在澳大利亞花園島海岸外的水面下，一年四季都有三個(gè)潛浸在水下的浮標(biāo)來(lái)掌控波浪能量，為該國(guó)最大的海軍基地發(fā)電並生產(chǎn)淡水。這項(xiàng)計(jì)畫累計(jì)運(yùn)作時(shí)間已超過(guò)14,000小時(shí)，創(chuàng)下了波浪能源系統(tǒng)連結(jié)電網(wǎng)的世界紀(jì)錄，並且證明了CETO 5這項(xiàng)波浪能源科技的可行性及可靠性。
2016年，本公司（卡內(nèi)基潔淨(jìng)能源公司；Carnegie Clean Energy）成功地佈署CETO 5，我們現(xiàn)在正在進(jìn)行此項(xiàng)技術(shù)的下一代科技開發(fā)，CETO 6有潛力可以產(chǎn)生超過(guò)CETO 5每一個(gè)浮標(biāo)的四倍電力，同時(shí)還能減低維護(hù)成本並且讓波浪能量發(fā)電廠設(shè)置在距離海岸更遠(yuǎn)的地方。
CETO 6的設(shè)計(jì)，是以全尺寸從波浪到電線（wave-to-wire）的模型為基礎(chǔ)，而這整個(gè)包含多元領(lǐng)域的系統(tǒng)是利用Simulink和它的物理模型模擬模塊組（Simscape）所建立設(shè)計(jì)的。我們透過(guò)Simulink的模擬技術(shù)，快速地嘗試新概念及迭代改善設(shè)計(jì)，因此逐漸提升CETO 6科技的成熟度。我們使用Simulink來(lái)建模，並模擬發(fā)電鏈的每一個(gè)階段，包含在波浪作用在浮標(biāo)、機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液壓能、以及液壓能轉(zhuǎn)為電能所涉及的機(jī)制等。
從CETO 5經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)
CETO是利用浮標(biāo)活動(dòng)來(lái)控制波浪能量並產(chǎn)生電能的科技。CETO 5浮標(biāo)直徑11公尺，潛浸在海平面下約兩公尺處，每一個(gè)浮標(biāo)皆以繫鏈連接到固定在海底的液壓缸，浮標(biāo)垂直方向動(dòng)作驅(qū)動(dòng)液壓缸裡的活塞，產(chǎn)生壓力把水透過(guò)水下管線推進(jìn)到海岸上的發(fā)電設(shè)備（圖1），高壓水流在那兒被用來(lái)驅(qū)動(dòng)水力發(fā)電渦輪機(jī)發(fā)電，並透過(guò)逆滲透技術(shù)進(jìn)行海水淡化。
| 圖1 : CETO 5系統(tǒng)的佈署圖示。 |
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長(zhǎng)達(dá)一年的CETO 5計(jì)畫不僅證明了技術(shù)的可行性，也提供我們能夠運(yùn)用在CETO 6上的豐富資訊。CETO 5裝載了大約300個(gè)感測(cè)器，來(lái)監(jiān)控液壓元件的壓力、水流、溫度、電氣元件的電壓、電流頻率，以及機(jī)械元件的負(fù)載、位移、加速度。這些幾萬(wàn)億位元從感測(cè)器收集而來(lái)的資料，我們利用MATLAB來(lái)進(jìn)行分析及視覺(jué)化，分析結(jié)果可作為決策的參考資訊，並用來(lái)驗(yàn)證我們的Simulink模型（圖2）。
| 圖2 : 以CETO 5單元#2作為函式單一控制變量的電力輸出量測(cè)值分布圖。 |
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從CETO 5獲得的經(jīng)驗(yàn)可用來(lái)改善CETO 6結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，我們把浮標(biāo)直徑從11公尺增加到將近20公尺，並將CETO 6的設(shè)計(jì)更改成在浮標(biāo)發(fā)電，而不是在岸上（圖3）。
與其在波浪能發(fā)電廠及海岸之間裝置、維護(hù)長(zhǎng)達(dá)好幾公里的高壓管線，我們現(xiàn)在可以使用電臍將產(chǎn)生的電運(yùn)送到陸地，如此可以降低系統(tǒng)成本，並讓我們能夠把浮標(biāo)裝置在位置較遠(yuǎn)，但波浪條件通常更有利於發(fā)電的離岸。在CETO 6，液壓幫浦被配置在浮標(biāo)而不是海底。這項(xiàng)改變更有助於維修及性能維護(hù)，因?yàn)槲覀兛梢园颜麄€(gè)系統(tǒng)拖回岸上，而不需要在水中進(jìn)行維護(hù)工作。
動(dòng)力輸出器的建模與優(yōu)化
動(dòng)力輸出器（Power-Takeoff）是能將液壓透過(guò)幫浦轉(zhuǎn)換為電能的子系統(tǒng)，也是CETO 6系統(tǒng)的中心。我們?cè)O(shè)計(jì)動(dòng)力輸出器的目標(biāo)是要從波量能萃取出最大量的可用電力。透過(guò)理論研究，我們知道一個(gè)具有完全效率的系統(tǒng)可以萃取出多少電力，而Simulink模型可幫助我們建置一個(gè)規(guī)模可以盡可能接近理想效率等級(jí)的動(dòng)力輸出器子系統(tǒng)。
我們也利用Simulink的多體機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)模擬模塊組（Simscape Multibody）來(lái)建立固定的繫鏈、連結(jié)處、以及其他機(jī)械元件的模型，之後我們將重心轉(zhuǎn)移到液壓子系統(tǒng)。我們利用Simulink和流體模擬模塊組（Simscape Fluids）建立了這個(gè)子系統(tǒng)的完整模型（圖4），模型內(nèi)包含了多個(gè)液壓儲(chǔ)壓器、管線、減壓閥、以及將液壓轉(zhuǎn)及水流轉(zhuǎn)換為可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)力矩的液壓馬達(dá)。
