Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số đến công suất của mô hình máy phát điện windbelt

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SỸ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THAM SỐ ĐẾN CƠNG SUẤT CỦA MƠ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN WINDBELT LƯU THÀNH TRUNG trung.lt212418m@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực Giảng viên hướng dẫn: TS Lê Thị Tuyết Nhung Trường: Khoa: Cơ Khí Cơ khí Động lực Chữ ký GVHD HÀ NỘI, 10/2022 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Lưu Thành Trung Đề tài luận văn: Nghiên cứu ảnh hưởng tham số đến cơng suất mơ hình máy phát điện Windbelt Chuyên ngành: Kỹ thuật Hàng không Mã số HV: 20212418M Tác giả, người hướng dẫn khoa học hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp hội đồng ngày 2/11/2022 với nội dung sau: - Sửa lại mẫu báo cáo theo form luận văn thạc sỹ - Sửa lại lỗi tả - Đồ thị thêm thích chỉnh lại form ( Hình: 2.1, 2.11, 3.33, 3.34, 3.35, 3.47, 3.48, 3.49, 3.50, 3.51, 3.52, 3.53) - Hình ảnh sửa lại tên theo yêu cầu giáo viên phản biện (hình: 4.11) - Tài liệu tham khảo trình bày theo mẫu - Bảng biểu trình bày lại ( Bảng: 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6) - Thống thuật ngữ “màng belt” Ngày Giáo viên hướng dẫn tháng năm Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Thông tin học viên: Họ tên học viên: Lưu Thành Trung MSHV: 20212418M Điện thoại: +84.989.665.633 Email: luuthanhtrung98hd@gmail.com Lớp: CLC2021B Hệ đào tạo: Chính quy Luận văn thực tại: Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Ngày giao nhiệm vụ: 01/11/2021 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 30/08/2022 Mục đích nội dung luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu ảnh hưởng vật liệu màng belt, kích thước màng belt đến biên độ dao động điều kiện gió định Việc xác định biên độ dao động áp dụng cho việc tính tốn lý điện áp lí thuyết mơ hình windbelt Kết mô so sánh với kết thực nghiệm Tìm hiểu phương pháp mơ Các nhiệm vụ cụ thể luận văn thạc sĩ: Nội dung nghiên cứu luận văn bao gồm phần sau: • Nội dung 1: Tổng quan mơ hình windbelt • Nội dung 2: Tính tốn lí thuyết cơng suất windbelt • Nội dung 3: Tính tốn biên độ dao động windbelt phương pháp mô FSI Hà Nội, ngày … tháng năm 2022 Giáo viên hướng dẫn i Lời cảm ơn Lời em xin gửi lời tri ân biết ơn đến TS Lê Thị Tuyết Nhung, người hướng dẫn khoa học tận tình bảo, động viên, khích lệ em suốt q trình nghiên cứu, thực đề tài có lời khuyên, dẫn hữu ích phương pháp nghiên cứu, hồn thiện luận văn giữ vững tâm lý suốt hành trình khó khăn thử thách vừa qua Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô Khoa Cơ khí động lực, Trường Cơ Khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đồng hành em từ ngày đầu học tập trường tạo điều kiện giúp đỡ em trình học tập, nghiên cứu Xin cảm ơn người thân bạn bè bên em suốt thời gian học tập nghiên cứu để hoàn thành Luận văn Thạc Sĩ Cảm ơn bạn lớp KSCLC-CKHK-K61, cảm ơn bạn lớp cao học CLC2021B đồng hành em suốt ngày tháng thực nghiên cứu Do kiến thức hạn hẹp với điều kiện vật chất cịn nhiều hạn chế, nên đề tài khơng tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận nhận xét đóng góp từ thầy Một lần xin trân trọng cảm ơn! Lưu Thành Trung Tóm tắt nội dung luận văn Năng lượng gió động khơng khí di chuyển bầu khí Trái Đất người tận dụng từ hàng trăm năm Trước đây, người biết tận dụng lượng gió để di chuyển thuyền buồm hay khinh khí cầu sử dụng cối xay gió để sinh cơng học để bơm nước xay bột Ngày nay, với phát triển khoa học công nghệ, người chế tạo tua bin gió để sản xuất điện quy mơ lớn Tuy nhiên, chi phí chế tạo, lắp đặt trì lớn Vì thế, nhà khoa học có ý tưởng mơ hình máy phát điện-gió cơng suất nhỏ, chi phí thấp đáp ứng số thiết bị điện với tải nhỏ cảm biến, thiết bị phát wifi, đèn hồng ngoại… Và mơ hình windbelt hoạt động dựa tượng khí động đàn hồi cảm ứng từ để tạo dịng điện cơng suất nhỏ đời Đây đề tài tiềm phát triển nghiên cứu nhiều năm gần nhằm cải thiện hiệu suất đầu mơ hình Để tiếp tục phát triển định hướng này, tác giả tiếp nhận đề tài: “ Nghiên cứu ảnh hưởng tham số đến công suất mơ hình máy phát điện Windbelt” Trong khn khổ luận văn thạc sỹ, nội dung trình bày bao gồm nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng thiết kế mô hình (kích thước màng belt, nam châm) đến điện áp cơng suất đầu Ngồi ra, tác giả thực mô khảo sát ảnh hưởng biên độ dao động màng belt đến kết đầu windbelt Qua trình nghiên cứu, số liệu chiều dài màng belt kích thước nam châm tỷ lệ thuận với biên độ dao động, điện áp, cơng suất đầu mơ hình Ngược lại, hiệu suất Windbelt giảm ta tăng chiều dày, chiều rộng màng belt Qua đó, tác giả xây dựng mơ hình máy phát điện tối ưu hiệu việc thay đổi thiết kế mơ hình cho phù hợp tương lai Học viên Lưu Thành Trung iii MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ, BIỂU ĐỒ vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ix CHƯƠNG GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề nghiên cứu: Bối cảnh giới Bối cảnh Việt Nam 1.2 Tổng quan nghiên cứu nước 1.3 Mục tiêu nghiên cứu CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ WINDBELT 2.1 Giới thiệu chung 2.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 2.3 Cơ sở lí thuyết Cơ sở lí thuyết mặt khí động Cơ sở lí thuyết mặt điện từ 2.4 Một số kết nghiên cứu thực nghiệm trước 10 Windbelt Các yếu tố ảnh hưởng đến công suất hiệu suất hoạt động 10 Các mơ hình thử nghiệm 16 Kết luận 17 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CÁC THAM SỐ THIẾT KẾ ĐẾN CÔNG SUẤT CỦA MƠ HÌNH WINDBELT 19 3.1 Xây dựng thiết kế mơ hình thực nghiệm Windbelt 19 Tổng quan mơ hình 19 Mơ hình Windbelt 20 Thiết bị chỉnh lưu 23 Thiết bị đo 26 Giá trị tham số phương pháp đo 29 3.2 Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng tham số thiết cơng suất mơ hình windbelt 35 Đối tượng mục tiêu 35 Chuẩn bị mơ hình thực nghiệm 36 3.3 Kết nhận xét 37 Ảnh hưởng chiều dài màng belt 37 iv Ảnh hưởng chiều rộng màng belt 39 Ảnh hưởng kích thước nam châm 41 Ảnh hưởng biên độ dao động màng belt 43 CHƯƠNG KHẢO SÁT BIÊN ĐỘ MÀNG BELT CỦA MƠ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN THÔNG QUA MÔ PHỎNG SỐ 53 4.1 Đối tượng mục tiêu 53 4.2 Phương pháp số 53 Tổng quan toán FSI chiều 53 Xây dựng mơ hình tính tốn 54 Thiết lập mô số 56 4.3 Kết nhận xét 60 Ảnh hưởng chiều dài đến biên độ dao động màng belt 60 Ảnh hưởng chiều dày đến biên độ dao động màng belt 62 KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN 63 DANH MỤC THAM KHẢO 65 v DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ, BIỂU ĐỒ Hình 1.1 Tiềm mật độ lượng gió Việt Nam Hình 2.1 Các loại windbelt nghiên cứu [13] Hình 2.2 Cấu tạo Windbelt Hình 2.3 Nguyên lý hoạt động máy phát điện dựa tượng flutter tượng cảm ứng điện từ Hình 2.4 Dạng dao động biên Hình 2.5 Dạng dao động góc Hình 2.6 Dạng dao động nam châm Windbelt: kết hợp dao động biên dao động góc Hình 2.7 Minh họa diện tích quét Windbelt Hình 2.8 Sơ đồ mơ hình thực nghiệm [19] 10 Hình 2.9 Đồ thị điện áp cường độ dòng điện phụ thuộc vào lực căng