Trong khuôn khổ luận văn thạc sỹ, nội dung trình bày bao gồm nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của thiết kế mô hình kích thước màng belt, nam châm đến điện áp và công suất đầu ra.. Qua qu
GIỚ I THI Ệ U T Ổ NG QUAN
Đặ t v ấn đề nghiên c ứ u
Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái Đất Sử dụng năng lượng gió là một trong các cách lấy năng lượng xa xưa nhất từmôi trường tựnhiên và đãđược con người biết đến và sử dụng từ thời kỳ
Cổđại Trước kia, con người đã dùng năng lượng gió để di chuyển thuyền buồm hay khinh khí cầu, sử dụng các cối xay gió đểsinh công cơ học đểbơm nước hoặc xay bột Ý tưởng dùng năng lượng gió để sản xuất điện hình thành ngay sau các phát minh ra điện và máy phát điện Mãi đến năm 1970, sự ra đời của tuabin gió đã đưa việc ứng dụng nguồn năng lượng sạch này sang một trang mới Đến cuối những năm 90 của thế kỷ 20 việc ứng dụng năng lượng gió đã có nhiều tiến bộ quan trọng mang tính đột phá Bước sang thế kỷ 21, con người đang từng bước đưa năng lượng gió vào để thay thế các nguồn năng lượng truyền thống và có thể nói, chúng ta đang ởbước đầu của thời kỳ bùng nổnăng lượng gió Tại nhiều nơi trên thế giới, các trang trại điện gió với qui mô lớn với hàng trăm đến hàng ngàn tuabin gió được xây dựng
Ngày nay, vai trò của điện năng ngày càng lớn và rất quan trọng vì phải đáp ứng nhu cầu cung cấp điện liên tục cho tất cả các ngành công nghiệp sản xuất và đời sống xã hội của con người Hơn thế nữa, việc sản xuất nguồn điện năng ngày nay người ta còn đặc biệt chú trọng đến môi trường Trong khi các nhà máy thuỷ điện không hoạt động hết công suất của mình thì các nhà máy nhiệt điện lại gây ra ô nhiễm môi trường và là nguyên nhân gây nên hiệu ứng nhà kính Cho nên vấn đềhàng đầu được đặt ra là phát triển và xây dựng phải đảm bảo vấn đề về vệ sinh môi trường Trên thực tếđó, con người cần phải tìm ra nguồn năng luợng tái sinh và sạch để thay thế Năng lượng gió là nguồn năng lượng thiên nhiên vô tận, nguồn năng lượng tái tạo không gây ô nhiễm mỗi trường, vì vậy chúng ta có thể tận dụng nguồn năng lượng đó để biến thành nguồn năng lượng điện phục vụ nhu cầu của con người Cho tới hiện tại việc xây dựng các nhà máy phát điện gió đang được các nước phát triển trên thế giới cực kì chú trọng
Việt Nam có nguồn năng lượng gió phong phú, góp phần thúc đẩy phát triển bền vững quốc gia Là một nền kinh tế mới nổi, đất nước đang tập trung khai thác các nguồn năng lượng tái tạo để đáp ứng nhu cầu điện ngày càng tăng Việc ứng dụng năng lượng gió giúp Việt Nam giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, nâng cao năng lực cung cấp điện ổn định cho nền kinh tế đang phát triển mạnh mẽ.
Việt Nam có nguồn tài nguyên gió chủ yếu nằm dọc theo bờ biển dài hơn 3.000 km và ở các vùng đồi núi, cao nguyên phía Bắc và Trung Bộ Theo Bản Đồ Gió Toàn Cầu (Global Wind Atlas), hơn 39% diện tích đất nước có tốc độ gió trung bình hàng năm trên 6 m/s, trong đó hơn 8% diện tích đất liền có tốc độ gió trung bình trên 7 m/s tại độ cao 65 m Điều này cho thấy tiềm năng phát triển năng lượng gió của Việt Nam đạt tới 512 GW, với khả năng khai thác đáng kể để đáp ứng nhu cầu năng lượng sạch của đất nước.
Hình 1.1 Tiềm năng mật độ năng lượng gió Việt Nam
Chi phí chế tạo, lắp đặt và duy trì các thiết bị máy phát có tuabin lớn là vĩ mô và rất cao, phù hợp cho các hộ gia đình trên quy mô rộng lớn Do đó, ý tưởng về một máy phát điện gió nhỏ với chi phí thấp đã hình thành và phát triển để phục vụ các tải nhỏ trong gia đình và các chuyến du lịch dài ngày Đây là một hướng đi mới có tiềm năng lớn và đáng được khai thác sâu hơn trong tương lai.
