Tự Chế Máy Phát Điện Gió Bằng Motor: Chọn Motor, Tính Công Suất Và Cách Lắp

Tự chế máy phát điện gió bằng motor là dùng một motor nam châm vĩnh cửu (motor DC có chổi than, motor không chổi than BLDC hoặc motor Direct Drive của máy giặt) quay ngược bằng cánh quạt gió để phát điện sạc ắc quy. Công suất thực tế phụ thuộc chủ yếu vào đường kính cánh và tốc độ gió, không phụ thuộc vào số watt ghi trên motor. Với cánh 1.5 m ở gió 5 – 8 m/s, một bộ tự chế cho khoảng vài chục tới hơn trăm watt, đủ sạc ắc quy thắp đèn LED, sạc điện thoại, chạy quạt nhỏ.

1) Nguồn điện và động cơ phát điện hoạt động thế nào

Điện xoay chiều là dòng điện đổi chiều theo chu kỳ, lưới điện Việt Nam là 50 Hz, nghĩa là đổi chiều 100 lần mỗi giây. Điện một chiều thì chỉ chạy một chiều như điện ắc quy, pin. Máy phát điện gió tự chế hầu hết sạc vào ắc quy, nên dù motor phát ra điện xoay chiều hay một chiều thì cuối cùng vẫn phải đưa về điện một chiều ổn định.

2) Động cơ phát điện là gì, cấu tạo và nguyên lý

Máy phát điện và động cơ điện về cấu tạo gần như giống nhau: đều có phần quay, phần tĩnh, cuộn dây và từ trường. Cấp điện vào thì nó là động cơ, quay trục bằng ngoại lực thì nó thành máy phát. Nguyên lý dựa trên cảm ứng điện từ: khi từ thông qua cuộn dây thay đổi, trong cuộn dây sinh ra sức điện động. Quay càng nhanh, từ trường càng mạnh, số vòng dây càng nhiều thì điện áp càng cao.

a) Cấu tạo máy phát điện

• Phần cảm: tạo từ trường, là nam châm vĩnh cửu hoặc cuộn kích từ.
• Phần ứng: cuộn dây nơi điện áp được cảm ứng ra.
• Trục, bạc đạn, vỏ, và với máy phát công nghiệp còn có bộ điều chỉnh điện áp (AVR), hệ thống làm mát.

b) Điểm giống và khác giữa máy phát điện và motor quay ngược

Giống: cùng cấu tạo cơ bản, cùng nguyên lý điện từ. Khác: máy phát chuyên dụng được thiết kế tốc độ, số cực, điện áp phù hợp nguồn động lực; motor quay ngược thì thường cần quay rất nhanh mới đạt điện áp mong muốn. Motor cảm ứng không có nam châm nên không tự phát điện khi quay, phải có tụ kích từ hoặc nối lưới. Vì thế làm điện gió nhỏ, motor có nam châm vĩnh cửu là lựa chọn dễ nhất.

3) Tính công suất máy phát điện gió trước khi chế

Công suất gió đi qua cánh bằng 0.5 × mật độ không khí (khoảng 1.2 kg/m³) × diện tích quét cánh × lập phương tốc độ gió. Cánh tự chế chỉ lấy được khoảng 25 – 35% công suất đó. Vì lũy thừa ba, gió tăng gấp đôi thì công suất tăng tám lần; cánh to gấp đôi đường kính thì công suất tăng bốn lần.

• Gió dưới khoảng 3 m/s gần như không sạc được.
• Số liệu là ước tính cho cánh tự chế hiệu suất khoảng 30%.
• Motor có công suất ghi lớn cũng không làm tăng điện nếu cánh và gió không đủ.

