Δημιουργία μετατροπέα ενέργειας με κύμα Μέρος 4: Διδάγματα από το MBARI - 💡 Fix My Ideas

Δημιουργία μετατροπέα ενέργειας με κύμα Μέρος 4: Διδάγματα από το MBARI

Δημιουργία μετατροπέα ενέργειας με κύμα Μέρος 4: Διδάγματα από το MBARI


Συγγραφέας: Ethan Holmes, 2019

Αυτό είναι μέρος τέσσερις από μια σειρά 10 μερών που καταγράφει την Ε & Α ενός μετατροπέα ενέργειας κύματος. Διαβάστε τα μέρη 1, 2 και 3.

Ο τελικός σχεδιασμός του μετατροπέα κυμάτων ενέργειας της ομάδας, με μεγάλη βοήθεια και έμπνευση από την ομάδα MBARI.

Στο τέλος του τρίτου μέρους αυτής της σειράς, η ομάδα των φοιτητών της μηχανολογίας ανέβαινε στην εθνική οδό 101 προς τη Moss Landing για μια συνάντηση 10 μ.μ. στο παγκοσμίου φήμης Ινστιτούτο Μελετών Ενυδρείου Monterey Bay (MBARI). Είχαμε προσκληθεί από τον Δρ. Andrew Hamilton και τον συνάδελφό του François Cazenave, ο οποίος και εργάστηκε για να αναπτύξει έναν μετατροπέα κυμάτων ενέργειας 500 Watt (WEC) στο MBARI και διεξήγαγε επιτυχώς εκτεταμένες δοκιμές στον ωκεανό. Κατά τη διάρκεια αυτής της συνάντησης, η ομάδα μας σχεδίαζε να παρουσιάσει τις δικές μας έρευνες και σχεδιαστικές ιδέες στον Dr. Hamilton και τον κ. Cazenave για να δούμε αν είχαν κάποιες προτάσεις ή συμβουλές προτού προχωρήσουμε στην τελική κατασκευή.

Όταν φτάσαμε στην εγκατάσταση, η ομάδα ήταν τόσο ενθουσιασμένη όσο και ανησυχητική για τη συνάντηση. Τις τελευταίες 12 εβδομάδες είχαμε εργαστεί από κοινού για να δημιουργήσουμε προσομοιώσεις ηλεκτρονικών υπολογιστών και σχέδια CAD για να εξηγήσουμε πώς θα συναρμολογηθεί και να λειτουργήσει το σύστημα, αλλά η πραγματική δοκιμή θα υλοποιούσε τα σχέδια μας για να τα καταστήσουμε αρκετά ανθεκτικά ώστε να αντέξουμε στις ακραίες συνθήκες των ωκεανών.

Ο μεγάλος σημαντήρας για το έργο του μετατροπέα ενέργειας κύματος MBARI.

Χωρίς μεγάλη εμπειρία στον τομέα της μηχανικής των ωκεανών, φοβόμουν ότι θα μπορούσαμε να υπερπροσδιορίσουμε το πρόβλημα στο χέρι ή, ακόμα χειρότερα, να μην έχουμε πλήρη επίγνωση όλων των προβληματισμών και ζητημάτων που σχετίζονται με την κατασκευή μιας μηχανής για τον ωκεανό. Η οικοδόμηση ενός υδραυλικού ηλεκτρονικού μηχανικού συστήματος στη γη είναι αρκετά προκλητική, αλλά η προσπάθεια να κατασκευαστεί μια αδιάβροχη, ανθεκτική στη διάβρωση, φουσκωτή συσκευή προσθέτει έναν ολόκληρο κατάλογο περιπλοκών. Με τη συνάντηση με τους Δρ Hamilton και τον κ. Cazenave, ήλπιζα ότι θα μπορούσαμε να αντιμετωπίσουμε μερικά από αυτά τα ερωτήματα που αφορούν τα ωκεανού και να πάρουμε μια καλύτερη αντιμετώπιση αυτών των ζητημάτων.

