Ανάπτυξη και σύγκριση εναλλακτικών συζευγμένων ηλεκτρομηχανικών συστημάτων για ηλεκτροπαραγωγή από θαλάσσιο κυματισμό

Abstract

The present thesis, concerns the design procedure, modeling and implementation of the optimal configuration of the electric part of an experimental power plant, as well as the study of alternative generating unit configurations in the case of power generation from sea waves. An experimental power plant for power generation from sea waves was constructed on Psitalia in the frame of the research project PAVET 00BE142 entitled “Experimental Plant for Power Generation from Sea Waves”. The entire plant consisted of three similar units, each one involving a coupled hydraulic - mechanical - electrical system for wave energy extraction. Moreover, the case of linear synchronous generator with permanent magnets (LPMSG), as alternative unit for electric power generation from sea waves, has been studied. A particular, linear generator with permanent magnets was designed, accounting the features of the sea wave and the behaviour of the floating buoy. Appropriate coupled electromagnetic-mechanical-hydraulic models incorporating Finite Element Analysis (FEA) have been developed, enabling a dynamic simulation of the whole system performance involving a detailed field analysis of the permanent magnet linear generator. Also, a new hybrid simulation model, incorporating finite elements (FE) combined with analytical solution (macroelement) in the air gap area accounting for skewed magnets in linear generators (LPMSG) have been developed. The results of simulation of performance combined with the experimental measurements, illustrate the suitability of the developed models in applications for power generation from sea waves.

Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας διερευνήθηκαν οι πιθανές εναλλακτικές διαμορφώσεις συζευγμένων ηλεκτρομηχανικών συστημάτων, κατάλληλων για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τον θαλάσσιο κυμάτισμά. Επίσης αναπτύχθηκαν κατάλληλα αριθμητικά μοντέλα για την προσομοίωση της λειτουργίας των απαιτούμενων συζευγμένων υποσυστημάτων (υδραυλικού - μηχανικού - ηλεκτρικού), για την σύνθεση μιας μονάδας ηλεκτροπαραγωγής με εκμετάλλευση την ενέργειας του θαλάσσιου κυματισμού. Τα μοντέλα εφαρμόστηκαν σε επιδεικτικό πειραματικό σταθμό μετατροπής της ενέργειας των θαλάσσιών κυμάτων σε ηλεκτρική, που κατασκευάστηκε στην Ψυτάλλεια στα πλαίσια του ερευνητικού έργου ΠΑΒΕΤ 00ΒΕ142, με τίτλο «Πειραματικός σταθμός παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από θαλάσσιο κυμάτισμά». Ως εναλλακτικοί τύποι γεννητριών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ηλεκτροπαραγωγή από θαλάσσιο κυμάτισμά, εξετάστηκαν η γεννήτρια συνεχούς ρεύματος ξένης διέγερσης και η γραμμική γεννήτρια μονίμων μαγνητών. Τα δύο είδη γεννητριών, απαιτούν πλήρη ανάλυση της κατανομής του μαγνητικού τους πεδίου, καθώς ο εφαρμοζόμενος έλεγχος με στόχο την βελτιστοποίηση της παραγόμενης ενέργειας ακόμη και από κυμάτισμά χαμηλού ενεργειακού περιεχομένου, μπορεί να οδηγήσει σε βραχυχρόνια εμφάνιση φαινομένων τοπικού κορεσμού στο μαγνητικό υλικό των γεννητριών. Για την ανάλυση της κατανομής του μαγνητικού πεδίου γραμμικών γεννητριών μονίμων μαγνητών, αναπτύχθηκε μια νέα μεικτή τεχνική πεπερασμένων στοιχείων αναλυτικών λύσεων. Με την νέα αυτή μεικτή τεχνική, είναι δυνατή η θεώρηση μαγνητών υπό κλίση στον δρομέα της γραμμικής γεννήτριας και η ανάλυση, σε καρτεσιανές συντεταγμένες, της κατανομής του μαγνητικού πεδίου στο επίπεδο διάκενο της γεννήτριας.