Chọn vật liệu chế tạo cũng là một trong những công đoạn rất quan trọng, nó góp phần quyết định chất lượng, hướng thiết kế và gia công sản phẩm, thế nên ta phải chọn suy nghĩ, chọn lọc vật liệu một cách thận trọng để có thể đưa ra được một sản phẩm chất lượng để cung cấp cho thị trường, thân thiện với môi trường, không gây hại cho môi trường, dễ gia công và tốn ít chi phí tiết kiệm được rất nhiều.
Bảng 6: Vật liệu để thiết kế turbine. Mục Chế tạo Foam Cánh turbine Thép Cánh hướng gió Gỗ Nắp trên dưới sản phẩm Sắt Trục ống, thanh đỡ, … 3.1.1 Cánh gió
Hình 12: Foam cứng được cắt ra làm cánh gió.
Cánh gió (cánh turbine) là bộ phận quan trọng vì nó ảnh hưởng đến khí động học của cả hệ thống, khí động học càng tối ưu thì khả năng nhận gió là rất nhiều. Khí động học được hiểu đơn giản là các luồng gió các phần tử trong không khí sẽ tác động lên cánh khi đang hoạt động. Tùy theo tốc độ và vị trí lực gió tác dụng lên cánh mà nó có thể ảnh hưởng khác nhau. Để có được khí động học tốt ta cần phải thiết kế cánh gió sao cho hợp lý. Sau khi tính toán mô phỏng để xem chúng có tối ưu hay không, nếu chưa ta phải chỉnh lại cánh gió.
Sau khi đưa ra những giải pháp nhóm nghiên cứu bắt đầu chọn lọc và quyết định sử dụng foam cứng để làm cánh gió.
Cánh turbine được thiết kế bằng phần mềm SolidWork, biên dạng cánh thẳng với số lượng 6 cánh được bố trí cơ cấu kết cấu với hai tấm gỗ đỡ trên, dưới.
❖ Lợi ích của turbine 6 cánh gió:
- Hạn chế tiếng ồn phát ra.
- Độ dày của vật liệu đủ cứng cáp để có thể chịu được lực ở tốc độ vòng quay cao.
- Độ cân bằng cao.
- Hứng gió được ở mọi góc bất kỳ.
Bảng 7: Thông số kỹ thuật. Mục Thông số kỹ thuật Chiều cao 90 cm Chiều rộng 30 cm Độ dày 0.5 cm Trọng lượng 0.2 kg 3.1.2 Cánh hướng gió Hình 13: Cánh hướng gió.
Mục Thông số kỹ thuật Chiều cao 100cm Chiều rộng 20cm Độ dày 1cm Trọng lượng 1kg 3.1.3 Chi tiết CNC
Hình 14: Chi tiết nối.
Bảng 9: Thông số của chi tiết cnc.
Mục Thông số kỹ thuật Đường kính mặt trên 75mm Đường kính lỗ gắn cánh 5mm Đường kinh lỗ gắn trục 10mm Trọng lượng 0.3kg 3.1.4 Động cơ
Motor phát điện là một thành phần quan trọng không thể thiếu trong turbine gió, vì nó có nhiệm vụ chuyển đổi cơ năng của turbine thành điện năng. Trong một hệ thống phát điện, việc thiết kế và chọn máy phát điện phải phù hợp với loại turbine đã được lựa chọn. Các turbine này được thiết kế với việc ưu tiên cho các phương pháp điều khiển mong muốn và điều kiện gió tại vùng đã được quy hoạch.
Sau khi nghiên cứu, nhóm tác giả sử dụng động cơ này để chuyển đổi động năng thành điện năng và động cơ sẽ được đặt phía dưới trục đỡ. Trên thực tế chúng ta có thể đặt động cơ ở bất kỳ đâu, nhưng sau khi tính toán, thiết kế, chúng
− Trọng tâm sẽ dồn lên trục của turbine gió theo phương thẳng đứng.
− Dễ dàng gia công và lắp ráp.
− Hiệu suất của động cơ được tăng lên (do khi đặt động cơ nối liền với cánh quạt
của turbine gió sẽ giảm được công hao phí trên đường truyền công suất).
Hình 15: Motor phát điện 3 pha máy giặt.
Bảng 10: Thông số kỹ thuật máy giặt.
Mục Thông số kỹ thuật
Dòng diện Xoay chiều
Số pha 3
Công suất cực đại 920W
Điện áp 220V – 50Hz
3.1.5 Trục đỡ
Hình 16: Trục đỡ khi thiết kế trên SolidWorks.
❖ Ưu điểm của vật liệu làm bằng thép:
- Để đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật trong cơ cấu hoạt động của turbine gió thì trục đỡ là một phần không thể thiếu, với những yêu cầu khắt khe: chịu nắng, chịu gió, nâng đỡ toàn bộ cơ cấu turbine, và đặt biệt phải chịu uốn cực kì tốt.
- Khả năng chịu lực cao.
- Do vật liệu thép có cường độ lớn, lớn nhất trong các vật liệu xây dựng nên kết cấu thép có khả năng chịu lực lớn. Độ tin cậy cao là do cấu trúc thuần nhất của thép. Sự làm việc đàn hồi và dẻo của vật liệu thép gần sát nhất với các giả thiết tính toán.
- Tính cơ động trong vận chuyển, lắp ráp.
Bảng 11: Thông số kỹ thuật trục đỡ.
Mục Thông số kỹ thuật
Đường kính ngoài (OD)
Độ dày 2.77 mm
Chiều dài 2.5 m
3.1.6 Bạc đạn và gối đỡ bạc đạn
- Bạc đạn có tác dụng giảm ma sát đáng kể.
- Tác dụng tiếp theo của bạc đạn là khả năng chịu tải, chịu lực tốt.
- Khả năng định vị trục, định vị chi tiết quay hiệu quả
- Tác dụng của bạc đạn góp phần nâng cao hiệu suất làm việc, đảm bảo sự hoạt động bền bỉ, ổn định và liên tục; tăng cường các chức năng hoạt động của máy móc, thiết bị.
- Sử dụng bạc đạn còn giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể.
Hình 17: Gối đỡ và bạc đạn. Bảng 12:Thông số kỹ thuật. Mục Thông số kỹ thuật Đường kính ngoài 25 mm Đường kính trong mm Độ dày ổ lăn 9 mm 3.2 Mô phỏng
Hình 18: Mô phỏng đồ thị lưu lượng gió.
Thông qua mô phỏng trong SolidWorks. Ta thấy, nhờ vào cánh hướng gió mà lưu lượng gió đi vào cánh gió nhiều hơn bình thường. Điều đó giúp công suất động cơ được tăng lên đáng kể, đồng thời giúp cải thiện hiệu suất của động cơ.
Sử dụng phần Flow Simulation để mô phỏng lực gió chọn các đơn vị như sau:
Bảng 13: Mô phỏng lực gió.
Môi trường Xung quanh mô hình
Khoảng cách các lực gió 2 mm
Vận tốc góc 3000 rpm
Lực 80m/s
Tốc độ an toàn 25 m/s
So sánh hoạt động của mô hình qua mô phỏng và thực tế: Bảng 14: Mô phỏng lực gió thực tế. Mô phỏng Thực tế Lực gió bắt đầu khởi động 3 m/s 3.5 m/s Lực gió khởi động an toàn 13 m/s 12 m/s
Lực gió vượt quá
mức 55 m/s 50 m/s
Lực gió bắt đầu Lực gió an toàn Lực gió quá mức
0 10 20 30 40 50 60 Mô phỏng Thực tế Hình 19: Mô phỏng và thực tế lực gió. Kết luận:
Gió bắt đầu khởi động tương đương với gió cấp 3, vượt quá mức tối đa khi trên gió cấp 12. Rất thích hợp cho khí hậu tại Việt Nam.
CHƯƠNG IV
4.1 Chuẩn bị dụng cụ:
Máy cắt, đá cắt, giấy chà nhám, bút lông, sơn nhám, sơn lót, búa cao su, tua vít, máy hàn, máy mài, máy cưa, thước đo độ, thước, khoan, kéo cắt sắt.
4.2 Làm cánh turbine và cánh hướng gió:Bước 1: Làm cánh turbine Bước 1: Làm cánh turbine
- Dùng dụng cụ để cắt foam làm 6 cánh giống với thiết kế ban đầu, cắt chậm, cẩn thận tránh sai lệch chi tiết.
- Mài foam để làm phẳng và đánh bóng bề mặt.
Lưu ý:
Vì foam khá dễ biến dạng nên tránh tác động mạnh và vật nhọn để foam không bị biến dạng.
Bước 2: Làm cánh turbine:
Hình 21: Gia cố cánh hướng gió.
- Dùng máy cắt tấm thép thành 6 cánh giống với thiết kế ban đầu, cắt chậm tránh sai lệch chi tiết.
- Định hình tấm thép sau cắt bằng khung sắt được cố định bằng vít lục giác nhằm mục đích cố định và tránh biến dạng vì môi trường bên ngoài và tạo được độ cứng vững khi hoạt động.
