从海洋中获取波浪能的高效、经济的技术

与太阳能和风能相比，波浪能成本相对较高，开发起来也比较困难。然而，美国的工程师桑迪亚国家实验室一直在努力通过寻找其他行业来改变这一点。

桑迪亚的工程师已经设计、设计并研究了一种控制系统，该系统可以增加海浪能量转换器从海浪中吸收的电量，从而降低海浪能量产生的电力的成本。工程师们采用了经典的控制理论和机器人技术以及航空航天工程设计理念来提高变换器的效率。

作为美国能源部水力发电技术办公室支持的一个多年项目的一部分，桑迪亚水力发电项目的工程师们采用了建模和实验研究相结合的方法，以改进波浪能转换器的工作方式，并在海洋中利用波浪能，同时研究如何提高设备在不利海洋环境中的弹性。

我们正在努力创造方法和技术，私营公司可以利用这些方法和技术来制造波浪能设备，使他们能够以有竞争力的价格向美国电网出售电力bY从相同的设备中获得更多的能量，我们可以减少该设备的能量成本．

Ryan Coe, Sandia工程师

先进的控制波能转换器产量增加能量吸收

在桑迪亚设计的波浪能转换器是一个1吨重的大型海洋浮标，包括传感器、电机和一个适合测试环境的小型机载计算机。一般来说，市面上的波浪能转换器都很大，可能是一组设备的一部分，例如一个风电场包括许多涡轮机。

”这些设备可以在开阔的海洋和深水中，可能在距离海岸50到100英里的地方科说。”一组大约有100个装置的波浪能转换器，连接到水下传输线上，将波浪能发送回岸边，在电网上消耗”。

为了从海浪中获得能量，波浪能量转换器在水中移动和反弹，从而在海浪对浮标产生力时吸收海浪的能量。桑迪亚早期的研究集中在分析和模拟设备在类似海洋的环境中移动的方式，以开发设备的数值模型。

利用他们去年秋天开发和验证的模型，该团队编写并应用了多种控制算法，以查看转换器是否能捕获更多能量。

控制算法是您编写的一组规则，根据传入的测量结果提示一个或多个操作t设备上的传感器测量浮标船体上的位置、速度和压力，然后在电机中产生力或扭矩。这一动作修改了浮标的动态响应，使其在入射波的频率上产生共鸣，从而最大限度地吸收能量．

桑迪亚的工程师Giorgio Bacelli说。

控制系统利用反馈回路对设备的操作做出反应，在1秒内测量1000次，根据波浪类型不断微调浮标的运动。研究人员创建了一些浮标可以遵循的控制算法，然后他们研究了能够给出完美结果的控制系统。

”控制是一个相当大的领域桑迪亚公司的工程师戴夫·帕特森说。”你可以操作任何东西，从飞机到汽车，再到行走的机器人。对于不同的机器，不同的控件会工作得更好，所以这个项目的很大一部分是弄清楚哪种控制算法有效，以及如何设计您的系统以最好地利用这些控件”。

根据Bacelli的说法，尽管控制算法的主要目的是增加浮标和波浪之间的能量传递，但传递给设备的应力量也必须考虑在内。

”共振还会对设备的整个结构施加压力，为了延长设备的寿命，我们需要平衡它所承受的应力Bacelli说。”设计和使用控制系统有助于在浮标上施加的载荷和压力之间找到最佳平衡，同时最大限度地吸收能量，我们的系统可以做到这一点”。

在海军世界级的波浪坦克中，理论变成了现实

使用控制算法的数值模拟结果显示了其巨大的潜力，并在8月份利用这些结果，研究人员将转换器带到马里兰州Bethesda Carderock师的美国海军机动和海洋保持设施，以研究海洋环境中的创新控制技术。波浪箱设备的长度为360英尺，宽度为240英尺，其中包括一个能够产生精确测量的波浪的波浪发生器，可以连续数小时模拟不同的海洋环境。桑迪亚大学的研究人员采用波浪箱来模拟俄勒冈州海岸外的全尺寸海洋环境，但将其尺寸减小到正常海浪的1/20，以补充他们的设备。

”它们所能产生的波的精度和可重复性是杰出的Bacelli说。”每次重现相同条件的能力使我们能够进行非常有意义的实验”。

研究人员进行了基线调查，以评估转换器的性能，并使用简单的控制系统来指导其动作和运动。随后，他们进行了一系列调查，分析他们设计的不同控制算法对设备吸收能量潜力的影响。

今年，该设备可以向前、向后、向上、向下和滚动，以便在入射波的频率上产生共鸣,一个所有自由度都被驱动，这意味着设备中每个方向都有电机可以移动。在测试过程中，我们能够在每种模式下吸收能量，并且能够更准确地模拟海上设备的运行条件．

桑迪亚的工程师Giorgio Bacelli说

实际调查表明，波浪池的理论与实际情况是密切相关的。在没有控制系统的情况下，控制算法能够使波浪能转换器吸收的能量增加一倍以上。

研究人员正在检查来自调查的数据，并正在寻找更多的方法来微调控制系统，以增加能量转移。

点击查看来自能源部能源效率和可再生能源办公室的视频，内容是关于桑迪亚国家实验室在马里兰州贝塞斯达海军机动和耐波盆地进行的波浪能转换器测试。