Đồ án Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm tuabin gió công suất nhỏ kiểu Quiet-Revolution/GB (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm tuabin gió công suất nhỏ kiểu Quiet-Revolution/GB (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM TUABIN GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ KIỂU QUIET-REVOLUTION/GB GVHD: PGS.TS. ĐẶNG THIỆN NGÔN KS. PHÙNG DANH SA SVTH: NGUYỄN VĂN VŨ MSSV: 13143410 SKL 0 0 5 0 0 3 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2016
2. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM TUABIN GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ KIỂU QUIET-REVOLUTION/GB GVHD: PGS.TS. ĐẶNG THIỆN NGÔN KS. PHÙNG DANH SA SVTH : NGUYỄN VĂN VŨ MSSV : 13143410 Khóa : 2013 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2016
3. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM TUABIN GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ KIỂU QUIET-REVOLUTION/GB GVHD : PGS.TS. ĐẶNG THIỆN NGÔN KS. PHÙNG DANH SA SVTH : NGUYỄN VĂN VŨ MSSV : 13143410 Khóa : 2013 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2017
4. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc lập - Tự do – Hạnh phúc Bộ môn Công nghệ chế tạo máy PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Dành cho giảng viên hướng dẫn) Họ và tên sinh viên: Nguyễn Văn Vũ MSSV: 13143410 Hội đồng: CKM – 05 Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm tuabin gió công suất nhỏ kiểu Quiet-Revolution/GB. Ngành đào tạo: Công nghệ chế tạo máy Họ và tên GV hướng dẫn: PGS.TS. Đặng Thiện Ngôn Ý KIẾN NHẬN XÉT 1. Nhận xét về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên (không đánh máy) 2. Nhận xét về kết quả thực hiện của ĐATN (không đánh máy) 2.1. Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN: 2.2 Nội dung đồ án: (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển) 2.3. Kết quả đạt được:
5. 2.4. Những tồn tại (nếu có): 3. Đánh giá: Điểm Điểm đạt TT Mục đánh giá tối đa được 1. Hình thức và kết cấu ĐATN 30 Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của 10 các mục Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài 10 Tính cấp thiết của đề tài 10 2. Nội dung ĐATN 50 Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và 5 kỹ thuật, khoa học xã hội Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá 10 Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành phần, 15 hoặc quy trình đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế. Khả năng cải tiến và phát triển 15 Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm 5 chuyên ngành 3. Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài 10 4. Sản phẩm cụ thể của ĐATN 10 Tổng điểm 100 4. Kết luận:  Được phép bảo vệ  Không được phép bảo vệ TP.HCM, ngày tháng năm 2017 Giảng viên hướng dẫn ((Ký, ghi rõ họ tên)
6. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc lập - Tự do – Hạnh phúc Bộ môn Công nghệ chế tạo máy PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Dành cho giảng viên phản biện) Họ và tên sinh viên: Nguyễn Văn Vũ MSSV: 13143410 Hội đồng: CKM – 05 Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm tuabin gió công suất nhỏ kiểu Quiet-Revolution/GB. Ngành đào tạo: Công nghệ chế tạo máy Họ và tên GV phản biện: PGS.TS. Trần Ngọc Đảm Ý KIẾN NHẬN XÉT 1. Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN: 2. Nội dung đồ án: (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển) 3. Kết quả đạt được: 4. Những thiếu sót và tồn tại của ĐATN:
7. 5. Câu hỏi: 6. Đánh giá: Điểm Điểm đạt TT Mục đánh giá tối đa được 1. Hình thức và kết cấu ĐATN 30 Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các 10 Mụcmục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài 10 Tính cấp thiết của đề tài 10 2. Nội dung ĐATN 50 Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ 5 thuật, khoa học xã hội Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá 10 Khả năng thiết kế, chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc 15 quy trình đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc Khảthực năngtế. cải tiến và phát triển 15 Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên 5 ngành 3. Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài 10 4. Sản phẩm cụ thể của ĐATN 10 Tổng điểm 100 7. Kết luận:  Được phép bảo vệ  Không được phép bảo vệ TP.HCM, ngày tháng năm 2017 Giảng viên phản biện ((Ký, ghi rõ họ tên)
8. LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh, em đã đúc kết được nhiều kiến thức bổ ích cho chuyên môn của mình. Quá trình làm đồ án tốt nghiệp, em đã vận dụng được những kiến thức đã học để có thể giải quyết được những vấn đề thực tế. Với đồ án “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm tuabin gió công suất nhỏ kiểu Quiet-Revolution/GB”, do tính mới của đề tài nên em đã gặp không ít khó khăn trong quá trình thực hiện. Tuy nhiên, dưới sự hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn PGS.TS Đặng Thiện Ngôn, sự hỗ trợ, giúp đỡ của kỹ sư Phùng Danh Sa trường cao đẳng nghề An Giang, và các anh trong phòng nghiên cứu của Thầy Đặng Thiện Ngôn, gia đình và bạn bè đã giúp cho em hoàn thành đề tài của mình. Cho đến thời điểm này, với đề tài mà em thực hiện đã đạt được các yêu cầu đặt ra, em đã đưa ra được nền tảng ban đầu để việc nghiên cứu tiếp tục phát triển hơn nữa. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến: - Ban Giám hiệu Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. - Thầy PGS.TS. Đặng Thiện Ngôn – Phòng Nghiên cứu Công nghệ kỹ thuật cơ khí – Khoa Cơ khí Chế tạo máy. - Anh Phùng Danh Sa kỹ sư khoa cơ khí chế tạo máy trường cao đẳng nghề An Giang. - Gia đình, bạn bè và người thân. Một lần nữa, em xin được chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, hỗ trợ tận tình của quý thầy cô, bạn bè và gia đình đã tạo điều kiện thuận lợi giúp em hoàn thành đề tài của mình. Xin trân trọng cảm ơn! TP. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 07 năm 2017.
9. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc lập - Tự do – Hạnh phúc Bộ môn CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Văn Vũ MSSV: 13143410 Lớp: 131431A Khoá: 2013 – 2017 Ngành đào tạo: Công nghệ Chế tạo máy Hệ: A 1. Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm tuabin gió công suất nhỏ kiểu Quiet-Revolution/GB. 2. Các số liệu, tài liệu ban đầu: - Tuabin gió trục đứng Quiet-Revolution/GB. - Công suất P = 70W. 3. Nội dung chính của đồ án: - Tìm hiều, khảo sát các tuabin gió trục đứng công suất nhỏ có trên thị trường. - Nghiên cứu, xác định, đề xuất các thông số thiết kế cụ thể cho tuabin gió trục đứng loại Quiet-Revolution/GB (công suất < 100W). - Nghiên cứu, đề xuất tuabin gió kiểu Quiet-Revolution/GB. - Tính toán, thiết kế, mô phỏng các cụm chính của tuabin phát điện gió kiểu Quiet-Revolution/GB. - Đề xuất công nghệ chế tạo các chi tiết chính của tuabin phát điện gió kiểu Quiet- Revolution/GB. - Chế tạo thử nghiệm tuabin gió công suất nhỏ kiểu Quiet-Revolution/GB. - Tập bản vẽ chi tiết, bản vẽ lắp. - Tập thuyết minh, poster. 4. Ngày giao đồ án: 06/03/2017 5. Ngày nộp đồ án: 15/07/2017 TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) PGS. TS. Đặng Thiện Ngôn Được phép bảo vệ (GVHD ký, ghi rõ họ tên)
10. MỤC LỤC TRANG BÌA PHỤ Trang BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN i BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ii LỜI CẢM ƠN iii MỤC LỤC iv DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU vii DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH vii Chương 1. MỞ ĐẦU 1 1.1 Đặt vấn đề 1 1.2 Tính cấp thiết 2 1.3 Ý nghĩa của đề tài 3 1.4 Mục tiêu nghiên cứu 3 1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3 1.5.1 Đối tượng nghiên cứu 3 1.5.2 Phạm vi nghiên cứu 3 1.6 Phương pháp nghiên cứu 3 1.7 Kết cấu đồ án tốt nghiệp 4 Chương 2. TỔNG QUAN 5 2.1 Tuabin gió trục đứng 5 2.1.1 Khái niệm 5 2.1.2 Phân loại 6 a. Tuabin Darrieus 6 b. Tuabin Sovonius 7 c. Tuabin Giromill 7 d. Cyclotuabin 9 e. Tuabin xoắn Gorlov 10 f. Flap tuabin 11 2.2 Tuabin gió loại Quiet-Revolution/GB (Gorlov) 11 2.2.1 Đặc điểm 11 2.2.2 Kết cấu 11 2.2.3 Kết cấu chung 13 2.3 Thực trạng thiết kế tuabin gió Quiet-Revolution/GB ở Việt Nam 14 2.4 Các nghiên cứu trong và ngoài nước 16 2.3.1 Trong nước 16
11. a. Thiết kế tuabin gió trục đứng 16 b. Thiết kế tuabin gió trục ngang 18 2.3.1 Ngoài nước 21 a. Tuabin gió bão 21 b. Tuabin lai gió và nước 22 c. Tuabin gió trên không trung 22 d. Tuabin gió không cánh 23 e. Tuabin gió kiểu phễu 24 f. Tuabin gió thân thiện với chim trời 25 2.5 Định hướng của đề tài 26 Chương 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 27 3.1 Học thuyết Albert Betz 27 3.2 Công suất và hiệu suất gió tuabin 28 3.3 Lý thuyết về cánh và kết cấu cánh tuabin 30 3.3.1 Kiểu cánh và các khái niệm cơ bản 31 3.3.2 Tỉ số tốc độ gió đầu cánh 32 3.4 Động lực học cánh VAWT 34 Chương 4. Ý TƯỞNG VÀ PHƯƠNG ÁN 39 4.1 Yêu cầu thiết kế 39 4.2 Ý tưởng 39 4.3 Đề xuất phương án 39 4.3.1 Phương án 1: thiết kế tuabin gió cánh xoắn kiểu Gorlov 39 4.3.2 Phương án 2: thiết kế tuabin gió kiểu Darrieus 2 cánh 40 4.3.3 Lựa chọn phương án 40 4.4 Tính toán thiết kế và chế tạo cánh 42 4.4.1 Các biên dạng cánh thường dùng 42 a. NACA 4 số 43 b. NACA 5 số 44 c. NACA 4/5 số 45 d. NACA 1 số hoắc 16 số 46 e. NACA 6 số 46 f. NACA 7 số 47 g. NACA 8 số 47 4.2.2 Một số biên dạng cánh khác 48 4.5 Tiêu chí thiết kế cánh 49 4.5.1 Hướng gió để tuabin hoạt động 49
