התקדמות ב Fluid Dynamics לשיפור היעילות של מכשיר ה-Tidal Power

ההתקדמות האחרונה בדינמיקה נוזלית שיפרה באופן משמעותי את היעילות של מכשירי חשמל מלוטשים, המאפשרת מיצוי אנרגיה טוב יותר מגאות האוקיינוסים והופכת את האנרגיה tidal משאב מתחדש בר קיימא יותר. מאמר זה חוקר את ההחידושים המרכזיים, ממודלים חישוביים מתקדמים לעיצובי להב חדשים, ובוד את ההשפעה שלהם על ביצועי המכשיר ואת העתיד של אנרגיה tidal.

הבנה של כוח התאבדות ו- Fluid Dynamics

איך כוח התאבדות עובד

כוח התאבדות רותם את האנרגיה הקינטית והפוטנציאלית שנוצרת על ידי אינטראקציות הכבידה בין כדור הארץ, הירח והשמש, אשר מייצרים עלייה צפויה ונפילתן של רמות הים.יש שני סוגים עיקריים של מערכות אנרגיה מחוספסות: זרמי ליבת (כמו טורבינות רוח תת-ימית) שלוכדים אנרגיה קינטית ממים נעים מים, ומצעים או lagoons המשתמשים באנרגיה פוטנציאלית מגובה מים.

מקור: Fluid Dynamics

דינמיקות פלוריד, המחקר של איך נוזלים וגזים נעים, הוא היסוד לקידוד מכשירים כוחיים רזים. עקרונות דינמיקת נוזל קי נוזל כוללים משוואה של ברנולי, המתייחסת ללחץ ולמהירות; משוואות Navier-Stokes, המתארות את תנועת נוזל ה-Focous; ותאוריה של שכבת גבול, אשר שולטת בגרורת ולהגדיל את הכוחות האלה ליישם עקרונות אלה כדי להבין כיצד מים סביב להבים טורבינות, כיצד מתעוררים אינטראקציה בין מספר התקנים נמוכים ומשתנים, עם עומק, עם , עם , עם מהירויות נמוכות, עם , עם , עם פשטות מתוחכמות נמוכה , עם טמפרטורות נמוכות ושפל נוקשות, עם , עם נוקשות, עם .

סוגים של מכשירים פעוטות ואתגרי שפעת שלהם

כל סוג של מכשיר כוח צמיגים ניצב בפני אתגרים דינמיים ייחודיים:

• (FLT:0)Horizontal-axis טורבינות veFLT:1 (רוב נפוץ) חייב להתמודד עם מהירויות זרימה שונות וכיוונים, סיכונים קוויטציה, ו מתעוררים סוערים.
• (FLT:0) וטריבינות אקסטאליות-אקסיות (Axis טורבינות) 1 (FLT: 1) ליהנות מזרימה אטומית, אך ניסיון אימפולסיבית ויעילות נמוכה יותר ללא תכנון זהיר.
• (FLT:0) ⁇ ⁇ ⁇ 1:1 מסתמכים על שערי סלקטיבי וטורבינות שפועלים תחת הבדלים גדולים של לחץ, הדורשים מודלים מדויקים של תחבורה ותנודות רמת מים.
• (FLT:0) ,Oscillating hydrofoilsveFLT:1 ומושגים חדשים אחרים תלויים דינמיקת נוזל לא יציבה עבור לכידת אנרגיה.

ההתקדמות האחרונה התייחסה לאתגרים אלה באמצעות הבנה טובה יותר של זעזוע, הפרדה זרימה, ואינטראקציה מבנית נוזלית.

התקדמות טכנולוגית חדשה ב Fluid Dynamics

מודלים משופרים של Fluid Dynamics (CFD)

(ה) תוכנה מודרנית, כגון FLT:0 (OpenFOAMIRLT:1), ⁇ ,2ANSYS FluentveFLT 3: ו-FLT:4STAR-CCM+FLT:5, התפתחה כדי להתמודד עם סביבות טיטול מורכבות.

• (ב) ויקרא י"א): "וַיְּהִיא רָאִי אִם הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא
• (ב) עיין ב[[1924]], [[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]] ו[[1924]]
• (FLT:0) אינטראקציה מבנית של נוזל (FSIOVA)FLT) 1:1 לנתח את הלהב עיוות ועייפות תחת עומסים תפעוליים.
• (FLT:0) מודלים של למידה-enhanced ModelsFeloLT:1 אשר להפחית את זמן הריצה על ידי למידה דפוסי זרימה מהנתונים נאמנות גבוהה.

ההתקדמות מאפשרת למהנדסים לדמות אלפי תצורות טורבינות ותנאים סביבתיים ללא בדיקות פיזיות יקרות.לדוגמה, חוקרים מאוניברסיטת אדינבורו השתמשו ב-CFD כדי לייעל את הלהב ואת עובי, השגת רווח צפוי של 12% עבור אבטיפוס 1MW.

