tái tạo năng lượng từ chuyển động của thang máy

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ NỘI TRƯỜNG THPT CHU VĂN AN-TÂY HỒ-HÀ NỘI ************** ĐỀ TÀI DỰ THI KHOA HỌC, KỸ THUẬT DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CẤP THÀNH PHỐ LẦN THỨ TƯ (NĂM HỌC 2014 - 2015). Tên đề tài: TÁI TẠO NĂNG LƯỢNG NHỜ CHUYỂN ĐỘNG CỦA THANG MÁY Lĩnh vực: NĂNG LƯỢNG VÀ VẬN CHUYỂN. NGƯỜI HƯỚNG DẪN - Th.s Phạm Xuân Bách - Đơn vị công tác: TU Berlin-Cộng hòa liên bang Đức. TÁC GIẢ: 1. Phạm Châu Uyên Lớp: 11Lý Trường: THPT Chu Văn An 2. Đinh Thị Khánh Ly Lớp: 11A2 Trường: THPT Kim Liên Hà Nội, tháng 11 năm 2014 Trường Trung học Phổ thông Chu Văn An Hội thi Intel ISEF Báo cáo nghiên cứu Đề tài: Tái tạo năng lượng từ chuyển động của thang máy Người hướng dẫn: Cô giáo Hoàng Tuyết Nhung Sinh viên Phạm Xuân Bách Người nghiên cứu: Học sinh Phạm Châu Uyên 11 Lý - THPT Chu Văn An Học sinh Đinh Thị Khánh Ly 11A2 - THPT Kim Liên Hà Nội 24.11.2014 Mục lục I. Lí do chọn đề tài Ở nước ta hiện nay việc sử dụng thang máy trong các tòa nhà cao tầng là khá phổ biến. Qua tìm hiểu, em được biết các thang máy có nguyên tắc hoạt động và cấu tạo về cơ bản giống nhau gồm cabin, đối trọng, hệ thống điện, dây cáp Khối lượng của đối trọng thì không thay đổi tromg suốt quá trình vận hành thang máy. Trong khi đó khối lượng người trong cabin thì thay đổi.Vì vậy trong một số trường hợp nào đó chắc chắn sẽ có dư thừa thế năng do sự chênh lệch khối lượng giữa bên cabin và đối trọng. Từ sự cố thang máy bị trượt từ tầng 63 đến tầng 35 của tòa nhà Lotte nên em suy nghĩ, như vậy trong một số trường hợp nào đó khi cabin đi xuống hoặc đối trọng đi xuống động cơ của thang máy đã phải tiêu tốn một năng lượng (không hữu ích) để chống lại sự trượt xuống của cabin hoặc của đối trọng (hay là để cân bằng với sự chênh lệch khối lượng). Trong trường hợp này ta có thể tận dụng sự chênh lệnh khối lượng này để sinh ra năng lượng. Kết hợp với kiến thức đã học được về định luật cảm ứng điện từ của Faraday. Từ đó em nảy ra ý tưởng kết hợp chuyển năng lượng cơ học, từ sự chênh lệnh thế năng do sự chênh lệnh khối lượng gây ra sang điện năng ( ). Dưới dạng năng lượng điện, việc lưu trữ năng lượng sẽ trở nên dễ dàng, hoặc cũng có thể là nguỗn năng lượng trung gian, để từ đó chuyển sang các dạng năng lượng mong muốn khác. Nhận thấy sự khả thi của đề tài và trong quá trình nghiên cứu có thể ứng dụng kiến thức đã học vào thực tế em quyết định chọn đề tài cho cuộc thi sáng tạo ISEF. II. Tổng quan vấn đề nghiên cứu 1. Tính mới của đề tài Qua tìm hiểu các nguồn thông tin sách báo cũng như trên Internet và hỏi ý kiến của các thầy cô hướng dẫn em được biết chưa có công trình nghiên cứu về việc tận dụng năng lượng thừa do sự chênh lệch khối lượng trong lúc vận hành của thang máy. 2. Tính sáng tạo của đề tài Đối với mỗi thang máy khi được ứng dụng đề tài thì có thể chuyển nguồn năng lượng chưa được khai thác ( sang điện năng thông qua việc lắp đặt thêm một máy phát. Nguồn điện từ máy phát có thể được tích hợp lại vào hệ thống acqui để sử dụng cho các mục đích hữu ích khác. Trong đề tài này em còn tính đến việc kết nối dòng điện của các máy phát trong một cụm thang máy của một tòa nhà với nhau và toàn bộ các máy phát trong một khu nhà cao tầng với nhau thành một hệ thống nhằm khai thác hiệu quả hơn nguồn năng lượng này. 3. Lợi ích mang lại từ việc ứng dụng đề tài vào thực tế Lợi ích trước tiên mà đề tài mang