Luận văn Nghiên cứu, tính toán, thiết kế và chế tạo mô hình bộ điều tốc turbine gió bằng cách sử dụng hệ bánh răng nón (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu, tính toán, thiết kế và chế tạo mô hình bộ điều tốc turbine gió bằng cách sử dụng hệ bánh răng nón (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 NGUYỄN DUY PHƯƠNG NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH BỘ ĐIỀU TỐC TURBINE GIÓ BẰNG CÁCH SỬ DỤNG HỆS K C 0 0 3 9 BÁNH5 9 RĂNG NÓN NGÀNH: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY - 605204 S KC 0 0 3 9 6 4 Tp. Hồ Chí Minh, 2013
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN DUY PHƯƠNG NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH BỘ ĐIỀU TỐC TURBINE GIÓ BẰNG CÁCH SỬ DỤNG HỆ BÁNH RĂNG NÓN NGÀNH: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY - 605204 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2013
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN DUY PHƯƠNG NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH BỘ ĐIỀU TỐC TURBINE GIÓ BẰNG CÁCH SỬ DỤNG HỆ BÁNH RĂNG NÓN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2013
4. Luận văn Thạc sỹ LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Nguyễn Duy Phương Giới tính:Nam Ngày, tháng, năm sinh: 09/01/1987 Nơi sinh:Tây Ninh Quê quán: Tây Ninh Dân tộc:Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 45/đường 34/ Bời Lời/Tây Ninh. Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: Fax: E-mail:Phongba_91@yahoo.com.vn II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ / đến / Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 8/2005 đến 1/ 2010 Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh Ngành học: Công nghệ chế tạo máy. Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Nghiên cứu và chế tạo mô hình bộ điều khiển tốc độ turbine gió bằng hệ bánh răng nón. Ngày và nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp:Trường đại học Sư Phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh 1/2010 Người hướng dẫn: Thạc sỹ Hoàng Trí. III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 3/2010 đến Công ty Hoya Lens Việt Nam, Quản lý sản xuất. hiện tại VISIP 2,Bến cát, Bình Dương. 1
5. Luận văn Thạc sỹ LỜI CAM ĐOAN Xin cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu, tính toán, thiết kế và chế tạo mô hình bộ điều tốc turbine gió bằng cách sử dụng hệ bánh răng nón” do thầy PGS.TS. Nguyễn Ngọc Phương hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 04 năm 2013 Tác giả luận văn Nguyễn Duy Phương 2
6. Luận văn Thạc sỹ LỜI CẢM ƠN Sau hơn 7 tháng nghiên cứu, với sự hướng dẫn của thầy PGS.TS. Nguyễn Ngọc Phương, luận văn với đề tài “Nghiên cứu, tính toán thiết kế và chế tạo mô hình bộ điều tốc turbine gió bằng cách sử dụng hệ bánh răng nón” đã hoàn thành. Để hoàn thành tốt nhiệm vụ đồ án theo đúng yêu cầu, đúng tiến độ thì tác giả đã nhận được sự hỗ trợ nhiệt tình từ phía nhà trường, quý thầy cô, gia đình và bạn bè đồng nghiệp. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Thầy hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Ngọc Phương đã tận tình chỉ dẫn đóng góp. Thạc sỹ Hoàng Trí đã tư vấn, hướng dẫn những kiến thức ban đầu để có thể thực hiện tốt luận văn. Thầy Dương Bình Nam và xưởng cơ khí Hoàng Nam đã hỗ trợ, góp ý trong quá trình thiết kế, thi công và chế tạo mô hình. Toàn thể quý thầy cô giáo trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình đã góp ý, giúp đỡ, động viên tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Tác giả luận văn Nguyễn Duy Phương 3
