Vågkraft – Waves 2.0
Konceptutvärdering av Waves 1.0 samt omvandling av linjär rörelse till rotation
Wave energy – Waves 2.0
Concept evaluation of Waves 1.0 and conversion of linear motion to rotation
Jesper Samuelsson
Fakulteten för hälsa, natur- och teknikvetenskap
Examensarbete för högskoleingenjörsexamen i maskinteknik, MSGC17 22,5hp
Handledare: Anders Wickberg Examinator: Nils Hallbäck 2017-06-06
Sammanfattning
Syftet med arbetet är att på sikt utveckla en vågkraftsmodell som ska producera el till ett konkurrenskraftigt pris. Arbetet utförs på Invencon AB och ingår i kursen
Examensarbete för högskoleingenjörer i maskinteknik vid Karlstads universitet. Valet av ämne härrör från att det i dagsläget inte finns någon kommersiellt gångbar
vågkraftsteknik och att ingen lyckats pressa priset på producerad el så pass lågt för att konkurrera med andra energikällor som exempelvis vindkraft, kärnkraft och
vattenkraft.
Invencon AB har gjort en förstudie på ett koncept som bygger på enkelhet och kallas för Waves. Waves ska konstrueras med billig, robust och välbeprövad teknik. Målet med detta arbete är att vidareutveckla konceptet och nås genom att basera konstruktionen på bakomliggande teori inom vågkraft, andra vågkraftsmodellers svagheter och
samtidigt hålla sig inom ramen för vad Waves patent täcker. Utöver vidareutvecklingen av Waves ska en lämplig lösning på hur den linjära rörelsen bojen ger upphov till, omvandlas till rotation, som i sin tur kan driva godtycklig pump, generator eller kompressor.
En kravspecifikation för hur omvandlingen från linjär rörelse till rotation ska ske sätts upp. Därefter sker konceptgenerering i form av brainstorming med en grupp studenter på fem personer, samtliga deltagare är kurskamrater. För att välja rätt koncept sker en konceptutvärdering med hjälp av en elimineringsmatris och en relativ beslutsmatris.
Därefter vidareutvecklas det valda konceptet och ingående komponenter
dimensioneras. Till sist konstrueras det valda konceptet i Creo Parametric 2.0 för att visualisera resultatet.
Lösningen är en konstruktion som bygger på två linskivor som en drivlina (vajer) löper genom. Den ena linskivan är fritt lagrad. Mellan den andra linskivan och vajern är friktionen tillräckligt hög för att glidning inte skall ske, vilket leder till att linskivan roterar. Via splines kan momentet föras vidare via en utgående axel som i sin tur kan driva en pump, generator eller kompressor.
Förbättringarna på Waves arbetas fram under projektets gång. Samtliga förbättringar och dimensioneringar sammanställs och kallas Waves 2.0.
Abstract
The purpose of the work is to eventually develop a wave power model that will produce electricity at a competitive price. The work is carried out at Invencon AB and is part of the course Degree Project for Bachelor of Science in Mechanical engineering at Karlstad University. The choice of subject is due to the fact that there is currently no
commercially viable wave technology that has succeeded in pushing the price of
produced electricity so low to compete with other energy sources such as wind power, nuclear power and hydropower.
Invencon AB has made a pilot study on a concept which is based on simplicity and is called Waves. Waves should be constructed with cheap, robust and well-proven technology. The aim of this work is to further develop the concept and will be reached by basing the design on wave force theory, weaknesses of other wave power models while remaining within the scope of what Waves patent covers. In addition to the further development of Waves, an appropriate solution to the linear motion of the buoy will be transformed into rotation, which in turn can drive any pump, generator or compressor.
A requirement specification was set up for how the conversion from linear motion to rotation should be done. This was followed by a concept generation in the form of brainstorming with a group consisting of five students, were all participants are
classmates. To select the right concept, a concept evaluation is done using an elimination matrix and a relative decision matrix. Then the chosen concept is further developed and the components are dimensioned. Finally, the chosen concept is designed in Creo
Parametric 2.0 to visualize the result.
The solution is a construction based on two pulleys as a drift line (wire) runs through.
The one pulley walks freely through ball bearings. Between the second pulley and wire, the friction is high enough for sliding not to occur, which causes the pulley to rotate.
Through splines between the pulley and output shaft, the torque can be propelled and powered by a pump, generator or compressor.
The improvements on Waves are developed during the project. All improvements and dimensions are compiled and called Waves 2.0.
Innehållsförteckning
1. Inledning ... 6
1.1 Bakgrund ... 6
1.2 Waves 1.0 ... 7
1.3 Andra vågkraftstekniker ... 8
1.3.1 Seabased ... 8
1.3.2 Salter’s Duck ... 9
1.3.3 Wavestar ... 10
1.4 Problemformulering ... 10
1.5 Miljöpåverkan ... 10
1.6 Syfte ... 11
1.7 Målsättning ... 11
1.8 Disposition ... 11
2. Teori ... 12
2.1 Problem för pionjärer ... 12
2.2 Tröghet i systemet ... 12
2.3 Resonans ... 12
2.4 Drivlinor ... 14
3. Genomförande ... 15
3.1 Projektplanering ... 15
3.2 Kravspecifikation linjär rörelse till rotation ... 15
3.3 Quality Function Deployment (QFD) ... 16
3.4 Konceptgenerering ... 16
3.5 Konceptutvärdering ... 17
3.5.1 Elimineringsmatris ... 17
3.5.2 Relativ beslutsmatris ... 17
3.5.3 Vidareutveckling av konceptval ... 17
3.6 Felmods- och feleffektsanalys (FMEA) ... 17
3.7 Layoutkonstruktion ... 18
4. Resultat ... 19
4.1 Waves 2.0 ... 19
4.1.1 Generera energi på uppväg ... 19
4.1.2 System i resonans ... 19
4.1.3 Bojens utformning ... 19
4.1.4 Bojens lyftkraft ... 19
4.1.5 Motviktens utformning ... 20
4.1.6 Motviktens storlek ... 20
4.2 Kravspecifikation linjär rörelse till rotation ... 20
4.3 Quality Function Deployment ... 20
4.4 Konceptgenerering ... 21
4.4.1 Koncept 1 ... 21
4.4.2 Koncept 2 ... 21
4.4.3 Koncept 3 ... 22
4.4.4 Koncept 4 ... 22
4.4.5 Koncept 5 ... 23
4.4.6 Koncept 6 ... 23
4.5 Konceptutvärdering ... 24
4.5.1 Elimineringsmatris ... 24
4.5.2 Relativ beslutsmatris ... 24
4.5.3 Vidareutveckling av konceptval ... 25
4.6 Felmods- och feleffektsanalys (FMEA) ... 25
4.7 Layoutkonstruktion ... 25
5. Diskussion ... 27
6. Slutsats ... 28
6.1 Vidare arbete ... 28
Tackord ... 29
Referenslista ... 30
Bilaga 1: Projektplan ... i
Bilaga 2: Beräkning av Waves 2.0 ... v
Bilaga 3: Kravspecifikation ... vii
Bilaga 4: QFD ... viii
Bilaga 5: Vidareutveckling konceptval ... ix
Bilaga 6: FMEA ... xii
Bilaga 7: Sammanställningsritning ... xiii
1. Inledning
Projektet handlade om att utvärdera ett patenterat koncept inom vågkraft samt att omvandla linjär rörelse till rotation. Arbetet utfördes i samarbete med Invencon AB i kursen Examensarbete för högskoleingenjörsexamen i maskinteknik, MSGC17. Kursen gavs på Högskoleingenjörsprogrammet i maskinteknik vid Fakulteten för hälsa, natur- och teknikvetenskap på Karlstads universitet. Kursen motsvarade 22,5 hp och sträckte sig över vårterminen år 2017. Handledare från universitetet var Anders Wickberg, handledare från Invencon AB var Jan Sjöberg och examinator var Nils Hallbäck.
