Cómo las turbinas de corriente de mareas producen electricidad
Siga el agua de mar en movimiento a través de una turbina de los fondos marinos, caja de cambios y generador de inducción sellado. Equipo onshore convierte corriente alterna (AC) a corriente directa (DC) y de vuelta a CA. Cambiar corriente independientemente de la vista de la lección y explicar cada pérdida en el camino a la red.
En 60 segundos: cómo funciona
Una turbina de corriente de marea funciona como una turbina de viento submarina. El movimiento regular de las mareas gira sus hojas, y un generador hace electricidad.
- La marea mueve grandes cantidades de agua de mar más allá de una turbina fija al fondo marino.
- El agua en movimiento gira las cuchillas del rotor. La turbina gira para enfrentar la corriente.
- Una caja de cambios y un generador convierten la lenta rotación en electricidad.
- Un cable lleva la energía a la orilla, donde los convertidores lo cambian a CA de calidad de red.
- Un transformador eleva la tensión para que la energía pueda viajar a la red.
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Por Centrales eléctricas en todo el mundo · Lectura relacionada actualizada · Alcance de la preparación y el examen. Ilustraciones educativas; no se reclama revisión independiente de ingeniería por pares.
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Turbina de corriente de mareas de los fondos marinos, generador de inducción de jaula de ardillas (SCIG) y convertidor de fondo en tierra. Cortes originales de presión/conductor/convertidor; nominales 2 m/unidad, internos ampliados y distancia de la orilla comprimida. La corriente Firmado y un reloj de sierra finita separado son educativos, no un pronóstico de marea o controlador validado. El movimiento visible del eje es 1/20 velocidad física antes del multiplicador de la pantalla; el ruido es independiente de la velocidad del espectador. El movimiento se ralentiza para la inspección. Los recubrimientos de colores revelan flujo a través de equipos cerrados; los pulsos de oro muestran transferencia neta de energía eléctrica, no electrones individuales.
Cómo funciona
- Corriente a profundidad del rotor
- Rotor y caja de cambios
- Induction generator
- Cable submarino de frecuencia variable AC
- Conversión de CA-DC-AC en tierra
- Transformador, conmutador y rejilla
La energía de marea utiliza el movimiento del agua de mar asociado a las mareas. Esta turbina de corriente de marea extrae energía cinética de una corriente que fluye más allá de sus cuchillas. El rotor y la caja de cambios impulsan un generador de inducción; la corriente alterna de tres fases (AC) de frecuencia variable viaja a través de un bucle de servicio, un tubo J y un cable submarino a la orilla. Adaptación de la tensión de entrada en tierra y filtrado de la alimentación de retorno a la CA-DC-AC, seguida de un transformador, un conmutador y la red. Su conexión de corriente directa corta (DC) está en tierra, no en el cable submarino. La nacelle se convierte para hacer frente a una corriente de inversión; otros diseños acomodan la inversión o localización de la conversión de manera diferente.
Los motores astronómicos de las mareas hacen que su tiempo sea predecible, pero no significa que la salida sea constante. Los cambios de velocidad actuales a través del ciclo de mareas, y una turbina de corriente produce poca o ninguna electricidad durante el agua floja. Las mediciones del sitio son necesarias para entender el flujo utilizable a profundidad del rotor. Los esquemas de rango de mareas funcionan de manera diferente: una barrera retiene el agua para que una diferencia en el nivel del agua pueda impulsar turbinas.
Siga la ruta de corriente de mareas
Una turbina de eje horizontal montada en el fondo marino conduce un generador de inducción de jaula de ardilla. onshore Los convertidores lo desacoplan de la red. Esta es una arquitectura ilustrativa, no un producto Hammerfest exacto o un diseño de marea universal. [2][3][5]
Cyan direction aids = water-current motion; grey shaft = mechanical motion; A/B/C labels and solid/dashed/dotted conductors = three-phase AC; DC+/DC− = shore converter rails; gold pulses = mean generated-energy flow. Structure and electrical conductors are distinct. Pulses are qualitative teaching aids, not electron speed or calculated water velocity. The rotor is displayed at 1/20 physical speed before the viewer’s speed multiplier; yaw follows the separate physical clock.
