Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống turbine gió kiểu trục ngang có công suất trong dải 15 20kw

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...........................................................................5
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU....................................................................13
CÁC KÍ HIỆU SỬ DỤNG...............................................................................15
LỜI MỞ ĐẦU...................................................................................................19
Chương 1: KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA TUA BIN GIÓ TRỤCNGANG.21
1.1. GIỚI THIỆU VỀ THUYẾT ĐỘNG LƯỢNG PHÂN TỐ CÁNH (BEM)…………..21
1.2. THUYẾT BẢO TOÀN ĐỘNG LƯỢNG……………………………………………...21

1.2.1. Lực dọc trục……………………………………………………………21
1.2.2. Mô men động lượng vòng……………………………………………..22
1.3. THUYẾT PHÂN TỐ CÁNH…………………………………………………...23

1.3.1. Các giả thiết của thuyết phân tố cánh………………………………..23
1.3.2. Hệ số tổn thất đầu mũi cánh…………………………………………..23
1.3.3. Các phương trình động lượng phân tố cánh…………………………28
1.3.4. Công suất phân tố cánh và hệ sô công suất..…………………………29
1.3.5. Công suất đầu ra……………………………………………………….29
Chương 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁNH TUA BIN GIÓ ……………..31….
2.1. TÍNH TOÁN CÁNH THEO PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU……………………………31

2.1.1. Các thông số đầu vào…………………………………………………..31
2.1.2. Các bước tính toán……………………………………………………..31
2.2. TÍNH LẠI CÔNG SUẤT SAU KHI HIỆU CHỈNH CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC37

2.2.1 Các bước tính toán và kết quả………………………………………………...37

2.2.2 Sơ đồ khối lập trình tính toán tối ưu:………………………………….38
2.2.3. Một số phương án cánh sau hiệu chỉnh……………………………….41
1

Chương3 : CÁCH SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN KHÍ ĐỘNG
HỌC CÁNH BẰNG MATLAB……………………………………….…………...42
3.1 CỬA SỔ GIAO DIỆN CHÍNH…………………………………………………..42

3.1.1.Nhập thông tin đầu vào…………………………………………………42
3.1.2 Thông tin động lực học của cánh………………………………………43
3.2. CÁC HIỂN THI KẾT QUẢ TÍNH TOÁN CỦA CHƯƠNG TRÌNH………..45

3.2.1. Quan hệ r/R heo x……………………………………………………45
3.2.2.Quan hệ beta theo x …………………………………………………….46
3.2.3. Tuyến tính dây cung profin hoặc độ xoắn cánh ……………………..46
3.3. CÁC THÔNG TIN 2D VÀ 3D CỦA CÁNH…………………………... 48
3.3.1 Cửu sổ hiện thị xâu cánh 2D trước hiệu chỉnh………………………..48
3.3.2. Cửu sổ hiện thị xâu cánh 3D sau hiệu chỉnh………………………….49
3.3.3.Cửu sổ hiện thị xâu cánh 2D trước hiệu chỉnh………………………..49
3.3.4. Cửu sổ hiện thị xâu cánh 3D hiệu chỉnh………………………………50
3.4. HIỂN THI CÁNH 3 D HOÀN CHỈNH…………………………………………50
3.4.1. Hiển thị cánh 3 D hoàn chỉnh trước hiệu chỉnh………………………………50
3.4.2. Hiển thị cánh 3 D hoàn chỉnh sau hiệu chỉnh…………………………………51
Chương4: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HƯỚNG TUA BIN GIÓ VÀ
MỘT SỐ CHI TIẾT QUAN TRỌNG………………………………………………..52
4.1. TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC HỆ DẪN ĐỘNG……………………………………52
4.2. TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ TRỤC HỆ DẪN ĐỘNG XOAY TUA BIN..............52
4.3. THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN TRỤC VÍT BÁNH VÍT……………………………………52

