PHẦN NỘI DUNG LỜI NÓI ĐẦU
Đặt vấn đề
Nguồn năng lượng hiện tại chủ yếu là năng lượng hóa thạch như than đá, dầu mỏ và khí thiên nhiên, nhưng các nguồn này là hữu hạn và không thể đáp ứng nhu cầu lâu dài Sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch đang gây lo ngại về một cuộc khủng hoảng năng lượng có thể ảnh hưởng đến nền văn minh nhân loại Dầu, than đá và khí đốt chiếm khoảng 75% nhu cầu năng lượng toàn cầu, với mức tiêu thụ hàng ngày lên đến 80 triệu thùng dầu Dự báo cho thấy nhu cầu dầu mỏ sẽ sớm vượt quá khả năng cung cấp, khi từ năm 1985, tốc độ khai thác và tiêu thụ dầu đã vượt xa tốc độ khám phá trữ lượng mới.
Trong vòng 40 năm tới, nguồn dầu hoả sẽ cạn kiệt, trong khi việc sử dụng năng lượng hóa thạch gây ra ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính, làm gia tăng nhiệt độ trái đất Để giải quyết vấn đề này, cần khai thác hợp lý nguồn năng lượng hóa thạch và tìm kiếm các nguồn năng lượng tái sinh thay thế như năng lượng gió, năng lượng sinh khối và năng lượng mặt trời Trong đó, công nghệ năng lượng gió đang được chú trọng phát triển, với các chính phủ đặt ra mục tiêu tham vọng về sản lượng điện từ nguồn năng lượng tái sinh Người dân ngày càng nhận thức rõ về tác hại của nhiên liệu hóa thạch và năng lượng hạt nhân, trong khi năng lượng tái sinh có thể khai thác tự do và bền vững Năng lượng gió không chỉ là nguồn năng lượng sạch thay thế cho năng lượng truyền thống mà còn giúp giảm hiệu ứng nhà kính, trở thành lựa chọn lý tưởng cho sự phát triển bền vững và được ưu tiên đầu tư trong các chính sách năng lượng.
- Giảm hay thay thế các nhà máy điện truyền thống dùng năng lượng hóa thạch.
- Không gây ô nhiễm môi trường khi turbine vận hành sản xuất điện năng.
- Là nguồn năng lượng không bao giờ cạn kiệt.
- Dễ dàng tăng thêm công suất khi cần thiết.
- Việc lắp đặt và xây dựng các turbine gió tương đối nhanh
Mặc dù năng lượng gió hiện nay có chi phí cao hơn so với các nguồn năng lượng truyền thống, nhưng nó có lợi thế là không bị tác động bởi biến động giá nguyên liệu và sự gián đoạn trong cung ứng.
- Ở các nước phát triển nhà nước hỗ trợ về thuế và các ưu đãi khác.
- Tạo ra nhiều công ăn việc làm hơn so với các nhà máy năng lượng khác, khi cùng sản xuất ra một đơn vị năng lượng
Các turbine gió cung cấp nhiều lợi ích kinh tế cho nông dân và chủ đất thông qua nguồn thu từ việc cho thuê đất đặt các máy phát điện gió, đồng thời không ảnh hưởng đến hoạt động canh tác trên mảnh đất đó.
Công nghệ năng lượng gió mang lại khả năng ứng dụng đa dạng với công suất từ nhỏ đến lớn, đồng thời thời gian từ khảo sát đến lắp đặt và vận hành rất nhanh chóng Điều này tạo ra nhiều lợi thế mà các nhà máy điện truyền thống không thể cung cấp.
Hiện nay năng lượng gió ở Việt Nam với lợi thế bờ biển trải dài 3260 km và gần
Việt Nam có khoảng 3000 hòn đảo với tiềm năng năng lượng gió đáng kể, theo đánh giá của Ngân hàng Thế giới, tuy nhiên, so với thế giới, tiềm năng này vẫn còn thấp Việc khai thác năng lượng gió ở Việt Nam hiện còn hạn chế do thiếu chính sách hỗ trợ và chế độ gió không đồng đều, chỉ tập trung ở một số khu vực Để các máy phát điện gió cỡ lớn hoạt động hiệu quả, cần đặt ở những nơi có gió mạnh và ổn định Do đó, việc sử dụng máy phát điện gió công suất nhỏ sẽ phù hợp hơn với tiềm năng gió tại Việt Nam, đặc biệt là ở các vùng nông thôn, hải đảo và những khu vực có tốc độ gió trung bình biến đổi.
Việc sản xuất máy phát điện gió công suất nhỏ với hiệu suất cao thường gặp khó khăn do chi phí sản xuất cao và thách thức trong sản xuất hàng loạt Các thông số trong máy phát điện gió có thể điều chỉnh, như cấp điện áp và tỷ số truyền, ảnh hưởng đến tốc độ quay và hiệu suất Tuy nhiên, việc thay đổi tỷ số truyền lại làm tăng chi phí sản xuất Do đó, cần thiết phải tìm ra các phương án nâng cao hiệu suất cho máy phát điện gió công suất nhỏ Đề tài “Mô hình thí nghiệm máy phát điện gió trục ngang” sẽ thực hiện thi công và tiến hành thí nghiệm trên mô hình này.
Mục tiêu và nhiệm vụ
- Trình bày được cấu tạo của máy phát điện gió;
- Trình bày phương pháp tính toán thiết kế máy phát điện gió công suất nhỏ;
- Thi công mô hình thí nghiệm máy phát điện sử dụng năng lượng gió trục ngang.
Phương pháp nghiên cứu
- Thi công mô hình thí nghiệm.
