Dựa vào phần mềm DESIGNFOIL ta có profile NACA 4-digit cánh dưới đây.
Profile Naca 4-digit
Vì giới hạn của việc in 3D nên ta điều chỉnh profile cánh 4-digit của NACA cho phù hợp với việc in 3D sau đó xuất profile vào phần mềm NX11.
Profile Naca 4-digit khi xuất sang phần mềm NX11
b. Tạo các mặt phẳng vẽ.
Từ thanh công cụ chọn File-New, hộp thoại New hiện ra; Đặt tên file mới là “Turbine” tại ô Name.
Chọn đơn vị đo (Unit) là Millimeters. Chọn Type là Model.
Tạo file vẽ 3D của cánh
Lúc này mặt phẳng vẽ sẽ hiển thị ra chọn thêm các mặt phẳng phụ bằng
cách chọn biểu tượng trên thanh công cụ. Lúc này hộp thoại DATUM PLANE sẽ xuất hiện bên tay trái, sau đó chọn mặt phẳng Top làm tham chiếu. Bây giờ trên ô Distance cho phép bạn nhập khoảng cách vào và ta nhập theo kính thước 25mm là khoảng cách của mặt phẳng phụ thứ nhất với mặt phẳng Top.
Sau đó lại lấy mặt phẳng MP1 là mặt phẳng chuẩn để tạo mặt phẳng phụ thứ 2 với khoảng cách là 25 mm. Cứ như vậy ta lập 4 mặt phẳng với khoảng cách như vậy.
Lấy MP4 làm chuẩn tạo thêm MP5 với khoảng cách là 25mm, rồi ta nhập thêm 2 mặt phẳng MP6, MP7 với khoảng cách như vậy.
Tương tự ta tạo mặt phẳng MP6, MP7, MP8, MP9, MP10 cùng khoảng cách là 25mm.
Tạo mặt phẳng MP1 cách 25mm so với mặt phẳng Top
Sau khi lập xong các mặt phẳng phụ như trên ta kích chuột vào biểu tượng Sketch lúc này hộp thoại Sketch sẽ hiện ra và chọn mặt phẳng Top, lúc này hộp thoại Sketch sáng lên và ta chọn Sketch trong hộp thoại, bây giờ màn hình đồ họa sẽ hiện ra.
Các mặt phẳng sau khi đã được tạo
Chọn mặt phẳng để vẽ profile
Trong màn hình Sketch ta sẽ chọn các đường muốn vẽ trong khung Direct Sketch.
Các thanh công cụ của (Direct Sketch)
Bên phải của khung Direct Sketch là cơng cụ đo kích thước nhanh bao gồm như hình dưới.
Từ góc toạ độ của mặt phẳng ta dựng các đường trục chính và trục nghiên cánh như hình.
Vẽ Profile của cánh theo tiêu chuẩn của Naca
Sau khi hoàn thành bản vẽ ta nhấn biểu tượng để hoàn thành bản vẽ của mặt phẳng thứ nhất.
Tiếp tục ta chọn biểu tượng Sketch và chọn mặt phẳng thứ 2 để thực hiện
bản vẽ thứ 2
Tương tự từ góc toạ độ của mặt phẳng ta dựng các đường trục chính và trục nghiên cánh.
Tiếp theo ta vẽ các chi tiết cánh của NACA theo chuẩn mẫu ban đầu đã nhập thay đổi chi tiết các kích thước cho phù hợp
Vẽ Profile của cánh theo tiêu chuẩn của Naca ở MP2 Tương tự với các mặt phẳng còn lại ta sẽ được kết quả như sau:
Kết quả sao khi đã vẽ đầy đủ các mặt
c. Tạo các khớp nối với tuabin.
Chọn thêm các mặt phẳng phụ bằng cách chọn biểu tượng trên thanh công cụ. Lúc này hộp thoại DATUM PLANE sẽ xuất hiện bên tay trái,
sau đó chọn mặt phẳng Top làm tham chiếu. Bây giờ trên ô Distance cho phép bạn nhập khoảng cách vào và ta nhập theo kính thước ở bảng 20mm là độ dài của khớp nối.
Từ góc toạ độ của mặt phẳng ta dựng các đường trục chính và trục ngang bằng với tâm điểm của cánh như hình.
d. Tạo mặt trước của khớp nối
Tạo mặt trước của khớp nối Tương tự với mặt sau của khớp nối
Tạo mặt sau của khớp nối
e. Tạo đường bề mặt phủ các lớp profile vừa tạo.
