Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

制作波浪能转换器第3部分:设计,在最终设计之前

这是记录波浪能转换器研发的10部分系列的第三部分。阅读第一部分和第二部分。

我们由五名机械工程专业学生组成的团队开始设计一种能够利用海浪上下起伏运动并将动能转化为电能的机器。由于我们使用此作为我们的高级设计项目来获得毕业学分,我们必须在课程的24周时间内设计和构建原型。经过调查研究,该团队已将波浪能转换器(WEC)分解为五个主要子系统:浮标,液压系统,电子设备,翼梁和升沉板。

每个子系统都必须执行一项特定任务,该任务由我们在项目开始时设置的要求管理:1。 该系统应该是模块化的,小到足以通过单个客车或卡车运输。 这限制了总尺寸和重量。

2. 该系统应在1英尺到8英尺高的海浪中运行,最大功率输出为100W至150W。 这种有限的材料选择使得设备的效率成为高优先级。

3. 该系统应主要使用现成的组件构建,使用的方法可以由只能访问有限工具/机器的其他人复制。 这种有限的潜在制造方法,更重要的是影响我们可以从哪里采购零件,以及我们可以使用的材料类型。

很容易看出,有很多方法可以将五个子系统安排到可能发电的配置中。您可以像构建块一样混合和匹配它们,但我们有责任尝试构建一台符合上述所有标准的机器。到第六周,我们遇到了严重的障碍。停滞不前的时间,我们放弃了试图同时解决每一个未知的概念。相反,我们开始做出一些小的假设来推动设计过程,即使我们知道当时缺少关键信息。起初这种方法看似愚蠢和不科学,但只要我们跟踪所有假设并积极寻找更好的解决方案,这使我们能够继续完善设计。

举个例子,我需要知道浮标的最大体积,然后再决定购买哪种两部分膨胀泡沫;然而,浮标的设计尚未最终确定,因为我们仍然需要知道WEC的总重量。因此,我必须根据当时的可用信息进行计算近似。后来,当这些近似值被证明是错误的时候,我可以简单地返回并修改计算,看看还有什么需要更新。

事后看来似乎微不足道,但这种“计算假设”心态的最重要方面是我们现在能够分析地将所有部分联系在一起。团队成员Alex Beckerman和Tom Rumble使用MatLab程序创建了计算机模拟,以预测WEC对特定波高和周期的功率输出。亚历克斯和汤姆不知疲倦地改进代码,以获得更真实的结果,考虑摩擦,惯性和后来的流体动力阻尼效应等因素。计算机程序简化了我们的工作,使我们能够将不同的配置和设计与图表中的数据并排比较。到第11周结束时,我们已经回到正轨,并在初步设计报告提交给教授之前完成了WEC-002概念的开发。

早期计算机模拟的结果预测WEC的功率输出。

虽然Alex和Tom一直在研究Matlab代码,但团队成员Kevin Quach和我使用SolidWorks创建了WEC-002计划的详细3D CAD模型。从CAD模型我们可以确定物理参数,如总重量,找到中心质量解决浮力问题,检查组件是否适合,最重要的是开始计划制造和施工阶段。

WEC-002的概念与我们从新罕布什尔大学波浪能源课程项目中读到的设计非常相似。这个有条不紊,组织良好的波浪能转换器项目实际上是多个高级设计项目的共同努力,跨越了三年多。 2008年,2009年和2010年的报告是一个很好的信息来源,并讨论了从计算机建模到物理原型设计和波浪槽测试的广泛主题。

截至2010年,该团队正在努力在实验室环境中测试他们的PTO(动力输出),未来的目标是在学校的水产养殖场进行海洋测试。在我们渴望开始建设的过程中,我们的团队跳过了从这三份报告中可以学到的一些非常重要的经验教训。因此,如果您对构建波浪能转换器感兴趣,我强烈建议您花时间坐下来阅读所有三个文件。

与新罕布什尔州的设计相似,WEC-002使用了两端带帽的大型管道来制造翼梁。然后,这个翼梁将通过浮标中心切割的方孔上下滑动。由于我们计划制造自己的浮标,因此决定使用胶合板更容易制造方孔。为了发电,黄色浮标和翼梁不能一起移动,而是在不同的时间向上移动。

所有电子和液压装置都安装在由高密度聚乙烯(HDPE)制成的大管内。使用HDPE的主要好处是端盖可以热焊接到端部,不锈钢板和橡胶垫圈可用螺栓固定在顶部HDPE法兰适配器上,形成可拆卸的防水盖。这将允许进入PTO,PTO可以滑入和滑出翼梁进行维护和修理。