7. Luận văn Thạc sỹ TÓM TẮT Các nghiên cứu ngày nay về turbine gió là làm sao điều khiển hiệu quả tốc độ của turbine khi vận tốc gió thay đổi, đảm bảo hiệu suất turbine hoạt động cao nhất. Nhược điểm lớn nhất của các hệ thống turbine gió hiện tại là khi tốc độ gió thay đổi, thì tốc độ turbine luôn không ổn định. Các nghiên cứu ngày nay về turbine gió là làm sao điều khiển hiệu quả tốc độ của turbine khi vận tốc gió thay đổi. Nội dung luận văn “Nghiên cứu, tính toán, thiết kế và chế tạo mô hình bộ điều tốc turbine gió bằng cách sử dụng hệ bánh răng nón” do thầy PGS.TS Nguyễn Ngọc Phương hướng dẫn, được thực hiện trong thời gian hơn 8 tháng đã hoàn thành. Nội dung luận văn trình bày về một kết cấu bộ điều tốc cánh turbine mới bằng cách dùng hệ bánh răng nón để thực hiện việc xoay cánh turbine với phương pháp thiết kế, chế tạo và quá trình điều khiển hoàn toàn đơn giản. Sau quá trình tính toán và thiết kế, mô hình thí nghiệm đã được thi công hoàn chỉnh và được thực nghiệm tại khoa Cơ Khí máy trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh. Kết quả thí nghiệm cho thấy bộ điều tốc sử dụng hệ bánh răng nón hoạt động rất hiệu quả, tốc độ turbine được điều khiển linh hoạt nhờ hệ thống trục vít bánh vít và động cơ bước. Kết quả ban đầu cho thấy quá trình nghiên cứu đã đem lại những thành công trong quá trình điều khiển tốc độ turbine gió, đảm bảo độ ổn định, cân bằng cho toàn bộ hệ thống turbine trong quá trình hoạt động. ABSTRACT Today, the researches about the wind turbine is how to effectively control the speed of the turbine when the wind speed changes, ensure that the turbines are highest effective performance. This is the biggest weakness of the current wind turbine system. 4
8. Luận văn Thạc sỹ Thesis content "Research, calculate, design and manufacture the model control of wind turbine speed by bevel-gear system " by teacher Dr. Nguyen Ngoc Phuong guide, was completed in the near 8 months. Thesis content consturcted a system control of wind turbine speed by using the bevel-gear system to revolve the turbine blade with manufacturing and control process is straightforward. After the calculation and design, experimental models is completed and experimented at the mechanical Department of Engineering University of Technical Education Ho Chi Minh. Experimental results showed that the turbine operated effectively, flexible, turbine speed is controlled by bevel-gear and stepper motor. The fist results showed that the research brought success in control the wind turbine speed, ensure safeness and balance for the turbine system during operation. 5
