Linear generator drive based on modular multilevel converter for wave energy applications

Abstract

Si no se aplican medidas políticas contundentes, se prevé que en pocas décadas el mundo se enfrente simultáneamente a una escasez de energía y a una crisis climática, ambas derivadas de nuestra fuerte dependencia de los combustibles fósiles. La extracción sostenible de fuentes de energía renovables y el avance de las tecnologías para aprovecharlas son componentes esenciales de las estrategias de reducción de emisiones y de la garantía de un suministro energético estable. La energía de las olas es una valiosa fuente de energía con una concentración de potencia relativamente alta y fácilmente accesible en las regiones costeras. Este recurso es lo suficientemente importante como para contribuir a la cartera energética global en determinadas zonas. Aunque la tecnología para aprovechar la energía de las olas del mar sigue en fase de investigación y desarrollo, el principal obstáculo reside en el diseño de sistemas cuyos costes están asociados a la inversión, el funcionamiento y el mantenimiento. Esta tesis propone un convertidor multinivel modular (MMC) para controlar un generador lineal tubular de imanes permanentes (TPMLG) para un sistema de conversión de energía undimotriz (WEC). Se aplica un método de parámetros globales para analizar la amplitud de la tensión inducida y el campo magnético del TPMLG. Se emplea un análisis de elementos finitos en el software de simulación para obtener el comportamiento dinámico de estas variables. El MMC propuesto controla cada devanado del TPMLG de forma independiente; el MMC permite diseñar un MPPT que controlará el par en función de la altura de ola y tendrá un alto voltaje para mejorar la eficiencia de transmisión de energía a la costa. Los resultados experimentales y de simulación se validarán con un prototipo de laboratorio diseñado con las limitaciones y restricciones analizadas matemáticamente. El objetivo principal del trabajo de tesis propuesto es la mejora de la eficiencia de captación de energía, maximizando la energía transmitida desde los sistemas WEC a la estación costera.If robust political measures are not implemented, it is projected that in a few decades, the world will confront a simultaneous shortage of energy and a climate crisis, both of which stem from our heavy reliance on fossil fuels. The sustainable extraction of renewable energy sources and the advancement of technologies to harness them are essential components of emission reduction strategies and ensuring a stable energy supply. Wave energy is a valuable energy source with a relatively high power concentration and is easily accessible in coastal regions. This resource is substantial enough to contribute to the overall energy portfolio in certain areas. Although the technology for harnessing the power of ocean waves is still under research and development, the main obstacle lies in designing systems where the costs are associated with investment, operation, and maintenance. This thesis proposes a modular multilevel converter (MMC) to control a tubular permanent magnet linear generator (TPMLG) for a wave energy conversion (WEC) system. A lumped parameter method is applied to analyze the amplitude of induced voltage and the magnetic field of the TPMLG. A finite element analysis is employed in the simulation software to obtain the dynamical behavior of these variables. The proposed MMC controls each winding of the TPMLG independently; the MMC permits designing an MPPT that will control the torque in function to the wave height and have a high voltage to improve the energy transmission efficiency to the coast. The simulation and experimental results will be validated with a laboratory prototype designed with the limitations and constraints analyzed mathematically. The main focus of the proposed thesis work is the improvement of energy harvesting efficiency, maximizing the energy transmitted from the WEC systems to the coast station.