Profielwerkstuk Daan Juijn en Rafael Argiro Worldschool W008 - Windmills and pumps in the Sahel

Begeleider: meneer Nijhof 16 januari 2012

2

Inhoudsopgave Inleiding Pagina 3 Originele opdracht Pagina 4 t/m 5 Onderzoeksvraag en deelvragen Pagina 6 Windprofiel Burkina Faso Pagina 7 t/m 13 Touwpomp Pagina 14 t/m 15 Windmolen Pagina 16 t/m 23 Overbrenging Pagina 24 t/m 29 Berekeningen vermogen, debiet en toerental Pagina 30 t/m 32 Wateropslag Pagina 33 t/m 34 Remmen Pagina 35 t/m 38 Constructie Pagina 39 t/m 40 Lagers Pagina 41 Zelfgemaakte modellen Pagina 42 t/m 55 Conclusie Pagina 56 t/m 62 Bronnenlijst Pagina 63 Logboek Pagina 64 t/m 65

3

Inleiding

We hebben lang moeten zoeken naar een onderwerp voor ons profielwerkstuk waar we beiden tevreden mee waren. Uiteindelijk hebben we gekozen voor een onderwerp van Worldschool. Worldschool is een organisatie die zich bezighoudt met kleinschalige projecten voor ontwikkelingsorganisaties of dorpsgemeenschappen in ontwikkelingslanden. Hiervoor stellen ze onderwerpen voor profielwerkstukken op zodat eindexamenleerlingen zich kunnen storten op een aantal concrete problemen. Het feit dat je daadwerkelijk bezig bent met het oplossen van een bestaand probleem sprak ons erg aan. Wel vonden we veel van de onderwerpen een beetje vaag of niet technisch genoeg. Één onderwerp sprong er voor ons echt uit, namelijk: W008 – Windmills and Pumps in the Sahel. Deze opdracht bestond uit het ontwerpen van een windmolen waarmee water opgepompt kan worden in het plaatsje Koupéla, in Burkina Faso. Zoals in veel Afrikaanse landen is er in Burkina Faso een groot tekort aan water. Hierdoor is er naast een gebrek aan schoon drinkwater ook bijna geen water meer over dat gebruikt kan worden voor de irrigatie van gewassen. Het drinkwater in Koupéla wordt binnen het dorp uit een put gehaald. Het water dat de windmolen op moet pompen is dus uitsluitend bedoeld voor irrigatie. In het dorp is voldoende mankracht aanwezig. De bedoeling was dat we een constructie ontwierpen die automatisch, de hele dag door, water oppompt. Hierbij moesten we naast de technische problemen ook rekening houden met de plaatselijke omstandigheden en moesten we proberen om de kosten zo laag mogelijk te houden. Dit was een van de moeilijkste onderdelen. Wanneer je namelijk iets bedenkt dat hier in Nederland goed functioneert, wil dat niet automatisch zeggen dat dit ook het geval is onder de omstandigheden in Burkina Faso. Voor dit profielwerkstuk hebben we ons verdiept in de technische aspecten van het ontwerp maar ook in het land Burkina Faso zelf. Een belangrijk onderdeel was bijvoorbeeld het achterhalen van het windpatroon en de gemiddelde windsnelheid in Koupéla, iets wat niet gemakkelijk bleek te zijn. Naast het verslag hebben we ook twee modellen gebouwd. Het eerste model was bedoeld om een beeld te schetsen van de gehele constructie, het tweede model diende om de windmolen op schaal te kunnen testen. Het uiteindelijke ontwerp en de totstandkoming daarvan, wordt in dit verslag beschreven.

4

M008 - Steun Sahel Projecten (Burkina Faso): Windmills and pumps in the Sahel

Question

What is the (most) ideal construction of a windmill powered rope pump?

Situation

How to generate water in the bone dry Sahel belt? Stichting Steun Sahelprojecten (SSS) cooperates with OCADES (Organisation Catholique pour le Développement et la Solidarité) round the town of Koupéla in the east of Burkina Faso. The monsoon lasts from June to September. After that there is no rain at all for nine months. We want to help improve the living conditions, for example through higher crop yields. This cannot be done without improving the current water supply. The growing of vegetables and planting and growing of trees (seedlings) now requires a huge investment of time and effort because the water comes from a pump and a well (the distance from the surface to the water table is approximately 10 to 35 metres). However, there aren't many people in the Sahel who dare take the risk of building a windmill due to the heavy gusts of wind that precede a downpour. The mill does not need to run during the monsoon. We are looking for smart solutions to our water issue. It would be a cause for celebration if the wind would be able to fill water basins/reservoirs!

5

Desired endproduct

There are many examples of well-intentioned solutions that fail to work in practise in developing countries and of projects that falter after a few years. Before you start it is important to reflect upon the preconditions of something that is called ‘sustainable engineering': how can technology and development aid go together? How do you prevent a local community from being faced with an imposed technology push and instead offer a bottom up solution? Any technical design needs to take the local context into account: the local needs, the local materials, local business, and so on. We hope that in the search for answers to our questions you will be inspired by successful examples of other water projects, or else of course by instructive failures! There is considerable expertise at various institutions and organizations in the Netherlands (the universities, organisations such as Ingenieurs Zonder Grenzen, Engineers for a sustainable future, etc.). See www.practica.org or www.practicafoundation.nl: The Practica Foundation is an organisation that has great practical experience in the field of water and energy in developing countries. What do we want? We are looking for the ideal design of a windmill that does not spin too fast and that can be driven by a (rope) pump from January to May. This mill must be designed in such a way that it will slow down automatically when there is too much wind (what can be expected in terms of wind during various periods of time at the spot where the mill will be placed?) Examples can be found on the Internet, but there often seem to be all sorts of (technical) snags in the design. See for example "design for a windmill" by Jonas Mylemans (graduation work at the Karel de Grote Hogeschool in Antwerp). The transmission seems to be weak. Has the right type of mill been chosen? Do the brakes work properly, etc.? We would like a rope pump to be included in the design, but if you come up with options that are clearly better (and well argued), we are interested in those as well. What is the smartest combination of mill and (rope) pump? We are looking forward to your designs/prototypes/choices. Please base your proposals mainly on your own (experimental, trial and error) research and calculations. What constructions are safe, easy to maintain, reliable, relatively cheap, and make maximum use of local materials/possibilities? Finally, a few comments: - Is it possible to use such a mill to generate energy? - If the water is pumped up to the surface it needs to be stored; what systems can we use for this purpose? Water basins? What do they look like? How do you prevent such a basin from becoming a hotbed for mosquitoes (malaria)? Could such a basin (if you decide to construct them) be used for fish-farming? Contact Huib Povel (hydraulic engineer/ development worker), SSS chairman, builds dams and wells in Burkina Faso each winter: hjpovel@zonnet.nl, 010-4702890 http://www.dammetjesburkina.nl/ Bert Kaptein, SSS board member, coligny35@xs4all.nl

6

Onderzoeksvraag: Wat is de meest ideale constructie voor een door wind aangedreven touwpomp in Koupéla, Burkina Faso? Deelvragen:

Wat is de precieze werking van een touwpomp?

Wat is de gemiddelde windsnelheid in de buurt van Koupéla?

Wat is de meest voorkomende windrichting in de buurt van Koupéla?

Is er veel opwaaiend zand in de buurt van Koupéla?

Welk type windmolen is het meest geschikt om een touwpomp aan te drijven?

Hoeveel vermogen levert de gekozen windmolen bij een bepaalde windsnelheid?

Wat is het toerental van de gekozen windmolen bij de gemiddelde windsnelheid?

Wat is het debiet van de touwpomp bij een bepaald vermogen dat geleverd wordt door de windmolen?

Wat is de beste overbrenging van de rotoras naar de as die de touwpomp aandrijft?

Hoe kan het opgepompte water het best worden opgeslagen?

Hoe kan voorkomen worden dat het gewonnen water een broedplek voor muggen wordt?

Wat is de beste manier om de windmolen af te remmen bij te hoge windsnelheden of een volle wateropslag?

Hoe houden we de gehele constructie zo goedkoop mogelijk?

In hoeverre kan het geheel gemaakt worden met behulp van locale materialen en hulpmiddelen?

Hoe zorgen we ervoor dat de constructie makkelijk te assembleren is?

7

Windprofiel Burkina Faso Burkina Faso (land van de eerlijke mensen) is een republiek in West-Afrika ongeveer zes keer zo groot als Nederland. Van 1896 tot 5 augustus 1960 was het een Franse kolonie die Opper-Volta heette. Het land heeft 16,3 miljoen inwoners die in de Nederlandse taal Burkinabezen genoemd worden. Burkina Faso is een vreedzaam land. Er zijn verscheidende staatsgrepen geweest die allemaal zonder bloedvergieten zijn verlopen en het land heeft, behalve met Frankrijk tijdens de kolonisatie, geen oorlogen gekend. Burkina Faso is een van de armste landen van de wereld. Tachtig procent van de bevolking is afhankelijk van de landbouw die gesubsidieerd wordt door de VN. Droogte en een onvruchtbare bodem (vooral in de noordelijke Sahel-regio's), een slechte infrastructuur, tekort aan opleiding en gezondheidszorg (in het gehele land) zijn de voornaamste problemen. Het land is sterk afhankelijk van steun van westerse landen en van multilaterale instellingen als de VN. Ondanks de armoede is het een redelijk zelfvoorzienend land en hongersnood is er vrijwel onbekend . Dit is mede te danken aan de economische impuls die gegeven is door de vorige president, Thomas Sankara. Zijn slogan "Consommons Burkinabé" (Consumeer Burkinabees) zette de Burkinabezen aan om in eerste instantie producten uit eigen land te kopen, waardoor geld binnen het land blijft. Belangrijkste exportproducten van het land zijn sperziebonen en katoen. Het noorden van Ivoorkust verwelkomt veel gastarbeiders uit het zuiden van Burkina Faso, die daar op bananen- en cacaoplantages werken. Meestal gaan deze gastarbeiders uit vrije wil naar Ivoorkust, maar het komt ook voor dat Burkinabese kinderen en jonge mannen door Ivorianen geronseld worden met een goed salaris in het verschiet. Eenmaal in Ivoorkust gedwongen worden ze echter gedwongen om onder omstandigheden te werken die doen denken aan slavernij. Burkina Faso is volledig door land omsloten en behoort tot de Sahel-landen. Dit houdt in dat het tussen de subtropen in het zuiden en de Sahara-woestijn in het noorden ligt. Het land kent een regenseizoen van juni tot september maar de hoeveelheid regen die in die periode valt is betrekkelijk, waardoor het een van de droogste landen ter wereld is. Het droogteseizoen loopt van november tot mei. Dit wordt versterkt door de ´Harmattan´, een droge woestijnwind die waait tussen december en februari. De windmolen zal dus ook alleen gedurende de maanden januari tot mei moeten werken.

Satellietfoto zandstorm in Burkina Faso

8

Om een goed ontwerp te maken is het altijd noodzakelijk om naar de locale omstandigheden te kijken. Deze hebben namelijk veel invloed op de eisen van het model en op de bruikbare materialen. De windmolen is bedoeld voor het stadje Koupéla dat ongeveer 130 kilometer ten oosten ligt van de hoofdstad Ouagadougou en zal operationeel zijn van januari tot mei. Om een zo goed mogelijk ontwerp te maken hebben wij onderzoek gedaan naar het land zodat we rekening konden houden met de plaatselijke mogelijkheden en beperkingen. De belangrijkste gegevens die we nodig hadden waren de gemiddelden uit het windprofiel van Burkina Faso, zoals de gemiddelde maandelijkse windsnelheid, windrichting en luchtvochtigheid. Veel van deze factoren hebben grote invloed op het ontwerp. Neem bijvoorbeeld de windsterkte. Als de gemiddelde windkracht groot is, wordt de constructie zwaarder belast en moet er dus voor een sterker materiaal gekozen worden. De windsterkte heeft ook direct invloed op het type windmolen dat gebruikt moet worden. Wanneer er een sterke wind waait moet de windmolen een kleiner werkend oppervlak hebben zodat de windmolen niet te veel toeren maakt. Al met al is de wind een cruciale factor. Na veel onderzoek hebben we de benodigde gegevens gevonden.

De gegevens in deze tabel van www.WeatherReports.com en zijn verzameld over lange periodes waardoor ze zeer betrouwbaar zijn. Wat we uit deze gegevens kunnen afleiden is dat de gemiddelde windsnelheid niet zo groot is. Ter vergelijking: de gemiddelde windsnelheid in Hoek van Holland in Nederland is 29,0 kilometer per

9

uur. Aanzienlijk hoger. We hoeven ons dus niet heel druk te maken over schade aan de constructie door de wind. Wel moeten we gaan onderzoeken welk type windmolen geschikt is voor lage windsnelheden. Verder laten de gegevens zien dat er veel dagen zijn met zandstormen. Zand kan immers schade aanrichten aan de overbrengingen en de lagers. Het zand kan naar binnen kruipen en daar voor slijtage zorgen. Hier moet rekening mee worden gehouden in het ontwerp. Ook laat de tabel zien dat de luchtvochtigheid vooral in de ochtend hoog is. Dit kan oxidatie veroorzaken. We moeten dus materialen uitzoeken die niet snel oxideren om de duurzaamheid van het ontwerp te optimaliseren.

