Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Прављење Ваве Енерги Цонвертер Део 3: Дизајн, пре коначног дизајна

Ово је трећи део серије од 10 делова који бележи истраживање и развој конвертора енергије таласа. Прочитајте први и други дио.

Наш тим од пет студената машинског инжењерства кренуо је да дизајнира машину која би могла да искористи кретање океанских таласа горе и доле и да претвори кинетичку енергију у електричну енергију. Пошто смо ово користили као наш виши пројектни пројекат да бисмо зарадили кредите према дипломирању, морали смо да дизајнирамо и направимо прототип у оквиру 24-недељног временског периода класе. Након истраживачког истраживања, тим је разбио вални енергетски претварач (ВЕЦ) у пет главних подсистема: плутача, хидраулика, електроника, спар, и подметач.

Сваки подсистем је морао да обавља одређени задатак који је био регулисан захтевима које смо поставили на почетку пројекта: 1. Систем треба да буде модуларан и довољно мали да се транспортује преко једног путничког аутомобила или камиона. Тиме су постављене границе укупне величине и тежине.

2. Систем треба да ради у океанским таласима од 1 ′ до 8′ и максималном излазном снагом од 100В до 150В. Ово је ограничило избор материјала и учинило ефикасност уређаја високим приоритетом.

3. Систем би требало да буде изграђен првенствено од готових компоненти користећи методе које би могли поновити други који имају приступ само ограниченим алатима / машинама. Ово је ограничило потенцијалне производне методе и што је још важније утицало на то одакле бисмо могли да набавимо делове, као и врсте материјала које бисмо могли користити.

Лако је видети да постоји много начина да се подеси пет подсистема у конфигурацију која може генерисати струју. Можете их мешати и комбиновати их као грађевне блокове, али наша је дужност била да покушамо да направимо машину која ће задовољити све горе наведене критеријуме. Шестом седмицом смо погодили озбиљну блокаду. Застали и истрошили време, напустили смо идеју да покушавамо да решимо сваки непознат одједном. Уместо тога, почели смо да правимо мале претпоставке које би унапредиле процес дизајнирања, чак и када бисмо знали да у том тренутку немамо кључне информације. У почетку се ова метода чинила глупом и незнанственом, али све док смо пратили све претпоставке и активно тражили боља решења, то нам је омогућило да наставимо да усавршавамо дизајн.

Као пример, морао сам да знам максималну запремину плутаче пре него што сам одлучио коју дводелну пену да купим; међутим, дизајн за плутачу још није био завршен јер смо још увијек морали знати укупну тежину ВЕЦ-а. Дакле, морао сам да израчунам апроксимацију на основу доступних информација које смо имали у то време. Касније, када се испоставило да су те апроксимације погрешне, могао сам једноставно да се вратим и ревидирам калкулације и видим шта још треба да се ажурира.

Изгледа тривијално, али најважнији аспект овог менталитета "израчунате претпоставке" је био тај што смо сада могли да аналитички вежемо све делове заједно. Чланови тима Алек Бецкерман и Том Румбле креирали су рачунарске симулације за предвиђање излазне снаге ВЕЦ-а за специфичну висину вала и периоде користећи програм МатЛаб. Алек и Том су неуморно радили на побољшању кодова како би добили реалистичније резултате, узимајући у обзир факторе као што су трење, инерција, а касније и хидродинамички ефекти пригушења. Компјутерски програми су усавршили наше напоре и омогућили нам да упоредимо различите конфигурације и дизајне један поред другог са подацима у графовима и табелама. До краја 11. седмице смо се вратили на стазу и завршили израду ВЕЦ-002 концепта непосредно пре него што је прелиминарни пројектни извјештај морао бити предат професору.

Резултати ране рачунарске симулације за предвиђање излазне снаге ВЕЦ-а.

Док су Алек и Том радили на Матлаб кодовима, члан тима Кевин Куацх и ја смо креирали детаљан 3Д ЦАД модел ВЕЦ-002 планова користећи СолидВоркс. Из ЦАД модела могли смо да одредимо физичке параметре као укупну тежину, лоцирамо центар да би се решили проблеми узгона, проверити да ли се компоненте уклапају заједно, и што је најважније, почети планирати фазу израде и изградње.