T ổ ng quan v ề các nghiên c ứu trong và ngoài nướ c
Các thiết bịđiện tử công suất thấp, chẳng hạn như mạng cảm biến không dây
[1], thiết bịđiện tửdi động [2] đã đạt được nhiều tiến bộ trong những năm gần đây
Từ lâu, pin đã là nguồn năng lượng chính cho các thiết bị điện tử, nhưng tuổi thọ của pin ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động và việc xử lý bỏ đi gây ra các vấn đề môi trường [3], [4] Năng lượng xung quanh như năng lượng mặt trời, dao động và gió đang được khai thác để chuyển đổi thành điện năng, mang lại giải pháp tiềm năng cho nguồn cung cấp năng lượng bền vững [5–8] Trong số các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng gió nhận được nhiều sự chú ý nhờ tính sạch, khả năng tái tạo và sự phổ biến của gió trên toàn thế giới Tuy nhiên, các tuabin gió truyền thống vẫn còn tồn tại những hạn chế như trọng lượng lớn, cấu trúc phức tạp và chi phí cao, đặc biệt khi dùng để cấp nguồn cho các thiết bị điện tử công suất thấp [4], [9].
Do đó, các nhà nghiên cứu muốn tìm ra cách đơn giản hơn để sử dụng nguồn năng lượng này Năm 2018, máy phát điện dựa trên hiện tượng rung động do tác động
Nghiên cứu của Hu và cộng sự đã tập trung vào các hiện tượng dao động do gió như rung động do xoáy và rung chuyển [10][11], mang đến hiểu biết về ảnh hưởng của gió đến các thiết bị năng lượng Theo tài liệu tham khảo [12], một nghiên cứu đã so sánh hiệu suất đầu ra của máy thu năng lượng gió trong các hướng đặt mô hình khác nhau để tối ưu hóa hiệu quả Frayne [13–15] đã sáng tạo ra một máy thu năng lượng gió và điện từ dựa trên hiện tượng quay của cánh quạt, gọi là vành đai gió, với cấu trúc cực kỳ đơn giản gồm ba phần: một màng kẹp hai bên, nam châm và một hoặc nhiều cuộn dây Ông cũng chỉ ra rằng, các máy phát điện gió có kích thước 12 cm và 1 m có thể cung cấp đủ điện để phục vụ cho các cộng đồng đảo xa xôi.
Trong quá khứ, một số mô hình sử dụng năng lượng gió đã được phát triển Năm 2001, tác giả Alen đã nghiên cứu khảnăng tạo ra điện áp và tạo ra công suất đầu ra do dao động của màng belt bằng cách sử dụng các xoáy Von Karman [16]
Mô hình thu năng lượng gió của Bryant và Garcia đã được nghiên cứu, hoạt động dựa trên nguyên lý dao động của một thanh kim loại được kết nối với pin để chuyển đổi năng lượng gió thành điện năng hiệu quả.
Trong các nghiên cứu từ năm 2011 đến 2021, nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của máy phát điện gió dựa trên hiện tượng đàn hồi (windbelt) đã được xác định rõ, như vị trí nam châm, sức căng của màng belt, tốc độ gió, góc tấn, đường kính nam châm, hướng của màng belt, và kích thước của các thành phần Cụ thể, Li (2011) đã ghi nhận công suất tối đa 0,6 mW và mật độ công suất 2 mW/cm³ từ thiết bị chuyển đổi năng lượng gió thành điện rung động Vu et al (2016) chứng minh rằng, ở tốc độ gió từ 3-12 m/s, điện áp và công suất tăng khi nâng cao các thông số như tốc độ gió và độ căng của màng belt Prajyot Satish Tathode và cộng sự (2020) tính toán mô hình windbelt, cho thấy diện tích mặt cắt ngang, tốc độ gió, và khoảng cách giữa nam châm và cuộn dây đều ảnh hưởng đến điện áp và công suất tạo ra Vinayan (2019) phân tích chiều rộng của màng, phát hiện rằng điện áp và công suất giảm khi chiều rộng của màng tăng lên Nghiên cứu của Vu và cộng sự (2021) xác nhận rằng, công suất tăng khi chiều dài màng belt và độ dày nam châm tăng, trong khi giảm khi chiều rộng của màng belt giảm Aquino sử dụng mô phỏng CFD để nghiên cứu WIFH trong đường hầm gió, cho thấy công suất tối đa đạt 62,4 mW tại góc tiếp cận 45 độ Ngoài ra, Kan và cộng sự đã áp dụng hiệu ứng vách ngăn vào máy thu năng lượng rung động do gió (EPWEH), đạt mức tăng điện áp tối đa lên tới 910,1%.
Nghiên cứu của [26] đã phân tích các mode dao động của màng belt qua mô phỏng số và tính toán lý thuyết, phản ánh hình ảnh các mode tại tần số dao động tự nhiên Kết quả này giúp hiểu rõ hơn về đặc điểm dao động của màng belt trong các điều kiện hoạt động khác nhau Ngoài ra, nghiên cứu cũng xác định vận tốc gió tới hạn khiến màng belt bắt đầu dao động, góp phần nâng cao hiệu quả thiết kế và vận hành các hệ thống có sự hiện diện của màng belt.
