De toekomst van golfenergie

Transcriptie

1 K.S.G. de Breul De toekomst van golfenergie Reinier Goudswaard & Martijn van Wijk KSG de Breul VWO 6 Begeleider: Dhr. Staring, docent Natuurkunde

2 SAMENVATTING In dit profielwerkstuk is onderzoek gedaan naar de toekomst van golfenergie. Met golfenergie wordt de energie bedoeld die is opgeslagen in oppervlakte golven in zee. Doordat de zee constant in beweging is, bevat de zee een ongelofelijk grote hoeveelheid energie. Om deze energie uit golven om te zetten in stroom is een apparaat nodig. Heden ten dage bestaan er verschillende van deze apparaten die gebruik maken van verschillende technieken. In dit onderzoek werden de verschillende technieken om energie te halen uit golven met elkaar vergeleken om vervolgens een geschikte techniek over te houden die verder onderzocht kon worden. De techniek die verder onderzocht werd is de techniek van de zogenaamde Oscillating water column, waarbij gebruik wordt gemaakt van een luchtverplaatsing als gevolg van wisselingen van het wateroppervlak (golven). Door middel van turbines wordt de energie die opgeslagen is in deze luchtverplaatsing omgezet in elektrische energie. Nadat de techniek van de Oscillating water column bestudeerd en beschreven was, werd er een prototype ontworpen, waarmee de techniek getest kon worden op zijn werking. Hierbij dienden verschillende aanpassingen gedaan te worden aan de techniek, om de werking te optimaliseren. Met dit prototype werd direct de werking van het systeem verklaard, waardoor een definitief ontwerp gemaakt kon worden, gebaseerd op de methodes gehanteerd in het prototype. Aan de hand van een programma van eisen waarin bepaalde eisen worden gesteld aan het ontwerp, werd het ontwerp bekritiseerd op verscheidene punten. Dit definitieve ontwerp is getest in water en heeft aantoonbaar energie opgewekt. Uiteindelijk werd er ook nog beschreven hoe de productie van golfenergie efficiënter kan. Hierbij werd er gekeken naar verschillende aspecten om het rendement van de energieomzetting die plaatsvindt te verhogen. Daarnaast is er ook ingegaan op de theorie achter golfenergie en de argumenten voor golfenergie. De hoofdvraag van dit onderzoek was: Heeft golfenergie een toekomst. Op basis van alle bevindingen en conclusies van het literatuuronderzoek, de berekeningen en het resultaat van het eigen ontwerp kon deze hoofdvraag goed beantwoord worden. Het uiteindelijke antwoord was dat golfenergie een toekomst heeft, omdat er een vraag is naar duurzame energiebronnen en golfenergie een geschikte vorm van duurzame energie is. 2

3 INHOUDSOPGAVE 1. Introductie Inleiding Werkplan Hoofdvraag Plan van aanpak Theorie Golven Ontstaan Eigenschappen Kinetische energie golfenergie vs windenergie Conclusie Opwekken van elektrische energie Energieomzetting Werking dynamo Werking Turbine Waarom golfenergie? Verschillende methoden voor golfenergie Pointabsorber (Boei vastgemonteerd aan platform) Wavestar Attenuator (drijvende slang) Pelamis Oscillating wave surge (bewegende klep op zeebodem) Oyster Oscillating water column (Luchtturbine) OE Buoy Limpet Overtopping device: (overslaande golven opvangen) Wave dragon Meest geschikte methode Locatie Shoreline Nearshore Offshore Voor- en nadelen per techniek Pointabsorber (drijvende boei) Attenuator (drijvende slang) Oscillating wave surge (bewegende klep op zeebodem) Oscillating water column (Luchtturbine) Overtopping system Overzicht schema s verschillende technieken Pointabsorber (drijvende boei) Attenuator (drijvende slang)

4 5.3.3 Oscillating wave surge (bewegende klep op zeebodem) Oscillating water column (Luchtturbine) Overtopping system Overzicht eindscores Ontwerpfase Basis van ons ontwerp WellsTurbine Terugslagventielsysteem Prototype Bouwtekeningen Materiaalkeuze Resultaat prototype Definitief ontwerp Programma van eisen offshore of Onshore Luchtreservoir Terugslagventiel-systeem Turbines Benodigde materialen Resultaten & verwerking Conclusie Definitief ontwerp Conclusie Antwoord deelvraag Antwoord deelvraag Antwoord deelvraag Antwoord deelvraag Antwoord hoofdvraag Discussie Evaluatie van conclusie Foutendiscussie Suggesties Voor verbetering Proces Logboek Meningen over proces en samenwerking Martijn Reinier Bronnen Bronnen Theorie Bronnen Waarom golfenergie Bronnen Verschillende methodes Bronnen ontwerpfase Bijlagen Bijlagen

5 1. INTRODUCTIE 1.1 INLEIDING Bij alles wat we in ons dagelijks leven doen speelt energie een grote rol. Energie is nodig om een beweging te veroorzaken. Om aan die energie te komen, zijn energiebronnen nodig. Voor de mens is voedsel een energiebron, voor een auto benzine en voor apparaten elektriciteit. Veel energie wordt verkregen uit fossiele brandstoffen. Fossiele brandstoffen zijn organische verbindingen die te vinden zijn in de aardkorst. Fossiele brandstof is een erg belangrijke energiebron, omdat het winnen van fossiele brandstoffen relatief eenvoudig is en er geen hoogstaande technieken voor nodig zijn. Traditioneel werd er daarom veel gebruik gemaakt van deze grote energiebron. Pas ten tijde van de industriële revolutie ontdekte men, dat de grootschalige verbranding van fossiele brandstoffen een enorme invloed heeft op het milieu. Tevens werd de wereld zich ervan bewust dat fossiele brandstoffen eindig zijn. Dit betekent dat er niet oneindig veel fossiele brandstoffen op de wereld aanwezig zijn en dat deze energiebron in de toekomst wanneer het verbruik van fossiele brandstoffen in het huidige tempo doorgaatuitgeput wordt. Momenteel wordt namelijk 86,4 procent van alle energie gewonnen uit fossiele brandstoffen. Noodzaak is dus dat we alternatieve energiebronnen moeten gaan gebruiken. Reeds is de mens in staat om energie te winnen uit oneindige energiebronnen. Neem bijvoorbeeld windenergie. Sinds enkele tientallen jaren kan men energie winnen uit de oneindige beweging van lucht (wind). Een ander voorbeeld van een eeuwige energiebron is de zon. Met behulp van zonnepanelen en zonneboilers kan de energie van de zon die de aarde bereikt in de vorm van licht en warmte, worden omgezet in elektriciteit. Nu kent de wereld nog een derde en misschien wel grootste energiebron: het water. Deze energie vormt samen met windenergie, zonne-energie en biomassa meer dan 99,9 procent van alle duurzame energie op aarde. In dit onderzoek zal er vooral worden gekeken naar de mogelijkheden om energie te winnen uit oceaangolven. Doordat de oceaan constant in beweging is, is er dus veel energie in opgeslagen. Slechts een klein deel van deze grote energiebron wordt reeds gebruikt. Dit komt doordat technieken die bestaan om energie te winnen uit golven in ontwikkeling zijn. De groep apparaten die in staat is energie te winnen uit golven, wordt over het algemeen Wave Energy Converter (WEC) genoemd. Op dit moment bestaan er verschillende technologieën om energie op te vangen uit golven. Zoals gezegd is ieder van deze technologieën in een te vroege staat om echt te kunnen zien welke technologie of mix van technologieën in de toekomst het belangrijkste zal zijn. In dit onderzoek zullen deze verschillende technieken met elkaar vergeleken worden. Voor- en nadelen van de verschillende methodes zullen tegen elkaar afgewogen worden om vervolgens de meest geschikte techniek voor in de toekomst te vinden. Hierbij zullen verschillende eisen gevraagd worden waar de methode geacht wordt aan te voldoen. Uiteindelijk zal er een prototype ontworpen worden van deze methode en zal deze methode in het verdere onderzoek bekritiseerd en verbeterd worden. Uiteindelijk wordt gekeken of golfenergie en dan vooral de gekozen techniek een toekomst heeft als belangrijke energiebron. 5

6 1.2 WERKPLAN 1.2.1HOOFDVRAAG In dit PWS zijn gaan we ons verdiepen in de toekomst en mogelijkheden van golfenergie. De hoofdvraag luidt daarom als volgt: Hoofdvraag: Heeft golfenergie een toekomst? PLAN VAN AANPAK We zullen in dit PWS ingaan op de verschillende manieren waarop energie uit golven opgewekt kan worden. Uiteindelijk zullen we met deze informatie zelf een machine ontwerpen en bouwen die energie uit golven kan opwekken. Deze machine zullen we zoveel mogelijk perfectioneren waarbij we dus ingaan op de efficiëntie van het opwekken van golfenergie. De bouw van deze machine is het hoofdonderdeel van dit PWS, omdat daarbij al onze gewonnen kennis wordt samengevoegd. Het doel van dit PWS is dus om een werkende machine te ontwerpen en maken die energie uit golven kan opwekken. Voordat we een ontwerp maken, moeten we ons eerst verdiepen in de verschillende mogelijkheden om energie uit golven op te wekken. Er bestaan namelijk al veel verschillende methodes om dit te doen. Dit onderdeel is onze eerste deelvraag: Deelvraag 1: Welke methoden zijn er om energie uit golven op te wekken? Vervolgens zullen we een keuze moeten maken welke methode ons het beste lijkt om te gaan ontwerpen en bouwen. De methode die we kiezen moet aan bepaalde eisen voldoen: -De gekozen methode mag niet te ingewikkeld zijn om te ontwerpen en bouwen. -De gekozen methode moet de potentie hebben met een hoog rendement stroom op te wekken. -De gekozen methode moet financieel haalbaar zijn voor ons. Dit onderdeel is onze tweede deelvraag: Deelvraag 2: Welke methode om energie uit golven op te wekken is het meest geschikt voor ons? Als we een methode hebben gekozen moeten we een ontwerp maken voor de machine waarmee we energie uit golven willen opwekken. Bij het maken van ons ontwerp stellen we een aantal eisen waaraan onze machine uiteindelijk moet voldoen: -De machine moet duurzaam zijn: hij mag niet snel kapot gaan -De machine moet zo veel mogelijk elektrische energie leveren -De machine moet bij een constante hoeveelheid golven constant stroom opleveren We zullen van dit ontwerp eerst een prototype maken van hout om te kijken of het ontwerp goed genoeg is. Als we niet tevreden zijn, zullen we het ontwerp en het prototype aanpassen. Pas als we tevreden zijn over ons prototype zullen we het definitieve ontwerp maken. Deze zal groter zijn en van het juiste materiaal gemaakt worden. Dit ontwerp zullen we aanpassen en perfectioneren, om fouten te verbeteren en het rendement te verhogen. Als we klaar zijn met het ontwerpen en bouwen zullen we onze derde deelvraag beantwoorden: Deelvraag 3: Is het voor ons mogelijk om een goede machine te maken die energie uit golven opwekt? 6

7 Als we de eerste drie deelvragen beantwoordt hebben en onze machine gebouwd hebben zullen we onze bevindingen en conclusies reflecteren op golfenergie in het algemeen. De machine die we gebouwd hebben, hebben we steeds verbeterd en geperfectioneerd. Zo hebben we dus een beeld gekregen hoe de productie van golfenergie beter kan. Voor de laatste deelvraag zullen we met deze informatie ingaan op de efficiëntie van de productie van golfenergie. Hiermee zullen we de vierde en laatste deelvraag beantwoorden: Deelvraag 4: Hoe kan de productie van golfenergie efficiënter? 7

8 2.THEORIE 2.1GOLVEN Voor dit onderzoek naar golfenergie moet er informatie worden verkregen over golven. Hoe ontstaan golven en wat voor een eigenschappen hebben golven ONTSTAAN Oppervlaktegolven 1 op zee worden met name veroorzaakt door de wind, maar ze kunnen ook worden veroorzaakt door zeebevingen, vulkaanuitbarstingen en het getij. Wanneer een golf de kust nadert neemt de waterdiepte onder de golf af. Dit afnemen van de waterdiepte kan op twee manieren gebeuren. De waterdiepte kan abrupt minder worden doordat de golf tegen een klip of rif oploopt. Tevens kan de waterdiepte geleidelijk afnemen. Zodra een golf een ondiepe kustzone nadert, begint het zogenaamde grondeffect op te treden. De voorkant van de golf wordt door de weerstand die hij van de oplopende bodem ondervindt geremd, terwijl de achterkant van de golf nog de volledige snelheid heeft. Hierdoor wordt de golf in elkaar gedrukt, waardoor de achterkant over de voorkant van de golf heen gaat lopen. De golf verandert in een in kracht toenemende rolgolf. De oplopende kustlijn zorgt ervoor dat de rolgolf verder in hoogte toeneemt. De weerstand die het water van de bodem ondervindt drukt de golf in elkaar, met als gevolg dat die meer energie krijgt. Op een gegeven moment loopt de achterkant van de golf als het ware tegen de voorkant op, waardoor de golf verder in hoogte toeneemt totdat ze uiteindelijk enkele meters van de kust omslaan, wanneer de waterdiepte te klein is EIGENSCHAPPEN Zeegolven kunnen worden gezien als een lopende harmonische golf. Dit is een serie evenwijdige gladde golfruggen die met een constante snelheid voortlopen. De golfruggen staan loodrecht op de richting van de kammen en hebben een gelijke hoogte en hebben onderling een even afstand van elkaar, daarbij hun vorm bewarend. Het hoogste deel van een golf wordt de golftop genoemd, het laagste deel het golfdal. De hoogte van de golf, de zogenaamde golfhoogte, is de verticale afstand tussen het golfdal en de golftop. Het zeeniveau, de gemiddelde hoogte van de zeespiegel, ligt iets onder het midden van de golfhoogte. Dit komt doordat de toppen smaller zijn en steiler lopen dan de dalen. De horizontale afstand tussen de toppen van de golf in de richting waar de golf heenloopt, wordt beschreven als de golflengte. De tijd waarin een vast punt wordt gepasseerd door twee toppen, is de periode. De bovenstaande eigenschappen worden beïnvloed door verschillende factoren, te weten: de windsnelheid, de windduur en windbaan (de lengte waarover de wind waait). 1 Bron 5: Oppervlaktegolf, 8

