- Điện áp pha: Để quấn và lồng dây được thuận lợi, chọn sơ đồ nối dây hình tam giác.
Uf = Ud = 18V
- Dòng điện với cos =0,95 chọn sơ bộ theo kiểu máy Id = = = 10,1 A
If = = 5,85 A Công suất tính toán
P’ = Ke * Pđm = 1,07*0,3 = 0,321 Chọn sơ bộ bước răng
T = 0,6cm
Bước cực của máy; ở đây chọn số rãnh của một pha dưới một cực q =1 = tmq = 0,6*3*1 = 1,8
Đường kính ngoài của Stator: Ds = = = 18,3 Chiều dài lỏi thép
=
bước cực = 0,92 đường cong từ trường Ks = 1,1 ọn hệ số quấn dây kd = 1
mật độ từ thông khe hở không khí = 0,4t tải đường A = 272A/cm
ta có = 2,215 cm có = 3 cm
2.1.2. Dây quấn, rảnh Stator và khe hở không khí
Số rãnh stator
Z1 = mp1q1 = 3*16*1 = 48
Số thanh dẫn tác dụng trên một rãnh: Ur = = 46,4
Chọn mạch nhánh song song a=1 Số vòng dây nối tiếp của 1 pha : W1 = = 835.
Tiết diện đường dây quấn sơ bộ chọn mật độ dòng điện J = 1,2A/mm2. Từ đó ta tính được tiết diện cần thiết:
Từ thông khe hở không khí: = = 10,4*10-5 Mật độ từ thông khe hở không khí
= = 0,62 T Kích thước rãnh: S = 24,89mm2 Bề rộng răng Stator = –d1 = -2 = 11,57 = – d2 = 10,14 = = 10,98 - Chọn khe hở không khí = 0,9mm
Chọn chiều cao gông Stator: hgi= 20mm2
2.1.3. Kích thước Rotor
Rotor là phần nằm phía ngoài, lắp trực tiếp với hệ thống tuabin gió. Các kích thước tính toán dưới đây đảm bảo cho phần điện từ của máy điện.
Bề rộng mặt cực từ : với m = 0,92 ta có Bm = m = 0,92* 1,8 = 1,656 cm
Đường kính trong của rotor:
Dtr= Ds + 2 = 183+2*0,9 = 184,8 mm.
Đường kính lắp nam châm; trong đề tài này tôi chọn thanh nam châm có bề dày 5mm.
D’tr = Dtr + 2Inc= 184,8+2*5 = 194,8 mm
Đường kính ngoài lõi sắt rotor : chọn bề dày vỏ máy (đồng thời là mặt dẫn từ ) là 7mm
Hình 2.1: Stator máy phát
2.1.3.Tính toán mạch từ
- Hệ số khe hở không khí : vật liệu được dùng để chế tạo lõi thép Stator là thép kỹ thuật điện loại 2211.
