nghiên cứu, tính toán và thiết kế biên dạng cánh turbine gió trục đứng cho máy phát điện công suất 3 kw

****** LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Ngành: Công nghệ Chế tạo máy NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ BIÊN DẠNG CÁNH TURBINE GIÓ TRỤC ĐỨNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN CÔNG SUẤT 3KW DƯƠNG VĂN ĐỒNG

******

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Ngành: Công nghệ Chế tạo máy

NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

BIÊN DẠNG CÁNH TURBINE GIÓ TRỤC ĐỨNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN CÔNG SUẤT 3KW

DƯƠNG VĂN ĐỒNG

THÁI NGUYÊN - 2010

******

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

BIÊN DẠNG CÁNH TURBINE GIÓ TRỤC ĐỨNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN CÔNG SUẤT 3KW

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Dương Văn Đồng - Học viên cao học lớp K11-Công nghệ chế tạo máy Khóa học 2008 - 2010 trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

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

hiện đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu, tính toán và thiết kế biên dạng cánh turbine gió

trục đứng cho máy phát điện công suất 3KW”

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

nỗ lực của bản thân, đề tài đã được hoàn thành năm 2010

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

Thái Nguyên, ngày 10 tháng 10 năm 2010

Tác giả

Dương Văn Đồng

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, tác giả xin được bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc nhất tới PGS TS Ngô Như Khoa và ban Công nghệ thông tin Đại học Thái Nguyên đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ và tạo điều kiện để tôi thực hiện hoàn thành đề tài luận văn tốt nghiệp

Cảm ơn các thầy, cô giáo trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

đã tận tình giảng dạy trong hai năm học vừa qua

Cảm ơn Ban Giám hiệu và khoa Khoa học cơ bản - Trường Cao đẳng Kỹ thuật Công nghiệp (số 202 - Trần Nguyên Hãn - TP Bắc Giang) đã tạo điều kiện về thời gian để tôi thực hiện và hoàn thành khóa học

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

Thái Nguyên, ngày 10 tháng 10 năm 2010

Tác giả

Dương Văn Đồng

MỤC LỤC

Lời cam đoan……… …… 1

Lời cảm ơn……… 2

Mục lục ……… …… 3

Danh mục các hình vẽ……… …… 6

Danh mục các bảng biểu……… ……… 9

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt……… ………… 10

MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài……… ……… 12

2 Mục tiêu và nhiện vụ của luận văn……… …… 13

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu……… …… 14

4 Phương pháp nghiên cứu……… …… 14

5 Ý nghĩa……… …… 14

NỘI DUNG CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Năng lượng gió……… …… 15

1.1.1 Tình hình sử dụng năng lượng gió trên thế giới……… …… 15

1.1.2 Tình hình sử dụng năng lượng gió ở Việt Nam……… …… 17

1.2 Các loại máy phong điện……… …… 19

1.3 Các kiểu dáng hình học cánh turbine gió……… …… 21

1.3.1 Kiểu dạng chén……… …… 22

1.3.2 Kiểu savonius……… …… 23

1.3.3 Turbine kiểu plates……… … 24

1.3.4 Kiểu Darrieus – Rotor và H – Rotor……… …… 24

1.4 Kết luận chương 1……… …… 25

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ BIÊN DẠNG CÁNH TURBINE GIÓ 2.1 Học thuyết Albert Betz ……… …… 26

2 2 Đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động máy phong điện……… 28

2.2.1 Máy phong điện trục ngang(HAWT) 28

2.2.2 Máy phong điện trục đứng(VAWTs) 30

2.3 Cánh turbine gió 32

2.3.1 Các thông số cơ bản trên cánh turbine 33

2.3.2 Lực tác động lên cánh turbine 32

2.4 Lực tác dụng lên rotor 39

2.4.1 Lực tác dụng lên rotor trục đứng 39

2.4.2 Lực tác dụng lên rotor trục ngang 41

2.4.2.1 Các khái niệm hình học 41

2.4.2.2 Năng suất vận hành của một phần tử cánh 42

2.4.2.3 Biểu thức tổng quát của áp lực, mômen và công suất 43

2.5 Một số loại rotor điển hình 44

2.5.1 Rotor Darieus 44

2.5.2 Rotor Savonius 49

2.6 Kết luận chương 2 50

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH CÁNH TURBINE GIÓ 3.1 Các biên dạng cánh thường dùng 51

3.1.1 Biên dạng cánh NACA 51

3.1.2 Một số biên dạng cánh khác 57

3.2 Mô hình thực nghiệm 59

3.2.1 Các thiết bị thực nghiệm 59

3.2.2 Thực hiện các thí nghiệm 61

3.2.2.1 Thí nghiệm thứ nhất : Xác định hệ số cản lực gió qua bề mặt cánh turbine 61

3.2.2.2 Thí nghiệm thứ hai : Xác định góc đặt cánh 63

3.2.2.3 Thí nghiệm thứ ba: Xác định vận tốc góc và công suất rotor biên dạng cánh cung tròn 64

3.2.2.4 Thí nghiệm thứ tư: Xác định tốc độ vòng quay và công suất rotor biên dạng cánh NACA0015 69

3.3 Kết luận chương 3 73

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÁNH TURBINE GIÓ TRỤC ĐỨNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN CÔNG SUẤT 3KW 4.1 Thiết kế cánh turbine gió biên dạng cung tròn 74

