Đặt vấn đề nghiên cứu: Bối cảnh thế giới Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái Đất. Sử dụng năng lượng gió là một trong các cách lấy năng lượng xa xưa nhất từ môi trường tự nhiên và đã được con người biết đến và sử dụng từ thời kỳ Cổ đại. 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. Ý tưởng dùng năng lượng gió để sản xuất điện hình thành ngay sau các phát minh ra điện và máy phát điện.
Mãi đến năm 1970, sự ra đời của tuabin gió đã đưa việc ứng dụng nguồn năng lượng sạch này sang một trang mới. Đến cuối những năm 90 của thế kỷ 20 việc ứng dụng năng lượng gió đã có nhiều tiến bộ quan trọng mang tính đột phá. Bước sang thế kỷ 21, con người đang từng bước đưa năng lượng gió vào để thay thế các nguồn năng lượng truyền thống và có thể nói, chúng ta đang ở bước đầu của thời kỳ bùng nổ năng lượng gió. Tại nhiều nơi trên thế giới, các trang trại điện gió với qui mô lớn với hàng trăm đến hàng ngàn tuabin gió được xây dựng.
Ngày nay, vai trò của điện năng ngày càng lớn và rất quan trọng vì phải đáp ứng nhu cầu cung cấp điện liên tục cho tất cả các ngành công nghiệp sản xuất và đời sống xã hội của con người. Hơn thế nữa, việc sản xuất nguồn điện năng ngày nay người ta còn đặc biệt chú trọng đến môi trường. Trong khi các nhà máy thuỷ điện không hoạt động hết công suất của mình thì các nhà máy nhiệt điện lại gây ra ô nhiễm môi trường và là nguyên nhân gây nên hiệu ứng nhà kính. Cho nên vấn đề hàng đầu được đặt ra là phát triển và xây dựng phải đảm bảo vấn đề về vệ sinh môi trường.
Trên thực tế đó, con người cần phải tìm ra nguồn năng luợng tái sinh và sạch để thay thế. Năng lượng gió là nguồn năng lượng thiên nhiên vô tận, nguồn năng lượng tái tạo không gây ô nhiễm mỗi trường, vì vậy chúng ta có thể tận dụng nguồn năng lượng đó để biến thành nguồn năng lượng điện phục vụ nhu cầu của con người. Cho tới hiện tại việc xây dựng các nhà máy phát điện gió đang được các nước phát triển trên thế giới cực kì chú trọng. Bối cảnh Việt Nam Việt Nam sở hữu nguồn năng lượng gió dồi dào.
Là một đất nước với nền kinh tế mới nổi, Việt Nam đang tìm kiếm các lựa chọn khác nhau để đáp ứng nhu cầu điện ngày càng gia tăng của nền kinh tế. Tài nguyên gió của Việt Nam chủ yếu nằm dọc theo bờ biển dài hơn 3000 km, và ở các vùng đồi núi, cao nguyên ở miền Bắc và miền Trung. Theo Bản Đồ Gió Toàn Cầu (Global Wind Atlas) ước tính, hơn 39% diện tích của Việt Nam có tốc độ gió trung bình hàng năm trên 6 m/s. Ở độ cao 65 m và hơn 8% diện tích đất liền của Việt Nam có tốc độ gió trung bình hàng năm trên 7 m/s (xem Hình 1.
