tóm tắt luận văn thạc schế tạo được thiết bị đo tốc độ gió và phương gió dùng cho máy phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh mà các thiết bị đo gió hiện có trên thị trường c

Như vậy, để xác định được tốc độ gió và hướng gió nhằm cung cấp số liệucho bộ điều khiển của máy phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh thì cầnthiết kế và chế tạo thiết bị đo gió ch

Người hướng dẫn khoa học:

PGS.TS Ngô Như Khoa Phản biện 1:

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

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

và ứng dụng tại nhiều quốc gia, trong đó có Việt Nam Thiết bị dùng để biến độngnăng của gió thành điện năng được gọi là máy phong điện hay còn gọi là máy phátđiện bằng sức gió

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

Đối với máy phong điện trục đứng thông thường có thể hoạt động bình đẳngvới mọi hướng gió, cấu tạo đơn giản, các bộ phận đều có kích thước không quá lớnnên lắp đặt và bảo dưỡng dễ dàng Hạn chế của nó là công suất thấp, công suất phụthuộc vào đường kính hệ thống cánh, mô men khởi động lớn, chiếm diện tích mặtbằng lớn khi lắp đặt Với đặc điểm như trên nên máy phong điện trục đứng thôngthường không có bộ điều khiển

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

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

hành và một điều không thể thiếu đó là thiết bị đo gió nhằm cung cấp số liệu về tốc độ gió và hướng gió cho bộ điều khiển.

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

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

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

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

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

2 Mục tiêu nghiên cứu.

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

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

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

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

4 Phương pháp nghiên cứu

Lý thuyết kết hợp với thử nghiệm

5 Ý nghĩa của đề tài.

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

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

CHƯƠNG 1

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

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

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

1.1.1 Cup Anemometer

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

bị đo tốc độ gió đơn giản, dựa vào việc xác định số vòng quay trong một đơn vị thờigian ta có thể tính toán cho ra tốc độ của gió tác động vào các bán cầu

1.1.2 Windmill anemometer.

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

tốc độ gió kiểu này có trục quay theo phương ngang Để hạn chế sai số khi hướnggió thay đổi thì kết cấu của thiết bị đo có thêm phần đuôi lái gió

1.1.3 Hot-wire anemometer.

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

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

1.1.4 Sonic anemometer.

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

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

Với ưu điểm nổi bật là kết cấu đơn giản, dễ chế tạo và lắp đặt và giá thành hợp lý Vì vậy, đối tượng nghiên cứu trong đề tài này là thiết bị đo tốc độ gió có dạng cốc – Cup Anemometers.

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

1.2.1 Trên máy phong điện trục ngang và trục đứng.

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

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

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

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

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

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

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

Hình 1.1 Vị trí lắp mong muốn của thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc

trên máy phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh.

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

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

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

Một thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc nói chung bao gồm 3 hoặc 4 cốc có thểquay quanh một trục thẳng đứng dưới tác dụng của gió Hình dạng của cốc có thể làdạng eliptic, bán cầu hoặc dạng nón, trong đó dạng bán cầu được sử dụng phổ biếnhơn cả

Hình 1.2 Bản vẽ phân rã của 3 - Cup Anemometer (Model 1210 của R.M.Young Company)

2

1

2

3 3

4

6 5

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

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

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

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

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

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

1.4 Cơ sở nghiên cứu về khí động lực học.

1.4.1 Các thông số cơ bản về gió.

 Chiều dài gió thổi L (m): Là chiều dài mà luồng gió thổi qua trong một khoảng

thời gian t

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

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

(1.3)

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

t + ~t

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

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

là vận tốctương đối của gió so với vật thể

Hình 1.3 Các thành phần của vận tốc gió tác động lên vật thể.

