NGHIÊN cứu PHÁT TRIỂN máy PHÁT điện GIÓ TRỤC ĐỨNG CÔNG SUẤT NHỎ tự điều CHỈNH CÁNH THEO HƯỚNG GIÓ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHÙNG TẤN LỘC NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ TRỤC ĐỨNG CÔNG SUẤT NHỎ TỰ ĐIỀU CHỈNH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ PHÙNG TẤN LỘC

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ TRỤC ĐỨNG CÔNG SUẤT NHỎ TỰ ĐIỀU CHỈNH CÁNH THEO HƯỚNG GIÓ

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103

S K C0 0 4 9 2 0

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ PHÙNG TẤN LỘC

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ TRỤC ĐỨNG CÔNG SUẤT NHỎ TỰ ĐIỀU CHỈNH

CÁNH THEO HƯỚNG GIÓ

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 62520103

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2016

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ PHÙNG TẤN LỘC

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ TRỤC ĐỨNG CÔNG SUẤT NHỎ TỰ ĐIỀU CHỈNH

CÁNH THEO HƯỚNG GIÓ

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 62520103

Hướng dẫn khoa học: PGS TS ĐẶNG THIỆN NGÔN

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2016

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC

Họ & tên: PHÙNG TẤN LỘC Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 05/10/1984 Nơi sinh: Long An

Quê quán: Cần Giuộc, Long An Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 173 Kinh Sáng, Phước Thuận, Phước

Điện thoại cơ quan: Điện thoại di động: 0979242919

Fax: E-mail: phung_loc@yahoo.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO

1 Trung học chuyên nghiệp

Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ:

Nơi học (trường, thành phố):

Ngành học:

2 Đại học

Hệ đào tạo: Chính Quy Thời gian đào tạo: 2004 đến 2007

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Công Nghiệp Tp.HCM

Ngành học: Công nghệ kỹ thuật Cơ khí

Môn thi tốt nghiệp: Môn cơ sở, Triết học Mác – Lênin, Môn chuyên ngành

Ngày thi tốt nghiệp: 20/10/2007

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC

Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm

2008 đến nay Trường TCN Cần Giuộc Giáo viên

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 10 năm 2016

Phùng Tấn Lộc

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian thực hiện thì luận văn: “Nghiên cứu phát triển máy phát điện gió

trục đứng công suất nhỏ tự điều chỉnh cánh theo hướng gió” của tôi đã hoàn

thành Ngoài sự nổ lực và cố gắng của bản thân, tôi gặp phải một số khó khăn trong quá trình thực hiện Nhờ có sự hướng dẫn giúp đỡ tận tình của quý thầy cô, bạn bè, gia đình tôi đã hoàn thành luận văn của mình Để tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu

sắc, tôi xin chân thành cảm ơn:

- Thầy hướng dẫn khoa học PGS TS Đặng Thiện Ngôn Thầy đã dành nhiều thời gian, tâm huyết và nhiệt tình hướng dẫn, định hướng, góp ý, động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

- Ban giám hiệu, phòng sau đại học và quý thầy cô Khoa Cơ khí trường ĐHSPKT TPHCM, Ban giám hiệu và quý thầy cô Khoa Cơ khí trường TCN Cần Giuộc đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành tốt luận văn

- Các anh, chị, bạn bè, trong và ngoài lớp đã động viên, giúp đỡ tôi tận tình trong suốt thời gian thực hiện luận văn

- Gia đình, người thân đã ủng hộ về tinh thần, vật chất, và tạo điều kiện cho tôi trong suốt những năm học vừa qua

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 10 năm 2016

Phùng Tấn Lộc

TÓM TẮT

Máy phát điện gió trục đứng công suất nhỏ có thể hoạt động với tốc độ gió nhỏ (v < 6 m/s) là một vấn đề đang được quan tâm nghiên cứu phát triển Đã có nhiều giải pháp được đưa ra như tối ưu biên dạng cánh, sử dụng vật liệu nhẹ cho cánh và các kết cấu liên quan, tăng hiệu suất dynamo, sử dụng các ổ trục có ma sát nhỏ, tự điều chỉnh cánh theo hướng gió,… Luận văn trình bày các kết quả nghiên cứu về giải pháp tự điều chỉnh cánh theo hướng gió dựa vào độ lệch tâm của trục mang chong chóng gió và trục quay của tuabin máy phát điện gió trục đứng Một cơ cấu tự điều chỉnh cánh theo hướng gió với các độ lệch tâm tính toán 45,50, 55, 60

