账号:
密码:
CTIMES / 文章 /   
下一代能源波浪能发电厂科技的建模与模拟
 

【作者: Alexandre Pichard】2018年12月12日 星期三

浏览人次:【3945】
  

在澳大利亚花园岛海岸外的水面下,一年四季都有三个潜浸在水下的浮标来掌控波浪能量,为该国最大的海军基地发电并生产淡水。这项计画累计运作时间已超过14,000小时,创下了波浪能源系统连结电网的世界纪录,并且证明了CETO 5这项波浪能源科技的可行性及可靠性。


2016年,本公司(卡内基洁净能源公司;Carnegie Clean Energy)成功地布署CETO 5,我们现在正在进行此项技术的下一代科技开发,CETO 6有潜力可以产生超过CETO 5每一个浮标的四倍电力,同时还能减低维护成本并且让波浪能量发电厂设置在距离海岸更远的地方。


CETO 6的设计,是以全尺寸从波浪到电线(wave-to-wire)的模型为基础,而这整个包含多元领域的系统是利用Simulink和它的物理模型模拟模块组(Simscape)所建立设计的。我们透过Simulink的模拟技术,快速地尝试新概念及迭代改善设计,因此逐渐提升CETO 6科技的成熟度。我们使用Simulink来建模,并模拟发电链的每一个阶段,包含在波浪作用在浮标、机械能转换为液压能、以及液压能转为电能所涉及的机制等。


从CETO 5经验中学习

CETO是利用浮标活动来控制波浪能量并产生电能的科技。CETO 5浮标直径11公尺,潜浸在海平面下约两公尺处,每一个浮标皆以系链连接到固定在海底的液压缸,浮标垂直方向动作驱动液压缸里的活塞,产生压力把水透过水下管线推进到海岸上的发电设备(图1),高压水流在那儿被用来驱动水力发电涡轮机发电,并透过逆渗透技术进行海水淡化。



图1 : CETO 5系统的布署图示。
图1 : CETO 5系统的布署图示。

长达一年的CETO 5计画不仅证明了技术的可行性,也提供我们能够运用在CETO 6上的丰富资讯。CETO 5装载了大约300个感测器,来监控液压元件的压力、水流、温度、电气元件的电压、电流频率,以及机械元件的负载、位移、加速度。这些几万亿位元从感测器收集而来的资料,我们利用MATLAB来进行分析及视觉化,分析结果可作为决策的叁考资讯,并用来验证我们的Simulink模型(图2)。



图2 : 以CETO 5单元#2作为函式单一控制变量的电力输出量测值分布图。
图2 : 以CETO 5单元#2作为函式单一控制变量的电力输出量测值分布图。

从CETO 5获得的经验可用来改善CETO 6结构的设计,我们把浮标直径从11公尺增加到将近20公尺,并将CETO 6的设计更改成在浮标发电,而不是在岸上(图3)。



图3 : CETO 6系统示意图。
图3 : CETO 6系统示意图。

与其在波浪能发电厂及海岸之间装置、维护长达好几公里的高压管线,我们现在可以使用电脐将产生的电运送到陆地,如此可以降低系统成本,并让我们能够把浮标装置在位置较远,但波浪条件通常更有利於发电的离岸。在CETO 6,液压帮浦被配置在浮标而不是海底。这项改变更有助於维修及性能维护,因为我们可以把整个系统拖回岸上,而不需要在水中进行维护工作。


动力输出器的建模与优化

动力输出器(Power-Takeoff)是能将液压透过帮浦转换为电能的子系统,也是CETO 6系统的中心。我们设计动力输出器的目标是要从波量能萃取出最大量的可用电力。透过理论研究,我们知道一个具有完全效率的系统可以萃取出多少电力,而Simulink模型可帮助我们建置一个规模可以尽可能接近理想效率等级的动力输出器子系统。


我们也利用Simulink的多体机构动态模拟模块组(Simscape Multibody)来建立固定的系链、连结处、以及其他机械元件的模型,之後我们将重心转移到液压子系统。我们利用Simulink和流体模拟模块组(Simscape Fluids)建立了这个子系统的完整模型(图4),模型内包含了多个液压储压器、管线、减压阀、以及将液压转及水流转换为可以用来驱动发电机力矩的液压马达。



