Trong kiểu điều khiển này thì mỗi cánh sẽ quay theo trục quay của riêng mình với góc xoay là 180O. Mỗi cánh được đặt trên hai thanh đỡ, các thanh này được gắn với trục chính. Các cánh được lắp với trục quay của mình bằng các bánh răng côn để kích hoạt góc cánh. Định hướng tương đối của góc cánh và thiết kế trục trung gian có thể được điều chỉnh đến 90o để đưa cánh vào một vị trí “ furled” (nghĩa là thu lại, cuộn lại) để giảm tối đa lực cản tác động lên cánh ( hình 2.12)
Hình 2.15. Mô hình thiết lập vị trí góc cánh theo kiểu “ furled”
Kiểu điều khiển này có ưu điểm là sinh ra mô men xoắn rất lớn với tỷ lệ tốc độ ban đầu thấp, có nghĩa là nó có khả năng tự khởi động. Ngoài ra, các cánh tuốc bin quay êm do tốc độ khởi động ban đầu thấp.
Cũng với ý tưởng điều khiển cưỡng bức góc cánh bằng truyền động cơ khí, T.Kiwata, S.Takata, T.Yamada, N.Komatsu, T.Kita, S.Kimura và M.Elkhoury [5-7] đã đề xuất mô hình điều khiển góc cánh bằng cơ cấu bốn khâu bản lề (xem minh họa trên hình 2.13)
Hình 2.16b. Sơ đồ cơ chế thay đổi góc cánh
Trong kiểu điều khiển này, ví trí tương đối của các cánh so với hướng gió được xác định cưỡng bức nhờ liên kết bốn khâu bản lề . Ưu điểm của cơ chế này là có thể thay đổi được góc cánh theo góc phương vị của các liên kết chính mà không có thiết bị truyền động. Trong mỗi góc phần tư, góc cánh được xác định theo các công thức sau [5-7] + với 0 < ϕ < π ; α =π/2−(β+γ) + với ϕ =π ; αp = π/2−δ + với π < ϕ < 2π ; αp = π/2−(γ−β) + với ϕ =2π : αp = π/2−ε
Với kiểu điều khiển này thì hiệu suất của tuốc bin phụ thuộc rất lớn vào biên độ góc cánh, số lượng và biên dạng cánh, kích thước tuốc bin.
Qua tiến hành thử nghiệm, các tác giả đã đưa ra một số kết luận:
Có thể thiết kế một VAWT với các cánh thay đổi được góc quay nhờ cơ cấu bốn khâu bản lề mà không cần thiết bị truyền động bổ sung.
Hiệu suất của tuốc bin gió trục đứng với cơ chế này cao hơn so với loại tuốc bin có cánh cố định.
Gần đây đã có thêm một số công trình nghiên cứu mới về tuốc bin có cánh tự xoay có tên gọi là Flap Turbine. Đây là một loại mới của tuốc bin trục đứng (VAWT). Loại tuốc bin này có đặc điểm là các phần tử cánh có khả năng tự xoay để tạo ra chênh lệch lực tác dụng lên các cánh ở hai phía của trục tuốc bin, từ đó gây nên mô men, làm quay tuốc bin.
Hình 2.17. Flap turbine
Cho đến nay chưa có một công trình khoa học nào được công bố về kết cấu, nguyên lý hoạt động và hiệu suất mà loại flap tuabine này mang lại. Vì thế, flap
tuabine đang là một trong những hướng cải tiến mà nhiều nhà nghiên cứu về VAWT quan tâm.
Qua tham khảo một số kiểu xoay cánh ở trên, có thể thấy tuốc bin gió dạng Flap turbine có kết cấu cánh đơn giản và có ưu điểm hơn hẳn là không cần bộ phận điều khiển góc cánh. Tuy nhiên, việc kiểm chứng hiệu suất mà loại tuốc bin này mang lại vẫn còn là vấn đề cần quan tâm. Luận văn này tập trung đề xuất, thử nghiệm mô hình xoay cánh dạng này với kết cấu cánh ngang. Nguyên lý xoay cánh được mô tả như hình 2.16.
Hình 2.18. Mô tả xoay cánh
Khi ở vị trí thuận hướng gió, các cánh nhỏ chịu lực tác dụng của gió sẽ chồng xếp lên nhau, tạo thành mặt kín, gần như mặt phẳng để hứng gió, do đó hấp thụ được toàn bộ năng lượng gió. Ở phía nghịch hướng gió, lực tác động của gió vào cánh khi phân tích ra có lực nâng F1, khiến cho các cánh có xu hướng được nâng lên, giảm được lực cản, gây ra sự chênh lệch về lực giữa các cánh ở hai phía của trục quay và tạo nên mô men làm quay trục tuốc bin. Lực nâng F1 càng lớn thì tốc độ quay của trục càng cao. Quá trình thiết kế, chế tạo, thử nghiệm mô hình sẽ được trình bày trong phần tiếp theo.
CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ MÔ HÌNH TUỐC BIN GIÓ
3.1 Một số mô hình tuốc bin gió đã thiết kế trong quá trình thực hiện đề tài. 3.1.1Tuốc bingió có cánh tự xoay, biên dạng kiểu Savonius 3.1.1Tuốc bingió có cánh tự xoay, biên dạng kiểu Savonius
bi 202 bi 6000 354 350 bi 6000 145 240 280 Ø336,83 Hình 3.1 Bản vẽ chế tạo Turbine số 1 a, Mô hình thực nghiệm.
Hình 3.2 Hệ thống cánh tuốc bin số 1 b, Mô tả cấu tạo và nguyên lý hoạt động b, Mô tả cấu tạo và nguyên lý hoạt động
bằng ổ lăn nhờ đó nó có khả năng tự xoay. Trên đĩa đỡ có gắn các chốt chắn để định vị trí giới hạn cho cánh, tránh sự va chạm các cánh khi làm việc. Mép ngoài của cánh có gắn ổ lăn ở vị trí giữa, khi có gió tác động sẽ đẩy cánh trượt trên rãnh của vành tròn khung bao ngoài. Khung bao ngoài được thiết kế một vành tròn có rãnh trượt, vành tròn này đặt lệch tâm với 2 đĩa đỡ mục đích tạo khoảng trống, hình thành luồng gió làm quay cánh tuốc bin.
- Nguyên lý hoạt động:
F1
F2
Hình 3.3 Mô tả nguyên lý hoạt động
Với cánh ở bên thuận hướng gió, lực tác động của gió sẽ làm cánh mở hết mức để hứng gió và được định vị trí nhờ chốt hãm. Bên cánh ngược hướng gió, lực tác động của gió sẽ đẩy các cánh có xu hướng “ cụp lại” để giảm lực cản. Khi F1 >F2 sẽ làm cho trục tuốc bin quay.
c, Kết quả khảo sát
+ Với tốc độ gió V=1,5(m/s) lực tác động của gió không đủ để làm quay cánh. + Với tốc độ gió V=2(m/s) : trục quay khởi động chậm, quay không liên tục. + Với tốc độ gió V=3,5(m/s) : Tốc độ quay ổn định n khoảng 23(vòng/phút)
Với kiểu kết cấu này, qua khảo sát thực nghiệm cho thấy hiệu suất hệ thống không cao, các cánh quay không đều và chưa mở được hết mức. Vì vậy cần phải có thêm hệ thống định hướng gió để lượng gió tác động vào phía cánh thuận chiều gió được tập trung; có như vậy mới đảm bảo cánh mở hết mức, hứng được lượng gió lớn nhất.
460 Ø300 525 250 116 34 19 Ø300
Hình 3.4 Bản vẽ chế tạo tuốc bin số 2 a, Mô hình thực nghiệm
Hình 3.5 Mô hình tuốc bin số 2 b, Mô tả cấu tạo và nguyên lý hoạt động
- Cấu tạo: hệ thống cánh được lắp đối xứng, cánh được chế tạo dạng chữ thập, biên dạng cánh phẳng. Mỗi cánh có thể tự xoay nhờ lắp với hai thanh đỡ bằng ổ lăn. Thanh đỡ được lắp chặt với trục quay. Hệ thống cánh được lắp với trục quay và đặt trên đế đỡ. Cả hệ thống được đặt trong một hộp định hướng gió.
- Nguyên lý hoạt động: khi có gió, nhờ có hộp định hướng gió nên gió sẽ tác động theo một luồng làm quay các cánh nhỏ và từ đó làm quay trục tuốc bin.
+ Với tốc độ gió V=1,5(m/s) trục quay khởi động rất chậm và quay không liên tục. + Với tốc độ gió V=2(m/s) : tốc độ quay ổn định n = 19(vòng/phút)= 0,32(m/s)
+ Với tốc độ gió V=3,5(m/s): tốc độ quay ổn định n = 26(vòng/phút) = 0,43 ( vòng/s)
Qua khảo sát ở trên, ta thấy rằng kiểu kết cấu cánh tuốc bin gió với số cánh đối xứng cho hiệu suất thấp và khó có thể tự khởi động được nếu không có nguồn gió định hướng trước.
