1. Tính cấp thiết của đề tài Trong các nguồn năng lượng tái tạo thì năng lượng gió được coi là phát triển nhanh hơn cả vì nó sạch, rẻ tiền, dễ sử dụng và có trữ lượng vô tận. Hàng trăm năm nay, con người đã biết sử dụng năng lượng gió để di chuyển thuyền buồn, khinh khí cầu. Ngày nay người ta sử dụng năng lượng gió để tạo thành điện năng. Máy phát điện sức gió được sử dụng rộng rãi ở châu Âu, châu Mỹ và rất nhiều nơi khác. Cho đến thời điểm này, Việt Nam vẫn chủ yếu khai thác nguồn năng lượng truyền thống, chủ yếu là thủy điện và nhiệt điện. Mặt khác, nước ta đang đứng trước sự thiếu hụt về điện, chúng ta cần phải có biện pháp khắc phục thích hợp. Việt Nam với địa hình nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài nên rất thuận lợi để phát triển năng lượng gió. Vì vậy vấn đề khai thác năng lượng gió ở nước ta là một vấn đề cấp bách. Việc thiết kế một máy phát điện sức gió bao gồm rất nhiều công đoạn như thiết kế cánh quạt gió, thiết kế hộp giảm tốc, máy phát vv… Trong đó, thiết kế hộp giảm tốc đóng vai trò quan trọng. Đã có nhiều công trình khoa học nghiên cứu về năng lượng gió, về tối ưu của máy phát, roto…Tuy nhiên với máy phát điện sức gió trục đứng, vấn đề thiết kế tối ưu hộp giảm tốc hiện nay còn chưa có các công trình công bố. Vì vậy tác giả chọn đề tài: “Thiết kế tối ưu hộp tăng tốc dùng cho máy phát điện sức gió trục đứng công suất 10 kW” 2. Ý nghĩa của đề tài 2.1. Ý nghĩa khoa học Về mặt khoa học đề tài rất phù hợp với xu thế phát triển trong và ngoài nước về năng lượng gió. Do đó ý nghĩa khoa học của đề tài là thể hiện trong tính toán -1- tối ưu hộp giảm tốc của máy phát điện sức gió trục đứng nhằm đạt giá thành chế tạo nhỏ nhất. 2.2. Ý nghĩa thực tiễn Năng lượng gió ngày càng được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới. Vì vậy, đề tài này có ý nghĩa rất thực tiễn trong việc sản xuất điện năng, phục vụ cho sinh hoạt và sản xuất. -2- CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ VÀ THIẾT KẾ TỐI ƯU MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ 1.1. Máy phát điện sức gió trục đứng (VAWTs) Trong suốt thế kỷ 20, máy phát điện sức gió trục ngang tiếp tục phát triển với nhiều tuốc bin lớn hơn và hiện đại hơn. Song song với sự phát triển của máy phát điện sức gió trục ngang thì máy phát điện sức gió trục đứng cũng được phát triển. Vào năm 1922, kỹ sư người Phần Lan S.J. Savonius đã phát minh ra tuốc bin gió trục đứng Savonius. Một kỹ sư người Pháp George Darrieus cũng sáng chế ra tuốc bin gió trục đứng kiểu Darrieus, với hai hoặc nhiều cánh linh hoạt được gắn vào phía trên và phía dưới của trục đứng. VAWT cánh thẳng là một phát minh có nguồn gốc từ VAWT kiểu Darrieus, và được gọi là H-rotor (hình 1.8). Ở Anh, kiểu H-rotor được chế tạo bởi Peter Musgrove. Kiểu H-rotor lớn nhất được xây dựng ở Anh là 500 kW vào năm 1989. Trong những năm 90, một công ty ở Đức Heidelberg Motor GmbH với sự phát triển của VAWT kiểu H-rotor và đã được xây dựng với công suất 300 kW. Các tuốc bin này có máy phát điều khiển trực tiếp với đường kính lớn. 1.2. Tổng quan về thiết kế và thiết kế tối ưu hộp tăng tốc của máy phát