Đồ án tốt nghiệp Công nghệ kỹ thuật cơ điện tử: Điều khiển nâng cao hiệu suất thu hồi thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển

Mã số đề tài: CKM-122 Tên đề tài: Điều khiển nâng cao hiệu suất thu hồi thiết bị chuyển đổi năng lượng s sóng biển.. TÓM TẮT ĐỒ ÁN Điều khiển nâng cao hiệu suất thu hồi thiết bị chuyển

GIỚI THIỆU

Tính cấp thiết của đề tài

Năng lượng sóng biển là nguồn năng lượng tái tạo bền vững, nhưng việc chuyển đổi thành điện năng gặp nhiều thách thức về hiệu suất và ổn định Do đó, nghiên cứu các phương pháp điều khiển để nâng cao hiệu suất thu hồi năng lượng từ sóng biển là cần thiết trong bối cảnh khủng hoảng năng lượng và ô nhiễm môi trường toàn cầu hiện nay.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Nghiên cứu này đóng góp quan trọng cho lĩnh vực năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng sóng Nó giúp mở rộng kiến thức về các phương pháp điều khiển và tối ưu hóa hệ thống thu hồi năng lượng sóng, từ đó nâng cao hiệu quả trong việc khai thác nguồn năng lượng này.

Việc nâng cao hiệu suất thu hồi năng lượng từ sóng biển không chỉ giúp giảm chi phí sản xuất điện mà còn thúc đẩy khả năng ứng dụng và phát triển bền vững nguồn năng lượng này.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu và phát triển các phương pháp điều khiển để nâng cao hiệu suất thu hồi năng lượng từ thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển Đề tài sẽ tập trung vào việc cải thiện công nghệ thu năng lượng, tối ưu hóa quy trình và tăng cường hiệu quả sử dụng năng lượng từ sóng biển.

• Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi năng lượng sóng

• Đề xuất các chiến lược điều khiển tiên tiến để tối ưu hóa quá trình chuyển đổi năng lượng

• Xây dựng mô hình và thực nghiệm để kiểm chứng các phương pháp đề xuất

• Phân phối khối lượng phù hợp để nâng cao công suất của mô hình

• Thí nghiệm và xây dựng hàm vị trí tối ưu dựa vào phương trình hồi quy tuyến tính bậc 1 để nâng cao hiệu suất thu hồi năng lượng sóng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng, tập trung vào hệ thống thu hồi năng lượng dựa trên nguyên lý chuyển động của sóng biển.

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích và thực nghiệm các phương pháp điều khiển nhằm tối ưu hóa hiệu suất thu hồi năng lượng Các yếu tố kỹ thuật công nghệ và phân tích dữ liệu được xem xét để đảm bảo khả năng áp dụng trong thực tế, đồng thời đánh giá các yếu tố môi trường biển có ảnh hưởng đến quá trình này.

Phương pháp nghiên cứu

1.5.1 Cơ sở phương pháp luận

Nghiên cứu này dựa trên lý thuyết động lực học chất lỏng, điều khiển tự động và kỹ thuật tối ưu hóa Chúng tôi sẽ áp dụng các phương pháp phân tích, mô phỏng số và thực nghiệm để đánh giá hiệu suất của các chiến lược điều khiển.

1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể

• Phân tích lý thuyết: Nghiên cứu các mô hình toán học mô tả động lực học của sóng và quá trình chuyển đổi năng lượng

• Thực nghiệm: Thiết lập các mô hình thực nghiệm để kiểm chứng các kết quả mô phỏng và điều chỉnh các thông số điều khiển.

Kết cấu của ĐATN

Đồ án tốt nghiệp được cấu trúc thành các chương như sau:

• Chương 3: Cơ sở lý thuyết

• Chương 4: Lựa chọn, tính toán mô hình thiết bị

• Chương 5: Xây dựng hệ thống điện

• Chương 6: Thí nghiệm, đánh giá hoạt động của thiết bị

• Kết luận và phương hướng phát triển

TỔNG QUAN

Tổng quan về đề tài

2.1.1 Đặt vấn đề Đứng trước vấn đề chung của toàn thế giới, các nước trên thế giới đang nỗ lực để bảo vệ môi trường cùng với sự gia tăng nhanh chóng của dân số và nhu cầu năng lượng thì việc tìm kiếm nguồn năng lượng tái tạo và bền vững trở nên ngày càng quan trọng Với hơn 70% bề mặt trái đất được bao phủ bởi nước biển, năng lượng sóng biển có tiềm năng lớn cho việc phát triển và cung cấp điện năng cho nhiều khu vực trên thế giới Sóng biển là một nguồn tiềm năng vô cùng lớn với sự di chuyển không ngừng và không gian mặt biển rộng lớn Tuy nhiên, để tận dụng được sóng biển thành năng lượng điện, chúng ta cần các công nghệ và thiết bị đáng tin cậy và hiệu quả

Năng lượng sóng biển là nguồn năng lượng tái tạo quan trọng, giúp giảm phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch và khí nhà kính, đồng thời hỗ trợ chống biến đổi khí hậu Việc khai thác năng lượng sóng không chỉ đa dạng hóa nguồn cung năng lượng mà còn giảm rủi ro từ việc phụ thuộc vào một nguồn duy nhất Sóng biển chứa lượng lớn năng lượng, và phát triển công nghệ khai thác hiệu quả có thể tạo ra nguồn năng lượng ổn định Các dự án năng lượng sóng biển còn mở ra cơ hội việc làm và thúc đẩy tăng trưởng kinh tế cho cộng đồng địa phương và quốc gia Tuy nhiên, việc phát triển công nghệ này cần đầu tư lớn, và chi phí cao có thể là rào cản cho việc áp dụng quy mô lớn Câu hỏi đặt ra là liệu năng lượng sóng biển có đủ sức cạnh tranh với các nguồn năng lượng tái tạo khác như điện gió và năng lượng mặt trời.

"Đồ án tốt nghiệp về việc điều khiển nâng cao hiệu suất thu hồi thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển hướng đến việc hoàn thiện mô hình hoạt động chính xác cho các nhiệm vụ được giao Mục tiêu là tối ưu hóa thiết kế nhằm đáp ứng tiêu chuẩn của thị trường toàn cầu."

Môi trường Trái đất đang chịu ảnh hưởng nghiêm trọng, gây ra nỗi lo lắng cho tất cả chúng ta Do đó, việc phát triển và khai thác hiệu quả nguồn năng lượng sóng là rất cần thiết.

Năng lượng sóng đang trở thành một giải pháp tiềm năng cho các vấn đề cấp thiết của nhân loại, khi nó không chỉ đáp ứng nhu cầu năng lượng bền vững mà còn thúc đẩy phát triển kinh tế và xã hội Việc phát triển năng lượng sóng được kỳ vọng sẽ tạo ra nhiều cơ hội việc làm, góp phần kích thích tăng trưởng kinh tế cho cả cộng đồng địa phương và quốc gia.

2.1.2 Lý do chọn đề tài

Tại Việt Nam, khai thác năng lượng sóng biển vẫn còn mới mẻ và cần được nghiên cứu phát triển Hợp tác giữa các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp là cần thiết để tạo ra thiết bị và hệ thống hiệu quả Việc hợp tác với các quốc gia có kinh nghiệm sẽ giúp Việt Nam nhanh chóng tiếp cận công nghệ và kiến thức mới Chính phủ nên ban hành chính sách và biện pháp khuyến khích đầu tư vào lĩnh vực này, bao gồm hỗ trợ tài chính và thuế để thúc đẩy doanh nghiệp tham gia Đồng thời, thực hiện các dự án thử nghiệm và pilot sẽ giúp đánh giá khả năng thực tế và hiệu suất của công nghệ khai thác sóng biển trước khi triển khai quy mô lớn.

