پیشرفت های اخیر در دینامیک مایع به طور قابل توجهی افزایش بهره وری از دستگاه های برق مد، امکان استخراج انرژی بهتر از جریان اقیانوس و تولید انرژی مد یک منبع تجدید پذیر تر است.این مقاله نوآوری های کلیدی، از مدل های محاسباتی پیشرفته گرفته تا طرح های تیغه های جدید، و بررسی تاثیر آنها بر عملکرد دستگاه و آینده انرژی را بررسی می کند.

درک قدرت Tidal و دینامیک مایع

چگونه Tidal Power Works

قدرت Tidal انرژی خویشاوندی و بالقوه تولید شده توسط تعاملات گرانشی بین زمین، ماه و خورشید را مهار می کند که افزایش قابل پیش بینی و سقوط سطح دریا را تولید می کند. دو نوع اولیه از سیستم های انرژی های جزر وجود دارد: توربین های جریانی (مانند توربین های بادی زیر آب) که انرژی های خویشاوندی را از آب متحرک، و barrages یا تالاب هایی که از تفاوت های بالقوه انرژی خورشیدی استفاده می کنند، بر خلاف منبع قابل پیش بینی است.

نقش دینامیک مایع

دینامیک مایع، مطالعه چگونگی حرکت مایعات و گازهای، برای بهینه سازی دستگاه های برق مدی اساسی است. اصول دینامیک مایع کلیدی شامل معادله برنولی است که مربوط به فشار و سرعت است؛ معادلات Navier- ⁇ ، توصیف حرکت مایع در برابر حرکت مایع مایع؛ و نظریه لایه مرزی، که کنترل کشیدن و مهندسین آسانسور، این اصول را اعمال می کند تا درک کنند که چگونه آب در اطراف تیغه های توربین، تعامل عمیق توربین، و چگونگی درک عمیق از خرابی های شیب، و زمان، و جریان های عمیق، و تعادل، و خرابی های عمیق، و تعادل، و محدودیت های شیب، و محدودیت های عمیق، و خرابی های جغرافیایی، و محدودیت، و محدودیت، و محدودیت، و محدودیت، و محدودیت های تعادل، و محدودیت، و محدودیت، و تعادل، و محدودیت های تعادل، و محدودیت، که کنترل می شود.

انواع دستگاه های Tidal و چالش های مایع آنها

هر نوع دستگاه برق با چالش های پویای منحصر به فرد مواجه می شود:

  • توربین های ضد پیری و پرخاش باید سرعت جریان متغیر و جهت، خطرات حفره و بیداری آشفته را کنترل کنند.
  • ] توربین های مبتنی بر متخصص از جریان جهتی مطلق بهره مند می شوند، اما تجربه تکان دادن گشتاور و بهره وری پایین تر بدون طراحی دقیق.
  • barrags (FLT 1) بر روی دروازه ها و توربین هایی که تحت اختلاف فشار بزرگ عمل می کنند، و نیاز به مدل سازی دقیق حمل و نقل رسوب و نوسانات سطح آب دارند.
  • آبریزش نفت آبی و دیگر مفاهیم جدید بستگی به پویایی مایع غیر قابل تغییر برای جذب انرژی دارد.

پیشرفت های اخیر این چالش ها را از طریق درک بهتر از آشفتگی، جدایی جریان و تعامل با ساختار مایع مورد توجه قرار داده است.

پیشرفت های تکنولوژیکی اخیر در دینامیک مایع

مدل های پیشرفته Computational Dynamics (CFD)

نرم افزار مدرن CFD مانند OpenFOAM Fluent [[FLT3] و -CCM + برای مدیریت محیط های پیچیده تکامل یافته است.

  • [[۱] [۱۰] [۱] [۱] [۱] [۱]] و شبیه سازی Eddy (DES) برای حل ساختارهای آشوب در کسری از هزینه محاسباتی شبیه سازی مستقیم عددی.
  • مدل سازی جریان چند فاز که برای آب و فاضلاب هوا و آب رسوبی، بهبود پیش بینی فرسایش و بیوفی است.
  • تعامل کامل با ساختار مایع (FSI) برای تجزیه و تحلیل شکل و خستگی تیغه تحت بارهای عملیاتی.
  • مدل های یادگیری ماشینی که زمان اجرا را با یادگیری الگوهای جریان از داده های با رضایت بالا کاهش می دهد.

این پیشرفت ها به مهندسان اجازه می دهد تا هزاران پیکربندی توربین و شرایط محیطی را بدون تست فیزیکی گران قیمت شبیه سازی کنند، به عنوان مثال، محققان دانشگاه ادینبورگ از CFD برای بهینه سازی پیچ و خم تیغه و ضخامت تیغه استفاده کردند و به دست آوردن بهره وری پیش بینی شده 12٪ برای نمونه اولیه 1 مگاوات.

