Modelo y simulación de un generador undimotriz tipo oscilador de Arquímedes y su sistema de conversión de energía

Abstract

The simulation and analysis of a wave energy generator (WEC) based on an Archimedes Wave Swing (AWS) and its energy conversion system is presented in this thesis. The Archimedes Wave Swing oscillator consists of a hollow cylinder and a floater and the cylinder is filled with air and fix to the sea bottom, the floater moves vertically. When a wave approaches, the float sinks due to increased of the weight of the water column, while the air pressure in the cylinder increases. If the valley of the wave is above the Archimedes oscillator the weight of water is decreased and moves up by the pressure on the air inside the cylinder. This wave energy can be converted to electric power by using linear permanent magnet generators. This generator reciprocates when its translator is coupled to the floater of the Archimedes Wave Swing and, as a consequence, the direction and speed of the motion of the traslator vary. As a result, the frequency and magnitude of the induced voltage, stator currents and the output power of the generator also vary. This feature of the linear permanent magnet generator avoids the direct connection with the power system electric. Therefore, it is necessary to incorporate a coupling stage that allows to integrate the WECs to the power system. The wave energy converter (WEC) comprises a permanent magnet linear generator, which is modeled in the ABC frame of reference using three ordinary differential equations. The motion equation of the Archimedes Wave Swing is modeled with a set of two ordinary differential equations that represent position and velocity of the translator.

En esta tesis se presenta la simulación y análisis de un generador undimotriz (GU) tipo oscilador de Arquímedes y su sistema de conversión de energía. El oscilador de Arquímedes consiste de un cilindro hueco y un flotador. Mientras que el cilindro se encuentra lleno de aire y anclado al suelo marino, el flotador se mueve verticalmente. Cuando se aproxima una ola, el flotador se hunde debido al incremento del peso de la columna de agua, al mismo tiempo que la presión del aire en el cilindro se incrementa. Cuando el valle de la ola se encuentra arriba del oscilador de Arquímedes el peso de agua se decrementa y el flotador sube por la presión del aire en el interior del cilindro. Esta energía de la ola se puede convertir a energía eléctrica mediante el uso de generadores lineales de imanes permanentes. Este generador oscila al acoplar su traslador con el flotador del oscilador de Arquímedes y, por ende la dirección y velocidad del movimiento del traslador varia. Como consecuencia, la frecuencia y magnitud del voltaje inducido, corrientes del estator y la potencia de salida del generador también varían. Esta característica del generador lineal de imanes permanentes no permite la conexión directa con el sistema eléctrico de potencia. Por lo tanto, se requiere incorporar una etapa de acoplamiento que permita integrar el GU al sistema de potencia. El modelo de generador lineal de imanes permanentes se implementa en este trabajo en el marco de referencia ABC usando tres ecuaciones diferenciales ordinarias. La dinámica de la parte mecánica asociada al oscilador de Arquímedes se modela usando un par de ecuaciones diferenciales que representan la posición y velocidad del flotador.