Dựa trên những lý do đã trình bày, quyết định chọn ý tưởng “Điều khiển nâng cao hiệu suất thu hồi thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển” làm đề tài cho đồ án tốt nghiệp đã được đưa ra.

2.1.3 Ý nghĩa của đề tài Ý nghĩa khoa học: Đề tài có thể giúp tìm ra cách để tối ưu hóa hiệu suất thu hồi năng lượng từ sóng biển, điều này có thể bao gồm cải thiện thiết bị, quy trình sản xuất, và các phương pháp khác để tăng cường hiệu suất hệ thống Nghiên cứu về năng lượng sóng biển cũng mở cánh cửa cho việc chia sẻ kiến thức và học tập quốc tế, tạo điều kiện cho sự hợp tác giữa các nhà nghiên cứu và chuyên gia trên toàn cầu Ý nghĩa thực tiễn: Sau khi hoàn thành xong đề tài sẽ giúp cho nhóm cải thiện các khả năng như giải quyết các vấn đề phát sinh Mục đích của đề tài là giảm phần lớn chi phí thiết kế, tối ưu hóa khả năng thu hồi năng lượng sóng Từ các bước tiến nhỏ này, có thể từng bước phát triển và hoàn thành đề tài một cách tốt nhất

2.1.4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Mục tiêu của đề án này là nghiên cứu và phân tích công nghệ thu hồi năng lượng sóng biển nhằm sản xuất điện năng Chúng tôi sẽ đánh giá các phương pháp và thiết bị hiện có, phân tích hiệu suất và tiềm năng của chúng, đồng thời đề xuất các giải pháp cải thiện và tối ưu hóa công nghệ này.

5 công nghệ này Mục tiêu cuối cùng là đóng góp vào việc phát triển các nguồn năng lượng sạch và bền vững từ sóng biển Ngoài ra:

• Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của mô hình và tính toán lựa chọn 2 động cơ bước

• Động cơ bước di chuyển khối lượng đến vị trí tối ưu nhằm tăng hiệu suất thu hồi năng lượng đáp ứng được yêu cầu đề ra

• Xây dựng hệ thống thu nhận và xử lý tín hiệu của các cảm biến làm cơ sở để tính toán, nâng cao hiệu suất năng lượng

2.1.5 Giới hạn của đề tài

Do còn nhiều hạn chế về kiến thức chuyên môn nên đồ án chỉ tập trung thực hiện các vấn đề sau:

• Nghiên cứu, thí nghiệm trên hồ sóng nhân tạo

• Thí nghiệm với tần số sóng thấp nhưng ổn định dẫn đến công suất đầu ra thấp

Tìm kiếm tài liệu khoa học liên quan đến đề tài nghiên cứu là bước quan trọng để đưa ra những đánh giá tổng quát Qua việc phân tích các nguồn tài liệu, chúng ta có thể lựa chọn những phương pháp phù hợp nhất cho đề tài của mình.

Tham khảo những bài báo khoa học trên diễn đàn để hiểu hơn về nguyên lý hoạt động

Tìm kiếm tài liệu hỗ trợ tính toán chính xác các cơ cấu chuyển động, xác định công suất động cơ và lựa chọn phương pháp phù hợp là rất quan trọng.

Tham khảo và tìm hiểu về quy hoạch thực nghiệm, xây dựng hàm vị trí dựa trên phương trình hồi quy tuyến tính

2.1.7 Kết quả dự kiến đạt được

• Thuyết minh đồ án tốt nghiệp

• Bản vẽ lắp của mô hình

• Poster mô hình sản phẩm

Tổng quan về hệ thống thu hồi năng lượng sóng

Năng lượng sóng đang nổi lên như một giải pháp quan trọng trong việc chuyển đổi từ nguồn năng lượng hóa thạch sang năng lượng tái tạo Sức mạnh của sóng biển không chỉ mang lại tiềm năng lớn cho sản xuất điện mà còn góp phần vào việc giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.

Năng lượng sóng biển là một nguồn năng lượng tái tạo mới, mang lại tiềm năng lớn trong việc sản xuất điện năng sạch và bền vững Việc khai thác nguồn năng lượng này không chỉ góp phần vào chiến lược chống biến đổi khí hậu mà còn đảm bảo an ninh năng lượng cho tương lai.

Khai thác năng lượng từ sóng biển yêu cầu sự kết hợp giữa công nghệ tiên tiến và kiến thức sâu rộng về động lực học của sóng Các hệ thống thu hồi năng lượng sóng biển, như bơi sóng, cột nước và các cấu trúc đặc biệt, có khả năng chuyển động theo sóng để tạo ra điện năng Những tiến bộ trong công nghệ và quản lý nguồn lực sẽ tối ưu hóa hiệu suất và giảm chi phí, biến năng lượng sóng biển thành một nguồn năng lượng tái tạo đầy hứa hẹn.

Hệ thống khai thác điện từ sóng biển bao gồm các thành phần chính như phao nổi, hệ thống truyền động và máy phát điện Hoạt động của hệ thống dựa trên chuyển động lên xuống của phao nổi do tác động của sóng biển, giúp truyền năng lượng cơ học đến máy phát điện thông qua các cơ cấu cơ khí.

Năng lượng sóng biển không chỉ mang lại lợi ích về năng lượng mà còn tạo ra nhiều cơ hội kinh tế, xã hội và môi trường Nó giúp tạo việc làm, giảm phát thải khí nhà kính và cải thiện an ninh năng lượng cho cộng đồng và toàn cầu Để đạt được những lợi ích này, cần có sự đầu tư nghiên cứu và hợp tác quốc tế nhằm phát triển và triển khai công nghệ năng lượng sóng biển một cách hiệu quả và bền vững.

Thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển, như phao cứu sinh triển khai ở Hawaii, hoạt động dựa trên nguyên lý nổi trên mặt nước để thu thập năng lượng từ sóng và chuyển đổi thành điện năng Công nghệ này không chỉ sản xuất điện sạch mà còn góp phần bảo vệ môi trường biển.

Trên thế giới hiện nay, có nhiều mô hình thu hồi năng lượng sóng khác nhau Một trong những mô hình tiên phong là của Carnegie Wave Energy, công ty năng lượng của Australia, hợp tác với Western Power, một công ty năng lượng thuộc chính phủ Australia, nhằm phát triển hệ thống sản xuất điện từ năng lượng sóng biển.

Hình 2.1 Hệ thống khai thác điện từ sóng biển [1]

Hình 2.2 Thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển dạng phao cứu sinh ở Hawaii

Tình hình phát triển trong và ngoài nước

Hiện nay, nhiều quốc gia ven biển như Mỹ, Đức, Nhật Bản, Thụy Điển, Đan Mạch, Scotland, Bồ Đào Nha, Nga và Trung Quốc đang tiến hành nghiên cứu ứng dụng năng lượng sóng để phát điện, phục vụ chiếu sáng và phát triển kinh tế cho các hải đảo và vùng ven biển.

Azura, thiết bị đầu tiên khai thác năng lượng sóng biển tại Mỹ, được lắp đặt ở khu thử nghiệm năng lượng sóng Navy vịnh Kaneohu, Hawaii Với công suất 20kW và độ sâu lắp đặt khoảng 30m, Azura hoạt động bằng cách chuyển đổi chuyển động lên xuống của sóng thành năng lượng cơ học, sau đó biến đổi thành điện năng.

