Samenvatting

In dit onderzoeksrapport wordt het onderzoek en ontwerpproces beschreven dat als doel had het vinden van de meest geschikte methode voor het meten van mechanisch vermogen, interne spanningen, toerental, bladpositie, watersnelheid en waterniveau van en om een verticale as waterturbine van het type Darrieus.
Om dit doel te behalen heeft kwalitatief onderzoek plaatsgevonden waarbij voornamelijk de bevindingen uit wetenschappelijke artikelen met betrekking tot de verschillende meettechnieken rond water en windenergie ter sprake kwamen. Op basis van deze bevindingen en de eisen uit het bedrijf is een meetsysteem voor de waterturbine van Water2Energy B.V. ontwikkeld volgens de ontwerpmethode van het V-model uit Systems Engineering. Vanuit deze ontwerpmethode is het ontwerpproces opgedeeld in een ontwerpfase rond het complete systeem dat vervolgens is opgedeeld in subsystemen. Deze subsystemen zijn het belastingsmeetsysteem, het positiemeetsysteem, het stromingsmeetsysteem en het verwerkingssysteem.

Het doel van het belastingsmeetsysteem is het meten van doorbuiging en torsie in verschillende componenten van de roterende turbine om hieruit de cyclische mechanische belastingen en het opgewekte koppel te kunnen bepalen. Deze metingen zijn gebaseerd op het meten van rek op constructies op aanwijzen van sterkteberekeningen en simulaties. In dit onderzoek is gekeken naar het meten van rek middels rekstroken en optische Fiber Bragg Grating sensoren. Verder is het probleem met betrekking tot het overbrengen van voedingsspanning en meetdata tussen een roterende en stationaire wereld opgelost doormiddel van een contactloze inductie koppeling.

Vervolgens is het positiemeetsysteem uitgewerkt wat als doel heeft het toerental van de turbine en de omwentellingshoek van de turbine bladen in de rotatie te meten. Hiervoor is een systeem op basis van inductieve nabijheidssensoren gekozen in combinatie met een tandkrans met 50 tanden waardoor bij elke rotatie 50 keer de rotatiesnelheid gemeten kan worden. In combinatie met een vast referentiepunt kan daarnaast de positie van de turbinebladen gemeten worden ten opzichte van de as waar deze omheen draaien.

Het derde subsysteem dat uitgewerkt is, is het stromingsmeetsysteem. Dit systeem heeft als doel het meten van de stroomsnelheid en het waterniveau voor en achter de turbine. Hier zijn verschillende methoden voor vergeleken waarna een ontwerp op basis van contactloze radarsensoren is gekozen.
Om alle meetdata uit deze drie subsystemen vervolgens op te slaan is er een verwerkingssysteem gekozen. In dit systeem wordt alle meetdata ontvangen, bemonsterd en opgeslagen. Daarnaast zal door het programmeren van wiskundige formules de data verwerkt worden tot andere grootheden. Zo wordt uit het toerental de hoeksnelheid berekend waarmee in combinatie met het koppel uit het belastingsmeetsysteem vervolgens het mechanisch vermogen berekend kan worden. Op basis van de benodigde functies is een verwerkingssysteem gekozen.

Vervolgens zijn voor de subsystemen testen uitgevoerd om de functionaliteit te kunnen verifiëren. Door vertraging is het vervolg waarbij de subsystemen geassembleerd en aangesloten zouden worden op het verwerkingssysteem om zo het complete meetsysteem te vormen niet uitgevoerd ten tijde van het schrijven van dit rapport. Dit zal in de toekomst gaan plaatsvinden waarna het meetsysteem door Water2Energy getest en in gebruik genomen zal worden om metingen te verrichten op het prototype waterturbine in de spuisluis bij de Piet Heinkade te Vlissingen.