Nghiên cứu, tính toán, thiết kế và chế tạo mô hình bộ điều tốc turbine gió bằng cách sử dụng hệ bánh răng nón

Luận văn Thc sỹ 4 TịM TẮT Các nghiên cu ngày nay về turbine gió là làm sao điều khiển hiệu qu tốc độ ca turbine khi vận tốc gió thay đổi, đm bo hiệu suất turbine hot động cao nhất. Nhược điểm lớn nhất ca các hệ thống turbine gió hiện ti là khi tốc độ gió thay đổi, thì tốc độ turbine luôn không ổn định. Các nghiên cu ngày nay về turbine gió là làm sao điều khiển hiệu qu tốc độ ca turbine khi vận tốc gió thay đổi. Nội dung luận văn “Nghiên cu, tính toán, thiết kế và chế to mô hình bộ điều tốc turbine gió bằng cách sử dụng hệ bánh răng nón” do thầy PGS.TS Nguyễn Ngọc Phương hướng dẫn, được thực hiện trong thi gian hơn 8 tháng đã hoàn thành. Nội dung luận văn trình bày về một kết cấu bộ điều tốc cánh turbine mới bằng cách dùng hệ bánh răng nón để thực hiện việc xoay cánh turbine với phương pháp thiết kế, chế to và quá trình điều khiển hoàn toàn đơn gin. Sau quá trình tính toán và thiết kế, mô hình thí nghiệm đã được thi công hoàn chỉnh và được thực nghiệm ti khoa Cơ Khí máy trưng Đi học Sư phm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh. Kết qu thí nghiệm cho thấy bộ điều tốc sử dụng hệ bánh răng nón hot động rất hiệu qu, tốc độ turbine được điều khiển linh hot nh hệ thống trục vít bánh vít và động cơ bước. Kết qu ban đầu cho thấy quá trình nghiên cu đã đem li những thành công trong quá trình điều khiển tốc độ turbine gió, đm bo độ ổn định, cân bằng cho toàn bộ hệ thống turbine trong quá trình hot động. ABSTRACT Today, the researches about the wind turbine is how to effectively control the speed of the turbine when the wind speed changes, ensure that the turbines are highest effective performance. This is the biggest weakness of the current wind turbine system. Luận văn Thc sỹ 5 Thesis content "Research, calculate, design and manufacture the model control of wind turbine speed by bevel-gear system " by teacher Dr. Nguyen Ngoc Phuong guide, was completed in the near 8 months. Thesis content consturcted a system control of wind turbine speed by using the bevel-gear system to revolve the turbine blade with manufacturing and control process is straightforward. After the calculation and design, experimental models is completed and experimented at the mechanical Department of Engineering University of Technical Education Ho Chi Minh. Experimental results showed that the turbine operated effectively, flexible, turbine speed is controlled by bevel-gear and stepper motor. The fist results showed that the research brought success in control the wind turbine speed, ensure safeness and balance for the turbine system during operation. Luận văn Thc sỹ 6 MC LC TRANG TA TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Li cam đoan ii Cm t iii Tóm tắt iv Mục lục vi Danh mục hình vẽ ix Danh mục bng xi Danh mục ký hiệu xii CHNG 1: TNG QUAN 13 1.1 Tng quan v lĩnh vc nghiên cu: 13 1.1.1 Lý do chọn đề tài 13 1.1.2 Mục đích ca đề tài nghiên cu 