Lav en Wave Energy Converter Del 2: Fast i et Design Loop - 💡 Fix My Ideas

Lav en Wave Energy Converter Del 2: Fast i et Design Loop

Lav en Wave Energy Converter Del 2: Fast i et Design Loop


Forfatter: Ethan Holmes, 2019

Dette er del to i en 10-delt serie, der beskriver R & D af en bølgeenergi konverter. Læs del en.

Det var fire år siden jeg først lærte om vedvarende oceankraftteknologi. Jeg havde nu et hold, finansiering og begyndelsen af ​​en plan om at bygge en bølgeenergiomformer (WEC) ved hjælp af off-the-shelf dele, så andre kunne tage vores planer og forbedre dem. Allerede før projektet nogensinde blev startet, havde jeg utallige design alle udarbejdet i mit hoved. Men så smertefuldt som det var på tidspunktet, ville min første vision til sidst blive formet og forfinet til en fungerende fysisk prototype baseret på solid engineering fundamentals og teamwork. I løbet af projektets løbetid vil WEC-designet gennemgå tre drastiske design iterationer inden den fjerde og endelige konstruktion, WEC_004. Vores sponsor, CITRIS, havde givet os et år til at gennemføre vores forslag og bruge midlerne i overensstemmelse hermed.

Men som senior ingeniører ved UC Davis måtte vi alle deltage i et højtstående designprojekt inden deres eksamen. Efter at have talt med klasseprofessoren besluttede vi at rulle tilskudsmidlerne i vores senior designprojekt med den forståelse at dette ville fremskynde projektets tidslinje. Det betød, at vi kunne fokusere hele vores tid og opmærksomhed på et stort projekt i stedet for at dele vores tid mellem et højtstående designprojekt og projektet om vedvarende energi. Tidslinjen blev sat i sten, og vi var nødt til at afslutte projektet for at kunne færdiggøre. Vi ville tilbringe de første 12 uger af klassen efterforskning og design, og i anden halvdel af klassen ville vi bygge WEC i elevbutikken og teste det i havet. Nedtællingen begyndte.

Indledende WEC koncept design.

De første to uger af projektet arbejdede vi sammen hver dag. Selv da der ikke var planlagt et officielt holdmøde, ville vi uundgåeligt komme ind i andre holdkammerater i klassen, og samtalen ville altid gå tilbage til WEC-projektet. Det var uundgåeligt. Vi vidste, at vi ville bygge en WEC og håbede, at vi måske kunne teste det i Bodega Bay, så det næste skridt var at finde ud af, hvordan vi konverterede bevægelsen af ​​havbølgerne til elektricitet.

To år tidligere fandt jeg et dybtgående forskningsdokument med titlen "En gennemgang af Wave Energy Converter Technology", mens man undersøgte bølgeenergi til en klassepræsentation. Da vi havde mindre end 12 uger til at designe WEC, blev det forstået, at vi ikke ville udvikle en ny, ny måde at udnytte energi fra bølger. I stedet planlagde vi at integrere eksisterende teknologi i en mere tilgængelig platform, som andre måske kunne replikere. Manuskriptet var et godt sted at starte, og jeg anbefaler det stærkt til alle interesserede i bølgeenergi, da den er fyldt med jargon og terminologi relateret til oceankraft.

Inden for den første uge gik holdet ind for at fokusere på at designe en punktabsorberende lineært drivsystem det ville bob op og ned i bølgerne for at producere elektricitet. Da vi ønskede, at vores design blev let vedtaget af andre, følte vi, at enheden skulle kunne fungere i en bred vifte af bølgeforhold. Punktabsorberende er i stand til at indsamle energi fra bølger, uanset hvor bølgerne kommer fra. Dette gør dem specielle egnede til steder som Bodega Bay, hvor bølgerne overvejende nærmer sig nordvest, men kan pludselig skifte og nærme sig fra syd under store storme. Ved at gøre den flydende bøje cirkulær i form, kan WEC modtage bølger fra enhver vinkel. At være, at et lineært drevsystem kun har 1 ° frihed, ville vores design være bekymret for at udnytte bølgernes høje, op-og-ned bevægelse. Dette lineære drevdesign gjorde matematisk modellering mere håndterbar og ville også være meget nemmere at fremstille i elevbutikken.

