Thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị đo gió cho máy phong điện trục đứng có điều khiển

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP





LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT





THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM
THIẾT BỊ ĐO GIÓ CHO MÁY PHONG ĐIỆN
TRỤC ĐỨNG CÓ ĐIỀU KHIỂN








Ngành
: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
Mã số
: 60 52 01 03
Học viên
: PHẠM THẾ ANH

Ngƣời HD khoa học
: PGS.TS. NGÔ NHƢ KHOA













THÁI NGUYÊN - 2013





Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

2
LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trƣờng Đại học Kỹ
thuật công nghiệp Thái Nguyên, tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc nhất tới
PGS. TS Ngô Nhƣ Khoa - Trƣởng phòng Đào tạo trƣờng Đại học Kỹ thuật công
nghiệp Thái Nguyên đã tận tình hƣớng dẫn và giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên
cứu để tôi có thể hoàn thành đề tài luận văn tốt nghiệp.

Cảm ơn các thầy cô giáo tại trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái
Nguyên đã tận tình giảng dạy trong hai năm học qua.
Cảm ơn Ban Giám hiệu và lãnh đạo khoa Khoa Cơ khí - Trƣờng Cao Đẳng
Công nghiệp Phúc Yên (Phƣờng Trƣng Nhị - TX.Phúc Yên – Tỉnh Vĩnh Phúc) đã
tạo điều kiện về mặt thời gian để tôi thực hiện và hoàn thành đề tài này.
Cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ trong thời
gian qua để luận văn đƣợc hoàn thành đúng tiến độ.
Thái Nguyên, ngày 24 tháng 05 năm 2013
Tác giả



Phạm Thế Anh
















Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

3

LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Phạm Thế Anh - Học viên cao học lớp K13-Công nghệ chế tạo máy
Khóa học 2010-2012 trƣờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên.
Sau hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trƣờng tôi lựa chọn thực
hiện đề tài tốt nghiệp “Thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị đo gió cho máy phong
điện trục đứng có điều khiển”.
Đƣợc sự hƣớng dẫn và giúp đỡ tận tình của PGS. TS Ngô Nhƣ Khoa và sự
nỗ lực của bản thân, đề tài đã đƣợc hoàn thành năm 201 .
Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung và kết quả của luận văn này là do tự bản
thân tôi thực hiện, không sao chép của ngƣời khác. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu
trách nhiệm.
Thái Nguyên, ngày tháng năm 201
Tác giả


Phạm Thế Anh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

4

MỤC LỤC
Lời cảm ơn…………………………………………………………………
Lời cam đoan………………………………………………………… …….
Mục lục. …………………………………………………………… ……
Danh mục các hình vẽ…………………………………………… ……
Danh mục các bảng biểu………………………………………… ……
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt…………………………… ……
MỞ ĐẦU…………………………………………………………… ……
1. Tính cấp thiết của đề tài………………………………………… ……
2. Mục tiêu và nhiện vụ của luận văn……………………………… ……
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu……………………………… ……
4. Phƣơng pháp nghiên cứu……………………………………… ……
5. Ý nghĩa…………………………………………………………… ……

NỘI DUNG
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Các loại thiết bị đo gió.…………………………………………………
1.1.1. Cup Anemometer………………………………………………………
1.1.2 Windmill anemometer………………………………………………….

1.1.3. Hot-wire anemometer …………………………………………………
1.1.4. Sonic anemometer……………………………………………………
1.2. Vị trí lắp của thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc……………………………
1.2.1. Trên máy phong điện trục ngang và trục đứng………………………
1.2.2. Trên máy phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh………………
1.3. Kết cấu, nguyên lý làm việc của thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc………
1.3.1. Kết cấu chung của thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc……………………
1.3.2. Nguyên lý làm việc của thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc………………
1.4. Cơ sở nghiên cứu về khí động lực học…………………………………
1
2
3
6
8
9
10
10
11
12
12
12


13
13
13
14
14
15
15

15
16
18
18
20
23





Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

5
1.4.1. Các thông số cơ bản về gió…………………………………………….
1.4.2. Cơ sở về lực nâng, lực cản trong khí động lực học……………………
1.4.3. Hệ số cản C
D
đối với cánh có dạng cốc………………………………
1.5. Các mô hình tính toán khí động lực học cho thiết bị đo gió kiểu cốc…
1.5.1. Mô hình 2 cốc………………………………………………………….
1.5.2. Mô hình của Ramachandran…………………………………………
1.5.3. Đề xuất của Kondo và các cộng sự…………………………………….
1.5.4. Đề xuất mô hình kết hợp 1 cốc và 4 cốc……………………………….
1.6. Kết luận

CHƢƠNG 2
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ KHÍ ĐỘNG HỌC TRÊN THIẾT BỊ
ĐO GIÓ KIỂU CỐC
2.1. Các thông số thiết kế chính cho thiết bị đo gió kiểu cốc………………

