tóm tắt 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

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

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Dương Văn Đồng - Học viên cao học lớp K11-Công nghệ chế tạo máyKhóa 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 thântôi thực hiện, không sao chép của người khác Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu tráchnhiệm

Thái Nguyên, ngày 10 tháng 10 năm 2010

Tác giả

Dương Văn Đồng

MỤC LỤC

Lời cam đoan……… …… 1

Mục lục ……… …… 2

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt……… ………… 3

MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài……… ……… 4

2 Mục tiêu và nhiện vụ của luận văn……… …… 5

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu……… …… 5

4 Phương pháp nghiên cứu……… …… 6

5 Ý nghĩa……… …… 6

NỘI DUNG CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Năng lượng gió……… …… 6

1.2 Các loại máy phong điện……… …… 6

1.3 Các kiểu dáng hình học cánh turbine gió……… …… 8

1.4 Kết luận chương 1……… …… 9

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ BIÊN DẠNG CÁNH TURBINE GIÓ 2.1 Học thuyết Albert Betz ……… …… 9

2 2 Đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động máy phong điện……… 9

2.3 Cánh turbine gió 10

2.4 Lực tác dụng lên rotor 11

2.5 Một số loại rotor điển hình 12

2.6 Kết luận chương 2 13

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH CÁNH TURBINE GIÓ 3.1 Các biên dạng cánh thường dùng 14

3.2 Mô hình thực nghiệm 15

3.3 Kết luận chương 3 17

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 184.2 Thiết kế cánh turbine gió biên dạng NACA0015 194.3 Vật liệu chế tạo cánh turbine gió 20

93

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN CHUNG

5.1 Kết quả luận văn đã đạt đựơc 215.2 Những kiến nghị nghiên cứu tiếp theo

Tài liệu tham khảo

2122

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Số lượng cánh trên rotor

Chiều dài dây cung cánh (m)

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 lượng (kg)

Ủy ban cố vấn ngành hàng không quốc gia

Công suất rotor (w)

Diện tích cánh (m2)

1 Tính cấp thiết của đề tài

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 yếuđược tạo ra từ các nhà máy thủy điện, nhà máy nhiệt điện… Nhưng hiện nay, cácnguồn tài nguyên thiên nhiên tạo ra năng lượng truyền thống đó đang ngày càng cạnkiệt và ô nhiễm môi trường đang trở thành vấn đề toàn cầu Yêu cầu cấp thiết cầntìm ra nguồn năng lượng mới để khắc phục các vấn đề trên Năng lượng gió là mộttrong những nguồn năng lượng đáp ứng được yêu cầu cấp thiết đó

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

 Mục tiêu:

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

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

Từ đó cung cấp nguồn điện năng phục vụ sinh hoạt và đóng góp cho ngànhcông 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 bầukhí 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 ápsuất cao tới vùng có áp suất thấp gọi là gió Vậy, năng lượng gió là động năng củakhông khí di chuyển trong bầu khí quyển trái đất và là một hình thức gián tiếp củanăng lượng mặt trời

 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 thìviệc nghiên cứu sản xuất năng lượng từ các nguồn khác được đẩy mạnh trên toànthế giới, kể cả việc phát triển các turbine gió hiện đại Khi đó, một loạt các nước đẩymạnh 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, HàLan, 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 lĩnhvực này.

 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 bờbiển từ bắc vào nam và khoảng 3000 đảo lớn nhỏ Phần lớn các đảo có dân cư sinhsống, tại đây có nguồn gió quanh năm Vì đặc điểm về địa lý và địa hình khác nhaugiữa 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 BạchLong Vĩ, Đảo Trường Sa, Đảo Hoàng Sa, Quy Nhơn, Quảng Bình, Phan Thiết, CửaTùng, Móng Cái…

Cùng với việc sử dụng máy phong điện còn có hàng loạt các đề tài nghiêncứu 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”; 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;đề tài “Tính toán thiết kế hệ thống cánh turbine gió kiểu trục đứng trong máy phong điện công suất 10KW”, 2009