Tidligt design af kraftudtagningssystem, der passer ind i WEC_001.

Nu da vi havde besluttet at bruge et punktabsorberende lineært drivsystem, måtte vi vælge et kraftudtagningssystem, som fysisk ville konvertere hævningsbevægelsen fra bøjlen til elektrisk energi. Vi kunne have brugt magneter og trådspoler til direkte at konvertere bølgerne op og ned i el. Et par år tidligere havde jeg brugt denne ide til at bygge en bølgeenergi-konvertermodel ved hjælp af neodymmagneter og spoler af magnetråd. Det er det samme princip, der bruges i de genopladelige lygter, som du ryster: Når magneten bevæger sig ind og ud af spolen, induceres en vekslende elektrisk strøm i spolerne. Så længe magneten bevæger sig, kan du skabe elektricitet; Strømens spænding og frekvens varierer imidlertid baseret på magnetens hastighed og forskydning, hvilket gør at indsamle energien mere kompliceret.

Holdets WEC-projekt ville blive meget større end min lille PVC-rørmodel, og da ingen af ​​os var elektriske ingeniører tanken om at opbygge et kredsløb for at rette op og standse signalet, skræmte os alle sammen. Selv uden fase- og korrigeringsproblemer var prisen på sjældne jordets magneter skyrocketing, hvilket gjorde ideen økonomisk upraktisk.

Mini WEC model bygget i 2010 ved hjælp af magneter og spoler.

Derefter overvejede vi at bruge trisser og modvægte indkapslet i et vandtæt hus: et netværk af trisser, tovværk og vægte, der alle bevæger sig sammen, forankret til havbunden og bundet til en flydende bøje, der bobler over overfladen. Teammedlem Alex Beckerman var især glad for denne ide, fordi han i sin tekniske tankegang kan modellere alt i livet som et system af masser, fjedre og dæmpere og derefter bruge calculus til at finde løsningen. Men med alle de remskiver og lejer, der var nødvendige for at gøre dette arbejde, skønnede vi, at friktionstab vil reducere den samlede effektudgang kraftigt, og at sandsynligheden for, at et kabel slider ned og går i stykker, er for stort.

Hydraulisk kredsløb til kraftudtag (PTO) system til WEC_001 - WEC_003.

På udkig efter et mere simpelt design med færre bevægelige dele, foreslog jeg, at vi bruger hydrauliske komponenter.Flere forskningsartikler online refererede til et grundlæggende hydraulisk kredsløb, der brugte et dobbeltvirkende stempel til at pumpe væske gennem en række envejsventiler og dreje en hydraulisk motor koblet til en generator. Dele var let at finde, og de fleste af armaturerne og komponenterne blev vurderet til højt driftstryk og kunne modstå de massive kræfter og ætsende havmiljø. Der var endda artikler, der beskriver hvordan man modellerer disse typer af hydrauliske kredsløb i en computersimulering for at forudsige den potentielle effekt som en måde at evaluere systemets effektivitet på.

Det eneste problem er, at ingen på holdet havde stor erfaring med at arbejde med industrielle hydrauliske komponenter. Sikker på, at nogle af os havde erfaring med at fastsætte VVS rundt om i huset eller installere vandingsværdier, men at udforme et system med højtryksakkumulatorer og hydrauliske motorer, samtidig med at de blev påvirket af tryktab som følge af åbningsbegrænsninger, var udenlandsk territorium. Afviger alle vores muligheder, fastslog holdet, at hydrauliksystemets tilsyneladende relative enkelhed og den nemme at finde off-the-shelf dele gjorde dette til det vindende valg.