9. Luận văn Thạc sỹ MỤC LỤC TRANG TỰA TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Cảm tạ iii Tóm tắt iv Mục lục vi Danh mục hình vẽ ix Danh mục bảng xi Danh mục ký hiệu xii CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 13 1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu: 13 1.1.1 Lý do chọn đề tài 13 1.1.2 Mục đích của đề tài nghiên cứu 14 1.1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 15 1.2 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 16 1.3 Ý nghĩa thực tiễn và ý nghĩa khoa học của đề tài 16 1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu 16 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 17 2.1 Tổng quan về năng lƣợng gió 17 2.1.1 Định nghĩa gió và máy phát điện gió 17 2.1.2 Lịch sử phát triển năng lượng gió 18 2.2 Phân loại turbine gió 24 6
10. Luận văn Thạc sỹ 2.2.1 Turbine gió trụ đứng 24 2.2.2 Turbine gió trụ ngang 26 2.3 Động lực học cánh turbine gió 28 2.3.1 Thuyết động học của turbine 28 2.3.2 Động lực học cánh turbine gió 30 2.4 Phân tích lực và các yếu tố hảnh hƣởng đến turbine 32 2.4.1 Phân tích lực tác dụng lên cánh turbine 32 2.4.2 Các giá trị ảnh hưởng đến tốc độ trục chính turbine 36 2.4.3 Mối quan hệ giữa góc tới α và Cl, Cd 39 CHƢƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CƠ KHÍ 41 3.1 Thiết kế cánh turbine 41 3.1.1 Đường kính cánh turbine 41 3.1.2 Tỷ số tốc độ đỉnh TSR (Tip Speed Ratio) 42 3.1.3 Hiệu suất turbine Cp 43 3.1.4 Số lượng cánh turbine 44 3.2 Tính toán, thiết kế trục turbine 45 3.2.1 Tính toán số vòng quay của turbine 45 3.2.2 Tính toán thiết kế hộp tốc độ 46 3.2.3 Tính toán đường kính trục 50 3.2.4 Lựa chọn ổ lăn 52 3.2.5 Chọn động cơ 53 3.2.5.1 Các loại động cơ bước và so sánh với các loại động cơ khác 53 7
11. Luận văn Thạc sỹ 3.2.5.2 Tính toán công suất động cơ 58 3.2.6 Lựa chọn cảm biến 60 3.2.7 Thiết kế cơ cấu hãm tốc 62 3.2.8 Thiết kế chân giá đỡ 62 CHƢƠNG 4: TÍNH TOÁN CHO BỘ ĐIỀU TỐC 63 4.1 Tính toán số vòng quay trục chính ứng với sự thay đổi của góc tới 63 4.1.1 Mối quan hệ giữa góc nghiêng cánh và góc tới 63 4.1.2 Tính toán số vòng quay trục chính khi góc cánh thay đổi 63 4.2 Mối quan giữa tốc độ trục chính, hệ bánh răng nón, trục vít bánh vít và động cơ 71 CHƢƠNG 5: GIỚI THIỆU MÔ HÌNH VÀ THỰC NGHIỆM 73 5.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ điều tốc 73 5.1.1 Giới thiệu 73 5.1.2 Nguyên lý hoạt động 75 5.2 Khảo sát hoạt động của bộ điều tốc ứng với sự thay đổi tốc độ trục chính 78 5.3 Kết quả thực nghiệm 82 5.3.1 Ghi nhận kết quả 83 5.3.2 Nhận xét kết quả thực nghiệm 85 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 88 PHỤ LỤC 89 KẾ HOẠCH THỰC HIỆN 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO 92 8