0.4 Ý nghĩa khoa học của đề tài
- Giải pháp khai thác năng lượng gió;
Mô hình thí nghiệm máy phát điện gió trục ngang được thiết kế để phục vụ cho việc học tập, giảng dạy và nghiên cứu trong lĩnh vực năng lượng tái tạo tại Bộ môn Điện công nghiệp Mô hình này giúp sinh viên và giảng viên hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động của máy phát điện gió, đồng thời nâng cao kỹ năng thực hành và kiến thức chuyên sâu về công nghệ năng lượng sạch.
- Làm tiền đề cho các nghiên cứu khác để phát triển các mô hình thông minh khác.
- Cấu tạo của tuabin gió;
- Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả khai thác năng lượng gió;
- Xây dựng mô hình thực hành thí nghiệm.
0.6 Điểm mới của đề tài
- Sử dụng nguồn năng lượng tái tái tạo là năng lượng gió.
0.7 Bố cục của đề tài
- Chương 1: Tổng quan về máy phát điện tuabin gió
- Chương 2: Phương pháp tính toán thiết kế máy phát điện gió công suất nhỏ
- Chương 3: Mô hình thí nghiệm máy phát điện gió trục ngang
- Kết luận và hướng phát triển
Bố cục của đề tài
- Chương 1: Tổng quan về máy phát điện tuabin gió
- Chương 2: Phương pháp tính toán thiết kế máy phát điện gió công suất nhỏ
- Chương 3: Mô hình thí nghiệm máy phát điện gió trục ngang
- Kết luận và hướng phát triển
TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN TUABIN GIÓ
Giới thiệu chung
Lịch sử ứng dụng năng lượng gió kéo dài hàng nghìn năm, với con người đã khéo léo khai thác sức gió để phục vụ cho cuộc sống, từ việc sử dụng gió để điều khiển buồm ra khơi đến việc vận hành máy bơm nước và xay ngũ cốc Hình ảnh cối xay gió đã trở thành biểu tượng đặc trưng của những miền quê phương Tây qua nhiều thế kỷ.
Vào cuối thế kỷ 19, chiếc turbine gió đầu tiên do Charles F Brush chế tạo đã ra đời tại Cleveland, Ohio vào năm 1888, đánh dấu bước ngoặt trong việc sử dụng sức gió để phát điện Với đường kính 17m và 144 cánh bằng gỗ mỏng, turbine này hoạt động như một cối xay gió khổng lồ Năm 1891, nhà khí tượng học người Đan Mạch Poul The Mule Cour cũng đã xây dựng một turbine thử nghiệm tại Askov, Đan Mạch, với thiết kế rô to bốn cánh kiểu máy bay và trục quay nhanh hơn.
Năm 1922, kỹ sư Phần Lan S.J Savonius đã cải tiến nguyên lý đẩy của trục đứng bằng cách thay thế cánh buồm bằng hai cốc hình tròn.
Năm 1931, kỹ sư người Pháp George Darrieus đã phát minh ra turbine gió trục đứng Darrieus, sử dụng nguyên lý kéo với hai hoặc nhiều cánh mềm dạng cánh máy bay Cánh của turbine được gắn ở đỉnh và đáy của trục đứng, tạo hình dạng giống như một máy đánh trứng khổng lồ Các mẫu thiết kế sau đó đã được cải tiến với cánh quạt có rãnh nhằm nâng cao hiệu suất của turbine.
Vào năm 1950, kỹ sư Johannes Juhl đã phát triển turbine gió 3 cánh có khả năng phát điện xoay chiều, đánh dấu sự khởi đầu của turbine gió hiện đại tại Đan Mạch Cuộc khủng hoảng dầu mỏ năm 1973 đã kích thích sự quan tâm đến năng lượng gió, tạo điều kiện cho sự phát triển công nghệ năng lượng tái tạo cao hơn tại Đan Mạch và California.
Hình 1.2 Turbine gió của Poul la Cour, Askov, Đan Mạch năm 1897
Hình 1.3 Turbine gió trục đứng kiểu Savonius
Đến những năm 1980, công nghệ turbine gió mới trở nên khả thi về mặt kinh tế cho việc phát điện từ các turbine gió cỡ lớn Hầu hết nghiên cứu và phát triển tập trung vào turbine trục ngang, trong khi các thiết kế trục đứng Darrieus cũng được nghiên cứu sâu ở Canada và Mỹ trong thập niên 1970 và 1980, với một trong những thành tựu nổi bật là máy có đường kính rô to 100m và công suất 4.2MW.
“Eole C” tại Cap Chat – Quebec, Hình 1.4 Tuy nhiên nó chỉ vận hành được có 6 tháng thì hư hỏng cánh quạt, do sức chịu đựng của cánh quạt quá kém.
Hình 1.4 Turbine gió trục đứng Darrieus kiểu “Eole C”, Cap Chat, Quebec
Châu Âu dẫn đầu trong ngành năng lượng gió, với công suất tối đa của các turbine gió chỉ 50 kW vào năm 1982, nhưng đã tăng gấp 10 lần lên khoảng 500 kW vào năm 1995 Trong giai đoạn này, chi phí xây dựng turbine gió giảm mạnh, dẫn đến chi phí sản xuất điện năng giảm một nửa Nhiều turbine gió đã chuyển từ kích thước lớn sang cực nhỏ, với sản lượng chỉ vài kWh/tháng Hiện nay, các turbine gió có công suất lên tới 3 MW và đường kính lên đến 100m, với nhiều nhà máy sản xuất turbine gió cỡ lớn đang hoạt động.
