Hullámenergia-átalakító készítése 3. rész: A tervezés, a végső tervezés előtt - 💡 Fix My Ideas

Hullámenergia-átalakító készítése 3. rész: A tervezés, a végső tervezés előtt

Hullámenergia-átalakító készítése 3. rész: A tervezés, a végső tervezés előtt


Szerző: Ethan Holmes, 2019

Ez a hullámenergia-átalakító K + F-jét kódoló 10 részes sorozat harmadik része. Olvassa el az első és második részt.

Öt gépészmérnöki munkatársaink úgy tervezték, hogy olyan gépet tervezzenek, amely az óceán hullámainak felfelé és lefelé mozgó mozgását hasznosíthatja és a kinetikus energiát villamos energiává alakíthatja. Mivel ezt a vezető tervezési projektként használtuk, hogy krediteket szerezzünk a diploma megszerzéséhez, meg kellett terveznünk egy prototípust az osztály 24 hetes határidőn belül. A vizsgálati kutatások után a csapat öt fő alrendszerre bontotta a hullámenergia-átalakítót (WEC): bója, hidraulika, elektronika, tárcsa és fűtőlemez.

Minden alrendszernek egy konkrét feladatot kellett elvégeznie, amelyet a projekt elején megfogalmazott követelmények határozott meg: 1. A rendszernek modulárisnak és elég kicsinek kell lennie ahhoz, hogy egyetlen személygépkocsival vagy teherautóval szállítsák. Ez korlátozza a teljes méretet és súlyt.

2. A rendszernek 1 ′ és 8 ′ magas óceán hullámai között kell működnie, és a maximális teljesítménye 100 W és 150 W közötti. Ez a korlátozott anyagválasztás és az eszköz hatékonyságának kiemelt fontossága.

3. A rendszert elsősorban a polcokon kívüli alkatrészekből kell építeni, olyan módszerekkel, amelyeket más, csak korlátozott szerszámokhoz / gépekhez hozzáférő személyek képesek megismételni. Ez a korlátozott potenciális gyártási módszerek, és ami még fontosabbá vált, ahol az alkatrészeket megtehetjük, valamint az általunk használt anyagok típusait.

Könnyű látni, hogy sokféle módon lehet öt alrendszert elhelyezni egy olyan konfigurációba, amely áramot generálhat. Keverhetjük össze, és összeilleszthetjük őket, mint az építőelemek, de kötelességünk egy olyan gépet próbálni kiépíteni, amely megfelel a fenti kritériumoknak. A hatodik hétig komoly útba ütköztünk. Megállt és elfogyott az idő, elvetettük azt az elképzelést, hogy minden egyes ismeretlenet egyszerre megoldunk. Ehelyett elkezdtünk olyan kis feltételezéseket készíteni, amelyek előremozdítják a tervezési folyamatot, még akkor is, ha tudtuk, hogy abban az időben nincsenek fontos információk. Először ez a módszer ostoba és nem tudományosnak tűnt, de mindaddig, amíg nyomon követjük az összes feltételezést és aktívan kerestük a jobb megoldásokat, ez lehetővé tette számunkra, hogy tovább finomítsuk a tervezést.

Példaként meg kellett ismernem a bója maximális térfogatát, mielőtt eldöntöttem, hogy melyik két részből álló habosító habot vásárolják; azonban a bója kialakítása még nem fejeződött be, mert még mindig tudnunk kellett a WEC teljes súlyát. Így számított közelítést kellett elvégeznem az akkor rendelkezésre álló információk alapján. Később, amikor ezek a becslések hibásnak bizonyultak, egyszerűen visszamehetnék a számításokat, és megnézhetném, hogy mi kell még frissíteni.

