IT202100006539A1 - FLOATING UNIT, SYSTEM AND METHOD FOR HARVESTING KINETIC WAVE ENERGY - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE DESCRIPTION
del brevetto per invenzione industriale dal titolo: of the patent for industrial invention entitled:
?Unit? galleggiante, sistema e metodo per la raccolta dell'energia cinetica delle onde? ?Unit? float, system and method for collecting the kinetic energy of waves?
Campo di applicazione dell?invenzione Field of application of the invention
La presente invenzione riguarda il settore dei sistemi per la conversione dell'energia delle onde in elettricit?. Pi? in particolare, l?invenzione concerne un sistema comprendente un corpo galleggiante sommerso con galleggiabilit? positiva che cattura l'energia dell'onda in arrivo e, tramite un sistema di ancoraggio che funge da meccanismo di reazione tra il dispositivo e il fondale, converte detta energia delle onde in elettricit?. In particolare, il descritto sistema di ancoraggio comprende corde o catene o altri elementi flessibili tesi nella posizione di equilibrio del corpo. The present invention relates to the sector of systems for converting wave energy into electricity. Pi? in particular, the invention relates to a system comprising a submerged floating body with buoyancy? positive which captures the energy of the incoming wave and, through an anchoring system which acts as a reaction mechanism between the device and the seabed, converts this wave energy into electricity. In particular, the described anchoring system comprises ropes or chains or other flexible elements stretched in the equilibrium position of the body.
Stato della tecnica State of the art
Allo stato dell?arte ? noto che l'energia del moto ondoso ? una fonte di energia rinnovabile con una capacit? di potenza globale del moto ondoso superiore a 2 TW. State of the art ? known that the energy of the wave motion ? a renewable energy source with a capacity? global power of the wave motion greater than 2 TW.
In particolare, esistono sistemi interamente sommersi e invisibili dalla riva comprendenti boe, completamente sotto il pelo dell?acqua, che sfruttano l?energia delle onde mediante pompe fissate sul fondo del mare. In particular, there are systems that are completely submerged and invisible from the shore, including buoys completely under the surface of the water, which exploit the energy of the waves by means of pumps fixed to the bottom of the sea.
Allo stato dell?arte, i seguenti documenti forniscono un?introduzione sui sistemi per convertire l?energia cinetica dalle onde: At the state of the art, the following documents provide an introduction on systems for converting kinetic energy from waves:
- US20110057448A1 divulga un sistema in cui dei convertitori sono disposti come una pluralit? di elementi galleggianti e accoppiati, disposti in una matrice bidimensionale galleggiante. Gli accoppiamenti di collegamento tra qualsiasi elemento galleggiante e i suoi vicini sono eseguiti tramite barre rigide e guidano un complesso sistema meccanico per convertire il movimento, dovuto al sollevamento e all'oscillazione dell'elemento galleggiante sulla superficie dell'oceano, in movimento lineare alternato in direzioni ortogonali. Tale movimento lineare alternato viene convertito in elettricit? in un sistema a induzione avente un elemento mobile e uno statore portati a bordo di ciascun galleggiante; - US20110057448A1 discloses a system in which converters are arranged as a plurality of floating and coupled elements, arranged in a floating two-dimensional array. The connecting fits between any floating element and its neighbors are performed via rigid rods and drive a complex mechanical system to convert the motion, due to the lifting and rocking of the floating element on the ocean surface, into linear motion alternating in orthogonal. Is this reciprocating linear motion converted into electricity? in an induction system having a moving element and a stator carried aboard each float;
- US20170226984 divulga un sistema in cui i convertitori di energia delle onde comprendono un corpo galleggiante sommerso che reagisce direttamente con il fondale marino utilizzando elementi allungati e flessibili alle profondit? del mare. Il corpo galleggiante ? trattenuto da una linea di ormeggio verticale tesa di lunghezza controllabile e una linea superiore verticale tesa di lunghezza controllabile collegata ad un galleggiante di superficie. La disposizione delle corde e la forma preferibilmente sferica del galleggiante non ? particolarmente ottimizzata per intercettare il movimento di beccheggio e rollio del galleggiante, che ? principalmente impiegato per intercettare il movimento in verticale dovuto alla spinta delle masse d?acqua; - US20170226984 discloses a system in which the wave energy converters comprise a submerged buoyant body which reacts directly with the seabed using elongated and flexible elements at depths of the sea. The floating body? retained by a taut vertical mooring line of controllable length and a taut vertical topline of controllable length connected to a surface float. The arrangement of the strings and the preferably spherical shape of the float is not particularly optimized to intercept the movement of pitch and roll of the float, which? mainly used to intercept the vertical movement due to the thrust of the water masses;
- WO 2013/029012 Al divulga un sistema in cui la cattura della potenza si ottiene accoppiando il movimento delle sottostrutture oscillanti, come le boe, ai sottosistemi di generazione di energia elettrica (PTO)controllati da un controller comune che implementa una strategia di controllo dello smorzamento applicato alle boe. In particolare, i generatori di energia elettrica sono disposti sul fondo marino, richiedendo per questo motivo una manutenzione relativamente complicata; - WO 2013/029012 A1 discloses a system in which power capture is achieved by coupling the movement of oscillating substructures, such as buoys, to electrical power generation (PTO) subsystems controlled by a common controller implementing a power control strategy damping applied to the buoys. In particular, the electricity generators are located on the seabed, requiring for this reason relatively complicated maintenance;
- US9103315B2 divulga un attuatore di galleggiamento per accoppiare il moto ondoso a un dispositivo azionabile in risposta al moto ondoso. Detto attuatore di galleggiamento ha una superficie sferica sfaccettata e comprende una pluralit? di pompe fissate ad una base ancorata al fondale in cui ciascuna pompa ? collegata all'attuatore galleggiante mediante un accoppiamento comprendente un cavo. Anche in questo caso, il galleggiante sferico e la posizione delle pompe consente una buona captazione dell?energia relativa alla variazione della posizione verticale del galleggiante. Ci? tuttavia non sfrutta ulteriori movimenti dei galleggianti dovuti alle masse d?acqua marine. US9103315B2 discloses a flotation actuator for coupling wave motion to a wave response operable device. Said flotation actuator has a faceted spherical surface and comprises a plurality of of pumps fixed to a base anchored to the seabed in which each pump? connected to the float actuator by a coupling comprising a cable. Also in this case, the spherical float and the position of the pumps allow a good capture of the energy related to the variation of the vertical position of the float. There? however it does not take advantage of further movements of the floats due to sea water masses.
