Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

波力エネルギー変換器を作るその2:設計ループで立ち往生

これは、波力エネルギー変換器の研究開発を記録した10回シリーズのうちの2回です。パート1を読んでください。

再生可能な海洋発電技術について最初に学んでから4年が経ちました。私はチーム、資金、そして既製の部品を使って波力エネルギー変換器(WEC)を構築する計画の始まりを得ました。プロジェクトが始まる前でさえ、私は無数のデザインをすべて頭の中で完成させました。それでも、当時のように痛みを伴うものでしたが、私の最初のビジョンは最終的にはしっかりとしたエンジニアリングの基礎とチームワークに基づいた実用的な試作品に形作られ、洗練されなければなりません。プロジェクト期間中、WECデザインは4回目の最終デザインであるWEC_004に達するまでに、3回の徹底的なデザインの繰り返しを経ます。私達の助成金スポンサーであるCITRISは私達に私達の提案を実行しそしてそれに応じて資金を使うために1年を与えました。

しかし、UCデイビスの上級工学部学生として、私たち全員が卒業する前に上級デザインプロジェクトに参加しなければなりませんでした。クラスの教授と話をした後、私たちは助成金をシニアデザインプロジェクトに組み入れることにしました。これはプロジェクトのスケジュールを早めることを理解しています。これは私達が私達の時間をシニアデザインプロジェクトと再生可能エネルギー補助金プロジェクトの間で分けるよりもむしろ一つの大きなプロジェクトに私達の時間と注意の全てを集中させることができるということを意味した。タイムラインは石で設定され、そして私達は卒業するためにプロジェクトを終えなければならなかった。クラスの最初の12週間は研究と設計に費やし、クラスの後半は学生ショップでWECを作り、海でテストします。カウントダウンが始まりました。

初期のWECコンセプトデザイン。

プロジェクトの最初の2週間は毎日一緒に働いていました。正式なチームミーティングが予定されていなくても、必然的にクラス内の他のチームメイトと出会い、会話は常にWECプロジェクトに漂うことになります。やむを得ずでした。私たちはWECを作りたいと思っていて、それをBodega湾でテストできることを望んでいたので、次のステップはどのようにして海洋の波の動きを電気に変換するかを考え出すことでした。

2年前、私はクラスのプレゼンテーションのために波のエネルギーを研究しながら、「波エネルギー変換技術のレビュー」と題された詳細な研究論文を見つけました。 WECを設計するのに12週間もかからなかったので、波からエネルギーを利用するための新しい、斬新な方法を開発するつもりはないことが理解されました。代わりに、他の人が複製できるように、よりアクセスしやすいプラットフォームに既存のテクノロジを組み込むことを計画しました。この原稿は最初に読むのに最適な場所でした。波力エネルギーに興味がある人にはぜひお勧めします。この用語集には、海洋電力に関する専門用語と用語集がたくさん含まれています。

最初の1週間以内に、チームは設計に集中することに同意しました。 点吸収リニア駆動方式 それは電気を生み出すために波の中で上下に揺れるでしょう。私たちは自分たちのデザインを他の人たちにも簡単に取り入れて欲しいと願っていたので、私たちはその装置が広範囲の波の状態で動作できなければならないと感じました。ポイントアブソーバーは、波がどこから来ているかにかかわらず、波からエネルギーを集めることができます。これは、波が主に北西から接近するが、突然大きな南風の間に南から転換して接近することができるBodega湾のような場所にそれらを特に適したものにします。浮遊ブイを円形にすることで、WECはあらゆる角度から波を受信することができます。リニアドライブシステムは1°の自由度しか持たないので、私たちの設計は波の上下左右への動きを利用することに関係します。このリニアドライブ設計により、数学的モデリングがより管理しやすくなり、学生ショップでの製作もはるかに容易になります。

WEC_001の中に収まるパワーテイクオフシステムの初期の設計。

点吸収リニア駆動システムを使用することにしたので、ブイからの上昇運動を電気エネルギーに物理的に変換するパワーテイクオフシステムを選択する必要がありました。マグネットとワイヤーコイルを使って、波の上下運動を直接電気に変換することができます。数年前、私はネオジム磁石とマグネットワイヤのコイルを使って波力エネルギー変換モデルを構築するためにこの考えを使いました。これは、充電式懐中電灯で使用されているのと同じ原理です。マグネットがコイルの内外に移動すると、コイルに交流電流が誘導されます。磁石が動いている限り、電気を作ることができます。しかし、電気の電圧と周波数は磁石の速度と変位に基づいて変動するため、エネルギーの収集がより複雑になります。

チームのWECプロジェクトは私の小さなPVCパイプモデルよりはるかに大きくなるでしょう、そして電気技術者ではなかったので信号を修正し調整するための回路を作るという考えは私たち全員を恐れていました。位相や整流の問題がなくても、希土類磁石の価格は急上昇していたため、このアイデアは経済的に実用的ではありませんでした。

