Abstract
De fleste aktive bølgeenergikoncepter er baseret på at høste energi ved at placere diverse former for pontoner/flydere ude i havet. Disse flydere bringes i bevægelse af bølger, og bevægelserne omdannes til elektricitet. Omdannelsen af den oscillerende bevægelse til elektricitet foretages af et system kaldet et Power Take-Off (PTO).
Til trods for at der er forsket i bølgeenergi de sidste 40 år, så er PTO-designet stadig ikke løst. Ingen gennemtestede designs eksisterer, og ingen installerede prototyper har demonstreret en gennemsnitlig elproduktion på over 250kW. Ser man på anlæg over 1MW findes der næsten ingen forskning, hvilket gør manglende PTO-udvikling en medvirkende faktor til, at bølgeenergi hænger i en præ-kommercialiseringsfase - en fase, hvor el-produktion er mulig, men hvor der skal findes en vej til større og mere effektive anlæg.
Formålet med forskningen i denne afhandling er at finde frem til et PTO-system, som er i stand til at opfylde nuværende og fremtidige behov indenfor bølgeenergi, dvs. høj effektivitet, kontrollerbarhed og holdbarhed. Samtidig skal systemet være skalerbar. Forskningen i denne afhandling tager udgangspunkt i Wavestar’s 600kW konverter med 20 flydere, men de udviklede metoder og resultater har generel anvendelighed for bølgeenergikoncepter baseret på omdannelse af oscillerende bevægelser.
Alle PTO-teknologier bliver til at starte med holdt åbne, hvorefter der genneføres en grundig afdækning og evaluering af løsninger. På baggrund af dette udvælges de teknologier, som har tilstrækkelig potentiale. I den henseende har det været nødvendigt også at afdække relevante fremskridt indenfor andre områder omhandlende transmissioner i store maskiner.
En af udfordringer i bølgeenergi er afvejningen mellem modstridende PTO-egenskaber, f.eks. kontrollerbarhed, effektivitet og spidseffektkapacitet. PTO-udvikling til bølgeenergi er et klassisk eksempel på et mekatronisk designproblem, hvor alle aspekter af designet er koblet. I afhandlingen præsenteres en metode til sammenligning af alle klassiske bølgeenergi-udvindingsmetoder (reaktiv kontrol, lineær dæmpning, latching kontrol, Coulomb dæmpning, etc.). De klassiske metoder bliver analyseret vha. en
general formulering af et PTO-system, hvor formuleringen optimeres vha. numeriske simuleringer i uregelmæssige bølger. Dette tillader en sammenligning af udvindingsmetodernes performance som funktion af PTO-egenskaber. Metoden tillader også at sammenligne performance af grundlæggende forskellige PTO-systemer.
Ideen om reaktiv kontrol for at øge energiabsorption daterer sig tilbage til 1970’erne, og der hersker stadig den dag i dag uenighed om dens anvendelighed i “virklige” PTOsystemer med tab. I denne afhandling opnås et analytisk resultat, der beviser at reaktiv kontrol er anvendelig, endda for PTO-systemer med lave virkningsgrader.
Den reaktive styring blev testet i et bølgebassin på en flyder i skala 1:20. Testen efterviste den beregnede performance. Tests blev desuden udført for at eftervise de opstillede modeller for bølge/flyder-interaktionen. Disse modeller er baseret på lineær bølgeteori.
En ny kontrolmetode kaldet OCIR (Oscillation Control Implmented Resistively) blev ligeledes præsenteret til udvinding af bølgeeneri. OCIR implementerer en kausal ikkelineær styring, som opnår lignende manipulation af flyderens bevægelse som reaktiv kontrol, men alene ved anvendelse af ikke-lineære dæmpningsteknikker. Kontrollen har vist sig at være overlegen i forhold til andre resistive kontrolmetoder.
Den udførte forskning leder frem til tre potentielle PTO-systemer, hvor det ene er baseret på et magnetisk gear. Gearet er baseret på magnetisk at efterligne funktionen af en skrue og møtrik ved at placere permanentmagneter i et gevindmønster. Et PTO-layout med denne magnetiske ledeskrue er etableret og analyseret ved hjælp af simuleringer. Dette førte til, at en gruppe kandidatstuderende designede en fungerende prototype på 17kN med en halv meter slaglænge. Den magnetiske ledeskrue er i stand til direkte at konvertere en lineær bevægelse med en hastighed på 0.5m/s til en roterende bevægelse på over 1000rpm, som kan drive en konventionel generator.