- Sử dụng sơn để phun đều trên bề mặt trước và sau, nhằm tăng độ thẩm mỹ và chống oxi hóa giúp cánh turbine bền hơn.
Lưu ý:
Sau khi cắt cánh hướng gió từ tấm thép, vì thép sau khi cắt sẽ rất sắc và cạnh khá nhọn có thể gây thương tích khi lắp ráp, cần sử dụng nhám để mài nhẵn mặt vừa cắt. Nếu trong quá trình cắt có xảy ra hiện tượng cong vênh thì có thể dùng búa cao su tác động nhẹ để khắc phục.
4.3 Nắp trên và giá đỡ động cơ:Bước 1: Gia công giá đỡ động cơ: Bước 1: Gia công giá đỡ động cơ:
Lưu ý:
Nên sử dụng đồ bảo hộ (kính, găng tay) để tránh gây thương tích trong quá trình gia công.
Hình 22: Giá đỡ động cơ.
Bước 2: Gia công nắp trên
- Đo tâm và đánh dấu vị trí lắp gối đỡ theo đúng bản thiết kế.
- Dùng máy cắt cắt theo vị trí được đánh dấu.
- Tiến hành lắp gối đỡ vào vị trí vừa cắt.
- Cố định bằng vít và bu lông.
Lưu ý:
- Nên cắt thật chậm, cẩn thận không để sai lệch và phòng tránh những rủi ro không đáng có.
- Vì vật liệu là gỗ, nên sử dụng sơn bóng để phun lên bề mặt nắp trên và giá đỡ động cơ nhằm chống thấm, tăng độ bền và độ thẩm mỹ.
Hình 23: Nắp trên được lắp gối đỡ.
Bước 1: Gia công trục
- Dùng máy cắt để gia công ống thép có sẵn theo đúng bản vẽ. Cẩn thận cắt chậm để tránh sai lệch.
- Mài nhẵn 2 đầu trên và dưới để tăng độ thẩm mỹ và đề phòng rủi ro.
- Đục lỗ trên phần đầu trục để gắn nối thanh đỡ.
- Phần dưới được hàn với bu lông có ren xoáy khớp với ren của trục động cơ.
Bước 2: Gia công thanh đỡ cánh turbine
- Tiến hành khoét lỗvà trên các thanh đỡ theo đúng góc độ trong bản thiết kế.
- Nối thanh đỡ và tấm đỡ với nhau bằng ốc vít, các bộ phận được siết chắc chắn và cẩn thận theo đúng bản thiết kế, tránh sai lệch góc độ.
- Nối trục và bộ phận đỡ cánh turbine với nhau bằng ốc vít và siết chặt theo đúng bản thiết kế.
Lưu ý:
Vì là thép, nên để tránh ăn mòn và gỉ sét thì nhóm chúng tôi quyết định phun một lớp sơn bảo vệ lên bề mặt ống thép.
4.4 Làm trục định hướng cánh turbine:
Để đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật trong cơ cấu hoạt động của turbine gió thì trục định hướng là một phần không thể thiếu, với những yêu cầu khắt khe: Chịu nắng, chịu gió, nâng đỡ toàn bộ cơ cấu cánh turbine, và đặt biệt phải chịu uốn cực kì tốt.
Hình 24: Trục đỡ.
Bước 1: Gia công trục
- Dùng máy cắt để gia công ống thép có sẵn theo đúng bản vẽ. Cẩn thận cắt chậm để tránh sai lệch.
- Mài nhẵn 2 đầu trên và dưới để tăng độ thẩm mỹ và đề phòng rủi ro.
- Đục lỗ trên phần đầu trục để gắn nối thanh đỡ.
- Phần dưới được hàn với bu lông có ren xoáy khớp với ren của trục động cơ.
Bước 2: Gia công chi tiết nối cánh turbine
Dùng máy CNC để gia công chi tiết nối theo đúng bản thiết kế.
Bước 3: Gia công thanh đỡ cánh turbine
- Nối thanh đỡ và tấm đỡ với nhau bằng ốc vít, các bộ phận được siết chắc chắn và cẩn thận theo đúng bản thiết kế, tránh sai lệch góc độ.
- Nối trục và bộ phận đỡ cánh turbine với nhau bằng ốc vít và siết chặt theo đúng bản thiết kế.
Bước 4: Ghép nối tất cả các chi tiết vừa gia công
-Ghép chi tiết nối cánh turbine với trục
-Ghép nối thanh đỡ vào chi tiết nối.
-Tiến hành lắp cánh turbine vào thanh đỡ theo đúng thứ tự được đánh dấu sẵn.
