Lysekils projekt

Lysekilsprojektet är ett pågående vågkraftsprojekt som drivs av Centrum för förnybar elenergiomställning vid Uppsala universitet i Sverige.

Introduktion

Det huvudsakliga kännetecknet för interaktionen mellan vågor och en WEC (vågenergiomvandlare) är att energi omvandlas med stora krafter och låga hastigheter på grund av havsvågornas egenskaper. Eftersom konventionella generatorer är designade för höghastighetsrotationsrörelse, använder traditionella vågkraftuttagssystem ett antal mellansteg, till exempel hydraulik eller turbiner , för att omvandla denna långsamma vågrörelse, vilket gör den lämplig för dessa generatorer.

Ett annat sätt att tackla problemet; istället för att anpassa vågorna till kraftuttagssystemet är att anpassa systemet till vågorna. Detta kan göras genom att använda en direktdriven WEC (vågenergiomvandlare) med en linjär generator . Fördelen med denna installation är ett mindre komplext mekaniskt system med potentiellt ett mindre behov av underhåll. En nackdel med denna typ av system är en mer komplicerad överföring av kraften till nätet. Detta beror på egenskaperna hos den genererade spänningen som kommer att variera både i amplitud och frekvens .

I Lysekilsprojektet var ett mål att utveckla ett enkelt och robust vågenergisystem med lågt underhållsbehov. Tillvägagångssättet var att hitta ett system med få rörliga delar och så få energiomvandlande steg som möjligt. På grund av dessa krav valdes ett koncept med en direktdriven permanentmagnetgenerator som drivs av en boj som följer rörelsen vid havsytan.[1]

Syftet med projektet

Forskningsprojektet Lysekil bildades i syfte att utvärdera det valda konceptet. WEC:s beteende studeras både när det fungerar som en enhet och tillsammans med flera andra WEC:er som en del av ett kluster. Andra viktiga aspekter är utformningen av transmissionssystemet, det vill säga hur kraften transporteras till nätet och hur detta påverkar andra delar av systemet, såsom bojens absorption. Ett annat syfte med projektet är att fastställa WEC:s miljöpåverkan med fokus på marina organismer, allt från små bottenlevande organismer som lever i havsbotten, från organismer som är involverade i biopåväxt till ryggradsdjur .

Lysekils forskningssida

Testplatsen ligger på den svenska västkusten cirka 100 km norr om Göteborg , nära Lysekil . Platsen ligger 2 km (1,2 mi) offshore och täcker en yta på 40 000 m 2 (430 000 sq ft). Havsbotten i området har en jämn yta med en liten lutning mot väster och djupet varierar från 24 m (79 fot) i den östra delen till 25 m (82 fot) i väster. Havsbotten består huvudsakligen av sandig silt och vissa mindre områden är även täckta med grövre material. Området kommer att innehålla tio bojar kopplade till generatorer och ytterligare ett antal bojar för miljökonsekvensstudier. Tillstånden tillåter studierna att pågå till slutet av 2013 [ behovsuppdatering ] , då måste all utrustning tas bort om inte förlängning söks och godkänns.

Det genomsnittliga energiflödet på forskningsplatsen under 2007, exklusive augusti, var 3,4 kW/m. Det vanligaste sjötillståndet kännetecknas av en energiperiod , T E , runt 4 sekunder och signifikant våghöjd H är mindre än 0,5 m (1,6 fot). Det huvudsakliga energibidraget kommer från de mer energiska (men inte så frekventa) havsstaterna.

Begrepp

Schematisk bild över WEC med linjärgeneratorn vid havsbotten kopplad via en linje till en boj vid havsytan

Vågkraftskonceptet i Lysekil-projektet bygger på en trefas permanent magnetiserad linjärgenerator placerad på havsbotten. Generatorn är ansluten till en punktupptagande boj vid ytan via en lina. När vågorna rör sig tvingar den hydrodynamiska verkan bojen att röra sig i en hävningsrörelse. Bojens rörelser kommer då att driva translatorn i generatorn, vilket följaktligen inducerar ström i statorlindningarna. Translatorn är ansluten till generatorfundamentet med fjädrar som drar in translatorn i vågrännorna.

Tekniken för linjärgeneratorn antas vara något oberoende av djupet och enhetsstorleken 10 kW antas matcha en signifikant våghöjd i intervallet 2 m (6,6 fot). Generatorn och den mekaniska strukturen runt generatorn är dock konstruerade för att kunna hantera stora överbelastningar vad gäller elektriska och mekaniska påkänningar. I tabell 1 visas betyg och geometriska data för den första experimentella WEC.

Eftersom den inducerade spänningen kommer att variera både i amplitud och frekvens kan den genererade effekten inte överföras direkt till nätet. Därför kommer flera WEC att kopplas till en marin transformatorstation , där spänningen från varje WEC kommer att likriktas och den kombinerade utgången alterneras och transformeras innan anslutning till nätet. Sjökabeln som används är en 1 kV kabel med 4 x 95 mm2 kopparledare med ett motstånd på 0,5 Ohm per fas.

