Comment les turbines à flux de marée produisent l'électricité
Suivez l'eau de mer en mouvement à travers une turbine à fond de mer à lacet, la boîte de vitesses à vérifier et le générateur d'induction scellé. L'équipement terrestre convertit le courant alternatif (AC) en courant direct (DC) et retour en courant alternatif.
En 60 secondes : comment ça marche
Une turbine à marée fonctionne comme une éolienne sous-marine. Le mouvement régulier des marées tourne ses lames, et un générateur fait de l'électricité.
- La marée déplace de grandes quantités d'eau de mer au-delà d'une turbine fixée au fond marin.
- L'eau en mouvement tourne les pales du rotor. La turbine tourne pour faire face au courant.
- Une boîte de vitesses et un générateur transforment la rotation lente en électricité.
- Un câble transporte l'énergie sur la rive, où les convertisseurs le transforment en courant alternatif de qualité réseau.
- Un transformateur augmente la tension pour que la puissance puisse se déplacer vers le réseau.
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Par Centrales électriques dans le monde entier · Lectures connexes mises à jour · Établissement et examen du champ d'application. Illustrations pédagogiques; aucun examen par les pairs indépendant en génie n'est revendiqué.
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Faites tourner l'équipement, suivez les flux d'énergie et inspectez chaque composant. Lisez les étapes ci-dessous à tout moment.
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Turbine à marées du fond marin à lacet, générateur d'induction de cages à écureuils orientés (SCIG) et convertisseur à terre complet. Original pressure-housing/drivetrain/converter cutaways; nominal 2 m/unit, enlarged internals and compressed shore distance. Signed current and a separate finite-yaw clock are educational, not a tide forecast or validated controller. Visible shaft motion is 1/20 physical speed before the display multiplier; yaw is independent of viewer speed. Les superpositions colorées révèlent le flux à travers les équipements fermés; les impulsions dorées montrent le transfert net d'énergie électrique, et non les électrons individuels.
Comment ça marche
- Courant à la profondeur du rotor
- Rotor et boîte de vitesses
- Induction generator
- Câble sous-marin AC à fréquence variable
- Conversion des AC–DC–AC à terre
- Transformateur, commutateur et grille
L'énergie de marée utilise le mouvement de l'eau de mer associée aux marées. Cette turbine à marée extrait l'énergie cinétique d'un courant qui passe au-delà de ses pales. Le rotor et la boîte de vitesses conduisent un générateur d'induction; le courant alternatif à trois phases (AC) à fréquence variable traverse une boucle de service, le tube J et le câble sous-marin jusqu'à la rive.
Les moteurs astronomiques des marées rendent leur chronométrage prévisible, mais prévisible, ne signifie pas une sortie constante. La vitesse actuelle change au cours du cycle de marée, et une turbine à courant produit peu ou pas d'électricité pendant l'eau de relâche. Les mesures du site sont nécessaires pour comprendre le débit utilisable à la profondeur du rotor. Les schémas de la gamme de marée fonctionnent différemment: une barrière retient l'eau pour que la différence de niveau d'eau puisse conduire les turbines.
Suivre le chemin de transmission de la marée
Une turbine à axe horizontal à lacet monté sur le fond de la mer entraîne un générateur d'induction à cage d'écureuils. onshore Les convertisseurs le découplent de la grille. Il s'agit d'une architecture illustrative, pas d'un produit Hammerfest exact ou d'une disposition universelle de marée. [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.
Aperçu du système entier
Sélectionnez l'équipement ci-dessus ou dans le visionneur. La sélection met en évidence les deux représentations sans changer le courant, le lacet ou le temps écoulé simulé.
