This page is an automatic translation to Vietnamese of ENGR305 windbelt.This translation is distributed in the hope that it will be useful, but without any guarantee of accuracy.Read more...

Trang sau là kết quả của dự án ENGR 305 vào mùa xuân năm 2011 do Greg Pfotenhauer và Agustin Gonzalez hoàn thành. Trang này trình bày tổng quan ngắn gọn về công nghệ dây gió, các mục tiêu và tiêu chí thiết kế, chi phí, hướng dẫn tự làm, các bước tiếp theo cần thực hiện trong dự án và kết luận về kết quả làm việc của học kỳ.

Background

The windbelt, first designed by Shawn Frayne ^[1], is a device that converts wind into usable electricity by the principle of aeroelastic flutter. Unlike conventional wind turbines, windbelts are effective at producing electricity at low wind speeds. Regions that typically have lower average wind speeds are perfect for windbelt installations. However, windbelt design is relatively new and experimental. New materials and new designs must be tested to advance this potential source of clean energy.

Opportunity Definition

Mặc dù các cối xay gió thông thường tạo ra tương đối ít năng lượng ở tốc độ gió thấp, dây đai gió có thể tận dụng lợi thế của các khu vực có tốc độ gió trung bình thấp. Cho đến nay, ba nhóm sinh viên Cal Poly Humboldt riêng biệt đã chế tạo dây đai gió, mỗi lần đều cải tiến thiết kế dây đai gió. Dự án này dùng để thử nghiệm các vật liệu mới và thiết kế dây gió.

Literature Review

Sau đây là phần đánh giá tài liệu về các thông tin hiện có liên quan đến dây đai gió.

Windbelt Basics

Dây quấn gió được Shawn Frayne phát minh vào năm 2004, là một thiết bị chuyển đổi sức gió thành điện năng. Thiết bị này khá đơn giản, bao gồm một sợi dây căng hoặc dải băng được xâu giữa hai điểm. Gió thổi ngang qua vật liệu căng tạo ra hiệu ứng rung đàn hồi, làm cho dải băng rung động. Chuyển động này được các nam châm vĩnh cửu trên dải băng chuyển thành điện năng. Các nam châm di chuyển vào và ra khỏi cuộn dây điện từ phù hợp với chuyển động của dải băng. Điều này tạo ra một dòng điện trong dây của cuộn dây. ^[2]

Không giống như các tuabin gió thông thường, đòi hỏi các ổ trục và bánh răng đắt tiền để hoạt động hiệu quả, dây đai gió tương đối dễ chế tạo với chi phí thấp. Điều này làm cho dây quấn gió trở nên khả thi hơn nhiều so với các tuabin gió thông thường cho các khu vực có tốc độ gió trung bình thấp. ^[3]

Components

Sau đây trang điểm các thành phần cơ bản của dây vải gió:

Khung

Dây đai gió tiếp xúc với các phần tử và chịu bức xạ UV, sự thay đổi nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ gió thay đổi. Vì vậy, khung phải bền. Điều này có nghĩa là khung càng chắc càng tốt.

Cũng nên xem xét cách dây đai gió sẽ đứng hoặc được lắp vào. Gió lớn có thể tạo ra rất nhiều mô-men xoắn lên giá đỡ của dây gió và có thể làm hỏng dây gió hoặc cấu trúc được gắn vào nếu giá đỡ bị gãy. ^[4]

Ruy-băng

Ruy băng phải nhẹ và mỏng để nó hoạt động giống như một cánh quạt khi gió thổi qua nó. Nó phải khá cứng, vì độ đàn hồi quá nhiều sẽ làm gián đoạn độ rung của dải băng. Ruy băng sẽ bị căng và chịu tốc độ gió lớn, vì vậy vật liệu phải có độ bền kéo cao. Cuối cùng, nó phải duy trì hình dạng theo thời gian để có hiệu quả (các vật thể không bị biến dạng nhanh chóng theo thời gian được cho là có độ "rão" thấp. cấu tạo đai gió. Chất liệu được sử dụng trong thiết kế của Shawn Frayne là vải taffeta phủ mylar. ^[5] Có thể sử dụng các vật liệu tương tự, chẳng hạn như kevlar, băng keo hoặc phim máy ảnh. Cần thử nghiệm thêm các vật liệu của dải băng để nâng cao hiệu quả của dây đai gió.

