Thiết kế chế tạo thử nghiệm mô hình chuyển đổi động năng thành điện năng (đồ án tốt nghiệp cơ điện)

Chế tạo được hệ thống chuyển đổi khí nén thành điện áp đơn giản, gọn nhẹ, tối ưu về thiết kế, khả năng tích trữ khí nén của bình nén khí, lượng khí xả để quay tua bin không bị tiêu thoát

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA CƠ ĐIỆN

HÀ NỘI, 2021

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA CƠ ĐIỆN

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy, cô giáo trường Học viện Nông nghiệp Việt Nam, đặc biệt là các thầy cô giáo trong Khoa Cơ Điện đã truyền đạt kiến thức cho em trong suốt thời gian học vừa qua Các thầy cô trong bộ môn “Tự động hóa” đã nhiệt tình giảng dạy, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho em được học tập, nghiên cứu và trang bị cho em những kiến thức để vững bước cho tương lai

Để hoàn thành đề tài này em đã nhận được sự hướng dẫn tận tình của các thầy, cô giáo trong bộ môn “Tự động hóa” và đặc biệt là ThS Nguyễn Văn Điều đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ bảo cho em trong suốt quá trình nghiên cứu cũng như trong quá trình viết báo cáo, giúp em có thể hoàn thiện

đồ án tốt nghiệp này

Do thời gian nghiên cứu có hạn và lượng kiến thức chuyên môn còn hạn chế nên đề tài này không tránh được những thiếu sót kính mong nhận được sự quan tâm, góp ý của các thầy cô và bạn bè

Em xin trân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm

Sinh viên thực hiện

Phạm Công Linh

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những gì trình bày trong đồ án tốt nghiệp “THIẾT

KẾ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG NĂNG THÀNH ĐIỆN NĂNG” là sự nghiên cứu của tôi dưới dẫn và giúp đỡ của

ThS Nguyễn Văn Điều Các số liệu sử dụng phân tích trong đồ án tốt nghiệp

có nguồn gốc rõ ràng, đã được nêu rõ trong phần tài liệu tham khảo Các kết quả nghiên cứu trong đồ án tốt nghiệp do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn của Việt Nam Các kết quả này chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác

Hà Nội, ngày tháng năm

Sinh viên thực hiện

Phạm Công Linh

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH SÁCH BẢNG iv

DANH SÁCH HÌNH ẢNH vi

MỞ ĐẦU 1

1.TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1

2.MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 1

3.PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2

4.NHỮNG ĐÓNG GÓP, Ý NGHĨA KHOA HỌC THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4

1.1 Tổng quan về IoT 4

1.2 IoT tại Việt Nam 6

1.3 IoT trên thế giới 7

1.4 Các hệ thống tích trữ khí nén để chuyển hóa thành điện năng 7

CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 10

2.1 Nội dung nghiên cứu 10

2.1.1 Nghiên cứu chế tạo khung mô hình 10

2.1.2 Tua bin gió 11

2.1.3 Bình chứa khí nén 12

2.1.4 Mạch nghịch lưu 13

2.1.5 Mạch chỉnh lưu 14

2.1.6 Arduino 15

2.1.7 Esp 8266 16

2.1.8 Nghiên cứu phần mềm viết chương trình điều khiển cho arduino uno R3 18

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 20

3.1 Tổng quan mô hình nghiên cứu 20

3.2 Thiết kế phần cứng 21

3.2.1 Khung mô hình 21

3.2.2 Bơm nén khí 22

3.2.3 Bình nén khí 23

3.2.4 Động cơ máy phát 25

3.2.5 Chế tạo tua bin khí 26

3.2.6 Ắc quy 28

3.2.7 Cảm biến áp suất và van điện từ 29

3.2.8 Màn hình hiển thị LCD test 1602 30

3.3 Chế tạo phần mạch mô hình 32

3.3.1 Mạch công suất 34

3.3.2 Mạch điều khiển 37

3.4 Thiết kế phần mềm 42

3.4.1 Lưu đồ thuật toán 42

3.4.2 Chương trình điều khiển 43

3.5 Thử nghiệm 45

3.5.1 Hiển thị thông số ở mạch nạp 45

3.5.2 Thời gian tích công suất 47

3.6 Thảo luận 48

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 49

1 KẾT LUẬN 49

1.1 Đánh giá và nhận xét chung 49

1.2 Hạn chế 49

2 KIẾN NGHỊ 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

PHẦN PHỤ LỤC 52

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 1 Thông số kĩ thuật của ESP 8266-01 17

