thiết kế cánh turbine máy phát điện sức gió kiểu trục đứng

Các hệ số khí động học tương đối trên dây cung và pháp tuyến với dây cung 36 Phần 3: Thiết kế cánh turbine máy phát điện sức gió kiểu trục... DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Má

==========

BÙI THANH HIỀN

THIẾT KẾ CÁNH TURBINE MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ KIỂU TRỤC ĐỨNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

Thái Nguyên - 2010

BÙI THANH HIỀN

THIẾT KẾ CÁNH TURBINE MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ KIỂU TRỤC ĐỨNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

Thái Nguyên - 2010

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Bùi Thanh Hiền, Học viên lớp cao học khóa 11-Công nghệ chế

tạo máy-Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, hiện đang công tác tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên

Xin cam đoan:

Đề tài:” Thiết kế cánh turbine máy phát điện sức gió kiểu trục đứng “,

do thầy giáo TS Vũ Ngọc Pi hướng dẫn là công trình do bản thân tôi thực hiện

dựa trên sự hướng dẫn của thầy giáo hướng dẫn khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn

Thái Nguyên, ngày 25 tháng 9 năm 2010

Học viên

Bùi Thanh Hiền

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về máy phát điện

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 14

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước 19 1.3 Các kiểu kết cấu cánh đã có và vấn đề lựa chọn số cánh tối ưu 20

1.3.1 Các kiểu kết cấu cánh đã được thiết kế 20

1.3.2 Vấn đề lựa chọn số cánh tối ưu 23

Phần 2: Cơ sở tính toán khí động học cánh turbine 25

2.1.1 Vật lý học về năng lượng gió 25

2.1.2 Tài nguyên gió ở Việt Nam 26 2.2 Các định luật cơ bản và các khái niệm về khí động học cánh

2.2.1 Học thuyết Betz 28

2.2.2 Lý thuyết về cánh và kết cấu cánh turbine 29

2.2.2.1 Kiểu cánh và các khái niệm cơ bản 30

2.2.2.2 Khí động học tác dụng lên cánh turbine 31

2.2.2.3 Năng suất vận hành một phần tử cánh (thuyết cơ

bản 33 2.2.2.4 Biểu thức tổng quát cảu áp lực, mômen và công

suất

34

2.3 Lực và sự phân bố lực trên bề mặt cánh turbine 35

2.3.1 Nguyên lý sự phân bố lực trên bề mặt cánh turbine 35

2.3.2 Các hệ số khí động học tương đối trên dây cung và

pháp tuyến với dây cung 36

Phần 3: Thiết kế cánh turbine máy phát điện sức gió kiểu trục

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

HAWTs hệ turbine gió kiểu trục ngang

VAWTs hệ turbine gió kiểu trục đứng

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1 Thống kê công suất định mức lắp đặt trên thế giới

Bảng 3.1 Bảng giá trị của tỷ số tốc độ lớn nhất ứng với từng turbine có số

cánh đang xét Bảng 3.2 Bảng giá trị công suất hệ thống cho turbine 5 cánh

Bảng 3.3 Bảng giá trị công suất hệ thống cho turbine 4 cánh

Bảng 3.4 Bảng giá trị công suất hệ thống cho turbine 3 cánh

Bảng 3.5 So sánh công suất hệ thống của turbine có số cánh lần lượt là 5

cánh, 4 cánh, 3 cánh Bảng 3.6 Bảng giá trị ,  trên hành trình sinh công có ích

Bảng 3.7 Bảng quan hệ giữa  và r

Bảng 3.8 Vật liệu dự kiến chọn làm cánh turbine

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Máy phát điện sức gió do Charles F.Brush chế tạo

Hình 1.2 Máy phát điện Gedser công suất 200kW

Hình 1.3 Cánh đồng phong điện tại tỉnh Cam Túc, Trung Quốc

Hình 1.4 Nhà nghiên cứu năng lượng gió Nguyễn Phú Uynh và mô hình chế

tạo turbine gió của ông Hình 1.5 Kiểu dạng chén

Hình 1.6 Rotor dạng chén

Hình 1.7 Turbine kiểu Savonius

Hình 1.8 Turbine kiểu plates

Hình 1.9 Turbine kiểu Darrieus - Rotor và H - Rotor

Hình 2.1 Biểu đồ gió khu vực Trung du miền núi phía Bắc

Hình 2.2 Biên dạng cánh loại NACA-04

Hình 2.3 Biểu đồ lực nâng và lực cản loại NACA 00X

Hình 2.4 Khí động học bộ phận cánh turbine

Hình 2.5 Thành phần lực tác dụng lên cánh turbine

Hình 2.6 Biểu diễn các thành phần vận tốc tác dụng trên mặt cắt ngang cánh Hình 2.7 Thành phần lực và vận tốc trên cánh turbine

Hình 3.1 Hình dáng cánh turbine dự kiến thiết kế

Hình 3.2 Véc tơ vận tốc tác dụng lên turbine 5 cánh

LỜI MỞ ĐẦU

Kinh tế Việt Nam đang trên đà phát triển theo hướng công nghiệp hoá, hiện đại hoá Thực tế cho thấy ngày càng nhiều máy móc được sử dụng để phục vụ sản xuất và sinh hoạt, do đó cần nhiều năng lượng điện cho các hoạt động này Tuy nhiên cho đến nay, nguồn năng lượng phục vụ cho sản xuất và sinh hoạt đang thiếu trầm trọng Mặc dù chính phủ đã có nhiều phương án đối phó với thực trạng này như: xây thêm các nhà máy phát điện, tăng lượng điện nhập khẩu từ nước ngoài, mặt khác kêu gọi toàn dân tiết kiệm điện Nhưng hiện nay và trong tương lai tình trạng thiếu điện cho sản xuất và sinh hoạt vẫn là một vấn đề cấp bách

