AUTONOMOUS WINDMILL Self-alligning nacelle with variable pitch blades
08-04-2015
Groep 8 Eunice Cheung (4284933) Timo Mol (4329716) Carlos Spagnol (4076893) Peywand Sulyman (4249526)
INHOUDSOPGAVE 1
Introductie ..................................................................................................................................2
2
Eindigetoestandsautomaat..........................................................................................................4
3
2.1
Windrichting mechanisme ...................................................................................................4
2.2
Pitch mechanisme ...............................................................................................................5
Schematische weergave systeem ................................................................................................6 3.1
Windrichting systeem ..........................................................................................................6
3.2
Pitch mechanisme ...............................................................................................................7
4
Experimentele benchmark criteria ..............................................................................................8
5
Financieel verslag ........................................................................................................................9
6
Conclusie .................................................................................................................................. 10
1
1 INTRODUCTIE Alle studenten van Werktuigbouwkunde aan de TU Delft die deelnemen aan het van Mechatronica, hebben dit jaar de mogelijkheid om kennis te maken met het ontwerp en implementatie van fysieke mechatronica systemen. Projectgroepen bestaande uit vier groepsleden hebben de vrijheid om een eigen project te kiezen. Dit project moeten minimaal de volgende elementen bevatten: -
Signaalfilter P(ID) controle loop (Eind)versterker Twee verschillende typen sensoren Twee verschillende typen actuatoren Micro-controller
Verder is er nog een eis dat het budget maximaal €160,- mag bedragen.
Het project wat we met vier groepsleden hebben gekozen is het ontwerpen van een autonome windturbine. Het doel van dit rapport is het presenteren van ons gemaakte systeem en het nader uitleggen van de gemaakte keuzes tijdens het ontwerpproces. De gemaakte keuzes voor het ontwerp zijn voornamelijk gebaseerd op de eisen en doelen die vanaf het begin gesteld zijn. Allereerst is het ontwerp vanzelfsprekend zoveel mogelijk gebaseerd op de bestaande windturbines. Dit is omdat de nadruk van het project niet op het ontwerp ligt, maar op de mechatronica. Hoewel dit het geval is, moet het systeem wel de volgende autonome functionaliteiten hebben: -
Het draaien van de gehele windturbine in de windrichting Om de werking van de windturbine te optimaliseren moet deze altijd in de windrichting staan. Om dit te realiseren moet het mechanisch gezien mogelijk zijn om de gondel of eventueel de mast te roteren. Voor de mechatronica moet er een windrichtingmeter zijn en een motor die de draaiing kan uitvoeren.
-
Het veranderen van de bladhoek (pitch) Door de invalshoek van de wind op de rotorbladeren te veranderen, zal de rotatiesnelheid van de windturbine variëren. Dit is toepasbaar wanneer er wordt gewenst dat de windturbine niet roteert of om er een maximale toerental aan de windturbine te stellen. Het maximale toerental is voornamelijk nodig om trillingen of om het eventuele falen van het mechanisme te voorkomen. Bovendien is het in praktijk zo dat de generator een bepaalde gebied van toerental heeft waar het rendement van de opgewekte energie optimaal is.
Om überhaupt aan de bovenstaande functionaliteiten te voldoen, zijn er voorts nog enkelen andere eisen waaraan het mechanisme moet voldoen. Het belangrijkste en meest vanzelfsprekende is de rotatie van de wieken. Deze moeten lichtgewicht zijn en voldoende wind kunnen vangen om een redelijke rotatiesnelheid te kunnen behalen. Het gehele ontwerp moet sterk zijn, zodat de er niets zal breken of buigen wanneer het in de harde wind staat. Lichtgewicht is echter ook zeer van belang, om het ontwerp mobiel te houden. Daarentegen moet het ontwerp zonder problemen stabiel op de grond kunnen staan, ondanks eventuele harde windstoten. 2
Zoals eerder genoemd, wordt er tijdens dit project voornamelijk gericht op het mechatronica van het systeem. In andere woorden zal er daarom ook weinig rekening gehouden worden met de aerodynamica van het ontwerp.
