Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Membuat Wave Energy Converter Bahagian 3: Reka Bentuk, Sebelum Rancangan Akhir

Ini adalah bahagian tiga siri 10 bahagian yang mencatatkan R & D penukar tenaga gelombang. Baca bahagian satu dan dua.

Pasukan kami lima pelajar kejuruteraan mekanikal telah menetapkan untuk merekabentuk mesin yang dapat memanfaatkan gerakan menaikkan gelombang turun dan menurunkan tenaga kinetik menjadi tenaga elektrik. Oleh kerana kami menggunakan ini sebagai projek reka bentuk kanan kami untuk mendapatkan kredit ke arah tamat pengajian, kami perlu merekabentuk dan membina prototaip dalam jangka masa 24 minggu kelas. Selepas penyelidikan penyiasatan, pasukan telah memecahkan konverter tenaga gelombang (WEC) ke dalam lima subsistem utama: buoy, hidraulik, elektronik, spar, dan plat heave.

Setiap subsistem perlu melaksanakan tugas khusus yang dikawal oleh keperluan yang telah kami tetapkan pada permulaan projek: 1. Sistem ini mestilah modular dan cukup kecil untuk diangkut melalui kereta penumpang atau trak tunggal. Ini meletakkan had pada saiz dan berat total.

2. Sistem ini harus beroperasi dalam gelombang lautan 1 'ke 8'-tinggi dan dengan output kuasa maksimum 100W hingga 150W. Pemilihan bahan yang terhad dan menjadikan kecekapan peranti menjadi keutamaan yang tinggi.

3. Sistem ini harus dibina terutamanya daripada komponen off-the-shelf menggunakan kaedah yang boleh ditiru oleh orang lain yang hanya mempunyai akses kepada alat / mesin terhad. Kaedah pengilangan berpotensi yang terhad dan yang lebih penting memberi impak di mana kita boleh mendapatkan bahagian-bahagian dari, serta jenis bahan yang boleh kita gunakan.

Sangat mudah untuk melihat bahawa terdapat banyak cara untuk mengatur lima subsistem ke dalam konfigurasi yang mungkin menjana elektrik. Anda boleh mencampur dan memadankan mereka seperti blok bangunan, tetapi adalah tugas kami untuk mencuba dan membina sebuah mesin yang akan memenuhi semua kriteria yang dinyatakan di atas. Menjelang minggu keenam kami melanda sekatan jalan yang serius. Masa terhenti dan habis, kami meninggalkan tanggapan untuk cuba menyelesaikan semua yang tidak diketahui sama sekali. Sebaliknya kami mula membuat andaian kecil yang akan memajukan proses reka bentuk, walaupun kami tahu kami tidak mempunyai maklumat utama pada masa itu. Pada mulanya, kaedah ini kelihatannya lemah dan tidak saintifik, tetapi selagi kita mengesan semua anggapan dan secara aktif mencari penyelesaian yang lebih baik, ini membolehkan kami untuk terus memperbaiki reka bentuk.

Sebagai contoh, saya perlu mengetahui volum maksimum buoy sebelum memutuskan busa dua bahagian yang perlu dibeli; Walau bagaimanapun, reka bentuk untuk buoy belum selesai kerana kita masih perlu mengetahui jumlah berat WEC. Oleh itu, saya perlu membuat penghitungan yang dikira berdasarkan maklumat yang ada pada masa itu. Kemudian, apabila perkiraan itu ternyata salah, saya hanya dapat kembali dan menyemak semula pengiraan dan melihat apa lagi yang diperlukan untuk dikemas kini.

Ia seolah-olah sepatutnya di belakang, tetapi aspek yang paling penting dalam mentaliti "andaian dikira" ini adalah bahawa kita kini dapat mengikat semua kepingan bersama-sama secara analitik. Ahli pasukan Alex Beckerman dan Tom Rumble mencipta simulasi komputer untuk meramalkan keluaran kuasa WEC untuk ketinggian dan tempoh gelombang tertentu menggunakan program MatLab. Alex dan Tom bekerja tanpa mengenal penat lelah untuk memperbaiki kod untuk mendapatkan hasil yang lebih realistik, menyumbang faktor seperti geseran, inersia, dan kemudian kesan redaman hidrodinamik. Program komputer mengemas kini usaha kami dan membolehkan kami membandingkan konfigurasi dan reka bentuk yang berlainan bersebelahan dengan data yang diplot dan graf. Pada akhir minggu ke-11 kami kembali ke landasan dan menyelesaikan pembangunan konsep WEC-002 sebelum Laporan Reka Bentuk Pendahuluan terpaksa dikemukakan kepada profesor.

Keputusan dari simulasi komputer awal untuk meramalkan keluaran kuasa WEC.

Walaupun Alex dan Tom telah bekerja pada kod Matlab, ahli pasukan Kevin Quach dan saya telah mencipta model CAD 3D terperinci mengenai rancangan WEC-002 menggunakan SolidWorks Daripada model CAD kita boleh menentukan parameter fizikal seperti berat total, cari pusat jisim untuk menyelesaikan masalah kebanjiran, semak untuk melihat sama ada komponen akan bersesuaian, dan yang paling penting mula merancang fasa fabrikasi dan pembinaan.