Η εγκατάσταση MBARI είναι ένα καταπληκτικό μέρος, γεμάτο με ωκεάνους επιστήμονες και μηχανικούς που εργάζονται σε έργα που κυμαίνονται από τη μελέτη της οξίνισης των ωκεανών και της υδάτινης χημείας στην κατασκευή υποβρυχίων απομακρυσμένων οχημάτων (ROVS) και τη μελέτη παγκόσμιων προτύπων και τάσεων στη θάλασσα. Πριν καθίσουμε για να συζητήσουμε το σχέδιο WEC, ο κ. Cazenave μας έδωσε μια γενική περιήγηση στα εργαστήρια και μίλησε για την ιστορία του ερευνητικού κέντρου. Μετά την περιοδεία περπάτησαμε σε ένα μεγάλο βιομηχανικό κτίριο που μοιάζει περισσότερο με μια μικρή κρεμάστρα αεροπλάνου για να δούμε τον μετατροπέα ενέργειας κύματος MBARI κοντά.

Το σύστημα WEC ήταν πολύ μεγαλύτερο από αυτό που περίμενα. Ο σημαντήρας ήταν γιγαντιαίος, τουλάχιστον 5 πόδια ψηλός με μεγάλη ηλιακή διάταξη και μαζικά χαλύβδινα κουτιά τοποθετημένα στην κορυφή. Ο στερεός κίτρινος δίσκος αφρού πήρε ολόκληρη τη γωνία του κτιρίου και ήταν τόσο μεγάλος που έπρεπε να στέκεστε σε μια σκάλα απλώς για να δείτε όλα τα ηλεκτρονικά και τους αισθητήρες τοποθετημένους στην κορυφή. Το τμήμα του WEC, το οποίο συνδέεται κανονικά στο κάτω μέρος του σημαντήρα, το σπάρο, τοποθετείται στην πλευρά του και εκτείνεται σε απόσταση περίπου 30 ποδιών με όλα τα εξαρτήματα υδραυλικών και χαλύβδινων πλαισίων πλήρως συναρμολογημένα.

Ο Francios Cazenave (αριστερά) απαντά με υπομονή στις ερωτήσεις του μέλους της ομάδας, Tom Rumble, όπως ο Kevin Quach (δεξιά), κοιτάζει πιο προσεκτικά τα ηλεκτρονικά που τοποθετούνται πάνω από τη σημαία.

Ξαφνικά, η συνήθως ήσυχη, ντροπαλή ομάδα μαθητών ξαφνικά ξέσπασε με ένα εκατομμύριο ερωτήσεις που απευθύνονταν στην ηρεμία και συνέθεταν ο κ. Cazenave. "Τι είδους υδραυλικό κινητήρα χρησιμοποιείτε;" "Πώς αποθηκεύετε την ηλεκτρική ενέργεια;" "Τι είναι αυτό;" Μετά τον κ. Casanave απάντησε υπομονετικά όλες τις ερωτήσεις μας, διαλύσαμε για ένα μεσημεριανό διάλειμμα και αφήσαμε τις πληροφορίες να απολαύσουν .

Μετά το μεσημεριανό γεύμα, περπάτησαμε από το βατόμετρο βυθού 20 μέτρων, μέσω του ερευνητικού εργαστηρίου ROV, και βρήκαμε μια μικρή αίθουσα συνεδριάσεων με υπέροχη θέα στον κόλπο Monterey. Το μέλος της ομάδας, Kevin Quach, έβγαλε το φορητό υπολογιστή του και άνοιξε το slideshow που είχαμε προετοιμάσει για τη συνάντηση. Αυτή ήταν η στιγμή της αλήθειας, ολόκληρου του λόγου για την επίσκεψή μας σε αυτή την εκπληκτική ερευνητική μονάδα, να βάλουμε τα σχέδιά μας σε αυτούς τους δύο ειδικούς και να δούμε αν θα μπορούσαμε να πάρουμε τη σφραγίδα τους για έγκριση.

Ο στύλος από το έργο του μετατροπέα ενέργειας κύματος MBARI στηρίζεται οριζόντια σε έναν πάγκο δοκιμών.

