Design and Fabrication of a Vertical Axis Wind Turbine

Prévia do material em texto

Design and Fabrication of a Vertical Axis Wind Turbine
University of Notre Dame
Department of Aerospace and Mechanical Engineering
Mark Paluta, Dan Reitz, Ryan Snelling, Joe Gadient
Advisors: Richard Strebinger, Dr. Mihir Sen
May 10, 2013
1
Background
The commercial wind turbine business mostly targets large scale projects, producing power to
feed into the grid, but limiting the availability of personal turbines for homes or businesses.  This is
particularly problematic in developing countries, where electricity can be the difference between life and
death and there is no grid to draw from.  The goal of this project is to design and fabricate an
inexpensive wind turbine for small scale use, built out of parts  that can be easily­found throughout the
world.  The design process will be outlined to allow for easy replication.
Planning
The first step was to simply brainstorm various ideas for the turbine design and specifications.
Individual research was conducted in order to fully understand the problem before trying to tackle it.
 As we began to to pinpoint the various users and uses of the turbine, several design requirements were
defined:
1.  The turbine is to be inexpensive in terms of both components and manufacturing.
2.  The design is to use components that, in the event of failure, can be easily replaced with
everyday objects.
3.  The customer will be able to easily find parts, as opposed to ordering specialized parts.
4.  The turbine is to be lightweight and modular to allow for relocation.
These requirements focus on user­friendliness, since this is a main concern with this project.
 From these conclusions, we began looking into manufactured models as well as individually made
“do­it­yourself”  (DIY) designs.  We took the pieces from each of these that best matched our needs
and constraints to craft a preliminary design. After studying various designs, we determined that the
wind turbine would either have to be driven by lift or drag, a Darrieus or Savonius wind turbine,
2
respectively. From there we spoke with several experts in the field of turbine design and performance
and with their guidance, and the aforementioned considerations, we chose a Savonius vertical axis wind
turbine (VAWT). Darrieus turbines employ airfoils to generate lift and spin, whereas drag­driven
designs, such as the Savonius, use the geometry of the blades to create a drag differential between both
sides of the shaft. Since an airfoil has a very precise shape, it is not something that can be easily
manufactured in a rural area or replaced with miscellaneous parts. Because of this, lift­driven turbine
designs were determined to be inappropriate for our goals. A goal output was not specified for the
turbine as we visualize the design being used in many different applications, from powering lights to
pumping water.  Our decisions after this point were largely based on low cost, easy fabrication, and
availability of parts, while still maintaining a decent efficiency and power output.
Final Design
With a Savonius turbine in mind, we began making initial sketches.  The design called for an
S­shaped formed by two curved blades mounted between two discs with a shaft running through the
middle of the assembly.  Two of these assemblies were to be mounted on top of each other with the
blades on the top tier offset by 90 degrees from those on the bottom.  This helps to ensure that
regardless of initial orientation, the turbine will have at least one tier of blades that can catch the wind
allowing it to start autonomously.  Figure 1 below shows the tier concept with the dividing discs but
without the blades installed.  The S­shape of the blades is also illustrated from the vertical perspective:
3
Figure 1: S­Shaped Blades and Tier Layout Concept
See Appendix B for CAD drawings of the parts.
Many ideas were discussed for the material of the S­shaped blades.  A barrel or trash can cut in
half initially seemed to be the best option because of its simplicity.  Another idea proposed was using
sturdy “ribs” with a material draped over them.  This soon became the popular idea for two reasons.
The first is that a cloth or tarp­like material would be a bit lighter than a solid plastic or metal trash can.
The second reason is that the rib design would provide extra design flexibility.  With a rigid trash can,
there is a prescribed shape and lower flexibility in size.  With ribs, spacing can be changed depending on
the desired height of the blades.
With the turbine type and tier design decided upon, the next area of design was the transmission
system. Transmission from the shaft of the turbine to the generator was initially designed to use many
parts from a bike transmission.  The gears on a bike would be mounted on the shaft of the turbine and
4
power would be transmitted using the bike chain.  This would allow for a mechanical advantage
between the turbine shaft and generator.  A second idea was to use a friction band along the outside of
a bike wheel to connect the generator and turbine.  This idea was pursued because it allowed for a
larger mechanical advantage than the gear system since the bicycle wheel has a large diameter.  Bicycle
parts were the focus of the design because of their availability worldwide.  This greatly aids in keeping
costs down and replacing any broken parts.  The bearings in the bicycles were suitable for our purposes
while keeping costs down.
