Kandidatexamensarbete
KTH – Skolan för Industriell Teknik och Management Energiteknik EGI-2017
SE-100 44 STOCKHOLM
The Royal Energy Challenge at KTH ”Maskin” 2017
Wiktor Edfeldt Nina Engholm
22 maj 2017
Bachelor of Science Thesis EGI-2017
The Royal Energy Challenge at KTH ”Maskin” 2017
Wiktor Edfeldt Nina Engholm
Approved Examiner
Per Lundqvist
Supervisor
Viktoria Martin
Commissioner
Viktoria Martin
Contact person
Göran Lundström
Sammanfattning
Denna rapport redogör för arbetet med att ta fram det kreativa projektet omfattande 2 högskolepoäng som genomförs av teknologer i årskurs ett på Civilingenjörsprogrammet i maskinteknik på KTH (kurskod MJ1103). Årets projekt (benämns utmaning i denna rapport)
”The Royal Energy Challenge 2017” följer uppdragsgivarens krav om anda och ledord speglade i hållbarhet, energi, framtid och kreativitet.
Projektet har genomförts genom en litteraturstudie inom två områden; projekt inom andra utbildningsprogram samt energiutmaningar. Informationen sammanställdes med fokus på energi och tre stycken idéförslag till årets utmaning utarbetades. Det förslag som bedömdes reflektera andan och ledorden samt vara det mest verklighetsförankrade valdes och vidareutvecklades till att presenteras som ”The Royal Energy Challenge 2017”.
Utmaningen som utformats är ett konstruktionsprojekt där en portabel laddstation skall byggas med ett fokus på återbruk och design. Utmaningen och kriterierna för redovisningen (som är i form av en tävling) tillhandahålls studenterna genom ett utmaningsblad. Tävlingskriterierna för den portabla laddstationen är generering av ström, mått och hållbarhet. Utöver konstruktionen av en portabel laddstation skall studenterna även hålla en två minuter lång säljpitch och redovisa ett produktblad.
Abstract
This report sets out the work to produce the creative project comprising 2 higher education credits (ECTS credits) conducted by technologists in year one of the Master of Science in Mechanical Engineering at KTH (Course Code MJ1103). This year's project (called challenge in this report) “The Royal Energy Challenge 2017” follows the contractor's requirements for spirit and leadership reflected in sustainability, energy, future and creativity.
The project has been carried out through a literature study in two areas; Projects in other education programs and energy challenges. The information was compiled with focus on energy and three ideas for the year's challenge were prepared. The proposal that was considered to reflect the spirit and key words as well as being the most realistic anchored was elected and further developed to be presented as "The Royal Energy Challenge 2017".
The challenge designed is a construction project where a portable charging station is to be built with a focus on reuse and design. The challenge and criteria for the reporting (in the form of a competition) are provided to students through a challenge sheet. The competition criteria for the portable charging station are the generation of power, measurements and sustainability. In addition to the design of a portable charging station, students will also hold a two-minute sales pitch and present a product sheet.
Innehållsförteckning
1 Introduktion ... 1
1.1 Projekt inom andra utbildningsprogram ... 1
1.2 Energiutmaningar ... 4
2 Problemformulering och mål ... 7
3 Metod ... 8
4 Genomförande ... 9
4.1 Informationssökning ... 9
4.2 Idégenerering ... 9
4.3 Val av starkast idé och utformning av utmaning ... 10
4.3.1 Djupare informationssökning om portabla laddare ... 11
4.4 Framställning av prototyp ... 11
4.5 Utformning av utmaningsbladet ... 13
5 Resultat och diskussion ... 14
5.1 Förslag till The Royal Energy Challenge ... 14
5.2 Prototyp ... 16
6 Slutsatser och framtida arbete ... 18
6.1 Felkällor ... 18
6.2 Förslag på förbättringar av projektetarbetet ... 19
6.3 Framtida maskinettan-projekt ... 20 Referenser ...
Klickbara länkar i rapportens elektroniska format ...
Bilaga 1 – The Royal Chome Klonking Challenge ...
Bilaga 2 – The Royal Uphills Climbing Challenge ...
Bilaga 3 – The Royal Back and Forth Challenge 2012 ...
Bilaga 4 – The Royal Servo Driven Machine Challenge for Removing Pucks ...
Bilaga 5 – The Royal Quirkbot Challenge ...
Bilaga 6 – Chalmers CDIO-projekt ...
Bilaga 7 – LTU:s Bro-projekt ...
Bilaga 8 – Projektets uppdragsbeskrivning ...
Bilaga 9 – Idéförslagen Bro och Energieffektiva staden ...
Bilaga 10 – Fullständigt utmaningsblad ...
Figurer
Figur 1 Tävlingsbanans mått, proportioner och egenskaper för utmaningen ”The Royal Quirkbot Challange” 2015. Bild tagen från Bilaga 4. ... 2 Figur 2 Tävlingsbanans mått, proportioner och egenskaper för utmaningen ”The Royal Chime Klonking Challenge at KTH Maskin” 2016. Bild tagen från Bilaga 5. ... 3 Figur 3 En tutorial (på svenska; guide) där en enklare modell konstrueras med solceller och en liten motor för framdrivning (Scorpio Technology, 2012). ... 5 Figur 4 Ett videoklipp som visar på skillnaden mellan framdrivningen av en liten leksaksbil med ett knappbatteri jämfört med en superkondensator. (Grandad is an old man, 2015). ... 5 Figur 5 En modellbild av hissprojektet Waterlift at Duke of York Steps där solpanelerna är placerade på taket av konstruktionen och vattentankarna är de som syns med blå vätska i.
(redsharktv, 2010) ... 6 Figur 6 Ett förslag på hur en vattensnurra kan byggas, vilken kan omvandla energin i strömmande vatten till elektrisk energi. (Creative crafts, 2017). ... 6 Figur 7 Den portabla laddaren Estream som går att använda så länge det fria vattendjupet är mer än 21cm. (Crowdfunding, 2016) (Enomad, 2017) ... 7 Figur 8 Visualisering av metoden. ... 8 Figur 9 Förslagen sammanfattas i en rubrik för att sedan redogöra för andan och utmaningarna med varje förslag. ... 10 Figur 10 visar fläktbladen sammanfogade till motorns axel med en grillpinne förstärkt med ett sugrör. Både motorn och fläktbladen kommer från den isärplockade hårfönen. En iPhone 6 är med för skala. ... 12 Figur 11 visar den vattenkvarnsliknande konstruktionen sammanfogad till motorns axel med en grillpinne försträkt med ett sugrar. Motorn är från den isärplockade hårfönen. En iPhone 6 är med för skala. ... 13 Figur 12 Bladets första sida med uppdrags- och regelbeskrivning för utmaningen The Royal Energy Challenge. ... 15 Figur 13 En CAD-modell av bana med plexiglas längs ena långsidan. En dränkpump placeras i en plastback i anslutning till banan. Måtten är angivna i millimeter. ... 16
1 1 Introduktion
Sedan 2003 har projektet omfattande 2 högskolepoäng i kursen Introduktion till maskinteknik (MJ1103) vid Kungliga tekniska högskolan, KTH, utformats i samarbete med Ingenjör Lundströms Experiment. Till hösten 2017 är det 15-års jubileum av detta samarbete för förstaårsstudenterna i Civilingenjörsprogrammet i maskinteknik. Därför har uppdragsgivaren i år beslutat att utforma framtagningen av årets utmaning som ett kandidatexamensarbete i Energiteknik. Temat för årets projekt är ”The Royal Energy Challenge 2017”, ett konstruktionsprojekt vars anda och ledord detta år är hållbarhet, energi, framtid och kreativitet.
Projektet har tidigare år bestått av att eleverna får en verktygslåda med givet material såsom likströmsmotor med växellåda, servomotorer, en Arduino eller Quirkbot, batteri, Divinycellskivor, sugrör med mera. Detta för att sedan bygga en farkost utefter specifika kriterier för att klara en utmaning på en given bana (se Bilaga 1).
Detta arbete tar således avstamp i tidigare års utmaningar genomförda i kursen, liknande tematiska studentprojekt samt vad andra institutioner i motsvarande kurser runt om i landet och världen har gjort. Arbetet ligger i att ta fram en helt ny utmaning, som inte går att hitta i någon av de nämnda källorna, med temat energi och hållbarhet. Projektet ska gå från litteraturstudie till idégenerering med val av starkast utmaningsidé, som slutligen landar i en färdig utmaning med en eventuell prototyp samt bana.
