thiết kế cánh turbine máy phát điện sức gió kiểu trục đứng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ========== BÙI THANH HIỀN THIẾT KẾ CÁNH TURBINE MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ KIỂU TRỤC ĐỨNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY Thái Nguyên - 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ========== BÙI THANH HIỀN THIẾT KẾ CÁNH TURBINE MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ KIỂU TRỤC ĐỨNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY Thái Nguyên - 2010 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Bùi Thanh Hiền, Học viên lớp cao học khóa 11-Công nghệ chế tạo máy-Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, hiện đang công tác tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên Xin cam đoan: Đề tài:” Thiết kế cánh turbine máy phát điện sức gió kiểu trục đứng “, do thầy giáo TS. Vũ Ngọc Pi hướng dẫn là công trình do bản thân tôi thực hiện dựa trên sự hướng dẫn của thầy giáo hướng dẫn khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Thái Nguyên, ngày 25 tháng 9 năm 2010 Học viên Bùi Thanh Hiền 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC Nội dung Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan 1 Mục lục 2 Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt 4 Danh mục các bảng biểu 5 Danh mục các hình vẽ, đồ thị 6 Lời mở đầu 8 Phần 1: Tổng quan về máy phát điện sức gió và máy phát điện sức gió kiểu trục đứng 11 1.1. Tổng quan về máy phát điện sức gió 11 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về máy phát điện sức gió kiểu trục đứng 14 1.2.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 14 1.2.2. Tình hình nghiên cứu ở trong nước 19 1.3. Các kiểu kết cấu cánh đã có và vấn đề lựa chọn số cánh tối ưu 20 1.3.1. Các kiểu kết cấu cánh đã được thiết kế 20 1.3.2. Vấn đề lựa chọn số cánh tối ưu 23 Phần 2: Cơ sở tính toán khí động học cánh turbine 25 2.1. Năng lượng của gió 25 2.1.1. Vật lý học về năng lượng gió 25 2.1.2. Tài nguyên gió ở Việt Nam 26 2.2. Các định luật cơ bản và các khái niệm về khí động học cánh turbine trong máy phát điện sức gió 28 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.2.1. Học thuyết Betz 28 2.2.2. Lý thuyết về cánh và kết cấu cánh turbine 29 2.2.2.1. Kiểu cánh và các khái niệm cơ bản 30 2.2.2.2. Khí động học tác dụng lên cánh turbine 31 2.2.2.3. Năng suất vận hành một phần tử cánh (thuyết cơ bản 33 2.2.2.4. Biểu thức tổng quát cảu áp lực, mômen và công suất 34 2.3. Lực và sự phân bố lực trên bề mặt cánh turbine 35 2.3.1. Nguyên lý sự phân bố lực trên bề mặt cánh turbine 35 2.3.2. Các hệ số khí động học tương đối trên dây cung và pháp tuyến với dây cung 36 Phần 3: Thiết kế cánh turbine máy phát điện sức gió kiểu trục đứng 10KW 38 3.1. Đặt vấn đề 38 3.2. Kiểu dáng hình học cánh turbine thiết kế 39 3.3. Kích thước hình học cánh turbine 40 3.4. Lựa chọn số cánh tối ưu 51 3.5. Xác định kích thước của cánh turbine 60 3.6. Vật liệu cánh turbine 65 3.7. Kết luận 67 Phần 4: Kết luận và kiến nghị 69 4.1. Kết luận 69 4.2. Kiến nghị 70 Tài liệu tham khảo 71 4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT HAWTs hệ turbine gió kiểu trục ngang VAWTs hệ turbine gió kiểu trục đứng U Vận tốc thực của gió (m)  Trọng lượng riêng của không khí  =1,25(kg/m 3 ) b Chiều rộng cánh turbine (m) h Chiều cao cánh turbine (m) r Bán kính Rotor (m) P Công suất (W) M Mômen (Nm) C  Hệ số nâng C d Hệ số cản (drag coefficient) S Diện tích cánh (m 2 ) A Diện tích quét của cánh turbine (m 2 )  Góc xoay cánh turbine (độ) F Áp lực (N) i Góc tới (độ)  Góc nâng (độ) W Vận tốc tương đối (m).  Vận tốc góc (rad/s). n Số vòng quay (vòng/giây) 5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1 Thống kê công suất định mức lắp đặt trên thế giới Bảng 3.1 Bảng giá trị của tỷ số tốc độ lớn nhất ứng với từng turbine có số cánh đang xét Bảng 3.2 Bảng giá trị công suất hệ thống cho turbine 5 cánh Bảng 3.3 Bảng giá trị công suất hệ thống cho turbine 4 cánh Bảng 3.4 Bảng giá trị công suất hệ thống cho turbine 3 cánh Bảng 3.5 So sánh công suất hệ thống của turbine có số cánh lần lượt là 5 cánh, 4 cánh, 3 cánh Bảng 3.6 Bảng giá trị ,  trên hành trình sinh công có ích Bảng 3.7 Bảng quan hệ giữa  và r Bảng 3.8 Vật liệu dự kiến chọn làm cánh turbine 6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Máy phát điện sức gió do Charles F.Brush chế tạo Hình 1.2 Máy phát điện Gedser công suất 200kW Hình 1.3 Cánh đồng phong điện tại tỉnh Cam Túc, Trung Quốc Hình 1.4 Nhà nghiên cứu năng lượng gió Nguyễn Phú Uynh và mô hình chế tạo turbine gió của ông Hình 1.5 Kiểu dạng chén Hình 1.6 Rotor dạng chén Hình 1.7 Turbine kiểu Savonius Hình 1.8 Turbine kiểu plates Hình 1.9 Turbine kiểu Darrieus - Rotor và H - Rotor Hình 2.1 Biểu đồ gió khu vực Trung du miền núi phía Bắc Hình 2.2 Biên dạng cánh loại NACA-04 Hình 2.3 Biểu đồ lực nâng và lực cản loại NACA 00X Hình 2.4 Khí động học bộ phận cánh turbine Hình 2.5 Thành phần lực tác dụng lên cánh turbine Hình 2.6 Biểu diễn các thành phần vận tốc tác dụng trên mặt cắt ngang cánh Hình 2.7 Thành phần lực và vận tốc trên cánh turbine Hình 3.1 Hình dáng cánh turbine dự kiến thiết kế Hình 3.2 Véc tơ vận tốc tác dụng lên turbine 5 cánh Hình 3.3 Véc tơ vận tốc tác dụng lên cánh số 1 Hình 3.4 Véc tơ vận tốc tác dụng lên cánh số 2 Hình 3.5 Véc tơ vận tốc tác dụng lên cánh số 3 Hình 3.6 Véc tơ vận tốc tác dụng lên turbine 4 cánh Hình 3.7 Véc tơ vận tốc tác dụng lên cánh số 1 Hình 3.8 Véc tơ vận tốc tác dụng lên cánh số 2 Hình 3.9 Véc tơ vận tốc tác dụng lên turbine 3 cánh 7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 3.10 Véc tơ vận tốc tác dụng lên cánh số 1 Hình 3.11 Véc tơ vận tốc tác dụng lên cánh số 2 Hình 3.12 Vị trí thứ nhất của cánh Hình 3.13 Vị trí thứ hai của cánh Hình 3.14 Vị trí thứ nhất của cánh Hình 3.15 Vị trí thứ hai của cánh Hình 3.16 Vị trí thứ nhất của cánh Hình 3.17 Vị trí thứ hai của cánh Hình 3.18 Phương của véc tơ vận tốc W trên hành trình sinh công có ích Hình 3.19 Vị trí tính toán kích thước tối ưu của cánh Hình 3.20 Kích thước cánh turbine thiết kế 8 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI MỞ ĐẦU Kinh tế Việt Nam đang trên đà phát triển theo hướng công nghiệp hoá, hiện đại hoá. Thực tế cho thấy ngày càng nhiều máy móc được sử dụng để phục vụ sản xuất và sinh hoạt, do đó cần nhiều năng lượng điện cho các hoạt động này. Tuy nhiên cho đến nay, nguồn năng lượng phục vụ cho sản xuất và sinh hoạt đang thiếu trầm trọng. Mặc dù chính phủ đã có nhiều phương án đối phó với thực trạng này như: xây thêm các nhà máy phát điện, tăng lượng điện nhập khẩu từ nước ngoài, mặt khác kêu gọi toàn dân tiết kiệm điện. Nhưng hiện nay và trong tương lai tình trạng thiếu điện cho sản xuất và sinh hoạt vẫn là một vấn đề cấp bách. Máy phát điện sức gió được sử dụng rộng rãi ở châu Âu, châu Mỹ và rất nhiều nơi khác, nhưng chưa phát triển ở Việt nam. Nước ta chủ yếu khai thác nguồn năng lượng truyền thống, chủ yếu là thủy điện và nhiệt điện. Gần đây, Chính phủ đưa ra mặt trái của việc xây dựng ồ ạt các đập thuỷ điện gây biến đổi tình hình khí hậu trong nước, hạn hán vào mùa khô và lũ lụt vào mùa mưa. Trong các nguồn năng lượng tái tạo để tạo thành điện năng thì năng lượng gió có nhiều ưu điểm vì nó dễ sử dụng, rẻ tiền, có trữ lượng vô tận và thân thiện với môi trường. Vì thế khai thác năng lượng gió ở nước ta là một hướng đi đúng. Máy phát điện sức gió trục đứng kết cấu nhỏ gọn phù hợp với địa hình lắp đặt ở nước ta. Việc thiết kế cánh quạt gió là công đoạn quan trọng nhất trong các công đoạn thiết kế máy phát điện sức gió, vì nó quyết định trực tiếp đến hiệu suất đạt được. Cho đến nay đã có nhiều công trình khoa học nghiên cứu về thiết kế cánh turbine gió Tuy nhiên việc thiết kế biên dạng cánh và lựa chọn số cánh hợp lý nhằm nâng cao hiệu suất và hạ giá thành của máy phát điện sức gió kiểu trục đứng, phù hợp với điều kiện kinh tế và sử dụng ở nước hiện nay còn chưa có các công trình công bố. [...]... Cơ sở tính toán khí động học cánh turbine Phần 3: Thiết kế cánh turbine máy phát điện sức gió kiểu trục đứng 10KW Phần 4: Kết luận và các kiến nghị Tài liệu tham khảo * Mục đích của đề tài: Đề tài được thực hiện nhằm mục đích thiết kế cánh quạt turbine máy phát điện sức gió kiểu trục đứng nhằm nâng cao hiệu suất và hạ giá thành của máy phát điện sức gió kiểu trục đứng có công suất 10 kW * Đối tượng... Thiết kế cánh turbine máy phát điện sức gió kiểu trục đứng Để giải quyết lần lượt các vấn đề trên, luận văn bao gồm các phần sau: Phần 1: - Tổng quan về máy phát điện sức gió - Khái quát về các hướng nghiên cứu, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về máy phát điện sức gió trục đứng, về kết cấu các kiểu cánh đã được có và về vấn đề lựa chọn số cánh tối ưu Phần 2: Cơ sở tính toán khí động học cánh. .. http://www.lrc-tnu.edu.vn 11 Phần 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ, KHÁI QUÁT VỀ CÁC HƢỚNG NGHIÊN CỨU MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ TRỤC ĐỨNG 1.1 TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ Vào đầu những năm 1970, giá dầu tăng vọt lần đầu tiên khiến con người quan tâm đến nguồn năng lượng gió Tận dụng các cơn gió mạnh dùng để cung cấp điện năng Năm 1888, Charles F Brush đã chế tạo chiếc máy phát điện chạy sức gió đầu tiên, và đặt tại... TỐI ƢU 1.3.1 Các kiểu kết cấu cánh đã đƣợc thiết kế: Có rất nhiều kiểu kết cấu cánh khác nhau đã được thiết kế, ví dụ như ở hình 1.3 và hình 1.4 là kiểu cánh turbine dạng chén, kiểu cánh này cho phép turbine quay được theo một chiều sử dụng lực cản của các cánh là các tấm thép mỏng được chế tạo dạng chén để hứng gió Các cánh này được gắn cố định trên trục quay (thường là trục thẳng đứng) [11] Số hóa bởi... cánh tối ưu và thiết kế biên dạng cánh được tác giả lựa chọn làm đề tài nghiên cứu 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ KIỂU TRỤC ĐỨNG 1.2.1.Tình hình nghiên cứu ở nƣớc ngoài Máy phát điện sức gió kiểu trục đứng (VAWT) được sản xuất và đưa ra thị trường hiện nay là loại cánh turbine cố định, có thể hoạt động bình đẳng với mọi hướng gió nên có cấu tạo đơn giản, các bộ... cánh và kết cấu cánh turbine Kết cấu bộ phận cánh của turbine gió ảnh hưởng đến chất lượng và đặc tính khởi động của turbine gió Tuy nhiên rất khó để xác định chính xác mức độ ảnh hưởng của kết cấu cánh khác nhau đến chất lượng và đặc tính khởi động của turbine gió Cánh là bộ phận chính của turbine gió Điều đáng chú ý ở đây là khả năng quay của cánh để tạo ra công suất đầu ra cho turbine Do đó để cánh. .. chỉ có 2 cánh quay tròn làm cho lực xoắn có giá trị khổng lồ (hình 1.7) b) a) Hình 1.7 Turbine kiểu Darrieus và H – rotor [18] a) Kiểu Darrieus – Rotor ; b) H – Rotor 1.3.2 Vấn đề lựa chọn số cánh tối ƣu: Cùng với sự phát triển đa dạng của các kiểu biên dạng cánh turbine thì việc thiết kế turbine có số cánh khác nhau cũng được chú ý đến Việc lựa chọn số cánh tối ưu nhằm máy phát điện sức gió tạo ra... cứu thiết kế biên dạng cánh và tính chọn chọn số cánh tối ưu nhằm nâng cao hiệu suất và hạ giá thành của máy phát điện sức gió kiểu trục đứng có công suất 10 kW * Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài: + Ý nghĩa khoa học Nghiên cứu của đề tài phù hợp với xu thế phát triển năng lượng gió trong và ngoài nước Do đó ý nghĩa khoa học của đề tài là thể hiện trong thiết kế biên dạng cánh máy phát. .. bin 3 cánh; khối lượng trạm phát điện sức gió: 750 kg; khối lượng hệ thống cột đỡ 3.500 kg; chiều cao cột đỡ 30 m; điều khiển hiện trường: DSP loại TMS320F2812 của TI và điều khiển hệ thống PLC S7-200 của Siemens Gần đây Chu Đức Quyết [1] đã tính toán và thiết kế lý thuyết turbine gió kiểu trục đứng, cánh thẳng với số cánh là 5, có bộ điều khiển khả năng hứng gió của cánh Tuy nhiên, việc thiết kế có... thế hệ máy phát điện chạy bằng sức gió vẫn tiếp tục được thiết kế và lắp đặt Ví dụ như các máy phát công suất từ 1 đến 3 kW được lắp đặt tại vùng nông thôn của Đồng bằng lớn ở Mỹ vào những năm 1925 hay máy phát Balaclava công suất 100kW lắp đặt tại Nga năm 1931 và máy phát Gedser công suất 200kW được lắp đặt tại đảo Gedser ở đông nam Đan Mạch Hình 1.2 Máy phát điện Gedser, công suất 200kW [1] Sự phát . về máy phát điện sức gió và máy phát điện sức gió kiểu trục đứng 11 1.1. Tổng quan về máy phát điện sức gió 11 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về máy phát điện sức gió kiểu. cánh turbine máy phát điện sức gió kiểu trục đứng 10KW 38 3.1. Đặt vấn đề 38 3.2. Kiểu dáng hình học cánh turbine thiết kế 39 3.3. Kích thước hình học cánh turbine 40 3.4. Lựa chọn số cánh. Máy phát điện sức gió trục đứng kết cấu nhỏ gọn phù hợp với địa hình lắp đặt ở nước ta. Việc thiết kế cánh quạt gió là công đoạn quan trọng nhất trong các công đoạn thiết kế máy phát điện