Hình 2.3 Azura là thiết bị đầu tiên khai thác năng lượng sóng biển ở Mỹ (Hawaii)

Hệ thống phao nổi của ECO Wave Power (EWP) tại Gibraltar, một trong những nhà máy điện từ sóng biển đầu tiên ở châu Âu, sử dụng phao nổi để thu thập năng lượng sóng và chuyển đổi thành điện năng Nhà máy này đã chính thức khánh thành vào ngày 26/5, đánh dấu bước tiến quan trọng trong việc khai thác năng lượng từ sóng biển và cung cấp điện cho lưới điện quốc gia.

Hình 2.4 Hệ thống phao nổi của ECO Wave Power (EWP) [3]

Thị trường quốc tế đang chứng kiến sự gia tăng quan tâm đối với việc khai thác năng lượng tái tạo Nhiều nhà nghiên cứu và tổ chức uy tín đã nỗ lực phát triển các nghiên cứu và sản phẩm nhằm tối ưu hóa nguồn năng lượng này Công nghệ tiên tiến hiện nay đang mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.

2.3.2 Trong nước Ở Việt Nam, nhóm nghiên cứu của khoa Cơ học kỹ thuật và Tự động hóa do PGS.TS Đặng Thế Ba làm Trưởng nhóm đã có những thành công bước đầu trong việc phát triển, chế tạo và thử nghiệm thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển thành điện năng, tạo cơ sở cho phát triển khai thác nguồn năng lượng biển phục vụ các mục đích kinh tế xã hội và bảo vệ chủ quyền các vùng biển đảo của tổ quốc Hình 2.5 và hình 2.6 cho thấy quá trình thử nghiệm của nhóm nghiên cứu ngoài môi trường thực tế

Hình 2.5 Triển khai thử nghiệm tại Sầm Sơn (BC đề tài QG14.01) [4]

Hình 2.6 Thử nghiệm tại Hồ Tây (BC đề tài QG14.01) [4]

PGS.TS Đặng Thế Ba cho biết, nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới đang phát triển thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng, nhưng phần lớn vẫn ở giai đoạn thử nghiệm do các rào cản về kỹ thuật và công nghệ Nhóm nghiên cứu của ông đang nỗ lực hoàn thiện công nghệ này để sớm ứng dụng cho các mục đích cụ thể khác nhau.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Cơ sở tính toán năng lượng sóng

3.1.1 Những thông số của sóng

Dưới tác động của nhiều lực, bề mặt phân cách giữa nước và không khí trên biển luôn xuất hiện sóng Khi cắt mặt biển có sóng bằng một mặt phẳng thẳng đứng theo hướng sóng truyền, giao tuyến sẽ tạo thành đường cong phức tạp gọi là profin sóng Quan sát dao động của mặt biển tại một điểm cố định cho thấy sự thay đổi vị trí của mặt nước theo thời gian cũng mang hình dạng phức tạp Trên profin sóng, mỗi sóng bao gồm phần cao hơn mực sóng trung bình gọi là ngọn sóng và phần thấp hơn gọi là đáy sóng, với điểm cao nhất là đỉnh sóng và điểm thấp nhất là chân sóng.

Hình 3.1 Các thông số của sóng [5]

Mực sóng trung bình là đường thẳng chia profin sóng thành hai phần có diện tích bằng nhau Độ cao sóng (h) được xác định là khoảng cách giữa đỉnh và chân sóng, đo theo hướng truyền sóng trên profin.

Bước sóng λ là khoảng cách ngang giữa các đỉnh của hai ngọn sóng liền kề trên profin sóng theo hướng truyền sóng

Chu kỳ sóng τ là khoảng thời gian để hai đỉnh sóng liền kề đi qua một đường thẳng đứng cố định

Vận tốc truyền sóng, hay còn gọi là vận tốc pha, là tốc độ mà ngọn sóng di chuyển theo hướng truyền Khái niệm này chỉ áp dụng cho sóng tiến.

Tỷ số giữa độ cao sóng và bước sóng h/λ được gọi là độ dốc của sóng

Sóng đón gió là phần sóng từ chân sóng đến đỉnh sóng, hướng về phía gió thổi, trong khi sóng khuất gió là phần từ đỉnh sóng đến chân sóng, nằm khuất gió.

3.1.2 Cơ sở tính toán năng lượng sóng

Công suất trung bình của sóng được xác định theo lý thuyết tuyến tính và được tính theo công thức sau [5]:

E là mật độ năng lượng trung bình trên một đơn vị diện tích và được tính bằng tổng của động năng E k và thế năng E p

Mật độ năng lượng được tính theo công thức [5]:

C: vận tốc nhóm và phụ thuộc vào chiều sâu h Để đơn giải hóa việc xác định vận tốc này, chiều sâu có thể được chia thành 3 loại sâu như hình 3.2:

Hình 3.2 Phân loại chiều sâu mực nước [5]

Công thức tính vận tốc nhóm [5]:

C =√𝑔ℎ [5] (3.3) Trong đó: g: gia tốc trọng trường h: chiều sâu chiều sâu tính từ mặt nước đến đáy biển

Quy hoạch thực nghiệm và xây dựng phương trình hồi quy

Quy hoạch thực nghiệm (Experimental Design) là một lĩnh vực quan trọng trong nghiên cứu khoa học và thống kê, nhằm thiết kế thí nghiệm để thu thập dữ liệu có thể phân tích hiệu quả và chính xác Quy hoạch thực nghiệm giúp nhà nghiên cứu xác định các yếu tố quan trọng, kiểm soát biến số gây nhiễu và tối ưu hóa quy trình thí nghiệm để đạt được kết quả mong muốn Các bước cơ bản trong quy hoạch thực nghiệm bao gồm xác định mục tiêu nghiên cứu, lựa chọn phương pháp thí nghiệm, thiết lập kế hoạch thu thập dữ liệu và phân tích kết quả.

1 Xác định mục tiêu thí nghiệm: Xác định rõ ràng mục tiêu và câu hỏi nghiên cứu mà thí nghiệm cần giải quyết

2 Chọn các yếu tố và mức độ: Xác định các yếu tố (variables) có thể ảnh hưởng đến kết quả và mức độ (levels) của mỗi yếu tố cần được kiểm tra

3 Thiết kế thí nghiệm: Lựa chọn mô hình thiết kế phù hợp (ví dụ: thiết kế hoàn toàn ngẫu nhiên, thiết kế khối ngẫu nhiên, thiết kế yếu tố, v.v.) và xác định cách thức sắp xếp các thí nghiệm

4 Tiến hành thí nghiệm: Thực hiện thí nghiệm theo kế hoạch đã đề ra, ghi nhận dữ liệu một cách cẩn thận và chính xác

5 Phân tích dữ liệu: Sử dụng các phương pháp thống kê để phân tích dữ liệu, từ đó đưa ra kết luận về ảnh hưởng của các yếu tố đến kết quả thí nghiệm

6 Rút ra kết luận: Dựa trên kết quả phân tích, đưa ra các kết luận về mục tiêu nghiên cứu ban đầu và đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo nếu cần thiết

Trong phân tích dữ liệu, xây dựng phương trình hồi quy là một bước quan trọng Phương trình này giúp mô hình hóa mối quan hệ giữa các biến độc lập và biến phụ thuộc, từ đó hỗ trợ việc dự đoán và hiểu rõ hơn về dữ liệu.

Dựa trên dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm, việc chuyển đổi dữ liệu thành thông tin hữu ích là bước quan trọng giúp cải thiện quyết định Quy trình xây dựng phương trình hồi quy trong quy hoạch thực nghiệm đóng vai trò then chốt trong việc này.

