Hỏi: Đề nghị giới thiệu công nghệ và thiết bị để khai thác hiệu quả sức gió phục vụ tưới tiêu cho vùng xa? (Nguyễn Văn Hưng - Ninh Thuận)
Đáp: Khai thác và sử dụng nguồn năng lượng gió giàu tiềm năng ở Việt Nam là một trong những giải pháp thay thế nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt và bảo vệ môi trường. Để phục vụ tưới tiêu trong nông nghiệp, tác giả Phạm Mã Nhi đã nghiên cứu thiết kế máy bơm nước chạy bằng sức gió có kết cấu đơn giản nhằm giảm chi phí sản xuất và được cấp bằng sáng chế số 1-0007596 tại Việt Nam.
Nguyên lý hoạt động của máy bơm nước theo sáng chế là chuyển năng lượng từ chuyển động quay của các cánh quạt gió thành chuyển động lên xuống của pit tông máy bơm nước. Kết cấu máy bơm như sau:
Trục xoay nằm ngang (1) có phần đầu và phần đuôi được làm liền khối, một đoạn của phần đuôi được tạo thành trục vít (2), tại các vị trí phía trước và phía sau (2) có trang bị hai ổ trục (21) để đỡ trục xoay (1), các cánh quạt gió (3) được lắp cố định vào đầu mút phần đầu;
Bộ điều tốc-chuyển hướng gồm có bánh vít (20) được lắp khớp với trục vít (2); trục xoay thẳng đứng (63) được nối với bánh vít (20) sao cho khi bánh vít (20) quay, trục xoay (63) quay, và được kéo dài xuyên qua đáy vỏ (61);
Vỏ (61) là một kết cấu hình trụ rỗng mà đầu trên hở và được trang bị mặt bích hình vành khuyên để được lắp cố định với các ổ trục (21), còn đầu dưới của nó được bịt kín bằng đáy vỏ có lỗ hở để trục xoay (63) xuyên qua và quay trong đó;
Bánh răng côn (23) đồng trục và được lắp cố định tại đầu mút dưới của trục xoay (63); bánh răng côn (24) được lắp khớp trực giao với bánh răng côn (23);
Và trục khuỷu (25) được lắp xoay được vào hai ổ trục (26), (27) tại hai đầu mút của nó, một tay đòn của trục khuỷu (25) được lắp cố định và đồng trục với bánh răng côn (24), một đầu tự do của thanh truyền (28) của trục khuỷu (25) được lắp xoay được vào chốt (29), chốt này được lắp cố định vào cần pit tông (41) nhờ đai lắp;
H2 thể hiện bơm pit tông (4) gồm có xi lanh (42) dạng hình trụ rỗng mà đầu dưới có trang bị van một chiều thứ nhất (43) và có thể được lắp với ống dẫn nước vào (44); pit tông (46) có dạng hình trụ rỗng được bố trí bên trong xi lanh (42) nhờ các bộ phận đỡ kiểu trượt (47) sao cho pit tông (46) chuyển động lên xuống được bên trong xi lanh (42), bên trong pit tông (46) có lắp van một chiều thứ hai (45), đáy pit tông này được trang bị hai cơ cấu bịt kín (49a), (49b) được lắp ngược chiều nhau để tạo ra áp suất bên trong xi lanh (42) khi pit tông (46) chuyển động lên xuống, còn đầu trên của pit tông (46) được lắp với cần pit tông (41). Các van một chiều được bố trí ngược chiều nhau sao cho khi pit tông (46) chuyển động xuống, van (43) đóng, van (45) mở để đẩy nước lên, và ngược lại, khi pit tông (46) chuyển động lên, van (43) mở, van (45) đóng để hút nước vào xi lanh. Ngoài ra, có thể lắp thêm bộ phận chắn rác (48) tại đầu ống dẫn nước vào (44).
H1: Hình chiếu đứng máy bơm nước
Van một chiều (H3) gồm có thân van (12) là một kết cấu hình trụ rỗng mà tại một đầu có trang bị gờ chặn (11) để tạo nên cửa nạp (10), và tại đầu kia có trang bị gờ nổi hình vành khuyên (18) để tạo nên cửa xả (17) sao cho đệm bịt kín (16) có thể được tỳ khít lên đó, ở các thành bên đối nhau của mặt theo chu vi trong của thân van (12) được trang bị các rãnh dẫn hướng (13); phao (14) có dạng hình đĩa được trang bị các mấu lồi (15) tại các thành bên của mặt theo chu vi ngoài của phao (14) sao cho chúng có thể trượt tự do bên trong các rãnh dẫn hướng (13); và đệm bịt kín (16) được lắp cố định vào mặt dưới của phao (14). 