图4 : Simulink模型描绘的CETO 6液压元件。
图4 : Simulink模型描绘的CETO 6液压元件。

我们透过Simulink进行了为数几万次的模拟来优化设计,执行扫描(sweeps)来找出最隹配置以及叁数值,并且使用MATLAB产品家族中的平行运算工具箱(Parallel Computing Toolbox)在一个多核心的处理器内,同时且快速地执行这些最隹配置及叁数。这些模拟产生了许多出??意料的创新想法,举例来说,结果显示有某一个我们以为需要视海洋状态进行重大变更的控制叁数,实际上不论海洋状态如何,该叁数对於性能仅带来很小的影响,这样的洞见让我们能够简化设计并降低系统的总成本。


模拟结果验证及波浪-电线转换模型的组装

为了测试我们的早期设计,我们建构了一个1:20比例缩小版本的CETO 6系统,并把它放置在波浪水槽,使其接触被我们精心控制的波浪条件(图5)来进行测试。测试进行的时候,如同CETO 5在真实世界运作一样,我们从感测器收集资料,并且透过MATLAB进行分析。



图5 : 波浪水槽中的设计原型。
图5 : 波浪水槽中的设计原型。

在开发完整的波浪能转换到电线(wave-to-wire)的模型时,我们使用电子电力系统模拟模块组(Simscape Electrical)来建立电力元件系统的模型,包含用於平稳电力(power smoothing)的发电机和电容器。在系统的另一端,我们建立了一客制的Simulink流体力学模型来模拟浮标与海浪的交互作用,因此现在我们就可把这个客制化的模型转换到WEC-SIM中,WEC-SIM是一个波浪能量转换器的开源软体模拟工具,在这个产业已逐渐被广泛使用。WEC-SIM由美国的国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory,NREL)和桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)利用MATLAB、Simulink、多体机构动态模拟模块组(Simscape Multibody)所开发出来的,它让我们可以更容易地把模型整合到工作流程中。


这个完整的波浪转换到电线模型可以帮助我们计算:在特定波浪状态下的浮标置换位移、位移时液压缸的压力、液压马达依据该压力值施加到发电机轴的力矩、以及该力矩产生的电力。


CETO 6的布署和展??

卡内基洁净能源公司规划在英国康瓦尔郡(Cornwall)离海岸16公里处的Wave Hub海洋能源开发与测试设备,布署一个与电网连结的CETO 6系统(图6)。



图6 : 英国康瓦尔郡的Wave Hub海洋能源测试设备
图6 : 英国康瓦尔郡的Wave Hub海洋能源测试设备

澳洲政府也承诺将资助本公司在西澳奥班尼(Albany)海岸外布署一个波浪能发电厂。


当我们开始着手进行这些开发时,我们仍然继续探索能够持续改善CETO 6技术的方法,其中一项正在评估的改善工作与稳住浮标的固定用配置有关,目前的CETO 6垂直系链主要从浮标起伏的运动获得能量(图7)。



图7 : CETO 6浮标系链图示说明。
图7 : CETO 6浮标系链图示说明。

新的规格设计则可以捕捉翻滚和浪涌的运动,它们也有潜力能将电力输出扩增到三倍。最後,本公司最近则开始拓展到微电网(microgrid)的领域,正努力把CETO 6波浪能技术和太阳能与能源储存系统整合,目标是要开发及营运世界上第一个波浪-太阳能-电池的微电网系统。


(本文由??思科技提供,作者Alexandre Pichard任职於Carnegie Clean Energy公司)


相关文章
安全切割--切芯机适用的安全闸门系统和安全联锁
以模型化基础设计流程开发测试AUTOSAR软体元件与复杂装置驱动
从风洞到人行道:智慧型婴儿车电子动力系统开发
超低功耗技术推动免电池IoT感知
完整建置车机与手持式装置 为智慧物流做好准备
comments powered by Disqus
相关讨论
  相关新闻
» 电子、AIoT、能源、光电、雷射五展跨界激荡 前瞻趋势智能创新应用
» 宾鑫智能落地台湾 用AI演算运筹帷??
» 跨部会三合一展览现产业加乘效益 让世界看见台科技创新能量
» AI全方位虚拟助理,加速企业数位转型与服务升级
» 直击中国工博会商机 上海宾通拥多方资源优势
  相关产品
» Fluke首款可携式囗袋热像仪上市
» Fluke首款工业声学成像仪ii900上市
» Fluke四款640 x 480解析度热像仪齐登场
» 明纬扩充EPP-500系列
» KNX用於现代建筑 可降低事後维护与火灾风险

AD


刊登廣告 新聞信箱 读者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2019 远播信息股份有限公司版权所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29号11楼 / 电话 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw