ĐỔI MỚI SÁNG TẠO MÁY ĐIỆN GIÓ 2015

TÀI LIỆU
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
ĐỔI MỚI SÁNG TẠO
SẢN XUẤT MÁY PHONG ĐIỆN CỞ NHỎ
HƯỚNG TỚI NGƯỜI THU NHẬP THẤP

HCM, ngày 25 tháng11 năm 2015

1


ĐỔI MỚI SÁNG TẠO, SẢN XUẤT MÁY PHÁT ĐIỆN
NĂNG LƯỢNG GIÓ – CỠ NHỎ
I.

TỔNG QUÁT

Tiếp nhận Tiểu dự án Đổi mới sáng tạo hướng tới sử dụng năng lượng từ tự nhiên.
Nhóm nghiên cứu của trường THCS & THPT Lạc Hồng tìm ra một sản phẩm tận dụng
được sức gió, nhằm giúp người nghèo ở vùng sâu vùng xa, vùng chưa thể có điện quốc gia
phục vụ. Đặc biệt trên các thuyền đánh bắt cá xa bờ, nhân dân hải đảo những nơi có gió
mạnh có điện sinh hoạt.
Sau một thời gian tìm hiểu nghiên cứu, nhóm em quyết tâm đổi mới, vận dụng những
kiến thức đã học và các yếu tố khoa học công nghệ đã có và hiện có để làm ra một chiếc
máy “phát điện” sinh ra điện từ năng lượng gió, có công suất khoảng 350W.
So với các máy ngoại nhập trên thị trường thì :
+ Máy chúng em làm ra thì nó gần gũi với người sử dụng ( vì cách làm dễ và dễ sửa
chữa và thay thế).
+ Giá thành rẻ, ở mức 60% giá nhập ngoại nhập.
+ Kích thích sự đam mê nghiên cứu khoa học của các bạn trẻ.
II.

XÁC ĐỊNH MỤC TIÊU VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ THIẾT KẾ MÁY

Máy được sản xuất ra trên nền nguyên lý khoa học và công nghệ có trước. Nhóm em chỉ
sáng tạo đổi mới theo một mục tiêu dự kiến trước.
1. Mục tiêu đạt được:
a. Sản phẩm
-

Máy gọn, nhẹ: Riêng thân máy nặng 7kg

-

Dễ sử dụng: Máy rất dễ chế tạo và sử dụng, bạn nào chỉ cần có chút trí tuệ, đam mê
thì có chế tạo được một chiếc máy cho gia đình mình.

-

Máy tiêu chuẩn khi có tốc độ gió 3,5 - 5 m/s thì số vòng quay rotor đạt 180 v/p cho sản
lượng 300w và hiệu điện thế 12 vôn.

b. Quy trình vận hành:
Gió tác dụng vào cánh quạt, tạo vòng quay, sinh ra điện 3 pha, dùng các điốt chỉnh
lưu AC ra DC, điện vào bình ắc quy tích trữ, qua INVERTER nâng lên 220V cấp cho
các phụ tải gia đình.
c. Về mặt kinh tế
2


Giá thành rất rẻ ( 60% giá nhập ngoại). Nên sản phẩm dễ đến với người nghèo, người thu

nhập thấp, vùng sâu, vùng xa, nơi không có điện lưới
2. Cơ sở, nguyên lý nghiên cứu để đổi mới.
a. Nguyên lý:
-

Máy phát điện là một thiết bị biến cơ năng thành điện năng. Dựa trên hiện tượng
“cảm ứng điện từ”.

-

Máy phát điện có 3 chức năng chính là phát điện, chỉnh lưu và hiệu chỉnh điện áp.

-

Nghiên cứu định luật Faraday.

b. Nghiên cứu thực tế:
-

Mở tung 1 Đynamo (đã học từ học kì 1 của lớp 9) sử dụng hiện tượng cảm ứng điện
từ để biến đổi năng lượng cơ học thành dòng điện.

-

Cấu tạo Đynamo: Bao gồm: một bộ phận quay(gọi là rôto) , một bộ phận đứng yên
gọi là stato. Bộ phận tạo từ trường gọi là phần cảm, bộ phận tạo ra dòng điện gọi là
phần ứng.

