Thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị đo gió cho máy phong điện trục đứng có điều khiển

Vị trí lắp mong muốn của thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc trên máy phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh………... Như vậy, để xác định được tốc độ gió và hướng gió nhằm cung cấp số liệ

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ ĐO GIÓ CHO MÁY PHONG ĐIỆN

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên, tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc nhất tới PGS TS Ngô Như Khoa - Trưởng phòng Đào tạo trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu để tôi có thể hoàn thành đề tài luận văn tốt nghiệp

Cảm ơn các thầy cô giáo tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tận tình giảng dạy trong hai năm học qua

Cảm ơn Ban Giám hiệu và lãnh đạo khoa Khoa Cơ khí - Trường Cao Đẳng Công nghiệp Phúc Yên (Phường Trưng Nhị - TX.Phúc Yên – Tỉnh Vĩnh Phúc) đã tạo điều kiện về mặt thời gian để tôi thực hiện và hoàn thành đề tài này

Cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ trong thời gian qua để luận văn được hoàn thành đúng tiến độ

Thái Nguyên, ngày 24 tháng 05 năm 2013

Tác giả

Phạm Thế Anh

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Phạm Thế Anh - Học viên cao học lớp K13-Công nghệ chế tạo máy Khóa học 2010-2012 trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên

Sau hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường tôi lựa chọn thực

hiện đề tài tốt nghiệp “Thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị đo gió cho máy phong điện trục đứng có điều khiển”

Được sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của PGS TS Ngô Như Khoa và sự

nỗ lực của bản thân, đề tài đã được hoàn thành năm 201

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung và kết quả của luận văn này là do tự bản thân tôi thực hiện, không sao chép của người khác Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Thái Nguyên, ngày tháng năm 201

Tác giả

Phạm Thế Anh

MỤC LỤC

Lời cảm ơn………

Lời cam đoan……… ……

Mục lục ……… ……

Danh mục các hình vẽ……… ……

Danh mục các bảng biểu……… ……

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt……… ……

MỞ ĐẦU……… ……

1 Tính cấp thiết của đề tài……… ……

2 Mục tiêu và nhiện vụ của luận văn……… ……

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu……… ……

4 Phương pháp nghiên cứu……… ……

5 Ý nghĩa……… ……

NỘI DUNG CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Các loại thiết bị đo gió.………

1.1.1 Cup Anemometer………

1.1.2 Windmill anemometer………

1.1.3 Hot-wire anemometer ………

1.1.4 Sonic anemometer………

1.2 Vị trí lắp của thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc………

1.2.1 Trên máy phong điện trục ngang và trục đứng………

1.2.2 Trên máy phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh………

1.3 Kết cấu, nguyên lý làm việc của thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc………

1.3.1 Kết cấu chung của thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc………

1.3.2 Nguyên lý làm việc của thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc………

1.4 Cơ sở nghiên cứu về khí động lực học………

1

2

3

6

8

9

10

10

11

12

12

12

13

13

13

14

14

15

15

15

16

18

18

20

23

1.4.1 Các thông số cơ bản về gió………

1.4.2 Cơ sở về lực nâng, lực cản trong khí động lực học………

1.4.3 Hệ số cản CD đối với cánh có dạng cốc………

1.5 Các mô hình tính toán khí động lực học cho thiết bị đo gió kiểu cốc…

1.5.1 Mô hình 2 cốc………

1.5.2 Mô hình của Ramachandran………

1.5.3 Đề xuất của Kondo và các cộng sự………

1.5.4 Đề xuất mô hình kết hợp 1 cốc và 4 cốc………

1.6 Kết luận

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ KHÍ ĐỘNG HỌC TRÊN THIẾT BỊ ĐO GIÓ KIỂU CỐC 2.1 Các thông số thiết kế chính cho thiết bị đo gió kiểu cốc………

2.1.1 Ảnh hưởng của các thông số thiết kế chính………

2.1.2 Yêu cầu thiết kế cho thiết bị đo gió kiểu cốc………

2.2 Mô hình thiết kế và chế tạo cho thiết bị đo gió kiểu cốc………

2.2.1 Thiết kế sơ bộ của mô hình thiết bị đo gió kiểu cốc………

2.2.2 Thiết kế chi tiết và nguyên lý của mô hình thiết bị đo………

2.2.3 Mô hình chế tạo của thiết bị đo tốc độ gió và hướng gió………

2.3 Mô hình khí động lực học cho 1 cốc

2.3.1 Một số giả định trong phân tích mô hình 1 cốc

2.3.2 Mô men khí động lực học trong mô hình 1 cốc………

2.3.3 Thực nghiệm trên mô hình 1 cốc

2.3.4 Mô men khí động lực học đối với rotor 4 cốc………

2.4 Ma sát lăn của các ổ bi bên trong thiết bị đo………

2.4.1 Cơ sở tính toán mô men ma sát lăn của ổ bi………

2.4.2 Thực nghiệm xác định giá trị mô men ma sát lăn Qf của các ổ bi……

2.4.3 Quan hệ giữa mô men ma sát lăn Qf với vận tốc góc ω

23

24

26

27

29

30

32

34

34

35

35

37

38

38

38

41

41

41

42

44

48

49

49

52

55

2.5 Phương trình khí động lực của thiết bị đo gió kiểu cốc………

2.5.1 Kết quả tính toán khí động lực học cho rotor 4 cốc, với Rrc = 360 mm 2.5.2 Kết quả tính toán khí động lực học cho rotor 4 cốc, với Rrc = 330 mm 2.5.3 Kết quả tính toán khí động lực học cho rotor 4 cốc, với Rrc = 300 mm 2.5.4 Kết quả tính toán khí động lực học cho rotor 4 cốc, với Rrc = 270 mm 2.5.5 Kết quả tính toán khí động lực học cho rotor 4 cốc, với Rrc = 240 mm 2.5.6 Kết quả tính toán khí động lực học cho rotor 4 cốc, với Rrc = 210 mm 2.5.7 Kết quả tính toán khí động lực học cho rotor 4 cốc, với Rrc = 180 mm 2.5.8 Kết quả tính toán khí động lực học cho rotor 4 cốc, với Rrc = 150 mm 2.5.9 Nhận xét về mô hình tính toán khí động lực học

