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下一代能源—波浪能發電廠科技的建模與模擬
[作者 Alexandre Pichard]   2018年12月12日 星期三 瀏覽人次: [3935]

在澳大利亞花園島海岸外的水面下,一年四季都有三個潛浸在水下的浮標來掌控波浪能量,為該國最大的海軍基地發電並生產淡水。這項計畫累計運作時間已超過14,000小時,創下了波浪能源系統連結電網的世界紀錄,並且證明了CETO 5這項波浪能源科技的可行性及可靠性。


2016年,本公司(卡內基潔淨能源公司;Carnegie Clean Energy)成功地佈署CETO 5,我們現在正在進行此項技術的下一代科技開發,CETO 6有潛力可以產生超過CETO 5每一個浮標的四倍電力,同時還能減低維護成本並且讓波浪能量發電廠設置在距離海岸更遠的地方。


CETO 6的設計,是以全尺寸從波浪到電線(wave-to-wire)的模型為基礎,而這整個包含多元領域的系統是利用Simulink和它的物理模型模擬模塊組(Simscape)所建立設計的。我們透過Simulink的模擬技術,快速地嘗試新概念及迭代改善設計,因此逐漸提升CETO 6科技的成熟度。我們使用Simulink來建模,並模擬發電鏈的每一個階段,包含在波浪作用在浮標、機械能轉換為液壓能、以及液壓能轉為電能所涉及的機制等。


從CETO 5經驗中學習

CETO是利用浮標活動來控制波浪能量並產生電能的科技。CETO 5浮標直徑11公尺,潛浸在海平面下約兩公尺處,每一個浮標皆以繫鏈連接到固定在海底的液壓缸,浮標垂直方向動作驅動液壓缸裡的活塞,產生壓力把水透過水下管線推進到海岸上的發電設備(圖1),高壓水流在那兒被用來驅動水力發電渦輪機發電,並透過逆滲透技術進行海水淡化。



圖1 : CETO 5系統的佈署圖示。
圖1 : CETO 5系統的佈署圖示。

長達一年的CETO 5計畫不僅證明了技術的可行性,也提供我們能夠運用在CETO 6上的豐富資訊。CETO 5裝載了大約300個感測器,來監控液壓元件的壓力、水流、溫度、電氣元件的電壓、電流頻率,以及機械元件的負載、位移、加速度。這些幾萬億位元從感測器收集而來的資料,我們利用MATLAB來進行分析及視覺化,分析結果可作為決策的參考資訊,並用來驗證我們的Simulink模型(圖2)。



圖2 : 以CETO 5單元#2作為函式單一控制變量的電力輸出量測值分布圖。
圖2 : 以CETO 5單元#2作為函式單一控制變量的電力輸出量測值分布圖。

從CETO 5獲得的經驗可用來改善CETO 6結構的設計,我們把浮標直徑從11公尺增加到將近20公尺,並將CETO 6的設計更改成在浮標發電,而不是在岸上(圖3)。



圖3 : CETO 6系統示意圖。
圖3 : CETO 6系統示意圖。

與其在波浪能發電廠及海岸之間裝置、維護長達好幾公里的高壓管線,我們現在可以使用電臍將產生的電運送到陸地,如此可以降低系統成本,並讓我們能夠把浮標裝置在位置較遠,但波浪條件通常更有利於發電的離岸。在CETO 6,液壓幫浦被配置在浮標而不是海底。這項改變更有助於維修及性能維護,因為我們可以把整個系統拖回岸上,而不需要在水中進行維護工作。


動力輸出器的建模與優化

動力輸出器(Power-Takeoff)是能將液壓透過幫浦轉換為電能的子系統,也是CETO 6系統的中心。我們設計動力輸出器的目標是要從波量能萃取出最大量的可用電力。透過理論研究,我們知道一個具有完全效率的系統可以萃取出多少電力,而Simulink模型可幫助我們建置一個規模可以盡可能接近理想效率等級的動力輸出器子系統。


