TÁI TẠO NĂNG LƯỢNG NHỜ CHUYỂN ĐỘNG CỦA THANG MÁY

Ở nước ta hiện nay việc sử dụng thang máy trong các tòa nhà cao tầng là khá phổ biến. Qua tìm hiểu, em được biết các thang máy có nguyên tắc hoạt động và cấu tạo về cơ bản giống nhau gồm cabin, đối trọng, hệ thống điện, dây cáp...Khối lượng của đối trọng thì không thay đổi tromg suốt quá trình vận hành thang máy. Trong khi đó khối lượng người trong cabin thì thay đổi.Vì vậy trong một số trường hợp nào đó chắc chắn sẽ có dư thừa thế năng do sự chênh lệch khối lượng giữa bên cabin và đối trọng. Từ sự cố thang máy bị trượt từ tầng 63 đến tầng 35 của tòa nhà Lotte nên em suy nghĩ, như vậy trong một số trường hợp nào đó khi cabin đi xuống hoặc đối trọng đi xuống động cơ của thang máy đã phải tiêu tốn một năng lượng (không hữu ích) để chống lại sự trượt xuống của cabin hoặc của đối trọng (hay là để cân bằng với sự chênh lệch khối lượng). Trong trường hợp này ta có thể tận dụng sự chênh lệnh khối lượng này để sinh ra năng lượng.

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ NỘI TRƯỜNG THPT CHU VĂN AN-TÂY HỒ-HÀ NỘI

**************

ĐỀ TÀI DỰ THI KHOA HỌC, KỸ THUẬT DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CẤP THÀNH PHỐ

LẦN THỨ TƯ (NĂM HỌC 2014 - 2015).

Tên đề tài:TÁI TẠO NĂNG LƯỢNG NHỜ CHUYỂN ĐỘNG CỦA THANG MÁY

Lĩnh vực: NĂNG LƯỢNG VÀ VẬN CHUYỂN.

NGƯỜI HƯỚNG DẪN

- Th.s Phạm Xuân Bách

- Đơn vị công tác: TU Berlin-Cộng

hòa liên bang Đức.

Trường Trung học Phổ thông Chu Văn An

Hội thi Intel ISEF

Báo cáo nghiên cứu

Người nghiên cứu:

Học sinh Phạm Châu Uyên

11 Lý - THPT Chu Văn An Học sinh Đinh Thị Khánh Ly 11A2 - THPT Kim Liên

Hà Nội

24.11.2014

Mục lục

I Lí do chọn đề tài

Ở nước ta hiện nay việc sử dụng thang máy trong các tòa nhà cao tầng làkhá phổ biến Qua tìm hiểu, em được biết các thang máy có nguyên tắc hoạtđộng và cấu tạo về cơ bản giống nhau gồm cabin, đối trọng, hệ thống điện,dây cáp Khối lượng của đối trọng thì không thay đổi tromg suốt quá trìnhvận hành thang máy Trong khi đó khối lượng người trong cabin thì thayđổi.Vì vậy trong một số trường hợp nào đó chắc chắn sẽ có dư thừa thế năng

do sự chênh lệch khối lượng giữa bên cabin và đối trọng

Từ sự cố thang máy bị trượt từ tầng 63 đến tầng 35 của tòa nhà Lotte nên

em suy nghĩ, như vậy trong một số trường hợp nào đó khi cabin đi xuốnghoặc đối trọng đi xuống động cơ của thang máy đã phải tiêu tốn một nănglượng (không hữu ích) để chống lại sự trượt xuống của cabin hoặc của đốitrọng (hay là để cân bằng với sự chênh lệch khối lượng) Trong trường hợpnày ta có thể tận dụng sự chênh lệnh khối lượng này để sinh ra năng lượng.Kết hợp với kiến thức đã học được về định luật cảm ứng điện từ củaFaraday Từ đó em nảy ra ý tưởng kết hợp chuyển năng lượng cơ học, từ sự

chênh lệnh thế năng do sự chênh lệnh khối lượng gây ra sang điện năng (

) Dưới dạng năng lượng điện, việc lưu trữ nănglượng sẽ trở nên dễ dàng, hoặc cũng có thể là nguỗn năng lượng trung gian,

để từ đó chuyển sang các dạng năng lượng mong muốn khác

Nhận thấy sự khả thi của đề tài và trong quá trình nghiên cứu có thể ứngdụng kiến thức đã học vào thực tế em quyết định chọn đề tài cho cuộc thisáng tạo ISEF

II Tổng quan vấn đề nghiên cứu

1 Tính mới của đề tài

Qua tìm hiểu các nguồn thông tin sách báo cũng như trên Internet và hỏi ýkiến của các thầy cô hướng dẫn em được biết chưa có công trình nghiên cứu

về việc tận dụng năng lượng thừa do sự chênh lệch khối lượng trong lúc vậnhành của thang máy

2 Tính sáng tạo của đề tài

Đối với mỗi thang máy khi được ứng dụng đề tài thì có thể chuyển nguồn

đặt thêm một máy phát Nguồn điện từ máy phát có thể được tích hợp lại vào

hệ thống acqui để sử dụng cho các mục đích hữu ích khác

Trong đề tài này em còn tính đến việc kết nối dòng điện của các máy pháttrong một cụm thang máy của một tòa nhà với nhau và toàn bộ các máy pháttrong một khu nhà cao tầng với nhau thành một hệ thống nhằm khai tháchiệu quả hơn nguồn năng lượng này

3 Lợi ích mang lại từ việc ứng dụng đề tài vào thực tế

Lợi ích trước tiên mà đề tài mang lại khi được áp dụng vào thực tiễn là sự

tòa nhà sử dụng thang máy, mà thang máy luôn đi lại tấp nập, hơn nữa sựchênh lệch về khối lượng giữa bên cabin và bên đối trọng là lớn, từ đó nếu

đề tài được áp dụng vào thực tế thì sẽ thu được một nguồn năng lượng đáng

III Quá trình nghiên cứu

1 Nội dung đã nghiên cứu

1.1 Bức tranh năng lượng thế giới

Ngày nay sự khủng hoảng về năng lượng và hiện tượng ấm lên toàn cầu đang là vấn đề cấp bách và thu hút sự quan tâm của tất cả các nhà khoa học cũng như Chính Phủ các quốc gia trên khắp thế giới Qua đó nhu cầu sử dụng nhiên liệu hóa thạch đang ngày càng gia tăng Nguồn năng lượng này tuy dồi dào nhưng trước sự bùng nổ về nhu cầu sử dụng tại các quốc gia đang phát triển như Trung Quốc, Ấn Độ đang dần trở nên cạn kiệt Các cuộcchiến tranh giành nguồn tài nguyên thiên nhiên đang có xu hướng gia tăng trên khắp thế giới Kéo theo đó là hiện tượng ấm lên toàn cầu do lượng khí thải CO2 gây ra

Bên cạnh nhiên liệu hóa thạch truyền thống một dang năng lượng mới củatương lai thân thiện với môi trường và có thể sử dụng vĩnh viễn đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi tại các quốc gia phát triển trên thế giới Đó là nguồn năng lượng tái tạo

Ảnh III.1: Dự báo nguồn tiêu thụ năng lượng đến năm 2100[1]

Qua ảnh trên cho thấy trong khoảng 100 năm nữa nguồn năng lượng tái tạo sẽ trở nên phổ biến và từng bước thay thế nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống Kể đến năng lượng tái tạo bao gồm năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng sinh học, sinh khối và năng lượng từ sức nước

Qua quá trình tìm hiểu về tình hình sử dụng năng lượng trên thế giới, em nhận thấy đề tài nghiên cứu của mình là phù hợp với xu hướng sử dụng nănglượng trong tương lai Năng lượng được tái tạo trong chuyển động của thangmáy là năng lượng sạch và có thể sử dụng vào mục đích phù hợp

Ảnh III.3: Trang trại gió tại Lübz, Đức [3] Ảnh III.2: Cánh đồng thu năng lượng mặt trời tại Nevada, USA [2]

1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thang máy

Thang máy ngày càng được sử dụng rộng rãi do nhu cầu di chuyển nhanh chóng và thuận tiện của người sử dụng Đối với những tòa nhà cao tầng như khách sạn, chung cư cao cấp thì việc sử dụng thang máy là điều hiển nhiên Ngoài mục đích vận tải hành khách dân dụng thang máy còn có rất nhiều loại khác như thang tải thực phẩm, thang máy dùng trong xây dựng cùng với đó là các hãng thang máy nổi tiếng như Mitsubishi, Otis, Nippon, Mặc

dù vậy, chúng đều có những điểm chung về cấu tạo và nguyên lý hoạt động.Qua việc tìm hiểu trên Internet và một buổi thực tế tại tòa nhà Nam

Cường dưới sự hướng dẫn của hai cán bộ kĩ thuật của công ty thang máy Mitsubishi, em nhận thấy các thang máy đều có các nguyên tắc sau đây:1.2.1 Về đặc điểm vận hành:

Thời gian của chu kì vận chuyển là nhỏ, tần suất vận chuyển lớn, các côngtrình từ 6 tầng trở lên đều được lắp đặt thang máy Tốc độ thang máy phụ thuộc vào mục đích sử dụng Thông thường vận tốc thang máy đối với các tòa nhà cao tầng được tính như sau:

Trong các bệnh viện thang máy không để với tốc độ nhanh quá tránh việc gây chóng mặt và nguy hiểm cho bệnh nhân Thường để tốc độ 30-60 m/ phút[2]

1.2.2 Về cấu tạo gồm:

Trong hình trên các thành phần cấu tạo cơ bản của thang máy chơ khách

đã được nêu rõ Qua đó sau đây hệ thống cân bằng của thang máy sẽ được đisâu vào tìm hiểu Chính ở hệ thống này mà năng lượng thừa, để tận dụng cho việc tái tạo năng lượng, được sản sinh ra

1.2.3 Về hệ thống cân bằng của thang máy:

Thang máy đơn giản có thể hình dung là một hệ ròng rọc Trong đó đối trọng, cáp nâng, cáp điện hay cáp xích là các bộ phận cân bằng với trọng lượng cabin và tải trọng nâng Sau đây các thành phần của hệ thống cân bằng sẽ được phân tích rõ ràng

Ảnh III.4: Cấu tạo thang máy [5]

Xích và cáp cân bằng:

Thang máy có chiều cao nâng trên 45m thì phải đặt thêm xích cân bằng để

bù lại phần trọng lượng của dây cáp bị chuyển sang nhánh bênh kia, để đảm bảo momen tải tương đối ổn định trên puli ma sát

Xích cân bằng dùng cho thang máy có tốc độ < 1,4m/s Với thang máy có tốc độ cao,dùng cáp cân bằng cùng với thiết bị kéo căng cáp cân bằng để cápcân bằng không bị xoắn Tại thiết bị kéo căng cáp cân bằng phải có tiếp điểm điện an toàn để ngắt mạch điều khiển khi độ căng cáp cân bằng quá lớnhoặc cáp cân bằng bị dãn Có ba cách mắc hệ thống cáp cân bằng như sau

Ảnh III.5: Sơ đồ các hệ thống cân bằng[3]

KC: bộ phận kéo căng cáp cân bằng

Cách 1: Hình a và b: cabin- đối trọng: cáp hoặc xích cân bằng mắc với cabin và đối trọng Khi cabin đi lên, trọng lượng cáp nâng chuyển dần từ nhánh treo cabin sang nhánh treo đối trọng thì trọng lượng cáp hoặc xích cânbằng chuyển dần từ nhánh treo đối trọng sang nhánh treo cabin và ngược lại

có ưu điểm của cả cáp bện xuôi và cáp bện chéo.

