6. Kết cấu luận văn
4.4 Khảo nghiệm sơ bộ tuabin giĩ trục đứng cánh xoắn
4.4.3 Khảo nghiệm kết cấu cơ khí của tuabin giĩ
4.4.3.1 Bố trí khảo nghiệm tuabin
- Lắp hồn chỉnh tuabin giĩ trên giá đỡ cố định;
- Kiểm tra siết chặt tất cả đai ốc, bulong liên kết giữa khung với các cánh, giữa khung với giá đỡ;
- Kiểm tra cân bằng cho các cánh của tuabin;
- Dùng một quạt giĩ hƣớng trục cĩ lƣu lƣợng 4.920 m3/h cĩ điều chỉnh tốc độ bằng mơ đun điều chỉnh điện áp AC 220 V, 4.000 W tạo giĩ cƣỡng bức với vận tốc từ 1 m/s đến 11 m/s để cung cấp giĩ cho tuabin giĩ hoạt động để tiến hành khảo sát.
- Các đồng hồ đo số liệu cho thí nghiệm gồm: + Đồng hồ đo tốc độ giĩ;
+ Đồng hồ đo số vịng quay;
+ Đồng hồ đo dịng điện (Ampere kẹp); + Đồng hồ đo điện áp (VOM);
+ Đồng hồ đo cơng suất Powermeter.
4.4.3.2 Kết quả khảo nghiệm kết cấu cơ khí của tuabin giĩ
- Vận hành quay thử tuabin bằng tay để kiểm tra các khớp lắp ghép giữa trục và ổ bi xem chúng cĩ đƣợc gia cơng đồng trục nhƣ thiết kế. Kết quả tuabin quay nhẹ nhàng, khơng chênh,…
- Tiến hành cho quạt giĩ thổi vào tuabin với tốc độ giĩ tăng dần từ 1 m/s đến 11 m/s để kiểm tra và ghi nhận các thơng số vận hành:
+ Tuabin bắt đầu vận hành khi tốc độ giĩ đạt 2,5 m/s, thơng số bắt đầu khởi động của tuabin đạt nhƣ thiết kế.
+ Tuabin khơng rung lắc, giá đỡ tuabin khơng tịnh tiến khỏi vị trí ban đầu, cho thấy tuabin đã đƣợc lắp đặt và hiệu chỉnh đạt cân bằng.
+ Tiếng khua giĩ ít, ít gây tiếng ồn trong quá trình hoạt động. Kết luận:
- Tuabin vận hành đạt yêu cầu về kết cấu, cứng vững đạt nhƣ thiết kế.
4.4.4 Kết quả khảo nghiệm hoạt động tuabin khi khơng tải
Kết nối dây dẫn của dynamơ đến các đồng hồ đo, sử dụng đồng hồ đo điện áp và đồng hồ đo dịng điện, đồng hồ đo cơng suất để tiến hành đo và cập nhật các thơng số vào bảng 4.7 ở phần phụ lục.
Từ bảng thơng số 4.7 ta vẽ đƣợc biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa vận tốc giĩ, số vịng quay của dynamơ và điện áp ra nhƣ sau:
Hình 4.32: Biểu đồ quan hệ giữa vận tốc giĩ, số vịng quay dynamơ và điện áp
y = -5E-06x2 + 0,0251x + 1,7605 R² = 0,9967 y = 3E-05x2 + 0,0573x + 0,8933 R² = 0,9934 0,00 3,00 6,00 9,00 12,00 15,00 18,00 21,00 24,00 27,00 30,00 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 00 50 100 150 200 250 300 350 400 Đ iện áp ( V ) V ận t ốc giĩ (m/ s) Số vịng quay (rpm)
Nhận xét:
- Từ biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa vận tốc giĩ, số vịng quay của dynamơ và điện áp ra ở hình 4.32 ta thấy số vịng quay tuabin và điện áp ra khá tuyến tính với vận tốc giĩ, tức là khi vận tốc giĩ càng lớn thì tuabin quay càng nhanh và điện áp ra càng lớn.
- Khi vận tốc giĩ đạt 6 m/s, thì tuabin quay đƣợc 177 vịng/phút, điện áp dynamơ tạo ra xếp xỉ 12 V.
Kết luận:
- Khi khơng tải ta thấy tuabin vận hành cung cấp điện áp ra đủ để nạp vào hệ pin 12 V.