2.6 Kiểm nghiệm mô hình khí động lực học của thiết bị đo gió………

2.6.1 Xây dựng mô hình thực nghiệm………

2.6.2 So sánh mô hình tính toán và mô hình thực nghiệm

2.7 Kết luận

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ ĐUÔI HƯỚNG GIÓ 3.1 Cơ sở tính toán, thiết kế cho đuôi hướng gió

3.1.1 Một số đặc điểm cơ bản về đuôi lái gió

3.1.2 Kết cấu và nguyên lý hoạt động của đuôi hướng gió

3.1.3 Mô hình khí động lực học cho đuôi hướng gió

3.2 Kiểm nghiệm mô hình thiết kế cho đuôi lái gió

3.2.1 Thông số và kết cấu của bộ phận xác định hướng gió

3.2.2 Sơ đồ thực nghiệm cho đuôi lái gió được thiết kế

3.3.Kết luận

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN CHUNG 4.1 Kết quả luận văn đã đạt được………

56

56

58

59

60

61

62 63

64

65

67

67

73

74

75

75

75

79

80

80

81

81

82

4.2 Những kiến nghị nghiên cứu tiếp theo………

TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cup Anemometer ……….………

Hình 1.2 Windmill anemometer ……….………

Hình 1.3 Hot-wire anemometer ……… ………

Hình 1.4 Sonic anemometer ………

Hình 1.5 Thiết bị đo gió trên vỏ máy của máy phong điện trục ngang ……

Hình 1.6 Thiết bị đo gió trên chân đế của máy phong điện trục đứng ……

Hình 1.7 Vị trí lắp mong muốn của thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc trên máy phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh………

Hình 1.8 Một số dạng cốc cơ bản ………

Hình 1.9 Bản vẽ phân rã của 3 - Cup Anemometer………

Hình 1.10 Thiết bị đo gió dựa trên quan hệ điện áp sinh tỷ lệ với tốc độ gió Hình 1.11 Các thành phần của vận tốc gió tác động lên vật thể ………

Hình 1.12 Bản chất sự hình thành lực khí động học ………

Hình 1.13 Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa CD và CL với góc tới …………

Hình 1.14 Mô hình đơn giản hóa của rotor trên thiết bị đo gió………

Hình 1.15 Hệ số cản của một số dạng hình học cơ bản……… ………

Hình 1.16 Các mô men tác dụng lên rotor của thiết bị đo gió………

Hình 1.17 Mô hình 2 cốc ………

Hình 1.18 Độ lệch giữa góc α và θ phụ thuộc vào hệ số K………

Hình 1.19 Hệ số khí động lực học CN của kiểu cốc Brevoort - Joyner II…

Hình 1.20 Hệ số CN của kiểu cốc Brevoort - Joyner II do Kondo đề xuất…

Hình 2.1 Một thiết kế hợp lý cho thiết bị đo gió………

Hình 2.2 Một thiết kế chưa hợp lý cho thiết bị đo gió………

Hình 2.3 Kết cấu sơ bộ của thiết bị đo gió.………

Hình 2.4 Bản vẽ phân rã cho mô hình thiết bị đo tốc độ gió và hướng gió… Hình 2.5 Bản vẽ lắp cho mô hình thiết bị đo tốc độ gió và hướng gió………

82

83

13

14

14

15

16

16

17

18

19

20

24

25

26

26

27

28

30

31

32

33

36

37

38

39

Hình 2.6 Mô hình chế tạo cho thiết bị đo tốc độ gió và hướng gió…………

Hình 2.7 Mô hình hóa cho 1 cốc ………

Hình 2.8 Dạng biểu đồ mô men khí động lực học tổng quát của 1 cốc

Hình 2.9 Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo lực cản FD trên mô hình 1 cốc

Hình 2.10 Đồ thị mô men khí động lực học xây dựng từ thực nghiệm

Hình 2.11 Sơ đồ khí dộng lực học của rotor 4 cốc ………

Hình 2.12 Các chi tiết trong kết cấu của ổ bi

Hình 2.13 Lớp thấm của chất bôi trơn tại khe hở ngõng trục………

Hình 2.14 Độ nhớt của một số loại dầu tương ứng với nhiệt độ ổ bi

Hình 2.15 Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo điện áp và dòng điện

Hình 2.16 Quan hệ giữa Qf và vận tốc góc ω………

Hình 2.17 Đồ thị thể hiện quan hệ giữa V và ω

Hình 2.18 Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo vận tốc góc của rotor

Hình 3.1 Mô hình thiết kế của đuôi hướng gió

Hình 3.2 Bản vẽ phân rã của đuôi hướng gió………

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý của chiết áp vòng………

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý của bộ mã hóa xung quang học (5 bit)…………

Hình 3.5 Sơ đồ mô tả đặc tính khí động lực học của đuôi hướng gió

Hình 3.6 Thiết bị đo gió được lắp đặt trên máy phong điện trục đứng

Hình 3.7 Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo lực cản tác động lên cánh

40

41

42

43

47

48

49

50

51

52

54

56

66

68

75

76

77

78

79

80

81

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Bảng số liệu tính toán về lực và mô men khí động lực học của 1

cốc

Bảng 2.2 Các thiết bị trong thực nghiệm đo lực cản FD trên mô hình 1 cốc

Bảng 2.3 Bảng số liệu thực nghiệm về lực và mô men khí động lực học của 1 cốc

Bảng 2.4 Các thiết bị trong thực nghiệm đo điện áp và dòng điện

Bảng 2.5 Bảng số liệu thực nghiệm khi đo điện áp và dòng điện

Bảng 2.6 Bảng số liệu tính toán ω của rotor 4 cốc với Rrc = 360

Bảng 2.7 Bảng số liệu tính toán ω của rotor 4 cốc với Rrc = 330

Bảng 2.8 Bảng số liệu tính toán ω của rotor 4 cốc với Rrc = 300

Bảng 2.9 Bảng số liệu tính toán ω của rotor 4 cốc với Rrc = 270

Bảng 2.10 Bảng số liệu tính toán ω của rotor 4 cốc với Rrc = 240

Bảng 2.11 Bảng số liệu tính toán ω của rotor 4 cốc với Rrc = 210

Bảng 2.12 Bảng số liệu tính toán ω của rotor 4 cốc với Rrc = 180

Bảng 2.13 Bảng số liệu tính toán ω của rotor 4 cốc với Rrc = 150

Bảng 2.14 Các thiết bị trong thực nghiệm đo vận tốc góc ω (rad/s) của rotor tương ứng với tốc độ gió V (m/s)