Các chuyển động của mô hình được mô phỏng và tính toán dựa trên các phương trình khoa học, giúp xác nhận sự phù hợp giữa thực nghiệm và lý thuyết của máy phát điện Windbelt nhỏ Tuy nhiên, còn nhiều yếu tố gây ra sai số về điện áp và công suất đầu ra của thiết bị, đòi hỏi nghiên cứu sâu hơn để hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của mô hình điện gió Windbelt.
M ụ c tiêu nghiên c ứ u
Trong nghiên cứu này, mô hình Winbelt được chế tạo và thiết kế dựa trên kích thước và điều kiện thí nghiệm đã được trình bày trong bài báo của Vu và cộng sự [22], đảm bảo tính chính xác và phù hợp với điều kiện thực tế.
Mục tiêu của thực nghiệm và mô phỏng trong luận văn là khảo sát ảnh hưởng của các thông số thiết kế mô hình như kích thước màng belt và kích thước nam châm đến hiệu suất hoạt động của Windbelt, đặc biệt là về điện áp và công suất Các kết quả thu được giúp xác định điểm mạnh và hạn chế của thiết kế hiện tại, từ đó đề xuất các giải pháp tối ưu để nâng cao hiệu suất Windbelt trong các dự án tương lai.
Nhiệm vụ cụ thểđược thực hiện trong nghiên cứu:
Mô hình windbelt được thiết kế phù hợp với các tiêu chí quan trọng như đơn giản nhưng vẫn đảm bảo nguyên lý hoạt động đề ra, dễ dàng gia công chế tạo và tháo lắp, đồng thời sử dụng các vật liệu phổ biến, dễ kiếm Thiết kế này giúp tối ưu quá trình sản xuất và nâng cao tính khả thi của dự án.
-Thiết kế mạch điện đơn giản, đáp ứng theo lí thuyết điện phục vụ đo đạc các thông sốđầu ra như điện áp, công suất
-Thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng thông sốkích thước của màng belt gồm: chiều dài, chiều rộng đến điện áp và công suất của windbelt
-Thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng chiều dày của nam châm đến điện áp và công suất của windbelt
-Thực nghiệm đo biên độdao động của màng belt khi thay đổi chiều dài của nó và khảo sát sựảnh hưởng này đến hiệu suất của Windbelt
-Mô phỏng khảo sát ảnh hưởng chiều dày của màng belt đến biên độ dao động của màng và hiệu suất hoạt động của Windbelt
Dựa trên các kết quả đo lường, nhận xét và đánh giá một cách đầy đủ, liên hệ chặt chẽ với các đồ thị thu được từ thực nghiệm và cơ sở tính toán lý thuyết giúp xác định chính xác ưu nhược điểm của thiết bị khảo sát Qua đó, rõ ràng nhận thấy các mặt hạn chế của thiết bị, từ khả năng đo lường đến độ chính xác và độ ổn định, góp phần cải tiến và nâng cao hiệu quả của các phương pháp khảo sát trong tương lai.
-Xây dựng giải pháp, các đóng góp của bản thân và phương hướng phát triển đểđem lại tối ưu cho các nghiên cứu tương lai.
GIỚ I THI Ệ U V Ề WINDBELT
Gi ớ i thi ệ u chung
Windbelt là thiết bị chuyển đổi năng lượng gió thành điện năng, do Shawn Frayne sáng chế vào năm 2004, nổi bật với khả năng nhỏ gọn, chi phí thấp và dễ dàng vận chuyển Thiết bị này vận hành ổn định ngoài trời với điều kiện gió thực tế, phù hợp để phục vụ các tải nhỏ như sạc điện thoại, chiếu sáng bằng đèn LED, tích trữ điện cho ắc quy và cung cấp năng lượng cho cảm biến hồng ngoại.
Hiện nay có rất nhiều loại windbelt với các kích thước, vật liệu khác nhau được nghiên cứu (hình 2.1)
Hình 2.1 Các loại windbelt đã được nghiên cứu [13]
C ấ u t ạ o và nguyên lý ho ạt độ ng
Cấu tạo của Windbelt bao gồm một màng belt, nam châm, cuộn dây đồng, khung giá để gắn các thành phần (Hình 2.2)
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
Màng belt ngàm hai đầu sẽdao động tự kích trong dòng khí có vận tốc nhất định, nam châm gắn trên màng belt dao động đặt cạnh cuộn dây điện sẽ tạo ra hiện tượng cảm ứng điện từ, sinh ra dòng điện (Hình 2.3)
Hình 2.3 Nguyên lý hoạt động của máy phát điện dựa trên hiện tượng flutter và hiện tượng cảm ứng điện từ
Khi màng belt được đặt song song với dòng khí, nó không dao động trong trạng thái cân bằng Tuy nhiên, khi có tác động làm thay đổi phương của màng belt, lực tác động của dòng khí tăng lên, gây biến dạng và chênh lệch phương của màng belt Lực này còn làm dịch chuyển màng belt khỏi vị trí ban đầu, đến vị trí có biên độ cực đại, sau đó lực và phương chênh lệch giảm dần nhờ tác dụng của lực đàn hồi của vật liệu kéo màng belt trở lại vị trí ban đầu Quá trình này lặp lại liên tục, làm màng belt dao động theo phương thức tuần hoàn.
