Nghiên cứu thực nghiệm công suất máy phát điện gió dựa trên hiện tượng flutter

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CÔNG SUẤT MÁY
PHÁT ĐIỆN GIÓ DỰA TRÊN HIỆN TƯỢNG FLUTTER

Giảng viên hướng dẫn:
Sinh viên thực hiện:
Lớp:

TS. Vũ Đình Quý
TS. Vũ Quốc Huy
Đỗ Trung Anh
Kỹ thuật hàng không - K57

HÀ NỘI, 06/2017


PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1. Thông tin về sinh viên
Họ và tên sinh viên: Đỗ Trung Anh
Điện thoại liên lạc: 01663494850
Email:
Lớp: Kỹ thuật Hàng không – K57
Hệ đào tạo: Chính quy
Đồ án tốt nghiệp được thực hiện tại: Bộ môn Kỹ thuật Hàng không và Vũ trụ, Viện Cơ
khí Động lực.
Thời gian làm ĐATN:

Ngày giao nhiệm vụ:
18/01/2017
Ngày hoàn thành nhiệm vụ:
10/06/2017
2. Mục đích nội dung của ĐATN
Đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm công suất máy phát điện gió dựa trên hiện tượng
flutter” nhằm mục đích thực hiện nghiên cứu, kiểm nghiệm và tiếp tục hoàn thiện mô
hình máy phát điện gió cỡ nhỏ, ứng dụng hiện tượng Flutter và cảm ứng điện từ
(windbelt); qua đó cải tiến nâng cao công suất.
3. Đề tài bao gồm các nội dung chính như sau:
a) Tổng quan: Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các yếu tố ảnh hưởng hoạt động
của máy phát điện.
b) Chế tạo mạch đo: Nhằm mục đích phục vụ đo thực nghiệm với mô hình lớn với điều
kiện gió thực tế và làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo.
c) Thiết kế, chế tạo mô hình: Thiết kế và chế tạo và lắp ghép mô hình Windbelt với kích
thước lớn hơn nhằm tăng công suất.
d) Nghiên cứu thực nghiệm: Thực hiện đo và phân tích kết quả với mô hình trong ống
khí động và trong điều kiện gió thực.
e) Kết luận, đánh giá khả năng ứng dụng và phương hướng phát triển.
4. Lời cam đoan của sinh viên:
Tôi – Đỗ Trung Anh – cam kết ĐATN là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự
hướng dẫn của TS. Vũ Đình Quý và TS. Vũ Quốc Huy. Các kết quả nêu trong ĐATN là
trung thực, không phải là sao chép toàn văn của bất kỳ công trình nào khác.
Hà Nội, ngày 10 tháng 06 năm 2017
Tác giả ĐATN

Đỗ Trung Anh
1

5. Xác nhận của giáo viên hướng dẫn về mức độ hoàn thành và cho phép bảo vệ:
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………

Hà Nội, ngày 10 tháng 06 năm 2017
Giáo viên hướng dẫn

TS. Vũ Đình Quý

TS. Vũ Quốc Huy

2


6. Nhận xét của giáo viên phản biện
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...

Hà Nội, ngày 20 tháng 06 năm 2017
Giáo viên phản biện

TS. Đinh Tấn Hưng

3

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ẢNH................................................................................................vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU..............................................................................................ix
LỜI MỞ ĐẦU....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ WINDBELT...................................................................2
1.1 Giới thiệu chung.......................................................................................................2
1.2 Một số kết quả nghiên cứu thực nghiệm...................................................................5
1.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến công suất và hiệu quả làm việc................................5
1.2.2 Các mô hình đã được thử nghiệm....................................................................10
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐO PHỤC VỤ KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG
WINDBELT..................................................................................................................... 12
2.1 Mục đích và chức năng..........................................................................................12
2.2 Nguyên lý mạch đo................................................................................................12
2.3 Thiết kế, chế tạo mạch đo.......................................................................................13
2.3.1 Thiết kế mạch..................................................................................................13
2.3.2 Chế tạo mạch...................................................................................................13
2.4 Hoàn thiện mạch đo................................................................................................14
2.4.1 Lắp ráp hoàn thiện mạch đo............................................................................14
2.4.2 Thử nghiệm mạch............................................................................................18
2.4.3 Đánh giá khả năng làm việc và tính năng của mạch đo mới............................22
CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM.....................................................................24
3.1 Mô hình Windbelt thực nghiệm trong ống khí động...............................................24
3.2. Thiết kế, chế tạo mô hình Windbelt thử nghiệm trong điều kiện thực tế...............24
3.2.1 Cơ sở lý thuyết................................................................................................25
3.2.2 Tính toán sơ bộ................................................................................................26
3.2.3 Thiết kế chi tiết................................................................................................27
3.2.4 Chế tạo và lắp ghép mô hình...........................................................................30
3.2.5 Lắp ráp mô hình hoàn chỉnh............................................................................33
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM..............................................................34
4.1 Thực nghiệm trong ống khí động với mô hình nhỏ................................................34