4) Chọn motor phù hợp cho máy phát điện gió mini

a) Motor DC không chổi than

Phát điện 3 pha, chỉnh lưu bằng cầu diode 3 pha ra điện một chiều. Ưu điểm là bền, không mòn chổi than, có thể dùng motor bánh xe đạp điện vốn nhiều cực, quay chậm vẫn ra điện.

b) Motor DC có chổi than

Ra điện một chiều trực tiếp, chỉ cần một diode chặn để ắc quy không chạy ngược vào motor khi gió yếu. Chọn motor có chỉ số điện áp trên tốc độ cao (ví dụ motor ghi 90V ở 3000 vòng/phút thì quay khoảng 450 – 500 vòng/phút đã ra khoảng 14V đủ sạc ắc quy 12V khi không tải).

c) Motor AC cảm ứng

Có thể làm máy phát khi gắn tụ kích từ và quay vượt tốc độ đồng bộ, nhưng điện áp và tần số thay đổi theo gió, khó kiểm soát. Với điện gió mini, loại này ít được chọn. Motor 3 pha lồng sóc phát huy tốt hơn ở đúng việc của nó là kéo tải, xem dòng motor điện 3 pha.

5) Các bước tự chế máy phát điện gió bằng motor

1. Chọn motor: motor nam châm, ưu tiên loại nhiều cực, tốc độ thấp. Thử quay tay trục và đo điện áp ra để biết bao nhiêu vòng/phút cho 13 – 14V.
2. Làm cánh: 3 cánh cắt từ ống nhựa PVC đường kính lớn hoặc gỗ, chiều dài mỗi cánh 0.5 – 1 m, cân bằng ba cánh cùng khối lượng.
3. Làm đầu quay: gắn motor lên giá, có trục xoay quanh cột để tự hướng gió, đuôi lái bằng tôn hoặc nhựa phía sau.
4. Dẫn điện từ đầu quay xuống: dùng vành trượt hoặc để dây xoắn tự do và tháo xoắn định kỳ.
5. Chỉnh lưu (với motor xoay chiều), diode chặn (với motor DC), bộ điều khiển sạc gió có tải xả.
6. Ắc quy 12V hoặc 24V, cầu chì gần cọc dương, inverter (kích điện) nếu muốn ra điện 220V.
7. Dựng cột cao hơn vật cản xung quanh ít nhất vài mét, có dây néo chắc chắn.

6) Kết nối với hệ thống điện gia đình: dòng, điện áp, inverter

Hệ 12V hợp với máy dưới khoảng 150W; từ 200W trở lên nên dùng hệ 24V để dòng nhỏ đi một nửa, dây nhỏ hơn, ít hao. Dây từ máy phát xuống bộ sạc chọn theo dòng lớn nhất: khoảng 10 A dùng dây 2.5 mm², 20 A dùng khoảng 4 – 6 mm² nếu đi xa 10 – 20 m.

Inverter chuyển điện ắc quy 12V hoặc 24V thành 220V AC để chạy quạt, tivi, sạc. Inverter này khác với biến tần điều khiển motor dùng trong nhà xưởng: biến tần nhận điện lưới và đổi tần số để chỉnh tốc độ motor, xem bài biến tần là gì. Muốn chạy motor 1 pha nhỏ từ ắc quy thì chọn inverter sin chuẩn công suất gấp 3 lần motor, vì dòng khởi động của động cơ điện 1 pha có tụ rất lớn.

Không đấu trực tiếp máy phát điện gió tự chế vào lưới điện gia đình. Hệ hòa lưới cần inverter hòa lưới có bảo vệ chống đảo và phải tuân theo quy định của điện lực.

7) Ứng dụng của máy phát điện gió tự chế

• Máy phát điện gió mini sạc ắc quy thắp đèn LED cho chòi canh, rẫy, ao tôm, đầm cá.
• Tự chế máy phát điện gió bằng motor DC sạc điện thoại, đài, camera giám sát ngoài đồng.
• Kết hợp điện gió và pin mặt trời cho nhà vùng biển, đảo, vùng chưa có điện lưới.
• Chạy quạt DC, máy bơm nước 12V nhỏ cho vườn rau, chuồng trại.
• Đồ án học tập, mô hình năng lượng tái tạo cho học sinh, sinh viên.

