Nghiên cứu và xây dựng chương trình tính toán thông số cánh của động cơ gió trục ngang với vận tốc gió nhỏ

NGUYỄN CHÍ THIỆN NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN THÔNG SỐ CÁNH CỦA ĐỘNG CƠ GIÓ TRỤC NGANG VỚI VẬN TỐC GIÓ NHỎ Chuyên ngành : KỸ THUẬT NHIỆT Mã số : 605280 LUẬN VĂN THẠC

NGUYỄN CHÍ THIỆN

NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN THÔNG SỐ CÁNH CỦA ĐỘNG CƠ GIÓ

TRỤC NGANG VỚI VẬN TỐC GIÓ NHỎ

Chuyên ngành : KỸ THUẬT NHIỆT

Mã số : 605280

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 06 NĂM 2014

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS NGUYỄN THẾ BẢO

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

I TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN THÔNG SỐ CÁNH CỦA ĐỘNG CƠ GIÓ TRỤC NGANG VỚI VẬN TỐC GIÓ NHỎ

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán thông số cánh

- Lập chương trình vẽ biên dạng cánh NACA 4 số và 5 số bất kỳ

- Số hóa đồ thị của 10 cánh NACA 4 số (2306, 2309, 2312, 2315, 2406, 2409, 2412,

2415, 2418, 2421) và 10 cánh NACA 5 số (63215, 63218, 63221, 63415, 63418,

63421, 64415, 64421, 65415, 65421) để tìm thông số tối ưu của cánh

- Phân tích lựa chọn cánh có hiệu suất cao nhất để tính toán thông số cánh cho động

cơ gió trục ngang

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 20/7/2013

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/06/2014

LỜI CÁM ƠN

Thứ nhất, tôi xin chân thành cám ơn sự hướng dẫn nhiệt tình, tận tâm của

TS Nguyễn Thế Bảo Thứ 2, tôi xin cám ơn sự giúp đỡ, hỗ trợ các Thầy, Cô

trong Bộ môn Công Nghệ Nhiệt đã đưa ra những nhận xét và đánh giá giúp tôi hoàn chỉnh luận văn Sau cùng, tôi xin cám ơn sự giúp đỡ của gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã ủng hộ cho đề tài thành công

HỌC VIÊN THỰC HIỆN

Nguyễn Chí Thiện

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Với sự bức bách về nhu cầu năng lượng, người ta sử dụng động cơ gió trục ngang với tốc độ gió thấp thực sự có hiệu quả ở các địa điểm như thành thị, nông thôn Qua nghiên cứu tài liệu, tôi đã tập hợp và xây dựng cơ sở lý thuyết tính toán thông số cánh Và tôi đã lập chương trình vẽ biên dạng cánh NACA 4 số và 5 số bất

kỳ Đồng thời, tôi đã số hóa đồ thị của 10 cánh NACA 4 số (2306, 2309, 2312,

2315, 2406, 2409, 2412, 2415, 2418, 2421) và 10 cánh NACA 5 số (63215, 63218,

63221, 63415, 63418, 63421, 64415, 64421, 65415, 65421) để tìm thông số tối ưu của cánh Sau đó, tôi đã phân tích lựa chọn cánh có hiệu suất cao nhất để thiết kế thông số cánh thành công cho động cơ gió trục ngang

SUMMARY OF THESIS

For the urgent demand of energy, Horizontal Axis Wind Turbines (HAWT) have been effectively used for low speed wind places (in both urban and rural areas) Doing some research, I have gathered the data and built up a theoretical background for parameter calculations of rotor blades Then, a program was written

to draw the edge of any airfoil (modified NACA, 4-digit and 5-digit ones) In addition, I digitized the graphs of 10 4-digit NACA airfoils (2306, 2309, 2312,

2315, 2406, 2409, 2412, 2415, 2418, 2421) and 10 5-digit NACA airfoils (63215,

63218, 63221, 63415, 63418, 63421, 64415, 64421, 65415, 65421) to find the optimal parameter Subsequently, I performed an analysis and chose the airfoil with the best performance to design the parameter of rotor blades for Horizontal Axis Wind Turbines

LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ

Tôi xin cam đoan kết quả đƣợc tính toán trong luận văn này chƣa đƣợc công

bố hay không đƣợc viết trong bất kì tài liệu nào

TpHCM, ngày tháng năm

Nguyễn Chí Thiện

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ii

LỜI CÁM ƠN iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ iv

LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ v

DANH SÁCH HÌNH VẼ x

DANH SÁCH BẢNG xii

DANH SÁCH KÝ HIỆU xiii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu năng lượng gió 1