4.4.5 Kết quả khảo nghiệm hoạt động tuabin khi cĩ tải
Lắp thêm bộ điều khiển sạc MPPT vào mạch điện của tuabin và đến các đồng hồ đo, để hiển thị các thơng số đo nhƣ điện áp nạp, dịng điện nạp, cơng suất nạp,… trong quá trình vận hành. Sau đĩ kết nối bộ điều khiển sạc MPPT với hệ pin để nạp điện vào hệ pin 12 V, đồng thời kết nối hệ pin với đèn chiếu sáng (tải vận hành).
Tiến hành cho quạt giĩ thổi vào tuabin với tốc độ giĩ tăng dần từ 1 m/s đến 11 m/s để kiểm tra và ghi nhận các thơng số vận hành khi cĩ tải, các thơng số đo này đƣợc cập nhật vào bảng 4.8 ở phần phụ lục. Vì quạt giĩ hƣớng trục quay khơng đều nên khi tạo ra giĩ cĩ vận tốc cũng khơng ổn định, do đĩ khi lấy thơng số vận tốc giĩ ta lấy giá trị trung bình trong 2 phút.
a) Quan hệ giữa vận tốc giĩ và số vịng quay của dynamơ (tuabin)
Từ bảng 4.8 ta vẽ đƣợc biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa số vịng quay của dynamơ (cũng chính là số vịng quay của tuabin) và vận tốc giĩ nhƣ sau:
Hình 4.34: Biểu đồ quan hệ số vịng quay của dynamơ và vận tốc giĩ
Nhận xét:
- Dynamơ cĩ số vịng quay từ 50 - 150 vịng/phút tƣơng ứng với vận tốc giĩ đạt từ 3,2 – 5,7 m/s.
- Để dynamơ đạt số vịng quay từ 150 - 250 vịng/phút thì tốc độ giĩ phải đạt từ 5,7 – 8,1 m/s.
b) Quan hệ giữa số vịng quay của dynamơ và cơng suất phát
- Từ bảng 4.8 ta vẽ đƣợc biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa số vịng quay của dynamơ (tuabin) và cơng suất phát của dynamơ nhƣ sau:
y = -8E-06x2 + 0,0265x + 1,881 R² = 0,9932 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 00 50 100 150 200 250 300 350 400 Vận tốc gi ĩ (m /s) Số vịng quay (rpm)
Hình 4.35: Biểu đồ quan hệ giữa số vịng quay của tuabin và cơng suất phát
Nhận xét:
- Để tuabin giĩ đạt cơng suất từ 0 – 30 W thì số vịng quay của tuabin phải đạt 25 - 200 vịng/phút
- Khi số vịng quay của tuabin lên đến 200 – 260 vịng/phút, dynamơ sẽ phát ra dịng điện cĩ cơng suất 30 – 50 W.
c) Quan hệ giữa vận tốc giĩ và cơng suất phát của dynamơ
Từ bảng 4.8 ta vẽ đƣợc biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa vận tốc giĩ và cơng suất phát của dynamơ nhƣ sau:
y = 0,0007x2 + 0,0059x - 1,2029 R² = 0,9958 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00 100,00 110,00 00 50 100 150 200 250 300 350 400 Cơn g s uất phá t ( W ) Số vịng quay (rpm)
Hình 4.36: Biểu đồ quan hệ vận tốc giĩ và cơng suất phát của dynamơ
Nhận xét:
- Theo biểu đồ thể hiện quan hệ giữa vận tốc giĩ và cơng suất phát của dynamơ ở hình 4.34, ta thấy cơng suất phát của dynamơ khá tuyến tính với vận tốc giĩ.
- Cơng suất phát của dynamơ đạt từ 0 – 30 W khi tốc độ giĩ đạt từ 3 – 6,8 m/s; Đạt 30 – 50 W khi vận tốc giĩ từ 6,8 - 8,2 m/s.