Bảng 2 Thông số kĩ thuật động cơ điện 1 chiều 25

Bảng 3 Thông số kĩ thuật cảm biến áp suất 29

Bảng 4 Thông số kĩ thuật van điện từ 3V210-08 30

Bảng 5 Thông số kĩ thuật của LCD test 1602 30

Bảng 6 Thông số kỹ thuật tụ 2200uF 50V 34

Bảng 7 Thông số kĩ thuật Diode cầu 5A dẹt 35

Bảng 8 Thông số kĩ thuật tụ gốm 104 36

Bảng 9 Thông số kĩ thuật Module 1 relay 39

Bảng 10: Bảng phân công tín hiệu 43

Bảng 11 Kết quả số lần ấn đến khi tích đủ khí nén và thời gian xả khí 46

Bảng 12 Kết quả nạp điện vào bình ac quy 47

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Internet of Things 4

Hình 1.2 Ứng dụng chăm sóc trang trại bằng IoT 5

Hình 2.1 Khung mô hình 10

Hình 2.2 Tua bin gió 11

Hình 2.3 Bình nén khí đơn giản 13

Hình 2.4 Mạch nghịch lưu 14

Hình 2.5 Mạch chỉnh lưu 15

Hình 2.6 Ardruino esp 8266-01 17

Hình 2.7 Giao diện của arduino IDE 19

Hình 2.8 Ký hiệu và giải thích trên arduino IDE 19

Hình 3.1 Sơ đồ khối mạch chuyển đổi khí nén thành điện áp 20

Hình 3.2 Khung mô hình 22

Hình 3.3 Bơm nén khí 22

Hình 3.4 Bình nén khí 24

Hình 3.5 Động cơ điện 1 chiều 25

Hình 3.6 Thiết kế tua bin khí 26

Hình 3.7 Ảnh thực tế tua bin khí 27

Hình 3.8 Ắc quy 28

Hình 3.9 Cảm biến áp suất khí nén có phản hồi tín hiệu 29

Hình 3.10 Van điện từ 3V210-08 30

Hình 3.11 Màn hình hiển thị LCD test 1602 31

Hình 3.12 Cách kết nối LCD với ardruino 31

Hình 3.13 Mạch vẽ trên phần mềm proteus 32

Hình 3.14 Mạch in vẽ trên phần mềm proteus 33

Hình 3.15Mạch in 3D được phần mềm proteus mô phỏng 33

Hình 3.16 Tụ hóa 2200µF 50V 34

Hình 3.17 Diode cầu 5A dẹt 35

Hình 3.18 Tụ gốm 104 36

Hình 3.19 Mạch công suất 37

Hình 3.20 Arduino uno R3 38

Hình 3.21 Module 1 relay 39

Hình 3.22 Sơ đồ đấu nối mạch điều khiển 40

Hình 3.23 Mạch thực tế sau khi hoàn thiện 41

Hình 3.24 Lưu đồ thuật toán 42

Hình 3.25 Giao diện lập trình 44

MỞ ĐẦU 1.TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Thế giới đang dần đi vào xu hướng sử dụng những năng lượng tái tạo giúp bảo vệ môi trường giữ gìn hệ sinh thái Những nguồn năng lượng cũ như than đá, dầu mỏ, khí đốt, … đang dần cạn kiệt và gây ô nhiểm môi trường Chính vì vậy những nguồn năng lượng không gây ô nhiễm như năng lượng gió, mặt trời, sử dụng động năng của nước đang ngày càng được ưu chuộng Những nguồn năng lượng này không những không gây ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường mà còn đưa chúng ta đến cuộc sống xanh sạch hơn

Sau nguồn năng lượng sạch, nguồn năng lượng tái tạo cũng đang được chú trọng Nguồn năng lượng này giúp con người tận dụng tối đa những nguồn năng lượng đang sử dụng

Năng lượng tái tạo đang thể hiện ưu thế so với năng lượng gió hay mặt trời vốn phải phụ thuộc vào thời tiết Có thể kể tới năng lượng khí nén được tạo bới sự chuyển động của các phương tiện đi lại trên đường Mật độ giao thông càng lớn nguồn năng lượng càng lớn, chính vì thế một ý tưởng về một

hệ thống tái tạo năng lượng khí nén do sự chuyển động của các phương tiện giao thông ra đời Hệ thống này sẽ cung cấp điện cho những trạm sạc hay phục vụ cho việc chiếu sáng đường vào ban đêm, nên em chọn đề tài khóa

luận của mình là “THIẾT KẾ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG NĂNG THÀNH ĐIỆN NĂNG”

2.MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

a Mục tiêu chung

Đưa hệ thống chuyển đổi khí nén thành điện áp thành một mô hình hoạt động đúng theo yêu cầu và hoàn chỉnh

Chế tạo được hệ thống chuyển đổi khí nén thành điện áp đơn giản, gọn nhẹ, tối ưu về thiết kế, khả năng tích trữ khí nén của bình nén khí, lượng khí

xả để quay tua bin (không bị tiêu thoát mà tập chung chủ yếu làm quay cánh quạt) tối ưu ý tưởng thiết kế tạo ra một mô hình tái tạo năng lượng phù hợp với quy mô phòng thí nghiệm

Tạo được mô hình biến đổi khí nén thành điện áp và lưu trữ vào ắc quy Đưa các thông số điện áp, áp suất khí nén trong bình, thời điểm tiến hành thử nghiệm, điện áp của ăc quy lên thingspeak