mm đã được thiết kế và thử nghiệm Các thí nghiệm cho thấy, cơ cấu tự điều chỉnh cánh theo hướng gió với độ lệch tâm 50 mm giúp máy phát điện gió trục đứng công suất nhỏ có biên dạng cánh NACA có thể hoạt động ở tốc độ gió vào khoảng 2,5 m/s Từ các kết quả nghiên cứu trên, một máy phát điện gió trục đứng công suất nhỏ

tự điều chỉnh cánh theo hướng gió bằng cam lệch tâm (với e = 50mm), biên dạng cánh NACA đã được chế tạo hoàn chỉnh và lắp đặt Qua hoạt động trong thực tế cho thấy, máy có thể vận hành tốt ở những điều kiện gió không lý tưởng (v > 3 m/s), với hiệu suất cao, giá thành thấp, dễ lắp đặt, bảo dưỡng và có thể chế tạo bằng các nguồn nguyên liệu sẵn có tại Việt Nam

ABSTRACT

Small vertical axis wind turbine VAWT can operate under small velocity (v < 6 m/s) is an issue that is being researched to develop further A lot of solutions used to be suggested such as using light material for blades and other structures, increasing efficiency of dynamo, using bearings having small friction coefficient, moving blades related to wind direction,… The memoir of this study was the solution of moving blades related to wind direction, which bases on the eccentricity

of wind vane’s axis and VAWT’s rotating axis A moving blades structure related to wind direction automatically with calculated eccentricities 45, 50, 55 and 60 mm are designed and experimented These resulted in eccentricity value 50 mm makes the small VAWT utilized NACA airfoil type can operate at wind velocity about 2.5 m/s From the above research results, a small vertical axis wind turbine VAWT of moving blades related to wind direction by eccentric cam (with e = 50mm), the NACA airfoil type is completely manufactured and assembled By practical activity shows that machine can operate well in non-ideal wind conditions (v > 3 m/s) with high efficiency, low cost, easy assembly, maintenance and can manufacture by raw materials in Vietnam

