Luận văn Nghiên cứu phát triển máy phát điện gió trục đứng công suất nhỏ tự điều chỉnh cánh theo hướng gió (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu phát triển máy phát điện gió trục đứng công suất nhỏ tự điều chỉnh cánh theo hướng gió (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHÙNG TẤN LỘC NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MÁY PHÁT ÐIỆN GIÓ TRỤC ÐỨNG CÔNG SUẤT NHỎ TỰ ÐIỀU CHỈNH CÁNH THEO HƯỚNG GIÓ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 62520103 S K C0 0 4 9 2 0 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2016
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHÙNG TẤN LỘC NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ TRỤC ĐỨNG CÔNG SUẤT NHỎ TỰ ĐIỀU CHỈNH CÁNH THEO HƢỚNG GIÓ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 62520103 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2016
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHÙNG TẤN LỘC NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ TRỤC ĐỨNG CÔNG SUẤT NHỎ TỰ ĐIỀU CHỈNH CÁNH THEO HƢỚNG GIÓ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 62520103 Hƣớng dẫn khoa học: PGS. TS. ĐẶNG THIỆN NGÔN Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2016
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC Họ & tên: PHÙNG TẤN LỘC Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 05/10/1984 Nơi sinh: Long An Quê quán: Cần Giuộc, Long An Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 173 Kinh Sáng, Phƣớc Thuận, Phƣớc Lâm, Cần Giuộc, Long An Điện thoại cơ quan: Điện thoại di động: 0979242919 Fax: E-mail: phung_loc@yahoo.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 1. Trung học chuyên nghiệp Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ: Nơi học (trƣờng, thành phố): Ngành học: 2. Đại học Hệ đào tạo: Chính Quy Thời gian đào tạo: 2004 đến 2007 Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng Đại học Công Nghiệp Tp.HCM Ngành học: Công nghệ kỹ thuật Cơ khí Môn thi tốt nghiệp: Môn cơ sở, Triết học Mác – Lênin, Môn chuyên ngành Ngày thi tốt nghiệp: 20/10/2007 III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2008 đến nay Trƣờng TCN Cần Giuộc Giáo viên i
5. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 10 năm 2016 Phùng Tấn Lộc ii
6. LỜI CẢM ƠN Sau thời gian thực hiện thì luận văn: “Nghiên cứu phát triển máy phát điện gió trục đứng công suất nhỏ tự điều chỉnh cánh theo hướng gió” của tôi đã hoàn thành. Ngoài sự nổ lực và cố gắng của bản thân, tôi gặp phải một số khó khăn trong quá trình thực hiện. Nhờ có sự hƣớng dẫn giúp đỡ tận tình của quý thầy cô, bạn bè, gia đình tôi đã hoàn thành luận văn của mình. Để tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn: - Thầy hƣớng dẫn khoa học PGS. TS. Đặng Thiện Ngôn. Thầy đã dành nhiều thời gian, tâm huyết và nhiệt tình hƣớng dẫn, định hƣớng, góp ý, động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. - Ban giám hiệu, phòng sau đại học và quý thầy cô Khoa Cơ khí trƣờng ĐHSPKT TPHCM, Ban giám hiệu và quý thầy cô Khoa Cơ khí trƣờng TCN Cần Giuộc đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành tốt luận văn. - Các anh, chị, bạn bè, trong và ngoài lớp đã động viên, giúp đỡ tôi tận tình trong suốt thời gian thực hiện luận văn. - Gia đình, ngƣời thân đã ủng hộ về tinh thần, vật chất, và tạo điều kiện cho tôi trong suốt những năm học vừa qua. Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 10 năm 2016 Phùng Tấn Lộc iii