điện sức gió Một nghiên cứu của Andrew Firth và Hui Long [21] về sự phát triển của công cụ phần mềm thiết kế cho hộp tăng tốc của hệ thống tuốc bin. Phần mềm này rất dễ dàng khi tính toán hộp tăng tốc hành tinh. Nó đã được tính toán thử nghiệm cho hộp tăng tốc của hệ -3- thống tuốc bin với công suất 2 MW và máy phát không đồng bộ ba pha với số vòng quay là 1600 vòng/phút. Sự đánh giá về thiết kế hộp tăng tốc cho hệ thống tuốc bin gió được nghiên cứu bởi James F. Manwell [10]. Sự đánh giá này dựa trên cơ sở đó là sự phân tích hộp tăng tốc sử dụng cho tuốc bin gió ESI-80 với công suất 250 kW. Hộp tăng tốc được sử dụng cho hệ thống tuốc bin này là hộp hành tinh đã chỉ ra trên hình 1.14. Kết quả của nghiên cứu này cho thấy: Xác định lực và các đặc điểm của hộp tăng tốc; cung cấp phương pháp để xác định mô men. Nghiên cứu của Ray. Hicks MBE [22] về thiết kế tối ưu hộp tăng tốc bánh răng hành tinh của hệ thống tuốc bin gió với khối lượng là nhỏ nhất, độ tin cậy cao và được kết hợp với giá thành thấp của máy phát. Trong nghiên cứu này đã thành công và áp dụng cho hệ thống tuốc bin LS1 3 MW ở Orkney năm 1982 và những năm gần đây đã thử nghiệm vận hành cho hệ thống tuốc bin 3,4 MW ở phía bắc Châu Âu. Cấu trúc của hộp tăng tốc bánh răng hành tinh - loại của bánh răng được sử dụng, số răng, tỷ số truyền, số bánh răng hành tinh, sự phối hợp tỷ số truyền ảnh hưởng đến cỡ của tuốc bin. Tác giả trong [23] đã áp dụng việc thay đổi cấu trúc của hộp tăng tốc cho hệ thống tuốc bin 2,0 MW và so sánh trọng lượng của từng phần bánh răng, cỡ của hộp tăng tốc, cỡ và trọng lượng của máy phát. Một nghiên cứu khác về sự so sánh của hệ thống tuốc bin gió khi sử dụng hộp tăng tốc và không sử dụng hộp tăng tốc. Các tác giả [24] đã chỉ ra rằng hệ thống tuốc bin gió khi không có hộp tăng tốc sẽ có đường kính rotor của cánh tuốc bin lớn hơn và giá của cả hệ thống tuốc bin thì cao hơn khi sử dụng hộp tăng tốc. Một nghiên cứu của E. Spooner [25] đã chỉ ra giá thành của hệ thống tuốc bin trong trường hợp sử -4- dụng hộp tăng tốc và không sử dụng hộp tăng tốc và kết quả cho thấy khi không sử dụng hộp tăng tốc thì giá thành của máy phát tăng rất nhiều lần Như vậy, với nhiều nghiên cứu trước chỉ ra rằng việc sử dụng hộp tăng tốc cho hệ thống tuốc bin gió làm giảm giá thành của máy phát. Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu nào đề cặp đến giá thành của hệ thống bao gồm cả hộp tăng tốc và máy phát. 1.3. Kết luận Máy phát điện sức gió đã ra đời và phát triển từ khá lâu. Đến nay, máy phát điện sức gió đã và đang sử dụng ở nhiều nước trên thế giới trong đó có Việt Nam. Việc sử dụng máy phát điện sức gió càng ngày càng được quan tâm vì đây là nguồn năng lượng dồi dào, rẻ tiền và không gây hại cho môi trường. Cho đến nay có khá nhiều công trình nghiên cứu về thiết kế và thiết kế tối ưu máy phát điện sức gió nói chung và máy phát điện sức gió nói riêng. Việc tính toán thiết kế và thiết kế tối ưu hộp tăng tốc của máy phát điện sức gió cũng đã được chú ý. Tuy nhiên chưa có nghiên cứu nào về thiết kế tối ưu hộp tăng tốc cho máy phát điện sức gió nhằm mục tiêu giá thành của hệ thống