MỤC LỤC

Giấy quyết định giao đề tài

Lý lịch khoa học i

Lời cam đoan ii

Lời cảm ơn iii

Tóm tắt iv

Mục lục vi

Danh sách các hình x

Danh sách các bảng xii

Chương 1 MỞ ĐẦU 1

1.1LÝDOCHỌNĐỀTÀI 1

1.2ÝNGHĨAKHOAHỌCVÀTHỰCTIỄNCỦAĐỀTÀI 2

1.2.1 Ý nghĩa khoa học 2

1.2.2 Ý nghĩa thực tiễn 2

1.3MỤCTIÊUVÀNHIỆMVỤNGHIÊNCỨU 3

1.4ĐỐITƯỢNGVÀPHẠMVINGHIÊNCỨU 3

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 3

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 3

1.5PHƯƠNGPHÁPNGHIÊNCỨU 4

1.6BỐCỤCCỦAĐỀTÀI 4

Chương 2 TỔNG QUAN 5

2.1TỔNGQUANVỀNĂNGLƯỢNGGIÓ 5

2.1.1 Năng lượng gió 5

2.1.2 Đơn vị và hướng gió 5

2.1.3 Khảo sát bản đồ gió Việt Nam 6

2.1.4 Tình hình sử dụng năng lượng gió trên thế giới 9

2.2 TIỀMNĂNGPHÁTTRIỂNNĂNGLƯỢNGGIÓCÔNGSUẤTNHỎTẠI VIỆTNAM 11

2.3 TỔNGQUANVỀMÁYPHÁTĐIỆNGIÓ 12

2.3.1 Phân loại máy phát điện gió công suất nhỏ 12

2.3.2 Tuabin gió trục ngang (HAWT) 12

2.3.3 Tuabin gió trục đứng (VAWT) 14

2.3.4 Điều chỉnh cánh tuabin theo hướng gió của VAWT 17

2.3.4.1 Nguyên lý vòng quay lệch tâm 17

2.3.4.2 Nguyên lý điều chỉnh cánh bằng đòn bẩy lò xo 19

2.3.4.3 Sử dụng động cơ bước, động cơ servo 19

2.3.4.4 So sánh các giải pháp điều chỉnh cánh gió 21

2.4 CÁCNGHIÊNCỨULIÊNQUANĐẾNĐỀTÀI 21

2.4.1 Các nghiên cứu trong nước 21

2.4.2 Các nghiên cứu ở ngoài nước 22

2.5 CÁCVẤNĐỀCÒNTỒNTẠITRONGNGHIÊNCỨUHIỆNNAY 23

2.6 KẾTLUẬN 23

Chương 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 24

3.1 CÔNGSUẤTVÀHIỆUSUẤTGIÓTUABIN 24

3.2 TỈSỐTỐCĐỘGIÓĐẦUCÁNH(TSR) 26

3.3 ĐỘNGLỰCHỌCCÁNHVAWT 28

3.4 CƠSỞKHÍĐỘNGLỰCHỌCCỦAĐUÔILÁI 31

3.5 SỰTHAYĐỔIKHÍĐỘNGLỰCHỌCCỦAĐUÔILÁI 33

3.6 PHÂNTÍCHVỊTRÍTHAYĐỔIGÓCCÁNHTHEOHƯỚNGGIÓ 35

3.7 MỘTSỐKIỂUBIÊNDẠNGCÁNHCỦAVAWT 37

3.7.1 Kiểu dạng cánh Savonius 37

3.7.2 Kiểu dạng cánh Darrieus Rotor 38

3.7.3 Kiểu dạng cánh NACA 39

3.7.4 So sánh các kiểu biên dạng cánh VAWT 40

3.8 PHÂNTÍCHCÁCTHÔNGSỐHÌNHHỌCBIÊNDẠNGCÁNHNACA 41

3.9 KẾTLUẬN 44

Chương 4 Ý TƯỞNG THIẾT KẾ VÀ PHƯƠNG ÁN 45

4.1 PHÂNTÍCHVÀCHỌNKIỂUTUABIN 45

4.1.1 Phân tích 45

4.1.2 Các yêu cầu về VAWT tự điều chỉnh cánh 45

4.2 CÁCPHƯƠNGÁNTHIẾTKẾVAWTCÔNGSUẤTNHỎ 46

4.2.1 Phương án chọn số cánh cho VAWT 46

4.2.2 Phương án chọn biên dạng cánh cho VAWT 46

4.2.3 Phương án thiết kế kết cấu cánh cho VAWT 48

4.2.4 So sánh chọn phương án thiết kế kết cấu cánh cho VAWT 50

4.2.5 Điều chỉnh cánh đón gió bằng lệch tâm (Cam) dùng biên dạng cánh NACA 51 Chương 5 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ TRỤC ĐỨNG CÔNG SUẤT NHỎ 53