Konsep untuk WEC-002 sangat serupa dengan reka bentuk yang telah kita baca dari projek kelas Universiti New Hampshire Wave Energy. Projek penukar tenaga gelombang teratur dan teratur ini sebenarnya adalah usaha bersama projek reka bentuk kanan yang banyak dan merangkumi lebih daripada tiga tahun. Laporan 2008, 2009, dan 2010 adalah sumber maklumat yang hebat, dan membincangkan pelbagai topik dari pemodelan komputer kepada prototaip fizikal dan ujian dalam tangki gelombang.

Pada tahun 2010, pasukan itu sedang berusaha untuk menguji PTO mereka (lepas landas kuasa) di dalam sebuah makmal dengan matlamat masa depan untuk menguji ujian lautan di tapak akuakultur sekolah. Dalam keinginan kami untuk memulakan pembinaan, pasukan kami melangkau beberapa pelajaran penting yang dapat dipelajari dari ketiga-tiga laporan itu. Jadi, jika anda berminat untuk membina penukar tenaga gelombang saya SAHAJA mengesyorkan meluangkan masa untuk duduk dan membaca semua tiga dokumen.

Sama seperti reka bentuk New Hampshire, WEC-002 menggunakan paip besar dengan topi pada kedua-dua hujung untuk menghasilkan spar. Spar ini kemudian akan meluncur ke atas dan ke bawah melalui potongan lubang persegi di tengah buoy. Oleh kerana kami bercadang untuk mengarang pelampung kami sendiri, kami memutuskan bahawa lubang persegi akan lebih mudah dibina menggunakan papan lapis. Untuk menghasilkan elektrik, pelampung kuning dan spar tidak boleh bergerak bersama-sama, tetapi sebaliknya bergerak pada masa yang berlainan.

Semua elektronik dan hidraulik dipasang di dalam paip besar, yang diperbuat daripada polietilena berketumpatan tinggi (HDPE). Manfaat utama menggunakan HDPE ialah endcaps yang boleh dikimpal dengan termal pada hujung, dan plat keluli tahan karat dan gasket getah boleh digantung pada penyesuai bebibir HDPE atas untuk membuat penutup kalis air yang boleh ditanggalkan. Ini akan membolehkan akses ke PTO, yang akan meluncur masuk dan keluar dari spar untuk penyelenggaraan dan pembaikan.

Tidak seperti murah, keluli lembut, paip HDPE ini tidak akan menghancurkan air masin. Ia juga mewarisi kimia, kalis air, dan tahan UV yang sederhana. Spar kami diperlukan untuk mempunyai diameter dalaman sekurang-kurangnya 11 "untuk menyesuaikan semua peralatan hidraulik di dalam dan perlu kira-kira 16 'untuk mengekalkan keapungan neutral. Biasanya, jenis paip ini dijual dalam 50 'panjang, tetapi kami mendapati vendor tempatan yang sanggup menjual kami sekeping sekerap, hanya 30', dengan harga diskaun. Dengan garis pusat luar 14 "dan diameter dalaman 11.6", paip itu beratnya 22 pound / kaki dan kami terpaksa membeli keseluruhan 30 'panjang. Di samping itu, vendor perlu dipasangkan secara termal pada endcaps dengan mesin khusus, yang bermaksud ini pastinya bukan pilihan DIY.

Di bahagian bawah WEC adalah plat heave logam besar untuk membuat drag hydrodynamic yang akan menentang gerakan menaik ke atas buoy yang terapung di ombak lautan. Plat heave adalah 8 kaki2 plat dengan 6 "dinding dikimpal di sekeliling perimeter. Ini dilakukan untuk mengambil kesempatan daripada kesan massa tambahan dalam mekanik bendalir; dengan menangkap isipadu air terus di atas plat, satu kekuatan yang lebih besar diperlukan untuk mempercepatkan kedua-dua plat dan air bersama-sama dan dengan berkesan meningkatkan kuasa drag dari plat heave.

Apabila plat tidak bergerak di dalam air, kesan jisim yang ditambah akan dapat diabaikan sehingga hanya berat sebenar plat heave akan ditarik pada spar. Tetapi jika spar bobbed ke atas dan ke bawah, ini akan menyebabkan plat mempercepat dan melancarkan, dan tiba-tiba ia akan merasakan seolah-olah plat yang lebih besar sedang menarik di bahagian bawah spar itu. Ciri-ciri kecil ini adalah kritikal (terima kasih, Dr. Andrew Hamilton!) Kerana kami memerlukan daya seret yang mungkin besar untuk menentang kenaikan buoy ke atas sementara masih mempunyai spar yang bersifat neutral.

