Airflow 800 Een onderzoek naar goedkope elektrische componenten voor de Airflow 800 in opdracht van RIWIK Wind Energy B.V.
Milad Brojerdyan Miguel Agterberg
1
Airflow 800 Een onderzoek naar goedkope elektrische componenten voor de Airflow 800 in opdracht van RIWIK Wind Energy B.V.
Milad Brojerdyan Miguel Agterberg
Delft, 14-11-2012
2
Voorwoord
Het verslag dat voor u ligt is geschreven door twee studenten aan de Haagse Hogeschool Delft. Het betreft een technisch verslag over de “Kleine windturbine Airflow 800”. De opdracht begon als stag opdracht van Milad Brojerdyan, Na een aantal weken werd hij geholpen door vier duale studenten. In de laatste weken van het project bleef van hen alleen Miguel Agterberg over. De eerste weken moesten we ons oriënteren. De vraag waar we al snel tegenaan liepen was: “Hoe werken de componenten in het systeem van de windmolen?” Toen hier voldoende kennis over verzameld was kwam de volgende vraag: “Welk eisen zijn er gesteld aan deze componenten?”. Met de vordering van het project konden deze vragen beantwoord worden. Deze informatie is op de volgende manieren verkregen: • Lezen van een diversiteit aan documentatie • Informatie via het internet en de bibliotheek van de HHS Delft • Vragen bij de docenten van de HHS Delft • Interview, zowel persoonlijk als via mail, met Eric de Jong en Bart Fugers van RIWIK Wind Energy B.V. Door dit project hebben wij veel geleerd. Wij hebben een grote hoeveelheid kennis opgedaan over een aantal componenten, zoals de werking van inverter. Daarnaast hebben wij door dit project ook veel geleerd over het gebruik van simulatie programma’s en het maken van een meetopstelling. Tot slot willen wij een aantal docenten bedanken die ons hebben geholpen en begeleid in dit project: • Dhr. de Jong voor het opzetten van dit project en het geven van informatie over de werking en de constructie van windmolens • Dhr. Woudstra voor het begeleiden van onze projectgroep • Dhr. Theinert voor het begeleiden van onze projectgroep, in de afwezigheid van Dhr. Woudstra en het begeleiden van de duale studenten • Dhr. Olsthoorn voor het begeleiden van de stage opdracht en het verstrekken van informatie
3
Inhoudsopgave 1. Inleiding ............................................................................................................................................. 7 2. De werking van de componenten....................................................................................................... 8 2.1 De drie fase permanente magneet generator ............................................................................... 9 2.2 Rectifier (gelijkrichter) .............................................................................................................. 10 2.3 Charge controller ....................................................................................................................... 10 2.4 Batterijen .................................................................................................................................... 11 2.5 Inverter ....................................................................................................................................... 11 2.6 Dump load .................................................................................................................................. 12 2.7 Fuse (zekering)........................................................................................................................... 12 3. Onderzoek naar componenten.......................................................................................................... 13 3.1 Charge Controller....................................................................................................................... 14 3.2 Inverter ....................................................................................................................................... 15 4. Modeleren in Simulink .................................................................................................................... 16 5. Meetopstelling.................................................................................................................................. 22 5.1
Het Frame............................................................................................................................. 22
5.2
Motor.................................................................................................................................... 23
5.3
Mechanische Overbrenging ................................................................................................. 24
5.4 Voor- en nadelen van een riemoverbrenging ............................................................................. 24 5.5 Voor- en nadelen van een kettingoverbrenging ......................................................................... 25 5.5 Motivatie keuze voor riemoverbrenging .................................................................................... 26 6. Metingen .......................................................................................................................................... 27 6.1 De generator ............................................................................................................................... 27 6.2 DC motor ................................................................................................................................... 28 6.3 Rendement ................................................................................................................................. 29 7. Kostprijs brekening van de elektrische componenten ..................................................................... 30 4
8. Conclusie.......................................................................................................................................... 31 9. Zelfevaluatie t.a.v. het project ...................................................................................................................... 33 Figuurlijst ........................................................................................................................................................... 34 Literatuurlijst ..................................................................................................................................................... 35 Bijlagen .............................................................................................................................................................. 36
5
Samenvatting
Het hierop volgende onderzoek is uitgevoerd in opdracht van RIWIK Wind Energy B.V. Het einddoel van dit project is het vinden van goedkopere componenten voor een kleine 800W windmolen. Om te kunnen beginnen was het nodig om een grote hoeveelheid aan informatie en daarmee ook kennis te verzamelen. Door dit project zijn er een aantal alternatieven gevonden, maar dit onderzoek is met het project nog niet afgerond. In de inleiding van dit verslag is een korte beschrijving van de opdracht gegeven, voornamelijk de achtergrond en probleemstelling van het project. Vervolgens worden in hoofdstuk twee de componenten, die bij een windmolen horen, beschreven. Dit vormt de basiskennis die gebruikt wordt voor de rest van het verslag. Hieruit is gezocht naar alternatieven voor de huidige componenten, waarna er is gekeken naar de bestaande markt van kant en klare producten tegenover ontwerpen van schakelingen die handmatig in elkaar gezet kunnen worden. Er is gefocust op twee componenten, namelijk de charge controller en de inverter, aangezien hiermee de meeste winst te behalen is. Het gehele systeem is met behulp van Simulink gemodelleerd (hoofdstuk vier), om zo het rendement van het systeem te kunnen berekenen. Dit ging echter niet zoals gepland, waardoor er gezocht moest worden naar alternatieven. Om toch een rendement te kunnen bepalen is er een meetopstelling gemaakt Hiermee kan de efficiëntie van de drie fase generator worden gemeten met behulp van een DC motor. Uit metingen blijkt dat het rendement ongeveer 70% is, bij een lager toerental kan dit oplopen tot 80%. Het lage rendement kan een resultaat zijn van een slippende poelie. In het volgende hoofdstuk is er een kostprijs berekening gemaakt van de gehele windmolen en de charge controller. Hieruit kan geconcludeerd worden dat de componenten het voordeligst zijn, wanneer deze door lokale elektriciens worden geproduceerd. Hiervoor hebben deze elektriciens in Kenia eerst de benodigde kennis nodig. Uit dit verslag kan geconcludeerd worden dat het goedkoper is om de componenten lokaal te produceren, aangezien het arbeidsloon en de transportkosten daar laag zijn. Uiteindelijk zal door de lage prijs de verkoop van deze componenten verder gestimuleerd worden. Het is wel zaak dat deze componenten even betrouwbaar en efficiënt zijn als de huidige tegenhanger.