1. Courant, pas hauteur de marée
L'eau mobile contient de l'énergie cinétique. Cette turbine extrait une partie de celle-ci sans empiéter sur un bassin. Changer la vue de leçon ne change pas le courant. [1][2][4]
Détails techniques — Courant, pas hauteur de marée
Le modèle suppose un courant de canal uniforme et quasi stable à la profondeur du rotor. Échelles de puissance de la ressource avec zone balayée et le cube de vitesse magnitude. Le flux réel comprend le cisaillement, la turbulence, les vagues et les contributions non-tidales; les courants offshore peuvent tourner. [1][2][4]
2. Les hydrofoils transforment le mouvement de l'eau en couple
Le levage sur les trois pales d'hydrofoil fournit un couple utile au moyeu et à l'arbre à basse vitesse. Une grande partie de la ressource reste dans l'eau; la turbine ne peut pas tout capturer. [2]
Détails techniques — Les hydrofoils transforment le mouvement de l'eau en couple
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. Un rapport de boîte de vitesses vérifié
L'arbre à basse vitesse tourne un porte-avions tenant trois engins de la planète. Ils roulent à l'intérieur d'un anneau fixe et conduisent l'engrenage solaire central, ce qui fait l'arbre du générateur tourner huit fois plus vite dans la même direction locale. [2][3]
Détails techniques — Un rapport de boîte de vitesses vérifié
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. Génération d'induction à l'intérieur d'une nacelle scellée
L'arbre orienté tourne une cage de conduite à l'intérieur d'un stator de plaie fixe. Le convertisseur côté générateur terrestre établit le champ magnétique rotatif et fournit le courant magnétisant. Le travail mécanique devient la sortie électrique. [2][5][6]
Détails techniques — Génération d'induction à l'intérieur d'une nacelle scellée
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. Une fois, ne pas inverser deux fois
Lorsque le courant change de direction, la nacelle tourne à 180° pour la faire face. Le rotor est garé pendant ce virage fini. Une fois aligné, il tourne dans la même direction locale qu'auparavant. [3]
Détails techniques — Une fois, ne pas inverser deux fois
Le courant signé manuel demande 0° pour l'inondation et 180° pour l'ébb. L'horloge physique séparée avance lacet à 3°/s. L'interlock de génération évite de prétendre qu'une courbe de perte de lacet cos3 est validée. Les flèches courantes se retournent, mais les flèches nettes générées pointent toujours vers la rive. [3]
6. Une trajectoire de charge marine supportée
La nacelle est soutenue par un roulement en lacet et une tourelle. Les pieds trépieds en Braced transportent des charges dans les blocs de ballast sur le fond marin préparé. [3]
Détails techniques — Une trajectoire de charge marine supportée
L'échelle nominale est de 2 m/unité; le rayon du rotor de 9 m laisse environ 5,4 m au-dessus du lit plat et 11,6 m au-dessous de la surface plane. Les enveloppes exportées sont vérifiées séparément. Ces dégagements géométriques ne sont pas une enveloppe de niveau onde/tidale, une analyse de l'affouillement, un calibrage du ballast, un calcul de la coque de pression ou une conception structurale certifiée. [3]
7. Suivez le câble jusqu'à terre
Trois conducteurs de courant alternatif quittent le générateur par une boucle de service flexible, puis descendent dans un tube J de protection fixe. Le câble du fond marin les relie à l'équipement d'entrée à terre. [3][5]
Détails techniques — Suivez le câble jusqu'à terre
A constant-length service coil inside the cutaway hollow turret accommodates finite yaw, with separate moving/fixed attachments and strain relief. Its diameter is enlarged for visibility. Arc length, bend radius and clearance are geometry checks, not cable torsion analysis or manufacturer installation approval. The cable carries variable-frequency three-phase AC—not the short DC link located ashore. Its 98% transfer factor is an illustrative lumped loss; electrical route length, current, ampacity, harmonics and resonant overvoltage are not calculated from the compressed shoreline. [3][5]
8. AC terrestre → DC → AC
Adaptation de tension d'entrée et filtrage alimentent un convertisseur côté générateur. Une liaison DC supportée par condensateur le relie à un onduleur côté grille. Le filtrage de sortie lisse la forme d'onde de commutation avant connexion réseau. [5]
Détails techniques — AC terrestre → DC → AC
Chaque convertisseur de tension-source illustrative (VSC) a trois jambes à deux commutateurs. La commutation contrôlée peut gérer le couple du générateur/magnétisation du courant indépendamment de la sortie de réseau de 50 Hz sélectionnée. Le condensateur DC est un tampon d'énergie, pas une source de puissance supplémentaire à l'état stable. Cette page résout seulement les puissances stables et la cinématique mécanique/yaw – pas la modulation de la largeur d'impulsion, la puissance d'entraînement DC, la puissance réactive, le temps mort, la résonance ou une simulation électrique du domaine temporel validée. [5]
9. Transformation, switchgear et exportation nette
Le transformateur de réseau adapte la tension et le commutateur relie ou isole le chemin. La sortie à terre est inférieure à la puissance de l'arbre capturée parce que chaque étape perd de l'énergie. [5]
Détails techniques — Transformation, switchgear et exportation nette
Les six pertes sont déduites successivement de leurs propres intrants en amont; elles ne sont pas toutes des pourcentages de la ressource d'origine. La production de la rive nette est positive pour la direction alignée et zéro au niveau de la limite de sortie/d'arrêt. Un plafond d'exportation net de 1 MW et des facteurs d'efficacité fixes sont des hypothèses. [5]
Un modèle de calcul cohérent
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
- Puissance de l'arbre captée
- 815.096 kW
- SCIG fundamental
- 13.870 Hz
- Efficacité de l'arbre à terre
- 84.97%
- Tip-speed ratio
- 5.000
- Coefficient de capture effectif
- 0.4000
| Term | Puissance (unités indiquées) |
|---|---|
| Ressources cinétiques disponibles | 2,037.740 kW |
| Ressources non saisies | 1,222.644 kW |
| Boîte de vitesses perte | 32.604 kW |
| Groupe électrogène perte | 39.125 kW |
| Subsea cable perte | 14.867 kW |
| Entrée terrestre TX / filtre perte | 7.285 kW |
| Convertisseur complet / filtre de sortie perte | 21.636 kW |
| Grid transformer perte | 6.996 kW |
| Total des pertes en six étapes | 122.513 kW |
| Shore-generated export | 692.583 kW |
| Resource − uncaptured − losses − shore | 0.000000 W |
«Non capturé, ce n'est pas une perte de chaleur électrique: elle inclut la ressource laissée dans le flux et la réduction imposée/entreblocage. Les importations en attente sont exclues. Les pertes fixes n'impliquent pas une efficacité fixe réelle de l'installation à chaque courant.