Projektets historia

Projektet Lysekil startade 2002 vid avdelningen för el vid Uppsala universitet. Simuleringar indikerade att det fanns en potential för att skörda energi med en vågkraftspark bestående av ett antal mindre WEC-enheter i kustområden. Simuleringarna pekade också på möjligheten till elkraftproduktion på platser med måttligt lugn sjö. På grund av att dessa simuleringar baseras på förenklade boj-våg-interaktionsmodeller, ytterligare simuleringar och experimentella verifieringar där det behövs.

Under 2003 och 2004 erhölls tillstånd att etablera Lysekils forskningsanläggning och den första vågmätningsbojen sattes ut 2004. Den första försöksuppställningen sattes in i mars 2005 och syftet var att mäta den maximala linkraften från en boj med en diameter på 3 m (9,8 fot) och en höjd av 0,8 m (2,6 fot). Denna uppsättning simulerade en generator som hade kopplats bort från nätet och därmed fungerade utan någon dämpning i systemet. Resultaten från dessa experiment användes som indata till den första våggeneratorn och för att verifiera beräkningarna av dynamiken i icke-dämpade system.

Sedan utplaceringen av den första WEC 2006 har den varit i drift i verkliga hav i flera månader under tre olika tidsperioder. Under dessa perioder har mätningar av elektrisk effekt , bojrörelse och krafter i förtöjningslinor genomförts och analyserats för att öka kunskapen om direktdriven linjärgenerator WEC-dynamik. Under den första testperioden omvandlades all elkraft till värme över en trefas deltakopplad resistiv last . För att undersöka effekten av en icke-linjär belastning på WEC-systemet kopplades generatorn under den andra testperioden till en icke-linjär belastning bestående av en diodlikriktare, kondensatorer och motstånd. Styr-, last- och mätsystemet för WEC har successivt utökats och nu finns ett fjärrstyrt mätsystem och styrsystem.

Resultat från studierna visar hur väl vågenergiomvandling med detta koncept fungerar i såväl lugna som grova tillstånd till havs. Försök med icke-linjära laster har ökat kunskapen om hur transmissionssystemet bör utformas. Resultaten visar också hur WEC fungerar när den är ansluten till en icke-linjär last, vilket kommer att vara fallet när den genererade spänningen likriktar sig.

Lysekil-projektet har utökats med ytterligare två WEC som har lanserats på testplatsen tillsammans med en marin transformatorstation. Dessa tre WEC har nyligen (juni 2009) kopplats samman med transformatorstationen.

Teknologi

Linjär generator

Den rörliga delen i en linjär generator kallas översättaren. När bojen lyfts av vågen sätter bojen översättaren i rörelse. Det är den relativa rörelsen mellan statorn och translatorn i generatorn som gör att spänningen induceras i statorlindningarna.

Kravet på en linjär generator för vågkraftstillämpningar är förmågan att hantera höga toppkrafter, låg hastighet och oregelbunden rörelse till låga kostnader. När en generator rör sig med varierande hastighet och riktning resulterar det i en inducerad spänning med oregelbunden amplitud och frekvens. Uteffektens toppvärde kommer att vara flera gånger högre än den genomsnittliga kraftproduktionen. Generatorn och elsystemet måste dimensioneras för dessa effekttoppar.

Det finns olika typer av linjära generatorer som skulle kunna användas i vågkraftstillämpningar och vid jämförelse har det visat sig att permanentmagnetiserade synkrona linjära generatorer är den mest lämpliga typen. I Lysekilprojektet har denna typ av generator valts och magneterna är Nd-Fe-B permanentmagneter monterade på översättaren. Inuti generatorn är kraftfulla fjädrar fästa under translatorn, de fungerar som en reagerande kraft i vågtrågen efter att bojen och translatorn lyfts av vågtopparna. Fjädrarna lagrar också tillfälligt energi vilket resulterar i att generatorn optimalt kan producera lika mycket energi i båda riktningarna, vilket jämnar ut den producerade effekten. I toppen och botten av generatorn är ändstopp med kraftfulla fjädrar placerade för att begränsa översättarens slaglängd.

Transmissionssystem

Den producerade kraften kan, som tidigare nämnts, inte direkt levereras till nätet utan konvertering. Detta görs i flera steg; först likriktas spänningen från varje generator. Sedan kopplas de ihop parallellt och likspänningen filtreras ( filtret består av kondensatorer). Filtret jämnar ut spänningen från generatorerna och skapar en stabil likspänning. Under korta tidsperioder kommer också effekten efter filtret att vara konstant. Om systemet studeras under timskalor (eller mer) kommer det att finnas variationer i den producerade effekten, dessa variationer beror på förändringar i sjötillståndet.

Detta bojgeneratorkoncept tillåter inte att en enda enhet drivs, speciellt inte ansluten till nätet. Detta beror främst på de stora kortsiktiga variationerna i producerad effekt och den relativt lilla storleken på WEC. Kostnaden för det elektriska systemet, transmissionssystemet, skulle bli för hög. När flera generatorer är parallellkopplade kommer kravet på det kapacitiva filtrets förmåga att lagra energi att minska och därmed också kostnaden förknippad med det. För att kompensera för spänningsvariationer på utgången som uppstår på grund av sjötillståndsvariationer kan en DC/DC-omvandlare eller en tappkopplad transformator användas.

