Báo cáo tổng kết chuyên đề: Nghiên cứu lựa chọn công nghệ và thiết bị để sử dụng năng lượng gió trong sản xuất, sinh hoạt nông nghiệp và bảo vệ môi trường pps

Nghiên cứu và sử dụng NLG điển hình ở một số nước trên thế giới Trong các loại NL sạch thì gió là một nguồn NL vô cùng lớn, không có tính chu kỳ như NL mặt trời.. Riêng NLG được tập tru

bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn

viện khoa học thủy lợi

báo cáo tổng kết chuyên đề

nghiên cứu lựa chọn công nghệ và thiết bị để sử dụng năng lượng gió trong sản xuất, sinh hoạt

nông nghiệp và bảo vệ môi trường

thuộc đề tài kc 07.04:

“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 nông thôn và bảo vệ môi trường”

TÓM TẮT NỘI DUNG

Gần đây, nhiều hội nghị quốc tế về bảo vệ môi trường đã có công ước tăng cường nghiên cứu để khai thác các dạng năng lượng sạch như: gió, mặt trời, sinh khối nhằm hạn chế việc sử dụng nhiên liệu hoá thạch (xăng, dầu, than ) đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường sinh thái bảo vệ tầng ôzôn trong phạm vi toàn cầu

Gió là năng lượng (NL) thiên nhiên vô cùng lớn, có liên tục quanh năm ngày tháng cũng như đêm (không có tính chu kỳ như NL mặt trời) Vài năm trở lại đây, một số Viện nghiên cứu và trường Đại học đã tiến hành nghiên cứu thăm dò sử dụng năng lượng gió (NLG) phục vụ sản xuất nông nghiệp như: phát điện và bơm nước; bước đầu đã cho một số kết quả khả quan Tuy nhiên, để có thể ứng dụng NLG phục vụ sản xuất có hiệu quả, đặc biệt là trong nuôi trồng thuỷ sản, trong đó con tôm điển hình là loại sản phẩm có giá trị thương phẩm cao cần đầu tư kinh phí và thời gian để nghiên cứu tiếp Qua ý kiến thăm dò từ

Bộ thuỷ sản cho thấy, các cơ sở sản xuất tôm giống cũng như tôm thương phẩm ở vùng sâu vùng xa rất cần nguồn NL tại chỗ, trong đó tiện lợi hơn vẫn là nguồn NLG, loại NL này khi

sử dụng không gây ô nhiễm nguồn nước

Nuôi tôm giống cũng như nuôi tôm thương phẩm rất cần nguồn động lực vào công việc như: Bơm nước, sục khí và phát điện Nhóm cán bộ ở Bộ môn Nghiên cứu Tự động hoá thuộc Viện Cơ điện Nông nghiệp và Công nghệ Sau thu hoạch đã tập trung giải quyết thoả đáng yêu cầu này của ngành thuỷ sản

Phương pháp nghiên cứu ở đây đã tập trung vào 4 mục tiêu chủ yếu như sau:

- Điều tra khảo sát nguồn NLG ở một số vùng nuôi tôm và khả năng ứng dụng dạng

NL này

- Từ lý thuyết và các nguồn tài liệu, kế thừa cách tính toán, lựa chọn và thiết kế các

bộ phận chủ chốt, có cải tiến để phù hợp với điều kiện NLG và công nghệ chế tạo

ở Việt Nam

- Trên cơ sở một số mẫu máy nhập ngoại như: bơm nước cột áp thấp, sục khí, máy phát điện, tiến hành chép mẫu, cải tiến và chế tạo thử

- Thử nghiệm trong điều kiện sản xuất, cải tiến để hoàn thiện mẫu, khảo nghiệm để

có được các số liệu về chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật

Kết quả nghiên cứu:

- Đã có mẫu ĐCG trục ngang 12 cánh, đường kính turbine 3,6 m, đặt cao 11m, đạt công suất tối đa 1,5 Hp Giải làm việc thông thường với vận tốc gió 2,5 ÷ 8 m/s (có thể cho phép tới 15 m/s) phù hợp với điều kiện gió các vùng ven biển phía Bắc

- Theo tính toán và kết quả ban đầu, bơm nước bằng sức gió loại bơm vít xoắn cột

áp thấp đã đáp ứng nhu cầu cung cấp và thay nước trong ao nuôi tôm giống thử nghiệm, sâu 1,3 m Bằng các dụng cụ đo lường chính xác đã xác định năng suất bơm tối đa 60 m3/h, cột áp tối đa 2,5 m

- Thiết bị sục khí, ở đây lựa chọn giải pháp mới đó là phương pháp sục khí bằng hệ thống ống dẫn ngầm ở lưng chừng ao, do máy nén khí chạy bằng NLG cung cấp, công suất yêu cầu tối đa 1 Hp, áp lực 7 at

Kết luận:

- Đề mục đã hoàn thành đúng tiến độ, nội dung và chất lượng sản phẩm như thuyết minh trong ĐƠN ĐĂNG KÝ ĐỀ TÀI vạch ra, đảm bảo các thông số kỹ thuật và đáp ứng yêu cầu phục vụ sản xuất tôm giống, đủ lượng oxygen bổ sung lớn hơn 5

mg O2/lít, thay đổi nước trong ao, đảm bảo t ỷ lệ thay từ 40 ÷ 60% nước sạch,

độ mặn nhỏ hơn 30%, độ pH là 7,5 ÷ 9, do đó tôm giống phát triển tốt

- Tính mới, tính sáng tạo, tính khoa học ở đây là đã giải quyết vấn đề học thuật, mạnh dạn đưa nguồn NL không truyền thống vào phục vụ sản xuất ở vùng sâu vùng xa Đã có mẫu ĐCG phù hợp cho vùng ven biển phía Bắc phục vụ nuôi trồng thuỷ sản quy mô nhỏ Ứng dụng công nghệ sục khí mới đã có hiệu quả, lựa

chọn cỡ, kiểu bơm phù hợp Do kết cấu hệ thống hợp lý nên đã phối hợp nhịp nhàng để một ĐCG có thể chạy luân phiên 1 trong 2 máy (bơm, sục khí)

- Hiệu quả kinh tế cao, tiết kiệm nhiên liệu hoá thạch, tương đương 5 triệu đồng và sau 3 năm thu hồi vốn

- Đây là mô hình nên nhân rộng cho vùng nuôi tôm có NLG gió ổn định

Môc lôc

Trang

TÓM TẮT NỘI DUNG ……… 2

LỜI MỞ ĐẦU ……… 6

CHƯƠNG I VẤN ĐỀ VỀ NGHIÊN CỨU VÀ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG GIÓ PHỤC VỤ SẢN XUẤT VÀ SINH HOẠT ………

8 1-1 Nghiên cứu và sử dụng năng lượng gió điển hình ở một số nước trên thế giới 8 1-2 Tình hình nghiên cứu và sử dụng năng lượng gió ở Việt nam ……… 9

1-2.1 Tiềm năng năng lượng gió ở Việt nam ……… 9

1-2.2 Việc nghiên cứu sử dụng năng lượng gió ……… 11

1-2.3 Máy phát điện gió nhập ngoại hiện đang sử dụng ở Việt Nam …… 15

1-3 Lựa chọn đối tượng nghiên cứu và phục vụ ……… 15

CHƯƠNG II SƠ LƯỢC VỀ TÌNH HÌNH NUÔI TRỒNG THUỶ SẢN VÀ NHU CẦU NĂNG LƯỢNG CHO CƠ SỞ NUÔI TÔM Ở VIỆT NAM 16 2-1 Năng lực nuôi trồng thuỷ sản của nước ta ……… 16

2-2 Các hình thức nuôi tôm hiện nay ……… 17

2-3 Các chỉ tiêu chất lượng nước ở ao đầm nuôi tôm ……… 18

2-4 Thiết bị cơ điện phục vụ nuôi tôm theo kiểu công nghiệp ……… 19

CHƯƠNG III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ GIÓ PHÙ HỢP ĐIỀU KIỆN CÁC TỈNH VEN BIỂN PHÍA BẮC … 21 3-1 Một số kiểu ĐCG được nghiên cứu và ứng dụng trong sản xuất và đời sống …… 22

3-1.1 Phân loại động cơ gió: ……… 22

3-1.2 Ưu nhược điểm của từng loại: ……… 24

3-1.3 Lựa chọn kiểu ĐCG để bơm nước mực nước thấp và sục khí nuôi tôm: …… 26

3-2 Tính toán và thiết kế động cơ gió trục ngang, tốc độ thấp ……… 26

3-2.1 Cơ sở lý thuyết được áp dụng: ……… 26

3-2.2 Những góc nghiêng và dạng cánh ở turbine gió: ……… 32

3-2.3 Nguyên lý làm việc động cơ gió:……… 34

3-2.4 Tính toán và thiết kế ĐCG kéo máy bơm nước có lưu lượng 30 ÷ 60 m 3 /h: 36

3-2.5 Hệ thống an toàn ở động cơ gió:……… 38

3-2.6 Những yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hoạt động của động cơ gió: 40 CHƯƠNG IV LỰA CHỌN, TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ BƠM NƯỚC CỘT ÁP THẤP VÀ THIẾT BỊ SỤC KHÍ AO NUÔI TÔM ………

42 4-1 Bơm nước ……… 42

4-1.1 Phân loại và lựa chọn bơm nước cột áp thấp:……… 42

4-1.2 Xác định một số kích thước cơ bản bơm xoắn (bơm vít):……… 44

4-2 Hệ thống sục khí ……… 45

CHƯƠNG V THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG BƠM NƯỚC - SỤC KHÍ BẰNG SỨC GIÓ 47 5-1 Thử nghiệm tại cơ sở chế tạo bơm ……… 47

5-1.1 Phương tiện thử nghiệm: ……… 48

5-1.2 Kết quả thử nghiệm thu được (trung bình sau 3 lần nhắc lại):…… 48

5-2 Thử nghiệm ở ao nuôi tôm ……… 49

5-2.1 Kết quả thử nghiệm bơm xoắn chạy bằng sức gió:……… 50

5-2.2 Kết quả thử nghiệm với hệ thống sục khí:……… 50

TỔNG QUÁT VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ……… 52

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ……… 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO ……… 56

PHỤ LỤC ………

LỜI MỞ ĐẦU

Năng lượng hoá thạch (xăng, dầu, than đá ) ngày càng cạn kiệt, trong khi nhu cầu

NL cho sản xuất và sinh hoạt của con ngườì ngày một tăng, không bao lâu nữa chúng ta sẽ cùng nhau chia sẻ sự khủng khoảng trầm trọng về NL Mặt khác, khi dùng loại NL này sẽ kéo theo ô nhiễm môi trường, (nguồn nước và không khí bị nhiễm bẩn), đồng thời phá huỷ tầng Ozone gây hiểm hoạ cho con người về các bệnh nan y

Trước đây, tính khả thi của đề án thiết kế một công trình NL được quyết định bởi các yêu cầu về mặt kinh tế và kỹ thuật, thì bây giờ chỉ tiêu về môi trường đã trở nên đáng quan tâm Ta đã biết, các động cơ sử dụng nhiên liệu hoá thạch khi vận hành đã thải ra môi trường các chất độc hại cho con người, chẳng hạn carbon dioxide (CO2), sulfur oxide (SO2), nitrogen oxide (NOx), carbon monoxide (CO)

Gần đây, việc sử dụng các dạng NL tái tạo được thế giới hết sức quan tâm nhằm giải quyết sự thiếu hụt về NL hoá thạch, đồng thời góp phần giảm thiếu ô nhiễm môi sinh Theo tính toán của các nhà khoa học, nguồn NLG mà trái đất nhận được hàng năm chừng

109 tỷ kWh (lược), nhưng chúng ta mới chỉ sử dụng NL này với một lượng quá ít ỏi, chủ yếu ở các nước phát triển như Mỹ, Đan Mạch, Hà Lan, Nga, Nhật v.v…

Nước ta, việc nghiên cứu ứng dụng NLG, NL mặt trời để phát điện, làm nguồn động lực trong chế biến nông hải sản đã được một số cơ quan thuộc Viện nghiên cứu và trường Đại học tiến hành trong vài năm trở lại đây Tuy nhiên, trong quá trình triển khai và ứng dụng vào sản xuất còn bộc lộ nhiều vướng mắc, có thể là một trong các nguyên nhân như:

Một số vùng ven biển và hải đảo có vận tốc gió cao, song thường xuyên có bão hoặc không có nhu cầu cho sản xuất, hoặc luôn dựa vào nguồn NL từ các máy phát điện chạy bằng động cơ đốt trong

Hầu hết các vùng trong đất liền có vận tốc gió thấp, không ổn định, trừ một số nơi có gió địa hình có thể thuận lợi cho các động cơ gió (ĐCG) hoạt động tốt nhưng không nhiều

Giá tiền thiết bị và lắp đặt còn quá cao so với thu nhập hiện nay ở hầu hết các hộ nông dân

Thiết bị chưa hoàn thiện, tuổi thọ chưa cao (do công nghệ và vật liệu chế tạo), đây là yếu tố chính mà đề tài cần nghiên cứu tiếp để khắc phục

Hiện nay, nhiều tỉnh thuộc ven biển đang phát triển nuôi trồng thuỷ sản, trong môi trường nước mặn và nước lợ Năm 2003, phấn đấu đạt xuất khẩu 2,3 triệu USD Con tôm muốn phát triển tốt thì môi trường sống phải đảm bảo, nước cần đủ lượng Oxygen, độ trong, độ sạch, độ mặn (%), độ pH Để có được các tiêu chuẩn cần thiết nêu trên, phải thay nước và sục khí hàng ngày mà lâu nay người dân vẫn thường dùng các động lực là động cơ đốt trong hoặc động cơ điện Dùng động lực chạy bằng nhiên liệu lỏng không những tốn kém về đầu tư và chi phí sử dụng mà còn làm ô nhiễm không khí, hỏng môi trường nước nên tôm bị bệnh hoặc chết làm cho giá thành sản xuất tôm lên quá cao

Qua điều tra và khảo sát ở một số cơ sở nuôi tôm thuộc 4 tỉnh Quảng Ninh, Thái Bình, Hải Phòng, Thanh Hoá kết quả phân tích số liệu về vận tốc gió đã khẳng định, 60% thời gian trong ngày có khả năng sử dụng NLG để phục vụ nuôi trồng thuỷ sản

- Mục tiêu nghiên cứu:

+ Xây dựng báo cáo chuyên đề vùng nuôi tôm ven biển phía Bắc Việt Nam và nhu cầu sử dụng NLTT phục vụ nuôi trồng thuỷ sản

+ Mẫu hệ thống bơm nước và sục khí bằng ĐCG công suất 1,5 Hp phục vụ nuôi trồng thuỷ sản

- Phạm vi ứng dụng: Trước hết là phục vụ nuôi tôm trong khuôn khổ của ao ươm

giống hoặc ao đầm có diện tích nhỏ để thử nghiệm về cung cấp nước và sục khí

* * *

CHƯƠNG I VIỆC NGHIÊN CỨU VÀ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG GIÓ PHỤC VỤ SẢN XUẤT VÀ SINH HOẠT

1-1 Nghiên cứu và sử dụng NLG điển hình ở một số nước trên thế giới

Trong các loại NL sạch thì gió là một nguồn NL vô cùng lớn, không có tính chu kỳ như NL mặt trời Nhiều nước trên thế giới có NLG lớn mà vận tốc gió lại ổn định như Hà Lan, Đan Mạch, Đức, Hy Lạp Những nước này xem NLG là nguồn động lực để phát điện hoà vào lưới điện quốc gia hoặc chạy các máy công tác như bơm nước, nghiền, xay xát và chế biến nông phẩm v.v…

Về lĩnh vực nghiên cứu: Người ta đã đi từ turbine gió đơn giản đến turbine gió hiện đại, có hệ thống tự động ổn định số vòng quay máy công tác; đối với máy phát điện cần ổn định được tần số (Hz) và điện áp (V) Mặt khác, cỡ công suất được phân ra thành: loại nhỏ (< 20kW), cỡ trung (<100kW) và cỡ công suất lớn (> 100kW) Hiện nay, cỡ công suất lớn đang được đẩy mạnh nghiên cứu và ứng dụng trong sản xuất ở hầu hết các nước có công nghiệp tiên tiến Máy phát điện sức gió lớn nhất thế giới hiện nay do Đan Mạch chế tạo lên tới 3 MW

Ở một số nước, NLG được xem như một nguồn NL quan trọng đã đóng góp một phần đáng kể trong việc cân bằng NL quốc gia Hoa Kỳ đang dẫn đầu thế giới về nghiên cứu và sử dụng NLG, với tổng công suất hiện nay gần 8.000 MW (trong 16.000 máy) Châu Âu đang thu hẹp khoảng cách với Hoa Kỳ về nghiên cứu và sử dụng NLG nhờ nỗ lực của Đức, Đan Mạch, Tây Ban Nha Năm nước Bắc Âu như: Đan Mạch, Phần Lan, Nauy, Thuỵ Điển và Aixơlen đang triển khai sử dụng NL tái tạo, trong đó có 4 nước đã thực hiện hoà vào lưới điện quốc gia và chiếm gần 80% tổng công suất phát điện sức gió của EC Hiện nay, nhiều Hãng sản xuất ĐCG đứng hàng đầu thế giới, đa phần thuộc về Châu Âu với trên 80% thị phần Đến năm 2030, mục tiêu của Hiệp hội NLG Châu Âu phấn đấu đạt 150.000 kW tổng công suất các loại ĐCG, [9] Ngay từ năm 1996, người ta đã thống kê về

tỷ lệ điện năng sử dụng từ máy phát điện gió so với tổng điện năng toàn quốc ở một số

nước như: Thuỵ Điển 12%, Mỹ 10%, Hà Lan 10%, Đan Mạch 10%, Đức 8% và các nước thuộc Liên Xô (cũ) 9,5%, [10]

Nhiều nước đã điều chỉnh chính sách NL hướng về các nguồn NL mới và NL tái tạo (gió, mặt trời, thuỷ điện ) Đức và Đan Mạch đã giành riêng số tiền trợ cấp để khuyến khích cho các nơi dùng NL mới Hiện nay, giá lắp đặt máy phát điện gió gần tương đương với thuỷ điện, nhưng chỉ bằng 63% so với nhiệt điện và bằng 36% điện mặt trời Bình quân

1 triệu USD cho 1MW máy phát điện gió [16]

Khu vực Châu Á, Trung Quốc là nước dẫn đầu phát triển việc nghiên cứu và sử dụng nguồn NLG, đặc biệt chú trọng các loại ĐCG cỡ nhỏ Trung bình hàng năm sản xuất

ra 2.000 ĐCG phục vụ sản xuất và sinh hoạt ở vùng nông thôn xa xôi Tại Nội Mông đã có 13.000 ĐCG các cỡ đang hoạt động để phát điện và chạy các máy chế biến Chính quyền địa phương đã có những biện pháp khuyến khích hỗ trợ giá cho các nhà máy chế tạo ĐCG;

ví dụ, khi bán đi một ĐCG sẽ được nhận 25 USD từ ngân hàng địa phương

1-2 Tình hình nghiên cứu và sử dụng NLG ở Việt Nam

1-2.1 Tiềm năng NLG ở Việt nam:

Việt nam có trên 3.000 km bờ biển từ Bắc chí Nam và gần 3.000 đảo lớn nhỏ, phần lớn có dân cư sinh sống, tại đây có gió mùa quanh năm nhưng mật độ NL (kWh/m2) và tính ổn định rất khác nhau bởi đặc điểm về địa lý và địa hình quyết định Các vùng được xem là có tiềm năng gió tương đối mạnh như: Bạch Long Vĩ, Trường Sa, Quy Nhơn, Quảng Bình, Phủ Liễn, Phan Thiết, Cửa Tùng, Móng Cái, Quảng Ninh [1] Mật độ NLG trong năm tính bằng kWh/m2 ở độ cao 10 m , được tính theo công thức [1]:

2

3 i 20 3 i

3

.6125,0

Trong đó: ti - Số giờ có vận tốc gió trung bình (Vi) trong năm, m/s

Vì vậy, mỗi địa phương có vị trí địa lý và địa hình khác nhau nên vận tốc gió và do

đó giá trị mật độ NLG không giống nhau, ví dụ:

- Tây Nguyên 600 kWh/m2-năm

- Đồng bằng sông Hồng 250 kWh/m2-năm

- Quảng Nam, Quảng Ngãi 400 kWh/m2-năm

- Hà Nam Ninh, Cam Ranh, Vũng Tàu 700÷ 800 kWh/m2-năm

- Tiền Giang, Cà Mau 500 kWh/m2-năm

- Bờ biển Bắc Trung bộ 500 ÷ 600 kWh/m2-năm

- Các Hải đảo phía Đông, 3.000 ÷ 4.000 kWh/m2-năm

Hình 1a,b đã minh hoạ mật độ NLG và vận tốc gió ở đảo Cô Tô và trạm Rạch Giá [8] Qua biểu đồ ta thấy, ở huyện đảo Cô Tô mật độ NLG và vận tốc gió tương đối ổn định

ở tất cả các tháng trong năm, lớn nhất là bốn tháng cuối năm Trong khi trạm Rạch Giá cả hai đại lượng đều biến động khá rõ rệt và cường độ gió mạnh nhất vào bốn tháng giữa năm, yếu nhất là từ tháng 10 đến tháng 2 năm sau

Hình 1a Mật độ NLG và vận tốc gió ở đảo Cô Tô

1-2.2 Việc nghiên cứu sử dụng NLG:

Chúng ta đã nhìn nhận và đánh giá đúng mức lợi ích sử dụng NLG ngay từ năm

1972, từ đó đã có các cơ quan đầu tư kinh phí để nghiên cứu, khởi đầu là Bộ Đại học (Bộ Giáo dục và Đào tạo ngày nay) Tới nay, đã có thêm một số cơ quan cùng tham gia nghiên cứu loại NL này như: Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại học Bách khoa TP.Hồ Chí Minh, Viện Năng lượng, Trung tâm Năng lượng mới, Viện Kỹ thuật Quân sự , những cơ quan này ngoài việc nghiên cứu NLG là chính, còn nghiên cứu các dạng NL khác như: NL mặt trời, NL sinh khối Riêng NLG được tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo ĐCG kéo các máy công tác như máy bơm nước, máy chế biến nông sản và máy phát điện cỡ nhỏ Nhìn chung, những mẫu máy nêu trên mới chỉ ở mức độ thử nghiệm thăm dò, nếu đưa vào sản xuất cần phải nghiên cứu tiếp tục cùng với lựa chọn vật liệu, công nghệ chế tạo thích hợp, điều kiện ứng dụng và đề xuất các phương án cải tiến tiếp theo thì mới có cơ hội hoàn hảo Bằng các nguồn thông tin từ nhiều cơ quan nghiên cứu ĐCG cho thấy tuổi thọ của máy quá thấp, thường chưa được một năm máy đã ngừng hoạt động Các trục trặc của máy thường sảy ra phần lớn là thuộc về các cánh quạt ở loại quay nhanh (2 ÷ 3 cánh), do các ổ bi đỡ bị phá vỡ hoặc bị kẹt vì thiếu bảo dưỡng hoặc không phù hợp với môi trường mặn ở biển

Đã có các đề tài cấp bộ, cấp nhà nước thuộc chương trình NL mới, qua kết quả nghiên cứu của cơ quan đi trước, ta cũng được các tư liệu về tiềm năng NLG ở một số vùng mang đặc trưng địa lý khác nhau Đã có bản đồ về vận tốc gió và NLG của cả nước,

vẽ được các hoa gió trong từng tháng cho từng trạm Qua hoa gió toát lên hướng gió thịnh hành, tần suất vận tốc gió (xem hình 1 phần phụ lục)

Từ năm 1997 cho đến nay, Viện Cơ điện Nông nghiệp, nay là Viện Cơ điện Nông nghiệp và Công nghệ Sau thu hoạch đã liên tục nghiên cứu sử dụng NL mặt trời để sấy nông hải sản và NLG phát điện phục vụ sản xuất và sinh hoạt ở nông thôn, chú trọng cho vùng sâu, vùng xa - nơi xa lưới điện quốc gia Để sử dụng NLG có hiệu quả, trước khi lắp đặt máy, cần tiến hành điều tra khảo sát về vận tốc gió Ví dụ đã khảo sát tại Xã đảo Quan Lạn, huyện Vân Đồn, tỉnh Quảng Ninh; tỉnh Gia Lai và tỉnh Thanh Hoá

Những địa điểm được sử dụng nguồn NL mới (gió, mặt trời) đã được Viện Cơ điện Nông nghiệp và Công nghệ Sau thu hoạch nghiên cứu, tính toán, thiết kế, chế tạo, lắp đặt

và thử nghiệm như Xã đảo Quan Lạn, huyện Vân Đồn, Tỉnh Quảng Ninh đã trang bị tủ sấy hải sản bằng NL mặt trời và phát điện sức gió, kết quả khảo sát và thí nghiệm máy phát điện gió (MFĐG) ở hình 2 ÷ hình 5 Nhà sấy hải sản bằng NL mặt trời kết hợp với khí Ozone (O3) ở huyện đảo Cô Tô và Thanh Lân thuộc tỉnh Quảng Ninh, khối lượng sấy từ 25 đến 1.000 kg/mẻ Phát điện sức gió ở huyện Quảng Xương - Thanh Hoá và 2 huyện thuộc tỉnh Gia Lai Công suất mỗi máy 500A Đúc kết kinh nghiệm từ các cụm MFĐG đã nghiên cứu và lắp đặt, chắc chắn việc thực hiện nội dung nghiên cứu "bơm nước và sục khí bằng sức gió cho ao nuôi tôm" sẽ nhiều thuận lợi, và vì vậy "năng lượng sức gió ước mơ

và hiện thực, một khoảng cách không còn xa"

Hình 2 Diễn biến vận tốc gió tháng trong năm ở Xã đảo Quan Lạn, Quảng Ninh

Hình 3 Vận tốc gió giờ trong ngày ở Xã đảo - Quan Lạn - Quảng Ninh

Hình 4 Điện áp (V) của MFĐG và vận tốc gió (m/s) ngày 25/5/1998

Vận tốc gió, m/s Điện áp, V

Giờ trong ngày

Hình 5 Điện áp MFĐG (V) và điện năng thiêu thụ (kWh/ngày)

Điện năng tiêu thụ, kWh/ngày Điện áp V

(a) (b)

Hình 6 Máy phát điện sức gió 500VA do Viện Cơ điện Nông nghiệp

và Công nghệ STH nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và lắp đặt:

a - Ở Quan Lạn, Vân Đồn, Quảng Ninh

b - Ở 2 huyện thuộc tỉnh Gia Lai

Giờ trong ngày

Hình 7 Bơm nước bằng sức gió ở Lộc Hoá, Long An

1-2.3 MFĐG nhập ngoại hiện đang sử dụng ở Việt Nam:

Trong quá trình nghiên cứu, nhiều cơ quan du nhập được một số mẫu ĐCG như máy của Ý, Nhật, Trung Quốc, Đan Mạch… kết cấu, hình dáng, kiểu dáng công nghiệp và hiệu suất tương đối cao so với các mẫu do ta tự chế tạo ở trong nước Tài liệu về tính toán, thiết kế ĐCG cũng được lựa chọn loại tài liệu mới và tiên tiến [6], rất dễ ứng dụng Trong khuôn khổ của báo cáo này, chúng tôi không có điều kiện để nêu tên và mã hiệu các loại ĐCG đã và đang sử dụng ở nước ta

1-3 Lựa chọn đối tượng nghiên cứu và phục vụ

Về lâu về dài, nguồn NL phục vụ sản xuất vẫn là trở ngại ở hầu hết các cơ sở nuôi trồng thuỷ sản Vì vậy, đối tượng phục vụ trước hết ưu tiên cho con tôm, nhưng cần được giới hạn trong phạm vi thử nghiệm ở ao đầm có diện tích bé hoặc trong bể ươm giống

Đối tượng nghiên cứu là động lực sức gió, cùng với máy công tác phục vụ nuôi tôm như bơm nước và sục khí Nhằm thuyết phục việc lựa chọn đối tượng nghiên cứu và đối tượng phục vụ, ta hãy khái quát qua về thực trạng nuôi trồng thuỷ sản ở nước ta, trong đó con tôm hiện đang giữ vai trò là chủ đạo

CHƯƠNG II

SƠ LƯỢC VỀ TÌNH HÌNH NUÔI TRỒNG THUỶ SẢN

VÀ NHU CẦU NĂNG LƯỢNG CHO CƠ SỞ NUÔI TÔM Ở VIỆT NAM

Năm 2002, đã có dịp trình bày trong báo cáo chuyên đề về "Kết quả điều tra khảo sát việc nuôi trồng thuỷ sản và tiềm năng NLG ở 3 tỉnh Quảng Ninh, Hải Phòng và Thái Bình" Trong chương này xin nêu lên một số khả năng nuôi trồng thuỷ sản ở nước ta hiện nay có liên quan tới nhu cầu sử dụng NL và trang bị máy công tác ở cơ sở nuôi trồng thuỷ sản

2-1 Năng lực nuôi trồng thuỷ sản của nước ta

Việt nam là một trong những nước trong khu vực có tiềm năng nuôi trồng thuỷ sản nói chung, tôm nói riêng rất đa dạng và phong phú trên diện tích rộng hàng triệu ha Môi trường nuôi được phát triển ở cả ba loại nước: nước mặn, nước lợ và nước ngọt Địa hình nuôi tôm bao gồm: trên biển, trong đầm hồ, ao, trên cát và trong ruộng lúa Tổng diện tích có khả năng nuôi trồng thuỷ sản khoảng 2 triệu ha, trong đó: nước mặn và nước lợ chiếm 1,13 triệu ha, còn lại là nước ngọt

• Vùng nước mặn: Ở các tỉnh ven bờ biển như: Khánh Hoà, Phú Yên, Quảng Ninh, Hải Phòng, Thái Bình v.v…

• Vùng nước lợ: Là môi trường thích nghi để phát triển nuôi tôm sú, tôm he, tôm rảo Đến năm 2002, diện tích vùng nước mặn và nước lợ tăng khá lớn, trong đó Đồng bằng sông Cửu Long chiếm 82,6% tổng diện tích nuôi, còn lại thuộc các vùng như Đồng bằng Sông Hồng, Bắc và Nam Trung Bộ

• Nuôi ở nước ngọt: Cũng có tiềm năng lớn, năm 2002 tổng diện tích trong cả nước là 923.000 ha, trong đó diện tích mương ao 120.000 ha, diện tích hồ 340.000 ha, diện tích ruộng trũng gần 500.000 ha (nuôi trong ruộng kết hợp với trồng lúa)

• Nuôi trên cát: Được sự hỗ trợ của Viện Quốc tế về phát triển bền vững (HSD) và Cơ quan Bảo tồn thiên nhiên Quốc tế (IUCN), Bộ Thuỷ sản đã khảo sát đánh giá tình

hình và khả năng nuôi tôm trên cát của một số tỉnh ven biển: Hà Tĩnh, Quảng Bình, Quảng Trị, Thừa Thiên Huế, Quảng Ngãi, Bình Định, Phú Yên, Ninh Thuận Hiện nay, diện tích có khả năng nuôi 14.600 ha, nhưng năm 2002 mới chỉ nuôi được trên diện tích 571 ha, [4]

Những số liệu nêu trên được thể chế hoá qua các quyết định 224/1999/QĐ-TTg ngày 8/12/1999 của Thủ tướng Chính phủ về việc phê duyệt chương trình phát triển nuôi trồng thuỷ sản nói chung và các loại tôm nói riêng

Ngay từ năm 1991, Tổ chức Nông Lương của Liên hợp Quốc (FAO) đã thống kê những nước trong khu vực về nuôi trồng thuỷ sản, trong đó đề cập nhiều nhất là sản xuất các loại tôm Trong khi tài nguyên tôm khai thác ở biển khơi đã tới mức bão hoà nên không thể khai thác hơn được nữa Vì vậy, người ta phải chuyển sang nuôi tôm theo hình thức công nghiệp mới đáp ứng nhu cầu chung của xã hội Các nước vùng nhiệt đới đã được thiên nhiên

ưu đãi về nghề này như Tháiland, Philippinese, Indonesia, Đài Loan, Singapore… nhờ khí hậu thích hợp ấy mà nghệ nuôi tôm công nghiệp đã thu về số ngoại tệ rất đáng kể

2-2 Các hình thức nuôi tôm hiện nay

* Nuôi quảng canh:

Là hình thức nuôi hoàn toàn dựa vào nguồn giống và thức ăn tự nhiên sẵn có trên các loại sông, rạch, ao hồ Diện tích đầm nuôi thường lớn; nhưng năng suất tôm rất thấp, tối đa là 0,3 tấn/ha Nuôi kiểu này không cần đầu tư và ít sử dụng lao động

* Nuôi quảng canh có cải tiến:

Là hình thức nuôi dựa vào mô hình nuôi quảng canh, nhưng có bổ sung con giống

và thức ăn cho tôm đã qua chế biến

* Nuôi bán thâm canh:

Là hoàn toàn chủ động về con giống với mật độ tương đối cao Dùng thức ăn công nghiệp nên năng suất cao

* Nuôi thâm canh:

Là cách nuôi mang tính công nghiệp, hoàn toàn chủ động về con giống, sử dụng thức ăn qua chế biến (thức ăn nhân tạo ở dạng viên) Nhờ cách nuôi này mà mật độ nuôi trên đơn vị diện tích rất cao (15 ÷ 30 con)

Các đặc trưng cơ bản ở 3 mô hình nuôi tôm [2]

B - 2

Hình thức nuôi

Năng suất (tấn/ha-năm) 0,1 ÷ 0,3 0,2 ÷ 0,5 5,0 ÷ 15

Cách thay nước Do thuỷ triều lên xuống Dùng máy bơm Dùng máy bơm Diện tích nuôi (ha) ≥ 5 1,0 ÷ 2,0 0,2 ÷ 0,25

Quản lý Ít quan tâm Cần kỹ năng Cần đầu tư kỹ

thuật và công nghệ Mức trang bị cơ điện Không có Trung bình Cao

Trong vài năm trở lại đây, nhiều cơ sở nuôi trồng thuỷ sản trong cả nước đều phát triển nghề nuôi tôm theo mô hình bán thâm canh và thâm canh, đó là cách nuôi tiên tiến, có

sự đầu tư về công nghệ, thiết bị cơ điện chuyên dùng và nhân lực để phục vụ nuôi trồng đem lại lợi nhuận cao

2-3 Các chỉ tiêu chất lượng nước ở ao đầm nuôi tôm

Ngoài con giống và thức ăn thì nguồn nước để nuôi tôm hết sức quan trọng đối với đời sống của chúng Nhưng nếu đủ nước mà chất lượng nước lại không đảm bảo sẽ là nơi tiêu diệt chúng qua các loại bệnh hay thường gặp, như: Bệnh phồng mang, đen mang, đốm trắng, đứt râu, do sinh vật bám Vì vậy, các chuyên gia thuỷ sản cho rằng bên cạnh yếu tố ánh sáng và vị trí ao nuôi trồng thì chất lượng nước được xem như điều kiện để con tôm

tồn tại và phát triển Trong ao hồ nuôi tôm bắt buộc phải đảm bảo 3 yếu tố, đó là yếu tố vật

lý, hoá học và phiêu sinh vật

Ban ngày nhờ có ánh sáng mặt trời, rong rêu trong nước đã sử dụng CO2qua hiện tượng quang tổng hợp sẽ tạo ra Oxygen (O2) theo phản ứng:

CO2 + H2O ⎯⎯⎯⎯⎯→ O2 + CH2O

* Ngoài ra, khi thay nước và nhờ có hệ mặt thoáng tiếp cận với không khí của ao cũng cung cấp thêm một lượng Oxygen Tất cả lượng Oxygen được sản sinh ra được ghi nhận qua các con số: Phiêu sinh vật cung cấp 89%; thay nước mới 4%; bề mặt nước 7%

* Ban đêm do không có quang hợp, rong rêu không những không sản xuất ra oxygen mà con tiêu thụ như thông lệ Ông Shigueno - nhà nghiên cứu người Nhật đã tìm thấy mức độ sử dụng Oxygen theo tỷ lệ: Tôm chỉ sử dụng 9,1%, rong rêu 69,4%, còn lại là các yếu tố khác; vì vậy qua một đêm lượng oxygen trong ao đã bị giảm

Để giải quyết sự thiếu hụt lượng Oxygen nêu trên cần tiến hành các biện pháp nhân tạo như: Sục khí và thay nước trong ao theo tỷ lệ quy định trong ngày

* Mức độ thay nước: Tuỳ theo tình trạng nước trong hay đục mà tiến hành thay từ 25%, 30%, 50%, 80% có khi 100%

* Thời điểm sử dụng máy sục khí có lợi nhất nên từ 5 giờ sáng hàng ngày trở đi

Tiêu chuẩn chất lượng nước ở ao nuôi tôm công nghiệp

B - 3 Yếu tố môi trường Hàm lượng thích hợp Hàm lượng tối ưu

Oxygen hoà tan (mg/l)

BOD (nhu cầu Oxygen sinh học, mg/l)

COD (Nhu cầu Oxygen hoá học, mg/l)

3 ÷ 12

26 ÷ 33

10 ÷ 35 7,5 ÷ 9,0

10 1,0

0

30 ÷ 40

-

- Quang tổng hợp

2-4 Thiết bị cơ điện phục vụ nuôi tôm theo kiểu công nghiệp

Nuôi tôm theo mô hình công nghiệp là kiểu nuôi hiện đại với mật độ nuôi cao nhưng trên diện tích nuôi khá nhỏ; các khâu như cung cấp thức ăn, thay nước, sục khí, ổn định nhiệt độ… đều phải có máy móc chuyên dùng thì mới đảm bảo chất lượng nước nêu trên nhằm thay thế sức người

* Máy sục khí: Thường dùng sục khí kiểu guồng, từ 4 đến 15 guồng, loại này được

sử dụng rộng rãi ở các cơ sở nuôi tôm; cánh có 6 ÷ 8 lỗ nên quá trình quạt nước đã hình thành dòng bọt khí, nhờ đó lượng Oxygen dễ thâm nhập vào nguồn nước

(a) (b)

Hình 8 Sục khí kiểu guồng

(a) Loại 6 guồng cánh, động cơ lai 4 ÷ 6 Hp; (b) Loại 15 guồng cánh, động cơ lai 12 ÷ 15 Hp

Hiện nay, một số cơ sở chế tạo cơ khí địa phương ở nước ta đã chế tạo được máy sục khí kiểu guồng nhưng độ bền còn thấp, tiêu thụ công suất lớn, giá thành cao; do chưa

có kiểu sục nào thay thế nên một số nơi vẫn phải sử dụng, mặc dù vậy nó có những thuận lợi khi cần phụ tùng thay thế

Về số lượng máy sục khí và cách bố trí máy trên ao phụ thuộc vào diện tích và mật

độ nuôi (đã được đề cập trong báo cáo chuyên đề trong năm 2002)

* Bơm nước:

Tuỳ theo diện tích ao và độ cao mực nước mà chọn loại bơm cho thích hợp để cấp

và thay nước kịp thời, đặc biệt là vào mùa khô hoặc khi có úng lụt sảy ra Thông thường ở

cột áp cao thì dùng bơm ly tâm, còn ở mực nước thấp thì chọn kiểu bơm xiên, hoặc bơm vít xoắn

* Động lực lai máy công tác:

Động cơ đốt trong chạy bằng nhiên liệu lỏng (xăng, dầu diesel) được dùng phổ biến

ở cơ sở xa lưới điện quốc gia, thường dùng là động cơ diesel Một số nơi trang bị động cơ

nổ chạy diesel do trong nước tự chế tạo hoặc loại cũ của Nhật Số còn lại thường nhập từ Trung Quốc, Đài Loan công suất từ 3 ÷ 12 HP, giá thành thấp, hình thức đẹp, song chất lượng kém do máy cũ nên tiêu hao nhiên liệu và dầu bôi trơn lớn; vì lý đó trong quá trình vận hành hay bị lọt dầu và nhiên liệu vào môi trường nước, gây ảnh hưởng xấu đến sinh trưởng và phát triển của tôm (hiện tượng này nghề nuôi tôm rất kiêng kỵ) Ngoài ra, động

cơ chất lượng kém khi vận hành sẽ không đốt cháy hết nhiên liệu, khí xả ra làm ô nhiễm môi trường xung quanh

Để hạn chế việc sử dụng nhiên liệu truyền thống nêu trên, loại nhiên liệu đang ngày càng cạn kiệt, gây ô nhiễm cho môi sinh, đề tài đã nghiên cứu tìm giải pháp khai thác nguồn NL mới, loại NL tại chỗ để thay thế, đó là sử dụng NLG để kéo máy bơm nước, máy sục khí và phát điện tại cơ sở sản xuất tôm giống Trước mắt là ứng dụng thử ở nơi xa lưới điện quốc gia như cơ sở nuôi tôm ở ven biển hoặc hải đảo Để đạt được mục tiêu về sử dụng NLG liên hợp với máy công tác sao cho có hiệu quả, đồng thời khắc phục những yếu kém ở các máy sức gió trước đây đã có, chúng ta sẽ lần lượt nghiên cứu, khảo sát, lựa chọn, tính toán và thiết kế theo các nội dung, cụ thể là:

- Nghiên cứu, tính toán, thiết kế ĐCG phù hợp với điều kiện NLG ở các tỉnh ven biển phía Bắc

- Nghiên cứu, thiết kế, lựa chọn vật liệu và công nghệ chế tạo bơm nước và máy sục khí phục vụ nuôi tôm

- Nghiên cứu, chế tạo các hệ thống phụ trợ của ĐCG

CHƯƠNG III NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ GIÓ PHÙ HỢP ĐIỀU KIỆN CÁC TỈNH VEN BIỂN PHÍA BẮC

Năm 2002, đã có báo cáo về kết quả điều tra cụ thể về tiềm năng NLG ở khu vực nuôi tôm thuộc ba tỉnh: Quảng Ninh, Hải Phòng và Thái Bình - đại diện cho vùng ven biển phía Bắc Từ các số liệu thu được như: NLG (kWh/m2), vận tốc gió (m/s), tần suất (%) và các hướng gió thịnh hành trong năm, ta có thể xác định được khả năng sử dụng sức gió cho từng vùng có vị trí địa lý khác nhau để chạy các máy công tác phục vụ nuôi trồng thuỷ sản, trong đó con tôm là chủ chốt

Đặc điểm chung về gió ở ba tỉnh nêu trên là NLG không lớn, ổn định thấp và vận tốc gió không cao kể cả những địa hình bằng phẳng vào các ngày thường trong năm Ngược lại, gặp cơn giông hoặc áp thấp nhiệt đới từ cấp 6 đến cấp 8, nhất là bão thì NL này lại quá lớn, quá sức chịu đựng của các cơ cấu ĐCG nếu không được bảo vệ Trong chương này chúng ta sẽ lần lượt đi sâu nghiên cứu và giải quyết từng vấn đề với hy vọng ĐCG sẽ vận hành quanh năm và được bảo vệ khi gặp gió bão hoặc sét v.v…

Phương pháp nghiên cứu:

Để hoàn tất nội dung nghiên cứu được nhanh chóng đúng thời hạn và có kết quả mong muốn, ta sẽ không đề cập đến nghiên cứu cơ bản mà đi ngay vào việc nghiên cứu ứng dụng Hiện nay trên thế giới đã đưa ra thị trường nhiều mẫu ĐCG có các kiểu cỡ đa dạng cần phải nghiên cứu lựa chọn một kiểu cỡ cho phù hợp hoàn cảnh chế tạo và điều kiện gió ở nước ta, các tiến trình được thực hiện như:

- Nghiên cứu theo phương pháp kế thừa và tiếp cận những thành quả khoa học mà nhiều nước tiên tiến trên thế giới đạt được về lý thuyết và cách tính toán đã công bố Riêng

về kinh nghiệm trong thiết kế, chế tạo, định hình kiểu dáng và mẫu mã sẽ thừa hưởng những kết quả ở một số nước trong khu vực, như: Trung Quốc, Thái Lan, Philippines, Singapore… là những nước có điều kiện về NLG tương tự như Việt Nam Tổng hợp những

ưu điểm đã có ở các mẫu, chúng ta sẽ hoàn thiện về mẫu mã kiểu dáng và công nghệ sao cho phù hợp với điều kiện chế tạo và NLG ở nước ta

- Nghiên cứu theo xu hướng chép mẫu có chọn lọc từ các mẫu được xem là tiên tiến, tiến hành cải tiến những bộ phận quan trọng nhằm đáp ứng với công nghệ chế tạo, điều kiện khí hậu (gió, nóng, ẩm, muối mặn…) và trình độ sử dụng của người dân nông thôn

- Thu thập, tham khảo ý kiến của các chuyên gia chuyên ngành thuỷ khí và năng lượng

- Theo cách thiết lập một cụm máy thực, tiến hành đo đạc những thông số cơ bản của máy ở phòng thí nghiệm, sau đó thử nghiệm trong điều kiện sản xuất và thu thập các chỉ tiêu kỹ thuật, kinh tế của cụm máy, cuối cùng là cải tiến và hoàn thiện mẫu

* Giải pháp kỹ thuật:

- Sử dụng máy vi tính trong tính toán, thiết kế, vẽ kỹ thuật và xử lý số liệu

- Phối hợp với Sở Thuỷ sản và cơ sở nuôi tôm

- Kết hợp với cơ sở chế tạo cơ khí chính xác

3-1 Một số kiểu ĐCG được nghiên cứu và ứng dụng trong sản xuất và đời sống 3-1.1 Phân loại ĐCG:

Nếu theo phương của trục ĐCG, người ta đã chế tạo và sử dụng hai loại, [1]: ĐCG trục đứng (hình 9a) và ĐCG trục ngang (hình 9b)

Hình 9a ĐCG trục đứng Hình 9b ĐCG trục ngang

Nếu theo số lượng cánh, riêng đối với trục ngang ta có ba loại: ĐCG quay nhanh, 2 cánh (hình 10a); ĐCG quay nhanh, 3 cánh cách nhau 1200 trong không gian (hình 10b) và ĐCG quay chậm nhiều cánh (hình 10c)

Hình 10a ĐCG 2 cánh Hình 10b ĐCG 3 cánh

Hình 10c ĐCG nhiều cánh Hình 11 ĐCG cánh buồm

Ngoài ra, còn được phân theo các dạng cánh như: Cánh buồm (cánh mềm), cánh dạng gáo và cánh có profile của khí động học Cũng vậy, về cách truyền chuyển động có loại truyền trực tiếp (qua khớp nối hoặc các đăng) và truyền qua hộp số (tăng hoặc giảm tốc)

Người ta đã chế tạo máy phát điện sức gió có hai turbine gió, chúng quay ngược chiều nhau (roto quay một chiều còn stator quay chiều khác), như vậy tốc độ vòng quay tương đối sẽ cao và chỉ dùng cho máy có công suất bé

3-1.2 Ưu nhược điểm của từng loại:

ĐCG loại trục đứng:

- Nhược điểm: Hiệu suất thấp, công suất phụ thuộc đường kính cánh trong khi đường kính bị giới hạn bởi không gian nên cả chiều cao và đường kính cánh đã hạn chế công suất phát ra Ngoài ra, do khả năng hấp thụ NL kém nên số vòng quay thấp

- Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, dễ lắp đặt, hướng gió nào cũng quay được nên không cần bộ phận lái hướng gió (đuôi lái)

- Ứng dụng: Trong những năm 1980 trở về trước, vùng nông thôn xa thành phố của Ấn

Độ dùng nhiều ĐCG loại trục đứng, sử dụng nửa thùng phi làm cánh (nửa hình trụ) lắp thành 2 đến 3 tầng và các tầng thường lệch nhau một góc độ nhất định Loại này chủ yếu dùng để bơm nước sinh hoạt và tưới rau trong vườn Mấy năm trước đây, Trung tâm Nghiên cứu NL mới thuộc trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã nghiên cứu và chế tạo thử ĐCG trục đúng kéo bơm nước, nhưng do còn bộc lộ nhiều yếu điểm nên ít được phổ biến trong sản xuất, từ đó người ta đã lãng quên đến loại động cơ này

ĐCG trục ngang:

- Ưu điểm: Có khả năng phát triển được công suất bởi đường kính turbine có thể tăng lên và hệ số hấp thụ NLG lại cao Mặt khác, do độ cao tháp đặt máy có thể thay đổi theo chiều hướng tăng vì thế turbine sẽ đón được gió mạnh hơn và do đó vòng quay và công suất máy tăng theo; loại này có thể lắp ít cánh hoặc nhiều cánh rất thuận lợi

- Nhược điểm: Kết cấu phức tạp, đặc biệt các cánh của turbine gió phải có tiết diện hình học (profile) và các góc nghiêng hợp lý thì mới phát huy hiệu quả hấp thụ NLG Cũng vậy, cơ cấu điều khiển hướng gió và cơ cấu truyền động cần được tính toán, thiết kế và chế tạo chính xác thì hiệu suất mới đảm bảo theo lý thuyết (sẽ được trình bày trong phần tính toán cụ thể)

- Khi đường kính turbine đã xác định, muốn nâng cao công suất chỉ có cách tăng chiều cao đặt ĐCG Khi chiều cao tăng, vấn đề giải quyết ở đây là phải tính toán kết cấu nền móng và sức bền vật liệu của tháp sao cho đảm bảo độ bền cơ học khi có hiện tượng cộng hưởng ở turbine

ĐCG ít cánh (2 ÷ 3 cánh):

- Ưu điểm: ĐCG trục ngang loại ít cánh, do số lượng cánh ít nên số vòng quay khá cao; được dùng cho máy cần tốc độ vòng quay lớn như máy phát điện, máy bơm ly tâm v.v…

- Nhược điểm: Mômen khởi động cần phải lớn, vì vậy vận tốc gió phải cao (trên 3 m/s) thì ĐCG mới bắt đầu tự khởi động Ngoài hình dáng tiết diện của các cánh phải đảm bảo về lực khí động tốt còn yêu cầu về mặt cân bằng động và cân bằng tĩnh của chúng để tránh rung động, nhất là khi làm việc ở số vòng quay lớn và đặt cao so với mặt đất Do số vòng quay cao nên thường phát sinh ra tiếng ồn (tính bằng dB) lớn, điều đó đã ảnh hưởng không ít tới môi trường xung quanh, nơi có dân cư sinh sống

- Được dùng ở những nơi thoáng gió, gió mạnh như các khe gió, đỉnh đồi, cửa sông,

bờ biển và các hải đảo v.v…

ĐCG nhiều cánh (6 ÷ 18) cánh là loại quay chậm:

ĐCG trục ngang loại nhiều cánh, chúng có các ưu nhược điểm như sau:

- Ưu điểm: Mômen khởi động yêu cầu nhỏ nên chỉ cần vận tốc gió thấp (2,5 m/s) là ĐCG bắt đầu tự khởi động và đi vào làm việc Vì turbine quay chậm nên tiếng ồn và sự

rung động cũng ít, hiện tượng hỏng hóc thuộc về cánh cũng như hệ thống truyền chuyển động ít so với loại ít cánh

- Nhược điểm: Do quay chậm nên chỉ phù hợp riêng cho các máy công tác cần số vòng quay thấp như: bơm vít xoắn, bơm piston, bơm màng Muốn vòng quay cao thì cần lắp thêm hộp số tăng tốc hoặc hệ thống puli - dây đai, điều này sẽ dẫn đến hiệu suất của cả

hệ thống giảm

3-1.3 Lựa chọn kiểu ĐCG để bơm nước cột áp thấp và sục khí nuôi tôm:

Chúng ta đã phân tích về những ưu - nhược điểm của từng kiểu ĐCG, do đó việc lựa chọn là thuận lợi vì có cơ sở khoa học, dễ sát với thực tế sản xuất Thông số quan trọng nhất có liên quan đến chọn cỡ kiểu ĐCG, chủ yếu dựa vào 2 yếu tố chính đó là: số vòng quay (vg/ph) và công suất máy công tác (Hp)

Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu như đã nêu ở phần đầu của báo cáo này, bao gồm:

- Đối tượng phục vụ: Cơ sở nuôi tôm giống, ao nuôi thử nghiệm diện tích nhỏ, cột áp tối đa 2,5 m

- Lưu lượng bơm nước tối đa 60 m3/h, trong tính toán lấy trung bình 30 m3/h, công suất cực đại yêu cầu ĐCG: 1,5 Hp

- Máy sục khí hoặc bơm vít xoắn yêu cầu công suất 0,8 Hp

- Phương pháp sục: Dùng máy nén khí cung cấp không khí vào hệ thống ống dẫn ngầm dưới nước

Do cột áp cần để bơm thấp và công suất yêu cầu không lớn, chỉ dùng để thay nước

và sục khí khi cần thiết Căn cứ vào sự phân tích ở trên cùng với các ý kiến chuyên gia, chúng tôi đã chọn ĐCG trục ngang, quay chậm, nhiều cánh; nên khi vận tốc gió thấp (2,5 m/s) bơm nước vẫn làm việc, tuy năng suất thấp nhưng nước liên tục được bơm lên (nếu ta dùng bơm vít hoặc bơm piston) Vì vậy, khi địa hình thuận lợi về NLG thì máy công tác có thể làm việc gần như suốt ngày đêm Qua điều tra, có thể sử dụng bơm nước ở mức 60% thời gian làm việc thuần tuý

3-2 Tính toán và thiết kế ĐCG trục ngang, tốc độ thấp

3-2.1 Cơ sở lý thuyết được áp dụng:

Cho dù nghiên cứu ở đây đã xác định là kế thừa chép mẫu và cải tiến, song để đạt được mục tiêu là đưa ra một mẫu ĐCG có các tính năng kỹ thuật đảm bảo, làm việc chắc chắn và ổn định ở những vùng khí hậu biển khắc nghiệt, một điều chắc chắn là phải xét tới tất cả các yếu tố lý thuyết có liên quan

Những công trình nghiên cứu của Zukovski, Glauert, Bernoulli… về lực khí động

đã đưa ra những công thức lý thuyết có thể ứng dụng trong tính toán: công suất, đường kính cánh, số lượng cánh, số vòng quay Các hệ số, thông số thiết kế có liên quan như: Hệ

số hấp thụ NL (ξ), độ thực (τ0), tỷ tốc (λ0) hay còn được gọi modul… chúng được tính theo các công thức hoặc được chọn theo kinh nghiệm

Hệ số sử dụng NLG (ξ): Theo lý thuyết của Zukovski, hệ số ξ có thể đạt giá trị lớn nhất ở mức ξ = 0,687 Nhưng thực tế trong khi tính toán chỉ nên chọn ξ = 0,45 ÷ 0,48 đối với ĐCG quay nhanh, và ξ = 0,35 ÷ 0,38 ở ĐCG quay chậm Trong trường hợp cụ thể, do vận tốc gió thiếu ổn định ta chọn ξ = 0,38 cho ĐCG quay chậm, nhiều cánh

Độ thực của turbine ký hiệu là σ0; hệ số này được hiểu như sau:

Tổng diện tích các cánh, m2

σ0 = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 100% (2)

Diện tích quét gió của turbine, m2

Từ đó ta thấy, hệ số độ thực của turbine (σ0) liên quan đến số lượng cánh, tức là số cánh ít thì σ0 nhỏ, và ngược lại ở turbine nhiều cánh thì σ0 sẽ lớn, [5] ĐCG quay chậm, giá trị σ0 được chọn từ 20% đến 85% theo đồ thị (hình 12)

Hình 12 Đồ thị quan hệ giữa độ thực (σ0), tỷ tốc (λ0) và số lượng cánh turbine gió (B)

Để lựa chọn các thông số cho tính toán, sử dụng đồ thị hình 12; chọn hệ số độ thực σ0,

từ đó sẽ được tỷ tốc (λ0) và sơ bộ xác định số lượng cánh (B) cho ĐCG bơm nước

Tỷ tốc đầu mút cánh (hay modul): Turbine gió có thể được chế tạo theo các kích cỡ không giống nhau, đường kính và dạng cánh khác biệt nhau, song chúng vẫn có một thông số đặc trưng cơ bản đó là tỷ tốc (λ0), nói lên sự quay nhanh hay quay chậm của turbine [10] Giá trị của λ0 có thể tra bảng 4 hoặc dùng đồ thị và được tính theo công thức:

tt 0

v2D

Khi số vòng quay ĐCG càng nhỏ thì số cánh càng nhiều và tỷ tốc (λ0) càng bé và ngược lại, tham khảo bảng 4

Số vòng quay của turbine gió:

Khi bề mặt turbine quay về hướng gió, NLG tác động vào các cánh quạt rồi được chuyển hoá thành NL cơ học làm quay turbine Số vòng quay này phụ thuộc vào: Vận tốc gió, vtt; Tỷ tốc đầu mút cánh, λ0 và đường kính turbine, D Số vòng quay ĐCG được xác định theo công thức:

D.n

v 60

n λ0 tt

Giả thiết đã thiết kế xong ĐCG, coi như λ0 và D được xác định; vì vậy theo (4) số vòng quay (n) của máy chỉ còn phụ thuộc vào vận tốc gió (vtt) Trong số liệu khảo sát tại nơi đặt máy ta biết vận tốc gió trung bình (vtb), qua công thức (4) sẽ tính được số vòng quay của máy Từ kết quả tính toán xét xem có nên dùng hộp số để tăng hoặc giảm tốc hay không, hoặc truyền động trực tiếp từ ĐCG xuống máy bơm, đó là phương án cho bước thiết kế tiếp theo

Hiệu suất của hệ thống gồm: turbine và máy công tác:

Hiệu suất chung của hệ thống bơm nước sức gió là tích của hiệu suất ĐCG và hiệu suất của bơm nước, theo công thức:

η = ηT.b.ηb

Ở đây: ηT.b - Hiệu suất ĐCG; ηb - Hiệu suất bơm nước Thông thường khi tính toán, chọn η = 0,81 ÷ 0,84, [6]

Đường kính turbine gió:

Khi công suất máy công tác (ở đây là máy bơm nước và máy sục khí) được biết qua

sơ bộ tính toán, các hệ số liên quan cũng được xác định, vậy đường kính turbine (D) được tính theo công thức sau:

ηξ

=

49,0

PD

v3 tt

Trong đó:

Ptt - Công suất tính toán cho bơm nước, kW;

vtt - Vận tốc gió tính toán, m/s; theo kinh nghiệm vtt = (1,4 ÷ 1,6)vtb;

ξ - Hệ số hấp thụ NL, với động cơ quay chậm (nhiều cánh), ta chọn ξ = 0,38;

η - Hiệu suất của cả hệ thống, ta chọn η = 0,84

Đuôi lái tìm hướng gió:

Đối với ĐCG trục ngang, bộ phận tự động tìm hướng gió cho turbine rất quan trọng

vì nó không những nhằm nâng cao sự hấp thụ NLG để được giá trị lơn nhất mà còn bảo vệ động cơ khi đột xuất có cơn gió mạnh tác động vào turbine với vận tốc nằm ngoài ngưỡng thiết kế cho phép (gọi là vận tốc cắt gió) Nhiệm vụ chính của bộ phận này là luôn tạo cho mặt phẳng quay của turbine vuông góc với hướng gió sao cho thu được hệ số ξ lớn, đồng thời khi gió đổi hướng thì mặt phẳng quay này sẽ tự động quay một góc tương ứng để nó hứng gió, làm cho số vòng quay động cơ duy trì ở giá trị định mức và làm việc liên tục

Hiện nay đang tồn tại cả 3 kiểu tìm hướng gió, khi chọn mỗi kiểu lai tuỳ thuộc vào công suất ĐCG:

+ Dùng đuôi lái (cho các máy công suất nhỏ)

+ Dùng cặp turbine phụ (nhỏ) ở hai bên đuôi lái, có trục quay vuông góc với trục của turbine chính (thiết kế cho các máy công suất trung bình)

+ Định hướng gió nhờ hệ thống tự động, có sensor đặt trên đỉnh tháp, sau đó tín hiệu sẽ đi qua bộ vi xử lý trung tâm rồi điều khiển turbine quay quanh tháp

Hình 13 Hệ thống tìm hướng gió bằng đuôi lái

Nhu cầu về động lực ở cơ sở nuôi tôm không lớn, nên trong thực tế sử dụng chỉ cần ĐCG công suất nhỏ Vì vậy, chỉ tính toán bộ phận này theo kiểu đơn giản, đó là dạng đuôi lái; các kích thước cơ bản chỉ dẫn ở trên hình 13 và hình 14

Hình 14 Kích thước cơ bản liên quan tới đuôi lái

Trong đó:

L1 - Khoảng cách từ tâm tháp đến tâm turbine, m;

L2 - Khoảng cách từ tâm tháp đến mép phía sau đuôi lái, m;

D - Đường kính turbine gió, m

- Diện tích đuôi lái, Ađ:

Động cơ quay chậm: Ađ = 0,06Aq, m2; Động cơ quay nhanh: Ađ = 0,04Aq, m2 Trong trường hợp cụ thể của đề tài, do động cơ quay chậm nên chọn Ađ = 0,06 Aq, m2

Ở đây: Aq - Diện tích quét gió của turbine,

4

DA

2 q

Π

= , m2

Tuy nhiên, trong khi máy làm việc diện tích đuôi lái (Ađ), khoảng cách (L2) và khối lượng đuôi lái đã ảnh hưởng không ít đến tính ổn định của turbine trong khi định hướng; định tính này được thể hiện qua vận tốc góc (ω) quay quanh tháp theo công thức:

L

J A 0 , 15

2 25 , 0 M tt 25 , 0 d

v

Vì vậy, trong phần tính toán và thiết kế cũng như khi chế tạo cần lưu ý tới diện tích đuôi lái, khoảng cách (L2) và khối lượng đuôi lái phải phù hợp với lý thuyết thì hiệu quả hoạt động của bộ định hướng gió sẽ cao và ổn định

Muốn cho (ω) không có sự biến động lớn, người ta phải giải bài toán thương lượng giữa (L2) và (JM) nhưng vẫn phải đảm bảo độ nhạy cảm và độ tin cậy cần thiết

3-2.2 Những góc nghiêng và dạng cánh ở turbine gió:

* Góc nghiêng:

- Góc côn (γ): Khi thiết kế và chế tạo thường người ta phải tạo cho mặt phẳng

turbine có một góc côn (γ) so với mặt phẳng vuông góc với trục của nó (hình 15), góc γ thường chọn 60 ÷ 70, [6] Góc này có tác dụng là loại trừ khả năng đầu mút cánh va chạm vào tháp trong khi turbine quay Mặt khác sẽ giảm được ứng lực uốn của cánh, đây là kết quả triệt tiêu lẫn nhau giữa momen uốn (do lực khí động sinh ra) và lực ly tâm của cánh khi quay Nếu chọn góc côn (γ) hợp lý, các cánh sẽ tự động trở về vị trí vuông góc với trục turbine khi nó quay và khắc phục được hiện tượng mặt bích của turbine trượt ra phía trước đầu trục

Hình 15 Góc côn (γ) Hình 16 Góc nghiêng trục (ϕ)

γ

ϕ

- Góc nghiêng (ϕ) của trục turbine so với mặt phẳng ngang: là góc cần thiết cũng

có tác dụng hạn chế sự va đập đầu cánh vào tháp và sự trôi ra khỏi đầu trục của turbine (hình 16) Khi thiết kế nên chọn ϕ = 70 ÷ 100

, [5] và [9]

Hình 17 Góc nâng (α) Hình 18 Quan hệ giữa góc nâng(α) đến lực nâng (PN)

và lực cản chuyển động (PC)

- Góc nâng cánh (α): Tương tự như ở cánh diều và cánh máy bay đều phải có góc

nghiêng, góc đó gọi là góc nâng cánh (hình 17)

Nhờ có góc nâng cánh khi có dòng khí động tác động vào bề mặt cánh, lập tức sẽ xuất hiện ở trên đó hai lực đẩy vuông góc nhau, đó là lực nâng cánh (PN) và lực cản cánh (PC) Lực nâng cánh sẽ làm các cánh của turbine quay quanh trục của nó, ở máy lớn và máy hiện đại thì góc (α) sẽ giảm dần cho tới α = 00 ở đầu mút cánh (cánh có dạng xoắn vỏ đỗ) Các ĐCG cỡ nhỏ có kết cấu đơn giản thì góc α ít thay đổi, thường chọn α = 130 ÷ 270

, [6] Có tài liệu chọn α = 400 sau khi quay còn 130, [10] Khi chọn được góc α tối ưu thì lực nâng (PN) lớn nhất, còn lực cản chuyển động (PC) sẽ nhỏ, ngược lại khi α lớn dần thì lực cản PC tăng còn lực nâng (PN) m ất d ần, điều này là bất lợi vì máy sẽ ngừng quay hoặc quay chậm

- Hình dạng cánh (profile): Tuỳ theo tầm quan trọng và công suất ĐCG mà chế tạo

các cánh của turbine có hình dạng khác nhau Tuy nhiên, cánh có hình dạng phức tạp thì hệ

số hấp thụ NL cao, lực nâng lớn nhưng đòi hỏi công nghệ chế tạo phải khắt khe và tốn kém

Có 4 dạng cánh đang được các nhà thiết kế quan tâm, chúng có tiết diện khác nhau như chỉ ra ở hình 19, theo thứ tự từ đơn giản đến phức tạp: cánh phẳng, cánh cong lòng máng, cánh không đối xứng và cánh đối xứng Cùng một góc nâng α và cùng chịu một áp lực khí động như nhau thì cánh đối xứng có lực nâng lớn nhất, còn cánh phẳng là bé nhất (giá trị đó được biểu thị bằng độ lớn của véc tơ PρN

)

* Kết luận: ĐCG trục ngang cỡ nhỏ (loại quay chậm) dùng để bơm nước và sục khí

thì cánh cong lòng máng đã và đang được sử dụng (hình 19b)

Hình 19 các dạng tiết diện cánh ở turbine gió (PN - Lực nâng cánh ; PC - Lực cản)

3-2.3 Nguyên lý làm việc ĐCG:

Từ những luận cứ đã được giải thích ở từng bộ phận thuộc ĐCG, bây giờ ta có thể hình dung và tự giải thích được vì sao khi có gió turbine lại quay quanh trục của nó Tuy nhiên, để có khái quát về nguyên lý làm việc ta sẽ giải thích một cách sơ lược và được tóm tắt như sau (hình 20):

Khi có dòng khí động tác động trực tiếp và vuông góc với bề mặt turbine, ngay lập tức trên bề mặt cánh quạt xuất hiện lực khí động (Pkđ)

Lực khí động (Pkđ) là tổng hợp lực của hai thành phần, đó là lực nâng cánh (PN) và lực cản chuyển động (PC), theo biểu thức cân bằng lực dưới dạng vector:

Ở đây:

Pkd - Lực khí động,

B

A.v.4,0

2 N

N = ρ , N; (lực này sẽ tạo ra mômen quay);

PC - Lực cản chuyển động,

2

v S.CP

2 C

C = ρ , N; (lực cản này sẽ làm giảm khả năng làm việc của ĐCG)

Với: CN, CC là hệ só hấp thụ NL; ρ là tỷ trọng không khí

Hình 20 Lực và vận tốc khí động tác động vào turbine

Khi cánh chuyển động trong không khí thì đồng thời không khí chuyển động qua bề mặt cánh, tạo nên dòng xoáy làm tăng vận tốc ở mặt trên và giảm vận tốc ở mặt dưới cánh, dẫn tới áp suất ở mặt trên thấp hơn áp suất ở mặt dưới

Ta thấy, sở dĩ cánh được nâng lên là kết quả sự thay đổi vận tốc của dòng khí trên

bề mặt cánh đã hình thành áp suất khí động; áp suất dương ở phía dưới mặt cánh và áp suất

âm ở phía trên mặt cánh tạo lên lực nâng cánh (lực Bernoulli) như mô tả ở hình 21

Hình 21 Áp suất khí động ở hai mặt cánh Hình 22 Vận tốc dài (riω)

Khi cánh quay với vận tốc góc (ω) thì tại mỗi điểm trên bề mặt cánh ứng với một bán kính quay (ri) nhất định sẽ có một vận tốc dài (vận tốc tiếp tuyến) tương ứng là

ω

= r

ui i Để biểu thị các vận tốc đó thay đổi theo chiều dài cánh, ta hãy nghiên cứu các vận tốc xuất hiện trên cánh như chỉ ra trên hình 22

Tại tâm quay do ri = 0 nên vận tốc ui = 0, còn ở đầu mút cánh sẽ có vận tốc lớn nhất

umax = R.ω Trên hình 20, tổng hợp hai vector u và v ta được vector vận tốc khí động w tác động vào từng vị trí tiết diện cánh, tạo ra mômen quay Mômen quay (Mq) của turbine được viết dưới dạng:

B

P.9555