12. 4.5.2 Số cánh hoạt động tại một thời điểm 49 4.5.3 Hiệu suất 49 4.5.4 Độ bền của cánh 50 4.5.5 Tốc độ gió khởi đông 50 4.5.6 Độ ồn khi hoạt động 50 4.5.7 Diện tích cần thiết khi lắp đặt 50 4.6 Công thức tính toán cánh tuabin 51 4.7 Vật liệu chế tạo cánh tuabin 55 Chương 5. CHẾ TẠO THỰC NGHIỆM 59 5.1 Kết cấu tuabin gió Gorlov 59 5.2 Tính toán thiết kế tuabin gió công suất nhỏ kiểu Quiet-Revolution/GB 60 5.2.1 Phần 1- tính toán cánh tuabin 61 5.2.2 Thiết kế phần 2 - khung tuabin gió 66 5.2.3 Thiết kế phần 3 – đế đỡ tuabin 70 5.3 Mô hình tổng thể tuabin gió công suất nhỏ kiểu Quiet-Revolution/GB 76 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80
13. DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU Bảng 4.1: Bảng so sánh 2 phương án thiết kế tuabin 42 Bảng 4.2: Quan hệ độ cong (m) và vị trí độ cong (p) trên cánh NACA 5 số 45 Bảng 4.3: Các hệ số ax và dx trên cánh NACA 4 và 5 số 46 Bảng 4.4: So sánh các bộ NACA thường dùng 48 Bảng 4.5: Bảng so sánh giữa các dạng cánh tuabin gió trục đứng 51 Bảng 4.6: Các thông số kỹ thuật của một số vật liệu cánh tuabin 55 Bảng 5.1: Tọa độ biên dạng cánh NACA2412 nửa cánh bên trái 64 Bảng 5.2: Tọa độ biên dạng cánh NACA2412 nửa cánh bên phải 64 Bảng 5.3: Thông số kỹ thuật của tuabin gió 77 DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH Hình 2.1: Tuabin gió Darrieus ba cánh 6 Hình 2.2: Chiều quay của roto tuabin Savonius 7 Hình 2.3: Tuabin Giromill 2 cánh 8 Hình 2.4: Tuabin gió trục đứng Giromill (3 cánh, 200 kW, Falkenberg) 9 Hình 2.5: Cycloturbine rotor 9 Hình 2.6: Tuabin gió Gorlov 10 Hình 2.7: Mô hình Flap turbine 11 Hình 2.8: Cơ cấu đón gió 12 Hình 2.9: Hiệu quả dòng khí 12 Hình 2.10: Hiệu quả vector dòng khí 13 Hình 2.11: Cấu tạo của tuabin gió trục đứng 14 Hình 2.12: Tuabin gió Gorlov (Quiet-Revolution) 15 Hình 2.13: Nhà nghiên cứu năng lượng gió Nguyễn Phú Uynh và mô hình 17 Hình 2.14: Mô hình nghiên cứu của Phùng Tấn Lộc 18 Hình 2.15: Mô hình sơ đồ tuabin gió trục ngang 19 Hình 2.16: Tuabin gió đón bão 21 Hình 2.17: Tuabin kết hợp giữa gió và nước 22 Hình 2.18: Tuabin gió trên không trung 23 Hình 2.19: Tuabin kết không cánh 24 Hình 2.20: Tuabin gió kiểu phễu 25
14. Hình 2.21: Tuabin gió thân thiện với chim trời 26 Hình 3.1: Khí động học cánh rotor 27 Hình 3.2: 30 Năng lượng gió qua tuabin gió Hình 3.3: Biên dạng cánh loại NACA-04 31 Hình 3.4: Biểu đồ lực nâng và lực cản loại NACA 00XX 32 Hình 3.5: Mối quan hệ giữa tỉ số tốc độ gió đầu cánh  và Cp 34 Hình 3.6: Phân tích lực động lực học cánh tuabin gió trục đứng 34 Hình 3.7: Sự di chuyển luồng gió khi vào cánh tuabin 35 Hình 3.8: Sơ đồ thay đổi góc cánh theo  và  36 Hình 3.9: Khí động học tác dụng lên 1 cánh tuabin 37 Hình 4.1: Tuabin gió Gorlov theo chiều ngang được đặt trên đại lộ 40 Hình 4.2: Tuabin Darrieus 2 cánh quạt 41 Hình 4.3: Kết cấu hình học cánh NACA 43 Hình 4.4: Biên dạng cánh cong đối xứng 48 Hình 4.5: Biên dạng cánh cong không đối xứng 48 Hình 4.6: Biên dạng cánh cung tròn 49 Hình 4.7: Biên dạng cánh tấm phẳng 49 Hình 4.8: Sơ đồ biên dạng cánh NACA 52 Hình 4.9: Gió đi qua một tiết diện 52 Hình 4.10: Sợi thủy tinh 58 Hình 5.1: Mô hình 3D thiết kế bằng SolidWorks 2016 59 Hình 5.2: Gió đi qua tiết diện của tuabin gió 60 Hình 5.3: Hệ số tốc độ đầu cánh với Cp của một số lạo rotor 61 Hình 5.4: Biên dạng cánh NACA2412 không đối xứng 62 Hình 5.5: Biên dạng cánh NACA 2412 65 Hình 5.6: Cánh tuabin gió biên dạng NACA2412 66 Hình 5.7: Bộ phận trục đỡ tuabin 67 Hình 5.8: Nắp che trục 68 Hình 5.9: Mặt bích trên 68 Hình 5.10: Mặt bích giữa 69 Hình 5.11: Mặt bích dưới 69 Hình 5.12: Ống đỡ chặn 70 Hình 5.13: Trục tuabin 70 Hình 5.14: Bộ phận đế tuabin 71 72 Hình 5.15: Dy-na-mô (động cơ) Hình 5.16: Khớp nối đàn hồi 72
15. Hình 5.17: Ống đỡ chặn 73 Hình 5.18: Ống đỡ lắp ổ lăn 73 Hình 5.19: Mặt bích che trên 74 Hình 5.20: Mặt bích che giữa 74 Hình 5.21: Mặt bích che dưới 75 Hình 5.22: Thanh nối cánh 75 Hình 5.23: Thanh lục giác 76 Hình 5.24: Mô hình tuabin gió công suất nhỏ kiểu Quiet-Revolution/GB 77
16. Chương 1. MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề Ngoài năng lượng mặt trời, năng lượng gió là một năng lượng thiên nhiên mà loài người đang chú trọng đến cho nhu cầu năng lượng trên thế giới trong tương lai. Hiện nay, năng lượng gió đã mang đến nhiều hứa hẹn. Tuy nhiên nếu muốn đẩy mạnh nguồn năng lượng này trong tương lai, chúng ta cần phải hoàn chỉnh thêm công nghệ cũng như làm thế nào để đạt được năng suất chuyển động năng của gió thành điện năng cao để từ đó có thể hạ giá thành và cạnh tranh được với những nguồn năng lượng khác. Bên cạnh đó nhu cầu sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là nguồn năng lượng gió, để chuyển đổi thành năng lượng điện phục vụ cho nhu cầu điện sinh hoạt ở các khu vực vùng sâu vùng xa, miền núi chưa có nguồn điện lưới quốc gia hiện đang được quan tâm rộng rãi. Và ở các thành phố lớn việc nghiên cứu ứng dụng năng lượng gió cũng đang được đầu tư để tăng tỉ lệ nguồn điện sạch góp phần bảo vệ môi trường. Tuy nhiên, ngoài các trạm phát điện gió công suất lớn có thể được lắp đặt ở một số nơi xác định, việc ứng dụng năng lượng gió ở các thành phố lớn gặp phải một khó khăn lớn là gió trong thành phố có vận tốc nhỏ. Do vậy, việc nghiên cứu, phát triển các máy phát điện gió công suất nhỏ có thể hoạt động với vận tốc dưới 6 m/s là chủ đề nóng trong những năm gần đây trên thế giới cũng như ở trong nước. Các máy phát điện gió công suất nhỏ hiện nay đều có ở dạng trục ngang và trục đứng. Xét theo các giới hạn như: diện tích không gian nhỏ, vận tốc gió tương đối thấp, hướng gió không ổn định thì máy phát điện gió trục đứng phù hợp hơn vì có kết cấu đơn giản, nhỏ gọn, dễ lắp ráp và sửa chữa cũng như lợi thế về giá thành. Về hiệu suất thì máy phát điện gió trục ngang có cao hơn nhưng lại phụ thuộc lớn vào hướng gió và tốc độ gió. Trong thành phố với nhiều nhà cao tầng, khoảng không gian chật hẹp, gió quẫn thì máy phát điện gió công suất nhỏ dạng trục đứng là lựa chọn phù hợp. Vấn đề đặt ra là làm thế nào để các máy phát điện này có hiệu suất cao hơn và hoạt động được ở vận tốc gió thấp. Đã có nhiều giải pháp được đưa ra như tối ưu biên dạng cánh, sử dụng vật liệu nhẹ cho cánh và các kết cấu liên quan, tăng số lượng cánh, tăng hiệu suất dynamo, sử dụng các ổ trục có ma sát nhỏ, tự điều chỉnh cánh theo hướng gió, . Trong các giải pháp đã nêu, giải pháp tự điều chỉnh cánh theo hướng gió là một trong các giải pháp cho hiệu suất phát điện lớn do giúp tuabin gió có mômen lớn nên có thể hoạt động ở vận tốc gió nhỏ. 1