-

Các Đynamo nhỏ (như Đynamo xe đạp) từ trường tạo ra bằng nam châm vĩnh cửu,
các đynamo lớn từ trường được tạo ra bằng nam châm điện.

c. Vấn đề tác động đến tư duy:
• Tạo từ trường, sinh ra điện:
-

Sau khi đọc sách, xem các mô hình…. chúng em thấy: Mối quan hệ giữa chuyển
động quay cơ học và dòng điện trong Đynamo là quá trình thuận nghịch. Thực chất
nguyên lý là thay 2 nam châm điện ở Stato đối xứng nhau để tạo ra từ trường xung
quanh Rotor.
( Đây là vấn đề cốt lõi, như đường cong từ trễ của Nam châm vĩnh cửu đất hiếm).

Tóm lại: Ghi nhận từ các nguyên lý, đến nghiên cứu thực tế cho thấy:
• Rotor: Phần quan trọng của máy phát điện, có 3 cuộn dây đặt chéo góc 1200.
• Stator: Phần tĩnh của máy phát điện.
• Cuộn dây: Phần ứng, thành phần sản xuất ra điện năng nó có thể đặt ngay trên
Rotor hay trên Stator.
• Cuộn dây: Phần cảm, thành phần tạo ra từ trường, nó có thể đặt ngày trên Rotor
và Stator.
3


• Tốc độ vòng quay tương đối giữa Stator và Rotor để tạo ra: từ thông xuyên qua
các vòng dây biến thiên thì lúc này trong mạch xuất hiện suất điện động
-

Chúng em thấy máy phát điện Tuabin nước có tốc độ thấp, vì thế máy phát điện
kéo bằng Tuabin nước cũng có tốc độ thấp. Để giải quyết vấn đề này, chúng em
làm nhiều đôi cực và cấu tạo theo kiểu cực lồi.

• Nam châm vĩnh cửu đất hiếm NdFeB
Được nhà chế tạo nam châm đất hiếm NdFeB của Nhật cho biết:
-

Lực kháng từ rất lớn 8.000J -> 10.000J.

-

Lực kháng từ phụ thuộc vào hệ số chữ nhật của đường cong từ trễ.

-

Nhiệt độ Curie lớn.

-

Độ cứng, độ mài mòn lớn.

-

Từ dư bề mặt lên đến 1,3 tấn.

-

Để lâu không bị mất từ tính.

Từ lý thuyết, thực tế cho chúng ta thấy: nên đổi mới cấu tạo về kết cấu, để tạo ra từ
trường thì dùng nam châm đất hiếm NdFeB có sẵn từ tính thì đơn giản hơn. Như vậy sẽ
có chiếc máy phát điện nhỏ và tiến hành thiết kế chiếc máy đó.

III.

PHƯƠNG PHÁP TIẾN HÀNH

1. Thiết kế chiếc máy:
a. Đổi mới sáng tạo trục quay của Rotor
-

Mọi máy phát điện cỡ nhỏ, được kéo bằng động cơ xăng dầu, đều có kết cấu Tuabin
trục ngang. Để lấy gió mọi hướng, ta phải chuyển trục quay ngang, thành trục đứng
và được gọi là “Công nghệ Tuabin trục đứng”.

b. Đổi mới bộ cánh lấy gió
-

Bộ cánh lấy gió theo hướng Tuabin trục đứng, được làm theo hình giọt nước,có
chiều dài 1 mét, bản rộng 25cm.

