Tallinna Tehnikaülikooli inseneriteaduskonna elektroenergeetika ja mehhatroonika instituudis tegeldakse õppetöö kõrval ka ettevõtjate vajadustest lähtuvate praktiliste lahenduste väljatöötamisega. Seetõttu võib liialdamata öelda, et kui ettevõtjal tekib mingi elektri või energeetikaga seotud probleem, jõuab ta lahendust otsides varem või hiljem just selle instituudi teadlaste jutule.
Nimelt on TalTechi inseneriteaduskonna alla kuuluvas instituudis olemas tipptasemel sisseseadega laborid, kus uurimisrühmad tegelevad teadustööga, aga lisaks pakutakse ka inseneripädevuse tuge ettevõtetele ja teistele koostööpartneritele. Ühtekokku on instituudis seitse uurimisrühma – elektrimasinate, elektrisüsteemide, elektrotehnika aluste, energiamajanduse ja kõrgepingetehnika, mikrovõrkude ja metroloogia, jõuelektroonika, mehhatroonika ja autonoomsete süsteemide uurimisrühm.
Vaatleme siinkohal, mida tehakse neist kahes – elektrisüsteemide ning elektrimasinate uurimisrühmades.
Neist esimene tegeleb elektrisüsteemi terviklahendustega, alates elektrivõrkude planeerimisest, elektrisüsteemide modelleerimisest kuni elektrijaamade katsetamiste ja juhtkontrollerite arendamiseni. Uurimisrühma pädevus hõlmab arendus-, uurimis-, konsultatsiooni-, ekspertiisi- ja modelleerimisteenuste osutamist, lisaks korraldatakse koolitusi.
Elektrimasinate uurimisrühma tegevuse fookus on suunatud nende projekteerimisele, modelleerimisele, juhtimisele ning diagnostika teostamisele. Tegeldakse paljude erinevate elektrimasinatega alates elektrituulikutest ja lõpetades tööstusrobotitega. Rakenduste ühine nimetaja on kõik see, kus on vaja efektiivseid ja töökindlaid elektriajameid. Lisaks teostab uurimisrühm ekspertiise, viib läbi koolitusi, konsulteerib.
Elektrivõrk toimigu tõrgeteta
Kui konkreetsemaks minna, siis arendab elektrisüsteemide uurimisrühm nutikaid lahendusi elektrivõrkudele, et tagada stabiilne ja jätkusuutlik energiavarustus kiiresti muutuvas maailmas. Töö hõlmab näiteks taastuvenergia sujuvat lõimimist elektrivõrkudesse, võrguautomaatika ja salvestustehnoloogiate rakendamist ning elektritarbimise paindlikku juhtimist. Nii on praegu käimas elektriautode ülikiire laadimise tehnoloogia katsetused. Uuritakse, kuidas laadida tulevikus autoakusid sama kiiresti kui täitub bensiinipaak. Uuringute eesmärk on kiirendada elektriautode kasutuselevõttu ja muuta energiavõrgud paindlikumaks, kui õnnestub neis ennetada ülekoormusi.
Elektrisüsteemide uurimisrühma juhib elektrisüsteemide professor Jako Kilter, kes ütleb enda ja uurimisrühma tööd tutvustades, et uurimisrühmas tehtav teadustöö peaks tagama esmalt ja eelkõige selle, et meil elekter alati olemas oleks ning et süsteemikaod oleksid võimalikult väikesed. Kui spetsiifilisemaks minna, siis peaksid uuringute tulemused andma meile ka teadmised, kuidas võrku optimaalsemalt juhtida ja milliseid tehnoloogiaid rakendada, et süsteem tõrgeteta toimiks. „Tõele au andes, ega meie, elektrisüsteemi inseneride, tööd keegi avalikkuses väga ei näe. Meie vastu hakatakse huvi tundma siis, kui tuba on pime. Pimeduses olek on aga kõige kallim elekter,” nendib Kilter. „Teadlaste asi on seda pimeduse saabumist vältida. Kuigi meie uurimisrühm otseselt ei tegele elektri hinnaga, siis kahtlemata, mida töökindlam ja efektiivsem on võrk, seda odavamaks kujuneb lõpuks tarbijani jõudev elekter.”