I sistemi citati non sono per? in grado di assorbire ed estrarre gran parte dell?energia del moto ondoso perch? la boa reagisce solamente con il fondale marino e/o la boa non ? in grado di sfruttare l?energia disponibile da tutti i gradi di libert?. The systems mentioned are not for? able to absorb and extract a large part of the energy of the wave motion why? does the buoy react only with the seabed and/or does the buoy not ? capable of harnessing the energy available from all degrees of freedom.
La presente invenzione ha pertanto lo scopo di risolvere i problemi della tecnica nota descrivendo una soluzione configurata per ottenere prestazioni di potenza elevate e generare elettricit? a basso costo dall'energia delle onde marine. The present invention therefore has the object of solving the problems of the prior art by describing a solution configured to obtain high power performance and generate electricity? low cost from sea wave energy.
Sommario dell?invenzione Summary of the invention
L?idea di base della presente invenzione ? quella di prevedere una boa galleggiante e / o sommersa, di seguito chiamata anche corpo galleggiante, scafo o dispositivo, di forma preferibilmente appiattita, che cattura l'energia dell'onda in arrivo reagendo direttamente con un vincolo utilizzando cavi tesi. The basic idea of the present invention ? that of providing a floating and/or submerged buoy, hereinafter also referred to as a floating body, hull or device, preferably of a flattened shape, which captures the energy of the incoming wave by reacting directly with a constraint using taut cables.
Il corpo galleggiante prevede al suo interno dei sistemi di presa di forza controllata (PTO) di cui uno ? posto al centro del corpo, definito come PTO verticale, e preferibilmente almeno due definiti come PTO di accoppiamento. Sulla base dell'applicazione specifica, ? inoltre possibile che le PTO di accoppiamento siano anche preferibilmente angolarmente equidistanziate e pi? di due, e.g. tre o quattro. The floating body has internal controlled power take-off (PTO) systems, one of which is ? placed in the center of the body, defined as vertical PTO, and preferably at least two defined as coupling PTO. Based on the specific application, ? it is also possible that the coupling PTOs are also preferably angularly equidistant and more? of two, e.g. three or four.
Il convertitore di energia delle onde (WEC) ? ormeggiato con un cavo principale al centro del corpo e almeno due/tre cavi vicino al perimetro del corpo cilindrico. Utilizzando pi? cavi, la maggior parte dell'energia assorbita pu? essere convertita in energia elettrica. The Wave Energy Converter (WEC) ? moored with a main cable in the center of the body and at least two/three cables near the perimeter of the cylindrical body. Using more cables, most of the energy absorbed pu? be converted into electricity.
Il cavo centrale ? responsabile dell'estrazione di potenza dal movimento di sollevamento. Gli altri due/tre cavi sono attaccati vicino al bordo della superficie del piano circolare inferiore della boa. The central cable? responsible for extracting power from the lifting motion. The other two/three cables are attached near the edge of the bottom circular plane surface of the buoy.
I cavi laterali sono equidistanti attorno al WEC, una caratteristica che fa s? che il corpo galleggiante puntiforme funzioni come omnidirezionale. I cavi laterali sono responsabili di catturare l'energia dal movimento di spinta, beccheggio e rollio del galleggiante appiattito. The side cables are equally spaced around the WEC, a feature that makes s? that the point-like floating body functions as omnidirectional. The lateral cables are responsible for capturing the energy from the push, pitch and roll motion of the flattened float.
I cavi laterali descritti, differentemente da quanto noto allo stato dell?arte, sono ottimizzati per captare i movimenti laterali. A tale scopo sono disposti entro un intervallo angolare compreso fra /- 40?, preferibilmente /- 15? rispetto al piano orizzontale del corpo; o convergenti verso il fondo marino, e.g. in un punto. Questo punto pu? essere rappresentato dal fondale marino oppure da un giunto meccanico posto tra il fondale marino e il pelo dell?acqua definito appunto come ?virtual sea bed?. La posizione del virtual sea bed dipende dalle caratteristiche ambientali del sito marino finale di sfruttaamento. The lateral cables described, differently from what is known in the state of the art, are optimized to capture lateral movements. For this purpose, they are arranged within an angular range of +/- 40?, preferably +/- 15? relative to the horizontal plane of the body; or converging towards the seabed, e.g. in one point. This point can be represented by the seabed or by a mechanical joint placed between the seabed and the surface of the water defined precisely as a ?virtual sea bed?. The position of the virtual sea bed depends on the environmental characteristics of the final exploitation marine site.
Il galleggiante della presente invenzione pu? sia essere utilizzato singolarmente con i cavi convergenti, oppure essere collegato ad altri moduli per formare matrici di dispositivi. In tale caso i cavi laterali sono sostanzialmente orizzontali per collegare fra loro i dispositivi della matrice. The float of the present invention can either be used individually with converging cables, or be connected to other modules to form arrays of devices. In this case the lateral cables are substantially horizontal to connect the devices of the matrix to each other.
