BỘ GIÁ O DỤ C VÀ ĐÀ O TẠ O ĐẠ I HỌ C THÁ I NGUYÊN TRƯỜ NG ĐẠ I HỌ C KỸ THUẬ T CÔNG NGHIỆ P 000 LUẬ N VĂN THC SĨ K THUT Chuyên ngà nh: Công nghệ chế tạ o má y Đề tà i: “ Phát triển mô hình điều khiển cánh tuốc bin gió trục đứng ”. Học viên : Phạm Thị Như Trang Lớp : Cao học K12 - CNCTM Chuyên ngành : Công nghệ chế tạo máy Giáo viên HD khoa học: PGS.TS. NGUYỄN VĂN DỰ Thái nguyên, 11.201 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật ~ 1 ~ Ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Phạm Thị Như Trang, học viên lớp cao học khóa 12-Công nghệ chế tạo máy- Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên, xin cam đoan: Đề tài “ Phát triển mô hình điều khiển cánh tuốc bin gió trục đứng ” do thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Văn Dự hướng dẫn là công trình do bản thân tôi thực hiện dựa trên sự hướng dẫn khoa học của Thầy giáo và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Thái Nguyên, ngày 30 tháng 10 năm 2011 Học viên Phạm Thị Như Trang Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật ~ 2 ~ Ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy giáo hướng dẫn khoa học PGS.TS.Nguyễn Văn Dự, người đã tận tình hướng dẫn, động viên và giúp đỡ Tôi rất nhiều trong suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp. Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu, Ban chủ nhiệm Khoa Cơ khí động lực- Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh đã tạo điều kiện để Tôi được tham gia và hoàn thành khóa học này. Lòng biết ơn thành kính Tôi xin được gửi đến Gia đình hai bên Nội, Ngoại đã động viên và giúp đỡ Tôi trong suốt thời gian qua. Cuối cùng, Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến những người Bạn thân đã nhiệt tình giúp đỡ để Tôi hoàn thiện được luận văn này. MỤC LỤC Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật ~ 3 ~ Ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN……………………………………………………………… 1 LỜI CẢM ƠN…………………………………………………………………… 2 MỤC LỤC………………………………………………………………………. 3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ……………………………………… 6 MỞ ĐẦU………………………………………………………………………… 9 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI……………………………………….12 1.1 Năng lượng gió và tình hình sử dụng năng lượng trên thế giới…………… 12 1.2 Tổng quan về tuốc bin gió trục đứng……………………………………… 15 1.2.1 Tuốc bin gió trục đứng………………………………………………… 15 1.2.2 Các loại tuốc bin gió trục đứng……………………………………… 16 1.2.2.1 Tuốc bin Darrieus………………………………………………… 16 1.2.2.2 Tuốc bin Savonius………………………………………………… 17 1.2.2.3 Tuốc bin Giromill…………………………………………………. 18 1.2.2.4 Cycloturbine………………………………………………………. 20 1.2.2.5 Flap turbine……………………………………………………… 21 1.3 Kết luận chương 1…………………………………………………………. 22 CHƢƠNG 2: KẾT CẤU CÁNH TUỐC BIN GIÓ 2.1 Cơ sở tính toán khí động học cánh tuốc bin gió ………………………… 23 2.1.1 Năng lượng của gió…………………………………………………. 23 2.1.2 Học thuyết của Betz…………………………………………………. 24 2.2 Một số kết cấu cánh tuốc bingió………………………… …………. 26 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật ~ 4 ~ Ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH TUỐC BIN GIÓ 3.1 Một số mô hình tuốc bin gió đã thiết kế trong quá trình thực hiện đề tài 41 3.1.1 Tuốc bin gió có cánh tự xoay, biên dạng kiểu Savonius…………….43 3.1.2 Tuốc bin gió có cánh tự xoay, biên dạng cánh thẳng……………… 45 3.1.3 Tuốc bin gió dạng roto lồng sóc, cánh cố định…………………… 48 3.1.4 Tuốc bin gió có cánh tự xoay kiểu Flap turbine……………………. 51 3.2 Thiết kế chế tạo mô hình tuốc bin gió dạng Flap turbine ………………. 54 3.2.1 Mục tiêu…………………………………………………………… 54 3.2.2 Cơ sở để làm mô hình thí nghiệm………………………………… 54 3.2.3 Kiểu dáng hình học cánh tuốc bin thiết kế…………………………. 