Tuabin gió Darrieus làm từ Bút chì và Bộ phận in 3D

Thông qua liên kết sau, bạn sẽ có quyền truy cập vào Cửa hàng của tôi trên Amazon, nơi bạn có thể tìm thấy danh sách mua sắm cho từng dự án và các đề xuất sản phẩm khác.

https://www.amazon.com/shop/adriancubas

Là một Đối tác của Amazon, tôi kiếm được hoa hồng từ các giao dịch mua đủ điều kiện "#HoaHồngKiếmĐược"

Tuabin gió có thể được chia thành hai nhóm chính theo định hướng của trục quay: Tuabin gió Trục ngang (HAWT) và Tuabin gió Trục dọc (VAWT). Tuabin gió cũng có thể được phân loại theo nguyên tắc hoạt động: công nghệ Dẫn động bằng Lực nâng (Lift-Driven) và Dẫn động bằng Lực cản (Drag-Driven). Mặc dù, HAWT hiện nay đang phổ biến rộng rãi trên toàn thế giới vì hiệu suất và đặc tính vượt trội của chúng, VAWT vẫn được thiết kế và chế tạo như các giải pháp thương mại hoặc DIY ở nhiều quốc gia. Hiệu suất Khí động học (Hệ số Công suất) của Tuabin gió Dẫn động bằng Lực cản như VAWT (Savonius) thấp, với các giá trị từ (10-15%) so với các giá trị điển hình của máy Dẫn động bằng Lực đẩy (30-50%).

Năm 1931, Georges J.M. Darrieus, một kỹ sư hàng không người Pháp, đã cấp bằng sáng chế cho một loại cối xay gió mới được thiết kế để tạo ra điện. Tuabin gió Darrieus là một loại VAWT và Dẫn động bằng Lực nâng, có hai hoặc nhiều cánh khí động học. Rôto của Tuabin gió Darrieus có thể đạt được Hiệu suất Khí động học tương đối cao, khoảng 40%. Tuabin gió Darrieus ban đầu có cánh cong với mặt cắt ngang dạng khí động học đối xứng, giống như một cái máy đánh trứng.

Các đặc điểm chính của Tuabin gió loại Darrieus là: thiết bị tương đối đơn giản, hệ số công suất chỉ thấp hơn một chút so với HAWT Dẫn động bằng Lực nâng, máy phát điện và hộp số có thể được lắp đặt ở tầng trệt; không cần hệ thống định hướng vì rôto hoạt động bất kể hướng gió. Những nhược điểm của các tuabin gió này là: mô-men xoắn khởi động thấp và rung động của cấu trúc trong quá trình rôto hoạt động.

Nhu cầu ngày càng tăng về việc tạo ra điện phi tập trung ở các khu vực nông thôn và thành thị đang thúc đẩy nghiên cứu về loại tuabin gió quy mô nhỏ này.

Để thiết kế Tuabin gió nhỏ này, việc sử dụng các bộ phận in 3D, được lắp ráp với nhau bằng bút chì, đã được xem xét. Chắc hẳn bạn đang tự hỏi: tại sao tôi lại chọn bút chì? Một trong những lý do là chúng rất dễ kiếm trên toàn thế giới, đặc biệt là ở các trường học. Một lý do khác tôi nghĩ đến việc sử dụng bút chì là do đặc tính khối lượng tương đối thấp và độ bền tốt vì chúng thẳng và ít bị biến dạng khi chịu lực trong máy phát được đề xuất. Sử dụng bút chì để kết nối cũng tiết kiệm rất nhiều thời gian in 3D, vốn thường tốn thời gian cho các loại lắp ráp này. Vì bút chì có kích thước tiêu chuẩn sẽ vừa với các bộ phận đã được thiết kế, sau khi tải xuống các tệp STL và in chúng. Cuối cùng, chúng có kích thước nhỏ nên dễ thao tác, cho phép học sinh phát huy sự sáng tạo của mình ở lớp hoặc ở nhà.

Ưu điểm của việc sử dụng máy in 3D có thể rõ ràng. Các bản sao gần như giống hệt nhau của tất cả các bộ phận được thiết kế, khả năng sử dụng nhiều loại sợi nhựa nhiệt dẻo có sẵn trên thị trường và mang lại vẻ ngoài và đặc tính độc đáo là một số trong số đó. Cơ hội tuyệt vời để tương tác với các loại công nghệ này và hiểu những ưu điểm và nhược điểm của chúng cũng là những cơ hội bạn có thể khai thác trong lớp học của mình với các em học sinh để mở rộng kiến thức của các em.

