PTO dispositivos undimotrices

A pesar del número de alternativas de tomas de energía (PTO) existentes, hay algunas consideraciones fundamentales que se pueden hacer sobre la correlación entre el tipo de PTO y la clase de convertidor undimotriz (WEC). 

A este respecto, puede decirse que, por lo general, la toma de fuerza de los OWC consiste en un grupo turbogenerador con turbina de aire, ya sea Wells o turbina de impulso autorrectificante. En el caso de los WEC dentro de la clase de movimiento relativo inducido por la onda, existen dos diferencias fundamentales basadas en la amplitud del movimiento oscilatorio. En general, el principio de funcionamiento de los WEC con grandes captores y altas cargas de excitación dinámicas se basan en movimientos de amplitud muy pequeña, que tipifican el uso de sistemas hidráulicos. Por otro lado, los WEC con captadores pequeños (es decir, absorbedores puntuales) y, por lo tanto, cargas de excitación más bajas, requieren desplazamientos elevados para maximizar la captura de potencia. En este caso, el equipo PTO usado con mayor frecuencia son los generadores lineales de accionamiento directo, donde el imán permanente y las máquinas de reluctancia son los sistemas más notables.

Recientemente, se han propuesto sistemas PTO disruptivos basados ​​en generadores de elastómeros dieléctricos, con el objetivo de lograr altas eficiencias de conversión de energía, reducir costos operativos y de capital, sensibilidad a la corrosión, ruido y vibración y simplificar los procesos de instalación y mantenimiento . Sin embargo, estos sistemas aún se encuentran en una etapa de desarrollo muy preliminar. Por lo tanto, ya que las alternativas de PTO más convencionales antes mencionadas aún cubren la mayoría de las tecnologías en desarrollo; una descripción más detallada de esos sistemas se presenta en esta sección:

• Sistemas hidráulicos:

Los sistemas hidráulicos son difíciles de tipificar porque pueden tomar muchas formas diferentes. Sin embargo, generalmente los circuitos hidráulicos incluyen un número dado de pares de cilindros, acumuladores de gas de alta presión y baja presión y un motor hidráulico. Dependiendo del principio de trabajo de WEC, el desplazamiento de los pistones dentro de los cilindros es causado por el movimiento relativo entre dos (o más) cuerpos o el movimiento relativo entre el flotador y una referencia fija (por ejemplo, el lecho marino). Una válvula rectificadora asegura que el líquido siempre ingrese al acumulador de alta presión y nunca abandone el acumulador de baja presión, si el desplazamiento relativo entre los cuerpos es hacia abajo o hacia arriba.

• Turbinas de aire:

Las turbinas de aire son la elección natural para el mecanismo PTO de columnas de agua oscilante (OWC). En esencia, los convertidores de energía de onda OWC consisten en estructuras holgadas que encierran una cámara de aire donde oscila una superficie interna libre de agua, conectada al campo de ondas externas por una abertura sumergida. El movimiento oscilatorio de la superficie libre interna, en estructuras fijas inferiores, o el desplazamiento vertical relativo entre la superficie libre interna y la estructura, en conceptos flotantes, causa una fluctuación de presión en la cámara de aire. Como resultado, hay un flujo de aire que se mueve hacia adelante y hacia atrás a través de una turbina acoplada a un generador eléctrico.

La turbina Wells es la opción más comúnmente utilizada en OWC, cuya principal característica es la capacidad de girar constantemente en una dirección, independientemente de la dirección del flujo de aire. Sin embargo, existen otras alternativas como las turbinas Wells con cuchillas de ángulo de paso variable y turbinas de impulso axial o radial.

Para modelar numéricamente OWCs, se supone que la superficie interna es un pistón rígido y sin peso ya que el ancho del OWC es típicamente mucho más pequeño que las longitudes de onda de interés.

