Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống turbine gió kiểu trục ngang có công suất trong dải 15 20kw

CÁC KÍ HIỆU SỬ DỤNGKý hiệu Đơn vị đo Tên gọi a’ Hệ số dòng chảy theo phương tiếp tuyến C M Chiều dài dây cung phân tố cánh T C Hệ số lực đẩy theo phương tiếp tuyến roto Cp Hệ số công suấ

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 5

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 13

CÁC KÍ HIỆU SỬ DỤNG 15

LỜI MỞ ĐẦU 19

Chương 1: KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA TUA BIN GIÓ TRỤCNGANG.21 1.1 GIỚI THIỆU VỀ THUYẾT ĐỘNG LƯỢNG PHÂN TỐ CÁNH (BEM)………… 21

1.2 THUYẾT BẢO TOÀN ĐỘNG LƯỢNG……… 21

1.2.1 Lực dọc trục………21

1.2.2 Mô men động lượng vòng……… 22

1.3 THUYẾT PHÂN TỐ CÁNH……… 23

1.3.1 Các giả thiết của thuyết phân tố cánh……… 23

1.3.2 Hệ số tổn thất đầu mũi cánh……… 23

1.3.3 Các phương trình động lượng phân tố cánh………28

1.3.4 Công suất phân tố cánh và hệ sô công suất ………29

1.3.5 Công suất đầu ra……….29

Chương 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁNH TUA BIN GIÓ ……… 31….

2.1 TÍNH TOÁN CÁNH THEO PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU………31

2.1.1 Các thông số đầu vào……… 31

2.1.2 Các bước tính toán……… 31

2.2 TÍNH LẠI CÔNG SUẤT SAU KHI HIỆU CHỈNH CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC37 2.2.1 Các bước tính toán và kết quả……… 37

2.2.2 Sơ đồ khối lập trình tính toán tối ưu:……….38

2.2.3 Một số phương án cánh sau hiệu chỉnh……….41

Chương3 : CÁCH SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN KHÍ ĐỘNG

HỌC CÁNH BẰNG MATLAB……….………… 42

3.1 CỬA SỔ GIAO DIỆN CHÍNH……… 42

3.1.1.Nhập thông tin đầu vào………42

3.1.2 Thông tin động lực học của cánh………43

3.2 CÁC HIỂN THI KẾT QUẢ TÍNH TOÁN CỦA CHƯƠNG TRÌNH……… 45

3.2.1 Quan hệ r/R heo x………45

3.2.2.Quan hệ beta theo x ……….46

3.2.3 Tuyến tính dây cung profin hoặc độ xoắn cánh ……… 46

3.3 CÁC THÔNG TIN 2D VÀ 3D CỦA CÁNH……… 48

3.3.1 Cửu sổ hiện thị xâu cánh 2D trước hiệu chỉnh……… 48

3.3.2 Cửu sổ hiện thị xâu cánh 3D sau hiệu chỉnh……….49

3.3.3.Cửu sổ hiện thị xâu cánh 2D trước hiệu chỉnh……… 49

3.3.4 Cửu sổ hiện thị xâu cánh 3D hiệu chỉnh………50

3.4 HIỂN THI CÁNH 3 D HOÀN CHỈNH………50

3.4.1 Hiển thị cánh 3 D hoàn chỉnh trước hiệu chỉnh………50

3.4.2 Hiển thị cánh 3 D hoàn chỉnh sau hiệu chỉnh………51

Chương4: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HƯỚNG TUA BIN GIÓ VÀ MỘT SỐ CHI TIẾT QUAN TRỌNG……… 52

4.1 TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC HỆ DẪN ĐỘNG………52

4.2 TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ TRỤC HỆ DẪN ĐỘNG XOAY TUA BIN 52

4.3 THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN TRỤC VÍT BÁNH VÍT………52

4.3.1 Chọn vật liệu……….52

4.3.2 Xác định ứng suất cho phép của bánh vít……… 52

4.3.3 Xác định sơ bộ khoảng cách trục………52

4.3.4 Xác định ứng suất cho phép của bánh vít……….52

4.3.5 Xác định lại khoảng cách trục………52

5.3.6 Xác định các thông số động học……….53

4.3.7 Kiểm nghiệm răng bánh vít………58

4.3.8 Một vài thông số của bộ truyền……… 59

4.4 CHỌN Ổ LĂN ……… 61

4.5 TÍNH TOÁN TRỤC……….61

4.5.1 Chọn vật liệu chế tạo trục……… 61

4.5.2 Xác định sơ bộ đường kính trục……….62

4.5.3 Xác định lực……….62

4.5.4 Vẽ biểu đồ mômen………63

4.5.5 Xác định đường kính các trục……… 63

4.5.6 Kiểm nghiệm cho trục……….65

4.6 MỘT VÀI HÌNH ẢNH VỀ KẾT QUẢ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUA BIN: ……….68

Chương 5 NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN NAM CHÂM VĨNH CỬU……… 70