The third and final component is the frame, a housing to hold the blade assemblies and the
transmission system.  Thin frames were considered in order to limit the amount of wind blocked and
allow maximum force from the wind.  Three or four legged designs were considered to allow for
structural stability while still using few materials.  For the bottom of the legs, two types of systems were
examined.  The first was a foot, either a plus sign or horizontal pole for stability.  The second is a stake
into the ground at the bottom of each leg.  The foot is advantageous for flat ground or if the ground is
too hard to stake into.  The stake is advantageous if the ground is soft or sloped, where feet would not
lie flat.  The final design drew from all of the ideas for each of the three components addressed above.
For each of the three components described above, we will describe the assembly, justify
decisions made, and list materials used with their associated costs.  Since the sections were modular and
easily disassembled, modifications could be made to any section with little effect on the others.
5
1. Blades
Although the turbine was designed with a set of blades for each of the two tiers, for simplicity
and low cost, a single S­shape was used in the prototype in only a single tier.  It was created using ¾”
PVC pipe, 13” diameter buckets, chicken wire, and duct tape.  The 3/4" PVC pipe was cut to the sizes
specified by Figure 5 in appendix B and glued together using PVC cement. The buckets were cut into
2” half cylinder ribs and attached to the PVC frame.  The rib structure was then covered in one layer of
chicken wire to add stability while adding very little weight.  Then, several 3/4"­#8 sheet metal screws
and washers were used to connect the chicken wire to the ribs.  A detailed depiction if these
connections can be found in Figure 13 in appendix C. To connect the blades to the axle of the bike
rims, a flange nut was epoxied into a PVC bushing which was glued into the blade assembly.  The
chicken wire skeleton was then covered in duct tape.  Duct tape was determined to be preferable to a
tarp of cloth because it is cheap, easy to replace in the case of a tear, and lighter than any tarps that
were considered.  Also, because it covers the turbine strip by strip as opposed to a blanket effect,it can
mold more closely to the desired shape.  The buckets for ribs were chosen because they are
inexpensive, sturdy, and readily available almost everywhere.  Because the chicken wire may not be as
easy to find everywhere, it became a useful but optional component.  The blades would lose some
rigidity without it, but would still retain its shape reasonably well.  Because efficiency is not a primary
concern of the design, this slight reduction in sturdiness would be acceptable.  PVC was chosen as the
frame material for its light weight and sturdiness.  It is also easy to cut into pieces of any length.  Were
PVC not available, the bicycle frames or wood could be cut into strips and built into a frame for the
blades.  The total blade assembly cost under $50, so this component works effectively toward the goal
6
of an inexpensive turbine. Table 1 shows a list of parts that were used in construction of the blade
assembly.
Table 1: Blade Materials, Cost, and Quantity (One Tier)
Material Quantity Cost Total Cost of Parts
¾” PVC Pipe 15 ⅙ ft. $0.23 / ft. $3.49
¾” PVC 90° Elbow 8 $0.47 $3.76
¾” PVC Tee 4 $0.47 $1.88
¾” PVC Cross 2 $2.37 $4.74
¾” x ½” PVC Bushing 4 $0.66 $2.64
8 oz. PVC Primer and
Solvent Cement
1 $6.97 $6.97
Duct Tape 2 Rolls $2.89 $5.78
5­Gallon Bucket 2 $2.60 $5.20
2 ft.  x 5 ft. x ¼ in.
Chicken Wire
1 $10.38 $10.38
#8 x ¾” Sheet Metal
Screw
18 $4.41 / (100­Pieces) $0.80
#8 x ¾” Flat Washer 18 $4.24 / (100­Pieces) $0.77
⅜ ­ 16 Flange Nut 2 (Found on Bike) (Found on Bike)
Total Cost: $46.41
2. Transmission
An additional assembly was created to transmit the torque generated by the wind.  A third
wheel was connected to the axle of the lower stationary rim in a similar manner to the blade assembly.