màng belt 11 Hình 2.10 Đồ thị vận tốc gió tới hạn trì phụ thuộc vào lực căng màng belt 12 Hình 2.11 Đồ thị vận tốc gió tới hạn trì phụ thuộc vào góc 13 Hình 2.12 Đồ thị điện áp phụ thuộc vào góc 13 Hình 2.13 Đồ thị điện áp hai trường hợp máy phát đặt ngang dọc 14 Hình 2.14 Đồ thị điện áp theo vận tốc gió với ba vị trí đặt nam châm khác nhau: 10%; 30% 50% chiều dài màng belt 15 Hình 2.15 Đồ thị điện áp phụ thuộc vào tốc độ gió với ba loại nam châm khác 16 Hình 2.16 Máy phát thực tế chế tạo [18] 16 Hình 2.17 Máy phát dạng ghép nhiều sau chế tạo, lắp ghép hoàn chỉnh 17 Hình 3.1 Bố trí mơ hình Windbelt thiết bị thực nghiệm 19 Hình 3.2 Mơ hình 3D Windbelt 20 Hình 3.3 Phần đế Windbelt 20 Hình 3.4 Thanh ngàm belt 21 Hình 3.5 Thanh trượt (trái) bệ đỡ cuộng đồng (phải) 21 Hình 3.6 Vải ripstop với kích thước khác 22 Hình 3.7 Nam châm N35 22 Hình 3.8 Cuộn dây đồng 23 Hình 3.9 Mơ hình thực nghiệm Windbelt 23 Hình 3.10 Diode cầu 24 Hình 3.11 Tụ hóa 24 Hình 3.12 sơ đồ mạch chỉnh lưu 25 vi Hình 3.13 Mạch chỉnh lưu kết hợp tụ hóa 25 Hình 3.14 Bộ chuyển đổi liệu Agilent 26 Hình 3.15 Arduino UNO R3 26 Hình 3.16 Ảnh minh họa chương trình nạp vào arduino 27 Hình 3.17 Code hỗ trợ xuất kết thành file txt 27 Hình 3.18 Máy đo vận tốc gió UNI-UT363 28 Hình 3.19 Sơ đồ kết nối camera máy tính thơng qua chuyển đổi 28 Hình 3.20 Ống khí động AF6116 phịng thí nghiệm nhà T-208 Đại học Bách Khoa Hà Nội 30 Hình 3.21 Các vị trí đo vận tốc gió dọc theo chiều dài màng belt 31 Hình 3.22 Đồ thị phân bố vận tốc gió dọc theo vị trí dọc màng belt 31 Hình 3.23 Đồ thị thể vận tốc gió phụ thuộc vào tần số quạt 32 Hình 3.24 Bố trí thí nghiệm quay biên độ dao động camera tốc độ cao 33 Hình 3.25 Set scale kích thước theo vật mẫu 33 Hình 3.26 lần set scale để thử nghiệm đo đường kính nam châm 34 Hình 3.27 Bảng kết thể thơng số tọa độ tâm nam châm 34 Hình 3.28 Bố trí thí nghiệm đo điện áp công suất 35 Hình 3.29 Mơ hình thực nghiệm q trình lấy kết 36 Hình 3.30 Đồ thị điện áp không tải phụ thuộc vào chiều dài màng belt 37 Hình 3.31 Đồ thị điện áp công suất (tải 1kΩ) 38 Hình 3.32 Đồ thị điện áp không tải ảnh hưởng chiều rộng màng belt (L = 620mm) 39 Hình 3.33 Ảnh hưởng kích thước belt đến điện áp đầu (khơng tải) 40 Hình 3.34 Đồ thị ảnh hưởng chiều rộng màng belt đến điện áp tải kΩ 40 Hình 3.35 Đồ thị ảnh hưởng chiều rộng màng belt đến công suất (tải 1kΩ) 41 Hình 3.36 Đồ thị ảnh hưởng chiều dày nam châm đến điện áp không tải đầu 42 Hình 3.37 Đồ thị ảnh hưởng chiều dày nam châm đến điện áp tải 1kΩ 42 Hình 3.38 Đồ thị ảnh hưởng chiều dày nam châm đến công suất 43 Hình 3.39 Kết biên độ tần số quạt 14Hz 44 Hình 3.40 Kết biên độ tần số quạt 16Hz 44 Hình 3.41 Kết biên độ tần số quạt 18Hz 45 Hình 3.42 Kết biên độ tần số quạt 20Hz 45 Hình 3.43 Kết biên độ tần số quạt 22Hz 45 Hình 3.44 Kết biên độ tần số quạt 24Hz 46 Hình 3.45 Kết biên độ tần số quạt 26Hz 46 Hình 3.46 Kết biên độ tần số quạt 28Hz 46 vii Hình 3.47 Đồ thị biên độ dao động chiều dài màng belt 620mm tần số quạt 47 Hình 3.48 Đồ thị biên độ dao động chiều dài màng belt 620mm phụ thuộc vào vận tốc gió 47 Hình 3.49 Đồ thị biên độ- tần số chiều dài màng belt khác 48 Hình 3.50 Đồ thị điện áp không tải 49 Hình 3.51 Đồ thị điện áp có tải 1k Ω 49 Hình 3.52 Đồ thị cơng suất thay đổi tần số quạt 50 Hình 3.53 Chu kỳ dao động windbelt 52 Hình 4.1 Sơ đồ toán FSI chiều 54 Hình 4.2 FSI chiều 54 Hình 4.3 Mơ hình màng PET nam châm 55 Hình 4.4 Mơ hình miền bao khí động 56 Hình 4.5 Chia lưới màng PET 56 Hình 4.6 Chia lưới miền khí động 57 Hình 4.7 Điều kiện biên màng PET 