Nghiên cứu tính toán và thiết kế cơ cấu dẫn động điều khiển góc cánh Turbine gió kiểu trục đứng cho máy phát điện công suất 10KW

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP --- LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ CẤU DẪN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ CẤU DẪN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN GÓC CÁNH TURBINE GIÓ KIỂU TRỤC ĐỨNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN

CÔNG SUẤT 10KW

GIANG NGỌC THANH

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-

GIANG NGỌC THANH

NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ CẤU DẪN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN GÓC CÁNH TURBINE GIÓ KIỂU TRỤC ĐỨNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN

CÔNG SUẤT 10KW

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

PGS.TS Nguyễn Đăng Hòe

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Giang Ngọc Thanh - Học viên cao học lớp K11- Công nghệ chế tạo máy (khóa học 2008 - 2010) tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học 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 cơ cấu dẫn động điều khiển góc cánh turbine gió kiểu trục đứng cho máy phát điện công suất 10KW”

Được sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của PGS TS Nguyễn Đăng Hoè và sự

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

Tôi cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong luận văn này là do tự bản thân tôi thực hiện, không sao chép của người khác và chưa từng được ai công bố trong bất

kỳ một công trình nào khác Trừ các phần tham khảo đã được nêu rõ trong Luận văn Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Thái Nguyên, ngày 03 tháng 11 năm 2010

Tác giả

Giang Ngọc Thanh

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 thầy giáo hướng dẫn khoa học PGS TS Nguyễn Đăng Hoè - Phó hiệu trưởng trường Đại học kỹ thuật công nghiêp - Đại học Thái Nguyên đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ và tạo điều kiện để tôi thực hiện hoàn chỉnh luận văn tốt nghiệp

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

Sư phạm - Đại học Thái Nguyên và trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình giảng dạy trong hai năm học vừa qua

Cảm ơn Lãnh đạo UBND tỉnh Thái Nguyên, Ban lãnh đạo Sở Công Thương Thái Nguyên và các phòng ban chức năng của Sở Công Thương Thái Nguyên (số 4 - đường Cách mạng tháng tám - thành phố Thái Nguyên - tỉnh Thái Nguyên) đã tạo mọi điều kiện để tôi thực hiện và hoàn thành khóa học này

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

Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn không tránh khỏi sai sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô giáo, các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp

Thái Nguyên, ngày 03 tháng 11 năm 2010

Tác giả

Giang Ngọc Thanh

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 2

Chương 1 GIỚI THIỆU 4

1.1 Đặt vấn đề 4

1.2 Giới thiệu về việc sử dụng năng lượng gió - turbine gió 5

1.3 Tính cấp thiết của đề tài 10

1.4 Mục tiêu và ý nghĩa nghiên cứu 11

1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 11

1.6 Các kết quả chính 12

1.7 Cấu trúc luận văn 12

Chương 2.CÁC VẤN ĐỀ CƠ SỞ 14

2.1 Cơ sở tính toán lực khí động 14

2.1.1 Lý thuyết Albert Betz 14

2.1.2 Mô hình toán lực khí động trên cánh turbine 16

2.2 Một số dạng kết cấu VAWTs điển hình 19

2.2.1 Kiểu VAWT cánh cố định 19

2.3 Phân tích kết cấu Novel VAWT có khả năng điều chỉnh góc hứng gió 26

2.3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của kết cấu 26

2.4 Đề xuất kết cấu VAWT mới khả điều chỉnh góc hứng gió của cánh 29

CHƯƠNG 3 ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC MÔ HÌNH VAWT MỚI 32

3.1 Nguyên lý hoạt động của turbine 32

3.2 Phân tích lực khí động 32

3.3 Kết luận chương 3 41

Chương 4 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CƠ CẤU DẪN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN GÓC CÁNH TURBINE 43

4.1 Phân tích nguyên lý điều khiển-dẫn động cánh turbinee 43

4.2 Phân tích động học cơ cấu 45

4.3.1 Tính số bậc tự do 46

4.3.2 Tính tỷ số truyền với các cánh ở nửa bên có răng của bánh răng 1 46

4.3 Thiết kế cơ cấu điều khiển - dẫn động cánh hệ thống VAWT 10KW 47

4.3.1 Thông số thiết kế các chi tiết trong cơ cấu điều khiển 05 cánh turbine 48

4.4 Mô phỏng nguyên lý hoạt động của hệ thống VAWT mới 59

4.5 Kết luận chương 4 61

KẾT LUẬN 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

HAWTs hệ turbine gió kiểu trục ngang

VAWTs hệ turbine gió kiểu trục đứng

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu tạo bộ dẫn động cơ khí của turbine gió trục ngang