2

4.3.1. Chọn vật liệu…………………………………………………………….52
4.3.2. Xác định ứng suất cho phép của bánh vít……………………………..52
4.3.3. Xác định sơ bộ khoảng cách trục………………………………………52
4.3.4. Xác định ứng suất cho phép của bánh vít…………………………….52
4.3.5. Xác định lại khoảng cách trục…………………………………………52
5.3.6. Xác định các thông số động học……………………………………….53
4.3.7. Kiểm nghiệm răng bánh vít……………………………………………58
4.3.8. Một vài thông số của bộ truyền………………………………………..59
4.4. CHỌN Ổ LĂN …………………………………………………………………………..61
4.5. TÍNH TOÁN TRỤC…………………………………………………………………….61

4.5.1. Chọn vật liệu chế tạo trục……………………………………………...61
4.5.2. Xác định sơ bộ đường kính trục……………………………………….62
4.5.3. Xác định lực…………………………………………………………….62
4.5.4. Vẽ biểu đồ mômen………………………………………………………63
4.5.5. Xác định đường kính các trục………………………………………. ..63
4.5.6. Kiểm nghiệm cho trục………………………………………………….65
4.6. MỘT VÀI HÌNH ẢNH VỀ KẾT QUẢ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUA BIN:
…………………………………………………………………………………….68

Chương 5. NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN
NAM CHÂM VĨNH CỬU………………………………………………….. ..70
5.1. CỞ SỞ LÝ THUYẾT ĐỘNG LỰC HỌC VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY
PHÁT ĐIỆN GIÓ TRỤC NGANG…………………………………………………………70

5.1.1. Cơ sở lý thuyết khí động học (aerodynamic) và quá trình chuyển hóa
từ cơ năng của gió thành điện năng…………………………………………..71
5.1.2. Thông số cơ bản của turbine cho cơ sở tính toán thiết kế máy phát
điện……………………………………………………………………………...75
3

5.1.3. Phân loại máy phát điện gió…………………………………………. ..77
5.1.4. Cơ sở của việc lựa chọn máy phát phong điện nam châm vĩnh cửu cho
đề tài……………………………………………………………………………80
5.2. MÔ HÌNH TÍNH TOÁN VÀ THUẬT TOÁN THIẾT KẾ TỐI ƯU MÁY
PHÁT ĐIỆN GIÓ…………………………………………………………………….80

5.2.1. Mô hình toán học của máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu………81
5.2.2. Tối ưu máy phát điện gió bằng thuật toán gen tiến hóa ( genetic
algorithm) NSGA-II…………………………………………………………..98
5.3. KẾT LUẬN……………………………………………………………………...114

Chương 6: BỘ BIẾN ĐỔI CỦA TURBINE GIÓ TRỤC NGANG SỬ DỤNG
MÁY PHÁT ĐÔNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU (PMSG)……………..115
6.1. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN.[21];[22];[23]…………………………………….115
6.2. CHIẾN LƯỢC ĐIỀU KHIỂN BỘ CL.[24];[25]………………………………………116
6.3. THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƯU TÍCH CỰC.[26];[27]…………………………………118

6.3.1. Xây dựng mô hình toán học của chỉnh lưu tích cực………………………...120
6.3.2. Tính toán mạch lực……………………………………………………………124
6.4. TÍNH TOÁN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP BA PHA.[28];[29];[30]……………………….126

6.5. MÔ HÌNH HÓA VÀ TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU CHỈNH.[30];[31]..137
6.5.1. Mô hình hóa tín hiệu lớn một pha…………………………………….137
6.6. TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU CHỈNH DÒNG ĐIỆN……………………………………….137
6.7. TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP……………………………………………141
6.8. SƠ ĐỒ TỔNG HỢP HỆ THỐNG BỘ BIẾN ĐỔI AC-AC THIẾT KẾ…………….149