2.1.1. Ảnh hƣởng của các thông số thiết kế chính……………………………
2.1.2. Yêu cầu thiết kế cho thiết bị đo gió kiểu cốc…………………………
2.2. Mô hình thiết kế và chế tạo cho thiết bị đo gió kiểu cốc………………
2.2.1. Thiết kế sơ bộ của mô hình thiết bị đo gió kiểu cốc…………………
2.2.2. Thiết kế chi tiết và nguyên lý của mô hình thiết bị đo………………
2.2.3. Mô hình chế tạo của thiết bị đo tốc độ gió và hƣớng gió……………
2.3. Mô hình khí động lực học cho 1 cốc
2.3.1. Một số giả định trong phân tích mô hình 1 cốc
2.3.2. Mô men khí động lực học trong mô hình 1 cốc………………………
2.3.3. Thực nghiệm trên mô hình 1 cốc
2.3.4. Mô men khí động lực học đối với rotor 4 cốc…………………………
2.4. Ma sát lăn của các ổ bi bên trong thiết bị đo…………………………….
2.4.1. Cơ sở tính toán mô men ma sát lăn của ổ bi…………………………
2.4.2. Thực nghiệm xác định giá trị mô men ma sát lăn Q
f
của các ổ bi……
2.4.3. Quan hệ giữa mô men ma sát lăn Q
f
với vận tốc góc ω
23
24
26
27
29
30
32
34
34

35
35
37
38
38
38
41
41
41
42
44
48
49
49
52
55





Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

6
2.5. Phƣơng trình khí động lực của thiết bị đo gió kiểu cốc………………….
2.5.1. Kết quả tính toán khí động lực học cho rotor 4 cốc, với R
rc
= 360 mm.

2.5.2. Kết quả tính toán khí động lực học cho rotor 4 cốc, với R
rc
= 330 mm.
2.5.3. Kết quả tính toán khí động lực học cho rotor 4 cốc, với R
rc
= 300 mm.
2.5.4. Kết quả tính toán khí động lực học cho rotor 4 cốc, với R
rc
= 270 mm.
2.5.5. Kết quả tính toán khí động lực học cho rotor 4 cốc, với R
rc
= 240 mm.
2.5.6. Kết quả tính toán khí động lực học cho rotor 4 cốc, với R
rc
= 210 mm.
2.5.7. Kết quả tính toán khí động lực học cho rotor 4 cốc, với R
rc
= 180 mm.
2.5.8. Kết quả tính toán khí động lực học cho rotor 4 cốc, với R
rc
= 150 mm.
2.5.9. Nhận xét về mô hình tính toán khí động lực học
2.6. Kiểm nghiệm mô hình khí động lực học của thiết bị đo gió…………….
2.6.1. Xây dựng mô hình thực nghiệm……………………………………….
2.6.2. So sánh mô hình tính toán và mô hình thực nghiệm
2.7. Kết luận


CHƢƠNG 3
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ ĐUÔI HƢỚNG GIÓ

3.1. Cơ sở tính toán, thiết kế cho đuôi hƣớng gió
3.1.1. Một số đặc điểm cơ bản về đuôi lái gió
3.1.2. Kết cấu và nguyên lý hoạt động của đuôi hƣớng gió
3.1.3. Mô hình khí động lực học cho đuôi hƣớng gió
3.2. Kiểm nghiệm mô hình thiết kế cho đuôi lái gió
3.2.1. Thông số và kết cấu của bộ phận xác định hƣớng gió
3.2.2. Sơ đồ thực nghiệm cho đuôi lái gió đƣợc thiết kế
3.3.Kết luận

CHƢƠNG 4
KẾT LUẬN CHUNG
4.1 Kết quả luận văn đã đạt đƣợc…………………………………………….
56
56
58
59
60
61
62
63

64
65
67
67
73
74

75
75
75
79
80
80
81
81



82





Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

7
4.2 Những kiến nghị nghiên cứu tiếp theo…………………………………
TÀI LIỆU THAM KHẢO
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Cup Anemometer ……………………………………….………
Hình 1.2. Windmill anemometer …………………………….………………
Hình 1.3. Hot-wire anemometer ……………… ……………………………
Hình 1.4. Sonic anemometer ………………………………………………
Hình 1.5. Thiết bị đo gió trên vỏ máy của máy phong điện trục ngang ……
Hình 1.6. Thiết bị đo gió trên chân đế của máy phong điện trục đứng ……
Hình 1.7. Vị trí lắp mong muốn của thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc trên máy

phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh………………………………
Hình 1.8. Một số dạng cốc cơ bản …………………………………………
Hình 1.9. Bản vẽ phân rã của 3 - Cup Anemometer………………………….
Hình 1.10. Thiết bị đo gió dựa trên quan hệ điện áp sinh tỷ lệ với tốc độ gió.
Hình 1.11. Các thành phần của vận tốc gió tác động lên vật thể …………….
Hình 1.12. Bản chất sự hình thành lực khí động học ………………………
Hình 1.13. Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa C
D
và C
L
với góc tới

