TỔNG QUAN VỀ WINDBELT
Giới thiệu chung
Windbelt là một thiết bị thu nhận và biền đổi năng lượng gió thành năng lượng điện, được phát minh bởi Shawn Frayne vào năm 2004 [1]
Cấu tạo của Windbelt bao gồm 1 dây mảnh, nam châm, cuộn dây đồng, khung giá để gắn các thành phần (Hình 2).
Nguyên lý hoạt động của Windbelt dựa trên hai hiện tượng chính:
- Hiện tượng flutter trong khí động đàn hồi.
- Hiện tượng cảm ứng điện từ.
Dây mảnh ngàm hai đầu dao động tự kích trong dòng khí với vận tốc nhất định, khi nam châm gắn trên dây dao động đặt cạnh cuộn dây điện sẽ tạo ra hiện tượng cảm ứng điện từ, từ đó sinh ra dòng điện.
Hình 3: Nguyên lý hoạt động của máy phát điện dựa trên hiện tượng flutter và hiện tượng cảm ứng điện từ
Khi sợi dây được đặt ngang với dòng khí, nó không dao động Tuy nhiên, một tác động làm thay đổi phương của sợi dây sẽ tăng lực tác động của dòng khí, dẫn đến biến dạng và phương chênh lệch của sợi dây Khi dây di chuyển đến vị trí biên độ cực đại, lực và phương chênh lệch giảm dần, trong khi lực đàn hồi kéo sợi dây về vị trí ban đầu Quá trình này lặp lại liên tục, khiến sợi dây dao động.
Khi nam châm đặt lên cuộn dây, nam châm sẽ có 2 dạng dao động chính: dao động biên (Hình 4) và dao động góc (Hình 5).
Dao động biên là dạng dao động lên xuống: nam châm dao động theo trục thẳng đứng
Hình 4: Dạng dao động biên
Dao động xoay hay dao động góc: nam châm xoay quanh trục ngang.
Hình 5: Dạng dao động góc
Nam châm trong Windbelt sẽ có các kiểu dao động khác nhau tùy thuộc vào đặc tính đàn hồi của dây mảnh, bao gồm độ cứng chống uốn và độ cứng chống xoắn Thông thường, kiểu dao động này là sự kết hợp giữa dao động biên và dao động góc.
Hình 6: Dạng dao động chính của nam châm trong Windbelt: Kết hợp giữa dao động biên và dao động góc
Dạng dao động, tần số và biên độ dao động của nam châm gắn trên dây mảnh ảnh hưởng trực tiếp đến công suất đầu ra của máy phát điện Những thông số này phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm lực căng của dây mảnh, vị trí đặt nam châm và góc tấn.
Một số kết quả nghiên cứu thực nghiệm
1.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến công suất và hiệu quả làm việc
Hình 7: Sơ đồ mô hình thực nghiệm
Trong nghiên cứu về ứng dụng nguyên lý hiện tượng Flutter để chế tạo mô hình máy phát điện siêu nhỏ, một số thực nghiệm đã được thực hiện nhằm khảo sát ảnh hưởng của các thông số đến hiệu suất hoạt động của thiết bị.
1.2.1.1 Ảnh hưởng của lực căng dây
Tiến hành thí nghiệm với điều kiện biên như bảng 1, để khảo sát ảnh hưởng của lực căng dây tới dạng dao động và dòng điện và điện áp
Số cặp nam châm 1 Góc đặt dây 0 độ
Tốc độ gió 7 m/s Vị trí nam châm Đặt giữa
Phương căng dây Ngang Lực căng dây Thay đổi
Bảng 1: Điều kiện biên thí nghiệm xét ảnh hưởng của lực căng dây tới dạng dao động, dòng điện và điện áp
Kết quả thu được như đồ thị hình 8:
Hình 8: Đồ thị điện áp và cường độ dòng điện phụ thuộc vào lực căng dây
Tiến hành thí nghiệm theo điều kiện biên như trong bảng 2 nhằm khảo sát vận tốc gió tối thiểu cần thiết để xuất hiện dao động (tốc độ tới hạn) và vận tốc gió tối thiểu cần thiết để duy trì dao động (tốc độ duy trì).