4.2 Thiết kế cánh turbine gió biên dạng NACA0015 82

4.3 Vật liệu chế tạo cánh turbine gió 93

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN CHUNG 5.1 Kết quả luận văn đã đạt đựơc 99

5.2 Những kiến nghị nghiên cứu tiếp theo 99

100

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Biểu đồ phát triển điện năng từ nguồn gió ở một số nước trên thế

giới………

16 Hình 1.2 Biểu đồ sử dụng điện của một số nước trên thế giới……… 16

Hình 1.3 Máy phong điện trục đứng, trục ngang……… 19

Hình 1.4 Máy phong điện có 2 cánh và 3 cánh cách đều……… 19

Hình 1.5 Rotor dạng chén……… 22

Hình 1.6 Rotor dạng savonius ……… 23

Hình 1.7 Rotor dạng plates ……… 24

Hình 1.8 Rotor dạng Darrieus – Rotor và H – Rotor ……… 24

Hình 2.1 Khí động học cánh rotor ……… 26

Hình 2.2 Máy phong điện ngang……… 28

Hình 2.3 Các bộ phận của turbine gió trục ngang……… 29

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động máy phong điện trục ngang………… 30

Hình 2.5 Máy phong điện trục đứng……… 30

Hình 2.6 Cấu tạo của turbine gió trục đứng……… 31

Hình 27 Sơ đồ nguyên lý hoạt động turbine gió trục đứng ……… 32

Hình 2.8 Các thông số cánh turbine……… 32

Hình 2.9 Sự di chuyển của luồng gió khi vào cánh……….…… 34

Hình 2.10 Phân bố áp lực gió ở mặt trên và mặt dưới của cánh……… 34

Hình 2.11 Các thành phần lực tác dụng lên cánh turbine……….… 35

Hình 2.12 Biểu đồ biến thiên của hệ số C và Cd ……….…… 37

Hình 2.13 Biểu diễn hệ số C l và C d trên dây cung và tiếp tuyến với dây cung……… 37

Hình 2.14 Lực tác động lên một vị trí cánh……… 39

Hình 2.15 Lực tác động lên các vị trí khi u/v>1……… 40

Hình 2.16 Lực tác động lên các vị trí khi u/v<1……… 40

Hình 2.17 Tam giác véc tơ lực ……… 41

Hình 2.18 Các thông số rotor trục ngang……… 41

Hình 2.19 Biểu diễn các thành phần vận tốc tác dụng trên mặt cắt ngang cánh……… 42

Hình 2.20 Thành phần vận tốc trên rotor Darrieus……… 44

Hình 2.21 Thành phần vận tốc trên H-rotor……… 45

Hình 2.22 Rotor Savonius……… 49

Hình 3.1 Kết cấu hình học cánh NACA……… 51

Hình 3.2 Biên dạng cánh cong đối xứng……… 57

Hình 3.3 Biên dạng cánh cong không đối xứng……… 58

Hình 3.4 Biên dạng cánh cung tròn……… 58

Hình 3.5 Biên dạng cánh dạng nón ……… 58

Hình 3.6 Biên dạng cánh tấm phẳng……… 59

Hình 3.7 Hình ảnh các thiết bị và mô hình thực nghiệm……… 60

Hình 3.8 Thí nghiệm xác định hệ số cản lực khi gió đi qua cánh turbine… 61

Hình 3.9 Giá trị hệ số cản trên các bề mặt cánh turbine biên dạng khác nhau 62 Hình 3.10 Cánh và rotor biên dạng cung tròn……… 64

Hình 3.11 Bố trí các thiết bị thí nghiệm……….… 65

Hình 3.12 Biểu đồ so sánh tốc độ vòng quay rotor giữa tính toán và đo thực

nghiệm theo các giá trị vận tốc gió khác nhau ……… 68

Hình 3.13 Rotor và các cánh NACA0015……… 69

Hình 3.14 Biểu đồ tốc độ vòng quay thực nghiệm so với tính toán mô hình rotor cánh NACA0015……… 72

Hình 4.1 Lực tác dụng lên cánh……… 74

Hình 4.2 Vị trí tính M 1……… 77

Hình 4.3 Vị trí tính M 2……… 78

Hình 4.4 Vị trí tính M 3……… 79

Hình 4.5 Vị trí tính M 4……… 80

Hình 4.6 Gió tác động lên cánh……… ……… 83

Hình 4.7 Các thành phần lực Fl và Fd tác động lên cánh……… 84

Hình 4.8 Các thành phần lực pháp tuyến và tiếp tuyến……… 85

Hình 4.9 Quan hệ các góc β, i, θ……… ……… 86

Hình 4.10 Vị trí tính M 1……… 88

Hình 4.11 Vị trí tính M 2……… 89

Hình 4.12 Vị trí tính M 3……… 90

Hình 4.13 Vị trí tính M 4……… 91

Hình 4.14 Sợi thủy tinh ……… 97

θ

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Quan hệ độ cong(m) và vị trí độ cong(p) trên cánh NACA 5 số… 54

Bảng 3.2 Các hệ số a x và d x trên cánh NACA 4 và 5 số……… 55

Bảng 3.3 So sánh các bộ NACA thường dùng……… 57 Bảng 3.4 Kết quả thực nghiệm giá trị hệ số cản lực trên bề mặt cánh turbine 61 Bảng 3.5 So sanh kết quả thực nghiệm giá trị C1 và C2 với tài liệu khác 62 Bảng 3 6 Tốc độ vòng quay tại các góc đặt cánh khác nhau………… …… 63 Bảng 3.7 Vận tốc, số vòng quay và công suất rotor cánh cung tròn… …… 67 Bảng 3.8 Kết quả đo thực nghiệm số vòng quay rotor cánh cung tròn……… 67 Bảng 3.9 Bảng so sánh kết quả thực nghiệm và tính toán thiết kế………… 67 Bảng 3.10 Vận tốc, số vòng quay và công suất mô hình biên dạng cánh