Nam châm

Nam châm vĩnh cửu được sử dụng để tạo ra dòng điện trong cuộn dây khi dao động trong và ngoài cuộn dây. Các nam châm phải khá nhẹ để không làm gián đoạn sự bay hơi đàn hồi của dải băng. Nam châm neodymium được sử dụng phổ biến nhất. ^[6]

Cuộn dây

Các cuộn dây phải được làm bằng kim loại dẫn điện. Cho đến nay, đồng là kim loại ít đắt tiền nhất trong số các kim loại dẫn điện tốt. Các cuộn dây có thể được quấn bằng tay, giảm chi phí. Một số cửa hàng cung cấp công nghiệp sẽ cuộn dây cho bạn nhưng với chi phí cao. ^[7]

Kết nối

Điện được tạo ra bởi dây gió có điện áp không phù hợp. Điện áp liên quan đến tốc độ gió, và do đó điện áp phải được điều chỉnh để sử dụng. Các hệ thống dây đai gió nhỏ có khả năng cấp nguồn cho các cổng USB tiêu chuẩn, trong khi các hệ thống lớn hơn có thể cấp nguồn cho các mạch DC 12V. Ngay cả các mảng lớn hơn cũng có tiềm năng cho các hệ thống xoay chiều nối lưới, nhưng chúng vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm ^[8] .

Windbelt Design Objective

Thiết kế cụ thể của dây đai gió này dựa trên một bộ mục tiêu hơi khác so với những người tiền nhiệm của nó. Đối với dự án này, mục tiêu cuối cùng là tạo ra một nguyên mẫu có thể dễ dàng sao chép bởi hầu hết mọi người với chi phí rất thấp. Việc xây dựng sẽ đòi hỏi ít kỹ năng xây dựng và sẽ bao gồm hầu hết các bộ phận tái chế. Sức mạnh và hiệu quả không phải là mục tiêu của dây đai gió này; thay vào đó, nó sẽ phục vụ như một cách để mọi người tìm hiểu về thiết kế dây gió bằng cách lấy kinh nghiệm thực hành bằng cách tự xây dựng một chiếc ^[9] .

Hy vọng rằng mô hình này sẽ giúp xây dựng một cơ sở lớn hơn những người đang làm việc để hoàn thiện thiết kế dây đai gió. Mặc dù các nguyên mẫu dây đai gió lớn hơn có thể gây khó khăn và đắt đỏ đối với những người bình thường, nhưng thiết kế của dây đai gió cụ thể này cho phép những người có sở thích quan tâm đặt chân vào cửa và mở rộng thiết kế ban đầu của họ sau này.

Ngoài ra, một số vật liệu ruy-băng mới sẽ được thử nghiệm vì vẫn còn ít lựa chọn khả thi.

Criteria

Thiết kế cuối cùng cho dây đai gió được xác định bằng cách xếp hạng từng thiết kế theo các tiêu chí sau. Các tiêu chí được xếp hạng từ 1-10, trong đó 10 là tiêu chí quan trọng nhất.

The Building Process

The following is a step-by-step guide to building an easy, affordable windbelt.

Tools

The following tools are needed to complete this project:

• Hand saw
• Multimeter
• Precision Torx screwdriver set (for taking apart hard drive)
• Scissors
• Wire stripper (scissors can be used alternatively)
• Soldering gun
• Drill
• Hacksaw or jigsaw
• Phillips head and flat head screwdrivers
• C-Clamp
• Pliers
• Sandpaper or belt sander

Materials

Many of these materials can be found at recycling centers or thrift stores.

Wood A piece of wood at least 6" wide and 2-3 feet long will be used for the frame. Just about any piece of wood fitting this description will do, but a thinner piece of wood will be easier to work with. For this project, we used 1/2" thick door paneling and cut it to 2.5 feet.

Used Hard Drive Many computer repair stores, e-waste collection sites, and even thrift stores will have old or broken hard drives available. Many times people are more than willing to give them away for free as e-waste can be troublesome to get rid of.

Ribbon A number of materials can be used/tested on this device. After a few tries we settled on camera film, which is strong, does not deform plastically, and produces the aeroelastic flutter effect.

High-tec Solder A small amount of high-tech solder will be used for attaching wires to the hard drive coil. Solder can be found at hardware stores or RadioShack.

Ring Hangers and Screws These hangers are used for wall-hangings and can be bought for a couple dollars at a hardware store. This will be used for the tensioning clamp.

Right-angled PVC A piece of right-angled PVC will be used to quickly adjust the tension in the ribbon. Half-inch diameter works best.

Gorilla Glue This wonderful stuff will be used to secure the ribbon to the hard drive coil. Gorilla tape may also be used to reinforce the connection.

