phát triển mô hình điều khiển cánh tuốc bin gió trục đứng

Có thể kể đến các hướng khai thác như: điều khiển cưỡng bức vị trí và góc xoay cánh bằng động cơ servo [3,4]; kết hợp sử dụng các truyền động cơ khí để cưỡng ép cánh xoay theo hướng phù

-000 -

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Đề tài:

Học viên : Phạm Thị Như Trang Lớp : Cao học K12 - CNCTM Chuyên ngành : Công nghệ chế tạo máy

Giáo viên HD khoa học: PGS.TS NGUYỄN VĂN DỰ

Thái nguyên, 11.201

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Phạm Thị Như Trang, học viên lớp cao học khóa 12-Công nghệ chế tạo máy- Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên, xin cam đoan:

Đề tài “ Phát triển mô hình điều khiển cánh tuốc bin gió trục đứng ” do

thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Dự hướng dẫn là công trình do bản thân tôi thực hiện

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

Thái Nguyên, ngày 30 tháng 10 năm 2011

Học viên

Phạm Thị Như Trang

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy giáo hướng dẫn khoa học PGS.TS.Nguyễn Văn Dự, người đã tận tình hướng dẫn, động viên và giúp đỡ Tôi rất nhiều trong suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp

Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu, Ban chủ nhiệm Khoa Cơ khí động lực- Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh đã tạo điều kiện để Tôi được tham gia và hoàn thành khóa học này

Lòng biết ơn thành kính Tôi xin được gửi đến Gia đình hai bên Nội, Ngoại đã động viên và giúp đỡ Tôi trong suốt thời gian qua

Cuối cùng, Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến những người Bạn thân đã nhiệt

tình giúp đỡ để Tôi hoàn thiện được luận văn này

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN……… 1

LỜI CẢM ƠN……… 2

MỤC LỤC……… 3

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ……… 6

MỞ ĐẦU……… 9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI……….12

1.1 Năng lượng gió và tình hình sử dụng năng lượng trên thế giới……… 12

1.2 Tổng quan về tuốc bin gió trục đứng……… 15

1.2.1 Tuốc bin gió trục đứng……… 15

1.2.2 Các loại tuốc bin gió trục đứng……… 16

1.2.2.1 Tuốc bin Darrieus……… 16

1.2.2.2 Tuốc bin Savonius……… 17

1.2.2.3 Tuốc bin Giromill……… 18

1.2.2.4 Cycloturbine……… 20

1.2.2.5 Flap turbine……… 21

1.3 Kết luận chương 1……… 22

CHƯƠNG 2: KẾT CẤU CÁNH TUỐC BIN GIÓ 2.1 Cơ sở tính toán khí động học cánh tuốc bin gió ……… 23

2.1.1 Năng lượng của gió……… 23

2.1.2 Học thuyết của Betz……… 24

2.2 Một số kết cấu cánh tuốc bingió……… ………… 26

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH TUỐC BIN GIÓ

3.1 Một số mô hình tuốc bin gió đã thiết kế trong quá trình thực hiện đề tài 41

3.1.1 Tuốc bin gió có cánh tự xoay, biên dạng kiểu Savonius……….43

3.1.2 Tuốc bin gió có cánh tự xoay, biên dạng cánh thẳng……… 45

3.1.3 Tuốc bin gió dạng roto lồng sóc, cánh cố định……… 48

3.1.4 Tuốc bin gió có cánh tự xoay kiểu Flap turbine……… 51

3.2 Thiết kế chế tạo mô hình tuốc bin gió dạng Flap turbine ……… 54

3.2.1 Mục tiêu……… 54

3.2.2 Cơ sở để làm mô hình thí nghiệm……… 54

3.2.3 Kiểu dáng hình học cánh tuốc bin thiết kế……… 55

3.2.4 Nguyên lý làm việc của mô hình……… 56

3.2.5 Thiết kế và chế tạo mô hình……… 56

3.2.5.1 Khung cánh……… 57

3.2.5.2 Cánh tuốc bin……… 58

3.2.5.3 Trục chính……… 59

3.2.5.4 Đĩa phân độ và ổ bi……… 60

3.2.5.5 Đế tuốc bin……… 61

3.2.5.6 Quy trình lắp ráp……… 61

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 4.1 Mô tả thí nghiệm ……… 61

4.2 Khảo sát ảnh hưởng của số cánh……… 62

4.2.1 Khảo sát mô hình với số cánh bằng 3……… 62 4.2.2 Khảo sát mô hình với số cánh bằng 4……… 63 4.2.3 Khảo sát mô hình với số cánh bằng 5……… 64