我們也利用Simulink的多體機構動態模擬模塊組(Simscape Multibody)來建立固定的繫鏈、連結處、以及其他機械元件的模型,之後我們將重心轉移到液壓子系統。我們利用Simulink和流體模擬模塊組(Simscape Fluids)建立了這個子系統的完整模型(圖4),模型內包含了多個液壓儲壓器、管線、減壓閥、以及將液壓轉及水流轉換為可以用來驅動發電機力矩的液壓馬達。



圖4 : Simulink模型描繪的CETO 6液壓元件。
圖4 : Simulink模型描繪的CETO 6液壓元件。

我們透過Simulink進行了為數幾萬次的模擬來優化設計,執行掃描(sweeps)來找出最佳配置以及參數值,並且使用MATLAB產品家族中的平行運算工具箱(Parallel Computing Toolbox)在一個多核心的處理器內,同時且快速地執行這些最佳配置及參數。這些模擬產生了許多出乎意料的創新想法,舉例來說,結果顯示有某一個我們以為需要視海洋狀態進行重大變更的控制參數,實際上不論海洋狀態如何,該參數對於性能僅帶來很小的影響,這樣的洞見讓我們能夠簡化設計並降低系統的總成本。


模擬結果驗證及波浪-電線轉換模型的組裝

為了測試我們的早期設計,我們建構了一個1:20比例縮小版本的CETO 6系統,並把它放置在波浪水槽,使其接觸被我們精心控制的波浪條件(圖5)來進行測試。測試進行的時候,如同CETO 5在真實世界運作一樣,我們從感測器收集資料,並且透過MATLAB進行分析。



圖5 : 波浪水槽中的設計原型。
圖5 : 波浪水槽中的設計原型。

在開發完整的波浪能轉換到電線(wave-to-wire)的模型時,我們使用電子電力系統模擬模塊組(Simscape Electrical)來建立電力元件系統的模型,包含用於平穩電力(power smoothing)的發電機和電容器。在系統的另一端,我們建立了一客製的Simulink流體力學模型來模擬浮標與海浪的交互作用,因此現在我們就可把這個客製化的模型轉換到WEC-SIM中,WEC-SIM是一個波浪能量轉換器的開源軟體模擬工具,在這個產業已逐漸被廣泛使用。WEC-SIM由美國的國家可再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory,NREL)和桑迪亞國家實驗室(Sandia National Laboratories)利用MATLAB、Simulink、多體機構動態模擬模塊組(Simscape Multibody)所開發出來的,它讓我們可以更容易地把模型整合到工作流程中。


這個完整的波浪轉換到電線模型可以幫助我們計算:在特定波浪狀態下的浮標置換位移、位移時液壓缸的壓力、液壓馬達依據該壓力值施加到發電機軸的力矩、以及該力矩產生的電力。


CETO 6的佈署和展望

卡內基潔淨能源公司規劃在英國康瓦爾郡(Cornwall)離海岸16公里處的Wave Hub海洋能源開發與測試設備,佈署一個與電網連結的CETO 6系統(圖6)。



圖6 : 英國康瓦爾郡的Wave Hub海洋能源測試設備
圖6 : 英國康瓦爾郡的Wave Hub海洋能源測試設備

澳洲政府也承諾將資助本公司在西澳奧班尼(Albany)海岸外佈署一個波浪能發電廠。


當我們開始著手進行這些開發時,我們仍然繼續探索能夠持續改善CETO 6技術的方法,其中一項正在評估的改善工作與穩住浮標的固定用配置有關,目前的CETO 6垂直繫鏈主要從浮標起伏的運動獲得能量(圖7)。



圖7 : CETO 6浮標繫鏈圖示說明。
圖7 : CETO 6浮標繫鏈圖示說明。

新的規格設計則可以捕捉翻滾和浪湧的運動,它們也有潛力能將電力輸出擴增到三倍。最後,本公司最近則開始拓展到微電網(microgrid)的領域,正努力把CETO 6波浪能技術和太陽能與能源儲存系統整合,目標是要開發及營運世界上第一個波浪-太陽能-電池的微電網系統。


(本文由鈦思科技提供,作者Alexandre Pichard任職於Carnegie Clean Energy公司)


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