Cáp có tiếp xúc điểm là loại có đường kính các

sợi thép dánh bằng nhau, hai lớp sợi trong dánh

có bước bện khác nhau nên giữa các sợi thép có

tiếp xúc điểm Do đó khi bị uốn cong các sợi

thép đè lên nhau và giữa các sợi thép có ma sát

lớn làm chúng dễ mòn và đứt từng sợi

để đảm bảo lực căng của các nhánh cáp nâng treo cabin và đối trọng luôn có giá trị ổn định

Cách 2: Hình c: cabin- giếng thang: cáp hoặc xích cân bằng mắc với cabin

và giếng thang Khi cabin chuyển động thì trọng lượng cáp hoặc xích cân bằng chỉ bù trừ cho nhánh cáp nâng treo cabin

Cách 3: Hình d: đối trọng- giếng thang: cáp hoặc xích cân bằng mắc với đối trọng và giếng thang

Nhiệm vụ của xích và cáp cân bằng là để đảm bảo mômen tải ổn định trênpuly ma sát khi thang máy làm việc

Cáp nâng:

Cáp có tiếp xúc đường có các sợi thép bên ngoài với đường kính lớn hơn

để đảm bảo cho cáp lâu bị mỏi và đứt trong quá trình làm việc

Đặc điểm làm việc: luôn bị kéo căng ngay cả khi thang máy không làm việc

Tính toán, chọn và sử dụng cáp: theo yêu cầu và qui định trong tiêu chuẩn

là yếu tố quyết định độ bền, độ an toàn, độ tin cậy của cáp Cáp nâng được chọn theo điều kiện:

: tải trọng phá hỏng cáp do nhà sản xuất quyết định

Bộ tời kéo

Tùy theo sơ đồ dẫn động mà bộ tời kéo của thang máy được đặt ở trong phòng thang máy dẫn động nằm ở phía trên, phía dưới hoặc nằm cạnh giếng thang Có hai phương pháp dẫn động là bộ tời kéo dẫn động thủy lực và bộ tời kéo dẫn động điện Trong đó thì bộ tời kéo dẫn động điện là thông dụng hơn cả

Bộ tời kéo dẫn động điện gồm loại có hộp giảm tốc và loại không có hộp giảm tốc

Đối với thang máy có tốc độ lớn người ta thường dùng bộ tời kéo không

có hộp giảm tốc Loại này thường dung động cơ điện một chiều có tốc độ quay nhỏ và được mắc theo hệ thống máy phát- động cơ, cho phép điều chỉnh vô cấp tốc độ quay của động cơ, đảm bảo cho cabin chuyển động êm dịu và dừng chính xác

Bộ tời kéo với puly ma sát được sử dụng rộng rãi trong các loại thang máy

do có nhiều ưu điểm:

sát mà bộ tời kéo với puly ma sát có kích thước nhỏ gọn, không phụ thuộc vào chiều cao nâng của thang máy Trong nhiều trường hợp, puly ma sát có thể lắp công xôn trên trục ra của hộp giảm tốc nên quá trình tháo lắp dễ dàng, tốn ít công sức

• Làm việc an toàn do có thể treo cabin và đối trọng bằng nhiều sợi cáp riêng biệt không thể cùng đứt một lúc và khi cabin lên đến điểm trên cùng, nếu công tắc dừng tầng và công tắc hạn chế hành trình hỏng thì đối trọng có thể tựa lên giảm chấn ở đáy hố thang, cáp chùng và trượt trên các ranh của puly ma sát để đảm bảo an toàn

Abbildung III.7: Bộ tời kéo [3]

