Những tiến bộ gần đây trong động lực lỏng đã tăng đáng kể hiệu quả của các thiết bị năng lượng thủy triều, cho phép lấy năng lượng tốt hơn từ thủy triều và tạo ra năng lượng thủy triều một nguồn năng lượng tái tạo khả thi hơn. bài này khám phá các cải tiến chủ yếu, từ các mô hình máy tính tiên tiến đến các thiết kế lưỡi dao mới lạ, và kiểm tra tác động của chúng trên thiết bị hoạt động và tương lai của năng lượng thủy triều.

Hiểu được sức mạnh và động lực chết chóc

Quyền lực giết người hoạt động như thế nào

Năng lượng giết người khai thác động lực và tiềm năng được tạo ra từ sự tương tác giữa Trái Đất, Mặt Trăng và Mặt Trời, tạo ra những vùng có thể dự đoán trước và giảm độ cao của mực nước biển. có hai loại năng lượng chính của hệ thống năng lượng thủy triều: tua bin thủy triều (động cơ đối với gió gió dưới nước) thu hút năng lượng động từ nước di chuyển, và các trận động lượng thủy triều hoặc các đầm lầy dùng năng lượng tiềm ẩn từ chiều cao nước. không như gió hoặc năng lượng mặt trời, năng lượng thủy triều có thể dự đoán được, cung cấp một nguồn năng lượng đáng tin cậy.

Vai trò của động lực lỏng

Chất lỏng hoạt động, nghiên cứu về chất lỏng và khí di chuyển như thế nào, là cơ bản để tối ưu hóa các thiết bị năng lượng thủy triều. Động lực cơ học chìa khóa bao gồm phương trình của Bernoulli, liên quan đến áp suất và vận tốc; các phương trình Navier-Stokes, mô tả chuyển động tĩnh động vscous; và lớp lớp phân giới hạn, mà chi phối kéo và nâng lực. Các kỹ sư áp dụng các nguyên tắc này để hiểu làm thế nào nước chảy xung quanh các lưỡi tua bin, làm thế nào thức dậy tương tác giữa nhiều thiết bị, và làm thế nào các sao mà sóng thần giao thông với các thiết bị đa dạng, chiều sâu, và thời gian. không có sự nắm bắt sâu của chất lỏng, lực đẩy sẽ vẫn còn hiệu suất thấp và thất bại thường xuyên.

Những loại thiết bị giết người và thử thách lỏng lẻo

Mỗi thiết bị điện thủy triều đều phải đối mặt với những thử thách năng động độc đáo:

  • Các tua bin trục bậc ) (thường) phải xử lý tốc độ và hướng biến, rủi ro dẫn động, và trạng thái hỗn loạn.
  • Các tua-bin dòng điện được lợi ích nhờ dòng chảy một chiều nhưng trải nghiệm nghiền nát mô-men xoắn và hiệu suất thấp hơn mà không cần thiết kế cẩn thận.
  • Những cuộc tấn công giết người dựa trên các cổng và tua bin có thể chạy dưới áp suất lớn, yêu cầu mô hình chính xác về sự vận chuyển trầm tích và độ rung nước.
  • Đang kết hợp hydrofoils và các khái niệm mới lạ khác phụ thuộc vào động lực không ổn định để thu năng lượng.

Những tiến bộ gần đây đã giải quyết được những thách thức này thông qua sự hiểu biết rõ hơn về sự nhiễu loạn, sự tách rời dòng chảy và sự tương tác cấu trúc chất lỏng.

Những tiến bộ kỹ thuật gần đây trong động lực Fluid

Mô hình động lực tính toán tăng cường (CFC)

Phần mềm CD hiện đại Mở ), [FLT:] Fluent , và [FLT:] PLM+, đã tiến hóa để xử lý môi trường thủy triều phức tạp. Mô phỏng tính mô phỏng sự phức tạp hiện nay gồm:

  • Chương trình mô phỏng Eddy (LES) ) và ) Mô phỏng Eddy (DES) để giải quyết cấu trúc nhiễu loạn với một phần nhỏ của chi phí tính toán của mô phỏng số trực tiếp.
  • Mô hình dòng lệnh mà tạo ra nước không khí và lớp trầm tích, cải thiện dự đoán xói mòn và sinh học.
  • tương tác tổng hợp chất lỏng (FSI) ) để phân tích dao cắt dạng và mệt mỏi dưới các tải năng lượng hoạt động.
  • Mô hình học tập ) mà giảm thời gian chạy bằng cách học các mẫu lưu thông từ dữ liệu độ rộng cao.

Những tiến bộ này cho phép các kỹ sư mô phỏng hàng ngàn cấu hình tua bin và điều kiện môi trường mà không cần phải kiểm tra thể chất đắt tiền.