8) Ưu điểm và nhược điểm

a) Ưu điểm

• Chi phí thấp khi tận dụng motor cũ, ắc quy cũ.
• Phát điện cả ban đêm và ngày nhiều mây, bổ sung tốt cho pin mặt trời.
• Hiểu sâu nguyên lý máy điện, tự sửa chữa được.

b) Nhược điểm

• Công suất phụ thuộc mạnh vào gió, nhiều nơi trong đất liền gió yếu, sản lượng thấp.
• Cột cao, cánh quay nhanh có rủi ro gãy cánh, đổ cột khi bão.
• Cần bảo trì: chổi than, bạc đạn, siết bulong, kiểm tra cánh.
• Gây tiếng ồn và rung nếu cánh không cân bằng.

9) Câu hỏi thường gặp về tự chế máy phát điện gió bằng motor

a) Người sắp làm, sắp mua motor để chế máy phát điện gió cần hỏi gì, xác minh gì

• Mua motor cũ về làm máy phát cần thử gì? Quay tay trục với tốc độ vừa phải, đo điện áp ra bằng đồng hồ: motor DC đo thang DC, motor BLDC đo thang AC giữa hai pha bất kỳ. Ghi số vòng quay và điện áp, tính ra bao nhiêu vòng/phút thì được 14V. Motor cần quay trên khoảng 800 – 1000 vòng/phút mới đủ điện áp thì khó dùng với cánh lớn quay chậm.
• Cần hỏi người bán motor những gì? Hỏi motor có nam châm vĩnh cửu không, điện áp và tốc độ định mức, số cực (với BLDC), tình trạng bạc đạn, chổi than. Motor nam châm khi quay tay có cảm giác "nấc" nhẹ (cogging), motor cảm ứng thì quay trơn.
• Nên tự chế hay mua máy phát điện gió mini làm sẵn? Tự chế hợp khi muốn học, có sẵn motor và công cụ, chấp nhận hiệu suất thấp. Máy làm sẵn có cánh thiết kế tốt hơn, bộ sạc đồng bộ, nhưng cần xem đường cong công suất theo tốc độ gió, không chỉ con số watt tối đa ghi trên hộp.
• Làm sao biết nơi mình ở có đủ gió không? Đo tốc độ gió bằng máy đo gió cầm tay ở độ cao dự kiến lắp, vào nhiều thời điểm trong ngày, nhiều mùa. Trung bình dưới khoảng 3.5 – 4 m/s thì sản lượng rất thấp, nên ưu tiên pin mặt trời.
• Chi phí làm một bộ máy phát điện gió mini khoảng bao nhiêu? Theo giá trung bình thị trường Việt Nam, tận dụng motor cũ thì motor chỉ vài trăm nghìn, bộ điều khiển sạc gió khoảng vài trăm nghìn tới hơn một triệu, ắc quy và inverter tùy dung lượng từ một tới vài triệu đồng, cột và vật tư cơ khí tính thêm.

b) Người đã làm xong: lắp đặt đúng và vận hành hiệu quả

• Đấu điện máy phát vào ắc quy theo thứ tự nào? Đấu ắc quy vào bộ điều khiển sạc trước để bộ điều khiển nhận đúng điện áp hệ thống, rồi mới đấu máy phát vào. Khi tháo thì làm ngược lại: hãm cánh, tháo máy phát, rồi mới tháo ắc quy. Máy phát chạy không tải không có ắc quy có thể vọt áp làm hỏng bộ điều khiển.
• Vì sao cần tải xả (dump load)? Khi ắc quy đầy hoặc gió quá mạnh, bộ điều khiển chuyển dòng sang điện trở xả để giữ cánh không quay quá tốc. Không có tải xả, máy phát chạy không tải sẽ quay rất nhanh, nguy cơ gãy cánh, cháy bạc đạn.
• Lắp cột thế nào cho an toàn? Cột cao hơn mái nhà, cây cối xung quanh trong bán kính khoảng vài chục mét ít nhất vài mét. Có dây néo ba hoặc bốn hướng, chân cột bê tông chắc. Thiết kế cột có thể hạ xuống bằng bản lề để bảo trì và hạ trước mùa bão.
• Vận hành thế nào để ắc quy bền? Không để ắc quy xả quá sâu, giữ điện áp ắc quy 12V không dưới khoảng 11.8V với ắc quy axit chì. Bộ điều khiển sạc cài đúng loại ắc quy. Kiểm tra cọc bình, siết chặt, vệ sinh muối trắng định kỳ.
• Cách tăng sản lượng điện mà không đổi motor? Nâng cột cao hơn để đón gió mạnh và ổn định hơn, làm cánh dài hơn nếu motor chịu được, cân bằng cánh kỹ, giảm hao dây bằng cách dùng dây to hơn hoặc nâng điện áp hệ thống lên 24V.