4.1.1 Tiến hành thí nghiệm.......................................................................................34
4


4.2 Kết quả thí nghiệm.............................................................................................37
4.2.1 Ảnh hưởng của lực căng dây...........................................................................37
4.2.2 Ảnh hưởng của góc tấn tới vận tốc gió gây dao động......................................45
4.2.3 Dòng điện và công suất khi có tải....................................................................48
4.2.4 Ảnh hưởng của góc tấn....................................................................................49
4.2 Thực nghiệm trong điều kiện gió thực với mô hình lớn.........................................50
4.2.1 Mục đích thực nghiệm.....................................................................................50
4.2.2 Tiến hành thực nghiệm....................................................................................51
4.2.3 Lựa chọn địa điểm thực nghiệm......................................................................52
4.2.4 Kết quả khảo sát..............................................................................................53
4.2.5 So sánh kết quả khảo sát..................................................................................58
4.2.6 Đối chiếu kết quả khảo sát với tính toán lý thuyết...........................................60
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN................................................................................................61
5.1 Khả năng hoạt động và ứng dụng...........................................................................61
5.2 Phương hướng phát triển........................................................................................61
5.2.1 Nghiên cứu, phát triển mạch sạc, lưu trữ năng lượng từ windbelt...................61
5.2.2 Nghiên cứu, thay đổi thiết kế...........................................................................62
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................64

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1: Windbelt................................................................................................................2
Hình 2: Cấu tạo Windbelt...................................................................................................2
Hình 3: Nguyên lý hoạt động của máy phát điện dựa trên hiện tượng flutter và hiện tượng
cảm ứng điện từ.................................................................................................................. 3
Hình 4: Dạng dao động biên..............................................................................................3
Hình 5: Dạng dao động góc................................................................................................4

Hình 6: Dạng dao động chính của nam châm trong Windbelt: Kết hợp giữa dao động biên
và dao động góc.................................................................................................................4
Hình 7: Sơ đồ mô hình thực nghiệm..................................................................................5
Hình 8: Đồ thị điện áp và cường độ dòng điện phụ thuộc vào lực căng dây......................6
5


Hình 9: Đồ thị vận tốc gió tới hạn và duy trì phụ thuộc vào lực căng dây.........................6
Hình 10: Đồ thị vận tốc gió tới hạn và duy trì phụ thuộc vào góc tấn................................7
Hình 11: Đồ thị điện áp ra phụ thuộc vào góc tấn..............................................................8
Hình 12: Đồ thị điện áp trong hai trường hợp máy phát đặt ngang và dọc.........................9
Hình 13: Đồ thị điện áp theo vận tốc gió với ba vị trí đặt nam châm khác nhau: 10%; 30%
và 50% chiều dài dây.........................................................................................................9
Hình 14: Đồ thị điện áp phụ thuộc vào tốc độ gió với ba loại nam châm khác nhau........10
Hình 15: Máy phát thực tế đã được chế tạo......................................................................10
Hình 16: Máy phát dạng ghép nhiều tấm sau khi đã được chế tạo, lắp ghép hoàn chỉnh..11
Hình 17 :Sơ đồ nguyên lý mạch đo..................................................................................12
Hình 18: Mạch in được thiết kế băng phần mềm Altium Designer..................................13
Hình 19: Mạch đo điệp áp và cường độ dòng điện...........................................................14
Hình 20: Nguồn pin cho mạch đo....................................................................................15
Hình 21: Module vi xử lý PIC..........................................................................................15
Hình 22: Module cảm biến dòng ACS712 – 5A...............................................................16
Hình 23: Module thẻ nhớ MicroSD/TF............................................................................16
Hình 24: Module thu và đưa dữ liệu lên máy tính qua cổng USB....................................17
Hình 25: Module truyền phát dữ liệu từ mạch đo.............................................................17
Hình 26: Các module sau khi được ghép nối....................................................................18
Hình 27: Mạch hoàn chỉnh...............................................................................................18
Hình 28: Mô phỏng thử nghiệm chức năng đo của mạch.................................................19
Hình 29: Kết quả kiểm nghiệm mạch với Pin AA...........................................................20
Hình 30: Dữ liệu truyền về từ khoảng cách 100m............................................................21