9 2.2 KINETISCHE ENERGIE In elk voorwerp dat beweegt is een bepaalde hoeveelheid energie opgeslagen; de kinetische energie 2. Het voorwerp is in beweging gebracht door een positieve netto kracht. Het heeft energie gekost om deze netto kracht uit te oefenen, en deze energie is opgeslagen in de bewegingssnelheid van het voorwerp. Bij een beweging in een richting (een translatie) geldt de volgende formule voor de kinetische energie: Hierbij geldt dat: =Kinetische energie in joule (J) = Massa in kilogram (kg) =snelheid in meter per seconde (m/s) Bij een roterende beweging (een rotatie) geldt de volgende formule voor de kinetische energie: Hierbij geldt dat: =Kinetische energie in Joule (J) =Traagheidsmoment in Kilogram per m 2 (kg/m 2 ) =Hoeksnelheid in radialen per seconde (rad/s) 2.2.1GOLFENERGIE VS WINDENERGIE Uit de formule blijkt dat in de golven van de zee een enorm grote hoeveelheid energie is opgeslagen. De massa van een kubieke meter water 3 is namelijk vele malen groter dan de massa van een kubieke meter lucht 4. Aangezien in de formule voor de kinetische energie de massa vermenigvuldigt wordt, is de kinetische energie van een kubieke meter water veel groter dan de kinetische energie van een kubieke meter lucht (als de snelheid gelijk is). Ter vergelijking van de kinetische energie van kubieke meter water en lucht doen we een voorbeeld berekening: We nemen voor zowel de lucht als het water een voortplantingssnelheid van 1 m/s. 1) water: 2 Bron 4: Kinetische energie, 3 Bron 7: Windenergie, 4 Bron 6: Theorie energie, 9

10 2) lucht: Conclusie: In één m 3 water met een snelheid van 1 m/s is 772 keer zo veel energie opgeslagen als in één m 3 lucht met een snelheid van 1 m/s. De vorige berekening laat zien dat water veel meer energie bezit dan lucht, als het volume en de voortplantingssnelheid aan elkaar gelijk zijn. In werkelijkheid zijn deze cijfers bij golfenergie en windenergie echter totaal verschillend, aangezien de grootte van windmolens en golfenergiecentrales verschillend is, en ook de snelheid van golven en wind verschillend is. Daarom is een nauwkeurigere berekening nodig om een uitspraak te doen over de mogelijkheden van golfenergie en windenergie. Bij al deze berekeningen gaan we enkel in op de totale hoeveelheid kinetische energie die per seconde geabsorbeerd kan worden door de energiecentrale/windmolen. We gaan niet in op het rendement van de energiecentrale/windmolen en bekijken dus niet hoeveel stroom er in werkelijkheid gewonnen kan worden. Dit onderdeel gaat namelijk over de mogelijkheden van golfenergie en windenergie, en daarom nemen we in deze theorie de energieomzetting en het rendement niet mee. KINETISCHE ENERGIE VAN ZEEGOLVEN Golven bestaan uit zeewater. De dichtheid hiervan staat in Binas 12: In 1976 heeft de KNMI een zeer uitgebreid natuurkundig onderzoeksverslag over zeegolven geschreven, waarin diep ingegaan wordt op het gedrag en de energie van golven. M.b.v. onderzoeksresultaten heeft men een formule opgesteld voor de hoeveelheid energie per m 2 deinende zee. De totale hoeveelheid energie in een golf bestaat uit kinetische energie en potentiële energie. We kijken naar de volgende momentopname van een golf: (de rode lijn stelt de waterspiegel voor) Bij een periode van 0, ½, 1 en veelvouden hiervan is de amplitude nul. Op deze plaatsen is de potentiële energie minimaal (nul) omdat de golf hier in evenwichtsstand is en de kinetische energie maximaal, omdat de golf hier de hoogste snelheid heeft. Bij een periode van ¼,¾ en veelvouden hiervan is de amplitude maximaal. Op deze plaatsen is de potentiële energie maximaal omdat de golf hier terug wil naar de evenwichtsstand, en de kinetische energie minimaal (nul) omdat de golf hier geen snelheid heeft. 10

11 De potentiële energie van een zeegolf is dus gelijk aan de kinetische energie van een zeegolf als deze een vorm heeft van een sinusfunctie. De formule voor de potentiële, en dus ook de kinetische energie van een golf per lengte-eenheid is: Hierbij geldt dat: g=valversnelling= (9,81 m/s) ρ=dichtheid= H=deining (hoogte van golf) in meter L=golflengte in meter De formule voor de totale energie van een golf per oppervlakte eenheid is daarom: Om tot de gemiddelde hoeveelheid energie die op de oceanen beschikbaar is te komen, moet dus bepaald worden hoe hoog de golven gemiddeld zijn. Dit is niet goed te bepalen, omdat de zeeën ongelofelijk groot zijn en de golfhoogte veel varieert. Wel is het mogelijk om ongeveer te bepalen hoe groot de gemiddelde deining is aan de hand van een kleine hoeveelheid meetgegevens. In hetzelfde verslag van de KNMI is uitgebreid onderzoek gedaan naar de hoogte van golven. Op open oceanen is de golfhoogte vrijwel altijd 4,0 meter hoog. 2, J/m 2 Het feit dat er golven zijn, betekent dat water zich voortbeweegt (dat is het principe van zeegolven). Als men de snelheid van het zeewater weet, is het mogelijk om te berekenen hoeveel energie aan zeewater de kust nadert (per meter kust) per seconde. Er bestaat een duidelijk verband tussen de golflengte L en de voortplantingssnelheid C, weergeven in de nevenstaande tabel (uit het rapport van de KNMI): In het onderzoeksrapport van de KNMI staat ook beschreven dat de gemiddelde golflengte van oceanische golven 100 meter is, oftewel de gemiddelde voortplantingssnelheid is 12,5 m/s. De formule die beschrijft hoeveel energie de kust nadert per meter per seconde is als volgt: Hierbij is P het vermogen in Watt, E de eerder beschreven totale hoeveelheid energie in Joule/m 2, en V de energiesnelheid in m/s. De energiesnelheid is gelijk aan de helft van de voortplantingssnelheid C, oftewel 6,25 m/s. Uit al deze gegevens blijkt dus dat hoeveelheid energie die een lijn van een meter evenwijdig aan de kust passeert, 1, Watt is. Het is wel zo dat in eerste instantie slechts de helft hiervan bruikbare kinetische energie is en de andere helft potentiële energie, maar zodra de golven worden geabsorbeerd zal ook de potentiële energie veranderen in kinetische energie, omdat de potentiële energie ervoor zorgt dat de golf terug naar de evenwichtsstand wil. Dit is ook logisch, aangezien de potentiële energie niet zomaar kan verdwijnen. Een enkele machine van een golfenergiecentrale zou gemakkelijk 15 meter lang kunnen zijn. Een golfenergiecentrale zou dus per seconde ongeveer 1, Joule aan kinetische energie kunnen absorberen. 11

12 KINETISCHE ENERGIE VAN WIND Uit wind (een continue voortbewegende luchtstroom) kan energie gewonnen worden met behulp van een turbine (een windmolen). De meeste windmolens zijn tegenwoordig erg groot, en de turbine heeft vaak een diameter van wel 40 meter. De gemiddelde windsnelheid 5 in Nederland is op de beste locaties 6,0 m/s. De dichtheid van lucht is. Met deze gegevens kan berekend worden hoeveel kinetische energie per seconde de turbine passeert. Eerder is de volgende formule al genoemd: 1)De snelheid v is al duidelijk: 6,0 m/s. 2)De massa m is afhankelijk van het volume V en de dichtheid: >De dichtheid is ook duidelijk: >Het volume is een lastiger verhaal, aangezien de turbine een oppervlakte vertegenwoordigd en geen volume. Het volume is gelijk aan de oppervlakte A van de luchtkolom maal de lengte l van de luchtkolom:. Het oppervlakte is gelijk aan. De luchtkolom heeft geen lengte, van een windvlaag is eigenlijk oneindig lang. De snelheid waarmee de luchtkolom zich voortbeweegt (de windsnelheid) in m/s kan gebruikt worden als lengte van de luchtkolom, dus:. Omdat we voor de lengte van de luchtkolom de snelheid gebruiken, berekenen we het volume wat de turbine per seconde passeert. 3)Aangezien we de massa per seconde hebben spreken we ook van de hoeveelheid kinetische energie per seconde, oftewel het vermogen: CONCLUSIE Langs een lijnstuk van 15 meter evenwijdig aan de kust zou per seconde 1, Joule kinetische energie aan golven passeren. In een oppervlakte van 1257 m 2 zou per seconde Joule aan kinetische energie van de wind passeren. Uit deze berekende vergelijking tussen de kinetische energie van wind en golven, blijkt dat de hoeveelheid kinetische energie (van de golven) die per seconde een golfenergiecentrale van 15 meter lang passeert, veel groter is dan de hoeveelheid kinetische energie (van de wind) die per 5 Bron 2: Gemiddelde windsnelheid, 12

13 seconde een turbine van een windmolen passeert. Hierbij hebben we het over de hoeveelheid kinetische energie die per seconde passeert en niet over de hoeveelheid elektrische energie die opgewekt wordt (dus energieomzettingen en rendement worden hierbij niet betrokken). Als er dus een handige energieomzetting van golfenergie naar stroom bedacht wordt, kan golfenergie veel meer opleveren dan windenergie. 2.3 OPWEKKEN VAN ELEKTRISCHE ENERGIE ENERGIEOMZETTING Zoals vermeldt bevat elk bewegend voorwerp een bepaalde hoeveelheid energie, zo ook golven. Deze energie wordt de kinetische energie genoemd en kan worden omgezet in elektrische energie 6. De kinetische energie, ook wel bewegingsenergie genoemd, kan door middel van een dynamo worden omgezet in elektrische energie WERKING DYNAMO Een dynamo 7 bestaat uit de volgende drie onderdelen: de rotor, de stator en de collector. De rotor is het draaiende gedeelte van de dynamo. Deze rotor bestaat uit een as en een spoel met een bepaald aantal windingen. De stator is het stilstaande gedeelte en bestaat uit een permanente magneet of elektromagneet. De stator levert het magnetische veld dat nodig is voor het opwekken van een inductiespanning (elektriciteit) over de rotorspoel. De collector tenslotte zorgt voor het contact tussen de rotorspoel en een stroomkring. We gaan er vanuit dat de spoel één winding bevat (in werkelijkheid veel meer). Tijdens het draaien van de winding in een magnetisch veld verandert de magnetische flux volgens een cosinusfunctie. De magnetische flux is de maat voor het aantal magnetische veldlijnen dat door de dwarsdoorsnede van een spoel gaat. Een verandering van de magnetische flux binnen een spoel veroorzaakt een inductiespanning over die spoel. Deze inductiespanning kan ontstaan door een magneet naar een spoel toe te bewegen of er vanaf te bewegen of door een magneet te draaien. Deze twee manieren zijn te zien in de onderstaande afbeelding. 6 Bron 1: Elektrische energie, 7 Bron 9: Newton informatieboek 2 pag

14 De grootte van de inductiespanning die wordt veroorzaakt door een verandering van de magnetische flux kan wordt gegeven door de formule: Und= N In deze formule geldt: U ind de inductiespanning (in V) N het aantal windingen van de spoel ΔΦ de fluxverandering (in Wb) Δt de tijdsduur ( in s) van die fluxverandering In een homogeen magnetisch veld is de magnetische flux te binnen een spoel te berekenen met de formule: Φ=B A cos α In deze formule geldt: Φ de magnetische flux (in Wb of Tm²) B de magnetische inductie (in T) A de dwarsdoorsnede (in m²) α de hoek tussen de magnetische inductie en de lengteas van de spoel 14