Tension Pin A small (<1/8") tension pin will fasten the ribbon to the hard drive coil.

LED A low-voltage LED can be attached to demonstrate the power output of the windbelt. We chose a 1.8V, 20ma red LED.

Light Gage Insulated Wire 24-30g wire works best and will connect the solder points on the hard drive coil to the LED.

Various Nuts and Bolts The sizes of these will depend largely on the hard drive coil and will be fitted to the specifications of the system. One 1/8" bolt, nut, and two washers work well to secure the PVC piping. Three additional bolts, nuts, and washers will be used to secure the magnets and coil.

Nylon Spacers Two spacers will be needed to offset the magnet from the wood. We used 1/4" long spacers, but this is really dependant on how much room is needed for the hard drive coil.

Cost

The cost of these materials can be cut to a minimum if recycled materials are used. This project can be built for as little as $10.

Steps

• 

  Gather materials

• 

  Drill a starter hole, and cut out center of wood piece leaving at least 4" on either side

• 

  Cut the ribbon to a length slightly longer than the piece of wood

• 

  Fasten the HDD magnets as shown.

• 

  Remove excess circuitry from HDD coil and solder a wire to each solder point.

• 

  Line up HDD coil with the magnets and drill a hole in the wood for the pivot

• 

  Test resistance to make sure soldering was successful. An OL (overload) means that the circuit is incomplete!

• 

  Center the tension pin on the outermost holes. Glue with gorilla glue and let dry for 1-2 hours.

• 

  Cut a notch in the ribbon where the HDD coil will go. BE CAREFUL NOT TO TEAR RIBBON.

• 

  Drill a hole in the PVC and wood. Slip a bolt through and tighten with a nut and washers on either side.

• 

  Slip ribbon in tension pin's groove. Glue with gorilla glue and set with tape if necessary.

• 

  Slip bolt through pivot hole and one of the holes in the HDD coil. Tighten with nut if necessary

• 

  Drill small starter holes for clamp screw holes

• 

  Screw the ring hanger into PVC. Do not tighten yet.

• 

  Slide ribbon through ring hanger clamp and tighten. Adjust tension by rotating PVC

• 

  Solder other ends of wires to LED. Attach wires to wood but leave slack for movement

To test the windbelt, blow a large fan across the belt or hold it out the window of your car if there is no wind available.

Next Steps

Conclusion

This project is an easy DIY windbelt that helps to convey the concept of aeroelastic flutter, but is not practical for power production. Windbelt technology is still in its infancy and needs a broader base of researchers building and testing a number of different variables that affect windbelt power output. Currently, prototypes are being built and tested by many different groups of students but as of yet there is no open-source data for precise design. A windbelt or testing device that allows the builder to easily alter variables would lead to better planning and allow for more careful and precise building. The following variables might be considered in the construction of such a device:

Tension Minute alteration of tension can have large effects on the motion of the ribbon. A tensioning device that can incrimentally increase/decrease tension would allow a user to observe the effects of ribbon tension.

Ribbon Length The length of the ribbon affects periodic motion of the ribbon. Easily changing ribbon length would allow users to find a "sweet spot" for vibration.

Ribbon Material Easy replacement of the ribbon can allow users to test various materials and their effects on power output.

Coil/Magnetic Field Interactions Easy alteration of the placement of magnets relative to the field would allow users to test the effects of magnet movement within the field.

Magnet Placement Various placements of the magnets on the ribbon will alter the motion and the field interactions, changing power output.

Wind Speed A wind tunnel with variable wind speed would be optimal for testing these variables under different wind speeds.

Lessons Learned

A few things were taken away from this project as a result of building, failing, and rebuilding a number of times:

• Magnetic tape is too plastic and deforms over time. It is not suitable for windbelt construction.
• Using a HDD for producing usable electricity is unlikely, but it is a good tool for teaching builders the concept behind windbelts.
• Camera film is a similar material to mylar-coated taffeta (Shawn Frayne's material used). It appears to be a suitable material for windbelt construction. It has low creep, is relatively strong, is not elastic, and does not deform plastically. However, it is becoming increasingly hard to find and expensive.
• Conclusions from windbelt prototypes are hard to pinpoint. There are many variables that may or may not be controlled in such a design. Adequate control of such variables with a more precise system would lead to conclusions with less doubt.
• Using two separate, parallel ribbons causes the windbelt to behave erratically as it disrupts the airflow over the ribbons.

Team

• Greg Pfotenhauer
• Augustin Gonzalez

References