Pergerakan relatif antara pelampung dan spar akan menyebabkan ram hidraulik bergerak ke atas dan ke bawah dan mengepam cecair hidraulik melalui PTO untuk memutar penjana dan mengeluarkan elektrik. Tanpa kesan jisim yang ditambah, kita perlu membina plat heave 20'x20, yang akan terlalu berat dan mahal untuk dibina. Sebaliknya, kami akan membeli keluli lembaran murah 4'-lebar dan menggunakan besi sudut untuk membina kemasyhuran. Keluli lembaran akan dikimpal pada bingkai dan diperkukuhkan di pusat dengan salib untuk membuat plat berat dan ringan. Untuk memaksimumkan kesan jisim yang ditambah, sisi tambahan juga dimasukkan ke bahagian bawah plat heave dengan harapan untuk menangkap jumlah air yang lebih besar yang akan menempel ke bahagian bawah plat disebabkan oleh lekatan.

Untuk memastikan pelampung berpusat di sekitar spar kami merancang untuk mendapatkan dua set penggelek dok di bahagian atas dan bawah pelampung. Panjang semua benang akan digunakan untuk sandwic buoy di-antara bingkai roller logam. Penggelek-penggelek ini akan menggosok dengan lentur ke luar spar HDPE supaya jika gelombang besar terhempas ke atas buoy, beban sampingan akan dipindahkan kepada sekurang-kurangnya dua penggelek dan menghalang buih daripada dihancurkan. Ini adalah satu kebimbangan yang serius kerana salah satu pemboleh ubah terbesar dalam projek ini adalah saiz gelombang laut yang WEC akan dikenakan semasa ujian. Dari data gelombang NOAA untuk Bodega Bay, Calif., Kami telah menentukan bahawa 95% daripada ombak sepatutnya antara ketinggian 1'-8 '(dua sisihan piawai mengenai ketinggian gelombang min). Ram ram hidraulik kami hanya mempunyai enam 6 perjalanan, jadi penggelek getah juga berfungsi sebagai penghujung untuk mengelakkan ram hidraulik dari mencapai stroke.

Apabila mereka bentuk PTO kami menganggap keadaan operasi yang ideal dengan ketinggian gelombang 6 'dan tempoh gelombang 10 saat. Daripada parameter ini, kita dapat menentukan kadar aliran cecair purata dari omboh hidraulik dan bergerak ke bawah ke motor hidraulik. PTO terdiri daripada komponen-komponen berikut: silinder hidraulik berganda dua dengan stroke 2 "lubang dan 72", sebuah motor vane Eaton yang mampu berputar pada 1,300-2,100rpm, dua akumulator hidraulik dengan penumpuk yang lebih besar yang digunakan untuk melancarkan tekanan ke bawah cecair yang berlebihan, empat injap periksa (injap sehala), motor DC magnet kekal 1/2 kuda yang bergerak ke belakang untuk bertindak sebagai penjana kami, dan sebuah bank bateri kitaran laut yang besar untuk mengumpulkan semua tenaga. Ini sebelum kami meninggalkan idea untuk menyimpan tenaga menggunakan bateri onboard, tetapi kami akan memasuki lebih banyak butiran dalam jawatan seterusnya.

Slaid Power-Take-off "sled" masuk dan keluar daripada spar.

Sekarang kita mempunyai reka bentuk yang bagus di atas kertas, kita sangat memerlukan wawasan dari pihak berkuasa luar untuk membantu kita mengenalpasti apa-apa kesalahan yang jelas dalam reka bentuk. Pada ketika ini, kami tidak pernah menyentuh wang pemberian itu lagi, dan saya khawatir tentang membelanjakan semua wang itu tanpa perlu memeriksa orang lain. Apa yang kita perlukan adalah seseorang yang biasa dengan mesin bangunan untuk lautan atau lebih baik lagi seseorang yang telah membina dan menguji peranti kuasa laut.

Masalahnya adalah kita perlu segera mula menempah bahagian-bahagian dan bahan-bahan jika kita akan dapat menyelesaikan perkara ini dalam masa 12 minggu lagi supaya kita perlu mencari seseorang dengan cepat. Dalam satu kejayaan tulen, saya sampai ke Institut Penyelidikan Akuarium Akuarium Monterey (MBARI), setelah menghubungi mereka sebelum membaca tentang projek penukar tenaga gelombang mereka, dan entah bagaimana berjaya mendapatkan jemputan untuk melawat pusat penyelidikan. Awesome! Pasukan itu melancarkan tayangan slaid dengan semua angka dari simulasi kami dan model CAD dan melompat ke dalam kereta.

Mengemudi jalan ke Moss Landing, saya memikirkan semua kerja yang kami telah dipam ke dalam projek ini dan saya bangga dengan pasukan kami dan apa yang telah kami lakukan setakat ini. Saya tahu reka bentuk itu boleh diperbaiki di sesetengah kawasan, dan saya menjangkakan bahawa sebaik sahaja pembinaan bermula akan ada penyelarasan kecil atau perubahan, tetapi apa yang saya tidak menyedari adalah bahawa reka bentuk WEC-002 memerlukan keseluruhan baik pulih.

Tune dalam minggu depan untuk bahagian 4!

Kongsi

Meninggalkan Komen