4.4.6 Kết quả khảo nghiệm ban đầu trụ đèn điện giĩ hoạt động thực tế 4.4.6.1 Vị trí lắp đặt khảo nghiệm 4.4.6.1 Vị trí lắp đặt khảo nghiệm y = 1,4188x2 - 6,0459x + 4,8757 R² = 0,9943 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00 100,00 110,00 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 Cơn g s uất phá t ( W ) Vận tốc giĩ (m/s)
Sau khi nghiên cứu và khảo sát vị trí lắp đặt, để thuận lợi cho việc lấy số liệu thực nghiệm cũng nhƣ bảo quản thiết bị, tác giả đã chọn vị trí lắp đặt là đƣờng nội bộ trong sân trƣờng đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.
Vị trí lắp đặt: - Dễ dàng lắp đặt;
- Dễ dàng lấy các thơng số thực nghiệm. Khĩ khăn của vị trí lắp đặt:
- Sân trƣờng nơi lắp đặt tuabin, cĩ nhiều tồ nhà xung quanh nên giĩ thổi chủ yếu là giĩ quẩn.
- Tốc độ giĩ trung bình thấp, ảnh hƣởng lớn đến hoạt động của tuabin.
4.4.6.2 Các thơng số đo đƣợc a) Hoạt động của tuabin a) Hoạt động của tuabin
Tốc độ giĩ vào thời điểm lắp đặt (tháng 8, tháng 9) đo đƣợc là: - Tốc độ giĩ trung bình trong thời gian thực nghiệm 3,3 m/s. - Hƣớng giĩ theo Tây – Tây Nam.
- Tốc độ giĩ cao nhất trong ngày ở một số thời điểm giĩ lớn là 5,9 m/s.
b) Hoạt động của đèn chiếu sáng
Đèn đƣợc lắp đặt ở độ cao 5 m, khoảng vƣơn cần 1,5 m, gĩc ngẩng cần 15o. Trên đèn đƣợc lắp thêm bộ timer để đèn tự động bật vào 18h tối hàng ngày và tắt đèn vào 24h đêm.
Từ kết quả khảo nghiệm thực tế trụ đèn cho thấy:
- Tuabin giĩ cĩ thể tự vận hành ở tốc độ giĩ vào khoảng 2,5 m/s và rất ít tiếng ồn;
- Tuabin giĩ bắt đầu nạp vào hệ pin khi vận tốc giĩ đạt từ 4,5 m/s trở nên.
- Đèn chiếu sáng đạt đƣợc cấp chiếu sáng C (TCXDVN 259:2001) với vùng tán xạ cĩ đƣờng kính 10 m, quang thơng: 6.000 Lm, độ rọi trung bình: 10 Lx.
- Hệ thống đèn chiếu sáng sử dụng tuabin giĩ Quiet – Revolution/GB này cĩ khả năng ứng dụng cao trong thực tế tại các vùng cao hoặc ven, hoặc nơi chƣa cĩ điện lƣới quốc gia.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận
Việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo tuabin giĩ cơng suất nhỏ phục vụ chiếu sáng cơng cộng là một vấn đề mang tính thời sự và cĩ ý nghĩa, đặc biệt là trong giai đoạn hiện nay nguồn năng lƣợng truyền thống đang cạn kiệt dần và khuyến khích sử dụng năng lƣợng tái tạo. Đề tài “Nghiên cứu phát triển trụ đèn chiếu sáng cơng cộng sử dụng tuabin giĩ kiểu Quiet - Revolution/GB (Gorlov)” đã cĩ các nội dung
nghiên cứu theo định hƣớng trên, đã đạt đƣợc các kết quả:
- Nghiên cứu tổng quan về hệ thống đèn chiếu sáng cơng cộng, tuabin giĩ trục đứng;
- Xây dựng đƣợc cách thức và thiết kế thành cơng biên dạng NACA cho cánh xoắn của tuabin;
- Thiết kế, chế tạo thành cơng tuabin giĩ trục đứng cánh xoắn kiểu Quiet – Revolution/ GB cơng suất nhỏ;
- Thiết kế, chế tạo thành cơng trụ đèn chiếu sáng sử dụng nguồn điện giĩ từ tuabin giĩ cánh xoắn kiểu Quiet – Revolution/ GB.
- Kết quả khảo nghiệm cho thấy:
+ Tuabin giĩ cĩ thể hoạt động ở tốc độ giĩ vào khoảng 2,5 m/s và rất ít tiếng ồn;
+ Tuabin giĩ bắt đầu nạp vào hệ pin khi vận tốc giĩ đạt từ 4,5 m/s trở nên.
