Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Tvorba vlnového energetického převodníku Část 4: Poučení z MBARI

Toto je čtvrtá část 10-dílné série, která zachycuje výzkum a vývoj měniče energie. Čtěte části jeden, dva a tři.

Konečný návrh převodníku vlnové energie týmu s velkým množstvím pomoci a inspirace od týmu MBARI.

Na konci třetí části této série, náš tým strojírenských studentů křižoval po dálnici 101 směrem k Moss Landing na 10 hodin setkání ve světoznámém výzkumném ústavu Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI). Byli jsme pozváni dr. Andrewem Hamiltonem a jeho kolegou Francoisem Cazenaveem, kteří pracovali na vývoji energetického měniče vln 500 W (WEC) v MBARI a úspěšně provedli rozšířené oceánské zkoušky. Během této schůzky náš tým plánoval předložit Dr. Hamiltonovi a panu Cazenaveovi vlastní koncepty výzkumu a designu, aby zjistili, zda měli nějaké návrhy či rady, než budou pokračovat v konečné výstavbě.

Když jsme dorazili do zařízení, skupina byla nadšená a také znepokojivá. Během posledních 12 týdnů jsme společně pracovali na vytvoření počítačových simulací a CAD výkresů, abychom vysvětlili, jak bude systém sestaven a provozován, ale skutečným testem by bylo provedení našich návrhů, aby byly dostatečně robustní, aby vydržely extrémní podmínky oceánu.

Velká bóje pro projekt měniče energie MBARI.

Neměl jsem mnoho oceánských inženýrských zkušeností, obával jsem se, že bychom mohli tento problém překonávat nebo ještě horší, kdybychom si nebyli vědomi všech úvah a problémů spojených se stavbou stroje pro oceán. Budování hydraulicko-elektronicko-mechanického systému na pevnině je dost náročné, ale snaha o vytvoření vodotěsného, ​​korozivzdorného, ​​vztlakového zařízení dodává celý seznam složitostí. Setkáním s Dr. Hamiltonem a panem Cazenaveem jsem doufal, že bychom se mohli vypořádat s některými z těchto specifických otázek, které se týkají oceánů, a získat lepší řešení těchto otázek.

Zařízení MBARI je úžasné místo, plné oceánských vědců a inženýrů pracujících na projektech, které se pohybují od studia acidifikace oceánů a vodní chemie až po výstavbu podvodních dálkových vozidel (ROVS) a studium globálních mořských vzorů a trendů. Než jsme se posadili a diskutovali o našem návrhu WEC, pan Cazenave nám poskytl celkovou prohlídku laboratoří a hovořil o historii výzkumného centra. Po prohlídce jsme přešli k velké průmyslové budově, která byla spíš jako malý závěs na letouny, aby viděl MBARI vlnový konvertor energie.

Jejich systém WEC byl mnohem větší, než jsem očekával. Bóje byla obrovská, nejméně 5 stop vysoká s velkým solárním polem a masivními ocelovými bednami namontovanými nahoře. Pevný žlutý pěnový disk zabíral celý roh budovy a byl tak velký, že jste museli stát na žebříku, abyste viděli veškerou elektroniku a senzory namontované nahoře. Sekce WEC, která je normálně připevněna ke spodní části bóje, spar, byla položena na bok a překlenuta téměř 30 stop se všemi komponenty hydrauliky a ocelového rámu.

Francios Cazenave (vlevo) trpělivě odpověděl na otázky člena týmu Toma Rumbleho, když Kevin Quach (vpravo) se blíže podíval na elektroniku namontovanou na bóji.

Náhle, naše normálně tichá, plachá skupina studentů náhle vybuchla s milionem otázek směřujících k klidu a složil pana Cazenaveho. „Jaký typ hydromotoru jste použil?“ „Jak skladujete elektřinu?“ „Co je to za věc?“ Poté, co pan Casanave trpělivě odpověděl na všechny naše otázky, rozešli jsme se na přestávku na oběd a nechali informace proniknout .

Po obědě jsme procházeli kolem 20 metrů hlubokého potápěčského tanku přes výzkumnou laboratoř ROV a našli jsme malou konferenční místnost s nádherným výhledem na pláž Monterey Bay. Člen týmu Kevin Quach vytáhl svůj notebook a otevřel prezentaci, kterou jsme připravili na setkání. To byl okamžik pravdy, celý důvod naší návštěvy v tomto úžasném výzkumném zařízení, abychom mohli s těmito dvěma experty nasměrovat své plány a zjistit, zda bychom mohli získat jejich razítko schválení.

