل سمت چـپ یـک همـسایگی
دو بعدی به شعاع d=1 را حول نرون 13 نشان میدهد. دیاگرام سمت راست یـک همـسایگی بـه
شعاع d=2 را نشان میدهد. این همسایگی ها را میتوان به صورت زیر نوشت:
N13 (1)  {8,12,13,14,18}
و
۵٠
N13 (2)  {3,7,8,9,11,12,13,14,15,17,18,19,23}

شکل۴‐۰۱نمایش همسایگی
میتوان نرونها را در یک فضای یک بعدی، دو بعدی، سه بعدی یا حتـی بـا ابعـاد بیـشتر نیـز قـرار
دهیم. برای یک شبکه SOM یک بعدی ، یک نرون تنها دو همسایه (یا اگر نرونها در انتها باشـند
یک همسایه) در شعاع یک خواهد داشت.
۴‐۸‐ شبکه یادگیری کوانتیزه کننده برداری١۶]۵۳[
معماری شبکه عصبی LVQ در شکل۴‐۱۱ نشان داده شده است. یـک شـبکه LVQ در لایـه اول از
یک شبکه رقابتی و در لایه دوم از یک شبکه خطی تـشکیل شـده اسـت. لایـه رقـابتی بردارهـای
ورودی را به همان روش لایه های رقابتی ذکر شده، طبقه بندی میکند. لایه خطـی نیـز کلاسـهای
لایه رقابتی را بصورت کلاسهای مورد نظر کاربر طبقه بندی میکند. ما کلاسهایی کـه لایـه رقـابتی
جدا کرده است را زیر کلاس و کلاسهایی را که لایـه خطـی مـشخص میکنـد، کلاسـهای هـدف
مینامیم.

16-Learning Vector Quantization Networks
۵١

شکل۴‐۱۱ معماری شبکه LVQ
هر دوی لایه های رقابتی و خطی دارای تنها یک نرون بـرای هـر زیـر کـلاس یـا کـلاس هـدف
هستند. به همین دلیل لایه رقابتی میتواند S1 کلاس را یاد بگیرد. در مرحله بعد این S1 کـلاس در
S2 کلاس توسط لایه خطی طبقه بندی خواهد شد.( S1 همیشه از S2 بزرگتر است.)
برای مثال فرض کنید که نرونهای ١،٢و٣ در لایهرقابتی، زیر کلاسهایی از ورودی را یـاد میگیرنـد
که به کلاس هدف شماره ٢ لایه خطی تعلق دارند. آنگـاه نرونهـای رقـابتی ١،٢و٣ دارای وزنهـای
Lw2,1 برابر یک در نرون n2 لایهخطی، و وزنهای صفر برای بقیه نرونهای لایه خطی خواهند بود.
بنابراین این نرون لایه خطی ( ( n2 در صورت برنده شدن هر یک از نرونهای ١،٢و٣ لایـه رقـابتی،
یک ١ در خروجی ایجاد خواهد کرد. به این ترتیب زیر کلاسهای لایه رقابتی بـصورت کلاسـهای
هدف ترکیب خواهند شد.
خلاصه، یک ١ در iامین ردیف از a1 (بقیه عناصر a1 صفر خواهد بود)، iامـین ردیـف از Lw2,1
را به عنوان خروجی شبکه انتخاب میکند. این ستون شامل یک ١ که نمایانگر یـک کـلاس هـدف
است، خواهد بود را تعیین کنیم. اما ما باید با استفاده از یک عملیات آموزشی به لایه اول بفهمانیم،
که هر ورودی را در زیر کلاس مورد نظر طبقه بندی کند.
۵٢
۴‐٨‐١ روش یاد گیری (learnlv1) LVQ1
یادگیری LVQ در لایه رقابتی بر اساس یک دسته از جفتهای ورودی/ هدف میباشد.
(۴‐۲۳){ p1 ,t1},{ p2 ,t2},...,{ pQ ,tQ}
هر بردار هدف شامل یک ١ میباشد. بقیه عناصر صفر هستند. عدد ١ نمایانگر طبقه بردار ورودی
میباشد. برای نمونه، جفت آموزشی زیر را در نظر بگیرید.
0 2 (۴‐٣٣) 0 − 1 ,  t1 p1 1 0 0 در اینجا ما بردارهای ورودی سه عنصری داریم، و هر بردار ورودی باید به یکی از چهـار کـلاس
تعلق گیرد. شبکه باید طوری آموزش یابد که این بردار ورودی را در سومین کـلاس طبقـه بنـدی
کند.
به منظور آموزش شبکه، یک بردار ورودی p ارائه میشود، و فاصله از p بـرای هـر ردیـف بـردار
وزن ورودی Iw1,1 محاسبه میشود. نرونهای مخفی لایه اول به رقابت می پردازند. فرض کنیـد کـه
iامین عنصر از n1 مثبت ترین است، و نرون i* رقابت را می برد. آنگاه تابع تبدیل رقابتی یک ۱ را
به عنوان i* عنصر از a1 تولید می کند. تمام عناصر دیگرa1 صفر هستند. هنگـامی کـهa1 در وزنهـای
لایه دوم یعنیLw2,1 ضرب میشود، یک موجود در a1 کلاس k* مربوطه راانتخاب میکنـد. بـه ایـن
ترتیب، شبکه بردار ورودی p را در کلاس k* قرار داده و a2 یک شـده اسـت. البتـه ایـن تعیـین
k*
کلاس بردار p توسط شبکه بسته به اینکه آیا ورودی در کلاس k* است یا نه، میتواند درسـت یـا
غلط باشد.
۵٣
اگر تشخیص شبکه درست باشد سطر i* ام ازIw1,1 را طوری تصحیح میکنیم کـه ایـن سـطر بـه
بردار ورودی نزدیکتر شود، وبرعکس، در صورت غلـط بـودن تـشخیص ، تـصحیح بـه گونـه ای
صورت میگیرد که این سطر ماتریس وزن Iw1,1 از ورودی دورتر میشود. بنابراین اگـر p درسـت
طبقه بندی شود، یعنی
(۴‐٣۴( a2k*  tk*  1)(
ما مقدار جدید i* امین ردیف ازIw1,1 را چنین تنظیم میکنیم:
(۴‐٣۵) IW1,1 (q)i*IW1,1α(p(q)−i*IW1,1(q−1))
از طرفی، اگر طبقه بندی اشتباه باشد،
(۴‐٣۶) a2k*  1 ≠ tk*  0
مقدار جدیدi* امین ردیف را Iw1,1 را طبق رابطه زیر تغییر میدهیم
(۴‐۷۳) IW1,1 (q)i*IW1,1−α(p(q)−i*IW1,1(q−1))
این تصحیحات موجب میشود که نرون مخفی به سوی برداری کـه در کـلاس مربوطـه قـرار دارد
حرکت کند و از طرفی از سایر بردارها فاصله بگیرد.
۴‐۸‐۲ روش یادگیری تکمیلی١٧ LVQ21
روش یادگیری که در اینجا توضیح میدهیم را میتوانیم بعد از استفاده از 1 بکار ببریم. بکـارگیری
این روش ممکن است نتایج یادگیری اولیه را بهبود بخشد.
اگر نرون برنده در لایه میانی، بردار ورودی را به درستی طبقه بندی ننمود، بردار وزن آن نـرون را
طوری تنظیم میکنیم که از بردار ورودی فاصله بگیرد و به طور همزمان بردار وزن متناظر با نرونی

17-Supplemental Learning Rule
۵۴
را که بیشترین نزدیکی را به بردار ورودی دارد، طوری تنظیم میکنیم کـه بـه سـمت بـردار ورودی
حرکت نماید(به بردار ورودی نزدیکتر گردد).
زمانی که شبکه بردار ورودی را به درستی طبقه بندی نمود، تنها بردار وزن یـک نـرون بـه سـمت
بردار ورودی نزدیک میشود. اما اگر بردار ورودی بطور صحیح طبقـه بنـدی نـشد، بـردار وزن دو
نرون تنظیم میشود، یکی به سمت بـردار ورودی نزدیـک میـشود و دیگـری از بـردار ورودی دور
میشود.
۴‐۹‐ مقایسه شبکههای رقابتی
یک شبکه رقابتی طرز طبقه بندی بردار ورودی را یاد میگیرد. اگر تنها هدف ایـن باشـد کـه یـک
شبکه عصبی طبقه بندی بردارهای ورودی را یاد بگیرد، آنگاه یک شـبکه رقـابتی مناسـب خواهـد
بود. شبکه های عصبی رقابتی همچنین توزیع ورودیها را نیز با اعطای نرونهای بیشتر بـرای طبقـه
بندی قسمتهایی از فضای ورودی دارای چگالی بیشتر، یاد میگیرنـد. یـک نگاشـت خودسـازمانده
طبقه بندی بردارهای ورودی را یاد میگیرد. همچنین توضیع بردارهای ورودی را نیـز یـاد میگیـرد.
این نگاشت نرونهای بیشتری را برای قسمتهایی از فضای ورودی که بردارهای بیشتری را به شبکه
اعمال میکند، در نظر میگیرد.
نگاشت خودسازمانده، همچنین توپولوﮊی بردارهای ورودی را نیز یـاد خواهـد گرفـت. نرونهـای
همسایه در شبکه به بردارهای مشابه جواب میدهنـد. لایـه نرونهـا را میتـوان بـه فـرم یـک شـبکه
لاستیکی کشیده شده در نواحی از فضای ورودی که بردارها را به شبکه اعمال کرده است، تـصور
کرد.
۵۵
در نگاشت خودسازمانده تغییرات بردارهای خروجی نسبت به شبکه های رقابتی بسیار ملایـم تـر
خواهد بود.
شبکه عصبی LVQ بردارهای ورودی را در کلاسهای هدف به وسیله یک لایـه رقـابتی بـرای پیـدا
کردن زیر کلاسهای ورودی، و سپس با ترکیب آنها در کلاسهای هدف، طبقه بندی میکنند.
بر خلاف شبکه های پرسپترون که تنها بردارهای مجزا شده خطی را طبقه بنـدی میکننـد، شـبکه
های LVQ میتواند هر دسته از بردارهای ورودی را طبقه بندی کند. تنها لازم است که لایـه رقـابتی
به اندازه کافی نرون داشته باشد، تا به هر طبقه تعداد کافی نرون تعلق بگیرد.
۵۶

۵٧
۵‐۱‐ نحوه بدست آوردن سیگنالها
در این پایان نامه ۴ نوع سیگنال داریم که عبارتند از سـیگنالهای فرورزونـانس، کلیـدزنی خـازنی،
کلیدزنی بار، کلیدزنی ترانسفورماتور. سیگنالها را به دو دسته تقسیم می کنیم که دسته اول شـامل
انواع فرورزونانس و دسته دوم شامل انواع کلیدزنی خازنی، کلیدزنی بار، کلیـدزنی ترانـسفورماتور
می باشند. سیگنالها، با شبیه سازی بر روی فیدر توزیع واقعی توسط نرم افزار EMTP بدست آمـده
است که نحوه بدست آوردن سیگنالها در زیر توضیح داده شده است.
۵‐۱‐۱‐ سیگنالهای فرورزونانس
از آنجائیکه در وقوع پدیده فرورزونانس پارامترهای مختلف از جمله انواع کلید زنیها، نوع اتـصال
ترانسفورماتور، پدیده هیسترزیس، خاصیت خازنی خـط، طـول خـط و بـار مـوثر هـستند، انـواع
سیگنالهای فرورزونانس با بررسی اثرات هر یک از خواص بر روی شبکه واقعی بدست آمده انـد.
برای بدست آوردن این سیگنالها، بخشی از یک فیدر 20kV جزیره قشم کـه در شـکل ۵‐۱ نـشان
داده شده است انتخاب شده است] ۶۳.[

U

315 500 315 250 315 100 800 250

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

1250

315 315 500 315 1250 630 500 315 500 800 630 800 100 630 250
شکل۵‐۱. فیدر 20kV
۵٨
۵‐١‐٢‐ انواع کلید زنیها و انواع سیم بندی درترانسفورماتورها
عملکرد غیر همزمان کلیدهای قدرت و تغذیه ترانسفورماتور بی بار یا کم بار توسط یک فاز یا دو
فاز خط انتقال، شرایط بسیار مساعدی برای تحقق فرورزونانس مهیا می کند. عملکرد غیر همزمان
کلیدهای قدرت که در اثر قطع فاز یا گیر کردن کنتاکتهای بریکر در شبکه اتفاق می افتد را میتـوان
به دو نوع کلیدزنی تکفاز و دوفاز تقسیم بندی کرد. در این قسمت تاثیر انواع سیم بندیهای ترانس
20/0.4kv ابتدای فیدر را در اثر کلیدزنی تکفاز و دوفاز بررسی می کنیم.
الف)ترانس Yزمین شده ∆ /

شکل۵‐۲ ولتاﮊ فاز a ثانویه ترانس در کلیدزنی تکفاز

شکل۵‐۳ ولتاﮊ فاز a ثانویه ترانس در کلیدزنی دوفاز
۵٩
ب)ترانس Yزمین نشدهY/ زمین شده

شکل۵‐۴ ولتاﮊ فاز a ثانویه ترانس در کلیدزنی تکفاز

شکل۵‐۵ ولتاﮊ فاز a ثانویه ترانس در کلیدزنی دوفاز
ﭖ)ترانس Yزمین شدهY/ زمین شده

شکل۵‐۶ ولتاﮊ فاز a ثانویه ترانس در کلیدزنی تکفاز

شکل۵‐۷ ولتاﮊ فاز a ثانویه ترانس در کلیدزنی دوفاز
۶٠
ت)ترانس ∆/∆

شکل۵‐۸ ولتاﮊ فاز a ثانویه ترانس در کلیدزنی تکفاز

شکل۵‐۹ ولتاﮊ فاز a ثانویه ترانس در کلیدزنی دوفاز
ث)ترانس Y/∆ زمین شده:

شکل۵‐۰۱ ولتاﮊ فاز a ثانویه ترانس در کلیدزنی تکفاز

۶١
شکل۵‐۱۱ ولتاﮊ فاز a ثانویه ترانس در کلیدزنی دوفاز
ج)ترانس Yزمین نشدهY/ زمین نشده

شکل۵‐۲۱ ولتاﮊ فاز a ثانویه ترانس در کلیدزنی تکفاز

شکل۵‐۳۱ ولتاﮊ فاز a ثانویه ترانس در کلیدزنی دوفاز
چ )ترانس Yزمین نشده ∆ /

شکل۵‐۴۱ ولتاﮊ فاز a ثانویه ترانس در کلیدزنی تکفاز

شکل۵‐۵۱ ولتاﮊ فاز a ثانویه ترانس در کلیدزنی دوفاز
۶٢
ح )ترانسفورماتور Y/∆ زمین نشده:

شکل۵‐۶۱ ولتاﮊ فاز a ثانویه ترانس در کلیدزنی تکفاز

شکل۵‐۷۱ ولتاﮊ فاز a ثانویه ترانس در کلیدزنی دوفاز
همانطور که ملاحظه می شود سوئیچینگ تکفاز که بدترین حالت کلیدزنی است باعـث بـه اشـباع
رفتن سریع هسته می شود. در این نوع کلیدزنی اضافه ولتاﮊهایی بصورت دائم و با دامنـه بـیش از
۲ برابر ولتاﮊ سیستم خواهد بود. در کلید زنی دوفاز نوسانات پایه یا زیر هارمونیک دائـم بـا دامنـه
۵,۱ تا ۷,۱ برابر خواهد بود. زمین کردن نقطه ستاره ترانس اگرچه احتمال فرورزونـانس را از بـین
نمی برد ولی احتمال آن را کمتر و دامنه اضافه ولتاﮊهای ناشی از این پدیده را کمتـر مـی کنـد. در
حالت کلید زنی دوفاز این احتمال بسیار پایین می آید و وقوع آن به شرایط دیگر سیـستم بـستگی
دارد و در صورت وقوع، سیستم دارای هـر چـه مقاومـت نـوترال یـا زمـین کمتـر باشـد احتمـال
۶٣
فرورزونــانس کمتــر اســت. در ظرفیتهــای خــازنی مــساوی، اضــافه ولتاﮊهــای فرورزونــانس
درترانسفورماتور مورد نظر در حالت اتصال ستاره با نوترال زمین شده بسیار کمتر اسـت. بـا قطـع
نوترال ترانسفورماتور مورد نظر و قطع تک فاز و دو فاز اضافه ولتاﮊهای بسیار بزرگتـری حاصـل
می شوند که حتی از حالت اتصال مثلث‐ ستاره بزرگتر می باشـند. همچنـین بـا توجـه بـه شـبیه
سازیهای انجام شده، فازهای مختلف ترانسفورماتور دارای رفتار مساوی در مقابل اضافه ولتاﮊهای
فرورزونانس نیسستند.
۵‐۱‐۳‐ اثر بار بر فرورزونانس
همچنانکه می دانیم اضافه ولتاﮊهای فرورزونانس در هنگام بی باری و یا کم بـاری ترانـسفورماتور
به وجود می آید. با افزایش بار اضافه ولتاﮊهای ناشی از فرورزونـانس بـسیار کـم اسـت ولـی بـا
تعدادی از بارها اضافه ولتاﮊهای ناشی از فرورزونانس بسیار زیاد می شود

شکل ۵‐۸۱ ولتاﮊ ثانویه فاز a در اثر افزایش بار
۶۴

شکل ۵‐۹۱ ولتاﮊ ثانویه فاز a در اثر قطع تعدادی از بارها
۵‐۱‐۴‐ اثر طول خط
با کاهش طول خط، در حالت کلیدزنی تکفاز که بدترین نوع کلیـد زنـی اسـت، اضـافه ولتاﮊهـای
بسیار زیادی بوجود می آید ولی با افزایش طول خـط، اضـافه ولتاﮊهـا بـسیارکمتر میـشود کـه در
شکلهای زیر مشاهده می شود. پس هر چه طول خط کمتر باشد احتمال وقوع فرورزونانس بیـشتر
است.
20 [kV] 15 10 5 0 -5 -10 [s] -15 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 (f ile f er71.pl4; x-v ar t) v :X0107B
شکل۵‐۰۲ ولتاﮊ فاز a ثانویه ترانس با کاهش طول خط

–272

ضریب نفوذ m/s D
ضریب تأثیر Er
ولتاژ بازگشت‌پذیرv Erev
ثابت فارادی C/mol 96385.3415 F
ثابت هانریatm.m/mol H
چگالی جریانA/m I, i
شار مولی mol/m.s J
ثابت نیم واکنش 1/s Kc
ضریب قابلیت هدایت پروتونی S/m K
کسر حجمی اجزاء L
ضخامت غشاء m Lmem
بارگذاری جرمیm/kg m
جرم مولکولی kg/mol M
تعداد الکترون‌های انتقالی به ازای یک مول مصرف سوخت n
شار مولی اجزاءmol/m.s N
فشار atm P
چگالی توان پیل w/m Pcell
بار الکتریکی C Q
نرخ مصرف حجمی mol/m.s R
ثابت جهانی گازها J/mol.K 8.314 R
مقاومت اهمیک.m ROhmic
مقاومت نفوذ اکسیژن از طریق فاز غشاء s/m
مقاومت نفوذ اکسیژن از طریق آبs/m
مختصات شعاعی m r
دما K T
حجم توده m Vagg
حجم مولار اکسیژن در نقطه جوش نرمال m/mol 25.6
کسر مولی اجزاء X
مختصه مکانی در دستگاه مختصات m Z
علائم یونانی نسبت شار مولی 
ضریب انتقال بار آند و کاتد c,a
ضخامت m 
تخلخل 
مدول تایلی 
افت ولتاژ v 
محتویات آب غشاء 
ویسکوزیته آب cP 
زاویه فاز هر جزء 
چگالی kg/m 
قابلیت هدایت الکترونی S/m 
پارامتر وابستگی 
ضریب استکیومتری 
زیرنویس‌ها و بالانویس‌ها مؤثر eff
تبادلی 0
بی‌بعد *
میانگین ¯
فعال‌سازی act
توده agg
کربن C
لایه کاتالیست CL
آیونومر i
آیونومر درون توده i,agg
محدود کننده L
جریان داخلی n
اکسیژن در سطح خارجی توده Ol
اکسیژن نفوذی در غشاء Oاکسیژن در سطح داخلی توده Osاکسیژن نفوذی در آب Ow
ذرات پلاتین – کربن Pt/C
واکنش‌دهنده R
مرجع ref
جامد s
اشباع sat
آب آند w,a
آب کاتد w,c
فصل اولمقدمه
23837903448685020000
مقدمهامروزه به دلیل بحران آلودگی‌هایزیستمحیطیناشی از مصرف سوخت‌هایفسیلیروش‌های پاک تولیدانرژی از اهمیتویژه‌ای برخوردار است. بشر به سبب افزایشآلودگی و کاهش منابع سوخت طبیعی مجبور به یافتن راه حلی شد که در اینفرآیند،تولیدانرژی از طریقهیدروژن کشف شد. در طی مطالعات و آزمایشاتی که برایتولیدانرژی از طریقهیدروژن انجام می‌گردیدوسیله‌ای که هیدروژن را به عنوان سوخت استفاده می‌کردپیلسوختینامیدند. سیستم‌هایپیل‌هایسوختی به عنوان یکی از گزینه‌هایتولیدانرژی پاک محسوب می‌شوند. توان تولید شده اینسیستم‌هایک گستره وسیعبین چند وات تا چند هزار کیلو وات را شامل می‌شود، به طوریکهاینسیستم‌هااز یک سوتامین کننده توان مورد نیازبراییکبیمارستان و یایک واحد ساختمانی به عنوان کاربرد ساکن، و از سویدیگرتامین کننده بخشی از توان مورد نیازیک فضا پیما، وسیلهنقلیه، لپ تاپ و یاحتی قلب مصنوعی به عنوان کاربردهای متحرک می‌باشند [REF _Ref333997665 h * MERGEFORMAT1]. دانشمندان معتقد بودند که هیدروژنمی‌تواند راه حلیکارآمدبرایتأمین بخشی ازنیازهایانرژیدنیا در آینده باشد. پیلسوختییکوسیله‌ای است که هیدروژن و اکسیژن را ترکیب کرده و آب و الکتریسیتهتولیدمی‌کند. انرژیتولید شده توسط پیلسوختیمی‌تواند در مصارف روزمره استفاده گردد.پیلسوختیمزایایبسیاری نسبت به وسایل مرسوم تولیدانرژی دارد از جمله این مزایا راندمان بالا،عدم ایجاد سر و صدا و آلودگیاست.
ساخت لایه‌های مختلف پیلسوختینظیرلایه‌های نفوذ گاز، صفحات دو قطبی، غشاء و لایهکاتالیستدشوار بوده و نیازمندفناوریپیشرفته‌ایمی‌باشد. چون در ساخت این لایهها از موادی نظیر فیبر بسیار نازک کربن، آیونومر، نفیون و ... استفاده میشود که فرآوری آنها نیازمند یک پروسه پیشرفته و دشوار میباشد و در انحصار کشورهای خاصی قرار دارد، همچنین مراحل ساخت برخی از این لایهها نظیر لایه کاتالیست که شامل فاز جامد، فاز غشاء و فضای خالی است بسیار پیچیده میباشد. بنابراین بدون انجام یکمدل‌سازی کامل از کل لایه‌هایپیلسوختی، ساخت یک تودهپیلسوختیکار دشواری خواهد بود.همچنین ممکن است پیل ساخته شده از نظر هزینه‌های تمام شده مقرون به صرفه نباشد. به منظور بررسیکارایی و عملکرد پیل‌هایسوختی،بایدلایههای مختلف یکپیلسوختی را مورد مطالعه قرار داده و شبیه‌سازی نمود. در اینپایان‌نامهمدل‌سازییکبعدی عملکرد یکپیلسوختی غشا پلیمری انجام می‌پذیرد، و تمامیلایه‌هایاینپیلسوختی تک سلولیشبیه‌سازیمی‌شوند. مدل ارائه شده برایلایهکاتالیست، مدل توده‌ایمی‌باشد. این مدل افت غلظت موجود در منحنیقطبیتپیل را که در چگالیجریان بالا اتفاق می‌افتد بدون اضافه کردن روابط نیمهتجربی مربوط به افت غلظت درستپیش‌بینیمی‌کندهمچنین در حالتی که اندازه تودهها به سمت صفر میرود(تودههای بسیار کوچک) این مدل به مدل همگن ساده میشود. لایه‌های نفوذ گاز نیزکه در دو طرف آند و کاتد پیل قرار دارند با استفاده از معادلات مربوط به نفوذ گازهای چند جزئی مدل شده‌اند. غشاء نیز با مدل کردن انواع مکانیزم‌های انتقال آب که در آن وجود دارد شبیه‌سازی شده است. عملکرد یکپیلسوختی توسط منحنی ولتاژ بر حسب چگالیجریانبیانمی‌شود. این عملکرد با کسر نمودن افت‌های مربوط به ولتاژ فعال‌سازی، اهمیک و غلظت از ولتاژ بازگشت‌پذیرپیل در یکچگالیجریان بدست می‌آید. سپس با تغییرچگالیجریان، منحنیجریان–ولتاژپیل بدست می‌آید. در اینپایان‌نامه معادلات حاکم بر عملکرد لایه‌های مختلف پیل (که ترکیبی از معادلات دیفرانسیل و معادلات جبریمی‌باشند) بدست آمده سپس این معادلات حل می‌گردد تا افت‌هایقید شده بدست آید. در انتها یکسری مطالعات پارامتری به منظور بررسیمیزانحساسیت تابع عملکرد به یکسریپارامترها انجام می‌پذیرد.
تاریخچهاگرچهپیلسوختیبهتازگیبهعنوانیکیازراهکارهایتولیدانرژیالکتریکیمطرحشدهاستولیتاریخچهآنبهقرننوزدهمو کاردانشمندانگلیسیویلیامگروبرمی‌گردد.اواولینپیلسوختیرادرسال۱۸۳۹باسرمشقگرفتنازواکنشالکترولیزآب،طیواکنشمعکوسودرحضورکاتالیستپلاتینساخت.
واژهپیلسوختیدرسال۱۸۸۹توسطلودویکمندوچارلزلنجربهکارگرفتهشد.آن‌هانوعیپیلسوختیکههواوسوختذغالسنگرامصرفمی‌کرد،ساختند.تلاش‌هایمتعددیدراوایلقرنبیستمدرجهتتوسعهپیلسوختیانجامشدکهبهدلیلعدمدرکعلمیمسئلههیچیکموفقیتآمیزنبود.علاقهبهاستفادهازپیلسوختیباکشفسوخت‌هایفسیلیارزانورواجموتورهایبخارکمرنگگردید.
فصلیدیگرازتاریخچهتحقیقاتپیلسوختیتوسطفرانسیسبیکنازدانشگاهکمبریجانجامشد.اودرسال۱۹۳۲بررویماشینساختهشدهتوسطمندولنجراصلاحاتبسیاریانجامداد.ایناصلاحاتشاملجایگزینیکاتالیستگرانقیمتپلاتینبانیکلوهمچنیناستفادهازهیدروکسیدپتاسیمقلیاییبهجایاسیدسولفوریکبهدلیلمزیتعدمخورندگیآنمی‌باشد.ایناختراعکهاولینپیلسوختیقلیاییبود، پیلبیکننامیدهشد.او۲۷سالتحقیقاتخودراادامهدادتاتوانستیکپیلسوختیکاملوکارا، ارائهنماید.بیکندرسال۱۹۵۹پیلسوختیباتوان۵کیلوواتراتولیدنمودکهمی‌توانستنیرویمحرکهیکدستگاهجوشکاریراتأمیننماید.
تحقیقاتجدیددراینعرصهازاوایلدهه۶۰میلادیبااوجگیریفعالیت‌هایمربوطبهتسخیرفضاتوسطانسانآغازشد.مرکزتحقیقاتناسادرپیتأمیننیروجهتپروازهایفضاییباسرنشینبود.ناساپسازردگزینههایموجودنظیرباتری(بهعلتسنگینی)،انرژیخورشیدی (بهعلتگرانبودن)وانرژیهسته ای (بهعلتریسکبالا)پیلسوختیراانتخابنمود.تحقیقاتدراینزمینهبهساختپیلسوختیپلیمریتوسطشرکتجنرالالکتریکمنجرشد.ایالاتمتحدهآمریکافناوریپیلسوختیرا در برنامه فضاییجمینیاستفادهنمودکهاولینکاربردتجاریپیلسوختیبود.پرتوویتنیدوسازندهموتورهواپیما،پیلسوختیقلیاییبیکنرابهمنظورکاهشوزنوافزایشطولعمراصلاحنمودهوآنرادربرنامهفضاییآپولوبهکاربردند.درهردوپروژهپیلسوختیبه عنوانمنبع برای تأمینانرژیالکتریکیبرایفضاپیمااستفادهشد[REF _Ref332024462 h * MERGEFORMAT2]. امادرپروژهآپولوپیلهایسوختیبرایفضانوردانآبآشامیدنینیزتولیدمی‌کرد. پسازکاربردپیلهایسوختیدراینپروژه‌ها،دولت‌هاوشرکت‌هابهاینفنآوریجدیدبهعنوانمنبعمناسبیبرایتولیدانرژیپاکدرآیندهتوجهروزافزونینشاندادند.
ازسال۱۹۷۰فنآوریپیلسوختیبرایسیستم‌هایزمینیتوسعهیافت. تحریمنفتیازسال1973-1979 موجبتشدیدتلاشدولتمردانآمریکاومحققیندرتوسعهاینفنآوریبهجهتقطعوابستگیبهوارداتنفتیگشت.
درطولدهه۸۰تلاشمحققین، در جهتتهیهموادموردنیاز، انتخابسوختمناسبوکاهشهزینهاستواربود.همچنیناولینمحصولتجاریجهتتأمیننیرویمحرکهخودرودرسال۱۹۹۳توسطشرکتبلاردارائهشد [REF _Ref332024462 h * MERGEFORMAT2].
تاریخچهپیلسوختیPEMفنآوریپیلسوختیپلیمریدرسال۱۹۶۰درشرکتجنرالالکتریکتوسط گروب و نیدرچابداعشد. اولینموفقیتجنرال الکتریکدرتولیدپیلسوختیپلیمریدراواسطدهه۱۹۶۰درپیهمکاریاینشرکتباکمیتهنیرویدریاییآمریکا و رسته مخابرات ارتش آمریکابهمنظورساختمولدهایکوچکبرقبود. اینمولدهاباسوختهیدروژنتولیدیازترکیبآبوهیدریدلیتیمتغذیهمی‌شدند. پیلسوختیتهیهشدهکوچکوقابلحملبودودرآنازکاتالیستگرانقیمتپلاتیناستفادهشدهبود[REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4].
دربرنامههایفضاییمرکوریازباتریبهعنوانمنابعتأمینانرژیاستفادهشدولیبرایپروژهآپولونیازبهوسیلهایباطولعمربیشتربود. لذابرایاینمنظورپیلهایسوختیپلیمریساختشرکتجنرالالکتریکموردتستوآزمایشقرارگرفت.ناسادرپروازهایفضاییبعدیخودازپیلسوختیقلیاییاستفادهنمود.
شرکتجنرالالکتریکفعالیتخودرادردهه۱۹۷۰باتوسعهفناوریالکترولیزجهتتجهیزاتزیردریاییباحمایتواحدتولیداکسیژننیرویدریاییآمریکاآغازنمود. ناوگان سلطنتیانگلیسیدراوایلدهه۱۹۸۰اینفناوریرابرایناوگانزیردریاییخودپذیرفت. دراوایلدهه۱۹۹۰سایرگروه‌هانیزتحقیقاتدراینزمینهراآغازنمودند.آزمایشگاهملیلوسآلاموسودانشگاهتگزاسروش‌هاییراجهتکاهشمیزانکاتالیستموردنیازآزمایشنمودند [REF _Ref332024462 h * MERGEFORMAT2].
مزایا و معایبپیلسوختیعمدهترینمزایایپیل‌هایسوختی به شرح زیر هستند:
پیلسوختیآلودگیناشیازسوزاندنسوخت‌هایفسیلیراحذفنمودهوتنهامحصولجانبیآنآب و گرمامی‌باشد.
درصورتیکههیدروژنمصرفیحاصلازالکترولیزآبباشدنشرگازهایگلخانه‌ایبهصفرمی‌رسد.
به دلیلوابستهنبودنبهسوخت‌هایفسیلیمتداولنظیربنزینونفت،وابستگیاقتصادی،کشورهایجهان سومراحذفمی‌کند[REF _Ref332024462 h * MERGEFORMAT2].
بانصبپیلهایسوختینیروگاهیکوچک،شبکهغیرمتمرکزنیروگستردهمی‌گردد.
پیل‌هایسوختیراندمانبالاترینسبتبهدستگاه‌هایاحتراقی استفاده کننده از سوخت‌هایفسیلیمتداولدارند.
هیدروژندرهرمکانی که حیات باشد (آب باشد) طی پروسه الکترولیزازآبوبرقتولیدمی‌گردد. لذاپتانسیلتولیدسوخت،غیرمتمرکزخواهدشد [REF _Ref332024462 h * MERGEFORMAT2].
اکثرپیل‌هایسوختیدرمقایسهباموتورهایمتداولبسیاربیصداهستند.
انتقالگرماازپیل‌هایدماپایینبسیارکممی‌باشد،لذاآن‌هابرایکاربردهاینظامیمناسبخواهندبود.
زمانعملکردآن‌هاازباتری‌هایمتداولبسیارطولانی‌تراست، مثلاًفقطبادوبرابرنمودنسوختمصرفیمی‌توانزمانعملکردرادو برابرنمودونیازیبهدوبرابرکردن اندازهخودپیلنمی‌باشد.
به علتعدموجوداجزایمتحرکهزینهتعمیر و نگهداریازآن‌هابسیارکماست.
نصبوبهرهبرداریازپیل‌هایسوختیبسیارسادهومقرونبهصرفهمی‌باشد.
اینمولدهاقابلیتتولیدهمزمانبرقوحرارترادارند.
عمدهترینمعایبپیل‌هایسوختی:
تبدیلهیدروکربنبههیدروژنازطریقمبدلهنوزباچالش‌هاییروبروستوهنوزفنآوری کاملاًپاکنمی‌باشد.
پیل‌هایسوختیازباتری‌هایمتداولسنگین‌ترهستندومحققیندرپیکاهشوزنآن‌هامی‌باشند.
تولیدپیلسوختیبدلیلنداشتنخطتولیدهنوزگراناست.
برخیپیل‌هایسوختیازموادگرانقیمتاستفادهمی‌کنند.
اینفنآوریهنوزکاملاًتوسعهنیافتهومحصولاتکمیازآنموجوداست.
شناخت کلیپیلسوختیپیلسوختینوعیوسیلهالکتروشیمیاییاستکهانرژیشیمیاییحاصلازواکنشرامستقیماًبهانرژیالکتریکیتبدیلمی‌کند.سازهوبدنهاصلیپیلسوختیازالکترولیت،الکترودآندوالکترودکاتدتشکیلشدهاست. نمایکلییکپیلسوختیبههمراهگازهایواکنشدهندهوتولیدشدهومسیرحرکتیون‌ها و الکترون‌هادر REF _Ref331172597 h * MERGEFORMAT شکل‏11ارائهشدهاست.
پیلسوختییکدستگاهتبدیلانرژیاستکهبهلحاظنظریتازمانیکهمادهاکسیدکنندهوسوختدرالکترودهایآنتأمینشوندقابلیتتولیدانرژیالکتریکیرادارد.البتهدرعملاستهلاک،خوردگیوبدعملکردناجزایتشکیلدهنده،طولعمرپیلسوختیرا کاهشمی‌دهد.
دریکپیلسوختی،سوختبهطورپیوستهبهالکترودآندواکسیژنبهالکترودکاتدتزریقمی‌شودوواکنش‌هایالکتروشیمیاییدرالکترودهاانجامشدهوباایجادپتانسیلالکتریکیجریانالکتریکیبرقرارمی‌گردد. اگرچهپیلسوختیاجزاءوویژگی‌هایمشابهیکباتریرادارداماازبسیاریجهاتباآنمتفاوتاست. باترییکوسیلهذخیرهانرژیاستوبیشترینانرژیقابلاستحصالازآنبهوسیلهمیزانمادهشیمیاییواکنشدهندهکهدرخودباتریذخیرهشدهاست (عموماًدرالکترودها)تعیینمی‌شود. چنانچهمادهواکنشدهندهدرباتریکاملاًمصرفشود،تولیدانرژیالکتریکیمتوقفخواهدشد (باتریتخلیهمی‌شود).درباتری‌هاینسلدوممادهواکنشدهندهباشارژمجدد،دوبارهاحیامی‌شودکهاینعملمستلزمتأمینانرژیازیکمنبعخارجیاست. دراینحالتنیزانرژیالکتریکیذخیرهشدهدرباتری،محدودووابستهبهمیزانمادهواکنشدهندهدرآنخواهدبود.
گازاکسیدکنندهنظیرهوایااکسیژنخالصدرالکترودکاتدکهباصفحهالکترولیتدرتماساستجریانپیدامی‌کند.بااکسیداسیونالکتروشیمیاییسوختکهمعمولاًهیدروژناستوبااحیاءاکسیدکننده، انرژیشیمیاییگازهایواکنشگربهانرژیالکتریکیتبدیلمی‌شود.
ازنظرتئوری،هرمادهایکهبهصورتشیمیاییقابلاکسیدشدنباشدوبتوانآنرابهصورتپیوسته (بهصورتسیال) بهپیلسوختیتزریقکرد،می‌تواندبهعنوانسوختدرالکترودآندپیلسوختیمورداستفادهقرارگیرد.بهطورمشابهمادهاکسید کنندهسیالیاستکهبتواندبانرخمناسبیاحیاء شود.

شکلSTYLEREF 1 s‏1SEQ شکل_ * ARABIC s 1 1:شماتیکطریقه عملکرد پیلسوختیPEM [REF _Ref334005828 h * MERGEFORMAT3].در پیل سوختی پلیمری گازهیدروژنبهعنوانسوختایدهآلمورداستفادهقرارمی‌گیرد.هیدروژنرا می‌توانازتبدیلهیدروکربن‌هاازطریقواکنشکاتالیستی،تولیدوبهصورت‌هایگوناگونذخیرهسازیکرد. اکسیژنموردنیازدرپیلسوختی را میتوانبهطورمستقیمازهواتهیهنمود.بررویسطحالکترودهایآندوکاتدپیلسوختیواکنشاکسیداسیونواحیاءدرناحیهسهفازی (ودرصورتجامدبودنالکترولیتدوفازی) نزدیکسطحمشترکواکنشدهنده‌ها (فاز گاز)،کاتالیست (فاز جامد)والکترولیت(در برخی از پیلها فاز مایع و در برخی دیگر نظیر PEM فاز جامد) صورتمی‌گیرد. اینناحیه دویا سهفازینقشمهمیدرعملکردالکتروشیمیاییپیلسوختیبهویژهپیل‌هایسوختیباالکترولیتجامددارد. دراینگونهپیل‌هایسوختی،گازهایواکنشدهندهازمیانیکلایهنازکازالکترولیتکهسطحالکترودهایمتخلخلراپوشاندهاستعبورکردهوواکنشالکتروشیمیاییمناسبرویسطحالکترودمربوطهانجاممی‌شود.
چنانچهالکترودمتخلخلحاویمقادیربیشازحدالکترولیتباشدالکتروددر اصطلاحغرقشدهوبه اینترتیبانتقالالکترونهابهمکان‌هایواکنشمحدودمی‌شود.درنتیجهعملکردالکتروشیمیاییالکترودمتخلخلتضعیفمی‌شودلذاضروریاستکهدرساختارالکترودهایمتخلخلیکتعادلمناسببینالکترود،الکترولیتوفازگازیایجادشود.
تلاش‌هایاخیربر بهبودعملکردواکنشالکتروشیمیایی،کاهشهزینه‌هایتولید،کاهشضخامتاجزایپیلسوختیودرعینحالاصلاحوبهبودساختارالکترودهاوالکترولیتمتمرکزشدهاست. الکترولیتباهدایتیون‌هابینالکترودهاسببتکمیلمدارالکتریکیپیلسوختیمی‌شود. الکترولیتیکمانعفیزیکیبینسوختوگازاکسیژنایجادمی‌کندومانعاختلاطمستقیمآن‌هامی‌شود. از جمله وظایف مهمصفحاتالکترودمتخلخلدرپیلسوختیعبارتاند از:
1- ایجادیکسطحفعال کافیومناسبکهواکنش‌هایالکتروشیمیاییرویاینسطوحانجاممی‌شود.
2- هدایتیون‌هایحاصلازواکنشبهداخلیاخارجازناحیهتبادلسهفازیوانتقالالکترون‌هایتولیدیبهمدارخارجی(الکترودهابایدهدایتالکتریکیخوبیداشتهباشند).
3- انتقال واکنش دهندهها به سطوح انجام واکنش.
4- انتقال گرمای تولید شده در لایه کاتالیست کاتد به سیستم خنککاری پیل، بویژه برای پیلهای دما بالا.
برایافزایشسطحتماسواکنشدهنده‌هاباکاتالیستلازماستکهساختارالکترود،متخلخلبودهومیزانسطحدردسترس، وپوششدادهشدهتوسطکاتالیستنسبتبهحجمالکترود (مساحت در واحد حجم سطح مؤثر پلاتین)(m/m)زیادباشد. ساختارمتخلخل،دسترسیراحتاجزاءواکنشدهندهبهمراکزفعالراتسهیلمینماید.
نرخواکنش‌هایالکتروشیمیباافزایشدماافزایشپیدامی‌کند،لذاخاصیتکاتالیزوریالکترودهادرپیلهایسوختیدماپایینازاهمیتبیشتریدرمقایسهباپیلسوختیدمابالابرخورداراست. الکترودهایمتخلخلبایددرهردوطرفتماسباالکترولیتوگازهایواکنشدهنده،نفوذپذیرباشندتاحدیکهتوسطالکترولیتاشباعنشدهوبوسیلهگازهایواکنشدهندهخشکنشوند [REF _Ref332024462 h * MERGEFORMAT2].

پیلسوختیPEMپیل‌هایسوختی غشاءمبادله‌گر پروتون (پلیمری) اولین بار در دهه 1960 برای برنامهجمینی ناسا استفاده شد. ایننوع پیل سوختی از نقطه نظر طراحی و کارکردیکی از جذاب‌ترین انواع پیلسوختی است. پیلسوختیپلیمریدارایالکترولیتپلیمری به شکلیک ورقه نازک منعطف است کههادییونهیدروژن(پروتون)می‌باشد و بین دو الکترود متخلخل قرار می‌گیرد. جهت کارایی مطلوب لازم است الکترولیت، از آب اشباع باشد. نفیونیکی از بهترینالکترولیت‌های مورد استفاده در این نوع پیل سوختی است. این غشاء کوچک و سبک است و در دمایپایین 80 درجه سانتی‌گراد(تقریباً 175 درجه فارنهایت) کارمی‌کند. در پیل سوختیپلیمریواکنشاحیاءاکسیژنواکنشکندتر است (اینواکنشپنج مرتبه کندتر از واکنشاکسید شدن هیدروژن است [REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4]). کاتالیست مورد استفاده در اینپیل سوختی اغلب از جنس پلاتین بوده و میزانکاتالیستمصرفی در الکترودهایاین نوع پیل سوختیبیشتر از سایر انواع پیل سوختی است.
بازدهالکتریکیاین نوع پیل سوختی بر اساس ارزش حرارتی پایین در حدود 40% تا 50% است [REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4]. سوخت مصرفی در پیل سوختیپلیمرینیازمندهیدروژنتقریباً خالص است لذا مبدل در خارج پیل سوختی جهت تبدیلسوخت‌های متانول و یابنزین به هیدروژننیاز است.گسترهتوان تولیدیاین نوع پیل سوختیبیشتر از انواع دیگرپیل سوختی است. محدوده توان در این نوع پیل سوختیبین(1W الی 100kW) است[REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4]. طول عمر پیش‌بینی شده برایپیل سوختیپلیمریبیش از 20000 ساعت است [REF _Ref334011700 h * MERGEFORMAT5].
در پیل سوختیپلیمری سوخت مورد استفاده هیدروژنمی‌باشد. مولکولهایهیدروژن در آند به یون‌های پروتون و الکترونیونیزه شده، و الکترون‌هااز پروتونها جدا می‌شوند. یون‌هایهیدروژنکه شامل بار مثبت هستند (پروتون) به یک سطح غشاء متخلخل نفوذ می‌کنند و به سمت کاتدمی‌روند. الکترون‌هاینمی‌توانند از این غشاء عبور کنندبلکه از یک مدار خارجی عبور کرده و موجب تولید برق می‌شوند. در کاتدالکترون‌ها، پروتون‌های و اکسیژن موجود در هوا با هم ترکیبمی‌شوند و مطابق REF _Ref331172597 h * MERGEFORMATشکل‏11 آب را تشکیلمی‌دهند.واکنش‌ها در الکترودها به شرح ذیلمی‌باشند:
(1- SEQ 1- * ARABIC1) واکنش سمت آند:
(1- SEQ 1- * ARABIC2) واکنش سمتکاتد:
(1- SEQ 1- * ARABIC3) واکنشکلیپیل:
واکنش سمت آند به مقدار خیلی کمی گرماگیر است و واکنش سمت کاتداین نوع پیل سوختی به دلیلدمایپایین به زمان کمیبرایراه‌اندازینیاز دارد و همینخصوصیتآن را بهترینگزینه در کاربردهایوسایلنقلیهبه عنوانجایگزینبرای موتور احتراق داخلیدیزلی و بنزینیمعرفیمی‌نماید. همچنیناینسیستم‌هاکاربریمناسبی در زمینهمولدهایخانگی، نیروگاهیکوچک، صنعت حمل‌ونقل و نظامی دارند [REF _Ref332024462 h * MERGEFORMAT2].
لایههایتشکیل دهنده پیلسوختی غشاء پلیمریهر یک از سلول‌هاییکپیلسوختی غشاء پلیمری از یکسریلایهتشکیل شده است، که در هر یک از اینلایه‌هافرآیندهایخاصی انجام می‌شود. در این قسمت به اختصار هر یک از لایههایپیل را معرفیمی‌کنیم، سپس در فصول بعد به تفصیلبه معرفیاینلایه‌ها و مدل‌سازیآن‌هامی‌پردازیم.
لایه نفوذ گازلایه‌هاینفوذگازیبهطورعمومیساختارمتخلخلبرمبنایکربندولایهدارند،شماییازلایهنفوذگازیبین کانال جریانولایهکاتالیستیدر REF _Ref331328151 h * MERGEFORMAT شکل ‏12نشاندادهشدهاست.لایهاوللایهنفوذگازی،یکساختارکربنیماکرومتخلخلباپارچه‌هایکربنیویاورقه‌هایکربنیاست.ساختارماکرومتخلخلبهعنوانجمعکنندهجریانعملمی‌کند.دومینلایه،لایهمیکرومتخلخلنازکیاستکهشاملپودرکربنوبرخیعواملآبگریزاست. اینلایهدرتماسبالایهکاتالیستاست.اینمیکرولایهمتخلخلازبروزطغیاندرلایهنفوذگازیجلوگیریکردهوتماسالکتریکیبینسطحولایهکاتالیستراافزایشمی‌دهد [REF _Ref332025360 h * MERGEFORMAT6].

شکلSTYLEREF 1 s‏1SEQ شکل_ * ARABIC s 1 2: شمایی از یک لایه نفوذ گازی دو لایه.لایهکاتالیستبرایافزایشنرخواکنش‌هایشیمیاییبهیکلایهکاتالیستاحتیاجاست. لایهکاتالیستتنهاجاییاستکهدرآنواکنش‌هایالکتروشیمیاییداخلپیلسوختیاتفاقمی‌افتدودربقیهنواحیپیلمانندکانال‌ها،لایه‌هایپخشگازوغشاءهیچواکنشالکتروشیمیاییاتفاقنمی‌افتد. درپیلسوختیهیدروژنیهردولایهکاتالیستکاتدوآندعموماًیکسانهستندوشاملیکفازهدایت‌کنندهیونبراینمونهنفیون، یکفازهدایت‌کنندهالکترونمعمولاًذراتکربن،حفره‌ها (تخلخل‌ها)کهازآن‌هاگازهایواکنشگرانتقالپیدامی‌کندویکفلزنجیب(فلزی که واکنش شیمیایی را تسهیل میکند) کاتالیستعموماًپلاتینهستند،تاواکنش‌هایالکتروشیمیاییراتسهیلکنند. دلیلدیگراستفادهازکربنایناستکهمساحتسطحتماسکاتالیستزیادشود.گازهایواکنشگرازلایهپخشگازواردلایهکاتالیستمی‌شوندوازمیانحفره‌هایموجوددرلایهکاتالیستپخشمی‌شوند.برایرسیدنبهپلاتینیعنیمحلانجامواکنش،واکنشگرهابایدمحلولشوندواینباردرمیانپلیمری (آیونومر)کهدانه‌هایکربنرااحاطهکرده‌اندپخشمی‌شوند.ایندانه‌هایکربنباپلاتینپوششدادهشده‌اندوبارسیدنگازهایواکنشگربهاینکربن‌ها،واکنشالکتروشیمیاییشروعمی‌شود. درواقعداخللایهکاتالیستدومسیرپخش وجود دارد، یکی نفوذ درمیانحفره‌هاودیگری نفوذدرونپلیمرمی‌باشد. افزایشمقاومتدرمقابلنفوذدرطولهرکدامازایندومسیر،عملکردلایهکاتالیستراکاهشمی‌دهد. REF _Ref331417729 h * MERGEFORMAT شکل ‏13نماییازلایهکاتالیسترانشانمی‌دهد.

شکلSTYLEREF 1 s‏1SEQ شکل_ * ARABIC s 1 3: نماییازلایهکاتالیست.لایه کاتالیست یکی از پیچیده‌ترین اجزاء در پیل سوختیمی‌باشد، به همین دلیل در مدل‌سازی لایه کاتالیست، مدل‌های مختلفی در دهه‌های اخیر با درجات مختلفی از دقّت و جزئیات ارائه شده است. که از آن جمله می‌توان به روش‌های لایه نازک، همگن و توده‌ای اشاره کرد. در سال‌های اخیر دو روش همگن و توده‌ای بیشتر مورد توجّه بوده است.
در روش لایه نازک، لایه کاتالیست به صورت یک سطح مشترک بین لایه نفوذ گاز و غشاء مدل می‌شود. این روش در حقیقت ساختار درونی لایه کاتالیست را بررسی نمی‌کند، و تنها رابطه‌ای بین افت فعال‌سازیو چگالی جریان پیل (رابطه تافل) ارائه می‌دهد.در فصل سوم مفصل‌تر این رابطه ارائه می‌شود. به طور کلی این مدل هنگامی استفاده می‌شود که هدف مطالعه، بررسی رفتار لایه کاتالیست نمی‌باشد، بلکه بررسی رفتار لایه های دیگر پیل مدّ نظر است.
روش همگن یکی از روش‌های متداول بررسی لایه کاتالیست می‌باشد. در این روش فرض می‌شود که تمامی اجزاء تشکیل‌دهنده لایه کاتالیست به صورت کاملاً یکنواخت و همگن در سرتاسر لایه کاتالیست توزیع شده‌اند، این بر خلاف مدل توده‌ای است. در مدل توده ای ذرات پلاتین بر روی ذرات کربن پایه ریزی می‌شوند، سپس با تجمع تعدادی از این ذرات کربن کنار یکدیگر، یک توده کروی شکل ایجاد می‌شود که درون آن پر از آیونومر می‌باشد. تفاوت این دو مدل، در نحوه پیش‌بینی منحنی قطبیّت پیل است. دلیل این تفاوت در منحنی قطبیت،خصوصاً در چگالی جریان‌های بالا در فصل دوم شرح داده می‌شود.
غشاءغشاءها بایستی دارای قابلیت زیادی برای عبور یون پروتون از خود باشند. آن‌ها شرایطی فراهم می‌آورند که گازهای ورودی به پیل سوختی از دو طرف با هم مخلوط نشوند. از لحاظ شیمیایی (خوردگی) و مکانیکی (استحکام) بایستی سازگار با شرایط عملکرد پیل سوختی باشند [REF _Ref332024936 h * MERGEFORMAT7]. غشاءیکه در پیل سوختی پروتونی بکار می‌رود، از پلیمری بنام پرفلئورو کربن-سولفونیک اسید ساخته می‌شود. بهترین ماده‌ی غشاء موسوم به نفیونمی‌باشد که دارای شاخه‌ی پروفلئورو-سولفیلفلئوراید-اتیل-پروپیل-وینیلمی‌باشد.

شکلSTYLEREF 1 s‏1SEQ شکل_ * ARABIC s 1 4: شاخه پلیمری پرفلئوروسولفونیک اسید (Perfluorosulfonate). REF _Ref331339393 h * MERGEFORMAT شکل ‏14 زیر شاخه‌ی پلیمری پرفلئورو سولفونیت را برای نفیون نشان می‌دهد. انتهای شاخه، گروه اسید سولفونیک مشاهده می‌شود که شامل یون‌های پروتون H+ و می‌باشد. این ساختار شدیداً آب دوست است. این خاصیت در انتهای شاخه یعنی جاییکه اسید سولفونیک وجود دارد رخ می‌دهد. این خاصیت به غشاء اجازه می‌دهد که مقدار بسیار زیادی آب جذب نماید. یون پروتون از این ناحیه مرطوب عبور می‌کند و این کمیت را بهصورت قابلیت هدایت تعریف می‌کنند [REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4].
انواع مختلف نفیون را با حرف N و با سه یا چهار رقم به فرمN---- نشان می‌دهند، دو رقم اوّل وزن معادل را تقسیم بر صد نشان می‌دهد و دو رقم بعدی ضخامت غشاء را بر حسب میل نشان می‌دهد [REF _Ref332025524 h * MERGEFORMAT8]. قابل ذکر است که: . نفیونهای موجود در بازار دارای ضخامتهای 2، 3.5، 5، 7 و 10 میل میباشند. به عنوان مثال N117 دارای وزن معادل 1100 g/eqو ضخامت 7 میل (0.178 mm) میباشد.وزن معادل هر ماده برابر است با جرمی از آن مادهکه یک مول پروتون (H+) را تامین میکند، یا با یک مول پروتون در یک واکنش پایه اسیدی واکنش میدهد.
عملکرد پیلسوختیعملکرد یکپیلسوختی را می‌توان از طریق نمودار ولتاژ–چگالی جریان آن بررسی و تحلیل کرد. این نمودار که منحنی ولتاژ-چگالیجریاننامیدهمی‌شود، خروجی ولتاژ یکپیلسوختی را در یک چگالیجریانورودی نشان می‌دهد.این نمودار، منحنیقطبیتنیز نامیدهمی‌شود که در REF _Ref331172664 h * MERGEFORMAT شکل ‏15آن را مشاهده می‌کنید. محور افقیچگالیجریان، یعنیجریان بر واحد سطح پیل را نشان می‌دهد. به کار بردن چگالیجریان به ایندلیل است که یکپیل با ابعاد بزرگ‌تر مقدار الکتریسیتهبیشتری از یکپیلکوچک‌ترتولیدمی‌کند در نتیجهمنحنی‌هایقطبیت با سطح پیلسوختی نرمال سازیمی‌شوند تا قابل مقایسه با یکدیگر باشند.
REF _Ref331172664 h * MERGEFORMAT شکل ‏15منحنیقطبیت را که دارای چهار ناحیهافتجریانداخلی، افتفعال‌سازی، افتاهمیک و افت انتقال جرم که توسط افت‌های موجود در پیلسوختی مورد تأثیر قرار گرفته‌اند را نشان می‌دهد. افتفعال‌سازی در ناحیه افتفعال‌سازیمنحنیقطبیت، غالب است. سینتیک الکترود،ناحیه مربوط به افتفعال‌سازی را کنترل می‌کند. افتناحیهاهمیک در منحنیقطبیت به سبب مقاومت‌هایپروتونیک و الکترونیک موجود در پیلسوختیمی‌باشد. افت غلظت بیشترین مقدار خود را در انتهایمنحنیقطبیت (یعنیناحیه‌ای که انتقال جرم واکنشگرها با مشکل مواجه است) دارد. در چگالیجریان‌های بالا، میزانواکنشگرهای مورد نیاز به مراتب افزایشمی‌یابد، این در حالی است که میزان آب تولیدینیززیادمی‌شود. اینمیزان آب مایعمی‌تواند سبب مسدود شدن مسیرهای عبور واکنشگرها شود (خصوصاً در پیلهای دما پایین)،این امر سبب افت غلظت واکنش‌دهنده‌هاشده و در پی آن افت ولتاژ را بوجود می‌آورد.

شکلSTYLEREF 1 s‏1SEQ شکل_ * ARABIC s 1 5:منحنیقطبیتیکپیلسوختی [REF _Ref334022735 h * MERGEFORMAT9].خروجیولتاژواقعییکپیلسوختی کمتر از ولتاژ ایده آل یا ولتاژ ترمودینامیکی است. ولتاژ خروجی از یکپیلسوختی بر روی توان کلیتولید شده تأثیرمی‌گذارد. چگالی توان تولید شده از پیلسوختی توسط حاصل ضرب ولتاژ در چگالی جریان (P=V.i) حاصل می‌شود. منحنیچگالی توان، چگالی توان خروجی را به صورت تابعی از چگالیجریانپیلسوختی نشان می‌دهد این منحنی در نتایج مدلسازی نظیر REF _Ref331174635 h * MERGEFORMATشکل ‏211 رسم شده است. چهار نوع اصلی افت در پیلسوختی (در نمودار قطبیتنیز نشان داده شده است) وجود دارند، که این چهار افت به این شرح هستند:
الف) افت فعال‌سازی
ب) افتجریانداخلی
ج) افتاهمیک
د) افت غلظت
افتفعال‌سازیعامل ایجاد افت فعال سازیکندیواکنش‌هایی است که روی سطوح الکترودها رخ می‌دهد. در نتیجهقسمتی از ولتاژ تولیدی صرف غلبه بر انرژیفعال‌سازی واکنش شیمیایی و به راه انداختن واکنش می‌شود. افت فعال‌سازی را با η نشان می‌دهند. در سال 1905 تافل مشاهده کرد که افت فعال‌سازی موجود در هر یک از الکترودها با لگاریتمچگالیجریانتقریباً رابطه خطی دارد، به طوریکه مقدار این افت تا یکچگالیجریان خاص که چگالیجریانتبادلیپیلنامیده شد صفر است، چگالیجریانتبادلی، i0، را می‌توانچگالیجریانی در نظر گرفت که افت ولتاژ فعال‌سازی از صفر شروع به تغییرمی‌کند. روند تغییراتاین افت بر حسب لگاریتمچگالیجریان عمدتاً به صورت خطی است که در REF _Ref331172831 h * MERGEFORMAT شکل ‏16برای دو نمونه نشان داده شده است.

شکل STYLEREF 1 s‏1SEQ شکل_ * ARABIC s 1 6: نمودار تافل برایواکنش‌هایالکتروشیمیاییسریع و کند [REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4].تافل این نمودار را با معادله زیرتقریب زد:
(1- SEQ 1- * ARABIC4)
در معادله REF _Ref330209497 h * MERGEFORMAT (1- 4)، i0، چگالیجریانتبادلی و aشیب خط تافل هستند که به الکتروشیمی واکنش بستگی دارند [REF _Ref332025607 h * MERGEFORMAT11].همین‌طور که در REF _Ref331172831 h * MERGEFORMAT شکل ‏16مشاهدهمی‌شود هر چه واکنش سریع‌تر انجام شود شیبمنحنی تافل به مراتب کمتر می‌شود و با توجه به رابطه REF _Ref330209497 h * MERGEFORMAT (1- 4)میزان افت فعال‌سازی برای یک چگالی جریان ثابت کاهش می‌یابد.چگالیجریانتبادلی، i، نیز در واکنش‌هایی که سریع‌تر اتفاق می‌افتد، بزرگ‌تر است، بنابراینمیزان افت فعال‌سازی در محدوده وسیع‌تری صفر خواهد بود[REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4]. درپیلسوختیغشاء پلیمری، افت فعال‌سازی به طور عمده در سمت کاتد رخ می‌دهدزیراiدر واکنش آند چندین مرتبه (چهار - پنج مرتبه) نسبت به واکنش کاتد بزرگتر است، به عبارت دیگر واکنش اکسایش هیدروژن در لایه کاتالیست آند بسیار سریع‌تر از واکنش کاهش اکسیژن در لایه کاتالیست کاتد است [REF _Ref332025607 h * MERGEFORMAT11]. به همین علت اغلب در بررسی افت فعال‌سازی از افت فعال‌سازی آند در مقابل کاتد صرف نظر می‌شود.
افتجریانداخلیغشاء پلیمری نسبت به گازهایواکنش‌دهنده (سوخت) نفوذ ناپذیر است اما همواره از یکسو مقدار کمی از سوخت و از سویدیگر تعداد اندکی الکترون به غشاء پلیمری نفوذ می‌کند. نفوذ سوخت در غشاء معادل از دست رفتن سوخت بدون تولیدجریان در مدار خارجی است. به عبارت دیگر به ازای عبور هر مولکول هیدروژن از درون غشاء قابلیت عبور دو الکترون از مدار خارجی از بینمی‌رود و در حقیقتیک مدار اتصال کوتاه در پیلایجادمی‌شود که جریانداخلینامیدهمی‌شود. این نوع افت ولتاژ در حالتی که پیلسوختی تحت بار نیست (حالت مدار باز، i=0) وجود دارد، چون حتی در این حالت نیز سوخت می‌تواند درون غشاء نشت کند. به همیندلیل ولتاژ مدار باز به طور محسوسی از ولتاژ تئوریبازگشت‌پذیر کمتر است، میزان این افت ولتاژ از ولتاژ تئوریبازگشت‌پذیر از همان ابتدای منحنی قطبیت(i=0) در REF _Ref331172664 hشکل‏15 نشان داده شده است. مقدار نشت هیدروژن از غشاء تابعی از نفوذ پذیری، ضخامت غشاء، شرایطعملکردیپیل و گرادیان فشار جزئیهیدروژناست [REF _Ref332025559 h * MERGEFORMAT10]. مقدار جریانداخلیتولید شده ناشی از عبور همزمان هیدروژن و الکترون از درون غشاء را با inنشان می‌دهند. برای محاسبه افت ناشی از جریان داخلی کافی است که مقدار in به مقدار چگالی جریان پیل اضافه کنیم:
(1- SEQ 1- * ARABIC5)
افتاهمیکافت‌هایاهمیکبه دلیلمقاومت‌هایی که در برابر جریانالکترون‌ها در الکترودها و اتصالات داخلی مختلف و همچنینمقاومت‌هایی که بر سر راه جریانیون‌های مثبت در الکترولیت وجود دارند، می‌باشند. این افت ولتاژ متناسب با چگالیجریان و خطی است [REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4] و با ηOhmic نشان می‌دهند. از قانون اهم داریم:
(1- SEQ 1- * ARABIC6)
که iچگالی جریان پیل، RElectronic و RIonicمقاومت‌های ویژهالکترونیک و یونیک بر حسب m2 در پیلسوختی هستند. قسمت عمده افت اهمی، مقاومت یونی غشاء می‌باشدبطوریکهتقریباً کل افت اهمیک موجود در پیل را می‌توانبا مقاومت یونیک موجود در الکترولیت با دقت خوبیتخمین زد [REF _Ref332025559 h * MERGEFORMAT10]. افت اهمی وابسته به جنس قطعات به کار رفته در پیل است.