Máy phát điện sức gió được sử dụng rộng rãi ở châu Âu, châu Mỹ và rất nhiều nơi khác, nhưng chưa phát triển ở Việt nam Nước ta chủ yếu khai thác nguồn năng lượng truyền thống, chủ yếu là thủy điện và nhiệt điện Gần đây, Chính phủ đưa ra mặt trái của việc xây dựng ồ ạt các đập thuỷ điện gây biến đổi tình hình khí hậu trong nước, hạn hán vào mùa khô và lũ lụt vào mùa mưa Trong các nguồn năng lượng tái tạo để tạo thành điện năng thì năng lượng gió có nhiều

ưu điểm vì nó dễ sử dụng, rẻ tiền, có trữ lượng vô tận và thân thiện với môi trường Vì thế khai thác năng lượng gió ở nước ta là một hướng đi đúng

Máy phát điện sức gió trục đứng kết cấu nhỏ gọn phù hợp với địa hình lắp đặt ở nước ta

Việc thiết kế cánh quạt gió là công đoạn quan trọng nhất trong các công đoạn thiết kế máy phát điện sức gió, vì nó quyết định trực tiếp đến hiệu suất đạt được Cho đến nay đã có nhiều công trình khoa học nghiên cứu về thiết kế cánh turbine gió Tuy nhiên việc thiết kế biên dạng cánh và lựa chọn số cánh hợp lý nhằm nâng cao hiệu suất và hạ giá thành của máy phát điện sức gió kiểu trục đứng, phù hợp với điều kiện kinh tế và sử dụng ở nước hiện nay còn chưa có các

công trình công bố

Được sự hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của thầy giáo TS Vũ Ngọc Pi, tôi

đã tiến hành nghiên cứu đề tài: “Thiết kế cánh turbine máy phát điện sức gió kiểu trục đứng”

Để giải quyết lần lượt các vấn đề trên, luận văn bao gồm các phần sau:

Phần 1: - Tổng quan về máy phát điện sức gió

- Khái quát về các hướng nghiên cứu, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về máy phát điện sức gió trục đứng, về kết cấu các kiểu cánh đã được

có và về vấn đề lựa chọn số cánh tối ưu

Phần 2: Cơ sở tính toán khí động học cánh turbine

Phần 3: Thiết kế cánh turbine máy phát điện sức gió kiểu trục đứng 10KW Phần 4: Kết luận và các kiến nghị

Tài liệu tham khảo

* Mục đích của đề tài:

Đề tài được thực hiện nhằm mục đích thiết kế cánh quạt turbine máy phát điện sức gió kiểu trục đứng nhằm nâng cao hiệu suất và hạ giá thành của máy phát điện sức gió kiểu trục đứng có công suất 10 kW

* Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài:

Nghiên cứu thiết kế biên dạng cánh và tính chọn chọn số cánh tối ưu nhằm nâng cao hiệu suất và hạ giá thành của máy phát điện sức gió kiểu trục đứng có công suất 10 kW

* Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài:

+ Ý nghĩa khoa học

Nghiên cứu của đề tài phù hợp với xu thế phát triển năng lượng gió trong

và ngoài nước Do đó ý nghĩa khoa học của đề tài là thể hiện trong thiết kế biên dạng cánh máy phát điện sức gió trục đứng nhằm đảm bảo hiệu suất yêu cầu, đạt giá thành chế tạo nhỏ nhất

+ Ý nghĩa thực tiễn

Đề tài có ý nghĩa thực tiễn trong việc sản xuất điện năng, phục vụ cho sinh hoạt và sản xuất, phù hợp với yêu cầu và tình hình kinh tế, khí hậu, địa hình Việt Nam

Phần 1:

TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ, KHÁI QUÁT

VỀ CÁC HƯỚNG NGHIÊN CỨU MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ

TRỤC ĐỨNG

1.1 TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ

Vào đầu những năm 1970, giá dầu tăng vọt lần đầu tiên khiến con người quan tâm đến nguồn năng lượng gió Tận dụng các cơn gió mạnh dùng để cung cấp điện năng

Năm 1888, Charles F Brush đã chế tạo chiếc máy phát điện chạy sức gió đầu tiên, và đặt tại Cleveland, Ohio Nó có đặc điểm:

* Cánh được ghép thành xuyến tròn, đường kính vòng ngoài 17m;

* Sử dụng hộp số (tỉ số truyền 50:1) ghép giữa cánh turbine với trục máy phát;

* Tốc độ định mức của máy phát là 500 vòng/phút;

* Công suất phát định mức là 12kW

Hình 1.1 Máy phát điện sức gió do Charles F.Brush chế tạo [1]

Trong những năm tiếp sau, một số mẫu thiết kế khác đã được thực hiện tuy nhiên vẫn không đem lại bước đột phát đáng kể Ví dụ mẫu thiết kế của Dane

Poul La Cour năm 1891 Cho đến đầu những năm 1910, đã có nhiều máy phát điện chạy bằng sức gió công suất 25kW được lắp đặt tại Đan Mạch nhưng giá thành điện năng do chúng sản xuất ra không cạnh tranh được với giá thành của các nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hoá thạch Mặc dù gặp khó khăn do không có thị trường, những thế hệ máy phát điện chạy bằng sức gió vẫn tiếp tục được thiết kế và lắp đặt Ví dụ như các máy phát công suất từ 1 đến 3 kW được lắp đặt tại vùng nông thôn của Đồng bằng lớn ở Mỹ vào những năm 1925 hay máy phát Balaclava công suất 100kW lắp đặt tại Nga năm 1931 và máy phát Gedser công suất 200kW được lắp đặt tại đảo Gedser ở đông nam Đan Mạch

