Nowatorskie turbiny produkujące prąd w trakcie jazdy, pompa ze zintegrowanym napędem elektrycznym oraz wykorzystanie zjawiska rezonansu mechanicznego to projekty, za które prof. Wiesław Fiebig z Wydziału Mechanicznego PWr został nagrodzony medalami w trakcie 10. edycji Międzynarodowych Targów Wynalazków i Innowacji INTARG 2017 w Katowicach

INTARG to prestiżowe targi innowacyjności, które od 10 lat odbywają się w Polsce. Ich organizatorzy chcą ułatwić współpracę wystawców z przemysłem i w ten sposób wspierać realizację wdrożeń i komercjalizacji projektów naukowo-badawczych i produktów innowacyjnych.

Tegoroczne targi były niezwykle udane dla naukowców z Politechniki Wrocławskiej, którzy zdobyli aż dziewięć medali. Trzy medale – jeden złoty i dwa srebrne – otrzymały projekty autorstwa prof. Fiebiga.

Złotym medalem nagrodzono projekt „Rekuperacja energii w pojazdach za pomocą turbinowych generatorów prądu”. Ideą wynalazku jest umieszczenie w samochodowym spojlerze dachowym turbin produkujących prąd pochodzący z opływu powietrza podczas jazdy. Generowana w ten sposób energia może posłużyć do zasilania urządzeń pokładowych czy urządzeń chłodniczych np. klimatyzacji.

– Prace nad tego typu rozwiązaniami były prowadzone wcześniej również w USA, gdzie testowano je na samochodach osobowych i ciężarowych. Kluczową kwestią jest takie usytuowanie turbin i dobór kształtu spojlera z kanałami dolotowymi do turbin, żeby nie spowodować zwiększenia oporów aerodynamicznych samochodu. Jeśli się one zwiększą, to rozwiązanie staje się nieekonomiczne – mówi prof. Fiebig.

Przeprowadzone zostały już komputerowe symulacje, dzięki  którym udało się znaleźć optymalny kształt dla spojlera i najkorzystniejsze umiejscowienie turbin. Same turbiny muszą być wykonane z materiałów gwarantujących odpowiednią wytrzymałość  ponieważ prędkości przepływu powietrza już przy prędkościach pojazdu 90 km/h są wielokrotnie wyższe od występujących w tradycyjnych turbinach wiatrowych.

– Jeśli chodzi o wydajność, to obliczyliśmy, że jedna turbina z generatorem o średnicy 35 cm przy prędkości 80-90 km/h powinna wygenerować ok. 250 W energii. Dla dwóch turbin zamontowanych w spojlerze daje to 500 W, a to już niemało. Poprawa bilansu energetycznego jest znacząca, zwłaszcza w porównaniu z próbami zastosowania np. paneli słonecznych – tłumaczy prof. Fiebig.

Tego typu rozwiązanie może znaleźć zastosowanie przede wszystkim w samochodach-chłodniach, ale nic nie stoi na przeszkodzie, żeby zamontować je w busach lub autobusach – wytworzony prąd mógłby wówczas zostać wykorzystany do zasilania np. klimatyzacji.

– Trzeba pamiętać, że w tym wypadku prąd jest generowany tylko podczas jazdy i w związku z tym należałoby go magazynować w akumulatorach. Układ musi być oczywiście podłączony do instalacji elektrycznej pojazdu, a może być zastosowany zarówno w pojazdach z silnikami spalinowymi, jak i w samochodach z napędem elektrycznym – dodaje naukowiec.

Kolejnym etapem w rozwoju projektu będzie wykonanie prototypu urządzenia, które zostanie poddane testom w specjalnym kanale przepływowym, w którym generowane byłyby różne prędkości przepływu powietrza. Pozwoli to na sprawdzenie, ile dokładnie prądu jest generowane przez pojedynczą turbinę. Jeśli wyniki będą zadowalające, to wówczas zbudowany zostanie prototyp spojlera z turbiną, którego efektywność będzie można sprawdzić w trakcie jazdy.

Warto podkreślić, że badania nad tego typu rozwiązaniem w Polsce prowadzone są jedynie na Politechnice Wrocławskiej.