1.1 Projekt inom andra utbildningsprogram
Genom studie av tidigare års utmaningar inses att temat på KTH:s introduktionskurs till maskinteknik har varit att göra en ingenjörsmässig kreativ utmaning utefter en beställares krav.
Det finns konstruktionskrav med givna material och ett regelverk kring hur de får användas. Det presenteras en bana, som har varit olika från år till år, där studenten skall konstruera en farkost som klarar av att utföra en specifik utmaning som denna bana presenterar. Denna farkost har tidigare bland annat använt likströms- och servomotorer samt ett programmerbart chip som kan styra motorerna av typen Arduino eller Quirkbot, men även icke-elektrisk teknik som i ”The Royal Upphills Climbing Challange at KTH Machine 2013” (se Bilaga 2). Projektets huvudfokus har varit på idégenerering, planering samt gruppdynamik för att konstruera en produkt som klarar den givna utmaningen.
Projektet genomförs i samarbete med Ing. Lundströms Experiment som kan anses vara en samarbetspartner från industrin. Detta årliga projekt drar även till sig industrisponsorer såsom ELFA, DIAB, Frejden med mera. Uppdraget har varje år varit någonting helt nytt och som inte kunnat hittas på internet eller hos andra institutioner, lösningen har således inte lätt kunnat hittas på internet utan endast inspiration eller delar av lösningen (ex. hur man programmerar en Arduino). Vidare har även priser delats ut för bland annat: ”snabbhet”, ”med vånda”, ”utsökt design”, ”på bettet” och ”unik lösning men…” (se Bilaga 1).
Tidigare års utmaningar i kursen har bland annat varit ”The Royal Back and Forth Challenge at KTH Machine 2012”. Studenterna skulle enligt uppgiftsbeskrivningen bygga en farkost som kunde köra fram på en krokig bana, för att sedan i slutet av banan vända i en röd cirkel och köra tillbaka samma väg (se Bilaga 3).
2
År 2013 var utmaningen i ”The Royal Upphills Climbing Challenge at KTH Machine” att med hjälp av superelastisk metalltråd (NiTi-legering), som oftast används vid tandreglering, flytta en farkost uppför en lutande metall-ränna. Vidare skulle farkosten, förutom att få plats i den 200 mm långa startzonen, tippa över och landa på krockkudden när den nått rännans högsta punkt. Detta skulle göras på fyra sekunder för att få sex av sex projektpoäng (se Bilaga 2). År 2014 var utmaningen ”The Royal Servo Driven Machine Challenge For Removing Pucks at KTH Machine” vilket innebar att det skulle konstrueras en farkost för att slå eller svepa ned sex stycken puckar utplacerade på varsin cylinder. Detta med hjälp av fyra mindre servomotorer, Arduino-dator, 9V batteri samt andra konstruktionsmaterial.
Puckarna var placerade på olika höjd i en avlång bana där farkosten skulle putta ner dem och projektpoäng gavs för antalet nedputtade puckar (max sex poäng). Studenterna fick här helt på egen hand ta fram programkod för styrning av Arduino-datorn. Denna kod finns lättillgängligt gratis på internet och med hjälp av små modifikationer kan den, utan djupare programmeringskunskaper, anpassas för studentens uppgift (se Bilaga 4).
Figur 1 Tävlingsbanans mått, proportioner och egenskaper för utmaningen ”The Royal Quirkbot Challange” 2015. Bild tagen från Bilaga 4.
I ”The Royal Quirkbot Challenge at KTH Machine 2015” var uppgiften att bygga en farkost som kunde förflytta sig på en rak bana (se fig. 1) släpandes en ring med mindre stålkulor i, över ett magnetfält som pulserade. Detta skulle göras med hjälp av huvudkomponenten Quirkbot, en programmerbar servomotor som likt Arduino har gratis och öppen programvara för styrprogram till motorn (se Bilaga 3). År 2016 hölls utmaningen ”The Royal Chime Klonking Challenge at KTH Maskin”. Uppgiften var att konstruera en farkost utifrån givna konstruktionsmaterial, elmotorer samt Arduino-dator för att distinkt slå ann minst fem av tolv klockrör inom en minut (se fig. 2 för bana). Vidare var farkosten tvungen att självständigt utan yttre påverkan det vill säga styrning med fjärrkontroll eller liknande, slå ann klockrören. Gemensamt för de tidigare års utmaningar är reglerna för konstruktionen av farkosten, men i den senast uppdaterade versionen från 2016 skriver författarna (se Bilaga 1):
3
”Maskinens beståndsdelar får endast utgöras av: (i) material som tävlingsledningen delat ur till respektive lag (vilket även omfattar sådant ytterligare material som tävlingsledningen må dela ut fram till och med tävlingsdagen) med undantag för egenanskaffat material; samt (ii)
material som utgör färg eller dekor på maskinen och som inte har någon betydelse för maskinens funktion eller framflyttning i övrigt”.
För fullständiga regler från tidigare års utmaningar se Bilaga 1 till och med 5.
Figur 2 Tävlingsbanans mått, proportioner och egenskaper för utmaningen ”The Royal Chime Klonking Challenge at KTH Maskin” 2016. Bild tagen från Bilaga 5.
I Chalmers introduktionskurs med projekt för maskinstudenter genomförs ett så kallat CDIO- projekt som utnyttjar en ingenjörsmässig metodik för framställandet av en produkt. CDIO som står för ”Conceive - Design - Implement - Operate” bygger på att projektet genomförs i fyra faser. De innebär (i inbördes ordning) att först analysera och formulera kundens behov, för att i steg två skapa en design med planer, ritningar och eventuella algoritmer. I det tredje steget implementeras designen och kunden får den färdiga produkten. I det fjärde och sista steget skall produkten användas och leverera det som förväntas av kunden, med kontinuerligt underhåll och eventuella utvecklingar (CDIO). Studenterna från Chalmers får själva identifiera ett problem och skapa ett projekt kring detta. Alternativt kan de även utgå från en problemformulering given i en lista och omformulera den eller till sist bara välja ett problem från listan att lösa. Modellerna som byggs grundar sig på analys av problemet, skissarbete samt framtagning av modell i CAD.
Studenterna realiserar till sist produkten genom en fysisk pappmodell och en materiallista för eventuell produktion (se Bilaga 6).
På Lunds tekniska högskola, LTH, introduktionskurs till maskinteknik får studenterna i sina respektive grupper ett och samma scenario med tillhörande kravspecifikationer. Enligt projektuppgiftsbeskrivningen så skall studenterna konstruera en bro i skala 1:100 av aluminiumbalkar för att sammanlänka två tänkta städer. Bron ska enligt angivelsen kunna
4
levereras i ett ”platt paket” för att sedan kunna monteras på plats. Vidare bedöms studenten utefter en poängsatts som ges av poäng=mL3 éëkg m× 3ùû som beror av en yttre pålagd last m och längden L som premieras, då den är i kubik. För fullständiga instruktioner samt
konstruktionsförutsättningar till projektet se Bilaga 7. Likväl som för KTH och Chalmers ska arbetet redovisas i en projektrapport enligt en given mall med tillhörande slutpresentation samt ett test av den framtagna produkten.
Utöver de ovan nämnda svenska institutioner som erbjuder introduktionskurser med projekt har även danska Danmarks Tekniske Universitet, DTU, ett produktionsorienterat
introduktionsprojekt, men med en tydlig koppling till energi. Studenterna skall tillverka, med hjälp av enklare material och verktyg som de kan hitta hemma, en Stirlingmotor för att omvandla termisk energi till mekaniskt arbete. Vidare skall studenterna göra en analytisk uppskattning av motorns verkningsgrad, effekt och arbetscykler. De ska kunna argumentera för materialval, formgivning och framställningsmetod. Allt ovan nämnda arbete skall sedan sammanställas i en rapport som studenten lämnar in efter genomfört projekt med slutredovisning. Slutprodukterna, liksom på KTH, filmas och laddas upp på Youtube (se länkade källorna längst bak i rapporten).
Priser delas ut för bästa verkningsgraden (alternativt nyttoeffekt eller maximalt omvandlingstal), mest originella design, bästa analys och dokumentation, bästa grafiska presentation samt
”Fighterpriset” till gruppen som har löst uppgiften på ett okonventionellt sätt (Meyer, 2010).