6
1. Inleiding Energiearmoede is één van de belangrijke thema’s in ontwikkelingslanden, het beperkt de belangrijkste aspecten van de menselijke ontwikkeling en groei. RIWIK is erop gericht om dit te bestrijden door de invoering van gedecentraliseerde windenergie op het platteland van Kenia. RIWIK staat dan ook voor Rural Investment Windpower In Kenia. Met meer dan 30 miljoen mensen die geen toegang hebben tot elektriciteit, zou de beschikbaarheid van elektriciteit een bijdrage kunnen leveren aan de economische ontwikkeling van Kenia en de verbetering van sociale omstandigheden. Helaas zijn kosten van wind turbines erg hoog. Aan de kosten van de generator en de mast is niet veel te veranderen, maar elektrische componenten (vermogenselektronica) zouden goedkoper gekocht of geproduceerd kunnen worden. De afzetmarkt van RIWIK is Kenia. Op dit moment is de kostprijs van de elektronische componenten 900 euro excl. BTW. RIWIK wil deze kostprijs verlagen tot het liefst de helft, maar maximaal 600 euro. Dit kan bijvoorbeeld gedaan worden door de componenten lokaal te laten produceren, de arbeid- en transportkosten zijn hierdoor lager. De componenten moeten minstens zo efficiënt en betrouwbaar zijn als de huidige componenten. De lage prijs zal hierdoor de verkoop stimuleren. In dit eindverslag worden de algemene werking van de componenten beschreven, evenals de toepassing en een aantal metingen. Voor deze opdracht is een meetopstelling gemaakt waarmee de efficiëntie en betrouwbaarheid van de generator en componenten bepaald kan worden.
7
2. De werking van de componenten In de beginfase van het project is de werking van ieder component, wat nodig is voor een windmolen, onderzocht. Er is gekeken hoe deze onderdelen exact functioneren. Na de uitleg van de opdrachtgever hebben we onderzocht, hoe we deze componenten goedkoper kunnen verkrijgen. Om de energie die de windmolen genereert zo optimaal mogelijk te gebruiken en op te slaan heeft RIWIK gekozen voor de configuratie zoals te zien is in figuur 1. De werking van volgende componenten zijn er aanwezig en worden besproken: • • • • • • •
De drie fase permanente magneet generator Rectifier (gelijkrichter) Charge controller Batterij Inverter Dump load Fuse ( verzekering)
Figuur 1. Schema RIWIK Airflow 800
8
2.1 De drie fase permanente magneet generator In figuur 2a en 2b is een model van een drie fase permanente magneet generator te zien. Deze generator is uitgevoerd met een dubbele magneetschijf met daartussen een spoelenpakket. Het spoelenpakket bestaat uit een negental spoelen die verdeeld zijn over de schijf (figuur 2c). Aan beide kanten van het spoelenpakket is een magneetschijf op de as gemonteerd. Op elke magneetschijf zijn twaalf magneten aangebracht. De Noordpool magneten en de Zuidpool magneten zijn om en om geplaatst (figuur 2d). Deze magneet generator wekt spanning op volgens “de wet van Faraday”. Dit soort spanning wordt inductie spanning genoemd. Inductie spanning ontstaat wanneer een geleider (spoel) zich in een magnetisch veld bevindt van wisselende sterkte, het magnetisch veld verandert dus van sterkte. Door het wisselen van de sterkte van het magnetische veld, wordt er een spanning over de geleider opgewekt, naarmate de sterkte van het veld veranderd, veranderd ook de spanning over de geleider. De opgewekte spanning is dus altijd een wisselspanning. Meer informatie over het ontwerp van deze generator is te vinden in het boek "A wind turbine recipe book” van Hugh Piggott, tevens meegeleverd op cd.
Figuur 2. a, b) Schematische tekening generator; c)Aansluiten spoelen; d) Magneet Schijf
9
2.2 Rectifier (gelijkrichter) Een gelijkrichter is een omvormer die een drie fase wisselspanning omzet naar gelijkspanning. Een driefasige gelijkrichter bestaat uit zes diode, zie hiervoor figuur 3. De spanning die uit een gelijkrichter komt is een pulserende gelijkspanning, Deze spanning is anders dan de spanning van de batterij en kan niet worden gebruikt. Deze spanning moet eerst met een condensator of een uitgebreide schakeling, gelijkmatig gemaakt worden.
Figuur 3. Drie fase gelijkrichter
2.3 Charge controller Er wordt gebruik gemaakt van een charge controller om de volgende redenen: • beveiligt de accu tegen overladen, aangezien wanneer de batterij volledig opgeladen is, de overtollige energie naar een dump load doorgeschakeld wordt • voorkomt onderspanning ten gevolge van het onttrekken van te grote stroom uit de accu, waardoor de levensduur van een accu ernstig geschaad kan worden. • beperkt in dien vereist de laad- en ontlaadstroom.