Điều này tương ứng với tiềm năng tài nguyên gió là 512 GW và 110 GW.1 Tiềm năng mật độ năng lượng gió Việt Nam. Tuy nhiên, chi phí chế tạo, lắp đặt và duy trì đối với các thiết bị máy phát có tuabin là vĩ mô và rất lớn, phục vụ các các hộ gia đình trên quy mô địa bàn rộng lớn, vì thế những ý tưởng về một máy phát điện gió cỡ nhỏ với chi phí thấp đã hình thành và phát triển, đáp ứng nhu cầu cho một số tải nhỏ trong gia đình và các chuyến đi du lịch đường dài phục vụ cho các nhân. Đây là một hướng đi mới và tiềm năng rất đáng để đi sâu khai thác.2 Tổng quan về các nghiên cứu trong và ngoài nước Các thiết bị điện tử công suất thấp, chẳng hạn như mạng cảm biến không dây [1], thiết bị điện tử di động [2] đã đạt được nhiều tiến bộ trong những năm gần đây Từ trước tới nay, pin được sử dụng làm nguồn điện chính cho các thiết bị đó. Tuy nhiên, tuổi thọ của pin ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị và việc thải bỏ chúng đặt ra các mối quan tâm về môi trường [3], [4].
Tận dụng năng lượng xung quanh chúng ta như là năng lượng mặt trời, sự dao động và gió để chuyển đổi chúng thành năng lượng điện là một giải pháp đầy triển vọng [5–8]. Trong số tất cả các nguồn năng lượng, năng lượng gió đã thu hút nhiều sự chú ý bởi các nhà nghiên cứu trong nhiều thập kỷ qua do đặc tính của nó: năng lượng sạch, có thể tái tạo và sự phổ biến của gió. Một trong những thiết bị tạo ra điện từ năng lượng gió, tua bin gió thông thường có nhược điểm là khối lượng lớn, cấu trúc phức tạp và chi phí cao so với ứng dụng cấp nguồn cho thiết bị điện tử công suất thấp [4], [9]. Do đó, các nhà nghiên cứu muốn tìm ra cách đơn giản hơn để sử dụng nguồn năng lượng này.
Năm 2018, máy phát điện dựa trên hiện tượng rung động do tác động 2 của gió được nghiên cứu bởi Hu và cộng sự, chẳng hạn như rung động do xoáy, rung chuyển, v. Trích từ tài liệu tham khảo [12], một nghiên cứu đã so sánh hiệu suất đầu ra của một máy thu năng lượng gió trong các trường hợp hướng đặt khác nhau của mô hình. Frayne [13–15] đã phát minh ra một máy thu năng lượng gió và điện từ dựa trên hiện tượng quay của cánh quạt, được gọi là vành đai gió. Mô hình máy điện gió này có cấu trúc cực kỳ đơn giản bao gồm ba phần: một màng được kẹp hai bên, nam châm và một hoặc nhiều cuộn dây.
Frayne chỉ ra rằng máy phát điện gió với hai kích thước 12 cm và 1 m có thể được sử dụng để cung cấp điện cho một hòn đảo. Trong quá khứ, một số mô hình sử dụng năng lượng gió đã được phát triển. Năm 2001, tác giả Alen đã nghiên cứu khả năng tạo ra điện áp và tạo ra công suất đầu ra do dao động của màng belt bằng cách sử dụng các xoáy Von Karman [16]. Một mô hình thu năng lượng gió đã được nghiên cứu bởi Bryant và Garcia [17] hoạt động dựa trên sự dao động của một thanh kim loại được kết nối pin.
Năm 2011, tác giả của bài báo [18], Li đã cho ra kết quả công suất tối đa là 0,6 mW và mật độ công suất tối đa có thể đạt được là 2 mW/cm3 từ một thiết bị được nghiên cứu có thể chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng điện bằng chuyển động rung do gió gây ra. Năm 2016, các thông số thiết kế ảnh hưởng đến khả năng của dây gió như: vị trí nam châm, sức căng của màng belt, tốc độ gió, góc tấn, đường kính nam châm, hướng của màng belt gió đã được Vu et al [19] nghiên cứu. Tác giả chỉ ra rằng, ở tốc độ gió từ 3-12 m/s, điện áp và công suất sẽ tăng khi tăng các thông số như: tốc độ gió, độ căng của màng belt. Việc tính toán điện áp từ mô hình windbelt được trình bày bởi Prajyot Satish Tathode và cộng sự [20].