Lưu ý:
Vì là thép, nên để tránh ăn mòn và gỉ sét thì nhóm chúng tôi quyết định phun một lớp sơn bảo vệ lên bề mặt ống thép.
4.5 Kết nối cánh với trục và động cơ:
Hình 25: Nối cánh turbine vào trục.
Sau khi đã lắp trục vào động cơ, nhóm tiến hành kết nối cánh vào trục và động cơ.
Bước 1: Bắt vít và khoan lỗ trên thanh đỡ
- Tiến hành đo và đánh dấu vị trí bắt vít chữ L trên động cơ theo đúng bản thiết kế.
Bước 2: Đo và đục lỗ trên cánh turbine
- Tiến hành đo và đánh dấu vị trí cần bắt vít trên cánh turbine theo đúng bản thiết kế.
- Dùng khoan đục lỗ được đánh dấu sẵn trên cánh turbine.
Bước 3: Tiến hành gắn cánh turbine lên thanh đỡ và động cơ
- Gắn cánh turbine vào các vị trí được đục lỗ sẵn trên thanh đỡ và ke góc vuông chữ L được bắt sẵn trên động cơ.
- Siết ốc chặt và sử dụng long đền để tăng độ chắc chắn và thẩm mỹ cho chi tiết.
Lưu ý:
- Sau khi cố định các cánh, nhóm chúng tôi tiến hành đo sai lệch các góc nhằm điều chỉnh kịp thời các sai sót còn tồn đọng, nên sau khi gia công sản phẩm có độ chính xác và sai số rất thấp.
- Trong quá trình lắp ráp ta kết nối các cánh turbine đúng theo thứ tự được đánh dấu sẵn trên động cơ để không bị nhầm lẫn, đồng thời tăng tính chính xác cho mô hình.
- Khi siết ốc vít cần siết đủ lực, tránh tình trạng siết quá lực gây hư hỏng cho foam.
4.6 Kết nối trục với động cơ:
Hình 26: Kết nối trục với động cơ.
- Tiến hành xoay phần dưới của trục được gắn ren xoáy vào phần trục của động cơ.
- Siết thật chặt tránh bị xô lệch trong quá trình vận hành.
Lưu ý:
Chiều vặn trục phải ngược với chiều quay của động cơ, để khi động cơ càng quay thì bu lông càng xiết chặt, tránh hiện tượng động cơ quay thì bu lông lại tuôn ra.
4.7 Kết nối giá đỡ với cánh hướng gió:Bước 1: Lắp nắp trên vào trục Bước 1: Lắp nắp trên vào trục
- Nối trục vào gối đỡ và khoan lỗ để bắt vít nối vào trục đỡ.
- Khoan lỗ trên trục và tiến hành lắp nắp trên đã gắn sẵn gối đỡ vào trục.
- Bắt vít và siết chặt tránh hiện tượng lỏng lẻo, chênh vênh khi hệ thống hoạt động.
Bước 2: Đo kiểm và tính toán phân chia đều các góc độ đặt cánh
- Dùng compa đo các góc đặt cánh theo bản thiết kế.
- Đánh dấu và khoan các vị trí bắt vít trên giá đỡ động cơ và nắp trên.
Lưu ý:
- Cần đo kiểm chính xác và phân chia đều các góc đặt cánh hướng gió.
- Góc nghiêng cánh hướng gió đặt theo góc trên bản thiết kế là 450 nhằm giúp hướng gió từ nhiều góc với lưu lượng gió vào cánh turbine nhiều hơn và làm tăng công suất hoạt động của động cơ.
Hình 27: Lắp cánh hướng gió.
4.8 Kết nối turbinevới pin năng lượng mặt trời:
Sau khi hoàn thiện phần turbine thì nhóm tiến hành kết hợp với hệ thống pin năng lượng mặt trời, nhằm tăng thêm năng suất sản xuất điện của hệ thống.
Hình 28: Pin năng lượng mặt trời.
Bước 1: Tìm kiếm nguồn hàng
- Nhóm đã tìm mua trên mạng với mức giá là 1.100.000 VNĐ
- Công suất có thể tạo ra là 100W.
- Cấu tạo: Kính – EVA – Cell – EVA - TPT & khung nhôm
- Chất lượng sản phẩm: IEC 61215, IEC 61730, TUV.
Bước 2: Nối hệ thống turbine gió với pin mặt trời
- Nối dây theo đúng kỹ thuật và tuân thủ đúng bản thiết kế.
- Sử dụng băng keo đen quấn xung quanh mối nối.
- Tiến hành đo và so sánh công suất điện đầu ra với công suất dự tính ban đầu.