Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp ô tô điện đang mở ra giải pháp xanh thay thế cho phương tiện sử dụng nhiên liệu hóa thạch truyền thống, nhằm giảm thiểu khí thải nhà kính và đối phó với nguy cơ cạn kiệt tài nguyên dầu mỏ. Tuy nhiên, rào cản kỹ thuật lớn nhất đối với xe điện hiện nay nằm ở dung lượng và hiệu suất của khối pin, giới hạn quãng đường di chuyển sau mỗi lần sạc đầy. Bên cạnh giải pháp phanh tái sinh và pin mặt trời, việc thu hồi động năng từ luồng gió cản tác động trực tiếp vào đầu xe và kính lái khi xe di chuyển được đánh giá là một hướng tiếp cận giàu tiềm năng.

Đề tài khóa luận "Thiết kế, chế tạo hệ thống thu hồi năng lượng sử dụng turbine gió trên ô tô điện" của sinh viên Nguyễn Hoài Ân và Tiêu Hải Giàu (Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Nam Cần Thơ, dưới sự hướng dẫn của Th.S Nguyễn Hoàng Việt) tập trung giải quyết bài toán tận dụng luồng khí trượt qua kính chắn gió lên mui xe để phát điện thụ động, nạp bổ sung cho hệ thống ắc quy phụ tải của xe điện.

Mục tiêu nghiên cứu

  1. Tận dụng nguồn năng lượng gió xung quanh và luồng khí động học khi xe di chuyển hoặc đứng yên (khi có gió mạnh) để tạo ra dòng điện sạc cho ắc quy và thiết bị phụ tải, giảm tiêu thụ năng lượng từ nguồn pin chính của ô tô.
  2. Kiểm chứng lý thuyết mô phỏng về việc thiết kế hóc thu hồi năng lượng gió trên nóc xe, tối ưu hóa khí động học đón gió.
  3. Chế tạo mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh trên xe điện 2 chỗ ngồi với kết cấu module hóa, dễ tháo lắp, vận hành và sửa chữa phục vụ nghiên cứu, giảng dạy ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô.

Nhiệm vụ nghiên cứu

  1. Tìm hiểu lịch sử phát triển, cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các hệ thống turbine gió (HAWT và VAWT).
  2. Đề ra phương án tính toán, thiết kế mô hình 3D trên phần mềm Autodesk Inventor và tính toán khí động học trên phần mềm ANSYS/Matlab.
  3. Chế tạo mô hình thực nghiệm hệ thống turbine gió tích hợp trên xe điện 2 chỗ ngồi thực tế.
  4. Xây dựng mạch điều khiển góc đón gió bằng vi điều khiển Arduino UNO R3 và hệ thống thu thập dữ liệu thực nghiệm qua module NI USB-6001 kết hợp phần mềm LabVIEW.
  5. Tiến hành đo đạc thực nghiệm, so sánh dữ liệu đo đạc thực tế với kết quả tính toán mô phỏng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống thu hồi năng lượng sử dụng turbine gió trục đứng (VAWT kiểu Savonius) tích hợp trên mui xe điện 2 chỗ ngồi.
  • Phạm vi không gian và thời gian: Nghiên cứu lý thuyết và thử nghiệm thực tế tại Trường Đại học Nam Cần Thơ, hoàn thành vào tháng 07/2024 trong thời gian 13 tuần.
Tuần thực hiện Nội dung công việc chính
Tuần 1 – 2 Tìm hiểu tổng quan đề tài và cơ sở lý thuyết
Tuần 2 – 3 Lựa chọn phương án thiết kế phù hợp cho xe điện 2 chỗ
Tuần 3 – 5 Thiết kế chi tiết mô hình 3D hoàn chỉnh trên Inventor
Tuần 5 – 8 Gia công cơ khí và in 3D cánh turbine
Tuần 8 – 9 Tính toán thiết kế, đấu nối hệ thống điện và mạch điều khiển
Tuần 9 – 12 Thử nghiệm thực tế, thu thập dữ liệu và so sánh với mô phỏng
Tuần 12 – 13 Tổng hợp kết quả và hoàn thiện báo cáo khóa luận