Thiết kế thanh kiếm có độ sáng tốt

Thiết kế thanh kiếm đã thấy sự tiến bộ đáng kinh ngạc:

  • Những lưỡi dao được soi dẫn ), bắt chước những ống cá voi lưng gù hoặc da cá mập, giảm lực kéo và trì hoãn tại các tiện ích dòng chảy thấp.
  • [FLT:] lưỡi nhân tạo với điều khiển độ nhạy thụ động hoặc hoạt động điều khiển độ tấn công trong thời gian thực, duy trì tỷ lệ tối ưu nâng lên đến đỉnh trên triều thay đổi.
  • Các tua bin dẫn động ) loại bỏ trung tâm, cho phép một khu vực bị quét lớn hơn và giảm thiểu mất thức.
  • Các tua-bin đã được kéo ) (các thiết kế đã được đánh dấu) tăng tốc qua các cánh quạt, tăng mật độ năng lượng lên đến 60% trong các kênh bị hạn chế.

Khoa học vật liệu cũng góp phần: Các hợp chất tiên tiến ( sợi cacbon, epoxy) làm giảm trọng lượng và sự ăn mòn, trong khi lớp vỏ bảo vệ làm giảm thiểu hiệu suất sinh học.

Nơi được làm báp têm cho hỗn loạn trong dòng suối chết chóc

Bố trí Array là quan trọng để tối đa hóa hiệu suất ra trang trại. Chiến lược chìa khóa bao gồm:

  • Các mảng đã được phân tách để sắp xếp các tua-bin với dòng chảy thường xuyên trong khi nhiễu loạn sự tỉnh.
  • Vị trí đặt ) sử dụng nền tảng di động điều chỉnh chiều sâu và hướng dựa trên dữ liệu thời gian thực từ các phân tích viên hiện thời [FLT: 1].
  • Bathymetry-ware ngồi mà đòn bẩy CFD để xác định các vùng năng lượng cao được tạo ra bởi các đỉnh hoặc kênh dưới nước.
  • Bánh lái thông qua yaw điều khiển để làm lệch tua bin từ các thiết bị dòng chảy, một kỹ thuật mượn từ năng lượng gió.

Các cuộc thử nghiệm thực địa tại Trung Tâm Năng Lượng Biển Âu Châu (EMEC) ở Orkney, Scotland, cho thấy rằng việc tối ưu hóa chỗ ở đã làm tăng tổng số năng lượng thu về từ nông trại lên 30% so với một bố trí lưới điện đơn giản.

Những vật liệu đổi mới thu hút và mặc

Khả năng kéo dài và hiệu quả gắn liền với nhau.

  • phủ lông ) (v. d., silicon-g) để ngăn chặn sự gắn bó với tảo và các chất độc sinh học.
  • cân nặng phân tử cao Ultra polyethlen (UHMWPE) mang theo cho các cơ chế ném bóng, giảm thiểu sự mất mát ma sát.
  • Ma trận Ceramic [CMCs] cho các cạnh dẫn đầu, chống lại xói mòn từ cát và mảnh vụn.
  • bề mặt sợ hãi ) giảm bớt ma sát da bằng cách đẩy trượt trượt ở lớp giới hạn.

Những cải tiến này mở rộng khoảng bảo trì và giữ cho tua bin hoạt động với hiệu suất cao nhất trong 20+năm thiết kế.

Ảnh hưởng của sự tiến bộ trên sự hiệu quả của thiết bị

Sự gia tăng đáng kể

Tác động tích lũy của các động lực lỏng này rất đáng kể:

  • Các tua bin dòng thủy triều hiện đại đạt được hiệu quả của quyền lực (Cp) giá trị của 0,40–0.50, so với 0.30–0.35 cho các nguyên mẫu đầu (giới hạn lý thuyết Btz là 0.593 cho các cánh quạt mở; các thiết kế khuếch tán-nh quang có thể vượt quá điều này).
  • Tính tối ưu hóa đã làm tăng sản xuất năng lượng hàng năm (AEP) 15–25% cho các thiết kế tối tân, như đã báo cáo trong phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia [NREL] nghiên cứu.
  • Hệ thống định vị và điều khiển được cải tiến đã cắt giảm LCOE (giá trị năng lượng bằng cấp) lên đến 40% trong các dự án thí điểm, tạo ra sự cạnh tranh giữa năng lượng thủy triều và gió ngoài khơi ở một số vùng.