Deze bron is afkomstig van http://www.burkina-faso.climatetemp.info/, een website met klimaatgegevens van vele landen. Er staat niet beschreven hoe lang de metingen zijn gedaan waardoor we niet kunnen zeggen of de gegevens heel betrouwbaar zijn. Ze lijken echter redelijk overeen te komen met de data uit de andere tabel. De windsnelheid is aangegeven in Beaufort, een veel gebruikte snelheidsmaat. Om de data te kunnen vergelijken hebben we de gegevens omgerekend naar kilometer per uur. In deze tabel wordt de regenval wel preciezer weergegeven dan in de vorige en er is goed te zien dat er vanaf eind september tot mei te weinig regen valt voor de landbouw. Met name omdat de gemiddelde temperatuur zeer hoog ligt. Het is dus van cruciaal belang dat er zoveel mogelijk irrigatiewater wordt opgepompt, temeer omdat er erg veel water zal verdampen in deze periode. Dit betekent dat de wateropslag een grote capaciteit moet hebben en dat de gemiddelde hoeveelheid water die per dag opgepompt moet worden hoog moet liggen om het akkerland van water te voorzien.

10

De volgende bronnen zijn afkomstig van http://www.myweather2.com/activity/climate-profile.aspx?lat=12.18&lon=-0.36&rt=latlon&ow=&id=63990 Ook dit is een website die data heeft over het klimaat van vele landen. De website verzameld gegevens om weersvoorspellingen te maken voor reizigers. Deze gegevens kunne ook worden gebruikt om een klimaatprofiel op te stellen. Omdat er veel metingen worden gedaan over een redelijk lange periode zijn deze gegevens vrij

11

betrouwbaar. Daarnaast komen deze gemiddelden goed overeen met de eerder gevonden gegevens. Handig aan de grafiek is dat de maximale windsnelheid is weergegeven. Dit is heel belangrijk omdat we nu weten wat de maximale belasting is die de windmolen te verduren krijgt. Hier moeten we rekening mee houden in het ontwerp van de constructie en in de mechanismen van de remmen. Die moeten dusdanig gekozen worden dat ze bestand zijn tegen korte, harde wind. Hoogwaardige materialen zullen echter kostbaar zijn. Een andere mogelijkheid is ervoor te kiezen om de zwakkere delen van de constructie goedkoop en makkelijk vervangbaar te maken. Dit zullen we nader moeten onderzoeken. De volgende bron is afkomstig van http://www.wolframalpha.com, een website die informatie verschaft over elk denkbaar onderwerp, waaronder de gemiddelde windsnelheid in Burkina Faso. Deze gegevens worden gemeten op het DFFD (het vliegveld van Ouagadougou). Onderstaande grafiek beschrijft de gemiddelde windsnelheid van afgelopen maand in meter per seconde. Het gemiddelde ligt op 3,0 meter per seconde wat 10.8 kilometer per uur is.

Dit komt ook overeen met de eerder gevonden gegevens. De volgende grafiek beschrijft de gemiddelde windsnelheid van het afgelopen jaar. Opnieuw ligt de deze rond de 2,0 meter per seconde.

12

De derde grafiek van Wolfram Alpha beschrijft de gemiddelde windsnelheid van de afgelopen 10 jaar.

Ten slotte een grafiek waarin alle data van Wolfram Alpha samengebracht zijn. Ook hieruit blijkt dat de gemiddelde windsnelheid 2,0 meter per seconde is, wat gelijk staat aan 7,2 kilometer per uur. Dit is iets minder dan wat we uit voorgaande bronnen hebben gezien maar niet een heel groot verschil.

Tot slot hebben we per email data ontvangen van Huib Povel, onze opdrachtgever.

Deze gemiddelden liggen hoger dan de gemiddelden die wij gevonden hebben. We zullen moeten onderzoeken wat voor gevolgen het heeft als deze waarden kloppen.

13

Naast informatie over de gemiddelde windsnelheid, hebben we ook onderzoek gedaan naar de gemiddelde windrichting. De volgende grafiek gemaakt door het DFFD (vliegveld van Ouagadougou). Deze afbeelding geeft de gemiddelde windrichting weer bij een bepaalde windsnelheid. Hoe dichter het punt in het gekleurde vlak bij de rand van het diagram ligt, hoe hoger de windsnelheid. De grafiek geeft dus weer wat de gemiddelde windrichting is bij een bepaalde windsnelheid. We kunnen uit deze bron concluderen dat de wind meestal naar uit het noordoosten waait. Deze bron is heel betrouwbaar omdat hij van een vliegveld afkomstig is, maar de gegevens zijn niet perse van toepassing op Koupéla omdat het vliegveld ver van Koupéla af ligt. Hierdoor kunnen we niet er van uit gaan dat in Koupéla de wind ook heel constant in één richting waait. Als dit wel het geval is, heeft dat grote invloed op ons model. Het model zal dan namelijk niet in de wind hoeven worden gedraaid, aangezien de wind altijd vanuit het noordoosten komt. Voor windmolens met een verticale rotatie as (vertical-axis wind turbines) kan de rotor dan direct worden aangesloten op de horizontale as, die de touwpomp aandrijft. Dit heeft als gevolg dat er geen haakse overbrenging nodig is. Dat zou erg voordelig zijn voor ons model aangezien er dan minder bewegende onderdelen nodig zijn. Een direct gevolg hiervan is dat de constructie minder slijtagegevoelig is en er dus minder onderhoud gepleegd hoeft te worden. Deze situatie zou daardoor erg gunstig zijn, toch gaan we er in ons ontwerp niet van uit. We willen niet ons hele model baseren op één enkele grafiek die misschien helemaal niet op gaat voor Koupéla. Uit de gevonden bronnen kunnen we concluderen dat de gemiddelde windsnelheid in Burkina Faso rond de 3 m/s ligt. Het was onmogelijk om windgegevens te vinden uit de directe omgeving van Koupéla, daarom houden we de gemiddelde windsnelheid in Burkina Faso aan. Sommige bronnen zitten wat boven die 3,0 meter per seconde, sommige wat eronder. Nu we al deze gegevens hebben verzameld en onderzocht kunnen we de gevolgen hiervan op een rij zetten en vertalen naar eisen voor het ontwerp. - De gekozen windmolen moet goed werken bij lage windsnelheden. - De mechanismen moeten beschermd worden tegen zand. - Het materiaal dat gekozen wordt, moet niet gevoelig zijn voor oxidatie. - De wateropslag moet een grote capaciteit hebben. - De constructie en de rem moet bestand zijn tegen rukwinden en windstoten.

14

Touwpomp We hebben besloten om bij het ontwerpen van de constructie onderaan te beginnen, bij de touwpomp. Zo konden we vanuit het punt waar het water omhoog wordt gepompt steeds verder omhoog werken. Een touwpomp is een type waterpomp dat veel gebruikt wordt in ontwikkelingslanden vanwege de lage kosten en het minimale onderhoud dat de pomp vergt. Touwpompen kunnen gebruikt worden voor de winning van drinkwater maar ook voor irrigatie. Een touwpomp werkt volgens een ander principe dan een traditionele emmerpomp. Het water wordt omhoog gepompt door lange buis, waar een touw waaraan zuigertjes aan zijn bevestigd, doorheen loopt. De buis hangt aan de onderkant in het water en steekt aan de bovenkant een stuk boven de grond uit. Het touw loopt aan de bovenkant over een wiel heen dat met de hand, en in ons geval door de wind, wordt aangedreven. De zuigertjes zijn net iets kleiner dan de diameter van de buis waardoor ze de buis min of meer afsluiten. Als de zuigertjes door de buis omhoog gaan duwen ze een kolom water mee omhoog. Het kleine verschil in diameter voorkomt slijtage (er ontstaat een waterfilmpje tussen de zuigertjes en de buis). Aan de onderkant van de touwpomp bevindt zich een constructie (meestal een wiel) die ervoor zorgt dat het touw soepel de buis in glijdt. Het geheel ziet er schematisch zo uit:

15

De touwpomp kan gebruikt worden tot een diepte van 40 meter. Wel moet er rekening worden gehouden met de diameter van de buis bij bepaalde dieptes. Wanneer een de grote diameter wordt gekozen zal het gewicht van het water namelijk te groot worden om met de hand (of met behulp van de wind) omhoog te pompen.

Voordelen van een touwpomp zijn de lage kosten en het feit dat de pomp makkelijk is te repareren. Ook kunnen veel onderdelen van alledaagse materialen worden gemaakt. Zo kan een autoband dienen als het bovenste wiel van de touwpomp, kan voor de buis een pvc-pijp gebruikt worden en kunnen de zuigertjes gemaakt worden van rubber. De totale kosten van een touwpomp bedragen hierdoor maar €40 tot €80. Ook komt de assemblage niet heel erg nauw. Een ander voordeel is dat het niet erg veel kracht kost om een touwpomp aan te drijven. Een constante kracht van 50 tot 100 Newton is voldoende. De touwpomp is daardoor erg geschikt om aangedreven te worden door een windmolen. Het water komt in een constante stroom de buis uit en bij een waterput van 12 meter diep kan een volwassene tot 25 liter water per minuut omhoog pompen. Bij minder diepe putten kan een capaciteit van 60 liter per minuut gehaald worden. Doordat de put bijna geheel afgesloten kan worden (zie rechter afbeelding), blijft het water schoner.

Diepte Diameter (binnenkant buis)

0-4 meter 40 mm

4-11 meter 30 mm

11-20 meter 23 mm

20-40 meter 18 mm

16

Windmolen

Misschien wel het belangrijkste in ons ontwerp, is het type windmolen waar we voor kiezen. De windmolen moet bij windsnelheden van rond de 3 m/s de touwpomp aan kunnen drijven, automatisch naar de wind draaien en zo goedkoop mogelijk te maken zijn. Ook moet de windmolen geremd kunnen worden zodat hij niet op hol slaat bij een storm. Windmolens zijn op te delen in twee categorieën, windmolens met een horizontale as (HAWT = horizontal-axes wind turbine) en windmolens met een verticale as (VAWT = vertical-axes wind turbine). Het voordeel van windmolens met een verticale as, is dat ze niet in de wind hoeven worden gedraaid. Bij windmolens met een verticale as moet dit wel. Een van de nadelen van VAWT’s is dat ze alleen dicht bij de grond geïnstalleerd kunnen worden. Voor het kiezen van de juiste windmolen hebben we drie type windmolens onderzocht, zowel HAWT’s als VAWT’s. Windmolens met een horizontale as Amerikaanse windmotor

De Amerikaanse windrotor werd voor het eerst toegepast in de 19e eeuw in de Verenigde Staten. Het is een windmolen met een horizontale as die aangedreven wordt door 20 tot 30 rotorbladen. Er bestaan ook minder grote modellen die tussen de 10 en 20 rotorbladen hebben. Dit zou voordeliger zijn voor ons model aangezien de kosten zo laag mogelijk moeten blijven, en het kleinere type Amerikaanse windrotor waarschijnlijk genoeg vermogen zou leveren om de touwpomp aan te drijven. Daarnaast heeft de Amerikaanse windrotor één of twee windvanen waardoor hij altijd naar de wind toe draait. Dit type windmolen werd vroeger in Amerika veel gebruikt om water op te pompen en zou dus erg geschikt zijn voor ons model. Er zijn echter ook nadelen. Amerikaanse windrotoren blijken niet erg goed bestand tegen

17

sterke wind. Ook windstoten, iets wat volgens onze opdrachtgever erg veel voor komt in Burkina Faso, is funest voor dit type windmolen. Verder zijn voor dit type windmolen twee overbrengingen nodig om de touwpomp aan te drijven. Eén van de horizontale as waar de rotor aan zit, naar een verticale as , en een van de verticale as naar het wiel van de touwpomp. Dit zorgt voor een lager rendement en de kans dat er iets kapot gaat is groter. Windmolens met een verticale as Savonius rotor

De savonius rotor is in 1920 ontworpen door de Fin S.I Savonius. Dit type windmolen bestaat uit twee halve cilinders die een beetje ten opzichte van elkaar zijn verschoven. De halve cilinders hebben het meeste weerstand als de bolle zijde naar de wind toe staat gedraaid. Het verschil in weerstand tussen de holle en bolle zijde drijft de windmolen aan. De savonius rotor is door zijn verticale as volledig onafhankelijk van de windrichting. Het kan soms gebeuren dat geen van beide holle zijden naar de wind toe gedraaid staan waardoor de rotor moeilijk op gang komt. Dit is te verhelpen door een tweede paar cilinders boven het eerste paar te plaatsen, 90˚ t.o.v. elkaar gedraaid (zie bovenstaande afbeelding). De savonius rotor is een langzaam draaiend type windmolen en omdat het draaien door een verschil in weerstand wordt veroorzaakt, is de savonius rotor niet erg efficiënt vergeleken met andere windturbines. Wel heeft het een heel hoog koppel vanaf stilstand, wat de savonius rotor erg geschikt maakt om een touwpomp aan te drijven. Daarnaast is de

18

savonius rotor goed bestand tegen hoge windsnelheden en windstoten en werkt hij al bij windsnelheden van 2 tot 3 m/s. Andere voordelen zijn dat een savonius rotor goedkoop en betrouwbaar is en door een hoge tolerantie tegen afwijkingen van de ideale vorm, is de savonius rotor makkelijk te bouwen. Darrieus rotor

De Darrieus rotor is een windturbine die voornamelijk gebruikt wordt om energie op te wekken. De windmolen bestaat uit twee of drie gebogen wieken met dezelfde vorm als vliegtuigvleugels, gemonteerd op een ronddraaiend frame :

19

Net zoals de savonius rotor hoeft de darrieus rotor niet in de wind gedraaid te worden. Wanneer de windmolen in beweging komt, zullen de rotorbladen een cirkelvormige beweging gaan maken. De rotor blijft draaien door het moment op de centrale buis. Het probleem bij de darrieus rotor is dat hij bijna altijd een zetje nodig heeft, de turbine heeft grote moeite om uit zichzelf te starten. Ook levert de darrieus rotor erg weinig koppel en is hij niet goed bestand tegen hoge windsnelheden. Hierdoor is de darrieus rotor geen goede kandidaat om een touwpomp aan te drijven. Uiteindelijk hebben we gekozen voor de savonius rotor. Dit type rotor heeft maar één overbrenging nodig, hoeft niet in de wind gedraaid te worden en is door het hoge koppel erg geschikt om een touwpomp aan te drijven. Ook is de savonius rotor bestand tegen windstoten, hoge en lage windsnelheden en is de savonius rotor van de drie bovengenoemde windturbines het goedkoopst. Wel moeten we uit gaan zoeken of de savonius rotor, ondanks dat hij zichzelf als het ware tegenwerkt, genoeg vermogen levert om de touwpomp aan te drijven. Eerst gaan we wat dieper op de savonius rotor in. Zoals eerder vermeld drijft het verschil in weerstand tussen de holle en de bolle zijde de rotor aan. Dit is goed te zien in de volgende afbeeldingen.

