chế tạo turbine điện gió dạng đứng từ động cơ nam châm của máy giặt

Hình 1.1 Hình ảnh cánh quạt điện gió tại Việt Nam Sản lượng điện phát lũy kế của các dự án năng lượng tái tạo chuyển tiếp tính từ thời điểm COD đến ngày 21/7/2023 đạt khoảng 211,7 triệu

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Người hướng dẫn: TS Ngô Đức Kiên

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Duy Nghiêm

Nguyễn Quốc Triệu Nguyễn Ngọc Khen

1911505120160 1911505120121

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Người hướng dẫn: TS Ngô Đức Kiên

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Duy Nghiêm

Nguyễn Quốc Triệu Nguyễn Ngọc Khen

1911505120160 1911505120121

Đà Nẵng, 12/2023

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN

Nội dung tóm tắt: Chương 1: Giới thiệu chung về năng lượng điện gió Chương 2: Thiết kế mô hình turbine điện gió trục đứng Chương 3: Gia công sản phẩm và kết quả

Chương 4: Nhận xét và đánh giá

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: TS Ngô Đức Kiên

Sinh viên thực hiện:

1 Tên đề tài:

Chế tạo turbine điện gió dạng đứng từ động cơ nam châm của máy giặt

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

Kết cấu, kích thước của động cơ nam châm máy giặt

3 Nội dung chính của đồ án:

- Lựa chọn vật tư, thiết bị, sử dụng phần mềm hỗ trợ để đánh giá khả năng làm việc - Tiến hành gia công, lắp đặt một turbine điện gió và thử nghiệm phát điện

4 Các sản phẩm dự kiến:

Một turbine điện gió dạng đứng với các đo đạc, đánh giá cơ bản khả năng làm việc

5 Ngày giao đồ án: 05/9/2023 6 Ngày nộp đồ án: 24/12/2023

Đà Nẵng, ngày tháng năm 20…

Nguyễn Quốc Triệu 1911505120160 Nguyễn Duy Nghiêm 1911505120132 Nguyễn Ngọc Khen 1911505120121

LỜI NÓI ĐẦU

Nhóm em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trường đại học Sư phạm kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng nói chung, các thầy cô trong Bộ môn Hệ thống điện nói riêng đã dạy dỗ cho chúng em kiến thức về các môn đại cương cũng như các môn chuyên ngành, giúp chúng em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập

Xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô khoa Điện - Điện tử Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật nói chung và quý thầy, cô bộ môn hệ thống điện nói riêng đã trang bị cho chúng em những kiến thức quý báu để hoàn thành đồ án này

Đặc biệt, xin chân thành cảm ơn Thầy TS Ngô Đức Kiên đã nhiệt tình hướng dẫn, định hướng cho chúng em trong suốt thời gian thực hiện đồ án này

Cuối cùng chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình đã luôn ở bên cạnh, cổ vũ, động viên và giúp đỡ con mỗi khi gặp khó khăn trong suốt quá trình học tập

Sinh viên thực hiện

MỤC LỤC

Nhận xét của người hướng dẫn Nhận xét của người phản biện Tóm tắt

1.2 Năng lượng điện gió 4

1.2.1 Khái niệm về năng lượng điện gió 4

1.2.2 Ưu điểm và nhược điểm về năng lượng điện gió 4

1.2.3 Vai trò của năng lượng điện gió 4

1.2.4 Tình hình phát triển về năng lượng điện gió tại Việt Nam 6

1.2.5 Các loại turbine trục đứng (VAWT) 7

1.3 Cơ sở tính toán khí động học turbine gió 10

1.3.1 Tổng năng lượng của gió Pw 10

1.3.2 Công suất cơ Pm và hiệu suất cơ Cp của turbine 10

1.3.3 Định luật Betz 11

1.3.4 Hệ số tốc độ đầu cánh (TSR) 12

1.3.5 Lực cản D trên turbine 14

1.3.6 Mối quan hệ giữa tốc độ gió và độ cao 15

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MÔ HÌNH TURBINE ĐIỆN GIÓ TRỤC ĐỨNG 16

2.1 Giới thiệu về phần mềm Solidworks 16

2.2 Thiết kế 16

2.2.1 Đặt vấn đề 16

2.2.2 Cài đặt các thông số thiết kế 17

2.2.3 Mô phỏng khí động lực học trên khung cánh khi đứng yên 20

2.2.4 Mô phỏng khí động lực học trên khung cánh khi cánh quay 27

2.2.5 Đánh giá kết quả mô phỏng 32

2.3 Thiết kế mạch đo truyền nhận dữ liệu 33

CHƯƠNG 3: GIA CÔNG SẢN PHẨM & KẾT QUẢ 35

3.1 Gia công mô hình turbine 35

3.1.1 Quá trình gia công turbine 35

3.1.2 Lắp ráp mô hình thực tế 36

3.2 Sơ đồ khối và quy trình thực hiện 37

3.2.1 Sơ đồ khối thiết bị thu thập dữ liệu 37

3.2.2 Quy trình thực nghiệm 37

3.2.3 Bố trí thí nghiệm 39

3.3 Kết quả 40

3.3.1 Đo lần 1 (không tải, 1 quạt chạy) 40

3.3.2 Đo lần 2 (không tải, 2 quạt chạy) 41

3.3.3 Đo lần 3 (có tải R= 3kΩ và 1 quạt chạy) 42

3.3.4 Đo lần 4 (có tải R= 3kΩ và 2 quạt chạy) 43

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

Bảng 1.1 Hệ số lực cản 𝐶𝐷 đối với các loại cánh turbine khác nhau 15

Bảng 1.2 Hệ số ma sát cho các đặc điểm địa hình khác nhau 15

Bảng 3.1 Thông số chạy lần 1 40

Bảng 3.2 Thông số chạy lần 2 41

Bảng 3.3 Thông số chạy lần 3 42

Bảng 3.4 Thông số chạy lần 4 43

Hình 1.1 Hình ảnh cánh quạt điện gió tại Việt Nam 3

Hình 1.2 Vai trò về năng lượng điện gió 6

Hình 1.3 Năng lượng điện gió phát triển mạnh ở Việt Nam 7

Hình 1.4 Turbine gió trục đứng (VAWT) 8

Hình 1.5 Roto Savonius có mặt cắt ngang hình chữ S 9

Hình 1.6 Nguyên lý khí động học của cánh máy bay 9

Hình 1.7 VAWT kiểu Darrieus, cánh roto có dạng hình chữ C 10

Hình 1.8 Hiệu suất turbine theo TSR 12

Hình 1.9 Lực cản D đối với các luồng gió V 14

Hình 2.1 Phần mềm Solidworks 16

Hình 2.2 Tạo file bản vẽ từng chi tiết 17

Hình 2.3 Cài đặt đơn vị mặc định cho bản vẽ 17

Hình 2.4 Tạo mặt phẳng cho bản vẽ 18

Hình 2.5 Sử dụng thanh công cụ đễ thiết kế bản vẽ 18

Hình 2.6 Tạo file ghép các chi tiết lại với nhau 18

Hình 2.7 Chọn file chi tiết bản vẽ để lắp ráp 19

Hình 2.8 Khung cánh đã được thiết kế và lắp ráp trên phần mềm solidworks 19

Hình 2.9 Mô hình cánh quạt trụ tròn 3 cánh 20

Hình 2.10 Đặt tên file mô phỏng 20

Hình 2.11 Thông số đại lượng mặc định 21

Hình 2.12 Chọn kiểu mô phỏng 21

Hình 2.13 Chọn loại mô phỏng không khí 22

Hình 2.14 Chọn phương hướng gió và tốc độ gió đến 22

Hình 2.15 Điều chỉnh không gian mô phỏng 22

Hình 2.16 Tích chọn đại lượng mô phỏng 23

Hình 2.17 Xác định vùng không gian mô phỏng và miền tính toán 23

Hình 2.18 Xác định vùng không gian mô phỏng và miền tính toán 24

Hình 2.19 Xác định vùng không gian mô phỏng và miền tính toán 24

Hình 2.20 Đường dòng thể hiện vận tốc trên bề mặt cắt trong không gian mô phỏng 25

Hình 2.21 Đường dòng thể hiện vận tốc bên trong mặt cắt khung cánh quạt 25

Hình 2.22 Phân bố áp suất và vector vận tốc trên bề mặt khung cánh 26

Hình 2.23 Phân bố phân tử vận tốc trong không gian mô phỏng 26

Hình 2.24 Phân bố đường dòng vận tốc trong mặt phẳng đối ứng bằng của khung cánh 26

Hình 2.25 Kết quả mô phỏng trường hợp 1 27

Hình 2.26 Xác định vùng không gian mô phỏng và miền tính toán (2) 28

Hình 2.27 Xác định vùng không gian mô phỏng và miền tính toán (2) 28

Hình 2.28 Xác định vùng không gian mô phỏng và miền tính toán (2) 28

Hình 2.29 Đường dòng thể hiện vận tốc trên bề mặt cắt trong không gian mô phỏng (2) 29

Hình 2.30 Đường dòng thể hiện vận tốc bên trong khung cánh quạt (2) 30

Hình 2.31 Phân bố áp suất lên bề mặt khung cánh (2) 30

Hình 2.32 Phân bố đường dòng vận tốc trong không gian mô phỏng (2) 30

Hình 2.33 Phân bố đường dòng vận tốc trong mặt phẳng đối ứng bằng của khung cánh (2) 31

Hình 2.34 Phân bố đường dòng vận tốc trong mặt phẳng đối ứng bằng của khung

cánh (2) 31

Hình 2.35 Kết quả mô phỏng trường hợp 2 32

Hình 2 36 Sơ đồ nguyên lý mạch sever 33

Hình 2.37 Mạch thu thập dữ liệu đặt tại trạm 33

Hình 2.38 Sơ đồ nguyên lý mạch base 33

Hình 2.39 Mạch đo lường thu thập dữ liệu tại turbine 34

Hình 2.40 Hình ảnh thực tế mạch lora truyền tín hiệu tại turbine 34

Hình 2.41 Hình ảnh thực tế nhận tín hiệu lora tại trạm 34

Hình 3.1 Mô hình được thiết kế trên phần mềm solidworks 35

Hình 3.2 Máy cắt laser - Yawei 35

Hình 3.3 Máy uốn đai thủy lực 35

Hình 3.4 Hình ảnh sau khi cắt cnc và gia công các chi tiết lại với nhau 35

Hình 3.5 Các chi tiết khung cánh đã được gia công 35

Hình 3.6 Khung cánh turbine 36

Hình 3.7 Mô hình hoàn chỉnh 36

Hình 3.8 Sơ đồ khối thiết bị thu thập dữ liệu 37

Hình 3.9 Hình ảnh mạch đo thu thập thực tế 37

Hình 3.10 Sơ đồ quy trình thực hiện 38

Hình 3.11 Sử dụng quạt công nghiệp tại xưởng để mô phỏng gió 39

Hình 3.12 Bố trí thí nghiệm tại xưởng điện 39

Hình 3.13 Đấu nối các cảm biến và thiết bị đo 39

Hình 3.14 Kết quả đo lần 1 40

Hình 3.15 Kết quả đo lần 2 41

Hình 3.16 Kết quả đo lần 3 42

Hình 3.17 Kết quả đo lần 4 43

Hình 4.1 Phân bố áp suất lên bề mặt khung cánh 46

Hình 4.2 Phân bố đường dòng vận tốc trong không gian mô phỏng 46

Hình 4.3 Kết quả tính toán trường hợp thu cánh lại 47

Hình 4.4 Hình ảnh hiển thị giao tiếp qua cổng serial 47

Hình 4.5 Hình ảnh giao diện web ThingSpeak 48

Hình 4.6 Hình ảnh hiển thị dữ liệu tốc độ gió lên web ThingSpeak 48

Hình 4.7 Hình ảnh hiển thị dữ liệu số vòng quay tuarbin lên web ThingSpeak 49

Hình 4.8 Hình ảnh hiển thị dữ liệu điện áp và dòng điện lên web ThingSpeak 49

Hình 4.9 Hình ảnh hiển thị dữ liệu công suất tải lên web ThingSpeak 50

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu:

V Vận tốc gió thổi qua vùng diện tích A m/s

Chữ viết tắt:

3 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu

Chế tạo turbine điện gió dạng trục đứng từ động cơ nam châm của máy giặt

4 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết Nội dung chính là Thiết kế mô hình turbine điện gió trục đứng phát điện với mức gió thấp Sau đó đưa vào tính toán và phân tích kết quả trong phần mềm Solidworks

5 Cấu trúc của đồ án tốt nghiệp

Đồ án có tổng 4 chương: - Chương 1: Giới thiệu chung về năng lượng điện gió - Chương 2: Thiết kế mô hình turbine điện gió trục đứng - Chương 3: Gia công sản phẩm và kết quả

- Chương 4: Nhận xét và đánh giá

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN GIÓ

1.1 Tổng quan

Năng lượng tái tạo chiếm 13,8% tổng lượng điện sản xuất trong 7 tháng năm 2023 Thông tin về tình hình cung ứng điện, Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) cho biết, trong tháng 7 sản lượng điện sản xuất toàn hệ thống đạt 26,20 tỷ kWh, tăng 7,1% so với cùng kỳ năm 2022 Trong đó, sản lượng điện huy động từ nguồn năng lượng tái tạo đạt 22,11 tỷ kWh, chiếm 13,8% (trong đó điện mặt trời đạt 15,48 tỷ kWh, điện gió đạt 6,06 tỷ kWh) Thông tin về tình hình cung ứng điện, Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) cho biết, trong tháng 7 sản lượng điện sản xuất toàn hệ thống đạt 26,20 tỷ kWh, tăng 7,1% so với cùng kỳ năm 2022

Lũy kế 7 tháng đầu năm, sản lượng điện sản xuất toàn hệ thống đạt 160,58 tỷ kWh, tăng 1,9% so với cùng kỳ năm 2022 Trong tổng sản lượng sản xuất toàn hệ thống, Thủy điện đạt 36,80 tỷ kWh, chiếm 22,9%; Nhiệt điện than đạt 79,95 tỷ kWh, chiếm 49,8%; turbine khí đạt 18,01 tỷ kWh, chiếm 11,2%; Nhiệt điện dầu đạt 1,23 tỷ kWh, chiếm 0,8%; Điện nhập khẩu: 2,22 tỷ kWh, chiếm 1,4%

Đáng chú ý, 7 tháng đầu năm 2023, sản lượng điện năng lượng tái tạo đạt 22,11 tỷ kWh, chiếm 13,8% (trong đó điện mặt trời đạt 15,48 tỷ kWh, điện gió đạt 6,06 tỷ kWh)

Về tình hình thực hiện thủ tục các dự án năng lượng tái tạo (NLTT) chuyển tiếp: Đến ngày 01/8/2023 đã có 74/85 dự án năng lượng tái tạo chuyển tiếp với tổng công suất 3.999,86 MW đã gửi hồ sơ cho Công ty Mua bán điện để đàm phán giá điện, hợp đồng mua bán điện; trong đó có 62 dự án (tổng công suất 3.399,41 MW) đã đề nghị giá tạm bằng 50% giá trần của khung giá (theo Quyết định số 21/QĐ-BCT ngày 07/01/2023 của Bộ Công Thương) EVN và chủ đầu tư đã hoàn thành đàm phán giá và ký tắt hợp đồng PPA với 59/62 dự án Đã có 58 dự án năng lượng tái tạo (NLTT) chuyển tiếp với tổng công suất 3.181,41 MW được Bộ Công Thương phê duyệt giá tạm; có 17 nhà máy/phần nhà máy với tổng công suất 859,52 MW đã hoàn thành thủ tục COD, được phát điện thương mại lên lưới Trong đó có 21 dự án đã được cơ quan quản lý Nhà nước có thẩm quyền nghiệm thu công trình/một phần công trình; 30 dự án đã được cấp giấy phép hoạt động điện lực toàn nhà máy/một phần nhà máy; 38 dự án đã có quyết định gia hạn chủ trương đầu tư Hiện vẫn còn 11 dự án với tổng công suất 734,70MW chưa gửi hồ sơ đàm phán

Hình 1.1 Hình ảnh cánh quạt điện gió tại Việt Nam Sản lượng điện phát lũy kế của các dự án năng lượng tái tạo chuyển tiếp tính từ thời điểm COD đến ngày 21/7/2023 đạt khoảng 211,7 triệu kWh; trong đó, sản lượng điện phát trung bình ngày khoảng 3,2 triệu kWh, chiếm khoảng 0,4% tổng sản lượng nguồn điện được huy động

Theo nhận định xu thế thời tiết của Trung tâm Dự báo khí tượng thủy văn Quốc gia, trong tháng 8/2023 các đợt nắng nóng vẫn tiếp tục xuất hiện đan xen với mưa cục bộ ở Bắc Bộ Tại khu vực Trung Bộ nắng nóng có khả năng kéo dài trong nửa đầu tháng, có thể xảy ra những ngày có nắng nóng gay gắt; khu vực Tây Nguyên và Nam Bộ sẽ xuất hiện nhiều ngày mưa rào và dông Nhiệt độ trung bình trên cả nước phổ biến cao hơn từ 0,5-1,0 độ C so với trung bình nhiều năm cùng thời kỳ

Tháng 8/2023, sản lượng tiêu thụ điện bình quân ngày toàn hệ thống dự kiến ở mức 825,8 triệu kWh/ngày, tăng 7,3% so với cùng kỳ năm 2022 Tình hình cung cấp điện trong tháng 8 dự kiến vẫn tiếp tục được đảm bảo

Mục tiêu vận hành hệ thống: Đối với thủy điện, đã bước vào mùa lũ chính vụ nên cần dự báo, theo dõi chặt chẽ lưu lượng nước về các hồ thủy điện để có chiến lược khai thác linh hoạt theo ngày Đối với nhiệt điện than, turbine khí: Huy động phù hợp với tình hình nước về các hồ thủy điện trong mùa lũ chính vụ, tránh xả thừa; tuy nhiên sẵn sàng các tổ máy nhiệt điện than, turbine khí để huy động cao trong trường hợp cần thiết để tích nước sớm Đảm bảo dự phòng nhiệt điện dầu để sẵn sàng huy động trong trường hợp cần thiết

Về công tác đầu tư xây dựng nguồn điện: Tập trung nguồn lực, đẩy nhanh tiến độ thi công các dự án Nhiệt điện Quảng Trạch I; các dự án Thủy điện Hòa Bình mở rộng, Ialy mở rộng, Trị An mở rộng; Thủy điện tích năng Bắc Ái Về lưới điện: Phê duyệt chủ trương đầu tư/điều chỉnh chủ trương đầu tư các dự án thuộc tuyến đường dây 500kV Quảng Trạch (Quảng Bình) - Phố Nối (Hưng Yên); giải quyết bàn giao mặt bằng thi công các trạm biến áp 500kV Vĩnh Yên, 220kV Bá Thiện; giải quyết vướng mắc về GPMB đường dây 500kV Sông Hậu - Đức Hoà; đóng điện mạch 2 đường dây 220kV Dốc Sỏi - Quảng Ngãi

Để giảm bớt những khó khăn trong vận hành hệ thống điện, EVN rất mong tiếp tục nhận được sự chia sẻ và tích cực phối hợp của người dân, các cơ quan công sở, doanh nghiệp sản xuất trong việc sử dụng điện an toàn, tiết kiệm vào các giờ cao điểm

trưa (từ 11h30 đến 14h30), cao điểm tối (từ 20h00 đến 22h00); đồng thời chú ý sử dụng hợp lý điều hoà nhiệt độ (đặt ở mức 26 -27 độ trở lên, sử dụng kết hợp với quạt) và không nên sử dụng đồng thời nhiều thiết bị điện có công suất lớn…[1]

1.2 Năng lượng điện gió

1.2.1 Khái niệm về năng lượng điện gió

Năng lượng điện gió là năng lượng được tạo ra từ sự biến đổi của sức gió thành điện Để tạo ra năng lượng điện gió, các turbine gió (hay còn gọi là cánh quạt gió) được đặt trên các cột chống và được quay bởi sức gió Khi turbine gió quay, nó tạo ra động năng, và thông qua một hệ thống truyền động, động năng này được chuyển đổi thành điện năng thông qua một máy phát điện

1.2.2 Ưu điểm và nhược điểm về năng lượng điện gió

* Ưu điểm của năng lượng điện gió: - Nguồn năng lượng tái tạo: Gió là một nguồn năng lượng tái tạo không giới hạn và không gây ra khí thải gây hiệu ứng nhà kính

- Giảm ô nhiễm không khí: Năng lượng điện gió không tạo ra khí thải gây ô nhiễm không khí như các nguồn năng lượng hóa thạch khác

- Tiết kiệm năng lượng: Sử dụng năng lượng điện gió có thể giúp giảm sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng hóa thạch và giảm chi phí năng lượng

* Nhược điểm của năng lượng điện gió: - Phụ thuộc vào điều kiện thời tiết: Năng lượng điện gió chỉ có thể được tạo ra khi có đủ gió Do đó, nó không thể hoạt động ổn định trong mọi điều kiện thời tiết

- Ảnh hưởng đến môi trường và động vật: Các turbine gió có thể gây ảnh hưởng đến động vật và môi trường xung quanh, bao gồm tiếng ồn và tác động lên chim bay

- Chi phí đầu tư ban đầu: Xây dựng các trạm điện gió và mua sắm các turbine gió có thể đòi hỏi một số khoản đầu tư ban đầu lớn

1.2.3 Vai trò của năng lượng điện gió

Năng lượng điện gió đóng vai trò quan trọng trong nhiều khía cạnh của cuộc sống và ngành công nghiệp Dưới đây là một số vai trò chính của năng lượng điện gió:

- Cung cấp năng lượng sạch và tái tạo: Năng lượng điện gió là một nguồn năng lượng tái tạo không gây ra khí thải gây hiệu ứng nhà kính và không gây ô nhiễm

không khí Nó giúp giảm sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng hóa thạch và giúp giảm ô nhiễm môi trường

- Đảm bảo an ninh năng lượng: Năng lượng điện gió giúp đảm bảo an ninh năng lượng bằng cách đa dạng hóa nguồn cung cấp năng lượng Nó giúp giảm sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng hóa thạch và giúp giảm rủi ro về nguồn cung cấp năng lượng

- Tạo việc làm và phát triển kinh tế: Ngành công nghiệp năng lượng điện gió tạo ra nhiều việc làm và đóng góp vào phát triển kinh tế Việc xây dựng và vận hành các trạm điện gió tạo ra cơ hội việc làm cho người lao động và tạo thu nhập cho các cộng đồng địa phương

- Giảm chi phí năng lượng: Sử dụng năng lượng điện gió có thể giúp giảm chi phí năng lượng Mặc dù chi phí đầu tư ban đầu có thể cao, nhưng chi phí vận hành và bảo trì của các trạm điện gió thường thấp hơn so với các nguồn năng lượng hóa thạch

- Khả năng mở rộng và linh hoạt: Năng lượng điện gió có thể được triển khai ở nhiều vị trí khác nhau, từ các trạm điện gió lớn đến các hệ thống nhỏ hơn như turbine gió cá nhân Điều này cho phép nó được sử dụng ở nhiều khu vực khác nhau trên thế giới và phù hợp với nhu cầu năng lượng của từng địa phương

- Nghiên cứu và phát triển công nghệ: Ngành công nghiệp năng lượng điện gió đang phát triển và nghiên cứu các công nghệ mới để tăng hiệu suất và giảm chi phí Điều này đóng góp vào sự tiến bộ của ngành công nghiệp năng lượng tái tạo và phát triển bền vững

Tóm lại, năng lượng điện gió đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng sạch, đảm bảo an ninh năng lượng, tạo việc làm và phát triển kinh tế, giảm chi phí năng lượng và đóng góp vào sự phát triển công nghệ và bền vững [2]

Hình 1.2 Vai trò về năng lượng điện gió

1.2.4 Tình hình phát triển về năng lượng điện gió tại Việt Nam

Tình hình phát triển của năng lượng điện gió tại Việt Nam đang có những tiến triển tích cực, và ngành công nghiệp này đang đóng góp đáng kể vào nguồn cung cấp năng lượng sạch và bền vững của đất nước Dưới đây là một số điểm quan trọng về tình hình phát triển của năng lượng điện gió tại Việt Nam:

- Tăng cường cơ sở hạ tầng: Việt Nam đã đầu tư đáng kể vào cơ sở hạ tầng cho năng lượng điện gió, với việc xây dựng nhiều trạm điện gió ở các vùng có gió mạnh như Bắc Trung Bộ, Nam Trung Bộ và Nam Bộ Các dự án lớn như trạm điện gió Bạc Liêu, Trà Vinh đang đóng góp lớn vào sản lượng điện tái tạo của đất nước

- Chính sách hỗ trợ: Chính phủ Việt Nam đã thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo thông qua các chính sách hỗ trợ, bao gồm giảm thuế, hỗ trợ tài chính và các biện pháp khác nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho các nhà đầu tư trong lĩnh vực năng lượng điện gió

- Tích hợp vào hệ thống điện quốc gia: Năng lượng điện gió đã được tích hợp mạnh mẽ vào hệ thống điện quốc gia Điều này đã giúp đảm bảo ổn định nguồn cung cấp điện, đặc biệt là trong bối cảnh tăng cường nhu cầu năng lượng của đất nước

- Hợp tác quốc tế: Việt Nam đã hợp tác với nhiều đối tác quốc tế để học hỏi kinh nghiệm, chia sẻ công nghệ và thu hút đầu tư trong lĩnh vực năng lượng điện gió Những đối tác này cũng đóng góp vào việc nâng cao chất lượng và hiệu suất của các dự án năng lượng điện gió

- Mục tiêu và cam kết: Chính phủ Việt Nam đã đưa ra những cam kết về việc phát triển năng lượng tái tạo, trong đó có năng lượng điện gió Việt Nam đặt mục tiêu

tăng cường sử dụng năng lượng tái tạo để giảm thiểu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và đảm bảo an ninh năng lượng

Tóm lại, tình hình phát triển của năng lượng điện gió tại Việt Nam đang tích cực, và các nỗ lực này không chỉ giúp đảm bảo nguồn cung cấp năng lượng mà còn đóng góp vào mục tiêu phát triển bền vững và giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu [3]

Hình 1.3 Năng lượng điện gió phát triển mạnh ở Việt Nam

1.2.5 Các loại turbine trục đứng (VAWT)

Turbine gió trục đứng (VAWT): Turbine gió trục đứng (VAWT) có cánh nằm theo trục chính đứng, loại này không cần phải điều chỉnh cánh quạt theo hướng gió và có thể hoạt động ở bất kỳ hướng gió nào (Hình 1.4)

Hình 1.4 Turbine gió trục đứng (VAWT) [4]

Ưu điểm của VAWT là: - Bảo dưỡng dễ dàng cho máy phát và hộp số gắn trên mặt đất, - Thiết kế lưỡi đơn giản và chi phí chế tạo thấp Nhược điểm của turbine gió trục đứng là[4]:

- Không tự khởi động, yêu cầu máy phát chạy ở chế độ động cơ khi bắt đầu, - Hiệu quả thấp hơn (các cánh quạt mất năng lượng khi chúng ra khỏi gió), - Khó kiểm soát lưỡi quá tốc độ,

- Thành phần dao động trong momen xoắn khí động học cao * Savonius kiểu dùng lực cản

Loại dùng lực cản làm việc theo nguyên tắc chân vịt tàu Nếu giữa cánh chân vịt và nước không có sự chảy qua, thì vận tốc cực đại đạt được bằng với vận tốc tiếp tuyến của cánh quạt (Hình 1.4) Tương tự turbine gió trục đứng kiểu cản, vận tốc tại đầu cánh quạt có thể vượt quá vận tốc gió

Hình 1.5 Roto Savonius có mặt cắt ngang hình chữ S [6] * Darrieus kiểu dùng lực nâng

Kiểu lực nâng làm việc theo lý thuyết khí động học của cánh máy bay Các cánh roto có mặt cắt ngang được thiết kế theo kiểu cánh máy bay sao cho quãng đường mà gió lướt qua mặt cánh ở mặt này thì dài hơn quãng đường ở mặt kia (Hình 1.5) do đó vận tốc gió ở hai mặt cánh khác nhau Áp dụng đẳng thức Bernoulli, ta có thể thấy vận tốc khác nhau tạo ra các lực khác nhau, lực này làm đẩy cánh roto xoay khi gió thổi qua

Hình 1.6 Nguyên lý khí động học của cánh máy bay [6] VAWT kiểu Darrieus đầu tiên được thiết kế dựa trên lực nâng Turbine có đặc điểm là cánh roto có dạng hình chữ C (Hình 1.6) Dạng này thường được thiết kế với roto có hai hay ba cánh Có momen khởi động thấp nhưng khi quay thì có vận tốc quay lớn, do đó nó thích hợp khi nối với máy phát đồng bộ Với cùng kích thước, trọng lượng và giá thành thì công suất ngõ ra của nó sẽ lớn hơn loại turbine gió trục đứng kiểu cản

Hình 1.7 VAWT kiểu Darrieus, cánh roto có dạng hình chữ C [6]

1.3 Cơ sở tính toán khí động học turbine gió

1.3.1 Tổng năng lượng của gió Pw

Tổng năng lượng của luồng gió (Pw) có dạng:

Vậy tổng năng lượng của luồng gió hay tổng công suất gió 𝑃𝑤 được viết lại như sau:

1.3.2 Công suất cơ Pm và hiệu suất cơ Cp của turbine

Công suất cơ của hệ thống turbine gió đến từ năng lượng của gió Do đó có thể

được biểu thị dưới dạng tổng năng lượng luồng gió nhân với hiệu suất cơ turbine:

Hiệu suất cơ turbine 𝐶𝑝 chủ yếu phụ thuộc vào mối quan hệ giữa tốc độ không khí trung bình trên khu vực được bao phủ với cánh turbine, vận tốc góc của nó và đặc điểm hình học của turbine Cụ thể, hệ số 𝐶𝑝 này phụ thuộc chủ yếu vào hệ số tốc độ đầu cánh (The tip speed ratio hay TSR) và cũng bị giới hạn theo định luật Betz (𝐶𝑝 ≤ 59.3%) Các yếu tố này sẽ được phân tích chi tiết ở phần tiếp theo[7]

1.3.3 Định luật Betz

Giả sử tốc độ gió đầu vào cánh quạt là 𝑉𝑖 và tốc độ gió đầu ra cánh quạt là 𝑉𝑜, thì vận tốc gió trung bình là (𝑉𝑖 + 𝑉𝑜)/2 Vậy công suất cơ turbine 𝑃m thu được từ gió có dạng:

Pm = m𝑤(𝑉2 − 𝑉2)/2 = (ρA/4)(𝑉𝑖 + 𝑉𝑜)(𝑉2 − 𝑉2) 𝑖 𝑜 𝑖 𝑜

𝑃𝑚(𝑚𝑎𝑥) = (16/27)𝑃w = 0,593𝑃w(𝑊) Tóm lại, định luật Betz cho rằng một turbine không thể thu được nhiều hơn 59,3% năng lượng của khối khí có cùng diện tích (Hiệu suất cơ turbine 𝐶𝑝 ≤ 59.3%)

Ở điều kiện tối ưu kết quả tốt nhất thì cũng có thể thu được cũng chỉ khoảng 35% – 40% năng lượng từ gió, mặc dù ta có thể khẳng định là hoàn toàn thu được tới 50% Một turbine mà có thể thu được tới 40% năng lượng từ gió (tức thu được khoảng

2/3 năng lượng từ gió) mà một turbine lý tưởng thu được là rất tốt[7]

1.3.4 Hệ số tốc độ đầu cánh (TSR)

Đối với một tốc độ gió nhất định, hiệu suất cơ sẽ là một hàm của tốc độ quay turbine Nếu turbine quay quá chậm, hiệu quả sẽ giảm do các cánh quạt đang để quá nhiều gió đi qua mà không hấp thụ năng lượng Tuy nhiên, nếu turbine quay quá nhanh, hiệu suất cánh quạt sẽ giảm do nhiễu loạn gây ra bởi một cánh ngày càng ảnh hưởng đến các cánh tiếp theo Hệ số tốc độ đầu cánh (The tip speed ratio hay TSR) là một thông số có thể minh họa hiệu suất cơ của turbine Định nghĩa của TSR bằng tốc độ đầu cánh quạt / tốc độ gió[7]:

𝜆 = 𝑟𝜔𝑇

𝑉 =2𝜋𝑟𝑛

Trong đó, 𝜔𝑇 là vận tốc góc của turbine (rad/s), r là bán kính quay của cánh turbine (m), V là tốc độ gió (m/s),

n là tốc độ quay turbine (vòng/phút) Mỗi kiểu turbine sẽ có 1 đường đặc tuyến của Cp theo TSR được trình bày ở Hình 1.8

Hình 1.8 Hiệu suất turbine theo TSR [5]

TSR này rất quan trọng và quyết định đến hiệu suất của toàn hệ thống[5]:

Nếu roto quay chậm quá, khi đó phần gió thổi qua khe giữa các cánh nhiều, năng lượng thu được thấp,

Nếu roto quay nhanh quá, khi đó các cánh sẽ tạo thành một bức tường chắn gió và làm giảm năng lượng thu được từ gió

Tối ưu TSR: Turbine phải được thiết kế sao cho luôn vận hành với TSR tối ưu để thu được năng lượng nhiều nhất

Muốn cho TSR tối ưu để thu năng lượng nhiều nhất được suy ra từ mối quan hệ sau:

Thời gian gió xáo động khi qua cánh trở về bình thường, Thời gian cần thiết để cánh quay với tốc độ đến vị trí trước đó Với roto có i cánh thì chu kỳ thời gian để cánh di chuyển đến vị trí trước đó là:

𝜆𝑝𝑡 =𝑟𝜔𝑇𝑝𝑡

𝑣 =2𝜋𝑟

trong đó: 𝜆𝑝𝑡 là tỉ lệ tốc độ đầu cánh tối ưu Số cánh quạt: Do 𝜆𝑝𝑡 ∈ 𝑖 , suy ra số cánh càng ít thì turbine phải quay càng nhanh để công suất thu được từ gió lớn nhất [5]

1.3.5 Lực cản D trên turbine

Những turbine sử dụng lực cản đối với các luồng gió mà các luồng gió này tác động theo hướng vuông góc với một diện tích A nhất định (Hình 1.9) Khi đó, lực cản D sinh ra được tính như sau:

𝐷 = 𝐶𝐷𝜌

Trong đó, - A là diện tích hình chiếu vuông góc của cánh turbine theo hướng gió m2 (diện tích quét turbine)

- CD là hằng số hệ số cản và mô tả “chất lượng khí động học” của cánh turbine: chất lượng khí động học càng thấp hay nói cách khác cánh turbine càng cản gió thì CD càng cao và ngược lại Hệ số CD căn cứ theo Bảng 1.1, trong đó ρ là mật độ không khí đơn vị kg/m3 và V là vận tốc gió (m/s)

Hình 1.9 Lực cản D đối với các luồng gió V [8]

Bảng 1.1 Hệ số lực cản 𝐶𝐷 đối với các loại cánh turbine khác nhau

1.3.6 Mối quan hệ giữa tốc độ gió và độ cao

Tốc độ gió sẽ tăng theo chiều cao vì ma sát ở bề mặt trái đất lớn Tỉ lệ tốc độ gió thường được sử dụng để mô tả tác động của độ nhám của bề mặt trái đất đối với tốc độ gió được đưa ra

𝑉𝑉0 = (𝐻

Trong đó, V là tốc độ gió ở độ cao H, Vo là tốc độ gió danh nghĩa ở độ cao Ho α là hệ số ma sát

Điều này có thể được hiểu thành một sự gia tăng đáng kể sức mạnh ở độ cao lớn hơn Bảng 1.2 đưa ra các giá trị tiêu biểu của hệ số ma sát cho các đặc điểm địa hình khác nhau

Bảng 1.2 Hệ số ma sát cho các đặc điểm địa hình khác nhau

Đặc điểm địa hình Hệ số ma sát α

Mặt đất cứng mịn, nước lặng 0,10

Cây trồng cao và hàng rào 0,20

Thị trấn nhỏ với cây xanh 0,30

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MÔ HÌNH TURBINE ĐIỆN GIÓ TRỤC

ĐỨNG

2.1 Giới thiệu về phần mềm Solidworks

Hiện nay Solidworks được sử dụng khá phổ biến trên thế giới Ở Việt Nam phần mềm này được sử dụng rất nhiều không chỉ trong lĩnh vực cơ khí mà nó còn được mở rộng ra các lĩnh vực khác như: Điện, khoa học ứng dụng, cơ mô phỏng,

Phần mềm Solidworks cung cấp cho người dùng những tính năng tuyệt vời nhất về thiết kế các chi tiết các khối 3D, lắp ráp các chi tiết đó để hình thành nên nhưng bộ phận của máy móc, xuất bản vẽ 2D các chi tiết đó là những tính năng rất phổ biến của phần mềm Solidworks, ngoài ra còn có những tính năng khác nữa như: Phân tích động học ( motion), phân tích động lực học (simulation) Bên cạnh đó phần mềm cong tích hợp modul Solidcam để phục vụ cho việc gia công trên CNC nhờ có phay Solidcam và tiện Solidcam hơn nữa bạn cũng có thể gia công nhiều trục trên Solidcam, modul 3Dquickmold phục vụ cho việc thiết kế khuôn

* Tiêu chí thiết kế - Hệ thống được chế tạo bởi các nguyên liệu có sẵn với cấu trúc đơn giản và dễ sử dụng hoặc có thể sản xuất nhiều

- Giá thành thấp

- Dễ dàng vận hành và bảo dưỡng - Hoạt động tốt ở điều kiện gió không lý tưởng - Thời gian hoạt động của turbine (bền)

- Công suất ngõ ra đạt yêu cầu

2.2.2 Cài đặt các thông số thiết kế

Hình 2.2 Tạo file bản vẽ từng chi tiết

Hình 2.3 Cài đặt đơn vị mặc định cho bản vẽ

Hình 2.4 Tạo mặt phẳng cho bản vẽ

Hình 2.5 Sử dụng thanh công cụ đễ thiết kế bản vẽ

Hình 2.6 Tạo file ghép các chi tiết lại với nhau

Hình 2.7 Chọn file chi tiết bản vẽ để lắp ráp

Hình 2.8 Khung cánh đã được thiết kế và lắp ráp trên phần mềm solidworks

2.2.3 Mô phỏng khí động lực học trên khung cánh khi đứng yên

Dưới đây là các bản vẽ chi tiết được trích xuất từ Phần mềm Solidworks:

Hình 2.9 Mô hình cánh quạt trụ tròn 3 cánh

Hình 2.10 Đặt tên file mô phỏng

Hình 2.11 Thông số đại lượng mặc định

Hình 2.12 Chọn kiểu mô phỏng

Hình 2.13 Chọn loại mô phỏng không khí

Hình 2.14 Chọn phương hướng gió và tốc độ gió đến

Hình 2.15 Điều chỉnh không gian mô phỏng