Hiển thị đầy đủ các giá trị điện áp đầu ra của động cơ ở bộ biến đổi và của ắc quy để thuận tiện cho việc theo dõi hệ thống biến đổi khí nén thành điện áp 12V một cách thuận tiện nhất

3.PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đề tài được thực hiện tại Học viện Nông nghiệp Việt Nam với việc nghiên cứu chế tạo thực hiện trực tiếp trên mô hình lưu trữ và biến đổi khí nén thành điện áp 12v

4.NHỮNG ĐÓNG GÓP, Ý NGHĨA KHOA HỌC THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Xuất phát từ nhu cầu thực tế trong việc phát triển năng lượng tái tạo thay thế một phần cho năng lượng truyền thống, giảm việc tiêu thụ và phụ thuộc năng lượng truyền thống

Xác định được vai trò quan trọng của khí nén trong việc chuyển đổi thành điện áp

Mục tiêu hướng đến là các khu vực có mật độ phương tiện giao thông lớn, các ngã tư và các đảo giao thông vì vậy các thiết bị phục vụ cho nghiên cứu ở đây là các loại trang thiết bị phù hợp, đảm bảo chất lượng và tính ổn định cao nhằm mục đích giảm giá thành xuống mức thấp nhất

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Tổng quan về IoT

a Khái niệm

IoT là viết tắt của cụm từ tiếng Anh Internet of Things, hay Internet vạn vật, dùng để chỉ các thiết bị vật lý được kết nối internet có khả năng thu thập

dữ liệu, chia sẻ thông tin với độ bao phủ toàn cầu, nghĩa là bất cứ thiết bị vật

lý nào có khả năng kết nối internet, thu thập, lưu giữ và chia sẻ thông tin thì đều là IoT Bạn hoàn toàn có thể tạo ra các thiết bị IoT nhờ có bộ xử lý thông minh bên trong cùng mạng không dây, giống như các thiết bị trên, biến mọi thứ trở nên thông minh và chủ động hơn bao giờ hết.[1]

Như vậy có thể thấy xung quanh chúng ta đâu cũng có sự xuất hiện của các thiết bị IoT: máy tính, điện thoại di động cảm biến, ô tô cảm biến nhiệt, các thiết bị gia dụng cảm ứng nhiệt, các hệ thống tự động hóa Sự xuất hiện của các thiết bị IoT giúp bổ sung một mức độ thông minh kỹ thuật số tới các thiết bị thụ động khác, cho phép chúng tự động thu thập, trao đổi thông tin tự động mà không cần sự can thiệp của con người, giúp tối ưu hóa giữa hai thế giới vật lỹ và kỹ thuật số

Hình 1.1 Internet of Things

b Cách thức hoạt động của IoT

Các thiết bị IoT hoạt động dựa trên sự cảm biến bên trong thiết bị Chúng được dùng để kết nối các thiết bị riêng với nhau thông qua các chip cảm biến nhằm phát hiện và chuyển đổi các thông tin dữ liệu mình nhận được thành "hành động" tương ứng tiếp theo thông qua điều hướng mạng Internet

Ví dụ như hệ thống tưới cây của trang trại bạn quản lý, hệ thống tưới nước tự động đó có gắn một bộ cảm biến để tự động thu thập, đánh giá các yếu tố như lượng nước, nhiệt độ, thời gian của cây cối và không gian, từ đó chuyển thành dữ liệu và những dữ liệu này sẽ được thiết lập thành các chế độ chăm sóc riêng tùy theo mục đích sử dụng của cây cối, sau đó thông qua internet chúng gửi thông báo tới con người qua thiết bị cũng được kết nối internet

Chẳng hạn như khi chúng thu thập được thông tin nhiệt độ đang bị giảm hơn so với mức bình thường, chúng sẽ cập nhật thay đổi đó và điều chỉnh nhiệt độ đúng với những gì con người đã thiết lập trước đó thông qua cảm biến

