Sjöfartshögskolan WINDBELT. Henrik Nilsson Thomas Helgesson. Handledare: Åke Nyström Sjöfartshögskolan

Transkript

1 1 Sjöfartshögskolan WINDBELT Henrik Nilsson Thomas Helgesson Examensarbete 6 hp Vårterminen 2012 Handledare: Åke Nyström Sjöfartshögskolan

2 2 Linnéuniversitetet Sjöbefälskolan Arbetets art: Titel: Författare: Handledare: Examensarbete, 6 hp Driftteknikerprogrammet Windbelt Henrik Nilsson och Thomas Helgesson Åke Nyström ABSTRAKT Denna rapport tar upp arbetsprincipen för windbelt. De komponenter som ingår och hur de verkar. Problem som finns och förslag till hur man skall gå vidare för att få en bättre produkt. Genomförda laborationer gav en maximal effekt på 7,5mW vid en vind av 5 meter per sekund.

3 3 INNEHÅLL 1 INTRODUKTION 4 2 BAKGRUND 5 3 METOD Undersökningsmetod RESULTAT DISKUSSION Allmänt Magneter Spolar Band Vind Vad kan förbättras? 14 6 SLUTSATS 15 7 KOSTNDSKALKYL 16 8 KÄLLFÖRTECKNING 17

4 4 1. INTRODUKTION Windbelt är en typ av vindgenerator med vilken man vill få ut energin ur vinden när den blåser på ett tunt band som börjar vibrera. På bandet monteras magneter som rör sig upp och ner när bandet vibrerar. För att få ut någon elektricitet så använder man även spolar som är lindade med koppartråd vilket gör att en spänning induceras.

5 5 2. BAKGRUND Windbelt är en innovation av Shawn Frayne Bygger på att ta vara på vibrationerna som vinden orsakar och direkt omsätta dem till elektricitet. Enkelt, småskaligt och billigt. Shawn Frayne, en 28-årig uppfinnare baserad i Mountain View, Kalifornien, såg behovet av småskaliga vindkraftverk till LED lampor och radioapparater i frågan om bostäder för de fattiga. Enligt Shawn Fraynes prototyp har han mätt upp en maxeffekt på 40 mw vid 4,47 meter per sekund vind. Detta väckte ett intresse. Funderingar och frågor uppkom. Finns det kapacitet som är tillräcklig för att användas till något i vårt samhälle? Går det att bygga ett windbelt med enkla medel med tillräcklig effekt för exempelvis laddningsaggregat till fritidsbåtar? Undersökningen har gått ut på att finna svar på dessa frågor samt försöka finna lösningar på de problem som uppstått.

6 6 3. METOD Konstruera och bygga ett windbelt. Samt göra mätningar för att få fram dess karaktäristik 3.1 Undersökningsmetod Till en början gick försöken ut på att få windbeltprincipen att fungera. Detta kontrollerades genom att spänna upp ett magnetband mellan två vinklar så att luft kunde passera både över och under magnetbandet. Detta för att undvika ojämna svängningar på grund av turbulens. Därefter fastsattes ett par neodynmagneter på magnetbandet. Två seriekopplade spolar monterades med hjälp av ytterligare två vinklar. En enkel krets kopplades upp med en glättningskondensator och en lysdiod samt mätinstrument för ström och spänning. Figur 1: Krets med likriktare, glättningskondensator och lysdiod. Figur 2: Elschema

7 7 När arbetsprincipen klargjorts påbörjades framtagandet av ett portabelt windbelt. Laborationer pågick under en tid för att hitta de parametrar som påverkar funktionen mest. Så som längd, höjd och justeringsmöjligheter. Figur3: Ritning Windbelt

8 8 Därefter gjordes mätningar vid olika vindhastigheter för tomgångsspänning och kortslutningsström, för att få fram karaktäristiken på windbelt. Spänningen mättes med hjälp av en digital multimeter (1) och strömmen med en digital multimeter (2). Vindkällan som användes vid mätningarna utgjordes av en vanlig bordsfläkt (3). Vindhastigheten är uppmätt med hjälp av vinmätare (4). 1. Caltec CM BST BS Ide Line 38W 4. Flytec Windwatch Figur 4: Testkörning av windbelt

9 9 4. RESULTAT Det resultat som uppnåtts vid 5 m/s är: Tomgångsspänning 19 Volt. Kortslutningsström 3.4 ma Maximal effekt 7,5 mw Ström/Spänningdiagram Ström (ma) 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 5 m/s 4 m/s 3 m/s Volt (U) Figur 5: Ur diagrammet kan utläsas ström/spänning vid olika vindhastigheter Effektdiagram Effekt (mw) m/s 4 m/s 3 m/s Volt (U)

10 10 Figur 6: Ur diagrammet kan avläsas effekt vid olika vindhastigheter Undersökningen gick delvis ut på att se om ett windbelt kan ersätta en microvindturbin av den typ som används på fritidsbåtar. En mindre turbin av denna typ, till exempel Rutland 504 (pris: 5295 kr) ger cirka 12 volt och 25 watts effekt vid 10 m/s. För ett windbelt är det endast tal om mw. Så i dagsläget finns det ingen möjlighet att ett windbelt skulle kunna ta upp konkurrensen med microvindturbiner.