+ Đèn chiếu sáng treo ở độ cao 5 m đạt đƣợc cấp chiếu sáng C (TCXDVN 259:2001) với vùng tán xạ với đƣờng kính 10 m, độ rọi trung bình: 10 Lx
2. Kiến nghị
Do thời gian thực hiện đề tài và khả năng kinh phí cĩ hạn nên ngồi những kết quả đạt đƣợc, xin đề xuất một số ý kiến sau giúp phát triển và hồn thiện đề tài hơn nữa:
- Mở rộng những đề tài nghiên cứu, thiết kế những hệ thống phát điện lai ghép giữa sức giĩ với các nguồn năng lƣợng tái tạo khác ở cỡ cơng suất vừa và nhỏ nhƣ: Nguồn năng lƣợng mặt trời, nguồn năng lƣợng từ sức nƣớc,…
- Nghiên cứu bổ sung hệ thống dẫn động để tăng tỉ số truyền nhƣng thiết kế sao cho cơng suất tổn hao truyền động thấp nhất.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] Đỗ Ngọc Tân, Cơng nghiệp Điện giĩ. Thời báo Kinh tế Sài Gịn & Trung tâm Kinh tế châu Á - Thái Bình Dƣơng - Tp. Hồ Chí Minh, 2012.
[2] Nguyễn Ngọc. Điện giĩ và quạt giĩ bơm nước. NXB Lao Động, 2013
[3] Tơn Ngọc Triều, Nâng cao hiệu suất của máy phát điện giĩ cơng suất nhỏ,
luận văn thạc sỹ, Đại học sƣ phạm kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh, 2009.
[4] Nguyễn Phùng Quang, Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức
giĩ cĩ cơng suất 10 – 30 KW phù hợp với điều kiện Việt Nam, Báo cáo tổng
kết đề tài khoa học cấp nhà nƣớc, 2007.
[5] Chu Đức Quyết, Tính tốn thiết kế mơ hình hệ thống cánh Turbine giĩ kiểu trục đứng trong máy phát điện cơng suất 10KW, luận văn thạc sỹ, Trƣờng Đại
học KTCN – Đại học Thái Nguyên, 2009.
[6] Đặng Thiện Ngơn, Phùng Tấn Lộc. Nghiên cứu phát triển máy phát điện giĩ trục đứng cơng suất nhỏ tự điều chỉnh cánh theo hƣớng giĩ. Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh,
số 37, tr.72, 2016.
[7] Nguyễn Tấn Anh Dũng, Nghiên cứu lựa chọn cơng nghệ và thiết bị để sử dụng năng lượng giĩ trong sản suất, sinh hoạt nơng nghiệp và bảo vệ mơi trường. Báo cáo tổng kết chuyên đề, 2006.
[8] Phạm Hồng Vân, Nghiên cứu, điều tra, khảo sát và đánh giá các hệ thống phát điện kết hợp các dạng năng lượng tái tạo cho cụm dân cư ở vùng ngồi lưới điện quốc gia, viện Năng lƣợng - Bộ Cơng thƣơng, 2014.
[9] Bộ Xây Dựng, QCVN 02:2009/BXD, Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia - Số liệu
điều kiện tự nhiên dùng trong xây dựng, Hà Nội, 2008, Tr. 78.
[10] Bộ Xây Dựng, TCXDVN 259:2001, Tiêu chuẩn thiết kế chiếu sáng nhân tạo
đường, đường phố, quảng trường, đơ thị, Hà Nội, 2001, Tr. 2-4
Tiếng Anh
[12] J. Castilo, Small scale vertical axis wind turbine design, Tampere University of Aplied Sciences, 2011.
[13] Désiré Le Gouriérès, Wind Power Plants, Theory and Design, Pergamon
Press, 1982.
[14] Frank Scheurich, Richard E. Brown, Effect of Dynamic Stall on the Aerodynamics of Vertical-Axis Wind Turbines của University of Glasgow,
Glasgow, Scotland G12 8QQ/ Scotland G1 1XJ, United Kingdom, 2011. [15] A. Hovhannisjan, A conceptual product for the sustainable highway,
Organisation University of Twente Industrial Design Engineering, sources of innovation, 2011.
[16] Bruce Champagnie, Geatjens Altenor, Antonia Simonis, Highway Wind Energy, Florida International University, 2013.
