Śruby kulowe NSK wspomagają innowacyjne wytwarzanie energii w elektrowni falowej
Ocean HarvestingEnergia fal to największe niewykorzystane źródło energii odnawialnej na Ziemi. Pozyskiwanie energii dostarczanej przez ruch fal morskich pomoże wytwarzać energię elektryczną dla przyszłych pokoleń. Szwedzki start-up Ocean Harvesting opracował przełomową technologię przechwytywania energii fal, która odblokuje ten cenny zasób. Innowacyjny system będzie wykorzystywał wytrzymałe śruby kulowe NSK do konwersji wytwarzanego przez fale morskie ruchu liniowego góra/dół na ruch obrotowy napędzający generator.
Jeśli globalny cel redukcji emisji gazów cieplarnianych (zwłaszcza CO2) ma się urzeczywistnić, gospodarka światowa musi opracować nowe, zrównoważone źródła pozyskiwania energii.
Generowanie energii elektrycznej przy wykorzystaniu ruchu fal morskich
Energetyka wodna znajduje się obecnie w centrum uwagi. Na przykład w Norwegii elektrownie wodne wytwarzają ok. 95% całej energii elektrycznej, podczas gdy w Szwajcarii wartość ta wynosi 56%. Jednak te elektrownie turbinowe znajdują się w regionach górskich. Oceany, które pokrywają dwie trzecie powierzchni Ziemi, nadal w dużej mierze stanowią niewykorzystane, globalne źródło energii (wyjątek stanowi kilka elektrowni pływowych w ujściach rzek).
Ta sytuacja ma się zmienić dzięki rozwiązaniu Ocean Harvesting. Firma opracowała konwerter energii fal (WEC) o nazwie InfinityWEC, który pozyskuje energię z ruchu fal oceanicznych (fot. 1).
Innowacyjna podstawa działania
Podstawowa zasada funkcjonowania konwertera WEC jest innowacyjna i wiarygodna. Fale oceaniczne powodują, że przymocowane do dna morskiego boje unoszą się i opadają, a ruch ten jest przechwytywany przez hydrauliczny system sprężyn dociskowych (siłownik hydrauliczny połączony z dużą objętością gazu) i dwie wytrzymałe śruby kulowe NSK. Nakrętki śrub kulowych łączą się bezpośrednio z cylindrem siłownika, przekształcając w ten sposób ruch liniowy góra/ dół na ruch obrotowy wrzeciona śruby kulowej, który działa bezpośrednio na generator, wytwarzając energię elektryczną (fot. 2).
Sprężyny cylindra zapewniają prawie stałą siłę (1 MN) naciągającą boję, podczas gdy dwie śruby kulowe, w połączeniu z generatorami, dostarczają dwukierunkową siłę o wartości do ±1 MN. W sumie przystawka odbioru mocy w każdym konwerterze WEC zapewnia natychmiast kontrolowaną siłę w zakresie od 0 do 2 MN. W ten sposób można osiągnąć dużą gęstość mocy, zapewniając odpowiednio wysoką wydajność energetyczną. W praktyce wiele konwerterów energii fal jest instalowanych razem, tworząc tzw. «park» (fot 3).
Kluczowe funkcje śrub kulowych
Zanim ta elegancka i zrównoważona koncepcja mogła zostać wdrożona w praktyce trzeba było opracować wiele szczegółowych rozwiązań. Na przykład w celu efektywnego wytwarzania energii niezbędne było zagwarantowanie optymalnego ustawienia korpusu boi dla każdej pojedynczej fali (tzw. kontrola fazy). W następnym etapie system pobiera energię, przykładając siłę wygenerowaną przez śrubę kulową w kierunku przeciwnym do ruchu (tzw. tłumienie).
Mikael Sidenmark, dyrektor generalny Ocean Harvesting Technologies AB, wyjaśnia ten proces: – Zanim fala się podniesie, boja musi znajdować się w idealnej pozycji – tutaj śruby kulowe odgrywają kluczową rolę, zapewniając odpowiednią siłę na etapie kontroli fazy i są wspomagane przez wstępnie napięty system sprężyn (tj. zmagazynowaną energię kinetyczną). Wywierane tłumienie jest zgodne z obliczoną krzywą siły w celu zmaksymalizowania mocy wyjściowej.
Niezbędne jest również zagwarantowanie ruchu powrotnego nakrętki śruby kulowej w dół, co jest zadaniem realizowanym przez siłownik hydrauliczny. Przechowuje on część energii wytworzonej dzięki sile wyporu i uwalnia ją do śruby kulowej, gdy ta porusza się w dół.