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 dụngcho các mục đích khác

1.2 Các loại máy phong điện

- Loại máy phong điện trục đứng(VAWTs)

- Loại máy phong điện trục ngang(HAWTs)

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

- Một số máy phong điện thường dùng: turbine Darrieus; turbine Savonius; turbine xoắn Gorlov; turbine Giromill

1.3 Các kiểu dáng hình học cánh turbine gió

Kiểu dạng chén Kiểu savonius

1.4 Kết luận chương 1

Cho đến ngày nay, năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt thì việc phát triểnmáy phong gió đang rất được các nước trên thế giới quan tâm Ở một số nước có sựphát triển rất mạnh hệ thống HAWTs và VAWTs, đã có nhiều công trình nghiêncứu 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 làyếu 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 hoànthiện hơn

CHƯƠNG 2

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

Lực tác dụng lên rotor và công suất được tính theo công thức:

2 2

2

V S

Ý nghĩa: học thuyết này là cơ sở để tính toán và thiết kế turbine đề tài

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

 Máy phong điện trục ngang(HAWTs)

 Máy phong điện trục đứng(VAWTs)

2.3 Cánh turbine gió

 Các thông số cơ bản trên cánh turbine

 Lực và công suất

3 2

AV F

n

.

2 A W C

R l

 Năng suất vận hành của một phần tử cánh

 i

)(

cos 1 ( cos 2

1

) cos sin

)(

cos 1 ( 2

1

) sin cos )(

cos 1 ( 2

1

2 3

2 2

2 2

I I

C I I

dS V dP

I I

C I dS

V dM

I I C I dS

V dF

l l l

M

P

FV dFV P

FV

M P

P u 

 

Thường sử dụng hiệu suất η =(0,2→0,5)

2.5 Một số loại rotor điển hình

 Rotor Darrieus

 y

W U V

Hệ số công suất và hệ số mômen.

dz d V

r W C S

bl SV

P

t H

2

1 3

2 2

0 1

Diện tích gió quét:

Mỗi loại rotor có các ưu điểm, nhược điểm khác nhau, tùy yêu cầu kỹ thuật của nhà thiết kế mà có thể lựa chọn loại rotor phù hợp Trong phạm vi luận văn, tác giả định hướng tập trung vào nghiên cứu lực khí động học tác động lên dạng rotor Darrieus với các biên dạng cánh khác nhau Từ đó tìm ra biên dạng cánh phù hợp với yêu cầu của đề tài

CHƯƠNG 3

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH CÁNH TURBINE GIÓ

3.1 Các biên dạng cánh thường dùng

 Biên dạng cánh NACA

NACA 4 số

Bộ NACA đầu tiên được các nhà thiết kế tạo ra là bộ 4 số

- Chỉ số đầu tiên biểu thị độ cong lớn nhất (m - phần trăm trên chiều dài dây cung)

- Chỉ số thứ hai biểu thị vị trí độ cong lớn nhất (p - phần mười trên chiều dài dây

- Chỉ số đầu nhân với 3/2 để biểu thị phần mười hệ số lực nâng thiết kế C l

- Hai chỉ số tiếp theo chia cho 2 cho ta vị trí độ cong lớn nhất (p) theo phần mười

dây cung

- Hai chỉ số cuối cho biết phần trăm độ dày lớn nhất của cánh theo dây cung

 Một số biên dạng cánh khác

Biên dạng cánh cong đối xứng

Biên dạng cánh cong không đối xứng

x o

Kết luận: Góc đặt cánh β = 20 0 ÷ 35 0 thì công suất rotor đạt tối đa.