افت غلظتدر چگالیجریان‌های بالا بر اثر مصرف زیاد واکنش دهنده‌ها، غلظت واکنش دهنده‌هاروی سطح الکترودها کاهش می‌یابد و سبب افت ولتاژ می‌شود و با ηconcentration نشان می‌دهند [REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4]. البته این رابطه، یک رابطه نیمه تجربی میباشد، که در برخی از روشهای شبیهسازی نظیر مدل همگن لایه کاتالیست از آن استفاده میشود:
(1- SEQ 1- * ARABIC7)
iLچگالیجریان محدود کننده است و زمانیایجادمی‌شود که غلظت واکنش دهنده روی سطح در محل واکنش به صفر برسد.
اگر CR غلظت واکنش دهندهها در ورودی لایه نفوذ گاز و CRS غلظت واکنش دهندهها در سطوح انجام واکنش باشد، آنگاه شار عبوری واکنش دهندهها برابر است با:
(1- SEQ 1- * ARABIC8)
که در آن Dضریب نفوذ پذیری واکنش دهنده‌ها[cm/s]،A سطح فعال الکترودو δ ضخامت لایه نفوذ گاز هستند.
از طرفی طبق قانون فارادی (پیوست 1)، نرخ مصرف واکنش دهندهها با نرخ جریان تولیدی به صورت زیر متناسب است:
(1- SEQ 1- * ARABIC9)
n تعداد الکترون‌های انتقال یافته به ازای یک مول سوختمیباشد. اکنون با ترکیب کردن معادلات (1-4) و (1-5) داریم:
(1- SEQ 1- * ARABIC10)
همانطور که میدانیم در چگالیجریان محدود کننده که غلظت واکنش دهنده روی سطح در محل واکنش به صفر میرسدCRS=0.بنابراین چگالی جریان محدود کننده برابر است با [REF _Ref332025777 h * MERGEFORMAT12]:
(1- SEQ 1- * ARABIC11)
Bدر معادله REF _Ref331420287 h * MERGEFORMAT (1- 7)عدد ثابت است و کاملاً وابسته به شرایطعملکردیپیلمی‌باشد.این عدد معمولاً به صورت تجربیبرایپیلهای مختلف گزارش می‌شود به طوریکه ابتدا منحنیتجربیقطبیتپیل با انجام تست در چگالیجریان‌های مختلف بدست می‌آید سپس اینمنحنی را با رابطه REF _Ref330220987 h * MERGEFORMAT (1- 12)که در حقیقت ولتاژ واقعیپیل در چگالیجریان‌های مختلف می‌باشد، و از کم کردن تمامیافت‌ها از ولتاژ بازگشت‌پذیرپیل بدست می‌آید، برازش می‌کنند تا ثوابتینظیرa،B بدست آیند [REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4].
(1- SEQ 1- * ARABIC12)
افت غلظت با بهینهسازی انتقال جرم در الکترودها و ساختار جریانپیلسوختی قابل کم شدن است.
مروری بر پروژه - ریسرچ‌هافیزیک حاکم بر یکپیلسوختیبسیارپیچیده است. تعداد زیادیفرآیند که به طور هم زمان در پیلسوختی رخ می‌دهند، وجود دارند و مطالعه هر فرآیندی که در پیلسوختی انجام می‌گردد دشوار می‌باشد. تاکنون محققان مختلفی بر رویجنبه‌های متفاوت پیلسوختی تمرکز کرده‌اند. تحقیقاتتجربیپیلسوختیبسیار زمان بر و گران قیمتاست. محققان اولیه تنها بر رویجنبه‌هایخاصی از پیلسوختی مثل صفحات دو قطبی، لایهکاتالیست، لایه نفوذ گاز و غشاء تمرکز کرده‌اند. در این بخش ابتدا مروری بر رویانواع مدل‌سازی‌های انجام شده بر رویلایهکاتالیست انجام می‌دهیم و سپس برخی از مدل‌سازی‌های مربوط به غشاء و لایه نفوذ گاز ارائه می‌گردد:
لایهکاتالیستبه طور کلی سه روش مختلف به منظور مدل‌سازیلایهکاتالیست وجود دارد:
مدل لایه نازک
مدل همگن
مدل تودهای
در سال‌هایاولیه توان محاسباتی محدود بوده و در نتیجه تنها یک مدل عددییکبعدیپیلسوختی غشاء پلیمری توسط برناردی و همکارانش [REF _Ref332025833 h * MERGEFORMAT13] توسعه یافته بود و نتایج آن با مدل تجربیمقایسه شده بود.برناردی و همکارانش اولینمحققینی بودند که لایهکاتالیست کاتد را به روش همگن مدل‌سازی کردند. آن‌هارفتار لایهکاتالیست مسئله مدیریت آب در پیلسوختی و همچنین عملکرد پیل را مورد بررسی قرار دادند. نتایج کار آن‌هابیانگراینواقعیت بود که واکنش کاهش اکسیژندر یکلایهبسیارباریکی از لایهکاتالیست که نزدیک به لایه نفوذ گاز می‌باشد انجام می‌شود. بعدها خواجه حسینی و همکارانش [REF _Ref332025841 h * MERGEFORMAT14]نشان دادند که در یک ولتاژ عملکردیپیل (A m-5000) تنها 5% از لایهکاتالیست که در مجاورت سطح مشترک لایهکاتالیست با لایه نفوذ گازمی‌باشد در واکنش کاهش اکسیژنشرکت می‌کنند، اینیعنیاینکهاکسیژنمصرفی به محض ورود به قلمرو لایهکاتالیست مصرف می‌شود. بنابراینبراییکطراحیبهینه و مقرون به صرفه،تجمع بارگذاریپلاتین در مجاورت سطح مشترک لایهکاتالیست با لایه نفوذ گاز می‌تواند به عنوان یکگزینه مورد توجه باشد.
برناردی و وربروگ[REF _Ref332025833 h * MERGEFORMAT13] همچنینمعادلات استفان- بولتزمن را برای مدل کردن انتقال جرم در لایه نفوذ گاز، معادله باتلر- ولمر را برای سینتیک واکنش و معادله نرنست – پلانک را برای انتقال جرم در غشاء به کار بردند. یک سال بعد آن‌ها مدل خود را از بخش کاتد به دو بخش آند و کاتد پیل سوختی بسط دادند. اینبار افت اهمیک در اثر انتقال الکترون در لایه نفوذ گاز، افت فعال‌سازی و افت اهمیک در اثر عبور پروتون در غشاء را در مدل‌سازی خود مورد مطالعه قرار دادند.
برناردی و وربروگ در سال 1992 پیل سوختی غشاء پلیمری جامد را با استفاده از روش همگن مدل کردند [REF _Ref332025887 h * MERGEFORMAT15]. آن‌ها مکانیزم انتقال اجزاء در شبکه پیچیده پیل در فازهای مختلف گاز و مایع و فاکتورهای مؤثر بر کارایی پیل را در تحقیق خود مورد تحلیل و بررسی قرار دادند. در این بررسی رفتار قطبیت پیل با داده‌های آزمایشگاهی مقایسه شده است. استفاده از ضخامت‌های متفاوت الکترود در کار آن‌ها نشان می‌دهد که برای دوری جستن از اینکه چگالی جریان محدود کننده پیل، در جریانهای پایینتر اتفاق افتد، نسبت حجمی الکترود کاتد (تخلخل لایه نفوذ گاز سمت کاتد) برای انتقال گازها باید بیش از 20 درصد باشد. به عبارت دیگر آنها ثابت کردند که به ازای مقادیر بسیار اندک تخلخل الکترد کاتد(به عنوان مثال 11%) چگالی جریان محدود کنندهپیل به دلیل محدود شدن انتقال جرم به سرعت اتفاق میافتد. نتایج مدل آن‌ها همچنین نشان می‌دهد که در گستره وسیعی از چگالی‌های جریان، هیچ نیازی به آب خارجی وجود ندارد زیرا آب تولیدی در کاتد به منظور تأمین نیازمندی‌های آبی غشاء کافی است.
در سال 2002 جنویو همکارانش [REF _Ref332025901 h * MERGEFORMAT16]مدلسازی لایه کاتالیست را بر اساس روش همگن ارائه کردند. اثر انتقال جرم و حرارت در پیل سوختی غشاء پلیمری بر طبق الکتروشیمی لایه کاتالیست در مدل آن‌ها مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین با استفاده از مدل خود نشان دادند، هنگامیکه غلظت اکسیژن در مرز لایه کاتالیست و غشاء به صفر می‌رسد، چگالی جریان محدود کننده حاصل می‌شود. آن‌ها با استفاده از فرض کاملاً توسعه یافته بودن سیال در کانال‌های انتقال گاز، یک بعدی و همگن بودن لایه کاتالیست، به مقدار بهینه استفاده از کاتالیست پلاتین در لایه کاتالیست رسیدند. همچنین از مدل‌سازی خود به این نتیجه رسیدند که افزایش دما بیش از حد معقول، باعث کم آب شدن آیونومر لایه کاتالیست شده و کارائی پیل را کاهش می‌دهد و نشان دادند که تخلخل و میزان بارگذاری پلاتین در لایه کاتالیست نقش بسیار مهمی را در کارائی پیل ایفا می‌کنند.
در سال 1999 سینگ و همکارانش [REF _Ref332025916 h * MERGEFORMAT17]لایهکاتالیستپیلسوختی غشاء پلیمری را به صورت دو بعدیمدل‌سازی کردند، آن‌هاهمچنینجریان‌های واکنش دهنده‌ها در آند و کاتد را به صورت همسو و غیر همسو مدل کرده و نتایج آن را با هم مقایسه کردند.آن‌هانتیجه گرفتند که مدل‌سازی دو بعدی نقش مهمی بر رویپیش‌بینیصحیح عملکرد پیلسوختیایفامی‌کند، این امر در چگالیجریان‌هایپایینشدیدتر است. مار و لی [REF _Ref332025950 h * MERGEFORMAT18] اثراتساختاریاجزایتشکیلدهنده‌ییکلایهکاتالیست همگن را بر روی عملکرد پیلسوختی غشاء پلیمری مورد بررسی قرار دادند. آن‌هانتیجه گرفتند که به منظور دستیابی به بالاترینمیزانکاراییپیلاز نقطه نظر ساختاریباید همواره 40% از لایهکاتالیست از ذرات پلاتین–کربن(Pt/C)ساخته شده باشد. در سال 2010 خواجه حسینی و همکارانش [REF _Ref332025841 h * MERGEFORMAT14]یک مطالعه جامع پارامتری را بر رویلایهکاتالیستی که به روش همگن مدل کرده بودند انجام دادند. در این مطالعه، اثر شش پارامتر ساختاری بر روی عملکرد پیلسوختی غشا پلیمری مورد بررسی قرار گرفت. آن‌ها نشان دادند که برخی از پارامتر هایساختارینظیر کسر حجمی فاز غشاء موجود در لایهکاتالیست، ضخامت لایهکاتالیست و بارگذاری کربن ازتأثیرگذارترینپارامترها بر رویمنحنیقطبیتپیل هستند.
علیرغمموفقیت‌های ذکر شده در مورد مدل همگن لایهکاتالیست،پیش‌بینی عملکرد سلول سوختی با استفاده از مدل همگن در چگالیجریان‌های بالا بسیارضعیف است و با نتایجتجربی اختلاف قابل ملاحظه‌ای دارد. این اختلاف به دلیل این است که افت غلظت در مدل همگن به خوبی و بدون استفاده از روابط تجربی قابل پیش‌بینینیست. اکنون مدل توده‌ای که کمی از مدل همگن نوین‌تر است می‌توانداین مشکل را مرتفع سازد.
گراف‌های میکرو الکترونی، بروکا و اکدونج[REF _Ref332026000 h * MERGEFORMAT19] نشان داد که ذرات Pt/Cموجود در لایه کاتالیست، نزدیک به یکدیگر و به شکل یک توده کروی انباشته شده‌اند، همچنیناین توده کروینیز با لایهنازکی از آیونومر احاطه شده است. آن‌هاهمچنینلایهکاتالیست کاتد را با استفاده از مدل همگن و توده‌ایشبیه‌سازی کرده و نتایجآن‌ها را با یکدیگرمقایسهکرده‌اند. سان و همکارانش [REF _Ref332026047 h * MERGEFORMAT20]در سال 2005 مدل تودهای را برایبررسیاثر بارگذاریآیونومرنفیون و پلاتین بر روی عملکرد پیل مورد بررسی قرار دادند. آن‌ها 36% را یک کسر وزنیبهینهبرایبارگذارینفیونبدست آوردند. در سال 2007 سیکنل و همکارانش [REF _Ref332026057 h * MERGEFORMAT21] الکترود کاتد یکپیلسوختی غشاء پلیمری را که بهروشتوده‌ای مدل شده بود با استفاده از روش بهینه‌سازی چند متغیرهبهینه کردند. آن‌هانتیجه گرفتند کههرچه شعاع ذرات توده ای موجود در لایهکاتالیست و همچنین ضخامتلایهآیونومر اطراف آن‌هاکوچک‌تر باشد، عملکرد پیلبهینه‌تر است. در واقع تا آنجایی که فرآیندهای ساخت اجازه می‌دهندباید شعاعذرات توده‌ای و ضخامت آیونومر دور آن‌ها کوچک باشد. آن‌ها کسر حجمیبهینه را برای فاز جامد و غشاء موجود در لایهکاتالیست به ترتیب 22.05% و 53.95% گزارش کردند. البته اینمقادیر در چگالیجریان‌های متوسط گزارش شده‌اند.
در سال 2012، کاماراجوگادا و مازومدر [REF _Ref332026073 h * MERGEFORMAT22]لایه کاتالیست را به روش توده‌ایمدل‌سازی کردند، البته یک فرق اساسی که مدلآن‌ها با سایر روش‌هایتوده‌ای داشت، این است که آن‌ها فرض کردند ذرات توده‌ای با شعاع‌های متفاوت با یکدیگر تداخل داشته باشند. نتایج کار آن‌ها نشان می‌دهد که تا هنگامی که اندازه ذرات توده‌ای کوچک (کوچکتر از nm 200) باشد، اثر آن‌ها بر روی منحنی قطبیت پیل اندک است. اما برای ذرات بزرگتر اثر آن‌هابر روی منحنی قطبیت قابل ملاحظه است. به ویژه در چگالی جریان بالا جایی که افت غلظت شدید بوده و مقاومت در برابر انتقال جرم به درون توده به شکل توده وابسته است، این اثر بحرانی‌تر خواهد بود. آن‌ها همچنین نتیجه گرفتند که کارایی پیل در این حالت نسبت به حالتی که توده‌ها به صورت کروی و جدا از هم هستند به ازای یک حجم یکسان به مراتب بیشتر است و به نتایج تجربی نیز نزدیکتر می‌باشد.
لایه نفوذ گاز و غشاءلایههای نفوذ گاز به دلیلیکنواخت کردن جریانگازهای واکنش دهنده بکار می‌روند. البته استفاده از اینلایه‌ها باعث کاهش فشار واکنش دهنده‌ها نیزمی‌گردد. غشاء نیزیکلایه مرطوب می‌باشد که پروتون‌ها از طریق آن از آند به سمت کاتد مهاجرت می‌کنند. در پیل‌هایسوختی غشاء پلیمری از انواع نفیون‌ها به عنوان غشاء استفادهمی‌شود. میزان آب موجود در غشاء ازاهمیتویژه‌ای برخوردار است. تمامی خواص غشاء اعم از میزاننفوذ آب، قابلیت هدایتپروتونی و مقاومت پروتونی به میزان آب موجود در غشاء بستگی دارد. اگر دمایپیل بالا باشد (oC100) ممکن است که رطوبت غشاء از دست برود و مقاومت پروتونیکافزایشیابد. از سویدیگرزیادی آب درون غشاء باعث ایجادپدیدهغرقابی شده و منافذ نفوذ گاز را مسدود می‌کند.
اثر دما و ضخامت غشاء بر بازده پیل سوختی و اثر انتقال آب در داخل لایه غشاء، مواردی هستند که اشپرینگر و همکارانش [REF _Ref332026117 h * MERGEFORMAT23]در مدل‌سازی پیل سوختی با استفاده از روش لایه نازک به بررسی آن‌ها پرداخته‌اند.اشپرینگر و همکارانش در سال 1991یکپیلسوختیپلیمری با نفیونN117 به عنوان غشاء مدل‌سازی کردند. آن‌ها هوا و هیدروژنورودی به کاتد و آند را کاملاً اشباع در نظر گرفتند. آن‌ها اثر برخی از پارامترهایساختاری و عملکردیپیل را بر رویکاراییپیل مورد بررسی قرار دادند، و به طور خاص اثر جزء آب موجود در غشاء و دما را بر روی مقاومت پروتونیک غشاء و در نتیجهکاراییپیل مورد بررسی قرار دادند. آن‌هانتیجه گرفتند که هر چه دمایپیلسوختی بالاتر باشد و همچنین هر چه ضخامت غشاء بیشتر باشد جزء آب موجود در غشاء کاهش و در پی آنمقاومت پروتونیک غشاء افزایشمی‌یابد.آن‌ها به این نتیجه رسیدند که با افزایش چگالی جریان پیل، مقاومت غشاء نیز افزایش مییابد، که برای کاهش این مقاومت میتوان از غشاء با ضخامت کمتر استفاده نمود، همچنین دریافتند که نسبت شارخالص آب عبوری به شار پروتون در داخل غشاء، از میزان پیش‌بینی شده توسط پدیده کشش الکترواسمزی بسیار کمتر است.
موتوپالی و همکارانش [REF _Ref332026155 h * MERGEFORMAT24] نفوذ آب درون نفیونN115 را مورد بررسی قرار دادند. آن‌ها شار نفوذ آب را در درون غشاء با استفاده از قانون فیک مدل کردند. نتایج کار آن‌ها نشان داد که گرادیانضریبفعالیت آب در داخل غشاء به فشار عملکرد پیلسوختیبستگی دارد. شان-های و بائو-لیان [REF _Ref332026180 h * MERGEFORMAT25]اثر نوع جریانواکنشگرها در کانال‌هایورودی (همسو و غیر همسو) را بر رویفرآیندهای انتقال درون غشاء (مهاجرت پروتون و انتقال آب)، مقاومت اهمیک و توزیع آب درون غشاء بررسی کردند. آن‌ها اثبات کردند که جریانغیر همسو می‌تواند باعث بهبود عملکرد پیلسوختی شود. جنگ و همکارانش [REF _Ref332026198 h * MERGEFORMAT26] نفوذ اکسیژن را در الکترود کاتد پیل سوختی با استفاده از یکضریبنفوذ معادل به صورت دو بعدی مدل کردند. آن‌ها اثر ضخامت لایه نفوذ گاز را بررسی کردند و اثبات کردند که هر چه ضخامت لایه نفوذ گاز کمتر باشد عملکرد پیلبهینه‌تر خواهد بود، البته این امر در مورد لایه‌های نفوذ گاز با تخلخل اندک می‌باشد.
اهداف پروژه و خلاصهای از کارهای صورت گرفتهبا توجه به مطالب ذکر شده در بخشهای قبلی میتوان نتیجه گرفت که به منظور طراحی صحیح و بهینه یک سیستم پیل سوختی نیازمند یک مدلسازی از عملکرد لایههای مختلف پیل سوختی نظیر مدلسازی لایه کاتالیست، لایه نفوذ گاز و غشاء هستیم. هدف اصلی از انجام این پایاننامه ارائه یک مدل کارآمد جهت پیشبینی عملکرد لایههای مختلف پیل و بررسی تاثیر پارامترهای مختلف (عملکردی و ساختاری) بر روی کارایی پیل میباشد. این مدل میتواند آغاز راه برای سازندههای پیل سوختی غشاء پلیمری باشد.
از اینرو در اینپایان‌نامهمدل‌سازییکبعدی عملکرد یکپیلسوختی غشا پلیمری انجام می‌پذیرد، و تمامیلایه‌هایاینپیلسوختی تک سلولیشبیه‌سازیمی‌شوند. مدل ارائه شده برایلایهکاتالیست، مدل توده‌ایمی‌باشد. این مدل افت غلظت موجود در منحنیقطبیتپیل را که در چگالیجریان بالا اتفاق می‌افتد بدون اضافه کردن روابط نیمهتجربی مربوط به افت غلظت درستپیش‌بینیمی‌کندهمچنین در حالتی که اندازه تودهها به سمت صفر میرود(تودههای بسیار کوچک) این مدل به مدل همگن ساده میشود. لایه‌های نفوذ گاز نیز که در دو طرف آند و کاتد پیل قرار دارند با استفاده از معادلات مربوط به نفوذ گازهای چند جزئی مدل شده‌اند. غشاء نیز با مدل کردن انواع مکانیزم‌های انتقال آب که در آن وجود دارد شبیه‌سازی شده است. عملکرد یکپیلسوختی توسط منحنی ولتاژ بر حسب چگالیجریانبیانمی‌شود. این عملکرد با کسر نمودن افت‌های مربوط به ولتاژ فعال‌سازی، اهمیک و غلظت از ولتاژ بازگشت‌پذیرپیل در یکچگالیجریان بدست می‌آید. سپس با تغییرچگالیجریان، منحنیجریان–ولتاژ پیل بدست می‌آید. در اینپایان‌نامه معادلات حاکم بر عملکرد لایه‌های مختلف پیل (که ترکیبی از معادلات دیفرانسیل و معادلات جبریمی‌باشند) بدست آمده سپس این معادلات حل می‌گردد تا افت‌هایقید شده بدست آید. در انتها یکسری مطالعات پارامتری به منظور بررسیمیزانحساسیت تابع عملکرد به یکسریپارامترها انجام می‌پذیرد.

فصل دوممدل‌سازی لایه کاتالیست به روش توده‌ای و نتایج آن25050754247515020000
معرفی لایه کاتالیستلایه کاتالیست لایه بسیار نازکی است که بین غشاء و الکترود (ناحیه‌ی متخلخل) فشرده شده است. در این ناحیه واکنش الکتروشیمیایی رخ می‌دهد و بهطوردقیق‌تر واکنش الکتروشیمیایی در سطح کاتالیست رخ می‌دهد. سهمؤلفه که شامل الکترون‌ها و پروتون‌ها و گازها هستند در واکنش شرکت می‌کنند بنابراین واکنش در ناحیه‌ای رخ می‌دهد که این سه ماده وجود داشته باشند. الکترون‌ها از جامدی که رسانای الکتریسیته است عبور می‌کند و خود را به سطح کاتالیست می‌رساند. پروتون‌ها نیز از فاز غشاء عبور می‌کنند و خود را به سطح کاتالیست می‌رساند و در نهایت گازهای واکنش‌دهنده از منافذ خالی عبور می‌کنند. بنابراین الکترود باید متخلخل باشد تا به گازها اجازه دهد به محل انجام واکنش برسند. آب تولید شده بایستی بهصورت موثر و بهینه خارج شود، در ضمن ممکن است که پدیده غرقابی رخ دهد، در این حالت آب مایع منافذ خالی الکترود را می‌پوشاند و مانع رسیدن گازها (اکسیژن) به لایه کاتالیست(کاتد) می‌شود.
همان‌طور که در REF _Ref331266301 h * MERGEFORMAT شکل ‏21 (الف) مشاهده می‌شود واکنش در مرز سه فازی رخ می‌دهد که شامل فاز غشاء، فاز جامد و فضای خالی می‌باشد. البته اگر فاز غشاء جامد باشد این مرز دو فازی خواهد بود. این ناحیه گاهی تنها بهصورت یک سطح تداخلی در نظر گرفته می‌شود. در عمل چون ممکن است نفوذ گاز از غشاء صورت گیرد، ناحیه‌ی واکنش بزرگ‌تر از یک خط مرزی سه فازی است. محیط واکنش ممکن است با وجود نفوذ غشاء به قسمتی از کاتالیست بهصورت یک ناحیه در نظرگرفتهشود( REF _Ref331266301 h * MERGEFORMAT شکل ‏21 (ب)). اما در اغلب موارد، تمام سطح کاتالیست با فاز غشاء پوشیده می‌شود( REF _Ref331266301 h * MERGEFORMAT شکل ‏21 (پ)). مسلماًیک حالت بهینه برای کسر حجمیهریک از این‌ فازهای غشاء، جامد و فضای خالی به منظور بهترین کارکرد لایه‌ی کاتالیست قابل حصول است.
متداول‌ترین کاتالیستی که در پیل‌های سوختی پروتونی برای واکنش کاهش اکسیژن و اکسایش هیدروژن کاربرد دارد، پلاتین است. در پیل‌های قدیمی مقادیر زیادی پلاتین استفاده می‌شد(mg/cm2 28). در اواخر سال 1990 این مقدار به mg/cm20.3-0.4رسید. مسئله مهم در ساختمان کاتالیست‌ها سطح آن‌هاست نه وزنشان، زیرا هر چه که سطح کاتالیست بیشتر باشد، سطوح انجام واکنش افزایش مییابد، بنابراین ذرات پلاتین بایستی ریز باشند (کمتر از nm4) زیرا به ازای یک مقدار بارگذاری معین هر چه ذرات کاتالیست ریزتر باشند سطوح انجام واکنش افزایش مییابد.
(الف) (ب) (پ)

شکل STYLEREF 1 s‏2SEQ شکل_ * ARABIC s 1 1: نمایش گرافیکی سطحی که در آن واکنش رخ می‌دهد[REF _Ref332025524 h8].برای به حداقل رساندن افت پتانسیل که ناشی از کاهش نرخ انتقال پروتون و نفوذ گازهای واکنش‌دهنده به عمق لایه‌ی کاتالیست می‌باشد، این ناحیه بایستی به اندازه‌ی کافی نازک باشد. همزمان بایستی مساحت سطح موثر پلاتین نیز ماکزیمم باشد و برای این منظور ذرات پلاتین نیز بایستی تا حدامکان کوچک باشد. بهخاطر دلیل اول بایستی ذرات پلاتین– کربن(Pt/C) هرچه زیادتر باشد (از لحاظ وزنی این کسر بالاتر از 40٪ باشد)، از طرفی ذرات پلاتین باید کوچک‌تر باشند، تا سطح موثر واکنش، با وجود درصد بارگذاری کمتر، افزایش یابد ( REF _Ref331265979 h * MERGEFORMAT جدول ‏21).
باربیر [REF _Ref332025524 h * MERGEFORMAT8] گزارش کرده است که عملکرد پیل وقتی که درصد ذرات پلاتین –کربن(Pt/C) بین 10٪ تا 40٪ با بارگذاری mg/cm20.4 می‌باشد، تغییری نمی‌کند. اما عملکرد پیل وقتی که درصد ذرات پلاتین – کربن(Pt/C) از 40٪ بیشتر می‌شود، کاهش می‌یابد. این مسئله بیانگر این واقعیت است که هنگامی که درصد ذرات پلاتین–کربن(Pt/C) در گستره‌ی 10 تا 40٪ باشدتغییر قابل چشم‌پوشی برای مساحت سطح موثر کاتالیست و در گستره بالاتر از 40٪کاهش قابل ملاحظه‌ای در سطح موثر لایه‌ی کاتالیست اتفاق میافتد.
REF _Ref331265979 h * MERGEFORMAT جدول ‏21[REF _Ref332025524 h * MERGEFORMAT8] مساحت موثر کاتالیست را برای درصدهای مختلف پلاتین – کربن (Pt/C) نشان می‌دهد.
در عمل بارگذاری بیشتر پلاتین، پتانسیل بیشتر و عملکرد بهتر را برای پیل به ارمغان می‌آورد (با فرض قابل استفاده بودن و ضخامت معقول برای لایه‌ی کاتالیست). نکته‌ی کلیدی برای بهبود عملکرد پیل‌های سوختی افزایش بارگذاری پلاتین نیست بلکه افزایش استفاده از کاتالیست (افزایش سطح موثر) است.
جدول STYLEREF 1 s‏2SEQ جدول_ * ARABIC s 1 1: مساحت موثر کاتالیست برای درصدهای مختلف پلاتین – کربن.Active Area, m2/gPt XRD Pt Crystallite Size, nm Wt. % Pt on Carbone
(Pt/C)
120 2.2 40
105 2.5 50
88 3.2 60
62 4.5 70
20-25 5.5-6 Pt Black
شرح پدیده‌هایی که در لایه کاتالیست رخ می‌دهدهمان‌طور که در بخش REF _Ref330375638 n h * MERGEFORMAT ‏1-8-1-اشاره شد، لایه کاتالیست را عموماً به سه روش زیر مدل‌سازیمی‌کنند:
مدل لایه نازک
مدل همگن
مدل توده ای
اختلاف اصلی بین این سه روش را می‌توان در مکانیزم انتقال اکسیژن جستجو کرد در حالی که مدل‌های نام برده در نحوه انتقال الکترون و پروتون به یکدیگر شباهت زیادی دارند.
از آنجایی که در دهه اخیر از مدل سوم یعنی توده‌ای بیشتر از دو مدل دیگر استفاده شده است، لذا فقط به معرفی ابتدایی دو مدل اوّل بسنده کرده‌ایم، و برای مدل‌سازی لایه کاتالیست از مدل توده‌ای که جامع‌تر از دو مدل قبلی است و نواقص آن دو مدل را پوشش می‌دهد استفاده شده است.
مدل لایه نازکدر مدل لایه نازک[REF _Ref332026335 h * MERGEFORMAT27] فرض بر این است که در لایه کاتالیست، ذرات پلاتین روی سطح کربن قرار داده شده و همان‌گونه که در REF _Ref331173016 h * MERGEFORMAT شکل ‏22نشان داده شده است این ذرات بوسیله الکترولیتی احاطه می‌شوند که با حفره گاز در تماس است. در اینمدل تقارن محوری وجود دارد که در REF _Ref331173016 h * MERGEFORMAT شکل ‏22با خط چین نشان داده شده است، بنابراین در فاصله‌یحفره‌ی گاز و الکترولیت، هیچ شاری از صفحات متقارن عبور نمی‌کند (شرط تقارن). در این مدل ضخامت الکترولیت و فاصله بین ذره‌ای، ثابت در نظر گرفته می‌شود، همچنین تخلخل لایه کاتالیست در این مدل صفر است. فرآیندهای انتشار، همدما بوده و سیستم نیز در شرایط حالت پایا فرض می‌شوند.
مدل لایه نازک معمولاً هنگامی استفاده می‌شود که هدف ما مطالعه اثرات ترکیب لایه کاتالیست نباشد [REF _Ref332025607 h * MERGEFORMAT11]. در این مدل لایه کاتالیست به صورت لایه بسیار نازکی فرض می‌شود و با فرض اینکه همه خواص در این لایه یکنواخت باشند، ترکیب و ساختار آن در نظر گرفته نمی‌شود. سپس این لایه به صورت فاصله‌ای مابین غشاء و لایه نفوذ گاز ملاحظه می‌شود.

شکل STYLEREF 1 s‏2SEQ شکل_ * ARABIC s 1 2: شماتیک مدل لایه نازک با تقارن محوری نشان داده شده بوسیله خط چین [REF _Ref332026373 h * MERGEFORMAT28].به منظور مدل کردن اثر لایه کاتالیست بر کارایی پیل در این مدل، تنها یک معادله مورد استفاده قرار می‌گیرد (معادله تافل) که در هنگام مدل سازی به صورت یک شرط مرزی بین لایه نفوذ گاز و غشاء مطرح می‌شود. همان‌گونه که اشاره شد، به نظر می‌رسد که این مدل زمانی کافی باشد که اثرات دیگر، نسبت به اثرات لایه کاتالیست دارای اهمیت بیشتری باشند.
مدل همگنمدل همگن را می‌توان شکل اصلاح شده مدل لایه نازک نامید. در این مدل، لایه کاتالیست به صورت یک ساختار متخلخل متشکل از: یک ماده هادی جامد (معمولاً کربن)، کاتالیست (معمولاً پلاتین) و یک الکترولیت (معمولاً نفیون) ساخته می‌شود، REF _Ref331173107 h * MERGEFORMAT شکل ‏23.

شکل STYLEREF 1 s‏2SEQ شکل_ * ARABIC s 1 3: تصویر شماتیک لایه کاتالیست سمت کاتد بر اساس مدل همگن[REF _Ref332025841 h * MERGEFORMAT14].مدل همگن فرض می‌کند که فضای حفره، ماده هادی جامد و الکترولیت بهطور یکنواخت در لایه کاتالیست توزیع شده‌اند، این واقعیت در REF _Ref331173169 h * MERGEFORMAT شکل ‏24به خوبی به تصویر کشیده شده است.
واکنش روی سطح ذرات کاتالیست نهاده شده روی ماده هادی جامد اتفاق می‌افتد. بنابراین پروتون‌ها، الکترون‌ها و اکسیژن باید از میان لایه کاتالیست عبور کنند تا به محل انجام واکنش برسند. در لایه کاتالیست کاتد، الکترون‌ها از طریق ماده هادی جامد، پروتون‌ها از طریق الکترولیت و اکسیژن از طریق فضای حفره انتقال داده می‌شوند. مسیر انتقال اکسیژن به دو صورت فرض می‌شود. برخی از محققین فرض می‌کنند که اکسیژن از طریق آب مایعی که فضاهای حفره را پر می‌کند انتقال داده می‌شود [REF _Ref332025887 h * MERGEFORMAT15]. برخی دیگر از محققین فرض می‌کنند که اکسیژن از طریق انتشار در فاز گاز در میان حفره‌های گازی انتقال داده می‌شود [REF _Ref332026434 h * MERGEFORMAT29-REF _Ref332026924 h * MERGEFORMAT33]. هر دو فرض مدلی را نتیجه می‌دهند که برخی از اثرات بسیار مهم که در لایه کاتالیست اتفاق می‌افتد را شرح می‌دهند. هر دو فرض، همچنین ترکیب لایه کاتالیست را از طریق ربط دادن خواص لایه کاتالیست به نسبت حجمی هر فاز نشان می‌دهند.

شکلSTYLEREF 1 s‏2SEQ شکل_ * ARABIC s 1 4: نمایی از لایه کاتالیست همگن و تودهای و اجزاء تشکیل دهنده آنها.مدل توده‌ایدر سال 1980 ایزکوفسکی و کاتلیپ جزء اولین کسانی بودند که مدل توده‌ای را برای شبیه‌سازی لایه کاتالیست به کار بردند. آن‌ها از توده‌های استوانه‌ای برای شبیه‌سازی خود استفاده کردند و نشان دادند که لایه کاتالیست از توده‌های کربن تقویت شده توسط پلاتین ساخته شده است که بوسیله لایه‌ای نازک از نفیون احاطه شده و بوسیله حفره‌ها از هم جدا می‌شوند. این توده‌ها اگلومریتنامیده می‌شوند. توده‌ها، کره‌هایی از الکترولیت معمولاً نفیون، هستند که با کربن و ذرات پلاتین پر شده‌اند و دارای شعاع حدوداً یک میکرونهستند [REF _Ref332026047 h * MERGEFORMAT20].این مدل، از جدیدترین مدل‌هایی است که برای لایه کاتالیست پیل سوختی ارائه شده است، REF _Ref331173305 h * MERGEFORMATشکل ‏25(الف) یک نمای میکروسکوپیک از لایه کاتالیست که حاوی ذرات اگلومریت (توده) است را نشان می‌دهد.REF _Ref331173305 h * MERGEFORMATشکل ‏25(الف) نشان می‌دهد که ذرات تودهای از یک طرف با فیبرهای (رشته‌های) کربن موجود در لایه نفوذ گاز که در مرز مشترک لایه کاتالیست با لایه نفوذ گاز قرار دارد در تماس بوده، و از طرف دیگر نیز در تماس با آیونومر الکترولیت موجود در مرز مشترک لایه کاتالیست با غشاءمی‌باشند. در این بین، ذرات تودهای به صورت نامنظم در آیونومر موجود در لایه کاتالیست مستغرق می‌باشند. همان‌طور که در REF _Ref331173305 h * MERGEFORMATشکل ‏25(الف) دیده می‌شود یک سری فضای خالی ما بین این ذرات وجود دارد، معمولاً فرض می‌شود که این فضاهای خالی با آب مایع بوجود آمده ناشی از انجام واکنش کاملاً پر می‌شود. این فرض مخصوصاً در مورد پیل‌های دما پایین که در آن‌ها تمامی آب تولیدی به صورت آب مایع می‌باشدصحیح بهنظرمی‌رسد. به این حالت، حالت غرقابی کاملمی‌گویند. REF _Ref331173305 h * MERGEFORMAT شکل ‏25 (ب) نمای بزرگ شده یکی از هزاران توده‌یموجود در لایه کاتالیست را نشان می‌دهد. این ذرات با یک فیلم بسیار نازک از آیونومر احاطه شده‌اند. همان‌طور که در REF _Ref331173305 h * MERGEFORMAT شکل ‏25(ب) دیده می‌شود ذرات پلاتین که بروی ذرات کربن بار گذاری شده‌اند و بوسیله آن‌ها تقویت شده‌اند به صورت کاتوره‌ایدرون آیونومر موجود در توده پخش شده‌اند.
به صورت کلی نفوذ اکسیژن از مرز مشترک لایه نفوذ گاز با لایه کاتالیست تا درون هر توده‌ی موجود در لایه کاتالیست را می‌توان به ترتیبدر فرآیندهای زیر خلاصه نمود:
نفوذ اکسیژن به درون لایه کاتالیست با حل شدن در آب مایع موجود در مرز مشترک لایه کاتالیست با لایه نفوذ گاز،
حل شدن اکسیژن در فاز آیونومر و همچنین فضاهای خالی پر شده از آب مایع، به منظور رسیدن به سطح توده‌ها،
نفوذ اکسیژن به درون فیلم آیونومر اطراف هر اگلومریت،
حل شدن اکسیژن درون توده و واکنش کاهش اکسیژن درون سایت‌های انجام واکنش (پلاتین‌ها).
REF _Ref331173381 h * MERGEFORMAT شکل ‏26تصویر میکروالکترونی (SEM)از توده‌ها را نشان می‌دهد. در شکل ناحیه خاکستری روشن آیونومر است. انتقال گاز در کاتالیست توسط حفره‌های ماکرو در ابعاد m10-1آسان‌تر می‌شود. قطر ذراتکاتالیست پلاتین حدود3 nm است.همان‌طور که در REF _Ref331173381 h * MERGEFORMAT شکل ‏26مشاهدهمی‌شود مدل تودهای به تصاویر میکروالکترونیلایه کاتالیست بسیار شبیه تر ازمدل همگن است.
با توجه به مطالب گفته شده می‌توان گفت که روش همگن نسبت به روش توده‌ای از دقت کمتری برخوردار است. مطالعات بسیاری نشان داده‌اند که مدل انباشته پیشگویی‌های بهتری نسبت به نتایج آزمایشگاهی در اختیار قرار می‌دهد [REF _Ref332026000 h * MERGEFORMAT19]. مدل‌های انباشته نیازمند پارامترهایی هستند که به صورت تجربی تعیین شده‌اند و این امر می‌تواند دلیلی برای نزدیک‌تر بودن نتایج مدل نسبت به نتایج آزمایشگاهی باشد.
(الف)
(ب)
شکلSTYLEREF 1 s‏2SEQ شکل_ * ARABIC s 1 5: (الف) نمای لایه کاتالیست به روش توده‌ای که بین لایه نفوذ گاز و غشاء فشرده شده است (ب) نمای بزرگ شده از یک عدد توده موجود در لایه کاتالیست.
شکلSTYLEREF 1 s‏2SEQ شکل_ * ARABIC s 1 6: تصویر SEM لایه کاتالیست [REF _Ref332026000 h19].استخراج روابط حاکم بر مدل تودهایشبیهسازی انجام شده بر اساس مدل توده‌ای بوده و بر فرضیات زیر استوار می‌باشد:
الف) پیل سوختی غشاء پلیمری در حالت پایا کار می‌کند.
ب) تمامی واکنش‌ها در دما و فشار ثابت انجام می‌شوند.
پ) گازها ایده آل فرض می‌شوند.
ت) کاتد و آند پیل سوختی به ترتیببا اکسیژن و هیدروژن خالص تغذیه می‌شوند.
ث)حفرههای موجود در مرز مشترک لایه کاتالیست با لایه نفوذ گاز و همچنین فضای خالی بین ذرات توده‌ای پر از آب مایع در نظر گرفته شده است (شرایط کاملاً غرقابی).
ج) ذرات توده‌ای به صورت کروی و با شعاع یکسان در نظر گرفته می‌شوند.
چ) تمامی واکنش‌هایی که در لایه کاتالیست رخ می‌دهند مرتبه اوّل می‌باشند، این بدین معنی است که نرخ مصرف اکسیژن در لایه کاتالیست کاتد با غلظت آن متناسب است.
دراین بخش معادلات دیفرانسیل معمولی حاکم بر لایه کاتالیست کاتد شرح داده می‌شود:
نرخ واکنش الکتروشیمیایی در مدل توده‌ایاستخراج معادله نرخ واکنش الکتروشیمیایی مستلزم شبیه‌سازی کامل فرآیندها نفوذ اکسیژن در لایه کاتالیست می‌باشد (فرآیندهای بخش REF _Ref331683273 r h * MERGEFORMAT ‏2-2-3-). بنابراین این بخش به چهار زیر بخش تقسیم شده است و در هر زیر بخش قسمتی از نفوذ اکسیژن مدلسازی شده است.
واکنش کاهش اکسیژن درون تودهدر ابتدا مکانیزم نفوذ اکسیژن درون هر توده، یعنی فرآیند 4 بخش REF _Ref331683273 r h * MERGEFORMAT ‏2-2-3- مدل می‌شود.
قانون بقای مولی برای اکسیژن درون یک توده در حالت پایا به صورت زیر بیان می‌گردد:
(2- SEQ 2- * ARABIC1)که در آن(ترم چشمه) بیان کننده نرخ اکسیژن مصرفی ناشی از واکنش الکتروشیمیایی درون توده است. انتقال جرم اکسیژن درون تودهبا استفاده از قانون فیک به صورت زیر مدل می‌شود:
(2- SEQ 2- * ARABIC2)که در آن ضریب نفوذ مؤثر اکسیژن درون یک توده است. از آنجا که اکسیژن برای نفوذ در هر توده باید در آیونومر موجود در آن توده حل شود لذا این ضریب نفوذ مؤثر را می‌توان با استفاده از تصحیح برگمان در محیط متخلخل به صورت زیر گزارش کرد:
(2- SEQ 2- * ARABIC3)
که در آن Li,agg کسر حجمی فاز غشاء موجود در هر توده می‌باشد. نیز ضریب نفوذ اکسیژن درون آیونومر است که خواجه حسینی و همکارانش [REF _Ref332025841 h * MERGEFORMAT14] از داده های تجربی فرمول زیر را با برازش منحنی پیشنهاد می‌کنند:
(2- SEQ 2- * ARABIC4)
اکنون با توجه به فرض آخر در بخش REF _Ref331435271 r h‏2-3-(فرض (چ))، نرخ حجمی مصرف اکسیژن به صورت زیر بیان می‌شود:
(2- SEQ 2- * ARABIC5)که در آن kCثابت نیمواکنش سمت کاتد می‌باشد. و علامت منفی در معادله REF _Ref330398231 h * MERGEFORMAT (2- 5) بیانگر مصرف اکسیژن می‌باشد.
با جایگذاری معادلات REF _Ref330398315 h * MERGEFORMAT (2- 2) و REF _Ref330398231 h * MERGEFORMAT (2- 5) در معادله REF _Ref330398327 h * MERGEFORMAT (2- 1)می‌توان نوشت:
(2- SEQ 2- * ARABIC6)اکنون اگر معادله REF _Ref330580384 h * MERGEFORMAT (2- 6) برای یک ذره توده‌ای کروی شکل در دستگاه مختصات کروی بسط داده شود، میتوان نوشت:
(2- SEQ 2- * ARABIC7)معادله REF _Ref330398567 h * MERGEFORMAT (2- 7) یک معادله دیفرانسیل معمولی مرتبه دوم می‌باشد، بنابراین دو شرط مرزی برای حل آن نیاز است این دو شرط در ادامه توضیح داده شده‌اند(برای جزئیات بیشتر به REF _Ref331173305 h * MERGEFORMAT شکل ‏25(ب) رجوع شود):
شرط مرزی در سطح داخلی توده،r = ragg: غلظت اکسیژن در سطح داخلی توده برابر با در نظر گرفته شده است( REF _Ref331173305 h * MERGEFORMAT شکل ‏25(ب)):
(2- SEQ 2- * ARABIC8)شرط مرزی در مرکز توده،r =: در مرکز توده شرط تقارن وجود دارد:
(2- SEQ 2- * ARABIC9)اگر معادله دیفرانسیل REF _Ref330398567 h * MERGEFORMAT (2- 7) با شرایط مرزی معادلات REF _Ref330399466 h * MERGEFORMAT (2- 8) و REF _Ref330399471 h * MERGEFORMAT (2- 9) حل شود آنگاه جواب زیر حاصل می‌گردد:
where and (2- SEQ 2- * ARABIC10)گروه بی بعد  که در معادله REF _Ref330399611 h * MERGEFORMAT (2- 10) ظاهر شده است را عدد تایلی یا مدول تایلی می‌نامند که برابر است با [REF _Ref332026047 h * MERGEFORMAT20]:
(2- SEQ 2- * ARABIC11) REF _Ref331173594 h * MERGEFORMAT شکل ‏27نحوه تغییرات شعاعی غلظت بی بعد اکسیژن را درون یک توده به ازای مقادیر مختلف عدد تایلی نشان می‌دهد.
بر اساس معادله REF _Ref330399927 h * MERGEFORMAT (2- 11) حالت  حداقل با یکی از دو شرایط زیر متناظر است:
الف)ragg: ذرات تودهای بسیار ریز باشند،
ب)kC : ترم چشمه، به سمت صفر میل کند.
حالت (الف) متناظر است با حالتی که ذرات تودهای بسیار ریز باشند، در این حالت مدل توده‌ای به مدل همگن ساده می‌شود، به زبان دیگر این حالت بسیار به مدل همگن و مفروضات همگن پخش شدن اجزاءدر لایه کاتالیست نزدیک است. از طرف دیگر حالت (ب) متناظر با حالتی است که مصرف اکسیژن درون لایه کاتالیست به صفر رسیده است. در هر صورت همان‌طور که در REF _Ref331173594 h * MERGEFORMAT شکل ‏27 مشاهده می‌شود حالت حدی  ناشی از هر دو حالت (الف) یا (ب) که باشد، منجربه توزیع تقریباً یکنواخت غلظت اکسیژن درون کل توده است.

شکل STYLEREF 1 s‏2SEQ شکل_ * ARABIC s 1 7: تغییرات شعاعی غلظت بی بعد اکسیژن درون یک توده برای مدول تایلی مختلف.از طرف دیگر حالت حدی (مثل = 10در REF _Ref331173594 h * MERGEFORMAT شکل ‏27) متناظر با مصرف بسیار زیاد اکسیژن درون لایه کاتالیست است، به نحوی که نرخ نفوذ اکسیژن درون توده بسیار کمتر از نرخ مصرف اکسیژن است. این امر سبب می‌شود که اکسیژن توانایی نفوذ به اعماق توده را نداشته باشد و پس از کمی نفوذ درون توده به سرعت مصرف گردد در این حالت غلظت اکسیژن در r* = 1 به سرعت افت می‌کند که در REF _Ref331173594 h * MERGEFORMAT شکل ‏27مشخص است.
نرخ حجمی واکنش کاهش اکسیژن[mol m-3 s-1]، که همان میانگین نرخ حجمی مصرف اکسیژن درون توده می‌باشد با انتگرال گیری بر روی حجم کل توده به صورت زیر قابل محاسبه است:
(2- SEQ 2- * ARABIC12)در معادله REF _Ref330580866 h * MERGEFORMAT (2- 12)، Vagg حجم یک توده می‌باشد، که برابر است با:
(2- SEQ 2- * ARABIC13)
اکنون معادله REF _Ref330399611 h * MERGEFORMAT (2- 10) در معادله REF _Ref330398231 h * MERGEFORMAT (2- 5) جایگذاری شده، و سپس حاصل آن در معادله REF _Ref330580866 h * MERGEFORMAT (2- 12) جایگذاری می‌شود و انتگرال روی حجم توده محاسبه می‌شود، نرخ میانگین حجمی مصرف اکسیژن به صورت بی‌بعد و بر حسب عدد تایلی بدست می‌آید:
(2- SEQ 2- * ARABIC14)در فرمول REF _Ref330581539 h * MERGEFORMAT (2- 14)، مقدار نرمال شده (بی‌بعد) نرخ مصرف حجمی اکسیژن می‌باشد که برابر است با:
(2- SEQ 2- * ARABIC15)
طبق فرض (چ) در بخش REF _Ref331435271 r h‏2-3-، نرخ حجمی مصرف اکسیژن با غلظت آن متناسب است، بنابراین ماکزیمم نرخ حجمی مصرف اکسیژن درون توده که در r = ragg رخ می‌دهد برابر است با ( REF _Ref331173305 h * MERGEFORMAT شکل ‏25(ب)):
(2- SEQ 2- * ARABIC16)ضریب موثرEr، که نسبت میانگین نرخ حجمی مصرفی اکسیژن به ماکزیمم نرخ مصرف اکسیژن می‌باشد، به صورت زیر تعریف می‌شود:
(2- SEQ 2- * ARABIC17) در حالت حدی، معادله REF _Ref330583898 h * MERGEFORMAT (2- 17) مقدارErرا برابر با 1 پیش‌بینیمی‌کند. از این نکته در بخش بعد برای تطبیق دادن مدل همگن و توده‌ای در شرایط حدی فوق استفاده می‌شود. اکنون معادلات REF _Ref330584219 h * MERGEFORMAT (2- 16) و REF _Ref330583898 h * MERGEFORMAT (2- 17) برای بدست آوردن با هم ادغام می‌شود:
(2- SEQ 2- * ARABIC18)نفوذ اکسیژن درون فیلم آیونومر اطراف تودهاکسیژن از طریق نفوذ در لایه نازک اطراف توده به درون آن نفوذ می‌کند.وبهترتیب غلظت اکسیژن در سطحبیرونی و داخلی فیلم آیونومر میباشد، این موضوع در REF _Ref331173305 h * MERGEFORMAT شکل ‏25(ب) نشان داده شده است. اکنون شار مولی نفوذی اکسیژن به درون فیلم آیونومر اطراف هر توده را می‌توان با استفاده از مقاومت پخشی اکسیژن در مختصات کروی به صورت زیر بدست آورد:
(2- SEQ 2- * ARABIC19)agg، ضخامت مفروض لایه آیونومر اطراف توده است.
اگر aagg، سطح مؤثر (مساحت سطح مفید جهت نفوذ اکسیژن به درون تودهها نسبت به حجم لایه کاتالیست m/m) کل توده‌های موجود درون لایه کاتالیست باشد، اکنون نرخ کل اکسیژن مصرفی درون لایه کاتالیست برابر است با:
(2- SEQ 2- * ARABIC20)از سوی دیگر غلظت اکسیژن بر روی سطح بیرونی لایه آیونومر، ، با استفاده از قانون هانری قابل محاسبه است (قانون هانری در پیوست 2 توضیح داده شده است)، بطوریکه:
(2- SEQ 2- * ARABIC21)، ثابت هانری مربوط به انحلال اکسیژن درون آیونومر است. سان و همکارانش [REF _Ref332026047 h * MERGEFORMAT20]مقدار آن را 0.3125 [atm m3 mol-1] گزارش کرده‌اند.
اکنون مقدار غلظت اکسیژن در سطح داخلی فیلم آیونومر، ، با ادغام معادلات REF _Ref330627395 h * MERGEFORMAT (2- 18)، REF _Ref330627402 h * MERGEFORMAT (2- 19)، REF _Ref330627421 h * MERGEFORMAT (2- 21)و REF _Ref330627456 h * MERGEFORMAT (2- 20) بدست می‌آید:
(2- SEQ 2- * ARABIC22)نرخ واکنش الکتروشیمیایینرخ واکنش الکتروشیمیایی از ادغام قانون فارادی و معادله REF _Ref330398327 h * MERGEFORMAT (2- 1) به صورت زیر قابل محاسبه است(شرحی بر قانون فارادی در پیوست 1 آمده است):
(2- SEQ 2- * ARABIC23)CL تخلخل لایه کاتالیست است.
نهایتاً نرخ واکنش الکتروشیمیایی در مدل توده‌ای با جایگزین کردن معادله REF _Ref330628360 h * MERGEFORMAT (2- 22) در معادله REF _Ref330627395 h * MERGEFORMAT (2- 18) و جایگذاری معادله حاصله درون رابطه REF _Ref330628414 h * MERGEFORMAT (2- 23) بدست می‌آید:
مدل توده ای:(2- SEQ 2- * ARABIC24)معادله REF _Ref330628605 h * MERGEFORMAT (2- 24) از دو بخش تشکیل شده است:
and (2- SEQ 2- * ARABIC25)بعداً اثبات می‌شود که Term I در معادله REF _Ref330628753 h * MERGEFORMAT (2- 25) تنها بخشی از مدل توده‌ای است که در مدل همگن نیز وجود دارد، Term II یک بخش اضافی است که در مدل توده‌ای ظاهر شده است و مدل همگن فاقد آن است.Term II، ترمی است که شامل پارامترهای ساختاری و هندسی ذرات توده‌ای بوده و به صورت مستقیم به شرایط عملکردی و چگالی جریان پیل وابسته نیست، از طرف دیگر Term I ترمی است که کاملاً وابسته به شرایط عملکردی و چگالی جریان پیل می‌باشد. در بخش نتایج این دو ترم از نظر مرتبه بزرگی با یکدیگر مقایسه شده‌اند. به نظر می‌رسد که دلیل ایجاد افت غلظت در چگالی جریان بالا در منحنی قطبیت پیل در مدل توده‌ای، همین اختلاف بین دو مدل همگن و توده ای یعنی، Term IIباشد. در نبود این ترم، مدل توده‌ای به مدل همگن کاهش می‌یابد، که در این حالت مدل همگن قادر به پیش بینی افت غلظت در چگالی جریان‌های بالا نیست و این یکی از اصلی‌ترین معایب مدل همگن بشمار می‌رود.
در معادله REF _Ref330628605 h * MERGEFORMAT (2- 24) تنها ترم مجهول kCمی‌باشد. این پارامتر با استفاده از بررسی یک حالت حدی که در آن مدل توده‌ای به مدل همگن کاهش می‌یابد بدست می‌آید. مدل همگن تحت شرایط زیر از مدل توده‌ای قابل بازیافت است:
Er 1  Term II  (ragg, agg)مدل همگن:
(2- SEQ 2- * ARABIC26)از طرف دیگر نرخ واکنش الکتروشیمیایی در مدل همگن با استفاده از رابطه باتلر- ولمر به صورت زیر بدست می‌آید [REF _Ref332025841 h * MERGEFORMAT14]:
مدل همگن:
(2- SEQ 2- * ARABIC27)نهایتاً kC از تساوی دو رابطه REF _Ref330630372 h * MERGEFORMAT (2- 26) و REF _Ref330630376 h * MERGEFORMAT (2- 27) بدست می‌آید:
(2- SEQ 2- * ARABIC28)
aeff سطح موثر پلاتین بر واحد حجم لایه کاتالیست است ([m2 m-3]). aوcبه ترتیب ضرایب انتقال بار سمت آند و کاتد میباشد.چگالی جریان مرجع می‌باشد که پرتاساراتی و همکارانش [REF _Ref332026674 h * MERGEFORMAT34] فرمول زیر را از برازش داده های تجربی پیشنهاد داده‌اند:
(2- SEQ 2- * ARABIC29)
غلظت مرجع اکسیژن می‌باشد که خواجه حسینی و همکارانش [REF _Ref332025841 h * MERGEFORMAT14] مقدار آن را 1.2mol m-3گزارش کرده‌اند.
انتقال جرم اکسیژنخواجه حسینی و همکارانش [REF _Ref332025841 h * MERGEFORMAT14] توزیع غلظت اکسیژن را بر حسب چگالی جریان محلی پیل (i) به صورت زیر بدست آورده‌اند:
(2- SEQ 2- * ARABIC30)که در آن Itotوبه ترتیب چگالی جریان پیل سوختی و ضریب نفوذ مؤثر کلی اکسیژن در کل لایه کاتالیست می‌باشد.

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

همان‌طور که قبلاً اشاره شد فرض بر این است که فضای خالی بین توده‌ها از آب مایع پر شده است، بنابراین همان‌طور که در REF _Ref331173305 h * MERGEFORMAT شکل ‏25(الف) دیده می‌شود دو مسیر موازی برای رسیدن اکسیژن به محل‌های انجام واکنش وجود دارد:
مسیر اول:انتقال اکسیژن به وسیله حل شدن در فاز آیونومر موجود در لایه کاتالیست.
مسیردوم: انتقال اکسیژن از طریق حل شدن در آب مایع موجود در فضای خالی بین ذرات توده‌ای.
اکنون برای محاسبه ، هر یک از دو مسیر بالا با یک مقاومت نفوذ بر اساس کسر حجمی متناظر با هر بخشی که اکسیژن به درون آن نفوذ کرده مدلسازی میشود.بر این اساس با در نظر گرفتن یک حجم کنترل به صورت کروی به شعاع r حول یک توده به شعاع raggمی‌توانمقاومت نفوذ به درون تودهاز طریق هر یک از مسیرها را به صورت زیر محاسبه کرد:
(2- SEQ 2- * ARABIC31)مقاومت نفوذ مسیر اول:
مقاومت نفوذ مسیر دوم:
در اینجا NوWبه ترتیب نشان دهنده زاویه‌ای از فاز آیونومر و بخش حفره در حجم کنترل انتخاب شده می‌باشد، که با توجه به کسر حجمی فازهای غشاء (Li)، فاز جامد (LS) و فضای خالی (CL) برابرند با:
(2- SEQ 2- * ARABIC32)ونیز به ترتیب ضریب انتشار مؤثر اکسیژن در آیونومر و آب مایع می‌باشد که با استفاده از تصحیح برگمان به صورت زیر به دست می‌آید:
(2- SEQ 2- * ARABIC33)
(2- SEQ 2- * ARABIC34)
ضریب نفوذ اکسیژن در آب مایع می‌باشد که با استفاده از رابطه وایلک- چنگ بدست می‌آید [REF _Ref332027179 h * MERGEFORMAT35]:
(2- SEQ 2- * ARABIC35)
که در آن، وزن مولکولی آب بوده و برابر باg/mol 18 است.، حجم مولار اکسیژن در نقطه جوش نرمال است که برابر باcm3/mol 25.6است. پارامتر وابستگی است که برای آب مقدار آن 2.26می‌باشد.ویسکوزیته آب بر حسب سانتی پوآز [cP]می‌باشد، وایت[REF _Ref332027206 h * MERGEFORMAT36] مقدار آن را برای آب مایع به صورت زیر پیشنهاد کرده است:
(2- SEQ 2- * ARABIC36)
اکنون مقاومت معادل دو مقاومت موازی مسیرهای اول و دوم به صورت زیر قابل محاسبه می‌باشد:
(2- SEQ 2- * ARABIC37)
با جانشین کردن معادله REF _Ref330634607 h * MERGEFORMAT (2- 32) درمعادله REF _Ref330634616 h * MERGEFORMAT (2- 31) و استفاده از معادلههای حاصله در رابطه REF _Ref330634659 h * MERGEFORMAT (2- 37)مقدار بدست می‌آید:
(2- SEQ 2- * ARABIC38)
محاسبه افت فعال‌سازیمقاومت در برابر عبور جریان پروتونی و الکترونی در فازهای غشاء و جامد موجود در لایه کاتالیست مربوط به افت فعال‌سازیمی‌باشد و با استفاده از قانون اهم بدست می‌آید. مار و لی [REF _Ref332025950 h * MERGEFORMAT18] رابطه زیر را بدست آورده‌اند:
(2- SEQ 2- * ARABIC39)که در آن، keffوeffبه ترتیب قابلیت هدایت مؤثر پروتونی و الکترونی فازهای غشاء و جامد در لایه کاتالیست می‌باشد، با استفاده از تصحیح برگمان و کسر حجمی متناظر با هر فاز میتوان نوشت:
(2- SEQ 2- * ARABIC40)
مقادیر kو در REF _Ref331243557 h * MERGEFORMAT جدول ‏22 آمده است.
شرایط مرزیمعادلات حاکم بر انتقال اجزاء یک دستگاه معادلات دیفرانسیل معمولی بوده که شامل معادلات REF _Ref330628605 h * MERGEFORMAT (2- 24)، REF _Ref330636162 h * MERGEFORMAT (2- 30) و REF _Ref330636169 h * MERGEFORMAT (2- 39)می‌باشد. این دستگاه معادلات مرتبه اول غیر خطی و کوپل است. برای حل این دستگاه سه شرط مرزی مستقل لازم است که در ادامه توضیح داده می‌شود:
شرایط مرزی در سطح مشترک لایه نفوذ گاز با لایه کاتالیست (z=0):حفره‌های موجود در سطح مشترک لایه نفوذ گاز با لایه کاتالیست پر از آب فرض شده‌اند(فرض (ث) در بخش REF _Ref331435271 r h ‏2-3-). بنابراین اکسیژن برای نفوذ به درون لایه کاتالیست باید در آب حل شود. از این‌رو غلظت اکسیژن در این مرز با استفاده از قانون هانری بدست می‌آید:
(2- SEQ 2- * ARABIC41)که در آن ، ثابت هانری برای انحلال اکسیژن در آب می‌باشد. برناردی و همکارانش [REF _Ref332025833 h * MERGEFORMAT13] این پارامتر را به صورت تابعی از دمای پیل بر حسب atm m3 mol-1 گزارش کرده‌اند، بطوریکه:
(2- SEQ 2- * ARABIC42)
فرض بر این است که تمامی پروتون‌هایی که از لایه کاتالیست آند به سمت کاتد از درون غشاء مهاجرت می‌کنندقبل از رسیدن به مرز مشترک لایه کاتالیست با لایه نفوذ گاز کاملاً مصرف می‌شوند، بنابراین در این مرز میزان چگالی جریان پروتونی محلی صفر خواهد بود.
(2- SEQ 2- * ARABIC43)این دومین شرط در این مرز می‌باشد.
شرط مرزی در سطح مشترک غشاء با لایه کاتالیست (z=LCL):چگالی جریان محلی در این مرز به بیشینه مقدار خود، یعنی چگالی جریان کلی پیل،Itot، می‌رسد:
(2- SEQ 2- * ARABIC44)جایگذاری معادله REF _Ref330637704 h * MERGEFORMAT (2- 44)در معادله REF _Ref330636162 h * MERGEFORMAT (2- 30) نتیجه می‌دهد که شار غلظت اکسیژن در این مرز برابر با صفر است، این یعنی اینکه اکسیژن موجود در لایه کاتالیست نمی‌تواند از طریق این مرز به داخل غشاء عبور کند (شار نفوذ اکسیژن در این مرز صفر است).
تمامی شروط مرزی را که در بخش‌های REF _Ref331452886 r h * MERGEFORMAT ‏2-7-1- و REF _Ref331452893 r h * MERGEFORMAT ‏2-7-2- توضیح داده شده است، به صورت شماتیکی در REF _Ref331453206 h * MERGEFORMAT شکل ‏28 نشان داده شده است.

شکلSTYLEREF 1 s‏2SEQ شکل_ * ARABIC s 1 8: شماتیک شروط مرزی در دو طرف لایه کاتالیست.شرحی بر پارامترهای استفاده شده در مدل‌سازیمقدار برخی از پارامترهای ساختاری و عملکردی برای حالت پایه در REF _Ref331243557 h * MERGEFORMAT جدول ‏22 گزارش شده است. باقیمانده پارامترها در ادامه توضیح داده می‌شوند.
مساحت سطح مؤثر پلاتیندر لایه‌های کاتالیست مدرن مساحت سطوح انجام واکنش بسیار بیشتر از مساحت اسمی لایه کاتالیست می‌باشد. این به دلیل زبری لایه کاتالیست است که مساحت واقعی واکنش را تا چندین هزار برابر افزایش می‌دهد[REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4]. مساحت سطح مؤثر پلاتین،aeff، در حقیقت نسبت مساحت سطح واقعی انجام واکنش به حجم لایه کاتالیست است، بطوریکه:
(2- SEQ 2- * ARABIC45)در معادله REF _Ref330642170 h * MERGEFORMAT (2- 45)، l، نسبت سطح مؤثر پلاتین می‌باشد. As مساحت سطح واقعی واکنش بر واحد جرم پلاتین است. ایتک[REF _Ref332027291 h * MERGEFORMAT37] مقدار آن را به صورت تجربی بر حسب کسر جرمی پلاتین به فرم زیر بیان می‌کند:
(2- SEQ 2- * ARABIC46)
f نسبت بارگذاری جرمی پلاتین به بارگذاری جرمی کل فاز جامد (پلاتین + کربن) می‌باشد، یعنی:
(2- SEQ 2- * ARABIC47)
mPtوmCبه ترتیب بارگذاری جرمی پلاتین و کربن است که مقدار آن‌ها برای حالت پایه در REF _Ref331243557 h * MERGEFORMAT جدول ‏22 گزارش شده است.
تخلخل لایه کاتالیستمساحت سطح مؤثر توده‌ها برابر با سطح تمامی توده‌ها (سطح در دسترس برای نفوذ اکسیژن به درون توده‌ها) بر واحد حجم لایه کاتالیست است، و به صورت زیر بدست می‌آید:
(2- SEQ 2- * ARABIC48)در رابطه REF _Ref330643201 h * MERGEFORMAT (2- 48)،CLبه منظور محاسبه سطح در دسترس برای نفوذ اکسیژن به درون توده‌ها بکار برده شده است. پارامتر n درمعادله REF _Ref330643201 h * MERGEFORMAT (2- 48)، تعداد توده‌ها بر واحد حجم لایه کاتالیست می‌باشد و به صورت زیر تعریف می‌گردد:
(2- SEQ 2- * ARABIC49)تعداد توده‌ها (#) از تقسیم زیر بدست می‌آید:
(2- SEQ 2- * ARABIC50)
بنابراین:
(2- SEQ 2- * ARABIC51)که در آن Ls نسبت حجم کل Pt/C های موجود در لایه کاتالیست به حجم کل لایه کاتالیست است، یعنی:
(2- SEQ 2- * ARABIC52)
و Li,agg کسر حجمی غشاء درون هر توده می‌باشد،یعنی:
(2- SEQ 2- * ARABIC53)
که مقدار آن برای حالت پایه در REF _Ref331243557 h * MERGEFORMAT جدول ‏22 آمده است.
از آنجایی که درون توده‌ها فقط ذرات Pt/Cو فاز آیونومر است لذا می‌توان نوشت که:
(2- SEQ 2- * ARABIC54)
شایان ذکر است که حجم هر یک از توده‌ها برابر است با:
(2- SEQ 2- * ARABIC55)
کسر حجمی فاز جامد در لایه کاتالیست،Ls، به بارگذاری پلاتین و کربن وابسته است، بطوریکه:
(2- SEQ 2- * ARABIC56)PtوCبه ترتیب چگالی پلاتین و کربن می‌باشد.
فاز آیونومر درون لایه کاتالیست از دو قسمت تشکیل شده است: (الف) آیونومر درون ذرات توده‌ای (ب) فیلم نازک آیونومر اطراف ذرات. بنابراین کسر حجمی فاز غشاء در کل لایه کاتالیست برابر است با:
(2- SEQ 2- * ARABIC57)
نهایتاً تخلخل لایه کاتالیست از کم کردن کسر حجمی فازهای غشاء و جامد از عدد یک بدست می‌آید:
(2- SEQ 2- * ARABIC58)جدول STYLEREF 1 s‏2SEQ جدول_ * ARABIC s 1 2: پارامترهای عملکردی، فیزیکی و سینیتکی مدل (حالت پایه).پارامترها کمیت مقدار/مرجع
T دما، 50oC
P فشار گازهای ورودی، 5 atm
کسر مولی اکسیژن سمت کاتد، 100 %
کسر مولی هیدروژن سمت آند، 100 %
LCLضخامت لایه کاتالیست، 50 m [ REF _Ref332025841 h * MERGEFORMAT 14]
Rohmic مقاومت اهمیک پیل، 0.47×10-4m2[ REF _Ref332027389 h * MERGEFORMAT 38]
mPtبارگذاری جرمی پلاتین بر واحد سطح کاتد،0.0035 kg m-2[ REF _Ref332027389 h 38]
mC بارگذاری جرمی کربن بر واحد سطح کاتد، 0.045 kg m-2[ REF _Ref332025841 h * MERGEFORMAT 14]
Pt چگالی پلاتین،21400 kg m-3C چگالی کربن، 1800 kg m-3
غلظت مرجع اکسیژن، 1.2 mol m-3[ REF _Ref332025841 h * MERGEFORMAT 14]
Cضریب انتقال بار کاتدی، 1.0

bew160

برنامه‌ریزی تولید: ارائه یک برنامه جامع جهت برآورد تقاضای پیش‌بینی‌شده با استفاده از امکانات سازمان]9[.
1-8- جمع‌بندیهدف از این پژوهش، رفع مشکلات برنامه‌ریزی خط تولید گسسته‌ای هست که با محدودیت ظرفیت انبارهای میانگیر (بافر) مواجه می‌باشد. بدین طریق که پس از انجام مراحل شبیه‌سازی سیستم، با بهره‌گیری از الگوریتم ژنتیک، این مشکل برطرف شود.
در پایان، ساختار کلی پژوهش مطرح می‌شود. فصل دوم، به تعریف واژگان و توضیح مفاهیم مربوط به پژوهش و پیشینه پژوهش‌های قبلی در این زمینه پرداخته می‌شود. فصل سوم، گام‌های ضروری جهت انجام مدل‌سازی و نحوه دست‌یابی به جواب‌ بهینه از طریق الگوریتم ژنتیک، شرح داده می‌شود. فصل چهارم، نتایج حاصل از مدل‌سازی و سپس بهینه‌سازی با استفاده از الگوریتم ژنتیک ارائه داده می‌شود. فصل پنجم، شامل نتیجه‌گیری حاصل از بهینه‌سازی شبیه‌سازی مسئله و پیشنهادات موردنظر برای به‌کارگیری و توسعه مدل می‌باشد.

