Como turbinas de corrente de maré fazem eletricidade
Siga a água do mar em movimento através de uma turbina de fundo do mar, caixa de velocidades verificada e gerador de indução selado. O equipamento onshore converte a corrente alternada (AC) em corrente contínua (DC) e volta para AC. Mude a corrente independentemente da visão da lição e conta para cada perda no caminho para a grade.
Em 60 segundos: como funciona
Uma turbina de corrente de maré funciona como uma turbina eólica subaquática. O movimento regular das marés gira suas lâminas e um gerador produz eletricidade.
- A maré move grandes quantidades de água do mar após uma turbina fixada no fundo do mar.
- A água em movimento gira as pás do rotor. A turbina gira para enfrentar a corrente.
- Uma caixa de velocidades e um gerador transformam a rotação lenta em eletricidade.
- Um cabo carrega a energia para a costa, onde os conversores a transformam em CA de qualidade da grade.
- Um transformador aumenta a tensão para que a energia possa viajar para a rede.
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Por Centrais elétricas em todo o mundo Leitura relacionada atualizada · mbito de preparação e revisão. Ilustrações educacionais; nenhuma revisão independente de engenharia por pares é reivindicada.
Explore o equipamento em 3D
Gire o equipamento, siga os fluxos de energia e inspecione cada componente. Leia os passos abaixo a qualquer momento.
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Turbina de corrente corrente de maré do fundo do mar, gerador de indução de gaiola de esquilo (SCIG) e conversor completo onshore. Os recortes originais de pressão/conversão/conversão; nominal 2 m/unidade, internos ampliados e distância da costa comprimida. A corrente assinada e um relógio separado de ar finito são educacionais, não uma previsão da maré ou um controlador validado. O movimento do eixo visível é 1/20 velocidade física antes do multiplicador da exibição; o yaw é independente da velocidade do espectador. O movimento é retardado para inspeção. As sobreposições coloridas revelam o fluxo através do equipamento fechado; pulsos de ouro mostram a transferência elétrica líquida da energia, não elétrons individuais.
Como funciona
- Corrente na profundidade do rotor
- Rotor e caixa de velocidades
- Induction generator
- Cabo submarino AC de frequência variável
- Conversão onshore ACDCAC
- Transformador, aparelhagem e grade
A energia da maré usa o movimento da água do mar associado às marés. Esta turbina de corrente corrente de maré extrai energia cinética de uma corrente que flui através de suas lâminas. O rotor e a caixa de engrenagens conduzem um gerador de indução; a corrente alternada trifásica de frequência variável (AC) viaja através de um loop de serviço, um tubo J e um cabo submarino para a costa. A adaptação de tensão de entrada onshore e a conversão de corrente alternada AC-DC-AC, seguida, não é uma corrente de conversão de corrente de transformador, switches e rede elétrica.
Os condutores astronômicos das marés tornam o seu tempo previsível, mas previsível não significa uma saída constante. A velocidade atual muda ao longo do ciclo das marés e uma turbina de fluxo produz pouca ou nenhuma eletricidade durante a água solta. As medições do local são necessárias para entender o fluxo utilizável na profundidade do rotor. Os esquemas de alcance de maré funcionam de forma diferente: uma barreira retém a água para que uma diferença no nível da água possa impulsionar as turbinas. A energia das ondas usa o movimento de ondas superficiais e é uma tecnologia de energia marinha separada, não uma variação de maré.
Siga o caminho de energia de corrente de maré
Uma turbina de eixo horizontal montada no fundo do mar conduz um gerador de indução de gaiola de esquilo. onshore conversores dissociam-no da grade. Esta é uma arquitetura ilustrativa, não um produto Hammerfest exato ou um layout de maré 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.
Visão geral do sistema inteiro
Selecione o equipamento acima ou no visualizador. A seleção destaca ambas as representações sem alterar a corrente, o yaw ou o tempo decorrido simulado.