Na de doelen en eisen van het project verduidelijkt te hebben, zal de rest van dit rapport de gemaakte keuzes voor het ontwerp verantwoorden en nagaan of er aan de gestelde eisen is voldaan. Om de autonome functionaliteiten van het vervaardigde systeem te verduidelijken, zal er in Hoofdstuk 2 een overzichtelijke eindigetoestandsautomaat weergegeven worden. In Hoofdstuk 3 zal er een schematische weergave gegeven worden van het systeem met nadere toelichting van de gemaakte keuzes. Verdere details en experimentele benchmark criteria van het ontwerp zal behandeld worden in Hoofdstuk 4. Tot slot wordt gekeken of er aan de eisen en doelen zijn voldaan in Hoofdstuk 5 met een financieel overzicht en in Hoofdstuk 6 met de conclusies.
3
2 EINDIGETOESTANDSAUTOMAAT In Hoofdstuk 1 zijn er twee autonome functionaliteiten beschreven waar het ontwerp aan moet voldoen. Namelijk ‘het draaien van de gehele windturbine in de windrichting’ en ‘het veranderen van de bladhoek’. Deze twee functionaliteiten worden verder in het verslag respectievelijk de ‘windrichting mechanisme’ en de ‘pitch mechanisme’ genoemd. In dit hoofdstuk worden deze twee mechanismen in twee aparte eindigetoestandsautomaat (FSM) gezet in Figuur 2-1 en Figuur 2-2. Aan hand hiervan zal het systeem ontworpen worden.
2.1 WINDRICHTING MECHANISME Om de windturbine in de windrichting te laten draaien moet allereerst de windrichting gemeten worden. Na veel opties afgegaan te zijn (druksensor, buigsensor, etc.) is er toch gekozen voor een potmeter die 360° rond kan draaien. Door een windvaan aan de potmeter te monteren, kan de potmeter de hoek aflezen waarin de wind staat. Aangezien de potmeter ook aan de windturbine vast zit, zal deze samen met de windturbine terugdraaien, zodat het ‘dode punt’ tussen 360° en 0° nooit bereikt wordt. De gemeten waarden van de potmeter worden daarna analoog gefilterd door middel van een lowpass filter, zodat de windturbine niet op hoge frequentie verstoringen (zoals windstoten) zal reageren. Wanneer de windrichting dus daadwerkelijk verandert, zal de windturbine wel reageren op deze verandering. Gezien het feit dat de windturbine stabiel moet staan en dus het zwaartepunt laag moet liggen, is er gekozen om de gehele mast te laten draaien voor dit mechanisme. Dit betekent dat de overbrengingen (tandwielen) en de motor dicht mogelijk bij de grond geplaatst kan worden. De motor moet dus voldoende vermogen leveren om zowel het gewicht van de turbine als de windkracht te overwinnen. Aangezien terugkoppeling niet noodzakelijk is, is er gekozen voor een stappenmotor.
Figuur 2-1: FSM van het windrichting mechanisme.
4
2.2 PITCH MECHANISME Voor het pitch mechanisme is er gebruik gemaakt van twee verschillende sensoren. Gezien het feit dat de lineaire actuatoren minimale en maximale posities hebben, moet de motor op tijd zien te stoppen. Voor dit probleem is er een afstandsmeter gekozen, die de verplaatsing bij houdt. Voor het principe van de pitch mechanisme moet het toerental gemeten worden. Dit wordt gedaan met behulp van een stokje dat langs een lichtsensor gaat. Dit stokje zit aan dezelfde as vast als de wieken en heeft dus dezelfde rotatiesnelheid. De keuze voor een lineaire actuator is snel gemaakt, gezien het feit dat er voor het bedachte mechanisme een lineaire beweging moet zijn om de wieken te laten draaien. Het gedetailleerde ontwerp van het pitch mechanisme wordt tijdens de presentaties nog nader toegelicht.
Figuur 2-2: FSM van pitch mechanisme.
5
3 SCHEMATISCHE WEERGAVE SYSTEEM Zoals behandeld in Hoofdstuk 2 is het gehele systeem te onderverdelen in twee zelfstandige subsystemen, namelijk het windrichting- en pitchsysteem. In dit hoofdstuk worden de werking en de keuzes van deze systemen nader toegelicht.