1.1.1 Tình hình sử dụng năng lượng thế giới 1

1.1.3 Tình hình sử dụng năng lượng gió ở Việt Nam 3

1.2 Giới thiệu Turbine gió 4

1.2.1 Turbine gió trục ngang (HAWT) 5

1.2.2 Turbine gió trục đứng (VAWT) 5

1.3 Hiệu suất turbine gió 7

1.4 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài 12

1.4.1 Mục tiêu của đề tài 12

1.4.2 Nhiệm vụ của đề tài 13

1.5 Phương pháp nghiên cứu 13

1.6 Ý nghĩa khoa học và tính cấp thiết đề tài 14

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN 15

2.1 Nguyên lý và cấu tạo động cơ gió trục ngang 15

2.1.1 Nguyên lý làm việc turbine gió trục ngang 15

2.1.2 Cấu tạo động cơ gió trục ngang 17

2.1.2.1 Cánh gió 17

2.1.2.2 Cơ cấu điều tốc 19

2.1.2.3 Bộ truyền động 21

2.1.2.5 Cơ cấu định hướng gió 25

2.1.2.6 Trụ đỡ động cơ 27

2.1.2.7 Bộ phận khác 28

2.2 Cơ sở lý thuyết động lực học không khí của động cơ gió 28

2.2.1 Cơ sở động học của cánh 28

2.2.1.1 Lực khí động tác dụng lên cánh 28

2.2.1.2 Đặc tính lực nâng lên tiết diện cánh 31

2.2.1.3 Đặc tính lực cản lên tiết diện cánh 32

2.2.1.4 Đường cong cực 33

2.2.1.5 Đặc tính moment tác dụng lên tiết diện cánh 34

2.2.1.6 Tiêu điểm và trung tâm áp lực 35

2.2.1.7 Lực nâng, lực cản và moment trong trường hợp góc tấn lớn 36

2.2.1.8 Ảnh hưởng của hệ số Reynold và độ nhám thô bề mặt 37

2.2.2 Lý thuyết động lượng hướng trục 38

2.2.3 Lý thuyết phân tố cánh phân tố cánh 43

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 48

3.1 Tính toán bán kính cánh quạt Rotor 48

3.2 Tỉ tốc đầu mút 48

3.3 Biên dạng cánh 50

3.4 Chiều dài dây cung cánh 57

3.5 Góc đặt cánh 59

3.6 Tính toán hiệu suất của động cơ 60

CHƯƠNG 4: VIẾT CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN 62

4.1 Chương trình vẽ biên dạng cánh 4 số 62

4.1.1.Sơ đồ khối 62

4.1.2 Giao diện chương trình 62

4.1.3 Kết quả chương trình 63

4.2 Chương trình vẽ biên dạng cánh 5 cánh 63

4.2.1 Sơ đồ khối 63

4.2.2 Giao diện chương trình 64

4.2.3 Kết quả chương trình 64

4.3 Chương trình tính thông số tối ưu của biên dạng: 64

4.3.1 Sơ đồ khối 64

4.3.2 Giao diện chương trình 65

4.3.3 Kết quả 66

4.4 Chương trình lựa chọn hiệu suất các biên dạng: 66

4.4.1 Sơ đồ khối 66

4.4.2 Giao diện chương trình: 67

4.4.3 Kết quả chương trình 67

4.5 Tính toán các thông số cánh thiết kế 67

4.5.1 Sơ đồ khối 67

4.5.2 Giao diện chương trình 68

4.5.3 Kết quả chương trình 69

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 71

5.1 Kết luận 71

5.2 Hướng phát triển đề tài 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

PHỤ LỤC 73

Phụ lục 1: Mã code matlab chương trình vẽ biên dạng cánh 4 số 73

Phụ lục 2: Mã code chương trình vẽ biên dạng cánh 5 số 74

Phụ lục 3: Mã code chương trình tính thông số các biên dạng cánh 75

Phụ lục 4: Mã code chương trình lựa chọn hiệu suất các biên dạng 89

Phụ lục 5: Mã code chương trình tính toán thông số cánh thiết kế 91

PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 93

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Năng lượng tái tạo sử dụng ở một số nước tính đến năm 2011 2

Hình 1.2 Biểu đồ công suất turbine gió hằng năm từ năm 1996 đến 2012 3

Hình 1.3 Biểu đồ tổng công suất turbine gió từ năm 1996 đến 2012 3

Hình 1.4 Các dạng turbine gió 4

Hình 1.5 Các dạng turbine gió trục ngang 5

Hình 1.6.Turbine gió loại Darrieus 6

Hình 1.7 Turbine gió loại Sanovius 6

Hình 1.8 Mối quan hệ cp và tỉ số vận tốc gió với tốc độ đầu mút cánh của turbine 7

Hình 1.9 Ảnh minh họa góc tấn, góc nghiêng và góc cánh 12

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý động cơ gió công suất nhỏ 15

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý động cơ gió công suất lớn 16

Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống điện liên kết lưới 17

Hình 2.4 Cấu tạo động cơ gió trục ngang 18

Hình 2.5 Cấu tạo điều tốc cơ khí 20

Hình 2.6 Máy phát xoay chiều với nam châm vĩnh cửu hình sao 23

Hình 2.7 Máy phát xoay chiều kích thích kiểu điện từ 24

Hình 2.8 Các chi tiết chính của rô to 24

Hình 2.9 Stato và sơ đồ cuộn dây của máy phát điện xoay chiều 25

Hình 2.10 Động cơ gió không cần dùng đuôi lái 26

Hình 2.11 Các loại đuôi lái 26

Hình 2.12 Trụ đỡ động cơ gió 28

Hình 2.13 Biểu thị dòng chảy của chất khí 29

Hình 2.14 Sự phân bố hệ số áp lực 30

Hình 2.15 Biểu diễn áp lực và moment tác dụng lên cánh 30

Hình 2.16 Quan hệ giữa hệ sổ lực nâng và góc tấn α 31

Hình 2.17 Mối quan hệ giữa góc tấn α và hệ số lực cản 32

Hình 2.18 Đường cong cực 33

Hình 2.19 Biểu diễn lực tác dụng tại trung tâm áp lực 35

Hình 2.20 Biểu diễn moment tác dụng tại trung tâm khí động học 36

Hình 2.21 Đồ thị biểu diễn hệ số lực nâng, lực cản, moment tác dụng lên cánh trong trường hợp góc tới lớn 36

Hình 2.22 Định luật bảo toàn của dòng khí trước và sau cánh 38

Hình 2.23 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc CP vào a 41

Hình 2.24 Mô tả phân tố cánh dọc theo cánh 44

Hình 3.1 Hình minh họa thể hiện mối quan hệ tỉ tốc đầu mút λ và số cánh B 49

Hình 3.2 Biên dạng cánh mã hiệu NACA 2415 52

Hình 3.3 Hình dạng biên dạng cánh mã hiệu 63415 54

Hình 3.4 Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa CL và α của biên dạng 63415 55

Hình 3.5 Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa CD và α của biên dạng 63415 56

Hình 3.6 Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa chiều dài cung cánh theo bán kính 59

Hình 4.1 Sơ đồ khối chương trình vẽ biên dạng cánh 4 số 62

Hình 4.2 Giao diện chương trình vẽ biên dạng cánh 4 số 62

Hình 4.3 Biên dạng cánh đối với cánh NACA 4 số 63

Hình 4.4 Sơ đồ khối chương trình vẽ biên dạng cánh 5 số 63

Hình 4.5 Giao diện chương trình vẽ biên dạng cánh 5 số 64

Hình 4.6 Biên dạng cánh đối với cánh 5 số NACA 64

Hình 4.7 Sơ đồ khối chương trình tính thông số cánh NACA 65

Hình 4.8 Giao diện chương trình tính thông số tối ưu biên dạng 66

Hình 4.9 Kết quả của chương trình tính toán các thông số biên dạng 66

Hình 4.10 Sơ đồ khối chương trình tính thông số cánh và hiệu suất cánh 67

Hình 4.11 Giao diện chương trình lựa chọn hiệu suất các biên dạng 67

Hình 4.12 Kết quả chương trình lựa chọn hiệu suất các biên dạng 67

Hình 4.13 Sơ đồ khối chương trình tính toán thông số cánh thiết kế 68

Hình 4.14 Giao diện chương trình tính toán thông số cánh thiết kế 69

Hình 4.15 Kết quả chương trình tính thông số cánh thiết kế 70

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 2.1 Các số liệu độ thô nhám Ko 37

Bảng 3.1 Mối quan hệ giữa số cánh B và tỉ tốc đầu mút λ 50

Bảng 3.2 Mối quan hệ giữa p với m và k1 52

Bảng 3.3 Mối quan hệ chiều dài cung cánh 58

Bảng 3.4 Mối quan hệ giữa góc tới, góc tấn và góc đặt cánh với chỉ số bán kính 59

Cp Hiệu suất turbine

c Chiều dài cung cánh trên phân tố cánh

Khi trữ lượng nguồn nhiên liệu hóa thạch đang bị thiếu hụt trầm trọng, con người đã thấy được sự đe dọa về nguồn nhiên liệu sử dụng cho tương lai và thế giới, cũng như các nhà khoa học đã cùng nhau tìm hiểu nghiên cứu vào việc tìm ra những nguồn năng lượng thay thế cho các nguồn năng lượng hóa thạch, đồng thời nguồn năng lượng này không gây ảnh hưởng xấu đến môi trường Từ đó nguồn năng lượng tái tạo đã được con người nghĩ đến như một liều thuốc để chữa cháy cho nguồn nhiên liệu sử dụng, giảm bớt gánh nặng cho các nguồn năng lượng truyền thống