58 Hình 4.8 Điều kiện biên Inlet, Outlet Wall 58 Hình 4.9 Thiết lập thời gian bước nhảy thời gian kết thúc 59 Hình 4.10 Dữ liệu trao đổi 59 Hình 4.11 Sự hội tụ 60 Hình 4.12 Đồ thị ảnh hưởng chiều dài màng belt đến biên độ dao động 61 Hình 4.13 Kết biên độ dao động thực nghiệm mô 61 Hình 4.14 Đồ thị ảnh hưởng độ dày đến biên độ dao động màng belt 62 viii Tần số dao động (Hz) 16 14 12 10 12 14 16 18 20 22 Tần số quạt (Hz) 24 26 28 Hình 3.53 Chu kỳ dao động windbelt Hình 3.53 thể tần số giao động màng belt trường hợp tần số quạt chiều dài màng belt Nhìn chung, ta thấy tần số dao động màng belt không thay đổi ta tăng tần số quạt vận tốc gió Bên cạnh đó, tần số dao động màng belt tăng ta giảm chiều dài màng belt Tại chiều dài màng belt 540, tần số dao động lớn với giá trị khoảng 14 Hz Bàn luận: Ta thấy, chiều dài màng belt lớn lại cho tần số dao động nhỏ Liên kết với kết phần khảo sát biên độ dao động, ta thấy biên độ dao động lớn tần số dao động giảm nhiên kết đầu windbelt lại tốt Do đó, biên độ dao động tác động phần lớn vào kết điện áp công suất tạo windbelt 52 CHƯƠNG KHẢO SÁT BIÊN ĐỘ MÀNG BELT CỦA MƠ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN THƠNG QUA MÔ PHỎNG SỐ 4.1 Đối tượng mục tiêu Trong phần thực nghiệm trình bày chương ảnh hưởng kích thước màng belt đến biên độ dao động bao gồm chiều dài chiều rộng Theo phương trình (4) (6), chiều dày màng belt ảnh hưởng đến điện áp đầu windbelt Tuy nhiên, để thực nghiệm với trường hợp chiều dày bất khả thi chiều dày vải nhỏ, thị trường không đáp ứng sản phẩm để chế tạo Do vậy, phương pháp mô cách tối ưu việc khảo sát ảnh hưởng chiều dày đến đầu windbelt Cụ thể chiều dày màng belt thay đổi từ 0.2 đến 1mm dải vận tốc định để khảo sát biến đổi dao động màng Từ đưa đánh giá so sánh ảnh hưởng đến đầu mơ hình windbelt 4.2 Phương pháp số Tổng quan toán FSI chiều Bài toán FSI kết hợp tốn khí động lực học (CFD) động học kết cấu (CSD) Khi xây dựng phương trình khí động kết cấu, việc giải hệ phương trình thực phần mềm tính tốn chun dụng Một số kể đến ANSYS Workbench Mơ hình FSI chiều kết hợp liên tiếp Fluent Mechanic Structure Kết chuyển từ Fluent sang Mechanic Structure ngược lại cách liên tục suốt q trình tính tốn Đối với tốn tương tác chiều lặp lại lời giải thực giải chất lỏng kết cấu bước thời gian tính tốn Như q trình giải toán việc thực giải theo bước thời gian bước thời gian có việc giải riêng rẽ tốn khí động (Fluent) kết cấu (Structural) Kết giải tốn trao đổi với thơng qua vùng tương tác kết cấu – chất lỏng kết trở thành điều kiện giải cho toán bước thời gian Cụ thể thơng số khí động tính tốn dựa Fluent, thông số truyền qua bề mặt tương tác (mặt tiếp xúc môi trường kết cấu – chất lỏng) đưa vào để tính tốn đáp ứng kết cấu (biến dạng, chuyển vị) chịu lực khí động bước thời gian T Sự thay đổi, biến dạng kết cấu bước thời gian làm thay đổi lưới tương tác chất lỏng, kết cấu lưới chất lỏng Sự thay đổi truyền ngược lại để tiếp tục tính tốn thơng số khí động với bước thời gian T + Δt Chu trình tiếp tục hết thời gian nghiên cứu Mơ hình tương tác chiều biểu diễn Hình 4.1 4.2 53 Hình 4.1 Sơ đồ tốn FSI chiều Hình 4.2 FSI chiều Xây dựng mơ hình tính tốn 4.2.2.1 Belt Dựa vào tài liệu [26] mơ hình mơ màng polyethylene terephthalate (PET) có kích thước chiều rộng 25mm Chiều dài chiều dày thay đổi: 420, 440, 460, 480, 500, 520, 540, 560, 580,600, 620mm Để khảo sát nghiên cứu sâu hơn, chiều dày màng belt thay đổi: 0.2; 0.25; 0.3; 0.35; 0.4; 0.45; 0.5; 0.55; 0.6; 0.65; 0.7; 0.75; 0.8; 0.85; 0.9; 0.95; 1mm để đánh giá ảnh