Rotors utformning: Del 2

Här kommer en del bilder på hur rotorn skulle kunna se ut.

Bild 1
Denna bilden visar rotorbladens infästning mha kraftiga bultar i en planka av massivt trä.
Notera även axeln, som går igenom plankan.
På den bakre sidan sitter det en fastborrad metallplatta som den horisontella axeln är fastsvetsad till.

Denna konstruktion, till skillnad från kommande exempel, innebär att axeln måste "fästas" inuti "motorhuset" samt i dess motorkåpa av plywood, vilket innebär friktion mellan axeln och kåpan. (se tidigare skisser på motorhuset). Det finns risk för att denna friktionskraft Fmy är större än den revolterande kraften Fr som påverkar axeln från rotorbladen. Om sådant är fallet, kommer inte rotorn att snurra. Enda sättet för oss att ta reda på om detta sätter fungerar eller inte, är att bygga och pröva i praktiken. Det har vi dock inte tid med, och därför har vi kommit upp med en annan typ av konstruktion.

Även inuti motorhuset, där växellådan kommer finnas, innebär det mer arbete och fler delar än kommande exempel; två axlar istället för en(två kugghjul) -> fler kraftöverföringar innebära att man tappar kraft och i slutändan också ökar Fmy .

Bild2

Detta innebär en betydligt lättare konstruktion.
Navel i cykelhjulet minskar också Fmy till en såpass liten kraft att rotorn äver i mycket små vindhastigheter kommer kunna snurra relativt obehindrat.
Om man "drevar upp", dvs ökar diametern på cykelhjulets kugghjul, och i gengäld har ett mycket mindre hjul nere vid generatorn (se boxen) har man väldigt enkelt ökat antalet rpm på ett effektivt sätt med ett minimum av onödiga kraftöverföringar, axlar och kugghjul emellan.

Rotorns utformning

Vi har läst på om rotorn och vindens energi och kraft och hur man maximalt kan använda vindens energi. Hur vinden beter sig och så är vi på ganska god jord med och har redan börjat skriva i rapporten om. Vi har också jämfört olika slags vindkraftverk och tagit reda på att man maximalt utnyttjar vindens energi med så kallade HAWT vindkraftverk, horisentalaxlade snabblöpare. Sedan vet vi hur mycket man behöver bromsa upp vinden med och hur snabbt vingspetsarna på rotorbladen måste färdas för att maximalt utnyttja vindens energi. 

 Vi står nu inför två dilemman, dels hur många blad vi ska ha och dels hur vi ska utforma våra rotorblad.

Vi har följande grundförutsättningar:

- Vi har en generator som får ut 2,3 V vid 1100 rpm, vi siktar på att kunna ladda ett batteri på 1,5 V och därmed borde vi hamna på ca 600-800 rpm.

- Vi har kommit fram till att enklaste materialet att använda är ett pvc-rör, eftersom det är tidsbesparande, starkt material då det kommer utsättas för stora krafter och man kan få en naturlig vriden form ur den, som vi vet är grunden i aerodynamiken för rotorbladen.

- Vi kan max ha en rotorradie på 1 m.

- Generatorn kräver ett fast varvtal för konstant spänning

- De aerodynamiska och fysikaliska förutsättningarna, alltså naturens förutsättningar.

Aerodynamiken och fysikaliska förutsättningar:

För att utnyttja energin maximalt bör vi vara runt löptalet 7 eller 9(löptal=rotorbladets spets hastighet/vindens hastighet) beroende på hur många vingar vi har. 2 vingar har löptalet 9 och 3 vingar har löptalet 7. 

Vi vet också hur varv per minut(rpm) och rotorbladets spets hastighet beror av varandra och att vi gärna vill ha ett fast rpm för vår generator. 

 Med en radie på 0,5 m på rotorn så får vi vid 5 m/s hastighet att vi bör ha en vingspets hastighet på 45 m/s och då blir det 860 rpm på vindkraftverket, alltså ska den snurra 14 varv/s vilket är väldigt snabbt. Detta stämmer ganska bra överens med generatorns förutsättningar och gör så att ett fast varvtal anpassat efter det som generatorn kräver för att få 1,5 V är ganska bra för att maximalt utnyttja vindens energi vid hastigheter runt 5 m/s. Sen ska det bara vara praktiskt möjligt med sådana hastigheter.

 Att ha ett fast varvtal på vindkraftverken har man haft tidigare och det är på moderna verk man har börjat ha variabelt varvtal. Så tekniken finns men vi måste komma på ett bra sätt för vårt småskaliga vindkraftverk att ha ett fast varvtal.