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

  • Định luật Betz về giới hạn hiệu suất khí động học: Giới hạn vật lý cực đại cho việc chuyển đổi động năng của gió thành cơ năng là 59,26% ($C_p = 0.59$). Trong điều kiện vận hành thực tế, do lực cản ma sát cánh, tổn thất truyền động cơ khí và hiệu suất máy phát, hiệu suất của turbine thực tế đạt khoảng 75% giới hạn Betz, tương đương 35% – 45%.
  • Phân loại turbine gió:
    • Turbine gió trục ngang (HAWT): Hiệu suất khí động học cao, nhưng đòi hỏi cơ cấu xoay hướng gió (yaw system) phức tạp và không gian lớn.
    • Turbine gió trục đứng (VAWT): Hoạt động độc lập với hướng gió, trọng tâm thấp, dễ bố trí cơ cấu máy phát bên dưới. Trong đó, rotor kiểu Savonius (dùng lực đẩy khí động học, mặt cắt hình chữ S) có khả năng tự khởi động ở vận tốc gió thấp ($2 - 3\text{ m/s}$), độ ồn thấp, phù hợp với không gian giới hạn trên mui xe.
  • Cơ sở chuyển đổi điện năng: Máy phát điện nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet Generator - PMG) ba pha không hộp số kết hợp mạch chỉnh lưu cầu và bộ điều chế độ rộng xung (PWM) để nạp ắc quy.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Thu thập và đối chiếu các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế về khí động học ô tô, công nghệ turbine gió cỡ nhỏ.
  • Phương pháp thiết kế và mô phỏng số: Thiết kế mô hình hình học trên phần mềm Autodesk Inventor; tính toán phân tích ứng suất, chuyển vị của cánh turbine và mô phỏng dòng khí trên ANSYS/Matlab.
  • Phương pháp thực nghiệm: Lắp đặt hệ thống cảm biến đo lường tốc độ gió (RS485), tốc độ quay (cảm biến Hall), module thu thập dữ liệu NI USB-6001 và lập trình giao diện giám sát thời gian thực trên LabVIEW.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống thu hồi năng lượng được thiết kế đồng bộ từ kết cấu cơ khí, khí động học đến hệ thống điện tử điều khiển trên nền tảng xe điện 2 chỗ ngồi nguyên mẫu.

1. Kết cấu cơ khí và khí động học

  • Cánh turbine gió Savonius: Được tính toán biên dạng trên phần mềm Inventor và gia công tạo hình bằng công nghệ in 3D với vật liệu nhựa PLA (Polylactic Acid), đảm bảo trọng lượng nhẹ và độ bền chịu lực luồng khí.
  • Khung hóc gió và giá đỡ: Khung giá đỡ được gia công từ thép định hình gắn chắc chắn vào khung nóc xe. Hóc thu gió được thiết kế theo dạng hở tối ưu để định hướng và gom luồng không khí trượt từ nắp capo và kính chắn gió vào trực tiếp buồng turbine.
  • Hiệu chỉnh kính chắn gió: Góc nghiêng của tấm kính chắn gió nguyên bản được tính toán và điều chỉnh lại góc đặt để giảm thiểu vùng xoáy khí cục bộ, hướng dòng khí trượt dọc theo kính lái vào cửa nạp của hóc gió trên mui.

2. Hệ thống phần cứng điện và điều khiển

  • Máy phát điện: Sử dụng máy phát điện xoay chiều 3 pha kích từ bằng nam châm vĩnh cửu (PMG) công suất định mức $50\text{W}$, truyền động trực tiếp không qua hộp số để giảm tổn thất ma sát.
  • Mạch chỉnh lưu: Cầu chỉnh lưu 3 pha mã hiệu SQL50A100V (dòng định mức 50A, điện áp 1000V) chuyển đổi điện áp AC 3 pha từ máy phát sang dòng DC một chiều.
  • Bộ điều khiển sạc: Bộ điều khiển sạc xung PWM mã hiệu VT2048 20A có chức năng tự động điều tiết dòng sạc, bảo vệ chống quá áp và quá sạc cho bình ắc quy.
  • Hệ thống điều khiển góc đón gió: Sử dụng bo mạch vi điều khiển Arduino UNO R3 (lập trình trên nền tảng Arduino IDE / Ubuntu) kết hợp mạch công suất điều khiển động cơ DC L298N để điều chỉnh độ mở của cánh hướng gió tùy thuộc vào vận tốc xe và tốc độ gió tức thời.
  • Hệ thống thu thập dữ liệu (DAQ): Cảm biến đo tốc độ gió dạng cốc chuẩn giao tiếp RS485 và module cảm biến hiệu ứng Hall đo tốc độ vòng quay rotor turbine. Toàn bộ tín hiệu điện áp, dòng điện và tốc độ được truyền về máy tính qua card thu thập dữ liệu NI USB-6001 và xử lý trên giao diện đồ họa LabVIEW.
Hạng mục thiết bị Thông số kỹ thuật / Mã hiệu Vai trò trong hệ thống
Máy phát điện gió PMG $50\text{W}$, kích từ nam châm vĩnh cửu Biến đổi cơ năng quay của turbine thành điện xoay chiều 3 pha
Vật liệu cánh turbine Nhựa PLA in 3D Cánh turbine dạng Savonius chịu lực đẩy khí động
Cầu chỉnh lưu SQL50A100V (50A - 1000V) Chỉnh lưu dòng xoay chiều 3 pha thành dòng một chiều DC
Bộ điều khiển nạp PWM VT2048 20A Ổn định dòng và áp nạp ắc quy
Vi điều khiển Arduino UNO R3 (chíp dán ATmega328P) Điều khiển cơ cấu chấp hành cánh đón gió
Mạch điều khiển động cơ Module cầu H L298N Khuếch đại công suất lái motor góc đón gió
Cảm biến tốc độ gió Cảm biến dạng 3 cốc, giao tiếp RS485 Đo vận tốc dòng khí nạp vào buồng gió
Cảm biến vòng quay Module cảm biến từ Hall Đo tốc độ quay (vòng/phút) của trục turbine
Module thu thập dữ liệu NI USB-6001 Chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số kết nối LabVIEW