Hình 1.2 Ứng dụng chăm sóc trang trại bằng IoT

1.2 IoT tại Việt Nam

Tại Việt Nam IoT đã được ứng dụng từ lâu dưới các hình thức tự động hóa như hệ thống điều khiển đèn giao thông, hệ thống tưới tiêu tự động,… Tuy nhiên chỉ đến những năm gần đây thì khái niệm IoT tại Việt Nam mới được nhắc đến nhiều thông qua các hội thảo, hội nghị về xu hướng công nghệ của Cisco, Intel, Hội Tin học TP HCM và một số công ty trong nước như Mobiphone, DTT, Sao Bắc Đẩu Trước đó, IBM có chiến dịch “Hành tinh thông minh hơn” và nhấn mạnh vào các thành phố thông minh trong đó Đà Nẵng được chọn thực hiện thí điểm này từ năm 2012-2013 Ở thời điểm hiện tại Việt Nam đang có rất nhiều công ty tập trung phát triển giải pháp và sản phẩm công nghệ thông minh với nền tảng IoT Có thể kể đến những cái tên quen thuộc và được thị trường dần đón nhận trong thời gian vừa qua như: Lumi, BKAV, SmartHome, … Một điểm chung dễ nhận thấy ở các nhà cung cấp này là họ tập trung vào thiết bị nhà ở thông minh (SmartHome) hướng tới đối tượng khách hàng là những người sẵn sàng bỏ chi phí để tiện dụng hóa các hoạt động trong gia đình Các sản phẩm này được đầu tư khá bài bản về mặt hình thức nhằm giúp cho căn nhà trở nên sang trọng hơn Dự tính trong tương lai IoT tại Việt Nam sẽ diễn ra một cách mạnh mẽ khi ngày càng có nhiều doanh nghiệp đã bắt đầu triển khai những dự án về IoT IoT mang lại một cơ hội doanh thu cho rất nhiều ngành và những giải pháp đó bắt đầu thương mại hóa với tốc độ rất nhanh Ngành dịch vụ tiện ích, giao thông, tòa nhà thông minh và các ngành bán lẻ là những ngành đi đầu trong việc ứng dụng IoT Và để có thể triển khai IoT thành công và bền vững cần phải cân nhắc đến bốn yếu tố đó là nền tảng phần mềm, hệ sinh thái giữa các ngành, quy trình chuẩn hóa về công nghệ và giải quyết được những lo lắng của khách hàng liên quan đến đảm bảo tính riêng tư và an toàn

1.3 IoT trên thế giới

IoT đang là xu hướng mà thế giới hướng tới, những địa điểm công cộng đang dần được chú ý tới nơi IoT phát huy được khả năng của mình trong việc đưa chất lượng cuộc sống trở nên cao hơn, dễ dàng hơn Lấy việc đỗ xe làm

ví dụ, nhiều thành phố trên thế giới đã bắt đầu sử dụng hệ thống cảm biến của hang Streetline trên các ô tô đỗ xe dọc tuyến đường của mình Các tài xế sẽ có thể sử dụng phần mềm trên điện thoại di động (cũng do Streetline cung cấp)

để tìm thông tin các vị trí còn trống

Trong nhiều lĩnh vực dịch vụ công cộng khác, ví dụ như ngành cầu đường các smartphone có thể tận dụng làm cảm biến Tại Boston, người ta đã bắt đầu tận dụng các cảm biến có sẵn trên điện thoại để theo dõi dộ gập ghềnh của đường [2]

1.4 Các hệ thống tích trữ khí nén để chuyển hóa thành điện năng

Công ty mới được thành lập Hydrostor có trụ sở tại Toronto, Canada hiện đang thực hiện thí điểm một dự án trong hai năm liên quan đến hệ thống các đường ống dài khoảng hai dặm bên ngoài hồ Ontario Hệ thống này được

sử dụng để bơm không khí vào trong các quả bóng được đặt dưới nước Các quả bóng này sẽ tích trữ không khí và khi cần thiết, giải phóng nó để tạo ra năng lượng

Dự án này nhằm giúp cho các nhà máy thủy điện của thành phố kéo dài tuổi thọ của các thiết bị phân phối bằng cách cung cấp điện năng trong thời gian cao điểm, giảm sự phụ thuộc của các nhà máy điện vào nguồn năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch

Khí nén được nén lại để phù hợp với áp suất nước dưới đáy hồ rồi thông qua các đường ống, được bơm vào những quả bóng hiệu suất lớn được đặt dưới nước Các quả bóng này tích trữ khí nén cho tới khi thành phố cần tới điện Tại thời điểm này, hệ thống sẽ tự đảo ngược và trọng lượng của nước

đẩy không khí, thông qua các đường ống, quay trở lại trên bờ và sau đó tham gia vào quá trình sản xuất điện năng

Dự án thí điểm của Toronto hiện tại chỉ có công suất 1 MW, nhưng Hydrostor đã có kế hoạch cung cấp điện với công suất 100 MW Chi phí năng lượng cho một hệ thống 10 MW như vậy sẽ vào khoảng 250 USD cho mỗi kWh, rẻ hơn nhiều so với mức giá tích trữ khí nén trên mặt đất hiện tại

Lý do công ty này có thể chế tạo ra các hệ thống rẻ như vậy nằm ở việc

sử dụng những công nghệ đơn giản và sẵn có của họ Thêm vào đó, các kỹ thuật khoan của công ty này không cần tới nhiều tàu thuyền và cần trục, tức là một hệ thống tiết kiệm chi phí Hệ thống này sẽ được bảo hành 10 năm và có thể được mở rộng tới 20 năm sau khi hoàn tất chương trình thí điểm.[3]

Kết Luận

Có thể thấy IoT đang dần xâm nhập vào cuộc sống của chúng ta Nó giúp ích rất nhiều cho lối sống thông minh trong tương lai, nơi mà những chiếc máy pha cà phê tự động có thể cho ra những cốc cà phê thơm phức, những chiếc tủ lạnh thông minh giúp ta biết được còn những loại thực phẩm nào những thực phẩm còn hạn sử dụng mọi thứ đều được hiển thị qua ID của từng loại thực phẩm Một hệ thống đỗ xe và sạc điện cho xe thông minh, tận dụng những chiếc điện thoại thông minh giúp ta biết được nơi nào còn chỗ trống để đỗ xe hay nơi nào đang có điện để những chiếc xe điện có thể vào tiếp thêm năng lượng rồi tiếp tục chặng đường