15 In de onderstaande afbeelding is een winding in een magnetisch veld weergegeven. In de grafieken zijn de magnetische flux en de inductiespanning weergegeven als functie van de tijd. Wanneer de magneet niet beweegt is de inductiespanning nul. In stand E is de flux Φ nul, de verandering van de flux ΔΦ in de tijd is echter maximaal. De inductiespanning is dan ook maximaal. In stand D is de flux Φ maximaal, de verandering van de flux ΔΦ in de tijd is echter even nul, de inductiespanning U ind is dan ook nul. Als de flux Φ een cosinusfunctie van de tijd is, is de U ind een sinusfunctie. De hoek van de winding wordt aangegeven met α. Deze hoek is nul graden wanneer de winding loodrecht op de magnetische inductie staat. 15

16 In een dynamo kunnen de functies van de rotor en de stator ook worden verwisseld. In dat geval bestaat de rotor uit een draaiende permanente magneet en de stator uit één of meerdere spoelen. In de nevenstaande afbeelding is een voorbeeld te zien van zo n soort dynamo. De magneet die aan de as is bevestigd, bevindt zich in een spoel. Aan deze as kan bijvoorbeeld een windturbine bevestigd worden die in beweging kan worden gebracht WERKING TURBINE Om de as van een dynamo in beweging te brengen kan een windturbine 8 worden gebruikt. Een windturbine zet energie van de beweging van een gas of een vloeistof om in een draaiende beweging. Een turbine bestaat uit een aantal bladen die op een as zijn gemonteerd. Doordat deze bladen in een bepaalde hoek zijn gedraaid kan de turbine in beweging komen, de zogenaamde invalshoek 9. Deze hoek is de hoek tussen de koorde van een vleugelprofiel en de hierlangs stromende gas of vloeistof. In de afbeelding hiernaast is één van de bladen van een turbine weergegeven met een lucht- of vloeistofstroom. De invalshoek is weergegeven met α. 8 Bron 8: Windturbine, 9 Bron 3: Invalshoek, 16

17 3.WAAROM GOLFENERGIE? Oceaangolven representeren de laatste, nog niet gebruikte natuurlijke energiebronnen 10,11 op onze aarde. Meer dan 70 procent van het aardoppervlak wordt ingenomen door water. De energie die de golven bevatten heeft het potentieel om tot Terawattuur 12 elektriciteit per jaar te produceren. Deze hoeveelheid is vijf keer de totale energiebehoefte op de wereld in een jaar. De mogelijkheid om energie op te vangen uit de zee, biedt een enorme, zelfs oneindige bron van schone duurzame energie. Wat zijn de verdere voordelen van golfenergie? 13 En waarom zouden we golfenergie boven wind- en zonne-energie verkiezen 14? VOORSPELBAAR Golven worden gecreëerd door de wind die over het oppervlak van de zee beweegt een proces dat meestal honderden kilometers van de kust begint. Omdat golven ver weg van de kust ontstaan, zijn wij in staat om nauwkeurig golven te voorspellen door middel van computermodellen. In vergelijking met windenergie, is het makkelijker om te voorspellen hoeveel en wanneer er energie wordt gegenereerd door golven dan door de wind. Bovendien vallen de pieken en dalen van golf- en windenergie niet altijd samen. Dit betekend dat er momenten zijn wanneer er veel golfenergie is en weinig windenergie. Deze diversiteit helpt zelfs mee aan de wisselde aard van sommige duurzame energiebronnen. Wanneer gecombineerd met andere duurzame energiebronnen, zoals waterkracht, kan dit zorgen voor een beter voorspelbare en stabiele duurzame energiemix. MINIMALE MILIEU-IMPACT Golfenergie is een schone energiebron. Afgezien van de energie die nodig is voor de productie en installatie van apparaten om de energie uit golven te halen, komt er bij de winning van energie geen uitstoot van koolstof vrij. Verder worden de apparaten vanzelfsprekend in de zee geplaatst. Zoals eerder is vermeld, bestaat de aarde voor meer dan 70 procent uit water. Er is dus genoeg ruimte om de apparaten te plaatsen, ook zonder dat de mens er last van heeft. Dit in tegenstelling tot grote windmolens of zonnepanelenparken die zich op het land bevinden en zo zorgen voor ruimte-inname, visuele impact en eventueel geluidsoverlast. CONTINUITEIT Wind en zonne-energie zijn geen continue energiebron 15. De wind is namelijk niet altijd sterk genoeg om energie op te wekken en zonne-energie kan enkel overdag gewonnen worden. Golfenergie daarentegen heeft een continue energieproductie. Er zijn altijd golven op zee, zowel in kleine als grote maten. Bovendien kunnen golven grote afstanden afleggen zonder dat ze veel energie verliezen. Stormen die bijvoorbeeld ontstaan aan de westkant van de Atlantische Oceaan kunnen de westkust van Europa bereiken. 10 Bron 10: Fossiele brandstof, 11 Bron 11: Fossil Fuel, 12 Bron 15: Waarom golfenergie, 13 Bron 13: Voor- en nadelen golfenergie, 14 Bron 14: Voor- en nadelen golfenergie, 15 Bron 12: Energie, 17

18 VESCHEIDENE TECHNIEKEN Er zijn verschillende manieren om energie die opgeslagen is in golven om te zetten in elektrische energie. Huidige methoden variëren van vaste centrales met waterturbines tot zeevarende schepen uitgerust met massieve structuren om energie te winnen. In tegenstelling tot golfenergie, kennen wind- en zonne-energie slechts enkele methoden om energie op te slaan uit de desbetreffende bron. 18

19 4. VERSCHILLENDE METHODEN VOOR GOLFENERGIE Als eerste is het belangrijk om te onderzoeken welke methoden er zijn om golfenergie op te wekken. In dit hoofdstuk zullen we de verschillende methoden samenvatten zodat er een goed beeld ontstaat van de mogelijkheden voor ons eigen ontwerp. In dit hoofdstuk zullen we onze eerste deelvraag beantwoorden: Welke methoden zijn er om energie uit golven op te wekken? 4.1 POINTABSORBER (BOEI VASTGEMONTEERD AAN PLATFORM) De pointabsorber 16 is een methode waarbij gebruik wordt gemaakt van een drijvende boei. Doordat een boei een lagere gemiddelde dichtheid heeft dan water, heeft een boei een drijvend vermogen. Als er golven zijn, verandert het waterniveau op een bepaald punt continu, waardoor de drijvende boei op en neer zal bewegen. Als er een arm aan deze bewegende boei bevestigd is, is het mogelijk om een magneet op en neer te laten gaan in een spoel. De fluxverandering die deze magneet veroorzaakt wekt een stroom op in de spoel en op die manier is het mogelijk om energie uit golven op te wekken. Er zijn meerdere voorbeelden van pointabsorbers die al gerealiseerd zijn of in ontwikkeling zijn. Voorbeelden hiervan zijn: 4.1.1WAVESTAR De wavestar 17 is een machine die al erg ver ontwikkeld is. Er zijn al erg veel prototypes gemaakt, en inmiddels staan er in Europa ook meerdere centrales die serieuze hoeveelheden stroom opwekken. Op het moment worden deze machines geoptimaliseerd. 4.2 ATTENUATOR (DRIJVENDE SLANG) De attenuator 18 is een vergelijkbare methode als de pointabsorber. Net zoals bij de pointabsorber wordt er gebruik gemaakt van een object dat een drijvend vermogen heeft omdat het een lagere gemiddelde dichtheid heeft dan water. Het verschil is dat de gehele installatie van de attenuator, in tegenstelling tot de pointabsorber, drijft. De installatie van de pointabsorber staat net zoals een boorplatform met palen op de zeebodem. De attenuator is een langwerpige, slangvormige boei 16 Bron 19:Pointabsorber energie, 17 Bron 20:Wavestar, 18 Bron 22: Golfenergiesystemen, 19

20 die enkel met een anker op zijn plaats gehouden wordt. De slang bestaat uit meerdere elementen die met een scharnier aan elkaar gekoppeld zijn. Door de golven bewegen de elementen ten opzichte van elkaar, waardoor de scharnier zal bewegen. In deze scharnier zit een mechanisme om stroom op te wekken. Er zijn meerdere voorbeelden van attenuator die al gerealiseerd zijn of in ontwikkeling zijn. Een voorbeeld hiervan is de Pelamis PELAMIS De Pelamis 19 is een voorbeeld van een attenuator die al erg ver in de ontwikkeling is. Door verschillende overheden zijn er al miljoenen geïnvesteerd in de ontwikkeling van dit apparaat. In de toekomst moeten meerdere Pelamis en constante hoeveelheid stroom opwekken. 4.3 OSCILLATING WAVE SURGE (BEWEGENDE KLEP OP ZEEBODEM) De oscillating wave surge 20 is een methode waarbij de installatie in tegenstelling tot de pointabsorber en de attenuator op de zeebodem staat. De oscillating wave surge bestaat uit een klep die op de zeebodem staat. Net zoals bodemplanten kan deze klep heen en weer bewegen door de kracht van de golven. Deze bewegende klep is met een scharnier bevestigd aan een voetstuk. Zodra de klep beweegt ten opzichte van het voetstuk, beweegt dit scharnier. In de scharnier zit een mechanisme om stroom op te wekken. Bij sommige versies van de oscillating wave surge 21 zijn de kleppen zo hoog gemaakt dat ze boven de waterspiegel uitsteken, omdat in de bovenste laag van het zeewater de grootste golven aanwezig zijn. 19 Bron 23: Pelamis, 20 Bron 25: How oyster works, 21 Bron 26: Oyster wave energyconverter, 20

21 Er zijn meerdere voorbeelden van de oscillating wave surge die al gerealiseerd zijn of in ontwikkeling zijn. Een voorbeeld hiervan is de Oyster OYSTER 4.4 OSCILLATING WATER COLUMN (LUCHTTURBINE) De oscillating water column 22 (Nederlands: luchtturbine) levert, in tegenstelling tot de eerder genoemde technieken, energie op door een luchtverplaatsing. Er zijn twee manieren waar de luchtturbine geplaatst kan worden. De eerste manier is om een drijvend platform met kabels aan de zeebodem te bevestigen. Een andere manier is om de luchtturbine aan het de kust te bevestigen. Zoals eerder geschreven, levert deze techniek stroom op door middel van luchtverplaatsing. Deze luchtverplaatsing ontstaat door het op en neer bewegen van de golven. Deze beweging van de golf vindt plaatst in een holle buis. Wanneer de golf een opwaartse beweging maakt, zal er een luchtstroom omhoog ontstaan. Aan de bovenzijde van de holle buis is een turbine bevestigd. Deze turbine is zo ontworpen, dat deze altijd dezelfde richting op draait. Wanneer de golf een neerwaartse beweging maakt, zal er een zuigkracht ontstaan in de buis, waardoor de luchtstroom in de turbine omgekeerd wordt. De draairichting van de turbine verandert hierdoor echter niet. Deze turbine wordt de Wells turbine of Bidirectional turbine genoemd. Op deze turbine zit een mechanisme aangesloten om stroom op te wekken. Er zijn meerdere voorbeelden van Oscillating water column die al gerealiseerd zijn of in ontwikkeling zijn. Voorbeelden zijn: 4.4.1OE BUOY De OE Buoy 22 is al in ontwikkeling en dobbert al enkele jaren in de Atlantische oceaan. Hij is zo ontworpen dat hij harde stormen kan doorstaan. 22 Bron 27: OE Buoy, 21

22 4.4.2 LIMPET Een ander voorbeeld is de LIMPET, die sinds 2000 getest wordt bij Schotland. De LIMPET wordt ingezet langs de kust in tegenstelling tot de OE Buoy. 4.5 OVERTOPPING DEVICE: (OVERSLAANDE GOLVEN OPVANGEN) Bij een overtopping device 23 worden overslaande golven opgevangen boven zeeniveau. Dit water wordt opgevangen in een groot reservoir waar het tijdelijk wordt opgeslagen. Door het niveau verschil tussen het water in het reservoir en het zeewater, kan het water uit het reservoir terug naar in de zee komen, terwijl het langs turbines stroomt. Deze turbines wekken stroom op. Dit systeem is te vergelijken met een stuwmeer. Er wordt water opgevangen in een reservoir, en met turbines wordt deze potentiële energie omgezet in stroom WAVE DRAGON Een voorbeeld dat in de praktijk al werkt, is de Wave Dragon Bron 31: Overtopping device, 24 Bron 32: Wavedragon, 22