Utöver det material presenterat ovan har Dean Raymond B. Landis och professor Martin S.
Roden via deras hemsida för förlaget Discovery Press publicerat en lista med 140 stycken olika introduktionsprojekt för ingenjörersstudenter (Landis, o.a.). I denna lista har projekten med varierande teman sammanställts, de är allt från rena energiutmaningar där en generator skall byggas till brobygge med hjälp av tidningspapper. Projekten kommer från tekniska universitet runt om i USA. Bland annat från Missouri University of Science and Technology, Missouri S&T, där studenterna skall bygga en maskin som omvandlar potentiell energi, genererat från ett torn med en vikt, för att flytta på en pendel (Hutcheson). Studenter från Marshall University har fått utmaningen att skapa en vindturbin som skall generera en så hög medeleffekt som möjligt över tre olika vindhastigheter: låg, medel och hög levererat från en fläkt (Wait). Från samma universitet har även flera projekt med miljö- och energitema genomförts. Ett i vilket studenter skall undersöka lönsamheten och möjligheten att installera solceller för en rastplats längst en avlägsen väg i den amerikanska öknen. Solcellerna skall kunna driva handtorkar, en vattenpump 1,5 hästkraft och sex stycken godismaskiner för uppskattningsvis 1500 besökare per dag (Wait).
Andra relevanta projekt som kan kopplas till ”The Royal Energy Challenge at KTH Maskin 2017” är bland annat:
• Programmering av ett Arduino-chip för att styra en LED-lampa, givet av University of Arkansas (Schneider, 2012).
• Utnyttja den potentiella energin som finns i en halvliter vatten på 60 cm höjd för att driva en leksaksbil, givet av University of Idaho (Crepeau).
• Använda termisk energi genererad från solen för att värma vattnet i ett hushåll, givet av Clarkson University (DeWaters, 2012).
1.2 Energiutmaningar
Detta delkapitel behandlar det som följande nämns i uppdragsbeskrivningen
”… liksom i övrigt vanligt förekommande energiexperiment som nyfikna tar sig för och presenterar på youtube och liknande. (Exempel är hemmabyggda stirlingmotorer, soldrivna
pumpanordningar och farkoster, osv …).” (Se Bilaga 8).
5
Att använda sökorden ”Energy Challenge” ger en träfflista på sökmotorn Google som sträcker sig från företagshemsidor som är inriktade på energiproduktion och miljöfrågor till myndighetsrapporter samt större eller mindre energiprojekt/-tävlingar. För att begränsa antalet träffar och inrikta dem till relevant information för detta projekt så används sökord kopplade till redan intressanta idéer och tekniker. Youtube är en oändlig källa till olika experiment och DIY- projekt (engelsk förkortning för Do It Yourself, på svenska; gör det själv). Vanligaste träffarna på filmklipp är ofta DIY-projekt där antingen olika produkter eller små farkoster byggs med enkla komponenter eller där komponenterna beskrivs och konstrueras (ofta på ett lekfullt sätt).
Exempel på Youtube olika sökta DIY-projekt är soldrivna bilar, portabla mobilladdare drivna av strömmande vatten samt projekt där återbruk eller olika prylar används till icke typiska ändamål.
Den soldrivna bilen förekommer i mer eller mindre avancerade modeller (se figur 3). Oftast så har inte modellerna någon styrning. Ett annat exempel på konstruktion av bilar som utnyttjar energi på ett effektivt sätt är exempelvis sådana som använder komponenter som superkondensatorer och Joule thief för att ”få ut mer” energi av ett batteri än bara batteriet självt (se figur 4) (för den intresserade läsaren finns ett stort utbud av detaljer tillgängligt via internet).
Figur 3 En tutorial (på svenska; guide) där en enklare modell konstrueras med solceller och en liten motor för framdrivning (Scorpio Technology, 2012).
Figur 4 Ett videoklipp som visar på skillnaden mellan framdrivningen av en liten leksaksbil med ett knappbatteri jämfört med en superkondensator. (Grandad is an old man, 2015).
6
Vattenkraften har varit en viktig energikälla i många hundra år, i början för att exempelvis driva kvarnar till att idag användas som viktig reglerkraft till elnätet i bland annat Sverige. En annan teknik, utöver båtar, som nyttjat vatten till framdrivning är olika hissanordningar. Leas Lift och Lynton & Lynmouth Cliff Railway är tidiga exempel på hisskonstruktioner, den först nämnda öppnades i staden Folkeston år 1885 och den andra nämnda öppnades år 1890. (Terry Pordage för The Folkestone Leas Lift cic, 2014) (Lynmouth & Lynton Lift Co) En nutida hisskonstruktion som nyttjat både sol- och vindkraft är hissprojektet Duke of York Steps Lift i London år 2010. Projektet kom till för att lösa tillgängligheten i Londons stadskärna inför London Festival of Architecture 2010. Hissen opererar helt fristående vilket innebär att den kan placeras var som så länge platsen inte är allt för skuggig eller skymd från solen. (Matthew Lloyd Architects)
Figur 5 En modellbild av hissprojektet Waterlift at Duke of York Steps där solpanelerna är placerade på taket av konstruktionen och vattentankarna är de som syns med blå vätska i.
(redsharktv, 2010)
Exempel på energikällor (förutom solenergi) som kan användas till portabel laddning av mobiltelefoner är olika vatten- och vindkraftlösningar. Vissa idéer bygger på fritt strömmande media medan andra på kontrollerad strömming så som att hälla vatten på en snurra.
Figur 6 Ett förslag på hur en vattensnurra kan byggas, vilken kan omvandla energin i strömmande vatten till elektrisk energi. (Creative crafts, 2017).
7
Estream är namnet på en av flera produkter som nyttjar strömmen i ett vattendrag för att ladda ett batteri som sedan kan användas till att ladda en mobiltelefon.
Figur 7 Den portabla laddaren Estream som går att använda så länge det fria vattendjupet är mer än 21cm. (Crowdfunding, 2016) (Enomad, 2017)
Ett annat sökområde på Youtube är projekt med återbruk av olika produkter/prylar. För att nämna några exempel så används olika grill- och cigarettändare, de innehåller kristall som kan generera piezoelektricitet vid deformation av kristallen. Ett annat exempel är salt och olika metallbehållare som används tillsammans med vatten för att bygga batterier. Eltandborstar, elvispar och mjölkskummare är andra typiska prylar för återbruk att driva farkoster.
Ett annat format som energiexperiment och utmaningar förekommer är olika tävlingar. De flesta som återfinns högt upp på träfflistan vid sökningen ”Energy challenge” på Google är tävlingar riktade till städer, högskolor och enskilda högskolestudenter. Utmaningarna spänner från innovationer till effektiviseringar för allt från elektronik till byggnader och städer. För att nämna några exempel är ”Green Energy Challenge” arrangerad av Electri International en tävling riktad till högskolor i Nordamerika, där fokus ligger på energieffektiviseringar av olika slags byggnader (ELECTRI International). En annan tävling som riktar sig till främst svenska högskolestudenter är ”Sustainergies Cup” som anordnas av ideella organisationen Sustainergies. (Sustainergies, 2017). Varje år presenteras utmaningar i samarbeten med olika partners, år 16/17 var dessa Atlas Copco, Skandia fastigheter samt Energimyndigheten. De tre presenterade varsin utmaning som alla var formulerade med ett fokus på hållbarhet. Vinnaren av Energimyndighetens utmaning var ett förslag som byggde på elbilars kapacitet att ladda mer energi vid drift än behov och därför skulle bilägare kunna använda bilen som en inkomstkälla genom att sälja överskottsenergin till elnätet. (Rosengren, 2017)
2 Problemformulering och mål
Syftet med detta projekt är att undersöka, kartlägga och skapa möjligt nytänkande och kreativt projekt till kursen ”Introduktion till maskinteknik” på KTH (kurskod MJ1103). Vidare har detta arbetet delats in i delmål som är; att främja kreativitet och informationssökande samt ge möjlighet till att hitta och utforska nya kunskaper, möjliggöra för ingenjörsmässigt nytänkande. Utmaningen utformas så att det finns en tydlig koppling till energi, hållbarhet och eventuellt skapande av miljövänliga och förnybara energikällor.
