7. Kết cấu đề tài gồm 6 chương
4.2 Phần điện
4.2.1 Chọn máy phát điện
Bởi vì mục đích của dự án là sử dụng một turbine gió trục thẳng đứng cơng suất nhỏ cung cấp điện sử dụng cho gia đình nên chọn loại máy phát điện xoay chiều.
Hình 4.5: Máy phát điện xoay chiều 4.2.1.1 Máy phát điện xoay chiều không đồng bộ
Máy phát điện khơng đồng bộ, cịn được gọi là máy phát điện cảm ứng, gồm cuộn dây dẫn stator và từ trường quay rotor. Điện áp đầu ra có thể là một hoặc ba pha và dịng điện là AC. Các máy phát điện cảm ứng là cực kỳ phổ biến trong ngành cơng nghiệp turbine gió hơn là máy phát đồng bộ. Nhìn chung, ngun lý làm việc về cơ bản giống như của máy phát đồng bộ. Chỉ khác là rotor của máy phát điện cảm ứng là rotor
37
lồng sóc. Lồng sóc này bao gồm các thanh bằng đồng hoặc nhơm, mỗi bên có 2 vịng ngắn mạch. Ngoài ra, lõi sắt cách nhiệt được quấn bên trong động cơ.
Loại máy này có thể được sử dụng làm động cơ và máy phát tùy thuộc vào tốc độ quay của nó. Là một động cơ, nó quay chậm hơn một chút so với tốc độ đồng bộ, nhưng khi quay nhanh hơn một chút so với tốc độ đồng bộ, nó tạo ra điện xoay chiều giống như một máy phát.
4.2.1.2 Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG)
Trong máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu, từ trường được tạo từ một bộ nam châm vĩnh cửu gắn xung quanh rotor. Một trong những lợi thế của nó là cấu tạo đơn giản hơn và bền hơn. Ngoài ra, số lượng cực khơng cố định và có thể thay đổi tự do để phù hợp với tần số mong muốn. Tần số của dòng điện đầu ra phụ thuộc vào số lượng cực từ cũng như tốc độ quay của rotor, theo quan hệ sau đây:
𝑓 = 𝑃 2 × 𝑁 60=𝑃 𝑁 120 Trong đó: P: Số cực
N: Tốc độ quay của rotor (rpm) f: Tần số (Hz)
38
Để đạt được tần số bất kỳ ở đầu ra, ví dụ 50Hz hoặc 60Hz, mối quan hệ giữa số cực và tốc độ quay của rotor được hiển thị trong bảng 4.2:
Bảng 4.2: Mối liên hệ giữa số cực và tốc độ quay
Số cực 2 4 8 12 24 36 Tốc độ quay của rôto (rpm) 50Hz 3000 1500 750 500 250 167 60Hz 3600 1800 900 600 300 200
Điều này cũng có một số hạn chế. Theo cơng thức, cho một số cực cố định trên rotor, rotor phải quay với tốc độ không đổi để giữ đầu ra tần số không đổi ở một giá trị mong muốn. Ở những vùng có điều kiện gió thực sự ổn định, điều này có thể khơng phải là một vấn đề nghiêm trọng. Tuy nhiên, trong hầu hết thời gian, tốc độ gió khơng phải là một hằng số giá trị và nó thay đổi rất nhiều, điều này làm cho cơng thức này khơng hiệu quả nếu khơng có các giải pháp hỗ trợ.
4.2.2 Bộ nạp acquy
Điện áp từ turbine gió cần qua bộ nạp để sạc vào acquy tích trữ điện mà điện áp ngõ ra của máy phát là điện áp AC nên cần bộ nạp chuyển từ điện áp AC sang DC vì điện áp vào của acquy là DC.