6.9. KẾT LUẬN. ……………………………………………………………….156

Chương 7: NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN, ĐO
LƯỜNG, XỬ LÝ HƯỚNG GIÓ ĐỂ ĐỊNH HƯỚNG TUA BIN THEO
HƯỚNG GIÓ ....................................................................................................158
7.1.TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ ĐO VẬN TỐC VÀ HƯỚNG GIÓ……………...158

7.1.1.Đo vận tốc gió……………………………………………………………158
4


7.1.2.Thiết bị đo hướng gió…………………………………………………...160
7.1.3.Thiết bị đo hướng gió…………………………………………………...161
7.2.THIẾT KẾ BỘ TIẾP NHẬN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO LƯỜNG …………
163
7.2.1. Sơ đồ nguyên lý bộ thu thập và xử lý tín hiệu vận tốc
gió…………...163
7.2.2. Sơ đồ mạch bộ thu thập và xử lý dữ liệu gió………………………….163
7.2.3. Phần mềm thu thập xử lý dữ liệu gió………………………………….168
7.2.4. Một số kết quả đo đạc vận tốc gió……………………………………..171
7.3. BÔ ĐIỀU KHIỂN QUAY BỆ TUA BIN……………………………………………...172

7.3.1. Mạch động lực cho cơ cấu quay bệ tuabin gió……………………….173
7. 3.2. Sơ đồ mạch điều khiển quay bệ……………………………………….175
7.3.3. Nguyên lý điều khiển………………………………………………….. 177
7.4. KẾT LUẬN……………………………………………………………………...180

Chương 8: KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM TUA BIN MÔ HÌNH TẠI PHÒNG
THÍ NGHIỆM VÀ TUA BIN THỰC TẠI HIỆN TRƯỜNG………………181
8.1. THỬ NGHIỆM TUA BIN MÔ HÌNH TẠI PHÒNG THÍ NGHIỆM………..181
8.2. CÁC NỘI DUNG THÍ NGHIỆM VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM TUA BIN MÔ

HÌNH…………………………………………………………………………………………182

8.2.1. Các nội dung thí nghiệm……………………………………………….182
8. 2.2. Thiêt bị thí nghiêm…………………………………………………….186
8.3. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ………………………189

8.3.1 Kết quả thí nghiệm……………………………………………………..189
8.3.2. Đánh giá kết quả……………………………………………………….193
8.4 THỬ NGHIỆM TUA BIN ĐIỆN GIÓ TẠI HIỆN TRƯỜNG…………194
8.4.1. Mô tả lắp đặt tua bin………………………………………………….194
8.4.2. Quá trình thí nghiệm và kết quả thí nghiệm………………………….200
III.KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC…………………………………………………...202
5


IV. TÌNH HÌNH ĐĂNG KÝ SỞ HỮU KIỂU DÁNG CÔNG NGHIỆP......219
V. TÁC ĐỘNG ĐỐI VỚI KINH TẾ VÀ MÔI TRƯỜNG…………………219
VI. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……………………………………………220
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………230
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

TT

TÊN HÌNH VẼ

TRANG

1

Hình 1. 1: Ống dòng dọc theo trục quanh tua bin gió

21

2

Hình 1. 2: Ống dòng vành khuyên quay

23

3

Hình1. 3: Minh họa chi tiết ống dòng vành khăn quay

24

4

Hình 1.4 Phân tố cánh

24

5

Hình1.5 Sơ đồ phân tích động lực học phân tố cánh

25

6

Hình 1. 6: Dòng gió tương tác với cánh

25

7

Hình 1.7: Đồ thị hệ số lực nâng, lực cản cho NACA 0012

27

8

30

10

Hình 1.8: Mối quan hệ giữa hệ số dòng dọc trục, trạng thái dòng
và lực đẩy của một rô to
Hình 2. 1: Đồ quan hê Cp và tỉ số vận tốc đầu mũi cánh và loại tua
bin
Hình 2.2: Cách biểu diễn profin cánh