Az utólagosan triviálisnak tűnik, de ennek a „számított feltételezésnek” a legfontosabb aspektusa az volt, hogy az összes darabot analitikusan össze tudtuk kötni. A csapattagok Alex Beckerman és Tom Rumble számítógépes szimulációkat készítettek a WEC specifikus hullámmagasságra és időszakokra vonatkozó teljesítményének előrejelzésére a MatLab program segítségével. Alex és Tom fáradhatatlanul dolgoztak, hogy javítsák a kódokat annak érdekében, hogy reálisabb eredményeket érjenek el, figyelembe véve a súrlódást, a tehetetlenséget és később a hidrodinamikai csillapító hatásokat. A számítógépes programok egyszerűsítették erőfeszítéseinket, és lehetővé tették számunkra, hogy a grafikonokban és táblázatokban ábrázolt adatokkal egymás mellett összehasonlítsuk a különböző konfigurációkat és terveket. A 11. hét végére már a WEC-002 koncepció kidolgozásának előrehaladtával álltunk elő, mielőtt az előzetes tervezési jelentést a professzorhoz kellett benyújtani.

A korai számítógépes szimuláció eredményei a WEC teljesítményének előrejelzésére.

Míg Alex és Tom a Matlab-kódokon dolgoztak, Kevin Quach és a WEB-002 tervek részletes 3D-s modelljét dolgoztuk ki a SolidWorks használatával. Az úszóképességgel kapcsolatos problémák megoldása érdekében ellenőrizze, hogy az alkatrészek illeszkednek-e egymáshoz, és ami a legfontosabb, hogy megtervezzük a gyártási és építési fázist.

A WEC-002 koncepciója nagyon hasonlított a New Hampshire Wave Energy osztály projektjeiről. Ez a módszertani és jól szervezett hullámenergia-átalakító projekt valójában a több vezető tervezési projekt közös erőfeszítése volt, és több mint három évig terjedt el. A 2008-as, 2009-es és 2010-es jelentések nagy információforrásnak számítanak, és a témakörök széles skáláját tárgyalják a számítógépes modellezésektől a fizikai prototípusok készítéséhez és a hullámtartályban történő teszteléshez.

2010-től a csapat arra törekedett, hogy tesztelje PTO-ját (erőátvitel) egy laboratóriumi környezetben, azzal a céllal, hogy az óceán tesztelését az iskola akvakultúra-telephelyén előkészítse. Az építés megkezdésére való törekvésünkben a csapatunk kihagyott néhány nagyon fontos tanulságot, amit a három jelentésből megtanultunk. Tehát, ha érdekel a hullámenergia-átalakító építése, akkor nagyon ajánlom az időt, hogy üljön le és olvassa el az összes három dokumentumot.

A New Hampshire-hez hasonlóan a WEC-002 mindkét végén egy nagy, kupakkal ellátott csövet használt a spar létrehozásához. Ez a tárcsa felfelé és lefelé csúszik a bója közepén vágott szögletes lyukon. Mivel saját bója gyártását terveztük, úgy döntöttünk, hogy egy négyzet alakú lyuk könnyebb lenne a rétegelt lemez felhasználásával. A villamos energia előállításához a sárga bója és a tárcsa nem mozoghat együtt, hanem a különböző időpontokban felfelé mozoghat.

Az elektronikát és a hidraulikát a nagy sűrűségű polietilénből (HDPE) készült nagy csövön belül helyezték el. A HDPE használatának fő előnye az volt, hogy a végkapcsokat hőre hegeszteni lehetett a végekre, és rozsdamentes acéllemez és gumi tömítés a felső HDPE karimás adapterhez csavarozható, hogy eltávolítható, vízálló fedelet hozzon létre. Ez lehetővé tenné a hozzáférést a PTO-hoz, amely a karbantartáshoz és javításhoz csúsztatható be és ki a tárcából.