1. Atual, não altura da maré
A água em movimento contém energia cinética. Esta turbina de fluxo extrai parte dela sem encurralar uma bacia. Alterar a visão da lição não altera a corrente. [1][2][4]
Detalhes de engenharia Atual, não altura da maré
O modelo assume uma corrente de canal uniforme e quase estável na profundidade do rotor. Balanças de energia de recursos com área varrida e o cubo de magnitude de velocidade. O fluxo real inclui cisalhamento, turbulência, ondas e contribuições não-tidal; correntes offshore podem girar. O Slack não precisa coincidir com o nível alto ou baixo do mar. [1][2][4]
2. Hidrofólios transformam movimento da água em torque
O elevador nas três lâminas de hidrofólio fornece torque útil para o cubo e o eixo de baixa velocidade. Grande parte do recurso permanece na água; a turbina não pode capturar tudo. [2]
Detalhes de engenharia Hidrofólios transformam movimento da água em 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. Uma relação de caixa de velocidades verificada
O eixo de baixa velocidade gira um transportador segurando três engrenagens planetárias. Eles rolam dentro de um anel fixo e dirigem a engrenagem solar central, fazendo com que o eixo do gerador gire oito vezes mais rápido na mesma direção local. [2][3]
Detalhes de engenharia Uma relação de caixa de velocidades verificada
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. Geração de indução dentro de uma nacele selada
O eixo de engrenagem gira uma gaiola condutora dentro de um estator de ferida fixo. O conversor do lado do gerador onshore estabelece o campo magnético rotativo e fornece corrente de magnetização. O trabalho mecânico torna-se saída elétrica. [2][5][6]
Detalhes de engenharia Geração de indução dentro de uma nacele selada
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 uma vez; não reverta duas vezes
Quando a corrente muda de direção, a nacele gira através de 180° para enfrentá-la. O rotor está estacionado durante este giro finito. Uma vez alinhado, ele gira na mesma direção local como antes. [3]
Detalhes de engenharia Yaw uma vez; não reverta duas vezes
Pedidos de corrente assinados manualmente 0° para inundação e 180 ° para refluxo. O relógio físico separado avança a yaw a 3° / s. O bloqueio de geração evita fingir que uma curva de perda de guinada cos3 é validada. As setas atuais invertem, mas as setas de energia gerada líquida ainda apontam para a costa. Não há enrolamento de cabo ilimitado ou anel deslizante neste exemplo de yaw finito. [3]
6. Um caminho de carga marítima suportado
A nacele é suportada por um rolamento de guinada e torre. As pernas de tripé afiadas carregam cargas em blocos de lastro no fundo do mar preparado. O cabo elétrico não é uma perna estrutural. [3]
Detalhes de engenharia Um caminho de carga marítima suportado
Empuxo do rotor, reações de torque e cargas ambientais atingem a base através de suportes e rolamentos. A escala nominal é de 2 m / unidade; o raio do rotor de 9 m deixa cerca de 5,4 m acima da cama plana e 11,6 m abaixo da superfície plana. Os envelopes exportados são verificados separadamente. Essas folgas geométricas não são um envelope de nível de onda / maré, análise de escoramento, dimensionamento de lastro, cálculo de pressão-ca ou projeto estrutural certificado. [3]
7. Siga o cabo todo o caminho em terra
Três condutores de CA deixam o gerador através de um loop de serviço flexível, em seguida, descem em um tubo J de proteção fixa. O cabo do fundo do mar conecta-os ao equipamento de entrada na costa. [3][5]
Detalhes de engenharia Siga o cabo todo o caminho em terra
Uma bobina de serviço de comprimento constante dentro da torre oca de corte acomoda guinada finita, com acessórios móveis / fixos separados e alívio de tensão. Seu diâmetro é ampliado para visibilidade. O comprimento do arco, o raio de curvatura e a folga são verificações de geometria, não análise de torção de cabo ou aprovação de instalação do fabricante. O cabo carrega AC de três fases de frequência variável - não o link curto DC localizado em terra. Seu fator de transferência de 98% é uma perda lumped; comprimento de rota elétrica não calculada. [3][5]