Năng lượng gió đang trải qua giai đoạn phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu, đặc biệt tại các nước châu Âu Công nghệ turbine gió không chỉ giúp giải quyết tình trạng cạn kiệt nguồn tài nguyên hóa thạch mà còn giảm thiểu hiệu ứng nhà kính, đồng thời hỗ trợ các quốc gia tuân thủ các điều khoản trong Nghị định Thư Kyoto về biến đổi khí hậu.
Công suất lắp đặt năng lượng gió toàn cầu đang tăng trưởng nhanh chóng, gấp đôi so với những năm cuối thập kỷ trước Đây là một thành tựu chưa từng có trong lĩnh vực công nghệ năng lượng Mặc dù gặp nhiều thách thức trong việc truyền tải và cung cấp, thị trường năng lượng gió năm 2006 đã đạt mức tăng 32% so với năm 2005.
Năm 2006 tổng sản lượng điện gió toàn cầu đạt 74.223 MW, tức tăng thêm 15.197
MW so với năm 2005 là 59.091MW Những nước có sản lượng cao ấn tượng nhất là:
Đan Mạch hiện đang sản xuất 3.136 MW năng lượng gió Với sự phát triển nhanh chóng của các quốc gia châu Âu, sản lượng năng lượng gió tại đây dự kiến sẽ tiếp tục gia tăng Ngoài ra, Mỹ và Canada cũng đang tích cực mở rộng công suất năng lượng gió.
Các quốc gia tại Trung Đông, Viễn Đông và Nam Mỹ đang tích cực phát triển năng lượng gió trong ngành công nghiệp năng lượng Dự kiến, đến năm 2010, các quốc gia này sẽ đạt tổng sản lượng năng lượng gió lên tới 150 GW.
Tốc độ mở rộng phụ thuộc vào sự hỗ trợ của chính phủ và cộng đồng quốc tế, đồng thời các quốc gia cần tuân thủ cam kết cắt giảm khí thải CO2 theo Nghị Định Thư Kyoto để giảm thiểu hiệu ứng nhà kính.
Một làn sóng công nghệ mới đang bùng nổ với mục tiêu nâng cao hiệu suất và giảm chi phí Ngành công nghiệp năng lượng gió hiện nay được chia thành 7 phân đoạn thị trường.
- Loại cỡ nhỏ cho vùng hẻo lánh hay vùng không có lưới điện quốc gia.
- Loại dùng cho nhà riêng có lưới điện quốc gia.
- Trang trại, công ty và các ứng dụng gió công nghiệp cỡ nhỏ.
- Loại cỡ nhỏ dùng cho cho cụm dân cư.
- Các hệ thống gió - diesel.
Bảng 1 1 Tổng công suất lắp đặt (MW) trên thế giới đến năm 2020
Năm Off-grid Hộ gia đình
Nông trại/công nghiệp/công ty
Large : 325 kW Net Bill : 30Kw 750kW 200kW
Sự hình thành năng lượng gió
Năng lượng gió được hình thành từ sự không đồng đều của bức xạ Mặt Trời trên bề mặt Trái Đất, dẫn đến sự chênh lệch về nhiệt độ và áp suất không khí giữa các vùng khác nhau Khu vực gần xích đạo nhận nhiều bức xạ hơn so với các cực, tạo ra sự di chuyển của không khí và hình thành gió Sự xoay tròn của Trái Đất cũng làm tăng cường sự chuyển động của không khí, trong khi độ nghiêng của trục quay của Trái Đất tạo ra các dòng không khí theo mùa.
Do ảnh hưởng của hiệu ứng Coriolis từ sự quay của Trái Đất, không khí di chuyển từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không theo đường thẳng mà tạo thành các cơn gió xoáy khác nhau giữa Bắc và Nam bán cầu Từ vũ trụ, không khí ở Bắc bán cầu di chuyển vào vùng áp thấp theo chiều ngược kim đồng hồ và ra khỏi vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ, trong khi ở Nam bán cầu, chiều di chuyển là ngược lại.
Cấu tạo tuabin gió
Turbine gió được chia thành hai loại chính: turbine gió trục ngang (HAWT) và turbine gió trục đứng (VAWT) Các thiết kế cánh quạt của turbine gió có thể có hình dáng khác nhau như cánh buồm, mái chèo hoặc hình chén, tất cả đều nhằm mục đích thu thập năng lượng gió để tạo ra mô men quay cho trục turbine.
Turbine gió trục ngang (HAWT) có thiết kế với rô to kiểu chong chóng và trục chính nằm ngang, thường sử dụng 3 cánh quạt để đạt hiệu suất tối ưu Các thành phần của HAWT được sắp xếp thẳng hàng với hướng gió, với cánh quạt quay thông qua bộ nhông và trục Loại turbine này không bị ảnh hưởng bởi sự xáo trộn luồng khí, nhưng cần một hệ thống điều chỉnh hướng gió cơ khí để đảm bảo cánh quạt luôn hướng thẳng góc với chiều gió.
Hình 1.5 Cấu tạo turbine trục đứng và trục ngang
9 Chiều gió phía sau rô to
12 Độ cao kính xích đạo.
13 Cánh rô to với góc bước cố định.
Turbine gió trục ngang (HAWT) có cánh quạt dọc theo trục đứng, cho phép hoạt động hiệu quả ở mọi hướng gió mà không cần điều chỉnh Việc bảo trì và duy trì hệ thống cũng trở nên dễ dàng do các bộ phận chính như máy phát và hệ thống truyền động được đặt trên mặt đất Tuy nhiên, loại turbine này yêu cầu không gian rộng hơn để lắp đặt các dây chằng hỗ trợ.