Khi nam châm đặt lên cuộn dây, nam châm sẽ có 2 dạng dao động chính: dao động biên (Hình 2.4) và dao động góc (Hình 2.5)
Dao động biên là dạng dao động lên xuống: nam châm dao động theo trục thẳng đứng
Dao động xoay hay dao động góc: nam châm xoay quanh trục ngang
Hình 2.4 Dạng dao động biên
Hình 2.5 Dạng dao động góc
Phụ thuộc vào đặc tính đàn hồi của màng belt, như độ cứng chống uốn và độ cứng chống xoắn, nam châm sẽ có các kiểu dao động khác nhau Thông thường, nam châm trong Windbelt dao động theo dạng kết hợp giữa dao động biên và dao động góc, tạo ra các kiểu rung động đa dạng nhằm tối ưu hiệu suất chuyển đổi năng lượng.
Hình 2.6 Dạng dao động chính của nam châm trong Windbelt: kết hợp giữa dao động biên và dao động góc
Dạng dao động, tần số dao động và biên độ dao động của nam châm gắn trên màng belt có ảnh hưởng trực tiếp đến công suất đầu ra của máy phát điện Các thông số này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như lực căng của màng belt, vị trí đặt nam châm và góc tấn, đòi hỏi sự điều chỉnh chính xác để tối ưu hiệu suất hoạt động của máy Việc kiểm soát các yếu tố này sẽ giúp nâng cao hiệu quả sản xuất điện và duy trì hoạt động ổn định của hệ thống.
Cơ sở lí thuy ế t
Cơ sở lí thuyết về mặt khí động
Năng lượng gió mà Windbelt có thể hấp thụ và chuyển đổi thành năng lượng điện được cho bởi công thức (1) [20]:
Trong đó: ρ: Mật độ không khí (khối lượng riêng không khí)
8 v: Vận tốc dòng khí (gió)
A: Diện tích quét (diện tích khi màng belt dao động quét được)
Dựa vào công thức trên, có thể thấy rằng nếu giả định mật độ không khí không đổi, và điều kiện gió tại cùng một thời điểm, cùng một vị trí không thay đổi, thì năng lượng gió mà Windbelt có thể hấp thụ chỉ phụ thuộc vào diện tích quét Điều này giúp xác định chính xác khả năng chuyển đổi năng lượng gió của Windbelt dựa trên diện tích bề mặt tiếp xúc với gió, tối ưu hóa hiệu suất năng lượng trong các ứng dụng thực tế.
Hình 2.7 Minh họa diện tích quét của Windbelt
Diện tích quét được tính theo công thức (2):
Trong đó: y = f(x): Phương trình đường cong dao động của màng belt
L: chiều dài màng belt dao động
Từ công thức trên, ta có thể dễ dàng thấy được khi tăng chiều dài màng belt dao động thì diện tích quét của Windbelt tăng, kéo theo năng lượng gió mà nó hấp thụtăng, dẫn đến tăng công suất
Cơ sở lí thuyết về mặt điện từ
Công suất điện mà Windbelt có thể sản sinh phụ thuộc điện áp và cường độ dòng điện:
Công suất tiêu thụ có thể khác nhau tùy thuộc vào điện trở của tải, ảnh hưởng đến giá trị công suất Thay vì xác định trực tiếp công suất, ta có thể dựa vào điện áp do Windbelt sinh ra để tính toán, bằng phương trình (4), để có cái nhìn chính xác hơn về công suất phụ thuộc vào tải.
N: số vòng của cuộn dây đồng
Ac: diện tích mặt cắt dọc chiều dài màng belt (m 2 )
B: cảm ứng từ (phụ thuộc vào nam châm) (Tesla) f: tần sốdao động
9 v: vận tốc gió (m/s) d: dịch chuyển của belt khi xảy ra hiện tượng flutter (m)
Diện tích mặt cắt dọc chiều dài màng belt được tính theo phương trình (6):
L: chiều dài màng belt (m) b: chiều dày của màng belt (m) h: chiều rộng màng belt
Nam châm N35 có từ trường tương đối, phụ thuộc vào vật liệu N35, với giá trị luôn trong khoảng Br = 1.17-1.21 Tesla Cảm ứng từ B của nam châm hình trụ biến đổi theo vật liệu và kích thước của nam châm, bao gồm chiều dày và đường kính, được tính toán dựa trên phương trình (7).
