tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu, tính toán, thiết kế cơ cấu dẫn động điều khiển góc cánh turbine gió kiểu trục đứng cho máy phát đi

1 Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam có diện tích bờ biển dài với nguồn gióphong phú và ổn định, tốt cho các máy phong điện hoạtđộng và phát triển Những địa điểm có tiềm năng pháttriển phong điện bao gồm vùng ven biển, hải đảo, vùngnúi cao biên giới Đặc biệt là địa bàn các tỉnh Quảng trị,Bình định, vv… Điều này rất phù hợp cho việc giảiquyết bài toán cung cấp điện sinh hoạt cho hộ gia đình ởcác vùng sâu, vùng xa, vùng biên giới hải đảo để thaythế các trạm phát điện diezen đang hoạt động ở nhữngkhu vực này hiện nay.

So sánh giữa hai hệ thống phong điện kiểu trụcngang và trục đứng cho thấy: Về lý thuyết, hệ thống trụcđứng có những ưu điểm nổi trội so với hệ thống trụcngang: Có thể hoạt động ở tốc độ gió thấp, do đó độ caocủa tháp thấp hơn, độ an toàn trong bão cao hơn; hiệusuất chuyển đổi công suất gió/cơ học cao hơn (tới 50%),do đó chi phí sản xuất, tiêu hao vật tư và chi phí đầu tưthấp hơn; khả năng công nghệ tốt hơn Tuy nhiên, đểphát huy được những ưu điểm trên, đặc biệt là việc nângcao hiệu suất chuyển đổi công suất gió/cơ học ở các hệthống có công suất lớn, đòi hỏi các cánh turbine phải cókhả năng điều chỉnh chống cản gió trong hành trìnhkhông sinh công Vấn đề này hiện chưa có được một

nguyên lý cũng như công nghệ phù hợp Vì vậy, hệthống trục đứng mới chỉ phổ biến ở dạng công suất nhỏ,

không có cơ cấu điều khiển góc hứng gió của cáccánh

Từ các lý do trên, việc thực hiện đề tài “Nghiêncứu, tính toán, thiết kế cơ cấu dẫn động điều khiểngóc cánh Turbine gió kiểu trục đứng cho máy phátđiện công suất 10KW” là nội dung rất cần thiết, góp

phần quan trọng trong nghiên cứu về hệ thống turbinegió kiểu trục đứng điều khiển góc hứng gió chủ động.

2 Mục tiêu và ý nghĩa nghiên cứu

a Mục tiêu

Đề xuất cơ cấu dẫn động/điều khiển góc cánhturbine gió kiểu trục đứng với 5 cánh, phương hứng gióbiến thiên Đảm bảo tính hiệu quả về mặt kết cấu, nângcao hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió/cơ học của hệthống VAWT.

b Ý nghĩa

Kết quả nghiên cứu của đề tài là nguồn tài liệubổ sung phục vụ cho việc học tập, nghiên cứu trong vàngoài nước.

Kết quả của đề tài sẽ đóng góp vào việc thiết kếchế tạo hệ thống turbine gió điều khiển góc hứng gió

chủ động, phù hợp với điều kiện Việt Nam Là cơ sởban đầu cho phát triển ngành công nghiệp chế tạo cáctrạm phong điện cỡ trung bình, góp phần cung cấpnguồn năng lượng điện trong dân dụng, an ninh quốcphòng.

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng đề tài nghiên cứu là cơ cấu dẫn độngđiều khiển góc cánh turbine gió kiểu trục đứng cho máyphát điện bằng sức gió công suất 10kW.

b Phạm vi nghiên cứu

Cơ cấu điều khiển/dẫn động cánh turbine trongmô hình VAWT có khả năng điều chỉnh góc hứng gió,áp dụng cho các VAWT công suất nhỏ đến 10KW.

