Získávání energie u mořského dna

Získávání energie z přírodních zdrojů je v současnosti velice aktuálním tématem. Obvykle si pod tímto pojmem představíme větrné elektrárny, fotovoltaiku či hydroelektrické stanice. To jsou standardní po stupy získávání elektrické energie ve velkém objemu. Nyní ale pro bí há vývoj také na druhém konci spektra, v němž jde o produkci výrazně menších jednotek elektřiny – například napájení senzorů díky vibracím, kterým jsou vystaveny v okolním prostředí, využití energie vln k napájení bójí nebo pomalých mořských proudů k dobíjení podvodních senzorů. Všechny zmíněné technologie jsou ze své podstaty složitými komplexními úlohami. Často se jedná o převod mechanického pohybu (lopatky větrných elektráren, pohyb mořských proudů či vibrace) na elektrickou energii. Charakter zařízení, které elektrickou energii v celém systému nakonec vytváří, může mít různou fyzikální povahu – elektromagnetickou, piezoelektrickou, elektrostatickou apod. Firma Veryst Engineering se již několik let zabývá vývojem v oblasti získávání elektrické energie z přírodních zdrojů a vymýšlí nové technologie pro řadu různých odvětví v tomto oboru. Při jejich vývoji využívá program COMSOL Multiphysics, který díky svému komplexnímu pojetí umožňuje modelovat všechny zmíněné složité multifyzikální procesy od počátečního návrhu konceptu až po optimalizaci designu jednotlivých součástí i funkčnosti celého systému v samém závěru vývoje. COMSOL Multiphysics je simulační software, který řeší fyzikální úlohy popsané parciálními diferenciálními rovnicemi pomocí metody konečných prvků. Specializované nadstavbové moduly jsou určeny k modelování úloh z různých profesních oborů a oblastí. Existuje řada specializovaných modulů, které umožňují řešit úlohy z oblasti elektromagnetismu, strukturální mechaniky, akustiky, proudění tekutin, přestupu tepla, kinetiky i dynamiky chemických reakcí atd. Jednotlivé fyzikální aplikace lze v rámci jednoho modelu libovolně provázat. K modelování proudění je určený specializovaný modul „CFD Module“. Modul umožňuje modelovat jak stlačitelné, tak nestlačitelné proudění, proudění více fází či proudění v porézním prostředí. Samozřejmostí je také přítomnost turbulentních modelů a předdefinovaných multifyzikálních aplikací, jako je například interakce tekutiny s konstrukcí (FSI), neizotermální proudění či rozhraní pro řešení rotačních strojů. ENERGIE Z OCEÁNSKÝCH PROUDŮ Jedním z projektů firmy Veryst Engineering je získávání energie z pomalých oceánských proudů. Tato energie je určena k napájení podmořských senzorů, které nacházejí využití v námořní dopravě, při monitorování životního prostředí, předpovídání zemětřesení a vln tsunami či při ropných průzkumech. V současné době jsou senzory napájeny bateriemi. Přestože baterie samy o sobě nejsou drahé, jejich dobíjení či výměna jsou velice nákladnou záležitostí. Z tohoto důvodu byla firma Veryst Engineering požádána, aby vypracovala návrh technologie, která by byla schopná zužitkovat energii pomalých oceánských proudů k dobíjení těchto baterií. Koncept zobrazený na obrázku č. 1 představuje postup, kterým se ustálené proudění převádí na proud střídavých vírů. Tyto víry jsou dále přiváděny k zařízení, které vytvořený pohyb převádí na elektrickou energii. Vhodné těleso je umístěno na dno oceánu do ustáleného, pomalého proudu. Geometrie tělesa je zvolena tak, aby za sebou vytvářelo proudění vznikajících střídavých vírů – tzv. von Karmanovu stezku. Následuje lopatka, která je umístěna za tímto tělesem po proudu a je upevněna na náběžné hraně. Vzniklé víry mají za následek pohyb této lopatky, která je připevněna k elektromagnetickému generátoru. Design celého zařízení je velice jednoduchý a využívá standardní komponenty. Firma dále vypracovala alternativní návrh technologie, která energii získává pouze z oscilujících sil působících na těleso vytvářející víry. SPOLEHLIVÝ MODEL Celá výše představená technologie je náročná především z toho důvodu, že se jedná o získávání pouze malých jednotek energie. Při posuzování její proveditelnosti tedy hraje významnou roli každý získaný watt. Odvozené empirické rovnice nejsou vhodné pro validaci navrženého řešení, neboť neposkytují dostatečnou přesnost odhadu. Metoda pokusu a omylu pomocí vytváření a testování jednotlivých prototypů také není příliš reálná, a to především z důvodu nepřeberného množství možných geometrických nastavení systému. Proto firma Veryst Engineering hledala spolehlivý nástroj pro vytváření multifyzikálních modelů, ve kterých by mohla studovat vzájemné vztahy mezi rychlostí proudění mořské vody, geometrií tělesa umístěného v proudu, geometrií lopatky a také jejím umístěním. Program COMSOL Multiphysics na inženýry zapůsobil především širokou nabídkou nadstavbových fyzikálních modulů. Velikou výhodou je možnost jejich libovolného provázání při vytváření složitých modelů. Do budoucna tak umožňuje i zahrnutí dalších jevů a procesů, jako například simulace elektromagnetických polí či větší důraz na mechanické procesy v zařízení. V prvním kroku inženýři provedli validaci vytvořeného modelu bez přítomnosti pohyblivé lopatky. Výsledné proudění vznikajících vírů se shodovalo s předpovědí von Karmanovy stezky jak ve frekvenci, tak i v amplitudě oscilací. V druhém kroku model doplnili o geometrii lopatky. Tu uvažovali jako tuhé těleso s jedním stupněm volnosti, jímž bylo otáčení kolem její náběžné hrany. Kinematické a dynamické vztahy popisující rotační pohyb byly do COMSOLu jednoduše zadány přímo ve formě odvozených rovnic. Jednoduché zadávání jak parciálních, tak i obyčejných diferenciálních rovnic do COMSOLu přímo přes GUI je unikátní vlastností tohoto programu, která výrazně zjednodušuje celý proces modelování. Dále bylo do modelu přidáno rozhraní pro deformovanou síť, které zajišťuje přesíťovávání celé oblasti během pohybu lopatky. OPTIMALIZACE NÁVRHU Provedené simulace poskytly okamžitý odhad množství energie, kterou lze dále využít pro napájení senzorů. Výrazně také usnadnily a urychlily vývoj geometrie celého zařízení. Na obrázku 2 vidíme příklad jednoho nastavení, kdy je lopatka umístěna do vířícího proudu. Na obrázku 3 je graf vlivu vzdálenosti mezi lopatkou a pevným tělesem na velikost maximálního otočení lopatky, což je jeden z parametrů, který určuje množství využitelné energie. Tento typ parametrického sweepu (změna určitého parametru během výpočtu) lze v COMSOLu velice snadno zkonstruovat. Z grafu je jasně vidět, že existuje optimální rozsah vzdálenosti lopatky od pevného tělesa. Pokud je lopatka moc blízko k pevnému tělesu, pak dochází k nedostatečnému využití vznikajících vírů, a pokud je naopak příliš daleko, tak se účinek vírů viditelně snižuje. Zuzana Záhorová