12. Luận văn Thạc sỹ DANH MỤC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1.3 Một dạng kết cấu của hệ thống xoay cánh turbine. 15 Hình 2.1.1 Các dạng turbine gió 18 Hình 2.1.2.1 Mô hình cánh gió tại Tung Mỹ, cuối thế kỷ 19 19 Hình 2.1.2.2 Sử dụng cối xay gió để bơm nước trên đảo Crete 20 Hình 2.1.2.3 Mô hình cối xay gió xuất hiện sau thế kỷ 13 20 Hình 2.1.2.4 Quạt gió cánh thép bơm nước ở vùng Trung Tây nước Mỹ (cuối 1800) 21 Hình 2.1.2.5 Máy phát điện sức gió do Charles F.Brush chế tạo 22 Hình 2.1.2.6 Kiểu turbine gió được phát minh vào năm 1960 23 Hình 2.1.2.7 Dạng turbine gió hiện đại được sử dụng phổ biến ngày nay 24 Hình 2.2.1 Một dạng turbine gió trục đứng 27 Hình 2.2.1 Một dạng turbine gió trục ngang 29 Hình 2.3.1 Mô hình dòng chảy của không khí qua mặt cắt ngang 31 Hình 2.3.2 Động lực học cánh turbine gió. 33 Hình 2.3.1.1:Phân tích lực tác động lên cánh turbine. 35 Hình 2.3.1.2 Biểu diễn lực trên mặt phẳng cắt ngang của cánh turbine . 37 Hình 2.3.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến cánh turbine 38 Hình 2.4.2.1 Ảnh hưởng vận tốc đến góc tới 40 Hình 2.4.2.2 Góc tới tăng làm ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc turbine 41 Hình 2.4.2.3 Hình biểu diễn mặt phẳng lực 42 Hình 2.4.3: Mối quan hệ giữa góc tới α và Cl, Cd. 43 Hình 2.4.3 Đường kính turbine thiết kế 45 9
13. Luận văn Thạc sỹ Hình 3.2.2 Biểu đồ biểu diễn mối quan hệ giữa Cp và λ 46 Hình 3.2.3 Mối quan hệ giữa số lượng cánh turbine và hiệu suất Cp. 47 Hình 3.2.4 Lựa chọn ổ lăn 55 Hình 3.2.5.1 Động cơ bước từ trở. 57 Hình 3.2.5.2 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu. 58 Hình 3.2.5.3 Động cơ bước lai 59 Hình 3.2.5.4 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu 61 Hình 3.2.6 Cảm biến từ dùng nhân biết kim loại 65 Hình 4.1 Biểu đồ biểu diễn sự thay đổi tốc độ trục chính ứng với vận tốc gió khác nhau khi góc tới thay đổi 72 Hình 4.2 Biểu đồ biểu diễn tốc độ trục chính và góc xoay động cơ bước theo tính toán lý thuyết 73 Hình 5.1.2.1 Cấu tạo bộ điều tốc 78 Hình 5.1.2.2 Bộ cấp điện cho động cơ bước 80 Hình 5.2.1 Mô hình thí nghiệm 81 Hình 5.2.2 Các thí nghiệm tiến hành 83 Hình 5.3.1 Biểu đồ thực nghiệm biểu diễn mối quan hệ tốc độ trục chính và góc xoay động cơ 86 Hình 5.3.2 Biểu đồ biểu diễn mối quan hệ giữa tốc độ trục chính và góc xoay động cơ bước theo thực nghiệm và theo tính toán lý thuyết. 88 10
14. Luận văn Thạc sỹ DANH MỤC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 2.4.3 Giá trị hệ số nâng và hệ số cản tương ứng với từng góc 40 Bảng 4.1 Bảng giá trị diểu diễn mối liên hệ góc tới và góc xoay cánh 59 0 Bảng 4.2.1 Số vòng quay trục chính ứng với 2 66 0 Bảng 4.2.2 Số vòng quay trục chính ứng với 4 68 0 Bảng 4.2.3 Số vòng quay trục chính ứng với 5 68 0 Bảng 4.2.4 Số vòng quay trục chính ứng với 7 69 0 Bảng 4.2.5 Số vòng quay trục chính ứng với 10 70 Bảng 4.2.6 Số vòng quay trục chính ứng với 160 70 Bảng 4.2.7 Bảng tổng hợp tốc độ trục chính ứng với các giá trị gía trị góc tới 72 Bảng 5.2 Khảo sát góc xoay động cơ bước ứng với sự thay đổi tốc độ 82 Bảng 5.3.1.1 Giá trị góc xoay động cơ bước ứng với sự thay đổi tốc độ trục chính 85 Bảng 5.3.1.2 Bảng giá trị biểu diễn góc xoay động cơ ứng với tốc độ trục chính 87 11