Inoltre, mediante l'applicazione di un controllo attivo sulla PTO, ? possibile applicare un'azione equivalente ad una rigidezza elastica e / o smorzamento alla massa del dispositivo durante il suo moto oscillatorio quando soggetta ad onde incidenti e, quindi, ottimizzare la raccolta di energia cinetica. Ad esempio, l'ottimizzazione avviene adottando tecniche come il controllo ?extremum seek?, il controllo basato su modello o il controllo latchingdeclutching. I parametri di input della boa sono ad esempio uno o pi? di posizione, velocit?, forza di tensione applicata ai cavi e parametri dell'onda, come uno o pi? tra la frequenza e l'altezza dell'onda. Inoltre, in una forma di realizzazione non divulgata, anche un parametro di massa regolabile pu? essere considerato come un parametro di stato. La massa della boa pu? essere controllata attivamente ad es. tramite uno o pi? reattori. Furthermore, by applying an active control on the PTO, ? It is possible to apply an action equivalent to an elastic stiffness and/or damping to the mass of the device during its oscillatory motion when subjected to incident waves and, therefore, optimize the collection of kinetic energy. For example, optimization is done using techniques such as extreme seek checking, model-based checking, or latching-declutching checking. For example, are the input parameters of the buoy one or more? of position, speed?, force of tension applied to the cables and parameters of the wave, as one or more? between the frequency and the height of the wave. Also, in an undisclosed embodiment, an adjustable mass parameter can also be considered as a state parameter. The mass of the buoy can be actively controlled e.g. through one or more reactors.
Ad esempio, il presente corpo galleggiante / sommerso ha il vantaggio di modificare la propria immersione o le caratteristiche della PTO tenendo conto del potenziale di potenza delle onde in arrivo. Di conseguenza, aumenta le prestazioni di potenza grazie all'accoppiamento tra il sistema PTO e il movimento del dispositivo. For example, the present floating/submerged body has the advantage of modifying its immersion or PTO characteristics by taking into account the power potential of the incoming waves. Consequently, it increases the power performance due to the coupling between the PTO system and the movement of the device.
Inoltre, cambiando la sua posizione verticale, ? possibile evitare potenziali danni e forze elevate in condizioni di mare estreme. Furthermore, by changing its vertical position, ? possible to avoid potential damage and high forces in extreme sea conditions.
Breve descrizione delle figure Brief description of the figures
Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risultano chiari dalla descrizione dettagliata del concetto tecnologico (e delle sue varianti di modifica) e dall?illustrazione del sistema nelle figure seguenti: Further characteristics and advantages of the present invention are clear from the detailed description of the technological concept (and its modification variants) and from the illustration of the system in the following figures:
- la figura 1 mostra in vista frontale un generico corpo galleggiante del tipo noto con un unico cavo; - figure 1 is a front view of a generic floating body of the known type with a single cable;
- la figura 2 mostra in vista frontale un generico corpo galleggiante noto con tre cavi divergenti; - figure 2 is a front view of a generic known floating body with three diverging cables;
- la figura 3 mostra un diagramma di base (3a) per un controllo delle prese di forza all'interno di un corpo galleggiante / sommerso secondo la presente invenzione e un diagramma di flusso generale (3b) di uno schema di controllo non limitativo per es. schema di controllo ?extremum seek?; - le figure 4a e 4b mostrano rispettivamente il caso del gradiente positivo e il caso del gradiente negativo, in cui viene utilizzato uno schema di controllo ?extremum seek?; - la figura 5 mostra in vista frontale un corpo galleggiante secondo la presente invenzione; - figure 3 shows a basic diagram (3a) for a power take-off control inside a floating / submerged body according to the present invention and a general flow diagram (3b) of a non-limiting control scheme e.g. . ?extremum seek? control scheme; - figures 4a and 4b show respectively the case of the positive gradient and the case of the negative gradient, in which an ?extremum seek? control scheme is used; - figure 5 is a front view of a floating body according to the present invention;
- la figura 6 mostra in vista frontale un corpo galleggiante secondo la presente invenzione in cui i cavi convergono in un punto intermedio rispetto al fondale marino; - figure 6 is a front view of a floating body according to the present invention in which the cables converge at an intermediate point with respect to the seabed;
- la figura 7 mostra in vista dall?alto un corpo galleggiante secondo la presente invenzione; e - figure 7 is a top view of a floating body according to the present invention; And
- la figura 8 mostra una forma di realizzazione alternativa della presente invenzione. - figure 8 shows an alternative embodiment of the present invention.
Gli stessi numeri e le stesse lettere di riferimento nelle figure identificano gli stessi elementi o componenti. The same reference numbers and letters in the figures identify the same elements or components.
Gli elementi e le caratteristiche illustrate nelle diverse forme di realizzazione preferite, inclusi i disegni, possono essere combinati tra loro senza peraltro uscire dall?ambito di protezione della presente domanda come descritta di seguito. The elements and characteristics illustrated in the various preferred embodiments, including the drawings, can be combined with each other without however departing from the scope of protection of the present application as described below.
Descrizione di dettaglio di esempi di realizzazione Detailed description of examples of implementation
Il sistema dell?invenzione comprende un corpo galleggiante sommerso di forma cilindrica appiattita, che cattura l'energia dell'onda in arrivo reagendo direttamente o indirettamente con il fondo del mare utilizzando cavi, corde o catene o in modo simile. Il corpo galleggiante / sommerso ? libero di oscillare in ogni grado di libert? ed in inoltre ? libero di variare il suo livello di immersione, rispetto alla superficie dell?acqua, in funzione delle condizioni marine in cui si trova ad operare. The system of the invention comprises a submerged floating body of flattened cylindrical shape, which captures the energy of the incoming wave by reacting directly or indirectly with the sea bed using cables, ropes or chains or similar. The floating / submerged body? free to swing in every degree of freedom? and in addition ? free to vary its level of immersion, with respect to the surface of the water, according to the marine conditions in which it operates.
