Con mắt tối tân: Những cảm biến siêu nhỏ trên cánh quạt tuabin gió

65
Ảnh: Ba mẫu mô phỏng cảm biến có thể đọc dữ liệu không dây nằm ở độ sâu khác nhau dưới cấu trúc composite sợi thủy tinh.

Chúng ta vẫn thường thấy các vận động viên đeo những thiết bị điện tử có thể uốn cong và ôm khít vào cơ thể để tính toán quãng đường họ thực hiện được, nhịp tim và lượng năng lượng đã đốt cháy. Những dữ liệu đó giúp họ lên kế hoạch cải thiện chế độ luyện tập cũng như hiểu hơn về cách cơ thể mình phản ứng với các bài tập khác nhau.

Một nhóm chuyên gia tại Trung tâm nghiên cứu của GE cũng đang thiết kế một thiết bị tương tự như vậy dành cho cánh quạt tuabin gió. Đội ngũ này được dẫn dắt bởi kỹ sư, tiến sỹ Nancy Stoffel, hiện đang khám phá cách thức để kết hợp công nghệ in 3D và chất bán dẫn nhằm tạo ra các thiết bị điện tử mỏng, bền, linh hoạt dùng để giám sát hoạt động của máy móc. Gần đây nhất, nhóm đã cho ra đời cảm biến mỏng gần bằng tờ giấy, có thể tích hợp vào cánh quạt gió trong quá trình hoạt động. Theo ông Shridhar Nath, nhà khoa học thuộc bộ phận thử nghiệm không phá hủy tại Trung tâm nghiên cứu của GE: “Ý tưởng ở đây là gắn các cảm biến vào những điểm quan trọng bên trong cánh quạt và theo dõi chúng trong quá trình hoạt động.”

Đây là một nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng bởi chi phí đầu tư cho năng lượng gió của các nhà sản xuất đã giảm đáng kể từ năm 2010, phần lớn là do các cánh tuabin dài hơn cho phép sản xuất nhiều năng lượng hơn.

Chẳng hạn, đơn vị LM Wind Power thuộc GE Renewable Energy đã lập kỉ lục với cánh quạt 107m – dài nhất thế giới và các cánh quạt trong ngành điện gió đang được thiết kế dài thêm trung bình 3m mỗi năm.

Trước đó, nhóm cũng đã nghiên cứu các cảm biến có thể uốn cong và kéo giãn gắn được vào quần áo. Sáng chế này hiện đang tiếp tục được tiến hành với sự tài trợ của NextFlex, một tổ chức gồm các công ty, trường đại học và Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ. Theo các nhà nghiên cứu, ứng dụng của nó thậm chí có thể vượt ra khỏi lĩnh vực sản xuất, hỗ trợ các nhân viên bảo dưỡng theo dõi các tuabin gió đang hoạt động thực tế.

Ảnh: Bàn thử nghiệm để theo dõi quá trình truyền tín hiệu trong một tấm composite sợi thủy tinh. Nguồn: GE Research.

Tuy nhiên, việc phát minh ra thiết bị này không hề đơn giản. Các cánh quạt thường được làm từ sợi thủy tinh, các-bon và gỗ, được gắn với nhau bằng nhựa thông. Việc gắn các cảm biến sao cho khớp với đường cong của cánh quạt trong quá trình sản xuất có thể giúp các kỹ sư biết được cánh quạt đã được xử lý đúng cách hay chưa và giúp đẩy nhanh tốc độ sản xuất. Vấn đề quan trọng nhất là các cảm biến phải được thiết kế sao cho không can thiệp hay ảnh hưởng đến cánh quạt mà chúng được tích hợp.

Nhóm của Stoffel sẽ thử nghiệm nhiều loại vật liệu cảm biến khác nhau trong năm nay và hướng tới sáng chế thành công một thiết bị mẫu vào năm 2021. “Đây vừa là một thách thức với ngành điện tử, vừa là thách thức với ngành vật liệu, cơ học” – ông Stoffel chia sẻ.

Trong tương lai, các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ phát triển được những cảm biến có khả năng truyền thông tin từ các cánh quạt trên một tuabin đang hoạt động, cho phép phát hiện sớm và thường xuyên các vấn đề có thể xảy ra và giảm chi phí bảo trì. Hiện tại việc kiểm tra các dấu hao mòn được thực hiện bằng cách đưa công nhân lên tận các tuabin để kiểm tra, sử dụng kính viễn vọng từ mặt đất hoặc máy bay không người lái để quan sát từ trên không. Những cách thức này đều được đánh giá là chưa hoàn hảo. “Chúng tôi muốn có một cảm biến không dây có thể truyền thông tin từ 2 đến 10 mét mà không làm ảnh hưởng đến những thứ xung quanh nó,” Stoffel nói.

Trên thực tế, việc tích hợp các thiết bị cảm biến này vào cánh quạt tuabin gió chỉ là bước khởi đầu. Trong số các đối tác làm việc với GE trong dự án cảm biến cánh quạt này có cả các nhà nghiên cứu từ Đại học Binghamton và Georgia Tech, cũng như nhà sản xuất máy bay trực thăng Sikorsky. Họ phối hợp để tìm ra cách tích hợp các thiết bị cảm biến trên sườn máy bay nhằm nghiên cứu thiệt hại và hao mòn do các chuyến bay. Nếu mọi việc suôn sẻ, sáng kiến này có thể được ứng dụng linh hoạt vào nhiều loại máy công nghiệp khác nhau.

Stoffel chia sẻ: “Sáng chế này có thể được ứng dụng ở nhiều lĩnh vực, và trong trường hợp của chúng tôi, nó sẽ giúp chúng tôi theo đuổi việc chế tạo các thiết bị đeo công nghiệp, giúp đo đạc được hiệu suất của các trục quay lớn, hoặc động cơ và bất kỳ công cụ nào khác”.

BÌNH LUẬN CỦA BẠN