To hydrauliske PTO-løsninger vurderes ligeledes egnede. Den ene, der er baseret på diskret kontrol af en hydraulisk cylinder, anses for at være den bedst egnede og analyseres derfor dybdegående. Løsningen kaldes for en Diskret Displacement Cylinder (DDC). Den udviklede DDC tillader diskret kraftstyring af en multi-kamret cylinder, som drives direkte af flyderen, mens cylinderens producerede effekt overføres direkte til et batteri af højtryksakkumulatorer. Konceptet giver mulighed for at DDC’erne fra flere flydere kan tilsluttes samme akkumulatorbatteri, hvor en hydraulisk motor kan bruge den lagrede energi til at drive en generator ved nær konstant belastning.
Et komplet PTO med DDC bliver designet og simuleret for et 20-flyder Wavestar 600kW anlæg. Simuleringsmodellen anvender en hydrodynamisk model for 20 flydere. Alle PTO-komponenter er modelleret, og alle de vigtigste systemstyringer er udviklet og implementeret. Modellen har over 600 tilstande og viser den forventede PTO-performance.
En 420kN DDC-prototype for en flyder bliver udviklet og testet. DDC’en består af en multi-kamret cylinder med 2m slaglænge og en prototype ventilmanifold. Manifolden er implementeret ved hjælp af hurtige proportionalventiler i stedet for on/off ventiler. Dette gør det muligt at efterligne en vilkårlig on/off ventil. DDC-prototypen har en spidseffekt på 210kW. For at teste DDC-prototypen udvikles en fuld-skala testbænk, som benytter en anden hydraulisk cylinder til at emulere bevægelsen af en flyder i bølger. En styring baseret på tilstandsregulering bliver udviklet og er i stand til at få cylinderen til at følge bevægelsen beregnet af en realtids-simulering af flyderen. Testbænken er derved i stand til at efterligne flyderens dynamik og reagere korrekt på PTO-belastninger.
Systematiske tests blev udført på DDC’en og validerede de beregnede krav til ventiler m.m. Forventede udfordringer med slangedynamik blev oplevet, hvor der under ventilskift viste sig trykstød, som gav 30% forhøjet tryk i forhold til normalt niveau. De målte trykstød kunne simuleres, og vha. anvendelse af modellerne blev en forbedret skifteteknik, der kunne løse problemet, udviklet.
Til sidst blev en indledende test af DDC’en succesfuldt foretaget i uregelmæssige bølger på testbænken. Udover at verificere DDC-designet, verificerede den også de anvendte modeller og metoder.
Til trods for at der er forsket i bølgeenergi de sidste 40 år, så er PTO-designet stadig ikke løst. Ingen gennemtestede designs eksisterer, og ingen installerede prototyper har demonstreret en gennemsnitlig elproduktion på over 250kW. Ser man på anlæg over 1MW findes der næsten ingen forskning, hvilket gør manglende PTO-udvikling en medvirkende faktor til, at bølgeenergi hænger i en præ-kommercialiseringsfase - en fase, hvor el-produktion er mulig, men hvor der skal findes en vej til større og mere effektive anlæg.
Formålet med forskningen i denne afhandling er at finde frem til et PTO-system, som er i stand til at opfylde nuværende og fremtidige behov indenfor bølgeenergi, dvs. høj effektivitet, kontrollerbarhed og holdbarhed. Samtidig skal systemet være skalerbar. Forskningen i denne afhandling tager udgangspunkt i Wavestar’s 600kW konverter med 20 flydere, men de udviklede metoder og resultater har generel anvendelighed for bølgeenergikoncepter baseret på omdannelse af oscillerende bevægelser.
Alle PTO-teknologier bliver til at starte med holdt åbne, hvorefter der genneføres en grundig afdækning og evaluering af løsninger. På baggrund af dette udvælges de teknologier, som har tilstrækkelig potentiale. I den henseende har det været nødvendigt også at afdække relevante fremskridt indenfor andre områder omhandlende transmissioner i store maskiner.
En af udfordringer i bølgeenergi er afvejningen mellem modstridende PTO-egenskaber, f.eks. kontrollerbarhed, effektivitet og spidseffektkapacitet. PTO-udvikling til bølgeenergi er et klassisk eksempel på et mekatronisk designproblem, hvor alle aspekter af designet er koblet. I afhandlingen præsenteres en metode til sammenligning af alle klassiske bølgeenergi-udvindingsmetoder (reaktiv kontrol, lineær dæmpning, latching kontrol, Coulomb dæmpning, etc.). De klassiske metoder bliver analyseret vha. en
general formulering af et PTO-system, hvor formuleringen optimeres vha. numeriske simuleringer i uregelmæssige bølger. Dette tillader en sammenligning af udvindingsmetodernes performance som funktion af PTO-egenskaber. Metoden tillader også at sammenligne performance af grundlæggende forskellige PTO-systemer.