14 1.1.3 Tình hình nghiên cu trong và ngoài nước 15 1.2 Đi tng vƠ phm vi nghiên cu 16 1.3 ụ nghĩa thc tin vƠ ý nghĩa khoa hc ca đ tƠi 16 1.4 Phng pháp nghiên cu 16 CHNG 2: C S Lụ THUYT 17 2.1 Tng quan v năng lng gió 17 2.1.1 Định nghĩa gió và máy phát điện gió 17 2.1.2 Lịch sử phát triển năng lượng gió 18 2.2 Phân loi turbine gió 24 Luận văn Thc sỹ 7 2.2.1 Turbine gió trụ đng 24 2.2.2 Turbine gió trụ ngang 26 2.3 Đng lc hc cánh turbine gió 28 2.3.1 Thuyết động học ca turbine 28 2.3.2 Động lực học cánh turbine gió 30 2.4 Phân tích lc và các yu t hnh hng đn turbine 32 2.4.1 Phân tích lực tác dụng lên cánh turbine 32 2.4.2 Các giá trị nh hưng đến tốc độ trục chính turbine 36 2.4.3 Mi quan h gia góc ti α vƠ C l , C d 39 CHNG 3: TệNH TOÁN, THIT K C KHệ 41 3.1 Thit k cánh turbine 41 3.1.1 Đưng kính cánh turbine 41 3.1.2 Tỷ số tốc độ đỉnh TSR (Tip Speed Ratio) 42 3.1.3 Hiệu suất turbine C p 43 3.1.4 Số lượng cánh turbine 44 3.2 Tính toán, thit k trc turbine 45 3.2.1 Tính toán số vòng quay ca turbine 45 3.2.2 Tính toán thiết kế hộp tốc độ 46 3.2.3 Tính toán đưng kính trục 50 3.2.4 Lựa chọn ổ lăn 52 3.2.5 Chọn động cơ 53 3.2.5.1 Các loi động cơ bước và so sánh với các loi động cơ khác 53 Luận văn Thc sỹ 8 3.2.η.2 Tính toán công suất động cơ 58 3.2.θ Lựa chọn cm biến 60 3.2.7 Thiết kế cơ cấu hãm tốc 62 3.2.8 Thiết kế chân giá đỡ 62 CHNG 4: TệNH TOÁN CHO B ĐIU TC 63 4.1 Tính toán s vòng quay trc chính ng vi s thay đi ca góc ti 63 4.1.1 Mối quan hệ giữa góc nghiêng cánh và góc tới 63 4.1.2 Tính toán số vòng quay trục chính khi góc cánh thay đổi 63 4.2 Mối quan giữa tốc độ trục chính, hệ bánh răng nón, trục vít bánh vít và động cơ 71 CHNG 5: GII THIU MỌ HỊNH VÀ THC NGHIM 73 5.1 Cấu to vƠ nguyên lý hot đng ca b điu tc 73 5.1.1 Giới thiệu 73 5.1.2 Nguyên lý hot động 75 5.2 Kho sát hot động ca bộ điều tốc ng với sự thay đổi tốc độ trục chính 78 5.3 Kt qu thc nghim 82 5.3.1 Ghi nhận kết qu 83 5.3.2 Nhận xét kết qu thực nghiệm 85 KT LUẬN VÀ KIN NGH 88 PH LC 89 K HOCH THC HIN 91 TÀI LIU THAM KHO 92 Luận văn Thc sỹ 9 DANH MC HỊNH HÌNH TRANG Hình 1.1.3 Một dng kết cấu ca hệ thống xoay cánh turbine. 15 Hình 2.1.1 Các dng turbine gió 18 Hình 2.1.2.1 Mô hình cánh gió ti Tung Mỹ, cuối thế kỷ 19 19 Hình 2.1.2.2 Sử dụng cối xay gió để bơm nước trên đo Crete 20 Hình 2.1.2.3 Mô hình cối xay gió xuất hiện sau thế kỷ 13 20 Hình 2.1.2.4 Qut gió cánh thép bơm nước  vùng Trung Tây nước Mỹ (cuối 1800) 21 Hình 2.1.2.5 Máy phát điện sc gió do Charles F.Brush chế to 22 Hình 2.1.2.6 Kiểu turbine gió được phát minh vào năm 19θ0 23 Hình 2.1.2.7 Dng turbine gió hiện đi được sử dụng phổ biến ngày nay 24 Hình 2.2.1 Một dng turbine gió trục đng 27 Hình 2.2.1 Một dng turbine gió trục ngang 29 Hình 2.3.1 Mô hình dòng chy ca không khí qua mặt cắt ngang 31 Hình 2.3.2 Động lực học cánh turbine gió. 33 Hình 2.3.1.1:Phân tích lực tác động lên cánh turbine. 35 Hình 2.3.1.2 Biểu diễn lực trên mặt phẳng cắt ngang ca cánh turbine . 37 Hình 2.3.1.3 Các yếu tố nh hưng đến cánh turbine 38 Hình 2.4.2.1 nh hưng vận tốc đến góc tới 40 Hình 2.4.2.2 Góc tới  tăng làm nh hưng đến hiệu suất làm việc turbine 41 Hình 2.4.2.3 Hình biểu diễn mặt phẳng lực 42 Hình 2.4.3: Mối quan hệ giữa góc tới α và C l , C d. 43 Hình 2.4.3 Đưng kính turbine thiết kế 4η Luận văn Thc sỹ 10 Hình 3.2.2 Biểu đồ biểu diễn mối quan hệ giữa C p và λ 46 Hình 3.2.3 Mối quan hệ giữa số lượng cánh turbine và hiệu suất C p . 47 Hình 3.2.4 Lựa chọn ổ lăn 55 Hình 3.2.5.1 Động cơ bước từ tr. 57 Hình 3.2.5.2 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu. 58 Hình 3.2.5.3 Động cơ bước lai 59 Hình 3.2.5.4 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu 61 Hình 3.2.6 Cm biến từ dùng nhân biết kim loi 65 Hình 4.1 Biểu đồ biểu diễn sự thay đổi tốc độ trục chính ng với vận tốc gió khác nhau khi góc tới thay đổi 72 Hình 4.2 Biểu đồ biểu diễn tốc độ trục chính và góc xoay động cơ bước theo tính toán lý thuyết 73 Hình 5.1.2.1 Cấu to bộ điều tốc 78 Hình 5.1.2.2 Bộ cấp điện cho động cơ bước 80 Hình 5.2.1 Mô hình thí nghiệm 81 Hình 5.2.2 Các thí nghiệm tiến hành 83 Hình 5.3.1 Biểu đồ thực nghiệm biểu diễn mối quan hệ tốc độ trục chính và góc xoay động cơ 86 Hình 5.3.2 Biểu đồ biểu diễn mối quan hệ giữa tốc độ trục chính và góc xoay động cơ bước theo thực nghiệm và theo tính toán lý thuyết. 88 Luận văn Thc sỹ 11 DANH MC BNG BNG TRANG Bng 2.4.3 Giá trị hệ số nâng và hệ số cn tương ng với từng góc 40 Bng 4.1 Bng giá trị diểu diễn mối liên hệ góc tới và góc xoay cánh 59 Bng 4.2.1 Số vòng quay trục chính ng với 0 2  66 Bng 4.2.2 Số vòng quay trục chính ng với 0 4  68 Bng 4.2.3 Số vòng quay trục chính ng với 0 5  68 Bng 4.2.4 Số vòng quay trục chính ng với 0 7  69 Bng 4.2.5 Số vòng quay trục chính ng với 0 10  70 Bng 4.2.6 Số vòng quay trục chính ng với 0 16  70 Bng 4.2.7 Bng tổng hợp tốc độ trục chính ng với các giá trị gía trị góc tới 72 Bng 5.2 Kho sát góc xoay động cơ bước ng với sự thay đổi tốc độ 82 Bng 5.3.1.1 Giá trị góc xoay động cơ bước ng với sự thay đổi tốc độ trục chính 85 Bng 5.3.1.2 Bng giá trị biểu diễn góc xoay động cơ ng với tốc độ trục chính 87 Luận văn Thc sỹ 12 DANH MC Kụ HIU a đi lượng đặc trưng sự thay đổi vận tốc[ ] α góc tới ca dòng không khí [độ] A diện tích hot động cánh turbine [m 2 ]  góc xoay cánh turbine [độ] c chiều dài dây cung cánh [m] φ góc dòng chy [độ] C p hệ số công suất turbine [ ] λ tốc độ dỉnh (vận tốc tip) C l hệ số cn [ ]  hiệu suất turbine [ ] C d hệ số nâng [ ] Ω vận tốc góc [rad/s] D lực cn [N] ρ khối lượng riêng không khí [kg/m 3 ] L lực nâng [N] F lực tác dụng lên turbine [N] m khối lượng dòng chy [kg] n số lượng cánh qut [ ] P công suất turbine [W] q lưu lượng dòng chy [m 3 /s] r bán kính cánh turbine [m] t thi gian [s] T moment sinh ra [Nm] V 0 vận tốc gió [m/s] V rel vận tốc tổng hợp [m/s] Luận văn Thc sỹ 13 CHNG 1 TNG QUAN 1.1 Tng quan v lĩnh vc nghiên cu 1.1.1 Lý do chọn đề tài Ngày nay, năng lượng là một trong những nhu cầu thiết yếu ca con ngưi và là một yếu tố đầu vào không thể thiếu được ca hot động kinh tế. Khi mc sống ca ngưi dân càng cao, trình độ sn xuất ca nền kinh tế ngày càng hiện đi thì nhu cầu về năng lượng cũng ngày càng lớn và việc thỏa mãn nhu cầu này thực sự là một thách thc đối với hầu hết mọi quốc gia. Khi các nguồn năng lượng hoá thch ngày càng bị cn kiệt, nhu cầu sử dụng điện năng ngày một tăng cao, vấn đề môi trưng cần được đm bo thì việc tìm kiếm, khai thác, sử dụng các nguồn năng lượng mới được đặt ra rất cấp thiết. Hiện trên thế giới, việc phát triển điện từ nguồn năng lượng mới đang là một xu thế lớn, đặc biệt nguồn năng lượng gió thể hiện  mc tăng trưng cao nhất so với các nguồn năng lượng khác.  Việt Nam, sự khi sắc ca nền kinh tế từ sau đổi mới làm nhu cầu về điện gia tăng đột biến trong khi năng lực cung ng chưa phát triển kịp thi. Nếu tiếp tục đà này, nguy cơ thiếu điện vẫn sẽ còn là nỗi lo thưng trực ca ngành điện lực Việt Nam cũng như ca các doanh nghiệp và ngưi dân c nước. Do đó, việc đầu tư và xây dựng các nhà máy phát điện là vô cùng cần thiết và cấp bách. Với những thành tựu ca thế giới và tiềm năng ca Việt Nam về năng lượng gió, chúng ta hoàn toàn có thể phát triển nguồn năng lượng này để góp phần vào sự phát triển kinh tế - xã hội ca đất nước. Với những ưu điểm từ năng lượng gió gii quyết được vấn đề cấp bách hiện nay là môi trưng,Việt Nam đang dần xây dựng và m rộng, phát triển nguồn năng lượng [...]... cân bằng toàn bộ hệ thống turbine gây ra những thiệt h i nghiêm trọng Nhận biết được tầm quan trọng c a động cơ phát điện gió, đề tài Nghiên c u, tính toán, thiết kế và chế t o mô hình bộ điều tốc turbine gió bằng cách sử dụng hệ bánh răng nón được thực hiện Với bộ điều tốc này có thể giữ cho tốc độ quay c a turbine ổn định bằng cách xoay cánh để thay đổi diện tích bề mặt h ng gió, giúp cho turbine. .. khiển tốc độ turbine gió cũng đã và đang được nghiên c u rộng rãi Tuy nhiên, vẫn còn nhiều h n chế như bộ điều tốc kém ổn định, phương pháp điều khiển ph c t p 1.2 Đ i t ng vƠ ph m vi nghiên c u: Đối tượng nghiên c u là turbine gió trục ngang Nghiên c u, phân tích động lực học turbine gió trục ngang Tối ưu hóa hệ thống xoay cánh bằng hệ bánh răng nón Thiết kế và chế t o mô hình Thực nghiệm so sánh với tính. .. hiện các bước tính toán và thiết kế ban đầu 14 Luận văn Th c sỹ khi tiến hành chế t o một turbine gió, chế t o thành công mô hình bộ điều tốc cho turbine gió bằng cách sử dụng hệ bánh răng nón để xoay cánh Tiến hành thực nghiệm, thu thập số liệu và so sánh với lý thuyết Xa hơn nữa, nếu quá trình nghiên c u thành công, h a hẹn sẽ đem l i nhiều đóng góp to lớn cho ngành công nghiệp gió, khai thác triệt... d Hình 1.1.3 Các d ng kết cấu c a hệ thống xoay cánh turbine đã được nghiên c u Với phương pháp thiết kế cũ là 3 cánh turbine đều cố định Với kết cấu này, luôn đ m b o hệ thống an toàn về mặt kết cấu nhưng nếu vận tốc gió thay đổi đột ngột về tốc độ, cũng như hướng di chuyển thì hiệu suất turbine sẽ không đ t hiệu qu như mong muốn Hiện nay, d ng thiết kế này ít sử dụng, thư ng sử dụng ch yếu nơi gió. .. hiệu qu kinh tế cao và có thể thay thế những nguồn nhiên liệu trước đây… Hình 2.1.2.7 D ng turbine gió hiện đ i được sử dụng phổ biến ngày nay 24 Luận văn Th c sỹ 2.2 Phơn lo i turbine gió Hiện nay đặc điểm ngư i ta phân turbine gió làm hai lo i cơ b n sau: Turbine gió trục đ ng và turbine gió trục ngang 2.2.1 Turbine gió trục đ ng Hình 2.2.1 Một d ng turbine gió trục đ ng Một turbine gió trong đó trục... nay có hai kiểu turbine phổ biến, đó là lo i trục ngang và lo i trục đ ng, thư ng được thiết kế như [hình 2.2.2] Hình 2.1.1 Các d ng turbine gió 2.1.2 Lịch sử phát triển c a năng lượng gió Lịch sử phát triển c a thế giới loài ngư i đã ch ng kiến những ng dụng c a năng lượng gió vào cuộc sống từ rất sớm Gió giúp quay các cối xay bột, gió giúp các thiết bị bơm nước ho t động và gió thổi vào cánh buồm giúp... tính trên 1giây, lực D tác dụng lên dòng ch y có liên hệ với vận tốc V1 theo công th c P = D.V1 (2.7) Kết hợp (2.η), (2.6), (2.7) ta có vận tốc V1  1 (U  Ve ) 2 (2.8) Khi dòng không khí đi qua một turbine gió, chúng ta có thể xem xét và chia thành ba tốc độ gió tương ng: vận tốc trước khi vào turbine U, vận tốc khi qua turbine V1, vận tốc sau khi ra khỏi turbine Ve và lực c n D Hình 2.3.1.2 Tác dụng. .. c a turbine gió tốc độ khác nhau Đặc điểm nổi bật c a turbine gió trục ngang là tiết diện c a tất c các cánh đều h ng gió tốt, nên có thể đ t tối đa công suất Hiện nay việc xây dựng turbine gió trục ngang đang được sử dụng rộng rãi dựa trên nhiều ưu điểm c a nó.Vì vậy, từ những ưu nhược điểm, mô hình được sử dụng nghiên c u chính là turbine gió lo i trục ngang 2.3 Đ ng l c h c c a cánh turbine gió. .. một kết cấu và phương pháp điều khiển tốc độ turbine gió hoàn toàn mới, tối ưu và kh năng gi i quyết được những khó khăn trước mắt c a một turbine gió, đáp ng linh ho t với sự thay đổi tốc độ c a trục chính, vừa đ m b o sự cân bằng tuyệt đối cho turbine, … Về ý nghĩa thực tiễn: Đề tài mang tính th i sự cao, là vấn đề được quan tâm nhiều th i điểm hiện t i, thiết kế và điều khiển đơn gi n có thể sử dụng. .. này cao hơn nhiều so với mô hình thiết kế từ những năm η00 900 t i Ba Tư Một trong các ng dụng thành công nhất c a năng lượng gió là sử dụng rộng rãi c a máy bơm nước trên hòn đ o Crete đây, hàng trăm cánh buồm, cánh qu t cối xay gió để bơm nước cho cây trồng và vật nuôi 20 Luận văn Th c sỹ Hình 2.1.2.2 Sử dụng cối xay gió để bơm nước trên đ o Crete Hình 2.1.2.3 Mô hình cối xay gió xuất hiện sau thế kỷ . ca turbine khi vận tốc gió thay đổi. Nội dung luận văn Nghiên cu, tính toán, thiết kế và chế to mô hình bộ điều tốc turbine gió bằng cách sử dụng hệ bánh răng nón do thầy PGS.TS Nguyễn. các bước tính toán và thiết kế ban đầu Luận văn Thc sỹ 15 khi tiến hành chế to một turbine gió, chế to thành công mô hình bộ điều tốc cho turbine gió bằng cách sử dụng hệ bánh răng nón để. chế to mô hình bộ điều tốc turbine gió bằng cách sử dụng hệ bánh răng nón được thực hiện. Với bộ điều tốc này có thể giữ cho tốc độ quay ca turbine ổn định bằng cách xoay cánh để thay đổi