8
Detta projekts mål är, främst formulerade utifrån tidigare års utmaningar samt detta projekts uppdragsbeskrivning (se Bilaga 8), presentera ett utmaningsblad likt tidigare år för att på ett övergripligt sätt presentera ”The Royal Energy Challenge 2017”. Bladet kommer vara resultatet av detta arbete, där hela utmaningen presenteras. Ledorden är hållbar utveckling, kreativitet, energi, nytänkande teknik och lösningar.
1. Ingenjörsmässigt nytänkande.
2. Främja kreativitet och informationssökande för studenten, ge möjlighet till att hitta och utforska nya kunskaper.
3. Finns en tydlig koppling till energi, förnybarhet och skapande av miljövänliga energikällor.
4. Skapa en första kontakt med ett projekt på universitetsnivå: tänka ut tidsplaner, avgränsningar, materialtillgång/åtgång, budget och källkritik. Nyckelord för lösande är hur och varför? Projektet ska ha ett ”Forskningstänk”.
5. Projektet skall träna förmågan att gå från litteraturstudie till idégenerering med urval, konstruktionsritningar och beräkningar som slutligen landar i en produkt.
6. Hur studenterna använder material, återvinningsmöjligheter och eventuella beräkningar om vad materialen kostar i termer av utsläpp och energiförbrukning. Alltså att kunna motivera materialval ur ett hållbarhetsperspektiv.
3 Metod
För att finna relevant information används främst sökningar på internet då det även kommer att vara studenternas främsta verktyg. Kravet om en unik utmaning gör att sökningar koncentreras till olika andra studenttävlingar samt mindre DIY-projekt på Youtube, fokus läggs på enklare teknik och byggprojekt.
Efter informationssamling sammanställs all information och används för att generera olika idéförslag på utmaningar som andas kreativitet och energi. Målet är att informationssökningen skall leda till fyra förslag på utmaningar där de sedan ställs mot varandra utifrån målen ställda för utmaningen. Det förslag som bedöms starkast bearbetas vidare genom att bestämma förutsättningarna för ”The Royal Energy Challenge 2017” samt bygga en prototyp för att testa realiserbarhet.
När utmaningen är bestämd utarbetas sedan ett utmaningsblad med bland annat förslag på grundläggande konstruktionskrav, huvudkomponenter samt tävlingskriterier.
Figur 8 Visualisering av metoden.
9 4 Genomförande
Som det nämndes i inledningen så har projektet olika processer. En del processer så som informationssökning är mer eller mindre kontinuerlig medan andra som idégenerering är en tydlig process för att begränsa och sätta ramarna för det fortsatta projektarbetet. Målet med prototypen är att den skall visa på att den slutliga utmaningen är möjlig att genomföra. I detta kapitel beskrivs projektets arbete efter den metod som beskrevs i kapitlet innan för att sedan i kommande kapitel 5 presentera resultatet från genomförande.
4.1 Informationssökning
För att förstå vilken svårighetsnivå och teknik som använts i tidigare utmaningar så studeras gamla utmaningsblad. Informationssökningen fokuseras främst till internet för att veta vad som är möjligt att finna med några knapptryck.
För att hitta information om liknande utbildningsprograms utmaningar och projekt så kontaktas program- och kursansvariga. En del information går att finna på olika lärosätens hemsidor men det mesta av materialet kräver inloggning. Genom mejlkontakt med kursansvariga på de största tekniska lärosätena i Sverige LTH, Chalmers och Linköpings universitet, LIU, (där svar erhölls från LTH och Chalmers) gavs det tillgång till material från respektive lärosätes motsvarande introduktionskurs. Dessa projektbeskrivningar kunde senare användas för att få mer djupgående bakgrundsinformation utöver det som stod på kurshemsidorna.
Youtube används på samma sätt som Google för att med genomtänkta sökord leta efter intressanta DIY-projekt men även videos från lärosäten och organisationers projektredovisningar och tävlingspresentationer. De flesta DIY-projekten har som tidigare nämnts antingen fokus på att bygga en konstruktion eller att förklara vad olika konstruktioner innehåller för komponenter och teknologi. Det krävs att varje video som bedöms intressant analyseras utifrån teknik- och innovationssynpunkt.
Exempel på sökord som använts på Youtube är; water power, energy, challenge, portable, charger, mechanical engineering, renewable energy, wind energy, energy student project.
4.2 Idégenerering
Idéförslagen utarbetas från informationssökningen som omfattar vad som genomförs inom olika utbildningsprogram, tävlingar riktade mot ingenjörsstudenter samt DIY-projekt. Förslagen utarbetas så att de tydligt ska skilja sig emellan. För att förslagen skall kunna presenteras på ett överskådligt sätt till projektets handledare så utformas de med bilder och korta punktlistor.
Idéförslaget som visas i figur 9, Portabel laddstation, utmynnade från problematiken med dagens uppkopplade samhälle och därmed behov av att kunna ladda exempelvis en mobiltelefon var än användaren befinner sig. Två typiska exempel där en portabel laddstation skulle vara användbar är vid vandring i fjällvärlden och i utvecklingsländer där det inte finns ett utbyggt elnät. En laddstation driven av förnybara energikällor så som vatten- och vindkraft skulle vara lösningen på det problemet. För att laddstationen skall vara användbar för dessa två exempel så krävs det att den är enkel att packa/förflytta samt att den är enkel att reparera. Solenergi har beaktats vid framtagning vid idéförslaget men bedöms inte vara ett alternativ om laddaren skall vara enkel att reparera.
10
Figur 9 Förslagen sammanfattas i en rubrik för att sedan redogöra för andan och utmaningarna med varje förslag.
Utöver förslaget Portabel laddstation så utmynnar informationssökningen i förslagen Bro och Energieffektiva staden. De två sistnämnda förslagens utformning redovisas i Bilaga 9. Kort så innefattar förslaget Bro att en bro skall konstrueras så att den tillåter trafik över ett vattendrag utan att hindra transport under bron. Bron skall även vara av ”enkel” teknologi så att installationen inte är krävande eller komplicerad för att kunna användas på tänkta platser där tillgång till reservdelar, teknisk expertis och strömförsörjning är begränsad.
Den Energieffektiva staden är ett förslag på utmaning där outnyttjad energi skall finnas och utnyttjas på ett effektivt sätt i en modellstad innefattande ett vattendrag, hushåll och industri samt outnyttjade tak och platser för exempelvis solenergi. För att visualisera mängden tillvaratagen energi skulle en modellbil eller annan transport kunna användas för att förflyttas inom staden med hjälp av den insamlade energin.
4.3 Val av starkast idé och utformning av utmaning
Den idé som bedöms som starkast utifrån de mål som är ställda för projektet är Portabel laddstation. Dels för den tydliga energikopplingen i form av generering av elektricitet men även för att den bedöms vara en mer verklighetsförankrad konstruktionsutmaning. Den energieffektiva staden är inte en lika renodlad energiutmaning då den även skulle behöva ett lika stort inslag av programmering vid redovisning enligt idéförslaget, vilket alltså bedöms som ett svagare idéförslag till ”The Royal Energy Challenge 2017”. Förslaget Bro är inte en lika innovativ idé då lärosäten redan använder broar som olika projektutmaningar. Även om detta projekts idé Bro skiljer sig med sitt fokus på energi jämfört med de mer frekvent förekommande broar som byggs för att testa maximal last (se exempelvis projektet från LTU). Idén ansågs vidare vara för avancerad och svår att praktiskt genomföra som utmaning vilket, trots den tydliga energikopplingen i idéförslaget.
Projektets mål om hållbarhet och återbruk bedöms även att enklast och starkast kunna kopplas till idén Portabel laddstation. Idén Den energieffektiva staden bygger visserligen på hållbarhetstänket med tillvaratagande av spillvärme och exergi men är inte lika starkt kopplat till återbruk. Förslaget Bro bedöms svagare än Portabel laddstation av exakt samma anledning som Den energieffektiva staden när det kommer till bedömning utifrån hållbarhet och återbruk. Även om en bro skulle kunna konstrueras i återbrukat material och elektronik så skulle det endast vara realiserbart i modellskala och därför inte ha lika stark verklighetsförankring som idén Portabel laddstation.
11
4.3.1 Djupare informationssökning om portabla laddare
Utifrån val av utmaning kan en utförligare analys av den portabla laddstationen och dess komponenter göras. Efter valet av idéförslag måste nu laddstationens teknik utvärderas, för att se om det är möjligt för förstaårsstudenter att kunna förstå och återskapa så som tänkt för ”The Royal Energy Challenge 2017”. De insamlade källorna från litteraturstudien med huvudfokus på de som byggde på enklare generatorer, laddare eller omvandling av energi ger en bild av att det är möjligt med enkla komponenter att generera en ström.