11

Hình 2. 3: Đồ thị sự phụ thuộc CL vào góc tấn của Naca 4412

33

12

Hình 2. 4: Đồ thị sự phụ thuộc của CD vào góc tấn của Naca 4412

33

13

34

14

Hình 2. 5: Đồ thị sự phụ thuộc của CL/CD vào góc tấn của Naca
4412
Hình 2. 6 : Chia cánh theo phương pháp phân tố

15

Hình 2.7: Sơ đồ tính toán lại công suất sau khi hiệu chỉnh c

39

16

40

17

Hình 2. 8: Đồ thị c/R theo tỉ số bán kính x trước và sau khi hiệu
chỉnh
Hình 3. 0: Giao diện người dùng GUI

18

Hình 3. 0: Quan hệ Cl/alpha

43

19

Hình 3. 0: Quan hê Cd/alpha

44

9

6

31
32

34

42


20
21

44

Hình 3.0: quan hệ Cl/Cd/alpha
Hình 3. 0: Quan hệ hệ số công suât tỷ số đầu mút cánh Tối ưu

45

22

Hình 3. 0: Quan hệ c/R theo x

46

23

Hình 3. 0: Quan hệ vẽ beta theo x

46

24

Hình 3. 0: Cách hiệu chỉnh c

47

25

Hình 3. 0: Cách hiệu chỉnh beta

47

26

Hình 3. 0: Xâu cánh 2D trước hiệu chỉnh

48

27

Hình 3. 0: Xâu cánh 3D trước hiệu chỉnh

49

28

Hình 3. 0: Xâu cánh 2D sau hiệu chỉnh

49

29

Hình 3. 0: Xâu cánh 3D sau hiệu chỉnh

50

30

Hình 3. 0: Cánh 3D hoàn chỉnh trước hiệu chỉnh

51

31

Hình 3.0: Cánh 3D hoàn chỉnh sau hiệu chỉnh

51

32

Hình 4.1 sơ đồ chịu lục của trục

62

33

Hình 4.2: Biểu đồ mômen cho trục

63

34

Hình 4.3. bản vẽ xác định các kích thước bao của trục tua bin

64

35

Hình 4.4 Bản vẽ 3 D cánh của phương án lựa chọn

68

36

Hình 4.5 Kết quả mô phỏng công suất theo số vòng quay ứng với

vận tốc gió không đổi

69

37

Hình 4.6 .Bản vẽ lăp tua bin gió của đề tài

69

38

Hình 5.1 : Cấu tạo của một Turbine gió [8]

70

39

Hình 5.2 : Vận tốc gió mặc định trong quá trình mô phỏng hệ
thống của đề tà

71

40

Hình 5.3 : Nguyên lý chuyển hóa phong năng thành điện năng

72

41

Hình 5.4 : Vận tốc gió và vận tốc tiếp tuyến trong sơ đồ trục quay
của turbine

73

42

Hình 5.5 : Hệ số công suất của các loại turbine gió khác nhau [6]

74

7


43

Hình 5.6: Điểm công suất cực đại (MPPT)

75

44

Hình 5.7: Hệ số công suất của turbine

76

45

Hình5.8 : Đặc tính momen cơ học của turbine

76

46

Hình 5.9 : Giản đồ momen từ turbine tới máy phát trong quá trình
vận hành động
Hình 5.10 : Cấu trúc một dạng máy phát phong điện kích từ bằng
nam châm điện : a, Cấu trúc máy phát khi nhìn theo phương
ngang b, Phần hoạt động của máy phát