Hình 1.2 Máy phát điện Gedser, công suất 200kW [1]

Sự phát triển của máy phát điện chạy sức gió trong thời kỳ này có đặc điểm sau:

- Ít về số lượng, lắp đặt rải rác nhưng tập trung chủ yếu ở Mỹ, các nước Tây

Âu như Đan Mạch, Đức, Pháp, Anh, Hà Lan;

- Công suất máy phát thấp chủ yếu nằm ở mức vài chục kW

Các công nghệ về năng lượng gió cũng đạt được những bước tiến rất nhanh chóng, cuối năm 1989 một turbine gió có công suất 300KW thì đường kính của roto là 30m, chỉ 10 năm sau một turbine gió có công suất là 2000KW thì

đường kính roto chỉ vào khoảng 80m Những dự án đầu tiên đang được sử dụng

có công suất 3MW đường kính Roto vào khoảng 90m Ngày nay các turbine gió

có công suất từ 3 đến 3.6 MW mới có giá trị sử dụng Năm 2004 công suất đạt 4 – 5MW dưới mức nhu cầu phát triển, mục tiêu trong thời gian tới có thể xây dựng các hệ thống turbine gió có công suất 6 – 7 MW

Ngày nay máy phát điện trục ngang cũng như trục đứng được sử dụng tương đối hiệu quả ở nhiều nước trên thế giới Các nước như Hà Lan, Pháp, Tây Ban Nha, Bồ Đào Nha, Trung Quốc, Đức… là những nước có lịch sử phát triển

hệ thống máy phát điện sức gió từ lâu đời và ngày nay chúng vẫn được phát triển rất mạnh mẽ

Trong tổng số năng lượng được sử dụng toàn cầu, năng lượng gió chỉ chiếm một phần nhỏ Tuy nhiên, nhiều quốc gia trên thế giới ngày càng quan tâm xem xét đến năng lượng gió không chỉ bởi nó là nguồn năng lượng xanh, giảm lượng khí thải CO2 mà còn là giải pháp kinh tế cho nhiều vùng có tốc độ gió thích hợp, các vùng thưa dân cư, vùng sâu vùng xa mà lưới điện Quốc gia còn gặp nhiều khó khăn để cung cấp tới các vùng này

Có hai loại turbine gió, loại trục thẳng đứng VAWTs và loại trục nằm ngang HAWTs Năm 1922, kỹ sư người Phần Lan S.J Savonius đã phát minh ra turbine Savonius Năm 1931, Georges Darrieus được cấp bằng sáng chế về ý tưởng một turbine gió trục đứng với các cánh thẳng hoặc cong Vào những năm

1970 và 1980 máy phát điện trục đứng trở thành tiêu điểm khi mà cả Canada và

Mỹ đã xây dựng một vài nguyên mẫu của turbine Darrieus, nó đã tỏ ra khá hiệu quả và tin cậy Hơn 500 VAWTs vận hành ở California trong những năm 1980 Eole đã xây dựng turbine Darrieus cao 96m vào năm 1986 là hệ thống VAWT lớn nhất từng được xây dựng có công suất 3.8 MW Những turbine Darrieus được Bắc Mỹ dùng vào năm 1980 phần lớn có những máy phát cảm ứng với những hộp số Tuy nhiên Eole điều khiển trực tiếp các máy với đường kính 12m

Nó sản xuất ra 12 GWh điện năng trong 5 năm và đạt đến mức năng lượng tới 2.7 MW

Lịch sử phát triển của HAWTs và VAWTs đã có từ lâu đời, đã có rất nhiều kiểu dáng hình học cánh được các nhà nghiên cứu đưa ra và đã áp dụng tương đối có hiệu quả Cho đến ngày nay nó vẫn rất được quan tâm, ở một số nước có sự phát triển rất mạnh mẽ hệ thống HAWTs và VAWTs, đã có nhiều công trình nghiên cứu của các nhà khoa học về máy phát điện sức gió, song nhìn chung việc tính toán thiết kế hệ thống cánh turbine trong máy phát điện vẫn luôn

là một đề tài hết sức thu hút các nhà khoa học, nó đã và vẫn đang không ngừng được các nhà khoa học tìm tòi nghiên cứu cải tiến hoàn thiện hơn

Việc thiết kế được máy phát điện sức gió đạt công suất yêu cầu phù hợp với khí hậu, địa hình và kinh tế Việt Nam là một vấn đề cấp bách khắc phục tình trạng thiếu điện trên toàn quốc Tính chọn số cánh tối ưu và thiết kế biên dạng cánh được tác giả lựa chọn làm đề tài nghiên cứu

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ KIỂU TRỤC ĐỨNG

1.2.1.Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

Máy phát điện sức gió kiểu trục đứng (VAWT) được sản xuất và đưa ra thị trường hiện nay là loại cánh turbine cố định, có thể hoạt động bình đẳng với mọi hướng gió nên có cấu tạo đơn giản, các bộ phận đều có kích thước không quá lớn nên vận chuyển và lắp ráp dễ dàng, độ bền cao, bảo dưỡng đơn giản Với đăc điểm như vậy, nên thị trường mà các công ty R&D (nghiên cứu chế tạo và thương mại hóa) hệ thống này (chủ yếu của Trung Quốc) hiện đang hướng tới là các trạm phát điện độc lập, công suất vừa và nhỏ, phù hợp với các trang trại, hộ gia đình hay nhưng nơi độc lập xa trung tâm