طراحی های پیشرفته تر توربین Blade

طراحی Blade پیشرفت قابل توجهی را مشاهده کرده است:

  • (فَلَهُمَهُمَهُمَهُمَهُمَهُمَهُمَهُمَهُمَهُمَهُوا بِهَهُمَهُمَهُمَهُمَهُمَهُمَهُمَهُمَهُهُمَهُهُهُمَهُهُهُوا مَهُهُوا مَهُوا مَهُوا مَهُمَهُمَهُمَهُمَهُمَهُمَهُمَهُوا مَهُوَهُمَهُوَهُمَهُوا مَهُمَهُمَهُوا مَهُمَهُمَهُمَهُوا مَهُوَهُمَهُمَهُوَهُمَهُوَهُوَهُوَهُوَهُوَهُوَهُمَ
  • تیغه های سازگار با کنترل زمین منفعل یا فعال زاویه حمله را در زمان واقعی تنظیم می کند، حفظ نسبت های بهینه آسانسور به عضلات در سراسر تغییر جریان.
  • توربین های مبتنی بر Rim [FLT 1]، هاب مرکزی را از بین می برند، و اجازه می دهد یک منطقه بزرگتر و کاهش زیان های ناشی از بیداری.
  • ] توربین های فشرده [FLT 1 ] (طرح های شل شده) سرعت جریان را از طریق روتور افزایش می دهد و تراکم قدرت را تا 60٪ در کانال های محدود افزایش می دهد.

علم مواد همچنین کمک کرده است: کامپوزیت های پیشرفته ( الیاف کربن، اپوکسی) کاهش وزن و خوردگی، در حالی که پوشش های محافظ به حداقل رساندن بیوفی که عملکرد را کاهش می دهد.

بهینه سازی محل توربین ها در Tidal Streams

طرح آرایه برای به حداکثر رساندن خروجی مزرعه حیاتی است. استراتژی های کلیدی شامل:

  • آرایه های فشرده برای هماهنگ کردن توربین با جریان غالب در حالی که به حداقل رساندن مداخله از خواب نشان می دهد که فاصله بعدی قطر 3 تا 5 روتور کاهش تلفات عملکرد به کمتر از 10٪.
  • موقعیت سازگار با استفاده از سیستم عامل های تلفن همراه که عمق و جهت گیری را بر اساس داده های زمان واقعی از مشخصات فعلی دوپللر آکوستیک (ADCPs) تنظیم می کنند.
  • نشستن با عدم تقارن [FLT 1] که از CFD برای شناسایی مناطق با انرژی بالا ایجاد شده توسط شیب های زیر آب یا کانال ها استفاده می کند.
  • فرمان واک از طریق کنترل یا کنترل بر توربین های فرو رفته از دستگاه های پایین، یک تکنیک قرض گرفته شده از انرژی باد.

آزمایشات میدانی در مرکز انرژی دریایی اروپا (EMEC) در اورکنی اسکاتلند نشان داد که قرار دادن بهینه سازی شده، جذب کل انرژی مزرعه را در مقایسه با یک طرح شبکه ساده ۳۰ درصد افزایش داد.

مواد نوآورانه کاهش کشیدن و پوشیدن

قابلیت دور بودن و کارایی به شدت مرتبط هستند.مواد جدید شامل:

  • [به جز این که در این میان از آن ها استفاده می شود]، از جمله: [۱]، [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۳]، بر اساس سیلیکون، که مانع از اتصال انبار و جلبک بدون بیوکرید سمی می شود.
  • پلی اتیلن با وزن مولکولی بالا (UHMWPE) برای مکانیسم های زمین، کاهش تلفات اصطکاکی.
  • کامپوزیت ماتریسی (CMCs) برای لبه های پیشرو، مقاومت در برابر فرسایش از شن و ماسه و زباله.
  • [[۱] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱۰]] [۱۰]] که باعث کاهش اصطکاک پوست با ترویج جریان لغزش در لایه مرزی می شود.

این نوآوری ها فواصل تعمیر و نگهداری را گسترش می دهند و توربین ها را در بهره وری اوج خود در طول عمر طراحی 20+ ساله نگه می دارند.

تاثیر پیشرفت در کارایی دستگاه

اندازه گیری بهره وری

اثر تجمعی این پیشرفت های دینامیک مایع قابل توجه است:

  • توربین های جریان مدرن (FLT:0) بهره وری از قدرت (Cp) مقادیر 0.40-0.50، در مقایسه با 0.30-0.35 برای نمونه های اولیه (محدودیت نظری Betz 0.593 برای روتور باز است؛ طرح های افزودنی می تواند از این فراتر رود).
  • بهینه سازی محاسباتی تولید انرژی سالانه (AEP) را 15 تا 25 درصد برای طرح های پیشرفته افزایش داده است، همانطور که در آزمایشگاه انرژی تجدید پذیر (NREL) گزارش شده است.[۱۰]
  • سیستم های پیشرفته قرار دادن و کنترل LCOE (هزینه های سطح انرژی) را تا ۴۰ درصد در پروژه های آزمایشی کاهش داده و با باد دریایی در برخی مناطق رقابت می کنند.

برای مثال های مشخص، پایگاه داده Tethys که توسط اسناد آزمایشگاه ملی اقیانوس آرام شمال غربی اداره می شود، مطالعات که در آن طراحی مجدد مبتنی بر CFD افزایش بهره وری توسط 20٪ برای یک توربین 500 کیلووات در خلیج Fundy.