17. 1.2 Tính cấp thiết Đất nước đang trên đà phát triển hòa nhập cùng các nước trong khu vực và vươn lên trường quốc tế. Một trong những mục tiêu phát triển là “công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước” mà trong đó khoa học kỹ thuật có vai trò quan trọng để phục vụ các ngành công nghiệp. Để thực hiện mục tiêu “công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước” chúng ta cần đảm bảo nguồn năng lượng phát triển công nghiệp, trong đó điện năng giữ vai trò huyết mạch. Từ trước đến nay, nguồn điện năng mà chúng ta sử dụng chủ yếu được tạo ra từ các nhà máy thủy điện, nhà máy nhiệt điện Nhưng hiện nay, các nguồn tài nguyên thiên nhiên tạo ra năng lượng truyền thống đó đang ngày càng cạn kiệt và ô nhiễm môi trường đang trở thành vấn đề toàn cầu. Yêu cầu cấp thiết cần tìm ra nguồn năng lượng mới để khắc phục các vấn đề trên. Năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng đáp ứng được yêu cầu cấp thiết đó. Điện năng được tạo ra từ năng lượng gió thông qua các máy phong điện. Nó có những ưu điểm: tận dụng được nguồn năng lượng gió vô tận, ổn định và không gây ô nhiễm môi trường; xét về lâu dài, máy phong điện mang tính kinh tế cao hơn các nhà máy thủy điện và nhiệt điện. Trên thế giới, việc sử dụng năng lượng gió để tạo ra điện năng đã được nhiều nước quan tâm từ rất sớm. Đầu thế kỷ XIX đã có các nước sử dụng máy phong điện, như: Đan Mạch, Đức, Hà Lan, Mỹ và gần đây có Australia, Trung Quốc, Nhật Bản Đối với Việt Nam, nước ta có diện tích bờ biển dài trên 3000 km. Đây là điều kiện tạo ra nguồn gió lớn, rất dồi dào và ổn định cho các máy phong điện hoạt động. Ngoài ra, nước ta còn có các hải đảo, vùng núi cao và đây cũng là các vùng có tiềm năng về gió rất lớn để có thể sản xuất điện năng từ gió phục vụ đất nước. Theo kết quả khảo sát của Ngân hàng Thế giới trong chương trình đánh giá về “Năng lượng gió châu Á” thì Việt Nam là một quốc gia có tiềm năng về năng lượng gió cao nhất Đông Nam Á, với 513.360 MW, tức là hơn 200 lần công suất của nhà máy thủy điện Sơn La, và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện Việt Nam năm 2020. Mặt khác, giá thành xây dựng máy phong điện trong những năm gần đây đã giảm đáng kể. Ví dụ, so sánh giá thành giữa phong điện và thủy điện. Nhà máy thủy điện Sơn La với 6 tổ máy có tổng công suất là 2400 MW điện, được xây dựng trong bảy năm với tổng số vốn đầu tư là 2,4 tỷ USD. Giá thành khi phát điện (chưa tính đến chi phí môi trường) là 70USD/MWh. Như vậy, để có được 1kw công suất điện cần đầu tư 1000 USD trong bảy năm. Trong khi đó, theo thời giá năm 2003 thì 1kw điện gió cũng vào khoảng 1000 USD. Và giá thành điện từ gió giảm đều hàng năm do cải tiến công nghệ. 2
18. Qua so sánh này, ta thấy rằng kinh phí xây dựng các máy phong điện hoàn toàn ngang bằng với việc xây dựng nhà máy thủy điện. Như vậy, cứ ở đâu có gió phù hợp là cho phép ta phát triển máy phong điện để cung cấp điện năng. Tại Việt Nam nơi đó thường là các hải đảo ngoài biển, vùng núi cao biên giới Điều này rất phù hợp cho việc giải quyết bài toán cung cấp điện sinh hoạt cho hộ gia đình ở các vùng sâu, vùng xa, vùng biên giới hải đảo để thay thế các nhà máy thủy điện, nhiệt điện đang hoạt động ở nước ta hiện nay. Từ các lý do trên, việc thực hiện đề tài “nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm tuabin gió công suất nhỏ kiểu Quiet-Revolution/GB” là rất cần thiết, góp phần cho việc phát triển máy phong điện cung cấp điện năng ở nước ta hiện nay. 1.3 Ý nghĩa của đề tài Ý nghĩa khoa học: Đề tài góp phần nghiên cứu tìm ra quy luật động lực học tác dụng lên cánh hứng gió của turbine. Từ đó đóng góp vào việc thiết kế, chế tạo cánh turbine gió tối ưu nhất phù hợp với điều kiện Việt Nam. Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả của đề tài cho phép các nhà khoa học chế tạo hệ thống cánh turbine gió kiểu trục đứng cho máy phát điện công suất nhỏ phù hợp với điều kiện Việt Nam. Từ đó cung cấp nguồn điện năng phục vụ sinh hoạt và đóng góp cho ngành công nghiệp phát triển xây dựng đất nước. 1.4 Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng hệ thống năng lượng gió nhằm khai thác năng lượng gió thông qua việc áp dụng các kiến thức đã học về cơ khí, điện tử và điều khiển, trên cơ sở tính toán, thiết kế tuabin gió công suất nhỏ, nhằm giảm bớt lượng điện tiêu thụ của hộ gia đình từ lưới điện EVN. 1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.5.1 Đối tượng nghiên cứu Hệ thống turbine gió kiểu trục đứng Kiểu cánh NACA 1.5.2 Phạm vi nghiên cứu Thiết kế hệ thống có công suất đến 70W, 24V dùng cho hộ gia đình. 1.6 Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết điều tuabine gió từ sách và nguồn tài liệu trên internet. Nắm được ứng dụng của tuabine gió để thiết kế chế tạo tuabine gió công suất nhỏ. Nghiên cứu quá trình làm việc của tuabine gió.Trên cơ sở đó xây dựng các yêu cầu cần thiết để thiết kế tuabine gió hoàn chỉnh. 3
19. Nghiên cứu, tính toán khí động học tác động lên hệ thống cánh turbine gió. Thực nghiệm mô hình cánh turbine gió. Xác định các thông số cơ bản hệ thống cánh turbine phù hợp yêu cầu đề tài. 1.7 Kết cấu đồ án tốt nghiệp Chương 1: Mở đầu Giới thiệu lý do chọn đề tài, tính cấp thiết, mục tiêu nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu để thực hiện đề tài. Chương 2: Tổng quan. Đề cập đến các loại tuabin gió trục đứng cùng các nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan. Trên cơ sở đó, phân tích tổng hợp để đi đến định hướng nghiên cứu. Chương 3: Cơ sở lý thuyết. Chương 4: Ý tưởng và phương pháp. Trình bày các cơ sở lý thuyết liên quan đến tính toán thiết kế trụ điện sử dụng nguồn năng lượng điện gió, điện mặt trời. Một hệ thống các công thức cần sử dụng đã được tổng hợp và trình bày phục vụ cho yêu cầu tính toán của đề tài. Chương 5: Thử nghiệm-đánh giá 4
20. CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN 2.1 Tuabin gió trục đứng 2.1.1 Khái niệm Tuabin gió trục đứng (VAWT) là một loại tuabin gió mà rôto trục chính được đặt thẳng đứng và các thành phần chính được đặt ở phần đế của tuabin. Một trong những ưu điểm của kết cấu này là máy phát điện và hộp số có thể được đặt ngay gần mặt đất vì thế chúng được vận hành và sửa chữa dễ dàng hơn và VAWT không bị phụ thuộc vào hướng gió. Các thiết kế ban đầu (Savonius, Darrieus và Giromill) vẫn còn có những mặt hạn chế là có thể tạo ra các mô-men xoắn trong mỗi vòng quay và mômen uốn trên các cánh là rất lớn. Các thiết kế sau đó cũng đã giải quyết vấn đề về mô men xoắn này bằng cách sử dụng các cánh có biên dạng xoắn gần giống như tuabin nước của Gorlov. So với các tuabin gió trục ngang truyền thống (HAWT) thì VAWT cũng đã có một số ưu điểm trội hơn: Chúng có thể được lắp đặt thành một vòng khép kín với nhau trong các trang trại gió và cho phép lắp đặt với số lượng nhiều hơn trong một không gian nhất định. Điều này không có nghĩa là vì VAWT có kích thước nhỏ hơn, mà là do loại HAWT có hiệu ứng chậm trên không trung nên buộc các nhà thiết kế phải đặt tách biệt chúng bằng mười lần chiều rộng của chúng. VAWT cứng vững hơn, không gây ồn, đa hướng, và chúng không gây nên ứng suất lớn cho kết cấu giá đỡ. Do bộ phận phát điện có thể đặt gần mặt đất nên việc bảo dưỡng dễ dàng và việc khởi động không cần phải có lượng gió lớn nên có thể được đặt trên ống khói hoặc các cấu trúc cao tầng tương tự. Nhưng bên cạnh đó VAWT vẫn tồn tại những nhược điểm: VAWT có xu hướng bị ngừng làm việc theo từng cơn gió VAWT có kết cấu bên ngoài rất nhạy cảm và có một chiều cao lắp đặt với giới hạn thấp để có thể vận hành trong môi trường có tốc độ gió thấp hơn. Các cánh của VAWT có xu hướng bị mỏi giống như lưỡi dao quay quanh trục trung tâm. Các cánh làm việc theo phương thẳng đứng có thể bị xoắn và sớm bị cong khi chúng quay trong gió. Điều này khiến các cánh dễ bị uốn cong và nứt. Theo thời gian các cánh có thể bị vỡ và đôi khi dẫn đến sự phá hủy nghiêm trọng. Vì những tồn tại này mà tuabin gió trục đứng cho thấy độ tin cậy ít hơn tuabin gió trục ngang. 5
21. Mặc dù vẫn còn những tồn tại nhưng so sánh trên nhiều phương diện thì các tuabin gió trục đứng VAWT vẫn được đưa vào sử dụng nhiều và ngày nay các nhà thiết kế đã và đang không ngừng nghiên cứu những thay đổi về kết cấu, biên dạng cánh để VAWT có thể làm việc được theo đa hướng gió và sao cho chúng đón được gió nhiều nhất ở phía thuận và cản gió ít nhất ở phía nghịch nhằm nâng cao hiệu suất phát điện. 2.1.2 Phân loại Tuabin gió trục đứng loại điển nhình như sau: a. Tuabin Darrieus Tuabin này bao gồm một số cánh thường có phương thẳng đứng được gắn trên một trục quay hoặc khung. Với thiết kế của loại tuabin gió này Georges Jean Marie Darrieus, một kỹ sư hàng không Pháp đã được cấp bằng sáng chế năm 1931. Trên lý thuyết các loại Darrieus có hiệu quả giống như các loại chong chóng nếu tốc độ gió là không đổi, nhưng trong thực tế hiệu quả này là rất hiếm do áp lực về tính năng vật lý, những hạn chế trong thực tế thiết kế và sự biến thiên của tốc độ gió. Ngoài ra còn có những khó khăn chủ yếu trong việc bảo vệ các tuabin gió Darrieus bởi giới hạn của sức gió và khả năng tự khởi động. Loại tuabin này cũng là một trong những loại VAWT phổ biến nhất và nó cũng là loại được sử dụng khởi điểm cho việc nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả của các loại VAWT được thiết kế sau này. Hình 2.1 Tuabin gió Darrieus ba cánh [1] Ưu điểm của tuabin Darrieus là có thể hoạt động với các hướng gió khác nhau, không cần kích thước cánh lớn, các thiết bị như hộp số, máy phát có thể đặt gần mặt đất, thuận lợi cho việc bảo dưỡng và sửa chữa. Nó có khả năng làm việc với tốc độ cao và công suất lớn hoặc trung bình.Tuy nhiên nó lại có nhược điểm là không thể tự khởi động được mà cần phải có một nguồn năng lượng cung cấp ngoài. 6
22. S K L 0 0 2 1 5 4