Membuat Konverter Energi Gelombang Bagian 3: Desain, Sebelum Desain Akhir - 💡 Fix My Ideas

Membuat Konverter Energi Gelombang Bagian 3: Desain, Sebelum Desain Akhir

Membuat Konverter Energi Gelombang Bagian 3: Desain, Sebelum Desain Akhir


Penulis: Ethan Holmes, 2019

Ini adalah bagian ketiga dari seri 10-bagian yang mencatat R&D dari konverter energi gelombang. Baca bagian satu dan dua.

Tim kami yang terdiri dari lima mahasiswa teknik mesin telah merancang mesin yang dapat memanfaatkan gerakan naik turunnya gelombang laut dan mengubah energi kinetik menjadi listrik. Karena kami menggunakan ini sebagai proyek desain senior kami untuk mendapatkan kredit menjelang kelulusan, kami harus merancang dan membangun prototipe dalam jangka waktu 24 minggu di kelas. Setelah penelitian investigasi, tim telah memecah konverter energi gelombang (WEC) menjadi lima subsistem utama: pelampung, hidrolika, elektronik, spar, dan plat heave.

Setiap subsistem harus melakukan tugas tertentu yang diatur oleh persyaratan yang telah kami tetapkan di awal proyek: 1. Sistem harus modular dan cukup kecil untuk diangkut melalui satu mobil penumpang atau truk. Ini membatasi ukuran dan berat total.

2. Sistem harus beroperasi dalam gelombang laut setinggi 1 ′ hingga 8′ dan dengan output daya maksimum 100W hingga 150W. Pemilihan bahan yang terbatas ini dan menjadikan efisiensi perangkat sebagai prioritas tinggi.

3. Sistem harus dibangun terutama dari komponen di luar rak menggunakan metode yang dapat direplikasi oleh orang lain yang hanya memiliki akses ke peralatan / mesin terbatas. Ini membatasi metode pembuatan potensial dan yang lebih penting memengaruhi dari mana kita dapat mengambil bagian, serta jenis bahan yang bisa kita gunakan.

Sangat mudah untuk melihat bahwa ada banyak cara untuk mengatur lima subsistem ke dalam konfigurasi yang mungkin menghasilkan listrik. Anda dapat mencampur dan mencocokkannya seperti balok bangunan, tetapi tugas kami adalah mencoba dan membangun mesin yang akan memenuhi semua kriteria yang tercantum di atas. Pada minggu ke enam kami mengalami penghalang jalan yang serius. Karena terhenti dan kehabisan waktu, kami meninggalkan gagasan mencoba menyelesaikan setiap hal yang tidak diketahui secara bersamaan. Sebaliknya, kami mulai membuat asumsi kecil yang akan memajukan proses desain, bahkan jika kami tahu kami kekurangan informasi kunci pada saat itu. Pada awalnya metode ini tampak konyol dan tidak ilmiah, tetapi selama kami melacak semua asumsi dan secara aktif mencari solusi yang lebih baik, ini memungkinkan kami untuk terus memperbaiki desain.

Sebagai contoh, saya perlu mengetahui volume maksimum pelampung sebelum memutuskan busa ekspansi dua bagian yang akan dibeli; namun, desain pelampung belum selesai karena kami masih perlu mengetahui berat total WEC. Jadi saya harus membuat perkiraan yang dihitung berdasarkan informasi yang tersedia yang kami miliki saat itu. Kemudian, ketika perkiraan itu ternyata salah, saya bisa kembali dan merevisi perhitungan dan melihat apa lagi yang perlu diperbarui.

Tampaknya sepele di belakang, tetapi aspek yang paling penting dari mentalitas "asumsi yang dihitung" ini adalah bahwa kita sekarang dapat mengikat semua bagian secara analitis. Anggota tim Alex Beckerman dan Tom Rumble membuat simulasi komputer untuk memprediksi output daya WEC untuk tinggi gelombang dan periode tertentu menggunakan program MatLab. Alex dan Tom bekerja tanpa lelah untuk memperbaiki kode untuk mendapatkan hasil yang lebih realistis, memperhitungkan faktor-faktor seperti gesekan, inersia, dan kemudian pada efek redaman hidrodinamik. Program komputer menyederhanakan upaya kami dan memungkinkan kami untuk membandingkan berbagai konfigurasi dan desain berdampingan dengan data yang diplot dalam grafik dan tabel. Pada akhir minggu ke-11 kami kembali ke jalur yang benar dan menyelesaikan pengembangan konsep WEC-002 tepat sebelum Laporan Desain Awal harus diserahkan kepada profesor.

Hasil dari simulasi komputer awal untuk memprediksi output daya WEC.

Sementara Alex dan Tom telah mengerjakan kode Matlab, anggota tim Kevin Quach dan saya telah membuat model CAD 3D terperinci dari rencana WEC-002 menggunakan SolidWorks Dari model CAD kita dapat menentukan parameter fisik seperti berat total, temukan pusat dari massa untuk mengatasi masalah daya apung, periksa untuk melihat apakah komponen akan cocok bersama, dan yang paling penting mulai merencanakan fase fabrikasi dan konstruksi.

