Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Efectuarea unui convertor de energie cu valuri Partea 4: Lecții învățate la MBARI

Aceasta este o parte a unei serii de 10 părți care caracterizează cercetarea și dezvoltarea unui convertor de energie al undelor. Citiți părțile una, două și trei.

Designul final al convertorului de energie al unei echipe, cu o mulțime de ajutor și inspirație din partea echipei MBARI.

La sfârșitul celei de-a treia părți a acestei serii, echipa noastră de studenți în domeniul ingineriei mecanice a pornit pe autostrada 101 către Moss Landing pentru o întâlnire de 10 ore la Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI). Am fost invitați de dr. Andrew Hamilton și de colegul său, Francois Cazenave, care amândoi lucrați la dezvoltarea unui convertor de energie cu valuri de 500 wați (WEC) de la MBARI și au efectuat cu succes studiile oceanice extinse. În timpul acestei întâlniri, echipa noastră a planificat să prezinte propriile noastre concepte de cercetare și proiectare Dr. Hamilton și domnul Cazenave pentru a vedea dacă au sugestii sau sfaturi înainte de a merge mai departe cu construcția finală.

Când am ajuns la facilitate, grupul a fost atât emoționat cât și îngrijorat de întâlnire. În ultimele 12 săptămâni am lucrat împreună pentru a crea simulări pe computer și desene CAD pentru a explica modul în care sistemul ar fi asamblat și funcționează, dar adevăratul test ar fi implementarea planurilor noastre pentru a le face suficient de robuste pentru a rezista la condițiile extreme ale oceanelor.

Soba mare pentru proiectul convertorului de energie al undelor MBARI.

Nu aveam multă experiență în domeniul ingineriei oceanice, mi-era teamă că s-ar putea prea mult să simplificăm problema la îndemână sau, chiar mai rău, să nu știm cu adevărat toate aspectele legate de construirea unei mașini pentru ocean. Construirea unui sistem hidraulic-mecanic electronic pe teren este destul de dificilă, dar încercarea de a face un dispozitiv impermeabil, rezistent la coroziune și plutitoare adaugă o întreagă listă de complexități. Întâlnindu-mă cu Dr. Hamilton și cu domnul Cazenave, speram că vom putea aborda unele dintre aceste întrebări specifice oceanului și vom avea o mai bună gestionare a acestor probleme.

Facilitatea MBARI este un loc uimitor, plin de oameni de știință și ingineri de la ocean care lucrează la proiecte care variază de la studierea acidifierii oceanelor și chimiei acvatice la construirea vehiculelor subacvatice de la distanță (ROVS) și studierea modelelor și tendințelor globale ale lumii. Înainte de a se așeza pentru a discuta despre proiectul WEC, domnul Cazenave ne-a dat un tur general al laboratoarelor și am vorbit despre istoria centrului de cercetare. După tur, ne-am îndreptat spre o clădire industrială mare, care seamănă mai degrabă cu un mic camion de avion pentru a vedea aproape convertitorul de energie al undelor MBARI.

Sistemul WEC era mult mai mare decât mă așteptam. Baliza era gigantică, de cel puțin 5 metri înălțime, cu o gamă largă de panouri solare și cu cutii de oțel masive montate pe vârf. Discul solid de culoare galbenă a preluat întregul colț al clădirii și a fost atât de mare încât a trebuit să stați pe o scară doar pentru a vedea toate electronicele și senzorii montați pe vârf. Secțiunea WEC, care în mod normal atașată la partea inferioară a geamandurii, a fost așezată pe o parte și a depășit aproape 30 de picioare, cu toate componentele hidraulice și a cadrului metalic asamblate complet.

Francios Cazenave (stânga) răspunzând cu răbdare întrebărilor din partea membrului echipei Tom Rumble ca Kevin Quach (dreapta), se uită mai atent la electronice montate pe vârful geamandurii.

Dintr-o dată, grupul nostru de studenți, în mod obișnuit, liniștit și timid, a izbucnit brusc cu un milion de întrebări îndreptate spre calmul și compunerea domnului Cazenave. "Ce tip de motor hidraulic ați folosit?" "Cum păstrează electricitatea?" "Ce este acest lucru?" După ce domnul Casanave a răspuns cu răbdare la toate întrebările, ne-am rupt pentru o pauză de masă și lăsăm informațiile să se înmoaie .

Dupa masa de pranz, am trecut prin rezervorul de scufundari de 20 de metri, prin laboratorul de cercetare ROV, si am gasit o mica sală de conferinte cu o priveliste minunata la plaja Monterey Bay. Membrul echipei Kevin Quach și-a scos laptopul și a deschis prezentarea pe care am pregătit-o pentru întâlnire. Acesta a fost momentul adevărului, întregul motiv pentru vizita noastră la această instituție de cercetare uimitoare, de a ne planifica planurile acestor doi experți și de a vedea dacă am putea obține ștampila lor de aprobare.