Hình 31: Định dạng file lưu thẻ nhớ dưới dạng Excel......................................................22
Hình 32: Định dạng file lưu thẻ nhớ dưới dạng text.........................................................22
Hình 33: Mô hình Windbelt trong thử nghiệm trong ống khí động..................................24
Hình 34: Minh họa diện tích quét của Windbelt...............................................................25
Hình 35: Giá đỡ Windbelt................................................................................................27
Hình 36: Trụ giữ Windbelt...............................................................................................28
Hình 37: Dây dao động....................................................................................................28
Hình 38: Nam châm.........................................................................................................29
Hình 39: Cuộn dây...........................................................................................................29
Hình 40: Mô hình 3D Windbelt........................................................................................30
Hình 41: Gỗ dùng để làm khung giá Windbelt................................................................30
6


Hình 42: Dây camera film dùng làm dây dao động..........................................................31
Hình 43: Nam châm.........................................................................................................31
Hình 44: Các bộ phận khung giá sau khi được chế tạo.....................................................32
Hình 45: Cuộn dây sau khi quấn......................................................................................32
Hình 46: Mạch chỉnh lưu, tụ bù và dây dẫn lấy dòng từ Windbelt...................................33
Hình 47: Mô hình sau khi lắp hoàn chỉnh........................................................................33
Hình 48: Ống khí động.....................................................................................................35
Hình 49: Mạch đo............................................................................................................36
Hình 50: Vận tốc kích thích phụ thuộc lực căng dây vải dù.............................................38
Hình 51: Vận tốc tới hạn phụ thuộc lực căng dây vải dù..................................................39
Hình 52: Vận tốc duy trì phụ thuộc lực căng dây vải dù..................................................40
Hình 53 Vận tốc kích thích phụ thuộc lực căng dây film.................................................41
Hình 54: Vận tốc tới hạn phụ thuộc lực căng dây film.....................................................42
Hình 55: Vận tốc duy trì phụ thuộc lực căng dây film.....................................................43
Hình 56: Giá trị điện áp phụ thuộc lực căng dây ở các vận tốc gió khác nhau................44
Hình 57: Ảnh hưởng của góc tấn đến vận tốc tới hạn trường hợp dây vải dù..................45

Hình 58: Ảnh hưởng của góc tấn đến vận tốc duy trì trường hợp dây vải dù..................46
Hình 59: Ảnh hưởng của góc tấn đến vận tốc tới hạn trường hợp dây film......................47
Hình 60: : Ảnh hưởng của góc tấn đến vận tốc duy trì trường hợp dây film....................48
Hình 61: So sánh vận tốc tới hạn phụ thuộc góc tấn........................................................49
Hình 62: So sánh vận tốc duy trì phụ thuộc góc tấn.........................................................50
Hình 63: Mô hình Windbelt.............................................................................................51
Hình 64: Đồ thị điện áp, cường độ dòng và công suất trong khoảng 1h khảo sát tại nhà. 53
Hình 65: Đồ thị điện áp, cường độ dòng và công suất trong khoảng 2 phút khảo sát tại
nhà.................................................................................................................................... 54
Hình 66: Đồ thị điện áp, cường độ dòng và công suất biến thiên trong 2 giây.................55
Hình 67: Đồ thị điện áp, cường độ dòng và công suất trong khoảng 1h khảo sát tại cầu
Đông Trù.......................................................................................................................... 56
Hình 68: Đồ thị điện áp, cường độ dòng và công suất trong 2 phút khảo sát tại cầu Đông
Trù.................................................................................................................................... 57
Hình 69: : Đồ thị điện áp, cường độ dòng và công suất biến thiên trong 2 giây khảo sát tại
cầu Đông Trù.................................................................................................................... 58
Hình 70: Sơ đồ nguyên lý thu dòng điện từ Windbelt......................................................62
Hình 71: Mô hình vỏ và cửa hướng dòng.........................................................................62
7


Hình 72: Mô hình phối trí dạng trụ..................................................................................63