c) Các lỗi thường gặp khi tự chế và cách chỉnh sửa

• Gió có mà ắc quy không lên điện là do đâu? Motor quay chưa đủ tốc độ để điện áp vượt điện áp ắc quy, hoặc diode chặn lắp ngược. Đo điện áp ra của motor khi gió thổi: dưới khoảng 13V thì chưa sạc được. Cách sửa: dùng motor có điện áp trên vòng cao hơn, cánh phù hợp hơn, hoặc dùng bộ sạc có mạch tăng áp.
• Ắc quy chạy ngược làm motor quay như quạt khi lặng gió thì sửa thế nào? Thiếu diode chặn với motor DC chổi than. Lắp diode công suất (loại Schottky dòng lớn) nối tiếp đường dương từ motor tới ắc quy, đúng chiều. Với motor BLDC đã có cầu chỉnh lưu thì không bị hiện tượng này.
• Cánh rung mạnh, kêu lục cục khi gió lớn là lỗi gì? Ba cánh không cân bằng khối lượng hoặc lệch góc, bulong lỏng. Tháo cánh cân lại từng cánh, mài bớt cánh nặng, chỉnh cùng góc. Gắn lại đối xứng, siết chặt, kiểm tra lại sau vài ngày chạy.
• Dây điện từ đầu quay bị xoắn đứt thì xử lý ra sao? Đầu quay xoay theo gió nhiều vòng một chiều làm dây xoắn. Lắp vành trượt (slip ring) có dòng định mức phù hợp, hoặc dùng dây mềm dài để chùng trong ống cột và định kỳ tháo xoắn.
• Bộ điều khiển sạc nóng, cháy là do đâu? Chọn bộ điều khiển dòng nhỏ hơn dòng máy phát, không có tải xả, hoặc đấu máy phát vào trước ắc quy. Thay bộ điều khiển có dòng định mức lớn hơn dòng tối đa khoảng 1.5 lần, đấu đúng thứ tự.

d) Sinh viên cơ điện mới vào ngành: nên tìm hiểu gì trước khi chế máy phát điện gió

• Cần nắm khái niệm nào trước? Cảm ứng điện từ, sức điện động, điện áp – tốc độ của máy phát nam châm, chỉnh lưu một pha và ba pha, ắc quy và chu trình sạc, công suất gió tỉ lệ lập phương tốc độ gió, hiệu suất cánh.
• Nên tìm hiểu loại motor nào trước? Bắt đầu với motor DC nam châm vì quay ra điện một chiều ngay, dễ đo. Sau đó sang motor BLDC và motor nhiều cực của máy giặt, xem bài motor máy giặt. Motor cảm ứng làm máy phát để sau cùng vì phức tạp hơn.
• Thứ tự thực hành hợp lý là gì? Quay motor bằng máy khoan, đo điện áp theo tốc độ và vẽ đồ thị; gắn tải điện trở đo dòng, công suất; làm cánh nhỏ thử trước quạt công nghiệp; sau cùng mới dựng cột ngoài trời.
• Tự kiểm chứng kết quả bằng dụng cụ gì? Đồng hồ vạn năng, ampe kìm DC, máy đo tốc độ quang, máy đo gió cầm tay. Ghi tốc độ gió, vòng quay cánh, điện áp, dòng sạc theo thời gian để so với bảng tính lý thuyết.
• Nên đọc thêm về những gì? Cách đấu motor 1 pha và nguyên lý motor có tụ để hiểu tải sẽ chạy từ inverter, xem bài cách đấu dây motor điện 1 pha 2 tụ; motor giảm tốc và hộp số nếu muốn nhân tốc độ cánh lên motor, xem động cơ giảm tốc mini.

Đọc thêm: chất lượng motor Parma, giá motor điện 3 pha.