Projekt Lysekil - Lysekil Project - Wikipedia

Projekt Lysekil probíhá vlnová síla projekt, který je provozován Centrem pro přeměnu obnovitelné elektrické energie na Univerzita v Uppsale ve Švédsku.

Úvod

Hlavní charakteristikou interakce mezi vlnami a WEC (převaděč vlnové energie) je to, že energie je konvertována při velkých silách a nízkých rychlostech díky charakteristice vln oceánu. Jako konvenční generátory jsou navrženy pro vysokorychlostní rotační pohyb, tradiční systém náběhu vlnového výkonu využívá například řadu mezikroků hydraulika nebo turbíny, převést tento pomalu se pohybující vlnový pohyb, takže je vhodný pro tyto generátory.^[1]

Další způsob řešení problému; namísto přizpůsobení vln systému odběru výkonu je přizpůsobení systému vlnám. Toho lze dosáhnout pomocí přímého pohonu WEC (převodník vlnové energie) s a lineární generátor. Výhodou tohoto nastavení je méně složitý mechanický systém s potenciálně menší potřebou údržby. Jedna nevýhoda tohoto druhu systému je složitější přenos energie do sítě. To je způsobeno vlastnostmi generovaných Napětí , které se budou lišit v amplituda a frekvence.^[1][2]

V projektu Lysekil bylo jedním cílem vyvinout jednoduchý a robustní energetický systém vln s nízkou potřebou údržby. Přístup spočíval v nalezení systému s několika pohyblivými částmi a co nejmenším počtem kroků přeměny energie. Kvůli těmto požadavkům je koncept s přímým pohonem stálý magnet Byl vybrán lineární generátor poháněný bójí, který sleduje pohyb na mořské hladině. [1]

Účel projektu

Výzkumný projekt Lysekil byl založen za účelem vyhodnocení zvoleného konceptu. Chování WEC je studováno jak v případě, že funguje jako jedna jednotka, tak společně s několika dalšími WEC v rámci klastru. Dalšími důležitými aspekty jsou návrh přenosové soustavy, jinými slovy, jak je energie přenášena do sítě a jak to ovlivňuje další část soustavy, například absorpce bóje. Dalším účelem projektu je určit dopad WEC na životní prostředí se zaměřením na mořské organismy, od malých organismů žijících na dně žijících v mořském dně, od organismu zahrnujícího biologické znečištění na obratlovců.^[1]

Místo výzkumu Lysekil

Zkušební místo se nachází na západním pobřeží Švédska asi 100 km severně od Gothenburg, blízko k Lysekil. Tato stránka se nachází 2 km (1,2 mil) od pobřeží a má rozlohu 40 000 m² (430 000 čtverečních stop). Mořské dno v této oblasti má rovný povrch s mírným sklonem na západ a hloubka se pohybuje od 24 m (79 ft) ve východní části do 25 m (82 ft) na západě. Mořské dno se skládá hlavně z písečných bahno a některé menší oblasti jsou také pokryty drsnějším materiálem. Tato oblast bude obsahovat deset bójí připojených k generátorům a další počet bójí pro studie dopadu na životní prostředí. Povolení umožňují pokračovat ve studiích do konce roku 2013^{[potřebuje aktualizaci ]}, pak musí být veškeré zařízení odstraněno, pokud není požádáno o prodloužení a není schváleno.^[1]

Průměrný energetický tok v roce 2007, s výjimkou srpna, bylo na místě výzkumu 3,4 kW / m. Nejběžnější mořský stát je charakterizován energetické období, T_E, přibližně 4 s a významná výška vlny H_s méně než 0,5 m (1,6 ft). Hlavní příspěvek energie pochází z energičtějších (ale ne tak častých) mořských států.^[1]

Pojem

Schematický obrázek přes WEC s lineárním generátorem na mořském dně připojeným pomocí vedení k bóji na mořské hladině