Sinopsis de todo el sistema
Seleccione el equipo superior o en el visor. La selección resalta ambas representaciones sin cambiar la corriente, el tinte o el tiempo transcurrido simulado.
1. Corriente, no altura de marea
El agua en movimiento contiene energía cinética. Esta turbina de corriente extrae parte de ella sin incautar una cuenca. Cambiar la vista de la lección no cambia la corriente. [1][2][4]
Detalles técnicos — Corriente, no altura de marea
El modelo asume una corriente de canal uniforme, casi estable a profundidad del rotor. Escalas de potencia de recursos con área barrida y el cubo de magnitud de velocidad. El flujo real incluye cizallamiento, turbulencias, ondas y contribuciones no mareo; las corrientes offshore pueden girar. Slack no necesita coincidir con el nivel alto o bajo del mar. [1][2][4]
2. Hidrofusibles convierten el movimiento del agua en torque
Elevar en las tres palas de hidrofoil suministra un par útil al eje del cubo y de baja velocidad. Gran parte del recurso permanece en el agua; la turbina no puede capturarlo todo. [2]
Detalles técnicos — Hidrofusibles convierten el movimiento del agua en torque
A real power coefficient depends on blade pitch, tip-speed ratio and hydrodynamics. Here Cp = 0.40 and a tip-speed-ratio target of 5 are illustrative below-rating assumptions, not measured blade performance. Shaft power and RPM are capped at a derived rated point; reduced capture above rating is imposed, not a simulated pitch controller. [2]
3. Una relación de cambio marcada
El eje de baja velocidad gira un portador que sostiene tres engranajes del planeta. Rodan dentro de un anillo fijo y conducen el engranaje central del sol, haciendo que el eje del generador gire ocho veces más rápido en la misma dirección local. [2][3]
Detalles técnicos — Una relación de cambio marcada
This original single-stage teaching gearbox has sun/planet/ring tooth counts 12/36/84 at a common module. The geometry closes because 84 = 12 + 2×36. With the ring fixed, no-slip pitch-circle kinematics give ωsun = (1 + 84/12)ωcarrier = 8ωcarrier. Planet rotation relative to the carrier is −7/3 of carrier speed. Teeth are illustrative profiles, not a manufactured gear/contact or fatigue design. Commercial multistage ratios differ. [2][3]
4. Generación de inducción dentro de una nacela sellada
El eje orientado gira una jaula conductora dentro de un estator de herida fijo. El convertidor de lado del generador en tierra establece el campo magnético giratorio y suministra corriente magnetizante. El trabajo mecánico se convierte en salida eléctrica. [2][5][6]
Detalles técnicos — Generación de inducción dentro de una nacela sellada
The selected squirrel-cage induction generator (SCIG) is not a permanent-magnet synchronous machine. Its rotor runs above synchronous speed in generating operation: slip s is negative. An imposed s = −0.02 and 8 pole pairs give fgen = 8ngen/[60(1−s)]. This is a kinematic teaching relationship, not a solved equivalent circuit or torque controller. Bearings, rotary seals, a dry air gap and closed cooling remain distinct from the surrounding seawater. [2][5][6]
5. Yaw una vez; no invertir dos veces
Cuando la corriente cambia de dirección, la quilla gira 180° para enfrentarse a ella. El rotor está estacionado durante esta vuelta finita. Una vez alineada, gira en la misma dirección local que antes. [3]
Detalles técnicos — Yaw una vez; no invertir dos veces
Manual signed current requests 0° for flood and 180° for ebb. The separate physical clock advances yaw at 3°/s. The generation interlock avoids pretending a cos³ yaw-loss curve is validated. Current arrows reverse, but net generated-energy arrows still point toward shore. There is no unlimited cable winding or slip ring in this finite-yaw example. [3]
6. Una ruta de carga marina soportada
La nacela está apoyada por un rodamiento de yardas y torreta. Las patas de trípode con freno transportan cargas en bloques de lastre en el fondo marino preparado. [3]
Detalles técnicos — Una ruta de carga marina soportada