NACA0015………….………….………….………….………….………… 71 Bảng 3.11 Vận tốc, số vòng quay rotor biên dạng NACA0015.……… 71 Bảng 3.12 Bảng so sánh kết quả thực nghiêm và thiết kế rotor cánh

NACA0015………….………….………….………….………….………… 72

Bảng 4.1 Quan hệ các giá trị R, ω, n trên rotor……….………….………… 87

Bảng 4.2 Các thông số kỹ thuật của một số vật liệu cánh turbine……… 94

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Máy phong điện trục ngang

Máy phong điện trục đúng

Chiều cao cánh (m)

Bán kính rotor (m)

Mô men quay rotor (N.m)

Khối lƣợng (kg)

Ủy ban cố vấn ngành hàng không quốc gia

Công suất rotor (w)

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Đất nước đang trên đà phát triển hòa nhập cùng các nước trong khu vực và

vươn lên trường quốc tế Một trong những mục tiêu phát triển là “công nghiệp hóa,

hiện đại hóa đất nước” mà trong đó khoa học kỹ thuật có vai trò quan trọng để phục

vụ các ngành công nghiệp

Để thực hiện mục tiêu “công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước” chúng ta

cần đảm bảo nguồn năng lượng phát triển công nghiệp, trong đó điện năng giữ vai trò huyết mạch Từ trước đến nay, nguồn điện năng mà chúng ta sử dụng chủ yếu được tạo ra từ các nhà máy thủy điện, nhà máy nhiệt điện… Nhưng hiện nay, các nguồn tài nguyên thiên nhiên tạo ra năng lượng truyền thống đó đang ngày càng cạn kiệt và ô nhiễm môi trường đang trở thành vấn đề toàn cầu Yêu cầu cấp thiết cần tìm ra nguồn năng lượng mới để khắc phục các vấn đề trên Năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng đáp ứng được yêu cầu cấp thiết đó

Điện năng được tạo ra từ năng lượng gió thông qua các máy phong điện Nó

có những ưu điểm: tận dụng được nguồn năng lượng gió vô tận, ổn định và không gây ô nhiễm môi trường; xét về lâu dài, máy phong điện mang tính kinh tế cao hơn các nhà máy thủy điện và nhiệt điện

Trên thế giới, việc sử dụng năng lượng gió để tạo ra điện năng đã được nhiều nước quan tâm từ rất sớm Đầu thế kỷ XIX đã có các nước sử dụng máy phong điện, như: Đan Mạch, Đức, Hà Lan, Mỹ và gần đây có Australia, Trung Quốc, Nhật Bản…

Đối với Việt Nam, nước ta có diện tích bờ biển dài trên 3000 km Đây là điều kiện tạo ra nguồn gió lớn, rất dồi dào và ổn định cho các máy phong điện hoạt động Ngoài ra, nước ta còn có các hải đảo, vùng núi cao và đây cũng là các vùng có tiềm năng về gió rất lớn để có thể sản xuất điện năng từ gió phục vụ đất nước

Theo kết quả khảo sát của Ngân hàng Thế giới trong chương trình đánh giá

về “Năng lượng gió châu Á” thì Việt Nam là một quốc gia có tiềm năng về năng

lượng gió cao nhất Đông Nam Á, với 513.360 MW, tức là hơn 200 lần công suất của nhà máy thủy điện Sơn La, và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện Việt Nam năm 2020

Mặt khác, giá thành xây dựng máy phong điện trong những năm gần đây đã giảm đáng kể Ví dụ, so sánh giá thành giữa phong điện và thủy điện Nhà máy thủy điện Sơn La với 6 tổ máy có tổng công suất là 2400 MW điện, được xây dựng trong bảy năm với tổng số vốn đầu tư là 2,4 tỷ USD Giá thành khi phát điện (chưa tính đến chi phí môi trường) là 70USD/MWh Như vậy, để có được 1kw công suất điện cần đầu tư 1000 USD trong bảy năm Trong khi đó, theo thời giá năm 2003 thì 1kw điện gió cũng vào khoảng 1000 USD Và giá thành điện từ gió giảm đều hàng năm

do cải tiến công nghệ Qua so sánh này, ta thấy rằng kinh phí xây dựng các máy phong điện hoàn toàn ngang bằng với việc xây dựng nhà máy thủy điện

Như vậy, cứ ở đâu có gió phù hợp là cho phép ta phát triển máy phong điện

để cung cấp điện năng Tại Việt Nam nơi đó thường là các hải đảo ngoài biển, vùng núi cao biên giới…Điều này rất phù hợp cho việc giải quyết bài toán cung cấp điện sinh hoạt cho hộ gia đình ở các vùng sâu, vùng xa, vùng biên giới hải đảo để thay thế các nhà máy thủy điện, nhiệt điện đang hoạt động ở nước ta hiện nay

Từ các lý do trên, việc thực hiện đề tài “Nghiên cứu, tính toán và thiết kế

biên dạng cánh turbine gió trục đứng cho máy phát điện công suất 3KW” là rất cần

thiết, góp phần cho việc phát triển máy phong điện cung cấp điện năng ở nước ta hiện nay

