リセキルプロジェクト

リセキルプロジェクトは、スウェーデンのウプサラ大学再生可能電力変換センターが運営する進行中の波力発電プロジェクトです。このプロジェクトは、ヨーテボリの北約100km（62マイル）の西海岸、ヴェストラ・イェータランド県リセキルの南に位置しています。2024年2月現在、この場所には11基の波力発電機（WEC）が設置されており、総容量は260kWです。^{[1][アップデート]}

波と波力発電の相互作用の主な特徴は、海洋波の特性により、エネルギーが大きな力と低速で変換されることです。従来の発電機は高速回転運動用に設計されているため、従来の波力発電システムでは、この低速の波の動きをこれらの発電機に適したものに変換するために、油圧やタービンなどのいくつかの中間ステップを使用します。^[2]

この問題に対処する別の方法は、波を動力取出システムに適応させるのではなく、システムを波に適応させることです。これは、リニア発電機を備えた直接駆動型波力エネルギー変換器（WEC）を使用することで実現できます。この設定の利点は、機械システムがそれほど複雑ではなく、メンテナンスの必要性が少ない可能性があることです。この種のシステムの欠点の1つは、電力をグリッドに伝送するのがより複雑になることです。これは、振幅と周波数の両方で変化する生成された電圧の特性によるものです。^{[2] [3]}

リセキルプロジェクトの目標の1つは、メンテナンスの必要性が低い、シンプルで堅牢な波力エネルギーシステムを開発することでした。そのアプローチは、可動部品が少なく、エネルギー変換ステップが可能な限り少ないシステムを見つけることでした。これらの要件により、海面の動きに追従するブイによって駆動される直接駆動の永久磁石リニア発電機のコンセプトが選択されました。[1]

リセキル研究プロジェクトは、選択されたコンセプトを評価する目的で設立されました。WEC の動作は、単一ユニットとして動作する場合と、クラスターの一部として他の複数の WEC と連携する場合の両方で研究されます。その他の重要な側面は、送電システムの設計、つまり電力がグリッドに輸送される方法と、ブイ吸収などのシステムの他の部分にどのように影響するかです。プロジェクトのもう 1 つの目的は、海底に生息する小さな底生生物から生物付着に関与する生物、脊椎動物に至るまで、海洋生物に焦点を当てて WEC の環境への影響を判断することです。 [ 2 ^]

試験場はスウェーデン西海岸のヨーテボリの北約100km、リセキルの近くに位置しています。試験場は沖合2kmにあり、面積は40,000m ² (430,000平方フィート)です。このエリアの海底は西に向かってわずかに傾斜した平坦な表面で、深さは東部の24m (79フィート)から西部の25m (82フィート)まであります。海底は主に砂質シルトで構成されており、いくつかの小さなエリアはより粗い材料で覆われています。このエリアには、発電機に接続されたブイ10基と、環境影響調査用の追加のブイが設置されます。許可により、調査は2013年末まで継続できます^{[更新が必要]}。その後、延長を申請して承認されない限り、すべての機器を撤去する必要があります。^[2]

2007年（8月を除く）の研究地点での平均エネルギーフラックスは3.4kW/mであった。最も頻繁に発生する海況は、エネルギー周期T _Eが約4秒、有義波高H _{s が}0.5m（1.6フィート）未満である。主なエネルギー寄与は、よりエネルギーの高い（しかしそれほど頻繁ではない）海況から生じる。^[2]

リセキル プロジェクトの波力発電コンセプトは、海底に設置された 3 相永久磁化リニア発電機に基づ​​いています。発電機は、ラインを介して表面の点吸収ブイに接続されています。波が移動すると、流体力学的作用によりブイが上下運動します。ブイの動きによって発電機内のトランスレータが駆動され、その結果、固定子巻線に電流が誘導されます。トランスレータは、波の谷間にトランスレータを引き込むスプリングで発電機の基礎に接続されています。^{[2] [4]}

リニア発電機の技術は、水深とはある程度無関係であると想定されており、ユニットサイズ10kWは、2m（6.6フィート）の範囲の有義波高に一致すると想定されています。ただし、発電機と発電機周辺の機械構造は、電気的および機械的ひずみの点で大きな過負荷を処理できるように設計されています。表1に、最初の実験用WECの定格および形状データを示します。^[2]

誘導電圧は振幅と周波数の両方で変化するため、生成された電力をグリッドに直接送電することはできません。そのため、複数のWECを海上変電所に接続し、各WECからの電圧を整流し、結合された出力をグリッドに接続する前に交流および変換します。使用される海上ケーブルは、相あたり抵抗が0.5オームの4 x 95 mm2銅導体を備えた1kVケーブルです。 ^{[2] [4]}