8


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1: Điều kiện biên thí nghiệm xét ảnh hưởng của lực căng dây tới dạng dao động,
dòng điện và điện áp..........................................................................................................5
Bảng 2: Điều kiện biên trường hợp ảnh hưởng lực căng dây tới vận tốc gió xuất hiện và

vận tốc gió duy trì dao động...............................................................................................6
Bảng 3: Điều kiện biên của thí nghiệm xét ảnh hưởng của góc tấn tới tốc độ duy trì và tốc
độ tới hạn...........................................................................................................................7
Bảng 4: Điều kiện thí nghiệm xét ảnh hưởng của góc tấn tới điện áp...............................8
Bảng 5: Điều kiện thí nghiệm xét ảnh hưởng của phương đặt thiết bị................................8
Bảng 6: Điều kiện thí nghiệm xét ảnh hưởng của vị trí đặt nam châm...............................9
Bảng 7: Vận tốc kích thích phụ thuộc lực căng dây vải dù...............................................37
Bảng 8: Vận tốc tới hạn phụ thuộc lực căng dây vải dù...................................................38
Bảng 9: Vận tốc duy trì phụ thuộc lực căng dây vải dù....................................................39
Bảng 10: Vận tốc kích thích phụ thuộc lực căng dây film................................................40
Bảng 11: Vận tốc tới hạn phụ thuộc lực căng dây film.....................................................41
Bảng 12: Vận tốc duy trì phụ thuộc lực căng dây film.....................................................42
Bảng 13: Giá trị điện áp phụ thuộc lực căng dây ở các vận tốc gió khác nhau................44
Bảng 14: Ảnh hưởng của góc tấn đến vận tốc tới hạn trường hợp dây vải dù.................45
Bảng 15: Ảnh hưởng của góc tấn đến vận tốc duy trì trường hợp dây vải dù..................46
Bảng 16: Ảnh hưởng của góc tấn đến vận tốc tói hạn trường hợp dây film.....................46
Bảng 17: Ảnh hưởng của góc tấn đến vận tốc duy trì trường hợp dây film......................47
Bảng 18: So sán giá trị điện áp, cường độ dòng avf công suất tại 2 địa điểm khảo sát.....59
Bảng 19: Kết quả so sánh, đối chiếu lý thuyết và thực tế.................................................60

9


LỜI MỞ ĐẦU
Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái Đất và
đã được con người tận dụng từ hàng trăm năm nay. Trước kia, con người đã dùng năng
lượng gió để di chuyển thuyền buồm hay khinh khí cầu, sử dụng các cối xay gió để sinh
công cơ học để bơm nước hoặc xay bột.
Ngày nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ, con người đã chế tạo được những
tua bin gió để sản xuất điện trên quy mô lớn. Tuy nhiên chi phí chế tạo, lắp đặt và duy trì

là rất lớn, vì thế đã có những ý tưởng về một máy phát điện gió nhỏ, chi phí thấp, đáp
ứng một số tải nhỏ trong gia đình. Đây là một hướng đi mới và tiềm năng.
Để tiếp tục phát triển định hướng này, em tiếp nhận đề tài: “Nghiên cứu thực nghiệm
công suất máy phát điện gió dựa trên hiện tượng flutter”, để thực hiện nghiên cứu,
kiểm nghiệm và tiếp tục hoàn thiện mô hình máy phát điện gió cỡ nhỏ, ứng dụng hiện
tượng Flutter và cảm ứng điện từ. Trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp, em sẽ tìm hiểu
nguyên lý cơ bản của mô hình, chế tạo mạch đo, thiết kế chế tạo mô hình và thực nghiệm
trong điều kiện gió thực. Hy vọng với những đóng góp nhỏ bé của em có thể giúp hoàn
thiện hơn và đưa máy phát điện gió cỡ nhỏ này vào ứng dụng thực tế.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến TS. Vũ Đình Quý và TS. Vũ Quốc Huy vì sự
hướng dẫn và giúp đỡ tận tình để em có thể hoàn thành đề tài.
Sinh viên thực hiện

Đỗ Trung Anh

1


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ WINDBELT
1.1 Giới thiệu chung
Windbelt là một thiết bị thu nhận và biền đổi năng lượng gió thành năng lượng điện,
được phát minh bởi Shawn Frayne vào năm 2004[1] .