فصل دومادبیات تحقیق
2-1- مقدمهدر دنیای امروز، مدیریت مناسب و کارا عامل رفع بسیاری از مشکلات، نابسامانی‌ها و هزینه‌های نابجاست و یک مدیریت اساسی و مؤثر می‌تواند باعث تعالی سازمان در راستای اهداف مدونش گردد. یکی از الزامات مدیریتی، داشتن دید کلی و جامع نسبت به سیستم تحت مدیریت و کنترل آن می‌باشد تا از یک طرف، قدرت کنترل و مدیریت ارتقا یابد و از طرف دیگر، بتوان تصمیمات استراتژیک و اساسی خود را با اطمینان خاطر بیشتری ارائه نمود.
برای این‌که تصمیمات یک مدیر، چه در سطح میانی و چه در سطح ارشد، تصمیماتی مطمئن و کارساز باشند، داشتن تسلط و احاطه کامل و جامع بر سیستم و قدرت پیش‌بینی بالا الزامیست. این در حالی است که آن‌ها با دنیایی از وقایع و رویدادهایی مواجه می‌شود که قطعیت آن مشخص نبوده و علی رغم تمایل مدیران، معمولاً برآورد تبعات و نتایج تصمیمات، امری پیچیده و گاهی ناممکن است که مسلماً عدم دست‌یابی به نتایج مدنظر با هزینه‌هایی همراه خواهد بود. لذا راهکارها و سیستم‌هایی می‌توانند ما را در این امر کمک کنند که اولاً، بتوانند رویدادها و عوامل مؤثر را به‌صورت یکپارچه و جامع مدنظر قرار دهند و ثانیاً، قادر به ارائه، نمایش و مقایسه نتایج حاصل از تغییرات اعمال‌شده باشند.
این قاعده، به نوعی در کلیه سازمان‌ها، ادارات و مراکز تولیدی دیده می‌شود؛ هرچند که بسته به نوع و جایگاه آن، با شدت و ضعف همراه هست.
در محیط‌های تولیدی امروزی، در مبحث برنامه‌ریزی تولید با توجه به تغییرات نوع تقاضا، روی دادن وقایع نه چندان قطعی و قابل پیش‌بینی و وجود الگوهای تولیدی متفاوت، مدیریت خط تولید دچار چالش می‌باشد و این در حالیست که از یک طرف، مدیریت به دنبال برآورد تقاضاهای متنوع تولید، با حداکثر استفاده از امکانات موجود می‌باشد و از طرفی دیگر، عوامل و پارامترهای گوناگون و پیچیده‌ای در این موضوع دخیل هستند؛ لذا در محیط‌های صنعتی نیز احاطه کلی و جامع بر روی خط تولید می‌تواند در افزایش اطمینان از موفقیت تصمیمات و تغییرات مدنظر، اثرگذار باشد.
شبیه‌سازی سیستم‌ها، از جمله آن‌ راهکارهایی است که ضمن لحاظ‎نمودن موارد اشاره شده، این امکان‌ را در اختیار یک مدیر قرار می‌دهد که دنیای واقعی را در یک اشل کوچکتر، درون یک سیستم رایانه‌ای، در اختیار داشته و در ادامه بتواند تصمیمات خود را بدون هیچ هزینه‌ای در سیستم شبیه‌سازی شده، مورد ارزیابی قرار داده و نتایج حاصله را با برآورد و انتظاراتش، مقایسه نماید. به بیانی دیگر از یک جهت آزمون و خطاهای مدیریتی قبل از اجرا در سیستم واقعی، درون مدل شبیه‌سازی شده، مورد ارزیابی و تحلیل قرار می‌گیرد و از جهتی دیگر از بین گزینه‌های گوناگون مدنظر مدیریت و یا پیشنهادی، بهترین گزینه انتخاب می‌گردد.
در این فصل، پس از مرور مباحث مربوط به تولید، به ارائه مفاهیم بهینه‌سازی شبیه‌سازی در مدیریت برنامه‌ریزی سیستم‌های تولیدی پرداخته خواهد شد. هم‌چنین انواع روش‌های فراابتکاری جهت حل مسائل بهینه‌سازی معرفی و به تفصیل در مورد الگوریتم ژنتیک صحبت خواهد شد. در نهایت به پیشینه پژوهش‌های انجام شده در زمینه کاربردهای متفاوت بهینه‌سازی شبیه‌سازی در صنعت و مزایای آن اشاره خواهد شد.
2-2- مدیریت تولید و سیستم‌های تولیدی2-2-1- پارادایم‌های تولید
تولید، همواره در شرف تغییر بوده است. در طول تاریخ تاکنون چهار دوره تولیدی وجود داشته است. دوره اول تولید دستی بوده که از ویژگی‌های آن سطح تولید پایین، نظام استاد-شاگردی، کیفیت پایین محصولات، قیمت بالای محصول و ... است. دوره دوم، دوره تولید انبوه "هنری فورد" بوده که می‌توان خط مونتاژ متحرک، قابلیت تعویض کامل قطعات، راحتی اتصال قطعات مختلف به یکدیگر، کاهش زمان چرخه کاری، تعویض‌پذیری کارگران، خلق افراد جدیدی مانند تعمیرکاران و مهندسان صنایع، و کاهش زمان ‌راه‌اندازی ماشین‌آلات را به‌عنوان ویژگی‌های اساسی آن نام برد. دوره سوم، پارادایم تولید ناب (سیستم تولید تویوتا) بود که بنیانگذار و مغز متفکر آن "تایی چی اوهنو" بود. پارادایم تولید ناب به معنای حذف هر نوع فعالیت بدون ارزش افزوده است. تولید ناب اصولی دارد که عبارتند از: حذف ضایعات، عیوب صفر، تیم‌های چندمنظوره، کاهش لایه‌های سازمانی، رهبری تیمی، سیستم‌های اطلاعاتی عمودی، بهبود مستمر و سیستم کششی. دوره چهارم، تولید چابک است که هدف آن اغنای مشتری، اهرمی کردن اثر اطلاعات و افراد، تسلط بر تغییرات و عدم اطمینان و افزایش رقابت‌پذیری از طریق همکاری است. در ادامه به توضیح بیشتر این پارادایم‌ها می‌پردازیم.]10[
2-1-1-1- تولید دستیسیستم تولید دستی از کارگران کم و ماهر استفاده می‌کند و ابزار و وسایل تولید به‌طور نسبی ساده است. به همین دلیل آن‎چه که تولید می‌شود در حجم بسیار پایین و به شکلی دقیق مطابق خواست مشتری و بر اساس نیاز اوست. گذشته از مزایای تولید دستی، هزینه‌های هنگفت آن که با افزایش تولید و بالا بردن حجم تولید کاهش نمی‌یابد، از جمله معایب آن است.]10[
2-1-1-2-تولید انبوه"هنری فورد" برای حذف معایب تولید دستی اقدامات وسیعی را انجام داد، به‌طوری که می‌توان گفت بشریت امروزی وام‌دار و مدیون او در امور تولیدی است.
فورد با تغییر روش‌های تولید و ارائه روش‌های نوین تقریباَ تمامی معایب تولید دستی را از بین برد. او با تعویض پذیری قطعات ساده و آسان کردن مونتاژ بسیاری از کارگران تولید که وظیفه آن‌ها اندازه‌کردن قطعات بوده و حجم عظیمی از نیروی انسانی را به خود اختصاص می‌داد، حذف کرد.]10[
2-1-1-3- تولید نابیکی از پردامنه‌ترین ادعاها این است که عصر تولید انبوه به پایان چرخه عمر خود رسیده و شیوه‌های جدید، نظیر تخصص انعطاف‌پذیر، جایگزین آن می‌شود.
تولید ناب، روشی است که در آن تولیدکنندگان به دنبال دست‌یابی به مزایا و اجتناب از معایب دو روش تولید دستی و انبوه هستند. یعنی اقداماتی را انجام می‌دهند که بتوانند با استفاده از کارکنان ماهر در تمام سطوح سازمان و ماشین‌آلات چند منظوره که توانایی تولید محصولات مختلف را دارند، قیمت کالای تولیدی را کاهش داده و محصولاتی را تولید کنند که موردنیاز و خواست مشتریان است.]10[
2-1-1-4- تولید چابکدر محیط آشفته، نامطمئن و متغیری که شرکت‌ها در آن مشغول فعالیت هستند، یکی از مهم‌ترین عوامل بقاء و پیشرفت، چابکی آن‌هاست. ویژگی اساسی این محیط، تغییر و عدم اطمینان است. سیستم تولیدی چابک راه‌حلی جدید برای مقابله با این چالش است.
چابکی، مفهومی که طی سال‌های اخیر عمومیت یافته و به‌عنوان‌ راهبردی موفق، توسط تولیدکنندگانی که خودشان ‌را برای یک عملکرد قابل قبول و افزایش آن آماده می‌کنند، پذیرفته شده است. در چنین محیطی، بنگاه باید توان تولید هم‎زمان محصولات متفاوت با طول عمر کوتاه، طراحی مجدد محصولات، تغییر رویه‌های تولید محصولات و جواب‌‌گویی کارا به تغییرات را داشته باشد.
در هر دوره‌ای از تولید، سیستم‌های تولیدی متفاوتی با ویژگی‌های خاص خود وجود داشته‌اند که در ادامه، انواع آن معرفی خواهد شد.]10[
2-3- انواع سیستم‌های تولیدی
سیستم تولید که بخشی از یک سازمان است، به تولید محصولات آن می‌پردازد. این فعالیتی است که به موجب آن منابع، در یک سیستم تعریف شده به جریان درمی‌آیند، با هم ترکیب می‌شوند و در شیوه‌ای کنترل شده تبدیل به ارزش افزوده‌ای می‌شوند که در راستای سیاست‌های ابلاغ شده توسط مدیریت، سودآوری داشته باشند.]11[
2559051057275تولید پیوسته
تولید انبوه
تولید دسته ای
تولید کارگاهی
حجم تولید
تنوع تولید
تولید پیوسته
تولید انبوه
تولید دسته ای
تولید کارگاهی
حجم تولید
تنوع تولید
شکل 2-1- دسته‌بندی انواع سیستم‌های تولیدی ]11[2-4- دسته‌بندی سیستم‌های تولیدیدر اینجا، به‌طور خلاصه به دسته‌بندی چهار گروه از سیستم‌های تولیدی اشاره می‌شود:
کارگاهی: تولید کارگاهی توسط تعدادی از محصولات طراحی شده و طبق مشخصات مشتریان تولید می‌شود، هم‌چنین در مدت زمان مشخص و طبق هزینه‌ای معین ساخته می‌شود.
دسته‌ای: انجمن کنترل موجودی و تولید آمریکا نوعی از سیستم تولیدی را معرفی کرده است به نام، تولید دسته‌ای که برای تولید محصولات، عملیات مختلفی روی قطعات و مواد انجام می‌گیرد. باید توجه داشت که ممکن است هر محصول مسیرهای متفاوتی را تا تولیدشدن بپیماید.
انبوه: ساخت قطعات گسسته و یا مونتاژ آن‌ها با استفاده از یک فرآیند پیوسته را تولید انبوه می‌نامند. ویژگی این سیستم تولید حجم بسیار زیادی از محصولات است. ماشین‌آلات این سیستم طوری طراحی شده‌اند که هر خط به‌منظور تولید یک محصول تعبیه شده است.
پیوسته: در این سیستم تولیدی مواد اولیه وارد خط تولید می‌شوند و بصورت کاملاً پیوسته و بی‌وقفه توسط ماشین‌آلات تولیدی تا انتهای خط پیش می‌روند و محصول نهایی به‌دست می‌آید. در طول جریان تولید، اقلام ساخته شده به‎وسیله انتقال‌دهنده‌هایی مانند نوار نقاله جابجا می‌شوند.]11[
جدول 2-1– مقایسه انواع سیستم‌های تولیدی]11[نوع سیستم تولیدی ویژگی‌ها مزایا محدودیت‌ها
کارگاهی 1. تنوع زیاد محصولات و حجم کم تولید
2. استفاده از ماشین‌آلات عمومی
3. کارگران ماهر و متخصص
4. حجم بالای مواد و قطعات و ...
5. برنامه‌ریزی دقیق مواد و ماشین‌آلات و ... 1. تولید محصولات متنوع با استفاده از ماشین‌آلات عمومی
2. وجود کارگران متخصص و چند مهارته
3. استفاده کامل از پتانسیل اپراتورهای خط تولید
4. وجود فرصت‌های جدید جهت تولید خلاقانه محصولات نو 1. هزینه زیاد تولید بدلیل تعداد دفعات بالای تنظیمات خط
2. حجم بالای موجودی در تمامی سطوح تولید (ساخته، نیمه ساخته، قطعات و ...) و بالطبع آن هزینه بالای نگه‌داری
3. پیچیدگی برنامه‌ریزی تولید به جهت وجود کارگاه‌های مختلف
دسته‌ای 1. زمان تولید کوتاهتر
2. انعطاف پذیری ماشین‌آلات و چیدمان خط
3. نیاز به تنظیمات جدید جهت تولید هر محصول
4. کم شدن زمان موعد تحویل محصولات و هزینه‌ها در مقایسه با تولید کارگاهی 1. استفاده بهتر از ماشین‌آلات و فضای تولیدی
3. هزینه تولید کمتر هر واحد محصول در مقایسه با تولید کارگاهی
4. سرمایه‌گذاری کمتر ماشین‌آلات و فضای تولیدی
5. انعطاف پذیری تولید محصولات متنوع 1. پیچیده بودن برنامه‌ریزی مواد بدلیل جریان طولانی‌تر و نامنظم تولید
2. دشواری برنامه‌ریزی تولید و کنترل
3. بیشتر بودن میزان موجودی مواد در مقایسه با تولید پیوسته
4. هزینه بالاتر تولید بدلیل تغییرات متعدد در تنظیمات
انبوه 1. ظرفیت تولید و نرخ خروجی بیشتر ماشین‌آلات
2. حجم بالای تولید

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

3. سیکل کوتاهتر تولید
4. کم شدن موجودی در جریان ساخت و تولید
5. آسان‌تر بودن برنامه‌ریزی و کنترل تولید مواد 1. نرخ بالای میزان تولید با سیکل کوتاه
2. استفاده از ظرفیت بالاتر خط بدلیل بالانس کردن خط تولید
3. نیاز به‌کارگران معمولی و کمتر مهارت دیده
4. حجم پایین موجودی مواد
5. هزینه پایین تولید محصول 1. تغییر یافتن کل خط تولید هم‎زمان با تغییر طراحی محصول
2. نیاز به سرمایه‌گذاری زیاد ماشین‌آلات و امکانات تولیدی
3. تعیین شدن سیکل تولید با توجه به زمان گلوگاه
پیوسته 1. عدم انعطاف پذیری چیدمان و طراحی ماشین‌آلات
2. وابستگی و توالی فرآیندهای تولید
3. غیرقابل‌تفکیک بودن محصول نهایی بدلیل ترکیب شدن از چندین ماده اولیه
4. برنامه‌ریزی و زمان‌بندی امری روزمره می‌باشد 1. استاندارد بودن محصول و پروسه تولید
2. نرخ بالاتر میزان تولید با توجه به زمان کوتاه‌تر سیکل تولید
3. نیاز به‌کارگران بامهارت کم
4. هزینه کم تولید با توجه به میزان بالای حجم تولیدی
5. جابجایی اتوماتیک مواد 1. انعطاف پذیری کم خط تولید
2. نیاز به سرمایه زیاد جهت تنظیم دستگاه‌ها
3. تنوع کم محصولات کم
4. توقف یکی از ماشین‌آلات منجر به توقف کل خط تولید خواهد شد
2-5- آشنایی با فرآیندهای تولید و انواع آن
فرآیند تولید سازمان همواره از اجزایی تشکیل شده است که با کنار هم قرار گرفتن یکدیگر "فرآیند تولید" را شکل می‌دهند. ارائه طرحی برای کنار هم قرار دادن اجزای فرآیند تولید را "طراحی فرآیند تولید" گویند. از آنجایی که فعالیت اصلی یک کارخانه، تولید محصول است؛ بنابراین چگونگی عملکرد فرآیند تولید، برای یک کارخانه عامل اساسی و حیاتی محسوب می‌شود. فرآیند تولید باید به گونه‌ای طراحی گردد که علاوه ‌بر اثربخش و کارا بودن با امکانات سازمان و نیازهای محصول نیز مطابقت داشته باشد. بنابراین طراحان فرآیند تولید باید با شناخت دقیق انواع طرح‌ها و با توجه به اهداف سازمان و توانایی‌ها و امکانات موجود، طرح موردنیاز خود را بیایند و فرآیند تولید را بر طبق آن شکل دهند. به‌طور کلی فرآیند تولید را می‌توان به دو فرآیند تولید پیوسته و غیر پیوسته دسته‌بندی نمود:
فرآیند تولید پیوسته: در این نوع فرآیند ایستگاه‌های کاری به‌طور متوالی براساس مراحل انجام فعالیت بر روی محصول کنار یکدیگر قرار می‌گیرند. به‌طوری که هر ایستگاه کاری فعالیت ایستگاه قبلی را تکمیل می‌کند. بنابراین، فعالیت‌های هر ایستگاه تخصصی هست و درصورت از کار افتادن یک ایستگاه، کل خط تولید متوقف می‌شود. در این سیستم مواد اولیه وارد اولین ایستگاه شده به‌ترتیب در ایستگاه‌ها به‌طور متوالی کامل‌تر می‌شود و درنهایت به محصول تکمیل شده تبدیل می‌شود. حجم تولید بالا و تنوع کم محصولات از ویژگی‌های این نوع فرآیند است.
فرآیند تولید غیر پیوسته: در این نوع فرآیند بین ایستگاه‌های کاری توالی خاصی وجود ندارد و ایستگاه‌ها به تفکیک و بصورت مجزا در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند و هر محصول با توجه به فرآیند موردنیاز خود مسیر خاصی را طی می‌نماید. به‌دلیل عمومی‌بودن ماشین‌آلات و تجهیزات می‌توان محصولات مختلفی را مطابق نیاز مشتری تولید نمود.]12[
در فرآیندهای تولیدی غیر پیوسته با محدودیتی بنام ظرفیت انبارهای میانگیر مواجه هستیم. انبار میانگیر چیست و چه ویژگی‌ای دارد؟ در ادامه به این پرسش، جواب‌ داده خواهد شد:
پردازش کارها در هر فرآیند تولیدی می‌تواند با مجموعه‌ای از بایدها و نبایدها مواجه باشد. این بایدها و نبایدها که در علم تصمیم‌گیری "محدودیت" نامیده می‌شوند، به شکل‌های گوناگونی در مسائل زمان‌بندی عملیات بروز می‌نمایند. این محدودیت‌ها معمولاً وابسته به ساختار فرآیند تولید هستند. ]6[
یکی از محدودیت‌های وابسته به ساختار تولید، محدودیت مربوط به انبارهای میانگیر و خطوط انتظار است. در بسیاری از سیستم‌های تولیدی به‌ویژه سیستم‌هایی که محصولات را به‌صورت فله‌ای و انبوه تولید می‌نمایند، این محدودیت به چشم می‌خورد. ظرفیت انبارهای میانگیر که بین هر دو مرحله از فرآیند وجود دارد، محدود است و در صورت پُر بودن انبارهای میانگیر، فعالیت قبل از انبار بلوکه (متوقف) می‌شود. شروع مجدد این عملیات تا زمان محیا شدن ظرفیت در انبار میانگیر به تعویق می‌افتد. در شکل 2-2 ساختار این‌گونه خطوط تولید نشان داده شده است. در این شکل دایره‌ها نشان‌دهنده ماشین‌آلات و مثلث‌ها نشان‌دهنده انبارهای میانگیر هستند.]6[
M1
B1
M2
B2
M3
M1
B1
M2
B2
M3

شکل 2-2- خط جریان کارگاهی با انبار میانگیر]6[در زمینه سیستم‌های تولیدی و مدیریت تولید، مسائل و موضوعاتی مطرح می‌شود که برای حل آن‌ها از روش‌های متفاوتی استفاده می‌شود. یکی از این‌گونه مسائل که در فرآیند تولید انبوه گسسته رخ می‌دهد، برنامه‌ریزی جهت تعیین ظرفیت انبارهای میانگیر است. عمدتاً، برای حل این‌چنین مسائلی از بهینه‌سازی شبیه‌سازی استفاده می‌شود.]6[
2-6- نقش شبیه‌سازی در مسائل برنامه‌ریزی تولیدحل مسائل زمان‌بندی فارغ از ساختار مسئله و نوع الگوریتم مورد استفاده، به‌طور قابل‌توجهی با شبیه‌سازی گره خورده است. این تکنیک، نه تنها در تئوری‌های حل مسائل زمان‌بندی نقش پررنگی دارد بلکه در مرحله اجرای برنامه‌های زمان‌بندی نیز یکی از ابزارهای جدانشدنی است. در این بخش، ابتدا مروری بر تعریف شبیه‌سازی صورت گرفته و سپس این کارکردها توصیف می‌شوند. تعاریف متعددی از شبیه‌سازی وجود دارد که در اینجا به تعریفی از هیلیر و لیبرمن اشاره می‌شود:]6[
"شبیه‌سازی به معنای استفاده از کامپیوتر در راستای تقلید رفتار یک فرایند یا یک سیستم است."
در مطالعات بهینه‌سازی، هنگامی که سیستم‌های مورد مطالعه خیلی پیچیده شوند استفاده از شبیه‌سازی ناگزیر است. با این وجود در بسیاری از مسائل زمان‌بندی تولید که ساختار ساده‌ای دارند نیز شبیه‌سازی به‌کارگرفته می‌شود. ساخت یک مدل شبیه‌سازی که بتواند برای زمان‌بندی بکارگرفته شود مجموعه‌ای از ورودی‌ها را احتیاج دارد که عبارتند از:]6[
افراد، ماشین‌ها، وسایل حمل‌ونقل و سایر منابع چه زمانی قابل بهره‌برداری هستند؟
چه محصولی باید ساخته شود یا چه خدمتی باید ارائه شود؟
فرایند ساخت محصول یا ارائه خدمات کدام است؟
چه منابعی و به چه میزان برای تولید محصول یا ارائه خدمات لازم هستند؟
از هر محصول چه تعداد برای هر مشتری تولید شود یا مشتری به چه خدماتی احتیاج دارد؟
محصولات در چه زمانی باید به مشتری تحویل داده شود یا خدمات در چه زمانی مهیا باشد؟
ترتیب انجام کارها روی ماشین‌آلات
با دریافت این ورودی‌ها (در یک سیستم تولیدی) نرم‌افزار شبیه‌ساز قادر است زمان ورود هر کار به هر ایستگاه، زمان پایان کار در هر ایستگاه، زمان ورود به انبارهای میانگیر، زمان خروج از انبار و ... را مشخص و بر اساس آن‌ها خروجی‌های متنوعی را تولید کند:]6[
زمآن‌های بیکاری و اشتغال ماشین‌آلات
زمان تکمیل محصول
نمودار گانت
تابع هدف مسئله
آمار توصیفی (راندمان و متوسط کار تکمیل شده در هر واحد زمان و ...)
1416052012950زمان های بیکاری
مقدار تابع هدف
زمان تکمیل
نمودار گانت
آمار توصیفی
شبیه ساز
مشخصات‌کارها (مراحل تکمیل،تعداد...)
مشخصات منابع (مقدار، محدودیتها ...)
میزان استفاده هر کار از هر منبع
محدودیت ها
ترتیب انجام کارها روی ماشین آلات
زمان های بیکاری
مقدار تابع هدف
زمان تکمیل
نمودار گانت
آمار توصیفی
شبیه ساز
مشخصات‌کارها (مراحل تکمیل،تعداد...)
مشخصات منابع (مقدار، محدودیتها ...)
میزان استفاده هر کار از هر منبع
محدودیت ها
ترتیب انجام کارها روی ماشین آلات

شکل 2-3- بخشی از ورودی‌ها و خروجی‌های یک مدل شبیه‌سازی برنامه‌ریزی و زمان‌بندی تولید]6[نرم‌افزارهای شبیه‌ساز می‌توانند شامل مجموع قوانین و الگوریتم هایی برای حل مسائل زمان‌بندی باشند تا خود نسبت به تهیه برنامه زمان‌بندی اقدام نمایند. از سوئی دیگر شبیه‌سازی می‌تواند رفتارهای تصادفی خط تولید را با استفاده از تابع توزیع احتمال تقلید کند، این امر در محاسبه تابع هدف مسائل زمان‌بندی تصادفی کاربرد گسترده‌ای دارد. چهار الگوی متفاوت از بکارگیری شبیه‌سازی در مسائل زمان‌بندی قابل شناسایی است:]6[
تهیه برنامه زمان‌بندی توسط برنامه شبیه‌ساز
شبیه‌سازی برای تنظیم پارامترهای الگوریتم‌های ابتکاری
شبیه‌سازی برای ارزیابی راهکارهای متفاوت زمان‌بندی
شبیه‌سازی برای تقلید رفتارهای تصادفی سیستم
2-7- تهیه برنامه زمان‌بندی توسط برنامه شبیه‌سازتهیه برنامه زمان‌بندی توسط برنامه شبیه‌ساز به معنای استفاده از شبیه‌سازی برای تعیین زمان‌بندی با افق کوتاه‌مدت چندساعته و حداکثر یک‌روزه است. قوانین ارسال کارها به مراکز کاری و ماشین‌آلات در موتور نرم‌افزار شبیه‌ساز تعبیه شده است. این دستورالعمل‌ها می‌توانند الگوریتم‌های ابتکاری و یا الگوریتم‌های دقیق ریاضی باشند. بخش‌های اساسی این سیستم عبارتند از:]6[
یک موتور شبیه‌سازی که شامل چندین قانون برای انتخاب و ارسال کار بعدی است.
یک رابط گرافیکی که نمودار گانت را بر اساس نتایج اجرای شبیه‌سازی تهیه می‌کند.
یک رابط با سیستم اطلاعاتی کارگاه که فهرست زمان‌بندی شده را تهیه می‌کند.
از آنجایی که این الگو برای دوره‌های کوتاه مدت بکار می‌رود کلیه وضعیت‌های تصادفی (مثل خرابی ماشین‌آلات) نادیده گرفته می‌شوند. در این نوع زمان‌بندی تهیه اولیه مدل مناسب از اهمیت ویژه ای برخوردار است.
زیر سیستم تعیین اولویت انجام کارها روی ماشین‌آلات که به چند قانون گسیل کارها مجهز است ابتدا با استفاده از مجموعه اطلاعات اولیه و به کمک قوانین، اولویت انجام کارها روی ماشین‌آلات را تعیین نموده و آن‌را در اختیار زیر سیستم شبیه‌ساز خط تولید قرار می‌دهد. شکل 2-4 این ساختار را به تصویر کشیده است.]6[
ترتیب انجام کارها
شبیه ساز
مشخصات‌کارها (مراحل تکمیل،تعداد...)
مشخصات منابع (مقدار، محدودیتها ...)
میزان استفاده هر کار از هر منبع
محدودیت ها
قوانین زمان‌بندی




ترتیب انجام کارها
شبیه ساز
مشخصات‌کارها (مراحل تکمیل،تعداد...)
مشخصات منابع (مقدار، محدودیتها ...)
میزان استفاده هر کار از هر منبع
محدودیت ها
قوانین زمان‌بندی




شکل 2-4- تعبیه بخش تهیه برنامه زمان‌بندی در شبیه‌ساز برنامه‌ریزی و زمان‌بندی تولید]6[2-7-1- شبیه‌سازی برای تنظیم پارامترهای الگوریتم‌های ابتکاریالگوریتم‌های ابتکاری و فرا ابتکاری اغلب شامل پارامترهای مشخصی هستند که کارایی الگوریتم را تحت تاثیر قرار می‌دهند. این پارامترها باید برای طیف متنوعی از شرایط تطبیق داده شوند. مثلا ممکن است نزدیک بودن یا نبودن زمان تحویل کار به دو تنظیم متفاوت از یک پارامتر 176530964565برنامه زمان‌بندی 1
برنامه زمان‌بندی 2
برنامه زمان‌بندی k
شرایط "الف"
شبیه ساز
الگوریتم ابتکاری
...
...
...
α = a1
α = a2
α = ak
...
...
مقدار تابع هدف k
مقدار تابع هدف 2
مقدار تابع هدف 1
برنامه زمان‌بندی 1
برنامه زمان‌بندی 2
برنامه زمان‌بندی k
شرایط "الف"
شبیه ساز
الگوریتم ابتکاری
...
...
...
α = a1
α = a2
α = ak
...
...
مقدار تابع هدف k
مقدار تابع هدف 2
مقدار تابع هدف 1
احتیاج داشته باشد.]6[
شکل 2-5- تنظیم پارامترهای الگوریتم ابتکاری (فراابتکاری) در شبیه‌ساز برنامه‌ریزی و زمان‌بندی تولید]6[معمولاً به ازاء یک وضعیت مشخص به هر یک از پارامترهای الگوریتم ابتکاری (یا فراابتکاری) مقادیر مختلفی اختصاص می‌یابد و به ازاء هر مقدار رفتار سیستم شبیه‌سازی شده و مقدار تابع هدف مشخص می‌گردد. مقادیری که منجر به کمترین مقدار تابع هدف میشود همراه با وضعیت متناظر آن ذخیره می‌شود تا در مواقع مناسب مورد استفاده قرار گیرد. در شکل 2-5 در شرایط "الف" (مثل نزدیک‌بودن موعد تحویل) به پارامتری از مسئله، k مقدار متفاوت داده می‌شود تا k برنامه زمان‌بندی تهیه کند. مقدار تابع هدف به ازاء هر برنامه محاسبه می‌شود. بهترین مقدار پارامتر برای شرایط "الف" با توجه به بهترین مقدار تابع هدف تعیین می‌شود.]6[
2-7-2- شبیه‌سازی برای ارزیابی راهکارهای متفاوت زمان‌بندیشبیه‌سازها می‌توانند هیچ نقشی در تولید برنامه زمان‌بندی نداشته باشند و تنها رفتار خط تولید را به ازاء برنامه‌های زمان‌بندی متفاوت تقلید نمایند. در این الگوی به‌کارگیری "برنامه زمان‌بندی" یکی از ورودی‌های شبیه‌ساز است که توسط زیربرنامه‌های داخلی نرم‌افزار تولید نمی‌شود. زیربرنامه شبیه‌ساز بر اساس برنامه زمان‌بندی مشخصی که اعلام می‌شود رفتار سیستم را شبیه‌سازی نموده و "تابع هدف" یا هر معیار ارزیابی دیگری را برای سنجش عملکرد برنامه زمان‌بندی ارائه می‌دهد. پس از محاسبه k مقدار تابع هدف (معیار ارزیابی) می‌توان مشخص نمود که مناسب‌ترین برنامه زمان‌بندی کدام است.]6[
centertopشبیه ساز
...
...
برنامه زمان‌بندی 1
برنامه زمان‌بندی 2
برنامه زمان‌بندی k
مقدار تابع هدف k
مقدار تابع هدف 2
مقدار تابع هدف 1
...
...
شبیه ساز
...
...
برنامه زمان‌بندی 1
برنامه زمان‌بندی 2
برنامه زمان‌بندی k
مقدار تابع هدف k
مقدار تابع هدف 2
مقدار تابع هدف 1
...
...

شکل 2-6- شبیه‌سازی برای مقایسه عملکرد برنامه‌های زمان‌بندی]6[از این روش، زمانی استفاده می‌شود که چندین برنامه زمان‌بندی باید قبل از اجرای عملی با یکدیگر مقایسه شوند و مناسب‌ترین برنامه انتخاب شود. به‌ویژه این روش بخش اساسی برای الگوریتم شمارش کامل محسوب می‌شود. در این الگوریتم‌ها میتوان با استفاده از شبیه‌ساز، تابع هدف را به ازاء کلیه جواب‌های موجه (برنامه‌های زمان‌بندی قابل قبول) محاسبه نمود و با توجه به معیار ارزیابی عملکرد زمان‌بندی مناسب را تعیین کرد.]6[
2-7-3- شبیه‌سازی برای تقلید رفتارهای تصادفی سیستمبا ظهور شرایط تصادفی در مسائل زمان‌بندی و افزایش پیچیدگی‌های مسئله نقش شبیه‌سازی در حل این مسائل پررنگ‌تر می‌شود. در برخی شرایط حتی مسائل بسیار کوچک زمان‌بندی تصادفی با استفاده از روش‌های دقیق قابل حل نیستند. اگر رویدادهای مدل مثل زمان انجام کارها روی ماشین‌آلات از توزیع احتمال مشخصی پیروی کنند وظیفه بخشی از نرم‌افزار شبیه‌ساز است که این رفتار‌های تصادفی را تقلید کند و زمآن‌های شبیه‌سازی شده (یا هر ویژگی تصادفی شبیه‌سازی شده دیگر) را در اختیار زیربرنامه شبیه‌ساز خط تولید قرار دهد. در شکل 2-7 ارتباط بین زیربرنامه شبیه‌ساز خط تولید و زیربرنامه شبیه‌ساز رفتارهای تصادفی به تصویر کشیده شده است.]6[
2923097217855زمان انجام کار 1
زمان انجام کار 2
زمان انجام کار n

شبیه ساز
تولید کننده الگوی تصادفی
...
...
...
توزیع احتمال کار 1
توزیع احتمال کار 2
توزیع احتمال کار n
...
...
زمان انجام کار 1
زمان انجام کار 2
زمان انجام کار n

شبیه ساز
تولید کننده الگوی تصادفی
...
...
...
توزیع احتمال کار 1
توزیع احتمال کار 2
توزیع احتمال کار n
...
...

شکل 2-7- شبیه‌سازی برای تقلید رفتارهای تصادفی سیستم]6[آن‎چه در کلیه الگوهای بکارگیری شبیه‌سازی در حل مسائل زمان‌بندی مشترک است محاسبه تابع هدف است. محاسبه تابع هدف در مسائل قطعی و تصادفی از سازوکارهای متفاوتی پیروی می‌کند.
2-8- درنگی بر مفاهیم شبیه‌سازیدر این بخش، به‌منظور آشنایی با مفاهیم تخصصی شبیه‌سازی هنگام مدل‌سازی به شرح مختصری از آن‌ها پرداخته می‌شود:
2-8-1- سیستم
سیستم، مجموعه‌ای از اشیاء، افراد و یا ماشین‌آلات می‌باشند که با هم در راستای تحقق هدف واحدی عمل و عکس العمل دارند. برای مثال در یک خط مونتاژ ماشین ها، قطعات و کارگران با هم در امتداد خط کار می‌کنند تا محصولی را با کیفیت بالا تولید کنند.
هر سیستم، اغلب تحت تأثیر تغییراتی قرار می‌گیرد که در خارج از سیستم روی می‌دهند. گفته می‌شود که این تغییرات پیرامون سیستم رخ می‌دهند. در مدل‌سازی سیستم‌ها لازم است که مرز بین سیستم و پیرامون آن تعیین شود. چگونگی تعیین این مرز ممکن است به هدف از مطالعه سیستم بستگی داشته باشد.]13[
2-8-2- مدلمدل، تصویری است انتزاعی از پدیده‌ای که اتفاق افتاده یا ممکن است روی دهد. در ساختن مدل همه یا بعضی از متغیرهای مؤثر در پدیده مورد مطالعه و روابط بین آن‌ها تا حد ممکن ملحوظ می‌شوند. به‌وسیله مدل می‌توان اطلاعاتی در مورد پدیده موردنظر به‌دست آورد. هر چه اطلاعات حاصل از مدل به پدیده واقعی نزدیکتر باشد، اعتبار مدل بیشتر است.]14[
انواع مدل‌ها
مدل‌های شکلی یا آیکونیک: بعضی از مدل‌ها بیشتر به‌منظور بررسی ظاهر پدیده‌ها ساخته می‌شوند. به‌عنوان نمونه می‌توان از ماکت‌هایی که برای نمایش بناهای گوناگون مثل پل‌ها و سدها ساخته می‌شود، نام برد. این‎گونه مدل‌ها را که از نظر ظاهری به پدیده موردنظر شباهت دارند ولی از نظر رفتاری اطلاعات ناچیزی در مورد پدیده اصلی در اختیار قرار می‌دهند، مدل‌های شکلی می‌نامند.
مدل‌های شبیه‌سازی: با وجود عدم شباهت ظاهری به پدیده واقعی می‌توانند اطلاعاتی در مورد رفتار متغیرهای پدیده اصلی ارائه دهند. استفاده از رایانه برای اجرای آزمایش مدل‌های شبیه‌سازی در زمره مهم‌ترین کاربردهای رایانه در دنیای امروز به‌شمار می‌رود.]14[
2-8-3- اجزای یک مدل شبیه‌سازی
حالت: جمعی از متغیرها که تمام اطلاعات لازم برای تشریح سیستم در هر لحظه را در برداشته باشند.
عنصر: عناصر باعث تغییر در حالت اجزاء می‌شوند. بدون عناصر هیچ اتفاقی در مدل شبیه‌سازی رخ نمی‌دهد. قطعه تولیدی، افراد نمونه‎هایی از عناصر می‌باشند. عناصر دارای ویژگی‌هایی می‌باشند. این ویژگی‌ها مشخصه هایی از عنصر می‌باشند که آن‌را منحصر به‎فرد می‌سازند.
جزء : جزء یا گره که برای خدمت رسانی، نگه‌داری، تولید و یا پردازش عناصر در سیستم منظور می‌گردد. هر جزء دارای ویژگی‌های منحصر به‌فردی می‌باشد که در فصل بعد به آن‌ها اشاره شده است.
رویدادها: شرایطی هستند که در نقطه‌ای از زمان رخ داده و موجب تغییر در وضعیت سیستم می‌گردند. تأخیر، صف و توقف سه نوع اتفاق موجود در مدل شبیه‌سازی می‌باشد.
منطق: اصولی که حاکم بر پیاده شدن یک فرآیند یا انجام یک فعالیت در سیستم می‌باشد.
منابع: در شبیه‌سازی منابع به مواردی اطلاق می‌شود که دارای ظرفیت محدود باشند. کارگران و ماشین‌آلات از این دسته می‌باشند.]14[
2-9- کاربردهای شبیه‌سازی در اداره واحدهای تولیدی
کاربردهای شبیه‌سازی در واحدهای تولیدی را می‌توان به سه دسته تقسیم کرد:]15[
بررسی نیازهای واقعی یک واحد تولیدی به تجهیزات و پرسنل (تعداد و نوع ماشین‌آلات، تعداد و نوع استقرار وسایل حمل‌ونقل، مکان و حجم انبارهای میانگیر ...)
ارزیابی نحوه و چگونگی عملکرد سیستم تولیدی (بررسی میزان کالای تولید شده، بررسی زمان ترانزیت سفارش در کارگاه، تجزیه و تحلیل گلوگاه‌های تولیدی و ...)
ارزیابی روش‌های کار (برنامه‌ریزی تولید شامل ارزیابی سیاست جاری یا پیشنهادی در رابطه با موضوعات مختلف و استراتژی‌های کنترل)
2-10- محاسن کاربرد شبیه‌سازی در صنعتاز مزایای کاربرد شبیه‌سازی در صنعت می‌توان به موارد زیر اشار کرد:]15[
الف) نرخ تولید، بدلیل کاهش ضایعات، افزایش کارایی ماشین‌آلات و پرسنل از طریق ارزیابی، تعیین و به‌کارگیری روش‌های بهینه انجام کار، افزایش می‌یابد.
ب) سرمایه موردنیاز کاهش می‌یابد. با وجود یک سیستم رایانه‌ای شبیه‌سازی امکان حصول طرح بهینه استقرار، تعیین میزان بهینه موجودی (مواد خام، کالای نیمه ساخته و کالای ساخته شده) و تعیین تعداد بهینه ماشین‌آلات، پرسنل و ابزار و تجهیزات فراهم می‌آید و از طریق صرفه جویی در نیاز به سرمایه پدیدآور می‌شود.
ج) اطمینان خاطری در مورد این‌که یک طرح پیشنهادی درصورت پیاده‌سازی برطبق انتظار عمل خواهد کرد، به‎وجود می‌آید.
2-11- انواع نرم‌افزارهای شبیه‌سازی
با پیشرفت چشم‌گیر علم در زمینه‌های مختلف، نرم‌افزارهایی با قابلیتهای بسیار قوی طراحی شده‌اند که به‌منظور به‌کارگیری این علوم، به یاری پژوهشگران شتافتند. نرم‌افزارهای طراحی شده جهت انجام شبیه‌سازی در طی سالیان از قابلیت‌های ویژه‎ای برخوردار بودهاند. در جدول زیر اسامی این نرم‌افزارها ارائه شده است. ]16[
جدول 2-2- معرفی انواع نرم‌افزارهای شبیه‌سازی]16[ردیف نام نرم‌افزار ردیف نام نرم‌افزار
1 Arena 10 Quest
2 Auto Mod 11 ShowFlow
3 Awe Sim 12 SIGMA
4 Enterprise Dynamics 13 Simprocess
5 Extend 14 Simul8
6 Flexsim 15 SLX
7 GPSS/H 16 Visual Simulation Environment
8 Micro Saint 17 Witness
9 ProModel در این پژوهش، جهت شبیه‌سازی از نرم افزار Simul8 استفاده شده که در پایان این فصل توضیح مختصری درباره آن داده خواهد شد.
پس از آشنایی با مفاهیم شبیه‌سازی به موضوع اصلی که بهینه‌سازیِ شبیه‌سازی است، پرداخته می‌شود.
2-12- بهینه‌سازیِ شبیه‌سازیمفهوم "بهینه‌سازیِ شبیه‌سازی" در شبیه‌سازی سیستم‌ها با استفاده از رایانه عبارت است از «فرآیند یافتن بهترین مقادیر ورودی از بین کلیه حالات ممکن، بدون این‌که کلیه حالات ممکن مورد ارزیابی قرار گیرند. هدف از بهینه‌سازی شبیه‌سازی حداقل‎نمودن منابع صرف‌شده در عملیات شبیه‌سازی است به نحوی که بیشترین اطلاعات ممکن از این عملیات حاصل شود». در مثال مربوط به توالی عملیات و زمان‌بندی، هدف از بهینه‌سازی شبیه‌سازی تولید جریانی این است که از بین کلیه حالات ممکن که برای n کار برابر با n! است بهترین جایگشت انتخاب شود بدون این‌که برای همه جایگشت‌ها عملیات شبیه‌سازی انجام شود و عملیات شبیه‌سازی فقط برای تعداد محدودی از جایگشت‌ها صورت پذیرد. فرض کنید تعداد جایگشت‌هایی که شبیه‌سازی برای آن‌ها انجام میشود را با K نشان دهیم. شکل 2-8 تصویری شماتیک از بهینه‌سازی شبیه‌سازی ارائه می‌دهد.]6[
3194054224655جایگشت اول
جایگشت دوم
جایگشت kام
شبیه ساز
الگوریتم فیلترینگ
جایگشت 1
جایگشت 2
جایگشت n!
0جایگشت اول
جایگشت دوم
جایگشت kام
شبیه ساز
الگوریتم فیلترینگ
جایگشت 1
جایگشت 2
جایگشت n!
شکل 2-8- ساختار کلی بهینه‌سازی شبیه‌سازی]6[2-13- روش‌های بهینه‌سازی شبیه‌سازیبه‌طور کلی بهینه‌سازی شبیه‌سازی فرآیند تعیین مقادیر بهینه متغیرهای ورودی سیستم به‌منظور حداکثرکردن متغیرهای عملکردی است. مدل‌های بهینه‌سازی شبیه‌سازی دارای تابع هدف (یعنی، بهینه‌نمودن جواب‌ مدل شبیه‌سازی) و مجموعه‌ای از محدودیت‌ها می‌باشند]2[.
روش‌های بهینه‌سازی شبیه‌سازی به گروه‌های مختلفی تقسیم می‌شود که توسط محققین مختلف پیمایش‌های ارزشمندی در این زمینه انجام شده است. در ادبیات تحقیق، شش گروه اصلی از روش‌ها قابل شناسایی هستند. این گروه‌های اصلی از ایده‌های زیربنایی متفاوتی استفاده می‌کنند.]6[
الف) رتبه‌بندی و انتخاب
در این شیوه فرض می‌شود که تعداد راهکارها (جواب‌های موجه مسئله) ثابت است و نیازی به جستجوی راهکارهای جدید نیست و مسئله شکلی از استنباط آماری را به خود می‌گیرد. فرض کنید احتمال انتخاب جواب درست را با «انتخاب جواب بهینه یا نزدیک به بهینه» تعریف کنیم. در این‌صورت مسئله می‌تواند به یکی از دو شکل زیر فرموله شود:
- تعداد تکرارهای شبیه‌سازی را حداقل کنید مشروط بر اینکه احتمال انتخاب جواب درست بیش از مقدار معینی باشد.
- احتمال انتخاب جواب درست را حداکثر کنید مشروط بر اینکه محدودیت هزینه‌های شبیه‌سازی مدنظر قرار بگیرد.
در مورد اول می‌توان در سطحی از اطمینان به حصول جواب مناسب اطمینان داشت اما تعداد محاسبات مورد نیاز مشخص نیست. در شکل دوم محاسبات محدود است اما نمی‌توان به درستی در خصوص کیفیت جواب به‌دست آمده اظهارنظر کرد.
ب) روش جواب‌ سطح
این روش سعی در برازش تعدادی مدل رگرسیونی بین ورودی‌ها و خروجی‌های یک مدل شبیه‌سازی و بهینه نمودن تابع رگرسیونی دارد. این فرایند با یک مدل رگرسیونی درجه اول شروع می‌شود و پس از رسیدن به شرایط بهینه از توآن‌های بالاتر مدل رگرسیونی استفاده می‌شود. در ادبیات طراحی آزمایش‌ها متغیر‌های ورودی و تابع هدف را به‌ترتیب فاکتور و جواب‌ می‌نامند.
ج) روش مبتنی بر گرادیان
این روش در پی آن است که نقش خود در بهینه‌سازی قطعی را در بهینه‌سازی تصادفی ایفا نماید. ایده اساسی این است که به ازاء هر جواب، حرکت در جهت گرادیان بهترین تغییر است. با این روش برآورد مشتق تابع هدف نسبت به متغیر xi با استفاده از رابطه زیر صورت می‌گیرد:
(2-14)
برای برآورد گرادیان به ازاء بردار X حداقل n+1 مدل شبیه‌سازی باید اجرا شود. افزایش دقت محاسبه G نیازمند افزایش تعداد محاسبات است. این روش از ایده‌های حل مسائل برنامه‌ریزی غیر خطی سود می‌برد و برای متغیر‌های تصمیم پیوسته مناسب است.
د) جستجوی تصادفی
برخلاف روش مبتنی بر گرادیان، روش جستجوی تصادفی برای مسائلی به‎کار می‌رود که متغیر تصمیم آن‌ها گسسته است. این روش ابتدا برای حل مسائل قطعی پایه‌گذاری شد و سپس در زمینه مسائل تصادفی نیز به کار گرفته شد. این روش نیز همانند روش گرادیان برای رسیدن به جواب بهینه از یک نقطه به نقطه دیگر می‌رود. اما انتخاب نقطه بعد بصورت احتمالی و از همسایگی نقطه جاری انتخاب می‌شود. در به‌کار گیری این روش دو نکته حائز اهمیت است.
- فهرست نقاط کاندید برای حرکت بعدی چگونه انتخاب شود؟
- بهترین جواب تاکنون کدام است؟
انتخاب بهترین جواب در مسائل قطعی مشکلی به‌وجود نمی آورد زیرا مقدار به‌دست آمده برای تابع هدف به ازاء هر جواب، مقدار قطعی تابع هدف است. اما در مسائل تصادفی با توجه به اختلالات ذاتی تابع هدف انتخاب بهترین جواب کار ساده‌ای نیست.
هـ) تقریب میانگین نمونه
روش تقریب میانگین نمونه که بهینه‌سازی مسیر نمونه نیز نامیده می‌شود، ابتدا شبیه‌سازی را به تعداد زیاد انجام داده و سپس تقریب‌های به‌دست آمده را بهینه می‎کند، پس از به‌دست آمدن مقدار متوسط تابع هدف مقدار بهینه آن با استفاده از روش‌های برنامه‎ریزی غیرخطی که در مسائل قطعی کاربرد دارند، مشخص می‌شود.
و) فراابتکاری‌ها
برای هدایت روش‌های ابتکاری استفاده می‌شود تا در دام نقاط بهینه محلی گرفتار نشوند. رایج‌ترین الگوریتم‌های فراابتکاری در حل مسائل بهینه‌سازی ترکیبیاتی عبارتند از شبیه‌سازی تبرید تدریجی (SA)، جستجوی ممنوع (TS)، الگوریتم ژنتیک (GA)، جمعیت مورچگان (ACO). الگوریتم‌های مذکور در یک ایده اساسی مشترک هستند و آن شروع حل مسئله از یک یا چند جواب ابتدایی و حرکت از نقاط آغازین به سمت نقاط بهتر است. تفاوت بین این الگوریتم‌های چگونگی تعیین نقاط شروع و سازوکار حرکت به سمت جواب‌های بهتر است. این تکنیک‌ها معمولاً نتیجه تطبیق ایده‌های متعلق به حوزه‌های مختلف تحقیق هستند. ایده‌های اساسی که الهام‌بخش هر یک از الگوریتم‌ها هستند معمولاً از زمینه‌های غیر منتظره شکل می‌گیرد.
در قدم بعدی، در مورد نحوه پیدایش الگوریتم‌های فراابتکاری و زمینه‌های کاربردیشان بحث می‌شود. اما با توجه به این‌که راه‌حل بهینه‌سازی مسئله موجود با الگوریتم ژنتیک می‌باشد، این الگوریتم به‌طور کامل تشریح شده است.
2-14- معرفی انواع الگوریتم‌های فراابتکاری
2-14-1- الگوریتم نزولیکی از انواع الگوریتم‌های فراابتکاری، یک الگوریتم ساده با نام الگوریتم نزول است که از کارایی پایینی برخوردار می‌باشد.
الگوریتم نزول روشی است که جستجو را از یک جواب اولیه شروع کرده و در هر تکرار جواب فعلی را با یک جواب بهتر که در همسایگی آن است، جایگزین می‌کند. این روش تنها حرکت به سمت جواب‌هایی را مجاز دانسته که تابع هدف فعلی را بهبود بخشد و هنگامی که دیگر جواب بهتری پیدا نشود، اجرای الگوریتم به پایان می‌رسد. جواب نهایی یافت شده توسط این الگوریتم، جواب بهینه محلی نامیده می‌شود. به‌طوری که این جواب یا خوب است یا دست کم از جواب‌های همسایگی خود بهتر است. یکی از نواقص آشکار الگوریتم نزول این است که با احتمال زیاد یک جواب بهینه محلی، بهینه مطلق نخواهد بود و تابع هدف را به ازای همه جواب‌های منطقه موجه بهینه نخواهد کرد.]8[
2-14-1-1- مراحل اجرای الگوریتم نزولحل مسائل بهینه‌سازی شبیه‌سازی طبق مراحل زیر صورت می‌گیرد:
تولید اعداد تصادفی
انتخاب جواب اولیه
انتخاب یک جواب در همسایگی
پذیرش یا رد جواب جدید]8[
2-14-1-2- نقاط ضعف الگوریتم نزولمهم‌ترین نقطه ضعف الگوریتم نزول این است که احتمال گرفتار شدن الگوریتم در دام نقاط بهینه محلی بسیار زیاد است. این موضوع ناشی از رویکرد حریصانه الگوریتم است که در پی‌یافتن نخستین جوابی است که از نقاط همسایگی خود بهتر است. الگوریتم‌های فراابتکاری به‌منظور گریز از چنین دام‌هایی از رویکردهای تمرکز و تنوع بهره می‌برند.]8[
2-14-2- شبیه‌سازی تبرید تدریجیالگوریتم شبیه‌سازی تبرید تدریجی که در متون فارسی با عناوین شبیه‌سازی آنیل و الگوریتم شیشه یا کریستال نیز از آن یاد شده است را می‌توان از نظر سازوکار اجرا و فعالیت‌های برنامه‎نویسی موردنیاز، ساده‌ترین الگوریتم فراابتکاری دانست. این سادگی باعث نمی‌شود که کارایی این الگوریتم با دیده‌ تردید نگریسته شود. انتشارات متعددی را می‌توان ملاحظه کرد که از توانایی این الگوریتم در حل مسائل متنوع سود برده‌اند.]8[
2-14-2-1- تاریخچه و زمینه پیدایشالگوریتم SA نخستین بار توسط کرک پاتریک در سال 1982 معرفی شد. این الگوریتم بر اساس مدل توسعه‌یافته توسط متروپلیس برای شبیه‌سازی فرآیند فیزیکی تبرید تدریجی شکل گرفته است. فیزیکدانان برای تغییر در وضعیت یک ماده از یک پارامتر مهم یعنی دما استفاده می‌کنند. تبرید تدریجی فرآیندی است که در آن رسیدن به وضعیت بهینه توسط کنترل دما صورت می‌پذیرد. در این فرآیند ابتدا ماده حرارت می‌بیند تا انرژی زیادی به آن وارد شود و پس از آن به آرامی سرد می‌شود به گونه‌ای که تا مدتی در هر سطحی از دما با قی بماند و سپس به سطح پایین‌تر دما برود. این استراتژی در سردکردن تدریجی باعث شکل‌گیری وضعیت جامد کریستالی می‌شود که وضعیتی پایدار است و متناظر با حداقل مطلق انرژی است. وضعیت متضاد آن زمانی است که ماده به سرعت سرد شود که منجر به وضعیت غیر متبلور خواهد شد. ساختار غیر متبلور متناظر با حداقل انرژی است.]8[
2-14-2-2- خط سیر الگوریتم تبرید تدریجیالگوریتم تبرید تدریجی فرآیند حل مسئله را از یک جواب (معمولاً تصادفی) شروع می‌کند و برای یافتن جواب مسئله، در فضای منطقه موجه از یک نقطه به نقطه دیگر می‌رود تا زمانی که شرط توقف الگوریتم برقرار شود. طی جابجاشدن بین نقاط متفاوت، بهترین جواب به‌دست آمده توسط الگوریتم ذخیره شده و در آخر به‌عنوان جواب مطلوب مسئله ارائه می‌شود.]8[
یک تفاوت اساسی بین الگوریتم نزول و شبیه‌سازی تبرید تدریجی در این است که SA به جواب‌های بدتر از جواب جاری نیز شانس پذیرفته شدن می‌دهد. احتمال پذیرش جواب‌های بدتر، با افزایش تکرارهای حل مسئله کاهش می‌یاید.]8[
2-14-3- جستجوی ممنوعالگوریتم جستجوی ممنوع (یا جستجوی ممنوعه) که ایده اساسی خود را از حافظه انسان گرفته است، در زمره الگوریتم‌های جستجو در همسایگی قرار می‌گیرد. این الگوریتم از نظر مفهومی همانند الگوریتم شبیه‌سازی تبرید تدریجی عمل می‌کند اما مجموعه قوانین و سازوکارهایی دارد که اجرای آن ‌را به عملکرد مغز شبیه می‌کند.]8[
2-14-3-1- تاریخچه و زمینه پیدایشمشکلاتی که در مسائل بهینه‌سازی از جمله مسائل مربوط به حمل‌ونقل، لجستیک، برنامه‌ریزی مالی و برنامه‌ریزی تولید وجود دارد، باعث توسعه تکنیک‌های بهینه‌سازی مؤثر شده است. هدف از این تکنیک‌ها توسعه فرآیندهایی است که بتوانند با پیچیدگی مسائل بهینه‌سازی مواجه شوند. یکی از این روش‌ها الگوریتم جستجوی ممنوع است که توسط فرد گلاور معرفی شده است.]8[
واژه Tabu یا Taboo در لغت نامه وبستر به معنی مفاهیمی است که دارای قدرت ماوراء الطبیعه بوده و استفاده و برقراری ارتباط با آن‌ها ممنوع می‌باشد. روش جستجوی ممنوع در ارتباط با ماوراءالطبیعه و ممنوعات آن نیست، بلکه ممنوعیت‌ها و محدودیت هایی را اعمال می‌کند تا یک فرآیند جستجو را به مناطقی هدایت کند که جواب‌های بهتری به دست می‌دهند. این روش بر اساس فرآیندهایی طراحی شده است که از مرزهای بهینگی محلی که به‌عنوان یک مانع عمل کرده، عبور می‌کنند و روش جستجوی ابتکاری را به گونه‌ای هدایت می‌کند که نقاط فراتر از بهینه محلی را مورد جستجو قرار دهند.]8[
2-14-3-2- خط سیر الگوریتم جستجوی ممنوعالگوریتم جستجوی ممنوع همانند الگوریتم شبیه‌سازی تبرید تدریجی، مبتنی بر جستجو در همسایگی است. به گونه‌ای که در اطراف جواب جاری در پی یافتن جواب‌های جدید می‌باشد. شباهت دیگر دو الگوریتم در این است که الگوریتم جستجوی ممنوع نیز برای جواب‌های بدتر از جواب کنونی نیز شانس پذیرفته شدن قائل است. مهم‌ترین تفاوت دو الگوریتم در این است که SA در هر تکرار تنها به بررسی یکی از جواب‌های واقع در همسایگی می‌پردازد اما TS در هر تکرار چندین جواب را در اطراف جواب کنونی مورد بررسی قرار می‌دهد.]8[
به‌طور کلی و بدون درنظرگرفتن جزییات، در این الگوریتم فرآیند حل مسئله از یک نقطه منطقه موجه آغاز می‌شود و در هر تکرار از یک نقطه به نقطه دیگر منطقه مراجعه می‌شود تا شرط توقف برقرار شود. بهترین جوابی که در طی همه مراحل یافته شده است، ذخیره می‌گردد.]8[
2-14-4- الگوریتم مورچگانالگوریتم مورچگان روشی برای بهینه‌سازی است که در آن یک کلونی از مورچه‌های مصنوعی در پیدا کردن جواب‌های خوب برای مسائل بهینه‌سازی ترکیبیاتی، شرکت می‌کنند. این الگوریتم نمونه‌ای منتج شده از رفتار واقعی مورچگان ‌را بررسی کرده و از این نمونه‌ها به‌عنوان منبع الهام‌بخش برای طراحی الگوریتم‌های جدید به‌عنوان ‌راه‌حل مسائل بهینه‌سازی استفاده می‌کند.]8[
2-14-4-1- تاریخچه و زمینه پیدایشیکی از جالب‌ترین الگوهای رفتاری مورچگان توانایی گونه‌هایی از آن‌ها در پیدا کردن کوتاه‌ترین مسیر است. جمعیت (کلونی) مورچگان، زنبورهای عسل و یا به‌طور کلی گروهی از حشرات، سیستم‌های توزیع شده‌ای هستند که با وجود سادگی تک‌تک آن‌ها، یک سازمان اجتماعی ساختار یافته را به‌وجود می‌آورند. ایده اصلی الگوریتم مورچگان، قانون خود سازماندهی می‌باشد که اجازه می‌دهد رفتار بسیار موزون مورچه‌های واقعی در هماهنگ‎کردن مجموعه‌ای از کارگزارهای مصنوعی برای حل مسائل محاسباتی، مورد استفاده قرار گیرد. جنبه‌های مختلف رفتار کلونی مورچگان، الگوریتم‌های متفاوتی را به‌وجود آورده است. از این‌گونه رفتارها می‌توان به جستجو برای غذا، تقسیم کار، مرتب‌سازی در حین تخم‌گذاری و حمل‌ونقل مشارکتی اشاره کرد.]8[
2-14-4-2- خط سیر الگوریتم مورچگانالگوریتم مورچگان برای حل یک مسئله، دارای روش خاص خود در جستجوی منطقه موجه می‌باشد. این الگوریتم یک نوع پردازش موازی را در ذات خود دارد. یعنی به‌طور هم‎زمان نواحی مختلفی را در منطقه مورد جستجو قرار می‌دهد. یعنی از این نظر مشابه با الگوریتم ژنتیک رفتار می‌کند و در هر تکرار، از یک مجموعه جواب به یک مجموعه جواب دیگر می‌رود. تفاوت الگوریتم ژنتیک و مورچگان در سازوکارهای تولید جواب‌های جدید است. در الگوریتم ژنتیک جواب‌های جدید مستقیماَ با ترکیب جواب‌های موجود حاصل می‌شوند (عملگر تقاطع). در حالی‌که در الگوریتم جمعیت مورچگان، جواب‌های تکرار جاری به‌طور غیر مستقیم یعنی به کمک فرمون، روی نحوه تولید جواب‌های جدید تاثیرگذار هستند.]8[
2-14-4-3- گونه‌های مختلف الگوریتم مورچگانایده‌های متفاوتی که برای قانون احتمال انتخاب مسیر، تبخیر و فرمون‌ریزی توسط محققان مختلف پیشنهاد شده است که به شکل‌های متنوعی از الگوریتم ACO انجامیده‌اند. رایج‌ترین شکل‌های این الگوریتم در ادامه معرفی می‌شوند:]8[
سیستم مورچه
سیستم مورچه نخبه‌گرا
سیستم مورچه مبتنی بر رتبه‌بندی
سیستم مورچه حداقل – حداکثر
سیستم جمعیت مورچه‌ها
2-14-5- الگوریتم ژنتیکالگوریتم ژنتیک یک تکنیک جستجو برای حل مسائل با استفاده از مدل ژنتیک است. این الگوریتم در زمره الگوریتم‌های مبتنی بر جمعیت قرار دارد که ایده اساسی خود را از نظریه تکامل می‌گیرد. این الگوریتم بر خلاف دو الگوریتم پیشین، در هر تکرار، مجموعه‌ای از جواب‌های مسئله را مورد بررسی قرار می‌دهد. سازوکارها و مجموعه قوانین این الگوریتم برگرفته از مفاهیم علم ژنتیک است.]8[
2-14-5-1- تاریخچه و زمینه پیدایشچارلز داروین نظریه سیر تکاملی بشر را بیان کرد که بر اساس آن ارگانیسم‌های زیستی در طول نسل‌های مختلف با توجه به اصل "انتخاب طبیعت" و "بقا سازگارترین" تکامل می‌یابند. در سال 1960 ریچنبرگ ایده مطرح شده توسط داروین را در حوزه بهینه‌سازی پارامترها به‌کار گرفت و این ایده را استراتژی تکاملی نامید. این استراتژی شکل اولیه و خام الگوریتم ژنتیک را به‌کار می‌گیرد.]8[
الگوریتم ژنتیک در سال 1975 توسط هالند توسعه داده شد که هدف وی طراحی الگوریتمی برای حل مسائل خاص نبود، بلکه به‌دنبال فهم پدیده سازگاری به نحوی بود که در طبیعت رخ می‌دهد. با انتشار کتاب او با نام "انطباق در سیستم‌های طبیعی و مصنوعی" الگوریتم ژنتیک به دنیای بهینه‌سازی معرفی شد. وی اصول سیر تکامل طبیعی را در مسائل بهینه‌سازی و ساختار الگوریتم ژنتیک توضیح می‌دهد. الگوریتم ژنتیک بر اساس اصول ژنتیک و تکامل بنا شده است که امروزه برای حل مسائل پیچیده بهینه‌سازی مانند جدول زمان‌بندی، تولید کارگاهی و ... استفاده می‌شود.]8[
2-14-5-2- خط سیر الگوریتم ژنتیکهمان‌گونه که گفته شد الگوریتم ژنتیک در زمره الگوریتم‌های مبتنی بر جمعیت قرار می‌گیرد. مبتنی بر جمعیت بودن به این مفهوم است که در هر تکرار بیش از یک جواب مدنظر قرار می‌گیرد. اصطلاحاً مجموعه جواب‌های مورد بررسی در هر تکرار، یک جمعیت از جواب‌ها نامیده می‌شود. قوانین و دستورالعمل‌های الگوریتم ژنتیک به گونه‌ای است که جمعیت هر تکرار باعث تعریف و یا ایجاد تکرار آتی می‌شود. گفتنی است که جواب‌های نخستین جمعیت می‌تواند به‌صورت تصادفی از منطقه موجه انتخاب شوند و یا این‌که با روش‌های ابتکاری ایجاد شوند.]8[
1004570543941000
شکل 2-9 – خط سیر الگوریتم ژنتیک]8[در شکل 2-9 جواب‌هایی که با دایره توخالی نشان داده شده‌اند، جمعیت نسل کنونی را تشکیل می‌دهند و دایره‌های خط چین معرف جمعیت نسل آتی هستند. در واقع سازوکار رسیدن به جواب‌های جدید، نوعی شبیه‌سازی از زاد و ولد در فضای منطقه موجه است.
فرزندان حاصل از این زاد و ولد (جواب‌های جدید) ممکن است به جواب‌های بهتر یا بدتر از والدین منجر شود. پذیرش جواب‌های بدتر به‌عنوان جواب‌های نسل جدید به رویکردی بستگی دارد که در پیاده‌سازی الگوریتم ژنتیک مورد استفاده قرار می‌گیرد. در برخی رویکردها تنها جواب‌های بهتر از والدین پذیرفته می‌شوند و در برخی نیز جواب‌های بدتر به جمعیت آتی منتقل می‌شوند. این روند یعنی تولید جمعیت‌های جدید از جمعیت‌های قبلی تا جایی ادامه می‌یابد که شرط توقف الگوریم حاصل شود.]8[
2-15-5-3- مفاهیم و سازوکارهای الگوریتم ژنتیکالگوریتم ژنتیک از استعاره استفاده می‌کند، به نحوی که یک مسئله بهینه‌سازی در محیطی رخ می‌دهد که جواب‌های ممکن به‌عنوان افرادی هستند که در آن محیط زندگی می‌کنند و برای یافتن بهترین جواب لازم است تا پردازش‌هایی روی این افراد صورت پذیرد. اصطلاحات زیر در این محیط مورد استفاده قرار می‌گیرند:]8[
فردبه هر یک از جواب‌های مسئله بهینه‌سازی اصطلاحاً یک فرد می‌گوییم. تعیین ساختار هر فرد به مسئله مورد مطالعه بستگی دارد.
کدگذاریکدگذاری فرآیند نشان دادن جواب‌های مسئله در قالبی قابل استفاده برای الگوریتم ژنتیک است و کدگذاری می‌تواند نقشی اساسی در GA داشته باشد.
تابع برازندگیبرازندگی یک فرد در الگوریتم ژنتیک به معنای میزان ارزش یا کیفیت آن فرد (جواب) با توجه به معیارهای مختلف است که یکی از آن معیارها تابع هدف است. در ساده‌ترین شکل مسائل بهینه‌سازی تابع برازندگی همان تابع هدف است.
جمعیتجمعیت به مجموعه‌ای از افراد (جواب‌ها) گفته می‌شود. جنبه‌های مهم جمعیت که در الگوریتم ژنتیک استفاده می‌شود، عبارتند از:
تولید جمعیت اولیه
اندازه جمعیت
اغلب برای شروع حل مسئله، یک جمعیت اولیه تصادفی ایجاد می‌شود. اندازه جمعیت اولیه باید تا حدی بزرگ باشد که کل فضای جستجو را به نحو مطلوبی مورد بررسی قرار دهد. میانگین برازندگی جمعیت ایجاد شده هر چه بهتر باشد یافتن جواب خوب سریع‌تر انجام می‌گیرد. گلدبرگ نشان داد که کارایی الگوریتم ژنتیک برای دست‌یابی به جواب‌های بهینه محلی به میزان زیادی بستگی به اندازه جمعیت دارد. از سوی دیگر باید توجه داشت که جمعیت بزرگ نیاز به محاسبات، هزینه، حافظه و زمان بیشتری دارد.
فرآیند جستجوفرآیند جستجو GA شامل ایجاد یک جمعیت اولیه، سپس تولید مثل افراد جدید تا رسیدن به شرط توقف است. هدف‌های گوناگونی برای فرآیند جستجو می‌تواند وجود داشته باشد که نخستین هدف می‌تواند یافتن جواب بهینه مطلق باشد که در مدل GA هیچ گونه اطمینانی در مورد آن وجود ندارد زیرا همیشه احتمال آن می‌رود که در تکرارهای بعدی، جوابی بهتر یافت شود. هدف دیگر، هم‌گرایی سریع است. هنگامی‌که پردازش تابع هدف پرهزینه است هم‌گرایی سریع مطلوبیت می‌یابد. سومین هدف، ایجاد مجموعه‌ای از جواب‌های متنوع و در عین حال خوب است. هنگامی که فضای جواب شامل نقاط بهینه گوناگون باشد که دارای برازندگی یکسان هستند، مفید است که الگوریتم قادر باشد از بین آن‌ها جواب‌هایی را انتخاب کند.
عملگرهاعملگر اصطلاحی کلی برای سازوکارها یا پردازش‌های صورت گرفته در الگوریتم ژنتیک است که وظایف متنوعی به‌عهده دارند. شکل 2-10 جریان کلی الگوریتم ژنتیک و نقش این عملگرها را در این الگوریتم نشان می‌دهد.]8[
1096645163195ایجاد جمعیت اولیه
ارائه جواب مسئله
جهش
تقاطع
انتخاب
جایگزینی
نسل جدید
آیا شرط توقف برقرار است؟
ایجاد جمعیت اولیه
ارزیابی تابع برازش
خیر
بله
00ایجاد جمعیت اولیه
ارائه جواب مسئله
جهش
تقاطع
انتخاب
جایگزینی
نسل جدید
آیا شرط توقف برقرار است؟
ایجاد جمعیت اولیه
ارزیابی تابع برازش
خیر
بله

شکل 2-10- جریان کلی الگوریتم ژنتیک]8[2-14-5-4-کاربردهای الگوریتم ژنتیککاربرد الگوریتم ژنتیک حوزه وسیعی از مسائل بهینه‌سازی در زمینه‌های مختلف فنی مهندسی، علوم و اجتماعی را در برمی گیرد.]17[
برای مسائل بهینه‌سازی استاندارد، صرفاً روشی برای به‌دست آوردن یک جواب می‌باشد. می‌توان آن‌را برای مسائل خطی، غیر خطی و برنامه‌ریزی احتمالی که دارای متغیرهای تصادفی و درجه‌ای از عدم قطعیت است استفاده نمود. درضمن، مسائل بهینه‌سازی ترکیبی که شامل مسائل مختلف علوم رایانه‌ای می‌باشد، مورد استفاده قرار می‌گیرد. قابلیت انعطاف پذیری الگوریتم ژنتیک، دامنه کاربرد این الگوریتم را بسیار گسترده کرده است و هم‌چنین سرعت الگوریتم ژنتیک دریافتن جواب مسئله آن‌چنان است که بتواند به سهولت با محیط سازگار شود و این قابلیت برتر از توان سیستم‌های خبره است.
تعداد زیادی از پژوهشگران در زمینه الگوریتم ژنتیک در شاخه‌های مختلف پژوهش کرده‌اند که می‌توان به‌صورت زیر ارائه نمود:]17[
برای مسئله سفارش تولید در یک فرآیند مونتاژ از الگوریتم ژنتیک استفاده می‌شود.
سیستم فرآیند مونتاژ مشتمل بر دو زیرسیستم است:
اولین زیرسیستم، دستگاهی است که کار آن فراوری مجموعه‌ای از محصولات می‌باشد.
دومین زیرسیستم، حمل کننده است که محصولات را حمل‌ونقل می‌کند.
الگوریتم ژنتیک جهت یافتن خط مشی بهینه یا نزدیک به آن برای سیستم‌های بزرگ استفاده شده است و هم‌چنین برای یافتن استراتژی تصمیم‌گیری بهینه یا نزدیک به بهینه در یک سیستم پیچیده بزرگ استفاده گردیده است.
الگوریتم ژنتیک برای برنامه‌ریزی تولید یک شرکت تولیدی چند ملیتی استفاده گردیده است.
الگوریتم ژنتیک برای طراحی جا و مکان مدور سیستم‌های تولیدی استفاده شده است.
الگوریتم ژنتیک برای مسئله انتخاب روبات و تخصیص ایستگاه کاری به‌طور بهینه برای یک سیستم (CIM) به‌کار برده شده است.
الگوریتم ژنتیک برای بالانس خط مونتاژ استفاده شده است. مسئله بالانس خط مونتاژ تعداد ایستگاه‌های کاری و تخصیص بهینه کل عملیات برای هر ایستگاه کاری را معین میکند.
الگوریتم ژنتیک برای بازاریابی توریسم استفاده شده است. با فرض وجود شبکه‌ای از سایت‌های موجود و مجموعه‌ای از سایت‌های ممکن جدید و با فرض پویا بودن شبکه موجود از لحاظ سودآوری، جذابیت برای مشتری بالقوه و دیگر معیارهای مناسب.
الگوریتم ژنتیک برای مسائل "کلمه‌سازی" استفاده می‌شود. به‌طوری که هرگاه کلمات به‌طور تصادفی قرار گرفته باشند و خواسته باشیم کلمه‌ای معنی‌دار را به‌وجود آوریم از قدرت الگوریتم ژنتیک می‌توان برای این مسائل استفاده نمود.
از الگوریتم ژنتیک برای این‌که هزینه طرح کمترین مقدار باشد می‌توان استفاده نمود.
الگوریتم ژنتیک در بهینه‌سازی برنامه جامع توسعه سیستم آب جهت تامین نیازهای آینده استفاده نمود.
از الگوریتم ژنتیک در طراحی خرپا که برای نگه‌داری پل، سقف و یا دیگر قسمت‌های مهندسی استفاده می‌شود، به‌کار رفته است.
برنامه‌ریزی کار در یک کارخانه
مسئله فروشنده دوره گرد
برنامه‌ریزی و بهینه‌سازی قابلیت اعتماد نیز با الگوریتم ژنتیک قابل حل می‌باشد. بسیاری از سیستم‌ها نقش بحرانی در عملیات مختلف دارند و اگر خراب شوند، ممکن است پی‌آمدهایی سخت به‌بار آورند.
طراحی مدل برنامه‌ریزی استراژیک سیستم‌های اطلاعاتی با استفاده از فرآیند تحلیل سلسله مراتبی و الگوریتم ژنتیک قابل حل می‌باشد.
الگوریتم ژنتیک برای برنامه‌ریزی خطوط انتقال نیرو و نصب ژنراتورها مورد استفاده قرار می‌گیرد.
الگوریتم ژنتیک برای مسائل حمل‌ونقل استاندارد، مرکب و هم‌چنین مسائل برنامه‌ریزی چندمعیاره مورد استفاده قرار می‌گیرد.
الگوریتم ژنتیک در جایابی و تعیین ظرفیت بهینه خازن‌های سبک توزیع قدرت به‌منظور کاهش تلفات توان و انرژی و بهبود ولتاژ استفاده گردیده است.
الگوریتم ژنتیک در برنامه‌ریزی قدرت راکتیو، پخش بار اقتصادی، بهینه‌سازی ولتاژ برنامه‌ریزی ژنراتورها و طراحی ترانسفورموتورها استفاده شده است.
الگوریتم ژنتیک در مسائل زمان‌بندی، تولید و جریان کارگاه‌ها، مسئله پوشش مجموعه‌ای استقرار تسهیلات، و برنامه‌ریزی تولید به‌کار رفته است.
الگوریتم ژنتیک در طراحی موتور، ساختن تراشه‌ها و بهینه‌سازی شبکه‌ها با ابعاد بزرگ نیز مورد استفاده قرارگرفته است.
زمان‌بندی کارگاهی
طراحی قرارگیری تجهیزات، مسئله قرارگیری تجهیزات شامل تصمیم‌گیری برای محل قرارگیری تجهیزات و منابع در یک پیکربندی است که منجر به بهترین اجرا یا توجه به ضوابط مشخص می‌شود.
در بالا به‌طور مختصر کاربردهای الگوریتم ژنتیک شرح داده شده، همان‌طور که از تنوع آن‌ها دیده می‌شود این الگوریتم می‌تواند برای تمام رشته‌هایی که مسائل بهینه‌سازی را مدنظر دارند، به‌عنوان روش جدید مورد تجزیه و تحلیل قرارگیرد.
2-15- نرم‌افزارهای مورد استفاده در پژوهش
جهت انجام این پژوهش چهار نرم‌افزار بکار گرفته شده است. برای تعیین نوع توزیع داده‌های پژوهش، از نرم‌افزار کریستال بال کمک گرفته شد. برنامه‌نویسی و ترکیب بین نرم‌افزار شبیه‌سازی و الگوریتم ژنتیک با نرم‌افزار اکسل انجام شد. با استفاده از آزمون تی نرم افزار SPSS اعتبار داده‌های ورودی به مدل تائید شد و در آخر شبیه‌سازی خط تولید بوسیله نرم‌افزار Simul8 صورت پذیرفت.
حال، به شرح مختصری از نرم‌افزارهای جدید بکار گرفته شده در این پژوهش یعنی کریستال بال و Simul8 پرداخته می‌شود زیرا کم‌وبیش آشنایی با دو نرم‌افزار اکسل و SPSS و نحوه استفاده از آن‌ها وجود دارد.
کریستال بال، در سطح عمومی نرم‌افزاری جهت تحلیل آمار و در کاربردی پیشرفته، بهینه‌ساز هست که به‌دلیل سهولت استفاده و قابل اجرا بودن در نرم‌افزار محبوب اکسل، مناسب می‌باشد. این نرم‌افزار بصورت گسترده در زمینه‌های اقتصاد، برنامه‌ریزی و علوم دیگر کاربرد دارد. کارکرد اصلی این نرم‌افزار، تعیین نوع توزیع داده‌های ورودی به آن می‌باشد. خروجی این نرم‌افزار بصورت شکل توزیع با ارائه پارامترهای آن است که کاربرد آن‌را وسیع‌تر می‌کند.
شبیه‌سازی با Simul8، از انعطاف‌پذیرترین و قدرتمندترین ابزارهای حوزه تصمیم‌گیری می‌باشد. با استفاده از این تکنیک وضعیت سیستم مدل شده و سپس در جهت بهبود آن راه‌حل‌‌هایی اتخاذ می‌شود. درواقع در بسیاری از موارد، وضعیت فعلی سیستم در محیط مجازی مدل‌سازی شده و پس از تعیین اعتبار مدل و میزان تطبیق آن با واقعیت، گزینه‌های مختلف مدل بررسی و نتیجه آن‌ها استخراج می‌شود. درواقع به‌جای پرداخت هزینه تغییرات در دنیای واقعی، به بررسی آن در دنیای مجازی پرداخته می‌شود.

