Alternativní zdroj energie pro volné mořské bóje

Abstract

Táto diplomová práca sa zaoberá návrhom a realizáciou nízkofrekvenčného elektromagnetického generátora elektrickej energie určeného pre voľne plávajúce morské bóje. Navrhnutý generátor využíva rezonančný mechanizmus naladený na vlastnú frekvenciu 1,5 Hz, vhodnú pre budenie morskými vlnami, použitím vnútorného ozubeného prevodu. Návrh magnetickej časti generátora je vykonaný na základe simulácií v programe FEMM, na ktorý nadväzuje optimalizácia geometrických parametrov cievky pomocou optimalizačného algoritmu SOMA, z hľadiska maximalizácie výstupného výkonu. Generátor bol vyrobený a experimentálne overený najskôr v laboratórnych podmienkach pomocou robotického ramena, kde dosiahol výstupné napätie pri sériovom zapojení troch cievok 15 V. Priemerný výkon jednej cievky generátora dosiahol hodnotu 3,2 mW, s maximom 30,8 mW. Následne bol generátor integrovaný do bóje WAVY a otestovaný v reálnych podmienkach na mori. Napriek rozdielom v naladení vlastných frekvencií generátora a bóje, a obmedzeniam zo strany výkonovej elektroniky, bol dosiahnutý priemerný výkon 0,21 mW, čím sa preukázala vhodnosť použitia navrhnutého mechanizmu vo voľných morských bójach. V závere je analyzovaná vhodnosť použitia rôznych bezdrôtových technológií pre prenos dát z bóje, pričom technológia LoRa sa ukázala byť z hľadiska spotreby energie tou najlepšou voľbou. Zároveň bolo ukázané, že pri správnej konfigurácii bóje s vhodnou výkonovou elektronikou by bolo možné zabezpečiť odosielanie dát v pravidelných intervaloch. Výsledky potvrdzujú potenciál navrhnutého generátora pre zabezpečenie autonómneho chodu voľných morských bójí určených k monitorovaniu morského prostredia, a naznačujú možnosť ďalšieho zvyšovania výkonu v budúcich verziách návrhu.This thesis presents the design and implementation of a low-frequency electromagnetic energy harvester designed for drifting ocean buoys. The proposed generator uses a resonant mechanism tuned to its natural frequency of 1.5 Hz, suitable for excitation by ocean waves, utilizing an internal gearing system. The magnetic design of the generator was based on simulations performed in FEMM, followed by optimization of the coil’s geometry using the SOMA optimization algorithm, with the aim of maximizing power output. The generator was first fabricated and experimentally verified under laboratory conditions using an industrial robotic arm. In the series connection of three coils, the generator achieved output voltages of up to 15 V. The average output power of a single coil reached 3.2 mW, with peak values up to 30.8 mW. Afterwards, the generator was integrated into a WAVY buoy and tested under real sea conditions. Despite differences between the buoy’s and the generator’s natural frequencies and limitations caused by the buoy’s power electronics, the generator still achieved an average output power of 0.21 mW, demonstrating the suitability of the proposed concept for use in sea drifters. The final section of the thesis evaluates various wireless communication technologies for data transmission from the buoy. Among these, LoRa was identified as the most energy-efficient option. The analysis also showed that, with appropriate configuration of the buoy and power electronics, regular data transmission intervals could be sustained. The results confirm the potential of the proposed generator to support the autonomous operation of drifting ocean buoys for scientific purposes and suggest possibilities for further performance improvements in future design iterations.