Bảng 2.15 Bảng số liệu thực nghiệm đo vận tốc góc ω với Rrc = 360

Bảng 2.16 Bảng số liệu thực nghiệm đo vận tốc góc ω với Rrc = 330

Bảng 2.17 Bảng số liệu thực nghiệm đo vận tốc góc ω với Rrc = 300

Bảng 2.18 Bảng số liệu thực nghiệm đo vận tốc góc ω với Rrc = 270

Bảng 2.19 Bảng số liệu thực nghiệm đo vận tốc góc ω với Rrc = 240

Bảng 2.20 Bảng số liệu thực nghiệm đo vận tốc góc ω với Rrc = 210

Bảng 2.21 Bảng số liệu thực nghiệm đo vận tốc góc ω với Rrc = 180

44

45

47

53

55

57

58

59

60

61

62

63

64

67

69

69

70

70

71

72

Bảng 2.22 Bảng số liệu thực nghiệm đo vận tốc góc ω với Rrc = 150 72

Chiều cao trục quay của rotor (mm)

Diện tích hứng gió của cốc (m2

)

Diện tích của đuôi hướng gió (m2

)

Tốc độ gió (m/s)

Vận tốc tương đối của gió so với cốc (m/s)

Vận tốc góc của rotor (rad/s)

Mô men quay rotor (N.m)

Mô men khí động lực học trung bình của rotor (N.m)

Mô men khí động lực học trung bình của 1 cốc sau 1 vòng quay (N.m)

Mô men ma sát lăn trung bình của các ổ bi (N.m)

Góc tới (độ)

Góc quay của rotor (độ)

Góc xoay của đuôi hướng gió (độ)

Góc giữa đuôi hướng gió so với phương gió (độ)

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Điện gió hiện đã và đang được đặc biệt quan tâm trong nghiên cứu, sản xuất

và ứng dụng tại nhiều quốc gia, trong đó có Việt Nam Theo báo cáo của hiệp hội năng lượng gió thế giới thì tổng công suất lắp đặt điện gió trên toàn cầu tăng liên tục, từ 24 (GW) năm 2001 và đến năm 2010 thì đạt 204 (GW) Do thấy được tiềm năng cũng như ưu thế của điện gió cho nên một loạt các dự án điện gió lớn cũng đang được triển khai xây dựng ở Việt Nam, cụ thể như điện gió Bình Thuận, điện gió Bạc Liêu, điện gió Tuy Phong…

Thiết bị dùng để biến động năng của gió thành điện năng được gọi là máy phong điện hay còn gọi là máy phát điện bằng sức gió Điện năng sản xuất từ năng lượng gió có những ưu điểm nổi trội như: Gió là nguồn năng lượng vô tận, hơn nữa, gió còn là nguồn năng lượng sạch nên không gây ô nhiễm môi trường; giá thành điện năng từ các máy phong điện xét về lâu dài mang tính kinh tế cao

Về cơ bản máy phong điện được chia làm hai loại, đó là: Máy phong điện trục đứng và máy phong điện trục ngang Máy phong điện trục ngang là loại turbine gió có hiệu suất cao nhất, thích hợp với nhiều vận tốc gió khác nhau, tuy nhiên hình dạng và kích thước lớn nên dẫn đến lắp đặt và bảo dưỡng khó khăn Loại này chủ yếu được sử dụng cho hệ thống có công suất lớn, hòa vào lưới điện quốc gia

Đối với máy phong điện trục đứng thông thường có thể hoạt động bình đẳng với mọi hướng gió, cấu tạo đơn giản, các bộ phận đều có kích thước không quá lớn nên lắp đặt và bảo dưỡng dễ dàng Hạn chế của nó là công suất thấp, công suất phụ thuộc vào đường kính hệ thống cánh, mô men khởi động lớn, chiếm diện tích mặt

bằng lớn khi lắp đặt Với đặc điểm như trên nên máy phong điện trục đứng thông thường không có bộ điều khiển

Tuy nhiên, để nâng cao hiệu suất cho máy phong điện trục đứng thì phải điều

khiển được góc xoay của cánh Do đó, cần lắp đặt thêm bộ điều khiển, cơ cấu chấp

hành và một điều không thể thiếu đó là thiết bị đo gió nhằm cung cấp số liệu về

tốc độ gió và hướng gió cho bộ điều khiển

Máy phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh được thiết kế với đặc điểm nổi bật về kết cấu đó là modul điều khiển cũng như modul dẫn động cho cánh

đều nằm trên rotor và quay cùng nó khi hoạt động Do đó, nếu dùng thiết bị đo gió

hiện có trên thị trường được lắp cố định trên cột hoặc chân đế thì rất khó truyền tín hiệu cho bộ điều khiển Khi đó việc thiết kế đường dẫn tín hiệu trở nên khó

khăn hơn, độ trễ của tín hiệu đến bộ điều khiển sẽ tăng lên, đây là điều không hề

mong muốn trong việc giải bài toán điều khiển

Như vậy, để xác định được tốc độ gió và hướng gió nhằm cung cấp số liệu cho bộ điều khiển của máy phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh thì cần thiết kế và chế tạo thiết bị đo gió chuyên dụng gắn trực tiếp trên rotor

Từ các lý do trên cho thấy việc thực hiện đề tài “Thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị đo gió cho máy phong điện trục đứng có điều khiển” là rất cần thiết

Qua đó góp phần phát triển và hoàn thiện về thiết kế cho máy phong điện trục đứng

có điều khiển góc cánh

2 Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn

- Tên đề tài: “Thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị đo gió cho máy phong điện

trục đứng có điều khiển”

- Mục tiêu: Chế tạo được thiết bị đo tốc độ gió và phương gió dùng cho máy phong

điện trục đứng có điều khiển góc cánh mà các thiết bị đo gió hiện có trên thị trường chưa phù hợp

- Nhiệm vụ:

 Nghiên cứu tổng quan về các loại thiết bị đo gió và lựa chọn mô hình phù hợp

 Nghiên cứu, hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về khí động lực học, sơ đồ nguyên lý của các thiết bị đo gió hiện có trên thị trường

 Tính toán, thiết kế sơ đồ lắp đặt thiết bị đo gió sao cho phù hợp, đảm bảo độ chính xác và dễ dàng truyền số liệu đến bộ điều khiển

 Chế tạo thiết bị, tiến hành thử nghiệm và đánh giá

 Thiết bị chế tạo đạt được những yêu cầu kỹ thuật cơ bản như:

 Thiết bị chế tạo cần đảm bảo được những yêu cầu kỹ thuật cơ bản như sau:

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Thiết bị đo gió chuyên dụng, sử dụng cho máy phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh

4 Phương pháp nghiên cứu

 Lý thuyết kết hợp với thử nghiệm

5 Ý nghĩa

Đề tài ứng dụng tổng hợp các kiến thức của ngành cơ khí chế tạo máy, cơ học kỹ thuật và khí động lực học nhằm thiết kế và chế tạo một thiết bị ứng dụng theo yêu cầu cụ thể của một đề tài nghiên cứu khoa học mà chưa có trong thực tiễn

Vì vậy đề tài có ý nghĩa về mặt khoa học cũng như thực tiễn

NỘI DUNG

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Các loại thiết bị đo gió

Thiết bị đo gió là một thiết bị dùng để đo tốc độ gió, xác định hướng gió, thường được sử dụng trong ngành khí tượng học hoặc khí động lực học Thiết bị đo gió chia làm 2 nhóm chính, đó là nhóm đo tốc độ gió và nhóm đo áp lực do gió sinh

ra Ở đây ta chỉ quan tâm đến thiết bị đo tốc độ gió với tên tiếng Anh là Anemometer Các thiết bị đo tốc độ gió hiện có trên thị trường khá phong phú, dưới đây là một số thiết bị đo tốc độ gió thường gặp

1.1.1 Cup Anemometer

Cup Anemometers – Có nghĩa là thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc Đây là thiết

bị đo tốc độ gió đơn giản, được phát minh vào năm 1846 bởi TS John Thomas Romney Robinson Kết cấu chung của thiết bị được trình bày như trong hình 1.1 Dựa vào việc xác định số vòng quay trong một đơn vị thời gian ta có thể tính toán cho ra tốc độ của gió tác động vào các bán cầu

Hình 1.1 Cup Anemometer

 Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, lắp đặt

1.1.2 Windmill anemometer

Windmill anemometers – Thiết bị đo tốc độ gió kiểu cánh quạt Thiết bị đo

tốc độ gió kiểu này có trục quay theo phương ngang Để hạn chế sai số khi hướng gió thay đổi thì kết cấu của thiết bị đo có thêm phần đuôi lái gió Kết cấu chung của thiết bị đo kiểu này được trình bày như trong hình 1.2

Hình 1.2 Windmill anemometer

Cup Anemometers

xác của kết quả đo

1.1.3 Hot-wire anemometer

Hot-wire anemometers – Thiết bị đo tốc độ gió kiểu sợi đốt Thiết bị này sử

dụng một sợi dây dẫn điện tốt, cho một dòng điện đi qua sợi dây để đốt nóng Dòng không khí thổi qua dây có tác dụng tản nhiệt trên dây Xác định được sự thay đổi nhiệt độ trên dây kim loại, qua đó xác định được tốc độ của dòng chảy Thiết bị đo

có dạng như trong hình 1.3

Hình 1.3 Hot-wire anemometers

cao, phản ứng nhanh chóng với những thay đổi trong dòng chảy

đốt

1.1.4 Sonic anemometer

Sonic anemometers – Thiết bị đo tốc độ gió thông qua sóng siêu âm Thiết bị

xác định tốc độ gió dựa trên thời gian lan truyền của sóng siêu âm giữa các cặp của đầu dò Phép đo thông qua các cặp đầu dò được kết hợp để xác định vận tốc gió trong 1, 2 hoặc 3 chiều dòng chảy Độ phân giải được cho bởi chiều dài đường dẫn giữa các đầu dò thường từ 10 – 20 cm Thiết bị đo tốc độ gió sử dụng sóng siêu âm

có hình dạng chung như trong hình 1.4

1.2 Vị trí lắp của thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc

1.2.1 Trên máy phong điện trục ngang và trục đứng

Thuận lợi cơ bản khi lựa chọn các thiết bị đo gió kiểu cốc hiện có trên thị trường là các thông số của chúng đã được tính toán và kiểm nghiệm nên ta có thể lựa chọn thiết bị có thông số phù hợp với yêu cầu cụ thể để lắp đặt Tuy nhiên, các thiết bị này chỉ có thể gắn cố định trên thân, chân đế hoặc tháp đỡ

Hình 1.5 Thiết bị đo gió trên vỏ máy của máy phong điện trục ngang

Hình 1.6 Thiết bị đo gió trên chân đế của máy phong điện trục đứng

1.2.2 Trên máy phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh

Với kết cấu của máy phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh được mô

tả trong hình 1.7 bên dưới thì modul điều khiển cũng như modul dẫn động cho cánh

đều nằm trên rotor và quay cùng nó khi hoạt động Do đó, nếu dùng thiết bị đo tốc

độ gió kiểu cốc hiện có trên thị trường được lắp cố định trên cột hoặc chân đế thì rất khó truyền tín hiệu cho bộ điều khiển Khi đó việc thiết kế đường dẫn tín

hiệu trở nên khó khăn hơn, độ trễ của tín hiệu đến bộ điều khiển sẽ tăng lên, đây là điều không hề mong muốn trong việc giải bài toán điều khiển

Hình 1.7 Vị trí lắp mong muốn của thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc

trên máy phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh

Như vậy, để xác định được tốc độ gió và hướng gió nhằm cung cấp số liệu cho bộ điều khiển của máy phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh thì cần thiết kế và chế tạo thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc chuyên dụng gắn trực tiếp trên rotor Nhìn lại những nghiên cứu trong nước trước đây trong lĩnh vực

năng lượng gió thì vấn đề này vẫn còn bỏ ngỏ [1], [2], [3], [4] Trong khi đó các nghiên cứu trong lĩnh vực này đã được thực hiện khá sớm trên thế giới So sánh độ chính xác giữa thiết bị đo gió kiểu cốc và thiết bị đo gió dùng sóng siêu âm khi đo gió có tốc độ trung bình đã được Troels Friis Pedersen và các cộng sự [5] tiến hành