עיצובים משופרים של Turbine Blade

עיצוב בודה ראה התקדמות יוצאת דופן:

• (ב) ,0)Bio-inspired bladesveFLT:1 ,מחקה צינורות לווייתנים חמק או עור כריש, להפחית ולעכב דוכנים במהירויות זרימה נמוכות.
• (FLT:0) להבים שליליים 1FLT:1 עם זווית שליטה פסיבית או פעילה של שלט להסתגל זווית התקפה בזמן אמת, שמירה על יחס המעלית אופטימלי ל-drags על פני הגאות משתנות.
• (ב) ,0) , 000 טורבינות מונעות על ידי מילואים 1 (FLT) מבטלים את המרכז המרכזי, מה שמאפשר לאזור סחף גדול יותר וצמצום אובדןי ער.
• (FLT:0) דיפרפוט-מכוד טורבינות אנדרל 1 (עיצובים מעוצופים) מאיץ את זרימת העובר דרך הרוטור, עלייה בצפיפות החשמל עד 60% בערוצים מוגבלים.

חומרים מדע גם תרם: תרכובות מתקדמות (סיבים פחמן, epoxy) להפחית במשקל וקורוזיון, בעוד ציפויים מגן ממזערים את הביצועים הביו-פופולינג שמטמים את הביצועים.

מיקום של Turbines בתוך Tidal Streams

פריסת ארירי היא קריטית למקסימום את התפוקה החקלאית.אסטרטגיות מפתח כוללות:

• (FLT:0) ⁇ מחוסנים 1FLT) כדי להתאים טורבינות עם הזרם השורר תוך צמצום הפרעות ער.מחקרים מראים כי ספיגה מאוחרת של 3-5 קוטרים רוטטור מפחיתה את אובדן הביצועים ל מתחת ל -10%.
• (FLT:0) מיקום מתאים ל- 1FLT (בקיצור:0) באמצעות פלטפורמות סלולריות שמתאיםות עומק וכיוון בהתבסס על נתונים בזמן אמת מפרופילים נוכחיים של דופלר (ADCP).
• (ב) ⁇ :0) ,Bathymetry-aware sitingsph1) שממנף את CFD כדי לזהות אזורי אנרגיה גבוהים שנוצרו על ידי רכסים תת-ימיים או ערוצים.
• (ב) ,0) ,Wake HiveingFLT:1 באמצעות שרביט שליטה כדי ל deflect טורבינות מתעוררת הרחק מהמכשירים מטה הזרם, טכניקה שנלקחה מאנרגיה רוחית.

בדיקות שדה במרכז האנרגיה של חיל הנחתים האירופי (EMEC) באורקני, סקוטלנד, הוכיחו כי מיקום מותאם האופטימיזציה הגדיל את לכידת האנרגיה הכוללת של משקי הבית ב-30% בהשוואה לפרסה רשת פשוטה.

חומרים חדשניים גורמות לגרור את ה-Gellow and Wear

יכולת ויעילות קשורות הדוקה לחומרים חדשים:

• (ב) ,0) ציפוי שחרור-החלים (למשל, מבוסס סיליקון) המונעים נביחות ואגות ללא ביוצידות רעילות.
• (ב) ⁇ 0 (Ultra-High מולקולרי משקל פוליאתילן (UHMWPE) ⁇ FLT:1 נושאת עבור מנגנוני המגרש, צמצום אובדן חיכוך.
• (ב) ⁇ :0 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (ב) ,0) פני השטח ההידרופוביים (Hydrophobic Surfaces) 1 (הפחתת חיכוך העור גורף על ידי קידום זרימה חלקה בשכבת הגבול.

חידושים אלה מרחיבים מרווחי תחזוקה ושומרים על טורבינות הפועלות ביעילות שיא במהלך חיי העיצוב של 20+ שנה שלהם.

השפעה על יעילות המכשיר

המונחים: Efficiency Gains

ההשפעה המצטברת של דינמיקה נוזלית זו היא משמעותית:

• טורבינות זרם טיטד מודרניות להשיג את FLT:0 (Cp) יעיל של כוח (Cp) 1Fevolves 1FLT ערכים של 0.40-0.50, לעומת 0.30-0.35 עבור אבטיפוס מוקדם (גבול בוץ התיאורטי הוא 0.593 עבור סטרובים; עיצובים מחוסנים דיפר יכול לעלות על זה).
• אופטימיזציה משלימה גייסה ייצור אנרגיה שנתי (AEP) על ידי 15-25% עבור עיצובים המדינה-of-the-art, כפי שדווח במעבדת האנרגיה הלאומית מתחדשת (NREL) ,REL) ,FLT:1.
• מערכות מיקום משופרות ובקרת הפחיתו את LCOE (עלות גבוהה של אנרגיה) על ידי עד 40% בפרויקטים של טייס, מה שהופך את הכוח התחרותי עם רוח offshore באזורים מסוימים.