11 11 5. DISKUSSION 5.1 Allmänt Till en början uppstod problem med de spolar som var tänkta att användas. Dessa spolar hade en järnkärna. Effekten på ett windbelt är starkt beroende av att spolarna ligger så nära magneterna som möjlig. Detta resulterade i att magneterna fastnade på spolarnas järnkärnor. För att undkomma problemet lindades nya spolar utan järnkärna. De nya spolarna gav mycket bättre resultat. Mycket tid lades på att finna ett lämpligt material till det vibrerande bandet som magneterna sitter fast på. Eftersom det är en grundläggande undersökning användes till slut ett magnetband från ett videoband. När windbeltet fungerade påbörjades utprovningen av optimeringsparametrar så som: Magneternas placering på bandet Spolarnas sammankoppling serie eller parallellkoppling Hur hårt bandet skall vara spänt Försök gjordes med två par magneter på ett och samma band och dubbla par spolar. Detta visade sig vara sämre då tyngden av magneterna förorsakade störningar av bandets svängningar. Figur 7: Principkiss

12 Magneter Ett flertal tester gjordes för att välja magneter. Testerna visade att Neodymmagneter var de mest lämpade. De som valdes har följande specifikation: Längd 10mm. Bredd 10mm. Höjd 3 mm. Dragkraft 1,7 Kg. Magnetmaterial Neodymium (N42) Figur 8: Neodymmagnet För att uppnå de bästa resultaten med windbelt är det ytterst viktigt att finna den optimala placeringen av magneternas placering på bandet. Någon metod att beräkna dess placering har inte funnits utan metoden trail and error har används. Magneternas placering på bandet visade sig vara effektivast om de satt i mitten av längdriktningen och något i bakkant från vindkällan sett i djupled för att få de effektivaste svängningarna på bandet. Placeringen av magneterna kan utan vidare betyda plus eller minus 2mA. 5.3 Spolar Efter utprovningen beslutades att spolarna skulle kopplas i serie. Spolarnas utformning är av mycket stor betydelse. De spolar som använts har följande specifikation: Innerdiameter 29mm. Ytterdiameter 49mm. Djup 14mm. Tråddiameter 0,25mm.

13 Band Antal varv Hur hårt bandet skall vara sträckt beror på vindhastigheten. Vid stark vind måste bandet spännas betydligt hårdare än vid en svagare vind. Bandet måste vara så tunt att det lätt uppstår svängningar när vinden träffar det. Samtidigt måste det vara tillräckligt starkt för att kunna spännas lagom hårt utan att det går av eller töjer sig. Hur bandet svänger i vinden är också av stor betydelse. Svängningar i longitud är effektivare än torsionella svängningar. Figur 9: Longitud svängning Figur 10: Torsionell svängning 5.5 Vind Effekten från ett windbelt ökar med ökad vindstyrka. Det går ändå att utvinna en relativt stor effekt vid svagare vindar än den optimala. Det är viktigt att vinden är inte är turbulent då detta får bandet att pulsera och ibland även stanna helt. Däremot är inte ett windbelt så känsligt vad det gäller den vinkel som vinden kommer ifrån.

14 Vad kan förbättras? Mycket arbete återstår för att finna ett optimalt windbelt. Under försöken har det konstaterats att det går att konstruera betyligt effektivare windbelt än vad som använts i denna undersökning. Designen kan effektiviseras för att få en bättre vindpassage genom windbeltet. Tester har visat att de spolar som använts inte på något sätt är de bästa för ändamålet. Spolarnas utformning, antal varv, tråddiameter och antal kan göra stora skillnader vad det gäller effekt. Gällande magneter så är det de starkaste som kan användas som ger det bästa resultatet. Dock uppstår problem med bandets svängningar om magneterna är för tunga. All form av magnetisk metall bör undvikas i och omkring spolarna. Specielt vid låga belstningar uppstår annars problem med bandets svängningar då magneterna lätt slår i spolarna på grund av magnetfälten. Om det skall finnas något användningsområde för windbelt måste bandmaterialet bytas ut mot något som är mer beständigt mot både töjning som varit ett stort problem under testerna och mot de väderförhållanden som det butsätts för. Möjligen skulle ett tunt metallband kunna vara lösningen på det sistnämnda problemet. Försök har visat att magnetflödet kan ökas med hjälp av utanpåliggande järnkärnor och därmed ökas den inducerade spänningen. Figur 11: Principskiss med järnkärna

15 15 6. SLUTSATS Det är svårt att avgöra vad effekten på ett fullt optimerat windbelt skulle bli. Men tekniken är så pass intressant att den inte ska förbises. Ett antal sammankopplade windbelt monterade i en större ram skulle kanske kunna leverera så pass stor effekt att en nytta skulle finnas med det. I dag får man nog säga att Shawn Frayne är helt rätt ute eftersom han inriktat sig mot tredje världen, då kostnaden för ett mindre windbelt som är tillräckligt för att driva en radio eller en ledbelysning blir omkring 100 kronor plus kostnad för koppartråd till spolar 200 kronor.

16 16 7. KOSTNADSKALKYL 1: Neodymmagneter 10x10x3 mm 22 kr/st 2: Spolar egengjorda kostnad 200 kr 3: VHS-band gammal VHS-film kostnad 0 kr 4: Stomme träregel 20 kr 5: Metall beslag 19kr 6: Stämskruv 0 kr 7: Skruvar 7 kr Totalkostnad 290 kr

17 17 8. KÄLLFÖRTECKNING Hemsidor