Spar od MBARI vlnového energetického konvertoru spočívá ve vodorovné poloze na zkušební stolici.

Pět z nás se promluvilo a hovořilo o konkrétních oblastech projektu, na které jsme se zaměřili. Kevin hovořil o designu spar a o tom, jak jsme se rozhodli použít trubku HPDE pro hlavní spar, zatímco Teresa Yeh diskutovala o systému výroby elektrické energie ao důvodech pro výběr alternativního námořního alternátoru. Člen týmu Tom Rumble následoval vysvětlením návrhu hydraulického systému a potřebou čtyř kontrolních hodnot pro regulaci průtoku tekutiny, aby se alternátor mohl otáčet v jednom směru. A konečně Alex Beckerman hovořil o podrobnostech konstrukce desky a jak jsme ji plánovali z ocelového plechu a šikmých vzpěr.

Dr. Hamilton a pan Cazenave se v průběhu prezentace ptali na objasnění a nedbale prokládání názorů, ale jakmile formálně skončila prezentace, Dr. Hamilton byl první, kdo nám skutečně oznámil, co si o celém designu myslí. Začal tím, že nám poblahopřál, že jsme byli natolik ambiciózní, abychom se pokusili tento projekt vyřešit, a pochválili nás za naše dosavadní snahy o úvahách, které jsme použili při vývoji našich návrhů.

Detailní pohled na silné, izolované elektrické spoje používané k zabránění roztřepení z pohybu bóje.

Ale (a tam byl velký, ale) nám chybělo několik klíčových pojmů, spolu s některými z našich jednodušších nápadů, které byly jen špatné. Pro začátek, ve fázi návrhu jsme se rozhodli, že náš spar bude neutrálně vznášející se tak, aby se přirozeně vznášel ve vodě s bójí pohybujícími se nahoru a dolů na vnější straně, jak by vlny procházely kolem. Toto vyloučilo potřebu zahrnout pružiny nebo nějaké jiné zařízení k moderátor bóje a spar u středu bodu předtím příští vlna by přišla a tlačit bóje nahoru a pumpovat hydraulický válec.

Dr. Hamilton však použil základní model masové pružiny a tlumiče, o který jsme se opírali v naší třídě enginerringové dynamiky. Dr. Hamilton ukázal, že bez „pružiny“, která je někde v našem systému zabudována, by bylo pro bóji obtížné vrátit se do střední polohy. Než se další vlna pohnula kolem WEC a místo toho, bóje a spar se pohnuly spolu s bójí uvíznutou v horní části sparu. Takže pro první změnu jsme potřebovali začlenit obnovující sílu, aby se bójka vrátila zpět do střední polohy a vynulovala ji uprostřed sparu tak, aby se příští vlna mohla pohybovat. hydraulický válec. Nakonec, toto vzalo formu pěti automobilových automobilových pružin naskládaných dohromady tak, že na vrcholu hřebene vlny by hydraulický beran vyčníval, stlačil pružiny, které pak tlačily beran zpět do polohy plně stlačeného.

Konečný design bóje týmu se změnil z koblihy na pevný válec.

S použitím stejného modelu pružina-hmotnost-tlumič bylo možné matematicky určit optimální hmotnost tažné desky a společně se rozprostřít a rozšířit dynamický model tak, aby zahrnoval dva systémy těles-hmota-pružina-tlumič. Ze dvou systémů těles-hmota-pružina-tlumič bychom byli schopni odvodit charakteristické pohybové rovnice, abychom mohli předvídat, jak by se bójka a spar plus tažná deska pohybovala v ideálních vlnách oceánu. V programu MatLab by mohla být vytvořena nová počítačová simulace, která by nám pomohla určit optimální velikost motoru a další související hydraulické komponenty.

Současný design také používal gumové válce držet koblihu ve tvaru bóje koncentricky se vyrovnal spar, omezovat bóji jen pohyb nahoru a dolů v vlnách oceánu. Dr. Hamilton a pan Cazenava na základě svých zkušeností vyjádřili obavy, že tyto válce by mohly zaseknout nebo být ucpané řasami a nečistotami, a to i během krátkých testovacích období, a nakonec selhávají. Kromě toho by mohlo být velmi obtížné zajistit správné vyrovnání válečků během výroby, což je náročné a obtížné provedení.

Konečný design pro montáž na nosník, který se pevně montuje na spodní stranu bóje.