Hình 1.5 Tuốc bin gió Darrieus ba cánh……… 17

Hình 1.6 Chiều quay của roto Tuốc bin Savonius……… 18

Hình 1.7 Tuốc bin Savonius……… 18

Hình 1.8 Tuốc bin Giromill 2 cánh ……… 19

Hình 1.9 Tuốc bin gió trục đứng Giromill……… 20

Hình 1.10 Cycloturbine rotor……… 20

Hình 1.11 Cycloturbine……… 21

Hình 1.12 Mô hình Flap turbine……… 21

Hình 2.1 Mô tả chiều quay cánh tuốc bin gió trục ngan ……… 26

Hình 2.2 Mô tả chiều quay cánh tuốc bin gió trục đứng……… 27

Hình 2.3 Cánh turbine kiểu dạng chén ……… 28

Hình 2.4 Tuốc bin kiểu Savonius 29

Hình 2.5 Tuốc bin kiểu dạng tấm 30

Hình 2.6 Tuốc bin kiểu Darrieus và H – rotor 30

Hình 2.7 Biên dạng cánh loại NACA-04 ………32

Hình 2.8 Thành phần lực tác dụng lên cánh turbine … ……… .33

Hình 2.9 Mô tả xoay cánh ……… 33

Hình 2.10 Hệ thống cánh Cycloidal……… ……… 34

Hình 2.11 Cơ chế kiểm soát điều khiển góc cánh của CWT ……… .35

Hình 2.12 Sự thay đổi góc cánh của CWT ……….……… 35

Hình 2.13 Sơ đồ hướng quay của cánh và trục roto ……… 36

Hình 2.14 Mô hình điều khiển góc cánh ……… 37

Hình 2.15 Mô hình thiết lập vị trí góc cánh theo kiểu “ furled” ……… 37

Hình 2.16a Sơ đồ cơ chế thay đổi góc cánh……… 38

Hình 2.16b Sơ đồ cơ chế thay đổi góc cánh……… 39

Hình 2.17 Flap turbine ……… 39

Hình 2.18 Mô tả xoay cánh……… 40

Hình 3.1 Bản vẽ chế tạo tuốc bin số 1……… 41

Hình 3.2 Hệ thống cánh tuốc bin số 1……… .42

Hình 3.3 Bản vẽ chế tạo tuốc bin số 2……… 43

Hình 3.4 Mô hình tuốc bin số 2……… 45

Hình 3.5 Bản vẽ chế tạo tuốc bin số 3……… 46

Hình 3.6 Mô hình tuốc bin số 3……… 48

Hình 3.7 Bản vẽ chế tạo tuốc bin số 4……… 49

Hình 3.8 Mô hình tuốc bin số 4……… 51

Hình 3.9 Hình dáng cánh tuốc bin thiết kế……… …52

Hình 3.10 Mô tả cánh theo chiều gió……… 53

Hình 3.11 Hình dáng tuốc bin thiết kế… ……….……… … 55

Hình 3.12a Mô tả cánh theo chiều gió ……… 56

Hình 3.12b Mô tả cánh theo chiều gió ……… 57

Hình 3.13 Kích thước khung cánh ……… 58

Hình 3.14 Kích thước cánh nhỏ……… 58

Hình 3.15 Bản vẽ chế tạo trục chính ……… 59

Hình 3.16 Đĩa phân độ lắp khung cánh……… 58

Hình 3.17 Bản vẽ chế tạo đế tuốc bin ……… 60

Hình 4.1 Đồng hồ đo tốc độ gió……… 62

Hình 4.2 Mô tả cách bố trí thí nghiệm ……… 62

MỞ ĐẦU

Gió là một dạng năng lượng lý tưởng thay thế cho năng lượng hóa thạch đang cạn kiệt Trong các máy phát điện dùng sức gió, các turbine(tuốc bin) trục đứng (Vertical-axis wind turbines - VAWT) được đang được quan tâm nghiên cứu nhằm cải thiện hiệu năng của nó [1-10] Các tuốc bin trục đứng cánh thẳng (dạng H H-Darrieus) được ưa chuộng do cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo của nó Tuy vậy, một trong những nhược điểm cố hữu của nó là không tự khởi động được (Self-start) là

vấn đề đang rất được quan tâm [1-9] Các cố gắng cải tiến đã được thực hiện [1-2] nhưng rô – to vẫn không tự quay khi có tải, dù là tải nhẹ

Nhiều nghiên cứu đã tìm cách điều khiển góc cánh tuốc bin sao cho nó đón được gió nhiều nhất ở phía thuận và cản gió ít nhất ở phía nghịch Có thể kể đến các hướng khai thác như: điều khiển cưỡng bức vị trí và góc xoay cánh bằng động cơ servo [3,4]; kết hợp sử dụng các truyền động cơ khí để cưỡng ép cánh xoay theo hướng phù hợp cải tiến hình dáng kết cấu và vị trí trục xoay của cánh để nó có thể tự xoay dưới tác dụng của các lực tương tác của gió [5-7] Gần đây nhất, một luận văn cao học tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên cũng cố gắng xây dựng mô hình xoay cánh nhờ hệ truyền dẫn các bánh răng

