Med vindens kraft - Chalmers tekniska högskola
Med vindens kraft - Chalmers tekniska högskola
Med vindens kraft - Chalmers tekniska högskola
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
<strong>Med</strong> <strong>vindens</strong> <strong>kraft</strong><br />
Konstruktion av vind<strong>kraft</strong>smodell och mätsystem för Göteborgs<br />
Vetenskapsfestivals skolprogram<br />
Helena Ahlstrand<br />
Oskar Lingnert<br />
Henrik Nilsson<br />
Institutionen för Energi och Miljö<br />
Avdelningen för Elteknik<br />
CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA<br />
Göteborg, Sverige 2010<br />
Projektkod: ENMX02-10-06
Sammanfattning<br />
"<strong>Med</strong> <strong>vindens</strong> <strong>kraft</strong>" är en experimentstation på Göteborgs Vetenskapsfestival som är riktad till<br />
skolelever. Den består av två vind<strong>kraft</strong>verksmodeller som skoleleverna får tillverka egna rotorblad till<br />
och sedan studera hur väl de fungerar med hjälp av en stor fläkt. En av dessa modeller har<br />
konstruerats om och ett mät- och styrsystem utformas till de båda modellerna. Den modell som<br />
konstruerats har en likströmsgenerator och den modell som har använts tidigare år har en<br />
växelströmsgenerator. Mät- och styrsystemet byggdes så att spänning, ström, varvtal och<br />
vindhastighet kan studeras på en datorskärm. Systemet ger även möjlighet att styra vilka laster<br />
modellerna skall driva. Som länk mellan dessa och datorn användes en datainsamlingsenhet (DAQ) av<br />
modell USB-6009 från National Instruments. Signalerna från modellerna anpassades till<br />
datainsamlingsenheten i en mätlåda med tillhörande kretskort. Programmet Labview2009 användess<br />
för att skapa ett program för att behandla signalerna från datainsamlingsenheten samt för att skapa<br />
användargränsnittet till datorn på stationen. Slutsatsen är att eleverna som använde stationen<br />
framförallt var intresserad av varvtalet. Förslag ges för att öka elevernas intresse för stationens<br />
övriga funktioner, samt för att förbättra robustheten på den konstruerade modellen.<br />
Abstract<br />
At Gothenburg Science Festival there is an opportunity for school children to try different<br />
experiments, one of those experiments is called "The power of wind". The experiment consists of<br />
two wind turbine models for which the pupils may manufactor their own blades and then study how<br />
well they work with a large fan. This report covers our project which aim was to construct a model of<br />
a wind turbine and create a measurement and control systems for both models. The model<br />
constructed, is equipped with a DC generator and the existing model is equipped with a AC<br />
generator. The report describes in detail how the wind turbine is designed. The measurement and<br />
control system is constructed to allow the voltage, current, rotations per minut and wind speed to be<br />
studied on a computer screen. The system also provides the possibility to control at which loads the<br />
models will operate. A Data Aqusition system (DAQ) of the model USB-6009 from National<br />
Instruments is used as a link between the models and the computer. A box with associated circuit<br />
boards is constructed in order to adapt the signals from the models to the DAQ. Labview2009 is used<br />
to create the program which processes the signals from the DAQ and to create the user interface to<br />
the computer at the station. The conclusion of this bachelor thesis is that the pupils were more<br />
interested in monitoring rotations per minute and were less interested in the other functions. Some<br />
proposals of improvements are given in order to make the pupils aware of the other functions.
Innehållsförteckning<br />
1 Inledning ...................................................................................................................................... 1<br />
1.1 Bakgrund ................................................................................................................................. 1<br />
1.2 Syfte ......................................................................................................................................... 1<br />
1.3 Metod ...................................................................................................................................... 1<br />
1.4 Avgränsningar .......................................................................................................................... 2<br />
2 Omvandling från vind- till elenergi .............................................................................................. 2<br />
2.1 Energin i vinden ....................................................................................................................... 2<br />
2.2 Turbinen .................................................................................................................................. 3<br />
2.3 Permanentmagnetiserad växelströmsgenerator .................................................................... 4<br />
2.4 Permanentmagnetiserad likströmsgenerator ......................................................................... 5<br />
2.5 Mätteknik ................................................................................................................................ 7<br />
3 Stationens utrustning .................................................................................................................. 8<br />
3.1 Lilla vind<strong>kraft</strong>verket ................................................................................................................. 8<br />
3.2 Stora vind<strong>kraft</strong>verket ............................................................................................................... 9<br />
3.3 Vindmätaren, smurfhuset och fläkten .................................................................................. 10<br />
3.4 Mätlådan ............................................................................................................................... 11<br />
3.5 Dator med mät- och styrprogram ......................................................................................... 12<br />
3.6 Kringmaterial ......................................................................................................................... 12<br />
4 Stationen på Vetenskapsfestivalen ........................................................................................... 13<br />
4.1 Stationens användningsmöjligheter ...................................................................................... 13<br />
4.2 Manual ................................................................................................................................... 13<br />
5 Konstruktion av lilla vind<strong>kraft</strong>verket ......................................................................................... 13<br />
5.1 Framtagning av koncept ........................................................................................................ 13<br />
5.2 Konstruktionsmaterial ........................................................................................................... 13<br />
5.3 Tillverkningsprocessen .......................................................................................................... 13<br />
6 Uppbyggnad av mät- och styrsystem ........................................................................................ 14<br />
6.1 Datainsamlingsenhet från National Instruments .................................................................. 14<br />
6.2 Kretskortet ............................................................................................................................. 14<br />
6.3 Mätsystemet.......................................................................................................................... 14<br />
6.4 Styrsystemet .......................................................................................................................... 16<br />
6.5 Mätlådan ............................................................................................................................... 17<br />
6.6 Programmering i Labview2009 .............................................................................................. 17<br />
6.7 Användargränssnitt ............................................................................................................... 18<br />
7 Resultat ...................................................................................................................................... 19<br />
8 Diskussion .................................................................................................................................. 20<br />
9 Slutsats ...................................................................................................................................... 21<br />
10 Källförteckning ........................................................................................................................... 23<br />
11 Appendix .................................................................................................................................... 24
1 Inledning<br />
1.1 Bakgrund<br />
Sedan 1997 har Göteborgs vetenskapsfestival anordnats. En del av festivalen riktar sig till<br />
skolklasser med elever i åldrarna 6 till 13 år. Dit kommer eleverna för att få intressant information<br />
om forskning och vetenskap. En aktivitet på vetenskapsfestivalen är Experimentverkstaden där<br />
eleverna får genomföra experiment vid olika stationer.<br />
En station på Experimentverkstaden heter "<strong>Med</strong> <strong>vindens</strong> <strong>kraft</strong>!" och har anordnats av <strong>Chalmers</strong><br />