Hình 1: Windbelt

Hình 2: Cấu tạo Windbelt

Cấu tạo của Windbelt bao gồm 1 dây mảnh, nam châm, cuộn dây đồng, khung giá để gắn
các thành phần (Hình 2).
Nguyên lý hoạt động của Windbelt dựa trên hai hiện tượng chính:

- Hiện tượng flutter trong khí động đàn hồi.
- Hiện tượng cảm ứng điện từ.
Dây mảnh ngàm hai đầu sẽ dao động tự kích trong dòng khí có vận tốc nhất định, nam
châm gắn trên dây dao động đặt cạnh cuộn dây điện sẽ tạo ra hiện tượng cảm ứng điện từ,
sinh ra dòng điện.

2


Hình 3: Nguyên lý hoạt động của máy phát điện dựa trên hiện tượng flutter và hiện tượng cảm
ứng điện từ

Cụ thể, khi được đặt ngang với dòng khí, sợi dây không dao động. Tuy nhiên, khi có một
tác động bất kì làm thay đổi phương của sợi dây, ngay lập tức lực tác động của dòng khí
tăng lên, làm biến dạng và phương chênh lệch của sợi dây càng lớn; đồng thời lực cũng
làm sợi dây dịch chuyển so với vị trí ngang ban đầu. Khi dây dần dịch chuyển tới vị trí có
biên độ cực đại, phương chênh lệch và lực cũng giảm dần; đồng thời khi đó lực đàn hồi
của vật liệu sẽ có tác dụng kéo sợi dây về vị trí ban đầu. Sau đó sợi dây sẽ dịch chuyển
với phương thức tương tự nhưng theo hướng ngược lại so với lúc trước. Quá trình trên
diễn ra liên tục làm sợi dây dao động.
Khi nam châm đặt lên cuộn dây, nam châm sẽ có 2 dạng dao động chính: dao động biên
(Hình 4) và dao động góc (Hình 5).
Dao động biên là dạng dao động lên xuống: nam châm dao động theo trục thẳng đứng.

Hình 4: Dạng dao động biên

Dao động xoay hay dao động góc: nam châm xoay quanh trục ngang.

3

Hình 5: Dạng dao động góc

Phụ thuộc vào đặc tính đàn hồi của dây mảnh, cụ thể là độ cứng chống uốn và độ cứng
chống xoắn mà nam châm sẽ có các kiểu dao động khác nhau. Thông thường, kiểu dao
động của nam châm trong Windbelt là dạng kết hợp giữa dao động biên và dao động góc
(Hình 6).

Hình 6: Dạng dao động chính của nam châm trong Windbelt: Kết hợp giữa dao động biên và
dao động góc

Dạng dao động, tần số dao động hay biên độ dao động của nam châm khi gắn trên dây
mảnh sẽ ảnh hưởng tới công suất đầu ra của máy phát điện. Các thông số trên phụ thuộc
vào rất nhiều yếu tố như: lực căng dây mảnh; vị trí đặt nam châm; góc tấn; …

4


1.2 Một số kết quả nghiên cứu thực nghiệm
1.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến công suất và hiệu quả làm việc

Hình 7: Sơ đồ mô hình thực nghiệm

Trong “Đề tài nghiên cứu ứng dụng nguyên lý hiện tượng Flutter chế tạo mô hình máy
phát điện với công suất siêu nhỏ”[2], một số thực nghiệm để khảo sát ảnh hưởng của các
thông số đến khả năng hoạt động của thiết bị đã được tiến hành.
1.2.1.1 Ảnh hưởng của lực căng dây
Tiến hành thí nghiệm với điều kiện biên như bảng 1, để khảo sát ảnh hưởng của lực căng
dây tới dạng dao động và dòng điện và điện áp
Số cặp nam châm

Tốc độ gió
Phương căng dây

1
7 m/s
Ngang

Góc đặt dây
Vị trí nam châm
Lực căng dây

0 độ
Đặt giữa
Thay đổi

Bảng 1: Điều kiện biên thí nghiệm xét ảnh hưởng của lực căng dây tới dạng dao động, dòng
điện và điện áp

Kết quả thu được như đồ thị hình 8:

5


U (V) - I(mA)

1.2
1
0.8
0.6
0.4

0.2
0

Điện áp
(V)

3

5

7

10

13

15

18

20

23

25

Lực căng dây (N)
Hình 8: Đồ thị điện áp và cường độ dòng điện phụ thuộc vào lực căng dây

Tiếp tục tiến hành thí nghiệm với điều kiện biên như bảng 2, để khảo sát vận tốc gió tối

thiểu để xuất hiện dao động (tốc độ tới hạn) và vận tốc gió tối thiểu để duy trì dao động
(tốc độ duy trì).
Số cặp nam châm
Tốc độ gió
Phương căng dây