23 5.MEEST GESCHIKTE METHODE We zullen nu gaan kijken welke methode voor ons het best is om te gaan ontwerpen en te bouwen. Welke methode het meest geschikt is, hangt van bepaalde factoren af: -De gekozen methode mag niet te ingewikkeld zijn om te ontwerpen en te bouwen. Dit houdt in dat een persoon die (nog) geen technische opleiding heeft gevolgd, het apparaat moet kunnen ontwerpen. -De gekozen methode moet de potentie hebben stroom op te wekken met een hoog rendement. Hierbij wordt op verschillende factoren gelet. Ten eerste de plaats waar het apparaat zich bevindt. Hiermee wordt de locatie in het water bedoeld. De locatie heeft invloed op het rendement. De volgende plaatsen zijn te onderscheiden: shoreline (aan de kust), nearshore (dichtbij de kust) en offshore (midden op zee). Verder wordt er bij het rendement gekeken naar de energie die er in wordt gestopt, om het apparaat te produceren en de energie die het uiteindelijk zal leveren. -De gekozen methode moet voor ons financieel haalbaar zijn. Met financieel haalbaar wordt bedoeld dat het ontwerp niet te veel geld mag kosten, omdat het budget niet groot is. Tevens moet in de praktijk ook financieel haalbaar zijn. Wanneer een apparaat om energie op te wekken uit zee veel geld kost, zal deze niet of weinig worden geproduceerd. De voor- en nadelen van elke methode wordt dus bekeken en ze worden met elkaar vergeleken. Uiteindelijk kan de conclusie getrokken worden welke methode voor ons het meest geschikt is. Daarmee wordt de tweede deelvraag beantwoord: Welke methode om energie uit golven op te wekken is het meest geschikt voor ons? 5.1 LOCATIE SHORELINE Het grote voordeel van technieken die aan de kust kunnen plaatsvinden, is dat ze relatief eenvoudig te onderhouden zijn en dat het transport van energie niet over een grote en lastige afstand hoeft plaats te vinden. Verder zijn de golven die het apparaat bereiken redelijk verzwakt door het ondiepe water, waardoor het apparaat minder snel beschadigd zal worden. Het laatst genoemde voordeel van de shoreline is gelijk een nadeel. Doordat de golven minder krachtig zijn, is er dus minder energie beschikbaar. Ook kan getijverschil een probleem vormen, omdat golven bij eb het apparaat niet bereiken. Ook moet de plaats op de kustlijn geschikt zijn, hierbij wordt gedacht aan de geometrie, de geologie en het behoud van het kustlandschap. 23

24 5.1.2 NEARSHORE Nearshore apparaten worden gedefinieerd als apparaten die zich in relatief ondiep water bevinden. Met relatief ondiep water wordt een diepte van ongeveer een kwart golflengte bedoelt. Apparaten die onder nearshore apparaten vallen, zijn vaak bevestigd aan de zeebodem. Hierdoor krijgen ze een stationaire basis, waardoor het oscillerende lichaam kan werken. Nearshore apparaten hebben hetzelfde voordeel als shoreline apparaten en dat is dat ze goed te onderhouden zijn. Tevens worden ze minder snel beschadigd doordat ze zich in relatief ondiep water bevinden. Het nadeel is dat de golven door het ondiepe water minder krachtig zijn en dus minder energie opwekken OFFSHORE Offshore-apparaten bevinden zich in diep water. Er bestaan echter verschillende definities van diep water. Met diep water kan het volgende bedoeld worden: tientallen meters, of een diepte groter dan veertig meter en tenslotte een diepte van meer dan een derde van een golflengte. Het grote voordeel van een WEC in diep water is dat de grote van de energieopbrengst groter is dan apparaten die zich aan of dichtbij de kust bevinden. Dit komt doordat golven in diep water een grotere energie-inhoud hebben dan golven in ondiep water. Een ander voordeel is dat offshore apparaten een minder negatieve invloed hebben op diens omgeving. Doordat ver van de kust staan nemen ze geen ruimte in beslag op het land en zorgen ze niet voor overlast. Offshore apparaten zijn echter duurder en lastiger om te maken en omdat ze zich in diep water, vaak midden op zee bevinden, dienen ze bestendig te zijn tegen extreme weeromstandigheden. Dit laatste brengt nog meer kosten met zich mee. De attenuator is meestal een offshore-machine. Hij kan gemakkelijk op open zee geplaatst worden omdat de installatie drijft en bovendien zijn voor de meeste attenuators de golven op open zee het meest geschikt. 24

25 5.2 VOOR- EN NADELEN PER TECHNIEK POINTABSORBER (DRIJVENDE BOEI) De Point absorber wordt gerekend tot de offshore apparaten. De voor en nadelen hiervan zijn hiervoor behandeld. Verdere voor- en nadelen die specifiek bij de Point absorber horen, worden hieronder behandeld. VOORDELEN Een belangrijk voordeel van de Point absorber is dat de energie-output vrij continu is. Dit komt doordat er bij de Point absorber vaak meerdere drijvers achter elkaar staan (zoals te zien in de afbeelding van deelvraag 1, point absorber). Verder is de golfrichting niet van belang bij dit apparaat, omdat hij op één punt op en neer beweegt. Een ander voordeel is dat de omzetting die nodig is om energie op te wekken relatief eenvoudig en goedkoop is. Ook is het onderhoud van de Point absorber in verhouding met andere WEC s makkelijk. Dit komt doordat het apparaat is bevestigd aan een platform en een apparaat zoals de Pelamis niet. Hierdoor is de Point absorber toegankelijker en kan er relatief eenvoudig onderhoud plaatsvinden. NADELEN Het nadeel van de Point absorber is dat het apparaat bevestigt moet zijn aan een platform. Dit brengt extra kosten met zich mee. Ook zal hij na bevestiging niet makkelijk meer te verplaatsen zijn, door de relatief grote omvang van het platform. Een ander nadeel is dat de Point absorber makkelijker beschadigd kan worden dan andere WEC s. Dit komt doordat het platform bevestigd is aan de zeebodem en hierdoor vaststaat. Hierdoor kan het platform niet meebewegen met de golven en zullen de golven dus harder aankomen dan bij een WEC die wel mee kan bewegen met de golven (zoals de Pelamis) ATTENUATOR (DRIJVENDE SLANG) VOORDELEN De Attenuator drijft en wordt enkel op zijn plaats gehouden door een anker. Hierdoor is er dus geen platform nodig wat op de zeebodem staat. Hierdoor is de Attenuator makkelijk te construeren en (ver)plaatsen op grote schaal. Het technisch ontwerp van de Attenuator is ook relatief simpel. Het enige wat nodig is zijn twee onderdelen die bewegen t.o.v. elkaar en een scharnier met daarin een stroomgenerator waarmee deze twee onderdelen aan elkaar bevestigd worden. Verder is de slangvormige vorm van de Attenuator ook een voordeel als het gaat om de levensduur. Bij deze slangvormige vorm is er geen sprake van uitstekende/kwetsbare 25

26 onderdelen die vernield of aangetast kunnen worden door de zee. Alle onderdelen bevinden zich in de slang en het is hierdoor goed mogelijk om de buitenkant van de slang zo sterk en duurzaam te maken dat de binnenkant goed beschermd is. De slang functioneert als het ware als een beschermd volledig afsluitend omhulsel. Er kan aan de buitenkant bijvoorbeeld gemakkelijk een antiroest laag aangebracht worden. NADELEN Een nadeel van de Attenuator is dat hij alleen werkt als de golfrichting evenwijdig is aan de lengte van de slang. Als de golfrichting loodrecht op de lengte van de slang staat, gaan alle componenten van de slang gelijktijdig op en neer. In dat geval is er geen beweging tussen de verschillende componenten t.o.v. elkaar, en wordt er geen stroom opgewekt. Uiteindelijk zal de Attenuator wel altijd bijdraaien als de golfrichting enige tijd niet evenwijdig is aan de lengte van de slang. De punt van de drijvende slang is namelijk met een ketting bevestigd aan een anker op de zeebodem. Vanwege de krachtenwerking van de golven op de drijvende slang zal deze gaan draaien totdat de golfrichting wel evenwijdig aan de lengte van de slang is. Deze draaiende beweging zal echter erg langzaam gaan, aangezien de drijvende slang erg zwaar en groot is. Hierdoor kan de Attenuator dus eigenlijk alleen goed functioneren als de golfrichting redelijk constant is. Als de golfrichting voortdurend verandert, heeft de Attenuator geen tijd om zich goed te positioneren t.o.v. de golven, en functioneert hij niet goed. Dit is ook een belangrijk aspect voor bij ons prototype. Uiteindelijk is het de bedoeling dat ons prototype daadwerkelijk functioneert. Om een Attenuator te laten functioneren is het dus noodzakelijk om beschikking te hebben over een golfslagbad waarin constante golven geproduceerd kunnen worden. De drijvende slangvormige vorm van de Attenuator is dan wel gunstig voor de levensduur en stevigheid van de constructie, maar het bemoeilijkt wel het uitvoeren van reparaties. Als er een defect is, als er een constructieve verbetering moet worden uitgevoerd of als er metingen moeten worden verricht, werkt de constructie van de Attenuator in zijn nadeel. Bij constructies met een platform kan men gewoon met een bootje naar het platform varen, daar aanleggen, op het platform klimmen en de gewenste taak uitvoeren. Bij een drijvende slang is dit niet mogelijk, en zal de slang eerst naar het land getransporteerd moeten worden voordat er aan gesleuteld kan worden. Bij ons prototype zou dit in tegenstelling tot in de werkelijkheid geen probleem zijn aangezien de slang vanwege zijn kleinere omvang gewoon op te pakken is OSCILLATING WAVE SURGE (BEWEGENDE KLEP OP ZEEBODEM) De Oscillating wave surge is een nearshore apparaat. Voor en nadelen van een nearshore apparaat zijn eerder behandeld. VOORDELEN Er zijn verschillende voordelen aan het gebruik van de Oscillating wave surge. Een voordeel als we kijken naar overlevingskansen is dat de constructie van de Oscillating wave surge relatief eenvoudig is. Het apparaat bestaat als het ware uit één grote bewegende arm. Hierdoor zijn er weinig onderdelen die los kunnen raken en door dit loskomen de werking van het apparaat kunnen beletten. Ook heeft de Oscillating wave surge weinig last van extreme 26

27 weersomstandigheden, doordat het apparaat zich grotendeels in het water bevindt. Hier kan hij zich dus met slechte weersomstandigheden gewoon voortbewegen onder de golven. Verder zijn alle elektrische componenten van de Oscillating wave surge op het land bevestigd, waardoor de hydro- elektrische generator altijd toegankelijk is voor onderhoud. Verder bevindt de bewegende arm van de Oscillating wave surge zich dichtbij de kust (nearshore) waardoor deze ook goed toegankelijk maakt. NADELEN Een nadeel van de Oscillating wave surge is dat de productie van het apparaat lastig is. Hij bestaat uit één grote arm, maar daarnaast moet er contact zijn tussen deze arm en de rest van het apparaat op de kust. Hierdoor zal de Oscillating wave surge in eerste instantie niet in grote aantalen geproduceerd worden. Tevens zorgt deze ingewikkelde constructie voor hoge kosten. Deze factoren zorgen ervoor dat het voor ons onmogelijk is om de Oscillating wave surge te ontwerpen en te maken. Daarbij is het zeer lastig om de constructie van ruim 200 ton op de zeebodem te plaatsen. Dit complexe proces omvat het gebruik van veel werknemers en het gebruik van dure apparatuur. Dit nadeel zal niet van toepassing zijn op ons ontwerp omdat wij een apparaat op kleine schaal maken en dus geen zware constructie zullen gebruiken. Wanneer er wordt gekeken naar de omgeving waar het apparaat zich bevindt, komt er nog een ander nadeel voor. De Oscillating wave surge kan namelijk geluidsoverlast veroorzaken. De beweging van de arm produceert geluiden en trillingen onderwater. Dit geluid kan natuurlijke geluiden maskeren en hierdoor stress veroorzaken bij zeedieren. Het ecologische systeem onderwater kan dus worden aangetast. Dit nadeel zal bij ons prototype ook geen rol spelen, omdat wij met dit ontwerp geen onderzoek kunnen/zullen gaan doen die te maken hebben met de habitat van organismen OSCILLATING WATER COLUMN (LUCHTTURBINE) VOORDELEN De luchtturbine heeft een heel groot voordeel, namelijk dat hij niet door water maar door lucht wordt aangedreven. Dit klinkt wellicht vreemd aangezien dit onderzoek over golfenergie gaat, maar het is wel waar. Het grote probleem bij systemen die de kinetische energie van water omzetten in stroom, is dat voorwerpen zoals turbines of kleppen zich erg moeizaam voortbewegen in water. Als je de zee in rent, merk je dat je snelheid sterk afneemt als je benen onderwater komen. Op dezelfde wijze zal een turbine onder water nooit met een hoge snelheid rond kunnen draaien. Bij de Oscillating water column is dit probleem opgelost. Door een golf wordt er lucht weggedrukt naar een buis met daarin een turbine. Door de kracht van de golf heeft de bewegende luchtkolom een hoge snelheid en druk, en daardoor zal de turbine snel gaan ronddraaien. 27

