Při výrobě energie z mořských vln pomáhají kuličkové šrouby

Inovativní mechanismus bude používat výkonné kuličkové šrouby NSK k převodu lineárního pohybu nahoru a dolů, vyvolaného vlnobitím moře, na rotační pohyb, který pohání generátor. Má-li se globální cíl snížení emisí skleníkových plynů (zejména oxidu uhličitého) stát skutečností, musí svět vyvinout nové udržitelné zdroje energie.
Vodní elektrárny jsou v centru pozornosti, např. v Norsku vyrábějí přibližně 95 % veškeré elektrické energie, zatímco ve Švýcarsku je to 56 %. Elektrárny s vodními turbínami jsou však zpravidla v horských oblastech. Oceány, které pokrývají dvě třetiny zemského povrchu, jsou stále z velké části jako zdroj energie nevyužívané, jen s výjimkou několika přílivových elektráren u ústí řek.
Proto firma Ocean Harvesting hledá způsob, jak to změnit. Vyvinula konvertor energie vln (WEC – Wave Energy Converter) s názvem InfinityWEC, který dokáže získávat energii z pohybu vln oceánu (viz obr. 1).

Princip systému
Základní princip je inovativní a přitom jednoduchý. Vzdouvání oceánu způsobuje, že se bóje připevněné k mořskému dnu zvedají a klesají. Tento pohyb zachycuje hydraulický systém pružin s konstantní silou (hydraulický válec spojený s velkým objemem plynu) a dva kuličkové šrouby pro velké zatížení od NSK. Matice kuličkových šroubů se připojují přímo k pístní tyči válce a převádějí lineární pohyb nahoru a dolů na rotační pohyb vřetena kuličkového šroubu, které je připojeno ke generátoru a vyrábí elektrickou energii (obr. 3).
Síla hydraulické pružiny zajišťuje téměř konstantní tažnou sílu 1 MN (meganewton) na bóji, zatímco dva kuličkové šrouby v kombinaci s generátory dokážou vyvinout obousměrnou sílu až ±1 MN. Celkově je okamžitě regulovatelná síla využitelná pro výrobu energie v každém konvertoru WEC od 0 do 2 MN. Tímto způsobem lze dosáhnout velké hustoty výkonu a zajistit výrobu velkého množství elektrické energie. V praxi jsou jednotlivé konvertory energie vln instalovány společně a tvoří „park“ (obr. 4). 

Kuličkové šrouby s dvojí funkcí: generování elektřiny a tlumení
Než mohl být tento elegantní a udržitelný koncept výroby elektřiny uveden do praxe, muselo být vyřešeno mnoho konstrukčních detailů. Například je nezbytné zaručit optimální vyrovnání těla bóje pro každou jednotlivou mořskou vlnu, tzv. zavést fázové řízení, protože to je životně důležité pro efektivní výrobu energie. Systém poté odebírá energii působením síly kuličkového šroubu v opačném směru, než je pohyb bóje, a dochází k tlumení.
„Než se vlna zvedne, musí být bóje ideálně v rovné poloze. V tom hrají klíčovou roli kuličkové šrouby tím, že zajišťují fázovou řídicí sílu, jíž pomáhá předepjatý pružinový systém – využívá tedy dříve akumulovanou kinetickou energii. Tlumení, které šrouby vyvíjejí, sleduje vypočítanou křivku síly, aby se maximalizoval výkon generátoru,“ vysvětluje Mikael Sidenmark, generální ředitel společnosti Ocean Harvesting Technologies AB.
Je také nutné zaručit zpětný pohyb matice kuličkového šroubu směrem dolů. To je úkol hydraulického válce, který akumuluje část energie vytvořené vztlakovou silou a uvolňuje ji při pohybu kuličkového šroubu dolů.

Inteligentní elektronika
Velké úsilí při vývoji bylo vynaloženo na algoritmus, který vypočítává ideální polohu bóje pro každý zdvih konvertoru WEC a dosahuje jí regulací síly kuličkových šroubů.
Další novinkou je dvoustupňový systém koncového dorazu. Na rozbouřeném moři tento systém šetrně zastaví pohyb bóje směrem nahoru. Bóje je při silném vlnobití držena stále ponořená, aby byla chráněna před poryvy hřebenů velkých vln, ale vrací se k výrobě energie ihned, jakmile se znovu vynoří. Systém tedy nikdy není z důvodu nepříznivých podmínek odstaven, na rozdíl od mnoha jiných konvertorů WEC, kde bývá výroba elektřiny na dlouhou dobu přerušena.

Výběr pohonu? Kuličkový šroub!
Aby byly uvedené funkce spolehlivě zajištěny, vyžadoval velkou pečlivost také výběr systému pro převod energie, zejména proto, že trvale pracuje v nepříznivých podmínkách (utěsněný pod vodou, viz obr. 5), ale při každé údržbě se musí z vody vytáhnout.
„Původně jsme v systému používali lanový převod s navijákem a později hřeben s pastorkem. Zjistili jsme však, že kuličkové šrouby určené pro velká zatížení poskytují vynikající kombinaci přenosu síly, vysoké rychlosti, dlouhého zdvihu, vysoké účinnosti a velkého převodového poměru z lineárního na rotační pohyb, a to s relativně nízkou cenou,“ říká Mikael Sidenmark.
Velmi dlouhá životnost vysoce odolných kuličkových šroubů řady HTF od NSK nakonec naklonila misky vah ve prospěch NSK jako dodavatele a vývojového partnera. Jak vysvětluje Mikael Sidenmark: „Očekává se, že kuličkové šrouby v této úloze za 20 let činnosti vykonají 100 milionů cyklů zatížení – a to je pro ně velmi náročné. Dalším důvodem pro spolupráci s NSK je dobrá úroveň dostupné podpory.

Pro náročné aplikace s velkým zatížením
Vývoj kuličkových šroubů řady HTF pro velké zatížení byl původně zaměřen na použití u velkých strojů, jako jsou lisy a další tvářecí stroje a také vstřikovací lisy s elektrickým pohonem místo hydraulického.
Díky své schopnosti odolat velmi vysokému zatížení a zároveň dosahovat výjimečné životnosti je řada HTF vhodná i pro další úlohy, jako jsou tlumicí prvky v systémech, které pomáhají chránit výškové budovy před zemětřesením.

Od modelu k prototypu
Firma Ocean Harvesting v současné době testuje prototyp InfinityWEC v měřítku 1 : 10 a plánuje testy s prototypem v měřítku 1 : 3 na moři, které se uskuteční v roce 2023. Poté bude k dispozici první skutečný „konvertor energie vln“ v plné velikosti, který prokáže životaschopnost této koncepce. Mezitím se bude firma NSK věnovat vývojovým pracím, konstruování a návrhu technologie výroby kuličkových šroubů HTF pro velká zatížení ve velikosti požadované společností Ocean Harvesting.
Zakladatelé firmy Ocean Harvesting již určili kooperační partnery pro první projekty s WEC. Například ropná a plynárenská společnost vyhodnocuje možnost zásobovat své plošiny pro těžbu ropy a zemního plynu elektřinou vyráběnou právě pomocí konvertorů energie vln od Ocean Harvesting.
Energii vln lze využívat po celém světě a je považována za největší dosud nevyužitý zdroj obnovitelné energie. Trh pro InfinityWEC tedy existuje a s řadou HTF od NSK vybrala společnost Ocean Harvesting ty správné kuličkové šrouby pro tuto náročnou úlohu.

Agnieszka Nawrocka
Foto: Ocean Harvesting, NSK

Publikováno: 3. 6. 2022 | Počet zobrazení: 377 70