Naukowcy z Uniwersytetu Rovira i Virgili w Tarragonie opracowali innowacyjny system, który pozwala na pozyskiwanie energii z wibracji wywołanych ruchem wody. Wynalazek, zaprojektowany przez Francisco Huera, badacza z Wydziału Inżynierii Mechanicznej, wykorzystuje energię turbulencji powstających za cylindrem umieszczonym w strumieniu wody. Rozwiązanie to może zrewolucjonizować sposób pozyskiwania energii z wód, oferując prostszą i bardziej przystępną alternatywę dla tradycyjnych turbin.
Zasada działania systemu
Serce urządzenia to prosty, zanurzony cylinder zawieszony na osi, która porusza się jak wahadło pod wpływem wibracji wywołanych strumieniem wody. Unikalność systemu polega na tym, że sam cylinder pozostaje pod wodą, podczas gdy reszta mechanizmu – wał napędowy, przekładnie i generator – może być umieszczona na powierzchni. Takie rozwiązanie ułatwia konserwację i redukuje ryzyko uszkodzeń spowodowanych korozją lub osadzaniem się organizmów morskich. Wyniki badań zespołu Huery zostały opublikowane w renomowanym czasopiśmie Journal of Fluids and Structures.
Turbiny a urządzenia wibracyjne – porównanie efektywności
Obecnie najbardziej efektywnym sposobem pozyskiwania energii z prądów oceanicznych są turbiny osiowe i poprzeczne, działające na podobnej zasadzie co turbiny wiatrowe. Te urządzenia, teoretycznie, mogą osiągać sprawność ponad 50%, jednak w praktyce efektywność ta spada do 25–35% energii zawartej w strumieniu wody. Problemem jest również skomplikowana konstrukcja turbin, zawierająca liczne ruchome elementy zanurzone w wodzie, co wiąże się z kosztowną konserwacją. Co więcej, na szeroką skalę nie istnieją jeszcze podwodne farmy turbin, a ich rozwój pozostaje na etapie prototypów i prób w warunkach laboratoryjnych.
System opracowany przez Huera i jego zespół reprezentuje zupełnie inne podejście – zamiast wirnika z łopatami, wykorzystuje cylinder, który generuje wibracje. Badania przeprowadzone w kanale wodnym wykorzystały model cylindra podłączonego do wału obrotowego, opartego na łożyskach powietrznych. Za pomocą czujnika mierzono kąt oscylacji, a hamulec elektromagnetyczny umożliwiał analizę dostępnej mocy mechanicznej podczas wibracji.
Wyniki testów i sprawność
Przeprowadzone testy wykazały współczynniki mocy na poziomie około 15%, co jest zbliżone do wyników uzyskiwanych w poprzednich badaniach nad urządzeniami do pozyskiwania energii wykorzystującymi wibracje cylindrów. "Tego typu urządzenia zazwyczaj osiągają efektywność w zakresie 15–17%, czyli około połowy tego, co może dostarczyć dobrze zaprojektowana turbina. Należy jednak pamiętać, że zajmują one mniej miejsca i są znacznie prostsze – to w zasadzie tylko cylinder zawieszony na osi" – wyjaśnia Francisco Huera. Kluczową zaletą rozwiązania jest również możliwość umieszczenia złożonych elementów mechanicznych, takich jak generatory, przekładnie i systemy sterowania, na platformie pływającej, co znacząco upraszcza serwisowanie i obniża koszty.
Potencjalne zastosowania i dalsze badania
Dzięki swojej prostocie, system ten otwiera drogę do zastosowań w środowiskach, w których instalacja i konserwacja konwencjonalnych turbin są trudne lub kosztowne. Głównym celem jest wykorzystanie go do pozyskiwania energii z prądów pływowych, gdzie ruch wody jest ciągły. Jednakże zasada działania urządzenia może być również wykorzystana w rzekach o wystarczającym przepływie i odpowiednim przekroju, bez konieczności budowy zapór i kanałów. Istnieje również teoretyczna możliwość wykorzystania go do pozyskiwania energii z wiatru.
Badania te stanowią część szerszego projektu dotyczącego wibracji wywołanych ruchem płynów. Tradycyjnie wibracje te postrzegano jako problematyczne w przypadku dużych struktur morskich, takich jak rurociągi łączące platformy wiertnicze z dnem morskim, gdyż powodują zmęczenie materiału i mogą zagrażać integralności konstrukcji. Francisco Huera wcześniej zajmował się projektowaniem systemów zapobiegających tym wibracjom i posiada nawet europejski patent w tym zakresie. Obecnie to samo zjawisko jest wykorzystywane jako potencjalne źródło energii. Opublikowane badanie szczegółowo opisuje zachowanie wahadła w kanale wodnym i określa dostępną moc mechaniczną na wał, jednak nie zagłębia się w projektowanie kompletnego generatora ani w analizę ekonomiczną.
"Opisaliśmy system teoretycznie i przeprowadziliśmy badania laboratoryjne, aby udowodnić, że działa, ale nie stworzyliśmy dużych prototypów ani nie przeprowadziliśmy analiz kosztów" – ostrzega autor. Kolejnym krokiem będzie optymalizacja sposobu pozyskiwania energii z systemu, na przykład poprzez dostosowanie momentu hamowania w zależności od pozycji lub obciążenia hydrodynamicznego. Konieczne jest także zbadanie, w jakim stopniu można rozszerzyć zakres prędkości użytkowych oraz jak zapewnić współdziałanie wielu urządzeń w celu zwiększenia ilości energii pozyskiwanej z jednostki powierzchni. Perspektywy rozwoju tego rozwiązania są obiecujące i mogą przyczynić się do powstania bardziej zrównoważonych i ekologicznych metod pozyskiwania energii z wód.