1.1 Bakgrund
I dagsläget finns ingen kommersiellt gångbar vågkraftsmodell. Vågkraft är under kraftig utveckling och det finns många projekt och pilotanläggningar runt om i världen (Sidén 2009). Problemet är att ingen modell har lyckats komma ner i konkurrenskraftiga priser mot t.ex. kärnkraft, vindkraft eller vattenkraft.
Invencon AB utvärderar i dagsläget tre patenterade vågkraftsmodeller som Olcon Engineering AB äger. Projektet kallas Waves och är tidigt i förstudiefasen ännu. Vidare i arbetet kommer Invencon ABs förstudie kallas Waves 1.0 för att skilja det från detta projekt, som kommer att benämnas Waves 2.0. Gemensamt för de tre
vågkraftsmodellerna är att de bygger på tre ingående komponenter, se även figur 1:
1. En flottör som följer vågrörelserna som fortplantas till en generator/kompressor/pump via en drivlina och motvikt.
2. En flytkropp innehållande generator/kompressor/pump som förankras på lämpligt djup.
3. Ett bottenfundament som flytkroppen kan förankras i.
Figur 1: Schematisk bild av vågkraftverk
Waves bygger på enkelhet. Genom att använda välbeprövad, robust teknik är tanken att priset ska pressas tillräckligt lågt för att modellen på sikt ska kunna kommersialiseras.
Detta kräver att samtliga ingående komponenter är optimerade gällande materialkostnad, tillverkningskostnad och servicekostnad.
1.2 Waves 1.0
Förstudien som gjorts på Invencon AB ger Waves 1.0 ett utförande enligt figur 2.
Komponenterna och dess utformning presenteras i tabell 1.
Tabell 1: Ingående komponenter i Waves 1.0
Komponent Geometri Vikt [kg] Lyftkraft [kN]
Fundament Kubformad 65000 -
Flytkropp Cylinderformad - 129
Kraftgenererande enhet Cylinderformad 1000 -
Flottör Klotformad 120 41,1
Drivlina - - -
Motvikt Klotformad 1500 -
Figur 2: Waves med dess ingående komponenter. [Källa: Invencon AB (2016)]
1.3 Andra vågkraftstekniker
Det finns ett stort antal koncept för hur omvandling av vågornas rörelse till nyttig energi kan ske, exempelvis Seabased, Salter’s Duck och Wavestar. Ännu har inget företag lyckats pressa priset på producerad energi tillräckligt lågt för att kunna nå en
kommersialisering (Sidén 2009).
1.3.1 Seabased
Seabased AB är det företag som är världsledande inom vågkraft. Företagets modell bygger på en linjärgenerator som sitter dikt förankrad i ett betongfundament på havsbotten. Genom en flytboj som följer vågornas rörelse kan energi genereras i linjärgeneratorn enligt figur 3. Via ett ställverk, som också är placerat på havsbotten, kan energin konverteras till en frekvens på 50-60Hz med högspänning för att sedan kunna transporteras till land med små förluster. Hela förloppet beskrivs i figur 4. I Lysekil har Seabased sin testanläggning som både energimyndigheten och Vattenfall stöttat ekonomiskt (Seabased 2013).
Figur 3: Seabaseds linjärgenerator. [Källa: Seabased (2013)]
Figur 4: Förlopp för energitransport för Seabased. [Källa: Seabased (2013)]
1.3.2 Salter’s Duck
Salter’s Duck bygger på en flytkropp som roterar kring en axel. Denna modell anses vara den mest effektiva av alla vågkraftskonstruktioner då den fångar upp både potentiell och kinetisk energi från vågorna (Sidén 2009). Den beräknas kunna fånga 90 procent av energin i vågorna. Havet blir nästan stilla efter anläggningen, se figur 5.
Figur 5: Salter´s Duck. Egen illustration av Jesper Samuelsson
1.3.3 Wavestar
Det danska vågkraftsprojektet Wavestar AS anses ligga närmast kommersiell lansering (Sidén 2009). Wavestar-anläggningen hämtar energi med flottörer som stiger och sjunker med vågorna, se figur 6. Flottörerna är kopplade med länkarmar till en plattform, som står på ben fästa vid havsbotten. Rörelsen driver en hydraulisk pump, vilket leder till en jämn och kontinuerlig energiproduktion.
Figur 6: Wavestar. [Källa: Wavestar (2017)]
1.4 Problemformulering
Den centrala problemformuleringen som behandlas är hur den linjära kraften som flottören ger upphov till, omvandlas till rotation på det mest effektiva sättet. Utöver detta skall Waves 1.0 optimeras gällande ingående komponenter.
1.5 Miljöpåverkan
Vågkraft är en förnybar och utsläppsfri energiproduktionsform. Den kan ha en lokal påverkan på ekosystemet där parken installeras. Det är svårt att fastställa den lokala
påverkan eftersom teknologin är ny, men starka indikationer tyder på att vågkraft kan ha en positiv påverkan på det lokala ekosystemet (Fortum 2016). Vid byggandet
kommer både eventuella fundament, fästpunkter för förankringslinor och kabeldragning orsaka att sediment rörs upp, vilket kan påverka flora och fauna. Det är dock ett
övergående problem och fundament kan fungera som konstgjorda rev, vilket kan leda till positiva egenskaper för den biologiska aktiviteten (Sidén 2009).
1.6 Syfte
Syftet är att utveckla ett småskaligt vågkraftverk som producerar 10kW, för att senare pressa priset tillräckligt för att konkurrera med övriga energikällor och på sikt även kunna kommersialiseras. Ett ingenjörsmässigt arbetssätt ska tillämpas i projektet för att förbättra Waves och studera om möjligheten finns att pressa priserna så pass lågt att ett konkurrenskraftigt pris på producerad el kan uppnås. För att få en rättvis uppfattning om priser, dimensionering och hållbarhet krävs att en analys utförs. Arbetssättet i projektet innehåller faserna projektplanering, informationssökning, konceptoptimering, kravspecificering, konceptgenerering, konceptutvärdering, konceptval samt
layoutkonstruktion.