= v = 0,517 = 1,049 = 1 = = 1,049 từ động khe hở không khí = 1,6 = 604,2A
Mật độ từ thông răng Stator: BzI= 0,559T
Hzl = 1,09 A/cm, hzl = 20,67mm Fzl =2Hzl hzl = 4,5A
- Hệ số bảo hòa : Kz = = 1,007
- Chiều dài phần đấu nối dây quấn sơ bộ: với dây quấn bước đủ Y = = = 1,5 Ta có = = =3,175 cm Kdn = 0,3 ; p =1 Rảnh Stator Lổ luồn dây kết nối pin năng lượng
Ldn= kdn + 2p = 0,3*3,175+2 = 2,95 - Chiều dài trung bình nửa vòng dây quấn: - Ltb = L1 + Ldn = 4 + 2,95 =6,95 cm
- Chiều dài dây quấn một pha:
L1 = 2 Ltb10-2 w1 = 2*835*6,95*10-2=116,06m - Điện trở tác dụng của dây quấn Stator
R1 = 0,35
= R1 = 0,35* = 0,113
- Hệ số từ dẫn tạp Stator: = 0 (hệ số này lấy tương đối tương đương máy đồng bộ cực tròn do ghép liền nam châm vĩnh cửu)
- Hệ số từ tản phần đầu nối:
=0,34 (Ldn – 0.64 ) = 0,34 ( 2,95 – 0,64*1*1,8) = 0,226
- Lựa chọn nam châm vĩnh cửu: Loại nam châm N38, xem thông số theo bảng 4.1 dưới đây:
Hình 2.2: Rotor máy phát
Bảng 2.1: Tham số nam châm N38 của Công ty NINBO (Trung Quốc)
-Đây là loại nam châm thông dụng với giá thành khá hợp lý. Cũng có thể sử dụng các loại nam châm khác có chất lượng cao hơn (tra cứu thông qua Website: http://www.magnet-china.com)
- Kích thước nam châm vĩnh cửu: Để tạo ra từ thông khe hở không khí theo yêu cầu của máy, kích thước tối thiểu của một miếng nam châm phải là:
+ Chiều dài Inc = = 20mm
+ Bề rộng cung : = 0,92* 180= 165,6 mm + Bề dày : b= 6mm
2.1.4. Tổng kết các số liệu thiết kế
Thông số của máy phát như sau:
Số cực: 16 cực
Dây điện quấn theo kiểu: 3 pha
Kiểu đấu dây: Tam giác
Cốt của trục đứng: 35mm
Điện áp phát trên pha: 18V
Công xuất định mức: 300W
Dòng điện: 10,1 A
Chương 3: THIẾT KẾ CÁNH QUẠT 3.1. Tính toán xác định góc cánh điều khiển của tuabin gió trục đứng.
Trong thời gian thực nghiệm nguyên cứu và chế tạo dạng cánh cho đề tài Tác giả có thiết kế chế tạo hai dạng cánh Dạng cánh Giromill và Dạng cánh Lenz2 để tiến hành thực nghiệm.
3.1.1. Dạng cánh Giromill
Tuabin gió trong luận văn nghiên cứu là tuabin trục đứng gồm 1 0 cánh có biên dạng phẳng hình chữ nhật
Để xác định góc cánh điều khiển ta đi phân tích động lực học của cánh gió tuabin ở một vị trí bất kỳ như hình :
Hình 3.1: Véc tơ tác dụng lên một cánh
là góc định vị ở tâm
là góc cánh (đại lượng cần điều khiển) là góc tới
là tốc độ gió
Giả thiết tốc độ gió tác động vào cánh tuabin là , ta phân tích nó thành hai thành phần, một thành phần song song với mặt cánh là một thành phần vuông góc với mặt cánh là
= + Chiều quay
Với biến dạng là phẳng thì thành phần sẽ gây ra lực cản Fd còn thành phần sẽ gây ra lực nâng cánh F1, chỉ có thành phần F1mới có tác dụng gây ra lực tác động của cánh.
Ta phân tích thành hai thành phần: = + = Với : là tốc độ theo phương tiếp tuyến
là tốc độ theo phương hướng tâm
Thành phần theo phương hướng tâm gây ra lực hướng tâm trên cánh, thành phần theo phương tiếp tuyến tạo ra lực làm các cánh quạt chuyển động và đó ta gọi là lực hiệu dụng Fhd.
Ta có: Fhd = ChdA Trong đó :
: Mật độ không khí (Kg/m3)
Uhd : vận tốc của gió theo phương tiếp tuyến (m/s) A : Diện tích cánh gió
Chd : Hệ số lực hiệu dụng
Theo lý thuyết tối ưu về hiệu suất biến đổi năng lượng gió thì ở một vị trí xác định ( xác đinh) giá trị Fhd phải đạt giá trị là lớn nhất Fhd max và từ biểu thức trên ta thấy để có Fhd max thì Uhd phải đạt giá trị lớn nhất.
U= V sin ; Uhd = U cos = V sin cos Với = - + 900
Uhd = Vsin cos = V sin( - + 900)cos = Vcos( - )*cos Uhd = [ cos(2 – ) + cos ]
Hướng gió 3 4 2 5 1 10 7 9 8
Từ mối quan hệ giữa góc cánh và góc định vị ta có thể xác định được góc cánh điều khiển của một cánh tuabin ở 10 vị trí
Hình 3.2: Mô hình khi được lắp đặt
Tuy nhiên khi đưa mô hình dạng cánh trên vào lắp đặt và thử nghiệm tại xưởng chế tạo cho thấy mô hình trên khi hoạt đồng cần phải có gió tốc độ lớn thì cánh quạt mới có thể hoạt động được và đồng thời với dạng cánh trên sinh ra hệ số bạt gió cao (kết quả kiểm chứng tại chương thực nghiệm).
Do đó tác giả chỉ dừng lại ở việc chế tạo thử nghiệm tại xưởng mà không thực nghiệm tại hiện trường.
3.1.2. Dạng cánh Lenz2
Kiểu cánh được sử dụng là kiểu Lenz2. Có đường kính phủ ngoài của cánh là 1,2m, chiều cao của cánh chọn = 1,2m. Loại tuabin là loại trục đứng vì vậy ta tính cho tổng tiết diện cánh 1,44m2.
Vậy năng lượng gió thu được từ diện tích cánh A được tính như sau: 477,02 W
Công suất cơ làm quay trục roto:
(W)
Trong đó với loại kiểu dạng cánh Lenz2 có tỷ số tối ưu TSR là 0.8
6
Chiều quay
Cp = 0,196(TSR)+0,23233 = 0,389
Hiệu suất máy phát: vì đây là động cơ công suất nhỏ, hiệu suất máy phát thay đổi từ 0.4 – 0.8.
206 – 412 (W)
trong đó: là hiệu suất của máy phát.
Bảng3.1: Thông số kỹ thuật cho cánh tua bin máy phát
Hạng mục Chỉ tiêu
Công suất định mức cánh 400W
Công suất cánh cực đại 600W Tốc độ gió khởi động 1.5m/s
Tốc độ gió thổi qua cánh 4~8m/s
Số lượng cánh 3
Đường kính phủ ngoài cánh 1.5 m
Chiều cao cánh 1.2m
Tốc độ quay định mức 60~260rpm
Khối lượng máy phát 18 Kg
Điện áp sạc acqui 12VDC
3.2. Tính toán thiết kế thông số cánh tuabin:
3.2.1. Thiết kế máy phát điện gió công suất nhỏ:
Tính toán thiết kế cho máy phát điện gió công suất nhỏ, loại turbine trục đứng và kiểu dáng cánh Lenz2. Để đơn giản, đề tài nghiên cứu tóm tắt toàn bộ các khâu thiết kế:
Xác định ước lượng diện tích cánh A sẽ thiết kế trong máy phát điện gió: (m2)
trong đó:
o dm: là đường kính cánh roto, đơn vị m o h: là chiều cao cánh roto, đơn vị m
Tính công suất gió tối đa thu được ứng với diện tích cánh roto A (m2), khi tính ở nhiệt độ bình thường. Để tính công suất thu được sử dụng công thức:
Tính công suất cơ làm quay trục roto: (W). Đối với loại kiểu dạng cánh Lenz2 có tỷ số tối ưu TSR là 0.8. Nên sử dụng công thức: Cp = 0,196(TSR)+0,23233 = 0.389
Công suất truyền qua bộ truyền động với hiệu suất truyền động là (W)
Để xác định được hiệu suất truyền động: Tính tốc độ quay của roto cánh gió:
với
Công suất ngõ ra Pout của máy phát
(W) là hiệu suất của máy phát.
Kiểm tra công suất ngõ ra Pout
Nếu Pout< Pe thì phải tăng diện tích cánh
3.2.2. Thiết kế thông số cụ thể tuabin gió:
Cánh tuabin:
o Cung tròn nhỏ cho cánh = 0.1875* đường kính vòng tròn lớn = 0,1875*1200 = 225 mm
Với chọn đường kính VT lớn = 1,2m o Chiều dài đuôi cánh nhỏ = 0.4*đường kính tuabin
= 0,4*1200 = 480 mm
o Cánh tuabin được thiết kế theo hai công thức trên, cánh được đặt lệch 90 theo như hình vẽ.
3.2.3. Các thiết bị phụ trong tuabin gió:
Hình 3.3: Hình chiếu bằng khi có xương cánh
Để thuận tiện thi công chế tạo đồng thời đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật, vật liệu cánh được làm bằng tôn có độ dày 0.45 mm, được gò lại và có các thanh dằn bằng thép để đảm bảo độ vững chắc và lực tác động của gió vào cánh quạt.
3.2.4. Động lực học cánh gió tuabin. Hình 3.4: Véc tơ vận tốc tác dụng lên turbine 3 cánh Xét cánh số 1 Ta có Wr1= Vsin( = Vsin 2 HƯỚNG GIÓ w v u 3 2
Wt1= U-Vcos( = U + Vcos
tg =
tg
Đặt =
với được gọi là tỉ số tốc độ Trong đó: là vận tốc góc.
r là bán kính quỹ đạo quay của cánh
Hình 3.5: Véc tơ vận tốc tác dụng lên cánh số 1
Xét cánh số 2
Ta có Wr2= Vsin( = Vsin Wt2= Vcos( = -(U + Vcos )
(2) + (3) (1) HƯỚNG GIÓ
tg
Hình 3.5: Véc tơ vận tốc tác dụng lên cánh số 3
tg
Tổng hợp các kết quả trên cho ta thấy các thành phần của xác định theo phương tiếp tuyến và pháp tuyến trên các cánh là:
Wt= U + Vcos ; Wr2= Vsin Ta có
Wt= U + Vcos = r
Vận tốc W được dùng để xác định lực tác dụng lên cánh, W được tính như sau:
= (r 2 + Góc Tg = Ta có giá trị lớn nhất của tỉ số tốc độ HƯỚNG GIÓ
Với C là số lượng cánh turbine Lựa chọn số cánh :
Đặc trưng của cánh và cách bố trí cánh cho tua bin là ở vị trí thuận với chiều gió nên không gây cản. Vì vậy công suất hệ thống chính bằng công suất có ích.
Công suất của trục quay được tính theo công thức: =
Trong đó :
: là momen của trục (Nm)
: là số vòng quay của trục (vòng /giây) Áp lực gió được tính :
F =
Trong đó :
Cp là hệ số cản phụ thuộc vào hình dạng của vật thể hoặc kết cấu , Cp của dạng cánh được chọn được tính bằng công thức : Cp = 0,196(TSR)+0,23233 = 0,389.
là trọng lượng riêng của không khí, = 1,25 Kg/m3 A : là diện tích cánh tua bin
Vận tốc W được dùng để xác định lực tác dụng lên cánh, W được tính như sau:
=
Qua khảo sát biểu đồ gió tại Đồng Nai, tốc độ gió ở độ cao 10m cáo tốc độ gió trung bình là 6m/s, ta sử dụng tốc độ gió trung bình này để tính toán.
= 261+30cos
Từ các biểu thức trên ta có biểu thức tính tổng quát công suất hệ thống cho tuabin như sau:
tg
=
Trong đó;
: vận tốc của gió dùng để khảo sát (chọn tùy từng loại khu vực khác nhau có vận tốc gió khác nhau) (m/s)
: vận tốc góc : góc nâng
: góc hợp bởi vận tốc thực và vận tốc vòng của gió tác dụng lên cánh : tỷ số tốc độ (tùy thuộc vào số lượng cánh turbine được chọn)
: trọng lượng riêng của không khí
( = 15kg/m3) Cp – hệ số cản ta có Cp của 5 cánh phẳng Cp= 1.28, Cp của dạng cánh tròn là Cp =0,389
Áp dụng các biểu thức tổng quát ta sẽ lần lượt tính được công suất hệ thống cho turbine có số cánh tùy ý ứng với từng giá trị V, , , , khác nhau. Với trường hợp thiết kế turbine của tác giả đã lựa chọn các giá trị:
V = 6 (m/s) ;
.r = 2,5V = 2,5.6 = 15 ;
Như phần trên đã chỉ ra, ta chỉ tính toán lựa chọn số cánh tối ưu cho turbine cánh đã chọn làm thực nghiệm là 3 cánh. Do vậy, ta sẽ tính công suất cho turbine có số cánh lần lượt là 3 cánh. Với mỗi turbine ta sẽ xét ở 2 vị trí cánh khác nhau để tìm ra vị trí cho công suất lớn hơn. Từ giá trị công suất lớn mỗi turbine với cùng điều kiện làm việc, kết hợp với chi phí chế tạo cánh ta sẽ lựa chọn turbine đạt công suất hệ thống lớn nhất mà tiêu tốn vật liệu chế tạo phù hợp làm turbine để thiết kế có số cánh tương ứng.
3.2.5. Tính công suất hệ thống cho turbin 3 cánh:
Hình 3.6: Vị trí thứ nhất của cánh
Hình 3.7: Vị trí thứ hai của cánh
Bảng 3.2: Bảng giá trị công suất hệ thống cho turbine 3 cánh
Vị trí Vị trí 1 Vị trí 2 W2 Cánh 1 56,25 286,9 Cánh 2 - 286,9 tgφ Cánh 1 0 0,174 Cánh 2 - -0,174 φ Cánh 1 00 9,870 Cánh 2 - -9,870 F Cánh 1 45.A 69.A Cánh 2 - 69.A P 45..r.S 138..r.A
Căn cứ vào kết quả tính công suất hệ thống ở bảng 6, nhận thấy công suất hệ thống của turbine ở vị trí thứ hai lớn hơn ở vị trí thứ nhất. Kết quả là lựa chọn công suất hệ thống P = 138..r.S ở vị trí thứ hai để tính toán.
3.3. Lựa chọn pin năng lượng mặt trời
Hiện nay trên thị trường pin năng lượng mặt trời có rất nhiều các nhãn hàng
cung cấp mặt hàng này. Trong đề tài này tôi có khảo sát một số các nhãn hàng
và kiểm tra các thông số kỹ thuật như sau:
CÔNG TY TNHH DỊCH VỤ, THƯƠNG MẠI VÀ ĐẦU TƯ HƯNG GIA Thông số kỹ thuật
- Công suất cực đại: 40W - Loại cell: silic đa tinh thể
- Điện áp hở mạch (Voc): 16,8V - Điện áp cực đại (Vmp): 17V - Dòng ngắn mạch (Isc): 2.48A - Dòng điện (Imp): 3.04A - Trọng lượng: 5.5kg - Xuất xứ: Thượng Hải - Trung Quốc - Giá thành sản phẩm: 2.600.000 đồng
Công ty TNHH Gia Nam
Thông số kỹ thuật - Moddel; CNCB40 W - Điện thế làm việc tối ưu: 17 V - Dòng điện làm việc tối ưu: 2,36A - Điện áp mạch hở: 21V - Dòng điện ngắn mạch: 2.64A - Kích thước: 645x540x30mm - Trọng lượng : 4,5 kg - Giá thành sản phẩm: 3.200.000 đồng
AD solar All solar panel from AD solar energy
Thông số kỹ thuật - Moddel; CNCB40 W - Điện thế làm việc tối ưu: 17,3 V - Dòng điện làm việc tối ưu: 2,3A - Điện áp mạch hở: 21,8V