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 - Oui.
Shore = shaft×0.96×0.95×0.98×0.99×0.97×0.99 = 692.583 kW. Total des six pertes 122.513 kW; ressources non captées 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.
Conciliations et idées fausses communes
Le forçage astronomique est prévisible, mais la sortie du courant n'est pas constante et le courant du site n'est pas simplement la hauteur de marée. L'accès maritime, les joints, la corrosion, l'ingénierie des câbles sous-marins, l'affouillement, les effets environnementaux et l'entretien des convertisseurs sont des contraintes réelles. [1][2][3][5]
Vérifiez votre compréhension
Références, accès et portée de l'examen
Contrôle des passages de source . Explications originales, schématique et équipement Blender. Les contrôles de logiciels et de géométrie ne sont pas des examens indépendants par les pairs, la conformité aux normes ou l'approbation d'installation.
Principaux ouvrages de référence
- Roger H. Charlier et Charles W. Finkl. Ocean Energy: Tide and Tidal Power. Springer, 1st ed., 2009. DOI 10.1007/978-3-540-77932-2.
Nombre effectif lawful chapter 8 preview, pp.141-142, §§8.1-8.2 vérifié pour les distinctions stream/range et current-hight. Le reste du chapitre/full book est uniquement abonnement; les passages inaccessibles n'ont pas été vérifiés.
- Faisal Wani, Jianning Dong & Henk Polinder. Tidal Turbine Generators, dans Amir Ebrahimi (éd.), Progrès de la modélisation et du contrôle des éoliennes et hydrogénérateurs. IntechOpen, 2020. DOI 10.5772/intechopen.90433.
Chapitre du livre technique ouvert à l'examen par les pairs : §1 Équation1/TSR, §2/§2.1 orienté versus lecteur direct, §3 scellé nacelles/scellements/d'une ancre contrôlée. Sa conception plus tardive de MP inondée n'est pas le SCIG montré ici. Les valeurs des paramètres du modèle ne sont pas tirées de ses courbes indicatives.
Sources techniques supplémentaires
- - Le Hammerfest de l'Hydro. Renewable energy from tidal currents, code de brochure historique 04.12.
Les pages imprimées réelles p.6 à 7,9 ont été vérifiées pour le rotor, le contrôle de la hauteur/de la mâchoire/de la vitesse, le générateur d'induction, les fondations et la connexion sous-marine/sur terre.
- EMEC. Tidal devices.
Actual introduction/horizontal-axis paragraph checked; publication date not stated. Accessed 3 October 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.
Réel §2 p.2 et introduction vérifié pour SCIG, câble triphasé, adaptation à terre/filtre/VSC et interface de grille; les câbles longs peuvent créer des problèmes harmoniques et de surtension. Cette leçon en état d'équilibre ne reproduit pas sa simulation de contrôle du domaine temporel.
- James L. Kirtley Jr. Analytic Design Evaluation of Induction Machines. MIT6.061 Notes de classe Chapitre10, ©2003, cours2011.
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.
Télécharger la scène de mélangeur de marée modifiable · Comparer conversion de vent orienté · Fondements en trois phases · Pratiquer la lecture de diagrammes à ligne unique.
Dans l'ingénierie
Suivez la machine, les fluides de travail et la connexion électrique.
Mécanique
Trois pales hydrofoil conduisent à un porte-avions à basse vitesse; une transmission planétaire à anneaux fixes visible 12/36/84 entraîne le soleil/générateur huit fois plus rapidement avec le même signal local. Les roulements fixes, les joints et les stators restent soutenus à l'intérieur d'une coque à pression de lacet. Une trajectoire de charge tourelle/tripode atteint des coussinets de gravité; une boucle de service à long terme, un câble fixe de tube J et un câble de fond marin préservent la continuité électrique.