1.7 Målsättning
Målet är att utveckla grundkonceptet Waves 1.0 och att finna en lämplig lösning som på ett effektivt sätt omvandlar den linjära rörelsen bojen ger upphov till, till rotation som i sin tur kan driva en godtycklig pump, kompressor eller generator. Rotation är önskvärt då roterande pumpar, kompressorer och generatorer generellt har lägre pris, men även högre verkningsgrad än vad linjära pumpar, kompressorer och generatorer har.
1.8 Disposition
I kapitel två presenteras bakomliggande teori och studier som är centrala för att utveckla Waves. Kapitel tre inleds med projektplanering för att sedan gå in på de metoder som användes för att utveckla en produkt som omvandlar linjär rörelse till rotation. I första delen i kapitel fyra presenteras Waves 2.0, ett nytt koncept på hur Waves skulle kunna utformas. Därefter presenteras resultatet på produktutvecklingen av hur linjär rörelse ska omvandlas till rotation. I det femte kapitlet diskuteras resultatet för att sedan ledas in i kapitel sex där resultatet sammanfattas och framtida arbeten att
spinna vidare på tas upp.
2. Teori
Genom att kartlägga och studera hur övriga vågkraftverk fungerar och vilka brister de har kan Waves utvecklas och förbättras.
2.1 Problem för pionjärer
Forsberg1 hävdar att många vågkraftverk, bland annat Seabased, havererar på grund av ryck. När bojen är på vågtoppen och en brytande våg uppstår, leder det till fritt fall för bojen ner i vågdalen. Detta resulterar i slack på drivlinan för att systemet inte hinner med. När nästa våg kommer blir det ett ryck som drar av drivlinan, varpå bojen flyter iväg. Om konstruktionen istället har en drivlina med större elasticitet som klarar dessa ryck, minskar utvunnen energi och vågkraftverket blir inte lönsamt. Således är det högst relevant att konstruera Waves efter detta fenomen. Systemet måste följaktligen vara snabbt på nervägen för att hantera denna påfrestning.
Waves bygger på en flottör med 41,1kN lyftkraft (tabell 1). Att ha en betydligt större lyftkraft än vad som krävs för att driva generator, pump eller kompressor är inte gynnsamt för konstruktionen. När en våg högre än slaglängden hos systemet uppkommer dras konstruktionen sönder.
2.2 Tröghet i systemet
Systemet svänger i regel 20 000 gånger varje dygn (SMHI 2016). Att ha ett system med en stor motvikt leder till att mycket arbete går åt för att vända systemet i vågens topp respektive dal. Detta är ett arbete som inte kan generera energi och är därmed onödigt.
Genom att minska motviktens massa kan det arbete som krävs för att vända systemet minskas och en större del av vågens energi kan bli nyttig energi för systemet.
2.3 Resonans
Det önskvärda för vågkraftverket är att få så stora rörelser som möjligt. Detta kan erhållas genom att systemets egenfrekvens matchar vågornas frekvens. På så sätt kan resonans uppnås, vilket ökar energiutbytet (Claeson 1987).
Vågornas signifikanta vinkelhastighet ges av periodtiden (τ) för vågorna, som är vågdata vid Väderöarna taget från Sveriges Meteorologiska och Hydrologiska Institut [SMHI]
(2016).
𝜔!"#$"%"&'$( = 2𝜋
𝜏!"#$"%"&'$(
(1)
Där 𝜏!!"#!$!"#$% = 4,23𝑠 vilket ger 𝜔!"#$!!"#$%& = 1,48 𝑟𝑎𝑑 𝑠. Genom att sätta ω!å! =
𝜔!"!#$% uppnås resonans vilket ger maximal svängning.
1 Jan Forsberg universitetsadjunkt Karlstads universitet, intervju den 21 mars 2017
För att beräkna systemets egenfrekvens måste de ingående komponenterna
approximeras till lämpliga motsvarigheter inom maskindynamik. Holleboom2 anser att systemet kan beskrivas enligt figur 7 och 8.
Figur 7: Approximation av system Figur 8: System med insatta approximationer
Till skillnad från figur 1 har figur 8 en cylinderformad boj istället för klotformad. Med en cylinderformad boj förändras inte diametern med längd under ytan, vilket underlättar när egenfrekvensen ska beräknas.
Enligt Forsberg3 varierar hastigheten som bojen rör sig med under hela svängningen, vilket leder till att dämpningen (pumpen, kompressorn eller generatorn) genererar varierande effekt under hela cykeln. Under halva cykeln är systemet fritt svängande vilket medför att två olika egenfrekvenser fås. När systemets egenfrekvens skall
beräknas approximeras därför systemet till ett fritt svängande system enligt ekvation 2, detta för att sedan kunna lösa ut bojens diameter samt systemets massa.
𝜔𝑛 = 𝑘 𝑚
(2)
Bojen kan ses som en fjäder där fjäderkraften motsvarar lyftkraften (Arkimedes princip) för bojen.
𝑘 = 𝜌𝑔𝐴!"#
𝐴!"# = 𝜋𝑑! 4
2 Thijs Jan Holleboom docent Karlstads universitet, intervju den 10 mars 2017
3 Jan Forsberg universitetsadjunkt Karlstads universitet, intervju den 21 mars 2017
Bojens diameter (d) bör vara lika lång som en kvarts våglängd för att maximera
energiupptagningen (Claeson 1987). Våglängden kan beräknas via ekvation 3, vilket ger bojens diameter enligt ekvation 4.
𝐿 = 𝜏!"#$"%"&'$(!∗ 1,56 (3)
𝑑 =𝜏!"#$"%"&'$(!∗ 1,56
4 = 7 𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟 (4)
Med värden insatta i ekvation 2 leder det till att systemet kräver en svängande massa på 172 ton, med en boj på 7 meter, för att svänga i resonans för de mest förekommande vågorna. Eftersom Waves bygger på att vara ett småskaligt vågkraftverk utesluts därför resonansfenomenet i detta arbete.
2.4 Drivlinor
Vid bedömningen av livslängd hos olika drivlinor spelar en rad faktorer in såsom korrosion, nötning, utmattning och åldring. Tabell 2 illustrerar en jämförelse av olika drivlinor och dess relativa egenskaper.
Tabell 2: Drivlinors relativa egenskaper (Claeson 1987) Typ Motstånd
mot korrosion
Utmattnings- hållfasthet
Motstånd mot nötning
Känslighet för påväxt
Elasticitet Kostnadsrelation per uppburet ton
(1 - billigast)
Kätting Medel Hög Högt Medel Mycket liten 4
Vajer Låg Medel Medel Medel Mycket liten 1
Nylonlina Högt Låg Lågt Hög Mycket stor 2,5
Fiberlina Kevlar
Högt Medel Lågt Hög Stor 2
Fiberlina Karat
Högt Hög Lågt Hög Liten 1,5
3. Genomförande
Projektet följde projektmodellen; informationssökning, konceptoptimering, kravspecifikation, konceptgenerering, konceptutvärdering, konceptval samt
layoutkonstruktion (Johannesson et al. 2013). En stor del av arbetet var att utvärdera det grundkoncept på Waves som Invencon AB tagit fram då många brister upptäcktes.