Tekniska Högskola sedan 2005. Stationen avser att väcka elevernas intresse för teknik och<br />
förnyelsebara energikällor. Den innehåller två vind<strong>kraft</strong>verksmodeller varav den större<br />
modellen riktar sig till äldre barn medan den mindre modellen riktar sig till yngre barn. Eleverna<br />
tillverkar rotorblad och turbiner som kan fästas på dessa modeller och efter detta testar de dessa<br />
med hjälp av en <strong>kraft</strong>ig fläkt. På båda vind<strong>kraft</strong>verksmodellerna kan man avläsa varvtal och<br />
vindhastighet och på den större även spänning och ström.<br />
Då ett stort antal elever ska handskas med utrustningen ställs det krav på robustheten på<br />
konstruktionen. Den mindre modellen är en provisorisk konstruktion av trä som under förra året gick<br />
sönder vid ett flertal tillfällen. Den större modellen är stabilare och mer avancerad. Tidigare år har<br />
varvtalet mätts med en enkel cykeldator. Ström och spänning har visats på multimetrar och<br />
vindhastigheten på en analog visare. Siffrorna på flera av dessa displayer är väldigt små, vilket kan<br />
vara otydligt framförallt för de yngre eleverna.<br />
Att övervaka system och presentera resultaten på ett överskådligt sätt är något som kan vara<br />
viktigt på flera håll i samhället, oavsett om det handlar om att presentera mätdata från vind<strong>kraft</strong>verk<br />
för elever eller banktransaktioner på internet för pensionärer. För att mottagarna skall få bästa<br />
förståelse för det de presenteras för är det viktigt att informationen anpassas för mottagaren på ett<br />
riktigt sätt. Erfarenheter inom detta område kan därför vara till nytta även i andra sammanhang.<br />
1.2 Syfte<br />
Syftet med projektet är att förbättra stationen ”<strong>Med</strong> <strong>vindens</strong> <strong>kraft</strong>” på Göteborgs<br />
Vetenskapsfestivals Skolprogram, samt att stödja handledarna på stationen. Av de två befintliga<br />
vind<strong>kraft</strong>verksmodellerna skall konstruktionen på den mindre, som riktas till de yngre barnen, göras<br />
mer robust och estetiskt tilltalande. Varvtal, ström, spänning och vindhastighet kommer inte att som<br />
tidigare visas på separata visare utan istället överföras till en dator. På datorskärmen skall mätdatan<br />
presenteras på ett överskådligt och pedagogiskt sätt.<br />
1.3 Metod<br />
Deluppgifterna i projektet delas upp med hänsyn till projektmedlemmarnas varierande kompetens.<br />
Information som behövs för projektet inhämtas genom mindre litteraturstudier, datablad för<br />
komponenter samt genom samtal med handledare och elever som medverkar i<br />
Vetenskapsfestivalen. Tillverkningen av den lilla vind<strong>kraft</strong>verksmodellen sker på <strong>Chalmers</strong><br />
prototypverkstad samt verkstaden tillhörande Energi och Miljö, avdelningen för Elteknik. Modellens<br />
konstruktion kontrolleras kontinuerligt genom experiment för att säkerställa modellens kompabilitet<br />
med mät- och styrsystemet. Det kretskort som ingår i mät- och styrsystemet konstrueras i<br />
elsystemlaboratoriet tillhörande Institutionen för Energi och Miljö, avdelning Elteknik.<br />
Programmeringen utförs i LabVIEW2009 från National Instruments.<br />
1
1.4 Avgränsningar<br />
Datorprogrammet skall utformas med hjälp av litteratur för användargränssnitt, men någon hänsyn<br />
till elevernas olika åldrar kommer inte att tas. Detta eftersom det skulle krävas en omfattande<br />
informationssökning inom detta ämne, vilken inte vore tidsmässigt försvarbart då denna punkt inte<br />
anses tillräckligt kritisk för elevernas förståelse.<br />
På stationen finns ett antal affischer med information om vind<strong>kraft</strong> och förnyelsebar energi, samt<br />
tävlingsformulär med frågor vars svar går att hitta på nämnda affischer. Någon förändring eller<br />
utökning av den här typen av information på stationen kommer inte att ske då detta skulle kräva<br />
kunskap i barnpedagogik som det på grund av projektets tidsram inte finns utrymme att inhämta.<br />
Det har inte lagts stor vikt vid mätosäkerheten i detta arbete, detta beror på att det inte var en del<br />
av syftet att mätlådan skulle erhålla en hög mätnoggrannhet. Det viktiga är med andra ord att<br />
förändringarna kan ses då eleven ändrar konstruktionen på vingarna och inte vad den exakta<br />
spänningen eller strömmen är. Sämre mätnoggrannhet skulle inte vara avgörande för barnens<br />
upplevelse på stationen.<br />
2 Omvandling från vind- till elenergi<br />
Vind<strong>kraft</strong>en omfattar många skilda teknikområden. För att ge en bra grundläggande förståelse<br />
behandlas rörelseenergin i vinden, turbinen och generatorn. Turbinavsnittet finns med för att ge en<br />
förståelse för hur rörelseenergin i vinden omvandlas till mekanisk energi. Generatoravsnittet<br />
behandlar generatorns funktion som består av att omvandla mekanisk energi till elektrisk energi. Till<br />
sist finns ett mättekniksavsnitt som ger grunden för mät- och styrsystemet.<br />
2.1 Energin i vinden<br />
Ett vind<strong>kraft</strong>verk får sin energi från vinden som blåser mot vind<strong>kraft</strong>verkets turbin. Hur mycket<br />
energi som vind<strong>kraft</strong>verket kan plocka ut från vinden beror bland annat på <strong>vindens</strong> massa och<br />
<strong>vindens</strong> energi. Vindens massa per sekund beskrivs med<br />
[kg/s] (1)<br />
där m = massa, ρ = densiteten på luften [kg/m 3 ], A = svept turbin area [m 2 ], v = <strong>vindens</strong><br />
hastighet [m/s].<br />
Vindens energi kan skrivas som<br />
[W] (2)<br />
där P kin = energin i luften per sekund [W]. Som ses i ekvation är effekten proportionell mot luftens<br />
densitet och proportionell mot kubiken av vindhastigheten. Effekten är även proportionell mot den<br />
svepta arean vilket medför kvadratisk proportionell med turbinens diameter. Då vindhastigheten<br />
ökar med höjden blir det förståligt att nya vind<strong>kraft</strong>verk blir högre och får större turbindiameter.<br />
Vindturbinen tar energi från vinden genom att sänka <strong>vindens</strong> hastighet. Vinden bakom turbinen får<br />
då lägre hastighet jämfört med vinden framför. Om man tar ut för mycket energi från vinden skulle<br />
detta göra att vindhastigheten minskar för mycket. Bromsningen av vinden skulle verka negativ på<br />
2
turbinen då ny vind skulle passera runt turbinen på grund av den långsamma luften bakom turbinen.<br />
Albert Betz visade att det maximala energiinnehåll som kan tas ut från vinden är 16/27 (=59 %) vilket<br />
är då <strong>vindens</strong> hastighet bakom turbinen minskar till 1/3 av den ursprungliga vindhastigheten. 1<br />
2.2 Turbinen<br />
Turbinen är en viktig del av ett vind<strong>kraft</strong>verk. Turbinen omvandlar rörelseenergin i vinden till<br />
mekanisk energi i axeln som går vidare till vind<strong>kraft</strong>verkets torn. I tornet sitter generatorn som sedan<br />
omvandlar den mekaniska energin till elektrisk energi. Generatorns teori tas upp under avsnitt 2.3<br />
och 2.4,<br />
Antal blad<br />
Antalet blad på turbinen har varierat genom åren. På marknaden för större vind<strong>kraft</strong>verk dominerar<br />
de trebladiga. Skulle man minska antalet blad på dessa vind<strong>kraft</strong>verk till två sjunker normalt<br />
energiproduktionen med cirka 5 %. Den maximala verkningsgraden uppnås även vid högre varvtal<br />
med mindre antal vingar. Trebladiga vind<strong>kraft</strong>verk har något lägre vibrationer i tornet på grund av<br />
tornskuggans inverkan. Dock ökar de horisontella påfrestningarna med fler blad då vinden bromsas<br />
mer mot bladen. 1<br />
Vingprofil<br />
Tunn vingprofil ger lägre luftmotstånd men bladen måste då byggas väldigt breda på grund av<br />
hållfasthetsskäl. En tjockare profil används därför oftast med en bredd som motsvara cirka 20 % av<br />
vingens längd. Aerodynamiskt bör bladen vara avsmalnande med hyperbelformade fram- och<br />
bakkanter vilket kan ses i figur 1. Formen kan approximeras med en dubbeltrapetsform, se figur 2.<br />
Dubbeltrapetsformen är även lämplig ur hållfasthetssynpunkt då det tjockare och mer utsatta partiet<br />
nära navet får ökat tvärsnitt. Om den enklare helt rektangulära formen som ses i figur 3 används<br />
sjunker varvtalet med cirka 30 % i jämförelse med dubbeltrapetsformade vingar, men<br />
energiproduktionen minskar endast måttligt. Den rektangulära formen kräver mer material vilket<br />
ökar tyngden på vingen. Den ökade tyngden gör att tyngd<strong>kraft</strong>en blir den dimensionerande faktorn<br />
för utmattning redan vid små vingstorlekar. Förhållandet mellan längd och bredd på vingen inverkar<br />
så att smalare vingar ökar vinghastigheten markant men minskar energiutbytet mellan vinden och<br />
vingen något . I praktiken byggs bladen så smala som hållfastheten tillåter. Här finns dock<br />
problematiken med vingspetshastigheten och en vingspetshastighet över 100 m/s rekommenderas<br />
inte då detta skapar en besvärande ljudnivå och påfrestningar på materialet. 1<br />
Figur 1 Ideal vingprofil.<br />
3
Figur 2 Dubbeltrapetsformad vingprofil.<br />
Figur 3 Rektangulär vingprofil.<br />
2.3 Permanentmagnetiserad växelströmsgenerator<br />
En permanentmagnetiserad växelströmsgenerator omvandlar mekanisk energi på axeln till elektrisk<br />
energi i form av växelström. Generatorn består i huvudsak av en stator och en rotor och kan<br />
utformas så att permanentmagneterna antingen sitter i rotorn eller i statorn. En exempelskiss på<br />
en växelströmsgenerator med permanentmagnet i rotorn ses i figur 4. En bild på utformningen av<br />
den permanentmagnetsgenerator som användes på stationen visas i figur 5. 2<br />