Thermique & chimique
La ressource est en mouvement d'eau, non de combustion ou de barrage. La corrosion de l'eau de mer, les revêtements, les anodes, les joints d'étanchéité et les infiltrations demeurent des problèmes d'entretien. Un concept de refroidissement fermé rejette les pertes sans admettre l'eau de mer dans l'écart d'air sec sélectionné; les températures et la capacité de refroidissement ne sont pas calculées.
Électrique
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.
Principaux types et variations
L'animation représente une turbine à marée horizontale à axe des fonds marins. La méthode de montage, l'orientation du rotor et la production de la gamme des marées sont des choix de conception différents; les exemples ci-dessous expliquent comment chaque route passe de l'eau à l'électricité.
Turbine à marée montée sur fond marin
Une structure de support sur le fond de mer tient un rotor submergé dans le courant. La fondation transfère le rotor dans le fond de mer, tandis que la nacelle abrite le train d'entraînement. Le contrôle de lacet et, dans certains cas, le contrôle de lacet aident la turbine à travailler à travers des directions et des vitesses changeantes.
Quels changements dans la pratique
Une fondation fixe maintient le rotor en position, mais l'installation, la récupération et l'acheminement des câbles doivent être planifiés autour du site sous-marin et des conditions de marée.
Turbine flottante à marée
Une structure flottante amarrée supporte les rotors submergés dans le courant de marée passant. Sur l'arrangement Orbital, les jambes articulées peuvent soulever les ensembles de turbines à la surface pour y accéder. Les mouillages tiennent la plate-forme sur la station, et un câble d'exportation relie la structure mobile au raccordement du fond marin.
Quels changements dans la pratique
L'accès de surface peut simplifier certaines tâches d'entretien. La conception doit également permettre le mouvement de la plate-forme, les charges d'amarrage et la connexion électrique flexible.
Turbine à vent de marée à axe vertical
Les lames tournent autour d'un arbre vertical lorsque le flux de marée traverse le rotor. Cela modifie le mouvement de la lame et l'arrangement du groupe motopropulseur de la machine à axe horizontal comme l'hélice. Il reste un dispositif d'énergie de courant : aucun bassin ou barrage n'est nécessaire pour créer une différence dans le niveau d'eau.
Quels changements dans la pratique
L'orientation du rotor est un choix distinct de la structure de support qui flotte ou repose sur le fond marin.
Barrage de marée
Une barrière traversant un bassin de marée utilise des barrières pour contrôler le remplissage et le vidange. Au fur et à mesure que le niveau de la mer change, une différence de niveau se développe à travers la barrière. L'eau passe ensuite par des turbines.
Quels changements dans la pratique
La ressource est une différence de niveau d'eau changeante, et pas seulement un courant rapide. Les niveaux d'eau modifiés, les sédiments et les habitats estuaires sont des considérations de conception centrales.
Lagune à marée
Un mur de mer renferme une zone d'eau plutôt que de couvrir nécessairement un estuaire entier. Les portes et turbines contrôlent l'échange avec la mer à mesure que la marée monte et tombe.
Quels changements dans la pratique
Un lagon est un autre tracé de la marée, dont la production reste liée aux cycles de marée, et les effets de la paroi et des côtes locales nécessitent une évaluation spécifique au projet.
Il faut savoir
- Le forçage astronomique des marées est prévisible, mais le niveau actuel, le niveau de la mer et la production sont des quantités différentes.
- Des barrages de marée, comme La Rance en France, au lieu de piéger l'eau derrière un barrage.
- Les convertisseurs d'énergie des vagues capturent le mouvement des ondes de surface plutôt que des courants.
Voir les exemples réels
L'atlas comprend 10 records de vagues et de marées dans le monde.
Afficher sur la carteRéponses connexes
Références des manuels
Les documents de référence techniques suggérés pour ce sujet sont des lectures plus poussées, et non la preuve que chaque explication a été vérifiée par rapport à chaque édition. bibliographie complète et portée de l'examen.
- Ocean Energy: Tide and Tidal PowerTechnologies, histoire et projets de l'aire de marée et des cours d'eau de marée.
- Sustainable Energy — Without the Hot AirCombien de marées énergétiques peuvent fournir de façon réaliste (libre de lecture en ligne).
Sources
- 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 ↗
Les découpes révèlent des équipements fermés. Les plans, les dimensions, les matériaux et les vitesses d'animation sont des exemples; c'est un modèle éducatif, pas une conception de la plante ou une simulation thermodynamique.