lại khi được áp dụng vào thực tiễn là sự tiết kiệm năng lượng. Hiện nay ở Việt Nam và trên thế giới có rất nhiều các tòa nhà sử dụng thang máy, mà thang máy luôn đi lại tấp nập, hơn nữa sự chênh lệch về khối lượng giữa bên cabin và bên đối trọng là lớn, từ đó nếu đề tài được áp dụng vào thực tế thì sẽ thu được một nguồn năng lượng đáng kể. Lượng năng lượng được tái tạo này có thể dùng làm nguồn điện dự trữ cho thang máy. Từ đó tạo cảm giác an toàn cho người sử dụng, khi tòa nhà bị mất điện mà đèn chiếu sáng, quạt thông gió trong thang máy vẫn hoạt động bình thường. Ngoài ra cũng vừa có thể đóng góp vào dự trữ năng lượng cho tòa nhà nếu nguồn năng lượng được tái tạo đủ lớn. III. Quá trình nghiên cứu 1. Nội dung đã nghiên cứu 1.1. Bức tranh năng lượng thế giới Ngày nay sự khủng hoảng về năng lượng và hiện tượng ấm lên toàn cầu đang là vấn đề cấp bách và thu hút sự quan tâm của tất cả các nhà khoa học cũng như Chính Phủ các quốc gia trên khắp thế giới. Qua đó nhu cầu sử dụng nhiên liệu hóa thạch đang ngày càng gia tăng. Nguồn năng lượng này tuy dồi dào nhưng trước sự bùng nổ về nhu cầu sử dụng tại các quốc gia đang phát triển như Trung Quốc, Ấn Độ đang dần trở nên cạn kiệt. Các cuộc chiến tranh giành nguồn tài nguyên thiên nhiên đang có xu hướng gia tăng trên khắp thế giới. Kéo theo đó là hiện tượng ấm lên toàn cầu do lượng khí thải CO 2 gây ra. Bên cạnh nhiên liệu hóa thạch truyền thống một dang năng lượng mới của tương lai thân thiện với môi trường và có thể sử dụng vĩnh viễn đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi tại các quốc gia phát triển trên thế giới. Đó là nguồn năng lượng tái tạo. Ảnh III.1: Dự báo nguồn tiêu thụ năng lượng đến năm 2100[1] Qua ảnh trên cho thấy trong khoảng 100 năm nữa nguồn năng lượng tái tạo sẽ trở nên phổ biến và từng bước thay thế nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống. Kể đến năng lượng tái tạo bao gồm năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng sinh học, sinh khối và năng lượng từ sức nước. Qua quá trình tìm hiểu về tình hình sử dụng năng lượng trên thế giới, em nhận thấy đề tài nghiên cứu của mình là phù hợp với xu hướng sử dụng năng lượng trong tương lai. Năng lượng được tái tạo trong chuyển động của thang máy là năng lượng sạch và có thể sử dụng vào mục đích phù hợp. Ảnh III.3: Trang trại gió tại Lübz, Đức [3] Ảnh III.2: Cánh đồng thu năng lượng mặt trời tại Nevada, USA [2] 1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thang máy Thang máy ngày càng được sử dụng rộng rãi do nhu cầu di chuyển nhanh chóng và thuận tiện của người sử dụng. Đối với những tòa nhà cao tầng như khách sạn, chung cư cao cấp thì việc sử dụng thang máy là điều hiển nhiên. Ngoài mục đích vận tải hành khách dân dụng thang máy còn có rất nhiều loại khác như thang tải thực phẩm, thang máy dùng trong xây dựng cùng với đó là các hãng thang máy nổi tiếng như Mitsubishi, Otis, Nippon, Mặc dù vậy, chúng đều có những điểm chung về cấu tạo và nguyên lý hoạt động. Qua việc tìm hiểu trên Internet và một buổi thực tế tại tòa nhà Nam Cường dưới sự hướng dẫn của hai cán bộ kĩ thuật của công ty thang máy Mitsubishi, em nhận thấy các thang máy đều có các nguyên tắc sau đây: 1.2.1. Về đặc điểm vận hành: Thời gian của chu kì vận chuyển là nhỏ, tần suất vận chuyển lớn, các công trình từ 6 tầng trở lên đều được lắp đặt thang máy. Tốc độ thang máy phụ thuộc vào mục đích sử dụng. Thông thường vận tốc thang máy