Японские исследователи из Университета Осаки достигли значительного прогресса в сфере альтернативных источников энергии, разработав систему, использующую гироскопы для эффективного преобразования энергии океанских волн. Созданный ими гироскопический преобразователь волновой энергии (GWEC) превосходит по эффективности традиционные решения, поскольку обеспечивает стабильную работу при различных частотах волн.
В целях снижения зависимости от ископаемого топлива человечество активно развивает возобновляемые источники энергии. При этом ветро- и солнечная генерация характеризуются непостоянством и зависят от времени суток и метеорологических условий. Волновая энергия, в свою очередь, представляет собой потенциально стабильный или, как минимум, достаточно предсказуемый источник, благодаря имеющимся данным о приливах. Несмотря на это, извлечение ощутимых объемов энергии из этого ресурса до настоящего времени остается сложной задачей. Основное препятствие для традиционных волновых преобразователей (WEC) – их ограниченный диапазон эффективности: они работают оптимально лишь при конкретных волновых условиях, которые не всегда наблюдаются в океане.
Японские ученые из Осакского университета разработали новую технологию – гироскопический волновой преобразователь. В центре этого устройства находится вращающийся маховик, встроенный в плавучую конструкцию, благодаря чему обеспечивается сложное движение. Важную роль в процессе генерации энергии играет гироскопическая прецессия – физическое явление, возникающее при воздействии внешней силы на вращающийся предмет. В отличие от обычных волновых энергетических преобразователей (WEC), которые теряют эффективность при изменении волновых условий, гироскопический волновой преобразователь (GWEC) использует прецессию маховика для компенсации этих изменений, корректируя направление его вращения. Это обеспечивает стабильно высокий уровень поглощения энергии даже при колебаниях частоты волн. Вращение маховика напрямую передается генератору, который преобразует его в электрическую энергию.
Чтобы добиться наилучших результатов, исследователи использовали линейную теорию волн для имитации взаимодействия между океанскими волнами, плавучей конструкцией и гироскопом. В процессе моделирования были установлены оптимальные параметры управления для маховика и генератора. Полученные данные свидетельствуют о том, что при корректной настройке GWEC может демонстрировать максимальную эффективность поглощения энергии (η), достигающую 0,5, вне зависимости от частоты. По словам исследователя Такахито Иида, ключевое значение имеет возможность достижения такого высокого КПД в широком диапазоне частот, а не только при резонансе.
Численные расчеты, выполненные в частотной и временной областях, подтвердили теоретические выкладки. Исследователи установили, что GWEC демонстрирует высокую эффективность вблизи своей резонансной частоты, что указывает на его оптимальную работу при соответствии с естественными колебаниями океана. Благодаря возможности настройки параметров гироскопической системы для достижения максимальной отдачи, ученые полагают, что их разработка станет ключевым элементом в создании волновых преобразователей нового поколения, открывая возможность для использования значительного невостребованного энергетического потенциала Мирового океана.
Результаты исследования в журнале Journal of Fluid Mechanics.