THANH GIẢM TỐC ĐỘ THU HỒI NĂNG LƯỢNG

Hiện nay thì Việt Nam vẫn chưa thiết kế và chế tạo thành công một hệ thống thu hồi năng lượng trên đường giao thông, mục đích của đề tài là thiết kế chế tạo thành công thanh giảm tốc đượ

Chương 1 Tổng quan

1 1 Đặt vấn đề

Hiện nay với nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng cao, trong khi đó nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt dần Chính vì điều đó đã đòi hỏi con người cần phải nỗ lực nghiên cứu các nguồn năng lượng khác để thay thế cho nguồn năng lượng hóa thạch Từ đó, có rất nhiều nguồn năng lượng mới ra đời đem lại hiệu quả rất lớn Không dừng lại ở đó, con người tiếp tục nghiên cứu và đặt ra những yêu cầu về nguồn năng lượng mới cao hơn, thân thiện với môi trường hơn

Đã có rất nhiều nguồn năng lượng sạch ra đời như: năng lượng gió, năng lượng mặt trời Tất cả đều dựa trên nguyên tắc chung là thu hồi các nguồn năng lượng vô ích trở thành có ích phục vụ cho con người

Nhận thấy Việt Nam là một nước có mật độ lưu thông cao, xe chạy trên đường

đã sinh ra một công vô ích, xuất phát từ ý tưởng trên thì giải pháp “ Thiết kế thanh giảm tốc thu hồi năng lượng trên đường giao thông ” đã ra đời và sẽ góp phần tạo nên một nguồn năng lượng mới để phục vụ cho con người Hiện nay thì Việt Nam vẫn chưa thiết kế và chế tạo thành công một hệ thống thu hồi năng lượng trên đường giao thông, mục đích của đề tài là thiết kế chế tạo thành công thanh giảm tốc được lắp đặt trên đường có khả năng thu hồi được nguồn năng lượng sinh ra từ các phương tiện giao thông thành điện năng phục vụ cho thắp sáng đèn đường, các tín hiệu giao thông, thắp sáng biển báo

1.2 Lịch sử phát triển của đề tài

1.2.1 Ngoài nước

Hiện nay, ở Anh đã thiết kế và chế tạo thành công một loại thanh giảm tốc có khả năng tạo ra dòng điện mỗi khi có xe chạy ngang qua tác động lên bề mặt kim loại [8] Hệ thống này hoạt động theo nguyên tắc chuyển động lên xuống của tấm kim loại

sẽ làm vận hành bộ phận phát điện nằm bên dưới và tùy theo trọng lượng của chiếc xe

chạy ngang qua, từ 5 - 50KW điện năng sẽ được sản sinh ra mỗi lần Chi phí cho cuộc nghiên cứu này trên 1,7 triệu USD Hơn 200 chính quyền địa phương ở Anh rất thích thú với phát minh trên và dự định sẽ đặt hàng loại thanh giảm tốc này với mục đích cung cấp nguồn năng lượng cho hệ thống đèn giao thông và đèn đường

Hình 1.1: Thanh giảm tốc cho xe ôtô Tại Trung Quốc, có hai sinh viên đã nghiên cứu thành công hệ thống thu hồi năng lượng thông qua lực bước chân khi di chuyển [6]

Hình 1.2: Hình ảnh hệ thống Nguyên lý họat động khá giống nhau, chỉ khác ở hệ thống này sử dụng lực bước chân để sinh ra điện

Tuy nhiên ở cả hai hệ thống đều có giá thành rất cao, hầu như không phù hợp với điều kiện tại Việt Nam

1.2.2 Trong nước

Ở nước ta có rất nhiều diễn đàn, trang web trao đổi và thảo luận về vấn đề này rất nhiều Tuy nhiên vẫn chưa có cá nhân hay tổ chức nào bắt tay vào thực hiện Chính vì thế hệ thống này vẫn còn khá mới ở Việt Nam

Thanh giảm tốc thu hồi năng lượng nói riêng và lĩnh vực nghiên cứu năng lượng mới nói chung còn rất mới ở Việt Nam Vì vậy việc nghiên cứu và chế tạo thanh giảm tốc thu hồi năng lượng là một bước đi khá mới mẻ, thể hiện được tính sáng tạo, ham học hỏi của sinh viên Lạc Hồng

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

Thiết kế, chế tạo thanh giảm tốc thu hồi năng lượng trên đường giao thông, hoạt động ổn định,với các tiêu chí sau:

- Đảm bảo an toàn cho người tham gia giao thông

- Không làm ảnh hưởng và cản trở tới phương tiện giao thông

- Chi phí rẻ

- Hệ thống phải hoạt động có hiệu quả

- Lắp đặt đơn giản và có tính áp dụng cao

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Chế tạo thanh giảm tốc thu hồi năng lượng trên đường giao thông hoạt động hoàn toàn bằng các cơ cấu cơ khí cho nên hệ thống hoạt động hoàn toàn dựa vào tác động của xe và không tốn nguyên liệu để hoạt động

Ngoài ra đề tài còn nghiên cứu các loại hình dạng, tiêu chuẩn của các loại thanh giảm tốc khác nhau, các loại đường và phương tiện tham gia giao thông nhằm đưa ra phương án hợp lý nhất khi thiết kế chế tạo

Thời gian nghiên cứu từ tháng 08 đến tháng 12 năm 2012

Địa điểm nghiên cứu tại trường Đại học Lạc Hồng, thanh giảm tốc được thiết kế

để lắp đặt tại cổng trường, ngay vị trí quét thẻ xe máy

1.5 Phương pháp nghiên cứu của đề tài

Dựa trên cơ sở lý thuyết và tính toán, thiết kế, chế tạo theo từng giai đọan, sau đó tìm ra phương án hợp lý, đơn giản và tiết kiệm nhất

Khảo sát thực tế, tìm hiểu hình dạng, chức năng các lọai thanh giảm tốc, kế thừa những ưu điểm của các đề tài trên thế giới, tìm cách khắc phục những khuyết điểm để

áp dụng vào thiết kế đề tài

Sau khi tìm hiểu thực tế sẽ tiến hành nghiên cứu thiết kế hình dáng thanh giảm tốc trên lý thuyết, thiết kế các cơ cấu truyền động, cơ cấu tăng tốc cho máy phát điện Giai đọan tiếp theo là tiến hành chế tạo

Giai đoạn cuối là đưa vào kiểm nghiệm hệ thống, tìm ra những phương án chưa hợp lý từ đó sửa chữa và thay đổi phương án thiết kế kịp thời

1.6 Cấu trúc của đề tài

Trong đề tài này gồm những nội dung sau:

Cơ sở lý thuyết của đề tài

Thiết kế và thi công

Kết quả thực nghiệm

Kết luận

Chương 2

Cơ sở lý thuyết

2.1 Giới thiệu về các loại thanh giảm tốc

Thanh giảm tốc ( gờ giảm tốc) được lắp đặt trên các đoạn đường có tác dụng hạn chế tốc độ của phương tiện giao thông

Hình 2.1: Gờ giảm tốc Hiện nay thì vẫn chưa có quy định cụ thể về sơn vạch và làm gờ giảm tốc.Có 2 loại là vạch giảm tốc và gờ giảm tốc Trong đó vạch giảm tốc có chiều cao từ 2-6 cm,vạch cách nhau 2cm có 2 dãy, mỗi dãy có 5 vạch, còn gờ giảm tốc thì từ 5-10cm

và thường gờ giảm tốc chỉ có 1 vạch [4]

Hình 2.2: Vạch giảm tốc

2.2 Giới thiệu máy phát điện ( Dynamo)

Hình 2.3: Dynamo trong xe ôtô tải Huyndai

2.2.2 Cấu tạo của máy phát điện ( Dynamo)

Cấu tạo của dynamo bao gồm một kết cấu tĩnh mà nó tạo ra từ trường mạnh và một cuộn dây quay Ở các máy phát dynamo nhỏ, từ trường được tạo ra bằng các nam châm vĩnh cửu, đối với các máy lớn, từ trường được tạo ra bằng các nam châm điện

Hình 2.4: Cấu tạo của dynamo xe đạp

Ngược lại, bánh đà giải phóng năng lượng được lưu trữ bằng cách áp mô-men

xoắn đến tải cơ khí, kết quả làm tốc độ quay giảm

2.3.2 Tác dụng của bánh đà

Chúng cung cấp năng lượng liên tục khi các nguồn năng lượng không liên tục.Ví

dụ, bánh quay được sử dụng trong động cơ pit-tông bởi vì các nguồn năng lượng

(mô-men xoắn từ động cơ) là không liên tục

Chúng cung cấp năng lượng ở mức vượt quá khả năng của một nguồn năng lượng Điều này đạt được bằng cách thu thập năng lượng trong bánh đà theo thời gian

và sau đó giải phóng năng lượng một cách nhanh chóng, với tốc độ vượt quá khả năng

của nguồn năng lượng

Chúng kiểm soát định hướng của một hệ thống cơ khí Trong các ứng dụng như vậy, xung lượng góc của một bánh đà là cố ý chuyển tải một khi năng lượng được

của nó, hoặc khi xung như vậy sẽ làm gián đoạn việc cung cấp năng lượng (ví dụ như mạng lưới điện công cộng)

Bánh đà có thể được sử dụng kiểm soát định hướng của một hệ thống cơ khí Trong những trường hợp như vậy, xung lượng góc của bánh đà được chuyển tải trong

quá trình chuyển năng lượng

Trong thực tế có rất nhiều loại bánh đà khác nhau,kích thước khác nhau như: bánh đà xe máy, bánh đà trong xe hơi, bánh đà trong máy cưa gỗ…

toán tối ưu đa mục tiêu thỏa mãn đồng thời các chỉ tiêu quan trọng như khối lượng nhỏ nhất, kích thước nhỏ gọn nhất

Bảng 2.1 Bảng phân phối tỷ số truyền [1]

: Số răng của bánh răng chủ động

: Số răng của bánh răng bị động

Nếu trong hệ thống có nhiều tỷ số truyền thành phần thì tỷ số truyền chung của

hệ thống được tính bằng công thức:

(2.3)

Trong hệ thống của nhóm thiết kế thì bộ phận tăng tốc của được chia làm hai phần sau:

2.4.1 Hộp tăng tốc

2.4.1.1 Khái niệm

Trong hệ dẫn động cơ khí thường sử dụng các bộ truyền bánh răng hoặc trục vít dưới dạng một tổ hợp biệt lập gọi là hộp tăng tốc

Hộp tăng tốc là cơ cấu truyền động ăn khớp trực tiếp, có tỉ số truyền không đổi

và được dùng để tăng vận tốc góc và giảm mômen xoắn Một loại cơ cấu tương tự nhưng được dùng để giảm vận tốc góc và tăng mômen xoắn được gọi là hộp giảm tốc Hộp tăng tốc được sử dụng rộng rãi trong các ngành cơ khí, luyện kim, hóa chất, trong công nghiệp đóng tàu

2.4.2 Bộ truyền xích

Trong hệ thống tăng tốc thì nhóm sẽ sử dụng bộ truyền xích của xe đạp

2.4.2.1 Cấu tạo

Cấu tạo chính của bộ truyền xích gồm: đĩa dẫn 1, đĩa bị dẫn 2 và xích 3 Ngoài ra

có thể thêm bộ phận căng xích , bộ phận bôi trơn và dùm che Có khi dùng một xích

để truyền động từ một đĩa dẫn sang nhiều đĩa bị dẫn

Hình 2.8: Cấu tạo bộ truyền xích

2.4.2.2 Nguyên lý làm việc

Xích là một chuỗi các mắt xích nối với nhau bằng bản lề Xích truyền chuyển động và tải trọng từ trục dẫn sang trục bị dẫn nhờ sự ăn khớp của các mắt xích với các răng trên đĩa xích ( ăn khớp gián tiếp)