Hầu hết các nghiên cứu đã đi sâu phân tích cơ sở tính toán, mô phỏng trên máy tính Tuy vậy, việc triển khai thực tế ra các mô hình làm cơ sở cho nghiên cứu, thực nghiệm và cải tiến cánh tuốc bin gió trục đứng vẫn đang cần phát triển thêm

Đề tài này được thực hiện nhằm phân tích cơ sở lý thuyết để triển khai thử nghiệm, đánh giá một số mô hình điều khiển cánh tuốc bin gió trục đứng, đặc biệt chú trọng mô hình cánh tuốc bin tự xoay theo hướng tác động của gió

* Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Ý nghĩa khoa học

Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ đóng góp các kiến thức kinh nghiệm về điều khiển cánh tuốc bin gió trục đứng Mô hình có thể phục vụ cho các nghiên cứu thực nghiệm về máy phát điện gió

- Ý nghĩa thực tiễn

Đề tài hy vọng phát triển được mô hình tuốc bin có cánh tự xoay; kết cấu cánh

* Mục đích nghiên cứu của đề tài

Đề tài này có mục đích thử nghiệm một số đề xuất của các nhà nghiên cứu trong nước và thế giới nhằm hiện thực hóa một mô hình cánh tuốc bin gió tự xoay hiệu quả nhất

* Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được sử dụng là nghiên cứu thực nghiệm, nội dung cụ thể bao gồm:

- Sử dụng các cơ sở phân tích lý thuyết để chọn hình dạng cánh và chế tạo thử nghiệm tuốc bin trục đứng

- Thực hiện các thí nghiệm đánh giá các thông số tương quan trên mô hình thực;

* Đối tượng nghiên cứu

- Mô hình động lực học của cánh tuốc bin gió xoay được;

- Mô hình thực tế

* Các kết quả chính đã đạt được

Đề tài đã thu được một số kết quả chính sau đây:

- Chế tạo được một mô hình tuốc bin cánh cố định và ba mô hình tuốc bin

sử dụng cánh tự xoay, trong đó có một mô hình thí nghiệm cho phép thay đổi số cánh để lựa chọn kết cấu tối ưu

- Tiến hành thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của số cánh đến hiệu năng hoạt động của tuốc bin

* Cấu trúc luận văn

Luận văn bao gồm 5 nội dung chính:

 Chương 1: Tổng quan về đề tài

 Chương 2: Các nghiên cứu về kết cấu cánh và hướng phát triển của đề tài

 Chương 3:Thiết kế mô hình tuốc bin gió

 Chương 4: Kết quả thí nghiệm

 Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng sạch và vô tận đã và đang được nhân loại hướng tới khai thác và sử dụng nhằm thay thế cho những nguồn năng lượng truyền thống đang dần cạn kiệt

Năng lượng gió đã được loài người biết đến và sử dụng từ rất sớm Ban đầu người ta dùng sức gió để di chuyển thuyền buồm hay kinh khí cầu Ngay sau khi các phát minh về điện và máy phát điện được ra đời thì ý tưởng dùng năng lượng gió để sản xuất ra điện cũng đã được hình thành

Từ khoảng thế kỷ thứ 7 đến thế kỷ thứ 10, ở một số khu vực các nước Iran và

Họ chế tạo với trục quay thẳng đứng và hoạt động chủ yếu dựa vào lực kéo của sức gió, đây cũng chính là nguyên nhân khiến cho hiệu suất đem lại thấp Hơn nữa, cần phải có một bức tường chắn để dự trữ gió khi nó có chiều ngược lại, như vậy mới đảm bảo được khả năng làm việc liên tục của chúng

Hình 1.1 Cối xay gió ở BaTư

Điều đó cho thấy các thiết bị này chỉ sử dụng hiệu quả khi theo một hướng gió nhất định vì chưa có biện pháp nào để theo dõi sự biến thiên của gió Các cối xay gió đầu tiên ở Châu âu cũng được xây dựng và lấy ý tưởng từ những người Trung đông nhưng họ thiết kế với các trục nằm ngang Chính vì vậy mà họ đã thay thế lực kéo thành lực nâng và điều đó đã khiến cho các nhà phát minh ban đầu chưa hiểu hết được nguyên lý về khí động học

Trong nhiều thế kỷ tiếp theo, nhờ có những cải tiến mà chúng đã được sử dụng

ở những nơi có hướng gió thay đổi liên tục: điển hình là các cối xay gió của Hà lan, được dùng cho việc đưa nước từ biển vào những con đập để tưới cho đồng ruộng, chúng có thể làm việc với mọi hướng gió nên hiệu suất đã tăng đáng kể