Az olcsó, enyhe acéloktól eltérően ez a HDPE cső nem korrodálódik a sós vízben. Kémiailag is örökölt, vízálló és mérsékelten UV-ellenálló. A tárolónak legalább 11 ″ belső átmérőjűnek kellett lennie ahhoz, hogy az összes hidraulikus berendezést be lehessen illeszteni, és körülbelül 16 'hosszúnak kellett lennie ahhoz, hogy fenntartsák a semleges úszóképességet. Általában ez a fajta cső 50 ″ hosszúságban kerül értékesítésre, de találtunk egy helyi szállítót, aki hajlandó volt eladni nekünk egy 30 kilométeres törmeléket, kedvezményes áron. A külső átmérője 14 ″ és belső átmérője 11,6 ″, a cső 22 font / láb volt, és meg kellett vásárolni a teljes 30 ′ hosszúságot. Ezen túlmenően az eladónak speciális géppel kell hegesztenie az endcaps-eket, ami azt jelentette, hogy ez nem egy DIY lehetőség.

A WEC alján egy nagy fémfúvós lemez volt, amely hidrodinamikai húzást hozott létre, ami ellenezné az óceán hullámaiban lebegő bója felfelé irányuló mozgását. A fűrészlap 8 láb volt2 6 cm-es falakkal a perem körül hegesztett lemez. Ezt azért tettük, hogy kihasználjuk a folyékony mechanikában bekövetkezett többlethatást; a víz mennyiségének közvetlenül a lemez fölé történő rögzítésével nagyobb erőre lenne szükség, hogy a lemez és a víz együttesen felgyorsuljon, és hatékonyan növelje a fúvóka húzóerejét.

Ha a lemez nem mozog a vízben, a hozzáadott tömeghatás elhanyagolható lenne, így csak a fűrészlemez tényleges súlya húzódik le a tárcsán. De ha a spar felfelé és lefelé lebegett, ez a lemezt felgyorsítja és lelassítja, és hirtelen úgy érezte, mintha egy sokkal nagyobb lemez húzna a talp alján. Ez a kis vonás kritikus volt (köszönöm, Dr. Andrew Hamilton!), Mert a lehető legnagyobb húzóerőre volt szükségünk ahhoz, hogy ellenálljunk a bója felfelé irányuló hajlásának, miközben még mindig a neutrálisan lebegő spar.

A bója és a tárcsa közötti viszonylagos mozgás a hidraulikus munkahengert felfelé és lefelé mozgatja, és a hidraulikus folyadékot a PTO-n keresztül szivattyúzza a generátor forogásához és villamos energia előállításához. A hozzáadott tömeghatás nélkül szükségünk lenne egy 20'x20 ”-os küszöblemez felépítésére, ami túl nehéz és költséges lenne. Ehelyett 4-szeres olcsó acéllemezt vásárolnánk és szögvasalót használnánk a hírnév megteremtéséhez. Az acéllemezt a kerethez hegesztenék, és középen erősítenék a kereszttartókkal, hogy merev és könnyű súlyú lemezt készítsenek. A hozzáadott tömeghatás maximalizálása érdekében oldalfalak is hozzáadódtak a fűtőlemez aljához, remélve, hogy nagyobb mennyiségű vizet rögzítenek, amely tapadás következtében a lemez aljához tapadna.

Annak érdekében, hogy a bója a körzet köré fókuszáljon, azt terveztük, hogy két sor dokkoló görgőt rögzítsünk a bója tetejére és aljára. Az egész szál hosszát ezután a bója beágyazására használják a fémhenger keretei között. Ezek a görgők lazán dörzsölnék a HDPE-tárcsa külső oldalára úgy, hogy ha egy nagy hullám összeomlott a bója ellen, az oldalsó terhelést legalább két görgőbe helyeznék át, és megakadályozzák a hab törését. Ez komoly aggodalomra ad okot, mivel a projekt egyik legnagyobb változója az óceán hullámainak mérete, amelyet a WEC-nek a vizsgálat során vetettünk alá. A Bodega Bay-i NOAA hullámadatokból kiderült, hogy a hullámok 95% -ának 1 '–8 ′ magasnak kell lennie (két szórás az átlagos hullámmagasság körül). Az általunk specifikált hidraulikus munkahenger csak hat 6 ′ -es elmozdulással rendelkezett, így a gumihengerek is leállóként működnek, hogy megakadályozzák, hogy a hidraulikus ram elérje a löket végét.