Về hệ thống chuyển đổi khí nén thành điện áp 12V lợi dụng chuyển động của phương tiện giao thông để nén khí

- Thứ nhất có sử dụng xe lưu thông trên đường để tái tạo năng lượng

- Thứ hai không sử dụng nguồn điện ngoài như hệ thống lưu trữ năng lượng không khí nén

- Có thể dùng năng lượng tích trữ và sử dụng cho nhiều mục đích khác

Mặc dù ưu điểm như thế nhưng cũng chưa có công trình nghiên cứu nào cụ thể nên em quyết định nghiên cứu và thực hiện làm một mô hình cụ thể, sau đó ứng dụng IoT vào để xem mức độ hoạt động và tối ưu của mô hình này ra sao

CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Nội dung nghiên cứu

2.1.1 Nghiên cứu chế tạo khung mô hình

Khung mô hình đã có trong phòng thí nghiệm

Phần khung mô hình có sẵn được sử dụng lại trên mô hình này nhằm tiết kiệm chi phí, giảm công lắp đặt nhưng vẫn đáp ứng được yêu cầu về mặt thiết kê thi công khung mô hình đó là đơn giản, chắc chắn, dễ thi công, giá thành rẻ

Khung mô hình được chế tạo từ sắt mang lại sự chắc chắn Đây là nơi đặt các thiết bị phần cứng vào tạo nên một hệ thống hoàn thiện

Các thanh sắt đặc ruột được cắt với kích thước 50cm sau đó được hàn lại Phần đỡ mạch điện và bơm khí nén cùng với phần mô phỏng gờ giảm tốc được kết nốt với nhau

Hai bộ phận quan trọng của mô hình đó là bình khí nén và tua bin khí được em thiết kế lại do hai phần này của mô hình trước đó khá nhỏ chưa đáp ứng được yêu cầu thiết kế đó là: Bình chứa khí nén phải lớn chứa được nhiều khí nhất có thể, chắc chắn không gây nổ khi áp suất lớn ; tua bin khí với cánh quạt phải cân đối, kích thước vừa đủ, nhẹ, dễ dàng chuyển động khi có tác động của lực đẩy khí nén

Hình 2.1 Khung mô hình

2.1.2 Tua bin gió

Hình 2.2 Tua bin gió

Tua bin là máy dùng để biến đổi động năng của gió thành cơ năng Máy năng lượng này có thể được dùng trực tiếp như trong trường hợp của cối xay bằng sức gió, hay biến đổi tiếp thành điện năng như trong trường hợp máy phát điện bằng sức gió

Máy phát điện bằng sức gió bao gồm vài thành phần khác nhau Nhưng thành phần quan trọng nhất vẫn là motor điện một chiều; loại dùng nam châm bền và cánh đón lấy gió Còn lại là các bộ phận khác như: đuôi lái gió, trục và cột để dựng máy phát, bộ phận đổi dòng điện để hợp với bình ắc qui và cuối

cùng là 1 chiếc máy đổi điện (inverter) để chuyển điện từ ắc quy thành điện

xoay chiều thông dụng

Tuabin gió là một thiết bị cơ khí đơn giản tương tự như cối xay gió Dòng không khí đẩy cánh của tuabin quay, và năng lượng cơ học của chuyển động đó được truyền dọc theo trục tuabin Trục tuabin sẽ làm xoay các thành phần khác của máy phát điện, tạo ra năng lượng sạch (năng lượng tái tạo) cho gia đình bạn, và giảm chi phí tiền điện.[4]

Ngoài ra còn có một cách lưu trữ năng lượng gió khác Người ta dùng cánh quạt gió truyền động trực tiếp vào máy nén khí Năng lượng gió sẽ được

tích trữ trong hệ thống rất nhiều bình khí nén Khí nén trong bình sau đó sẽ được lần lượt bung ra để xoay động cơ vận hành máy phát điện Quá trình nạp khí và xả khí được luân phiên giữa các bình, bình này đang xả thì các bình khác đang được nạp bởi cánh quạt gió Điện sẽ được ổn định liên tục

Các tuabin gió hoạt động theo một nguyên lý rất đơn giản Năng lượng của gió làm cho 2 hoặc 3 cánh quạt quay quanh 1 rotor Mà rotor được nối với trục chính và trục chính sẽ truyền động làm quay trục quay máy phát để tạo ra điện

2.1.3 Bình chứa khí nén

Bình chứa khí nén là 1 bộ phận trong hệ thống để cung cấp khí nén và được dùng để tích trữ nguồn khí nén áp suất cao đi ra từ bộ phận đầu máy nén