El movimiento de la superficie libre del agua dentro de la cámara, causada por las ondas entrantes, produce una presión de aire oscilante y consecuentemente desplaza un caudal másico de aire a través de la turbina.

• Generadores lineales de accionamiento directo:

Las aplicaciones más típicas de los sistemas de transmisión directa hacen uso de movimientos giratorios para convertir energía mecánica en energía eléctrica. Los generadores en centrales eléctricas convencionales (por ejemplo, carbón, fueloil, nuclear, gas natural), centrales hidroeléctricas o turbinas eólicas de transmisión directa, todas utilizan generadores giratorios. Sin embargo, en algunos casos particulares, los generadores lineales también se usan en aplicaciones con altos niveles de potencia. Este es el caso de algunos sistemas de transporte de alta tecnología, como los trenes de levitación magnética y los sistemas PTO para la conversión de energía de las olas.

La complejidad inherente de extraer energía de las olas y, en última instancia, la dificultad principal con el uso de generadores lineales para la conversión de energía de las olas, está relacionada con la complejidad de manejar fuerzas altas (dependiendo del tamaño del convertidor de energía de las olas) y bajas velocidades. En este contexto, la viabilidad de los generadores lineales está restringida a los absorbedores puntuales que se caracterizan por velocidades más altas (más de 1 m/s ) y cargas de excitación más bajas que la mayoría de las otras categorías de WEC. Sin embargo, la relevancia de este mecanismo de PTO se ve reforzada por la gran cantidad de proyectos que se han centrado en desarrollar diferentes conceptos de absorbentes de puntos de elevación equipados con generadores lineales (por ejemplo, AWS, OPT, Seabased, Wedge Global, etc.).

En el contexto de la conversión de energía de las olas, existen diferentes tipos de generadores lineales convencionales que se pueden usar. A saber

• Máquinas de inducción.

• Máquinas síncronas con excitación eléctrica.

• Máquinas de reluctancia conmutadas.

• Generador de imán permanente de flujo longitudinal.

Entre estos tipos de generadores lineales, los generadores de imanes permanentes de flujo longitudinal (LFPM) han sido la opción más común para la conversión de energía de las olas. Normalmente, las máquinas LFPM también se denominan generadores sincronizados de imán permanente, ya que el flujo de bobinado de la armadura y el flujo de imán permanente se mueven sincrónicamente en el entrehierro.

Además de los requisitos técnicos para operar en condiciones marinas irregulares con fuerzas pico muy altas y velocidades relativamente bajas, el diseño de los generadores LFPM tiene algunas complejidades adicionales relacionadas con:

(i) El diseño del sistema de rodamientos, que es bastante intrincado debido a la alta fuerza de atracción entre el transductor y el estator.

(ii) La construcción mecánica con pequeños espacios de aire. La construcción del estator de los generadores LFPM es simple y robusta, sin embargo, típicamente el entrehierro entre el estator y el rotor debe ser razonablemente grande, lo que reduce la densidad de flujo del entrehierro y, por lo tanto, la eficiencia de conversión. Esencialmente, el tamaño de la brecha se impone por las tolerancias de fabricación, la rigidez limitada de la construcción completa, las grandes fuerzas de atracción entre el estator y el traductor, la expansión térmica, etc.

(iii) El convertidor de electrónica de potencia para conectar la tensión WEC (que tiene una frecuencia y amplitud variables causadas por el movimiento irregular y la velocidad continuamente variable) a la red eléctrica (que tiene frecuencia y amplitud fijadas).

(iv) La geometría de LFPM, sin embargo, limita el ancho de los dientes del estator y el área de la sección transversal de los conductores para un paso dado. Aumentar el ancho del diente para aumentar el flujo magnético en el estator o aumentar la sección transversal del conductor exige un paso mayor y la frecuencia angular del flujo se reduce. Esto establece un límite para la fem inducida por polo y, en consecuencia, la potencia por área de patinaje aéreo.