Hình 1.2 Hình ảnh vận chuyển cánh turbine gió trục ngang ở nước Anh Hình 1.3 Hệ thống turbine gió trục đứng có biên dạng cánh phức tạp Hình 2.1 Khí động học cánh Rotor

Hình 2.2 Lực khí động học cánh turbine

Hình 2.3 Turbine kiểu dạng chén

Hình 2.4 Turbine kiểu Darrieus và các dạng cải tiến của nó

Hình 2.5 Lực khí động học trên phần tử cánh Turbine Darrieus/H.rotor Hình 2.6 Turbine kiểu Savonius

Hình 2.7 Rotor dạng tấm phẳng bán hành trình

Hình 2.8 Hệ thống cyclogyro

Hình 2.9 Hệ thống Lagarde

Hình 2.10 Hệ thống kiểu đĩa

Hình 2.11 Hệ thống Novel Vertical Axis Wind Turbine

Hình 2.12 Cấu tạo của Novel VAWT

Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lý hoạt động

Hình 2.14 Vị trí cánh trong chu kỳ sinh công của turbine

Hình 2.15 Vị trí cánh trong chu kỳ không sinh công của turbine

Hình 3.1 Vị trí cánh trong chu kỳ sinh công (trái) và chu kỳ sinh công

(phải) Hình 3.2 Gió tác động lên cánh

Hình 3.3 Các thành phần lưc Fl

và Fd

tác dụng lên cánh Hình 3.4 Các thành phần lực tiếp tuyến và pháp tuyến ở nửa bên phải

Hình 3.5 Lực tác dụng lên rotor tại vị trí 1

Hình 3.6 Lực tác dụng lên rotor tại vị trí 2

Hình 3.7 Lực tác dụng lên rotor tại vị trí 3

Hình 3.8 Lực tác dụng lên rotor tại vị trí 4

Hình 3.9 Quan hệ giữa Cm, Cl, và góc tới của cánh NACA 0010-65 Hình 4.1 Vị trí cánh trong chu kỳ sinh công của turbine

Hình 4.2 Vị trí cánh trong chu kỳ không sinh công của turbine

Hình 4.3 Sơ đồ cơ cấu điều khiển/ dẫn động góc xoay cánh turbine Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý cơ cấu điều khiển/ dẫn động

Hình 4.5 Phân tích chiều chuyển động của các bánh răng

Hình 4.6 Kích thước tổng thể cơ cấu điều khiểngóc xoay cánh

Hình 4.20 Các chi tiết thuộc cụm chi tiết số 19

Hình 4.21 Hình ảnh mô phỏng cơ cấu điều khiển 5 cánh turbine

Chương 1 GIỚI THIỆU

1.1 Đặt vấn đề

Hiện nay, trong số các nguồn năng lượng mới, năng lượng bằng sức gió phát triển nhanh nhất trên thế giới vì nguyên liệu dồi dào, rẻ tiền, dễ áp dụng,

sạch và không làm hại môi trường Các máy phát điện lợi dụng sức gió (trạm

phong điện) đã được sử dụng nhiều ở các nước châu Âu, Mỹ và các nước công

nghiệp phát triển khác Đức đang dẫn đầu thế giới về công nghệ phong điện

Hiện tại, các trạm phong điện trục ngang (gồm một máy phát điện có trục

quay nằm ngang với turbine 3 cánh đón gió) đang được sản xuát và sử dụng phổ

biến hơn nhiều so với các trạm phong điện trục đứng (gồm một máy phát điện

có trục quay thẳng đứng với các cánh đón gió đặt thẳng đứng) Hiện có các loại máy phát phong điện với công suất rất khác nhau, từ vài trăm W tới hàng MW Các trạm phong điện có thể hoạt động độc lập hoặc cũng có thể nối với mạng điện quốc gia Các trạm phong điện có thể phát điện khi tốc độ gió từ 3 m/s (11 km/h), và tự ngừng phát điện khi tốc độ gió vượt quá 25 m/s (90 km/h) Tốc độ gió hiệu quả từ 10 m/s tới 17 m/s, tùy theo từng thiết bị phong điện

Đối với hệ turbine gió kiểu trục ngang (HWAT) Đây là hướng đi chủ yếu của các công ty lớn cũng như của nhiều nhà khoa học trên thế giới, với những thành công vượt bậc về công nghệ, thể hiện qua sản phẩm mang tính thương mại hóa của một số hãng chế tạo nổi tiếng thế giới như Vestas (Denmark) với các

sản phẩm V52-850 kW, V80-1.8 MW, V80-2.0 MW, V82-1.65 MW, 1.8&2.0 MW, V90-3.0 MW; Suzlon (India) với các turbine 950 kW to 2 MW; công ty GE Energy (USA) có các sản phẩm 1.500 - 3.600 kW; Siemens(germany) đưa ra thị trường các turbine lớn 1.3 MW, 2.3 MW và 3.6 MW; v v Tuy nhiên các hệ thống này hiện được xem là rào cản lớn về mặt công nghệ chế tạo tại Việt Nam, do đó các dự án phát triển phong điện trong nước hiện đang đi theo hướng nhập khẩu thiết bị hoàn chỉnh để xây dựng các nhà máy điện gió tại một số khu vực tiềm năng