Den enklaste typen av portabla laddstationer som många av de DIY- klipp på Youtube presenterar är att bygga in seriekopplade 9V batterier i en mindre låda, löda ihop med en USB- hona som sedan kan ladda en mobiltelefon (Källa). Den konstruktionslösningen överför strömmen från batteriet rakt in i telefon utan att ta hänsyn till att många moderna telefoner (i detta fall IPhone) laddas med 5V och 1A (Apple, 2017). Detta kan lösas med att införa en spänningsregulator i kretsen t.ex. av typen LM7805 som drar ner spänningen till 5V samt stabiliserar den. En alternativ lösning skulle kunna vara att sammankoppla ett batteri eller en generator (reverserad elmotor) med en 12V mobilladdare (adapter) som går att använda i cigarettuttaget i en bil. Detta eftersom att det i adaptern redan finns de nödvändiga komponenterna för att omvandla en högre spänning till det önskade 5V och (för adaptern) 2A.
Detta skulle då kunna användas för att den portabla laddastationen skall leverera en stabilare uteffekt.
Många av de DIY-laddare som går att hitta på YouTube är generator-konstruktioner där en mindre elmotor körs baklänges för att generera en ström. Strömgenereringen kan göras på många sätt men en nödvändighet är att till motorns axel är kopplad till en mekanism skapar ett vridmoment som får axeln att rotera. En spänningsregulator blir speciellt nödvändig i de fall då strömmen genereras från en handvevs-mekanism, vind- eller vattenkraft. Alla dessa tenderar att leverera ett ojämnt vridmoment p.ga. ojämn krafttillförsel eller flöde som alltså bör regleras med en spänningsregulator. I de fall motorn jobbar under höga varvtal kan en mindre växellåda behöva kopplas mellan mekanismen och motoraxeln för att få ner varvtalet som mekanismen behöver arbeta under.
4.4 Framställning av prototyp
Framtagningen av en prototyp påbörjades för att testa idéförslaget Portabel laddstations realiserbarhet som projekt för förstaårsstudenterna på maskinteknik. Värt att är att det inte var ett krav ifrån handledaren eller industripartnern Ingenjör Lundström Experiment att vid slutet av detta projekt ha en fullt färdig och fungerande prototyp att testa. Framtagningen av prototypen blir således mer en indikation för hur väl arbetets koncept är och vilka nyckelkomponenter som kan tänkas behövas för studenterna.
Likt tidigare års utmaningar kommer även detta års utmaning använda sig av några få huvudkomponenter tillsammans med enklare material (se bakgrund för beskrivning av materialen) för att bygga farkosten eller i detta fall laddstationen. Konstruktionen av prototypen började med en workshop hos Ing. Lundströms verkstad ute i Täby. Där presenterades arbetets koncept om portabel laddstation för Ing. Lundström för att därefter sitta tillsammans och tänka ut hur detta lämpligast kunde genomföras. Genomförandet diskuterandes både i termer av hur laddstationen skulle kunna utnyttja strömt vatten (läs kap 4.3) för att kunna laddas, samt hur denna vattenström lämpligast kan simuleras av en bana. Eftersom att utmaningen ska simulera att en befinner sig ute i naturen för att ladda sin mobil med strömt vatten, drogs redan då slutsatsen att rännan (läs banan) bör vara tillräckligt djup för att få plats med stenar i. Detta för att ge en mer verklighetstrogen bana. Vattenpumparna är av typen ITT Flygt Ready 8 och kommer att användas med en uppfordringshöjd av mellan 1 till 2 meter till banans inlopp, vilket (enligt grafen i databladet) ger ett flöde på ungefär 5 dm3/s (ITT Industries).
12
Från den djupare informationssökningen i kapitel 4.3.1 bestämdes det att komponenterna likströmsmotor, USB-hona och eventuellt en spänningsregulator behövdes för utmaningen. För att underbygga denna informationssökning samt koppla denna till målet om återbruk införskaffades en hårfön och en 12V adapter med lysdiod för indikering vid laddning. Innan bygget av turbinkonstruktionen kopplad till motor påbörjades, testades huruvida det gick att använda billaddaren som huvudkomponent till den portabla laddstationen. Adaptern plockades isär för att kunna löda om kablagaget så att det enkelt gick att koppla en elmotor till laddstationens (generatorns) plus- och minuspol. I adaptern fanns det en USB-hona, en lysdiod samt de komponenter (resistorer och transistorer) som krävs för att omvandla 12 V inspänning i USB-adaptern till 5V och 2A utspänning respektive ström för telefonen (notera att en telefon av typen Iphone bara kräver 1A men USB-honan ger 2A). Det testades först med att koppla ett 9V batteri till den isärplockade adaptern för att ladda en Iphone via USB, lysdioden på laddaren såväl som telefonen började lysa och laddades. I test två så kopplades ett batteripack på totalt 3V till adaptern varvid lysdioden började lysa men telefonen började ej att ladda. Detta var något som emellertid var förväntat men bekräftade det faktum att adaptern omvandlar inspänning mellan 5V till 12V (maxkapacitet) till den korrekta utspänningen och strömmen (5V, 2A).
Figur 10 visar fläktbladen sammanfogade till motorns axel med en grillpinne förstärkt med ett sugrör. Både motorn och fläktbladen kommer från den isärplockade hårfönen. En iPhone 6 är med för skala.
Under konstruktionen av prototypen testades olika lösningar för att kunna utnyttja flödet av vatten för att driva motorns axel som generator. Utgångspunkten var att i så stor mån som möjligt använda återvunnen, gammal och enklare teknik för att skapa laddstationen. Grundtanken var då att grupperna skulle få tilldelat alternativ välja en gammal hushållsprodukt såsom hårfön, elvisp eller något annat innehållandes en mindre elektrisk motor. Vidare var även tanken att studenterna då skulle kunna bruka andra delar av apparaten för att t.ex. skapa fläktblad för drivningen. Detta testades genom att det införskaffades en hårfön av typen Philips HP8103/00 med en 1400 watts DC-motor. Hårfönen demonterades för att undersöka vilka brukbara komponenter den innehöll som skulle kunna vara användbara för studenterna. Den innehöll förutom den redan angivna motorn en mindre plastfläkt (turbin) för skapandet av luftströmmen, värmeelement, H-brygga, el-sladdar och plasthöljet. Utav dessa delar testades det att koppla på fläktbladet på en axel som direkt drev motorn, se i figur 10. Från denna körning insågs det att
13
fläktbladen var för små för att kunna leverera det vridmoment från vattenströmmen (i detta fall en vattenkran) som behövdes för att kunna ladda en mobil. Fläktbladen snurrade men problem stöttes på med avläsningen av strömmen från en multimeter utan automatisk justering av mätområde. Då byggdes istället en konstruktion som mer liknade en klassisk vattenkvarn med hjälp av ett plasthjul, plastskedar och Divincycell (se fig. 11). Det gjordes för att försöka öka konstruktionens hävarm och därmed vridmoment och förhoppningsvis även den genererade strömmen. Då problem stöttes på med multimetern insågs det att den lilla strömmen som kunde avläsas av båda testerna inte gav tillförlitliga resultat av körningarna. Det gick alltså inte och se om konstruktionerna fungerade som strömgeneratorer för att driva en laddstation eller om den ena konstruktionen kunde generera mer ström än den andra.
Figur 11 visar den vattenkvarnsliknande konstruktionen sammanfogad till motorns axel med en grillpinne försträkt med ett sugrar. Motorn är från den isärplockade hårfönen. En iPhone 6 är med för skala.
Efter detta steg övergavs prototyparbetet efter diskussion med handledaren. Detta främst p.ga.
tidsbrist men även för att Ing. Lundström hellre ville se att det fanns ett färdigt underlag med koncept, idé om konstruktionsutmaning med tillhörande bana och vilka huvudkomponenter som bör inkluderas.
4.5 Utformning av utmaningsbladet
Som tidigare års utmaningar så presenteras även utmaningen framtagen med detta projektarbete i ett utmaningsblad. Bladet utformas om två A4-sidor med en kort introduktion till utmaningen, konstruktionskrav samt tävlingskriterier vid redovisningstillfället tillika tävlingsdagen.