Số cặp nam châm 1 Góc đặt dây 0 độ
Tốc độ gió Thay đổi Vị trí nam châm Đặt giữa
Phương căng dây ngang Lực căng dây Thay đổi
Bảng 2: Điều kiện biên trường hợp ảnh hưởng lực căng dây tới vận tốc gió xuất hiện và vận tốc gió duy trì dao động
Kết quả thu được như đồ thị hình 9:
Hình 9: Đồ thị vận tốc gió tới hạn và duy trì phụ thuộc vào lực căng dây
Lực căng dây đóng vai trò quan trọng trong việc xác định dạng dao động của dây Nó không chỉ ảnh hưởng đến vận tốc gió tối thiểu cần thiết để khởi phát dao động mà còn quyết định vận tốc tối thiểu để duy trì dao động một cách ổn định.
- Lực căng càng lớn thì nam châm càng có xu hướng dao động góc.
Dao động góc mang lại hiệu quả cao hơn so với dao động biên Tuy nhiên, khi lực căng dây vượt mức cho phép, biên độ dao động góc sẽ giảm, dẫn đến hiệu suất của máy phát cũng giảm theo.
- Dây càng căng thì tốc độ tối thiểu để máy phát hoạt động càng tăng.
1.2.1.2 Ảnh hưởng của góc tấn
Thí nghiệm được thực hiện nhằm khảo sát tác động của góc tấn đến tốc độ tới hạn và tốc độ duy trì của máy phát Việc điều chỉnh góc tấn khác 0 được xem như là việc cung cấp một kích thích dao động ban đầu cho sợi dây Các điều kiện biên của thí nghiệm được trình bày trong bảng 3.
Số cặp nam châm 1 Góc đặt dây Thay đổi
Tốc độ gió Thay đổi Vị trí nam châm Đặt giữa
Phương căng dây Ngang Lực căng dây 10N
Bảng 3: Điều kiện biên của thí nghiệm xét ảnh hưởng của góc tấn tới tốc độ duy trì và tốc độ tới hạn
Kết quả thu được như đồ thị hình 10:
Tốc độ tới hạn Tốc độ duy trì
Đồ thị vận tốc gió tới hạn và duy trì có mối liên hệ chặt chẽ với góc tấn Để đánh giá ảnh hưởng của góc tấn đến điện áp ra, một thí nghiệm đã được thực hiện theo các điều kiện biên được nêu trong bảng 4.
Số cặp nam châm 1 Góc đặt dây Thay đổi
Tốc độ gió 7m/s Vị trí nam châm Đặt giữa
Phương căng dây Ngang Lực căng dây 10N
Bảng 4: Điều kiện thí nghiệm xét ảnh hưởng của góc tấn tới điện áp
Kết quả thu được như đồ thị hình 11:
Hình 11: Đồ thị điện áp ra phụ thuộc vào góc tấn
- Góc tấn càng lớn thì tốc độ gió hoạt động tối thiểu càng giảm Góc tấn quá lớn máy không làm việc hiệu quả.
- Góc tấn khác không cho hiệu quả làm việc tốt hơn.
1.2.1.3 Ảnh hưởng của phương đặt thiết bị
Khi máy phát được đặt nằm ngang, trọng lượng của nam châm sẽ vuông góc với sợi dây, trong khi khi đặt đứng, trọng lượng sẽ dọc theo sợi dây Để khảo sát ảnh hưởng của phương vị đặt máy phát đến hiệu quả hoạt động, một thí nghiệm đã được thực hiện theo các điều kiện biên như được trình bày trong bảng 5.
Số cặp nam châm 1 Góc đặt dây Thay đổi
Tốc độ gió Thay đổi Vị trí nam châm Đặt giữa
Phương căng dây Ngang/dọc Lực căng dây 10N
Bảng 5: Điều kiện thí nghiệm xét ảnh hưởng của phương đặt thiết bị
Kết quả thu được như đồ thị hình 12:
Tốc độ gió (m/s) Điện áp (V)
Hình 12: Đồ thị điện áp trong hai trường hợp máy phát đặt ngang và dọc
Kết luận: Phương đặt máy phát không ảnh hưởng nhiều đến hoạt động của thiết bị.
