Et nyudviklet magnetisk skruegear kan være en af de nye komponenter, der skal til for at forenkle og optimere bølgekraft markant. Gearet - som er udviklet af tre studerende fra Aalborg Universitet - kan på en enkel og effektiv måde overføre og omsætte kraften fra bølgekraftanlæggets flydere til strømproduktion i en generator.

Det magnetiske skruegear er baseret på et patent fra 1945, og ideen er, at magneter populært sagt erstatter gevindet på et såkaldt skruegear, så overførslen af den lodrette kraft fra bølgekraftværkets vippearm omsættes til den roterende aksel med minimal friktion. Den roterende aksel er forbundet med en generator med variabelt omdrejningstal og permanente magneter.

I den nye udgave har de studerende monteret stærke neodynium permanente magneter i selve rotoren og i translatoren, der er forbundet til vippearmen. Når translatoren kører frem og tilbage over akslen, bringer magnetismen den til at rotere, og på denne måde overføres relativt store kræfter mellem vippearm og aksel.

Enkelt design lover godt

Erhvervs-ph.d. og specialist i power-take-off hos bølgekraftvirksomheden Wave Star Rico Hjerm Hansen, som har været medvejleder på projektet, ser klare perspektiver i det nye system:

»I dag bruger vi relativt komplekse hydrauliksystemer med både pumper, motorer og ventiler til kraftoverførslen. Og selvom permanente magneter til skruegearet er meget dyrere, kan det enkle design på sigt godt konkurrere med det samlede hydrauliske system, vi bruger i dag,« siger han.

Han understreger dog, at der skal et par ekstra iterationer til af det magnetiske skruegear i større skala, før man er klar til at teste i bølger.

Samtidig udvikler det hydrauliske design sig også - som vi omtalte her på Ingeniøren online i forbindelse med en artikel om Aalborg Universitets nye bølgekraftsimulator til test af netop power-take-off systemer.

Effektivitet på 82 procent
De tre studerende - som netop er blevet civilingeniører med hver et 12-tal i karakter - startede med at bygge en lille opstilling som en slags proof-of-concept, og resultatet er lagt ud på Youtube:

Da resultatet var positivt, gik man videre med at bygge en demonstrationsmodel med en maks-belastning på 17 kN, med en udveksling eller stigning på 20 mm pr. omdrejning og en 2,3 kW generator. Den er også vist i drift på en video:

Civilingeniør Nick Ilsøe Berg forklarer, at man med demonstrationsmodellen har fået eftervist en effektivitet eller virkningsgrad på 82 procent af det magnetiske skruegear, hvilket er meget højt. Samt at virkningsgraden er uafhængig af belastningens størrelse, så længe omdrejningshastigheden er den samme.

Når bølgehøjden falder, og generatoren kommer ned i de lavere omdrejninger - og skifter omdrejningsretning - falder effektiviteten dog noget, men Nick Ilsøe Berg påpeger, at netop når bølgen 'vender', er der alligevel ikke meget energi at hente i bølgen.

»Vi regner med, at flere test vil gøre det muligt for os at finde de sidste tab, vi har, og dermed komme op på en virkningsgrad på 90-95 procent af skruegearet,« siger han.

For 300.000 kroner magneter

Nick Ilsøe Berg tilføjer, at hvis man overfører de 82 procent til en enkelt Wavestar-absorber med en diameter på fem meter ude i Nordsøen, så når den op på at producere 80.000 kWh. Med 20 flydere og indregnede skyggevirkninger vil det give en årlig produktion på 1,4 GWh eller nok til 350 husstandes elforbrug:

»De permanente magneter er dyre og vil til et enkelt skruegear nok løbe op i 300.000 kroner. Men hvis man sammenligner med for eksempel prisen på solcelle-anlæg, så mener jeg nok, at bølgekraften er på rette vej,« siger han.

Spørger man til den største ingeniørmæssige udfordring i projektet, har det ifølge Nick Ilsøe Berg været at designe et robust føringssystem - der både styrer lineært og roterende - til henholdsvis translatoren og den roterende aksel.

»Vi kunne ikke bruge en oliefilm på grund af de varierende hastigheder, så derfor har vi valgt at bruge en såkaldt 'tør' føringsløsning med grafit. Løsningen skal både være robust i forhold til det barske miljø i 20 år og over for de varierende belastninger,« siger han.

En anden udfordring har været at finde den optimale stigning på 'skruen'. Stigningen afgøres af bredden af de permanente magneter, forklarer vejleder Peter Omand Rasmussen.

»For eksempel betyder en for stor stigning, at generatoren kører langsomt og dermed skal være meget stor. Hvis du laver en for lille stigning, kan der ikke overføres den samme mængde kraft. Vi har optimeret ud fra 15 forskellige parametre og konkret efter at få så meget effekt pr. magnetmasse som muligt,« forklarer han.

De studerende designede i projektforløbet også en 500 kN demonstrationsmodel, som de håber at kunne finde penge til at føre ud i livet og derpå teste anlægget på universitetets simulator.