Японские ученые нашли способ эффективно добывать энергию из океанских волн с помощью гироскопов
Ученые из Университета Осаки в Японии совершили прорыв в области альтернативной энергетики, предложив использовать гироскопы для высокоэффективного сбора энергии океанских волн. Разработанный ими гироскопический волновой преобразователь энергии (GWEC) демонстрирует гораздо более высокую эффективность по сравнению с традиционными аналогами, так как способен стабильно работать в широком диапазоне волновых частот.
В глобальном стремлении отказаться от ископаемого топлива человечество освоило множество возобновляемых источников. Однако ветряная и солнечная генерация носят прерывистый характер и зависят от времени суток и погоды. Волновая энергия, напротив, может быть постоянным или, по крайней мере, высокопредсказуемым источником, учитывая наши знания о приливах. Тем не менее, до сих пор не удавалось извлекать значительные объемы энергии из этого ресурса. Главная проблема традиционных волновых преобразователей (WEC) заключается в их узком рабочем диапазоне: они эффективны лишь при определенных волновых условиях, которые в океане не являются постоянными.
Исследователи из Осакского университета предложили инновационное решение — гироскопический волновой преобразователь. В основе устройства лежит сложное движение вращающегося маховика, установленного внутри плавучей конструкции. Ключевую роль в генерации энергии играет гироскопическая прецессия — явление, возникающее при воздействии внешней силы на вращающийся объект. Если обычный WEC перестает вырабатывать энергию при изменении волновых условий, то в GWEC прецессия маховика компенсирует эти изменения, изменяя направление его вращения. Это позволяет устройству сохранять высокий уровень поглощения энергии даже при переменной частоте волн. Маховик напрямую соединен с генератором, который преобразует вращение в электричество.
Для достижения максимальной эффективности ученые применили линейную теорию волн, моделируя взаимодействие между океанскими волнами, плавучим корпусом и гироскопом. В ходе моделирования им удалось определить оптимальные параметры управления для маховика и генератора. Результаты показали, что при правильной настройке GWEC способен достигать максимальной эффективности поглощения энергии (𝜂), равной одной второй, причем на любых частотах. Как отмечает исследователь Такахито Иида, прорыв заключается именно в том, что столь высокий КПД теперь достижим в широкополосном диапазоне частот, а не только в условиях резонанса.
Проведенные численные симуляции в частотной и временной областях подтвердили теорию. Ученые выяснили, что GWEC сохраняет высокую производительность вблизи своей резонансной частоты, то есть наиболее эффективен при совпадении с естественными природными паттернами океана. Поскольку параметры гироскопической системы поддаются настройке для достижения максимальной производительности, исследователи уверены, что их разработка станет основой для создания эффективных волновых преобразователей нового поколения, которые, наконец, позволят человечеству задействовать огромный неиспользуемый энергетический потенциал Мирового океана.
Результаты исследования в журнале Journal of Fluid Mechanics.