-

Thay đổi cuộn dây của Rotor phần ứng bằng nam châm vĩnh cửu đất hiếm
NdFeB

4


-

Từ lý thuyết nguyên lý và thực tế cấu tạo của Đynano nói ở trên. Ta có đủ căn cứ để

thay cuộn dây ứng của Rotor bằng nam châm vĩnh cửu và gắn trên 2 đĩa, đặt đối xứng
nhau và được gọi là “ Công nghệ ép đĩa từ tính”.

c. Cuộn dây – phần cảm của Stato
Như lý thuyết đã nói Stato và Rotor có thể hoán vị chỗ cho nhau. Ở đây chúng em
đặt Rotor là phần động có sẵn từ trường bằng nam châm vĩnh cửu(có 24 thỏi nam
châm), thì phần cảm là Stato phải là cuộn dây. Theo thực tế Đynamô, Rotor có 3
cuộn dây đặt chéo góc 1200. Được đổi mới đặt 9 cuộn và nối tiếp 3 cuộn một với
nhau, cho ta điện xoay chiều 3 pha.
d. Vị trí của Rotor và Stato tạo ra hiệu điện thế.
-

Ta biết Rotor tạo ra sự di chuyển từ xung quanh Stator, từ đó tạo ra điện áp trong các
cuộn dây của Stator.

-

Như vậy: Ta ghép 2 đĩa Rotor, kẹp giữa là đĩa Stator và cho trục quay là có điện.

-

Mọi yêu cầu đặt vị trí viên nam châm của đĩa trên, đĩa dưới, vị trí nam châm đối
xứng với cuộn dây đều phải theo đúng nguyên lý là các phần làm việc với nhau, tạo
ra chuyển động tương đối giữa từ trường và các cuộn dây của phần ứng, do đó sinh
ra điện. Cách đặt nam châm như thế này sẽ tạo ra từ thông cực đại, cho ra suất điện
động cực đại.

• Như vậy: Chúng em đã sáng tạo, đổi mới công nghệ 3 cuộn dây Rotor quay quanh
lòng nam châm điện của Đynamô thành công nghệ “ Ép đĩa từ tính”.
Lưu ý: Cực của nam châm đĩa trên, ngược chiều với cực của nam châm đĩa dưới và

dĩa rotor càng gần dĩa stato thì hiệu quả càng cao.
- Quá trình nghiên cứu, sáng tạo đổi mới, chúng em thiết kế tạo ra được mô hình lắp
ghép theo sơ đồ sau:

Sơ đồ thành phần máy phát điện

5


Và từ đó chúng em có một máy phát điện 300w nặng 7kg, dày 0,06m, đường kính 0,32m.

6


IV.

TỒN TẠI KHÓ KHĂN

7


1. Số đo thực tế gió ngoài trời cho các thông số
Người đo

Ngày đo

Tốc độ gió
Vòng
( m/s )
quay/phút

Tập thể
đo

Vôn

3,9

118

11

6,1

230

38

6,4

209

34

191

35

230

40

171

35

3,9

118

6,1

230

6,4

209

3,8

115

Ampe

Ghi chú

10

2. Số đo gió nhân tạo trong nhà
Ngày đo

Tốc độ gió
(m/s)

Vòng/phút
tương ứng

Vôn kế

19/11/2014

1,4 – 2

43 – 54

6

2,1 – 2,6

83 – 168

10

2,0 – 2,7

126 – 220

11

2,6 – 3,7

107 – 153

12

3,7 – 4

209 – 240

15

4,3 – 5,1

220 - 226

16

3. Thời gian tích điện ắc quy: 330 phút
8

Ampe kế


Bảng so sánh thông số đo đạc với máy khác

Thông số

Máy Việt Nam

Máy Trung Quốc

Công suất định mức

300w

300w

Trọng lượng Tuabin

16 kg

27 kg

1,2/0,88

1,23/1,09 m

Thép hoặc …

Aluminium ( hợp
kim nhôm)

3x2

3

1 m/s

1 m/s

2,6 – 3,7 m/s

12 m/s

Tốc độ tối đa

65 m/s

65 m/s

Loại máy phát

3 pha

3 pha

Điện áp đầu ra

12/24 vôn

12/24 vôn

Bình ắc quy

80 Ampe

20 Ampe

Biến dòng

220 vôn

Chưa xác định

Kích thước (cao, đường
kính), bộ phận máy đến cánh
Vật liệu làm cánh gió

Số cánh (tầng)
Bắt đầu khởi động
Tốc độ đánh giá

-

Máy Hàn
Quốc

Qua theo dõi đo đạc gió cho thấy cùng 1 vận tốc khi gió có xu hướng giảm thì vòng
quay ít. Khi gió đi lên vòng quay lớn ( do biến đổi vòng quay khá nhanh vì máy quá
nhẹ).
-

Gió nhân tạo, đẩy không hết độ cao cánh.

