Океанические волны — один из крупнейших и наиболее стабильных источников возобновляемой энергии на Земле. Несмотря на их потенциал, преобразовать движение волн в полезную электроэнергию оказалось непросто. Большинство существующих устройств для получения энергии из волн хорошо работают только при определенных волновых условиях, что ограничивает их эффективность в постоянно меняющейся среде открытого моря. Эта проблема побудила исследователей искать более гибкие и эффективные технологии.
Исследователь из Университета Осаки подробно изучил новый подход, известный как гироскопический преобразователь волновой энергии (ГПВЭ). Целью исследования было выяснить, может ли эта конструкция обеспечить крупномасштабную выработку электроэнергии. Результаты были опубликованы в этом месяце в Journal of Fluid Mechanics.
В отличие от традиционных систем, в волновой электростанции на энергии океана используется вращающийся маховик, расположенный внутри плавучей платформы. Когда конструкция движется вместе с волнами, вращающийся маховик преобразует это движение в электрическую энергию. Поскольку маховик работает как гироскоп, его поведение можно регулировать, чтобы эффективно улавливать энергию в широком диапазоне частот волн, а не ограничиваться узким диапазоном.
Как гироскопическая прецессия генерирует электричество?
Система работает за счет гироскопической прецессии, которая возникает, когда вращающийся объект реагирует на внешнюю силу. Когда волны заставляют плавучую платформу качаться (двигаться вверх и вниз), вращающийся маховик меняет свою ориентацию за счет прецессии (изменения направления вращения). Это движение соединено с генератором, что позволяет устройству вырабатывать электричество.
«Устройства, использующие энергию волн, часто не справляются со своей задачей из-за постоянно меняющихся условий в океане, — говорит Такахито Иида, автор исследования. — Однако гироскопическую систему можно настроить таким образом, чтобы она обеспечивала высокое поглощение энергии даже при изменении частоты волн».
Моделирование Максимальной Энергетической эффективности Волны
Чтобы лучше понять, как работает система, исследователь применил теорию линейных волн для моделирования взаимодействия между океанскими волнами, плавающей конструкцией и гироскопом. Проанализировав эту взаимосвязанную динамику, команда определила идеальные настройки для скорости вращения маховика и управления генератором. Анализ показал, что при правильной настройке система может достичь теоретической максимальной эффективности поглощения энергии в 50 % при любой частоте волн.
«Этот предел эффективности является фундаментальным ограничением в теории волновой энергии, — объясняет Иида. — Самое интересное, что теперь мы знаем, что его можно достичь в широком диапазоне частот, а не только при одном резонансном условии. »
Моделирование подтверждает эффективность в реальных условиях
Полученные результаты были дополнительно проверены с помощью численного моделирования как в частотной, так и во временной области. Дополнительное моделирование во временной области также учитывало нелинейное гироскопическое поведение для изучения возможных пределов эффективности. Эти результаты подтвердили, что устройство сохраняет высокую эффективность вблизи резонансной частоты, то есть работает лучше всего, когда его движение совпадает с естественным ритмом волн.
Исследование, в котором объясняется, как точно настроить рабочие параметры гироскопа, дает практические рекомендации по созданию более гибких и эффективных систем использования энергии волн. В то время как мир ищет надежные решения в области возобновляемых источников энергии для достижения климатических целей, подобные инновации могут помочь задействовать огромную, практически не используемую энергию, хранящуюся в океанах.