Thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị đo gió cho máy phong điện trục đứng có điều khiển

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ ĐO GIÓ CHO MÁY PHONG ĐIỆN TRỤC ĐỨNG CÓ ĐIỀU KHIỂN Ngành : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY Mã số : 60 52 01 03 Học viên : PHẠM THẾ ANH Ngƣời HD khoa học : PGS.TS NGÔ NHƢ KHOA THÁI NGUYÊN - 2013 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập, rèn luyện nghiên cứu trƣờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên, tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới PGS TS Ngơ Nhƣ Khoa - Trƣởng phịng Đào tạo trƣờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên tận tình hƣớng dẫn giúp đỡ tơi q trình nghiên cứu để tơi hồn thành đề tài luận văn tốt nghiệp Cảm ơn thầy cô giáo trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên tận tình giảng dạy hai năm học qua Cảm ơn Ban Giám hiệu lãnh đạo khoa Khoa Cơ khí - Trƣờng Cao Đẳng Cơng nghiệp Phúc Yên (Phƣờng Trƣng Nhị - TX.Phúc Yên – Tỉnh Vĩnh Phúc) tạo điều kiện mặt thời gian để tơi thực hồn thành đề tài Cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp động viên, giúp đỡ thời gian qua để luận văn đƣợc hoàn thành tiến độ Thái Nguyên, ngày 24 tháng 05 năm 2013 Tác giả Phạm Thế Anh Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tôi Phạm Thế Anh - Học viên cao học lớp K13-Cơng nghệ chế tạo máy Khóa học 2010-2012 trƣờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên Sau hai năm học tập, rèn luyện nghiên cứu trƣờng lựa chọn thực đề tài tốt nghiệp “Thiết kế chế tạo thử nghiệm thiết bị đo gió cho máy phong điện trục đứng có điều khiển” Đƣợc hƣớng dẫn giúp đỡ tận tình PGS TS Ngô Nhƣ Khoa nỗ lực thân, đề tài đƣợc hoàn thành năm 201 Tơi xin cam đoan tồn nội dung kết luận văn tự thân thực hiện, không chép ngƣời khác Nếu sai tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm Thái Nguyên, ngày tháng năm 201 Tác giả Phạm Thế Anh Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỤC LỤC Lời cảm ơn………………………………………………………………… Lời cam đoan………………………………………………………… …… Mục lục …………………………………………………………… …… Danh mục hình vẽ…………………………………………… …… Danh mục bảng biểu………………………………………… …… Danh mục ký hiệu chữ viết tắt…………………………… …… MỞ ĐẦU…………………………………………………………… …… 10 Tính cấp thiết đề tài………………………………………… …… 10 Mục tiêu nhiện vụ luận văn……………………………… …… 11 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu……………………………… …… 12 Phƣơng pháp nghiên cứu……………………………………… .…… 12 Ý nghĩa…………………………………………………………… …… 12 NỘI DUNG CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 13 1.1 Các loại thiết bị đo gió.