2 Mục tiêu và nhiệm vụ

 Tên đề tài:

“Nghiên cứu, tính toán và thiết kế biên dạng cánh turbine gió trục đứng cho máy

phát điện công suất 3KW”

 Mục tiêu:

Lựa chọn được cánh phù hợp cho loại turbine gió kiểu trục đứng với năm cánh phương hứng gió cố định có tiềm năng ứng dụng trong các máy phát điện bằng sức gió công suất 3KW

Góp phần thúc đẩy nghiên cứu và ứng dụng năng lượng gió vào phục vụ lợi ích đời sống con người

Đánh giá khả năng và phạm vi ứng dụng của đề tài

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Tính toán, thiết kế hệ thống cánh turbine gió kiểu trục đứng

- Có phương hứng gió cố định

- Với năm cánh trên rotor

- Sử dụng cho máy phát điện bằng sức gió công suất đến 3KW

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu, tính toán khí động học tác động lên hệ thống cánh turbine gió

- Thực nghiệm mô hình cánh turbine gió

- Xác định các thông số cơ bản hệ thống cánh turbine phù hợp yêu cầu đề tài

Kết quả của đề tài cho phép các nhà khoa học chế tạo hệ thống cánh turbine gió kiểu trục đứng cho máy phát điện công suất 3kw phù hợp với điều kiện Việt Nam

Từ đó cung cấp nguồn điện năng phục vụ sinh hoạt và đóng góp cho ngành công nghiệp phát triển xây dựng đất nước

NỘI DUNG

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Năng lượng gió

Khi mặt trời chiếu xuống trái đất không đồng đều làm cho nhiệt độ của bầu khí quyển, không khí và nước khác nhau Vì vậy, tạo thành các khu vực có nhiệt độ

và áp suất chênh lệch nhau, dẫn đến hình thành luồng khí di chuyển từ vùng có áp suất cao tới vùng có áp suất thấp gọi là gió Vậy, năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển trái đất và là một hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời

Năng lượng gió đã được sử dụng từ hàng trăm năm nay Ban đầu người đã dùng năng lượng gió để di chuyển thuyền buồm hay khinh khí cầu Ý tưởng dùng năng lượng gió để sản xuất điện năng hình thành ngay sau khi các phát minh ra điện

và máy phát điện

1.1.1 Tình hình sử dụng năng lượng gió trên thế giới

Trên thế giới từ sau những cuộc khủng hoảng dầu mỏ trong thập kỷ 1970 thì việc nghiên cứu sản xuất năng lượng từ các nguồn khác được đẩy mạnh trên toàn thế giới, kể cả việc phát triển các turbine gió hiện đại Khi đó, một loạt các nước đẩy mạnh khai thác các nguồn năng lượng từ thiên nhiên, trong đó có năng lượng gió Các nước dẫn đầu khai thác, sử dụng năng lượng gió trên thế giới, như Đức, Mỹ, Hà Lan, Đan Mạch, Tây Ban Nha, Áo, Anh, Pháp, Úc, Ấn Độ, Nhật Bản, Trung Quốc… Và bên cạnh đó có rất nhiều các công trình nghiên cứu trên thế giới về lĩnh vực này

Theo [5], thống kê đến năm 2007 thế giới đã xây dựng được khoảng 20073

MW điện từ năng lượng gió, trong đó Mỹ có 5244 MW, Tây Ban Nha có 3522 MW, Trung Quốc có 3449 MW, Ấn Độ có 1730 MW và ở Đức có 1667 MW Công suất này có thể thay đổi dựa trên nguồn năng lượng gió qua các năm, tại các nước và các vùng khác nhau

Ngay từ năm 1996, người ta đã thống kê và so sánh về tỷ lệ điện năng sử dụng từ máy phong điện so với tổng điện năng sử dụng toàn quốc ở một số nước trên thế giới như: Đức, Mỹ, Tây Ban Nha, Ân Độ, Trung Quốc, Đan Mạch và các nước khác

Theo [5], sự phát triển điện năng từ nguồn gió theo các năm như biểu đồ sau:

Hình 1.1 Biểu đồ phát triển điện năng từ nguồn gió ở một số nước trên thế giới

Chiếm tỷ lệ theo phần trăm như biểu đồ sau:

Hình 1.2 Biểu đồ sử dụng điện của một số nước trên thế giới

Ở khu vực Châu Á, Trung Quốc là nước dẫn đầu nghiên cứu phát triển và sử dụng nguồn năng lượng gió, đặc biệt chú trọng các loại máy phong điện cỡ nhỏ Trung bình hàng năm Trung Quốc sản xuất tới 2000 máy phong điện phục vụ sản xuất và sinh hoạt ở vùng nông thôn Tại vùng Nội Mông thuộc Trung Quốc đã có

1300 máy phong điện các cỡ đang hoạt động để phát điện và chạy các máy chế biến lâm sản và nông sản Chính quyền địa phương này đã có những biện pháp khuyến khích hỗ trợ giá cho các nhà máy sử dụng máy phong điện, vì vậy máy phát điện bằng sức gió đã được sử dụng rất phổ biến trong địa phương này