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Lý do chọn đề tài, Mục đích, Đối tượng và Phương pháp nghiên cứu

Trình bày tính cấp thiết của việc phát triển nguồn năng lượng tái tạo trên phương tiện giao thông vận tải trong bối cảnh xe điện bùng nổ tại Việt Nam (điển hình là các dòng xe VinFast). Xác định mục tiêu chế tạo hệ thống thu hồi năng lượng gió, xây dựng tiến độ 13 tuần và xác lập tính mới của đề tài trong việc kết hợp khí động học mui xe với thuật toán điều khiển cánh đón gió chủ động.

Chương 2: Tổng quan về năng lượng điện gió

Tổng quan lịch sử phát triển phong điện từ cối xay gió trục đứng Ba Tư cổ đại (500–900 sau CN), cối xay gió Tây Âu thế kỷ 13, cối xay bơm nước ở Mỹ thế kỷ 19, đến máy phát điện gió đầu tiên của Charles F. Brush (1888, đường kính 17m, công suất 12kW, hộp số 50:1) và turbine của Poul La Cour (1891). Đánh giá tiềm năng gió toàn cầu và tại Việt Nam: bờ biển dài 3.260 km, hơn 39% diện tích có tốc độ gió hàng năm $>6\text{ m/s}$ ở độ cao 65m, tiềm năng lý thuyết đạt 513,36 GW (theo dữ liệu Ngân hàng Thế giới World Bank 2001 và khảo sát EVN). Điểm qua các dự án điện gió lớn trong nước như Bạch Long Vĩ (800 kW), Lý Sơn (7 MW), Phương Mai 3 (21 MW) và đề tài nghiên cứu cấp nhà nước hệ thống phát điện gió 20 kW do Đại học Bách khoa Hà Nội thực hiện.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết mô hình turbine gió

Phân tích cấu tạo chuẩn của trạm phong điện gồm Anemometer, cánh quạt, bộ hãm, bộ điều khiển, hộp số, máy phát, cơ cấu góc pitch và tháp đỡ. So sánh chi tiết hai nhánh công nghệ HAWT và VAWT:

  • VAWT kiểu Savonius (do S. Savonius phát minh năm 1922): Hoạt động dựa trên lực đẩy, mặt cắt hình chữ S, mô-men khởi động lớn, làm việc tốt ở dải gió $3 - 40\text{ m/s}$, cấu tạo đơn giản, giá thành thấp.
  • VAWT kiểu Darrieus (do G. Darrieus phát minh năm 1931): Hoạt động dựa trên lực nâng khí động học, cánh cong chữ C hoặc dạng H-rotor/Helical, góc tới tối ưu từ $-20^\circ$ đến $+20^\circ$, không tự khởi động được ở tốc độ thấp nên thường kết hợp với rotor Savonius. Phân tích giới hạn Betz ($C_{p,\max} = 59%$) và các tổn thất chuyển đổi cơ - điện trong máy phát nam châm vĩnh cửu.

Chương 4: Phân tích tính toán thiết kế các bộ phận cơ bản của hệ thống thu hồi năng lượng

Trình bày phương án tích hợp hệ thống lên xe điện 2 chỗ ngồi. Thiết kế chi tiết trên Autodesk Inventor các cụm chi tiết:

  • Cánh turbine biên dạng Savonius tối ưu, kiểm tra phân tích độ bền chịu lực và chuyển vị dưới áp lực gió.
  • Bản thiết kế hóc thu gió hở (tối ưu hóa lưu lượng khí nạp so với bản thiết kế hóc đóng kín).
  • Cụm khung nóc xe và giá đỡ cơ khí.
  • Tính toán góc đặt lại kính chắn gió của xe để hướng luồng khí trượt vào hóc gió mui xe.
  • Chế tạo thực tế cánh turbine bằng phương pháp in 3D nhựa PLA và gia công khung vỏ.