Đối trọng là bộ phận chính có

vai trò cân bằng với trọng lượng

của thang máy Thang máy có

chiều cao nâng không lớn, chọn

đối trọng sao cho trọng lượng

của nó cân bằng với trọng

lượng cabin và với một phần tải

trọng nâng Thang máy có chiều

cao nâng lớn, trọng lượng dây

cáp là đáng kể thì phải dùng

xích cân bằng để bù lại phần

trọng lượng của dây cáp chuyển

từ nhánh treo cabin sang nhánh

treo đối trọng và ngược lại

Tuy vậy cáp làm việc với puly ma sát chóng bị mòn hơn so với tang cuốn cáp Vì vậy, việc chăm sóc, bảo dưỡng và theo dõi trạng thái mòn của cáp trong quá trình sử dụng thang máy có ý nghĩa rất lớn

Khi trọng lượng đối trọng cân bằng hoàn toàn với trọng lượng cabin và tải

trọng nâng (a=1) nên khi nâng hoặc hạ cabin đầy tải, động cơ của cơ cấu

nâng chỉ cần khắc phục lực cản ma sát và lực quán tính, xong khi cabin không tải nên động cơ phải khắc phục thêm lực cản đúng bằng tải trọng nâng Q để hạ cabin (nâng đối trọng) Vậy chọn đối tượng với hệ số cân

Ảnh III.8: Cấu tạo đối trọng thang máy [3]

bằng a sao cho lực cần thiết nâng cabin đầy tải bằng lực để hạ cabin không tải, như vậy ta có:

(2)

Thay (1) vào (2) ta được hệ số cân bằng a=0.5

Vậy ta có công thức:

(3)Hay khối lượng của đối trọng bằng khối lượng của cabin cộng 50% khối lượng tối đa của người thang máy

1.3 Năng lượng tái tạo

1.3.1 Công thức tính

Qua công thức số (3) cho thấy thông thường luôn có sự chênh lệch khối lượng giữa hai bên cáp của thang máy vì trọng lượng của đối trọng luôn lớn

hơn trọng lượng của cabin một lượng 0,5*Q Chính sự chênh lệch khối

lượng này có khả năng sinh ra năng lượng khi di chuyển Năng lượng dư thừa thu được, được tính như sau:

(4): chênh lệch khối lượng bên cabin và đối trọng

Từ công thức trên em đã thử ước lượng xem trong một ngày một thang máy có thể tái tạo được bao nhiêu năng lượng

Thang máy đối với tòa nhà làm việc cao tầng và những chung cư lớn có tải trọng từ 900-1000 kg[4] Qua công thức số (3) cho thấy độ chênh lệch khối lượng

Quãng đường trung bình ở mỗi lần vận chuyển là 60 m ( tương đương 20 tầng)

Giả sử từ 3- 5 phút có một chuyến thang máynên 1h sẽ có 15chuyến, 1 ngày 24h thì có khoảng 10h thang máy hoạt động, nên 1 ngày sẽ có tầm 150 chuyến Xác suất vào 2 trong 6 trường hợp trên là 1/3 nên sẽ có khoảng 50 chuyến khai thác năng lượng tái tạo Trong đó giả sử có 40% các chuyến là đầy tải Từ đó theo công thức số (4) thì mỗi thang máy trong mỗi ngày sẽ có thể sản sinh ra một lượng năng lượng là

Đây chỉ là năng lượng sinh ra do một thang máy, nếu nối các thang máy lại với nhau trong một tòa nhà rồi nối các hệ thống giữa các tòa nhà với nhauthi sẽ sinh ra một lượng điện năng khổng lồ

1.3.2 Trường hợp sinh ra năng lượng

Tính toán trên cho thấy tiềm năng to lớn của việc tận dụng năng lượng dư thừa trong chuyển động của thang máy Tuy nhiên trước được ứng dụng vào thức tế thì các trường hợp hoạt động của thang máy phải được xem xét trước Sẽ có tất cả 6 trường hợp:

Ở trường hợp 1 và 6 thì chính sự chênh lệch khối lượng cộng với hướng

di chuyển phù hợp làm phát sinh ra lượng năng lượng có thể tái tạo từchuyển động của thang máy Máy phát không hoạt động trong mọi trườnghợp và lượng năng lượng tái tạo sinh ra tuy tồn tại nhưng vẫn chưa được sửdụng Vì thế sẽ có hai vấn đề chính ta phải giải quyết:

• Phải phát hiện ra được năng lượng dư thừa vào lúc nào (chênh lệchkhối lượng) bằng một thiết bị nào đó để điều khiển máy phát hoạtđộng Trong vấn đề này chúng ta có thể sử dụng nhiều cách như là sửdụng cân khối lượng, chiều chuyển động đã được lắp sẫn trong thangmáy hoặc lắp thêm ampe kế để đo mức độ tiêu thụ dòng điện của động

cơ, từ đó xác định được khi nào có năng lượng dư thừa

máy một máy phát điện tại puli thang máy (bằng lực ma sát giữa puli

và dây cáp) thông qua bộ phận cảm biến li hợp được điều khiển quatín hiệu của ampe kế

1.4 Tiến hành thí nghiệm

1.4.1 Mô hình thí nghiệm

Sau khi đặt ra được hai bài toán chính cần giải quyết, em phác họa mô hình thang máy đơn giản trên giấy và đi mua dụng cụ để thí nghiệm.Trong quá trình làm thí nghiệm em đã gặp tương đối nhiều khó khăn vì em sử dụngcác thiết bị đơn lẻ từ máy phát, máy kéo, dây cáp đến những chiếc puli nhỏ nhất Sau khi lắp ráp em được mô hình như sau :

Ảnh III.9: Mô hình thí nghiệm

Trong đó :

Một hệ thang máy bình thường được cấu tạo đơn giản từ hệ thống hố thang máy, cáp treo, động cơ kéo và hai Puly 1, Puly 2 Hệ thống máy phát

có thể nối trực tiếp vào Puly 2, nhưng do muốn can thiệp ít nhất vào hệ thống thang máy nguyên bản nên hệ thống máy phát sẽ được nối gián tiếp với Puly 2 qua bộ truyền chuyển động gồm Puly 3 và Puly 4

Một trong các vấn đề đã nêu ra là phải xác định được khi nào thì máy pháthoạt động (trường hợp 1 và 6), khi nào thì thang máy hoạt động bình thường(các trường hợp còn lại) Chính vì thế phải sử dụng ở đây một thiết bị nhằm xác định trường hợp mà thang máy đang vận hành Hiện tại em đang cân nhắc giữa hai giải pháp :

Có thể dùng một cảm biến khối lượng đặt trong thang máy Khi sự chênh lệch khối lượng là đủ lớn và hướng di chuyển là phù hợp để sinh ra năng lượng thì cảm biến sẽ thông báo cho bộ từ của li hợp để kết nối hai puly của

bộ li hợp lại với nhau để truyền chuyển động từ Puly 4 vào bộ điều tốc rồi từ

đó đến máy phát để chuyển từ cơ năng sang điện năng

Một giải pháp khác là dùng một Ampe kế mắc vào động cơ Trong trường hợp sinh năng lượng (trường hợp 1 và 6) thì thực ra động cơ hoạt động để kiểm soát tốc độ thang máy, qua đó lượng điện năng tiêu hao sẽ giảm xuống còn rất nhỏ so với trường hợp động cơ hoạt tải Sự thay đổi này sẽ được Ampe kế xác định để từ đó đưa ra quyết định là có thể dùng để sinh năng lượng được không Nếu được thì cảm biến sẽ thông báo với bộ từ liên hợp

và quá trình diễn ra như đối với cảm biến khối lượng

Em mới thử nghiệm với giải pháp thứ hai là lắp Ampe kế thì trong trường hợp thu năng lượng có thể nhân thấy rõ chỉ số của ampe kế dịch dần về 0 qua đó chứng tỏ giáp pháp này là khả thi

1.4.2 Vấn đề gặp phải