(TIỂU LUẬN) báo cáo CHUYÊN đề hệ THỐNG NĂNG LƯỢNG đề tài mô PHỎNG TUABINE GIÓ THỰC tế

Mô hình cánh gió tại Trung Mỹ Các tài liệu đầu tiên về hệ thống để phát điện bằng sức gió được lập vào năm 1887 do một người Scotland tên là James Blyth, để tạo ra năng lượng chiếu sángc

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ HỆ THỐNG

NĂNG LƯỢNG

ĐỀ TÀI: MÔ PHỎNG TUABINE GIÓ THỰC TẾ

Giáo viên: Phạm Thị Thùy LinhLớp: CLC.D13CNTKDK

DƯƠNG ĐỨC MẠNH

NGUYỄN MẠNH HUY

NGUYỄN THỤ TUẤN LINH

MSV: 18810000016MSV: 18810990001MSV: 18810000017

HÀ NỘI - 2021

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

1.1 Sơ lược lịch sử phát triển 3

1.2 Giới thiệu turbin gió 4

1.3 Đặc điểm chung của máy phát điện chạy bằng sức gió 7

1.4 Những lợi ích khi sử dụng gió để sản xuất điện ( điện gió ) 8

1.5 Đối tượng, phạm vi và mục tiêu nghiên cứu của đề tài 9

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TURBIN GIÓ 11

2.1 Yêu cầu: 11

2.2 Tính bán kính cánh quạt rotor 11

2.3 Profile cánh 12

2.4 Chiều dài dây cung cánh 13

2.5 Góc đặt cánh 16

2.6 Tính công suất tuabine 18

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KẾT CÁC BỘ PHẬN CƠ BẢN CỦA TUABINE 20

3.1 Hộp số 20

3.2 Tháp 21

3.3 Tính toán và lựa chọn máy phát điện 22

3.4 Tính toán số lượng bình acquy lưu trữ điện 23

3.5 Lựa chọn bộ điều khiển nạp sạc 24

3.6 Kết luận 25

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB 26

4.1 Lí do chọn matlab 26

4.2 Mô phỏng tuabin gió 28

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT1.1 Sơ lược lịch sử phát triển

Cối xay gió đã được sử dụng ở Ba Tư (Iran ngày nay) vào đầu năm 200 TCNBánh xe gió của Heron tại Alexandria đánh dấu một trong những trường hợp đượcbiết đến đầu tiên của máy chạy bằng sức gió trong lịch sử Tuy nhiên, việc chiếccối xay gió đầu tiên được biết đến thực tế được xây dựng ở Sistan, một vùng nằmgiữa Afghanistan và Iran, từ thế kỷ thứ 7 Những thân cối xay gió là những trụcdọc, và có cánh hình chữ nhật

Hình1.1 Mô hình cánh gió tại Trung Mỹ

Các tài liệu đầu tiên về hệ thống để phát điện bằng sức gió được lập vào năm

1887 do một người Scotland tên là James Blyth, để tạo ra năng lượng chiếu sángcho ngôi nhà trong kỳ nghỉ của mình Ông đã xây dựng một trục thẳng đứng chắcchắn với 10 mét chiều cao và 4 cánh quạt

Dane Poul La Cour đến xung quanh bật của thế kỷ bởi các nghiên cứu có hệthống - trong số những thứ khác, được thiết kế khí động học trong hầm gió airfoils

- khái niệm về tốc độ cánh quạt mà cánh quạt chỉ đủ để khai thác năng lượng giótrên toàn bộ diện tích cánh quạt

Năm 1920, Albert Bates về các nguyên tắc vật lý mà vẫn còn được sử dụngngày hôm nay để tận dụng lợi thế của năng lượng gió là tối ưu: giảm tốc độ của lưulượng dòng chảy để chỉ một phần ba tốc độ gió, đồng đều trên diện tích cánh quạt,được thực hiện bởi bề ngoài giảm chiều sâu của cánh quạt

Các thăng bằng hàng không cải thiện dạng hình trong những năm 50 và 60,cho phép lướt và tỷ lệ trên 50 cực kỳ nhanh chóng chạy với chỉ một lưỡi cánh quạtduy nhất Cánh quạt với hơn hai lá được coi là lạc hậu.

