Tài liệu Thiết kế thanh giảm tốc thu hồi năng lượng (2)

-1THIẾT KẾ THANH GIẢM TỐC THU HỒI NĂNG LƯỢNG Lê Phương Trường , Hoàng Quốc Hưng Trường Đại Học Lạc Hồng, [email protected] Tóm Tắt Bài báo trình bày một hệ thống thu hồi năng lượng lợi dụng công vô ích sinh ra do xe lưu thông trên đường. Hệ thống là một thiết kế hoàn toàn bằng cơ khí nên không có sử dụng năng lượng, khi có một lực tác động lên hệ thống thì sẽ làm quay máy phát và sinh ra điện. Lưu lượng xe ổn định và nhiều thì hệ thống sẽ sạc đầy bình ắc qui 2Ah trong vòng 10h, còn nếu lưu lượng xe thấp, không ổn định thì sau 14h thì ắc qui sẽ được sạc đầy. 1.Giới thiệu Ngày nay khi nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt đòi hỏi con người cần phải nỗ lực nghiên cứu nguồn năng lượng thay thế nguồn năng lượng đang dần cạn kiệt này. Việc nghiên cứu và tìm ra những hệ thống thu hồi năng lượng có hiệu quả nhất nhằm phụ c vụ sản xuất và đời sống chính là mục tiêu cố gắng không ngừng của mỗi quốc gia. Hai sinh viên người Trung Quốc, Longhan Xie và Ruxu Du [6] đã nghiên cứu và chế tạo thành công hệ thống thu hồi năng lượng thông qua lực bước chân. Hình 1. Hệ thống này sinh ra điện nhờ lực tác động của bước chân khi di chuyển. Hình 1 Hệ thống thu hồi năng lượng qua lực bước chân Hình 2 Hệ thống thu hồi năng lượng qua quá trình đi bộ Ông M.Donelan người Anh và cộng sự của ông ta đã nghiên cứu và chế tạo thành công hệ thống có khả năng thu hồi năng lượng thông qua quá trình đi bộ [7] Hệ thống này lợi dụng sự co duỗi của đôi chân để làm quay máy phát điện. Hình 2. Nhận thấy Việt Nam là một nước có mật độ lưu thông cao, xe chạy trên đường đã sinh ra một công vô ích, xuất phát từ ý tưởng trên thì giải pháp “ Thiết kế thanh giảm tốc thu hồi năng lượng trên đường giao thông ” đã ra đời và sẽ góp phần tạo nên một nguồn năng lượng mới để phục vụ cho con người. Hiện nay thì Việt Nam vẫn chưa thiết kế và chế tạo thành công một hệ thống thu hồi năng lượng trên đường giao thông, mục đích của đề tài là thiết kế chế tạo thành công thanh giảm tốc được lắp đặt trên đường có khả năng thu hồi được nguồn năng lượng sinh ra từ các phương tiện giao thông thành điện năng phục vụ cho thắp sáng đèn đường, các tín hiệu giao thông, thắp sáng biển báo.... Thiết kế, chế tạo thanh giảm tốc thu hồi năng lượng trên đường giao thông, hoạt động ổn định,với các tiêu chí sau: -2- Đảm bảo an toàn cho người tham gia giao thông Không làm ảnh hưởng và cản trở tới phương tiện giao thông Chi phí rẻ Hệ thống phải hoạt động có hiệu quả Lắp đặt đơn giản và có tính áp dụng cao 2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống Xây dựng mô hình hệ thống Hình 3 Cấu tạo của hệ thống Trong đó: (1): Bề mặt thanh giảm tốc (2): Bộ phận truyền lực của hệ thống (3): Bộ phận tăng tốc. (4): Bộ truyền líp xe đạp (5): Bánh đà (6): Máy phát điện Nguyên lý hoạt động: Khi xe chạy ngang qua bề mặt thanh giảm tốc (1) sẽ có lực tác động theo phương thẳng đứng làm bộ phận truyền lực (2) tác động làm hệ thống họat động. Qua bộ phận tăng tốc (3) và líp xe (4) làm cho máy phát điện (6) quay và sinh ra điện năng nạp vào ắc quy. Bánh đà (5) có tác dụng tăng sức quán tính cho máy phát, giúp tăng số vòng quay cũng như giúp ổn định vận tốc quay của máy phát.Sau khi hết lực tác động, lò xo trong bộ phận truyền (2) có tác dụng làm hệ thống trở về vị trí ban đầu. 350 100 Ở trên mặt đất 300 Ở dưới mặt đất 550 Hình 4 Kích thước của hệ thống -33. Thiết kế hệ thống 3.1 Thiết kế bề mặt thanh giảm tốc Bề mặt thanh giảm tốc được chế tạo từ thép tấm dày 5mm để không bị biến dạng khi xe chạy ngang qua tác động. Hình 5 Chiều cao tính từ mặt đất đến đầu thanh giảm tốc là 100mm đạt tiêu chuẩn về chiều cao an toàn của thanh giảm tốc ở Việt Nam [4] 350 300 100 350 Hình 5 Kích thước thanh giảm tốc 3.2 Thiết kế bộ phận truyền lực Để truyền lực theo phương thẳng đứng có hiệu quả tốt,cũng như thời gian tác động nhanh thì phương án ở đây sẽ sử dụng bánh răng nghiêng. Hình 6. Bánh răng được chế tạo từ thép tôi cải thiện ( tôi rồi ram ở nhiệt độ cao), thép thường hóa hoặc thép đúc để chế tạo bánh răng [2] 40 230 20 Hình 6 Kích thước bánh răng Hình 7 Kích thước thanh kim loại -4- Thanh kim loại cũng được chế tạo từ thép tôi cải thiện. Chiều dài thanh thép là 230mm, rộng 20mm, dày 15mm, phần răng ăn khớp dài 40mm. Hình 7. 3.3 Lựa chọn máy phát điện Máy phát điện sẽ được chế tạo với các yêu cầu sau: + Kích thước nhỏ gọn + Giá thành tương đối rẻ + Hiệu suất cao + Phổ biến, dễ làm Sử dụng mâm lửa và vô lăng giúp cho kích thước của hệ thống nhỏ gọn, giúp cho việc lắp đặt tương đối dễ dàng hơn. Nguyên lý hoạt động là khi vô lăng quay, bên trong là mâm lửa với tốc độ từ 3,5vòng /giây sẽ sinh ra dòng điện từ 180 – 200 mA để sạc cho acquy. Hình 8 Mâm lửa xe máy Hình 9 Vô lăng xe máy 3.4 Tính toán và thiết kế bộ phận tăng tốc [3] Để máy phát quay với tốc độ >3,5vòng/giây thì nhóm đã thiết kế bộ phận tăng tốc với một cặp bánh răng và bộ truyền xích (líp xe đạp) với tỷ số truyền của cả hệ là 10,5 lần. Công thức tính tỷ số truyền: (1) Trong đó: u : Tỷ số truyền : Số vòng quay của trục bị động : Số vòng quay của trục chủ động : Số răng của bánh răng chủ động : Số răng của bánh răng bị động Nếu trong hệ thống có nhiều tỷ số truyền thành phần thì tỷ số truyền chung của hệ thống được tính bằng công thức: (2) -5- Hình 10 Bánh răng Hình 11 Bộ truyền xích 3.4 Tính toán và thiết kế bánh đà Để tốc độ quay của máy phát điện nhanh hơn, ổn định hơn, nhóm thiết kế đã sử dụng thêm bánh đà nặng 4kg. Ngoài tác dụng trên bánh đà còn có tác dụng tích trữ và giải