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

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
KHOA CƠ ĐIỆN
-----🙞🙜🕮🙞🙜-----

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM MƠ HÌNH
CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG NĂNG THÀNH ĐIỆN NĂNG


HÀ NỘI, 2021

2


HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
KHOA CƠ ĐIỆN
-----🙞🙜🕮🙞🙜-----

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM MƠ HÌNH
CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG NĂNG THÀNH ĐIỆN NĂNG
Người thực hiện

: PHẠM CÔNG LINH

Lớp

: K59 TĐHA

MSV

: 597865

Ngành

: TỰ ĐỘNG HÓA

Người hướng dẫn

: Th.S. NGUYỄN VĂN ĐIỀU

HÀ NỘI, 2021


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 mơn “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, cơ giáo trong bộ mơn “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 hồn thiện
đồ án tốt nghiệp này.
Do thời gian nghiên cứu có hạn và lượng kiến thức chuyên mơn cịn
hạn chế nên đề tài này khơng 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
Sinh viên thực hiện

Phạm Công Linh

i

năm


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan những gì trình bày trong đồ án tốt nghiệp “THIẾT
KẾ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM MƠ 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

ii

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 mơ 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

iii


3.1 Tổng quan mơ hình nghiên cứu ................................................................ 20
3.2. Thiết kế phần cứng ................................................................................... 21
3.2.1. Khung mơ 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 cơng suất ..................................................................................... 34
3.3.2. Mạch điều khiển .................................................................................... 37
3.4. Thiết kế phần mềm ................................................................................... 42
3.4.1. Lưu đồ thuật tốn .................................................................................. 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 cơng 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

iv


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 cơng 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

v


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 mơ 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 mơ 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 mơ phỏng ............................. 33
Hình 3.16 Tụ hóa 2200µF 50V ....................................................................... 34

vi


Hình 3.17 Diode cầu 5A dẹt............................................................................ 35
Hình 3.18 Tụ gốm 104 .................................................................................... 36
Hình 3.19 Mạch cơng 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 hồn thiện ................................................... 41

Hình 3.24 Lưu đồ thuật tốn ........................................................................... 42
Hình 3.25 Giao diện lập trình.......................................................................... 44

vii


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 mơi 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 mơi trường.
Chính vì vậy những nguồn năng lượng khơng 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 mơi trường mà cịn 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 MƠ 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 mơ hình hoạt

động đúng theo yêu cầu và hoàn chỉnh.

1


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 (khơng bị tiêu thốt mà tập chung chủ yếu làm quay cánh
quạt). tối ưu ý tưởng thiết kế tạo ra một mơ hình tái tạo năng lượng phù hợp
với quy mơ phịng thí nghiệm.
Tạo được mơ 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.
b. Mục tiêu cụ thể
Thiết kế mơ hình theo mục tiêu chung, khung mơ hình và các phần đỡ
mạch điện hay các bộ phận khác được làm một cách chắc chắn.
Tạo ra và lưu trữ khí nén và điều khiển xả khí nén khi ở một áp suất cụ
thể làm quay động cơ và tạo ra điện 12V lưu trữ vào ắc quy.
Hiển thị các thơng số điện áp, áp suất khí nén trong bình, thời điểm tiến
hành thử nghiệm, điện áp của ăc quy lên thingspeak.
Đánh giá được sự ổn định và khả năng vận hành của bộ biến đổi (hệ
thống có hoạt động đúng với u cầu đặt ra khơng, so sánh với các thiết bị
trong mơ hình thực tế).
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 mơ hình lưu trữ và biến đổi khí
nén thành điện áp 12v.

2


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.

3


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 thơng tin thì
đều là IoT. Bạn hồn tồn có thể tạo ra các thiết bị IoT nhờ có bộ xử lý thơng
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, ơ tơ 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

4


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 thơng 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 thơng qua
cảm biến.

Hình 1.2 Ứng dụng chăm sóc trang trại bằng IoT

5


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 thơng 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 cơng 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 thơng, tịa
nhà thơng 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.

6


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 ơ tơ 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 thơng tin các vị trí cịn trống.
Trong nhiều lĩnh vực dịch vụ cơng 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
Cơng 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 khơng khí vào trong các quả bóng được đặt dưới nước. Các
quả bóng này sẽ tích trữ khơng 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

7


đẩy khơng khí, thơng qua các đường ống, quay trở lại trên bờ và sau đó tham
gia vào q trình sản xuất điện năng.
Dự án thí điểm của Toronto hiện tại chỉ có cơng 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 cơng 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 hồn 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 thơng minh giúp ta biết được cịn 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 thơng minh giúp ta biết được nơi nào cịn 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 thơng để nén khí
-

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

-

Thứ hai khơng sử dụng nguồn điện ngồi như hệ thống lưu trữ năng

lượng khơng khí nén.
-

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

nhau.

8


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

9


CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Nội dung nghiên cứu
2.1.1. Nghiên cứu chế tạo khung mơ hình
Khung mơ hình đã có trong phịng thí nghiệm
Phần khung mơ hình có sẵn được sử dụng lại trên mơ hình này nhằm
tiết kiệm chi phí, giảm cơng lắp đặt nhưng vẫn đáp ứng được yêu cầu về mặt

thiết kê thi cơng khung mơ hình đó là đơn giản, chắc chắn, dễ thi cơng, giá
thành rẻ.
Khung mơ 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 mơ phỏng gờ giảm tốc
được kết nốt với nhau.
Hai bộ phận quan trọng của mơ hình đó là bình khí nén và tua bin khí
được em thiết kế lại do hai phần này của mơ hình trước đó khá nhỏ chưa đáp
ứng được u 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 mơ hình

10


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. Cịn lại là các bộ phận khác như: đi 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 thơng dụng
Tuabin gió là một thiết bị cơ khí đơn giản tương tự như cối xay gió.
Dịng khơng 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]
Ngồi ra cịn 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

11


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. Q trình nạp
khí và xả khí được ln 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 mơ sản xuất lớn thì bình chứa khí nén ln 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 cơng việc. Lượng khí nén này sẽ
được tích trữ trong bình với một giá trị áp suất khơng 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 khơng 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 cơng 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

12


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 cịn đóng vai trị 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 trị quan trọng, nó giúp cho q trình cung cấp khí
nén khơng 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 tồn,
máy vận hành tốt nhất. Nhưng trong mơ 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 dị khí và

đảm bảo an tồn 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
chiều. Nó ngược lại so với mạch chỉnh lưu. Bằng việc thông qua ic tạo ra các

13


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 dịng

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

14

diode này mở ra thì 2 diode cịn lại đóng để thực hiện nửa chu kì cịn 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 khơng cần phải có các cơng cụ chuyên biệt để phục
vụ việc nạp code.
Arduino tương tác với thế giới thông qua các cảm biến điện tử, đèn, và
động cơ.
Arduino gồm:
 Phần

cứng gồm một board mạch mã nguồn mở (thường gọi là vi điều

khiển): có thể lập trình được.
 Các

phần mềm hỗ trợ phát triển tích hợp IDE (Integrated Development

Environment) dùng để soạn thảo, biên dịch code và nạp chương cho board.

15