7. TÓM TẮT Máy phát điện gió trục đứng công suất nhỏ có thể hoạt động với tốc độ gió nhỏ (v 3 m/s), với hiệu suất cao, giá thành thấp, dễ lắp đặt, bảo dƣỡng và có thể chế tạo bằng các nguồn nguyên liệu sẵn có tại Việt Nam. iv
8. ABSTRACT Small vertical axis wind turbine VAWT can operate under small velocity (v 3 m/s) with high efficiency, low cost, easy assembly, maintenance and can manufacture by raw materials in Vietnam. v
9. MỤC LỤC Trang tựa TRANG Giấy quyết định giao đề tài Lý lịch khoa học i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Tóm tắt iv Mục lục vi Danh sách các hình x Danh sách các bảng xii Chƣơng 1. MỞ ĐẦU 1 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1 1.2 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 2 1.2.1 Ý nghĩa khoa học 2 1.2.2 Ý nghĩa thực tiễn 2 1.3 MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU 3 1.4 ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3 1.4.1 Đối tƣợng nghiên cứu 3 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 3 1.5 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 4 1.6 BỐ CỤC CỦA ĐỀ TÀI 4 Chƣơng 2. TỔNG QUAN 5 2.1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG GIÓ 5 2.1.1 Năng lƣợng gió 5 2.1.2 Đơn vị và hƣớng gió 5 2.1.3 Khảo sát bản đồ gió Việt Nam 6 2.1.4 Tình hình sử dụng năng lƣợng gió trên thế giới 9 2.2 TIỀM NĂNG PHÁT TRIỂN NĂNG LƢỢNG GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ TẠI VIỆT NAM 11 vi
10. 2.3 TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ 12 2.3.1 Phân loại máy phát điện gió công suất nhỏ 12 2.3.2 Tuabin gió trục ngang (HAWT) 12 2.3.3 Tuabin gió trục đứng (VAWT) 14 2.3.4 Điều chỉnh cánh tuabin theo hƣớng gió của VAWT 17 2.3.4.1 Nguyên lý vòng quay lệch tâm 17 2.3.4.2 Nguyên lý điều chỉnh cánh bằng đòn bẩy lò xo 19 2.3.4.3 Sử dụng động cơ bƣớc, động cơ servo 19 2.3.4.4 So sánh các giải pháp điều chỉnh cánh gió 21 2.4 CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI 21 2.4.1 Các nghiên cứu trong nƣớc 21 2.4.2 Các nghiên cứu ở ngoài nƣớc 22 2.5 CÁC VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI TRONG NGHIÊN CỨU HIỆN NAY 23 2.6 KẾT LUẬN 23 Chƣơng 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 24 3.1 CÔNG SUẤT VÀ HIỆU SUẤT GIÓ TUABIN 24 3.2 TỈ SỐ TỐC ĐỘ GIÓ ĐẦU CÁNH (TSR) 26 3.3 ĐỘNG LỰC HỌC CÁNH VAWT 28 3.4 CƠ SỞ KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ĐUÔI LÁI 31 3.5 SỰ THAY ĐỔI KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ĐUÔI LÁI 33 3.6 PHÂN TÍCH VỊ TRÍ THAY ĐỔI GÓC CÁNH THEO HƢỚNG GIÓ 35 3.7 MỘT SỐ KIỂU BIÊN DẠNG CÁNH CỦA VAWT 37 3.7.1 Kiểu dạng cánh Savonius 37 3.7.2 Kiểu dạng cánh Darrieus Rotor 38 3.7.3 Kiểu dạng cánh NACA 39 3.7.4 So sánh các kiểu biên dạng cánh VAWT 40 3.8 PHÂN TÍCH CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC BIÊN DẠNG CÁNH NACA 41 3.9 KẾT LUẬN 44 Chƣơng 4. Ý TƢỞNG THIẾT KẾ VÀ PHƢƠNG ÁN 45 vii