Hình 2.9: Bộ truyền xích

2.4.2.3 Tác dụng

Bộ truyền xích có tác dụng tăng tỷ số truyền của hệ thống

Trong cơ cấu bộ truyền xích xe đạp có cơ cấu gọi là Bánh cóc Cơ cấu bánh cóc dùng để tạo chuyển động quay gián đoạn một chiều, đồng thời giữ cho trục của bánh cóc không quay theo chiều ngược lại Cơ cấu bánh cóc thường được dùng trong các thiết bị nâng, tời, xeđạp…Nhóm nghiên cứu đã ứng dụng cơ cấu bánh cóc vào trong thiết kế máy

2.5.3 Bạc đạn tiết kiệm năng lượng ( SKF)

Giảm hao phí năng lượng trong động cơ điện với vòng bi cầu tiết kiệm năng lượng của SKF Với những thiết kế mới cải tiến tối ưu: vòng cách bằng vật liệu tổng hợp đặc biệt, mỡ chất lượng cao loại ma sát thấp của SKF và kích thước bao hình theo tiêu chuẩn ISO hoàn toàn có thể thay thế những loại thông thường (có cùng mã hiệu), bạc đạn tiết kiệm năng lượng của SKF sẽ giúp cho hệ thống:

Hình 2.12 Bạc đạn SKF

Tăng hiệu suất động cơ điện

Tăng gấp đôi tuổi thọ vòng bi

+ Hoàn thiện cấu trúc RISC

- 130 lệnh hiệu quả - thực thi tất cả các chu kì đồng hồ đơn

- 32*8 thanh ghi chung đa năng + các thanh ghi điều khiển ngoại vi

- Đầy đủ các quá trình điều khiển tĩnh

- Nâng lên 16 MIPS dữ liệu tại 16 MHz

- Chip 2 nhân

+ Độ bền, sức chịu đựng cao, không thay đổi phân vùng nhớ

- 8K Bytes bộ nhớ Flash có thể lập trình được trong hệ thống

- 512 Bytes EEPROM

- 1K Bytes bộ nhớ SRAM bên trong

- Chu kì ghi/ xóa: 10000 Flash/100000 EEPROM

- Độ bền dữ liệu 20 năm ở 85 độ/ 100 năm ở 25 độ

- Đoạn mã lựa chọn chế độ khởi động với các bít khóa độc lập trong chương trình hệ thống bởi chương trình khởi động đọc thật trong khi quá trình ghi diễn ra

- Lập trình khóa cho phần mềm bảo mật

- Giao diện SPI cho lập trình trong hệ thống

+ Giao diện JTAG ( phù hợp với tiêu chuẩn IEEE 1149.1)

- Khả năng quét biên theo tiêu chuẩn JTAG

- Hỗ trợ chế độ sửa tạm ( debug) trên chip

- Lập trình của Flash, EEPROM, bộ bảo vệ (FUSE) và Bit khóa (Lock Bits) thông qua giao diện JTAG

+ Đặc điểm ngoại vi

- 2 bộ Timer/ counter 8 bit với bộ đếm gộp trước riêng biệt và chế độ so sánh mẫu

- 2 bộ Timer/counter 16 bit mở rộng với bộ đếm gộp trước chế độ so sánh mẫu

- Bit định hướng với 2 dây giao diện nối tiếp

- Lập trình kép các USARTs nối tiếp

- Giao diện nối tiếp SPI chủ tớ

- Lập trình timer Watchdog với bộ dao động trên chip

- Bộ so sánh tương tự trên chip

+ Các tính năng đặc biệt của bộ vi xử lý

- Thiết lập bật lại nguồn và lập trình lại khi phát hiện nguồn yếu (brown-out)

- Hiệu chỉnh bộ dao động RC bên trong

- Ngắt nguồn trong và ngoài

- 6 chế độ chờ (sleep): Idle nghỉ, giảm ồn ADC, tiết kiệm điện (power-saver), ngắt điện, chế độ chờ (standby), chế độ chờ mở rộng

Atmega 8 là bộ vi xử lý CMOS điện áp thấp dựa trên nền kiến trúc AVR RISC

nâng cao Bằng cách thi hành các lệnh một cách mạnh mẽ trong một chu kì đồng hồ

duy nhất, Atmega 8 có thể cho phép tốc độ đạt được là 1 MPIS trên 1 MHz từ đó nó

giúp người thiết kế hệ thống có khả năng tối ưu hóa điện năng sử dụng so với tốc độ

xử lý

Chương 3 Thiết kế và thi công

3.1 Yêu cầu kĩ thuật

Hệ thống sau khi thiết kế hoàn chỉnh phải đạt những yêu cầu sau:

+ Chiều cao của hệ thống khi lắp đặt không vượt quá 100mm

+ Khi xe chạy ngang qua tác động lên hệ thống thì sau khi qua bộ truyền, máy phát điện phải đạt tốc độ 3,5vòng/giây và phải duy trì được tốc độ ít nhất 5s

+ Kích thước của hệ thống phải càng nhỏ gọn càng tốt, vì hệ thống được lắp đặt ngầm dưới đất nên kích thước của hệ thống ảnh hưởng rất lớn đến việc lắp đặt và chi phí vận chuyển

+ Hệ thống được nghiên cứu có thể lắp đặt tại trạm thu phí, các con đường hẻm cần gờ giảm tốc nên phải phù hợp với các loại xe đạp, đạp điện, xe gắn máy

3.2 Ý tưởng thiết kế

3.2.1 Ý tưởng thứ nhất

Nhóm sẽ thiết kế và chế tạo máy phát điện từ hai thành phần chính là dây đồng

và nam châm vĩnh cửu Chuyển từ chuyển động thẳng thành chuyển động ngang bằng

cơ cấu bánh răng nghiêng, bộ phận tăng tốc truyền động được sử dụng hoàn toàn bằng các bánh răng thẳng đứng

Ưu điểm của ý tưởng:

- Hệ thống không sử dụng năng lượng, không gây ô nhiễm, thân thiện với môi trường

- Hiệu suất của máy phát sẽ cao

- Tuối thọ của hệ thống không cao

3.2.2 Ý tưởng thứ hai

Máy phát điện được sử dụng ở đây gồm hai bộ phận mâm lửa và bánh đà trong

xe máy Cũng sẽ sử dụng cơ cấu bánh răng nghiêng để chuyển lực từ phương thẳng đứng sang chuyển động quay

Bộ phận tăng tốc được thiết kế đơn giản kết hợp với sử dụng thêm một bánh đà

để tăng thêm quán tính và làm đều chuyển động của máy phát

Thiết kế bộ truyền xích của xe đạp để tăng tốc độ và máy phát có thể quay theo quán tính của hệ

Ưu điểm của ý tưởng:

- Hệ thống không sử dụng năng lượng, không gây ô nhiễm, thân thiện với môi trường

- Hoạt động tương đối ổn định

- Kích thước nhỏ gọn, thuận tiện việc di chuyển và lắp ráp

- Chi phí chế tạo máy phát rẻ, dễ kiếm

- Giảm thời gian sạc

- Tuổi thọ cao

Nhược điểm:

- Hiệu suất sẽ không được cao

- Yêu cầu về độ chính xác khi gia công cơ khí cao

3.2.3 Chọn phương án tối ưu và hiệu quả nhất

Trong quá trình thiết kế ý tưởng trên lý thuyết nhóm nhận thấy ý tưởng thứ hai là

có tính khả thi cao nhất và hoạt động có hiệu quả nhất bởi có nhiều ưu điểm trong việc tính toán trên lý thuyết

3.3 Phương án thiết kế cơ khí

3.3.1 Thiết kế mô hình hệ thống

Xây dựng mô hình hệ thống :

Hình 3.1: Cấu tạo bên trong của hệ thống Trong đó:

Nguyên lý hoạt động: Khi xe chạy ngang qua bề mặt thanh giảm tốc (1) sẽ có

lực tác động theo phương thẳng đứng làm bộ phận truyền lực (2) tác động làm hệ thống họat động Qua bộ phận tăng tốc (3) và líp xe (4) làm cho máy phát điện (6) quay và sinh ra điện năng nạp vào ắc quy Bánh đà (5) có tác dụng tăng sức quán tính cho máy phát, giúp tăng số vòng quay cũng như giúp ổn định vận tốc quay của máy phát.Sau khi hết lực tác động, lò xo trong bộ phận truyền (2) có tác dụng làm hệ thống trở về vị trí ban đầu

