I sistemi di alimentazione offshore autonomi C-Power promettono di sbloccare nuove applicazioni marine attraverso un'efficiente erogazione di energia e comunicazioni remote a larga banda. Si tratta di un vero e proprio cambiamento epocale nella raccolta di energia delle onde oceaniche.
La capacità di sfruttare l'energia delle onde oceaniche è un campo in rapida evoluzione che gli ingegneri marini stanno perfezionando per fornire generazione e stoccaggio di energia marittima affidabile e conveniente, consentendo al contempo nuove forme di servizi di comunicazione e dati offshore.
Columbia Power Technologies, Inc. (C-Power), azienda specializzata nei sistemi per l'energia delle onde con sede a Corvallis, Oregon, sta aiutando ad espandere l'economia marina fornendo generazione e stoccaggio di energia affidabili e convenienti, dati e servizi di comunicazione per le risorse offshore. Le C-Power autonomous offshore power systems (AOPS) catturano l'energia delle onde meccaniche e la convertono in energia utilizzabile per un'ampia gamma di applicazioni oceaniche come l'esplorazione e la produzione offshore di petrolio e gas, il sequestro del carbonio offshore, la ricerca oceanografica, l'acquacoltura e la difesa del territorio.
Raccolta dell'energia oceanica su scala dei kilowatt
Fondata nel 2005, C Power ha evoluto la sua attenzione man mano che la sua esperienza nel fiorente campo della raccolta di energia oceanica è cresciuta (Figura 1). Mentre altre aziende perseguono sistemi di grandi dimensioni da megawatt, C-Power si concentra sulla potenza remota sull’ordine di grandezza dei kilowatt per reti di comunicazione dati offshore, inizialmente attraverso un progetto DARPA chiamato Wave Energy Buoy Systems (WEBS).
Attraverso il progetto WEBS, C-Power ha scoperto un'opportunità nascente sotto forma di generazione di energia localizzata per veicoli sottomarini, apparecchiature operative sottomarine e sensori in oceano aperto utilizzati per raccogliere dati ambientali. In precedenza, l'energia per queste applicazioni veniva generata utilizzando batterie di bordo costose, ingombranti e non ricaricabili o cavi elettrici sottomarini alimentati da una nave o da un generatore diesel. Con lo sviluppo di AOPS, C-Power ha aperto le porte a nuove applicazioni prima inimmaginabili fornendo una fonte di energia autonoma, ecologica e oceanica in grado di fungere anche da canale di comunicazione.
SeaRAY di C-Power migliora l'efficienza energetica e la comunicazione dati
L'ultima piattaforma AOPS, nota come SeaRAY, è la chiave per gli obiettivi a breve termine di C-Power, produrre sistemi di alimentazione che generano da 10 W a 1 MW a partire dalle onde dell'oceano. Per raggiungere i suoi obiettivi all'estremità inferiore dello spettro di potenza, C-Power ha creato un progetto SeaRAY AOPS con un elevato rapporto potenza/peso utilizzando la tecnologia di conversione di potenza di Vicor Corporation. L'ingombro ridotto dello schema di progettazione migliora la mobilità e la redditività commerciale, rendendo SeaRAY più facile da consegnare e configurare, risparmiando decine di migliaia di dollari in costi operativi giornalieri.
"Avevamo davvero bisogno di un'ampia gamma DC-DC, qualcosa che potessimo controllare e regolare mentre stiamo convertendo energia pulsata delle onde oceaniche in un bus DC semi stabile", ha affermato Joe Prudell, senior R-D electrical engineer di C Power. “Questo è estremamente impegnativo. Essere in grado di farlo a vari livelli di potenza utilizzando i moduli di potenza di Vicor è davvero un vantaggio.”
Il progetto SeaRAY rende inoltre possibile la comunicazione dati remota e autonoma trasmettendo in tempo reale al cloud ciò che accade nell'oceano. In precedenza, i sistemi di raccolta dei dati marini erano limitati nell'ampiezza e nella frequenza della raccolta dei dati. L'utilizzo di reti cellulari e comunicazioni satellitari per trasferire i dati in tempo reale tra il cloud e SeaRAY consente di raccogliere e consegnare più spesso dati più ricchi di informazioni (Figura 2).
Raccolta di energia da una fonte di alimentazione in costante cambiamento
La principale sfida di progettazione dell'alimentazione per C-Power è stata quella di conciliare le complesse proprietà energetiche delle onde oceaniche con gli esigenti requisiti di conversione dell'energia del SeaRAY. Ciò includeva un intervallo di input 30:1, ultra-ampio, che riflette la natura imprevedibile delle onde oceaniche. Il team di progettazione di Vicor Power Systems ha fornito un sistema in grado di convertire la potenza ad alta efficienza e caricare i dispositivi di accumulo di energia. L'unità è anche in grado di accettare segnali di controllo esterni dal sistema C-Power per soddisfare precise esigenze di conversione di potenza in tempo reale.
"La capacità di convertire un profilo di potenza molto sgradevole in una soluzione pratica ed economicamente vantaggiosa, e quindi di condizionare quella potenza e trasformarla in energia utilizzabile per un'ampia gamma di carichi utili mobili e statici, è davvero all'avanguardia", ha affermato C Power CEO Reenst Lesemann. "Non c'è nessun altro che sia ancora stato in grado di farlo."
Il design di potenza scalabile di SeaRAY utilizza convertitori bus a rapporto fisso Vicor BCM e moduli regolatori PRM con convertitori discreti multistadio complessi al fine di convertire in modo efficiente l'energia delle onde turbolente e imprevedibili e fornire potenza controllata. Ciò ha consentito a C-Power di aumentare l'efficienza di conversione del design SeaRAY da circa il 50% a un intervallo compreso tra l'85 e il 94%.
L'uso di convertitori DC-DC Vicor stabili e wide-input ha fornito a C-Power il controllo necessario, poiché SeaRAY converte la potenza pulsata delle onde oceaniche in un bus DC variabile pur continuando a produrre una corrente costante a vari livelli di potenza. Inoltre, le topologie di conversione di potenza utilizzate nei moduli Vicor aiutano a ridurre al minimo le interferenze elettromagnetiche e il rumore a bordo del SeaRAY che potrebbero altrimenti compromettere l'accuratezza della misurazione del sensore.
"Ci sono molte aziende che cercano di catturare e convertire l'energia delle onde, ma altro farlo in un fattore di forma piccolo e compatto e soddisfare comunque ciò di cui i clienti hanno bisogno dal punto di vista operativo e logistico", ha affermato Lesemann. "Ecco dove noi, con l'assistenza di Vicor, siamo stati in grado di guardare molto oltre rispetto a chiunque altro."