Trong số 20 thị trường lớn nhất trên thế giới, chỉ riêng châu Âu đã có 13 nước với Đức là nước dẫn đầu về công suất của các nhà máy dùng năng lượng gió với khoảng cách xa so với các nước còn lại Đức và sau đó là Tây Ban Nha, Hoa Kỳ, Đan Mạch và Ấn độ là những quốc gia sử dụng năng lượng gió nhiều

nhất trên thế giới Tại Đức, Đan Mạch và Tây Ban Nha việc phát triển năng lượng gió liên tục trong nhiều năm qua được nâng đỡ bằng quyết tâm chính trị Nhờ vào đó mà một ngành công nghiệp mới đã phát triển tại 3 quốc gia này Công nghệ Đức (bên cạnh các phát triển mới từ Đan Mạch và Tây Ban Nha) đã được sử dụng trên thị trường nhiều hơn trong những năm vừa qua

Mặc dù là các quốc gia còn lại, ngoại trừ Ai cập với 145 MW, đều có công suất lắp đặt ít hơn 100 MW, có thể nhận ra được là nhiều nước chỉ mới khám phá

ra năng lượng gió ở những năm gần đây và được dự đoán là sẽ có tăng trưởng mạnh trong những năm sắp đến Trong năm 2005 theo dự đoán sẽ có khoảng 10.000 MW được lắp đặt mới trên toàn thế giới mà trong đó có vào khoảng 2.000

MW là ở Đức

Năm 2007 thế giới đã xây mới được khoảng 20073 MW điện, trong đó

Mỹ với 5244 MW, Tây Ban Nha 3522MW, Trung Quốc 3449 MW, 1730 MW ở

Ấn Độ và 1667 ở Đức, nâng công suất định mức của các nhà máy sản xuất điện

từ gió lên 94.112 MW Công suất này có thể thay đổi dựa trên sức gió qua các năm, các nước, các vùng (bảng 1.1)

Bảng 1.1 Công suất điện sức gió đã được lắp đặt trên thế giới [5]

Số thứ tự Quốc gia Công suất (MW)

đã lắp đặt thêm nhiều hệ thống sản xuất điện từ gió và kỳ vọng năm nay sẽ đạt được 20 Gigawatt (GW) Sản lượng phong điện này sẽ giúp Trung Quốc qua mặt Tây Ban Nha để đứng thứ ba thế giới, chỉ sau Mỹ và Đức Mỹ đã thu được 25,2

GW năm 2008, chiếm 20,8% toàn thế giới, thời điểm đó Trung Quốc chỉ mới đạt 12,2 GW, trong khi Tây Ban Nha là 16,8 GW Trung Quốc cũng đã công bố các chương trình năng lượng xanh tham vọng Cuối năm 2009, Trung Quốc thông báo kế hoạch xây dựng nhà máy phong điện quy mô lớn ở tỉnh Cam Túc Đây sẽ

là nhà máy phong điện lớn nhất thế giới với công suất lắp đặt 5GW vào cuối năm

2010, 12GW vào cuối năm 2015 và 20GW vào cuối năm 2020 Dự kiến, công suất lắp đặt của nhà máy này cuối cùng sẽ đạt 40GW Dự án xây dựng nhà máy điện nói trên có tổng vốn đầu tư dự kiến khoảng trên 120 tỷ nhân dân tệ (19,6 tỷ USD) [4] Do tận dụng được lợi thế đất đai rộng lớn, Trung Quốc đã xây được nhiều những cánh đồng rộng lớn để lắp đặt hệ thống máy phát điện sức gió, gần đây nhất Trung Quốc đã xây dựng cánh đồng máy phát điện sức gió tại tỉnh Cam Túc (hình 1.3)

Hình 1.3 Cánh đồng phong điện tại tỉnh Cam Túc, Trung Quốc [4]

Các nghiên cứu về hệ thống này cũng còn tương đối hạn chế, chủ yếu tập trung theo hướng nghiên cứu động lực học cánh turbine nhằm nâng cao hiệu quả mặt hứng gió và giảm thiểu ảnh hưởng của mặt cản gió cho cánh turbine

Ấn Độ đứng thứ 5 trên thế giới với tổng công suất năng lượng gió 9.587 MW trong năm 2008, hoặc 3% của tất cả điện sản xuất tại Ấn Độ The World Wind Energy Conference in New Delhi in November 2006 has given additional impetus to the Indian wind industry Hội nghị Năng lượng gió thế giới tại New Delhi tháng 11 2006 đã thêm động lực cho ngành công nghiệp gió Ấn Độ Lng Muppandal ở bang Tamil Nadu, Ấn Độ, có nhiều trang trại tuốc bin gió ở vùng lân cận của nó, và là 1 trong những trung tâm khai thác năng lượng gió lớn ở Ấn

Độ, dẫn đầu bởi các công ty như Suzlon, Vestas, Micon và 1 số công ty khác Mexico mới đây đã mở dự án điện gió La Venta II như một bước quan trọng trong việc giảm mức tiêu thụ nhiên liệu hoá thạch của Mexico Dự án 88MW này

là dự án điện gió đầu tiên ở Mexico, cung cấp 13% nhu cầu về điện của bang Oaxaca Năm 2012 dự án sẽ có công suất 3.500MW Một thị trường đang phát triển khác là Brazil, với tiềm năng gió là 143GW Chính quyền lien bang đã tạo

ra một chương trình ưu đãi được gọi là Proinfa, để xây dựng năng lực sản xuất với công suất 3.300 MW năng lượng tái tạo cho năm 2008, trong đó 1.422 MW thông qua năng lượng gió Chương trình tìm kiếm để sản xuất 10% điện cho Brazil thông qua các nguồn tái tạo Nam Phi đã đề suất một trạm về phí bắc Bờ