77

47

48

49

50

51

52
53

Hình 5.11 : Cấu trúc một dạng máy phát phong điện từ trở : a,
Cấu trúc máy phát khi nhìn theo phương ngang b, Cấu trúc máy
phát nhìn theo phương dọc
Hình 5.12 : Cấu trúc một dạng máy phát phong điện nam châm

vĩnh cửu từ thông ngang trục : a, Cấu trúc máy phát khi nhìn theo
phương ngang b, Cấu trúc máy phát nhìn theo phương dọc
Hình 5.13 : Cấu trúc một dạng máy phát phong điện nam châm
vĩnh cửu từ thông dọc trục : a, Cấu trúc máy phát khi nhìn theo
phương ngang b, Cấu trúc máy phát nhìn theo phương dọc
Hình 5.14 : Cấu trúc hình học và kích thước máy phát phong điện
nam châm vĩnh
Hình 5.15: Phân bố cảm ứng từ của một cặp cực trong khe hở
không khí stator- rotor của máy phát
Hình 5.16: Mô hình mạch của máy phát

78

79

79

80

82

84
87

54

Hình 5.17: Kích thước hình học của răng stato

89

55

Hình 5.18: Dạng sóng từ trường trong vật liệu từ của máy phát

91

56

Hình 5.19: Đặc tính từ trễ trong vật liệu từ của stator

92

57

Hình 5.20: Mô hình nhiệt của máy phát

94

58

Hình 5.21: Mô hình tối ưu hóa hệ thống

99

59

Hình 5.22. Giản đồ công suất Turbine- máy phát

100

60

Hình 5.23: Điều kiện về giới hạn nhỏ nhất của rãnh stator

103

61

Hình 5.24: Đặc tính từ trễ, vận hành và khử từ của nam châm

104

8


62

Hình 5.25: Kết quả tối ưu : phân bố Pareto của công suất – khối
lượng máy phát

105

63

Hình 5.26: Cấu trúc của máy phát tối ưu và mật độ phân bố từ
trường trong máy phát

108

64

109

65

Hình 5.27 : Vận tốc gió mô phỏng
Hình 5.28: Mô hình mô phỏng hệ thống turbine – máy phát chỉnh
lưu trong Matlab/simulink

66

Hình 5.29 : Vận tốc quay của máy phát

110

67

Hình 5.30: Mô men của turbine và máy phát

110

68

Hình 5.31: Sức điện động của máy phát

111

69

Hình 5.32: Dòng điện 3 pha của máy phát

111

70

Hình 5.33: Công suất hấp thụ gió của turbine và công suất đầu ra
của máy phát khi đã giản trừ các tổn thất

112

71

Hình 5.34: Quá trình quá độ nhiệt trong máy phát

113

72

Hình 6.1 Bộ biến đổi AC-AC sử dụng PMSG

116

73

Hình 6.2 Chiến lược điều khiển bộ chỉnh lưu

117

74

Hình 6.3: cấu trúc bộ chỉnh lưu tích cực

118

75

Hình 6.4: Cấu trúc chỉnh lưu tích cực đơn giản

120

76

Hình 6.5: a) Đồ thị pha ở chế độ bình thường b) Đồ thị pha khi c)