3.1 WINDRICHTING SYSTEEM Om de windturbine altijd in de windrichting te laten staan, is er een windrichting systeem ontworpen. In Figuur 3-1 is het uiteindelijke elektrisch circuit te zien, waarin alle gebruikte componenten met hun configuratie weergegeven staan. Figuur 3-1: Een overzicht van het elektrisch circuit van het windrichting systeem.
Door middel van een windvaan gemonteerd op een potmeter, wordt de windrichting gemeten. Om oscillerend gedrag van de windvaan te onderdrukken, door verstoringen zoals windstoten, is er gebruikt gemaakt van twee laagdoorlaatfilters, namelijk een analoge en een digitale. De analoge filter bestaat uit een weerstand in serie met een condensator, met een kantelfrequentie van 0.6 rad/s. Het signaal wordt vervolgens afgelezen in de microcontroller. De verbetering die optrad gaf echter nog niet het gewenste resultaat. Daarom is er besloten om een digitale filter te implementeren. Deze filter haalt de overgebleven vibratie eruit door steeds de gemiddelde waarde te nemen van de ingang signalen. Wanneer de eindstand van de potmeter is doorgegeven, wordt deze omgezet in ‘de afwijking van het beginstand’. Om deze afwijking op te heffen, wordt het benodigde aantal stappen voor de stappenmotor berekend. Deze motor wordt aangestuurd met behulp van de A4899 stappenmotor driver. Deze driver bevat bovendien ook een versterker om de motor van voldoende stroom te voorzien. Nadat de windturbine na dit proces de berekende afwijking heeft opgeheven, zal dit proces weer worden herhaald totdat de afwijking binnen het tolerantiegebied valt. Op deze manier is de digitale P regelaar gerealiseerd voor het windrichting systeem. 6
3.2 PITCH MECHANISME Om het optimale toerental te bepalen en te verwezenlijken is het pitch systeem zeer van belang. Door middel van het wijzigen van de bladhoek, zal het toerental hierdoor aangepast worden. In Figuur 3-2 is er een schematisch overzicht gegeven van het elektrisch circuit. Figuur 3-2: Het schematisch overzicht van het elektrisch circuit van het pitch mechanisme.
Om het toerental te bepalen moet er een toerentalmeter aanwezig zijn. Dit is gemaakt door middel van een blauwe LED en een fototransistor. Wanneer er een obstakel tussen de LED en transistor beweegt, zal er een puls gemeten worden. In dit geval is er gebruik gemaakt van een klein stokje dat aan de as van de wieken is gemonteerd. Aan hand van het aantal pulsen en het tijdsinterval kan het toerental bepaald worden. Om het toerental te reguleren is er een pitch mechanisme ontworpen. Hiermee is het mogelijk om de bladhoek te variëren door middel van een translatie van een roterende beweging van een motor tot een lineaire beweging naar een rotatie van de bladen. Voor dit systeem is er gebruik gemaakt van een continue servomotor. Deze roterende beweging wordt door een schroefdraad getransleerd naar een lineaire beweging. Het nadeel van de servomotor was dat dit geen terugkoppeling heeft. Als veiligheid voor de verzadiging van de lineaire actuator is er een afstandsmeter geïmplanteerd. Deze zorgt ervoor dat de servomotor stopt zodra de minimale en maximale afstand is bereikt en laat een rode LED branden als indicatie hiervan. Om het optimale toerental te bepalen was een PI regelaar goed van toepassing geweest. Gezien het feit dat dit helaas niet was gelukt, is dit door middel van metingen bepaald. Door middel van een grafiek van de verschillende metingen (zie Hoofdstuk 4), is er een optimale toerental bepaald.
