Engineering Experience 4: Design a Small Solar Vehicle/Nl/2012: Team PM7

Inleiding
Welkom op de Wikiversity-pagina van Team PM7 "SolarTronics". De komende weken zal u op deze pagina terecht kunnen voor alle informatie omtrent onze Small Solar Vehicle (SSV). Lees ook onze blog waarin je het wekelijks nieuws kunt lezen over ons project.

Opdracht
Engineering Experience 4 draait rond het thema "Make Stuff Work". Ons team wordt gezien als een ingenieursbureau dat van het Umicore Solar Team de opdracht krijgt om een miniatuur zonnewagen te ontwikkelen, een Small Solar Vehicle (SSV). Het gedrag van dit model wordt naderhand aan diverse analyses onderworpen en een rapport wordt opgesteld voor UST. Met ons model zullen we bovendien aan een race deelnemen. Het project bestaat uit twee luiken: ontwerp en kritische analyses.

Luik 1: Ontwerp
Het eerste deel van de opdracht bestaat eruit om het bestelde zonnewagentje te ontwikkelen. We krijgen daarbij een startbudget van &euro;200, een zonnepaneel en een motor.

Luik 2: Kritische analyses
SolarTronics moet in deze fase verschillende tests uitvoeren op zowel onze SSV als de bestaande Umicar, de racewagen op zonne-energie van Groep T studenten. Aërodynamica, wiskunde, materiaalkunde, ... zullen allemaal getoetst en gerapporteerd worden. Nabij dienen we ook een volledig strategisch marketingplan uit te werken voor onze SSV.

Experiment op het zonnepaneel
Ieder zonnepaneel heeft verschillende eigenschappen in vergelijking met andere panelen. De eigenheid van ons zonnepaneel kan omschreven worden met behulp van de diodefactor. De diodefactor geeft de mate waarin een diode voldoet aan het model van de ideale diode weer. Dit model zegt dat bij een reverse bias de stroom door de diode nul is. Bij 0 volt zal deze geleiden en bij iedere andere spanning vloeit er een infinitisimaal grote stroom door de diode. Theoretisch gezien compenseert de diodefactor dus voor het niet-ideale gedrag van een diode en ligt voor degelijke niet-ideale dioden vaak tussen 1.1 of 1.5, en is gelijk aan één voor een ideale diode. De diodekarakteristiek is uiteindelijk verkregen door metingen te doen in het labo. Zoals te zien is in de grafiek, was de meting echter niet honderd procent correct. Dit komt omdat het opwarmen van het paneel door de spot gezorgd heeft voor een onnauwkeurigheid op de meting, wat duidelijk te zien is in de grafiek door de vele oneffenheden vanaf 7,5V. De temperatuur is dus een bepalende factor is in het meten van de efficiëntie. De diodefactor kunnen we uit de karakteristieke formule halen. Deze is: I=I_sc-I_s*(e^(U/(m*N*U_r ))-1) Hierbij is: Omgezet naar een formule voor m geeft dit: m=U/(N*U_r*ln((I_sc-I)/I_s +1) )
 * Isc is de kortsluitstroom, m.a.w. de stroom die gemeten wordt bij een spanning van (benaderd) 0V. Bij ons bleek dit 0.35A te bedragen.
 * Ur stelt de thermische spanning voor, te vinden in de tabel met waarde 0.0257.
 * Is is de saturatiestroom, gegeven door 1e-8 en 0.14A;
 * N stelt het aantal zonnecellen voor. In dit geval is dat 15.
 * U en I werden geregeld via de verschuifbare weerstand.

Eenmaal de diodefactor van 1,24 bepaald is, kan er een diodekarakteristiek van het zonnepaneel gevonden worden, waaruit gemakkelijk het vermogen bij een bepaalde spanning afgelezen kan worden. Om de diodekarakteristiek te vinden, moet het vermogen nog eerst berekenen worden. Stroom vermenigvuldigen met spanning resulteert in het vermogen.