Konsep untuk WEC-002 sangat mirip dengan desain yang telah kita baca dari proyek kelas University of New Hampshire Wave Energy. Proyek konverter energi gelombang metodis dan terorganisir dengan baik ini sebenarnya merupakan upaya bersama dari beberapa proyek desain senior dan berlangsung lebih dari tiga tahun. Laporan 2008, 2009, dan 2010 adalah sumber informasi yang bagus, dan mendiskusikan berbagai topik mulai dari pemodelan komputer hingga prototipe dan pengujian fisik dalam tangki gelombang.

Pada 2010 tim bekerja untuk menguji PTO mereka (power takeoff) dalam pengaturan laboratorium dengan tujuan masa depan untuk membentuk pengujian lautan di lokasi akuakultur sekolah. Dalam keinginan kami untuk mulai membangun, tim kami melewatkan beberapa pelajaran yang sangat penting yang dapat dipelajari dari ketiga laporan itu. Jadi, jika Anda tertarik untuk membangun konverter energi gelombang, saya SANGAT merekomendasikan meluangkan waktu untuk duduk dan membaca ketiga dokumen.

Mirip dengan desain New Hampshire, WEC-002 menggunakan pipa besar dengan tutup di kedua ujungnya untuk membuat spar. Spar ini kemudian akan meluncur ke atas dan ke bawah melalui lubang lubang di tengah pelampung. Karena kami berencana untuk membuat pelampung kami sendiri, diputuskan bahwa lubang persegi akan lebih mudah dibangun menggunakan kayu lapis. Untuk menghasilkan listrik, pelampung kuning dan spar tidak boleh bergerak bersama, melainkan naik pada waktu yang berbeda.

Semua elektronik dan hidrolika ditempatkan di dalam pipa besar, yang terbuat dari high-density polyethylene (HDPE). Manfaat utama menggunakan HDPE adalah bahwa endcaps dapat dilas secara termal pada ujungnya, dan pelat baja stainless dan gasket karet dapat melesat ke adaptor flensa HDPE atas untuk membuat tutup anti air yang dapat dilepas. Ini akan memungkinkan akses ke PTO, yang akan meluncur masuk dan keluar dari tiang untuk pemeliharaan dan perbaikan.

Tidak seperti baja ringan dan murah, pipa HDPE ini tidak akan menimbulkan korosi di air asin. Itu juga secara kimia mewarisi, tahan air, dan agak tahan UV. Spar kami perlu memiliki diameter bagian dalam minimal 11 ″ agar sesuai dengan semua peralatan hidrolik di dalam dan harus sekitar 16 ′ panjang untuk mempertahankan daya apung netral. Biasanya, jenis pipa ini dijual dalam ukuran 50,, tetapi kami menemukan vendor lokal yang bersedia menjual potongan memo, hanya 30 ′, dengan harga diskon. Dengan diameter luar 14 ″ dan diameter dalam 11,6 ″, pipa itu memiliki berat 22 pound / kaki dan kami harus membeli seluruh panjang 30 ′. Selain itu, vendor harus secara termal mengelas endcaps dengan mesin khusus, yang berarti ini jelas bukan pilihan DIY.

Di bagian bawah WEC adalah pelat logam besar untuk membuat hambatan hidrodinamik yang akan menentang gerakan naik ke atas dari pelampung yang mengambang di gelombang laut. Plat heave berukuran 8 kaki2 piring dengan 6 ″ dinding dilas di sekeliling. Ini dilakukan untuk mengambil keuntungan dari efek massa yang ditambahkan dalam mekanika fluida; dengan menangkap volume air langsung di atas plat, gaya yang lebih besar akan diperlukan untuk mempercepat plat dan air bersama-sama dan secara efektif meningkatkan gaya hambat plat heave.

Ketika pelat tidak bergerak di dalam air, efek massa yang ditambahkan akan diabaikan sehingga hanya berat aktual pelat heave yang akan ditarik ke bawah pada spar. Tetapi jika spar itu melengkung ke atas dan ke bawah, ini akan menyebabkan plat melaju dan melambat, dan tiba-tiba akan terasa seolah-olah piring yang jauh lebih besar sedang menarik di bawah spar. Fitur kecil ini sangat penting (terima kasih, Dr. Andrew Hamilton!) Karena kami membutuhkan gaya hambat terbesar yang mungkin untuk melawan naiknya pelampung ke atas sementara spar masih memiliki daya apung yang netral.