So sánh máy phát điện gió trục đứng (VAWT) và trục ngang (HAWT) đã gây ra nhiều tranh luận từ khi xuất hiện các bộ chuyển đổi năng lượng gió Các chuyên gia, trong đó có Dennis G Shepherd, đã phân tích sâu sắc hai loại turbine này trong tác phẩm "Năng lượng gió" Ông đã chỉ ra những ưu và nhược điểm tương đối của HAWT so với VAWT, nhấn mạnh những lợi thế của turbine trục ngang trong việc tối ưu hóa hiệu suất và khả năng thu năng lượng gió.
HAWT có thể tự khởi động được HAWT có hiệu suất cao hơn VAWT
Với cùng một diện tích quét và trọng lượng thì công suất ngõ ra của HAWT cao hơn VAWT.
HAWT chỉ chiếm ít diện tích phần trụ, nên có thể tận dụng phần đất bên dưới turbine để canh tác, trồng trọt bên dưới.
Toàn bộ trọng lượng của HAWT được hỗ trợ bởi bộ đệm đỡ bên dưới, bộ đệm này nổi bật với độ cứng, tính linh hoạt và độ tin cậy cao trong quá trình vận hành.
Đối với HAWT, mô men quay và công suất ngõ ra khá ổn định hơn VAWT.
Do mô men quay của HAWT thay đổi tuần hoàn, nó tạo ra nhiều tần số dao động tự nhiên HAWT được thiết kế một cách tỉ mỉ, giúp giảm thiểu các vấn đề rung động so với VAWT.
Xét về mặc hiệu quả kinh tế, các nhà phân tích cho rằng hiệu suất của turbine trục đứng thấp 19% đến 40% so với 56% turbine trục ngang
Một turbine gió trục ngang phụ thuộc vào hướng gió Do đó phải có hệ thống xoay hướng gió.
HAWT được lắp đặt trên các tháp cao, trong khi VAWT lại được đặt trên mặt đất Do hộp số, máy phát và hệ thống cơ khí điều khiển có trọng lượng lớn, việc lắp đặt và bảo trì HAWT trên cao sẽ gặp nhiều khó khăn.
Với cùng một công suất ngõ ra, tổng chiều cao của HAWT (bao gồm tháp) sẽ cao hơn rất nhiều so với VAWT.
Các cánh quạt của HAWT phải chịu đựng áp lực khi xoay Cánh của HAWT gí thành cao so với VAWT.
Tóm lại, turbine trục ngang và trục đứng đều có những ưu và nhược điểm riêng Turbine trục ngang nổi bật với hiệu suất cao hơn và hoạt động hiệu quả trong điều kiện gió lớn Ngược lại, turbine trục đứng có hiệu suất thấp hơn nhưng lại dễ thiết kế và bảo trì, đồng thời hoạt động tốt trong điều kiện gió thấp và khi chiều gió thay đổi liên tục.
Khi thiết kế, việc lựa chọn giữa mô hình trục đứng và trục ngang phụ thuộc vào điều kiện gió và các tiêu chí thiết kế cụ thể Những tiêu chí này sẽ được phân tích và đánh giá dựa trên nhu cầu của người dùng ở từng quốc gia, với trọng số khác nhau cho từng tiêu chí Tiêu chí có trọng số lớn nhất sẽ được ưu tiên trong quá trình thiết kế.
Máy phát điện tuabin gió
Cấu tạo của tuabin gió: Các thành phần của máy phát điện gió được mô tả như
Hình 1.6 Máy phát điện gió hầu hết đều có các thành phần chính như sau:
Cánh rô to là thành phần quan trọng của turbine, có chức năng thu năng lượng gió và chuyển đổi nó thành năng lượng cơ để quay trục turbine Thay đổi góc pitch của cánh giúp tối ưu hóa năng lượng thu được từ gió.
Hub: Hub là điểm tâm nơi các cánh gắn vào và gắn liền với trục tốc độ thấp.
Hộp số (Gear box): Hộp số là hộp chuyển đổi vận tốc quay từ trục tốc độ thấp sang trục tốc độ cao.
Phanh (Brake) là thiết bị có cấu trúc tương tự như phanh xe hơi, được sử dụng để hãm và dừng hoàn toàn tất cả các thành phần của turbine trong quá trình sửa chữa và bảo trì Đối với các turbine lớn, thường có hai hệ thống phanh độc lập để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình vận hành.
Máy phát là thiết bị quan trọng, được kết nối với trục tốc độ cao, có chức năng chuyển đổi năng lượng cơ học từ trục này thành năng lượng điện ở đầu ra.
Máy đo tốc độ và hướng gió (Anemometer and Wind vane): Hai thiết bị này sử dụng để xác định vận tốc gió và chiều gió.
Bộ xoay hướng gió (Yaw drive) có chức năng quan trọng là giữ cho cánh quạt luôn hướng vuông góc với luồng gió, giúp tối ưu hóa hiệu suất của turbine gió Tuy nhiên, đối với loại turbine trục đứng, bộ phận này không cần thiết.
Bộ điều khiển là hệ thống máy tính giám sát và điều chỉnh hoạt động của turbine, giúp cánh turbine luôn hướng vuông góc với chiều gió và tối ưu hóa góc pitch để thu năng lượng hiệu quả nhất Trong trường hợp gió bão hoặc sự cố, bộ điều khiển sẽ tự động ngừng hoạt động của toàn bộ hệ thống để đảm bảo an toàn.
Tháp (Tower): Tháp là trụ chính để đỡ toàn bộ hệ thống.