 Thí nghiệm thứ ba: Xác định vận tốc góc và công suất rotor biên dạng cánh

cung tròn

y

Bảng so sánh các thông số tính toán mô hình và kết quả đo thực

V(mph)

n(v/ph)

Sai số(%) Tính toán

mô hình

Kết quả thực nghiệm

- Kết quả thực nghiệm phù hợp với tính toán thiết kế Điều này đã chứngminh phương pháp thiết kế mô hình là đúng Kết quả này là cơ sở cho phép ta tínhtoán thiết kế hệ thống cánh turbine trục đứng công suất 3 kw

- So với các tài liệu khác, kết quả thiết kế là phù hợp và chính xác

Quạt gió

Thiết bị đo gió

Rotorn

Nguồn điệnBiến tầnHầm gió

 Thí nghiệm thứ tư: Xác định tốc độ vòng quay và công suất rotor biên dạng

cánh NACA0015

TT V(mph) Tính toán mô hình thực nghiệm Kết quả Sai

số(%) ω(rad/s) n(v/ph) ω(rad/s) n(v/ph)

- So với thực nghiệm, số vòng quay thiết kế có giá trị gần giống nhau, sai

lệch trung bình khoảng 7% Khi tốc độ vòng quay trục rotor gần giống nhau thìcông suất thực nghiệm và công suất thiết kế mô hình sẽ gần bằng nhau

- Kết quả này cho ta thấy phương phướng thiết kế rotor cánh NACA0015 làđúng Đây là cơ sở để thiết kế turbine gió cho máy phát điện bằng sức gió công suất3kw

3.3 Kết luận chương 3:

- Vận tốc gió luôn tỷ lệ thuận với tốc độ vòng quay và giá trị công suất rotor.Qua thực nghiệm nhiều lần ta hoàn toàn xác định được góc đặt cánh hợp lý để rotorhoạt động đạt công suất tối đa

- Kết quả thực nghiệm cả hai mô hình rất phù hợp với lý thuyết tính toán

- Xét cùng vận tốc gió, thì mô hình biên dạng cánh NACA0015 tốc độ trụcturbine chạy nhanh hơn dẫn đến công suất cao hơn mô hình cánh biên dạng cungtròn

- Biên dạng cánh NACA015 có biên dạng cánh phức tạp hơn biên dạng cánhcung tròn Vì vậy, công nghệ chế tạo cánh turbine đòi hỏi cao hơn

- Biên dạng cánh NACA015 có thể áp dụng cho các turbine gió công suấttrung bình và công suất lớn

- Turbine sử dụng biên dạng cánh cung tròn hoạt động với mô men lớn và tốc

độ quay thấp nên turbine dạng này cho phép không cần động cơ khởi động

- Như vậy, với turbine đề tài thực hiện (3kw) thì chúng ta có thể sử dụng mộttrong hai loại biên dạng cánh turbine trên Nhưng để vẫn hoạt động tốt và đảm bảotính kinh tế thì ta nên chọn biên dạng cánh cung tròn để chế tạo cánh turbine

- Kết quả thực nghiệm là cơ sở để tính toán và thiết kế hệ thống cánh turbinecho máy phát điện công suất 3 (kw)

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

sử dụng động cơ khởi động turbine

- Turbine thiết kế trong đề tài, hoạt động rất tốt trong trường hợp gió nhỏhoặc gió không ổn định Vì biên dạng cánh turbine có hệ số lực đẩy cánh lớn và hệ

số lực cản cánh nhỏ nên tạo mô men sinh công quay cho trục khá cao

- Turbine sử dụng biên dạng cánh cung tròn chuyển động với mô men xoắnlớn, cho phép turbine hoạt động có tải trọng lớn.

- Bên cạnh đó, cánh turbine dùng biên dạng cung tròn còn hạn chế là thườngphù hợp cho turbine trục đứng và rất ít dùng cho turbine trục ngang

4.2 Thiết kế cánh turbine gió biên dạng NACA0015

Đường kính rotor : D = 3 (m)

Bán kính rotor : R = 1,5 (m)

Chiều cao rotor : h = 4,2 (m)

Chiều dài dây cung cánh : C = 0,54 (m)

- Bên cạnh đó, loại cánh turbine biên dạng này có hạn chế về công nghệ chếtạo vì biên dạng phức tạp Turbine dùng biên dạng NACA0015 thường kèm theođộng cơ khởi động nên turbine cồng kềnh