phóng năng lượng. Công thức tính moment quán tính của bánh đà [5]: (3) Hình 12 Kích thước bánh đà Qua 2 lần tác động thì máy phát điện sẽ quay với tốc độ 4 vòng/giây duy trì trong 5s. 4. Kết quả thực nghiệm Để thử nghiệm hệ thống, Nhóm sử dụng lọai acquy 12V-2Ah. Khi xe chạy ngang qua bề mặt thanh giảm tốc với tốc độ trung bình từ 20-40km/h sẽ tác động lên bề mặt thanh 2 lần. Sau 2 lần tác động ứng với một xe thì hệ thống sẽ sinh ra dòng và áp sạc cho acquy duy trì trong 5s. Với dòng điện đo được khi hệ thống đạt tốc độ là > 3,5 vòng/giây là 200mA. Hình 13 và 14 mA V 220 210 16 200 15 14 180 0 1 2 3 4 5 6 Hình 13 Biểu đồ đo dòng điện t(s) 0 1 2 3 4 5 6 t(s) Hình 14 Biểu đồ đo điện áp -6Vậy để sạc cho acquy 12V-2Ah thì phải sau 10h xe chạy liên tục thì đầy bình. Hình 15 Hình ảnh thực tế của hệ thống Bảng 1 Kết quả thực nghiệm Thời gian nạp đầy Dòng / Áp Chú thích 10 > 200mA/ 16V Lưu lượng xe ổn định 14 180 – 200mA/14-16v Lưu lượng xe không ắc quy (h) ổn định Qua bảng thống kê trên, có thể thấy được để hệ thống sạc đầy bình acquy 12V- 2Ah thì cần thời gian là 10h nếu lưu lượng xe ổn định hoặc cần 14h nếu lưu lượng xe không ổn định. Thanh giảm tốc có thể được lắp đặt (như hình 14) hầu hết tại các con đường cần gờ giảm tốc để hạn chế tốc độ xe hoặc các đoạn đường trong khu dân cư, khu công nghiệp… Hình 16 Thanh giảm tốc khi được lắp đặt -75. Kết luận Hệ thống có thể nạp đầy bình ắc quy 12V-2Ah trong vòng 10h nếu lưu lượng xe đông và ổn định hoặc trong vòng 14h nếu lưu lượng xe thấp và không ổn định. Lần đầu tiên chế tạo thành công hệ thống thanh giảm tốc thu hồi năng lượng và đã đáp ứng được yêu cầu đề ra. Như vậy, hệ thống đã được đáp ứng hầu hết các yêu cầu được đặt ra là: + Đảm bảo an toàn cho người tham gia giao thông + Không làm ảnh hưởng và cản trở tới phương tiện giao thông + Chi phí rẻ + Hệ thống hoạt động hiệu quả + Lắp đặt đơn giản và có tính áp dụng cao. Hệ thống được coi là ý tưởng mới trong lĩnh vực tái tạo và thu hồi năng lượng. Tài liệu tham khảo và chú thích [1] Phạm Hùng Thắng, Giáo trình hướng dẫn thiết kế đồ án môn học chi tiết máy, NXB Nông nghiệp TP.HCM. 1995 [2] Nguyễn Hữu Lộc , Giáo trình Cơ sở thiết kế máy, NXB Đại Học Bách Khoa TP.HCM [3] Trịnh Chất – Lê Văn Uyển, Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, NXB Giáo Dục. [4] “ Vạch tín hiệu giao thông trên đường” trong 22TCN 237-01 Điều lệ báo hiệu giao thông đường bộ. [5] Bộ môn nguyên lý- Chi tiết máy, Giáo trình Nguyên lý máy, NXB Đại Học Bách Khoa TP.HCM [6] Longhan Xie1 and Ruxu Du2 “ Develop a Model for Harvesting Energy from Human Foot Strike”, Computer-Aided Design & Applications, 7(2), 2010, 195-202 [7] J. M. Donelan “ Generating Electricity During Walking with Minimal User Effort ”, Science Vol 319, 2008, 807-809