Figuur 4. Charge controller
10
2.4 Batterijen Een accu zet chemische energie om in elektrische energie. Omdat dit een gecompliceerd proces is, wordt alleen in hoofdlijnen naar de samenstelling en de werking van een accu gekeken. Eigenlijk is een accu een energie reservoir waar je energie in en uit kunt halen. In dit project gaan we niets veranderen aan de batterij, aangezien het lastig is om hierop een aanzienlijke winst te kunnen maken.
2.5 Inverter Een DC/AC power inverter is een circuit dat een DC spanning, in dit geval van een accu, omzet in een AC spanning die voor de apparatuur gebruikt kan worden. De inverters die tegenwoordig beschikbaar zijn, verschillen veel in efficiëntie en output type, van pure sinus wave (figuur 5) tot een gemodificeerde sinus wave (figuur 6). De gemodificeerde sinus omvormer is een goedkope en eenvoudige oplossing voor het voeden van apparaten die wisselstroom nodig hebben. Het heeft wel enkele nadelen, sommige gevoelige apparaten kunnen niet werken met de meer voorkomende gemodificeerde sinus omvormers en dit kan storingen geven of het apparaat zal zelfs helemaal niet werken. Pure sine wave is efficiënter en er kunnen een groot aantal apparaten op draaien ten opzichte van modified sine wave.
Figuur 5. Pure sine wave inverter
Figuur 6. Gemodificeerde sinus inverter
11
2.6 Dump load Een dump load is een weerstand dat de overtollige energie (geproduceerde energie nadat de batterij volgeladen is) ontvangt zodat de batterij niet overladen wordt. Een dump load is een hele lage weerstand die als gevolg snel warm wordt. Door ervoor te zorgen dat de weerstand een groot effectief oppervlak omvat, kan zijn warmte sneller aan de omgegeven lucht kwijt. Het is mogelijk om bijvoorbeeld een boiler in plaats van de dump load te plaatsen zodat de overtollige energie niet verspild wordt.
2.7 Fuse (zekering) Een zekering beschermt de bedrading en de componenten van elektrische installaties tegen schade door te hoge elektrische stromen. Wanneer een te hoge stroom door de zekering gaat smelt de smeltdraad in de zekering waardoor de stroomkring onderbroken wordt. Er is hierbij gekozen voor 30 Amp omdat deze beschikbaar was gesteld door RIWIK.
12
3. Onderzoek naar componenten De belangrijkste eisen betreffende de ontwikkeling van de vermogenselektronica zijn gebaseerd op de volgende factoren: • • • • • •
Lage verliezen onder alle bedrijfsomstandigheden Geringe massa en volume Goede dynamische eigenschappen Hoge zekerheid wat betreft betrouwbaarheid Stabiel onder alle condities En uiteraard lage aanschafprijs en onderhoudskosten
Er bestaan immens veel componenten die allemaal in prijs en kwaliteit verschillen, Zo zijn er inverters van 100 euro maar ook van 700 euro. De verschillen in kwaliteit zorgen voor deze grote verschuivingen. Het was in onze zoektocht naar goede componenten erg belangrijk om dezelfde betrouwbaarheid en efficiëntie te krijgen als het huidige component. Na veel onderzoek gedaan te hebben op het internet bij onder andere leveranciers en hobbyisten is ons duidelijk geworden dat we ons het best kunnen focussen op twee componenten: de inverter en de charge controller. Bij deze componenten zit het grootste verschil in prijs. Door deze redenen is ervoor gekozen om deze twee componenten nader te onderzoeken.
13
3.1 Charge Controller Het ontwerp van de charge controller (figuur 7) is gebaseerd op een 555 solar/wind charge controller. Er is voor dit ontwerp gekozen vanwege het eenvoudige ontwerp. Dit circuit is geschikt voor een 12V batterij, dit kan echter ook een 24V batterij ondersteunen als het 12V relay wordt vervangen door een 24V relay. Dit circuit is geschikt voor zowel zonne- als windenergie. Tevens heeft dit ontwerp de 555 design wedstrijd gewonnen.
Figuur 7. De circuit 555 solar/wind charge controller
Het circuit van figuur 7 is door ons op een printboard nagemaakt (figuur 8). Doordat er geen relay van 30/40 A beschikbaar was gesteld, is er een relay van 6A in plaats daarvan gebruikt. Voor het testen is er gebruikt gemaakt van een regelbare spanningsbron, zodat de gewenste spanning over de potmeters en het gehele systeem ingesteld kan worden. Deze spanningsbron is volgens figuur 7 aangesloten op pin 1 (12 V Battery Pos) en pin 4 (Ground). Bij 24.4 Volt schakelt de relay van batterij naar dump load. Deze charge controller werkt goed maar doordat de relay niet de gewenste is, is de voltage waarop de controller moet overschakelen naar de dumpload ook niet de gewenste. Er is verder met de gemaakte printboard schakeling niets gedaan.
