Ytterligare ett test av kraftverket

Vi har nu testat kraftverket en gång till med hjälp av PASCO Capstone mjukvaran och tillhörande utrustning. Även denna gång användes handkraft för att snurra propellern, och ett flertal försök gjordes för att testa ungefär hur höga spänningar som kan uppnås. Nedan är en graf på ett av försöken:

Även denna gång kunde vi bekräfta klara utslag. Man kan även utläsa att spänningen aldrig dyker under ”noll” (definitionen av noll med denna mätutrustning förklarades i inlägget ”Utvärdering av kulturkaféet”), vilket indikerar en likström – vår likströmsbrygga fungerar alltså som den ska.

Vi har även spelat in en film på detta försök, men p.g.a. strul med YouTube kommer uppladdningen av den att dröja. När vi lyckats ladda upp filmen kommer den länkas i detta inlägg. Filmen är nu uppe! https://www.youtube.com/watch?v=m4LpCdTjfEQ

Intervjuer

Jag hade inte riktigt tid att besöka någon föreläsning, så jag har intervjuat två personer som hade utställning.

Intervju med Arvid Norström

Hur väl stämde din slutprodukt överens med din ursprungliga idé?

”Min ursprungliga idé var att bygga en multikopter av något slag och först hade jag riktat in mig på en quadkopter. Men av diverse skäl behövde jag byta till en trikopter och ritningarna till den (vad gäller mått på armarna och kroppen) hittade jag på nätet. Slutprodukten stämmer hyfsat bra överens med min idé om hur trikoptern skulle se ut men det har varit en del problem på vägen. Just nu oscillerar servot till exempel när jag drar upp trotteln, men jag tror att det går att åtgärda ganska lätt genom att sätta fast något typ av antivibrationsmaterial mellan motorn och ”motormounten”.”

Hur har din process varit? Vad har du lyckats bra med och vad hade du kunnat göra bättre?

”Processen under arbetet bestod mestadels i av att tillverka armarna och kroppen som i princip består av två glasfiberplattor. Det jag lyckades bäst med var nog faktiskt själva konstruktionen av armarna+kroppen, där jag fick till en stabil ”grund” med nästan exakt 120 graders vinkel mellan varje arm vilket är optimalt. Det som gick mindre bra är dels programmering av inställningarna på flygkortet som jag inte hade någon erfarenhet av hur man reglerar. Detta ställde till det en del och bidrog bland annat till en krasch som föranledde ett omintetgjort servo och flertalet förstörda propellrar (som nu är utbytta såklart).

Jag hade kunnat göra flera saker annorlunda. Dels skulle jag nog egentligen vilja byta ut samtliga kablar (18 stycken) som går till fartreglagen, för just nu är det 3 stycken olika kablar som är fastlödda till varandra vilket dels inte ser snyggt ut och dels ökar risken för felkällor. En annan sak jag skulle vilja justera är storleken på kroppen som jag skulle vilja göra större, för att lättare få plats med distributionsplatta och styrkort på samma sida.”

Intervju med Carl Söderhielm

Hur väl stämde er slutprodukt överens med er ursprungliga idé?

”Vårt slutresultat blev lite snarlikt till det vi förväntade oss, vår vision var att skapa en tjänst som genom oberoende analyser av bilmarknaden hittar den rätta bilen för kunden. Vi bearbetade idén och skapade en produkt utifrån våra önskemål som stämde väl överens med grundtanken. De delar som inte blev som väntat var relationen mellan bilhandlare och vårt företag. Vi hade som önskemål till en början att skapa en relation mellan bilhandlare och vårt företag för att hjälpa kunden hitta rätt bil, denna idé var inte så attraktiv för bilhandlarna då vi var oberoende och lika gärna kunde rekommendera någon annans bil.”

Hur har er process varit? Vad har ni lyckats bra med och vad hade ni kunnat göra bättre?

”Arbetsprocessen har varit relativt effektiv och inom företaget hade vi delat upp olika ansvarsområden såsom VD, ekonomiansvarig och marknadsansvarig. Detta effektiviserade arbetsprocessen och gav varje person en inriktning som skapade en slags expertis inom området. Vid presentation och mässade visade det sig att detta var en stor fördel då vi kom in djupare inom varje del.