3.3.2 Thiết kế thanh giảm tốc

Bề mặt thanh giảm tốc được chế tạo từ thép tấm dày 5mm để không bị biến dạng khi xe chạy ngang qua tác động

Chiều cao tính từ mặt đất đến đầu thanh giảm tốc là 100mm đạt tiêu chuẩn về

chiều cao an toàn của thanh giảm tốc ở Việt Nam

Ở dưới mặt đất

Hình 3.3: Hình dạng và kích thước của thanh giảm tốc

3.3.3 Lựa chọn máy phát điện

Máy phát điện sẽ được chế tạo với các yêu cầu sau:

+ Kích thước nhỏ gọn

+ Giá thành tương đối rẻ

+ Hiệu suất cao

Hình 3.4: Dynamo xe oto

 Máy phát điện tự chế

Hình 3.5: Máy phát điện tự chế 1 pha

Nguyên liệu chính để chế tạo máy phát điện là dây đồng và nam châm vĩnh cửu

Để chế tạo một máy phát điện có thể tạo ra công suất cao thì chi phí mua nguyên liệu khá cao và kích thước máy phát điện lớn, không phù hợp với yêu cầu hệ thống trên Tốc độ quay yêu cầu của máy phát là không lớn chỉ từ 5vòng/giây

Hình 3.6: Mâm lửa xe máy

Hình 3.7: Vô lăng xe máy

Từ những phân tích các loại máy phát điện ( dynamo ) trên thì nhóm nhận thấy dynamo xe máy là lựa chọn phù hợp về yêu cầu của hệ thống nhất Từ kích thước nhỏ

gọn, giá thành rẻ, yêu cầu tốc độ quay không cao nên nhóm đã chọn dynamo xe máy

để chế tạo máy phát điện cho hệ thống

3.3.4 Tính toán thiết kế bộ phận truyền lực

Để truyền lực theo phương thẳng đứng có hiệu quả tốt,cũng như thời gian tác động nhanh thì phương án ở đây sẽ sử dụng bánh răng nghiêng.[7]

Hình 3.8: Bánh răng nghiêng và thanh kim loại có răng nghiêng

Bánh răng được chế tạo từ thép tôi cải thiện ( tôi rồi ram ở nhiệt độ cao), thép thường hóa hoặc thép đúc để chế tạo bánh răng Độ rắn bề mặt răng HB<350, để tăng khả năng chạy mòn của răng ta chọn độ rắn bề mặt răng theo [1, bảng 6.1, trang 92] Bánh răng: Thép C50 thường hóa, (

) (

)

Hình 3.9: Hình dạng và kích thước bánh răng nghiêng Thanh kim loại cũng được chế tạo từ thép tôi cải thiện Chiều dài thanh thép là 230mm, rộng 20mm, dày 15mm, phần răng ăn khớp dài 40mm

Khi hết lực tác động, lúc này răng của bánh răng và thanh sắt không khớp và có

độ nghiêng nên thanh sắt dễ dàng trở về vị trí ban đầu nhờ tác động của lực lò xo

+ Do tác động theo phương thẳng nên qua 1 chu kì thì bánh răng quay ko nhìu, chỉ được 1/3 vòng

3.4 Tính toán tỷ số truyền của hệ thống [2]

xx

x

F

Cánh tay đòn Hộp số

Hình 3.13: Sơ đồ tính toán lực tác động

3.4.1 Mối quan hệ giữa moment xoắn ngoại lực với công suất và số vòng quay

với

vận tốc góc rad/s

n: tốc độ (vòng/phút) N: công suất (W)

hoặc <350HB 1,05 1,24 1,48 1,72 1,96 1,10 1,48 1,96 - -

9

và >350HB 1,03 1,17 1,35 1,52 1,70 1,03 1,17 1,35 1,52 1,70 hoặc <350HB 1,06 1,28 1,56 1,84 - 1,11 1,56 - - -

Bảng 3.3 Giới hạn mỏi tiếp xúc và uốn [2]

Lõi răng C40,C45,40Cr

số cao (môđun

mặt bằng dòng điện tần

số cao (môđun