Trên thanh menu chọn biểu tượng sau đó chọn vào mục Through Curves để tạo được đường dẫn giữa các mặt
Sau khi chọn Through Curves thì bên trái sẽ hiện một bản chọn mặt phẳng ta chọn 2 mặt phẳng cần tạo bề mặt khối bằng cách chọn mặt phẳng thứ 1 sau đó chọn Add New Set và chọn điểm đến là mặt phẳng thứ 2 lúc này chương trình NX11 sẽ tạo bề mặt phủ nối liền 2 mặt phẳng sau đó chọn OK để lưu.
Tạo bề mặt phủ giữa 2 profile của mặt phẳng
Làm tương tự với các Profile còn lại nhưng với Profile cuối cùng ta làm như sau: chọn từng chiều cho khớp nối hình vng sau đó chọn Add New Set và tiếp tục chọn chiều cho mặt phẳng thứ 2 của khớp nối (chiều của mặt phẳng thứ nhất và mặt phẳng thứ hai cùng chiều) sau khi làm tương tự với tất cả 10 profile ta sẽ được kết quả như hình.
Tất cả mặt phẳng khi đã tạo lớp phủ
f. Vẽ cánh quay theo chiều ngược lại.
Thực hiện lại các bước như trên với cánh quay ngược chiều theo profile sau:
Profile cánh quay theo chiều ngược lại Sau khi thực hiện tất cả các profile ta được:
Các mặt của cánh quay ngược chiều sau khi đã vẽ
Thực hiện tạo đường phủ các bề mặt như cánh quay cùng chiều kim đồng hồ ta sẽ được hình 3D của cánh quay nghịch.
Cánh tuabin gió in 3D
Chọn máy phát cho tuabin. 3.3.1Chọn máy phát.
Máy phát điện là một thành phần quan trọng không thể thiếu trong tuabin gió, vì nó có nhiệm vụ chuyển đổi cơ năng của tuabin thành điện năng. Trong một hệ thống phát điện, việc thiết kế và chọn máy phát điện phải phù hợp với loại tuabin đã được lựa chọn. Các tuabin này được thiết kế với việc ưu tiên cho các phương pháp điều khiển mong muốn và điều kiện gió tại vùng đã được quy hoạch. Các máy phát điện ở đây không chỉ được sử dụng để biến đổi năng lượng mà cịn dùng để điều khiển điện áp thơng qua tốc độ quay của tuabin.
Tuabin được nối trực tiếp với rotor của máy phát thông qua một trục truyền động, tức là trực tiếp điều khiển máy phát. Loại máy phát này sẽ có tốc độ quay chậm hơn so với các loại máy phát thông thường. Do đó nó được thiết kế với số lượng điện cực nhiều để đạt được cảm ứng từ tốt và hiệu quả cao. Việc điều khiển trực tiếp giúp loại bỏ tổn thất, bảo dưỡng và các chi phí liên quan đến hộp số. Một số nghiên cứu cho thấy hộp số là nguyên nhân dẫn đến hầu hết các hư hỏng của tuabin gió. Hơn nữa, điều khiển trực tiếp làm giảm liên kết xoắn trên các trục truyền động bởi tần số dao động riêng. Do đó các trục sẽ nhỏ hơn so với trường hợp sử dụng hộp số, với H-rotor điều này có nghĩa là tháp đỡ sẽ được giảm khối lượng.
Các thông số cơ bản:
Loại máy phát: roto mỏ chim. Số vịng quay: n= 250vịng/phút. Cơng suất tối đa 6W.
Khối lượng nặng 600g. Tần số: f = 50Hz. Số pha: m=2.
Kích từ bằng nam châm vỉnh cửu. *Yêu cầu:
- Đảm bảo độ tin cậy tối đa cho hệ thống, điều chỉnh tự động trong mọi điều kiện sử dụng.
- Đảm bảo đặc tính của hệ điều chỉnh, có chất lượng cao và ổn định trong khoảng thay đổi tốc độ và tải.
- Đảm bảo khởi động dễ dàng và độ tin cậy cao. - Cấu tạo đơn giản.
- Kích thước nhỏ gọn, độ bền cao, chịu rung sóc tốt.
3.3.2Cấu tạo của máy phát điện xoay chiều.
Cấu tạo của máy phát điện xoay chiều gồm: Stato, Roto, bánh đai truyền, cánh quạt làm mát, bộ đi-ốt chỉnh lưu điện áp
Cấu tạo máy phát điện xoay chiều[9]
Cấu tạo chi tiết của máy phát điện xoay chiều [9]
b. Rotor.