là nhỏ nhất. Chính vì thế cần thiết phải thiết kế tối ưu hộp tăng tốc cho máy phát điện sức gió kiểu trục đứng 10kW. -5- CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CÁC BÀI TOÁN TỐI ƯU 2.1. Giới thiệu về bài toán tối ưu Tối ưu là một vấn đề quan trọng không chỉ trong kỹ thuật mà còn trong nhiều lĩnh vực khác như: kinh tế, nông nghiệp, quốc phòng, an ninh v.v… Bởi vì bài toán tối ưu cho được kết quả tốt nhất trong một số điều kiện nhất định. Trong bài toán tối ưu có thể sử dụng để giải quyết mọi vấn đề kỹ thuật như: bài toán tối ưu về giá thành là nhỏ nhất, bài toán tối ưu về khối lượng là nhỏ nhất, lợi nhuận là lớn nhất. Với nghiên cứu này sẽ đề cập đến bài toán tối ưu đơn mục tiêu về khối lượng của hệ gồm hộp tăng tốc và máy phát là nhỏ nhất và bài toán về giá thành của hệ là nhỏ nhất. Bài toán tối ưu đơn mục tiêu có thể được định nghĩa như sau [36]: Tìm một véc tơ X = (x 1 , x 2 ,…, x n ) là các biến thiết kế để hàm mục tiêu (hoặc hàm giá thành) đạt giá trị nhỏ nhất: f(X) = f(x 1 , x 2 ,…, x n ) Với các điều kiện ràng buộc: 0)( ≤Xg j , mj , ,2,1= , pj ,2,1= Trong đó: X là một véc tơ ma trận n cột, x 1 , x 2 , …, x n là các biến thiết kế; f(X) là hàm mục tiêu; g j (X), )(Xh j là các điều kiện ràng buộc. 2.2. Xây dựng các hàm đơn mục tiêu 2.2.1. Hàm mục tiêu khối lượng của hệ gồm hộp tăng tốc và máy phát là nhỏ nhất 2.2.1.1. Khối lượng của hộp tăng tốc -6- Khối lượng của hộp tăng tốc được xác định như sau (hình 3.1): TRBRVHH GGGG ++= (3.1) Trong đó: - VH G : khối lượng của vỏ hộp; - BR G : khối lượng của bánh răng; - TR G : khối lượng của trục. l 1 L S G 1,5S G dw 11 B 2 l 3 B 1 dw 12 1,5S G S G dw 22 2 H dw 21 d sb1 d sb2 l 2 I II d sb3 III A 2 5S G 1 1,5S G A 1 Hình 3.1: Sơ đồ tính toán khối lượng của hộp số 2.2.1.2. Xác định khối lượng của máy phát -7- l l δ s δ h D ' D D n c b A 2 A 1 Hình 3.2: Sơ đồ tính khối lượng của máy phát Khối lượng của máy phát được xác định theo công thức (Hình 3.2): G mp = G s + G r + G d + G v (3.50) Trong đó: G s : khối lượng của stato; G r : khối lượng của roto; G d : khối lượng của dây đồng G v : khối lượng của vỏ máy; 2.3. Bài toán tối ưu 2.3.1. Bài toán tối ưu đơn mục nhằm đạt khối lượng của hệ là nhỏ nhất Từ các phương trình (3.1) và (3.50) xác định được hàm đơn mục tiêu nhằm đạt khối lượng nhỏ nhất như sau: Min G = min )( mpH GG + = ),,( 1 dbh nuuf → min (3.78) Với các điều kiện ràng buộc: maxmin hhh uuu ≤≤ max11min1 uuu ≤≤ maxmin dbdbdb nnn ≤≤ -8- Các giá trị ràng buộc được xác định như sau: ;5 min = h u 40 max = h u ; 2 min1 =u ; 9 max1 =u ; 150 min = db n (vòng/phút); 6000 max = db n (vòng/phút) 2.3.2. Bài toán tối ưu đơn mục về giá thành nhỏ nhất Sau khi giải bài toán tối ưu về khối lượng là nhỏ nhất thì bài toán tối đơn mục tiêu về giá thành nhỏ nhất, được viết dưới dạng sau: Min mpmpHH GCGCC ** += → min (3.79) Với điều kiện ràng buộc: maxmin HHH CCC ≤≤ Các giá trị ràng buộc được xác định như sau: 100 min = H C (nghìn VNĐ/kg); 300 max = H C (nghìn VNĐ/kg); 100 min = mp C (nghìn VNĐ/kg); 300 max = mp C (nghìn VNĐ/kg). 