«Διαμόρφωση Ηλεκτρικού Μέρους και Συστήματος Ελέγχου Διατάξεως Ηλεκτροπαραγωγής με Πλωτήρα από ΘαλάσσιοΚυματισμό»

Transcript

1 «Διαμόρφωση Ηλεκτρικού Μέρους και Συστήματος Ελέγχου Διατάξεως Ηλεκτροπαραγωγής με Πλωτήρα από ΘαλάσσιοΚυματισμό» Αντώνιος Γ. Κλαδάς ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ YΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΩΝ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΙΣΧΥΟΣ

2 Εισαγωγή Σύνοψη 1. Διαμόρφωση διάταξης και ηλεκτρικού μέρους 2. Εναλλακτική γραμμική γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη 3. Σύστημα ελέγχου διέγερσης γεννητριών 4. Διαμόρφωση μετρητικού συστήματος 5. Μοντελοποίηση πλωτήρα 6. Μοντελοποίηση γεννήτριας Σ.Ρ. 7. Μετρήσεις και ανάλυση πειραματικών μετρήσεων 8. Συγκρίσεις και επιβεβαίωση δυνατοτήτων διάταξης 9. Συμπεράσματα

3 Εισαγωγή Πειραματικός σταθμός παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από θαλάσσιο κυματισμό συνολικής ισχύος 48 kw. O σταθμός κατασκευάσθηκε στην Ψυττάλεια στα πλαίσια του ερευνητικού προγράμματος ΠΑΒΕΤ 00ΒΕ142

4 1. Διαμόρφωση διάταξης και ηλεκτρικού μέρους Πλωτήρας (1) Διπαράλληλος ζυγός (3) (4) Σύστημα μετάδοσης κίνησης (6) Ζεύγος αλυσίδων Κλωβός (2) Προσπίπτον Κύμα Κυματοθραύστης (7) Άξονας μετάδοσης κίνησης SWL Ανακλώμενο κύμα (5) Ζεύγος οδοντωτών τροχών Η κατακόρυφη κίνηση του πλωτήρα, μετατρέπεται σε περιστροφική, πάνω στον άξονα μετάδοσης της κίνησης

5 1. Διαμόρφωση διάταξης και ηλεκτρικού μέρους Κυλινδρικός Σύστημα μετάδοσης Ζεύγος οδοντωτών Πλωτήρας κίνησης τροχών

6 1. Διαμόρφωση ηλεκτρικού μέρους της διάταξης Πρωτογενές υδροδυναμικό/ μηχανικό σύστημα Πολλαπλασιαστής στροφών Γεννήτρια ΣΡ G I a Εξωτερικό φορτίο Τύλιγμα διέγερσης γεννήτριας I f Μετατροπέας ΣΡ/ΣΡ Πηγή ανεξάρτητης διέγερσης Σύστημα ελέγχου Η παραγόμενη από την γεννήτρια Σ.Ρ. ηλεκτρική ισχύς, καταναλίσκεται σε ωμικά φορτία σταθερής τιμής

7 1. Διαμόρφωση ηλεκτρικού μέρους της διάταξης Τεχνικά χαρακτηριστικά γεννήτριας Συνεχούς Ρεύματος Μέγεθος Τιμή Ισχύς P N = 16 kw Ονομαστική τάση εξόδου U AN = 440 V Ονομαστικό ρεύμα δρομέα I AN = 36.4 A Ταχύτητα δρομέα n r = 3000 rpm Τάση τυλίγματος διέγερσης U FN = 340 V Ρεύμα τυλίγματος διέγερσης I FN = 1.4 A Αυτεπαγωγή τυλίγματος διέγερσης L FF = 30 H Αυτεπαγωγή τυλίγματος δρομέα L AA = 10.7 mh Αντίσταση τυλίγματος δρομέα r a = 0.8 Οhms Αντίσταση τυλίγματος διέγερσης r f = 167 Οhms

8 1. Διαμόρφωση ηλεκτρικού μέρους της διάταξης Διαμόρφωση ηλεκτρολογικής εγκατάστασης σταθμού

9 2. Εναλλακτική γραμμική γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη Σχεδιασμός με τη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων

10 2. Εναλλακτική γραμμική γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη Σχεδιασμός με τη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων

11 3. Σύστημα ελέγχου διέγερσης γεννητριών Γραμμικό μοντέλο πλωτήρα Κύματα με γωνιακή ταχύτητα περιστροφής ω 2.75 rad/s δηλαδή για περίοδο κύματος Τ 2.3 sec παρατηρείται συντονισμός Μέση γραμμική ταχύτητα πλωτήρα u=0,9 m/s

12 3. Σύστημα ελέγχου διέγερσης γεννητριών Μετατροπέας ΣΡ/ΣΡ i f Τύλιγμα διέγερσης Πηγή u* i f * i f *=f(t ref,i a ) T ref Σύστημα ελέγχου του μετατροπέα Βελτιστοποίηση του ρεύματος διεγέρσεως της γεννήτριας, με τεχνική διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM)

13 3. Σύστημα ελέγχου διέγερσης γεννητριών Υλοποίηση συστήματος ελέγχου με μικροεπεξεργαστή PIC18F452

14 4. Διαμόρφωση μετρητικού συστήματος ΠΑΡΑΠΗΓΜΑ ΨΗΦΙΑΚΗ ΚΑΡΤΑ ΤΡΟΦΟΔΟΤΙΚΟ ±15 V/2 W ΑΝΑΛΟΓΙΚΗ ΚΑΡΤΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΑΝΑΛΟΓΙΚΗ ΚΑΡΤΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΜΗΚΥΝΣΙΟΜΕΤΡΩΝ ΚΥΜΑΤΟΓΕΝ- ΝΗΤΡΙΕΣ ΠΙΕΣΟΜΕΤΡΟ ΠΟΤΕΝΣΙΟΜΕΤΡΑ ΗΛΕΚΤΡ. ΡΕΥΜΑ ΗΛΕΚΤΡ> ΤΑΣΗ ΜΗΝΥΝΣΙΟΜΕΤΡΑ Σύστημα data logger επεξεργασίας - αποθήκευσης δεδομένων

15 4. Διαμόρφωση μετρητικού συστήματος Η/Υ Data Logger Τερματική πλακέτα αισθητηρίων datalogger (Εικ. 3.12) Πλακέτα εισόδου data-logger (Εικ. 3.13) Τροφοδοτικό αισθητηρίων Ηλεκτρονικός Υπολογιστής, Data-Logger και κάρτες διασύνδεσης αισθητηρίων με Data-Logger στο παράπηγμα ελέγχου

16 5. Μοντελοποίηση πλωτήρα Δυναμική των πλωτήρων Subsystem I Half-immersed sphere excited to heave motion Lever Subsystem II Subsystem III Transmission And PTO System F kr F kl2 F kl1 φkl M kj a H M kl3 b H X CGH incident wave Breakwater Spinning shaft F kr G k F kg SWL reflected wave B 0 F kh m k g Υποσυστήματα του κυματικού μετατροπέα και διαγράμματα δυνάμεων

17 5. Μοντελοποίηση πλωτήρα Υδροδυναμική διατύπωση Added mass Coefficients (a = 0,75m; h = 5m; L = 5m; d =1m) 5 Non-Dim. Aded mass a12 a15a14a13 a Frequency ω (rad/sec) Υπολογισμός αλληλεπιδράσεων μεταξύ πλωτήρων με την μέθοδο της κατοπτρικής συμμετρίας Συντελεστής υδροδυναμικής μάζας στην καθ ύψος κίνηση στον πρώτο κύλινδρο λόγω της κατακόρυφης κίνησης του j (j= 1, 2,,5) κυλίνδρου

18 Η λειτουργία της γεννήτριας Σ.Ρ. περιγράφεται από το ακόλουθο σύστημα εξισώσεων: u u f a rf + pl = ωrlaf FF r a + 0 pl AA i i όπου L FF,r f και L AA, r a είναι οι αντιστάσεις και οι αυτεπαγωγές στάτη και δρομέα αντίστοιχα. Θέτοντας R f = r fx + r f, k u =L AF I f, (r fx η αντίσταση ρύθμισης του ρεύματος διέγερσης), προκύπτουν οι εξισώσεις: u f R f = ( ku + τ f pku ) ua = kuω r + rai a + raτ a pia L AF όπου τ f = L FF /R f, τ a =L AA /r a αντίστοιχα. 6. Μοντελοποίηση γεννήτριας Σ.Ρ. Το ρεύμα διέγερσης δίνεται από την σχέση: f a T = k οι σταθερές χρόνου των τυλιγμάτων διέγερσης και τυμπάνου i f ( t) = u R f f (1 e 1 τ f ) e u i a