1 Thu thập dữ liệu: Tiến hành thí nghiệm theo kế hoạch đã thiết kế và thu thập dữ liệu về các biến độc lập và biến phụ thuộc

2 Phân tích dữ liệu: Sử dụng các phương pháp thống kê để phân tích dữ liệu, bao gồm: o Phân tích hồi quy đơn giản (Simple Regression Analysis): Khi chỉ có một biến độc lập o Phân tích hồi quy đa biến (Multiple Regression Analysis): Khi có nhiều biến độc lập

3 Xây dựng mô hình hồi quy: Tạo phương trình hồi quy biểu diễn mối quan hệ giữa các biến Phương trình hồi quy có dạng tổng quát:

Trong đó: o Y là biến phụ thuộc o X X 1 , 2 , ,X n là các biến độc lập o  0 là hằng số (intercept) o   1 , 2 , , n là các hệ số hồi quy o  là sai số (error term)

4 Đánh giá mô hình: Kiểm tra độ phù hợp của mô hình bằng các chỉ số thống kê như: o R-squared: Đo lường mức độ giải thích của mô hình đối với biến phụ thuộc o P-value: Kiểm tra ý nghĩa thống kê của các hệ số hồi quy o Residual analysis: Phân tích sai số để kiểm tra các giả định của mô hình hồi quy

5 Sử dụng mô hình: Áp dụng phương trình hồi quy để dự đoán giá trị của biến phụ thuộc dựa trên các giá trị của biến độc lập

Trong quy hoạch thực nghiệm, việc xây dựng phương trình hồi quy là bước thiết yếu giúp các nhà nghiên cứu nắm bắt mối quan hệ giữa các yếu tố và kết quả thí nghiệm Phương trình hồi quy không chỉ hỗ trợ trong việc dự đoán kết quả mà còn tối ưu hóa các điều kiện thí nghiệm nhằm đạt được kết quả mong muốn.

Bộ truyền động bánh răng

Bộ truyền bánh răng bao gồm hai thành phần chính: bánh dẫn và bánh bị dẫn, hoạt động dựa trên nguyên lý ăn khớp Tỷ số truyền được xác định dựa vào tỷ lệ số răng giữa bánh dẫn và bánh bị dẫn.

Hình 3.3 Bộ truyền bánh răng [6]

− Tỉ số truyền ổn định

− Tuổi thọ làm việc cao

− Hoạt động với vận tốc lớn tạo nhiều tiếng ồn

Bộ truyền động vít me – đai ốc bi

Bộ truyền vít me-đai ốc bi hình 3.3 là thiết bị chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tuyến tính, được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và kỹ thuật Hệ thống này có cấu tạo đặc biệt và mang lại nhiều ưu điểm, nhưng cũng tồn tại một số nhược điểm cần lưu ý.

Vít me-đai ốc bi gồm hai thành phần chính: vít me và ốc bi Vít me có hình xoắn ốc với rãnh V, gọi là "me," trong khi ốc bi có dạng trụ với rãnh chính xác phù hợp với rãnh của vít me Khi vít me quay, ốc bi di chuyển theo đường trục của vít, tạo ra chuyển động truyền động hiệu quả.

Hình 3.4 Hình minh họa vít me – đai ốc bi [7]

− Hiệu suất cao, giảm thiểu tổn thất ma sát

− Lực ma sát ít phụ thuộc vào tốc độ chuyển động, giữ cho chuyển động ổn định ở các tốc độ nhỏ

− Không có khe hở đáng kể giữa các thành phần, giữ tính cứng vững hướng trục và giảm độ lệch

− Độ chính xác cao trong chuyển động và truyền động

− Chịu lực kéo mạnh, tải trọng cao và khả năng tự khóa khi không có tải trọng hoạt động lên trục

Vít me-đai ốc bi được ưa chuộng trong các máy yêu cầu độ chính xác cao và khả năng chịu tải lớn, như máy khoan, doa tọa độ và máy điều khiển chương trình số.

− Tốc độ truyền động thấp so với một số hệ thống khác như truyền động bằng đai hoặc xích

− Hạn chế trong việc truyền động trên chiều dài lớn, có thể gây độ lệch và giảm độ chính xác

Vít me-đai ốc bi nổi bật với nhiều ưu điểm như độ chính xác cao, lực kéo mạnh, tải trọng lớn và khả năng tự khóa Mặc dù có một số hạn chế về tốc độ truyền động và chiều dài, nhưng nhờ vào những đặc tính này, vít me-đai ốc bi thường được ứng dụng trong các lĩnh vực yêu cầu độ chính xác và khả năng chịu tải cao.

Động cơ bước

Động cơ bước (Stepper motor) là một loại động cơ điện chuyển đổi tín hiệu điều khiển thành các bước chuyển động rõ ràng Khác với các động cơ khác tạo ra chuyển động liên tục, động cơ bước thực hiện chuyển đổi giữa các vị trí cụ thể, gọi là "bước" Mỗi bước có một góc quay cố định, và động cơ bước xoay một bước khi nhận tín hiệu từ nguồn điều khiển.

Động cơ bước bao gồm hai bộ phận chính: roto và stato Roto là phần chuyển động, chứa một hoặc nhiều nam châm với hướng từ tính cố định, gắn trên trục của động cơ Trong khi đó, stato là phần không chuyển động, đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của động cơ bước.

18 là phần cố định của động cơ, bao gồm một lõi từ chứa các cuộn dây dẫn điện kết nối với nguồn điều khiển

Bộ điều khiển ngoại vi đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển động cơ bước, cho phép giữ vị trí và quay đến các vị trí ngẫu nhiên Hoạt động của bộ điều khiển dựa trên việc nhận và xử lý các xung điện không liên tục Khi dòng điện được cấp vào cuộn dây điều khiển của động cơ bước, phần roto sẽ xoay một góc nhất định, được gọi là "bước" Những bước này tạo ra các chuyển động rõ ràng và xác định, giúp đạt được độ chính xác cao trong việc định vị cho các ứng dụng khác nhau.

Mỗi bước của động cơ bước tương ứng với một góc quay cố định, thường là 1.8 độ, cho phép di chuyển chính xác và kiểm soát vị trí đáng tin cậy Góc bước thể hiện góc quay của trục thông qua xung điều khiển, giúp chuyển đổi tín hiệu xung thành các bước chuyển động rời rạc Đặc tính mở máy của động cơ, được đo bằng tần số xung cực đa, là yếu tố quan trọng để đảm bảo động cơ khởi động ổn định và tránh mất bước hay mất vị trí ban đầu khi hoạt động.

Cách điều khiển chiều quay của động cơ bước khác với động cơ truyền thống, không phụ thuộc vào chiều dòng điện mà dựa vào thứ tự xung cấp cho các cuộn dây Việc cấp xung thường được thực hiện theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược lại, giúp kiểm soát hướng quay một cách linh hoạt và chính xác Động cơ bước phổ biến trong các ứng dụng như máy CNC và máy in 3D, với ưu điểm nổi bật như khả năng giữ vị trí chính xác, không cần hệ thống phản hồi, và cấu trúc đơn giản Động cơ bước được phân loại thành ba loại chính: động cơ bước biến từ trở, động cơ bước nam châm vĩnh cửu, và động cơ bước hỗn hợp/lai.

Các phương pháp điều khiển động cơ bước

Điều khiển động cơ bước dạng sóng là phương pháp đơn giản và dễ triển khai, trong đó tín hiệu xung được cấp theo thứ tự cho từng cuộn dây Phương pháp điều khiển chạy đủ bước cung cấp tín hiệu xung đồng thời cho hai cuộn dây liền kề, tạo ra các bước di chuyển rõ ràng Điều khiển nửa bước kết hợp cả hai phương pháp trước, tăng số bước gấp đôi và giảm giá trị góc bước, mặc dù yêu cầu bộ phát xung phức tạp hơn nhưng mang lại độ chính xác cao và giảm thiểu vấn đề cộng hưởng Phương pháp điều khiển bước nhỏ là cách tiên tiến, cho phép động cơ dừng tại nửa bước giữa hai bước đầy đủ, với góc bước nhỏ và độ chính xác cao hơn, đồng thời giảm thiểu cộng hưởng và hoạt động êm dịu hơn.