39
Hình 4.6: Bộ điều khiển sạc máy phát điện gió 12V/24V, 300W/600W
Đặc điểm kỹ thuật:
Tên: Bộ điều khiển sạc khơng thấm nước 12V/24V 300W/600W của máy phát điện gió Mẫu: B26386
Chất liệu: Hợp kim nhôm
Ứng dụng: Bộ điều khiển quang điện gió Mẫu sản phẩm: SF-12-24-A
Pin điện áp danh định: DC/24V
Công suất định mức của turbine gió: 300W/600W Khóa điện áp của tuabin gió: 15V/30V
Điện áp phục hồi trượt (Giá trị cài đặt tại nhà máy): 13.5V/27V Nhiệt độ làm việc và phạm vi độ ẩm: -35 ~ +75℃
Dịng tĩnh: ≤ 20mA
Kích thước: khoảng 76mm × 102mm × 23mm Cấp độ bảo vệ: IP67
40
4.2.3 Thiết bị đo
4.2.3.1 Đồng Hồ Kim Sanwa YX-360Tre
Hình 4.7: Đồng Hồ Kim Sanwa YX-360Tre
Thông số kỹ thuật - DCV: 0.1V (20kΩ/V)/0.25/2.5/10/50 (20kΩ/V)/250/1000V(9kΩ/V), ±5/25V - ACV: 10/50/250/750V (9kΩ/V) - DCA: 50µ/2.5m/25m/0.25A - Điện trở: 2k/20k/200k/2MΩ/200MΩ - Điện dung: 10µF
41
4.2.3.2 Máy đo tốc độ kỹ thuật số bằng laser không tiếp xúc RPM DT-2234C+
Hình 4.8: Máy đo tốc độ kỹ thuật số bằng laser không tiếp xúc RPM DT-2234C+
Thông số kỹ thuật
Phạm vi: 2.5 đến 99.999 RPM
Độ phân giải: 0.1 RPM (từ 2.5 đến 999.9 RPM) 1 RPM (hơn 1.000 RPM) Độ chính xác: + / – (0,05% +1 digit)
42
4.2.3.3 Máy đo tốc độ gió Anemimeter
Hình 4.9: Máy đo tốc độ gió Anemimeter
Thơng số kỹ thuật
- Vận tốc khơng khí
- Phạm vi: 0 – 30 m/S, 0 – 90 km/h, 0 – 5860 ft/phút, 0 – 65 mph, 0 – 55 knots - Độ phân giải: 0.1 mét/giây, 0.3 km/h, 19ft/phút, 0.2mph, 0.2 hải lý
- Ngưỡng: 0.1 mét/giây, 0.3 km/h, 39 ft/phút, 0.2 mph, 0.1 hải lý - Độ chính xác: +/- 5%
43
CHƯƠNG 5
LẮP ĐẶT TURBINE GIÓ TRỤC ĐỨNG, ĐO ĐẠC VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ
5.1 Giới thiệu
Sau khi thiết kế bản vẽ mơ hình ở chương 4, và từ các vật liệu đã chuẩn bị, các thành viên lắp ráp thành mơ hình hồn chỉnh. Từ sản phẩm hồn chỉnh cho chạy thử mơ hình, dùng các thiết bị đo để nghiệm thu kết quả đạt được. Gồm 2 phần:
- Thi cơng lắp đặt mơ hình.
- Đo đạc và phân tích kết quả.
5.2 Thi cơng, lắp ráp mơ hình
- Để quá trình đo cho kết quả chính sác thì các bước đo cần phải chú ý các thiết bị có chuẩn và các cánh quạt có trục trặc khơng.
- Dựa vào bản vẽ trên bảng 2.1, lắp ráp 3 loại cánh từ các vật liệu chuẩn bị từ trước.
- Đây là q trình lắp ráp và đo thơng số loại cánh Turbine 6 cánh kiểu H-rotor.
Bước 1: Cắt và cố dịnh bản lề vào ống. Qúa trình này cần dộ chính sác, các cánh cần
cố định tốt để hướng được luồng gió.
44
Bước 2: Lắp đặt turbine vào trục và bôi mỡ cho các vịng bi hoạt động mượt hơn. Vì
khi các vịng bi khơ cũng ảnh hưởng đến tốc độ vòng quay, làm giảm khả năng sinh ra điện của turbine và cố dịnh các khớp nối bằng ốc vít.
Hình 5.2: Lắp đặt turbine với trục
Bước 3: Lắp đặt cánh vào các lổ đã khoan sẵn trên bề mặt turbine. Khoảng cách từng
cánh được tính toán từ trước nhằm giúp phân bố các cánh hứng gió đều, tránh phân bố khơng đều khi hứng luồng gió đi qua ảnh hướng đến tốc độ quay của turbine.
45
Bước 4: Lắp đặt bộ sạc điện gió SF-12-24-A từ nguồn diện tạo ra từ turbine vào ắc
quy để trữ điện.
