tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật phát triển mô hình điều khiển cánh tuốc bin gió trục đứng

   000  !"# $% &'()**+,*&-.*+*+&/0&123456( Đ ti: “ Phát triển mô hình điều khiển cánh tuốc bin gió trục đứng ”. 7089)*-&35&:&;<=*+ ">?-=4&70@AB &'()**+,*&-.*+*+&/0&123456( 96489)*C&4=&70-$D$DE#F Thái nguyên, 11.201 1 GH Gió l một dạng năng lượng lý tưởng thay thế cho năng lượng hóa thạch đang cạn kiệt. Trong các máy phát điện dùng sức gió, các turbine(tuốc bin) trục đứng (Vertical-axis wind turbines - VAWT) được đang được quan tâm nghiên cứu nhằm cải thiện hiệu năng của nó [1-10]. Các tuốc bin trục đứng cánh thẳng (dạng H H-Darrieus) được ưa chuộng do cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo của nó. Tuy vậy, một trong những nhược điểm cố hữu của nó l không tự khởi động được (Self-start) l vấn đ đang rất được quan tâm [1-9]. Các cố gắng cải tiến đã được thực hiện [1-2] nhưng rô – to vẫn không tự quay khi có tải, dù l tải nhẹ. Nhiu nghiên cứu đã tìm cách điu khiển góc cánh tuốc bin sao cho nó đón được gió nhiu nhất ở phía thuận v cản gió ít nhất ở phía nghịch. Có thể kể đến các hướng khai thác như: điu khiển cưỡng bức vị trí v góc xoay cánh bằng động cơ servo [3,4]; kết hợp sử dụng các truyn động cơ khí để cưỡng ép cánh xoay theo hướng phù hợp cải tiến hình dáng kết cấu v vị trí trục xoay của cánh để nó có thể tự xoay dưới tác dụng của các lực tương tác của gió [5-7]. Gần đây nhất, một luận văn cao học tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên cũng cố gắng xây dựng mô hình xoay cánh nhờ hệ truyn dẫn các bánh răng. Hầu hết các nghiên cứu đã đi sâu phân tích cơ sở tính toán, mô phỏng trên máy tính. Tuy vậy, việc triển khai thực tế ra các mô hình lm cơ sở cho nghiên cứu, thực nghiệm v cải tiến cánh tuốc bin gió trục đứng vẫn đang cần phát triển thêm. Đ ti ny được thực hiện nhằm phân tích cơ sở lý thuyết để triển khai thử nghiệm, đánh giá một số mô hình điu khiển cánh tuốc bin gió trục đứng, đặc biệt chú trọng mô hình cánh tuốc bin tự xoay theo hướng tác động của gió. IJ*+&K=C&4=&708,2&L029M*0N=OP2,9 - Ý nghĩa khoa học 2 Kết quả nghiên cứu của đ ti sẽ đóng góp các kiến thức kinh nghiệm v điu khiển cánh tuốc bin gió trục đứng. Mô hình có thể phục vụ cho các nghiên cứu thực nghiệm v máy phát điện gió. - Ý nghĩa thực tiễn Đ ti hy vọng phát triển được mô hình tuốc bin có cánh tự xoay; kết cấu cánh đơn giản, dễ chế tạo nhằm góp phần hiện thực hóa ở Việt Nam. I Q0OR0&*+&9)*0S'0N=OP2,9 Đ ti ny có mục đích thử nghiệm một số đ xuất của các nh nghiên cứu trong nước v thế giới nhằm hiện thực hóa một mô hình cánh tuốc bin gió tự xoay hiệu quả nhất. Các mục tiêu cụ thể l: - Chế tạo thử nghiệm mô hình tuốc bin gió, đặc biệt chú trọng mô hình có cánh xoay; - Thử nghiệm đánh giá các thông số tương quan v lực, mô men, vận tốc gió. I&;T*+?&6?