Hình 3.6 Các phương pháp điều khiển động cơ bước [9]

Giao thức UART

UART là chuẩn giao tiếp nối tiếp bất đồng bộ, cho phép truyền thông trực tiếp giữa hai thiết bị Thiết bị truyền chuyển đổi dữ liệu từ dạng song song sang chuỗi nối tiếp để gửi đến thiết bị nhận Sau khi nhận dữ liệu, thiết bị nhận chuyển đổi trở lại dạng song song và lưu trữ vào bộ nhớ Dữ liệu được truyền từ chân Tx của thiết bị truyền sang chân Rx của thiết bị nhận, và việc truyền giữa hai UART chỉ cần hai dây.

UART là phương thức truyền dữ liệu không đồng bộ, không cần tín hiệu đồng hồ để đồng bộ hóa giữa thiết bị truyền và nhận Thay vào đó, UART sử dụng các bit bắt đầu và dừng để đánh dấu đầu và cuối của gói dữ liệu, giúp xác định thời điểm bắt đầu đọc các bit.

Khi UART phát hiện một bit bắt đầu, nó sẽ đọc các bit với tốc độ được gọi là baud rate Baud rate được đo bằng bit trên giây (bps), và tốc độ truyền dữ liệu sẽ tăng theo giá trị của baud rate Để đảm bảo truyền thông hiệu quả, cả hai thiết bị cần hoạt động ở cùng một tốc độ truyền.

Trong giao tiếp UART, dữ liệu được truyền dưới dạng gói tin, mỗi gói tin bao gồm start bit, data frame, parity bit (nếu có) và stop bit, như được mô tả trong hình 3.6.

Hình 3.7 Frame dữ liệu của UART [10]

Đường truyền dữ liệu UART thường duy trì ở mức logic 1, và để bắt đầu quá trình truyền, thiết bị phát sẽ kéo đường truyền xuống mức logic 0 trong chu kỳ xung nhịp Khi UART phát hiện sự chuyển đổi mức logic, nó sẽ bắt đầu đọc các bit trong khung dữ liệu với tần số tương ứng của tốc độ truyền.

Khung dữ liệu chứa thông tin đang được truyền tải với độ dài từ 5 đến 8 bit, thường gửi theo thứ tự LSB trước.

Bit chẵn lẻ là một phương pháp quan trọng để xác định tính chẵn hoặc lẻ của một số, giúp UART nhận biết sự thay đổi trong dữ liệu truyền Khi sử dụng kiểm tra chẵn, nếu tổng số bit có giá trị 1 là lẻ, bit chẵn lẻ sẽ được đặt là 1; ngược lại, nếu tổng là chẵn, bit chẵn lẻ sẽ là 0 Trong lập trình, phép toán XOR thường được áp dụng để thực hiện kiểm tra chẵn lẻ này.

Bit dừng được sử dụng để đánh dấu sự kết thúc của gói dữ liệu, trong đó thiết bị truyền sẽ điều chỉnh đường truyền dữ liệu từ mức logic 0 lên mức logic 1 trong khoảng thời gian từ một (1) đến hai (2) bit.

LỰA CHỌN, TÍNH TOÁN MÔ HÌNH THIẾT BỊ

Lựa chọn cơ cấu máy

Cấu hình chung của WEC với cơ cấu máy PTO bao gồm ba thành phần chính: phao nổi hình bán cầu, hộp số một chiều kết hợp với bánh đà và máy phát điện.

Hình 4.1 Cấu hình của WEC với cơ cấu máy PTO [11]

Cơ cấu máy PTO được thiết kế đa dạng và linh hoạt, phản ánh đặc điểm sóng của từng vùng biển Nhiều kiểu PTO khác nhau giúp hệ thống di chuyển linh hoạt, phù hợp với các điều kiện địa phương.

Một số cơ cấu máy PTO có khả năng hoạt động hiệu quả ở khu vực nước sâu, vượt trội hơn so với các cơ cấu khác thường gặp khó khăn trong điều kiện này.

Một số cơ cấu máy PTO có khả năng tự động điều chỉnh hoặc đồng bộ với tần số sóng biển, giúp tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng.

Hệ thống PTO có khả năng tích hợp với các nguồn năng lượng tái tạo và hệ thống lưu trữ năng lượng, giúp tối ưu hóa tính đồng đều và liên tục trong cung cấp năng lượng.

Giảm thiểu tác động môi trường là một trong những lợi ích quan trọng của một số loại cơ cấu máy PTO, vì chúng không gây ra nhiễu loạn môi trường đáng kể Điều này giúp giảm thiểu tác động tiêu cực đến sinh quyển dưới nước và hoạt động của cá trong khu vực biển.

Cơ cấu máy PTO hoạt động ổn định trong nhiều điều kiện sóng khác nhau, từ sóng nhẹ đến sóng mạnh, giúp mở rộng khả năng triển khai và ứng dụng.

Việc phát triển và triển khai cơ cấu WEC đòi hỏi một khoản chi phí và vốn đầu tư lớn, đặc biệt trong giai đoạn đầu khi công nghệ chưa được thương mại hóa.

Để đạt hiệu suất tối ưu cho máy PTO, việc ưu tiên vị trí lắp đặt là rất quan trọng Cần xác định những vị trí cụ thể trong biển để đảm bảo hoạt động hiệu quả, tuy nhiên, điều này cũng có thể tạo ra thách thức trong việc triển khai thiết bị.

Các cơ cấu máy PTO phải đối mặt với môi trường biển khắc nghiệt, bao gồm sóng mạnh và độ mặn cao, cùng với các điều kiện thời tiết khắc nghiệt khác Những yếu tố này không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động mà còn có thể làm tăng chi phí bảo trì và sửa chữa.

Các cơ cấu máy PTO có thể gây ra rủi ro xung đột với hoạt động giao thông hàng hải, đặc biệt tại những khu vực có lưu lượng tàu ra vào dày đặc, ảnh hưởng đến an toàn và hiệu quả của các tuyến đường thông thương.

Hiệu suất của cơ cấu máy PTO chịu ảnh hưởng lớn từ điều kiện sóng biển, dẫn đến sự giảm sút về ổn định và khả năng dự đoán năng lượng sản xuất.

Kết luận: Nhóm đã quyết định sử dụng cơ cấu máy PTO cho thiết bị thu hồi năng lượng sóng sau khi nghiên cứu kỹ lưỡng Cơ cấu này không chỉ có hiệu suất năng lượng cao mà còn hoạt động linh hoạt trong nhiều điều kiện khác nhau, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu cần thiết cho đề tài của nhóm.

Cấu tạo mô hình

Hình 4.2 Cơ cấu bao gồm:

− Cảm biến đo momen xoắn

− Encoder đo tốc độ quay

Mô hình thiết kế tối ưu chi phí và phù hợp cho môi trường làm việc tại nhà Quy trình thiết kế được đơn giản hóa nhằm giảm bớt khó khăn trong việc chế tạo các chi tiết máy, đồng thời vẫn đảm bảo đáp ứng đầy đủ các tiêu chí của mô hình ban đầu.

Phân tích nguyên lý hoạt động của mô hình máy

Ở hình 4.3, đầu tiên khi máy tạo sóng di chuyển sẽ tạo sóng cho mặt nước với lực

Khi phao di chuyển tịnh tiến lên xuống, nó sẽ kéo theo cần chuyển động, tạo ra momen 𝑇⃗⃗⃗ 1 Bánh răng cung sẽ ăn khớp với bộ truyền bánh răng và hộp số một chiều theo momen 𝑇⃗⃗⃗ 2, giúp trục chính quay một cách hiệu quả.

