THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH TURBIN GIÓ TRỤC ĐỨNG CÔNG SUẤT NHỎ TỰ ĐỘNG HÓA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ CHẾ TẠO MƠ HÌNH TURBIN GIĨ TRỤC ĐỨNG CƠNG SUẤT NHỎ TỰ ĐỘNG HĨA Họ tên sinh viên: LÊ QUỐC CẢNH Ngành: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Niên khóa: 2007 – 2011 Tháng 06 năm 2011 THIẾT KẾ CHẾ TẠO MƠ HÌNH TURBIN GIĨ TRỤC ĐỨNG CƠNG SUẤT NHỎ TỰ ĐỘNG HĨA Tác giả LÊ QUỐC CẢNH Khóa luận đệ trình để đáp ứng yêu cầu cấp kỹ sư ngành ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Giáo viên hướng dẫn: TS DƯƠNG MINH TÂM (Khu Công Nghệ Cao TP.HCM) Tháng 06 năm 2011 i LỜI CẢM TẠ Trước tiên, xin cảm ơn cha mẹ, người thân gia đình sinh ra, ni dưỡng, động viên u thương suốt thời gian qua Gia đình chỗ dựa vững giúp suốt năm học trường Sau đó, em xin gởi lời cảm ơn đến quý thầy cô Trường Đại Học Nơng Lâm TP Hồ Chí Minh, đặc biệt tồn thể thầy Khoa Cơ Khí – Cơng Nghệ tận tình dạy dỗ truyền đạt cho em kiến thức cần thiết suốt năm theo học trường Em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy TS Dương Minh Tâm Giám Đốc Trung Tâm Nghiên Cứu Triển Khai Khu Công Nghệ Cao TP HCM trực tiếp giúp đỡ, hướng dẫn em suốt trình thực đề tài Cuối cùng, xin cảm ơn tập thể bạn lớp DH07TD nói riêng bạn nói chung động viên, giúp đỡ suốt năm học vừa qua thời gian thực khóa luận Em xin chân thành cảm ơn! TP HCM, tháng 06 năm 2011 Sinh viên thực LÊ QUỐC CẢNH ii TÓM TẮT Hiện tượng nóng lên trái đất vấn đề giới quan tâm nay, bên cạnh vấn đề lượng nhiều quốc gia quan tâm, Việt Nam quốc gia phát triển cần nguồn lượng khổng lồ để thúc đẩy q trình cơng nghiệp hóa, đại hóa đất nước Một vấn đề đặt phải tìm nguồn lượng thay nguồn lượng khác dần cạn kiệt mà lại thân thiện với mơi trường Ngồi lượng mặt trời,năng lượng gió lượng thiên nhiên mà lồi người trọng đến cho nhu cầu lượng giới tương lai Để biến động gió thành điện người ta dùng máy phát điện sử dụng turbin gió.Hiện ,trên giới sử dụng hai loại turbin gió cho máy phát :turbin trục ngang turbin gió trục đứng.Tuy nhiên,hệ thống sử dụng turbin gió trục ngang có nhược điểm:cấu taọ kết cấu công kềnh cánh quạt lắp cố định với trục quay nên không điều khiển công suất phát điện cho tải … Hệ thống sử dụng turbin gió trục đứng hướng nghiên cứu khắc phục số nhược điểm hệ thống trục ngang kết cấu nhỏ gọn,điều khiển cơng suất cho tải cách độc lập.Vì vậy, đề tài chọn là: ”Thiết kế mơ hình turbin gió trục đứng với cơng suất nhỏ tự động hóa” Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực TS DƯƠNG MINH TÂM LÊ QUỐC CẢNH iii MỤC LỤC Trang Trang tựa i Lời cảm ơn ii Tóm Tắt iii Mục lục iv Danh sách hình vii Danh sách bảng ix Chương I :MỞ ĐẦU 1  1.1.  Đặt vấn đề 1  1.2 Mục đích giới hạn đề tài 2  1.2.1 Mục đích 2  1.2.2 Giới hạn đề tài 2  Chương II :TỔNG QUAN 3  2.1 Tìm hiểu nguồn lượng gió 3  2.1.1    Sự phát triển nguồn lượng gió giới 5  2.1.2 : Tiềm phát triển nguồn lượng gió lãnh thồ Việt Nam 6  2.2 : Tìm hiểu Máy phát điện gió 8  2.2.1 : Đôi nét lịch sử nghiên cứu máy phát điện sức gió 8  2.2.1.1: Lịch sử phát triển máy phát điện chạy sức gió 8  2.2.1.2 : Đặc điểm chung máy phát điện sức gió 11     Cấu tạo turbin gió 11  2.2.1.3: Những lợi ích sử dụng lượng gió để phát điện 14  a.Những thuận lợi 14  b Những khó khăn 14  2.2.2 : Thiết bị biến đổi lượng gió thành Điện 15  2.2.2.1 : Turbin gió 15  2.2.2.1.1 Tính tốn lượng gió hấp thụ turbin gió 16  2.2.2.1.2 : Một số Turbin gió trục đứng có thị trường: 18  iv 2.2.2.1.3 : Ưu,nhược điểm turbin gió trục đứng so vói turbin gió trục ngang 20  2.2.2.1.4 :Khí động lực học turbin gió 20  a) Động lực học cánh quạt turbin 20 b) Động lực học rotor 23 2.2.2.2 : Máy Phát điện turbin gió 25  a.  Khái niệm máy phát điện: 26  b.  Cấu tạo máy phát điện: 26  c.  Phần loại máy phát điện: 26  d.  Nguyên lí làm việc 27  e.  vật liệu chế tạo máy phát điện 29  f.  Vật liệu dẫn điện 29  g.  Vật liệu dẫn từ 30  h.  Vật liệu cách điện 30  2.2.3 :Phương pháp điều khiển turbin gió 30  2.2.4 :Các phương pháp lưu trữ sữ dụng phong điện 37  Chương III : Nội Dung Và Phương Pháp,Phương Tiện Nghiên Cứu Error! Bookmark not defined.  3.1 : Địa điểm Thời gian nghiên cứu đề tài 42  3.2 : Phương Pháp thực đề tài 43  3.3 : Phương tiện thực đề tài 43  Chương 4: Kết Quả Và Thảo Luận Error! Bookmark not defined.  4.1 : Thiết kế mơ hình 44  4.2 : Khảo sát tính tốn thơng số kỹ thuật máy phát điện gắn vào turbin gió: 53  4.3 : Thực phần khí: 56  a Phần turbin: 56  b.Phần cánh tay nối cánh turbin trục rotor: 56  c.Phần trục rotor : 57  d Phần đở turbin: 57  4.4 : Lắp Ráp ,Kiểm tra ,Hiệu Chỉnh Và Hồn Thiện Mơ Hình 58  4.4.1 Kiểm tra thiết bị 58  4.4.2 Hiệu chỉnh thiết bị 58  4.5 Khảo nghệm lấy kết thảo luận 58  4.5.1 Quy trình khảo nghiệm 58  v 4.5.2 Kết 60  Chương : Kết luận kiện nghị 61  5.1 :Kết luận 61  5.2 :Kiến nghị 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC vi DANH SÁCH CÁC HÌNH Trang Hình 2.1 Sự hình thành lương gió Hình 2.2 Pin mặt trời Hình 2.3 Turbin gió Hình 2.4 Tổng cơng suất lắp đặt điện gió tồn cầu thực tế dự báo 1997-2010 Hình 2.5 Bản đồ Việt Nam Hinh 2.6 Bản đồ tài nguyên gió lãnh thổ Việt Nam Hình 2.7 Mơ hình cánh gió Trung Mỹ cuối thể kỷ 19 Hình 2.8 Mơ hình cơi xây gió xuất sau thể kỷ 13 .9 Hình 2.9 Chiếc máy bơm nước chạy sức gió ,phía Tây nước mỹ năm 1800 Hình 2.10 Máy phát điện sức gió Chales F.Brush chế tạo 10 Hình 2.11 Máy phát Gedser cơng suất 200kW 10 Hình 2.12 Cấu tạo bên máy phát điện gió trục ngang 11 Hình 2.13 Sơ đồ turbin gió trục đứng .13 Hình 2.14 Tại nạn va chạm vào turbin gió 15 Hình 2.15 Đường cong biểu diển quan hệ giửa Cp 17 Hình 2.16 Các dạng turbin gió trục đứng 18 Hình 2.17 Một số turbin gió trục đứng có thị trường .19 Hình 2.18 Đường cong biểu diển Kp 21 Hình 2.19 Các lực tác dụng lên cánh gió 22 Hình 2.20 Lực tác động gió lên cánh 24 Hình 2.21 Máy phát điện dùng turbin gió 25 Hình 2.22 Máy phát điện 26 Hình 2.23 Cấu tạo máy phát điện 26 vii Hình 2.24 Nguyên lý phát điện 27 Hinh 2.25 Đường sức từ nam châm 28 Hình 2.26 Mật đồ từ thông xuyên qua nam châm .28 Hình 2.27 Sơ đồ máy phát điện thực tế .29 Hình 2.28 Sơ đồ cấu trục điều khiển hệ thống 31 Hình 2.29 Turbin gió trục đứng cánh .32 Hình 2.30 Phân tích động lực học cánh turbin gió 32 Hình 2.31 Góc điều khiển cánh turbin gió 10 vị trí khác 34 Hình 2.32 Sơ đồ lưu trử phong điện sử dụng bình acquy 36 Hình 2.33 Sơ đồ tích lũy phong điện cách hòa vào lười điện quốc gia 38 Hình 2.34 Một vài trang trại gió trục đứng 38 Hình 4.1 Mơ hình chọn thiết kế 41 Hình 4.2 Biều thị quan hệ Cp .45 Hình 4.3 Ổ bi 50 Hình 4.4 Máy phát điện sử dụng turbin gió trục đứng thị trường 52 Hình 4.5 Cánh turbin 53 Hình 4.6 Cánh tay đở turbin .53 Hình 4.7 Sơ đồ lắp turbin 54 Hình 4.8 Hình ảnh kết nối cánh quạt turbin vào cánh tay trục rotor .54 Hình 4.9 Mơ hình thiết kế turbin gió trục đứng 55 Hình 4.10.Sơ đồ bố trí khảo nghiệm 57 viii DANH SÁCH CÁC BẢNG Trang Bảng Góc cánh điều khiển cánh turbin .34 Bảng Cấp gió theo vận tốc theo thang Beaufort miêu tả tình trạng 46 Bảng Tính thơng số mơ hình theo vận tốc 47 Bảng Đặc trưng học cốt thép 48 Bảng Thông số kỷ thuật máy phát điện có thị trường 51 Bảng 6: Bảng khảo nghiệm số vòng quay turbin ………………………………… 56 ix Nhóm CI chế tạo từ thép cacbon CT3 Nhóm CII chế tạo từ thép cacbon CT5 thép hợp kim thấp 10 C, 18 C Nhóm CIII từ mác 25 2C, 35 C Nhóm CIV từ mác 80C, 20 CT  Ứng suất cho phép thép CT3 :[ ] = Từ số tay sức bền vật liệu, ta lấy: hệ số an toàn chảy xoắn: nch =  Góc xoắn tỷ đối cho phép (độ/chiều dài): [ = 0/m   Mô dun đan hồi trượt G = 8.105 kG/cm2   Xác định đường kính theo điều kiện bền cứng: Từ điều kiện bền: Trong đó: Wp:momen chống xoắn độc cực mặt cắt ngang tròn Từ điều kiện cứng : Từ số tay sức bền vật liệu ta có: độ/m Hệ số B 1/4 1/2 3/4 1,5 2,5 0,733 0,619 0,557 0,520 0,470 0,435 0,413 0,396 0,368 Dựa vào bảng ta chọn B= 0,435  Từ điều kiện bền cứng ta chọn đường kính trục rotor d = cm = 30 mm 52  Tính tốn lựa chọn ổ lăn :  Hình 4.3 : Ổ lăn Do trục rotor có đường kính d=30mm, chịu lực tác dụng lớn Fmax = 264,696N Nên ta chọn ổ lăn có kích thước tiêu chuẩn sau: Đường kính trong: d = 30 mm Đường kính ngồi: D = 70 mm Bề rộng: B = 15 mm Khả chịu tải trọng động: C = 7800N Khả chịu tải trọng tĩnh: C0 = 3750N Khi bôi trơn dầu vận tốc: v = 20.000 vòng/phút Khi bơi trơn mở vận tốc: v = 19.000 vòng/phút 4.2 : Khảo sát tính tốn thơng số kỹ thuật máy phát điện gắn vào turbin gió: Dựa vào bảng tính tốn thơng số turbin gió cơng suất điện thiết kế 100W Ta chọn: tốc độ trung bình gió V=10 m/s cơng suất điện nhận khoảng 100W với tốc độ quay 50 vòng/phút; tốc độ gió V = 20 m/s cơng suất điện nhận khoảng 900W với tốc độ quay 100 vòng/phút Dựa vào ta chọn,máy phát điện đạt với thơng số sau: - Số vòng quay : lớn 100 vòng/phút  - Cơng suất máy phát điện : 900 W trở lên  -  Hiệu suất :80 %    53  Một số mẫu máy phát điện có thị trường nay:  Bảng 5: Thông số kỷ thuật máy phát điện có thị trường Các thơng số kỷ thuật Xuất xứ Công suất định mức (kW) Tốc độ quay (rpm) Điện áp định mức (V) Cường độ dòng điện định mức (A) Shanghai, China (Mainlan d) 0,3 700 AC 39 - Rất thấp 82 4,78 Shanghai, China BGP 1000-136 (Mainlan d 450 AC 136 - Rất thấp 91 13,9 FFL5kW/100rpm/ DC230V 100 DC 230 21,74 6,5 88 220 200 DC 115/2 40 26,09/ 25,5 2,87 85 90 Loại BGP0300-039 FFL3kW/200rpm/ DC115-240V China China Momen khởi đông (< N.m) Hiệu suất (> %) Trọng lượng (Kg) Tham khảo thơng số máy phát điện có thị trường chọn máy phát: FFL-3kW/200rpm/DC115-240V (có thể thêm hộp số với tỉ số truyền 1:2 để tăng tốc 100 vòng/phút 200 vòng/phút) 54  Hình ảnh số máy phát điện sử dụng turbin gió trục đứng có thị trường: Hình 4.4 : Máy phát điện sử dụng turbin gió trục đứng thị trường 55 4.3 : Thực phần khí: a Phần turbin:  Phần cánh turbin:  Vật liệu chế tạo thép mỏng, cánh có kích thước dài L=1,2m=1200mm, chiều dài dây cung cánh C = 0,3 m = 30 mm Hình 4.5 : Cánh turbin b.Phần cánh tay nối cánh turbin trục rotor: Vật liệu chế tạo thép chử V, dài 500mm Hình 4.6:cánh tay turbin 56 c Phần trục rotor : Vật liệu chế tạo thép CT3, trục có đường kính d=30mm, dài l = 2000mm Trên trục có gắn ổ bi với thông số chọn lặp ráp theo sơ đồ lắp sau: Hình 4.7: Sơ đồ lắp turbin d Phần kết nối cánh quạt vào cánh tay turbin : Hình 4.8 : Hình ảnh kết nối cánh quạt vào trục turbin 57 4.4 : Lắp ráp, kiểm tra, hiệu Chỉnh hồn thiện mơ hình 4.4.1 Kiểm tra thiết bị  Phần khí Khi chế tạo xong tiến hành sơn phết, lắp ráp hoàn chỉnh tiến hành lắp cánh lên trục rotor thử nghiệm 4.4.2 Hiệu chỉnh thiết bị Về phần mơ hình đơn giản nên sau lắp thiết bị hoạt động tốt Phương pháp: Sau lắp cánh vào trục rotor, sử dùng quạt công nghiệp để tạo gió làm quay turbin Ta tiến hành điều chỉnh góc cánh để đạt tốc độ quay tốt Ngày hiệu chỉnh: – 06 – 2011 Thời gian bắt đầu hiệu chỉnh: 14:30:00 Địa điểm: Trung Tâm nghiên cứu Triển Khai Khu Công Nghệ Cao Người hiệu chỉnh: Lê quốc Cảnh 4.5 Khảo nghệm lấy kết thảo luận 4.5.1 Quy trình khảo nghiệm  Cánh lắp lên trục rotor, sau lắp cánh lên trục rotor ta tiến hành điều chỉnh góc cánh xác định  Ta tiến hành điều chỉnh tốc độ gió thông qua quạt làm mát công nhiệp xác định tốc độ quay turbin, sử dùng máy đo gió windmaster2 để xác định tốc độ gió  Quy trình khảo nghiệm kết thúc xác định số vòng quay turbin gió phút với giá trị tốc độ gió khác mà quát làm mát điều chỉnh 58  Sơ đồ bố trí khảo nghiệm : Hình 4.9 : Sơ đồ bố trí thí nghiệm Bảng : Bảng khảo nghiệm số vòng quay turbin gió điều kiện khơng tải với vị trí góc cánh khác : Góc cánh turbin(00) 00 600 1200 Số vòng quay Số lần khảo sát Tốc độ gió (m/s) 2,1 3,5 12 4,8 17 5,5 22 2,5 3,5 14 3,8 15 5,2 19 6,3 23 2,3 3,5 16 18 4.8 22 6,6 27 59 turbin(vòng/phút) 4.5.2 Kết Hình 4.10 : Mơ hình thiết kế turbin gió trục đứng Kết chế tạo mơ hình: Đã hồn thiện mơ hình turbin gió trục đứng, mơ hình cồng kềnh cao 2m, đường kính 1m Từ kết khảo nghiệm rút turbin gió thu gió tốt góc cánh 1200 60 Chương Kết luận kiến nghị 5.1 :Kết luận Sau thời gian thực đề tài luận văn thực nôi dung sau: - Tìm hiểu nguồn lượng gió, tiềm phát triển nguồn lượng gió lãnh thổ Việt Nam - Tìm hiểu lịch sử phát triển nguồn lượng gió máy phát điện chạy sức gió - Phân tích khí động lực học cánh gió tuabin gió xác định góc cánh điều khiển - Trong luận văn đưa phương pháp để điều khiển cánh gió tuabin trục đứng nhằm nâng cao hiệu suất chuyển đổi lượng gió ổn định tốc độ quay tuabin theo yêu cầu chưa tiến hành thực vào mơ hình - Đưa phương pháp lưu trử sử dụng phong điện - Thiết kế chế tạo mơ hình turbin gió trục đứng với cơng suất 100W + Cánh turbin :bao gồm cánh dài 1m2, rộng 0,3m + Phần trục rotor : dài 2m, đường kính mm + Tính tốn lựa chọn vòng bi gắn vào trục rotor + Tính tốn lựa chọn máy phát điện gắn vào turbin chưa mua làm vào mơ hình + Phần đở trục rotor 61 5.2 :Kiến nghị Việc phát triển nguồn lượng gió nước ta vấn đề tương đối mẻ, việc nghiên cứu nhiều hạn chế Để biến đổi lượng gió thành điện đạt hiệu cao việc sử dụng tuabin gió với điều khiển hợp lý quan trọng Ta sử dụng điều khiển điều khiển cánh gió tuabin trục đứng nhằm nâng cao hiệu suất chuyển đổi lượng gió ổn định tốc độ quay tuabin theo u cầu Ngồi ta nghiên cứu điều khiển cánh gió tuabin gắn với điều khiển công suất máy phát cho phù hợp với yêu cầu phụ tải Mặt khác, ta nên thiết kế hình dạng cánh turbin tối ưu khí động lực để đạt thu lượng tốt 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO A.Tiếng việt [1] Luận văn Thạc sỹ kỷ thuật ngành Tự động hóa “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI ĐỂ ĐIỀU KHIỂN CÁNH GIÓ TUABIN TRỤC ĐỨNG” tác giả NGUYỄN VĂN HUỲNH Luận văn tốt nghiệp Đại Học “MƠ PHỎNG KHÍ ĐỘNG HỌC VÀ ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA CÁNH TURBINE GIÓ” tác giả Huỳnh Cẩm Hào Trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh Luận văn tốt nghiệp Đại Học “CHẾ TẠO THIẾT BỊ VÀ XÂY DỰNG QUY TRÌNH KHẢO NGIỆM ĐỘ BỀN UỐN CÁNH TURBIN GIĨ” tác giả ĐẶNG CƠNG LÝ Trường Đại Học Nơng Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh Luận văn tốt nghiệp Đại Học “XÂY DỰNG QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ GIA CÔNG CHế TẠO CỤM ROTOR TRONG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ TRÊN MÁY CNC” tác giả Trường Đại Học Nơng Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh Bài giảng “VẬT LIỆU KIM LOẠI” Trường Đại Học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh Nguyễn Hồng Phong – Giáo trình sức bền vật liệu – Trường Đại Học Nơng Lâm TP.HCM Bài giảng “CƠ SỞ KỶ THUẬT ĐIỆN” Trường Đại Học Nông Lâm TP.HCM Nguyễn Văn May (2005), “BƠM, QUẠT, MÁY NÉN”, Nxb Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Đỗ Hữu Toàn – Sức bền vật tập – Trường Đại Học Nông Lâm TP HCM 10 Đỗ Hữu Toàn – Sức bền vật tập – Trường Đại Học Nông Lâm TP HCM 11 ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TURBINE GIÓ BẰNG CÁCH SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ BƯỚC ĐỂ XOAY CÁNH CONTROLLING THE SPEED OF WIND TURBINE BY USING SPEED CHANGEABLE ENGINE (STEP ENGINE) TO REVOLVE THE WINGS tác giả NGUYỄN VĂN YẾN Đại học Đà Nẵng ;PHẠM PHONG Học viên cao học khoá 2004-2007 B.Tiếng Anh Wind Turbine-Designed by Dave Mussell [2] Development and Analysis of a Novel Vertical Axis Wind Turbine - Paul Cooper and Oliver Kennedy - School of Mechanical, Materials and Mechatronic Engineering University of Wollongong, Wollongong, Email:pcooper@uow.edu.au C Website www.google.com.vn www.tailieu.vn www.dientuvietnam.net www.wikipedia.com www.thuvienbaigiangdientu.com.vn www.kilobooks.com www.diendanhangkhong.com www.diendanhethongdien24/7.com www Vertical axis wind generator.com NSW 2522, AUSTRALIA, Phụ lục Phụ lục 1: Một số hình ảnh đạt mơ hình turbin đạt thực đề tài: Hình 5.1 :Cánh turbin Hình 5.2 : Trục rotor Hình 5.3 : Mơ hình turbin Phụ lục 2: Một số hình ảnh bố trí khảo nghiệm mơ hình: Hình 5.4 : Bố trí khảo sát Hình 5.5 : Máy đo tốc độ gió (Windmaster2) ... Rayleigh phân bố Weibull Phân bố Rayleigh dựa tốc độ gió trung bình phân phối Weibull suy từ tốc độ gió trung bình độ lệch chuẩn xác hơn, nhiên cần phải biết thêm số thơng tin vùng Phân bố Rayleigh... máy bơm nước chạy sức gió, phía Tây nước Mỹ năm 1800 Năm 1888, Charles F Brush chế tạo máy phát điện chạy sức gió đầu tiên, đặt Cleveland, Ohio Nó có đặc điểm: * Cánh ghép thành xuyến tròn, đường... Weibull có sai số tiêu chuẩn 0,523 lần tốc độ gió trung bình Vì phân bố Rayleigh sử dụng mơ đơn giản Xác suất Phân bố Rayleigh xác định: Trong : : tốc độ gió(m/s), : tốc độ gió trung bình (m/s)