Hình 1.2 Cối xay gió ở Hà Lan

Ở Mỹ, các cối xay gió được sử dụng từ thế kỷ thứ 19 và cho đến những năm 30

của thế kỷ 20, chúng được sử dụng chủ yếu cho lĩnh vực thủy điện Họ đã chế tạo

khoảng 8 triệu chiếc trên cả nước với một số lượng lớn các cánh bằng thép, điều đó

cũng cho thấy một tiềm năng rất lớn về kinh tế của họ

Hình 1.3 Cối xay gió nhiều cánh ở Mỹ

Vào cuối thế kỷ 19 đã có những thử nghiệm đầu tiên để tạo ra điện và đã phát triển mạnh mẽ hơn trong nửa đầu của của thế kỷ sau Hầu hết các mô hình đều có trục nằm ngang, nhưng trong cùng thời kỳ đó ( năm 1931) Georges Jean Marie Darrieus

đã chế tạo ra một loại tuốc bin gió nổi tiếng và đã được phổ biến với trục thẳng đứng VAWT , và vẫn được mang tên Ông

Hình 1.4 Tuốc bin gió Éole Darrieus, Quebec

Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì một loạt các mô hình với những kiểu kết cấu khác nhau cho cả hai loại trục đứng và trục ngang đã được chế tạo với công suất từ vài KW đến 6MW và còn cao hơn nữa với các công trình được xây dựng gần đây nhất Nhưng trong thị trường phát điện hiện nay thì HAWT vẫn chiếm

ưu thế

1.2 Tổng quan về tuốc bin gió trục đứng

1.2.1 Tuốc bin gió trục đứng

Tuốcbin gió trục đứng (VAWTs) là một loại tuốcbin gió mà rôto trụcchínhđược đặt thẳng đứng và các thành phần chính được đặt ở phần đế của tuốc bin Một trong những ưu điểm của kết cấu này là máy phát điện và hộp số có thể được đặt ngay gần mặt đất vì thế chúng được vận hành và sửa chữa dễ dàng hơn và VAWTs không

bị phụ thuộc vào hướng gió [ 1 ]

Các thiết kế ban đầu (Savonius, Darrieus và Giromill) vẫn còn có những mặt

trên các cánh là rất lớn Các thiết kế sau đó cũng đã giải quyết vấn đề về mô men xoắn này bằng cách sử dụng các cánh có biên dạng xoắn gần giống như tuốc bin nước của Gorlov

So với các tuốc bin gió trục ngang truyền thống (HAWTs) thì VAWTs cũng đã có một số ưu điểm trội hơn:

 Chúng có thể được lắp đặt thành một vòng khép kín với nhau trong các trang trại gió và cho phép lắp đặt với số lượng nhiều hơn trong một không gian nhất định Điều này không có nghĩa là vì VAWTs có kích thước nhỏ hơn, mà là do loại HAWTs có hiệu ứng chậm trên không trung nên buộc các nhà thiết kế phải đặt tách biệt chúng bằng mười lần chiều rộng của chúng

 VAWTs cứng vững hơn, không gây ồn, đa hướng, và chúng không gây nên ứng suất lớn cho kết cấu giá đỡ [2] [3]

 Do bộ phận phát điện có thể đặt gần mặt đất nên việc bảo dưỡng dễ dàng và việc khởi động không cần phải có lượng gió lớn nên có thể được đặt trên ống khói hoặc các cấu trúc cao tầng tương tự [4]

Nhưng bên cạnh đó VAWT vẫn tồn tại những nhược điểm:

 VAWT có xu hướng bị ngừng làm việc theo từng cơn gió

 VAWT có kết cấu bên ngoài rất nhạy cảm và có một chiều cao lắp đặt với giới hạn thấp để có thể vận hành trong môi trường có tốc độ gió thấp hơn.[5]

 Các cánh của VAWT có xu hướng bị mỏi giống như lưỡi dao quay quanh trục trung tâm Các cánh làm việc theo phương thẳng đứng có thể bị xoắn và sớm bị cong khi chúng quay trong gió Điều này khiến các cánh dễ bị uốn cong và nứt Theo thời gian các cánh có thể bị vỡ và đôi khi dẫn đến sự phá hủy nghiêm trọng Vì những tồn tại này mà tuốc bin gió trục đứng cho thấy độ tin cậy ít hơn tuốc bin gió trục ngang [6]

Mặc dù vẫn còn những tồn tại nhưng so sánh trên nhiều phương diện thì các tuốc bin gió trục đứng VAWT vẫn được đưa vào sử dụng nhiều và ngày nay các nhà thiết

VAWTs có thể làm việc được theo đa hướng gió và sao cho chúng đón được gió nhiều nhất ở phía thuận và cản gió ít nhất ở phía nghịch nhằm nâng cao hiệu suất phát điện