V90-1.2 Giới thiệu về việc sử dụng năng lƣợng gió - turbine gió

Các trang trại gió ngoài khơi đầu tiên là ở Cape Cod, Massachusetts Trang trại gió lớn nhất thế giới là Horse Hollow Trung tâm Năng lượng gió, tại Texas, với 421 turbine gió có khả năng cung cấp điện cho 220.000 hộ gia đình / năm Ngày nay, năng lượng gió là một nguồn năng lượng hấp dẫn, thay thế cho nhiên liệu hóa thạch, vì nó rất phong phú, có thể tái tạo, phân phối rộng rãi, sạch

sẽ và sản xuất không thải khí nhà kính Tính đến năm 2009, tỷ lệ phần trăm điện

mà có nguồn gốc từ năng lượng gió là 19% ở Đan Mạch, 13% ở Tây Ba Nha và

Bồ Đào Nha, 7% ở Đức và Ireland

Hiện nay, năng lượng gió chủ yếu là chuyển đổi thành điện năng bằng cách triển khai turbine gió Có nhiều turbine gió với những công suất khác nhau

từ khoảng 1kW đến hàng MW Chúng có thể phát điện khi tốc độ gió đạt 2,8m/s

và tự ngưng phát điện khi tốc độ gió vượt quá 25m/s, và hoạt động hiệu quả trong tốc độ gió từ 10m/s đến 17m/s Turbine gió được chia thành hai loại: một loại trục đứng giống như máy bay trực thăng (vertical axis wind turbines - VAWTs) và một loại trục ngang (horizontal axis wind turbines - HAWTs)

Turbine gió trục ngang là loại phổ biến hơn, thường có 2 hay 3 cánh quạt Ngày nay turbine gió trục ngang 3 cánh quạt được sử dụng rộng rãi

Turbine gió ngang có một trục rôto chính và máy phát điện ở phía trên tháp, hoạt động theo chiều gió với bề mặt cánh quạt hướng về chiều gió đang thổi nhờ một van gió, chúng rất lý tưởng cho những nơi hướng gió thay đổi thường xuyên Không giống như turbine dọc, turbine gió dạng trục ngang hoạt động đúng hướng gió, và cánh turbine dao luôn luôn di chuyển vuông góc với gió, năng lượng nhận được thông qua toàn bộ luân chuyển Do khả năng đa chiều, turbine gió trục ngang có thể chuyển đổi thành năng lượng gió nhiều hơn cho hiệu quả cao hơn và sản lượng điện tốt hơn turbine gió trục dọc Hơn nữa, các cơ sở tháp cao cho phép gió vào mạnh hơn, luồng gió ổn định hơn là gần mặt đất Khi tổng sản lượng và hiệu quả là những cân nhắc quan trọng nhất, trục ngang turbine gió thường được sử dụng

Hình 1.1 Cấu tạo bộ dẫn động cơ khí của turbine gió trục ngang

Bên cạnh đó, HAWTs có một số nhược điểm như là:

 Cần phải xây dựng một tháp lớn để lắp đặt hệ thống turbine có trọng lượng lớn, hộp số và máy phát điện, HAWTs cao rất khó để lắp đặt, cần cẩu rất cao và đắt tiền và cần có kỹ năng vận hành

 Các tòa tháp cao và cánh turbine lên đến 45 mét, dài rất khó để vận chuyển Giao thông vận tải có thể số tiền đến 20% chi phí thiết bị (Hình 1.2)

Hình 1.2 Hình ảnh vận chuyển cánh turbine gió trục ngang ở nước Anh

 Chiều cao của HAWTs làm ảnh hưởng đến tầm nhìn rộng, phá vỡ cảnh quan và đôi khi tạo ra sự phản đối của địa phương

 HAWTs cần phải có thêm bộ phận lái các cánh turbine và vỏ động cơ về hướng gió

 Các cánh quay vuông góc với hướng gió gây nên sự mỏi của cơ cấu

 Để giảm thiểu sự mỏi do nhiễu loạn không khí, turbine gió thường được định vị cách nhau một khoảng bằng 5 lần đường kính rôto, nhưng khoảng cách phụ thuộc vào nhà sản xuất và mô hình động cơ turbine