Chúng được sử dụng để thực hiện nhiệm vụ chứa khí được bơm từ máy bơm hơi, ổn định áp suất của hơi bên trong bình và dùng trong nhiều trường hợp khác nhau Chính vì thế nên bình chứa khí nén có nhiều ứng dụng trong nhiều hoạt động kinh tế khác nhau của cuộc sống chúng ta [5] Ở những xưởng có quy mô sản xuất lớn thì bình chứa khí nén luôn được trang bị cùng với máy nén hơi trục vít trong hệ thống khí nén để đảm nhiệm chức năng là tích trữ khí nén từ các loại máy bơm khí nén, đã được nén với một áp suất nhất định tùy thuộc vào đặc thù của từng loại công việc Lượng khí nén này sẽ được tích trữ trong bình với một giá trị áp suất không đổi và nhằm cung cấp cho các hệ thống thiết bị, các dụng cụ có nhu cầu sử dụng khí đột xuất trong khi máy bơm hơi cao áp không có khả năng cung cấp kịp thời

Trong lĩnh vực y tế bình sử dụng để xử lý chất thải lỏng hoặc hỗ trợ chưng chất hóa chất tinh khiết cần cho công tác y khoa, dược phẩm Trong

các hoạt động sản xuất công nghiệp bình chứa khí nén chứa nhiều khí cần

thiết cho việc sản xuất, đốt cháy những sản phẩm cơ khí, kim loại Trong cuộc

sống của chúng ta bình xuất hiện trong hoạt động hàn – xì, bình sử dụng để chứa khí gas – cung cấp khí cho việc nấu ăn thường ngày …

Loại bình hơi này còn đóng vai trò quan trọng là tách nước trong khí nén, góp phần hạ nhiệt độ của khí nén và cũng có thêm nhiệm vụ là làm mát dầu Với những chức năng kể trên thì chúng ta có thể thấy rằng bình tích áp chính là thiết bị đóng vai trò quan trọng, nó giúp cho quá trình cung cấp khí nén không bị gián đoạn, giúp ổn định và hiệu quả trong thời gian sử dụng Tuy nhiên đây cũng chính là thiết bị tiềm ẩn nhiều nguy hiểm khi sử dụng như gây nổ do áp lực lớn, gây điện giật,…bởi vậy người dùng cần phải chú ý

sử dụng một cách đúng cách, đồng thời đảm bảo nội quy an toàn khi bạn dùng thiết bị này

Trên thực tế người ta thường chỉ dùng một bình nén khí cho một hệ thống với kích cỡ, độ bền và dung tích khác nhau nhằm đảm bảm tính an toàn, máy vận hành tốt nhất Nhưng trong mô hình này bình tích trữ khí nén được kết hợp từ bốn chiếc bình nhỏ nhằm tạo ra một dung tích tích trữ lớn hơn, tăng thời gian xả khí Các đấu nốt được kết dính chắc chắn tránh dò khí và đảm bảo an toàn khi sử dụng

Hình 2.3 Bình nén khí đơn giản

2.1.4 Mạch nghịch lưu

Khái niệm chung

Nghịch lưu là quá trình biến dổi năng lượng một chiều thành xoay

xung vuông, các xung vuông này được dẫn đến những con transito để khuếch đại tính hiệu đủ lớn để kích mở các transito công suất trước khi đi qua 1 máy biến áp để biến điện áp 1 chiều thành điện áp xoay chiều

Phân loại

Theo số lượng pha : một pha, ba pha, nhiều pha

Theo sơ đồ : hình cầu và hình tia

Theo đặc điểm nguồn : nguồn áp và nguồn dòng

Hình 2.4 Mạch nghịch lưu

2.1.5 Mạch chỉnh lưu

Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha có tác dụng biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha thành điện áp một chiều Chỉnh lưu cầu 1 pha được chia thành hai loại là chỉnh lưu cầu 1 pha không điều khiển sử dụng các diode và chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển sử dụng các triristo Mạch điều khiển trong hệ thống sử dụng chỉnh lưu cầu 1 pha không điều khiển dùng 4 diode để cắt xung và làm phẳng điện áp xoay chiều Liên tục đóng mở theo cặp 2 diode chéo nhau để cắt xung và chia điện áp, khi 2 diode đóng xong mở là hết nửa chu kì Khi 2

diode này mở ra thì 2 diode còn lại đóng để thực hiện nửa chu kì còn lại Cứ liên tiếp như vậy điện áp xoay chiều sẽ trở thành điện áp 1 chiều mà ta cần

Hình 2.5 Mạch chỉnh lưu

Qua 4 diode được mắc thành hình cầu, điện áp từ động cơ phát điện tạo

ra sẽ trở thành điện áp 1 chiều và được nạp vào ac quy thông qua jack cắm

2.1.6 Arduino

Arduino là một nền tảng mã nguồn mở được sử dụng để xây dựng các ứng dụng điện tử tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn Arduino giống như một máy tính nhỏ để người dùng có thể lập trình và thực hiện các dự án điện tử mà không cần phải có các công cụ chuyên biệt để phục

Ứng dụng của Arduino trong đời sống

 Làm Robot Arduino có khả năng đọc các thiết bị cảm biến, điều khiển động cơ,… nên nó thường được dùng để làm bộ xử lý trung tâm của rất nhiều loại robot