1
Thay đổi
ngang

Góc đặt dây
Vị trí nam châm
Lực căng dây

0 độ
Đặt giữa
Thay đổi

Bảng 2: Điều kiện biên trường hợp ảnh hưởng lực căng dây tới vận tốc gió xuất hiện và vận tốc
gió duy trì dao động

Vận tốc gió (m/s)

Kết quả thu được như đồ thị hình 9:
9
8
7
6
5
4

3
2
1
0

Tốc độ tới
hạn

5

10

15

20

25

Lực căng dây (N)
Hình 9: Đồ thị vận tốc gió tới hạn và duy trì phụ thuộc vào lực căng dây

6


Kết luận: Lực căng dây ảnh hưởng đến dạng dao động của dây, vận tốc gió tối thiểu để
xuất hiện dao động cũng như vận tốc tối thiểu để duy trì dao động đó ổn định.
-

Lực căng càng lớn thì nam châm càng có xu hướng dao động góc.

-

Dao động góc có hiệu quả cao hơn dao động biên. Nhưng nếu lực căng dây quá
lớn thì biên độ dao động góc giảm dẫn tới hiệu quả máy phát giảm.

-

Dây càng căng thì tốc độ tối thiểu để máy phát hoạt động càng tăng.

1.2.1.2 Ảnh hưởng của góc tấn
Tiến hành thí nghiệm để xem xét ảnh hưởng của góc tấn tới tốc độ tới hạn và tốc độ duy
trì của máy phát. Việc thay đổi góc tấn khác 0 coi như việc ta tạo cho sợi dây một kích
thích dao động ban đầu. Điều kiện biên của thí nghiệm cho trong bảng 3:
Số cặp nam châm
Tốc độ gió
Phương căng dây

1
Thay đổi
Ngang

Góc đặt dây
Vị trí nam châm
Lực căng dây

Thay đổi
Đặt giữa
10N

Bảng 3: Điều kiện biên của thí nghiệm xét ảnh hưởng của góc tấn tới tốc độ duy trì và tốc độ tới

hạn

Kết quả thu được như đồ thị hình 10:
6

Tốc độ gió (m/s)

5
4
3
2

Tốc độ tới hạn
Tốc độ duy trì

1
0
-10

-5

0

5

10

15

20

30

Góc tấn (°)
Hình 10: Đồ thị vận tốc gió tới hạn và duy trì phụ thuộc vào góc tấn

Để xem xét xem ảnh hưởng của góc tấn tới điện áp ra, thí nghiệm được tiến hành với điều
kiện biên như bảng 4:
Số cặp nam châm

1

Góc đặt dây

Thay đổi
7


Tốc độ gió

7m/s

Phương căng dây

Ngang

Vị trí nam châm

Đặt giữa

Lực căng dây

10N

Bảng 4: Điều kiện thí nghiệm xét ảnh hưởng của góc tấn tới điện áp

Điện áp (V)

Kết quả thu được như đồ thị hình 11:

1.8
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-10

Điện áp (V)
-5

0

5

10

15

Góc tấn (°)
Hình 11: Đồ thị điện áp ra phụ thuộc vào góc tấn

Kết luận:
-

Góc tấn càng lớn thì tốc độ gió hoạt động tối thiểu càng giảm. Góc tấn quá lớn
máy không làm việc hiệu quả.

-

Góc tấn khác không cho hiệu quả làm việc tốt hơn.

1.2.1.3 Ảnh hưởng của phương đặt thiết bị
Khi máy phát nằm ngang, trọng lượng của nam châm sẽ có phương vuông góc với
phương sợi dây, tuy nhiên nếu đặt đứng thì trọng lượng lại có phương dọc theo sợi dây.
Để xem xét ảnh hưởng của phương vị đặt máy phát tới hiệu quả hoạt động, thí nghiệm
được tiến hành với điều kiện biên như bảng 5:
Số cặp nam châm
Tốc độ gió

1
Thay đổi

Phương căng dây

Ngang/dọc

Góc đặt dây

Thay đổi

Vị trí nam châm

Đặt giữa

Lực căng dây

10N

Bảng 5: Điều kiện thí nghiệm xét ảnh hưởng của phương đặt thiết bị

Kết quả thu được như đồ thị hình 12:

8


3.5

Điện áp (V)

3
2.5
2
1.5
U dọc (V)
U ngang

(V)

1
0.5
0

5.5

6

6.5

7

7.5

8

9

10

11

12

T ốc độ gió (m/s)
Hình 12: Đồ thị điện áp trong hai trường hợp máy phát đặt ngang và dọc

Kết luận: Phương đặt máy phát không ảnh hưởng nhiều đến hoạt động của thiết bị.