1.1.2 Tình hình sử dụng năng lượng gió ở Việt Nam

Ở Việt nam, chúng ta có tiềm năng gió rất lớn, nước ta có trên 3600 km bờ biển từ bắc vào nam và khoảng 3000 đảo lớn nhỏ Phần lớn các đảo có dân cư sinh sống, tại đây có nguồn gió quanh năm Vì đặc điểm về địa lý và địa hình khác nhau giữa các vùng nên mật độ và tính ổn định của nguồn năng lượng gió rất khác nhau Các vùng được xem là có tiềm năng gió tương đối mạnh và ổn định như: Đảo Bạch Long Vĩ, Đảo Trường Sa, Đảo Hoàng Sa, Quy Nhơn, Quảng Bình, Phan Thiết, Cửa Tùng, Móng Cái…

Ví dụ mật độ năng lượng gió ở một số địa phương:

- Tây Nguyên: 600 KWh/m2- năm

- Đồng bằng Sông Hồng: 250 KWh/m2- năm

- Quảng Nam, Quảng Ngãi: 400 KWh/m2- năm

- Cam Ranh, Vũng Tàu: 700÷ 800 KWh/m2- năm

- Tiền Giang, Cà Mau: 500 KWh/m2- năm

- Bờ biển bắc Trung Bộ: 500 ÷ 600 KWh/m2- năm

- Các hải đảo phía đông: 3000 ÷ 4.000 KWh/m2- năm

Nhà máy phát điện bằng sức gió đầu tiên ở Việt Nam được đặt tại huyện đảo Bạch Long Vỹ, Hải Phòng, có công suất 800 KW với vốn đầu tư khoảng 0,87 triệu USD Trạm phong diện ở huyện Quảng Xương - Thanh Hoá và hai huyện thuộc tỉnh Gia Lai, công suất mỗi tổ máy khoảng 500A Hiện nay, chúng ta đang xây dựng các máy phong điện ở khắp các nơi trên các miền hải đảo, miền trung và ở các tỉnh Quảng Trị, Bình Định, Bình Thuận…

Cùng với việc sử dụng máy phong điện còn có hàng loạt các đề tài nghiên cứu nhằm tìm ra biện pháp nâng cao hiệu quả của máy phong điện ở Việt Nam Các đề tài nghiên cứu trong nước:

Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có công

suất 10-30kw phù hợp với điều kiện Việt Nam”, 2004 của nhóm nhà khoa học thuộc

Đại học Bách khoa Hà Nội do PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang làm chủ đề tài Nội dung đề tài này đã nghiên cứu, thiết kế, chế tạo trạm phong điện kiểu trục ngang với công suất thiết kế 10 – 30 kw phù hợp với điều kiện Việt Nam Đề tài này chưa

áp dụng cho máy phong điện trục đứng và loại công suất nhỏ

Đề tài KC 07.04: “ nghiên cứu lựa chọn công nghệ và thiết bị để sử dụng

năng lượng gió trong sản suất, sinh hoạt nông nghiệp và bảo vệ môi trường” 2006,

của KS Nguyễn Tấn Anh Dũng, thuộc Viện Khoa học và Thủy lợi Đề tài nghiên cứu turbine gió trục ngang, số lượng cánh lớn Nội dung đề tài dùng turbine gió để kéo các máy bơm nước và chạy máy sục khí trong ao nuôi trồng con tôm Vậy, đề tài này chưa nghiên cứu turbine kiểu trục đứng và áp dụng cho việc sử dụng năng lượng gió để phát ra điện năng

Đề tài “Tính toán thiết kế hệ thống cánh turbine gió kiểu trục đứng trong máy

phong điện công suất 10KW”, 2009, luận văn Thạc sỹ của Chu Đức Quyết, Trường

Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Nội dung đề tài đã tính toán thiết kế các vị trí, số cánh, kích thước hệ thống cánh turbine, với biên dạng cánh phẳng và cho phép xoay quanh trục cho máy phong điện kiểu trục đứng Chưa tính toán cho

máy phong điện công suất nhỏ (3kw), chưa sử dụng biên dạng cánh cong và cánh có phương hứng gió cố định

Như vậy, các đề tài này nghiên cứu máy phong điện công suất từ 10kw trở lên, chưa nghiên cứu các máy phong điện cỡ nhỏ dùng cho hộ gia đình Và chưa tìm

ra được hệ thống cánh turbine kiểu trục đứng có phương hứng gió cố định phù hợp,

để phát huy tối đa công suất máy phong điện

Vì vậy, đòi hỏi cần có một loại máy phong điện công suất nhỏ phù hợp với

điều kiện Việt Nam và đề tài “Nghiên cứu, tính toán và thiết kế biên dạng cánh

turbine gió trục đứng cho máy phát điện công suất 3KW ” cần thực hiện để chế tạo

máy phát điện bằng sức gió phục vụ điện năng sinh hoạt cho hộ gia đình và sử dụng cho các mục đích khác

1.2 Các loại máy phong điện

Nếu phân loại theo phương của trục máy: người ta đã chế tạo và sử dụng hai loại là máy phong điện trục đứng và máy phong điện trục ngang

Hình 1.3 Máy phong điện trục đứng, trục ngang

Nếu phân loại theo số lượng cánh: ta có máy phong điện hai cánh đối xứng,

ba cánh cách lệch 1200 trong không gian, máy phong điện năm cánh và nhiều cánh

Số cánh càng nhiều thì rotor quay càng chậm và ngược lại

Hình 1.4 Máy phong điện có hai cánh và ba cánh cách đều

 Loại máy phong điện trục đứng(VAWTs):

- Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, dễ lắp đặt, hướng gió nào cũng quay

được nên có thể không cần bộ phận lái hướng gió (đuôi lái)