För att möjliggöra en bra och relevant konceptgenerering på omvandlingen från linjär rörelse till rotation, krävs att övriga komponenter är optimerade och korrekt
dimensionerade.
3.1 Projektplanering
Projektet inleddes med att arbeta fram en projektplanering för att kartlägga vilket problem som skall lösas och hur långt projektet hittills har kommit. Projektplanen innehåller bakgrund, mål, projektorganisation, riskbedömning, tidsplanering samt dokumenthantering. Hela projektplaneringen finns i bilaga 1.
En bakgrundsbeskrivning formulerades utifrån projektbeskrivningen. Det klargjordes varför projektet startats och vad det syftade till att lösa, för att lösningsarbetet skulle bli målinriktat samt motivera projektdeltagaren (Eriksson & Lilliesköld 2005).
Projektets organisation orienterades, där projekttagare, uppdragsgivare, handledare från Karlstads universitet, samt handledare från Invencon AB namngavs, dess roller beskrevs och telefon- och e-postuppgifter räknades upp. Allt för att underlätta kommunikationen under projektets gång (Eriksson & Lilliesköld 2005).
En riskanalys utfördes där generella risker i projektet togs upp. I varje projekt finns olika typer av risker och de kommer att påverka projektet olika. I riskanalysen togs alla typer av tänkbara risker upp, sedan uppskattades sannolikheten och konsekvensen för varje risk med en skala 1-5. Därefter multiplicerades sannolikhet och konsekvens, vilket gav ett risktal mellan 1-25. Till varje risk skapades en åtgärd eller förslag för att kunna eliminera eller hantera risken om den uppstår (Eriksson & Lilliesköld 2005).
Tidsplaneringen utarbetades i form av ett Gantt-schema. Det är en mycket enkel metod som snabbt åskådliggör tidsåtgången för aktiviteter i ett projekt (Johannesson et al.
2013). Ett första Gantt-schema konstruerades i början av projektet för att sedan uppdateras under projektets gång.
3.2 Kravspecifikation linjär rörelse till rotation
Kravspecifikationen skapades utifrån förstudien som Invencon AB har levererat i kombination med de förbättringar som tagits fram under projektets gång.
Kravspecifikationen svarar på vad som ska åstadkommas. Detta görs i sådan form och termer att den ingående informationen kan användas både som utgångspunkt vid det senare sökandet efter design- och konstruktionslösningar samt som referens vid
utvärdering av dessa lösningar och den slutliga konstruktionslösningen (Johannesson et al. 2013).
I samband med kravspecifikationen skapades en kriteriematris enligt Olsson (1978).
Kriteriematrisen delar in produktens livscykler och dess inverkande aspekter. Varje cell i matrisen representerar en eventuell produktaspekt under den betraktade
livscykelfasen, se tabell 3.
Tabell 3: Olssons kriteriematris Livscykelfas
Aspekter
Process Miljö Människa Ekonomi
Alstring (Utveckling, konstruktion m.m.) 1.1 1.2 1.3 1.4
Framställning (Tillverkning, montering, kontroll m.m.) 2.1 2.2 2.3 2.4 Brukning (Installation, användning, underhåll m.m.) 3.1 3.2 3.3 3.4
Varje kriterium betraktas som ett krav (K) eller önskemål (Ö). Krav är kriterier som måste uppfyllas och önskemål är kriterier som bör uppfyllas. Önskemålet viktas på en skala 1-5 beroende på hur betydelsefull den är för konstruktionen.
3.3 Quality Function Deployment (QFD)
Marknadens och användarens krav på en produkt måste under specifikationsfasen översättas till tekniska krav och specifikationer, det vill säga till mätbara
konstruktionsmål för identifierade kritiska konstruktionsparametrar. Quality Function Deployment (QFD), som på svenska kallas kundcentrerad planering, är ett arbete som stödjer detta ”översättningsarbete” (Johannesson et al. 2013).
Första steget i QFD-metoden är ett ”kvalitetshus” (House of Quality). Med hjälp av kvalitetshuset kan kundens behov sättas upp och jämföras med egenskaper som är önskvärda för produkten. Kundens behov får också en viktning där ett högre värde innebär att det är en egenskap/funktion som är mer åtråvärd för kunden. Viktningen för kundens behov använder skalan 1-5. I kvalitetshusets centrala del jämförs kundens behov med de kriterier som satts upp. Följande bedömningsskala brukar då användas:
• 9 = Mycket stark koppling
• 3 = Medelstark koppling
• 1 = Svag koppling
• 0 = Ingen koppling
De olika kriterierna kan också mätas och målvärdet kan avläsas i botten av kvalitetshuset.
3.4 Konceptgenerering
I konceptgenereringsfasen tillämpades metoden brainstorming där en grupp på fem stycken studenter, samtliga med god förståelse för teknik, satt och genererade koncept.
Metoden går ut på att ta fram så många lösningsförslag som möjligt, idékvantitet går före idékvalitet. På detta sätt säkerställs att hela lösningsrymden kartlagts (Johannesson et al. 2013).
3.5 Konceptutvärdering
3.5.1 Elimineringsmatris
Första steget i utvärderingsprocessen är ”eliminering av dåliga lösningar”. Till stöd tillämpades en elimineringsmatris efter Pahl och Beitz (1995). Detta steg har egentligen redan påbörjats under avslutningen av konceptgenereringen där en första grov
bortsortering av orimliga totallösningsalternativ utfördes. Här undersöks de befintliga lösningsalternativen för att kartlägga om dessa:
• Löser huvudproblemet
• Uppfyller allt i kravspecifikationen
• Kan realiseras i verkligheten
• Är inom den gällande kostnadsramen 3.5.2 Relativ beslutsmatris
För att göra ett slutgiltigt val ställdes en relativ beslutsmatris upp enligt Pugh (1990) och lösningarna bedömdes efter hur de uppfyllde de viktigaste kraven på
konstruktionen. Samtliga koncept vägdes mot ett referenskoncept. Var lösningen bättre än referenskonceptet gavs ett +, sämre ett – och lika bra gav 0. Ett nettovärde
beräknades som summan av antalet plus- och minustecken för att därefter rankas och ta beslut om vilket koncept som ska väljas (Johannesson et al. 2013).
3.5.3 Vidareutveckling av konceptval
Det valda konceptet vidareutvecklades med förbättringar och analyserades med hållfasthetsberäkningar för att sedan kunna dimensionera ingående komponenter.
3.6 Felmods- och feleffektsanalys (FMEA)
FMEA bygger på subjektiva bedömningar inom ett produktutvecklingsteam av vilka felhändelser som kan uppträda hos en produkt samt deras felkonsekvenser
(Johannesson et al. 2013).
