7. Kết cấu đề tài gồm 6 chương
2.1 Các giải pháp thiết kế turbine gió trục đứng
2.1.1 Thay đổi kết cấu nguyên mẫu của turbine
Lựa chọn cánh turbine thích hợp cho một nguyên mẫu VAWT nhỏ là một trong những vấn đề thiết kế quan trọng của đồ án này. Các loại turbine cung cấp các ưu điểm và nhược điểm khác nhau. Do đó, 3 loại turbine nhóm thiết kế gồm: turbine Savonius 3 cánh hình xoắn ốc, turbine 6 cánh kiểu H-rotor, và turbine Darrieus kết hợp 3 cánh Sarvonius. Các loại cánh này là sự kết hợp giữa các ưu điểm của các loại cánh có khả năng tự khởi động tốt, giúp tăng khả năng tự khởi động của mơ hình trong điều kiện gió thay đổi liên tục trong thành phố, đô thị.
25
2.2.2 Sử dụng các vịng bi vào khớp nối trục turbine gió
Để tốc độ gió được tối ưu, việc giảm thiểu mômen khởi động theo yêu cầu là rất cần thiết để xây dựng một VAWT nhỏ bên cạnh khả năng tự khởi động của chính nó. Tuy nhiên, có một số lý do cơ bản hạn chế quá trình tự khởi động của một VAWT nhỏ trong thời gian ngắn nhất, cho nên việc sử dụng vòng bi giúp tăng khả năng tự khởi động và để cánh quạt quay với tốc độ tối đa, cũng như tăng khả năng phát điện của turbine gió trục đứng.
Hình 2.2: Vịng bi 2.2 Mục tiêu khi thiết kế turbine gió trục đứng
- Tạo ra nguồn điện công suất nhỏ phù hợp với nhiều loại cánh.
- Thiết kế nhiều loại cánh và chọn ra loại cánh có khả năng hoạt động tốt nhất.
- Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế mơ hình turbine gió trục đứng cơng suất nhỏ phù hợp cho nhiều loại cánh, tạo ra nguồn điện công suất nhỏ.
- Thiết kế nhiều mẫu cánh có khả năng hoạt động ổn định khi hoạt động trong vùng có tốc độ gió thay đổi liên tục và từ kết quả thu được từng cánh, để chọn ra cánh hoạt động tốt nhất.
26
CHƯƠNG 3
PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI CẤU TRÚC CÁNH CỦA TURBINE GIÓ TRỤC ĐỨNG
3.1 Thay đổi kết cấu nguyên mẫu của cánh turbine - Tìm hiểu và thử nghiệm
Đối với cánh turbine Sarvonius:
Sau khi tìm hiểu và thử nghiệm nhiều loại nguyên mẫu của các loại cánh turbine Sarvonius, cánh turbine H-rotor và cánh turbine Darrieus cũng như trong q trình thử nghiệm, nhóm nhận ra cánh loại chữ S của cánh Sarvonius có kết cấu dạng hình trịn hoặc bầu dục thì khả năng tự khởi động khá tốt và khi kết hợp với các loại cánh khác ít khả năng khởi động thì tốc độ quay của cánh turbine được cải thiện.
Hình 3.1: Cấu hình của 2 cánh dạng hình trịn và hình bầu dục.
Đối với cánh turbine H-rotor:
- Theo bảng so sánh ở bảng 1.1 và trong thực tế thử nghiệm, nó được nhận thấy rằng khả năng tự khởi động khá thấp và có thể gặp sự cố khi khởi động.
- Với thiết kế các cánh dẹp như hình 3.2 thì khả năng đón gió thấp nên giảm khả năng tự khởi động của cánh turbine, nhưng có ưu điểm là hoạt động ổn định.
- Với ưu điểm đón gió và tự khởi động tốt từ cánh hình trịn của cánh turbine Sarvonius. Các thành viên nhóm sử dụng ống nước hình trịn tương ứng với cánh
Mẫu hình bầu dục Mẫu hình trịn
27
turbine Savonius để làm cánh đón gió cho cánh turbine H-rotor như hình 3.2 (hình bên phải)
- Việc thay thế cánh đón gió của cánh turbine H-rotor, thì việc khởi động của turbine được cải thiện đáng kể.