Концепт за ВЕЦ-002 био је врло сличан дизајну о којем смо читали из пројекта Ваве Енерги класе Универзитета Нев Хампсхире. Овај методичан и добро организован пројект конвертора енергије таласа је заправо био заједнички напор више виших пројеката и трајао је више од три године. Извјештаји за 2008., 2009. и 2010. годину представљају одличан извор информација и расправљају о широком распону тема од рачунског моделирања до физичких прототипова и тестирања у спремнику валова.

Од 2010. године тим је радио на тестирању њиховог ПТО-а (узлијетање снаге) у лабораторијском окружењу са будућим циљем преформирања оцеанског тестирања на школском локалитету аквакултуре. У нашој жељи да почнемо са изградњом, наш тим је прескочио неке од веома важних лекција које се могу научити из та три извјештаја. Дакле, ако сте заинтересовани за изградњу конвертора енергије таласа, ВЕЛИКО препоручујем да одвојите време да седнете и прочитате сва три документа.

Слично дизајну у Нев Хампсхиреу, ВЕЦ-002 је користио велику цијев с капе на оба краја како би створио спар. Овај спар би тада клизио горе-доле кроз четвртасти отвор у средини плутаче. Пошто смо планирали да направимо сопствену плутачу, одлучено је да се квадратном рупом лакше гради шперплоча. Да би произвели електричну енергију, жута плутача и спар не смеју да се крећу заједно, већ да се крећу у различита времена.

Сва електроника и хидраулика били су смјештени унутар велике цијеви, која је направљена од полиетилена високе густоће (ХДПЕ). Главна предност кориштења ХДПЕ је била да се завршне капице могу термички заваривати на крајевима, а плоча од нехрђајућег челика и гумена бртва може се причврстити на врх ХДПЕ прирубничког адаптера како би се створио водоотпорни поклопац који се може скинути. То би омогућило приступ карданском вратилу, које би се увукло и изашло из стуба за одржавање и поправке.

За разлику од јефтиног, меког челика, ова ХДПЕ цијев не би кородирала у сланој води. Такође је хемијски наслеђен, водоотпоран и умерено отпоран на УВ зрачење. Наш спар је морао да има унутрашњи пречник од најмање 11 фит да би уградио сву хидрауличну опрему у унутрашњост и да је дугачак око 16 маинтаин да би одржао неутралну пловност. Нормално, овај тип цеви се продаје у дужини од 50 ве, али смо пронашли локалног продавца који је био вољан да нам прода комад комада, само 30 ′ дуга, по сниженој цени. Са спољним пречником од 14 ″ и унутрашњим пречником од 11,6 ″, цев је тежила 22 фунте / ногу и морали смо да купимо целу дужину од 30. Додатно, продавац би морао термички заварити ендцапс са специјализованом машином, што је значило да то дефинитивно није ДИИ опција.

На дну ВЕЦ-а налазила се велика метална плоча која је стварала хидродинамички отпор који би се супротстављао кретању плутаче у океанским валовима. Тањур је био 8 стопа2 плоча са 6 велд зидова заварена по ободу. Ово је учињено како би се искористио ефекат додане масе у механици флуида; хватањем волумена воде непосредно изнад плоче, потребна је већа сила да би се убрзала и плоча и вода заједно и ефективно повећала сила отпора плоче.

Када се плоча не креће у води, ефекат додане масе би био занемарљив, тако да би само стварна тежина плоче за подизање била спуштена на спариј. Али ако би се спарб бацио горе-доле, то би изазвало убрзање и успоравање плоче, и одједном би се осећало као да се много већа плоча повлачи на дно спарија. Ова мала особина је била критична (хвала вам, др. Андрев Хамилтон!) Зато што нам је била потребна највећа могућа сила вуче да се супротставимо уздизању плутаче на горе, док је спариј још увек неутралан.