Nguồn năng lượng tái tạo mà con người tìm ra đầu tiên là mặt trời với sức nóng tự nhiên có từ mặt trời, con người nhận ra đây là nguồn năng lượng thiên nhiên vô tận và không gây ảnh hưởng xấu đến môi trường Năng lượng mặt trời đã được con người sử dụng trong các ứng dụng với qui mô lớn như phát điện thay cho các nhà máy điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch và nhiên liệu nguyên tử, cũng như ứng dụng trong các qui mô nhỏ như chưng cất nước hay sử dụng cho các máy lạnh hấp thụ dùng cho hệ thống điều hòa không khí… Với những nghiên cứu thành công

về nguồn năng lượng mặt trời con người đã bắt đầu tìm kiếm nguồn năng lượng tái tạo khác, để có thể tận dụng tối đa được các nguồn năng lượng sẵn có mà không gây ảnh hưởng gì đến thiên nhiên và môi trường

Hiện nay con người đã sử dụng rất nhiều nguồn năng lượng tái tạo như: năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều, năng lượng sóng, năng lượng đại dương, năng lượng sinh khối, năng lượng địa nhiệt… Năng lượng tái tạo được

sử dụng cho một số nước tính cho đến thời điểm năm 2011 như Hình 1.1

Hình 1.1 Năng lượng tái tạo sử dụng ở một số nước tính đến năm 2011

(Theo tài liệu [1], trang 25)

Qua đồ thị Hình 1.1 chúng ta thấy được nguồn năng lượng gió cũng chiếm một phần đáng kể trong nguồn năng lượng tái tạo mà con người đã sử dụng Từ đó chúng ta thấy được tầm ảnh hưởng của năng lượng gió đến sinh hoạt con người Chúng ta cần phải có nghiên cứu để khai thác triệt để nguồn năng lượng gió, một nguồn năng lượng vô tận thiên nhiên đã ban tặng cho chúng ta mà không gây ô nhiễm môi trường, độc hại, và phát thải CO2

1.1.2 Tình hình sử dụng năng lượng gió thế giới

Hiện nay thế giới đang đẩy mạnh việc lắp đặt turbine gió ở các nước theo thống kê công suất của các turbine gió được lắp đặt hằng năm từ 1996 – 2012 như

đồ thị Hình 1.2 và tổng số công suất turbine gió được lắp đặt tính từ năm 1996 đến

2012 như đồ thị Hình 1.3

Hình 1.2 Biểu đồ công suất turbine gió hằng năm từ năm 1996 đến 2012

(Theo tài liệu [2])

Hình 1.3 Biểu đồ tổng công suất turbine gió từ năm 1996 đến 2012

(Theo tài liệu [2])

Qua 2 đồ thị trên ta thấy được công suất lắp đặt turbine gió hiện đang tăng nhanh chiếm một phần đáng kể trong số các nguồn năng lượng tái tạo dùng để phát điện, và góp phần quan trọng để cung cấp điện cho các quốc gia

1.1.3 Tình hình sử dụng năng lượng gió ở Việt Nam

Theo số liệu của Ngân hàng thế giới, tiềm năng gió của Việt Nam (ở độ cao 65m) rất khả quan và ước tính đạt 513.360MW, lớn hơn 200 lần công suất nhà máy thủy điện Sơn La và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện đến năm

2020 Đây sẽ là nguồn năng lượng tiềm năng đáng kể có thể khai thác bổ sung cho nguồn điện lưới quốc gia, thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn

kiệt và cải thiện môi trường Thấy được tiềm năng đó nên nước ta đã đẩy mạnh việc lắp đặt các công trình điện gió cụ thể ở các tỉnh trong cả nước Điển hình như một

số công trình:

- Nhà máy khởi công năm 2008, đặt tại xã Bình Thạnh, huyện Tuy Phong, Bình Thuận, thuộc dự án phong điện do Công ty cổ phần Năng lượng tái tạo Việt Nam (REVN) đầu tư khoảng 2.000 tỉ đồng Toàn bộ dự án có 80 turbine với tổng công suất 120MW, sử dụng công nghệ hiện đại của Cộng hòa liên bang Đức Hiện dự án

đã hoàn thành giai đoạn 1 với 20 turbine có tổng công suất 30 MW Từ khi phát thử nghiệm vào tháng 9/2009 đến nay, mỗi năm dự án sản xuất 85 triệu kWh điện và được hòa vào lưới điện quốc gia, đồng thời giảm phát thải 58.000 tấn CO2/năm

(Trích từ báo Vietnamnet.vn)

- Dự án công trình điện gió Bạc Liêu được xây dựng tại xã ven biển Vĩnh Trạch Đông, thành phố Bạc Liêu (tỉnh Bạc Liêu), có tổng công suất 99MW, với tổng vốn đầu tư 5.200 tỷ đồng, gồm 62 trụ tuabin điện gió Giai đoạn 1 của dự án gồm có 10 tuabin điện gió, công suất 16MW, đã hoàn thành hòa vào lưới điện quốc gia, với

công suất phát điện đạt trên 55 triệu kWh/năm (Trích từ Nangluongvietnam.vn)

1.2 Giới thiệu Turbine gió

Hình 1.4 Các dạng turbine gió

Turbine gió

Turbine gió trục ngang

Turbine gió trục đứng

Ngược chiều gió

Cùng chiều gió

Hiện nay có rất nhiều turbine gió đang được lắp đặt ở các vùng khác nhau trên thế giới Nhưng thường turbine gió có 2 loại chính là động cơ gió trục ngang (HAWT) và động cơ gió trục đứng (VAWT) Các loại turbine gió chủ yếu được lắp đặt hiện nay thể hiện như Hình 1.4

1.2.1 Turbine gió trục ngang (HAWT)

Các turbine gió dạng Farm và Dutch có ưu điểm lực khởi động rất nhỏ, chỉ cần gió vận tốc nhỏ có thể làm quay cánh nhưng hiệu suất của chúng rất thấp chỉ 0.15 đến 0.25 Các dạng này thường sử dụng cho mục đích tưới tiêu hay xay ngũ cốc… Các turbine loại có 2 hay 3 cánh thì lực khởi động lớn hơn,do đó để cánh quay khó hơn các loại trên nhưng hiệu suất của chúng rất cao có thể đạt được từ 0.4 đến 0.5 Do đó turbine gió loại 2 hay 3 cánh thường được ứng dụng cho việc sản xuất

điện

Hình 1.5 Các dạng turbine gió trục ngang

(Theo tài liệu [3] trang 36)

1.2.2 Turbine gió trục đứng (VAWT)

Thường turbine gió trục đứng thường có 2 loại chính là loại Darrieus và Savonius thể hiện như Hình 1.6 và Hình 1.7 Turbine gió trục đứng có trọng lượng

lớn nên lực khởi động lớn nhưng nhờ trọng lượng lớn làm lực quán tính của cánh lớn và khi không có gió thì cánh dừng lâu hơn so với loại trục ngang và đặc biệt của loại này là có thể hoạt động với mọi hướng gió

Động cơ gió loại Darrieus có hiệu suất gần 0.35, còn loại Sanovius có hiệu suất khoảng 0.15 Turbine gió loại Sanovius thường sử dụng rộng rãi như động cơ