I FMEA-analysen användes skalan 1-10 i kategorierna felsannolikhet, allvarlighet och upptäckbarhet. Därefter beräknas risktalet för varje tänkbar felorsak som produkten av de tre faktorerna, vilket gav ett risktal mellan 1-100. FMEA-processen dokumenterades genom att felhändelser i klartext, föreslagna åtgärder och konstruktionsändringar angavs.
3.7 Layoutkonstruktion
I layoutkonstruktionen analyserades det valda konceptet noggrannare med skisser, beräkningar och CAD-modellering. Modelleringen gjordes för att visualisera det valda konceptet och därmed få en förståelse för hur konstruktionen skulle se ut.
4. Resultat
4.1 Waves 2.0
För att utveckla ett användbart koncept på hur linjär rörelse ska omvandlas till rotation krävs ett väl genomarbetat grundkoncept. Ett antal förbättringar på Waves har tagits fram med hjälp av bakomliggande teori. Beräkningar och dimensionering av Waves 2.0 kan utläsas i bilaga 2.
4.1.1 Generera energi på uppväg
Waves 2.0 bygger på att generera energi på uppvägen istället för nedvägen som var tanken i Waves 1.0. Genom att frikoppla systemet på nervägen fås ett snabbt system på nervägen vilket är ett krav för att klara de ryck i drivlinan som t.ex. Seabased har problem med.
4.1.2 System i resonans
Efter att ha studerat hur resonansfenomenet fungerar för vågkraftverk gjordes en avvägning där systemet konstruerades för att vara snabbt och ha en bred
frekvensupptagning istället för att konstrueras för resonans i en viss frekvens.
Resonans kan även uppnås genom att fasstyra systemet. Genom fasstyrning behövs inte lika stora dimensioner på boj och svängande massa för att få systemet att svänga i resonans. På grund av bristande tidsrymd bortprioriterades detta.
4.1.3 Bojens utformning
Efter konsultation från Jan Forsberg kunde bojens diameter sättas till tre meter och halva bojen ska vara under ytan vid jämvikt för att få en stabil boj som inte råkar ut för slamming4. Genom att ha en boj som är cylinderformad istället för klotformad
underlättar det för vidare arbete om systemet skall konstrueras för resonans.
4.1.4 Bojens lyftkraft
Genom att konstruera bojen med en lyftkraft lika stor som den effekt som pumpen maximalt kan generera säkerställs att höga vågor inte kommer att förstöra
konstruktionen. Skulle vågor högre än konstruktionens slaglängd uppstå, översköljs bojen och konstruktionen överlever. Bojens lyftkraft ska vara nog stor för att driva en pump/generator med en märkeffekt på 10kW. Lyftkraften kan beräknas enligt ekvation 5.
𝑃 = 𝐹 ∗ 𝑣
(5)
𝑣 = 1𝑚/𝑠 (Väderöarna) 𝑃 = 10𝑘𝑊
4 Slamming: Bojen lyfts över vattenytan för att sedan slå ner i vattenytan. Slamming är extremt påfrestande för konstruktionen.
Systemet ska således konstrueras efter en lyfkraft på 𝐹 = 10𝑘𝑁. Detta leder även till att bottenfundamentet inte behöver överdimensioneras då lyftkraften aldrig överstiger 10kN.
4.1.5 Motviktens utformning
Motvikten ska utformas med strömlinjeform för att minimera motståndet då systemet rör sig nedåt, detta för att hela tiden hålla drivlinan sträckt.
4.1.6 Motviktens storlek
Motvikten måste ha tillräcklig massa för att uppnå rätt friktion mellan drivlina och linskiva (Figur 9, ekvation 6). Samtidigt ska det kunna accelerera linskivan så snabbt att det alltid håller drivlinan sträckt. Beräkningar på motviktens massa kan ses i bilaga 2.
Figur 9: Glidning mellan drivlina och linskiva
𝐹!= 𝐹!∗ 𝑒!" (6)
Där F1 är bojens lyftkraft, F2 är massans gravitationskraft, μ är friktionskoefficient (0,2 för stål-stål) och α är omslutningsvinkel uttryckt i radianer.
4.2 Kravspecifikation linjär rörelse till rotation
I kravspecifikationen listades önskemål och krav på konstruktionen. Konstruktionen måste medge låg tillverkningskostnad, vara korrosionsbeständig, ha lågt
masströghetsmoment och konstrueras för värsta tänkbara belastning (pump låst och hela bojen under vattenytan). Hela kravspecifikationen presenteras i bilaga 3.
4.3 Quality Function Deployment
I den QFD som konstruerats har de viktigaste kraven och önskemålen från
kravspecifikationen listats och viktats för att urskilja vilka parametrar som är viktigast för konstruktionen. Detta material presenteras i bilaga 4.
4.4 Konceptgenerering
Konceptgenereringsfasen mynnade ut i totalt sex stycken realiserbara koncept.
4.4.1 Koncept 1
Koncept 1 bygger på en linskiva som drivlinan lindas ett helt varv runt, se figur 10.
Drivlina: Vajer
Fördelar: Billig konstruktion
Nackdelar: Kräver stigning på linskiva, vilket leder till bred linskiva. Begränsad slaglängd. Dyr bearbetning.
Figur 10: Koncept 1
4.4.2 Koncept 2
Koncept 2 bygger på två linskivor där drivlinan lindas ett halvt varv runt vardera linskiva, se figur 11. Moment plockas ut på ena axeln.
Drivlina: Vajer
Fördelar: Billig konstruktion. Går att optimera.
Nackdelar: Liten omslutningsvinkel ger stor motvikt.
Figur 11: Koncept 2
4.4.3 Koncept 3
Koncept 3 bygger på två kugghjul som drivs av en kedja, se figur 12.
Drivlina: Kedja
Fördelar: Slirar aldrig
Nackdelar: Dyrt med kedja som drivlina (tabell 2). Känslig för rotation.
Figur 12: Koncept 3
4.4.4 Koncept 4
Koncept 4 bygger på en kätting som driver ett kättinghjul, se figur 13.
Drivlina: Kätting Fördelar: Slirar aldrig
Nackdelar: Dyr drivlina (tabell 2). Risk för låsning mellan drivlina och hjul.
Figur 13: Koncept 4
4.4.5 Koncept 5
Koncept 5 bygger på ett svänghjul som drivs av bojen på uppvägen, när bojen går ner har svänghjulet tillräcklig rörelseenergi för att driva runt hjulet ett halvt varv, se figur 14.
Drivlina: Vajer
Fördelar: Billig konstruktion
Nackdelar: Varierande slaglängd kan medföra problem. Obeprövad teknik på detta område.
Figur 14: Koncept 5
4.4.6 Koncept 6
Koncept 6 bygger på två hjul som drivs av en kuggrem, se figur 15.
Drivlina: Kuggrem
Fördelar: Slirar aldrig. Elastisk energi kan lagras i remmen, vilket är fördelaktigt vid snabba rörelser.