120

109

Đồ thị pha khi
77

Hình 6.6: Sơ đồ mạch tương đương 1 pha khi ghép nối với lưới

122

78

Hình 6.7: Mối quan hệ giữa các hệ trục tọa đô

122

79

Hình 6.8: Mô hình chỉnh lưu tích cực trên hệ tọa độ d – q

124

80

Hình 6.9. Sơ đồ cấu trúc nghịch lưu áp ba pha bốn dây

126

81

Hình 6.10. Sơ đồ chân của modul IGBT

133

82

Hình 6.11. Tụ B32693 của Epcos

136
9


83

Hình 6.12. Mạch Snubber bảo vệ van IGBT

136

84

Hình 6.13. Cảm biến Hall đo dòng ACS756 – 100B

137

85

Hình 6.14. Sơ đồ nghịch lưu nửa cầu

138

86

Hình 6.15. Sơ đồ cấu trúc vòng dòng điện

142

87

Hình 6.16. Biểu đồ Bode đối tượng mạch vòng dòng điện

144

88

Hình 6.17. Biểu đồ Bode đối tượng mạch vòng điện áp

148

89

Hình 6.18. Sơ đồ tổng hợp số 1

150

90

Hình 6.19. Sơ đồ tổng hợp số 2

151

91

Hình 6.20. Sơ đồ tổng hợp số 3

152

92

Hình 6.21. Sơ đồ tổng hợp số 4

153

93

Hình 6.22. Sơ đồ tổng hợp số 5

154

94

Hình 6.23 Bảng mạch1 trong bộ AC-AC

155

95

Hình 6.24 bảng mạch 2 trong bộ AC-AC

156

96

Hình 7.1. Máy đo gió kiểu chén

159

97

Hình 7.2. Sơ đồ cấu tạo máy đo gió kiểu chén

159

98

Hình 7.3. Thiết bị đo hướng gió

160

99

Hình 7.4. Các thành phần cơ khí của thiết bị đo gió

161

100

Hình 7.5. Cảm biến tiệm cận dùng để đo xoắn dây

162

101

Hình 7.6. Nguyên lý tín hiệu đo số vòng xoắn dây cáp

162

102

Hình 7.7. Sơ đồ khối đo lường vận tốc gió

163

103

Hình 7.8. Sơ đồ mạch nguồn

163

104

Hình 7.9. Sơ đồ mạch vi sử lý

164

105

Hình 7.10. Sơ đồ nhận tín hiệu cảm biến đo hướng gió

164

106

Hình 7.11. Sơ đồ nhận tín hiệu cảm biến đo vận tốc gió

165

107

Hình 7.12. Sơ đồ nguyên lý mạch truyền thông RS485

166

108

Hình 7.13. Sơ đồ bố trí linh kiện trên phần mềm Orcad

167

10


109

Hình 7.14. Kết quả sản phẩm bộ thu thập, xử lý dữ liệu gió.