1.2.2 Các loại tuốc bin gió trục đứng

1.2.2.1 Tuốc bin Darrieus

Tuốc bin này bao gồm một số cánh thường có phương thẳng đứng được gắn trên một trục quay hoặc khung Với thiết kế của loại tuốc bin gió này Georges Jean Marie Darrieus, một kỹ sư hàng không Pháp đã được cấp bằng sáng chế năm 1931 Trên lý thuyết các loại Darrieus có hiệu quả giống như các loại chong chóng nếu tốc

độ gió là không đổi, nhưng trong thực tế hiệu quả này là rất hiếm do áp lực về tính năng vật lý, những hạn chế trong thực tế thiết kế và sự biến thiên của tốc độ gió Ngoài ra còn có những khó khăn chủ yếu trong việc bảo vệ các tuốc bin gió Darrieus bởi giới hạn của sức gió và khả năng tự khởi động

Loại tuốc bin này cũng là một trong những loại VAWT phổ biến nhất và nó cũng là loại được sử dụng khởi điểm cho việc nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả của các loại VAWT được thiết kế sau này

Hình 1.5 Tuốc bin gió Darrieus ba cánh

Ưu điểm của tuốc bin Darrieus là có thể hoạt động với các hướng gió khác nhau, không cần kích thước cánh lớn, các thiết bị như hộp số, máy phát có thể đặt gần mặt đất, thuận lợi cho việc bảo dưỡng và sửa chữa Nó có khả năng làm việc với tốc

độ cao và công suất lớn hoặc trung bình.Tuy nhiên nó lại có nhược điểm là không thể

tự khởi động được mà cần phải có một nguồn năng lượng cung cấp ngoài

1.2.2.2 Tuốc bin Savonius

Tuốc bin Savonius là một loại VAWT cản vì vậy nó không thể quay nhanh hơn tốc độ gió Điều này có nghĩa là tỷ lệ tốc độ đầu bằng 1 hoặc nhỏ hơn, khiến cho tuốc bin này không phù hợp cho việc phát điện Hơn nữa, hiệu quả là rất thấp so với các loại khác, do đó, nó có thể được sử dụng cho những lĩnh vực khác, chẳng hạn như bơm nước hoặc nghiền hạt

Hình 1.6 Chiều quay của roto Tuốc bin Savonius

Ưu điểm lớn nhất của loại tuốc bin này là sự đơn giản, độ tin cậy cũng cao dù tốc độ gió thấp vì mô-men xoắn là rất lớn Tuy nhiên mô-men xoắn không phải

là hằng số, do đó đã có một số cải tiến với hình dạng xoắn ốc được đưa vào sử dụng

Hình 1.7 Tuốc bin Savonius

1.2.2.3 Tuốc bin Giromill

Là một loại tuốc bin gió cánh thẳng, thường gọi là Giromill hay H-rotor Nó là

một loại tuốc bin gió có trục thẳng đứng được phát triển bởi Georges Darrieus vào năm 1927 Loại VAWT này đã được nghiên cứu bởi nhóm nghiên cứu của Musgrove tại Vương quốc Anh trong những năm 80

Hình 1.8 Tuốc bin Giromill 2 cánh [7]

Trong những tuốc bin phổ biến kiểu “ đánh trứng” của Darrieus thì các cánh thường được thay thế bằng loại thẳng đứng, gắn liền với trục quay chính bằng các giá

đỡ ngang Những tuốc bin này thường có 2 hoặc 3 cánh thẳng Việc thiết kế cánh

Giromill đơn giản hơn nhiều cho việc lắp ráp nhưng kết cấu chung lại nặng hơn kiểu truyền thống và yêu cầu cánh phải bền vững hơn Máy phát điện của các tuốc bin này được đặt ở dưới chân của trục trung tâm vì vậy mà nó có thể nặng hơn và lớn hơn một máy phát điện thông thường của một HAWT và kết cấu của trục quay chính có thể chế tạo nhẹ hơn

Mặc dù giá thành chế tạo rẻ hơn và việc lắp ghép dễ dàng hơn so với một tuốc bin Darrieus tiêu chuẩn nhưng Giromill lại có hiệu suất thấp hơn và đòi hỏi phải có động cơ để khởi động Tuy nhiên, các tuabin này có thể hoạt động tốt trong điều kiện gió không ổn định và đây cũng là một sự lựa chọn tốt để sử dụng trong các khu vực mà loại HAWT không thích hợp

Hình 1.9 Tuốc bin gió trục đứng Giromill (3 cánh, 200 kW, Falkenberg, Thụy Điển)

1.2.2.4 Cycloturbine

Cycloturbine là một biến thể của Giromill, trong đó sử dụng một cánh gạt để định hướng tốc độ của các cánh nhằm cho hiệu quả tối đa Trong Cycloturbines các cánh được gắn kết để chúng có thể quay xung quanh trục thẳng đứng của mình Điều này cho phép các cánh có thể đặt nghiêng một góc nào đó so với hướng tác dụng của chiều gió