………………………………………………… 13 1.1.1 Cup Anemometer……………………………………………………… 13 1.1.2 Windmill anemometer………………………………………………… 14 1.1.3 Hot-wire anemometer ………………………………………………… 14 1.1.4 Sonic anemometer…………………………………………………… 15 1.2 Vị trí lắp thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc…………………………… 15 1.2.1 Trên máy phong điện trục ngang trục đứng……………………… 15 1.2.2 Trên máy phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh……………… 16 1.3 Kết cấu, nguyên lý làm việc thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc……… 18 1.3.1 Kết cấu chung thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc…………………… 18 1.3.2 Nguyên lý làm việc thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc……………… 20 1.4 Cơ sở nghiên cứu khí động lực học………………………………… 23 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 1.4.1 Các thông số gió…………………………………………… 23 1.4.2 Cơ sở lực nâng, lực cản khí động lực học…………………… 24 1.4.3 Hệ số cản CD cánh có dạng cốc……………………………… 26 1.5 Các mơ hình tính tốn khí động lực học cho thiết bị đo gió kiểu cốc… 27 1.5.1 Mơ hình cốc………………………………………………………… 29 1.5.2 Mơ hình Ramachandran………………………………………… 30 1.5.3 Đề xuất Kondo cộng sự…………………………………… 32 1.5.4 Đề xuất mơ hình kết hợp cốc cốc……………………………… 34 1.6 Kết luận 34 CHƢƠNG TÍNH TỐN, THIẾT KẾ KHÍ ĐỘNG HỌC TRÊN THIẾT BỊ ĐO GIĨ KIỂU CỐC 2.1 Các thơng số thiết kế cho thiết bị đo gió kiểu cốc……………… 35 2.1.1 Ảnh hƣởng thông số thiết kế chính…………………………… 35 2.1.2 Yêu cầu thiết kế cho thiết bị đo gió kiểu cốc………………………… 37 2.2 Mơ hình thiết kế chế tạo cho thiết bị đo gió kiểu cốc……………… 38 2.2.1 Thiết kế sơ mơ hình thiết bị đo gió kiểu cốc………………… 38 2.2.2 Thiết kế chi tiết ngun lý mơ hình thiết bị đo……………… 38 2.2.3 Mơ hình chế tạo thiết bị đo tốc độ gió hƣớng gió…………… 41 2.3 Mơ hình khí động lực học cho cốc 41 2.3.1 Một số giả định phân tích mơ hình cốc 41 2.3.2 Mơ men khí động lực học mơ hình cốc……………………… 42 2.3.3 Thực nghiệm mơ hình cốc 44 2.3.4 Mơ men khí động lực học rotor cốc………………………… 48 2.4 Ma sát lăn ổ bi bên thiết bị đo…………………………… 49 2.4.1 Cơ sở tính tốn mơ men ma sát lăn ổ bi………………………… 49 2.4.2 Thực nghiệm xác định giá trị mô men ma sát lăn Qf ổ bi…… 52 2.4.3 Quan hệ mô men ma sát lăn Qf với vận tốc góc ω 55 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2.5 Phƣơng trình khí động lực thiết bị đo gió kiểu cốc………………… 56 2.5.1 Kết tính tốn khí động lực học cho rotor cốc, với Rrc = 360 mm 56 2.5.2 Kết tính tốn khí động lực học cho rotor cốc, với Rrc = 330 mm 58 2.5.3 Kết tính tốn khí động lực học cho rotor cốc, với Rrc = 300 mm 59 2.5.4 Kết tính tốn khí động lực học cho rotor cốc, với Rrc = 270 mm 60 2.5.5 Kết tính tốn khí động lực học cho rotor cốc, với Rrc = 240 mm 61 2.5.6 Kết tính tốn khí động lực học cho rotor cốc, với Rrc = 210 mm 62 2.5.7 Kết tính tốn khí động lực học cho rotor cốc, với Rrc = 180 mm 63 2.5.8 Kết tính tốn khí động lực học cho rotor cốc, với Rrc = 150 mm 64 2.5.9 Nhận xét mơ hình tính tốn khí động lực học 65 2.6 Kiểm nghiệm mô hình khí động lực học thiết bị đo gió…………… 67 2.6.1 Xây dựng mơ hình thực nghiệm……………………………………… 67 2.6.2 So sánh mơ hình tính tốn mơ hình thực nghiệm 73 2.7 Kết luận 74 CHƢƠNG TÍNH TỐN, THIẾT KẾ ĐI HƢỚNG GIĨ 3.1 Cơ sở tính tốn, thiết kế cho hƣớng gió 75 3.1.1 Một số đặc điểm lái gió 75 3.1.2 Kết cấu nguyên lý hoạt động hƣớng gió 75 3.1.3 Mơ hình khí động lực học cho hƣớng gió 79 3.2 Kiểm nghiệm mơ hình thiết kế cho lái gió 80 3.2.1 Thông số kết cấu phận xác định hƣớng gió 80 3.2.2 Sơ đồ thực nghiệm cho đuôi lái gió đƣợc thiết kế 81 3.3.Kết luận 81 CHƢƠNG KẾT LUẬN CHUNG 4.1 Kết luận văn đạt đƣợc…………………………………………… Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 82 4.2 Những kiến nghị nghiên cứu tiếp theo………………………………… 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cup Anemometer ……………………………………….