đối với các tòa nhà cao tầng được tính như sau: Trong đó : Số tầng của tòa nhà : Vận tốc thang máy Đối với chung cư thì vận tốc bằng một nửa vận tốc so với các tòa nhà cao tầng do số lượng người trong chung cư lớn, quá trình vận chuyển thang dừng liên tục. Đối với khách sạn thì tốc độ thang máy được tính như sau Trong các bệnh viện thang máy không để với tốc độ nhanh quá tránh việc gây chóng mặt và nguy hiểm cho bệnh nhân. Thường để tốc độ 30-60 m/ phút[2] 1.2.2. Về cấu tạo gồm: Trong hình trên các thành phần cấu tạo cơ bản của thang máy chơ khách đã được nêu rõ. Qua đó sau đây hệ thống cân bằng của thang máy sẽ được đi sâu vào tìm hiểu. Chính ở hệ thống này mà năng lượng thừa, để tận dụng cho việc tái tạo năng lượng, được sản sinh ra. 1.2.3. Về hệ thống cân bằng của thang máy: Thang máy đơn giản có thể hình dung là một hệ ròng rọc. Trong đó đối trọng, cáp nâng, cáp điện hay cáp xích là các bộ phận cân bằng với trọng lượng cabin và tải trọng nâng. Sau đây các thành phần của hệ thống cân bằng sẽ được phân tích rõ ràng Ảnh III.4: Cấu tạo thang máy [5] Xích và cáp cân bằng: Thang máy có chiều cao nâng trên 45m thì phải đặt thêm xích cân bằng để bù lại phần trọng lượng của dây cáp bị chuyển sang nhánh bênh kia, để đảm bảo momen tải tương đối ổn định trên puli ma sát. Xích cân bằng dùng cho thang máy có tốc độ < 1,4m/s. Với thang máy có tốc độ cao,dùng cáp cân bằng cùng với thiết bị kéo căng cáp cân bằng để cáp cân bằng không bị xoắn. Tại thiết bị kéo căng cáp cân bằng phải có tiếp điểm điện an toàn để ngắt mạch điều khiển khi độ căng cáp cân bằng quá lớn hoặc cáp cân bằng bị dãn. Có ba cách mắc hệ thống cáp cân bằng như sau Ảnh III.5: Sơ đồ các hệ thống cân bằng[3] C: Cabin Đ: Đối trọng GT: Giếng thang CN: Cáp nâng CĐ: Cáp điện X: Xích cân bằng CB: Cáp cân bằng KC: bộ phận kéo căng cáp cân bằng Cách 1: Hình a và b: cabin- đối trọng: cáp hoặc xích cân bằng mắc với cabin và đối trọng. Khi cabin đi lên, trọng lượng cáp nâng chuyển dần từ nhánh treo cabin sang nhánh treo đối trọng thì trọng lượng cáp hoặc xích cân bằng chuyển dần từ nhánh treo đối trọng sang nhánh treo cabin và ngược lại [...]... khối lượng của đối trọng bằng khối lượng của cabin cộng 50% khối lượng tối đa của người thang máy 1.3 Năng lượng tái tạo 1.3.1 Công thức tính Qua công thức số (3) cho thấy thông thường luôn có sự chênh lệch khối lượng giữa hai bên cáp của thang máy vì trọng lượng của đối trọng luôn lớn hơn trọng lượng của cabin một lượng 0,5*Q Chính sự chênh lệch khối lượng này có khả năng sinh ra năng lượng khi di chuyển. .. mỗi thang máy trong mỗi ngày sẽ có thể sản sinh ra một lượng năng lượng là Đây chỉ là năng lượng sinh ra do một thang máy, nếu nối các thang máy lại với nhau trong một tòa nhà rồi nối các hệ thống giữa các tòa nhà với nhau thi sẽ sinh ra một lượng điện năng khổng lồ 1.3.2 Trường hợp sinh ra năng lượng Tính toán trên cho thấy tiềm năng to lớn của việc tận dụng năng lượng dư thừa trong chuyển động của thang. .. sự chênh lệch khối lượng cộng với hướng di chuyển phù hợp làm phát sinh ra lượng năng lượng có thể tái tạo từ chuyển động của thang máy Máy phát không hoạt động trong mọi trường hợp và lượng năng lượng tái tạo sinh ra tuy tồn tại nhưng vẫn chưa được sử dụng Vì thế sẽ có hai vấn đề chính ta phải giải quyết: • Phải phát hiện ra được năng lượng dư thừa vào lúc nào (chênh lệch khối lượng) bằng một thiết... cách thức hoạt động của thang máy giúp em thu gặt