Nackdelar: Obeprövad teknik.
Figur 15: Koncept 6
4.5 Konceptutvärdering 4.5.1 Elimineringsmatris
För att göra en sållning på vilka koncept som ska gå vidare till nästa steg gjordes en elimineringsmatris, se tabell 4. Utifrån elimineringsmatrisen beslutades att eliminera koncept 5 och 6.
Tabell 4: Elimineringsmatris Koncept Löser
huvudproblemet Realiserbar Ekonomisk Säker
lösning Passar
Waves Tillräcklig
info Kommentar Beslut
1 [+] [+] [+] [+] [+] [+] Fullföljs [+]
2 [+] [+] [+] [+] [+] [+] Fullföljs [+]
3 [+] [+] [-] [?] [+] [+] Låsning i hjul? [+]
4 [+] [+] [-] [?] [+] [+] Låsning i hjul? [+]
5 [+] [?] [+] [+] [?] [-] Slaglängd?
Masströghet? [-]
6 [+] [?] [-] [+] [-] [-]
Elasticitet i
rem? [-]
Elimineringskriterier: [+] Ja, [-] Nej, [?] Mer info krävs Beslut: [+] Fullfölj lösning, [-] Eliminera lösning
4.5.2 Relativ beslutsmatris
För att göra ett konceptval ställdes de olika tänkbara koncepten mot varandra i en relativ beslutsmatris där koncept 1 valdes som referens, då detta koncept ansågs vara den mest triviala lösningen, se tabell 5. Den bäst lämpade lösningen utifrån den relativa beslutsmatrisen blev koncept 2.
Tabell 5: Relativ beslutsmatris Önskemål = Ö
Kriterium
Koncept
Krav = K 1 (ref) 2 3 4
K Utmattningshållfasthet
D A T U M
0 0 0
K Nötningsbeständig 0 0 0
K Korrosionsbeständig 0 0 0
K Lågt masströghetsmoment + + +
Ö Medge låg materialkostnad + - -
Ö Medge låg tillverkningskostnad + - -
Summa + 2 1 1
Summa 0 3 3 3
Summa - 0 2 2
Nettovärde 0 3 -1 -1
Rangordning 2 1 3 3
Vidareutveckling nej Ja nej nej
4.5.3 Vidareutveckling av konceptval
Koncept 2 vidareutvecklades genom att optimera konstruktionen och beräkningar vad gäller linskivornas storlek, motviktens massa för att uppnå rätt friktion, utgående axel samt lager. Samtliga vidareutvecklingar och beräkningar kan ses i bilaga 5.
4.6 Felmods- och feleffektsanalys (FMEA)
En FMEA upprättades för konceptvalet. Med hjälp av FMEA-analysen identifierades de fel som kan uppstå samt rekommenderade åtgärder, se bilaga 6.
4.7 Layoutkonstruktion
Den slutgiltiga konstruktionen modellerades i Creo Parametric 2.0. Figur 16 illustrerar konstruktionen. Konstruktionen bygger på att drivlinan (vajer) går via den nedre linskivan, vilken är fritt lagrad, upp till den övre linskivan. I den övre linskivan är friktionen mellan vajer och linskiva så stor att vajern inte slirar, istället börjar linskivan rotera. Via splines överförs momentet till utgående axel (blå), där effekt plockas ut via pump, kompressor eller generator. Konstruktionen ska monteras i flytkroppen. Därför har ramen konstruerats för att fästas både i botten och toppen på flytkroppen, på så sätt fås en stabil konstruktion. Sammanställningsritning på konstruktionen ges i bilaga 7.
Figur 16: Slutgiltig konstruktion
Figur 17 visar en sprängskiss över konstruktionen. Sprängskissen illustrerar de ingående komponenterna i slutkonstruktionen.
Figur 17: Sprängskiss
5. Diskussion
Då arbete i projektform alltid har en utsatt tidsram krävs det en väl genomarbetad tidsplanering i början av projektet. Ofta uppkommer fler moment än vad som är tänkt från början vilket gör det fördelaktigt att arbeta i en framtung process. Genom att arbeta framtungt finns alltid en buffert av tid som kan användas när komplikationer uppstår.
Målet från allra första början med projektet var att endast arbeta fram en lösning på hur linjär rörelse omvandlas till rotation på ett lämpligt sätt. Tidigt i informationssökningen insågs dock vissa brister i förstudien som Invencon AB har gjort (Waves 1.0). Därför valdes det att även studera hur hela konceptet Waves kunde förbättras. Tidsplanen fick omarbetas och en stor del av tiden gick åt att förbättra Waves i sin helhet.
Ett antal förbättringar har tagits fram i Waves 2.0. Dessa förbättringar grundas på informationssökningen som gjorts, dels på vågkraft generellt men även genom att studera brister hos de vågkraftsmodeller som finns. På grund av tidsramen som är satt fanns inte tillräckligt med tid för att kunna optimera Waves för att svänga i resonans för de mest frekventa vågorna.
Tiden som lades på omvandling från linjär rörelse till rotation fick därför minskas, fortfarande fanns tillräckligt med tid för att göra en fullgod produktutveckling på denna komponent. Konceptvalet som gjorts på hur den linjära rörelsen skall omvandlas till rotation kan motiveras på många sätt. Dels är konstruktionen relativt billig, gällande både materialkostnad och tillverkningskostnad. Utöver det är det en välbeprövad, robust teknik, vilket är ett krav för de ingående komponenterna i Waves. Då konstruktionen kommer att befinna sig i en väldigt korrosiv miljö har
hållfasthetsberäkningar gjorts på syrafast rostfritt stål, även valet av kullager är gjort för att klara den miljö den utsätts för. Konstruktionen är konstruerad för att ha vajer som drivlina, vilket är det mest kostnadseffektiva alternativet.
6. Slutsats
Waves 1.0 har utvecklats till Waves 2.0 där ett antal förbättringsförslag har tagits fram.
Den största förändringen är att generera energi på uppvägen istället för nervägen.
Ytterligare förbättringar har arbetats fram, bland annat bojens utformning och dess lyftkraft men även sänkets utformning och dess storlek. Nya dimensioneringar på ingående komponenter i Waves har beräknats. Många av de ingående komponenterna kan minskas, vilket är gynnsamt för både ekonomi och miljö.
Den slutgiltiga konstruktionen på hur linjär rörelse ska omvandlas till rotation bygger på att drivlinan (vajer) går via den nedre linskivan, vilken är fritt lagrad, upp till den övre linskivan. I den övre linskivan är friktionen mellan drivlina och linskiva så stor att vajern inte slirar, istället börjar linskivan rotera. Via splines överförs momentet från linskivan till utgående axel, där effekt plockas ut via en pump, kompressor eller generator.
6.1 Vidare arbete
Waves kan konstrueras för att svänga i resonans för de mest förekommande vågorna för att öka energiutbytet. Detta kan åstadkommas via en stor svängande massa alternativt via fasstyrning. Vajern måste styras för att inte riskera att skava mot flytkroppen.