Figuur 8. Ontwerp charge controller
14
3.2 Inverter Door het grote aanbod van inverters is het moeilijk te beoordelen welke inverters betrouwbaar zijn. Ze variëren van prijs met een verschillende mate van kwaliteit, efficiëntie en vermogen. Hoge kwaliteit inverters gecombineerd met hoge efficiëntie bestaan, maar ze zijn over het algemeen te duur. RIWIK heeft eerst de Sukam inverter geprobeerd, deze maakte veel lawaai, sloeg af en toe uit, had een hoog power verbruik in standby modus, kort gezegd was deze inverter onbetrouwbaar en niet geschikt. Later hebben ze gekozen voor de Victron (figuur 9) en Tripplite pure sine wave inverters, omdat ze een goede prijs kwaliteit verhouding hebben ( €400 voor 800Watt, met low voltage disconnect). Een belangrijke eigenschap van deze inverter is het hoge piekvermogen. Daarom zijn ze geschikt voor apparaten die een hoog startvermogen vragen, zoals computers en licht elektrisch gereedschap. Ons doel is het vinden of het zelf ontwerpen van een goedkopere, maar efficiënte en betrouwbare “Pure sine wave Inverter” die aan de specificaties voldoet. In onze zoektocht naar goedkopere alternatieven voor de pure sine wave inverter zijn er een aantal geschikte inverters gevonden die goedkoper zijn dan de huidige inverter. We konden wel zien dat het rendement van goedkopere inverters wel aanzienlijk lager is. Inverters van ongeveer €200 hebben gemiddeld een rendement van 85% terwijl de inverters van ongeveer €300 een rendement tegen de 90% hebben. Tevens valt het op dat goedkopere inverters een garantie van 12 maanden geven terwijl dit bij de duurdere inverters meestal een garantie van 24 maanden of langer is. Hieruit valt te concluderen dat het kopen van een duurdere inverter beter is op basis van garantie en efficiëntie. Er zijn een aantal goedkopere alternatieven gevonden die op bijlage 7 te vinden zijn maar om een nauwkeurigere conclusie te verkrijgen moeten eerst een aantal inverters getest worden op kwaliteit en levensduur, en dat valt echter buiten ons budget. We hebben ons ook gericht op circuits die op het internet beschikbaar zijn. Dit bleek moeilijker dan verwacht, omdat de meeste inverters die op het internet te vinden zijn gebruik maken van een modified sine wave. Veel ontwerpen maken gebruik van een lagere output spanning. Om deze ontwerpen geschikt te maken voor de generator moeten veel componenten worden vervangen. Om de vervangingen te kunnen testen zijn er verschillende simulatie programma’s zoals Orcad of Multisim gebruikt maar ze hebben niet alle nodige onderdelen om de simulatie compleet te maken. Figuur 9. Victron Phoenix Inverter
15
4. Modeleren in Simulink Voor het modeleren van de geëiste resultaten van het systeem rondom de windturbine is er gebruik gemaakt van tool box electrical simpower systeems in Simulink. Dit subprogramma van Simulink is geschikt om elektrische systemen te simuleren, omdat de gebruikte componenten en het gedrag daarvan al gedeeltelijk voorgeprogrammeerd zijn. Er zijn echter componenten die niet voorgeprogrammeerd zijn, maar deze kunnen wel door de juiste combinatie van andere kleinere componenten gemaakt worden. Een voorbeeld hiervan is een gelijkrichter die kan bestaan uit in ieder geval een universal bridge, met een spoel en/ of een condensator. Het is belangrijk dat de componenten op de juiste manier verbonden zijn, daarom wordt er veel gebruikt gemaakt van de handleidingen van MATLAB Simulink. Na het invoeren van de waardes en de juiste connecties tussen de componenten kan het geheel worden gesimuleerd. In figuur 10 is te zien hoe het totale systeem in simulatie eruit ziet. Het geheel wordt hieronder in delen besproken.
Figuur 10. Het totale systeem in simulink
16
Wind turbine Het component wind turbine wordt gesimuleerd door combinatie van een drie fase permanente magneet generator (PMSG) die door een wind generator "draait". De parameters van windgenerator en de PMSG kunnen worden ingevoerd. Verder wordt de gegenereerde drie fase spanning (te zien op poort A, B en C) die uit de PMSG komt, door een scope (measurment 1.1) gelezen.
Figuur 11. Windturbine
17
Switch De component ‘switch’ zorgt voor het aan- en uitzetten van de wind generator.
Drie fase measurment Deze component is een scope waarmee de uitgang van de PMSG met drie fase spanning kan worden gemeten, waarna het uitgedrukt kan worden in een grafiek (figuur 12).
Figuur 12. Drie fase meting
18
Gelijkrichter De werking van de gelijkrichter is eerder besproken in hoofdstuk 2. Het model (figuur 13) bestaat in deze simulatie uit een universal bridge. Zoals te zien is in de simulatie figuur 14, heeft de spanning geen mooie curve. Om wel het gewenste resultaat te kunnen bereiken is er een afvlak condensator toegevoegd aan de simulatie (figuur 15). Dit had als resultaat een betere curve waar minder sinus vormige sprongen voorkomen.
Figuur 13. Gelijkrichter
Figuur 14. Spanning na een gelijkrichter zonder condensator
Figuur 15. Spanning na een gelijkrichter met een condensator
19
Charge controller In het programma Simulink bestaat er geen voorgeprogrammeerd component voor de charge controller. Om toch tot een simulatie te komen moet er gebruik gemaakt worden van discrete elementen uit Simulink. Wij konden dit onderdeel modelleren wanneer het afzonderlijk van het geheel gesimuleerd werd (grafiek 16). Wij waren niet in staat dit te combineren aan het hele systeem door de afwezigheid van een handleiding, ondanks vele pogingen.
Figuur 16. Simulink model charge controller Het simulatieresultaat (figuur 17) laat zien dat de batterij opgeladen wordt. We zien dat de SOC (state of charge) van 10 % naar 100% stijgt. Verder is gesimuleerd dat de charge controller ervoor zorgt dat zodra de batterij 40% heeft bereikt, begint te laden tot hij 80% vol is. Figuur 18 laat zien dat de volgeladen batterij zich ontlaadt (door een 5A belasting die we in hebben gesteld) tot een SOC van 0.4 en vervolgens laadt tot 0,8 waar na de charge controller overschakelt op de dump load totdat de batterij weer 0,4 bereikt.
Figuur 17. Opladen van de batterij
Figuur 18. Opladen en ontladen van de batterij
20
Inverter Voor de inverter geldt hetzelfde verhaal als voor de charge controller. We waren instaat om het apart te modelleren maar aan geheel koppelen lukte niet figuur 19 en 20 zijn de simulaties van de inverters los van het geheel systeem te zien. We zien dat de gelijkspanning omgezet is naar een wisselspanning, dat geschikt is voor apparatuur.