Οι πέντε από εμάς πήραν στροφές μιλώντας, μιλώντας για τους συγκεκριμένους τομείς του έργου στο οποίο είχαμε επικεντρωθεί. Ο Kevin συζήτησε τον σχεδιασμό του Spar και πως επιλέξαμε να χρησιμοποιήσουμε τον σωλήνα HPDE για το κύριο τμήμα του Spar, ενώ η Teresa Yeh συζήτησε το ηλεκτρικό σύστημα παραγωγής και τους λόγους για την επιλογή ενός γεννήτριας ναυτικής ποιότητας. Το μέλος της ομάδας, Tom Rumble, ακολούθησε με την εξήγηση του σχεδιασμού του υδραυλικού συστήματος και την ανάγκη για τέσσερις τιμές ελέγχου για τη ρύθμιση της ροής του ρευστού, ώστε ο εναλλάκτης να περιστραφεί προς μία κατεύθυνση. Τέλος, ο Alex Beckerman μίλησε για τις λεπτομέρειες του σχεδιασμού πλάκας ανατροπής και πώς σχεδιάσαμε να το κατασκευάσουμε από χαλύβδινο φύλλο και γωνιακές αντηρίδες.

Κατά τη διάρκεια της παρουσίασης τόσο ο Δρ Χάμιλτον όσο και ο κ. Cazenave έκαναν ερωτήσεις για διευκρινίσεις και τυχαίες παρεμβάσεις, αλλά όταν η παρουσίαση τελείωσε επίσημα, ο Δρ Χάμιλτον ήταν ο πρώτος που μας ενημέρωσε πραγματικά για το όλο σχέδιο. Ξεκίνησε με το να συγχαρούμε για το γεγονός ότι είμαστε αρκετά φιλόδοξοι για να προσπαθήσουμε να αντιμετωπίσουμε αυτό το έργο και μας συγχαίρει για τις προσπάθειές μας μέχρι στιγμής για τη συλλογιστική που είχαμε χρησιμοποιήσει για να αναπτύξουμε τα σχέδιά μας.

Κοντινή όψη των παχών, μονωμένων ηλεκτρικών συνδέσεων που χρησιμοποιούνται για την αποφυγή της εξουθένωσης από την κίνηση του σημαντήρα.

Αλλά (και υπήρχε ένα μεγάλο, αλλά) μας λείπουν μερικές βασικές έννοιες, μαζί με μερικές απλές ιδέες μας που ήταν απλά κακές. Αρχικά, στο στάδιο του σχεδιασμού, αποφασίσαμε να κάνουμε το σκάφος μας ουδέτερα γεμάτο, έτσι ώστε φυσικά να επιπλέει στο νερό με τη σημαία να κινείται πάνω και κάτω στο εξωτερικό καθώς τα κύματα περνούν. Έτσι εξαλείφθηκε η ανάγκη να συμπεριληφθούν ελατήρια ή κάποια άλλη συσκευή για να επανεμφανιστεί ο σημαδός και ο στύλος στο μεσαίο σημείο πριν από την έλευση του επόμενου κύματος και να σπρώξει τον ιστό προς τα πάνω και να αντλήσει τον υδραυλικό κύλινδρο.