Mặc dù ít phổ biến hơn nhưng turbine gió dạng trục dọc vẫn luôn được quan tâm và có liên tục có những thiết kế, mô hình mới Các thiết kế cho turbine gió trục đứng hiện nay có nguồn gốc chủ yếu từ các nhà phát minh mang tính cá nhân VAWTs có rôto trục chính được bố trí theo chiều dọc, lợi thế chính của sự sắp xếp này là turbine không phải xoay cả hệ thống theo phương gió Ưu điểm của VAWTs là máy phát điện và hộp số của nó có thể được đặt gần mặt đất, làm cho việc bảo trì được dễ dàng hơn và giảm chi phí xây dựng ban đầu VAWTs nằm gần mặt đất có thể tận dụng lợi thế ở những đỉnh núi bằng phẳng, ngọn đồi, qua kênh gió và tốc độ gió tăng lên Hơn nữa, VAWTs có thể được xây dựng tại địa điểm mà các cấu trúc cao đều bị cấm VAWTs có tốc độ gió khởi động thấp hơn HAWTs Thông thường, chúng bắt đầu tạo ra điện ở tốc độ gió 6 mph (2,8m/s)

Hình 1.3 Hệ thống turbine gió trục đứng có biên dạng cánh phức tạp

Trái ngược với HAWTs, VAWTs có những nhược điểm sau đây:

 Tốc độ gió là chậm ở độ cao thấp hơn, năng lượng gió vì vậy ít có sẵn cho một turbine kích thước nhất định Và luồng không khí gần mặt đất có các cơ

sở hạ tầng, cây cối,…tạo ra dòng chảy hỗn loạn Tuy nhiên, khi một động cơ turbine được đặt trên một nóc nhà có thể tăng gấp đôi tốc độ turbine Nếu chiều cao của tháp được đặt trên tầng thượng của turbine là khoảng 50% chiều cao xây dựng, điều này là gần tối ưu cho năng lượng gió tối đa và nhiễu loạn gió tối thiểu

 Trong một chu kỳ, các turbine gió trục thẳng đứng luôn có những bề mặt cánh chống lại gió, điều này đã dẫn đến hiệu quả thấp

VAWTs mới phổ biến ở dạng công suất nhỏ, các công ty sản xuất turbine đang hướng tới phát triển các trạm phát điện công suất vừa và nhỏ phù hợp với các trang trại, hộ gia đình, những nơi bị cô lập với nguồn điện Nghiên cứu đang được thực hiện trên các VAWTs trong một nỗ lực để tăng sản lượng năng lượng năng lượng của chúng và giảm thiểu tiếng ồn Các kỹ sư hy vọng sẽ cải thiện VAWTs để nó cuối cùng có thể được sử dụng rộng rãi trong các đô thị, nơi không gian cho việc cài đặt trang trại gió bị hạn chế

Có thể thấy rằng, đối với hệ turbine gió kiểu trục đứng phạm vi cũng như quy mô sử dụng còn rất khiêm tốn so với các hệ thống HWAT, chủ yếu các hệ thống VWAT được sản xuất và đưa ra thị trường hiện nay là loại cánh turbine cố định, có thể hoạt động bình đẳng với mọi hướng gió nên có cấu tạo đơn giản, các bộ phận đều có kích thước không quá lớn nên vận chuyển và lắp ráp dễ dàng, độ bền cao, duy tu bảo dưỡng đơn giản Với đặc điểm như vậy, nên thị trường mà các công ty R&D (nghiên cứu chế tạo và thương mại hóa) hệ thống này (chủ yếu của Trung Quốc) hiện đang hướng tới là các trạm phát điện độc lập, công suất vừa và nhỏ, phù hợp với các trang trại, hộ gia đình hay nhưng nơi độc lập xa trung tâm Các nghiên cứu về hệ thống này cũng còn tương đối hạn chế, chủ yếu tập trung theo hướng nghiên cứu động lực học cánh turbine nhằm

nâng cao hiệu quả mặt hứng gió và giảm thiểu ảnh hưởng của mặt cản gió cho cánh turbine Đặc biệt, những công bố mới theo hướng nghiên cứu cánh turbine được điều khiển chủ động nhằm đạt hiệu quả tối đa ở hành trình hứng gió và cản tối thiểu ở hành trình cản gió còn rất hạn chế