Sau khi phân tích các biến thể có thể có của máy phát Darrieus, tôi đã quyết định thiết kế một máy có 3 cánh khí động học loại NACA 0018. Bạn có thể tìm thấy thông tin kỹ thuật về NACA 0018 và các loại khác tại các liên kết sau:

https://www.pdas.com/refs/tm4741.pdf

https://lin-web.clarkson.edu/~pmarzocc/AE429/The%20NACA%20airfoil%20series.pdf

http://airfoiltools.com/airfoil/naca4digit?MNaca4DigitForm%5bcamber%5d=0&MNaca4DigitForm%5bposition%5d=0&MNaca4DigitForm%5bthick%5d=18&MNaca4DigitForm%5bnumPoints%5d=20&MNaca4DigitForm%5bcosSpace%5d=0&MNaca4DigitForm%5bcosSpace%5d=1&MNaca4DigitForm%5bcloseTe%5d=0&yt0=Plot

Tôi tin rằng việc phân tích các profin NACA này, từ góc độ toán học, mang đến một cơ hội tuyệt vời để xử lý các phương trình của nhiều biến, cũng như việc xây dựng hình học của các profin này. Tầm quan trọng lịch sử bắt nguồn từ việc ứng dụng kiến thức này trong Khoa học và Công nghiệp cũng là một điều rất thú vị.

Việc cố định các cánh khí động học trên thiết kế này là từ trọng tâm của chúng, nơi có một phần nhô ra để cố định bằng bút chì. Để tăng cường độ ổn định cho hệ thống, mỗi cánh khí động học sẽ cách nhau 120 độ.

Một động cơ DC nhỏ đã được sử dụng làm máy phát điện. Các động cơ này hoạt động ở tốc độ vòng quay tương đối cao và nếu chúng được sử dụng làm máy phát điện, chúng sẽ phải quay nhanh nếu bạn mong đợi thu được điện áp hữu ích từ chúng. Để thúc đẩy điều này, hai bánh răng có tỷ lệ nhân 1: 4,5 đã được tính toán.

Một trong những đặc điểm nổi bật của máy phát ba cánh khí động học Darrieus là chúng thường hoạt động ở tốc độ vòng quay cao, ngay cả với tốc độ tiếp tuyến gấp 2-5 lần tốc độ gió cho phép chúng quay, do đó cải thiện hiệu quả của hệ thống. Chính xác thì một trong những thí nghiệm được đề xuất liên quan đến việc so sánh tốc độ tiếp tuyến của máy phát Darrieus này (Dẫn động bằng Lực nâng) với một máy thuộc loại Dẫn động bằng Lực cản.

Vì mục tiêu chính của Máy phát Darrieus này là cung cấp một môi trường học tập để thực nghiệm, nên việc sử dụng quạt gia dụng thông thường đã được xem xét do tính sẵn có và trọng lượng nhẹ của nó. Chức năng của nó là cung cấp gió cần thiết cho dự án này hoạt động. Gió do loại quạt này tạo ra khá hỗn loạn. Các bộ phận bảo vệ cánh quạt đã được tháo ra trong các thí nghiệm để cải thiện chỉ số nhiễu loạn. Cần cẩn thận với các cánh quạt đang quay này để chúng không gây hại cho người hoặc môi trường. Lý tưởng nhất là không có vật thể nào ở gần máy phát được đề xuất để tránh nhiễu loạn.

Tôi cho rằng việc đề cập đến chủ đề này trong lớp học là rất kịp thời và nó tạo cơ hội tuyệt vời để thảo luận về các chủ đề liên quan đến các môn học STEM.

Lưu ý: Theo ý kiến ​​khiêm tốn của tôi và trong quá trình nghiên cứu về chủ đề này, tôi không thể tìm thấy một máy phát Darrieus dạng module, dễ dàng sao chép và in 3D để phù hợp với các dự án trường học và thực nghiệm tại nhà. Đó là lý do tại sao tôi đề xuất dự án này để những người khác có thể hưởng lợi từ những ý tưởng này.

Vật tư

• Máy in 3D
• Sợi in: PLA, PETG, ABS hoặc tương tự
• Vòng bi
• Bảy cây bút chì, ưu tiên loại sáu cạnh
• Súng bắn keo silicon nóng
• Động cơ DC nhỏ với chổi than và nam châm vĩnh cửu (đường kính khoảng 35mm)
• Dây điện
• Mỏ hàn và thiếc hàn điện tử
• Một vít M4 với đai ốc tương ứng (dài khoảng 15mm)
• Hai vít phù hợp để cố định động cơ DC vào giá đỡ của nó (tùy thuộc vào loại được chọn)
• Keo siêu tốc

Bước 1: In các bộ phận đã thiết kế bằng máy in 3D

Để in các bộ phận, một máy in FDM (Mô hình lắng đọng Lò nóng chảy) đã được sử dụng, cụ thể là Longer Lk5 Pro. Bất kỳ máy in nào khác đều có thể hoạt động hoàn hảo vì chúng không phải là các bộ phận phức tạp để in. Việc sử dụng máy in SLA (Thiết bị Lập thể) cũng không bị loại trừ.