Hình 5.4: Lắp đặt bộ sạc từ nguồn turbine vào acquy 5.3 Nghiệm thu kết quả
5.3.1 Quy trình đo
Sau q trình lắp ráp, chạy thử nghiệm mơ hình để nghiệm thu kết quả. Có 4 bước:
Bước 1: Sau khi hồn tất lắp ráp, để mơ phỏng chạy thử cánh turbine, nó cần phải cài
đặt tốc độ gió giả lập để nhiệm thu kết quả. Nhóm sử dụng máy đo tốc độ gió Anemimeter để đo nguồn gió giả lập từ cánh quạt một cách chính sác. Tốc độ gió trung bình mơ quạt máy từ 3.4 (m/s) đến 5 (m/s).
46
Bước 2: Khi cánh turbine quay dưới tốc độ gió giả lập từ quạt máy đã cài đặt sẵn thay
thế cho tốc độ gió thực tế ngồi thiên nhiên, thì ta dùng máy đo tốc độ hình ảnh kỹ thuật số bằng laser không tiếp xúc RPM DT-2234C+. Sau khi đo ghi chép vào cuốn sách thu hoạch kết quả đo, để so sánh với các loại cánh khác.
Hình 5.6: Dùng máy đo tốc độ RPM DT-2234C+ đo số vòng quay
Bước 3: Sau 2 bước trên nhóm em dùng Đồng Hồ Kim Sanwa YX-360Tre để đo điện
áp ra từ bộ sạc vào ắc quy.
47
Bước 4: Ghi chép kết quả nghiệm thu được, các thông số (vận tốc gió, tốc độ vịng
quay, điện áp).
Bảng 5.1: Bảng đo đạc kết quả của mơ hình
Stt Vận tốc gió (m/s) Tốc độ vòng quay (Vòng/Phút) Điện áp (V) 1 2 3 4 5
5.3.2 Kết quả đo và phân tích thảo luận
5.3.2.1 Tốc độ gió và số vịng quay của turbine gió 5.3.2.1.1 Turbine Savonius 3 cánh hình xoắn ốc 5.3.2.1.1 Turbine Savonius 3 cánh hình xoắn ốc
Bảng 5.2: Bảng tốc độ vòng quay (vòng/phút) của các lần đo của turbine Savonius 3
cánh hình xoắn ốc STT Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 4 Trung bình sấp sỉ 1 72.3 75.6 74.5 77 75 2 95.4 93.1 89.2 87.3 91 3 98.5 99.3 103.4 100.2 100 4 115.7 118.6 121.5 125.3 120 5 135.1 141.2 137 147.5 140 Nhận xét:
- Sau 4 lần đo sai số giữa các lần đo khơng nhiều (±5 vịng/phút).
- Nguyên nhân do ngồi vận tốc gió từ cánh quạt, cịn chịu tác động từ nguồn gió bên ngồi làm cho tốc độ vịng quay thay đổi dẫn đến sai số.
- Số đo trung bình được tính theo cơng thức 𝑇𝑟𝑢𝑛𝑔 𝑏ì𝑛ℎ = ( 𝐿ầ𝑛 1+𝑙ầ𝑛 2+𝑙ầ𝑛 3+𝑙ầ𝑛 4) 4
48
Bảng 5.3: Bảng đo vận tốc gió và tốc độ vịng quay của turbine Savonius 3 cánh hình
xoắn ốc STT Vận tốc gió (m/s) Tốc độ vịng quay(vịng/phút) 1 3.4 75 2 3.8 91 3 4 100 4 4.5 120 5 5 140
Biểu Đồ Kết Quả Đo
Hình 5.8: Biểu đồ vận tốc gió và tốc độ vịng quay của turbine Savonius 3 cánh hình
xoắn ốc
Nhận xét:
- Đây là turbine Savonius 3 cánh hình xoắn ốc với hệ số chồng chéo giữa các cánh là 𝑒 = 6.5 𝑐𝑚 = 0.065 𝑚. Nhưng tốc độ vòng quay đạt 140 vòng/phút ở mức vận tốc gió 5 m/s. Ở vận tốc gió thấp 3.4 m/s ở điều kiện gió từ quạt máy thì tốc độ gió đạt được 75 vịng/phút.
