на главную

ШВП NSK применяются для инновационного производства энергии на волновой электростанции

06/12/2021 13:38

Волновая энергия — это крупнейший неосвоенный источник возобновляемой энергии на планете. Использование энергии, вырабатываемой движением морских волн, позволит получать электричество будущим поколениям. Шведский стартап Ocean Harvesting разработал революционную технологию волновой энергетики, способную высвободить этот ресурс. В инновационной системе будут применяться высокопрочные шарико-винтовые пары NSK для преобразования линейного перемещения вверх и вниз при волнении моря во вращательное движение привода генератора.

Чтобы достичь глобальной цели сокращения выбросов парниковых газов (особенно CO2), мир должен создать новые экологичные источники энергии.

Производство электричества за счет движения волн Гидроэлектроэнергетика уже находится в центре внимания. Так, в Норвегии гидроэлектростанции вырабатывают почти 95% всей электроэнергии, а в Швейцарии их доля составляет 56%. Однако эти турбинные электростанции расположены в горных районах. В то время как океаны, покрывающие две трети земной поверхности, — это по большей части еще не освоенный глобальный источник энергии. Исключением являются только несколько приливных электростанций в дельтах рек.

Но эта ситуация может вскоре измениться, если Ocean Harvesting удастся осуществить задуманное. Компания разработала преобразователь энергии волн (WEC) под названием InfinityWEC, который может извлекать энергию из движения морских волн (рис. 1).

Рис.1 Система WEC компании Ocean Harvesting может вырабатывать энергию из морских волн экологично и без выбросов CO2 Фото: Ocean Harvesting

Инновационный базовый принцип Базовый принцип работы отличается инновационностью. Прикрепленные ко дну буи поднимаются и опускаются под воздействием волнения океана. Их движение передается на гидравлическую пружинную систему с постоянной жесткостью (гидравлический цилиндр, соединенный с большой газовой емкостью) и две высокопрочные шарико-винтовые пары NSK. Гайки ШВП соединяются непосредственно с цилиндром, преобразуя линейное движение вверх и вниз во вращательное движение шпинделя ШВП, которое напрямую приводит в движение генератор электроэнергии (рис. 2).

Рис.2. Две ШВП NSK и гидравлический цилиндр с пружинным аккумулятором преобразуют движение буя вверх и вниз во вращательное движение привода генератора Фото: Ocean Harvesting

Цилиндр обеспечивает почти постоянное усилие пружины величиной 1 МН, действующее на буй, тогда как две шарико-винтовые пары вместе с генераторами выдают двунаправленное усилие до ±1 МН. В совокупности механизм отбора мощности каждого WEC передает мгновенно регулируемое усилие величиной 0-2 МН. Таким образом можно получить высокую удельную мощность, соответственно обеспечивая высокую выработку энергии. На практике несколько преобразователей энергии волн устанавливают вместе для формирования поля (рис. 3).

Рис.3. Как и морские ветровые электростанции, волновые энергетические установки размещаются в виде полей, но располагаются группами по 12 преобразователей, соединенных силовыми кабелями для передачи энергии в центральный узел. Несколько таких групп объединяются в поле необходимого размера Фото: Ocean Harvesting

ШВП двойного назначения: производство энергии и амортизация Чтобы воплотить эту оригинальную идею в жизнь, понадобилось разработать множество вспомогательных технических решений. Например, необходимо обеспечить оптимальное подстраивание корпуса буя под каждую отдельную волну (так называемая фазовая подстройка), так как это крайне важно для эффективной выработки энергии. После этого система извлекает энергию, прикладывая усилие шарико-винтовой пары в направлении, противоположном движению; так происходит амортизация.

Микаэль Сиденмарк, генеральный директор Ocean Harvesting Technologies AB, объясняет: «Перед подъемом волны буй должен находиться в идеальном положении, и ШВП играет в этом важную роль, так как передает усилие фазовой подстройки с помощью предварительно нагруженной пружинной системы, то есть за счет аккумулированной кинетической энергии. Последующая амортизация происходит в соответствии с рассчитанным графиком силы для получения максимальной выходной мощности».