20

Het is hierbij belangrijk dat we waarde van e (zie bovenstaande afbeelding), 1/3 van de grootte van de halve cilinder heeft, oftewel 1/5 van de totale diameter van de savonius rotor. Bij deze verhouding levert de rotor het grootste vermogen. Bij het testen bleek de savonius rotor beter te werken dan de uitvinder Savonius berekend had. Dit is te verklaren door het zogenaamde Magnus-Effect. Het Magnus-Effect zegt dat de luchtlaag in de buurt van een bewegend object, dit object als het ware volgt. Het blijft er aan vast kleven. Aan één kant van het draaiende object (in ons geval de savonius rotor) beweegt de luchtlaag in dezelfde richting als de luchtstroom, veroorzaakt door de wind. Aan de andere kant bewegen het oppervlak en de daaraan ‘klevende’ luchtlaag tegen de wind in. Het gevolg hiervan is dat er een verschil in windsnelheid ontstaat wat een verschil in druk als gevolg heeft. Op de savonius rotor heeft het Magnus-Effect de volgende invloed.

De wind loopt aan de ene zijde tegen de grenslaag in, aan de andere zijde werkt de wind mee met de grenslaag. De luchtsnelheid wordt daardoor groter, wat zorgt voor een onderdruk aan de bovenzijde. Hierdoor wordt het bovenste vat als het ware weggeduwd door de atmosferische druk (zie bovenste roze pijl). Aan de onderste halve cilinder gebeurt precies hetzelfde maar door de vorm van de cilinder (de bolle kant staat naar beneden) resulteert dit niet in een erg grote kracht (zie onderste roze pijl). Omdat de kracht die ontstaat door de atmosferische druk aan de bovenzijde

21

groter is dan aan de onderzijde, zal de rotor hierdoor een extra beweging (in dit geval met de klok mee) meekrijgen. De savonius rotor kan makkelijk gemaakt worden van twee halve olievaten (55 gallon). De olievaten kunnen vastgemaakt worden op houten platen, zodat ze horizontaal staan en de maximale hoeveelheid wind vangen. Deze platen kunnen vervolgens vastgemaakt worden aan de as. Hierdoor zijn de kosten niet zo hoog, waardoor dit type windmolen extra geschikt is om water op te pompen in Burkina Faso. We kiezen ervoor om twee savonius rotoren boven elkaar te plaatsen, zodat de molen gemakkelijk op gang komt en wat meer vermogen levert. Normaal gesproken zou je de rotor zo hoog mogelijk willen plaatsen omdat de windsnelheid daar hoger is, maar omdat er bijna geen begroeiing is in Koupéla, is een erg hoge constructie niet nodig. We kiezen er daarom voor om de onderkant van het onderste olievat op ongeveer 2,5 meter hoogte te plaatsen. Op deze manier vangt de molen genoeg wind, kan er geen troep tussen komen en kunnen kleine kinderen er niet in gaan hangen. Satellietfoto van de directe omgeving van het plaatsje Koupéla

22

Om te onderzoeken hoe de savonius rotor zich gedraagt bij bepaalde windsnelheden en rukwinden hebben we een schaalmodel gebouwd. Hiermee hebben we de rotatiesnelheid getest bij windsnelheden van 2.0, 3.0 en 5.0 meter per seconde. Ook hebben we het model buiten getest, waar de wind minder constant is. Hiermee hebben we het gedrag van de savonius rotor onderzocht als hij wordt blootgesteld aan rukwinden. Ook hebben we later het gekozen remsysteem getest. De resultaten daarvan zijn te zien onder het hoofdstuk remmen. We hebben besloten om de testen voor de rotatiesnelheid binnen uit te voeren. We hebben hiervoor gekozen omdat de wind buiten niet constant genoeg was om betrouwbare metingen te verkrijgen. De wind werd geproduceerd door de uitlaat van een stofzuiger en een föhn. De uitlaat van de stofzuiger hebben we op de onderste rotor gericht en de föhn op de bovenste. Op die manier hebben we de wind zo goed mogelijk verdeeld over de rotor. Om de windsnelheid te bepalen gebruikten we een anemometer, die we geleend hebben van school. Hieronder worden de resultaten weergegeven van de rotatiesnelheid-testjes.

2,0 m/s 3,0 m/s 5,0 m/s

Meting 1 13,5 seconden (over 10 rotaties)

10,7 seconden (over 10 rotaties)

8,7 seconden (over 10 rotaties)

Meting 2 13,9 seconden (over 10 rotaties)

10,2 seconden (over 10 rotaties)

8,4 seconden (over 10 rotaties)

Meting 3 13,3 seconden (over 10 rotaties)

10,4 seconden (over 10 rotaties)

8,3 seconden (over 10 rotaties)

Afstand tot stofzuiger en föhn

136 centimeter 94 centimeter 49 centimeter

Uit deze testjes kunnen we concluderen dat de gemiddelde rotatiesnelheid bij 2,0 m/s, 81,4 rpm is. Bij 3,0 m/s is dat 62,6 rpm en bij een windsnelheid van 5,0 m/s is dat 50,8 rpm. Uit de testjes blijkt dus dat de rotatiesnelheid van de savonius rotor bij gemiddelde windsnelheden niet erg hoog is. Dit is gunstig omdat de rotor dus niet op hol zal slaan.

In de nevenstaande afbeelding is te zien hoe we de testjes uitgevoerd hebben. Met een stopwatch maten we de tijd over tien rotaties. Hiermee konden we de rotatiesnelheid per minuut uitrekenen.

23

Uit de testjes buiten is gebleken dat de savonius rotor goed bestand is tegen hoge windsnelheden en rukwinden. We hebben ze uitgevoerd tijdens de kerstvakantie toen het erg hard waaide. Zelfs bij gemeten windsnelheden van 13,6 meter per seconde hield de savonius rotor het goed uit. Ook hadden windvlagen vrij weinig invloed op de savonius rotor, hij versnelde wel een beetje maar niet erg veel.

24

De overbrenging Omdat de as van de touwpomp horizontaal ligt en de as die van de rotor komt verticaal staat is er een overbrenging nodig. De enige uitzondering is een turbine met een verticale as die horizontaal geplaatst wordt. Dit is echter alleen mogelijk als de windrichting niet verandert. Op het gebied van haakse overbrengingen zijn een aantal mogelijkheden. Conische tandwielen Conische tandwielen worden veel gebruikt in de industrie en in andere mechanische overbrengingen die een hoek van 90 graden maken. Dit type overbrenging zou dus geschikt zijn voor ons model. Voordelen: - Zeer duurzaam (indien juist materiaalgebruik en correct gemonteerd) - Geen mogelijkheid tot slippen - Vele verhoudingen mogelijk, dus veel opties op het gebied van versnellen en vertragen - Het is mogelijk dit type tandwiel te maken van hout Nadelen: - Prijzig en moeilijk te verkrijgen in Burkina Faso - Gevoelig voor schade door zand -Heel specifiek (ze moeten precies op elkaar passen) -Moeilijk te monteren

Conische tandwielen zijn een goede optie. Ze hebben hun bruikbaarheid al bewezen door de eeuwen heen. Het grootste probleem is dat ze waarschijnlijk speciaal voor dit doeleinde moeten worden gemaakt wat veel geld kost (in verhouding tot de rest van het model). Wanneer ze eenmaal kapot gaan is er geen mogelijkheid is om ze te repareren en zullen er nieuwe aangeschaft moeten worden. Worm en wormwiel Een andere optie is een worm met wormwiel. Als aan de verticale as die van de rotor komt een worm ( bovenste deel in afbeelding) wordt bevestigd kan een wormwiel

25

worden aangedreven. Deze drijft op zijn beurt weer de touwpomp aan. Voordelen: - Makkelijk te installeren - Slipt niet (indien goed gemonteerd en bevestigd) Nadelen: - Veel wrijving en dus slijtage - Moet goed gesmeerd worden - Gevoelig voor schade door zand - Niet te vervaardigen uit hout - Zorgt voor vertraging Een worm met wormwiel is een optie maar er zijn wel een aantal grote nadelen. De belangrijkste is dat een wormwiel voor veel vertraging zorgt. Dit komt doordat de rotor as (degene met de worm) ongeveer 47 rotaties moet maken voordat het wormwiel één rotatie maakt. Hierdoor draait de as van de touwpomp erg langzaam in verhouding met de as van de rotor. Dit heeft als gevolg dat deze overbrenging alleen mogelijk is als de as van de rotor hoge toeren maakt omdat anders de touwpomp niet snel genoeg draait om het water op te pompen. Differentieel Een andere optie is een differentieel. Een differentieel is onderdeel van een auto. Deze zorgt voor het regelen van de snelheid van de wielen. Op het moment dat een auto door een bocht gaat moet het buitenste wiel altijd een grotere afstand afleggen dan het binnenste wiel in dezelfde tijd. Het gevolg is dus dat het buitenste wiel sneller moet draaien. Het differentieel is hiervoor verantwoordelijk. De motor draait het differentieel aan en het differentieel stuurt de kracht naar de wielen. Omdat de aandrijfas van de motor en de assen van de wielen een hoek van 90 graden maken, kunnen we het differentieel gebruiken om de overbrenging van de rotoras naar de as van de touwpomp te maken. In de bovenste afbeelding is te zien dat de motor de paarse as (links onderin) aandrijft waardoor het groene tandwiel gaat draaien. Dit zorgt ervoor dat de paarse as (rechts onderin) het linker wiel aandrijft. Natuurlijk gaat er aan de andere kant ook een as draaien voor het rechter wiel maar die is verborgen onder de behuizing. Een ander voordeel van het differentieel is dat het

26

kan worden gebruikt als rem. Om dit uit te leggen moeten we eerst wat dieper op werking van het differentieel ingaan. In dit differentieel wordt het ringwiel (paars) door de motor aangedreven. De paarse kooi draait mee. Het in de kooi gemonteerde vleugelwiel (groen), geeft het vermogen door aan beide zijwielen (rood en geel), die verbonden zijn met de assen en dus met de achterwielen (of voorwielen). Rijdt de auto rechtuit, dan draaien de achterwielen met dezelfde snelheid. Het vleugelwiel draait met de kooi mee, maar draait niet om zijn as. Op het moment dat de auto door een bocht gaat, legt het binnenste wiel een kortere afstand af dus draait het langzamer dan het buitenste wiel. Dit wordt mogelijk gemaakt door het vleugelwiel dat gaat draaien omdat de rode en de gele assen niet met dezelfde snelheid draaien. Het kan gunstig zijn om dit mechanisme toe te passen op ons ontwerp. Als de windmolen draait kan men de as blokkeren waar de touwpomp niet aan vast zit (bijvoorbeeld rood). Dit kan gemakkelijk bereikt worden door het differentieel samen met de remmen als één geheel uit de auto te halen. Het resultaat is dat de as van de touwpomp (in dit geval dus geel) twee keer zo snel draait als normaal. Hierdoor wordt de pomp effectiever omdat de overbrengingsfactor kleiner wordt. Op het moment dat er een storm op komst is kan de as worden gedeblokkeerd waardoor beide assen weer gaan draaien en de as van de touwpomp dus langzamer gaat draaien. Dit kan voorkomen dat de touwpomp schade oploopt. Voordelen: - Makkelijk te koppelen aan de assen - Geen mogelijkheden tot slippen - Geen slijtage - Heel duurzaam (gemaakt voor zwaar en intensief gebruik) - Er is al gesmeerd met olie - Geen schade door zand omdat het hele mechanisme in een behuizing zit - Het is lokaal te verkrijgen en is niet duur - Als het differentieel toch stuk gaan is het niet moeilijk om een nieuwe te vinden omdat ze uit autowrakken te halen zijn Nadelen: - Een differentieel weegt circa 35 kilogram waardoor het installeren zwaar is - Het is een mechanisme dat is bedoelt voor zware belastingen en hoge toeren, hierdoor kan het misschien te zwaar zijn voor de rotor om aan te drijven - Er is geen mogelijkheid om de tandwielverhouding te veranderen Het feit dat het mechanisme misschien te zwaar is voor de rotor om in beweging te brengen is een belangrijk punt. We twijfelen daarom of het differentieel het juiste type overbrenging is.

27

Handboor Een ander voorwerp dat een haakse overbrenging bevat is een handboor, de voorganger van de elektrische boor. Door aan het hengsel te draaien gaat het daaraan bevestigde tandwiel draaien. Dit drijft op zijn beurt weer een ander tandwiel aan, dat aan een as bevestigd is. Aan het uiteinde van de as zit een kop waar men boorkopjes in kan plaatsen. Het is voor te stellen dat dit mechanisme kan worden gebruikt om te dienen als haakse overbrenging. Als het hengsel wordt verwijderd, kun je een as vastlassen op het tandwiel. Het is ook mogelijk een as vast te lassen op de boorkop. Voordelen: - Zeer goedkoop (bovenstaand model kost 9 euro) - Zeer makkelijk te monteren en installeren omdat het licht is. - Makkelijk te verkrijgen - Klein en hanteerbaar - Het mechanisme is robuust en zal niet snel stuk gaan Nadelen: - Het mechanisme is klein waardoor mogelijk is dat de belasting te zwaar wordt - Het mechanisme is open, het moet dus worden beschermd tegen zand - Er zijn geen mogelijkheden om de tandwielverhouding te veranderen. Wij denken dat dit een zeer goede optie is. Het heeft vele voordelen en voor de meeste nadelen zijn oplossingen te vinden. Industriële haakse overbrengingen Er bestaan haakse overbrengingen die klaar zijn voor gebruik. Ze zijn te koop bij bijvoorbeeld http://www.kobo.nl/, een internetzaak die handelt in industriële en motorische onderdelen. Een voorbeeld van een bruikbaar product zou de PV serie kunnen zijn (zie afbeelding). Dit type haakse overbrenging is vooral geschikt voor eenvoudige toepassingen met lage vermogens. Vaak wordt dit type overbrenging gebruikt bij handaandrijvingen. De conische tandwielen zijn gemaakt uit het (gespoten) materiaal Hostaform C. Het lagerhuis uit veredeld Anticorodel (Aluminium), en de lagerbussen zijn zelfsmerend. Al met al is dit een goede optie. Het model is licht en dus makkelijk te monteren. De lagers van het mechanisme zijn zelfsmerend waardoor er weinig onderhoud nodig is en de voorgeboorde gaten maken het bevestigen erg makkelijk. Een nadeel is dat de

28

tandwielen bloot liggen. Hierdoor kunnen ze beschadigd raken door zand. Dit probleem is echter makkelijk te verhelpen door een behuizing om de overbrenging te maken. Een ander nadeel is dat als ze eenmaal stuk zijn, ze alleen vervangen kunnen worden door een nieuw exemplaar dat waarschijnlijk niet in Burkina Faso verkrijgbaar is. Een andere optie is de FK serie (zie onderstaande afbeeling). Dit type is een robuuste haakse tandwielkast die voor vele industriële toepassingen geschikt is. Alle zijden zijn bewerkt en voorzien van diverse bevestigingsgaten. De conische tandwielen zijn gemaakt van gehard chroomstaal, en de tandwielkasten zijn gevuld met halfvloeibaar vet. Dit zou mechanisch gezien de perfecte oplossing zijn. Doordat het een afgesloten kast is, is er geen mogelijkheid voor zand om in het mechanisme te kruipen. Hierdoor zal het erg langzaam slijten. Omdat de tandwielen precies op elkaar passen, gesmeerd worden en zijn gemaakt van duurzaam materiaal zal het mechanisme erg lang mee gaan. De FK serie is ontworpen voor zwaar gebruik waardoor het zeker sterk genoeg is en nooit zal breken. Door de bevestigingsgaten is het installeren en monteren makkelijk. Het enige probleem is het budget. Deze mechanismen zijn zeer prijzig.

Wij kiezen voor de overbrenging van de rotoras (verticaal) naar de touwpomp-as (horizontaal), voor een handboor omdat we hier het meeste vertrouwen in hebben. Het is zeker dat de handboor niet te zwaar draait zodat de pomp stil komt te liggen, in tegenstelling tot het differentieel. Het mechanisme loopt soepel en de tandwielen zullen niet snel slijten als ze worden beschermt tegen het opstuivende zand. Dit probleem is goed op te lossen door een kleine behuizing om de boor te maken zodat er geen zand bij de tandwielen van het mechanisme komt. Ook zijn handboren waarschijnlijk verkrijgbaar in de buurt van Koupéla. Dat is een belangrijk voordeel. In het geval dat de boor stuk gaat, is het mogelijk om snel een nieuwe te vinden. Omdat handboren lokaal te verkrijgen zijn en moeten worden voorbereid voor het gebruik, stimuleert het gebruik van handboren de locale economie. Het grootste nadeel van de handboor is de mogelijkheid dat de belasting te zwaar is. Dit kunnen we van tevoren niet onderzoeken omdat we hiervoor een werkend prototype moeten hebben waarmee we kunnen testen of de handboor sterk genoeg is. Hier hebben wij de middelen niet voor. Al met al lijkt ons de handboor dus de meest geschikte oplossing. Wanneer blijkt dat de handboor de belasting niet aan kan, is onze tweede keus een differentieel.

29

De touwpomp aan de as Nadat de rotor via de overbrenging de horizontale touwpomp-as aandrijft, moet die as nog aan de touwpomp worden bevestigd. Het wiel dat de touwpomp aandrijft, wordt gemaakt van een open gesneden band van een vrachtwagen. Aan de binnenkant worden houten of metalen spaken gemonteerd die de band stevigheid geven en het ook mogelijk maken het wiel aan de as te koppelen. De spaken worden aan een buis gelast die een iets grotere diameter heeft dan de horizontale as. Hierdoor kan de buis over het wiel worden geschoven tot boven de pomp en daarna vast worden geschroefd aan de as. Hierdoor zit het wiel vast aan de as. Wanneer de as draait zal het wiel ook draaien en dus water oppompen. Een voordeel van schroeven is dat het wiel makkelijk kan worden gedemonteerd.

30

Berekeningen vermogen, debiet en toerental Vermogen Het is belangrijk om te bepalen hoeveel liter water de touwpomp ongeveer zal gaan oppompen bij een bepaalde windsnelheid. Hiervoor moeten we eerst het vermogen dat de savonius rotor levert berekenen. Om dat te doen moeten we eerst het oppervlak dat wind vangt bepalen. Voor ons ontwerp gebruiken we vier halve 55-gallon olievaten, deze drijven de touwpomp aan. 55-gallon olie vaten zijn 88,6 centimeter hoog en hebben een diameter van 59,2 centimeter. De vaten worden in tweeën gedeeld en verschoven over 1/3 van de diameter, 19,73 cm. De totale diameter van beide rotoren aan elkaar vast gemaakt is dus: 5/3 x 59,2 = 98,67 cm. Daaruit volgt dat R = 49,33 cm. Het totale oppervlak van de binnenzijde van één geheel olievat is het volgende: 2πR x h = 2π x 49,33 x 98,67 = 30582,72 cm² = 3,06 m². Maar omdat 2/5 deel hiervan in onze constructie wind vangt, is het effectieve oppervlak: 2/5 x 3,06 = 1,22 m². We hebben ervoor gekozen twee rotoren boven elkaar te zetten (90˚ t.o.v elkaar gedraaid), waardoor de totale effectieve oppervlakte dus 2,45 m² bedraagt. Het vermogen van de rotor kan vervolgens berekend worden met de volgende formule: Pr = ½ x ρ x A x v³ Waarin ρ = de dichtheid van lucht in kg/ m³ A = het effectieve oppervlakte van de rotor in m² v = de windsnelheid in m/s Pr = vermogen van de savonius rotor in Joule/s Omdat de savonius rotor lang niet alle windenergie gebruikt, dient er nog vermenigvuldigd te worden met het rendement, oftewel de vermogenscoëfficiënt (Cp). Deze bedraagt bij de savonius rotor maar ongeveer 0,14 (zie afbeelding hiernaast). Dit komt mede doordat ook de zijde die in tegengestelde richting draait, wind tegenhoudt.

31

In deze grafiek is de vermogenscoëfficiënt afgezet tegen de snellopendheid. De snellopendheid is de verhouding tussen de maximale wieksnelheid en de windsnelheid. De maximale wieksnelheid wordt gemeten ter hoogte van het uiteinde van een wiek (de tip van de wiek), omdat dat punt op de wiek de grootste afstand aflegt per draaiing. De snellopendheid kan op de volgende manier afgeleid worden: λ = vtip/vwind Waarin λ = de snellopendheid vtip = de maximale wieksnelheid vwind = de windsnelheid Dit is anders te schrijven als: λ = (ω x R)/v Waarin ω = de hoeksnelheid in rad/s R = de straal van de rotor Door boven en onder met 2 te vermenigvuldigen, ontstaat de formule voor de snellopendheid zoals hij meestal wordt gebruikt: λ = (ω x Dr)/(2 x v) Nu we rekening hebben gehouden met de vermogenscoëfficiënt, wordt de formule voor het vermogen van de rotor dus: Pr = ½ x ρ x Cp x A x v³ = ½ x ρ x 0,14 x A x v³ Bij de gemiddelde windsnelheid in Burkina Faso – 3 m/s – levert de savonius rotor dus een vermogen van: ½ x 1,23 x 0,14 x 2,45 x 3³ = 5,69 Joule/s. Omdat de pomp het idealiter ook zou moeten doen bij wat hogere windsnelheden, berekenen we ook het vermogen bij een wat hogere windsnelheid. Bij een windsnelheid van 5 m/s levert de savonius turbine dus een vermogen van: ½ x 1,23 x 0,14 x 2,45 x 5³ = 26,4 Joule/s Bij een krachtige wind van 10 m/s, bedraagt het vermogen dat de savonius rotor levert: ½ x 1,23 x 0,14 x 2,45 x 10³ = 211 Joule/s. De grote verschillen in vermogen in bovenstaande berekeningen kunnen worden verklaart met de formule. De windsnelheid heeft de grootste invloed op het vermogen dat de savonius rotor levert. Dit komt doordat in de formule de windsnelheid tot de derde macht gaat, waardoor kleine verschillen in windsnelheid een groot verschil in vermogen leveren. Toerental Met deze gegevens kunnen we ook het aantal omwentelingen per minuut bij een gemiddelde windsnelheid bepalen. Hiervoor gebruiken we de volgende formule: Nr = (λ x v)/(2πR) Waarin: λ = de maximale snellopendheid v.d. savonius rotor (= 0.8, zie grafiek)

v = de gemiddelde windsnelheid R = de straal van de gehele rotor

32

Invullen geeft: Nr = (0,8 x 3)/(2π x 0,49) = 0,8 omwentelingen per seconde. Dit toerental is niet erg hoog, hetzelfde blijkt uit onze bronnen. Het lage toerental is gunstig omdat de rotor bij hoge windsnelheden niet op hol zal slaan. Debiet Vervolgens kunnen we het debiet van de touwpomp bij een bepaalde windsnelheid (en dus een bepaald vermogen) berekenen. Dit kan worden berekend met de volgende formule: P = h x ρ x g x Q Waarin P = het vermogen in Joule/s Ρ = de dichtheid van water (998 kg/ m³) h = de hoogte (diepte van de put) in meter g = de valversnelling (9,81 m/s²) Q = het debiet in m³/s Hieruit volgt: Q = P/(h x ρ x g) Om het debiet uit te rekenen bij een vermogen van 5,69 Joule (vermogen dat de rotor levert bij een windsnelheid van 3 m/s) en een put met een diepte van 10 meter (dit is ongeveer de diepte van de put die we kunnen verwachten volgens onze opdrachtgever) kunnen we dus het volgende invullen: Q = 5,69/(10 x 998 x 9,81) = 5,81 x 10^-5 m³/s Dit staat gelijk aan 0,058 liter per seconde = 3,5 liter per minuut. Dit lijkt niet heel veel maar zou voldoende zijn aangezien de windmolen de hele dag door kan draaien mits er voldoende wind staat. Als we ervan uitgaan dat de pomp 8 uur draait bij deze windsnelheid (stel dat het de rest van de dag windstil is), kan de pomp alsnog: 3,5 x 60 x 8 = 1660 liter oppompen. Dit zou meer dan genoeg zijn. Om het debiet uit te rekenen bij een vermogen van 26,37 Joule (vermogen dat de rotor levert bij een windsnelheid van 5 m/s) en een put met een diepte van 10 meter kunnen we het volgende invullen: Q = 26,37/(10 x 998 x 9,81) = 2,69 x 10^-4 m³/s Dit staat gelijk aan 0,27 liter per seconde = 16 liter per minuut. Bij een windsnelheid van ongeveer 10 m/s levert de rotor een vermogen van 211 Joule/s. Dit zou betekenen dat de touwpomp zo’n 130 liter water per minuut zou oppompen. Aangezien dit te veel is en de pomp hierdoor erg hard zou moeten draaien, dient de pomp geremd te worden bij zulke windsnelheden.