5.1 THÔNGSỐTHIẾTKẾMÁYPHÁTĐIỆNGIÓ 53

5.2 CÁCCÔNGVIỆCTÍNHTOÁNVÀTHIẾTKẾ 53

5.2.1 Tính toán các thông số làm việc của VAWT 53

5.2.2 Tính toán các thông số thiết kế cánh VAWT theo dạng cánh NACA 57

5.2.3 Tính toán khoảng lệch tâm e cho cơ cấu điều chỉnh cánh đón gió 63

5.2.4 Mô phỏng hướng gió thổi qua cánh VAWT 67

5.2.5 Kết cấu đuôi lái (chong chóng gió) 69

Chương 6 CHẾ TẠO VÀ KIỂM NGHIỆM 71

6.1 CHẾTẠOCÁCBỘPHẬN 71

6.1.1 Chế tạo bộ phận cánh 71

6.1.2 Chế tạo tay gân cánh 72

6.1.3 Chế tạo cơ cấu điều chỉnh cánh theo hướng gió 72

6.1.4 Chế tạo hoàn chỉnh máy 73

6.1.5 Chế tạo cột lắp máy 73

6.1.6 Lắp hoàn chỉnh máy thực tế 74

6.2 THỰCNGHIỆM–ĐÁNHGIÁ 75

6.2.1 Thực nghiệm xác định giá trị lệch tâm e 75

6.2.2 Thực nghiệm xác định khả năng hoạt động của tuabin 76

Chương 7 KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 79

7.1 KẾTLUẬN 79

7.2 KIẾNNGHỊ 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

PHỤ LỤC 84

DANH SÁCH CÁC HÌNH

TRANG

Hình 2.1: Cột xác định hướng gió 6

Hình 2.2: Sơ đồ điện lưới các trạm thủy văn thực hiện đo gió 6

Hình 2.3: Bản đồ tài nguyên gió Việt Nam 7

Hình 2.4: Bản đồ phân bố tốc độ gió của Việt Nam ở độ cao 80 m 8

Hình 2.5: Phát triển điện năng từ nguồn gió ở một số nước trên thế giới 10

Hình 2.6: Biểu đồ sử dụng điện của một số nước trên thế giới 10

Hình 2.7: Windspot 1,5KW 12

Hình 2.8: Upwind turbine 14

Hình 2.9: Turbine Savonius 14

Hình 2.10: Turbine Giromill ( H-rotor) 15

Hình 2.11: Turbine Gorlov 17

Hình 2.12: Phương pháp điều chỉnh cánh theo nguyên lý vòng quay lệch tâm 18

Hình 2.13: Phương pháp điều chỉnh cánh bằng ly tâm của khối lượng quay 18

Hình 2.14: Phương pháp điều chỉnh cánh đòn bẩy – lò xo 19

Hình 2.15: Phương pháp điều chỉnh cánh sử dụng động cơ servo 20

Hình 2.16: Phương pháp điều chỉnh cánh bằng động cơ bước 20

Hình 3.1: Năng lượng gió qua tuabin gió 26

Hình 3.2: Mối quan hệ giữa tỉ số tốc độ gió đầu cánh  và Cp 28

Hình 3.3: Phân tích lực động lực học cánh tuabin gió trục đứng 28

Hình 3.4: Sự di chuyển luồng gió qua cánh tuabin gió dạng cánh NACA 29

Hình 3.5: Sơ đồ thay đổi góc cánh  theo  và  30

Hình 3.6: Hình dạng hình học cơ sở của cánh đuôi lái 32

Hình 3.7: Sơ đồ dịch chuyển đuôi lái quay xung quanh trục đuôi lái 33

Hình 3.8: Sơ đồ dao động của cánh lái theo vận tốc gió 35

Hình 3.9: Sự thay đổi vị trí góc cánh ’ theo hướng gió 36

Hình 3.10: Vị trí thay đổi góc cánh khác nhau 37

Hình 3.11: Biên dạng cánh savonius 37

Hình 3.12: Biên dạng cánh Darrieus Rotor 38

Hình 3.13: Biên dạng cánh NACA 39

Hình 3.14: Kết cấu hình học dạng cánh NACA không đối xứng 41

Hình 4.1:Phân loại số cánh tuabin gió trục đứng 46

Hình 4.2: Các bộ NACA thường dùng 47

Hình 4.3: Cánh tuabin gió có kết cấu dạng khối 48

Hình 4.4: Cánh tuabin gió có kết cấu riêng lẻ 49

Hình 4.5: Phương thức điều chỉnh cánh bằng cơ cấu lệch tâm (cam) 51

Hình 5.1: Biên dạng cánh NACA2412 không đối xứng 58

Hình 5.2: Biên dạng cánh NACA 2412 62

Hình 5.3: Thiết kế kết cấu khung xương cánh 62

Hình 5.4: Mô phỏng bền khung xương cánh 63

Hình 5.5: Thiết kế cánh hoàn chỉnh 63

Hình 5.6: Cơ cấu điều chỉnh cánh 64

Hình 5.7: Sự thay đổi góc cánh ’ 64

Hình 5.8: Mô phỏng cánh đón gió ứng với khoảng lệch tâm 45(mm) 67