Tây của cửa sông Olifants gần thị trấn Koekenaap, phía đông Vredendal ở tỉnh Western Cape Trạm này được đề xuất để có tổng sản lượng 100 MW, mặc dù có những cuộc đàm phán để tăng gấp đôi khả năng này Nhà máy có thể hoạt động vào năm 2010 Pháp đã công bố một mục tiêu 12.500 MW được sản xuất vào năm 2010, mặc dù trong vài năm qua họ sản xuất ngắn hạn Canada có kinh nghiệm phát triển nhanh chóng năng lực gió giữa 2000 và 2006, với tổng công suất lắp đặt tăng từ 137 MW đến 1.451 MW, và tỷ lệ tăng trưởng hàng năm là 38% Đặc biệt tăng trưởng nhanh chóng thấy rõ vào năm 2006, với tổng công suất tăng gấp đôi từ 684 MW vào cuối năm 2005 Sự tăng trưởng này đã được bảo đảm bằng các biện pháp gồm các mục tiêu sản xuất, ưu đãi và hỗ trợ kinh tế chính trị Ví dụ, chính quyền Ontario đã thông báo rằng nó sẽ giới thiệu 1 cấp dữ liệu trong biểu thuế cho năng lượng gió, được gọi là “Hợp đồng Cung cấp Tiêu chuẩn”, mà có thể đẩy mạnh các ngành công nghiệp gió trên địa bàn tỉnh Ở Quebec, các tỉnh sở hữu tiện ích điện có kế hoạch mua 1 bổ sung 2.000 MW vào năm 2013 Năm 2025, Canada sẽ đạt công suất 55.000 MW năng lượng gió, hay 20% năng lượng mà đất nước cần [5]

Những turbine gió trục thẳng đứng đã được phát triển song song với sự phát

triển của Turbine gió trục nằm ngang HAWTs ( Horizontal axis wind turbines),

nhưng ít được hỗ trợ và quan tâm Kỹ sư người Phần Lan S.J Savonius đã phát minh ra turbine Savonius vào năm 1922 Vào năm 1931 Georges Darrieus được cấp bằng sáng chế về ý tưởng một turbine gió trục đứng với các cánh thẳng hoặc cong Vào những năm 1970 và 1980 máy phong điện trục đứng đã trở lại và trở thành tiêu điểm khi mà cả Canada và Mỹ đã xây dựng một vài nguyên mẫu của turbine Darrieus, nó đã tỏ ra khá hiệu quả và tin cậy Tuy nhiên theo báo cáo từ các phòng thí nghiệm của Mỹ thì hệ thống VAWTs không thể cung cấp năng lượng cho các hộ nghèo, cuối cùng VAWTs được tháo dỡ vào 1997 Vào năm

1980 công ty FloWind của Mỹ đã được thương mại hóa turine Darrieus và xây dựng một số nông trại sử dụng gió Các máy đó làm việc có hiệu quả nhưng nó

có vấn đề về độ bền mỏi của cánh Hơn 500 VAWTs vận hành ở California trong

những năm 1980 Eole đã xây dựng turbine Darrieus cao 96m vào năm 1986 là

hệ thống VAWT lớn nhất từng được xây dựng có công suất 3.8 MW Những turbine Darrieus được Bắc Mỹ dùng vào năm 1980 phần lớn có những máy phát cảm ứng với những hộp số Tuy nhiên Eole điều khiển trực tiếp các máy với đường kính 12m Nó sản xuất ra 12 GWh điện năng trong 5 năm và đạt đến mức năng lượng tới 2.7 MW[15]

1.2.2.Tình hình nghiên cứu trong nước

Cho đến nay các nghiên cứu trong nước về hệ thống turbine gió còn ít Một nghiên cứu có quy mô và gần đây nhất có thể kể đến là kết quả của nhóm nghiên cứu do PGS-TSKH Nguyễn Phùng Quang - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội chủ trì Đó là đề tài cấp nhà nước KC 06 [3] Nhóm nghiên cứu tập trung chủ yếu vào việc xây dựng các bộ điều khiển: bộ điều khiển nạp bank accu, bộ điều khiển công suất phát, bộ nghịch lưu và tích hợp với hệ thống turbine gió và máy phát nhập ngoại Đây là hệ thống turbine kiểu trục ngang, có các thông số kỹ thuật như sau: Dải tốc độ gió hoạt động: 3-14 m/s; tốc độ gió giới hạn 16 m/s; tốc độ tối đa của cánh tua bin 160 vòng/phút; đường kính mặt quét cánh tua bin 10,4 m; công suất phát điện định mức 20 kW; điện áp điều chế 380 VAC/220 VAC, tần

số 50 Hz; điện áp một chiều trung gian 120-240 VDC; sử dụng loại tua bin 3 cánh; khối lượng trạm phát điện sức gió: 750 kg; khối lượng hệ thống cột đỡ 3.500 kg; chiều cao cột đỡ 30 m; điều khiển hiện trường: DSP loại TMS320F2812 của TI và điều khiển hệ thống PLC S7-200 của Siemens