Hình 1.10 Cycloturbine rotor [7]

Ưu điểm chính của thiết kế này là mô-men xoắn tạo ra gần như không đổi trên một góc độ rộng và vì vậy Cycloturbines có 3 hoặc 4 cánh đều có một mô-men xoắn tương đối ổn định Hơn nữa phạm vi góc mô-men xoắn là gần với công suất lớn nhất

mà hệ thống có thể tạo ra

Hình 1.11 Cycloturbine

So với các tuốc bin gió Darrieus khác, loại VAWT này thể hiện ưu điểm về khả năng tự khởi động: trong điều kiện gió thấp, các cánh phẳng được đặt nghiêng và ngược với hướng gió từ đó chúng tạo ra lực kéo để làm cho tuốc bin bắt đầu chuyển động Khi tốc độ quay gia tăng, các cánh sẽ nghiêng để gió lùa qua khoảng trống của

cánh và tạo ra các lực nâng đỡ tăng tốc cho tuốc bin Kết cấu của loại cánh này cho thấy rất phức tạp và thường là nặng, vì vậy Cycloturbines cần phải có một số thiết bị cảm biến để định hướng gió giúp cho các cánh chuyển động được chính xác hơn

1.2.2.5 Flap turbine

Hình 1.12 Mô hình Flap turbine

Flap turbine (FT) là một loại mới của tuốc bin trục đứng (VAWT), loại tuốc

bin này có đặc điểm là các cánh có khả năng tự xoay đi để tạo ra sự chênh lệch mô men , tạo nên chuyển động quay cho tuốc bin Khi gió tác động vào những cánh cùng chiều với hướng của gió thì các phần tử cánh sẽ khép kín lại thành dạng cánh buồm, để biến năng lượng gió thành cơ năng làm quay tuốc bin Cũng song song với khả năng

tự đóng lại của các cánh cùng hướng gió là khả năng tự nâng lên của các cánh ở phía ngược hướng gió, cho phép không khí đi qua các cánh, tạo nên sự chênh lệch về lực giữa các cánh với nhau, từ đó sinh ra mô men quay và làm quay tuốc bin

mà chúng mang lại

Cho đến nay các công trình nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu suất của loại tuốc bin gió trục đứng VAWT vẫn đang được quan tâm nhiều, đặc biệt là việc tính toán thiết kế

hệ thống cánh tuốc bin, nhất là yếu tố biên dạng cánh vẫn còn là vấn đề phức tạp cần sớm được giải quyết Đây cũng là một trong những đề tài đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu để hướng tới sự cải tiến hoàn thiện hơn cho VAWT

CHƯƠNG 2: KẾT CẤU CÁNH TUỐC BIN GIÓ 2.1 Cơ sở tính toán khí động học cánh tuốc bin gió

2.1.1 Vật lý học về năng lượng 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

m  .. 2 . (4.1) Trong đó:

2 2

1

v t r v

m

E   (4.2)

3 2

r v E

P   (4.3)

Như vậy công suất gió tăng theo lũy thừa 3 của vận tốc gió; điều đó cho thấy vận tốc gió là một trong những yếu tố quyết định khi muốn sử dụng năng lượng gió

Công suất gió nói trên được sử dụng để phát điện Tuy nhiên, công suất hữu ích

để phát điện nhỏ hơn rất nhiều so với năng lượng của luồng gió vì vận tốc của gió ở phía sau một tuốc bin không thể giảm xuống bằng không Trên lý thuyết, chỉ có thể lấy tối đa là 59,3% năng lượng tồn tại trong luồng gió [18] Trị giá của tỷ lệ giữa công suất lấy ra 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 tuốc bin 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 tuốc bin gió

là điều không thể được Trường hợp này đồng nghĩa với việc là lượng không khí phía sau một tuốc bin gió phải đứng yên

2.1.2 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 tuốc bin

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

Về nguyên tắc, dòng chảy phải được duy trì Do đó, năng lượng tuốc bin thu nhận được bị hạn chế Trong trường hợp toàn bộ năng lượng gió được tuốc bin thu nhận, thì vận tốc gió đằng sau tuốc bin sẽ bằng không Muốn cho dòng chảy được cân bằng giữa khối lượng và vận tốc, năng lượng chảy qua tuốc bin 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

2

V0,593Ar

Trong đó : P là mật độ năng lượng

Ar là diện tích quét của cánh tuốc bin

V0 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 tuốc bin gió tồn tại dòng xoáy

2) Số cánh của tuốc bin gió là có hạn

3) Cd/Cl không bằng 0

Cl là hệ số nâng, Cd là hệ số cản

A 21

1  2

D

(4.6)