8. Em terra AC DC AC
A adaptação e filtragem da tensão de entrada alimentam um conversor do lado do gerador. Um link DC compatível com capacitor une-o a um inversor do lado da grade. A filtragem de saída suaviza a forma de onda de comutação antes da conexão da grade. [5]
Detalhes de engenharia Em terra AC DC AC
Cada conversor de fonte de tensão ilustrativa (VSC) tem três pernas de dois interruptores. A comutação controlada pode gerenciar a corrente de torque / magnetização do gerador independentemente da saída da grade de 50 Hz selecionada. O capacitor DC é um buffer de energia, não uma fonte de energia extra em estado estacionário. Esta página resolve apenas poderes estáveis e cinemática mecânica / descongelada - não modulação de largura de pulso, ondulação DC, energia reativa, tempo morto, ressonância ou simulação de domínio elétrico validado. [5]
9. Transformação, switchgear e exportação líquida
O transformador de grade adapta a tensão e o switchgear conecta ou isola o caminho. A saída de terra é menor do que a potência do eixo capturado porque cada estágio perde energia. [5]
Detalhes de engenharia Transformação, switchgear e exportação líquida
As seis perdas são deduzidas sequencialmente de suas próprias entradas a montante; elas não são todas as porcentagens do recurso original. A geração líquida em terra é positiva para direção alinhada e zero no intervalo / folga. Um limite de exportação líquido de 1 MW e fatores de eficiência fixa são pressupostos de exemplo. As importações em espera, proteção, corrente de falha e uma solução de rede CA são excluídas, portanto, a "geração zero" não é uma reivindicação de consumo zero no local. [5]
Um modelo de cálculo consistente
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
- Potência do eixo capturado
- 815.096 kW
- SCIG fundamental
- 13.870 Hz
- Eficiência de eixo-a-terra
- 84.97%
- Tip-speed ratio
- 5.000
- Coeficiente de captura eficaz
- 0.4000
| Term | Potência (unidades mostradas) |
|---|---|
| Recurso cinético disponível | 2,037.740 kW |
| Recurso não capturado | 1,222.644 kW |
| Caixa de velocidades perda | 32.604 kW |
| Gerador perda | 39.125 kW |
| Subsea cable perda | 14.867 kW |
| Entrada onshore TX / filtro perda | 7.285 kW |
| Conversor completo / filtro de saída perda | 21.636 kW |
| Grid transformer perda | 6.996 kW |
| Perda total de seis estágios | 122.513 kW |
| Shore-generated export | 692.583 kW |
| Resource − uncaptured − losses − shore | 0.000000 W |
«Não captado» não é uma perda de calor elétrica: inclui recursos deixados no fluxo e restrições/intertravamentos impostos. As importações em espera estão excluídas. As perdas fixas não implicam eficiência real fixa da planta em cada corrente. Nenhuma forma de onda de comutação é mostrada como uma simulação elétrica medida ou 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. O total de seis perdas 122.513 kW; recursos não capturados são 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.
Tradeoffs e equívocos comuns
Forçamento de maré astronômico é previsível, mas a saída do fluxo não é constante e a corrente do local não é simplesmente a altura da maré. Acesso marítimo, vedações, corrosão, engenharia de cabos submarinos, scour, efeitos ambientais e manutenção do conversor são restrições reais. Nem zero emissões visíveis nem falta de uma barragem significa zero impacto ambiental. Esta página não afirma uma vantagem de custo universal ou um projeto marinho totalmente validado. [1][2][3][5]
Verifique sua compreensão
Referências, acesso e escopo de revisão
Passagem de origem verificada . Explicações originais, equipamento esquemático e Blender. Verificações de software e geometria não são revisão independente de engenharia por pares, conformidade de padrões ou aprovação de instalação.