15. Luận văn Thạc sỹ DANH MỤC KÝ HIỆU a đại lượng đặc trưng sự thay đổi vận tốc[ ] α góc tới của dòng không khí [độ] A diện tích hoạt động cánh turbine [m2] θ góc xoay cánh turbine [độ] c chiều dài dây cung cánh [m] φ góc dòng chảy [độ] Cp hệ số công suất turbine [ ] λ tốc độ dỉnh (vận tốc tip) Cl hệ số cản [ ] η hiệu suất turbine [ ] Cd hệ số nâng [ ] Ω vận tốc góc [rad/s] D lực cản [N] ρ khối lượng riêng không khí [kg/m3] L lực nâng [N] F lực tác dụng lên turbine [N] m khối lượng dòng chảy [kg] n số lượng cánh quạt [ ] P công suất turbine [W] q lưu lượng dòng chảy [m3/s] r bán kính cánh turbine [m] t thời gian [s] T moment sinh ra [Nm] V0 vận tốc gió [m/s] Vrel vận tốc tổng hợp [m/s] 12
16. Luận văn Thạc sỹ CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu 1.1.1 Lý do chọn đề tài Ngày nay, năng lượng là một trong những nhu cầu thiết yếu của con người và là một yếu tố đầu vào không thể thiếu được của hoạt động kinh tế. Khi mức sống của người dân càng cao, trình độ sản xuất của nền kinh tế ngày càng hiện đại thì nhu cầu về năng lượng cũng ngày càng lớn và việc thỏa mãn nhu cầu này thực sự là một thách thức đối với hầu hết mọi quốc gia. Khi các nguồn năng lượng hoá thạch ngày càng bị cạn kiệt, nhu cầu sử dụng điện năng ngày một tăng cao, vấn đề môi trường cần được đảm bảo thì việc tìm kiếm, khai thác, sử dụng các nguồn năng lượng mới được đặt ra rất cấp thiết. Hiện trên thế giới, việc phát triển điện từ nguồn năng lượng mới đang là một xu thế lớn, đặc biệt nguồn năng lượng gió thể hiện ở mức tăng trưởng cao nhất so với các nguồn năng lượng khác. Ở Việt Nam, sự khởi sắc của nền kinh tế từ sau đổi mới làm nhu cầu về điện gia tăng đột biến trong khi năng lực cung ứng chưa phát triển kịp thời. Nếu tiếp tục đà này, nguy cơ thiếu điện vẫn sẽ còn là nỗi lo thường trực của ngành điện lực Việt Nam cũng như của các doanh nghiệp và người dân cả nước. Do đó, việc đầu tư và xây dựng các nhà máy phát điện là vô cùng cần thiết và cấp bách. Với những thành tựu của thế giới và tiềm năng của Việt Nam về năng lượng gió, chúng ta hoàn toàn có thể phát triển nguồn năng lượng này để góp phần vào sự phát triển kinh tế - xã hội của đất nước. Với những ưu điểm từ năng lượng gió giải quyết được vấn đề cấp bách hiện nay là môi trường,Việt Nam đang dần xây dựng và mở rộng, phát triển nguồn năng lượng 13
17. Luận văn Thạc sỹ dồi dào này, nhưng để tận dụng triệt để, ngoài yếu tố tự nhiên còn phụ thuộc nhiều vảo vấn đề kỹ thuật, đặc biệt là hệ thống phát điện gió. Do gió là nguồn năng lượng không ổn định nên trong quá trình khai thác thường xảy ra các sự cố về mặt kỹ thuật làm hư hỏng các hệ thống máy phát. Nhược điểm của động cơ gió là khi tốc độ gió thay đổi, tốc độ quay của turbine cũng thay đổi theo, khi tốc độ trục chính tăng cao vượt qua tốc độ cho phép thì có thể gây cháy máy phát hoặc mất cân bằng toàn bộ hệ thống turbine gây ra những thiệt hại nghiêm trọng. Nhận biết được tầm quan trọng của động cơ phát điện gió, đề tài “Nghiên cứu, tính toán, thiết kế và chế tạo mô hình bộ điều tốc turbine gió bằng cách sử dụng hệ bánh răng nón” được thực hiện. Với bộ điều tốc này có thể giữ cho tốc độ quay của turbine ổn định bằng cách xoay cánh để thay đổi diện tích bề mặt hứng gió, giúp cho turbine luôn hoạt động với hiệu suất lớn nhất, linh hoạt vừa tạo sự ổn định, mặt khác phải giữ được sự cân bằng cho toàn bộ hệ thống turbine gió. Khi đề tài được khai thác một cách triệt để sẽ hứa hẹn mang đến nhiều