- Nhược điểm: Hiệu suất thấp, công suất phụ thuộc đường kính hệ thống cánh

cồng kềnh, mô men khởi động lớn, chiếm diện tích mặt bằng lớn khi lắp đặt

 Loại máy phong điện trục ngang(HAWTs):

- Ưu điểm: Có thể nâng lên cao tùy ý để đón gió, có khả năng tăng công suất

lớn bởi đường kính turbine có thể tăng, không chiếm nhiều diện tích lắp đặt

- Nhược điểm: Kết cấu phức tạp, đặc biệt các cánh của turbine gió phải có

tiết diện hình học và các góc nghiêng hợp lý thì mới phát huy hiệu quả khả năng hấp thu gió Máy phong điện công suất càng lớn thì cánh càng cao lớn và càng khó lắp đặt, khó đảm bảo độ cứng vững và bảo quản Hướng đón gió không linh hoạt nên thường sử dụng đuôi lái

 Loại máy phong điện ít cánh (2 ÷ 3 cánh)

- Ưu điểm: Máy phong điện loại ít cánh, do số lượng cánh ít nên số vòng

quay khá cao, được dùng cho máy cần tốc độ vòng quay lớn như máy phát điện, máy bơm ly tâm…

- Nhược điểm: Mô men khởi động lớn, vì vậy vận tốc gió sử dụng cao (trên

3m/s), gây rung động, nhanh mòn các ổ trục, độ cứng vững thấp và có thể phát ra

tiếng ồn Được dùng ở những nơi thoáng gió, gió có vận tốc lớn và cường độ gió mạnh, thường dùng ở các nơi như các khe núi, đỉnh đồi, cửa sông, bờ biển và các hải đảo…

 Một số máy phong điện thường dùng

Trên thế giới việc sử dụng máy phong điện đã được thực hiện từ các thế kỷ trước và thường dùng các loại phổ biến do các nhà khoa học cổ điển nghiên cứu tìm

ra, như: Darrieus, Savonius, Gorlov, Giromill…Tương ứng là các loại turbine mang

tên các nhà khoa học phát minh ra, đặc điểm một số loại turbine thường gặp:

- Đặc điểm turbine Darrieus:

Cho phép hoạt động với các hướng gió khác nhau, không cần kích thước cánh lớn,

có thể đặt hộp số ngay bên dưới hệ thống cánh Thường làm việc với tốc độ cao, công suất lớn và công suất trung bình

Bên cạnh đó, turbine Darrieus còn có nhược điểm là không có khả năng tự quay

được mà cần nguồn ngăng lượng từ bên ngoài để khởi động

- Đặc điểm turbine Savonius:

Loại này thường ứng dụng trong trường hợp quy mô hoạt động nhỏ, công suất nhỏ,

như trên mái nhà, trên mái xe bus…Turbine Savonius thường dùng như motor để

khởi động cho các turbine khác Thường loại này làm việc nhờ lực kéo và mômen

của lực kéo, có hệ số công suất nhỏ C p nhỏ và λ nhỏ (thường λ = 1)

- Đặc điểm turbine xoắn Gorlov:

Hiệu suất cao hơn 35% so với các turbin trục đứng khác Các ưu điểm vượt trội: Lực xoắn nhỏ, giảm tiếng ồn, giảm rung động, độ cứng vững cao

- Đặc điểm turbine Giromill:

Có khả năng tự khởi động, Giromill thường được làm cánh dạng thẳng Lực khởi động nhỏ, nên cần có động cơ khởi động

1.3 Các kiểu dáng hình học cánh turbine gió

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 được áp dụng tương đối

có hiệu quả

Biên dạng cánh turbine có các hình dáng khác nhau, từ các loại đơn giản đến phức tạp, như: biên dạng phẳng, biên dạng cong, biên dạng xoắn ốc và có thể sử dụng kết hợp một số loại biên dạng

Biên dạng cánh turbine cần đạt được yêu cầu: hứng gió được lớn nhất, khi gió tác động vào cánh sao cho lực cản gió ít nhất đồng thời lực gió đẩy cánh sinh

mô men quay lớn nhất

Biên dạng cánh turbine gió là một yếu tố quyết định tới hiệu suất turbine gió

và đây cũng là mũi nhọn mà các nhà khoa học đang nghiên cứu để khai thác năng lượng gó một cách hiệu quả nhất

Sau đây là một số kiểu dáng hình học cánh turbine điển hình trên thế giới đã được loài người phát minh ra và sử dụng

1.3.1 Kiểu dạng chén

Hướng gió

b) b)

Hình 1.6 Rotor dạng savonius a) savonius ; b) multi-bladed savonius

Biên dạng cánh savonius có thể được làm bằng nhiều cách khác nhau, như với các thùng, các cánh buồm, các thùng dầu Nhìn từ trên xuống rotor savonius có dạng chữ “S” Turbine thiết kế dạng này quay tương đối chậm chạp

1.3.3 Turbine kiểu plates

1.3.4 Kiểu Darrieus – Rotor và H – Rotor

Kiểu Darrieus có trục nâng thẳng đứng, trông giống như cái búa đầm hình quả trứng Turbine Darrieus 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 hai cánh quay tròn

làm cho lực xoắn có giá trị khổng lồ

Hình 1.8 Rotor dạng Darrieus – Rotor và H – Rotor

1.4 Kết luận chương 1

Như vậy, việc sử dụng năng lượng gió vào đời sống con người đã phát triển

từ rất sớm cách đây hàng nghìn năm Sau đó, người ta biết sử dụng năng lượng gió vào máy phong điện để tạo ra điện năng phát triển công nghiệp