D: Chiều dày của nam châm (m)
R: Bán kính của nam châm (m) z: Khoảng cách của nam châm đến mặt phẳng gần nhất của cuộn đồng (m) Theo lí thuyết, các tham sốảnh hưởng đến điện áp đầu ra của windbelt bao gồm:
- Cảm ứng từ của nam châm
- Biên độ dao động của màng belt
- Kích thước màng belt (chiều dài, chiều dày)
- Chiều dày và đường kính nam châm
- Khoảng cách nam châm đến mặt phẳng gần nhất của cuộn đồng
Các thông sốtính toán sơ bộ:
- Kích thước nam châm: Փ20x3mm [22]
- Cảm ứng từ của nam châm (nam châm đát hiếm N35): B=1,12-1,22 Tesla
- Tốc độ gió trung bình: v=2.5m/s [22]
- Biên độdao động của Windbelt: d=0,025m
- Màng belt có kích thước: chiều dài L=0,62m, chiều dày b=0,00025m
- Tiết diện màng belt tiếp xúc với dòng khí (pt6):
- Cảm ứng từtương đối trung bình của nam châm N35:
- Cảm ứng từ thực tế của nam châm N35 có kích thước Փ20x3mm
- Trong đó D là chiều dày nam châm (0,003m), R là bán kính nam châm (0,01m), z là khoảng cách từ nam châm đến bề mặt cuộn đồng gần nhất (0,015m)
Thay sốta tính được điện áp dựa vào (pt4)
Các mô hình đã đượ c th ử nghi ệ m
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
Khoa: Cơ khí Động lực
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦNGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
B Ả N XÁC NH Ậ N CH Ỉ NH S Ử A LU Ậ N VĂN
Họ và tên tác giả luận văn:Lưu Thành Trung Đề tài luận văn: Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham sốđến công suất của mô hình máy phát điện Windbelt.
Chuyên ngành:Kỹ thuật Hàng không
Tác giả đã sửa chữa và bổ sung luận văn theo yêu cầu của hội đồng chấm luận văn, dựa trên biên bản họp ngày 2/11/2022 Quá trình chỉnh sửa đảm bảo các nội dung đã được hoàn thiện đúng theo hướng dẫn của người hướng dẫn khoa học và hội đồng, nhằm nâng cao chất lượng luận văn đạt chuẩn yêu cầu Việc chỉnh sửa và bổ sung này thể hiện sự cam kết của tác giả trong việc hoàn thiện nghiên cứu, đáp ứng các tiêu chí đánh giá của hội đồng.
- Sửa lại mẫu báo cáo theo đúng form của luận văn thạc sỹ
- Sửa lại các lỗi chính tả
- Đồ thị được thêm chú thích và 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 được sửa lại tên theo đúng yêu cầu của giáo viên phản biện (hình: 4.11)
- Tài liệu tham khảo được trình bày theo mẫu
- Bảng biểu được trình bày lại ( Bảng: 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6)
- Thống nhất thuật ngữ “màng belt”
Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG i ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
Họ và tên học viên: Lưu Thành Trung MSHV: 20212418M Điệnthoại: +84.989.665.633 Email: luuthanhtrung98hd@gmail.com
Lớp: CLC2021B Hệ đào tạo: Chính quy
Luận vănđược thực hiện tại: Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học
Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 30/08/2022
2 Mục đích và nội dung của luận văn thạc sĩ:
Nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu và kích thước màng belt đối với biên độ dao động của nó trong điều kiện gió nhất định là yếu tố quan trọng để hiểu rõ hiệu suất của hệ thống windbelt Việc xác định biên độ dao động sẽ được sử dụng để tính toán lý thuyết điện áp của mô hình windbelt, giúp tối ưu hóa thiết kế và hiệu quả hoạt động Các kết quả mô phỏng sẽ được so sánh với kết quả thực nghiệm để đánh giá độ chính xác của các phương pháp phân tích Ngoài ra, nghiên cứu cũng tập trung vào việc tìm hiểu các phương pháp mô phỏng để cải thiện quá trình dự đoán và phân tích hệ thống windbelt.
3 Các nhiệm vụ cụ thể của luận văn thạc sĩ:
Nội dung nghiên cứu của luận văn bao gồm các phần chính như sau:
• Nội dung 1: Tổng quan về mô hình windbelt
• Nội dung 2: Tính toán lí thuyết công suất của windbelt
• Nội dung 3: Tính toán biên độ dao động của windbelt bằng phương pháp mô phỏng FSI
Hà Nội, ngày … tháng năm 2022
Em xin gửi lời tri ân sâu sắc đến TS Lê Thị Tuyết Nhung, người hướng dẫn khoa học tận tình, luôn động viên và khích lệ em trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài Đặc biệt, chị đã cung cấp những lời khuyên hữu ích về phương pháp nghiên cứu, giúp em hoàn thiện luận văn một cách tự tin và chuyên nghiệp Những chia sẻ của chị còn góp phần giữ vững tinh thần và vượt qua những thử thách trong hành trình học tập.
Em cũng xin gửi lời cảm ơnđến các thầy cô trong Khoa Cơ khí động lực, Trường Cơ Khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã đồng hành cùng em từ những ngày đầu học tập tại trường và tạo mọi điều kiện giúp đỡ em trong quá trình học tập, nghiên cứu
Xin cảm ơn những người thân và bạn bè đã bên em trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu để hoàn thành Luận văn Thạc Sĩ này Cảm ơn các bạn lớp KSCLC-CKHK-K61, cảm ơn các bạn lớp cao học CLC2021B đã đồng hành cùng em trong suốt những ngày tháng thực hiện nghiên cứu
Với kiến thức còn hạn chế và điều kiện vật chất còn nhiều hạn chế, bài viết này còn nhiều thiếu sót Em rất mong nhận được ý kiến đóng góp và nhận xét từ thầy cô để hoàn thiện hơn nội dung.