Các nghiên cứu trong nước về hệ thống turbine gió nói riêng và phong điện nói chung còn đặc biệt ít Nhóm nghiên cứu của GS-TSKH Nguyễn Phùng Quang [4] đã tập trung vào vấn đề xây dựng các bộ điều khiển: bộ điều khiển nạp bank accu, bộ điều khiển công suất phát, bộ nghịch lưu và tích hợp với hệ thống turbine gió và máy phát nhập ngoại; Một số nghiên cứu tập trung theo hướng điều khiển máy phát điện (phần phát) chạy bằng sức gió; Luận văn Thạc

sỹ của Chu Đức Quyết [2], ở đề tài này đã tính toán thiết kế các vị trí, số cánh, kích thước hệ thống cánh phẳng cho máy phong điện kiểu trục đứng

1.3 Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam có diện tích bờ biển dài với nguồn gió phong phú và ổn định, tốt cho các máy phong điện hoạt động và phát triển Những địa điểm có tiềm năng phát triển phong điện bao gồm vùng ven biển, hải đảo, vùng núi cao biên giới Đặc biệt là địa bàn các tỉnh Quảng trị, Bình định, vv… 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 trạm phát điện diezen đang hoạt động ở những khu vực này hiện nay

So sánh giữa hai hệ thống phong điện kiểu trục ngang và trục đứng cho thấy: Về lý thuyết, hệ thống trục đứng có những ưu điểm nổi trội so với hệ thống trục ngang: Có thể hoạt động ở tốc độ gió thấp, do đó độ cao của tháp thấp hơn,

độ an toàn trong bão cao hơn; hiệu suất chuyển đổi công suất gió/cơ học cao hơn (tới 50%), do đó chi phí sản xuất, tiêu hao vật tư và chi phí đầu tư thấp hơn; khả năng công nghệ tốt hơn Tuy nhiên, để phát huy được những ưu điểm trên, đặc

biệt là việc nâng cao hiệu suất chuyển đổi công suất gió/cơ học ở các hệ thống

có công suất lớn, đòi hỏi các cánh turbine phải có khả năng điều chỉnh chống cản gió trong hành trình không sinh công Vấn đề này hiện chưa có được một nguyên lý cũng như công nghệ phù hợp Vì vậy, hệ thống trục đứng mới chỉ phổ

biến ở dạng công suất nhỏ, không có cơ cấu điều khiển góc hứng gió của các

cánh

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

cơ cấu dẫn động điều khiển góc cánh Turbine gió kiểu trục đứng cho máy phát điện công suất 10KW” là nội dung rất cần thiết, góp phần quan trọng trong

nghiên cứu về hệ thống turbine gió kiểu trục đứng điều khiển góc hứng gió chủ động

1.4 Mục tiêu và ý nghĩa nghiên cứu

a Mục tiêu

Đề xuất cơ cấu dẫn động/điều khiển góc cánh turbine gió kiểu trục đứng với 5 cánh, phương hứng gió biến thiên Đảm bảo tính hiệu quả về mặt kết cấu, nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió/cơ học của hệ thống VAWT

1.5 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

a Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng đề tài nghiên cứu là cơ cấu dẫn động điều khiển góc cánh turbine gió kiểu trục đứng cho máy phát điện bằng sức gió công suất 10kW

b Phạm vi nghiên cứu

Cơ cấu điều khiển/dẫn động cánh turbine trong mô hình VAWT có khả năng điều chỉnh góc hứng gió, áp dụng cho các VAWT công suất nhỏ đến 10KW

1.6 Các kết quả chính

- Luận văn đã đề xuất được mô hình VAWT mới có khả năng điều chỉnh góc hứng gió các cánh turbine Mô hình này có kết cấu hệ thống điều khiển/dẫn động cánh hoàn toàn bằng các cơ cấu cơ khí đơn giản, đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió/công suất cơ cao

- Đã thiết kế chi tiết hệ thống cơ cấu điều khiển/dẫn động cánh turbine cho

mô hình VAWT đã đề xuất

- Mô phỏng nguyên lý hoạt động của cơ cấu nói riêng và mô hình VAWT mới nói chung

1.7 Cấu trúc luận văn

Luận văn được trình bày trong 4 chương với các nội dung chính như sau:

Chương 1 Trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

liên quan đến nội dung của đề tài Trên cơ sở đó xác định nhiệm vụ nghiên cứu, mục tiêu nghiên cứu của luận văn

Chương 2 Phân tích một số kết cấu VAWT có khả năng điều chỉnh góc hứng

gió đã được nghiên cứu trên thế giới, từ đó đề xuất phương án thiết kế của luận văn dựa trên một số cải tiến phù hợp Đồng thời cũng trình bày những cơ sở lý thuyết về lực khí động phục vụ cho việc tính toán, thiết kế và kiểm nghiệm đặc tính khí động học cho hệ thống VAWT đề xuất