I figur 4 skapar rotorns permanentmagneter ett roterande magnetiskt flöde. Det roterande<br />
magnetiska flödet inducerar en elektrisk växelström i ledningarna. Växelströmmens frekvens beror<br />
på rotationshastigheten på rotorn. 2<br />
4
Figur 4 Exempelbild av en växelströmsgenerator med roterande magneter. Författare: Egmason<br />
Figur 5 Växelströmsgenerator på den stora vind<strong>kraft</strong>verksmodellen.<br />
2.4 Permanentmagnetiserad likströmsgenerator<br />
En permanentmagnetiserad likströmsgenerator omvandlar mekanisk energi på axeln till elektrisk<br />
energi i form av likström. Generatorn innehåller liksom växelströmsgeneratorn en stator och en<br />
rotor. Rotorn som även kallas ankare kan tillsammans med statorn ses i figur 6. Statorn består av två<br />
permanentmagneter som skapar det magnetiska flödet som rotorn roterar i. Rotorn befinner sig<br />
innanför statorn och består av ankarplåt, ankarlindning, kommutator och kolborstar. Ankarplåten<br />
är det grå ankaret som ankarlindningen är virad runt i figur 6. Ankarplåten är laminerad då det går en<br />
växelström i ankarlindningen. Ankarlindningen, de blå och röda kablarna, är sedan kopplad till<br />
kommutatorn. Kommutatorn är tvådelad och av ledande material så att kolborstarna får bra<br />
överföringsförmåga. Kommutatorn roterar med rotorn. Kolborstarna som sitter utanför<br />
kommutatorn överför ankarströmmen från kommutatorn till de fasta anslutningsklämmorna. 2<br />
Statorns permanentmagneter skapar ett konstant magnetisk flöde genom rotorn. När mekanisk<br />
energi tillsätts på axeln där rotorn sitter börjar den att rotera. Då en trådslinga roterar i ett<br />
magnetiskt fält induceras en spänning i trådslingan. För att inducera en likström fungerar<br />
likströmgeneratorn som så att de olika ankarlindningarna får olika polaritet och den tvådelade<br />
5
kommutatorn byter sen kontakt till den andra lindningen då lindningarna byter polaritet. Detta gör<br />
att ena sidan av kommutatorn alltid har positiv polaritet och andra negativ. Början av förloppet kan<br />
ses i figur 6. Därefter befinner sig rotorn i position 2 vilket kan ses i figur 7. När rotorn fortsätter att<br />
rotera kommer lindningen snart över till andra statorsidan, ses i figur 8. Nu byter kommutatorn<br />
lindningarnas polaritet och sedan är rotorn tillbaka som i figur 6. 2<br />
Figur 6 Likströmgenerator i position 1.<br />
Figur 7 Likströmgenerator i position 2.<br />
6
Figur 8 Likströmgenerator i position 3.<br />
2.5 Mätteknik<br />
Mätteknikområdet är ett brett och omfattande område med mycket teori. Avsnittet omfattar den<br />
viktigaste teorin som rapporten bygger på. Mätteorin kommer in i programmeringen av<br />
mätprogrammet och konstruktionen av mätlådan. Den teorin innefattar i stora delar mätning av<br />
egenskaperna på en sinussignal.<br />
En sinusvåg innehåller flera egenskaper. Två av dessa är sinusvågens effektivvärde och dess topptill-topp-värde.<br />
Topp-till-topp-värdet beskriver avståndet mellan sinusvågens två toppar i samma<br />
period. Detta är ett mått på amplituden som är vanligt i matematiska sammanhang men mindre<br />
vanligt i konstruktionssammanhang. I dagligt tal används oftare effektivvärdet än topp-till-toppvärdet.<br />
Den svarta pilen i figur 9 illustrerar topp-till-topp-värdet för sinusfunktionen. Topp-till-toppvärdet<br />
för figur 9 skulle vara 1-(-1)=2 i detta exempel. 3<br />
Figur 9 Graf av sinus- och cosinusfunktion.<br />
Effektivvärdet är ett populärt mått på signalens amplitud och används i många sammanhang. När<br />
ett värde för en växelspänning nämns är det nästan alltid effektivvärdet som menas. En signals<br />
effektivvärde kallas även RMS-värde. RMS är en akronym för root, mean och square vilka syftar på<br />
ekvationens innehåll. Den matematiska definitionen för effektivvärdet för en periodisk signal med<br />
perioden T är<br />
7
(3)<br />
och som kan ses i ekvationen så består effektivvärdet av medelvärdet av den kvadratiska signalen<br />
som sedan tas roten ur. Effektivvärdet av signalen beskriver dess effektinnehåll. Om funktionen u(t)<br />
skulle bytas ut mot sinusfunktionen A*sin(t) skulle ekvation 9 förenklas till<br />
(4)<br />
där A är amplituden och ω är vinkelhastigheten på sinusfunktionen. 3<br />
3 Stationens utrustning<br />
Stationen "<strong>Med</strong> <strong>vindens</strong> <strong>kraft</strong>" består av ett antal olika delar. Flera av dessa har sett likadana ut<br />
sedan 2005, medan delar av utrustningen antingen har gjorts om eller nytillverkats under detta<br />
projekt. I figur 10 visas en systemskiss över stationen.<br />
Figur 10 Översikt på stationens utrustning.<br />
3.1 Lilla vind<strong>kraft</strong>verket<br />
Den lilla vind<strong>kraft</strong>verksmodellen bestod tidigare av ett torn i trä se figur 11, där en gängad stång<br />
genom ett stålrör fungerade som axel. På ena sidan axeln satt ett trähjul som drev en generator i<br />
tornet med hjälp av ett gummiband, och på andra sidan skruvades elevernas turbiner på. I år har den<br />
här konstruktionen bytts ut och en ny modell, se figur 12, i stål och aluminium har byggts se kapitel<br />
5.2. Den nya modellen består av ett torn, ett axelhus, en axel, en remskiva och en generator.<br />
Generatorn sitter i tornet och drivs av en remskiva placerat rakt ovanför via ett gummiband.<br />
Remskivan i sin tur är fäst i ena sidan av axeln. I remskivan finns även en magnet infälld som sveper<br />
över en tungelementsensor i axelhuset. Axeln går igenom axelhuset och två kullager. Andra änden av<br />
axeln är gängad för att eleverna skall kunna skruva på sina turbiner där på samma sätt som<br />
föregående år.<br />
8
Figur 11 Tidigare lilla vind<strong>kraft</strong>verksmodellen med turbin.<br />
Figur 12 Lilla vin<strong>kraft</strong>verksmodellen med turbin.<br />
3.2 Stora vind<strong>kraft</strong>verket<br />
Inga förändringar av den stora modellen har gjorts under detta projekt. Den modell som finns<br />
består av en axel upplagd på två stöd med kullager. På ena sidan finns en<br />
permanentmagnetgenerator konstruerad av en cirkelskiva med 20 magneter som sveper förbi åtta<br />
stycken spolar lindade av 400 varv emaljerad koppartråd (referens, wind power is a breeze). Endast<br />
sex spolar är inkopplade i nuläget. Magneterna har polerna omvänt föregående magnet på skivan<br />
och spolarna är grupperade två och två i serie. De tre grupperna med spolar är i sin tur<br />
9
parallellkopplade. Denna konstruktion ger en sinusformad ström och spänning. Rotorbladen<br />
monteras en och en på ett nav i andra änden på axeln. I detta nav finns sex stycken separata hål för<br />
rotorbladen där de kan dras fast med vingmuttrar.<br />
Figur 13 Stora vind<strong>kraft</strong>verksmodellen med varvtalsdisplay.<br />
3.3 Vindmätaren, smurfhuset och fläkten<br />
För att driva vind<strong>kraft</strong>verksmodellerna används en 3900 W centrifugalfläkt med justerbart<br />
varvtal 4 som kan ses i figur 16. För att göra vinden mindre turbulent är det monterat en matris av<br />
pappersrullar i fläktens mynning. Det variabla varvtalet gör det möjligt att studera olika<br />
vindhastigheters inverkan på modellerna. Vindmätningen görs med en skålkorsanemometer, ses i<br />
figur 14, som placeras i närheten av modellerna. Till det lilla vind<strong>kraft</strong>verket används tre lampor som<br />
last, dessa lampor sitter i ett litet hus där eleverna kan titta in för att se om det lyser på smurfarna i<br />
huset som kan ses i figur 15.<br />
Figur 14 Vindhastighetsmätare.<br />
10
Figur 15 Smurfhuset som utgör lasten till lilla vind<strong>kraft</strong>verksmodellen.<br />
Figur 16 Fläkten som skapar luftflödet på stationen.<br />
3.4 Mätlådan<br />
Varvtalen har tidigare visats på en cykeldator, ström och spänning på multimetrar och<br />
vindhastigheten på en analog visare. När dessa värden skall redovisas på en datorskärm behöver de<br />
först samlas ihop, förstärkas och digitaliseras, vilket görs i mätlådan. I mätlådan, som kan ses i figur<br />
17 och figur 18, finns även komponenter som används för att styra vilka laster modellerna skall driva.<br />
Figur 17 Mätlådan med lock.<br />
11
Figur 18 Mätlådan utan lock.<br />
3.5 Dator med mät- och styrprogram<br />
Kopplad till mätlådan sitter en dator som innehåller det mät- och styrprogram som presenterar<br />
varvtal, vindhastighet, spänning och ström. Genom reglagen i programmet kan även lasterna till<br />
vind<strong>kraft</strong>verksmodellerna styras. Lasterna består av lampor som sitter antingen på mätlådan eller i<br />
smurfhuset. Programmet kan styras av såväl elever som handledare på stationen.<br />
3.6 Kringmaterial<br />
<strong>Med</strong> kringmaterial avses det material som eleverna använder för att tillverka sina egna turbiner och<br />
rotorblad. Till sitt förfogande har de kartong, limpistoler, trähjul, sugrör, saxar, sågar och träpinnar i<br />
olika storlekar. Trähjulen används till den lilla vind<strong>kraft</strong>verksmodellen åt vilket eleverna tillverkar hela<br />
turbinen, det vill säga de fäster sina rotorblad på ett trähjul som sedan skruvas på modellens axel.<br />
Exempel på elevernas turbinkonstruktioner ses i figur 19. Till den större modellen tillverkar eleverna<br />
vingar som fästs en och en och de använder därför de större träpinnarna då dessa passar till hålen på<br />
navet.<br />
Figur 19 Turbiner konstruerade av elever.<br />
12
4 Stationen på Vetenskapsfestivalen<br />
4.1 Stationens användningsmöjligheter<br />
Eleverna kan tillverka rotorblad och turbiner till de två vind<strong>kraft</strong>verksmodeller som finns på<br />
stationen. De kan med hjälp av datorprogrammet se vilken spänning och ström som genereras samt<br />