Ωστόσο, χρησιμοποιώντας ένα βασικό μοντέλο μάζας-ελατηρίου που είχαμε στηρίξει στην αρχική μας δυναμική κατηγορία, ο Δρ Χάμιλτον έδειξε ότι χωρίς μια "πηγή" ενσωματωμένη στο σύστημά μας κάπου, θα ήταν δύσκολο για τη σημαία να επιστρέψει σε μια μεσαία θέση πριν το επόμενο κύμα μετακινηθεί πέρα ​​από το WEC, και αντ 'αυτού η σημαδούρα και η ράβδος θα κινούνταν μαζί με την σημαδούρα κολλημένη στην κορυφή της ράβδου. Έτσι, για την πρώτη αλλαγή, χρειαζόμασταν να ενσωματώσουμε μια δύναμη αποκατάστασης για να σπρώξουμε τον πλωτήρα προς τα κάτω στη μεσαία θέση και να την επαναφέρουμε στη μέση του σκαριού έτσι ώστε την επόμενη φορά που ένα κύμα θα κινηθεί, ο σημαντήρας θα ήταν έτοιμος να κινηθεί και αντλήστε το υδραυλικό έμβολο. Τελικά, αυτό παίρνει τη μορφή πέντε ελατηρίων αυτοκινήτων που στοιβάζονται μαζί έτσι ώστε στην κορυφή μιας κορυφής κύματος να εκταθεί ο υδραυλικός έμβολος, συμπιέζοντας τα ελατήρια τα οποία έπειτα έσπρωξαν τον εμβολέα πίσω στη θέση των πλήρως συμπιεσμένων.

Ο τελικός σχεδιασμός για την σημαδούρα της ομάδας, που άλλαξε από ένα ντόνατ σε έναν συμπαγή κύλινδρο.

Χρησιμοποιώντας το ίδιο μοντέλο ελατηρίου-μάζας-αποσβεστήρα, ήταν δυνατό να προσδιοριστεί μαθηματικά η βέλτιστη μάζα της πλάκας ανύψωσης και του στύλου μαζί και να επεκταθεί το δυναμικό μοντέλο ώστε να συμπεριλάβει ένα σύστημα δύο σώματος-μάζας-ελατηρίου-αποσβεστήρα. Από δύο συστήματα σώματος-μάζας-ελατηρίου θα μπορούσαμε να αντλήσουμε χαρακτηριστικές εξισώσεις κίνησης για να προβλέψουμε πώς θα μπορούσε να μετακινηθεί το ιστιοφόρο και το ισότονο μαζί με την πλάκα ανύψωσης σε ιδανικά κύματα ωκεανών. Μια νέα προσομοίωση υπολογιστή θα μπορούσε να δημιουργηθεί μέσα στο λογισμικό MatLab και αυτό θα μας βοηθήσει να καθορίσουμε το βέλτιστο μέγεθος του κινητήρα και άλλα συναφή υδραυλικά εξαρτήματα.

Ο σημερινός σχεδιασμός χρησιμοποίησε επίσης κυλίνδρους από καουτσούκ για να κρατήσει τον πύργο σε σχήμα ντόνατς ευθυγραμμισμένο ομόκεντρα με τον σπάρα, περιορίζοντας τη σημαία να κινείται μόνο προς τα πάνω και προς τα κάτω στα κύματα των ωκεανών. Με βάση την εμπειρία τους, τόσο ο Δρ Χάμιλτον όσο και ο κ. Cazenava εξέφρασαν την ανησυχία τους για το ότι αυτοί οι κύλινδροι θα μπλοκαριστούν ή θα φράξουν με φύκια και θραύσματα, ακόμη και σε σύντομες περιόδους δοκιμών και τελικά θα αποτύχουν. Επιπλέον, θα μπορούσε να είναι αρκετά δύσκολο να εξασφαλιστεί η σωστή ευθυγράμμιση των κυλίνδρων κατά τη διάρκεια της κατασκευής, καθιστώντας αυτό ένα δύσκολο και δύσκολο σχέδιο για την υλοποίηση.

Τελικός σχεδιασμός για το συγκρότημα δοκών που στερεώνεται άκαμπτα στην κάτω πλευρά του σημαντήρα.