hưởng đến biên độ dao động màng belt Trường hợp ban đầu ta xét mơ hình màng PET có kích thước 620x25x0.25 (mm) Để mô tác động nam châm lên màng belt trọng lượng nó, nam châm mơ hình hóa phân bố diện tích hình trịn nằm màng PET với đường kính đường kính nam châm 20mm Nam châm 20x2 mm dược sử dụng với vật liệu N35 theo thông số nhà sản xuất có khối lượng riêng 7500 kg/m3 [26], ta tính khối lượng nam châm 0.01 kg 54 Vật liệu màng có thơng số bảng 4.1: Bảng 4.1 Thông số vật liệu màng PET Thông số Khối lượng riêng (𝑘𝑘𝑘𝑘/𝑚𝑚3 ) Mô đun đàn hồi (Gpa) Hệ số Poisson Màng PET 1400 2.4 0.36 Vì mơ hình đơn giản, ta thiết kế mơ hình module Design Modeler Ansys Với mơ hình phức tạp thường ta thiết kế phần mềm chuyên dụng CATIA V5 hay Solid Works Nhưng trường hợp việc không cần thiết Sau tạo màng Belt, ta tạo thêm phân bố khối lượng hình trịn đặt vị trí nam châm Vị trí có khối lượng khối lượng Nam châm Cũng xét chuyển vị Nam châm vị trí Hình 4.3 Mơ hình màng PET nam châm 4.2.2.2 Fluid Flow Mơ hình hóa miền bao khí động hình hộp chữ nhật có kích thước 500x500x620 (mm) với kích thước 500x500 (mm) khơng thay đổi Kích thước 620mm thay đổi cho chiều dài màng PET Ta chọn kích thước với mục đích để mặt tường khơng ảnh hưởng đến dịng từ tác động ngược lại mơ hình Vậy nên miền bao phải đủ rộng để đáp ứng yêu cầu 55 Hình 4.4 Mơ hình miền bao khí động Thiết lập mơ số 4.2.3.1 Chia lưới màng belt Hình 4.5 Chia lưới màng PET 56 Ta chia lưới tự động cho màng Belt hình học màng đơn giản Cịn với vị trí nam châm, ta chia lưới với phần tử Sweep phù hợp với hình học nam châm Chia lưới màng PET ta thu 16218 phần tử 117169 nút 4.2.3.2 Chia lưới Fluid Flow Hình 4.6 Chia lưới miền khí động Chia lưới miền khí động ta thu 164796 phần tử 173754 nút 4.2.3.3 Điều kiện biên Dựa vào mơ hình thực tế [22], màng belt ngàm cố định đầu, nam châm N35 Như áp dụng vào mô phỏng, ta cố định đầu mơ hình màng PET, màng belt dược tác động trọng lực nam châm Ngoài lực trên, màng belt chịu áp lực dòng khí chạy qua q trình hoạt động windbelt Hình 4.7 thể điều kiện biên ta ngàm đầu belt, áp lực tác động lên bề mặt hình trịn (thay trọng lực nam châm) có phương hướng ngược so với chiều y 57 Hình 4.7 Điều kiện biên màng PET Hình 4.8 Điều kiện biên Inlet, Outlet Wall Hình 4.8 thể thiết lập điều kiện biên bao quanh màng belt bao gồm: Inlet, Oulet Wall Dịng khí vào có phương song song với màng belt với vận tốc khoảng 2.5 m/s [22] Mơ hình rối lựa chọn k-ω Ta chọn mô hình rối k–ω mơ hình rối tính tốn tốt dòng chảy gần tường Điều cần thiết tính tốn FSI chiều o Cài đặt System Coupling: Để làm toán FSI chiều, ta cần cài đặt thời gian bước nhảy thời gian kết thúc toán Bước nhảy nhỏ, biểu đồ chuyển vị thu xác Ở ta chọn thời gian kết thúc 0.2 giây, bước nhảy 0.01 giây Với mục đích thể 58 rõ biến thiên chuyển vị theo thời gian tiết kiệm tài ngun tính tốn Hình 4.9 Thiết lập thời gian bước nhảy thời gian kết thúc Sau thiết lập bước phân tích Ta chọn liệu trao đổi mô đun Transient Structural Fluid Flow Chuyển vị mặt Fluid Solid Inteface đưa vào mặt Wall-defor Fluid Flow Giá trị lực Wall-defor Fluid Flow đưa vào mặt Fluid Solid Interface Transient Structural Hình 4.10 Dữ liệu trao đổi 4.2.3.4 Phân tích xác nhận hội tụ lưới Kiểm chứng độ hội tụ lưới Ta đặt vận tốc đầu vào 2.5 m/s Ta thu biểu đồ hội tụ lưới Hình 4.11 cho thấy kết hội tụ 59 Hình 4.11 Sự hội tụ 4.3 Kết nhận xét Ảnh hưởng chiều dài đến biên độ dao động màng belt Trong phần này, trước nghiên cứu chiều dày ta kiểm tra tốn mơ thay đổi chiều dài màng belt so sánh với thực