28 NADELEN Een nadeel van de luchtturbine is dat de techniek relatief lastig is. Er moet namelijk een technisch probleem worden opgelost bij het ontwerpen van een Oscillating water column: Als de golf omhoog gaat wordt er lucht weggeduwd. Als de golf vervolgens omlaag gaat wordt er juist lucht aangezogen. Als er gebruik wordt gemaakt van één turbine in een buis, zal om de paar seconden de draairichting van de turbine hierdoor veranderen. Hierbij gaat energie verloren, aangezien de turbine steeds moet worden afgeremd door de tegenovergestelde luchtstroom. Er zijn verschillende mogelijkheden om dit probleem op te lossen, zoals een speciale turbine die ongeacht de richting van de luchtverplaatsing altijd rechtsom draait (Wells turbine), of bijvoorbeeld een systeem met twee turbines met een systeem van kleppen. Kortom, er moet een ingewikkeld systeem van buizen, ingewikkelde turbines en kleppen worden gebruikt. Bovendien is het ook lastig om te voorspellen hoe krachtig de bewegende luchtkolom is, wat de diameter van de buizen moet zijn, hoe groot de turbine moet zijn en ga zo maar door OVERTOPPING SYSTEM VOORDELEN Een voordeel van het Overtopping system is dat er in dit apparaat gebruik wordt gemaakt van een conventionele techniek. De overslaande golven worden opgevangen en stroomt door een hoogteverschil via een turbine terug de zee in. Deze techniek is vergelijkbaar de techniek die reeds lange tijd gebruikt wordt in stuwdammen. Er hoeft dus geen geheel nieuwe techniek bedacht en uitgewerkt te worden. Een verder voordeel is dat het Overtopping system minder hinder ondervindt van een storm dan andere methodes. Een storm kan bij deze methode zelfs voor een voordeel zorgen. Wanneer het windstil is, zal het aantal golven en daarmee de hoeveelheid water dat overslaat, minder zijn dan tijdens een periode met sterkere wind. NADELEN Het Overtopping system is een techniek die veel geld kost. Ondanks dat de gebruikte techniek om energie op te wekken relatief eenvoudig is, blijft het gehele apparaat duur om te produceren. Dit komt door de grote omvang van het apparaat, waardoor er veel materiaal nodig is. Doordat het Overtopping system groot van omvang is, is het lastig om deze stabiel op zijn plaats te houden. Bovendien gaat er bij het Overtopping system veel energie verloren. Als er een golf over de machine heen slaat, zal een groot gedeelte van het water niet in het reservoir worden opgevangen maar weer terug de zee in gaan. Hierdoor gaat een grote hoeveelheid potentiële energie verloren. Het Overtopping system is alleen efficiënt als grote hoeveelheden water worden opgevangen in het reservoir. Doordat elke golf een andere omvang, snelheid en richting heeft is het lastig om het systeem efficiënt te laten werken. 28

29 5.3 OVERZICHT SCHEMA S VERSCHILLENDE TECHNIEKEN Om uiteindelijk de meest geschikte techniek te kiezen is het noodzakelijk om alle technieken weer te geven in schema s. Elke techniek wordt op verschillende onderdelen beoordeeld. Aangezien niet elk onderdeel even belangrijk is, krijgt elk onderdeel ook een weegfactor. Deze weegfactor wordt vermenigvuldigd met het score van het onderdeel. Bij elke techniek wordt uiteindelijk de eindscore berekend, en de techniek met de hoogste eindscore zullen wij als basis van ons ontwerp en bouwproject gebruiken. Op de komende pagina s is voor elke techniek een tabel weergeven met daarin van links naar rechts: >->De onderdelen waarop de techniek beoordeeld wordt: 1)Efficiëntie van energieproductie. Hierbij gaat het erom hoe efficiënt de omzetting van kinetische energie van het water naar elektrische energie is van de betreffende techniek. Hoe hoger de energieproductie en het rendement is, hoe hoger de beoordeling. 2)Constantheid van energieproductie Hierbij gaat het erom hoe constant de energieproductie is. Aangezien de golfsnelheid golfhoogte en andere omstandigheden variëren, zal de energieproductie niet altijd even groot zijn. Een constantere energieproductie levert een hogere beoordeling op. 3)Bouwkosten Hierbij gaat het om de bouwkosten van ons project, dus niet om de bouwkosten in het echt op grote schaal. Sommige technieken zijn duurder, omdat bepaald apparatuur of materiaal nodig is. Hoe goedkoper de constructie van de techniek waarschijnlijk is, hoe hoger de beoordeling. 4)Moeilijkheidsgraad ontwerp Bij sommige technieken zal het ontwerp simpel zijn met enkel een boei en een bewegende arm, terwijl bij andere technieken een ingewikkeld ontwerp met allerlei buizen en turbines vereist is. Uiteraard geldt dat hoe simpeler hoe beter, dus technieken waarbij naar verwachting het ontwerp makkelijker is krijgen een hogere beoordeling 5)Moeilijkheidsgraad constructie Aangezien er ook echt een constructie gebouwd zal worden is het ook belangrijk om te kijken naar de moeilijkheidsgraad van de constructie. We zullen over een beperkt aantal materialen en bewerkingsmachines beschikken, en de constructie moet wel gebouwd kunnen worden. Constructies met een lagere moeilijkheidsgraad krijgen een hogere beoordeling. 6)Duurzaamheid constructie Het is ook belangrijk hoe stevig en duurzaam een constructie is. Bij sommige technieken zullen sneller aantasting, slijting of defecten optreden dan bij andere. Hoe duurzamer en steviger de constructie van een techniek waarschijnlijk zal zijn, hoe hoger de beoordeling. 7)Milieu impact Elke constructie heeft een bepaalde impact op het milieu. Natuurlijk zijn alle constructies in dit onderzoek bedoeld om groene stroom op te wekken en zo een bijdrage te leveren aan het milieu, maar aan de andere kant kan het construeren en plaatsen van de machines juist een negatieve invloed hebben op het milieu en dat is waar het om gaat bij dit onderdeel. Zo kan bijvoorbeeld het bodemleven verstoord worden door de bouw van platformen op de zeebodem, en kost het veel olie om iets midden op de oceaan te bouwen. Hoe minder negatief de milieu impact is die de constructie veroorzaakt, hoe beter de beoordeling. 29

30 8)Mogelijkheid tot verbetering Sommige technieken zijn zo simpel of al zo veel onderzocht dat het voor ons lastig zal zijn iets te verbeteren aan het ontwerp of de constructie. Bij andere technieken valt er daarentegen genoeg te verbeteren. Aangezien ons bouwproject onderdeel van een onderzoek is, vinden wij het waardevol als we een bijdrage kunnen leveren aan de ontwikkeling van een bepaalde techniek. Dus hoe beter de mogelijkheid tot verbetering is, hoe hoger de beoordeling. >->De weegfactor van alle te beoordelen onderdelen. We gebruiken weegfactor 1 (onbelangrijk) t/m 4 (belangrijk) >->De beoordelingen van de onderdelen. We gebruiken de cijfers 1 (slechtst) t/m 10 (best) >->Een korte onderbouwing van de beoordelingen >->De score voor elk onderdeel (weegfactor x beoordeling) >->Rechts onderin staat de eindscore weergeven. 30

31 5.3.1 POINTABSORBER (DRIJVENDE BOEI) Onderdeel Weegfactor Beoordeling Onderbouwing beoordeling Score Efficiëntie van energieproductie Constantheid van energieproductie 4 7 Werkt alleen op drijfvermogen, hierdoor minder energieomzetting 2 7 Redelijk constant, midden op zee bijna altijd wel golven Bouwkosten 2 8 Geen dure speciale onderdelen nodig 16 Moeilijkheidsgraad ontwerp 3 8 Principe van de machine is simpel 24 Moeilijkheidsgraad constructie Duurzaamheid constructie 3 8 Makkelijk te bouwen vanwege simpele techniek 1 4 Veel scharnierende en bewegende onderdelen die verslijten 24 4 Milieu Impact 1 6 Staat midden op zee en veroorzaakt weinig overlast. Wel veel benzine voor vervoer naar zee en onderhoud 6 Mogelijkheid tot verbetering 4 4 Zeer beperkt, ontwerp is erg simpel en al uitgewerkt 16 EINDSCORE: ATTENUATOR (DRIJVENDE SLANG) Onderdeel Weegfactor Beoordeling Onderbouwing beoordeling Score Efficiëntie van energieproductie Constantheid van energieproductie 4 7 Werkt alleen op drijfvermogen, hierdoor minder energieomzetting 2 5 Minder constant, want golfrichting moet evenwijdig aan lengte van slang zijn Bouwkosten 2 7 Geen speciale/dure onderdelen 14 Moeilijkheidsgraad ontwerp 3 7 Principe van de machine is simpel 21 Moeilijkheidsgraad constructie Duurzaamheid constructie 3 6 Het maken van goede drijvers en scharnieren in je juiste verhouding kan lastig zijn 1 9 Constructie wordt beschermd door buitenkant slang, en gaat lang mee 18 9 Milieu Impact 1 7 Bodemleven bij de kust niet verstoord, want de slang drijft. Veel slangen naast elkaar nemen veel wateroppervlak in 7 Mogelijkheid tot verbetering 4 5 Zeer beperkt, ontwerp is erg simpel en al uitgewerkt 20 EINDSCORE:

32 5.3.3 OSCILLATING WAVE SURGE (BEWEGENDE KLEP OP ZEEBODEM) Onderdeel Weegfactor Beoordeling Onderbouwing beoordeling Score Efficiëntie van energieproductie 4 6 Laag rendement door onregelmatige beweging van golven 24 Constantheid van energieproductie 2 8 Golven op de bodem zijn er vrijwel altijd 16 Bouwkosten 2 5 Zware waterdichte constructie nodig 10 Moeilijkheidsgraad ontwerp 3 8 Principe van ontwerp is niet lastig 24 Moeilijkheidsgraad constructie Duurzaamheid constructie 3 6 Lastig om elektronische componenten tegen water te beschermen 1 6 Veel aantasting door zeewater en slijtage van bewegende onderdelen 18 6 Milieu Impact 1 4 Verstoord bodemleven van de zee 4 Mogelijkheid tot verbetering 4 6 Principe staat al vast, enkel kleine verbeteringen 24 EINDSCORE: OSCILLATING WATER COLUMN (LUCHTTURBINE) Onderdeel Weegfactor Beoordeling Onderbouwing beoordeling Score Efficiëntie van energieproductie Constantheid van energieproductie 4 8 Volledige kinetische energie van golf wordt gebruikt om lucht samen te persen 2 7 Redelijk hoge golven vereist, bij sommige kusten zijn deze er bijna altijd Bouwkosten 2 5 Er zijn dure onderdelen, zoals turbines en andere materialen 10 Moeilijkheidsgraad ontwerp Moeilijkheidsgraad constructie 3 6 Principe machine is niet erg simpel Laten functioneren van machine zal lastig zijn 15 Duurzaamheid constructie 1 8 Enkel het robuuste reservoir komt in aanraking met aantastend zeewater 8 Milieu Impact 1 7 Neemt ruimte in op kust, verstoord weinig zeeleven 7 Mogelijkheid tot verbetering 4 9 Weinig gerealiseerde techniek, veel verbetering mogelijk 36 EINDSCORE:

33 5.3.5 OVERTOPPING SYSTEM Onderdeel Weegfactor Beoordeling Onderbouwing beoordeling Score Efficiëntie van energieproductie 4 4 Slechts gedeelte van golf komt in reservoir terecht 16 Constantheid van energieproductie 2 5 Niet hoog, bepaalde golfhoogte is vereist 10 Bouwkosten 2 4 Zeer grote constructie met turbines etc. Nodig 8 Moeilijkheidsgraad ontwerp 3 6 Principe ontwerp is makkelijk, maar precieze vormen zijn lastig te bepalen 18 Moeilijkheidsgraad constructie 3 5 Bouwen van grote constructie is lastig 15 Duurzaamheid constructie 1 7 Grootste gedeelte van machine is een groot onderdeel 7 Milieu Impact 1 6 Neemt erg veel ruimte in, maar wel midden in oceaan 6 Mogelijkheid tot verbetering 4 7 Nog niet erg ver in ontwikkeling, dus goede mogelijkheden 28 EINDSCORE: OVERZICHT EINDSCORES Techniek Eindscore Pointabsorber (drijvende boei) 132 Attenuator (drijvende slang) 127 Oscillating wave surge (bewegende klep op zeebodem) 126 Oscillating water column (Luchtturbine) 140 Overtopping system 108 Uit deze eindscores kan geconcludeerd worden dat de techniek van de Oscillating water column de meest geschikte techniek is voor ons om mee verder te werken, omdat deze techniek de hoogste eindscore heeft. 33

34 6. ONTWERPFASE Het doel van dit hoofdstuk is om een gedetailleerd ontwerp te maken van een machine die de kinetische energie van zeegolven kan omzetten in elektrische energie. Uiteindelijk zullen we dit ontwerp gaan realiseren door de constructie zelf te bouwen. 6.1 BASIS VAN ONS ONTWERP Hieronder staat een beschrijving van hoe we tot ons basisontwerp zijn gekomen. Op basis van literatuuronderzoek in de vorige twee hoofdstukken hebben we een techniek gekozen die de basis moet vormen van ons ontwerp. Deze techniek heet de Oscillating water column. Bij deze techniek wordt een holle buis verticaal geplaatst, op zo n manier dat de onderkant zich onder de waterspiegel bevindt: Door de golven zal het waterniveau in de holle buis voortdurend stijgen of dalen. Bij een golftop stijgt het waterniveau in de holle buis waardoor de lucht die zich in de buis bevindt naar buiten wordt geduwd. Bij een golfdal daalt het waterniveau in de holle buis waardoor er juist lucht de buis wordt ingezogen: Bij de techniek van de Oscillating water column wordt de lucht die wordt weggeduwd en aangezogen door golven gebruikt om een luchtturbine aan te drijven. Dit is mogelijk door de turbine aan het bovenste uiteinde van de holle buis te plaatsen. Alle lucht die door de verandering van het waterniveau in de holle buis wordt aangezogen of weggeduwd, zal zich dan door de turbine heen moeten verplaatsen. Hierbij is het wel noodzakelijk dat de onderkant van de holle buis altijd onder de waterspiegel blijft, omdat anders ook lucht via de onderkant de turbine kan omzeilen: 34