Chương 3 Tính toán đặc tính kỹ thuật lực khí động cho thiết kế VAWT 10KW

nhằm đánh giá tính hiệu quả về hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió/công suất

cơ học của mô hình VAWT đã đề xuất

Chương 4 Thiết kế chi tiết hệ thống điều khiển góc hứng gió cánh turbine của

mô hình VAWT đề xuất

Kết luận và kiến nghị

Chương 2

CÁC VẤN ĐỀ CƠ SỞ 2.1 Cơ sở tính toán lực khí động

2.1.1 Lý thuyết Albert Betz

Đây là lý thuyết cơ bản trong tính toán khí động học cánh turbine gió Lý thuyết đề cập đến 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 turbine,

bộ phận cột đỡ,các cơ cấu khác, bố trí địa điểm trong môi trường lưu động Xét khí động học tác động lên cánh rotor như hình vẽ sau:





S1

V S

Trong đó:

V - là vận tốc gió thực tế di chuyển qua rotor và giả thiết gió đều tới diện

tích quét của cánh S

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

V 2 - là vận tốc gió sau khi di chuyển qua turbine

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

S 2 - là 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 bị giảm đi qua rotor bị giảm đi, như vậy V2 phải nhỏ hơn V1 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 S2lớn hơn S1

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:

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

F = SV(V 1 – V 2 ) (2.2) Công suất đạt được là:

1 V V SV

V  

(2.5) Lực tác dụng lên rotor và công suất cung cấp được tính theo công thức:

( )

2

2 2

1 V V SV

1 V V V V

S

P    (2.7)

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 ta có:

) 3 2

( 4

2 2 1 2 1 2

V V V V S dV

- 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:

3

1 max

27

8

SV

P   (2.9) Trong đó  là trọng lượng riêng của không khí, ta thay  = 1.25 kg/m3

1 3

1 max 0 , 37 27

8

SV SV

P    (2.10)

2.1.2 Mô hình toán lực khí động trên cánh turbine

a Sơ đồ hóa lực khí động tác dụng trên cánh turbine

Khi rotor quay một chu trình (một vòng quay) thì mỗi cánh chuyển động qua hai giai đoạn là: giai đoạn (hành trình) sinh công và hành trình cản công Do

đó, cần khảo sát lực khí động tác dụng lên cánh turbine tại vị trí bất kỳ ứng với hành trình sinh công và hành trình cản như hình 2.2

Trong đó: θ - Góc hướng tâm; β - Góc đặt cánh và i - Góc tới theo phương gió

Quan hệ các góc:

0 90





  

Hình 2.2 Lực khí động trên cánh turbine

Áp lực gió trên hành trình sinh công:

91,29

])()

cos([C1 V 2 C2 R 2S

Áp lực gió trên hành trình cản công:

91,29

])()cos

C 2 - Hệ số lực cản gió mặt cản gió của cánh;

R[ft] - Bán kính rotor;

ω[rad/s] - Vận tốc góc rotor

b Mô hình tính toán hệ thống VAWT biên dạng cánh kiểu bán trụ

Diện tích quét gió của VAWT được xác định từ hệ thức:

32

1

SV C

P p (2.14)

Trong đó:

C p là hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió/cơ học, (Cp: 0,25÷0.59)

ρ - Mật độ không khí

P - Công suất tính toán của rotor, với quan hệ công suất máy phát và công

suất tính toán của rotor: Pe = 0,8P

V - Vận tốc gió

S - Diện tích quét gió của VAWT (S=D.h) Để cánh turbine đạt hiệu quả về

diện quét gió lớn, chọn D = h

Chiều rộng cánh turbine được xác định dựa trên thông số đường kính rotor

và số cánh turbine, theo yêu cầu tránh hiện tượng cản gió giữa các cánh

Với turbine 5 cánh, chọn b = 0,15D [1]

Mômen quay rotor tức thời có thể được xem là giá trị mô men quay trung bình của rotor ở một số trạng thái đại diện Giá trị mô men tại các trạng thái này được xác định bằng cách tính toán lực khí động trên mỗi cánh turbine ở vị trí

tương ứng, với góc đặt cánh hiệu quả β = 300 Theo đó, giá trị mô men quay của rotor được xác định theo biểu các thức sau:

Mô men phát sinh trên mỗi cánh thuộc hành trình sinh công:

])()

cos([

] ) ( ) cos [(

033 ,

Xác định vận tốc góc cho rotor Bằng việc giải hệ phương trình:

(2.18) Trong đó:

Các chỉ số „i’ và „j‟ tương ứng chỉ các cánh nằm trong hành trình sinh công

và hành trình cản; và „k‟ là các trạng thái đại diện

Trong thực tế tính toán, thiết kế các thông số kết cấu turbine, ngoài cách tiếp cận như trên, ta còn tiếp cận theo hướng xuất phát từ các thông số kỹ thuật của máy phát điện, bao gồm momen quay và tốc độ quay của rotor máy phát Theo hướng tiếp cận này, các thông số được xác định sẽ lần lượt là: bán kính turbine, độ rộng cánh turbine và chiều cao turbine