thành công mới trong việc xây dựng và chế tạo máy phát điện gió phù hợp với mọi sự thay đổi từ gió, nâng cao sự hoạt động ổn định cho toàn bộ hệ turbine gió, đảm bảo độ cân bằng của toàn bộ hệ thống được và giảm bớt những rủi ro đồng thời mang lại hiệu quả kinh tế cao. 1.1.2 Mục đích của đề tài nghiên cứu Một turbine gió cần phải hoạt động với một công suất tối ưu, phải khai thác được tiềm năng vốn có của nó, đồng thời cần phải xét về chi phí, mức độ bảo trì Chính vì vậy, cần có những phương pháp điều khiển, kết cấu phù hợp để hạn chế những rủi ro, chi phí thiết kế giảm, chế độ bảo trì và phương pháp điều khiển đơn giản nhưng hiệu quả. Nhiệm vụ trước mắt của đề tài là thực hiện các bước tính toán và thiết kế ban đầu 14
18. Luận văn Thạc sỹ khi tiến hành chế tạo một turbine gió, chế tạo thành công mô hình bộ điều tốc cho turbine gió bằng cách sử dụng hệ bánh răng nón để xoay cánh. Tiến hành thực nghiệm, thu thập số liệu và so sánh với lý thuyết. Xa hơn nữa, nếu quá trình nghiên cứu thành công, hứa hẹn sẽ đem lại nhiều đóng góp to lớn cho ngành công nghiệp gió, khai thác triệt để tiềm năng của nguồn năng lượng này, sử dụng chủ yếu ngoài khơi, những nơi có lượng gió dồi dào. 1.1.3 Tình hình nghiên cứu trong, ngoài nước: Hiện nay việc thiết kế, chế tạo hệ thống cánh để có thể xoay được đã và đang nghiên cứu rộng rãi trên thế giới. Kết cấu điều khiển cánh riêng lẻ nghĩa là mỗi cánh sẽ được điều khiển bằng một hệ riêng biệt cũng đang là lĩnh vực nghiên cứu mới [hình 1.1.3a] hứa hẹn mang đến nhiều thành công mới trong ngành điện gió. Với cách điều khiển này sẽ giúp giảm tải tác dụng lên cánh turbine, giúp turbine hoạt động nhẹ hơn, cánh luôn được điều chỉnh kịp thời để tăng hiệu suất cao nhất đồng thời làm tăng độ bền mỏi của cánh nên tuổi thọ của hệ thống cánh tăng lên đáng kể, khắc phục hoàn toàn hiện tượng gãy cánh do chịu áp lực lớn. Khi hướng gió thay đổi, tải đặt lên cánh cũng thay đổi, hệ điều khiển từng cánh sẽ ghi nhận tải phân bố trên từng cánh và có nhiệm vụ điều chỉnh để giảm tải và cân bằng ba cánh, do đó, có thể làm cho hệ điều khiển trở nên phức tạp. Tiếp đó, quá trình điều khiển riêng lẻ đòi hỏi hệ điều khiển từng cánh phải luôn hoạt động tốt, nếu hệ điều khiển một trong ba cánh của turbine có vấn đề, không hoạt động được thì sẽ dễ dàng gây ảnh hưởng, làm mất cân bằng hệ thống turbine hơn so với quá trình điều khiển đồng bộ. 15
19. Luận văn Thạc sỹ a b c d Hình 1.1.3 Các dạng kết cấu của hệ thống xoay cánh turbine đã được nghiên cứu . Với phương pháp thiết kế cũ là 3 cánh turbine đều cố định. Với kết cấu này, luôn đảm bảo hệ thống an toàn về mặt kết cấu nhưng nếu vận tốc gió thay đổi đột ngột về tốc độ, cũng như hướng di chuyển thì hiệu suất turbine sẽ không đạt hiệu quả như mong muốn. Hiện nay, dạng thiết kế này ít sử dụng, thường sử dụng chủ yếu nơi gió có công suất nhỏ như các hộ gia đình. Kết hợp 2 kết cấu trên, việc thiết kế một hệ thống kết cấu có thể điều khiển xoay cánh một cách đồng bộ có nhiều ưu điểm. Kết cấu này cũng đang được nghiên cứu nhiều trên thế giới với những kết cấu đa dạng nhưng quá trình điều khiển cũng như kết cấu vẫn chưa hoàn toàn tối ưu [hình 1.1.3 b, c, d], vẫn còn phức tạp về kết cấu. 16