Bánh đà giữ lực quán tính của chuyển động xoay, nâng cao hiệu suất truyền động Phanh làm chậm tốc độ quay của trục, giúp cảm biến đo momen xoắn và encoder kết nối với trục phanh để đo tốc độ quay Động cơ bước di chuyển khối lượng đến vị trí tối ưu cho từng tần số sóng, cải thiện hiệu suất thu hồi năng lượng.

Tính toán chọn động cơ bước

Tính toán chọn hai động cơ bước cho hai trục vít me di chuyển khối lượng như hình 4.3

Bảng 4.1 Bảng số liệu tính toán

Tốc độ tối đa của bàn V L =0,1 /m s

Nguồn điện động cơ 12 36− VDC

Khối lượng của cơ cấu trượt và phôi mkg

Hệ số ma sát của mặt trượt  =0,04

Hiệu suất của khớp nối  =0,9 Đường kính trục vít me bi D B mm

Tổng chiều dài của vít me bi L B 0mm

Hệ số ma sát trong của đai ốc  0 =0,3

Con trượt vit me bi  =l 5mm

Thời gian tăng tốc / giảm tốc t 1 = 0,1 s

Hình 4.4 Sơ đồ lực trên trục vít me

Tốc độ cần thiết của động cơ:

Momen quán tính của trục vít me bi:

Momen quán tính của quả nặng

Momen xoắn tác dụng lên trục:

=    =   = (4.6) Momen xoắn khi tăng tốc:

T =S f T +T = + = N m (4.8) Như vậy, các kết quả tính được là:

Momen quán tính cần thiết: J L =4,13.10 ( − 5 kg m 2 )

Momen xoắn cần thiết: T =0, 27( )Nm

Số vòng quay tối đa: V m 00( / min)r

XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỆN

Lựa chọn các thiết bị điện

5.1.1 Động cơ bước 57CM22C Động cơ bước 57CM22C như hình 5.1 là một giải pháp động cơ hiệu quả và đa dạng trong lĩnh vực công nghiệp và tự động hóa Với chất lượng vượt trội, vòng bi và trục được sản xuất bởi các nhà sản xuất nổi tiếng, động cơ này đảm bảo sự chính xác và ổn định trong việc kiểm soát chuyển động Sự linh hoạt trong việc kiểm soát vị trí, khả năng giữ vị trí mạnh mẽ, và khả năng di chuyển mịn giúp nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao như máy CNC, máy in 3D và các hệ thống tự động hóa công nghiệp Động cơ bước 57CM22C không chỉ là một công cụ hiệu quả về hiệu suất mà còn là đối tác đáng tin cậy trong việc đảm bảo sự ổn định và chất lượng trong các ứng dụng đòi hỏi sự chính xác và đáng tin cậy

Hình 5.1 Động cơ bước 57CM22C [12]

Bảng 5.1 Thông số kỹ thuật của động cơ

Động cơ bước cung cấp khả năng kiểm soát vị trí chính xác cho trục, đảm bảo độ chính xác cao trong các ứng dụng yêu cầu.

− Dễ kiểm soát: Dễ tích hợp vào các hệ thống kiểm soát và điều khiển, với khả năng đáp ứng nhanh chóng đối với các tín hiệu điều khiển

Động cơ bước có khả năng giữ vị trí tốt ngay cả khi không có nguồn điện, đảm bảo vị trí hiện tại được duy trì một cách chắc chắn và ngăn chặn sự di chuyển ngẫu nhiên của trục.

− Khả năng di chuyển mịn và nhẹ nhàng: Giúp giảm thiểu rung động và tiếng ồn trong quá trình hoạt động

− Tản nhiệt tốt: Một số động cơ bước được thiết kế để có tản nhiệt, giảm nguy cơ nóng lên và tăng tuổi thọ của motor

− Khả năng mất bước: Nếu quá tải hoặc tốc độ quá nhanh, động cơ bước có thể mất bước, làm giảm độ chính xác vị trí

− Giá thành cao, quán tính cao khi giảm tốc

5.1.2 STM32f103C8T6 Ở hình 5.2 là vi điều khiển STM32F103C8T6, một bước tiến đáng kể trong lĩnh vực vi điều khiển và lập trình nhúng Được phát triển bởi STMicroelectronics, một trong những tên tuổi lớn trong ngành công nghiệp vi điều khiển, STM32F103C8T6 không

31 chỉ là một công cụ mà còn là biểu tượng của sự hiệu quả và đổi mới trong thiết kế điện tử

Với kiến trúc ARM Cortex-M3 32-bit, STM32F103C8T6 cung cấp khả năng xử lý mạnh mẽ và tiết kiệm năng lượng, lý tưởng cho các dự án như điều khiển động cơ và hệ thống nhúng Vi điều khiển này cho phép thực hiện các tác vụ phức tạp và thời gian thực, mở ra nhiều cơ hội sáng tạo trong thiết kế sản phẩm.

Không chỉ mạnh mẽ về hiệu suất, STM32F103C8T6 còn ấn tượng với bộ nhớ flash

Vi điều khiển với bộ nhớ 64 KB và RAM 20 KB cung cấp không gian lý tưởng cho các ứng dụng phức tạp Khả năng lưu trữ và xử lý dữ liệu lớn của nó làm cho vi điều khiển này trở thành công cụ quan trọng cho những ai muốn hiện thực hóa ý tưởng sáng tạo của mình.

STM32F103C8T6 nổi bật không chỉ nhờ vào tính năng kỹ thuật mà còn nhờ vào cộng đồng mạnh mẽ xung quanh nó Với nguồn lực hỗ trợ và tài liệu phong phú, người dùng có thể nhanh chóng học hỏi và thử thách bản thân qua các dự án sáng tạo Đối với những người đam mê lập trình và phát triển hệ thống nhúng, STM32F103C8T6 trở thành nguồn động viên để khám phá và sáng tạo trong lĩnh vực vi điều khiển và hệ thống nhúng.

Bảng 5.2.Thông số kỹ thuật của STM32F103C8T6

Driver M542C hình 5.3 là giải pháp hiệu quả và linh hoạt cho việc điều khiển động cơ step, thường được áp dụng trong các hệ thống máy CNC.

Máy in 3D và các hệ thống tự động hóa khác đang ngày càng phát triển M542C, với khả năng tương thích với động cơ step unipolar và bipolar, mang lại sự linh hoạt tối ưu cho người sử dụng.

M542C nổi bật với khả năng điều chỉnh dòng động cơ, tối ưu hóa hiệu suất và kéo dài tuổi thọ cho động cơ step Với chế độ microstepping tích hợp, thiết bị này cung cấp khả năng kiểm soát chính xác cao và giảm thiểu rung lắc trong quá trình di chuyển.

M542C được trang bị các tính năng bảo vệ quan trọng như bảo vệ quá dòng và quá nhiệt, giúp bảo vệ động cơ và driver khỏi các tình huống không mong muốn.

Driver M542C nổi bật với sự ổn định và độ tin cậy cao, trở thành công cụ mạnh mẽ cho người sáng tạo và là người đồng hành đáng tin cậy cho các hệ thống yêu cầu hiệu suất và độ chính xác.