2.2 Một số dạng kết cấu VAWTs điển hình

2.2.1 Kiểu VAWT cánh cố định

Bộ phận chính của một turbine gió là cánh Khả năng quay của cánh là một nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất turbine gió Dẫn đến việc phải nghiên cứu hình dạng, kích thước cánh tối ưu hay thiết kế khí động học hình dạng cánh Ngoài ra, đối với turbine dạng trục đứng, còn có thể khắc phục nhược điểm bằng cách thiết kế cơ cấu thay đổi hướng cánh hoặc phối kết hợp với việc thiết kế hình dạng cánh

Đi theo hướng thiết kế khí động học hình dạng cánh, các kiểu dáng cánh điển hình sau đã được phát minh và đưa vào sử dụng:

 Kiểu dạng chén

Đây là kiểu turbine hoạt động dựa trên độ lợi về tỷ số hệ số cản giữa 2 bề mặt: Cbề mặt hứng gió/Cbề mặt cản gió >>1 Loại này thường được sử dụng để chế tạo các thiết bị đo gió

Hình 2.4a Hình 2.4b Hình 2.4c

Hình 2.4 Turbine kiểu Darrieus và các dạng cải tiến của nó

Hình 2.5 Lực khí động trên phần tử cánh turbine Darrieus/H rotor

 Kiểu Savonius

Kiểu savonius có các cánh có thể được làm bằng nhiều cách khác nhau như với các thùng, các cánh buồm, các thùng dầu Rotor Savonius có dạng chữ S khi nhìn từ trên xuống và nó được bắt nguồn từ Finland Kiểu turbine này có tốc độ thấp

Hình 2.5 Turbine kiểu Savonius

2.2.2 Kiểu VAWT góc cánh thay đổi nhằm tăng hiệu suất

Hiện nay, để thay đổi hướng đón gió của cánh turbine, các nhà phát minh

đã và đang nghiên cứu theo cách dùng kết cấu cơ khí hoặc ứng dụng hệ thống điều khiển độc lập trên từng cánh Nếu sử dụng hệ thống điều khiển thì chi phí cho chúng và công suất điều khiển là quá lớn so với công suất phát điện

 Turbine kiểu tấm phẳng bán hành trình

Ở kết cấu này (hỉnh 2.6), các cánh turbine có dạng tấm phẳng được gắn cứng với giá Tuy nhiên khả năng vận hành được đảm bảo nhờ cơ cấu chắn gió dạng bán trụ , nhờ đó ở hành trình không sinh công các cánh turbine không chịu tác động của gió Cơ cấu này có khả năng tự động định phương nhờ phần đuôi (rudder) Kết cấu này tương đối đơn giản, tuy nhiên hạn chế lớn nhất chính là kết cấu vỏ trụ chắn gió tự xoay, kết cấu này sẽ trở nên rất cồng kềnh với turbine

có kích thước lớn và bản thân nó phải chịu áp lực gió rất lớn trong quá trình làm việc Do đó, kết cấu này chỉ dừng ở mức mô hình hoặc turbine có công suất nhỏ

Hình 2.7 Hệ thống cyclogyro

Hệ thống Cyclogyro là một biến thể của dạng Darrieus, có các cánh có thể điều chỉnh hướng đón gió, do đó cho hiệu quả cao hơn kiểu Darrieus cổ điển Sự thay đổi góc đón gió của cánh được thực hiện nhờ cơ cấu tay quay thanh truyền hoặc cơ cấu bánh răng

 Hệ thống Darrieus được thiết kế bởi Lagarde (trường đại học Montpellier) và Evans (trường đại học ST Andrews)…

Trong thiết kế của Lagarde góc quay của cánh được điều chỉnh bởi một thanh đàn hồi gắn vào phần đuôi cánh (“trailing edge”) và bị giới hạn bởi hai bộ phận định vị Trong thiết kế của Evans thì nhờ con chạy gắn với phần trước của cánh (leading edge) bởi một lò xo làm nó có thể trượt trên trục nối cánh với trục quay mà góc quay của cánh được điều chỉnh Ưu điểm của hai thiết kế này là chúng có thể tự khởi động

Hình 2.8 Hệ thống Lagarde

 Hệ thống kiểu đĩa được thiết kế bởi Robert D Hunt [19]

Hệ thống này (Hình 2.9), có cơ cấu điều khiển độ mở của từng cặp cánh phụ thuộc vào vị trí của cặp cánh trong hành trình làm việc của turbine Có thể thấy đây là hệ thống cho hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió/cơ học cao, tuy nhiên cơ cấu điều khiển/dẫn động khá phức tạp và kém khả thi với VAWT công suất vừa và lớn