2.4. Kết luận Các hàm đơn mục tiêu cho bài toán tính toán thiết kế tối ưu hộp tăng tốc và máy phát đã được xây dựng. Chúng gồm: hàm đơn mục tiêu về khối lượng của hộp tăng tốc và máy phát là nhỏ nhất; hàm đơn mục tiêu về giá thành của hộp tăng tốc và máy phát là nhỏ nhất. Từ các hàm đơn mục tiêu, các bài toán tối ưu đơn mục tiêu đã được xây dựng. Các bài toán này gồm có: bài toán đơn mục tiêu nhằm đạt khối lượng của hệ (gồm khối lượng của hộp tăng tốc và khối lượng của máy phát) là nhỏ nhất và bài toán đơn mục tiêu nhằm đạt giá thành của hệ (gồm hộp tăng tốc và máy phát) là nhỏ nhất. -9- maxmin mpmpmp CCC ≤≤ CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT 3.1. Các kết quả và nhận xét Bằng việc sử dụng phương pháp tìm kiếm trực tiếp của Robert Hooke và T. A. Jeeves và sự trợ giúp của máy tính bởi phầm mềm Matlab đã hỗ trợ để giải bài toán tối ưu của hàm mục tiêu trong chương 3 cùng với các điều kiện ràng buộc đã đạt được kết quả rất khả thi có thể áp dụng trong và ngoài nước. Biểu đồ mối quan hệ giữa tỷ số truyền của hộp tăng tốc và số vòng quay của máy phát (hình 3.1) Hình 3.1: Biểu đồ quan hệ giữa tỷ số truyền chung của hộp tăng tốc và số vòng quay của máy phát Trên hình 3.1 chỉ ra rằng, với số vòng quay của máy phát càng lớn thì yêu cầu tăng tốc nhiều hơn. Vì vậy, cần phải sử dụng hộp tăng tốc với tỷ số truyền lớn hơn và kết quả là kích thước, khối lượng và giá thành của hộp tăng tốc tăng lên. Do đó, cần phải phối hợp giữa tỷ số truyền của hộp tăng tốc và số vòng quay của -10- [...]... quan về máy phát điện sức gió và thiết kế tối ưu máy phát điện sức gió; Cơ sở tính toán tối ưu hộp tăng tốc; Nghiên cứu các phương pháp giải bài toán tối ưu; Giải các bài toán tối ưu và nhận xét kết quả; Các kết luận của nghiên cứu và kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo; Từ kết quả của luận văn, một số kết luận đã được rút ra: Máy phát điện sức gió nói chung và máy phát điện sức gió kiểu trục đứng nói... như thiết kế chế tạo máy phát điện sức gió ngày càng được quan tâm vì đây là nguồn năng lượng dồi dào, rẻ tiền và không gây ô nhiễm môi trường; Trong việc thiết kế tối ưu máy phát điện sức gió nói chung và máy phát điện sức gió kiểu trục đứng nói riêng, việc thiết kế tối ưu hộp tăng tốc và máy phát là rất quan trọng vì chúng là những bộ phận chính của hệ thống tuốc bin gió; Việc tính toán thiết kế tối. .. hộp tăng tốc dùng bánh răng trụ răng nghiêng hai cấp Vì vậy, việc tính toán tối ưu cho các loại hộp tăng tốc khác như: hộp tăng tốc ba cấp, hộp hành tinh, hộp trục vít – bánh vít v.v… là cần thiết; Việc tính toán tối ưu cho máy phát điện trong mghiên cứu này là tiến hành cho máy phát không đồng bộ Do đó, cũng có thể tính toán cho các loại máy phát khác như: máy phát điện đồng bộ, máy phát điện cảm...  