Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng gió là một nguồn năng lượng tái tạo sạch, có tiềm năng lớn trên toàn cầu và đặc biệt tại Việt Nam với hơn 39% diện tích có vận tốc gió trung bình trên 6 m/s, tương đương tiềm năng 512 GW. Tuy nhiên, các tua bin gió quy mô lớn thường có chi phí đầu tư và bảo trì cao, không phù hợp cho các ứng dụng công suất nhỏ như cảm biến, thiết bị phát wifi hay đèn LED. Trong bối cảnh đó, mô hình máy phát điện Windbelt, dựa trên hiện tượng khí động đàn hồi và cảm ứng điện từ, được phát triển như một giải pháp công suất nhỏ, chi phí thấp, có thể cung cấp điện cho các thiết bị tải nhỏ.

Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số thiết kế như kích thước màng belt, kích thước nam châm đến công suất đầu ra của mô hình Windbelt. Nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng được thực hiện tại Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội trong khoảng thời gian từ tháng 11/2021 đến tháng 8/2022. Mục tiêu chính là khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến biên độ dao động của màng belt và từ đó xác định ảnh hưởng đến điện áp và công suất đầu ra, nhằm đề xuất thiết kế tối ưu cho mô hình Windbelt.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các thiết bị thu năng lượng gió công suất nhỏ, góp phần đa dạng hóa nguồn năng lượng tái tạo, giảm chi phí và tăng hiệu quả sử dụng năng lượng tại các khu vực có tiềm năng gió vừa và nhỏ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: cơ sở khí động học về hiện tượng flutter và cơ sở điện từ về cảm ứng điện từ.

  • Hiện tượng flutter: Màng belt dao động tự kích trong dòng khí với vận tốc gió nhất định, tạo ra biên độ dao động ảnh hưởng trực tiếp đến diện tích quét và năng lượng gió hấp thụ. Diện tích quét được tính theo công thức:

$$ A = 2 \int_0^L y(x) dx $$

với $L$ là chiều dài màng belt và $y(x)$ là phương trình đường cong dao động.

  • Hiện tượng cảm ứng điện từ: Nam châm gắn trên màng belt dao động cạnh cuộn dây đồng tạo ra điện áp theo công thức:

$$ U = 2 \pi N A_c B f $$

trong đó $N$ là số vòng dây, $A_c$ là diện tích mặt cắt ngang của cuộn dây, $B$ là cảm ứng từ của nam châm, và $f$ là tần số dao động.

Các khái niệm chính bao gồm: biên độ dao động, tần số dao động, lực căng màng belt, góc tấn, vị trí đặt nam châm, kích thước màng belt (chiều dài, chiều rộng, chiều dày), kích thước nam châm (đường kính, chiều dày), và hiệu suất công suất đầu ra.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp thực nghiệm và mô phỏng số:

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thực nghiệm thu thập tại phòng thí nghiệm ống khí động AF6116, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, với mô hình Windbelt được thiết kế có thể thay đổi chiều dài (540-620 mm), chiều rộng (15-25 mm) của màng belt và kích thước nam châm (20x2 mm đến 20x3 mm). Vận tốc gió được điều chỉnh từ 1.8 đến 4 m/s tương ứng tần số quạt 14-28 Hz.

  • Phương pháp phân tích: Điện áp và công suất đầu ra được đo bằng thiết bị chuyển đổi dữ liệu Agilent 34790a và Arduino UNO R3. Biên độ dao động của màng belt được xác định qua phân tích video quay tốc độ cao (400 fps) sử dụng phần mềm xử lý ảnh ImageJ. Mô phỏng số sử dụng phương pháp tương tác chất lỏng - cấu trúc (FSI) 2 chiều để khảo sát ảnh hưởng chiều dày màng belt đến biên độ dao động.

  • Timeline nghiên cứu: Từ tháng 11/2021 đến tháng 8/2022, bao gồm thiết kế mô hình, thực nghiệm đo đạc, xử lý dữ liệu và mô phỏng số.

Cỡ mẫu thực nghiệm gồm nhiều lần đo với các biến đổi tham số khác nhau, mỗi trường hợp đo trong khoảng 10-20 phút thu thập hơn 1200 số liệu để đảm bảo độ tin cậy.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng chiều dài màng belt: Điện áp không tải tăng từ 1.6 V đến 8.7 V khi chiều dài màng belt tăng từ 420 mm đến 620 mm, công suất đầu ra tương ứng tăng lên đến khoảng 0.2 mW với tải 1 kΩ. Điện áp thực nghiệm và lý thuyết có sai số nhỏ nhất 3.2% và lớn nhất 11.6%, cho thấy mô hình lý thuyết phù hợp với thực tế.

  2. Ảnh hưởng chiều rộng màng belt: Khi chiều rộng màng belt tăng từ 15 mm đến 25 mm, điện áp không tải giảm từ 8.7 V xuống còn 3.5 V, tương ứng công suất đầu ra giảm đáng kể. Điều này cho thấy chiều rộng lớn làm giảm hiệu suất do tăng độ cứng và giảm biên độ dao động.

  3. Ảnh hưởng kích thước nam châm: Nam châm kích thước lớn (20x3 mm) tạo ra điện áp và công suất đầu ra cao hơn so với các kích thước nhỏ hơn, do cảm ứng từ mạnh hơn và biên độ dao động lớn hơn.

  4. Ảnh hưởng biên độ dao động màng belt: Biên độ dao động tỷ lệ thuận với điện áp và công suất đầu ra. Mô phỏng FSI cho thấy chiều dày màng belt tăng làm giảm biên độ dao động, từ đó giảm hiệu suất của Windbelt.