nghiệm Vận tốc gió giữ 2.5 m/s, chiều dài màng thay đổi từ 420-620 Bảng 4.2 Bảng biên độ dao động thay đổi theo chiều dài màng belt Chiều dài belt (mm) 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 Biên độ dao động (mm) 16.94 17.58 18.18 18.72 19.24 19.94 20.76 21.56 22.32 23.06 23.76 60 Biên độ dao động (mm) 25 20 15 10 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 Chiều dài màng belt (mm) Biên độ dao động (mm) Hình 4.12 Đồ thị ảnh hưởng chiều dài màng belt đến biên độ dao động 25 20 15 mô 10 thực nghiệm 520 540 560 580 600 620 Chiều dài màng belt (mm) Hình 4.13 Kết biên độ dao động thực nghiệm mơ Hình 4.12 thể thay đổi biên độ dao động chiều dài màng belt thay đổi Nhìn chung, chiều dài màng belt tỷ lệ thuận với biên độ dao động Với vận tốc gió 2.5 m/s chiều dày màng belt 0.2 mm biên độ lớn đạt 23.76 mm ứng với chiều dài màng belt 620 mm Tại chiều dài 420mm, độ dịch chuyển màng belt đạt giá trị nhỏ 16.94 mm Hình 4.13 thể kết thực nghiệm mô Ta thấy kết mô lớn với sai số lớn so với thực nghiệm khoảng 20 % sai số nhỏ 6% Điều dễ hiểu trình dao động thực tế màng belt chịu tác động nhiều yếu tố khác nhiệt độ mơi trường, dịng khí khơng đều… Như xu hướng tăng dần biên độ dao động màng belt hình 4.12 phản ảnh kết thực nghiệm chương 61 Ảnh hưởng chiều dày đến biên độ dao động màng belt Trong phần này, chiều dày màng belt thay đổi từ 0.2mm đến mm Hình 4.14 thể kết biên độ dao động ta thay đổi chiều dày màng PET Ngoài trường hợp chiều dài 620mm, ta khảo sát thêm trường hợp chiều dài nhỏ Nhìn chung, biên độ dao động tỷ lệ nghịch với chiều dày chiều dài màng belt Khi mà giá trị lớn khoảng cm chiều dài chiều dày màng belt 620 mm 0.2 mm Biên độ dao động (mm) 20 18 16 14 12 10 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 1.1 Độ dày màng belt (mm) Hình 4.14 Đồ thị ảnh hưởng độ dày đến biên độ dao động màng belt Liên kết với thực nghiệm chương mà biên độ dao động tỷ lệ thuận với điện áp cơng suất đầu mơ hình windbelt, ta kết luận độ dày màng belt tỷ lệ nghịch với giá trị Do vậy, độ dày màng belt mỏng hiệu suất tạo điện windbelt lớn Bàn luận: Như vậy, chiều dày lớn biên độ dao động màng belt giảm Kết hợp với kết thực nghiệm nêu chương 3, mà biên độ lớn điện áp cơng suất đầu tạo mơ hình windbelt tăng Do ta kết luận rằng, hiêu suất windbelt giảm ta tăng chiều dày màng belt Giải thích cho tượng ta tăng chiều dày vải lên, màng belt nặng hơn, khả chống uốn chống xoắn tăng Áp suất gió tác động lên màng belt không đủ mạnh để chống lại nội lực màng PET khiến khả dao động màng belt trở nên khó khăn Lúc này, từ thông biến thiên qua cuộn dây đồng giảm đáng kể cho điện áp đầu thấp 62 KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN Luận văn thực nghiệm nghiên cứu cơng suất máy phát điện gió dựa tượng flutter có kết tích cực Dựa vào kết đó, việc phát triển mơ hình windbelt tối ưu để đạt hiệu suất cao khả thi Trong phần nghiên cứu này, công việc thực đạt kết sau: - Tìm hiểu nguyên lý máy phát điện gió cỡ nhỏ windbelt - Thiết kế chế tạo mô hình windbelt thực tế - Thiết lập mơ hình mô đơn giản, làm tiền đề cho nghiên cứu sâu sau - Nghiên cứu, tính tốn lí thuyết mơ hình windbelt, tìm hiểu thơng số vật liệu phục vụ q trình tính tốn lí thuyết - Khảo sát ảnh hưởng tham số thiết kế windbelt đến đầu mơ hình, cụ thể điện áp công suất tạo mô hình windbelt tăng khi: - Chiều dài màng belt tăng - Chiều rộng màng belt giảm - Chiều dày nam châm tăng - Chiều dày màng belt giảm - Biên độ dao động màng belt tăng - Vận tốc gió tác động lên màng belt tăng (tần số quạt ống khí