- Trung bình mỗi lần vận tốc gió khoảng 0.5 m/s thì tốc độ vịng quay tăng từ 5 đến 20 vòng/phút. 0 20 40 60 80 100 120 140 160 3.4 3.8 4 4.5 5 Tốc độ vòng quay (Vòng/phút) Tốc độ vịng quay (Vịng/Phút) Vận tốc gió (m/s)
49
5.3.2.1.2 Turbine 6 cánh kiểu H-rotor
Bảng Kết Quả Đo
Bảng 5.4: Bảng tốc độ vòng quay (v/p) các lần đo của turbine 6 cánh kiểu H-rotor
STT Lần 1 Lần 2 Lần3 Lân4 Trung bình sấp sỉ 1 66.4 71.2 71.9 65.1 69 2 79.1 78.7 78.8 79.6 79 3 83.4 84.5 83.7 82.8 84 4 96.8 95.6 96.9 95.8 96 5 109.7 108.5 107.8 109.1 109 Nhận xét:
- Sau 4 lần đo sai số giữa các lần đo khơng nhiều (±5 vịng/phút).
- Nguyên nhân do ngoài vận tốc gió từ cánh quạt, cịn chịu tác động từ nguồn gió bên ngồi làm cho tốc độ vịng quay thay đổi dẫn đến sai số.
- Số đo trung bình được tính theo cơng thức 𝑇𝑟𝑢𝑛𝑔 𝑏ì𝑛ℎ = ( 𝐿ầ𝑛 1+𝑙ầ𝑛 2+𝑙ầ𝑛 3+𝑙ầ𝑛 4) 4
Bảng 5.5: Bảng đo vận tốc gió và tốc độ vịng quay của turbine 6 cánh kiểu H
STT Vận tốc gió(m/s) Tốc độ vòng quay(vòng/phút) 1 3.4 69 2 3.8 79 3 4 88 4 4.5 96 5 5 109
50
Biểu Đồ Kết Quả Đo
Hình 5.9: Biểu đồ vận tốc gió và tốc độ vịng quay của turbine 6 cánh kiểu H-rotor Nhận xét:
- Đây là turbine 6 cánh kiểu H-rotor với hệ số chồng chéo giữa các cánh là 𝑒 = 2.5 𝑐𝑚 = 0.025 𝑚. Nhưng tốc độ vòng quay đạt 109 vịng/phút ở mức vận tốc gió 5 m/s. Ở vận tốc gió thấp 3.4 m/s ở điều kiện gió từ quạt máy thì tốc độ gió đạt được 69 vịng/phút.
- Trung bình mỗi lần vận tốc gió khoảng 0.5 m/s thì tốc độ vịng quay tăng từ 9 đến 13 vòng/phút. 0 20 40 60 80 100 120 3.4 3.8 4 4.5 5 Tốc độ vòng quay (Vịng/phút) Tốc độ vịng quay (vịng/phút) Vận tốc gió (m/s)
51
5.3.2.1.3 Turbine Darrieus kết hợp 3 cánh Sarvonius Bảng Kết Quả Đo Bảng Kết Quả Đo
Bảng 5.6: Bảng tốc độ vòng quay (vòng/phút) các lần đo của turbine Darrieus kết hợp
3 cánh Sarvonius STT Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 4 Trung bình sấp sỉ 1 46.7 51.4 49.1 48.9 49 2 56.8 55.9 54.7 56.1 56 3 63.3 62.4 62.9 61.5 63 4 70.5 71.9 70.8 71.7 71 5 81.9 82.6 83.1 79.6 82 Nhận xét:
- Sau 4 lần đo sai số giữa các lần đo khơng nhiều (±5 vịng/phút).
- Ngun nhân do ngồi vận tốc gió từ cánh quạt, cịn chịu tác động từ nguồn gió bên ngồi làm cho tốc độ vịng quay thay đổi dẫn đến sai số.
- Số đo trung bình được tính theo cơng thức 𝑇𝑟𝑢𝑛𝑔 𝑏ì𝑛ℎ = ( 𝐿ầ𝑛 1+𝑙ầ𝑛 2+𝑙ầ𝑛 3+𝑙ầ𝑛 4) 4
Bảng 5.7: Bảng đo vận tốc gió và tốc độ vịng quay của turbine Darrieus kết hợp 3
cánh Sarvonius STT Vận tốc gió(m/s) Tốc độ vịng quay(vịng/phút) 1 3.4 49 2 3.8 56 3 4 63 4 4.5 72 5 5 82
52
Biểu Đồ Kết Quả Đo
Hình 5.10: Biểu đồ vận tốc gió và tốc độ vịng quay của turbine Darrieus kết hợp 3
cánh Sarvonius.