Μια πιο ανθεκτική λύση χρειάστηκε και δεδομένου ότι η ομάδα έπρεπε να προσθέσει τις πηγές για να συμπεριλάβει μια δύναμη αποκατάστασης, η ουδέτερα φουσκωμένη ιδέα έμοιαζε να είναι ένα flop. Με τη γενναιόδωρη άδεια και συγκατάθεσή τους, υιοθετήσαμε μια παρόμοια ρύθμιση με τη διαμόρφωση του σκάφους MBARI, με έναν πλωτήρα να επιπλέει στην επιφάνεια και τον στρόφιγγα βυθισμένο κάτω από το νερό. Για το σχεδιασμό μας, το δοκάρι στερεώθηκε άκαμπτα στην κάτω πλευρά του σημαντήρα για να εξαλείψει την ανάγκη για μια εύκαμπτη άρθρωση. Η άκαμπτη σύνδεση εξασφάλιζε επίσης ότι οι υδραυλικοί εύκαμπτοι σωλήνες και οι ηλεκτρικές συνδέσεις μεταξύ του πυρακτώδους και του σημαντήρα δεν θα διασπαστούν ούτε θα σπάσουν λόγω κάμψης ή κάμψης στη ζεύξη.

Ο αρχικός μας σχεδιασμός για την πλάκα ανατροπής θεωρήθηκε υπερβολικά αδύνατος και δεν ήταν αρκετά ανθεκτικός ώστε να αντέχει τις ακραίες δυνάμεις του ωκεανού. Το πρόγραμμα MBARI χρησιμοποίησε παχιά πλάκες χάλυβα συγκολλημένες σε δύο I-δοκούς για να δημιουργήσουν μια βαριά, άφθαρτη πλάκα. Λόγω των περιορισμών βάρους και των προβλημάτων μεταφοράς, αντικαταστήσαμε την μεγαλύτερη, λεπτή πλάκα μας για ένα δομοστοιχειωτό σχέδιο κατασκευασμένο από τετράγωνο σωλήνα 2 "x2" που βιδώσαμε μαζί. Ο Δρ Hamilton επεσήμανε επίσης ότι ήταν πιο επιθυμητό να έχουμε την πλάκα ανύψωσης όσο το δυνατόν πιο βαθιά όπου το νερό θα ήταν πιο ήρεμο σε σχέση με τα κύματα της επιφάνειας. Αρχικά η πλάκα ήταν μόνο 20 πόδια βάθος και αναμένεται να αναπηδήσει πάνω και κάτω στη στήλη νερού. Η τελική αναθεώρηση περιελάμβανε χαλύβδινα καλώδια που μείωσαν την πλάκα πάνω από 45 πόδια στο νερό.

Τελικός σχεδιασμός για το συγκρότημα πλάκας ανύψωσης με τέσσερις μονάδες βιδωμένες μεταξύ τους για εύκολη μεταφορά.

Η συλλογή και η αποθήκευση της ενέργειας θα αποτελούσε πρόκληση. Η παραγωγή ενέργειας της WEC σχετίζεται άμεσα με το μέγεθος και την περίοδο των κυμάτων, οπότε αναμένουμε ότι η ηλεκτρική ενέργεια θα πρέπει να διορθωθεί και να φιλτραριστεί προτού είναι κατάλληλη για τη φόρτιση θαλάσσιων μπαταριών βαθιάς κύλισης. Έχοντας δει άλλες ομάδες μαθητών να προσπαθήσουν να αντιμετωπίσουν αυτό το ίδιο πρόβλημα, ο Δρ Χάμιλτον πρότεινε να επικεντρωθούμε απλώς στη μέτρηση της παραγόμενης ισχύος και να ξεχάσουμε να προσπαθήσουμε να καταγράψουμε και να αποθηκεύσουμε πραγματικά την ενέργεια που χρησιμοποιεί μπαταρίες. Συνδέοντας μια μεγάλη αντίσταση των 1500 watt για να λειτουργήσει ως φορτίο "dummy" θα μπορούσαμε να μετρήσουμε την πτώση τάσης σε όλη την αντίσταση και να υπολογίσουμε την στιγμιαία ισχύ χρησιμοποιώντας νόμους Ohms για να λύσουμε την ισχύ: Ισχύς = Τάση ^ 2 / Αντίσταση.