磁石とコイルを使用して2010年に造られたミニWECモデル。

次に、滑走路、ロープ、およびおもりのネットワークがすべて一緒に移動し、海底に固定され、浮遊ブイが地表で揺れ動くように固定された、防水ハウジングに納められた滑車とカウンターウェイトの使用を検討しました。チームメンバーのAlex Beckermanは、このアイデアを特に気に入っていました。エンジニアリングの精神では、生命、エネルギー、ダンパーのシステムとして人生のあらゆるものをモデル化し、次に微積分を使って解決策を見つけることができるからです。ただし、この作業を行うために必要なすべてのプーリとベアリングを使用すると、摩擦損失によって全体の出力が大幅に低下し、ケーブルが磨耗して破損する可能性が高すぎると予測されました。

WEC_001 - WEC_003のパワーテイクオフ(PTO)システム用油圧回路。

可動部品が少なく、よりシンプルなデザインを探しているなら、油圧部品を使用することをお勧めします。オンラインのいくつかの研究論文は、複動ピストンを使用して一連の一方向弁を通して流体を圧送し、発電機に連結された油圧モータを回転させる基本的な油圧回路について言及した。部品は見つけやすく、ほとんどの継手や部品は高い動作圧力に耐え、大量の力や腐食性の海洋環境に耐えることができました。システムの有効性を評価する方法として、潜在的な出力を予測するためにコンピュータシミュレーションでこれらのタイプの油圧回路をどのようにモデル化するかを説明する記事さえありました。

唯一の問題は、チームの誰もが産業用油圧部品の使用経験があまりないということです。確かに、私たちの何人かは家の周りの配管の修理や灌漑用水設備の設置の経験がありましたが、オリフィスの制限による圧力損失を考慮しながら、高圧アキュムレータと油圧モーターでシステムを設計しました。私たちのすべての選択肢を考慮して、チームは油圧システムの一見比較的単純さと既製の部品を見つけることの容易さがこれを勝利の選択にしたと決定しました。

2週目の終わりまでに、私たちはかなり気分が良くなっていました。私達は設計の一般的なレイアウトについて大きな決断をしました、そして今私達は私達のパワーテイクオフシステムを構築するために油圧を使うことに合意しました、ブイ、ヒーブプレート、スパー。当時私たちが気づいていなかったのは、各サブシステムが他のすべてのサブシステムとどのように相互接続されているかでした。

教科書の問題では、ほとんどの変数は問題ステートメントであなたに与えられるか、どこかの表で調べることができます。そのため、WECの設計問題を「解決する」ために必要な計算に取り掛かると、大規模な設計ループにとらわれずに、重要な決定を下すことができませんでした。たとえば、チームメンバーのTom Rumbleは、購入する油圧モータのサイズを決定しようとしましたが、最初に油圧ラムを選択するにはKevin Quachが必要でしたが、Kevinは油圧シリンダの口径を決定する必要がありました。油圧モータの問題につながったシステム内の圧力の量、。 Alexは、大きな金属製のヒーブプレートを設計しようとしていました。これは、ブイからの上方への引っ張り運動に抵抗する流体力学的抗力を提供しますが、最初にブイの合計サイズを決める必要がありました。しかし、ブイに必要な総浮力を計算する前に、Teresa YehのWECの総重量とAlexのヒーブプレートの重さを知る必要がありました。これは4つの悲惨な週の間続きました、そして、チームは非生産的なわだちに滑り込みました。

波浪中のWEC ‐ 004設計の上昇運動

6週目までに私は夜寝るのに苦労していました。私はベッドを天井で見つめながら目を覚まし、すべてのプロジェクトを結びつける弦の玉のように解きほぐそうとしました。プロジェクトの大きさは私を圧迫していました、そして私は他のチームメンバーが圧力の山を感じていたと言うことができました。プロジェクトの期限が間に合わなくなることを意味する中期的な問題が発生しました。チームミーティングは、他の誰かだけが必要な情報を提供すれば問題の一部を解決できると説明しようとすると緊張しました。

これまでに、20インチ直径のHDPEパイプで作られた中立浮力スパーと、ブイの上にプレハブローラーアセンブリを組み込んだWEC_002デザインに移行しましたが、PTOはほとんど進歩していませんでした。欲求不満を加えるために、私はそれを作った後、私たちが実際にどうやってこのことをテストするかを考え出そうとしていました、しかし私の海洋研究所への私の電子メールは返事がありませんでした、そして私たちは本当にバックアップ計画を持っていません。何かを変えなければならない、そして速い。私たちが最初から運命づけられていたのであれば、私たち5人が取り組むにはこれが大きすぎて野心的すぎるプロジェクトではなかったでしょうか。私は疑問を抱き始めていました。

来週は第3回でお会いしましょう!

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