Chương 5: Thực nghiệm mô hình - Kết quả thực nghiệm

Thiết lập sơ đồ nguyên lý mạch điện thu hồi và mạch đo lường. Xây dựng giải thuật điều khiển góc mở cánh đón gió bằng vi điều khiển Arduino Uno R3 và driver L298N. Cấu hình module NI USB-6001 thu thập tín hiệu tốc độ gió và tốc độ turbine đưa vào phần mềm LabVIEW. Tiến hành đo đạc ở các dải vận tốc gió thực nghiệm $2\text{ m/s}$, $3\text{ m/s}$, $4\text{ m/s}$, $5\text{ m/s}$ và khi xe chạy trên đường thực tế. So sánh đường đặc tính công suất thực nghiệm với kết quả mô phỏng trên Matlab.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả thực nghiệm định lượng

  • Hệ thống đã vận hành ổn định trên mô hình xe điện 2 chỗ ngồi thực tế, tự khởi động và phát điện ở dải tốc độ gió thấp từ $2\text{ m/s}$ đến $5\text{ m/s}$.
  • Kết quả đo đạc từ phần mềm LabVIEW và tính toán thực tế chứng minh hệ thống phát ra điện áp ổn định qua chỉnh lưu và bộ sạc PWM để nạp vào hệ thống ắc quy.
  • Khả năng tiết kiệm năng lượng: Việc trang bị hệ thống turbine gió trên xe sau khi tối ưu hóa góc đón gió giúp giảm tải tiêu hao năng lượng từ khối pin chính cung cấp cho các thiết bị phụ tải (bao gồm còi, màn hình taplo, đèn phanh, đèn xi-nhan) với tỷ lệ cải thiện đạt từ 26,46% đến 36,25%.
  • Sự tương thích giữa mô hình tính toán mô phỏng trên Matlab/ANSYS và kết quả đo đạc thực nghiệm trên LabVIEW khẳng định tính đúng đắn của phương pháp thiết kế khí động học hóc thu gió.

2. Đóng góp khoa học và thực tiễn của đề tài

  • Chế tạo thành công mô hình phần cứng thu hồi năng lượng gió hoàn chỉnh, tích hợp gọn gàng trên kết cấu nóc xe điện mà không phá vỡ tính ổn định khi di chuyển.
  • Đề xuất giải pháp kết hợp giữa hóc thu gió cưỡng bức, hiệu chỉnh góc nghiêng kính chắn gió và thuật toán điều khiển cánh đón gió chủ động theo tốc độ xe.
  • Đóng góp tài liệu tham khảo kỹ thuật và mô hình học cụ trực quan phục vụ nghiên cứu, đào tạo chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô về các giải pháp năng lượng tái tạo trên xe điện.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:

    • Cánh turbine gió chế tạo bằng vật liệu in 3D (nhựa PLA) chỉ phù hợp cho quy mô thử nghiệm thực nghiệm tải nhỏ; độ bền nhiệt và độ bền mỏi cơ học khi vận hành lâu dài ở tốc độ cao chưa được kiểm chứng toàn diện.
    • Công suất máy phát điện thử nghiệm còn ở mức nhỏ ($50\text{W}$), dòng sạc mới chỉ đáp ứng cho hệ thống ắc quy phụ tải (12V) và sạc thiết bị di động, chưa nạp trực tiếp được vào khối pin động lực điện áp cao của xe.
    • Chưa đánh giá định lượng chi tiết hệ số cản không khí bổ sung ($C_d$) của toàn xe khi lắp thêm cụm hóc gió ở dải tốc độ cao ($>50\text{ km/h}$).

  • Hướng nghiên cứu tiếp:

    • Tối ưu hóa vật liệu chế tạo cánh sang vật liệu composite sợi carbon hoặc sợi thủy tinh để tăng độ bền cơ học và giảm trọng lượng.
    • Nâng cấp công suất máy phát điện PMG và tích hợp mạch chuyển đổi Boost/Buck-Boost công suất lớn nhằm hỗ trợ sạc vào bộ pin động lực chính.
    • Tối ưu hóa thuật toán điều khiển góc đón gió bằng trí tuệ nhân tạo hoặc bộ điều khiển mờ (Fuzzy Logic) dựa trên nhiều thông số đầu vào đồng thời (vận tốc xe, hướng gió, tải tiêu thụ).

