Studenci AGH skonstruowali energy harvester

Nowatorskie urządzenie do odzyskiwania energii ze sprężonego powietrza i jej przemiany na energię elektryczną zostało już opatentowane, przeszło z powodzeniem próby przemysłowe – i co najważniejsze – już na tym etapie cieszy się dużym zainteresowaniem ze strony przemysłu.

Idea stworzenia wynalazku zrodziła się w Kole Naukowym Hydrogenium. Z inspiracji prof. dr hab. inż. Janiny Molendy z Wydziału Energetyki i Paliw, opiekuna koła, 11 studentów pod przewodnictwem prof. dr. hab. inż. Jacka Leszczyńskiego (Katedra Energetyki Wodorowej WEiP) przystąpiło do opracowania wynalazku. W trakcie prac koncepcyjnych i konstrukcyjnych zespół zmieniał swój skład, a ostatecznie tworzą go studenci Wydziału Energetyki i Paliw: inż. Krzysztof Kastelik, inż. Dominik Gryboś i inż. Bartłomiej Tomasiak oraz Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Robotyki: inż. Ryszard Kamiński oraz Miłosz Olszewski.

Energy harvester wykorzystuje energię odpadową powietrza sprężonego, wyrzucanego do atmosfery i przemienia ją w energię elektryczną. Dzięki temu wynalazek znajduje zastosowanie praktycznie we wszystkich systemach pneumatycznych – czyli wszędzie tam, gdzie wykorzystuje się sprężone powietrze.

W ramach prowadzonych badań studenci zbudowali demonstrator technologii (o wymiarach 1 m × 1 m × 3 m). Działanie urządzenia opiera się na tym, że zbiornik (stanowiący bufor energii sprężonego powietrza) ładowany jest do określonego małego ciśnienia. Istota wynalazku polega zaś na tym, że cały układ pracuje na bardzo niskim ciśnieniu (typowe ciśnienie w instalacji to 6-8 bar, a energy harvester z AGH pracuje w zakresie 1-0,7 bar). Zasada działania demonstratora została zabezpieczona zgłoszeniem patentowym nr P.414139 w Urzędzie Patentowym RP. Aktualnie zgłoszenie jest w trakcie publikacji.

– Żeby skonstruować to urządzenie potrzebna nam była wiedza, umiejętności i praktyka – przy czym największym wyzwaniem dla zespołu była integracja elementów składowych. Co ważne, prowadzone badania w obszarze pneumatyki niskiego ciśnienia mają pionierski charakter, gdyż do tej pory pomijano to zagadnienie. Na gruncie klasycznych teorii nasz wynalazek nie powinien działać, gdyż jakiekolwiek obciążenie króćców wylotowych powietrza wyrzucanego do atmosfery z dowolnego systemu pneumatycznego winno ten system zakłócić, spowolnić lub zatrzymać. W praktyce tak się jednak nie dzieje. Zastanawiamy się dlaczego? – mówi prof. Jacek Leszczyński z Wydziału Energetyki i Paliw.

Dzięki nawiązanym kontaktom z przemysłem – najważniejszym etapem dla zespołu badawczego były dwie próby technologiczne, które przeprowadzono w przedsiębiorstwach z branży spożywczej oraz motoryzacyjnej.

 

<iframe src="https://www.youtube.com/embed/QLVsIySQAm8?rel=0" frameborder="0" height="293" width="520"></iframe>

 

<iframe src="https://www.youtube.com/embed/sHPHxjjHlS8?rel=0" frameborder="0" height="390" width="520"></iframe>

 

<iframe src="https://www.youtube.com/embed/eWjH0WOcm2U?rel=0" frameborder="0" height="390" width="520"></iframe>

 

– Dołączając się do układu automatyki pneumatycznej, gdzie powietrze po wykonaniu pracy jest wyrzucane do atmosfery, potrafimy z niego wyprodukować energię elektryczną, i co istotnie – nie zakłócamy pracy tych urządzeń – podkreśla inż. Krzysztof Kastelik.

Po wykonanych próbach energy harvestera w przemyśle, w opiniach obu firm wskazano, że przebiegły one bez zakłóceń, co jest wielkim sukcesem konstruktorów z AGH. Ponadto firmy wyraziły także zainteresowanie kontynuowaniem testów urządzenia aż do wdrożenia.