Hình 3.2: Hình trái: Nguyên mẫu cánh turbine H-rotor, hình phải: Cánh turbine
H-trotor kết hợp cánh turbine Sarvonius. Đối cới cánh turbine Darrieus:
- Khác với cánh turbine Sarvonius thì cánh turbine Darrieus cũng gặp khó khăn trong việc khởi động. Tuy nhiên, loại cánh này hoạt động có hiệu quả cao nhất so với cánh turbine Sarvonius. Cùng với việc cánh turbine Sarvonius hoạt động tốt ở tốc độ gió thấp thì cánh turbine Darrieus ngược lại. Chính vì thế, việc kết hợp giữa 2 loại cánh này sẽ giải quyết được vấn đề khởi động của tuabine, cải thiện việc khởi động và làm tăng hiệu suất làm việc của turbine Darrieus.
28
Hình 3.3: Hình trái: Nguyên mẫu cánh turbine Darrieus, hình phải: cánh turbine
Darrieus kết hợp cánh turbine Sarvonius.
3.2 Sử dụng các vòng bi vào khớp nối trục turbine
Cấu tạo vòng bi
29
Thành phần giúp cấu tạo của vòng bi bao gồm:
- Phớt - Vịng ngồi - Con lăn - Vòng cách - Vòng trong - Phớt Nguyên lý hoạt động
Vịng bi nói chung là những bộ phận có thể chuyển động xoay trịn hoặc tuyến tính mà gây ít ma sát, giảm sức tải giúp cho máy móc vận hành dễ dàng, hiệu quả và năng suất. Tuy vậy, những chiếc vòng bi của chúng ta có cấu trúc khá đơn giản: những viên bi (bạc đạn) được đặt bên trong (hoặc ngoài) của một bề mặt kim loại nhẵn để có thể lăn trên đó. Những viên bi hay ổ lăn bản thân cũng đã có khả năng tải trọng. Và nhiệm vụ của vòng bi là giảm thiểu sức nặng đáng kể của tải trọng đến mức tối đa để có thể phục vụ cơng việc.
Đối với mơ hình của nhóm
Lực ma sát từ vịng bi trịn, ổ lăn cơn và ổ bi trong VAWT được thiết kế là một nguyên nhân khác ảnh hưởng đến đặc tính tự khởi động. Do đó, điều quan trọng là phải sử dụng dầu mỡ chất bôi trơn để giảm lực ma sát của những vòng bi này, được tạo ra bởi chuyển động giữa các vịng trong và các thành phần ngồi. Hơn nữa, một turbine gió nhỏ khơng có vịng bi phù hợp sẽ không hoạt động bình thường hoặc làm hỏng các vòng bi mà các vòng bi thực tế được sử dụng để kết nối giữa các cánh turbine và trục turbine. Các vòng bi này được kết nối với một trục có đường kính 31 mm.
30
CHƯƠNG 4
QUY TRÌNH THIẾT KẾ TURBINE GIĨ TRỤC ĐỨNG CƠNG SUẤT NHỎ
4.1 Phần cơ khí 4.1.1 Giới thiệu 4.1.1 Giới thiệu
Chương này cung cấp những nội dung chính để hồn thành mục tiêu của dự án là thiết kế và xây dựng VAWT công suất nhỏ phù hợp nhiều loại cánh. Mục tiêu tiếp theo của đề tài là đưa sản phẩm sử dụng ở những nơi có tốc độ gió thấp như thành phố, nội ô, với một sản phẩm nhỏ gọn, dễ lắp đặt, sữa chữa và giá rẻ. Các thiết bị thiết kế một VAWT sử dụng vật liệu khá nhẹ để dễ khởi động, lấy gió tốt như PVC, tấm nhơm,... khi mà độ bền chúng vẫn có và giá thành khá rẻ. Hiệu suất hoạt động tốt cùng các ưu điểm trên, thì chi phí thiết kế một VAWT thấp, phù hợp với tất cả mọi người.
4.1.2 Các thiết bị của một VAWT
- Một trục - Hai vòng bi
- Giá đỡ - Cánh quạt
- Bộ nạp acquy - Một turbine
- Các loại khác như, vít, đai ốc và vịng đệm
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 nhôm, 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 vịng 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 không 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, tôn 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 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