Overbrengingsverhouding
De overbrengingsverhouding is de verhouding van de omwentelingen van tandwielen in de aandrijving van onze SSV. Deze verhouding wordt bepaald door het aantal tanden, omtrek of diameter van de tandwielen. Een grote verhouding wil zeggen een hoge topsnelheid en een lage verhouding wil zeggen meer trekkracht. Het doel van een overbrenging is de snelheid om zetten in kracht. Formulevorm: Met:
 * i = overbrengingsverhouding (dimensieloos)
 * w = hoeksnelheid (rad/s)
 * n = toerental (omwentelingen/min)
 * z = aantal tanden (dimensieloos)
 * T = koppel (Nm)
 * D = diameter (m)
 * r = straal (m)

Simulatie overbrenging MatLab
In MatLab werd getracht om eveneens tien overbrengingsratio’s te testen, waarbij telkens een afstand/tijd en een snelheid/tijd diagram bekomen werd. Vergelijken van deze diagrammen resulteert in een optimale gear ratio. De meest belangrijke factor zal voor ons de maximale snelheid zijn, pas dan de geschatte aankomsttijd. De volgende figuur geeft een overzicht van de maximale snelheid en aankomsttijd per gear ratio:

Het is duidelijk te zien dat een gear ratio van 14 de maximale snelheid zal opleveren. Met deze overbrengingsverhouding zal de SSV eveneens in de kortste tijd de eindmeet halen. In de volgende figuur de grafiek uit MatLab:

Beschouw eerst de linkse grafiek. Deze geeft de snelheid in functie van de tijd weer. De rode lijn geeft de maximale snelheid weer. Het is te zien dat na iets meer dan twee seconden de SSV zijn maximale snelheid van 3,4m/s zal hebben bereikt. Deze zal zich aan het einde van het dalend traject bevinden, aan het begin van het rechte stuk. Beschouw nu de oranje lijn. Na vier seconden bereikt de SSV de voet van de stijgende helling. Dit zal met een snelheid van ongeveer 3,3m/s zijn. Vervolgens begint deze te klimmen en zien we dat de snelheid afneemt. Wanneer men nu de rechtse grafiek onderzoekt, merken men dat de SSV de finish (14m) na iets meer dan vijf en een halve seconde zal bereiken. Om een vergelijking te maken: wanneer een gear ratio hoger dan 14 wordt gekozen, tonen de grafieken een verlaging van de maximale snelheid (zelfs 2,7 m/s voor een gear ratio van 24). De SSV zal er eveneens langer over doen om de finish te halen. Wanneer nu een lagere gear ratio in acht wordt genomen, zal de maximale snelheid eveneens dalen en de SSV zal er langer over doen om de finish te halen. Sterker nog, bij een gear ratio van 6 of 8 blijkt deze de finish helemaal niet te bereiken. Een overbrengingsverhouding van 14 zal dus in de SSV gebruikt worden.

Ontwerp SSV
Er zal vooral gefocust worden op gewicht en stevigheid van het ontwerp. Dit is immers een bepalende factor in de aankomsttijd en de maximale snelheid van de SSV. Om ervoor te zorgen dat deze ook licht blijft, werd er besloten om een driehoekframe te bouwen. Bovendien zal het frame gevormd worden als vakwerk, waardoor de massa zal verminderen zonder daarbij aan stevigheid te verliezen, Bovendien zal de vorm ook meer aerodynamisch worden. Het frame zal gebouwd worden uit hout, met plexiglas voor extra stevigheid. Bij de uitgevoerde materiaalanalyse bewijst het materiaal eveneens zijn nut. Voorts werd er besloten om het zonnepaneel zelf met behulp van een scharnierend systeem aan het frame vast te maken. Daarbij wel op een manier die toestaat om het paneel er gemakkelijk vanaf te halen. We dachten daarbij aan een zuignap. Op die manier kan het paneel zo optimaal mogelijk gericht worden tijdens de race en kan het bovendien losgekoppeld worden om te koelen. Het kogelgewricht is sterk genoeg om het paneel op zijn plaats te houden, zelfs na eventuele kleine schokken tijdens het rijden. De wielen zullen gemaakt worden uit plexiglas. Om het wagentje op de baan te houden, plaatsen we een begeleidingssysteem onder de SSV. Dit bestaat uit een wieltje met holle groef. Deze groef past mooi op de begeleidingsrail en zal ervoor zorgen dat de SSV niet van het parcours rijdt.

