nghiên cứu, tính toán và thiết kế cơ cấu dẫn động điều khiển góc cánh turbine gió kiểu trục đứng cho máy phát điện công suất 10kw

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 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ CẤU DẪN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN GÓC CÁNH TURBINE GIÓ KIỂU TRỤC ĐỨNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN CÔNG SUẤT 10KW GIANG NGỌC THANH 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 GIANG NGỌC THANH NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ CẤU DẪN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN GÓC CÁNH TURBINE GIÓ KIỂU TRỤC ĐỨNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN CÔNG SUẤT 10KW CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Thái Nguyên, 2010 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. Nguyễn Đăng Hòe HỌC VIÊN Giang Ngọc Thanh KHOA ĐÀO TẠO SĐH BGH TRƯỜNG ĐHKTCN PGS.TS. Nguyễn Đăng Hòe Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi là Giang Ngọc Thanh - Học viên cao học lớp K11- Công nghệ chế tạo máy (khóa học 2008 - 2010) tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên. Sau hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường tôi lựa chọn thực hiện đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu, tính toán và thiết kế cơ cấu dẫn động điều khiển góc cánh turbine gió kiểu trục đứng cho máy phát điện công suất 10KW”. Được sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của PGS. TS Nguyễn Đăng Hoè và sự nỗ lực của bản thân, đề tài đã được hoàn thành năm 2010. Tôi cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong luận văn này là do tự bản thân tôi thực hiện, không sao chép của người khác và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Trừ các phần tham khảo đã được nêu rõ trong Luận văn. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Thái Nguyên, ngày 03 tháng 11 năm 2010 Tác giả Giang Ngọc Thanh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, tác giả xin được bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc nhất tới thầy giáo hướng dẫn khoa học PGS. TS Nguyễn Đăng Hoè - Phó hiệu trưởng trường Đại học kỹ thuật công nghiêp - Đại học Thái Nguyên đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ và tạo điều kiện để tôi thực hiện hoàn chỉnh luận văn tốt nghiệp. Cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đai học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên và trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình giảng dạy trong hai năm học vừa qua. Cảm ơn Lãnh đạo UBND tỉnh Thái Nguyên, Ban lãnh đạo Sở Công Thương Thái Nguyên và các phòng ban chức năng của Sở Công Thương Thái Nguyên (số 4 - đường Cách mạng tháng tám - thành phố Thái Nguyên - tỉnh Thái Nguyên) đã tạo mọi điều kiện để tôi thực hiện và hoàn thành khóa học này. Cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ tôi trong thời gian qua để luận văn được hoàn thành đúng tiến độ. Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn không tránh khỏi sai sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô giáo, các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp. Thái Nguyên, ngày 03 tháng 11 năm 2010 Tác giả Giang Ngọc Thanh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 2 Chƣơng 1. GIỚI THIỆU 4 1.1. Đặt vấn đề 4 1.2. Giới thiệu về việc sử dụng năng lượng gió - turbine gió 5 1.3. Tính cấp thiết của đề tài 10 1.4. Mục tiêu và ý nghĩa nghiên cứu 11 1.5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 11 1.6. Các kết quả chính 12 1.7. Cấu trúc luận văn 12 Chƣơng 2.CÁC VẤN ĐỀ CƠ SỞ 14 2.1. Cơ sở tính toán lực khí động 14 2.1.1. Lý thuyết Albert Betz 14 2.1.2. Mô hình toán lực khí động trên cánh turbine 16 2.2. Một số dạng kết cấu VAWTs điển hình 19 2.2.1. Kiểu VAWT cánh cố định 19 2.3. Phân tích kết cấu Novel VAWT có khả năng điều chỉnh góc hứng gió 26 2.3.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của kết cấu 26 2.4. Đề xuất kết cấu VAWT mới khả điều chỉnh góc hứng gió của cánh 29 CHƢƠNG 3. ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC MÔ HÌNH VAWT MỚI 32 3.1. Nguyên lý hoạt động của turbine. 32 3.2. Phân tích lực khí động 32 3.3. Kết luận chương 3. 41 Chƣơng 4. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CƠ CẤU DẪN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN GÓC CÁNH TURBINE 43 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4.1. Phân tích nguyên lý điều khiển-dẫn động cánh turbinee. 43 4.2. Phân tích động học cơ cấu 45 4.3.1. Tính số bậc tự do. 46 4.3.2. Tính tỷ số truyền với các cánh ở nửa bên có răng của bánh răng 1. 46 4.3. Thiết kế cơ cấu điều khiển - dẫn động cánh hệ thống VAWT 10KW. 47 4.3.1. Thông số thiết kế các chi tiết trong cơ cấu điều khiển 05 cánh turbine. 48 4.4. Mô phỏng nguyên lý hoạt động của hệ thống VAWT mới. 59 4.5. Kết luận chương 4. 61 KẾT LUẬN 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 1 - 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 (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). g Gia tốc trọng trường (9.81m/s 2 ). W Vận tốc tương đối (m).  Vận tốc góc (rad/s). C p Hệ số công suất. C m Hệ số mômen. n Số vòng quay (vòng/giây) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 2 - DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu tạo bộ dẫn động cơ khí của turbine gió trục ngang Hình 1.2 Hình ảnh vận chuyển cánh turbine gió trục ngang ở nước Anh. Hình 1.3 Hệ thống turbine gió trục đứng có biên dạng cánh phức tạp Hình 2.1 Khí động học cánh Rotor Hình 2.2 Lực khí động học cánh turbine Hình 2.3 Turbine kiểu dạng chén Hình 2.4 Turbine kiểu Darrieus và các dạng cải tiến của nó Hình 2.5 Lực khí động học trên phần tử cánh Turbine Darrieus/H.rotor Hình 2.6 Turbine kiểu Savonius Hình 2.7 Rotor dạng tấm phẳng bán hành trình Hình 2.8 Hệ thống cyclogyro Hình 2.9 Hệ thống Lagarde Hình 2.10 Hệ thống kiểu đĩa Hình 2.11 Hệ thống Novel Vertical Axis Wind Turbine Hình 2.12 Cấu tạo của Novel VAWT Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lý hoạt động Hình 2.14 Vị trí cánh trong chu kỳ sinh công của turbine Hình 2.15 Vị trí cánh trong chu kỳ không sinh công của turbine Hình 3.1 Vị trí cánh trong chu kỳ sinh công (trái) và chu kỳ sinh công (phải) Hình 3.2 Gió tác động lên cánh Hình 3.3 Các thành phần lưc l F  và d F  tác dụng lên cánh Hình 3.4 Các thành phần lực tiếp tuyến và pháp tuyến ở nửa bên phải. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 3 - Hình 3.5 Lực tác dụng lên rotor tại vị trí 1. Hình 3.6 Lực tác dụng lên rotor tại vị trí 2. Hình 3.7 Lực tác dụng lên rotor tại vị trí 3. Hình 3.8 Lực tác dụng lên rotor tại vị trí 4. Hình 3.9 Quan hệ giữ a C m , C l , và góc tới của cánh NACA 0010-65 Hình 4.1 Vị trí cánh trong chu kỳ sinh công của turbine Hình 4.2 Vị trí cánh trong chu kỳ không sinh công của turbine Hình 4.3 Sơ đồ cơ cấu điều khiển/ dẫn động góc xoay cánh turbine Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý cơ cấu điều khiển/ dẫn động Hình 4.5 Phân tích chiều chuyển động của các bánh răng Hình 4.6 Kích thước tổng thể cơ cấu điều khiểngóc xoay cánh Hình 4.7 Ổ lăn Hình 4.8 Bánh răng Z9 Hình 4.9 Bánh răng Z10 Hình 4.10 Bánh răng Z1 Hình 4.11 Bánh răng Z2 Hình 4.12 Bánh răng Z16 Hình 4.13 Bánh răng Z17 Hình 4.14 Chi tiết trục Hình 4.15 Giá đỡ ổ lăn số 5, 8 Hình 4.16 Giá đỡ ổ lăn số 11, 15 Hình 4.17 Chi tiết số 3 Hình 4.18 Chi tiết số 18 Hình 4.19 Cụm chi tiết số 19 Hình 4.20 Các chi tiết thuộc cụm chi tiết số 19 Hình 4.21 Hình ảnh mô phỏng cơ cấu điều khiển 5 cánh turbine. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 4 - Chƣơng 1 GIỚI THIỆU 1.1. Đặt vấn đề Hiện nay, trong số các nguồn năng lượng mới, năng lượng bằng sức gió phát triển nhanh nhất trên thế giới vì nguyên liệu dồi dào, rẻ tiền, dễ áp dụng, sạch và không làm hại môi trường. Các máy phát điện lợi dụng sức gió (trạm phong điện) đã được sử dụng nhiều ở các nước châu Âu, Mỹ và các nước công nghiệp phát triển khác. Đức đang dẫn đầu thế giới về công nghệ phong điện. Hiện tại, các trạm phong điện trục ngang (gồm một máy phát điện có trục quay nằm ngang với turbine 3 cánh đón gió) đang được sản xuát và sử dụng phổ biến hơn nhiều so với các trạm phong điện trục đứng (gồm một máy phát điện có trục quay thẳng đứng với các cánh đón gió đặt thẳng đứng). Hiện có các loại máy phát phong điện với công suất rất khác nhau, từ vài trăm W tới hàng MW. Các trạm phong điện có thể hoạt động độc lập hoặc cũng có thể nối với mạng điện quốc gia. Các trạm phong điện có thể phát điện khi tốc độ gió từ 3 m/s (11 km/h), và tự ngừng phát điện khi tốc độ gió vượt quá 25 m/s (90 km/h). Tốc độ gió hiệu quả từ 10 m/s tới 17 m/s, tùy theo từng thiết bị phong điện. Đối với hệ turbine gió kiểu trục ngang (HWAT). Đây là hướng đi chủ yếu của các công ty lớn cũng như của nhiều nhà khoa học trên thế giới, với những thành công vượt bậc về công nghệ, thể hiện qua sản phẩm mang tính thương mại hóa của một số hãng chế tạo nổi tiếng thế giới như Vestas (Denmark) với các [...]... cứu, tính toán, thiêt kê ́ ́ cơ cấu dẫn động điều khiển góc cánh Turbine gio kiêu truc đưng cho máy ́ ̉ ̣ ́ phát điện công suất 10KW là nội dung rất cần thiết, góp phần quan trọng trong nghiên cứu về hệ thống turbine gió kiểu trục đứng điều khiển góc hứng gió chủ động 1.4 Mục tiêu và ý nghĩa nghiên cứu a Mục tiêu Đề xuất cơ cấu dẫn động/ điều khiển góc cánh turbine gió kiểu trục đứng với 5 cánh, phương... bằng sức gió công suất 10kW b Phạm vi nghiên cứu Cơ cấu điều khiển /dẫn động cánh turbine trong mô hình VAWT có khả năng điều chỉnh góc hứng gió, áp dụng cho các VAWT công suất nhỏ đến 10KW 1.6 Các kết quả chính - Luận văn đã đề xuất được mô hình VAWT mới có khả năng điều chỉnh góc hứng gió các cánh turbine Mô hình này có kết cấu hệ thống điều khiển /dẫn động cánh hoàn toàn bằng các cơ cấu cơ khí đơn... Hiện nay, để thay đổi hướng đón gió của cánh turbine, các nhà phát minh đã và đang nghiên cứu theo cách dùng kết cấu cơ khí hoặc ứng dụng hệ thống điều khiển độc lập trên từng cánh Nếu sử dụng hệ thống điều khiển thì chi phí cho chúng và công suất điều khiển là quá lớn so với công suất phát điện  Turbine kiểu tấm phẳng bán hành trình Ở kết cấu này (hỉnh 2.6), các cánh turbine có dạng tấm phẳng được... Các nghiên cứu trong nước về hệ thống turbine gió nói riêng và phong điện nói chung còn đặc biệt ít Nhóm nghiên cứu của GS-TSKH Nguyễn Phùng Quang [4] đã tập trung vào vấn đề xây dựng các bộ điều khiển: bộ điều khiển nạp bank accu, bộ điều khiển công suất phát, bộ nghịch lưu và tích hợp với hệ thống turbine gió và máy phát nhập ngoại; Một số nghiên cứu tập trung theo hướng điều khiển máy phát điện. .. điện (phần phát) chạy bằng sức gió; Luận văn Thạc sỹ của Chu Đức Quyết [2], ở đề tài này đã tính toán thiết kế các vị trí, số cánh, kích thước hệ thống cánh phẳng cho máy phong điện kiểu trục đứng 1.3 Tính cấp thiết của đề tài Việt Nam có diện tích bờ biển dài với nguồn gió phong phú và ổn định, tốt cho các máy phong điện hoạt động và phát triển Những địa điểm có tiềm năng phát triển phong điện bao gồm... VẤN ĐỀ CƠ SỞ 2.1 Cơ sở tính toán lực khí động 2.1.1 Lý thuyết Albert Betz Đây là lý thuyết cơ bản trong tính toán khí động học cánh turbine gió Lý thuyết đề cập đến phương pháp và công thức tính lực gió tác dụng, tính công suất rotor Các lý thuyết chung đầu tiên về turbine gió được xây dựng bởi A Betz của Viện nghiên cứu Gottingen Betz cho rằng rotor gió là lý tưởng, nó không có mayơ và có số cánh vô... cho phát triển ngành công nghiệp chế tạo các trạm phong điện cỡ trung bình, góp phần cung cấp nguồn năng lượng điện trong dân dụng, an ninh quốc phòng 1.5 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu a Đối tượng nghiên cứu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 12 Đối tượng đề tài nghiên cứu là cơ cấu dẫn động điều khiển góc cánh turbine gió kiểu trục đứng cho máy phát điện. .. có cơ cấu điều khiển độ mở của từng cặp cánh phụ thuộc vào vị trí của cặp cánh trong hành trình làm việc của turbine Có thể thấy đây là hệ thống cho hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió /cơ học cao, tuy nhiên cơ cấu điều khiển /dẫn động khá phức tạp và kém khả thi với VAWT công suất vừa và lớn Hình 2.9 Hệ thống kiểu đĩa  Hệ thống Novel Vertical Axis Wind Turbine [20] Hệ thống này (Hình 2.10), có cơ cấu. .. dạng, kích thước cánh tối ưu hay thiết kế khí động học hình dạng cánh Ngoài ra, đối với turbine dạng trục đứng, còn có thể khắc phục nhược điểm bằng cách thiết kế cơ cấu thay đổi hướng cánh hoặc phối kết hợp với việc thiết kế hình dạng cánh Đi theo hướng thiết kế khí động học hình dạng cánh, các kiểu dáng cánh điển hình sau đã được phát minh và đưa vào sử dụng:  Kiểu dạng chén Số hóa bởi Trung tâm Học... hứng gió biến thiên Đảm bảo tính hiệu quả về mặt kết cấu, nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió /cơ học của hệ thống VAWT b Ý nghĩa Kết quả nghiên cứu của đề tài là nguồn tài liệu bổ sung phục vụ cho việc học tập, nghiên cứu trong và ngoài nước Kết quả của đề tài sẽ đóng góp vào việc thiết kế chế tạo hệ thống turbine gió điều khiển góc hứng gió chủ động, phù hợp với điều kiện Việt Nam Là cơ sở . đề tài tốt nghiệp Nghiên cứu, tính toán và thiết kế cơ cấu dẫn động điều khiển góc cánh turbine gió kiểu trục đứng cho máy phát điện công suất 10KW . Được sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình. HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP GIANG NGỌC THANH NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ CẤU DẪN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN GÓC CÁNH TURBINE GIÓ KIỂU TRỤC ĐỨNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN CÔNG SUẤT 10KW CHUYÊN. thống turbine gió kiểu trục đứng điều khiển góc hứng gió chủ động. 1.4. Mục tiêu và ý nghĩa nghiên cứu a. Mục tiêu Đề xuất cơ cấu dẫn động/ điều khiển góc cánh turbine gió kiểu trục đứng với