Gần đây Chu Đức Quyết [1] đã tính toán và thiết kế lý thuyết turbine gió kiểu trục đứng, cánh thẳng với số cánh là 5, có bộ điều khiển khả năng hứng gió của cánh Tuy nhiên, việc thiết kế có bộ điều khiển góc quay của cánh sẽ rất tốn kém do đó tính kinh tế chưa cao, chưa phù hợp với kinh tế Việt Nam

Ngoài ra còn có một số nhà nghiên cứu năng lượng gió cũng đã đi sâu vào nghiên cứu để thiết kế turbine gió có cấu tạo và công suất theo yêu cầu [6],

turbine thiết kế theo nguyên lý cản cánh buồm, khác biệt với các turbin gió đã có, rotor đón gió mọi hướng Hiệu suất cao vì thu nhận toàn bộ lưu lượng gió tác động vào cánh theo nguyên lý cản cánh buồm, sải cánh ngắn Tuy nhiên sang chế này trên thực tế vẫn chưa được đưa vào chế tạo và lắp đặt để sử dụng ở nước ta

Hình 1.4 Nhà nghiên cứu năng lượng gió Nguyễn Phú Uynh và mô

hình chế tạo turbine gió của ông [6]

1.3 CÁC KIỂU KẾT CẤU CÁNH ĐÃ CÓ VÀ VẤN ĐỀ LỰA CHỌN

SỐ CÁNH TỐI ƢU

1.3.1 Các kiểu kết cấu cánh đã đƣợc thiết kế:

Có rất nhiều kiểu kết cấu cánh khác nhau đã được thiết kế, ví dụ như ở hình 1.3 và hình 1.4 là kiểu cánh turbine dạng chén, kiểu cánh này cho phép turbine quay được theo một chiều sử dụng lực cản của các cánh là các tấm thép mỏng được chế tạo dạng chén để hứng gió Các cánh này được gắn cố định trên trục

quay (thường là trục thẳng đứng) [11]

trên xuống và nó được bắt nguồn từ Phần Lan Thiết kế này quay một cách tương đối chậm chạp ( hình 1.5 )

Hình 1.5 Turbine kiểu savonius

Turbine kiểu dạng tấm đã có từ rất lâu đời, nó là sự kết hợp của hai loại cánh đã được thiết kế trước đó: loại cánh có màn chắn của Ba Tư và loại cánh có kết cấu dạng tấm của Trung Quốc, các cánh được chế tạo bằng tấm thép mỏng [11] ( hình 1.6)

Bộ làm lệch tăng cường cho cánh điều khiển

Một kiểu kết cấu cánh nữa được ra đời sau nhưng đã thể hiện nhiều ưu điểm hơn cả, đó là kiểu Darrieus có trục nâng thẳng đứng Darrieus có bắt nguồn từ Pháp, lần đầu tiên được cấp bằng sáng chế vào năm 1927 Mỗi cánh chịu lực nâng (lực xoắn) cực đại, chỉ có 2 cánh quay tròn làm cho lực xoắn có giá trị

khổng lồ (hình 1.7)

a)

b)

Hình 1.7 Turbine kiểu Darrieus và H – rotor [18]

a) Kiểu Darrieus – Rotor ; b) H – Rotor

1.3.2 Vấn đề lựa chọn số cánh tối ƣu:

Cùng với sự phát triển đa dạng của các kiểu biên dạng cánh turbine thì việc thiết kế turbine có số cánh khác nhau cũng được chú ý đến Việc lựa chọn số cánh tối ưu nhằm máy phát điện sức gió tạo ra đạt công suất yêu cầu với chi phí chế tạo nhỏ nhất là một bài toán khó

Trên thực tế năng lượng sinh ra bởi turbine gió, mà năng lượng được sinh

ra của turbine phụ thuộc không đáng kể vào diện tích cánh mà nó phụ thuộc nhiều vào diện tích quét của cánh [9] Sử dụng số cánh ít sẽ giảm chi phí về vật liệu tuy nhiên phải đảm bảo được công suất yêu cầu tức là phải chú ý đến diện tích quét của cánh sinh công có ích đáp ứng theo yêu cầu của công suất đầu ra

Có rất nhiều tham số thiết kế được xét đến trong suốt quá trình tính toán

để chọn số cánh tối ưu Trong số các turbine gió đã được chế tạo hiếm khi chỉ có một cánh, do nếu có một cánh thì khi turbine hoạt động khó đảm bảo mô men cân bằng cho turbine và làm gia tăng lực cản của cánh Số cánh thường dùng cho turbine kiểu Darrius là hai Nó đảm bảo cho turbine được cân bằng và tiết kiệm vật liệu Tuy nhiên, nghiên cứu gần đây cho thấy, lực khí động học tác dụng lên hai cánh sẽ đạt xấp xỉ cực đại trong cùng một thời gian Điều này có ý nghĩa rất lớn đối với turbine có kích thước lớn nhưng lại gây cộng hưởng cho turbine nhỏ [9]

Turbine ba cánh được dùng khá phổ biến Với loại turbine này dao động tuần hoàn khốc liệt được khử đáng kể, do đó đảm bảo độ cứng vững cho hệ thống đồng thời cũng tiết kiệm được nguyên vật liệu

Có thể nói turbine kiểu trục đứng có thể thiết kế với số cánh turbine khác nhau Tuy nhiên thường dùng loại ba cánh hoặc năm cánh Có rất nhiều tham số