varvtal och vindhastighet. Eleverna kan även styra vilken last som modellerna skall driva, tre lampor<br />
kan användas som last för vardera modellen. Den lilla modellen kan även kortslutas från datorn.<br />
<strong>Med</strong> den lilla modellen kan eleverna experimentera med olika utväxling mellan remskivan och<br />
generatorn och därigenom undersöka vad som händer med spänning, ström och varvtal då denna<br />
ändras. Liknande experiment kan göras genom att variera lasten eller vindhastigheten.<br />
4.2 Manual<br />
Manualen skall vara ett stöd för de handledare som befinner sig på stationen. Manualen innehåller<br />
instruktioner till mätlådan och programmet samt en felsökningsguide. Instruktionerna till mätlådan<br />
förklarar uppstartsprocessen för mätlådan och datorn. Instruktionerna till programmet innefattar en<br />
förklaring till programmets grafiska gränsnittet och dess möjligheter. Felsökningsguiden innehåller de<br />
vanligaste förekommande felen på stationen samt lösningar till dessa. Manualen i sin helhet<br />
återfinns i appendix 5.<br />
5 Konstruktion av lilla vind<strong>kraft</strong>verket<br />
5.1 Framtagning av koncept<br />
Inledningsvis studerades modellen från tidigare år för att kartlägga problemen i konstruktionen<br />
samt möjliga förbättringar. De största problemen ansågs vara friktionen i axeln, estetiken samt att<br />
gummibandet ofta gick sönder. Då detta föreföll svårt att åtgärda på den befintliga konstruktionen<br />
togs ett beslut att konstruera en helt ny modell. Den generator som använts tidigare gick dock att<br />
återanvända. Vidare skapades ett antal skisser på möjliga konstruktioner. Dessa diskuterades med<br />
avseende på ett antal kriterier. Modellen fick till exempel inte vara för komplicerad att tillverka och<br />
då <strong>Chalmers</strong> prototypverkstad fanns nära till hands så föredrogs det att kunna tillverka alla ingående<br />
detaljer där. Det ansågs också viktigt att modellen hade så mycket likheter som möjligt med ett riktigt<br />
vind<strong>kraft</strong>verk eftersom detta skulle vara mest pedagogiskt. <strong>Med</strong> detta som bakgrund uteslöts de<br />
olika koncepten efter hand tills endast ett återstod.<br />
5.2 Konstruktionsmaterial<br />
De flesta delarna i modellen är gjorda i aluminium för att få en lätt och samtidigt stabil<br />
konstruktion. Aluminium är även ganska mjukt och därmed enkelt att bearbeta i både svarv och fräs.<br />
Till axeln valdes dock stål. Detta eftersom axeln har en ganska liten diameter och dessutom utsätts<br />
för större påfrestningar än övriga delar. Den gängade delen på axeln skall även klara av att flera<br />
tusen trähjul skruvas på och av utan att gängorna riskerar att slitas ut. Uppgiften för tornets<br />
innanmäte är att stadga upp generatorn och axelhuset. Genom att använda trä till den här delen<br />
krävdes inte ett gängat hål för fästningskruven, vilket skulle varit fallet om den var gjord i metall.<br />
De elektriska komponeneter som använts till modellen är en 4,5 V permanentmagnetiserad<br />
likströmsmotor samt en tungelementsensor från en cykeldator. Tungelementsensorn fungerar<br />
tillsammans med en magnet i remskivan som varvtalsmätare.<br />
5.3 Tillverkningsprocessen<br />
Modellen tillverkades under handledning i <strong>Chalmers</strong> prototypverkstad. Då modellen bestod av<br />
framförallt cylindriska geometrier så utnyttjades verkstadens svarv- och fräsmaskiner flitigast, men<br />
13
även borrmaskin, cirkelsåg och ett antal handverktyg användes. Under tillverkningens gång testades<br />
generatorns och varvtalsmätarens funktion i konstruktionen kontinuerligt. Detta för att säkerställa<br />
att eventuella fel upptäcktes i ett tidigt skede och därigenom undveks extraarbete. Bland annat<br />
undersöktes huruvida de virvelströmmar som uppstod då remskivan roterade utanför axelhuset<br />
riskerade att bromsa rotationen. Det var även viktigt att veta på vilket avstånd tungelementsensorn<br />
reagerade på magneten för att avgöra hur båda dessa skulle placeras.<br />
Ritningar samt en mer utförlig beskrivning av tillvägagångssättet vid tillverkningen av modellen<br />
hittas i Appendix 4.<br />
6 Uppbyggnad av mät- och styrsystem<br />
Mätlådan som konstruerats används som länk mellan mätobjekten och datorn. Den innehåller en<br />
datainsamlingsenhet, två kretskort, samt en 24V spänningsaggregat. Varje del av mätsystemet och<br />
styrsystemet redovisas nedan.<br />
6.1 Datainsamlingsenhet från National Instruments<br />
Datainsamlingsenheten(DAQen) är av modell USB 6009 från tillverkaren National<br />
Instruments. DAQen klarar endast av att utföra spänningsmätningar i intervallet -10V till +10V. För<br />
att mäta de olika storheterna byggdes ett system för att anpassa signalerna in till DAQen till detta<br />
intervall. DAQen används även för att styra vilken last vind<strong>kraft</strong>verksmodellerna skall driva, men kan<br />
även användas för att styra fläkten. DAQen har 12 digitala utgångar, vilka ger antingen 5 eller 0V.<br />
Utgångarna används för att styra reläer kopplade till lasterna och kan även användas för avstängning<br />
av fläkten. Det finns även två analoga utgångar som kan ge en utsignal mellan 0 och 5 Volt, en sådan<br />
utgång kan användas för att styra fläktens styrka.<br />
6.2 Kretskortet<br />
Kretskortet omvandlar signalerna från modellerna och styr dess laster. Signalomvandlingen krävs då<br />
flera av signalerna från mätobjekten ligger utanför DAQens mätområde. De signalomvandlings- och<br />
styrkretsar som beskrivs i kapitlen 6.3 och 6.4 nedan sitter på kretskortet. Kretskortets fullständiga<br />
konstruktion återfinns i appendix 6.<br />
6.3 Mätsystemet<br />
Mätsystemet mäter varvtal, vindhastighet, spänning och ström och digitaliserar signalerna.<br />
Mätsystemet består av de båda vind<strong>kraft</strong>verksmodellerna, mätlådan, vindmätaren, smurfhuset och<br />
datorn. Insamlad mätdata presenteras på datorn.<br />
Spänningsmätning<br />
Den lilla vind<strong>kraft</strong>verksmodellen har en likströmsgenerator med märkspänningen 4,5 V. För att<br />
mäta spänningen på den lilla modellen kopplas DAQen direkt över generatorn då spänningen alltid<br />
kommer ligga inom DAQens mätintervall.<br />
Den växelspänning som stora modellen genererar kan ha toppvärde större en 10 V, vilket innebär att<br />
en spänningsdelning krävs för att anpassa signalen till DAQens mätintervall. Uppkopplingen som<br />
gjordes ses i figur 20. Motstånden är 4,3 kΩ och valda så att de är mindre än DAQens<br />
inimpedans men inte för små då detta skulle leda till för stora strömmar.<br />
14
Figur 20 Spänningsmätning för stora vind<strong>kraft</strong>verksmodellen.<br />
Strömmätning<br />
Strömmätningen mäts på identiskt vis för det stora och lilla vind<strong>kraft</strong>verket. Genom att använda en<br />
liten resistans och sätta denna i serie med lasterna uppkommer ett litet spänningsfall över detta<br />
motstånd. Spänningsfallet är proportionellt mot strömmen som går genom motståndet. Motståndet<br />
är litet, 0,1 Ω, detta för att så lite effekt som möjligt skall förbrukas i det. På grund av att motståndet<br />
är så litet kommer spänningen över motståndet också att vara litet. Spänningen förstärks därför med<br />
en instrumentförstärkarkrets, se figur 21. Denna spänning mäts sedan med hjälp av DAQen.<br />
Anledningen till att signalen förstärks är att det är eftersträvansvärt att mäta alla olika signaler i<br />
ungefär samma område så att DAQen inte behöver använda sin interna omkopplare mellan olika<br />
mätintervall.<br />
Figur 21 Strömmätning på vind<strong>kraft</strong>verksmodellerna.<br />
Instrumentförstärkarkrets<br />
Instrumentförstärkarkretsen är uppbyggd som visas i figur 22. Den instrumentförstärkare som<br />
används är en AD620 från Analog Devices, anledningen till att denna valdes var att det är enkelt att<br />
justera förstärkningen och kretsen blir relativt enkel. Dioderna är till för att skydda<br />
instrumentförstärkaren från statisk elektricitet och motståndet mellan ben 8 och 1 justerar<br />
förstärkningen.<br />
15
Figur 22 Instrumentförstärkarkrets.<br />
Vindmätning<br />
Vindmätaren behöver en matningsspänning för att fungera och utsignalen från vindmätaren är<br />
pulser. Frekvensen på dessa pulser omvandlas i ett kretskort till en likspänning. Detta kretskort har<br />
använts på Vetenskapsfestivalen tidigare år för att kunna presentera vindhastigheten på en analog<br />
voltmeter där 1 V motsvarar 1m/s. Då utsignalen från kretskortet redan ligger inom området som<br />
DAQen kan mäta behövs ingen anpassning av signalen.<br />
Varvtalsmätning<br />
Mätmetoden för varvtalsmätning skiljer sig åt för den stora och den lilla vind<strong>kraft</strong>verksmodellen.<br />
För att mäta varvtalet på den stora modellen uttnytjas det faktum att spänningen som genereras är<br />
växelspänning, varvtalsmätningen sker på spänningssignalen i det datorprogram som skapats i<br />
Labview.<br />
Det lilla vind<strong>kraft</strong>verket genererar en likström vilket betyder att ovanstående metod inte fungerar,<br />
istället har en tungelementsensor integrerats i axelhuset och en <strong>kraft</strong>ig magnet fällts in i remskivan.<br />
Detta gör att tungelementet sluts varje gång magneten sveper förbi. På kretskortet har en koppling<br />
enligt figur 23 gjorts, detta medför att en fyrkantsvåg mellan 5 och 0 Volt skapas, vars frekvens<br />
varierar med varvtalet. Signalen ligger inom DAQens mätintervall och analyseras sedan av<br />
Labviewprogrammet.<br />
Figur 23 Varvtalsgivaren på lilla vind<strong>kraft</strong>verksmodellen.<br />
6.4 Styrsystemet<br />
Vind<strong>kraft</strong>verksmodellernas laster kan styras från mätlådan eller datorn. Som laster används tre<br />