Il convertitore di energia delle onde (WEC) ? ormeggiato con un cavo principale preferibilmente al centro della boa per captare l?energia cinetica in direzione verticale e almeno due/tre cavi uscenti perimetralmente dalla boa. Utilizzando pi? cavi, la maggior parte dell'energia assorbita pu? essere convertita in energia elettrica. Rispetto ad altre tecnologie, l?utilizzo di pi? cavi comporta un cambiamento dell?analisi dinamica del sistema e ne aumenta le prestazioni. The Wave Energy Converter (WEC) ? moored with a main cable preferably in the center of the buoy to capture the kinetic energy in the vertical direction and at least two/three cables exiting the perimeter of the buoy. Using more cables, most of the energy absorbed pu? be converted into electricity. Compared to other technologies, the use of more? cables involves a change in the dynamic analysis of the system and increases its performance.
In una delle configurazioni proposte nel presente brevetto, tutti i cavi terminano in un unico punto di convergenza situato al di sotto della superficie del mare. Almeno due/tre ormeggi partono dal punto di convergenza e fissano l?intero sistema sul fondale utilizzando una o pi? ancore. Il punto di convergenza rappresenta un virtual sea bed, la cui posizione pu? essere configurata tenendo conto delle caratteristiche ambientali dell'ambiente marino di destinazione. In one of the configurations proposed in the present patent, all the cables terminate in a single point of convergence located below the surface of the sea. At least two/three moorings depart from the convergence point and secure the entire system to the seabed using one or more moorings. anchors. The point of convergence represents a virtual sea bed, whose position can? be configured taking into account the environmental characteristics of the destination marine environment.
In particolare, la posizione verticale del fondale virtuale cambia considerando la profondit? della dispersione delle onde del sito marino. E? possibile posizionare il punto di convergenza sul fondo del mare o in una determinata profondit? utilizzando lunghi ormeggi. In particular, does the vertical position of the virtual seabed change considering the depth? of the dispersion of the waves of the marine site. AND? Is it possible to place the convergence point on the seabed or at a certain depth? using long moorings.
Secondo una forma di realizzazione, la posizione verticale del punto di convergenza dei cavi ? regolabile tramite un attuatore. According to one embodiment, the vertical position of the convergence point of the cables is adjustable by an actuator.
La densit? dello scafo ? selezionata in modo da ottenere una galleggiabilit? positiva. The density? of the hull? selected in order to obtain a buoyancy? positive.
Il sistema di presa di forza (PTO) ? installato all'interno del dispositivo dove i cavi sono fissati agli alberi per trasmettere potenza e.g. tramite rispettive pulegge. Ogni albero ? collegato a una macchina elettrica e tutte le macchine sono collegate a un sistema elettronico di controllo centrale, che pu? essere comandato da remoto sia con fili che senza fili. In particolare, le macchine elettriche sono configurate per essere reversibili i.e. possono funzionare sia come generatori di corrente elettrica per convertire l?energia cinetica delle onde; che come motori e.g. per regolare la tensione dei cavi. A tal riguardo, ciascuna PTO comprende un sensore di giri e.g. un encoder in modo che il sistema di controllo centrale possa elaborare la posizione relativa fra i galleggianti e dei galleggianti dal punto di convergenza. Analogamente, ciascun galleggiante comprende un localizzatore e.g. un localizzatore GPS per fornire la posizione assoluta al sistema di controllo centrale che, sulla base di una lista di posizioni obiettivo orizzontali, avvolge o svolge i cavi fino al raggiungimento di tale condizione obiettivo. Preferibilmente, la boa comprende anche una cella di carico o un sensore di coppia per rilevare la forza applicata ai cavi, e.g. calcolando una coppia applicata all?albero della PTO. The power take-off (PTO) system ? installed inside the device where cables are attached to shafts to transmit power e.g. through respective pulleys. Every tree? connected to an electric machine and all machines are connected to a central electronic control system, which can? be controlled remotely both wired and wireless. In particular, electric cars are configured to be reversible i.e. they can work both as electric current generators to convert the kinetic energy of the waves; which as engines e.g. to adjust the tension of the cables. In this regard, each PTO comprises a speed sensor e.g. an encoder so that the central control system can calculate the relative position between the floats and of the floats from the convergence point. Similarly, each float comprises a locator e.g. a GPS locator to provide the absolute position to the central control system which, based on a list of horizontal target positions, winds or unwinds the cables until this target condition is reached. Preferably, the buoy also comprises a load cell or torque sensor for sensing the force applied to the cables, e.g. calculating a torque applied to the PTO shaft.
Il sistema PTO ? il meccanismo con il quale l'energia assorbita si trasforma in elettricit?. Il sistema ? in grado di regolare il comportamento dinamico dell'attuatore controllando la coppia generata dai motori elettrici al fine di migliorare le prestazioni del convertitore di energia del moto ondoso. La selezione della rigidezza della presa di forza e dello smorzamento del dispositivo ? importante nel processo di messa a punto per ottenere la risonanza del sistema e ottimizzare la produzione di energia del WEC. The PTO system? the mechanism by which the absorbed energy is transformed into electricity. The system ? capable of regulating the dynamic behavior of the actuator by controlling the torque generated by the electric motors in order to improve the performance of the wave energy converter. The selection of the stiffness of the PTO and the damping of the device ? important in the tuning process to achieve system resonance and optimize WEC power generation.