עבור דוגמאות קונקרטיות, מסד הנתונים של מסד הנתונים של מסד הנתונים של ההרחבה:0 (Tethys DatabaseBuildalFLT:1) המנוהל על ידי מסמכי המעבדה הלאומית של צפון מערב האוקיינוס השקט, מחקרים שבהם עוצב מחדש על ידי CFD על ידי 20% עבור טורבינות 500 קילוואט במפרץ פונדי.

יתרונות תפעוליים מעבר ליעילות

דינמיקה פלוליטית מתקדמת גם להפחית את עלויות תחזוקה ואת שעות השבת:

• החיזוי של קוויטציה על תחילתה באמצעות CFD אפשר עיצובי להב המפחיתים את חיי הלהבים ב-5 שנים או יותר.
• ניטור עומס באמצעות חיישנים משובצים בלהבים, בשילוב עם מודלים נוזליים, מאפשר תחזוקה מבוססת מצב ולא יקר overhauls מתוכנן.
• הבנת תחבורה של שוחרת מונעת קבורה טורבינות ומפחיתה את הפיסול סביב יסודות.

גורמים אלה תורמים לגורם קיבולת גבוה יותר (שעות שיתוף פעולה בשנה) והחזרת השקעות טובה יותר.

אתגרים ומחקר מתמשך

Uncony Flow ו-Trobulence

זרימת ה-Tidal היא בלתי יציבה, עם eddies טורחים בקנה מידה ממילימטרים למאות מטרים.מודל זה נשאר אינטנסיבי חישובי במדויק.חוקרים חוקרים בוחנים מודלים מסדרים מופחתים ורשתות עצביות מיודעות בפיסיקה כדי להאיץ סימולציות ללא מקריות דיוק.

Biofouling ו Corrosion

צמיחה ימית על להבים ומבנים משנה את החוספסות והפצה המונית, ביצועים משפילים ללא ספק. רובוטים לניקוי פעיל וציפוי מדיניות עצמית נמצאים תחת פיתוח, אבל אימות שדה עדיין מוגבל.

אינטראקציה עם מערכת אוויר

מחקרים סביבתיים משפיעים על דינמיקות נוזליות כדי מודל כיצד מערך טורבינות משפיע על הגירה דגים והובלת זרע.פרוייקטים משותפים כמו FLT:0 המועצה הבינלאומית לחקר הים (ICES)BuildFLT:1 מפתחים את השיטות הטובות ביותר עבור ישיבה כדי למזער הפרעה אקולוגית.

סקלאלה לריונות גדולים

מימוש ביצועים אופטימליים ממאות טורבינות דורש פתרון בעיות אופטימיזציה בשילוב עם אלפי משתנים. אלגוריתמים חדשים באמצעות תיאוריית המשחק ומחשוב מבוזר נבדקים כדי לעצב מגה-פארמים מעל 100 MW.

כיוונים עתידיים

מערכות בקרה בזמן אמת

תוך מינוף נתונים בזמן אמת מ ADCPs, מאיזורים, וחיישנים בלחץ עם מודלים נוזליים פונדקאית מהירים יאפשרו טורבינות להתאים את המגרש, w, ומהירות הסיבוב כל כמה שניות. גישה זו "תאום דיגיטלי" מבטיחה ללסחוט נקודות נוספות של יעילות מזרימת הפחתת.

מערכות אנרגיה היברידיות

שילוב של כוח tidal עם רוח offshore השמש צף יכול חלק פלט חשמל ולשתף תשתיות. פלודי מחקר הוא מפתח להבנת להעיר אינטראקציות על פני סוגים שונים של מכשירים וקידוד של מערך היברידי.

ייצור מתקדם וחומרים

להבים עם מבנים פנימיים של צמיגים יכולים להפחית את המשקל ב-40% תוך שמירה על כוח. Prototypes באמצעות סיבים פחמן ממוחזר נבדקים כדי להפחית עלויות וטביעה סביבתית.

אינטגרציה Ocean Energy Grid

כמו בקנה מידה של כוח tidal, מפעילי רשת צריכים תחזיות מדויקות של תנודות כוח.מודלים דינמיקות נוזליות גבוהה בשילוב עם תחזיות טיטד מונעות מזג אוויר יאפשרו שילוב טוב יותר לרשתות חכמות עם אחסון אנרגיה.

מסקנה

ההתכנסות של דינמיקת נוזל חישובית, מדע חומרים והנדסה בקרה דחף יעילות כוח מלוטש לגבהים חדשים.מודלים משופרים של CFD, עיצובי להב חדשניים, פריסות מערך אופטימיזציה, וחומרים עמידים גדלו באופן קולקטיבי על ידי 20-30% תוך צמצום LCOE. עם מחקר מתמשך במערכות הסתגלות ופלטפורמות היברידיות, אנרגיה נקייה הופכת אבן הפינה של תערובת האנרגיה המתחדשת של העולם ימשיך לרת, ימשיכו לרתמיצים את האנרגיה החיונית של האנרגיה המשתנים.