Cho đến ngày nay, năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt thì việc phát triển máy phong gió đang rất được các nước trên thế giới quan tâm Ở một số nước có sự phát triển rất mạnh hệ thống HAWTs và VAWTs, đã có nhiều công trình nghiên cứu của các nhà khoa học về máy phong điện, song nhìn chung việc tính toán thiết

kế hệ thống cánh turbine trong máy phong điện vẫn luôn là một đề phức tạp, nhất là yếu tố biên dạng cánh, đây cũng là một thách thức cho khoa học hiện đại và cũng là

đề tài hết sức thu hút các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu, tìm tòi cải tiến hoàn thiện hơn

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ BIÊN DẠNG CÁNH TURBINE GIÓ 2.1 Học thuyết Albert Betz

Đây là học thuyết cơ bản để xác định khí động học trên máy phát điện bằng sức gió Học thuyết cho ta biết phương pháp và công thức tính lực gió tác dụng, tính công suất rotor

Các lý thuyết chung đầu tiên về turbine gió được xây dựng bởi A Betz của Viện nghiên cứu Gottingen Betz cho rằng rotor gió là lý tưởng, nó không có mayơ

và có số cánh vô tận và không tạo ra lực cản tới sự di chuyển của gió khi đi qua nó

Vậy, đây là một máy biến đổi năng lượng sạch Ngoài ra, các điều kiện trên tổng diện tích quét bởi rotor giả thiết là không đổi và tốc độ của gió đi qua rotor đều làm cho trục quay

Rotor gió lý tưởng ta cần chú ý đến một số yêu tố, như: trục, cánh, bộ phận cột đỡ, các cơ cấu khác, bố trí địa điểm trong môi trường lưu động

Xét khí động học gió tác động lên cánh rotor như hình vẽ sau:





S1

V S

V 1 - Vận tốc gió trước khi di chuyển qua rotor

V 2 - Vận tốc gió sau khi di chuyển qua rotor

S 1 - Diện tích mặt cắt của gió trước khi di chuyển qua rotor

S 2 - Diện tích mặt cắt của gió sau khi di chuyển qua rotor

Việc chế tạo các rotor gió chỉ có hiệu quả khi lực của gió đi qua rotor bị giảm

đi, như vậy V 2 phải nhỏ hơn V 1 Kết quả là diện tích mặt cắt ngang của cơn gió di

chuyển qua rotor tăng lên từ đầu cơn gió tới cuối cơn gió hay S 2 lớn hơn S 1

Nếu giả sử rằng cơn gió là không nén được, điều kiện liên tục (khối lượng gió là hằng số) ta có thể viết được:

S 1 V 1 = SV = S 2 V 2 (2.1)

Lực của cơn gió tác dụng lên rotor, theo định lý Euler’s là như nhau:

F = SV(V 1 – V 2 ) (2.2)

V SV

2

2 2

V SV

V S

P    (2.7)

Đo được vận tốc gió ở phía trước rotor là V 1, ta có thể nghiên cứu sự biến thiên của

công suất P theo hàm của V 2

Vi phân hai vế, ta có:

)32

(4

2 2 1 2 1 2

V V V V S dV

có hai trường hợp xảy ra:

- Thứ nhất: V2 = - V1 thì bài toán không có ý nghĩa vật lý

- Thứ hai: V2 = V1/3 công suất đạt giá trị lớn nhất:

P    (2.10)

2 2 Đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy phong điện

2.2.1 Máy phong điện trục ngang(HAWTs)

Hình 2.2 Máy phong điện trục ngang

 Đặc điểm

- Đây là loại turbine gió có hiệu suất cao nhất

- Thích hợp với nhiều vận tốc gió khác nhau

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

- Tuy có hệ thống điều chỉnh hướng để đón gió xong vẫn giới hạn ở một góc quay nhất đinh nên chỉ thích hợp cho những nơi có vận tốc gió ổn định

 Cấu tạo turbine gió trục ngang

Hình 2.3 Các bộ phận của turbine gió trục ngang

Trong đó:

1 - Cánh quạt turbine: dùng để biến đổi năng lượng gió thành động năng làm quay trục

2 - Rotor

3 - Pitch: là bộ phận điều chỉnh góc đặt cánh turbine

4 - Phanh: có tác dụng giữ cho cánh quạt không hoạt động trong trường hợp khẩn cấp hoặc bảo trì

5 - Trục quay tốc độ thấp: để nối với cánh quạt rotor và có vận tốc quay nhỏ

6 - Hộp số: có tác dụng thay đổi vận tốc vòng quay trục theo một tỷ số truyền nhất định

7 - Máy phát điện: có tác dụng biến đổi cơ năng thành điện năng Có thể là máy phát đồng bộ hoặc không đồng bộ

8 - Bộ phận điều khiển: có tác dụng lấy thông tin từ bộ phận cảm biến để điều khiển hoạt động của turbine gió

9 - Cảm biến: dùng để đo vận tốc gió

10 - Lái đuôi: dùng để xác định hướng gió

11 - Vỏ: có tác dụng bảo vệ turbine và chống bụi bẩn

12 - Trục quay tốc độ cao: có tác dụng truyền năng lượng cơ tới máy phát điện

13, 14 - Motor và thiết bị thay đổi hướng đón gió của turbine

15 - Cột chống đỡ

 Sơ đồ nguyên lý hoạt động

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động turbine gió trục ngang

2.2.2 Máy phong điện trục đứng(VAWTs)

Hình 2.5 Máy phong điện trục đứng

 Đặc điểm

- Dải vận tốc gió hoạt động khá rộng

- Turbine hoạt động không phụ thuộc vào hướng của vận tốc gió khí nên có thể lắp đặt ở vị trí có vận tốc gió cao với dòng chảy không ổn định

