Turbine gió loại Sanovius thường sử dụng rộng rãi như động cơđể khởi động cho turbine gió loại Darrieus vì lực khởi động của loại Sanovius nhỏhơn so với loại Darrieus, sau khi cánh loại
DANH SÁCH BANG
Bang 2.1 Các số liệu độ thô nhám Kg c.ecccecccccecesscsececececesssvsvscecceesevecscscecesvevacseeeveees 37Bảng 3.1 Mỗi quan hệ giữa số cánh B và tỉ tốc đầu mút ) -2s- 55+ 50Bang 3.2 Mỗi quan hệ giữa p với m và Ky.ceeeeccccesecsssessssesesssesesscsesessesssesscsseesseseeeeees 52Bang 3.3 Mỗi quan hệ chiều dài cung cánh +5 + 25+ 5++s+x£++x+xezscxez 58Bang 3.4 Mối quan hệ giữa góc tới, góc tan và góc đặt cánh với chỉ số bán kính 59
DANH SÁCH KÝ HIỆU
CO SO LY LUAN
2.1 Nguyên lý va cau tạo động co 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 băng cách sử dụng điện để tạo ra gid, còn động co gid chuyển co năng thành điện năng bang cách sử dung năng lượng gió dé tao 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 la>đ
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý động cơ gió công suất nhỏ
1 Động cơ gid; 2, Bộ điều khiến: 3 Ắc quy; 4 Bộ chuyển đối điện; 5 Bảng phân phối điện; 6 Thiết bị tiêu thụ điện. s* Nguyên lý hoạt động: Điện áp phát ra từ động cơ gió là điện xoay chiều ba pha qua bộ điều khiến và được nạp vào bình ac quy Bộ điêu khiên còn có nhiệm vụ điêu khiên chê độ hoạt l6 động của động cơ gió như khi gặp gió lớn, bão thì cánh quạt quay nhanh dễ bị gẫy cánh, lúc này bộ điều khiến 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 khiến các cánh quạt sẽ tự động xếp lại Điện áp từ bình ặc quy sẽ được đưa qua bộ chuyển đổi thành điện xoay chiều và được đưa đến nơi tiêu thụ Nhược điểm dé thay của sơ đồ này đó là ton thất điện lớn, bình ắc quy nhanh hỏng. Đối với những nơi có tốc độ gió ôn 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 dé này so với so đồ trên đó là tốn thất điện giảm do điện sinh ra được đưa đến nơi tiêu thụ ngay. tạng AC atl
Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý động cơ gió công suất lớn 1 Động cơ gió; 2 Bộ điều khiến; 3 Ac quy; 4 Bộ chuyên 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 thong 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 cau sinh hoạt ở những vùng xa xôi, hẻo lánh xa khu dân cư Nếu trạm điện gió không thé cung cấp đủ năng lượng can thiết thì lay điện từ lưới hạ thế có sẵn trong khu vực Còn nếu trạm điện gid san xuất điện nhiều hơn nhu cau thì điện năng thừa ra được truyền hoặc bán ngược trở lại cho lưới.
Tuy nhién, duoc hé thong lưới điện có thể hoạt động được cần những điều kiện sau đây:
- Năm trong khu vực mà van toc gió lớn, ôn định, trung bình cả năm tôi thiêu là 4,5 m/s
- Nguồn cấp điện có giá dat (do ở vùng xa xôi khó kéo dây tải điện).
- Yêu cầu cho việc kết nối hệ thông với lưới không có chiêu hướng đắt hơn bình thường.
- Có nhiều khuyên khích đôi với việc bán ngược phân điện năng thừa hoặc mua bán những động cơ gid tị |
Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống điện liên kết lưới 2.1.2 Cầu tạo động cơ gió trục ngang
Là bộ phận quan trọng của động cơ gió Động cơ gió hoạt động được nhờ cánh gió thu năng lượng của gió, chuyên 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 thê gôm hai, ba hoặc nhiều cánh quạt
Loại cánh thường được sử dung hiện nay là cảnh NACA Cánh NACA do co 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 bang NACA xxxx.
- Vị số thứ nhất: độ cong của cánh tính theo phan 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%, vi 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 cau điều tốc; 3 Ô đỡ; 4 Hộp truyền tốc độ; 5 Phanh; 6 Máy phát điện; 7 Vo; 8 Bánh răng lái; 9 Đuôi lái; 10 Trụ; 11 Dây cáp; 12 Cọc cáp b Cánh NACA năm vị số Cánh NACA năm vị số được kí hiệu là: NACA xxxxx.
- Vị số thứ nhất: giá trị hệ số lực nâng x.3/(2.10)
- Vị số thứ hai và thứ ba: giá trị phần trăm (%) của vị trí có độ cong lớn nhất chia cho 2.
- Vị số thứ bốn và năm: giá trị phần trăm (%) của chiều dày chia chiều dài dây cung.
Ví dụ: NACA 23012 thì hệ số lực nâng thiết kê băng 2.3/20 = 0.3; vi trí tương đối của nơi có độ cong lớn nhất là 15%; và chiều dày tương đối lớn nhất so với dây cung là 12%.
Trong quá trình động cơ gió làm việc với vận tốc và hướng gió không ngừng thay doi do vậy làm cho tốc độ quay của trục và công suất phát ra của động co gió không ngừng thay đối 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 không chế tốc độ quay.
Khi vận tốc lớn sẽ gây ra hiện tượng vượt tốc của cánh, có thể làm gay hay hu hỏng cánh gây ảnh hưởng đến các bộ phận khác của động co gió và gây nguy hiểm đến con người Cơ cau điều tốc ảnh hưởng rất lớn đến tuổi thọ của động cơ gió, khi thiết kế động cơ gió can phải thiết kế cơ cau điều tốc sao cho phù hợp tránh cho cánh quay quá nhanh làm phá hỏng động cơ gió.
Cơ cau điều tốc có rất nhiều loại, đặc trưng thường sử dụng 2 loại: a Cơ cau điều tốc cơ khí: Đây là cơ cầu điều tốc đã được sử dụng từ lâu và thích hợp với những động cơ cỡ nhỏ Cơ câu điều tốc này làm việc bằng cách thay đổi góc đặt cánh nhờ lực ly tâm và rãnh xoăn 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 cô định trên trục cánh, trục cánh có rãnh xoăn (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 sô vòng quay định mức va bảo dam an toàn cho động cơ gid
Uu diém của loại này là kêt câu đơn giản, rẻ tiên Co câu này có thê làm thay đôi 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. ủ
Hình 2.5 Cầu tạo điều tốc cơ khí
1.Canh; 2.Tru cánh; 3.Cánh gió; 4.Co cầu định hướng rãnh xoắn;
5.Rãnh xoăn trên trụ cánh; 6.Ông nén lò xo; 7.Bọc nén lồ xo trong:
8.Lò xo ngoài; 9.L6 xo trong; 10.Tam chan; 11.Vòng hãm
TINH TOÁN THIET KE
3.1 Tính toán bán kính cánh quạt Rotor
Turbine gió có công suất P kW hoạt động với vận tốc gió là V Dựa vào công thức tính hiệu suất turbine ta có công thức như sau:
Hiệu suất turbine đạt cực đại được tinh theo hiệu suất Bezt là Comax = 0,593, nhưng trong thực tế các turbine gió ngày nay chi khoảng 0,3 đến 0,5
Vậy bán kính cánh quạt
Ti toc dau mút được xác định bởi môi quan hệ giữa vận tôc cánh và vận toc gió, được tính như công thức sau:
: tỉ tốc đầu mút cánh : vận tốc góc (rad/s)
< FF pp > : tốc độ gióCác yếu tố như: hiệu suất, lực xoăn, ứng suất cơ học, khí động học và độ ồn nên được lựa chọn cho phù hợp với tỉ tốc đầu mút Hiệu suất turbine có thể tăng khi tỉ tốc đầu mút lớn, còn các yếu tố như độ ôn, lực động học và ứng suất li tâm tăng không đáng kể
Tốc độ đầu mút cao làm chiều dài cung cánh giảm dẫn đến biên dạng cánh hẹp, giảm vật liệu chế tạo và chi phí sản xuất thấp hơn, nhưng việc tăng tỉ tốc đầu mút làm tăng lực động học, có nghĩa là những khó khăn gặp phải là đảm bảo độ bên cho động cơ và ngăn ngừa những hư hỏng về cánh Tỉ tốc đầu mút tăng làm độ ồn tăng thêm Do đó ta cần phải sự lựa chọn tỉ tốc đầu mút hợp lí Động cơ gió trục ngang thường sử dụng tỉ tốc đầu mút từ 9 đến 10 đối với động cơ gió 2 cánh và băng 6 tới 9 đối với động cơ gió 3 cánh
Ti tốc đầu mút được lựa chon theo số cánh turbine theo đồ thi sau:
+ Sô cánh ON oO i a a a 6 a TỔ TỔ 6 TỔ TT
Y”ƑUC(
VIET CHUONG TRINH TÍNH TOÁN
4.1 Chương trình vẽ biên dạng cánh 4 số 4.1.1.Sơ đồ khối
Hình 4.1 So đồ khối chương trình vẽ biên dạng cánh 4 số
BIÊN DẠNG CÁNH NACA 4 SỐ
Chọn cánh NACA 4 số OK
Hình 4.2 Giao diện chương trình vẽ biên dang cánh 4 số
Hình 4.3 Biên dạng cánh đối với cánh NACA 4 số
4.2 Chương trình vẽ biên dạng cánh 5 cánh
Hình 4.4 Sơ đồ khối chương trình vẽ biên dang cánh 5 số
BIEN DANG CANH NACA 5 SỐ
Chọn cánh NACA 5 số OK
Hình 4.5 Giao diện chương trình vẽ biên dạng cánh 5 số 4.2.3 Kết quả chương trình
Hình 4.6 Biên dang cánh đối với cánh 5 số NACA 4.3 Chương trình tính thông số tối ưu của biên dạng:
Sử dụng công thức 3.5 đến 3.12 Sử dụng công thức3.22 đến 3.29 Sử dụng đồ thị thể hiện mối quan hệ C; với a và Cy với œ của hãng NACA
| Biên dạng cánh, Đô thi C, (a), C›(œ), C/C;(@œ) |
Ham C, (a), hệ số tương quan hồi qui R của hàm C, Ham C) (a), hệ số tương quan hồi qui R của ham Cy
C, tối ưu, C, tối ưu, œ tối ưu
Hình 4.7 Sơ đô khối chương trình tính thông số cánh NACA
THÔNG SỐ TỐI ƯU BIÊN DẠNG
Thông số cánh tối ưu 05Ƒ alpha toi uu
Hình 4.8 Giao diện chương trình tinh thông số toi wu biên dang 4.3.3 Kết qua
THÔNG SỐ TỐI ƯU BIÊN DẠNG
0.1 T T T T T T T T T Thông số cánh tối ưu : alpha toi nu 56313
Goc tan, do CD tối ưu 0.008526 200 T | | T T T T T |
Hình 4.9 Kết quả của chương trình tính toán các thông số biên dạng 4.4 Chương trình lựa chọn hiệu suất các biên dạng:
Tính hiệu suất các cánh từ công thức 3.61 đến 3.63 y
| Mã cánh hiệu suất cao nhất /( Két thtic )
Hình 4.10 Sơ đồ khối chương trình tinh thông số cánh và hiệu suất cánh
LỰA CHỌN BIEN DANG TOI UU
6.NACA63421 16.NACA2409 7.NACA64415 17.NACA2412 03ƑE
Biên dạng tối ưu NACA 0 0.1 02 03 04 05 06 07 08 09 1
Hình 4.11 Giao điện chương trình lua chọn hiệu suất các biên dạng 4.4.3 Kết quả chương trình
LỰA CHỌN BIÊN DẠNG TỐI ƯU
— Số liệu ban đầu Công suất 300 WwW
Cp Cp 1 NACA63215 0.5339 11.NACA2306 0 4867 2 NACA63218 0.5380 12.NACA2309 0.4486 3 NACA63221 0.5377 13.NACA2312 04387 4.NACA63415 0.5411 14.NACA2315 04287
T.NACA64415 0.5419 17.NACA2412 0.4389 8.NACA64421 0.5420 18.NACA2415 0.4340 9.NACA65415 0.5409 19.NACA2418 0.4307 10.NACA65421 0.5456 20.NACA2421 0.4236
Biên dang toi ưu NACA65421
Hinh 4.12 Két qua chương trình lựa chọn hiệu suất các biên dạng 4.5 Tính toán các thông số cánh thiết kế
Bán kính cánh R, Tỉ tốc đầu mút A Chiều dai cung cánh C Góc tới của cánh ¿, Góc nghiêng cánh B
Hình 4.13 Sơ đồ khối chương trình tinh toán thông số cánh thiết kế
THONG SỐ CÁNH THIẾT KE
— Số liệu ban đầu Công suất 300 Tốc độ gió 3
Tỉ tốc đầu mút alpha toi uu phi beta
Hình 4.14 Giao diện chương trình tính toán thông số cánh thiết kế4.5.3 Kết quả chương trình
THÔNG SỐ CÁNH THIẾT KẾ
— Số liệu ban đầu Công suất 300
Tỉ tốc đầu mút 4.1888 alpha toi uu 56313
Hình 4.15 Kết quả chương trình tinh thông số cánh thiết kế
KET LUẬN
Qua đề tài nghiên cứu này tôi đã đưa ra cơ sở lý thuyết tính toán thông số cánh của động cơ gió trục ngang Lập chương trình vẽ biên dạng cánh NACA 4 số và 5 số bất kỳ.
Dựa vào đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa hệ số lực nâng và hệ số lực cản với góc tan của biên dạng cánh NACA, 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 như hệ số lực nâng, hệ số lực cản và sóc tan của cánh Dựa trên 20 cánh vừa số hóa, để phân tích lựa chọn cánh có hiệu suất cao nhất, sau đó dùng biên dạng cánh có hiệu suất cao nhất dé tính toán thông số cánh cho động cơ gió trục ngang.
5.2 Hướng phát triển đề tài
Chương trình tính toán của tác giả chỉ tính toán trên cánh của NACA và dựa trên các biên dạng có sẵn, nếu chương trình tính toán có thể tính toán đối với các cánh hãng khác và các biên dạng được thiết kế thì phạm vi sử dụng của chương trình sẽ rộng rãi hơn.
TAI LIEU THAM KHAO
Renewable Energy Policy Network for the 21” Century, Renevable Energy
Global Wind Energy Council, Global Wind Statistics, 2013 A.R Jha, Ph.D, Wind Turbine Technology, 2011
Anish Bhattacharya, The Effect Of Blade Angle And Size On Wind Turbine
Duong Thị Thanh Lương, Báo Cáo Tổng Kết Chuyên Dé Năng Lượng Gió.
Trần Quang Khánh, Dam Xuân Hiệp, Application Of Matlab In The
Techno-Economical Analysis Of Resources Of Wind Energy, 2012 Đỗ Thị Bich Hang, Wind Power Supply To Phu Quoc Island District, Kien
Giang Province, Vietnam, 2009 John Wiley & Sons, Wind Energy Handbook, 2001 Emrah Kulunk, Aerodynamics of Wind Turbines, 2011 M Ragheb, Optimal Rotor Tip Speed Ratio, 2011 NASA, The NACA airfoil series, 2000
Franck Bertagnolio, Niels Sorensen, Jeppe Johansen and Peter Fuglsang, Wind Turbine Airfoil Catalogue, 2001
Eastman N.Jacobs, Kenneth E Ward and Robert M Pinkerton, TheCharacteristics Of 78 Related Airfoil Sections From Tests In The Variable —Density Wind Tunnel, 1933