El empuje del rotor, las reacciones de par y las cargas ambientales llegan a la base a través de soportes y rodamientos. La escala nominal es de 2 m/unidad; el radio del rotor de 9 m deja unos 5,4 m por encima de la cama plana y 11,6 m por debajo de la superficie plana. Los sobres exportados se comprueban por separado. Estos espacios geométricos no son una envolvente de nivel de onda/mareal, análisis de recorrido, dimensionamiento de lastre, cálculo de casco a presión o diseño estructural certificado. [3]
7. Siga el cable hasta la orilla
Tres conductores de CA salen del generador a través de un bucle de servicio flexible, luego descienden en un tubo J protector fijo. El cable del fondo marino los conecta al equipo de entrada de la orilla. [3][5]
Detalles técnicos — Siga el cable hasta la orilla
Una bobina de servicio de longitud constante dentro de la torreta hueca de corte acomoda el yambre finito, con accesorios móviles/fijos separados y alivio de tensión. Su diámetro se amplía para la visibilidad. Longitud del arco, radio de curvatura y distancia son controles de geometría, no análisis de torsión de cable o aprobación de instalación del fabricante. El cable lleva CA de tres fases de frecuencia variable, no el enlace DC corto situado en tierra. Su factor de transferencia 98% es una pérdida abultada ilustrativa; longitud de ruta eléctrica, corriente, ampacidad, armónicos y sobretensión resonante no se calculan a partir de la línea de costa comprimida. [3][5]
8. AC onshore → DC → AC
La adaptación de voltaje de entrada y el filtrado alimentan un convertidor del lado del generador. Un enlace DC soportado por condensador lo une a un inversor del lado de la red. El filtrado de salida suaviza la forma de onda de conmutación antes de la conexión de la red. [5]
Detalles técnicos — AC onshore → DC → AC
Cada convertidor de fuente de voltaje (VSC) ilustrativo tiene tres patas de dos interruptores. La conmutación controlada puede manejar el par generador/corriente de magnetización independientemente de la salida de la red de 50 Hz seleccionada. El condensador DC es un amortiguador de energía, no una fuente de energía extra en estado estacionario. Esta página resuelve sólo las potencias estables y la cinemática mecánica/yaw — no modulación de ancho de pulso, onda de CC, potencia reactiva, tiempo muerto, resonancia o una simulación eléctrica de dominio de tiempo validado. [5]
9. Transformación, conmutadores y exportación neta
El transformador de red adapta el voltaje y los conmutadores conectan o aíslan el camino. La salida de la costa es inferior a la potencia del eje capturado porque cada etapa pierde energía. [5]
Detalles técnicos — Transformación, conmutadores y exportación neta
Las seis pérdidas se deducen secuencialmente de sus propias entradas de entrada; no son todos porcentajes del recurso original. La generación neta de la costa es positiva para cualquiera de las dos direcciones alineadas y cero en floja/interlock. Un límite de exportación neta de 1 MW y factores de eficiencia fija son supuestos de ejemplo. Se excluyen las importaciones en espera, protección, corriente de falla y una solución de red de CA, por lo que la «generación cero» no es una reclamación de consumo de cero sitio. [5]
Un modelo de cálculo coherente
Assumptions: uniform aligned quasi-steady current; density 1025 kg/m³; radius 9 m; Cp = 0.40; tip-speed target 5; cut-in 0.5 m/s; maximum speed 3 m/s; shore export capped at 1 MW. All are illustrative, not specifications of a real turbine. Fixed stage efficiencies are 96%, 95%, 98%, 99%, 97% and 99% in the order below. No measured performance curve, hydrodynamic load, electrical transient, cable resistance or harmonic solution is implied. The power relationship is book-supported; these parameter values are not. [2]
- Presource = ½ρA|v|³; A = πR²
- ρ = water density (kg/m³); A = rotor swept area (m²); R = rotor radius (m); v = signed current (m/s). Resource power is the kinetic flux through that area, not all recoverable energy.
- Pshaft = min(Cp Presource, Prated,shaft)
- Cp = dimensionless capture coefficient; P = power (W). This equation is active only above cut-in and after yaw alignment. Rating limits captured power, not the available water resource.
- Pout,i = ηi Pin,i; Ploss,i = Pin,i − Pout,i
- ηi = each stage’s assumed efficiency; i identifies the sequential stage. Shore output is the final output, always nonnegative. Overall shaft-to-shore efficiency is Pshore/Pshaft where shaft power is positive.
