Khai thác sức mạnh khổng lồ của đại dương là một bước tiến lớn trong năng lượng tái tạo. Không giống như lĩnh vực năng lượng mặt trời và năng lượng gió, được chấp nhận rộng rãi. Năng lượng từ đại dương, đặc biệt là từ sóng và dòng chảy. Mang đến những thách thức và cơ hội độc đáo. Sự thành công của các công nghệ này phụ thuộc vào việc thiết kế các hệ thống điện mạnh mẽ và chuyên dụng cho các hệ thống năng lượng sóng và thủy triều của các đại dương. Bài viết này sẽ đi sâu vào các nguyên tắc kỹ thuật điện chính cần thiết để chuyển đổi năng lượng thô từ các vùng biển thường hỗn loạn. để có điện ổn định, đồng bộ với hệ thống lưới điện.

Các khái niệm cơ bản và nền tảng vấn đề

Hệ thống năng lượng đại dương lấy năng lượng từ hai nguồn chính: năng lượng thủy triều tuần hoàn (năng lượng thủy triều) và động năng và thế năng trong sóng biển (năng lượng sóng). Một thách thức cơ bản trong việc thiết kế hệ thống điện cho hệ thống năng lượng sóng biển và thủy triều là đối phó với các đầu vào dễ bay hơi và cực đoan.

• Năng lượng thủy triều: Tuabin gió thường được sử dụng, tương tự như tuabin gió chìm.
• Sức mạnh sóng: Sử dụng nhiều công nghệ khác nhau (ví dụ: chất hấp thụ điểm, Cột nước đung đưa) Đầu vào rất không đồng đều. Tần số thấp và dao động

Vấn đề chính là việc chuyển đổi năng lượng cơ học thô tần số thấp thay đổi này thành điện áp dòng điện xoay chiều tần số không đổi (50/60 Hz) phù hợp với hệ thống lưới điện. Quá trình này liên quan đến truyền tải điện (PTO), điện tử công suất và các thuật toán điều khiển phức tạp.

Kiến trúc điện cho môi trường biển

Hệ thống điện cho bộ chuyển đổi năng lượng biển bao gồm nhiều thành phần khác nhau. Mỗi bộ phận đều đóng một vai trò quan trọng. Cấu trúc phải có khả năng chống ăn mòn. Áp suất và cặn sinh học.

1. Power Takeoff (PTO): Là kết nối chính giữa kết cấu cơ khí và máy phát điện, có thể là động cơ thủy lực, máy phát tuyến tính hoặc máy phát quay.

2. Máy phát điện: Các loại năng lượng cơ học phổ biến nhất là máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) và máy phát điện cảm ứng, được lựa chọn do độ bền và hiệu quả của chúng.

3. Quy trình chuyển đổi năng lượng: Đây là trọng tâm của thiết kế điện cho các hệ thống năng lượng sóng biển và thủy triều. Nó sử dụng điện tử công suất để điều hòa đầu ra thô của máy phát điện.

• Máy phát điện / Biến tần DC: Chuyển đổi dòng điện xoay chiều thay đổi từ máy phát điện thành dòng điện một chiều.
• Bộ chuyển đổi DC-DC: Tăng điện áp DC đến mức phù hợp để truyền tín hiệu.
• Biến tần DC / AC: Chuyển đổi DC ổn định trở lại thành điện xoay chiều tuân thủ lưới điện.

4. Hệ thống điều khiển và theo dõi: Bộ điều khiển thời gian thực quản lý toàn bộ quá trình bằng cách sử dụng các thuật toán như Theo dõi điểm năng lượng đỉnh (MPPT) để tối đa hóa việc thu năng lượng từ các điều kiện sóng hoặc thủy triều thay đổi.

Ví dụ: Mô phỏng chuỗi chuyển đổi năng lượng

Mô phỏng này thể hiện việc điều hòa các đầu vào biến đổi (mô phỏng công suất sóng) thành điện áp liên kết DC ổn định.

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# Simulation Parameters
time = np.linspace(0, 10, 1000)  # 10 seconds simulation
simulated_wave_power = 500 + 300 * np.sin(2 * np.pi * 0.5 * time)  # Highly oscillatory wave power input

# Simulate a DC-DC Boost Converter with basic MPPT
# Assume the converter tries to maintain a constant DC link voltage
dc_link_voltage_setpoint = 800  # Volts
dc_link_voltage = []

current_power = 0
for power_in in simulated_wave_power:
    # Simple control logic: Adjust voltage based on power input
    # A real system would use a more sophisticated MPPT algorithm (e.g., Perturb and Observe)
    voltage_out = dc_link_voltage_setpoint + 0.01 * (power_in - current_power)
    dc_link_voltage.append(voltage_out)
    current_power = power_in

# Plotting the results
plt.figure(figsize=(10, 6))
plt.subplot(2, 1, 1)
plt.plot(time, simulated_wave_power)
plt.title('Simulated Raw Wave Power Input')
plt.ylabel('Power (kW)')
plt.grid(True)

plt.subplot(2, 1, 2)
plt.plot(time, dc_link_voltage)
plt.title('Conditioned DC Link Voltage')
plt.xlabel('Time (s)')
plt.ylabel('Voltage (V)')
plt.grid(True)
plt.tight_layout()
plt.show()

‍
Mã này trực quan hóa thách thức và giải pháp chính: biến đầu vào có độ thay đổi cao thành đầu ra ổn định. Đây là mục tiêu chính của quá trình chuyển đổi năng lượng.