 Utformningen av själva rotorbladen är det svåra. Det är de som avgör hur snabbt rotorn snurrar och så. Vi vet iallafall att vi ska ha en tordering, vridning, av bladen så att krafterna blir lika fördelade över hela bladet då bladets olika delar rör sig olika snabbt på grund av rotationen. Sedan vet vi att vi måste också ha en bredare bas och smalare spets eftersom basen måste klara av både centripetalkraften och ax-kraften(vältkraften)( som är relativt stora jämfört med den drivkraft(den kraft som skapar rotation) som man utvinner) för hela bladet. 

 Vi kommer utgå från medelhastigheten då vi gör torderingen och anpassar vinklingen av bladet, men sedan vet vi inte ifall vi kommer komma upp i den hastighet som vi borde för generatorn som vi skrivit ovan.

 Vi vet också att vi på grund av vingens friktion inte bör ha en tjocklek på bladen som är mer än 12% av bredden som man har på dagens tjockaste rotorblad. 

 Men vi ska räkna på hur mycket vi ska tordera våra blad utifrån de hastigheter vi får fram av vinddatan. 

 Det finns fler faktorer än ovan nämnda att ta hänsyn till som vi ska läsa.

Vindens hastigheter:

Det vi ska anpassa oss efter är vindens hastigheter. Ifall vi ska ha ett fast varvtal så behöver vi anpassa oss efter vad medelhastigheten är och hamna runt detta i det effektivaste läget. 

 Medelhastigheten kan vi få fram genom att använda vinddata från mätstationer i närheten, i enskedetrakten via smhi eller liknande. Vindhastigheten är ju ganska lokal, men den uppmätta vindhastigheten brukar ligga på ett visst antal meter över marken och därför bör den vara densamma över hela enskede och på marknivå ska vi då räkna bort den turbulens som skapas av den närliggande bebyggelsen enligt de tabeller som finns. 

Det finns tabeller som visar på hur ungefär vindhastigheterna är fördelade beroende på medelhastigheten och där ser man att mestadelen av vindhastigheterna är runt medelhastigheten och därmed så ska bör man anpassa det fasta varvtalet efter just medelhastigheten minus den turbulens som skapas, däremot så skapas det också en friktion mot marken som inte är lika lätt att beräkna. 

Preliminärt tillvägagångssätt för att få fram rätt utformning av rotorbladen:

- Ta fram vinddata och medelhastighet för Enskede

- Uppskatta turbulens och friktion och dra bort det från medelhastigheten

- Mät vid vilket varvtal generatorn får spänningen 1,5 V

- Anpassa rotorns radie efter medelhastigheten och varvtalet på generatorn

- Bestäm ifall det lämpar sig bäst med 2 eller 3 rotorblad

- Bestäm torderingen på bladen utifrån medelhastigheten

- Ta reda på hur bredden på rotorbladen ska vara och bestäm

- Skär ut ur PVC-röret

Tillägg på materiallistan

De delarna vi behöver är:
- 2m järnrör
- Plywood för maskinhuset
- Mer plywood för "fenan"
- Regnskydd (isolering) inuti maskinhuset (t.ex. presenning)
- Växellådsdelar (kugghjul och cykelkedja el. dyl.)
- Några meter kabel (röd o svart)
- 2 x 1.5V glödlampor

- Nya delar -

- Skruvar och muttrar
- Träplanka i massivt trä (bredden är mindre än plaströrets diameter)
- PVC rör (med diametern ca 0.2->0.25m)
- Stålwire, ca 10m
- Axelstång (stålrör el liknande material) för rotoraxeln
- X antal vinkeljärn m passade skruvar

Framsteg

Kvällans!

Idag (fredag) satt vi ner och filosoferade över vårt projekt, huruvida vi håller tidsplanen och sådant.

Vi har valt att bygga en "HAWT" (Horisontal Axis Wind Turbine), dvs ett "vanligt" vindkraftverk.
Fördelen med denna typ av rotor är att den är enkel att anpassa (avseer motoregenskaper), enkelvarierat löptal innebär bättre effektivitet samtidigt som det redan finns MASSOR av befintlig information på internet om denhär typen av rotorer.

Se de ritningarna vi har skissat på, för att få en fin bild av hur kraftverket kommer att se ut:


Vi kom fram till att vi ligger faktiskt ganska bra till tidsmässigt, och vi är riktigt peppade på att börja bygga!

De delarna vi behöver är:
- 2m järnrör
- Plywood för maskinhuset
- Mer plywood för "fenan"
- Regnskydd (isolering) inuti maskinhuset (t.ex. presenning)
- Växellådsdelar (kugghjul och cykelkedja el. dyl.)
- Några meter kabel (röd o svart)
- 2 x 1.5V glödlampor
Säkerligen måste vi utöka den här listan med massor av smådelar när vi väl börjat bygga, så ta denna listan med en nypa salt; det är trots allt bara en grov uppskattning!

Den elmotor (generatorn) vi kommer använda oss av (samma motor som innan) mätte vi idag upp till en spänning på 2.3V, strömmen ska vi kolla upp när vi (tor) hinner.