与廉价的低碳钢不同,这种HDPE管不会在盐水中腐蚀。它还具有化学继承性,防水性和中度抗紫外线性。我们的翼梁需要内径至少为11“以适应内部的所有液压设备,并且必须长约16英尺才能保持中性浮力。通常,这种类型的管道以50'长度出售,但我们发现当地的供应商愿意以折扣价向我们出售一块只有30英尺长的废料。外径为14“,内径为11.6”,管道重22磅/英尺,我们不得不购买整个30英尺的长度。此外,供应商必须使用专用机器对端盖进行热焊接,这意味着这绝对不是DIY选项。

在WEC的底部是一个巨大的金属升沉板,以产生流体动力阻力,抵抗漂浮在海浪中的浮标的向上起伏运动。垂荡板是8英尺2 围绕周边焊接有6“壁的板。这样做是为了利用流体力学中增加的质量效应;通过直接捕获板上方的水量,需要更大的力来将板和水一起加速并有效地增加垂荡板的阻力。

当板不在水中移动时,增加的质量效应可以忽略不计,因此只有垂荡板的实际重量会在翼梁上下拉。但是,如果晶石上下摆动,这将导致板块加速和减速,突然间,感觉好像一个更大的板块正在拉动晶石的底部。这个小小的功能很关键(谢谢你,安德鲁·汉密尔顿博士!)因为我们需要尽可能大的阻力来抵抗浮标的向上起伏,同时仍然保持中立浮力。

浮标和翼梁之间的相对运动将导致液压油缸上下移动并将液压流体泵送通过PTO以旋转发电机并产生电力。如果没有增加的质量效应,我们就需要建造一个20英尺×20英尺的垂荡板,这个板的重量太大而且构造成本很高。相反,我们会购买4英尺宽的廉价钢板并使用角铁来建立名声。钢板将焊接到框架上,并在中心用横梁加固,以制造坚硬轻质的板材。为了最大化增加的质量效应,还将侧壁添加到垂荡板的底部,以期捕获由于粘附而粘附到板底部的更大量的水。

为了保持浮标位于翼梁周围,我们计划在浮标的顶部和底部固定两组码头滚轮。然后使用全螺纹的长度将浮标夹在金属滚轮框架之间。这些辊子将松散地摩擦HDPE翼梁的外部,使得如果大的波浪冲击浮标,则侧向载荷将被传递到至少两个辊子并防止泡沫被压碎。这是一个严重的问题,因为该项目中最大的变量之一是WEC在测试过程中会遇到的海浪大小。根据加利福尼亚州博德加湾的NOAA波浪数据,我们确定95%的波应该在1英尺到8英尺之间(关于平均波高的两个标准偏差)。我们规定的液压油缸只有六个6'的行程,因此橡胶滚轮也可用作止动装置,以防止液压油缸到达行程末端。

在设计PTO时,我们假设一个理想的工作条件,波高为6',波周期为10秒。根据这些参数,我们可以确定液压活塞的平均流体流量,然后向下流动到液压马达。 PTO由以下部件组成:具有2“孔和72”行程的双作用液压缸,能够以1,300-2,100rpm旋转的Eaton叶片马达,具有用于下行程保持的较大蓄能器的两个液压蓄能器。多余的液体,四个止回阀(单向阀),一个1/2马力的永磁直流电动机向后运行作为我们的发电机,以及一组海洋级深循环电池来收集所有的能量。这是在我们放弃使用车载电池存储能量的想法之前,但我们将在下一篇文章中详细介绍。

Power-Take-off“雪橇”滑入和滑出晶石。

既然我们的设计在纸面上看起来不错,我们迫切需要来自外部机构的洞察力来帮助我们识别设计中的任何明显缺陷。在这一点上,我们还没有真正触及补助金,而且我很担心花费所有这些钱而没有人仔细检查我们的工作。我们真正需要的是那些熟悉海洋建造机器的人,或者更熟悉建造和测试海洋动力设备的人。

问题是我们需要立即开始订购零件和材料,如果我们能够在剩余的12周内完成这件事,那么我们必须快速找到一个人。幸运的是,我向蒙特利湾水族馆研究所(MBARI)伸出援手,在阅读了他们的波浪能转换器项目之后,先与他们联系,并以某种方式设法获得了访问研究中心的邀请。真棒!该团队将幻灯片与我们的模拟和CAD模型中的所有数据拼凑在一起并跳入车内。

在前往Moss Landing的路上,我想到了我们为这个项目付出的所有工作,我为我们的团队和迄今为止取得的成就感到自豪。我知道在某些方面可以改进设计,我预计一旦开始施工就会有微小的调整或改变,但我没有意识到WEC-002的设计需要彻底检修。

第四部分将在下周收听!

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