Bảng 5.3.Thông số kỹ thuật Driver M542C

Parameters Min Typical Max Unit

Supply Voltage 20VAC 36VAC 50VAC V

5.1.4 Đồng hồ hiển thị đo YD-7532 Đồng hồ đo YD-7532 hình 5.4 là một bộ chuyển đổi dựa trên vi xử lý được thiết kế đặc biệt để đo tốc độ, chủ yếu sử dụng trong các ứng dụng đo đạc chính xác như RPM, máy đo dòng Với khả năng tương thích với nhiều loại cảm biến tần số, nó trở thành một giải pháp linh hoạt cho nhiều ngành công nghiệp Điểm nổi bật của YD-7532 là quy trình thiết lập đơn giản và nhanh chóng, chỉ cần sử dụng bốn nút nhấn Điều này giúp người sử dụng dễ dàng cấu hình và điều chỉnh thiết bị theo nhu cầu cụ thể của họ

Sản phẩm này mang đến nhiều tùy chọn đa dạng, bao gồm đầu ra analog tự động điều chỉnh zero, 4 đầu ra Relay với 8 kênh, cùng giao diện truyền thông như RS232C, RS485 và BCD, tạo nên tính linh hoạt và đa nhiệm cho nhiều ứng dụng khác nhau.

Đồng hồ đo YD-7532 nổi bật với độ chính xác cao, độ ổn định vượt trội và khả năng tương thích rộng rãi, trở thành công cụ lý tưởng cho các môi trường đo đạc cần sự chính xác và linh hoạt.

Hình 5.4 Đồng hồ đo YD-7532 [15]

Bảng 5.4.Thông số kỹ thuật đồng hồ đo YD-7512

Relay output High and low set points, 50V 1A

Signal wave form Rectangular wave with a pulse width of

Signal current range Max 100mA

Calibration method Front panel switches

Decimal Point selection Push button setup

Input/Output connector Push button

Power requirements 220V: 50/60Hz (option AC110V)

Giao diện và sơ đồ giải thuật điều khiển

Lưu đồ chương trình chính (Hình 5.14) mô tả quy trình điều khiển hai động cơ bước thông qua việc đọc cảm biến và giao tiếp dữ liệu qua giao thức UART tới GUI được lập trình bằng C# Dữ liệu cảm biến sau đó được lưu trữ và xuất ra tập tin Excel để tính toán công suất thu hồi năng lượng sóng Trên GUI, người dùng có thể gửi lệnh tới vi điều khiển để điều chỉnh vị trí khối lượng trên trục vít bằng động cơ bước Đây là một hệ thống điều khiển vòng hở (open loop) nhằm thu thập số liệu phục vụ cho việc vẽ đồ thị và tính toán các thông số ảnh hưởng đến công suất thu hồi năng lượng của hệ thống, từ đó hỗ trợ xây dựng phương trình hồi quy cho vị trí khối lượng trên trục vít me.

Hình 5.15 Lưu đồ chương trình chính

Tủ điện cấp nguồn cho thiết bị

Tủ điện cấp nguồn gồm các thành phần chính:

− Vi điều khiển STM32F103C8T6 đóng vai trò như bộ não điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ thống hình 5.17

− Hai driver M542C điều khiển động cơ bước hinh 5.17

− Relay điều khiển các nút nhấn trên cửa tủ điện hình 5.16

− Nguồn tổ ong cung cấp điện năng hoạt động cho tủ điện hình 5.17

Hình 5.17 Mặt sau cửa tủ điện điều khiển

Hình 5.18 Tủ điện điều khiển

THÍ NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ

Thiết lập hệ thí nghiệm tại hồ tạo sóng

Hình 6.1 Mô hình 3D hệ thí nghiệm trên hồ tạo sóng

Hình 6.2 Mô hình thực tế hệ thí nghiệm trên hồ tạo sóng

Hệ thí nghiệm trên hồ tạo sóng bao gồm ba phần chính: thiết bị tạo sóng, phao, và bộ phận thu hồi chuyển đổi năng lượng sóng biển, như được mô tả trong hình 6.1 và hình 6.2.

Thiết bị tạo sóng (1) sản xuất sóng với biên độ và tần số tùy chỉnh, tác động lên phao (2) để tạo ra chuyển động lên xuống Chuyển động này kích hoạt bộ phận thu hồi năng lượng sóng biển, giúp hộp số chuyển đổi chuyển động hai chiều của bánh răng thành chuyển động một chiều quay của máy phát.

Hình 6.3 Thiết bị đo tốc độ và tạo momen

(1) Encoder đo tốc độ; (2) Phanh tạo momen;

(3) Cảm biến đo momen; (4) Bánh đà

Hệ thống cảm biến đo tốc độ và momen được lắp đặt với các thành phần chính như hình 6.3 Khi tải bằng 0, hệ quay không sinh ra momen Phanh tạo momen (2) cung cấp tải vào trục chính, tạo ra momen được đo bởi cảm biến momen (3), trong khi encoder (1) đo tốc độ của trục Bánh đà (4) đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì tốc độ quay ổn định của hệ thống.

Hình 6.4 Cảm biến đo biên độ của phao

(1) Cảm biến dạng dây kéo; (2) Vị trí gắn cảm biến; (3) Thanh đỡ gắn đầu cảm biến

Khi hệ thống hoạt động, phao di chuyển khiến cảm biến dạng dây kéo (1) cũng di chuyển theo Cảm biến (2) được gắn ở vị trí chính giữa của cần, do đó, khi thu thập số liệu, cần nhân đôi quãng đường mà cảm biến đo được.

Các trường hợp thí nghiệm

Hình 6.5 Vị trí số 1 của khối lượng

Khối lượng được đặt ở vị trí 1 như hình 6.5 cách công tắc hành trình Home của trục vít me 1mm Khối lượng được đặt mỗi bên là 15 kg

Khối lượng được đặt ở vị trí 2 như hình 6.6 cách công tắc hành trình Home của trục vít me 175mm Khối lượng được đặt mỗi bên là 15 kg

Khối lượng được đặt ở vị trí 3 như hình 6.7 cách công tắc hành trình Home của trục vít me 350 mm Khối lượng được đặt mỗi bên là 15 kg

Bắt đầu thí nghiệm với các vị trí khối lượng trên trục vít me, chúng tôi đã kiểm tra 5 trường hợp tần số sóng khác nhau: 2,2 rad/s, 3,02 rad/s, 3,47 rad/s, 3,93 rad/s và 4,4 rad/s Đồng thời, các mức tải phanh được áp dụng là Ru = 0, Ru = 0,1, Ru = 0,15 và Ru = 0,2.

Kết quả thí nghiệm hàm vị trí

Hình 6.10 Kết quả thí nghiệm với ωsóng = 2,2 rad/s, Ru = 0.15

Hình 6.11 Kết quả thí nghiệm ωsóng = 2,2 rad/s tại vị trí 1

Trong hình 6.10 với tần số góc ωsóng = 2,2 rad/s, vị trí 1 được xác định là tối ưu khi so sánh với các vị trí khác Để đạt được công suất tối đa cho hệ thống, cần chọn tốc độ và moment lớn nhất tại vị trí 1 theo công thức tính toán phù hợp.

Với tần số sóng ω = 2,2 rad/s, vị trí tối ưu được xác định là vị trí 1 Trong số các tải Ru, tải Ru 0,15 là tối ưu nhất, cho phép trục hộp số đạt tốc độ tối đa 10 v/p và momen cao nhất đạt 0,08 Nm.

Khi đó hệ sinh ra công suất tối đa:

Hình 6.12 Kết quả thí nghiệm với ωsóng = 3,02 rad/s, Ru = 0.2

Với tần số góc ωsóng = 3,02 rad/s, vị trí 5 được xác định là tối ưu khi so sánh các vị trí khác nhau Để đạt được công suất tối đa của hệ thống, cần chọn tốc độ và mô-men lớn nhất tại vị trí 5 theo công thức tính toán.