55 3.2.4 Nguyên lý làm việc của mô hình…………………………………… 56 3.2.5 Thiết kế và chế tạo mô hình……………………………………… 56 3.2.5.1 Khung cánh………………………………………………… 57 3.2.5.2 Cánh tuốc bin……………………………………………… 58 3.2.5.3 Trục chính………………………………………………… 59 3.2.5.4 Đĩa phân độ và ổ bi………………………………………… 60 3.2.5.5 Đế tuốc bin………………………………………………… 61 3.2.5.6 Quy trình lắp ráp……………………………………………. 61 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 4.1 Mô tả thí nghiệm ……………………………………………………… 61 4.2 Khảo sát ảnh hưởng của số cánh……………………………………… 62 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật ~ 5 ~ Ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 4.2.1 Khảo sát mô hình với số cánh bằng 3………………………………. 62 4.2.2 Khảo sát mô hình với số cánh bằng 4………………………………. 63 4.2.3 Khảo sát mô hình với số cánh bằng 5………………………………. 64 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết luận …………………………………………………………………. 69 2. Đề xuất………………………………………………………………… 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………… 71 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Cối xay gió ở BaTư 10 Hình 1.2 Cối xay gió ở Hà Lan 12 Hình 1.3 Cối xay gió nhiều cánh ở Mỹ 14 Hình 1.4 Tuốc bin gió Éole Darrieus, Quebec………………………………… 14 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật ~ 6 ~ Ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 1.5 Tuốc bin gió Darrieus ba cánh………………………………………… 17 Hình 1.6 Chiều quay của roto Tuốc bin Savonius……………………………… 18 Hình 1.7 Tuốc bin Savonius…………………………………………………… 18 Hình 1.8 Tuốc bin Giromill 2 cánh ……………………………………………. 19 Hình 1.9 Tuốc bin gió trục đứng Giromill……………………………………… 20 Hình 1.10 Cycloturbine rotor…………………………………………………… 20 Hình 1.11 Cycloturbine………………………………………………………… 21 Hình 1.12 Mô hình Flap turbine………………………………………………… 21 Hình 2.1. Mô tả chiều quay cánh tuốc bin gió trục ngan ………………………. 26 Hình 2.2. Mô tả chiều quay cánh tuốc bin gió trục đứng……………………… 27 Hình 2.3. Cánh turbine kiểu dạng chén …………………………………………. 28 Hình 2.4. Tuốc bin kiểu Savonius 29 Hình 2.5 Tuốc bin kiểu dạng tấm 30 Hình 2.6 Tuốc bin kiểu Darrieus và H – rotor 30 Hình 2.7 Biên dạng cánh loại NACA-04 …………………………………………32 Hình 2.8 Thành phần lực tác dụng lên cánh turbine … ………………………. .33 Hình 2.9 Mô tả xoay cánh …………………………………………………… 33 Hình 2.10 Hệ thống cánh Cycloidal……………………… ………………… 34 Hình 2.11 Cơ chế kiểm soát điều khiển góc cánh của CWT ……………… .35 Hình 2.12 Sự thay đổi góc cánh của CWT …………………….…………… .35 Hình 2.13 Sơ đồ hướng quay của cánh và trục roto …………………………… 36 Hình 2.14 Mô hình điều khiển góc cánh ………………………………………. 37 Hình 2.15 Mô hình thiết lập vị trí góc cánh theo kiểu “ furled” ……………… 37 Hình 2.16a. Sơ đồ cơ chế thay đổi góc cánh…………………………………. 38 Hình 2.16b. Sơ đồ cơ chế thay đổi góc cánh…………………………………. 39 Hình 2.17. Flap turbine ……………………………………………………… 39 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật ~ 7 ~ Ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 2.18. Mô tả xoay cánh……………………………………………………. 40 Hình 3.1 Bản vẽ chế tạo tuốc bin số 1…………………………………………… 41 Hình 3.2 Hệ thống cánh tuốc bin số 1…………………………………………. .42 Hình 3.3 Bản vẽ chế tạo tuốc bin số 2………………………………………… 43 Hình 3.4 Mô hình tuốc bin số 2………………………………………………… 45 Hình 3.5 Bản vẽ chế tạo tuốc bin số 3………………………………………… 46 Hình 3.6 Mô hình tuốc bin số 3……………………………………………… 48 Hình 3.7 Bản vẽ chế tạo tuốc bin số 4………………………………………… 49 Hình 3.8 Mô hình tuốc bin số 4…………………………………………… 51 Hình 3.9. Hình dáng cánh tuốc bin thiết kế…………………………………. …52 Hình 3.10 Mô tả cánh theo chiều gió…………………………………………… 53 Hình 3.11 Hình dáng tuốc bin thiết kế… …………………….…………… …. 55 Hình 3.12a Mô tả cánh theo chiều gió ………………………………………. 