Thùng chứa (Nacelle): Thùng chứa là thùng chứa toàn bộ các thành phần hệ thống trừ cánh.
Hình 1 6 Các thành phần của turbine gió
Nguyên lý hoạt động của tuabin gió Động năng của khối không khí có trọng lượng m, thổi với vận tốc u theo chiều x là:
A : Diện tích cắt ngang của khối khí đi qua, đơn vị là m 2 ; ρ : Mật độ không khí, đơn vị kg/m 3 ; x : Độ dày khối khí, đơn vị m;
Giả sử khối khí đó được biểu diễn như Hình 1.7, với chiều x di chuyển theo vận tốc u, ta thấy động năng tăng đều theo x, vì khối khí tăng đều.
Như vậy, năng lượng của gió Pw, chính là đạo hàm động năng theo thời gian:
Công suất P w được thu nhận từ gió, áp dụng cho cả trục đứng và trục ngang Turbine thu năng lượng gió theo chiều x, và công thức (2-2) chỉ ra rằng toàn bộ năng lượng có thể khai thác từ diện tích A.
Hình 1.7 Năng lượng của khối không khí
Mặt khác, ta biết mật độ không khí được biểu diễn theo đẳng thức: ρ=3 485 p
Trong đẳng thức này: p : là áp suất, đơn vị là Pa.
Như vậy, năng lượng gió từ đẳng thức (2-2) được biểu diễn lại như sau:
T (W) (1-7) Đối với không khí ở điều kiện bình thường thì p = 101.3 Pa và T = 273 K, với
A là diện tích quét (m 2 ) và u là vận tốc gió (m/s) Khi đó phương trình được rút gọn lại là:
Phương trình tổng quát (2-4) áp dụng cho các turbine gió được đặt ở độ cao hàng trăm mét so với mực nước biển hoặc trong điều kiện nhiệt độ cao hơn đáng kể so với 0°C Công thức P w = 0.647Au³(W) thể hiện mối quan hệ giữa công suất gió và các yếu tố liên quan.
Khi khối không khí di chuyển đến turbine gió với đường kính d1 và vận tốc u1, áp suất p1 sẽ giảm khi tiếp xúc với turbine, dẫn đến luồng khí giãn ra với đường kính d2 Áp suất không khí tăng cực đại ngay trước turbine và giảm ngay sau khi vượt qua turbine, do động năng trong không khí được chuyển đổi thành năng lượng tiềm ẩn, tạo ra sự tăng áp suất Sau khi qua turbine, động năng còn lại tiếp tục được chuyển đổi, giúp áp suất không khí trở lại mức bình thường Điều này làm giảm tốc độ gió cho đến khi áp suất cân bằng trở lại, và khi tốc độ gió đạt mức thấp nhất, tốc độ khối khí sẽ tăng trở lại, sao cho u4 = u1, tương ứng với bầu không khí xung quanh.
Hình 1.8 Biểu diễn luồng khí thổi qua một turbine gió lý tưởng
Có thể biểu diễn theo các điều kiện tối ưu, khi công suất cực đại được truyền từ khối khí sang turbine Ta có các quan hệ sau: u 2 =u 3 =2
Khi đó công suất cơ thu được từ gió sẽ có sự khác biệt giữa ngõ vào và ngõ ra:
Đẳng thức trên cho thấy một turbine lý tưởng có khả năng thu được 8/9 năng lượng từ luồng gió tự nhiên Tuy nhiên, như Hình 3.8 minh họa, khối khí có diện tích nhỏ hơn diện tích của turbine, điều này có thể dẫn đến sai lệch trong kết quả do việc xác định diện tích A1 gặp khó khăn.
Phương pháp bình thường biểu diễn phần năng lượng thu được theo tốc độ gió u 1 và diện tích turbine A2 Phương pháp này cho ta:
Hệ số Betz, được xác định là 16/27 (0.593), chỉ ra rằng một turbine gió không thể thu được quá 59.3% năng lượng của khối khí trong cùng diện tích Thực tế cho thấy, lượng năng lượng thu được thường thấp hơn con số này do các yếu tố cơ khí không hoàn hảo Trong điều kiện tối ưu, turbine chỉ có thể khai thác khoảng 35% - 40% năng lượng từ gió, mặc dù có ý kiến cho rằng có thể đạt tới 50% Một turbine có khả năng thu được 40% năng lượng từ gió, tức là khoảng 2/3 năng lượng mà một turbine lý tưởng có thể đạt được, được xem là hiệu suất rất tốt.
Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả khai thác năng lượng gió
Hiệu suất của turbine gió, được xác định bởi giá trị C p, quyết định lượng năng lượng thu được từ năng lượng gió Theo luật Benz, hiệu suất tối ưu của turbine là 59.3%, nhưng thực tế, hầu hết các turbine gió chỉ đạt hiệu suất từ 20-30% Do đó, công suất cơ ngõ ra và công suất làm quay trục tốc độ thấp được biểu diễn qua một đẳng thức cụ thể.
Turbine Darrieus hoạt động với góc pitch cố định, trong khi các turbine trục ngang lớn thường điều chỉnh góc pitch Việc thay đổi góc pitch giúp duy trì hệ số công suất C p ở mức tối ưu theo tốc độ gió u r của turbine, hoặc có thể điều chỉnh giảm C p khi cần thiết.
P w đang tăng theo tốc độ gió để duy trì công suất ngõ ra ở giá trị định mức của turbine.
C p không phải là hằng số cố định, mà thay đổi tùy thuộc vào nhiều yếu tố như tốc độ gió, tốc độ quay (TSR) của turbine, cũng như các thông số của cánh như góc tới, góc pitch và kiểu dáng cánh.