được thêm nhiều kiến thức mới và từ đó áp dụng vào thực hành trên mô hình thí nghiệm Mô hình thí nghiệm còn đơn sơ nhưng đã mô tả được những thành phần chính trong cấu tạo thang máy dân dụng và ý tưởng tái tạo năng lượng từ chuyển động của thang máy Năng lượng do máy phát sinh ra có thể phát sáng bóng đèn chứng tỏ việc sử dụng nguồn năng lượng dư thừa... mà thang máy đang vận hành Hiện tại em đang cân nhắc giữa hai giải pháp : Có thể dùng một cảm biến khối lượng đặt trong thang máy Khi sự chênh lệch khối lượng là đủ lớn và hướng di chuyển là phù hợp để sinh ra năng lượng thì cảm biến sẽ thông báo cho bộ từ của li hợp để kết nối hai puly của bộ li hợp lại với nhau để truyền chuyển động từ Puly 4 vào bộ điều tốc rồi từ đó đến máy phát để chuyển từ cơ năng. .. để điều khiển máy phát hoạt động Trong vấn đề này chúng ta có thể sử dụng nhiều cách như là sử dụng cân khối lượng, chiều chuyển động đã được lắp sẫn trong thang máy hoặc lắp thêm ampe kế để đo mức độ tiêu thụ dòng điện của động cơ, từ đó xác định được khi nào có năng lượng dư thừa • Chuyển cơ năng thành điện năng bằng việc lắp thêm cho mỗi thang máy một máy phát điện tại puli thang máy (bằng lực ma... tin rằng lượng năng lượng thu được sẽ thực sự đáng kể và hoàn toàn hữu ích IV Kết luận Quá trình nghiên cứu đang đi đúng hướng nhưng cần mở rộng nghiên cứu sâu hơn nữa để tăng tính khả dụng của đề tài, bằng những tính toán cho thấy thấy tiềm năng khai thác năng lượng tái tạo từ sử chuyển động của thang máy trên lý thuyết và bước đầu trên mô hình thí nghiệm đơn giản là hoàn toàn khả thi Từ đó tạo điều... bị đo đạt để tính toán ra lượng điện năng chính xác mà máy phát sinh ra, từ đó tính ra hiệu năng của toàn quá trình Sau khi mô hình thí nghiệm và tính toán với một hệ thang máy đã hoàn chỉnh Bước tiếp theo em sẽ tính toán điện năng thu được khi các hệ thang máy được đấu nối với nhau Từ đó tính ra năng lượng thu được khi áp dụng ý tưởng đối với một tòa nhà gồm nhiếu hệ thang máy Sau đó có thể tiến tới... ra năng lượng khi di chuyển Năng lượng dư thừa thu được, được tính như sau: (4) : chênh lệch khối lượng bên cabin và đối trọng : gia tốc trọng trường : chênh lệch độ cao mà di chuyển Từ công thức trên em đã thử ước lượng xem trong một ngày một thang máy có thể tái tạo được bao nhiêu năng lượng Thang máy đối với tòa nhà làm việc cao tầng và những chung cư lớn có tải trọng từ 900-1000 kg[4] Qua công thức... sao cho trọng lượng của nó cân bằng với trọng lượng cabin và với một phần tải trọng nâng Thang máy có chiều cao nâng lớn, trọng lượng dây cáp là đáng kể thì phải dùng xích cân bằng để bù lại phần trọng lượng của dây cáp chuyển từ nhánh treo cabin sang nhánh treo đối trọng và ngược lại Ảnh III.8: Cấu tạo đối trọng thang máy [3] Trọng lượng đối trọng được xác định bằng công thức: (1) : Trọng lượng cabin . trong cấu tạo thang máy dân dụng và ý tưởng tái tạo năng lượng từ chuyển động của thang máy. Năng lượng do máy phát sinh ra có thể phát sáng bóng đèn chứng tỏ việc sử dụng nguồn năng lượng dư. dụng năng lượng trên thế giới, em nhận thấy đề tài nghiên cứu của mình là phù hợp với xu hướng sử dụng năng lượng trong tương lai. Năng lượng được tái tạo trong chuyển động của thang máy là năng. bước thay thế nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống. Kể đến năng lượng tái tạo bao gồm năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng sinh học, sinh khối và năng lượng từ sức nước. Qua