7. Kết cấu đề tài gồm 6 chương
4.1 Phần cơ khí
4.1.3 Thiết kế mẫu cánh trên phần mềm AUTOCAD 2018
31
Sau quá trình tìm hiểu các loại cánh nguyên mẫu và lên ý tưởng loại cánh turbine cho đề tài của nhóm, các thành viên nhóm sẽ dựa vào các ưu điểm và cải thiện nhược điểm của nguyên mẫu ban đầu và sẽ thiết kế, mô phỏng các loại cánh qua phần mềm AUTOCAD 2018, từ đó có thể mơ phỏng, định hình cánh turbine của mơ hình.
Bảng 4.1: Bản vẽ mặt đứng, trên, cánh hứng gió của 3 loại cánh turbine
ST
T Tên cánh Mặt đứng Mặt trên Cánh gió
1 Turbine Savonius 3 cánh hình xoắn ốc 2 Turbine 6 cánh kiểu H-rotor
32 3 Turbine Darrieus kết hợp 3 cánh Sarvonius 4.1.4 Các loại cánh quạt
Nhóm sẽ chọn ra loại cánh turbine hoạt động tốt nhất là phần quan trọng trong đồ án này. Tuy nhiên, từng khu vực sẽ có tốc độ gió khác nhau. Ví dụ, khu vực đất trống ít vật cản thì lượng gió lớn, cịn khu vực đơ thị thì có nhiều vật cản nên lượng gió yếu lại. Nên tùy vào khu vực mà có loại cánh khác nhau, nhưng mỗi loại cánh có ưu điểm và nhược điểm của nó. Để phù hợp với nhiều tốc độ gió nên có 3 loại cánh được đề xuất gồm: turbine Savonius 3 cánh hình xoắn ốc, turbine 6 cánh kiểu H-rotor và turbine Darrieus kết hợp 3 cánh Sarvonius. Đây là các loại cánh VAWT nhóm em nghiên cứu mang tính khả thi nhất. Các loại cánh này có những ưu điểm tốt khi khởi động dễ dàng ở tốc độ gió nhỏ và hoạt động ổn định.
Lựa chọn vật liệu cần thiết để chế tạo cánh tuabin: Có 4 vật liệu chính được sử dụng để sản xuất cánh turbine bao gồm tấm nhôm, tấm tôn, ống nhựa, các thanh nối bằng sắt.
Các vật liệu được kết nối với nhau bằng ốc vít vì sự tiện dụng va linh hoạt của chúng. Lý giải cho việc sử dụng phần cánh quạt thì làm bằng nhơm, tấm tôn và ống nhựa PVC và canh làm bằng các thanh sắt khoan lổ, có những lý do:
- Các tấm tơn, nhơm và ống nhựa có khối lượng nhẹ thích hợp cho việc chế tạo ra cánh turbine. Khi một cánh turbine tối ưu về vật liệu thì tăng khả năng tự khởi
33
động của turbine. Ngoài ra, như vậy các loại turbine có khả năng nhận được tốc độ gió khởi động và cắt thấp hơn.
- Khi sử dụng các thanh sắt khoan lổ và dùng ốc vít liên kết lại, thì có thể điều chỉnh cánh turbine đón được luồng gió mạnh nhất hơn khi sữ dụng cánh turbine cố định.
- Độ bền vật liệu cao.
4.1.4.1 Turbine Savonius 3 cánh hình xoắn ốc
Hình 4.2: Turbine Savonius 3 cánh hình xoắn ốc
Cấu tạo:
- Vật liệu sử dụng là các tấm nhôm nhẹ.
- Cánh hứng gió được cắt và uốn thành vòng cung với bán kình 8.7 cm, chiều cao 60 cm.
- Hai tấm hình trịn bán kính 30 cm ở phần đáy trên và dưới ngay khớp nối cố định cánh turbine với phần khung.
- Cánh và phần đáy trên dưới được khoét lổ để nối các phần với nhau cố định và chắc chắn hơn.
34
4.1.4.2 Turbine 6 cánh kiểu H-rotor
Hình 4.3: Turbine 6 cánh kiểu H-rotor
Cấu tạo:
- Vật liệu sử dụng gồm: ống nhựa PVC bán kính 5.5 cm, các thanh sắt nối dài, bản lề góc cố định.
- Các ống nhựa PVC có trọng lượng khá nhẹ và các thanh sắt cố dịnh cánh loại khơng q nặng nhưng đủ chịu lực gió, khơng bị cong hay gãy khi gặp gió lớn. - Các ống PVC được cắt ra làm đơi với bán kính bằng nhau được kết nối với nhau
35
chỉnh cánh quay ra hoặc vơ, giúp có thể hứng được luồng gió tốt nhất khi cài đặt sử dụng.
- Để cải tiến hơn so với cánh hứng gió H-rotor, diện tích tiếp súc với gió được cải thiện hơn, làm tốc độ vòng quay tăng lên điện năng sinh ra nhiều.
- Đối với loại 6 cánh H-rotor cánh lấy gió nhiều hơn so với loại 3 và 4 cánh thông dụng trên thị trường. Tuy tăng thêm cánh nhưng lực cản gió cùa lấy gió chiều ngược lại khơng đáng kể.
4.1.4.3 Turbine Darrieus kết hợp 3 cánh Sarvonius
Hình 4.4: Turbine Darrieus kết hợp 3 cánh Sarvonius
Cấu tạo
- Đối với cánh Darrieus tôn mỏng cắt thành 2 tấm bề ngang 10cm và bề dài 94cm và cố định bằng bản lề và ốc vít.
- Đối với cánh Sarvonius dùng ống nhựa PVC bán kính 20cm, bản lề cố định và thanh sắt nối dài và ốc vít.
- Các ống nhựa PVC, tơn mỏng có trọng lượng khá nhẹ và các thanh sắt cố định cánh loại khơng q nặng nhưng đủ chịu lực gió, khơng bị cong hay gãy khi gặp gió lớn.
36
- Các ống nhựa được cắt làm đơi vối bán kính bằng nhau, được cố dịnh bằng bản lề cố định, phần thanh sắt được nối với phần dưới cánh, giúp cố định không làm lay khi cánh quạt đang hoạt động.
- Loại cánh turbine Darrieus có ưu điểm hiệu quả cao và hoạt động ổn định, nhưng nhược điểm khó khởi động. Mà loại cánh turbine Sarvonius có ưu điểm dễ khởi động. Chính vì thế, kết hợp 2 loại cánh giúp hoạt động tốt hơn và tăng khả năng tự khởi động.
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 dòng 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 công 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 công 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 nhơm
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℃
Dòng 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 khơng 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 công lắp đặt mơ hình.
- Đo đạc và phân tích kết quả.
5.2 Thi cơng, lắp ráp mơ hình
- Để q 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 tốn 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 vòng
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(vòng/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 (Vịng/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