Vị trí của thiết bị đo

gió

nghiên cứu Nghiên cứu của Paul R.Ebert và David H.Wood [6] chủ yếu đi sâu vào đánh giá ảnh hưởng kích thước của thiết bị đến độ chính xác của phép đo Fasinmirin J T và các cộng sự [7] đã phát triển được thiết bị đo gió tự động ghi số liệu trên cơ sở thiết bị đo gió dạng cốc

Mặc dù số lượng các nghiên cứu trong cùng lĩnh vực khá đa dạng và phong phú, tuy nhiên chưa có nghiên cứu nào đi sâu vào nghiên cứu, thiết kế thiết bị đo tốc

độ gió kiểu cốc được gắn trực tiếp trên rotor của máy phong điện trục đứng Vì vậy,

từ các yêu cầu thực tế của quá trình thiết kế thì việc thực hiện đề tài: “Thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị đo gió cho máy phong điện trục đứng có điều khiển” là

hết sức cần thiết

1.3 Kết cấu, nguyên lý làm việc của thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc

1.3.1 Kết cấu chung của thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc

Một thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc nói chung bao gồm 3 hoặc 4 cốc có thể quay quanh một trục thẳng đứng dưới tác dụng của gió Hình dạng của cốc có thể là dạng eliptic, bán cầu hoặc dạng nón, trong đó dạng bán cầu được sử dụng phổ biến hơn cả Hình 1.8 mô tả một số dạng cốc cơ bản

Hình 1.8 Một số dạng cốc cơ bản

Để hiểu rõ hơn cấu tạo của từng bộ phận có thể tham khảo bản vẽ lắp dưới dạng phân rã của 3 – Cup Anemometer [8] tương ứng trong hình 1.9

Hình 1.9 Bản vẽ phân rã của 3 - Cup Anemometer (Model 1210 của R.M.Young Company) 1) Cốc; 2) Trục quay; 3) Khớp nối dạng đĩa; 4) Động cơ; 5) Cáp tín hiệu

1.3.2 Nguyên lý làm việc của thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc

Về cơ bản, thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc hoạt động dựa vào một trong các nguyên lý sau:

+ Dựa trên điện áp sinh ra bởi tốc độ gió Thiết bị đo kiểu này gồm một

máy phát điện AC gắn cùng trục quay của rotor Khi gió tác động vào các cốc làm cho rotor quay, một điện áp sinh ra tỷ lệ với tốc độ gió tức thời, tín hiệu thu được sẽ truyền đến bộ phận hiển thị kết quả đo Một mạch tích hợp CR sẽ tính toán ra giá trị trung bình của gió

Thiết bị đo được lắp trên các tháp cao và kết nối với bộ phận hiển thị kết quả

đo thông qua hệ thống dây cáp tín hiệu Do vậy, có thể quan sát dễ dàng kết quả đo

từ các vị trí phía dưới Thiết bị đo gió kiểu này không cần nguồn cấp cho mạch chính, tuy nhiên, mạch đếm cần một nguồn cấp khoảng 3V bằng các pin khô Ngoài

ra, một số mô hình khác còn có bộ phận chuyển đổi tương tự - số, A/D (Analog to digital converter) cho phép máy tính kết nối để thu thập số liệu

Hình 1.10 Thiết bị đo gió dựa trên quan hệ điện áp sinh tỷ lệ với tốc độ gió

+ Dựa trên số xung sinh ra bởi tốc độ gió Thiết bị đo dựa trên nguyên lý

này gồm một máy phát tạo ra xung điện, số xung đếm được cho phép xác định số vòng quay của rotor tương ứng Xác định số vòng quay của rotor trong một đơn vị thời gian từ đó tính toán được tốc độ gió trung bình đạt được trong khoảng thời gian

đó

Kiểu thiết bị đo sử dụng máy phát xung quang học bao gồm một đĩa được đục lỗ gắn cùng trục quay của rotor Khi đĩa lỗ quay cùng rotor cho phép chùm ánh

sáng xuyên qua gián đoạn từ bộ phận phát chùm ánh sáng đến bộ phận thu nhận chùm ánh sáng, tín hiệu xung tạo ra tương ứng với tốc độ gió Sau chuyển đổi tín hiệu xung – tương tự P/A (Pulse-Analog) một điện áp một chiều được sinh ra tương ứng với số xung đã tạo ra Điện áp này được chuyển đổi tương ứng ra tốc độ gió tức thời Một số thiết bị đo gió sử dụng tín hiệu xung số cho phép xác định tốc độ gió tức thời thông qua một con vi điều khiển

Qua bản vẽ phân rã được trình bày trong hình 1.9 có thể thấy nguyên lý làm việc của thiết bị đo tốc độ gió như sau: Khi gió thổi làm quay các cốc 1, chuyển động quay được truyền cho trục quay 2 và khớp nối dạng đĩa 3 dẫn đến làm quay trục của máy phát 4 Giá trị của tần số hay điện áp của dòng điện uDC (mV) sinh ra

từ máy phát 4 được truyền đến bộ phận chuyển đổi thông qua cáp 5 Giá trị của tần

số hoặc điện áp được tính toán và xử lý để quy đổi ra tốc độ của gió theo quan hệ được xác định thông qua thực nghiệm như sau:

 Quan hệ giữa tốc độ gió V và điện áp u DC (mV)

Biểu đồ 1.1 Quan hệ giữa tốc độ gió với số vòng quay của cốc và điện áp trong thiết kế cho Model 12302/12305 của R.M.Young Company

1.4 Cơ sở nghiên cứu về khí động lực học

1.4.1 Các thông số cơ bản về gió

thời gian t

 Tốc độ gió tức thời V i (m/s): Do tốc độ gió thay đổi rất nhanh, có thể sử dụng

phương pháp số để mô tả tốc độ gió tức thời Vi tại thời điểm t theo biểu thức dưới

đây:

(1.3)

Trong đó: ΔL là chiều dài mà gió thổi qua tính từ thời điểm t đến thời điểm

t + Δt

trung bình hay nói chung là tốc độ gió V, được xác định theo biểu thức:

Theo định nghĩa thông thường thì véc tơ tốc độ gió Vđược khảo sát trong mặt phẳng nằm ngang gồm hai thành phần tốc độ gió u và v, khi đó ta

vào cường độ xoáy của gió Với cường độ xoáy khoảng 15% thì sai lệch về giá trị của tốc độ gió giữa hai định nghĩa khoảng 0,5%, cường độ xoáy là 30% thì sai lệch cũng chỉ vào khoảng 1% [9] Như vậy, việc lựa chọn định nghĩa thứ nhất sẽ hợp lý hơn nhằm đơn giản hóa trong quá trình tính toán xây dựng mô hình khí động lực học cho thiết bị đo gió

Cụ thể khi nghiên cứu ảnh hưởng của gió đến chuyển động của một vật thể thì tốc độ gió thực được xác định theo biểu thức sau: VV U V R Trong đó Vlà véc tơ vận tốc thực của gió, VU

là vận tốc chuyển động của vật thể, VR

là vận tốc tương đối của gió so với vật thể

Hình 1.11 Các thành phần của vận tốc gió tác động lên vật thể

1.4.2 Cơ sở về lực nâng, lực cản trong khí động lực học

Khi quan sát cánh máy bay đặt trong một luồng gió, gió di chuyển vào cả hai bề mặt trên và bề mặt dưới cánh Vì phần trên cánh có không gian rộng lớn hơn phần dưới nên gió di chuyển trên phần trên cánh nhanh hơn, theo thuyết Bernoulli

sẽ tạo ra vùng áp suất thấp trên cánh

Vậy, vùng trên cánh có áp suất thấp hơn vùng dưới cánh, chính sự chênh lệch áp suất này tạo nên lực F R

tác động lên cánh, hình 1.12 Lực FR

được phân tích thành hai thành phần lực bao gồm: FL

là thành phần lực có xu hướng nâng vật theo

hướng vuông góc với phương của véc tơ V, FD

V là tốc độ trung bình của gió (m/s)

A là diện tích tiết diện

Qua nghiên cứu của Nicholas Caplan & N Gardner [11] thì các hệ số cản CD

và hệ số nâng CL được biểu diễn dưới dạng các hàm số của góc tới  và được xác định bởi các biểu thức sau:

 2 max

Hình 1.13 Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa C D và C L với góc tới 

1.4.3 Hệ số cản C D đối với cánh có dạng cốc

Đối với rotor của thiết bị đo gió thì cánh của nó có dạng cốc hình bán cầu như đã trình bày trong chương 1, ở đây ta mô hình hóa dưới dạng đơn giản như trong hình 1.14 và thấy rằng góc tới α = 90° Như vậy, theo biểu thức 1.8 ta sẽ có hệ

số nâng CL = 0, đồng nghĩa với lực nâng F L

tác động vào cánh rotor hầu như rất nhỏ và ta chỉ quan tâm đến thành phần lực cản F D

Hình 1.14 Mô hình đơn giản hóa của rotor trên thiết bị đo gió

Hệ số cản CD như đã trình bày phụ thuộc vào góc tới  hay cũng chính là phụ thuộc vào hình dạng của cánh, trong tài liệu của Mohammad Sadraey đã trình bày rất cụ thể vấn đề này Hình 1.15, tóm tắt một số dạng hình học cơ bản và hệ số

cản tương ứng của chúng Như vậy, từ mô hình rotor ở hình 1.14 ta thấy rằng, phần lõm của cốc gió khi hứng gió sẽ có hệ số cản là CDv = 1,7 và phần lồi tương ứng sẽ

có hệ số cản là CDx = 0,4 Sự chênh lệch về hệ số cản giữa hai mặt của cốc chính là nguyên nhân dẫn đến sự chênh lệch về lực cản tác động lên hai cốc trên cùng 1 cánh Do đó, xuất hiện 1 mô men làm quay rotor của thiết bị đo gió

Hình 1.15 Hệ số cản của một số dạng hình học cơ bản

1.5 Các mô hình tính toán khí động lực học cho thiết bị đo gió kiểu cốc

Các thiết bị đo gió kiểu cốc đã được nghiên cứu rộng rãi từ nửa đầu thế kỷ

XX với các nghiêm cứu nhằm xác định số lượng cốc tối ưu và bán kính quay của cốc

Nửa sau thế kỷ XX, các nghiên cứu chủ yếu đi sâu vào đặc điểm khí động lực học trên rotor đặc biệt trong môi trường gió quẩn Wyngaard [12] đã sử dụng

mô hình 2 cốc để mô tả ảnh hưởng của tốc độ gió nằm ngoài dải đo đến thiết bị Một mô hình thú vị khác được xây dựng bởi Ramachandran [13] và Kondo tập trung vào phân tích động lực học của rotor dựa trên mô hình lực cản trong khí động lực học của cốc Nghiên cứu của hai tác giả đều dựa trên các nghiên cứu của Brevoot và Joyner [14,15] về lực cản trong khí động lực học

Về mặt động lực học, khi rotor của thiết bị đo gió chuyển động dưới tác động

của gió có vận tốc V thì rotor chịu tác dụng của mô men khí động lực học Q A và mô

men ma sát lăn Q f Qua các nghiên cứu cho thấy tổng mô men Q tác dụng lên rotor

phụ thuộc vào các yếu tố sau:

Một cách tổng quát có thể mô tả tổng các mô men tác dụng lên rotor của thiết

bị đo tốc độ gió dưới dạng biểu thức sau:

Hình 1.16 Các mô men tác dụng lên rotor của thiết bị đo gió

Thông thường, vận tốc gió được xác định thông qua thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc được cho bởi biểu thức sau:

V = A·f + B (1.11)

Trong đó V là tốc độ gió, f là tần số góc ở đầu ra của thiết bị đo gió, A và B

là các hệ số hiệu chỉnh Biểu thức này là một hàm tuyến tính, mà tương quan giữa tốc độ gió và tần số góc của rotor được xác định bởi các bước trong một quá trình

hiệu chỉnh Biểu thức (1.11) ở trên có thể viết dưới dạng khác bằng cách thay tần số

góc ở đầu ra của thiết bị đo gió f bằng tần số góc của rotor f r :