Secondo una forma di realizzazione preferita, la figura 3a spiega il concetto generale del sistema di controllo. Il sistema WEC riceve come input la velocit? angolare e la rotazione dell'albero della PTO attraverso il sensore dell'encoder. Inoltre, il sistema riceve la coppia della PTO risultante attraverso la cella di carico (in alternativa pu? essere utilizzato un torsiometro). Inoltre, il sistema pu? ricevere come input il profilo dell'onda in arrivo, che pu? essere raccolto e fornito tramite dispositivi di misurazione delle onde, come i sensori delle onde, o tramite database contenenti dati raccolti dai sistemi di monitoraggio degli oceani. According to a preferred embodiment, Figure 3a explains the general concept of the control system. The WEC system receives as input the speed? angle and rotation of the PTO shaft through the encoder sensor. Furthermore, the system receives the resulting PTO torque via the load cell (alternatively a torquemeter can be used). Furthermore, the system can receive as input the profile of the incoming wave, which can? be collected and provided via wave measurement devices, such as wave sensors, or via databases containing data collected by ocean monitoring systems.
Tutti i dati di input vengono ricevuti dal sistema di controllo centrale. In un caso semplice, i segnali di ingresso vengono ricevuti da un sistema integrato in tempo reale. Tenendo conto dell'algoritmo matematico selezionato per controllare il comportamento dinamico, il sistema integrato comanda i motori. All input data is received from the central control system. In a simple case, input signals are received by an integrated system in real time. Taking into account the mathematical algorithm selected to control the dynamic behaviour, the integrated system controls the motors.
Il controllo ?extremum seek? (ES - figura 3b) ? una tecnica di ottimizzazione adattiva applicabile a un WEC che deriva e mantiene l'input e l'output dell'impianto controllato ai rispettivi estremi senza richiedere una conoscenza esplicita delle dinamiche dell'impianto. Il controllo ES pu? essere applicato sia a sistemi lineari che non lineari, in cui l'estremit? di una funzione di prestazione viene raggiunta e mantenuta ottenendo l'informazione del gradiente rispetto agli ingressi di controllo. In caso di un sistema non lineare single-input single-output (SISO) con le seguenti caratteristiche, sono definite le seguenti equazioni generali: The ?extremum seek? (ES - figure 3b) ? an adaptive optimization technique applicable to a WEC that derives and maintains controlled plant input and output at their respective extremes without requiring explicit knowledge of plant dynamics. The ES control can be applied to both linear and non-linear systems, in which the extremity? of a performance function is achieved and maintained by obtaining the information of the gradient with respect to the control inputs. In case of a single-input single-output (SISO) nonlinear system with the following characteristics, the following general equations are defined:
a) un impianto dinamico sconosciuto a) an unknown dynamic plant
b) una funzione di prestazione J = h (x) b) a performance function J = h (x)
c) una legge di controllo del feedback di stato c) a state feedback control law
Quanto sopra ? applicabile per controllare una o pi? PTO della stessa boa per ottimizzare uno o pi? parametri dinamici es. rigidezza elastica e / o smorzamento applicato alla boa quando oscilla sulle onde ovvero nonostante il cavo possa essere considerato sostanzialmente inestensibile, la PTO pu? essere comandata per applicare una forza dinamica al suo cavo in modo da produrre sulla boa l'effetto di una molla avente rigidit? k e / o uno smorzamento. Lo stimatore della funzione di prestazione ? J ? la prestazione energetica del sistema. I seguenti passaggi spiegano brevemente la funzione della strategia di controllo: The above ? applicable to control one or more? PTO of the same buoy to optimize one or more? dynamic parameters e.g. elastic stiffness and / or damping applied to the buoy when it swings on the waves or although the cable can be considered substantially inextensible, the PTO can? be commanded to apply a dynamic force to its cable so as to produce on the buoy the effect of a spring having rigidity? k and/or a damping. The estimator of the performance function ? J? the energy performance of the system. The following steps briefly explain the function of the control strategy:
- fornire un valore iniziale di rigidezza k in una forma sinusoidale; - providing an initial stiffness value k in a sinusoidal form;
- ottenere un'uscita sinusoidale della prestazione di potenza J; - obtain a sinusoidal output of the power performance J;
- moltiplicare i due segnali; - multiply the two signals;
- se il risultato ?: - if the result ?:
- positivo (fig. 4a), aumenta la rigidit? k del sistema - negativo (fig. 4b), riduce la rigidit? k del sistema Quanto sopra prevede un controllo in tempo reale delle prese di forza ma ? anche possibile che la rigidit? k e / o le forze di smorzamento da applicare vengano immesse a distanza e l'azione corrispondente venga applicata al corpo flottante 1 fino a quando non vengono inseriti nuovi valori. - positive (fig. 4a), increases the rigidity? k of the system - negative (fig. 4b), reduces the rigidity? k of the system The above provides for real-time control of the power take-offs but ? it is also possible that the rigidity? k and/or the damping forces to be applied are entered at a distance and the corresponding action is applied to floating body 1 until new values are entered.
Inoltre, utilizzando motori elettrici ? possibile variare la lunghezza media dei cavi nel tempo e variare l'immersione del corpo galleggiante. Also, using electric motors ? It is possible to vary the average length of the cables over time and vary the immersion of the floating body.
Sono inseriti pi? ingressi del sistema di controllo per ottimizzare la raccolta dell'energia cinetica delle onde. Di conseguenza, il WEC pu? sempre funzionare nel flusso di energia desiderato utilizzando una strategia di controllo per sopravvivere in condizioni di mare estreme. Are inserted more? control system inputs to optimize the collection of wave kinetic energy. Consequently, the WEC pu? always operate in the desired energy flow using a control strategy to survive in extreme sea conditions.