để tính toán tối ưu việc lựa chọn cánh, ví dụ như chúng ta có thể khảo sát với cùng một vận tốc gió, kết cấu cánh không đổi và tính tổng công suất có ích của turbine sinh ra, turbine nào có công suất lớn hơn và chi phí chế tạo cánh không quá lớn thì sẽ được chọn để thiết kế với số cánh tương ứng

Phần 2:

CƠ SỞ TÍNH TOÁN KHÍ ĐỘNG HỌC CÁNH TURBINE

2.1 NĂNG LƢỢNG CỦA GIÓ

2.1.1.Vật lý học về năng lƣợng gió

Năng lượng gió là động năng của không khí chuyển động với vận tốc v Khối lượng đi qua một mặt phẳng hình tròn vuông góc với chiều gió trong thời gian t là:

t v r t

v A V

2 2

1

v t r v

m

3 2

được từ gió và công suất tồn tại trong gió được gọi là hệ số Betz do Albert Betz tìm ra vào năm 1926 [18]

Khi năng lượng được lấy ra khỏi luồng gió, gió sẽ chậm lại Nhưng vì khối lượng dòng chảy không khí đi vào và ra một turbine gió phải không đổi nên luồng gió đi ra với vận tốc chậm hơn phải mở rộng tiết diện mặt cắt ngang Chính vì lý do này mà biến đổi hoàn toàn năng lượng gió thành năng lượng quay thông qua một turbine gió là điều không thể được Trường hợp này đồng nghĩa với việc là lượng không khí phía sau một turbine gió phải đứng yên

2.1.2 Tài nguyên gió ở Việt Nam

Đã có nhiều nghiên cứu về năng lượng gió ở Việt Nam nhằm mục đích

khai thác có hiệu quả nguồn năng lượng sạch vô tận này Kết quả đã đưa ra được

biểu đồ tốc độ và năng lượng gió hàng năm và theo mùa Hình 2.1 cho thấy biểu

đồ khảo sát tốc độ gió khu vực trung du miền núi phía Bắc trong đó có tỉnh Thái Nguyên [9] Những kết quả này đảm bảo tính khả thi cho thiết kế dựa vào tài nguyên gió của địa phương

Căn cứ vào biểu đồ gió có kết quả tốc độ gió trung bình ở khu vực Thái Nguyên là 5m/s ở độ cao 30m Nghiên cứu hiện thời cho turbine gió cỡ nhỏ được khuyến nghị để chế tạo là xét ở tốc độ gió 5m/s [9] Tốc độ gió này dùng để khảo sát và chế tạo turbine gió cỡ nhỏ dùng cho khu vực quanh Thái Nguyên

Hình 2.1 Biểu đồ gió khu vực Trung du miền núi phía Bắc [9]

2.2 CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VÀ CÁC KHÁI NIỆM VỀ KHÍ ĐỘNG HỌC CÁNH TURBINE TRONG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ

2.2.1 Học thuyết của Betz

Việc biến đổi năng lượng gió tuân theo những nguyên lý cơ bản về khả năng sử dụng gió và khả năng tối ưu của các turbine

Đặt turbine gió trong dòng chảy của không khí, khi không khí đến gần turbine bị ứ lại, áp suất dòng chảy tăng lên và vận tốc giảm, đến khi dòng chảy chạm vào mặt turbine trao cho turbine năng lượng Dòng chảy phía sau turbine bị nhiễu xoáy, gây bởi chuyển động của turbine và sự tác động với các dòng không khí xung quanh

Về nguyên tắc, dòng chảy phải được duy trì Do đó, năng lượng turbine thu nhận được bị hạn chế Trong trường hợp toàn bộ năng lượng gió được turbine thu nhận, thì vận tốc gió đằng sau turbine sẽ bằng không Muốn cho dòng chảy được cân bằng giữa khối lượng và vận tốc, năng lượng chảy qua turbine phải bị mất mát Đối với hệ tối ưu, số phần trăm cực đại của năng lượng gió có thể thu nhận được tính theo công thức do Carl Betz đưa ra năm 1927 [8] :

2

V0,593Ar

Trong đó : P là mật độ năng lượng

Ar là diện tích quét của cánh turbine

0

V là vận tộc gió ban đầu - Mật độ năng lượng trên một đơn vị thể tích dòng chảy không khí

Số 0,593 được gọi là giới hạn Betz hoặc hệ số Betz

Bằng phương pháp phân tích đơn giản về động lượng đối với động cơ gió trục ngang tìm được hệ số công suất cực đại của nó là 16/27 tức là 59,3% Điều này đã được Betz chứng minh (1927) Hiển nhiên đây là trường hợp số cánh vô

hạn (trở lực bằng không) là điều kiện của một động cơ gió lý tưởng Trong thực

tế có 3 nhân tố làm giảm nhỏ hệ số công suất cực đại:

(1) Phía sau turbine gió tồn tại dòng xoáy

(2) Số cánh của turbine gió là có hạn

(3) Cd/Cl không bằng 0

Cl là hệ số nâng, Cd là hệ số cản

A 21

D

(2.6)

trong đó :  - mật độ không khí (kg/m3)

V - vận tốc dòng không khí (gió) không bị nhiễu loạn

A - Diện tích hình chiếu của cánh (diện tích hứng gió) m2

L - Lực nâng

D - Lực cản

Như vậy, khi thay đổi diện tích bề mặt hứng gió của cánh turbine, thì hiệu suất sử dụng năng lượng gió của turbine thay đổi, tức là thay đổi lực tác dụng lên cánh làm quay turne Khi gió tăng tốc độ, năng lượng gió tăng lên, nhưng công suất trên trục turbine hầu như không tăng lên [4]

