Marin fornybar energi Av Jo Hvoslef, Christoffer Ottesen og Ragnar Sallaup
Innledning I dette prosjektet har vi med utgangspunkt i temaet marin fornybar energi utviklet en prototype for et bølgekraftverk. Vi har benyttet kreftene som ligger i bølgenes svingninger og gravitasjonen. Det gjorde vi ved å konstruere en boks med god flyteevne som flyter opp og ned langs en gjenge. I boksen er det plassert et tannhjul som går mot gjengen. Tannhjulet er koblet til en generator som igjen lager strøm. Metoden gikk ut på å utforme selve boksen i plast, tilrettelegging av fester for generatoren og tannhjulet inne i boksen samt utformingen av hakk på stangen som er identiske med hakkene på tannhjulet. Vi kom fram til at prototypen fungerte slik vi ønsket og oppnådde å generere strøm. Modellen er relevant med tanke på dagens leting etter nye fornybare energikilder. Det er uansett mye arbeid fram til en fullskala modell som genererer rikelig med strøm og som kan motstå naturkreftene på åpent hav. Vil amplituden påvirke mengden spenning som blir produsert? Hypotesen vår var at amplituden vil ha innvirkning på hvor mye spenning som vil bli produsert. Grunnen til dette var på grunn av at vi hadde en kort stang. Derfor fikk ikke bølgekraftverket utnyttet hver bølget som kom. Og de høye bølgene som oversteg gjengens høyde ble ikke fullt utnyttet. En bølge som skyver boksen halvveis opp stangen og dermed halvveis ned, vil ikke være optimalt. En bølge som derimot skyver boksen slik at den utnytter hele stangen vil være det beste og generere mere spenning. Med tanke på dette trodde vi at amplituden ville ha en påvirkningskraft på mengden spenning som ble produsert. Side 1 av 9
Metode Utstyrsliste: - Tannhjul av plast (diameter på 4 cm) - Plastplate(3mm tykk) - Plastbrekker - Isopor - Håndsag - Plaststang (30 cm) - Limpistol - Maskin for å konstruere gjenger (verksted) - Bormaskin - Plastrør med noen millimeter større diameter enn stangens. - Isolerte strømledende ledninger - Pc med Datastudio - Multimeter med ledninger - Digital måler strøm og spenningsmåler av typen «Pasco PS-2115» Det første vi gjorde var å skjære ut en plate i plast. I og med at platen skulle bli til en boks med lokk, måtte vi skjære ut en firkant i hvert hjørne av platen, slik at vi fikk 4 sider som vi kunne brette opp ved hjelp av en plastbrekker. I tillegg måtte en av sidene være dobbelt så lang som de andre. Denne delen blir bøyd over til slutt og danner boksens lokk. Før knekking ser altså platen ut som vist på figur 1. Deretter fikk vi hjelp til å skjære ut gjenger på plaststangen som gikk perfekt med mellomrommet på tannhjulets hakk. Gjengene ble frest ut av en maskin på skolens verksted. Når dette var gjort begynte vi med å feste tannhjulet til elmotorens aksling. Dette gjorde vi ved hjelp av lim. Da limet hadde tørket, koblet vi til strøm på motoren for å se om tannhjulet beveget seg riktig og uten kast. Da tannhjulet var festet til elmotoren, begynte vi å tilpasse hullet til stangen. Figur 1 Side 2 av 9 Figur 2
Hullet ble boret tvers igjennom boksen. For å få hullet stort nok måtte vi bruke en gjenstand til bormaskinen som var laget for å utvide hull. Da dette var gjort, fant vi en god plassering av elmotoren. Vi tredde igjennom stangen i de nye hullene og fant en plassering av elmotoren slik at tannhjulet gikk direkte inn på stangen. Ledningene fra elmotorene trakk vi ut av boksens øvre hjørne. Vi testet om stangens gjenger gikk fint mot tannhjulet ved å skyve stangen opp og ned. Da dette fungerte som det skulle, limte vi igjen alle sidene på boksen. Det ble viktig å bruke rikelig med lim for å sikre at boksen ble så tett som mulig. Med tanke på at de originale ledningene på motoren var bare et par cm lange, gjorde vi disse lengere ved å lodde på lengre strømledninger. Figur 3 Til slutt gjorde vi klar boksen til testing i vann. Vi fant fort ut at boksens flyteevne var dårlig og at den lett tippet over. Løsningen ble å lime en isoporbit under boksen kombinert med to isoporbiter på langs av boksen(se figur 2). Det neste steget var uttestingen av bølgekraftverket i et av bølgebassengene på Marintek. Framgangsmåten under uttestingen var å holde stangen med kraftverket stødig, vinkelrett ned i vannet og lese av verdiene på strøm og spenning ved hjelp av datamaskin med datastudio. Oppsettet er vist på figur 3. For å se hvilke forhold som var optimale for generering av strøm, varierte vi på variablene bølgeamplituden og tiden mellom bølgetoppene. Figur 4 Side 3 av 9