Referências principais do livro
- Roger H. Charlier e Charles W. Finkl. Ocean Energy: Tide and Tidal Power. Springer, 1st ed., 2009. DOI 10.1007/978-3-540-77932-2.
Atual lawful chapter 8 preview, pp.141–142, §§8.1–8.2 checked for stream/range and current-height distinctions. Remaining chapter/full book is subscription-only; inaccessible passages were not checked. Historical cost/resource projections are not adopted.
- Faisal Wani, Jianning Dong & Henk Polinder. Tidal Turbine Generators, em Amir Embrahimi (ed.), Avanços na Modelagem e Controle de Eólicas e Hidrogenadores. IntechOpen, 2020. DOI 10.5772/intechopen.90433.
Capítulo de livro técnico aberto revisado por pares: 1 Equação1/TSR, 2/2.1 com engrenagem versus unidade direta, 3 com naceles/selos/ingress selados. Seu projeto posterior de MP inundado não é o SCIG mostrado aqui. Os valores dos parâmetros do modelo não são retirados de suas curvas indicativas.
Fontes técnicas suplementares
- ANDRITZ HYDRO Hammerfest. Renewable energy from tidal currents, código histórico da brochura 04.12.
Actual printed pp.6–7,9 checked for rotor, pitch/yaw/speed control, induction generator, foundations and subsea/onshore connection. Not current product specifications or evidence that our original model is a replica. Marketing/environmental absolutes and unsuitable tide-period wording are not adopted.
- EMEC. Tidal devices.
Parágrafo real de introdução/eixo horizontal verificado; data de publicação não declarada. Acesso em 3 de outubro de 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.
Real 2 p.2 e introdução verificada para SCIG, cabo trifásico, adaptação onshore / filtro / VSC e interface de grade; cabos longos podem criar problemas harmônicos e de sobretensão. Esta lição de estado estacionário não reproduz sua simulação de controle de domínio de tempo.
- James L. Kirtley Jr. Analytic Design Evaluation of Induction Machines. MIT6.061 Class Notes Chapter10, ©2003, course2011.
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.
Baixe a cena do maremoto editável · Compare conversão de vento com engrenagens · Fundamentos trifásicos trabalhados · Pratique a leitura de diagramas de linha única.
Dentro da engenharia
Siga a maquinaria, os fluidos de trabalho e a conexão elétrica.
Mecânica
Três lâminas de hidrofólio acionam um transportador de baixa velocidade; visível 12/36/84 engrenagens planetárias de anel fixo impulsionam o sol / gerador oito vezes mais rápido com o mesmo sinal local. Rolamentos fixos, vedações e estator permanecem suportados dentro de um casco de pressão de guincho. Um caminho de carga de torreta / tripé atinge as almofadas de gravidade; um loop de serviço de arqueamento finito, tubo J fixo e cabo de fundo do mar preservam a continuidade elétrica. As verificações de de de de de compensação não estabelecem a carga marítima, a carga, a pressão ou a pressão.
Térmico & químico
O recurso é água em movimento, não combustão ou cabeça de barragem. A corrosão da água do mar, revestimentos, ânodos, vedações de eixo e entrada permanecem preocupações de manutenção. Um conceito de resfriamento fechado rejeita perdas sem admitir a água do mar para o intervalo de ar seco selecionado; temperaturas e capacidade de resfriamento não são calculadas. A corrente real do local inclui contribuições não-tidal e não precisa estar em fase com o nível do mar.
Elétrica
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.
Principais tipos e variações
A animação representa uma turbina de corrente de maré de eixo horizontal montada no fundo do mar. O método de montagem, a orientação do rotor e a geração de alcance de maré são diferentes opções de design; os exemplos abaixo explicam como cada um muda a rota de mover a água para a eletricidade.