[17] Andrew Tendai Zhuga, Benson Munyaradzi and Clement Shonhiwa, Design of Alternative Energy Systems: A Self-Starting Vertical Axis Wind Turbine for Stand-Alone Applications (charging batteries), Chinhoyi University of
Technology, ZIMBABWE, 2006.
[18] MD. Saddam Hussen, Dr. K. Rambabu, M. Ramji, E. Srinivas, Design and
analysis of vertical axis wind turbine rotors, International Journal on Recent
Technologies in Mechanical and Electrical Engineering (IJRMEE), 2015. [19] Richard Keough, Victoria Mullaley, Hilary Sinclair, Greg Walsh, Design,
Fabrication and Testing of a Water Current Energy Device” Memorial
University of Newfoundland Faculty of Engineering and Applied Science Mechanical Design Project II – ENGI 8926, 2014.
[20] S. Aravind, S. Sougathali, N. Ashokpandiyan, K. Ganeshkarthikeyan,
Trembling Analysis of Helical Blade Vertical Axis Wind Turbine (VAWT),
Journal of Basic and Applied Engineering Research, 2014.
[21] Peter J. Schubel, and Richard J. Crossley, Wind Turbine Blade Design,
[22] Tushar K. Ghosh, Mark A. Prelas Energy Resources and Systems.Volume 2: Renewable Resources, Springer Science+Business Media B.V, 2011.
[23] James F. Manwell, Jon G. McGowan, Anthony L. Rogers, Wind Energy Explained: Theory, Design and Application, 1st Edition, Wiley, 2009
[24] Dr. Alexander Gorlov, Development of the helical reaction hydraulic turbine, PI MIME Department Northeastern University Boston, 41 – 45,
1998.
[25] A. A. Safe, M.Moniruzzaman, M.T.Feroz & M. T Islam, Design, fabrication
& analysis of a helical vertical wind turbine, International Conference on
Mechanical Engineering and Renewable Energy, 257, 2013.
[26] Paraschivoiu, Wind Turbine Design: With Emphasis on Darrieus Concept,
1st Edition, Polytechnic International Press, Canada, 2002.
[27] Tony Burton, David Sharpe, Nick Jenkins, Ervin Bossanyi, Wind Energy Handbook, by John Wiley & Sons, Ltd, pp. 140, 2001.
[28] Wright AK, Aspects of the aerodynamics and operation of a small horizontal
axis wind turbine, PhD thesis, School of Engineering, University of
Newcastle, 2015.
[29] David Wood, Small Wind Turbine: Analysis, Design and Application,
Springer- Verlag London Limited, 2011.
[30] Mazharul Islam, David S.-K. Ting, Amir Fartaj, Aerodynamic models for Darrieus-type straight-bladed vertical axis wind turbines, Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12(4):1087-1109, 2008.
[31] B. Kirke, Evaluation Of Self-Starting Vertical Axis Wind Turbines For Stand- Alone Applications, PhD. Thesis, Griffith University, 1998.
[32] TrueWind Solution, LLC, Albany:New York, Wind Energy Resource Atlas of Southest Asia, pp.13-18, 2001.
[33] Miroslav Petrov, Aerodynamics of Propellers and Wind Turbine Rotors, Lecture within the course Fluid Machinery (4A1629), Royal Institute of
Nguồn khác
[34] Darrieus wind turbine, https://en.wikipedia.org/wiki/Darrieus_wind_turbine, 01/05/2017.
[35] Cycloturbine-vawt. Internet:
http://www.reuk.co.uk/OtherImages/cycloturbine-vawt.jpg, 01/05/2017
[36] Alexander Gorlov. Internet: https://en.wikipedia.org/wiki/Alexander_Gorlov, 20/7/2017.
[37] Qr6 Vertical Axis Wind Turbines. Internet: https://www.quietrevolution.com/- products/, 01/08/2017
[38] L. X. Zhang, Y. B. Liang, X. H. Liu, Q. F. Jiao, and J. Guo, Aerodynamic Performance Prediction of Straight-Bladed Vertical Axis Wind Turbine Based on CFD, Journal of Advances in Mechanical Engineering, Volume 2013, 2013.
[39] Travis Justin Carrigan. Aerodynamic Shape Optimization of a Vertical-Axis Wind Turbine Using Differential Evolution, Internet: www.hindawi.com/-