33

Wateropslag Het water dat opgepompt wordt door de touwpomp moet kunnen worden opgeslagen. Op deze manier kan de touwpomp de hele dag lopen zonder dat er water verloren gaat. Het opgeslagen water kan dan gebruikt worden voor irrigatie. Omdat het water niet de bodem in mag zakken, moet er een bodem gebruikt worden die geen water doorlaat. De beste oplossing lijkt ons dan ook een waterbassin. Zo’n bassin kan gemaakt worden van verschillende materialen zoals staal of steen. Omdat een stalen bassin nogal prijzig is, kiezen we voor een stenen bassin. We kiezen ervoor om het bassin boven de grond te plaatsen, op deze manier kan gebruik gemaakt worden van de zwaartekracht bij het vullen van gieters etc. Vervolgens moeten we bepalen hoeveel liter water het bassin moet kunnen bevatten. Overdag wordt het water uit de put gebruikt voor irrigatie en zal het bassin dus niet snel overstromen. Bij harde wind zal de pomp meer water oppompen en zal het bassin dus sneller vol zijn. Overdag kan de touwpomp in zo’n geval worden geremd totdat het water in het bassin weer lager staat. Maar de pomp zal ook ’s nachts draaien en dus is het van belang dat het bassin groot genoeg is. Bij gemiddelde windsnelheden van rond de 3 m/s, pompt de touwpomp ongeveer 3,5 liter water per minuut op. Dit komt erop neer dat er in 10 uur tijd zo’n 2100 liter water wordt opgepompt (als het de hele nacht waait). Bij wat hogere windsnelheden van 5 m/s kan de pomp zo’n 16 liter water per minuut omhoog pompen. Dat zou betekenen dat er in één nacht van 10 uur 9600 liter water wordt opgepompt. Over het algemeen gaat de wind ’s avond een beetje liggen en dus zullen deze windsnelheden niet heel vaak voorkomen. Omdat het zonde zou zijn als er water verloren gaat kiezen we voor de zekerheid voor een bassin van 50000 liter (5 meter in lengte, 5 meter in breedte en 2 in hoogte). Zo kan het water voor relatief lange tijd worden opgeslagen en is het risico dat er water verloren gaat klein. Bij harde wind moet de touwpomp ’s nachts alsnog worden geremd om te voorkomen dat de pomp schade oploopt en dat het bassin overstroomt (bij windsnelheden van rond de 10 m/s pompt de touwpomp meer dan 100 liter water per minuut op waardoor het bassin erg snel vol zou zitten). Het bassin zal er ongeveer zo uit komen te zien (wel wat groter):

34

Het nadeel van zo’n soort bassin is dat het open is. Hierdoor komen er een hoop beesten op af. Om te voorkomen dat het bassin een broedplek voor muggen vormt moet het water dus op de een of andere manier worden afgesloten. Een optie is om een paar druppeltjes olie op het water te gooien. Dit zorgt voor een soort laagje op het water waardoor de muggen er niet bij kunnen. Omdat we ons afvragen of dit wel zo goed werkt en het andere beesten niet weg houdt, hebben we ervoor gekozen om het bassin helemaal af te sluiten. De handigste manier hiervoor is met een houten of plastic plaat. Dit zorgt echter wel voor een ander probleem, namelijk dat het water onbereikbaar wordt. Dit lossen we op door aan een kant van het bassin een kraantje te plaatsen waardoor de gieters en ander materiaal gevuld kunnen worden. Ook moet de ijzeren makkelijk los te maken zijn voor het geval dat er een probleem is. Het water dat omhoog wordt gepompt door de touwpomp wordt het bassin in geleidt door middel van een buis zoals te zien is in afbeelding … Voor de zekerheid moet er aan de bovenkant van het bassin een opening zijn waardoor het water naar buiten kan als de put te vol raakt. Dit zal zelden tot nooit nodig zijn, maar bij harde wind tijdens de nacht en een bassin dat al erg vol is, is dit wel zo veilig. Wanneer het water namelijk niet het bassin in kan maar wel wordt opgepompt, kan de touwpomp schade oplopen. Het geheel ziet er ongeveer zo uit:

35

Remmen Wanneer de rotor te hard gaat draaien dient deze geremd te worden om te voorkomen dat de constructie schade oploopt. Hoewel de gemiddelde windsnelheid in Burkina Faso niet erg hoog is, kan het soms erg stormen met windsnelheden tot 130 kilometer per uur (bron ..). Wij zijn vooral gewaarschuwd voor windstoten, maar door zijn bouw is de savonius rotor daar goed tegen bestand. Door het lage toerental van de rotor zijn ook hoge windsnelheden niet zo’n probleem. De touwpomp kan echter wel schade oplopen en daarom is het belangrijk dat er een remsysteem op de constructie komt. Het meest ideaal zou zijn om een remsysteem te ontwikkelen dat uit zichzelf remt. Omdat de savonius rotor niet uit de wind kan worden gedraaid, moet er gebruik worden gemaakt van een mechanische rem. Het ontwerpen van zo’n automatisch remsysteem is niet erg makkelijk. We hebben hier goed over nagedacht en zijn uiteindelijk met twee verschillende opties gekomen. Centrifugaal rem De eerste maakt gebruik van de centrifugale kracht die ontstaat door de draaiing van de savonius rotor en de daaraan bevestigde as. De snelheid van die draaiing is afhankelijk van de windsnelheid, waardoor de centrifugale gebruikt kan worden als een indicatie van de krachten die op de touwpomp werken. Van dit principe kan je gebruik maken voor het ontwerpen van een remsysteem. Ons idee was om aan de centrale as twee pinnen te bevestigen met aan uiteinde van elke pin een klein gewichtje. Wanneer het harder gaat waaien zal de centrale as harder gaan draaien en als gevolg van de centrifugale kracht, zullen de twee pinnen omhoog en naar de zijkant bewegen. Dit zou er als volgt uit zien:

36

De pinnen zouden bij een grote centrifugale kracht zo ver om hoog en naar buiten bewegen dat ze in een geul terechtkomen die vastgemaakt zit aan de constructie die om de savonius rotor heen zit. Toch lijkt ons dit niet een erg goede oplossing omdat we twijfelen of twee pinnen genoeg weerstand kunnen leveren om zowel de savonius rotor als de verticale as af te remmen. We zijn bang dat de kracht op de pinnen zo groot zou worden dat ze van de as breken. Je zou hiervoor zwaardere pinnen kunnen gebruiken maar dan is de werking van de centrifugale kracht veel minder goed te benutten omdat de pinnen dan bijna niet uitwijken. Waterrem De tweede optie voor een automatische rem is wat complexer en maakt gebruik van de hoeveelheid water die opgepompt wordt bij een bepaalde windsnelheid. Het is mogelijk om het opgepompte water eerst op te vangen in een bak die onder de verticale as staat. Vanuit daar kan het water dan doorstromen naar het bassin. Bij een hoge windsnelheid zou er zoveel water opgepompt worden dat het waterpeil in de tijdelijke opvangbak stijgt tot aan de as. Als aan de onderkant platen aan de as worden gemonteerd, kunnen die fungeren als een weerstand in het water. Zie volgende twee afbeeldingen.

Zijaanzicht ‘schoepen’ Bovenaanzicht ‘schoepen’

Bij een hoge waterstand in de tijdelijk opvangbak, staat het water zo hoog dat de platen die aan de as zitten als een soort schoepen werken en de as afremmen. Op deze manier wordt voorkomen dat de as en dus de touwpomp te hard zal draaien. Het geheel komt er schematisch dan zo uit te zien (de verhoudingen kloppen niet helemaal maar deze afbeelding geeft wel een goed beeld van het remsysteem).

37

38

Het mooie van dit systeem is dat er geen persoon aan de pas hoeft te komen om de pomp weer ‘aan te zetten’. Alles gebeurt automatisch. Het brengt echter ook een hoop problemen met zich mee. Het grootste probleem met dit remsysteem is dat het erg complex is en er weinig ruimte is voor onnauwkeurigheden. Het is erg moeilijk om dit remsysteem zo af te stellen dat het niet te veel remkracht oplevert en niet te weinig. Ook moet de afwatering naar het bassin nauwkeurig worden afgesteld zodat het water niet aan de bovenkant uit de tijdelijke opslagbak loopt of nooit de as bereikt omdat het te snel wegloopt. Een ander probleem is dat de as gaat roesten. We denken dat dit remsysteem in theorie zou kunnen werken, maar alleen als alles precies goed afgesteld staat. Daarom hebben we besloten om ook te kijken naar een remsysteem wat door niet automatisch werkt, maar door een mens moet worden geactiveerd. We hebben gekeken naar het loskoppelen van de verticale as en een rem die een van de assen tegenhoudt, maar uiteindelijk zijn we op een hele simpele oplossing gekomen. Handmatige rem De makkelijkste manier om de hele pomp te laten stoppen met draaien is door de savonius rotor af te dekken. Omdat de savonius rotor vrij goed bestand is tegen harde wind, zal dit niet erg vaak nodig zijn. Wanneer er storm op komst is moet iemand uit het dorp er dus voor zorgen dat de wind de savonius rotor niet meer aan kan drijven. De makkelijkste manier is, om aan de bovenkant van de constructie aan elke zijde een stuk opgerold tapijt (of ander beschikbaar materiaal) op te hangen. Wanneer het te hard waait kan dit tapijt naar beneden worden gerold en bevestigd worden aan de steunbalken aan de onderkant en zijkanten. Op deze manier is de rotor volledig uit de wind en zal de pomp stoppen met draaien. In de onderstaande afbeeldingen is te zien hoe we dit hebben getest met behulp van het model. Zoals verwacht, stopte de rotor snel met draaien.

Uiteindelijk kunnen we concluderen dat het beste automatische remsysteem de waterrem is. Wij twijfelen echter of de voordelen van deze automatische rem opwegen tegen de nadelen. Alle verhoudingen moeten namelijk precies kloppen en wanneer dit niet het geval is, dan werkt de rem niet goed. Daarom denken we dat het beter is om iemand de pomp te laten ‘onderhouden’ en de pomp af te laten remmen door een mens. Dit kan gedaan worden door de savonius rotor af te dekken met lappen, tapijt of ander beschikbaar materiaal zodat de wind er niet meer bij kan.

39

Constructie Om de savonius rotor in de wind te plaatsen is een constructie nodig die hem op zijn plaats houdt. Het is belangrijk dat deze constructie stevig en lokaal te vervaardigen is. Met liefst met zoveel mogelijk materialen uit de directe omgeving. Dit laatste stimuleert de lokale economie en scheelt ook in kosten omdat het duur is om materialen te importeren. Een mogelijkheid is om de rotor in een platte stalen constuctie te verwerken. De rotor wordt met kogellagers aan de constructie vastgemaakt en zo op zijn plek gehouden. Daarna kan het geheel rechtop worden getakeld en vast worden gezet met kabels zodat het niet omvalt. Deze oplossing is gunstig omdat hierbij niet veel materialen nodig zijn, waardoor de kosten laag blijven. Ook is het makkelijk te maken en neer te zetten op de gekozen locatie. Deze constuctie heeft echter ook vele nadelen. Omdat de rotor maar door één vaste constructie in de grond zit, kan er speling en daardoor instabiliteit ontstaan. Daarnaast is er het risico van het breken van de kabels bij harde windstoten. Hierdoor zou de hele constructie instorten en moet er een geheel nieuw systeem worden gebouwd. Dit is dus geen betrouwbare oplossing.

Liever gebruiken wij een stijvere constructie die beter bestand is tegen rukwinden en op meerdere plaatsen in de grond kan worden verankerd zodat de kans op speling minimaal is. Een goed voorbeeld is de linker constructie op de volgende pagina. Deze constructie is stevig omdat het op vier plaatsen in de grond is bevestigd en zal daardoor niet snel verbuigen of breken. Door het stijve frame is het mogelijk de rotoras en de as van de touwpomp heel stevig aan elkaar te verbinden, zonder mogelijkheid tot speling. Een aanmerking is dat er weinig schuine verbindingen zijn in deze constructie. Hierdoor verliest het stijfheid.

40

De constructie in het rechter plaatje is aan twee kanten voorzien van schuine verbindingen die driehoeken creëren. Dit zorgt voor een hele stevige constructie die niet kan gaan wiebelen. Wel zorgt het voor verhoogde productiekosten omdat er meer materiaal nodig is.. Wel moet de uiteindelijke constructie hoger van de grond komen te staan dan in dit plaatje zodat er meer wind kan worden gevangen. Een goed voorbeeld van hoe hoog de constructie ongeveer moet worden is te zien in het plaatje rechts. Dit is een moeilijke constructie om te maken en te plaatsen, maar wel heel duurzaam. Door de stijfheid is er geen mogelijkheid voor speling. Doordat er vier punten zijn waar de constructie in de grond kan worden geplaatst is de kans dat de constructie omvalt zeer klein. Dit geeft ook een zeer robuust platform om de touwpomp-as aan vast te maken zodat deze goed op de rotoras aansluit. De gekozen materialen moeten lokaal beschikbaar zijn. De meest voor de hand liggende mogelijkheden zijn staal en hout. Een combinatie is ook mogelijk. Staal heeft als voordeel dat het zeer sterk is en dat het te lassen is. Maar staal is minder goed bewerkbaar dan hout. Een combinatie zou dus een goede oplossing zijn.

41

Lagers In de constructie zijn meerdere punten waar assen gelagerd moeten worden. Een voorbeeld hiervan is de bevestiging van de rotoras. De rotoras moet soepel kunnen draaien maar moet ook op zijn plek gehouden worden. Een oplossing hiervoor is het gebruik van kogellagers. Een probleem waar wij tegen aan lopen is dat we niet weten of kogellagers lokaal verkrijgbaar zijn en indien dit het geval is, hoe duur ze daar zijn. Daarom kunnen we kogellagers niet zomaar in het ontwerp integreren. Wat we wel kunnen doen is zoeken naar bestaande onderdelen waar kogellagers in zitten zodat deze onderdelen gebruikt kunnen worden. Wij denken hierbij aan fiets-, brommer- of motorwielen. Deze zijn in ieder geval lokaal te verkrijgen en zijn ook makkelijker te bevestigen omdat ze al in een onderdeel zijn verwerkt. Bovendien zijn ze ook goedkoper dan op maat gemaakte kogellagers.

Door de rotoras aan de hub te bevestigen en de hub aan de constructie te bevestigen kan zo de rotor gelagerd worden. Het is mogelijk dat dit mechanisme niet sterk genoeg is om het gewicht van de rotor te ondersteunen. Indien dit het geval is kan er worden gekeken naar een brommer- of motor wiel.

In ons ontwerp willen we motor- of brommerwielen gebruiken. Deze zijn zeker sterk genoeg om de belasting aan te kunnen en zijn ook makkelijk te bevestigen aan de constructie. Ze zijn hierdoor zeer geschikt om de assen van de windmolen en de touwpomp te lageren.

In het plaatje rechts is een wiel van een fiets afgebeeld. In het midden van het wiel bevindt zich het zogenoemde hub. Hiermee wordt het wiel aan de voorvork vastgemaakt. Het is heel goed mogelijk om de hub of misschien wel het gehele wiel te gebruiken om de rotoras te lageren.

In de afbeelding is een wiel van een motor te zien. Het werkt hetzelfde als een fietswiel maar is ontworpen om een grotere belasting aan te kunnen. Dit is dus een geschikte mogelijkheid is om de rotor mee te lageren. Het mechanisme is sterker, robuuster en groter. Hierdoor is het ook makkelijker om te bewerken.