CURA 4.10.0 đã được sử dụng làm phần mềm Slicer. Các thông số mà tôi đã in các bộ phận trong trường hợp của tôi là: hồ sơ chất lượng thấp với chiều cao lớp 0.28mm, độ lấp đầy hình khối 10% và hỗ trợ cho các bộ phận và đế bám Raft đã được sử dụng (xem hình trên để biết thêm chi tiết).

Vật liệu được sử dụng để in là (PLA) màu Xám. Các bộ phận đã được in trong nhiều phiên vào ban đêm. Các bộ phận mất nhiều thời gian nhất là các cánh khí động học NACA 0018, mỗi cánh mất khoảng 8 giờ. Các bộ phận khác mất ít thời gian hơn nhiều.

Bước 2: Dán các Đầu Chân vào Bút chì

Bước này rất đơn giản, bạn chỉ cần đặt một ít keo silicon nóng vào bên trong các lỗ và cắm bút chì vào. Đảm bảo keo đủ nóng để có mối nối chắc chắn giữa các bộ phận.

Bước 3: Lắp Vòng bi vào Hốc của chúng và Dán Chân vào Giá đỡ Vòng bi

Để lắp vòng bi vào hốc của chúng, chỉ cần ấn chúng bằng tay, nếu cần, gõ nhẹ chúng bằng búa nhựa cho đến khi chúng được lắp đúng cách. Chúng nên khít, tuy nhiên nếu bạn thấy cần thiết phải sử dụng keo siêu tốc để cố định chúng vào hốc thì có thể sử dụng. Hãy hết sức cẩn thận để keo không lọt vào bên trong và làm kẹt chúng.

Khi bạn đã làm điều này, hãy dán các chân bằng silicon nóng, đảm bảo chúng đặt đúng trên bề mặt phẳng.

Bước 4: Cố định Động cơ DC nhỏ vào Giá đỡ của nó

Lắp một vít M4 dài 15mm và đai ốc vuông tương ứng vào vị trí trên giá đỡ động cơ DC và không siết quá chặt. Gắn hai vòng đệm trượt vào động cơ DC bằng vít tương ứng và cũng không siết quá chặt. Các vòng đệm phải thẳng hàng như trong hình. Đặt động cơ vào vị trí và xoay mỗi vòng đệm 90 độ. Động cơ phải chạy trong rãnh, nhưng không được lỏng ra. Nếu động cơ của bạn không có dây hàn sẵn vào các cực, bạn có thể thực hiện ngay bây giờ. Các dây này là những dây bạn sẽ sử dụng sau này để đo lường và thử nghiệm. Cuối cùng, lắp toàn bộ cụm vào vị trí trên Giá đỡ Trung tâm.

Bước 5: Dán Bút chì vào Giá đỡ trên và Cố định Cánh khí động học NACA 0018

Giá đỡ trên có 4 hốc để lắp 4 cây bút chì. Để làm điều này, bạn phải đặt keo silicon nóng vào bên trong các lỗ và cắm bút chì vào. Cây bút chì ở giữa phải là loại sáu cạnh! Cũng dán các cánh khí động học vào đầu các cây bút chì ngang. Đảm bảo mặt trên và mặt dưới của cánh khí động học nằm trên cùng một mặt phẳng tương ứng. Đảm bảo keo đủ nóng để có mối nối chắc chắn.

Bước 6: Lắp Bánh răng 45 răng và Vòng đệm của nó

Lắp bánh răng trước rồi đến vòng đệm. Chúng được thiết kế để vừa khít với phần thân sáu cạnh của bút chì. Đừng dán chúng vội! Nên bôi một ít chất bôi trơn cho nhựa giữa các bánh răng.

Bước 7: Gắn Giá đỡ trên vào Giá đỡ Trung tâm và Hoàn thiện các Chi tiết Cuối cùng.

Để làm điều này, hãy luồn cây bút chì trung tâm qua cả hai vòng bi. Sau đó, lắp vòng đệm dưới và dán nó bằng phẳng với đầu bút chì. Điều chỉnh vòng đệm trên và bánh răng trên sao cho không có độ rơ dọc quá mức. Lắp bánh răng 10 răng vào trục động cơ DC, tôi khuyên bạn nên dùng một lượng rất nhỏ keo siêu tốc để dán nó. Điều chỉnh hai bánh răng sao cho chúng có thể quay tự do bằng cách di chuyển cụm động cơ DC về phía trước hoặc phía lui. Khi bạn đã tìm thấy vị trí chính xác, hãy siết chặt các vít trên vòng đệm trượt để cố định chúng vào vị trí. Rất tiện lợi khi sử dụng một loại chất bôi trơn nhựa nào đó giữa hai bánh răng.

Ở bước này, bạn đã hoàn thành việc chế tạo Tuabin gió Darrieus của mình. Nên cố định các chân bằng băng dính hai mặt vào đế như trong hình.