………….
Hình 1.14. Mô hình đơn giản hóa của rotor trên thiết bị đo gió……………
Hình 1.15. Hệ số cản của một số dạng hình học cơ bản…………… ………
Hình 1.16. Các mô men tác dụng lên rotor của thiết bị đo gió……………….
Hình 1.17. Mô hình 2 cốc .…………………………………………………
Hình 1.18. Độ lệch giữa góc α và θ phụ thuộc vào hệ số K………………….
Hình 1.19. Hệ số khí động lực học C
N
của kiểu cốc Brevoort - Joyner II…
Hình 1.20. Hệ số C
N
của kiểu cốc Brevoort - Joyner II do Kondo đề xuất…
Hình 2.1. Một thiết kế hợp lý cho thiết bị đo gió…………………………….
Hình 2.2. Một thiết kế chƣa hợp lý cho thiết bị đo gió……………………….
Hình 2.3. Kết cấu sơ bộ của thiết bị đo gió.………………………………….
Hình 2.4. Bản vẽ phân rã cho mô hình thiết bị đo tốc độ gió và hƣớng gió….
Hình 2.5. Bản vẽ lắp cho mô hình thiết bị đo tốc độ gió và hƣớng gió………
82

83


13
14
14
15
16
16

17
18
19
20
24
25
26
26
27
28
30
31
32
33
36
37
38
39

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

8
Hình 2.6. Mô hình chế tạo cho thiết bị đo tốc độ gió và hƣớng gió………….
Hình 2.7. Mô hình hóa cho 1 cốc ……………………
Hình 2.8. Dạng biểu đồ mô men khí động lực học tổng quát của 1 cốc
Hình 2.9. Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo lực cản F
D
trên mô hình 1 cốc
Hình 2.10. Đồ thị mô men khí động lực học xây dựng từ thực nghiệm
Hình 2.11. Sơ đồ khí dộng lực học của rotor 4 cốc ………………………….
Hình 2.12. Các chi tiết trong kết cấu của ổ bi

Hình 2.13. Lớp thấm của chất bôi trơn tại khe hở ngõng trục………………
Hình 2.14. Độ nhớt của một số loại dầu tƣơng ứng với nhiệt độ ổ bi
Hình 2.15. Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo điện áp và dòng điện
Hình 2.16. Quan hệ giữa Qf và vận tốc góc ω………………………………
Hình 2.17. Đồ thị thể hiện quan hệ giữa V và ω
Hình 2.18. Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo vận tốc góc của rotor
Hình 3.1. Mô hình thiết kế của đuôi hƣớng gió
Hình 3.2. Bản vẽ phân rã của đuôi hƣớng gió………………………………
Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý của chiết áp vòng………………………………
Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý của bộ mã hóa xung quang học (5 bit)…………
Hình 3.5. Sơ đồ mô tả đặc tính khí động lực học của đuôi hƣớng gió
Hình 3.6. Thiết bị đo gió đƣợc lắp đặt trên máy phong điện trục đứng
Hình 3.7. Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo lực cản tác động lên cánh.

40
41
42
43
47
48
49
50
51
52
54
56
66
68
75
76
77
78
79
80
81

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

9




DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Bảng số liệu tính toán về lực và mô men khí động lực học của 1
cốc
Bảng 2.2. Các thiết bị trong thực nghiệm đo lực cản FD trên mô hình 1 cốc
Bảng 2.3. Bảng số liệu thực nghiệm về lực và mô men khí động lực học của
1 cốc
Bảng 2.4. Các thiết bị trong thực nghiệm đo điện áp và dòng điện
Bảng 2.5. Bảng số liệu thực nghiệm khi đo điện áp và dòng điện
Bảng 2.6. Bảng số liệu tính toán ω của rotor 4 cốc với R
rc
= 360

Bảng 2.7. Bảng số liệu tính toán ω của rotor 4 cốc với R
rc
= 330
Bảng 2.8. Bảng số liệu tính toán ω của rotor 4 cốc với R
rc
= 300
Bảng 2.9. Bảng số liệu tính toán ω của rotor 4 cốc với R
rc
= 270
Bảng 2.10. Bảng số liệu tính toán ω của rotor 4 cốc với R
rc
= 240
Bảng 2.11. Bảng số liệu tính toán ω của rotor 4 cốc với R
rc
= 210
Bảng 2.12. Bảng số liệu tính toán ω của rotor 4 cốc với R
rc
= 180
Bảng 2.13. Bảng số liệu tính toán ω của rotor 4 cốc với R
rc
= 150
Bảng 2.14. Các thiết bị trong thực nghiệm đo vận tốc góc ω (rad/s) của rotor
tƣơng ứng với tốc độ gió V (m/s)
Bảng 2.15. Bảng số liệu thực nghiệm đo vận tốc góc ω với R
rc
= 360
Bảng 2.16. Bảng số liệu thực nghiệm đo vận tốc góc ω với R
rc
= 330
Bảng 2.17. Bảng số liệu thực nghiệm đo vận tốc góc ω với R

rc
= 300
Bảng 2.18. Bảng số liệu thực nghiệm đo vận tốc góc ω với R
rc
= 270
Bảng 2.19. Bảng số liệu thực nghiệm đo vận tốc góc ω với R
rc
= 240
Bảng 2.20. Bảng số liệu thực nghiệm đo vận tốc góc ω với R
rc
= 210
Bảng 2.21. Bảng số liệu thực nghiệm đo vận tốc góc ω với R
rc
= 180