Một lần nữa xin trân trọng cảm ơn!
Tóm tắt nội dung luận văn
Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển
Trái Đất đã được con người tận dụng nguồn năng lượng tự nhiên từ hàng trăm năm nay Trong quá khứ, con người đã biết khai thác năng lượng gió để di chuyển bằng thuyền buồm, khinh khí cầu và vận dụng các cối xay gió để tạo ra công cơ học nhằm bơm nước hoặc xay bột.
Trong bối cảnh công nghệ ngày càng phát triển, các nhà khoa học đã chế tạo thành công các tua bin gió quy mô lớn để sản xuất điện, mặc dù chi phí cao Để giảm thiểu chi phí, mô hình máy phát điện-gió cỡ nhỏ, công suất thấp đã được đề xuất nhằm đáp ứng các thiết bị điện tiêu thụ ít năng lượng như cảm biến, thiết bị phát WiFi hay đèn hồng ngoại Mô hình windbelt hoạt động dựa trên hiện tượng khí động đàn hồi và cảm ứng từ, giúp tạo ra dòng điện nhỏ phù hợp với các ứng dụng vi mô Những nghiên cứu về mô hình này đã ngày càng mở rộng nhằm nâng cao hiệu suất đầu ra, góp phần thúc đẩy sự phát triển của nguồn năng lượng tái tạo tiên tiến Để tiếp tục hướng phát triển này, nghiên cứu về ảnh hưởng của các tham số đến công suất của mô hình máy phát điện là một bước quan trọng, giúp tối ưu hóa hiệu quả hoạt động của hệ thống.
Windbelt” Trong khuôn khổ luận văn thạc sỹ, nội dung trình bày bao gồm nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của thiết kế mô hình (kích thước màng belt, nam châm) đến điện áp và công suất đầu ra Ngoài ra, tác giả thực hiện mô phỏng khảo sát ảnh hưởng biên độ dao động của màng belt đến kết quả đầu ra của windbelt
Qua quá trình nghiên cứu, số liệu chỉ ra rằng cả chiều dài màng belt và kích thước của nam châm tỷ lệ thuận với biên độdao động, điện áp, công suất đầu ra của mô hình Ngược lại, hiệu suất của Windbelt giảm khi ta tăng chiều dày, chiều rộng của màng belt Qua đó, tác giả có thể xây dựng mô hình máy phát điện tối ưu hiệu năng bằng việc thay đổi thiết kế của mô hình sao cho phù hợp trong tương lai.
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ, BIỂU ĐỒ vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU ix
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1
1.1 Đặt vấn đề nghiên cứu: 1
1.2 Tổng quan về các nghiên cứu trong và ngoài nước 2
CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ WINDBELT 5
2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 5
Cơ sở lí thuyết về mặt khí động 7
Cơ sở lí thuyết về mặt điện từ 8
2.4 Một số kết quả nghiên cứu thực nghiệm trước đây 10
Các yếu tố ảnh hưởng đến công suất và hiệu suất hoạt động
Windbelt 10 Các mô hình đã được thử nghiệm 16
CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CÁC
THAM SỐ THIẾT KẾĐẾN CÔNG SUẤT CỦA MÔ HÌNH WINDBELT 19
3.1 Xây dựng và thiết kế mô hình thực nghiệm Windbelt 19
Tổng quan về mô hình 19
Giá trị các tham sốvà phương pháp đo 29
3.2 Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng các tham số thiết kế đến công suất của mô hình windbelt 35 Đối tượng và mục tiêu 35
Chuẩn bị mô hình thực nghiệm 36
Trong phần 3.3, các kết quả và nhận xét nghiên cứu tập trung vào ảnh hưởng của nhiều yếu tố đến hiệu suất của màng belt Cụ thể, chiều dài của màng belt có tác động đáng kể đến kết quả thử nghiệm, giúp tối ưu hóa thiết kế hệ thống Ngoài ra, chiều rộng của màng belt cũng đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả truyền động Kích thước của nam châm là yếu tố quyết định đến khả năng thu hút và giữ lực của hệ thống, góp phần cải thiện độ chính xác và ổn định Thêm vào đó, biên độ dao động của màng belt ảnh hưởng tới độ ổn định và độ bền của toàn bộ hệ thống, đồng thời các nhận xét tổng thể cho thấy việc điều chỉnh các yếu tố này là cần thiết để đạt được hiệu suất tối ưu.