Simulatie 1
In de eerste simulatie zullen we de reeds gemeten waarden voor de stroom en spanning van ons zonnepaneel laten controleren. Hiervoor gaan we het gebruikte netwerk simuleren in Simulink. Dit netwerk bestaat uit een verwisselbare weerstand, het zonnepaneel, een ampèremeter en een voltmeter. Hierbij zijn er voorlopig enkel parameters aan de verschillende componenten toegekend. Deze parameters worden hier aan toegekend in een zogenoemde m-file van Matlab. Hierbij hebben we de zonne-intensiteit gemiddeld gekozen voor 800Watt/m², maar deze is sterk afhankelijk van de weersomstandigheden. De intensiteit van de lamp bedraagt ongeveer 700 W/m². De berekende kortsluitstroom bedraagt 0.35A, de berekende openklemspanning 8.6V en de berekende diodefactor 1.22. Voor deze berekeningen verwijzen we u graag door naar case SSV. De reden waarom we de openklemspanning nog delen door 15 is omdat deze over alle zonnecellen verdeeld is. Als output krijgen we dan, zoals in de laatste twee paragraven van de m-file beschreven staat, twee figuren. Enerzijds is er de grafiek die de verhouding tussen vermogen en voltage weergeeft. Anderzijds is er de grafiek die de verhouding tussen stroom en voltage weergeeft.

Simulatie 2
In dit deel is het de bedoeling om een simulatie te maken van wanneer onze zonnewagen vanop de helling zouden laten afrollen. Dit houdt in dat er geen aandrijving is van de motor dankzij het zonnepaneel. In de figuur ziet u het door ons gebruikte Simulink model. Er zijn drie subsystemen te onderscheiden. Het eerste, grijskleurige is het zonnepaneel waarin de vijftien zonnecellen gesimuleerd zijn. Dit gedeelte is echter overbodig. We gaan er immers van uit dat de wagen van de helling rolt, dus zonder voortstuwing. Voor de volledigheid hebben we het er echter in laten staan, maar de stralingsfluxdichtheid op nul gezet. Dit houdt essentieel in dat het zonnepaneel geen licht krijgt en de motor dus niet zal werken, wat dus neerkomt op rollen. De andere twee subsystemen stellen de rolweerstand en de hellingweer-stand weer en respectievelijk in onderstaande figuur afgebeeld. Beide subsystemen hebben dezelfde opbouw, namelijk drie waarden en twee schakelaars. Dit komt omdat de baan waarop wij moeten racen bestaat uit een 4m dalende helling, een 6m vlak stuk en een 4m stijgende helling. Op ieder stuk bereiken deze twee weerstanden een andere waarden. De schakelaars zorgen ervoor dat op 4m en 10m tussen de waarden wordt geschakeld om zo de juiste weerstandswaarde te behouden. De luchtweerstand is een constante, ongeacht de hoek waaronder de wagen rijdt, vandaar dat deze niet op een dergelijke manier is opgebouwd.

Besluit
In bovenstaande figuur zien we dat de wagen ongeveer 12,25m ver zal geraken. Dit stemt volledig overeen met onze verwachtingen. Hij daalt namelijk de eerste vier meter en de snelheid neemt lineair toe, waardoor de positie parabolisch toeneemt. Hierna zal de snelheid hetzelfde blijven, met een klein verlies aan lucht- en rolweerstand, waardoor de positie quasi lineair toeneemt. Vanaf tien meter komt hij op de tweede helling, waardoor de snelheid lineair afneemt en de positie parabolisch afneemt. Tevens zal hij nooit de grens van 14m mogen halen. Dit is in overeenstem-ming met de fysica. Als er immers geen enkele weerstand was, dan zou hij exact 14m moeten halen, gezien de symmetrie van de hellingen. Hier zijn er echter wel weerstanden, waardoor hij tussen de 10m en 14m moet beginnen terugrollen. De door ons vooropgestelde statements zoals beschreven in de twee voor-gaande paragrafen kunnen we allemaal herkennen in de simulatie. De simulatie lijkt ons dus realistisch.