Pergerakan relatif antara buoy dan spar akan menyebabkan ram hidrolik bergerak naik dan turun dan memompa cairan hidrolik melalui PTO untuk memutar generator dan menghasilkan listrik. Tanpa efek massa tambahan, kami harus membuat pelat heave 20'x20 ', yang akan terlalu berat dan mahal untuk dibuat. Sebagai gantinya, kami akan membeli baja lembaran murah selebar 4′ dan menggunakan besi siku untuk membangun ketenaran. Baja lembaran akan dilas ke rangka dan diperkuat di tengah dengan balok silang untuk membuat pelat yang kaku dan ringan. Untuk memaksimalkan efek massa yang ditambahkan, dinding samping juga ditambahkan ke bagian bawah pelat heave dengan harapan menangkap volume air yang lebih besar yang akan menempel ke bagian bawah pelat karena adhesi.

Untuk menjaga agar pelampung terpusat di sekitar spar, kami berencana untuk mengamankan dua set roller dock ke bagian atas dan bawah pelampung. Panjang semua-benang kemudian akan digunakan untuk mengapit pelampung di antara bingkai rol logam. Rol ini akan bergesekan dengan longgar pada bagian luar spar HDPE sehingga jika gelombang besar menabrak pelampung, beban samping akan dipindahkan ke setidaknya dua rol dan mencegah busa dari remuk. Ini adalah masalah serius karena salah satu variabel terbesar dalam proyek ini adalah ukuran gelombang laut yang akan dikenakan WEC selama pengujian. Dari data gelombang NOAA untuk Teluk Bodega, California, kami telah menentukan bahwa 95% dari gelombang harus antara 1 hingga 8 ′ (dua standar deviasi tentang tinggi gelombang rata-rata). Ram hidraulik yang kami miliki hanya memiliki perjalanan 6 ′, sehingga rol karet juga akan berfungsi sebagai pemberhentian akhir untuk mencegah ram hidrolik mencapai ujung langkahnya.

Saat mendesain PTO, kami mengasumsikan kondisi operasi yang ideal dengan tinggi gelombang 6 ′ dan periode gelombang 10 detik. Dari parameter-parameter ini kita dapat menentukan laju aliran fluida rata-rata dari piston hidrolik dan turun ke motor hidrolik. PTO terdiri dari komponen-komponen berikut: silinder hidrolik kerja ganda dengan 2 ″ bore dan 72 ″ stroke, sebuah motor baling-baling Eaton yang mampu berputar pada 1.300–2.100 rpm, dua akumulator hidrolik dengan akumulator yang lebih besar yang digunakan untuk menahan tekanan turun. kelebihan cairan, empat katup periksa (katup satu arah), motor DC magnet permanen berkekuatan 1/2 kuda berjalan mundur untuk bertindak sebagai generator kami, dan bank baterai siklus-dalam kelas laut untuk mengumpulkan semua energi. Ini sebelum kami meninggalkan ide untuk menyimpan energi menggunakan baterai internal, tetapi kami akan membahas lebih detail di posting berikutnya.

Power-Take-off "sled" meluncur masuk dan keluar dari spar.

Sekarang kami memiliki desain yang terlihat bagus di atas kertas, kami sangat membutuhkan wawasan dari otoritas luar untuk membantu kami mengidentifikasi kesalahan yang jelas dalam desain. Pada titik ini kami belum benar-benar menyentuh uang hibah, dan saya khawatir menghabiskan semua uang itu tanpa ada orang yang memeriksa pekerjaan kami. Yang benar-benar kami butuhkan adalah seseorang yang terbiasa membuat mesin untuk laut atau lebih baik lagi seseorang yang telah membangun dan menguji perangkat tenaga laut.

Masalahnya adalah kami harus mulai memesan suku cadang dan bahan segera jika kami akan dapat menyelesaikan membangun hal ini dalam 12 minggu tersisa sehingga kami harus menemukan seseorang dengan cepat. Dalam keberuntungan murni, saya menjangkau Lembaga Riset Akuarium Monterey Bay (MBARI), setelah menghubungi mereka sebelumnya setelah membaca tentang proyek konverter energi gelombang mereka, dan entah bagaimana berhasil mendapatkan undangan untuk mengunjungi pusat penelitian. Luar biasa! Tim melempar tayangan slide dengan semua angka dari simulasi dan model CAD kami dan melompat ke dalam mobil.

Mengemudi di jalan menuju Moss Landing, saya memikirkan semua pekerjaan yang kami lakukan dalam proyek ini dan saya bangga dengan tim kami dan apa yang telah kami capai sejauh ini. Saya tahu desain bisa diperbaiki di beberapa daerah, dan saya berharap bahwa begitu konstruksi dimulai akan ada sedikit penyesuaian atau perubahan, tetapi apa yang saya tidak sadari adalah bahwa desain WEC-002 membutuhkan seluruh perbaikan.

Dengarkan minggu depan untuk bagian 4!



Anda Mungkin Tertarik

PopTech membayangkan kembali Amerika

PopTech membayangkan kembali Amerika


Kuil, Hanya Karena

Kuil, Hanya Karena


Papan Musik Go

Papan Musik Go


Bob Thompson pada skala laboratorium

Bob Thompson pada skala laboratorium