167

110

Hình7.15.một số thông tin đo gió tại hiện trường lắp đặt TB thử
nghiệm

171

111

Hình 7.16. Sơ đồ nguyên lý cơ cấu quay bệ tuabin gió

172

112

Hình 7.17. Nguyên lý chung hệ thống điều khiển tuabin gió

173

113

Hình 1.18. Sơ đồ mạch động lực điều khiển quay bệ tuabin gi

173

114

Hình 7.19. Sơ đồ bộ điều khiển quay bệ tuabin gió

175

115

Hình 7.20. Sơ đồ kết nối mô đun thẻ nhớ, mô đun màn hình LCD

176

116

Hình 7.21. Bộ điều khiển quay bệ tuabin gió

176

117

Hình 7.22. Đặc tính điều khiển ON/OFF

177

118

Hình 7.23. Đặc tính công suất phát theo hướng gió

178

119

Hình 8.1 ảnh ba mẫu cánh tua bin mô hình

183

120

Hình 8.2 toàn bộ số cánh tua bin mô hình đã chế tạo của đề tài

184

121

Hình 8.3 Tua bin mô hình mẫu 1

184

122

Hinh 8.4 Tua bin mô hình mãu 2

185

123

Hình 8.5 Tua bin mô hình mẫu 3

186

133

Hình 8.6 lắp đặt TB tại thiết diện thử nghiệm trong ống khí động

187

134

Hình 8.7 Căn chỉnh tua bin tại thiết diện thí nghiệm

188

135

Hình 8.8 lắp đặt hoàn chỉnh tua bin trong ống khí động

188

136

Hình 8.9 Biểu diễn qua hệ P=f(Vgió) của ba mẫu cánh TB mô hình

192

137

Hình 8.10 Tua bin chuẩn bị lắp đặt lên bệ đỡ tua bin

195

138

Hình 8.11sơ đồ kết nối các thiết bị của hệ thống TB và hình ảnh
TB

198

139

Hình 8.12 sơ đồ nối dây giữa các thiết bị của tổ hợp tua bin

199

140

Hình 8.13 thể hiện một trích đoạn thông tin trong thẻ nhớ

200

141

Hình 8.14 Đồ thị quan hệ công suất của tua bin theo tốc độ gió

11

201


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
TT

TÊN BẢNG BIÊU

TRANG

1

Bảng 2. 1: Bảng giá trị cung cánh c, góc tới ϕ và góc đặt cánh

36

2

Bảng 2.2 Các thông só hình học của 3 phương án cánh

41

3

Bảng 4. 1: Bảng tổng kết các thông số của bộ truyền

60

4

75
Bảng 5. 1: Thông số cơ bản của turbine trong đề tài

5

82
Bảng.5. 2: Cấu trúc và kích thước hình học của máy phát

6

83
Bảng.5. 3: Các đại lượng cơ sở cho việc thiết kế máy phát

12


7

96
Bảng 5. 4: Suất dẫn nhiệt của các vật liệu stator máy phát

8

97
Bảng 5. 5: Đại lượng đặc trưng tính chất nhiệt của vật liệu

9

101
Bảng 5. 6: Miền giá trị của các đại lượng cơ sở trong quá trình
tối ưu

10

106
Bảng.5. 7: Kích thước hình học của máy phát tối ưu

11

107
Bảng.5. 8: Thông số của máy phát

12

108
Bảng.5. 9: Thông số của máy phát mô phỏng bởi FEMM

13

132
Bảng 6.1. Thông số cơ bản tụ 36 μF – 250VAC của EPCOS

14

Bảng 6.2. Thông số cơ bản của tụ B43720

134

15

Bảng 6.3. Các thông số cơ bản của ACS756 – 100B

137

16

Bảng 7.1 Quan hệ góc quay theo vận tốc gió

180

17

Bảng 8-1 Kết quả đo mẫu cánh số 1:

189

18

Bảng 8-2 kết quả đo mẫu cánh số 2:

190

19

Bảng 8-3 kết quả đo mẫu cánh số 3:

191

20

Bảng 8.4 Kết quả đo đạc công suất theo tốc độ gió tại hiện
trường

200

13


CÁC KÍ HIỆU SỬ DỤNG

Ký hiệu

Đơn vị đo

Tên gọi

a

Hệ số co hẹp dong chảy dọc trục

a’