để khởi động cho turbine gió loại Darrieus vì lực khởi động của loại Sanovius nhỏ hơn so với loại Darrieus, sau khi cánh loại Sanovius đã khởi động làm quay trục thì

cơ cấu sẽ chuyển trục quay sang cánh loại Darrieus để làm quay turbine phát điện

Hình 1.6.Turbine gió loại Darrieus

So với động cơ gió trục đứng thì động cơ gió trục ngang có các ưu điểm như sau:

- Hiệu suất cao hơn so với động cơ gió trục đứng

- Dễ khởi động hơn động cơ gió trục đứng

- Cánh đơn giản và lắp đặt đơn giản hơn so với động cơ gió trục đứng

Đây là một trong các yếu tố chính mà các nước trên thế giới đã lựa chọn việc lắp đặt turbine gió trục ngang hơn là lắp đặt turbine gió trục đứng nhằm cung cấp điện cho nhu cầu sử dụng của con người

1.3 Hiệu suất turbine gió

Theo tài liệu [3] ta có được hiệu suất của các động cơ gió cơ bản được thể hiện như đồ thị Hình 1.8 Đồ thị Hình 1.8 thể hiện mối quan hệ giữa hiệu suất cp và tỉ số vận tốc gió với tốc độ đầu mút cánh của turbine

Hình 1.8 Mối quan hệ c p và tỉ số vận tốc gió với tốc độ đầu mút cánh của turbine

Theo đồ thị như Hình 1.8 thì ta thấy được hiệu suất động cơ gió đạt cao nhất chỉ khoảng 47% đối với động cơ gió tốc độ cao loại 2 cánh Như ta đã biết hiệu suất động cơ gió đạt cao nhất là hiệu suất Bezt với cp = 59.3% Sự chênh lệch hiệu suất các loại cánh so với hiệu suất Bezt còn khá lớn, để nâng cao hiệu suất của động cơ

ta cần có giải pháp cải thiện để đạt được hiệu suất cao gần với hiệu suất Bezt Thấy được điều quan trọng này các nhà khoa học đã đi sâu nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu suất turbine Điển hình như các nghiên cứu các tác giả sau:

Anish Bhattacharya, “The effect of blade angle and size on wind turbine performance”, bài nghiên cứu này nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của góc cánh

và kích thước cách đến hiệu suất turbine nhằm cải thiện hiệu suất của turbine Kết quả bài báo này đạt được cánh có chiều rộng 4.5cm (kích thước trung bình) và góc cánh là 30° thì turbine sẽ hoạt động hiệu quả nhất, [4]

Trong nước việc nghiên cứu động cơ gió để ứng dụng cho các nhu cầu trong nước cũng được các nhà nghiên cứu quan tâm điển hình như các nghiên cứu:

Năm 1975-1978: Nhóm đề tài liên bộ (Bộ Đại Học – Bộ Giao Thông Vận Tải) động cơ gió sạc bình accu công suất 1,5kW với đường kính 5m và đã lắp đặt thử nghiệm tại công ty Bảo Đảm Hàng Hải – Hải Phòng, sau một vài năm thì ngừng hoạt động, [5]

Năm 1976: Chi cục muối Nam Hà cũng lắp đặt 20 động cơ gió bơm nuớc với đường kính 3,6 m và số cánh là 6 để phục vụ việc sản xuất muối Sau vài ba năm những động cơ này cũng ngừng hoạt động do bị ăn mòn và thiếu bảo trì sửa chữa, [5]

Năm 1978: Nhóm nghiên cứu Viện Nghiên cứu khoa học kỹ thuật Điện – Bộ Điện Lực cũng bắt tay vào nghiên cứu một số mẫu động cơ gió đơn giản như: động cơ gió trục ngang cánh vải, động cơ gió Savonius Hai mẫu này hiệu suất thấp, kết cấu cồng kềnh, năng suất bơm nhỏ, không có cơ cấu an toàn nên không đáp ứng được nhu cầu sử dụng Những động cơ gió này đã ngừng hoạt động sau một thời gian thử nghiệm, [5]

Năm 1980-1990:

ـ Năm 1980: Viện NCKH KT Điện đã lắp đặt tại Hội An – Tam Kỳ loại động

cơ gió D-4 với 12 cánh để bơm nước sản xuất muối, song vẫn chưa giải quyết được vấn đề phối hợp tải giữa động cơ gió và bơm guồng gỗ Cũng trong năm

1980, chương trình năng lượng mới MS 10-05 được thành lập do Bộ Điện Lực chủ trì, [5]

ـ Năm 1985-1990: Chương trình năng lượng mới đổi sang mã số 52C và do Bộ Giáo Dục và Đào Tạo chủ trì, [5]

ـ Trong thời gian này đã có thêm nhiều cơ quan tham gia nghiên cứu về năng lượng gió như : Viện Kỹ Thuật Quân Sự (Bộ Quốc Phòng), Viện Kỹ Thuật Giao Thông (Bộ Giao Thông Vận Tải), Trường Đại Học Cơ Điện, Trường Đại Học Bách Khoa Tp HCM, Trung tâm Phát Thanh và Truyền Hình Tp HCM,

Xí nghiệp Cơ Khí 2-9 Tp HCM, [5]

Những cơ quan này đã nghiên cứu, thiết kế chế tạo và lắp đặt thử nghiệm một

số mẫu động cơ gió phát điện công suất nhỏ và động cơ gió bơm nước Tất cả những mẫu này chỉ mang tính chất thử nghiệm chứ chưa triển khai được vào thực tế ứng dụng

Từ năm 1990 đến nay:

ـ Báo cáo khoa học kỹ thuật: “Nghiên cứu lựa chọn công nghệ và thiết bị để khai thác và sử dụng các loại năng lượng tái tạo trong chế biến nông – lâm – thủy sản, sinh hoạt và bảo vệ môi trường nông thôn” của Dương Thị Thanh Lương, có 1 nhánh nghiên cứu về phần năng lượng gió: “Xác định các giải pháp công nghệ và chế tạo các loại thiết bị Động cơ gió nhằm đáp ứng nhu cầu thị trường trong nước để khai thác và sử dụng có hiệu quả nguồn năng lượng gió phục vụ sản xuất và sinh hoạt cho các vùng nông thôn Việt Nam”

Đề tài có nội dung chính như: Nghiên cứu các tài liệu kỹ thuật, phân tích mẫu

mã của nước ngoài về động cơ gió để thực hiện việc nghiên cứu mẫu Sau đó nghiên cứu lý thuyết, tính toán thiết kế các cấu thành cơ bản của động cơ gió phát điện và chế tạo lắp đặt thử nghiệm

ـ “Ứng dụng matlab phân tích tính kinh tế – kỹ thuật của nguồn năng lượng gió” của Trần Quang Khánh: Bài viết này trình bày các phương pháp có thể xác định các thông số kinh tế và kỹ thuật của các nguồn tài nguyên năng lượng gió với độ chính xác cao và hiệu quả Phương pháp này được xây dựng dựa trên việc sử dụng các phần mềm Matlab với các mô hình tính toán của năng lượng gió Nó có thể xác định các thông số kinh tế kỹ thuật của năng lượng gió cũng như kiểm tra sự biến đổi của các thông số trong chế độ gió khác nhau Kết quả

là, nó không chỉ giúp chúng ta lựa chọn turbine tối ưu mà còn tối đa hóa hiệu suất hệ thống, [6]