Koncept vlnového výkonu v projektu Lysekil je založen na třífázovém permanentním magnetizovaném lineárním generátoru umístěném na mořském dně. Generátor je spojen s bodem absorbujícím bóji na povrchu pomocí vedení. Když se vlny pohybují, hydrodynamická akce nutí bóji, aby se pohybovala prudkým pohybem. Pohyby bóje poté pohnou překladač v generátoru a následně indukují proud ve vinutí statoru. Překladač je připojen k základně generátoru pružinami, které zatahují překladač ve vlnových žlabech.^[1][3]

Předpokládá se, že technologie lineárního generátoru je poněkud nezávislá na hloubce a předpokládá se, že velikost jednotky 10 kW odpovídá významné výšce vln v rozsahu 2 m (6,6 ft). Generátor a mechanická struktura kolem generátoru jsou však navrženy tak, aby byly schopny zvládnout velká přetížení z hlediska elektrického a mechanického namáhání. V tabulce 1 jsou uvedeny hodnocení a geometrická data prvního experimentálního WEC.^[1]

Protože indukované napětí se bude měnit jak v amplitudě, tak i frekvenci, nelze generovaný výkon přímo přenést do sítě. Z tohoto důvodu bude několik WEC připojeno k námořní dopravě rozvodna, kde bude napětí z každého WEC opraveno a kombinovaný výstup střídal a transformovaný před připojením k síti. Použitý námořní kabel je kabel 1 kV s mědí 4 x 95 mm2 vodiče s odporem 0,5 Ohm na fázi.^[1][3]

Historie projektu

Projekt Lysekil byl zahájen v roce 2002 v divizi elektřiny na univerzitě v Uppsale. Simulace naznačily, že existuje potenciál pro získávání energie pomocí farmy využívající vlnových elektráren sestávající z řady menších jednotek WEC v pobřežních oblastech. Simulace také poukázaly na možnost výroby elektrické energie v místech se středně klidným mořem. Vzhledem k tomu, že tyto simulace jsou založeny na zjednodušených interakčních modelech bóje, je v případě potřeby nutné provést další simulace a experimentální ověření.^[1][3]

V letech 2003 a 2004 byla získána povolení k založení výzkumného pracoviště Lysekil a první bóje pro měření vln byla nasazena v roce 2004. První experimentální nastavení bylo nasazeno v březnu 2005 a účelem bylo měřit maximální sílu vedení z bóje o průměru 3 m (9,8 ft) a výška 0,8 m (2,6 ft). Toto nastavení simulovalo generátor, který byl odpojen od sítě a tím fungoval bez jakéhokoli zásahu tlumení v systému. Výsledky z tohoto experimentu byly použity jako vstupní data do generátoru první vlny a k ověření výpočtů dynamiky netlumených systémů.^[1][3]

Od zavedení prvního WEC v roce 2006 funguje v reálných oceánských mořích několik měsíců během tří různých časových období. Během těchto období měření elektrická energie byly provedeny a analyzovány síly bóje a kotevní linie, aby se zlepšily znalosti o dynamice WEC přímého pohonu lineárního generátoru. V prvním testovacím období byla veškerá elektrická energie přeměněna na teplo přes trojfázové zapojení do trojúhelníku odporová zátěž. Zkoumat dopad a nelineární zatížení na systému WEC byl generátor během druhé zkušební doby připojen k nelineární zátěži tvořené diodovým usměrňovačem, kondenzátory a rezistory. Řídicí, zátěžový a měřicí systém pro WEC byly postupně rozšiřovány a nyní existuje dálkově ovládaný měřicí systém a řídicí systém.^[1]

Výsledky studií ukazují, jak dobře funguje energie vln s tímto konceptem v klidných i drsných pobřežních státech. Experimenty s nelineárním zatížením zvýšily znalosti o tom, jak by měl být přenosový systém navržen. Výsledky také ukazují, jak WEC pracuje při připojení k nelineární zátěži, což bude v případě, že se generované napětí usměrní.^[1]

Projekt Lysekil byl rozšířen o další dva WEC, které byly spuštěny na testovacím místě spolu s námořní rozvodnou. Tyto tři WEC byly nedávno (červen 2009) propojeny s rozvodnou.^[1][4]