Bảng 1 2 Hiệu suất turbine ứng với từng kiểu khác nhau
Hệ thống năng lượng gió Hiệu suất %
Turbine bơm nước nhiều cánh dùng cho nông trại 10 20
Turbine bơm nước kiểu cánh buồm 10 25
Turbine bơm nước kiểu Darrieus 15 30
Máy phát điện nhỏ turbine kiểu Savonius 10 20
Máy phát điện cỡ nhỏ với turbine kiểu chong chóng có công suất dưới 2kW, thường được sử dụng trong các ứng dụng nhỏ và có hiệu suất từ 20 đến 30% Máy phát điện cỡ trung với turbine kiểu chong chóng có công suất từ 2-10kW, mang lại hiệu suất tương tự từ 20 đến 30% Đối với máy phát điện cỡ lớn, turbine kiểu chong chóng có công suất trên 10kW, hiệu suất có thể đạt từ 30 đến 45%.
Máy phát điện gió kiểu Darrieus 15 35
PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ
Tiêu chí thiết kế máy phát điện gió công suất nhỏ
Các tiêu chí đánh giá nhu cầu sử dụng của các nước đang phát triển bao gồm giá thành thấp, thiết kế dễ sản xuất với quy mô lớn, và hiệu suất cao Sản phẩm cần hoạt động hiệu quả trong các điều kiện gió không lý tưởng và dễ dàng lắp đặt Cấu trúc đơn giản, dễ vận hành và bảo trì, cùng khả năng thay đổi tốc độ nhờ bộ truyền động và diện tích cánh rô to cũng rất quan trọng Cuối cùng, thiết bị cần ít bảo trì và có độ bền cao.
Tính toán lựa chọn, thiết kế máy phát điện gió công suất nhỏ
2.2.1 Các bước tính toán lựa chọn, thiết kế máy phát điện gió công suất nhỏ
Thiết bị đo vận tốc gió là công cụ quan trọng trong việc khảo sát tốc độ gió tại các khu vực tiềm năng cho năng lượng gió Khảo sát này cần được thực hiện liên tục trong suốt cả ngày để đảm bảo độ chính xác Việc sử dụng thiết bị đo gió, như hình 2.1, là cần thiết để thu thập dữ liệu chính xác về tốc độ gió.
Bước 2: Xác định vận tốc gió.
Số liệu khảo sát gió thường xuyên thay đổi, do đó giá trị xác định từ các số liệu khảo sát gió cần được lựa chọn cẩn thận Để có được giá trị chính xác, chúng ta sẽ lấy giá trị gió khảo sát có tần số xuất hiện nhiều nhất.
Bước 3: Xác định được giá trị công suất điện Pe ở ngõ ra mong muốn.
Khi lựa chọn công suất ngõ ra cho máy phát điện gió, cần xem xét công suất mà máy có thể sản xuất ở vận tốc gió thường xuyên Đây là công suất thực tế mà bạn sẽ nhận được sau khi qua quá trình chuyển đổi năng lượng của máy phát điện.
Bước 4: Xác định ước lượng diện tích cánh A sẽ thiết kế trong máy phát điện gió.
Diện tích cánh gió được xác định dựa trên chiều cao và độ rộng của cánh gió Cánh gió có bán kính nhỏ sẽ quay nhanh hơn, nhưng mô men quay sẽ giảm, và ngược lại.
A = π*R 2 (m 2 ) Trong đó: A: Diện tích cánh gió (m 2 );
R: Bán kính cánh rô to (m);
Bước 5: Để tính công suất gió tối đa thu được từ diện tích cánh rô to A (m²) ở nhiệt độ bình thường, bạn cần áp dụng công thức tính công suất.
Pw : Công suất gió (W) A: Diện tích cánh gió (m 2 ) u: Vận tốc gió (m/s)
Bước 6: Tính công suất cơ làm quay trục rô to: Pm = Cp*Pw (W)
Hình 2 2 Tỉ số vận tốc đĩnh (TSR)
Bước 7: Công suất truyền qua bộ truyền động với hiệu suất truyền động là η m :
Lựa chọn tỷ số truyền động i:
Với tốc độ quay của máy phát điện là n, tính được tỷ số truyền động i = n1/n2;
- Nếu i ≤ 7 thì lựa chọn một tầng bánh răng;
- Nếu 8 ≤ i ≤ 40 thì lựa chọn 2 tầng bánh răng, nếu như tỷ số truyền lớn hơn có thể chọn 3 hoặc 4 tầng bánh răng;
Hiệu suất truyền động được tính như sau: nếu lựa chọn 1 tầng thì hiệu suất là 0.99 và nếu thêm 1 tầng nữa thì hiệu suất sẽ giảm đi 1% nữa;
Bước 8: Công suất ngõ ra Pout của máy phát, với η g là hiệu suất của máy phát điện:
Bước 9: Kiểm tra công suất ngõ ra Pout
Nếu Pout < Pe thì phải tăng lại diện tích cánh, tức phải quay lại Bước 4 để thực hiện lại việc chọn diện tích cánh phù hợp.
Nếu Pout > Pe thì thực hiện tiếp bước 10.
Bước 10: Đưa ra chi tiết kết quả:
Vận tốc gió định mức u (m/s);
Diện tích cánh rô to A (m 2 ): đường kính cánh rô to dm (m); chiều cao cánh rô to h (m); số lượng cánh: 3 cánh; độ dày mỗi cánh: m = 0.1875*dm (m); chiều dài cánh: l 0.4*dm(m).