22 35 50 50 4 20 460 5 20 5
Hình 3.6. Bản vẽ chế tạo tuốc bin số 3
Hình 3.7 Mô hình tuốc bin số 3 b, Mô tả cấu tạo và nguyên lý hoạt động
- Cấu tạo: các cánh được gắn với giá đỡ và nghiêng một góc 30o tạo thành lõi roto của tuốc bin. Lồng bao ngoài gồm các cánh phẳng gắn cố định với giá đỡ và nghiêng một góc 30o ngược chiều với chiều nghiêng của cánh trong lõi roto với mục đích tạo luồng xoáy khi có gió tác động. Lồng bao ngoài được lắp cố định với đế của tuốc bin.
- Nguyên lý hoạt động: khi có gió, gió tác động vào các cánh ngoài và thành luồng xoáy tác động vào các cánh cong bên trong đẩy lõi roto quay.
+ Với tốc độ gió V=1,5 (m/s) : tốc độ quay ổn định n = 20(vòng/phút) = 0,33 ( vòng/s)
+ Với tốc độ gió V=2 (m/s) : tốc độ quay ổn định n = 25 (vòng/phút) = 0,42 ( vòng/s)
+ Với tốc độ gió V=3,5 (m/s) : tốc độ quay ổn định n = 30 (vòng/phút) = 0,5( vòng/s)
Kết quả khảo sát cho thấy kiểu kết cấu này đem lại hiệu suất cao, trục có khả năng tự khởi động.
400 630 550 200 320 45 50
Hình 3.8 Bản vẽ chế tạo tuốc bin số 4
Hình 3.9 Mô hình tuốc bin số 4 b, Mô tả cấu tạo và hoạt động
Tuốc bin được thiết kế đơn giản, số cánh có thể thay đổi được nhờ lắp ghép trên đĩa phân độ. Mỗi cánh lớn có các cánh nhỏ lắp ghép với nhau theo kiểu “ chớp cửa”. Hệ thống cánh được lắp với đĩa phân độ và lắp vào trục quay. Mô hình làm việc dựa trên nguyên lý chênh lệch về lực tác dụng giữa các cánh. Khi cánh quay đến vị trí có hướng gió thuận, các cánh nhỏ sẽ chồng xếp lên nhau tạo thành bề mặt hứng gió. Ở vị trí có hướng gió nghịch, gió tác động làm các cánh nhỏ xoay và nâng lên một góc nào đó so với mặt phẳng khung cánh, tạo thành các khe hở cho luồng gió đi qua và do đó tạo nên sự chênh lệch về lực giữa các cánh và tạo thành mô men làm quay tuốc bin.
Hình 3.10 Lực tác dụng lên cánh nhỏ
Xét bên cánh ngược hướng gió, lực tác động lên cánh nhỏ là F, ta phân tích thành 2 thành phần: F = Fl + Fc
Với Fl là lực nâng cánh, Fc là lực cản . Lực nâng Fl càng cao, độ mở của các cánh nhỏ càng lớn. Khi đó, lực cản sẽ nhỏ và chênh lệch lực giữa các cánh hai bên trục quay tăng lên khiến cho trục quay nhanh hơn.
c, Kết quả khảo sát + Với tốc độ gió V =1,5 (m/s) : - tốc độ quay ổn định n = 27 (vòng/phút) = 0,45 ( vòng/s) + Với tốc độ gió V =2 (m/s) : - tốc độ quay ổn định n = 40 (vòng/phút) = 0,67 ( vòng/s) + Với tốc độ gió V =3,5 (m/s) : - tốc độ quay ổn định n = 50 (vòng/phút) = 0,83 ( vòng/s)
Qua khảo sát bốn mô hình đã thiết kế, mô hình tuốc bin gió có cánh tự xoay dạng Flap Turbine đem lại hiệu suất cao hơn với kết cấu đơn giản, dễ chế tạo. Do đó, đề tài này lựa chọn mô hình tuốc bin này để thực nghiệm, khảo sát và được trình bày cụ thể ở phần tiếp theo.
3.2 Thiết kế chế tạo mô hình tuốc bin gió dạng flap turbine có cánh nằm ngang 3.2.1. Mục tiêu 3.2.1. Mục tiêu
- Phân tích khả năng làm việc, khả năng ứng dụng của cơ chế cánh xoay vào thực tế
- Chế tạo mô hình thực nghiệm - Vận hành thử nghiệm mô hình
- Khảo sát sự thay đổi tốc độ quay của tuốc bin khi có số cánh là: 3,4 ,5 . - Tính toán các thống số về lực, mô men, công suất khi nguồn gió có các vận tốc là 1,5 m/s , 2,0 m/s , 3,5 m/s
3.2.2 Cơ sở để làm mô hình thực nghiệm
- Do điều kiện và thời gian không cho phép sử dụng năng lượng gió thực tế nên sử dụng nguồn năng lượng từ quạt bàn làm nguồn gió cung cấp cho thí nghiệm. Các thông số khảo sát trực tiếp bằng cách đo thực tế là quạt có chiều cao 650mm, đường kính cánh 400mm.
