En comparación con la energía eólica y solar, la energía de las olas se ha mantenido relativamente cara y difícil de capturar, pero los ingenieros de Sandia National Laboratories están trabajando para cambiar eso inspirándose en otras industrias.
El equipo de ingeniería de Sandia ha diseñado, modelado y probado un sistema de control que duplica la cantidad de energía que un convertidor de energía de las olas puede absorber de las olas del océano, haciendo que la electricidad producida a partir de la energía de las olas sea menos costosa. El equipo aplicó la teoría clásica de control y la robótica y la ingeniería aeroespacialprincipios de diseño para mejorar la eficiencia del convertidor.
Durante un proyecto de varios años financiado por la Oficina de Tecnologías de Energía del Agua del Departamento de Energía, los ingenieros del programa de Energía del Agua de Sandia están utilizando una combinación de modelado y pruebas experimentales para refinar cómo un convertidor de energía de las olas se mueve y responde en el océano para capturar la energía de las olas mientrastambién considerando cómo mejorar la resistencia del dispositivo en un entorno oceánico hostil.
"Estamos trabajando para crear metodologías y tecnologías que las empresas privadas puedan aprovechar para crear dispositivos de energía de las olas que les permitan vender energía a la red de EE. UU. A un precio competitivo", dijo el ingeniero de Sandia Ryan Coe. "Al obtener más energíadel mismo dispositivo, podemos reducir el costo de energía de ese dispositivo "
El control avanzado de los convertidores de energía de las olas produce una mayor absorción de energía
El convertidor de energía de las olas de Sandia es una gran boya oceánica de 1 tonelada con motores, sensores y una computadora a bordo construida a un tamaño reducido para un entorno de prueba. Los convertidores comerciales de energía de las olas pueden ser grandes y generalmente son parte de un grupo de dispositivos,como un parque eólico con múltiples turbinas.
"Estos dispositivos pueden estar en mar abierto y en aguas profundas, tal vez de 50 a 100 millas de la costa", dijo Coe. "Una matriz de convertidores de energía de las olas, tal vez 100 dispositivos, conectados a una línea de transmisión submarina enviaría la energía de las olasvolver a la costa para consumo en la red "
Para capturar energía de las olas del océano, un convertidor de energía de las olas se mueve y se balancea en el agua, absorbiendo energía de las olas cuando generan fuerzas en la boya. Las pruebas previas de Sandia se centraron en estudiar y modelar cómo se movían los dispositivos en un océanoentorno para crear un modelo numérico de su dispositivo.
Usando el modelo que desarrollaron y validaron el otoño pasado, el equipo escribió y aplicó múltiples algoritmos de control para ver si el convertidor podía capturar más energía.
"Un algoritmo de control es un conjunto de reglas que usted escribe que provoca una acción o acciones múltiples basadas en las mediciones entrantes", dijo el ingeniero de Sandia Giorgio Bacelli. "Los sensores en el dispositivo miden la posición, la velocidad y la presión en el casco de la boya yluego genera una fuerza o par en el motor. Esta acción modifica la respuesta dinámica de la boya para que resuene a la frecuencia de las ondas entrantes, lo que maximiza la cantidad de energía que puede ser absorbida ".
El sistema de control utiliza un circuito de retroalimentación para responder al comportamiento del dispositivo al tomar mediciones 1,000 veces por segundo para refinar continuamente el movimiento de la boya en respuesta a la variedad de ondas. El equipo desarrolló múltiples algoritmos de control para que la boyasiga y luego probó qué sistema de control obtendría los mejores resultados.
"Los controles son un campo bastante grande", dijo el ingeniero de Sandia Dave Patterson. "Puedes manejar cualquier cosa, desde aviones hasta autos y robots andantes. Diferentes controles funcionarán mejor para diferentes máquinas, por lo que una gran parte de este proyecto es averiguar quéfunciona el algoritmo de control y cómo diseñar su sistema para aprovechar mejor esos controles "
Bacelli dijo que si bien el objetivo principal del algoritmo de control es maximizar la transferencia de energía entre la ola y la boya, también se debe considerar la cantidad de estrés que se aplica al dispositivo.
"La resonancia también enfatiza la estructura completa del dispositivo, y para expandir la longevidad del dispositivo, necesitamos equilibrar la cantidad de estrés que sufre", dijo Bacelli. "Diseñar y usar un sistema de control ayuda a encontrar el mejor comercio-entre las cargas y el estrés aplicado a la boya mientras se maximiza la potencia absorbida, y hemos visto que nuestros sistemas pueden hacerlo ".
La teoría se hace realidad en el tanque de olas de clase mundial de la Marina
Los resultados del modelado numérico con los algoritmos de control mostraron un gran potencial, por lo que el equipo llevó el convertidor a las instalaciones de maniobra y mantenimiento del mar de la Marina de los EE. UU. En la División Carderock en Bethesda, Maryland, en agosto para probar los nuevos métodos de control en un océanosimilar a un entorno. La instalación del tanque de olas tiene 360 pies de largo y 240 pies de ancho y tiene un generador de olas que puede generar olas medidas con precisión para simular varios ambientes oceánicos durante horas a la vez. Sandia usó el tanque de olas para simular un océano de tamaño completoentorno de la costa de Oregon, pero reducido a 1/20 th el tamaño de las olas oceánicas típicas para que coincida con su dispositivo.
"La precisión de la onda que pueden generar y la repetibilidad es sobresaliente", dijo Bacelli. "La capacidad de recrear la misma condición cada vez nos permitió realizar experimentos muy significativos".
El equipo realizó una prueba de referencia para ver cómo funcionaba el convertidor con un sistema de control simple que dirigía sus movimientos y acciones. Luego realizaron una serie de pruebas para estudiar cómo los diversos algoritmos de control que habían diseñado afectaron la capacidad del dispositivo para absorberenergía.
"Este año, el dispositivo puede moverse hacia adelante, hacia atrás, hacia arriba y hacia abajo y rodar para resonar a la frecuencia de las ondas entrantes", dijo Bacelli. "Todos los grados de libertad se activaron, lo que significa que hay motores en eldispositivo para cada dirección que puede moverse. Durante las pruebas pudimos absorber energía en cada uno de estos modos, y pudimos simular las condiciones de funcionamiento de un dispositivo en el mar con mucha más precisión ". De hecho, las pruebas mostraron que la teoría coincidíarealidad en el tanque de olas. Los algoritmos de control fueron capaces de más del doble de la cantidad de energía que los convertidores de energía de las olas pudieron absorber sin un sistema de control.
El equipo está analizando los datos de las pruebas y considerando otras opciones para refinar los sistemas de control para maximizar la transferencia de energía.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorios Nacionales Sandia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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