Inför bygget i helgen

Vi har bestämt att vi ska bygga vårt vindkraftverk nu på lördag. Vi har fixat fram det mesta materialen och vet nästan hur vi ska bygga allting. 

 Det som vi har kvar att komma på är hur vi ska koppla våra lampor för att ha en tillräcklig stor resistans och inte för stor effektutveckling som har sönder lamporna. 

 Det vi behöver fixa fram inför helgen är:

x antal glödlampor, 1,5 V

Plywood ca 0,5 kvm till fenan

Fyrkantsstålrör

Sen är det bara att bygga efter våra ritningar och uträkningar.

Studiebesök: The Aftermath

Var i Uppsala i måndags och mötte vår handledare / kontakt (Doktorand Magnus S) på UU:s institution för vind-, våg- och vattenkraft.

Vi fick veta mer om historien bakom de olika typerna av kraftverk och varför dem ser ut som de gör, vilket var väldigt intressant!

Framemot eftermiddagen började vi diskutera vårt projekt, och hur Henning och jag har tänkt bygga vårt kraftverk.
Vi fick god kritik av Magnus, men det var dock en (stor) grej som vi hade förbisett: man vill ju använda ALL den elektriska energin som man alstrar i kraftverket, och inte bara, säg 20% (som det förmodligen skulle bli, utan hjälp av Magnus).

Grejen är denna; för att kunna använda all den elenergi som alstras vid en viss vindhastighet, säg 5m/s, måste man ha ett antal lampor som förbrukar all den energin som skapas.
Det låter enkelt; "kötta på med några lampor liksom", skulle man kunna tro, men då får man ytterligare problem.

Scenario 1: För få lampor
Motorn i ett kraftverk är rotorns broms. Hur mkt motorn(generatorn) bromsar beror på hur mycket energi som utvinns ur den ström som produceras; dvs hur stor lasten (resistansen) är i den krets som generatorn arbetar i.

Man får tänka på rotorn och generatorn (m krets) som ett förhållande, där det ultimata förhållandet är: F(elproducerande) = F(broms), dvs den kraft som påverkar rotorn (blir sedan till den elskapande kraften i generatorn) är lika stor som den bromsande kraften i generatorn.
Då blir förhållandet: 1:1, vilket är ett resultat av Newtons första lag.
"Ett föremål förblir i vila eller i likformig rörelse så länge inga yttre (netto)krafter verkar på föremålet."


Om nu den bromsande kraften från generatorn är för liten (orsakad av för liten last i kretsen) kommer rotorn börja snurra snabbare och snabbare, vilket tillslut kommer leda till att man inte kan kontrollera den effekt som generatorn generar, vilket i sin tur kommer förstöra känsliga saker i kretsen, t.ex. våra lampor.

Scenario 2: För många lampor
Tvärtom kommer för många lampor leda till att den bromsande kraften (F(my)) är något större än den kraften som får rotorn att snurra, vilket orsakar ett behov av en högre vindhastighet för att rotorn skall kunna starta(börja rotera). Då kommer vi inte heller kunna utvinna den maximala vindenergin, eftersom vår rotor snurrar alltför långsamt.

Scenario 3: Prefekt antal lampor
Här har vi lyckats matcha den önskade effekten i kretsen, med antalet elförbrukande enheter (resistorer/ laster, vilket i vårt fall kommer vara glödlampor).
Dock finns det problem: vi har ju endast anpassat lasten i kretsen till en effekt som vi antagit varit statisk, vilket den ALDRIG kommer vara i vårt bygge, eftersom vindstyrkan varierar.
Lösningen är att vi vill räkna fram den last som ger högst verkningsgrad för den vindhastighet som vi tror är medelvinden.
Det innebär att resistansen är fast, fastän spänningen och strömmen kommer variera.
Alltså måste vi ha en fast last i kretsen, men kunna variera strömmen, så att inte våra lampor går sönder.

DET är vad vi funderar på just nu. Hur gör man det ???

Rotor och generatorn

Här är lite värden som gäller för vår rotor och lite tankar om hur vi ska använda generatorn.

Rotorn:

Bladen ska vara vridna eftersom vinkeln ska bli lika stor mot den resulterande vinden.

Den resulterande vinden påverkas av två faktorer, den egentliga vinden och den vind som skapas då rotorbladen roterar.

 Den egentliga vinden är alltid lika stor medans den fartvind som skapas blir större ju längre ut på bladet man kommer, därför så måste man anpassa vinkeln så att det inte bildas för mycket motstånd längst ut på spetsen.

Hur många blad man ska ha beror mest på antalet rpm och hur mycket material man vill ha. Det bästa är att ha så många blad som möjligt. 3 blad ger 3 % mer energi än 2 blad men 2 blad snurrar snabbare. Ju högre löptal desto snabbare och en 2 bladig rotor ska ha löptalet 9. Vi använder 2 blad då löptalet 9 är det högsta.