Figuur 19. Inveter model
Figuur 20. Het simulatie resultaat van inverter
De simulatie is weliswaar niet gelukt als een geheel, ondanks de tegenslagen hebben we door de vele pogingen veel geleerd van dit onderdeel. Waar we in het begin totaal niet bekend zijn met de software, kunnen we ons nu een weg vinden door de materie en zelfstandig een juiste simulatie tot stand brengen.
21
5. Meetopstelling Om het rendement van de drie fase permanente magneet generator en bijbehorende componenten te bepalen is een meetopstelling gemaakt. In dit hoofdstuk komen de onderdelen aan de orde en de redenen voor de gemaakte keuzes.
5.1 Het Frame Het eerste wat we hebben gedaan is het veranderen van het frame, zodat het stabiel neergezet kan worden. Bij het zoeken naar geschikte materialen was het lastig om stevige materialen te vinden van de juiste afmetingen. Zo was staal vaak te klein, te zwaar of te duur. De generator heeft geen standaard maat waardoor ook het bevestigen een groot probleem is. De mogelijkheid om staal te bewerken werd ook beperkt door gebrek aan beschikbare apparatuur en een soms lastige samenwerking met werktuigbouwkunde. Na enkele dagen zoeken en overleggen hebben we besloten om het nieuwe frame van hout te maken. Hout is gemakkelijk te bewerken waardoor het mogelijk is het ontwerp aan te passen wanneer er fouten worden gevonden. Daarnaast was hout voldoende beschikbaar en waren er geen extra kosten aan verbonden. Voor extra flexibiliteit is gekozen om zes wielen onder het frame te bevestigen.
Figuur 21.a) Ontwerp Frame; b) Origineel frame
22
5.2 Motor Bij het kiezen van een aandrijving is al snel gekozen voor een DC motor, er zijn namelijk een aantal voordelen die het testen een stuk gemakkelijker maken. De belangrijkste eigenschap van de gelijkstroommotor is dat de rotatiesnelheid die met behulp van een driver geregeld kan worden. Daardoor is deze motor geschikt om onze generator aan te drijven. Hieronder (tabel 1) staan de specificaties van de DC motor die wij gebruikt hebben voor de meetopstelling. Tabel 1. Specificatie DC motor Typ
GVN112MTF
Nr
011147750.2.01.01001
/min 2500
IM
B3
IP
44
Rt
°C
0.54
AA
5.1
VF
340
AF
kW
1.8
Ma=const. Regelbereich1:
kg
24.50
Bei 100
Als driver voor deze DC motor hebben we gekozen voor een MENTOR II. Bij deze driver hoort een software waarmee zowel de Voltage als de stroom gemeten kan worden ( figuur 22).
Figuur 22. MENTOR II driver
23
5.3 Mechanische Overbrenging Om de kracht van de motor over te brengen naar de generator is een mechanische overbrenging nodig, Om het vermogen van de DC motor goed te verdelen is gekozen voor een 1:2 overbrenging. Om het ontwerp zo goedkoop mogelijk te houden is gekozen voor een fietstandwiel. Een duurdere optie is een poelie met een riem. Voor deze methodes is een lijst gemaakt met voor- en nadelen zodat er een overweging gemaakt kan worden. Dit deel van de meetopstelling heeft het langst geduurd, omdat het lastig was geschikte tandwielen/poelies te vinden, door de ongebruikelijke as van de generator.
5.4 Voor- en nadelen van een riemoverbrenging Voordelen • Stoten en trillingen worden gedempt (elastische riem) • De as-afstand is willekeurig • Het is een eenvoudige en goedkope constructie • De riemen werken nagenoeg geruisloos • Met de riemen kunnen heel hoge toerentallen overgebracht worden. • De riemen hebben geen smering nodig Nadelen • Er is een zware as- en lage belasting. De riem moet immers met voldoende voorspanning over de schijven liggen • De overbrengingsverhouding is niet constant vanwege het slippen van de riem • De riemen zijn niet bestand tegen grote klimaatwisselingen (nat/droog, warm/koud) en zijn daarom minder geschikt voor toestellen die buiten staan. •
Slip ontstaat wanneer de riem even contact verliest met de riemschijf en daardoor gaat 'doorschuiven'. Riemen zijn echter niet geschikt voor synchrone aandrijvingen (de slip), behalve bij het gebruik van getande riemen Oorzaken van slip: •
de riem is niet strak genoeg gespannen
•
slijtage van de riem 24
5.5 Voor- en nadelen van een kettingoverbrenging Voordelen • Goedkoop • Geen slip • Grotere vermogens • In ons geval gemakkelijk te bevestigen • Hoog rendement (ca. 98%) • Lagere gevoeligheid voor hoge temperaturen, vocht en vuil.
Nadelen • Ketting moet gesmeerd worden • Maakt geluid • Lagere flexibiliteit.
25
5.5 Motivatie keuze voor riemoverbrenging In eerste instantie hebben we gekozen voor een kettingoverbrenging, dit is gedaan door een fietstandwiel aan te sluiten op de motor en generator. Dit was niet professioneel gedaan, maar wel goedkoop. Deze overbrenging liep erg soepel en had een redelijke grip maar was te onveilig op hogere toeren. De ketting trilde hevig waardoor het mogelijk is dat de ketting van de tandwielen afschiet. Na deze testen hebben we besloten om voor een riemoverbrenging te kiezen omdat deze veilig en professioneler was dan het fietstandwiel ( figuur 23). Daarnaast heeft het lagere onderhoudskosten waardoor de noodzaak van het smeren verdwenen is. Het zoeken en installeren van deze poelie heeft veel tijd gekost, dit was voornamelijk door de afwijkende maten en de beschikbaarheid van poelies, die voor de generator toepasbaar waren.
Figuur 23. Riemoverbrenging
26
6. Metingen Er zijn twee metingen gedaan: één voor de generator en één voor de DC motor. Met deze resultaten is vervolgens het rendement bepaald.