Theo kế hoạch của Đức turbine với hai lá GROWIAN là một dự án lớn đãđược lên và đưa xuống để đưa các khái niệm của Đan Mạch của các hệ thống mạnh

mẽ của quyền lực trung nhiều Nó cũng có một số lượng lớn ở Hoa Kỳ xuất khẩumột hệ thống không đồng bộ, một hoặc hai tốc độ cố định và ba cánh quạt cứng

Kể từ đó, Đan Mạch là nước có tỷ trọng lớn nhất của thế hệ năng lượng gió

Hình1.1 Mô hình quạt gió hiện hành

1.2 Giới thiệu turbin gió

Turbine gió là máy dùng để biến đổi động năng của gió thành cơ năng Máynăng lượng này có thể được dùng trực tiếp như trong trường hợp của cối xay bằngsức gió, hay biến đổi tiếp thành điện năng như trong trường hợp máy phát điệnbằng sức gió

Máy phát điện bằng sức gió bao gồm vài thành phần khác nhau Nhưng thànhphần quan trọng nhất vẫn là motor điện một chiều; loại dùng nam châm bền và cánhđón lấy gió Còn lại là các bộ phận khác như: đuôi lái gió, trục và cột để dựng máy

phát, bộ phận đổi dòng điện để hợp với bình ắc qui và cuối cùng là 1 chiếc máy đổi

điện (inverter) để chuyển điện từ ắc quy thành điện xoay chiều thông dụng.

Máy phát điện turbine gió thường sử dụng máy phát là loại xoay chiều có nhiềucặp cực do kết cấu đơn giản và phù hợp đặc điểm tốc độ thấp của turbine gió

Hinh 1.3 Turbin gió

Các máy phát điện sử dụng năng lượng gió thường được xây dựng gần nhau

và điện năng sản xuất ra được hòa vào mạng điện chung sau đó biến đổi để cóđược nguồn điện phù hợp Việc sử dụng ăc quy để lưu giữ nguồn điện phát ra chỉ

sử dụng cho máy phát điện đơn lẻ và cung cấp cho hộ tiêu thụ nhỏ (gia đình) Việclưu điện vào ắc quy và sau đó chuyển đổi lại thường cho hiệu suất thấp hơn và chiphí cao cho bộ lưu điện tuy nhiên có ưu điểm là ổn định đầu ra

Ngoài ra còn có một cách lưu trữ năng lượng gió khác Người ta dùng cánhquạt gió truyền động trực tiếp vào máy nén khí Năng lượng gió sẽ được tích trữtrong hệ thống rất nhiều bình khí nén Khí nén trong bình sau đó sẽ được lần lượtbung ra để xoay động cơ vận hành máy phát điện Quá trình nạp khí và xả khí đượcluân phiên giữa các bình, bình này đang xả thì các bình khác đang được nạp bởicánh quạt gió Điện sẽ được ổn định liên tục

Hiện nay có 2 kiểu turbine phổ biến,đó là loại trục ngang và loại trục đứng Trụcngang là loại truyền thống như hình trên, còn trục đứng là loại công nghệ mới, luônquay ổn định với mọi chiều gió

a) Turbin gió trục ngang

Hình 1.4 Turbin gió trục ngang

Đây là loại turbine gió phổ biến trên thị trường

- Công suất phát điện từ vài trăm W đến vài MW

- Dài vận tốc gió hoạt động từ 4 m/s – 25 m/s

- Chiều cao cột chống 6m (loại công suất nhỏ), 120m (loại công suất lớn)

- Số cánh quạt 2 – 3 cánh

- Bán kính cánh quạt từ 3m – 45m

- Số vòng quay cánh quạt 20 – 40 vòng/phút

Một số đặc điểm của turbine gió trục ngang:

- Là loại turbine gió có hiệu suất cao nhất

- Thích hợp với nhiều vận tốc gió khác nhau

- Hình dạng và kích thước lớn nên đòi hỏi chỉ số an toàn cao

- Tuy có hệ thống điều chỉnh hướng để đón gió xong vẫn giới hạn ở 1 gócquay nhất định nên chỉ thích hipwj cho những nơi có vận tốc gió ổn định

b) Turbin gió trục đứng

Hình 1.5 Turbine gió trục đứng

Cấu tạo và đặc điểm của turbine gió trục đứng:

thể lắp đạt ở vị trí có vận tốc gió cao với dòng chảy không ổn định.

Tuy nhiên hiệu suất của turbine chỉ bằng 50% so với turbine trục ngang khi hoạt động ở cùng một vận tốc gió.