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho:

  • Sinh viên và học viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ điện tử, Năng lượng tái tạo: Tham khảo phương pháp thiết kế kết cấu cơ khí 3D trên Inventor, quy trình in 3D chế tạo turbine gió Savonius và kỹ thuật điều chỉnh khí động học ô tô.
  • Kỹ sư nghiên cứu hệ thống điện - điện tử trên ô tô: Tham khảo sơ đồ mạch điều khiển thu thập dữ liệu (DAQ) sử dụng Arduino UNO R3, module NI USB-6001 và phương pháp lập trình giao diện giám sát thời gian thực trên LabVIEW.
  • Các nhóm nghiên cứu về ô tô điện và xe năng lượng sạch: Cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm về tỷ lệ thu hồi năng lượng phụ tải ($26,46% - 36,25%$) để phát triển các đề tài mở rộng về tối ưu hóa năng lượng trên phương tiện tự hành.

Câu hỏi thường gặp

1. Khóa luận sử dụng loại turbine gió nào và tại sao lại chọn loại turbine này để lắp trên ô tô điện?
Khóa luận lựa chọn turbine gió trục đứng (VAWT) kiểu Savonius. Loại turbine này hoạt động theo nguyên lý lực đẩy khí động học, có ưu điểm tự khởi động ở tốc độ gió thấp ($2 - 3\text{ m/s}$), phát ra tiếng ồn nhỏ, không phụ thuộc vào góc đổi hướng của gió và có kết cấu gọn gàng, dễ dàng bố trí nằm ngang trong hóc thu gió trên mui xe.

2. Cánh turbine và hệ thống hóc gió được thiết kế, chế tạo bằng công nghệ nào?
Cánh turbine được thiết kế biên dạng 3D trên phần mềm Autodesk Inventor, phân tích chuyển vị và sức bền, sau đó được gia công tạo hình thực tế bằng công nghệ in 3D với vật liệu nhựa PLA. Hóc thu gió được gia công từ thép định hình, thiết kế dạng hở để đón dòng khí trượt từ kính chắn gió vào buồng turbine.

3. Phần cứng và phần mềm nào được sử dụng để điều khiển và thu thập dữ liệu thực nghiệm?
Hệ thống điều khiển góc đón gió sử dụng bo mạch vi điều khiển Arduino UNO R3 kết hợp mạch cầu H L298N. Hệ thống thu thập dữ liệu thực nghiệm sử dụng cảm biến gió RS485, cảm biến tốc độ Hall, module chuyển đổi tín hiệu NI USB-6001 và phần mềm đồ họa LabVIEW trên máy tính kết hợp tính toán đối chiếu trên Matlab.

4. Hệ thống thu hồi năng lượng này đem lại hiệu quả cụ thể ra sao đối với mức tiêu hao điện của xe?
Kết quả tính toán tối ưu và thử nghiệm cho thấy hệ thống giúp giảm từ $26,46%$ đến $36,25%$ lượng điện năng tiêu hao từ nguồn pin chính dùng để cấp cho các thiết bị phụ tải trên xe như còi, màn hình taplo, đèn phanh và đèn xi-nhan.

5. Giới hạn Betz về hiệu suất turbine gió được văn bản giải thích như thế nào?
Theo định luật Betz, hiệu suất chuyển đổi năng lượng động học của dòng không khí qua turbine đạt cực đại lý thuyết là $59%$. Tuy nhiên trong điều kiện vận hành thực tế, do ma sát cánh quạt, lực cản và tổn thất tại máy phát/chỉnh lưu, hiệu suất thực tế chỉ đạt khoảng $75%$ của giới hạn Betz, tương đương mức $35% - 45%$.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Hoài Ân và Tiêu Hải Giàu đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu thiết kế, chế tạo và thử nghiệm hệ thống thu hồi năng lượng sử dụng turbine gió Savonius trên ô tô điện 2 chỗ ngồi. Bằng việc kết hợp hóc đón gió mui xe, hiệu chỉnh góc nghiêng kính chắn gió và mạch điều khiển Arduino - LabVIEW, hệ thống đã chứng minh tính khả thi khi giảm $26,46% - 36,25%$ điện năng tiêu thụ cho các phụ tải trên xe. Đề tài cung cấp mô hình thực nghiệm và cơ sở dữ liệu quan trọng cho các nghiên cứu ứng dụng năng lượng tái tạo trong ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô.