6. Kết cấu luận văn
4.2 Thiết kế biên dạng cánh, kết cấu tuabin giĩ trục đứng cánh xoắn
4.2.1 Thơng số thiết kế tuabin
Thiết kế tuabin giĩ cơng suất nhỏ cánh xoắn kiểu Quiet-Revolution/GB cĩ yêu cầu nhƣ sau:
- Biên dạng cánh theo kiểu NACA 2412;
- Tuabin tự động bắt đầu khởi động khi tốc độ giĩ đạt 2,5 m/s; - Điện áp: 12 V;
- Cơng suất nguồn điện phát ra: 50 W;
- Dịng điện phát ra từ dynamơ đƣợc nạp vào ắc-quy và hoạt động của đèn LED 12 VDC đƣợc cấp nguồn từ ắc-quy.
- Khơng phụ thuộc vào hƣớng giĩ; - Đƣờng kính tuabin 1 m;
- Địa điểm lắp đặt để khảo sát tại trƣờng đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. HCM;
- Nhiệt độ mơi trƣờng hoạt động: 25oC - 40oC; - Độ ẩm: 70 - 80%;
4.2.2 Thiết kế biên dạng cánh tuabin 4.2.2.1 Yêu cầu thiết kế 4.2.2.1 Yêu cầu thiết kế
- Biên dạng cánh NACA 2412; - Đƣờng kính tuabin 1 m;
- Tuabin giĩ phát ra cơng suất ổn định ở vận tốc 6 m/s (vận tốc giĩ để tuabin làm việc ổn định);
4.2.2.2 Tính tốn thiết kế biên dạng cánh tuabin a) Xác định các thơng số cánh a) Xác định các thơng số cánh
Từ những dữ liệu lựa chọn ban đầu sau:
- Cơng suất tuabin: PT = 50 W
- Vận tốc giĩ: v = 6 m/s
- Chọn bán kính tuabin sơ bộ: R = 0,5 m - Trọng lƣợng riêng của khơng khí: = 1,225 kg/m3 - Hệ số cơng suất: Cp = 0,35 - Hệ số tốc độ đầu cánh: = 3,5 - Số cánh tuabin: n = 3 - Gĩc xoắn tồn bộ cánh: o = 120o Theo cơng thức (3-20) ta cĩ: T p w w P C 0, 35 P 142,857 (W) P Theo cơng thức (3-21) ta cĩ: Cp = 4a(1 – a)2 = 0,35 a = 0,626 Theo cơng thức (3-18) ta cĩ: 2 3 2 T S S P = r2 .A .a(1- a) .v = 50Þ A = 1, 08 (m ) Theo cơng thức (3-13) ta cĩ: As = 2R.L L = 1,08 (m) Theo cơng thức (3-46) ta cĩ:
2 2 2 0
L (R ) l l 1, 08 (m)
Khi k0 = 1,2 = 1,47 thì theo cơng thức (3-51) ta cĩ:
2 1 0 w 1 k k b.v R k 3, 7b Theo cơng thức (3-24) ta cĩ: vw = (1 – a)v = 2,24 (m/s) Theo cơng thức (3-26) ta cĩ: top v R 42, 0 (rad / s) v v Theo cơng thức (3-19) ta cĩ: PT = nT T = 0,397 (Nm) Theo cơng thức (3-52) ta cĩ: 0 2 2 2 1 1 0 0 l q
T k R l q cos sin d k R sin T 1, 67b
2 Với: T = 1,67b = 0,397 b = 0,2381 (m) = 238,1 (mm) Theo cơng thức (3-53) ta cĩ: o 0 L q tg 2, 06 64,1 R Theo cơng thức (3-3) ta cĩ: P = F.v F = 23,81 (N)
b) Tính tọa độ cánh biên dạng NACA 2412
Các thơng số cánh biên dạng NACA 2412 đƣợc tính tốn nhƣ sau:
- Độ cong lớn nhất trên cánh: m = 2% x c = 0,02 x 238,1 = 4,8 (mm) (với chiều dài dây cung c = 238,1 mm).
- Tại vị trí cĩ độ cong lớn nhất: p = 40% x c = 0,4 x 238,1 = 95,2 (mm)
- Độ dày tối đa của cánh: t = 12% x c = 0,12 x 238,1 = 28,6 (mm)
-
Hình 4.2: Biên dạng cánh NACA 2412 khơng đối xứng
Từ các thơng số m, p và t chúng ta cĩ thể tính tốn tọa độ các điểm thuộc biên dạng cánh. Để thực hiện tính tốn, ta chia chiều dài dây cung thành 2 phần:
- Nửa cánh bên trái cĩ tọa độ x từ 0 p
- Nửa cánh bên phải cĩ tọa độ x từ p hết chiều dài c sau đĩ thực hiện theo trình tự sau:
Bƣớc 1: Tính tốn tọa độ các đƣờng cong trung bình bằng các giá trị m và p
cho mỗi tọa độ x:
- Tính tốn tọa độ đƣờng cong trung bình nửa cánh bên trái bằng giá trị m và p cho mỗi tọa độ x (0 x p):
+ Chia đƣờng cong trung bình nửa cánh bên trái ra thành 25 phần bằng nhau.
+ Áp dụng cơng thức (3-54) để tính đƣờng cong trung bình nửa cánh bên trái (đoạn từ 0 p): 2 c 2 m y 2px x p
- Tính tốn tọa độ đƣờng cong trung bình nửa cánh bên phải bằng giá trị m và p cho mỗi tọa độ x (p x c):
+ Chia đƣờng cong trung bình nửa cánh bên phải ra thành 40 phần bằng nhau.
+ Áp dụng cơng thức (3-55) để tính đƣờng cong trung bình nửa cánh bên phải (đoạn từ p hết chiều dài đoạn c).
2 c 2 m y (1 2p 2px x ) 1 p
Bƣớc 2: Tính độ dốc các tọa độ đƣờng cong trung bình
- Độ dốc các tọa độ nửa cánh bên trái (0 x p) bằng cơng thức (3-56):
c 2 dy 2m p x dx p
- Độ dốc các tọa độ nửa cánh bên phải (p x c) bằng cơng thức (3-57):
c 2 dy 2m p x dx 1 p
Bƣớc 3: Tính tốn phân bố độ dày phía trên (+) và phía dƣới (-) đƣờng cong
trung bình bằng các giá trị của t bằng cơng thức (3-58).
2 3 4 t t x x x x x y 0, 2969 0,126 0, 3516 0, 2843 0,1015 0, 2 c c c c c Trong đĩ: t = 28,6 mm
Bƣớc 4: Cuối cùng xác định tọa độ cho bề mặt trên (xu, yu) và bề mặt dƣới (xl, yl) của cánh thơng qua các cơng thức sau:
Tọa độ bề mặt trên của cánh tính bằng cơng thức (3-59) và (3-60) u c t
x x y sin
u c t
y y y cos
Tọa độ bề mặt dƣới của cánh tính bằng cơng thức (3-61) và (3-62) l c t x x y sin l c t y y y cos Với dyc a.tg dx
Từ các phƣơng trình tính tốn tọa độ biên dạng cánh đã cĩ. Ta dùng phần mềm Microsoft Excel tính đƣợc các thơng số cần tìm qua bảng tính sau:
Từ các tọa độ điểm đã cĩ ở bảng 4.2 & 4.3 vẽ đƣợc tọa độ biên dạng cánh NACA 2412 thực tế trên phần mềm Excel.
Hình 4.3: Biên dạng cánh NACA 2412 được vẽ trên Excel
Biên dạng cánh NACA 2412 đƣợc vẽ bằng phần mềm SolidWorks.
Hình 4.4: Vẽ biên dạng cánh NACA 2412 trên SolidWorks 4.2.3 Thiết kế kết cấu tuabin giĩ Quiet - Revolution
4.2.3.1 Yêu cầu thiết kế
- Tuabin cĩ dạng trục đứng, 3 cánh, cứng vững; - Sử dụng các vật liệu nhẹ trong thiết kế tuabin.
- Tuabin hoạt động ổn định khơng rung lắc và ít gây ra tiếng ồn.
Tuabin đƣợc thiết kế bằng phần mềm Solidworks 2016 và mơ phỏng hoạt động với ANSYS 15. Hình 4.5 trình bày kết cấu tổng thể của tuabin trên phần mềm SolidWorks.
Hình 4.5: Mơ hình tổng thể tuabin được thiết kế bằng SolidWorks 2016 4.2.3.3 Mơ phỏng áp suất và lực tác động lên cánh tuabin
Từ mơ hình 3D đƣợc xây dựng nên bằng Solidworks 2016, thực hiện chia lƣới và mơ phỏng bằng ANSYS 15 (Fluent) với các thơng số nhập vào nhƣ ở bảng 4.4.
Bảng 4.4: Simulation Properties
Time scheme Transient state
Material Air Properties of Fluid Density: Kinematic viscosity: 1.225 kg/m3 1.7894e-5 kg/m-s
Cell zone conditions
Blade rotational velocity: Blade rotating direction:
17,5 rpm, 31,5 rpm, 45,5 rpm, 105,0 rpm (ideal) Conventional clockwise
Boundary Conditions
Inlet Velocity:
Outlet gauge pressure: Blades:
2,5 m/s, 4,5 m/s, 6,5 m/s, 15 m/s (rated condition) 0 Pa
Rotational, relative to the adjacent cell zone, zero rpm Kết quả chạy mơ phỏng về phân bố áp suất trên cánh, phân bố lực trên cánh đƣợc trình ở hình 4.6; 4.7, 4.8 và 4.9.
c) Phân bố áp suất d) Phân bố lực
Hình 4.6: Áp suất và lực trên cánh khi khởi động ở vận tốc giĩ 2,5m/s
c) Phân bố áp suất d) Phân bố lực
Hình 4.7: Áp suất và lực trên cánh khi khởi động ở vận tốc giĩ 4,5 m/s
Hình 4.8: Áp suất và lực trên cánh khi khởi động ở vận tốc giĩ 6,5 m/s
c) Phân bố áp suất d) Phân bố vectơ lực
Hình 4.9: Áp suất và lực trên cánh khi khởi động ở vận tốc giĩ 15,0 m/s
Khi tốc độ giĩ càng tăng thì áp suất và lực khơng khí tác động lên cánh càng cao, tốc độ quay càng nhanh, nhƣ vậy lƣợng điện sinh ra càng nhiều. Cụ thể các giá trị áp suất và lực lớn nhất nhƣ trong bảng 4.5.
Bảng 4.5: Kết quả mơ phỏng
Tốc độ giĩ (m/s) 2,5 4,5 6,5 15,0
Áp suất tối đa trên cánh (Pa) 9.487x103 1.012x104 3.291x104 3.523x104 Lực tối đa trên cánh (N) 3.760 9.160 9.926 18.350
Kết luận:
- Đã lựa chọn đƣợc kết cấu phù hợp cho tuabin giĩ Quiet – Revolution cơng suất 50 W, 12 VDC.
- Kết quả mơ phỏng trên phần mềm ANSYS 15 cho thấy kết cấu tuabin đủ bền và vẫn hoạt động an tồn ở tốc độ giĩ 15,0 m/s.
4.2.4 Thiết kế mạch điện hệ thống
4.2.4.1 Yêu cầu chung của mạch điện hệ thống tuabin giĩ
- Hệ pin lựa chọn sao cho thắp sáng đủ bĩng đèn 50W trong 6h; - Mạch điện điều khiển sạc để quản lý quá trình nạp và xả tải; - Cĩ màn hình hiển thị điện áp, dịng điện và cơng suất thu đƣợc. Sơ đồ khối của mạch điện hệ thống đƣợc trình bày ở hình 4.10.
WIND TURBINE (DYNAMO) CHARGE CONTROLLER BATTERY BANK DUMPLOAD ELECTRICITY LOAD
Hình 4.10: Sơ đồ khối của mạch điện hệ thống tuabin giĩ cánh xoắn
Khi hoạt động tuabin giĩ (Wind Turbine) sẽ chuyển đổi năng lƣợng giĩ thành điện năng, tạo ra dịng điện một chiều (DC). Dịng điện này đƣợc truyền dẫn tới bộ điều khiển sạc (Charger Controller) là một thiết bị điện tử cĩ chức năng điều khiển tự động quá trình nạp điện vào hệ pin (ắc-quy) và phĩng/phát điện từ hệ pin (ắc- quy) cho các thiết bị điện một chiều (DC).
- Tuabin giĩ (Wind Turbine): chuyển đổi năng lƣợng giĩ thành điện năng. - Bộ điều khiển sạc (Charge Controller): Đây là thiết bị cĩ chức năng điều khiển việc sạc điện cho hệ pin (ắc-quy), ổn áp cho dịng điện nạp, bảo vệ cho hệ pin (ắc-quy) chống nạp quá tải và xả quá sâu nhằm nâng cao tuổi thọ của hệ pin (ắc- quy), và giúp hệ thống sử dụng hiệu quả và lâu dài. Bộ điều khiển sạc cịn cho biết tình trạng xả của hệ pin (ắc-quy) giúp cho ngƣời sử dụng kiểm sốt đƣợc các phụ tải. Mạch bảo vệ của bộ điều khiển sạc sẽ thực hiện việc ngắt mạch khi bộ điều khiển sạc xác nhận hệ pin (ắc-quy) đã đƣợc nạp đầy.
- Hệ pin (Battery): Là thiết bị lƣu trữ điện năng lƣợng dƣới dạng hố năng. Khi ta dùng, năng lƣợng này sẽ dần chuyển đổi thành điện năng. Pin là nguồn cung cấp năng lƣợng hoạt động cho hầu nhƣ tất cả các thiết bị cầm tay hiện nay vì nĩ cĩ những ƣu điểm nhƣ: Nhỏ, nhẹ, cung cấp điện áp ổn định. Trên thị trƣờng hiện nay cĩ rất nhiều loại pin, song cĩ 3 loại pin thƣờng đƣợc sử dụng nhiều nhất hiện nay để lƣu trữ điện năng, đĩ là pin Lithium-Ion (Lion), pin Lithium-Ion Polymer (LiPo) và pin Lithium Fe Photphat (LiFePo4) với kích thƣớc và dung lƣợng (tính bằng Ah) hồn tồn khác nhau, tùy thuộc vào cơng suất và đặc điểm của hệ thống. Hệ thống
cĩ cơng suất càng lớn thì cần sử dụng cell pin cĩ dung lƣợng lớn hoặc dùng nhiều cell pin kết nối lại với nhau.
4.2.4.2 Tính tốn cơng suất lƣu trữ điện năng
a) Lƣợng điện tiêu thụ cho việc thắp sáng của đèn 50 W trong 6 giờ
Lƣợng điện tiêu thụ của bĩng đèn cĩ cơng suất 50 W đƣợc xác định nhƣ sau: Q6h = 50 x 6 = 300 (Wh)
b) Dung lƣợng hệ pin để lƣu trữ điện năng
Dung lƣợng pin để lƣu trữ điện năng cho hệ thống là số lƣợng pin đủ cung cấp điện cho 1 bĩng đèn cơng suất 50 W sáng liên tục trong 6h.
Do hiệu suất của pin chỉ khoảng 95% cho nên chia số Wh của tải tiêu thụ với 0,95 ta cĩ Wh của pin.
Với mức mức xả sâu của pin là 0,7 ta chia số Wh của pin cho 0,7 sẽ cĩ dung lƣợng pin là Wh / 0,7.
Tổng cơng suất tiêu thụ của đèn trong 1 ngày là 300 Wh, điện áp ra của hệ thống pin là 12 V.
Do đĩ ta tính đƣợc:
Dung lƣợng battery = out b
E .D 300×1
= = 37,6 Ah
V.η .DOD 12×0,95×0,7 Vậy ta chọn hệ pin để lƣu trữ điện năng cho đèn là 40 Ah.
c) Chọn hệ pin để lƣu trữ điện năng
Hiện nay, pin LiFePo4 là loại pin lithium đƣợc sử dụng phổ biến nhất đang trong các ứng dụng lƣu trữ điện năng với những ƣu điểm: ít nguy cơ cháy nổ, cĩ tuổi thọ hợp lý, chất lƣợng cao với hơn 1.000 lần sạc và xả điện. Với các đặc điểm trên, pin LiFePo4 đã đƣợc lựa chọn để lắp đặt cho hệ thống lƣu trữ điện năng của tuabin giĩ Quiet – Revolution.
Một cụm (cell) pin LiFePo4 thƣờng cĩ điện áp danh định là 3,2 V (điện áp phĩng ra khơng đổi và duy trì ở 3,2 V trong thời gian phĩng cho đến khi pin cạn kiệt). Pin cấp nguồn ổn định đầy đủ cho đến khi phải sạc lại nên khơng cần mạch
điều chỉnh điện áp ra. Với điện áp danh định của một cụm pin là 3,2 V nên thiết bị lƣu trữ điện năng với 4 cụm pin sẽ tạo ra điện áp danh định là 12,8 V.
Hình 4.11: Pin dự trữ điện năng LiFePo4 dung lượng 40Ah
Đặc điểm kỹ thuật: - Điện áp cell:
+ Điện áp phĩng tối thiểu: 2,65 V + Điện áp làm việc: 3,0 ~ 3,3 V + Điện áp nạp tối đa: 3,65 V
- Mật độ năng lƣợng thể tích: 220 Wh/dm3 (790 kJ/dm3) - Mật độ năng lƣợng khối lƣợng > 90 Wh/kg (> 320 J/g)
+ 100% DOD cycle life (chu kì xả sâu - số chu kỳ đạt 80% cơng suất ban đầu): 2.000 – 7.000
+ 10% DOD cycle life (chu kì xả sâu - số chu kỳ tới 80% cơng suất ban đầu) > 10.000
- Giới hạn điện áp nạp: 2,65 ÷ 3,65 V;
- Qui trình nạp: nạp với tỷ lệ C/1 lên đến 3,6 V, sau đĩ duy trì điện áp ổn định ở 3,6 V.
Hệ thống giám sát năng lƣợng pin BMS là hệ thống quản lý giám sát các thơng số của từng cell pin nhƣ nhiệt độ, điện áp, dịng điện xả và sạc đảm bảo pin hoạt động trong điều kiện năng lƣợng tối ƣu và an tồn nhất. Cụ thể là khi cĩ bất kỳ một cell pin nào cĩ sự cố hoặc khi sạc xả quá thơng số của pin thì BMS sẽ tự động ngắt để tách hệ thống pin ra khỏi thiết bị, tránh ảnh hƣởng đến các thiết bị và để bảo vệ các cell pin khác.
a) Mặt trước bộ BMS b) Mặt sau bộ BMS
Hình 4.12: Bộ giám sát pin BMS
Do từng cell pin LiFePo4 40 Ah cĩ điện áp là 3,2 V (2,65 - 3,65 V) nên ta cần ghép 4 cell pin lại với nhau để đƣợc hệ pin 12 V – 40 Ah.
Hình 4.13: Đấu nối 4 cell pin LiFePo4
4.2.4.3 Chọn bộ điều khiển sạc cho hệ pin lƣu trữ điện năng
Bộ điều khiển sạc là thiết bị thực hiện chức năng điều tiết nạp cho hệ pin, bảo vệ cho hệ pin khơng bị nạp quá tải và xả quá sâu nhằm nâng cao tuổi thọ của hệ pin, ngồi ra bộ điều khiển sạc cịn cho biết tình trạng nạp điện từ dynamơ vào hệ pin, đồng thời cịn giúp cho ngƣời sử dụng kiểm sốt đƣợc các phụ tải.
Hiện nay cĩ rất nhiều bộ điều khiển sạc, nhƣ bộ điều khiển sạc xung PWM, bộ điều khiển sạc MPPT,... Mỗi loại đều cĩ những ƣu điểm và hạn chế riêng, tuy nhiên chúng đều cĩ những yêu cầu chung sau:
- Biên độ điện áp đầu vào cĩ thể dao động lớn, cĩ khả năng ngắt để bảo vệ khi quá áp;
- Điện áp đầu ra nạp vào hệ pin hay ắc-quy ổn định, tự động nhận dạng hệ pin hoặc ắc-quy 12/24 V;
- Cĩ khả năng cấp nguồn cho tải và ngắt để bảo vệ hệ pin hoặc ắc-quy khơng bị xả quá cạn;
- Hiển thị đƣợc điện áp sạc và dịng điện sạc;
- Cĩ chức năng nâng áp tuabin đến áp hệ pin và bám vào đĩ để nâng dịng nạp.
- Chống ngƣợc dịng từ hệ pin hay ắc-quy lên tuabin khi tuabin ngừng hoạt động;
- Cĩ khả năng sạc 3 giai đoạn: giai đoạn sạc nhanh, giai đoạn sạc ổn áp (đẳng áp) và giai đoạn sạc thả nổi, giúp bảo vệ và tăng tuổi thọ hệ pin hay ắc-quy.