Biradial turbine generator-set for off-grid OWC wave energy converters

Diogo Jorge da Costa Teixeira Neves Ferreira

Key information

Authors:

Diogo Jorge da Costa Teixeira Neves Ferreira (Diogo Neves Ferreira)

Supervisors:

Luís Manuel De Carvalho Gato (Luís Manuel De Carvalho Gato); João Carlos de Campos Henriques (João Carlos de Campos Henriques); Ana Maria de Pinho Ferreira da Silva Fernandes Martins

Published in

02/01/2024

Abstract

Os conversores de energia das ondas para alimentação de sistemas elétricos sem ligação à rede são apontados como um possível motor para o desenvolvimento da Economia Azul. O presente trabalho doutoral tem como objetivo o projeto de um turbogerador, baseado numa turbina birradial, para conversores de energia das ondas do tipo coluna de água oscilante e para alimentar sistemas elétricos de corrente contínua isolados. Entrevistas a profissionais da monitorização marítima confirmam a aplicabilidade deste dispositivo. A relação entre a deflexão do escoamento nas pás diretrizes e no rotor da turbina é corrigida. Esta correção uniformiza o escoamento à saída do rotor, aumentado o rendimento da turbina fora das condições nominais de funcionamento. São projetadas novas pás diretrizes fabricáveis por calandragem para redução dos custos de fabrico. Estas pás demonstram um desempenho aerodinâmico superior a versões anteriores. É descoberta a deflexão nas pás diretrizes que maximiza o rendimento da turbina. Desenvolveu-se um novo método de projeto do rotor para reduzir o tamanho da turbina sem prejuízo do rendimento, para um dado amortecimento hidrodinâmico do conversor. Um gerador de ímanes permanentes e um retificador de díodos foram selecionados e caracterizados experimentalmente para analisar o rendimento, fator de potência e proximidade a condições de desmagnetização. A relação entre os parâmetros mecânicos e elétricos foram modelados com funções analíticas de ajustamento para utilização em projeto. O conversor de energia das ondas foi definido e modelado. Realizou-se o projeto de um conversor eletrónico de potência para regulação do funcionamento do turbogerador, do carregamento das baterias internas e da alimentação de cargas externas. Demonstra-se que os controladores evitam a sobre-corrente e o embalamento do turbogerador e que regulam eficazmente a potência do conversor. Considerando a operação ao largo do Porto de Leixões, estima-se uma potência elétrica disponível de 400W durante os estados de mar mais frequentes. Wave energy converters for powering off-grid electrical systems have the potential to support the development of the Blue Economy. The goal of the present doctoral research was to design a turbo-generator, based on a biradial turbine, for oscillating water column wave energy converters to power off-grid continuous-current electrical systems. Interviews with professionals of ocean monitoring equipment confirmed the applicability of this device. The relationship between the flow deflection in the turbine guide vanes and in the rotor was corrected. This correction increases rotor outflow uniformity, increasing the turbine efficiency outside nominal operating conditions. New guide vanes manufacturable by sheet bending were designed to reduce manufacturing costs. These vanes show improved aerodynamic performance compared to previous versions. The guide vane deflection that maximizes the turbine efficiency was found. A new rotor design method was developed to decrease the turbine size without penalizing its efficiency for a given converter hydrodynamic damping. A permanent magnet generator and a diode rectifier were experimentally characterized to assess efficiency, power factor and proximity to demagnetization regimes. The relationships between the mechanical input and the electrical output were modelled with analytical fitting functions for design use. The wave energy converter was defined and modelled. A power electronic converter was designed to regulate the turbo-generator operation, battery charging, and external-load supply. The controllers effectively avoid turbo-generator over-current and over-speed and regulate the converter output power. Considering the deployment site off the Port of Leixões, an electric power availability of 400 W is estimated during the most frequent sea-states.