MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ VÀ NGUYÊN LÝ VẬN HÀNH
Nếu bạn còn mơ hồ về cách làm máy phát điện gió và muốn tự mình làm một chiếc máy phát điện gió thì bài viết này dành cho bạn. Mục đích của tôi là giúp các bạn có thể tự làm được một chiếc máy phát điện gió một cách dễ dàng nhất. Những khái niệm cơ bản nhất sẽ được giới thiệu ở đây. Bạn cũng có thể tham khảo hàng tá nguồn tài liệu ngoài kia. Tôi hy vọng bài viết này sẽ giúp bạn đi đúng hướng để làm một chiếc máy phát điện gió. Xuyên suốt bài viết sẽ hướng dẫn các bạn hiểu từng bước những khái niệm về chiếc máy phát điện gió tự chế.
Nam châm:
Đầu tiên phải kể đến nam châm. Nam châm đất hiếm là yếu tố quan trọng cho một chiếc máy phát điện gió. Loại nam châm này trước đây chủ yếu phục vụ để làm bộ lưu trữ dữ liệu có trong các ổ đĩa máy tính. Nhưng ngày nay nó được áp dụng phổ biến và rộng rãi ở nhiều lĩnh vực công nghệ. Có đủ mọi kích thước nên việc làm chiếc máy phát điện gió càng dễ dàng hơn. Dưới đây là hình của nam châm đất hiếm.
Từ trường là thuật ngữ kỹ thuật dùng để chỉ đường sức từ chạy qua trong nam châm. Từ trường được đo bằng Tesla hay gauss. Ở đây ta định nghĩa B là lực từ giống như F là lực kéo hay W là trọng lượng vậy. Khi ta để khoảng cách hai viên nam châm càng gần nhau thì lực hút của chúng càng mạnh. Nam châm luôn có 2 cực đó là cực bắc và cực nam. Loại nam châm mà chúng ta sử dụng ở đây cần phải có bản mặt rộng nhất có thể như vậy sẽ thu được công suất tối đa nhất. Một số loại nam châm có kích thước dài với các cực nằm trên bề mặt nhẵn. Nhưng máy phát điện gió cần bản nam châm rộng vừa đủ và vừa nhẹ mới có hiệu quả. Khi sản xuất nam châm người ta làm nguội các cực từ bằng kim loại để giữ lực từ vì nếu viên nam châm nóng thì lực từ sẽ bị giảm.
Từ trường
Dưới đây là một số hình ảnh giúp chúng ta hiểu biết thêm về cách hoạt động của nam châm. Khi đặt viên nam châm gần các mạt sắt chúng ta có thể thấy những đường sức từ chạy theo chiều của nam châm như hình bên dưới
Lực từ đi qua vật gần nam châm Lực từ đi qua vật tiếp xúc với nam châm
Khi đĩa nam châm tiếp xúc với các viên nam châm thì đường sức từ tập trung rất nhiều ở các mặt đĩa và nếu đĩa có độ dày tới một mức nhất định thì sẽ có ít đường sức từ chạy ra khỏi khu vực của nó. Nếu đường sức từ đi xuyên qua các viên nam châm thì lực từ không thay đổi nhiều.
Nói chung việc bạn giữ nam châm trên bề mặt của chiếc đĩa sắt cũng giống như giữ trái bóng trên mặt đất vậy. Trái bóng rơi do lực hút của Trái Đất và sẽ giữ lại phần năng lượng nhỏ hơn. Tương tự với tấm sắt một khi nó được tiếp xúc với nam châm thì năng lượng của nó sẽ mất đi nghĩa vụ là lực từ tăng lên.
Đó là cách hoạt động của lực từ của nam châm. Hình ảnh dưới đây cho thấy các viên nam châm được đặt sát nhau. Nếu cùng cực thì đường sức từ sẽ nghịch nhau. Chúng sẽ đẩy nhau, nhưng nếu trái cực thì chúng sẽ hút nhau và càng đặt nam châm gần nhau thì chúng sẽ hút mạnh hơn .
Tập trung lực từ của nam châm
Lực từ của nam châm sẽ giúp chúng ta rất lớn trong việc làm máy phát điện gió. Bằng việc đặt các cực của nam châm đối nhau cộng với việc thu lực từ mà các đĩa giữ lại của các cực còn lại chúng ta hướng được lực từ tối đa về phía trước mặt đĩa khi hai đĩa nam châm áp vào nhau.