4 Các kết quả chính

- Luận văn đã đề xuất được mô hình VAWT mớicó khả năng điều chỉnh góc hứng gió các cánh turbine.Mô hình này có kết cấu hệ thống điều khiển/dẫn độngcánh hoàn toàn bằng các cơ cấu cơ khí đơn giản, đạthiệu suất chuyển đổi năng lượng gió/công suất cơ cao.

- Đã thiết kế chi tiết hệ thống cơ cấu điềukhiển/dẫn động cánh turbine cho mô hình VAWT đã đềxuất.

- Mô phỏng nguyên lý hoạt động của cơ cấu nóiriêng và mô hình VAWT mới nói chung.

5 Cấu trúc luận văn

Luận văn được trình bày trong 4 chương với cácnội dung chính như sau:

Chương 1 Trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu

trong và ngoài nước liên quan đến nội dung của đề tài.Trên cơ sở đó xác định nhiệm vụ nghiên cứu, mục tiêunghiên cứu của luận văn.

Chương 2 Phân tích một số kết cấu VAWT có khả

năng điều chỉnh góc hứng gió đã được nghiên cứu trênthế giới, từ đó đề xuất phương án thiết kế của luận văndựa trên một số cải tiến phù hợp Đồng thời cũng trìnhbày những cơ sở lý thuyết về lực khí động phục vụ choviệc tính toán, thiết kế và kiểm nghiệm đặc tính khíđộng học cho hệ thống VAWT đề xuất.

Chương 3 Tính toán đặc tính kỹ thuật lực khí động cho

thiết kế VAWT 10KW nhằm đánh giá tính hiệu quả vềhiệu suất chuyển đổi năng lượng gió/công suất cơ họccủa mô hình VAWT đã đề xuất.

Chương 4 Thiết kế chi tiết hệ thống điều khiển góc

hứng gió cánh turbine của mô hình VAWT đề xuất.

Kết luận và kiến nghị.

Chương 1GIỚI 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 thếgiới vì nguyên liệu dồi dào, rẻ tiền, dễ áp dụng, sạch vàkhông 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 triểnkhác Đức đang dẫn đầu thế giới về công nghệ phongđiện

Hiện tại, các trạm phong điện trục ngang (gồm

một máy phát điện có trục quay nằm ngang với turbine3 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 cáccánh đón gió đặt thẳng đứng) Hiện có các loại máy phátphong điện với công suất rất khác nhau, từ vài trăm Wtới hàng MW Các trạm phong điện có thể hoạt độngđộc lập hoặc cũng có thể nối với mạng điện quốc gia.Các trạm phong điện có thể phát điện khi tốc độ gió từ 3m/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 10m/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 nhưcủa nhiều nhà khoa học trên thế giới, với những thànhcông vượt bậc về công nghệ, thể hiện qua sản phẩmmang tính thương mại hóa của một số hãng chế tạo nổitiếng thế giới như Vestas (Denmark) với các sản phẩmV52-850 kW, V80-1.8 MW, V80-2.0 MW, V82-1.65MW, V90-1.8&2.0 MW, V90-3.0 MW; Suzlon (India)với các turbine 950 kW to 2 MW; công ty GE Energy

(USA) có các sản phẩm 1.500 - 3.600 kW;Siemens(germany) đưa ra thị trường các turbine lớn 1.3MW, 2.3 MW và 3.6 MW; v v Tuy nhiên các hệthống này hiện được xem là rào cản lớn về mặt côngnghệ chế tạo tại Việt Nam, do đó các dự án phát triểnphong điện trong nước hiện đang đi theo hướng nhậpkhẩu thiết bị hoàn chỉnh để xây dựng các nhà máy điệngió tại một số khu vực tiềm năng

1.2.Giới thiệu về việc sử dụng năng lượng gió turbine gió

-Các trang trại gió ngoài khơi đầu tiên là ở CapeCod, Massachusetts Trang trại gió lớn nhất thế giới là

Horse Hollow Trung tâm Năng lượng gió, tại Texas, với421 turbine gió có khả năng cung cấp điện cho 220.000hộ gia đình / năm Ngày nay, năng lượng gió là mộtnguồn năng lượng hấp dẫn, thay thế cho nhiên liệu hóathạch, vì nó rất phong phú, có thể tái tạo, phân phốirộng rãi, sạch sẽ và sản xuất không thải khí nhà kính.Tính đến năm 2009, tỷ lệ phần trăm điện mà có nguồngốc từ năng lượng gió là 19% ở Đan Mạch, 13% ở TâyBa Nha và Bồ Đào Nha, 7% ở Đức và Ireland

Hiện nay, năng lượng gió chủ yếu là chuyểnđổi thành điện năng bằng cách triển khai turbine gió Cónhiều turbine gió với những công suất khác nhau từkhoảng 1kW đến hàng MW Chúng có thể phát điện khitốc độ gió đạt 2,8m/s và tự ngưng phát điện khi tốc độgió vượt quá 25m/s, và hoạt động hiệu quả trong tốc độgió từ 10m/s đến 17m/s Turbine gió được chia thànhhai loại: một loại trục đứng giống như máy bay trựcthăng (vertical axis wind turbines - VAWTs) và mộtloại trục ngang (horizontal axis wind turbines -HAWTs)

Turbine gió trục ngang là loại phổ biến hơn,thường có 2 hay 3 cánh quạt Ngày nay turbine gió trụcngang 3 cánh quạt được sử dụng rộng rãi Turbine gióngang có một trục rôto chính và máy phát điện ở phía

trên tháp, hoạt động theo chiều gió với bề mặt cánh quạthướng về chiều gió đang thổi nhờ một van gió, chúngrất lý tưởng cho những nơi hướng gió thay đổi thườngxuyên Không giống như turbine dọc, turbine gió dạngtrục ngang hoạt động đúng hướng gió, và cánh turbinedao luôn luôn di chuyển vuông góc với gió,năng lượng nhận được thông qua toàn bộ luânchuyển Do khả năng đa chiều, turbine gió trụcngang có thể chuyển đổi thành năng lượng giónhiều hơn cho hiệu quả cao hơn và sản lượngđiện tốt hơn turbine gió trục dọc Hơn nữa, cáccơ sở tháp cao cho phép gió vào mạnh hơn,luồng gió ổn định hơn là gần mặt đất

Hình 1.1 Cấu tạo bộ dẫn động cơ khí của turbine gió trục ngang

Bên cạnh đó, HAWTs có một số nhược điểm như là: Cần phải xây dựng một tháp lớn để lắp đặt hệthống turbine có trọng lượng lớn, hộp số và máy phátđiện, HAWTs cao rất khó để lắp đặt, cần cẩu rất cao vàđắt tiền và cần có kỹ năng vận hành.

 Các tòa tháp cao và cánh turbine lên đến 45mét, dài rất khó để vận chuyển Giao thông vận tải cóthể số tiền đến 20% chi phí thiết bị

 Chiều cao của HAWTs làm ảnh hưởng đếntầm nhìn rộng, phá vỡ cảnh quan và đôi khi tạo ra sựphản đối của địa phương

 HAWTs cần phải có thêm bộ phận lái cáccánh turbine và vỏ động cơ về hướng gió

 Các cánh quay vuông góc với hướng gió gâynên sự mỏi của cơ cấu.

 Để giảm thiểu sự mỏi do nhiễu loạn khôngkhí, turbine gió thường được định vị cách nhau mộtkhoảng bằng 5 lần đường kính rôto, nhưng khoảng cáchphụ thuộc vào nhà sản xuất và mô hình động cơ turbine.

Mặc dù ít phổ biến hơn nhưng turbine gió dạngtrục dọc vẫn luôn được quan tâm và có liên tục có

những thiết kế, mô hình mới Các thiết kế cho turbinegió trục đứng hiện nay có nguồn gốc chủ yếu từ các nhàphát minh mang tính cá nhân VAWTs có rôto trụcchính được bố trí theo chiều dọc, lợi thế chính của sựsắp xếp này là turbine không phải xoay cả hệ thống theophương gió Ưu điểm của VAWTs là máy phát điện vàhộp số của nó có thể được đặt gần mặt đất, làm cho việcbảo trì được dễ dàng hơn và giảm chi phí xây dựng banđầu VAWTs nằm gần mặt đất có thể tận dụng lợi thế ởnhững đỉnh núi bằng phẳng, ngọn đồi, qua kênh gió vàtốc độ gió tăng lên Hơn nữa, VAWTs có thể được xâydựng tại địa điểm mà các cấu trúc cao đều bị cấm.VAWTs có tốc độ gió khởi động thấp hơn HAWTs.Thông thường, chúng bắt đầu tạo ra điện ở tốc độ gió 6mph (2,8m/s)

Chương 2 CÁC VẤN ĐỀ CƠ SỞ

2.1. Cơ sở tính toán lực khí động

2.1.1 Lý thuyết Albert Betz

2.1.2 Mô hình toán lực khí động trên cánh turbine 2.2. Một số dạng kết cấu VAWTs điển hình

quay được 1 góc 900 (lúc này mặt phẳng cánh cóphương tiếp tuyến với quỹ đạo quay).

Vị trí A được gọi là vị trí sinh công sớm củaturbine, vị trí C là vị trí thôi sinh công muộn củaturbine.

nhất Trục turbine tiếp tục quay 1 góc 1000 ,cánh turbine đến vị trí C, cánh quay được 1 góc 900 (lúcnày mặt phẳng cánh có phương tiếp tuyến với quỹ đạoquay).

Vị trí A được gọi là vị trí sinh công sớm củaturbine, vị trí C là vị trí thôi sinh công muộn củaturbine.

Chương 3

ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC MÔ HÌNH VAWTMỚI

3.1 Nguyên lý hoạt động của turbine.3.2 Phân tích lực khí động

3.3 Kết luận chương 3.

Mô hình VAWT mới, hoạt động dựa trên nguyênlý: điều khiển cánh xoay lien tục ½ vòng trong hànhtrình sinh công, đồng thời cố định góc cánh theophương tiếp tuyến với rotor trong hành trình cản chohiệu suất chuyển đổi năng lượng gió/cơ học khá cao so(0,4) với hầu hết các mô hình VAWT cánh cố địnhkhác Trong chương này, luận văn cũng đã tiến hànhtính toán, thiết kế VAWT có công suất 10KW theonguyên lý của mô hình VAWT mới đã đề xuất Trên cơsở đó kiểm nghiệm lại về mặt hiệu suất của mô hìnhVAWT này.

Trong chương tiếp theo, luận văn sẽ trình bàyphần thiết kế cơ cấu điều khiển/dẫn động cánh turbinecho mô hình VAWT đề xuất trên đây, đồng thời thiết kếhệ thống này cho VAWT 10KW đã được tính toán trongchương này.

4.2.2 Tính tỷ số truyền với các cánh ở nửa bên có

răng của bánh răng 1.

4.3 Thiết kế cơ cấu điều khiển - dẫn động cánh hệ thống VAWT 10KW.

4.3.1 Thông số thiết kế các chi tiết trong cơ cấu điềukhiển 05 cánh turbine.

4.4 Mô phỏng nguyên lý hoạt động của hệ thống VAWT mới.

4.5 Kết luận chương 4.

Cơ cấu điều khiển/dẫn động cánh turbine đượcthiết kế đảm bảo khả năng điều khiển góc xoay cánhturbine ½ vòng lien tục trong hành trình sinh công, chophép diện tích hứng gió luôn đảm bảo, đồng thời xíchtruyền động cánh turbine được ngắt trong hành trìnhcản, do vậy cánh turbine được cố định ở vị trí vuônggóc với giá đỡ giúp giảm thiểu công cản trong hành

trình này Toàn bộ vị trí tương quan này đã được môphỏng kiểm chứng Bên cánh đó, kết cấu điều khiển/dẫnđộng cánh turbine sử dụng các cơ cấu bánh răng nên chếtạo và lắp đặt dễ dàng.

KẾT LUẬN

- Với mục tiêu, đề xuất cơ cấu dẫn động/điềukhiển góc cánh turbine gió kiểu trục đứng với 5 cánh,phương hứng gió biến thiên Đảm bảo tính hiệu quả vềmặt kết cấu, nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượnggió/cơ học của hệ thống VAWT Luận văn đã tiến hànhnghiên cứu, phân tích một số kết cấu VAWT có khảnăng điều chỉnh góc hứng gió đã được nghiên cứu trênthế giới, từ đó đề xuất phương án thiết kế của luận văndựa trên một số cải tiến phù hợp Đồng thời cũng trìnhbày những cơ sở lý thuyết về lực khí động phục vụ choviệc tính toán, thiết kế và kiểm nghiệm đặc tính khíđộng học cho hệ thống VAWT đề xuất.

- Đã tiến hành tính toán đặc tính kỹ thuật lực khíđộng cho thiết kế VAWT 10KW nhằm đánh giá tínhhiệu quả về hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió/côngsuất cơ học của mô hình VAWT.

- Đã thiết kế chi tiết hệ thống cơ cấu điềukhiển/dẫn động cánh turbine cho mô hình VAWT đã đềxuất, có khả năng điều chỉnh góc hứng gió các cánhturbine Mô hình này có kết cấu hệ thống điều khiển/dẫnđộng cánh hoàn toàn bằng các cơ cấu cơ khí đơn giản,

đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió/công suất cơcao.

- Mô phỏng nguyên lý hoạt động của cơ cấu nóiriêng và mô hình VAWT mới nói chung.

- Có thể thấy rằng phạm vi cũng như quy mô sử

dụng các trạm phong điện trục đứng còn rất khiêm tốnso với các hệ thống HWATs, chủ yếu các hệ thốngVAWTs được sản xuất và đưa ra thị trường hiện nay làloại cánh turbine cố định, có thể hoạt động bình đẳngvới mọi hướng gió nên có cấu tạo đơn giản, các bộ phậnđều có kích thước không quá lớn nên vận chuyển và lắpráp dễ dàng, độ bền cao, duy tu bảo dưỡng đơn giản.Các nghiên cứu về hệ thống này cũng còn tương đối hạnchế, chủ yếu tập trung theo hướng nghiên cứu động lựchọc cánh turbine nhằm nâng cao hiệu quả mặt hứng gióvà giảm thiểu ảnh hưởng của mặt cản gió cho cánh

turbine Những công bố mới theo hướng nghiên cứu cơcấu điều khiển góc cánh turbine nhằm đạt hiệu quả tối

đa ở hành trình hứng gió và cản tối thiểu ở hành trìnhcản gió Các công bố này chủ yếu mới dừng ở sáng tạovề mặt nguyên lý.

- Tính toán thiết kế cơ cấu dẫn động điều khiển góccánh Turbine cho kết quả tương đối tốt với các loại cánhcó biên dạng không phức tạp, việc lựa chọn sử dụng cơ

cấu này hoàn toàn có thể chấp nhận được Song đối vớihệ thống turbine có biên dạng và góc xoay cánh phứctạp, không theo quy luật nhất định thì còn gặp nhiều khókhăn, đây cũng là một trong những nhược điểm khi sửdụng cơ cấu Với một đề tài nghiên cứu luận văn thạcsỹ, thời gian và kiến thức còn hạn chế trong lĩnh vựcnghiên cứu còn mới này, kết quả của đề tài có thể ứngdụng trong các hệ thống VAWTs có công suất nhỏ vànó sẽ là cơ sở mở ra một hướng nghiên cứu tính toánthiết kế cơ cấu điều khiển góc xoay cánh turbine chohiệu quả cao hơn.