2-16- پیشینه پژوهش
در قسمت پایانی این فصل، مروری بر پیشینه پژوهش‌های انجام شده در حوزه بهینه‌سازی شبیه‌سازی پرداخته می‌شود. اما به‌دلیل گستردگی موارد استفاده این تکنیک خاص در صنعت، پیشینه به دو بخش تقسیم می‌شود:
بخش اول: مروری بر مطالعات صورت گرفته در زمینه کاربردهای متنوع شبیه‌سازی در سیستم‌های تولیدی
بخش دوم: مروری بر پژوهش‌های انجام شده در جهت تعیین اندازه انبارهای میانگیر در خطوط تولید
2-16-1- بخش اول: مروری بر پژوهش‌های کاربرد شبیه‌سازی در سیستم‌های تولیدی2-16-1-1- پیشینه پژوهش‌های داخلیدر پژوهشی، محققین به قابلیت کاربرد قابل‌توجه شبیه‌سازی در صنعت تولیدی عظیم و پیچیده ریخته‌گری پرداختند. بدین صورت که، پس از مطالعه و آشنایی با سیستم، مدل شبیه‌سازی‌ای ایجاد شد که با بهره‌گیری از روش‌های طراحی آزمایشات، مجموعه‌ای از گزینه‌ها مورد بررسی قرار گرفت و راه‌حل بهینه شناسایی و به‌کار گرفته شد.]1[
در مطالعهای دیگر، پژوهشگران سعی در به نمایش گذاشتن توانمندی روش بهینه‌سازی رایانه‌ای در ارتقاء بهره‌وری و متوازنسازی سیستم تولیدی موجود داشتند. آن‌ها با توجه به شناسایی نقاط گلوگاه سیستم که منجر به کاهش کارایی و عملکرد می‌شدند، به طراحی مدل پرداختند و بهترین سناریو از بین گزینه‌های پیشنهادی را در فضای شبیه‌سازی رایانه‌ای به‌دست آوردند.]18[

bew180

بخش چهارم : پیشینه تحقیق
بخش اول

عملکرد
2-1-1)مقدمه
مسیر توسعه و تکامل سازمانها با تکامل خواسته ها ، نیازها ، علایق و آمال بشر همراه است . اگرچه سازمانها در طول زمان ایفاء کننده نقش ها و ماموریت های مختلفی بوده اند اما در دوره معاصر کارکرد آنها بسیار گسترده شده و انتظاراتی که از ایشان میرود به طور مداوم در حال ازدیاد است . توفیق در پاسخگوئی به این انتظارات نیازمند ایجاد ارتباطی تنگاتنگ ، مستمر و موثر بین فرایندهای سازمانی و انتظارات ذکر شده می باشد . همچنین در دنیای رقابتی امروز سازمانها در هر محیطی که فعالیت نمایند دائما" نیازمند بهبود عملکرد بوده و باید تمام تلاش خود را در جهت دستیابی به تعالی عملکرد به کار گیرند ، لذا اهمیت پرداختن به عملکرد از سوی مدیریت به عنوان یک وظیفه اساسی مطرح است . سازمانها به چند دلیل از ارکان ضروری زندگی انسانها محسوب می شوند ، آنها به جامعه خدمت می کنند ، جریانی از دانش و آگاهی را ارائه می کنند که می تواند زمینه ساز توسعه فردی و رشد و سعادت بشر گردد . امروزه توجه فزاینده ای به ابعاد مختلف سازمانها از جمله فرایند ، سیستم ها و به ویژه آنچه سازمانها بدان دست می یابند (عملکرد) میشود . عملکرد را انجام دادن کاری با قصد و نیت قبلی معرفی کرده اند ، عملکرد نتیجه یک عمل خاص می باشد . می توان گفت یکی از موضوعات اصلی در تجزیه و تحلیل های سازمانی ، عملکرد است و بهبود آن نیز مستلزم اندازه گیری است و از این رو سازمانی بدون سیستم ارزیابی عملکرد قابل تصور نیست .
در این فصل پس از تشریح مفهوم و ابعاد عملکرد چند نمونه از مدلهای سنجش عملکرد ارائه میشود و در خصوص چگونگی طراحی سیستم ارزیابی عملکرد صحبت خواهد شد و در نهایت هم به تعریف و تشریح و نحوه سنجش آن خواهیم پرداخت . پس از آن در بخش بعدی این فصل زنجیره تامین و مدیریت بر آن تعریف و تشریح شده و سپس مزیت رقابتی و تاثیر آن برعملکرد سازمانی مورد بررسی قرار می گیرد .
2-1-2) تشریح مفهوم عملکرد
متغیّر وابسته در این پژوهش عملکرد سازمانی است. عملکرد سازمانی یکی از مهم ترین سازه های مورد بحث در پژوهشهای مدیریتی است و بدون شک مهمترین معیار سنجش موفقیت در شرکت های تجاری به حساب می آید. ولی به طور کلی در خصوص این که متغیرها و شاخصهای عملکرد سازمانی کدامند، هنوز توافق نظر کاملی در بین صاحب نظران وجود ندارد.
در ضرورت و تشریح و تعریف مفهوم واژه عملکرد آنچه حائز اهمیت است این است که تنها با تعریف و تشریح عملکرد است که می توان آن را ارزیابی یا مدیریت نمود . هولتون و بتنز خاطر نشان کرده اند که عملکرد یک ساختار چند بعدی است که ارزیابی آن بسته به انواع آن مختلف است ، ایشان همچنین به این موضوع که هدف ، ارزیابی نتایج عملکرد است یا رفتار ، اشاره می نمایند . در خصوص چیستی عملکرد نگرش های متفاوتی وجود دارد . از نظر فردی ، عملکرد سابقه موفقیتهای یک فرد است . کین معتقد است که عملکرد چیزی است که فرد به جای می گذارد و جدای از هدف است .
برنادین و همکارانش معتقدند که عملکرد باید به عنوان نتایج کار تعریف شود ، چون نتایج قوی ترین رابطه با اهداف استراتژیک سازمان ، رضایت مشتری و نقش های اقتصادی دارد . در فرهنگ لغت آکسفورد عملکرد بصورت انجام ، اجرا ، تکمیل ، انجام کار سفارش یا تعهد شده تعریف شده است . این تعریف به خروجیها و نتایج برمیگردد و در عین حال عنوان عملکرد در مورد انجام کار نیز نتایج حاصله از ان می باشد . بروم راچ معتقد است که عملکرد هم به معنای رفتارها و هم به معنای نتایج است . رفتارها از فرد اجرا کننده ناشی میشوند و عملکرد را از یک مفهوم انتزاعی به عمل تبدیل می کنند . رفتارها فقط ابزارهائی برای نتایج نیستند ، بلکه به نوعی خود نتیجه به حساب می آیند و می توان جدای از نتایج در مورد آنها قضاوت کرد . این تعریف از عملکرد منجر به این نتیجه گیری میشود که همگام مدیریت عملکرد ، گروهها و افراد هم ورودی ها (رفتارها) و هم خروجی ها(نتایج) باید در نظر گرفته شود . هارتل این مدل را مدل ترکیبی مدیریت عملکرد می نامد . این مدل سطوح توانائی یا شایستگی و موفقیتها را همانند هدف گذاری و بازبینی اهداف پوشش می دهد (آرمسترانگ ،1385،ص3-4).
2-1-3)ارزیابی و سنجش عملکرد
ارزیابی عملکرد فرایندیست که به سنجش و اندازه گیری ، ارزش گذاری و قضاوت درباره عملکرد طی دوره ای معین می پردازد(رحیمی، 1385، ص 33) . ارزیابی عملکرد عبارتست از اندازه گیری عملکرد از طریق مقایسه وضع موجود با وضع مطلوب یا ایده آل بر اساس شاخص های از پیش تعیین شده که خود واجد ویژگی های معین باشد . به طور کلی نظام ارزیابی عملکرد را می توان فرایند سنجش و اندازه گیری و مقایسه میزان و نحوه دستیابی به وضعیت مطلوب با معیارها و نگرش معین در دامنه و حوزه تحت پوشش معین با شاخص های معین و در دوره زمانی معین با هدف بازنگری ، اصلاح و بهبود مستمر آن می باشد(تولائی،1386،ص11).
در این راستا نیلی و همکارانش اندازه گیری عملکرد را به عنوان فرایند کمی سازی فعالیت تشریح می کنند . در این تعریف اندازه گیری ، فرایند کمی سازی است و فعالیت با عملکرد مرتبط است . یکی از نیازهای هر سیستم ارزیابی عملکرد وجود یک زمینه شفاف بین شاخصهای عملکرد در سطوح سلسله مراتبی مختلف سازمان است به گونه ای که هریک از واحدها در جهت رسیدن به اهداف یکسان تلاش کنند . اجرای موثر برنامه ها و ارزیابی عملکرد در هر سازمانی ضروری است . عملکرد سازمان مقصود شیوه ای است که سازمان بتواند کارها یا وظایف خود را به نحو عالی انجام دهد (روستا ، 1383،ص25).
پیچیدگی محیط در عرصه رقابتی سبک و کارو افزایش انتظارات مشتریان ، ضرورت آگاهی از نقاط ضعف و قوت سازمان و بهبود مستمر بهره وری را بیش از پیش اشکار نموده است . از این رو یکی از دغدغه های اساسی سازمان های امروز دستیابی به یک شیوه ارزیابی عملکرد جامع قابل انعطاف پذیر و اعتماد است تا با توسل بر آن ، اطلاعات دقیق و کافی از جایگاه امروز خویش به دست آورند و با نگاه به آینده از خطاهای گذشته درس بگیرند (Lord Kelvin,1999).
ارزیابی عملکرد به مجموعه اقدامات و اطلاعاتی اطلاق میشود که به منظور افزایش سطح استفاده بهینه از امکانات و منابع در جهت دستیابی به اهداف به شیوه ای اقتصادی توام با کارائی و اثربخشی صورت میگیرد .به طوری که ارزیابی عملکرد در بعد سازمانی معمولا" اثربخشی فعالیتها است . منظور از اثربخشی ، میزان دستیابی به اهداف و برنامه ها با ویژگی کارا بودن فعالیتها و عملیات است . به طور کلی نظام ارزیابی عملکرد را می توان فرایند سنجش و اندازه گیری و مقایسه میزان و نحوه دستیابی به وضعیت مطلوب دانست ( عفتی داریانی و دیگران، 1386،ص5).
ادوارد دمینگ بر این امر تاکید دارد که کلید فرایندهای کسب و کار می بایست بخشی از سیستم ارزیابی همراه با چرخه بازخور باشند . ژاک فتیزانز بر این باور است که ارزیابی هر فرایند کاری ، امری ضروری است
در دیدگاه سنتی مهمترین هدف ارزیابی ، قضاوت و ارزیابی عملکرد مورد نظر می باشد . در حالی که در دیدگاه مدرن ، فلسفه ارزیابی بر رشد ، توسعه و بهبود ظرفیت ارزیابی شونده متمرکز شده است . سایر تفاوتهای این دو دیدگاه را می توان به صورت زیر بیان نمود(عفتی داریانی و دیگران، 1386،ص10-11):
نقش ارزیابی کننده : در دیدگاه سنتی ، ارزیابی کننده قضاوت و ارزیابی کرده و نقش قاضی را ایفا می کند اما در دیدگاه نوین ، ارزیابی کننده هادی و مشورت دهنده است .
دوره ارزیابی : در دیدگاه سنتی تمرکز بر عملکرد گذشته قرار گرفته است ولی در دیدگاه مدرن تمرکز به دیدگاه آینده و بهبود امور می باشد .
هدف : در دیدگاه سنتی هدف کنترل ارزیابی شونده مچگیری است و اعمال سبک دستوری و محاکمه ای از ویژگیهای بارز آن به شمار می آید ، در حالی که در دیدگاه مدرن هدف ، آموزش ، رشد و بهبود افراد و سازمان است .
به نظر میرسد ارزیابی دستگاهها و کارکنان بر اساس نگرش نوین در مقایسه با نگرش سنتی از تفاوتهای اساسی در ابعد مختلف برخوردار است . پیامد وجود نظام ارزیابی مبتنی بر دیدگاه نوین ، بهبود رضایت ، ارتقاء سطح کارکرد و نهایتا" اثربخشی فعالیتهای سازمان خواهد بود(عفتی داریانی و دیگران، 1386،ص12).
2-1-4) فرایند ارزیابی عملکرد
مسئله ارزیابی عملکرد سالیان متمادی است که محققان و کاربران را به چالش واداشته است ، سازمانهای تجاری در گذشته تنها از شاخص های مالی به عنوان ابزار ارزیابی عملکرد استفاده میکردند تا اینکه کاپلان و نورتن در اوایل دهه 1980 سیستم های حسابداری مدیریت را برای ارزیابی عملکرد سازمانها نمایان ساختند ،که این ناکارائی ناشی از افزایش پیچیدگی سازمانها ، پویائی محیط و پیچیدگی بازار بود(Kaplan&Norton,1992,pp9-71). استفاده از سیستم های ارزیابی عملکرد که تنها بر شاخص های مالی متکی هستند می تواند موجب بروز مشکلاتی برای سازمان شود (Ghalayini,Noblea&Crowe,1997) . نواقص و کمبودهای سیستم های سنتی ارزیابی عملکرد به انقلابی در مدیریت عملکرد منجر شد به طوری که محققان و کاربران به سمت خلق سیستمهای نوین ارزیابی عملکرد حرکت کردند تا اهداف و محیط فعلی را مورد توجه قرار دهند ، بدین ترتیب فرایندهای ارزیابی متعدد برای استفاده سازمانهای مختلف ایجاد گردید . بهبود مستمر عملکرد سازمانها ، نیروی عظیم هم افزائی ایجاد می کند که این نیروها می توانند پشتیبان برنامه رشد و توسعه و ایجاد فرصتهای تعالی سازمانی شود . دولتها ، سازمانها و موسسات تلاش جلوبرنده ای را در این مورد اعمال می کنند . بدون بررسی و کسب آگاهی از میزان پیشرفت و دستیابی به اهداف و بدون شناسائی چالشهای پیش روی سازمان و کسب بازخور و اطلاع از میزان اجرای سیاستهای تعیین شده و شناسائی مواردی که به بهبود جدی نیاز دارند ، بهبود مستمر عملکرد میسر نخواهد شد . تمامی موارد مذکور بدون اندازه گیری و ارزیابی امکان پذیر نیست ، هرفرایندی شامل مجموعه ای از فعالیتها و اقدامات با توالی و ترتیب خاص ، منطقی و هدفدار می باشد. در فرایند ارزیابی عملکرد نیز هر مدل و الگوئی که انتخاب شود رعایت نظم و توالی و فعالیتهای ذیل در آن ضروری می باشد (رحیمی،1385،ص 41-42).
تدوین شاخص ها و ابعاد و محورهای مربوطه و تعین واحد سنجش انها .
تعیین وزن شاخصها به لحاظ اهمیت آنها و سقف امتیازات مربوطه .
استاندارد گذاری و تعیین وضعیت مطلوب هر شاخص .
سنجش و اندازه گیری از طریق مقایسه عملکرد واقعی پایان دوره ارزیابی با استاندارد مطلوب از قبل تعیین شده
هر تلاشی که به منظور دستیابی به موفقیت صورت میگیرد باید دارای چهارچوبی باشد و بهبود عملکرد سازمانی باید بر آگاهی فرایندی باشد که چرخه عملکرد نامیده می شود ، بنابراین برنامه بهبود عملکرد سازمانی باید از اندازه گیری عملکرد و بعد ارزیابی عملکرد شروع نماید .
اندازه گیری عملکرد

بهبود
عملکرد

ارزیابی عملکرد

برنامه ریزی بهبود عملکرد

شکل 2-1) چرخه عملکرد (الهی ،1378، ص 53)
2-1-5) مدلهای سنجش و ارزیابی عملکرد
موفقیت استراتژی های هر شرکت در عملکرد آن شرکت منعکس می گردد ، عملکرد یک شرکت میزان موفقیت یک شرکت در خلق ارزش برای قسمتهای مختلف بازار است . در نهایت عملکرد شرکت بر اساس دستیابی به اهداف کسب و کار از طریق واحدهای مختلف شرکت تعیین می شود ، شرکتهای با عملکرد مطلوب ارزش را در طول زمان خلق می نمایند . این امر در شرکتهای با عملکرد نامطلوب صورت نمی گیرد . قسمتهای مختلف بازار به دنبال ارزش های مختلفی هستند . بنابراین ، خلق ارزش و عملکرد شرکت تنها از منظر قسمتهای مختلف بازار قابل ارزیابی است . عوامل کلیدی ارزش افزائی از منظر عملکرد شرکت عبارتند از 1) مشتریان 2) تامین کنندگان 3) مالکان و اعتبار دهندگان . سه گروه ذکر شده مبادلاتی را از طریق بازار با شرکت انجام می دهند ، بدین ترتیب که مشتریان کالا و خدمات را در بازار خریداری می نمایند . تامین کنندگان محصولات و خدمات را از طریق بازارهای عامل به شرکت می فروشند و نیز مالکان و اعتبار دهندگان سهام شرکت یا اسناد بدهی را از طریق بازارهای مالی به فروش میرسانند(سایمونز، 1385، ص 249-250).
شاید بتوان دلایل وجود مدلهای متفاوت برای ارزیابی عملکرد را به این صورت عنوان نمود که تمامی آنها به نحوی ایجاد ارزش می کنند و هر کدام ازدیدگاه خاصی به عملکرد می نگرند . این روش به مدیران کمک می کنند تا بتوانند به بهبود عملکرد سازمان کمک کنند . به همین دلیل مدلهای مختلفی جهت ارزیابی عملکرد طراحی شده است که به شرح زیر می باشد :
سیستم اندازه گیری عملکرد AMBITE
فرایند الگو سازی
سیستم اندازه گیری عملکرد ECOGRAI
الگوی کارت امتیازی متوازن (BSC)
مدل مالکوم بالدریج(MB)
محققین مختلف برای سنجش عملکرد از مولفه های متفاوتی استفاده نموده اند و هیچ رویه ثابت یا مشابهی در این زمینه دیده نمیشود و رویه معمول به این است که در ابتدا چند مولفه در ارتباط با عملکرد انتخاب شده و سپس به روش عینی یا ذهنی و تحت یک سئوال هریک از مولفه ها را می سنجند(بختیاری ، 1386،ص38).
یک معیار عینی می تواند به صورت مستقل ارزیابی و تائید شود . در مقابل معیارهای ذهنی را نمیتوان بصورت مستقل ارزیابی نمود و در واقع بر قضاوت فرد فرد انسانها متکی هستند . یک معیار کامل تمامی جنبه های موفقیت را در بر می گیرد(سایمونز،1385، ص33-34).
بنابراین می توان گفت اگرچه عملکرد می تواند معانی متفاوتی داشته باشد اما بطور عمده از 2 دیدگاه می توان به آن نگریست : نخست مفهوم ذهنی که در وحله اول مرتبط است با عملکرد شرکتها نسبت به رقبای آنها ، دوم مفهوم عینی است که بر پایه اندازه گیری مطلق عملکرد است (Sin,2005,P564-565) .
در گذشته عمدتا" شاخص های مالی مستقیما" از سازمانها یا از منابع ثانویه به دست می آمدند . بعدها به قضاوت داورانه پاسخگویان داخلی و خارجی سازمان گرایش پیدا شد . آنها اغلب هر دو شاخص مالی ، عملیاتی و تجاری را تحت پوشش قرار می دادند . در برخی از مطالعات نوعی سازگاری قوی بین معیارهای عینی و ذهنی یافت شد اما برخی دیگر از مطالعات تفاوتهائی را بین این دو رویکرد تشخیص دادند، معیارهای عینی عملکرد به سختی حاصل می شوند و یا این که پایائی کافی ندارند (Gonzalaes&Benito,2005,P802) . شاخص های عینی عملکرد سازمانی، شاخص هایی است که به صورت کاملاً واقعی و براساس داده های عینی اندازه گیری می شود. از جمله شاخص های عینی عملکرد سازمانی می توان به شاخص های سودآوری نظیر بازده دارایی، بازده حقوق صاحبان سهام، بازده سرمایه گذاری، و سود هر سهم بازده سهام، اشاره کرد(ابزری و دیگران ،1388).
رویکرد ذهنی اندازه گیری ابعاد عملکرد از قبیل ارزش نام تجاری یا رضایت مشتری را تسهیل می کند . اندازه گیری ذهنی همچنین تجزیه و تحلیل مقطعی داده های مربوط به بخشها و بازارها را تسهیل مینماید(Gonzalaes&Benito,2005,P802) .
شاخص های ذهنی عملکرد سازمانی بیشترشاخص هایی را شامل می شود که برمبنای قضاوت گروه های ذینفع سازمان شکل می گیرد. از جمله این شاخص ها می توان به رضایت مندی مشتری، رضایت مندی کارکنان، موفقیت در ارائه محصولات جدید و غیره اشاره کرد(ابزری و دیگران ،1388).
به دلیل انکه عملکرد می تواند در مقایسه با اهداف شرکت یا اهداف رقبایش قابل اندازه گیری شود . ارزیابی ذهنی همچنین باعث میشود که اثرات آهسته و ویژه ی استراتژی سازمان در نظر گرفته شوند . این امر موجب میگردد که دریابیم عملکرد ذهنی نسبت به عملکرد عینی معیار مناسبتری برای سنجش عملکرد است .(Gonzalaes&Benito,2005,P802) .
پژوهشگران در مطالعات مربوط به عملکرد ، مولفه های مختلفی را برای سنجش آن بکار برده اند . معدودی از پژوهشگران مولفه هائی از عملکرد که با یکدیگر مرتبط هستند را در گروههائی جای داد ه و آنها را نام گذاری کرده اند . به عنوان مثال پلهام مولفه های عملکرد را در سه دسته جای داده است (بختیاری ، 1385،ص38)
شامل مولفه های کیفیت محصول ، موفقیت محصول جدید ، نرخ حفظ مشتری .
رشد/ سهم : شامل مولفه های سطح فروش ، نرخ رشد فروش ، سهم بازار .
سودآوری : شامل مولفه های نرخ بازده ویژه (ROE)، نرخ بازگشت سرمایه ، حاشیه سود ناویژه .
چیکوان نیز مولفه های عملکرد را در 2 دسته قرار داده که عبارتند از (بختیاری،1385،ص38):
عملکرد بازار : مشتمل بر مولفه های حفظ مشتری و جذب مشتری جدید .
عملکرد مالی : مشتمل بر مولفه های نرخ بازده دارائی ، سهم بازار و رشد فروش .
پاینگراکیس و نئودوریدس در یکی از مطالعات خود عملکرد شرکت را در مقایسه با رقبای عمده آن در سه سال گذشته به وسیله 2 دسته از شاخصها شامل (Panigyrakis,2007,P.140) :
شاخص های عملکرد مالی : فروش نهائی، نرخ رشد فروش ، حاشیه سود ناخالص.
شاخص های عملکرد غیرمالی : سهم بازار ، بهره وری ، زمان و دوره عمر سهام که مجموعا" جزء شاخص های ذهنی و غیر مستقیم بودند را مورد سنجش قرار دادند .
ونکاترامان و رامانجوام یک طبقه بندی دو بعدی را پیشنهاد نمودند . در یک سمت آنها بین شاخص های مالی و عملیاتی و در سمت دیگر بین منابع اولیه و منابع ثانویه اطلاعات ، تمایز قائل شدند.
معیارهای مالی در ارتباط با معیارهای حسابداری و عملکرد اقتصادی اشاره می کنند . داده ها برای معیارهای اولیه مستقیما" از داخل سازمان جمع آوری می شوند در حالی که داده ها برای معیارهای ثانویه از پایگاه داده های خارجی جمع آوری میگردند(Gohzales-Benito,2005,P802).همچنین بنیتو از سه معیار عینی عملکرد به نامهای فروش ، سود و نرخ بازده دارائی ها(ROI) استفاده کرد که فروش تمرکز بر اثربخشی شرکت در جذب تقاضا داشت که این امر می توانست شاخصی برای موفقیت بازار باشد(Gohzales-Benito,2005,P802). هالت ، توماس، کتچن و اسلی تر بازده سرمایه گذاری ، بازده دارائی ها و بازده حقوق صاحبان سهام را به عنوان معیارهای عملکرد به کار گرفته اند. در حالیکه دوبنی و لافمن از بازده سرمایه گذاری به عنوان معیار عملکرد استفاده کرده اند.
در یک مطالعه در سال 2008 تیلور و دیگران معیارهائی چون بهبود کیفیت خدمات ، کاهش هزینه های تولید ، سازگاری محصول با تقاضای مشتری و سطوح سازگاری خدمات را به عنوان معیارهای عملکرد به کار برده و خاطر نشان می کنند که این متغیرهای فرعی از بین متغیرهائی انتخاب می شوند که وابستگی بیشتری به رابطه بین عرضه کنندگان و فروشندگان در بازارهای صنعتی داشته و به وسیله کارشناسان صنعت نشان داده شده اند(Taylor,2008,P.4).
سینک و رانچورد نیز در تحقیق خود بر روی صنعت قطعه سازی خودرو در انگلستان ، ضمن استفاده از رویکرد ذهنی ، دلیل این امر را سختی در حصول داده های عینی از منابع مستند و عدم دسترسی عمومی به آن به دلیل مخالفت شرکتها جهت بروز این اطلاعات محرمانه دانسته و با این وجود ایشان 5 شاخص عملکرد را برای اندازه گیری عملکرد تجاری مورد ملاحظه قرار دادند که به شرح زیر می باشد :
حفظ مشتری
سهم بازار
موفقیت محصول جدید
بازده دارائی ها
رشد فروش
این 5 شاخص به وسیله مقیاس طیف 7 گزینه ای لیکرت از" 1= خیلی مخالف " تا "7= خیلی موافق" درجه بندی شده است (SING,2004,P138-139).
الاواریتا و فریدمن عملکرد شرکت را در دو قسمت کلی ، شرکت و عملکرد محصول جدید متمایز ساخته اند ، که در مورد عملکرد کلی شرکت از معیارهای نرخ رشد سهم بازار و جایگاه رقابتی شرکت در مقایسه با سایر رقبا در طی سه سال گذشته استفاده نمودند . ایشان برای عملکرد محصول جدید نیز معیارهای موفقیت در فروش کلی محصول جدید ، سود آوری ، سهم بازار و خلاقیت را پیشنهاد کرده اند (Olararieta,2008). آلبرت و نورا عملکرد سازمانی را از طریق سهم بازار، میزان رشد فروش اندازه گیری کرده اند که اطلاعات آن به صورت (ROI) ونرخ بازگشت سرمایه ذهنی از طریق پاسخگویی مدیران سازمان به سؤالات پرسشنامه و با مقیاس لیکرت به دست آمده است. آلفرد و پلهارن نیز برای انداز هگیری عملکرد سازمانی از سه معیار اثربخشی سازمانی،کیفیت نسبی محصولات ، موفقیت در ارائه محصولات جدید، توانایی سازمان درحفظ مشتریان،( سهم و رشد بازار )سطح فروش، رشد فروش وسهم نسبی بازار( وسودآوری )نرخ بازگشت سرمایه وحاشیه سود در مطالعات خود استفاده کرده اند. چون اثربخشی سازمان ها در این مطالعه توانایی آ نها در جذب توریسم است، شاخص های، توانایی سازمان در جذب مشتریان جدید، حفظ رابطه با واسطه ها(تورگردان ها)، و رشد فروش نسبت به گذشته به عنوان شاخص های اندازه گیری عملکرد مورد استفاده قرار خواهند گرفت. که برای اندازه گیری عملکرد از پژوهشهای قبلی متمایز است(ابزری و دیگران ،1388).
لئوسین و الان تسه در تحقیق خود برای سنجش عملکرد بازرگانی از پنج مولفه سود ، حجم فروش ، سهم بازار ، نرخ بازگشت سرمایه و نقدینگی استفاده کرده اند . آنها پس از انجام یک آنالیز فاکتوری روی این مولفه ها آنها را در 2 گروه 1) سود آوری 2) تسلط بر بازار دسته بندی کرده اند(Sin et al ,2005).
2-1-6) نتیجه گیری در مورد متغیر عملکرد
در این تحقیق از یافته های حاصل از مدل لی و همکارانش در سال 2006 استفاده شد که استفاده از آنها با شرایط حاکم بر شرکت های موجود در بازارهای تولید قطعات خودروئی کشور ایران بیشتر همخوانی داشته ، عملکرد سازمانی با استفاده از معیارهای مالی و بازار که به شرح زیر می باشند استفاده شده است(2006,P.111،Li et al.) :
عملکرد مالی
1.1.برگشت سرمایه ROI : نشان دهنده نسبت مزایای خالص به هزینه می باشد (ضیائی و همکاران ،1390، ص 93) .
1.2. سهم بازار: درصدی از یک صنعت یا کل بازار فروش است که توسط یک شرکت خاص در طول مدت زمان مشخص به دست آمده است ،در مطالعات سازماندهی صنعتی ، سهم بازار و رشد آن به عنوان شاخص های مهم عملکردی شرکت شناخته شده اند( سینائی و رشیدی زاده ، 1386، ص 32).
1.3.حاشیه سود فروش: سود باقیمانده یک شرکت پس از فروش محصول یا خدمت پس از کسر هزینه های مرتبط (حقیقت و موسوی ،1386، ص 32).
1.4.رشد ROI : رشد گردش نسبت مزایای خالص به هزینه می باشد که رشد نرخ بازگشت سرمایه به سازمان را نشان می دهد(ضیائی و همکاران ،1390، ص 93) .
1.5.رشد فروش : یکی از شاخص های ارزیابی فعالیت شرکت می باشد (حقیقت و موسوی ،1386، ص 32).
1.6.رشد سهم بازار: افزایش سودآوری و فرصت های رشد باعث میشود که شرکتها سهم بیشتری از بازار را به خود اختصاص دهند ( سینائی و رشیدی زاده ، 1386، ص 32).
عملکرد بازار:
2.1.موقعیّت رقابتی : از عامل موقعیت رقابتی برای تجزیه و تحلیل محیط داخلی سازمان استفاده می شود که نشان می دهد سازمان ها باید چه اهدافی را دنبال نمایند(غریب نواز و زکیلگی ، 1390، ص 99). ارتقاء موقعیت رقابتی سبب شکل گیری فرصت های بهتری در آینده می شود( سینائی و رشیدی زاده ، 1386، ص 32).
بخش دوم

مبانی و مفاهیم مدیریت زنجیره تامین
2-1) مقدمه
در عصر حاضر باید محصولات متنوع را با توجه به نیاز و خواست مشتری در دسترس وی قرار داد . تآکید مشتری بر محصولات با کیفیت بالا و خدمت رسانی سریع موجب افزایش فشارهائی شده است که پیش از این قبلا" وجود نداشت . در نتیجه شرکتها بیش از این نمی توانند به تنهائی از عهده تمامی کارها برآیند . در بازارهای رقابتی موجود بنگاههای اقتصادی و تولیدی علاوه بر پرداختن به سازمان و منابع داخلی ، خود را به مدیریت و نظارت به منابع و ارکان مرتبط خارج از سازمان نیز نیازمند یافته اند . علت این امردر واقع دستیابی به مزیت یا مزایای رقابتی با هدف کسب سهم بیشتری از بازار می باشد و بر این اساس فعالیتهائی نظیر برنامه ریزی عرضه و تقاضا ، تهیه مواد ، تولید و برنامه ریزی محصول ، نگهداری کالا ، کنترل موجودی ، توزیع محصول و تحویل خدمت به مشتری که پیش از این همگی در سطح شرکت انجام می گرفت اینک صرفا" مختص یک شرکت خاص نیست و به سطح زنجیره تامین انتقال یافته و همکاری و هماهنگی زیادی را بین اعضاء زنجیره طلب می کند . از طرف دیگر فضای کسب و کار برای سازمان های امروزی نیز الزاما" فضائی شبکه ای است و سازمانها موظفند با استفاده از رویکرد زنجیره تامین و همکاری تنگاتنگ میان تامین کنندگان ، تولید کنندگان و مشتریان به حیات خود ادامه دهند.
2-2-2) تار یخچه زنجیره تامین
در دو دهه 60 و 70 میلادى، سازمان‌ها براى افزایش توان رقابتى خود تلاش مى‌کردند تا با استاندارد سازى و بهبود فرایندهاى داخلى خود محصولى با کیفیت بهتر و هزینه کمتر تولید کنند. در آن زمان تفکر غالب این بود که مهندسى و طراحى قوى و نیز عملیات تولید منسجم و هماهنگ، پیش‌نیاز دستیابى به خواسته‌هاى بازار و درنتیجه کسب سهم بازار بیشترى است. به همین دلیل سازمان‌ها تمام تلاش خود را بر افزایش کارایى معطوف مى‌کردند.
در دهه 80 میلادى با افزایش تنوع در الگوهاى مورد انتظار مشتریان، سازمان‌ها به طور فزاینده اى به افزایش انعطاف پذیرش در خطوط تولید و توسعه محصولات جدید براى ارضاى نیازهاى مشتریان علاقه مند شدند. در دهه 90 میلادى، به همراه بهبود در فرایندهاى تولید و به کارگیرى الگوهاى مهندسى مجدد، مدیران بسیارى از صنایع دریافتند که براى ادامه حضور در بازار تنها بهبود فرایندهاى داخلى و انعطاف پذیرى در توانایى‌هاى شـــــرکت کافى نیست، بلکه تامین کنندگان قطعات و مواد نیز باید موادى با بهترین کیفیت و کمترین هزینه تولید کنند و توزیع کنندگان محصولات نیز باید ارتباط نزدیکى با سیاست‌هاى توسعه بازار تولید کننده داشته باشند. با چنین نگرشى، رویکردهاى زنجیره تامین و مدیریت آن پا به عرصه وجود نهاد. واژه مدیریت زنجیره تأمین اولین بار توسط دو محقق به نام های اولیور و وبر در سال 1982 به کار رفت و سپس به طورگسترده در دهه ی 1990 استفاده شد. پیش تر از واژه ی لجستیک و مدیریت عملیات به جای آن استفاده میشد (الفت و همکاران ، 1390،ص125).
2-2-3) تعاریف و تئوریهای مدیریت زنجیره ی تأمین
انجمن حرفه ای مدیریت زنجیره ی تأمین، مدیریت زنجیره تأمین را به این صورت تعریف کرده است: مدیریت زنجیره تأمین شامل برنامه ریزی و مدیریت کلیه فعالیت های منبع یابی و تدارکات، تبدیل کالاها از مرحله ماده خام) استخراج (تا تحویل به مصرف کننده نهایی، فعالیت های لجستیک و کلیه ی فعالیتهای هماهنگی و همکاری میان تأمین کنندگان، واسطه ها، خرده فروشان و مشتریان است( http://www.cscmp.org, 2009). مدیریت زنجیره تأمین عبارتست از  شبکه ای از شرکت ها که برای تحویل محصولات یا خدمات به مشتری نهایی فعل و انفعال دارند و جریان ها را از عرضه مواد خام تا تحویل نهایی به هم مرتبط می کنند (Chan et al.2012.p290). مدیریت زنجیره تامین یک برنامه جامع و استراتژیک با رویکرد تقاضا ، تدارکات ، عملیات و لجستیک می باشد (et al,2008,P666 Chow).
مدیریت زنجیره تامین عبارتست از فرایند یکپارچه سازی فعالیتهای زنجیره تامین و نیز جریانهای اطلاعاتی مرتبط با آن از طریق بهبود و هماهنگ سازی فعالیتهای زنجیره تامین ، تولید و عرضه محصول . هدف مدیریت زنجیره تامین یکپارچه سازی اطلاعات و جریان مواد در سراسر زنجیره تامین به عنوان یک سلاح رقابتی می باشد((Li et al.,2006,p109 .
مدیریت زنجیره تأمین بر یکپارچه سازی فعالیت های زنجیره تأمین و نیز جریان های اطلاعاتی مرتبط با آنها از طریق بهبود روابط زنجیره برای دستیابی به مزیت رقابتی مشتمل میشود. بنابراین مدیریت زنجیره تأمین عبارت است از فرایند یکپارچه سازی فعالیت های زنجیره تأمین و نیز جریان های اطلاعاتی مرتبط با آن، از طریق بهبود و هماهنگ سازی فعالیت ها در زنجیره تأمین تولید و عرضه محصول(الفت و همکاران ، 1390، ص 126).
زنجیره تأمین شامل تمامی فعالیت های مرتبط با جریان و مبادله کالاها و خدمات، از مرحله ماده خام اولیه تا مرحله محصول نهایی قابل مصرف توسط مشتری است . این نقل و انتقالات علاوه بر جریان مواد، شامل جریان اطلاعات و مالی نیز می شود ( رحمان سرشت و افسر، 1387، ص38) .
زنجیره تامین شامل شبکه ای از مشارکت کنندگان و کانال های متفاوت عملیاتی از درون و بیرون سازمان است که روی مطلوبیت ستاده های زنجیره تامین تاثیر می گذارند ، هدف اصلی فعالیتهای مربوط به مدیریت زنجیره تامین ، ارضاء تقاضای مشتریان است ، به طوری که بتواند محصول مورد نظر را با حداکثر کیفیت ، حداقل قیمت و در زمان مورد نظر به مشتریان تحویل دهد ، در زنجیره تامین به منظور بهینه کردن
فرایندهای درونی زنجیره ، هر عضو باید با دیگر اعضای زنجیره هماهنگ شود . (عمید و همکاران ، 1386 ،ص 6)
به گفته سیمچی - لوی، کمینسکی (2000) ، مدیریت زنجیره تأمین مجموعه ای از روش هاست که برای یکپارچه سازی اثربخش تأمین کنندگان، تولیدکنندگان، انبارها و فروشگا هها استفاده می شود. به طوری که کالا در حجم مناسب، مکان مناسب و زمان مناسب، تولید و توزیع شود تا هزینه کل سیستم به حداقل برسد و الزامات سطح خدمات برآورده شود. مدیریت زنجیره ی تأمین به عنوان یک فلسفه ی کسب وکار، با افزایش مهارت های کسب وکار و عملکرد تمام اعضا در زنجیر ه ی تأمین، کسب وکار را متحول ساخته مدیریت است(مانیان و همکاران ،1389 ، ص4).
مدیریت زنجیره تامین فلسفه ای یکپارچه در جهت مدیریت جریان کلی مسیر توزیع از سوی تامین کننده تا کاربر نهایی است و بعنوان یک فلسفه مدیرانه شامل میزان و حدود رفتارهای یکپارچه جهت همکاری بین مشتری و تامین کننده در جریان یکپارچه سازی خارجی است(قره بلاغ، 1388،ص 2 ) .
در حالت کلی زنجیره تامین از دو یا چند سازمان تشکیل می شود که رسماً از یکدیگر جدا هستند و به وسیله جریان های مواد، اطلاعات و جریان های مالی به یکدیگر مربوط می شوند. این سازمان ها می توانند بنگاه هایی باشند که مواد اولیه، قطعات، محصول نهایی و یا خدماتی چون توزیع، انبارش، عمده فروشی و خرده فروشی را ارائه کرده و حتی مصرف کننده نهایی را نیز شامل می گردد(معبودی و همکاران ،1389،ص14)
زنجیره تأمین می توان نتیجه گرفت که مدیریت زنجیره ی تأمین عبارت است از مدیریت تمام فعالیت های مربوط به انتقال کالاها از مواد خام تا کاربر نهایی که شامل منبع گزینی و تأمین، زمانبندی تولید، پردازش سفارش، مدیریت موجودی، انتقال، انبارداری و خدمات مشتری است. همچنین سیستم های اطلاعاتی مورد نیاز برای نظارت و هماهنگی فعالیتها را نیز در بر می گیرد (مانیان و همکاران ،1389 ، ص 5).
تعاریف فوق و سایر تعاریف ارائه شده در مورد مدیریت زنجیره تامین گویای این است که زنجیره تأمین اثربخش، به عنوان کلیدی برای ایجاد شبه رقابتی پایدار برای محصولات یا خدمات به طور فزاینده در یک بازار تشخیص داده اند . (Li et al.,2006,p108)
2-2-4) پیکربندی های زنجیره تامین
نقطه شروع رویکرد پیکربندی به کار فیشر (1997) مربوط می شود. به منظور مدیریت استراتژیک جریان های مواد و اطلاعات فیشر دو نوع زنجیره تامین را بر مبنای خصوصیات تقاضای محصول ارائه می کند. برای محصولاتی که دارای تقاضای با ثبات می باشند زنجیره های تامین کارآ و برای محصولاتی که دارای تقاضای متلاطم بودند، زنجیره های تامین پاسخگو را پیشنهاد می کند.

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

تان و دیگران (2000) یک رویکرد متمایز تر راجع به پیکر بندی زنجیره تامین پاسخگو به بازار ارائه می کنند. آنها پیکربندی زنجیره تامین پاسخگو به بازار را به دو نوع تقسیم می کنند: پیکربندی نوع محصول قابل سفارشی سازی و پیکربندی نوع محصول نوآورانه تفاوت های جزیی بین این دونوع در الگوهای غیر قابل پیش بینی تقاضا، دوره های عمر کوتاه محصول و استراتژی ساخت بر اساس سفارش قرار دارد. چند تن از محققان معتقدند که پیکربندی های خالص برای همه زنجیره های تامین و همه موقعیت ها مناسب نیست و در همین رابطه پیکربندی های ترکیبی را ارائه کرده اند. آنها معتقدند که زنجیره های تامین کارآ یا ناب برای محصولات کارکردی مناسب بوده ولی برای محصولات نوآورانه زنجیره تامین ناب - چابک بهتر است.
لی (2000) با در نظر گرفتن عدم اطمینان در تقاضا و عدم اطمینان در عرضه، چهار نوع زنجیره تامین را از یکدیگر متمایز می کند در این پیکربندی دو نوع زنجیره تامین کارآ و پاسخگو بر حسب میزان عدم اطمینان کم و زیاد در عرضه به چهار نوع زنجیره تامین کارآ، پاسخگو، چابک و محافظت کننده از ریسک تقسیم می شود(دستجردی و همکاران ، 1388 ،ص 124).
2-2-4-1) پاسخگویی زنجیره تأمین
پاسخگویی زنجیره تأمین به عنوان اینکه اعضای زنجیره تأمین چگونه با هماهنگی به تغییرات محیطی پاسخ می دهند، تعریف می شود. پاسخگویی زنجیره تأمین ماهیت پویای قابلیت های زنجیره تأمین را مدنظر دارد که به شرکت این امکان را می دهد تا شایستگیهای خاص شرکت را توسعه و تجدید نماید و به تغییرات محیطی پاسخ بهتری را ارائه نماید بازار پیچیده امروزی نیازمند پاسخ همیشگی، کارا و ... از تمامی اعضای زنجیره تأمین است تا قادر به عمل و عکس العمل متناوب به اطلاعات جمع آوری شده نهایت شکل یادگیری است، بنابراین، زنجیره تأمین پاسخگو به عنوان استراتژی زنجیره تأمین درنظر گرفته شده است. چنانچه قابلیت های زنجیره تأمین به خوبی عمل نمایند استراتژیهای زنجیره تأمین موفق تر خواهند بود. (رحمان سرشت و افسر، 1387 ، ص42)
2-2-4-2)کارایی زنجیره تأمین
مقصود از کارایی زنجیره تأمین، هز ینه تولید و تحو یل محصول به مشتری است در مبحث کارایی زنجیره تأمین، کاهش مستمر هز ینه های خرید مواد، تولید و ... بر ای تمامی شرکای زنجیره تأمین مطرح است
. به عبا رت د یگر، هر یک از اعضا ی زنجیره تأمین به جای تو لید محصولی با قیمت تمام شده بالا و فروش به قیمت بالاتر به د یگر اعضای زنجیره تأمین، سعی می کند تا قیمت تمام شده خود را کاهش دهد . این امر موجب می شود تا بها ی تمام شده محصول ا ین نوع زنجیره تأمین کاهش یابد عملکرد شرکت ارتقاء یابد ، بنابراین می توان به عنوان یکی از استراتژی های زنجیره تأمین درنظر گرفت . (رحمان سرشت و افسر، 1387 ، ص42)
رویکرد پیکربندی دیگری بوسیله کورستن و گابریل (2002) ارائه شده است. آنها از ابعاد ساختار محصول و عدم اطمینان تقاضا برای شرح پیکر بندیهای زنجیره تامین استفاده می کنند رویکرد دیگری که اکثر رویکر دهای دیگر را ترکیب می کند بوسیله کلوس (2003) ارائه شده است. در حالیکه سایر رویکرد ها ارتباط آشکاری با تئوری پیکربندی ندارند، این رویکرد از نظر تئوریک مبتنی بر تئوری پیکربندی است. اکثر پیکربندی های ارائه شده به طور ضمنی مبتنی بر چهارچوب ساختار -رفتار- عملکرد کلاسیک در تئوری سازمان صنعتی بوده و یا می توانند به استراتژی های رقابتی عمومی پورتر مرتبط شوند. به عبارت دیگر در همه پیکر بندیها رویکرد غالب رویکرد بیرون به درون بوده و به عوامل محیطی توجه بسیاری صورت گرفته است. حال آنکه به منظور اثربخشی بیشتر پیکر بند یها لازم است که با رویکرد درون به بیرون تکمیل شده و شایستگی ها و توانمندی های داخلی زنجیره های تامین نیز مورد توجه قرار گیرند(دستجردی و همکاران ، 1388 ، ص124).
2-2-5) مولفه های اصلی مدیریت زنجیره تامین
مدیریت لجستیک در زنجیره تامین
مدیریت اطلاعات و سیستمهای اطلاعاتی در زنجیره تامین
مدیریت روابط بین اعضای زنجیره تامین
این سه مؤلفه، مشخصه های استراتژ یک در زنجیره تامین به شمار می آیند و شایان ذکر است که جریان مواد رو به جلو می باشد و از تامین کنندگان مواد خام آغاز شده و تا مشتری نهایی ادامه می یابد و از اعضای زنجیره تامین، یعنی تامین کنندگان ، تولید کننده و توزیع کنندگان می گذرد و به مدیریت لجستیک در زنجیره تامین معروف است. اما مشخصه ی دیگری که باعث به جریان درآمدن مواد می شود جریان اطلاعات است که حرکتی رو به عقب دارد و از مشتری نهایی آغاز شده و به تامین کنندگان ختم می شود و در مسیر خود از اعضای دیگر زنجیره تامین نیز عبور می کند. این اطلاعات بیانگر خواست و تقاضای مشتری برای محصول یا محصولات و یا خدمات می باشد (قره بلاغ، 1388، ص2 ) .
2-2-5-1) مدیریت لجستیک
کلیه فعالیت ها از مرحله تهیه مواد خام تا محصول نهایی مثل حمل و نقل ، زمان بندی تولید و برنامه های انبار داری ، تبادل و پردازش داده ها میان شرکا ، جمع آوری و پردازش اطلاعات برای تحلیل فرایند منبع یابی و ارزیابی و انتخاب و توسعه تامین کنندگان ، جمع آوری و پردازش اطلاعات عرضه و تقاضا را شامل می شود . بخش نسبتاً بزرگی از فعالیت های زنجیره تامین را به خود اختصاص داده است . در واقع محدوده لجستیک تنها جریان مواد و کالا نبوده بلکه محور فعالیت های زنجیره تامین است که روابط و اطلاعات ، ابزارهای پشتیبان آن برای بهبود در فعالیت ها هستند( عظیمی،1389،ص49 ).
2-2-5-2) مدیریت اطلاعات و سیستمهای اطلاعاتی
امروزه نقش و اهمیت و جایگاه اطلاعات برای همگان بدیهی است ، گردش مناسب و انتقال صحیح اطلاعات باعث می شود تا فرایند مدیریت زنجیره تامین موثر و کارتر گشته و مدیریت آنها آسان تر گردد . در بحث زنجیره تامین همانطور که گفته شد اهمیت هماهنگی در فعالیت ها بسیار حائز اهمیت است . این نکته در مبحث مدیریت اطلاعات زنجیره ، مدیریت سیستم های اطلاعاتی و انتقال اطلاعات نیز صحت دارد . مدیریت اطلاعات هماهنگ و مناسب میان شرکا باعث خواهد شد تا تاثیرات فزاینده ای در سرعت ، دقت ، کیفیت و جنبه های دیگر وجود داشته باشد . مدیریت صحیح اطلاعات موجوب هماهنگی بیشتر در زنجیره خواهد شد . به طور کلی در زنجیره تامین ، مدیریت اطلاعات در بخش های مختلف تاثر گذار خواهد بود که برخی از آنها عبارتند از مدیریت لجستیک ( انتقال ، جابه جایی ، پردازش و دسترسی به اطلاعات لجستیکی برای یکپارچه سازی فرایند های حمل و نقل ، سفارش دهی ، ساخت ، تغییرات سفارش ، زمان بندی تولید ، برنامه های لجستیک و عملیات انبارداری ) تبادل و پردازش داده ها میان شرکاء ( مانند تبادل و پردازش اطلاعات فنی ، سفارشات و ... ) ، جمع آوری ، پردازش اطلاعات برای تحلیل فرایند منبع یابی و ارزیابی ، انتخاب و توسعه تامین کنندگان ، جمع آوری و پردازش اطلاعات عرضه در تقاضا و ... ، برای پیش بینی روند بازار ، شرایط آینده عرضه و تقاضا و ایجاد و بهبود روابط بین شرکا چنانچه پیداست ، مدیریت اطلاعات و مجموعه سیستم های اطلاعاتی زنجیره تامین می تواند بر روی بسیاری از تصمیم گیری های داخلی بخش های مختلف زنجیره تامین موثر باشد که این موضوع حاکی از اهمیت بالای این مولفه در مدیریت زنجیره تامین است( عظیمی،1389،ص49 ).
2-2-5-3) مدیریت روابط
عواملی که ما را به سمت فرجام بحث راهنمایی می کند و شاید مهمترین بخش مدیریت زنجیره تامین به خاطر ساخت و فرم آن باشد ، مدیریت روابط در زنجیره تامین است . مدیریت روابط تاثیر شگرفی بر همه زمینه ها زنجیره تامین و همچنین سطح عملکرد آن دارد . در بسیاری از موارد ، سیستم های اطلاعاتی و تکنولوژی مورد نیاز برای فعالیت های مدیریت زنجیره تامین به سهولت در دسترس بوده و می توانند در یک دوره زمانی نسبتاً کوتاه به کار گمارده شوند ، اما بسیاری از شکست های آغازین در زنجیره تامین ، معلول انتقال ضعیف انتظارات و توقعات و نتیجه رفتارهایی است که بین طرفین درگیر در زنجیره تامین به وقوع می پیوندد . علاوه براین ، مهمترین فاکتور برای مدیریت موفق زنجیره تامین ، ارتباط مطمئن میان شرکا در زنجیره است ، به گونه ای که شرکا اعتماد متقابل به قابلیت ها و عملیات یکدیگر داشته باشد . کوتاه سخن این است که در توسعه هر زنجیره تامین یکپارچه ، توسعه اطمینان و اعتماد در میان شرکا و طرح قابلیت اطمینان برای آنها از عناصر بحرانی و مهم برای نیل به موفقیت است ( عظیمی،1389،ص49 ).
2-2-6) فرآیند های مدیریت زنجیره تامین
نلسون و وینتر (1982) در تئوری اقتصاد تکاملی روتینها را به عنوان اصلی ترین جزء تشکیل دهنده سازمان ها می دانند و معتقدند که نقشی مشابه ژنها در بدن انسان در سازمان ها ایفا می کنند. با در نظر گرفتن زنجیره تامین به عنوان واحد تجزیه و تحلیل، فرآیند های مدیریت زنجیره تامین همان روتینها به زعم نلسون و وینتر (1982) هستند که اصلی ترین جزء زنجیره تامین را تشکیل داده و در صورتی که در زنجیره تامین توانمندی بخواهد بوجود آید در فرآیند ها بایستی روی دهد. بر اساس نظر ری و دیگران (2004) اثربخشی فرآیند های کسب و کار معیار مناسبی برای بررسی رویکرد منبع محور است و منابع و توانمندی های شرکتها و زنجیر ه های تامین در داخل فرآیند های کسب و کار باید بوجود آیند. داونپورت و دیگران (1995)یک فرآیند کسب و کار را به صورت زیر تعریف می کنند: مجموعه ای از فعالیت های ساختمند با اهداف کسب و کار مشخص شده در جهت خدمت به مشتریان(دستجردی و همکاران ، 1388 ، 125). شش فرآیند زیر به عنوان فرآیند های اصلی مدیریت زنجیره تامین در نظر گرفته شده است :
مدیریت ارتباط و خدمت به مشتری :
فرآیند کسب و کاری که نگاه به مشتری داشته و ساختاری را برای ایجاد و حفظ ارتباط با مشتریان توسعه می دهد.
برنامه ریزی زنجیره تامین و مدیریت تقاضا :
این فرآیند با ایجاد تعادل بین عرضه و تقاضا در کل زنجیره تلاش می کند که از مازاد عرضه یا تقاضا در بخشهای مختلف زنجیره جلوگیری کند.
مدیریت جریان ساخت و لجستیک:
فرآیندی که شامل همه فعالیت های لازم برای تولید و انتقال کالا ها از کارخانه ها به رده بعدی زنجیره می باشد و همچنین وظیفه کسب، اجرا و مدیریت انعطاف پذیری در ساخت بر عهده این فرآیند می باشد.
تهیه و تدارک و مدیریت ارتباط با تامین کنندگان :
وظیفه خرید و تهیه و تدارک مواد و قطعات در رده های مختلف زنجیره تامین و همینطور توسعه و حفظ روابط موثر با تامین کنندگان مواد و قطعات بر عهده این فرآیند می باشد.
توسعه و تجاری سازی محصول:
این فرآیند با همکاری مشترک با مشتریان و تامین کنندگان ساختاری را برای توسعه و جا انداختن محصولات در بازار فراهم می کند.
فرآیند برآورده کردن سفارش و توزیع:
این فرآیند شامل همه فعالیتهای لازم برای تعریف نیازمندی های مشتری، طراحی شبکه توزیع و برآورده کردن درخواستهای مشتری با حداقل هزینه کل تحویل می باشد.
با توجه به اینکه شرکت ها معمولا منابع و توانمند یهای خود را در سه حوزه توسعه محصول، مشتری محوری و بدون اتلاف کردن عملیات متمرکز می نمایند، اعضای زنجیره های تامین نیز بر همین اساس یعنی تمرکز تولید کننده تجهیزات اصلی یا رهبر زنجیره تامین، شایستگی های خود را تقویت می کنند،در جدول 2-2 چهارچوب های موجود برای دسته بندی فرآیند های مدیریت زنجیره تامین نشان داده شده است (دستجردی و همکاران ، 1388 ، ص-127126).
جدول 2-1) چهارچوب های موجود برای دسته بندی فرآیند های مدیریت زنجیره تامین(دستجردی و همکاران ، 1388 ، ص126).
چهارچوب فرایندها توسعه دهنده
1 مدیریت ارتباط با مشتری ، مدیریت خدمت به مشتری ، توسعه و تجاری سازی محصول ،مدیریت تقاضا ، مدیریت جریان ساخت ، مدیریت ارتباط با تامین کنندگان ، فرایند براورده کردن سفارش ، فرایند برگشتی ها انجمن جهانی زنجیره تامین
2 برنامه ریزی ، منبع یابی ، ساخت ، تحویل ، برگشتی انجمن زنجیره تامین
3 مدیریت ارتباط با مشتری ، مدیریت توسعه محصول ، و مدیریت زنجیره تامین استریواستاوا و دیگران (1999)
4 برنامه ریزی ، تهیه و تدارک ، ساخت ، تحویل ، طراحی محصول ، مدیریت ظرفیت ، طراحی و بازطراحی فرایند ، و اندازه گیری باورساکس و دیگران
(1999)
5 برنامه ریزی زنجیره تامین ، تهیه و تدارک ، مدیریت سفارش مشتری ، ساخت ، لجستیک انجمن کیفیت و
بهره ری آمریکا
ازبین پنج چهارچوب ارائه شده، فقط دو چهارچوب GSCF , SCOR با جزییات کامل فرآیند ها را شرح داده و در محیط کسب و کار توسط شرکت ها بیشتر مورد استفاده قرار گرفته است. این دو چهارچوب در برخی از جنبه ها بایکدیگر تفاوت داشته و محققان و مدیران بایستی با در نظر گرفتن این تفاوت ها از بین آنها انتخاب نمایند. به طور کلی چهارچوب GSCF جهت گیری استراتژیک بیشتری داشته و بر روی افزایش ارزش بلند مدت سهامداران بوسیله روابط فرا کارکردی نزدیکتر با اعضای کلیدی زنجیره تامین متمرکز است. این چهارچوب بیشتر در موقعیتهای کسب و کاری که توانایی شناسایی، ایجاد و حفظ روابط کسب و کار یک مزیت رقابتی تلقی می شود، بکار گرفته می شود.در ادامه فرآیند های مدیریت زنجیره تامین انجمن جهانی زنجیره تامین به عنوان مبنا در نظر گرفته شده است (دستجردی و همکاران ، 1388 ، ص126).
2-2-7)عوامل موفقیت زا در زنجیره تامین
زنجیره های تامین با هدف ارتقاء رقابت پذیری ، بهبود کیفیت محصول و خدمات ارائه شده ، افزایش سطح رضایت مندی مشتریان ،کاهش هزینه ها و ... و در نهایت افزایش سودآوری کل به عنوان یک ضرورت در عرصه فعالیت های اقتصادی ، ایجاد و به کار گرفته می شوند . تغییرات در عرصه اقتصاد جهانی ، بازیگران این عرصه را علی رغم این که سالها فرایند لجستیک خود را با تدارک ، تولید و توزیع به شکلی مستقل از سایر شرکت ها مدیریت می کردند ، مجبور کرد تا این فرایند را در پیوند با عرضه کنندگان و مشتریان خود سامان داده و زمینه های جدیدی را بوجود آورند تا برای مجموعه عرضه کننده ، تولید کننده و مشتریان ارزش افزوده ایجاد نماید . زنجیره های تامین تمامی عناصری که به طور مستقیم یا غیرمستقیم در جهت ارضاء نیاز مشتری به کار گرفته میشوند را شامل می شود . این عناصر شامل عرضه کنندگان ، سازندگان ، حمل کنندگان ، انبارها ، فروشندگان عمده یا توزیع کنندگان ، فروشندگان خرد و مشتریان می باشند . مدیریت و راهبری زنجیره های تامین یا عرضه ، یک مشخصه کلیدی و راهبردی برای افزایش اثربخشی در شرکت ها و درک بهتر از اهداف سازمانی مانند افزایش توان رقابتی ، توجه بیشتر به مشتری و افزایش سود آوری می باشد .
هدف هر زنجیره تامین ، بهبود و بیشینه کردن کل ارزش ایجاد شده و سودآوری آن است و موفقیت آن بر اساس سودآوری کل زنجیره شکل می گیرد و نه سود هر جزء در مراحل مختلف ، لذا در یک زنجیره تامین تلاش می گردد تا به جای انتقال هزینه ها به بخش های بالا دستی یا پایین دستی ، شرکت ها تشویق شوند تا جریان را در کل زنجیره و با تفکر مشارکتی بهبود بخشند . بر اساس مطالعات انجام شده ، همکاری و مشارکت به عنوان اصلی ترین عامل موفقیت زنجیره تامین ، نقشی استرتژیک در ارتباط میان اجزاء مستقل زنجیره تامین دارد . مشارکت در زنجیره تامین از طریق کاهش هزینه های کل ، کاهش موجودی در طول زنجیره و افزایش سطح تبادل اطلاعات ، سبب می شود تا کارایی و اثربخشی اجرایی و مالی ، افزایش یابد . افزایش جریان اطلاعات ، کاهش عدم اطمینان ، سودمندی کل زنجیره ، کنترل بهتر مسیرهای عرضه و توزیع و ... از دیگر فوایدی است که در نتیجه مشارکت و ارتباط با دیگر اجزاء زنجیره بدست می آید . مفهوم این مشارکت و همکاری باید صرف نظر از هر جزء زنجیره ، در میان اجزاء نیز به دقت مورد توجه قرار گیرد . لازمه موفقیت چنین هدفی ، بستر سازی و فرهنگ سازی مناسب در میان مدیران و کارکنان یک زنجیره است تا نتیجه مطلوب تری حاصل گردد . ( حاجی ترخانی،1382،ص17 ) اساساً پایبندی به چهار اصل زیر موفقیت و رسیدن زنجیره های تامین به تعالی را تا حد زیادی تضمین می کند : ( هوگس ،1387،ص41 )
منابع انسانی : داشتن افراد مناسب و متخصص اولین قدم برای موفقیت و تعالی در مدیریت زنجیره تامین است .
ساختار سازمانی :ساختار سازمانی مشخص کننده نحوه ارتباطات رسمی ، فرایندها ، سرپرستی ، کنترل ، مسئولیتها و اختیاراتی است که لازمه رسیدن سازمان و زنجیره تامین به اهداف مورد نظر می باشد .
فن آوری اطلاعات و اطلاع رسانی همزمان : از آن جا که زنجیره تامین باید اطلاعات مورد نیاز گروه های کاری بین آنها و در سازمان های مختلف به صورت همزمان انتقال دهد ، لذا باید از داشتن پشتوانه های مناسب فن آوری اطلاعات برخوردار بوده تا بتواند ضمن جابجایی اطلاعات ، سازمان ها را برای تصمیم گیری دقیق تر در مورد زنجیره تامین هدایت کند .
ارزیابی عملکرد و شاخص های مناسب : سیستم اندازه گیری مناسب و انتخاب شاخص های صحیح ارزیابی عملکرد ، یکی از مهمترین عوامل موفقیت و تعالی در زنجیره های عرضه می باشد .
برخی صاحب نظران نیز عوامل حیاتی در زنجیره تامین به شرح زیر طبقه بندی نموده اند ( اولیایی و فخر،1384،ص21 )
رفتار یکسان بین مشتریان و تامین کنندگان
به اشتراک گذاشتن با کلیه سطوح زنجیره تامین
تعاون و همکاری در تمام زنجیره تامین و ایجاد هماهنگی لازم
داشتن اهداف شفاف و انتظارات واقع بینانه برای کلیه قسمت های زنجیره تامین
یکپارچه سازی فعالیت های موجود در فرایندهای زنجیره تامین
ایجاد مشارکت و شرکت مبتنی بر اعتماد و اطمینان متقابل
تقسیم سود یا زیان هر دو طرف
کاهش زمان پاسخ دهی در سراسر زنجیره تامین
استفاده از تامین کنندگان مختلف ( برون سپاری )
ارائه کالا یا خدمات با کیفیت
ارائه کالاها یا خدمات مورد نظر در زمان مقرر
انعطاف پذیری در تغییرات عرضه و تقاضا برای کالا و خدمات
2-2-8) انواع مدلهای زنجیره تامین
2-2-8-1) نمایش کلی از یک زنجیره تامین
زنجیره تأمین شامل تمامی فعالیت های مرتبط با جریان و مبادله کالاها و خدمات، از مرحله ماده خام اولیه تا مرحله محصول نهایی قابل مصرف توسط مشتری است . این نقل و انتقالات علاوه بر جریان مواد، شامل جریان اطلاعات و مالی نیز می شود نمودار زیر نمایشی کلی از یک زنجیره تأمین را نشان می دهد.( رحمان سرشت و افسر، 1387، ص38)
723900214630
شکل 2-2) نمایش کلی از یک زنجیره تامین

2-2-8-2) خانه SCM
با توجه به نظر کریستوفر زنجیره تأمین، شبکه ای از سازمان های بالادستی تا پایین دستی است که در فرایندها و فعالیت های مختلفی که در قالب محصولات و خدمات در دست مشتری نهایی ایجاد ارزش می نمایند، درگیر هستند . تأکید این تعریف بر درنظر گرفتن ارضای نیاز مشتریان در تمامی فعالیت های زنجیره تأمین است . بر مبنای این تعریف، SCM در نمودار زیر نشان داده شده است. سقف این خانه، هدف نهایی SCM خانه یعنی رقابت پذیری را نشان میدهد. با گسترش جهانی شدن بازارها، تنها راه ادامه بقاء شرکت ها و سازمان ها منوط به افزایش رقابت پذیری و کسب و حفظ مزیت رقابتی پایدار می باشد. برای رسیدن به رقابت پذیری زنجیره تأمین، باید خدمت به مشتریان سرلوحه فعالیت ها قرار گیرد . امروزه رقابت بین شرکت های منفرد ، جای خود را به رقابت بین زنجیره های تأمین داده است ( رحمان سرشت و افسر، 1387، ص38) .
یکی از قابلیت هایی که جهت دستیابی به رقابت پذیری زنجیره تأمین ضروری است، تسهیم اطلاعات است . تسهیم اطلاعات به توانایی شرکت جهت تسهیم دانش با شرکای زنجیره تأمین به شیوه ای اثربخش و کارا اشاره دارد تسهیم اطلاعات اثربخش بعنوان یکی از اساسی ترین توانایی های فرآیند زنجیره تأمین بشمار می رود و به دنبال پاسخ به این سوال است که رابطه تسهیم اطلاعات با استراتژی های رقابتی و عملکرد زنجیره تأمین چگونه است؟، آیا تسهیم اطلاعات ، عملکرد زنجیره تأمین را افزایش می دهد؟( رحمان سرشت و افسر، 1387،ص39).
971550190500
شکل 2-3) خانه SCM ( رحمان سرشت و افسر، 1387، ص38)

2-2-8-3) مدل چو :
چو و همکاران در مدل مدیریت زنجیره تامین خود شاخص های زیر را در نظر گرفتند که شامل :
شیوه های زنجیره تامین
علاقه به زنجیره تامین
شایستگی های زنجیره تامین
را در نظر گرفته اند که نتایج نشان می دهد که:
بین شیوه های انجام زنجیره تامین و علاقمندی به زنجیره تامین رابطه وجود دارد .
بین شیوه های انجام زنجیره تامین و شایستگی های زنجیره تامین رابطه وجود دارد.
بین علاقمندی به زنجیره تامین و شایستگی های زنجیره تامین رابطه وجود دارد.
سطوح انجام شیوه های زنجیره تامین تاثیر مثبتی بر عملکرد کلی زنجیره تامین دارد .
5.سطوح شایستگیهای زنجیره تامین تاثیر مثبتی بر عملکرد کلی زنجیره تامین دارد (Chew,2008,p669).

علاقه به زنجیره تامین

شایستگیهای زنجیره تامین
روشهای زنجیره تامین

dad89

فصل هفتم72
موارد تکمیلی ودیدگاها
1-7 نتیجه گیری73
2-7 چالش ها74
3-7 سنجش میران تاثیر :75
4- 7وضعیت رقابت تکنولوژی ترموالکتریک76
5-7سوالات مورد نظر77
6-7 اهداف:77
7-7 پیشنهادات:78
8-8نتیجه گیری کلی: 82
فصل هشتم:83
موارد پیگیری برای انجام این طرح:
فصل نهم:89
چکیده مقالات مربوت به ترموالکتریک و فناوری نانو
فصل دهم:102
منابع ومأخذ
منابع103
پیوست ها103
مشخصات پژوهش وپژوهش گر105
اطلاعات مربوط به پژوهشگر سرپرست106
تشکر و قدر دانی
از همه کسانی که مرا در این راه یاری رساندند کمال تشکر را دارم.
حرفی با خوانندگان:
و این چنین است که تعداد اندکی انسان متفکر و دانشمند ، اندیشه دور پرداز خود را با زرادخانه علم ودانش مجهز میکنند. تا از یک طرف ، بکشف بسیار بزرگ کیهانی بپردازند و در این کاوش علمی ستارگانی را کشف کند. که بیست میلیارد سال نوری با کره زمین فاصله داشته باشد .واز طرفی دیگر به دنیای بی نهایت کوچک اتم حمله می کنند تا اسرار آنرا دریابند و انرژی عظیمی را که در دل آن نهفته است مهار کنند.
و که دانشمندان از زمزه قلیل رهروانند که صخره های بلند و صحراهای هموار روح و اندیشه را در نوردیدند. در این مقدمه ،مرا با ادبیات و شعر و اندیشه های سیاسی و غیره سیاسی کاری نیست. زیرا ،این پژوهش حاوی مطالب کاملا علمی و منعکس کننده پیشرفته ترین دانش و تکنیک بشر در زمان ماست.
وبا لااخص که:
اندیشه و مسلک های موجود ، آشفته بازاری را ماند که در آن ایدئولوژی ها ( از راستترین و چپ ترین و از تندرو ترینش و تا متعادل ترین آنها) بنحوه ناجور و نا مناسب و نا هماهنگی کنار هم چیده شده اند و به فراخان رنگ ظاهرین، ونه محتوی، ارباب رجوع و مشتری می تلبید.آشفتگی به حدی است که گاهی عرضه کننده کالا دارای دو جنس متناقض با هم،و یا کسی که هیچ صلاحیتی برای عرضه چنین جنسی را ندارد و سردر گمی کامل خریدار را سبب میگردد . مشتریان هم دلال و واسته مانند که چنین کالاهای نا هماهنگی وناجور وحتی در تضاد با واقعیت را به تنها مشتری ومصرف کننده یعنی ملت میرسانند.
مروری ،حتی مختصر، بر ویترین کتاب فروشی ها و فروشندگان دوره گرد حاشیه خیابان ، نمایان گر صحت این مدعا ست . و اما از نظر علمی که مورد نظر این مقدمه است ، نظری هرچند کوتاه،بر تاریخچه زندگی علمی ملت ها و فعالیت و کوشش آنان در رشته های خاص، یعنی انرژی های مختلف و کاربرد بهتر و ساده تر و ارزان تر، است، که خواننده گرامی می توانند بکتب مربوط مراجعه و کسب علم کنند.
بلااخص که در دوره رنسانس و جهش علمی کشور های غربی و به دنبال آن انقلاب اکتبر وکوشش خستگی نا پزیر شرق در پیشرفت علم و تکنولوژی ، و می تواند راه گشا و حاوی درس حتی عبرت برای کشور هایی باشد که خواهان استقلال واقعی و عدم وابستگی به شرق و غربند.
در این مقدمه به ذکر اساسی ترین مسایل مورد نیاز در بهره گیری از این پژوهش می پرداریم.
سیری مختصر در تاریخ علوم ، نشان می دهد که انسان ها از گذشته ای دور و حتی از دوران کهن و نا شناخته غارنشینی در جستجو و کشف اسرار طبیعت و استفاده بهتر از مواهب آن بوده است.
بین راهورد های مختلفی که طبیعت به انسان عرضه کرده است ، انرژی مقام اول را دارا است و بسیاری از شاخه های علم فیزیک مانند ترمودینامیک ، و مکانیک ، ئیدرولیک،...... و قسمتی از علم شیمی اختصاص به این رشته خواص و حیاتی دارد.
پس از کشف آتش ، مواد سوختنی از قبیل چوبی و فسیلی از نوع نفت و گاز و.... تنها منبع انرزی حرارتی (بغیر از انرژی خورشیدی ) در زندگی انسان بوده است . سپس با کشف نیروی برق و تولید آن به کمک انرژی حرارتی و نیروی حاصل از آب سد ها، انسان توانست حوزه فعالیت علمی خود را گسترده ترکرده وتصویر نمونه بسیاری کوچک از بازده این انرژی معجزه گر است.
تحولی که از دوران استفاده از گرمای چوب ، تا وسایل حرارتی مدرن امروز به وقوع پیوسته است که چون اهرمی سازنده در دست انسان در کاربرد بهتر انرژی و استفاده اصولی تر از انرژی های عظیمی که در اطراف ما نهفته است.
سخن از تکامل تسلیحات جنگی ، به کمک انرژی حرارتی ، که در همه زمان مورد نیاز انسان ستیز گر بوده است ، امری زائد و خارج از بحث ماست . زیرا مسیر تحول این بخش از تکنیک واز زمانی که بشر با تیر و کمان به قتل همنوعش پرداخت، تا کنون که موشکهای چند پیکانه حامل بمب ئیدروژنه و کباتریا، در زرادخانه خود آماده پرواز دارد، امری اجتناب ناپزیر و همیشه انسانهایی آگاه با تاثر تاظر کشتار ها و قتل عامهای دیگر بوده اند .
اکنون نیز انبار تسلیحات اتمی،نه تنها حیات بشر ، بلکه کره زمین و احیانامنظومه شمسی را تهدید می کند که خود محتاج بحث جدا گانه ایست که به ناچار اندیشه و سلیقه سیاسی و غیر سیاسی ملتها در تحلیل آن دخالتی تام دارد. ومن،همانطور که در ابتدای این پروژه - ریسرچمذکور افتاد، از تحلیل این مسئله اسف بار و درد ناک خود را معذورو معاف کردم.
و اما سهم ما در این کوشش عظیم علم و دانش بشری،متاسفانه هیچ و در اصطلاح علم ریاضی صفر بوده است. صفر غم انگیزی که پیامد های شوم فراوانی بدنبال داشته که مهم ترین آنها جهل علمی و پس از آن وابستگی علمی و فنی تا مرز دریوزه گی بوده است. صفریکه نمایانگر آنستکه ما فقط مصرف کننده کالا نبوده ایم،زیرا قدرت تولید آن را نداشته ایم . گاهی نیز برای تسلی خاطر و رفع ملال به صنایع مونتاژ رو کرده ایم ، که نه تنها درمان درد نبوده بلکه وابستگی اجتناب ناپذیر و چند جانبه دیگر ما را نیز بدنبال داشته است.
چرا چنین بوده است؟
محقق و پژوهشگر به هیچ کشور و مسلکی متعلق نیست ، زیرا علم و دانش نیز حد و مرز نمی شناسد. محقق در هر نقطه از کره زمین که زندگی کند،احتیاج بفضای کاملا باز و عاری از هر نوع قید وبند دارد،تا بتوان مرغ دور پرواز اندیشه علمی خود را در تمام جهات برای کشف مسائل ناشناخته به پرواز در آورد. نگهداری اجباری وی در قفس اندیشه های خاص ، مرگ علمی وی را به دنبال دارد که پی آوردش رکود و سپس محو و نابودی علم و دانش و تحقیق وبه دنبال آن تکنولوژی و صنعت است.
در گذشته ای دور، شاهد ظهور دانشمندان و محققین ، بنامی چون شیخ ابوعلی سینا، محمد زکریای رازی،... در این سرزمین بوده ایم که شناخت زندگی گالیله وار آنها بیانگر واقعیت تلخ بالاست. نتیجه که حتی بهترین شاگردان این استادان علم و دانش ، حوصله و جرأت آنکه زندگی علمی استادان را دنبال کنند، نداشته اند و اینگونه بود که زندگی علمی و تحقیقی ما از قرن پیش دچار رکود و افسردگی و دل مردگی خاصی شد.
در دورانی که غرب جهش علمی خود را در دوره رنسانس آغاز کرد و شرق ، پس از انقلاب اکتبر، به خانه تکانی لازم برای هموار کردن راه پیشرفت علم و دانش و تکنولوژی پرداخت. کشور ما اسیر سلاطین و وزیرانی آنچنانی بود که مواردی چون ساخت بدون کوچکترین تغییر 30 ساله پیکان در ایران و خروج 90% نخبگان و رتبه های اول کنکور از کشور و جذب شدن توست ابر قدرت های علمی دنیا و مثال های دیگری که داستان کشورداری آنها چون قصه های طنز آمیز ملا نصردین ، بظاهر خنده آور و به باطن کوله باری از غم را بر دل آگاهان می نهد.
و که در میان این مرداب وار در سکون مطلق شاهد و نظاره گر پیشرفت علمی دیگران و راویان قصه های رفته از یاد زندگی های رفته بر باد بودیم.
در این پژوهش که نتیجه جمع آوری چند ساله اینجانب می باشد سعی شده است که سیر تحول و شناخت فناوری ترموالکتریک و بهره برداری و کاربرد آن در زمینه های مختلف بررسی شود که علاوه بر اطلاعات لازم در این زمینه خواننده می تواند چگونگی روش تحقیق علمی را ، نه تنها در این زمینه بلکه در کلیه زمینه های علمی دیگر علم ها ،بشناسد و ارزیابی کند.مسائلی خاص که در این پژوهش بررسی شده دورنمایی از قسمتی از دانش بشریست که هم آینده بس امیدبخشی را نوید می دهد و هم بیانگر زوال هر نوع زندگی و تمدن موجود در کره زمین می باشد.
این پژوهش ریگی را ماند بر مرداب سکون و جمود علمی ما افکنده شود. امید است که ناظر افکندن ریگها و حتی سنگ های دیگر بر این مرداب باشیم تا به خروش آید و نهال خشکیده علم و تکنولوژی ما را در این زمینه سیراب و همتی که این خلاء عظیم را که میراث شوم گذشته است را پر کند.
مطالعه این مطالب نه تنها، اطلاعات لازم را در کوشش همه جانبه و ایثار بی پایان دانشمندان جهان در راه کشف مواد جدید و موارد استفاده فناوری ترموالکتریک و کاربرد های آن را می دهد، بلکه ارزیابی منصفانه آن می تواند روشنگر تاریکی های باشد که ما را از مسیر علم و دانش و تحقیق ، منحرف و دست نیاز مان را به سوی دیگران دراز کرده است.ترموالکتریک با بسیاری از فرایند های دیگر ارتباط دارد و همچنین درک این فناوری به صورت عمیق تر به حل یک سری مسائل و انتگرال های پیشرفته و آشنایی کامل با علم شیمی وریاضیات و همچبین متالوژی و الکتریسیته و مواد سرامیکی وخواص مواد سرامیکی از جمله فروالکتریک وخواص دیر گدازی وجدیدا لیتوگرافی و مواد پلیمری جدید با خواص مواد ترمو الکتریکی و همچنین فناوری نانو و برخی از نتایج کاربرد های خواص فناوری ترموالکتریک می باشد، که برای دست یابی به مطالب مطلوب در این زمینه به آزمایشگاه های پیشرفته و هزینه بالا و دورنگری می باشد که از دست شخص و یا حتی گروه های کوچک بر نمی آید و احتیاج به کمک، همه جانبه علمی و دولتی دارد. بخاطر بسپارید که این مطالب مقدمه ای خلاصه و به ناچار ناقص در باره ترموالکتریک میباشد برای آشنایی خوانندگان با این فناوری رو به پیشرفت ، موثرمی باشد. که به همراه این مطالب فایلی با فرمت فلش و همچنین فایل هایppt وpdfوword پیوست می شود برای خوانندگان علاقه مند و متخصص که باید زمینه علمی لازم را دارا باشند تا به درک بیشتری در باره این فناوری دست یابند و در پایان از دوستانی که این مطالب را مطالعه کرده اند وبه اهمیت این موضوع پی برده اند خواهشمندم در صورت امکان برای پیشرفت این علم در کشور راه ها و راهنمایی های لازم را در صورت امکان به ایمیل این جانب و شماره من که به هم راه پیشنهادیه در این فایل موجود میباشد ارسال نمایید.
کار یز درون جان تو می باید کز عار یه ها ترا دری نکشاید
یک کوزه آب در درون خانه به از رودی که کز برون می آید

( حکیم سنایی)
فصل اول:
معرفی پژوهش
عنوان:مواد پیشرفته ترموالکتریکی و تولید انرژی
استاد راهنما:مهندس میلاد اسئدی
تهیه کننده:مهدی باقری مهارلویی
مقدمه:
TEG طرح تولید انرژی از اختلاف دمای بین دو محیط ،
تحقیقات انجام شده در کشور های توسعه یافته بر روی این زمینه جدید این نتیجه را حصول میکند که کشور ایران با توجه به رویکرد های آینده نگر برای گسترش و بومی سازی علم وفناوری های نو از جمله دانش هسته ای،صنایع نظامی ، صنعت خودرو ، وموارد خاص دیگر نیاز مبرمی به ساخت وتعمیم این فناوری دارد.
چکیده:
افزایش راندمان مولد های ترمو الکتریکی TEG همواره به عنوان یکی از اهداف مهندسی مطرح بوده است و استفاده از اصل سیبک،اصل پیلیته واصل تامسون وMEMS ترموشیمی ونانو سیم های سیلیکونی و همچنین ساخت قطعات و وسایل الکتریکی که با ولتاژ کمتر از 200Mv کار کنند به عنوان چند راه برای برای رسیدن به این اهداف مطرح شوده است. از اهداف اصلی این پژوهش تولید مواد ترموالکتریکی پیشرفته و نیز بالا بردن راندمان و توسعه آن در کشور میباشد،همچنین اندازه گدری و نوصیف خواص اخنتصاصی موادTE ،نحوه اتصال ،قدرت خروجی و بررسی مواد ln4se3،in4Te3،مس-Se-Ge،skutterudites(شکل 1) وهزینه ها و اقتصادی بودن طرح است.