lampor för vardera modell. För den lilla vind<strong>kraft</strong>verksmodellen kan generatorn även kortslutas. Det<br />
är även förberett för att fläkten skall kunna styras med hjälp av datorn.<br />
16
Styrning av lampor<br />
Varje lampa samt kortslutningen är kopplad till respektive relä som styrs med en<br />
relädrivarkrets vilken i sin tur styrs av DAQens digitala utgångar. Det är viktigt att dessa använder<br />
samma "språk", i det här fallet TTL. Reläerna behöver 24 V matning och för detta används ett<br />
späningsaggregat. Det fanns redan 12 V matning ut från kretskortet som använts till vindmätning<br />
men pga att 12V reläer skulle kräva större strömmar och 12 volts aggregat inte skulle kunna leverera<br />
detta, bestämdes det att 24 volts relä skulle användas istället.<br />
Förberedelse för styrning av fläkt<br />
För på- och avstängning av fläkt används samma typ av uppkoppling med relä som nämns under<br />
rubriken "Styrning av lampor". För justering av varvtalet på fläkten kräver dess styrbox 0 till 10V,<br />
DAQens analoga utgång kan endast variera mellan 0 och 5 V. Därför har en<br />
instrumentförstärkarkoppling av samma typ som beskrivits under rubriken<br />
"Instrumentförstärkarkrets" ovan konstruerats. Denna har drygt 2 gångers förstärkning för att kunna<br />
tillgodose styrboxens specifikation.<br />
6.5 Mätlådan<br />
Mätlådan har konstruerats utifrån fyra specifikationer; det skall gå att utföra experiment även utan<br />
dator, det skall finnas viss frihetsgrad i hur experimentet kan utföras, det skall vara lätt att koppla<br />
upp experimentet och komponenterna skall var synliga för användaren.<br />
Till mätlådan valdes en plastlåda med transparent lock för att komponenterna i mätlådan skall<br />
synas. I lådans lock sitter strömbrytare, laboratoriekontakter och lampor. Strömbrytarna är till för att<br />
kunna styra lasten även utan dator inkopplad, laberatoriekontakterna är inkopplade så att även<br />
mätningar med hjälp av multimetrar skall kunna genomföras utan dator. På baksidan av lådan sitter<br />
tre XLR-kontakter där vindmätare, varvräknare och fläktstyrning kopplas in. De har olika antal stift<br />
och är färgkodade för att minimera risken för felkoppling. På baksidan sitter även ett USB-uttag för<br />
inkoppling av datorn. På sidan av lådan sitter en kombinerad apparatkontakt, strömbrytare<br />
och säkringen. Alla kopplingspunkter har en laboratoriekontakt, detta för att skapa en frihet i hur<br />
experimentet kan kopplas upp.<br />
6.6 Programmering i Labview2009<br />
Ett mät- och styrprogram har skapats för att användaren av stationen ska kunna läsa av mätvärden<br />
samt styra lasterna och fläkten. Programmet är skapat i LabVIEW2009 av National Instruments. Detta<br />
program valdes på grund av att även DAQen kommer från National Instruments och dessa därför är<br />
kompatibla med varandra. LabVIEW2009 har ett visuellt programmeringsspråk och är även utvecklat<br />
för att genomföra mätningar. Hela programmet som behandlar insignalerna samt skapar utsignalerna<br />
från DAQen kan ses i figur 24. För en mer detaljerad beskrivning av hur programmet är uppbyggt se<br />
Appendix 1.<br />
17
Figur 24 Översiktsbild på mät- och styrprogrammet.<br />
6.7 Användargränssnitt<br />
En viktig del i att skapa ett användargränssnitt är att avgöra vilken information som är relevant för<br />
användaren 5 , det vill säga, vad skall synas och vad skall döljas. I det här fallet är användarna elever<br />
som testar hur bra deras egna konstruktioner fungerar. Fokus lades på att presentera ström,<br />
spänning och varvtal tydligt. Även vindhastighetsvisaren hade en central funktion då denna inverkade<br />
direkt på de övriga mätresultaten. För de äldre eleverna ansågs det vara intressant med ytterligare<br />
information, därför plottades grafer för ström och spänning. Dessa presenterades dock under en<br />
annan flik, detta för att kunna dölja informationen för de yngre eleverna och därigenom undvika att<br />
deras uppmärksamhet drogs från de relevanta uppgifterna.<br />
Ytterligare ett sätt att underlätta för användaren är att använda objekt från verkligheten 5 när man<br />
presenterar information. Varvtal och vindhastighet presenteras därför på analoga displayer och<br />
ström och spänning i staplar som blir högre när respektive storhet ökar. De analoga displayerna kan<br />
liknas vid en varvtalsmätare i en bil eller avläsningen på en köksvåg och staplarna vid en vanlig<br />
termometer. För att tända och släcka lamporna används reglage som ser ut som strömbrytare.<br />
Figur 25 Användargränssnitt med varvtal, spänning och ström.<br />
18
Figur 26 Användargränssnitt med spänning- och strömgraf.<br />
7 Resultat<br />
Den mindre modellen från tidigare år skrotades i sin helhet sånär på generatorn. Den nya modellen<br />
är en konstruktion av cylindriska geometrier i stål och aluminium som mäter cirka 65 cm och ses<br />
i figur 27. På generatorns axel finns tre spår i olika nivåer och för att kunna variera utväxlingen finns<br />
även tre spår på den drivande remskivan att växla mellan. Varvtalet mäts genom att magneten som<br />
syns i figur 27 sveper över en tungelementsensor infälld i axelhuset och därigenom öppnas och sluts<br />
en strömbrytare.<br />
Figur 27 Lilla vind<strong>kraft</strong>verksmodellens ingående delar.<br />
En mätlåda har konstruerats innehållande vindmätarkretskortet, signalomvandlingskretskortet,<br />
DAQen och 24V spänningsaggregatet. I mätlådan kopplas vind<strong>kraft</strong>verksmodellerna, vindmätare och<br />
smurfhus ihop. Den är konstruerad så att experimentet skall kunna utföras både med och utan dator.<br />
Signalomvandlingskretskortet omvandlar signalerna från mätobjekten till signaler som passar<br />
DAQens mätområde. Kretskortet innehåller förstärkarkretsar och ett antal andra<br />
signalomvandlingskretsar. Det innehåller även reläer och en relädrivarkrets för styrning av laster.<br />
Ett datorprogram har skapats där eleven kan läsa av ström, spänning, varvtal och vindhastighet då<br />
de testar sina rotorblad och turbiner. De kan även styra vilken last som vind<strong>kraft</strong>verket ska driva.<br />
Gränsnittet visas nedan i figur 28.<br />
19
Figur 28 Användargränssnittet för lilla vind<strong>kraft</strong>verksmodellen.<br />
Stationen "<strong>Med</strong> <strong>vindens</strong> <strong>kraft</strong>" medverkade som en del av en lyckad Vetenskapsfestival.<br />
Experimentverkstaden besöktes av cirka 10 000 skolelever och vuxna 6 . Vid de korta intervjuer som<br />
genomfördes med närvarande elever framkom det att eleverna uppskattade stationen och visade<br />
intresse att bygga rotorblad och turbiner till vind<strong>kraft</strong>verksmodellerna. Flera av eleverna förbättrade<br />
även sina konstruktioner efter det att de hade testat dem. Detta visar att det har skapat ett intresse<br />
vilket eftersträvats. De intervjuade handledarna instämde i att stationen var lyckad och att den var<br />
uppskattad av eleverna.<br />
8 Diskussion<br />
Den nya vindraftverksmodellen är byggd i stål och aluminium. Detta är mer robust än trä, vilket var<br />
det huvudsakliga materialet i den gamla konstruktionen. Ett av problemen med den tidigare<br />
modellen var att gummibandet som drev generatorn tenderade att gå sönder. Detta problem<br />
kvarstår dessvärre fortfarande. Ett sätt att undvika detta skulle kunna vara att byta ut gummibandet<br />
mot en rem, vilket dock kräver en modifiering eller ett utbyte av remskivan samt generatorns axel.<br />
Då alla ritningar med mått samt instruktioner för tillvägagångssätt vid tillverkningen finns att tillgå<br />
i Appendix 2,3 och 4 så bör en modifiering eller ett nybygge av remskivan kunna göras relativt enkelt.<br />
En nackdel med att byta ut gummibandet mot en rem är att möjligheten att variera utväxlingen<br />
genom att växla mellan olika spår försvinner.<br />
Ytterligare ett problem med konstruktionen har varit att trähjulen, det vill säga navet till elevernas<br />
turbiner, har varit tröga att skruva på axeln. Detta har under Vetenskapsfestivalen lösts genom att<br />
handledarna gröpt ur trähjulen genom att tälja bort lite trä med en sax, men för att komma ifrån<br />
detta extra moment vid tillverkningen av turbinerna så är det möjligt att fasa ner axeln en aning. Som<br />
en följd av att trähjulen varit tröga att skruva på så har remskivan vid några tillfällen lossat eftersom<br />
handledarna då använt denna för att hålla emot. Detta problem försvinner troligen om axeln fasas<br />
ner och remskivan därför inte utsätts för lika mycket roterande <strong>kraft</strong>. Ett annat sätt att undvika att<br />
remskivan lossnar skulle kunna vara att göra ytan på axeln där remskivan fästskruv dras fast platt.<br />
Estetiken på den nya modellen har fler likheter med ett riktigt vind<strong>kraft</strong>verk än den tidigare, bland<br />
annat på grund av det höga cylindriska tornet. Även det faktum att modellen är konstruerad i metall<br />
istället för trä bidrar till att göra denna mer verklighetstrogen. Vidare så är alla kablar dolda inuti<br />
tornet, vilket även har en positiv inverkan på robustheten då de är mer skyddade mot omgivningen.<br />
Foten som vind<strong>kraft</strong>verket är fäst i är grönmålad och en liten plastko är ditklistrad, även detta för att<br />
barnen skall kunna relatera till ett riktigt vind<strong>kraft</strong>verk som de sett i naturen. För att ytterligare öka<br />
likheten med ett riktigt vind<strong>kraft</strong>verk så kan tornet och axelhuset målas vita. Detta bör dock göra<br />
med försiktighet så att mått eller ytjämnhet på kritiska ytor, till exempel där kullagren sitter, inte<br />
påverkas.<br />
20