Technologie

Lineární generátor

Pohyblivá část v lineárním generátoru se nazývá překladač. Když je bóje zvednuta vlnou, bóje uvede překladač do pohybu. Je to relativní pohyb mezi statorem a překladačem v generátoru, který způsobuje indukování napětí ve vinutí statoru.^[1][2]

Požadavkem na lineární generátor pro aplikace s vlnovým výkonem je schopnost zvládat vysoké špičkové síly, nízkou rychlost a nepravidelný pohyb při nízkých nákladech.^[5]Když se generátor pohybuje různou rychlostí a směrem, vede to k indukovanému napětí s nepravidelnou amplitudou a frekvencí. Špičková hodnota výstupního výkonu bude několikanásobně vyšší než průměrná výroba energie. Generátor a elektrický systém musí být dimenzovány pro tyto energetické špičky.^[6]

Existují různé druhy lineárních generátorů, které lze použít ve vlnových aplikacích a při srovnání bylo zjištěno, že nejvhodnějším typem jsou synchronizované lineární generátory s permanentním magnetem.^[5] V projektu Lysekil byl zvolen tento typ generátoru a magnety jsou permanentní magnety Nd-Fe-B namontované na překladači. Uvnitř generátoru jsou pod pružinou upevněny silné pružiny, které působí jako reakční síla ve vlnových žlabech po zvednutí bóje a tlumiče vlnovými hřebeny. Pružiny také dočasně ukládají energii, což vede k tomu, že generátor umožňuje optimálně produkovat stejné množství energie v obou směrech, čímž se vyprodukuje vyrobená energie. V horní a dolní části generátoru jsou umístěny koncové dorazy s výkonnými pružinami, které omezují délku zdvihu překladače.^[1][2]

Převodovka

Vyrobená energie nemůže být, jak již bylo zmíněno dříve, přímo dodána do sítě bez konverze. To se děje v několika krocích; nejprve je napětí opraveno z každého generátoru. Pak jsou paralelně propojeny a stejnosměrné napětí je filtrovaný (filtr se skládá z kondenzátorů). Filtr vyhlazuje napětí z generátorů a vytváří stabilní stejnosměrné napětí. Během krátké doby bude také výkon po filtru konstantní. Pokud je systém studován v hodinových stupnicích (nebo více), budou existovat odchylky ve vyrobené energii, tyto odchylky jsou způsobeny změnami stavu moře.^[1]

Tato koncepce generátoru bóje neumožňuje provozovat jedinou jednotku, zejména není připojena k síti. To je způsobeno hlavně velkými krátkodobými odchylkami ve vyrobené energii a relativně malou velikostí WEC. Náklady na elektrický systém, přenosový systém, by byly příliš vysoké. Pokud je několik generátorů připojeno paralelně, sníží se požadavek na schopnost kapacitního filtru akumulovat energii, a tudíž i náklady s tím spojené. Pro kompenzaci kolísání napětí na výstupu, ke kterému dochází v důsledku kolísání stavu moře, lze použít měnič DC / DC nebo transformátor se změnou odbočky.^[1]

Aspekty systému

Vysoká úroveň tlumení (extrakce energie) má za následek větší rozdíl mezi vertikálním pohybem vlny a rychlostí překladače. To zase povede k vyšší síle síly, když vlna zvedne bójku, a nižší síle, když se bóje pohybuje dolů. Maximální výkon nastává během maximální a minimální síly vedení (předpokládá se, že překladač je v délce zdvihu generátoru). Pokud se překladač pohybuje dolů s nižší rychlostí než bóje, čára se uvolní a výsledná síla čáry se stane téměř nulovou. Zpětný vztah nastane, když se bóje pohybuje nahoru, poté se síla vedení zvětšuje, tím větší je rozdíl mezi pohybem bóje a překladačem generátoru.^[1]

Pokud výška vlny (rozdíl mezi vlnovým hřebenem a vlnovým žlabem) je větší než délka zdvihu, překladač se zastaví na dolním koncovém dorazu. Na horním konci se vlna vlní přes bójku a na dolním se linie uvolňuje. V obou těchto případech nevzniká žádná energie (indukovaná napětím), dokud se překladač nezačne znovu pohybovat. K tomu dochází, když je vlna nižší než horní poloha bóje v horním stavu a ve spodním stavu, když se vlna zvedla natolik, že bóje znovu začne táhnout překladač nahoru. Bylo zjištěno, že většina energie se v oblasti výzkumu přenáší výškami vln 1,2–2,7 m (3,9–8,9 ft).^[1]