A TLT tervezésénél ideális működési állapotot feltételeztünk 6 'hullámmagassággal és 10 másodperces hullámperiódussal. Ezekből a paraméterekből meghatározhatjuk a hidraulikus dugattyúból származó átlagos folyadékáramlási sebességet, és lefelé haladunk a hidraulikus motorhoz. A PTO a következő komponensekből állt: kettős működésű hidraulikus henger, 2 ″ furatú és 72 ″ ütéssel, Eaton lapátmotor, amely 1,300-2,100 fordulat / perc sebességgel forgatható, két hidraulikus akkumulátorral, a nagyobb akkumulátorral a lefelé történő rögzítéshez. a felesleges folyadék, négy visszacsapó szelep (egyirányú szelep), egy 1/2 lóerővel rendelkező állandó mágneses egyenáramú motor visszafelé fut, hogy generátorként működjenek, és egy tengeri minőségű mély ciklusú akkumulátorok összegyűjtése az összes energiát. Ez azelőtt történt, hogy elhagyottuk az energiát a fedélzeti akkumulátorok használatával kapcsolatos elképzeléseit, de a következő bejegyzésben további részleteket fogunk találni.

A „felszedő“ „szánkó” csúszkálódik be és kifelé.

Most, hogy egy olyan design volt, amely jól nézett ki a papíron, kétségbeesetten szükségünk volt egy külső hatóságtól, hogy segítsen azonosítani a tervezetben nyilvánvaló hibákat. Ezen a ponton még nem igazán megérintettük a támogatási pénzt, és attól tartottam, hogy ezt a pénzt költek el anélkül, hogy valaki kétszer ellenőrizné a munkánkat. Amit igazán szükségünk volt valakire, aki ismeri az óceán építőgépeit, vagy még jobbat valakit, aki épített és tesztelt az óceán teljesítményét.

A probléma az volt, hogy az alkatrészeket és anyagokat azonnal meg kellett rendelnünk, ha ezt a dolgot a fennmaradó 12 hétben befejeznénk, így meg kellett találnunk valakit gyorsan. A tiszta szerencsétlenségben a Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI) felé fordultam, miután korábban kapcsolatba lépett velük a hullámenergia-átalakító projektjükről, és valahogy sikerült meghívni a kutatóközpontba. Fantasztikus! A csapat összeállított egy diavetítést a szimulációinkból és a CAD modellekből, és ugrott az autóba.

A Moss Landing felé vezető úton végiggondoltam, hogy milyen munkát végeztünk a projektbe, és büszke voltam a csapatunkra és arra, amit eddig teljesítettünk. Tudtam, hogy néhány területen javítani lehet a tervezést, és azt vártam, hogy az építés megkezdése után kisebb módosítások vagy módosítások történtek, de nem vettem észre, hogy a WEC-002 tervezéshez teljes átalakításra volt szükség.

Hangoljon a következő héten a 4. részre!



Lehet, Hogy Érdekli

Néhány tipp a DIY projektekhez és a hulladék elhelyezéséhez

Néhány tipp a DIY projektekhez és a hulladék elhelyezéséhez


Fab Akadémia és "Hogyan csináljunk valamit, ami (szinte) bármit tesz" Wrap

Fab Akadémia és "Hogyan csináljunk valamit, ami (szinte) bármit tesz" Wrap


Top 10: Könnyű DIY ajándékok Apa apja fog

Top 10: Könnyű DIY ajándékok Apa apja fog


Visszatérés: Varrjon egy megfordítható szoknyát

Visszatérés: Varrjon egy megfordítható szoknyát






Legutóbbi Hozzászólások