شکل 1
حداقل دو سوم انرژی تولید شده حاصل از احتراق سوخت های فسیلی مانند بنزین و گازوییل در خودرو ها و کامیون ها به هدر رفته و به عنوان ضایعات حرارتی از اگزوز خودرو خارج می شود. ترموالکتریک ها مواد نیمه هادی و نیمه رسانایی هستند که حرارت و گرما را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند، می توانند حرارت و گرمای هدر رفته را دریافت  و از آن مجددأ استفاده کرده و نیاز به سوخت در خودروها را تا حدودی کاهش دهند و به میزان 5 درصد باعث صرفه جویی در هزینه های سوخت خودرو می شوند. اما راندمان پایین در ازای هزینه های بالا و گران قیمت بودن، مواد ترموالکتریک موجود و متداول را از ورود عملی و کاربردی به دستگاه ها و وسایل دور نگه داشته است. Combustion30% EngineVehicle Operation100%40% Exhaust Gas30%Coolant5% Friction & Radiated25%Mobility & AccessoriesGasolineGasolinegasoline
اما حالا محققان در حال مونتاژ اولین نمونه اولیه از ژنراتورهای ترموالکتریک هستند که آن را در خودروهای تجاری و خودروهای شاسی بلند SUV بتوانند مورد آزمایش قرار دهند.این دستگاه ها اوج پیشرفت هایی هستند که مرکز ساخت تجهیزات ترموالکتریک شرکت BSST در آیرویندل کالیفرنیا و مرکز A&D کمپانی جنرال موتورز واقع در وارن میشیگان ساخته می شوند. هر دو شرکت قصد دارند نمونه های اولیه ساخته شده خود را در اواخر تابستان امسال برای آزمایش بر روی خودروها نصب و راه اندازی کنند. شرکت BSST این کار را بر روی خودروهای فورد و بی.ام.و و شرکت جنرال موتوز این سیستم را بر روی خودروهای SUV شورلت آزمایش می کنند.
1-1 تاریخچه:
کشف اساس اولیه فناوری ترموالکتریک را می توان به یک فیزیکدان آلمانی به نام توماس ج.سی بک نسبت داد. سی بک کشف کرد که اگر با اتصال دوفلز مختلف یک مدار الکتریکی ایجاد شود و یکی از اتصالات حرارت داده شود درمدار حاصله جریان الکتریکی تولید می شود(شکل 2). سی بک از این آزمایش خود به این نتیجه میرسید که با این کار جریان در مدار القا میشود ولی چون موضوع به این صورت مورد نظر وی قرار نگرفته بود . این کشف سال ها راکد ماند (1) Thomas j. seebeck

درسال 1834 ژان پلتیه (1) دریافت که اگرجریانی از محل اتصال دو فلز مخطلف عبور نماید محل اتصال گرم یا سرد می شود. شکل (3)پیلیته هم مانند سی بک از درک اهمیت این مطلب در مورد فناوری ترمو الکتریک عاجز ماند

شکل 2 شکل 3
در سال 1837امیل لنز بطور وضوح اهمیت کشف پلتیه وسی بک را با قراردادن قطره ای آب در محل اتصال دو فلز و کزراندن جریان مستقیم از مدار نشان داد. موقعی که جریان دریک جهت ادامه پیدا می کرد آب منجمد می گردید و در اثر معکوس کردن جریان یخ آب می شد با تمام این ها لنز نیز از درک اهمیت کشف خود غافل ماند و این دانش برای 100 سال دیگر بعلت عدم وجود نیمه هادی ها راکد ماند.فقط در دهه 1930 بود که مواد نیمه هادی توسه یافت وامکان کاربرد کشف سی بک و پلتیه در سرد کردن موضعی را ایجاد نمود درسال 1930و1960 پیشرفت ترموالکتریک به آزمایشگاههای علمی محدود می شد. در سالهای اول دهه 1960 بسیاری از کمپانی ها با تحرک شدیدی در راه ساخت وسایل سرد کننده ترموالکتریکی اقدام کردند.

فصل دوم
تعاریف
1-2 اجزاء یک اتم

شکل 4
مفهوم الکتریسیته با عناصر پایه ی سازنده مواد یعنی اتم اغاز می شود . هسته ی یک اتم از پروتون ها و نوترون ها تشکیل شده است . پروتون ها یک بار مثبت دارند و نوترون ها خنثی می باشند .الکترون ها با بار منفی به دور هسته در گردش ا ند .(فقط الکترون ها و پرتون ها در شکل(4) نشان داده شده ا ند .قسمت های آبی رنگ هسته ، نوترون ها را نشان میدهند .)
2-2 الکترون های آزاد

شکل 5
الکترون ها ی خارجی ترین لایه می توا نند بوسیله ی یک نیروی خارجی مثل میدان مغناطیسی ،اصطکاک و یا واکنش های شیمیایی از مدارشان خارج شوند .
در این صورت « الکترون های آزاد» نامیده می شوند . مبنای الکتریسیته حرکت این الکترون های آزاد است. در شکل (5) مشخص است.
3-2 هادی ها
شکل 6
جریان الکتریکی هنگامی ایجاد می شود که الکترون های آزاد از یک اتم به اتم دیگر منتقل شوند. شکل(6). ماده ای که به الکترون ها اجازه حرکت آزادانه را می دهد هادی (رسانا) نامیده می شود .
مس ،نقره ،الومینیوم ،روی ، آهن از جمله هادی های خوب می باشند .
4-2 نارساناها
موادی که به تعداد کمی از الکترون ها اجازه ی حرکت می دهند ، نارسانا (عایق) نامیده می شوند .شکل 7
پلاستیک ، لاستیک ، شیشه ، میکا و سرامیک نارسا نا می باشند

شکل 7
5-2 کاربرد هادی و عایق در کنار هم
بسیاری از قطعات الکتریکی مثل کابل ، ترکیبی از هادی ها و عایق ها هستند . عایق دور کابل رسانا ، به جریان اجازه میدهد که تنها در هادی جاری شود .شکل 8
شکل 8
6-2 جریان

جریان ، شارش الکترون های آزاد در یک ماده از یک اتم به اتم بعدی و در یک جهت مشخص می باشد( شکل 9)که آن را با نماد « I» نشان می دهند، و با واحد آمپر سنجیده می شود .

شکل 10
بعضی دانشمندان بین شارش الکترون و شارش جریان تمایز قائل می شوند .تئوری شارش جریان قرار دادی شارش الکترون را رد می کند و اظهار می دارد که جریان از مثبت به منفی شارش می یابد( شکل 10) برای جلوگیری از اشتباه ، این دوره نظریه ی شارش الکترون را به کار می برد که اظهار می دارد الکترون ها از منفی به مثبت شارش می یابند
7-2 جریان متناوب

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

در جریان متناوب الکترون ها ابتدا در یک جهت و سپس در جهت دیگر جاری می شود . جریان و ولتاژ هر دو به طور مداوم تغییر می کنند . شکل نمودار جریان متناوب (AC) ، به صورت موج سینوسی می باشد که جریان یا ولتاژ را نشان می دهد ..(شکل 11) دو محور برای موج سینوسی رسم می شود .محور عمودی دامنه و جهت جریان یا ولتاژ را نشان می دهد . محور افقی زمان یا زاویه چرخش را نشان می دهد . هنگامی که شکل موج بالای محور زمان است ، گوییم جریان در جهت مثبت جاری است ، وقتی شکل موج زیر محور زمان است گوییم جریان در جهت منفی جاری است .یک سیکل کامل در 360 درجه اتفاق می افتد که نیمی مثبت و نیمی منفی است .
7-2 ضریب توان

ضریب توان نسبت توان حقیقی به توان ظاهری می باشد که رابطه ای است برای اندازه گیری مقدار توانی که مصرف می شود و مقدار توانی که به منبع برگشت داده می شود . ضریب توان اهمیت زیادی دارد زیرا روی راندمان سیستم های توزیع توان اثر می گذارد .
ضریب توان توسط رابطه ی فازی بین ولتاژ و جریان تعیین می شود و در حقیقت ، کسینوس زاویه بین آنها می باشد. در یک مدار مقاومتی محض ، که جریان و ولتاژ هم فاز هستند اختلاف فاز صفر می باشد . کسینوس صفر درجه یک است . بنابر این ، ضریب توان یک می باشد و این بدان معنی است که همه انرژی تولیدی منبع ، توسط مدار مصرف می شود .
در مدار راکتیو همیشه مقداری اختلاف فاز بین ولتاژ و جریان وجود دارد . به عنوان مثال اگر این زاویه ˚45 باشد ، ضریب توان 0.707 خواهد بود که همان کسینوس ˚45 می باشد .
فصل سوم
تعاریف کاربردی
مقدمه:
برای آشنای و درک بهتر در مورد ترموالکتریک در ابتدا باید با موارد کلیدی و مربوطه آشنا شود. در این فصل سعی شده است که به صورت روان مواردی را معرفی کرد تا کمکی برای درک فصل های بعد باشد.
نیمه هادی ها
3-1 مقدمه ای درمورد نیمه هادی ها:
همانطور که هادی ها در صنعت امروزی به خصوص در زمینه های حرارتی و برودتی کاربردی ویژه یافته اند عناصر نیمه هادی نیز اهمیت زیادی در صنعت الکترونیک و ساخت قطعات پیدا کرده اند. هدف اصلی که در الکترونیک آنالوگ دنبال می شود تقویت سیگنالها بدون تغییر شکل آن سیگنال است. همین هدف بشر را به سمت استفاده از نیمه هادی ها در ساخت قطعات تقویت کننده پیش برده است. اما آن چیزی که عملکرد این قطعات را رقم می زند چگونگی حرکت الکترون ها و حفره ها در ساختار کریستالی این عناصر می باشد.و این مقدمه ای ست برای پیدایش قطعاتی نظیر ترانزیستور ها –دیود ها و... عامل موثر بر چگونگی حرکت الکترون ها و حفرها چیزی نیست جز درجه حرارت. به طوری که گفته شد درجه حرارت صفر مطلق ساختمان کریستالی نیمه هادی هایی نظیر ژرمانیوم و سیلسکن را تحت تاثیر خود قرار می دهد. یعنی در این درجه حرارت الکترون ها کاملا در باند ظرفیت قرار گرفته و نیمه هادی نظیر یک عایق عمل می کند.
اگر درجه حرارت افزایش یابد الکترون های لایه ظرفیت انرژی کافی کسب کرده و پیوند کو والانسی خود را شکسته وارد باند هدایت می شوند.به مراتب این جابه جایی باعث تولید حفره ناشی از عبور الکترونهای می گردد.
انرژی لازم برای شکستن چنین پیوندی در سیلسکن 1.1(الکترون ولت) و در ژرمانیوم 0.72 (الکترون ولت) می باشد. اهمیت حفره در این است که نظیر الکترون حامل جریان الکتریکی بوده و و نظیر الکترون آزاد عمل می نماید. حال آنکه تا چندی پیش دانشمندان حفره ها را حامل جریام نمی دانستند!
3-2نیمه هادی چیست.؟
در میان عناصر گروهی هستند که نه فلز کامل ونه غیر فلز کامل هستند به همین ترتیب این عناصر نه رسانای خوب ونه نارسانای خوب هسستند از اینرو به آنها نیمه رسانا یا نیمه هادی می گویند رسانائی این عناصر که در گروه چهارم جدول تناوبی قرار دارند با اندکی ناخالصی از عناصر گروه سوم و پنجم جدول تناوبی تقویت می شود.به علت اینکه سیلیسیم و ژرمانیوم در مدار آخر خود چهار الکترون دارند ، تمایل دارند که مدار آخر خود را کامل کرده و به حالت پایدار برسند . برای این منظور هر اتم با هر یک از چهار اتم مجاور خود یک الکترون به اشتراک می گذارد . این نوع پیوند بین اتم ها را پیوند اشتراکی یا کووالانسی می گویند . در شکل پیوندهای کووالانسی بین اتم های سیلیسیم نمایش داده شده است
به علت اینکه سیلیسیم و ژرمانیوم در مدار آخر خود چهار الکترون دارند ، تمایل دارند که مدار آخر خود را کامل کرده و به حالت پایدار برسند . برای این منظور هر اتم با هر یک از چهار اتم مجاور خود یک الکترون به اشتراک می گذارد . این نوع پیوند بین اتم ها را پیوند اشتراکی یا کووالانسی می گویند . در( شکل1) پیوندهای کووالانسی بین اتم های سیلیسیم نمایش داده شده است

شکل1
چون تعداد الکترونهای آزاد و حفره های ایجاد شده در کریستال های سیلیسیم و ژرمانیوم در اثر انرژی گرمایی به اندازه کافی زیاد نیست این کریستال ها قابلیت هدایت الکتریکی خوبی ندارند . برای افزایش قابلیت هدایت الکتریکی این نیمه هادی ها به آنها ناخالصی اضافه می کنند .اضافه کردن ناخالصی به نیمه هادی ها به دو شکل صورت می گیرد/
N نوعP نوع
3-3 نوع P
ناخالص کردن کریستال نیمه هادی با اتم پنج ظرفیتی : در این روش عناصر پنج ظرفیتی مانند آرسنیک (As) ، آنتیموان (Sb) و یا فسفر (P) را که در لایه ظرفیت خود پنج الکترون دارند به کریستال سیلیسیم یا ژرمانیوم اضافه می کنند . به عنوان مثال در شکل (2) عنصر پنج ظرفیتی آرسنیک به کریستال سیلیسیم اضافه شده است
شکل2
در یک بلور سیلیسیم یا ژرمانیوم ، در دمای صفر مطلق به علت اینکه تمامی پیوندهای کووالانسی بین اتم ها برقرار است و هیچ الکترون آزادی وجود ندارد بلور سیلیسیم یا ژرمانیوم یک عایق کامل می باشد . اما با افزایش دما جنبش الکترونهای والانس افزایش یافته و بعضی از پیوندهای کووالانسی بین اتم ها شکسته شده و الکترونهایی آزاد می شوند و به این ترتیب هدایت الکتریکی در کریستال های سیلیسیم و ژرمانیوم افزایش می یابد . هر چه دما بیشتر افزایش یابد پیوندهای کووالانسی بیشتری شکسته شده و تعداد الکترونهای آزاد بیشتر می شود و در نتیجه هدایت الکتریکی کریستال افزایش می یابد . به ازای جدا شدن هر الکترون از یک اتم ، یک جای خالی الکترون در آن اتم ایجاد می شود که به آن حفره می گویند . در شکل (3)نحوه ایجاد یک حفره نمایش داده شده است

شکل 3
4-3 نوع N
ناخالص کردن کریستال نیمه هادی با اتم سه ظرفیتی : هرگاه یک عنصر سه ظرفیتی مانند آلومینیوم (Al) ، گالیم (Ga) و یا ایندیم (In) را که در مدار ظرفیت خود سه الکترون دارند به کریستال سیلیسیم یا ژرمانیوم خالص اضافه کنیم الکترونهای مدار آخر عنصر ناخالصی مانند آلومینیوم با الکترونهای والانس اتم های مجاور خود تشکیل پیوند کووالانسی می دهند . به این ترتیب در مدار آخر اتم ناخالصی هفت الکترون در حال گردش هستند که در نتیجه یک جای خالی یا حفره ایجاد می شود.شکل 4

شکل 4
عنا صر چهارم (مانند سیلسیوم ویا یاژرمانیوم ) در لایه آخر خود 4الکترون دارند عناصر گروه پنجم (مانند آرسنیک ) وارد شود موجب تولید الکترونهای آزاد می شود به ماده حاصل نیمه هادی نوع N می گویند زیرا این الکترونها هستند که مسئولیت هادی بودن ماده را دارند اگر همین عمل با عناصر گروه 3مانند آلومینیوم یا گالیم تکرار شود حاصل یک نیمه هادی نوع Pاست که در این نوع مواد حفره ها الکترونی یا اصطلاحا بار مثبت مسئولیت هادی بودن ماده هستند
5-3 جدول تناوبی
periodgroupns2np6
فصل چهارم
تعاریف اصول اولیه فناوری ترموالکتریک
1-4 مقدمه ای (ترموالکتریک)برای درک مطلب ترموالکتریک لازم است که با مفهوم های زیر آشنا شویم
تعاریف
2-4قانون دوم ترمودینامیک:
مفهوم جامع قانون دوم ترمو دینامیک متضمن است که یک فرایند فقط در یک جهت معین پیش پیش میرود ولی در جهت خلاف،قابل قبول نیست.یک فنجان قهوه داغ با انتقال حرارت به محیط ،سرد می شود ولی حرارت نمی توان در جهت خلاف و از محیط سرد تر به فنجان قهوه ی داغ تر ، منتقل شود.در هنگام بالا رفتن خودرو از تپه،بنزیل مصرف می شود ولی پایین امدن آزادانه خودرو از تپه،موجب برگشتن بنزیل مصرف شده به به سطح اولیه نمی شود.این گونه مشاهدات نشان گره ارزش قانون دول نرمودینامیک است. شکل 1 قانون دوم را در پمپ گرمایی و یخچال ها نشان میدهد.

شکل 1
3-4یخچال ها و سیستم های تبرید:
پمپ گرمایی:با پمپ حرارتی میتوان سیستمی داشت که در یک سیکل کار می کند و مقدار خالص انتقال حرارت و کار آن مثبت است. در پمپ گرمایی سیستمی خواهیم داشت که در یک سیکل کار میکند و حرارت از یک جسم درج حرارت پایین به سیستم منتقل می شود و از سیستم به جسم با درجه حرارت بالا منتقل می شود و مقداری کار برای انجام این فرایند لازم است.در ادامه چند پمپ حرارتی و یخچال یا سیکل تبرید همراه با سیکل وشماتیک فرایند ها به صورت شکل نشان داده شده است که برای چون در این جا مطلب مورد نحث ترموالکتریک است برای اطلاعات بیشتر می توان به کتابهای ترمودینامیک مراجه کرد.
4-4یخچال:

امروزه دستگاههای ترموالکتریک در تکنولوژی مدرن فلزات و نیمه هادی ها و در کل مواد نیمه های جایگزین فلزات گوناگون شد و در آزمایشات ترموالکتریک مورد استفاده قرار می گیرند . «سیبک» ، «پولتیر» و «تامسون» با چندین وقایع ، شکل ابتدایی عملکرد نمونه های ترموالکتریک را ارائه کردند بدون اینکه به جزئیات اشاره شود . برخی از این اثرات بنیادی ترموالکتریک را بیان می کنیم .
5-4 اثر سیبک :پیوست
6-4 اثر «پلتیر» :پیوست
7-4 اثرتامسون :
وقتی جریان الکتریکی از رسانا می گذرد که دما افت حرارتی بیشتر از طولش داشته باشد و گرما از طریق رسانا جذب یا خارج شود و در اینجا این سوال پیش می آید که آیا گرمای جذب شده یا به بیرون انتقال داده شده بستگی به جریان الکتریکی و دمایی که افت حرارت در آن ایجاد شده است یا خیر ؟ این اتفاق توسط تامسون صورت گرفت که اصول کلی را در بر
می گیرد اما نقش چندان مهمی در عملکرد نمونه های عملی ترموکوپل ندارد به این دلیل به رسمیت شناخته نشده است .
8-4 اصول کلی نمونه های ترموالکتریک مواد :
مواد ترموالکتریکی :
اغلب مواد نیمه رسانای ترموالکتریک در دستگاههای خنک کننده TE امروزی آلیاژ بیسموت تلورید که به طور مناسب بخش های تک یا عناصری که خصوصیات جدا N و P را دارد بکار برده می شوند . اغلب مواد ترموالکتریک با متبلور کردن فلز یا فشار به پودر فلزکاری تشکیل شده اند . هر روش ساخت دارای مزایای خاص خودش است اما زمانی که تحت هدایت هستند این مواد رشد می کنند و به رشدی بیش از حد معمول می رسند . علاوه بر   ، مواد ترموالکتریکی دیگری موجود است مانند   ، سیلیکون ، ژرمانیوم   و (Bi-Sb )  آلیاژهایی که شاید در موقعیت های خاص بکار برده شده باشند .
حداکثر   در میان دمای محدود بسیار مناسب و بیشتر از عملکردهای خنک سازی است .
مواد    :
متبلور کردن مواد   دارای چندین ویژگی است که مزایای آن در اینجا بحث خواهد شد که ناشی از ساختار بلوری کردن   به مقدار خیلی زیاد است که در طبیعت سرد می شوند . این نتایج در مواد الکتریکی سبب ایجاد مقاومت ویژه ای که تقریباً بزرگتر از محور رشد بلور (C-axis) است به نسبت حالت عمودی است . علاوه بر این قابلیت رسانایی گرما حدوداً 2 برابر بزرگتر از محور C در جهت عمودی است از زمانی که مقاومت این حالت بیشتر از قابلیت رسانایی گرما است بیشترین کار در این حالت رخ می دهد به این دلیل عناصر ترموالکتریک در نمونه خنک سازی جمع می شوند ، بنابراین محور رشد بلور موازی طول یا بلندی هر ماده است . بنابراین محور عمودی  لایه سفال می باشد . یکی دیگر از ویژگی های جالب   این است که مربوط به ساختار بلوری مواد می شود . بلورهای   در لایه هایی که اتم مشابه دارد ، درست می شود . و زمانی که لایه های   با هم نگه داشته می شوند توسط قیدهم ظرفیت که مربوط به نزدیک بودن لایه ها است . در نتیجه با متبلور کردن   این لایه ها را جدا می کنند .    که رفتاری 0بسیار شبیه به ورقه های میکاست . خوشبختانه ورقه ورقه کردن صفحات بطور کلی موازی به محور C است و مواد کاملاً محکم هستند . زمانی که در نمونه خنک سازی ترموالکتریک به هم متصل می شود . مواد   توسط متبلورکردن فلز تولید می شوند  و به نوعی در قالب ساخته می شوند یا شکل می گیرند و سپس به ورقه هایی با ضخامت های گوناگون تقسیم می شوند . بعد از اینکه منابع به طور درست آماده شد آنگاه به قطعات کوچکتقسیم می شود که شاید نمونه هایی از خنکسازی ترموالکتریک باشند . بخش هایی از مواد   که معمولاً به آن عناصر یا قطعات کوچک بریده شده نیز می گویند . همچنین با فشردن پودر فلزکاری ساخته می شود .
9-4 نمونه های خنک سازی ترموالکتریک :
دستگاه خنک سازی ترموالکتریک دارای دو یا چند مواد نیمه رسانا که به طور الکتریکی به مجموعه ها و از نظر حرارتی با هم برابرند مربوط می شود . این عناصر ترموالکتریک و اتصالات داخلشان به نوعی میان دو ظرف سفالی است که این لایه ها سبب می شود که ساختار سرتاسری با هم از نظر مکانیکی نگه داشته شوند و اجزاء هر یک را به طور الکتریکی و از سطوح خارجی جدا شده ، از هم جدا می کنند . بعد از اینکه بخش ها و اجزاء گوناگون نمونه درست شد ، نمونه های دیگری از ترموالکتریک تقریباً   (  تا   اینچ ) اندازه شان و   (  تا   اینچ) بلند ساخته می شوند . هر دو نمونه N وP   مواد ترموالکتریک در دستگاه خنک سازی ترموالکتریک بکار برده می شوند . این قرارگیری سبب می شود گرما از دستگاه خنک کننده حرکت کند و زمانی که جریان الکتریکی بر می گردد و متناوباً میان لایه های بالا و پایین از میان عناصر N و P قرار می گیرد . از مواد  نوع N الکترون های زیادی عبور می کنند (بیشتر الکترون ها در ساختار مولکولی موجودند ) بطوریکه در مواد نوع N الکترون های کمتری عبور می کند (الکترون های کمتری در ساختار مشبک موجود است ) بیشتر الکترون ها در مواد N و حفره ها هستند که در نتیجه آن الکترون های کمتری در مواد P وجود دارد که انرژی گرمایی از میان مواد ترموالکتریک عبور می دهند .  دستگاه خنک کننده ترموالکتریک با گرما حرکت می کند و در نتیجه جریان الکتریکی را بیشتر از نمونه های خنک سازی ترموالکتریک ساخته شده با تعدادی از عوامل نوع P و N در جایی که N و P شکل گرفته اند جفت می کند  که دارای دو جفت P و N است و به اصطلاح به آن مدل به هم پیوسته نیز می گویند . شکل2

شکل2
تغییرات پی در پی گرما (گرمایی که فعالانه پمپ می شود از میان نمونه ترموالکتریک) به نسبت بزرگی در جریان الکتریکی DC بکار می روند . گوناگونی بازده از صفر به بیشترین حد می رسد و ممکن است باعث تعدیل آن شود که میزان جریان گرما و دما را کنترل می کند .
10-4 موارد مورد توجه
عملکرد در هر گرایشی :
TE ها در هر جهتی و در هر محیطی که جاذبه زمین صفر است بکار برده می شوند بنابراین در بسیاری از فضاهای ماوراء جو مورد استفاده قرار می گیرند .راه درست تهیه کردن نیرو :
مدل TE بطور مستقیم از منبع نیروی DC  کار می کند و این نمونه ها دارای ولتاژ زیاد و جریاناتی هستند که این نوسان وسیع جریان (PWM) در بسیاری از موارد مورد استفاده قرار می گیرند .
محل خنک سازی :
بادستگاه خنک کننده TE ممکن است بتوان یک منطقه یا ترکیب خاص را خنک کرد در نتیجه آن اغلب لازم به خنک کردن ، بسته بندی یا محدوده بندی نیست .
قابلیت تولید نیروی الکتریکی :
در عمل بصورت معکوس بکار برده می شود با بکار بردن دمای گوناگون برای دستگاه خنک کننده TE ممکن است که مقدار کمی نیروی DC  تولید کند .
شرایط مساعد از لحاظ محیطی :
سیستم های خنک سازی به طور قراردادی ساخته نمی شوند و بدون استفاده از کلروفلوروکاربن یا مواد شیمیایی دیگر که برای محیط زیست مضر است و در دیگر شیوه های ترموالکتریک بکار برده نمی شود یا ممکن است یک نوع گاز دیگر تولید شود .
دستگاه خنک کننده ترموالکتریک.
، گاهی اوقات به آن ترموالکتریک یا دستگاه خنک کننده «پلیتر» نیز می گویند . که نیمه رسانای است که دارای اجزا و ترکیبات الکترونیکی است که عملکردهایی مانند گرم کردن با پمپ را در بر می گیرد .منبع نیرو با ولتاژ پایین DC با مدل TE کار می کند . گرما از آن محدوده به طرف دیگر حرکت خواهد کرد ، بنابراین . یک طرف خنک می شود وقتی که هنوز طرف دیگر همزمان گرم است ، مهم است به خاطر داشته باشید زمانی که این اتفاق معکوس می شود که به موجب آن قطبش نیز تغییر
می کند. (مثبت و منفی) و ولتاژ DC سبب می شود که گرما به طرف دیگر برود، در نتیجه ، ترموالکتریک به کار برده می شود برای گرم سازی و خنک سازی در نتیجه بسیار مناسب است برای کنترل دقیق دمای مورد استفاده قرار می گیرد .
11-4 نظریه تبدیل حرارت اتلافی به نیروی محرکه در خودروها
در اواخر تابستان امسال یک ماده ترموالکتریک جدید برای گرفتن انرژی از حرارت و گرمای اتلافی در موتورها بر روی خودروهای بی.ام.و ، فورد و شورولت آزمایش خواهد شد.
حداقل دو سوم انرژی تولید شده حاصل از احتراق سوخت های فسیلی مانند بنزین و گازوییل در خودرو ها و کامیون ها به هدر رفته و به عنوان ضایعات حرارتی از اگزوز خودرو خارج می شود. ترموالکتریک ها مواد نیمه هادی و نیمه رسانایی هستند که حرارت و گرما را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند، می توانند حرارت و گرمای هدر رفته را دریافت  و از آن مجددأ استفاده کرده و نیاز به سوخت در خودروها را تا حدودی کاهش دهند و به میزان 5 درصد باعث صرفه جویی در هزینه های سوخت خودرو می شوند. اما راندمان پایین در ازای هزینه های بالا و گران قیمت بودن، مواد ترموالکتریک موجود و متداول را از ورود عملی و کاربردی به دستگاه ها و وسایل دور نگه داشته است.اما حالا محققان در حال مونتاژ اولین نمونه اولیه از ژنراتورهای ترموالکتریک هستند که آن را در خودروهای تجاری و خودروهای شاسی بلند SUV بتوانند مورد آزمایش قرار دهند.این دستگاه ها اوج پیشرفت هایی هستند که مرکز ساخت تجهیزات ترموالکتریک شرکت BSST در آیرویندل کالیفرنیا و مرکز A&D کمپانی جنرال موتورز واقع در وارن میشیگان ساخته می شوند. هر دو شرکت قصد دارند نمونه های اولیه ساخته شده خود را در اواخر تابستان امسال برای آزمایش بر روی خودروها نصب و راه اندازی کنند. شرکت BSST این کار را بر روی خودروهای فورد و بی.ام.و و شرکت جنرال موتوز این سیستم را بر روی خودروهای SUV شورلت آزمایش می کنند. شکل 3

شکل 3

شرکت BSST از مواد جدید تلورید بیسموت که یک ماده ترموالکتریک متداول است و دارای تلوریوم گران قیمت بوده و فقط در دماهایی بالاتر از 250 درجه سانتی گراد کار می کند به طور متداول استفاده می کند. این درحالیست که ژنراتورهای ترموالکتریک می توانند به دمای 500 درجه سانتی گراد برسند. بنابراین شرکت BSST از خانواده دیگری از ترکیبات ترموالکتریک که شامل هافنیوم و زیرکنیوم هستند و در دماهای بالا کارایی بهتری دارند برای این پروژه استفاده می کند که این مواد می توانند راندمان و کارایی ژنراتور را به میزان 40 درصد افزایش دهند.در شرکت جنرال موتور محققان در حال مونتاژ مراحل نهایی نمونه اولیه ژنراتور ترموالکتریک هستند اما با نوید یک کلاس و رده جدید از ترموالکتریک ها بنام اسکاترادیتس که نسبت به تلورید ها ارزانتر هستند و در دماهای بالا کارکرد بهتری دارند. مدلسازی های کامپیوتری شرکت نشان می دهد که در خودروی مورد آزمایش که یک دستگاه شورلت ساباربان SUV می باشد، این دستکاه می تواند 350 وات انرژی تولیدکرده و به میزان 3 درصد مصرف سوخت را بهبود ببخشد.جورجی میسنز یکی از دانشمندان و محققان جنرال موتورز می گوید ساخت و تولید اسکاترادیتس که شامل عناصر کمیاب و نادری مانند کبالت و آرسنید می باشد دارای پروسه و روند پیچیده ای است و ترکیب کردن آنها درون وسایل و دستگاه ها بسیار مشکل است و چالش بسیار مهم ایجاد تماس و ارتباط الکتریکی و گرمایی خوب و مناسب است چراکه تغییرات گرمایی بزرگ در طول دستگاه تنش ها و فشارهای مکانیکی بر روی محل های تماس ترموالکتریکی وارد می آورد که باعث تنزل عملکرد دستگاه می شود و ما با انتخاب مناسب مواد می توانیم مقاومت را تحت تاثیر قرار دهیم و به این مشکل فائق آییم. چالش کلیدی دیگر ادغام و یکپارچه کردن دستگاه درون خودرو ها و وسایل نقلیه است. محققان در حال حاضر یک ژنراتور تلورید بیسموت را در یک SUV آزمایش کرده اند.میسنز هم چنین اضافه می کند که در حقیقت دستگاه درون سیستم اگزوز خودرو جای می گیرد. یک مقطع از لوله اگزوز برش داده شده و دستگاه که شبیه به یک انباره یا صدا خفه کن است در آنجا قرار می گیرد. هدف از طراحی بهینه این است که بتوان طراحی را به سمتی پیش برد که سیستم های خودرو د هم ادغام شوند نه اینکه به عنوان یک سیسم جداگانه فضایی برای خود اشغال کنند و این نکته در طراحی این سیستم رعایت شده است.محققان دو شرکت جنرال موتورز و BSST هم چنین نیاز دارند راه هایی را برای ساخت و تولید حجم بالتری از مواد جدید و ارزان پیدا کنند. میسنز پیش بینی می کند که دست کم 4 سال دیگر ژنراتور های ترموالکتریک را می توان در تولید خودروها مورد استفاده قرار داد.
اساسی برای کاربران درباره تونایی دستگاه خنک کننده ترموالکتبیک داده شده است که با ارائه این نمونه ، مفید است . یک نوع مرحله ترموالکتریک در یک مخزن گرمایی است که دمای اتاق را نگه می دارد و سپس به یا باطری مناسب متصل می شود . یا به دیگر منابع نیروی DC متصل می گردد . طرف سرد نمونه تقریباً به دمای   می رسد . در این لحظه نمونه بدون گرما پمپ می شود و به بیشترین میزان ولتاژ T  می رسد . اگر گرما به تدریج به طرف سرد نمونه اضافه شود ، قسمت سرد دمایش بالا می رود و سرانجام برابر قسمت گرما می شود . در این هنگام دستگاه خنک کننده TE به بیشترین میزان گرما می رسد .دستگاههای خنک کننده ترموالکتریک به یخچالهای مکانیکی کنترل کنند با همان قوانین بنیادی ترمودینامیک و سیستم های سردسازی اگرچه به طور قابل ملاحظه ای در فرم متفاوت هستند عملکردشان به یک صورت می باشد . در سیستم های سردسازی مکانیکی دستگاه فشار برای فشردن هوا به مایع فشار می آورد در میان سیستم سرما راپخش می کند . فضای تبخیر کننده یا منجمد کننده که به نقطه جوش می رسد طی مراحل تدریجی مداوم تبخیر می شود . دستگاه سرد کننده گرما را می گیرد (جذب می کند) به همین علت است که دستگاه سرد
می شود . گرمای جذب شده توسط دستگاه سرد کننده به طرف دستگاه منقبض کننده حرکت می کند . در جایی که سردکننده تراکم را به محیط انتقال می دهد در سیستم سردسازی ترموالکتریک پیش بینی می شود که یک نوع نیمه هادی جای مایع سرد کننده را می گیرد و منقبض کننده جایگزین قسمت گرمایی می شود . دستگاه فشردن هوا جایگزین منبع نیروی DC می شود .
استفاده از نیروی DC  در ترموالکتریک به این علت است که الکترون ها به طرف مواد نیمه هادی حرکت می کنند . در انتهای قسمت سردکننده مواد نیمه هادی گرما را جذب می کنند توسط حرکت الکترون ها و از میان مواد حرکت می کنند و قسمت انتهایی گرم کننده از آن خارج می شود تا زمانی که قسمت انتهایی گرم کننده مواد بطور فیزیکی به مخزن گرما متصل شده است گرما از مواد به طرف مخزن می رود و سپس در عوض به محیط انتقال داده می شود . قائده کلی فیزیکی به روی دستگاههای خنک کننده سرماساز ترموالکتریک جدید نزدیک به سال 1800 بر می گردد . اگرچه نمونه های TE تجاری تا سال 1960 در دسترس نبوده اند اولین کشف مهم مربوط به ترموالکتریسیتی در سال 1821 رخ داد . زمانی که یک دانشمند آلمانی به نام توماس سیبک پی برد که جریان الکتریکی در مدار جریان دارد که از دو فلز مختلف درست شده است که نقطه اتصال فلزات در دو دمای گوناگون می باشد . سیبک واقعاً متوجه نشد هرچند که مقدمات علم برای کشفش کافی نبود و اشتباه فرض می کرد که جریان گرما همانند جریان الکتریکی اثر مشابه دارد . در سال 1834 یک ساعت ساز فرانسوی و یک فیزیک دان به نام جین پولتیر بعد از بررسی اثر تحقیقات سیبک پی بردند که برعکس این اتفاق رخ می دهد وقتی که انرژی گرمایی در نقطه اتصال دو فلز گوناگون جذب شده و در نقطه برخورد دیگر زمانی که جریان الکتریکی در میان محدوده بسته ای جریان دارد ، تخلیه می شود . 20 سال پیش ویلیام تامسون توضیحی برای درک بهتر سیبک و پولتیر و روابطشان داد . هرچند حالا این اتفاق تنها در آزمایشگاه از روی کنجکاوی صورت می گیرد و بدون اینکه کاربرد عملی داشته باشد . در سال 1930 که یک داشمند روسی مطالعاتش را درباره برخی از کاربردهای ترموالکتریک شروع کرده بود و تلاش کرد نیرویی در ژنراتورها ایجاد کند که در محل هایی خارج از زمین مورد استفاده قرار گیرند . سرانجام این دانشمند روسی به نمونه های عملی ترموالکتریک توسعه یافته پی برد .
فصل پنجم
مصارف فن آوری ترموالکترک

1-5 مصارف فن آوری ترموالکترک:
یخچال ترمو الکتریکی
مولد ترمو الکتریکی
2-5 فرایند های ترموالکتریکی:
مقدمه:
فرایند ترموالکتریکی یکی از آخرین پیشرفت های رشته تبرید است که در آن برای گرفتن حرارت از یک محل وجا گذاشتن آن در محل دیگر، بجای استفاده از ماده سرما زا از انرژی الکتریکی به عنوان حامل گرما استفاده می شود. و کاربرد عمده آن در زمینه سرد کننده های قابل حمل،آب سرد کن ها و سرد کن دستگاههای علمی مورد مصرف در تحقیقات فضای است.در شکل بعد نمای از یک سیستم ترموالکتریکی را مشاهده میکنید.شکل 1

شکل 1

سیستم پلیته از یک رشته نیمه هادی تشکیل گردیده است و به گونه ای تعبیه شده اند که یک نوع از حاملهای بار (مثبت یا منفی) بخش زیادی از جریان را حمل نمایند.زوجهای به گونه ای شکل داده شده اند که از نظر الکتریکی با هم سری ولی از نظر گرمای با هم موازی می باشند .(شکل 2).لایه های بیرونی سرامیکی آنها فلزی شده تا بتواند هم گرما وهم جریان الکتریکی را منتقل کنند0

شکل 2
وقتی ولتاژ به سیستم ترمو الکتریک اعمال می شود حامل های بار منفی و مثبت در رشته قرص ها انرژی گرمای را از یک سطح لایه خروجی دریافت و آن را در سطح طرف دیگر آزاد می کنند. سطحی که انرژی گرمای از آن جذب می شود سرد میگردد و سطح مخالف که انرژی گرمای را دریافت می کند گرم می شود. با استفاده از این روش ساده ” تلمبه گرمای “: فن آوری ترمو الکتریکی از قبیل خنک کننده های دیودی کوچک ،یخچال های قابل حمل ، سرد کننده های مایع و غیره استفاده می شود. بسیاری از این واحد ها همچنین می توانند برای تولید توان الکتریکی در شرایطی استفاده کرد.کاربرد های جدید و اغلب جالب ترمو الکتریکی هر روز در حال پیشرفت است.
3-5 نمای کسترده واحد ترمو الکتریکی . شکل 3

شکل 3
4-5 یخپال ترموالکتریکی
مقدمه
در (شکل4) بعد یک واحد ترمو الکتریکی ساده که یک قطب به طرز خاصی عمل آورده می شود که نسبت به قطب دیگرالکترون ها را با سرعت بیشتری از خود عبور دهد.نشان داده شده است.

شکل 4
5-5 طرز کار سیستم ترموالکنریکی شکل 4 قبل:

شکل 5
بخاطر تمرکز الکترونها در ساختمان ملکول(P مثبت وN منفی) جریان که از طریق P بهN میرود احتیاج به انرژی دارد بنابراین هنگام عبور انرژی لازم را از فلز رابط گرفته و آن را سرد میکند (گرمای آنرا می گیرد ).هنگامی که در یک مجموعه ترموالکتریکی این فعل وانفعال پیش میاید بخش سرد سیستم گرمای فزای را که باید سرد شود را به خود می گیرد و مطابق (شکل 4) انرا در بخش گرم رها می کند. اگر قطب منفی یک منبع الکتریکی جریان مستقیم به ماده نوع P وصل شود (جای که کمبود الکترون دارد) صفحه مسی رابط PوNسرد شده وگرمای محیط را میگیرد (مانند سیستم ابتدای تبرید ترموالکتریکی( شکل 5) جریان الکتریکی از باطری واز طریق Pگه کمبود الکترون داردصورت میگیرد وگرمای سطح سرد بالای را گرفته وانرا به سطح سرد زیرین انتقال میدهد.در شکل های بعد می توان اندازه و چگونگی محاسبه ولتاژ را مشاهده کرد.

6-5 مقایسه سیستم های مختلف تبرید:
انتقال گرما توسط حامل های بار در یک سیستم ترموالکتریک خیلی شبیه به روشی است که خنک کننده های کمپرسی،گرما را در یک سیستم مکانیکی انتقال می دهند.در سیستم خنک کننده کمپرسی،مایعات گردشی گرما را از بار گرمایی به تبخیر کننده ای که گرما در آن میتواند پخش شود منتقل می کند.
7-5 مزایای سیستم ترمو الکتریک:
انتخاب فناوری سرمایشی خنک کننده های ترموالکتریکی به نیاز های خاص هر کاربرد بستگی دارد،اما خنک کننده های ترمو الکتریکی مزایای متفاوتی در مقایسه با سایر فن آوریها دارند.
خنک کننده های ترموالکتریکیTE هیچ قسمت متحرکی ندارند و بنابراین مراقبت کمتری لازم دارد.
آزمایش طول عمر نشان داده که طول عمر وسایل ترموالکتریکی TEبیش از هزار ساعت در شرایط کار پایدار است.
خنک کننده های ترموالکتریکی TEمحتوی کلرو فلورواید کربن یا موارد دیگری نیستند که نیاز به پر کردن مداوم داشته باشد
کنترل دما تا جزیی ترین درجه به راحتی با سیستم ترموالکتریکی TEممکن است .
خنک کننده های ترموالکتریکیTE در محیط هایی که خیلی مهم وخیلی حساس یا بسیار کوچک قابل استفاده هستند.
عملکرد خنک کننده های TEبستگی به محل وموقعیت هندسی ندارد.
جهت تخلیه گرما در یک سیستم TE کاملا قابل برگشت است. تغیر پلاریته منبع DC باعث می شود که گرما در جهت دیگری تخلیه شود.به این ترتیب یک خنک کننده نیز میتواند ماننده یک گرما زا عمل کند.
خنک کننده های ترموالکتریکیTE در محیط هایی که خیلی مهم وخیلی حساس یا بسیار کوچک
8-5 مولد ترمو الکتریکی( شکل 6)

( شکل 6)

از طرف دیگر با استفاده از فناوری ترموالکتریکی جریان مستقیم گردشی،گرما را از بار گرمای به گرما گیرهایی که گرما را به محیط بیرون انتقال می هند حمل می کند.هر طرح سیستم ترموالکتریک به تنهایی ظرفیت منحصر به فردی برای انتقال گرما بر حسب وات یا بی تی یو بر ساعت دارد این ظرفیت می توان تحت تاثیر عوامل بسیاری قرار گیرد .مهمترین متغیر ها دماهای محدوده،و مشخصه های الکتریکی وفیزیکی طرح ترموالکتریک به کار برده شده و بازده سیستم پخش گرما هستند.از کاربرد های معمولی ترموالکتریکی پمپ بارهای گرمای در محدوده ای از چندین میلی ولت تا صدها وات می باشد.
فصل ششم
ترموالکتریک در صنعت خوردو و کاهش مصرف سوخت ترموالکتریک در صنعت خوردو و کاهش مصرف سوخت1-6 تاریخپه
دانشمندی به نام «سی بک» در سال ۱۸۲۳ دریافت اگر محل اتصال دو فلز ناهمانند دارای اختلاف دمایی باشد، افت ولتاژ ایجاد می شود. بعدها این پدیده به نام «پدیده سی بک» شناخته شد. حالت معکوس این پدیده آن است که اگر افت ولتاژی در محل اتصال این دو فلز حفظ شود، یکی از آنها گرم و دیگری سرد می شود که به آن «پدیده Peltier» می گویند. در سال های بعد دانشمندان دیگری نشان دادند وقتی قطره آبی در محل اتصال سیم های فلزی ساخته شده از آنتیموان و بیسموت ریخته و جریان الکتریسیته اعمال شود، این قطره آب یخ خواهد زد و زمانی که جریان معکوس می شود، یخ ذوب می شود. این موضوع از اصول سرمایش ترموالکتریکی به شمار می رود. علت این پدیده آن است که الکترون ها حامل انرژی گرمایی هستند و می توانند توسط اعمال ولتاژ از باتری، از انتهای سرد به انتهای گرم حرکت کنند. بر این اساس حدود دو دهه بعد موضوع ساخت یخچال های ترموالکتریکی برای خانه ها مطرح شد که در آنها از نیمه هادی ها بهره گرفته شد. بعدها این موضوع به علت محدودیت در سرمایش توسعه چندانی نیافت ولی مثلاً در خودرو برای خنک کردن نوشابه مورد استفاده قرار گرفت. امروزه با توجه به افزایش قیمت حامل های انرژی در سطح جهان، دانشمندان در پی آن هستند که با بهره گیری از مواد ترموالکتریک بتوانند حرارت های ناخواسته را به این مواد اعمال کرده و الکتریسیته تولید کنند. یکی از مشهورترین این حرارت های ناخواسته همانا حرارت خروجی از اگزوز خودرو است که گروه های زیادی از محققان سعی در بهره برداری از این حرارت دارند.
خودروی شما بین ۷۰- ۶۰ درصد از انرژی ورودی را به صورت گرما هدر می دهد. این در حالی است که با افزایش کارایی مواد ترموالکتریک می توان این شرایط را تغییر داده و این حرارت را به الکتریسیته تبدیل کرد. همان طور که می دانید در موتورهای بخار از حرارت برای تولید بخار جهت به حرکت درآوردن تجهیزات استفاده می شود. همان طور که بیان شد، در تجهیزات ترموالکتریکی نیز به طریق مشابه می توان از حرارت برای حرکت الکترون ها در مسیر مورد نیاز بهره جست. از آنجایی که در اکثر تجهیزات مکانیکی و الکتریکی حرارت غیرمفید تولید می شود، می توان با بهره گیری از مواد ترموالکتریک از این حرارت مقادیر زیادی انرژی مفید به دست آورد. مطالب فوق بدان معنی است که با قرار دادن قطعات کوچکی از مواد ترموالکتریک در سطوح گرم یا داغ(مثل اگزوز خودروها یا پروسسور کامپیوترها)، می توان انرژی تولید کرد. البته مشکل اینجا است که مواد ترموالکتریک کنونی دارای راندمان پایینی هستند. این راندمان توسط عدد ZT (ZT figure) تعریف می شود. باید گفت به رغم چندین دهه پژوهش هنوز بهترین مواد ترموالکتریک دارای عدد ZT نزدیک به یک هستند و فقط زمانی که بتوان این عدد را به حدود ۳ تا ۴ رساند، می توان این روش را با دیگر روش های تولید برق مقایسه کرد. (پیوست 1)
Combustion30% EngineVehicle Operation100%40% Exhaust Gas30%Coolant5% Friction & Radiated25%Mobility & AccessoriesGasolineGasolinegasoline
2-6 بهبود راندمان
یکی از متغیرهای عدد ZT، مقدار حرارتی است که یک قطعه مشخص از مواد ترموالکتریک می تواند در یک لحظه به برق تبدیل کند. امروز به اثبات رسیده است که می توان این خاصیت را بهبود بخشید. جوزف هرمانس و ولادیمیر یوویچ از دانشگاه ایالتی اهایو روشی را برای تغییر این خاصیت در ماده تلورید سرب(مرسوم ترین ماده ترموالکتریک) یافته اند. اساساً درون ماده تلورید سرب تعداد معدودی الکترون با امکان دارا بودن انرژی کافی برای تبدیل حرارت به الکتریسیته وجود دارد. اصطلاحاً به این انرژی، انرژی یا سطح فرمی گفته می شود. افراد فوق الذکر در آزمایش های خود دریافتند با افزودن مقادیر کمی تالیم به ترکیب تلورید سرب می توان الکترون های بیشتری را به این سطح از انرژی رساند. این موضوع به دلیل رزونانس(تشدید) مناسب بین الکترون های موجود در تالیم با ماده تلورید سرب است.شکل 1

شکل 1
آزمایش ها نشان می دهد بهترین کارایی معجون تالیم با تلورید سرب، در دمای ۵۱۰-۲۳۰ درجه سانتیگراد حاصل شده است که این معادل دمای موتور خودروها است. ضمناً در دمای ۵۱۰ درجه سانتیگراد عدد ZT به ۵/۱ می رسد.(پیوست 2)
3-6 تلفیق دو راهکار
هرمانس می گوید؛«در سال ۲۰۰۶ پروفسور ماهانتی از دانشگاه ایالتی میشیگان موفق به محاسبه رزونانس خاص بین الکترون های تالیم و الکترون های اتم تلوریم شد.» شکل 2البته اوایل این سال ژیفنگ رن و گروه همکارش از کالج بوستون در ماساچوست توانسته بودند ماده ترموالکتریکی با عدد ZT معادل ۴/۱ را از روش دیگری تولید کنند. آنها به روش فیزیکی ساختمان کریستالی تلورید بیسموت، آنتیموان را به نحوی تغییر دادند تا حرارت عبوری از این ماده کاهش یابد و بدین طریق نسبت حرارت تبدیل شده به الکتریسیته افزایش یابد که این به معنی افزایش راندمان است. در این باره رن متذکر شده است؛«پس از دستاوردهای ما در زمینه بهبود عدد ZT اکنون زمان مناسبی برای مشاهده نتایج به دست آمده توسط هرمانس ویوویچ است.» یوویچ نیز می گوید؛«نکته جالب آن است که حالا ما می توانیم دیدگاه جدید خود را با دیدگاه جدید گروه رن در هم بیامیزیم. هر چند تخمین محدوده ZT حاصل از این تلفیق کار سختی است ولی واضح است که به عدد ZT بالاتر از ۵/۱ خواهیم رسید. »

شکل 2

6-4 تئوری در مرحله اجرا
همان طور که ذکر شد، با استفاده از گازهای بدبوی خروجی از اگزوز خودروها می توان مصرف سوخت خودرو را کاهش داد. اخیراً وزارت انرژی امریکا از خودروسازان خواسته است با به خدمت گرفتن انرژی اتلافی در اگزوز خودروها، مصرف سوخت را به میزان ۱۰ درصد کاهش دهند و محققان نیز درتلاشند به این هدف تعیین شده، دست یابند. شرکت جنرال موتورز در حال رسیدن به این هدف است ولی باید اذعان کرد این شرکت در این مسیر تنها نیست و یکی از زیرمجموعه های خودروسازی BMW به همراه دانشگاه ایالتی اهایو توجه خود را روی این موضوع معطوف کرده اند. نهایتاً این موضوع به بحث «مواد ترموالکتریک» مربوط شد. نباید فراموش کرد این بحث دربرگیرنده دانشی است که طی آن سعی می شود از اختلاف دما برای تولید الکتریسیته و برق استفاده کرد و برای رشد این دانش نیز هیچ زمانی بهتر از دوره کنونی نیست که قیمت سوخت افزایش یافته است و همه از راهکارهای صرفه جویی در مصرف سوخت حمایت می کنند. شکل 4

شکل 4

شکل4
یانگ که یکی از محققان شرکت جنرال موتورز است، اظهار می دارد با قرار دادن صفحات فلزی خاص در اطراف اگزوز خودروی شورولت مدل Suburban توانسته اند ۵ درصد از مصرف سوخت این خودرو بکاهند که این به معنی افزایش مسافت یک مایل به ازای هر گالن سوخت است که در خودروهای کوچک تر، کاهش مصرف سوخت بیش از این ارقام خواهد بود. باید توجه داشت شرکت جنرال موتورز اعلام کرده است رسیدن به کاهش ۱۰ درصدی در مصرف سوخت، فقط در خودروهای ساخت این شرکت باعث صرفه جویی معادل ۱۰۰ میلیون گالن سوخت در سال برای امریکا خواهد شد. از نظر یانگ «این موضوع بسیار جذابی است.» در همین ارتباط وزارت انرژی امریکا با پرداخت قسمتی از هزینه این تحقیقات به خودروسازان توانسته است آنها را در ساخت یک ژنراتور ترموالکتریک برای کامیون های سنگین یاری کند. ۱۲ سال پیش، این مولد تست هایی معادل ۵۵۰ هزار مایل را از سر گذراند. فیر بانکز مدیر توسعه تکنولوژی ترموالکتریک این وزارتخانه است. او متذکر شده است موفقیت دستگاه فوق به راه اندازی یک رقابت در سال ۲۰۰۴ منجر شد تا دستگاهی ساخته شود که بتواند یا جایگزین دینام شود یا به عملکرد آن کمک کند. شکل 5

شکل 5

222222222

انرﮊی باد4
منشاﺀ باد5
توزیع جهانی باد5
اندازه گیری پتانسیل انرﮊی باد6
قدرت باد..7
مزایای بهره برداری از انرﮊی باد7
پتانسیل باد در ایران7
توربینهای بادی و انواع آن8
انواع کاربرد توربینهای بادی8
انرﮊی خورشید8
کاربردهای انرﮊی خورشیدی9
کاربردهای نیروگاهی9
کاربردهای غیر نیروگاهی9
مصارف و کاربردهای فتوولتائیک9
انرﮊی های تجدیدناپذیر10
انرﮊی گاز10
ذخایر و میادین گاز طبیعی10
شبکه گذاری گاز طبیعی در ایران10
انشعابات و مصرف کنندگان گاز طبیعی11
انرﮊی نفت12
فصل دوم:
انواع تولید پراکنده 14.............................................................................
مقدمه15
7
انواع تولید پراکنده16
توربینهای گازی احتراقی16
توربینهای کوچک17
سلولهای سوختی19
توربینهای بادی20
شبکه های فتوولتاییک22
وسایل ذخیره انرﮊی23
نیروگاههای انرﮊی جزر و مد24
نیروگاههای ترمو الکتریک24
نیروگاههای ترمیونیک24
نیروگاههای بیوماس25
نیروگاه های مبدل انرﮊی خورشیدی – حرارتی – الکتریکی26
نیروگاه تولید همزمان برق، گرما و سرما27
نیروگاههای آبی کوچک28
دیزل ﮊنراتور28
چرخ لنگر28
موتورهای رفت و برگشتی28
تعاریف مربوط به تولید پراکنده29
مکان تولید پراکنده29
هدف تولید پراکنده29
میزان تولید در تولید پراکنده29
محدودیتهای عملکردی تولید پراکنده29
کاربردهای تولید پراکنده31
نحوه اتصال منابع تولید پراکنده به شبکه31
تقسیم بندی های مختلف تولید پراکنده32
تلفات توان در شبکه های توزیع شعاعی34
نتیجه گیری34
فصل سوم:
تقسیم بندی اقلیمی ایران و انتخاب ده شهر نمونه35
مقدمه36
تقسمیات اقلیمی در جهان36
تقسیمات اقلیمی در ایران37
8
روش اولگی40
بحث و نتیجهگیری..41
فصل چهارم:
تعیین تابع هدف47
مقدمه48
دسترسی تجاری48
هزینه های اولیه ونصب49
ضریب کارکرد50
محاسبه مقدار قدرت الکتریکی تولیدی توسط پنلهای خورشیدی و ضریب کارکرد50
مقدمه50
تشعشعات خورشید بیرون از محیط زمین51
ثابت خورشیدی52
مقدار شدت تابش خورشید در خارج از اتمسفر زمین و برروی سطح افقی 52................................................
زاویه انحراف53
متوسط ضریب صافی ماهیانه53
ضریب صافی لحظهای53
تابش پراکنده و مستقیم53
تابش خورشید توسط صفحه ای که با شیب β که رو به جنوب نصب شده است54
محاسبه ضریب کارکرد در توربین بادی54
متوسط سرعت باد55
واریانس.55
پارامترهای K و 55C
تولید متوسط قدرت توربین56
ضریب کارکرد56
هزینه های بهره برداری ‐ تعمیر – نگهداری57
هزینه سوخت57
هزینه برق و بیان تابع هدف57
فصل پنجم:
الگوریتم و فلوچارت برنامه59
فلوچارت محاسبه ضریب کارکرد در سیستم فتو ولتائیک60
فلوچارت محاسبه ضریب کارکرد در سیستم توربین بادی62
9
فلوچارت محاسبه 64COE
نتایج حاصل از تابع هدف66
فصل ششم:
اصول مدلسازی سیستمهای قدرت کوچک توسط 73......HOMER
مقدمه ای بر مدلسازی سیستمهای قدرت کوچک 1 توسط 74HOMER
شبیه سازی.75
بهینه سازی...79
تحلیل حساسیت.83
بررسی عدم قطعیت ها.84
تحلیل حساسیت مجموعه اطلاعات ساعت به ساعت...85
مدلسازی اقتصادی.86
فصل هفتم:
شبیه سازی با استفاده از نرم افزار homer برای شهر نمونه تهران 89....................................
فصل هشتم:
نتیجه گیری و ارائه پیشنهادات101
پیوست :1
اصول همسان سازی هزینه ها و فایده ها 104.........
پیوست:2
آمار هواشناسی108
پیوست :3
نرم افزار برنامه..119
منابع و ماخذ124
چکیده انگلیسی 128...............................................................................................................................

1 Micropower sys-- modeling
10
ردیف جدول عنوان صفحه 1‐1 ذخایر قابل استحصال گاز طبیعی کشور در سال 1381 10 2‐1 مقدار شبکه گذاری انجام شده توسط شرکتهای گازرسانی استانی 12 3‐1 ذخایر هیروکربوری مایع ایران 14 4‐1 میزان ذخایر و شاخص جایگزینی ذخایر به تولید کشور در سالهای 80‐81 14 2‐1 تقسیم بندی تولید پراکنده 32 2‐2 تقسیم بندی تولید پراکنده 33 2‐3 دسته بندی تولید پراکنده بر اساس مصرف سوخت 33 3‐1 تقسیمات نه گانه اقلیمی در ایران 41 3‐2 مشخصات شهرهای انتخاب شده 41 3‐3 شرایط اقلیمی شهر اصفهان در ماههای مختلف سال 42 3‐4 شرایط اقلیمی شهر اهواز در ماههای مختلف سال 42 3‐5 شرایط اقلیمی شهر بندر عباس در ماههای مختلف سال 43 3‐6 شرایط اقلیمی شهر تبریز در ماههای مختلف سال 43 3‐7 شرایط اقلیمی شهر تهران در ماههای مختلف سال 44 3‐8 شرایط اقلیمی شهر رشت در ماههای مختلف سال 44 3‐9 شرایط اقلیمی شهر شیراز در ماههای مختلف سال 45 3‐10 شرایط اقلیمی شهر کرمان در ماههای مختلف سال 45 3‐11 شرایط اقلیمی شهر مشهد در ماههای مختلف سال 46 3‐12 شرایط اقلیمی شهر همدان در ماههای مختلف سال 46 4‐1 دسترسی تجاری انواع تکنولوﮊی DG 48 4‐2 مشخصات انواع DG مورد مطالعه 58 11
ردیف شکل عنوان صفحه 2‐1 سیستم بازیافت حرارت 17 2‐2 شکل ساده یک میکرو توربین 18 2‐3 مراحل عملکرد پیلهای سوختی 19 2‐4 اجزاﺀ توربین بادی 20 2‐5 نحوه عملکرد سیستمهای فتوولتائیک 22 2‐6 مراحل عملکردی موتورهای رفت و برگشتی 29 2‐7 شبکه شعاعی معمولی 34 4‐2 زمین در گردش سالانه خودش بدور خورشید 51 4‐2 نمودار تغییرات Gon بر حسب روزهای سال 52 4‐3 c به ازاﺀ پارامتر K 55 u 5‐1 فلوچارت محاسبه cf در فتوولتائیک 61 5‐2 فلوچارت محاسبه ضریب کارکرد توربینهای بادی 63 5‐3 فلوچارت محاسبه هزینه COE 65 5‐4 مقدار COE انواع DG در شهر اصفهان 66 5‐5 مقدار COE انواع DG در شهر اهواز 66 5‐6 مقدار COE انواع DG در شهر بندرعباس 67 5‐7 مقدار COE انواع DG در شهر تبریز 67 5‐8 مقدار COE انواع DG در شهر تهران 68 5‐9 مقدار COE انواع DG در شهر رشت 68 5‐10 مقدار COE انواع DG در شهر شیراز 69 5‐11 مقدار COE انواع DG در شهر کرمان 69 5‐12 مقدار COE انواع DG در شهر مشهد 70 5‐13 مقدار COE انواع DG در شهر همدان 70 5‐14 مقایسه COE باد در ده شهر نمونه 71 5‐15 مقایسه COE فتوولتائیک در ده شهر نمونه 71 5‐16 مقایسه CF توربین بادی در ده شهر نمونه 72 5‐17 مقایسه CF فتوولتائیک در ده شهر نمونه 72 6‐1 ارتباط بین ارکان مختلف نرم افزار HOMER 75 6‐2 نمونه هایی از سیستم های قدرت کوچک شبیه سازی شده با HOMER 77 6‐3 نتایج نمونه از تحلیل ساعتی 79 6‐4 سیستم بادی‐ دیزلی 80 6‐5 فضای جست و جو که شامل 140 حالت مختلف است 81 6‐6 نتایج کلی شبیه سازی که طبق NPC مرتب شده اند 82 6‐7 نتایج دسته بندی شده بهینه سازی 82 12
6‐8 نمونه ای از تحلیل حساسیت 84 6‐9 نتایج تحلیل حساسیت با قیمت متغیر برای سوخت 85 6‐10 نوع سیستم بهینه 86 7‐1 انتخاب بار‐ دستگاهها و حالت شبکه 89 7‐2 ورود اطلاعات ساعتی بار در روزهای هفته به تفکیک ماههای مختلف 89 7‐3 ورود اطلاعات ساعتی بار روز تعطیل آخر هفته 90 7‐4 انتخاب نوع سوخت مصرفی 90 7‐5 شماتیک نرم افزار بعد از وارد کردن مشخصات دستگاهها 91 7‐6 ورود اطلاعات ضریب صافی آسمان به تفکیک ماه برای شهر تهران 91 7‐7 ورود اطلاعات سرعت باد به تفکیک ماه برای شهر تهران 92 7‐8 قیمت دیزل بر حسب دلار بر لیتر(0.1دلار بر لیتر) 92 7‐9 0.0025 دلار بر متر مکعب) 92 قیمت گاز بر حسب دلار بر متر مکعب ( 7‐10 اجرای نرم افزارتوسط دکمه CALCULATE 93 7‐11 نتایج شبیه سازی اولین انتخاب بهینه 93 7‐12 قدرت خروجی ساعتی توسط دستگاه میکروتوربین در روز اول ماه 94 7‐13 قدرت خروجی ساعتی توسط دستگاه دیزل ﮊنراتور در روز اول ماه 94 7‐14 قدرت خروجی ساعتی توسط دستگاه موتور احتراق درونی در روز اول ماه 94 7‐15 قدرت خروجی ساعتی توسط سه دستگاه در روز اول ماه 95 7‐16 نتیجه شبیه سازی استفاده از تمام دستگاههای ) DG بدترین انتخاب بهینه) 95 7‐17 قدرت خروجی ساعتی توسط دستگاه PV در روز اول ماه 96 7‐18 قدرت خروجی ساعتی توسط دستگاه توربین بادی در روز اول ماه 96 7‐19 قدرت خروجی ساعتی توسط دستگاه میکرو توربین در روز اول ماه 96 7‐20 قدرت خروجی ساعتی توسط دستگاه دیزل ﮊنراتور در روز اول ماه 97 7‐21 قدرت خروجی ساعتی توسط دستگاه موتور احتراق درونی در روز اول ماه 97 7‐22 قدرت خروجی ساعتی توسط دستگاه باطری در روز اول ماه 97 7‐23 حساسیت نسبت به تغییرات گاز و دیزل 98 7‐24 حساسیت نسبت به تغییرات سرعت باد و قیمت دیزل با تابش خورشید برابر6kwh/m2/d 98 7‐25 حساسیت نسبت به تغییرات سرعت باد و قیمت دیزل با تابش خورشید برابر4.55kwh/m2/d 98 7‐26 حساسیت نسبت به تغییرات قیمت دیزل و تابش خورشید 99 7‐27 حساسیت نسبت به تغییرات قیمت گاز طبیعی و تابش خورشید 99 13
چکیده
از زمانی که بحث مولدهای پراکنـده در نقـاط مختلـف دنیـا رواج یافتـه، تـاکنون مباحـث زیـادی در ایـن خصوص مفتوح مانده است. سازندگان اصلی این نوع مولدها همواره به دنبال کاهش هزینه های مربوط به طراحـی، ساخت و خدمات پس از فروش بوده اند. در حال حاضر بدلیل بکارگیری تکنولوﮊیهای جدید، برخی از انـواع ایـن مولدها همچنان دارای سرمایه گذاری پایه اولیه بالایی بوده و قیمت تمام شده برق تولیدی آنها قابل رقابت بـا رویـه های جاری نیست. در حال حاضر در کشور ما بدلیل ارزان بودن قیمت سوخت، علاوه بر عدم ارزش انرﮊی گرمائی تولیدی برای واحدها و مصارف مختلف، مصرف انرﮊی هنـوز جایگـاه واقعـی خـود را پیـدا نکـرده اسـت. هزینـه تجهیزات برای تکنولوﮊیهای DG اغلب بر حسب هزینه آنهـا در هـر کیلـووات از بـرق تولیـدی، قیمـت گـذاری می گردد. در این پروژه - ریسرچ، ابتدا هزینه تولید برق انواع نیروگاههای تولید پراکنده با توجه به پتانسیل انـرﮊی موجـود در
مناطق مختلف جغرافیایی کشور تعیین و سپس به اصـول شـبیه سـازی سیـستمهای قـدرت کوچـک بـا اسـتفاده از نرم افزار HOMER برای شهر نمونه تهران پرداخته می شود. و نتایج حاصل از شـبیه سـازی بـا نتـایج پـروﮊه
مقایسه می گردد. از نتایج مشاهده می گردد که در بین انواع نیروگاههای تولید پراکنده موتورهای احتراق درونـی در تمامی شهرها دارای هزینه تولید انرﮊی کمتری نسبت به دیگر نیروگاههای تولید پراکنده دارا می باشد و همچنین بـا توجه به منابع گاز طبیعی فراوان در کشور ایران استفاده از نیروگاههای تولید پراکنده که با سوخت گاز کار می کننـد دارای هزینه تولید برق کمتری می باشند.
1
مقدمه
از زمانی که بحث مولدهای پراکنده در نقاط مختلف دنیا رواج یافته، تاکنون مباحث زیادی در این خصوص مفتوح مانده است و با توجه به جدید بودن ایده بکارگیری گسترده از این واحدها و نحوه مشارکت بخشهای غیر دولتی و همچنین نحوه حمایت دولت برای بهره برداری از آنها این بحث هنوز بصورت قـانونی مـدون اسـتخراج نگردیـده است. سازندگان اصلی این نوع مولدها همواره به دنبال کاهش هزینه های مربوط بـه طراحـی، سـاخت و خـدمات پس از فروش بوده اند. در حال حاضر بدلیل بکارگیری تکنولوﮊیهای جدید، برخی از انـواع ایـن مولـدها همچنـان دارای سرمایه گذاری پایه اولیه بالایی بوده و قیمت تمام شده برق تولیدی آنها قابل رقابـت بـا رویـه هـای جـاری نیست. بایستی توجه داشت که این مولدها دارای امکانات و مشخصات ویژه ای هستند که قیـاس آنهـا را بـا سـایر واحدهای تأمین کننده برق امکان پذیر می سازد. در حال رشدی معادل 4/7 درصد برای مصرف انرﮊی برق (بطور متوسط) در اکثر کشورهای جهان تعیین شده است. که البته طبق اظهار نظر مسؤلان این روند در کشور، دارای رشد حدود %8 سالیانه است. با توجه به راندمان حدود %50 نیروگاهها (سیکل ترکیبی) و مد نظر قراردادن این موضـوع که تلفات ناشی از انتقال انرﮊی و توزیع آن رقمی معادل 10 الی 15 درصد را در بردارد تأمین مازاد نیاز انـرﮊی بـه معنای استفاده فراوان از منابع انرﮊی فسیلی است.
جهت رفع این نقیصه استفاده از انرﮊیهای نو و تجدید پذیر1 و همچنین ایجاد یک الگوی مصرف مناسب به همراه تجدید ساختار در صنعت برق با بهره گیری از مولدهای پراکنده، راهکارهای با ارزش و مهم محسوب میـشوند. در اکثر کشورهای جهان که بهای انرﮊی دارای ارزش واقعی نیست مـصرف بـی رویـه از آن هزینـه هـای فراوانـی در بردارد. در حال حاضر در کشور ما بدلیل ارزان بودن قیمت سوخت، علاوه بر عدم ارزش انـرﮊی گرمـائی تولیـدی برای واحدها و مصارف مختلف، مصرف انرﮊی هنوز جایگاه واقعی خود را پیدا نکرده است. مولدهای پراکنـده ای که در ادامه از آنها صحبت به میان خواهد آمد علاوه بر حفظ منابع انرﮊی و جلوگیری از اتـلاف آن، بـدون داشـتن آلاینده های زیست محیطی و صوتی شرایط حفظ محیط زیست را نیز فراهم می سازند.
از لحاظ بعد تاریخی تولید کننده های برق به صورت پراکنده بودند و به طور محلی مورد استفاده قرار می گرفتند.
بعدها به دلایل اقتصادی و تکنیکی تمرکز تولید بیشتر شد، تا بـه حالـت امـروزی در آمـد. در عـصرحاضر بـدلایل متعددی تولید در حال تغییر ماهیت به تولید پراکنده می باشد. طبق پیش بینی انسیتیتو تحقیقـات بـرق آمریکـا2 تـا سال 2010 حدود %25 تولید به صورت تولید پراکنده خواهد بود و نیز طبق پیش بینی مؤسسه گاز طبیعی آمریکـا تا سال 2010 حدود %30 تولید به صورت پراکنده خواهد بود.

1 - Renewable Energy 2 - EPRI
2
در ادامه ما به بحث شرایط اقلیمی کشور ایران می پردازیم. کشور ایران 1648195 کیلومتر مربع وسعت دارد و در غرب قاره آسیا واقع شده و جزﺀ کشورهای خاورمیانه محسوب می شود. در مجموع محیط ایـران 8731 کیلـومتر می باشد. حدود 90 درصد خاک ایران در محدوده فلات ایران واقع شده است. بنابراین ایران کـشوری کوهـستانی محسوب می شود. بیش از نیمی از مساحت ایران را کوهها و ارتفاعات، یـک چهـارم را صـحراها و کمتـر از یـک چهارم را اراضی قابل کشت تشکیل می دهند. ایران دارای آب و هوای متنوع و متفاوت اسـت و بـا مقایـسه نقـاط کشور این تنوع را بخوبی می توان مشاهده کرد. میزان تفاوت و ترکیب گوناگون عوامل اقلیمی کـه خـود ناشـی از تفاوت موقعیت جغرافیایی مناطق مختلف است، حوزههـای اقلیمـی متفـاوتی در جهـان پدیـد آورده کـه هـر یـک ویژگیهای خاصی دارد. محیط زیست، شهرها و حتی بناهای مربوط به این حوزههای اقلیمی، ویژگیهای خاصـی متناسب با شرایط اقلیمی خود به دست آوردهاند. بدین منظور، نخست به تقسیمات اقلیمی در سطح جهان و ایـران اشاره نموده و سپس به انتخاب ده شهر در مناطق مختلف اقلیمی ایران پرداخته می شود.
در ادامه به تعیین هزینه تولید برق از یک نیروگاه تولید پراکنده می پردازیم که یکی از عوامل مهم به هنگام اسـتفاده از یک تکنولوﮊی DG، هزینه می باشد. بهرحال تعیین هزینه یک تکنولوﮊی DG اغلب پیچیده می باشد. علاوه بـر هزینه یا سرمایه اولیه تجهیزات، نیروی کار و دیگر مخارج مربوط به نصب، بهره برداری و تعمییرات تجهیزات نیـز وجود دارد. همچنین هزینه برق تولیدی توسط تکنولوﮊی DG می تواند برآورد و با قیمت موجـود پرداخـت شـده برای برق شبکه قدرت مقایسه شود. هزینه تجهیزات برای تکنولوﮊیهای DG اغلب بـر حـسب هزینـه آنهـا در هـر کیلووات از برق تولیدی و یا دلار بر کیلووات، قیمت گـذاری مـی گـردد. بـرای انتخـاب یکـی از انـواع مختلـف نیروگاههای تولید پراکنده عوامل مختلفی وجود دارد تا مشخص شود کدام نیروگاه برای وضعیت ویژه مناسـب تـر می باشد. که این عوامل در فصل چهارم به تفصیل تشریح گردیده است. در پایان با استفاده از نرم افـزار HOMER
به مدلسازی سیستمهای تولید پراکنده کوچک می پردازیم که این نرم افزار قابلیت انتخاب بهینه هیبرید انواع تولیـد پراکنده را دارا می باشد.
3

فصل اول:
بررسی انرﮊیهای تجدید پذیر و تجدیدناپذیر مورد استفاده در نیروگاههای تولید پراکنده((DG

4
انرﮊیهای مورد استفاده در نیروگاههای تولید پراکنده به دو نوع تقسیم می شود : [1]-[10]
الف‐ تجدید پذیر
ب‐ تجدید ناپذیر
انرﮊیهای تجدید پذیر:
انرﮊی باد
انرﮊی خورشید
انرﮊی باد
انرﮊی باد یکی از انواع اصلی انرﮊی های تجدید پذیر می باشد که از دیرباز ذهن بشر را به خود معطوف کرده بـود بطوریکه وی همواره به فکر کاربرد این انرﮊی در صنعت بوده است. بشر از انرﮊی باد بـرای بـه حرکـت در آوردن قایقها و کشتی های بادبانی و آسیابهای بادی استفاده می کرده است. در شرایط کنونی نیز با توجـه بـه مـوارد ذکـر شده و توجیه پذیری اقتصادی انرﮊی باد در مقایسه با سایر منابع انرﮊیهای نو، پرداختن به انرﮊی باد امری حیـاتی و ضروری به نظر می رسد. در کشور ما ایران، قابلیتها و پتانسیلهای مناسبی جهت نصب و راه اندازی توربینهای بـرق بادی وجود دارد، که با توجه به توجیه پذیری آن و تحقیقات، مطالعات و سرمایه گذاری که در این زمینـه صـورت گرفته، توسعه و کاربرد این تکنولوﮊی، چشم انداز روشنی را فرا روی سیاستگذاران بخـش انـرﮊی کـشور در ایـن زمینه قرار داده است.
انرﮊی باد نظیر سایر منابع انرﮊی تجدیدپذیر از نظـر جغرافیـایی گـسترده و در عـین حـال بـه صـورت پراکنـده و غیرمتمرکز و تقریبا همیشه دردسترس می باشد. انرﮊی باد طبیعتی نوسانی و متناوب داشـته و وزش دائمـی نـدارد.
هزاران سال است که انسان با استفاده از آسیابهای بادی، تنها جزﺀ بسیار کوچکی از آن را استفاده می کند.
این انرﮊی تا پیش از انقلاب صنعتی بعنوان یک منبع انرﮊی، بطور گسترده ای مورد استفاده قرار می گرفت ولـی در دوران انقلاب صنعتی، استفاده از سوختهای فسیلی بدلیل ارزانی و قابلیت اطمینان بالا، جایگزین انرﮊی باد گردیـد.
در این دوره، توربینهای بادی قدیمی دیگر از نظر اقتصادی قابل رقابت با بازار انرﮊیهای نفت و گاز نبودند. تا اینکه در سالهای 1973 و 1978 دو شوک بزرگ نفتی، ضربه بزرگی به اقتـصاد انرﮊیهـای حاصـل از نفـت و گـاز وارد آورد. به این ترتیب هزینه انرﮊی تولید شده بوسیله توربینهای بادی در مقایسه با نرخ جهـانی قیمـت انـرﮊی بهبـود یافت. پس از آن مراکز و موسسات تحقیقاتی و آزمایـشگاهی متعـددی در سراسـر دنیـا بـه بررسـی تکنولوﮊیهـای مختلف جهت استفاده از انرﮊی باد بعنوان یک منبع بزرگ انـرﮊی پرداختنـد. بـه عـلاوه ایـن بحـران باعـث ایجـاد تمایلات جدیدی در زمینه کاربرد تکنولوﮊی انرﮊی باد جهت تولید برق متصل به شبکه، پمپاﮊ آب و تـامین انـرﮊی الکتریکی نواحی دورافتاده شد. همچنین در سالهای اخیر، مشکلات زیست محیطی و مسائل مربوط به تغییـر آب و هوای کره زمین بعلت استفاده از منابع انرﮊی فسیلی بر شدت این تمایلات افزوده است. از سال 1975 پیشرفتهای
5
شگرفی در زمینه توربینهای بادی در جهت تولید برق بعمل آمده است. در سال 1980 اولـین تـوربین بـرق بـادی متصل به شبکه سراسری نصب گردید. بعد از مدت کوتاهی اولین مزرعه برق بادی چند مگاواتی در آمریکا نـصب و به بهره برداری رسید. در پایان سال 1990 ظرفیت توربینهای برق بادی متصل به شبکه در جهان بـه 200MV
رسید که توانایی تولید سالانه 3200 GWh برق را داشته که تقریبا تمام این تولیـد مربـوط بـه ایالـت کالیفرنیـا آمریکا و کشور دانمارک بود. امروزه کشورهای دیگر نظیر هلند، آلمان، بریتانیا، ایتالیا و هندوستان برنامه های ملـی و ویژه ای را در جهت توسعه و عرضه تجاری انرﮊی باد آغاز کرده اند. در طی دهه گذشته، هزینه تولید انـرﮊی بـه کمک توربینهای بادی بطور قابل ملاحظه ای کاهش یافته است.
در حال حاضر توربینهای بادی از کارائی و قابلیت اطمینان بیشتری در مقایسه با 15 سال پیش برخوردارند. با ایـن همه استفاده وسیع از سیستمهای مبدل انرﮊی باد((wecs هنوز آغاز نگردیده است. در مباحث مربوط به انـرﮊی
باد، بیشتر تاکیدات بر توربینهای بادی مولد برق جهت اتصال به شبکه است زیرا این نوع از کاربرد انرﮊی بـاد مـی تواند سهم مهمی در تامین برق مصرفی جهان داشته باشد. بر اساس برنامه سیاسـتهای جـاری (cp)، تخمـین زده می شود که سهم انرﮊی باد در تامین انرﮊی جهان در سال 2020 تقریبا برابر با 375 twh در سال خواهـد بـود.
این میزان انرﮊی با استفاده از توربینهای بادی، به ظرفیت مجموع 180Gw تولیـد خواهـد گردیـد. امـا در قالـب برنامه ضرورتهای زیست محیطی (ed) سهم این انرﮊی در سال 2020 بالغ بـر ( 970 twh) در سـال خواهـد بود که با استفاده از توربینهای بادی به ظرفیت مجموع 470 Gw تولید خواهد شد. بطور کلی با استفاده از انرﮊی باد به عنوان یک منبع انرﮊی در دراز مدت می توان دو برابر مصرف انرﮊی الکتریکی فعلی جهان را تامین کرد.
منشاﺀ باد هنگامی که تابش خورشید بطور نامساوی به سطوح ناهموار زمین می رسد سبب ایجاد تغییرات در دما و فشار مـی
گردد و در اثر این تغییرات باد بوجود می آید. همچنن اتمسفر کره زمین به دلیل حرکت وضعی زمـین، گرمـا را از مناطق گرمسیری به مناطق قطبی انتقال می دهد که این امر نیز باعث بوجود آمدن باد می گردد. جریانات اقیانوسـی نیز به صورت مشابه عمل نموده و عامل %30 انتقال حـرارت کلـی در جهـان مـی باشـد. در مقیـاس جهـانی ایـن جریانات اتمسفری به صورت یک عامل قوی جهت انتقال حرارت و گرما عمل می نمایند. دوران کره زمین نیز می تواند در برقراری الگوهای نیمه دائم جریانات سیاره ای در اتمسفر، انرﮊی مضاعف ایجاد نماید.
پس همانطوریکه عنوان شد باد یکی از صورتهای مختلف انرﮊی حرارت خورشیدی می باشد که دارای یک الگوی جهانی نیمه پیوسته می باشد. تغییرات سرعت باد، ساعتی، روزانه و فصلی بوده و متاثر از هوا و توپـوگرافی سـطح زمین می باشد. بیشتر منابع انرﮊی باد در نواحی ساحلی وکوهستانی واقع شده اند.
توزیع جهانی باد بطورکلی جریان باد در جهان دارای دو نوع توزیع می باشد:
6
الف‐ جریان چرخشی هادلی1
بین عرضهای جغرافیایی 30 درجه شمالی و 30 درجه جنوبی، هوای گرم شـده در اسـتوا بـه بـالا صـعود کـرده و هوای سردتری که از شمال و جنوب می آید جایگزین آن می شود. این جریـان را چـرخش هـادلی مـی نامنـد. در سطح کره زمین این جریان بدین معنی است که بادهای سرد به طرف استوا می وزند و از طرف دیگر هوایی کـه در
30 درجه شمالی و 30 درجه جنوبی به پایین می آید خیلی خشک است و بدلیل آنکه سرعت دوران زمین در ایـن عرضهای جغرافیایی به مراتب کمتر از سرعت دوران زمین در استوا است، به سمت شرق حرکت می کنـد. معمـولا در این عرضهای جغرافیایی نواحی بیابانی مانند صحرا قرار دارند.
ب‐ جریان چرخشی راسبی2
بین عرضهای جغرافیایی 30 درجه شمالی(جنوبی) و 70 درجه شمالی (جنوبی) عمـدتا بادهـای غربـی در جریـان هستند. این بادها تشکیل یک چرخش موجی را می دهند و هوای سرد را به جنوب و هوای گرم را به شمال انتقال می دهند. این الگو را جریان راسبی می نامند.
اندازه گیری پتانسیل انرﮊی باد پتاسیل انرﮊی باد به عنوان یک منبع قدرت در مناطق مختلف و بر اساس اطلاعات موجود در مورد منابع بـاد قابـل
دسترس در هر منطقه مورد مطالعه قرار گرفته است. پتانسیل مربوط به منابع باد به طور کلی به پـنج دسـته تقـسیم می شود:
‐1 پتانسیل هواشناسی: این پتانسیل بیانگر منبع انرﮊی باد در دسترس می باشد.
‐2 پتانسیل محلی: این پتانسیل بر مبنای پتانسیل هواشناسی بنا شده ولی محدود به محلهایی است کـه از نظـر جغرافیایی برای تولید انرﮊی در دسترس هستند.
‐3 پتانسیل فنی: این پتانسیل با در نظر گرفتن نـوع تکنولـوﮊی دردسـترس (کـارایی، انـدازه تـوربین و... ) از پتانسیل محلی محاسبه می شود.
‐4 پتانسیل اقتصادی: این پتانسیل، استعداد بالقوه فنی است کـه بـه صـورت اقتـصادی و بـر پایـه سیاسـتهای اقتصادی قابل تحقق و اجرا است.
‐5 پتانسیل اجرایی: این پتانسیل با در نظر گرفتن محدودیتها و عوامل تشویقی برای تعیین ظرفیـت توربینهـای بادی قابل اجرا در یک محدوده زمانی خاص تعیین می شود. مانند تعرفه های تشویقی که طبـق سیاسـت‐ های دولتهای مختلف به تولیدکنندگان انرﮊی برق بادی حاصل از توربینهای بادی تخصیص داده می شود.
قدرت باد انرﮊی جنبشی باد همواره متناسب با توان دوم سرعت باد است. هنگامی که باد به یک سطح برخورد می کند انرﮊی
جنبشی آن به فشار (نیرو) روی آن سطح تبدیل می شود. حاصلضرب نیروی باد در سرعت باد مساوی قـدرت بـاد

1 - hadly 2 - Rossby
7
می شود. نیروی باد متناسب با مربع سرعت باد است پس قدرت باد متناسب با مکعـب سـرعت بـاد خواهـد بـود.
بنابراین هرچه سرعت باد بیشتر باشد قدرت آن نیز بیشتر خواهد شد. به عنوان مثال اگر سرعت باد دو برابـر شـود قدرت آن هشت برابر و اگر سرعت باد سه برابر گردد قدرت باد بیست و هفت برابر خواهد شد.
مزایای بهره برداری از انرﮊی باد
‐1 عدم نیاز توربینهای بادی به سوخت، که در نتیجه از میزان مصرف سوختهای فسیلی می کاهد.
‐2 رایگان بودن انرﮊی باد
‐3 توانایی تامین بخشی از تقاضای انرﮊی برق
‐4 کمتر بودن نسبی قیمت انرﮊی حاصل از باد نسبت به انرﮊیهای فسیلی
‐5 کمتر بودن هزینه های جاری و هزینه های سرمایه گذاری انرﮊی باد در بلند مدت
‐6 تنوع بخشیدن به منابع انرﮊی و ایجاد سیستم پایدار انرﮊی
‐7 قدرت مانور زیاد جهت بهره برداری در هر ظرفیت و اندازه ( از چند وات تا چندین مگاوات)
‐8 عدم نیاز به آب
‐9 عدم نیاز به زمین زیاد برای نصب
‐10 نداشتن آلودگی محیط زیست نسبت به سوختهای فسیلی پتانسیل باد در ایران
کشور ایران 1648195 کیلومتر مربع وسعت دارد و در غرب قاره آسیا واقع شـده و جـزﺀ کـشورهای خاورمیانـه محسوب می شود. در مجموع محیط ایران 8731 کیلومتر می باشد. حـدود 90 درصـد خـاک ایـران در محـدوده فلات ایران واقع شده است. بنابراین ایران کشوری کوهستانی محسوب می شود. بیش از نیمی از مساحت ایـران را کوهها و ارتفاعات، یک چهارم را صحراها و کمتر از یک چهارم را اراضی قابـل کـشت تـشکیل مـی دهنـد. ایـران دارای آب و هوای متنوع و متفاوت است و با مقایسه نقاط کشور این تنوع را بخوبی می توان مشاهده کرد.
ارتفاع کوههای شمالی، غربی و جنوبی به قدری زیاد است که از تاثیر بادهای دریای خزر، دریای مدیترانه و خلیج فارس در نواحی داخلی ایران جلوگیری می کند. به همین سبب دامنه های خارجی این کوههـا دارای آب و هـوای مرطوب بوده و دامنه های داخلی آن خشک است. در رابطه با بادهای ایران می توان گفـت کـه ایـران بـا موقعیـت جغرافیایی که دارد، در آسیا بین شرق و غرب و نواحی گرم جنوب و معتدل شمالی واقـع شـده اسـت و در مـسیر جریانهای عمده هوایی بین آسیا، اروپا، آفریقا، اقیانوس هند و اقیانوس اطلس است که تـاکنون آنچـه مـسلم اسـت قرار گرفتن ایران در مسیر جریانهای مهم هوایی زیر می باشد:
‐1 جریان مرکز فشار آسیای مرکزی در زمستان
‐2 جریان مرکز فشار اقیانوس هند در تابستان
‐3 جریان غربی از اقیانوس اطلس و دریای مدیترانه مخصوصا در زمستان
8
‐4 جریان شمال غربی در تابستان توربینهای بادی و انواع آن
از نظر عملکردی در توربینهای بادی انرﮊی جنبشی باد به انـرﮊی مکـانیکی و سـپس بـه انـرﮊی الکتریکـی تبـدیل میگردد.
انواع توربینهای بادی:
‐1 توربینهای بادی با محور چرخش عمودی
‐2 توربینهای بادی با محور چرخش افقی انواع کاربرد توربینهای بادی الف – کاربردهای غیر نیروگاهی الف( 1 ‐ پمپهای بادی آبکش
الف( 2 ‐ کاربرد توربینهای کوچک بعنوان تولیدکننده برق الف( 3 ‐ شارﮊ باتری ب – کاربردهای نیروگاهی
کاربردهای نیروگاهی توربینهای برق بادی شامل کاربردهای متصل به شبکه برق رسانی است که عبارتنداز:
ب(1‐ توربینهای بادی منفرد ب(2‐ مزارع بادی
انرﮊی خورشید
خورشید نه تنها خود منبع عظیم انرﮊی است، بلکه سـر آغـاز حیـات و منـشا تمـام انرﮊیهـای دیگـر اسـت. طبـق برآوردهای علمی در حدود 6000 میلیون سال از تولد این گوی آتشین می گذرد و در هر ثانیه 4.2 میلیون تـن از جرم خورشید به انرﮊی تبدیل می شود. با توجه به وزن خورشید که حدود 333 هزار برابر وزن زمین اسـت، ایـن کره نورانی را مـی تـوان بعنـوان منبـع عظـیم انـرﮊی تـا 5 میلیـارد سـال آینـده بـه حـساب آورد. قطـر خورشـید
1/39*10^6 کیلومتر است و از گازهایی نظیر هیدروﮊن 86/8) درصد)، هلیوم 3) درصد) و 63 عنصر دیگـر کـه مهمترین آنها اکسیژن، کربن، نئون و نیتروﮊن می باشد، تشکیل شده است. میزان دما در مرکز خورشید حدود 10 تا
14 میلیون درجه سانتیگراد می باشد که از سـطح آن بـا حرارتـی نزدیـک بـه 5600 درجـه و بـه صـورت امـواج الکترومغناطیسی در فضا منتشر می شود.
زمین در فاصله 150 میلیون کیلومتری خورشید واقع است و 8 دقیقه و 18 ثانیه طول می کشد تا نور خورشید بـه
1
زمین برسد. بنابراین سهم زمین در دریافت انرﮊی از خورشید حدود 2 109 از کل انرﮊی تابشی آن می باشد.

جالب است بدانید که سوختهای فسیلی ذخیره شده در اعماق زمین، انرﮊیهای باد، آبشار، امـواج دریاهـا و بـسیاری موارد دیگر از جمله نتایج همین مقدار انرﮊی دریافتی زمین از خورشید می باشد.
9
کاربردهای انرﮊی خورشیدی در عصر حاضر از انرﮊی خورشیدی توسط سیستمهای مختلف و برای مقاصد متفاوت استفاده و بهـره گیـری مـی شود که عبارتنداز:
الف) استفاده از انرﮊی حرارتی خورشیدی برای مصارف خانگی، صنعتی و نیروگاهی ب ) تبدیل مستقیم پرتوهای خورشید به الکتریسیته بوسیله تجهیزاتی به نام فتوولتائیک کاربردهای نیروگاهی:
‐1 نیروگاههایی که گیرنده آنها آینه های سهموی ناودانی هستند(شلجمی باز)
‐2 نیروگاههایی که گیرنده آنها در یک برج قرار دارد و نور خورشید توسط آینه های بزرگـی بـه نـام هلیوستات به آن منعکس می شود.(دریافت کننده مرکزی)
‐3 نیروگاههایی که گیرنده آنها بشقابی سهموی (دیش) می باشد(شلجمی بشقابی)
کاربردهای غیر نیروگاهی:
‐1 آبگرمکن و حمام خورشیدی
‐2 گرمایش و سرمایش ساختمان و تهویه مطبوع خورشیدی
‐3 آب شیرین کن خورشیدی
‐4 خشک کن خورشیدی
‐5 اجاقهای خورشیدی
‐6 کوره خورشیدی
‐7 خانه های خورشیدی مصارف و کاربردهای فتوولتائیک:
‐1 مصارف فضانوردی و تامین انرﮊی مورد نیاز ماهواره ها جهت ارسال پیام
‐2 روشنایی خورشیدی
‐3 سیستم تغذیه کننده یک واحد مسکونی
‐4 سیستم پمپاﮊ خورشیدی
‐5 سیستمهای تغذیه کننده ایستگاههای مخابراتی و زلزله نگاری
‐6 ماشین حساب، ساعت، رادیو، ضبط صوت و هر وسیله ای که تاکنون با باطری خشک کار می کرده است
‐7 نیروگاههای فتوولتائیک
‐8 یخچالهای خورشیدی
‐9 سیستم تغذیه کننده پرتابل یا قابل حمل
10
انرﮊی های تجدیدناپذیر
گاز
دیزل
انرﮊی گاز
ذخایر و میادین گاز طبیعی بزرگترین ذخایر گازی شناخته شده جهان متعلق به کشور روسیه می باشد و میلیونها انـشعاب در اروپـا، بـه منـابع
گازی این کشور متصل است. ایران نیز بعد از روسیه، دارای عظیم ترین ذخـایر گـاز طبیعـی در جهـان مـی باشـد.
حدود 17/2 درصد از کل ذخایر گاز طبیعی دنیا و 47/72 درصد از ذخایر خاورمیانه به ایران تعلق دارد.
میزان ذخایر کل قابل استحصال گاز طبیعی کشور در پایان سال 1381، بالغ بر 26/75 تریلیون متر مکعب بـرآورد گردیده است.
وجود پشتوانه عظیم گاز طبیعی در ایران، به همراه جهت گیری سیاسـت انـرﮊی کـشور بـه سـمت افـزایش رونـد جایگزین گاز طبیعی، موجب شده که در دهه های اخیر، سرعت نفوذ گاز طبیعی در سبد انرﮊی کـشور از افـزایش قابل ملاحظه ای برخوردار شود. به طوری که هم اکنون، حدود 40 درصد از انـرﮊی مـصرفی کـشور توسـط گـاز طبیعی تامین می گردد.
جدول((1‐1 ذخایر قابل استحصال گاز طبیعی کشور در سال 1381

شبکه گذاری گاز طبیعی در ایران توسعه عملیات شبکه گذاری گاز طبیعی در راستای سیاست افزایش سهم گـاز در سـبد مـصرف انـرﮊی در داخـل
کشور، از طریق جایگزینی مصرف فراورده های نفتی با گاز طبیعـی بـوده اسـت. بطوریکـه عملیـات مـذکور طـی سالهای دهه 1360 شدت بیشتری گرفته است. در طی این سالها، تا پایان سال 1381، بسیاری از مناطق روسـتایی که در مجاورت شبکه انتقال خطوط انتقال سراسری قرار داشتند، مجهز به سیستم های انتقال، توزیع و مصرف گـاز طبیعی شده اند، بطوریکه سایر استانهای کشور از این شبکه بهره مند گردیده اند. طی دوره مورد بحث، میزان شبکه گذاری گاز طبیعی در کل کشور به 79000 کیلومتر تا پایان سال 1381 رسیده است. از کـل شـبکه گـذاری گـاز کشور تا پایان سال 1381، حدود 17 درصد آن در استان تهران واقع شده و کمترین میـزان برخـورداری از شـبکه گاز رسانی به استانهای کهگیلویه و بویراحمد و کردستان، به ترتیـب بـا 1/04 و 1/22 درصـد تعلـق دارد. بعـد از
11
استان تهران با درصد تمرکز 10/68 درصد، استانهای مازندران، اصفهان، آذربایجان شرقی، فارس، خراسان، گـیلان و کرمان به ترتیب با درصد تمرکز 03/60،8/9،8/02، 6/95،6/53،6/07 قرار داشته اند. نمـودار((1‐1 خلاصـه ای از حجم شبکه گذاری انجام شده توسط شرکت گاز رسانی استانی را نشان می دهد.
نمودار((1‐1 مقدار شبکه گذاری انجام شده در استانها تا پایان سال 1381

قابل ذکر است تا سالهای اولیه دهه هفتاد هجری شمسی، عمده شبکه های توزیع گاز طبیعی به صورت لولـه هـای فولادی بوده که دارای فشاری بالغ بر 60‐250 پوند براینچ مربع می باشند. تجارب موفق بکارگیری لوله های پلی اتیلن با فشار زیاد موجب شده که اخیرا بخش قابل توجهی از شبکه گذاری با استفاده از لوله های پلی اتیلن انجـام گیرد.
انشعابات و مصرف کنندگان گاز طبیعی مجموع انشعابات در کل کشور تا پایان سال 1381 به 4183 هزار انشعاب رسیده است که از ایـن میـزان، حـدود
460 هزار انشعاب در سال 1381 صورت گرفته است. 99/8 درصد کل انشعابات صورت گرفته در سـال مزبـور به انشعابات بخش خانگی و تجاری تعلق داشته و مراکز صنعتی، دارای سهم ناچیزی از انشعابات گازرسانی بودند.
البته، افزایش تعداد انشعابات بخش صنعت طی سالهای اخیر از روند مطلوبی برخودار بوده، بطوریکه با ادامه رونـد موجود، در سالهای نزدیک، اکثر مراکز عمده صنعتی کشور به گاز طبیعی مجهز مـی گردنـد. جـدول (2‐1) تعـداد انشعابات نصب شده توسط شرکتهای گازرسانی را نشان می دهند.
12
جدول((2‐1 تعداد انشعابات نصب شده توسط شرکتهای گاز رسانی تا پایان سال 1381

ا
انرﮊی نفت
بخش نفت در ابعاد ملی و بین المللی، از اهمیت فوق العاده ای برخوردار است. از بعد اقتـصاد ملـی، نفـت نقـشی مهم در تولید ناخالص داخلی، تجارت خارجی، تشکیل سرمایه ملی، اشتغال زایی، تامین بودجـه و گـسترش زمینـه صادرات غیر نفتی دارد. ایران در مقام دومین تولیدکننده نفت اوپک قرار دارد. مجموع ذخایر قابل استحـصال نفـت خام و میعانات گازی در آغاز سال 1382 حدود 130/8 میلیارد بشکه بوده است. تاریخ اتمام ذخـایر، در صـورت کشف نشدن ذخایر جدید و برداشت سالانه معادل سال 1381 برای نفت خام و میعانات گـازی حـدود 93 سـال است. با توجه به جدول((3‐1، ذخایر واقع در دریا و خشکی به ترتیب حدود 21/5 و 78/6 درصد کـل ذخـایر
13
قابل استحصال هیدروکربوری مایع کشور را تشکیل می دهد. این در حالی اسـت کـه 91/1 درصـد از کـل تولیـد انباشتی از میادین خشکی و تنها 8/9 درصد آن از میادین دریایی صورت گرفته است.
جدول((3‐1 ذخایر هیدروکربوری مایع ایران

جدول((4‐1 میزان ذخایر قابل استحصال جدید و شاخص جایگزینی ذخایر به تولید را نشان می دهد.
جدول((4‐1 میزان ذخایر و شاخص جایگزینی ذخایر به تولید کشور در سالهای 80‐81

14

فصل دوم:
انواع تولید پراکنده
(Distributed Generation)

15
مقدمه
برخی دلایل گرایش تولید به سمت تولید پراکنده عبارتند از:[48]
– 1 محدودیتهای محیطی و جغرافیایی تولید
– 2 مسایل تکنیکی شبکه همچون پایداری، قابلیت اطمینان و...
– 3 روند رو به رشد بار در شبکه توزیع و نیاز به احداث نیروگاههای جدید و توسعه شبکه تولید پراکنده
– 4 گرایش به سمت انرﮊیهای پاک و سازگاز با محیط زیست
– 5 قطع وابستگی به سوختهای فسیلی به دلیل نوسانات قیمت سوخت
– 6 تلفات کمتر نسبت به نیروگاههای بزرگ
– 7 جاگذاری و نصب آسانتر
– 8 جاگذاری نزدیک مصرف کننده که این باعث کاهش هزینه توزیع و انتقال و تلفات ناشی از آنها میگردد.[15]
و همچنین دارای معایبی به شرح ذیل است:
– 1 هزینه اولیه گران
– 2 پیچیده بودن ساختار
– 3 نیاز به سیستم های ذخیره برق، حرارت تولید پراکنده را با اسامی مختلفی مانند زیر خطاب میکنند:[49],[18]
Embedded Generation - 1
Distributed Generation - 2
Dispersed Generation - 3
Power Distribution - 4
Distributed Resources - 5
اصطلاحا تولید پراکنده را DG هم می گویند. در اکثر موارد تولید پراکنده در شبکه های توزیع جایگذاری میـشود.
وارد کردن تولید پراکنده در شبکه های توزیع، مزایا و معایبی دارد. مزایای استفاده از تولید پراکنده عبارتند از:
‐1 اصلاح کیفیت توان
‐2 اصلاح قابلیت اطمینان
‐3 کم کردن تلفات
‐4 بالا بردن قابلیت اعتماد معایب استفاده از تولید پراکنده عبارتند از:
‐1 پیچیده شدن شبکه و ضرورت توسعه سیستم حفاظت شبکه
‐2 پیچیده شدن بهره برداری و کنترل شبکه مولدهای پراکنده دارای انواع مختلفی بوده که در ذیل به بررسی اجمالی آنها پرداخته شود.
16
انواع تولید پراکنده
تولید پراکنده دارای انواع گوناگونی می باشد، که از مهمترین آنها می توان به موتورهای احتراق درونی، توربینهـای گازی احتراقی1، توربینهای کوچک2، وسایل ذخیره انرﮊی3، توربینهای بادی4، انرﮊی بیوماس5، سلولهای سـوختی6 و سلولهای خورشیدی7 را نام برد.[17],[21]
این تولیدات پراکنده را می توان از دید تکنولوﮊی به سه دسته عمده تقسیم نمود که عبارتند از:
‐1 تکنولوﮊی گازی
‐2 تکنولوﮊی های انرﮊی نو
‐3 وسایل ذخیره انرﮊی که در آن تکنولوﮊی گازی شـامل توربینهـای احتراقـی گـازی، توربینهـای کوچـک و سـلولهای سـوختی میباشـد.
تکنولوﮊی های انرﮊی نو شامل انرﮊی نهفته طبیعی، توربینهـای کوچـک بـادی، سـلولهای فتوولتائیـک مـی باشـند.
وسایل ذخیره انرﮊی شامل باتری، 8SMES، سوپرخازنها، سدهای ذخیره آب و 9CAES می باشند.
توربینهای گازی احتراقی تکنولوﮊی توربینهای گازی سالهاست که مورد استفاده قرار می گیرد هم اکنـون در شـبکه انتقـال ایـران توربینهـای
گازی زیادی با توان خروجی بالا در حال سرویس دهی می باشند. توربینهای گـازی مـورد بحـث در اینجـا خیلـی کوچکتر از توربینهای گازی به کار رفته در شبکه انتقال بوده و توان خروجی پایین تری دارند.
در این نوع توربینها مطابق شکل (2‐1) هوا با عبور از کمپرسور فشرده شده سپس با سوخت ترکیب مـی گـردد و پس از احتراق، باعث گردش توربین و در نهایت توسط ﮊنراتور باعث تولید توان می شود. این توان تولید شده هم توسط مبدل های توان به شبکه تحویل داده می شود. در این فرآیند می توان از حرارت تولید شـده در تـوربین کـه مورد استفاده نیست جهت سیستم گرمایش یا هر هدف دیگری استفاده نمود. توربینهای گازی احتراقی دارای مزایـا و معایبی هستند که در زیر شرح داده شده اند.

1- Combustion Gas turbine 2- Micro Turbine 3- Enegy Storage Devices 4- Wind Turbine 5- Biomass Power 6- Fuel Cells 7- Photovoltaic Arrays
8- Superconducting Magnetic Energy Storage 9- Compressed Air Energy Storage
کمپرسور

جعبه دنده
گاز خروجی
17
بخارورودی توربین
محفظه احتراق
گاز خروجی
شکل (2‐1) سیستم بازیافت حرارت
مزایا:
‐1 راندمان بالا و هزینه پایین
‐2 توانایی تولید دمای بالا
‐3 مشتری های زیاد در بازار برق
‐4 نسبت توان به وزن بالا
‐5 در دسترس بودن و قابل اطمینان بودن
‐6 رنج بهره برداری وسیع از توان خروجی معایب:
‐1 کاهش راندمان با کاهش بار
‐2 حساسیت به شرایط محیطی (دما، ارتفاع)
‐3 هزینه و راندمان واحدهای کوچک آن به اندازه واحدهای بزرگ قابل قبول نیست.
توربینهای گازی احتراقی از جمله تولید کننده های انرﮊی است که به راحتی در هر نقطه ای قابل نصب بـوده ولـی دارای فاکتور آلوده کنندگی هوا می باشند، که به نظر می رسد نقش آنها را در آینده کم رنگ نماید.
توربینهای کوچک تکنولوﮊی توربینهای کوچک دارای آینده درخشانی است این نوع توربینها، توربینهای احتراقی با ظرفیـت کـم مـی
باشند که می توانند از گاز طبیعی پروپان و سوخت مایع استفاده نمایند. مطابق شـکل (2‐2) در یـک نگـاه سـاده، توربینهای کوچک دارای کمپرسور، محفظه احتراق، توربین کوچک و ﮊنراتور می باشـد. توربینهـای کوچـک دارای حجم کوچکی به اندازه 1– 0/004 m3 و تولیـدی بـه انـدازه 500‐20KW دارنـد. بـرخلاف توربینهـای احتراقـی
18
معمولی، توربینهای کوچک در دما و فشار کمتر و سرعت بیشتری (100000rpm) که بیشتر اوقات به هـیچ جعبـه دنده ای نیاز ندارند، کار می کنند. انواع تجاری موجود دارای قیمت پایین، قابلیت اطمینان خـوب، سـرعت بـالامی باشند. این نوع تولید پراکنده در رنج تولید توان75‐30 KW در شـمال غربـی آمریکـا و غـرب کانـادا و آرﮊانتـین توسط کمپانی Honeywell نصب شده اند. قسمتهای مختلف یک توربین کوچک در شکل (2‐2) نشان داده شـده است. با توجه به شکل (2‐2) هوا با عبور از فیلتر و کمپرسور در محفظه احتراق با سوخت ترکیب شده و واکنش نشان می دهد و سپس توربین به گردش درآمده و ﮊنراتور تولید توان می نمایـد. تـوان تولیـد شـده هـم از طریـق مبدلهای توان به شبکه تزریق می گردد.

جعبه دندهبخارورودی توربین
سیستم بازیافت
محفظه احتراق
دود خروجی
شکل (2‐2) شکل ساده یک میکرو توربین
توربینهای کوچک در بهره برداری و استفاده دارای مزایا و معایبی هستند که به ترتیب در زیر شرح داده شده اند.
مزایای توربینهای کوچک عبارتند از:
‐1 قطعات گردنده کم، سایز کوچک و وزن کم
‐2 راه اندازی ساده و سریع و دارای مشخصات هماهنگ با بار
‐3 راندمان بالا در استفاده دوگانه گرمایی‐ الکتریکی و دوره های تعمیر بلند مدت
‐4 مواد زاید خروجی کم و استفاده مجدد سوخت مصرف نشده معایب توربینهای کوچک عبارتند از:
‐1 نسبت نامناسب سوخت به راندمان الکتریکی
‐2 درجه حرارت بالای محیط وارتفاع بر تلفات توان خروجی و راندمان اثر منفی دارد
19
استفاده وسیع از توربینهای کوچک به دلیل حجم کم و راه اندازی سریع و مواد زاید پایین به سرعت درحـال رشـد است و آینده ای روشن برای آن پیش بینی می شود.
سلولهای سوختی سلول سوختی وسیله ای است که توان الکتریکی و انرﮊی حرارتـی را از انـرﮊی شـیمیایی از طریـق واکـنش هـای
الکتروشیمیایی تولید و تا زمانی که سوخت ورودی تامین گردد تولید الکتریسیته ادامه می یابد. برخلاف باطریها در سلولهای سوختی نیازی نیست که در حین عملیات الکتروشیمیایی، تا زمانی که سوخت ورودی تـامین مـی گـردد، شارﮊ گردد. تکنولوﮊی سلولهای سوختی از سال 1960 شناخته شده است ظرفیت سلولهای سوختی از کیلووات تـا مگاوات برای واحد قابل حمل و ثابت در حـال تغییـر اسـت، ایـن وسـیله در کاربردهـای مختلـف بـا اسـتفاده از سوختهای گازی و مایع، توان و گرمای پاک و سازگار، با محیط تولید مـی نمایـد، سـلولهای سـوختی مـی تواننـد سوختهایی همچون سوخت هیدورﮊن سنگین، گاز طبیعی، بیوگاز و پروپان مصرف نمایند.[11]
سلول سوختی دارای قسمت های مختلفی همچون مبدل سوخت، کاتالیزور آند، الکترولیت پلیمری، کاتالیزور کاتـد و مبدل توان الکتریکی می باشد. هیدروﮊن سوخت با عبور از مبدل سوخت اسـتخراج شـده و وارد کاتـالیزور آنـد میگردد، با عبور از آند الکترون آن گرفته شده و هیدروﮊن یونیزه شده از الکترولیت پلیمری عبور می کند و در کاتد با اکسیژن ترکیب شده و آب و گرما می دهد. بدینوسیله گرما و الکتریسیته تولید می شود. الکتریسیته تولید شده از طریق مبدل توان به شبکه تزریق مـی گـردد. در شـکل((2‐3 مراحـل عملکـرد پیلهـای سـوختی نـشان داده شـده است. [19]

شکل (2‐3) مراحل عملکرد پیلهای سوختی
مزایا و معایب استفاده از بهره برداری از سلولهای سوختی به شرح زیر آمده است.
مزایا:
‐1 راندمان الکتریکی بالا
‐2 نبود قسمتهای متحرک در حین کارکرد سلول سوختی‐ به غیر از پمپها و دمنده های سلول سوختی کـه باعـث کاهش آلودگی صوتی و محیطی می گردد.
20
‐3 نبود احتراق در سلولهای سوختی باعث کاهش قابل ملاحظه مواد زاید خروجی و ماهیت سازگاری بـا طبیعـت را به سلول سوختی داده است.
‐4 با توجه به راندمان بالای سلول سوختی درحالت الکتروگرمایی روز بـه روز سـلولهای سـوختی کـوچکتری بـا مقیاس تجاری و قیمت مناسب ساخته می شود.
معایب:
‐1 قیمت بالا
‐2 نیاز به یک مبدل توان الکترونیک قدرت جهت تنظیم ولتاﮊ خروجی باتوجه به راندمان بالا و سازگاری با محیط زیست و نیز پایین آمدن هزینه سلول سوختی با پیشرفت علم پیش بینی می شود که میزان زیادی از تولید به سمت سلول سوختی متمایل گردد.
توربینهای بادی انرﮊی بادی، انرﮊی است که از هزاران سال پیش مورد استفاده های متعدد داشته است. و از جمله انرﮊیهای متغیر با
زمان و مکان است. چگالی توان تولیدی بر حسب وات بر واحد سطح، یک تابع درجه سوم از سـرعت بـاد اسـت.
در اینصورت یک افزایش کوچک در سرعت باد، افزایش زیادی در توان را در بر خواهد داشت. بادها به دسته های خوب، عالی و شدید تقسیم بندی می شوند که معادل بـا سـرعتهای 13، 16 و 19 مایـل برسـاعت اسـت. توسـط توربینهای بادی ( ایروتوربین ) حرکت رانشی باد به انرﮊی مکانیکی دورانی تبدیل می شود که آن نیز به نوبه خـود توسط یک ﮊنراتور به انرﮊی الکتریکی تبدیل می گردد. ضریب تـوان یـک ایروتـوربینCP شـاخص نـشان دهنـده اصطکاک شفت ایروتوربین می باشد.
یک توربین بادی شامل یک رتور، پره های توربین، ﮊنراتور، وسایل مکانیکی مبدل سرعت و نیرو، شفت و درایـور ﮊنراتور می باشد. توربین های بادی مدرن می توانند به تنهایی یا به صورت مزرعه های بادی و دسته جمعی انرﮊی الکتریکی را تولید نمایند. پره های توربین بادی عموما دو یا سه پره می باشد که هر کدام حدود m 30‐ 10 طـول دارد.

شکل((2‐4 اجزاﺀ توربین بادی
21
انواع مختلفی ایروتوربین در دسترس هستند. آنها می توانند دارای محورهای افقی یا عمودی باشند. تعداد پـره هـا، ثابت یا متحرک بودن آنها و کنترل پره ها بستگی به نوع ایروتـوربین دارد. توربینهـای بـا محـور عمـودی بـا دارای
سیستم خود راه انداز نیستند و نیاز به مکانیسم راه انداز دارند.
توربینهای با محور افقی با دو تا یا بیشتر پره متداولترند. توان الکتریکی خروجی از رابطه زیر بدست می آید:
Pc  η gηm ACp KV 3(2‐1)
که در اینجا ηm و η g به ترتیب بازده های مکانیکی و الکتریکی ﮊنراتـور مـی باشـند. بـه همـین ترتیـب A سـطح جاروب شده، K یک ثابت و V سرعت برخورد باد به توربین می باشد.
اگر سرعت باد تغییر کند، با کنترل گام پره ها، توربین در یک سرعت ثابت عمل می کنـد و یـک ماشـین سـنکرون معمولی برای تولید فرکانس ac ثابت بکار گرفته می شود.
معمولا یک ﮊنراتور القایی با منبع قابل تغییر استفاده می گردد. در این حالت، توربین در یک سرعت نسبتا ثابت کار می کند. انتخاب سرعت متغیر موجب می شود که بازده توربین در رنج وسـیعی از سـرعتهای بـاد بهینـه گـردد در نتیجه خروجی افزایش می یابد. در آینده انتظار می رود که توربینهای پیشرفته در مد سرعت متغیر عمل نموده و از الکترونیک قدرت برای تبدیل خروجی فرکانس متغیر به فرکانس ثابت با اغتـشاشات هـارمونیکی حـداقل در آنهـا استفاده گردد.
اگرچه تبدیل انرﮊی باد به انرﮊی برق اثرات زیست محیطی حداقل دارد ولی ساختارهای بزرگ آنها مقـداری نـویز تولید نموده و از لحاظ زیباسازی هم مشکل ساز خواهد بود. با جایابی سیستمهای باد، تا حد امکان دور از مراکـز مسکونی، این تاثیرات حداقل می گردد. [12]
با توجه به تحقیقات انجام شده توربینهای بادی دارای مزایا و معایبی است که در زیر آورده شده اند.
مزایا:
‐1 انرﮊی تولید شده از توربین بادی می تواند ارزان شود.
‐2 هزینه تولید انرﮊی پائین
‐3 توربین بادی هیچ ماده زاید خروجی نداشته و هیچ سوختی هم نیاز ندارد.
‐4 استفاده بهینه از زمین: زمین مورد استفاده آن می تواند برای کشاورزی یا غذا دادن به حیوانـات مـورد اسـتفاده قرار گیرد.
معایب:
‐1 توان خروجی متغیر در ازای تغییرات سرعت باد
‐2 مکان های مناسب جهت نصب توربین بادی محدود می باشد.
‐3 اثر روحی روانی نیروگاه بادی به دلیل بزرگی آن بر روی مردم مجاور آن
‐4 کشتار پرندگان که از محدوده آن می گذرند
22
‐5 نیروگاه بادی بدلیل تولید انرﮊی پاک و نیز بدلیل پایین آمدن هزینه تمام شده انرﮊی توسط آنها بـه مـرور زمـان درآینده متقاضی بیشتری خواهند داشت.
شبکه های فتوولتاییک پدیده فتوولتائیک: به پدیده ای که در اثر تابش بدون استفاده از مکانیزمهای محرک، الکتریـسیته تولیـد کنـد پدیـده فتوولتائیک می گویند.
شبکه های فتوولتائیک مجموعه ای از سلولهای فتوولتاییک می باشند که انرﮊی خورشید را بطور مستقیم به انـرﮊی الکتریکی تبدیل می نمایند. سلولهای فتوولتائیک می توانند به صورت مربعی یا گرد باشند.
این سلولهای به گونه ای به هم متصل شده اند تا ردیفهای قابل حملی را تشکیل دهند. بـا اتـصال ایـن ردیفهـا بـه صورت سری موازی1 (امروزه این گونه سلولها عموما از ماده سیلیسیوم و سیلیسیوم مورد نیاز از شن و ماسه تهیـه می شود که در مناطق کویری کشور، به فراوانی یافت می گردد) می توان انرﮊی مورد نیاز خود را تامین نمود.
سیستمهای فتوولتائیک را می توان به طور کلی به سه بخش اصلی تقسیم نمود:
‐1 پنلهای خورشیدی: این بخش در واقع مبدل انرﮊی تابـشی خورشـید بـه انـرﮊی الکتریکـی بـدون واسـطه مکانیکی می باشد. جریان و ولتاﮊ خروجی از این پنلها ) DC مستقیم )می باشد.
‐2 تولید توان مطلوب یا بخش کنترل: این بخش در واقـع کلیـه مشخـصات سیـستم را کنتـرل کـرده و تـوان ورودی پنلها را طبق طراحی انجام شده و نیاز مصرف کننده به بار یا باتری تزریق یا کنترل می کند. در این بخش مشخصات و عناصر تشکیل دهنده با توجه به نیازهای بار الکتریکی و مصرف کننـده و نیـز شـرایط آب و هوایی محلی تغییر می کند.
‐3 مصرف کننده یا بار الکتریکی: با توجه به خروجی DC پنلهای فتوولتائیک، مصرف کننده می تواند دو نوع
DC یا AC باشد. همچنین با آرایشهای مختلف پنلهای فتوولتائیک می توان نیاز مصرف کننـدگان مختلـف را با توانهای متفاوت تامین نمود.
مجموعه یک شبکه فتوولتائیک تولید انرﮊی در شکل (2‐5) نشان داده شده است. در شـکل دیـده مـی شـود کـه انرﮊی خورشید از طریق شبکه فتوولتاییک به انرﮊی الکتریکی تبدیل و توسط یک مبدل تـوان بـه بـرق مـورد نیـاز شبکه تبدیل می گردد. با استفاده از یک ﮊنراتور پشتیبان می توان انرﮊی الکتریکی دائمی به شبکه تحویل داد.

شکل((2‐5 نحوه عملکرد سیستمهای فتوولتائیک[20]

1- Panel
23
بکارگیری شبکه های فتوولتائیک مزایا و معایبی دارند که در زیر شرح داده شده اند:
مزایا:
‐1 جهت نقاط دور دست کاربرد فراوانی دارد
‐2 نیاز به تعمیر آنها خیلی کم است
‐3 طبیعت دوست هستند معایب:
‐1 شرایط جوی و جغرافیایی محیط و میزان نور خورشید تاثیر مستقیم بر تولید توان در این وسیله دارند
‐2 این سلولها توان خروجی کمی تولید می نمایند
‐3 هزینه زمین در جاهایی که PV نصب می شود گران است و نسبت زمین مصرفی به توان خروجـی در آن کـم می باشد.
تحقیقات وسیعی در زمینه سلولهای خورشیدی درحال انجام است و با توجه به کاهش روز افزون ذخـایر سـوخت فسیلی و خطرات ناشی از بکارگیری نیروگاههای اتمی و با توجه به طبیعت دوست بودن این وسیله امید است کـه در آینده بعنوان جایگزین مناسب و بی خطر برای سوختهای فسیلی و نیروگاههای اتمی توسـط بـشر بکـار گرفتـه شود. [13]
وسایل ذخیره انرﮊی این وسایل با ذخیره انرﮊی در ساعات خاص و سپس پس دادن انرﮊی در ساعات تعیین شده به عنـوان منبـع تـوان
تولید پراکنده در شبکه توزیع شناخته شده اند. وسایل ذخیره انرﮊی شامل باتری، SEMS، سـوپر خازنهـا، سـدهای ذخیره آب و CAES می باشند. این وسایل معمولا با انواع دیگر تولید پراکنده ترکیب می شوند تا در زمان پیک بار مورد استفاده قرار گیرند.
بکارگیری این وسایل مزایا و معایبی دارد که در زیر شرح داده شده اند.
مزایا:
‐1 اصلاح کیفیت توان و قابلیت اطمینان
‐2 کاهش اندازه تولیدات پراکنده
‐3 صرفه جویی انرﮊی / تقاضا از تقسیم بندی بار
‐4 کاهش دادن احداث تجهیزات جدید در شبکه انتقال و توزیع معایب:
‐1 هزینه بالای سیستم ذخیره در مدت طولانی
‐2 تلفات توان کنار سایت جهت حفظ انرﮊی شارﮊ شده
‐3 نرخ تعمیرات بالا
24
با بکارگیری وسایل ذخیره انرﮊی می توان از اضافه توان شبکه در زمان پیک بار استفاده نمود و شبکه ای با قابلیت مانور بالایی داشت.
نیروگاههای انرﮊی جزر و مد انرﮊی جزر و مد حاصل نیروی گرانش ماه است که ناشی از تغییرات دوره ای انرﮊی پتانسیل آب در نقطه از سطح
زمین است. این تغییرات بوسیله ویژگیهای جغرافیایی مثل شکل و اندازه مصب رودخانه ها زیادتر می شود. نـسبت بین ماکزیمم خیز جزر و مد و مینمم مقدار آن می تواند برابر 3 به 1 باشد. در مصب رودخانه ها، دامنه جزر و مـد می تواند به بزرگی 10 تا 15 متر باشد. توان تولید شده از جزر و مد با ایجاد یک آبگیر و یک سـد در یـک نقطـه مفید در طول مصب تولید می شود. با نصب توربین در نقاط مناسب امکان تولید برق هم در زمـان جـزر و هـم در زمان مد وجود دارد. در شکل دو آبگیره، تولید می تواند در زمانهای مختلف انجـام شـود. بـه ایـن ترتیـب کـه در ساعات پیک عرضه از آبگیره دوم استفاده می گردد. استفاده از انرﮊی حاصل از جزر و مد، نیاز به محل های خاص دارد. بزرگترین این نیروگاهها از نوع یک آبگیره است کـه در انگلـستان و فرانـسه وجـود دارنـد. تـوان نـامی ایـن نیروگاهها 240 مگا وات است که از 24 توربین افقی پره ای استفاده می کنند که توان نامی هر کدام 10 مگا ولـت آمپر است. این نیروگاهها از سال 1966با فناوری خوبی آغاز به کار کرده و بطور متوسط حـدود 500 گیگـا وات ساعت، انرﮊی خالص در هر سال تولید نموده است. [12]
نیروگاههای ترمو الکتریک ترمو الکتریک با استفاده از تاثیرات ترموالکتریکی مواد، انرﮊی حرارتی را مستقیما به انرﮊی برق تبدیل می کننـد کـه
نیمه هادیها بهترین انتخاب برای ترموکوبلها هستند.
در یک ﮊنراتور ترموالکتریکی، ولتاﮊ سیبک تولید شده که تحت اختلاف دما بوجود میآید و یـک جریـان مـستقیم
DC را از طریق مدار باز راهاندازی میکند. [11]
نیروگاههای ترمیونیک تبدیل مستقیم گرما به برق که ادیسون به آن نایل گشت، آزاد شدن الکترونهـا از یـک جـسم داغ اسـت کـه تـابش
ترمیونیک نامیده میشود.گرمای ورودی، انرﮊی کافی به الکترونهایی که در کاتد هستند را میدهـد کـه ایـن باعـث گسیل شدن این الکترونها میگردد. اگر این الکترونها با استفاده از یک جمع کننده (آند) جمع شـوند و یـک مـسیر بسته از طریق یک بار برای کامل کردن مدار برگشتشان به کاتد برقدار گردد، خروجی الکتریکـی بدسـت مـیآیـد.
مبدلهایی که با گازهای قابل یونیزه مثل بخار سدیم در فضای بین دو الکترود پر میشوند. چگالی تـوان بـالاتری را بخاطر بیبار کردن فضای بار موجب میگردند. وقتی این شـاخص کـاهش مـییابـد، کاربردهـای بیـشتری عملـی میگردند. یک نمونه از این تکنولوﮊی 1TFE است که ترکیبی از مبدل و سوخت هستهای بوده و تـوان تولیـدی آن در مقیاس کیلووات تا مگاوات است و برای دورههای زمانی طولانی 7) تا 10 سال) میباشد.

1 - Thermal Fuel Element
25
مبدل دیگر دیگ بخار تولید همزمان برق و گرما، یک دیگ بخار با دمای بالاست که با مبـدلهای ترمیونیـک مجهـز شده است. خروجی الکتریکی آن 50 کیلووات در برابر یک مگاوات خروجی گرمایی است. [17]
نیروگاههای بیوماس بیوماس نوعی ماده آلی است که به وسیله گیاهان اعم از گیاهان خاکی ( که در زمین می رویند ) و گیاهان آبی ( که
در آب می رویند ) و مشتقات آنها تولید می شود. بیوماس شامل گیاهان جنگلی و پسمانده های آنها، گیاهـانی کـه به خاطر محتوای انرﮊی شان در " مزارع انرﮊی " کاشته می شوند، و کود حیوانی نیز مـی شـود. بـر خـلاف زغـال سنگ، نفت و گاز طبیعی که در طی میلیون ها سال بوجود می آیند، بیوماس را می توان منبع انـرﮊی تجدیـد پـذیر تلقی کرد زیرا عمر گیاه تجدید می شود و هر سال به مقدار آن اضافه می شود. بیوماس را می توان شکلی از انرﮊی خورشیدی تصور کرد چون که در واقع این انرﮊی در نتیجه فتوسنتز و رشد گیاهان حاصل می شود.
بیوماس، علاوه بر پسماند های چوبی و تفاله مواد گیاهی که در بالا به آنها اشاره شد، برخی مواد دیگر را نیز شامل می شود. انواع مختلف بیوماس به صورتی هستند که حجم را اشغال می کنند و محتوی مقدار زیادی آب هـستند (
50 تا 90 درصد ). از این رو، انتقال آنها تا مسافتهای دور اقتصادی نیست، بلکه تبدیل آنها به صورت انرﮊی قابـل استفاده باید در نزدیکی محل تولید که محدود به مناطق خاصی است، صورت گیرد. با وجود ایـن، بیومـاس را مـی توان به سوختهای گازی و مایع تبدیل کرد که بدین وسیله چگالی انرﮊی آن افزایش می یابد و انتقال آن بـه منـاطق دور عملی می شود.
تبدیل بیوماس به صورتهای گوناگون انجام می گیرد:
‐1 احتراق مستقیم مانند سوزاندن تفاله و پسماندهای چوبی
‐2 تبدیل گرما شیمیایی
‐3 تبدیل زیست شیمیایی
تبدیل گرما شیمیایی به دو شکل صورت می گیرد:
‐1 تهیه گاز
‐2 تهیه مایع
تهیه گاز با گرمایش بیوماس و با استفاده از اکسیژن محدود عملی می شود که در نتیجه آن گـاز، بـا ارزش گرمـایی پایین تولید می شود، یا اینکه بیوماس با بخار آب و اکسیژن در فشار و دمای بالا به طور شیمیایی ترکیب می شـود که حاصل آن تولید گاز با ارزش گرمایی متوسط است. این گاز را می توان مستقیما به عنوان سوخت مصرف کـرد آن را به متانول ( متیل الکل ( CH 3 OH یا اتانول ( اتیل الکل ( CH 3 CH 2 OH که سوختهای مایع هستند تبـدیل کرد و یا اینکه آن را به صورت گاز، با ارزش گرمایی بالا در آورد. تبدیل زیست شیمیایی به دو صورت انجـام مـی گیرد: تجزیه ناهوازی و تخمیر. تجزیه ناهوازی مستلزم تجزیه میکروبی بیومـاس اسـت. موجـود نـاهوازی موجـود
26
ریزی است که بدون نیاز به هوا یا اکسیژن می تواند زندگی کند. این موجود می تواند اکسیژن مورد نیاز خـود را از تجزیه ماده ای که در آن است به دست آورد. این نوع موجودات در تجزیه پسمانده های حیـوان دخالـت دارنـد و می توان در تجزیه سایر انواع بیوماس نیز از آنها استفاده کرد. این فرایند در دما های پایین تا 65 درجـه سـانتیگراد صورت می گیرد و حداقل به رطوبتی معادل 80 درصد نیاز دارد. در این فرایند گازی، گه عمدتا شامل دی اکـسید کربن و متان است تولید می شود و گاز محتوی حداقل ناخالصی های ممکن مانند سولفید هیدروﮊن است. این گاز را می توان مستقیما سوزانده یا با جدا کردن CO2 و دیگر ناخالصی ها، آن را به گـاز طبیعـی سـنتزی کـه کیفیـت بالاتری دارد تبدیل کرد. پسمانده های این فرایند شامل لجن و ماده مایع زایدی است که اولی دارای مقـدار زیـادی پروتئین است که از آن می توان به عنوان خوراک حیوانی استفاده کرد و دومـی را مـی تـوان بـه کمـک تکنیکهـای استاندارد زیست شناسی به خاک تبدیل کرد.
تخمیر عبارت است از تجزیه مولکولهای پیچیده به مولکولهـای عـالی در اثـر مخمـری ماننـد خمیرمایـه، بـاکتری، آنزیمها و غیره. تخمیر یک تکنولوﮊی کاملا جا افتاده و بطور وسیع پذیرفته شده برای تبدیل شکر و جو بـه اتـانول است. در سال 1979 در حدود شصت میلیون گالن اتانول در ایالات متحده تولید شد و پیشبینی میشود که مقدار آن در سال 1985 با استفاده از غلات اضافی به پانصد میلیون گالن برسد. در نظـر اسـت کـه اتـانول را بـا بنـزین مخلوط کنند و گاز و هول 90) درصد بنزین و 10 درصد اتانول) بدست آورنـد. ایـن طـرح در سـالهای اول دهـه
1980 به دلیل بالا بودن هزینه تولید و نیاز به انرﮊی زیاد در فرآیند تولید بـا موفقیـت بزرگـی روبـرو نـشد. طـرح دیگری که برای کاهش هزینه تولید اتانول به روش تخمیر تحت مطالعه است، پیـدا کـردن غـلاب یـا مـواد قنـدی ارزانتر و استفاده از روشهای تولیدی است که به انرﮊی کمتری نیاز داشته باشند. برای این منظور، گلوکز تولید شده ناشی از هیدرولیز پلیمر کربوهیدرات که بسیار فراوان هم است، و لیگنوسلولوز نامیده میشـود، مـورد توجـه قـرار گرفته است. مطالعات نشان دادهاند که استفاده از انرﮊی بیوماس را میتوان با انجام طرحهای جنگلکاری وسـیع در مناطقی که برای تولید مواد غذایی مساعد نیستند، عملی کرد. بدین وسیله میتوان از هر جریب (حدود 4000 متـر مربع) در هر سال ده تا بیست تن چوب جنگلی بدست آورد. وسعت جنگل ممکن است به 130 کیـومتر مربـع تـا
520 کیلومترمربع برسد. درختان با بکارگیری ادوات خودکار بریده میشوند و آنگـاه پـس از خـرد شـدن و پـودر شدن، آماده احتراق در نیروگاهی که در میانه جنگل قرار میگیرد میشوند. نیروگاههایی که با بیوماس سوختدهـی میشوند در مقیاسهای کم (کمتر از 100 مگاوات) بارهای پایه و بارهای میانی را در ایالات متحده تغذیه میکننـد.
این منابع قابل تجدید بوده و انتشار دی اکسید کربن را کاهش میدهند. خاکستر حاصل از این نیروگاهها هم دوباره بازیافت شده و بعنوان کود شیمیایی مورد استفاده قرار میگیرد.[17]
نیروگاه های مبدل انرﮊی خورشیدی – حرارتی – الکتریکی ویژگی انرﮊی گرمایی مورد نیاز واحدهای تولید پراکنده که از تبدیل نور و گرما به برق استفاده می کنند وابسته بـه ایجاد نور متمرکز شده، می باشد.
27
بشقابهای سهموی شکل و گیرنده های مرکزی برای تولید دما در رنج 400 تا 500، 800 تا 900 و بیشتر از 500
درجه سانتیگراد استفاده می شوند. بزرگترین ظرفیت نصب ( نزدیک 400 مگا وات ) می باشد. نیروگاه خورشیدی
– حرارتی – الکتریکی از جمع کننده های سهموی و از روغن برای انتقال انرﮊی حرارتی به یک مکـان مرکـزی از طریق سیکل بخار رانکین استفاده می کنند و اضافه بر این، دارای یک آتشدان گـاز طبیعـی بـرای عملکـرد ترکیبـی است. این تکنولوﮊی با نام اختصاری SEGS عرضه شده است و بیشتر از 90 درصد انرﮊی بـرق خورشـیدی را در جهان شامل می شود. این تکنولوﮊی از گاز طبیعی برای جبران تغییرات موقتی انرﮊی تابشی خورشید و بهبود تـوان عرضه شده سیستم، استفاده می کند. این جبران در سـاعات 7 تـا 11 شـب در تابـستان و 8 شـب تـا 5 صـبح در زمستان صورت می گیرد. [14],[4]
مزایای نیروگاههای خورشیدی
‐1 تولید برق بدون مصرف سوخت
‐2 عدم احتیاج به آب زیاد
‐3 عدم آلودگی محیط زیست

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

‐4 امکان تامین شبکه های کوچک و ناحیه ای
‐5 استهلاک کم و عمر زیاد
‐6 عدم احتیاج به متخصص
نیروگاه تولید همزمان برق، گرما و سرما :1(CHCP)
با استفاده از یک سوخت یا ترکیبی ازسوختهای متفاوت میتوان توسط مجموعه موتور‐ مولـد (یـا مجموعـههـای مبتنی بر توربین) برق تولید کرد. بخش بزرگی از کل گرمای اتلافی حاصل از فرآیند تولید برق را میتـوان توسـط مبدلهای گرمایی بازیافت کرد تا برای مصارف تامین گرمایش فضا، آبگـرم مـصرفی، بخـار مـورد نیـاز فرآینـدهای کارخانهها و... بکار برد. با استفاده از یک چیلر جذبی میتوان از بخشی از گرمای بازیافت شده بـرای تولیـد سـرما بهره گرفت. در نتیجه بطور همزمان میتوان هر سه نوع انرﮊی الکتریکی، گرمایی و سرمایی را تولید کـرد کـه ایـن پدیده بنام تولید همزمان برق، گرما و سرما شناخته میشود. از یک بویلر کمکی نیز مـیتـوان بـرای جبـران کمبـود گرمای مورد نیاز بارهای گرمایی و از یک منبع ذخیره گرما برای ذخیره گرما در مواقعی کـه بـار گرمـایی از میـزان خروجی گرما کمتر است استفاده کرد.
تولید متداول قدرت به طور میانگین تنها %35 بازده دارد، تا حدود %65 ظرفیت انرﮊی بصورت گرمای اتلافی آزاد میشود. جدیدترین تولید سیکل ترکیبی میتواند این بازده را صرفنظر از اتلاف انتقال و توزیع برق، تا %55 بهبـود بخشد. تولید همزمان، این اتلاف را با استفاده گرما در بخـشهای صـنعت، تجـارت و گرمـایش و سـرمایش منـزل کاهش میدهد. تولید همزمان عبارتست از تولید گرما و برق که هردوی آنها مورد استفاده قرار میگیرند. این تولیـد

1- Combined heat and cold and power
28
شامل گسترهای از فناوریها است، ولی معمولا شامل یک مولد برق و یـک سیـستم بازیافـت گرمـایی اسـت. تولیـد همزمان، نیز بعنوان »ترکیب برق و گرما «(CHP) و »انرﮊی کل« شناخته میشود.
در تولید متداول برق، تلفات بیشتر در حدود 5 تا %10 ناشی از انتقال و توزیع برق از نیروگاههای نسبتا دور افتاده تا شبکه برق است. هنگامیکه برق به کوچکترین مشتریان تحویل داده میشود، این تلفات بیشترین مقدار اسـت. بـا بهرهبرداری از گرما، بازده دستگاه تولید همزمان میتواند به %90 یا بیشتر برسد. بعـلاوه، بـرق تولیـد شـده توسـط دستگاه تولید همزمان معمولا بطور محلی استفاده میشود و تلفـات انتقـال و توزیـع قابـل صـرفنظر خواهـد بـود.
بنابراین صرفهجویی پیشنهادی توسط تولید همزمان در مقایسه با تامین برق و گرما توسـط نیروگاههـا و بویلرهـای متداول، در حدود 15 تا %40 خواهد بود.
ازآنجاییکه انتقال برق در مسیرهای طولانی آسانتر و ارزانتر از انتقال گرماست، دستگاه تولید همزمان معمولا هرچـه نزدیکتر به محل مصرف گرما نصب میشود و درحالت ایدهآل ظرفیت آنها را بگونهای درنظر میگیرنـد کـه تـامین کننده نیازهای گرمایی محل باشد. در غیر اینصورت یک بویلر اضافی مورد نیاز است و درنتیجه بخـشی از مزایـای زیست محیطی برآورده نخواهد شد. این بنیادی ترین اصل تولید همزمان میباشد.
هنگامیکه برق کمتر از حد نیاز تولید شود، لازم است تا باقیمانده آنرا خریداری کرد. با این وجود هنگامیکه ظرفیت دستگاه برمبنای نیاز گرمایی است، معمولا برق بیشتری نسبت به نیاز تولید میشود. برق اضافی را میتوان به شـبکه برق فروخت یا از راه شبکه توزیع، به مشتری دیگری تحویل داد. [17]
نیروگاههای آبی کوچک به طور کلی واحدهای آبی کوچک به دو دسته میکرو هیدرو و مینی هیدرو تقسیم می شوند.
در عمل تولید توان الکتریکی برای واحدهای میکروهیدرو در محدوده 5 تا 100 کیلو وات و برای مینی هیدرو در محدوده 500 کیلو وات تا 10 مگا وات می باشد. ارتفاع آب برای چنین واحدهایی می تواند در گستره ای از 1.5
تا 400 متر با محدوده دبی صدها لیتر تا دهها متر مکعب بر ثانیه باشد. [16]
دیزل ﮊنراتور این منابع سالهاست که در تولید برق ضروری مورد استفاده قرار می گیرند. سوخت اصلی آنها مازوت یـا گازوئیـل
است. در نوع جدید از گاز طبیعی به عنوان سوخت استفاده می شود. [16]
چرخ لنگر چرخ لنگر سیستم ذخیره انرﮊی الکترومکانیکی است که انرﮊی را به صورت انرﮊی جنبشی در یـک جـسم گـردان
ذخیره می کند. این سیستمها معمولا به دو صورت روتورهای فولادی و روتورهـایی از جـنس رزیـن سـاخته مـی شوند. در هر دو نوع سیستم، روتور در خلاﺀ می چرخد. در سیستمهای با روتور فولادی، بیشتر بـر ممـان اینرسـی روتور برای ذخیره انرﮊی تاکید دارند و در سیستمهایی با روتور مرکب بیشتر بر سرعت روتور برای ذخیـره انـرﮊی تاکید می کنند. [16]
29
موتورهای رفت و برگشتی موتورهای رفت وبرگشتی، بیشتر از 100 سال سابقه دارند و در واقع اولین مدل از تکنولوﮊی بـا سـوخت فـسیلی
هستند. و در تمامی بخشهای اقتصادی نتایج قابل قبولی داشته اند و انواع مختلف این موتورها از واحـدهای بـسیار کوچک با توان درحد کسری از اسب بخار تا واحدهای بزرگ 60 مگاواتی نیروگاهی ساخته شده اند. تقریبا تمامی موتورهایی که برای تولید انرﮊی بکار گرفته می شوند چهار زمانه هستند و در چهار سیکل عمل می کنند:
ورود ( مکش )
فشرده سازی
احتراق
تخلیه
در شکل زیر مراحل عملکردی موتورهای رفت و برگشتی نشان داده شده است.

