Моделирование и исследование волновых электростанций нового поколения

Статья является переводом публикации "Modeling and Simulating Next-Generation Wave Farm Technology" By Alexandre Pichard, Carnegie Clean Energy.

Кратко рассматриваются технологии волновых электростанций CETO 6, а также представлены сведения об использовании MatLab и Simscape Electrical™ для разития проекта.

Моделирование и исследование волновых электростанций нового поколения

Александр Пичард (Alexandre Pichard), Carnegie Clean Energy

В течение четырех сезонов, три погружных буя у побережья острова Гарден в Австралии, собирали энергию волн для выработки электроэнергии и пресной воды для крупнейшей военно-морской базы страны. В рамках проекта был установлен мировой рекорд для подключенной к сети волновой энергетической системы - 14 000 часов наработки, что доказало жизнеспособность и надежность предлагаемой технологии волновой энергии CETO 5.

В прошлом году Carnegie Clean Energy успешно завершила все поставленные задачи по развертыванию CETO 5, и сейчас мы разрабатываем новое поколение этой технологии. Волновые электростанции CETO 6 могут генерировать более чем в четыре раза больше электроэнергии, чем CETO 5 на каждый буй, при одновременном снижении затрат на техническое обслуживание, а также позволяет размещать волновую электростанцию дальше от берега.

Наша разработка для CETO 6 основана на полномасштабной модели всей мультифизической системы - "от волн до проводов", которую мы сейчас строим с помощью Simulink® и Simscape™. Мы постоянно повышаем уровень технологической готовности CETO 6, используя имитационное моделирование в Simulink, чтобы быстро опробовать новые идеи и постепенно улучшать проект. Мы используем Simulink для моделирования и исследования каждого шага в цепочке выработки электроэнергии, в том числе механику воздействия волны на буй, преобразование механической энергии в гидравлическую и преобразование гидравлической энергии в электрическую.

Уроки проекта CETO 5

Технология CETO использует движение буев для сбора энергии волн и генерации электроэнергии. Буи CETO 5 имели диаметр 11 метров и были погружены примерно на два метра ниже поверхности океана. Каждый буй был соединен тросом с гидроцилиндром, установленным на дне моря. Вертикальное движение буев приводило в движение поршни в цилиндрах, что создавало давление, которое выталкивало воду по подводным трубам к береговой станции для выработки электроэнергии (рис. 1). Там  высокое  давлением воды использовалась для привода гидроэлектрических турбин для выработки электроэнергии, а также производства опресненной воды с помощью обратного осмоса.

Рисунок 1. Схема развернутой системы CETO 5

Однолетний проект CETO 5 не только подтвердил осуществимость этой технологии, но и предоставил нам большой объем информации, которую мы используем для разработки CETO 6. В CETO 5 былы  около 300 датчикоы, которые отслеживали давление, потоки и температуры в гидравлических компонентах; напряжения и частоту тока в электрических компонентах; а также нагрузку, смещение и ускорение механических компонентов. С помощью MATLAB® мы проанализировали и визуализировали терабайты данных, собранных датчиками. Эти результаты были использованы для обоснования наших проектных решений и верификации наших моделей Simulink (рис. 2).

Рисунок 2. График измеренной выходной мощности блока № 2 CETO 5 в зависимости от одной из управляющих переменных

Наш опыт с CETO 5 выявил возможности для улучшения структуры и конструкции CETO 6. Мы увеличили диаметр буев с 11 метров до почти 20 метров и спроектировали CETO 6 таким образом, чтобы электроэнергия вырабатывалась на буях, а не на берегу (рис. 3).

Рисунок 3. Схема новой системы CETO 6

Вместо того, чтобы устанавливать и обслуживать километры труб высокого давления между волновой электростанцией и берегом, теперь мы можем использовать электрический подводный кабель для передачи генерируемой энергии на берег, что снижает стоимость системы и позволяет размещать буи намного дальше в море, где волновые условия часто лучше для выработки электроэнергии. В системе CETO 6 гидравлический насос устанавливается на буй, а не на дно моря. Это изменение упрощает ремонт и техническое обслуживание, поскольку можно отбуксировать всю систему на берег вместо того, чтобы работать под водой.

Моделирование и оптимизация отбора мощности

Сердцем системы CETO 6 является подсистема отбора мощности, которая преобразует гидравлическую энергию  от насоса в электрическую. Наша цель при проектировании подсистемы отбора мощности - извлечь максимальное количество доступной мощности из энергии волн. Из теоретических исследований мы знаем, сколько энергии может извлечь идеально эффективная система. Модели Simulink позволили нам сконфигурировать и определить размер подсистемы отбора мощности, которая максимально приближена к этому идеальному уровню эффективности.