Hình 5.9: Mô phỏng cánh đón gió ứng với khoảng lệch tâm 50(mm) 68

Hình 5.10: Mô phỏng cánh đón gió ứng với khoảng lệch tâm 55(mm) 68

Hình 5.11: Kết cấu đuôi lái 69

Hình 5.12: Thiết kế đuôi lái (chong chóng gió) 70

Hình 6.1: Bộ phận cánh 72

Hình 6.2: Tay gân cánh 72

Hình 6.3: Cơ cấu điều chỉnh cánh theo hướng gió 73

Hình 6.4: Chế tạo máy hoàn chỉnh 73

Hình 6.5: Cột lắp máy 74

Hình 6.6: Lắp tuabin gió thực tế 74

Hình 6.7: Thiết bị tạo gió nhân tạo và cảm biến đo gió YJFS -H4A5 75

DANH SÁCH CÁC BẢNG

TRANG

Bảng 2.1: Tiềm năng gió của Việt Nam ở độ cao 65m so với mặt đất 7

Bảng 2.2: Tóm lược tiềm năng năng lượng gió tại độ cao 80 m 9

Bảng 2.3: Bảng so sánh các giải pháp điều chỉnh cánh VAWT 21

Bảng 3.1: Bảng so sánh biên dạng cánh tuabin gió 40

Bảng 3.2: Quan hệ độ cong (m) và vị trí độ cong (p) trên cánh NACA 5 số 43

Bảng 4.1: So sánh các bộ NACA thường dùng 47

Bảng 4.2: Liệt kê các chi tiết riêng lẻ của khung cánh tuabin gió 49

Bảng 4.3: So sánh phương án kết cấu cánh 50

Bảng 5.1: Vận tốc gió thay đổi điện năng thu được cũng thay đổi 55

Bảng 5.2: Tỉ số tốc độ gió đầu cánh  và hiệu suất tuabin gió trục đứng 56

Bảng 5.3: Tọa độ biên dạng cánh NACA2412 nửa cánh bên trái 60

Bảng 5.4: Tọa độ biên dạng cánh NACA2412 nửa cánh bên phải 61

Bảng 5.5: Tính hệ số nâng cánh Cl và hệ số cản Cd (khi V=3 m/s) 65

Bảng 5.6: Tính lực nâng Fl và lực cản Fd (khi V=3 m/s) 66

Bảng 5.7: Tính lực tiếp tuyến Ft , pháp tuyếnFn , lực đẩy F T (khi V=3 m/s) 66

Bảng 5.8: Thông số các giá trị thiết kế đuôi lái 69

Bảng 6.1: Danh mục chi tiết chế tạo bộ phận cánh 71

Bảng 6.2: Vận tốc, số vòng quay của tuabin khi vận tốc gió V0 = 2,5 m/s 76

Bảng 6.3: Vận tốc, số vòng quay của tuabin khi vận tốc gió V0 = 3,0 m/s 76

Bảng 6.4: Vận tốc, số vòng quay của tuabin khi vận tốc gió V0 = 3,5 m/s 76

Bảng 6.5: Thử nghiệm tuabin khi vận tốc gió V0 = 2,5 m/s 77

Bảng 6.6: Thử nghiệm tuabin khi vận tốc gió V0 = 3,0 m/s 77

Bảng 6.7: Thử nghiệm tuabin khi vận tốc gió V0 = 3,5 m/s 77

Nhu cầu sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là nguồn năng lượng gió, để chuyển đổi thành năng lượng điện phục vụ cho nhu cầu điện sinh hoạt ở các khu vực vùng sâu vùng xa, miền núi chưa có nguồn điện lưới quốc gia hiện đang được quan tâm rộng rãi Bên cạnh đó, ở các thành phố lớn việc nghiên cứu ứng dụng năng lượng gió cũng đang được đầu tư để tăng tỉ lệ nguồn điện sạch góp phần bảo vệ môi trường Tuy nhiên, ngoài các trạm phát điện gió công suất lớn có thể được lắp đặt ở một số nơi xác định, việc ứng dụng năng lượng gió ở các thành phố lớn gặp phải một khó khăn lớn là gió trong thành phố có vận tốc nhỏ (v < 6 m/s)

Do vậy, việc nghiên cứu, phát triển các máy phát điện gió công suất nhỏ có thể hoạt động với vận tốc dưới 6 m/s là chủ đề nóng trong những năm gần đây trên thế giới cũng như ở trong nước

Các máy phát điện gió công suất nhỏ hiện nay đều có ở dạng trục ngang và trục đứng Xét theo các giới hạn như: diện tích không gian nhỏ, vận tốc gió tương đối thấp, hướng gió không ổn định thì máy phát điện gió trục đứng phù hợp hơn vì

có kết cấu đơn giản, nhỏ gọn, dễ lắp ráp và sửa chữa cũng như lợi thế về giá thành [5,17,18] Về hiệu suất thì máy phát điện gió trục ngang có cao hơn nhưng lại phụ