Trwała i niezawodna technika napędowa – inteligentna elektronika
Wiele wysiłku włożono w opracowanie algorytmu, który oblicza idealną pozycję boi dla każdego suwu konwertera WEC oraz w zapewnienie tego ruchu poprzez kontrolowanie siły śruby kulowej.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Kolejną innowacją jest dwustopniowy system amortyzacji. Na wzburzonym morzu system ten delikatnie blokuje ruch boi w górę. Mikael Sidenmark objaśnia uzyskane w ten sposób korzyści: – W warunkach sztormowych boja zanurza się w grzbietach dużych fal i powraca, aby wytwarzać energię, gdy tylko ponownie się wynurzy. Konwerter WEC nigdy nie wyłącza się w tzw. trybie przetrwania – w przeciwieństwie do wielu innych urządzeń, w przypadku których produkcja energii jest przerywana przez długi czas.
Wybór odpowiedniego napędu: zębatka, wciągarka czy śruba kulowa?
Zapewnienie realizacji powyższych funkcji wymagało również dużej staranności przy wyborze układu napędowego w przystawce odbioru mocy, zwłaszcza że stale pracuje on w niesprzyjających warunkach środowiskowych (szczelny kadłub pod wodą, fot. 4) i wymaga wyciągnięcia z wody w celu przeprowadzenia konserwacji.
– Pierwotnie w naszym systemie używaliśmy napędów wciągarek, a później napędów zębatkowych. Przekonaliśmy się jednak, że śruby kulowe o dużej wytrzymałości zapewniają idealną kombinację siły, wysokiej prędkości, dużego skoku, wysokiej wydajności i optymalnego współczynnika konwersji ruchu liniowego na ruch obrotowy przy stosunkowo niskich kosztach – stwierdza Mikael Sidenmark.
Bardzo długa żywotność śrub kulowych z serii NSK HTF (fot. 5) przeznaczonych do ciężkich obciążeń ostatecznie zdecydowała o wyborze firmy NSK jako dostawcy i partnera w zakresie rozwoju. – Oczekuje się, że śruby kulowe wykonają 100 milionów cykli obciążenia w ciągu 20 lat – to bardzo wymagające zadanie. Dobry poziom dostępnego wsparcia jest kolejnym powodem nawiązania współpracy z NSK – dodaje Sidenmark.
Rozwiązanie do wymagających zastosowań
Rozwój wysokowydajnych śrub kulowych serii HTF był pierwotnie związany z zastosowaniami w wytrzymałych obrabiarkach, takich jak prasy i inne maszyny formujące, a także wtryskarki z napędami elektrycznymi, które zastąpiły wersje hydrauliczne. Dzięki swojej zdolności do przenoszenia bardzo ciężkich obciążeń przy jednoczesnym osiąganiu wyjątkowo długiej żywotności, śruby kulowe serii HTF nadają się również do innych zastosowań infrastrukturalnych, takich jak elementy tłumiące w innowacyjnych systemach, które pomagają chronić wysokie budynki przed skutkami trzęsień ziemi.
Od modelu w skali do prototypu 1:1
Ocean Harvesting prowadzi obecnie testy z prototypem «InfinityWEC» w skali 1:10 i planuje próby morskie z prototypem w skali 1:3, które mają się odbyć w 2023 r. Następnie zostanie sprawdzony pierwszy pełnowymiarowy "konwerter energii fal" w celu udowodnienia jego żywotności.
W międzyczasie firma NSK będzie zajmować się pracami rozwojowymi, projektowaniem i produkcją wytrzymałych śrub kulowych HTF w rozmiarze wymaganym przez Ocean Harvesting.
Założyciele Ocean Harvesting zidentyfikowali już partnerów do współpracy przy pierwszych zastosowaniach rozwiązania WEC. Na przykład firma wydobywcza ocenia możliwość zaopatrzenia swoich platform naftowych i gazowych w energię elektryczną uzyskiwaną za pomocą konwerterów energii fal firmy Ocean Harvesting. Pozyskiwanie energii z fal może być realizowane w skali globalnej, choć obecnie jest to największe niewykorzystane źródło energii odnawialnej. Z pewnością istnieje rynek dla rozwiązań InfinityWEC, a dzięki serii śrub kulowych HTF NSK firma Ocean Harvesting znalazła odpowiednie rozwiązanie do tego wymagającego zastosowania.
Źródło: NSK