Также необходимо обеспечивать возвратное движение гайки ШВП вниз. Эту задачу решает гидравлический цилиндр. Цилиндр сохраняет часть выработанной выталкивающей силой жидкости энергии и передает ее на винтовую пару при движении вниз.

Долговечная и надежная приводная система - умная электроника Много времени заняла разработка алгоритма расчета идеального положения буя для каждого хода WEC и его реализации путем управления усилием ШВП.

Еще одна инновация — это двухступенчатая система концевого демпфирования. В неспокойном море эта система плавно останавливает движение буя вверх. Микаэль Сиденмарк разъясняет сопутствующие преимущества: «При сильном волнении буй удерживается погруженным в гребни высоких волн и возобновляет выработку энергии, как только возвращается на поверхность. Производство энергии никогда не прекращается «в режиме выживания», в отличие от многих других устройств WEC, в которых оно надолго останавливается».

Выбор привода: зубчатая рейка, лебедка или ШВП? Также пришлось долго подбирать приводную систему механизма отбора мощности с такими функциями, в частности, потому, что она постоянно работает в неблагоприятных условиях (герметично под водой, рис. 4) и требует извлечения из воды для проведения техобслуживания.

Рис.4. Механизм отбора мощности, в состав которого входят ШВП, гидравлические цилиндры и генератор, в герметичном охлаждаемом воздухом корпусе оранжевого цвета устанавливается под поверхностью моря Фото: Ocean Harvesting

Микаэль Сиденмарк рассказывает: «Изначально в системе мы применили лебедку, а позднее - реечный привод. Однако, как мы выяснили, высокопрочные шарико-винтовые пары обеспечивают наилучшее сочетание грузоподъемности, скорости, длинного хода, эффективности и высокого коэффициента преобразования из линейного движения во вращательное при относительно низкой стоимости».

Продолжительный срок службы высокопрочных ШВП серии HTF от NSK (рис. 5) в итоге стал решающим аргументом в пользу NSK как поставщика и партнера по реализации проекта. «Ожидаемый ресурс шарико-винтовых пар составляет 100 миллионов циклов нагрузки в течение 20 лет, и это не простая задача, - говорит Микаэль Сиденмарк. — Еще одна причина сотрудничества с NSK - это высокий уровень технической поддержки».

Рис.5. Высокопрочные ШВП серии HTF, изначально разработанные для станков, также помогают защищать здания и мосты от землетрясений Фото: NSK

Разработаны для высоких нагрузок Изначально высокопрочные ШВП серии HTF создавались для применения в станках высокой мощности (прессы и другие формовочные машины, а также литьевые машины с электрическим приводом вместо гидравлического). Благодаря способности выдерживать очень высокие нагрузки и исключительно продолжительному сроку службы ШВП серии HTF подходят для применения и в других объектах, например, в качестве амортизирующих элементов в инновационных системах, помогающих защищать высотные здания от землетрясений.

От уменьшенной модели к полномасштабному прототипу Сейчас Ocean Harvesting проводит тесты с моделью InfinityWEC, выполненной в масштабе 1:10, и планирует перейти к морским испытаниям на модели масштабом 1:3 в 2023 году. После этого свою эффективность будет доказывать первый полномасштабный преобразователь энергии волн. А в это время NSK будет проектировать и изготавливать высокопрочные шарико-винтовые пары HTF в размере, указанном Ocean Harvesting.

Ocean Harvesting уже выбрала партнеров для первого применения WEC. Например, нефтегазовая компания рассматривает возможность снабжения своих платформ электроэнергией, вырабатываемой преобразователями энергии волн от Ocean Harvesting. Волновая энергия может использоваться по всему миру и является крупнейшим неосвоенным источником возобновляемой энергии. Таким образом, рынок сбыта для InfinityWEC уже существует, и Ocean Harvesting считает, что ШВП серии HTF от NSK - самое подходящее решение для таких сложных условий эксплуатации.

Источник: ИИС «Металлоснабжение и сбыт»