リセキルプロジェクトは、2002年にウプサラ大学電力部門で開始されました。シミュレーションでは、沿岸地域に多数の小型波力発電ユニットを設置して波力発電ファームを建設すれば、エネルギーを収穫できる可能性があることが示されました。また、シミュレーションでは、適度に穏やかな海域で電力生産が可能であることを示しました。これらのシミュレーションは、簡略化されたブイ波相互作用モデルに基づいているため、必要に応じてさらにシミュレーションと実験検証が行われました。^{[2] [4]}

2003年から2004年にかけて、リセキル研究施設の設置許可が下り、2004年に最初の波動測定ブイが設置されました。最初の実験装置は2005年3月に設置され、直径3m（9.8フィート）、高さ0.8m（2.6フィート）のブイからの最大線力を測定することが目的でした。この装置は、送電網から切り離され、システム内で減衰のない状態で稼働している発電機をシミュレートしました。これらの実験の結果は、最初の波動発生装置への入力データとして、また減衰のないシステムのダイナミクスの計算を検証するために使用されました。^{[2] [4]}

2006 年に最初の WEC が配備されて以来、3 つの異なる期間にわたって数か月間、実際の海で運用されてきました。これらの期間中、電力、ブイの動き、係留索の力の測定が行われ、分析され、直接駆動リニア ジェネレータ WEC のダイナミクスに関する知識が深められました。最初のテスト期間中、すべての電力は 3 相デルタ接続抵抗負荷を介して熱に変換されました。非線形負荷が WEC システムに与える影響を調査するため、2 番目のテスト期間中、ジェネレータはダイオード整流器、コンデンサ、抵抗器で構成される非線形負荷に接続されました。WEC の制御、負荷、測定システムは順次拡張され、現在では遠隔操作の測定システムと制御システムがあります。^[2]

研究の結果は、このコンセプトによる波力エネルギー変換が、穏やかな海面でも荒れた海面でも、どれほどうまく機能するかを示しています。非線形負荷の実験により、送電システムをどのように設計すべきかについての知識が深まりました。また、この結果は、生成された電圧が整流される場合に、WEC が非線形負荷に接続されたときにどのように動作するかを示しています。^[2]

リセキルプロジェクトは、海洋変電所とともに試験場に2基のWECを追加設置することで拡大されました。これら3基のWECは最近（2009年6月）変電所と相互接続されました。^{[2] [5]}

2015年11月、試験場は電力網に接続されました。^[6]その後、2017年にさらに2台のWECが設置されました。^[7]

リニア発電機の可動部分はトランスレータと呼ばれます。ブイが波によって持ち上げられると、ブイはトランスレータを動かします。発電機内のステータとトランスレータの相対的な動きにより、ステータ巻線に電圧が誘導されます。^{[2] [3]}

波力発電用のリニア発電機に求められるのは、高いピーク力、低速、不規則な動きを低コストで処理できることです。^[8] 発電機がさまざまな速度と方向で動くと、不規則な振幅と周波数の誘導電圧が発生します。出力電力のピーク値は、平均電力生産量の数倍になります。発電機と電気システムは、これらの電力のピークに合わせて設計する必要があります。^[9]

波力発電に使用できるリニア発電機にはさまざまな種類がありますが、比較すると、永久磁石同期リニア発電機が最も適していることがわかりました。^[8] Lysekil プロジェクトではこのタイプの発電機が選択され、磁石はトランスレータに取り付けられた Nd-Fe-B 永久磁石です。発電機の内部では、トランスレータの下に強力なスプリングが固定されており、ブイとトランスレータが波の頂上で持ち上げられた後、波の谷で反力として機能します。スプリングは一時的にエネルギーを蓄えるため、発電機は両方向に同量のエネルギーを最適に生成し、生成された電力を均等化できます。発電機の上部と下部には、トランスレータのストロークの長さを制限するために、強力なスプリング付きのエンドストップが配置されています。^{[2] [3]}

前述のように、生産された電力は変換せずに直接送電網に送ることはできません。これはいくつかのステップで行われます。まず、各発電機からの電圧が整流されます。次に、発電機は並列に接続され、DC電圧がフィルタリングされます（フィルタはコンデンサで構成されています）。フィルタは発電機からの電圧を平滑化し、安定したDC電圧を生成します。短時間であれば、フィルタ後の電力も一定になります。システムを時間単位（またはそれ以上）で調査すると、生産電力に変動が生じますが、これらの変動は海の状態の変化によるものです。^[2]

このブイ発電機のコンセプトでは、特にグリッドに接続されていない状態では、単一のユニットを動作させることはできません。これは主に、生成される電力の短期的な変動が大きいことと、WEC のサイズが比較的小さいことが原因です。電気システム、つまり送電システムのコストが高すぎます。複数の発電機を並列に接続すると、容量性フィルターのエネルギー貯蔵能力に対する要求が減り、それに伴うコストも減ります。海況の変化によって発生する出力の電圧変動を補正するには、DC/DC コンバーターまたはタップ切換変圧器を使用できます。^[2]