1.3 Đặc điểm chung của máy phát điện chạy bằng sức gió

Tới nay đa số vẫn là các máy phát điện tuabine gió trục ngang, gồm một máyphát điện có trục quay nằm ngang, với rotor (phần quay) ở giữa, liên hệ với mộttuabine 3 cánh đón gió.Máy phát điện được đặt trên một tháp cao hình côn.Trạmphát điện kiểu này mang dáng dấp những cối xay gió ở châu Âu từ những thế kỷtrước, nhưng rất thanh nhã và hiện đại

Các máy phát điện tuabine gió trục đứng gồm một máy phát điện có trục quaythẳng đứng, rotor nằm ngoài được nối với các cánh đón gió đặt thẳng đứng Loạinày có thể hoạt động bình đẳng với mọi hướng gió nên hiệu qủa cao hơn, lại có cấutạo đơn giản, các bộ phận đều có kích thước không quá lớn nên vận chuyển và lắpráp dễ dàng, độ bền cao, duy tu bảo dưỡng đơn giản Loại này mới xuất hiện từ vàinăm gần đây nhưng đã đƣợc nhiều nơi quan tâm và sử dụng

Hiện có các loại máy phát điện dùng sức gió với công suất rất khác nhau, từ 1

kW tới hàng chục ngàn kW.Các trạm phát điện này có thể hoạt động độc lập hoặccũng có thể nối với mạng điện quốc gia.Các trạm độc lập cần có một bộ nạp, bộ ắc– quy và bộ đổi điện Khi dùng không hết, điện đƣợc tích trữ vào ắc – quy Khi

không có gió sẽ sử dụng điện phát ra từ ắc-quy.Các trạm nối với mạng điện quốcgia thì không cần bộ nạp và ắc-quy.

Các trạm phát điện dùng sức gió có thể phát điện khi tốc độ gió từ 3 m/s (11km/h), và tự ngừng phát điện khi tốc độ gió vượt quá 25 m/s (90 km/h) Tốc độ gióhiệu qủa từ 10 m/s tới 17 m/s, tùy theo từng loại máy phát điện

1.4 Những lợi ích khi sử dụng gió để sản xuất điện ( điện gió )

Ưu điểm dễ thấy nhất của điện gió là không tiêu tốn nhiên liệu, tận dụng đượcnguồn năng lượng vô tận là gió, không gây ô nhiễm môi trường như các nhà máynhiệt điện, không làm thay đổi môi trường và sinh thái như nhà máy thủy điện,không có nguy cơ gây ảnh hưởng lâu dài đến cuộc sống của người dân xung quanh

Trước đây, khi công nghệ phong điện còn ít được ứng dụng, việc xây dựng mộttrạm điện gió rất tốn kém, chi phí cho thiết bị và xây lắp đều rất đắt nên chỉ được ápdụng trong một số trường hợp thật cần thiết Ngày nay điện gió đã trở nên rất phổbiến, thiết bị được sản xuất hàng loạt, công nghệ lắp ráp đã hoàn thiện nên chi phí choviệc hoàn thành một trạm điện gió hiện nay chỉ bằng ¼ so với năm 1986

Các trạm điện gió có thể đặt ở những địa điểm và vị trí khác nhau, với nhữnggiải pháp rất linh hoạt và phong phú:

- Các trạm điện gió đặt ở ven biển cho sản lượng cao hơn cáctrạm nội địa vì bờ biển thường có gió mạnh Giải pháp này tiết kiệm đất xây dựng,đồng thời việc vận chuyển các cấu kiện lớn trên biển cũng thuận lợi hơn trên bộ

nghiệp, nông nghiệp cũng có thể đặt được trạm phong điện Trường hợp này khôngcần làm trụ đỡ cao, tiết kiệm đáng kể chi phí xây dựng

- Trên mái nhà cao tầng cũng có thể đặt trạm điện gió, dùng chocác nhu cầu trong nhà và cung cấp điện cho thành phố khi không dùng hết điện.Trạm điện này càng có ý nghĩa thiết thực khi thành phố bất ngờ bị mất điện

- Ngay tại các khu chế xuất cũng có thể đặt các trạm điện gió.Nếu tận dụng không gian phía trên các nhà xưởng để đặt các trạm điện gió thì sẽgiảm tới mức thấp nhất diện tích đất xây dựng và chi phí làm đường dây điện

- Đặt một trạm điện gió bên cạnh các trạm bơm thủy lợi ở xa lưới

điện quốc gia sẽ tránh được việc xây dựng đường dây tải điện với chi phílớn gấp nhiều lần chi phí xây dựng một trạm điện gió Việc bảo quản mộttrạm điện gió cũng đơn giản hơn việc bảo vệ đường dây tải điện rất nhiều

- Một trạm điện gió 4 kW có thể đủ điện cho một trạm kiểm lâmtrong rừng sâu hoặc một ngọn hải đăng xa đất liền Một trạm 10 kW đủ cho mộtđồn biên phòng trên núi cao, hoặc một đơn vị hải quân nơi đảo xa