ـ “Năng lượng gió ứng dụng ở Đảo Phú Quốc tỉnh Kiên Giang” của Đỗ Thị Bích Hằng Bài nghiên cứu khoa học trình bày đề xuất của dự án nhà máy điện gió tại đảo Phú Quốc, tỉnh Kiên Giang, Việt Nam Nhằm mục đích đề xuất hướng kinh doanh hiệu quả cho các công ty Phần Lan đầu tư vào kinh doanh năng lượng gió tại Phú Quốc Trong đó đề tài nghiên cứu lý thuyết giải thích phương pháp nghiên cứu và phát triển lý thuyết bao gồm chuyển giao công nghệ, chiến lược chế độ nhập…, [7]

Hiện nay, nước ta đang đẩy mạnh việc sản xuất turbine gió nhằm phục vụ cho công trình điện gió trong nước, rất nhiều cơ sở sản xuất turbine gió được hình thành điển hình như:

ـ Nhà máy General Electric (GE Việt Nam ) tại Hải Phòng đã sản xuất 1.5 MW turbine gió đầu tiên vào năm 2010 tại Khu Công Nghệ Nomura Hải Phòng Ước tính, mỗi năm nhà máy sẽ sản xuất khoảng 10 nghìn tấn sản phẩm Và theo kế hoạch, nhà máy sẽ trở thành trung tâm sản xuất các linh kiện turbine gió và hơi của toàn thế giới Sau đó, GE ký kết hợp đồng với công ty TNHH Thương mại và Du lịch Công Lý để cung cấp 10 bộ turbine gió 1.6MW, đường kính rotor 82.5 m và hỗ trợ vận hành, bảo dưỡng thiết bị cho giai đoạn đầu của dự án điện gió Bạc Liêu với tổng công suất là 16 MW

ـ Fuhrlaender AG hợp tác với Fuhrlaender Việt Nam xây dựng Nhà máy sản xuất và lắp ráp turbine Phong điện Vĩnh Hảo tại Bình Thuận, Việt Nam với

mới, kỹ thuật tiên tiến vào thị trường Việt Nam giúp các nhà đầu tư trong nước có thể khai thác tiềm năng năng lượng gió dồi dào Được xây dựng trên diện tích 36 ha, trong giai đoạn đầu, nhà máy sẽ sản xuất và lắp ráp 48 turbine loại 1.5MW, với tổng công suất 72M, sau đó sẽ đưa vào sản xuất tiếp loại turbine 2,5 MW nâng tổng công suất của Nhà máy lên 192MW mỗi năm

ـ Công ty Cổ Phần Thương mại và Quốc tế Việt Trung là nhà sản xuất các turbine điện gió với công suất khác nhau có công suất lớn tới 300kW

ـ Ngoài ra, các hãng chế tạo những bộ phận phụ thuộc cũng bắt đầu hình thành : chẳng hạn như Tập Đoàn Trung Nam ở Bình Thuận hợp tác với công ty Lilama sản xuất thân trụ gió

Chi phí điện gió hiện nay tuy còn đắt do thiết bị nhập khẩu từ nước ngoài nhưng với các nhà máy sản xuất turbine gió ngày càng nhiều đã góp phần giảm bớt giá điện gió Nếu công nghệ sản xuất càng được cải thiện thì năng suất càng cao và chi phí sẽ càng giảm Các nhà máy sản xuất turbine gió đã được xây dựng ngày càng nhiều và đã sản xuất được nhiều turbine gió cũng như các thiết bị phụ để đưa vào sử dụng Tương lai không xa thì công nghệ điện gió sẽ càng được đẩy mạnh và được lắp đặt nhiều hơn Do đó các nhà khoa học đã nghiên cứu để nâng cao hiệu suất turbine Bộ phận quan trọng trong turbine quyết định hiệu suất là cánh turbine

vì cánh nhận trực tiếp năng lượng từ gió chuyển cơ năng thành động năng tạo ra lực moment trên trục làm quay trục Do đó việc nghiên cứu cánh là cần thiết để nâng cao hiệu suất turbine

Hiện nay các nhà nghiên cứu trong nước đa số sử dụng những ứng dụng công nghệ có sẵn đã được nghiên cứu hay tìm hiểu nghiên cứu lý thuyết về năng lượng gió như điều khiển hướng quạt hay các thiết kế về hệ thống điện để đạt được hiệu suất cao nhất có thể Các nhà nghiên cứu sử dụng những những biên dạng cánh có sẵn mà chưa có cơ sở lý thuyết về việc tính toán biên dạng cánh cụ thể Hiện tại các nhà máy đã sản xuất turbine kích thước nhỏ, với công nghệ tương lai nước ta sẽ sản xuất cánh turbine gió kích thước lớn Do đó, việc nghiên cứu lý thuyết tính toán cánh là điều hết sức cần thiết nhằm nâng cao hiệu suất động cơ Một số thông số quan trọng của cánh như góc tấn α, góc cánh β, góc nghiêng ϕ và chiều dài cung

cánh C Các thông số này ảnh hưởng đến khả năng nhận được gió nhiều hay ít và tạo được lực khởi động ban đầu Các thông số góc tấn, góc cánh và góc nghiêng có mối quan hệ với nhau như công thức (1.1) Vì vậy việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết

về các thông số của cánh là điều hết sức quan trọng để có thể nhận được nhiều gió nhất làm tăng lực moment trên trục để tăng hiệu suất turbine nhằm ứng dụng cho các công trình ở những vùng có vận tốc gió thấp Từ đó tác giả đã hướng đến việc

nghiên cứu với đề tài: “ Nghiên cứu và xây dựng chương trình tính toán thông số cánh của động cơ gió trục ngang với vận tốc gió nh ỏ”

Hình 1.9 Ảnh minh họa góc tấn, góc nghiêng và góc cánh

(Theo tài liệu [8] trang 61) Ω: vận tốc góc

r: bán kính cánh

V: vận tốc gió

W: vận tốc tương đối của dòng chảy

a: hệ số thu hẹp dòng chảy

a’: là hệ số thu hẹp dòng theo chiều tiếp tuyến

1.4 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài

1.4.1 Mục tiêu của đề tài

Qua đề tài “Nghiên cứu và xây dựng chương trình tính toán thông số cánh của động cơ gió trục ngang với vận tốc gió nh ỏ”, tác giả muốn nghiên cứu lý

thuyết về các thông số cánh turbine của động cơ gió trục ngang để viết chương trình tính toán các thông số cánh turbine, dựa vào các thông số mà chương trình đã tính toán được chúng ta có thể tính chọn thiết kế động cơ gió trục ngang tương ứng với điều kiện tại khu vực lắp đặt cụ thể là khu vực có vận tốc gió thấp Nếu nghiên cứu này thành công sẽ là một ứng dụng hiệu quả góp phần quan trọng vào công nghệ chế tạo sản xuất và lắp đặt turbine gió, giúp cải thiện việc lắp đặt turbine gió tại Việt Nam, nhằm giảm bớt gánh nặng cho việc cung cấp điện khi tình trạng thiếu điện ngày càng trầm trọng, đồng thời giảm bớt sự phát thải CO2 khi con người đang bị đe dọa bởi sự ô nhiễm môi trường