Bylo zapotřebí pružnější řešení a protože tým musel přidat pružiny, aby zahrnoval obnovující sílu, neutrálně vznášející se nápad vypadal jako flop. S jejich velkorysým svolením a souhlasem jsme přijali podobnou úpravu jako konfigurace bóje MBARI s bójkou, která se vznášela na hladině a spar se našrouboval pod vodu. Pro náš design byl nosník pevně namontován na spodní stranu bóje, aby se eliminovala potřeba pružného spoje. Tuhé spojení také zajistilo, že hydraulické hadice a elektrické spoje mezi nosníkem a bójí by se neohrožily nebo zlomily v důsledku ohnutí nebo ohnutí spojky.

Náš počáteční design pro zdvihátko byl považován za příliš křehký a ne dostatečně pevný, aby vydržel extrémní oceánské síly. Projekt MBARI používal tlusté ocelové desky navařené na dva nosníky I, aby se vytvořila těžká, nezničitelná zvedací deska. Vzhledem k hmotnostním omezením a dopravním obavám jsme nahradili naši větší, tenkou desku pro modulární konstrukci z čtvercového tubusu 2 ″ x2 ″, který jsme spojili dohromady. Dr. Hamilton také poukázal na to, že je žádoucí mít tažnou desku co nejhlubší, kde by voda byla klidnější než povrchové vlny. Zpočátku byla destička jen 20 stop hluboká a bylo očekáváno, že se odrazí ve sloupci vody nahoru a dolů. Finální revize zahrnovala ocelové kabely, které spustily desku více než 45 stop ve vodě.

Konečná konstrukce sestavy zvedací desky se čtyřmi moduly přišroubovanými pro snadnou přepravu.

Sbírání a ukládání energie bude výzvou. Výroba elektřiny WEC byla přímo spojena s velikostí a dobou vln, takže jsme očekávali, že elektřina bude muset být opravena a filtrována dříve, než bude vhodná pro nabíjení hlubokocyklových námořních baterií. Když jsme viděli další studentské týmy, které se pokoušejí tento problém řešit, Dr. Hamilton navrhl, abychom se zaměřili pouze na měření generovaného výkonu a zapomněli na snahu skutečně zachytit a uložit energii pomocí baterií. Zapojením velkého 1500-wattového rezistoru, který by fungoval jako „fiktivní“ zátěž, bychom mohli měřit pokles napětí napříč odporem a vypočítat okamžitý výkon pomocí zákona Ohms k vyřešení výkonu: Výkon = Napětí ^ 2 / Odpor.

Zpočátku jsme plánovali použít alternátor běžící v jednom směru, protože by to poskytlo regulovaný 14V DC, který byl ideální pro nabíjení 12V námořních baterií.Vzhledem k tomu, že jsme již ne nabíjeli baterie a alternátor nevyráběl elektřinu pod 500 ot / min, rozhodli jsme se použít náš generátor s permanentním magnetem. Připojením výstupního hřídele hydromotoru k hřídeli bezkartáčového stejnosměrného motoru s permanentním magnetem bychom spustili motor dozadu a používali jej jako generátor. Nejlepší ze všeho by bylo vyrábět elektřinu i při velmi nízkých otáčkách.

Přestavba na systém vývodového hřídele (PTO) s motorem stejnosměrného proudu používaným jako generátor.

Díky nahlédnutí a radám Dr. Hamiltona a pana Cazenaveho jsme opustili MBARI se seznamem kritických změn a oprav. Potvrdily se mé obavy - skutečně jsme problém přehnali a nebyli jsme si vědomi všech úvah a otázek spojených se stavbou stroje pro oceán. Přesto, že celý systém musel být opraven za méně než dva týdny (museli jsme začít objednávat díly a stavbu!), Cítil jsem se ještě více nadšeně a optimističtěji. Než jsme se vydali domů, jásavý tým se zastavil na pláži a našel válcovanou písečnou dunu, aby seděl a přemýšlel o všem, co se právě stalo. Nechali jsme v autě tužky a papír a hodinu jsme mluvili, kreslili obrázky v písku.

Všichni jsme se cítili, jako bychom to dělali během prvních několika týdnů projektu, kdy všichni byli nadšeni a chtěli se podělit o své nápady, s výjimkou té doby, kdy jsme se namísto toho, aby se hádali o správná slova, všichni mluvili ve stejném žargonu a byli schopni vyjádřit své nápady v způsobem, který byl snadno pochopitelný. Po naší cestě do MBARI nám trvalo 12 týdnů a tři pokusy o inženýrství byly přepracovány na čtvrtý a poslední čas za méně než 14 dní. To bylo ono - měli jsme konečný design. Dalším krokem bylo vybudování velké žluté bóje.

Podíl

Zanechat Komentář