Spărul din proiectul convertorului de energie al undelor MBARI se sprijină pe o bancă de încercare pe orizontală.

Cei cinci am vorbit din nou, vorbind despre domeniile specifice ale proiectului pe care ne-am concentrat. Kevin a discutat proiectarea spărturilor și cum am ales să folosim conducta HPDE pentru secțiunea principală a spărturii, în timp ce Teresa Yeh a discutat despre sistemul de generare electrică și motivele pentru selectarea unui alternator de calitate marină. Membru al echipei Tom Rumble a urmat explicarea designului sistemului hidraulic și necesitatea efectuării a patru valori de verificare pentru a regla curgerea fluidului pentru ca alternatorul să se rotească într-o direcție. Și în cele din urmă, Alex Beckerman a vorbit despre detaliile designului plăcii de înălțime și despre modul în care am planificat să o construim din tablă de oțel și unghiuri struts.

Pe parcursul prezentării, atât doctorii Hamilton, cât și dl Cazenave au pus întrebări pentru clarificări și opiniile intermitente, dar odată ce sa încheiat formal, Dr. Hamilton a fost primul care ne-a informat cu adevărat ce gândeau despre întregul design. El a început prin a ne felicita că am fost suficient de ambițios pentru a încerca să abordăm acest proiect și ne-a felicitat cu privire la eforturile noastre până în prezent în ceea ce privește raționamentul pe care l-am folosit pentru a ne dezvolta proiectele.

Vedere din spate a racordurilor electrice groase, izolate, utilizate pentru a preveni stingerea de la mișcarea geamandurii.

Dar (și a fost o mare, dar) am fost lipsesc câteva concepte-cheie, împreună cu unele dintre ideile noastre mai simple, care au fost doar rău. Pentru început, încă de la începutul etapei de proiectare, am decis să facem zgomotul în mod neutru, astfel încât să plutească în mod natural în apă, cu baliza care se mișca în sus și în jos în exterior, pe măsură ce treceau valurile. Acest lucru a eliminat necesitatea includerii arcurilor sau a altui dispozitiv pentru recentarea geamandurii și a spărturilor la jumătatea distanței înainte ca următorul val să vină și să împingă baliza în sus și să pompeze cilindrul hidraulic.

Cu toate acestea, folosindu-ne un model bazic de primăvară-amortizor pe care ne-am aplecat în clasa noastră dinamică, dr. Hamilton a ilustrat că, fără un "izvor" construit în sistemul nostru undeva, ar fi dificil să se întoarcă geamul la o poziție de mijloc înainte ca următorul val să se deplaseze după WEC, iar în schimb geamul și spărul s-ar mișca împreună cu geamul lipit în vârful galetului. Deci, pentru prima schimbare, a trebuit să încorporăm o forță de refacere pentru a împinge geamul în jos până la poziția de mijloc și pentru al reseta în mijlocul spărului, astfel încât data viitoare să se miște, geamul va fi gata să se miște ridicați și pompați berbecul hidraulic. În cele din urmă, aceasta a luat forma a cinci arcuri de autovehicule, așezate împreună, astfel încât, în partea de sus a unei creastă a valurilor, arborele hidraulic s-ar extinde, comprimându-se arcurile care l-au împins apoi înapoi în poziția complet comprimate.

Designul final pentru geamul echipei, schimbat de la o gogoasa la un cilindru solid.

Folosind același model de amortizor cu arc, a fost posibilă determinarea matematică a masei optime a plăcii de încovoiere și a spărturilor și extinderea modelului dinamic pentru a include un sistem de amortizare cu două corpuri. Din sistemul de amortizare a corpului-masă-arc, am putea să obținem ecuații caracteristice ale mișcării pentru a prezice cum se va mișca bobina și spărul plus placa de zăpadă în valurile ideale ale oceanului. O nouă simulare a calculatorului ar putea fi creată în software-ul MatLab și acest lucru ne-ar ajuta să determinăm dimensiunea optimă a motorului și alte componente hidraulice aferente.

Designul actual a utilizat de asemenea role de cauciuc pentru a menține geamandurile în formă de gogoși aliniate concentric cu spărul, limitând geamul să se deplaseze numai în sus și în jos în valurile oceanelor. Bazându-se pe experiența lor, atât dr. Hamilton, cât și domnul Cazenava și-au exprimat îngrijorarea că aceste role vor bloca sau se vor înfunda cu alge și resturi chiar și în perioadele scurte de testare și, eventual, vor eșua. În plus, ar putea fi destul de dificil să se asigure alinierea corectă a rolelor în timpul fabricării, ceea ce face ca acest lucru să fie realizat cu un design dificil și dificil.

Proiectare finală pentru ansamblul spar care se montează rigid la partea inferioară a geamului.