6.1 De generator Met behulp van een Nanovip Plus multimeter is de stroom, de spanning en het vermogen van de drie fase generator gemeten. Deze test is drie maal uitgevoerd om de nauwkeurigheid te vergroten. Tijdens de meting is de stroom, de spanning en het vermogen elke 10 rmp gemeten. Na de metingen is het gemiddelde vermogen berekend, dat gebruikt zal worden voor het berekenen van het rendement (tabel 2). Deze overige meetwaarde is te vinden in Bijlage 2. Tabel 2. Gemiddeld vermogen generator
rmp motor
Gemiddeld Vermogen Generator (W)
10
16
20
57
30
138
40
230
50
303
60
380
70
522
80
689
90
733
100
756
27
6.2 DC motor Voor de test is een DC motor SEW-EURODRIVE type GVN112HTF gebruikt. Specificaties zijn te vinden in Bijlage 3 Voor het weergeven van de gebruikte spanning en stroom is gebruikt gemaakt van Mentor Soft. Door het vermenigvuldigen van de spanning met de stroom is het vermogen berekend. In de DC motor treedt een verlies op van 3 Ohm, met behulp van P=I2 x R is het verlies berekend en van het gemiddelde vermogen afgehaald. De overige resultaten zijn te vinden in Bijlage 3.
Tabel 3. Gemiddeld vermogen DC motor Verlies 3 ohm rmp motor
Gemiddeld Vermogen motor(W)
Vermogen DC motor DC
10
7,68
28,8
21,12
20
28,83
99,2
70,37
30
60,75
225
164,25
40
108
420
312
50
159,87
584
424,13
60
177,87
684
506,13
70
276,48
1113,6
837,12
80
288,12
1293,6
1005,48
90
300
1430
1130
100
243
1530
1287
28
6.3 Rendement Het gemiddelde vermogen van de genoemde componenten is vervolgens gebruikt om het rendement te berekenen van de overbrenging tussen de DC motor en de generator. In tabel 4 is het rendement van de generator te zien.
Tabel 4. Rendement Rendement
rmp motor
Gemiddeld Gemiddeld Vermogen DC Vermogen motor – Verlies (W) Generator (W)
10
21,12
16
76%
20
70,37
57
81%
30
164,25
138
84%
40
312
230
74%
50
424,13
303
71%
60
506,13
380
75%
70
837,12
522
62%
80
1005,48
689
69%
90
1130
733
65%
100
1287
756
59%
In de tabel is te zien dat het rendement hoger is bij lage toerentallen. Dit komt doordat de poelie bij hogere toerentallen gaat slippen, er wordt dan veel energie verloren aan hitte. Bij toerentallen hoger dan 100rmp ging de meetopstelling hevig schudden en maakte het enorm veel lawaai, om deze reden is er niet hoger dan 100rmp gemeten.
29
7. Kostprijs brekening van de elektrische componenten In het begin van het project was er een voorstel om een windmolen te bouwen, hiervoor is een kostprijs berekend aan de hand van een document van Hugh Pigott, Door een donatie van RIWIK is er uiteindelijk een generator ter beschikking gekomen voor het testen. De kostprijs van de generator is te vinden in Bijlage 6. Om te zien of andere componenten goedkoper zijn, is een overzicht gemaakt met de prijzen inclusief BTW van de componenten die nu gebruikt worden: • • • •
Pure Sine Wave Inverter Charge Controller 2x Batterijen Gelijkrichter
• Totaal
`
€ € € €
350 250 450 45
€
1095
De kosten voor de charge controller kunnen flink omlaag door het eigen ontwerp met een 555 Timer Chip. In Bijlage 10 is de tabel te zien met de kosten voor deze charge controller, de prijs gaat zo aanzienlijk omlaag, van €250 naar ongeveer €15, hierbij komen nog wel loonkosten en kosten voor een behuizing voor veiligheid bij. De kosten voor de inverter kunnen waarschijnlijk omlaag, indien meer tijd beschikbaar is voor een goed ontwerp. Voor het maken van de meetopstelling konden de meeste onderdelen op De Haagse Hogeschool verkregen worden. Enkele onderdelen moesten echter nog aangeschaft worden bijvoorbeeld de poelies.
30
8. Conclusie De vraagstelling was of de kostprijs van de elektronische componenten van de “Kleine windturbine Airflow 800” verlaagd kon worden van € 900 euro excl. BTW tot het liefst de helft van de prijs, maar met een maximum van €600. Dit kan bijvoorbeeld gedaan worden door de componenten lokaal te laten produceren, de arbeid- en transportkosten zijn hierdoor lager. De componenten moeten minstens zo efficiënt en betrouwbaar zijn als de huidige componenten. De lagere prijs zal hierdoor de verkoop stimuleren. In het onderzoek is gekeken naar de bestaande markt en eigen ontwerpen van de schakelingen. Er is gefocust op twee componenten; namelijk de charge controller en de inverter, aangezien hier de meeste winst mee te behalen is. De charge controller kan worden gemaakt voor €15 euro, exclusief loon en transport kosten, in plaats van de huidige prijs van €250. In principe kan dit ook met een inverter bereikt. Voor het maken van een inverter is echter enige kennis en ervaring nodig. Er was helaas te weinig tijd om verder op dit ontwerp in te gaan. De overige elektronische componenten zijn de dump load, de zekering en de batterij. De kosten voor de dumpload en zekering zijn gering. De kosten voor de batterij (€ 250) zijn hoog, maar deze kan niet gebouwd worden in Kenia. Daarom zijn deze buiten beschouwing gelaten. In de simulatie van het systeem is veel tijd gestoken, maar dit heeft uiteindelijk niet tot het gewenste resultaat geleid. Om het rendement van de generator te meten is een meetopstelling gemaakt. Tijdens het testen hebben wij een aantal aspecten kunnen concluderen aan de hand van de meetopstelling. Door het hevige trillen van de constructie hebben wij een aantal maatregelen getroffen, waaronder het verstevigen van de constructie door middel van extra plaatmateriaal en balken. Daarnaast zagen we dat de overbrenging tussen de motor en de generator niet volledig veilig was, hiervoor is een kleine houten kooi gemaakt die eventuele ongelukken kan voorkomen. Uit onze onderzoeken is gebleken dat een riem een betere constructie is voor overbrenging dan een ketting met tandwiel. De efficiëntie van de drie fase generator is gemeten met behulp van een DC motor. Uit metingen bleek dat het rendement ongeveer 70% is, bij een lager toerental kon dit oplopen tot 80%. Door veranderingen in de constructie van de generator is het mogelijk dit rendement te verhogen. De spoelschijven zijn in de huidige constructie te groot waardoor een deel van het vermogen verloren gaat. Wanneer de grote van schijven zijn aangepast zal een hoger rendement bereikt kunnen worden. Hiervoor is nader onderzoek nodig.
