Det finnes enorme mengder ren energi i havbølger, men teknologien har lenge slitt med å utnytte den effektivt. En ny studie beskriver hvordan et gyroskop som flyter på overflaten kan gi et betydelig løft i hvor mye strøm som faktisk kan hentes ut.
Studien er utført av Takahito Iida ved Institutt for skipsarkitektur og havteknikk ved Universitetet i Osaka i Japan. Arbeidet bygger på teoretisk modellering av en såkalt gyroskopisk bølgeenergikonverter, ofte omtalt som GWEC.
Prinsippet er at en flytende konstruksjon rommer et roterende svinghjul som er koblet til en generator. Når bølgene løfter og vrir den flytende enheten, påvirkes gyroskopet, og bevegelsen kan omdannes til elektrisitet. Et viktig poeng er at systemet i teorien kan produsere kraft selv når bølgene varierer i både styrke og retning.
Gyroskopbaserte løsninger har vært testet tidligere, men de har ofte hatt problemer med å nå praktisk nytte, blant annet fordi bølgemønstre endrer seg fra dag til dag. Den nye forskningen antyder at effektiviteten kan bli langt bedre dersom systemet utformes og styres mer optimalt.
– Bølgeenergienheter sliter ofte fordi forholdene i havet hele tiden endrer seg, sier Iida. – Et gyroskopisk system kan imidlertid kontrolleres på en måte som opprettholder høy energiabsorpsjon, selv når bølgefrekvensene varierer.
Det sentrale grepet i studien er å bruke lineær bølgeteori til å beregne samspillet mellom bølgene, gyroskopet og den flytende strukturen. Med dette som utgangspunkt har Iida beregnet hvilken konfigurasjon som gir best ytelse for en slik maskin.
Ved å finjustere rotasjonshastigheten til svinghjulet og motstanden i generatoren slik at de matcher bølgeforholdene, kan enheten i teorien nå en maksimal virkningsgrad på 50 prosent. Det betyr at opptil halvparten av energien i en bølge kan omdannes til elektrisitet.
– Denne effektivitetsgrensen er en grunnleggende begrensning i bølgeenergiteori, sier Iida. – Det som er spennende, er at vi nå vet at grensen kan nås over et bredt frekvensområde, ikke bare under én bestemt resonanstilstand.
Forklaringen handler om gyroskopets presesjon, altså hvordan ytre krefter påvirker et roterende objekt. Ifølge beregningene kan presesjonen justeres slik at systemet holder seg nær 50-prosentnivået, selv når bølgeforholdene endrer seg.
Studien omfatter ikke forsøk i full skala ute på havet, men forskeren har brukt datorsimuleringer for å kontrollere beregningene og teste et stort spenn av bølgefrekvenser og bølgelengder. Simuleringene samsvarte i hovedsak med matematikken, men forskerne understreker at bølger er komplekse og ikke alltid lar seg fange fullt ut med forenklede ligninger.
Da Iida modellerte mer ujevne og «skeive» bølger, som ligner mer på faktiske havforhold, sank effektiviteten i større bølger. Samtidig viste resultatene at systemet fortsatt kan hente ut en betydelig mengde energi under visse forhold.
En annen viktig begrensning er at beregningene i liten grad tar høyde for energikostnaden ved å faktisk drive gyroskopet i drift. Studien beskrives derfor som et første steg for å vurdere hvor realistisk denne typen bølgekraft kan være.
Likevel mener forskeren at funnene gir grunn til optimisme. Iida peker også på at andre, mer asymmetriske maskindesign i teorien kan ha potensial til å passere 50-prosentgrensen, selv om det foreløpig er usikkert.
Neste steg er planlagte tester som skal undersøke om fysikken som er beskrevet i teorien også holder i praksis. Dersom resultatene lar seg bekrefte, kan flytende gyroskoper på sikt bli et nytt bidrag i energimiksen av fornybare kilder.
– I fremtidig arbeid vil modelltester gjennomføres for å validere den foreslåtte teorien, skriver Iida i artikkelen. – I tillegg vil vi utforske optimale styringsstrategier som tar hensyn til årsakssammenhenger og ikke-lineære responser i systemet.
Forskningen er publisert i Journal of Fluid Mechanics.