Rotor được chế tạo thành hai nửa. Mỗi nửa có các cực làm bằng thép non, bên trong có cuộn dây kích từ dịng điện kích từ được đưa vào cuộn kích từ trên Rotor. Hai đầu dây của cuộn kích từ nối với hai vòng tiếp điện bằng đồng đặt trên trục rotor nhưng cách điện với trục rotor. Các chổi than lắp trong giá đỡ và áp sát các vịng đó.
Khi Rotor quay các vấu cực rotor trở thành nam châm điện với các từ cực bắc nam xen kẽ nhau.
1.Nắp sau 2.Bộ chỉnh lưu 3.Đi-ốt
4.Đi-ốt kích từ
5.Bộ điều chỉnh điện áp và các chổi than tiếp điện
6.Phần ứng (Stato) 7.Phần cảm (Roto) 8.Quạt
9.Buly
Cấu tạo Rotor [9]
c. Stator.
Dạng ống được ghép bằng những lá thép kỹ thuật điện cách điện với nhau để giảm dịng điện phu-cơ. Mặt trong có các rãnh xếp các cuộn dây ứng điện, cuộn dây ứng điện gồm 3 pha có các cuộn dây riêng biệt, cuộn dây pha của stato đấu với nhau hình sao hoặc hình tam giác.
Đấu mạch sao và tam giác trong máy phát điện xoay chiều [9]
Bố trí các cuộn dây ứng điện trong phần ứng Stator [9] d. Nguyên lý phát điện của máy phát điện xoay chiều.
Trong máy phát điện một chiều, phần ứng điện quay (Stato), phần cảm điện đứng yên (Roto)…Trong máy phát điện xoay chiều thì kết cấu này ngược lại: Phần ứng điện đứng yên, phần cảm điện quay.
Nguyên lý làm việc của máy phát điện xoay chiều rất đơn giản, gồm 1 nam châm điện quay trong vòng dây ứng điện. Nam châm được kích từ bằng dòng điện một chiều qua 2 vòng trượt và chổi than tiếp điện. Khi cực bắc của nam châm quét ngang nhánh dây ứng bên phải, dòng điện chạy theo chiều từ trước ra sau, nam châm quay 180o cực nam quét ngang qua nhánh bên phải, dòng điện trong nhánh này chạy từ sau ra trước (hình 3.29) dịng điện phát sinh trong vịng dây phần ứng là dòng điện xoay chiều.
Sức mạnh của dòng điện tuỳ thuộc vào ba yếu tố: - Tốc độ quay của phần cảm điện (Nam châm quay) - Sức mạnh từ trường phần cảm điện
- Số vòng dây ứng điện
Sơ đồ nguyên lý của máy phát điện xoay chiều một pha [9]
*Nguyên lý hoạt động.
Khi đóng điện, dịng điện một chiều từ ắc quy được đưa vào cuộn dây kích từ để từ hoá các cực từ trên roto sinh ra từ trường giữa các cực từ sẽ lần lượt quét qua các đầu cực của stato làm cảm ứng ra sức điện động xoay chiều bap ha trên các cuộn dây phần ứng ở stato. Nhờ khối chỉnh lưu lắp ở đầu ra của các cuộn dây
phần ứng, nên dịng điện đưa tới mạch ngồi của máy phát điện sẽ là dòng điện một chiều.
Sức điện động trong mỗi cuộn dây được tính như sau: E = 4,44.KW.f.w. Trong đó:
f: Tần số sức điện động (f= p.n/60) KW: Hệ số cuộn dây phần ứng
: Từ thông giữa khe hở roto và stato..
Chọn trục cho hệ thống tuabin. 3.4.1Tháp.
Tháp hỗ trợ các cánh quạt và vỏ bọc động cơ của một Turbine gió ở độ cao mong muốn. Các loại chính của tịa tháp được sử dụng trong tua – bin hiện đại là tháp khung dàn, tháp ống và tháp dây nối đất. Tháp được thể hiện trong Hình 3.31.
Các loại tháp tuabin gió
Cột tháp khung dàn và tháp hình ống được sử dụng với tuabin gió lớn, cịn tháp hình treo chỉ sử dung với tuabin nhỏ.
3.4.2Cột tháp dạng khung giàn.
Cột tháp dạng khung dàn được sản xuất sử dụng những mặt nghiêng mối hàn thép. Lợi thế cơ bản của cột thép dạng khung giàn là chi phí, vì một cột tháp
dạng khung giàn chỉ yêu cầu bằng một nửa số nguyên liệu so với một cột tháp hình ống với độ vững chãi tương tự. Tuy nhiên, vì lý do thẩm mỹ mà những cột tháp khung giàn gần như biến mất trong việc sử dụng cho các Turbine gió cỡ lớn và hiện đại ngày nay.