Bladets första sida utformas så att det ger en översiktlig bild av utmaningen som helhet i form av kort introduktion, kravspecifikation samt förutsättningarna i form av givna komponenter och
”bana”. Introduktionen utformas så att studenterna får en förståelse för problemformuleringen samt inspiration i form av små tips som främjar studenternas idégenerering. Kravspecifikationen presenterar de olika redovisningsmoment som skall presenteras på tävlingsdagen. Utöver en fungerande konstruktion så skall studenterna presentera slutprodukten genom ett marknadsföringsmoment. I utmaningen som genomfördes år 2013, ”The Royal Upphills Climbing
14
Challenge at KTH Machine”, ingick ett marknadsföringsmoment att presentera slutprodukten med ett produktblad. Detta moment samt en säljpitch skall studenterna presentera även i denna utmaning. Inslaget av en säljpitch diskuterades med projektets handledare utifrån perspektivet om inslaget av en teknisk muntlig presentation men även för att studenterna skall reflektera över konstruktionens styrkor som produkt.
Bladets andra sida, baksidan, behandlar uppgiften och regelverket för utmaningens genomförande och presentation samt tävlingskriterierna och dess poängnivåer utifrån ställda ramar. Uppgiften och regelverket är det som sätter ramarna för konstruktionen och redovisningen. Med ramar menas exempelvis material, testkörning av konstruktion samt regler för redovisningen och då framför allt säkerhetsaspekter viktiga att beakta. Tävlingskriterierna utformas med två till tre poängnivåer och skall spegla projektets mål för utmaningen om hållbarhet, innovation men främst energi.
5 Resultat och diskussion
Detta projektarbete utmynnar i en utformad utmaning för ”The Royal Energy Challenge 2017”. Det presenteras ingen färdig prototyp som konfirmerar att den utformade utmaningen är genomförbar som helhet. Den litteraturstudie som genomförts visar ändå att denna typ av projekt har genomförts (se kapitel 1.2 och figur. 7) och därigenom kan idén och visionen med utmaningen ändå bedömas som genomförbar. Det resultat som presenteras är ett första utkast till utmaningens uppdrag- och regelbeskrivning. Resultatet av prototyparbetet samt förslag på skisser till banprototyp presenteras och diskuteras utifrån konstruktion och genomförande.
5.1 Förslag till The Royal Energy Challenge
Genom idéförslaget Portabel laddstation utmynnar detta projektarbete till utmaningen ”The Royal Energy Challenge 2017”. Studenterna skall konstruera en laddstation som kan användas i en given simulerad fjällbäck för att generera ström. Som introduktion och beskrivning av utmaningen tillhandahåller studenterna ett blad med tävlingsregler och andra aspekter som är viktiga för genomförandet, se figur 10 nedan samt Bilaga 10 för det fullständiga utmaningsbladet.
15
Figur 12 Bladets första sida med uppdrags- och regelbeskrivning för utmaningen The Royal Energy Challenge.
Laddstationen skall konstrueras med de givna komponenterna och material som erhålls vid utlämnande av utmaning till studenten men det är tillåtet att komplettera med material. Om studenterna bestämmer sig för att komplettera så ställer tävlingsreglerna krav på att detta ska motiveras och redovisas. Tanken med konstruktionens material är att de ska vara av återbruk och återvinnings-bara för att nå målet om hållbarhet. Laddstationens mått är viktiga för att den ska vara portabel. Det ges i bladet tillika tävlingsbeskrivningen tre olika dimensioner med tillhörande poängsättning. Ett annat viktigt mått för konstruktionsarbetet är måttet på den simulerade fjällbäcken. Måtten anges i en figur i tävlingsbladet och beskriver på så sätt exakt bäckens utformning. Vattenflödet anges till 5 dm3/s (hämtat från dränkpumpens datablad). För att testa laddstationens kapacitet så används två olika teststeg. Kan laddaren få en diod att lysa och om ja, kan den även få en mobiltelefon att lysa upp och ladda. Sammanfattningsvis så är alltså tävlingskriterierna för laddaren; hållbarhet, mått och generering av ström.
Utöver en portabel laddstation skall studenterna utforma ett produktblad och en två minuter lång säljpitch. Kraven ställda på säljpitchen är att den ska beskriva hur laddstationen används, dess design och varför den är starkare än konkurrerande produkter. Produktbladet skall på ett snyggt sätt presentera och marknadsföra laddaren.
Utöver utmärkelse för tävlingens bästa sammanlagda poäng så utdelas utmärkelser för specifikt bra lösningar inom de olika tävlingsmomenten men även spontana utmärkelser som uppstår under tävlingen.
Tävlingsreglerna behandlar utöver tävlingskraven på konstruktionen även säkerhetsaspekten för redovisningen. Då utmaningen innehåller inslagen vatten och elektricitet i kombination så är det viktigt att konstruktionen bedöms säker för användning. Det är ett krav för att få delta i tävlingsmomentet om generering av ström.
I dagens samhälle diskuteras hållbarhet, vilket i sitt hela begrepp innefattar ekonomiskt, socialt och miljö i samspel. Det har kommit till att bli en självklarhet att ständigt vara uppkopplad mot sociala medier, att sköta vardagsärenden på internet och att interagera med andra genom olika plattformar. Allt detta är dock endast möjligt om vi har tillgång till elnätet! Hur gör du om du ska ut på en veckas fjällvandring men vill fortsätta uppdatera Instagram med vackra natur-selfies eller kanske främst för att ha batteri på telefonen så att du kan ringa ett nödsamtal?
Årets utmaning The Royal Energy Challenge ska utmynna i en portabel laddstation som kan ta tillvara på energin i en fjällbäck för att ladda en mobiltelefon. Självklart utifrån ett hållbarhetsperspektiv!
Då den är tänkt att kunna användas under en fjälltur så är det viktigt att den inte tar allt för stor plats i packningen, varför laddarens dimensioner måste beaktas. Kanske går det att hämta inspiration från IKEAs koncept om produkter med enkel montering i platta paket? Återbruk blir mer och mer viktigt varför det premieras i tävlingsmomentet, liksom en så enkel konstruktion som möjligt eftersom att laddaren enkelt ska kunna repareras ute i fjällvärlden.
Till förfogande ges följande komponenter:
• Likströmsmotor
• USB-hona med diod
• Spänningsregulator
En vattenkvarn i Kanada, lite för stor för att packa ned i ryggsäcken men så skulle det säkert gå att ladda ett bilbatteri med det stora vattenhjulet.
Kravspecifikation för den portabla laddstationen och dess marknadsföring Utmaningen ska resultera i och presenteras efter följande punkter:
• En vattendriven portabel laddare som laddar en mobiltelefon med 5V och (minst) 1A.
• Den ska rymmas i en låda med måtten bredd x höjd x djup (se sida 2.).
• Ett produktblad och en säljpitch på två minuter.
Fjällbäckens dimensioner
(mm) Utmärkelser
Utöver gruppen med högst poäng kommer utmärkelser bland annat att delas ut i klasserna Miljövänligast, Snyggast På Fjället, Med Vånda, Den Borde Funkat Men…, Hjälp Det Brinner! samt andraspontana kategorier som uppstårunder tävlingens gång.
16 5.2 Prototyp
Vid konstruktion av prototypen användes en USB-hona från en 12V adapter avsedd för laddning i en bils cigarettuttag. Den hade även en diod vilket skulle vara ett bra exempel på återbruk och ett enkelt sätt för studenterna att testa sina konstruktioner fungerar. Detta eftersom att dioden (enligt resultatet efter testerna i kap. 4.4) lyser vid lägre en spänning på ungefär 3V, än vad en mobiltelefon behöver för att laddas. Däremot laddas en mobiltelefon av ett 9V batteri sammankopplat till den isärplockade adaptern, vilket innebär att studenterna inte behöver generera en ström på 12 V för att komponenten ska fungera. Emellertid kan det inte med säkerhet sägas vid exakt vilken spänningen som den börjar ladda en mobiltelefon, då det vid prototyptillfället inte testades med ett reglerbart spänningsaggregat. Dessa test gjordes i efterhand med 3V respektive 9V batterier. Dock borde denna spänning ligga någonstans mellan 5V och 9V då telefonen kräver minst 5V för att ladda men den laddar redan vid 9V. Önskvärt hade varit om komponenten omvandlar alla spänningar mellan 5V och 12V till 5V och 2 A. Vidare kan komponenten med spänningsomvandlaren, USB-hona och lysdiod från adaptern behöva kompletteras med en spänningsregulator. Detta eftersom att den potentiellt ojämna strömmen genererat av vattenkraften kan behöva stabiliseras innan den går vidare in i adaptern med lysdiod.