شکل (2‐6) مراحل عملکردی موتورهای رفت و برگشتی
تعاریف مربوط به تولید پراکنده
با توجه به وسعت بهره برداری از تولید پراکنده توسط کشورهای مختلف مقررات متفاوتی در هر کـشور بـر تولیـد پراکنده اعمال می شود. بنابراین باید مقررات حاکم بر عملکرد مربوط به تولید پراکنده که در ایـن پـروﮊه در شـبیه سازیها بر تولید پراکنده اعمال شده است بیان شود. این تعاریف و مقررات در زیر شرح داده شده اند.
مکان تولید پراکنده: تولید پراکنده به شبکه توزیع و یا به سایت مصرف کننده متصل است.
هدف تولید پراکنده: تولید پراکنده جهت تولید قسمتی از توان مصرف کننده به صورت آمـاده بـه کـار مـورد بهـره برداری قرار می گیرد.
میزان تولید در تولید پراکنده: هر واحد تولید پراکنده باید حداکثر MW 1/5 تولید نمایـد، در مـورد مزرعـه هـای بادی تولید هر کدام از نیروگاههای بادی نیز از این قاعده پیروی میکنند.
محدودیتهای عملکردی تولید پراکنده دراین تحقیق ما تولید پراکنده را در حالت ماندگار و شبکه توزیع را بدون هیچ خطایی فرض کرده ایم.
30
تولید پراکنده را می توان بر اساس محدودیتهای تولید توان، نوع توان تولیـدی وعوامـل مـوثر در تولیـد تـوان بـه قسمتهای مختلفی تقسیم کرد که در زیر به تفضیل شرح داده شده است.
توربینهای گازی احتراقی، توربینهای کوچک این نوع تولید کننده ها را در صورتی که قابلیت اعمال پخش توان را داشته باشـند، مـی تـوان ماننـد نیروگاههـای
تولید متمرکز که دارای قابلیت پخش توان هـستند مـدل کـرد، ولـی در عـوض دارای محـدودیتهای متفـاوت زیـر میباشند.
الف) تولید توان خروجی: تولید توان خروجی این نوع تولید پراکنده دارای محدودیتهای تـوان مـاکزیمم و مینـیمم می باشد.
pg min ≤ pg ≤ pg max(2-2)
ب) تاخیر تولید: تاخیر تولید، تاخیری طبیعی می باشد و زمانی رخ می دهد که بخواهیم درمدت زمان خاصی تولید توان را افزایش دهیم. تغییرتوان در مدت زمان خاصی دارای محدودیتی است که عبارتنداز:
(2‐3) ∆pgt ≤ ∆pglim it
که در آن ∆Pgt میزان افزایش توان تولیدی خروجی از زمـان t‐1 و t مـی باشـد و ∆pglim it محـدودیت افـزایش
تولید توان می باشد. تولید کننده های انرﮊی نو این نوع تولید کننده ها شامل توربینهای بادی و شبکه های فتوولتاییک می باشند مشخـصه اصـلی ایـن نـوع تولیـد کننده ها این است که در موقعیت های اضطراری قابل پخش توان نیستند و توان خروجی آنها به شدت تحت تـاثیر اثرات محیط می باشد. در بسیاری از انواع این تولید پراکنده توان خروجـی تولیـد پراکنـده، تـابعی از ولتـاﮊ( ( v و
فرکانس ( ( f سیستم، در باسی که تولید پراکنده به آن وصل شده است می باشند. (2‐4)
pg ε( f ,v)
وسایل ذخیره انرﮊی وسایل ذخیره انرﮊی مانند باطری، قابلیت ذخیره وپس دهی انرﮊی را به شبکه در مدت زمان محدود و مـشخص را
دارند. این نوع از تولید پراکنده قابلیت پخش توان و کنترل میزان و مدت تولید توان خروجـی را دارنـد. مـی تـوان مشخصه ریاضی آنها را به طور کلی به صورت زیر تعریف کرد:
2 5 ) ∑pgt .T ≤ E ‐ ) t1: j که در آن؛ pgt ، مقدار توان آزاد شده در مدت زمان T می باشد ؛ E، انرﮊی قابل ذخیره می باشـد؛ و T زمـان آزاد سازی انرﮊی می باشد.
سلولهای سوختی
31
این نوع از تولید پراکنده فقط تولید توان حقیقی می نمایند. بنابراین توان راکتیو مورد نیاز را به طرفی بـا اسـتفاده از وسایل جانبی به کار رفته درشبکه مانند خازنهـای ثابـت، خازنهـای قابـل کنتـرل بـا ضـریب تـوان ثابـت و ادوات الکترونیک قدرت تامین نمود.
کاربردهای تولید پراکنده
تکنولوﮊیهای مختلف کاربردهای مختلفی در شبکه های توزیع دارند. این کاربردها بر اساس نیازمندیهای بار متغیـر است. این کاربردها در انتخاب تولید پراکنده مورد استفاده موثر است. درادامه تعدادی از ایـن کاربردهـا شـرح داده شده اند.
تولید پراکنده آماده به کار تولید پراکنده را می توان به صورت آماده به کار جهت تغذیه توان مورد نیاز بارهـای حـساس بـه کـار بـرد. ماننـد
بیمارستانها و کارخانه ها زمانی که شبکه خارج از سرویس است.
تقسیم پیک بار هزینه توان الکتریکی بر اساس منحنی تقاضای بار و تولید انتظاری موجود در یک زمان، تغییر می نماید. در نتیجـه،
تولیدات پراکنده می توانند جهت تغذیه بارها در زمانهای پیک بار مورد استفاده قرار گیرنـد. بدینوسـیله مـی تـوان هزینه الکتریسیته را برای مصرف کننده های صنعتی که باید هزینه زمان مصرف برق را پرداخت کنند، کاهش داد.
کاربردهای محلی و مناطق دوردست تولید پراکنده می تواند به طور مستقل برای تامین توان مناطق دوردست که دسترسی به شـبکه بـرق ندارنـد مـورد
استفاده قرار گیرد. کاربردهای آن عبارتند از روشنائی، گرمایش، سرمایش، مخابرات و کارگاههای تولیدی کوچـک.
ضمنا تولیدات پراکنده قابلیت پشتیبانی و تنظیم ولتاﮊ در کاربردهای محلی (بارهای حـساس) را هنگـام اتـصال بـه شبکه دارند.
تهیه گرما و الکتریسیته ترکیبی (CHP)
تولیدات پراکنده ای که قابلیت تهیه گرما و الکتریسیته ترکیبی را دارنـد، در مجمـوع دارای رانـدمان انـرﮊی بـالایی هستند. گرمای تولید شده از پروسه تبدیل سوخت به انرﮊی الکتریکی، در خود سایت رنج وسـیعی از کاربردهـا را دارا می باشد، مثل گرم کردن بیمارستانها و مراکز تجاری بزرگ و پروسه های صنعتی.
بار پایه شرکت دارنده تولید پراکنده، معمولا تولید پراکنده را برای تغذیه بار پایه جهت تهیه قسمتی از توان مورد نیاز شبکه مورد استفاده قرار می دهد با این عمل باعث بهبود پروفیل ولتـاﮊ شـبکه، کـاهش تلفـات تـوان و بهبـود کیفیت توان می شود.
نحوه اتصال منابع تولید پراکنده به شبکه
‐1 مستقل از شبکه سراسری برق:
32
برای تامین انرﮊی الکتریکی مورد نیاز مناطق دور از شبکه سراسری برق از این نوع نیروگاهها استفاده می شـود کـه بازده توانی این سیستمها از چند صدوات تا چندین مگاوات متغیر، قابل نصب و راه اندازی می باشـد. کـه ممکـن است یک منبع تولید پراکنده بصورت تنهایی استفاده شود و یا اینکه برای افزایش قابلیت اطمینان از دو یا چند منبع بصورت موازی با هم استفاده گردد.
‐2متصل به شبکه سراسری برق
تقسیم بندی های مختلف تولید پراکنده
تولید پراکنده را می توان از دیدگاههای متفاوتی بررسی کرد. این تقسیم بندی ها بر اساس کاربرد هـای مختلـف و محدودیت های تولید پراکنده و نیز روش استفاده از آنها مطرح می شود. در ذیل این روشها به تفـصیل شـرح داده شده است.
دوره تغذیه و انواع توان تولیدی دوره تولید توان خروجی در تولید پراکنده به طور عمده مطابق اندازه تولید پراکنده نوع و کاربرد آن تغییر مـی کنـد
دوره تغذیه تولید پراکنده می تواند دروه دراز مدت تغذیه انرﮊی الکتریکی در بار پایه باشد، حالـت گـذاری تغذیـه انرﮊی الکتریکی که شامل تولید کننده های انرﮊی نو می باشد و دوره کوتاه مدت تغذیه انرﮊی الکتریکی که جهـت پشتیبانی از تغذیه شبکه مورد استفاده قرار می گیرد. با یک ساده سازی مطابق میزان تولیـد تـوان الکتریکـی دوره و نوع آن می توان مطابق جدول((2‐1 تقسیم بندی از تولید پراکنده بوجود آورد.
جدول((2‐1 تقسیم بندی تولید پراکنده دوره تغذیه توان نوع تولید پراکنده نکات توربین های گازی وسلولهای سوختی ‐ تولیــد تــوان حقیقــی و موهــومی بــه غیــر از بلند مدت سلولهای سوختی که تولید توان حقیقی تنهـا مـی نمایند. ‐ بعنوان بار پایه مورد استفاده قرار می گیرند. تغذیه غیر دائم سیــستم هــای انــرﮊی نو،نیروگاههــای ‐ وابسته به شرایط محیطی ‐ فقط توان حقیقی تولید میکنند. PVوWT ‐ در جاهای دور دست استفاده می شوند. کوتاه مدت باطریها، سلولهایPV، واحدهای ذخیره ‐ برای تضمین تداوم تغذیه به کار می روند. انرﮊی ‐ ذخیره انرﮊی برای استفاده کوتاه مدت 33
ظرفیت های تولید پراکنده
تولیدات پراکنده را مطابق جدول (2‐2) به چهار دسته از نظر ظرفیت تولید تقسیم نموده ایم. این ظرفیت ها دارای رنج تغییرات وسیعی از یک واحد کوچک تا تعداد زیادی واحدهای بهم پیوسته در حالت ماﮊولار می باشند.
جدول((2‐2 تقسیم بندی تولید پراکنده

مقدار ظرفیت تولید پراکنده

5KW-1W Micro
5MW-5KW Small
5MW-50MW Medium
50MW-300MW Large

نوع توان تولید شده جریان الکتریسیته خروجی می تواند هم مستقیم و هم متناوب باشـد. سـلولهای سـوختی، سـلولهای فتوولتائیـک و
باطریها جریان مستقیم تولید می نمایند، که برای بارهای DC مناسب است. همچنین می تـوانیم بوسـیله مبـدلهایی الکترونیک قدرت این جریان مستقیم را به جریان متناوب و قابل تزریق به شبکه تبـدیل نمـود. انـواع دیگـر تولیـد پراکنده، همچون توربینهای کوچک و توربینهای بادی تولید جریان متناوب می نمایند که در بسیاری از مـوارد بایـد توسط کنترل کننده های مدرن الکترونیک قدرت به گونه ای کنترل شوند که ولتاﮊ خروجی تنظـیم شـده ای داشـته باشند.
تکنولوﮊی روش دیگر دسته بندی تولیدات پراکنده می تواند مطابق نوع سوخت مصرفی آنها باشد. ایـن سـوختها مـی تواننـد
فسیلی یا غیر فسیلی باشند. دسته بندی ذکر شده مطابق جدول((2‐3 بر تولیدات پراکنده اعمال شده است.
جدول((2‐3 دسته بندی تولید پراکنده بر اساس مصرف سوخت
تولید پراکنده تکنولوﮊی توربین های کوچک و سلول های سوختی تکنولوﮊی سوختهای فسیلی وسایل ذخیره انرﮊی و تولید کننده های انرﮊی نو تکنولوﮊی مبتنی بر منابع غیر فسیلی 34
تلفات توان در شبکه های توزیع شعاعی[17]
در شکل (2‐7) یک شبکه شعاعی نشان داده شده است که در طرف بار آن یک تولید پراکنده وصـل شـده اسـت.
تلفات توان را بدون تولید پراکنده در این شبکه ها به سادگی می توان با جمع کردن توان تلف شده در هر خط بـه دست آورد. توان تلف شده در هر خط به صورت زیر محاسبه می شود:

–77

4-1-9- ترس، هراس و دلهره 95
4-1-10-تنهایی 100
4-2- حس آمیزی107
4-3- عناصر موهوم 107
4-4- باورهای عامیانه ..109
فصل پنجم : کارکرد نحوی
5-1-درآمدی بر کارکرد نحوی ..112
5-2- نوآوری های زبانی ..112
5-3- نقش های پر کاربرد دستوری 125
5-3-1-صفت 125
5-3-2 قید 134
5-3-3- کاربرد ضمایر 140
5-3-4- کاربرد حرف اضافه 147
5-3-5- نام آوا149
5-3-6- اسم صوت 153
5-4- افعال منفی 156
5-5- کاربرد فراوان فعل امر و نهی 158
5-6- کاربرد واژه ی توی 160
5-7- کاربرد واژه ی هی 162
5-8- ناتمام ماندن جملات 164
فصل ششم : کارکردهای دیگر زبان در واژگان پرکاربرد
6-1- زن و نمادهای زنانه 169
6-2-مرد179
6-3- کودکی و بچه در شعر پست مدرن 184
6-4- پست مدرن و تردید 185
6-5- جایگاه زبان محاوره در آثار پست مدرن 187
6-6- پست مدرن و جبرگرایی 189
6-7- خدا در شعر پست مدرن 190
6-8-مرگ ومرگ اندیشی درتفکرپست مدرن...........................................................................196
6-9-خودکشی.......................................................................................................................201
6-10- تصویرهای شعری پست مدرن 205 6-11 - بی موضوعی شعرپست مدرن 206
6-12- نامفهوم بودن شعرپست مدرن207
6-13- بی معنایی شعرپست مدرن209
6-14-هیچ و پوچ اندیشی .....................................................................................................210
6 -15-اصطلاحات شغلی.......................................................................................................213
6-16- کاربرد نام حیوانات 216
6-17- کاربرد نام فصل ها 222
6-18- کاربرد روز و شب 225
6-19- کاربرد رنگها ......227
6-20- کاربرد اعضای بدن 232
6- 21-حواس پنجگانه 234
6-22- طنز و شعر پست مدرن 250
6-23- خواب و ملزومات آن 254
6-24- قصه و داستان 257
6-25- کاربرد اعداد 262
6-26- اسم های خاص 266
6-27- مورد خطاب قرار دادن 289
6-28- فتوشعر 291
6-29- شعر دیداری 292
فصل نهم: نتیجه گیری296
منابع و مآخذ 301
فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول شماره 1 : بسامد واژه عشق56
جدول شماره 2: بسامد واژه گریه 63
جدول شماره 3: بسامد واژه غم و غصه 69
جدول شماره 4: بسامد واژه خسته 73
جدول شماره 5 : بسامد واژه درد 77
جدول شماره 6 : بسامد ناامیدی و بدبینی 82
جدول شماره 7 : بسامد واژه انتظار 87
جدول شماره 8 : بسامد واژه بی تفاوتی 92
جدول شماره 9 : بسامد واژه ترس، هراس و دلهره 95
جدول شماره 10 : بسامد واژه تنهایی 100
جدول شماره 11 : کاربرد صفت منفی 125
جدول شماره 12 : کاربرد غیر تنوین دار 134
جدول شماره 13 : کاربرد قیدهای بی نشانه 136
جدول شماره 14 : کاربرد بسامد ضمایر 140
جدول شماره 15 : بسامد فعل امر و نهی 158
جدول شماره 16 : کاربرد واژه ی تویِ 160
جدول شماره 17: بسامد واژه ی هی 162
جدول شماره 18 : بسامد هیچ و پوچ اندیشی 210
جدول شماره 19 : بسامد حیوانات 216
جدول شماره 20: بسامد فصل ها222
جدول شماره 20 : بسامد شب و روز 225
جدول شماره 21 : بسامد رنگ ها 227
جدول شماره 22 : بسامد اعضای بدن 232
جدول شماره 23: بسامد اعداد 262
فهرست تصاویر
عنوان صفحه
تصویر شماره 1 : فتوشعر 291
تصویر شماره 2 : شعر دیداری 292
تصویر شماره 3 : شعر دیداری 293
باسمه تعالی
اینجانب اعظم جوادی به شماره دانشجویی90210602 دانشجوی رشته زبان و ادبیات فارسی مقطع تحصیلی کارشناسی ارشد تأیید می نمایم که کلیه نتایج این پایان نامه، حاصل کار اینجانب و بدون هرگونه دخل و تصرف است و موارد نسخه برداری شده از آثار دیگران را با مشخصات کامل منبع ذکر کرده ام. در صورت اثبات خلاف مندرجات فوق، به تشخیص دانشگاه مطابق با ضوابط و مقررات حاکم ( قانون حمایت از حقوق مؤلفان و مصنفان و قانون ترجمه و تکثیر کتب و نشریات و آثار صوتی، ضوابط و مقررات آموزشی، پژوهشی و انضباطی...) با این جانب رفتار خواهد شد و حق هرگونه اعتراض در خصوص احقاق حقوق مکتسب و تشخیص و تعیین تخلف و مجازات را از خویش سلب می نمایم. در ضمن، مسؤولیت هرگونه پاسخگویی به اشخاص، اعم از حقیقی و حقوقی و مراجع ذی صلاح ( اعم از اداری و قضایی)، به عهده این جانب خواهد بود و استادان راهنما و مشاور دانشگاه هیچ گونه مسإولیتی در این خصوص نخواهند داشت. همچنین با آگاهی به اینکه کلیه حقوق مادی و معنوی، ابتکارات و نوآوری های ناشی از تحقیق موضوع این پایان نامه به هر شکل( به جز مقالاتی که همراه با نام استاد راهنما چاپ می شود) از معاونت آموزشی دانشگاه کسب اجازه نمایم.
نام و نام خانوادگی:
امضا و تاریخ:

دانشگاه سلمان فارسی کازرون
دانشکده ادبیات و علوم انسانی
گروه زبان و ادبیات فارسی
پایان نامه کارشناسی ارشد رشته زبان و ادبیات فارسی
اعظم جوادی
تحلیل کارکرد واژگان در غزل پست مدرن دهه هشتاد
در تاریخ 06/07/1393 توسط هیئت داوران زیر بررسی شد و با درجه عالی به تصویب رسید.
استاد راهنمای پایان نامه: دکتر زیبا قلاوندی با مرتبه علمی استادیارامضاء
استاد مشاور پایان نامه: دکتر مهدی رضایی با مرتبه علمی استادیارامضاء
استاد مشاور پایان نامه: دکتر سید محمد دشتی با مرتبه علمی استادیارامضاء
استاد داور داخل گروه: دکتر میثم حاجی پور با مرتبه علمی استادیارامضاء
سپاس
از همهی آنان که به من آموختند
تقدیم به
عناصر اربعهی زندگی ام
پدرم
مادرم
دخترم
همسرم

چکیده
عنوان: تحلیل کارکرد واژگان در غزل پست مدرن دههی هشتاد
اعظم جوادی
غزل پست مدرن نامی جدید است که در دههی هشتاد با تلاشهای همه جانبهی مهدی موسوی به ادبیات فارسی معرفی گردید. بارزترین ویژگی این غزل که ظاهر ، محتوای اینگونه ادبی را خاص میسازد؛ زبان این شعر است. غزل پست مدرن به لحاظ هنجار گریزی و قاعده افزایی دچار نوعی زیاده روی شده است.
تنوع واژگان غیر شعری در آن چشمگیر است .درهای غزل پست مدرن بر روی واژه های غیر فارسی و کلمات منسوخ و کهن گشوده است. برخی از اشعاری که به عنوان غزل آورده شده اند از نظر اهل فن غزل نیستنداما به تعبیر موسوی قالب غزل مجاز از همه ی قالبهای سنتی است. تردید و غم و بی تفاوتی از حالات عاطفی غالب براین اشعار است.نگاه پست مدرن ها به مفاهیم مختلف با آنچه در شعر و ادبیات قبل از آن بیان شده است هیچ شباهتی ندارد.
در این پژوهش پس از یافتن واژگان پر کاربرد، ویژگی های آنان از نظر آوایی ،نحوی ، عاطفی و گاه حتی کارکرد کاربردی و معنایی تحلیل می گردد. ضمایر من و تو در این ابیات بیش تر از دیگر موارد کاربرد دارد. تنوع استفاده از رنگ ها ،نام های خاص، نماد های زنانه ،حواس پنجگانه،نام حیوانات ،اعداد وباورهای عامیانه سبب گسترده شدن گنجینه ی و تنوع واژگان این شعر گردیده است. .
کلید واژهها: پست مدرن، غزل، زبان، واژگان پر بسامد، کارکرد واژگان.

پیشگفتار
این پایان نامه با موضوع « تحلیل کارکرد واژگان در غزل پست مدرن دههی هشتاد » با توجه به عنوان گستردهی آن نیازمند مطالعات خاص و چند جانبه در حیطههای زبان شناسی و پست مدرن از یک سو و شناخت کافی از ادبیات معاصر و دههی هشتاد بود.
دشواریهای کار از آن جا نشأت میگرفت که بسیاری از مباحث زبان شناسی و پست مدرن به دلیل ترجمه بودن، وعدم مطابقت برخی از موضوعات آن با ادبیات فارسی بسیاری از مطالعات و یادداشت ها که در آغاز کار صورت گرفت به طور کامل کنار گذاشته شد و باعث اتلاف وقت بسیار شد. وقتی مطالعهی دقیق غزلهای پست مدرن موسوی و اختصاری آغاز شد؛ تفاوت فاحش شعر این شاعران را با فاضل نظری، مهدی فرجی و سید احمد حسینی مشخص شد. میشد فهمید که شعر این دو گروه کاملاً مجزا هستند و گاه بی ارتباط و شاید در مواردی در مقابل هم قرار میگیرند. اما از زمان تصویب موضوع گذشته بود و کار باید ادامه پیدا میکرد.
شخصیت خاص و فعالیتهای ادبی، سیاسی و اجتماعی موسوی و اختصاری -که مورد تأیید یا رد این جانب قرار نمیگیرد و بنده خود را در جایگاه قضاوت نمیدانم- سبب شده بود که آثار این دو شاعر و شاگردان مکتبشان در هیچ کتاب فروشی دیده نشود. بسیاری از سایتهای مرتبط با آنان فیلتر، محافل ادبی و نشریه تخصصی شان تعطیل شده بود. با آن که درهای بسیاری با جان و دل زده شد اما پشت بسیاری از درها فقط دیواری بلند و بن بست بود. با رنج فراوان مصالح اولیه- مجموعه شعرهای موسوی و اختصاری به صورت نسخه pdf از سایت های اینترنتی به دست آمد.
بررسی کارکرد واژگان نیاز داشت واژه به واژه این اشعارده ها بار خوانده و بارها فیش برداری شود. اما متأسفانه به دلیل پیچیدگی و آشناییزداییهای بیش از حد این اشعار،رابطه برقرار کردن با این ابیات کارآسانی نبود. اگرچه این حالت درباره شعر فرجی، نظری و حسینی صدق نمیکرد. در اثر خواندن و نوشتن مکرر آشنایی نسبی با پیچ و خم این اشعار میسر گردید. نو بودن موضوع نبودن پژوهشهای موفق و مدون که به عنوان منبع پژوهش به کار روند نیز دغدغهای دیگر بود.
هیچ تلاشی در مسیر یادگیری خالی از فایده نیست و در حقیقت هیچ کتابی نیست که ارزش یک بار خواندن را نداشته باشد. آن چه پیش روی شما مخاطب فرهیخته قرار گرفته است بی شک خالی از نقص نیست. اما به عنوان اولین تجربهی پژوهشی نگارنده در بردارندهی نکاتی تازه است. و مانند کلاس درسی است که مکمل ساعتهای شاگردی در محضر اساتید ارزشمندم در دانشکدهی زبان و ادبیات فارسی در دانشگاه سلمان فارسی کازرون است. قدردان زحمات بی دریغ این عزیزان خواهم بود امیدوارم کاستیهای کار را به بزرگواری خویش بر من ببخشایند.
فصل اول
مقدمه و پیشینهی تحقیق

1-1- طرح مسأله
قالب غزل یکی از محبوبترین قالبهای شعر فارسی است. پس از ظهور نیما و رواج شعر نیمایی و ارائهی آثار موفق در این عرصه اهل شعر و ادب شاهدند که غزل معاصر با تنوع موضوع، شکل ظاهری، قافیههایی متفاوت، ردیف های طولانی و نوآوریهای فراوانی از سوی شاعران دههی شصت، هفتاد و هشتاد به شکلی فعال خودنمایی میکرد.
دههی هشتاد، مهدی موسوی با معرفی « غزل پست مدرن، برگزاری کلاسهای آموزشی، تربیت شاگرد انتشار نشریهی تخصصی پست مدرن دری دیگر به روی غزل معاصر ما گشود و شاگردانش او را به عنوان پدر غزل پست مدرن مورد خطاب قرار دادند.بارزترین ویژگی که این نوع غزل را از همهی غزلهای ادبیات فارسی متمایز می سازد، زبان این نوع غزل است، در این تحقیق نقشهای آوایی، عاطفی، نحوی این غزلها مورد بررسی قرار گرفته و نوآوری های زبانی و واژگان پرکاربردو دیگر کارکردهای زبان تحلیل می گردد.
1-2- اهمیت و ضرورت تحقیق
نبودن پژوهش مدوّن پیرامون این موضوع و نقش اساسی و متفاوت کارکرد واژگان در شکلگیری غزل پست مدرن، نقش یک پژوهش در شناخت این شیوه ی نو آورانه ،علاقه ی نگارنده نسبت به قالب غزل و ادبیات معاصرو روشن کردن ابعاد شعر پست مدرنرا میتوان اهمیت و ضرورت انجام این تحقیق به شمار آورد.
1-3- هدف تحقیق
جایگاه زبان و واژگان در دادن شکلی دیگرگونه به غزل پست مدرن و کارکرد های زبانی بررسی می گردد تا در شناخت بهتر این نوع شعری به مخاطب یاری رساند.و انگیزه ای برای پژوهش های بعدی درباره ی این تجربه ی جدید شعری باشد.
1-4- پیشینهی تحقیق: ( مروری بر تحقیقات داخلی و خارجی )
کتابهای فراوان و مقالات بسیاری با موضوع پست مدرن به چاپ رسیده است که ارتباط آنها با موضوع این پژوهش در حد آشنایی با نگرش پست مدرن و ادبیات پست مدرن در دیگر کشورهاست. اما اثری که به طور مستقل شعر پست مدرن را در ادبیات فارسی بررسی کند به چاپ نرسیده است. فقط پایان نامهی « رویکردی به مدرنیسم در غزل معاصر » که در دانشگاه سیستان و بلوچستان به قلم آقای محمود طیب و استاد راهنمای ایشان دکتر محمد علی زهرا زاده میتواند در شکلگیری این ذهنیت که ادبیات کلاسیک فارسی چگونه به مرحله مدرن رسید به ما کمک کند تا ما در این پژوهش رسیدن به پست مدرن را بررسی نماییم. و موضوع کار ایشان و این پژوهش تفاوت فراوانی دارند. پایان نامه ی اخیر با این کار پژوهشی تفاوت فراوانی دارد. چون مدرن و پست مدرن درلفظ و معنا و شعر دو طیف جداگانه اند. نزدیک بودن زمان سروده شدن غزل ها با زمان این پژوهش و برخورد دولت با فعالیت موسوی و اختصاری و درک نشدن این شعر از سوی بسیاری از مخاطبان حتی مخاطب خاص ادبیات باعث شده که موضوع تحقیق برای اهل شعر و ادب تا این زمان ناشناس باقی بماند.
1-5- روش تحقیق
روش تحقیق این پژوهش به صورت کتابخانهای و اسنادی است. در ابتدا کتاب ها و مقالات مرتبط با غزل پست مدرن و پست مدرن و مجموعه شعرهای در دسترس شاعران شاخص که در دههی هشتاد منتشر شده را یافته و با مطالعه دقیق و فیش برداری کارکردهای مختلف زبان را در این اشعار بررسی شده است. مطالب لازم استخراج و پس از اتمام فیش برداری مطالب جمعآوری شده در پاسخگویی به پرسشهای مطرح شده طبقه بندی و تدوین گردید.
1-6- سؤالات تحقیق
1. دایره ی واژگان به کار رفته در غزل پست مدرن تا کجا گسترده است؟
2. نو آوری های زبانی غزل پست مدرن چگونه است؟
3. واژگان در کارکرد عاطفی، آوایی و نحوی غزل پست مدرن چه نقشی دارند؟
4. واژگان پرکاربرد غزل پست مدرن چه ارتباطی با نگرش پست مدرن دارند؟
فصل دوم
تعاریف و کلیات

2-1- هنر و زیبایی
یکی از جولان گاه هایی که احساسات در آن امکان جلوه گری مییابند هنر است اما باید این احساسات در کنترل هنرمند باشد؛ نه اختیار دار احساسات باشد که راه به بیراهه میرود. تمام هنرهای امروزی در جستجو و کشف زوایای مختلف وجود انسان هستند. شاید به علت مقابله با علم که با جهان بیرون سر و کار دارد یا شاید بدین لحاظ که در میان همه مسائل تنها مسئله انسان است که همچنان به صورت مسئله ای جذاب مانده است و هنرمندان بیشتر در مورد شکافتن ذهن و شناخت ذهنیت پیچیده ی او هستند .
همهی هنرها برای رسیدن به شناخت ورساندن لذت به روح انسان هستند و از ابزارهایی استفاده میکنند. نقّاشها از خطوط و رنگ، موسیقیدان از ریتم و هارمونی وساز و شاعر از کلمات بهره میجوید، کلمات قدرت راز آمیزتر و بیشتری دارند مصالح هنری دیگر و هم از این روست که شعر بیشتر از دیگر هنرها در به سیر در ژرفاست .میزان پختگی هر اثر میتواند به نحوی با تجربیات هنری فرد در گوشههای مختلف اثر هنری که خلق کرده به نمایش گذاشته میشود. هایدگر هنر را به نحوی انکشاف حقیقت و ظهور عالمی خاص و تجلّی وجود موجود تلقی میکند . این انکشاف فقط برای آدمی به عنوان تنها موجودی که مواجهه با حقیقت است ؛دست میدهد.
جالب است که این زبان هنری است که قادر به بیان هنر است در حالی که سایر بازیهای زبانی از تبیین آن عاجزند. هنرها هر یک قواعد و معیارهایی دارند که در پرتو آن میتوان اثر هنری مورد نظررا بازنمایی کرد. این معیارها از مبادی عقلی و منطقی صرف تبعیت نمیکنند و در حقیقت هنرمند است که در پرتو طبیعت خویش به هنر قاعده میبخشد. بدین معنا که هنرمنددر سایه نبوغ خویش که صنعت طبیعی است گرایش ذهنی خود را باز مینمایاند.در سراسر تاریخ فرهنگی مغرب زمین، نوشته ابزاری بوده است برای دفع مرگ، ابزاری برای نامیرایی. فوکو به دوره ای در یونان اشاره میکند که قهرمانان جوان مرگ میشوند زیرا شاهکارهای حماسی، نامیرایی ( میل به جاودانگی) قهرمانان را تضمین می کرده است.
« اثر، که زمانی وظیفهی تأمین نامیرایی و جاودانگی را بر عهده داشت، اکنون از این حق برخوردار شده است که بکشد که قاتل مؤلف خود باشد و مصادیق آن را نزد فلوبر، پروست و کافکا میتوان یافت». (یزدان جو، 1381: 117)
2-2- مدرنیسم و پست مدرن
جنگ جهانی اول، پیوستگی اجتماعی پیش از جنگ را در اروپای قارهای نابود کرد. امپراطوری اتریش- مجارستان و عثمانی تجزیه شد آلمان نیرومند شکست خورد و تحقیر شد. امپراطوری روسیه تجزیه شد و مردم دچار نومیدی بودند و برای دشواریهایی که آنان را تهدید میکرد در جستجوی پاسخهای تازه بودند و به دنبال آرمانهایی می گشتند که جای احترام به پادشاهان و شهریاران و نظام اجتماعی موجود را بگیرد. در چنین هرج و مرجی حضور برخی از دیکتاتورها دوران تاریکی را در نیمه قرن در اروپا به وجود آورد. آموزههای نژادی هیتلر با موفقیت روبه رو شد و پیرویهایش در داخل و خارج کشور قدرت او را استوار ساخت. این دیکتاتورها گرچه خاستگاه متفاوت داشتند، آنچه میانشان مشترک بود عبارت بود از طرح اخلاق یهودی ، مسیحی، خوارشمردن تقدس زندگی انسان، عدالت و برابری در برابر قانون.آن ها نابودی میلیونها انسان را پذیرفتند زیرا بر این باور بودند که این کار به هدف های شایسته خدمت میکند. آنان مسئول انقلابی در اندیشه و عمل بودند که قرن ها پیشرفت را نابود کرد.
میتوان مدرنیسم را نخستین واکنش فکری بزرگ نسبت به بحران اجتماعی و فروپاشی دین مشترک دانست در مواجهه با یک جامعهی پس مسیحی ، اندیشمندان و نخبگان خلاق نقش تازه برای خویش رقم زدند که به هر حال همانند نقش یک پدر روحانی بود. متعالی ترین نقش آن ها شفا دادن جراحات جامعه بود؛ در« پالایش زبان طایفه» توانستند حساسیت آن را خالص گردانند و اگر سیاسی نمیبود، زمینهی فکری، زیبا شناختی را برایش مهیا سازند.
فرهنگ و هنر اندیشهی مدرن دستاوردی غیر استقلالی دارد لذت آن جاست که اندیشه مستقلی، در کار نباشد اثر هنری نه در ساختار درونی داشت که به هر صورت درک آن نیازمند درجهای از خردورزی است، بلکه در نشانهها و رمزهای ساده فهمیده میشود یا به طور کلی درک نمیگردد. استقلال سازنده و خلاقانهی اثر از میان رفته و در این میان امکان مخاطب در آفریدن معناهای تازه و یافتن برداشتی شخصی و خاصی از میان میرود، یا به شدت محدود میگردد.
پس از عبور از سده ی بیستم اکثر متفکرین بر این عقیده اند که انسان امروز بیش از هرچیز نیازمند یک تفسیر معنوی از جهان خود انسان است. اینان بر این باورند که در پایان پرفراز و شیب سده ی بیستم و آغاز سده ی نوین سرمایه داری متمدن غربی و ایدئولوژی کمونیسم هر دو در رستگاری انسان عاجز مانده اند و سرنوشت او را به فاجعه کشانده اند و روح انسان نوین از هر دو سر خوردهاست. انسان معاصر همچون همهی انسان های دیگر اعصار ، مملو از گذشتهای است که در حال مستتر است این انسان که اکنون در دوران کودکی، بلوغ، میانسالی یا کهنسالی است در طول همین پنج سال، ده سال یا پنجاه سال که زندگی میکند ساخته نشده و ناگهان از عدم به دنیا نیامده است.
برخی بر این باورند که، وقتی که این انسان کودک بود و حتی تازه به دنیا آمده بود و هیچکدام از حساسیتها، خصوصیات، عواطف، گرایشهای فکری، تعصبها، تمایلها، سلیقهها را نداشت، بلکه موجودی بوده است بدون هیچ رنگ انسانی خاص و می توانست در هر محیطی قرار بگیرد به گونهای دیگر آید اما چون در محیطی که اکنون زندگی میکند به سر میبرد با مشخصات کنونی است. اما بر خلاف این نظریه ، انسان فقط در طول مدت عمر خود ساخته نشده و نمیشود او با تولد خود آغاز نشده است بلکه هر انسانی عبارت است از کتاب تاریخ جامعه خود.دانشمندان و ایدئولوژیکهای جهان بر این عقیده بودند که تمدّن جهان غرب نه تنها دستاوردهای فرهنگی بلکه ارزشهای اخلاقی را نیز در بردارند، اما روند تمدّن جهانی چهرهی دیگری را نشان میداد که بر خلاف این نظر بود.
دستاوردهای درخشان هنر معاصر در زیر بار مباحث نظری کلامی نباید مخدوش گردد. دستاوردهای بسیار ارزشمندی مانند تأکید بر نوآوری، آزادی، نگاه به آینده و تقویت روحیهی انتقادی، نگاه نوین به گذشته و موارد دیگری که هرگز به هیچ مقطع دیگری از تاریخ هنر قابلیت شکوفایی نیافتهاند شاید این سخن والتر بنیامین در پایان کلام بتواند پلی بین مباحث مطرح شده ایجاد کند که : « یکی از مهمترین وظیفههای اثر هنری، آفریدن نیازهایی است که هنوز زمان برآورده شدن آن فرا نرسیده است. هنر مدرن، هنر آنچه را که تاریخ کشته است حیات میبخشد، هنر آنچه را که تاریخ نفی کرده یا خاموش کرده یا سرکوب کرده، به بیان در می آوردو دروغهای تاریخ را بدل به حقیقت میکند» . (لینتن، 1382: 52)
جریان مدرنیزم حاصل بیش از یک سده دگرگونی در علوم انسانی، فیزیک، فلسفه، تکنولوژی، اقتصاد، تولید، مصرف، هنر، معماری، ادبیات و هنر در غرب سدهی بیستم بود و به سرعت به دیگر فرهنگها و کشورها نیز راه یافت و به دگرگونی همین حوزهها در تمام کشورهای جهان دست زد.در ایران، از آغاز سدهی سیزدهم شاهد ورود و گسترش عناصر مدرنیزم به گسترهی علوم و فرهنگ و تا اندازهای تکنولوژی و اقتصاد هستیم. از دورهی رضاخان، مدرنیزم به طور رسمی از حوزه ی اقتصاد و تکنولوژی آغاز به کار کردو در آغاز سدهی چهاردهم با گسترش فن ترجمه، شاعران و نویسندگان زیر تأثیر اندیشههای غربی، اندیشههای مدرن را به حوزه های علوم انسانی، ادبیات و هنر نیز وارد کردند. از آغاز دههی پنجاه، غزل فارسی با اوج گرفتن و حرکت به سمت رسیدن به وضعیتی« فرانو» همگام با جریان های آزاد نیمایی و سپید، اندیشههای متفاوتی با گرایش به مدرنیزم را به بستر خود راه داد و «مدرنیزم ادبی»از آغاز دههی هفتاد به عنوان جریانی رسمت یافته در ادبیات و شعر ایران اعلام حضور کرد.
جنبش مدرنیسم (modernism) همه جنبشها و اصول کهن را مردود میشمرد و با رد آنها به معرفی الگوهای جدید و بیسابقه میپردازد. در آغاز، این جنبش از ادبیات و هنر سرچشمه گرفت و طی یک دهه سراسر جهان را فراگرفت. دامنهی تأثیر این جنبش به هنرها و هم چنین قشرهای اجتماعی کشنده شد و تا نیمه ی نخست سدهی بیستم جنبش مسلط و اندیشهی فراگیر بود. اگر بخواهیم واقع بینانه تر داوری کنیم با توجه به برخی از نظریههای در این راستا و با استناد به انبوه جریان ها، اندیشهها و جنبشهایی که از دل این جنبش و یا به تأثیر و با تکیه بر اصول مدرنیزم پدید آمده اند، باید گفت این جنبش در همهی طول سدهی بیستم ( در کشورهای توسعه یافته ) و تا هنوز هم ( در کشورهای در حال توسعه ) به صورتی فعّال جریان داشته و برخی از کشورها و نواحی نیز به دلیل شرایط خاص محیطی، اجتماعی و سیاسی هنوز به مرحله مدرنیزم جهان سوم نرسیده اند.
مدرنیزم در کشورهای توسعه یافته و صنعتی در فاصلههای دهههای 60 و 70 از سدهی بیستم بر اثر مخالفتها و انشعابهایی از هم گسیخت. این در حالی بود که حوالی دههی 40 به طور کلی آن تأثیر توانمند و فراگیر خود را از دست داده بود. گروهی از دولتها آشکارا به سرکوب آن پرداختند و برای رویارویی( مقابله) با پارهای از وجوه آن، قانون هایی پیاده کردند و برنامههای حساب شدهای به اجرا گذاشتند. گرچه آغاز واقعی قرن بیستم به قبل از انقلاب فرانسه باز میگردد، اما اغلب محققین از نظر سیاسی – اجتماعی معتقدند که آغاز قرن بیستم را بهتر است سال 1871 یعنی سال وحدت آلمان، یا دههی 1890 بدانیم. دههای که در آن بی ثباتی بین المللی در اروپا و آسیا آشکار گردید و عصری تازه از رقابت امپریالیستی، که آلمانها آن را سیاست جهانی نامیدند آغاز شد. در قاره ی اروپا به صورت نیرومندترین ملّت از نظر نظامی در آمد و از نظر صنعتی نیز با سرعت پیشرفت میکرد . در شرق آسیا، در دهه ی 1980، ژاپن که از نظر صنعتی و نظامی مدرن شده بود، به نخستین جنگ صلح جویانهی موفق خود بر ضد چین دست زد. در قارهی آمریکا شالوده های تبدیل ایالات متحده به صورت یک ابرقدرت در قرن بیستم نهاده شد. ایالات متحده دیگر امنیت خود را در نزوا نمییافت و آفریقا سرانجام میان قدرتهای اروپایی تقسیم شد موارد ذکر شده برخی از نشانههای تغییرات بزرگی بود که در قرن بیستم به وجود آمد و زمینه ساز مدرنیته از لحاظ سیاسی بودند .
« برخی از ویژگیهای مدرنیته عبارتند از :
اعتماد به توانایی عقل و علم انسان برای معالجهی بیماری های اجتماعی.
تأکید بر مفاهیمی از قبیل پیشرفت، طبیعت، تجربههای مستقیم.
مخالفت آشکارا با مذهب ( به ویژه الهیات مسیحی).
اومانیسم و تبیین جامعه و طبیعت به شکل انسان مداری.
تأکید عمده بر روش شناسی تجربی.
پوزیتیوسیم( اثبات گرایی یا تحصیل گرایی به هر گونه نگرش فلسفی که تنها شکل معتبر از اندیشه) به عنوان روش شناسی مدرنیسم».( آفرینی، 1391: 85)
پس از گسترش مدرنیسم، عدهای برای مخالفت و گروهی برای ادامه و تکمیل این رویهی فکری برای آفرینش پست مدرن تلاش کردند. ریشههای درخت پست مدرن در مدرنیسم بود و هدف آن به تکامل رساندن مدرنیسم و رفع نواقص آن.
« پست مدرن این نیست که دوران مدرنیته تمام شده و حالا نیز باید منتظر باشیم که این دوره سر آید. مدرنیته را نباید در وجود صنعت و تکنولوژی و سلاح مدرن یا بازار و تولید و توزیع مدرن محدود کرد، اینها همه از لوازم مدرنیته است. مدرنیته روح یا جان روابط عالم کنونی است ».( داوری اردکانی،1391: 56-55)
پست مدرن به معنا قائل نیست و به این زبان مناسب مبحث هم در باب پست مدرن، زبان دشواری است. میان پست مدرنها و مدرنها هر کدام یکدیگر را متهم میکند که شما زبان و سخن ما را در نمییابید. هر مدعی ادعا دارد که مدعی یا مخاطب سخن او را درست در نیافته است. زیرا زبان دچار آشوب شده است به طوری که حتی متفکران حرف یکدیگر را درک نمیکنند. فلسفه زبان خاصی دارد و کسی که به آن زبان و قواعد آن آشنا نباشد، مطلب را درک نمیکند.مشکل تفکر پست مدرن این است که مخصوصاً در دوره معاصر متفکران زبان یکدیگر را نمیفهمند.
« بنیانهای پست مدرنیسم نقطه ای مقابل بنیانهای مدرنیسم هستند. به جای واقعیت طبیعی، ضد واقعگرایی به جای تجربه و خرد، ذهنیت گرایی اجتماعی-زبانی به جای هویت و خود مختاری فردی، گروه گراییهای گوناگون نژادی، جنسیتیو طبقاتیبه جای منافع انسان به عنوان اموری اساساً هماهنگ و متمایل به تعاملِ متقابلاً سودمند، تضاد و ستم به جای احترام به فردگرایی در ارزشها و بازارها و سیاست، دعوت به جمعگرایی، همبستگی و قید و بندهای برابری خواهانه به جای تجلیل از دستاوردهای علم و تکنولوژی، سوء ظنی که به خصومت آشکار متمایل است. این تقابل فلسفی فراگیر مضامین پست مدرن خاصتر را در انواع بحثهای دانشگاهی و فرهنگی شکل میدهد».(هیکس، 1391: 29)
«پست مدرنیسم یک «مرحله رشد» است نه یک واکنش ضد مدرنیسم و پیش از آنکه کشور یا مردی بتواند به آن برسد باید مراحل مختلف شهرنشینی، صنعتی شدن و فراصنعتی شدن را خوب بشناسند».( جنکز، بی تا:64)
« برخی نیز بر این باورند که پست مدرنیسم در نقد هنر [ تجسمی ] به نفی تمام و کمال مدرنیسم پرداخته است. مدرنیسم هیچگاه وجود نداشته است؛ آن ساده لوحانه به تصوراتی خیال پردازانه از جهانی دلبسته است که اعجازهای فناوری ماهیتش را دگرگون ساخته است؛ انزوا طلب، برج عاج نشین و موعظهگر خودمختاری انواع هنرها بوده و هنری را ترویج کرده مشغولیتی جز موضوعات صرف هنری نداشته است ...[و] در نوآوری موفقیتی نداشته است». (گودرزی،1385: 395)
مدرنیسم دارای ویژگیهایی چون معانی معین، قوانین محض، نا متجانس بودن، برونگرایی، آزادی انتخاب، پویایی، تنوع، حرکت و نوآوری است، با کمی اغماض میتوان گفت پست مدرنیسم دارای خصوصیاتی چون انعطافپذیری، تقلید گستاخانه، نگاه سطحی، تفریح، نسبیت و عدم قطعیت، از هم پاشیدگی، شک و تردید میباشد.
اصطلاح پست مدرن که به عنوان وجه ممیز عرصهی معاصر از عرصهی مدرن فهمیده میشود، ظاهراً اولین بار در 1917 « رودلف پانوینس» فیلسوف آلمانی – برای توصیف هیچگرایی فرهنگ غربی قرن بیستم که مضمون وام گرفته از نیچه بود به کار رفت. این واژه مجدداً در سال 1934 در آثار منتقد ادبی اسپانیایی « فدریکودی اونیس » در اشاره به واکنشی علیه مدرنیسم ظاهر شد. در سال 1939 این اصطلاح به دو طریق در انگلستان به کار گرفته شد.«برنارد ادینگزابل» برای به رسمیت شناختن شکست مدرنیسم دنیوی و بازگشت به مذهب، و« آرنولدتوین »برای اشاره به ظهور جامعه تودهای پس از جنگ جهانی اول که در آن طبقه کارگر اهمیتی بیش از طبقه ی سرمایه دار پیدا میکند.ظهور وضعیت پست مدرن با خاتمهی رویکردی های قطعی، به شناخت حقیقت و کنار گذاشتن قطعینگری نسبت به امور معرفتی امکان مییابد و با مفاهیمی چون نسبت انگاری، نسبیت، کثرتگرایی و چند معنایی . وضعیت جدید عصر پست مدرن شناخته می شود.
ظاهراً پست مدرنها، بر آن هستند که انسان وانهاده و سرخوردهی قرن بیستم را، که دو جنگ جهانی را تجربه کرده، با فشارهای اقتصادی و بحرانهای سیاسی و اجتماعی رو در رو بوده و از ظهور دیکتاتورهای خون آشام لرزه بر اندامش افتاده، رهایی بخشده غافل از اینکه همین مکتب، بانی معضلات نا خوشایندی برای مردم عصر جدید شده و در دنیای سیاست همچون ابزاری در دست قدرتمندان قرار گرفته است.
اصطلاح پست مدرندر بین جامعه شناسان و منتقدین بسیار مورد استفاده قرار گرفته است و بیانگر موقعیت فرهنگ و تغییراتی میباشد که از اواخر قرن نوزدهم، قوانین علمی و ادبیات و هنر را تحت تأثیرو بلکه تغییر داده است. هرگونه تلاش برای پشت سر گذاشتن مدرنیته و یا انتقاد از آن مستلزم به کار گرفتن قواعد و اصول بنیادین اندیشه مدرنیته است. از این رو پیشوند « پسا» در کلمه پست مدرن صرفاً به معنای مرحله تاریخی جدیدی نیست که بعد از دوران مدرن است که با تأثیر پذیری از ذهنیت انتقادی و آزادی طلب مدرنیته عقاید و اصول و آرمان های فلسفی، علمی و زیبا شناختی جهان مدرن را مورد نقد و سنجش و ارزیابی قرار میدهد به همین سبب زمانی که بحث از پست مدرنیسم پیش میآید، منظور گسست تام با اندیشه مدرن نیست بلکه ادامه مدرنیته از طریق آشکار ساختن بحران آن است . بنابراین پست مدرنیسم را میتوان به نوعی حقیقت مدرنیسم نامید، زیرا موجب تحقق یافتن امکانات تکامل نیافته ذهنیت انتقادی میگردد. پست مدرنیسم بیانگر همان اندیشه انتقادی مدرنیته است با این تفاوت که این بار پروژه مدرنیته است که هدف اساسی انتقاد میباشد بنابراین پست مدرنیسم نه بازگوکننده بازگشتی به گذشته است و نه تعیین کننده دوران تاریخی جدید می باشد، بلکه پرسشی درباره نتایج سرگذشت مدرنیته است.
پست مدرنیسم، پسامدرنیسم، پسانوگرایی یا پسانوگان گرایی وضعیتی است که در نیمه ی دوم سدهی بیستم میلادی بر تمدن غرب حاکم شده است این وضعیت در تقابل با جریان مدرن و سنتی یکسانی شکل گرفته است و همه اقتدارهای پیش از خود را به چالش کشیده است. زمزمههای پست مدرن بسی پیش تر از تحقق آن آغاز شده بود، حتی پیش از دو جنگ جهانی که در نهایت موجب تحقق جریان پست مدرن شد.پست مدرن یک دوران نیست، حتی نباید آن را یک طرح فلسفی خاص دانست. وضع پست مدرن یک بحران است، پست مدرن صورت و مرحلهای از مدرنیته است.درباره ارتباط و شکل ارتباط مدرن و پست مدرن این چند نظریه وجود دارد و گزینش هیچ یک بر دیگری برتری ندارد.
الگوی پست مدرنها با الگوی طراحی شده توسط فرهنگ غرب، خاصه آمریکا همخوانی بسیار دارد، همگان متفق القول، ظهور پست مدرنیته را پس از بمباران اتمی در شهر ژاپن میدانند در واقع فروریختن بمب اتمی چونان نمادی است از زندگی پر تلاطم و پر هیجان دوره مدرنیتهای که سعی داشت تجربیات زندگی مدرن را به تصویر در آورد که اصطلاحاً از آن به عنوان « تصویرگری زندگی مدرن » یاد میکنند.در حقیقت دنیای مدرنیسم نتوانست انسان رها شده از عالم مذهب، انسان زیاده خواه و راحت طلب قرن بیست را ارضا کند و روح خسته و دردمند او را التیام بخشد. چه بسا، خود عاملی برای در بند کشیدن انسانها بود. در مقابل آن پست مدرنیته، به جای آن که راه حل مناسبی برای تمامی دردهای بشری نشان دهد؛ انسان را به وادی پوچی، بدبینی، تنفر و گنگی سوق داد.
«پست مدرنیسم با پنج ویژگی مهم موجب ایجاد تعاریف جدیدی در جامعه شناسی سیاسی شده است. این تعاریف با مؤلفههای جهانی شدن در ارتباط تنگاتنگ است:
ضدیت با معرفت شناسی و توجه بیشتر به هستی شناسی؛ یعنی علاقهمند بودن به اشکال تأثیر دانش بر زندگی تا ظواهر زندگی برای علل واقعی اعتقاد.
توجه به بی نهایت بودن معنا به عنوان منبعی برای ساختن هویتها و ساختارها.
مرکزیت زدایی از جامعه: یعنی عقیده به اینکه ساختارهای اجتماعی طی فرآیندهایی صورت میگیرند که در مکان و فضا ساخته میشوند و به گونه علمی تعیین نمیشوند. هیچ نهاد مرکزی ( برای مثال دولت) و هیچ معنایی ( برای مثال حقیقت ) وجود ندارد که جنبههای مختلف زندگی اجتماعی در موضعی ثابت حول آن سازمان یابند.
جوهر ستیزی؛ در جامعهشناسی سیاسی متأثر از پست مدرنیسم هویتها و ساختارها پدیدههایی تلقی میشوند که در زمینهی اجتماعی خاصی ساخته شده و وابسته به شرایط تاریخی خاصی هستند.
تأثیرچشماندازهایی که با آن ها به زندگی اجتماعی نگریسته میشود. از این منظر هیچ ارزش و حقیقت جهانی و عالی وجود ندارد که بین همهی اعضای جامعه مشترک و پذیرفته شده باشد».(نش، 1383 : 38)
« میراث خرد ستیزها برای قرن بیستم چهار مضمون اصلی را در بر میگیرد:
همخوانی با کانت در این که خرد ناتوان از شناخت واقعیت است.
همصدایی با هگل در این که واقعیت عمیقا آمیخته با تضاد و یا نامعقول است.
این نتیجهگیری که بنابراین خرد مغلوب دعاوی مبتنی بر احساس، غریزه یا جهشهای مؤمنانه میشود .
این که دعاوی خرد گریز و خرد ستیز به حقایق عمیقی درباره واقعیت منجر میشود».( هیکس، 1391: 80)
ظهور وضعیت پست مدرن با خاتمهی رویکردهای قطعی به شناخت حقیقت و کنارگذاشتن قطعینگری نسبت به امر معرفتی امکان مییابد.جهان پیش از پست مدرن، جهان اقتدارها و قطعیت هاست. در هر دوره، محوری برای اقتدار وجوددارد که بر مبنای آن محور، نظام و روایتی شکل میگیرد که همه ی شئون زندگی را در بر میگیرد و تعریف میکند. این مرجع اقتدار زمانی اساطیر و روایات خرافی، زمانی انسان، زمانی مذهب و زمانی مجدداً انسان است، زمانی خرد، زمانی علم و ... است. هر دوره که سپری میشود، محور اقتدار از متن اجتماع تا به حاشیه میرود و امر دیگری محور و مرجع اقتدار می شود، این امر تا ظهور وضعیت پست مدرن در قرن گذشته، هزاران سال تداوم داشته است.
درون جهان همه چیز همان گونه است که هست و همه چیز همان طور رخ میدهد که رخ میدهد، در درون جهان هیچ ارزشی وجود نداردو اگر ارزشی در درون جهان یافته می شد دیگر ارزشی نمیداشت.پست مدرنیسم بیش از هر چیز با اقتدار زدایی تعریف میشود؛ اقتدار زدایی از هر پدیده بدون جانشین کردن پدیدهی دیگری که صاحب یا مرجع اقتدار جدید باشد . در هر دوره امری در مرکز توجه قرار میگیرد و محور اقتدار میشود. در دوران بعد، اقتدارش شکسته میشود و امر دیگری محور اقتدار میگردد.
چنانکه در دوران جهان شناسان پیش از سقراط نگاه اسطورهای معیار، ادراک انسان از دنیای پیرامونش بود که در آثار هومر و هیزیود میتوان این اندیشه را دید و در دوران از سقراط تا قرون وسطی محور فلسفه بود و درقرون وسطی اقتدار با قرائتی از مذهب مسیح بود تا اینکه اقتدار به خرد رسید از دکارت و خرد گرایی محور و مرکزیت همه چیز شد. اکنون پست مدرنیسم در پی فروریختن هر اقتداری است.
پست مدرنیسم، هم از مذهب و هم از اخلاق که گویی میرفت که جایگزین مذهب باشد، اقتدار زدایی کرد. چرا که بشر جدید به واسطهی تجربیات جدید، همه ی دستاوردهای بشری را به دیده تردید مینگریست. متفکرین پست مدرنیته در این باب به صورت موازی هم از اخلاق و هم از مذهب اقتدار زدایی کردند.زمانی سوفیستها از منطق استثناها یاد میکردند، سرانجام دانستیم که این منطق در دست است و منطق حقیقت یکتا به هیچ کار نمیآید. این حقیقت یکه هیچ نیست مگر یکی از احتمالهای منطق استثناها.
پست مدرنیسم غالباً خودش را ضد فلسفی معرفی میکند، به این معنا که بسیاری از بدیلهای فلسفی سنتی را رد میکند، با این همه، هرگونه گزاره یا فعالیتی، از جمله عمل نوشتن نوعی برداشت پست مدرن درمورد هر موضوعی، دست کم نوعی دریافت ضمنی از واقعیت و ارزشها را پیش فرض میگیرد. پست مدرنیسم علی رغم بیزاری ظاهری از برخی صورتهای امر انتزاعی، عام، تثبیت شده و دقیق، چارچوب مستحکمی از قضایا را مطرح میکند که اندیشه ها و کنشهای ما در آن ها جای میگیرند. به لحاظ متافیزیکی، پست مدرنیسم ضد واقع گراست و بر آن است که سخن گفتن معنادار درباره واقعیتی که وجود مستقل دارد غیر ممکن استبه جای آن، پست مدرنیسم نوعی برداشت اجتماعی- زبانی و بر ساخت گرایانه از واقعیت را می نشاند. بر ذهنی بودن، قرار دادی بودن و قیاس ناپذیری این بر ساخت ها تأکید میکند.
در حالی که هدف هنر رئالیستی، واقع نمایی یعنی پایبندی به زندگی واقعی بود، هنر مدرن تمایل داشت وجود مادی خود در مقام هنر و لذا فاصله و تفاوتش را با امر واقعی تمجید کند. در نتیجه هنر مقارن با جریان مدرن تقابل با آن را آغاز کرده و گویی به صورت هم زمان و هماهنگ، رد و نفی ارزشهای مدرن را در دستور کارپست مدرن ها قرار داده است. اولین تردیدها به مدرنیسم در حوزههای زیبا شناسی و هنر شکل گرفت اگر چه فلاسفه پسش از آن نیز به ارزشِ ارزش های مدرن تردید کرده بودند .ویژگی اصلی پست مدرنیته محو شدن زیباشناسی وارزشهای والا در دنیای زرق و برق و گزاف واقعیت و محو شدن تاریخ و امر واقعی در دنیای رسانه های صوتی و تصویری است.
«پست مدرنیته مخالفت اصلی خود را با اصول بنیاد گرایی مطرح ساخت و درصدد است که انسان را از تمامی قیود، اعتقادات و باورهای خود رهایی بخشد، در عین حال که کمی هم به سنت ها توجه دارد؛ چرا که سنت پیش از اینها توسط پیروان مدرنیسم، قلع و قمع شده بود.پست مدرنیسم ها از کنار سنت به سادگی نمیگذرند. از نظر آن ها هر شعر تازه در حکم مبارزهی نوجوانی است با اقتدار و سلطهی پدر که همان تأثیرشاعران پیشین باشد. نوجوان در اشتیاق گسست از سنت و عدم تداوم می سوزد میخواهد و گاه میکوشد تا با گریز از خانهی پدری، روی پای خود بایستد. اما حتی اگر تا حدودی از تبار خویش آگاه باشد باز بسته به پدراست.هیچ رابطهای عینی هم که آشکار نکرده باشدرابطهی خونی که دارد . این جمله نیز پیش روی پست مدرنیست ها میدرخشد، هر کس میخواهد کاری کند کارستان، نخست باید پدری برای خود بیافریند و دیگر این که، درون هر شاعری میتوان و باید شاعر دیگری یافت». ( باباچاهی، 1376: 373)
« بهت رودررویی با وقایع غیر قابل تحملی مانند آن چه که پس از دو جنگ غرب گذشت، موجب شد که انسان غربی در موضعی قرار بگیرد که شاهد و تجربهگر از دست رفتن همهی ارزشها و معانی سنت زندگی خود باشد. بیش و پیش از هر چیز، اعتبار این « سنت» از دست رفت». (آفرینی، 1391: 119).
پست مدرنیته، از جهاتی پایان مدرنیته است، پایان توجه مفرط بشر به دنیای پر هیاهوی تکنولوژی، سرعت، صنعت و شهرسازیهای بی حد و حصر؛ پایان گرایش مردم به عقل گرایی، دلالت گرایی و مستند سازی و در وادی ادبیات، پایان توصیفات مطلق گرایانه، رعایت نکردن قوانین علت و معلولی و ایجاد وحدت و انسجام در ساختار و طرح آثار.
برخی میان دو واژهی پست مدرنیته و پست مدرنیسم، معمولاً وجه تمایزی قائل نمیشوند. در صورتی که این دو اصطلاح با هم متفاوت هستند و باید در جای خود استفاده شوند. پست مدرنیته به فلسفه و ایدئولوژیای که این مکتب را توصیف میکند مرتبط است. در صورتی که پست مدرنیسم، به تخیّل خصلت های پست مدرن از جنبه ادبی و هنری اطلاق میشود. بی شک، ادبیات و هنر نیز چون بافت اجتماعی سیاست، معماری و فرهنگ در دوران پست مدرن دچار تحول و دگرگونی گشت. این در حالی است که بسیاری از هنرمندان و نویسندگان و مردم علاقه مند به هنر، همچنان نسبت به این مکتب واکنش منفی نشان داده، از پذیرش آن سرباز میزنند؛ و در این میان، عدهای هم یافت میشوند که شیفتهی مکاتب جدید هستند.
نظریه داروین انسان را همتبار با حیوانات معرفی می کردو این و هن بزرگی بود. انسانی که از تبار خدایان بود بااین انسان جدید که از تبار حیوانات بود نسبتی با حقیقت نداشت، متافیزیک را درک نمیکرد، از الهیات، علم النفس و جهانشناسی بی خبر بود، اسیر در جبر تاریخی طبقاتی و گرفتار عقدههای جنسی خود بود.این انسان موج فساد، فقر، فحشا و مرگی به گستردگی دو جنگ فراگیر جهانی در اوج مدنیت شده بود این انسان برای همیشه از مقام فضیلت خلع می شود. انسان جدید خود موضوع اندیشه بود. اندیشهای به شدت تیره و تلخ. اندیشهای همراه با تردید، تردید در شایستگیهای انسان جدید ( پس از فروریختن اقتدار خرد انسانی) موضوع اندیشه ی جدید بود.طرفداران پست مدرن بیشتر دوست دارند انسان پست مدرن، زندگی مخفیانهای را به دور از اجتماع پر هیاهو دنبال کند، متکی بر خود باشد و در عوالم درونی خود سیر کند، بدون آن که دیگر به اهداف والا و آرمانهای بزرگ بیندیشد، انسان عصر جدید، طبق نظر آنها، نباید برای شناسایی هویت از دست رفته خود تلاش کند، چرا که آنان می پندارند حقیقت تفسیر ناپذیر است و نمیتوان به یک برداشت واحد و مشترک رسید. پیروان پست مدرن انسانهایی را میخواهند که به مسایل سطحی بنگرند واز ژرف اندیشی بپرهیزند؛ همهچیز را به بازی بگیرند، در جایی ثابت، دوام نیاورند.
آثار پست مدرن از بطن جامعه و فرهنگ بی پایهای نشأت گرفتهاند که دچار معضلات بسیار است. نا بهسامانی، سردرگمی، تناقض، اغتشاش، بحران، نهلیسم و بدبینی، به تمامی در بافت جامعه غربی، مخصوصاً آمریکا به وفور دیده میشود. پست مدرن با ارائه دیدگاهها و آرای شیطانی خود، این امکان را به ابر قدرتها میدهد تا به هر کاری دست بزنند؛ و تمام کنشهای آن ها طبق این فلسفه توجیه پذیر است زیرا حقیقتی وجود ندارد چون همه چیز گنگ و نا مفهوم است پس، جای تعجب نیست اگر چنین آثاری، برای توجیه عملکرد ابر قدرتها و انسان های بی هویت این دوره خلق شوند و چه بسا آن ها را تشویق و به دنباله روی از این حرکتها کنند.
امروزه از روی هر اثر هنری به تعداد بینهایت نسخه تهیه شده و در معرض دید و کاربرد افراد جامعهی جهانی قرار میگیرد. در روزگاری که ما به سر میبریم رسانه ها، تقدس و هیبت اثر هنری را زایل کرده اند.بیتفاوتی به ارزش های رایج از ویژگیهای انسان پست مدرن است که قهرمان دیگر تلاشی هم صورت نمیدهد، حتی گمان میکند که وضعیت موجود چندان هم بد نیست. میان شخصیت ها جدلی صورت نمیگیرد و تضادی نیست چرا که باوری قطعی برای جنگیدن وجود ندارد . پس فراغ از هر باور قطعی سبک بال و آسوده و بی خیال به نظر میرسد.
نویسنده پست مدرن راهی برای تغییر وضعیت پیشنهاد نمیکند چرا که قرار نیست نقش ناجی را بازی کند. تن به اقتداری جدید بدهد، او خود هنجار شکن و اقتدار گریز است و نمی خواهد مصلح اجتماعی یا ناجی باشد.او به بازنمایی جهان میپردازد و مشاهدهی این جهان برای مخاطب میتواند به رفع نواقص منجر شود.