I dispositivi galleggianti / sommersi sono in grado di operare sulla superficie del mare o in posizioni sottomarine profonde a seconda dell'altezza delle onde in arrivo. Floating/submersible devices are capable of operating on the sea surface or in deep underwater locations depending on the height of the incoming waves.
La Figura 5 mostra un corpo galleggiante di forma cilindrica (1) avente all?interno quattro sistemi di presa di forza (PTO)(2) di cui uno centrale e i restanti tre sono reciprocamente orientati tra loro a 120?. Il cavo centrale capta prevalentemente le variazioni di quota verticale del galleggiante. Ogni PTO (2) ? azionata mediante un cavo (3). Nella presente soluzione i quattro cavi (3) convergono in un punto che coincide con il fondale marino. I quattro cavi (3) convergendo, in corrispondenza del fondale marino, si attraccano a detto fondale per mezzo di un?ancora (4). La forma cilindrica dell?attuatore, rispetto ad una sferica, consente di captare le forze di eccitazione delle onde pi? elevate. Figure 5 shows a cylindrical floating body (1) having four power take-off systems (PTO) (2) inside, one of which is central and the remaining three are reciprocally oriented at 120?. The central cable mainly captures the variations in the vertical height of the float. Each PTO (2) ? operated by a cable (3). In the present solution the four cables (3) converge in a point which coincides with the seabed. The four cables (3) converging at the seabed, are docked at said seabed by means of an anchor (4). The cylindrical shape of the actuator, compared to a spherical one, allows to pick up the excitation forces of the waves more? elevated.
La Figura 6 mostra un corpo galleggiante / sommerso di forma cilindrica (1) con quattro PTO (2). Differentemente dalla Figura 3 i cavi (3) convergono in un giunto meccanico posto tra il fondale marino e il corpo galleggiante. Il giunto descritto costituisce un fondale marino virtuale (virtual sea bed) (5) e da detto giunto divergono ormeggi verso il fondale marino e ognuno ? fissato ad esso mediante un?ancora (4). La posizione esatta del giunto ? variabile in funzione della configurazione del punto di convergenza nell'ambiente marino in cui ? installato. La profondit? totale del mare e le condizioni del mare possono variare la quota verticale del giunto. Nelle figure 3 e 4, allo scopo di massimizzare la trasformazione dell?energia cinetica dovuta a movimenti di rollio e beccheggio, l?angolo di convergenza dei cavi laterali o perimetrali ? compreso fra -90? e -160?, preferibilmente definito -110? e -160? partendo da una direzione orizzontale. Ad esempio, nelle figure ? illustrato un angolo di -120?. Figure 6 shows a cylindrically shaped floating / submerged body (1) with four PTOs (2). Differently from Figure 3, the cables (3) converge in a mechanical joint placed between the seabed and the floating body. The joint described constitutes a virtual seabed (5) and from said joint moorings diverge towards the seabed and each ? fixed to it by means of an anchor (4). The exact position of the joint? variable according to the configuration of the convergence point in the marine environment where ? installed. The depth? sea total and sea conditions may vary the vertical elevation of the joint. In figures 3 and 4, in order to maximize the transformation of the kinetic energy due to roll and pitch movements, the angle of convergence of the lateral or perimeter cables ? between -90? and -160?, preferably defined as -110? and -160? starting from a horizontal direction. For example, in the figures ? illustrated an angle of -120?.
La Figura 7 mostra il corpo galleggiante / sommerso (1) dall?alto in cui ? visibile che un PTO (2) ? centrale e i restanti tre sono poste sul perimetro del cilindro e sono orientate tra loro di 120?. Figure 7 shows the floating / submerged body (1) from above where ? visible that a PTO (2) ? central and the remaining three are placed on the perimeter of the cylinder and are oriented to each other by 120?.
Sotto i carichi delle onde, il corpo galleggiante / sommerso (1) inizia a oscillare in sei diversi gradi di libert?: movimento avanti/indietro, movimento verticale, movimento destra/sinistra, beccheggio, rollio e imbardata. Under wave loads, the floating/submerged body (1) starts to oscillate in six different degrees of freedom: forward/backward motion, vertical motion, right/left motion, pitch, roll and yaw.
La potenza viene estratta dal moto relativo tra il corpo galleggiante / sommerso e i quattro cavi (3) tesi. Il sistema PTO ? installato all'interno del corpo galleggiante dove sono presenti quattro macchine elettriche, una per ogni cavo. Il cavo (3), che ? fissato sul sistema di presa di forza centrale (2), ? principalmente responsabile della cattura di potenza dal movimento di sollevamento. The power is extracted from the relative motion between the floating / submerged body and the four stretched cables (3). The PTO system? installed inside the floating body where there are four electric machines, one for each cable. The cable (3), which ? fixed on the central power take-off system (2), ? mainly responsible for capturing power from the lifting motion.
Gli attacchi o cavi laterali controllano il comportamento dinamico del sistema nell?ondeggiamento e nel beccheggio e l'estrazione di potenza da essi. The side mounts or cables control the dynamic behavior of the system in sway and pitch and the extraction of power from them.
Poich? la boa sommersa presenta una spinta netta positiva, tutti i cavi sono pretensionati per mantenere la posizione di equilibrio del sistema sotto la superficie dell'oceano e per mantenere tesi i cavi. because the submerged buoy has a net positive thrust, all cables are pre-tensioned to maintain the equilibrium position of the system under the ocean surface and to keep the cables taut.