Utgående axel skall kopplas vidare till en växel eller direkt till en godtycklig pump, generator eller kompressor. Dessutom måste ett frinav konstrueras för att frikoppla systemet på nedvägen.
Tackord
Ett särskilt stort tack till Jan Forsberg för all information kring vågkraft. Tack till Henrik Svärd på Invencon AB och Johnny Ohlson på Olcon Engineering AB som gjorde projektet möjligt. Tack till Anders Wickberg för värdefull handledning gällande rapporten.
Tack till Ronnie, Jon, Jonas, Lina och Jan för all stöttning och att ni har varit bollplank under projektets gång.
Referenslista
Certex (2016a). Stållina rostfri 19-trådig.
http://www.certex.se/se/produkter/stallinor/staglinor/stallina-rostfri-19- tradig__n28268 [2017-04-20].
Certex (2016b). Stållinors förlängning. http://www.certex.se/se/produkter/teknisk- beskrivning/stallinor/teknisk-beskrivning/stallinors-forlangning__n46395 [2017-04- 20].
Claeson, L. (1987). Energi från havets vågor. 1. uppl. Stockholm:
Energiforskningsnämnden.
Eriksson, M. & Lilliesköld, J. (2005). Handbok för mindre projekt. Stockholm: Liber.
Fortum (2016). Vågkraft – en outtömlig energikälla för framtiden.
http://www.fortum.com/countries/se/om-fortum/energi- produktion/vagkraft/pages/default.aspx [2017-01-30].
Gunnebo (2017). Stållina – rostfri. http://www.gunnebolifting.se/sv-
SE/Lifting/Produkter/Rostfria-produkter/Stallina---Rostfri/ [2017-04-20].
Johannesson, H., Persson, J. & Pettersson, D. (2013). Produktutveckling – effektiva metoder för konstruktion och design. Stockholm: Liber.
Olsson, E. & Perning, U. (1973). Värdeanalys: fantasi och sund förnuft i samverkan. 2.
uppl. Stockholm: Prisma.
Pahl, G. & Beitz, W. (1995). Engineering design: A systematic approach. 1. uppl. Berlin:
Springer.
Pugh, S. (1990). Total design: Integrated methods för successful product engineering.
Wokingham: Addison-Wesley.
Seabased (2013). Seabased wave energy.
http://www.seabased.com/en/technology/seabased-wave-energy [2017-03-02].
Sidén, G. (2009). Förnybar energi. 1. uppl. Lund: Studentlitteratur.
Sveriges Meteorologiska och Hydrologiska Institut (2016). Öppna data. http://opendata- download-ocobs.smhi.se/explore/?parameter=0# [2017-04-03].
Bilaga 1: Projektplan
Projektets innehåll
Projektet görs på uppdrag av Invencon AB, Karlstad i kursen Examensarbete för högskoleingenjörsexamen i maskinteknik, MSGC17. Kursen ges på
högskoleingenjörsprogrammet i maskinteknik vid Fakulteten hälsa-, natur- och teknikvetenskap på Karlstads universitet. Kursen motsvarar 22,5 hp och sträcker sig över vårterminen 2017. Handledare från universitetet är Anders Wickberg och examinator är Nils Hallbäck.
I dagsläget finns det ingen kommersiellt hållbar teknik inom vågkraft som kan konkurrera med övriga energikällor gällande pris. Vatten täcker 70 % av jordens yta och är en outtömlig energikälla. Till skillnad från andra förnybara energikällor rullar alltid havets vågor och följer regelbundna mönster, vilket betyder att en mer konstant elförsörjning än t.ex. vindkraft kan säkerställas. Vinden påverkar vågen under en lång sträcka, vilket ger en ackumulering av energi (Sidén 2009).
Projektets mål
Genom att använda enkel, robust och välbeprövad teknologi konfigurerad på ett smart sätt är målet att utveckla en kommersiellt gångbar vågkraftslösning. Projektet går ut på att utveckla Waves för att sedan finna bästa lösning för att omvandla den linjära rörelse som bojen ger upphov till, till rotationsrörelse som kan driva en pump eller generator.
Lösningen ska optimeras sett till verkningsgrad, utmattnings- och nötningsbeständighet då komponenterna kommer att utsättas för ca 10 000 repetitioner/dygn.
Genom att följa vedertagna metoder för produktutveckling med faserna
projektplanering, informationssökning, produktspecificering, konceptgenerering, konceptutvärdering, konceptval samt layoutkonstruktion för att finna optimal lösning.
Resultatet ska presenteras muntligt den 1 juni 2017 och en slutgiltig rapport ska lämnas in den 9 juni 2017.
Projektorganisation Tabell 1. Projektorganisation
Roll Utförande av projekt Handledare Invencon AB
Handledare Karlstads Universitet
Namn Jesper Samuelsson Jan Sjöberg Anders Wickberg
Adress Frödingshöjd 24 656 37 Karlstad
Pumpgatan 4 652 21 Karlstad
Karlstads universitet Fakulteten för hälsa-, natur- och
teknikvetenskap 651 88 Karlstad Telefo
n
070-359 03 86 070-559 75 77 054-700 24 36
E-post jesperdbsamuelsson@gmail.com Jan.sjoberg@invencon.se Anders.wickberg@kau.se
Projektmodell
Tabell 2. Projektmodell som lägger grund för WBS och Gantt-schema.
Projektfas Milstolpe Grindar Färdigdatum Ansvarig
Planering Projektplan klar 2017-02-02 Jesper
Projektplan
godkänd
Uppdrags
givare Handleda re KAU Informationssökning Informationssökning
klar
2017-02-20 Jesper
Produktspecificering Kravspecifikation klar
2017-02-25 Jesper
Kravspecifikation
godkänd
Uppdrags
givare
Koncept Konceptgenerering
klar
2017-04-01 Jesper
Delredovisning 2017-04-04 Jesper
Koncept Konceptutvärdering klar
2017-04-15 Jesper
Konceptval klar 2017-04-20 Jesper
Konceptval
godkänd
Uppdrags
givare Layoutkonstruktion CAD-modell klar 2017-05-05 Jesper Slutpresentation Slutpresentation klar 2017-05-29 Jesper
Slutpresentation 2017-05-31 Examinat
godkänd or
Rapport Inlämning
Opponering
2017-05-16 Jesper
Inlämning slutgiltig
rapport
2017-06-09 Jesper
Slutgiltig rapport
godkänd
Examinat
or
Riskbedömning
Tabell 3. Identifiering av de största riskerna som kan påverka projektet. Sannolikhet och konsekvens bedöms på skala 1-5, vilket ger riskfaktorn 1-25.