 Game tương tác: Arduino có thể được sử dụng để tương tác với Joystick, màn hình,… khi chơi các game như Tetrix, phá gach, Mario…

 Máy bay không người lái

 Điều khiển đèn tín hiệu giao thông, làm hiệu ứng đèn Led nhấp nháy trên các biển quảng cáo…

 Điều khiển các thiết bị cảm biến ánh sáng, âm thanh

 Làm máy in 3D

 Làm đàn bằng ánh sáng

 Làm lò nướng bánh biết tweet để báo cho bạn khi bánh chín

2.1.7 Esp 8266

Module thu phát Wifi ESP8266 Uart ESP-01 sử dụng IC Wifi SoC

ESP8266 của hãng Espressif, được sử dụng để kết nối với vi điều khiển thực hiện chức năng truyền nhận dữ liệu qua Wifi, mạch có thiết kế nhỏ gọn, sử dụng giao tiếp UART, ESP-01 được sử dụng trong các ứng dụng điều khiển các thiết bị qua wifi Module wifi ESP8266 ESP-01 là lựa chọn phù hợp cho

những Projects IOT như: điều khiển thiết bị (robot, vườn thông minh, ) qua

ứng dụng IOT trên điện thoại

Bằng việc kết nối với một tín hiệu wifi và một trang web được cài đặt sẵn, ESP-01 có thể kết nối mạng và gửi kết quả lên trang web đó theo 1 chu kì nhất định

Bảng 1 Thông số kĩ thuật của ESP 8266-01

Chúng ta có thể bật Wifi setting trên smartphone và kết nối vào mạng Wifi tạo bởi ESP8266 Sau khi kết nối thành công, mở trình duyệt web bất kỳ

và truy cập vào địa chỉ IP 192.168.4.1 chính là địa chỉ IP mặc định của ESP8266 Webserver Chúng ta sẽ thấy được giao diện web đã thiết kế và có thể tương tác với ESP8266 như cài đặt cấu hình, đọc giá trị hiện tại của cảm biến cũng như danh sách các giá trị trước đó Chúng ta có thể copy nội dung của log giá trị cảm biến và lưu thành file text có đuôi là csv Sau đó mở trong Excel để có thể vẽ graph, phân tích dữ liệu,

2.1.8 Nghiên cứu phần mềm viết chương trình điều khiển cho arduino uno R3

Hiện nay có rất nhiều phần mềm viết chương trình điều khiển cho các chip điều khiển hay các boar mạch điều khiển sử dụng vi điều khiển như code vision, arduino IDE, clover block, Các phần mềm đều có những cách viết riêng, sử dụng các ngôn ngữ lập trình riêng để viết chương trình điều khiển Trong đó arduino IDE nỗi lên như một công cụ trợ giúp đắc lực cho việc lập trình cho Arduino Giao diện đơn giản dễ làm việc tạo cho arduino IDE một lợi thế trong việc học tập và sử dụng phần mềm.[6]

Hình 2.7 Giao diện của arduino IDE

Hình 2.8 Ký hiệu và giải thích trên arduino IDE

Kết Luận

Qua phần trên em đã tìm hiểu về tua bin khí, bình chứa khí nén, mạch nghịch lưu, mạch chỉnh lưu, Esp 8266, adruino, nghiên cứu về mạch biến đổi điện áp, nghiên cứu phần mềm viết chương trình điều khiển cho arduino uno R3 Chương 2 là một phần quan trọng, là phần cơ sở để ta có kết quả nghiên cứu ở chương 3

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 Tổng quan mô hình nghiên cứu

cơ cấu nén khí và làm bình nén khí được nén tới một áp suất đã cài đặt trên rơ

le áp suất (cảm biến này là một thiết bị bảo vệ khi quá áp suất tránh hiện tượng nổ bình nén khi áp suất nén khí tăng cao) thì cảm biến áp suất sẽ nhảy trạng thái, Arduino uno R3 sẽ nhận tín hiệu và điều khiển relay 1 kênh để kích

mở van khí nén làm cho động cơ quay và tạo ra điện, điện từ động cơ điện

Arduino uno R3

Bình nén khí

Van điện từ

Motor phát điện

Mạch chỉnh lưu

một chiều này sẽ đi qua mạch công suất (mạch này là mạch nâng áp có gắn thêm tụ và diode cầu để nâng dòng và ổn định điện áp)

Nếu ắc quy chưa được nạp đầy thì Arduino uno R3 sẽ điều khiển mở relay

1 kênh giữa mạch công suất và ắc quy để nạp trực tiếp vào ăc quy cho đến khi đầy

Nếu ắc quy đã đầy rồi Arduino uno R3 sẽ điều khiển mở relay 1 kênh giữa mạch công suất và led, điện áp sẽ đi từ mạch công suất qua relay 1 kênh

và cấp nguồn cho led chiếu sáng

Sau khi nạp điện vào ắc quy dòng điện của ắc quy sẽ đi qua mạch đi điện áp rồi các thống số dòng áp sẽ được thể hiện trên websever