После моделирования швартовного троса, рычагов и других механических компонентов с помощью Simscape Multibody™ мы сосредоточились на гидравлической подсистеме. Мы создали полную модель этой подсистемы с помощью Simulink и Simscape Fluids™ (рис. 4). Модель включает в себя множество гидроаккумуляторов, трубопроводов, клапанов сброса давления и гидравлический двигатель, который преобразует гидравлическое давление и поток в крутящий момент, используемый для привода электрическогоо генератора.

Рисунок 4. Модель Simulink, показывающая гидравлические компоненты CETO 6

Мы провели десятки тысяч численных экспериментов (симуляций) в Simulink, чтобы оптимизировать этот проект. Мы провели переборы различных вариантов, чтобы найти оптимальные структуры и значения параметров, запустив их одновременно на многоядерном процессоре с помощью Parallel Computing Toolbox™. Проведенные симуляции дали некоторые неожиданные результаты. Например, они показали, что один конкретный параметр управления, который, как мы предполагали, нужно значительно менять в зависимости от состояния моря, на самом деле оказывал малое влияние на производительность, независимо от состояния моря. Это понимание позволило нам упростить нашу структуру и снизить общую стоимость системы.

Проверка результатов моделирования и сборка полной модели "от волны к проводу"

Чтобы проверить наши ранние разрабатываемые структуры, мы создали версию системы CETO 6 в масштабе 1:20 и поместили ее в тестовый волновой резервуар, где мы подвергли ее тщательно контролируемым волновым условиям (рис. 5). Во время экспериментов мы собирали данные с датчиков, как мы это делали в действующей волной электростанции CETO 5, и анализировали собранные данные в MATLAB.

Рисунок 5. Масштабный прототип в волновом резервуаре

В рамках подготовки к разработке полной "от волны к проводу" модели, мы используем Simscape Electrical™ для моделирования электрических компонентов системы, включая генератор и конденсаторы, которые будут использоваться для сглаживания колебаний мощности. На другом конце системы, мы создали специальную гидродинамическую модель Simulink для имитации взаимодействия буя с океанскими волнами. Теперь у нас есть возможность перейти от этой пользовательской модели к WEC-SIM, инструменту моделирования волнового преобразователя энергии с открытым исходным кодом, который все более широко используется в нашей отрасли. WEC-SIM был разработан National Renewable Energy Laboratory (NREL) и Sandia National Laboratories с использованием MATLAB, Simulink и Simscape Multibody, что упростит интеграцию в наш алгоритм.

Полная "от волны к проводу" модель позволяет вычислять перемещение буя для определенного профиля волны, давление в гидроцилиндрах от этого перемещения, крутящий момент, приложенный к валу генератора гидравлическим двигателем на основе этого давления, и ,наконец, электрическую мощность, произведенная генератором благодаря этому крутящему моменту.

Реализация CETO 6 и не только

Carnegie Clean Energy планирует развернуть подключенную к сети систему CETO 6 на предприятии Wave Hub по разработке и испытанию систем для использования морской энергии, расположенном в 16 км от побережья Корнуолла в Великобритании (Cornwall, UK) (рис. 6).

Рисунок 6. Морская испытательная установка Wave Hub в Корнуолле, Великобритания

Мы также получили обязательство от нашего местного правительства на финансирование реализации волновой электростанции у побережья Олбани (Albany) в Западной Австралии.

По мере того, как мы работаем над этим развертыванием, мы продолжаем изучать способы улучшения технологии CETO 6. Одно улучшение, которое мы сейчас оцениваем, связано с оптимизацией подсистемы закрепления буев. Текущая вертикальное якорение CETO 6 в основном улавливает энергию вертикальной качки буя (рис. 7).

Рисунок 7. Исполнение буев CETO 6. Показано вертикальное якорение

Эта новая конфигурация подсистемы крепления будет также улавливать наклоные колебания и большие волны, потенциально увеличивая выходную мощность в три раза. Наконец, с недавним расширением нашей компании в области микросетей мы работаем над интеграцией CETO  6 волновой энергетической технологии с солнечной энергией и накопителями энергии с целью разработки и эксплуатации первой в мире микросети на волновых и солнечных батареях.

Оригинал опубликовано 2017 - 93157v00

Перевод - октябрь 2020