35 Het is gunstig voor de omwentelingssnelheid van de turbine (en daarmee ook voor de energieproductie) als de snelheid en druk van de lucht die zich door de turbine heen verplaatst zo groot mogelijk is. Door een versmalling aan te brengen in een luchtpijp is het mogelijk om dit te bereiken, omdat dezelfde hoeveelheid gasmoleculen zich dan moeten voortbewegen door een kleiner oppervlakte. Hierdoor zullen de gasmoleculen worden samengeperst en zal hun snelheid toenemen. Hoe groter het verschil in diameter is bij de versmalling, hoe meer de druk en snelheid van de luchtkolom zal toenemen: Voor het functioneren van de turbine is het dus gunstig om een heel groot reservoir (voorheen steeds Holle buis genoemd) te gebruiken waarin een golf op en neergaat, omdat er dan meer lucht verplaatst wordt. Door deze lucht via een versmalling door een smalle buis te leiden met daarin een turbine, zal zowel bij het uitademen (wegduwen van lucht uit reservoir door golftop) als bij het inademen (aanzuigen van lucht uit buitenlucht door golfdal) de luchtkolom versneld en samengeperst worden. Hierdoor is de bewegende luchtstroom krachtiger, waardoor de turbine meer energie opwekt. 35

36 In bovenstaande afbeeldingen draait bij het uitademen de turbine rechtsom en bij het inademen linksom. Dit is een nadelige eigenschap waarbij energie verloren gaat: Vlak na het uitademen draait de turbine nog rechtsom. Vervolgens moet bij het inademen de binnenstromende lucht eerst de turbine tot stilstand krijgen, voordat de turbine kan beginnen met een linksom draaiende beweging. Hetzelfde geldt bij de verandering van inademen naar uitademen. Er gaat energie verloren omdat de tegenovergestelde bewegingen elkaar steeds tegenwerken. Er zijn twee manieren om dit probleem op te lossen: - De Wellsturbine - Terugslagventielen systeem 36

37 6.1.1 WELLSTURBINE De Wellsturbine 25 is een turbine die altijd dezelfde kant op draait, ongeacht de richting van de luchtstroom. Dit komt doordat de bladen van de turbine symmetrisch zijn. Het vlak van symmetrie staat loodrecht op de luchtstroom. Hieronder is een schematische afbeelding van de Wellturbine weergegeven. De draairichting en de luchtstromen zijn weergegeven met respectievelijk een groene en blauwe kleur. Wanneer er gekeken wordt naar de vorm van de bladen van de turbine, wordt duidelijk waarom de richting van de luchtstroom de draairichting van de turbine niet beïnvloed. Zoals gezegd zijn de bladen symmetrisch waarbij het symmetrievlak loodrecht staat op de luchtstromen. In de onderstaande afbeelding is een zijaanzicht te zien van één van de bladen van de Wellsturbine. De luchtstroomrichting is in deze situatie van onder naar boven. In deze afbeelding is met F r de resulterende kracht weergegeven. Zoals te zien is, is deze bij een luchtstroomrichting van onder naar rechts gericht. De draairichting van dit blad is rechtsom. Dit komt doordat het linkerdeel van de doorsnede van het blad (links van zwarte puntjes) zo gevormd is dat de richting van de kracht naar recht gericht is. Aan de rechterkant van de zwarte puntjes (met oranje aangegeven) werkt ook een kracht. Deze tegenwerkende kracht is tegengesteld aan de kracht op het linkerdeel. 25 Bron 35: Wellsturbine, 37

38 De tegenwerkende kracht is niet te vermijden, omdat doorsnede van het blad geen driehoek vorm kan hebben, zoals in de afbeelding hiernaast. Bij deze vorm zal er door de niet gestroomlijnde voorkant te veel wrijving ontstaan. Deze kracht is vele malen groter dan de tegenwerkende kracht die ontstaat door de luchtstroomrichting op de kromming. Het deel onder de symmetrieas heeft dezelfde vorm als het deel boven de symmetrieas. Hieruit volgt dat bij een luchtstroom met een richting van boven naar beneden dezelfde draairichting ontstaat als bij de eerder genoemde situatie: Ook hier weer zijn de resulterende krachten weergegeven. Hiermee is verklaard dat de Wellsturbine ongeacht de stroomrichting altijd dezelfde kant opdraait. Het grote voordeel van deze techniek is dat er bij gebruik van de Wellsturbine slechts één turbine nodig is. Hierdoor blijft het ontwerp voor dit systeem relatief eenvoudig, doordat er geen rekening gehouden hoeft te worden met de richting van de luchtstroom. Tevens gaat de turbine steeds sneller gaat draaien doordat hij niet tot stilstand kan komen, mits er een luchtverplaatsing aanwezig is. Op gegeven moment zal de turbine een constante snelheid bereiken, wanneer er een constante luchtstroom is. Dit levert een constante stroom op. 38

39 Om de efficiëntie van de werking van de Wellsturbine te verhogen worden er nabij de turbine vaak wanden geplaatst die de lucht een kant opsturen. Hierdoor heeft de luchtstroomrichting een gunstigere hoek ten opzichte van de bladen van de turbine. Hieronder staat een afbeelding hiervan: Het rendement van de Wellsturbine is lager dan turbines met asymmetrische bladen. Dit lagere rendement wordt veroorzaakt doordat de invalshoek van de luchtstroom op de bladen zeer groot is. Er geldt hoe groter de invalshoek, des te groter is de kracht die nodig is om het blad in beweging te krijgen. Verder wordt het lagere rendement veroorzaakt dat het symmetrische profiel van de bladen van de Wellsturbine een groter luchtweerstandcoëfficiënt heeft dan asymmetrische bladen van een conventionele turbine. Dit alles zorgt ervoor dat de Wellsturbine een rendement heeft tussen de 40 en 70 procent. Verder is het zeer lastig om een Wellsturbine te verkrijgen. Bovendien is het lastig om een goedwerkende Wellsturbine te maken doordat hiervoor kennis vereist is over diepgaande aerodynamica. 39

40 6.1.2 TERUGSLAGVENTIELSYSTEEM Een andere oplossing is het terugslagventielen systeem. Bij dit systeem wordt er gebruik gemaakt van twee turbines. De ene turbine wordt aangedreven bij het inademen (als het waterniveau daalt in het reservoir), de andere wordt aangedreven bij het uitademen (als het waterniveau stijgt in het reservoir). Op deze manier wordt voorkomen dat de twee tegenovergestelde luchtstromingen elkaar tegenwerken. Door de turbines in twee aparte buizen te plaatsen en gebruik te maken van terugslagkleppen die de luchtstroom in slechts één richting doorlaten, is het mogelijk om de twee turbines slechts op een luchtstroom aan te sluiten: Zoals te zien is in de twee afbeeldingen hierboven wordt er per luchtstroomrichting slechts één van de twee turbines aangedreven, doordat een klep de andere turbine afsluit. 40

41 6.2 PROTOTYPE In ons ontwerp zullen we gebruik maken van het terugslagventiel systeem. De voornaamste reden om dit systeem boven de Wellturbine te verkiezen, is dat de Wellsturbine lastig te verkrijgen is. Daarbij is het zeer ingewikkeld om zelf een goedwerkende Wellsturbine te produceren. Als eerst zullen we een prototype in het klein bouwen, om te controleren of onze techniek überhaupt functioneert. Pas als we tevreden zijn over de werking van dit prototype, zullen we een definitief ontwerp bouwen. Dit ontwerp zal in principe hetzelfde ontwerp hebben als het prototype, maar er zullen wel verbeteringen doorgevoerd worden. Het doel van de ontwikkeling van het prototype is om op kleine schaal te controleren of onze techniek en ontwerp goed functioneert, voordat we veel geld uitgeven aan het definitieve ontwerp. De kleine versie hoeft daarom, in tegenstelling tot het definitieve ontwerp, slechts te voldoen aan een simpel programma van eisen: -De door ons ontworpen techniek moet functioneren zoals bedoeld is -De kosten moeten minimaal zijn, omdat dit slechts het prototype is -De materialen moeten makkelijk bewerkbaar zijn zodat de bouw makkelijk blijft -De constructie mag niet te kwetsbaar zijn, zodat deze makkelijk vastgepakt en getest kan worden. Dit betekent dat de turbine die erin zal worden gemonteerd zal nog geen stroom kunnen opwekken. Voor de constructie zullen we hout, restafval van pvc-buizen en ander overige materialen gebruiken. Verder is het met het prototype ook goed vast te stellen hoe groot het reservoir moet zijn om de constructie goed te laten functioneren. De grote van het reservoir is namelijk bepalend voor de kracht en snelheid van de luchtstroom die ontstaat door het op- en neergaan van de golven in het reservoir. In eerste instantie zullen wij bij het prototype daarom kartonnen dozen van verschillende grootte testen als reservoir. De golf die normaal gesproken op- en neer gaat in het reservoir zullen we nabootsen door een plank op en neer te bewegen in de kartonnen doos. Hiermee kunnen we gemakkelijk testen hoe groot het reservoir moet zijn bij het definitieve ontwerp, door de schaal van de machines met elkaar te vergelijken. 41

42 We hebben bedacht dat het het meest handig is wanneer de terugslagkleppen en de turbines zich in een horizontale buis bevinden. We hebben namelijk het volgende ontwerp gemaakt voor een terugslagklep die de lucht maar in een richting doorlaat: Om ervoor te zorgen dat de buizen horizontaal liggen, worden de twee verticale buizen uit het eerste ontwerp vervangen door één buis met een T-splitsing. De onderkant van de buis wordt bevestigd op het reservoir waarin de golven op en neer gaan. Op de splitsing naar links en rechts worden horizontale buizen gemonteerd met daarin de klep en de turbine. 42

43 6.2.1 BOUWTEKENINGEN De bouwtekeningen zijn te vinden in de bijlagen 1 43

44 6.2.2 MATERIAALKEUZE Zoals eerder gezegd zullen we voor het prototype geen duurzame of dure materialen gebruiken. We hebben gekeken welke materialen we tot onze beschikking hebben en hebben de volgende keuzes gemaakt: -Het reservoir, waarin volgens ons ontwerp de golf op en neer moet gaan, zal gemaakt worden van karton. Karton is namelijk makkelijk te bewerken en erg goedkoop. Bij het prototype zal in het reservoir niet daadwerkelijk een golf op en neer gaan. We zullen de golf in het kartonnen reservoir simuleren door een kartonnen plaat op en neer te laten gaan in het reservoir. We kunnen hierdoor gemakkelijk experimenteren met de grootte van het reservoir, zodat voor het definitieve ontwerp duidelijk is hoe groot het reservoir ongeveer moet zijn. Om ervoor te zorgen dat het kartonnen reservoir wel luchtdicht is, zullen we de kiertjes en randen met een kit en plakband afdichten. -Voor de buizen die de kastjes met de kleppen verbinden met de turbine en het reservoir, zullen we PVC buizen gebruiken. PVC buizen zijn namelijk zeer geschikt om een luchtstroom ergens naartoe te leiden, omdat ze luchtdicht zijn en weinig luchtweerstand hebben aan de binnenkant. Bovendien is PVC makkelijk te bewerken met boren en zagen. We hebben enkele restjes van dit bouwmateriaal tot onze beschikking, waardoor de kosten laag blijven. De PVC buizen zullen verbinden met de andere onderdelen met behulp van constructielijm en kit. -De kastjes waarin de kleppen zich bevinden zullen gemaakt worden van MDF, een geperst houtsoort. MDF is namelijk makkelijk te bewerken met boren en zagen omdat het redelijk zacht is, en het is de goedkoopste houtsoort in de bouwmarkt. De kastjes zullen elk bestaan uit zes plankjes die we op maat zullen zagen. De in drie van de plankjes wordt met een boor een groot gat in het midden gemaakt. Aan de linker en rechter kant is een gat nodig om de PVC buizen in te steken, en aan de bovenkant maken we een gat die zal functioneren als kijkraampje. Om te beoordelen of ons kleppensysteem wel werkt, is het namelijk van belang om de binnenkant van de kleppenkastjes te kunnen zien terwijl de machine in werking is. Bovenop dit gat aan de bovenkant lijmen we een stukje doorzichtig plexiglas, zodat het kastje wel luchtdicht blijft. Het bovenste plankje met het kijkraampje zullen we in tegenstelling tot de andere plankjes niet vastlijmen, maar bevestigen met elastieken. Op deze manier is het mogelijk om de binnenkant van de kastjes later nog aan te passen als het niet goed werkt. -De kleppen zullen we maken met kleine kastscharniertjes en oude bankpasjes. De scharniertjes zijn voor een laag bedrag te koop in de bouwmarkt en de pasjes hebben we zelf tot onze beschikking. We zullen de scharnier aan de ene kant vast lijmen aan het kastje, en aan de andere kant aan het pasje. -Voor de turbine zullen we gebruik maken van een oude propeller van een afstand bestuurbare helikopter. Zoals eerder gezegd wekt deze propeller bij het prototype nog geen stroom op, omdat dit pas zal toegepast worden bij het definitieve ontwerp. Als as waarop de propeller kan ronddraaien zullen we een speld gebruiken. Deze speld met daarop de propeller zullen we met lijm aan een plastic dwarsbalkje monteren. Dit dwarsbalkje wordt loodrecht op de PVC buis gelijmd, met speciale plastic lijm die goed werkt bij het lijmen van kunststoffen. 44