CHƯƠNG 4 KHẢO SÁT BIÊN ĐỘ MÀNG BELT CỦA MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN THÔNG QUA MÔ PHỎNG SỐ 53
4.1 Đối tượng và mục tiêu 53
Tổng quan về bài toán FSI 2 chiều 53
Xây dựng mô hình tính toán 54
Thiết lập mô phỏng số 56
4.3 Kết quả và nhận xét 60 Ảnh hưởng của chiều dài đến biên độdao động màng belt 60 Ảnh hưởng của chiều dày đến biên độdao động màng belt 62
KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN 63
DANH MỤC THAM KHẢO 65 vi
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ, BIỂU ĐỒ
Hình 1.1 Tiềm năng mật độnăng lượng gió Việt Nam 2
Hình 2.1 Các loại windbelt đã được nghiên cứu [13] 5
Hình 2.3 Nguyên lý hoạt động của máy phát điện dựa trên hiện tượng flutter và hiện tượng cảm ứng điện từ 6
Hình 2.4 Dạng dao động biên 6
Hình 2.5 Dạng dao động góc 7
Hình 2.6 Dạng dao động chính của nam châm trong Windbelt: kết hợp giữa dao động biên và dao động góc 7
Hình 2.7 Minh họa diện tích quét của Windbelt 8
Hình 2.8 Sơ đồ mô hình thực nghiệm [19] 10
Hình 2.9 Đồ thịđiện áp và cường độ dòng điện phụ thuộc vào lực căng màng belt 11
Hình 2.10 Đồ thị vận tốc gió tới hạn và duy trì phụ thuộc vào lực căng màng belt 12
Hình 2.11 Đồ thị vận tốc gió tới hạn và duy trì phụ thuộc vào góc tấn 13
Hình 2.12 Đồ thị điện áp ra phụ thuộc vào góc tấn 13
Hình 2.13 Đồ thị điện áp trong hai trường hợp máy phát đặt ngang và dọc 14
Hình 2.14 Đồ thị điện áp theo vận tốc gió với ba vị trí đặt nam châm khác nhau: 10%; 30% và 50% chiều dài màng belt 15
Hình 2.15 Đồ thịđiện áp phụ thuộc vào tốc độ gió với ba loại nam châm khác nhau 16
Hình 2.16 Máy phát thực tếđã được chế tạo [18] 16
Hình 2.17 Máy phát dạng ghép nhiều tấm sau khi đã được chế tạo, lắp ghép hoàn chỉnh 17
Hình 3.1 Bố trí mô hình Windbelt và các thiết bị thực nghiệm 19
Hình 3.5 Thanh trượt (trái) và bệđỡ cuộng đồng (phải) 21
Hình 3.6 Vải ripstop với các kích thước khác nhau 22
Hình 3.9 Mô hình thực nghiệm Windbelt 23
Hình 3.12 sơ đồ mạch chỉnh lưu 25 vii
Hình 3.13 Mạch chỉnh lưu kết hợp tụ hóa 25
Hình 3.14 Bộ chuyển đổi dữ liệu Agilent 26
Hình 3.16 Ảnh minh họa chương trình nạp vào arduino 27
Hình 3.17 Code hỗ trợ xuất kết quả thành file txt 27
Hình 3.18 Máy đo vận tốc gió UNI-UT363 28
Hình 3.19 Sơ đồ kết nối giữa camera và máy tính thông qua bộ chuyển đổi 28
Hình 3.20 Ống khí động AF6116 tại phòng thí nghiệm nhà T-208 Đại học Bách
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 hiện vận tốc gió phụ thuộc vào tần số quạt 32
Hình 3.24 Bố trí thí nghiệm quay biên độdao động bằng 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 quả thể hiện thông số tọa độ của tâm nam châm 34
Hình 3.28 Bố trí thí nghiệm đo điện áp và công suất 35
Hình 3.29 Mô hình thực nghiệm và quá trình lấy kết quả 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 và công suất (tải 1kΩ) 38
Hình 3.32 Đồ thị điện áp không tải ảnh hưởng bởi chiều rộng màng belt (L 620mm) 39
Hình 3.33 Ảnh hưởng kích thước belt đến điện áp đầu ra (không tải) 40
Hình 3.34 Đồ thị ảnh hưởng của chiều rộng màng belt đến điện áp tải 1 kΩ 40
Hình 3.35 trình bày đồ thị ảnh hưởng của chiều rộng màng belt đến công suất, với tải 1kΩ, cho thấy rằng việc tăng chiều rộng màng belt có thể nâng cao công suất hoạt động của hệ thống Trong khi đó, Hình 3.36 minh họa ảnh hưởng của chiều dày nam châm đến điện áp không tải đầu ra, cho thấy rằng việc điều chỉnh chiều dày nam châm giúp cải thiện hiệu suất điện áp của thiết bị Các kết quả này góp phần xác định các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả hoạt động của hệ thống, từ đó hướng dẫn tối ưu thiết kế và vận hành.