7
4 EXPERIMENTELE BENCHMARK CRITERIA Door middel van experimentele metingen is er een benchmark opgesteld van het ontwerp. Dit zijn zowel mechanische als mechatronische aspecten. Beiden zijn in een overzicht gezet in Tabel 4-1. Het lage gewicht van 4.2 kg te danken aan de juiste selectie van materialen. Er zijn voornamelijk bekende lichte, maar sterkte materialen gekozen, zoals aluminium, hout en plastic. De reactietijd van het windrichting systeem is programmeerbaar, maar voor de metingen is dit gesteld op 10 seconden. Het bereik van één meting is beperkt door de mast op 324°, echter draait de windvaan mee met de mast en kan er een volledige 360° bereikt worden in twee metingen. Het toerental is afhankelijk van de pitch systeem. Door het pitch mechanisme heeft deze een bereik van 40°. Met de lineaire actuator in combinatie met de servomotor is er een tijd van 30 seconden nodig om de bladhoek van 5° tot en met 45° te laten variëren. In dit bereik ligt het toerental tussen de 64 rpm en 120 rpm.
Mechatronisch
Mechanisch
Tabel 4-1: Experimentele benchmark criteria met de bijbehorende waarden in de categorie mechanisch of mechatronisch.
Criteria Totale gewicht Breedte (van gondel tot wieken) Hoogte (van grond tot gondel) Diameter wieken Windrichting bereik Reactietijd windrichting Minimale; maximale pitch Pitch snelheid Optimale toerental Minimale; maximale toerental
Waarde 4.2 kg 276 mm 960 mm 600 mm 324° 10 s 5°; 45° 40° in 30 s 120 rpm 64; 164 rpm
Het optimale toerental is verkregen door een linearisering van het toerental van meerdere metingen, waarbij de bladhoek van 5° tot 45° loopt. De resultaten zijn te vinden in Figuur 4-1, waarbij te zien is dat de minste fluctuaties optreden bij 120 rpm. Dit is te verklaren dat het systeem op dit punt het minst sensitief is voor verstoringen van de turbulente luchtstroom van de wind. Dit punt is dus het optimale toerental. Figuur 4-1: Linearisering van de metingen (elk kleur is een andere meting) met het toerental uitgezet tegen de bladhoek.
8
5 FINANCIEEL VERSLAG In Tabel 5-1 staan per sub-mechanisme de prijzen van alle onderdelen weergegeven. De metalen profielen zijn verzamelingen van de stukken uit PMB die gedraaid en gefreesd zijn tot de uiteindelijke onderdelen. Veel van de componenten konden gratis gebruikt worden omdat deze in de RedBoard kit van de TU zaten.
Etc.
Mast
Gondel
Wieken
Tabel 5-1: Het financieel overzicht van de gebruikte onderdelen, gecategoriseerd in vier delen, met eventuele opmerkingen.
Onderdeel Aluminium profielen
Opmerkingen Zelf bewerkt tot uiteindelijke onderdelen.
Prijs € 4.66
Staal profielen
Zelf bewerkt tot uiteindelijke onderdelen.
€ 0.99
Wieken
Piepschuim zelf bewerkt tot wieken.
€ 1.00
Afstandsmeter Arduino shield
Beveiliging tegen doordraaien servo (uit kit).
€ 0.00
Circuit voor servo en LED’jes
€ 5.00
Fototransistor Kogellager 12x6x4
Deel van toerental meter. Bevistiging as en minimaliseren van wrijving.
€ 0.49 € 2.59
Kogellager 16x8x5mm
Bevistiging as en minimaliseren van wrijving.
€ 2.59
LED LEGO lineaire actuator Parallax Inc servo motor
Deel van toerental meter (uit kit). Aandrijving voor variabele invalshoek mechanisme. Aandrijving lineaire acuator.
€ 0.00 € 5.99 € 12.96
Plastic behuizing RedBoard
In IWS laten lasersnijden. Microprocessor (uit kit)
€ 0.00 € 0.00
Stalen as 8 mm
Hoofdas van de wieken.
€ 0.63
Filter (condensator)
Uit kit
€ 0.00
Groot tandwiel
Windrichting mechanisme.
€ 7.67
Houten doos Klein tandwiel Mast
Behuising stepper motor en RedBoard Windrichting mechanisme.
€ 5.00 € 2.88 € 3.30
Overige aluminium/staal
Zelf bewerkt tot uiteindelijke onderdelen.
€ 3.10
Potmeter
Meten windrichting (geleend van meetshop)
€ 0.00
RedBoard Sparkfun breadboard Stepper motor
Microcontroller (uit kit) Circuit voor filter (uit kit). Aandrijving windrichting mechanisme.