5.1 CỞ SỞ LÝ THUYẾT ĐỘNG LỰC HỌC VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ TRỤC NGANG………70

5.1.1 Cơ sở lý thuyết khí động học (aerodynamic) và quá trình chuyển hóa từ cơ năng của gió thành điện năng……… 71

5.1.2 Thông số cơ bản của turbine cho cơ sở tính toán thiết kế máy phát điện……… 75

5.1.3 Phân loại máy phát điện gió……… 77

5.1.4 Cơ sở của việc lựa chọn máy phát phong điện nam châm vĩnh cửu cho đề tài………80

5.2 MÔ HÌNH TÍNH TOÁN VÀ THUẬT TOÁN THIẾT KẾ TỐI ƯU MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ……….80

5.2.1 Mô hình toán học của máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu………81

5.2.2 Tối ưu máy phát điện gió bằng thuật toán gen tiến hóa ( genetic algorithm) NSGA-II……… 98

5.3 KẾT LUẬN……… 114

Chương 6: BỘ BIẾN ĐỔI CỦA TURBINE GIÓ TRỤC NGANG SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐÔNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU (PMSG)……… 115

6.1 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN.[21];[22];[23]……….115

6.2 CHIẾN LƯỢC ĐIỀU KHIỂN BỘ CL.[24];[25]………116

6.3 THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƯU TÍCH CỰC.[26];[27]………118

6.3.1 Xây dựng mô hình toán học của chỉnh lưu tích cực……… 120

6.3.2 Tính toán mạch lực………124

6.4 TÍNH TOÁN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP BA PHA.[28];[29];[30]……….126

6.5 MÔ HÌNH HÓA VÀ TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU CHỈNH.[30];[31] 137

6.5.1 Mô hình hóa tín hiệu lớn một pha……….137

6.6 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU CHỈNH DÒNG ĐIỆN……….137

6.7 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP………141

6.8 SƠ ĐỒ TỔNG HỢP HỆ THỐNG BỘ BIẾN ĐỔI AC-AC THIẾT KẾ……….149

6.9 KẾT LUẬN ……….156

Chương 7: NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN, ĐO LƯỜNG, XỬ LÝ HƯỚNG GIÓ ĐỂ ĐỊNH HƯỚNG TUA BIN THEO HƯỚNG GIÓ 158

7.1.TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ ĐO VẬN TỐC VÀ HƯỚNG GIÓ……… 158

7.1.1.Đo vận tốc gió………158

7.1.2.Thiết bị đo hướng gió……… 160

7.1.3.Thiết bị đo hướng gió……… 161

7.2.THIẾT KẾ BỘ TIẾP NHẬN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO LƯỜNG…………

163 7.2.1 Sơ đồ nguyên lý bộ thu thập và xử lý tín hiệu vận tốc gió………… 163

7.2.2 Sơ đồ mạch bộ thu thập và xử lý dữ liệu gió……….163

7.2.3 Phần mềm thu thập xử lý dữ liệu gió……….168

7.2.4 Một số kết quả đo đạc vận tốc gió……… 171

7.3 BÔ ĐIỀU KHIỂN QUAY BỆ TUA BIN……… 172

7.3.1 Mạch động lực cho cơ cấu quay bệ tuabin gió……….173

7 3.2 Sơ đồ mạch điều khiển quay bệ……….175

7.3.3 Nguyên lý điều khiển……… 177

7.4 KẾT LUẬN……… 180

Chương 8: KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM TUA BIN MÔ HÌNH TẠI PHÒNG THÍ NGHIỆM VÀ TUA BIN THỰC TẠI HIỆN TRƯỜNG………181

8.1 THỬ NGHIỆM TUA BIN MÔ HÌNH TẠI PHÒNG THÍ NGHIỆM……… 181

8.2 CÁC NỘI DUNG THÍ NGHIỆM VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM TUA BIN MÔ HÌNH………182

8.2.1 Các nội dung thí nghiệm……….182

8 2.2 Thiêt bị thí nghiêm……….186

8.3 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ………189

8.3.1 Kết quả thí nghiệm……… 189

8.3.2 Đánh giá kết quả……….193

8.4 THỬ NGHIỆM TUA BIN ĐIỆN GIÓ TẠI HIỆN TRƯỜNG…………194

8.4.1 Mô tả lắp đặt tua bin……….194

8.4.2 Quá trình thí nghiệm và kết quả thí nghiệm……….200

III.KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC……… 202

IV TÌNH HÌNH ĐĂNG KÝ SỞ HỮU KIỂU DÁNG CÔNG NGHIỆP 219

V TÁC ĐỘNG ĐỐI VỚI KINH TẾ VÀ MÔI TRƯỜNG………219

VI KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ………220

TÀI LIỆU THAM KHẢO………230

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

1 Hình 1 1: Ống dòng dọc theo trục quanh tua bin gió 21

3 Hình1 3: Minh họa chi tiết ống dòng vành khăn quay 24

5 Hình1.5 Sơ đồ phân tích động lực học phân tố cánh 25

7 Hình 1.7: Đồ thị hệ số lực nâng, lực cản cho NACA 0012 27

8 Hình 1.8: Mối quan hệ giữa hệ số dòng dọc trục, trạng thái dòng

và lực đẩy của một rô to

30

9 Hình 2 1: Đồ quan hê Cp và tỉ số vận tốc đầu mũi cánh và loại tua

bin

31

11 Hình 2 3: Đồ thị sự phụ thuộc CL vào góc tấn của Naca 4412 33

12 Hình 2 4: Đồ thị sự phụ thuộc của CD vào góc tấn của Naca 4412 33

13 Hình 2 5: Đồ thị sự phụ thuộc của CL/CD vào góc tấn của Naca

4412

34

14 Hình 2 6 : Chia cánh theo phương pháp phân tố 34

15 Hình 2.7: Sơ đồ tính toán lại công suất sau khi hiệu chỉnh c 39

16 Hình 2 8: Đồ thị c/R theo tỉ số bán kính x trước và sau khi hiệu

chỉnh

40

30 Hình 3 0: Cánh 3D hoàn chỉnh trước hiệu chỉnh 51

31 Hình 3.0: Cánh 3D hoàn chỉnh sau hiệu chỉnh 51

34 Hình 4.3 bản vẽ xác định các kích thước bao của trục tua bin 64

35 Hình 4.4 Bản vẽ 3 D cánh của phương án lựa chọn 68

36 Hình 4.5 Kết quả mô phỏng công suất theo số vòng quay ứng với

vận tốc gió không đổi

69

37 Hình 4.6 Bản vẽ lăp tua bin gió của đề tài 69

thống của đề tà

71

của turbine

73

43 Hình 5.6: Điểm công suất cực đại (MPPT) 75

vận hành động

77

nam châm điện : a, Cấu trúc máy phát khi nhìn theo phương

ngang b, Phần hoạt động của máy phát

78

48

Hình 5.11 : Cấu trúc một dạng máy phát phong điện từ trở : a,

Cấu trúc máy phát khi nhìn theo phương ngang b, Cấu trúc máy

phát nhìn theo phương dọc

79

49

Hình 5.12 : Cấu trúc một dạng máy phát phong điện nam châm

vĩnh cửu từ thông ngang trục : a, Cấu trúc máy phát khi nhìn theo

phương ngang b, Cấu trúc máy phát nhìn theo phương dọc

79

50

Hình 5.13 : Cấu trúc một dạng máy phát phong điện nam châm

vĩnh cửu từ thông dọc trục : a, Cấu trúc máy phát khi nhìn theo

phương ngang b, Cấu trúc máy phát nhìn theo phương dọc

không khí stator- rotor của máy phát

84

53

62 Hình 5.25: Kết quả tối ưu : phân bố Pareto của công suất – khối

lượng máy phát

105

trường trong máy phát

108

lưu trong Matlab/simulink

109

của máy phát khi đã giản trừ các tổn thất

112

73 Hình 6.2 Chiến lược điều khiển bộ chỉnh lưu 117

75 Hình 6.4: Cấu trúc chỉnh lưu tích cực đơn giản 120

76 Hình 6.5: a) Đồ thị pha ở chế độ bình thường b) Đồ thị pha khi c)

Đồ thị pha khi

120

77 Hình 6.6: Sơ đồ mạch tương đương 1 pha khi ghép nối với lưới 122

78 Hình 6.7: Mối quan hệ giữa các hệ trục tọa đô 122

79 Hình 6.8: Mô hình chỉnh lưu tích cực trên hệ tọa độ d – q 124

80 Hình 6.9 Sơ đồ cấu trúc nghịch lưu áp ba pha bốn dây 126

83 Hình 6.12 Mạch Snubber bảo vệ van IGBT 136

84 Hình 6.13 Cảm biến Hall đo dòng ACS756 – 100B 137

87 Hình 6.16 Biểu đồ Bode đối tượng mạch vòng dòng điện 144

88 Hình 6.17 Biểu đồ Bode đối tượng mạch vòng điện áp 148

97 Hình 7.2 Sơ đồ cấu tạo máy đo gió kiểu chén 159

99 Hình 7.4 Các thành phần cơ khí của thiết bị đo gió 161

100 Hình 7.5 Cảm biến tiệm cận dùng để đo xoắn dây 162

101 Hình 7.6 Nguyên lý tín hiệu đo số vòng xoắn dây cáp 162

102 Hình 7.7 Sơ đồ khối đo lường vận tốc gió 163

105 Hình 7.10 Sơ đồ nhận tín hiệu cảm biến đo hướng gió 164

106 Hình 7.11 Sơ đồ nhận tín hiệu cảm biến đo vận tốc gió 165

107 Hình 7.12 Sơ đồ nguyên lý mạch truyền thông RS485 166

108 Hình 7.13 Sơ đồ bố trí linh kiện trên phần mềm Orcad 167

109 Hình 7.14 Kết quả sản phẩm bộ thu thập, xử lý dữ liệu gió. 167

110 Hình7.15.một số thông tin đo gió tại hiện trường lắp đặt TB thử

nghiệm

171

111 Hình 7.16 Sơ đồ nguyên lý cơ cấu quay bệ tuabin gió 172

112 Hình 7.17 Nguyên lý chung hệ thống điều khiển tuabin gió 173

113 Hình 1.18 Sơ đồ mạch động lực điều khiển quay bệ tuabin gi 173

115 Hình 7.20 Sơ đồ kết nối mô đun thẻ nhớ, mô đun màn hình LCD 176

116 Hình 7.21 Bộ điều khiển quay bệ tuabin gió 176

118 Hình 7.23 Đặc tính công suất phát theo hướng gió 178

119 Hình 8.1 ảnh ba mẫu cánh tua bin mô hình 183

120 Hình 8.2 toàn bộ số cánh tua bin mô hình đã chế tạo của đề tài 184

133 Hình 8.6 lắp đặt TB tại thiết diện thử nghiệm trong ống khí động 187

134 Hình 8.7 Căn chỉnh tua bin tại thiết diện thí nghiệm 188

135 Hình 8.8 lắp đặt hoàn chỉnh tua bin trong ống khí động 188

136 Hình 8.9 Biểu diễn qua hệ P=f(Vgió) của ba mẫu cánh TB mô hình 192

137 Hình 8.10 Tua bin chuẩn bị lắp đặt lên bệ đỡ tua bin 195

138 Hình 8.11sơ đồ kết nối các thiết bị của hệ thống TB và hình ảnh

TB

198

139 Hình 8.12 sơ đồ nối dây giữa các thiết bị của tổ hợp tua bin 199

140 Hình 8.13 thể hiện một trích đoạn thông tin trong thẻ nhớ 200

141 Hình 8.14 Đồ thị quan hệ công suất của tua bin theo tốc độ gió 201

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

1 Bảng 2 1: Bảng giá trị cung cánh c, góc tới ϕ và góc đặt cánh 36

2 Bảng 2.2 Các thông só hình học của 3 phương án cánh 41

3 Bảng 4 1: Bảng tổng kết các thông số của bộ truyền 604

Bảng 5 1: Thông số cơ bản của turbine trong đề tài

14 Bảng 6.2 Thông số cơ bản của tụ B43720 134

15 Bảng 6.3 Các thông số cơ bản của ACS756 – 100B 137

16 Bảng 7.1 Quan hệ góc quay theo vận tốc gió 180

17 Bảng 8-1 Kết quả đo mẫu cánh số 1: 189

18 Bảng 8-2 kết quả đo mẫu cánh số 2: 190

19 Bảng 8-3 kết quả đo mẫu cánh số 3: 191

20 Bảng 8.4 Kết quả đo đạc công suất theo tốc độ gió tại hiện

trường

200

CÁC KÍ HIỆU SỬ DỤNG

Ký hiệu Đơn vị đo Tên gọi

a’ Hệ số dòng chảy theo phương tiếp tuyến

C M Chiều dài dây cung phân tố cánh

T

C Hệ số lực đẩy theo phương tiếp tuyến roto

Cp Hệ số công suất của roto tua bin

Pg kW Công suất của dòng gió

Pt kW Công suất của tua bin gió

ρ Kg/m3 Khối lương riêng của không khí

W m/s Vận tốc của dòng tương đối

Fx Newton Lực theo phương dọc trục

Fθ Newton Lực theo phương tiếp tuyến

U V Giá trị điện áp hiệu dụng

I A Giá trị dòng điện hiệu dụng

Q VAr Công suất phản kháng

r s m Bán kính trong của stator

g m Khe hở không khí stator-rotor

l r m Chiều dài của máy phát

w s m Độ rộng của một rãnh stator

w T m Độ rộng của răng stator

d s m Chiều sâu của rãnh stator

Mật độ dòng điện trong rãnh stator

N spp Số rãnh trên một cực máy phát trong một pha

Ωcs rad/s Tốc độ góc tại điểm làm việc cơ sở

ob

b

λ Wm -1 K -1 Suất dẫn nhiệt đồng của dây cuốn

λ Wm -1 K -1 Suất dẫn nhiệt của vỏ máy phát

M stator kg Khối lượng stator

M rotor kg Khối lượng rotor

M mayphat kg Khối lượng máy phát

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thời đại kinh tế thị trường hiện nay, với những đòi hỏi rất cao vềnăng lượng điện cho nền sản xuất Nhu cầu sử dụng năng lượng điện cũng nhưcác nguồn năng lượng khác trên cả nước là vô cùng lớn Đất nước đang trênđường phát triển, công nghiệp hóa, hiện đại hóa ở khắp mọi nơi Trong khi đó,tình trạng thiếu hụt năng lượng vẫn thường xuyên diễn ra, đặc biệt vào nhữngngày mùa, những ngày, giờ cao điểm đã gây rất nhiều trở ngại trong sinh hoạtcũng như trong phát triển sản xuất Giải quyết vấn đề này, nhiều nhà khoa học đãđưa ra các giải pháp để bổ sung thêm nguồn năng lượng điện cho nước ta như:xây dựng các nhà máy thủy điện, nhiệt điện, điện nguyên tử, Nhưng trên thực tếcho thấy rằng thủy điện đang có nguy cơ giảm năng suất vì các dòng sông chínhnhư sông Hồng, sông Cửu Long, đang dần cạn do phía Trung Quốc xây dựngcác đập thủy điện ngăn dòng chảy ở thượng nguồn Nhiệt điện thì cần đến nhiềucác nguồn tài nguyên hóa thạch và việc đốt tạo ra các khí thải làm ô nhiễm môitrường Điện nguyên tử cần vốn đầu tư vô cùng lớn, và đỏi hỏi có nền khoa họchiện đại cao, bên cạnh đó nguy cơ xảy ra nhiễm phóng xạ cao, nguy hiểm đếntính mạng con người Nước ta có đường bờ biển dài hàng ngàn ki lô mét, hàngnăm nhận nhiều đợt gió thổi vào đất liền, rất thuận lợi cho việc phát triển nănglượng điện từ gió Mặt khác, năng lượng gió là một nguồn năng lượng sạch, khaithác nó không làm ảnh hưởng đến khí hậu và môi trường Một ưu điểm nữa đó làkhông bao giờ cạn kiệt nguồn năng lượng này Tua bin gió hay còn gọi là động cơgió là một loại thiết bị lấy năng lượng từ gió để chuyển hóa thành năng lượngđiện bằng cách lợi dụng sức gió làm quay tua bin, qua bộ truyền làm quay máyphát điện từ đó sinh ra dòng điện Trên cơ sở nhiều ưu điểm như vậy mà động cơgió được sử dụng rất nhiều trên thế giới như ở Hà Lan, Anh, Mỹ, Đức,TrungQuốc và ở điều kiện nước ta rất thuận lợi cho việc phát triển loại thiết bị nàyphục vụ cho nhu cầu sử dụng điện để phát triển nền kinh tế quốc dân

Trong xu thế phát triển, cơ cấu kinh tế của đất nước đã có nhiều sự thayđổi, công nghiệp và dịch vụ đang phát triển từng ngày thì năng lượng trở thànhmột vấn đề cấp bách Năng lượng từ dầu đang giảm dần, theo ước tính trữ lượngdầu sẽ hết sau khoảng 100 năm Do đó phải tìm một nguồn năng lượng mới nhất

là một nguồn năng lượng tái tạo Trong các nguồn năng lượng tái tạo cho đến naychỉ có thủy điện là đáng kể Trong những nguồn còn lại thì ở nước ta tiềm năngđiện mặt trời và điện gió là rất lớn Hiện giá điện mặt trời còn khác đắt Tiềmnăng lớn nhất có khả năng đó là điện gió

Trong chiến lược phát triển năng lượng của chính phủ, theo thông tin của

bộ Công thương về năng lượng tái tạo của Việt Nam, dự kiến nguồn năng lượngnày sẽ tăng 15% Việt Nam đang có kế hoạch phát triển và thay thế các nguồnnăng lượng hóa thạch vào những năm 2015 - 2025

Điện gió hay còn gọi là năng lượng gió và năng lượng mặt trời dự kiến sẽchiếm một nửa nguồn năng lượng tái tạo đó

Nhiều dự án điện gió đã và đang được tiến hành xây dựng trong cả nước.Các dự án điện gió như: Nhà máy điện gió nằm ở xã Bình Thạnh, Huyện TuyPhong, Tỉnh Bình Thuận, có tổng công suất lắp đặt là 120 MW hiện mới lắp đạtđược 20 tổ công suất 30MW Công trình điện gió đảo Phú Quý với 3 tổ tua bincông suất 6MW Một công trình đang được xây dựng khá nhanh đó là nhà máyđiện gió Bạc Liêu có 62 tổ với công suất 99,2MW do công ty cổ phần điện gióCông Lý là chủ đầu tư hiên đã lắp đặt được 15 tua bin dự kiến cuối 2015 sẽ lắpđặt xong Công trình Phương Mai tại Quy Nhơn công suất 50MW Tại Lâm Đồnghai đề án nhà máy điện gió công suất 150MW và 80 MW đang được tích cựctriển khai Tại Lạng Sơn, Côn Đảo, Bà Rịa Vũng Tàu cũng đang có những dự ánđiện gió…Tổng số dự án đăng ký xây dưng lên đến 68 dự án đạt công suất gần6GW Nhưng phần lớn mới chỉ dừng trên đăng ký con đang trông chờ hỗ trợchính sách của chính phủ

Tiềm năng năng lượng gió tại Việt Nam là rất cao nhưng với trình độ côngnghệ và vật liệu ở nước ta hiện nay thì việc thiết kế chế tạo các tua bin gió cócông suất cao còn gặp nhiều khó khăn, các cơ sở nghiên cứu trong nước chưa cóđội ngũ cán bộ nghiên cứu chuyên ngành đủ mạnh… chúng ta chưa thể chế tạotua bin gió có công suất lớn

Việc nghiên cứu các loại tua bin gió công suất nhỏ và vừa để dần dần làmchủ công nghệ chế tạo là rất cần thiết đối với một nước có tới gần trăm triệu dân

và nền kinh tế đang trên đà phát triển mạnh là hết sức cần thiết Từ những lý do

đó chúng tôi đã xây dựng đề tài: “ Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống turbinegió kiểu trục ngang có công suất trong dải 15-20kW” và đã được Bộ khoa họccông nghệ ký hợp đồng nghiên cứu khoa học giao trường đại học Bách khoa HàNội làm đơn vị chủ trì Nghiên cứu này là một phần của quá trình tự lực trongnghiên cứu thiết kế và chế tạo các tua bin nhỏ phục vụ phát triển kinh tế đất nước.Dưới đây giới thiệu những cơ sở khoa học của việc tính toán thiết kế cũng nhưcác kết quả đạt được của việc nghiên cứu, tính toán và chế tạo tua bin gió kiểutrục ngang công suất nhỏ phù hợp với tiềm năng gió của Việt Nam

Chương 1 KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA TUA BIN GIÓ TRỤC NGANG

1.1 GIỚI THIỆU VỀ THUYẾT ĐỘNG LƯỢNG PHÂN TỐ CÁNH (BEM)

Lý thuyết động lượng phân tố cánh là sự kết hợp của hai phương pháp,phương pháp bảo toàn biến thiên động lượng và phương pháp phân tố để khảo sáthoạt động của một tua bin gió Phương pháp thứ nhất sử dụng sự bảo toàn độnglượng trong một ống dòng chảy bao cánh tua bin Phương pháp thứ hai khảo sátcác lực nâng và lực cản được hình thành trên cánh nhờ sự xem xét cánh đượchình thành bởi nhiều phân tố cánh Trên mỗi phân tố cánh chịu tác động của lựcnâng và lực cản phân tố cánh Hai phương pháp này cho chúng ta một hệ thốngcác phương trình để tính toán cánh [1, 4]

1.2 THUYẾT BẢO TOÀN ĐỘNG LƯỢNG

Giả thiết p 1= p4 và V 2= V3 Chúng ta có thể giả thiết rằng giữa 1 và 2 và giữa 3 và 4, dòng không có ma sát; Áp dụng phương trình Bernoulli:

( 2 2)

1 2

p −p = ρ V −V

(1.1) Lực sinh ra trong vùng thay đổi áp suất:

V

−

=

(1.3)Hoặc:

1.2.2 Mô men động lượng vòng:

Động lượng vòng được thể hiện trong Hình 1 2; vận tốc góc của phân tố

1.3 THUYẾT PHÂN TỐ CÁNH

1.3.1 Các giả thiết của thuyết phân tố cánh:

Thuyết phân tố cánh dựa trên 2 giả thiết chính:

+ Không có sự tương tác khí động học giữa các phân tố cánh với nhau

+ Lực trên các phân tố cánh được xác định chỉ bao gồm duy nhất lực nâng và lực cản

Hình 1.3: Minh họa chi tiết ống dòng vành khăn quay

Hình 1.4 Phân tố cánh

Hình1.5 Sơ đồ phân tích động lực học phân tố cánh

Cánh được chia ra thành N phân tố (Hình 1 3, 1 4), mỗi phân tố cánh sẽ

quay trong mỗi vùng ống dòng khác nhau, với các tốc độ quay (Ωr) khác nhau,chiều dài cung cánh (c) khác nhau và mỗi góc đặt cánh (β ) khác nhau Chia ra

càng nhiều phân tố thì khi tính toán và thiết kế sẽ có độ chính xác cánh càng cao(thường là 10 đến 20 phân tố) Tính toán trên từng phân tố sau đó lấy tổng tíchphân sẽ có được thông tin cần biết của toàn bộ cánh

Hình 1 6: Dòng gió tương tác với cánh

a Dòng tương đối:

Hệ số lực nâng và lực cản theo góc đặt cánh là có sẵn cho mỗi loại profin.Dòng vào cánh bắt đầu từ vị trí 2 và kết thúc ở vị trí 3 Ở đầu vào, để cho cánhkhông quay, ở mũi vành khăn có tốc độ quay là ω, nên ở vị trí trung bình vànhkhăn sẽ có tốc độ quay là ω / 2 Cánh quay với tốc độ là Ω Vận tốc tiếp tuyến

trung bình của cánh là

1 2

Giá trị của ϕ thay đổi dọc theo cánh gọi là góc xoắn cánh, hay theo từng

phân tố, tỉ tốc đầu mũi cánh tại mỗi phân tố được xác định:

r

r V

λ =Ω

(1.15)

Hay

(1 ) tan

(1 ')

r

a a

ϕ λ

−

= + (1.16)

Vận tốc tương đối:

(1 ) sin

Hình 1.7: Đồ thị hệ số lực nâng, lực cản cho NACA 0012

Tại góc 140 hệ số lực nâng C L là lớn nhất, tỉ số C L/CD là lớn nhất, nếu số

cánh là Z, kết hợp phương trình (1.19) và (1.20) ta có:

2

2

1 ( cos sin ) 2

1 ( sin cos ) 2

Mô men của một phân tố:

2 1 ( sin cos )

(1 )

cos sin sin

(1 )

sin cos sin

σ π

Z R r r

1.3.3 Các phương trình động lượng phân tố cánh

Chúng ta có được bốn phương trình từ hai thuyết trên, từ thuyết bảo toànđộng lượng ta có được hai phương trình đó là phương trình lực đẩy dọc trục vàphương trình mô men:

2 1

(1 )

cos sin sin

(1 )

sin cos sin

1.3.4 Công suất phân tố cánh và hệ sô công suất:

Công suất trên mỗi vành khuyên:

h

R

r p

gio

dT P

1.3.5 Công suất đầu ra

Hoạt động của tua bin gió đo được gần đúng với kết quả tính theo thuyếtBEM ở giá trị hệ số dòng dọc trục thấp, nhưng theo thuyết bảo toàn động lượng,điều này không còn đúng khi hệ số dòng dọc trục lớn hơn 0.5 Trong thực tế, hệ

số dòng dọc trục tăng trên 0.5, các dạng dòng qua tua bin gió cũng trở nên phứctạp hơn so với dự đoán của thuyết báo toàn động lượng tổng quát

Hệ số lực đẩy C T đặc trưng cho các trạng thái dòng khác nhau (Hình 2 7) của roto

theo công thức:

(1/ 2) 2 2

x T

F C

ρ π

=

(1.30) Trong một vùng dòng chảy rối, có một phương trình thể hiện mối quan hệ của

Hình 1.8: Mối quan hệ giữa hệ số dòng dọc trục, trạng thái dòng và lực đẩy của

một roto

Đây cũng là hạn chế của phương pháp chỉ dùng phương pháp bảo toàn biếnthiên động lượng để tính toán thiết kế tua bing gió Với các công thức có được từthuyết bảo toàn động lượng chỉ đúng khi hệ số dọc trục nhỏ hơn 0,5

Trường hợp của chúng ta hệ số dọc trục lớn hơn 0,5 do đó việc sử dụng các côngthức bảo toàn biến thiên động lượng chỉ giúp ta sơ bộ xác định các kích thướcchính tua bin Để có được kết quả gần đúng trước khi xác định chính xác chúng

ta phải dựa vào thuyết động học phân tố cánh Sau đỏ dùng mô phỏng và thínghiệm trên mô hình để xác định chính xác hình học của cánh Thực tế cho thấy

có thể điều chỉnh đến 25% chiều dài cánh nhờ thay đổi bề rộng cánh góc đặtcánh

Chương 2

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁNH TUA BIN GIÓ

2.1 TÍNH TOÁN CÁNH THEO PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU

2.1.1 Các thông số đầu vào

- Vận tốc gió : V= 6 (m/s)

- Công suất : P= 15 (kW)

- Số cánh : Z= 3

- Khối lượng riêng của khí : ρ = 1,225 (kg/m3)

- Tỉ tốc đầu mũi cánh : λ= 8 (Hình 2.1: Với số cánh là 3, hệ số công suất trongkhoảng 0.4 ÷ 0.5) Các số liệu λ chọn theo loại tua bin trục ngang 3 cánh.

Hình 2.1: Đồ quan hê Cp và tỉ số vận tốc đầu mũi cánh và loại tua bin

2.1.2 Các bước tính toán

Lự chọn Profin NACA 4412 (Hình 2.2) cho các mặt cắt dọc theo chiều dài

cánh Sau nay ta sẽ thay đổi profin tại vùng chân cánh để đảm bảo điều kiện bền Thông thường người ta sử dụng profin NACA để nghiên cứu đặc tính khíđộng học vì nó có rất nhiều giá trị thuận lợi của số Re, góc tấn, chiều dài dâycung, hệ số lực nâng và lực đẩy, tỉ lệ trượt, hệ số áp suất

Hình 2.2: Cách biểu diễn profin cánh

Với profin NACA 4 số: Định nghĩa với 4 số tự nhiên

+ Số thứ nhất chỉ độ vồng lớn nhất so với 1/100 dây cung

+ Số thứ hai chỉ độ vồng lớn nhất so với 1/10 dây cung

+ Hai số cuối chỉ độ dày lớn nhất tính theo phần trăm dây cung

Ở đây ta chọn profin NACA 4412 để nghiên cứu tính toán cho cánh tua bin

do profin NACA 4412 tạo lực nâng tốt và có tâm áp gần tâm khí động đảm bảo

độ ổn định

Với mỗi một profin, ta có được một đồ thị mối quan hệ của C L theo α , C D

theo α và hệ số γ = C L/CD theo α

Ở đây tính cho NACA 4412, nên ta có các đồ thị như sau:

+ Sự thay đổi của hệ số lực nâng C L theo góc tấn (Hình 2 3)

+ Sự thay đổi của hệ số lực cản C D theo góc tấn (Hình 2.4)

+ Sự thay đổi của tỉ số lực nâng trên lực cản C L/CD theo góc tấn (Hình 2.5)

Hình 2.3: Đồ thị sự phụ thuộc CL vào góc tấn của Naca 4412

Hình 2.4: Đồ thị sự phụ thuộc của CD vào góc tấn của Naca 4412

Hình 2.5: Đồ thị sự phụ thuộc của CL/CD vào góc tấn của Naca 4412

Từ 3 đồ thị trên, ta có thể xác định được góc tấn tối ưu (góc tấn mà tại đó hệ số

γ là lớn nhất) Ta có α =5o Khi đã xác định được góc tấn tối ưu ta sẽ xác định

được hệ số lực nâng và lực cản tại vị trí góc tấn tối ưu là: C L = 1,006; C D=0,00995

Chia cánh ra thành 19 phân đoạn (Hình 2 6) với bán kính đặc trưng cho một phân tố cánh được lấy tại điểm giữa của mỗi phân đoạn Tại mặt cắt thứ i,

/

i i

x =r R

Hình 2.6: Chia cánh theo phương pháp phân tố

Khi đó ta có được tỉ tốc tại mỗi mặt cắt được xác định như sau:

,

i

r i

r R

đầu cánh lớn hơn áp suất ở mặt trên của đầu cánh gây ra tổn thất, nên ta có F là

hệ số tổn thất đầu mũi cánh được xác định theo công thức:

,

( /2) 1 ( / ) ( / )sin 1

2 cos

i

i opt i

r R i

Ta có kết quả tính toán cánh theo góc tới tối ưu (Bảng 2 1)

Bảng 2 2: Bảng giá trị cung cánh c, góc tới ϕ và góc đặt cánh β

ST

T

Tỉ sốbán

Góc

ϕ (độ) β (độ)

được công suất thiết kế, ta cần phải tăng bán kính cánh R lên cho đến khi nào đạt

công suất thiết kế

Thông số đầu vào:

+ Số cánh: Z= 3

+ Tỉ tốc đầu mũi cánh: λ= 8

+ Khối lượng riêng của không khí: ρ = 1,225 (kg/m3)

+ Vận tốc gió: V= 6 (m/s)

+ Bán kính cánh: R= 6,218 (m) (Lấy từ kết quả tính tối ưu).

Khởi tạo giá trị ban đầu cho các hệ số dòng a, a’;

Từ đó ta tính được góc tới theo công thức:

Góc tấn:

α ϕ β = − , trong đó lấy từ kết quả tính tối ưu

Tìm C L , C D bằng phương pháp nội suy:

2

8

sin cos sin

Sau đó tính công suất:

Hình 3.7 Mô tả sơ đồ khối cho tính toán lại công suất sau khi hiệu chỉnh cánh theo c

Quá trình tính toán được thực hiện theo vòng lặp trên cơ sở so sánh giá trịcần quan tâm với một sai lệch cho phép nào đó

Trên cơ sở tính toán ta sẽ nhận được hệ sô hấp thụ năng lượng Cp của hệthống cánh đạt giá trị tối ưu trước khi đi tính toán công suất của tổ hợp tua bin Ta

có thể xác định lượng công suất hấp thụ bởi hệ thống cánh của tua bin Trên cơ sở

đó ta có thể điều chỉnh các thông số hình học vừa đảm bảo công suất cần truyềnvừa đảm bảo điều kiện công nghệ chế tạo Cần chú ý đến điều kiên công nghệ chếtạo cánh của Việt Nam

2.2.2 Sơ đồ khối lập trình tính toán tối ưu:

Hình 2 7: Sơ đồ tính toán lại công suất sau khi hiệu chỉnh c

Hình 2 8 Cho ta thấy đồ thị quan hệ giữa cung cánh c/R và tỉ số bán kính x

Hình 2 8: Đồ thị c/R theo tỉ số bán kính x trước và sau khi hiệu chỉnh

Lực tác dụng theo phương tiếp tuyến và phương vuông góc lên phân tố cánhphụ thuộc vào nhiều yêu tố như tỷ lệ thuận với hệ sô lực nâng và hệ số lực cản tỷ

lệ thuật với chiều dài dây cung phân tố xem xét cũng như phân đoạn theo bánkính dr Độ xoắn cánh… Ta thực hiên thay đổi các yêu tố đó sao cho vẫn đảmbảo đồng dạng và đảm bảo tổng lực theo phương tiếp tuyến trước và sau khi hiệuchỉnh là không đổi Thực ra là ta quan tâm đến tích số giữa mô men và số vòngquay không đổi Điều đó đảm bảo công suất không đổi Sau khi thực hiện hiệuchỉnh dây cung cánh c và góc đặt cánh thường làm cho cánh dài ra Trong trườnghợp của chúng ta cánh bị dài ra hiện công nghệ chế tạo cánh của ta chưa đảm bảo

do đó ta phải hiệu chỉnh đa thông số để có được bán kính cánh mong muốn đảm