Ved udgangen af ​​anden uge følte vi os ganske gode. Vi havde lavet store beslutninger om designets generelle layout, og nu hvor vi havde aftalt at bruge hydraulik til at bygge vores kraftudtagningssystem, kunne holdet opdele os, og hver af os kunne begynde at arbejde på de forskellige underafsnit: hydraulik, elektronik , bøje, hæveplade og spar. Hvad vi ikke vidste på det tidspunkt var, hvordan hvert delsystem var sammenkoblet med alle de øvrige delsystemer.

I lærebogsproblemer er de fleste variabler enten givet til dig i problemstillingen eller du kan se dem op i et bord et eller andet sted. Så da vi satte os ned for at begynde at arbejde på de beregninger, der var nødvendige for at "løse" WEC-designproblemet, befandt vi os fast i en massiv designsløjfe, der ikke kunne foretage væsentlige beslutninger, fordi der var for mange ukendte. For eksempel ville teammedlem Tom Rumble forsøge at bestemme, hvor stor en hydraulisk motor at købe, men han havde brug for Kevin Quach til at vælge den hydrauliske ram først, men Kevin havde brug for at bestemme hydraulikcylinderens boring, som var direkte relateret til mængden af ​​tryk i systemet, hvilket førte tilbage til spørgsmålet om hydraulikmotoren. Alex forsøgte at designe den store metal hæveplade, som ville give hydrodynamisk træk, der ville modstå den opadgående trækkebevægelse fra bøjen, men først skulle jeg bestemme den samlede størrelse af bøjen. Men før jeg kunne beregne den samlede flydende kraft, der kræves til bøjen, havde jeg brug for at kende den samlede vægt af WEC fra Teresa Yeh og vægten af ​​hævepladen fra Alex. Dette fortsatte i fire elendige uger, og holdet gik ind i en uproduktiv rut.

Heaving bevægelse af WEC-004 design i havbølger.

Ved uge seks havde jeg problemer med at sove om natten. Jeg vil ligge vågen i sengen og stirre i loftet og forsøge at udrydde hele projektet som en kuglestreng alle sammenknyttede. Projektets størrelse vejer på mig, og jeg kunne fortælle de andre holdmedlemmer, at man følte presset på bunken. Midterms var over os, hvilket betød, at projektfristerne gik ud af vinduet. Holdmøder blev spændte, da en person ville forsøge at forklare, at de kunne løse deres del af problemet, hvis kun en anden ville give dem de oplysninger, de havde brug for.

Nu var vi flyttet til WEC_002 designet med et neutralt flydende spar fremstillet af et 20 "diameter HDPE rør og præfabrikeret rullesamling oven på bøjen, men PTO havde lavet lidt fremskridt. For at tilføje frustrationerne forsøgte jeg at finde ud af, hvordan vi rent faktisk ville teste denne ting, når vi bygget det, men mine e-mails til marine lab gik ubesvarede, og vi havde virkelig ikke en backupplan. Noget var nødt til at ændre sig og hurtigt. Havde vi været dømt fra starten, var dette for stort og alt for ambitiøst til et projekt for de fem os til at tackle? Jeg begyndte at have mine tvivl.

Indstil næste uge til del 3!



Du Kan Være Interesseret

Miami Nice! Maker Faire kommer til Florida denne weekend

Miami Nice! Maker Faire kommer til Florida denne weekend


Makere, Droner og Sydafrikas fremtid

Makere, Droner og Sydafrikas fremtid


Staten af ​​3D-udskrivning: MAKE Survey Results

Staten af ​​3D-udskrivning: MAKE Survey Results


Microsoft udgiver "3D Builder" Touchscreen 3DP App i dag

Microsoft udgiver "3D Builder" Touchscreen 3DP App i dag






Seneste Indlæg