Week 1
Na de inleidende seminarie te hebben gekregen, zijn we er meteen in gevlogen. Eerst even algemeen kennismaken met alle teamleden en een contactenlijst opstellen. We besloten meteen om een facebookgroep en een dropboxfolder aan te maken, teneinde de communicatie ten allen tijde goed te laten verlopen. Onze eerste deadline was vrijdag al, dus haast was geboden. Mathias zou een Work Breakdown Structure (WBS) maken, Frédérick en Willem zouden beginnen aan een Plan Van Aanpak (PVA), Wouter en Alexander namen de Gantt-Chart op zich, Tom en Nick stelden het Samenwerkingscontract op en Glenn, die werd aangeduid als teamleider, zou alles verzamelen, nakijken, opsturen en de eerste stappen naar een WIKI-pagina zetten. Alle taken zijn afgerond en nagekeken. En nu alles opsturen naar de coach!
 * Dinsdag 14 februari 2012
 * Vrijdag 17 februari 2012

Week 2
Een boeiende les gekregen over de karakteristieken van zonnecellen en DC-motoren. Daarna gezamelijk een experiment uitvoeren om de karakteristieken van ons zonnepaneel te meten. Aansluitend teamvergadering om ons wat beter te oriënteren. De opdracht is onderverdeeld in Engineering, Educating en Enterprising. We besloten ons team echter op te delen in sub-teams (Marketing, Design en Energy) om efficiënter aan de opdracht en diverse cases te kunnen werken. Nadien sessie met de coach: de Gantt-chart moeten we nauwkeuriger opstellen en de PVA kan nog wat verdieping gebruiken.
 * Dinsdag 28 februari 2012

Week 3
Het team voor dat instaat voor het zonnepaneel boekt mooie vooruitgang. Verder zijn er ook vorderingen voor de ratio's van de tandwielen. Een Excel-file wordt naast Matlab gebruikt om diverse tandwielverhoudingen te berekenen en de beste eruit te selecteren. We zijn ook aan de Simulink simulatie begonnen en wordt er druk geprobeerd sponsoring binnen te krijgen.
 * Dinsdag 6 maart 2012

Week 4
Na het seminarie hebben we de handen in mekaar gestoken en heeft team Design een prototype van het autootje in K'nex gebouwd. Daarna zijn we begonnen met het ontwerpen van het autootje in SolidEdge. Een deel van het team heeft daarnaast verder gewerkt aan de Simulink, welke bijna af is.
 * Dinsdag 13 maart 2012

Week 5
Deze week werd er vooral gewerkt aan het verslag. De Simulink werd uitgebreid getest, ook de MatLab simulatie werd gerund. Die laatste bleek echter nog niet zo gemakkelijk, pas na een dik uur werken, verkregen we enigzins realistische resultaten te zien.
 * Dinsdag 20 maart 2012

Week 6
Vandaag heeft SolarTronics feedback gehad over het tussentijds rapport. Over het algemeen was het wel oke. Echter onze modellering en berekeningen van de overbrengingsverhouding was niet precies zoals het moest zijn. Hier moeten we nog een klein beetje herzien. Het ontwerp is goedgekeurd, dus nu is het de boodschap om zo snel mogelijk aan het bouwen te gaan! De Simulink simulaties waren uitstekend.
 * Dinsdag 27 maart 2012

Week 7
We zijn begonnen met de bouw! Het ontwerp in SolidEdge is volledig af, dus op naar FabLab voor de componenten. De tandwielen en kogellagers zijn eveneens besteld.
 * Dinsdag 17 april 2012

Week 8
Het bouwen gaat vlot! Aan de SSV wordt de laatste hand gelegd. Het bedrijf heeft een van de tandwielen verkeerd geleverd. We zijn dus genoodzaakt of een andere gearratio te nemen of met K'nex te werken. Volgende week ook nog even doorwerken en testen!
 * Dinsdag 24 april 2012

Week 9
Tijd om het autootje te testen! We bevestigen een 9V-batterij in plaats van het zonnepaneel. Wat blijkt, met de gear ratio die we gemaakt hebben met behulp van de tandwielen geraken we de berg niet op. Dus toch maar K'nex dan!
 * Dinsdag 1 mei 2012

Week 10
De race gaat niet door. Genoeg tijd om nog wat te testen en de laatste hand te leggen aan het verslag.
 * Dinsdag 8 mei 2012