44
45

47
53
55
57
58
59

60
61
62
63
64

67
69
69
70
70
71
72





Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

10
Bảng 2.22. Bảng số liệu thực nghiệm đo vận tốc góc ω với R
rc
= 150




72
73

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
n
D
c

R
rc
h

S
c
A
V
V
r
ω
C
D
C
Dv
C
Dx
ρ
F
D
Q
A

Q
C(av)
Q
f
α
θ
β
v
β

Số lƣợng cánh trên rotor ( Số cốc).
Đƣờng kính cốc (mm)
Bán kính quay của cốc (mm).
Chiều cao trục quay của rotor (mm).
Diện tích hứng gió của cốc (m
2
).
Diện tích của đuôi hƣớng gió (m
2
).
Tốc độ gió (m/s)
Vận tốc tƣơng đối của gió so với cốc (m/s)
Vận tốc góc của rotor (rad/s)
Hệ số cản.
Hệ số cản mặt lõm của cốc.
Hệ số cản mặt lồi của cốc.
Mật độ không khí (kg/m
3
).

Mô men quay rotor (N.m).
Mô men khí động lực học trung bình của rotor (N.m).
Mô men khí động lực học trung bình của 1 cốc sau 1 vòng quay (N.m).
Mô men ma sát lăn trung bình của các ổ bi (N.m).
Góc tới (độ).
Góc quay của rotor (độ).
Góc xoay của đuôi hƣớng gió (độ).
Góc giữa đuôi hƣớng gió so với phƣơng gió (độ).







Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

11





MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Điện gió hiện đã và đang đƣợc đặc biệt quan tâm trong nghiên cứu, sản xuất
và ứng dụng tại nhiều quốc gia, trong đó có Việt Nam. Theo báo cáo của hiệp hội
năng lƣợng gió thế giới thì tổng công suất lắp đặt điện gió trên toàn cầu tăng liên
tục, từ 24 (GW) năm 2001 và đến năm 2010 thì đạt 204 (GW). Do thấy đƣợc tiềm
năng cũng nhƣ ƣu thế của điện gió cho nên một loạt các dự án điện gió lớn cũng

đang đƣợc triển khai xây dựng ở Việt Nam, cụ thể nhƣ điện gió Bình Thuận, điện
gió Bạc Liêu, điện gió Tuy Phong…
Thiết bị dùng để biến động năng của gió thành điện năng đƣợc gọi là máy
phong điện hay còn gọi là máy phát điện bằng sức gió. Điện năng sản xuất từ năng
lƣợng gió có những ƣu điểm nổi trội nhƣ: Gió là nguồn năng lƣợng vô tận, hơn nữa,
gió còn là nguồn năng lƣợng sạch nên không gây ô nhiễm môi trƣờng; giá thành
điện năng từ các máy phong điện xét về lâu dài mang tính kinh tế cao.
Về cơ bản máy phong điện đƣợc chia làm hai loại, đó là: Máy phong điện
trục đứng và máy phong điện trục ngang. Máy phong điện trục ngang là loại turbine
gió có hiệu suất cao nhất, thích hợp với nhiều vận tốc gió khác nhau, tuy nhiên hình
dạng và kích thƣớc lớn nên dẫn đến lắp đặt và bảo dƣỡng khó khăn. Loại này chủ
yếu đƣợc sử dụng cho hệ thống có công suất lớn, hòa vào lƣới điện quốc gia.
Đối với máy phong điện trục đứng thông thƣờng có thể hoạt động bình đẳng
với mọi hƣớng gió, cấu tạo đơn giản, các bộ phận đều có kích thƣớc không quá lớn
nên lắp đặt và bảo dƣỡng dễ dàng. Hạn chế của nó là công suất thấp, công suất phụ
thuộc vào đƣờng kính hệ thống cánh, mô men khởi động lớn, chiếm diện tích mặt





Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

12
bằng lớn khi lắp đặt. Với đặc điểm nhƣ trên nên máy phong điện trục đứng thông
thƣờng không có bộ điều khiển.
Tuy nhiên, để nâng cao hiệu suất cho máy phong điện trục đứng thì phải điều
khiển đƣợc góc xoay của cánh. Do đó, cần lắp đặt thêm bộ điều khiển, cơ cấu chấp
hành và một điều không thể thiếu đó là thiết bị đo gió nhằm cung cấp số liệu về
tốc độ gió và hướng gió cho bộ điều khiển.