Αρχικά σχεδιάσαμε να χρησιμοποιήσουμε έναν εναλλάκτη που λειτουργεί σε μια κατεύθυνση, διότι αυτό θα παρείχε ένα ρυθμισμένο 14V DC, το οποίο ήταν ιδανικό για τη φόρτωση των 12V θαλάσσιων μπαταριών.Ωστόσο, δεδομένου ότι δεν φορτίζαμε πλέον τις μπαταρίες και ο εναλλάκτης δεν παράγει ηλεκτρισμό κάτω από 500 σ.α.λ., αποφασίσαμε να χρησιμοποιήσουμε έναν κινητήρα DC χωρίς ψήκτρες μόνιμου μαγνήτη ως γεννήτρια μας. Συνδέοντας τον άξονα εξόδου του υδραυλικού κινητήρα στον άξονα του κινητήρα συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες με μόνιμο μαγνήτη, θα οδηγούσαμε τον κινητήρα προς τα πίσω και θα χρησιμοποιούσαμε μια γεννήτρια. Το καλύτερο από όλα, θα παράγει ηλεκτρική ενέργεια ακόμη και σε πολύ χαμηλά RPM.

Επανασχεδιάστε στο σύστημα απογείωσης (PTO) με τον κινητήρα DC να χρησιμοποιείται ως γεννήτρια.

Χάρη στη γνώση και συμβουλές από τους Δρ Hamilton και τον κ. Cazenave, αφήσαμε στον MBARI μια λίστα κρίσιμων αλλαγών και διορθώσεων. Οι φόβοι μου είχαν επιβεβαιωθεί - είχαμε ξεπεράσει το πρόβλημα και δεν είχαμε πλήρη επίγνωση όλων των προβλημάτων και των ζητημάτων που συνδέονται με την κατασκευή μιας μηχανής για τον ωκεανό. Ωστόσο, παρά το γεγονός ότι ολόκληρο το σύστημα έπρεπε να αναθεωρηθεί σε λιγότερο από δύο εβδομάδες (έπρεπε να αρχίσουμε να παραγγέλλουμε εξαρτήματα και να χτίζουμε!), Αισθάνθηκα ακόμα πιο ενθουσιώδης και αισιόδοξος. Πριν ξεκινήσουμε, η αγωνιώδης ομάδα σταμάτησε στην παραλία και βρήκε ένα τροχαίο αμμόλοφο για να καθίσει και να αναλογιστεί όλα όσα είχαν συμβεί. Αφήσαμε τα μολύβια και το χαρτί στο αυτοκίνητο και μιλούσαμε για μια ώρα, τραβώντας εικόνες στην άμμο.

Όλοι αισθανθήκαμε σαν να κάναμε κατά τις πρώτες εβδομάδες του έργου όταν όλοι ήταν ενθουσιασμένοι και φωνάζοντας να μοιραστούν τις ιδέες τους, εκτός από αυτή τη φορά αντί να μπερδεύουμε για τα σωστά λόγια όλοι μιλούσαμε την ίδια ορολογία και μπορούσαμε να εκφράσουμε τις ιδέες μας σε μια τρόπο που ήταν εύκολο να καταλάβουμε. Μετά το ταξίδι μας στο MBARI, αυτό που μας πήρε 12 εβδομάδες και τρεις προσπάθειες μηχανικού επανασχεδιάστηκε για τέταρτη και τελευταία φορά σε λιγότερο από 14 ημέρες. Αυτό ήταν - είχαμε τον τελικό μας σχεδιασμό. Το επόμενο βήμα ήταν η οικοδόμηση ενός μεγάλου κίτρινου σημαντήρα.



Μπορεί Να Σας Ενδιαφέρει

Ο δημιουργός Faire επιστρέφει! 3 & 4 Μαΐου 2008

Ο δημιουργός Faire επιστρέφει! 3 & 4 Μαΐου 2008


5 Φανταστικές χρήσεις για Putty Αφίσα

5 Φανταστικές χρήσεις για Putty Αφίσα


Αυτή την εβδομάδα στην παραγωγή: Γαλλία, κρύσταλλα και σχόλια

Αυτή την εβδομάδα στην παραγωγή: Γαλλία, κρύσταλλα και σχόλια


10 Θεαματικά χτυπημένα ρουκέτα χόμπι

10 Θεαματικά χτυπημένα ρουκέτα χόμπι