56 Hình 3.12b Mô tả cánh theo chiều gió ……………………………………… 57 Hình 3.13 Kích thước khung cánh ………………………………………… 58 Hình 3.14 Kích thước cánh nhỏ……………………………………………… 58 Hình 3.15 Bản vẽ chế tạo trục chính ………………………………………… 59 Hình 3.16 Đĩa phân độ lắp khung cánh……………………………………… 58 Hình 3.17 Bản vẽ chế tạo đế tuốc bin ……………………………………… 60 Hình 4.1 Đồng hồ đo tốc độ gió………………………………………………. 62 Hình 4.2 Mô tả cách bố trí thí nghiệm ………………………………………. 62 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật ~ 8 ~ Ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn MỞ ĐẦU Gió là một dạng năng lượng lý tưởng thay thế cho năng lượng hóa thạch đang cạn kiệt. Trong các máy phát điện dùng sức gió, các turbine(tuốc bin) trục đứng (Vertical-axis wind turbines - VAWT) được đang được quan tâm nghiên cứu nhằm cải thiện hiệu năng của nó [1-10]. Các tuốc bin trục đứng cánh thẳng (dạng H H-Darrieus) được ưa chuộng do cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo của nó. Tuy vậy, một trong những nhược điểm cố hữu của nó là không tự khởi động được (Self-start) là Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật ~ 9 ~ Ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn vấn đề đang rất được quan tâm [1-9]. Các cố gắng cải tiến đã được thực hiện [1-2] nhưng rô – to vẫn không tự quay khi có tải, dù là tải nhẹ. Nhiều nghiên cứu đã tìm cách điều khiển góc cánh tuốc bin sao cho nó đón được gió nhiều nhất ở phía thuận và cản gió ít nhất ở phía nghịch. Có thể kể đến các hướng khai thác như: điều khiển cưỡng bức vị trí và góc xoay cánh bằng động cơ servo [3,4]; kết hợp sử dụng các truyền động cơ khí để cưỡng ép cánh xoay theo hướng phù hợp cải tiến hình dáng kết cấu và vị trí trục xoay của cánh để nó có thể tự xoay dưới tác dụng của các lực tương tác của gió [5-7]. Gần đây nhất, một luận văn cao học tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên cũng cố gắng xây dựng mô hình xoay cánh nhờ hệ truyền dẫn các bánh răng. Hầu hết các nghiên cứu đã đi sâu phân tích cơ sở tính toán, mô phỏng trên máy tính. Tuy vậy, việc triển khai thực tế ra các mô hình làm cơ sở cho nghiên cứu, thực nghiệm và cải tiến cánh tuốc bin gió trục đứng vẫn đang cần phát triển thêm. Đề tài này được thực hiện nhằm phân tích cơ sở lý thuyết để triển khai thử nghiệm, đánh giá một số mô hình điều khiển cánh tuốc bin gió trục đứng, đặc biệt chú trọng mô hình cánh tuốc bin tự xoay theo hướng tác động của gió. * Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Ý nghĩa khoa học Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ đóng góp các kiến thức kinh nghiệm về điều khiển cánh tuốc bin gió trục đứng. Mô hình có thể phục vụ cho các nghiên cứu thực nghiệm về máy phát điện gió. - Ý nghĩa thực tiễn Đề tài hy vọng phát triển được mô hình tuốc bin có cánh tự xoay; kết cấu cánh đơn giản, dễ chế tạo nhằm góp phần hiện thực hóa ở Việt Nam. [...]... xem hình 2.1) Hình 2.1 Mô tả chiều quay cánh tuốc bin gió trục ngang Khác với các tuốc bin gió trục ngang ở trên, tuốc bin gió trục đứng, cánh cố định trên trục, lực tác dụng của gió lên hai phía ( quy ước hai phía là thuận và nghịch so với chiều gió, minh họa như hình 2.2) là như nhau: F 1= F 2 do vậy, cánh không có khả năng tự khởi động Để có được mô men xoay trục, đồng thời quay được trục máy phát. .. hình dạng cánh và chế tạo thử nghiệm tuốc bin trục đứng - Thực hiện các thí nghiệm đánh giá các thông số tương quan trên mô hình thực; * Đối tƣợng nghiên cứu - Mô hình động lực học của cánh tuốc bin gió xoay được; - Mô hình thực tế * Các kết quả chính đã đạt đƣợc Đề tài đã thu được một số kết quả chính sau đây: - Chế tạo được một mô hình tuốc bin cánh cố định và ba mô hình tuốc bin sử dụng cánh tự xoay,... được xây dựng gần đây nhất Nhưng trong thị trường phát điện hiện nay thì HAWT vẫn chiếm ưu thế 1.2 Tổng