11. 4.1 PHÂN TÍCH VÀ CHỌN KIỂU TUABIN 45 4.1.1 Phân tích 45 4.1.2 Các yêu cầu về VAWT tự điều chỉnh cánh 45 4.2 CÁC PHƢƠNG ÁN THIẾT KẾ VAWT CÔNG SUẤT NHỎ 46 4.2.1 Phƣơng án chọn số cánh cho VAWT 46 4.2.2 Phƣơng án chọn biên dạng cánh cho VAWT 46 4.2.3 Phƣơng án thiết kế kết cấu cánh cho VAWT 48 4.2.4 So sánh chọn phƣơng án thiết kế kết cấu cánh cho VAWT 50 4.2.5 Điều chỉnh cánh đón gió bằng lệch tâm (Cam) dùng biên dạng cánh NACA . 51 Chƣơng 5. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ TRỤC ĐỨNG CÔNG SUẤT NHỎ 53 5.1 THÔNG SỐ THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ 53 5.2 CÁC CÔNG VIỆC TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 53 5.2.1 Tính toán các thông số làm việc của VAWT 53 5.2.2 Tính toán các thông số thiết kế cánh VAWT theo dạng cánh NACA 57 5.2.3 Tính toán khoảng lệch tâm e cho cơ cấu điều chỉnh cánh đón gió 63 5.2.4 Mô phỏng hƣớng gió thổi qua cánh VAWT 67 5.2.5 Kết cấu đuôi lái (chong chóng gió) 69 Chƣơng 6. CHẾ TẠO VÀ KIỂM NGHIỆM 71 6.1 CHẾ TẠO CÁC BỘ PHẬN 71 6.1.1 Chế tạo bộ phận cánh 71 6.1.2 Chế tạo tay gân cánh 72 6.1.3 Chế tạo cơ cấu điều chỉnh cánh theo hƣớng gió 72 6.1.4 Chế tạo hoàn chỉnh máy 73 6.1.5 Chế tạo cột lắp máy 73 6.1.6 Lắp hoàn chỉnh máy thực tế 74 6.2 THỰC NGHIỆM – ĐÁNH GIÁ 75 6.2.1 Thực nghiệm xác định giá trị lệch tâm e 75 6.2.2 Thực nghiệm xác định khả năng hoạt động của tuabin 76 viii
12. Chƣơng. 7 KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 79 7.1 KẾT LUẬN 79 7.2 KIẾN NGHỊ 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 PHỤ LỤC 84 ix
13. DANH SÁCH CÁC HÌNH TRANG Hình 2.1: Cột xác định hƣớng gió 6 Hình 2.2: Sơ đồ điện lƣới các trạm thủy văn thực hiện đo gió 6 Hình 2.3: Bản đồ tài nguyên gió Việt Nam 7 Hình 2.4: Bản đồ phân bố tốc độ gió của Việt Nam ở độ cao 80 m 8 Hình 2.5: Phát triển điện năng từ nguồn gió ở một số nƣớc trên thế giới 10 Hình 2.6: Biểu đồ sử dụng điện của một số nƣớc trên thế giới 10 Hình 2.7: Windspot 1,5KW 12 Hình 2.8: Upwind turbine 14 Hình 2.9: Turbine Savonius 14 Hình 2.10: Turbine Giromill ( H-rotor) 15 Hình 2.11: Turbine Gorlov 17 Hình 2.12: Phƣơng pháp điều chỉnh cánh theo nguyên lý vòng quay lệch tâm 18 Hình 2.13: Phƣơng pháp điều chỉnh cánh bằng ly tâm của khối lƣợng quay 18 Hình 2.14: Phƣơng pháp điều chỉnh cánh đòn bẩy – lò xo 19 Hình 2.15: Phƣơng pháp điều chỉnh cánh sử dụng động cơ servo 20 Hình 2.16: Phƣơng pháp điều chỉnh cánh bằng động cơ bƣớc 20 Hình 3.1: Năng lƣợng gió qua tuabin gió 26 Hình 3.2: Mối quan hệ giữa tỉ số tốc độ gió đầu cánh  và Cp 28 Hình 3.3: Phân tích lực động lực học cánh tuabin gió trục đứng 28 Hình 3.4: Sự di chuyển luồng gió qua cánh tuabin gió dạng cánh NACA 29 Hình 3.5: Sơ đồ thay đổi góc cánh theo  và  30 Hình 3.6: Hình dạng hình học cơ sở của cánh đuôi lái 32 Hình 3.7: Sơ đồ dịch chuyển đuôi lái quay xung quanh trục đuôi lái 33 Hình 3.8: Sơ đồ dao động của cánh lái theo vận tốc gió 35 Hình 3.9: Sự thay đổi vị trí góc cánh ’ theo hƣớng gió 36 x