*+&9)*0S' Phương pháp nghiên cứu được sử dụng là nghiên cứu thực nghiệm, nội dung cụ thể bao gồm: - Sử dụng các cơ sở phân tích lý thuyết để chọn hình dạng cánh v chế tạo thử nghiệm tuốc bin trục đứng. - Thực hiện các thí nghiệm đánh giá các thông số tương quan trên mô hình thực; IU92;V*+*+&9)*0S' - Mô hình động lực học của cánh tuốc bin gió xoay được; - Mô hình thực tế. I60C12W'X0&R*&OYO32O;V0 Đ ti đã thu được một số kết quả chính sau đây: 3 - Chế tạo được một mô hình tuốc bin cánh cố định v ba mô hình tuốc bin sử dụng cánh tự xoay, trong đó có một mô hình thí nghiệm cho phép thay đổi số cánh để lựa chọn kết cấu tối ưu. - Tiến hnh thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của số cánh đến hiệu năng hoạt động của tuốc bin. IZ'2<[0\']*8^* Luận văn bao gồm 5 nội dung chính: • Chương 1: Tổng quan v đ ti • Chương 2: Các nghiên cứu v kết cấu cánh v hướng phát triển của đ ti • Chương 3:Thiết kế mô hình tuốc bin gió • Chương 4: Kết quả thí nghiệm • Kết luận v kiến nghị 4 _@-`abcc @D@D ^*+\;V*++9d8,2e*&&e*&fghQ*+*^*+\;V*++9d2<)*2&1+9>9 @DAD i*+W'=*8P2'U0j9*+9d2<Q0OS*+ @DAD@D'U0j9*+9d2<Q0OS*+ Tuốcbin gió trục đứng (VAWTs) l một loại tuốcbin gió m rôto trụcchínhđược đặt thẳng đứng v các thnh phần chính được đặt ở phần đế của tuốc bin. Một trong những ưu điểm của kết cấu ny l máy phát điện v hộp số có thể được đặt ngay gần mặt đất vì thế chúng được vận hnh v sửa chữa dễ dng hơn v VAWTs không bị phụ thuộc vo hướng gió. [ 1 ] So với các tuốc bin gió trục ngang truyn thống (HAWTs) thì VAWTs cũng đã có một số ưu điểm trội hơn: • Chúng có thể được lắp đặt thnh một vòng khép kín với nhau trong các trang trại gió v cho phép lắp đặt với số lượng nhiu hơn trong một không gian nhất định. • VAWTs cứng vững hơn, không gây ồn, đa hướng, v chúng không gây nên ứng suất lớn cho kết cấu giá đỡ. [2] [3] • Do bộ phận phát điện có thể đặt gần mặt đất nên việc bảo dưỡng dễ dng v việc khởi động không cần phải có lượng gió lớn nên có thể được đặt trên ống khói hoặc các cấu trúc cao tầng tương tự. [4] Nhưng bên cạnh đó VAWT vẫn tồn tại những nhược điểm:  VAWT có xu hướng bị ngừng lm việc theo từng cơn gió  VAWT có kết cấu bên ngoi rất nhạy cảm v có một chiu cao lắp đặt với giới hạn thấp để có thể vận hnh trong môi trường có tốc độ gió thấp hơn.[5]  Các cánh của VAWT có xu hướng bị mỏi giống như lưỡi dao quay quanh trục trung tâm. 5 Mặc dù vẫn còn những tồn tại nhưng so sánh trên nhiu phương diện thì các tuốc bin gió trục đứng VAWT vẫn được đưa vo sử dụng nhiu v ngy nay các nh thiết kế đã v đang không ngừng nghiên cứu những thay đổi v kết cấu, biên dạng cánh để VAWTs có thể lm việc được theo đa hướng gió v sao cho chúng đón được gió nhiu nhất ở phía thuận v cản gió ít nhất ở phía nghịch nhằm nâng cao hiệu suất phát điện. @DADAD60\4392'U0j9*+9d2<Q0OS*+ @DADAD@D'U0j9*=<<9k'f Tuốc bin gió Darrieus ba cánh @DADADAD'U0j9*$=84*9' 6 Tuốc bin Savonius @DADADlD'U0j9*9<459\\ Tuốc bin Giromill 2 cánh [7] Tuốc bin gió trục đứng Giromill (3 cánh, 200 kW, Falkenberg, Thụy Điển) @DADADmD(0\42'<j9* 7 Cycloturbine @DADADnDo\=?2'<j9*k Hình 1.12 Mô hình Flap turbine @DlD12\']*0&;T*+@ Như vậy, việc sử dụng năng lượng gió đã được con người khai thác từ rất sớm v cùng với các phát minh v điện v máy phát điện thì các máy phong điện cũng đã được ra đời. Cho đến ngy nay, một loạt các hệ thống phong điện với các tuốc bin gió đã v đang phát triển rất mạnh mẽ ở một số quốc gia trên thế giới. Khi so sánh giữa hai loại tuốc bin gió trục ngang (HAWT) v tuốc bin gió trục đứng (VAWT), mặc dù vẫn còn tồn tại một số mặt hạn chế nhưng VAWTs vẫn được sử dụng nhiu bởi những hiệu ích m chúng mang lại. Cho đến nay các công trình nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu suất của loại tuốc bin gió trục đứng VAWT vẫn đang được quan tâm nhiu, đặc biệt l việc tính toán thiết kế hệ thống cánh tuốc bin, nhất l yếu tố biên dạng cánh vẫn còn l vấn đ phức tạp cần sớm được giải quyết. Đây cũng l một trong những đ ti đang được các nh khoa học quan tâm nghiên cứu để hướng tới sự cải tiến hon thiện hơn cho VAWT. 8 _A-pqr AD@DTfs2R*&246*C&ROt*+&7006*&2'U0j9*+9d AD@D@D]2\u&708P*^*+\;V*++9d AD@DAD702&'(120N=k2v ADAD t2fUC120Z'06*&2'U0j9*+9d Cùng với sự phát triển của các hệ thống HAWTs v VAWTs, các nh nghiên cứu đã đưa ra thử nghiệm v ứng dụng nhiu kiểu dáng hình học cánh khác nhau để kiểm nghiệm v so sánh hiệu quả m nó đem lại. Với tuốc bin gió trục ngang, khi có gió, các cánh có khả năng tự khởi động, cánh quay liên tục v luôn quay theo một chiu nhất định ( xem hình 2.1). Hình 2.1. Mô tả chiều quay cánh tuốc bin gió trục ngang 9 Khác với các tuốc bin gió trục ngang ở trên, tuốc bin gió trục đứng, cánh cố định trên trục, lực tác dụng của gió lên hai phía ( quy ước hai phía l thuận v nghịch so với chiu gió, minh họa như hình 2.2) l như nhau: F 1 = F 2 do vậy, cánh không có khả năng tự khởi động. Để có được mô men xoay trục, đồng thời quay được trục máy phát điện thì phải có chênh lệch lớn giữa F 1 v F 2 , tức l: F 1 >> F 2 hay F xoay = F 1 - F 2 >>0 Cánh ở phía thuận Cánh ở phía nghịch Hướng gió Hình 2.2. Mô tả chiều quay cánh tuốc bin gió trục đứng Như vậy, muốn quay được cánh tuốc bin thì giá trị F xoay >> 0 v giá trị ny cng lớn, mô men xoay trục cng lớn. Tuy nhiên, khó có thể tăng F 1 nên người ta luôn tìm cách giảm F 2 . Để đạt được mục đích đó, các nh nghiên cứu đã đưa ra nhiu kiểu biên dạng cánh, nhiu phương án điu khiển góc cánh khác nhau, sao cho F xoay đạt được l lớn nhất. V nguyên tắc, có hai cách tạo ra chênh lệch lực tác dụng giữa phía thuận v phía nghịch.  Với cánh cố định Có nhiu kiểu biên dạng cánh khác nhau đã được thiết kế, như: 10 [...]... kềnh - Tốn kém - Tiêu tốn năng lượng b, Điều khiển bị động: cánh tự xoay tùy theo hướng gió Năng lượng gió được sử dụng trực tiếp để xoay cánh Kiểu xoay cánh này đang được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm và triển khai mô hình CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH TUỐC BIN GIÓ 3.1 Một số mô hình tuốc bin gió đã thiết kế trong quá trình thực hiện đề tài 3.1.1 Tuốc bin gió có cánh tự xoay, biên dạng kiểu Savonius... lực giữa các cánh và tạo thành mô men làm quay tuốc bin Qua khảo sát bốn mô hình đã thiết kế, mô hình tuốc bin gió có cánh tự xoay dạng Flap Turbine đem lại hiệu suất cao hơn với kết cấu đơn giản, dễ chế tạo Do đó, đề tài này lựa chọn mô hình tuốc bin này để thực nghiệm, khảo sát và được trình bày cụ thể ở phần tiếp theo 3.2 Thiết kế chế tạo mô hình tuốc bin gió dạng flap turbine có cánh... roto quay 19 3.1.4 Tuốc bin gió có cánh tự xoay, kiểu flap turbine 550 50 200 630 400 45 320 Hình 3.8 Bản vẽ chế tạo tuốc bin số 4 a, Mô hình thực nghiệm 20 Hình 3.9 Mô hình tuốc bin số 4 b, Mô tả cấu tạo và hoạt động Tuốc bin được thiết kế đơn giản, số cánh có thể thay đổi được nhờ lắp ghép trên đĩa phân độ Mỗi cánh lớn có các cánh nhỏ lắp ghép với nhau theo kiểu “ chớp cửa” Hệ thống cánh được lắp với... động: khi có gió, nhờ có hộp định hướng gió nên gió sẽ tác động theo một luồng làm quay các cánh nhỏ và từ đó làm quay trục tuốc bin 3.1.3 Tuốc bin gió dạng roto lồng sóc, cánh cố định 17 22 35 50 50 Hình 3.6 Bản vẽ chế tạo tuốc bin số 3 a, Mô hình thực nghiệm 18 520 460 420 5 Hình 3.7 Mô hình tuốc bin số 3 b, Mô tả cấu tạo và nguyên lý hoạt động - Cấu tạo: các cánh được gắn với giá đỡ và nghiêng... gió, lực tác động của gió sẽ làm cánh mở hết mức để hứng gió và được định vị trí nhờ chốt hãm Bên cánh ngược hướng gió, lực tác động của gió sẽ đẩy các cánh có xu hướng “ cụp lại” để giảm lực cản Khi F 1 >F2 sẽ làm cho trục tuốc bin quay 3.1.2 Tuốc bin gió có cánh tự xoay, biên dạng cánh thẳng 15 460 250 34 525 116 19 Ø300 Ø300 Hình 3.4 Bản vẽ chế tạo tuốc bin số 2 a, Mô hình thực nghiệm 16 Hình. .. lực cản Cánh bên phía nghịch Cánh bên phía thuận Hình 2.9 Mô tả xoay cánh Cho đến nay, các mô hình xoay cánh đã triển khai đều dựa theo các yêu cầu này Theo nguyên tắc xoay cánh, ta có thể chia thành hai kiểu điều khiển: - Điều khiển chủ động hay cưỡng bức, tự lựa cánh theo hướng gió - Điều khiển bị động a, Điều khiển chủ động hay cưỡng bức, tự lựa cánh theo hướng gió: trong kiểu điều khiển này,... thấp hơn cánh cong nhưng nếu kết cấu hợp lý thì vẫn đạt được tổng công suất yêu cầu trên toàn bộ hệ thống cánh 22 200 400 45 250 Hình 3.11 Hình dáng cánh tuốc bin thiết kế 3.2.4 Nguyên lý làm việc của mô hình Mô hình làm việc dựa trên nguyên lý chênh lệch về lực và momen giữa các cánh Khi cánh quay đến vị trí có hướng gió thuận thì các cánh nhỏ sẽ chồng xếp lên nhau tạo thành bề mặt hứng gió, còn... nguồn gió cung cấp cho thí nghiệm Các thông số khảo sát trực tiếp bằng cách đo thực tế là quạt có chiều cao 650mm, đường kính cánh 400mm - Dựa trên cơ sở đó mô hình tuabine chế tạo có chiều cao tổng thể là 630 mm cánh có chiều cao là 400mm chiều rộng 200 mm 3.2.3 Kiểu dáng hình học cánh tuốc bin thiết kế Kiểu dáng hình học cánh tuốc bin ảnh hưởng tới chất lượng và đặc tính khởi động của tuốc. .. 3.5 Mô hình tuốc bin số 2 b, Mô tả cấu tạo và nguyên lý hoạt động - Cấu tạo: hệ thống cánh được lắp đối xứng, cánh được chế tạo dạng chữ thập, biên dạng cánh phẳng Mỗi cánh có thể tự xoay nhờ lắp với hai thanh đỡ bằng ổ lăn Thanh đỡ được lắp chặt với trục quay Hệ thống cánh được lắp với trục quay và đặt trên đế đỡ Cả hệ thống được đặt trong một hộp định hướng gió - Nguyên lý hoạt động: khi có gió, ... của cơ chế cánh xoay vào thực tế - Chế tạo mô hình thực nghiệm 21 - Vận hành thử nghiệm mô hình - Khảo sát sự thay đổi tốc độ quay của tuốc bin khi có số cánh là: 3,4 ,5 - Tính toán các thống số về lực, mô men, công suất khi nguồn gió có các vận tốc là 1,5 m/s , 2,0 m/s , 3,5 m/s 3.2.2 Cơ sở để làm mô hình thực nghiệm - Do điều kiện và thời gian không cho phép sử dụng năng lượng gió thực tế . điu khiển cánh tuốc bin gió trục đứng. Mô hình có thể phục vụ cho các nghiên cứu thực nghiệm v máy phát điện gió. - Ý nghĩa thực tiễn Đ ti hy vọng phát triển được mô hình tuốc bin có cánh. sở lý thuyết để triển khai thử nghiệm, đánh giá một số mô hình điu khiển cánh tuốc bin gió trục đứng, đặc biệt chú trọng mô hình cánh tuốc bin tự xoay theo hướng tác động của gió. IJ*+&K=C&4=&708,2&L029M*0N=OP2,9 . điện. @DADAD604392'U0j9*+9d2<Q0OS*+ @DADAD@D'U0j9*=<<9k'f Tuốc bin gió Darrieus ba cánh @DADADAD'U0j9*$=84*9' 6 Tuốc bin Savonius @DADADlD'U0j9*9<459\ Tuốc bin Giromill 2 cánh [7] Tuốc bin gió trục đứng Giromill (3 cánh,