1.4.2 Nhiệm vụ của đề tài

- Nghiên cứu lý thuyết xác định các thông số cánh turbine của động cơ gió trục ngang dựa trên các thông số có sẵn như công suất gió, vận tốc gió và số cánh

- Xây dựng chương trình tính toán để xác định các thông số cánh và hiệu suất cánh của turbine gió vừa thiết kế dựa trên biên dạng cánh NACA

1.5 Phương pháp nghiên cứu

+ Phương pháp thu thập thông tin và nghiên cứu tài liệu:

Trong quá trình phát triển năng lượng gió đã đầu tư rất nhiều trong việc nghiên cứu Nhiều thành công về lý thuyết và thực nghiệm được nghiên cứu có liên quan đến lý thuyết tính cánh Ngay ở trong nước, đã có rất nhiều nghiên cứu tuy chưa có nghiên cứu về lý thuyết tính cánh nhưng việc thu thập các tài liệu kỹ thuật trong nước, đặc biệt các tài liệu ngoài nước là phương pháp cực kì quan trọng Điều này sẽ giúp cho đề tài tiếp thu được những lý thuyết về tính toán cánh phong phú và

đa dạng

Thông qua mạng internet và tham khảo các đề tài trong và ngoài nước đã thu thập được những tài liệu kỹ thuật, các tạp chí, các công thức tính toán cần thiết cho việc nghiên cứu của đề tài

+ Phương pháp toán học:

Qua những tài liệu thu thập được, tác giả lựa chọn những công thức cơ bản và

lý thuyết liên quan để lập các phương trình tính toán tìm ra các thông số cần thiết liên quan từ đó tính toán các thông số cánh turbine

Trong quá trình lập phương trình tính toán, ngoài việc giải phương trình bằng tay tác giả sử dụng chương trình tính toán matlab giúp cho việc tính toán phương trình bậc cao cũng như tích phân phức tạp tạo điều kiện cho việc tính toán được dễ dàng, nhanh chóng và chính xác hơn

Dựa vào các biên dạng có sẵn của hãng NACA ta có đồ thị thể hiện mối quan

hệ của hệ số lực nâng với góc tấn và hệ số lực cản với góc tấn, ta sử dụng phần mềm matlab để số hóa đồ thị thành phương trình thể hiện mối quan hệ hệ số lực nâng và lực cản với góc tấn

Sau khi lập công thức tính toán, tác giả sử dụng phần mềm matlab để viết giao diện cho chương trình tính toán

1.6 Ý nghĩa khoa học và tính cấp thiết đề tài

- Việc nghiên cứu lý thuyết thông số cánh giúp cho việc tính toán thiết kế cánh dễ

dàng hơn

- Góp phần quan trọng cho công nghệ chế tạo cánh turbine gió

- Chương trình tính toán giúp cho việc thiết kế động cơ gió trục ngang thuận lợi

hơn

- Góp phần giảm bớt giá điện gió nhằm tăng số lượng sử dụng năng lượng điện từ gió

- Nâng cao hiệu quả turbine gió dẫn đến công suất lắp đặt turbine gió nhiều hơn

giảm bớt gánh nặng cho nhà máy sử dụng nhiên liệu hóa thạch góp phần tiết kiệm nhiên liệu đồng thời ngăn ngừa sự phát thải CO2 làm ảnh hưởng môi trường sống

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN

2.1 Nguyên lý và cấu tạo động cơ gió trục ngang

2.1.1 Nguyên lý làm việc turbine gió trục ngang

Động cơ gió có nguyên tắc hoạt động trái ngược với quạt điện Quạt chuyển điện năng thành cơ năng bằng cách sử dụng điện để tạo ra gió, còn động cơ gió chuyển cơ năng thành điện năng bằng cách sử dụng năng lượng gió để tạo ra điện Gió làm quay cánh quạt, cánh quạt quay dẫn đến làm quay trục, mà trục thì được nối với một máy phát, máy phát sản xuất ra điện

Động cơ gió thường được phân làm 2 dạng công suất: động cơ gió có công suất nhỏ và động cơ gió có công suất lớn

2.1.1.1 Động cơ gió công suất nhỏ

Đối với những động cơ gió công suất nhỏ (< 200W), đặt ở những nơi có tốc độ gió không đều thì điện áp phát ra từ máy phát điện được nạp vào bình ắc quy trước khi được sử dụng như Hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý động cơ gió công suất nhỏ

1 Động cơ gió; 2, Bộ điều khiển; 3 Ắc quy; 4 Bộ chuyển đổi điện; 5 Bảng phân

phối điện; 6 Thiết bị tiêu thụ điện

 Nguyên lý hoạt động:

Điện áp phát ra từ động cơ gió là điện xoay chiều ba pha qua bộ điều khiển và được nạp vào bình ắc quy Bộ điều khiển còn có nhiệm vụ điều khiển chế độ hoạt

động của động cơ gió như khi gặp gió lớn, bão thì cánh quạt quay nhanh dễ bị gẫy cánh, lúc này bộ điều khiển sẽ làm cho các cánh quạt ngừng quay đảm bảo an toàn cho động cơ gió Ở một số động cơ gió hiện đại khi nhận được tín hiệu từ bộ điều khiển các cánh quạt sẽ tự động xếp lại Điện áp từ bình ắc quy sẽ được đưa qua bộ chuyển đổi thành điện xoay chiều và được đưa đến nơi tiêu thụ Nhược điểm dễ thấy của sơ đồ này đó là tổn thất điện lớn, bình ắc quy nhanh hỏng

Đối với những nơi có tốc độ gió ổn định thì điện phát ra được đưa đến nơi tiêu thụ ngay và chỉ nạp vào bình ắc quy khi công suất phát ra lớn hơn công suất tiêu thụ của tải Hình 2.2 Ưu điểm của sơ đồ này so với sơ đồ trên đó là tổn thất điện giảm

do điện sinh ra được đưa đến nơi tiêu thụ ngay

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý động cơ gió công suất lớn

1 Động cơ gió; 2 Bộ điều khiển; 3 Ắc quy; 4 Bộ chuyển đổi điện; 5 Bảng phân

phối điện; 6 Thiết bị tiêu thụ điện

2.1.1.2 Động cơ gió công suất lớn

Đối với những trạm điện gió công suất lớn (> 1 MW) thì điện phát ra được hòa vào mạng lưới điện chung cho một vùng tiêu thụ Những hệ thống này được gọi là những hệ thống liên kết lưới Một trạm điện gió liên kết với lưới điện có thể đảm bảo cung cấp điện cho nhu cầu sinh hoạt ở những vùng xa xôi, hẻo lánh xa khu dân

cư Nếu trạm điện gió không thể cung cấp đủ năng lượng cần thiết thì lấy điện từ lưới hạ thế có sẵn trong khu vực Còn nếu trạm điện gió sản xuất điện nhiều hơn nhu cầu thì điện năng thừa ra được truyền hoặc bán ngược trở lại cho lưới