Hình sau là khi hai đĩa được áp sát nhau
Cách bố trí như hình trên chỉ dành cho máy có công suất nhỏ với loại máy có công suất lớn hơn thì thường được dùng loại nam châm hình chữ nhật loại kích thước lớn và cuộn dây cũng sẽ dễ bố trí hơn. Việc sử dụng đĩa sắt hoặc thép để gắn nam châm là rất quan trọng vì chúng có tác dụng tạo từ trường mạnh hơn. Nam châm được bố trí theo các cực bắc - nam - bắc - nam xung quanh mặt đĩa rotor. Các cực đối nhau và nằm cạnh nhau, nếu bạn vẽ ra thì đường sức từ sẽ đi từ mặt này của nam châm sang mặt khác của nam châm bên cạnh xuyên qua dĩa sắt rotor, và các cuộn dây đồng sẽ cắt qua các đường sức từ đó sinh ra dòng điện.
Đường đi của đường sức từ sẽ giống như hình bên trên, lực từ được xác định nằm ở khoảng giữa 2 mặt đĩa nam châm, chiều của đường sức từ trong khoảng 2 đĩa rotor sẽ xoay ngược và xuôi nhau còn bên ngoài thì yếu hơn vì các mặt đĩa đã thu lại và chuyển hướng ngược vào bên trong rồi.
Tạo dòng điện
Bây giờ chúng ta sẽ đi vào vấn đề cuộn dây, bản thân cuộn dây tự nó chẳng là gì nếu như nó đứng yên dù trong từ trường nam châm. Tuy nhiên nếu nó được nằm trong vùng từ trường thay đổi thì điều kỳ diệu sẽ xảy ra. Một vòng dây sẽ chiếm một không gian nhất định, đi qua vùng từ trường sẽ tạo ra từ thông.
Như đã nói ở trên khi cuộn dây đứng yên thì sẽ không có gì xảy ra, nhưng khi hệ thống vận hành thì sẽ sinh ra dòng điện. Từ thông càng di chuyển nhanh thì hiệu điện thế càng tăng.
Không cần biết từ thông thay đổi như thế nào, bạn phải đặt các mặt đĩa nam châm gần sát nhau. Hoặc bạn có thể căn chỉnh các cuộn dây cho hoàn chỉnh.
Với loại máy phát điện này thì các cuộn dây nằm yên còn các đĩa rotor chuyển động. Khi các nam châm chuyển động do các viên nam châm được gắn đối cực nhau nên cuộn dây được các từ thông cắt qua sẽ sinh ra dòng điện và hiệu điện thế.
Hình dưới đây gồm có 9 cuộn dây được cuốn cho máy phát điện gió. Các cuộn đều có số vòng giống nhau và có cùng kích thước. Dây điện có thể có nhiều kích cỡ khác nhau. Đường kính của dây quyết định dòng điện max sinh ra. Dây càng dày thì thì dòng càng lớn và ngược lại tuy nhiên nếu dây dầy quá thì kích thước sẽ lớn.
Nếu một vòng dây trong máy sinh ra một số vôn nhất định thì nhiều vòng dây sẽ cho ra nhiều vôn. Vì chúng ta cần điện áp cao nên chúng ta cần phải quấn nhiều vòng dây, điều này tỉ lệ nghịch với việc muốn cho nhiều amp sinh ra trong hệ máy vì dây càng lớn thì càng chiếm nhiều không gian máy. Nếu chúng ta dùng dây lớn thì quấn ít vòng và dùng dây nhỏ thi cuốn nhiều vòng. Chính vì vậy những người tạo ra loại máy này đã phải tìm ra sự cân bằng giữa chúng. Những người có kinh nghiệm lâu năm sẽ nắm rõ quy tắc này trong lòng bàn tay tuy nhiên những người mới thì gặp nhiều khó khăn hơn. Hy vọng biểu đồ ở cuối cuốn sách này sẽ giúp các bạn hiểu rõ hơn về nó.
Các cuộn dây trong Stator của máy.
Nếu dùng loại dây có lớp vỏ cách điện dày sẽ lãng phí không gian của cuộn dây nên các nhà khoa học đã làm ra loại dây đồng được phủ lớp cách điện rất mỏng và độ bền cao. Hiện trên thị trường có nhiều loại dây tùy vào giá thành và mục đích mà họ làm ra những loại dây chất lượng khác nhau. Với loại máy này ta cố gắng dùng loại tốt nhất và cũng để cuốn dây sát nhất giúp tạo ra dòng điện tối đa nhất.
Việc đấu dây cũng hết sức quan trọng. Câu hỏi đặt ra là chúng ta đấu dây theo máy 3 pha hay một pha?
Với cách đấu làm máy một pha thì quá đơn giản, các cuộn dây được mắc nối tiếp nhau và chúng cùng tạo ra dải xung rất mạnh tuy nhiên đây cũng là lý do làm cho máy rung lắc mạnh khi sinh ra dòng điện và ẽ nhanh chóng bị hư. Cho nên họ chỉ làm loại máy này ở điều kiện thích hợp.