- λ = ωrotor R/|v|; n = 60ω/(2π); τ = Pshaft/ωrotor
- λ = tip-speed ratio; ω = angular speed (rad/s); n = revolutions per minute (rpm); τ = shaft torque (N·m). Below rating, target λ sets speed. Above rating speed is capped. At slack λ is not defined; the parked shaft torque is set to zero.
- ngen = 8nrotor; s = 1 − ngen/nsync; fgen = pngen/[60(1−s)]
- ngen = generator rotor speed; nsync = synchronous-field speed; s = slip, here imposed −0.02; p = pole pairs, here 8 (16 total poles); fgen = stator fundamental frequency (Hz). The receiving grid remains selected 50 Hz. Slip is accounted for, not confused with a synchronous generator. [6]
- Current resource
- 2,037.740 kW
- Potencia del eje capturada
- 815.096 kW
- SCIG fundamental
- 13.870 Hz
- Eficiencia del eje hacia la costa
- 84.97%
- Tip-speed ratio
- 5.000
- Coeficiente de captura efectivo
- 0.4000
| Term | Potencia (unidades mostradas) |
|---|---|
| Recursos cinéticos disponibles | 2,037.740 kW |
| Recursos no capturados | 1,222.644 kW |
| Caja de cambios Pérdida | 32.604 kW |
| Generador Pérdida | 39.125 kW |
| Subsea cable Pérdida | 14.867 kW |
| Entrada en tierra TX / filtro Pérdida | 7.285 kW |
| Convertidor completo / filtro de salida Pérdida | 21.636 kW |
| Grid transformer Pérdida | 6.996 kW |
| Pérdida total en seis etapas | 122.513 kW |
| Shore-generated export | 692.583 kW |
| Resource − uncaptured − losses − shore | 0.000000 W |
«Sin capturar» no es una pérdida de calor eléctrico: incluye los recursos que quedan en el flujo y la restricción/interlock impuesta. Se excluyen las importaciones de standby. Las pérdidas fijas no implican una eficiencia fija de la planta real en cada corriente. No se muestra ninguna forma de onda de conmutación como simulación eléctrica medida o validada.
Checked worked example — aligned flood at +2.5 m/s
Area π×9² = 254.469 m². Resource = ½×1025×254.469005×2.5³ = 2,037.740 kW; shaft = 0.40×resource = 815.096 kW. Rotor = 13.263 rpm; generator = 8×rotor = 106.103 rpm; imposed −2% slip gives 13.870 Hz.
Shore = shaft×0.96×0.95×0.98×0.99×0.97×0.99 = 692.583 kW. Las seis pérdidas totales 122.513 kW; el recurso no capturado es 1,222.644 kW. Resource = uncaptured + losses + shore, with unrounded residual 0.000000 W. Rounded display terms can differ slightly. At aligned ebb −2.5 m/s, the same positive shore output is obtained; at slack it is zero. This is an invented operating point, not a manufacturer rating.
Rebajas y conceptos erróneos comunes
El forzamiento de mareas astronómicas es predecible, pero la salida de corriente no es constante y la corriente del sitio no es simplemente la altura de la marea. El acceso marino, los sellos, la corrosión, la ingeniería de cables submarinos, el scour, los efectos ambientales y el mantenimiento de los convertidores son limitaciones reales. Ni las emisiones visibles cero ni la falta de una presa significan un impacto ambiental cero. [1][2][3][5]
Compruebe su comprensión
Referencias, acceso y alcance de la revisión
Pasos de origen comprobados . Explicaciones originales, esquemática y equipo de blender. Software y verificación de geometría no son revisión independiente de ingeniería por pares, cumplimiento de normas o aprobación de instalación.
Principales referencias de libros
- Roger H. Charlier & Charles W. Finkl. Ocean Energy: Tide and Tidal Power. Springer, 1st ed., 2009. DOI 10.1007/978-3-540-77932-2.
Real lawful chapter 8 preview, págs. 141–142, Índice 8,1–8,2 comprobado para las diferencias de flujo/rango y altura actual. El capítulo restante/libro completo es sólo de suscripción; pasajes inaccesibles no fueron revisados.
- Faisal Wani, Jianning Dong & Henk Polinder. Tidal Turbine Generators, en Amir Ebrahimi (ed.), Avances en la modelización y control de los generadores de viento e hidrogeneradores. IntechOpen, 2020. DOI 10.5772/intechopen.90433.
Capítulo real del libro técnico revisado por pares: §1 Ecuation1/TSR, §2/§2.1 orientado frente a unidad directa, §3 sellado nacelles aire-gapa/sellos/ingress comprobado. Su diseño de PM inundado posterior no es el SCIG mostrado aquí. Los valores de parámetros modelo no se toman de sus curvas indicativas.
Fuentes técnicas complementarias
- Andratz HYDRO Hammerfest. Renewable energy from tidal currents, código del folleto histórico 04.12.
pp.6–7.9 impresos reales comprobados para el rotor, el control de paso/yaw/velocidad, generador de inducción, fundaciones y conexión submar/onshore. No se adoptan especificaciones actuales del producto o evidencia de que nuestro modelo original es una réplica.
- EMEC. Tidal devices.
Introducción real / eje horizontal párrafo verificado; fecha de publicación no indicada. Accedido 3 octubre 2026.
- M. C. Sousounis, J. K. H. Shek & M. A. Mueller. Modelling and Control of Tidal Energy Conversion Systems with Long Distance Converters. PEMD2014. DOI 10.1049/cp.2014.0367.
§2 p.2 real y la introducción comprobado para SCIG, cable de tres fases, adaptación en tierra / filtro / VSC y interfaz de la red; cables largos pueden crear problemas armónicos y de sobretensión. Esta lección de estado constante no reproduce su simulación de control de dominio de tiempo.
- James L. Kirtley Jr. Analytic Design Evaluation of Induction Machines. MIT6.061 Notas de Clase Capítulo10, ©2003, curso2011.
Actual p.4 Equation12, p.6 Equations33–34 and p.8 §3 checked for frequency/slip relationships and generating operation. Fixed slip and total pole count in our example remain illustrative assumptions.
Descarga la escena de la Blender de marea editable · Comparar la conversión de viento orientado · Fundamentos en tres fases trabajados · Practicar la lectura de diagramas de una sola línea.
Dentro de la ingeniería
Siga la maquinaria, los fluidos de trabajo y la conexión eléctrica.
Mecánica
Tres palas de hidrofoil impulsan un portaaviones de baja velocidad; visible 12/36/84 engranaje planetario de anillo fijo impulsa el sol/generador ocho veces más rápido con el mismo signo local. Los rodamientos fijos, los sellos y el estator permanecen apoyados dentro de un casco de presión de la yawing. Una trayectoria de carga de torreta/tripodo alcanza las almohadillas de gravedad; un bucle de servicio de yaw finito, un tubo J fijo y un cable del fondo marino preservan la continuidad eléctrica.
Termal y químico
El recurso es el agua en movimiento, no la combustión o cabeza de aluvión. La corrosión del agua de mar, recubrimientos, ánodos, juntas de eje y entrada siguen siendo preocupaciones de mantenimiento. Un concepto de refrigeración cerrada rechaza las pérdidas sin admitir agua de mar a la brecha de aire seco seleccionada; las temperaturas y la capacidad de refrigeración no se calculan.
Electricidad
Variable-frequency three-phase SCIG output travels ashore to voltage adaptation/filtering, a generator-side VSC, paired capacitor-supported DC link, grid-side VSC/filter and transformer/switchgear/grid. An illustrative 16-total-pole, −2% slip assumption sets generator frequency; the grid is selected 50 Hz. One bounded power balance deducts six losses and caps shore generation at 1 MW; both aligned directions export nonnegative power. Slack/yaw interlock parks generation. Standby imports, switching/harmonics, cable ampacity/resonance, AC network and protection are uncalculated.
Principales tipos y variaciones
La animación representa una turbina de corriente de mareas horizontal de eje horizontal montada en el fondo marino. El método de montaje, la orientación del rotor y la generación de la gama de mareas son opciones de diseño diferentes; los ejemplos siguientes explican cómo cada uno cambia la ruta de mover el agua a la electricidad.
Turbina de corriente de marea montada en los fondos marinos
Una estructura de soporte en el fondo marino tiene un rotor sumergido en la corriente. La fundación transfiere el empuje del rotor en el fondo marino, mientras que la nacelle alberga el tren de transmisión. El control de punta y, en algunos diseños, el control de puntas ayudan a la turbina a trabajar a través de cambios en las direcciones de flujo y velocidades.