Ogni unit? PTO ha tre componenti di forza, che sono controllabili ad esempio secondo l?esempio dei paragrafi precedenti: Each unit? PTO has three force components, which can be controlled for example according to the example of the previous paragraphs:
- forza di rigidit? - rigidity force?
- forza di smorzamento - damping force
- forza di pretensionamento iniziale. - initial pretension force.
La componente della forza di rigidit? ha la funzione di portare il sistema dinamico in risonanza mentre la forza di smorzamento della presa di forza rappresenta la forza di reazione risultante dalla generazione di energia. The stiffness force component? it has the function of bringing the dynamic system into resonance while the damping force of the power take-off represents the reaction force resulting from the generation of energy.
Ogni motore ? collegato a un sistema di controllo centrale che regola in modo ottimale il carico dinamico in ogni cavo ed ? preferibilmente programmato per implementare un algoritmo di ottimizzazione. Ogni cavo si avvolge attorno ad una puleggia collegata ad un albero collegato alla macchina elettrica. Controllando il comportamento dinamico rotazionale dell'albero, ? possibile controllare le forze su ogni cavo. Each engine? connected to a central control system that optimally regulates the dynamic load in each cable and ? preferably programmed to implement an optimization algorithm. Each cable winds around a pulley connected to a shaft connected to the electric machine. By controlling the dynamic rotational behavior of the shaft, ? possible to check the forces on each cable.
La tensione di ogni cavo dipende dal livello di pretensionamento, dalla rigidezza e dalle forze di smorzamento esercitate dalle unit? PTO. Ogni PTO ? caratterizzata da un coefficiente di rigidezza k e da un coefficiente di smorzamento ? utilizzato per il calcolo delle forze di smorzamento e di rigidezza, secondo le relazioni: The tension of each cable depends on the level of pre-tension, stiffness and damping forces exerted by the units. PTO. Each PTO? characterized by a stiffness coefficient k and a damping coefficient ? used for the calculation of the damping and stiffness forces, according to the relations:
dove ?l ? l'allungamento e ?'l ? la derivata temporale dell'allungamento di ciascun cavo. In alternativa alla rigidezza lineare e / o allo smorzamento pu? essere applicata anche la rigidezza e / o lo smorzamento non lineare. where ?l ? the elongation and ?'l ? the time derivative of the elongation of each wire. As an alternative to the linear stiffness and / or damping pu? stiffness and/or non-linear damping may also be applied.
Secondo una forma di realizzazione, ciascuna puleggia per il rispettivo cavo ? accoppiata in modo da trasmettere la coppia ad una prima ed una seconda macchina elettrica sullo stesso albero: una macchina elettrica applica azioni attive facendo s? che il corpo galleggiante / sommerso 1 subisca una forza elastica e / o di smorzamento regolabile da uno o pi? cavi; l'altra macchina elettrica raccoglie l'energia cinetica del corpo galleggiante quando si muove sulle onde. Le macchine elettriche di ciascuna PTO sono collegate a una linea elettrica o a un sistema di accumulo di energia per ricevere e fornire energia elettrica. According to one embodiment, each pulley for the respective cable ? coupled so as to transmit the torque to a first and a second electric machine on the same shaft: an electric machine applies active actions by making s? that the floating / submerged body 1 undergoes an elastic force and / or damping adjustable by one or more? cables; the other electric machine collects the kinetic energy of the floating body when it moves on the waves. The electric machines of each PTO are connected to a power line or an energy storage system to receive and supply electric energy.
La variazione delle forze di ormeggio durante il funzionamento del WEC comporta un aumento delle prestazioni di potenza del dispositivo. The variation of the mooring forces during the operation of the WEC leads to an increase in the power performance of the device.
Il sistema di controllo principale del WEC, che regola i motori elettrici, ? accessibile a distanza con segnali a scopo di controllo e per aggiornare il sistema con lo stato ondoso attuale. Il sistema di controllo pu? essere sia a bordo del corpo galleggiante / sommerso 1 che distante dal corpo galleggiante / sommerso e connesso in scambio dati sia via filo che wireless. The main control system of the WEC, which regulates the electric motors, is remotely accessible with signals for control purposes and to update the system with the current wave status. The control system can be both on board the floating / submerged body 1 and distant from the floating / submerged body and connected in data exchange both via wire and wireless.
Le prestazioni di un WEC dipendono dal flusso di energia dell'onda incidente che dipende a sua volta dal quadrato dell'altezza dell'onda incidente. Il flusso dell?energia delle onde diminuisce all?aumentare della immersione del dispositivo. The performance of a WEC depends on the energy flux of the incident wave which in turn depends on the square of the incident wave height. The flow of wave energy decreases as the immersion of the device increases.
Per questo motivo, il presente corpo galleggiante/sommerso ? in grado di modificare l'immersione controllando la lunghezza dei cavi e/o degli ormeggi. Ruotando l'albero di ogni cavo, ? possibile arrotolare o srotolare la puleggia all'interno del corpo galleggiante. Quando lo stato del mare ? caratterizzato da onde deboli, il dispositivo ? in grado di funzionare sulla superficie dell'oceano dove le onde sono pi? energiche. Il corpo galleggiante ? dotato quindi di "sistema di controllo della profondit?" interno che cambia la posizione verticale cercando di rimanere nella zona di flusso di energia delle onde desiderata. A seconda dell'onda in arrivo questa zona di energia pu? essere trovata sul pelo dell?acqua dove il corpo galleggiante funzioner? come un dispositivo galleggiante o molti metri sotto la superficie dell?acqua dove il corpo galleggiante funzioner? come un dispositivo sommerso. For this reason, this floating/submerged body? able to modify the draft by controlling the length of the cables and/or moorings. By rotating the shaft of each cable, ? possible to roll up or unroll the pulley inside the floating body. When the state of the sea ? characterized by weak waves, the device? able to operate on the ocean surface where the waves are more? energetic. The floating body? therefore equipped with a "depth control system?" interior that changes the vertical position trying to stay in the desired wave energy flow zone. Depending on the incoming wave this area of energy can? be found on the surface of the water where the floating body will work? as a floating device or many meters below the surface of the water where the floating body will work? like a submerged device.