Systemaspekter

En hög nivå av dämpning (kraftutvinning) resulterar i större skillnad mellan vågens vertikala rörelse och översättarens hastighet. Detta kommer i sin tur att resultera i en högre linkraft när vågen lyfter bojen och en lägre kraft när bojen rör sig nedåt. Den maximala effekten uppstår under de maximala och minimala linjekrafterna (förutsatt att översättaren är inom generatorns slaglängd). Om översättaren rör sig nedåt med en lägre hastighet än bojen kommer linan att slakna och den resulterande linkraften blir nästan noll. Det omvända förhållandet uppstår när bojen rör sig uppåt, då blir linjekraften större ju större skillnad det är mellan bojens rörelse och generatortranslatorn.

Om våghöjden (skillnaden mellan vågtopp och vågdal) är större än slaglängden, kommer översättaren att stanna vid det nedre ändstoppet. Vid det övre ändstoppet spolas vågen över bojen och vid det nedre mattas linan. I båda dessa fall produceras ingen ström (spänningsinducerad) förrän översättaren börjar röra sig igen. Detta händer när vågen är lägre än bojens toppläge i det övre tillståndet, och i det nedre tillståndet när vågen har stigit så mycket att bojen återigen börjar dra översättaren uppåt. Det har visat sig att det mesta av energin överförs genom våghöjder på 1,2–2,7 m (3,9–8,9 fot) inom forskningsområdet.

Om generatorn är ansluten till en linjär strikt resistiv last, kommer den att leverera ström så snart spänning induceras i generatorn. Med en icke-linjär belastning är förhållandet inte så enkelt. Belastningen är inte linjär på grund av transmissionssystemet, vars diodlikriktare resulterar i att effekt endast kan tas ut över vissa spänningsnivåer. Följaktligen begränsar DC-spänningsnivån amplituden för generatorfasspänningen. Med en icke-linjär belastning kommer generatorns fasspänning att nå maximal amplitud som är ungefär lika med DC-spänningen. När generatorns fasspänning når nivån för DC-spänningen börjar strömmen flyta (ström tas ut) från generatorn till DC-sidan av likriktaren. Kraft kommer att levereras så länge vågorna kan leverera mekanisk kraft till bojen och så länge som översättaren inte har nått sitt övre eller nedre ändstopp. Strömmen kommer att öka när hastigheten på översättaren ökar. Denna icke-linjära effektutvinning resulterar i olika former av spänningarna och strömpulserna.

Miljöpåverkan

Forskningsplatsen undersöktes i början av projektet och 2004 togs sedimentprover innan WEC sattes in. Detta gjordes för att undersöka och analysera den marina infaunan inom forskningsområdet och kontrollområdet samt få information om artsammansättning och biologisk mångfald . Biologisk mångfaldsrikedom används ofta för att mäta hälsan hos biologiska system. Organismerna identifierades ner till familje- eller artnivå där det var möjligt. Vid Lysekils forskningsområde hittades 68 olika arter. Det fanns bara små ungorganismer och inga rödlistade arter hittades. Sedan 2004 tas sedimentprov årligen för att följa utvecklingen inom såväl kontrollområdet som inom forskningsområdet. Genom de inledande studierna har det blivit tydligt att det var en högre artrikedom och biologisk mångfald i forskningsområdet än i kontrollområdet. Detta förklaras av variationen av sedimentsubstrat. Sediment i kontrollområdet består huvudsakligen av silt, som till största delen är relativt syrebrist och färre arter är anpassade till sådana extrema förhållanden. Sammantaget är forskningsplatsen Lysekil ingen unik miljö och det fanns ingen oro för utrotning av känsliga lokala arter.

Den första försöksuppställningen för marina ekologiska studier av vågkraft bestod av 4 biologiska bojar som sattes ut 2005. Syftet med bojarna är att studera vilka effekter en etablering av en vågkraftspark kan få. Vid placering av fasta konstruktioner på en annars ganska tom sandbotten kommer levnadsförhållandena på platsen att förändras och konsekvenserna av detta studeras med hjälp av bojarna. Under 2007 utökades studiens storlek och komplexitet när ytterligare bojar installerades. Bojarna var uppdelade i två olika områden inom forskningsområdet, med 200 m (660 fot) mellan grupperna. Inom grupperna placerades bojarna 15–20 m (49–66 fot) från varandra. Hälften av fundamenten utformades med olika hål och andra hälften utan. Hålen i fundamenten gjordes för att studera skillnaden i kolonisering mellan grunden med och utan hål och hur de olika typerna av hål påverkar kolonisationsmönstret.

Biologibojarna används också för att studera biofouling och dess inverkan på kraftupptaget. Vissa preliminära studier tyder på att effekten av biofouling på energiabsorptionen kan försummas men detta måste undersökas ytterligare.

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Lysekil_Project&oldid=1097949707 "