Pompa dla przemysłu motoryzacyjnego, lotniczego i robotyki

Projekt „Pompa wyporowa ze zintegrowanym napędem elektrycznym” na targach w Katowicach został nagrodzony srebrnym medalem. Wykonano już dwa prototypy urządzenia z pompą łopatkową, a badania były prowadzone w ramach grantu Narodowego Centrum Badań i Rozwoju we współpracy z Wydziałem Elektrycznym PWr i Zakładami Elektrotechniki Motoryzacyjnej w Dusznikach.

Innowacyjne rozwiązanie polega w tym wypadku na tym, że pompa wyporowa jest zabudowana wewnątrz wirnika silnika elektrycznego.

– W tradycyjnych rozwiązaniach pompa i silnik montowane są osobno, a połączenie między nimi realizowane jest za pomocą sprzęgła. My połączyliśmy oba te elementy, co pozwoliło m.in. na redukcję masy urządzenia do ok. 40 proc. i redukcję hałasu emitowanego do otoczenia.  Dzięki układowi sterowania prędkości obrotowej  uzyskujemy zmianę wydajności  pompy przez co mamy także możliwość dopasowania mocy silnika do obciążenia pompy – tłumaczy prof. Fiebig.

Tego typu pompy, z racji swej kompaktowej budowy, mogą znaleźć zastosowanie m.in. w przemyśle samochodowym (przy różnego rodzaju rampach montowanych w autach ciężarowych czy wspomaganiu układu kierowniczego), w lotnictwie (ze względu na mały ciężar oraz dobrą sterowalność) oraz w robotyce (ze względu na dobrą dynamikę i uproszczony układ sterowania).

– Obecnie prowadzimy rozmowy z jedną z firm produkujących elementy hydrauliczne oraz silniki elektryczne nad praktycznym wykorzystaniem tego typu rozwiązania. Jednak zamiast pompy łopatkowej ma być zabudowana pompa wielotłoczkowa-osiowa, która ma pewne cechy konstrukcyjne jeszcze lepiej pasujące do naszego rozwiązania – dodaje badacz.

Pozytywne skutki rezonansu mechanicznego

Trzeci medal – również srebrny – przyznany został prof. Fiebigowi za projekt wykorzystania zjawiska rezonansu mechanicznego w układach napędowych. W dużym skrócie rezonans mechaniczny polega na wzroście amplitudy drgań układu drgającego gdy częstotliwość sił wymuszających drgania jest równa częstotliwości drgań własnych układu.

Zjawisko to jest kojarzone głównie z negatywnymi skutkami np. uszkodzeniami mostów czy awarią różnego rodzaju elementów maszyn w układach napędowych. - Idea wynalazku polega na wykorzystaniu rezonansu mechanicznego w sposób kontrolowany w praktycznych zastosowaniach do akumulowania energii np. w maszynach udarowych – wyjaśnia naukowiec.

Większość tego typu maszyn – takich jak wykrojniki, prasy czy młoty kuźnicze – jest napędzana przy pomocy napędów hydraulicznych, pneumatycznych lub z wykorzystaniem kół zamachowych, jak np. w prasach mimośrodowych. Energia potrzebna do realizacji procesu technologicznego jest tracona w wielu węzłach konstrukcyjnych na skutek tarcia.

Opracowany został prototyp rezonansowego wykrojnika do blach, a pierwsze badania wskazują, że dzięki wykorzystaniu rezonansu mechanicznego możliwe jest zastosowanie napędu o wielokrotnie niższej mocy. Pozwala to na zmniejszenie zużycia energii w układzie napędowym. Takie rozwiązanie może znaleźć zastosowanie nie tylko w maszynach wykrawających różnego rodzaju elementy, lecz także w prasach czy urządzeniach kuźniczych i w wielu innych urządzeniach

- Chciałbym zaznaczyć, że w badaniach tych brali udział moi doktoranci: Jakub Wróbel, Piotr Cependa, Paulina Jędraszczyk i Hubert Kuczwara. Bez ich pomocy nie byłbym w stanie wykonać tych badań w stosunkowo krótkim czasie - zaznaczył naukowiec.

Prof. Fiebig pracuje w Katedrze Eksploatacji Systemów Logistycznych, Systemów Transportowych i Układów Hydraulicznych na Wydziale Mechanicznym PWr i jest kierownikiem Laboratorium Wibroakustyki i Napędów Pneumatycznych. W swojej pracy naukowej zajmuje się m.in.  badaniem właściwości dynamicznych maszyn i urządzeń, napędami hydraulicznymi i pneumatycznymi oraz redukcją drgań i hałasu.

mic