Kết luận Mục đích của nghiên cứu này là thiết kế tối ưu hộp tăng tốc dùng cho máy phát điện sức gió kiểu trục đứng có công suất 1 0kW, với tốc độ vòng quay trục cánh tuốc bin khoảng 150 vòng/phút Để làm được điều đó một khối lượng lớn các công việc đã được tiến hành Những công việc này bao gồm: Khái quát về tiềm năng phát triển năng lượng gió trên thế giới và ở Việt Nam; Nghiên cứu tổng quan về máy. .. dụng hộp tăng tốc Kết quả của nghiên cứu này rất phù hợp với kết quả đã nêu trong [25] x103 x105 Hình 3.7: So sánh giá thành trong hai trường hợp của hệ thống tuốc bin gió: (1) sử dụng máy phát kết hợp với hộp tăng tốc; (2) chỉ sử dụng máy phát -163.2 Kết luận - Bài toán tối ưu đơn mục tiêu đã được xây dựng gồm hai bài toán: bài toán tối ưu đơn mục tiêu nhằm đạt khối lượng của hệ (gồm hộp tăng tốc và máy. .. hộp tăng tốc; (ii) công thức xác định khối lượng của hệ (gồm hộp tăng tốc và máy phát) theo tỷ số truyền chung của hộp tăng tốc đã được đưa ra; - Tỷ số truyền tối ưu của hộp tăng tốc đã được xác định uh = 20 Với tỷ số truyền này thì khối lượng và giá thành của hệ đạt giá trị nhỏ nhất; - Đã đưa ra sự so sánh giữa giá thành của hệ thống khi sử dụng hộp tăng tốc và khi không sử dụng hộp tăng tốc -17KẾT... của hộp và tỷ số truyền các cấp Đồ thị trên hình 3.5 chỉ ra rằng, khi tỷ số truyền của hộp tăng tốc tăng thì khối lượng chung (bao gồm khối lượng của hộp tăng tốc và khối lượng của máy phát) giảm Bởi vì khi tỷ số truyền tăng thì khối lượng của hộp tăng tốc tăng nhưng không nhiều Hơn nữa tỷ số truyền của hộp tăng thì số vòng quay của máy phát tăng, do đó số đôi cặp cực giảm làm cho khối lượng của máy phát. .. hộp tăng tốc và giá trị tối ưu tỷ số truyền của hộp là giá trị lớn nhất có thể được; +, Giá trị tỷ số truyền tối ưu của hộp tăng tốc đạt được là uh = 20 -19 Kiến nghị Mặc dù nghiên cứu này đã đạt được các kết quả rất hữu ích cho việc thiết kế và chế tạo hệ thống tuốc bin gió Nhưng vẫn có một số kiến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo như sau: Trong nghiên cứu này mới chỉ tính toán tối ưu cho hộp tăng. .. kế tối ưu hộp tăng tốc và máy phát có quan hệ khăng khít với nhau vì tỷ số -18truyền của hộp tăng tốc có ảnh hưởng đến số vòng quay của máy phát và dẫn tới ảnh hưởng lớn đến giá thành của nó; Hộp tăng tốc bánh răng trụ răng nghiêng hai cấp khai triển được chọn làm đối tượng thiết kế vì hộp này có cấu tạo đơn giản, tỷ số truyền phù hợp với hệ thống và giá thành thiết kế chế tạo nhỏ; Máy phát điện không... giữa giá thành của hộp tăng tốc, máy phát và giá thành chung trường hợp này, tác giả đã so sánh với giá trị tối ưu khi sử dụng hộp tăng tốc khi giá thành của hộp tăng tốc là CHTT = 200.000 nghìn đồng/kg và giá thành của máy phát là CMP = 150.000 nghìn đồng/kg Sự so sánh này được chỉ ra trên hình 3.7 và kết quả cho thấy rằng: giá thành của hệ thống tuốc bin gió khi không sử dụng hộp tăng tốc lớn hơn rất . 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ VÀ THIẾT KẾ TỐI ƯU MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ 1.1. Máy phát điện sức gió trục đứng (VAWTs) Trong suốt thế kỷ 20, máy phát điện sức gió trục ngang tiếp tục phát triển. thiết kế và thiết kế tối ưu máy phát điện sức gió nói chung và máy phát điện sức gió nói riêng. Việc tính toán thiết kế và thiết kế tối ưu hộp tăng tốc của máy phát điện sức gió cũng đã được chú. về thiết kế tối ưu hộp tăng tốc cho máy phát điện sức gió nhằm mục tiêu giá thành của hệ thống là nhỏ nhất. Chính vì thế cần thiết phải thiết kế tối ưu hộp tăng tốc cho máy phát điện sức gió