¿Qué cambios en la práctica?
Una base fija mantiene el rotor colocado, pero la instalación, recuperación y enrutamiento de cables deben ser planeados alrededor del sitio submarino y las condiciones de marea.
Turbina flotante de corriente mareal
Una estructura flotante amarrada soporta rotores sumergidos en la corriente de marea que pasa. En la disposición de Orbital, las patas con bisagras pueden elevar los conjuntos de turbina a la superficie para el acceso. Los amarres sostienen la plataforma en la estación, y un cable de exportación conecta la estructura móvil a la conexión del fondo marino.
¿Qué cambios en la práctica?
El acceso a la superficie puede simplificar algunas tareas de mantenimiento. El diseño también debe acomodar el movimiento de la plataforma, cargas de amarre y la conexión eléctrica flexible.
Turbina de corriente mareal de eje vertical
Las cuchillas giran alrededor de un eje vertical a medida que el flujo de mareas pasa por el rotor. Esto cambia el movimiento de la cuchilla y la disposición del tren de transmisión desde la máquina de eje horizontal similar a la hélice. Sigue siendo un dispositivo de corriente-energía: no se necesita ninguna cuenca o presa para crear una diferencia en el nivel del agua.
¿Qué cambios en la práctica?
La orientación del rotor es una opción independiente de si la estructura de soporte flota o descansa en el fondo marino. La “turbina de marea” no identifica una geometría universal.
Aluvión de mareas
Una barrera a través de una cuenca de mareas utiliza puertas para controlar el llenado y el vaciado. A medida que el nivel del mar cambia, se desarrolla una diferencia de nivel a través de la barrera. El agua pasa a través de turbinas. Dependiendo del equipo y la estrategia de operación, la generación puede utilizar la marea saliente, la marea entrante o ambas.
¿Qué cambios en la práctica?
El recurso es una diferencia cambiante en el nivel del agua, no sólo una corriente rápida. Los niveles de agua alterados, los sedimentos y los hábitats de los estuarios son consideraciones centrales de diseño.
Laguna de mareas
Un muro marino encierra una zona de agua en lugar de abarcar necesariamente un estuario entero. Las puertas y turbinas controlan el intercambio con el mar a medida que la marea sube y cae. Una diferencia entre los niveles de agua cerrados y externos suministra la cabeza hidráulica para la generación.
¿Qué cambios en la práctica?
Una laguna es otra disposición de maremotos, su producción sigue vinculada a los ciclos de mareas, y los efectos de la pared de cerco y de las costas locales requieren una evaluación específica del proyecto.
Vale la pena saber
- El forzamiento de mareas astronómicas es predecible, pero la corriente, el nivel del mar y la producción generada son diferentes cantidades. Se necesitan mediciones del sitio; este escenario actual firmado no es una previsión.
- Las mareas, como La Rance en Francia, en cambio atrapan agua detrás de una presa.
- Los convertidores de energía de onda captan el movimiento de las ondas superficiales en lugar de las corrientes.
Ver ejemplos reales
El atlas incluye 10 registros de olas y mareas en todo el mundo.
Mostrar en el mapaRespuestas relacionadas
Referencias de libros de texto
Los antecedentes técnicos sugeridos para este tema. Estos libros son lectura adicional, no prueba de que cada explicación fue verificada en cada edición. bibliografía completa y ámbito de aplicación del examen.
- Ocean Energy: Tide and Tidal PowerTecnologías, historia y proyectos de la cordillera y las corrientes de mareas.
- Sustainable Energy — Without the Hot Air¿Cuánta energía pueden proporcionar las mareas realistas (libre de leer en línea).
Fuentes
- EIA: Tidal power ↗
- ANDRITZ Hydro Hammerfest: Tidal turbine drivetrain and control principles ↗
- Charlier & Finkl: actual chapter 8 tidal-current preview ↗
- Wani, Dong & Polinder: actual technical book chapter on tidal generators ↗
- University of Edinburgh: onshore long-distance tidal converter architecture ↗
- MIT: actual induction-machine frequency, slip and generation notes ↗
Los cortes revelan el equipo cerrado. Los diseños, dimensiones, materiales y velocidades de animación son ilustrativos; este es un modelo educativo, no un diseño de planta o una simulación termodinámica.