Under Vetenskapsfestivalen intervjuades handledarna och det framkom att elevernas fokus låg på<br />
att åstadkomma ett så högt varvtal som möjligt. Detta tros bero på det tydliga tävlingsmoment som<br />
uppkommer då olika elever jämför varandras varvtal. Stationens övriga funktioner beskrivna<br />
under kapitel 4.1 användes mer sällan. Det är eftersträvansvärt att få eleverna att även<br />
uppmärksamma spänning och ström. Nedan följer ett antal förslag som skulle kunna verka för detta.<br />
Genom att utbilda handledarna på ett bättre sätt skulle rätt frågor kunna ställas för att få eleverna<br />
att tänka i nya banor. Detta upptäcktes under festivalen då instruktioner gavs till elever på ett sätt<br />
som fick dem att gå tillbaka och utveckla sina rotorblad för att få lamporna att lysa bättre. Manualen<br />
som är skriven till handledarna skulle kunna innehålla några enkla experiment som utförs<br />
tillsammans med eleverna.<br />
Ett annat sätt att få eleverna mer intresserade av de andra funktionerna är att koppla in<br />
fläktstyrning från datorn. Det skulle då bli mer naturligt för eleverna att gå och sätta sig vid datorn<br />
och börja utforska programmet, detta eftersom programmet skulle fungera mer som en<br />
kontrollpanel.<br />
Ytterligare ett sätt att få elevernas uppmärksamhet att dras till annat än varvtalen kan vara att göra<br />
lite förändringar av designen på programmet. För att göra lamporna mer intressanta kan man till<br />
exempel ha symboler för lampor som tänds och släcks när man klickar på strömbrytarna. Jämte<br />
staplarna för ström och spänning kan olika bilder på saker tagna från verkligheten illustrera hur<br />
effektiva rotorbladen är.<br />
Genom att visa hur spänning, ström, varvtal och vindhastighet förändras över tiden skulle<br />
tydligheten ökas för hur dessa faktorer samverkar. Även vindhastighetens samband med<br />
vind<strong>kraft</strong>modellernas varvtal skulle bli tydligare.<br />
Experimentet kan till viss del utföras även utan datorn. Två multimetrar kopplas då till mätlådan för<br />
att visa ström och spänning, lasterna styrs med hjälp av strömbrytarna på locket. För varvräkningen<br />
sitter en cykeldator på den stora modellen. Vindhastigheten kan dock inte ses utan dator för tillfället.<br />
Genom att integrera en display i locket som visar vindhastigheten skulle hela experimentet kunna<br />
köras utan dator.<br />
Kretskortet är förberett för att möjliggöra fläktstyrning. Det innehåller ett relä för på och<br />
avstängning och en förstärkarkrets för att kunna leverera 0-10 V till fläktens styrlåda. En kontakt är<br />
även monterad i mätlådan för att kunna koppla ihop mellan mätlåda och fläkt, men vissa justeringar<br />
måste fortfarande göras i fläktens styrlåda för att styrningen skall fungera. Det kommer även att<br />
krävas en del programmering eftersom risken för att en säkring i fläkten går är stor då på grund av<br />
den höga startströmmen.<br />
Arbetet med att konstruera mät- och styrsystemet har fungerat bra mycket tack vare att det har<br />
gått att konstruera allt på <strong>Chalmers</strong>området och därmed har varit möjligt att direkt pröva så att<br />
konstruktionen fungerar. Genom att ha delat upp arbetet med hänsyn till kompetenser har arbetet<br />
blivit effektivt.<br />
9 Slutsats<br />
Stationen <strong>Med</strong> <strong>vindens</strong> <strong>kraft</strong> har varit en lyckad del av Göteborgs Vetenskapsfestivals Skolprogram.<br />
Många elever ville förbättra sina turbiner vilket visar på intresse, engagemang och förståelse, något<br />
som Vetenskapsfestivalen verkar för. Eleverna fokus låg främst på vind<strong>kraft</strong>smodellernas varvtal. Ett<br />
antal åtgärder bör vidtas för att eleverna ska använda sig av fler delar av programmet. De åtgärder<br />
som rekommenderas är att utbilda stationens handledare bättre, lägga till ett antal experiment i<br />
manualen, inkludera fläktstyrning i programmet samt att förbättra användargränssnittet.<br />
21
Den lilla vind<strong>kraft</strong>verksmodellen blev robust i och med valet av konstruktion och<br />
konstruktionsmaterial. Problemet med att gummibandet i generatordrivningen går sönder bör<br />
åtgärdas genom att det byts mot en rem samt att remskiva och generatorns axel modifieras. Axeln<br />
bör fasas ner något för att minska svårigheten att fästa på elevernas turbiner. Remskivans infästning i<br />
axeln bör förstärkas då remskivan hade tendens att lossna.<br />
Mät- och styrsystemet inklusive dess komponenter har fungerat väl och fyllt sin uppgift. Systemet är<br />
flexibelt och kan vidareutvecklas.<br />
22
10 Källförteckning<br />
1. Carlson, O. (2002) Vind- Sol och Våg<strong>kraft</strong>verk. Göteborg: <strong>Chalmers</strong> <strong>tekniska</strong> högskola<br />
(Institutionen för elteknik)<br />
2. Institutionen för Elteknik. ELTEKNIK. <strong>Chalmers</strong> <strong>tekniska</strong> högskola.<br />
3. Elgered, G. Mätteknik. <strong>Chalmers</strong> Tekniska Högskola<br />
4. Emma Rova, Jorun Wedlund, Magnus Ellsén (2009) Wind Power is a Breeze Göteborg:<br />
<strong>Chalmers</strong> Tekniska Högskola (Department of Energy and environment, Division of Electric<br />
Power Engineering)<br />
5. Jessica Hellström, Maria D. Nilsson (1999) Riktlinjer vid design av<br />
användargränssnitt Göteborg: Handelshögskolan vid Göteborgs universitet. (Examensarbete<br />
inom Institutionen för Informatik)<br />
6. Göteborg & Co (2010) Göteborgs<br />
Vetenskapsfestival www.goteborg.com/vetenskapsfestivalen (14 maj 2010)<br />
Bilderna är tagna från Wikimedia Commons(wikipedia) som har en öppen licens för bilderna.<br />
Figur 4 http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0b/Alternator_1.svg<br />
Figur 6 http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e6/Electric_motor_cycle_1.png<br />
Figur 7 http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/04/Electric_motor_cycle_2.png<br />
Figur 8 http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/59/Electric_motor_cycle_3.png<br />
Figur 9 http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d2/Sine_and_Cosine.svg<br />
23
11 Appendix<br />
Appendix 1 – Programmering i detalj<br />
Insignaler - Mätningar<br />
Stora vind<strong>kraft</strong>verkets spänning<br />
Det är störningar på signalen då vind<strong>kraft</strong>verket står stilla, för att inte dessa skall presenteras på<br />
skärmen i form av fladdrande siffror så filtreras alla spänningar vars absolutbelopp är mindre än<br />
60mV bort. Se Bild appendix 1 – 1 för programmeringen. Detta görs genom att ta absolutbeloppet<br />
på insignalen med hjälp av modulen ”Absolute Value” och kontrollera om denna är större än 0,06<br />
med hjälp av modulen ”Greater?”. Utsignalen från ”Greater?” är en boolean, så om insignalen är<br />
större än 0,06 är utsignalen true och om den är lika med eller mindre än 0,06 så är utsignalen false.<br />
Utsignalen från ”Greater?” används sedan som styrsignal till modulen ”Select”, om styrsignalen är<br />
false så blir utsignalen på ”Select” konstanten 0 men om styrsignalen är true så skickas utsignalen<br />
från DAQen vidare.<br />
Bild appendix 1 - 1: Programmeringen för att behandla spänningssignalen och varvtalet för stora vind<strong>kraft</strong>verket.<br />
Spänningen som mätts på det stora vind<strong>kraft</strong>verket är mätt över en spänningsdelning med två lika<br />
stora motstånd. I teorin skulle insignalen multipliceras med 2 för att få spänningen som<br />
vind<strong>kraft</strong>verket genererar. Men i verkligheten är inte motstånden identiska därför har en laboration<br />
genomförts för att kalibrera mot en multimeter 1 . Mätresultaten presenteras i Tabell appendix 1 - 1,<br />
medelvärdet av skillnaden är 2,088, utsignalen från ”Select” multipliceras med detta, resulterande<br />
signal presenteras med modulen ” Waveform Graph”, detta för att man skall kunna se spänningens<br />
sinusform.<br />
Utöver detta så presenteras spänningens RMS värde både i siffror och som stapel. För att kunna<br />
göra detta används modulen "Amplitud and Level Measurment", denna modul tar in en insignal och<br />
gör mätningar på den, i detta fall väljs RMS som utsignal. Utsignal visas sedan med hjälp av<br />
modulerna "Vertical Graduated Bar" och "Numeric Indicatior"<br />
Spänning Stora (V)<br />
1 CALTEK INSTRUMENT CM1703<br />
24
Multimeter<br />
Labview<br />
2,525 1,214 2,079<br />
3,77 1,78 2,118<br />
4,04 1,93 2,09<br />
1,418 0,6863 2,066<br />
medel: 2,088<br />
Multimetervärde/Labviewvär<br />
de<br />
Tabell appendix 1 - 1: Mätvärden från kalibrering av stora vind<strong>kraft</strong>verkets spänning mätprogrammet.<br />
Stora vind<strong>kraft</strong>verkets varvtal<br />
Programmeringen för stora vind<strong>kraft</strong>verkets varvtal visas i Bild appendix 1 - 1. För att kunna<br />
presentera varvtalet används modulen "Tone Measurments" och som utsignal väljs frekvens. Detta<br />
görs på samma signal som presenteras på ”Waveform Graph” ovan. Den frekvens (Hz) som mäts är<br />
frekvensen för hur ofta ett magnetpar sveper förbi spolarna, för att göra om detta till varv per<br />
sekund delas frekvenssignalen med 10 med modulen ”Divide”. Detta görs för att det är 10<br />
magnetpar på generatorn. Efter detta multipliceras signalen med hjälp av modulen ”Multiply” med<br />
60 för att få varv per minut. Denna signal presenteras med modulerna "numeric indicator" och<br />
"Gauge".<br />
Stora vind<strong>kraft</strong>verkets ström<br />
Programmeringen presenteras i Bild appendix 1 - 2. Störningar på insignalen filtreras bort på<br />
samma vis som för spänningsmätningen med skillnaden att gränsen för bortfiltrering går vid 20 mA.<br />
Genom att jämföra den förstärkta spänningen över motståndet med strömmen genom kretsen mätt<br />