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

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

sẽ tạo ra vùng áp suất thấp trên cánh

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

tác động lên cánh, hình 1.12 Lực FRđược phân tíchthành hai thành phần lực bao gồm: FL là thành phần lực có xu hướng nâng vật theo

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

V là tốc độ trung bình của gió (m/s)

A là diện tích tiết diện

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

Phần lõm của cốc gió khi hứng gió sẽ có hệ số cản là CDv = 1,7 và phần lồitương ứng sẽ có hệ số cản là CDx = 0,4 Sự chênh lệch về hệ số cản giữa hai mặt củacốc chính là nguyên nhân dẫn đến sự chênh lệch về lực cản tác động lên hai cốc trêncùng 1 cánh

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

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

bị đo tốc độ gió dưới dạng biểu thức sau:

Q Q V A( , ) Q T f( , ) (1.7)Trong đó mô men do ma sát lăn của các ổ bi được mô tả là hàm của vận tốc góc ωcủa rotor và nhiệt độ của ổ bi T, có dạng như sau:

Hình 1.5 Các mô men tác dụng lên rotor của thiết bị đo gió.

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

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

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

1.5.1 Mô hình 2 cốc.

Đây là mô hình đơn giản, đã được sử dụng nhiều trong nghiên cứu về khíđộng lực học của rotor, mô hình này dựa trên trạng thái cân bằng giả định của rotor

có nghĩa là mô men xoắn khí động lực học là không đáng kể

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

nó rất nhỏ so với mô men khí động lực học, Q A Mô hình 2 cốc thỏa mãn điều kiện:

 2 1  2 2

2 V  R rc C S D c 2 V R rc C S D c (1.10)

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

S c diện tích mặt trước của cốc, C D1 và C D2 là hệ số cản của cốc tương ứng với mặt lõm và mặt lồi của cốc

1.5.2 Mô hình của Ramachandran.

Mô hình của Ramachandran áp dụng với rotor 3 cốc:

1.5.3 Đề xuất của Kondo và các cộng sự.

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

trí của rotor với góc θ không đồng nhất với góc tới α Hình 1.19 cho thấy, hệ số khí động học lực C N của của kiểu cốc Brevoort - Joyner II như là một hàm của cả hai

góc α và θ với cùng một giá trị cụ thể của V, ω, R rc Như vậy để thỏa mãn giá trị

trung bình mô men khí động lực học của rotor là vế trái của biểu thức 1.11 gần bằng

0, Kondo đề xuất giả thiết sau:

2 2

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

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

1.6 Kết luận.

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

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

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

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

2.1.1 Ảnh hưởng của các thông số thiết kế chính.

Các thông số thiết kế chính cũng như ảnh hưởng của chúng như sau:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

+ Số cánh của rotor hay số cốc: 04

+ Đường kính cốc: Dc = 120 mm

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

+ Kích thước của trục quay: h = 371 mm

Hình 2.1 Kết cấu sơ bộ của thiết bị đo gió.

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

Mô hình của thiết bị đo tốc độ gió và hướng gió đã chế tạo trong nghiên cứunày được trình bày như trong hình 2.2

Hình 2.2 Mô hình chế tạo cho thiết bị đo gió.

2.3 Mô hình khí động lực học cho 1 cốc.

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

Nhằm xác định mô men khí động lực học của 1 cốc tương ứng với vị trí của

nó so với phương gió, ta cần quan tâm đến một số giả định sau khi phân tích môhình 1 cốc:

 Lực cản khí động lực học trên mỗi cốc được mô hình hóa, tính toán dựa trênthành phần vận tốc gió tương đối vuông góc với mặt cốc và hệ số cản.

 Trong quá trình quay, hệ số cản của cốc phụ thuộc vào góc θ là vị trí của cốc so

với phương gió

 Coi đặc tính về khí động lực học của từng cốc không chịu ảnh hưởng của cáccốc khác trên cùng rotor

 Bỏ qua ảnh hưởng của gió quẩn đến đặc tính khí động lực học của cốc, giả địnhdòng chảy trong mô hình là dòng chảy đều, liên tục

 Bỏ qua ảnh hưởng khí động lực học của các thanh gắn cốc với trục quay củarotor đến mô hình

Mặc dù với các giả định trên tất nhiên sẽ có một sự khác biệt giữa đặc tính vềkhí động lực học trên mô hình so với đặc tính về khí động lực học của thiết bị trongthực tế Tuy nhiên, với những giả định như trên đảm bảo cho việc xây dựng môhình dễ dàng hơn

Hình 2.3 Mô hình hóa cho 1 cốc.

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

Mô men khí động lực học của 1 cốc tại vị trí góc θ được xác định bởi biểu

thức:

2

1

2