Máy phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh đƣợc thiết kế với đặc
điểm nổi bật về kết cấu đó là modul điều khiển cũng nhƣ modul dẫn động cho cánh
đều nằm trên rotor và quay cùng nó khi hoạt động. Do đó, nếu dùng thiết bị đo gió
hiện có trên thị trường được lắp cố định trên cột hoặc chân đế thì rất khó truyền
tín hiệu cho bộ điều khiển. Khi đó việc thiết kế đƣờng dẫn tín hiệu trở nên khó
khăn hơn, độ trễ của tín hiệu đến bộ điều khiển sẽ tăng lên, đây là điều không hề
mong muốn trong việc giải bài toán điều khiển.
Nhƣ vậy, để xác định đƣợc tốc độ gió và hƣớng gió nhằm cung cấp số liệu
cho bộ điều khiển của máy phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh thì cần
thiết kế và chế tạo thiết bị đo gió chuyên dụng gắn trực tiếp trên rotor.
Từ các lý do trên cho thấy việc thực hiện đề tài “Thiết kế và chế tạo thử
nghiệm thiết bị đo gió cho máy phong điện trục đứng có điều khiển” là rất cần thiết.
Qua đó góp phần phát triển và hoàn thiện về thiết kế cho máy phong điện trục đứng
có điều khiển góc cánh.
2. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn
- Tên đề tài: “Thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị đo gió cho máy phong điện
trục đứng có điều khiển”.
- Mục tiêu: Chế tạo đƣợc thiết bị đo tốc độ gió và phƣơng gió dùng cho máy phong
điện trục đứng có điều khiển góc cánh mà các thiết bị đo gió hiện có trên thị trƣờng
chƣa phù hợp.
- Nhiệm vụ:
 Nghiên cứu tổng quan về các loại thiết bị đo gió và lựa chọn mô hình phù hợp.





Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

13

 Nghiên cứu, hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về khí động lực học, sơ đồ nguyên lý
của các thiết bị đo gió hiện có trên thị trƣờng.
 Tính toán, thiết kế sơ đồ lắp đặt thiết bị đo gió sao cho phù hợp, đảm bảo độ
chính xác và dễ dàng truyền số liệu đến bộ điều khiển.
 Chế tạo thiết bị, tiến hành thử nghiệm và đánh giá.
 Thiết bị chế tạo đạt đƣợc những yêu cầu kỹ thuật cơ bản nhƣ:


 Thiết bị chế tạo cần đảm bảo đƣợc những yêu cầu kỹ thuật cơ bản nhƣ sau:
+ Khoảng đo: 3÷20 m/s
+ Ngƣỡng đo từ: 3 m/s
+ Kết quả phản hồi sau: 1,2s
+ Độ chính xác: 5%
+ Nhiệt độ: 0÷60°C
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Thiết bị đo gió chuyên dụng, sử dụng cho máy phong điện trục đứng có điều
khiển góc cánh.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
 Lý thuyết kết hợp với thử nghiệm.
5. Ý nghĩa
Đề tài ứng dụng tổng hợp các kiến thức của ngành cơ khí chế tạo máy, cơ
học kỹ thuật và khí động lực học nhằm thiết kế và chế tạo một thiết bị ứng dụng
theo yêu cầu cụ thể của một đề tài nghiên cứu khoa học mà chƣa có trong thực tiễn.
Vì vậy đề tài có ý nghĩa về mặt khoa học cũng nhƣ thực tiễn.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

14








NỘI DUNG

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Các loại thiết bị đo gió.
Thiết bị đo gió là một thiết bị dùng để đo tốc độ gió, xác định hƣớng gió,
thƣờng đƣợc sử dụng trong ngành khí tƣợng học hoặc khí động lực học. Thiết bị đo
gió chia làm 2 nhóm chính, đó là nhóm đo tốc độ gió và nhóm đo áp lực do gió sinh
ra. Ở đây ta chỉ quan tâm đến thiết bị đo tốc độ gió với tên tiếng Anh là
Anemometer. Các thiết bị đo tốc độ gió hiện có trên thị trƣờng khá phong phú, dƣới
đây là một số thiết bị đo tốc độ gió thƣờng gặp.
1.1.1. Cup Anemometer.
Cup Anemometers – Có nghĩa là thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc. Đây là thiết
bị đo tốc độ gió đơn giản, đƣợc phát minh vào năm 1846 bởi TS. John Thomas

Romney Robinson. Kết cấu chung của thiết bị đƣợc trình bày nhƣ trong hình 1.1.
Dựa vào việc xác định số vòng quay trong một đơn vị thời gian ta có thể tính toán
cho ra tốc độ của gió tác động vào các bán cầu.





Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

15

Hình 1.1. Cup Anemometer.
 Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, lắp đặt.
 Hạn chế: Phản ứng chậm và độ nhạy không cao.