- Dựa trên cơ sở đó mô hình tuabine chế tạo có chiều cao tổng thể là 630 mm cánh có chiều cao là 400mm chiều rộng 200 mm
3.2.3 Kiểu dáng hình học cánh tuốc bin thiết kế
Kiểu dáng hình học cánh tuốc bin ảnh hưởng tới chất lượng và đặc tính khởi động của tuốc bin gió. Tuy nhiên rất khó để xác định chính xác ảnh hưởng của các kết cấu cánh khác nhau.
Thực tế cho thấy, khi thiết kế kết cấu cánh cho tuốc bin, nếu xét đơn lẻ một cánh tại vị trí chắn gió tối ưu thì cánh có biên dạng cong sẽ có khả năng hứng gió cao hơn cánh có biên dạng thẳng. Tuy nhiên, kết cấu cánh có biên dạng cong khi chế tạo tốn nhiều kinh phí hơn đồng thời việc bố trí số cánh sao cho tổng công suất có ích là lớn
cánh tối ưu thì phải thiết kế hệ thống điều khiển góc hứng gió của cánh nên rất tốn kém không đảm bảo tính kinh tế. Do đó đề tài này chọn kết cấu cánh là dạng cánh thẳng, tự xoay để điều chỉnh khả năng hứng gió, chế tạo đơn giản. Tuy cánh thẳng có khả năng hứng gió thấp hơn cánh cong nhưng nếu kết cấu hợp lý thì vẫn đạt được tổng công suất yêu cầu trên toàn bộ hệ thống cánh.
200
400
250
15
45
Hình 3.11. Hình dáng cánh tuốc bin thiết kế
3.2.4 Nguyên lý làm việc của mô hình
Mô hình làm việc dựa trên nguyên lý chênh lệch về lực và momen giữa các cánh. Khi cánh quay đến vị trí có hướng gió thuận thì các cánh nhỏ sẽ chồng xếp lên nhau tạo thành bề mặt hứng gió, còn ở vị trí có hướng gió nghịch thì các cánh nhỏ sẽ mở lên một góc nào đó so với mặt phẳng khung cánh tạo thành các khe hở cho luồng gió đi
qua và do đó tạo nên sự chênh lệch về lực giữa các cánh và tạo thành mô men làm quay tuốc bin.
Hình 3.12b. Mô tả cánh theo chiều gió
3.2.5 Thiết kế và chế tạo mô hình3.2.5.1 Khung cánh 3.2.5.1 Khung cánh
Để đảm bảo tính cứng vững thì thường khung cánh được làm bằng vật liệu thép nhưng trong ý tưởng thiết kế này, khung cánh sẽ xoay cùng các cánh nên vật liệu lựa chọn là nhôm định hình để giảm thiểu khối lượng tổng thể của cánh, các kích thước như trên hình 3.13. Trên khung có gắn các thanh tròn Ø 2 để lắp các cánh nhỏ, đồng thời làm trục xoay cho các cánh đó. Khung được gắn với 2 đĩa phân độ nhờ các vít M3.
250 15 200 400 Hình 3.13 Kích thước khung cánh 3.2.5.2 Cánh tuốc bin Hình 3.14. Kích thước cánh nhỏ
Cánh tuốc bin được lựa chọn thiết kế là loại cánh thẳng, một cánh được lắp bởi nhiều cánh nhỏ. Cánh được làm bằng vật liệu nhôm lá để giảm nhẹ khối lượng chung toàn cánh và đảm bảo được khả năng tự xoay và nâng cánh để thoát gió khi ở hướng gió nghịch. Cánh được lắp vào trục xoay trên khung cánh bằng hai khớp bản lề. Các cánh nhỏ được lắp ghép trên khung cánh theo kiểu xếp chồng.
3.2.5.3 Trục chính
Trục được chế tạo bằng thép CT và hình dáng, kích thước như sau :
Hình 3.15. Bản vẽ chế tạo trục chính
Trục chính được lắp trên giá chân đỡ tuốc bin bằng bulong. Bề mặt trục được tiện tinh để lắp với hai ổ bi nhằm đảm bảo cho các cánh của tuốc bin được quay trơn đều. 3.2.5.4 Đĩa phân độ và ổ bi
Để việc khảo sát được tiến hành đơn giản trong việc thay đổi số cánh, cũng như việc khảo sát khả năng quay của tuốc bin thì mô hình thiết kế có sử dụng một đĩa phân độ để lắp khung cánh, trên đĩa được khoan các lỗ Ø5 để bắt bulong khi lắp cánh. Việc này giúp thuận tiện trong quá trình lắp ghép các cánh và khảo sát. Đĩa phân độ được