Turbina de corrente de maré montada no leito do mar
Uma estrutura de suporte no fundo do mar mantém um rotor submerso na corrente. A fundação transfere o impulso do rotor para o fundo do mar, enquanto a nacele abriga o trem de força. O passo e, em alguns projetos, o controle de guinada ajudam a turbina a trabalhar através da mudança de direções e velocidades de fluxo.
O que muda na prática
Uma fundação fixa mantém o rotor posicionado, mas a instalação, recuperação e roteamento de cabos devem ser planejadas em torno do local subaquático e das condições das marés.
Turbina flutuante de corrente corrente
Uma estrutura flutuante ancorada suporta rotores submersos na corrente corrente corrente de passagem. No arranjo da Orbital, as pernas articuladas podem elevar os conjuntos de turbinas à superfície para acesso. Moorings mantêm a plataforma na estação e um cabo de exportação conecta a estrutura em movimento à conexão do fundo do mar.
O que muda na prática
O acesso à superfície pode simplificar algumas tarefas de manutenção. O design também deve acomodar o movimento da plataforma, as cargas de amarração e a conexão elétrica flexível.
Turbina de corrente de maré de eixo vertical
As lâminas giram em torno de um eixo vertical à medida que o fluxo de maré passa pelo rotor. Isso altera o movimento da lâmina e o arranjo do trem de força da máquina de eixo horizontal semelhante à hélice. Continua sendo um dispositivo de energia de corrente: nenhuma bacia ou represa é necessária para criar uma diferença no nível de água.
O que muda na prática
A orientação do rotor é uma escolha separada de se a estrutura de suporte flutua ou repousa no fundo do mar. “Turbina de maré” não identifica uma geometria universal.
Barragem de marés
Uma barreira através de uma bacia de maré usa portões para controlar o enchimento e esvaziamento. medida que o nível do mar muda, uma diferença de nível se desenvolve através da barreira. A água passa através de turbinas. Dependendo do equipamento e da estratégia operacional, a geração pode usar a maré de saída, a maré de entrada ou ambos.
O que muda na prática
O recurso é uma diferença de nível de água em mudança, não apenas uma corrente rápida. Níveis alterados de água, sedimentos e habitats de estuário são considerações centrais de design.
Lagoa da maré
Um muro de mar envolve uma área de água, em vez de necessariamente abrangendo um estuário inteiro. Portões e turbinas controlam a troca com o mar à medida que a maré sobe e cai. Uma diferença entre os níveis de água fechados e externos fornece a cabeça hidráulica para geração.
O que muda na prática
Uma lagoa é outro layout de faixa de maré. Sua produção permanece ligada a ciclos de maré, e a parede envolvente e os efeitos costeiros locais exigem avaliação específica do projeto.
Vale a pena saber
- O forçamento de maré astronômico é previsível, mas o nível atual do mar e a produção gerada são quantidades diferentes. As medições do local são necessárias; esse cenário de corrente assinada não é uma previsão.
- Barragens de marés, como La Rance na França, em vez disso, prendem a água atrás de uma barragem.
- Conversores de energia de onda capturam o movimento das ondas de superfície em vez de correntes.
Veja exemplos reais
O atlas inclui 10 registos de ondas e marés em todo o mundo.
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Referências de livros didáticos
Antecedentes técnicos sugeridos para este tópico. Estes livros são leitura adicional, não prova de que todas as explicações foram verificadas em relação a cada edição. Veja o Bibliografia completa e âmbito de revisão.
- Ocean Energy: Tide and Tidal PowerTecnologias de alcance de marés e correntes de maré, história e projetos.
- Sustainable Energy — Without the Hot AirQuanta energia as marés podem fornecer realisticamente (gratuitamente para ler online).
Fontes
- 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 ↗
Os recortes revelam equipamentos fechados. Layouts, dimensões, materiais e velocidades de animação são ilustrativos; este é um modelo educacional, Não é um projeto de planta ou uma simulação termodinâmica.