1.2.1.4 Ảnh hưởng của vị trí đặt nam châm
Để xem xét ảnh hưởng của vị trí đặt nam châm đến hoạt động của thiết bị, tiến hành thí
nghiệm với điều kiện như bảng 6:
Số cặp nam châm
Tốc độ gió
Phương căng dây

1
Thay đổi
Ngang

Góc đặt dây
Vị trí nam châm
Lực căng dây

Không đổi
10%, 30%, 50%
10N

Bảng 6: Điều kiện thí nghiệm xét ảnh hưởng của vị trí đặt nam châm

Kết quả thu được như đồ thị hình 13:
3.5
Điện áp (V)

3

10%
30%
50%

2.5
2
1.5
1
0.5
0

5

6

7

8

9

10

11

12

T ốc độ gió (m/s)
Hình 13: Đồ thị điện áp theo vận tốc gió với ba vị trí đặt nam châm khác nhau: 10%; 30% và
50% chiều dài dây

9

Điện áp (V)

Kết luận: Nam châm đặt càng gần giữa thì tốc độ tới hạn và hiệu quả làm việc càng tốt
1.2.1.5 Ảnh hưởng của kích thước nam châm
Để xem xet ảnh hưởng của kích thước nam châm, thí nghiệm đã được tiến hành lần lượt
với các nam châm có kích thước nhỏ, vừa và lớn, tương ứng là 8mm, 10mm và 20mm ở
các tốc độ gió khác nhau.
Kết quả thu được như đồ thị hình 14:
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0

Nhỏ
Vừa
Lớn

3

5

6

7

8

9

10

11

12

Tốc độ gió (m/s)
Hình 14: Đồ thị điện áp phụ thuộc vào tốc độ gió với ba loại nam châm khác nhau

Kết luận: Nam châm có kích thước lớn cho hiệu quả làm việc tốt hơn hẳn so với kích
thước nhỏ.

1.2.2 Các mô hình đã được thử nghiệm
Cũng trong [2], hai mô hình máy phát đã được chế tạo và thử nghiệm và cho những kết
quả như sau:
1.2.2.1 Máy phát công suất nhỏ Windbelt

Hình 15: Máy phát thực tế đã được chế tạo

10


-

Cấu tạo:

-

Sử dụng 1 cặp nam châm lớn đường kính 2cm đặt chính giữa

-

Sử dụng dây vải dù rộng 1cm, dài 35cm. Dây căng.

-

Chỉ sử dụng 1 cuộn dây 2500 vòng để kết cấu đơn giản.

-

Máy phát đặt nằm ngang hoặc dọc.

-

Góc tấn ban đầu bằng 0.

-

Sử dụng ống nhôm vuông có sẵn làm khung, đảm bảo độ bền và khối lượng nhẹ.

-

Kết quả thu được:

-

Thiết bị hoạt động tốt ở điều kiện gió thông thường, có thể vận hành một số thiết
bị điện tử nhỏ.

-

Ở điều kiện gió khoảng 5 - 6 m/s, thu được điện áp khoảng 2,5V, công suất khoảng
2mW.

1.2.2.2 Máy phát kết hợp nhiều Windbelt

Hình 16: Máy phát dạng ghép nhiều tấm sau khi đã được chế tạo, lắp ghép hoàn chỉnh.

- Cấu tạo:
Kết hợp nhiều Windbelt mắc song song, khi đó, mỗi windbelt sẽ coi như một đơn vị
phát điện.
- Kết quả thu được:
- Thiết bị hoạt động tốt ở điều kiện gió thông thường,cho công suất và điện áp lớn
hơn khi chỉ sử dụng 1 Windbelt.
- Khi kết hợp 5 Windbelt, điện áp thu được lên đến khoảng 10V, công suất có thể
đạt 400mW ở tốc độ gió 12m/s.
11


12


CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐO PHỤC VỤ KHẢO
SÁT HOẠT ĐỘNG WINDBELT
2.1 Mục đích và chức năng

Mục đích cần phải thiết kế, chế tạo mạch đo là để thu thập dữ liệu hoạt động của
Windbelt, trước tiên là thử nghiệm trong ống khí động, tiếp đó là phục vụ khảo sát trong
điều kiện gió thực.
Mạch đo có chức năng xác định điện áp và cường độ dòng điện mà Windbelt cung cấp
cho 1 tải. Những số liệu thu được sẽ giúp tính toán công suất của Windbelt, từ đó xây
dựng phương án làm mạch nạp để lưu trữ năng lượng điện sinh do Windbelt sinh ra vào
pin.