V = A r · f r + B (1.12)

Trong đó A r là kết quả của phép nhân hằng số A với số xung trên một vòng quay của thiết bị đo gió N p Số xung là khác nhau tùy thuộc vào hệ thống bên trong của thiết bị đo nhằm biến đổi số vòng quay thành xung điện Về mặt động lực học ta dựa trên một số mô hình cụ thể sau đây để nghiên cứu

1.5.1 Mô hình 2 cốc

Đây là mô hình đơn giản, đã được sử dụng nhiều trong nghiên cứu về khí động lực học của rotor, mô hình này dựa trên trạng thái cân bằng giả định của rotor (hình 1.17), có nghĩa là mô men xoắn khí động lực học là không đáng kể Phương trình động lực học của rotor của một thiết bị đo gió có thể được xác định như sau:

Trong đó: I - Là mô men quán tính của rotor ()

ω - Là tốc độ góc của rotor (rad/s)

Q A - Là mô men xoắn khí động lực học của rotor

Q f – Là mô men cản do ma sát lăn gây ra từ các ổ bi

Mô men ma sát lăn Q f gần như không đáng kể so với tốc độ gió V > 1 m/s, vì

nó rất nhỏ so với mô men khí động lực học, Q A Như vậy, với tốc độ gió cụ thể thì tốc độ góc của rotor cũng phải ổn định, vì thế yêu cầu sẽ đạt được nếu mô men khí động lực học được giả thuyết bằng 0, khi đó, F1 = F2, với F1 và F2 là các lực khí động lực học tác dụng vào cốc, hình 1.17 Điều kiện trên được biễu diễn thông qua biểu thức sau:

Trong đó V là tốc độ gió , ω là vận tốc góc của cốc, R rc là bán kính quay của cốc,

S c diện tích mặt trước của cốc, C D1 và C D2 là hệ số cản của cốc tương ứng với mặt lõm và mặt lồi của cốc Phương trình được đơn giản hóa thu được hàm truyền của thiết bị đo gió như sau:

Tỷ số giữa vận tốc gió V và vận tốc dài của cốc ωR rc được gọi là hệ số của

thiết bị đo tốc độ gió K:

1.5.2 Mô hình của Ramachandran

Ramachandran [16] phát hiện ra đặc trưng của rotor phụ thuộc vào hệ số khí

động lực học tiêu chuẩn của từng cốc riêng lẻ, C N (Xem hình 1.18) Tính toán cho rotor gồm 3 cốc, biểu thức 1.13 được khai triển như sau:

Trong đó V r là tốc độ gió tương đối so với cốc, α là góc tới, θ là góc quay của

rotor so với đường thẳng tham chiếu, hình 1.19 Tính toán gần đúng các giá trị của

mô men khí động lực học coi như là giá trị mô men của rotor Quan hệ giữa tốc độ

gió tương đối V r và góc xoay của rotor θ được thể hiện trong biểu thức sau:

trị của V r (θ) trong biểu thức 1.22 với giá trị chính xác tính theo biểu thức 1.18 là

không lớn lắm, khoảng 8,3%, 5,7% và 4,2% tương ứng với K = 2,5; 3 và 3,5 Tuy

nhiên, trong giả thiết thứ hai ở biểu thức 1.23, có một độ lệch tương đối giữa α và θ,

trên 23,6°; 19,5° và 16,6° tương ứng với các giá trị của K đã được đề cập

Hình 1.18 Độ lệch giữa góc α và θ phụ thuộc vào hệ số K

Hình 1.19 Hệ số khí động lực học C N của kiểu cốc Brevoort - Joyner II

Đồ thị có dạng hàm của góc α và góc θ, tính toán với hệ số K = 3,5

Trạng thái của thiết bị đo khi chuyển động đều được xác định từ phương trình 1.17 khi ta giả thiết giá trị trung bình của mô men xoắn khí động lực học bằng

0 sau mỗi vòng quay, khi đó ta có:

rc r r r m

cos

N m

1.5.3 Đề xuất của Kondo và các cộng sự

Kondo và các cộng sự [17] đã đề xuất một giải pháp cho vấn đề xem xét vị

trí của rotor với góc θ không đồng nhất với góc tới α Hình 1.19 cho thấy, hệ số khí động học lực C N của của kiểu cốc Brevoort - Joyner II như là một hàm của cả hai góc α và θ với cùng một giá trị cụ thể của V, ω, R rc Như vậy để thỏa mãn giá trị trung bình mô men khí động lực học của rotor là vế trái của biểu thức 1.17 gần bằng

0, Kondo đề xuất giả thiết sau:

dưới dạng hàm của góc θ khi sử dụng biểu thức 1.21 để tính các biểu thức 1.27 và

1.28, qua đó xác định được giá trị chính xác của hệ số K cần tìm

Hình 1.20 Hệ số C N của kiểu cốc Brevoort - Joyner II do Kondo đề xuất

1.5.4 Đề xuất mô hình kết hợp 1 cốc và 4 cốc

Như vậy, có thể với mô hình 2 cốc và mô hình của Ramachandran cũng như

đề xuất của Kondo đều có những lợi thế riêng của mình, tuy nhiên các mô hình này cũng có những hạn chế nhất định của chúng trong quá trình tính toán Cụ thể với mô hình 2 cốc, trong mô hình tính toán đã bỏ qua ảnh hưởng của ma sát lăn của các ổ lăn, mặt khác với khi áp dụng mô hình hai cốc cho các thiết bị đo gió có 3 hoặc 4 cốc thì có sự sai khác về đặc tính khí động lực học

Mô hình của Ramachandran có ưu điểm hơn so với mô hình 2 cốc bởi trong

mô hình này tác giả đã phân tích chi tiết hơn về đặc tính của mô men khí động lực học ứng với thiết bị đo gió có 3 cốc Tuy nhiên, trong mô hình này tác giả đã dựa trên hai giả thiết được cho bởi các biểu thức 1.22 và 1.23 Như vậy khi sử dụng mô hình tính toán của Ramachandran, ta phải chấp nhận một sai số nhất định về giá trị của tốc độ gió tương đối ( )V r  và có sự sai khác giữa hệ số khí động lực C N (α) và

