ELEKTRICITETSLÄRA

CFE – Centrum för förnybar elenergiomvandling

 

Period: 2009-04-01 till 2013-04-01
(Formellt CFE II, CFE I var 2007-07-01 till 2008-06-30)
Finansiärer: Energimyndigheten, VINNOVA, Statkraft och Uppsala Universitet
Projektledare: Mats Leijon
Sekreterare:  Simon Tyrberg

CFE rapporterar till Energimyndigheten varje år och har stöd av en styrgrupp sammansatt av personer inom Uppsala universitet, Energimyndigheten, VINNOVA och representanter från industrin. De tekniska framstegen publiceras i vetenskapliga tidskrifter och vid internationella konferenser, se ”Publikationer”.

Introduktion

Forskningen inom Centrum för Förnybar Elenergiomvandling (CFE) är praktiskt orienterad och förväntas resultera i ett flertal lösningar för förnybar elenergiomvandling. Såväl specifika tekniska lösningar som generella studier av olika förnybara energikällors natur avses. Idag finns fem huvudsakliga arbetsområden inom CFE; grundläggande teori och experiment, system, vågkraft, vindkraft samt marin strömkraft. Teknikerna som främst studeras i de två sistnämnda områdena utgörs av vertikalaxlade aggregat.

CFE finansierar doktorander inom respektive område och främjar seminarier, internationella utbyten samt deltagande i innovationstävlingar. Dessutom är önskade effekter av arbetet att patent kan sökas samt att ett eller flera bolag kan startas för kommersiell utveckling och produktifiering. På sikt kan forskningen leda till uppbyggnad av en ny svensk industri som syftar till att göra tekniska lösningar tillgängliga på marknaden.

Energikällorna som avses inom CFE berättigar till gröna certifikat.

Problemställning

Grundtankarna är att anpassa energiomvandlingen till naturens förutsättningar genom att utnyttja de möjligheter som ges av kabellindad generator, numera kommersiellt tillgängliga starka permanentmagnetiska material, framsteg inom mjukmagnetiska material, samt förbättringar inom kraftelektronik som med relativt små förluster klarar hög effekttäthet.

Möjligheter till ny förnybar elkraft med god utnyttjandetid (drifttimmar per år), jämförbar med vattenkraften, finns i nuläget inom våg och undervattenskraft. Vindkraften har en lägre utnyttjandetid, särskilt vid landbasering, men de helt nya lösningar inom generatortekniken som gruppen arbetar med har förutsättningar att ge betydande förbättringar. Ambitionen är att förbättra ekonomin samt att forska kring möjligheter att utveckla mer ekologiskt/socialt anpassad turbinteknik. Ansträngningar inom detta område öppnar för kostnadsreduktioner som potentiellt kan förbättra vindkraftens kommersiella konkurrenskraft.

Övergripande mål

Det övergripande och långsiktiga målet för verksamheten inom CFE är att konsolidera och vidareutveckla den kompetens och resurs som etablerats inom elektromagnetisk omvandling med tillämpningar inom förnybar elproduktionsteknik.

Det ska inom CFE ske genom att fortsatt utveckla teorier och analytiska metoder för elektromagnetisk omvandling samt att med denna teoretiska grund utveckla tekniskt och ekonomiskt konkurrenskraftig teknik för förnybar elproduktion ur lågfrekventa rörelser i vågor, vind samt strömmande vatten. Verksamheten ska på sikt resultera i:

  • en teoretisk grund, analytisk teori och beräkningsmetoder för omvandlare/generatorer utvecklade ur Maxwells ekvationer för den elektriska omvandlingen, och ur de grundläggande strömningsteorierna för energiutvinning ur vågor, vind och strömmande vatten
  • beräkningsmodeller för simulering av de totala systemen för elproduktion ur vågor, vind och strömmande vatten – från en beskrivning av det strömmande mediet via omvandling till el i mekanik, generator och elsystem fram till elleverans till nätet
  • ekologiskt hållbara tekniklösningar som tillgodoser miljökrav och bidrar till att uppfylla de svenska miljömålen
  • verifiering, utvärdering och demonstration av idéer och teknik i prov av modeller och prototyper i laboratoriemiljö och i naturliga omgivningar i de olika separat finansierade experimentanläggningarna
  • en belysning av systemaspekter relaterade till utveckling, exploatering och införande av tillämpningarna med bedömning av teknisk och ekonomisk potential, acceptans och miljökonsekvenser
  • ett underlag som kan lägga grunden för en kommersiell exploatering av utvecklad teknik inom svensk industri.

Grundläggande forskning

Inom den grundläggande teoretiska forskningen är syftet att ta fram beräkningsmodeller för olika fenomen som vi stöter på i den kinetiska energiomvandlingen. Hittills har arbetet främst kretsat kring modeller för fluiddynamiska beräkningar för strömning kring bladen i vertikalaxlade vindturbiner. Resultaten tillämpas senare för att utgöra en bas i designen av turbiner för experimentella tester. Andra områden som täcks av den grundläggande forskningen är beräkningsmetoder för elektromagnetiska fält och krafter.

Vågkraft

Gruppen som arbetar med vågkraft är för närvarande den största inom CFE då arbetet inom detta område kommit längst. Tekniken som används baseras på en boj som ligger på havets yta och följer vågornas rörelser. Till bojen är en lina kopplad, som drar en translator (pistong) upp och ner. På pistongen finns permanentmagneter monterade och när dessa rör sig induceras en spänning i statorn som är placerad utanför pistongen. Statorn står fast på sjöbotten med ett fundament. För att förbättra pistongens rörelse är den kopplad till en dragfjäder som fästs vid fundamentet.

Lab

En generatorprototyp byggdes 2004 i labbet på Ångströmlaboratoriet i Uppsala, och ett fullskaligt aggregat med boj och generator sjösattes i mars 2006 utanför Lysekil på västkusten (se ”Vågkraftsprojekt – Lysekil”).

Vindkraft

Framsteg görs inom forskningen med vertikalaxlade vindkraftverk. Med hjälp av till viss del annan finansiering har arbetet lett fram till att en prototyp byggs. En testgenerator har byggts och provats och en site i närheten av Uppsala har godkänts och preparerats för uppförandet av en prototyp. Forskningen inom CFE relaterar främst till generatordesign och andra mekaniska och elektriska studier.

Generator

Energiomvandling från strömmande vatten

LG

I våra älvar, i sund och i haven finns strömmande vatten som utgör en förnybar energikälla med god potential. Man kan placera vertikalaxlade aggregat under vattenytan för att omvandla den kinetiska energin i det strömmande vattnet till elektricitet. Vattnets långsamma rörelser och höga densitet ställer dock speciella krav på tekniken.

Experimentuppställningen med den första generatorn

 

Inom CFE forskas främst på generatorerna för strömkraftaggregat. Dessa ska alstra elektricitet med hög verkningsgrad vid långsamma rörelser. I mars 2007 färdigställdes en första prototypgenerator på Ångströmlaboratoriet. Senare i projekt planeras fullskaletester i vattendrag.