Bộ truyền động bao gồm các thông số quan trọng như tỷ số truyền i, tốc độ quay của rô to n2 (vòng/phút) và tốc độ quay của máy phát n1 (vòng/phút) Ngoài ra, số tầng bánh răng q và số răng của bánh răng ở mỗi tầng, với bánh răng cơ sở có x răng, cũng là những yếu tố cần lưu ý trong thiết kế và vận hành.
Công suất đạt được Pout;
2.2.2 Tính toán lựa chọn, thiết kế máy phát điện gió công suất nhỏ
Trong máy phát điện gió bao gồm tất cả các bộ phận như sau:
Rô to: cánh rô to.
Bộ truyền động là hộp số có chức năng chuyển đổi tỷ số truyền động trong cơ cấu truyền động, chủ yếu là để tăng tốc độ từ mức thấp của rô to cánh gió lên tốc độ cao hơn của máy phát điện.
Trụ quay và giàn đỡ.
Để thiết kế một hệ thống năng lượng gió, người ta cần biết trước các thông số để sử dụng trong quá trình tính toán về năng lượng gió:
Vận tốc gió định mức là thông số quan trọng được xác định thông qua khảo sát gió tại vị trí đặt turbine Giá trị này được tính toán dựa trên vận tốc gió trung bình tại khu vực đó, giúp đánh giá chính xác khả năng sinh năng lượng của turbine gió.
Loại trục turbine là loại turbine trục ngang.
Diện tích quét rô to.
Máy phát điện gió turbine trục ngang thường được thiết kế với kiểu dáng cánh ba, vì loại cánh này dễ dàng trong việc thiết kế và thi công hơn so với các loại cánh khác Các thông số đầu vào và đầu ra được trình bày trong Bảng 2.1.
Bảng 2 1 Các thông số đầu vào và đầu ra của mô hình
Vận tốc gió định mức: 4 m/s
Số cánh 3 Đường kính rô to (cực đại ) 0.7 m
Diện tích quét rô to 1,5 m 2
Công suất ngõ ra 5 W Đường kính và số tầng Cố định
Chất liệu cánh Cánh tôn Độ dày phù hợp
Chất liệu giàn và trụ đỡ
Sắt và thép Sắt ống và sắt V
Tính toán thiết kế và công suất ngõ ra:
1 Công suất thu được từ gió:
Coi như mô hình được đặt và thử nghiệm ở điều kiện môi trường bình thường Ở điều kiện bình thường:
2 Hiệu suất của turbine gió:
Theo tỷ số TRS tối ưu của Là 3 cánh là 0.8 Sử dụng công thức để tính hiệu suất turbine:
Với 0.5≤TSR≤1.0 : C p =0.196(TSR)+0 23233 = 0.389 là hiệu suất tối ưu của turbine gió trục ngang kiểu dáng cánh là 3 cánh.
3 Hiệu suất của bộ truyền động:
+ Tốc độ quay của rô to cánh quạt được tính theo công thức: n 2 = λ.u
Tốc độ của máy phát điện n1 được tính bằng công thức i = n1/n2, với tỷ số truyền từ 8 đến 40 Để đảm bảo truyền động hiệu quả, nên chọn 2 tầng bánh răng, giúp duy trì hiệu suất còn lại đạt 98% Mỗi tầng bánh răng sẽ mất khoảng 1% hiệu suất nếu được bôi trơn và đặt trong hộp kín, do đó, hiệu suất của bộ truyền động được xác định là η m = 0.98.
4 Hiệu suất của máy phát điện:
Hiệu suất của máy phát điện dao động từ 27.8% đến 82.2%, tùy thuộc vào tốc độ quay của rô to Trong thí nghiệm, hiệu suất được ghi nhận là η g = 27.8% đến 82.2% Giả sử hiệu suất máy phát đạt 80%, điều này cho thấy khả năng tối ưu hóa hiệu suất là rất khả thi.
5 Hiệu suất toàn hệ thống:
Hiệu suất toàn hệ thống được tính theo công thức như sau: η 0 =C pR η mR η gR
C pR = 0.389 là hiệu suất của turbine; η mR = 0.98 là hiệu suất của bộ truyền động; η gR = 0.8 là hiệu suất của máy phát điện. η 0 có giá trị 0.304
6 Công suất toàn hệ thống:
Công suất toàn hệ thống được tính theo công thức như sau:
Pe =C pR η mR η gR P w= η 0 Pw
MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ TRỤC NGANG
Các thông số kỹ thuật
Tốc độ quay: 30 (vòng/phút)
Điện áp ngõ ra không tải lớn nhất: 27V
Bản vẽ thiết kế kỹ thuật
Hình 3 1 Bản vẽ mô hình máy phát điện gió trục ngang
Cấu tạo
Hình 3.2 Mô hình thí nghiệm máy phát điện gió trục ngang
Hình 3.3 Máy phát điện DC 24V chỗi than
Hình 3.4 Bộ biến tốc bánh răng bằng nhôm và dây courroie cao su
Hình 3.5 Cánh gió bằng nhôm đúc
Hình 3.6 Hộp điều khiển chống cháy
Kết quả thí nghiệm
Khi vận tốc gió đạt 4 m/s, rotor quay với tốc độ 30 vòng/phút và sản sinh điện áp 3V Tại vận tốc gió 8 m/s, rotor quay 60 vòng/phút, tạo ra điện áp 6V Với vận tốc gió 12 m/s, rotor quay 90 vòng/phút và điện áp ngõ ra là 9V Cuối cùng, ở vận tốc gió 16 m/s, rotor lại quay 30 vòng/phút và sản sinh điện áp 12V.