Ideen om reaktiv kontrol for at øge energiabsorption daterer sig tilbage til 1970’erne, og der hersker stadig den dag i dag uenighed om dens anvendelighed i “virklige” PTOsystemer med tab. I denne afhandling opnås et analytisk resultat, der beviser at reaktiv kontrol er anvendelig, endda for PTO-systemer med lave virkningsgrader.
Den reaktive styring blev testet i et bølgebassin på en flyder i skala 1:20. Testen efterviste den beregnede performance. Tests blev desuden udført for at eftervise de opstillede modeller for bølge/flyder-interaktionen. Disse modeller er baseret på lineær bølgeteori.
En ny kontrolmetode kaldet OCIR (Oscillation Control Implmented Resistively) blev ligeledes præsenteret til udvinding af bølgeeneri. OCIR implementerer en kausal ikkelineær styring, som opnår lignende manipulation af flyderens bevægelse som reaktiv kontrol, men alene ved anvendelse af ikke-lineære dæmpningsteknikker. Kontrollen har vist sig at være overlegen i forhold til andre resistive kontrolmetoder.
Den udførte forskning leder frem til tre potentielle PTO-systemer, hvor det ene er baseret på et magnetisk gear. Gearet er baseret på magnetisk at efterligne funktionen af en skrue og møtrik ved at placere permanentmagneter i et gevindmønster. Et PTO-layout med denne magnetiske ledeskrue er etableret og analyseret ved hjælp af simuleringer. Dette førte til, at en gruppe kandidatstuderende designede en fungerende prototype på 17kN med en halv meter slaglænge. Den magnetiske ledeskrue er i stand til direkte at konvertere en lineær bevægelse med en hastighed på 0.5m/s til en roterende bevægelse på over 1000rpm, som kan drive en konventionel generator.
To hydrauliske PTO-løsninger vurderes ligeledes egnede. Den ene, der er baseret på diskret kontrol af en hydraulisk cylinder, anses for at være den bedst egnede og analyseres derfor dybdegående. Løsningen kaldes for en Diskret Displacement Cylinder (DDC). Den udviklede DDC tillader diskret kraftstyring af en multi-kamret cylinder, som drives direkte af flyderen, mens cylinderens producerede effekt overføres direkte til et batteri af højtryksakkumulatorer. Konceptet giver mulighed for at DDC’erne fra flere flydere kan tilsluttes samme akkumulatorbatteri, hvor en hydraulisk motor kan bruge den lagrede energi til at drive en generator ved nær konstant belastning.
Et komplet PTO med DDC bliver designet og simuleret for et 20-flyder Wavestar 600kW anlæg. Simuleringsmodellen anvender en hydrodynamisk model for 20 flydere. Alle PTO-komponenter er modelleret, og alle de vigtigste systemstyringer er udviklet og implementeret. Modellen har over 600 tilstande og viser den forventede PTO-performance.
En 420kN DDC-prototype for en flyder bliver udviklet og testet. DDC’en består af en multi-kamret cylinder med 2m slaglænge og en prototype ventilmanifold. Manifolden er implementeret ved hjælp af hurtige proportionalventiler i stedet for on/off ventiler. Dette gør det muligt at efterligne en vilkårlig on/off ventil. DDC-prototypen har en spidseffekt på 210kW. For at teste DDC-prototypen udvikles en fuld-skala testbænk, som benytter en anden hydraulisk cylinder til at emulere bevægelsen af en flyder i bølger. En styring baseret på tilstandsregulering bliver udviklet og er i stand til at få cylinderen til at følge bevægelsen beregnet af en realtids-simulering af flyderen. Testbænken er derved i stand til at efterligne flyderens dynamik og reagere korrekt på PTO-belastninger.
Systematiske tests blev udført på DDC’en og validerede de beregnede krav til ventiler m.m. Forventede udfordringer med slangedynamik blev oplevet, hvor der under ventilskift viste sig trykstød, som gav 30% forhøjet tryk i forhold til normalt niveau. De målte trykstød kunne simuleres, og vha. anvendelse af modellerne blev en forbedret skifteteknik, der kunne løse problemet, udviklet.
Til sidst blev en indledende test af DDC’en succesfuldt foretaget i uregelmæssige bølger på testbænken. Udover at verificere DDC-designet, verificerede den også de anvendte modeller og metoder.
| Originalsprog | Engelsk |
|---|---|
| Udgiver | |
| ISBN'er, trykt | 978-87-92846-34-1 |
| Status | Udgivet - 2013 |