……… Hình 1.2 Windmill anemometer …………………………….……………… 13 Hình 1.3 Hot-wire anemometer ……………… …………………………… 14 Hình 1.4 Sonic anemometer ……………………………………………… 14 Hình 1.5 Thiết bị đo gió vỏ máy máy phong điện trục ngang …… 15 Hình 1.6 Thiết bị đo gió chân đế máy phong điện trục đứng …… 16 Hình 1.7 Vị trí lắp mong muốn thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc máy 16 phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh……………………………… Hình 1.8 Một số dạng cốc ………………………………………… 17 Hình 1.9 Bản vẽ phân rã - Cup Anemometer………………………… 18 Hình 1.10 Thiết bị đo gió dựa quan hệ điện áp sinh tỷ lệ với tốc độ gió 19 Hình 1.11 Các thành phần vận tốc gió tác động lên vật thể …………… 20 Hình 1.12 Bản chất hình thành lực khí động học ……………………… 24 Hình 1.13 Đồ thị biểu diễn quan hệ CD CL với góc tới  ………… 25 Hình 1.14 Mơ hình đơn giản hóa rotor thiết bị đo gió…………… 26 Hình 1.15 Hệ số cản số dạng hình học bản…………… ……… 26 Hình 1.16 Các mô men tác dụng lên rotor thiết bị đo gió……………… 27 Hình 1.17 Mơ hình cốc ………………………………………………… 28 Hình 1.18 Độ lệch góc α θ phụ thuộc vào hệ số K………………… 30 Hình 1.19 Hệ số khí động lực học C kiểu cốc Brevoort - Joyner II… 31 N Hình 1.20 Hệ số CN kiểu cốc Brevoort - Joyner II Kondo đề xuất… 32 Hình 2.1 Một thiết kế hợp lý cho thiết bị đo gió…………………………… 33 Hình 2.2 Một thiết kế chƣa hợp lý cho thiết bị đo gió……………………… 36 Hình 2.3 Kết cấu sơ thiết bị đo gió.………………………………… 37 Hình 2.4 Bản vẽ phân rã cho mơ hình thiết bị đo tốc độ gió hƣớng gió… 38 Hình 2.5 Bản vẽ lắp cho mơ hình thiết bị đo tốc độ gió hƣớng gió……… 39 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 2.6 Mơ hình chế tạo cho thiết bị đo tốc độ gió hƣớng gió………… 40 Hình 2.7 Mơ hình hóa cho cốc …………………… 41 Hình 2.8 Dạng biểu đồ mơ men khí động lực học tổng quát cốc 42 Hình 2.9 Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo lực cản FD mơ hình cốc 43 Hình 2.10 Đồ thị mơ men khí động lực học xây dựng từ thực nghiệm 47 Hình 2.11 Sơ đồ khí dộng lực học rotor cốc ………………………… 48 Hình 2.12 Các chi tiết kết cấu ổ bi 49 Hình 2.13 Lớp thấm chất bơi trơn khe hở ngõng trục……………… 50 Hình 2.14 Độ nhớt số loại dầu tƣơng ứng với nhiệt độ ổ bi 51 Hình 2.15 Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo điện áp dòng điện 52 Hình 2.16 Quan hệ Qf vận tốc góc ω……………………………… 54 Hình 2.17 Đồ thị thể quan hệ V ω 56 Hình 2.18 Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo vận tốc góc rotor 66 Hình 3.1 Mơ hình thiết kế hƣớng gió 68 Hình 3.2 Bản vẽ phân rã hƣớng gió……………………………… 75 Hình 3.3 Sơ đồ ngun lý chiết áp vịng……………………………… 76 Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý mã hóa xung quang học (5 bit)………… 77 Hình 3.5 Sơ đồ mơ tả đặc tính khí động lực học hƣớng gió 78 Hình 3.6 Thiết bị đo gió đƣợc lắp đặt máy phong điện trục đứng 79 Hình 3.7 Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo lực cản tác động lên cánh 80 81 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Bảng số liệu tính tốn lực mơ men khí động lực học cốc Bảng 2.2 Các thiết bị thực nghiệm đo lực cản FD mơ hình cốc 44 Bảng 2.3 Bảng số liệu thực nghiệm lực mơ men khí động lực học 45 cốc Bảng 2.4 Các thiết bị thực nghiệm đo điện áp dòng điện 47 Bảng 2.5 Bảng số liệu thực nghiệm đo điện áp dòng điện 53 Bảng 2.6 Bảng số liệu tính toán ω rotor cốc với Rrc = 360 55 Bảng 2.7 Bảng số liệu tính tốn ω rotor cốc với Rrc = 330 57 Bảng 2.8 Bảng số liệu tính tốn ω rotor cốc với Rrc = 300 58 Bảng 2.9 Bảng số liệu tính tốn ω rotor cốc với Rrc = 270 59 Bảng 2.10 Bảng số liệu tính tốn ω rotor cốc với Rrc = 240 60 Bảng 2.11 Bảng số liệu tính tốn ω rotor cốc với Rrc = 210 61 Bảng 2.12 Bảng số liệu tính tốn ω rotor cốc với Rrc = 180 62 Bảng 2.13 Bảng số liệu tính tốn ω rotor cốc với Rrc = 150 63 Bảng 2.14 Các thiết bị thực nghiệm đo vận tốc góc ω (rad/s) rotor 64 tƣơng ứng với tốc độ gió V (m/s) Bảng 2.15 Bảng số liệu thực nghiệm đo vận tốc góc ω với Rrc = 360 67 Bảng 2.16 Bảng số liệu thực nghiệm đo vận tốc góc ω với Rrc = 330 69 Bảng 2.17 Bảng số liệu thực nghiệm đo vận tốc góc ω với Rrc = 300 69 Bảng 2.18 Bảng số liệu thực nghiệm đo vận tốc góc ω với Rrc = 270 70 Bảng 2.19 Bảng số liệu thực nghiệm đo vận tốc góc ω với Rrc = 240 70 Bảng 2.20 Bảng số liệu thực nghiệm đo vận tốc góc ω với Rrc = 210 71 Bảng 2.21 Bảng số liệu thực nghiệm đo vận tốc góc ω với Rrc = 180 72 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 10 Bảng 2.22 Bảng số liệu thực nghiệm đo vận tốc góc ω với Rrc = 150 72 73 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT n Số lƣợng cánh rotor ( Số cốc) Dc Đƣờng kính cốc (mm) Rrc Bán kính quay cốc (mm) h Chiều cao trục quay rotor (mm) Sc Diện tích hứng gió cốc (m2) A Diện tích hƣớng gió (m2) V Tốc độ gió (m/s) Vr Vận tốc tƣơng đối gió so với cốc (m/s) ω Vận tốc góc rotor (rad/s) CD Hệ số cản CDv Hệ số cản mặt lõm cốc CDx Hệ số cản mặt lồi cốc ρ Mật độ khơng khí (kg/m3) FD Mơ men quay rotor (N.m) QA Mơ men khí động lực học trung bình rotor (N.m) QC(av) Mơ men khí động lực học trung bình cốc sau vịng quay (N.m) Qf Mơ men ma sát lăn trung bình ổ bi (N.m) α Góc tới (độ) θ Góc quay rotor (độ) βv Góc xoay hƣớng gió (độ) β Góc hƣớng gió so với phƣơng gió (độ) Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 76 Bảng 2.19 Bảng số liệu thực nghiệm đo vận tốc góc ω với Rrc = 240 Vận tốc gió V Vận tốc góc ω Vận tốc góc ω từ (m/s) từ thực nghiệm kết tính (rad/s) (rad/s) 0 0 1,0 1,686 1,906 -11,5 1,5 2,659 2,867 -7,2 2,0 3,676 3,827 -3,9 2,5 4,681 4,787 -2,2 3,0 5,822 5,748 1,3 3,5 6,503 6,708 -3,0 4,0 7,665 7,668 -0,04 4,5 8,555 8,629 -0,8 5,0 9,414 9,589 -1,8 5,5 10,336 10,549 -2,0 6,0 10,922 11,509 -5,1 Sai số (%) Bảng 2.20 Bảng số liệu thực nghiệm đo vận tốc góc ω với Rrc = 210 Vận tốc gió V Vận tốc góc ω Vận tốc góc ω từ (m/s) từ thực nghiệm kết tính (rad/s) (rad/s) 0 0 1,0 1,267 1,910 -33,6 1,5 2,482 2,933 -15,4 2,0 3,361 3,957 -15,0 2,5 4,346 4,980 -12,7 3,0 5,665 6,004 -5,6 3,5 6,828 7,027 -2,8 4,0 7,864 8,050 -2,3 Số hóa Trung tâm Học liệu Sai số (%) http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 77 4,5 8,796 9,074 -3,0 5,0 9,634 10,097 -4,6 5,5 10,598 11,121 -4,7 6,0 11,404 12,144 -6,1 Bảng 2.21 Bảng số liệu thực nghiệm đo vận tốc góc ω với Rrc = 180 Vận tốc gió V Vận tốc góc ω Vận tốc góc ω từ (m/s) từ thực nghiệm kết tính (rad/s) (rad/s) 0 0 1,0 1,654 1,888 -12,4 1,5 2,712 2,890 -6,1 2,0 3,843 3,892 -1,2 2,5 4,639 4,893 -5,2 3,0 5,550 5,895 -5,8 3,5 6,712 6,896 -2,7 4,0 7,812 7,898 -1,1 4,5 8,817 8,899 -1,0 5,0 10,053 9,90 1,5 5,5 10,838 10,902 -0,6 6,0 11,613 11,904 -2,4 Sai số (%) Bảng 2.22 Bảng số liệu thực nghiệm đo vận tốc góc ω với Rrc = 150 Vận tốc gió V Vận tốc góc ω Vận tốc góc ω từ (m/s) từ thực nghiệm kết tính (rad/s) (rad/s) 0 0 1,0 1,602 1,598 0,2 1,5 2,681 2,641 1,5 Số hóa Trung tâm Học liệu Sai số (%) http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 78 2,0 3,801 3,683 3,2 2,5 4,807 4,725 1,7 3,0 5,896 5,767 2,2 3,5 6,796 6,809 -0,2 4,0 8,011 7,852 2,0 4,5 8,922 8,894 0,3 5,0 10,095 9,937 1,6 5,5 10,880 10,979 -0,9 6,0 11,634 12,021 -3,2 2.6.2 So sánh mơ hình tính tốn mơ hình thực nghiệm Mơ hình tính tốn có kết gần sát với mơ hình thực nghiệm Kết từ thực nghiệm có giá trị thấp đơi chút so với tính tốn, ngun nhân dẫn đến kết ảnh hƣởng độ trễ mặt động lực học hệ thống chƣa đƣợc xác định mô hình tính tốn 2.7 Kết luận Với kết thu đƣợc chƣơng ta hồn tồn có sơ sở tính tốn thiết kế cho thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc Thơng qua thực nghiệm cho phép ta rút số nhận xét chung nhƣ sau:  Kết thực nghiệm phù hợp với mơ hình tính tốn từ lý thuyết  Bán kính quay cốc ảnh hƣởng đến vận tốc góc rotor, nên chọn bán kính quay cốc có giá trị ngắn nhằm tăng tốc độ vịng quay rotor đáp ứng yêu cầu vị trí làm việc thiết bị đo gió đồng thời đảm bảo mức độ tuyến tính  Diện tích cốc có ảnh hƣởng định Dựa mơ hình tính tốn thấy tăng diện tích cốc cụ thể đƣờng kính cốc vận tốc góc rotor tăng, mức độ tuyến tính giảm Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 79 Dựa mơ hình tính tốn, tác giả thiết kế chế tạo đƣợc thiết bị đo gió kiểu cốc với thông số đáp ứng đƣợc yêu cầu đặt thiết bị đo CHƢƠNG TÍNH TỐN, THIẾT KẾ ĐI HƢỚNG GIĨ 3.1 Cơ sở tính tốn, thiết kế cho hƣớng gió 3.1.1 Một số đặc điểm lái gió Đi lái gió phận xác định hƣớng gió đa dạng phong phú chủng loại kiểu dáng, nhiên đặc điểm chung chúng thƣờng có dạng phẳng đƣợc thiết kế theo dạng khí động lực học giống nhƣ máy bay Đi lái gió có dạng phẳng có ƣu điểm thiết kế chế tạo đơn giản, đảm bảo độ tin cậy liệu Với ƣu điểm nhƣ nên thiết kế đuôi lái gió cho phận xác định hƣớng gió, tác giả lựa chọn hình dạng lái gió có dạng phẳng Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 80 đƣợc theo hình dạng khí động máy bay Hình dạng lái gió đƣợc thiết kế nhƣ hình 3.1 Hình 3.1 Mơ hình thiết kế hướng gió 3.1.2 Kết cấu ngun lý hoạt động hƣớng gió Kết cấu lái gió đƣợc mơ tả nhƣ hình 3.2 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 81 Hình 3.2 Bản vẽ phân rã hướng gió (Model 12302/12305 R.M.Young Company) 1) Cánh lái gió; 2) Trục xoay; 3) Khớp nối dạng đĩa; 4) Khớp nối chiết áp Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 82 5) Chiết áp; 6) Cáp tín hiệu Đi hƣớng gió chủ yếu làm việc dựa quan hệ thay đổi góc đến tín hiệu điện Các thiết bị xác định hƣớng gió hoạt động dựa số nguyên lý nhƣ sau: + Dựa thay đổi điện áp thay đổi góc xoay Trục xoay hƣớng gió đƣợc gắn chiết áp nhằm tạo điện áp tỷ lệ thuận với thay đổi góc Hình 3.3 cho thấy sơ đồ ngun lý chiết áp vòng đƣợc sử dụng phận xác định hƣớng gió Chiết áp bao gồm phần phát thu tín hiệu, phần phát tín hiệu gồm dây dẫn, phần thu tín hiệu gồm rotor bao quanh nam châm vĩnh cửu stator gồm cuộn dây phân bố góc 120° Trục rotor đƣợc gắn kim xoay cho phép xác định góc xoay hƣớng gió Một điện áp 12V đƣợc đƣa trực tiếp vào chiết áp thơng qua cặp tiếp điểm trƣợt, hai tiếp điểm đƣợc gắn trực tiếp với trục xoay đuôi hƣớng gió Dịng điện thơng qua cặp tiếp điểm trƣợt đƣợc đặt vào cuộn dây stator sinh từ trƣờng Kim gắn chặt vào rotor góc độ tỷ lệ thuận với vị trí cặp tiếp điểm trƣợt góc xoay hƣớng gió Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý chiết áp vòng Ƣu điểm mơ hình thiết kế đơn giản, dễ dàng lắp đặt Tuy nhiên nhƣợc điểm cặp tiếp điểm nhanh mòn dẫn đến sai số đo sau thời gian sử dụng Thêm vào đó, điện trở dây cáp phần phát thu tín hiệu chịu ảnh hƣởng lớn khoảng cách lắp đặt Sai số lớn xuất dây nối lỏng lẻo Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 83 + Dựa mã hóa xung quang học Hình 3.4 trình bày ngun lý mã hóa xung quang học, bao gồm đĩa có rãnh đồng tâm cho phép ánh sáng truyền qua phần lại làm vật liệu quang điện Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý mã hóa xung quang học (5 bit) Bộ mã hóa xung đƣợc thiết kế với số bit cụ thể nhằm đáp ứng độ phân giải cần đo góc xoay Nếu số bit cụ thể bít độ phân giải đo đƣợc nhƣ sau: 360° ÷ 25 = 360° ÷ 32 = 11,25° 360° ÷ 28 = 360° ÷ 256 = 1,4° Cho chùm ánh sáng đến đĩa tròn đƣợc xẻ rãnh, ánh sáng qua rãnh đến đƣợc đầu thu tín hiệu đầu nhân đƣợc “1” Khi ánh sáng phản xạ lại từ bề mặt đĩa khơng đến đƣợc đầu thu tín hiệu đầu nhận đƣợc “0” Tại vị trí đĩa, tín hiệu đầu nhận đƣợc là: 01010 Phân đoạn thứ 11 nhƣ hình 3.4 tƣơng ứng góc: 11 x 11,25° 12 x 11,25°, cụ thể nằm 123,75° 135° Sử dụng mã hóa xung quang học có ƣu điểm giảm tối đa ma sát học hệ thống, cho độ phân giải mong muốn Thêm vào đó, thiết bị thích hợp cho việc xử lý liệu với máy tính đầu đƣợc xử lý nhƣ tín hiệu kỹ thuật số Cụ thể phân tích từ hình 3.2 thấy ngun lý hoạt động phận xác định hƣớng gió dựa thay đổi điện áp thông qua chiết áp: Khi luồng gió thay đổi hƣớng làm xoay hƣớng gió 1, trục xoay 2, khớp Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 84 nối dạng đĩa khớp nối chiết áp xoay theo Dẫn đến vị trí núm xoay chiết áp thay đổi, thay đổi điện trở chiết áp đƣợc truyền đến thiết bị để tính tốn, quy đổi góc xoay hƣớng gió thơng qua cáp tín hiệu 3.1.3 Mơ hình khí động lực học cho hƣớng gió Đặc trƣng khí động lực học lái gió phụ thuộc chủ yếu vào hƣớng gió Phƣơng trình chuyển động lái gió đƣợc mơ tả biểu thức dƣới đây: I d v  FD  r dt (3.1) Trong đó, d  v / dt đạo hàm bậc hai theo thời gian góc xoay lái gió gia tốc góc FD lực cản tác động lên lái gió với điểm đặt cách trục xoay khoảng cách r Hình 3.5 Sơ đồ mơ tả đặc tính khí động lực học hướng gió Lực cản tác động lên lái gió đƣợc xác định theo biểu thức sau: FD  0,5 ACD V (3.2) Với A diện tích lái gió, ρ mật độ khơng khí, CL hệ số nâng V tốc độ gió Giả thiết mô men cản trở chuyển động xoay lái gió xung quanh trục Mf có giá trị giá trị lớn mô men ma sát lăn ổ bi Dựa vào kết tính tốn chƣơng 2, ta có giá trị lớn mô men ma sát lăn Qfmax = 0,262 N.m Vậy theo giả thiết ta có Mf = 0,262 N.m Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 85 Theo thiết kế, sai số góc lái gió 5˚ ứng với vận tốc gió nhỏ theo thiết kế V = 3,0 m/s, để thỏa mãn yêu cầu lực cản tác động vào lái gió cần phải thỏa mãn điều kiện sau: FD  r  sin5o  M f (3.3) Nhƣ vậy, để đảm bảo yêu cầu sai số góc, diện tích lái gió A phải thỏa mãn điều kiện sau: A Mf (3.4) 0,5.CD .V r.sin 5o Đi lái gió đƣợc thiết kế cho trọng tâm cách trục quay khoảng r = 237 (mm) Thay giá trị tƣơng ứng thông số vào biểu thức 3.4 ta thu đƣợc diện tích cần thiết lái gió là: A  0,064 (m2) Nhƣ vậy, với thiết kế cho ban đầu diện tích lái gió A = 0,082 (m2) hoàn toàn thỏa mãn yêu cầu 3.2 Kiểm nghiệm mơ hình thiết kế cho lái gió 3.2.1 Thông số kết cấu phận xác định hƣớng gió Theo kết tính tốn, thiết kế hƣớng gió hồn tồn phù hợp Hình 3.6 mơ tả mơ hình chế tạo đƣợc lắp máy phong điện trục đứng Vật liệu đƣợc sử dụng để chế tạo nhơm nhựa Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 86 Hình 3.6: Thiết bị đo gió lắp đặt máy phong điện trục đứng 3.2.2 Sơ đồ thực nghiệm cho lái gió đƣợc thiết kế Nhằm kiểm nghiệm kết tính tốn, thiết kế nhƣ sản phẩm chế tạo đƣợc, tác giả tiến hành thực nghiệm theo sơ đồ nhƣ hình 3.7 dƣới đây: Hình 3.7: Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo lực cản tác động lên cánh Thực nghiệm đƣợc tiến hành nhƣ sau Cho quạt quay với tốc độ gió đến cánh 3,0 m/s, đặt lực kế vng góc với lái gió vị trí trọng tâm nó, cho lái gió tạo góc 5˚ so với hƣớng gió Kết lực kế cho thấy giá trị lực đo đƣợc 0,5 N Nhƣ vậy, lái gió đƣợc tính tốn, thiết kế chế tạo hồn tồn đảm bảo yêu cầu toán 3.3.Kết luận Nhƣ ta hồn tồn có sở để xác định đƣợc thơng số lái gió thỏa mãn u cầu đặt cho phận xác định hƣớng gió Tuy nhiên, nhƣ trình bày chƣơng hạn chế thiết bị thử nghiệm ảnh hƣởng không nhỏ đến kết thử nghiệm mơ hình Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 87 CHƢƠNG KẾT LUẬN CHUNG 4.1 Kết luận văn đạt đƣợc - Tìm hiểu đƣợc quan hệ động học thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc - Xác định đƣợc yếu tố ảnh hƣởng đến vận tốc góc rotor - Xác định đƣợc kết cấu, kích thƣớc hợp lý thiết bị đo gió kiểu cốc - Xác định đƣợc kết cấu kích thƣớc tiết diện hợp lý lái gió 4.2 Những kiến nghị nghiên cứu - Nghiên cứu xác định yếu tố ảnh hƣởng đến độ trễ mặt học - Nghiên cứu quy luật ảnh hƣởng vận tốc cánh tuarbine đến vận tốc thiết bị đo gió kiểu cốc gắn tuarbine - Nghiên cứu, tính tốn bù sai số lập trình cho điều khiển thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang (2007), Nghiên cứu thiết kế chế tạo phát điện sức gió có cơng suất 10 – 30kw phù hợp với điều kiện Việt Nam, mã số KC.06 20CN Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội [2] Th.s Chu Đức Quyết (2009), Tính tốn thiết kế hệ thống cánh turbine gió kiểu trục đứng máy phong điện công suất 10KW, 2009 [3] Th.s Nguyễn Văn Huỳnh (2009), Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ thích nghi để điều khiển cánh gió tuabin trục đứng, 2009 [4] Th.s Dƣơng Văn Đồng (2010), “Nghiên cứu, tính tốn thiết kế biên dạng cánh turbine gió trục đứng cho máy phong điện công suất 3KW, 2010 Tiếng Anh [5] Troels Friis Pedersen (2006), Accurate Wind Speed Measurements in Wind Energy, Risø National Laboratory, July 2006 [6] Paul R.Ebert, David H.Wood (1995), Correcting measurements from a cup anemometer and wind vane, The University of Sydney, Australia 1995 [7] Fasinmirin J T, Oguntunde P G and Ladipo K O (2011), Development and calibration of a self-recording cup anemometer for wind speed measurement, Department of Agricultural Engineering, Federal University of Technology, Akure, Nigeria [8] R.M.YOUNG COMPANY (1994), Gill Microvane & 3-Cup Anemometer [9] Troels Friis Pedersen (2003), Development of a Classification System for Cup Anemometers – CLASSCUP, Risø National Laboratory Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 89 [10] E.L Houghton and P.W Carpenter (2003), Aerodynamics for Engineering Students - Fifth Edition, The University of Warwick [11] Nicholas Caplan & N Gardner (2011), Lift and Drag, 2011 [12] Wyngaard J.C (1981), Cup, propeller, vane, and sonic anemometers in turbulence research Ann Rev Fluid Mech 1981, 13, 399–423 [13] Ramachandran, S.A (1969), Theoretical study of cup and vane anemometers Quart J Roy Meteorol Soc 1969, 95, 163–180 [14] Brevoort,M.J; Joyner, U.T (1934), Aerodynamic Characteristics of Anemometer Cups; NACA Technical Note 489; Washington, DC, USA, 1934 [15] Brevoort, M.J.; Joyner, U.T (1935), Experimental Investigation of the Robinson-Type Cup Anemometer; NACA Technical Note 513; Washington, DC, USA, 1935 [16] Ramachandran, S.A (1969), Theoretical study of cup and vane anemometers Quart J Roy Meteorol Soc 1969, 95, 163–180 [17] Kondo, J.; Naito, G.; Fujinawa, Y (1971), Response of cup anemometer in turbulence J Meteorol Soc Jpn.1971, 49, 63–74 [18] Troels Friis Pedersen, (2003), Wind speed measurement and use of cup anemometry, Risø National Laboratory, Denmark Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 90 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/