45 We hebben dus de volgende materialen en gereedschappen nodig voor de bouw van het prototype: -PVC buizen: T-splitsing + lange buis (diameter tussen de 2 en 4 centimeter) -2x propeller van RC-helikopter -MDF hout (1 cm dik) -Kartonnen dozen -2x speld -stukje plexiglas -2x plastic dwarsbalkje -2x klein scharniertje -oude bankpasjes -Constructielijm -Kit -Plasticlijm -Handzaag -Elektrische boor -Werkbank (om op te zagen en boren) -Stanleymesje (om plexiglas uit te snijden) -Liniaal 45

46 6.2.3 RESULTAAT PROTOTYPE We hebben precies volgens onze ontwerpen en de beschrijvingen van de materiaalkeuze ons prototype gebouwd. Op de volgende afbeelding is het prototype exclusief het reservoir te zien: In het midden de T-splitsing van PVC buis die naar het reservoir leidt. Links en rechts daarvan de kastjes van MDF met een kijkraampje van plexiglas, met daarin de terugslagkleppen. Aan het uiteinde van deze kastjes is een recht stuk PVC buis te zien met aan het uiteinde de turbine: Dit is een gedetailleerde afbeelding van de PVC buis met de turbine (propeller) erop gemonteerd: 46

47 De bovenkant van de MDF kastjes met kleppen erin is bevestigd met elastieken zodat de kastjes open kunnen. Het kastje is aan de bovenkant voorzien van een laag kit zodat dit dekseltje wel volledig lucht afsluitend is. Op de volgende foto s is de binnenkant van het kastje met de gescharnierde klep, en het dekseltje en de laag kit gedetailleerd te zien: Zoals eerder uitgelegd hebben we geëxperimenteerd met de grootte van het reservoir. Door de verhouding van het prototype en definitieve ontwerp met elkaar te vergelijken, kunnen we hierdoor berekenen hoe groot het reservoir van het definitieve ontwerp moet zijn. We gebruikte bij het prototype een kartonnen doos, en gebruikten een kartonnen plaat om de golf te simuleren. Aangezien de turbine van het definitieve ontwerp wel stroom zal opwekken zal deze veel meer weerstand hebben en daarom hebben we bij het prototype een reservoir gekozen dat ruime capaciteit over heeft. Bij de kartonnen doos op de volgende afbeelding als reservoir functioneerde het prototype erg goed. Wanneer de plaat voor een klein deel het reservoir in werd gestoken, kwamen de propellers direct in beweging. Door de doorzichtige deksel konden we zien dat de terugslagkleppen heen en terug bewogen. Op de linker foto staat de voorkant van het reservoir waar het prototype erop is aangesloten afgebeeld. Op de rechter foto staat de achterkant van het reservoir en de kartonnen plaat afgebeeld. De doos heeft een oppervlakte van 0,09 m 2, en heeft een hoogte van 0,4m. De oppervlakte bepaald de hoeveelheid lucht die per seconde wordt verplaatst en de hoogte bepaald de maximale golfhoogte. 47

48 6.3 DEFINITIEF ONTWERP Na het prototype getest te hebben, gaan we verder met het ontwerpen van het definitieve ontwerp. Op de voorgaande pagina s is de werking van het gebruikte systeem om energie op te wekken weergegeven. Het mechanisme dat gebruikt is voor het prototype zal vanzelfsprekend grote overeenkomsten vertonen met het definitieve ontwerp. Waar we bij het prototype slechts ingingen op de gebruikte techniek en of deze daadwerkelijk werkt, gaan we bij het definitieve ontwerp meer eisen stellen. Dit doen we in het Programma van eisen PROGRAMMA VAN EISEN Voordat een ontwerp in werkelijkheid wordt gebracht, moet deze eerst aan een programma van eisen voldoen. Dit is ook bij ons definitieve ontwerp het geval. Bij het selecteren van de meest geschikte techniek, zijn enkele van deze eisen reeds aan bod gekomen. Maar wanneer het ontwerp verder uitgewerkt wordt, moet er met meerdere aspecten rekening gehouden worden. Bij het opstellen van het programma van eisen, moet ook bedacht worden dat verschillende 'partijen' verschillende eisen zullen stellen. Denk hierbij aan: de opdrachtgever, de consument, de fabrikant, de ondernemer en de overheid. In ons geval zullen een paar van deze partijen niet helemaal van toepassing zijn, zoals de consument. In de onderstaande tabel staan een aantal eisen. Net als bij het kiezen van de te gebruiken techniek, heeft elke eis hier ook een weegfactor. Wanneer het ontwerp gebouwd is, zullen we kijken in hoe verre het heeft voldaan aan de eisen op een schaal van één tot tien. Als het definitieve ontwerp dus af is, zullen we deze tabel invullen en verbeterpunten bedenken en uitwerken op het ontwerp. Eis Weegfactor Beoordeling Score Efficiënte energieproductie Kleine milieu impact 4 1 Bouwkosten 3 Product moet duurzaam zijn 3 Bouwmaterialen 3 Veiligheid 2 48

49 Per onderwerp (de onderwerpen uit de tabel hiervoor) staat hieronder beschreven welke eisen we aan onze machine stellen in het kader van het betreffende onderwerp. Efficiëntie van energieproductie Hierbij gaat het erom hoe efficiënt de omzetting van kinetische energie van het water naar elektrische energie is van de betreffende techniek. Een hoger rendement zorgt voor een grotere energieopbrengst. We moeten dus proberen het rendement zo hoog mogelijk te maken. Hierbij moet gelet worden op de soort turbines, vorm van het reservoir enz. Kleine milieu-impact Als we het over de milieu-impact hebben, dan kijken we naar de invloed van het ontwerp op diens omgeving. Een apparaat van grote omvang, zal vanzelfsprekend veel ruimte innemen. In een dichtbevolkt land als Nederland is de ruimte niet in overmaat aanwezig. Het apparaat moet dus zo compact als mogelijk gemaakt worden, als dit tenminste voordelig is voor het doel. Verder moet er gekeken worden naar de uitscheiding van afval. Zo moeten fabrieken heden ten dage goed op hun uitstoot letten en terugdringen. De verwachting is dat ons ontwerp nauwelijks tot geen schadelijke stoffen uitstoot. Ook mag het bouwwerk geen negatief zijn voor de mensen in diens omgeving. Hierbij wordt gedacht aan vormen van overlast. Het ontwerp mag niet een zodanige hoeveelheid geluid produceren dat dit storend is voor mensen en dieren. Bouwkosten De bouwkosten van een bouwwerk zijn erg belangrijk. De totale kosten mogen niet te hoog zijn en daardoor moeten verschillende onderdelen onderzocht worden. De bouwmaterialen mogen niet te duur zijn. Maar ook voor het bouwtraject mogen niet te hoge kosten worden gemaakt. We stellen een maximum vast van 40 euro per persoon. Duurzaamheid Heden ten dage is duurzaamheid een veelvoorkomend onderwerp waar veel aandacht aan wordt besteed. In ons geval moet er op gelet worden dat er zo veel mogelijke met duurzame middelen wordt gewerkt. De levensduur van het bouwwerk heeft voor een deel te maken met de stevigheid van de materialen. Verder moet de constructie van het geheel stevig genoeg zijn, wat resulteert in een grotere duurzaamheid. Wat ook onder de duurzaamheid valt is in hoeverre de totale energie-investering zich verhoudt tot de energie die het op gaat leveren. Voor het produceren van de te gebruiken materialen wordt energie verbruikt. Als de totale energie die er in wordt gestoken na bijvoorbeeld een jaar nog niet terugverdiend is, is de duurzaamheid onvoldoende. Bouwmaterialen De bouwmaterialen moeten geschikt zijn voor het ontwerp. Het geheel mag niet te zwaar zijn, omdat het anders niet te verplaatsen is. Dit vereist dus het gebruik van relatief lichte materialen, zoals kunststof. Verder moeten de materialen stevig zijn. Wanneer het ontwerp zich aan de kust bevindt, zal deze de kracht van het water en noodweer moeten kunnen weerstaan. 49

50 Veiligheid De veiligheid van het bouwwerk is ook van belang. Nu zal de mens weinig in de buurt komen van dit bouwwerk. Toch moet er op de veiligheid worden gelet, voor als er bijvoorbeeld onderhoud plaatsvindt. Hiervoor kan er bijvoorbeeld een afsluitklep worden bevestigd in het systeem, die het reservoir afsluit voor het water. Zo worden golven tegengehouden en komen de turbines tot stilstand. Hierdoor kan er onderhoud plaatsvinden. Omdat er gebruik wordt gemaakt van elektrische installaties. Wanneer deze installatie in contact komt met zout water ontstaat er de kans op kortsluiting. Deze kans moet zo klein mogelijk gemaakt worden OFFSHORE OF ONSHORE Zoals eerder is geschreven, kan de Oscillating water column op twee verschillende delen van de zee worden gebruikt. Het apparaat kan zowel op de kust als midden op zee gebruikt worden. Het ontwerp verschilt echter wel per plaats. Wanneer de Oscillating water column op de kust geplaatst wordt moeten de golven geleidelijk omhoog worden gestuurd. Dit wordt gedaan door de bodem op te laten lopen, zoals te zien is in de nevenstaande afbeelding. Dit zorgt ervoor dat de golf niet plotseling wordt gebroken en hierdoor zijn energie verliest. Als het apparaat offshore wordt geplaatst, speelt de bodem van het apparaat geen rol. Er is immers geen bodem aanwezig. Er hoeft dus niet gelet te worden op de vorm van de luchtkolom. De vorm van de bak is rechthoekig zoals te zien is in de afbeelding hiernaast. Aan de bovenkant bevindt zich, net als bij de onshore machine, de turbine. In eerste instantie houden we het ontwerp eenvoudig en kiezen we dus voor de offshore Oscillating water column. We testen het apparaat met de sopmethode (zie onderstaande afbeelding). Dit houdt in dat we het apparaat in zijn geheel op en neer bewegen in het water. Dit water golft in eerste instantie niet en heeft dus een horizontaal oppervlak. 50

51 Door het apparaat naar beneden te bewegen, stijgt het waterniveau in het reservoir. Hierdoor wordt de lucht in dit reservoir omhoog geduwd, waar deze door een persende beweging een turbine laat draaien (zie terugslagventiel-systeem). Wanneer het apparaat opwaarts wordt bewogen vindt een omgekeerd proces plaats: het waterniveau daalt waardoor er een zuigende werking ontstaat en opnieuw een turbine wordt aangedreven. Wij maken een offshore apparaat, omdat het lastig is om een goedwerkende onshore Oscillating water column te maken en te testen wanneer er op relatief kleine schaal wordt gewerkt. Dit komt doordat kleine golven in een korte tijd op en neer bewegen, wat een (te) kleine energieproductie tot gevolg heeft. Wanneer wij dit apparaat in het groot willen uitwerken, zal dit zeer lastig worden. Er moet namelijk een geschikte plek gevonden worden met grote golven. Tevens moet er een oplopende bodem aanwezig zijn die er voor zorgt dat de golven niet plots gebroken worden. Deze factoren zorgen ervoor dat een goedwerkende onshore Oscillating water column haast onmogelijk is voor ons om te ontwerpen. Ons ontwerp wordt dus een offshore Oscillating water column en zal getest worden met behulp van de sopmethode. Voordeel van de sopmethode is dat hij in ondiep water toegepast kan worden. Wij testen het ontwerp daarom ook in een nog niet bevroren ijsbaan met een diepte van circa 40 centimeter. 51