2.2.2 Lý thuyết về cánh và kết cấu cánh turbine

Kết cấu bộ phận cánh của turbine gió ảnh hưởng đến chất lượng và đặc tính khởi động của turbine gió Tuy nhiên rất khó để xác định chính xác mức độ ảnh hưởng của kết cấu cánh khác nhau đến chất lượng và đặc tính khởi động của turbine gió

Cánh là bộ phận chính của turbine gió Điều đáng chú ý ở đây là khả năng quay của cánh để tạo ra công suất đầu ra cho turbine Do đó để cánh hoạt

động tốt đặc biệt phải chú ý đến việc lựa chọn hình dáng hình học và kích thước cánh tối ưu

2.2.2.1 Kiểu cánh và các khái niệm cơ bản

Khi thiết kế kết cấu của bộ phận cánh, những tác dụng của biên dạng cánh cong có ảnh hưởng lớn đến việc thiết kế turbine do biên dạng cánh cong ảnh hưởng tới dòng chảy nhiều hơn biên dạng cánh thẳng Mặc dù biên dạng cánh cong được dùng nhiều hơn trong hệ thống HAWT, nhưng trong hệ thống VAWT một biên dạng đối xứng cũng thích hợp được sử dụng

Mặc dù không thể chọn một biên dạng cánh phù hợp nhất cho thiết kế cánh turbine đang xét, tuy nhiên khảo sát ban đầu đã đề suất sử dụng biên dạng cánh loại NACA 00XX là thích hợp[11] (hình 2.2 )

Hình 2.2 Biên dạng cánh loại NACA-04 [11]

Lực nâng và lực cản loại NACA này là khác nhau (hình 2.3) trong đó chọn loại NACA 0012 là thích hợp nhất cho thiết kế này

Hình 2.3 Biểu đồ lực nâng và lực cản loại NACA 00XX

2.2.2.2 Khí động học tác dụng lên cánh turbine

Hình 2.4 Khí động học bộ phận cánh turbine Dây cung

Tổng hợp lực của các lực tác dụng lên cánh là F

2 r

 là trọng lượng riêng của không khí

S là diện tích được tính bằng: S = (dây cung) x (chiều dài của cánh)

Cr là toàn bộ hệ số khí động học

Lực F chia thành 2 thành phần như hình 2.5

+ Thành phần song song với véctơ V

: lực cản Fd



2

2

1

V S C

F d   d với Cd là hệ số cản + Thành phần vuông góc với véctơ V

: lực nâng F



 2

2

1

V S C

F l   l với C hệ số nâng

i V

1

2

Khí động học ảnh hưởng lên mặt cắt hình học của cánh có thể biểu diễn bằng lực nâng và lực cản tác động vào điểm đó Trung tâm của áp lực tương đối tới cánh trước được xác định bằng hệ số:

2.2.2.3 Năng suất vận hành của một phần tử cánh

Xét 1 phần tử cánh chiều dài dr, dây cung  và góc dốc  ở vị trí bán kính r trên rotor cánh Phần tử này có tốc độ trên mặt phẳng quay của Rotor là: U =

2rN Nếu ta gọi vận tốc thực của gió là V khi đó vận tốc tương đối của gió tác dụng lên cánh là W (hình 2.6)

Như vậy phần tử cánh bị gió tác động với vận tốc tương đối W

 Phần tử cánh này sẽ chịu một khí động lực học dR Lực dR có thể tách làm 2 thành phần

là lực nâng dR và lực cản dRd: dR có phương vuông góc với vận tốc tương đối W



, dRd có phương song song với W

 Giá trị của C và Cd sẽ được tính toán liên quan đến góc tới i hay chính là việc sử dụng biên dạng cánh, dựng hình phần tử cánh

Khí động lực học dR gây ra lực dọc trục do gió tác dụng vào Rotor và momen xoắn trên trục Rotor

Ta có dF là hình chiếu của dR lên trục Rotor và dM là mômen tương đối của trục Rotor, là hình chiếu của dR lên mặt phẳng quay

d d

21

2.2.2.4 Biểu thức tổng quát của áp lực, mômen và công suất

Tổng hợp lực tác dụng F do gió gây ra trên Rotor và mômen M trên trục Rotor là tổng của tất cả các lực thành phần dF và các mômen thành phần dM tác

dụng lên các cánh Vì vậy công suất P truyền đi của gió đến Rotor và công suất

sử dụng Pu tạo ra do turbine gió có thể tính toán mà không gặp khó khăn trong các điều kiện khác nhau, có các biểu thức:

2.3 LỰC VÀ SỰ PHÂN BỐ LỰC TRÊN BỀ MẶT CÁNH TURBINE

2.3.1 Nguyên lý phân bố lực trên bề mặt cánh turbine

Gió thổi tạo lực tác động vào cánh turbine làm rotor chuyển động Thông thường biên dạng của cánh turbine là hai mặt lồi Chúng có nhiều kiểu như hệ thống cánh kiểu hình trụ, hình nón, hình cầu hay kiểu parabol và đều hoạt động theo một nguyên lý chung

Gọi vận tốc tương đối của gió khi tác động vào cánh turbine là W

, V

Nghiên cứu tam giác véctơ vận tốc của cánh turbine ở các vị trí khác nhau thấy rằng các lực tạo ra mômen quay ở tất cả các vị trí, trừ khi biên dạng của cánh (cánh đối xứng) có phương song song với hướng gió

Góc tạo bởi hướng gió với profile cánh không vượt quá giá trị giới hạn imax

= sin-1(V/U) Góc này nhọn nếu vận tốc vòng U