động tăng) Ngồi ra, ta thu kết sau: Vận tốc gió tác động lên màng belt khơng ảnh hưởng đến tần số dao động màng belt - Chiều dài màng belt ngắn tần số dao động lớn, nhiên biên độ dao động màng belt lại giảm khiến điện áp đầu giảm theo Kết điện áp không tải thực nghiệm so sánh với lí thuyết cho thấy có sai lệch số nguyên nhân sau: - - Thiết bị chỉnh lưu, dây điện, thiết bị điện góp phần gây sụt áp Sai số thiết bị đo Màng belt dùng với tần suất cao khiến tính chất vật liệu thay đổi Nam châm sau thời gian bị hao hụt từ tính Ngồi điều kiện phần sở lí thuyết, hoạt động mơ hình windbelt cịn chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố nhiệt độ môi trường, độ ẩm, dịng khí khơng đều, tính dão vật liệu vải, nam châm dần từ tính theo thời gian… 63 Như vậy, nghiên cứu ta lựa chọn mơ hình windbelt cho hiệu suất cao dựa vào việc thay đổi thông số thiết kế mơ hình, cụ thể kích thước màng belt (chiều dài, chiều rộng, chiều dày), kích thước nam châm Để tăng hiệu suất phát điện công suất đầu ra, ta cần cân nhắc việc giảm chiều rộng, chiều dày tăng chiều dài belt cho hợp lý Ngoài việc chọn nam châm có chiều dày đường kính lớn giúp tăng công suất tạo từ Windbelt Tuy nhiên không nên chọn kích thước nam châm lớn màng belt q dài Định hướng phát triển: Thực nghiệm: Mơ hình windbelt hoạt động có độ sụt áp 1.2V, để tối ưu hiệu suất ta cần thiết kế mạch chỉnh cho độ sụt áp thấp Ngoài ra, cần xác định điện áp tới hạn mà thay đổi thơng số thiết kế mơ hình Windbelt ví dụ: kích thước nam châm tăng chiều dày tối đa bao nhiêu? Chiều rộng chiều dài màng belt thay đổi phạm vi nào? Hướng nghiên cứu tương lai cần sâu mối tương quan tỷ số vận tốc biên độ dao động ảnh hưởng tỷ số đến điện áp đầu windbelt Mô phỏng: việc thay đổi tính chất vật liệu màng belt phương hướng giúp tăng hiệu suất màng belt Khi mà tần số dao động màng belt khơng phụ thuộc vào vận tốc gió mà phụ thuộc vào đặc tính mơ hình (cụ thể vật liêu làm nên màng belt) 64 DANH MỤC THAM KHẢO [1] Shaikh, F.K., Zeadally, S.: Energy harvesting in wireless sensor networks: A comprehensive review Renew Sustain Energy Rev 2016, 55, 1041–1054 [CrossRef] [2] Salauddin, M., Toyabur, R.M., Maharjan, P.: High performance humaninduced vibration driven hybrid energy harvester for powering portable electronics Nano Energy 2018, 45, 236–246 [CrossRef] [3] Tan, Y.S., Dong, Y., Wang, X.H.: Review of MEMS electromagnetic vibration energy harvester J Microelectromech Syst 2016, 26, 1–16 [CrossRef] [4] Orrego, S., Shoele, K., Ruas, A., Doran, K., Cagiano, B., Mittal, R., Kang, S.H.: Harvesting ambient wind energy with an inverted piezoelectric flag Appl Energy 2017, 194, 212–222 [CrossRef] [5] Bogue, R.: Energy harvesting: A review of recent developments Sens Rev 2015, 35, 1–5 [CrossRef] [6] Liu, H.C., Zhong, J.W., Lee, C.K., Lee, S.W., Lin, L.W.: A comprehensive review on piezoelectric energy harvesting technology: Materials, mechanisms, and applications Appl Phys Rev 2018, 5, 041306 [CrossRef] [7] Elahi, H., Eugeni, M., Caudenzi, P.: A review on mechanisms for piezoelectricbased energy harvesters Energies 2018, 11, 1850 [CrossRef] [8] Usharani, R., Uma, G., Ummpathy, M., Choi, S.: A novel piezoelectric energy harvester using a multi-stepped beam with rectangular cavities Appl Sci 2018, 8, 2091 [CrossRef] [9] Mccarthy, J.M., Watkins, S., Deivasigamani, A., John, S.J.: Fluttering energy harvesters in the wind: A review J Sound Vib 2016, 361, 355–377 [CrossRef] [10] Hu, Y.L., Yang, B., Chen, X., Wang, X.L., Liu, J.Q.: Modeling and