Riskbeskrivning Sannolikhet [S] Konsekvens [K]
Riskfaktor [S*K]
Åtgärd
Tidsplanen håller inte
5 3 15 Buffert, framtung
process Dokument går
förlorade
2 5 10 Backup på alla
dokument Felaktiga
beräkningar
3 3 9 Bekräfta
beräkningar med anställda på Invencon AB
Felaktig version 2 5 10 Var noggrann med
versionshantering Projektet
godkänns inte
2 5 10 Kontakt med
handledare samt examinator
Dokumenthantering
Alla dokument kommer automatiskt att synkroniseras till en backup online via iCloud, på så sätt minimeras risken att dokument ska gå förlorade. Delredovisningar som är obligatoriska kommer att laddas upp i en projektgrupp på It´s Learning där handledare Anders Wickberg har tillgång till dokumenten.
Alla dokument ska ges med ett versionsnummer i filnamnet, enligt exempel_v1.0.
Versionsnumret börjar på 1.0, vid mindre revideringar ändras decimaltalet, t.ex. från 1.0
till 1.1. Vid större revideringar ska ändras versionsnumret till nästa heltal, t.ex. från 1.2 till 2.0.
Bilaga 1.1: WBS
Bilaga 1.2: Gantt-schema
Ex ame na rb et e
Projektstart
Projektplanering Projektplan Informationssökning
Kravspeci{ikation Konceptgenerering
Konceptutvärdering Konceptval Layoutkonstruktion CAD-modell
Bilaga 2: Beräkning av Waves 2.0
Komponent Diameter Höjd Volym (total) [A]
Vattenfylld andel [B]
Lyftkraft
[X]=[A]*[B]*g*ρ
Flytboj 3,0m 0,3m 2,12 m3 50 % 10 kN
Kommentar: Genom att ha en flytboj som är till hälften vattenfylld fås en stabil boj som inte utsätts för slamming (Claeson 1987).
Komponent Geometri Massa Motvikt Strömlinjeformad 460kg
Kommentar: Motviktens massa är beräknad för att upp nå rätt friktion för att undvika att drivlinan slirar i linskivan som ska driva pumpen/generatorn enligt ekvation 1.
𝐹! = 𝐹!∗ 𝑒!" (1) α=5π/4 rad för slutgiltigt konceptval.
Komponent Massa [C]
Lyftkraft [C]*g
Säkerhetsfaktor [D]
Total lyftkraft [Y]=[C]*[D]
Flytkropp 1000kg 10kN 5 50kN
Kommentar: Eftersom generatorn/pumpen genererar effekt på uppvägen krävs inte att flytkroppens lyftkraft dimensioneras efter detta. Systemet är frikopplat på nervägen, därmed räcker det att dimensionera lyftkraften efter flytkroppens egenvikt. Samma säkerhetsfaktor som förstudien från Invencon AB har använts.
Komponent SF
Norsok [E]
SF DAF [F]
Totala Krafter som påverkar [X]+[Y]=[G]
Bottenfundamentets massa
([E]*[F]*[G])/g
Bottenfundament 3,19 1,6 60kN 31 000 kg
Kommentar: Bottenfundamentets totala massa (med samma säkerhetsfaktorer som Invencon ABs tidigare beräkningar) blir knappt hälften så stor som med Waves 1.0.
Beräkningarna är gjorda på extremfall (hela bojen under vattenytan).
Bilaga 3: Kravspecifikation
Kriterium nummer
Cell Kriterium Krav = K
Önskemål
= Ö (1-5) 1 Huvudfunktion Omvandla linjär rörelse till rotation K
2 1.1 Utmattningshållfasthet för att klara 1,9*10^8 repetitioner (25 år)
Ö, 5
3 Lågt masströghetsmoment K
4 Utmattningshållfasthet för att klara 3*10^9 repetitioner (4 år)
K
5 Nötningsbeständig K
6 Maximera kraftöverföring (verkningsgrad) Ö, 5
7 Plats för drivlina K
9 Hållfasthet för att klara kraften bojen ger upphov till
K
10 1.2 Korrosionsbeständigt material K
11 Miljöfarliga kemikalier får ej spillas K
12 2.1 Medge låg tillverkningskostnad Ö, 4
13 Medge låg materialkostnad Ö, 4
14 3.1 Medge enkel montering Ö, 3
15 Ska ej påverkas av smuts K
16 Medge servicebarhet vid behov Ö, 4
17 3.2 Vara underhållsfri i minst 4 år K
Bilaga 4: QFD
Kriterier Pris Utmattningshållfasthet Hållfasthet
Kundbehov Viktning
Hållbar 5 1 9 9
Säker 5 0 0 3
Billig att driftsätta 1 9 0 0
Låg kostnad 3 9 1 1
Billig att serva 3 3 9 0
Korrosionsbeständig 5 1 1 1
Smutstålig 5 0 3 3
Enhet Kr Spänningscykler (st) Pa
Målvärde 55 95 83
Bilaga 5: Vidareutveckling konceptval
Komponent Kraft [A] SF [B] Min brottlast [A]*[B]
Diameter [C]
Drivlina 10kN 8 80kN 10mm
Kommentar: Drivlinan är rostfri vajer. Diametern är beräknad via Certex (2016a), säkerhetsfaktorn är för lätta lyft fås från Certex (2016b).
Figur 1: Linskivans ytter- och innerdiameter samt dess spårform
Komponent D [20]*[C]
d
r
[1,1]*[C]
Linskiva 200 mm 50mm 11mm
Kommentar: Linskivans diameter och spårform kan beräknas via Gunnebo (2017).
Brytvinkel på drivlina måste vara 20*linans diameter. Spårformen ska vara 1,1*linans diameter för att minimera nötning på linan. Utgående axels diameter d är
innerdiametern på lagret.
Figur 2: Grundidé med två linskivor
Figur 3: Flyttade linskivor ger större omslutningsvinkel
Kommentar: Genom att förflytta linskivorna kan större om slutningsvinkel utnyttjas.
Större omslutningsvinkel leder till mindre motvikt.
Komponent Märke Modell Ytterdiameter Innerdiameter Livslängd
Lager SKF
Explorer
6210- 2RS1
90mm 50mm 65 år
Kommentar: Beräkningar på lager gjorda efter konstant hastighet på linskiva enligt vågens medelhastighet v=1m/s (Väderöarna). Livslängden på lagret beräknas enligt SKF Explorer från SKFs produktkatalog (2017).
Beräkning av vridning på utgående axel:
Beräkningar gjorda på axel med d=50mm.
𝜏!"# = !!!
! (1) 𝑊! =𝜋𝑑!
16 = 2,45 ∗ 10!! (2) 𝑀! = 𝑃!"#
𝜔!"# = 10000
5 = 2000𝑁𝑚 (3)
(2) och (3) i (1) ger:
𝜏!"# = 81 ∗ 10!𝑃𝑎 (4)
𝜎!"# =𝜏!"#
0,6 = 136𝑀𝑃𝑎 (5)
Materialet är rostfritt syrafast stål med 𝜎! = 220𝑀𝑃𝑎
𝜎!"# ≪ 𝜎!
Bilaga 6: FMEA
Bilaga 7: Sammanställningsritning