19 7. Μετρήσεις και ανάλυση πειραματικών μετρήσεων 0. 6 Γραφικές παραστάσεις του κύματος διάρκειας 300s Κ ύ μ α (m ) Κύμα(m) Μετρημένο μέγεθος tim e (s e c ) Προσομοιωμένο μέγεθος

20 7. Μετρήσεις και ανάλυση πειραματικών μετρήσεων Τοπικό μέγιστο κύματος (διάρκεια 40 sec) 0. 6 Κ ύ μ α (m ) Κύμα(m) Μετρημένο μέγεθος t i m e ( s e c ) Προσομοιωμένο μέγεθος

21 7. Μετρήσεις και ανάλυση πειραματικών μετρήσεων Γραφικές παραστάσεις ταχύτητας γεννήτριας για καταγραφή 300s Μ η χ α ν ή 3 - Τ α χ ύ τ η τ α ( Σ. Α. Λ.) Τααχύτητα (Σ.Α.Λ.) t i m e ( s e c ) Μετρημένο μέγεθος Προσομοιωμένο μέγεθος

22 7. Μετρήσεις και ανάλυση πειραματικών μετρήσεων Ταχύτητα γεννήτριας στο τοπικό μέγιστο κύματος (διάρκειας 40 sec) Μ η χ α ν ή 3 - Τ α χ ύ τη τα (Σ. Α. Λ.) Τααχύτητα (Σ.Α.Λ.) tim e (s e c ) Μετρημένο μέγεθος Προσομοιωμένο μέγεθος

23 7. Μετρήσεις και ανάλυση πειραματικών μετρήσεων Γραφικές παραστάσεις παραγόμενης ισχύος για καταγραφή 300s Μ η χ α ν ή 3 - Ισ χ ύ ς (W a tt) Ισχύς(Watt) Μετρημένο μέγεθος tim e (s e c ) Προσομοιωμένο μέγεθος

24 7. Μετρήσεις και ανάλυση πειραματικών μετρήσεων Παραγόμενη ισχύς στο τοπικό μέγιστο κύματος (διάρκειας 40 sec) Μ η χ α ν ή 3 - Ισ χ ύ ς (W a tt) Ισχύς(Watt) Μετρημένο μέγεθος t i m e ( s e c ) Προσομοιωμένο μέγεθος

25 8. Συγκρίσεις και επιβεβαίωση δυνατοτήτων διάταξης Μέσο φάσμα χρονοσειράς κυματισμού μέση ισχύς κυματισμού Ρ = 0,95 kw/m προεξέχουσα κατεύθυνση με μέση περίοδο κυματισμού 6,67 sec (0,15 Hz). δευτερεύουσα κατεύθυνση με μέση περίοδο 4,3 sec (0,23 Hz)

26 8. Συγκρίσεις και επιβεβαίωση δυνατοτήτων διάταξης Παραγόμενη στιγμιαία ηλεκτρική ισχύς για προσαρμογή του φορτίου Η συνολική απόδοση της διατάξεως είναι 22.7 %

27 9. Συμπεράσματα Ο τύπος της διάταξης που υιοθετήθηκε ολοκληρώθηκε με επιτυχία και είναι κατάλληλος για ηλεκτροπαραγωγή από θαλάσσιο κυματισμό. Βασική επιδίωξη του ελέγχου είναι η επίτευξη συνθηκών «συντονισμού» πλωτήρα κυματισμού Η διάταξη διαθέτει ιδιαίτερα ικανοποιητικό συνολικό βαθμό απόδοσης σε σύγκριση με άλλα ανταγωνιστικά συστήματα, τουλάχιστον στην περίπτωση του χαμηλού κυματισμού που επικράτησε κατά την περίοδο των μετρήσεων. Η μεθοδολογία προσομοίωσης της διατάξεως παρέχει πολύ καλή ακρίβεια και προοιωνίζει την σκοπιμότητα βιομηχανικής εφαρμογής της αναδεικνύοντας σχεδιασμούς απλούστευσης του μηχανικού μέρους (π.χ. χρησιμοποίηση γραμμικών γεννητριών μονίμων μαγνητών)