experimental study of a piezoelectric energy harvester from vortex sheddinginduced vibration Energy Convers Manag 2018, 162, 145–158 [CrossRef] [11] Kumar, S.K., Bose, C., Ali, S.F., Sarkar, S., Gupta, S.: Investigations on a vortex induced vibration based energy harvester Appl Phys Lett 2017, 111, 243903 [CrossRef] [12] Dai, H.L., Abdelkefi, A., Yang, Y., Wang, L.: Orientation of bluff body for designing efficient energy harvesters from vortex induced vibrations Appl Phys Lett 2016, 108, 053902 [CrossRef] [13] Available online: http://www.humdingerwind.com (accessed on 27 June 2019) [14] Frayne, S.M.: Fluid-Induced Energy Converter with Curved Parts U.S Patent 20080297119A1, December 2008 [15] Frayne, S.M.: Generator Utilizing Fluid-Induced Oscillations U.S Patent 7,573,143, 11 August 2009 65 [16] Allen, J.J., Smits, A.J.: Energy harvesting eel Journal of Fluids and Structures (15), 1-12 (2001) [17] Bryant, M., Garcia, E.: Modeling and testing of a novel aeroelastic flutter energy harvester Journal of Vibration and Acoustics (133, 011010), 1-12 (2011) [18] Li, S., Yuan, J., Lipson, H.: Ambient wind energy harvesting using crossflow fluttering Journal of Applied Physics 109 (2, 026104), – (2011) [19] Quy, V.D., Sy, N.V.: Wind tunnel and initial field tests of a micro generator powered by fluid-induced flutter Energy for Sustainable Development 33, 7583 (2016) [20] Tathode, P.S., Phapale, M.S., Teli, P.B., Lomate, P.J Generation of Clean Energy using Concept of Wind Belt International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT) 2017, vol 6, pp 121-124 [21] Vinayan, V.A., Yap, T.C., Go, Y.I Design of Aeroelastic Wind Belt for Low-Energy Wind Harvesting International Conference on Sustainable Energy and Green Technology 2018, vol 268 https://doi:10.1088/17551315/268/1/012069 [22] Vu, D.Q., Le, T.T.N., Luu, T.T.: Experimental study of a small-capacity wind-powered generator based on aeroelasticity phenomenon ASIAN MMS 2021: Advances in Asian Mechanism and Machine Science pp 961–970 [23] Aquino, A.I., Calautit, J.K., Hughes, B.R.: Evaluation of the integration of the Wind-Induced Flutter Energy Harvester (WIFEH) into the built environment: Experimental and numerical analysis Applied Energy 207 (2017), pp 61-77 [24] Aquino, A.I., Calautit, J.K., Hughes, B.R.: Integration of aero-elastic belt into the built environment for low-energy wind harnessing: Current status and a case study Energy conversion and Management 149 (2017), pp 830-850 [25] Kan, J., Liao, W., Wang, J., Wang, S., Yan, S., Yan, M., Jiang, M., Zhang, Z.: Enhanced piezoelectric wind-induced vibration energy harvester via the interplay between cylindrical shell and diamond-shaped baffle Nano energy 89 (2021) 106466 [26] Zhuang, L., Quan, W., Xianming, H., Zhiyu, W.: A Flutter-Based Electromagnetic Wind Energy Harvester: Theory and Experiments Applied sciences MDPI (2019) 66 ... Vinayan [21] nghiên cứu ảnh hưởng chiều rộng màng lên điện áp công suất Kết điện áp công suất giảm chiều rộng màng tăng lên Năm 2021, nghiên cứu thử nghiệm máy phát điện chạy sức gió cơng suất nhỏ... Nối tiếp kế thừa kết nghiên cứu trên, tác giả tối ưu mơ hình windbelt để phục vụ đề tài ? ?nghiên cứu ảnh hưởng tham số đến cơng suất mơ hình máy phát điện Windbelt” Cụ thể mơ hình bao gồm nam châm... thí nghiệm đo điện áp công suất 3.2 Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng tham số thiết công suất mô hình windbelt Đối tượng mục tiêu Mục tiêu thí nghiệm nhằm xác định ảnh hưởng thông số thiết kế windbelt