3.4.3Cột thép hình ống.
Hầu hết các tua bin gió cỡ lớn đều sử dụng cột thép hình ống được sản xuất trong khoảng từ 20 – 30 mét với các mặt bích tại mỗi đầu và được nối lại với nhau tại các điểm. Những cột tháp là hình nón (với đường kính của chúng tăng theo hướng chân đế) để tăng độ mạnh của chúng và cũng là để tiết kiệm nguyên liệu.
3.4.4Cột thép dạng dây nối đất
Nhiều Turbine gió nhỏ được xây dựng với cột tháp thu hẹp được hỗ trợ bởi những dây nối. Lợi thế đó là tiết kiệm trọng lượng và do vậy tiết kiệm chi phí. Sự bất lợi là việc phải chấp nhận những khó khăn xung quanh cột tháp, điều làm nó ít phù hợp trong khu vực nông trại. Cuối cùng, loại cột tháp này là dễ bị nghiêng dẫn đến hư hỏng, do vậy ảnh hưởng đến an toàn tổng thể.
Chọn loại tháp hình ống.
Tính tốn và chọn tải tiêu thụ.
Để đo công suất từ tuabin gió phát ra ta dùng tải thuần trở mắc nối tiếp nhau để sử dụng nguồn điện một chiều tạo ra từ tuabin. Mỗi khi tuabin gió hoạt động thì hệ thống sẽ cung cấp điện một chiều cho tải nhờ vào hệ thống chuyển đổi điện xoay chiều (AC) sang điện một chiều (DC).
Để tính tốn tải tiêu thụ để tại đó cơng suất là cực đại (Pmax) khi U khơng đổi (tốc độ gió thứ nghiệm là khơng đổi) ta có cơng thức:
2 2 2 L C RU RI R Z Z (3.8)
Vì máy phát là phần tử có điện trở nội r nên lúc này công suất trên tải là biến trở R sẽ là:
2 2 2 2 L C RU RI R r Z Z (3.9)
Đặt mẫu của biểu thức trên là:
2 2 2 2 2 L C L C R r Z Z r Z Z A R r R R
Áp dụng bất đẳng thức Cauchy cho A ta được
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 L C L C L C r Z Z r Z Z A R r R r r Z Z r R R
Ta thấy rằng PRmax khi Amin nghĩa là dấu “=” xảy ra, khi đó: 2
2
L C
R r Z Z (3.10)
Công suất cực đại của biến trở R là:
2 max 2 2 2 R L C U r Z Z r (3.11) Xét mạch điện như hình: Mạch điện có biến trở
Quy ước theo hình vẽ Ro = r (điện trở của Turbine), r, L, C khơng đổi vì tốc độ gió không đổi nên điện áp đặt vào hai đầu đoạn mạch và tần số không đổi (U=const, f=const)
Ta tìm sự phụ thuộc của cơng suất toàn mạch vào biến trở R bằng phương pháp khảo sát hàm số.
2 2 2 2 td td td td L C U R I R R Z Z Với Rtd = R + r Đạo hàm Ptd theo Rtd ta có: 2 2 2 2 ' 2 2 2 2 td L C td td td L C R Z Z R U R Z Z 2 2 2 ' 2 2 2 L C td td td L C U Z Z R R Z Z Ptđ đạt cực trị khi: 2 ' 0 2 0 td ZL ZC Rtd => Rtd = |ZL – ZC| => R+r = |ZL – ZC| => R = |ZL – ZC|- r Bảng biến thiên cho trường hợp R>0
Đồ thị của P theo Rtd
Nhận xét đồ thị:
Khi mạch khơng có r thì đồ thị đi qua gốc toạ độ và công suất mạch đạt cực đại khi R = |ZL – ZC|.
Khi vẽ đường thẳng P = P0 song song với OR thì đường thẳng này cắt đồ thị nhiều nhất tại 2 điểm, điều này chứng tỏ có 2 giá trị R khác nhau cho cùng một công suất như nhau.
Nếu R < 0 tức là r > |ZL – ZC| khi đó là giá trị biến trở làm cho cơng suất đạt cực đại là R=0.
Công suất trên cuộn dây:
2 2 2 2 L C U I r r R r Z Z (3.12)
Công thức trên cuộn dây cực đại:
2 2 max min min 0 L C R r Z Z R r R (3.13)
Khi đó cơng suất cực đại:
2 2 max max 2 2 L C U I r r r Z Z (3.14)
Đặt mẫu của biểu thức 2 2 L C Z r Z Z