Desto mindre rotor desto högre varvtal då radien minskar och löptalet ska fortfarande vara detsamma. Därför är det både av ekonomiska skäl så tar vi 0,5 m och eftersom vi inte är ute efter att få ut så stor effekt. Radien på vår rotor är 0,5 m.

 För att få fram en vinkeln mot det roterande planet så ska vi få fram två värden, ena värdet är värdet för anfallsvinkeln mot vinden och andra för bladvinkeln mot det roterande planet. För anfallsvinkeln så är vi ute efter att lyftkraften ska bli så stor som möjligt och att motståndskraften ska bli så liten som möjligt. Detta kan man få fram från data i vindtunnlar. Anfallsvinkeln är oberoende av vindens hastighet. Den ska inte heller vara för stor så att det skapas turbulens och då minskar effekten, men detta kan man utnyttja för att bromsa vindkraftverket. Vinkeln ska max vara 15 grader men för att vara på den säkra sidan så använder man 7 grader så att också motståndskraften blir så liten som möjligt. Anfallsvinkeln är 7 grader.

 Sedan ska vi få fram den andra vinkeln, bladvinkeln. Denna är olika för olika delar på bladet. Då vinkeln mot det roterande planet=anfallsvinkeln+bladvinkeln så kan man få fram vad vinkeln mot det roterande planet är i förhållande till radien med hjälp av trigonometri. Då får man att vinkeln är detsamma som tan^-1(2R/3r*löptalet). Då kan man räkna ut bladvinkeln från det då man tar -7 grader för anfallsvinkeln från det värde man får av vinkeln mot det roterande planet. Löptalet är 9 för 2 blad. Vi har räknat ut R som är radien, vilken är 0,5 m medan r är där man vill räkna ut just den punkt där man vill räkna ut vinkeln. Här är bladvinkeln för fem punkter på bladet:

r=0,2R, 13,323 grader

r=0,4R, 3,49 grader

r=0,6R, 0,038 grader

r=0,8R, -1,71 grader

r=R, -3,468 grader

Vinkeln mot det roterande planet är den relevanta vinkeln att få fram och det får vi fram av ovan givna värden + 7 grader. Här är dessa vinklar:

r=0,2R, 20,323 grader

r=0,4R, 10,49 grader

r=0,6R, 7,038 grader

r=0,8R, 5,29 grader

r=R, 4,2364 grader

Sedan ska vi räkna ut bredden. Bredden beror på betz lag då man ska bromsa 2/3 av vindens hastighet. Detta gör man genom att öka vält-kraften vilken är den motsatta kraft till den egentliga vindens kraft. Den beror på lyftkraften ...

 Till slut får man fram en generell formel, att bredden på bladen i de yttre delarna är C=(16piR(R/r))/(9*löptalet^2*blad). Vi vet R=0,5 m, löptalet=9 och bladen=2. Då blir det C=(4pi/r)/1458. Då får vi följande bredd:

r=0,2R, 4,3 cm

r=0,4R, 2,155 cm

r=0,6R, 1,436 cm

r=0,8R, 1,077 cm

r=R, 0,862 cm

 Bladet ska inte vara för tjockt för då blir det för mycket motstånd. För att få bäst flöde av luften så ska den vara tjockast 1/4 från den sida som möter vinden och max 12 % av bredden. Tjockleken blir då från mitten ca: 0,5-0,1 cm

Vi måste också veta vad för varvtal vi får ut då vi har en radie på 0,5 m. Funktionen för varvtalet är n=60v/pi. 

v=1 n=172 rpm

v=3 n=516 rpm

v=5 n=859 rpm

v=7 n=1203 rpm

v=9 n=1547 rpm

Generator:

En synkrongenerator arbetar med ett fast varvtal och används oftast i byggen av mindre vindkraftverk. 

Detta kräver att vi ska ha ett fast varvtal. Eller?

Då måste vi ha en motorbroms. 

Ovan får vi antalet rpm vi får ut vid vindhastigheter på under 10 m/s vilket mest sannolikt kommer att råda då vi testar vårt vindkraftverk. Med vår generator fick vi ut 2,3 V vid 1100 rpm. Så vi borde få följande spänningar ifall (2,3/1100)*rpm V.

v=1 n=172 rpm U=0,36 V

v=3 n=516 rpm U=1,032 V

v=5 n=859 rpm U=1,718 V

v=7 n=1203 rpm U=2,4 V

v=9 n=1547 rpm U=3,094 V

12-volts systemet, använder dem batterier?

Kan vi ladda ett (bil-)batteri med olika spänning?

Vi behöver ett batteri som laddas mellan 1-3 volt

Studiebesök bestämt

I fredags så bestämde vi med vår kontaktperson på Uppsala Universitet att vi ska dit på studiebesök för att se hur deras arbete går till och fråga lite frågor om det vi kört fast med.

 Studiebesöket är måndagen den 4 februari kl 14.00, samma dag som vi har hemstudiedag. 

Detta bör vi göra innan studiebesöket:

- Se hur vi ska åka dit och planera resan

- Göra en ritning över vindkraftverket

- Skriva ihop alla våra uträkningar och data

- Förbereda massor med frågor!!!

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