Teori En av de viktigste tingene å tenke på når dette prosjektet skal gjennomføres er hvordan man oppnår mest mulig effektiv «klatring» på bølgene. For å oppnå dette må vekt-flyteevneratioen være ideell. Flyteevnen burde være best mulig, noe som å sikre at beholderen for mekanismen er vanntett vil være en simpel løsning på. Denne beholderen kan man gjøre så stor som man vil, inntil grensen som defineres av at den ennå får plass i bølgedalen. Størrelsen på beholderen er tilnærmet proporsjonal med flyteevnen pga. økningen av mengde luft som befinner seg inne i beholderen. Når det gjelder vektens innflytelse på «klatringen» til boksen har dette mye å gjøre med kreftene som har innvirkning på dens vertikale stigning. Disse kreftene defineres ved newtons andre lov og innebefatter friksjonskraften, kraften som får boksen til å gå oppover, og tyngdeakselerasjonen. Newtons 2. lov: = ܨS Der «ܨS» er summen av kreftene som virker inn på legemet, «m» er massen og «a» er akselerasjonen til legemet. Dermed finner man at summen av kreftene er massen multiplisert med tyngdeakselerasjonen ved overflaten: 0.45 = ܨS 9.81 0.45 = ܨS ଶ ݏ = 4.4 ܨS Dette tilsier da at flyteevnen til boksen er nødt til å overskride ܨS som virker inn på den. Spenningen som genereres av den indre mekanismen kan defineres ved volt per rotasjon. Formelen blir da =,ܫ/ der «U» er spenning per rotasjon, er gjennomsnittlig levert spenning, og «I» er antall rotasjoner 1 multiplisert med omkretsen til tannhjulet og fire ganger amplituden til bølgene over et gitt tidsrom. =ܫ 4 ௧.«ݐ» tannhjulet, 1 Antall rotasjoner er gitt ved høyden av bølgene, «a», delt på omkretsen til Side 4 av 9
Der T er tidsrommet som begrenses. 8 4 =ܫ ݏ 1.3 20 1.25«1.23 =ܫ Videre er strømgenereringen som er gitt ved U lik: = ܫ = 0.150 1.25 = 0.120 Dette vil da si at spenningen som blir produsert av vår modell per sekund er 120mV ved en maksimal amplitude på bølgene på 8cm for prototypen til vårt bølgekraftverk. Dette stemmer godt med våre målinger på Marintek og ved testingen med en bølgeamplitude på 8 cm. Side 5 av 9
Resultater Tabell 1 Som vi ser av tabell 1 påvirker bølgenes amplitude og periode hvor mye spenning kraftverket genererer. Spenningen varierer fra 30mV og helt opp til 120mV. Vi ser altså viktigheten av hvordan ulike bølger fører til ulik produksjon av spenning. Ser vi på de høyeste verdiene av spenning, kan det se ut som at en bølgeamplitude på over 6,8 er ideelt. Tiden mellom bølgetoppene er også viktige. Grunnen til dette er at dersom bølgeamplituden er på dette nivået og tiden mellom bølgene er riktig, vil boksen utnytte hele lengden av plaststangen og vi får dermed dreid tannhjulet så mye som mulig hver gang den beveger seg opp og ned langs stangen. Ser vi på de ulike periodene kan det se ut som at et tidsrom på 1,0 til 1.4 sekund er det optimale. Er perioden under ett sekund vil bølgene komme for fort og boksen vil ikke rekke å gå opp og ned i hver bølgebunn. Samtidig kan heller ikke perioden være for lange. Da vil boksen bli løftet i et lavere tempo og tannhjulet vil dermed også gå langsommere rundt. Det resulterer i lavere mengde produksjon av spenning. Side 6 av 9
Tabell 2 Denne grafen viser hvordan spenningen varierer ut i fra ulik amplitude og periode. Av figuren ser vi at ved 2 cm høye bølger genererer modellen minst spenning og verdien ligger rundt 30mV. Fra amplituder på høyden 4cm og oppover ser vi at mengden spenning gradvis stiger. Helt til den når sitt toppunkt på omtrent 8 cm høye bølger. Ved større bølger enn dette ser vi at spenningen blir mindre igjen. Grunnen til dette er at dersom bølgen ikke skal skylle over boksen, må tiden mellom hver bølge være så stor at effektiviteten vil synke og igjen generere mindre strøm. Av dette kan vi si at denne størrelsen på modellen fungerer best med bølger på rundt 8 cm. Ser vi på de punktene med høyest spenning har perioden en verdi på 1,0 til 1,4 sekunder. Det sier noe om hvilke perioder den trives best under og hvor kjapt den kan «håndtere» nye bølger. Det kan være et utgangspunkt når