4. Vấn đề giải quyết tồn tại
9


a. Trục Maglev:
- Theo sơ đồ của thầy Nguyến Xuân Chánh Đại học Bách khoa Hà Nội.

-

Chúng em thấy nam châm ở đây từng đôi một, đối diện nhau, cùng đẩy Rotor. Nếu 2
cực đối diện không cân bằng rotor sẽ bị lệch về 1 bên, hai khe hở hai bên đối diện
chênh lệch. Người ta thiết kế cảm biến khe hở để tự điều chỉnh cho Rotor cân bằng
trở lại.

-

Nhóm chúng em cùng cùng thầy Nguyễn Bùi Dũng và thầy Hoàng Duy Lộc đang
nghiên cứu dùng nam châm NdFeB (Nam châm vòng tròn) để gắn vào trục. Chúng
em tạm gọi là phương pháp “Trục ép đệm từ”. Trên trục quay Rotor, đã có 1 đoạn
ống dự định thay trục Maglev.

-

Trục Maglev Trung Quốc đã thực thi, vấn đề này chúng em cùng thầy Nguyễn Bùi
Dũng và thầy Hoàng Duy Lộc nghiên cứu ứng dụng phục vụ đề tài hoặc ứng dụng
kết cấu đơn giản, có thể sử dụng bằng cách thay đổi tỷ số quay, bằng dây cu roa,
xích, bánh răng. Vấn đề cơ bản là tăng số vòng quay để đạt hiệu điện thế khi vận tốc
gió nhỏ.

b. Trong 1 ngày gió có tốc độ 8 – 10 m/s ít và đêm cũng có vài 3 giờ, cho nên để tận
dụng năng lượng máy điện gió thì việc bổ sung điện mặt trời là cần thiết.
-

Việc đặt thêm điện mặt trời, chỉ cần mua và ghép vào bộ điều khiển chung, và dĩ
nhiên giá thành tăng thêm 400 USD ≈ 8 triệu.
10

-

Quy trình hòa điện mặt trời với điện gió vào ắc quy như sau:
Điện mặt trời

V.

MỤC TIÊU PHỤC VỤ

Phục vụ cho các tàu đánh cá xa bờ, trang trại và vùng xa, công trình xây dựng di động
- Hiện nay tàu đánh cá xa bờ chưa có điện sinh hoạt hoặc có nhưng sẽ tốn thêm dầu(năng
lượng hóa thạch) dẫn đến chi phí đánh bắt cá cao trong khi năng lượng gió không phải mất
tiền .
- Các đảo nhỏ ngoài khơi chưa có lưới điện quốc gia.
Vì chi phí mua vật liệu sản xuất rẻ, máy có công suất 300W thì giá khoảng 8 triệu đến 10
triệu đồng.

MỘT SỐ HÌNH VẺ THIẾT KẾ

11


H1

H2

H3

H4

H5

H6

H7

H8

12


H9

VI.

NHƯỢC ĐIỂM CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN NHỜ SỨC GIÓ
Nó phụ thuộc vào thời gian có gió và gió phải đạt đến ~ 3,4 m/s mới đủ năng lượng
tạo ra điện áp 12 vôn.

Có thể chiếc máy phát điện nhờ năng lượng gió của chúng em chưa đạt được
nhiều mong muốn, nhưng mong sao sẽ có nhiều bạn sẽ có đam mê nghiên cứu để
đưa ra những giải pháp, công nghệ mới để khắc phục được những nhược điểm
mà các máy phát điện gió hay gặp phải và nâng cao được hiệu suất chuyển năng
lượng gió thành điện. Vì đây là nguồn năng lượng sạch không gây ra ô nhiễm môi
trường.

Chiếc máy chúng em đã hoàn thành cùng với thầy Nguyễn Bùi Dũng và Thầy
Hoàng Duy Lộc.

13


14


15


16


17


18


19


20


21


Tài liệu tham khảo
/>
22