Ngoài ra hệ thống này còn có thêm phương án tái tạo năng lượng khi các phương tiện giao thông ít di chuyển mà vẫn đảm bảo ổn định là ắc quy năng mặt trời cũng sẽ có cơ chế nạp điện vào ắc quy tương tự như khí nén chuyển đổi Sẽ có một đồng hồ được nối với ắc quy để hiển thị dung lượng của

Hình 3.2 Khung mô hình

3.2.2 Bơm nén khí

Bơm hơi đạp chân mini được thiết kế để bơm tất các các loại lốp xe

không đủ áp suất hơi mọi lúc mọi nơi Chiếc bơm hơi nhỏ gọn này được trang

bị đồng hồ đo áp suất để xác định chính xác áp suất theo đúng yêu cầu Ngoài

ra, nó cũng được trang bị một nút xả trong trường hợp lốp xe bị quá áp suất yêu cầu hoặc trong trường hợp lốp vô tình bị bơm quá áp suất yêu cầu

Hình 3.3 Bơm nén khí

em chọn dung ống nhựa PVC vì nó đáp ứng đầy đủ yêu cầu đặt ra

Ống nhựa loại 110mm được căt thành 4 đoạn có độ dài 50cm, có bịt nắp ở 2 đầu bằng keo kết nối rất chắc chắn chúng được kết nối bằng loại ống nhỏ hơn là 21mm

Hệ thống được lắp hai đường dẫn khí vào với tác dụng nhanh chóng nạp đầy khí vào bình chứa, ngoài ra em có thiết kế thêm 1 van xả khí trừ trường hợp bình khí không đủ khả năng nập thêm khí hay có khả năng phát nổ

Một hệ thống van điện 1 chiều được lắp ráp, với cảm biến áp suất cho biêt bao giờ khí nén tới giới hạn trên sẽ cho xả khí nén để quay tua bin khí

Hình 3.4 Bình nén khí

3.2.4 Động cơ máy phát

Động cơ được sử dụng là loại động cơ điện 1 chiều điện áp 12V, ta sẽ thiết kế cánh quạt đều và phần hộp quanh cánh quạt của động cơ thật sát để tối ưu lượng khí nén thổi ra và làm động cơ đạt được tốc độ quay nhanh và ổn định nhất sẽ tạo ra lượng điện áp ổn định để nạp vào ắc quy

Hình 3.5 Động cơ điện 1 chiều

Bảng 2 Thông số kĩ thuật động cơ điện 1 chiều

3.2.5 Chế tạo tua bin khí

Lấy ý tưởng từ những chiếc tua bin gió được sử dụng cho hệ thống điện gió

Tua bin khí nén được em chế tạo với 1 đĩa kim loại được gắn cánh quạt chắc chắn

Đĩa kim loại được cắt hình tròn kích thước đường kình 13cm, độ dày 2mm vật liệu chế tạo nên đĩa kim loại là nhôm đáp ứng được yêu cầu lag mỏng, nhẹ, dễ chế tạo, thiết kế đơn giản

Các cánh quạt được chế tạo từ các miếng nhựa có độ mỏng 2mm, độ cao 1cm, chiều ngang 1cm Cánh quạt được cố định với đĩa bằng keo mang lại độ bền, chúng được gắn thêm một vòng nhựa bên trong tạo thêm sự chắc chắn Đĩa quạt được đục lỗ tại tâm và gắn với trục động cơ máy phát

Để tăng sự hiệu quả và tối đa lưu lượng khí được thổi vào cánh quạt em

đã thiết kế chế tạo them phần vỏ hộp bên ngoài để tránh thất thoát khí nén trong quá trình xả khí Từ đó năng cao hiệu năng của bình khí nén

Hình 3.6 Thiết kế tua bin khí

Hình 3.7 Ảnh thực tế tua bin khí

Cắt các bìa cứng thành hình hộp kín, bên trong hộp gắn các cánh quạt vào trục động cơ để tạo phần cánh đẩy cho động cơ Làm hộp bao quanh cánh quạt cần phải kín để tối ưu nhất lượng khí

Nguyên lý hoạt động

Động cơ được đặt phía sau của van khí nén, khi các phương tiện di chuyển nhiều lần tác động lên bơm và nén khí vào bình đến một mức áp suất nhất định, cảm biến khí nén sẽ nhảy trạng thái Arduino uno R3 điều khiển kích mở van khí làm quay động cơ tạo ra điện đi qua mạch công suất và nạp vào ắc quy

3.2.6 Ắc quy

Ắc quy, bình ắc quy hay còn được gọi là accu là thiết bị điện có khả năng tích trữ năng lượng ở dạng hóa năng và phóng điện dưới dạng điện năng Trong quá trình hoạt động, ắc quy sẽ tích và phóng điện liên tục

Ắc quy được hình thành nhờ ứng dụng hiệu ứng hóa học của dòng điện

cụ thể là bằng cách chuyển các dạng năng lượng dạng lỏng như dầu, nước vào nguồn năng lượng dạng khí được ép sẵn trong 1 chiếc bình

Hình 3.8 Ắc quy