Hình 3.37 Đồ thị ảnh hưởng của chiều dày nam châm đến điện áp tải 1kΩ 42
Hình 3.38 Đồ thị ảnh hưởng của chiều dày nam châm đến công suất 43
Hình 3.39 Kết quảbiên độở tần số quạt 14Hz 44
Hình 3.40 Kết quảbiên độở tần số quạt 16Hz 44
Hình 3.41 Kết quảbiên độở tần số quạt 18Hz 45
Hình 3.42 Kết quảbiên độở tần số quạt 20Hz 45
Hình 3.43 Kết quảbiên độở tần số quạt 22Hz 45
Hình 3.44 Kết quảbiên độở tần số quạt 24Hz 46
Hình 3.45 Kết quảbiên độở tần số quạt 26Hz 46
Hình 3.46 Kết quảbiên độở tần số quạt 28Hz 46 viii
Hình 3.47 Đồ thị biên độ dao động của chiều dài màng belt 620mm ở các tần số quạt 47
Hình 3.48 Đồ thịbiên độdao động của chiều dài màng belt 620mm phụ thuộc vào vận tốc gió 47
Hình 3.49 Đồ thị biên độ- tần sốở các chiều dài màng belt khác nhau 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 công suất khi thay đổi tần số quạt 50
Hình 3.53 Chu kỳdao động của windbelt 52
Hình 4.1 Sơ đồ bài toán FSI 2 chiều 54
Hình 4.3 Mô hình màng PET và nam châm 55
Hình 4.4 Mô 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 của màng PET 58
Hình 4.8 Điều kiện biên Inlet, Outlet và Wall 58
Hình 4.9 Thiết lập thời gian bước nhảy và thời gian kết thúc 59
Hình 4.10 Dữ liệu trao đổi 59
Hình 4.12 Đồ thị ảnh hưởng chiều dài màng belt đến biên độdao động 61
Hình 4.13 Kết quảbiên độdao động giữa thực nghiệm và mô phỏng 61
Hình 4.14 Đồ thị ảnh hưởng của độdày đến biên độdao động của màng belt 62 ix
Bảng 2.1 Điều kiện biên thí nghiệm xét ảnh hưởng của lực căng màng belt tới dạng dao động, dòng điện và điện áp 11
Bảng 2.2 Điều kiện biên trường hợp ảnh hưởng lực căng màng belt tới vận tốc gió xuất hiện và vận tốc gió duy trì dao động 11
Bảng 2.3 Điều kiện biên của thí nghiệm xét ảnh hưởng của góc tấn tới tốc độ duy trì và tốc độ tới hạn 12
Bảng 2.4 Điều kiện thí nghiệm xét ảnh hưởng của góc tấn tới điện áp 13
Bảng 2.5 Điều kiện thí nghiệm xét ảnh hưởng của phương đặt thiết bị 14
Bảng 2.6 Điều kiện thí nghiệm xét ảnh hưởng của vịtrí đặt nam châm 15
Bảng 3.1 Bảng giá trị của các tham số tính toán 29
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật ống khí động AF6116 30
Bảng 3.3 Bảng đo vận tốc gió hoạt động của windbelt 31
Bảng 3.4 Vận tốc gió trung bình ứng với mỗi chiều dài màng belt 32
Bảng 3.5 Bảng đánh giá kết quả lí thuyết so với thực nghiệm 37
Bảng 3.6 Bảng so sánh kết quảđiện áp thực nghiệm và lí thuyết 42
Bảng 3.7 Bảng giá trị điện áp thực nghiệm ở các chiều dài màng belt khác nhau 48
Bảng 3.8 Bảng giá trị công suất thực nghiệm 49
Bảng 3.9 Chu kỳdao động của màng belt trong các trường hợp 51
Bảng 3.10 tần sốdao động của màng belt trong các trường hợp 51
Bảng 4.1 Thông số vật liệu màng PET 55
Bảng 4.2 Bảng biên độdao động thay đổi theo chiều dài màng belt 60
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1.1 Đặt vấn đề nghiên cứu:
Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái Đất Sử dụng năng lượng gió là một trong các cách lấy năng lượng xa xưa nhất từmôi trường tựnhiên và đãđược con người biết đến và sử dụng từ thời kỳ
Năng lượng gió đã được con người sử dụng từ thời cổ đại để di chuyển thuyền buồm, khinh khí cầu, hoặc vận hành các cối xay gió nhằm tạo ra công cơ học để bơm nước và xay bột Ý tưởng ứng dụng năng lượng gió để sản xuất điện xuất hiện ngay sau khi phát minh ra điện và máy phát điện Đến năm 1970, sự ra đời của các tuabin gió đã mở ra kỷ nguyên mới cho năng lượng sạch này Những năm cuối thập niên 90 của thế kỷ 20 ghi nhận những bước tiến đột phá trong công nghệ năng lượng gió Sang thế kỷ 21, năng lượng gió bắt đầu được sử dụng phổ biến để thay thế các nguồn năng lượng truyền thống, và chúng ta đang bước vào giai đoạn bùng nổ của năng lượng gió với nhiều dự án trang trại điện gió quy mô lớn trên toàn thế giới, gồm hàng trăm đến hàng nghìn tuabin gió.