42

Zelfgemaakte modellen Beschrijving van het eerste model Omdat het ons belangrijk leek dat het publiek op de presentatieavond op school en in Gouda een goed beeld krijgen van ons ontwerp, hebben we besloten om een schaalmodel van de gehele constructie te maken. Indien mogelijk proberen we dat model zo te maken dat we een kleine savonius rotor aandrijven met een föhn, waardoor uiteindelijk een kleine hoeveelheid water echt omhoog wordt gepompt. Voordat we zijn begonnen met bouwen, moesten we eerst geschikt materiaal vinden. Het moeilijkste aan het model leek ons de overbrenging van de verticale as van de rotor naar de horizontale as. Daarom zijn we uit dat punt begonnen met denken. Uiteindelijk hebben we ervoor gekozen om de overbrenging en een zo groot mogelijk deel van de constructie te bouwen van ‘Knex’. Knex is soort speelgoed dat te vergelijken is met lego. Het bestaat uit allemaal losse onderdelen die op veel verschillende manieren in elkaar kunnen worden gezet.

Het handige aan Knex was dat we de assen konden maken van de lange staven en die direct aan konden sluiten op bijpassende tandwielen. Op deze manier was het niet erg ingewikkeld om de overbrenging te bouwen. Met een soepel lopende overbrenging konden we nu na gaan denken over de savonius rotor. We hadden van tevoren al bedacht dat het onmogelijk zou zijn om alles precies op schaal te maken, maar de rotor moest wel klein genoeg zijn om in de constructie te passen. We hebben er toen voor gekozen om twee blikken tomatenpuree te gebruiken. Blik is relatief stevig materiaal en was ook gemakkelijk doormidden te snijden. De rotor vastmaken aan de as bleek een grotere uitdaging te zijn. Omdat de halve blikken tomatenpuree ergens op moesten steunen, hebben we drie ronde plateaus gemaakt. Twee daarvan (de bovenste twee) konden we maken door de bodems van koffieblikken uit te snijden. De onderste hebben we uit een plaat aluminium gemaakt. Vervolgens hebben we in elk van de drie plateaus een gat in het midden gemaakt waar de as door heen kon en een klein gaatje ernaast waardoor we ze vast konden zetten met een stukje Knex. Daarna hebben we na vele pogingen de halve blikken op de plateaus vastgelijmd met behulp van secondelijm en siliconenkit. Omdat het lastig was om alles kaarsrecht af te snijden en te lijmen stonden ze een beetje scheef, iets wat later alleen maar erger werd.

43

Nu de kleine savonius rotoren op hun plaats zaten, konden we verder werken richting de touwpomp. Dit gedeelte bleek verreweg het moeilijkst te zijn. De overbrenging op het wiel van de touwpomp was niet lastig aangezien ook dat van Knex kon worden gemaakt. Daarna liepen we tegen het eerste echt grote probleem aan. We moesten nopjes zien te vinden met bijna exact dezelfde diameter als de buis die we zouden gebruiken. Na heel lang zoeken hebben we geschikte rubberen nopjes gevonden met een bijpassende aluminium buis. Ook zaten er al gaatjes in de nopjes wat het verhaal wat makkelijker maakte. Het volgende wat we nodig hadden was een bruikbaar stuk touw. Omdat het ons moeilijk leek om het touw zo te bevestigen dat er spanning op stond, hebben we toen een soort elastiektouw gebruikt.

44

De nopjes hebben we vastgemaakt door kleine knoopjes te leggen onder de nopjes en ze vervolgens vast te plakken met lijm. Nu we een touw hadden met nopjes eraan en een bijpassende buis moesten we iets verzinnen zodat de buis aan de rest van de constructie vast zat. Na lang denken hebben we daar toen een oplossing voor bedacht. We gebruikten een houten plankje waarin we in het midden een gat boorden met de diameter van de buis. Daarnaast maakten we twee kleinere gaatje waar de staafjes Knex doorheen konden. Aan de bovenkant hebben we de buis vastgemaakt aan de constructie met behulp van tie-raps, zodat hij niet meer kon bewegen. Aan de onderkant moest een wiel worden gemaakt zodat het touw soepel de buis in zou worden geleid. Ook hiervoor konden we Knex gebruiken.

Nadat de buis bevestigd was aan de rest van de constructie kon het elastiektouw er doorheen. Aan de bovenkant hebben we het touw toen aan zichzelf vast genaaid. Eerst wilde het touw niet soepel door de buis maar na veel afstellen draaide het touw met de nopjes door de buis als we aan de savonius rotor draaiden. We hebben toen een constructie naar beneden gebouwd zodat het model zelf kon blijven staan. Daarna hebben we het model getest met water. In het begin liep het touw heel stroef, maar na een tijdje ging dit steeds beter. We waren toen zover dat we zonder al te veel kracht te zetten echt water oppompte. Met behulp van de wind ging dit nog niet omdat we geen krachtige föhn hadden.

We waren erg tevreden met het model en dachten dat met een goede föhn, hij het ook op windkracht zou doen. De volgende morgen bleek echter dat we een groot probleem hadden. Het elastiektouw kon niet tegen water en was helemaal uitgelubberd. Hierdoor lag het elastiek niet strak over de wielen meer en functioneerde het model totaal niet meer. We hebben toen nog geprobeerd de horizontale as omhoog te plaatsen zodat het touw er weer strak overheen lag. Dit werkte maar na een paar uur was het elastiek weer een paar centimeter langer. We hebben toen besloten dat dit niet werkte en zijn op zoek gegaan naar een ander touw. Eerst hebben we een gewoon, niet elastisch touw geprobeerd. Nadat we alle nopjes erop hadden gelijmd en het touw aan zichzelf vast hadden genaaid bleek dat het gewone touw inderdaad te stijf was.

45

Hierna hebben we een ander soort elastiektouw geprobeerd. Omdat we bang waren dat ook dit touw niet tegen water kon hebben we het eerst een uurtje in een bak water gelegd. Dit elastiektouw bleek ook uit te lubberen en dus hadden we nog steeds geen goed touw. Omdat we iets nodig hadden wat zowel elastisch was als goed tegen water kon, zijn we toen op zoek gegaan naar een soort rubber touw. Na een tijdje zoeken in de schuur vonden we een elektriciteitsdraad. Hier hebben we de snoeren uit gehaald zodat we een rubberen draad over hielden. Wel hadden we onze twijfels of dit zou werken aangezien de draad dikker was dan het elastiektouw.

46

Doordat de elektriciteitsdraad zo dik was, paste de nopjes er niet normaal omheen. We hebben ze uiteindelijk op de volgende manier eromheen gekregen.

Toch bleek ook dit ‘touw’ niet te werken. Waar we al bang voor waren was inderdaad het geval, de elektriciteitsdraad was te dik waardoor hij erg zwaar liep. We hadden bijna de hoop opgegeven toen mijn vader aan kwam met een zogenaamde fietsventielslang. Een fietsventielslang werd vroeger gebruikt bij het oppompen van je fietsband en is gemaakt van rubber. Ook is het een stuk minder dik dan de elektriciteitskabel die we daarvoor hadden geprobeerd. Nadat we de nopjes eromheen hadden gedaan en hadden vastgelijmd, konden we het model nogmaals gaan testen. Het fietsventielslang bleek erg goed te werken, het liep soepel en omdat het van rubber is, was het ook waterbestendig. Op dat moment begonnen echter andere delen van de constructie het af te laten weten. Omdat het fietsventielslang erg glad is, gleed het soms over het wiel van de touwpomp heen. Daardoor werd het soms niet meegenomen door het wiel. We moesten dus iets verzinnen zodat het wiel van de touwpomp voor meer weerstand zorgde. We hebben eerst een stukje schuurpapier erop geplakt, maar nadat daar water overheen was gegaan, werkte dat een stuk minder goed. We hebben daarom toen een stuk rubber van een binnenband van een fiets over het wiel heen geplakt. Dit werkte prima en bleef het goed doen.

47

Toen we voor de tweede keer dachten dat we klaar waren, stortte de savonius rotor in. De lijm tussen de blikken en de plateaus had losgelaten. We hebben toen besloten om de rotor opnieuw te maken, van stevigere en wat grotere blikken. Ook lieten we deze keer de bodems van de halve blikken eraan zitten zodat we een groter oppervlak hadden om te lijmen.

Ook hebben we daarna de verbindingsstukjes Knex die de assen aan elkaar hielden beter vastgezet met spijkers. Zo konden deze niet meer draaien zonder de as mee te nemen.

48

Vervolgens hebben we boven aan de buis een soort geul gemaakt waardoor het water een andere bak in kon worden geleid. Daarmee was het model eindelijk klaar. In zijn geheel ziet het er als volgt uit:

We hebben erg veel tijd gestopt in dit model en het was dus ook erg zonde dat hij het niet deed op de presentatieavond. De middag ervoor heeft hij nog goed gewerkt wanneer we twee föhns op de rotor richtten. Tijdens de presentatieavond liet een van de nopjes los waardoor hij telkens aanliep. We hebben dat nopje nog geprobeerd vast te lijmen op school maar dit maakte het probleem alleen maar erger. Door de lijm was het nopje iets te groot geworden waardoor het vast is gaan zitten in de buis. Inmiddels hebben we het eruit gekregen en we proberen het model weer werkend te maken voor de presentatie van Worldschool in april. De reden dat we zoveel problemen hebben gehad bij het maken van dit model, is dat de onderlinge verhoudingen niet kloppen. Het was erg moeilijk om een goede overbrenging en een buis met bijpassende nopjes te vinden en in de juiste verhouding waarschijnlijk onmogelijk. In het echt hebben de nopjes een diameter van ongeveer 5 cm, in ons model 1 cm. Als je die verhouding 5:1 gaat vergelijken met de rest van het model,

49

klopt daar vrij weinig van. Zo is de rotor eerder 10 keer zo klein en zijn de tandwielen te groot. Ondanks dit alles heeft hij het een tijdje wel gedaan met twee föhns, hier een actiefoto:

50

Beschrijving van het tweede model Omdat het heel belangrijk is dat de rotor goed en regelmatig draait en niet sterk wordt beïnvloed door windvlagen hebben we een schaalmodel gemaakt. We hebben hiermee onderzoek gedaan naar rotatiesnelheid bij bepaalde windsnelheden, effect van windvlagen op de rotatiesnelheid en naar het functioneren van de rem. De resultaten zijn te zien onder het hoofdstuk windmolen. In dit hoofdstuk beschrijven we hoe we het model hebben gemaakt. We besloten allereerst om Gamma-emmers van 20 liter te gebruiken als rotor bladen van de savonius turbine. We kozen voor emmers omdat ze makkelijk te bewerken zijn omdat ze van plastic zijn gemaakt. De emmers konden we makkelijk met een stanleymes doorsnijden en bevestigen aan de constructie was ook eenvoudig omdat er makkelijk schroeven doorheen geboord konden worden. Ook zijn emmers goedkoop en licht. Ten tweede besloten we dat we triplex zouden gebruiken als platform om de emmers op te bevestigen. Triplex is dun, goed bewerkbaar en licht. We besloten om te werken vanuit deze twee keuzes en zo het model te maken. De foto hiernaast is een foto van het gehele model en op deze foto is goed te zien hoe we de emmers hebben doorgesneden en ze zo hebben gepositioneerd dat ze kunnen functioneren als rotoren. De manier waarop we de rotoren aan elkaar hebben bevestigd is door ze vast te boren op platen triplex. Deze platen zijn nodig om de rotoren stevigheid te geven (zodat ze niet gaan torderen) en ook om de rotoren aan de as te verbinden. De manier waarop we de emmers aan de triplex platen hebben bevestigd is met schroeven. Aan de bovenkant hebben de emmers een rand waar we makkelijk schroeven doorheen konden boren en aan de onderkant konden we de bodem van de emmer gebruiken om deze te bevestigen aan het triplex.

Foto van hoe we de emmer aan het triplex hebben bevestigd

De schroef bevestigt de onderkant van de onderste emmer aan het triplex en steekt aan de bovenkant uit

51

De emmers zaten toen vast aan het triplex zodat het triplex mee zou bewegen als de rotoren draaien. Nu moest het triplex aan de rotoras worden bevestigd. Dit was een van de lastigste problemen van het hele model. Ons eerste idee was om een houten as te gebruiken zodat we het triplex aan de as konden vastboren of lijmen. Een nadeel zou zijn dat de as vrij dik zou worden. Daarom hebben we gekozen om de as niet van hout te maken. De uiteindelijke oplossing kwam in de vorm van een schroefdraad van 80 centimeter lang en een diameter van ongeveer een centimeter. Dit was een mooie dikte die redelijk in verhouding is met de rest van het model maar belangrijker was dat we door middel van moeren de triplex platen aan de rotoras konden bevestigen. We besloten om ook kleine metalen platen aan het triplex te bevestigen zodat de constructie stevig op de as kon worden gezet. De rotor zit op drie verschillende plaatsen vast aan de as omdat er drie triplex platen zijn. Eén aan de bovenkant van de rotor, één in het midden, en één aan de onderkant. De onderste is te zien op de foto hierboven. Op de andere twee plaatsen is de manier van bevestigen hetzelfde. Het voordeel van deze manier is dat we de moeren heel vast konden aandraaien zodat er geen speling mogelijk is. Daarnaast stelt dit ons ook in staat om de rotor weer uit elkaar te halen zonder deze kapot te maken. Dit kan handig zijn als we later nog veranderingen aan willen brengen.

Een foto van de onderkant van de rotor. De triplex plaat wordt vast gekneld tussen een moer aan de onderkant en een moer aan de bovenkant. Hierdoor zit het geheel vast aan de as. De metalen plaat zit vast aan het triplex en geeft extra stevigheid om torderen en wiebelen van de rotor zo veel mogelijk te voorkomen.

Een foto van de bovenste triplex plaat waar die aan de as is bevestigd.

Een foto van de middelste plaat triplex. Ook deze is aan de as bevestigd door middel van 2 moeren en een metalen plaat met daar tussenin de middelste triplex plaat van de rotor.