1.2.1.4 Ảnh hưởng của vị trí đặt nam châm Để xem xét ảnh hưởng của vị trí đặt nam châm đến hoạt động của thiết bị, tiến hành thí nghiệm với điều kiện như bảng 6:
Số cặp nam châm 1 Góc đặt dây Không đổi
Tốc độ gió Thay đổi Vị trí nam châm 10%, 30%, 50%
Phương căng dây Ngang Lực căng dây 10N
Bảng 6: Điều kiện thí nghiệm xét ảnh hưởng của vị trí đặt nam châm
Kết quả thu được như đồ thị hình 13:
Tốc độ gió (m/s) Điện áp (V)
Hình 13: Đồ thị điện áp theo vận tốc gió với ba vị trí đặt nam châm khác nhau: 10%; 30% và
Kết luận: Nam châm đặt càng gần giữa thì tốc độ tới hạn và hiệu quả làm việc càng tốt
1.2.1.5 Ảnh hưởng của kích thước nam châm Để xem xet ảnh hưởng của kích thước nam châm, thí nghiệm đã được tiến hành lần lượt với các nam châm có kích thước nhỏ, vừa và lớn, tương ứng là 8mm, 10mm và 20mm ở các tốc độ gió khác nhau.
Kết quả thu được như đồ thị hình 14:
Tốc độ gió (m/s) Điện áp (V)
Hình 14: Đồ thị điện áp phụ thuộc vào tốc độ gió với ba loại nam châm khác nhau
Kết luận: Nam châm có kích thước lớn cho hiệu quả làm việc tốt hơn hẳn so với kích thước nhỏ.
1.2.2 Các mô hình đã được thử nghiệm
Cũng trong [2], hai mô hình máy phát đã được chế tạo và thử nghiệm và cho những kết quả như sau:
1.2.2.1 Máy phát công suất nhỏ Windbelt
Hình 15: Máy phát thực tế đã được chế tạo
- Sử dụng 1 cặp nam châm lớn đường kính 2cm đặt chính giữa
- Sử dụng dây vải dù rộng 1cm, dài 35cm Dây căng.
- Chỉ sử dụng 1 cuộn dây 2500 vòng để kết cấu đơn giản.
- Máy phát đặt nằm ngang hoặc dọc.
- Góc tấn ban đầu bằng 0
- Sử dụng ống nhôm vuông có sẵn làm khung, đảm bảo độ bền và khối lượng nhẹ
- Thiết bị hoạt động tốt ở điều kiện gió thông thường, có thể vận hành một số thiết bị điện tử nhỏ.
- Ở điều kiện gió khoảng 5 - 6 m/s, thu được điện áp khoảng 2,5V, công suất khoảng 2mW.
1.2.2.2 Máy phát kết hợp nhiều Windbelt
Hình 16: Máy phát dạng ghép nhiều tấm sau khi đã được chế tạo, lắp ghép hoàn chỉnh.
Kết hợp nhiều Windbelt mắc song song, khi đó, mỗi windbelt sẽ coi như một đơn vị phát điện.
- Thiết bị hoạt động tốt ở điều kiện gió thông thường,cho công suất và điện áp lớn hơn khi chỉ sử dụng 1 Windbelt.
- Khi kết hợp 5 Windbelt, điện áp thu được lên đến khoảng 10V, công suất có thể đạt 400mW ở tốc độ gió 12m/s.
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐO PHỤC VỤ KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG WINDBELT
Mục đích và chức năng
Mục đích của việc thiết kế và chế tạo mạch đo là nhằm thu thập dữ liệu hoạt động của Windbelt Đầu tiên, mạch sẽ được thử nghiệm trong ống khí động, sau đó sẽ phục vụ cho việc khảo sát trong điều kiện gió thực.
Mạch đo của Windbelt có nhiệm vụ xác định điện áp và cường độ dòng điện cung cấp cho tải, từ đó cho phép tính toán công suất của Windbelt Thông qua các số liệu thu được, có thể xây dựng phương án làm mạch nạp để lưu trữ năng lượng điện sinh ra vào pin.