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

 Cấu tạo turbine gió trục đứng

Hình 2.6 Cấu tạo của tuabin gió trục đứng

Trong đó:

1 - Cánh quạt turbine: có tác dụng biến đổi năng lượng gió thành động năng quay trục

2 - Pitch: là trục điều khiển góc đặt cánh

3 - Wind vane: dùng để xác định hướng gió

4 - Bánh răng côn

5 - Trục chính trục rotor

6 - Các cần đỡ: có tác dụng đỡ các cánh quạt của turbine

7 - Hộp số: có tác dụng thay đổi vận tốc vòng quay trục theo một tỷ số truyền nhất định

8 - Máy phát điện: có tác dụng biến đổi cơ năng thành năng lượng điện

 Sơ đồ nguyên lý hoạt động

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý hoạt động turbine gió trục đứng

2.3 Cánh turbine gió

Khi gió tác động vào turbine, làm cho cánh hứng gió và chịu lực tác động

Mà cánh lại được gắn trên trục nên làm cho trục turbine chuyển động quay Vì vậy, công suất máy phong điện lớn hay nhỏ phụ thuộc vào tốc độ quay trục rotor Do đó, cánh là yếu tố cơ bản quyết định tốc độ quay roto và công suất máy phong điện

Cánh turbine thường dùng trên máy phong điện có thể chế tạo cánh cong hoặc cánh phẳng, cánh đối xứng hoặc không đối xứng Tùy yêu cầu của máy phong điện mà người ta xác định biên dạng, kích thước cánh turbine sao cho phù hợp

2.3.1 Các thông số cơ bản trên cánh turbine

n

- o : Góc nâng o bằng 0 là góc hợp bởi dây cung với đường trung hòa Góc nâng o là góc hợp bởi đường trung hòa và véctơ vận tốc V

 của gió

AV F

* Năng lượng gió tác động vào cánh turbine

Khi rotor gặp luồng gió, gió di chuyển vào cả hai bề mặt trên và bề mặt dưới cánh Vì phần trên cánh có không gian rộng lớn hơn phần dưới nên gió di chuyển lên phần bề mặt trên cánh nhanh hơn, theo thuyết Bernoulli sẽ tạo ra vùng áp suất thấp trên cánh

Hình 2.9 Sự di chuyển của luồng gió khi vào cánh turbine

Vậy, vùng trên cánh có áp suất thấp hơn vùng dưới cánh, chính sự chênh lệch

áp suất này tạo nên lực F tác động lên cánh Lực F được chia ra hai thành phần, thành phần vuông góc hướng gió gọi là lực nâng (F l ) và thành phần theo hướng gió

gọi là lực cản (F d ), biểu diễn như hình vẽ sau

Hình 2.10 Phân bố áp lực gió ở mặt trên và mặt dưới của cánh

V

F

Áp lực cao

Áp lực thấp

Lực này có thể chia thành hai thành phần:

- Thành phần song song với véctơ V

: lực cảnFd



- Thành phần vuông góc với véctơ V

: lực nâng F





F d và F đƣợc tính nhƣ sau:

3 2

2

1

21

SV C F

SV C F

l l

d d

Trong đó C d và C l là hệ số cản và hệ số nâng Vì F d và C l vuông góc với nhau nên ta có:

2 2 2

F F

F d  l  (2.15)

Tương tự có:

2 2 2

r l

C   (2.16)

Gọi M là mômen của lực F, ta có hệ số mô men C m

22

1

SlV C

M   m (2.17)

Trong đó:  - chiều dài dây cung

Do đó khí động lực học trên mặt cắt hình học có thể biểu diễn bằng lực cản, lực nâng và mômen Lúc này với mỗi giá trị của góc tới, sẽ có một điểm đặc biệt C

mà tại đó mômen của lực F bằng 0 Điểm đặc biệt này là trung tâm của áp lực 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:

l

m l

C

C l

x AB

AC

CP   (2.18)

Thông thường CP = 25% ÷ 30%

* Sự biến thiên của hệ số C và C d

Như vậy, lực tác động lên cánh theo hai thành phần, lực nâng và lực cản Giá trị các lực này còn phụ thuộc vào tương ứng hệ số nâng(C) và hệ số cản(C d ) Giá

trị các hệ số này biên thiên như biểu đồ sau:

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

C l C d

(độ) 40

30 20

10 -0,2 -10

-20 -30

C l max

C l

C d

góc tới i

Hỡnh 2.12 Biểu đồ biến thiờn của hệ số C và C d

Từ hỡnh vẽ trờn ta thấy, đồ thị cỏc hệ số là cỏc đường cong Từ biểu đồ trờn,

ta thấy hệ số C lớn nhất khi tương ứng gúc tới nào đú tại điểm dừng, sau đú giảm

dần Cũn đường cong C d như parabol đạt giỏ trị nhỏ nhất tai gúc tới bằng khụng

* Xột cỏc hệ số nõng C và hệ số cản C d theo phương tiếp tuyến và phỏp tuyến với dõy cung của cỏnh

Lực F tỏc động lờn cỏnh như hỡnh vẽ Ta phõn tớch theo hướng dõy cung và

hướng vuụng gúc dõy cung