Vår slutprodukt, då affärsplan och det färdiga företaget blev inte riktigt som vi hade föreställt oss. Det som vi hade kunnat göra annorlunda var till exempel att vi skulle kunnat föra en mer aggressiv marknadsföring för att kunna attrahera fler kunder. Vi skulle eventuellt kunnat konstruera om tjänsten så att den inkluderar begagnade bilar, och detta skulle inkludera en fordonsrapport. Då skulle vi förmodligen kunna ta mer betalt och attrahera fler kunder.”

Vår arbetsprocess var väldigt annorlunda mot både Carls grupps och Arvids process. Det är ganska självklart att vår process skiljer sig ifrån Carls grupps då de drev ett företag, och hade helt andra saker de behövde göra. Trots att Arvid också hade ett hemmabygge som projekt, skiljde sig även hans process mycket från vår. Han verkar ha haft designen klar för sig, och för honom bestod processen till mycket större del av själva byggandet, programmering etc. Detta kan jämföras med vår process som mestadels bestod av teoretiskt arbete och problemlösning kring designen, innan vi ens hade börjat konstruktionsprocessen. Det vår process har gemensamt med både Arvids och Carls grupps är dock just problemlösningen, skillnaden är att den tar olika former. Arvids problemlösning gjordes under själva konstruktionen, då han behövde reglera inställningar på flygkortet, och även reparera skador som uppstod under kraschlandningen. Problemlösningen i Carls projekt skedde framförallt kring relationer mellan deras företag och dess potentiella kunder, där de bl.a. behövde tänka till angående hur de skulle attrahera så många kunder som möjligt.

Utvärdering av kulturcaféet

Vi har idag presenterat vårt projekt på skolans så kallade kulturcafé, där vi precis som många andra valde att ha ett mässbord där vi presenterade vårt projektarbete för alla besökare.

Det var inte direkt en optimal miljö för oss att presentera vattenkraftverket i då vi inte lyckades åstadkomma en ”riktig” presentation, d.v.s. visa kraftverket i en vattenström, på något sätt. Det var därför inte helt lätt att demonstrera kraftverket och visa att det faktiskt fungerar då det, som nämnt i tidigare inlägg, krävs väldigt höga varvtal för att det ska kunna t.ex. driva en glödlampa (vilket annars hade varit en bra demonstration). Jag tycker dock att vi kunde visa vårt arbete relativt bra ändå, mycket tack vare programmet PASCO Capstone med tillhörande mätutrustning som fysikläraren Markus Fransson kunde tillhandahålla. Med hjälp av detta kunde vi ändå visa kraftverket ”in action”, då mätutrustningen känner av även väldigt låg spänning, och även visar detta överskådligt i graf- och tabellform (se bild nedan), vilket vi kunde visa för åskådarna.

Demonstration av kraftverket.

Grafen visar spänning (y-axeln) över tid (x-axeln). När propellern står still ligger spänningen ändå inte riktigt på noll, utan hoppar lite upp och ner kring -0,01 V. Markus Fransson förklarade att detta beror på smärre felkalibreringar i mätutrustningen, och att man ändå ska räkna det som en nollpunkt där. Ett tydligt, om än väldigt svagt, utslag visas; propellern sätts i rotation ungefär vid sekund 7, och innan dess ligger spänningen stabilt på ”noll” (kring -0,01V). Direkt när propellern börjar rotera syns ett klart utslag; spänningen stiger och toppar på ca 0,05V. När rotationen stoppas dyker spänningen genast ner till ”noll” igen. Utslaget är som sagt mycket svagt, men det råder ändå inga tvivel om att kraftverket fungerar. Vi kunde visa för åskådarna att det fungerar och hur det fungerar, vilket var huvudsaken. Vattenkraftverket är fortfarande i prototyp-stadiet, och därför får vi nöja oss med att det fungerar, men det som skulle behöva förbättras är helt klart effektiviteten. Detta kommer vi dock tyvärr inte att hinna med innan kursen är över.

Test av vattenkraftverket samt slopande av ”balanspaddlar”

Två olika tester i vatten har nu utförts. Det första försöket skedde i ett badkar, där vi satte en vattenström genom kraftverket. Vi kunde då konstatera att propellern/fläkten snurrade på bra, men tyvärr hade vi inte möjlighet att mäta hur stor spänning som alstrades på grund av praktiska problem.