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

D - Lực cản

Như vậy, khi thay đổi diện tích bề mặt hứng gió của cánh tuốc bin, thì hiệu suất

sử dụng năng lượng gió của tuốc bin thay đổi, tức là thay đổi lực tác dụng lên cánh làm quay tuốc bin Khi gió tăng tốc độ, năng lượng gió tăng lên, nhưng công suất trên

trục tuốc bin hầu như không tăng lên [4]

2.2 Một số kết cấu cánh tuốc bin gió

Cùng với sự phát triển của các hệ thống HAWTs và VAWTs, các nhà nghiên cứu

đã đưa ra thử nghiệm và ứng dụng nhiều kiểu dáng hình học cánh khác nhau để kiểm nghiệm và so sánh hiệu quả mà nó đem lại

Với tuốc bin gió trục ngang, khi có gió, các cánh có khả năng tự khởi động, cánh quay liên tục và luôn quay theo một chiều nhất định ( xem hình 2.1)

Hình 2.1 Mô tả chiều quay cánh tuốc bin gió trục ngang

Khác với các tuốc bin gió trục ngang ở trên, tuốc bin gió trục đứng, cánh cố định trên trục, lực tác dụng của gió lên hai phía ( quy ước hai phía là thuận và nghịch so với chiều gió, minh họa như hình 2.2) là như nhau:

F1= F2

do vậy, cánh không có khả năng tự khởi động Để có được mô men xoay trục, đồng thời quay được trục máy phát điện thì phải có chênh lệch lớn giữa F1 và F2, tức là:

F1>> F2 hay Fxoay = F1- F2>>0

Cánh ở phía thuận Cánh ở phía nghịch

Hướng gió Hình 2.2 Mô tả chiều quay cánh tuốc bin gió trục đứng

Như vậy, muốn quay được cánh tuốc bin thì giá trị Fxoay >> 0 và giá trị này càng lớn, mô men xoay trục càng lớn Tuy nhiên, khó có thể tăng F1 nên người ta luôn tìm cách giảm F2 Để đạt được mục đích đó, các nhà nghiên cứu đã đưa ra nhiều kiểu biên dạng cánh, nhiều phương án điều khiển góc cánh khác nhau, sao cho Fxoay đạt được là lớn nhất Về nguyên tắc, có hai cách tạo ra chênh lệch lực tác dụng giữa phía thuận và phía nghịch

Kiểu cánh tuốc bin dạng chén, 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] Do hình dạng của cánh, luôn có F1 > F2, cánh luôn quay theo một chiều nhất định

Hình 2.3 Cánh turbine kiểu dạng chén [11]

Một kiểu cánh nữa có biên dạng cong cũng đã được thiết kế, đó là kiểu Savonius, các cánh có thể được làm bằng nhiều cách khác nhau như với các thùng, các cánh

được bắt nguồn từ Phần Lan Khác với cánh biên dạng kiểu chén, giảm lực cản theo cả hai phương, loại cánh này có biên dạng hình trụ nên chỉ giảm được lực cản theo một phương

Hình 2.4 Tuốc bin kiểu Savonius

Tuốc bin gió kiểu plates hay tuốc bin gió 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] Với kiểu thiết kế này, cánh ở bên phía nghịch chiều gió, do có màn chắn nên không có lực cản gió tác động, vì thế luôn có Fxoay >0 ( xem hình 2.3)

rudderscreen

Bộ làm lệch tăng cường cho cánh điều khiển

Một kiểu kết cấu cánh nữa được ra đời sau nhưng cũng có nhiều ưu điểm, 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 2.4)

Hình 2.6 Tuốc bin kiểu Darrieus và H – rotor [18]

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

Biên dạng cánh kiểu NACA, đây là loại biên dạng cánh đang được sử dụng nhiều cho các tuốc bin gió

Hình 2.7 Biên dạng cánh loại NACA-04 [11]

Khi có gió, lực F tác động vào cánh được phân tích như hình sau:

Hình 2.8 Thành phần lực tác dụng lên cánh turbine

trong đó: Fl là lực nâng; Fd là lực cản; i là góc tới

Cánh biên dạng này, khi làm việc luôn tồn tại song song hai lực: lực nâng và lực cản Vì lý do đó, các nhà nghiên cứu luôn tìm cách giảm tối đa lực cản, đồng thời tăng lực nâng Fl để tăng hiệu suất cho tuốc bin Mặc dù hiệu suất mà loại biên dạng cánh này mang lại lớn hơn một số loại biên dạng trước đó, nhưng nó lại tồn tại nhược điểm là khó chế tạo chính xác đạt yêu cầu

 Các kiểu xoay cánh

Với mục đích tăng hiệu suất cho tuốc bin, hay nói cách khác là tăng lực F1 và giảm lực F2, các nhà nghiên cứu đã đề xuất nhiều phương án khác nhau, trong đó ý tưởng xoay cánh để lực F1 lớn nhất được chú trọng Dưới đây tóm lược một số hướng nghiên cứu dạng này