Релативно кретање између плутаче и бразде проузроковало би померање хидрауличног цилиндра горе-доле и пумпа хидрауличне течности кроз карданску осовину како би завртио генератор и произвео електричну енергију. Без додатног масеног ефекта, било би нам потребно да направимо плочу од 20к20 'која би била претешка и скупа за изградњу. Уместо тога, купили бисмо јефтин челични челик и користили угаону гвожђе да бисмо изградили славу. Челични лим би се заваривао на оквир и ојачао у средини са попречним носачима да би се направила крута и лагана плоча. Да би се максимизирао ефекат додане масе, бочне стијенке су такођер додане на дно плоче за подизање у нади да ће ухватити већу количину воде која би се залијепила за дно плоче због адхезије.

Да би се плутача одржавала око прегиба, планирали смо осигурати два комплета ваљака за пристаниште до врха и дна плутаче. Затим би се користиле дужине свих навоја да се постави плутача између металних оквира ваљака. Ови ваљци би се лабаво трљали о спољашњост ХДПЕ спирача, тако да би се, ако се велики вал ударио у бову, бочно оптерећење пребацило на најмање два ваљка и спречило да се пена разбије. То је представљало озбиљну забринутост, јер је једна од највећих варијабли у овом пројекту била величина таласа океана које би ВЕЦ био подвргнут током тестирања. Из података о таласима НОАА за залив Бодега, Калифорнија, утврдили смо да 95% таласа треба да буде између 1 '- 8' висок (две стандардне девијације око средње висине таласа). Хидраулични ован који смо имали је имао само шест 6 инча, тако да би и гумени ваљци функционисали као крајња заустављања како би се спречило да хидраулични цилиндар дође до краја свог хода.

Приликом пројектовања карданског вратила преузели смо идеално радно стање са висином вала од 6 ′ и периодом вала од 10 секунди. Из ових параметара могли смо да одредимо просечне брзине протока флуида из хидрауличног клипа и да се спустимо до хидрауличног мотора. ПТО се састојао од следећих компоненти: хидраулични цилиндар са двоструким дејством са 2 анд отвора и 72, тактом, Еатонов мотор са лопатицом који се може окретати на 1.300-2.100 о / мин, два хидрауличка акумулатора са већим акумулатором који се користи за спуштање да се задржи вишак течности, четири неповратна вентила (једносмерни вентили), 1/2 коњски перманентни магнет са истосмјерном струјом раде уназад да дјелују као наш генератор, и банка дубоко-циклусних акумулатора морског квалитета за прикупљање све енергије. То је било пре него што смо напустили идеју о складиштењу енергије користећи уграђене батерије, али прећи ћемо на више детаља у следећем посту.

"Сањкање" које се извлачи за струју клизи уи из спара.

Сада када смо имали дизајн који је изгледао добро на папиру, очајнички нам је био потребан увид од неког вањског ауторитета да нам помогне да идентификујемо било какве очите грешке у дизајну. У овом тренутку још нисмо стварно дотакли новац од гранта, а ја сам се плашио да потрошим сав тај новац, а да неко не провери наш посао. Оно што нам је заиста било потребно је био неко ко је био упознат са изградњом машина за океан или још боље са неким ко је изградио и тестирао уређаје за снабдевање океана.

Проблем је што смо морали одмах да почнемо да наручујемо делове и материјале ако бисмо могли да завршимо изградњу ове ствари у преосталих 12 недеља, тако да смо морали да пронађемо некога брзо. Чистим срећом, посегао сам за истраживачким институтом за акваријум у заливу Монтереи (МБАРИ), након што сам их контактирао раније након што сам прочитао њихов пројекат конвертора енергије таласа, и некако успео да добије позив да посети истраживачки центар. Авесоме! Тим је спојио слидесхов са свим подацима из наших симулација и ЦАД модела и скочио у аутомобил.

Возећи се путем према Мосс Ландингу, помислио сам на сав посао који смо уложили у овај пројекат и био сам поносан на наш тим и оно што смо до сада постигли. Знао сам да се дизајн може побољшати у неким областима, и очекивао сам да ће, када почне изградња, доћи до мањих прилагођавања или промена, али нисам схватио да је за дизајн ВЕЦ-002 потребан комплетан ремонт.

Туне следеће недеље за 4. део!

Удео

Оставите Коментар