Thiết kế tối ưu hộp tăng tốc dùng cho máy phát điện sức gió trục đứng công suất 10 kw

Tổng quan về thiết kế và thiết kế tối ưu hộp tăng tốc của máy phát điện sức gió Một nghiên cứu của Andrew Firth và Hui Long[21] về sự phát triển của công cụ phần mềm thiết kế chohộp tăng

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong các nguồn năng lượng tái tạo thì nănglượng gió được coi là phát triển nhanh hơn cả vì nósạch, rẻ tiền, dễ sử dụng và có trữ lượng vô tận Hàng

trăm năm nay, con người đã biết sử dụng năng lượng gió để di chuyển thuyền buồn, khinh khí cầu.

Ngày nay người ta sử dụng năng lượng gió để tạo thànhđiện năng Máy phát điện sức gió được sử dụng rộng rãi

ở châu Âu, châu Mỹ và rất nhiều nơi khác

Cho đến thời điểm này, Việt Nam vẫn chủ yếukhai thác nguồn năng lượng truyền thống, chủ yếu làthủy điện và nhiệt điện Mặt khác, nước ta đang đứngtrước sự thiếu hụt về điện, chúng ta cần phải có biệnpháp khắc phục thích hợp Việt Nam với địa hình nằmtrong khu vực cận nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài nênrất thuận lợi để phát triển năng lượng gió Vì vậy vấn đềkhai thác năng lượng gió ở nước ta là một vấn đề cấpbách

Việc thiết kế một máy phát điện sức gió bao gồmrất nhiều công đoạn như thiết kế cánh quạt gió, thiết kếhộp giảm tốc, máy phát vv… Trong đó, thiết kế hộpgiảm tốc đóng vai trò quan trọng Đã có nhiều côngtrình khoa học nghiên cứu về năng lượng gió, về tối ưucủa máy phát, roto…Tuy nhiên với máy phát điện sứcgió trục đứng, vấn đề thiết kế tối ưu hộp giảm tốc hiệnnay còn chưa có các công trình công bố Vì vậy tác giảchọn đề tài:

“Thiết kế tối ưu hộp tăng tốc dùng cho máy phát điệnsức gió trục đứng công suất 10 kW”

2 Ý nghĩa của đề tài

tối ưu hộp giảm tốc của máy phát điện sức gió trục đứngnhằm đạt giá thành chế tạo nhỏ nhất.

2.2 Ý nghĩa thực tiễn

Năng lượng gió ngày càng được sử dụng rộng rãi

ở nhiều nước trên thế giới Vì vậy, đề tài này có ý nghĩarất thực tiễn trong việc sản xuất điện năng, phục vụ chosinh hoạt và sản xuất

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ

VÀ THIẾT KẾ TỐI ƯU MÁY PHÁT ĐIỆN

SỨC GIÓ

1.1 Máy phát điện sức gió trục đứng (VAWTs)

Trong suốt thế kỷ 20, máy phát điện sức gió trụcngang tiếp tục phát triển với nhiều tuốc bin lớn hơn vàhiện đại hơn Song song với sự phát triển của máy phátđiện sức gió trục ngang thì máy phát điện sức gió trụcđứng cũng được phát triển Vào năm 1922, kỹ sư ngườiPhần Lan S.J Savonius đã phát minh ra tuốc bin giótrục đứng Savonius Một kỹ sư người Pháp GeorgeDarrieus cũng sáng chế ra tuốc bin gió trục đứng kiểuDarrieus, với hai hoặc nhiều cánh linh hoạt được gắnvào phía trên và phía dưới của trục đứng

VAWT cánh thẳng là một phát minh có nguồngốc từ VAWT kiểu Darrieus, và được gọi là H-rotor(hình 1.8) Ở Anh, kiểu H-rotor được chế tạo bởi PeterMusgrove Kiểu H-rotor lớn nhất được xây dựng ở Anh

là 500 kW vào năm 1989 Trong những năm 90, mộtcông ty ở Đức Heidelberg Motor GmbH với sự pháttriển của VAWT kiểu H-rotor và đã được xây dựng vớicông suất 300 kW Các tuốc bin này có máy phát điềukhiển trực tiếp với đường kính lớn

1.2 Tổng quan về thiết kế và thiết kế tối ưu hộp tăng tốc của máy phát điện sức gió

Một nghiên cứu của Andrew Firth và Hui Long[21] về sự phát triển của công cụ phần mềm thiết kế chohộp tăng tốc của hệ thống tuốc bin Phần mềm này rất

dễ dàng khi tính toán hộp tăng tốc hành tinh Nó đãđược tính toán thử nghiệm cho hộp tăng tốc của hệ

thống tuốc bin với công suất 2 MW và máy phát khôngđồng bộ ba pha với số vòng quay là 1600 vòng/phút.

Sự đánh giá về thiết kế hộp tăng tốc cho hệthống tuốc bin gió được nghiên cứu bởi James F.Manwell [10] Sự đánh giá này dựa trên cơ sở đó là sựphân tích hộp tăng tốc sử dụng cho tuốc bin gió ESI-80với công suất 250 kW Hộp tăng tốc được sử dụng cho

hệ thống tuốc bin này là hộp hành tinh đã chỉ ra trênhình 1.14 Kết quả của nghiên cứu này cho thấy: Xácđịnh lực và các đặc điểm của hộp tăng tốc; cung cấpphương pháp để xác định mô men

Nghiên cứu của Ray Hicks MBE [22] về thiết

kế tối ưu hộp tăng tốc bánh răng hành tinh của hệ thốngtuốc bin gió với khối lượng là nhỏ nhất, độ tin cậy cao

và được kết hợp với giá thành thấp của máy phát Trongnghiên cứu này đã thành công và áp dụng cho hệ thốngtuốc bin LS1 3 MW ở Orkney năm 1982 và những nămgần đây đã thử nghiệm vận hành cho hệ thống tuốc bin3,4 MW ở phía bắc Châu Âu

Cấu trúc của hộp tăng tốc bánh răng hành tinh loại của bánh răng được sử dụng, số răng, tỷ số truyền,

-số bánh răng hành tinh, sự phối hợp tỷ -số truyền ảnhhưởng đến cỡ của tuốc bin Tác giả trong [23] đã ápdụng việc thay đổi cấu trúc của hộp tăng tốc cho hệthống tuốc bin 2,0 MW và so sánh trọng lượng của từngphần bánh răng, cỡ của hộp tăng tốc, cỡ và trọng lượngcủa máy phát

Một nghiên cứu khác về sự so sánh của hệ thốngtuốc bin gió khi sử dụng hộp tăng tốc và không sử dụnghộp tăng tốc Các tác giả [24] đã chỉ ra rằng hệ thốngtuốc bin gió khi không có hộp tăng tốc sẽ có đường kínhrotor của cánh tuốc bin lớn hơn và giá của cả hệ thốngtuốc bin thì cao hơn khi sử dụng hộp tăng tốc

Một nghiên cứu của E Spooner [25] đã chỉ ragiá thành của hệ thống tuốc bin trong trường hợp sử

dụng hộp tăng tốc và không sử dụng hộp tăng tốc và kếtquả cho thấy khi không sử dụng hộp tăng tốc thì giáthành của máy phát tăng rất nhiều lần

Như vậy, với nhiều nghiên cứu trước chỉ ra rằngviệc sử dụng hộp tăng tốc cho hệ thống tuốc bin gió làmgiảm giá thành của máy phát Tuy nhiên, chưa cónghiên cứu nào đề cặp đến giá thành của hệ thống baogồm cả hộp tăng tốc và máy phát

1.3 Kết luận

Máy phát điện sức gió đã ra đời và phát triển từkhá lâu Đến nay, máy phát điện sức gió đã và đang sửdụng ở nhiều nước trên thế giới trong đó có Việt Nam.Việc sử dụng máy phát điện sức gió càng ngày càngđược quan tâm vì đây là nguồn năng lượng dồi dào, rẻtiền và không gây hại cho môi trường

Cho đến nay có khá nhiều công trình nghiên cứu

về thiết kế và thiết kế tối ưu máy phát điện sức gió nóichung và máy phát điện sức gió nói riêng Việc tínhtoán thiết kế và thiết kế tối ưu hộp tăng tốc của máyphát điện sức gió cũng đã được chú ý Tuy nhiên chưa

có nghiên cứu nào về thiết kế tối ưu hộp tăng tốc chomáy phát điện sức gió nhằm mục tiêu giá thành của hệthống là nhỏ nhất Chính vì thế cần thiết phải thiết kế tối

ưu hộp tăng tốc cho máy phát điện sức gió kiểu trụcđứng 10kW

CHƯƠNG 2:

XÂY DỰNG CÁC BÀI TOÁN TỐI ƯU

2.1 Giới thiệu về bài toán tối ưu

Tối ưu là một vấn đề quan trọng không chỉ trong

kỹ thuật mà còn trong nhiều lĩnh vực khác như: kinh tế,nông nghiệp, quốc phòng, an ninh v.v… Bởi vì bài toántối ưu cho được kết quả tốt nhất trong một số điều kiệnnhất định Trong bài toán tối ưu có thể sử dụng để giảiquyết mọi vấn đề kỹ thuật như: bài toán tối ưu về giáthành là nhỏ nhất, bài toán tối ưu về khối lượng là nhỏnhất, lợi nhuận là lớn nhất

Với nghiên cứu này sẽ đề cập đến bài toán tối ưuđơn mục tiêu về khối lượng của hệ gồm hộp tăng tốc vàmáy phát là nhỏ nhất và bài toán về giá thành của hệ lànhỏ nhất

Bài toán tối ưu đơn mục tiêu có thể được địnhnghĩa như sau [36]:

Tìm một véc tơ X = (x1, x2,…, xn) là các biến thiết kế đểhàm mục tiêu (hoặc hàm giá thành) đạt giá trị nhỏ nhất:f(X) = f(x1, x2,…, xn)

Với các điều kiện ràng buộc:

0 )

h j là các điều kiện ràng buộc

2.2 Xây dựng các hàm đơn mục tiêu

2.2.1 Hàm mục tiêu khối lượng của hệ gồm hộp tăng tốc và máy phát là nhỏ nhất

2.2.1.1 Khối lượng của hộp tăng tốc

Khối lượng của hộp tăng tốc được xác định như sau(hình 3.1):

TR BR VH

Trong đó:

- G VH : khối lượng của vỏ hộp;

- G BR: khối lượng của bánh răng;

- G TR: khối lượng của trục

Hình 3.1: Sơ đồ tính toán khối lượng của hộp số

2.2.1.2 Xác định khối lượng của máy phát

l l

Hình 3.2: Sơ đồ tính khối lượng của máy phát

Khối lượng của máy phát được xác định theo công thức(Hình 3.2):

Gmp = Gs + Gr + Gd + Gv

(3.50)Trong đó:

Gs: khối lượng của stato;

Gr: khối lượng của roto;

Gd: khối lượng của dây đồng

Gv: khối lượng của vỏ máy;

2.3 Bài toán tối ưu

2.3.1 Bài toán tối ưu đơn mục nhằm đạt khối lượng của hệ là nhỏ nhất

Từ các phương trình (3.1) và (3.50) xác địnhđược hàm đơn mục tiêu nhằm đạt khối lượng nhỏ nhấtnhư sau:

Min G = min (G  H G mp)= f(u h,u1,n db)  min

(3.78)Với các điều kiện ràng buộc:

min

u  

max min db db

2.3.2 Bài toán tối ưu đơn mục về giá thành nhỏ nhất

Sau khi giải bài toán tối ưu về khối lượng là nhỏ nhất thì bài toán tối đơn mục tiêu về giá thành nhỏ nhất, được viết dưới dạng sau:

2.4 Kết luận

Các hàm đơn mục tiêu cho bài toán tính toánthiết kế tối ưu hộp tăng tốc và máy phát đã được xâydựng Chúng gồm: hàm đơn mục tiêu về khối lượng củahộp tăng tốc và máy phát là nhỏ nhất; hàm đơn mục tiêu

về giá thành của hộp tăng tốc và máy phát là nhỏ nhất

Từ các hàm đơn mục tiêu, các bài toán tối ưuđơn mục tiêu đã được xây dựng Các bài toán này gồmcó: bài toán đơn mục tiêu nhằm đạt khối lượng của hệ(gồm khối lượng của hộp tăng tốc và khối lượng củamáy phát) là nhỏ nhất và bài toán đơn mục tiêu nhằmđạt giá thành của hệ (gồm hộp tăng tốc và máy phát) lànhỏ nhất

Bằng việc sử dụng phương pháp tìm kiếm trực tiếpcủa Robert Hooke và T A Jeeves và sự trợ giúp củamáy tính bởi phầm mềm Matlab đã hỗ trợ để giải bàitoán tối ưu của hàm mục tiêu trong chương 3 cùng vớicác điều kiện ràng buộc đã đạt được kết quả rất khả thi

có thể áp dụng trong và ngoài nước

Biểu đồ mối quan hệ giữa tỷ số truyền của hộptăng tốc và số vòng quay của máy phát (hình 3.1)

và số vòng quay của máy phát

Trên hình 3.1 chỉ ra rằng, với số vòng quay củamáy phát càng lớn thì yêu cầu tăng tốc nhiều hơn Vìvậy, cần phải sử dụng hộp tăng tốc với tỷ số truyền lớnhơn và kết quả là kích thước, khối lượng và giá thànhcủa hộp tăng tốc tăng lên Do đó, cần phải phối hợp giữa

tỷ số truyền của hộp tăng tốc và số vòng quay của máyphát để đạt được kích thước, khối lượng và giá thànhcủa chúng là nhỏ nhất

Biểu diễn mối quan hệ giữa số vòng quay của máyphát và khối lượng của máy phát (hình 3.2) Từ đồ thị

đã chỉ ra rằng khi số vòng quay của máy phát càng tăngthì kích thước, khối lượng và giá thành của máy phátcàng giảm Điều này được giải thích là do khi số vòngquay càng nhỏ thì số đôi cặp cực của máy phát càng cao

vì vậy giá thành của máy phát càng đắt Với giá trị khảosát số vòng quay của máy phát (ndb = 150 vòng/ phútđến 6000 vòng/phút), thấy rằng khối lượng của máyphát giảm mạnh từ giá trị 150 vòng/ phút tới giá trị 300vòng/phút

Hình 3.2: Mối quan hệ giữa số vòng quay máy phát và

khối lượng máy phát

Với chương trình tính toán tối ưu như đã nêu trên,

đã chỉ ra rằng khi tỷ số truyền của hộp tăng tốc tăng thìkhối lượng của hộp tăng Tuy nhiên, trên biểu đồ hình3.3 thấy rằng khối lượng tối ưu của hộp tăng không lớn.Chính vì vậy, khi muốn thiết kế tối ưu hộp tăng tốc đểđạt giá thành của hộp là nhỏ nhất có thể dựa vào kết quảnày để lựa chọn được tỷ số truyền các cấp trong hộp làhợp lý Việc lựa chọn tỷ số truyền các cấp này đượctrình bày trên biểu đồ hình 3.4

Hình 3.3: Biểu đồ quan hệ giữa tỷ số truyền của hộp

tăng tốc và khối lượng của hộp

Hình 3.4 biểu diễn mối quan hệ giữa tỷ số truyềnchung của hộp và tỷ số truyền các cấp Khi tỷ số truyềnchung của hộp tăng thì tỷ số truyền các cấp cũng tăng.Tuy nhiên, tỷ số truyền của cấp nhanh tăng nhanh hơncấp chậm Điều này được giải thích như sau: khi uh lớn,

sự chênh lệch mô men xoắn trên trên trục ra với trục vào

sẽ lớn nên cần u2 lớn để giảm bớt chênh lệch kích thướcgiữa các cấp và giảm khối lượng cho hộp

Từ kết quả thu được của chương trình tối ưu, phântích hồi quy đã được tiến hành và một công thức để tínhtoán tỉ số truyền của cấp nhanh của hộp đã được đưa ra:

7129 0

2 0 , 6417 u h

Mô hình công thức toán học trên biểu thức (5.1) phùhợp với dữ liệu, với hệ số xác định R2 = 1 Với kết quảnày rất phù hợp với kết quả trong [30] đã đưa ra Và giátrị tỷ số truyền của bộ truyền cấp chậm được xác địnhtheo biểu thức:

số truyền của hộp tăng thì số vòng quay của máy pháttăng, do đó số đôi cặp cực giảm làm cho khối lượng củamáy phát giảm đáng kể.

Bằng việc phân tích hồi quy đã đưa ra công thứcliên hệ giữa tỷ số truyền của hộp tăng tốc và khối lượngchung như sau:

2578 0

Như đã biết, với cùng một phạm vi công suất của máyphát thì có thể chọn số vòng quay theo dãy: ndb = 600,

Hình 3.5: Quan hệ giữa tỷ số truyền của hộp tăng tốc

và khối lượng chung của cả hộp tăng tốc và máy phát

tăng tốc bánh răng trụ răng nghiêng hai cấp khai triểngiá trị tỷ số truyền nằm trong khoảng (uh = 5  40 [30])

Từ bài toán tối ưu, để giá thành chung (bao gồm hộptăng tốc và máy phát) đạt giá trị nhỏ nhất thì khối lượngchung của chúng phải đạt giá trị nhỏ nhất Với các kếtquả đã đạt được ở trên thì khối lượng chung đạt giá trịnhỏ nhất khi ndb=3000 vòng/ phút và tỷ số truyền củahộp tăng tốc uh = 20 Tại giá trị này thì:

Gmin = GHTT + GMP = 118,24658 (Kg) (3.4)Với: GHTT = 56,7636 (Kg) ; GMP = 61.483 (Kg)

Do đó, giá thành chung tương ứng với giá trị Gmin đượcchỉ ra trên hình 3.6

Trong trường hợp, khi không sử dụng hộp tăng tốc trong

hệ thống tuốc bin gió mà chỉ có máy phát thì khối lượngcủa máy phát rất lớn Bởi số vòng quay của máy phátnhỏ (ndb = 150 vòng/phút) nên số đôi cặp cực lớn Với

Hình 3.6: Biểu đồ quan hệ giữa giá thành của hộp tăng

tốc, máy phát và giá thành chung

trường hợp này, tác giả đã so sánh với giá trị tối ưu khi

sử dụng hộp tăng tốc khi giá thành của hộp tăng tốc là

CHTT = 200.000 nghìn đồng/kg và giá thành của máyphát là CMP = 150.000 nghìn đồng/kg Sự so sánh nàyđược chỉ ra trên hình 3.7 và kết quả cho thấy rằng: giáthành của hệ thống tuốc bin gió khi không sử dụng hộptăng tốc lớn hơn rất nhiều khi sử dụng hộp tăng tốc Kếtquả của nghiên cứu này rất phù hợp với kết quả đã nêutrong [25]

Hình 3.7: So sánh giá thành trong hai trường hợp của

hệ thống tuốc bin gió:

(1) sử dụng máy phát kết hợp với hộp tăng tốc; (2)

chỉ sử dụng máy phát

x103

x105

3.2 Kết luận

- Bài toán tối ưu đơn mục tiêu đã được xây dựng gồmhai bài toán: bài toán tối ưu đơn mục tiêu nhằm đạtkhối lượng của hệ (gồm hộp tăng tốc và máy phát)

là nhỏ nhất và bài toán tối ưu đơn mục tiêu nhằm đạtgiá thành của hệ là nhỏ nhất;

- Bài toán tối ưu được giải bằng việc lập trình máytính (sử dụng phần mềm Matlab) với việc sử dụngphương pháp tìm kiếm trực tiếp của Robert Hooker

- Tỷ số truyền tối ưu của hộp tăng tốc đã được xácđịnh uh = 20 Với tỷ số truyền này thì khối lượng vàgiá thành của hệ đạt giá trị nhỏ nhất;

- Đã đưa ra sự so sánh giữa giá thành của hệ thống khi

sử dụng hộp tăng tốc và khi không sử dụng hộp tăngtốc

KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ

- Khái quát về tiềm năng phát triển nănglượng gió trên thế giới và ở Việt Nam;

- Nghiên cứu tổng quan về máy phát điệnsức gió và thiết kế tối ưu máy phát điện sức gió;

- Cơ sở tính toán tối ưu hộp tăng tốc;

- Nghiên cứu các phương pháp giải bàitoán tối ưu;

- Giải các bài toán tối ưu và nhận xét kếtquả;

- Các kết luận của nghiên cứu và kiến nghịhướng nghiên cứu tiếp theo;

Từ kết quả của luận văn, một số kết luận đã được rútra:

- Máy phát điện sức gió nói chung và máyphát điện sức gió kiểu trục đứng nói riêng đã và đangđược sử dụng ở nhiều nơi trên thế giới và đã bắt đầu sửdụng ở Việt Nam Việc sử dụng cũng như thiết kế chếtạo máy phát điện sức gió ngày càng được quan tâm vìđây là nguồn năng lượng dồi dào, rẻ tiền và không gây ônhiễm môi trường;

- Trong việc thiết kế tối ưu máy phát điệnsức gió nói chung và máy phát điện sức gió kiểu trụcđứng nói riêng, việc thiết kế tối ưu hộp tăng tốc và máyphát là rất quan trọng vì chúng là những bộ phận chínhcủa hệ thống tuốc bin gió;

- Việc tính toán thiết kế tối ưu hộp tăngtốc và máy phát có quan hệ khăng khít với nhau vì tỷ số