7
A nut was glued to a PVC assembly that was bolted to the inside of the spinning wheel.  A band,
wrapped around the rim, transmitted the torque to a nylon pulley which drove the generator shaft.  The
generator was held vertically by an L­bracket.  The materials used in the transmission system can be
found in Table 2.
Table 2: Transmission Materials, Cost and Quantity
Material Quantity Cost Total Cost of Part
¾” PVC Pipe 2 ⅓ ft. $0.23 / ft. $0.57
¾” PVC 90° Elbow 2 $0.47 $0.94
¾” PVC Cross 1 $2.37 $2.37
¾” x ½” PVC Bushing 2 $0.66 $1.32
⅜ ­ 16 Flange Nut 2 (Found on Bike) (Found on Bike)
Bicycle Tire 1 (Found on Bike) (Found on Bike)
Round Belt 7 ft $2.64 $18.84
Belt Connector 1 $5.55 / (20­Pieces) $0.28
3” Pulley 1 $15.59 $15.59
Generator 1 N/A N/A
Total Cost $39.91
3. Frame
To create a frame, three legs were made to attach to the outside of the wheels attached to the
blade assembly. The 1" PVC pipe was cut to the lengths specified in Figure 9 in appendix B.Unlike the
blade assembly, the frame is not glued together with PVC cement. This allows for easy disassembly as
well as ease of access to parts that need to be replaced.  As can be seen in Figure 10 of appendix B,
8
the blade assembly was mounted between two bicycle tire rims as previously described. The threaded
axles of the wheels attached to the blades to spin together, while the actual wheels were held stationary
by the frame.  The stationary wheels were then attached to the PVC frame.  Three ½” holes were
drilled evenly around the two bike frames.  Similar holes were drilled into the PVC end caps so that the
caps would connect to the bike frame using a ⅜ inch hex bolt, threaded through a washer, the PVC
cap, and the tire, all held in place by two hex nuts.  This connection can be seen in more detail in the
Figure 2, while the photograph can be seen in Figure 19 of appendix C.
Figure 2:  Detail of Rib & Frame Connection
Table 3 provides a summary of the parts used in construction of the frame.
9
Table 3: Frame Materials, Cost, and Quantity
Material Quantity Cost Total Cost of Part
1” PVC Pipe 13 3/16 ft. $0.90 / ft. $11.87
1” PVC 90° Elbow 3 $0.57 $1.71
1” PVC Tee 3 $0.86 $2.58
1” PVC Cap 6 $0.66 $3.96
⅜ x 1 ½” Hex Bolt 6 $0.25 $1.50
⅜ ­ 24 Hex Nut 12 $0.12 $1.44
⅜” Flat Washer 6 $0.14 $0.84
Bicycle Frames 3 (Found on Bike) (Found on Bike)
Total Cost: $23.90
Performance
Without the generation system attached, the frame spun well in moderate wind conditions on a
four story rooftop.  With low wind at ground level, the blades would occasionally spin, but had trouble
starting.  From a video taken without the generator attached, the average rotational speed of the blades
was estimated.  This was converted to about 200­400 RPM in the generator, using the mechanical
advantage, had the generator been attached.  This rotational speed would have produced between
12.5 and 25 Watts according to the manufacturer’s chart, shown in Appendix A. Once the generator
system was attached via wrapping the belt around the wheel, the friction to turn the generator became
too much for the system to start.  With a push, the blades would turn roughly half a rotation, but the
system would not spin freely.  This made it impossible to get any power output from the turbine.
10
A second major problem was that the epoxy used to attached the pvc components of the main
shaft to the axles on the wheels failed when subjected to large forces. Figure 20 in Appendix C shows
one of the central shaft to wheel axle adaptors that failed. The nut on the wheel axle was supposed to
remain glued inside the adaptor, but as can be seen in the figure, the epoxy ripped off and fell and the
nut came loose. It supported the weight of the structure well and could withstand the force of the
rotation, but if a person stopped it suddenly with their hand while it was spinning or gave it a very strong
spin on their own, the glue would weaken a bit, causing some wobbling in the shaft and inefficiency.