Giải pháp tối ưu nhất là làm máy loại 3 pha. Tại bất cứ thời điểm nào thì cũng chỉ có một pha là đạt hiệu điện thế cao nhất. Những pha khác hoặc bằng không hoặc thấp hơn. Sự rung máy cũng giảm đi tối thiểu và dòng điện không phải chỉ bằng 1 phần ba cua máy mà là gấp 3 lần. Khi qua cầu chỉnh lưu thì dòng điện sẽ đi qua đều hơn vào nạp bình không như máy một pha sẽ có từng đợt dòng điện sinh ra gây giật máy. Chúng sẽ bền hơn nếu sắp xếp chuẩn các pha với nhau.
Khi các cuộn dây được đổ keo tạo thành một khối thống nhất mà ta thường gọi nó là stator. Khi làm máy chúng ta thường sắp xếp và nối các cuộn dây theo hình sao trên một khuôn dẹt và mỏng. Sau đó đổ keo ép lại khi khô sẽ tạo thành một vành hình đĩa tròn. Thông thường trước khi đổ keo ta sẽ nối hàn các cuộn dây lại với nhau theo từng pha rồi mới đổ keo. Hoặc các bạn có thể đua đầu dây cần thiết các pha mình dùng để kết nối sau tùy vào mục đích của các bạn.
Bố trí các cuộn dây với nam châm
Trong máy phát điện 3 pha thi chỉ các cuộn dây trên một pha sẽ đạt hiệu điện thế cao nhất trong khi các cuộn trên pha khác thì không.
Và sau đây là cách bố trí các pha. Cứ mỗi cuộn dây trong máy phát điện 3 pha sẽ chiếm 1,33 viên nam châm. Ở đây tôi không nói là phải cắt các viên nam châm nhỏ ra mà tôi muốn nói là tối thiểu số cuộn dây trong một máy phát điện ba pha là 3 cuộn dây. Mỗi cuộn cho một pha. Vì vậy nên ta cần 4 viên nam châm cho nó. Và sau đây là cách phối hợp.
Bất cứ loại máy nào sử dụng trên 24 viên nam châm đều rất phức tạp, nếu bạn lần đầu tiên làm máy thì bạn cần phải thận trọng. Việc phân bố các cuộn dây và nam châm là cả một vấn đề trừ phi bạn làm loại máy phát điện một pha. Nhưng bạn đang muốn làm máy phát điện loại ba pha đúng ko nào?
Sắp xếp các cuộn dây và nam châm
Việc bố trí các cuộn dây và nam châm là phải theo trình tự và có một chút gì đó bí ẩn. Theo căn bản thì bạn càng có nhiều cuộn dây thì áp sinh ra càng cao nếu các yếu tố khác không thay đổi. Máy phát sẽ tạo ra dòng điện nhỏ hơn đổi lại nó sẽ mất ít vòng quay hơn. Từ nãy tới giờ tôi chưa đề cập tới cánh quạt của máy phát điện gió. Mà chỉ đang bàn về Stator của máy. Khi quyết định làm Stator thì thiết kế và kích thước của máy cũng là yếu tố cần lưu ý. Máy bạn đang làm sẽ quay nhanh hay chậm? nơi bạn đặt máy gió có lớn không? Có đạt được công suất như ý không? Máy có tạo ra điện với gió nhẹ không…
Khi đã xem xét và lựa chọn tốc độ và kích thước của máy ta có thể bắt đầu cấu hình cho Stator của máy. Thông thường máy phát điện loại này dùng để nạp bình. Một khi bạn cho nguồn điện qua chỉnh lưu và sạc vào bình ắc quy thì bình sẽ giữ hiệu điện thế xuống mức 12v ,24 v hoặc thậm chí là 48v tùy vào hệ máy bạn làm. Vì vậy ta cần phải chọn loại dây phù hợp để làm máy cho hệ bình ắc quy của mình.
Bình chính là tải của máy. Mức độ nạp của bình vào khoảng 10% giá trị dòng điện của bình. Máy cần phải hoạt động mạnh để cấp điện cho bình nạm. Như vậy tất cả những gì bạn thu được là dòng điện nạp vào bình. Đối với máy phát điện gió thì gió to đồng nghĩa với việc số vòng quay sẽ cao hơn để vượt qua tại nặng của máy. Nếu cánh quá nhỏ thì không đủ lực để làm quay máy . nếu cánh quá lớn thì cũng không hoạt động chính xác hiệu quả của nó sinh ra máy quay quá nhanh.
Ráp rotor với Stator lại với nhau.
Cuộn Stator nằm cố định còn rotor chuyển động. Các bạn nên tham khảo cách ráp các bộ phận lại với nhau.