Nhận xét:
- Đây là turbine Darrieus kết hợp 3 cánh Sarvonius với hệ số chồng chéo giữa các cánh là 𝑒 = 6 𝑐𝑚 = 0.06 𝑚. Nhưng tốc độ vòng quay đạt hơn 82 vòng/phút ở mức vận tốc gió 5 m/s. Ở vận tốc gió thấp 3.4 m/s ở điều kiện gió từ quạt máy thì tốc độ gió đạt được 49 vịng/phút.
- Trung bình mỗi lần vận tốc gió khoảng 0.5 m/s thì tốc độ vịng quay tăng từ 7 đến 12 vòng/phút. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 3.4 3.8 4 4.5 5 Tốc độ vòng quay (Vòng/phút) Tốc độ vòng quay (vịng/phút) Vận tốc gió (m/s)
53
5.3.2.1.4 So sánh về số vòng quay của 3 loại cánh Bảng Kết Quả Đo Bảng Kết Quả Đo
Bảng 5.8: So sánh kết quả đo vận tốc gió và tốc độ vịng quay giữa 3 loại cánh
Stt Vận tốc gió (m/s) Tốc độ vịng quay (Vịng/Phút) Turbine Savonius 3 cánh hình xoắn ốc Turbine 6 cánh kiểu H-rotor Turbine Darrieus kết hợp 3 cánh sarvonius 1 3.4 75 69 49 2 3.8 91 79 56 3 4.0 100 84 63 4 4.5 120 96 71 5 5.0 140 109 82
Biểu Đồ Kết Quả Đo
Hình 5.11: Biểu đồ so sánh kết quả đo vận tốc gió và tốc độ quay giữa 3 loại cánh
0 20 40 60 80 100 120 140 160 3.4 3.8 4 4.5 5 Turbine Savonius 3 cánh hình xoắn ốc
Turbine 6 cánh kiểu H-rotor Turbine Darrieus kết hợp 3 cánh sarvonius
54
Nhận xét:
- Dựa vào biểu đồ so sánh kết quả đo cho thấy các đường hiển thị kết quả tốc độ vịng quay của từng cánh có sự khác nhau rõ rệt.
- Cánh turbine Savonius 3 cánh hình xoắn ốc có kết quả cao nhất. Các số liệu đo cho thấy với vận tốc gió (3.4 đến 5 m/s) thì tốc độ vịng quay tăng từ (75 đến 140 vòng/phút).
- Đứng thứ 2 so với biểu đồ kết quả đo thì turbine 6 cánh kiểu H-rotor, ở vận tốc gió (3.4 đến 5 m/s) thì tốc độ gió tăng từ (69 đến 109 vòng/phút).
- Đứng thứ 3 so với biểu đồ kết quả đo thì turbine Darrieus kết hợp 3 cánh Sarvonius, ở vận tốc gió (3.4 đến 5 m/s) thì tốc độ gió tăng từ (49 đến 82 vòng/phút). Cho thấy kết quả đo của turbine Darrieus kết hợp 3 cánh sarvonius có kết quả thấp nhất so với trong 3 loại cánh thiết kế.
- Có nhiều nguyên nhân ảnh hưởng tới kết quả đo của từng cánh:
Do vật liệu thiết kế từng cánh khác nhau, có loại vật liệu có trọng lượng năng gây ảnh hưởng tới tốc độ vòng quay của cánh đo.
Các cánh càng nhiều thì chịu lực cản gió chiều ngược lại so với chiều gió, làm cho cánh quay chậm hơn nên ảnh hưởng tới tốc dộ vịng quay.
5.3.2.2 Hệ số cơng suất và tỉ lệ tốc độ đầu cánh của turbine gió 5.3.2.2.1 Turbine Savonius 3 cánh hình xoắn ốc 5.3.2.2.1 Turbine Savonius 3 cánh hình xoắn ốc
Bảng Kết Quả Đo
Bảng 5.9: Tỷ lệ tốc độ dầu cánh và hệ số cơng suất của turbine Savonius 3 cánh hình