Ett tillägg vi har gjort är att sätta fast två vajrar i den gängade stången i kraftverket – en på varje sida. Tanken är att dessa vajrar sedan ska kunna användas för att fästa kraftverket i två fasta objekt när det används. Detta testade vi genom att placera kraftverket i en bäck, och fästa vajrarna i varsitt träd vid bäcken. Vi noterade även här att propellern fick relativt bra rotationshastighet, och vajrarna gjorde sitt jobb med att hålla kraftverket på plats. Vi insåg faktiskt att vajrarna gjorde ett tillräckligt bra jobb för att stabilisera kraftverket, så att ”balanspaddlarna” som vi har planerat att bygga och fästa på kraftverket för att stabilisera det är överflödiga. Därför har vi valt att helt skippa paddlarna, och förlita oss på stålvajrarna istället.

Konstruktion

Konstruktionen av kraftverket är nu avslutad, och nedan följer ett inlägg om byggprocessen.

Upphängning av generatorn inuti cylindern löste vi med hjälp av generatorns fäste som följde med, samt en gängad metallstång (liknande bilden nedan).

Gängad stång

För att fästa stången i cylindern borrades ett hål på varje sida av cylindern, samt ytterligare ett hål på ena sidan avsett för kablar från generatorn:

Borrning

Stången förs igenom cylindern, generatorn m. fastsatt fläkt/propeller hängs upp, kablar dras ut genom ett av hålen, och stången fästs med muttrar:

Cylinder m. upphängd generator

Sedan behövde ändarna på stången kapas av för att göra kraftverket mer kompakt. Detta gjordes med en vinkelslip som vi fick låna av en snäll granne:

Stången kapas

 

Stången kapas

Kraftverkets elektronik

Efter att ha konsulterat elektroingenjören Ulf Wilhelmsson, samt sökt diverse information på Internet (http://sv.wikipedia.org/wiki/Likriktning , http://www.instructables.com/id/Solar-Battery-Charging/ ), har vi till slut färdigställt vår egenkonstruerade batteriladdare.

Instructables.com-länken ovan är en guide till hur man bygger en så simpel batteriladdare som möjligt. På grund av att strömmen som alstras av generatorn är växelström, behövs en halvvågslikriktare. Den består egentligen bara av en diod som ansluts till kretsen enligt kopplingsschemat nedan. Dioden hindrar strömmen att åka ”bakåt” – växelströmmen blir till likström.

Kopplinsschema 1

Detta var vår ursprungliga plan, men efter vidare efterforskningar har vi förstått att det inte är riktigt så enkelt som att dioden gör om växelström till likström, och vi har kommit fram till att det är bättre att inkorporera en helvågslikriktare (likriktarbrygga) i kretsen. Denna består av fyra stycken dioder som är sammankopplade enligt kopplingsschemat nedan:

Kopplingsschema 2

Genom att använda en helvågslikriktare stryps inte bara strömmen till noll när den försöker byta riktning, utan den fortsätter i samma riktning som den hade innan! Nedan följer en jämförelse mellan strömmen vid användning av halvvågslikriktare kontra helvågslikriktare:

Halvvågslikriktare

Helvågslikriktare

Som graferna tydligt visar, ger helvågsriktaren en effektivare laddning eftersom strömmen inte stannar på noll med jämna mellanrumm och hackar sig fram, utan är kontinuerlig. Detta ger inte bara en högre effektivitet, utan även en jämnare ström.

Slutligen har vi även bestämt oss för att göra en förändring angående elektronikens placering i kraftverket. Vår ursprungliga tanke var att ha den inkapslad i någon form av vattentät behållare inuti kraftverket, men vi har insett att detta kommer bromsa vattenflödet. Vi har därför bestämt oss för att istället leda strömmen ut genom hål i cylindern, och in en vattentät elektronikbehållare som fästs ovanpå kraftverket.

Praktiskt och teoretiskt om generatorn

I det förra inlägget nämndes problem med generatorn, angående det varvtal som krävs för att generatorn ska kunna leverera den spänning vi behöver. Detta hade vi dock endast spekulerat i och logiskt resonerat kring fram tills idag när vi satte generatorn på prov. Vi bestämde oss för att testa generatorn i dess avsedda syfte, d.v.s. på en cykel, för att lätt kunna se hur hög fart som krävs för att generatorn ska kunna driva en cykellampa. Denna hastighet uppmättes till ca 12 km/h. Vid en första anblick verkar det som att detta inte är en speciellt hög hastighet, och att vi borde kunna uppnå samma rotationshastighet på generatorn i kraftverket. Det som är viktigt att tänka på är dock att dynamon (generatorn) ligger emot cykelhjulet, och inte direkt ansluten till navet, som bilden nedan visar (ursäkta dålig illustration):

Detta gör att när generatorn sitter i kraftverket med vår design till höger, så roterar generatorn tillsammans med propellern (illustreras med ett cykelhjul i bilden) och får därför samma varvtal som propellern. När generatorn sitter på en cykel med den ”vanliga” designen, däremot, så roterar generatorns hjul många varv varje gång cykelhjulet roterar ett varv, och får därför ett högre varvtal än cykelhjulet. Detta gör att vår propeller måste ha en högre rotationshastighet än cykelhjulets för att kunna leverera samma spänning.