2-3- جریان شناسی ادبیات معاصر
« از آغاز قرن پانزدهم، اروپاییان به موازات پیشرفتهای اجتماعی و اقتصادی شان، به جست جوی سرزمینهای بکر و تازه برای بهره کشی به چهار سوی دنیا راه افتادند ... انقلابهای بورژوازی انگلستان و فرانسه به وقوع پیوست و مکانیسم تفسیر بازارهای جهانی تحول یافت و دست یابی به سرزمینهای عقب مانده تسریع شد که از جمله آن کشورها سرزمین ایران بود ». (لنگرودی، 1378 : 14)
انقلابها و استعمار طلبی جوامع غربی آنان را به سمت افقی نقاط جهان کشاند و آنان در کنار اهداف سلطه جویانه و منفعت طلبانه خویش به همراه راه آهن تلفن، تلگراف،گمرکات و ... را به سرزمینهای تحت سیطره خود آوردند که امکانات اقتصادی ارتباطی بهتری را برای مردم آن سرزمینها در پی داشت . استخراج و بهره برداری از منابع نفت و معادن و شیوههای بانکداری جدید سیستم اقتصادی اجتماعی مردم را رنگی دیگر بخشید اگر چه بهره مالی و چپاولگری این امکانات برای دولت هایغربی بسیار سودبخش بود مردم کشورهای مختلف از جمله ایران متوجه نقاطی از جهان شدند که زندگی به شکلی دیگر در آن جریان داشت. تجّار بزرگ جهانی، به ایران آمدند و ایرانیان صاحب ثروت، فعالیت تجاری خود را گسترش دادند و برای این منظور به سرزمینها اروپایی سفر کردند. همین تغییرات زندگی فرهنگی مردم ایران را با پدیده مدرنیسم پیوند زد؛ چرا که نخستین گروه دانشجویی از ایران حدود سال 1190 ه. ق در زمان سلطنت فتحعلی شاه قاجار به اروپا رفتند وسوغات گرانبهایشان یادگیری علم و فنون جدید از فنون توپخانه و طب و شیمی تا ساختن قفل و کلید بود .ضرورت بعدی که در گسترش فرهنگ بین ایرانیان بسیار مؤثر بود تأسیس نخستین چاپخانهها در ایران بود که اولین بار در سال 1016 ه. ق در اصفهان به دست کشیش فرانسوی برای چاپ کتابهای مذهبی صورت گرفت تعداد چاپخانهها که بیشتر شد تعداد کتاب ها و کتاب خوان ها افزوده شد و گسترش فرهنگ مطالعه با چاپ نخستین روزنامه فارسی همراه شد. دارالفنون و دانش آموختگان آن به ترجمه کتابهای درسی و پژوهشی نیازمند بودند. اوّلین ترجمه کتابهای فرنگی اینگونه آغاز شد. پس از گذشت چندی ایرانیان به مهارت ترجمه آشنایی پیدا کردند ونخستین داستان ها نیز در کنار کتب علمی ترجمه شدند.آشنایی با سبک زندگی و نویسندگی نویسندگان اروپایی اهل قلم را به تقلید از آن شیوه ها ترغیب نمود. در عصر قاجار با وجود هزارسال پیشینه شعر فارسی نیز شعر نمیتوانست از تغییرات اجتماعی، سیاسی فرهنگی روز بی بهره بماند. تلاشهای میرزاده عشقی، بهار، لاهوتی، ایرج میرزاو عارف شعر متفاوتی در کوچه وبازار گسترش داد. واژگانی چون قطار و هواپیما وارد شعر شدند و انجمن ادبی و دانشکده ادبیات و مجلات تخصصی ادبی در این دوره به دگرگونی فضای شعر ایران سرعت بخشیدند.
« تقی رفعت، نخستین شاعر نو پرداز در شعر فارسی نبود، او نخستین تئوریسین و نخستین منادی شعر نو بود. نخستین شعر نو در ایران، ابوالقاسم لاهوتی در سال 1288 ه.ق سرود .یعنی یک دهه پیش از تقی رفعت، لاهوتی بیشتر از راه آشنایی با زبان های ترکی و فرانسوی، فقط با شکلی دیگر از شعر آشنایی به هم رسانیده و مشتاق آن شده بود».( لنگرودی،1378: 49)
« یحیی دولت آبادی و بانو شمس کسمایی و جعفر خامنه نیز تجربههایی در زمینه سرودن شعر نو داشتند تا اینکه نیما یوشیج با پیگیری تلاشی آگاهانه و هدفمند را در ابداع قالبی نو آغاز کرد که در ادامه آن ما آثاری بدیع و بی بدیل را از شاگردان مکتب وی شاهدیم. نیما نه تنها در قالب بلکه در محتوا نیز انقلابی برپا ساخت و مضمون ها متنوع شدند هر سبک شعری در شعر فارسی یک مضمون و محتوا غالب است اما پس از نیما و تغییر در نظام زیبایی اندیشی و زیبایی شناختی دایره و محتوا هر موضوع و یا پدیده را برای آفرینش شعری بر میگزیند و تمام تجربیات فردی شاعر ارزش شعر شدن یافتند . انقلاب نیما در شکل شعر دو وجه دارد 1- وجه درونی ، 2- وجه بیرونی».(همان: 121)
جریان های اصلی شعر معاصر نیز هیچگاه نتوانستند خود را کاملاً از چنگال های مقتدر سنت رها کنند. ساختار اجتماعی و ساختار ادبی دوره جدید ایران از مرزهای سنت عبور کرد اما هیچ گاه نتوانست به طور کامل با آن خداحافظی کند.
« شعر ایران در قرن بیستم میلادی وارد هزارهی دوم خود شد. هزارهای که ویژگیهای خاص خود را دارد و ادبیاتی متفاوت میطلبد ... نهاد شعر تا پیش از رسیدن به دهه هفتاد، از مرزهای سنت ادبی و فرهنگی خارج نشد بلکه « سنت» در شکل دگر دیسی یافتهای در دل آن ادامه حیات داد. تنها جریانهای موسوم به شعر حجم و موج ناب، آمادگی خروج از سنت را داشتند که آن ها هم به جهت ضعف در مبانی فکری و جمال شناسانه راهی به دهی نبردند .. منظور ما از سنت، مجموعه گزارههای اقتدارگرایی است که ذهن و زبان شاعر را در سایه نگاه میدارند ؛ گزارههای ادبی، فرهنگی، عقیدتی اجتماعی و ... ».( زرقانی، 1391: 15)
« مدرنیته در ایران شکل نگرفت، تفکرات انتقادی، نقد عقل، برخاستن در برابر سنت و مانند اینها چندان که باید و شاید مورد توجه واقع نشد. روشنفکران و منتقدان حوزه فرهنگ و اجتماع از مفهوم مدرنیته ایرانی است. این مدرنیته ملغمه ای از نو سازی و سنت است که به طور قابل تفکیکی در هم پیچیدهاند ... در این مدرنیته چنان که با نگاهی تاریخی به سهولت مشخص میشود ، سهم اندیشه مدرن بر عهده روشنفکران و به تبع هنرمندان بوده است و در عوض دین و حوزه حیات دینی هر چه بیشتر وابسته به سنت ماند... دهه هفتاد و هشتاد یک نقطه عطف در تاریخ شعر ایران است ... قرن بیستم به طور ضمنی مفهوم مدرن بودن را به ذهن القا میکند». (زرقانی، 1391: 16)
« مسئله عصر مشروطه، گذار شعر از جهان سنتی به دوران جدید است ... [ اگرچه] شعر مدرن ایران هیچگاه نتوانست به طور کامل از مرزهای سنت بگذرد اما خروج تدریجی و نسبی اتفاقی است که هم در شعر معاصر افتاد و هم دیگر نهادهای اجتماعی ...بررسی شعر عصر رضاخان نشان میدهد که سیر تحولات شعر به طرف مدرن شدن ... و گرایش های سنتی از سطوح زیرین به سطح بالایی نهاد شعر آمده، زمام شعر در اختیار سنت گرایانی است که نه آزادی شعر را میپسندند و نه جرأت و جسارت کافی داشتند که کارکردهای اجتماعی شعر را ... به منصه ظهور برسانند. تناقض در ایران همزاد طبیعی مدرن شدن است)».( همان:17)
در دوره پهلوی دوم محمدرضای جوان ادعایش این است که می خواهد بر خلاف پدرش، آرزوی گمشده ایرانیان را مبنای حکومتش قرار دهد آزادی را. این وضعیت به گرایشهای ادبی مختلف اجازه داد که ایدههای خودشان را درباره شعر و هنر بیان کنند شیوههای مختلف را بیازمایند. پس از انقلاب سفید شاه و مخالفت شدید روحانیون مبارز مثل امام خمینی و تغییرات سیاسی دیگر از لحاظ ادبی ظهور جریانهای موج نو و شعر حجم با همان صفت شبه مدرنیسم میان تهی نخستین واکنش نهاد شعر در برابر این وضعیت بود . مبانی نظری شان با شعار « آغاز تمدن جدید » حکومت کاملاً هم جهت و هم سو بود . جریانهای ادبی به دو دسته تقسیم شدند سنتی داران اصیل مانند حسین منزوی، مهرداد شهریار جریان دوم شعر نیمه سنتی مانند اشعار نادر نادر پور، حمید مصدق ، نصرت رحمانی، منوچهر آتشی و ... جریان سوم شعر آزادی مانند اخوان ثالث، فروغ فرخزاد، سیاوش کسرایی، محمد زهری و ....از بین شاعران جران سوم اسماعیل خویی « سروده هایش از درخشانترین نمونههای شعر مدرن ایران است که گزیدهای از اشعارش نماینده خوبی برای شعر فلسفی مدرن خواهد بود.
در آثار پژوهشی بسیار متنوعی که پیرامون ادبیات معاصر ما نوشته شده است. ویژگیهای همه جانبه این شعر مورد تحقیق و کنکاش، قرار گرفته است و کار بررسی همه این تلاشها در کار پژوهشی محدود ما فرصتی نخواهد یافت. اما آوردن این خلاصه در جهت پیدا کردن رگههایی از گرایش و پرداخت شاعران معاصر به جریان مدرن بوده است و دیگر هیچ.
اواخر دهه پنجاه و شصت همراه با آغاز انقلاب اسلامی در ایران در پی تغییر شکل سیاسی و اجتماعی ادبیات ما را نیز تحت الشعاع قرار داد. جنگ تحمیلی، شعر دهه شصت را از نظر شکل و محتوا و حتی عاطفی تحت الشعاع خویش قرار داد. دهه هفتاد به شکلی نوآوری های سنتی سند ما در ابداع قافیهها و ردیفها و آوردن کلمات از هر فرهنگ و دستهای در شعر را نوگرایی میداند. دوستداران شعر نیمایی که دستی بازتر برای طرح و سپید نویسی یافتند و طرح نو انداختنهای شاعرانی چون علی عبدالرضایی بازاری متنوع از قالبهای گوناگون مضامین نو را چهره شعر فارسی پیرایه بستند .
اما دههی هشتاد،در جریان نوآوری ها با عنوان شعر پست مدرن توجه مخاطبان شعر فارسی را به خود جلب نمود. کارکردهای زبانی در غزل پست مدرن دههی هشتاد بر مبنای اندیشههای بزرگان تفکر پست مدرنیستی در جهان مورد تجزیه و تحلیل قرار خواهد گرفت. اشعار شاعران شاخص غزل سرای دهه هشتاد در پست مدرن و غیر پست مدرن را کنار هم آورده شده تا تفاوتهای چشمگیری که بین اینها بود آشکار شود.میتوان غزل این دهه را به دو گروه کاملاً مجزا تقسیم نمود. و نمیتوان مطالعه و تأثیرپذیری موسوی و اختصاری از نگرش پست مدرن را در تفاوت شعر این دو گروه نادیده گرفت.
ابهام مخل، مکانیسم تصویرگری غریب در هم ریختن ارکان زبان و ساختن جملاتی که از انتظام زبان میگریزند. شعر پست مدرن را به طرز متکلفانه ای مغلق کرده است گاه به قصد پارهای نرم شکنیها از کلمات غیر فارسی استفاده میکند.نطفه شعری او هم، قربانی همین پیچیدگی بیش از حد زبان است. خواننده چندان غرق در تصاویر تو در تو و کلمات مبهم می شود که کمتر میتواندبا شعر ارتباط عاطفی برقرار میکند.اگرچه این موارد همه در شعر پست مدرن وجود دارد ولی این موارد را مهدی زرقانی پیرامون شعر محمد حقوقی یادداشت نموده است در پی تلاشهایی برای دیگر گونه کردن شعر قبل از دهه هشتاد نیز وجود داشته است. کار رضا براهنی، محور گفتار سنت شکنی او و درافتادنش با تابوهای ادبی و فرهنگی، است و کمتر از جاذبه شعرش می شنویم. این موارد نیز در شعر پست مدرن بسیار پر رنگ تر دیده میشود. گفتن از مسائل جنسی، یکی از این تابوهای فرهنگی است.درباره اصول جریان شعری که به ظهور موج نو منجر شداظهار نظرها مختلفی شده است که از آن میان موارد ذیل قابل ذکرند :
«-این طرز مبنای رتوریک و جمال شناسیک استواری ندارد ( نقطه ضعف آن)
تأکید به کشف روابط میان پدیدهها مبتنی بر اصل تداعی آزاد .
علاقه به شیوههای تصویرگری سوررئالیستها
اصالت دادن به پیچیدگی بیش از حد و مبهم بودن زبان شعر
شکستن نرمها و هنجارهای نحوی زبان برای رسیدن به زبانی متفاوت
رها کردن شعر از قید هرگونه رسالت و تعهد بیرونی ( اجتماعی، اخلاقی، آموزشی و ...)
کم رنگ شدن شدید کفهی اندیشگی شعر و برجسته شدن چیزی که از آن به فرم تعبیر میشد ( عطف توجه شاعر از چه گفتن به چگونه گفتن).
تأکید فراوان بر فضاسازی به جای توصیف
تأکید بر فردگرایی به جای جامعه گرایی». (زرقانی، 1391: 415-414)
این ویژگیها کم یا زیاد در شعر مدرن دهه هشتاد دیده میشود پس تلاشهایی از پیش آغاز شده در این سطح اوج گرفت. آشنایی زدایی، شکستن ساختارهای نحوی زبان روزمره، توجه ویژه به عنصر خیال و استفاده فراوان از تصاویر ذهنی و انتزاعی، تمرکز بر روی زبان، پرهیز از معناسازی و محتوا نگری، از مشخصات اصلی شعر حجم است .اما در شعر پست مدرن برای اکثر این شاخصها میتوان مثال هایفراوانی را ذکر کرد. آیا این نشان دهنده ودگرگونههایی از تلاش برای رسیدن به یک نو و دیگرگونه بودن نیست؟در ذهن شعر دوستان یک جملهی کلیشهای قابل تأمل است که شعر خوب آن است که خواص بپسندند و عوام دریابند. آیا این ویژگی درباره شعر پست مدرن دهه هشتاد صدق میکند؟ آیا مخاطب خاص و عام از آن چیزی میفهمند و لذت میبرند یا نه؟
« نیما یوشیج یکی از کسانی بود که شعر فارسی را با تغییرات مدرنیته در ادبیات جهان به سمت هم شکلی کشاند. به نظر نیما، هر قاعده و سنتی در برابر این خواهش طبیعت که کلام گوینده باشد زانو به زمین زده و تابع شود ».( باباچاهی، 1376: 91)
تجدید و نوآوری در شعر دوره مشروطه، گرچه دارای پیش زمینههای اجتماعی است؛ اما در روند انقلابی خود غالباً با بینشی علمی همراه نیست . نوسان احساس و اندیشه در شعر این دوره میتواند ریشه در همین واقعیّت داشته باشد.شعر پیشتاز امروز، زبان را صرفاً حامل معنا و تصاویر زیبا و عبارات ارجاع پذیر نمیداند، بلکه در پی خلق زبانی است که بر پس زمینهای از سنت های زبانی، از سنتهای زبانی آشنایی زدایی میکند. این زبان تجربهای استفاده از اصوات، کشف رنگ برای صداها و سرپیچی از قواعد نحوی را پشت سرو نیز پیش رو دارد.
مشهورترین شاگردان نیما کوشیدند؛ نقص کارنیما را در قلمرو زبان با حفظ روانی جریان خلاقیت شعر که تداوم زمینههای عاطفی و معنایی شعر را نیز تضمین میکند مرتفع سازند. اخوان در بهترین شعرهای خود با استفاده گستردهتر از ظرفیتهای زبان شعر کهن در حوزهی صرف و نحو و واژگان بیاعتنایی به اطناب در بیان و شاملو با استفاده از ظرفیتها و ظرافت های شعر کهن و حذف وزن نیمایی که همه کاربرد آن زبان را برای او آسانتر ساخت و هم امکانات موسیقیایی زبان را بیشتر در اختیار او گذاشت. همه کوشیدند تا نقص کار نیما را در حوزهی زبان مرتفع سازند .شفیعی کدکنی بی آنکه وزن را حذف کند و با استفاده از زبان کهن و ظرفیتهای آن را چنان به کارگیرد که کهنگی زبان کلاسیک بر شعرش غلبه کند و توانسته است ضمن تحقّق این کار مهم حفظ روانی جریان خلاقیّت شعر، به زبانی استوار و زیبا دست بیابد.
اگرچه شاعر خلاق و شاعر پیشرو همواره جلوتر از زمان خویش در حرکت است شاهد تلاش برای آفرینش آثاری خلاقانه هستیم که میزان موفقیت این آثار باید در ترازوی طبع مخاطبان سنجیده شود هر شاعر خلاقی با رفتارها تازه با زبان شعر، پدیده ها را به سرچشمه ی هستی آن ها باز میگرداند.
2-4- زندگی نامه مختصر شاعران
الف: سید مهدی موسوی
سید مهدی موسوی زاده ی مهرماه 1355 در تهران است. از آثار او میتوان کتاب « فرشتهها خودکشی کردند» را نام برد که به صورت زیر زمینی در سال 1381 به چاپ رسیده است. او هم چنین در زمینههای نقد، داستان و سینما به فعالیت مشغول است و آثار و پروژه - ریسرچهایش در تعدادی از نشریات به منتشر شده است. یکی از فعالیّتهای مهّم او ایجاد کارگاههای شعر و داستان در شهرهای مختلف ایران نظیر کرج، تهران، شاهرود، مشهد و ... در طی سال های 1376 تا 1388 بوده است. از شاگردان او میتوان به فاطمه اختصاری، محسن عاصی، محمد حسین مقدم، الهام میزبان، مونا زنده دل، آناهیتا اوستایی و حامد دارابی اشاره نمود.کارگاه های او پس از دستگیری اش در سال 1389 تعطیل شد. در سال های 1386 و 1387 سردبیری نشریه « همین فردا بود » نشریه تخصصی غزل پست مدرن را به عهده داشت که پس از انتخابات مجوز آن لغو شد.او فارغ التحصیل دکترای دارو سازی است. از آثار او که بسیار کم یاب و گاه نایاب هستند میتوان این آثار را برشمرد:
پر از ستارهام.. 1376
فرشتهها خودکشی کردند- 1381
اینها را فقط به خاطر شما چاپ می کنم- 1384
پرنده کوچولو؛ نه پرنده بود نه کوچولو- 1389
آموزش مقدماتی وزن به زبان ساده- 1390 ( چاپ الکترونیک )
- حتی پلاک خانه را- 1391 ( شعر جنگ )
- مردی که نرفته است بر می گردد ( رباعی های سید مهدی موسوی به روایت عکس های محمد صادق یار حمیدی )- 1391
- غذاش بادمجان است- نشر ناکجا ( پاریس )
- جستاری در غزل امروز- ( 20 صفحه – چاپ الکترونیک )
جریان «غزل پست مدرن » و شعرهای موسوی در بین اساتید ادبیات طرفداران و مخالفانی دارد. افرادی نظیر محمد علی بهمنی از حامیان این جریان و بعضی دیگر مانند علی باباچاهی از مخالفان آنمیباشند. برگزاری « جشنواره غزل پست مدرن » که با حمایت و نظارت موسوی صورت گرفت در سال 1386 بازتابهای مثبت و منفی در رسانه های مختلف داشت. بسیاری از آثار برگزیده این جشنواره بعدها به صورت زیرزمینی در مجموعه ای تحت عنوان « گریه روی شانه های تخم مرغ » منتشر شد. در سال 1389 وبلاگ او با نام « غزل پست مدرن » ابتدا فیلتر و سپس با حکم قضایی مسدود شد. بعد از چند مرحله فیلترینگ موسوی بالاخره در آدرسی جدید وبلاگی با همین نام ایجاد کرد.
یکی از شعرهای مجموعهی « پرنده کوچولو؛ نه پرنده بود! نه کوچولو !» در سال 1389 توسط شاهین نجفی به نام « شاعر تمام شده » به صورت موزیک اجرا شد. که این همکاری بعدها با انتشار آلبوم « هیچ هیچ هیچ» توسط شاهین نجفی و خوانده شدن آثاری نظیر « ممیز صفر »، « بعد از تو » و « ناگهان » ادامه یافت. ترانه های دیگری از او نیز توسط خوانندگانی نظیرِ یاسین صفاتیان، نوید درزی، خروج باند و ... اجرا شده است.در بهار 91 پروژه - ریسرچای در هفته نامه باران در حمایت از غزل پست مدرن به چاپ رسید که در آن به بررسی رابطه جریان پست مدرن و موسیقی زیر زمینی ایران پرداختند و با اتصال هر دو جریان به جنبش دانشجویی کشور منجر به اعتراضات گسترده رسانههای اصول گرا شدند. در این پروژه - ریسرچبا حمایت گسترده از سبک نگارش سید مهدی موسوی از او به عنوان پدر غزل مدرن در تابستان 91 باشگاه خبرنگاران جوان ( متعلق به صدا و سیما ) و رسانههای اصول گرا مطلبی تحت عنوان « مهدی موسوی چه کسی است و چگونه به خواننده مرتد کمک میرساند » علیه او منتشر کردند که منجر به فیلترینگ دوباره ی وبلاگ، انسداد سایت شخصی و دستگیری مجدد « مهدی موسوی » شد. در این پروژه - ریسرچ، این شاعر، پدر خواندهی حلقهی « ما شریم» نامیده شده و به همراه انتشار عکس های خصوصی او، از نهادهای امنیتی و انتظامی برای دستگیری او درخواست شده بود.

ب: فاطمه اختصاری
فاطمه اختصاری زادهی سال 1365 در کاشمر و فارغ التحصیل رشتهی مامایی است. سردبیری نشریهی تخصصی غزل پست مدرن همین فردا در سال های 1385 تا 1388 از فعالیتهای ادبی اوست. از دیگر فعالیتهای او حضور در آلبوم جدید « شاهین نجفی » به عنوان شاعر و ترانه سرا به همراه سید مهدی موسوی، افشین مقدم و یغما گلرویی است. کارگاه های شعر او در تهران در سال 1391 با انتشار خبری در باشگاه خبرنگاران جوان و انتشار در خبرگزاری ها و سایت های اصول گرا تعطیل شد. با فاطمه اختصاری مصاحبه هایی در روزنامه های شهر آرا، رادیو زمانه و خبرگزاری کتاب ( اینبا ) انجام شده است. حضور او در سال 1391در ورزشگاه آزادی با لباس مبدّل در بازی ایران- کره جنوبی جنجالی به پا کرد. باشگاه خبرنگاران جوان کار او را تقبیح کرد. فاطمه اختصاری و مهدی موسوی دو شاعر شاخص غزل پست مدرن در روز سه شنبه سوم دی دماه سال 92 از سوی مأموران امنیتی بازداشت شدند.شاخص ترین اثر فاطمه اختصاری « یک بحث فمینیستی قبل از پختن سیب زمینیها » است که نشر سخن گستر در سال 1388 آن را به چاپ رسانید.
ج: مهدی فرجی
مهدی فرجی متولد 9 بهمن 1355 در تهران است. وی تحصیلات خود را در کاشان گذرانید. در سال 75 برای اوّلین بار آثارش به طور جدی در مطبوعات منتشر شدند. فرجی نخستین کتاب خود را در سال 79 روانه بازار نشر کرد. در همان سال در کنگره شعر و قصه جوان کشور در هرمزگان برگزیده شد.او شاعری پر کار در عرصهی غزل دهه ی هشتاد است که منتقدین شکل غزل او را « غزل نیمایی » میدانند. او را میتوان از جمله شاعران جوانی دانست که شعرش در پایان دههی هفتاد شکل گرفت. فعالیت ادبی او در آغاز دههی هشتاد به سرعت پیشرفت کرد و توانست خود را به عنوان یکی از شاعران موفق دههی هشتاد به ثبت برساند. به عقیدهی بسیاری بعد از حسین منزوی ( پدر غزل نیمایی ) او یکی از بزرگ ترین غزل سرایان معاصر ایران است.از ویژگیهای شعر او عاشقانگی، برخورداری شاعر از گنجینههای ادبی عظیم گذشتگان ادب فارسی را برشمرد که در بین شاعران جوان بسیار کم دیده میشود. تجربی و عینی بودن فضاها و توصیفهای شاعر و تلفیق آن با فضاها و زبان روز است. او از جشنواره های ادبی فراوانی جایزه گرفته است که برخی از آن ها عبارتند از:
برنده سیمرغ بلورین جشنواره بین المللی شعر فجر ( 86)
نفر سوم سومین جشنواره بین المللی شعر فجر ( 87)
مقام اول جشنواره سراسری شعر جوان کشور ( زیر آسمان الوند ) ( 82)
مقام اول جشنواره سراسری شعر ایران ما ( 84)
مقام اول جشنواره شعر خلیج فارس ( 84)
آثار
هزار اسم قلم خورده / نشر مرنجاب / 1379
و چشم های تو باران/ انتشارات مرسل / 1381( چاپ دوم )
روسری باد را تکان می داد / انتشارات مرسل / 1382
ای تو راز روزهای انتظار/ نشر صبح روشن / 1382
زیر چتر تو باران میآید / انتشارات شانی / 1386 ( چاپ سوم )
شعر بی شعر / نشر تکا / 1386 ( چاپ سوم )
میخانه بیخواب / انتشارات فصل پنجم / 1387 ( چاپ چهارم )
منم که میگذری/ نشر فصل پنجم / 1391
د: فاضل نظری
ابوفاضل نظری متخلص به فاضل نظری در سال 1358 در شهر خمین واقع در استان مرکزی متولد شد. تحصیلات اولیه خود را در شهر خمین و خوانسار گذرانده است. برای ادامهی تحصیل در رشتههای معارف اسلامی و مدیریت در دانشگاه امام صادق (ع) به تهران آمد. تحصیلات خود را در مقطع دکترای رشته مدیریت تولید و عملیات در دانشگاه شهید بهشتی ادامه داد. دبیری جشنواره بین المللی فیلم صد، دبیری علمی جشنواره بین المللی شعر فجر و عضویت در شورای علمی ادبیات انقلاب اسلامی فرهنگستان زبان و ادب بعضی از عناوین ادبی و هنری و علمی او است. تا کنون از این شاعر چهار مجموعه شعریِ گریههای امپراتور، اقلیّت، آن ها و ضد که انتشارات سوره مهر آن را به چاپ رساندهاست. هر کدام از این مجموعه ها به دلیل استقبال فراوان مخاطبان گاه تا سی نوبت تجدید چاپ شده اند. سه مجموعه اول در یک دسته بندی مجزا تحت عنوان سه گانه ی فاضل نظری از طرف همان انتشارات نیز ارائه شده است. نظری علاوه بر ریاست حوزه هنری اسناد تهران، عضو شورای عالی شعر مرکز موسیقی و سرود نیز بوده است. ایشان در دانشگاه نیز تدریس میکند. از او به عنوان شاعر جریان ساز در دههی هشتاد و هم چنین پر مخاطبترین شاعر به انتخاب مردم تجلیل به عمل آمده داست. برخی آثار او، در کشورهای فارسی زبان منتشر شده است. هم چنین گزیدهی اشعار وی در سال نود و در دو قطع رقعی و جیبی به همراه مقدمه ای درباره غزل به قلم او در انتشارات مروارید منتشر شده است.
هـ: سید احمد حسینی
مخاطبان شعر نام او را با دو مجموعه شعر « سارایسیم » و « چسبی به نام زخم » میشناسند.
شاعری که به گفتهی خودش:
من خودم را به امانت به غزل بخشیدم تا که از رود سپید تو سرازیر شدم
متأسفانه در هیچ کجا دربارهی زندگی این شاعر مطلبی یافت نشد.

فصل سوم:
کارکرد آوایی در غزل پست مدرن

3-1-در آمدی بر کارکرد آوایی
« پست مدرنیسمها بر « اهمیت گستره های زبان و واژه » تأکید دارند و متن را « پهنه ی بازیهای بی شمار میدانند » به اعتقاد آنان : « متن از معنا شدن میگریزد و به یاری تأویلهای مخاطبان متن، معناهای تازهای آفریده میشود . از طرفی نیز [ آنها ] در پی زبانی هستند که متکی به واژگان و فقط واژگان باشد. پست مدرنیستها تا آن جا پیش می روند که میگویند: « هر نوشتهای به هر شکل زندگی نامههای خود نویسنده است ». آن ها گرچه زبان را در زندگی روزمره وسیلهی ارتباط میدانند اما در عالم هنر و ادبیات معتقدند که: « زبان ابزاری موقتی نیست . چیزی کارآ اما فرعی نیست، بل کمال خود را در تجربهای منحصر به فرد مییابد این تلقی از زبان، مؤلف را اختراعی که دیگر سودی ندارد، میپندارد و متن را آغاز خواندن میدانند. هر متن در جریان خواندن شالوده شکنی میشود ». (باباچاهی، 1376 :372)

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

3-1- 1-واج آرایی
موسوی اینگونه تحلیل می کند که اتفاق در زبان شاهد مشهورترین ویژگی غزل پست مدرن نزد مخاطب باشد . این عنوان کلی را باید زیر عنوانهای مختلف بررسی کرد؛ به طور مثال گونهای از اتفاق ها شامل حروف میشوند، یعنی واج آرایی. چیزی که در گذشتهی ما نیز به عنوان یک صنعت و برای خلق زیبایی نه به عنوان راهکاری اجتناب ناپذیر مورد توجه قرار گرفته است. غزلسرای امروز روانشناسی را با شعر می آمیزد؛ آن گاه به تأثیر گذاری مختلف حروف و انتقال حس های مختلف توسط آن توجه ویژه ای مبذول داشته و برای میزان به کارگیری هر حرف در هر قسمت از غزل توجیه منطقی دارد . این مسأله حتی در استفاده از صداهای کوتاه و بلند و طول کلمات به چشم می خورد.
گاهی این اتفاق از سطح حروف فراتر رفته و به سطحی به نام « کلمه » میرسد. در این سطح مورد دیگری که باید به آن توجه کرد، استفاده از کلمات مترادف، اما دارای بار روانی متفاوت در شعر امروز است. در غزل پست مدرن دیگر مجاز نیستیم که به خاطر وزن و قافیه از واژههای مترادف به جا یکدیگر استفاده کنیم، زیرا هر کلمه برای مخاطب دارای حسی ویژه و نوستالژی حاکم بر ذهن متفاوت است.
تکرار یک واج خاص از نظر روحی روانی تداعیگر یک حالت خاص درونی است:
- یک هیچ، یک آتشفشان سرد، یک برده
در آینه یک سایه میبینم که کز کرده
( موسوی، 1389: 144)
- آه! یک روز همین آه تو را می گیرد گاه یک کوه به یک کاه به هم می ریزد
( نظری،1388: 17)
- و مادرم به خودش گفت گاو زاییدم و گاه من که بگاگاه گاو هی پُر
( موسوی، 1389: 26 )
الف: واج آرایی با «د» و « ر » یا هر دو :
- غولی که آخر توی فصلی سرد خواهد مرد یا از تو یا از شدّت سردرد خواد مرد
(همان: 117)
- از زن، پروژه - ریسرچ، درد، خبر، روزنامه، درد در فتح قلهی حتماً رفیع مرد!!
( همان:187)
- درد بی دردیام به دردم خورد خاطرات تو دفن شد در خاک
(همان:74)
ب: واج آرایی با « ق» و « غ »
- از عشق دارم درد و از چشمان او غم قایم شدم در پشت « تو» فیش حقوقم را
(همان: 116)
ج: واج آرایی با « ت »
- تویی که تکّه تکّه که « تن» که « ما» که ... تویی !
تو که نمی دانم پاره ی کدام تنی
(همان: 227)
د: واج آرایی با حرف « ز »
- مزّهی موزّ روی میزم بود [ « میم» کوچک خلاصه شد در « ز» ]
(موسوی، 1389: 44)
هـ: واج آرایی در حرف « م »
- من چه در و هم وجودم چه عدم دلتنگم از عدم تا به وجود آمدهام دلتنگم
(نظری، 1386: 23)
و: واج آرایی در حرف « س و ش »
- با عشق و مرگ و فلسفه و فریاد با خون و اشک و وسوسه و پوچی
یک قصّه ساخته است مگر شاید ساکت کند دل نگرانش را
(موسوی، 1389: 86)
- شمع وقتی داستانم را شنید آتش گرفت شرح حالم را اگر نشنید باشی راحت
(نظری، 1388: 49)
- همچنان وعدهی بخشایش شاهنشاهیش میکشد گم شدگان را به زیارتگاهش
(نظری، 1386: 83)
- دارم یواش می روم از هوش یا به هوش میآیم از جسارت یک استکان به جوش
(همان: 285)
- از وعدهی همیشگی دوزخ و بهشت از شیشهی شکسته شده بعد « آس خشت »
( همان :188)
ز: واج آرایی با حرف « ب »

—d1937

1-6- پیلهای سوختی الکلی مستقیم9
1-7- سوختهای مورد استفاده در پیلهای سوختی الکلی10
1-7-1- متانول بهعنوان سوخت10
1-7-1-1- پیل سوختی متانول مستقیم11
1-7-2- 2-پروپانول15
1-7-2-1- پیل سوختی 2-پروپانولی مستقیم15
1-7-3- پروپیلنگلیکول16
1-7-3-1- پیل سوختی 1و2-پروپاندیال مستقیم16
1-8- کاتالیست مورد استفاده در آند پیلهای سوختی17
1-8-1- بهبود کاتالیست پلاتین با استفاده از بسترهای مختلف18
1-8-1-1- کربن بلک19
1-9- مطالعه اکسیداسیون الکلها روی الکتروکاتالیستهای بر پایه پلاتین20
1-9-1- سینیتیک واکنش اکسیداسیون متانول در DMFC21
1-9-2- مکانیسم اکسایش متانول22
1-9-2- اکسیداسیون 2-پروپانول و پروپیلنگلیکول روی الکتروکاتالیستهای برپایه پلاتین23
1-10- اهداف پروژه29
فصل دوم مبانی نظری
2-1- مقدمه31
2-2- تکنیکهای مورد استفاده31
2-3- ولتامتری32
2-3-1- ولتامتری با روبش خطی پتانسیل32
2-3-2- ولتامتری چرخه‏ای32
2-3-3- عوامل موثر در واکنشهای الکترودی در حین ولتامتری چرخهای33
2-3-4- نحوه عمل در ولتامتری چرخهای34
2-4- نمودارهای تافل35
2-5- روش طیف‏نگاری امپدانس الکتروشیمیایی36
2-6- مشخصهیابی سطح الکترود48
2-6-1- SEM38
2-6-2- EDS39
فصل سوم: بخش تجربی
3-1- مواد شیمیایی41
3-2- دستگاه‌های مورد استفاده41
3-3- الکترودهای بهکار گرفته شده در روشهای ولتامتری44
3-4- تهیه کاتالیست پلاتین/کربن44
3-5-تهیه جوهر کاتالیست44
3-6- آمادهسازی الکترود کربنشیشه45
فصل چهارم: بحث و نتیجهگیری
4-1- کلیات47
4-2- بررسی ریختشناسی و تجزیه عنصری47
4-3- ولتامتری چرخهایPt/C در محلول قلیایی49
4-4- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست Pt/Cدر محلول بازی متانول51
4-4-1- بررسی ولتاموگرام چرخهای الکترود Pt/C/GC در محلول بازی متانول51
4-4-2- بررسی منحنی‌های EIS و کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در اکسایش متانول53
4-5- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست Pt/Cدر محلول قلیایی 2-پروپانول56
4-5-1- بررسی ولتاموگرام چرخه‌ای الکترود Pt/C در اکسیداسیون 2-پروپانول56
4-5-2- بررسی منحنی‌های نایکوئیست و کرونوآمپرومتری کاتالیست Pt/C در اکسایش 2-پروپانول59
4-6- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست Pt/Cدر اکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال60
4-6-1- ولتامتری چرخه‌ای الکترود Pt/C/GC در محلول قلیایی 1و2-پروپان‌دی‌ال60
4-6-2-بررسی پایداری Pt/C اکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال62
4-7- بررسی عملکرد کاتالیست پلاتین/کربن در اکسیداسیون سوخت‌های مختلف64
4-7-1- بررسی و مقایسه ولتاموگرام‌های چرخه‌ای الکترود Pt/C/GC در اکسیداسیون متانول، 2-پروپانول و 1و2-پروپان‌دی‌ال در محیط قلیایی65
4-7-2- مقایسه و بررسی نمودارهای ولتامتری روبش خطی Pt/C در اکسیداسیون الکلهای مختلف67
4-7-3- مقایسه و بررسی نمودارهای تافل کاتالیست Pt/C در اکسیداسیون الکل‌ها68
4-7-4- بررسی نمودارهای کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GCدر اکسیداسیون الکل‌های مختلف69
4-7-5- مطالعات اسپکتروسکوپی امپدانس الکتروشیمیایی الکترود Pt/C/GCدر اکسیداسیون الکل‌های مختلف72
4-8-نتیجه گیری75
4-9-پیشنهادات76
4-10-منابع77
چکیده انگلیسی

فهرست اشکال
عنوان صفحه
شکل1-1- مقایسه تبدیلات انرژی در فرایند تولید انرژی از سوخت‌های فسیلی با روند تولید انرژی در پیل‌های سوختی3
شکل1-2- پیل سوختی اولیه ساخته شده توسط ویلیام گرو5
شکل1-3 منابع تأمین کننده هیدروژن و تقاضاهای استفاده از هیدروژن6
شکل1-4- کاربردهایی از پیل سوختی در سیستم حمل و نقل دریایی، زمینی، وسایل پرتابل و مصارف نیروگاهی6
شکل1-5- نحوه‌ی عملکرد پیل سوختی پلیمری9
شکل-1-6- نحوه‌ی عملکرد پیل سوختی متانولی مستقیم12
شکل1-7- مکانیسم اکسایش متانول و انواع حدواسطهای تولیدی21
شکل1-8- مکانیسم اکسیدسیون اتیلنگلیکول و گلیسرول روی الکتروکاتالیستهای فلزی24
شکل1-9- مکانیسم واکنش اکسیداسیون 2-پروپانول25
شکل1-10- مکانیسم پیشنهادی برای اکسیدسیون 1،2-پروپاندیال28
شکل1-11- شکل شماتیک مکانیسم اکسیدسیون 1و2-پروپاندیال در محیط قلیایی29
شکل2-1- مسیر کلی واکنش الکترودی34
شکل2-2- سیگنال تهییجی برای ولتامتری چرخه ای یک موج پتانسیلی با فرم مثلثی35
شکل2-3- تصویر شماتیک از نحوهی عملکردSEM 39
شکل3-1- شمای کلی دستگاه اندازه گیری الکتروشیمیایی43
شکل3-2. شمای کلی تهیه جوهر کاتالیست Pt/C45
شکل3-3- ولتاموگرام چرخه‌ای الکترود کربن شیشه‌ای در 20 میلی‌لیتر محلول یک مولار متانول و یک مولار KOH در دمای اتاق با سرعت روبش 50 میلی ولت بر ثانیه46
شکل4-1- طیف EDS از پلاتین/کربن. ضمیمه: دادههای تجزیه عنصری حاصل48
شکل4-2- تصاویر SEM از سطح پلاتین/کربن با بزرگ‌نماییهای متفاوت50
شکل4-3- نمودار ولتامتری چرخهای الکترود Pt/C در محلولKOH 1 مولار با سرعت روبش 50 میلی ولت بر ثانیه51
شکل4-4- ولتاموگرام چرخهای کاتالیست Pt/C در محلول 1 مولار متانول و 1 مولار KOH با سرعت روبش 50 میلیولت بر ثانیه53
شکل4-5- مکانیسم کلی اکسایش متانول توسط کاتالیست Pt/C54
شکل4-6- نمودار نایکویست الکترود Pt/C/GCدر محلول 1 مولار متانول و 1 مولار KOH در پتانسیل 4/0- ولت قبل و بعد از گرفتن CV بعد از 100 چرخه با دامنه پتانسیل 10 میلیولت55
شکل4-7- نمودار کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در محلول 1 مولار متانول و 1 مولار KOH 56
شکل4-8- ولتاموگرام چرخه‌ای الکترود Pt/C/GC در محلول 1 مولار 2-پروپانول و 1 مولار KOH با سرعت روبش 50 میلی‌‌ولت بر ثانیه57
شکل4-9- ولتاموگرام‌های چرخهای کاتالیست Pt/C در محلول 1 مولار 2-پروپانول و 1 مولار KOH با سرعت روبش 50 میلی ولت بر ثانیه در 100 چرخه59
شکل4-10- منحنی‌های نایکوئیست اکسیداسیون 2-پروپانول روی الکترود Pt/C/GCقبل و بعد از گرفتن CV بعد از 100 چرخه60
شکل4-11- نمودار کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در محلول 1 مولار 2-پروپانول و 1 مولار KOH در پتانسیل 0.4- ولت64
شکل4-12- منحنی ولتاموگرام چرخه‌ای الکترود Pt/C/GC در الکترواکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال با سرعت روبش 50 میلی‌ولت بر ثانیه در محلول یک مولار 1و2-پروپان‌دی‌ال و یک مولار KOH62
شکل4-13- ولتاموگرام چرخهای الکترود Pt/C/GC در محلول 1 مولار 1و2-پروپان‌دی‌ال و 1 مولار KOH با سرعت روبش 50 میلیولت بر ثانیه در 100 چرخه64
شکل4-14 منحنیهای نایکوئیست اکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال در پتانسیل 0.4- ولت قبل و بعد از گرفتن CV65
شکل4-15- منحنیهای کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در اکسیداسیون قلیایی 1و2-پروپان‌دی‌ال در پتانسیل 0.4- ولت65
شکل4-16- ولتاموگرام‌های چرخه‌ای مربوط به اکسیداسیون الکلها روی Pt/C در محلول 1مولار الکل و 1مولار KOH با سرعت روبش 50 میلی ولت بر ثانیه67
شکل4-17- الف. مقایسه بین پتانسیل آغازی و ب. دانسیته جریان اکسیداسیون الکلهای مختلف روی الکترود Pt/C/GC67
شکل4-18- منحنی‌های ولتامتری روبش خطی کاتالیست Pt/C در محلول یک مولار الکل و 1 مولار KOH در دمای اتاق با سرعت روبش یک میلی ولت بر ثانیه69
شکل4-19- منحنی تافل برای محاسبه مقدار ضریب انتقال () مربوط به روبش رفت اکسیداسیون متانول، 2-پروپانول و 1و2-پروپان‌دی‌ال با سرعت روبش 1 میلی ولت بر ثانیه70
شکل4-20- بررسی نمودار کرونوآمپرومتری کاتالیست Pt/C در اکسیداسیون الکل 1 مولار و KOH 1 مولار در پتانسیل 0.4- ولت71
شکل4-21- نمودار جریان بر حسب t-1/2 برای به‌دست آوردن ضریب نفوذ در اکسیداسیون الکل 1 مولار و KOH 1 مولار73
شکل 4-22- نمودار امپدانس الکتروشیمیایی الکترود Pt/C/GC در اکسیداسیون الکل‌های مختلف قبل و بعد از گرفتن CV در 100 چرخه در پتانسیل 0.4- ولت75
شکل 4-23- مدار معادل با دیاگرام‌های نایکوئیست76

فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول1-1- معایب و مزایای سوختهای مورد استفاده در پیلهای سوختی17
جدول3-1- مشخصات مواد شیمیایی41
جدول4-1- مقایسه پارامترهای الکتروشیمیایی در اکسیداسیون بازی الکل 1 مولار + KOH 1 مولار روی کاتالیست Pt/C68
جدول 4-2- شیب‌های تافل و ضرایب انتقال الکترون به دست آمده از فعالیت الکتروکاتالیست Pt/C در محلول‌های مختلف70
جدول 4-3- دانسیته جریان نهایی (jf) و اولیه (ji) حاصل از اکسایش الکل‌های متانول، 2-پروپانول و 1و2-پروپان‌دی‌ال توسط Pt/C و نسبت ji/jf72
فهرست علائم و اختصارات
معادل فارسی معادل انگلیسی علائم و اختصارت

MMolarمولار
SSecondثانیه
PtPlatinumپلاتین
µAMicroamper میکروآمپر
CConcentrationغلظت
jCurrent densityچگالی جریان
mv s-1 Milivolt per secondمیلیولت بر ثانیه
U Potential sweep rateسرعت روبش پتانسیل
cvCyclic Voltametryولتامتری چرخهای
SEMScsnning electron microscopyمیکروسکوپی الکترون روبشی
EDSEnergy dispersive spectroscopyطیفبینی پراکنش انرژی
nNumber of exchanged electronتعداد الکنرونهای مبادله شده
c Capacitor خازن
DMFC Direct Methonol fuel cell پیل سوختی متانولی مستقیم
DAFCSDirect Alcohol Fuel cellsپیل سوختی الکلی مستقیم

فصل اول
مقدمه

center16861000
فصل اول: مقدمهای بر پیلهای سوختی
مقدمه
امروزه در استفاده از سوخت‌های فسیلی که 80 درصد انرژی زمین را تأمین می‌کنند دو مشکل اساسی وجود دارد. اول اینکه ذخایر این سوخت‌ها محدود است و دیر یا زود تمام خواهند شد. دوم اینکه سوخت‌های فسیلی از عوامل اساسی ایجاد مشکلات زیست محیطی مثل گرم شدن کره زمین، تغییرات آب و هوایی، ذوب کوه‌های یخی، بالا آمدن سطح دریاها، باران‌های اسیدی، از بین رفتن لایه ازن و ... هستند [1].
در اوایل سال 1970 استفاده از انرژی هیدروژن برای حل مشکلات ناشی از مصرف سوخت‌های فسیلی پیشنهاد شد. هیدروژن یک منبع انرژی عالی با ویژگی‌های فراوان است. هیدروژن سبک‌ترین، تمیزترین و پربازده‌ترین سوخت بهحساب میآید. یکی از ویژگی‌های هیدروژن این است که طی فرآیندهای الکتروشیمیایی در پیلهای سوختی می‌تواند به انرژی الکتریکی تبدیل شود. قابل ذکر است بازده چنین تبدیلی در پیل سوختی بالاتر از راندمان یک موتور احتراق داخلی است که انرژی سوخت فسیلی را به انرژی مکانیکی تبدیل میکند. علاوه بر این سوخت، سوخت‌های دیگری نیز همچون الکل‌ها بهخصوص متانول و اتانول بهدلیل چگالی بالای انرژی و آسانی ذخیره‌سازی و حمل آنها نیز مورد توجه قرار گرفته‌اند.
1-2- پیل سوختی چیست؟
پیل سوختی یک وسیله الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی سوخت را بهطور مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل میکند. معمولاً فرآیند تولید انرژی الکتریکی از سوخت‌های فسیلی شامل چند مرحله تبدیل انرژی است :
احتراق که انرژی شیمیایی سوخت را به گرما تبدیل میکند.
گرمای تولید شده برای به‌جوش آوردن آب و تولید بخار استفاده میشود.
بخار، توربینی را به حرکت در می آورد و در این فرآیند انرژی گرمایی به انرژی مکانیکی تبدیل میشود.
انرژی مکانیکی باعث راهاندازی یک ژنراتور و در نتیجه تولید انرژی الکتریکی میشود.
در یک پیل سوختی برای تولید انرژی الکتریکی نیازی به عمل احتراق نیست و هیچ بخش متحرکی مورد استفاده قرار نمی‌گیرد، بهعبارت دیگر بهجای سه مرحله تبدیل انرژی، در یک مرحله انرژی الکتریکی تولید می‌شود (شکل1-1).
موتور احتراق داخلی
154305201930انرژی شیمیایی
انرژی الکتریکی
انرژی مکانیکی
انرژی حرارتی
00انرژی شیمیایی
انرژی الکتریکی
انرژی مکانیکی
انرژی حرارتی

پیل سوختی

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

1186180120650انرژی شیمیایی
انرژی الکتریکی
00انرژی شیمیایی
انرژی الکتریکی

شکل 1-1- مقایسه تبدیلات انرژی در فرایند تولید انرژی از سوخت‌های فسیلی با روند تولید انرژی در پیل‌های سوختی.
نکته مهم دیگر که به آن می‌توان اشاره داشت این است که این پیل‌ها موتورهای الکتروشیمیایی هستند نه موتور گرمایی و بههمین دلیل تابع محدودیت سیکل کارنو نبوده و لذا بازده آنها بالا می‌باشد.
مزایای فناوری پیل سوختی عبارتند از:
آلودگی بسیار پایین و در حد صفر.
پیلهای سوختی که با هیدروژن کار میکنند آلودگی در حد صفر دارند و تنها خروجی آنها هوای اضافی و آب می‌باشد. این ویژگی نیز باعث شده پیل‌های سوختی نه تنها برای حمل و نقل مورد توجه قرار گیرند بلکه برای کاربردهای خانگی و نظامی نیز مورد استفاده قرار گیرند. اگر پیل سوختی از سوخت دیگری برای تولید هیدروژن مورد نیاز خود استفاده کند یا اگر متانول را جایگزین هیدروژن در پیل سوختی کنیم آلودگی‌هایی از جمله دیاکسید‌کربن تولید میشود، ولی مقدار این آلودگیها کمتر از آلودگیهایی است که وسایل معمول تولید انرژی بهوجود میآورند.
وابستگی کمتر به نفت.
هرچند هیدروژن به سادگی در دسترس نیست ولی میتوان آن را از الکترولیز آب یا سوختهای هیدروکربنی بهدست آورد.
عدم وجود بخشهای متحرک و طول عمر بالا.
از آنجایی که پیل سوختی هیچ بخش متحرکی ندارد از نظر تئوری در شرایط ایدهآل طول عمر یک پیل سوختی تا زمانی که سوخت به آن میرسد می‌تواند بی‌نهایت باشد.
وزن و اندازه.
پیل‌های سوختی در ظرفیتهای متفاوتی ساخته میشود (از میکرووات تا مگاوات) که باعث میشود برای کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار گیرند.
آلودگی صوتی بسیار پایین.
راندمان بالا نسبت به فناوری‌های دیگر [2].
1-3- تاریخچه
در سال 1839 ویلیام گرو فیزیکدان و روزنامه نگار انگلیسی اصول کار پیل سوختی را کشف کرد (شکل 1-2). گرو، چهار پیل بزرگ که هر کدام دارای ظرفی محتوی هیدروژن و اکسیژن بودند را برای تولید الکتریسیته بهکار برد. الکتریسیته حاصل آب را در یک ظرف کوچک‌تر به اکسیژن و هیدروژن تبدیل می‌‌‎کرد [1].

1729740-49784000
شکل1 -2- پیل سوختی اولیه ساخته شده [1].
اما سابقه تولید پیل سوختی به سال 1889 بر میگردد که اولین پیل سوختی توسط لودویک مند و چارلز لنجر ساخته شد. در اوایل قرن بیستم تلاشهایی در جهت توسعه پیل سوختی صورت گرفت. در سال 1995 پیل سوختی قلیایی پنج کیلوواتی ساخته شد.
از سال 1960 سازمان فضایی آمریکا (ناسا) از پیلهای مزبور در سفینههای جیمینی و آپولو جهت تولید الکتریسیته و تهیه آب مورد نیاز فضانوردان استفاده کرد. در طی دهه هفتاد فنآوری پیل سوختی در وسایل خانگی و خودرو بهکار گرفته شد. اولین خودروی مجهز به پیل سوختی حدود سال 1970 توسط شرکت جنرال موتورز آمریکا ساخته شد. با سرمایهگذاری جدی وزارت انرژی آمریکا از زمان جنگ خلیج فارس و نیز سرمایه گذاری بعدی این وزارتخانه فنآوری پیل سوختی توسعه چشمگیری پیدا کرده است.
از دهه هشتاد به بعد شرکت بالارد در کانادا تحت حمایت دولت با انجام پروژه ساخت زیردریایی که در آن از پیل سوختی استفاده میشد بهعنوان پیشرو این صنعت در دنیا معرفی شد.
هواپیمای پیل سوختی ناسا در سال 2000 میلادی با نیروی محرکه دوگانه باتری خورشیدی و پیل سوختی مورد بهرهبرداری قرار گرفت که توان پرواز طولانی (شش ماه) بدون وقفه را دارد.
پیشرفت‌های بعدی همه در جهت بهینه کردن هر چه بیشتر این پیل‌ها و افزایش بازده کارآیی آنها میباشد تا این پیلها را به شکل یک محصول تجاری در دسترس تبدیل کنند [2].
1-4-کاربردهای پیل سوختی
در شکل (1-3) منابع تأمین کننده هیدروژن و تقاضاهای مورد استفاده از هیدروژن و سهم هر یک به صورت شماتیک رسم شده است.
10668046990
شکل 1-3- منابع تأمین کننده هیدروژن و تقاضاهای استفاده از هیدروژن [3].
همان‌طوریکه در شکل 1-4 مشخص است، می‌توان کاربردهای پیل سوختی را به سه بخش کاربرد وسایل قابل حمل، کاربرد در بخش حمل و نقل و وسایل متحرک و کاربردهای نیروگاهی تقسیم نمود.

شکل 1-4- کاربردهایی از پیل سوختی در سیستم حمل و نقل دریایی، زمینی، وسایل پرتابل و مصارف نیروگاهی [3].
1-5- انواع پیل سوختی
پیل‌های سوختی بر اساس نوع الکترولیت استفاده شده در آنها به پنج نوع اصلی زیر طبقهبندی می‌شوند [4]:
پیل سوختی پلیمری با غشاء مبادله کننده پروتون
پیل سوختی قلیایی
پیل سوختی اسیدفسفریک
پیل سوختی کربنات مذاب
پیل سوختی اکسید جامد
پیل‌های سوختی دارای دامنه دمایی از 80 درجه سانتی‌گراد برای پیل سوختی پلیمری تا بیش از 1000 درجه سانتی‌گراد برای پیل سوختی اکسید جامد می‌باشند. پیل سوختی دما پایین (پلیمری ، قلیایی، اسید فسفریک) دارای حامل‌هایH+ و یا OH- هستند و در پیل‌های سوختی دما بالا مانند کربنات مذاب و اکسید جامد، جریان الکتریکی بهترتیب از طریق یون‌ها انتقال می‌یابد.
1-5-1- پیل سوختی پلیمری با غشاء مبادله کننده پروتون
قبل از اختراع پیل سوختی پلیمری، پیل‌های سوختی مانند پیل‌های سوختی اکسید جامد تنها در شرایط خاصی مورد استفاده قرار گرفتند. چنین پیل‌هایی به مواد بسیار گرانقیمت احتیاج داشتند و بهدلیل اندازه خاصشان تنها برای کارهای ثابت بهکار برده می‌شدند. این موارد در پیل سوختی پلیمری نیز بههمین صورت بود. پیل سوختی پلیمری در اوایل دهه 1960 توسط ویلیام تماس گراب و همکاران از شرکت جنرال الکتریک ابداع شد. در ابتدا، غشاهای پلی استیرن سولفامات برای الکترولیت مورد استفاده قرار می‌گرفتند، اما در سال 1966 پلیمر نفیون جایگزین آن گردید که دارای دوام و عملکرد بهتری نسبت به پلیاستیرن سولفامات میباشد [5-6]. پیل‌های سوختی پلیمری در ناسا برای سفینههای فضایی مورد استفاده قرار می‌گرفتند اما آن‌ها در برنامههای آپولو و شاتل فضایی توسط پیل‌های سوختی آلکالین جایگزین شدند. چندین اختراع خاص مثل بارگذاری اندک کاتالیزور پلاتین و الکترود فیلم نازک، هزینه پیلهای سوختی را کاهش داده و باعث توسعه سیستمهای پیل سوختی پلیمری شد. در سال اخیر بهدلیل پیشرفت تکنولوژی و موفقیت در استفاده از پیل سوختی پلیمری در اتوبوس‌های شهری و اتومبیلهای شخصی افق‌های امیدبخشی برای گسترش روزافزون استفاده از این پیل پدیدار شده است بهطوری که می‌توان ادعا کرد پیل سوختی پلیمری، مرحله تجاری شدن خود را آغاز کرده است [7].
جزء اصلی پیل سوختی پلیمری که هادی پروتون و عایق الکترون می‌باشد، غشاء نام دارد. در دو طرف این غشاء الکترودهای متخلخل قرار دارند. گازهای واکنش دهنده از بین خلل آن گذشته و خود را به فصلمشترک الکترود و غشاء جایی که واکنش الکتروشیمیایی انجام می‌شود و لایه کاتالیزوروجود دارند، می‌رسانند. این مجموعه چند لایه شامل الکترودها، کاتالیزور‌ها و غشای بین آنها را MEA می‌نامند. در دو طرف MEA صفحات جمع‌کننده جریان قرار دارند. بهدلیل آن که این صفحات وظیفه و هدایت جریان الکتریکی تولید شده را بهعهده دارند همچنین جدا کننده کانال‌های گازی در سل‌های مجاور بوده و در یک ترکیب چند سلی اتصال دهنده فیزیکی و الکتریکی کاتد یک سل با آند دیگر می‌باشند، بهصفحات دو قطبی معروف هستند [8-9].
دمای کار پایین پیل سوختی پلیمری (حدود 80 درجه سانتی گراد) اگرچه سبب راهاندازی سریع و افزایش طول عمر پیل میشود اما نرخ فعل و انفعالات الکتروشیمیایی پیل پایین آمده و استفاده از کاتالیزور (فلز گران قیمت پلاتینیوم) ضروری میشود. واکنش‌های الکتروشیمیایی پیل سوختی پلیمری را می‌توان بهطور خلاصه بهاینصورت نوشت:
H2 → 2H+ + 2e- (1-1) 2/1O2 + 2e- + 2H+ → H2O (1-2)
از جمع دو واکنش آند و کاتد ، واکنش نهایی را می‌توان بهصورت کلی زیر نوشت :
H2 + 2/1 O2 → H2O + Heat + Electric Energy (1-3)
الکترون تولید شده در آند از مدار خارجی می‌گذرد و حین گذر انرژی خود را بهعنوان توان خروجی پیل آزاد و در طرف کاتد واکنش را تکمیل می‌کند [10].

شکل 1-5- نحوه‌ی عملکرد پیل سوختی پلیمری [3].
1-6- پیلهای سوختی الکلی مستقیم
پیلهای سوختی الکلی مستقیم بهدلیل مزایای ویژهای که در مقایسه با پیلهای سوختی هیدروژنی دارند بهعنوان منبع انرژی در وسایل قابل حمل بسیار مورد توجه قرار گرفتهاند. الکلهایی مانند متانول، اتانول، اتیلنگلیکول و گلیسرول بهدلیل چگالی انرژی حجمی بالا و همچنین به علت ذخیره و حمل بسیار راحتتر از هیدروژن، بهعنوان سوخت این پیلهای سوختی مورد استفاده قرار گرفتهاند. در این بین، متانول بیشترین استفاده را بهعنوان سوخت داشته است. پیل سوختی متانولی مستقیم معمولا در محیط اسیدی و با کاتالیزور پلاتین مورد استفاده قرار گرفته است. اما بهدلیل مشکلاتی از قبیل 1- مسمومیت کاتالیزور Pt بوسیله CO 2- اثر میانعبورمتانول 3- تخریب غشاء و خوردگی مواد کربنی 4- مسمومیت متانول، که DAFC وجود دارد، در تحقیقات گستردهای برای استفاده از الکلهای دیگر در DAFCs انجام شده است. الکلهایی با وزن مولکولی بالاتر بهدلیل حلالیت بالا درآب، سمیت کمتر، نقطه جوش بالاتر و دانستیه انرژی بالاتر مورد توجه قرار گرفتهاند. الکلهایی مانند اتانول، اتیلنگلیکول و گلیسرول بهدلیل داشتن چنین مزایایی بیشترین توجه را به خود جلب کردهاند [12-11]. الکلها به دو صورت می‌توانند در پیلهای سوختی مورد استفاده قرار بگیرند. اگر از الکلها برای تولید هیدروژن مورد استفاده در پیلهای سوختی استفاده شود چنین پیل سوختی را پیل سوختی الکلی غیرمستقیم می‌نامند و اگر از الکلها بهطور مستقیم بهعنوان سوخت در پیلهای سوختی استفاده شود، پیل سوختی را الکلی مستقیم مینامند.
1-7- سوختهای مورد استفاده در پیلهای سوختی الکلی
برای بهبود عملکرد پیل سوختی و کمک به سلامت محیط زیست، سوخت مورد استفاده در پیلهای سوختی باید دارای شرایطی باشد: اولاً دارای ولتاژ سل بالایی باشد ثانیاً موجب کاهش انتشار CO2 و دیگر آلودگیها شود.
هیدروژن اولین سوخت مورد استفاده در پیلهای سوختی است ولی بهدلیل مشکلاتی که دارد تلاش‌های زیادی برای استفاده از سوختهای جایگزین انجام شده است. سوختهای الکلی، سوختهایی هستند که به‌عنوان جایگزین هیدروژن توجه زیادی را بهخود جلب کردهاند.
استفاده از الکلها در پیلهای سوختی الکلی مستقیم دو مزیت را بههمراه خواهد داشت اولاً اینکه این سوختها مایع هستند و مشکلات مربوط بهذخیره را بهحداقل میرسانند و ثانیاً اینکه بیشتر آنها میتوانند از زیست تودهها تولید شوند بدین معنی که احتراق آنها تاثیر زیادی در افزایش اتمسفر نخواهد داشت.
1-7-1- متانول بهعنوان سوخت
متانول یا الکل متیلیک دارای وزن مولکولی gr mol-1 04/32 و چگالی gr cm-3 796/0 میباشد. در حال حاضر قسمت عمدۀ متانول دنیا از گاز طبیعی بهدست میآید. ذخایر دیگر مانند زغال سنگ، ضایعات چوب و یا مواد آلی دیگری مانند زیست توده نیز میتوانند بهعنوان ماده اولیه جهت تولید متانول بهکار روند. متانول از چوب و زغال سنگ نیز قابل تولید است. البته تولید آن از منابع طبیعی و تجدیدشونده در مقایسه با گاز از لحاظ اقتصادی گرانتر است.
متانول بهعنوان سوخت در وسایل نقلیه نیز بهکار گرفته شده است، بهخصوص مخلوط متانول با بنزین مد نظر بوده است. متانول از یک واکنش کاتالیزوری تحت فشار بهدست میآید که در آن CO و هیدروژن در حضور یک کاتالیزور با هم ترکیب شده و متانول سنتز میشود. متانول به دو روش مستقیم و غیرمستقیم به‌منظور تأمین انرژی در پیل سوختی بهکار گرفته میشود. پیلهای سوختی چنانچه از متانول استفاده کنند از مزایای بازدهی بالا جهت تولید انرژی برخوردار خواهند بود و چنانچه در آنها از اتلاف حرارت جلوگیری شود میتوانند بازده بیش از 80 درصد داشته باشند. این موضوع استفاده از متانول را از لحاظ اقتصادی مقرون بهصرفه مینماید [13].
1-7-1-1- پیل سوختی متانول مستقیم
پیل سوختی متانولی مستقیم زیر مجموعهای از پیلهای سوختی تبادل پروتون و از خانوادۀ پیلهای سوختی پلیمری است. سوخت در این پیل سوختی متانول میباشد که مستقیماً پیل سوختی را تغذیه می‌کند. این پیل سوختی تاکنون در وسایل نقلیه، گوشیهای موبایل، دوربینهای دیجیتال و لپتاپها مورد استفاده قرار گرفته است.
متانول همراه آب در لایۀ کاتالیزوری اکسید میشود و دیاکسیدکربن، یون H+ و الکترون تولید می‌کند. یونهای H+ تولید شده در آند از غشای تبادل پروتون عبور کرده و به طرف کاتد انتقال مییابد و در آنجا با اکسیژن واکنش میدهد و تولید آب میکند. الکترون نیز از مدار خارجی از آند به کاتد جهت تولید نیرو در وسایل خارجی، منتقل میشود. نیم واکنشهای آند و کاتد در این پیل سوختی عبارتند از:
12204708953500(1-4) CO2 +6 H+ +6 e− CH3OH + H2O
125285510223500(1-5) 3H2O O2 + 6H+ + 6e−2/3
از جمع کل دو واکنش آندی و کاتدی، واکنش نهایی پیل سوختی متانولی را میتوان بهصورت زیر نوشت:
11849109461400(1-6) CH3OH + 3/2 O2 CO2 + 2H2O + Electeric Energy + Heat
در شکل (1-6) پیل سوختی متانولی و چگونگی عملکرد آن بهصورت شماتیک نشان داده شده است [5].
12592052698750
شکل 1-6- نحوه‌ی عملکرد پیل سوختی متانولی مستقیم.
آب در آند مصرف و در کاتد تولید میشود . با توجه به طریقۀ انتقال آب از سمت کاتد به آند، پیل سوختی متانولی به دو نوع فعال و غیرفعال تقسیم بندی میشود. در پیل سوختی متانولی غیرفعال آب از طریق انتقال غیرفعال مثل اسمز بهسمت آند منتقل میشود و در پیل سوختی متانولی فعال آب از طریق انتقال فعال مثل پمپ کردن بهسمت آند منتقل و مصرف میشود [3].
پیل سوختی متانولی مزایایی نسبت به پیل سوختی پلیمری دارد که عبارتند از:
جریان سوخت آندی مایع است و نیازی به یک سیستم جانبی برای سرد کردن و مرطوب کردن گاز نیست.
بهجهت استفاده از سوخت مایع در آند، نیازی به پمپ کردن بی مورد در مقایسه با سوخت گازی نیست.
با فراهم کردن دانسیته بالایی از سوخت مایع در فشار محیط مشکلات ناشی از نگهداری سوخت گازی از بین میرود.
متانول قابل حمل و به فراوانی در دسترس است.
اگرچه پیل سوختی متانولی نسبت به پیل سوختی پلیمری دارای مزایایی است، با این وجود جهت تجاری سازی با محدودیتهایی مواجه است که مهمترین آنها عبارتند از:
پیل سوختی متانولی غیرفعال به مدیریت آب نیاز دارد زیرا لازم است یک اختلاف فشار هیدرولیکی بین آند و کاتد وجود داشته باشد تا به هدایت آب از سمت کاتد به آند منجر شود. در این صورت برای رسیدن به عملکرد مناسب این نوع از پیلهای سوختی لازم است از جریان شدید آب به سمت آند جلوگیری شود.
میانعبور متانول بهخاطر غلظت بالای متانول در طرف آندی، از سمت آند به کاتد از میان غشاء وجود دارد. در این هنگام اکسایش متانول در سمت کاتد منجر به ایجاد پتانسیل مخلوط میشود که ولتاژ مدار باز (OCV) پیل سوختی متانولی را از مقدار تئوری 02/1 ولت به 8/0 -7/0 ولت کاهش میدهد.
سینتیک واکنش آندی به خاطر واکنش اکسایش پیچیده متانول در آند ذاتاً از سرعت کمی برخوردار است که لازم است در مقایسه با پیل سوختی پلیمری مقدار فلز گران قیمت بیشتری استفاده شود.
جریان مخالفی از حبابهای دیاکسیدکربن (CO2) که در سطح آند تولید میشود در منطقه نفوذ با جریان سوخت مایع متانول درگیر می‌شود و دسترسی مولکولهای متانول به لایه کاتالیزور را محدود میکند.
متانول تا حدودی سمی است و نسبت به بنزین آسانتر به داخل زمین نفوذ میکند، آتش گیری بالایی دارد و قابل امتزاج با آب است، لذا آلودگی مخازن آب بهراحتی میتواند صورت گیرد [3].
موضوع مهم دیگر درDMFC، میانعبور متانول از آند بهسمت کاتد از طریق کشش الکترواسمزی و نفوذ است.
میانعبور متانول از آند به کاتد منجر به اثرات محدود کننده ای در عملکرد پیل سوختی به شرح زیر میشود [14] :
اکسایش متانول در این منطقه دو کاتالیزور را مسموم میکند و پتانسیلی مخلوط در کاتد ایجاد می شود، اکسیژن را هدر میدهد و مقدار فراوانیOCV را کاهش میدهد و تأثیرات سوء پیش آمده شدیدتر از تأثیرات مشابه در میانعبور هیدروژن در سیستم هایH2PEFC است. OCV نوعیDMFC مشخصاً پایین تر از 8/0 ولتاست.
نشت بی مورد: میانعبور سوخت از غشاء بدون ایجاد و تولید جریان منجر به کارآیی پایین می شود.
بهمنظور جلوگیری ازمیانعبور متانول چندین رویه مورد استفاده قرار می گیرد:
استفاده از محلولهای رقیق متانول: استفاده از محلول متانول با مولاریته پایین (5/0 – 2/0 مولار) با کاهش غلظت متانول در آند، میانعبور را کاهش می دهد. بههر حال، این رویه به ناچار منجر به استفاده از تانک های نگه داری بزرگ سوخت میشود و پمپ آب بیشتری را میطلبد.
استفاده از الکترولیت ضخیمتر: الکترولیت ضخیمتر میتواند میانعبور را محدود کند و همینطور عملکرد پیل را از طریق افزایش افت اهمی از میان الکترولیت کاهش میدهد.
یک مانع نفوذ روی آند: یک مانع نفوذ، جایگزینی برای الکترولیت ضخیم تر است که محدودیت نفوذ را در منطقه ای انتقال یونی تحت تأثیر قرار نگیرد، قرار می دهد. یک مانع نفود منجر به یک گرادیان غلظت تند از محیط نفوذ تا مانع می شود بهطوریکه غلظت متانول در لایه کاتالیست کم شده و میانعبور را کاهش میدهد [14].
1-7-2- 2- پروپانول
2-پروپانول یا ایزوپروپیل الکل یک الکل نوع دوم می‌باشد که کربنی که حامل گروه –OH است، خود به دو کربن دیگر متصل است. فرمول شیمیایی این الکل CH3CHOHCH3 می‌باشد. این ماده یک ترکیب شیمیایی قابل اشتعال و بدون رنگ با بوی قوی است. ایزوپروپیل الکل درآب، الکل، اتر وکلروفرم قابل حل است. این الکل می‌تواند به استون اکسید ‌شود. این را می‌توان با استفاده از یک عامل اکسید کننده مانند اسیدکرومیک، ویا با هیدروژنزدایی ایزوپروپیل الکل بهدست آورد.
از ایزوپروپیل الکل بهعنوان حلال برای فرآیندهای صنعتی همچنین بهعنوان یک افزودنی به بنزین استفاده میشود. ایزوپروپیل الکل بهویژه برای کاربردهای دارویی، با توجه به سمیت کم مورد استفاده قرار می‌گیرد. گاهی از ایزوپروپیل الکل بهعنوان یک واسطه شیمیایی استفاده میشود. از عمده موارد کاربرد دیگر این الکل در صنعت چاپ میباشد زیرا الکلهای مشابه نظیر 2-پروپانول دمای آب را در دستگاههای چاپ بسیار پائین نگاه داشته و قابلیت تبخیر پائینی دارد. از این الکل به مقدار بسیار کم برای استفاده خانگی و در محصولات مراقبت شخصی استفاده می‌شود.
1-7-2-1- پیل سوختی 2-پروپانولی مستقیم
از 2-پروپانول به‌دلیل سمیت کمتر و عدم عبور از غشاء پیل سوختی می‌توان به‌عنوان سوخت استفاده کرد. اگر از 2-پروپانول به‌طور مستقیم در آند پیل سوختی استفاده شود به این پیل سوختی، پیل سوختی 2-پروپانولی مستقیم می‌گویند. بررسیهایی که روی عملکرد این پیل در غلظتهای مختلف الکل، درجه حرارت سل و شرایط مختلف با اکسیدان اکسیژن انجام شده است نشان میدهد که این پیل در محیط اسیدی عملکرد بالاتری از پیل سوختی متانولی مستقیم، مخصوصا در چگالی جریان کمتر از حدود 200 میلی آمپر بر سانتی متر مربع را دارد. 2-پروپانول میتواند ولتاژ مدار باز بیشتر، میانعبور کمتر و بازده بالاتری نسبت به متانول داشته باشد، بههمین جهت میتوان از 2-پروپانول بهعنوان سوخت پیل سوختی الکلی مستقیم استفاده کرد. اما یکی از مشکلات 2-پروپانول بهعنوان سوخت، مسمومیت کاتالیزور آندی مورد استفاده میباشد. واکنش کلی اکسایش 2-پروپانول بهصورت زیر است [15]:
CH3CHOHCH3 + 18 OH− → 3CO2 + 13 H2O + 18 e− (7-1)
1-7-3- پروپیلنگلیکول
پروپیلنگلیکول یا 1و2-پروپان‌دی‌ال با فرمول شیمیایی C3H8O2 یک مایع بیرنگ و جاذب رطوبت است. پروپیلنگلیکول صنعتی، ازپروپیلناکسید تولید میشود. همچنین پروپیلنگلیکول میتواند ازگلیسرول، که یک محصول جانبی بیودیزل است نیز تولید شود. پروپیلنگلیکول الکلی ویسکوز، با فراریت پایین، غیرخورنده و بر خلاف اتیلنگلیکول سمیت پایینی دارد. این الکل بهدلیل بو و طعم و مزه معمولا برای استفادههای صنعتی مورد توجه قرار گرفته است. 45٪ از پروپیلنگلیکول تولید شده بهعنوان مواد خام شیمیایی برای تولید رزینهای پلیاستر غیراشباع مصرف میشود. در این راستا، پروپیلنگلیکول با مخلوطی از انیدریدمالئیک غیراشباع و ایزوفتالیکاسید برای تشکیل یک کوپلیمر واکنش میدهد. پروپیلنگلیکول به‌عنوان مادهای ایمن برای استفاده در موادغذایی توسط سازمان غذا و داروی ایالات متحده شناخته شده، وآن را بهعنوان حلال و نگهدارنده در مواد غذایی، در محصولات توتون و تنباکو (سیگارهای الکتریکی) و به‌عنوان حلال در بسیاری ازمواد دارویی، و فرمولاسیونهای خوراکی استفاده میشود. این الکل مانند اتیلن‌گلیکول، قادر به کاهش نقطه انجماد آب است، بههمین دلیل از آن بهعنوان ضدیخ در هواپیما و اتومبیل استفاده میشود.
1-7-3-1- پیل سوختی 1و2-پروپاندیال مستقیم
پیل سوختی 1و2-پروپاندیال مستقیم نیز، زیر مجموعهای از پیلهای سوختی تبادل پروتون می‌باشد که در آن 1و2-پروپاندیال مستقیماً به پیل سوختی خورانده میشود. پروپیلنگلیکول مایع در آند، اکسید شده و تولید CO2، الکترون و آب مینماید. در کاتد نیز اکسیژن هوا و الکترون واکنش میدهند. واکنشهای انجام شده در این پیل به شرح ذیل میباشد:
290703011556900واکنش آندی C3H8O2 + 16OH- 3CO2 + 12 H2O + 16e- (1-8)
284988011556900واکنش کاتدی1/2O2 + H2O + 2e- 2OH - (1-9)
یکی از مزیتهای اصلی استفاده از پروپیلنگلیکول بهعنوان سوخت این است که سینتیک واکنش آندی آن در محیط قلیایی سریعتر از متانول است ولی مطالعات کمی در زمینه اکسیداسیون آن روی فلزاتی مانند پلاتین انجام شده است. معایب و مزایای سوختهای مورد استفاده در پیلهای سوختی در جدول 1-1 ذکر شده است.
جدول 1-1- معایب و مزایای سوختهای مورد استفاده در پیلهای سوختی.
سوخت مزایا معایب
هیدروژن پاک (تنها محصول جانبی آب است)، واکنش آندی سریع مشکلات ذخیره (چگالی پایین و نشت گاز)، امنیت پائین هیدوژن
متانول ارزان، مایع، تولید از زیست توده واکنش آندی کند، اشتعال پذیر، سمیت و میانعبور متانول
2-پروپانول سمیت کمتر نسبت به متانول و عدم عبور از غشاء پیل سوختی واکنش آندی کند در محیط قلیایی، ت