Design, Analysis and Prototyping of Contactless Rotary-To-Linear Magnetic Actuator for Grid-Connected Wave Energy Converters

تتمتع طاقة أمواج البحر بإمكانية عظيمة للازدهار كمصدر للطاقة المتجددة لتحل محل الوقود الأحفوري التقليدي. يتكون محول طاقة الأمواج من ث اث مراحل: أولا، يتم التقاط طاقة الأمواج وتحويلها إلى طاقة حركة ميكانيكية خطية تحرك عمودا. بعد ذلك، يتم تحويل الطاقة الميكانيكية للعمود إلى طاقة كهربائية باستخدام آلة كهربائية )مولد(. إذا تم استخدام مولد دوار، فيجب استخدام محول للحركة الخطية إلى حركة دوارنية مثل اللولب الكروي، المسند والترس أو نظام المكبس والنير. وأخيرا، سيتم توصيل الطاقة الكهربائية المنتجة بالشبكة الكهربائية باستخدام محول إلكترونيات الطاقة. ينقسم هذا المشروع إلى مرحلتين . في المرحلة الأولى، سيتم تطوير محول مغناطيسي للحركة الخطية إلى حركة دورانية. يستخدم المشغل المقترح مغناطيس دائم لنقل الطاقة الميكانيكية من جزء خطي )المنزلق( إلى جزء دوار )الدوار(. لا يوجد اتصال ميكانيكي بين الدوار والشريط المنزلق الذي ينتج عنه موثوقية أعى وعمر أطول. الحركة الخطية الناتجة في هذا النظام عمودية عى محور دوران الدوار. كما سيتم تصميم النظام بطريقة تحليلية ومحاكيته باستخدام طريقة العناصر المحدودة ) FEM (. ع اوة عى ذلك، سيتم بناء نموذج تجريبي لاختبار النظام . في موازاة ذلك، سيتم إجراء دراسة أولية لتقييم مخططات التكامل مع مصادر الطاقة المتجددة وغير المتجددة الأخرى لتحسين تكلفة الكهرباء المسلمة. وسيشمل ذلك تقييم تخزين الطاقة عى متن أو في خارج نظام تحويل طاقة الأمواج. في المرحلة الثانية، سيتم تطوير محول إلكترونيات الطاقة الموصولة بالشبكة. الطاقة الكهربائية التي ينتجها المولد هي التيار المتردد بتردد متغير وسعة فولطية متغيرة. من أجل أن تكون متص ا بالشبكة، يلزم وجود محول إلكترونيات طاقة AC-DC-AC . عند هذه النقطة، سيتم اختيار نظام تكامل نهائي ومُحسَّن لمصادر الطاقة المتجددة وغير المتجددة وسيتم وضع خطة تقييم نظام النموذج الأولي. وأخيرا، سيتم دمج النظام بأكمله واختباره تجريبيا كمزرعة طاقة موجية مع محولات طاقة موجة متعددة تغذي الشبكة الكهربائية.

Wave energy has a great potential to prosper as a renewable energy source replacing conventional fossil fuels. A wave energy converter consists of three stages: First the wave energy is captured and converted into linear mechanical motion energy driving a shaft. Next, the shaft mechanical energy is converted into electrical energy using an electrical machine (generator). If a rotating generator is used, a linear-to-rotary actuator such as a ball screw, a rack and pinion or a scotch yoke system is required. Finally, the produced electrical energy is connected to the electrical grid using power electronics converter. This project is divided into two phases. In phase one, a novel linear-to-rotary magnetic actuator will be developed. The proposed actuator utilizes permanent magnets to transmit mechanical power from a linear part (the slider) to a rotary part (the rotor). There is no mechanical contact between the rotor and the slider which results in higher reliability and longer lifetime. The resulted linear motion in this system in perpendicular to the axis of rotation of the rotor. The system will be modeled analytically and simulated using Finite Element Method (FEM). Moreover, a prototype will be built to experimentally test the system. In parallel, an initial study will be performed to evaluate integration schemes with other renewable and non-renewable energy sources to optimize on delivered cost of electricity. This will include the assessment of energy storage on-board or offboard the wave energy conversion system. In phase two, the grid-connected power electronics converter will be developed. The electrical energy produced by the generator is AC with a variable frequency and variable voltage amplitude. In order to be connected to the grid, an AC-DC-AC power electronics converter is required. At this point a final, optimized integration scheme for renewable and non-renewable energy sources will be downselected and a scaled prototype system evaluation plan will be devised. Finally, the whole system will be integrated and experimentally tested as a wave energy farm with multiple wave energy converters feeding the electrical grid.