Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

制作波浪能转换器第2部分:陷入设计循环

这是记录波浪能转换器研发的10部分系列的第二部分。阅读第一部分。

自从我第一次了解可再生海洋动力技术以来已经四年了。我现在有一个团队,资金和计划的开始,使用现成的零件建立波浪能转换器(WEC),以便其他人可以采取我们的计划并改进它们。甚至在项目开始之前,我的头脑中都有无数的设计。然而,就像当时一样痛苦,我最初的愿景最终必须被塑造成一个基于坚实的工程基础和团队合作的工作物理原型。在项目期间,WEC设计将在达到第四个和最终设计WEC_004之前经历三次激烈的设计迭代。我们的资助赞助商CITRIS给了我们一年的时间来实施我们的建议并相应地花费资金。

然而,作为加州大学戴维斯分校的高级工程专业学生,我们都必须在毕业前参加高级设计项目。在与班级教授交谈后,我们决定将拨款资金投入到我们的高级设计项目中,并了解这将加快项目时间表。这意味着我们可以将所有时间和精力集中在一个大型项目上,而不是将时间分配给高级设计项目和可再生能源补助项目。时间表一成不变,我们必须完成项目才能毕业。我们将花费前12周的课程研究和设计,而下半部分我们将在学生商店中建立WEC并在海洋中进行测试。倒计时开始了。

最初的WEC概念设计。

项目的前两周我们每天都在一起工作。即使没有安排正式的团队会议,我们也不可避免地会在课堂上遇到其他队友,并且会话总是会回到WEC项目。这是不可避免的。我们知道我们想要建造一个WEC并希望我们能够在Bodega Bay进行测试,所以下一步就是弄清楚如何将海浪的运动转化为电能。

两年前,我发现了一篇题为“波能转换器技术回顾”的深入研究论文,同时研究了波浪能量,用于课堂演示。由于我们设计WEC的时间少于12周,因此我们不会发展出一些新的,新颖的方式来利用波浪能量。相反,我们计划将现有技术整合到一个其他人可能能够复制的更易于访问的平台中。手稿是一个很好的起点,我强烈推荐给任何对波浪能感兴趣的人,因为它充满了与海洋力量相关的行话和术语。

在第一周内,团队同意专注于设计一个 点吸收线性驱动系统 那会在波浪中上下波动以产生电力。由于我们希望我们的设计能够被其他人轻松采用,我们认为该设备必须能够在各种波浪条件下运行。无论波浪来自何处,点吸收器都能够从波浪中收集能量。这使得它们的特殊性适用于像Bodega Bay这样的地方,那里的波浪主要从西北方向接近,但在大风暴期间可能突然从南方切换并接近。通过使浮动浮标成形为圆形,WEC可以从任何角度接收波浪。由于线性驱动系统只有1°的自由度,我们的设计将关注利用波浪的起伏,上下运动。这种线性驱动设计使数学建模更易于管理,并且在学生商店中也更容易制作。

早期设计的动力输出系统适合WEC_001。

现在我们决定使用点吸收线性驱动系统,然后我们需要选择一个动力输出系统,它可以将浮标的起伏运动物理地转换成电能。我们可以使用磁铁和线圈直接将波浪的上下运动转换成电能。几年前,我曾用这个想法建造一个使用钕磁铁和磁线圈的波浪能转换器模型。这与您摇动的可充电手电筒中使用的原理相同:当磁铁进出线圈时,线圈中会产生交流电流。只要磁铁移动,你就可以发电;然而,电的电压和频率基于磁体的速度和位移而波动,这使得收集能量更加复杂。

该团队的WEC项目将比我的小型PVC管道模型大得多,而且由于我们都不是电气工程师,因此构建电路来纠正和调节信号的想法吓坏了我们所有人。即使没有阶段和整改问题,稀土磁铁的价格也在暴涨,这使得这个想法在经济上不切实际。