Finansowanie projektu początkowo opierało się na środkach z „Grantu Rektorskiego” oraz wsparciu Dziekana Wydziału Energetyki i Paliw – prof. dr. hab. inż. Wojciecha Suwały (ok. 9000 zł). W dalszej części prac – fundusze zostały pozyskane od inwestora prywatnego (5000 zł) oraz firm MAGNETO Sp. z o.o. i Haffner Sp. j. (4500 zł), które dostarczyły młodym konstruktorom niezbędne części, takie jak siłowniki, przekładnie etc.

Skala zastosowania przemysłowego energy harvestera jest niezwykle szeroka i obejmuje wszystkie zakłady, gdzie stosowana jest pneumatyka, np. w branży spożywczej (automaty pakujące, kształtujące butelki), czy motoryzacyjnej. Naukowcy oszacowali również wstępne nakłady inwestycyjne i czas zwrotu z inwestycji. W przypadku przetwarzania energii na potrzeby własne zakładu można z przybliżeniem 20% oszacować czas zwrotu z inwestycji na poziomie 3,2 roku. Taki czas zwrotu może już być akceptowalny z ekonomicznego punktu widzenia. Co więcej, wynalazcy z AGH widzą również ogromny potencjał w zastosowaniu urządzenia w innej funkcji – jako progu najazdowego (w takich miejscach jak stacje benzynowe czy parkingi np. w pobliżu supermarketów), przy czym prace nad tego typu rozwiązaniem są jeszcze w fazie konstrukcji.

Aktualnie demonstrator technologii jest na V poziomie gotowości wg TRL. Ambicją zespołu jest osiągnięcie IX poziomu, czyli postawienie gotowego systemu u potencjalnego klienta. W najbliższej przyszłości studenci przymierzają się do przeprowadzenia prób technologicznych w dwóch kolejnych przedsiębiorstwach, które wyraziły już poważne zainteresowanie dotyczące udziału w tych pracach. W okresie wakacyjnym zespół planuje wykonać modernizację energy harvestera. Naukowcy prowadzą również negocjacje z przedsiębiorcami pod kątem wdrożenia. Skonstruowanie, wykonanie i uruchomienie pierwszego urządzenia w zakładzie przemysłowym jest możliwe w przeciągu roku od momentu otrzymania zamówienia).

 

Wirtualizacja demonstratora technologii: (1) Zbiornik; (2) System zarządzania ciśnieniem w układzie; (3) Przekładnia zębata; (4) Prądnica; (5) Układ sterujący procesem ładowania – autor: Miłosz Olszewski

System składa się ze sterującego układu pneumatycznego, siłownika z listwą zębatą, przekładni zębatej oraz ciernej i napędzanej nimi prądnicy wraz z układem ładowania. Odpadowe powietrze wyrzucane zaworami wylotowymi z linii technologicznych kierowane jest przewodami pneumatycznymi do zbiornika wyrównawczego. W zbiorniku powietrze jest magazynowane do momentu osiągnięcia ciśnienia pracy. Następnie część powietrza zostaje zrzucona ze zbiornika do układu zaworów odpowiedzialnych za utrzymanie ciśnienia pracy układu na odpowiednim poziomie. Czujnik ciśnienia otwiera sterowany napięciem zawór i przekazuje medium do układu zaworów zapewniających cykliczność pracy układu. Wprost z zaworu sterującego powietrze kierowane jest do cylindra siłownika, wprawiając w ruch tłoczysko. Ruch tłoczyska powoduje naprzemienne zwalnianie i dociskanie dodatkowych zaworów sterujących, powodując przestawienie obydwu układów sterujących. Tłoczysko połączone z listwą zębatą zapewnia przeniesienie ruchu postępowego na ruch obrotowy za pomocą koła zębatego osadzonego na wale ze sprzęgłem jednokierunkowym. Na tym samym wale znajduje się przekładnia cierna sprzężona z wałem prądnicy. Każdorazowy wzrost ciśnienia w zbiorniku powyżej ustalonej wartości powoduje uruchomienie układu pneumatycznego i ruch tłoczyska, a co za tym idzie obrót wału przekładni i prądnicy. Wygenerowana na prądnicy moc jest kierowana przez układ kondensatorów i specjalny elektroniczny układ przetwarzania do akumulatorów. Nadmiar ładunku kierowany jest na zabezpieczającą żarówkę.