Tuy nhiên không phải nơi nào đặt trạm điện gió cũng có hiệu quả như nhau

Để có sản lượng điện cao cần tìm đến những nơi có nhiều gió.Các vùng đất nhô rabiển và các thung lũng sông thường là những nơi có lượng gió lớn.Một vách núicao có thể là vật cản gió nhưng cũng có thể lại tạo ra một nguồn gió mạnh thườngxuyên, rất có lợi cho việc khai thác điện gió Khi chọn địa điểm đặt trạm có thể dựavào các số liệu thống kê của cơ quan khí tượng hoặc kinh nghiệm của nhân đân địaphương, nhưng chỉ là căn cứ sơ bộ Lượng gió mỗi nơi còn thay đổi theo từng địahình cụ thể và từng thời gian Tại nơi dự định dựng trạm điện gió cần đặt các thiết

bị đo gió và ghi lại tổng lượng gió hàng năm, từ đó tính ra sản lượng điện có thểkhai thác, tuơng ứng với từng thiết bị điện gió Việc này càng quan trọng hơn khixây dựng các trạm công suất lớn hoặc các vùng điện gió tập trung

1.5 Đối tượng, phạm vi và mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Đối tượng nghiên cứu: Turbin sử dụng năng lượng gió

Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu thiết kế turbin gió trục sử dụng để phát điện Mục tiêu nghiên cứu: Đáp ứng nhu cầu sử dụng điện sạch cho hộ gia đình

Phương hướng tiếp cận:

Nghiên cứu lý thuyết điều tuabine gió từ sách và nguồn tài liệu trên internet.Nắm được ứng dụng của tuabine gió để thiết kế chế tạo tuabine gió công suất nhỏ Nghiên cứu quá trình làm việc của tuabine gió.Trên cơ sở đó xây dựng cácyêu cầu cần thiết để thiết kế tuabine gió hoàn chỉnh

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TURBIN GIÓ

Turbine gió công suất 500W hoạt động ở vận tốc gió định mức 7 m/s Dựa vào

công thức tính hiệu suất của turbine sau

Hiệu suất turbine cực đại đạt được theo lý thuyết là 0.593 nhưng các turbine

gió ngày nay thì chỉ đạt giá trị η = 0.3 – 0.4

2 ∞ 3 ɳ =

Với P = 500 W ( công suất định mức)

= 1.225 / 3 ( khối lượng riêng của không khí )

∞ = 7 m/s ( vận tốc gió định mức )

Thay số vào ta được R = 1.5m

Chọn tỉ số vận tốc đầu mũi cánh λ :

Trong lĩnh vực turbine gió, một vài profile NACA đã được sử dụng để nghiêncứu đặc tính khí động học vì nó có rất nhiều giá trị thuận lợi của số Re,góctấn,chiều dài dây cung,hệ số lực nâng và lực đẩy,tỉ lệ trượt,hệ số áp suất khỏe nhất

và nhỏ nhất đã được quan tâm đến Vào những thập niên trước, thường sử dụng họcánh cho turbin gió trục ngang (HAWTs) là các họ NACA 44xx,NACA23xxx,NACA 63xxx, và NACA LS

Loại profile NACA 4412 được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới với nhiềuứng dụng cho cán máy bay, cánh tuabine gió… vì thế em chọn profile NACA 4412

để thiết kế cho cánh tuabine gió

Hình 2.1 Các thông số cơ bản của profile cánh

Hệ = số lực nâng: = 7,172 ∞ + 0,3

Hệ số lực đẩy:

Từ các dữ liệu hiệu suất có sẵn của NACA 4412, ta có CD/CL là 0,01 ở góctấn α = 4° hệ số lực nân tương tương ứng CL=0,8

2.4 Chiều dài dây cung cánh

Ta có công suất truyền cho rotor chính là công giãn nở của dòng khí

Từ biểu thức trên liên quan tới momen quay của rotor Để tiện cho tính toán, giả sử ≈ 0 khi đó:

Vế phải của biểu thức trên phụ thuộc vào hệ số dòng a, a Để hiệu suất của ՜ Để hiệu suất của cánh max thì a, a phải thỏa mãn:՜ Để hiệu suất của

Do đó biểu thức trở thành:

Với số cánh quạt của tubin gió là N=3, λ = 6 và 1= 8 Ta xây dựng được sự

biến thiên theo ( tỷ số bán kính = ) ta chia đều thành 10 phần bằng nhau theo bảng sau tại mổi khoảng 150cm.