Các lỗi thiết kế và trở ngại phổ biến

Thiết kế điện điều hướng cho hệ thống năng lượng sóng biển và thủy triều phải tránh một số sai lầm phổ biến:

• Đánh giá thấp tải trọng thoáng qua: Đại dương rất tàn bạo, thiết bị điện phải được đánh giá để chịu được tải trọng thoáng qua nghiêm trọng vượt quá các điều kiện hoạt động thông thường, chẳng hạn như tải trọng từ sóng khổng lồ. Các thành phần tiêu chuẩn công nghiệp thường bị hư hỏng sớm.
• Bảo vệ chống ăn mòn không đầy đủ: Chỉ tiêu chuẩn hóa IP là không đủ. Các thành phần yêu cầu lớp phủ, vật liệu đặc biệt (ví dụ: thép không gỉ song công, titan) và vỏ bọc được thiết kế để ngâm lâu dài trong nước mặn, như được nêu chi tiết trong tiêu chuẩn Tài nguyên Năng lượng Hàng hải của DNV.
• Bỏ bê tuân thủ lưới điện: Biến tần không chỉ tạo ra sóng sin AC mà còn phải tuân thủ các tiêu chuẩn lưới điện nghiêm ngặt về điện áp và tần số, chất lượng điện (sóng hài) và hỗ trợ công suất phản kháng. Không tuân thủ các tiêu chuẩn IEEE này để tích hợp lưới điện Điều này có thể ngăn dự án kết nối với lưới điện.
• Bỏ qua quyền truy cập vào bảo trì: Cuối cùng, toàn bộ hệ thống cần được bảo trì. Thiết kế và kết nối tủ điện giúp dễ dàng tiếp cận và sửa chữa trong môi trường biển khắc nghiệt. Điều quan trọng là phải giảm chi phí vận hành và thời gian ngừng hoạt động.

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

Sự khác biệt chính giữa thiết kế hệ thống điện cho năng lượng thủy triều và năng lượng sóng là gì? Năng lượng thủy triều thường dẫn đến đầu vào quay một chiều (hoặc hai chiều chậm). dễ dự đoán hơn. Điều này làm cho hệ thống điện tương tự như tuabin gió nhưng là mô hình hàng hải. Hệ thống năng lượng sóng thường liên quan đến chuyển động dao động với tần số thấp. Nó rất dễ bay hơi và thường cần có hệ thống PTO thủy lực hoặc khí nén trung gian trước khi phát điện. Điều này làm cho hệ thống điện tử, điện và điều khiển trở nên phức tạp hơn.

Tại sao máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) được sử dụng phổ biến như vậy? Nó có hiệu quả cao, có tỷ lệ công suất trên trọng lượng cao và không yêu cầu nguồn điện bên ngoài để tạo ra từ trường (máy phát điện tự kích hoạt), lý tưởng cho các hệ thống truyền động trực tiếp, nơi không cần hộp số dễ bị hư hỏng trong môi trường biển khắc nghiệt. Cải thiện độ tin cậy

Điện được truyền từ thiết bị ngoài khơi vào bờ như thế nào? Đối với các thiết bị đơn lẻ hoặc bộ dụng cụ nhỏ Đối với các trang trại lớn, các trạm điện dưới nước thu năng lượng điện từ nhiều thiết bị. Tăng điện áp để giảm tổn thất điện năng từ truyền tải (ví dụ: xuống 33 kV hoặc 66 kV) và sau đó đưa nó vào lưới điện trên bờ.

Kết luận

Con đường thương mại hóa năng lượng đại dương rất phức tạp, nhưng thiết kế các hệ thống điện phức tạp cho hệ thống năng lượng sóng và thủy triều là chìa khóa để mở khóa tiềm năng của hệ thống. Các kỹ sư có thể tạo ra các hệ thống không chỉ thiết thực mà còn đáng tin cậy và tiết kiệm chi phí với chuyên môn của họ trong việc chuyển đổi năng lượng. Việc sử dụng các thành phần và thiết kế bền đáp ứng nhu cầu cụ thể của môi trường biển. Trong khi lĩnh vực này tiếp tục phát triển. Những đổi mới trong hệ thống điện tử, năng lượng và điều khiển sẽ rất quan trọng để biến năng lượng đại dương trở thành một thành phần quan trọng của hỗn hợp năng lượng tái tạo toàn cầu.