Mini WEC模型于2010年使用磁铁和线圈制造。

接下来我们考虑使用滑轮和配重装在防水外壳中:滑轮,绳索和重物的网络都在一起移动,固定在海底并绑在浮在地面上的漂浮浮标上。团队成员Alex Beckerman特别喜欢这个想法,因为在他的工程思维中,你可以将生活中的任何事物建模为质量,弹簧和阻尼器系统,然后使用微积分来找到解决方案。然而,由于所有滑轮和轴承都需要这样做,我们估计摩擦损失会大大降低整体功率输出,并且电缆磨损和断裂的可能性太大。

用于WEC_001的动力输出(PTO)系统的液压回路 - WEC_003。

寻找更简单的设计,减少运动部件,我建议我们使用液压元件。在线的一些研究论文引用了一种基本液压回路,该回路使用双作用活塞通过一系列单向阀泵送流体并旋转连接到发电机的液压马达。零件很容易找到,大多数配件和部件的额定工作压力很高,可以承受巨大的力量和腐蚀性的海洋环境。甚至有文章描述了如何在计算机模拟中对这些类型的液压回路进行建模,以预测潜在的功率输出,作为评估系统有效性的一种方法。

唯一的问题是团队中没有人具有使用工业液压元件的丰富经验。当然,我们中的一些人有修理房屋管道或安装灌溉价值的经验,但设计一个带有高压蓄能器和液压马达的系统,同时考虑到由于孔口限制造成的压力损失,这是外国领土。称重我们所有的选择,团队确定液压系统看似相对简单,并且易于找到现成的部件,这使其成为赢家的选择。

到第二周结束时,我们感觉非常好。我们已经就设计的总体布局做出了重大决策,现在我们已经同意使用液压系统来构建我们的动力输出系统,团队可以分开,我们每个人都可以开始研究各个小部分:液压,电子,浮标,垂荡板和晶石。我们当时没有意识到的是每个子系统如何与所有其他子系统互连。

在教科书问题中,大多数变量要么在问题陈述中提供给您,要么您可以在某个表格中查找它们。因此,当我们坐下来开始进行“解决”WEC设计问题所需的计算时,我们发现自己陷入了一个无法做出任何重大决策的大规模设计循环中,因为那里存在太多未知数。例如,团队成员Tom Rumble将尝试确定购买多大的液压马达,但他需要Kevin Quach首先选择液压油缸,但凯文需要确定液压油缸的钻孔,这与其直接相关。系统中的压力大小导致了液压马达的问题。亚历克斯试图设计大型金属升沉板,这将提供阻止浮标向上拉动的流体阻力,但首先我需要确定浮标的总尺寸。但在我计算浮标所需的总浮力之前,我需要知道Teresa Yeh的WEC总重量和Alex的重力板的重量。这持续了四个悲惨的一周,球队陷入了一个没有生产力的车辙。

WEC-004设计在海浪中的运动。

到第六周,我在晚上睡觉时遇到了麻烦。我会躺在床上醒着,凝视着天花板,试图解开整个项目,就像一个串在一起的绳子。项目的重要性让我感到压力,我可以告诉其他团队成员感受到了压力。中期问题在我们身上,这意味着项目截止日期已经过时。团队会议变得紧张,因为一个人会试图解释他们可以解决问题的一部分,如果只有其他人会给他们所需的信息。

到目前为止,我们已经转向WEC_002设计,中间浮力的翼梁由20“直径HDPE管和浮标顶部的预制滚子组件制成,但是PTO几乎没有取得任何进展。为了增加挫折感,我试图弄清楚一旦我们构建它,我们将如何实际测试这个东西,但是我发送到海洋实验室的电子邮件没有得到答复,我们真的没有备份计划。有些东西必须改变,而且速度很快。如果我们从一开始就注定失败了,这对我们五个人来说应该解决的项目来说太大而且太雄心勃勃吗?我开始怀疑了。

下周收听第3部分!

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