La variazione del grado di immersione del dispositivo ha lo scopo di ridurre i costi di esercizio e aumentare la sostenibilit? economica del convertitore di energia delle onde. Inoltre, ? un sistema flessibile da poter operare in diversi stati marini con diversi climi. Ulteriormente potendo variare il grado di immersione del corpo galleggiante / sommerso si pu? anche evitare che lo stesso possa danneggiarsi se si dovesse trovare in condizioni di mare estreme. The purpose of varying the degree of immersion of the device is to reduce operating costs and increase sustainability? economics of the wave energy converter. Furthermore, ? a flexible system that can operate in different marine states with different climates. Furthermore, being able to vary the degree of immersion of the floating / submerged body, you can? also to prevent it from being damaged if it were to find itself in extreme sea conditions.
Per implementare l?invenzione in mare aperto, i blocchi di ancoraggio in calcestruzzo devono essere prima posizionati sul fondo del mare e la posizione precisa deve essere tracciata mediante l?ausilio di coordinate GPS. Nel caso della configurazione del giunto con la convergenza, un subacqueo collega gli ormeggi nel giunto. Non appena tutti i pezzi sono collegati, viene attivato il sistema di presa di forza, viene applicata la pre-tensione iniziale di ormeggio e il dispositivo viene sommerso. To implement the invention in the open sea, the concrete anchor blocks must first be placed on the sea bed and the precise position must be plotted with the aid of GPS coordinates. In the case of the toe joint configuration, a diver connects the moorings in the joint. As soon as all the pieces are connected, the PTO system is activated, the initial mooring pre-tension is applied and the device is submerged.
Nella Figura 6 ? rappresentata una forma di realizzazione alternativa della presente invenzione in cui pi? corpi galleggianti sono collegati tra loro costituendo una matrice bidimensionale. Sotto i carichi d'onda, ciascun corpo galleggiante ? libero di oscillare nei sei gradi di libert?. La potenza viene estratta dal moto relativo tra i corpi galleggianti e i cavi laterali tesi. Ogni corpo galleggiante interno alla matrice, i.e. non in posizione periferica, ? collegato in cinque punti: un cavo che collega il galleggiante con il fondo marino e quattro cavi che collegano il galleggiante con quelli vicini. In Figure 6 ? represented an alternative embodiment of the present invention in which more? floating bodies are connected to each other forming a two-dimensional matrix. Under the wave loads, each buoyant body ? free to swing in the six degrees of freedom. Power is extracted from the relative motion between the floating bodies and the taut lateral cables. Each floating body inside the matrix, i.e. not in a peripheral position, ? connected at five points: a cable connecting the float with the seabed and four cables connecting the float with neighboring ones.
Secondo tale forma di realizzazione, i cavi laterali possono essere avvolti o svolti per allargare o restringere la matrice per meglio adattarla alle condizioni del moto ondoso. I materiali utilizzati per la costruzione del presente corpo galleggiante devono essere affidabili nell'ambiente marino e resistere alla corrosione dell'oceano. Pertanto, i materiali a cui preferibilmente si ricorre sono: According to this embodiment, the lateral cables can be wound or unwound to widen or narrow the matrix to better adapt it to the conditions of the wave motion. The materials used for the construction of this floating body must be reliable in the marine environment and resist ocean corrosion. Therefore, the materials which are preferably used are:
- per gli ormeggi caratterizzati da un'elevata resistenza a trazione e da un elevato modulo elastico come cavi intrecciati d'acciaio. I cavi devono essere sempre tesi e resistere a tutti i carichi della PTO; - for moorings characterized by a high tensile strength and a high elastic modulus such as braided steel cables. The cables must always be taut and resist all PTO loads;
- l'ancora ? in cemento armato/cemento; - the anchor ? reinforced concrete/concrete;
- un telaio portante del corpo galleggiante a cui sono fissate tutte le unit? della PTO, ? in alluminio/acciaio. - a supporting frame of the floating body to which all the units are fixed? of the PTO, ? aluminium/steel.
- un guscio del corpo galleggiante ? fissato al telaio e realizzato in materiale composito o acciaio, non si corrode ed ? a basso costo. - a floating body shell ? fixed to the frame and made of composite material or steel, it does not corrode and is? low price.
Secondo una forma di realizzazione non illustrata, una forza elastica e / o di smorzamento pu? essere applicata al corpo galleggiante o allo scafo tramite un dispositivo passivo, e.g. una molla come una molla di torsione e / o uno smorzatore torsionale montato tra la puleggia e l?albero di almeno una PTO. In tal caso, i valori di rigidezza e / o smorzamento vengono decisi sulla base ad esempio della frequenza media delle onde in modo da intercettare il pi? possibile una frequenza di risonanza. Dalla descrizione sopra riportata il tecnico del ramo ? in grado di realizzare l?oggetto della presente invenzione senza introdurre ulteriori dettagli costruttivi. According to an embodiment not shown, a spring and/or damping force can be applied to the buoyant body or hull by a passive device, e.g. a spring such as a torsion spring and/or a torsional damper mounted between the pulley and the shaft of at least one PTO. In this case, the stiffness and / or damping values are decided on the basis, for example, of the average frequency of the waves in order to intercept the pi? a resonant frequency is possible. From the description given above, the technician of the branch ? capable of realizing the object of the present invention without introducing further constructive details.
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