20. Luận văn Thạc sỹ Trong nước, hiện nay các đề tài về nghiên cứu để điều khiển tốc độ turbine gió cũng đã và đang được nghiên cứu rộng rãi. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều hạn chế như bộ điều tốc kém ổn định, phương pháp điều khiển phức tạp. 1.2 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu là turbine gió trục ngang Nghiên cứu, phân tích động lực học turbine gió trục ngang Tối ưu hóa hệ thống xoay cánh bằng hệ bánh răng nón. Thiết kế và chế tạo mô hình. Thực nghiệm so sánh với tính toán lý thuyết. 1.3 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài: Về ý nghĩa khoa học: Đề tài đưa ra một kết cấu và phương pháp điều khiển tốc độ turbine gió hoàn toàn mới, tối ưu và khả năng giải quyết được những khó khăn trước mắt của một turbine gió, đáp ứng linh hoạt với sự thay đổi tốc độ của trục chính, vừa đảm bảo sự cân bằng tuyệt đối cho turbine, Về ý nghĩa thực tiễn: Đề tài mang tính thời sự cao, là vấn đề được quan tâm nhiều ở thời điểm hiện tại, thiết kế và điều khiển đơn giản có thể sử dụng cho turbine gió có công suất nhỏ sử dụng tại gia đình và có ý nghĩa rất lớn với ngành công nghiệp gió đòi hỏi công suất lớn được sử dụng ngoài khơi. 1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu: Tham khảo tài liệu. Phân tích số liệu, tính toán trên cơ sở lý thuyết. Thực nghiệm và thu thập số liệu. 17
21. Luận văn Thạc sỹ CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về năng lƣợng gió 2.1.1 Định nghĩa turbine gió và máy phát điện gió Turbine gió là máy dùng để biến đổi động năng của gió thành cơ năng. Máy năng lượng này có thể được dùng trực tiếp như trong trường hợp của cối xay bằng sức gió, hay biến đổi tiếp thành điện năng như trong trường hợp máy phát điện bằng sức gió. Máy phát điện bằng sức gió bao gồm nhiều thành phần khác nhau. Nhưng thành phần quan trọng nhất vẫn là motor điện một chiều; loại dùng nam châm bền và cánh đón lấy gió. Còn lại là các bộ phận khác như: đuôi lái gió, trục và cột để dựng máy phát, bộ phận đổi dòng điện để hợp với bình ắcqui và cuối cùng là một chiếc máy đổi điện (inverter) để chuyển điện từ ắc quy thành điện xoay chiều thông dụng. Máy phát điện turbine gió thường sử dụng máy phát là loại xoay chiều có nhiều cặp cực do kết cấu đơn giản và phù hợp đặc điểm tốc độ thấp của turbine gió. Các máy phát điện sử dụng năng lượng gió thường được xây dựng gần nhau và điện năng sản xuất ra được hòa vào mạng điện chung sau đó biến đổi để có được nguồn điện phù hợp. Việc sử dụng ăc quy để lưu giữ nguồn điện phát ra chỉ sử dụng cho máy phát điện đơn lẻ và cung cấp cho hộ tiêu thụ nhỏ (gia đình). Việc lưu điện vào ắc quy và sau đó chuyển đổi lại thường cho hiệu suất thấp hơn và chi phí cao cho bộ lưu điện tuy nhiên có ưu điểm là ổn định đầu ra. Ngoài ra còn có một cách lưu trữ năng lượng gió khác. Người ta dùng cánh quạt gió truyền động trực tiếp vào máy nén khí. Năng lượng gió sẽ được tích trữ trong hệ thống rất nhiều bình khí nén. Khí nén trong bình sau đó sẽ được lần lượt bung ra để 18