Eventually, the top connection wore down to the point of failure, causing the turbine to only be
supported by the bottom bearing.  While the turbine was still capable of spinning, it is important that this
problem of weak epoxy be addressed for future turbines.
Future Improvements
Several improvements to this turbine design need to be made to make it a viable power
generation device. First is the issue of the weak joints from inadequate epoxy.  One possible solution
might be to use set screws to hold the hex nuts to the PVC instead of the glue.  This should support a
higher load and avoid failure even due to human forces.  Another idea was to use a press fit between the
shaft of the tire rims and a connector on the blade assembly. While this may require special equipment, it
does eliminate the need to purchase set screws or epoxy.
The second and more important problem was how to make the turbine spin with the added
resistance of the generation system.  A couple ideas were thought of.  The first was to reduce the
mechanical advantage by using a smaller object to drive the belt than a whole bicycle wheel. This would
11
greatly reduce the torque required in the blades to spin the generator shaft.  The bicycle wheel on the
bottom of the shaft could be replaced with a similar common round object such as the unused bottom of
the bucket, which is closer to the size of the pulley on the generator.  A second possiblity was to make
the turbine shaft connect directly to the generator shaft.  A PVC pipe connector could act as an adapter
for the two different threads by holding two nuts, with one nut connected to the wheel axle, and the
other connected to the generator shaft.  This would be a similar connection to how the scoop currently
connects to the wheel axles.
Another problem that needs to be addressed is the amount of torque generated by the blades
themselves.  One way to do this could be to use a wider wind­catching area to generatemore force.
This would require a larger­diameter bucket or similar object.  Another way to achieve more torque
would be to offset the blades horizontally from the shaft.  In this case, they would produce the same
force due to pressure, but it would be applied at a larger radius, creating more torque around the axis.
Further improvement could also be made in the frame strength to reduce wobbling.  Instead of
PVC, iron could be used.  Iron rods with threaded ends were easy to find at local stores and were not
too expensive.  While iron and PVC may not always be readily available for makeshift repairs, things
like welded bike frame parts could make for a good substitute without adding cost, assuming bicycles
are already obtained.
12
The weights of the different components were recorded and are shown in the following table:
Table 4. Weights of Turbine Components
Component Weight (kg)
Blades 3.6
Frame 6.9
Transmission 2.3
Total 12.8
13
Acknowledgements
We sought the help of experts in various areas.  Below is a list of people whom we contacted:
● Dr. Thomas Corke­ Professor of Wind Turbine Performance, Control, and Design course
● Justin Kurtich­ Manages the wind turbine at the Notre Dame power plant
● Dr. Anthony Serianni­ Led the team that designed the wind turbine at the power plant
● Michael Schafer­ Electrical engineering professor
● Officer Foust­ NDPS officer who provided free bicycles
These people were an invaluable resource toward helping us shape our ideas.  Their guidance
helped us make many decisions along the way and we thank them for giving us their time.
14
Appendix A: Generator power output Specs
Figure 3: Generator Specifications
15
Appendix B: Technical Drawings
Figure 4: Drawing of one constructed Tier
16
Figure 5:  Assembly Drawing of One Tier
17
Figure 6: Single  Blade Tier Bill of Materials and Exploded View
18
Figure 7: Transmission Adaptor Assembly Drawing
19
Figure 8: Constructed Frame Drawing
20
Figure 9: Frame Leg Assembly Drawing
21
Figure 10: Full Turbine Assembly Drawing
22
Appendix C: Photographs of Constructed Turbine
Figure 11: Fully Constructed Turbine Without Generator
Figure 12: Detail of Swoop Rib Configuration
23
Figure 13: Detail of Rib and Chicken Wire Set Screw
Figure 14: Swoop to Wheel Connection Detail
24
Figure 15: Center Shaft Rib Connection Detail
Figure 16: Belt Drive Adaptor
25
Figure 17: Belt on Belt Drive
Figure 18: Single Frame Leg
26
Figure 19: Frame Leg to Wheel Connection
Figure 20: Failed Epoxy in Central Shaft Connector
27