Với tần số sóng ω = 3,02 rad/s, vị trí 5 được xác định là vị trí tối ưu So sánh giữa các tải Ru cho thấy tải Ru 0,2 là lựa chọn tối ưu nhất, đạt tốc độ trục hộp số tối đa 20 v/p và mô-men xoắn cao nhất là 0,38 Nm.

Hình 6.14 Kết quả thí nghiệm ωsóng = 3,47 rad/s, Ru = 0,2

Với tần số góc ωsóng = 3,47 rad/s, vị trí 4 được xác định là tối ưu khi so sánh với các vị trí khác Để đạt được công suất tối đa cho hệ thống, cần chọn tốc độ và mô men lớn nhất tại vị trí 4 theo công thức tính toán phù hợp.

Với tần số góc ωsóng = 3,47 rad/s, vị trí tối ưu được xác định là vị trí 4 Trong số các tải Ru, tải Ru 0,2 cho thấy hiệu suất tối ưu nhất, với tốc độ trục hộp số đạt tối đa 36 v/p và momen tối đa đạt 0,4 Nm.

Với tần số góc ωsóng = 3,93 rad/s, vị trí 5 được xác định là tối ưu khi so sánh với các vị trí khác Để đạt được công suất tối đa của hệ thống, cần chọn tốc độ và moment lớn nhất tại vị trí 5 theo công thức tính công suất.

Với tần số góc ωsóng = 3,93 rad/s, vị trí tối ưu là vị trí 5 Trong các tải Ru được so sánh, tải Ru 0,2 cho thấy hiệu suất tối ưu nhất, với tốc độ trục hộp số đạt mức cao nhất là 34 v/p và mô-men xoắn cao nhất đạt 0,34 Nm.

Hình 6.18 cho thấy với tần số góc ωsóng = 4,4 rad/s, vị trí tối ưu để đạt công suất tối đa là vị trí 1 Để đạt được công suất lớn nhất cho hệ thống, cần chọn tốc độ và moment lớn nhất tại vị trí này theo công thức đã định.

Với tần số sóng ω = 4,4 rad/s, vị trí 1 được xác định là vị trí tối ưu Trong các tải Ru, tải Ru 0,2 là lựa chọn tối ưu nhất, khi tốc độ của trục hộp số đạt tối đa 30 vòng/phút và momen đạt giá trị cao nhất là 0,34 Nm.

Khi tải Ru tăng lên, momen sẽ tăng nhưng tốc độ lại giảm Đặc biệt, với tần số sóng nhỏ như ωsóng = 2,2 rad/s, việc tăng Ru lên 0,2 sẽ khiến tốc độ giảm xuống 0, dẫn đến hệ thống không còn công suất Do đó, việc chọn tải Ru phù hợp với các tần số sóng khác nhau là cần thiết để tối ưu hóa khả năng thu hồi năng lượng.

Sau khi xử lý dữ liệu, chúng tôi đã xác định tải Ru và công suất tối đa lớn nhất cho từng tần số sóng khác nhau tại vị trí tối ưu Đồng thời, chúng tôi cũng đã lựa chọn các giá trị ωsóng và Asóng Phương pháp hồi quy tuyến tính đã được áp dụng với phương trình phù hợp.

P: công suất của mô hình

Phương trình hồi quy tuyến tính bậc 1 là dạng cơ bản nhất, giúp mô hình hóa mối quan hệ tuyến tính giữa biến phụ thuộc và biến độc lập Các phương trình hồi quy tuyến tính bậc cao hơn, như bậc 2 và bậc 3, được phát triển để mô hình hóa các mối quan hệ không tuyến tính phức tạp hơn.

Mô hình hồi quy tuyến tính bậc 1 có thể được sử dụng để tính toán và mô hình hóa các mối quan hệ đơn giản giữa các biến, giúp cải thiện sự phù hợp của mô hình với dữ liệu thực tế Đối với những nghiên cứu yêu cầu độ chính xác cao, việc lựa chọn phương trình hồi quy tuyến tính là rất quan trọng.

Các thông số trong phương trình (6.6) ảnh hưởng trực tiếp đến công suất tối đa của hệ thí nghiệm Việc lập phương trình hồi quy tuyến tính nhằm nội suy các vị trí tối ưu của khối lượng ở các tần số sóng khác nhau, dao động từ 2,2 đến 4,4 rad/s.

Với 5 tần số sóng đã thí nghiệm lập được hệ phương trình 5 ẩn:

𝛽 0 + 𝛽 1 1 + 𝛽 2 4,4 + 𝛽 3 52 + 𝛽 4 0,2 = 1,07 Giải hệ phương trình được các hệ số β:

−2,39 + 0,0004 𝑥 − 4,41 𝜔 𝑠ó𝑛𝑔 + 0,55 𝐴 𝑠ó𝑛𝑔 − 29,42 𝑅𝑢 = 𝑃 Đây cũng là hàm vị trí của hệ mô hình với tần số sóng giao động từ 2,2 đến 4,4 rad/s

Kết quả thí nghiệm nâng cao hiệu suất

Hình 6.20 Kết quả thí nghiệm ωsóng = 4,4 rad/s giữa có khối lượng và không có khối lượng Hình 6.20 cho chạy 2 thí nghiệm với cùng ωsóng = 4,4 rad/s, Ru = 0,2, vị trí 1

Có khối lượng trên cần truyền động thì tốc độ của trục hộp số lớn nhất là 30 v/p và momen đạt giá trị cao nhất là 0,34 Nm

Khi đó hệ có khối lượng sinh ra công suất tối đa:

Tốc độ tối đa của trục hộp số đạt 28 vòng/phút với mô men xoắn cao nhất là 0,32 Nm, trong khi công suất được tính là 1,07 W với công thức 9,55 10^6 1000 = 1,07 (𝑊) khi không có khối lượng cần truyền động.

Khi đó hệ có khối lượng sinh ra công suất tối đa:

So sánh công suất giữa hai trường hợp thì ta thấy:

Khi tần số góc ωsóng đạt 4,4 rad/s và Ru là 0,2 tại vị trí 1, việc thêm khối lượng vào hai trục vít me sẽ làm tăng công suất lên khoảng 13,8% so với tình trạng không có khối lượng.

KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Kết luận Đồ án tốt nghiệp đã đạt được những thành công sau:

• Xây dựng thành công hệ thống thu thập dữ liệu

• Nghiên cứu được nguyên lý và cách vận hành của hệ

• Hoàn thành được việc xây dựng hàm hồi quy tuyến tính

• Tính toán thành công công suất thu hồi được

• Chứng minh được khi thêm khối lượng vào hai bên cần truyền động sẽ làm hiệu suất thu hồi năng lượng lên khoảng 5%

Viết thuật toán và code vi điều khiển hoàn chỉnh điều khiển vị trí vít me của hệ thống cơ khí hoạt động một cách tự động

Các thiết bị và cảm biến đo đã được nâng cấp lên các thiết bị chuyên dụng, giúp dữ liệu thu thập trở nên chính xác hơn và giảm thiểu nhiễu Việc sử dụng cảm biến đo biên độ sóng và tần số sóng với độ chính xác cao trong quá trình thực nghiệm cho phép hệ thống thí nghiệm hoạt động tự động một cách hiệu quả.

Tiêu đề	Điều Khiển Nâng Cao Hiệu Suất Thu Hồi Thiết Bị Chuyển Đổi Năng Lượng Sóng Biển
Tác giả	Phan Minh Tâm, Bùi Việt Thành, Trần Văn Tiên
Người hướng dẫn	TS. Phan Công Bình
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
Thể loại	Đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2024
Thành phố	TP. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	100
Dung lượng	7,37 MB