H3: Hình chiếu đứng của van một chiều | H2: Hình chiếu đứng bơm pit tông được sử dụng trong máy bơm nước |
Máy bơm nước chạy bằng sức gió theo sáng chế hoạt động như sau: khi có gió, các cánh quạt (3) quay, trục xoay nằm ngang (1) quay. Vì trục vít (2) được tạo ra trên trục xoay (1) và được lắp khớp với bánh vít (20), nên bánh vít (20) quay. Điều này sẽ làm cho trục xoay thẳng đứng (63) của bộ điều tốc-chuyển hướng quay, tiếp đó, bánh răng côn (23) quay, bánh răng côn (24) quay theo chiều vuông góc với bánh răng côn (23). Vì tay đòn của trục khuỷu (25) được nối với bánh răng côn (24), nên trục khuỷu (25) quay, nhờ đó thanh truyền (28) quay và làm cho cần pit tông (41) chuyển động lên xuống. Pit tông (46) của bơm pit tông (4) được nối với cần pit tông (41) chuyển động tịnh tiến lên xuống, nên pit tông (46) cũng chuyển động tịnh tiến lên xuống. Khi pit tông (46) chuyển động lên, van một chiều (45) đóng, van một chiều (43) mở, và do tác dụng của bộ phận bịt kín (49a), áp suất được tạo ra trong xi lanh (42), nhờ đó nước được hút vào bên trong xi lanh (42). Khi pit tông (46) chuyển động xuống, van một chiều (45) mở, van một chiều (43) đóng, và do tác dụng của bộ phận bịt kín (49b), áp suất được tạo ra bên trong xi lanh (42), nhờ đó nước bên trong xi lanh được đẩy qua van một chiều (45) theo cần pit tông (41) qua các ống dẫn nước ra ngoài.
Trong thực tế, hướng gió luôn thay đổi, vì vậy cần phải điều chỉnh các cánh gió của động cơ gió theo hướng gió để tận dụng tối đa nguồn năng lượng. Vì thế, một phương án khác của sáng chế còn thêm bộ phận định hướng gió. Bộ phần này gồm có các lỗ định vị (62) được tạo ra theo đường ngoại vi của bề mặt theo chu vi ngoài của vỏ (61) sao cho khoảng cách giữa hai lỗ liền kề nằm trong khoảng từ một nửa đến hai phần ba đường kính của lỗ, nhờ đó có thể điều chỉnh liên tục cánh của động cơ gió theo hướng gió, và sao cho các chốt định vị có thể ăn khớp với một trong các lỗ định vị; chốt định vị (64) được tạo ren ngoài, có thể vặn xuyên qua trụ (65) được lắp cố định trên khung đỡ ở vị trí gần vỏ (61) để chốt này có thể ăn khớp với lỗ định vị khi cần cố định hướng của các cánh gió.
Khi cần điều chỉnh hướng của các cánh quạt gió, chốt định vị (64) được tháo ra khỏi lỗ định vị (62), xoay vỏ (61) của bộ điều tốc-chuyển hướng đến vị trí mong muốn, sau đó lắp chốt định vị (64) vào lỗ định vị (62) tương ứng với hướng của các cánh quạt gió tại vị trí đã điều chỉnh.
Thực tế chứng tỏ rằng máy bơm nước chạy bằng sức gió theo sáng chế với các cánh quạt có đường kính 2000 mm, xi lanh của bơm pit tông có đường kính 60 mm, pit tông có đường kính 27 mm, bộ điều tốc-chuyển hướng có tỉ số truyền 14:1, tần suất của pit tông khoảng 14 lần/phút và chế độ gió cấp 3 theo cấp độ gió Việt Nam, có thể bơm lưu lượng nước từ 500 đến 600 lít nước/giờ lên cao độ từ 7 đến 10 m. Hơn nữa, máy bơm nước này có thể hoạt động khi gió ở cấp 2 và hoạt động tốt khi gió ở cấp 3 đến cấp 6.
Máy bơm nước chạy bằng sức gió theo sáng chế có thể phục vụ tưới tiêu cho các vùng nông thôn một cách hiệu quả, góp phần tiết kiệm năng lượng điện, xăng dầu,... không gây ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính. Máy bơm có kết cấu đơn giản và nhờ đó giá thành chế tạo thấp.
STINFO Số 12/2013