14. Hình 3.10: Vị trí thay đổi góc cánh khác nhau 37 Hình 3.11: Biên dạng cánh savonius 37 Hình 3.12: Biên dạng cánh Darrieus Rotor 38 Hình 3.13: Biên dạng cánh NACA 39 Hình 3.14: Kết cấu hình học dạng cánh NACA không đối xứng 41 Hình 4.1:Phân loại số cánh tuabin gió trục đứng 46 Hình 4.2: Các bộ NACA thƣờng dùng 47 Hình 4.3: Cánh tuabin gió có kết cấu dạng khối 48 Hình 4.4: Cánh tuabin gió có kết cấu riêng lẻ 49 Hình 4.5: Phƣơng thức điều chỉnh cánh bằng cơ cấu lệch tâm (cam) 51 Hình 5.1: Biên dạng cánh NACA2412 không đối xứng 58 Hình 5.2: Biên dạng cánh NACA 2412 62 Hình 5.3: Thiết kế kết cấu khung xƣơng cánh 62 Hình 5.4: Mô phỏng bền khung xƣơng cánh 63 Hình 5.5: Thiết kế cánh hoàn chỉnh 63 Hình 5.6: Cơ cấu điều chỉnh cánh 64 Hình 5.7: Sự thay đổi góc cánh ’ 64 Hình 5.8: Mô phỏng cánh đón gió ứng với khoảng lệch tâm 45(mm) 67 Hình 5.9: Mô phỏng cánh đón gió ứng với khoảng lệch tâm 50(mm) 68 Hình 5.10: Mô phỏng cánh đón gió ứng với khoảng lệch tâm 55(mm) 68 Hình 5.11: Kết cấu đuôi lái 69 Hình 5.12: Thiết kế đuôi lái (chong chóng gió) 70 Hình 6.1: Bộ phận cánh 72 Hình 6.2: Tay gân cánh 72 Hình 6.3: Cơ cấu điều chỉnh cánh theo hƣớng gió 73 Hình 6.4: Chế tạo máy hoàn chỉnh 73 Hình 6.5: Cột lắp máy 74 Hình 6.6: Lắp tuabin gió thực tế 74 Hình 6.7: Thiết bị tạo gió nhân tạo và cảm biến đo gió YJFS -H4A5 75 xi
15. DANH SÁCH CÁC BẢNG TRANG Bảng 2.1: Tiềm năng gió của Việt Nam ở độ cao 65m so với mặt đất 7 Bảng 2.2: Tóm lƣợc tiềm năng năng lƣợng gió tại độ cao 80 m 9 Bảng 2.3: Bảng so sánh các giải pháp điều chỉnh cánh VAWT 21 Bảng 3.1: Bảng so sánh biên dạng cánh tuabin gió 40 Bảng 3.2: Quan hệ độ cong (m) và vị trí độ cong (p) trên cánh NACA 5 số 43 Bảng 4.1: So sánh các bộ NACA thƣờng dùng 47 Bảng 4.2: Liệt kê các chi tiết riêng lẻ của khung cánh tuabin gió 49 Bảng 4.3: So sánh phƣơng án kết cấu cánh 50 Bảng 5.1: Vận tốc gió thay đổi điện năng thu đƣợc cũng thay đổi 55 Bảng 5.2: Tỉ số tốc độ gió đầu cánh  và hiệu suất tuabin gió trục đứng 56 Bảng 5.3: Tọa độ biên dạng cánh NACA2412 nửa cánh bên trái. 60 Bảng 5.4: Tọa độ biên dạng cánh NACA2412 nửa cánh bên phải. 61 Bảng 5.5: Tính hệ số nâng cánh Cl và hệ số cản Cd (khi V=3 m/s). 65 Bảng 5.6: Tính lực nâng Fl và lực cản Fd (khi V=3 m/s). 66 Bảng 5.7: Tính lực tiếp tuyến Ft , pháp tuyến Fn , lực đẩy FT (khi V=3 m/s). 66 Bảng 5.8: Thông số các giá trị thiết kế đuôi lái 69 Bảng 6.1: Danh mục chi tiết chế tạo bộ phận cánh 71 Bảng 6.2: Vận tốc, số vòng quay của tuabin khi vận tốc gió V0 = 2,5 m/s 76 Bảng 6.3: Vận tốc, số vòng quay của tuabin khi vận tốc gió V0 = 3,0 m/s 76 Bảng 6.4: Vận tốc, số vòng quay của tuabin khi vận tốc gió V0 = 3,5 m/s 76 Bảng 6.5: Thử nghiệm tuabin khi vận tốc gió V0 = 2,5 m/s 77 Bảng 6.6: Thử nghiệm tuabin khi vận tốc gió V0 = 3,0 m/s 77 Bảng 6.7: Thử nghiệm tuabin khi vận tốc gió V0 = 3,5 m/s 77 xii
16. Chƣơng 1 MỞ ĐẦU 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Năng lƣợng gió là một dạng năng lƣợng sạch, có khả năng tái sinh. Hiện nay, trên thế giới việc phát triển phong điện đang là một xu thế lớn, thể hiện ở mức tăng trƣởng cao so với các nguồn năng lƣợng khác. Thuận lợi lớn nhất ở Việt Nam khi phát triển điện gió là nƣớc ta có tiềm năng năng lƣợng gió tƣơng đối lớn. Tuy nhiên, nếu muốn đẩy mạnh nguồn năng lƣợng này trong tƣơng lai, chúng ta cần hoàn chỉnh thêm công nghệ cũng nhƣ làm thế nào để đạt đƣợc công suất cao. Nhằm biến năng lƣợng của gió thành điện năng cao nhất để từ đó có thể hạ giá thành và cạnh tranh đƣợc với những nguồn năng lƣợng khác. Nhu cầu sử dụng các nguồn năng lƣợng tái tạo, đặc biệt là nguồn năng lƣợng gió, để chuyển đổi thành năng lƣợng điện phục vụ cho nhu cầu điện sinh hoạt ở các khu vực vùng sâu vùng xa, miền núi chƣa có nguồn điện lƣới quốc gia hiện đang đƣợc quan tâm rộng rãi. Bên cạnh đó, ở các thành phố lớn việc nghiên cứu ứng dụng năng lƣợng gió cũng đang đƣợc đầu tƣ để tăng tỉ lệ nguồn điện sạch góp phần bảo vệ môi trƣờng. Tuy nhiên, ngoài các trạm phát điện gió công suất lớn có thể đƣợc lắp đặt ở một số nơi xác định, việc ứng dụng năng lƣợng gió ở các thành phố lớn gặp phải một khó khăn lớn là gió trong thành phố có vận tốc nhỏ (v < 6 m/s). Do vậy, việc nghiên cứu, phát triển các máy phát điện gió công suất nhỏ có thể hoạt động với vận tốc dƣới 6 m/s là chủ đề nóng trong những năm gần đây trên thế giới cũng nhƣ ở trong nƣớc. Các máy phát điện gió công suất nhỏ hiện nay đều có ở dạng trục ngang và trục đứng. Xét theo các giới hạn nhƣ: diện tích không gian nhỏ, vận tốc gió tƣơng đối thấp, hƣớng 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 nhƣ lợi thế về giá thành [5,17,18]. Về hiệu suất thì máy phát điện gió trục ngang có cao hơn nhƣng lại phụ 1
17. thuộc lớn vào hƣớng 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 đƣợc ở vận tốc gió thấp. Trên cơ sở áp dụng các thành tựu mới của nhiều ngành khoa học tiên tiến, thì việc nghiên cứu sử dụng năng lƣợng gió đã đạt đƣợc những tiến bộ rất lớn về chất lƣợng các thiết bị và quy mô ứng dụng. Vì vậy đề tài “Nghiên cứu phát triển máy phát điện gió trục đứng công suất nhỏ tự điều chỉnh cánh theo hướng gió” mang tính cấp thiết và có ý nghĩa rất quan trọng điều kiện tình hình kinh tế - xã hội ở Việt Nam hiện nay. 1.2 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 1.2.1 Ý nghĩa khoa học - Đề xuất đƣợc nguyên lý, kết cấu máy phát điện gió trục đứng công suất nhỏ tự điều chỉnh cánh theo hƣớng gió. - Xây dựng đƣợc hệ công thức và đề xuất đƣợc cách tính toán các thông số liên quan đến hoạt động của tuabin gió trục đứng. - Đề xuất đƣợc cách tính và xác định độ lệch tâm phù hợp để điều chỉnh góc quay của cánh, của cơ cấu tự điều chỉnh cánh. Góp phần tăng khả năng hứng gió của tuabin gió trục đứng qua đó nâng cao hiệu suất phát điện của tuabin. 