Notera att detta inte är något som testades i kapitel 4.4 utan är ett resultat som kan stödjas från den utökade litteraturstudien i kapitel 4.3.1.
Inga konkreta resultat kan fås från testet med fläktbladen kopplade till 1400 W motorn från hårfönen samt den byggda vattenkvarnen (se fig. 11) som även den kopplades till samma motor.
Detta eftersom att varken någon av testerna gav en uppmätt ström som vid testtillfället ansågs tillförlitlig i och med att det mätinstrument som användes inte kunde avläsas korrekt. Den ström som kunde avläsas var av osäker storlek och fluktuerade, detta kan dock tyda på som tidigare nämnt att det behövs en spänningsregulator som stabiliserar. Det är dock inget resultat som kan fås från testerna utan endast ett försök till att förklara en eventuell felkälla som skulle kunna åtgärdas, baserat på den information som togs fram i den utökade litteraturstudien i kap 4.3.1.
Återbruksmomentet i denna utmaning går att göra mer eller mindre utvecklat. Ett alternativ är en föreläsning med genomgång av teknik (t.ex. hushållsprodukter) och dess komponenter som kan användas för andra användningsområden. Studenterna får då en bättre förståelse för hur de kan användas i utmaningen. En annan lösning skulle vara att erbjuda studenterna handledning inom elektronik och göra ett besök vid en återvinningscentral, för att låta studenterna själva leta komponenter som de kommer att behöva.
Figur 13 En CAD-modell av bana med plexiglas längs ena långsidan. En dränkpump placeras i en plastback i anslutning till banan. Måtten är angivna i millimeter.
17
Den simulerade fjällbäcken konstrueras som en ränna vilken försörjs med strömmande vatten från en dränkpump. En enklare konstruktion av rännan skulle vara en träram klädd i dammduk.
Fördelen med att välja den konstruktionen är att den skulle vara billigare att bygga. För att göra tävlings- tillika redovisningsmomentet mer överskådligt och enklare för övriga studenter att ta del av, drog slutsatsen att en ränna av plexiglas längs en långsida av rännan bör konstrueras. Det blir en dyrare konstruktion men ett mer pedagogiskt redovisningsmoment då även de med sittplats längre bak i föreläsningssalen, mer överskådligt, kan ta del av de andra gruppernas redovisning.
Rännans lutning är inte av särskilt stor vikt utan kan justeras till vad som anses stämma med en verklig bäck uppskattningsvis 5–10 grader.
I figuren ovan visas den föreslagna modellen av rännan. Dränkpumpen som placeras i plastbacken (röda lådan) ansluts till rännan kortsida. Vattnet leds åter till plastbacken och dräneras från rännan genom anslutningen i botten av rännan. Då rännan kommer att innehålla en hel del vatten, säg 30 cm djup med vatten, vilket blir cirka 0,25 m3 vatten (plus det extra som finns i baljan med dränkpumpen) så skulle det krävas provkörningstider för banan. Ett förslag skulle vara att utöver handledningstid ha banan tillgänglig två kvällar i veckan från och med projektstart. Uppställningsplatsen för banan kräver tillgänglighet till ett avlopp som kan ta undan vattnet vid utpumpning efter varje tillfälle banan varit igång.
18 6 Slutsatser och framtida arbete Om vi kollar på projektets huvudsyfte som är att
[…] undersöka, kartlägga och skapa möjligt nytänkande och kreativt projekt till kursen
”Introduktion till maskinteknik” (MJ1103) (se Bilaga 8).
så tycker vi att det är uppfyllt. Detta då projektarbetet utmynnar i en utmaning om att bygga en portabel laddstation som vi bedömer ha en tydlig koppling till energi, förnybarhet och skapandet av miljövänliga energikällor. Resultatet av arbetet landar i ett utmaningsblad för The Royal Energy Challenge. Detta resultat kan vi nu ställa mot punkterna 1-6 i kapitel 2, där punkt 3 redan visats uppfylld i inledningen av detta kapitel. Inslaget av återbruk där redan befintlig teknik används i ett nytt syfte för att skapa nya tekniska lösningar anses vara tydligt kopplat till punkt 1, 2 och 5 i problemformuleringen. Vidare kan punkt 5 styrkas genom att studenten måste analysera och förstå den teknik som är given i utmaningen för att skapa deras laddstation. Vi kan inte bedöma att punkt 4 fullt kan styrkas genom våra resultat eftersom att utmaningsbladet inte presenterar hur studenternas projekt är upplagt och genomförs. Vi kan dock genom vårt arbete säga att studenterna får ett möte med ett projekt på universitetsnivå som har ett forskningstänk.
Med forskningstänk menas det som tidigare nämnts i resonemanget om punkt 1,2 och 5. Punkt 6 återfinns presenterat i utmaningsbladet genom tävlingskriteriet om hållbarhet där väl motiverade materialval premieras.
Målen ställda för projektet innefattade inte en prototyp men var ett verktyg för att kunna konfirmera utmaningens realiserbarhet. Emellertid påbörjades bara konstruktionen av en prototyp då den inte hann färdigställas innan projektarbetet avslutades. Som nämnt i resultat (kap. 5.4) kan ändå den påbörjade prototypen visa på att komponenter i en hårfön samt 12V adaptern går att använda för utmaningen. Därför drar vi slutsatsen att återbruk av
”vardagsteknik” skulle fungera för utmaningens konstruktionsarbete. Vi har alltså därför inte fullständigt kunna konfirmera om utmaningen är genomförbar även om litteraturstudie och resultaten tyder på det.
6.1 Felkällor
Nu i efterhand kan vi hitta brister i hur litteraturstudien avgränsades och genomfördes. Detta grundar vi på att internet enkom har använts som källa med egna valda sökord för att hitta material på bland annat YouTube. Trovärdigheten i videomaterial från YouTube är inte på den nivå man kan önska för ett arbete på kanditatnivå. Detta eftersom att det är allmänt känt att videofilmer lätt kan manipuleras, replikeras och utföras med otydliga förutsättningar. Många av dessa videofilmer läggs ut på kanaler där det inte finns garanti för att personerna har den kompetens som är relevant för den studien vi vill genomföra. Det vi vill säga är alltså att YouTube är en ”open source”-plattform och därför en svag källa vad det gäller akademisk informationssökning. Som tidigare nämnts i rapporten samt i uppdragsbeskrivningen så är internet studenternas främsta informationskälla och framförallt YouTube som presenterar information på ett överskådligt och lättillgängligt sätt. Så trots svagheten YouTube innebär för vår akademiska litteraturstudie så var det ändå en självklarhet att använda sidan för att kunna garantera projektets mål om en unik och innovativ utmaning.
Utöver YouTube upplevde vi att det var svårt och få det djup vi önskade i litteraturstudien. Det var svårt att avgränsa sig tidigt i arbetet på ett rimligt sätt då uppdragsbeskrivningen upplevdes vara väldigt öppen ställd. Med andra ord så grundade sig litteraturstudien i det (enligt uppdragsbeskrivningen) faktum att vi skulle söka igenom större delen av internet för liknande projekt, för att se vad som har gjort och vad som kan göras om vi vill ta fram ett ”unikt” projekt.
En konsekvens av detta är att det var utmanande att hitta allt material vi kanske skulle kunna ha nytta av, en stor mängd relevant fakta kan ha missats i och med att vi inte visste vad vi letade
19
efter. Vi begränsades till stor del av vår egen fantasi att komma upp med välformulerade sökord för studentprojekt på samma nivå. Processen blev därför iterativ, efter det att vi hade bestämt oss för vilket av våra idéförslag vi ville gå vidare med, fick en djupare litteraturstudie göras inom portabla laddare/laddstationer (se kap. 4.3.1). Detta fungerade emellertid för det förslag vi valde att gå vidare med. Men som tidigare diskuterats hade vi (trots att vi gjorde en djupare litteraturstudie) inte rätta kunskaper för att kunna på ett konkret sätt kunna testa prototypens realiserbarhet. Alltså om vi hade kunnat avgränsa oss tidigare hade vi enklare kunnat ta fram en prototyp med bättre resultat baserat på djupare kunskaper.