Tuy nhiên, được hệ thống lưới điện có thể hoạt động được cần những điều kiện sau đây:

- Nằm trong khu vực mà vận tốc gió lớn, ổn định, trung bình cả năm tối thiểu là 4,5 m/s

- Nguồn cấp điện có giá đắt (do ở vùng xa xôi khó kéo dây tải điện)

- Yêu cầu cho việc kết nối hệ thống với lưới không có chiều hướng đắt hơn bình thường

- Có nhiều khuyến khích đối với việc bán ngược phần điện năng thừa hoặc mua bán những động cơ gió

Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống điện liên kết lưới

2.1.2 Cấu tạo động cơ gió trục ngang

2.1.2.1 Cánh gió

Là bộ phận quan trọng của động cơ gió Động cơ gió hoạt động được nhờ cánh gió thu năng lượng của gió, chuyển năng lượng gió thành năng lượng cơ học làm quay máy phát điện Cánh gió làm không khí đi qua chậm lại, dưới tác dụng động lực học không khí thì cánh gió quay chuyển năng lượng gió thành năng lượng cơ học Việc thiết kế cánh gió tốt xấu như thế nào ảnh hướng rất lớn đến sự làm việc của động cơ gió Cánh gió có thể gồm hai, ba hoặc nhiều cánh quạt

Loại cánh thường được sử dụng hiện nay là cánh NACA Cánh NACA do cơ quan nghiên cứu hàng không vũ trụ Mĩ NASA đề xuất, thường gặp các loại sau:

- Cánh NACA bốn vị số

- Cánh NACA năm vị số

a Cánh NACA bốn vị số

Kí hiệu cánh NACA bốn vị số hiển thị bằng NACA xxxx

- Vị số thứ nhất: độ cong của cánh tính theo phần trăm

- Vị số thứ hai: vị trí có độ cong lớn nhất trên dây cung

- Vị số thứ ba và bốn: tỉ lệ phần trăm của độ dày cánh so với dây cung

Ví dụ: NACA 4415 biểu thị độ cong 4%, vị trí độ cong là 40% của chiều dài dây cung chiều dày lớn nhất là 15%

Hình 2.4 Cấu tạo động cơ gió trục ngang

1 Cánh; 2 Cơ cấu điều tốc; 3 Ổ đỡ; 4 Hộp truyền tốc độ; 5 Phanh; 6 Máy phát điện; 7 Vỏ; 8 Bánh răng lái; 9 Đuôi lái; 10 Trụ; 11 Dây cáp; 12 Cọc cáp

2.1.2.2 Cơ cấu điều tốc

Trong quá trình động cơ gió làm việc với vận tốc và hướng gió không ngừng thay đổi do vậy làm cho tốc độ quay của trục và công suất phát ra của động cơ gió không ngừng thay đổi Với một số ứng dụng của động cơ gió sự thay đổi này rất cần thiết đối với động cơ gió cần giữ tốc độ quay của cánh không đổi vì vậy cần khống chế tốc độ quay

Khi vận tốc lớn sẽ gây ra hiện tượng vượt tốc của cánh, có thể làm gẫy hay hư hỏng cánh gây ảnh hưởng đến các bộ phận khác của động cơ gió và gây nguy hiểm đến con người Cơ cấu điều tốc ảnh hưởng rất lớn đến tuổi thọ của động cơ gió, khi thiết kế động cơ gió cần phải thiết kế cơ cấu điều tốc sao cho phù hợp tránh cho cánh quay quá nhanh làm phá hỏng động cơ gió

Cơ cấu điều tốc có rất nhiều loại, đặc trưng thường sử dụng 2 loại:

a Cơ cấu điều tốc cơ khí:

Đây là cơ cấu điều tốc đã được sử dụng từ lâu và thích hợp với những động cơ

cỡ nhỏ Cơ cấu điều tốc này làm việc bằng cách thay đổi góc đặt cánh nhờ lực ly tâm và rãnh xoắn trên trục cánh

Khi cánh gió quay, trên đó xuất hiện lực ly tâm, trường hợp lực ly tâm còn nhỏ thì làm nén lò xo ngoài (8) Khi lực ly tâm đủ lớn thì nén cả hai lò xo (8) và (9), làm cho cánh có xu hướng dịch chuyển xoay quanh tâm quay Cánh được cố định trên trục cánh, trục cánh có rãnh xoắn (5) làm cho cánh chuyển vị xoay và nhờ chuyển vị xoay mà góc đặt cánh thay đổi, lúc này góc nâng không còn tối ưu và lực nâng lúc này giảm, cánh giảm tốc do đó hạn chế được số vòng quay của cánh gió bảo đảm được số vòng quay định mức và bảo đảm an toàn cho động cơ gió

Ưu điểm của loại này là kết cấu đơn giản, rẻ tiền Cơ cấu này có thể làm thay đổi góc đặt cánh nên bảo đảm an toàn cao cho cánh và động cơ gió khi gặp trường hợp tốc độ gió vượt quá giới hạn cho phép

Hình 2.5 Cấu tạo điều tốc cơ khí

1.Cánh; 2.Trụ cánh; 3.Cánh gió; 4.Cơ cấu định hướng rãnh xoắn;

5.Rãnh xoắn trên trụ cánh; 6.Ống nén lò xo; 7.Bọc nén lò xo trong;

8.Lò xo ngoài; 9.Lò xo trong; 10.Tấm chắn; 11.Vòng hãm

Nhược điểm của cơ cấu này là độ nhạy không cao, đặc biệt là khi tốc độ gió tăng đột ngột, tuổi thọ của cơ cấu ngắn, lò xo nhanh hỏng, phụ thuộc nhiều vào tình trạng gió tại địa điểm lắp đặt động cơ gió Tuy nhiên, cơ cấu điều tốc loại này vẫn được sử dụng rất nhiều hiện nay do những nhược điểm này rất dễ khắc phục chỉ cần thay hai lò xo là cơ cấu có thể hoạt động tốt trở lại

b Điều tốc kiểu điện tử

Nguyên lý hoạt động của loại này như sau: để điều chỉnh tốc độ của động cơ gió người ta lắp đặt một thiết bị đo tốc độ gió phía sau đuôi lái hoặc gắn một cảm biến đo tốc độ gió trên cánh động cơ gió Tín hiệu về tốc độ gió sẽ được truyền về

bộ điều khiển, bộ điều khiển này có thể được đặt riêng hoặc đặt trong bộ điều khiển chung của động cơ gió Khi cảm thấy tốc độ gió vượt quá giới hạn cho phép bộ điều khiển này sẽ điều khiển cho máy phát điện sinh ra một từ thông cản, làm chậm lại tốc độ quay của máy phát điện qua đó làm giảm tốc độ của động cơ gió

Ưu điểm của loại này là độ nhạy cao, tuổi thọ cao không phụ thuộc vào địa điểm lắp đặt động cơ gió, ngoài việc đảm bảo an toàn cho động cơ gió thì nó còn có tác dụng đảm bảo điện áp nạp vào ắcquy luôn ổn định