C N (θ) Mặt khác, cũng giống như mô hình 2 cốc, mô hình của Ramachandran đã bỏ

qua ảnh hưởng của ma sát lăn của các ổ bi

Vì vậy, trong đề tài này khi nghiên cứu thiết kế thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc với 4 cốc, tác giả đề xuất sử dụng kết hợp mô hình 1 cốc trong mô hình 4 cốc khi xác định mô men khí động lực học của rotor Mô hình này dựa trên đánh giá

lực, mô men khí động lực học tác dụng lên một cốc ứng với vị trí của góc θ Từ đó,

đánh giá mô men khí động lực học tác động lên toàn bộ rotor Mô hình cũng xem xét đến ảnh hưởng ma sát lăn của các ổ bi đến đặc tính động lực học của rotor

1.6 Kết luận

Các thiết bị đo gió là đối tượng được các nhà khoa học trên thế giới hết sức quan tâm nghiên cứu đặc biệt là các thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc Tuy nhiên, vẫn cần một nghiên cứu cụ thể về một thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc được gắn trực tiếp cho máy phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh

Ưu và nhược điểm của các mô hình khí động lực học đã được phân tích cụ thể Với đặc điểm cụ thể và yêu cầu kỹ thuật của thiết bị đo tốc độ gió được thực hiện trong đề tài này, tác giả đề xuất sử dụng mô hình 1 cốc trong tính toán khí động lực của rotor 4 cốc

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ KHÍ ĐỘNG HỌC TRÊN THIẾT BỊ

ĐO GIÓ KIỂU CỐC 2.1 Các thông số thiết kế chính cho thiết bị đo gió kiểu cốc

2.1.1 Ảnh hưởng của các thông số thiết kế chính

Thiết bị đo gió kiểu cốc được sử dụng khá rộng rãi trong việc đo lường tốc

độ gió, nói chung đây là thiết bị phù hợp trong việc xác định khoảng tốc độ gió trung bình với một mức chi phí hợp lý Tuy nhiên, chúng không phải là không có những hạn chế chung [18], chẳng hạn như:

 Độ nhạy không thật sự lý tưởng khi có sự thay đổi của góc tới  trong mặt

phẳng nằm ngang

 Độ nhạy về mặt động lực học

 Quan hệ giữa tốc độ quay của rotor với tốc độ gió là không tuyến tính, do phải thêm vào hệ số điều chỉnh vì ảnh hưởng của ma sát lăn, hình dạng của cốc…

Do đó, khi lựa chọn thiết bị đo gió kiểu cốc thì cần phải nhận thức đúng đắn

về ưu cũng như nhược điểm của thiết bị để sử dụng một cách hợp lý Mặc dù các thiết bị đo gió kiểu cốc từ các nhà sản xuất khác nhau có thể có vẻ bề ngoài tương

tự, tuy nhiên mỗi thiết kế lại có sự khác biệt tinh tế mà điều đó có thể ảnh hưởng đến độ chính xác Cụ thể, các thông số thiết kế chính cũng như ảnh hưởng của chúng như sau:

 Kích thước rotor (Đường kính cốc – Dc , bán kính quay của cốc - Rrc): Kích thước rotor lớn hơn thì mức độ tuyến tính cũng tốt hơn Tuy nhiên quán tính sẽ lớn hơn và độ nhạy về mặt động lực học sẽ thấp hơn

 Số cánh hay số cốc: Thông thường số cốc được chọn bằng 3 hoặc 4 cốc Rotor

có 3 cốc đảm bảo độ nhạy tốt hơn, mức độ tuyến tính cũng tốt hớn so với rotor có 4 cốc Tuy nhiên, rotor có 4 cốc có ưu điểm dễ dàng cho tính toán, thiết kế và chế tạo

 Chiều cao h của trục quay: Không ảnh hưởng nhiều đến mức độ tuyến tính và

độ nhạy về mặt động lực học Tuy nhiên, kích thước ngắn quá sẽ giảm độ chính xác của thiết bị đo Do gió bị quẩn khi thổi qua chân đế của thiết bị đo

 Kích thước và hình dạng chân đế: Nên chọn chân đế có kích thước nhỏ, đối

xứng, không nhấp nhô nhằm hạn chế mức độ quẩn của gió

 Kiểu vòng bi: Không ảnh hưởng nhiều đến mức độ tuyến tính của thiết bị đo

Tuy nhiên lại có ảnh hưởng đến độ nhạy về mặt động lực học của thiết bị

Khi lựa chọn thiết bị đo gió, người sử dụng sẽ dựa vào hai tiêu chí sau để lựa chọn một thiết bị đo gió đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật, đó là:

 Lựa chọn thiết bị đo phù hợp với phạm vi ứng dụng

 Lựa chọn thông số của thiết bị phù hợp để đáp ứng độ chính xác yêu cầu

Ví dụ trong hình 2.1 và hình 2.2, qua phân tích thấy rằng thiết bị đo gió trong hình 2.1 có thiết kế tốt hơn

Hình 2.1 Một thiết kế hợp lý cho thiết bị đo gió

Hình 2.2 Một thiết kế chưa hợp lý cho thiết bị đo gió

Như vậy, khi thiết kế một thiết bị đo gió kiểu cốc thì cần phải tính toán nhằm xác định được giá trị cho các thông số vật lý của nó bao gồm:

 Chiều dài cánh rotor hay bán kính quay của cốc: R rc

 Diện tích mặt cốc hứng gió S c hay cụ thể là đường ính của cốc D c

 Số cốc hay số cánh trên rotor

2.1.2 Yêu cầu thiết kế cho thiết bị đo gió kiểu cốc

Thiết bị đo gió được thực hiện trong nghiên cứu này phải thảo mãn các yêu cầu kỹ thuật cơ bản như sau:

2.2 Mô hình thiết kế và chế tạo cho thiết bị đo gió kiểu cốc

2.2.1 Thiết kế sơ bộ của mô hình thiết bị đo gió kiểu cốc

Một số thông số của thiết bị đo gió được lựa chọn trước trong quá trình tính toán thiết kế bao gồm:

+ Số cánh của rotor hay số cốc: 04

+ Đường kính cốc: Dc = 120 mm

+ Bán kính quay của cốc: Rrc thay đổi trong phạm vi từ 120 ÷ 360 mm