man skal gjøre forbedringer og samtidig gir det en tanke om hvordan størrelsen på en fullskalamodell må være dersom informasjon om vanlig bølgeamplitude på åpent hav er kjent. Med tanke på hvor nøyaktig disse resultatene er, er det flere ting som spiller inn. El motoren kan kanskje påvirkes av små vann som trenger seg inn i boksen, gjennom hullet hvor stangen får igjennom. Dette kan kanskje gi utslag. En annen faktor som spiller inn er hvor godt man holder i selve stangen under testing, om man holder den likt hver gang og hvor langt ned i vannet man holder enden av stangen. Alt dette kan være variabler som påvirker resultatene. Side 7 av 9
Diskusjon Hvilke forbedringer kan vi gjøre på modellen? Bølgekraftverkets produksjon av energi kan mangedobles ved bruk av et tannhjulsystem. Dette systemet går ut på å sette et lite tannhjul inntil det store som nå er direkte festet til generatoren. Hvis radius av det største tannhjulet er 3.5 cm blir omkretsen som da tilsvarer én rotasjon ca. 20 cm. Hvis man da setter et tannhjul med radius 1/3 cm, vil omkretsen bli ca. 2 cm. Dette vil da si at effekten til kraftverket økes med en koeffisient på 10, med andre ord vil produktiviteten tidobles. En annen mulig forbedring vil være å forlenge det svarte røret som stikker ned under boksen med ca. samme lengde som stangen og tette enden, dette vil minske sannsynligheten for at boksen vil fylles med vann, og dermed også sørge for at generatoren er tryggere. Vi så under testingen i bølgebassenget at boksen har stor motstand mot vannet noe som kan føre til minsket levetid pga. slag-effekten. Hvis beholderen for den energi-genererende mekanismen får en dråpe-form, vil denne motstanden minskes dramatisk. I tillegg til dette vil formen sørge for at beholderen nesten alltid har samme retning i forhold til bølgene (sett at vinden ikke har større effekt). Ser vi tilbake på resultatene våre, så vi tydelig at ved riktig bølgeamplitude og tid mellom bølgene, utnyttes konseptet på best mulig måte og vi oppnår å produsere så mye spenning som mulig. Uansett er det vanskelig å skape disse optimale forholdene ute på havet. Der varierer bølgenes frekvens og høyde kontinuerlig. Det er dermed ingen universalbølge som bølgekraftverket kan konstrueres etter. I vårt tilfelle kan løsningen være å ha en betydelig lengde på stangen som går igjennom selve flytelegemet. Da vil den kunne ta opp energi fra et mye større spekter av bølger med ulik høyde. En oppbygd plattform rundt selve modellen med festeanordning til stangen kan være en løsning. Det vil være langt mer praktisk enn å feste stangen til havbunnen. En annen fordel er at denne plattformen vil stive opp hele konstruksjonen og gjøre det hele mer robust og mer motstandsdyktig i møte med slag fra store bølger og vannmasser. En annen utfordring er hvordan man kan transportere energien man produserer effektivt inn til land og bruksområdene. Det lar seg nok gjøre men kostnadene vil nok være relativt høye. Side 8 av 9
Konklusjon Til slutt kan vi se på hva vi har kommet fram til etter dette prosjektet. Vi gikk inn i prosjektet om marin fornybar energi med 3 ideer. Etter hvert kom vi fram til at det var denne ideen om bølgekraft vi ville gå videre med. Ideen hadde uansett en del tekniske utfordringer, og vi måtte være kreative for å få lage prototypen. Vårt forskningsspørsmål for prosjektet var om bølgens amplitude ville påvirke mengden spenning som ble produsert. Ut i fra våre resultater ser vi at amplituden på bølgene har stor innvirkning på mengden spenning som blir produsert. Ved å variere på denne variabelen under testingen i bølgebassenget kom dette tydelig fram. I tillegg til de målingene som blir presentert i resultatene, så vi tydelig at noen bølger skjøv boksen høyere opp på stangen enn andre. Vi la spesielt merke til at en amplitude på 8 cm førte til at boksen utnyttet hele stangen. Vi kan dermed konkludere med at bølgens amplitude har betydelig innvirkning på hvor mye spenning som blir produsert. I tillegg har vi funnet ut at i denne skalaen er den optimale amplituden på 8 cm. Vi tror denne typen kraftverk vil bli viktig i framtiden og naturkreftene som ligger i havet er noe vi absolutt bør prøve å utnytte i framtiden. Referanser - Rom Stoff Tid 2, Cappelen Damm - Marintek - Side 9 av 9