4.3 Vật liệu chế tạo cánh turbine gió

Cánh là bộ phận trực tiếp tương tác với gió, vì vậy vật liệu chế tạo cánhturbine cần đảm bảo được độ bền, độ ổn định và tính thẩm mĩ cho cánh Vật liệu chếtạo cánh turbine có rất nhiều loại, như các loại thép hợp kim, vật liệu tổng hợp.Ngày nay, với khoa học kỹ thuật phát triển chúng ta có rất nhiều loại vật liệu mới đểchế tạo cánh, trong đó vật liệu composite được các nhà khoa học sử dụng chế tạocánh rất hiệu quả

Vật liệu composite nền nhựa cốt sợi thủy tinh:

Sợi thủy tinh- nguyên tố chủ đạo thuỷ tinh là silic, chiếm một tỷ lệ lớn trong cáttrắng Sự tồn tại các phân tử chất lạ trong nguyên liệu sẽ làm cho thuỷ tinh có những

màu sắc và tính chất rất khác, có lợi cũng như có hại Để đảm bảo kỹ thuật, nhà sảnxuất phải lọc thuỷ tinh thành thuỷ tinh siêu sạch bằng ly tâm hay bằng cách nungnguyên liệu với chất hấp thụ là Creolite hay Diatomic, nói cách khác là làm giàusilic trong nguyên liệu rồi mới phối hợp với các “nguyên tố lạ”.

- Thuỷ tinh siêu sạch được gọi là thạch anh, cho phép tất cả các bước sóngquang học đi qua, và là cơ sở chế tạo các linh kiện thiết bị quang học (máy chụphình, kính viễn vọng v.v ) tốt nhất

- Nhựa epoxy là loại nhựa có nhiều ưu điểm tốt và được sử dụng rộng rãi đểchế tạo vật liệu composite như có tính ổn định hoá học, bền hoá chất, có tính cơ họccao, nó có độ bám dính cao với nhiều loại cốt, tiện lợi khi xử lý công nghệ, tạo dángcác kết cấu và có thể giữ lâu ở trạng thái chưa đóng rắn, tiện lợi cho việc chế tạo kếtcấu và các bán thành phẩm

Việc sử dụng nhựa epoxy trên nền cốt sợi thuỷ tinh làm tăng tính bền cơ họclên đáng kể và rất thích hợp để chế tạo thiết bị chống ăn mòn hoá chất

Qua nghiên cứu đã lựa chọn được hai loại nhựa Epoxy: EP- 3 và EP- 4 trong

số 5 loại epoxy có trên thị trường, có khối lượng phân tử trung bình, độ nhớt và cácchỉ số hoá học thích hợp cho yêu cầu đề tài

Kết luận

Căn cứ vào đặc điểm, yêu cầu cánh turbine mà đề tài thiết kế và tham khảo cáctài liệu có được, tác giả lựa chọn vật liệu composite nền nhựa cốt sợi thủy tinh (E =39,1GPa) để chế tạo cánh turbine

CHƯƠNG 5

KẾT LUẬN CHUNG 5.1 Kết quả luận văn đã đạt được

- Xác định được hệ số chuyển đổi năng lượng gió thành cơ năng khi gió đi qua turbine

- Xác định được quan hệ giữa vận tốc gió và công suất turbine

- Xác định được hệ số cản lực của của cánh turbine khi có gió tác động

- Xác định được góc đặt cánh hợp lý để turbine đạt công suất tối đa

- Xác định được kích thước chiều cao và đường kính rotor, chiều dài dây cung cánh turbine cho máy phát điện bằng sức gió công suất 3kw

- Xác định được quy luật đường gió di chuyển qua các cánh turbine

- Luận văn là nguồn tài liệu cho các đề tài khác liên quan tham khảo

5.2 Những kiến nghị nghiên cứu tiếp theo

- Cần xây dựng được phần mềm chuyên dùng để thiết kế biên dạng cánh

- Nghiên cứu ảnh hưởng lực quẩn của gió tác động tới cánh

- Ảnh hưởng của hằng số Reynoilds đến cánh turbine trong quá trình tính toán khí động học gió

- Có thể sử dụng phần mềm XFOIL để hỗ trợ thiết kế biên dạng cánh cho cácturbine có công suất khác nhau