Nedan följer även en teoretisk beräkning, m.h.a. värdena som erhölls under försöket med cykeln idag, av varvtalet som krävs för att driva cykellampan:

 

Detta innebär alltså att vår propeller måste rotera ca 88 varv i sekunden för att kunna driva lampan eftersom generatorn roterar tillsammans med propellern. Detta är en väldigt hög rotationshastighet, och den kan bli svår att uppnå.

Varvtal och alstrad spänning

Som nämndes i inlägget ”Utvärdering av projektveckorna”, kommer det förmodligen bli svårt att få en rotationshastighet som är tillräckligt hög för att generatorn ska nå sin fulla kapacitet. I generatorns normala miljö ligger den emot ett däck på en cykel, och snurrar därför väldigt snabbt, förmodligen mycket snabbare än den fart vi kommer kunna åstadkomma. För att undersöka vilken typ av hastighet som krävs, testade vi generatorn genom att fästa en metallstång, med en tyngd längst ut, på generatorns hjul, och sedan sätta denna i rotation med så hög fart som möjligt. Detta visade sig knappt ge utslag på multimetern vi anslöt till generatorn, och därför har vi tänkt att även testa att ansluta generatorn till en cykel, där vi provar olika hastigheter och vilken spänning dessa genererar.

 

Redovisning av projektet

För att redovisa vårt projekt har vi valt att skriva en projektrapport och att ha en utställning av kraftverket på kulturkafét. Ett uppenbart problem med detta är att det vi inte har något lämpligt sätt att få så mycket kraftigt forsande vatten på ett kontrollerat sätt i skolan. Därför funderar vi på om det skulle fungera att använda en dammsugare på utblås för att få propellern att rotera. Det finns dock en överhängade risk att dammsugaren inte kan leverera tillräckligt mycket rörelseenergi för att kraftverket ska kunna driva batteriladdaren, men det är värt ett försök.

Vidare har vi diskuterat om vi överhuvudtaget ska ha med batteriladdaren i redovisningen. Det är svårt att visa laddningsprocessen på ett bra sätt, och dessutom tar det lång tid. Det blir förmodligen mer intressant för åskådarna om vi istället kopplar generatorn direkt till en lämplig glödlampa/lysdiod då det på så vis blir mycket lättare att se att kraftverket verkligen fungerar.

Konstruktion av kraftverket

Vi har nu införskaffat samtliga beståndsdelar till vattenkraftverket förutom tillägget av ”balans-paddlarna”, och vi har påbörjat konstruktionen av vårt kraftverk. Något vi har insett är att det blir problematiskt att fästa en axel på dynamon som sedan fästs i propellern, och att det förmodligen är bättre att skippa axeln och istället fästa generatorns hjul direkt i fläkten/propellern. På detta vis blir det även mer kompakt. Som sagt har vi inte löst tillägget med paddlar på sidorna av cylindern då det är svårt att hitta lämpligt materiel till detta; både paddlarna i sig, och gångjärn som går att fästa på cylinderns krökta sida, är svåra att komma över.

Ytterligare ett problem är tätning av kraftverkets elektriska komponenter. Cykelgeneratorn tål förstås en del vatten eftersom den är tänkt för utomhusbruk för cyklar, även i regn, men den är inte konstruerad för att klara av nedsänkning i vatten. Det svåra är att få cykelgeneratorn helt vattentät utan att hindra rotationen som krävs, så lösningen kan förmodligen inte bli helt optimal. Vår tanke i nuläget är att leda ut strömmen från generatorn till utsidan av cylindern, där resten av elektroniken (batteri med laddare) kan kapslas in i någon form av plastbehållare som fästs på cylindern och sedan vattentätas med silikon. På så sätt slipper vi problemet med trångt utrymme inuti cylindern, och det blir lättare för oss att jobba.