Nghiên cứu chỉ ra rằng điện áp và công suất tạo ra của mô hình máy phát điện cỡ nhỏ phụ thuộc vào các yếu tố như: diện tích mặt cắt ngang của vải, tốc độ gió, độ dịch chuyển của màng belt, khoảng cách giữa nam châm nắp đến cuộn dây, độ dịch chuyển của màng belt, kích thước nam châm, vật liệu làm nam châm. Vào năm 2019, tác giả Vinayan [21] đã nghiên cứu ảnh hưởng của chiều rộng của màng lên điện áp và công suất. Kết quả chỉ ra rằng điện áp và công suất giảm khi chiều rộng của màng tăng lên. Năm 2021, nghiên cứu thử nghiệm máy phát điện chạy bằng sức gió công suất nhỏ dựa trên hiện tượng đàn hồi do Vu và cộng sự thực hiện [22] đã chỉ ra ảnh hưởng của kích thước màng belt, kích thước nam châm đến công suất đầu ra của dây quấn.
Cụ thể, công suất tạo ra bởi windbelt sẽ tăng lên khi chiều dài màng belt và độ dày nam châm tăng và tăng khi chiều rộng màng belt giảm. Một nghiên cứu thử nghiệm về WIFH bên trong đường hầm gió đã được Aquino thực hiện bằng cách sử dụng động lực học chất lỏng tính toán (CFD) [23]. Aquino cũng công bố một nghiên cứu rằng công suất lớn nhất dưới góc tiếp cận 45o, tạo ra công suất ước tính 62,4 mW [24]. Một mô hình của Kan và cộng sự trong đó áp dụng hiệu ứng của vách ngăn đã làm cho một máy thu năng lượng rung động do gió áp điện tăng cường (EPWEH) có thể đạt được mức tăng điện áp tối đa là 910,1% [25].
Zhuang [26] đã nghiên cứu các mode dao động của màng belt thông qua mô phỏng số và tính toán lí thuyết. Kết quả cho thấy hình ảnh các mode dao động của màng belt tại tần số dao động tự nhiên. Ngoài ra, vận tốc gió tới hạn khiến màng belt bắt đầu 3 chuyển động cũng được mô phỏng và tính toán dựa vào các phương trình. Tất cả các nghiên cứu trên cho thấy những điểm tương đồng giữa thực nghiệm và lí thuyết của mô hình máy phát điện cỡ nhỏ Windbelt.
Tuy nhiên, có nhiều yếu tố khác tạo ra sai số về điện áp và công suất đầu ra của máy phát điện này. Vì vậy, cần nghiên cứu thêm về các yếu tố khác ảnh hưởng đến hiệu suất của mô hình điện gió windbelt.3 Mục tiêu nghiên cứu Trong nghiên cứu này, mô hình winbelt được chế tạo và thiết kế dựa trên kích thước và điều kiện thí nghiệm được trình bày trong bài báo của Vu và cộng sự [22]. Cụ thể, mục tiêu của thực nghiệm và mô phỏng được tác giả trình bày và tiến hành trong luận văn nhằm khảo sát ảnh hưởng các thông số thiết kế mô hình (kích thước màng belt, kích thước nam châm) đến hiệu suất hoạt động của Windbelt (điện áp, công suất). Từ đó rút ra nhận xét, nêu ra các ưu nhược điểm và các mặt hạn chế phục vụ cho việc xây dựng giải pháp tối ưu nhất cho thiết kế về sau.
Nhiệm vụ cụ thể được thực hiện trong nghiên cứu: - Thiết kế mô hình windbelt phù hợp với các tiêu chí: đơn giản nhưng vẫn đáp ứng được nguyên lý hoạt động đặt ra, dễ dàng gia công chế tạo, dễ tháo lắp, các vật liệu phổ biến và dễ kiếm.