Việc xoay cánh phải đạt được các yêu cầu sau:

- Mở (open) diện tích hứng gió khi cánh ở phía thuận

- Cuộn ( furl) diện tích cánh tối đa để giảm lực cản

Cánh bên phía nghịch Cánh bên phía thu ận

a, Điều khiển chủ động hay cưỡng bức, tự lựa cánh theo hướng gió: trong kiểu

điều khiển này, tính toán, sắp xếp trước hướng của cánh tại các vị trí khác nhau trong một vòng quay của trục tuốc bin sao cho nó đảm bảo các yêu cầu ở trên Theo nguyên tắc này, đã có các mô hình sử dụng phương án điều khiển hướng các cánh sử dụng động cơ servo, truyền động bánh răng, cơ cấu bốn khâu bản lề ( các mô hình này sẽ được trình bày ở phần tiếp theo) Kiểu điều khiển này đem lại hiệu suất cao Tuy nhiên, vẫn còn tồn tại một số nhược điểm:

- Cồng kềnh

- Tốn kém

- Tiêu tốn năng lượng

b, Điều khiển bị động: cánh tự xoay tùy theo hướng gió Năng lượng gió được sử

dụng trực tiếp để xoay cánh Kiểu xoay cánh này đang được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm và triển khai mô hình

Một nghiên cứu về điều khiển cưỡng bức vị trí và góc xoay cánh bằng hệ thống điện và góc xoay cánh được điều khiển thông qua động cơ servo đã được đề xuất bởi In Seong Hwang, Seung Yong Min, In Oh Jeong, Yun Han Lee và Seung Jo Kim [3,4] Loại tuốc bin điều khiển kiểu này được gọi là Cycloidal Wind Turbine(CWT)

Hình 2.10 Hệ thống cánh Cycloidal

Khi gió tác dụng vào phần trên của cánh làm cánh quay theo hướng thuận chiều kim đồng hồ Góc nghiêng của cánh θ là góc giữa đường tiếp tuyến và đường cong của cánh Hình 2.1 là sự thay đổi định kỳ và tối đa của góc cánh khi thiết kế giá trị của góc φ là 90o và 270o  là góc pha giữa hướng gió và đường kết nối hai vị trí của góc cánh tối đa Nó được tăng lên theo chiều quay thuận kim đồng hồ của các cánh

Hình 2.11 Cơ chế kiểm soát điều khiển góc cánh của CWT

Độ lớn khoảng lệch tâm điện tử e là khoảng cách từ trung tâm của vòng quay O quanh điểm gốc lệch tâm P Mức độ và góc pha của độ lệch tâm được sử dụng để điều chỉnh độ lớn và hướng của roto

Hình 2.12 Sự thay đổi góc cánh của CWT

Hình 2.7 cho thấy khi góc nghiêng cánh θ bằng 10o thì sự thay đổi góc cánh

heo góc phương vị là tuần hoàn Trong cơ chế điều khiển này thì các cánh được điều

khiển thông qua động cơ servo.Hệ thống điều khiển có các bộ mã hóa góc quay để cảm nhận góc quay của cánh Điều này cho phép đơn vị kiểm soát cảm nhận được góc phương vị từ đó có được góc cánh ở vị trí tối ưu Ở mỗi khoảng thời gian, vi điều khiển nhận được vị trí của mỗi cánh từ bộ mã hóa và và các dữ liệu quay từ các chỉ số gió và máy đo gió và tính toán góc cánh tối ưu để gửi tín hiệu PWM đến thiết bị truyền động Động cơ servo có thể truyền lực trực tiếp đến các cánh bằng cách liên kết và thay đổi góc cánh Kiểu điều khiển này đơn giản và có thể phản ứng nhanh chóng tại các tốc độ quay của roto

Paul Cooper và Oliver Kennedy [5-7] đã đưa ra mô hình điều khiển cánh bằng truyền động cơ khí để cưỡng ép cánh xoay theo hướng phù hợp cải tiến hình dáng kết cấu và vị trí trục xoay của cánh, để nó có thể tự xoay dưới tác dụng của các lực tương tác của gió

Hình 2.13 Sơ đồ hướng quay của cánh và trục roto

Hình 2.14 Mô hình điều khiển góc cánh

Trong kiểu điều khiển này thì mỗi cánh sẽ quay theo trục quay của riêng mình với góc xoay là 180O Mỗi cánh được đặt trên hai thanh đỡ, các thanh này được gắn với trục chính Các cánh được lắp với trục quay của mình bằng các bánh răng côn để kích hoạt góc cánh Định hướng tương đối của góc cánh và thiết kế trục trung gian có thể được điều chỉnh đến 90o để đưa cánh vào một vị trí “ furled” (nghĩa là thu lại, cuộn lại) để giảm tối đa lực cản tác động lên cánh ( hình 2.12)