2.2 Nguyên lý mạch đo
Để đảm bảo những yêu cầu nêu trên, nguyên lý mạch đo được thiết kế như hình 17

Hình 17 :Sơ đồ nguyên lý mạch đo

-

Input: Tín hiệu đầu vào. Tín hiệu này được kết nối đến vi điều khiển ở dạng điện
áp tương tự (Analog) đối với cả đo điện áp và đo cường độ dòng điện. Vì cường
độ dòng điện là thông số mà vi điều khiển không thể hiểu trực tiếp nên tín hiệu
đầu vào của cường độ dòng điện được chuyển về dạng điện áp thông qua 1 môđun
cảm biến dòng.

-

Khối vi điều khiển: Có chức năng nhận tín hiệu vào từ khối Input ở dạng điện áp
tượng tự, chuyển tín hệu tương tự sang tín hiệu số nhờ các bộ chuyển đổi ADC,
sau đó cho tín hiệu ra nối với khối Output để hiển thị lên máy tính.

13

-

Khối Output: Nhận tín hiệu số từ vi điều khiển và hiển thị lên máy tính qua cổng
USB.

-

Khối nguồn: Có chức năng cấp nguồn điện áp 1 chiều cho vi điều khiển, môđun
cảm biến dòng và các linh kiện liên quan của mạch.

2.3 Thiết kế, chế tạo mạch đo
2.3.1 Thiết kế mạch
Thiết kế mạch sử dụng phần mềm Altium Designer, với mạch nguyên lý như hình 17,
mạch in thu được như hình 18.

Hình 18: Mạch in được thiết kế băng phần mềm Altium Designer

2.3.2 Chế tạo mạch
Các thành phần của mạch:
- Vi điều khiển: Atmega 8 (hình 19) và chân đế
-

Mô đun cảm biến dòng: ACS712 5A (hình 20)

-

Bộ nguồn: 1 jac DC, 1 ổn áp LM7805, 2 tụ hóa 2200  F /16V

-

2 tụ gốm 104

-

1 điện trở 10k

-

1 công tắc reset

-

Các jump nối

-

Bản đồng gắn linh kiện
14


Mạch đo sau khi lắp ráp hoàn chỉnh thu được như hình .

Hình 19: Mạch đo điệp áp và cường độ dòng điện

2.4 Hoàn thiện mạch đo
Mạch đo chế tạo có một số hạn chế như:
- Nguồn dùng trực tiếp điện dân dụng thông qua một Adapter 5V, gây hạn chế về
không gian, vị trí thực nghiệm.
- Kết nối trực tiếp với máy tính thông qua dây USB với giao thức UART, cũng gây
hạn chế về vị trí thực nghiệm và công sức thực nghiệm.

- Dữ liệu chỉ có thể lấy trực tiếp, chưa có phương án lưu trữ, gây khó khăn trong
việc thu thập và xử lý dữ liệu.
Do đó yêu cầu thiết kế và lắp ráp hoàn thiện mạch đo, vẫn giữ nguyên chức năng đo điện
áp, dòng điện và công suất, đồng thời có thêm các tính năng:
- Sử dụng nguồn pin rời, có khả năng cơ động không phụ thuộc vị trí có nguồn điện.
- Lưu dữ liệu vào thẻ nhớ, phục vụ thu thập dữ liệu trong thời gian dài, không mất
công sức chờ lấy dữ liệu trực tiếp.
- Kết nối không dây lên máy tính, phục vụ kiểm tra trạng thái hoạt động từ xa, thuận
tiện cho việc thu thập và xử lý dữ liệu.

2.4.1 Lắp ráp hoàn thiện mạch đo
2.4.1.1 Thành phần mạch
Mạch đo mới dựa trên các tính năng mạch đã chế tạo, ngoài ra có thêm các chức năng
mới nên các chi tiết bộ phận có như sau:
- Nguồn pin: sử dụng 3 pin A-A, cấp nguồn 5V
15