Thảo luận kết quả

Kết quả thực nghiệm và mô phỏng cho thấy các tham số thiết kế ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của Windbelt. Chiều dài màng belt tăng làm tăng diện tích quét, áp suất gió tác động lớn hơn, giúp màng belt dao động với biên độ lớn hơn, từ đó tăng điện áp và công suất đầu ra. Ngược lại, chiều rộng và chiều dày màng belt tăng làm tăng độ cứng, giảm biên độ dao động, làm giảm hiệu suất.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với báo cáo của Vu và cộng sự về ảnh hưởng của kích thước màng belt và nam châm đến công suất. Sự khác biệt nhỏ giữa lý thuyết và thực nghiệm chủ yếu do sai số đo đạc, dao động không đồng nhất của màng belt và sụt áp trong mạch chỉnh lưu.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ điện áp và công suất theo chiều dài, chiều rộng màng belt, cũng như bảng so sánh điện áp thực nghiệm và lý thuyết để minh họa rõ ràng xu hướng và sai số.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu chiều dài màng belt: Tăng chiều dài màng belt trong khoảng 600-620 mm để tối đa hóa diện tích quét và công suất đầu ra, áp dụng trong vòng 6 tháng, do nhóm kỹ thuật cơ khí thực hiện.

  2. Giảm chiều rộng và chiều dày màng belt: Sử dụng vật liệu vải ripstop với chiều rộng từ 15-18 mm và độ dày nhỏ nhất có thể để tăng biên độ dao động, nâng cao hiệu suất, thực hiện trong 3 tháng.

  3. Sử dụng nam châm kích thước lớn và từ tính mạnh: Ưu tiên nam châm đất hiếm N35 kích thước 20x3 mm để tăng cảm ứng từ, nâng cao điện áp đầu ra, triển khai song song với các giải pháp trên.

  4. Cải tiến mạch chỉnh lưu và lưu trữ năng lượng: Thiết kế mạch chỉnh lưu giảm sụt áp, kết hợp tụ điện lọc để ổn định điện áp, đồng thời phát triển hệ thống lưu trữ năng lượng phù hợp, hoàn thành trong 9 tháng.

  5. Mở rộng nghiên cứu mô phỏng đa chiều và điều kiện gió thực tế: Áp dụng mô phỏng FSI 3D và thử nghiệm ngoài trời để đánh giá hiệu suất trong điều kiện gió biến đổi, dự kiến trong 12 tháng tiếp theo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Động lực: Nghiên cứu sâu về thiết kế và tối ưu hóa máy phát điện gió công suất nhỏ, áp dụng phương pháp thực nghiệm và mô phỏng.

  2. Chuyên gia phát triển năng lượng tái tạo: Tìm hiểu giải pháp thu năng lượng gió chi phí thấp, phù hợp cho các ứng dụng công suất nhỏ và khu vực có tiềm năng gió vừa.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện tử công suất thấp: Áp dụng mô hình Windbelt để cung cấp nguồn điện cho cảm biến, thiết bị IoT, thiết bị di động trong môi trường không có nguồn điện lưới.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Đánh giá tiềm năng và khả năng ứng dụng các công nghệ năng lượng gió nhỏ, hỗ trợ phát triển bền vững và đa dạng hóa nguồn năng lượng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Windbelt là gì và nguyên lý hoạt động ra sao?
    Windbelt là thiết bị thu năng lượng gió công suất nhỏ dựa trên hiện tượng flutter của màng belt và cảm ứng điện từ từ nam châm dao động cạnh cuộn dây, tạo ra điện áp và công suất đầu ra.

  2. Các tham số nào ảnh hưởng lớn nhất đến công suất của Windbelt?
    Chiều dài màng belt, kích thước nam châm và biên độ dao động của màng belt là các yếu tố chính ảnh hưởng đến điện áp và công suất đầu ra.

  3. Tại sao chiều rộng màng belt tăng lại làm giảm công suất?
    Chiều rộng lớn làm tăng độ cứng và khối lượng của màng belt, giảm biên độ dao động, từ đó giảm hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió thành điện.

  4. Mô hình thực nghiệm được thiết kế như thế nào?
    Mô hình gồm màng belt làm từ vải ripstop có thể thay đổi kích thước, nam châm đất hiếm N35 kích thước 20x3 mm, cuộn dây đồng 2500 vòng, đặt trong ống khí động để tạo gió ổn định, kết hợp mạch chỉnh lưu và thiết bị đo điện áp, công suất.

  5. Kết quả mô phỏng có phù hợp với thực nghiệm không?
    Kết quả mô phỏng biên độ dao động và ảnh hưởng của các tham số tương đối phù hợp với thực nghiệm, sai số nhỏ do các yếu tố vật liệu và điều kiện đo đạc thực tế.

Kết luận

  • Chiều dài màng belt tỷ lệ thuận với điện áp và công suất đầu ra, với điện áp không tải đạt đến 8.7 V tại chiều dài 620 mm.
  • Chiều rộng và chiều dày màng belt tăng làm giảm biên độ dao động và hiệu suất của Windbelt.
  • Kích thước nam châm lớn (20x3 mm) giúp tăng cảm ứng từ và công suất đầu ra.
  • Mô phỏng FSI hỗ trợ đánh giá ảnh hưởng các tham số thiết kế, phù hợp với kết quả thực nghiệm.
  • Đề xuất tối ưu thiết kế và phát triển mạch chỉnh lưu, lưu trữ năng lượng để ứng dụng thực tế trong 6-12 tháng tới.

Luận văn mở ra hướng nghiên cứu mới cho các thiết bị thu năng lượng gió công suất nhỏ, góp phần phát triển nguồn năng lượng tái tạo bền vững. Độc giả và nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển tiếp các giải pháp tối ưu dựa trên kết quả này.