31
Er is een kostprijs berekening gemaakt van de gehele windmolen, de charge controller en de inverter. Het maken van de windmolen kost ongeveer €520, daar is de prijs voor de mast niet bijgerekend. De charge controller kost ongeveer €15, exclusief transport en loonkosten. Hieruit kan geconcludeerd worden dat de componenten het voordeligst zijn wanneer deze zelf worden geproduceerd. Hiervoor hebben de lokale elektriciëns in Kenia eerst voldoende kennis voor nodig.
32
9. Zelfevaluatie t.a.v. het project Een andere belangrijke conclusie die getrokken kan worden is dat het belangrijk is een duidelijke doelstelling te hebben alvorens het project start. De eerste weken van dit project was de doelstelling niet duidelijk en tijdens het verloop van het project is deze doelstelling nog een aantal keer aangepast en verscherpt. Dit ging vanzelfsprekend ten koste van de sfeer, de motivatie en het eindresultaat. Tijdens het project is tevens naar voren gekomen dat het belangrijk is om een vast aanspreekpunt te hebben. Het is meerdere malen voorgekomen dat er vragen waren die niet door de projectleden zelf opgelost konden worden en waarvan de oplossing ook niet in documentatie te vinden was. De verschillende aanspreekpunten resulteerde dan ook in verschillende meningen ten aanzien van het project. Door de moeizame start, die in het begin veel verwarring opleverde, zijn toch een aantal positieve zaken naar voren gekomen. Het vinden van een juiste doelstelling was immers nog niet eerder aan de orde gekomen. En ook het vele overleggen is een leerzame zaak geweest. Uiteindelijk heeft dit projectteam toch een zeer goed gevoel aan dit project over gehouden. Inhoudelijk was het project ook zeer leerzaam. De kennis die aan het begin van het project niet aanwezig was, is nu wel paraat. Vooral de simulatie van het systeem was een tijdrovende klus. Ondanks vele pogingen is het niet gelukt om de simulatie als een geheel tot stand te brengen. Door alle tijd die we in dit onderdeel hebben gestoken hebben we veel geleerd. In het begin was dit programma helemaal nieuw voor ons, nu zijn we in staat om zelf een simulatie te creëren. De eindconclusie van dit project is dan ook dat alle projectleden veel kennis hebben opgedaan met betrekking tot vergaderen, samenwerken, windmolens en vermogenselektronica.
33
Figuurlijst Figuur 1. Schema RIWIK Airflow 800 ................................................................................................... 8 Figuur 2. a, b) Schematische tekening generator; c)Aansluiten spoelen; d) Magneet Schijf .................. 9 Figuur 3. Drie fase gelijkrichter ............................................................................................................ 10 Figuur 4. Charge controller ................................................................................................................... 10 Figuur 5. Pure sine wave inverter
Figuur 6. Gemodificeerde sinus inverter ................................ 11
Figuur 7. De circuit 555 solar/wind charge controller........................................................................... 14 Figuur 8. Ontwerp charge controller ..................................................................................................... 14 Figuur 9. Victron Phoenix Inverter ....................................................................................................... 15 Figuur 10. Het totale systeem in simulink ............................................................................................. 16 Figuur 11. Windturbine ......................................................................................................................... 17 Figuur 12. Drie fase meting................................................................................................................... 18 Figuur 13. Gelijkrichter ......................................................................................................................... 19 Figuur 14. Spanning na een gelijkrichter zonder condensator ............................................................. 19 Figuur 15. Spanning na een gelijkrichter met een condensator............................................................. 19 Figuur 16. Simulink model charge controller........................................................................................ 20 Figuur 17. Opladen van de batterij ........................................................................................................ 20 Figuur 18. Opladen en ontladen van de batterij .................................................................................... 20 Figuur 19. Inveter model ....................................................................................................................... 21 Figuur 20. Het simulatie resultaat van inverter .................................................................................... 21 Figuur 21.a) Ontwerp Frame; b) Origineel frame ................................................................................. 22 Figuur 22. MENTOR II driver .............................................................................................................. 23