Pokud je generátor připojen k lineární přísně odporové zátěži, bude dodávat energii, jakmile je v generátoru indukováno napětí. Při nelineárním zatížení není vztah tak jednoduchý. Zátěž není lineární kvůli přenosovému systému, jehož diodový usměrňovač vede k tomu, že výkon je možné extrahovat pouze na určitých úrovních napětí. V důsledku toho úroveň stejnosměrného napětí omezuje amplitudu fázového napětí generátoru. Při nelineárním zatížení dosáhne fázové napětí generátoru maximální amplitudy, která je přibližně stejná jako stejnosměrné napětí. Když fázové napětí generátoru dosáhne úrovně stejnosměrného napětí, začne proudit proud (energie se odebírá) z generátoru na stejnosměrnou stranu usměrňovače. Napájení bude dodáváno, dokud vlny mohou dodávat mechanickou energii do bóje a pokud překladač nedosáhne svého horního nebo dolního koncového dorazu. Proud se zvýší, jakmile se zvýší rychlost překladače. Tato nelineární extrakce energie vede k různým tvarům napětí a proudových pulzů.^[1]

Zásah do životního prostředí

Místo výzkumu bylo zkoumáno na začátku projektu a v roce 2004 byly odebrány vzorky sedimentů před nasazením WEC. To bylo provedeno s cílem vyšetřit a analyzovat námořní infauna uvnitř výzkumné a kontrolní oblasti a získat informace o druhovém složení a biologická rozmanitost. Bohatství biologické rozmanitosti se často používá k měření zdraví biologických systémů. Organismy byly identifikovány na úrovni rodiny nebo druhu, kde to bylo možné. Ve výzkumné oblasti Lysekil bylo nalezeno 68 různých druhů. Byly jen malé juvenilní organismy a žádná červeně vypsané byly nalezeny druhy. Od roku 2004 se každoročně odebírá vzorek sedimentů, aby se sledoval vývoj jak v kontrolní oblasti, tak ve výzkumné oblasti. Z počátečních studií vyšlo najevo, že se jednalo o vyšší druhovou bohatost a biodiverzitu ve výzkumné oblasti než v kontrolní oblasti. To se vysvětluje rozmanitostí substrátu sedimentu. Sediment v kontrolní oblasti sestává hlavně z bahna, které je většinou relativně nedostatečné pro kyslík a méně druhů je přizpůsobeno takovým extrémním podmínkám. Celkově výzkumné místo Lysekil není jedinečným prostředím a neexistovaly obavy z vyhynutí citlivých místních druhů.^[1][3]

První experimentální nastavení pro námořní dopravu ekologické studie vlnové energie se skládala ze 4 biologických bójí, které byly rozmístěny v roce 2005. Účelem bójí je studovat účinky, které může mít založení farmy s vlnovou energií. Při umisťování pevných konstrukcí na jinak poměrně prázdné pískové dno se změní životní podmínky v lokalitě a důsledky toho budou studovány pomocí bójí. V roce 2007 se velikost a složitost studie zvýšila, když byly instalovány další bóje. Bóje byly rozděleny do dvou různých oblastí uvnitř výzkumné oblasti, přičemž mezi skupinami bylo 200 m (660 ft). V rámci skupin byly bóje umístěny 15–20 m (49–66 ft) od sebe. Polovina základů byla navržena s různými otvory a druhá polovina bez. Otvory v základech byly vytvořeny za účelem studia rozdílu v kolonizace mezi základem s otvory a bez nich a jak různé druhy otvorů ovlivňují kolonizační vzor.^[1][3]

Ke studiu se také používají biologické bóje biologické znečištění a jeho dopad na absorpci energie. Některé předběžné studie naznačují, že lze vliv biologického znečištění na absorpci energie zanedbávat, ale je třeba ho dále zkoumat.^[3]

Reference