Hướng dẫn sử dụng mô hình thí nghiệm
Kiểm tra trục quay, dây đai, tay quay, cánh gió
Đặt mô hình ở vị trí không bị vướng cánh gió bởi các vật cản và tránh gây mất an toàn cho người sử dụng khi mô hình hoạt động.
Chuẩn bị nguồn năng lượng gió từ thiết bị tạo gió (quạt) hoặc đón nguồn gió tự nhiên.
Chế độ tự động (gió tự nhiên không qua biến tốc):
Bật công tắc vị trí ON
Cấp nguồn năng lượng gió cho cánh gió quay
Quan sát đồng hồ đo thông số điện áp ngõ ra
Cấp nguồn vào tải (còi)),quan sát đồng hồ đo thông số điện áp ngõ ra
Ngắt phụ tải khỏi nguồn máy phát
Bật công tắc về vị trí OFF
Chế độ bằng tay (qua biến tốc):
Bật công tắc vị trí ON
Quay tay quay cho máy phát hoạt động
Quan sát đồng hồ đo thông số điện áp ngõ ra
Thay đổi tốc độ quay của rotor và theo dõi đồng hồ đo điện áp ngõ ra Cung cấp nguồn cho tải (còi) và quan sát chỉ số điện áp ngõ ra.
Thay đổi tốc độ quay của rotor và quan sát đồng hồ đo thông số điện áp ngõ ra
Ngắt phụ tải khỏi nguồn máy phát
Bật công tắc về vị trí OFF
3.5 Các bài thí nghiệm trên mô hình
Quay rotor với vận tốc như bảng 3.1 và đo kết quả khi không tải
Bảng 3.1 Các thông số điện áp và dòng điện khi không tải theo vận tốc của rotor
ROTOR ĐIỆN ÁP RA KHÔNG TẢI (V)
DÒNG ĐIỆN KHÔNG TẢI (mA)
Quay rotor với vận tốc như bảng 3.2 và đo kết quả khi gắn tải
Bảng 3.2 Các thông số điện áp và dòng điện khi có tải theo vận tốc của rotor
DÒNG ĐIỆN TRÊN TẢI (mA)
Những kết quả đạt được
Năng lượng gió phân tán, đặc biệt là máy phát điện gió công suất nhỏ cho hộ gia đình và các vùng hải đảo, có tầm quan trọng lớn tại Việt Nam, nơi khoảng 4.5 triệu dân vẫn chưa có điện Với 3260 km bờ biển và gần 3000 hòn đảo, Việt Nam có tiềm năng phát triển các máy phát điện gió độc lập Tuy nhiên, máy phát điện công suất nhỏ cần thiết kế phù hợp với điều kiện gió thấp và giá thành hợp lý Đề tài này đưa ra giải pháp nâng cao hiệu suất cho máy phát điện gió công suất nhỏ, phù hợp với điều kiện gió tại Việt Nam, với tiêu chí hiệu suất cao, giá thành thấp, dễ chế tạo và bảo trì Sản phẩm chính là turbine gió trục ngang, được thiết kế để hoạt động hiệu quả trong các điều kiện không lý tưởng Qua quá trình nghiên cứu, nhiều kinh nghiệm quý giá đã được rút ra cho việc thiết kế mô hình máy phát điện gió công suất nhỏ.
Khảo sát gió tại vị trí lắp đặt turbine là bước quan trọng hàng đầu, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất hệ thống, hiệu quả kinh tế, cũng như các thông số và cấu trúc thiết kế turbine.
Để đạt được hiệu suất truyền động tối ưu và chi phí hợp lý, việc lựa chọn và thiết kế đường kính rô to cùng với tốc độ của máy phát là rất quan trọng.
Hướng phát triển tiếp theo của đề tài
Do thời gian hạn chế, mô hình máy phát vẫn chưa hoàn thiện, cần phát triển nghiên cứu để chế tạo máy phát cho hệ thống turbine gió công suất nhỏ và turbine kiểu trục ngang với vòng quay định mức thấp Để nâng cao hiệu quả làm việc và truyền động, có thể thay thế bộ truyền động hiện tại với tỷ số truyền 10, nâng hiệu suất từ 0.11 lên 0.31, giúp cải thiện hiệu suất toàn hệ thống Với đề tài và mô hình đã trình bày, có khả năng ứng dụng để sản xuất hàng loạt máy phát điện gió công suất nhỏ cho thực tế.
Thiết kế thêm bộ phận điều tốc và bộ phận thắng, bộ lưu điện.
Các bài thí nghiệm trên mô hình
[1] Tôn Ngọc Triều, Phạm Văn Lới, Giáo trình năng lượng tái tạo, Trường CĐCN Thủ Đức, 2018;
[2] Hồ Sĩ Thoảng – Trần Mạnh Trí, Năng lượng cho thế kỷ 21, nhứng thách thức và triển vọng, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2010;
[3] Nguyễn Thanh Hào, Nguyễn Huy Bích, Giáo trình Kỹ thuật năng lượng tái tạo Nhà xuất bản: ĐHQG-HCM, 2015;
[4] Nguyên Ngọc, Điện gió, Nhà xuất bản Lao động, 2012;
[5] TS Võ Viết Cường, Bài giảng Năng Lượng Tái Tạo ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM, 2010;
[6] Sorensen, Bent Renewable energy conversion, transmission, and storage Academic press, 2007.
[7] Frank Kreith, D Yogi Goswami, Handbook of Energy Effciency and Renewable Energy, CRC press, 2007.