Henning fortsätter att läsa i den bok vi har valt, se tidigare inlägg.

Dessutom ska vi maila Uppsala Universitet nästa vecka, när vi har fått lite bättre koll på vår egen tidsplanering... Vi ska försöka få till ett studiebesök där, om ni missat det ;P

Tjae, annars rullar det på i sin vanliga takt... Vi ska försöka snacka med vår handledare på skolan för att få lite feedback angående vår konstruktion...

Vi har insett att den effekt vi kommer kunna få ut av vårt vindkraftverk är ganska mkt begränsad med den generatorn vi kommer använda, men det är inget stort problem.
Det är faktiskt skönt, då man inte behöver speciella kvalitetsgrejor för att bygga rotorn, utan mer "garagestuff" som man mycket enklare (och billigare) kan komma över.
Detta blir alltså inte bli något vrålbygge, och vi skulle bli väldigt glada om vi ens fick en lampa 1.5V glödlampa o lysa! ;D

//t

hittade elmotor

hejhallå!
Jag hittade en liten elmotor i källaren på landet häromveckan..

Kollade upp vilken spänning jag fick ut när jag körde den baklänges med en borr -> hela 1.6V!
Det räcker gott och väl för att ladda upp små 1.5V-batterier...
Frågan är dock om vi vill använda denna motorn..? Den är ju ganska bra, tycker jag, med tanke på den redan befintliga konstruktionen som lätt kan anpassas för att fästas i vårt bygge senare...

Menmen, Henning och jag skall sätta oss ner häriveckan o kolla lite närmare på motorn, o se om den passar våra mål (projektplanen).

//t

Ändring av arbetssätt

Vi har beslutat att vi ska dela upp arbetet med förberedelse på ett annat sätt än tidigare. Tidigare planerade vi att läsa allt som skulle läsas, sedan göra beräkningar för vår situation och sedan bygga och skriva rapporten. Men nu tänkte vi att vi ska dela upp det som så, vi tar en del i taget, bryter ner arbetet i små stycken av delproblem som vi betar av. Vi har nu så pass god förkunskap att vi vet vad vi behöver veta för att välja delar och för att göra de olika vindenergi beräkningarna.

 Så här ska vi göra: Först ska vi läsa den fakta vi behöver för att lösa det delproblemet. När vi sedan läst den fakta vi behöver för att lösa den delen så gör vi beräkningarna och sedan ifall det gäller den tekniska biten, skriver vi upp vad för del som passar. Allt detta skrivs ner på en gång i rapporten för att vi ska slippa göra dubbelarbete, men det behöver inte vara slutverisionen utan den kan redigeras.

 För att dessutom göra det effektivare så kan vi dela upp de olika delarna i arbetet, men vi ska komma ihåg att båda ska kunna de olika delarna. Personen som får ansvaret för en del har i uppgift att få fram fakta om det, läsa datan, informera den andra om det den läst, göra beräkningarna och komma fram till slutsatsen(med hjälp av den andra) för att sedan skriva ner allt om den delen i rapporten. 

 De delar som vi behöver behandla är indelade i tre olika huvudgrupper. Dels är det vindens energi, alltså var finns energin i vinden, själva grunden för att kunna förstå de andra delarna bättre. Sedan är det rotorn, alltså vingarna som ska ta upp själva vindenergin. Sedan är det elektroniken, alltså allting som ska få ut elen från vingarnas rörelse. Sedan är det själva tornet, det som ska hålla upp allting och se till att det står stadigt. 

Vindens energi:(Henning)

- Vinden, övergripande som inte är så specifikt just för oss men för förståelse

- Råhetsklasser

- Hinder och backar

- Vindens effekt och energi, övergripande formler och förutsättningar

- Vindmätningar av hastighet/energi

- Energiomvandling

Rotor:(Henning)

- Typer av vindkraftverk

- Rotorns löptal

- Lyftkraft och framdrivande kraft(för att få rotorn att snurra)

- Rotorbladens utformning

- Rotorbladens material

Tornet:(Tor)

- Maskinhus

- Fundament

- Tornet

Elektroniken:(Tor)

- Växellåda

- Generator

- Transformator

- Frekvensomriktare

- Nätanslutning/batteri

Mailtrafik: Svar från UU

Eftersom vi inte fått något svar från Mats Leijon, så mailade vi direkt till vår kontakt (doktorand Magnus Stålberg).
Där fick vi svar direkt. Här är mailet:

"Hej Henning och Tor!
Det går alldeles säkert att ordna. Hör av er till mig igen efter nyår
när ni vill komma så får vi försöka sy ihop någonting då.

Vänliga hälsningar
Magnus"

ASBRA!
Det ska bli skitskojjit att åka till Uppsala o kolla vad de hittar på.
Vi kan säkert få lite heta tips =)