€ 0.00 € 0.00 € 7.50
Stepper motor driver
Aansturing stepper motor.
€ 2.00
Windvaan
Piepschuim zelf bewerkt.
€ 0.40
Bevestigingsmateriaal Elektrische componenten
Bouten, moeren e.d. Weerstanden, kabeltjes e.d. (uit kit)
€ 6.59 € 0.00
Door alle componenten op te tellen komt de totale prijs voor dit project op €75.34. Dit zit ruim onder het maximale budget van €160.00.
9
6 CONCLUSIE Het doel van dit project is het vervaardigen van een windturbine met de autonome functionaliteiten om de windturbine altijd in de windrichting te laten staan en om de bladhoek te kunnen variëren. Hoofdzakelijk om hiermee kennis te maken met het ontwerpen van mechatronische systemen. Aan het eind van het project mag er zeker gezegd worden dat dit project aan alle doelen en eisen heeft voldaan. Door de deelname aan dit project is er al veel geleerd van het ontwerpen van mechatronische systemen. Bovendien zijn er aan alle elementen (signaalfilter, P controle loop, etc.) voldaan, waardoor er meer kennis over deze onderwerpen is opgedaan. Voorts is er een windturbine ontworpen die daadwerkelijk aan zijn functionaliteiten voldoet. Met een totale gewicht van 4.2 kg en een hoogte en breedte van respectievelijk 960 mm en 276 mm, is het ontwerp lichtgewicht en compact te noemen. De wieken zelf hebben een diameter van 600 mm en behalen een maximale toerental van 164 rpm. Voort voldoet het systeem aan de twee autonome functionaliteiten: het windrichting en pitch systeem. Het windrichting systeem heeft een bereik van 360° met een reactietijd van 10 seconden en het pitch systeem van 5 tot 45 graden in 30 seconden. Gezien het feit dat het een zelf gekozen project is, is het werken hieraan zeer leerzaam en plezierig geweest. Mechanisch gezien was het een grote uitdaging om alles werkende te krijgen door de strikt beperkte tijd in de werkplaats. Mechatronisch gezien had geen groepslid ervaring op dit gebied. Uiteindelijk heeft alles meer tijd gekost dan verwacht, zowel mechanisch als mechatronisch. Door deze ervaring is het duidelijk geworden dat er voor kleine mechanische onderdelen soms veel tijd in kan gaan. Het was jammer dat er slechts één dagdeel per groep beschikbaar was voor de werkplaats. We hadden echter ook niet verwacht dat veel onderdelen gekocht van het magazijn niet goed op elkaar zouden passen. Het is daarom duidelijk dat we in de toekomst meer rekening moeten houden voor de benodigde en beschikbare tijd in de werkplaats. Hoe dan ook, voldoet het eindproduct, zoals eerder vermeld, aan alle gestelde eisen. Het is een goede prestatie voor de beschikbare voorkennis en tijd voor dit project. Het is echter niet te ontkennen dat veel verbeteringen aan het ontwerp gedaan konden worden. Het gehele ontwerp had in de eerste plaats veel meer aerodynamisch ontworpen kunnen worden. De wieken bijvoorbeeld hadden een optimalere vorm geweest kunnen zijn en beter/gladder afgewerkt kunnen worden met folie. De gondel en mast hadden een gestroomlijnder vorm geweest kunnen zijn door betere afrondingen. Voorts konden er nog oplossingen/verbeteringen bedacht worden om kleine rammelingen en wrijvingen in het gehele mechanisme te verminderen. Dit om een constante wrijving te behouden, opdat het toerental zo constant mogelijk blijft. Het zou optimaal geweest zijn om een lineaire actuator met een groter vermogen en met terugkoppeling tot beschikking te hebben. Door deze twee eigenschappen zal de pitch snelheid toenemen en de afstandssensor niet nodig zijn geweest. Tot slot zou het met meer kennis wellicht mogelijk geweest zijn om een PI-regelaar te implementeren in de pitch regelaar. Helaas was het programmeren van deze regelaar in dit project niet gelukt, maar zijn er in de toekomst voldoende mogelijkheden om dit nogmaals te proberen.
10