Để ví dụ cụ thể, cơ sở dữ liệu [FLTTTTTTTT1] quản lý bởi các tài liệu nghiên cứu về phòng thí nghiệm quốc gia Thái Bình Dương nơi mà CFD- tái thiết kế nâng cao hiệu suất 20% cho một tua bin 500 kW trong Vịnh Quỹ.

Những lợi ích ngoài hiệu quả

Động lực học lỏng cũng giảm chi phí bảo trì và thời gian xuống:

  • Dự đoán rằng sự sinh sôi nảy nở qua hệ thống CFD đã cho phép các thiết kế lưỡi dao giảm thiểu, kéo dài tuổi thọ của lưỡi dao trong 5 năm hoặc hơn.
  • Nạp máy giám sát sử dụng cảm biến gắn trong lưỡi dao, kết hợp với các mô hình lỏng, cho phép bảo trì dựa trên điều kiện thay vì quá tải thời gian.
  • Hiểu được phương tiện chuyển xác khiến việc chôn cất tua-bin không được tốt và không bị chà đạp bởi những nền móng.

Những yếu tố này góp phần vào một yếu tố cao hơn (thời gian hoạt động hàng năm) và tốt hơn là đầu tư trở lại.

Những thử thách và nghiên cứu tiếp

Dòng chảy không được rung động và không được nở rộ

Các nhà nghiên cứu đang khám phá các mô hình nhỏ và mạng lưới thần kinh có cấu trúc thần kinh để tăng tốc độ mô phỏng mà không cần phải mất đi sự chính xác.

Sự sinh sôi và sự ăn mòn

Sự tăng trưởng của biển trên lưỡi dao và cấu trúc thay đổi bề mặt hỗn độn và sự phân phối hàng loạt, hiệu suất thấp kém không tiên đoán trước được. làm sạch robot và tự phủ áo khoác đang được phát triển, nhưng sự hợp tác trong mặt đất vẫn còn hạn chế.

Giao tiếp với hệ sinh thái biển

Các nghiên cứu tác động môi trường đòi hỏi động lực học để mô phỏng cách các hệ thống điện toán tua bin ảnh hưởng đến việc di trú và chuyển phân trầm tích cá. Các dự án hợp tác như [FLT: 0] Hội đồng Quốc tế về sự khám phá Biển (ICES) [FLT: 1) đang phát triển các thực hành tốt nhất để giảm thiểu sự phá hoại sinh thái.

Khả năng thu thập các tia lớn

Trích ra hiệu suất tối ưu từ hàng trăm tua bin đòi hỏi giải quyết các vấn đề tối ưu hóa với hàng ngàn biến số. sử dụng lý thuyết trò chơi và các máy tính phân phối đang được thử nghiệm để thiết kế mega-farms vượt quá 100 MW.

Hướng tương lai

Hệ thống điều khiển điều khiển thời gian thực

Kết hợp dữ liệu thời gian thực từ AECP, gia tốc gia tốc, và cảm biến áp suất với mô hình thay thế dịch nhanh sẽ cho phép tua bin điều chỉnh độ cao, yaw, và tốc độ quay mỗi vài giây. Cách tiếp cận "số nhị phân" này hứa hẹn thêm phần trăm hiệu suất từ dòng chảy dao động.

Hệ thống năng lượng lai

Kết hợp năng lượng thủy triều với gió và năng lượng mặt trời nổi ở nước ngoài có thể làm mịn kết xuất và chia sẻ cơ sở hạ tầng.

Công việc sản xuất và vật liệu cao cấp

Những lưỡi dao in 3D với cấu trúc lưới bên trong có thể giảm xuống 40% trọng lượng trong khi giữ được sức mạnh.

Công cụ chuyển đổi của Công cụ Công cụ Điện năng Đại dương

Như là những thang điện thủy triều, những người điều khiển lưới cần những dự đoán chính xác về sự dao động năng lượng. mô hình động lực siêu lớn kết hợp với dự báo về thủy triều sẽ cho phép tích hợp tốt hơn vào các mạng lưới thông minh với năng lượng lưu trữ.

Kết luận

Sự hội tụ của động lực học điện toán, vật liệu và kỹ thuật điều khiển đã đẩy năng lượng thủy triều lên cao mới. các mô hình CFD tăng cường, sáng tạo lưỡi dao, bố trí tối ưu hóa các mảng năng lượng, và vật liệu bền vững đã tăng cường tập thể năng lượng thu về từ 20–30% trong khi đang tiếp tục nghiên cứu về hệ thống thích nghi và cơ sở lai năng lượng thủy triều đang chuẩn bị trở thành nền tảng của năng lượng tái tạo toàn cầu. tiếp tục đầu tư trong sự tiến bộ năng lượng sẽ là thiết yếu để khai thác sức mạnh vô cùng lớn, có thể đoán trước của đại dương.