A fost nevoie de o soluție mai rezistentă și, din moment ce echipa a trebuit să adauge izvoarele pentru a include o forță de restaurare, ideea plină de neutralitate a devenit o flop. Cu permisiunea și consimțământul generos, am adoptat o configurație asemănătoare configurației MBARI-bule-spar, cu o baliză plutitoare la suprafață și cu șaiba înșurubată sub apă. Pentru proiectarea noastră, spărul a fost montat rigid pe partea inferioară a geamului pentru a elimina necesitatea unei îmbinări flexibile. Conectarea rigidă a asigurat, de asemenea, că furtunurile hidraulice și conexiunile electrice între bordură și baliză nu s-au rupt sau s-au rupt datorită îndoirii sau îndoirii la cuplaj.

Designul nostru inițial pentru placa de zăpadă a fost considerat prea slab și nu suficient de robust pentru a rezista forțelor extreme ale oceanelor. Proiectul MBARI a folosit plăci groase din oțel sudate la două bare de I pentru a crea o placă greoi, indestructibilă. Din cauza limitărilor de greutate și a preocupărilor legate de transport, am înlocuit placa noastră mai mare, subțire, pentru un design modular, realizat din tuburi pătrate de 2 "x2" pe care le-am înșurubat împreună. Dr. Hamilton a subliniat, de asemenea, că este mai de dorit ca placa să fie cât mai adâncă acolo unde apa ar fi mai calmă în comparație cu undele de suprafață. Inițial, placa era de numai 20 de picioare adâncime și se aștepta să sări în coloana de apă. Revizuirea finală a inclus cabluri de oțel care au coborât placa mai mult de 45 de picioare în apă.

Proiectare finală pentru ansamblul plăcii de încovoiere cu patru module înșurubate împreună pentru o transportare ușoară.

Colectarea și stocarea energiei va fi o provocare. Producția de energie a WEC a fost direct legată de mărimea și perioada valurilor, așa că ne-am așteptat ca energia electrică să trebuiască să fie rectificată și filtrată înainte ca aceasta să fie potrivită pentru încărcarea bateriilor marine cu ciclu de viață profundă. După ce am văzut alte echipe de studenți încercând să abordeze aceeași problemă, dr. Hamilton a sugerat să ne concentrăm pur și simplu asupra măsurării puterii generate și să uităm de încercarea de a captura și de a stoca efectiv energia folosind baterii. Prin conectarea unui rezistor de 1500 de wați mare pentru a acționa ca o sarcină "inactivă", am putea măsura scăderea de tensiune pe rezistență și am putea calcula puterea instantanee folosind legea Ohms pentru a rezolva problema: Putere = Tensiune ^ 2 / Rezistență.

La început, am planificat să folosim un alternator care rulează într-o singură direcție, deoarece aceasta ar furniza o putere reglementată de 14V DC, care era ideală pentru încărcarea bateriilor marine 12V.Cu toate acestea, din moment ce nu mai încărcam bateriile și alternatorul nu producea electricitate sub 500 RPM, am decis să folosim un motor DC fără perii cu magnet permanent ca generator. Prin conectarea arborelui de ieșire al motorului hidraulic la arborele motorului DC fără perii cu magnet permanent am rula motorul înapoi și îl folosim cu un generator. Cel mai bine ar fi să producă electricitate chiar și la RPM foarte mici.

Redesign la sistemul de preluare a puterii (PTO) cu motorul DC folosit ca generator.

Datorită cunoștințelor și sfaturilor lui Dr. Hamilton și a dlui Cazenave, am lăsat MBARI o listă de modificări și remedii critice. Temerile mele au fost confirmate - într-adevăr am fost oversimplificarea problemei și nu am fost cu adevărat conștienți de toate considerațiile și problemele asociate cu construirea unei mașini pentru ocean. Cu toate acestea, în ciuda faptului că întregul sistem a trebuit să fie revăzut în mai puțin de două săptămâni (a trebuit să începem să comandăm părți și să construim!), M-am simțit și mai entuziast și optimist. Înainte de a pleca acasă, echipa jubilantă a oprit la plajă și a găsit o dună de nisip să se așeze și să se gândească la tot ce sa întâmplat. Am lăsat creioanele și hârtia în mașină și am vorbit timp de o oră, desenând imagini în nisip.

Cu toții am simțit că am făcut-o în primele câteva săptămâni de proiect, când toată lumea a fost încântată și a cerut să-și împărtășească ideile, cu excepția acestei perioade, în loc să se bâlbâie pentru cuvintele potrivite, cu toții vorbind același jargon și reușind să ne exprimăm ideile într- care a fost ușor de înțeles. După călătoria noastră la MBARI, ceea ce ne-a luat 12 săptămâni și trei încercări de inginer a fost reproiectat pentru a patra și ultima oară în mai puțin de 14 zile. Asta a fost - am avut proiectul nostru final. Următorul pas a fost construirea unui geam mare galben.

Acțiune

Lasa Un Comentariu