Hình 2.9 Hệ thống kiểu đĩa

 Hệ thống Novel Vertical Axis Wind Turbine [20]

Hệ thống này (Hình 2.10), có cơ cấu điều khiển/dẫn động góc cánh liên tục trong cả vòng quay, nhờ cặp truyền động bánh răng giữa bánh răng trung tâm

(đồng trục với trục rotor) và các bánh răng gắn liền trục với trục cánh Có thể thấy đây là hệ thống cho hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió/cơ học khá cao, cơ cấu điều khiển/dẫn động khá đơn giản

Hình 2.10 Hệ thống Novel Vertical Axis Wind Turbine

2.3 Phân tích kết cấu Novel VAWT có khả năng điều chỉnh góc hứng gió

2.3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của kết cấu

Hình 2.11, hình 2.12 mô tả cấu tạo và nguyên lý của kết cấu VAWT này

Hình 2.11 Cấu tạo của Novel VAWT

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

Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý hoạt động

Nhờ xích truyền động là cặp bánh răng côn giữa trục của giá đỡ cố định (tạm thời) và trục cánh turbine, mà mỗi cánh turbine sẽ được quay 1 vòng liên tục khi rotor quay đủ 1 vòng quanh trục giá đỡ Với việc thiết lập góc ban đầu cho từng cánh turbine, mà mỗi cánh turbine có khả năng đạt góc hứng gió hiệu quả trong hành trình sinh công và giảm thiểu được công cản trong hành trình không sinh công Trong hệ thống này, bánh răng trung tâm được gắn với đuôi hướng gió, nhờ đó bánh răng trung tâm sẽ được xoay đi một góc tương ứng khi phương của gió thay đổi Đồng thời góc ban đầu của các cánh turbine sẽ tự động được điều chỉnh theo

Hạn chế ở kết cấu này, đó là trong hành trình không sinh công, các cánh turbine vẫn tiếp tục xoay, do vậy chưa giảm thiểu được công cản do các cánh turbine gây ra

Để khắc phục nhược điểm trên, có một số phương án như sau:

Phương án 1 Tại chu kỳ không sinh công, giải phóng xích truyền động giữa trục giá đỡ và trục cánh và để cánh tự do xoay Phương án này sẽ đảm bảo rằng công cản sinh ra bởi mỗi cánh là cực tiểu; tuy nhiên, phương án này gặp khó khăn về mặt kỹ thuật vì không thể tái xác lập lại góc cánh ban đầu khi bắt đầu trở lại hành trình sinh công

Phương án 2 Tại chu kỳ không sinh công, thiết lập 1 xích truyền động thứ

2 nhằm điều chỉnh liên tục góc cánh để giảm thiểu công cản do cánh gây ra Phương án này rất phức tạp về mặt kỹ thuật vì phải thiết kế 2 xích truyền động riêng biệt, đồng thời đảm bảo tính nối tiếp về mặt hành trình giữa 2 xích

Phương án 3 Tại chu kỳ không sinh công, giải phóng xích truyền động nhưng cố định cánh ở một góc xác lập Phương án này khả thi về mặt kỹ thuật

và đảm bảo khả năng giảm thiểu được công cản bởi các cánh do xác lập góc cánh hợp lý trong hành trình cản

Với những phân tích trên đây, tiếp theo luận văn tập trung trình bày một đề xuất kết cấu VAWT mới dựa trên sơ đồ cải tiến từ kết cấu Novel VAWT theo phương án thứ 3

2.4 Đề xuất kết cấu VAWT mới khả điều chỉnh góc hứng gió của cánh

Với ý tưởng thiết kế cơ cấu để điều khiển các cánh turbine dạng phẳng hoặc cong có khả năng hứng gió tối đa trong chu kỳ sinh công và cản gió tối thiểu trong chu kỳ không sinh công Hình 2.13 Trong chu kỳ sinh công tại vị trí

A mặt phẳng cánh tiếp tuyến với quỹ đạo quay, khi turbine quay được 1 góc

1000 cánh đến vị trí B lúc này cánh xoay được 1 góc 900 Tại vị trí B lúc này mặt phẳng cánh vuông góc với hướng gió, công sinh ra của cánh đạt giá trị lớn nhất Trục turbine tiếp tục quay 1 góc 1000

, cánh turbine đến vị trí C, cánh quay được 1 góc 900

(lúc này mặt phẳng cánh có phương tiếp tuyến với quỹ đạo quay)

Vị trí A được gọi là vị trí sinh công sớm của turbine, vị trí C là vị trí thôi sinh công muộn của turbine