| 圖4 : Simulink模型描繪的CETO 6液壓元件。 |
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我們透過(guò)Simulink進(jìn)行了為數(shù)幾萬(wàn)次的模擬來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)，執(zhí)行掃描（sweeps）來(lái)找出最佳配置以及參數(shù)值，並且使用MATLAB產(chǎn)品家族中的平行運(yùn)算工具箱（Parallel Computing Toolbox）在一個(gè)多核心的處理器內(nèi)，同時(shí)且快速地執(zhí)行這些最佳配置及參數(shù)。這些模擬產(chǎn)生了許多出乎意料的創(chuàng)新想法，舉例來(lái)說(shuō)，結(jié)果顯示有某一個(gè)我們以為需要視海洋狀態(tài)進(jìn)行重大變更的控制參數(shù)，實(shí)際上不論海洋狀態(tài)如何，該參數(shù)對(duì)於性能僅帶來(lái)很小的影響，這樣的洞見(jiàn)讓我們能夠簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)並降低系統(tǒng)的總成本。
模擬結(jié)果驗(yàn)證及波浪-電線轉(zhuǎn)換模型的組裝
為了測(cè)試我們的早期設(shè)計(jì)，我們建構(gòu)了一個(gè)1:20比例縮小版本的CETO 6系統(tǒng)，並把它放置在波浪水槽，使其接觸被我們精心控制的波浪條件（圖5）來(lái)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試進(jìn)行的時(shí)候，如同CETO 5在真實(shí)世界運(yùn)作一樣，我們從感測(cè)器收集資料，並且透過(guò)MATLAB進(jìn)行分析。
| 圖5 : 波浪水槽中的設(shè)計(jì)原型。 |
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在開發(fā)完整的波浪能轉(zhuǎn)換到電線（wave-to-wire）的模型時(shí)，我們使用電子電力系統(tǒng)模擬模塊組（Simscape Electrical）來(lái)建立電力元件系統(tǒng)的模型，包含用於平穩(wěn)電力（power smoothing）的發(fā)電機(jī)和電容器。在系統(tǒng)的另一端，我們建立了一客製的Simulink流體力學(xué)模型來(lái)模擬浮標(biāo)與海浪的交互作用，因此現(xiàn)在我們就可把這個(gè)客製化的模型轉(zhuǎn)換到WEC-SIM中，WEC-SIM是一個(gè)波浪能量轉(zhuǎn)換器的開源軟體模擬工具，在這個(gè)產(chǎn)業(yè)已逐漸被廣泛使用。WEC-SIM由美國(guó)的國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（National Renewable Energy Laboratory，NREL）和桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Sandia National Laboratories）利用MATLAB、Simulink、多體機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)模擬模塊組（Simscape Multibody）所開發(fā)出來(lái)的，它讓我們可以更容易地把模型整合到工作流程中。
這個(gè)完整的波浪轉(zhuǎn)換到電線模型可以幫助我們計(jì)算：在特定波浪狀態(tài)下的浮標(biāo)置換位移、位移時(shí)液壓缸的壓力、液壓馬達(dá)依據(jù)該壓力值施加到發(fā)電機(jī)軸的力矩、以及該力矩產(chǎn)生的電力。
CETO 6的佈署和展望
卡內(nèi)基潔淨(jìng)能源公司規(guī)劃在英國(guó)康瓦爾郡（Cornwall）離海岸16公里處的Wave Hub海洋能源開發(fā)與測(cè)試設(shè)備，佈署一個(gè)與電網(wǎng)連結(jié)的CETO 6系統(tǒng)（圖6）。
| 圖6 : 英國(guó)康瓦爾郡的Wave Hub海洋能源測(cè)試設(shè)備 |
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澳洲政府也承諾將資助本公司在西澳奧班尼（Albany）海岸外佈署一個(gè)波浪能發(fā)電廠。
當(dāng)我們開始著手進(jìn)行這些開發(fā)時(shí)，我們?nèi)匀焕^續(xù)探索能夠持續(xù)改善CETO 6技術(shù)的方法，其中一項(xiàng)正在評(píng)估的改善工作與穩(wěn)住浮標(biāo)的固定用配置有關(guān)，目前的CETO 6垂直繫鏈主要從浮標(biāo)起伏的運(yùn)動(dòng)獲得能量（圖7）。
| 圖7 : CETO 6浮標(biāo)繫鏈圖示說(shuō)明。 |
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新的規(guī)格設(shè)計(jì)則可以捕捉翻滾和浪湧的運(yùn)動(dòng)，它們也有潛力能將電力輸出擴(kuò)增到三倍。最後，本公司最近則開始拓展到微電網(wǎng)（microgrid）的領(lǐng)域，正努力把CETO 6波浪能技術(shù)和太陽(yáng)能與能源儲(chǔ)存系統(tǒng)整合，目標(biāo)是要開發(fā)及營(yíng)運(yùn)世界上第一個(gè)波浪-太陽(yáng)能-電池的微電網(wǎng)系統(tǒng)。
（本文由鈦思科技提供，作者Alexandre Pichard任職於Carnegie Clean Energy公司）