quan về tuốc bin gió trục đứng 1.2.1 Tuốc bin gió trục đứng Tuốcbin gió trục đứng (VAWTs) là một loại tuốcbin gió mà rôto trụcchínhđược đặt thẳng đứng và các thành phần chính được đặt ở phần đế của tuốc bin Một trong những ưu điểm của kết cấu này là máy phát điện và hộp số có thể được đặt ngay gần mặt... 1.2.2.5 Flap turbine Hình 1.12 Mô hình Flap turbine Flap turbine (FT) là một loại mới của tuốc bin trục đứng (VAWT), loại tuốc bin này có đặc điểm là các cánh có khả năng tự xoay đi để tạo ra sự chênh lệch mô men , tạo nên chuyển động quay cho tuốc bin Khi gió tác động vào những cánh cùng chiều với hướng của gió thì các phần tử cánh sẽ khép kín lại thành dạng cánh buồm, để biến năng lượng gió thành cơ... xoay cánh, ta có thể chia thành hai kiểu điều khiển: - Điều khiển chủ động hay cưỡng bức, tự lựa cánh theo hướng gió - Điều khiển bị động a, Điều khiển chủ động hay cưỡng bức, tự lựa cánh theo hướng gió: trong kiểu điều khiển này, tính toán, sắp xếp trước hướng của cánh tại các vị trí khác nhau trong một vòng quay của trục tuốc bin sao cho nó đảm bảo các yêu cầu ở trên Theo nguyên tắc này, đã có các mô. .. VAWTs 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 1.2.2 Các loại tuốc bin gió trục đứng 1.2.2.1 Tuốc bin Darrieus Tuốc bin này bao gồm một số cánh thường có phương thẳng đứng được gắn trên một trục quay hoặc khung Với thiết kế của loại tuốc bin gió này Georges Jean Marie Darrieus, một... lên, nhưng công suất trên trục tuốc bin hầu như không tăng lên [4] 2.2 Một số kết cấu cánh tuốc bin gió Cùng với sự phát triển của các hệ thống HAWTs và VAWTs, các nhà nghiên cứu đã đưa ra thử nghiệm và ứng dụng nhiều kiểu dáng hình học cánh khác nhau để kiểm nghiệm và so sánh hiệu quả mà nó đem lại Với tuốc bin gió trục ngang, khi có gió, các cánh có khả năng tự khởi động, cánh quay liên tục và luôn... Giromill Là một loại tuốc bin gió cánh thẳng, thường gọi là Giromill hay H-rotor Nó là một loại tuốc bin gió có trục thẳng đứng được phát triển bởi Georges Darrieus vào năm 1927 Loại VAWT này đã được nghiên cứu bởi nhóm nghiên cứu của Musgrove tại Vương quốc Anh trong những năm 80 Hình 1.8 Tuốc bin Giromill 2 cánh [7] Trong những tuốc bin phổ biến kiểu “ đánh trứng” của Darrieus thì các cánh thường được thay... hóa một mô hình cánh tuốc bin gió tự xoay hiệu quả nhất Các mục tiêu cụ thể là: Chế tạo thử nghiệm mô hình tuốc bin gió, đặc biệt chú trọng mô hình - có cánh xoay; Thử nghiệm đánh giá các thông số tương quan về lực, mô men, vận tốc - gió * Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu được sử dụng là nghiên cứu thực nghiệm, nội dung cụ thể bao gồm: - Sử dụng các cơ sở phân tích lý thuyết để chọn hình. .. thuật ~ 26 ~ Cánh ở phía thuận Ngành Công nghệ chế tạo máy Cánh ở phía nghịch Hướng gió Hình 2.2 Mô tả chiều quay cánh tuốc bin gió trục đứng Như vậy, muốn quay được cánh tuốc bin thì giá trị Fxoay >> 0 và giá trị này càng lớn, mô men xoay trục càng lớn Tuy nhiên, khó có thể tăng F1 nên người ta luôn tìm cách giảm F2 Để đạt được mục đích đó, các nhà nghiên cứu đã đưa ra nhiều kiểu biên dạng cánh, nhiều . trường phát điện hiện nay thì HAWT vẫn chiếm ưu thế. 1.2. Tổng quan về tuốc bin gió trục đứng 1.2.1. Tuốc bin gió trục đứng Tuốcbin gió trục đứng (VAWTs) là một loại tuốcbin gió mà rôto trụcchínhđược. Cycloturbine………………………………………………………… 21 Hình 1.12 Mô hình Flap turbine………………………………………………… 21 Hình 2.1. Mô tả chiều quay cánh tuốc bin gió trục ngan ………………………. 26 Hình 2.2. Mô tả chiều quay cánh tuốc bin gió trục đứng ……………………. về điều khiển cánh tuốc bin gió trục đứng. Mô hình có thể phục vụ cho các nghiên cứu thực nghiệm về máy phát điện gió. - Ý nghĩa thực tiễn Đề tài hy vọng phát triển được mô hình tuốc bin