52 Bij elk onderdeel dat wordt gebruikt in ons ontwerp moeten we proberen de eisen die we gesteld hebben in het programma van eisen na te streven LUCHTRESERVOIR Bij het prototype hebben we nog niet te maken gehad met water. Zoals vermeld hebben we enkel de beweging van het water nagebootst door middel van een kartonnen doos. Het definitieve ontwerp wordt wel getest met water. Waar we bij ons prototype gebruikt maakten van hout, wordt het definitieve ontwerp gemaakt van vooral kunststofmaterialen. Dit omdat kunststofmaterialen, in tegenstelling tot hout, beter bestemd zijn tegen water. Wij hebben gekozen voor een IBC container van 1000 liter (zie afbeelding). Normaal gesproken wordt deze container gebruikt om water in op te slaan. De container heeft een lage prijs en hierdoor aantrekkelijk om te gebruiken voor ons ontwerp. Verder is de container een veilig object en heeft het een lange levensduur. Door de stompe hoeken en de lichtheid van de container zal deze niet snel iets beschadigen. Tevens zorgt deze lichtheid ervoor dat de container makkelijk verplaatst kan worden. Door de hoogteverschillen (bobbels) in de zijkanten zijn aangebracht (te zien als inkepingen in de afbeelding), wordt de container bovendien verstevigd. Ook is het kunststof waterdicht en luchtdicht, normaal wordt de container tenslotte als wateropslagplaats gebruikt. Deze luchtdichtheid is voor ons onderzoek van groot belang, omdat er anders energie verloren kan gaan. Wij gebruiken de container als luchtreservoir. Hierin gaat dus het water in op en neer om vervolgens een luchtverplaatsing te veroorzaken. Hiervoor moet echter wel de gehele onderkant verwijderd worden. Dit doen wij net boven het kraantje dat zich onderin de container bevindt. Hierdoor krijgen we een vlakke onderkant. Uiteindelijk wordt er twintig centimeter van de hoogte van de container afgezaagd, waardoor er een hoogte van tachtig centimeter overblijft. De oppervlakte van de onderkant is vierkantencentimeter. Bovenop deze container zit een dop bevestigd waarop wij het terugslagventiel-systeem bevestigen. Wij bewerken de container, nadat we de onderkant hebben verwijderd, niet. 52

53 6.3.4 TERUGSLAGVENTIEL-SYSTEEM Evenals bij het prototype, maken we bij het definitieve ontwerp gebruik van het zogenaamde terugslagventiel-systeem. Hiervoor gebruiken wij opnieuw pvc-buizen, dit keer van een andere grootte. De buizen waar de lucht doorheen wordt verplaatst hebben een doorsnee van 10 cm. Waar we in ons prototype gebruik maakten van houten kastjes waarin we de kleppen bevestigden, kunnen we nu ronde terugslagkleppen gebruiken met een doorsnee van 10 cm, die tussen de pvc-buizen bevestigd kunnen worden. Het is belangrijk dat deze terugslagkleppen verticaal geplaatst worden. Wanneer dit niet gebeurt zullen de kleppen hun werking verliezen doordat ze onder invloed van de zwaartekracht niet volledig afsluiten. Verder gebruiken we de van het prototype bekende t-splitsing, waardoor we een turbine die enkel draait bij een zuigende kracht en een turbine die enkel draait bij een persende kracht kunnen scheiden. Echter is er ook een verschil tussen het prototype en het definitieve ontwerp. Dit verschil zit hem in de plaats van de terugslagklep en de turbine. Bij de kleine kwam de lucht die samengeperst werd eerst een klep tegen en vervolgens, indien mogelijk, een turbine. Bij het definitieve ontwerp zit het systeem iets anders in elkaar. De volgorde van de turbine en de terugslagklep is anders dan bij het prototype. Dit is om de energieproductie te verhogen. Wanneer de lucht wordt samengeperst, komt deze na de splitsing links een terugslagklep en rechts een turbine tegen. De lucht drukt de terugslagklep aan de linkerkant dicht waardoor de lucht niet verder kan naar links en de turbine die achter de klep zit niet kan laten draaien. De rechter turbine reageert wel op de luchtverplaatsing. Doordat de lucht door de turbine heen wordt geperst, gaat deze draaien en gaat de terugslagklep achter de turbine open. Bij een zuigende kracht is de werking vanzelfsprekend omgekeerd. De linker turbine komt in beweging en de rechter turbine blijft stilstaan. We hebben voor een PVC buizenconstructie gekozen wegens verschillende redenen. Ten eerste zijn de PVC buizen makkelijk op elkaar aan te sluiten, waardoor elke maat of bocht gebruikt kan worden. Verder is het materiaal te verkrijgen tegen een lage prijs en daarbij erg stevig. Deze stevigheid wordt vergroot doordat de PVC buizen een ronde vorm hebben. Ook is PVC bestemd tegen water waardoor de levensduur wordt vergroot. Verder zijn de pvc buizen makkelijk te verplaatsen door de kleine massa van het kunststof. Net als de container zijn de buizen luchtdicht wat een vereiste is. In deze afbeelding zijn de turbines aangegeven met een bruine kleur. De terugslagkleppen zijn weergegeven met een schuine streep. De rode pijlen geven de richting van de luchtverplaatsing aan wanneer de kleppen gesloten zijn. De groene pijlen geven de richting van de luchtverplaatsing aan wanneer de kleppen geopend zijn. 53

54 6.3.5 TURBINES De turbines zijn een belangrijk onderdeel van ons ontwerp. De beweging van het water moet energie opleveren. In ons ontwerp wordt deze energie omgezet met behulp van turbines. Zoals vermeldt is bij het terugslagventiel-systeem, bevinden zich twee turbines in het apparaat. Deze twee turbines hebben een identieke vorm. Om een zo gunstig mogelijke energieomzetting te verkrijgen, vergelijken we verschillende turbines met elkaar. We testen hiervoor turbines die voor verschillende doeleinden worden gebruikt. De drie turbines zijn: een badkamerventilator, een legoturbine en een zelfgemaakte turbine. We testen de turbines ieder op dezelfde manier getest. Hiervoor hebben we de volgende materialen nodig: Föhn 2 meter PVC buis (ø 10 cm) Voltmeter Elektromotor Badkamerventilator Legoturbine Turbine met pasjes als bladen We sluiten bij elke meting de turbine aan op een voltmeter. Bij de badkamerventilator steken er twee stroomdraden uit waaraan we de voltmeter parallel kunnen schakelen. Bij de twee andere turbines wordt de as van de turbines verbonden aan een elektromotor die hier als dynamo werkt. Deze elektromotor is vervolgens weer aangesloten op een voltmeter om de spanning weer te geven. Tegelijkertijd wordt ook de stroomsterkte gemeten om de formule voor het vermogen (P e=ui) te kunnen invullen. Om de U en I correct te kunnen meten moeten we de volten ampèremeters DC (gelijkspanning) schakelen. Vervolgens plaatsen we de PVC buis op de grond en hielden we aan het ene uiteinde een turbine vijf centimeter in de buis. Aan de andere kant wordt er een föhn in de buis geplaatst. De voorkant van de föhn bevindt zich in de buis tien centimeter van de rand. Dit om alle lucht uit de föhn door de buis naar de turbine te laten gaan, waarbij er dus geen lucht verloren gaat. We houden de föhn in zijn laagste stand. Badkamerventilator De badkamerventilator kwam in beweging nadat we de föhn hadden aangezet. Echter bleef de naald van de voltmeter nauwelijks zichtbare trillingen uitvoerend- op zijn plek. Vervolgens hebben we de badkamerventilator open geschroefd om de oorzaak hiervoor te zoeken. De badkamerventilator dient aangesloten te worden op een voltage van 230 volt en heeft een frequentie van 50 Hertz. Deze frequentie is enkel haalbaal wanneer de ventilator is aangesloten op de netspanning. Uit de tests blijkt dat de badkamerventilator enkel gebruikt kan worden voor zijn ventilerende werking waarbij stroom verbruikt wordt. Hij is echter niet bruikbaar wanneer hij gebruikt wordt als windturbine om stroom op te wekken. Tevens kost deze turbine veel geld en 54

55 heeft het geheel een relatief grote massa. De gebruikte constructie is wel stevig en veilig door de bijbehorende afsluitkap. Door deze kap gaat er echter wel energie verloren doordat de lucht meer wrijving ondervindt. Legoturbine Na de legoturbine op de elektromotor te hebben aangesloten en de föhn te aan te hebben gezet, kwam de legoturbine direct in beweging. De naald van de voltmeter wees wanneer de turbine een constante draaisnelheid had bereikt een spanning van 0,9 volt aan. Wanneer we föhn vervolgens uitschakelden bleef de turbine nog enige secondes doordraaien. Hieruit kunnen we concluderen dat de as van de elektromotor weinig wrijving ondervindt. Naast de lage prijs is de constructie van de turbine erg solide. De legoturbine is gemaakt van kunststof wat voor een langere levensduur en een grotere duurzaamheid zorgt. Eigengemaakte turbine Om de optimale turbine te vinden hebben we zelf een turbine ontworpen. Hiervoor hebben we pasjes in een vorm geknipt en bevestigt aan een knop. De verknipte pasjes dienen als bladen van de turbine. De knop waaraan de bladen zijn bevestigd dient als as van de elektromotor. We hebben dezelfde elektromotor gebruikt als bij de legoturbine, om de turbines op een gelijke manier te testen. Wanneer de föhn werd aangezet leverde de turbine een stroom van 0,9 volt. Echter wanneer wij de föhn uitschakelde kwam de turbine na korte tijd weer tot stilstand. De bladen van de turbine ondervinden dus te veel wrijving, wat energieverlies tot gevolg heeft. Het grote voordeel van deze turbine is dat hij gratis is. Toch kost het maken van deze turbine veel tijd. Ook heeft deze turbine een kortere levensduur omdat hij uit verschillende onderdelen bestaat. In tegenstelling tot de uit één deel bestaande legoturbine, heeft deze eigengemaakte turbine een kleinere duurzaamheid. Gekozen turbine Na de drie turbines met elkaar vergeleken te hebben, hebben wij gekozen voor de legoturbine. De badkamertubine viel als eerste af doordat hij niet te gebruiken is als windturbine. De legoturbine leverde samen met de eigengemaakte turbine de meeste stroom. Maar bij het uitdraaien legde deze laatste het af tegen de legoturbine. Daarnaast is de legoturbine meer solide dan de eigengemaakte turbine. In prijs verschillen beide turbines weinig van elkaar. Door de turbines naast het Programma van eisen te houden, kunnen we concluderen dat de legoturbine als beste uit de test komt. 55

56 6.3.6 BENODIGDE MATERIALEN Voor het definitieve ontwerp wordt er gebruik gemaakt van vele verschillende materialen en gereedschappen. Hieronder is de lijst met benodigdheden weergegeven. Materialen Terugslapventielsysteem PVC buizen (Ø10 cm) o T-splitsing o 2x tussenstuk (Ø 10 cm) o 2x terugslagklep o 2x verbindingsstuk 2x legoturbine (Ø 8,0 cm) 2x elektromotor (afkomstig uit oude cd-speler) 4x stroomdraad (20 cm) Isolatiestrip 2x dwarsbalk Luchtreservoir IBC container (110x95x80 cm) Afsluitingsdop Verbindingsmaterialen Tape Tweecomponentenlijm Tyraps 4x schroef Gereedschap Decoupeerzaag IJzerzaag Geodriehoek Potlood Winkelhaak Vijl Boormachine Schroevendraaier Stanleymes Werkbank 56

57 Wanneer we de legoturbine in het buizensysteem plaatsen, moeten we rekening houden met de voor- en achterkant van de turbine. De turbine is zo ontworpen dat de turbine een optimale werking heeft als de lucht de voorkant (de zijde die in de afbeelding bovenaan de pagina is te zien) als eerste tegenkomt. In de onderstaande tekening staat de voorkant van de turbine aangegeven. De pijlen kunnen ook als richting van de luchtstroom gezien worden. De turbines wordt bevestigd op een elektromotor. Om de turbines in het buizensysteem te kunnen plaatsen moet er een dwarsbalk aan de elektromotor bevestigd worden, om deze vervolgens in het buizensysteem aan te brengen. De stroomdraden die aan de elektromotor gesoldeerd zijn, worden door twee geboorde gaatjes buiten de buis geleid. De legoturbines hebben een diameter van acht centimeter. Omdat de PVC buizen een diameter van tien centimeter hebben ontstaat er, wanneer een turbine midden in een buis wordt geplaatst een ruimte van één centimeter tussen de rand van de turbine en de binnenkant van de buis. Deze cirkel met een dikte van een centimeter is 36 procent van de totale oppervlakte van de doorsnede van de buis. Hierdoor kan er dus veel lucht zijn weg vinden zonder dat deze de bladen van de turbine in beweging hoeven te brengen. Uiteindelijk zal de energieopbrengst hierdoor ook lager zijn. Om dit energieverlies te vermijden, brengen we aan de binnenkant van de PVC buis een isolatiestrip aan. Deze isolatiestrip heeft een dikte van iets minder dan een centimeter, waardoor de turbine nog steeds in de buis bevestigd kan worden. De strip is luchtdicht en zorgt ervoor dat er zoveel mogelijk lucht door de turbine wordt geleid. Tape Elektromotor bevestigd dwarsbalk in PVC buis Isolatiestrip (wit) aan binnenkant van buis De PVC buizen worden aan elkaar vastgemaakt met behulp van tape. Dit doen we omdat we het systeem nog uit elkaar willen kunnen halen, wanneer er ergens een defect ontstaat of als we een aanpassing willen doen. Bovendien zorgt de tape voor een optimale luchtdichtheid. 57