med en multimeter 2 har en faktor beräknats. Mätvärdena för experimentet redovisas i Tabell<br />
appendix 1 - 2.<br />
Ström Stora (mA)<br />
1001 9,76 102,56<br />
812 7,92 102,52<br />
698 6,85 101,89<br />
468 4,62 101,29<br />
medel: 102,065<br />
Tabell appendix 1 - 2: Mätvärden från kalibrering av lilla vind<strong>kraft</strong>verkets ström i mätprogrammet.<br />
<strong>Med</strong>elvärdet av dessa mätvärden är 102,065 denna faktor multipliceras med signalen, och därefter<br />
visas signalen på modulen ”Waveform Graph”. Efter detta används modulen ”Amplitud and Level<br />
Measurments” där utsignalen är satt till RMS värdet på signalen vilket sedan presentera med<br />
modulerna "Vertical Graduated Bar" och "Numeric Indicatior".<br />
2 CALTEK INSTRUMENT CM1703<br />
25
Bild appendix 1 - 2: Programmeringen för att behandla strömsignalen från stora vind<strong>kraft</strong>verket.<br />
Lilla vind<strong>kraft</strong>verkets spänning<br />
Programmeringen presenteras i Bild appendix 1 - 3 För att filtrera bort störningar för lilla<br />
vind<strong>kraft</strong>verket används samma metod som nämnts ovan, men för denna spänning filtreras signaler<br />
mindre en ±30mV bort. Därefter kalibreras signalen mot en multimeter 3 . Efter mätningar<br />
presenterade i Tabell appendix 1 - 3 togs en faktor på 1,054 fram vilket multipliceras med modulen<br />
”Multiply”. Signalen presenteras sedan med modulerna "Waveform Graph", "vertical graduated<br />
bar" och "numeric indicatior".<br />
Bild appendix 1 - 3: Programmeringen för att behandla spänningssignalen från lilla vind<strong>kraft</strong>verket.<br />
3 CALTEK INSTRUMENT CM1703<br />
26
Spänning Lilla (V)<br />
4,12 3,91 1,054<br />
3,09 2,93 1,054<br />
2,302 2,18 1,056<br />
1,016 0,966 1,051<br />
medel: 1,054<br />
Tabell appendix 1 - 3: Mätvärden från kalibrering av lilla vind<strong>kraft</strong>verkets spänning i mätprogrammet.<br />
Lilla vind<strong>kraft</strong>verkets ström<br />
Programmeringen för lilla vind<strong>kraft</strong>verkets ström presenteras i Bild appendix 1 - 4. För att filtrera<br />
bort störningar för lilla vind<strong>kraft</strong>verket används samma metod som tidigare, för denna spänning<br />
filtreras signaler mindre en ±20mV bort. Därefter multipliceras, med hjälp av modulen ”multiply”,<br />
signalen med 107,475. Denna konstant är framtagen vid mätningar med en multimeter 4 vars värde<br />
jämfördes med programmets enligt Tabell appendix 1 - 4. Sedan presenteras signalen med<br />
modulerna "Waveform Graph", "Vertical Graduated Bar" och "Numeric Indicatior".<br />
Bild appendix 1 - 4: Programmeringen för att behandla strömsignalen från lilla vind<strong>kraft</strong>verket.<br />
4 CALTEK INSTRUMENT CM1703<br />
27
Ström Lilla (mA)<br />
299 2,79 107,2<br />
411 3,83 107,3<br />
514 4,77 107,7<br />
590 5,48 107,7<br />
medel: 107,475<br />
Tabell appendix 1 - 4: Mätvärden från kalibrering av lilla vind<strong>kraft</strong>verkets ström i mätprogrammet.<br />
Lilla vind<strong>kraft</strong>verkets varvräknare<br />
Programmeringen presenteras i Bild appendix 1 - 5 Insignalen kontrolleras med modulen "Tone<br />
Measurements" denna är inställd på att ge amplituden på signalen som utsignal. I modulen<br />
"Greater?" kontrolleras sedan om amplituden är större än 2, modulen "Greater?" ger en boolean<br />
som utsignal. Denna boolean används sedan som styrsignal i modulen "Select" som om styrsignalen<br />
är false ger konstanten 0 som utsignal. Om däremot styrsignalen är true så blir frekvensen utsignal<br />
till modulen "Select". Frekvensen fås genom att använda modulen "Tone Measurments" med<br />
frekvens som utsignal, insignalen är signalen från DAQen. Därefter multipliceras signalen med 60 för<br />
att få RPM istället för Hz. Denna signal presenteras på modulerna "Numeric Indicatior" och "Gauge".<br />
Bild appendix 1 - 5: Programmeringen för att behandla varvräkningssignalen från lilla vind<strong>kraft</strong>verket.<br />
Vindhastigheten<br />
Signalen från Vindmätaren är redan sedan tidigare anpassad på kretskortet så att 1V är lika med<br />
1m/s detta betyder att insignalen endast behöver presenteras detta är gjort med modulen "Meter".<br />
28
Utsignaler – Styrning av last och fläkt<br />
Styrning av last<br />
För att kunna bestämma vilka laster vind<strong>kraft</strong>verken skall ha används DAQens digitala utgångar för<br />
att styra reläer. Det finns ett färdigt exempel i LABVIEW2009 på hur de digitala utgångarna kan<br />
styras, detta exempel användes som grund och har modifierats för att fungera i programmet. I Bild<br />
appendix 1 - 6 presenteras hur programmeringen är gjord för det ena vind<strong>kraft</strong>verket, för det andra<br />
vind<strong>kraft</strong>verket ser det identiskt ut.<br />
Bild appendix 1 - 6: Programmeringen för styrning av last.<br />
Följande beskrivning behandlar programmeringen för ett av vind<strong>kraft</strong>verken. <strong>Med</strong> hjälp av virtuella<br />
instrumentet ”DAQmx Create Channel”, inställd på Digital Output, skapas en kanal för att styra<br />
DAQen. <strong>Med</strong> modulen ”Lines” styrs hur många och vilka utgångar på DAQen som skall användas.<br />
Därefter används virtuella instrumentet ”DAQmx Start Task” för att starta uppgiften. Nästa steg är<br />
virtuella instrumentet ”DAQmx Write” som är inställd på ”Digital/Singel Channel/Single Sample/1D<br />
Boolean”. Denna är inne i en While loop som pågår så länge som ingen felsignal skapas. While loopen<br />
uppdateras med 100ms mellanrum med modulen ”Wait Until Next ms Mutiple”.<br />
Förberett för Styrning av fläkt<br />
På och avstängning är tänkt att göras med ett relä, så då fungerar samma programmering som<br />
under rubriken ”styrning av last”. För att kunna styra fläktens styrka behöver DAQen styras så att den<br />
ger ut en varierbar spänning mellan 0 och 5V. Detta kan göras med programmering enligt Bild<br />
appendix 1 - 7. Här har modulen ”Knob” för att ge en insignal till ”DAQ Assistant” som är inställd på<br />
analog utgång.<br />
Bild appendix 1 - 7: Programmering för styrning av fläktens styrka.<br />
29
Appendix 2 Ritningar lilla vind<strong>kraft</strong>verksmodellen<br />
Axelhus<br />
Axel<br />
Svänghjul<br />
30
Appendix 3 Ritningar på lilla vindkraverksmodellen<br />
31
Appendix 4 Tillvägagångssätt för lilla vind<strong>kraft</strong>verksmodellen<br />
AXELHUS<br />
För att underlätta i beskrivningen så refereras det<br />
här till sidan mot rotorbladen som högersidan och<br />
sidan mot remskivan som vänstersidan.<br />
Material:<br />
Verktyg: Svarv, Fräs, Borr<br />
Aluminium<br />
Inledningsvis svarvades en cylindrisk spillbit till<br />
diametern 40 mm och längden 56mm. Efter detta<br />
svarvades ett hål i mitten med diametern 15 mm,<br />
vilket var ytterdiametern på de kullager som senare<br />
skulle passas in här.<br />
För att minimera risken att rotorbladen kunde ta i<br />
huset så fasades högersidan ner. Då huset skulle<br />
fästas vid ett torn med diametern 31 mm fick<br />
fasningen inte börja närmare vänsterkanten än så. Då<br />
diametern på cylindern var 40 mm så inleddes<br />
fasningen på samma avstånd från vänster. Flänsarna<br />
på kullagren har diametern 20 mm, varför diametern<br />
på högersidan inte fick vara mindre än så, något<br />
direkt övre begränsning fanns inte. Fasningsvinkeln<br />
valdes till 30° och vänstersidan fick då diametern<br />
21,69 mm.<br />
Då planen var att fästa huset vid tornet med en<br />
träskruv så borrades en nedsänkning i huset med en<br />
diameter på 10 mm. Detta för att få plats med<br />
skruvhuvudet och för att komma åt att dra fast<br />
skruven med en mejsel.<br />
För att skruven sedan skulle kunna löpa fritt men<br />
samtidigt hålla huset på plats utan att riskera något<br />
glapp så borrades den sista biten rakt igenom huset<br />
med ett 5 mm-borr. Träskruven har en ytterdiameter<br />
på 5 mm.<br />
Sensorn till varvtalsmätaren mätte ca 6,3 x 20 mm.<br />
För att fälla in denna i huset så borrades ett hål på 6,3<br />
mm. Detta placerades så långt ner på huset som<br />
möjligt utan att riskera att det korsade hålet för<br />
träskruven, närmare bestämt 13 mm till höger och 3<br />
32
mm nedanför centrum. Borrdjupet sattes till 40 mm.<br />
<strong>Med</strong> ögonmått frästes sedan ett hål med diameter<br />
10 mm från den punkt på undersidan av cylindern där<br />
kablarna skulle gå upp till hålet för sensorn.<br />
Därigenom skulle kablarna från sensorn senare dras.<br />
AXEL<br />
Liksom i fallet med axelhuset så benämns i<br />
beskrivningen sidan mot remskivan<br />
vänstersidan och sidan mot rotorbladen<br />
högersidan.<br />
Material:<br />
Verktyg: Såg, Svarv och M5-gängsnitt<br />
Stål<br />
En cylindrisk stång med diametern 12 mm<br />
kapades med såg till 99,5 mm. För att få fina<br />
snittytor så svarvades längden ner till 99,2 mm.<br />
På axelns västersida svarvades sedan 16 mm<br />
ner till diametern 5 mm, dvs samma diameter<br />
som hålet i remskivan.<br />
Vidare från vänster så svarvades 58 mm ner<br />
till diametern 10 mm. Då kullagren behövde<br />
passas perfekt på den här delen av axeln<br />
mättes diametern kontinuerligt med en<br />
precision på hundradels millimeter under sista<br />
millimetern av svarvningnen.<br />
Slutligen så svarvades 18 mm av högersidan<br />
ner till 5 mm som sedan gängades till M5. 7,2<br />
mm närmast huset lämnades kvar på diametern<br />
12 mm, dvs samma mått som den delen på<br />
svänghjulet som skulle sitta närmst in mot<br />
axelhuset.<br />
33
TORN<br />
Av utrymmesskäl så har ritningarna vridits<br />
90° medurs. Axelhuset skall alltså fästas till<br />
höger på ritningarna i denna beskrivning.<br />
Meterial: Trä, Aluminium<br />
Verktyg: Fräs, Svarv, Sandpapper, Epoxylim<br />