مزایای عملیاتی فراتر از کارایی

پیشرفت های دینامیک مایع همچنین هزینه های تعمیر و نگهداری و خرابی را کاهش می دهد:

  • پیش بینی شروع حفره از طریق CFD اجازه داده است طرح های تیغه که به حداقل رساندن پیچ و خم، گسترش زندگی تیغه تا 5 سال یا بیشتر.
  • نظارت بر بار با استفاده از سنسورها تعبیه شده در تیغه ها، همراه با مدل های مایع، تعمیر و نگهداری مبتنی بر شرایط را به جای اصلاحات برنامه ریزی شده، امکان پذیر می کند.
  • درک حمل و نقل رسوبی مانع از دفن توربین و کاهش در اطراف پایه ها می شود.

این عوامل به یک عامل ظرفیت بالاتر (ساعت های عملیاتی در سال) و بازگشت بهتر به سرمایه گذاری کمک می کنند.

چالش ها و تحقیقات مداوم

جریان غیر قابل اعتماد و توربولت

جریان های Tidal ذاتاً غیر قابل اعتماد هستند، با انبوهی از ذرات آشفته در مقیاس از میلیمتر تا صدها متر، مدل سازی این دقیق همچنان به صورت محاسباتی فشرده است. محققان در حال بررسی مدل های سفارش کاهش یافته و شبکه های عصبی آگاهانه فیزیک برای سرعت بخشیدن به شبیه سازی بدون قربانی دقت هستند.

BioFeling و خوردگی

رشد دریایی در تیغه ها و ساختارها، شدت سطح و توزیع انبوه را تغییر می دهد، عملکرد را غیر قابل پیش بینی می کند. ربات های تمیز کننده فعال و پوشش های خودپولیس در حال توسعه هستند، اما هنوز اعتبار در زمینه محدود است.

تعامل با سیستم های دریایی

مطالعات تاثیر زیست محیطی نیاز به پویایی مایع برای مدل سازی چگونه آرایه های توربینی بر مهاجرت ماهی و حمل و نقل رسوبی تاثیر می گذارد. شورای بین المللی برای اکتشاف دریای (ICES) در حال توسعه بهترین شیوه برای نشستن برای به حداقل رساندن اختلال زیست محیطی است.

مقیاس پذیری برای آرایه های بزرگ

استخراج عملکرد بهینه از صدها توربین نیازمند حل مشکلات بهینه سازی همراه با هزاران متغیر است. الگوریتم های جدید با استفاده از تئوری بازی و محاسبات توزیع شده برای طراحی مگا دورم بیش از 100 مگاوات آزمایش می شوند.

مسیر های آینده

سیستم های کنترل تطبیقی real-Time Adaptive Control Systems

یکپارچه سازی داده های زمان واقعی از ADCPs، شتاب سنج ها و سنسورهای فشار با مدل های مایع سریع در حال اجرا توربین ها را قادر می سازد تا هر چند ثانیه سرعت چرخش را تنظیم کنند.این رویکرد "شریک دیجیتال" وعده می دهد تا درصد بیشتری از بهره وری را از جریان های نوسانی فشرده کند.

سیستم های انرژی ترکیبی

ترکیب قدرت مد با باد دریایی و خورشیدی شناور می تواند خروجی برق را صاف کند و زیرساخت های دینامیک مایع را به اشتراک بگذارد، تحقیقات دینامیک مایع کلیدی برای درک تعاملات از خواب در انواع مختلف دستگاه و بهینه سازی آرایه های هیبریدی است.

تولید پیشرفته و مواد

تیغه های پرینت سه بعدی با ساختارهای شبکه داخلی می توانند وزن را تا ۴۰ درصد کاهش دهند در حالی که حفظ قدرت، نمونه های اولیه با استفاده از فیبر کربن بازیافت شده برای کاهش هزینه ها و اثرات زیست محیطی مورد آزمایش قرار می گیرند.

ادغام شبکه انرژی اقیانوس

به عنوان مقیاس های قدرت مد، اپراتورهای شبکه نیاز به پیش بینی دقیق نوسانات قدرت دارند. مدل های دینامیک مایع با فیبریت بالا همراه با پیش بینی های مد آب و هوا، ادغام بهتر را در شبکه های هوشمند با ذخیره سازی انرژی فعال می کنند.

نتیجه گیری

همگرایی دینامیک مایع محاسباتی، علوم مواد و مهندسی کنترل بهره وری انرژی مد را به ارتفاع های جدید افزایش داده است.مدل های CFD پیشرفته، طرح های تیغ نوآورانه، طرح های آرایه بهینه شده و مواد با دوام به طور جمعی افزایش جذب انرژی توسط 20 تا 30٪ در حالی که کاهش LCOE با تحقیقات مداوم در سیستم های سازگار و سیستم های ترکیبی، انرژی آماده تبدیل شدن به یک سنگ بنای انرژی تجدید پذیر در حال پیش بینی شده است.