52

De rotor zelf was nu af maar het tweede grote probleem moest nu worden opgelost. Hoe gaan we de as fixeren in een constructie? De as moest worden bevestigd in een constructie zodat we het geheel ergens neer konden zetten en testjes konden doen. Hiervoor moest de as aan de constructie worden bevestigd op een manier waarop de wrijving minimaal was. Eerst dachten we eraan om kogellagers te gebruiken maar die waren nergens te koop en toen zagen we toevallig wat oude skeelers liggen. We haalden één van de wielen van de skeeler eraf en probeerde of deze op de as paste. Dit was gelukkig het geval. Dit was de perfecte oplossing voor ons probleem. We konden nu twee wielen aan de as bevestigen met moeren en daarna de wielen aan de constructie bevestigen. De wielen van de skeelers zijn goed gelagerd en produceren dus weinig wrijving en zijn ook makkelijk aan de as te bevestigen. Hierdoor was het mogelijk om de rotor stevig aan de constructie te bevestigen, niet kon wiebelen en ook heel weinig weerstand ondervond.

Dit is een foto van het wiel onder de rotor en laat zien hoe de as aan het skeelerwiel is bevestigd. Eerst werden er twee moeren op de as gedraaid en vast tegen elkaar aan geschroefd. Dit is gedaan om te voorkomen dat ze gaan meedraaien en zo los zouden draaien. Vervolgens werd het wiel op de as geschoven en als laatste werd er nog een moer aan de onderkant op de as gedraaid om het wiel vast te klemmen. Het wiel is met spijkers aan de constructie bevestigd.

Ook aan de bovenkant is de as aan de constructie bevestigd. Hier steekt de as minder ver uit de rotor dan aan de onderkant dus is een goede foto maken lastig. Het wiel is op dezelfde manier aan de as bevestigd als aan de onderkant. Omdat de afstand tussen de rotor en het wiel zo klein is was het ook moeilijk om het wiel aan de constructie vast te maken. Hier gaan we later dieper op in.

53

Om de rotor te testen wilden we er een constructie omheen bouwen zodat deze stevig op de grond kan staan waardoor we makkelijk de rotatiesnelheid konden meten. De enige twee eisen voor de constructie waren dat deze stevig en groot genoeg moest zijn om om de rotor heen te passen. We maakten de constructie van dikke balken zodat het makkelijk zou zijn om de rotor er in te plaatsen. Allereerst maakten we twee frames van vier balken. Deze zijn te zien in de foto hieronder. Nadat deze twee frames klaar waren, verbonden we ze met vier balken zodat we een vierkante constructie kregen. Dit lijkt veel op de constructie die we in het uiteindelijke ontwerp willen gaan gebruiken. Het levert veel stevigheid en bied ook veel mogelijkheden om de windmolen te bevestigen. Nadat de constructie helemaal klaar was, ontdekte we dat hij niet erg stijf was. In één richting was veel speling mogelijk. Dit kwam doordat de verbindingen niet loodrecht waren en omdat we geen diagonalen hadden toegevoegd. We besloten om grote hoekijzers te gebruiken om de constructie meer stevigheid te geven. In de foto hiernaast zijn ze allemaal zichtbaar en in de foto hieronder is er een van dichtbij gefotografeerd.

Tot slot moesten we beslissen hoe we de rotor aan de constructie zouden verbinden. Hierbij moesten de skeelerwielen aan de constructie bevestigd worden zonder deze kapot te maken. Op die manier kunnen we ze later weer kunnen terug plaatsen op de skeeler. Ook moest er een soort van gat komen in de constructie omdat zowel aan de onderkant als aan de bovenkant de rotoras een klein stukje uitsteekt. We besloten om twee steunen te maken. Op de onderste steun zou het onderste wiel kunnen rusten en hiermee het hele gewicht van de rotor dragen. Op het bovenste wiel zou dan geen kracht worden uitgeoefend, maar deze moest wel op zijn plek worden gehouden zodat de rotor niet zou gaan wiebelen.

Dit is een van de hoekijzers die de constructie meer stevigheid geven. In de werkelijke constructie zullen diagonalen verbindingen gebruikt worden om speling te voorkomen en stijfheid toe te voegen.

In de foto hierboven is goed te zien dat er 5 hoekijzers in de hoeken nodig waren om de constructie stijver te maken in de zijwaartse richtingen.

54

Ook moesten de skeelerwielen aan de constructie worden bevestigd zonder deze te beschadigen. Dit was vrij gemakkelijk bij het skeelerwiel aan de onderkant omdat daar veel ruimte was. Er was zelfs genoeg ruimte om met een hamer twee spijkers tussen de spaken van de wielen door de slaan en zo het wiel vast te zetten.

Zoals op deze foto is te zien is, steekt de as uit bij de skeeler wielen. Hierdoor moesten we gaten boren in de bevestigings-balken van de rotor. Het was cruciaal dat de uistekende delen van de as niet de constructie zouden raken en zo heel veel wrijving en slijtage zouden veroozaken. Het zou de resultaten van de testen betekenisloos en maken. Het was ook belangrijk dat het wiel goed vast zou zitten.

De foto rechts laat zien dat de as uit steekt aan de onderkant. Er moest dus ook hier een gat in de balk worden geboord om ruimte te maken voor het uitstekende gedeelte van de as.

Op de rechter foto is goed te zien dat er aan de onderkant veel ruimte is tussen het wiel en de rotor. Hierdoor waren wij in staat om het wiel met spijkers te bevestigen. Dit is niet het geval aan de bovenkant zoals te zien is in de foto hieronder. We moesten hier dus een andere oplossing bedenken.

55

Aan de bovenkant moesten we dus een manier vinden om het wiel op één plek te houden zonder dat er veel ruimte was tussen de rotor en de bevestigings-plaat. Ook mocht er geen wrijving ontstaan. We bedachten om het wiel in te klemmen met kleine stukjes hout die we gemakkelijk aan de plaat erboven konden schroeven. Het skeelerwiel wordt door de moeren aan de as op zijn plek gehouden zodat het wiel niet naar beneden of naar boven kan. Vervolgens klemmen de houten balkjes het wiel aan alle kanten vast zodat het ook niet naar een zijkant kan bewegen. Nadat we het bovenste wiel hadden vastgezet, was het model helemaal af en klaar om gebruikt te worden in de testjes. Wij zijn erg tevreden met het model. Het was lastig om de juiste oplossingen te vinden voor de voorkomende problemen maar uiteindelijk hebben we een goed werkend model gemaakt waarmee we hebben kunnen testen of de rem goed werkt en of windvlagen veel invloed hebben op de rotatiesnelheid. De resultaten van deze testjes staan onder het hoofdstuk windmolen.

Op de foto is goed te zien dat de as uitsteekt. De schroeven zijn van de stukjes houten balk die aan de onderkant het wiel op zijn plek houden zonder de as te belemmeren vrij rond te draaien.

Hiernaast is een bovenaanzicht te zien van hoe het bovenste wiel vast zit. De grote cirkel in het midden stelt het wiel voor en de kleine cirkel daarin is de as die door het midden loopt. De vier rechthoeken zijn de stukjes hout die het wiel op zijn plek houden en de zwarte stippen zijn de schroeven die de houten blokjes vastzetten.

56

Conclusie In ons profielwerkstuk hebben we onderzocht wat de meest ideale constructie is voor een touwpomp die wordt aangedreven door de wind. Deze touwpomp moet komen te staan in Koupéla, een klein dorpje in het noorden van Burkina Faso. Eerst hebben we onderzoek gedaan naar het windpatroon in dit Afrikaanse land. Vervolgens hebben we ons verdiept in de werking van de touwpomp zelf. Deze touwpomp moet aangedreven worden door de wind en dus was het belangrijk om het juiste type windmolen te kiezen. Het was cruciaal dat deze windmolen goedkoop is en dat de gehele constructie makkelijk te bouwen is. Ook moest de windmolen genoeg vermogen leveren om de touwpomp aan te drijven en zo voldoende water op te pompen. Om hier zeker van te zijn hebben we naast het berekenen van het vermogen, toerental en debiet, ook nog een schaalmodel gebouwd. Toen we de windmolen hadden gekozen moesten we op zoek gaan naar een geschikte overbrenging, van de rotoras naar de as die de touwpomp aandrijft. Omdat het water voor irrigatie zal worden gebruikt, moet het gewonnen water opgeslagen kunnen worden. Deze wateropslag moet voldoende water kunnen bevatten en mag ’s nachts niet overstromen. Daarnaast mag het geen broedplaats worden voor inheemse insecten. Om schade aan de constructie te voorkomen zijn we toen gaan kijken naar een geschikt remsysteem. In Burkina Faso waait het over het algemeen niet heel hard, maar soms doet een storm zich voor en moet de rotor geremd worden. Tot slot hebben we nagedacht over de beste constructie om het geheel op zijn plek te houden. Toen we aan ons profielwerkstuk begonnen hebben we de volgende onderzoeksvraag opgesteld: Wat is de meest ideale constructie voor een door wind aangedreven touwpomp? Om deze onderzoeksvraag te beantwoorden moesten we eerst de deelvragen beantwoorden. Hieronder staan de deelvragen met een kort antwoord en toelichting. Voor een uitgebreider antwoord verwijzen we naar de desbetreffende hoofdstukken.

Wat is de precieze werking van een touwpomp? Een touwpomp is een type waterpomp dat veel gebruikt wordt in ontwikkelingslanden vanwege de lage kosten en het minimale onderhoud dat de pomp vergt. Touwpompen kunnen gebruikt worden voor de winning van drinkwater maar ook voor irrigatiewater. Het water wordt omhoog gepompt door een lange buis, waar een touw met zuigertjes eraan, doorheen loopt. De buis hangt aan de onderkant in het water en steekt aan de bovenkant een stuk boven de grond uit. Het touw loopt aan de bovenkant over een wiel heen dat met de hand, of in ons geval door de wind, wordt aangedreven. De zuigertjes zijn net iets kleiner dan de diameter van de buis waardoor ze de buis min of meer afsluiten. Het water wordt door de zuigertjes omhoog geduwd. Dit creëert een onderdruk die er voor zorgt dat het water de buis in wordt gezogen. Het kleine verschil in diameter voorkomt slijtage (er ontstaat een waterfilmpje tussen de zuigertjes en de buis). Aan de onderkant van de touwpomp bevindt zich een constructie (meestal een wiel) die ervoor zorgt dat het touw soepel de buis in glijdt.

57

Wat is de gemiddelde windsnelheid in de buurt van Koupéla? We hebben zoveel mogelijk bronnen proberen te vinden over de gemiddelde windsnelheid in de buurt van Koupéla. Dit blijk niet makkelijk te zijn, vooral omdat het zeer specifiek is. Uiteindelijk hebben we verschillende bronnen gevonden die de gemiddelde windsnelheid geven in heel Burkina Faso. We gaan er van uit dat de gemiddelden omstreeks Koupéla hier niet ver vanaf zullen liggen. De meeste bronnen geven een gemiddelde van rond de 3,0 meter per seconde. Dat staat gelijk aan 10,8 kilometer per uur. Sommige bronnen bleek het gemiddelde lager en uit weer andere bleek het hoger. Wij houden daarom een gemiddelde windsnelheid van 3,0 meter per seconde aan.

Wat is de meest voorkomende windrichting in de buurt van Koupéla? We hebben één grafiek gevonden die informatie geeft over de windrichting in Burkina Faso. Deze is afkomstig van het DFFD, het vliegveld van Ouagadougou. Dit is de hoofdstad van Burkina Faso en ligt ver weg van Koupéla. Uit de grafiek blijkt dat de wind bijna het gehele jaar uit het noordoosten waait. Hierdoor zouden we kunnen kiezen voor het fixeren van de windmolen, wat inhoudt dat de molen niet meer in de wind kan draaien. Aangezien de wind maar van één kant komt, is dit dan ook niet nodig. Omdat we me maar één grafiek hebben gevonden over de windrichting en omdat de gegevens niet uit Koupéla komen, is de bron niet zo valide. Daarom hebben we ervoor gekozen om geen conclusies te trekken uit deze grafiek. We willen niet ons hele ontwerp laten bepalen door één enkele bron, waarvan we niet weten of deze opgaat voor de windrichting in Koupéla.

Is er veel opwaaiend zand in de buurt van Koupéla? Uit één van de bronnen blijkt dat er ongeveer één op de drie dagen veel zand opstuift en ook komen er vaak zandstormen voor in Burkina Faso. Al dit zand kan zorgen voor slijtage aan onderdelen van de constructie, zoals de overbrenging. We zullen in ons ontwerp hier dus rekening mee moeten houden.

Welk type windmolen is het meest geschikt om een touwpomp aan te drijven? We hebben gekozen voor de savonius rotor. Dit type windmolen bestaat uit twee halve cilinders die een beetje ten opzichte van elkaar zijn verschoven zodat de ene helft meer wind vangt dan de ander. Het verschil in weerstand tussen de holle en bolle zijde drijft de windmolen aan. De savonius rotor is door zijn verticale as volledig onafhankelijk van de windrichting. Hierdoor houden we het mechanisme zo eenvoudig mogelijk. Ook heeft dit type rotor heeft maar één overbrenging nodig om een touwpomp aan te drijven. Het kan soms gebeuren dat geen van beide holle zijden naar de wind toe gedraaid staan waardoor de rotor moeilijk op gang komt. Dit is te verhelpen door een tweede paar cilinders boven het eerste paar te plaatsen, 90˚ t.o.v. elkaar gedraaid. De savonius rotor is een langzaam draaiend type windmolen en omdat het draaien door een verschil in weerstand wordt veroorzaakt, is de savonius rotor niet erg efficiënt vergeleken met andere windturbines. Wel heeft het een heel hoog koppel vanaf stilstand, wat de savonius rotor erg geschikt maakt om een touwpomp aan te drijven. Ook is de savonius rotor goed bestand tegen hoge windsnelheden en windstoten en werkt hij al bij windsnelheden van 2 tot 3 m/s.