Nguyên lý mạch đo
Để đảm bảo những yêu cầu nêu trên, nguyên lý mạch đo được thiết kế như hình 17
Hình 17 :Sơ đồ nguyên lý mạch đo
Tín hiệu đầu vào được kết nối đến vi điều khiển dưới dạng điện áp tương tự, áp dụng cho cả đo điện áp và cường độ dòng điện Do vi điều khiển không thể trực tiếp hiểu cường độ dòng điện, tín hiệu này cần được chuyển đổi thành điện áp thông qua một mô-đun cảm biến dòng.
Khối vi điều khiển nhận tín hiệu từ khối Input dưới dạng điện áp tương tự và chuyển đổi chúng thành tín hiệu số thông qua bộ chuyển đổi ADC Sau đó, tín hiệu số này được gửi đến khối Output để hiển thị trên máy tính.
- Khối Output: Nhận tín hiệu số từ vi điều khiển và hiển thị lên máy tính qua cổngUSB.
- Khối nguồn: Có chức năng cấp nguồn điện áp 1 chiều cho vi điều khiển, môđun cảm biến dòng và các linh kiện liên quan của mạch.
Thiết kế, chế tạo mạch đo
Thiết kế mạch sử dụng phần mềm Altium Designer, với mạch nguyên lý như hình 17, mạch in thu được như hình 18.
Hình 18: Mạch in được thiết kế băng phần mềm Altium Designer
Các thành phần của mạch:
- Vi điều khiển: Atmega 8 (hình 19) và chân đế
- Mô đun cảm biến dòng: ACS712 5A (hình 20)
- Bộ nguồn: 1 jac DC, 1 ổn áp LM7805, 2 tụ hóa 2200 /16V
- Bản đồng gắn linh kiệnMạch đo sau khi lắp ráp hoàn chỉnh thu được như hình
Hình 19: Mạch đo điệp áp và cường độ dòng điện
Hoàn thiện mạch đo
Mạch đo chế tạo có một số hạn chế như:
- Nguồn dùng trực tiếp điện dân dụng thông qua một Adapter 5V, gây hạn chế về không gian, vị trí thực nghiệm.
- Kết nối trực tiếp với máy tính thông qua dây USB với giao thức UART, cũng gây hạn chế về vị trí thực nghiệm và công sức thực nghiệm.
- Dữ liệu chỉ có thể lấy trực tiếp, chưa có phương án lưu trữ, gây khó khăn trong việc thu thập và xử lý dữ liệu.
Yêu cầu thiết kế và lắp ráp mạch đo cần đảm bảo chức năng đo điện áp, dòng điện và công suất, đồng thời bổ sung các tính năng mới.
- Sử dụng nguồn pin rời, có khả năng cơ động không phụ thuộc vị trí có nguồn điện.
- Lưu dữ liệu vào thẻ nhớ, phục vụ thu thập dữ liệu trong thời gian dài, không mất công sức chờ lấy dữ liệu trực tiếp.
- Kết nối không dây lên máy tính, phục vụ kiểm tra trạng thái hoạt động từ xa, thuận tiện cho việc thu thập và xử lý dữ liệu.
2.4.1 Lắp ráp hoàn thiện mạch đo 2.4.1.1 Thành phần mạch
Mạch đo mới dựa trên các tính năng mạch đã chế tạo, ngoài ra có thêm các chức năng mới nên các chi tiết bộ phận có như sau:
- Nguồn pin: sử dụng 3 pin A-A, cấp nguồn 5V
Hình 20: Nguồn pin cho mạch đo
- Module vi xử lý: Sử dụng chip vi xử lý PIC
Hình 21: Module vi xử lý PIC
- Module cảm biến dòng ACS 712-5A Chức năng: đo dòng điện dựa trên hiệu ứng Hall, cảm biến điện áp Độ nhạy: 63 – 190mV/A
Hình 22: Module cảm biến dòng ACS712 – 5A
- Module đọc thẻ nhớ MicroSD/TF
Hỗ trợ thẻ nhớ