1.2.2 Ý nghĩa thực tiễn - Thiết kế chế tạo đƣợc tuabin phát điện gió trục đứng công suất nhỏ tự điều chỉnh cánh để hứng gió tối đa có thể hoạt động đƣợc với tốc độ gió nhỏ (< 6 m/s). Kết cấu của tuabin gió đơn giản phù hợp với điều kiện chế tạo tại Việt Nam. - Đóng góp một giải pháp phù hợp để xây dựng một hệ thống phát điện bằng nguồn năng lƣợng gió công suất nhỏ tƣơng ứng với tiềm năng gió của Việt Nam có hiệu suất cao. Tạo điều kiện phát triển kinh tế phù hợp với chiến lƣợc phát triển của địa phƣơng. Nhất là những vùng núi, vùng sâu, vùng xa mà điện lƣới quốc gia chƣa có khả năng vƣơn tới đƣợc. 2
18. 1.3 MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU Việc nâng cao hiệu suất chuyển đổi cơ năng của gió thành điện năng để giảm giá thành là vấn đề rất quan trọng trong quá trình sản xuất nguồn năng lƣợng sạch ở hiện tại và trong tƣơng lai. Để nâng cao đƣợc hiệu suất sử dụng năng lƣợng gió đề tài định hƣớng nghiên cứu đến các mục tiêu sau: - Đề xuất đƣợc nguyên lý cơ cấu tự điều chỉnh cánh theo hƣớng gió. - Thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh máy. - Thử nghiệm và đánh giá khả năng hoạt động của máy phát điện gió trục đứng công suất nhỏ tự điều chỉnh cánh theo hƣớng gió. Nhiệm vụ cụ thể cần thực hiện trong đề tài nhƣ sau: - Nghiên cứu tổng quan về các công trình đã đƣợc thực hiện trong và ngoài nƣớc về máy phát điện gió trục đứng công suất nhỏ và các kiểu máy khác có liên quan. - Nghiên cứu, tính toán, xác định đƣợc biên dạng cánh phù hợp tuabin gió. - Đề xuất đƣợc nguyên lý, cơ cấu tự điều chỉnh cánh theo hƣớng gió, cách tính và xác định độ lệch tâm phù hợp để điều chỉnh góc quay cánh. - Xác định đƣợc thông số cơ bản của cánh đuôi lái điều chỉnh hƣớng gió. - Thiết kế hoàn chỉnh máy phát điện gió trục đứng công suất nhỏ tự điều chỉnh cánh theo hƣớng gió. - Thử nghiệm, đánh giá khả năng ứng dụng của máy phát điện gió. 1.4 ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1.4.1 Đối tƣợng nghiên cứu - Năng lƣợng gió ở Tp. Hồ Chí Minh - Các cơ cấu điều khiển cánh xoay theo hƣớng gió của các tuabin gió đã có trong và ngoài nƣớc. 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu thiết kế, chế tạo tuabin gió trục đứng công suất nhỏ (< 100 W) có cánh theo biên dạng cánh NACA. 3
19. - Cơ cấu điều chỉnh cánh theo hƣớng gió có góc quay cố định, điều chỉnh cánh bằng trục mang chong chóng gió. - Do thời gian và nội dung nên đề tài cũng không đề cập đến cơ cấu hãm khi có sự cố gió giật, bão. 1.5 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu phân tích lý thuyết: thu thập tài liệu từ các nguồn báo chí, tạp chí, sách, từ internet có liên quan đến nội dung nghiên cứu. Qua phân tích, xử lý thông tin thu đƣợc đề xuất qui trình nghiên cứu phát triển máy phát điện gió trục đứng công suất nhỏ tự điều chỉnh cánh theo hƣớng gió. - Phƣơng pháp thực nghiệm: tiến hành chế tạo thử nghiệm máy phát điện gió trục đứng công suất nhỏ, thử nghiệm hoạt động và hoàn chỉnh thiết kế. 1.6 BỐ CỤC CỦA ĐỀ TÀI Đề tài đƣợc chia làm 7 chƣơng với các nội dung: - Lý do chọn đề tài, tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học – thực tiễn, đối tƣợng, phạm vi, mục tiêu và phƣơng pháp nghiên cứu đƣợc trình bày trong chƣơng 1. - Chƣơng 2 trình bày tổng quan về tuabin gió trục đứng công suất nhỏ, các giải pháp điều chỉnh cánh đón gió. Tình hình sử dụng năng lƣợng gió trên thế giới và ở Việt Nam. Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc có liên quan, định hƣớng nghiên cứu của đề tài. - Chƣơng 3 phân tích động lực học cánh gió tuabin, phƣơng pháp điều chỉnh cánh gió của tuabin, xác định các thông số của cơ cấu điều chỉnh cánh đón gió. Các thông số biên dạng cánh NACA. - Chƣơng 4 trình bày ý tƣởng thiết kế, đề xuất các phƣơng án, sau đó lựa chọn phƣơng án tốt nhất để thiết kế máy. - Chƣơng 5 tính toán các thông số của máy cần thiết kế, xác định tọa độ biên dạng cánh, cơ cấu điều chỉnh cánh đón gió bằng cam lệch tâm. - Chƣơng 6 chế tạo thiết bị, kiểm nghiệm và đánh giá. - Chƣơng 7 kết luận – kiến nghị 4
20. Chƣơng 2 TỔNG QUAN 2.1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG GIÓ 2.1.1 Năng lƣợng gió Khi mặt trời chiếu xuống trái đất không đồng đều làm cho nhiệt độ của bầu khí quyển, không khí và nƣớc khác nhau. Vì vậy, tạo thành các khu vực có nhiệt độ và áp suất chênh lệch nhau, dẫn đến hình thành luồng khí di chuyển từ vùng có áp suất cao tới vùng có áp suất thấp gọi là gió. Vậy, năng lƣợng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển trái đất và là một hình thức gián tiếp của năng lƣợng mặt trời. Năng lƣợng gió đã đƣợc sử dụng từ hàng trăm năm nay. Ban đầu ngƣời đã dùng năng lƣợng gió để di chuyển thuyền buồm hay kinh khí cầu. Ý tƣởng dùng năng lƣợng gió để sản xuất điện năng hình thành ngay sau khi các phát minh ra điện và máy phát điện. 2.1.2 Đơn vị và hƣớng gió Đơn vị của tốc độ gió đƣợc tính theo kilomet trên giờ (km/h) hoặc mét trên giây (m/s) hoặc knot (kn: hải lý trên giờ) hoặc Mile trên giờ (mph) tại Mỹ. 1 (kn) = 1,852 (km/h) = 0,514 (m/s) 1 (mph) = 1,609344 (km/h) = 0,8690 (kn) = 0,447 (m/s) Hƣớng gió là hƣớng mà từ đó gió thổi tới điểm quan trắc. Hƣớng gió đƣợc biểu thị bằng phƣơng vị đông, tây, nam, bắc hoặc theo góc là lấy hƣớng bắc làm mốc ở vị trí 0 hoặc 360 và tính theo chiều kim đồng hồ. Nhƣ vậy hƣớng đông ứng với 90 , hƣớng nam ứng với 180 và hƣớng tây ứng với góc 270 . 5
21. Hình 2.1: Cột xác định hướng gió 2.1.3 Khảo sát bản đồ gió Việt Nam Với đƣờng bờ biển dài hơm 3,000Km và nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, Việt Nam đƣợc cho là có tiềm năng rất lớn về gió. Nguồn dữ liệu tiềm năng gió của Việt Nam đƣợc thu thập từ 150 trạm khí tƣợng thủy văn. Tốc độ gió hàng năm đo đƣợc tại các trạm này là tƣơng đối thấp. Trong khoảng từ 2 – 3 m/s trong đất liền (hình 2.2). Khu vực ven biển có tốc độ gió cao hơn, trong khoảng từ 3 – 5 m/s. Ở khu vực đảo, tốc độ gió trung bình lơn đến 5 – 8 m/s [27]. Hình 2.2: Sơ đồ điện lưới các trạm thủy văn thực hiện đo gió [27] 6
22. S K L 0 0 2 1 5 4