ダンピング（電力抽出）のレベルが高いと、波の垂直方向の動きとトランスレータの速度の差が大きくなります。その結果、波がブイを持ち上げるときにラインフォースが高くなり、ブイが下降するときにはラインフォースが低くなります。最大電力は、ラインフォースが最大と最小のときに発生します（トランスレータがジェネレータのストロークの長さ内にあると仮定）。トランスレータがブイよりも低速で下降すると、ラインが緩み、結果としてラインフォースはほぼゼロになります。ブイが上向きに動くと逆の関係が発生し、ブイの動きとジェネレータトランスレータの動きの差が大きいほど、ラインフォースが大きくなります。^[2]

波の高さ（波の山と谷の差）がストロークの長さより大きい場合、トランスレータは下端の停止位置で停止します。上端の停止位置では波がブイを越え、下端ではラインが緩みます。どちらの場合も、トランスレータが再び動き出すまで電力は生成されません（電圧は誘導されません）。これは、上端状態では波がブイの上部位置よりも低いときに発生し、下端状態では波が高くなりすぎてブイがトランスレータを再び上方に引っ張り始めるときに発生します。研究領域では、エネルギーの大部分は波高 1.2～2.7 m（3.9～8.9 フィート）で伝達されることがわかっています。^[2]

発電機が線形の厳密に抵抗性の負荷に接続されている場合、発電機に電圧が誘導されるとすぐに電力が供給されます。非線形負荷の場合、関係はそれほど単純ではありません。負荷が線形でないのは、送電システムのダイオード整流器により、特定の電圧レベルを超えると電力が抽出できなくなるためです。その結果、DC 電圧レベルによって発電機の位相電圧の振幅が制限されます。非線形負荷の場合、発電機の位相電圧は最大振幅に達し、これは DC 電圧とほぼ等しくなります。発電機の位相電圧が DC 電圧レベルに達すると、発電機から整流器の DC 側に電流が流れ始めます (電力が抽出されます)。波がブイに機械的動力を供給できる限り、およびトランスレータが上端または下端の停止位置に到達していない限り、電力が供給されます。トランスレータの速度が増加すると、電流が増加します。この非線形電力抽出により、電圧と電流パルスの形状が異なります。^[2]

プロジェクトの開始時に研究サイトが調査され、2004 年には WEC の配備前に堆積物のサンプルが採取されました。これは、研究エリアと対照エリア内の海洋底生動物を調査、分析し、種の構成と生物多様性に関する情報を得るために行われました。生物多様性の豊かさは、生物システムの健全性を測定するためによく使用されます。生物は、可能な場合は科または種のレベルまで特定されました。リセキル研究エリアでは、68 種類の異なる種が見つかりました。小さな幼生生物のみで、レッドリストに載っている種は見つかりませんでした。2004 年以降、対照エリアと研究エリアの両方での開発を追跡するために、毎年堆積物のサンプルが採取されています。初期研究を通じて、研究エリアの方が対照エリアよりも種の豊かさと生物多様性が高いことが明らかになりました。これは、堆積物の基質の多様性によって説明されます。対照エリアの堆積物は主にシルトで構成されており、そのほとんどは比較的酸素が不足しており、そのような極端な条件に適応している種は少ないです。全体的に見て、リセキル研究地域は特異な環境ではなく、敏感な在来種の絶滅の懸念はありませんでした。^{[2] [4]}

波力の海洋生態学的研究のための最初の実験装置は、2005 年に設置された 4 つの生物ブイで構成されていました。ブイの目的は、波力発電所の設置が及ぼす影響を研究することです。比較的空っぽの砂底に固体構造物を設置すると、その場所の生息環境が変化するため、ブイの助けを借りてその結果を研究します。2007 年には、追加のブイが設置され、研究の規模と複雑さが増しました。ブイは研究エリア内で 2 つの異なるエリアに分けられ、グループ間の距離は 200 m (660 フィート) でした。グループ内では、ブイは 15～20 m (49～66 フィート) の間隔で配置されました。基礎の半分はさまざまな穴が開けられ、残りの半分は穴が開けられていません。基礎の穴は、穴がある基礎と穴がない基礎のコロニー形成の違い、および異なる種類の穴がコロニー形成パターンにどのように影響するかを研究するために開けられました。^{[2] [4]}

生物ブイは生物付着とそれが電力吸収に与える影響を研究するためにも使用されます。いくつかの予備研究では、生物付着がエネルギー吸収に与える影響は無視できると示唆されていますが、これについてはさらに調査する必要があります。^[4]