Hình 2.2 Cánh tuabine gió

Bảng 2.2 Kết quả tính toán dây cung cánh

Bảng 2.3 Kết quả tính góc tấn

Để tính góc đặt cánh ta sẽ các định góc tới ∅ của dòng khí theo công thức:

→ =∅−

Bảng 2.4 Kết quả tính toán

2.6 Tính công suất tuabine

Hầu hết các nhà sản xuất Mỹ phân loại tuabine của họ bằng lượng điện màtuabine có thể sản xuất an toàn ở một tốc độ gió cụ thể, thường khoảng giữa10m/giây và 16m/giây Công thức để tính công suất tuabin gió là:

Công suất gió tạo ra được tính theo công thức:

Trong đó:

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KẾT CÁC BỘ

PHẬN CƠ BẢN CỦA TUABINE3.1 Hộp số

Chức năng của hộp số là đẩy mạnh tốc độ quay cánh quạt một giá trị phù hợpvới máy phát điện cảm ứng tiêu chuẩn, trong đó, Tốc độ của một cánh quạt tuabinegió điển hình có thể là 30 đến 50 vòng / phút trong khi đó, tốc độ tối ưu của máyphát điện có thể là vào khoảng 1000 to 1500 vòng/phút Do đó, bộ truyền động làthiết bị được ứng dụng trong các đường dây truyền tải để thao tác với tốc độ theoyêu cầu của các máy phát điện và hộp số được lắp ráp vào các tua bin gió từ100kw trở lên, khi đó tốc độ quay sẽ phù hợp với tốc độ của máy phát

Hình 3.1 Sắp xếp thiết bị của một tuabine gió

Với tuabine gió cở vài kw thì người ta đấu trực tiếp vào máy phát điện, khôngqua hộp số Do là với các tuabine gió có công suất nhỏ nên cánh khá nhẹ nên tốc

độ quay lớn gần bằng tốc độ quay của máy phát

Hình 3.2 Đường cong công suất của một tuabine gió điển hình

3.2 Tháp

Tháp hỗ trợ các cánh quạt và vỏ bọc động cơ của một tuabine gió ở độ caomong muốn.Các loại chính của tòa tháp được sử dụng trong tua – bin hiện đại làtháp khung dàn, tháp ống và tháp dây nối đất

Hình 3.3 Các loại tháp tuabine gió

Ở đây em sẽ chọn tháp hình ống, hầu hết các tua bin gió cỡ lớn đều sử dụng cộtthép hình ống được sản xuất trong khoảng từ 20 – 30 mét với các mặt bích tại mỗi đầu

và được nối lại với nhau tại các điểm Những cột tháp là hình nón (với đường

kính của chúng tăng theo hướng chân đế) để tăng độ mạnh của chúng và cũng là đểtiết kiệm nguyên liệu.

3.3 Tính toán và lựa chọn máy phát điện

Các thông số để tính toán thiết kế máy phát

− Công suất tuabine gió 500W;

− Tốc độ quay 0-200 vòng/phút

Máy phát điện là một thành phần quan trọng không thể thiếu trong tuabine gió,

vì nó có nhiệm vụ chuyển đổi cơ năng của tuabine thành điện năng Trong một hệthống phát điện, việc thiết kế và chọn máy phát điện phải phù hợp với loại tuabine

45 đã được lựa chọn Các tuabine này được thiết kế với việc ưu tiên cho cácphương pháp điều khiển mong muốn và điều kiện gió tại vùng đã được quy hoạch.Các máy phát điện ở đây không chỉ được sử dụng để biến đổi năng lượng mà còndùng để điều khiển điện áp thông qua tốc độ quay của tuabine

Tuabine được nối trực tiếp với rotor của máy phát thông qua một trục truyềnđộng, tức là trực tiếp điều khiển máy phát Loại máy phát này sẽ có tốc độ quay chậmhơn so với các loại máy phát thông thường Do đó nó được thiết kế với số lượng điệncực nhiều để đạt được cảm ứng từ tốt và hiệu quả cao Việc điều khiển trực tiếp giúploại bỏ tổn thất, bảo dưỡng và các chi phí liên quan đến hộp số Một số nghiên cứucho thấy hộp số là nguyên nhân dẫn đến hầu hết các hư hỏng của tuabine gió Hơnnữa, điều khiển trực tiếp làm giảm liên kết xoắn trên các trục truyền động bởi tần sốdao động riêng Do đó các trục sẽ nhỏ hơn so với trường hợp sử dụng hộp số, với H-rotor điều này có nghĩa là tháp đỡ sẽ được giảm khối lượng

Chọn máy phát điện xoay chiều, kích từ bằng nam châm vỉnh cửu