Σχεδιασμός και ανάλυση συστήματος απορρόφησης κυματικής ενέργειας

Abstract

Η παρούσα μελέτη αφορά τη σχεδίαση μηχανισμού, με την ονομασία «κυματικό βαρούλκο», ο οποίος βασίζεται στη δομή του ναυτικού βαρούλκου (βιντσιρέλο), αλλά είναι κατάλληλα τροποποιημένος ώστε να δεσμεύει την ενέργεια του κυματισμού σκαφών ή πλωτών σωμάτων γενικότερα. Το κυματικό βαρούλκο είναι σχεδιασμένο ώστε κατά τη λειτουργία του να περιορίζει την ταλάντωση του σκάφους, όσο αυτό είναι δεμένο ή αγκυροβολημένο, απορροφώντας ποσοστό της μηχανικής ενέργειας που μεταφέρουν τα κύματα στο σκάφος και μετατρέποντάς το σε ωφέλιμη ηλεκτρική ενέργεια. Έτσι προσφέρει αφενός φθηνή και καθαρή ενέργεια, αφετέρου μεγαλύτερη άνεση στους επιβάτες κατά την παραμονή τους στο σκάφος. Σε ένα σκάφος μπορούν να εγκαθίστανται ένας ή περισσότεροι μηχανισμοί. Με την εγκατάσταση τριών κυματικών βαρούλκων καθίσταται δυνατή η δέσμευση της ενέργειας της κίνησης του σκάφους σε όλους τους βαθμούς ελευθερίας του. Λειτουργεί είτε κατά την πρόσδεση του σκάφους σε λιμένα είτε κατά την αγκυροβόληση του σκάφους αρόδου. Είναι επίσης δυνατό να συνδεθούν μεταξύ τους διαφορετικά σκάφη σχηματίζοντας πλέγμα. Σε κάθε περίπτωση, για λόγους ασφάλειας, το σύστημα των κυματικών βαρούλκων πρέπει να χρησιμοποιείται παράλληλα με συμβατικούς τρόπους πρόσδεσης. Κυματικά βαρούλκα μπορούν να εγκαθίστανται είτε σε συμβατικά είτε σε υβριδικά/ηλεκτρικά σκάφη με σκοπό την παραγωγή ενέργειας ή την εξοικονόμηση καυσίμου αντίστοιχα. Το κόστος ενός κυματικού βαρούλκου αναμένεται στα 2000€ με 4000€ ανάλογα με το μέγεθος και την ονομαστική ισχύ. Το οικονομικό όφελος της επένδυσης εξαρτάται από το σενάριο χρήσης. Μεγαλύτερο όφελος προκύπτει αν το σύστημα εγκατασταθεί σε υβριδικό ή ηλεκτρικό σκάφος λόγω της εξοικονόμησης ή της υποκατάστασης του καυσίμου. Σε κάθε περίπτωση πρέπει να μην αγνοείται το μη χρηματικό όφελος της απόσβεσης της ταλάντωσης του σκάφους και της επίτευξης μεγαλύτερης άνεσης για τους επιβάτες. Το κυματικό βαρούλκο απορροφά κυματική ενέργεια χρησιμοποιώντας πλωτήρες των οποίων ο κύριος σκοπός χρήσης είναι διαφορετικός από την παραγωγή ενέργειας, όπως σκάφη και πλοία. Η συνδυασμένη αυτή χρήση μπορεί να καταστήσει δυνατή την εκμετάλλευση καθαρής ανανεώσιμης ενέργειας από τα θαλάσσια κύματα με οικονομικά αποδοτικό τρόπο και να διαδώσει την κυματική ενέργεια στο ευρύ καταναλωτικό κοινό.

Wave Winch is a wave energy absorber, based on the structure of the nautical winch, specially designed to damp the oscillations of a boat while it is moored and to transform the mechanical energy of the boat to electricity able to be stored in batteries. Thus the system provides both clean renewable energy and greater comfort to the passengers. Wave winch consists of a drum linked to the base of the mechanism through a revolute joint, a spring rewinder and a ratchet. The drum is connected through gears to a separate gear box which rotates the electric DC generator. The electric circuit consists of an electric diode connected in series to a charge regulator for batteries or alternatively to an inverter. The structural similarities between the wave winches and the conventional nautical winches lead to easy and cheap production from the industries and high functionality and robustness. It is possible to establish one or more wave winches on a single boat. Three of them are enough to absorb the energy from the movement of the boat in all its degrees of freedom. It can be used either when the ship is moored at port or offshore. It is also possible to connect boats between them in order to create a grid on the sea surface. For safety reasons the wave winch system should be used only when the boat is safely moored according to the conventional ways. Other way the system may not withstand the wave excitation forces. Wave winches can be used either in conventional or in hybrid / electric boats in order to produce electricity or reduce fuel consumption correspondingly. The cost of a wave winch is expected to be similar to the cost of a conventional nautical electric winch, which varies between 2000€ and 4000€ depending on the size and the nominal power. The financial outcome of the investment depends on the scenario of use. Greater profit is achieved when the system is used on hybrid or electric crafts due to the reduction in fuel consumption. In both cases should be added the non monetary value of the comfort achieved due to the damping of boat oscillations. Wave winches absorb wave energy using floaters whose main purpose is different than energy production, such as ships and boats. Combined use can make it possible to extract clean, renewable energy from ocean waves in an inexpensive way and promote wave energy harvesting to a wide range of people.