En annan svaghet i projektarbetet är arbetet med prototypen. Det krävs mer utrustning för att ta fram utmaningen än vad det krävs för att kunna genomföra den. Ett exempel är att ett spänningsaggregat är nödvändigt för att testa komponenter på tidseffektivt sätt. Dessutom hade en multimeter med automatisk justering av mätområdet underlättat vid testkörning av motorn.
Detta för att storleksordningen på den uppmätta strömmen var svår att bedöma på den av Lundström utlånade multimetern. Det krävdes mycket planering för att kunna genomföra arbetet med prototypen varför arbetet hade underlättats om det hade funnits en verkstad tillgänglig på campus istället för endast genom samarbete och besök hos Lundström.
6.2 Förslag på förbättringar av projektetarbetet
Utifrån det ovan nämnda så lägger vi fram förslag på hur detta arbete kan förbättras och utvecklas. Litteraturstudien borde ha avgränsats tydligare och tidigare i projektet, detta för att effektivare hitta mer relevant och djupgående information om energiprojekt/-utmaningar/- tävlingar riktade mot studenter. Vi fick tillgång till den rekommenderade kurslitteraturen (Wickert, J./ K. Lewis, 2012, An introduction to Mechanical Engineering, 3d edition (SI version), Brookes/Cole, Thompson Learning) men studerade inte den. Lika som att internet studerats genom studenternas perspektiv så borde vi gjort detsamma med kurslitteraturen, vilket också hade kunnat ge en indikation på den förväntade kunskapsnivån.
Metoden skulle kunna ha förbättrats genom att tidigare och tydligare definierat samarbetet med Ing.Lundström. Detta är en erfarenhet som vi tar med oss, att ett tydligt definierat samarbete är viktigt för att alla parter skall kunna erbjuda varandra rätt stöttning. Halva projektet hann passera innan det definierades från vårt håll vad vi behövde sakkunnig hjälp med och även vad Lundström förväntade sig av projektarbetet. Sammantaget, ett samarbete är inte givande för ett arbete om inte anledningen är tydligt definierad.
Arbetet med prototypen skulle som tidigare nämnts förenklats med tillgång till en verkstad och elektronikutrustning på campus. Förslaget är specifikt för detta års maskinettan-projekt. Om detta kandidatarbete erbjuds med samma tema, energi, så gäller samma förslag men skulle nästa års tema vara hållfasthet bör en verkstad kopplad till Institutionen för hållfasthetslära tillhandahållas.
Huruvida det starkaste idéförslaget valdes eller inte är en fråga som kan diskuteras utifrån olika intressenters perspektiv. Som studenter själva så vet vi att det alltid är tacksamt med ledning (inspiration) och därmed projekt som inte är unika. Därför skulle kanske förslaget Bro varit ett starkare idéförslag även om de redan genomförda och befintliga projekten med broar ofta utgår från hållfasthet. Utifrån uppdragsgivarens intressen så bedömer vi at vi valde rätt idéförslag då den föreslagna utmaningen uppfyller kraven om anda och ledord speglade i hållbarhet, energi framtid och kreativitet. Utmaningen som vi presenterar är innovativ och till viss del unikt, då vi inte funnit några tidigare studentprojekt med samma tema. Dock finns det mycket material att hämta om portabla laddare från b.la. YouTube. Detta utmanar studenterna att se möjligheter och inte finna lösningar inom begränsade ramar som ett tidigare studentprojekt (funnet på internet) skulle kunna innebära.
20 6.3 Framtida maskinettan-projekt
Detta projektarbete initierades av Viktoria Martin, kursansvarig för Introduktionskursen i Maskinteknik MJ1103, som ett Examensarbete inom hållbar energiteknik (grundnivå, 15,0hp) MJ146X. Alltså var temat ”energi” given för utmaningen. Av tradition så brukar utmaningen ha olika teman för varje år vilket alltså skulle innebära ett annat tema för nästa års utmaning.
Maskinettans projekt har haft detta upplägg om en utmaning i mer än tio år vilket innebär att det finns många gamla maskinstudenter som genomfört en rad olika utmaningar. Utbildningen på KTH och tekniken förändras ständigt vilket även speglas i utmaningarna som gått från rena mekaniska projekt, exempelvis år 2013, till programmeringsprojekt så som år 2016. En enkät om tidigare års utmaningar skulle kunna genomföras för att fånga upp positiva och konstruktiva åsikter rörande utmaningarna. Men framför allt för att fånga upp intressanta idéer som skulle kunna utmynna i kommande års utmaningar. Vid detta projektarbetes mittseminarium erhölls en reflektion från en tidigare maskinetta om att inslaget med Arduino var en bra introduktion till programmering i senare kurser i utbildningen.
Referenser
Apple. 2017. About Apple USB Power Adapters. Apple. [Online] 2017. [Citat: den 2 Maj 2017.]
https://www.apple.com/power-adapters/.
CDIO. Welcome to CDIO! CDIO - Conceive Design Implement Operate. [Online] [Citat: den 18 Mars 2017.] http://www.cdio.org/.
Creative crafts. 2017. Hydro Power at Home | Hydroelectric Generator DIY. Youtube. [Online]
den 21 Januari 2017. [Citat: den 13 Mars 2017.]
https://www.youtube.com/channel/UCn48uzBllFOK46sz_MGOKrQ/featured.
Crepeau, John. H2Go: The Untapped Energy Source. Discovery Press. [Online] [Citat: den 24 Mars 2017.] http://www.discovery-press.com/discovery-press/studyengr/Projects/P109.pdf.
Crowdfunding. 2016. New invention Estream - A portable water power generator fits into backpack. Youtube. [Online] den 8 Augusti 2016. [Citat: den 17 April 2017.]
https://www.youtube.com/watch?v=MHFHIqhkfrs.
Danmarks Tekniske Universitet. 2010. Vinderne fundet i konkurrence på første semester.
DTU Mekanik - Institut for Mekanisk Teknologi. [Online] den 10 December 2010. [Citat: den 3 Mars 2017.] http://www.mek.dtu.dk/Nyheder/2010/12/Knud-Erik_konkurrencen-i-kurset- Ingenioerarbejde.
DeWaters, Jan E. 2012. Design of an Energy Conversion System for Air-Flow Power. Discovery
Press. [Online] 2012. http://www.discovery-press.com/discovery-
press/studyengr/Projects/P26.pdf.
ELECTRI International. Green Energy Challenge Competition. ELECTRI International.
[Online] [Citat: den 14 Mars 2017.] http://www.electri.org/content/green-energy-challenge- competition.
Enomad. 2017. Estream: A portable water power generator fits into backpack. Kickstarter.
[Online] Enomad, den 2013 April 2017. [Citat: den 17 April 2017.]
https://www.kickstarter.com/projects/hyerinster/estream-a-portable-water-power-generator- fits-into/description.
Grandad is an old man. 2015. Helpfile - Button Cell vs Supercapacitor. Youtube. [Online] den 22 Mars 2015. [Citat: den 13 Mars 2017.] https://www.facebook.com/grandadisanoldman.
Hutcheson, Ryan. IDE 20 Engineering Design w/ Computer Aplications. Discovery Press.
[Online] [Citat: den 20 Mars 2017.] http://www.discovery-press.com/discovery- press/studyengr/Projects/P9.pdf.
ITT Industries. Ready Länspumpar. Xylem Water solutions. [Online] [Citat: den 7 Maj 2017.]
http://www.xylemwatersolutions.com/scs/sweden/sv- se/produkter/cirkulationspumpar/Documents/ready1.pdf.
Landis, Dean Raymond B. och Roden, Martin S. Directory of Projects for First-Year Engineering Students. Discovery Press. [Online] [Citat: den 20 Mars 2017.] http://www.discovery- press.com/discovery-press/studyengr/projects.asp.
Lynmouth & Lynton Lift Co. The Lynton & Lynmouth Cliff Railway. The Cliff Railway.
[Online] [Citat: den 17 April 2017.] http://www.cliffrailwaylynton.co.uk/cliff-railway/.
Matthew Lloyd Architects. Waterlift at Duke of York Steps. Matthew Lloyd Architects. [Online]
[Citat: den 17 April 2017.] http://www.matthewlloyd.co.uk/projects/waterlift-duke-of-york- steps/.
