Nghiên cứu, tính toán và thiết kế biên dạng cánh Turbine gió trục đứng cho máy phát điện công suất 3 KW

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ****** LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Ngành: Công nghệ Chế tạo máy NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ BIÊN DẠNG CÁNH TURBINE GIÓ TRỤC ĐỨNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN CÔNG SUẤT 3KW DƢƠNG VĂN ĐỒNG THÁI NGUYÊN - 2010 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ****** LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ BIÊN DẠNG CÁNH TURBINE GIÓ TRỤC ĐỨNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN CÔNG SUẤT 3KW Ngành Mã số Học viên Lớp HDKH : Công nghệ Chế tạo máy : 60.52.04 : Dƣơng Văn Đồng : CHK11 CTM : PGS TS Ngô Nhƣ Khoa THÁI NGUYÊN - 2010 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi Dƣơng Văn Đồng - Học viên cao học lớp K11-Công nghệ chế tạo máy Khóa học 2008 - 2010 trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Sau hai năm học tập, rèn luyện nghiên cứu trƣờng lựa chọn thực đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu, tính toán thiết kế biên dạng cánh turbine gió trục đứng cho máy phát điện công suất 3KW” Đƣợc hƣớng dẫn giúp đỡ tận tình PGS TS Ngô Nhƣ Khoa nỗ lực thân, đề tài đƣợc hoàn thành năm 2010 Tôi cam đoan toàn nội dung kết luận văn tự thân thực hiện, không chép ngƣời khác Nếu sai xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Thái Nguyên, ngày 10 tháng 10 năm 2010 Tác giả Dương Văn Đồng Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập, rèn luyện nghiên cứu trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, tác giả xin đƣợc bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới PGS TS Ngô Nhƣ Khoa ban Công nghệ thông tin Đại học Thái Nguyên tận tình bảo, giúp đỡ tạo điều kiện để thực hoàn thành đề tài luận văn tốt nghiệp Cảm ơn thầy, cô giáo trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên tận tình giảng dạy hai năm học vừa qua Cảm ơn Ban Giám hiệu khoa Khoa học - Trƣờng Cao đẳng Kỹ thuật Công nghiệp (số 202 - Trần Nguyên Hãn - TP Bắc Giang) tạo điều kiện thời gian để thực hoàn thành khóa học Cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp động viên, giúp đỡ thời gian qua để luận văn đƣợc hoàn thành tiến độ Thái Nguyên, ngày 10 tháng 10 năm 2010 Tác giả Dương Văn Đồng Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC Lời cam đoan………………………………………………………… …… Lời cảm ơn………………………………………………………………… Mục lục …………………………………………………………… …… Danh mục hình vẽ…………………………………………… …… Danh mục bảng biểu………………………………………… ……… Danh mục ký hiệu chữ viết tắt…………………………… ………… 10 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài………………………………………… ……… 12 Mục tiêu nhiện vụ luận văn……………………………… …… 13 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu……………………………… …… 14 Phƣơng pháp nghiên cứu……………………………………… .…… 14 Ý nghĩa…………………………………………………………… …… 14 NỘI DUNG CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Năng lƣợng gió………………………………………………… …… 15 1.1.1 Tình hình sử dụng lƣợng gió giới……………… …… 15 1.1.2 Tình hình sử dụng lƣợng gió Việt Nam……………… …… 17 1.2 Các loại máy phong điện……………………………………… …… 19 1.3 Các kiểu dáng hình học cánh turbine gió……………………… …… 21 1.3.1 Kiểu dạng chén…………………………………………… .…… 22 1.3.2 Kiểu savonius……………………………………………… …… 23 1.3.3 Turbine kiểu plates…………………………………………… … 24 1.3.4 Kiểu Darrieus – Rotor H – Rotor………………………… …… 24 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.4 Kết luận chƣơng 1…………………………………………… .…… 25 CHƢƠNG CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ BIÊN DẠNG CÁNH TURBINE GIÓ 2.1 Học thuyết Albert Betz ……………………… .…… 26 2 Đặc điểm cấu tạo nguyên lý hoạt động máy phong điện…………… 28 2.2.1 Máy phong điện trục ngang(HAWT) 28 2.2.2 Máy phong điện trục đứng(VAWTs) 30 2.3 Cánh turbine gió 32 2.3.1 Các thông số cánh turbine 33 2.3.2 Lực tác động lên cánh turbine 32 2.4 Lực tác dụng lên rotor 39 2.4.1 Lực tác dụng lên rotor trục đứng 39 2.4.2 Lực tác dụng lên rotor trục ngang 41 2.4.2.1 Các khái niệm hình học 41 2.4.2.2 Năng suất vận hành phần tử cánh 42 2.4.2.3 Biểu thức tổng quát áp lực, mômen công suất 43 2.5 Một số loại rotor điển hình 44 2.5.1 Rotor Darieus 44 2.5.2 Rotor Savonius 49 2.6 Kết luận chƣơng 50 CHƢƠNG TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH CÁNH TURBINE GIÓ 3.1 Các biên dạng cánh thƣờng dùng 51 3.1.1 Biên dạng cánh NACA 51 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.1.2 Một số biên dạng cánh khác 57 3.2 Mô hình thực nghiệm 59 3.2.1 Các thiết bị thực nghiệm 59 3.2.2 Thực thí nghiệm 61 3.2.2.1 Thí nghiệm thứ : Xác định hệ số cản lực gió qua bề mặt cánh turbine 61 3.2.2.2 Thí nghiệm thứ hai : Xác định góc đặt cánh 63 3.2.2.3 Thí nghiệm thứ ba: Xác định vận tốc góc công suất rotor biên dạng cánh cung tròn 64 3.2.2.4 Thí nghiệm thứ tƣ: Xác định tốc độ vòng quay công suất rotor biên dạng cánh NACA0015 69 3.3 Kết luận chƣơng 73 CHƢƠNG TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÁNH TURBINE GIÓ TRỤC ĐỨNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN CÔNG SUẤT 3KW 4.1 Thiết kế cánh turbine gió biên dạng cung tròn 74 4.2 Thiết kế cánh turbine gió biên dạng NACA0015 82 4.3 Vật liệu chế tạo cánh turbine gió 93 CHƢƠNG KẾT LUẬN CHUNG 5.1 Kết luận văn đạt đựơc 99 5.2 Những kiến nghị nghiên cứu 99 100 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn TÀI LIỆU THAM KHẢO 16 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Biểu đồ phát triển điện từ nguồn gió số nƣớc giới…………………………………………………………………………… Hình 1.2 Biểu đồ sử dụng điện số nƣớc giới……………… 16 Hình 1.3 Máy phong điện trục đứng, trục ngang…………………………… 19 Hình 1.4 Máy phong điện có cánh cánh cách đều…………………… 19 Hình 1.5 Rotor dạng chén…………………………………………………… 22 Hình 1.6 Rotor dạng savonius ………………………………………… 23 Hình 1.7 Rotor dạng plates ………………………………………………… 24 Hình 1.8 Rotor dạng Darrieus – Rotor H – Rotor ……………………… 24 Hình 2.1 Khí động học cánh rotor ………………………………………… 26 Hình 2.2 Máy phong điện ngang…………………………………………… 28 Hình 2.3 Các phận turbine gió trục ngang………………………… 29 Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động máy phong điện trục ngang………… 30 Hình 2.5 Máy phong điện trục đứng………………………………………… 30 Hình 2.6 Cấu tạo turbine gió trục đứng………………………………… 31 Hình 27 Sơ đồ nguyên lý hoạt động turbine gió trục đứng ………………… 32 Hình 2.8 Các thông số cánh turbine……………………………………… 32 Hình 2.9 Sự di chuyển luồng gió vào cánh…………………….…… 34 Hình 2.10 Phân bố áp lực gió mặt mặt dƣới cánh…………… 34 Hình 2.11 Các thành phần lực tác dụng lên cánh turbine……………….… 35 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 2.12 Biểu đồ biến thiên hệ số C Cd …………………….…… 37 Hình 2.13 Biểu diễn hệ số Cl Cd dây cung tiếp tuyến với dây cung………………………………………………………………………… 37 Hình 2.14 Lực tác động lên vị trí cánh………………………………… 39 Hình 2.15 Lực tác động lên vị trí u/v>1…………………………… 40 Hình 2.16 Lực tác động lên vị trí u/v