58

Andere voordelen zijn dat een savonius rotor betrouwbaar en goedkoop is, en door een hoge tolerantie tegen afwijkingen van de ideale vorm, is de savonius rotor makkelijk te bouwen. De rotorbladen kunnen bijvoorbeeld gemaakt worden van halve olievaten wat zowel zorgt voor lage kosten als voor eenvoudige assemblage. Wij denken dat ondanks een aantal nadelen de savonius rotor toch de meest geschikte windturbine is voor ons doeleinde.

Hoeveel vermogen levert de gekozen windmolen bij een bepaalde windsnelheid?

Bij de gemiddelde windsnelheid in Burkina Faso (ongeveer 3 m/s) levert de savonius rotor dus een vermogen van: ½ x 1,23 x 0,14 x 2,45 x 3³ = 5,69 Joule/s. Omdat de pomp het idealiter ook zou moeten doen hebben we bij hogere windsnelheden ook het vermogen berekend. Bij een windsnelheid van 5 m/s levert de savonius turbine een vermogen van: ½ x 1,23 x 0,14 x 2,45 x 5³ = 26,4 Joule/s Bij een krachtige wind van 10 m/s, bedraagt het vermogen dat de savonius rotor levert: ½ x 1,23 x 0,14 x 2,45 x 10³ = 211 Joule/s. De grote verschillen in vermogen in bovenstaande berekeningen kunnen worden verklaart met de formule. De windsnelheid heeft de grootste invloed op het vermogen dat de savonius rotor levert. Dit komt doordat in de formule de windsnelheid tot de derde macht gaat, waardoor kleine verschillen in windsnelheid een groot verschil in vermogen leveren.

Wat is het toerental van de gekozen windmolen bij de gemiddelde windsnelheid?

Met de gevonden gegevens over de gemiddelde windsnelheid en snellopendheid van de savonius rotor kunnen we ook het aantal omwentelingen per minuut bij een gemiddelde windsnelheid bepalen. Nr = (0,8 x 3)/(2π x 0,49) = 0,8 omwentelingen per seconde. Dit komt neer op 48 rotaties per minuut. Dit toerental is niet erg hoog, hetzelfde blijkt uit onze bronnen. Ook hebben we het toerental getest met het tweede model. Hieruit bleek dat bij een windsnelheid van drie meter per seconde, de rotor 57 omwentelingen per minuut maakt. Dit komt redelijk overeen het theoretische toerental. Het lage toerental is gunstig omdat de rotor bij hoge windsnelheden niet op hol zal slaan.

Wat is het debiet van de touwpomp bij een bepaald vermogen dat geleverd wordt door de windmolen?

We kunnen met het vermogen het debiet van de touwpomp bij een bepaalde windsnelheid berekenen. We hebben het debiet berekend bij een vermogen van 5,69 Joule (vermogen dat de rotor levert bij een windsnelheid van 3 m/s) en een put met een diepte van tien meter (dit is ongeveer de diepte van de put die we kunnen verwachten volgens onze opdrachtgever). Het debiet is 0,058 liter per seconde, wat gelijk staat aan 3,5 liter per minuut.

59

Dit lijkt niet heel veel maar is voldoende aangezien de windmolen de hele dag door kan draaien mits er voldoende wind staat. Als we ervan uitgaan dat de pomp 8 uur draait bij deze windsnelheid, zal de pomp alsnog 1660 liter oppompen. Dit is meer dan genoeg. Ook hebben we het debiet uitgerekend bij een vermogen van 26,37 Joule (vermogen dat de rotor levert bij een windsnelheid van 5 m/s) en een put met een diepte van tien meter. Er wordt bij deze windsnelheid 16 liter water per minuut opgepompt. Bij een windsnelheid van ongeveer 10 m/s levert de rotor een vermogen van 211 Joule/s. Dit betekend dat de touwpomp zo’n 130 liter water per minuut zou oppompen.

Wat is de beste overbrenging van de rotoras naar de as die de touwpomp aandrijft?

Wij kiezen voor de overbrenging van de rotoras (verticaal) naar de touwpomp-as (horizontaal) een handboor omdat we hier het meeste vertrouwen in hebben. Het is zeker dat de handboor niet te zwaar draait zodat de pomp stil komt te liggen, in tegen stelling tot een differentieel. Het mechanisme loopt soepel en de tandwielen zullen niet snel slijten als ze worden beschermt tegen het opstuivende zand. Dit is te realiseren door een kleine behuizing om de boor te maken zodat er geen zand bij de tandwielen van het mechanismen komt. Ook is het hoogstwaarschijnlijk dat handboren lokaal verkrijgbaar zijn in Koupéla. In het geval dat de boor stuk gaat is daardoor het mogelijk snel een nieuwe te vinden en in te bouwen in de constructie. Het grootste nadeel van de handboor is de mogelijkheid dat de belasting te zwaar is. Dit kunnen we van tevoren niet onderzoeken omdat we hiervoor een werkend prototype van de windmolen moeten hebben waarmee we kunnen testen of de handboor sterk genoeg is. Hier hebben wij de middelen niet voor. Al bij al lijkt ons de handboor dus de meest geschikte oplossing. In het geval dat de handboor de belasting niet aan kan is onze tweede keus een differentieel. Een robuuste oplossing die zeker sterk genoeg zal zijn. Het is echter de vraag of het mechanisme niet te zwaar draait.

Hoe kan het opgepompte water het best worden opgeslagen? Het opgepompte water zal gebruikt worden voor irrigatie. Daarom moet het water opgeslagen kunnen worden. We kiezen voor een stenen bassin met afmetingen van 5 x 5 x 2 meter (lengte x breedte x hoogte). Daarmee bedraagt de totale inhoud van het bassin 50 duizend liter. Dit is ruimschoots genoeg en zelfs bij hoge windsnelheden zal het ’s nachts niet overstromen. Het water kan uit het bassin worden gehaald met behulp van een kraantje. Om te voorkomen dat de touwpomp kapot gaat als het bassin helemaal vol zit en de touwpomp nog steeds draait is er een afwatering nodig. We plaatsen hiervoor aan de bovenkant van het bassin een afvoer waar het water uit kan als het waterpeil te hoog wordt.

60

Hoe kan voorkomen worden dat het gewonnen water een broedplek voor muggen wordt?

Omdat het bassin geen broedplaats voor muggen mag worden, hebben we besloten de bovenkant af te dekken met een houten of plastic plaat. Het water kan vervolgens uit het bassin gehaald worden met behulp van een kraantje.

Wat is de beste manier om de windmolen af te remmen bij te hoge windsnelheden of een volle wateropslag?

We concluderen dat het beste automatische remsysteem de waterrem is. Wij twijfelen echter of de voordelen van deze automatische rem opwegen tegen de nadelen. Alle verhoudingen moeten namelijk precies kloppen en wanneer dit niet het geval is, dan werkt de rem niet goed. Daarom denken we dat het beter is om iemand de pomp te laten ‘onderhouden’ en de pomp af te laten remmen door een mens. Dit kan gedaan worden door de savonius rotor af te dekken met lappen, tapijt of ander beschikbaar materiaal zodat de wind er niet meer bij kan.

Hoe houden we de gehele constructie zo goedkoop mogelijk? Door gebruik te maken van zoveel mogelijk lokaal beschikbare materialen, proberen we de kosten zo laag mogelijk te houden. Ook het gebruik van onderdelen die niet oorspronkelijk bedoeld zijn voor dit doeleinde, helpen hier aan mee. Voorbeelden hiervan zijn de halve olievaten van de savonius rotor, de handboor die we gebruiken voor de overbrenging en het aandrijfwiel van de touwpomp die gemaakt wordt van een buitenband van een vrachtwagen. Verder is het moeilijk om de precieze prijs te bepalen aangezien we niet weten hoe duur de onderdelen en materialen lokaal zijn.

In hoeverre kan het geheel gemaakt worden met behulp van lokale materialen en hulpmiddelen?

Zoals er in het antwoord op de bovenstaande deelvraag staat beschreven, is het belangrijk dat er zoveel mogelijk lokaal verkrijgbare materialen, onderdelen en hulpmiddelen gebruikt worden. We hebben daar in ons ontwerp rekening mee gehouden. We hebben in ons ontwerp geen onderdelen verwerkt waarvan we twijfelen of ze in Burkina Faso verkrijgbaar zijn.

Hoe zorgen we ervoor dat de constructie makkelijk te assembleren is? Vele keuzes die we gemaakt hebben contribueren aan het zo simpel mogelijk houden van het ontwerp. Dit zorgt er ook voor dat de assemblage aanzienlijk makkelijker is. Door een savonius rotor te gebruiken is er maar één mechanische overbrenging nodig. Als er was gekozen voor een rotor met een horizontale as zou er een tweede overbrenging nodig zijn geweest en de rotor zou ook in de wind moeten draaien. Dit maakt het mechanisme substantieel ingewikkelder. Dit heeft op zijn beurt weer invloed op de moeilijkheid van het assembleren. Ook is een savonius rotor een van de makkelijkst te bouwen windturbines. Het gebruik van bestaande onderdelen zoals olievaten, een handboor en een vrachtwagenband helpen het model zo simpel mogelijk te houden. Dit komt omdat deze voorwerpen al klaar zijn voor gebruik. Met andere woorden; er hoeven niet speciale onderdelen te worden gemaakt. Ook dit

61

zorgt er voor dat het makkelijk is om de constructie in elkaar te zetten. Als laatste is er ook voor gekozen om een simpele constructie te maken om de rotor en touwpomp. Er zijn mogelijkheden voor constructies die minder materiaal kosten maar deze zijn moeilijker te maken, dus hebben wij gekozen voor een simpele maar effectieve constructie. Nu we alle deelvragen hebben beantwoord, kunnen we een antwoord geven op onze onderzoeksvraag. Dit antwoord is gebaseerd op zowel theoretisch als praktisch onderzoek. Onderzoeksvraag: Wat is de meest ideale constructie voor een door wind aangedreven touwpomp in Koupéla, Burkina Faso? De meest ideale constructie voor een door wind aangedreven touwpomp in Koupéla, Burkina Faso is als volgt: De touwpomp wordt aangedreven door een dubbele savonius rotor, gemaakt van halve 55-gallon olievaten. De twee rotoren staan 90 graden ten opzichte van elkaar gedraaid. Voor de overbrenging tussen de verticale as van de savonius rotor en de horizontale as van de touwpomp, wordt gekozen voor een handboor. Indien de handboor de belasting niet aankan, wordt gekozen voor een differentieel. De overbrenging wordt beschermd tegen zand door een kleine behuizing. Het opgepompte water wordt opgeslagen in een bassin van 50.000 liter met afmetingen van 5 bij 5 bij 2 meter. Deze wordt afgedekt door een houten of plastic plaat. Het water kan uit het bassin worden gehaald met behulp van een kraantje. Het is mogelijk om te savonius rotor af te remmen door aan elke zijde een stuk doek, tapijt of ander beschikbaar materiaal over te constructie te hangen. Het geheel wordt op zijn plek gehouden door een simpele stalen of houten constructie met dwarsverbindingen. De assen worden gelagerd met behulp van motorwielen, die betrouwbare kogellagers bevatten . Op de volgende pagina is een overzicht van het gehele ontwerp te zien. Legenda 1. Twee Savonius rotoren, de bovenste 90 graden gedraaid t.o.v. de onderste 2. Handboor die dient als overbrenging in behuizing 3. Touwpomp 4. Bassin 5. Constructie om het geheel op zijn plek te houden 6. Lagers (een van de plekken waar een as gelagerd moet worden) 7. Doek die dient als rem, in werkelijkheid aan elke zijde

62

63

Bronnenlijst:

- http://www.wot.utwente.nl/publications/ropepump/ropepump-intro.html - http://en.wikipedia.org/wiki/Rope_pump - http://nl.wikipedia.org/wiki/Touwpomp - http://www.ropepumps.org/ - ‘Optimization of a Savonius Rotor Vertical-Axes Wind Turbine for Use in Water Pumping Systems in Rural Honduras’ door Aron Zingman – Massachusetts institute of technology - http://users.telenet.be/laboee/Projecten/Savoniuswindturbine.pdf - http://nl.wikipedia.org/wiki/Savonius-windturbine - http://energy.saving.nu/wind/winddesignprimer.shtml - ‘Ontwerp van een windmolen’ door Jonas Mylemans, Proefschrift tot het behalen van graad van Industrieel Ingenieur in de Elektromechanica - http://www.victordanilochkin.org/research/turbine/papers/HAWT%20versus.pdf - http://nl.wikipedia.org/wiki/Windmotor - http://nl.wikipedia.org/wiki/Savonius-windturbine - http://en.wikipedia.org/wiki/Savonius_wind_turbine - http://nl.wikipedia.org/wiki/Magnuseffect - http://www.ecolo.org/documents/documents_in_english/WindmillFormula.htm - http://nl.wikipedia.org/wiki/Tandwiel - http://nl.wikipedia.org/wiki/Differentieel_(werktuigbouwkunde) - http://nl.wikipedia.org/wiki/Handboor - http://www.kobo.nl/Tandwielen_heugels/PV.html - http://www.kobo.nl/Tandwielen_heugels/FK.html - http://www.weatherreports.com/Burkina_Faso/Markoye - http://www.burkina-faso.climatetemp.info/ -http://www.myweather2.com/activity/climate-profile.aspx?lat=12.18&lon=- 0.36&rt=latlon&ow=&id=63990 - http://www.wolframalpha.com/input/?i=average+wind+burkina+faso - http://www.aviador.es/Weather/Wind/DFFD-2 - onze opdrachtgever, Huib Povel