Tuy nhiên, loại này có giá thành cao và do không thay đổi được góc đặt cánh nên giới hạn tốc độ gió đảm bảo an toàn thấp hơn cơ cấu cơ khí trên Khi tốc độ gió quá cao thì cần thêm cơ cấu phanh để dừng động cơ gió lại nếu không sẽ làm gãy các trục quay trong động cơ

2.1.2.3 Bộ truyền động

Bộ truyền động có nhiệm vụ truyền chuyển động quay từ cánh gió tới làm quay máy phát điện, cấu tạo bộ truyền gồm có một trục quay được gắn với cánh gió (gọi là trục tốc độ thấp) nhận chuyển động quay của cánh gió truyền tới trục của máy phát điện qua một hộp số Hộp số này có nhiệm vụ làm tăng tốc độ quay ở mức thấp (40÷100 vòng/phút) lên tốc độ quay ở mức cao (500÷1000 vòng/phút) để đạt được tốc độ mong muốn có thể tạo ra điện Việc thiết kế hộp số phụ thuộc vào công

suất của động cơ gió Đối với những động cơ gió cỡ nhỏ hộp số chỉ gồm hai bánh răng có bán kính khác nhau để tăng tỉ số truyền Cặp bánh răng trụ răng nghiêng được sử dụng nhiều nhất vì có nhiều ưu điểm so với các loại bánh răng khác: dễ chế tạo hơn so với răng hình côn; làm việc êm dịu và truyền được tỉ số truyền cao hơn

so với răng thẳng

2.1.2.4 Máy phát điện

Máy phát điện là thiết bị biến đổi cơ năng thành điện năng thông thường sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ Hiện nay động cơ gió sử dụng hai loại máy phát điện xoay chiều là máy phát xoay chiều kích thích bằng nam châm vĩnh cửu và máy phát xoay chiều kích thích kiểu điện từ (nam châm điện)

a Máy phát điện xoay chiều kích thích bằng nam châm vĩnh cửu

Các máy phát xoay chiều kích thích bằng nam châm vĩnh cửu, do công suất hạn chế nên chỉ sử dụng trên các động cơ gió cơ nhỏ Gần đây, kĩ thuật đã chế tạo được những hợp kim từ mới có chất lượng cao, nên loại máy phát này cũng đã được

sử dụng nhiều hơn

Máy phát kích thích bằng nam châm vĩnh cữu có loại một pha và ba pha Loại

ba pha công suất có thể đạt tới 400W hoặc lớn hơn

Máy phát nam châm vĩnh cửu có nhiều ưu điểm hơn hẳn các máy phát kích thích kiểu điện từ như: làm việc tin cậy, kết cấu đơn giản, không có cuộn dây quay, hiệu suất cao, ít nóng, mức nhiễu xạ vô tuyến thấp

Nhưng chúng cũng có một số nhược điểm quan trọng là: khó điều chỉnh thế hiệu, công suất hạn chế, giá thành cao, trọng lượng lớn hơn loại kích thích kiểu điện

từ cùng công suất Ngoài ra từ thông của nó còn phụ thuộc nhiều vào chất lượng hợp kim và kim loại chế tạo nam châm

Cấu tạo của máy phát xoay chiều kích thích bằng nam châm vĩnh cửu gồm hai phần chính rôto và stato

Hình 2.6 Máy phát xoay chiều với nam châm vĩnh cửu hình sao

1 Stato và các cuộn dây; 2 Rôto (nam châm quay)

* Rôto: Phần lớn các máy phát đang được sử dụng hiện nay đều có nam châm quay,

tức nam châm là rôto Các máy phát loại này khác nhau chủ yếu ở kết cấu của rôto

độ từ trường và từ cảm yếu, độ bền cơ học thấp

Để tránh mất mát từ, thường thường trục rôto được chế tạo bằng thép không dẫn từ hay nam châm được đặt lên trục qua một ống lót không dẫn từ

Stato: của máy phát là một khối thép từ hình trụ rỗng, ghép từ các lá thép điện

kỹ thuật được cách điện với nhau bằng sơn cách điện để giảm dòng fucô Mặt trong của stato có các vấu cực để quấn các cuộn dây phần ứng

b Máy phát điện xoay chiều kích thích kiểu điện từ (nam châm điện)

Máy phát điện xoay chiều kích thích kiểu điện từ ngày nay được sử dụng rất nhiều Ưu điểm của loại này là công suất cao, dễ điều chỉnh thế hiệu, trọng lượng nhỏ và tuổi thọ cao

Cấu tạo của máy phát điện điện xoay chiều kích thích kiểu điện từ cũng bao gồm hai phần chính là rôto, stato

Hình 2.7 Máy phát xoay chiều kích thích kiểu điện từ

1.Bộ chỉnh lưu; 2.Vòng tiếp điện; 3.Ổ bi đỡ; 4.Chổi điện; 5.Nắp;

6.Stato và cuộn dây ; 8.Cuộn kích thích

+ Rôto: gồm hai chùm cực hình móng lấp then trên trục Giữa các chùm cực

có cuộn dây kích thích 8 đặt trên trục qua ống lót bằng thép Các đầu của cuộn dây kích thích được nối với các vòng tiếp điện 2 gắn trên trục máy phát Trục của rôto được đặt trên các ổ bi lắp trong các nắp 5 bằng hợp kim nhôm

Hình 2.8 Các chi tiết chính của rô to

1, 2 Các nửa rô to trái và phải; 3 Cuộn kích thích; 4 Các má cực; 5 Đầu ra cuộn kích thích; 6 Then; 7 Đai ốc và vòng đệm; 8 Trục lắp vòng tiếp điện;

9 Các vòng tiếp điện; 10- Các đầu dây dẫn

+ Stato là khối thép từ ghép từ các lá thép điện kỹ thuật, phía trong có xẻ rãnh phân

bố đều để đặt cuộn dày phần ứng

Hình 2.9 Stato và sơ đồ cuộn dây của máy phát điện xoay chiều

I Khối thép từ; 2 Cuộn dây; 3 pha

2.1.2.5 Cơ cấu định hướng gió

Khi động cơ gió hoạt động hướng gió luôn luôn thay đổi vì vậy để đảm bảo cho cánh gió luôn vuông góc với hướng gió thì cần có cơ cấu định hướng gió (đối với động cơ gió trục đứng thì không cần)

Cơ cấu định hướng gió có rất nhiều kiểu, loại khác nhau Động cơ gió cở nhỏ thường dùng loại đuôi lái Loại này có kết cầu đơn giản, dễ sử dụng ít tốn kém hơn Tuy nhiên nhược điểm của loại này là độ an toàn thấp, khi động cơ gió hoạt động thường bị rung mạnh Khi lắp vào đuôi động cơ gió làm tăng chiều dài động cơ gió lên rất lớn điều này gây khó khăn cho việc lắp động cơ gió lên giá đỡ

Đuôi lái như Hình 2.11 là hai loại đuôi lái liền không có lỗ thông gió và loại

có lỗ thông gió Ưu điểm của loại không có lỗ thông gió là đơn giản, dễ chế tạo,