Elektrivõrgu juhtimine
Kilter räägib, et oluline teema elektrisüsteemide juhtimise juures on ka võrgu koormuse modelleerimine, sest koormusega on võimalik mõjutada kogu elektrisüsteemi käitumist. Selle alla käib tarbimise juhtimine, sageduse hoidmine jmt. Näiteks kõrgete elektrihindade perioodil, kui elektrit napib, pannakse tööle täiendavat võimsust. Teine võimalus oleks koormust ehk siis tarbimist vähemaks võtta. Ta kinnitab, et sellisel moel, tarbimist jaotades, oleks võimalik elektrihinda kõvasti allapoole saada. Lõppkokkuvõttes on ju elektritootmist tarvis tarbimise katmiseks, mitte vastupidi. „Näiteks elektriautode akud annavad hea võimaluse selliseks reguleerimiseks. Ühest küljest on võimalik akude laadimisaega kohandada, teisalt saab madala koormuse ajal laetud akudest võtta võrku energiat siis, kui tarbimine on haripunktis,” selgitab ta.
Vajadus erinevatest allikatest võrku tulevat võimsust juhtida
Teaduse ülesanne on leida lahendused selle kõige automaatseks, tõrgeteta juhtimiseks.” Üks olulisi probleeme, mis järjest enam päevakorda tõuseb nii meil kui maailmas laiemalt, on elektrivõrkude juhtimine olukorras, kus üha lisandub taastuvelektri võimsusi. Need allikad on võrku ühendatud jõuelektroonika kaudu. Kui aastakümneid tuli meie põhiline elektritootmine Narva jaamadest, mille võimsus ja muud tööparameetrid olid ette teada, siis nüüd oleme olukorras, kus on lisandunud vajadus erinevatest allikatest võrku tulevat võimsust juhtida. „See taandub inimese oskusele kirjutada juhtalgoritme, kusjuures elektroonika juhtimiskoodide kirjutamisel tuleb olla väga täpne. Sellega tagame, et saame protsesse muuta väga kiiresti, näiteks väljundvõimsust ühe sekundiga sadade megavattide ulatuses,” kirjeldab Jako Kilter. „Narva jaamade puhul, kus auru tootmine seab protsessile piirid ette, seda teha ei saa. See on põhimõtteline muutus ja sellega peame nüüd kohanema.”
Ta toob esile veel ühe tegevuse, mida võib täiesti kindlalt ka kogu tehnikaülikooli missiooniks lugeda. See on ettevõtetele soovituste jagamine. „Püüame olla teadmistekeskus, kuhu kõik elektrivaldkonna ettevõtted varem või hiljem niikuinii oma lahendamist nõudvate küsimustega välja jõuavad,” kinnitab Kilter. „Anname enda poolt parima, et erinevad võrguobjektid koos töötada saaksid.”
Nii on tal käsil üks teadusgrant, mille abil soovib jõuda selleni, et esmalt teadlased ise, aga seejärel ka ettevõtjad suudaksid võimalikult palju ära kasutada elektrisüsteemi mõõtmise andmeid, hindamaks selle süsteemi seisundit ja aru saada sellest, kui kaugel oleme võimalikust kollapsist. Sest ohte tuleb nende realiseerumise vältimiseks alati ette näha.
On veel üks väljakutse, mis tema sõnul seotud tudengite õpetamisega. Viimati oli tehnikaülikoolis päris edukas uute üliõpilaste vastuvõtt ja ülikooli kõige populaarsemaks erialaks osutus just elektroenergeetika ja mehhatroonika. „Minu ülesanne on läbi viia loengutesari ning ees ootab lõputööde juhendamine,” märgib Jako Kilter. „Kõik ikka selleks, et nad oma inseneriks pürgimise teel saaksid sammu edasi astuda.”