1.1.2. Windmill anemometer.
Windmill anemometers – Thiết bị đo tốc độ gió kiểu cánh quạt. Thiết bị đo
tốc độ gió kiểu này có trục quay theo phƣơng ngang. Để hạn chế sai số khi hƣớng
gió thay đổi thì kết cấu của thiết bị đo có thêm phần đuôi lái gió. Kết cấu chung của
thiết bị đo kiểu này đƣợc trình bày nhƣ trong hình 1.2.

Hình 1.2. Windmill anemometer.
 Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, nhỏ gọn, có thể cầm tay. Độ nhạy cao hơn so với
Cup Anemometers.
 Hạn chế: Cần có đuôi lái gió để định hƣớng gió khi đo nhằm đảm bảo độ chính
xác của kết quả đo.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

16
1.1.3. Hot-wire anemometer.
Hot-wire anemometers – Thiết bị đo tốc độ gió kiểu sợi đốt. Thiết bị này sử
dụng một sợi dây dẫn điện tốt, cho một dòng điện đi qua sợi dây để đốt nóng. Dòng
không khí thổi qua dây có tác dụng tản nhiệt trên dây. Xác định đƣợc sự thay đổi
nhiệt độ trên dây kim loại, qua đó xác định đƣợc tốc độ của dòng chảy. Thiết bị đo
có dạng nhƣ trong hình 1.3.

Hình 1.3. Hot-wire anemometers.
 Ưu điểm: Đo chính xác đƣợc tốc độ của dòng chảy trong không khí, độ nhạy
cao, phản ứng nhanh chóng với những thay đổi trong dòng chảy.
 Hạn chế: Giá thành cao. Thời gian làm việc phụ thuộc nhiều vào độ bền của sợi
đốt.
1.1.4. Sonic anemometer.
Sonic anemometers – Thiết bị đo tốc độ gió thông qua sóng siêu âm. Thiết bị
xác định tốc độ gió dựa trên thời gian lan truyền của sóng siêu âm giữa các cặp của
đầu dò. Phép đo thông qua các cặp đầu dò đƣợc kết hợp để xác định vận tốc gió
trong 1, 2 hoặc 3 chiều dòng chảy. Độ phân giải đƣợc cho bởi chiều dài đƣờng dẫn
giữa các đầu dò thƣờng từ 10 – 20 cm. Thiết bị đo tốc độ gió sử dụng sóng siêu âm
có hình dạng chung nhƣ trong hình 1.4.





Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

17

Hình 1.4. Sonic anemometer.
 Ưu điểm: Độ chính xác cao, có khả năng xử lý hàng ngàn phép đo mỗi giây.
 Hạn chế: Giá thành cao. Phức tạp.
Với ưu điểm nổi bật là kết cấu đơn giản, dễ chế tạo và lắp đặt và giá thành
hợp lý. Vì vậy, đối tượng nghiên cứu trong đề tài này là thiết bị đo tốc độ gió có
dạng cốc – Cup Anemometers.
1.2. Vị trí lắp của thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc.
1.2.1. Trên máy phong điện trục ngang và trục đứng.
Thuận lợi cơ bản khi lựa chọn các thiết bị đo gió kiểu cốc hiện có trên thị
trƣờng là các thông số của chúng đã đƣợc tính toán và kiểm nghiệm nên ta có thể
lựa chọn thiết bị có thông số phù hợp với yêu cầu cụ thể để lắp đặt. Tuy nhiên, các
thiết bị này chỉ có thể gắn cố định trên thân, chân đế hoặc tháp đỡ.

Hình 1.5. Thiết bị đo gió trên vỏ máy của máy phong điện trục ngang.





Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

18


Hình 1.6. Thiết bị đo gió trên chân đế của máy phong điện trục đứng.
1.2.2. Trên máy phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh.
Với kết cấu của máy phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh đƣợc mô

tả trong hình 1.7 bên dƣới thì modul điều khiển cũng nhƣ modul dẫn động cho cánh
đều nằm trên rotor và quay cùng nó khi hoạt động. Do đó, nếu dùng thiết bị đo tốc
độ gió kiểu cốc hiện có trên thị trƣờng đƣợc lắp cố định trên cột hoặc chân đế
thì rất khó truyền tín hiệu cho bộ điều khiển. Khi đó việc thiết kế đƣờng dẫn tín
hiệu trở nên khó khăn hơn, độ trễ của tín hiệu đến bộ điều khiển sẽ tăng lên, đây là
điều không hề mong muốn trong việc giải bài toán điều khiển.





Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

19

Hình 1.7. Vị trí lắp mong muốn của thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc
trên máy phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh.
Nhƣ vậy, để xác định đƣợc tốc độ gió và hƣớng gió nhằm cung cấp số
liệu cho bộ điều khiển của máy phong điện trục đứng có điều khiển góc cánh
thì cần thiết kế và chế tạo thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc chuyên dụng gắn trực
tiếp trên rotor. Nhìn lại những nghiên cứu trong nƣớc trƣớc đây trong lĩnh vực
năng lƣợng gió thì vấn đề này vẫn còn bỏ ngỏ [1], [2], [3], [4]. Trong khi đó các
nghiên cứu trong lĩnh vực này đã đƣợc thực hiện khá sớm trên thế giới. So sánh độ
chính xác giữa thiết bị đo gió kiểu cốc và thiết bị đo gió dùng sóng siêu âm khi đo
gió có tốc độ trung bình đã đƣợc Troels Friis Pedersen và các cộng sự [5] tiến hành
Vị trí của thiết bị đo
gió.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

20
nghiên cứu. Nghiên cứu của Paul R.Ebert và David H.Wood [6] chủ yếu đi sâu vào
đánh giá ảnh hƣởng kích thƣớc của thiết bị đến độ chính xác của phép đo.
Fasinmirin J. T. và các cộng sự [7] đã phát triển đƣợc thiết bị đo gió tự động ghi số
liệu trên cơ sở thiết bị đo gió dạng cốc.
Mặc dù số lƣợng các nghiên cứu trong cùng lĩnh vực khá đa dạng và phong
phú, tuy nhiên chƣa có nghiên cứu nào đi sâu vào nghiên cứu, thiết kế thiết bị đo tốc
độ gió kiểu cốc đƣợc gắn trực tiếp trên rotor của máy phong điện trục đứng. Vì vậy,
từ các yêu cầu thực tế của quá trình thiết kế thì việc thực hiện đề tài: “Thiết kế và
chế tạo thử nghiệm thiết bị đo gió cho máy phong điện trục đứng có điều khiển” là
hết sức cần thiết.
1.3. Kết cấu, nguyên lý làm việc của thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc.
1.3.1. Kết cấu chung của thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc.
Một thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc nói chung bao gồm 3 hoặc 4 cốc có thể
quay quanh một trục thẳng đứng dƣới tác dụng của gió. Hình dạng của cốc có thể là
dạng eliptic, bán cầu hoặc dạng nón, trong đó dạng bán cầu đƣợc sử dụng phổ biến
hơn cả. Hình 1.8 mô tả một số dạng cốc cơ bản.

Hình 1.8. Một số dạng cốc cơ bản.
Để hiểu rõ hơn cấu tạo của từng bộ phận có thể tham khảo bản vẽ lắp dƣới
dạng phân rã của 3 – Cup Anemometer [8] tƣơng ứng trong hình 1.9.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

21

Hình 1.9. Bản vẽ phân rã của 3 - Cup Anemometer
(Model 1210 của R.M.Young Company)
1) Cốc; 2) Trục quay; 3) Khớp nối dạng đĩa; 4) Động cơ; 5) Cáp tín hiệu.
1
2
3
4
5





Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

22
1.3.2. Nguyên lý làm việc của thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc.
Về cơ bản, thiết bị đo tốc độ gió kiểu cốc hoạt động dựa vào một trong các
nguyên lý sau:
+ Dựa trên điện áp sinh ra bởi tốc độ gió. Thiết bị đo kiểu này gồm một
máy phát điện AC gắn cùng trục quay của rotor. Khi gió tác động vào các cốc làm
cho rotor quay, một điện áp sinh ra tỷ lệ với tốc độ gió tức thời, tín hiệu thu đƣợc sẽ
truyền đến bộ phận hiển thị kết quả đo. Một mạch tích hợp CR sẽ tính toán ra giá trị
trung bình của gió.
Thiết bị đo đƣợc lắp trên các tháp cao và kết nối với bộ phận hiển thị kết quả
đo thông qua hệ thống dây cáp tín hiệu. Do vậy, có thể quan sát dễ dàng kết quả đo

từ các vị trí phía dƣới. Thiết bị đo gió kiểu này không cần nguồn cấp cho mạch
chính, tuy nhiên, mạch đếm cần một nguồn cấp khoảng 3V bằng các pin khô. Ngoài
ra, một số mô hình khác còn có bộ phận chuyển đổi tƣơng tự - số, A/D (Analog to
digital converter) cho phép máy tính kết nối để thu thập số liệu.

Hình 1.10. Thiết bị đo gió dựa trên quan hệ điện áp sinh tỷ lệ với tốc độ gió.
+ Dựa trên số xung sinh ra bởi tốc độ gió. Thiết bị đo dựa trên nguyên lý
này gồm một máy phát tạo ra xung điện, số xung đếm đƣợc cho phép xác định số
vòng quay của rotor tƣơng ứng. Xác định số vòng quay của rotor trong một đơn vị
thời gian từ đó tính toán đƣợc tốc độ gió trung bình đạt đƣợc trong khoảng thời gian
đó.
Kiểu thiết bị đo sử dụng máy phát xung quang học bao gồm một đĩa đƣợc
đục lỗ gắn cùng trục quay của rotor. Khi đĩa lỗ quay cùng rotor cho phép chùm ánh





Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

23
sáng xuyên qua gián đoạn từ bộ phận phát chùm ánh sáng đến bộ phận thu nhận
chùm ánh sáng, tín hiệu xung tạo ra tƣơng ứng với tốc độ gió. Sau chuyển đổi tín
hiệu xung – tƣơng tự P/A (Pulse-Analog) một điện áp một chiều đƣợc sinh ra tƣơng
ứng với số xung đã tạo ra. Điện áp này đƣợc chuyển đổi tƣơng ứng ra tốc độ gió tức
thời. Một số thiết bị đo gió sử dụng tín hiệu xung số cho phép xác định tốc độ gió
tức thời thông qua một con vi điều khiển.
Qua bản vẽ phân rã đƣợc trình bày trong hình 1.9 có thể thấy nguyên lý làm
việc của thiết bị đo tốc độ gió nhƣ sau: Khi gió thổi làm quay các cốc 1, chuyển
động quay đƣợc truyền cho trục quay 2 và khớp nối dạng đĩa 3 dẫn đến làm quay

trục của máy phát 4. Giá trị của tần số hay điện áp của dòng điện u
DC
(mV) sinh ra
từ máy phát 4 đƣợc truyền đến bộ phận chuyển đổi thông qua cáp 5. Giá trị của tần
số hoặc điện áp đƣợc tính toán và xử lý để quy đổi ra tốc độ của gió theo quan hệ
đƣợc xác định thông qua thực nghiệm nhƣ sau:
 Quan hệ giữa tốc độ gió V và điện áp u
DC
(mV).
V = ( 0,01183 . u
DC
) + 0,2 (m/s)
V = ( 0,02646 . u
DC
) + 0,4 (mph – miles/h)
V = ( 0,03881 . u
DC
) + 0,7 (feet/s) (1.1)
V = ( 0,02297 . u
DC
) + 0,4 (knots)
V = ( 0,04258 . u
DC
) + 0,7 (km/h)
Giá trị của tốc độ gió cũng có thể đƣợc tính toán quy đổi thông qua giá trị về
tốc độ vòng quay của cốc theo quan hệ sau:
 Quan hệ giữa tốc độ gió V và tốc độ vòng quay của cốc ω (Vòng/phút).
V = ( 0,01577 . ω ) + 0,2 (m/s)
V = ( 0,03528 . ω ) + 0,4 (mph – miles/h)
V = ( 0,05174 . ω ) + 0,7 (feet/s) (1.2)

V = ( 0,03063 . ω ) + 0,4 (knots)
V = ( 0,05677 . ω ) + 0,7 (km/h)





Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

24

Biểu đồ 1.1. Quan hệ giữa tốc độ gió với số vòng quay của cốc và điện áp
trong thiết kế cho Model 12302/12305 của R.M.Young Company.





Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

25
1.4. Cơ sở nghiên cứu về khí động lực học.
1.4.1. Các thông số cơ bản về gió.
 Chiều dài gió thổi L (m): Là chiều dài mà luồng gió thổi qua trong một khoảng
thời gian t.
 Tốc độ gió tức thời V
i
(m/s): Do tốc độ gió thay đổi rất nhanh, có thể sử dụng
phƣơng pháp số để mô tả tốc độ gió tức thời V
i

tại thời điểm t theo biểu thức dƣới
đây:
(1.3)

Trong đó: ΔL là chiều dài mà gió thổi qua tính từ thời điểm t đến thời điểm
t + Δt.
 Tốc độ gió trung bình V (m/s): Trong tính toán ta thƣờng sử dụng tốc độ gió
trung bình hay nói chung là tốc độ gió V, đƣợc xác định theo biểu thức:

(1.4)

Trong đó: L là chiều dài mà gió thổi qua tính từ thời điểm khảo sát t
0
đến
thời điểm t
0
+ t, V
i
là tốc độ gió tức thời, t là thời gian khảo sát tính bằng s.
Một véc tơ tốc độ gió đƣợc xác định trong hệ tọa độ Đề các gồm 3 thành
phần
( , , )V u v w

, w là thành phần tốc độ gió theo phƣơng thẳng đứng z, còn u và v
là hai thành phần vận tốc gió nằm trong mặt phẳng nằm ngang. Nhƣ vậy việc xác
định tốc độ gió của thiết bị đo sẽ dựa trên định nghĩa về thành phần của tốc độ gió
đƣợc chọn.
Theo định nghĩa thông thƣờng thì véc tơ tốc độ gió
V


đƣợc khảo sát trong
mặt phẳng nằm ngang gồm hai thành phần tốc độ gió u và v, khi đó ta
có:
22
t
V u v


.
Trong định nghĩa thứ hai, tốc độ gió đƣợc xem xét bao gồm 3 thành phần,
khi đó ta có:
2 2 2
+w
t
V u v


. Sự khác nhau giữa hai định nghĩa này phụ thuộc
0
lim
i
t
L dL
V
t dt





0
0
1
tt
i
t
L
V V dt
tt

   