34
Literatuurlijst • Informatiebron
Elektrische omzettingen(9789065621672)
• Vermogenselektronica
TU-Delft dictaat
• Ontwerp charge controller
http://mdpub.com/555Controller/
• Ontwerp inverter
www.wpi.edu/Pubs/E.../E.../MQP_D_1_2.pdf
• Bernard Sanders Aandrijftechniek
http ://www.bernard-sanders.nl/
35
Bijlagen Bijlage 1: Charge controller 555 design specificaties R3, R4, R5 - 1K Ohm 1/8 Watt 10% IC1 - 7805 5 Volt positive Voltage Regulator IC2 - NE555 Timer Chip
R6 - 330 Ohm 1/8 Watt 10%
PB1, PB2 - NO Momentary Contact Push R7 - 100 Ohm 1/8 Watt 10% Buttons LED1 - Green LED
Q1 - 2N2222 Or Similar NPN Transistor
LED2 - Yellow LED
Q2 - IRF540 Or Similar Power MOSFET
RLY1 - 40 Amp SPDT Automotive Relay
C1 - 0.33uF 35V 10%
D1 - 1N4001 or similar
C2 - 0.1uF 35V 10%
R1, R2 - 10K Multi-Turn Trim-Pots
36
Bijlage 2: metingen generator rmp motor Spanning (V)
Stroom(A)
Vermogen(W)
10
4.12
2.4
15
20
6.30
4.6
50
30
9.6
8.2
136
40
12.5
10.9
235
50
14.9
12.2
315
60
16.0
13.7
386
70
18.5
15.2
470
80
19.0
15.6
514
90
19.6
15.7
524
100
28.4
19.4
894
rmp motor Spanning (V)
Stroom(A)
Vermogen(W)
10
4.10
2.54
18
20
7.41
5.07
62
30
9.81
8.19
140
40
12.3
10.9
225
50
14.2
11.8
285
60
15.7
13.3
374
70
17.0
14.6
425
80
25.9
17.8
740
90
26.5
17.9
754
100
18.9
13.2
408
37
rmp motor
Spanning (V)
Stroom(A) Vermogen(W)
10
4.12
2.4
15
20
7.12
5.0
60
30
9.4
8.2
137
40
12.6
11.0
230
50
14.9
12.2
308
60
16.1
13.7
380
70
24.3
16.9
670
80
27.4
18.4
812
90
28.6
19.8
920
100
30.2
20.4
966
38
Bijlage 3: metingen gehele systeem rmp motor Spanning (V)
Stroom(A)
Vermogen(W)
10
8
X
X
20
11
0,6
11,5
30
14,6
4,1
105
40
18,7
8,38
268
50
19,8
10,9
375
60
21,2
12,2
446
70
22,8
12,8
503
80
29
15,1
655
90
27
15,4
716
100
24,1
12,2
496
rmp motor Spanning (V)
Stroom(A)
Vermogen(W)
10
6
X
X
20
10,7
0,4
8,3
30
14,9
4,1
97
40
18,1
7,54
231
50
19,9
10,8
374
60
22,4
12,3
470
70
23,6
13,8
570
80
25
15,1
633
90
26,6
15,2
654
100
X
X
X
39
Bijlage 4: specificaties DC motor Typ
GVN112MTF
Nr
011147750.2.01.01001
IM
B3
/min
2500
IP
44
Rt
°C
VF
340
AF
0.54
AA
5.1
kW
1.8
Ma=const. Bei Regelbereich1:
kg
24.50
100
40
Bijlage 5: meting DC motor
Rpm
Spanning(V)
Stroom(A)
Gemiddeld motor(W)
10
18
1,6
28,8
20
32
3,1
99,2
30
50
4,5
225
40
70
6
420
50
86
7,3
584
60
95
7,7
684
70
116
9,6
1113,6
80
132
9,8
1293,6
90
143
10
1430
100
170
9
1530
Vermogen
DC
41
Bijlage 6: Kostprijs berekening generator
42
Bijlage 7: Pure Sine Wave Inverter
43
Bijlage 8: Componenten Wind turbine 3 phase permanent magnet generator 800 Watt nominal power at a wind speed of 11m/s Peak power Generation of 1500 Watt
Rectifier Brand en type: IXYS VUO 82 Rated for 80 amps continuous duty Blocking voltage 800 volt Voltage drop 0.8 volt
Batteries Brand en type: Deka 7T31 Solar batteries Capacity: 105Ah Volt: 2x 12 volt connected in series Cycles: 600 at an average discharge depth of 50% Sealed lead acid Maintenance free
Charge controller Brand and type: Morningstar Tristar TS45 Max current: 45 A 34 Volt Voltage regulation: PWM signal to dump load 44
Dump load 0.9 ohm wire wound high power resistor Heat dissipation: 1000Watt
Inverter Brand and Type: Victron 800VA pure sine wave inverter Discharge level protection Overload protection Eco setting
Fuses DC fuses rated for 63 Amps
45
Bijlage 9: Kostprijs componenten charge controller Omschrijving
Aantal prijs
sub
Link (Conrad)
NE555 Timer Chip
2
€ 0,27
€ 0,54
177113 - 89
Drukschakelaar FSM2JH
2
€ 0,25
€ 0,50
701749 - 89
Green LED 5mm
2
€ 0,08
€ 0,16
184705 - 89
Yellow LED 5mm
2
€ 0,08
€ 0,16
184900 - 89
1N4001
2
€ 0,13
€ 0,26
160577 - 89
POT
2
€ 0,68
€ 1,36
447564 - 89
1K Ohm 1/8 Watt 10 procent
2
€ 0,10
€ 0,20
403253 - 89
330 Ohm 1/8 Watt 10 procent
2
€ 0,10
€ 0,20
403199 - 89
100 Ohm 1/8 Watt 10 procent
2
€ 0,10
€ 0,20
403130 - 89
2N2222
2
€ 0,84
€ 1,68
163147 - 89
IRF540
2
€ 1,10
€ 2,20
162412 - 89
0,33 uF 10 procent
2
€ 0,24
€ 0,48
459913 - 89
0,1microF 10 procent
2
€ 0,16
€ 0,32
459893 - 89
Spanningsregelaar L7805CV
2
€ 0,64
€ 1,28
156048 - 89
testprintplaat
1
€ 0,76
€ 0,76
530126 - 89
40amp relais
1
€ 4,53
€ 4,53
1094085 FARNELL
Totaal
€ 14,83
46
Wind solutions for a better life
47