Ei saa me läbi elektrimasinateta
TalTechi elektroenergeetika ja mehhatroonika instituudi elektrimasinate uurimisrühma juhib professor Ants Kallaste. Tegevusvaldkond seondub mehhanotehnika, automaatika, tööstustehnoloogiaga, täpsemalt elektrotehnika ja mootorite ning ajamitega. Ta ise on viimastel aastatel spetsialiseerunud elektrimasinate projekteerimisele ja juhtimisele, iseäranis, mis puudutab elektrimasinate 3D-printimist. Uurimisrühma tööülesannete hulka kuulub elektrimasinate rikete ennetamine ja nende diagnostika.
Kallaste ei näe elektrile ja sellega käitatavatele masinatele praegu maailmas erilist alternatiivi. Kuna neid kasutatakse kõikjal ning järjest rohkem, siis on elektrimasinate võimalikult efektiivne kasutamine ja arendamine ühiskonnale äärmiselt oluline. See aga nõuab omakorda elektrimasinate alase kompetentsi hoidmist ja kasvatamist. „Meie uurimisrühmas tegeletakse mitte ainult elektrimasinate juhtimise temaatikaga, aga ka nende projekteerimise ja tööpõhimõtete täiustamisega. See on justkui elektri ja mehaanika kokkusobitamine võimalikult harmoonilisel moel,” kirjeldab Ants Kallaste. „Elektriseade kui selline on meil olemas juba üle saja aasta, aga tarvis on teada, kuidas toimib selle mehaanika, kuidas seal elekter käitub ning kuidas toimuvad muutuste protsessid. Kuna selline seade on elektrisüsteemis äärmiselt oluline komponent, siis on ka sellele esitatud projekteerimisnõuded kõrged. On palju karakteristikuid, mis tuleb täpselt paika saada, eesmärk on, et seade töötaks süsteemis tõrgeteta ja oleks efektiivne.”
Viimased kaheksa aastat on ta tegelenud 3D-prinditud elektrimasinate uurimise ja arendamisega. Uurimisrühm lähtub siin soovist võtta juba elektriseadme projekteerimise juures arvesse kogu masina elutsükkel. Eeldab ju ka rohepööre, et masinad oleksid võimalikult efektiivselt ja keskkonda arvestavalt projekteeritud. Selle alla kuulub ka arvestus, kui palju üks või teine masin oma eluea jooksul energiat kulutab ja kuidas sellega projekteerimise juures arvestada.
3D-prinditud elektrimasinad
Kui hakkas levima 3D-printi-mine, sh metalli 3D-printimine, hakati TalTechis sisuliselt esimesena maailmas uurima võimalust elektrimasinaid 3D-printida nende tootmise eesmärgil. Kallaste hinnangul pakub see palju uuendusi ja võimalusi elektrimasina valmistamisel. Isegi nii palju, et tema arvates võiks selle tulemusena kunagi tekkida uus tööstusharu. „Nüüd püüame viia tehnika taset selleni, et tekiks tööstuslik võimekus elektrimasinaid 3D-printida,” ütleb ta. „See oleks konkreetne väljund meie majanduse hüvanguks.”
Nõnda võib Eestit ja TalTechi elektrimasinate uurimisrühma nimetada elektrimasinate 3D-printimise teerajajaks ning tänapäeval ka oluliseks kaasarääkijaks.
Kuna teema pakub üha laialdasemat huvi, tehakse koostööd ka mitmete välisülikoolidega. Tegevuse üks pool on metoodika väljatöötamine, kuidas toota, millise karakteristikuga masinaid saaks valmistada jne, ent selle juurde käib ka printimisprotsessi enda täiustamine. See on Kallaste sõnul piisavalt interdistsiplinaarne tegevus, mida ei saa teha ainult ühe uurimisrühma ulatuses ja nii ongi 3D-printimist käsitlev teadustegevus kujunenud laiapõhjaliseks.
„Suur ja pikk eesmärk on, et minu ja meie uurimisrühma saavutused jõuaksid reaalsesse tootmisse ja Eestis tekiks elektrimasinate 3D-printimisele spetsialiseerunud tööstusharu,” räägib Ants Kallaste. „Et tekiksid uued ettevõtted või aitaks see valdkond luua lisandväärtust olemasolevatele ettevõtetele. 3D-printimine võimaldaks kasutusele võtta päris uudseid tehnoloogiaid, see oleks neile konkurentsieeliseks kogu maailmas.”