En träbit svarvades till längden 100 mm<br />
och diametern 28 mm, dvs samma som<br />
aluminiumrörets innerdiameter. För att<br />
den lätt skulle passas i röret så<br />
sandpapprades biten även något i svarven.<br />
För att kablarna från sensorn och<br />
generatorn skulle kunna dras igenom<br />
träbiten så sågades ett spår till med<br />
ögonmått. Spåret mätte ca 5,7 mm i bredd<br />
och 4,7 mm i djup.<br />
Vidare så limmades träbiten med<br />
epoxylim i ett 640 mm långt aluminiumrör<br />
med ytterdiameter 31 mm.<br />
För att passa in axelhuset på tornet så<br />
frästet en nedsänkning med diameter 40<br />
mm enligt bild.<br />
Slutligen så frästes ett hål för generatorn<br />
med diameter 24 mm och djup 21,2 mm..<br />
Avståndet (enligt bild) baserades främst på<br />
drivremmens längd samt att träskruven<br />
precis skulle nå ner till hålet, den behövde<br />
alltså sedan bara slipas till lite för att<br />
fungera både som fäste för axelhuset och<br />
som låsning för generatorn.<br />
34
REMSKIVA<br />
Innersidan på remskivan, alltså den som är in mot<br />
axelhuset, benämns här som högersidan och yttersidan<br />
benämns som vänstersidan.<br />
Material:<br />
Aluminium<br />
Verktyg: Svarv, fräs, borr och gängtapp<br />
Till att börja med svarvades en cylindrisk spillbit till<br />
diametern 50 mm och bredden 15,2 mm. Det senare<br />
måttet baserades på att yttre delen av skivan behövde<br />
hamna minst så långt ut att det placerades precis över<br />
yttre delen på generatorns drivskiva, då generatorn<br />
endast kan justeras för att hanma längre ut ifrån röret.<br />
7,2 mm av högersidan svarvades sedan ner till<br />
diametern 12 mm. Denna högra sidan tillsammans med<br />
12 mm-klacken på axeln skulle alltså fungera som<br />
låsningar på varsida om axelhuset och kullagren så att<br />
axeln inte kan förflytta sig i sidled.<br />
I centrum av remskivan borrades ett hål med<br />
diameter 5 mm, dvs samma diameter som högersidan<br />
av axeln.<br />
För varje spår på generatorns drivskiva så svarvades<br />
ett spår på remskivan. Detta för att drivskivans spår har<br />
olika diametern och man genom att flytta drivremmen<br />
mellan dessa då kan variera utväxlingen. Remskivans<br />
spår fick djupet 1 mm och ett avstånd mellan dem på 2<br />
mm.<br />
35
För att fästa remskivan vid axeln så borrades och<br />
gängades ett M3-hål på den högra sidan, se bild.<br />
Remskivan kunde sedan dras fast med en insexskruv.<br />
Slutligen så frästes ett hål för magneten med<br />
diametern 10 mm och djupet 5 mm. Centrum på hålet<br />
placerades 13,75 mm från remskivans centrum, endast<br />
0,4 mm längre ut än sensorn. Anledningen till att det<br />
inte placerades närmre mitten var för att undvika att<br />
den känsliga sensorn kände av magneten även när den<br />
var på motsatt sida av axeln.<br />
36
Appendix 5 Manual<br />
12 Instruktioner till mätlådan, dator och program<br />
Vid start<br />
1. Koppla strömsladden till mätlådan.<br />
2. Kontrollera att strömbrytaren på grenkontakten är påslagen. Kontrollera att strömbrytaren<br />
på mätlådan är påslagen (Dessa knappar lyser då de är påslagna.).<br />
3. Kontrollera att alla strömbrytare på mätlådan pekar neråt (off).<br />
4. Sätt upp datorn. Koppla in strömsladd till datorn. Koppla in musen till datorn. (USB uttagen<br />
på datorn sitter bredvid strömuttaget)<br />
5. Koppla in USB-kabeln från mätlådan till datorn.<br />
6. Starta datorn och vänta på inloggningskärm.<br />
7. Tryck ner Ctrl, Alt och del (delete) knapparna samtidigt.<br />
8. Användarnamn: Laptop<br />
Lösenord: G36dk&CR<br />
(Dessa står på nedre vänster kant på skärmen.)<br />
9. Klicka på ikonen ”<strong>Med</strong> <strong>vindens</strong> <strong>kraft</strong>” som befinner sig mitt på skärmen. Programmet startar<br />
upp. Datorn är långsam så ha tålamod.<br />
10. Klicka på ”run” (den vita pilen som pekar åt höger, uppe till vänster i programmet) för att<br />
starta mätningarna.<br />
11. Kontrollera att ”strömbrytarna” under fliken ”Litet” och ”Stort” i programmet(uppe till<br />
vänster) pekar neråt. Om inte, klicka på brytarna så de pekar neråt.<br />
Fel 1<br />
Programmet står helt still. Vind<strong>kraft</strong>verken snurrar men programmet visar ingen spänning och<br />
vindhastighetsmätaren står still.<br />
Åtgärd<br />
Kontrollera att knappen ”stop” (den röda ringen, uppe till vänster i programmet) inte är intryckt.<br />
Om detta är fallet tryck på följ steg 10 i ”Vid start”. Om detta inte hjälper kan någon ha ändrat i<br />
programmet. Gör då följande: Stäng av programmet. Välj ”Don’t save” om en förfrågan att<br />
”Spara”/”Save” kommer upp. Följ sedan steg 9 och 10 i ”Vid start”.<br />
Fel 2<br />
Det lilla vind<strong>kraft</strong>verket snurrar men programmet visar inte någon spänning eller ström.<br />
Varvmätaren för vind<strong>kraft</strong>verket fungerar.<br />
Åtgärd<br />
Kontrollera att fliken ”Litet” är i programmet är vald. Om inte, välj flik ”Litet”.<br />
Kontrollera att gummibandet(mellan drivning och generator) på lilla vind<strong>kraft</strong>verket är helt och är<br />
korrekt placerat.<br />
37
Fel 3<br />
Datorn har hängt sig. Ingenting fungerar.<br />
Åtgärd<br />
Starta om datorn och följ stegen 6 - 11 i Vid Start.<br />
38
Instruktioner för programmet ”<strong>Med</strong> <strong>vindens</strong> <strong>kraft</strong>”<br />
Position på skärmen:<br />
Upp till vänster (Lampstyrning)<br />
Under fliken ”Litet” styrs lamporna till det lilla vind<strong>kraft</strong>verket med strömbrytarna som illustreras i<br />
fönstret. Här finns det fyra stycken strömbrytare var av de tre första styr en varsin lampa i<br />
”smurfhuset”. Den fjärde med namn ”kortslutning” kortsluter lamporna så all ström går genom<br />
kortslutingen.<br />
Ingen lampa lyser då ”kortslutningen” är påslagen. Spänningen kommer vara 0 men strömmen<br />
max. Vind<strong>kraft</strong>verket kommer snurra som långsammast pga. den stora strömmen den levererar.<br />
Alla strömbrytare i OFF-läge gör att spänningen kommer vara maximal men det kommer inte gå<br />
någon ström. Vind<strong>kraft</strong>verket snurrar som snabbast.<br />
Under fliken ”Stora” styrs lamporna till det stora vind<strong>kraft</strong>verket med strömbrytarna som<br />
illustreras i fönstret. Här finns det tre stycken strömbrytare som styr de tre lampor som sitter på<br />
mätlådan.<br />
Alla strömbrytare påslagna(alla lampor lyser om det snurrar tillräckligt snabbt), stor ström<br />
levereras från vind<strong>kraft</strong>verket, det kommer snurra långsamt.<br />
Alla strömbrytare av(ingen lampa lyser), stor spänning men ingen ström. Vind<strong>kraft</strong>verket snurrar<br />
maximalt snabbt.<br />
Upp till höger (Vindhastighet)<br />
Här visas vindhastigheten i meter per sekund [m/s]. Denna beror på hur mycket ni har vridit upp<br />
fläkten.<br />
Nere (Spänning, ström och grafer)<br />
På den undre delen av skärmen finns fyra flikar, Litet, Stort, Graf Litet och Graf Stort.<br />
Under fliken ”Litet” visas spänningen, strömmen och varvtalet för det lilla vind<strong>kraft</strong>verket. Till<br />
vänster i fliken den blå stapel visas spänningen. I mitten den röda stapeln visas strömmen. Till höger i<br />
den vita mätaren visas varvtalet. Dessa visas i enheten volt för spänningen, milliampere för<br />
strömmen och varv/minut för varvtalet.<br />
Under fliken ”Stort” visas spänningen, strömmen och varvtalet för det stora vind<strong>kraft</strong>verket. Till<br />
vänster i fliken den blå stapel visas spänningen. I mitten den röda stapeln visas strömmen. Till höger i<br />
den vita mätaren visas varvtalet. Dessa visas i enheten volt för spänningen, milliampere för<br />
strömmen och varv/minut för varvtalet.<br />
Under fliken ”Graf Litet” visas på den övre delen kurvformen för strömmen från det lilla<br />
vind<strong>kraft</strong>verket. Formen kommer vara ett ”rakt” sträck som antingen ligger ovanför nollnivån eller<br />
under nollnivån beroende på åt vilket håll turbinen på vind<strong>kraft</strong>verket snurrar. Om ingen<br />
39
strömbrytare är påslagen kommer det inte gå någon ström. Formen är ett ”rakt” streck eftersom det<br />
lilla vind<strong>kraft</strong>verket är utrustat med en likspänningsgenerator.<br />
På den undre delen visas kurvformen för spänningen från det lilla vind<strong>kraft</strong>verket. Formen<br />
kommer vara ett ”rakt” sträck som antingen ligger ovanför nollnivån eller under nollnivån beroende<br />
på åt vilket håll turbinen på vind<strong>kraft</strong>verket snurrar. Nivån beror på hur snabbt turbinen snurrar och<br />
hur många lampor som generatorn driver. Formen är ett ”rakt” streck eftersom det lilla<br />
vind<strong>kraft</strong>verket är utrustat med en likspänningsgenerator.<br />
Under fliken ”Graf Stort” visas på den övre delen kurvformen för strömmen från det stora<br />
vind<strong>kraft</strong>verket. Formen kommer vara en våg. När det stora vind<strong>kraft</strong>verket snurrar snabbare<br />
kommer amplituden och frekvensen att öka vilket gör att vågorna kommer tätare och blir högre.<br />
Amplituden på vågorna beror på hur snabbt turbinen snurrar och hur många lampor som generatorn<br />
driver. Om ingen strömbrytare är påslagen kommer det inte gå någon ström.<br />
På den undre delen visas kurvformen för spänningen från det stora vind<strong>kraft</strong>verket. Amplituden<br />
på vågorna beror på hur snabbt turbinen snurrar och hur många lampor som generatorn driver.<br />
Frekvensen beror på hur snabbt det stora vind<strong>kraft</strong>verket snurrar.<br />
40
Appendix 6 Utformning av mätlådan och kretskortet<br />
Figur 27 Utformning av mätlådan.<br />
41
Figur 28 Kontakterna till mätlådan.<br />
42
Figur 29 Kretskortets utformning.<br />
43