Hệ số dòng chảy theo phương tiếp tuyến

C

M

Chiều dài dây cung phân tố cánh

CT

Hệ số lực đẩy theo phương tiếp tuyến roto

Z

Số cánh của roto tua bin

Cp

Hệ số công suất của roto tua bin

Pg

kW

Công suất của dòng gió

Pt

kW

Công suất của tua bin gió
14


ρ

Kg/m3

W

m/s

x

Khối lương riêng của không khí
Vận tốc của dòng tương đối
Tỷ số bán kính r/R

Ω

rad/s

Vận tốc gọc của rotor

ω

Rad/s

Vận tốc góc của dòng

λ

Tỷ số vận tốc đầu mút cánh

η

Hiệu suất

α

Góc tấn

β

Góc đặt cánh

Fx

Newton

Lực theo phương dọc trục

Fθ

Newton

Lực theo phương tiếp tuyến
Số phân tố cánh

N
p

N/cm2

Áp suất

T

KG.m

Mô men

L

Newton

Lực nâng

D

Newton

Lực cản

σ

Hệ số diện tích cánh

R

M

Bán kính đầu mút cánh

r

M

Bán kính phân tố cánh

R

Ω

Giá trị điện trở

L

H

Giá trị điện Cảm

C

F

Giá trị điện dung

cosφ

Hệ số công suất

U

V

Giá trị điện áp hiệu dụng

I

A

Giá trị dòng điện hiệu dụng

P

W

Công suất tác dụng
15


Q

VAr

Công suất phản kháng

S

VA

Công suất biểu kiến

T

Nm

Mô men

rs

m

Bán kính trong của stator

g

m

Khe hở không khí stator-rotor

lm

m

Độ dày của nam châm

lr

m

Chiều dài của máy phát

ws

m

Độ rộng của một rãnh stator

J

kg.m2

Momen quán tính

dy

m

Độ dày gông stator

dr

m

Độ dày gông rotor

wm

m

Chiều rộng của nam châm

wT

m

Độ rộng của răng stator

ds

m

Chiều sâu của rãnh stator

fm

N.m.s.rad-1

Cp

Hệ số công suất của turbine
Tỷ số giữa bán kính trong của stator và chiều dài hiệu

Rrl

dụng của máy phát rs lr
Tỷ số giữa độ sâu của rãnh và bán kính trong của

Rdr

stator d s rs

By

T

Φ

Wb

A/mm2

λb ob

Từ thông

Mật độ dòng điện trong rãnh stator
Số rãnh trên một cực máy phát trong một pha

Nspp
Ωcs

Từ trường trong gông stator

Số đôi cực

p
Js

Hệ số ma sát

rad/s

Tốc độ góc tại điểm làm việc cơ sở

Wm-1K-1

Suất dẫn nhiệt đồng của dây cuốn

16


λiso

Wm-1K-1

Suất dẫn nhiệt của vật liệu cách điện

λco

Wm-1K-1

Suất dẫn nhiệt của thép mạch từ

λca

Wm-1K-1

Suất dẫn nhiệt của vỏ máy phát

Mstator

kg

Khối lượng stator

Mrotor

kg

Khối lượng rotor

Mmayphat

kg

Khối lượng máy phát

17


LỜI MỞ ĐẦU
Trong thời đại kinh tế thị trường hiện nay, với những đòi hỏi rất cao về
năng lượng điện cho nền sản xuất. Nhu cầu sử dụng năng lượng điện cũng như
các nguồn năng lượng khác trên cả nước là vô cùng lớn. Đất nước đang trên
đường phát triển, công nghiệp hóa, hiện đại hóa ở khắp mọi nơi. Trong khi đó,
tình trạng thiếu hụt năng lượng vẫn thường xuyên diễn ra, đặc biệt vào những
ngày mùa, những ngày, giờ cao điểm đã gây rất nhiều trở ngại trong sinh hoạt
cũng như trong phát triển sản xuất. Giải quyết vấn đề này, nhiều nhà khoa học đã
đưa ra các giải pháp để bổ sung thêm nguồn năng lượng điện cho nước ta như:
xây dựng các nhà máy thủy điện, nhiệt điện, điện nguyên tử,... Nhưng trên thực tế
cho thấy rằng thủy điện đang có nguy cơ giảm năng suất vì các dòng sông chính
như sông Hồng, sông Cửu Long,... đang dần cạn do phía Trung Quốc xây dựng
các đập thủy điện ngăn dòng chảy ở thượng nguồn. Nhiệt điện thì cần đến nhiều

các nguồn tài nguyên hóa thạch và việc đốt tạo ra các khí thải làm ô nhiễm môi
trường. Điện nguyên tử cần vốn đầu tư vô cùng lớn, và đỏi hỏi có nền khoa học
hiện đại cao, bên cạnh đó nguy cơ xảy ra nhiễm phóng xạ cao, nguy hiểm đến
tính mạng con người. Nước ta có đường bờ biển dài hàng ngàn ki lô mét, hàng
năm nhận nhiều đợt gió thổi vào đất liền, rất thuận lợi cho việc phát triển năng
lượng điện từ gió. Mặt khác, năng lượng gió là một nguồn năng lượng sạch, khai
thác nó không làm ảnh hưởng đến khí hậu và môi trường. Một ưu điểm nữa đó là
không bao giờ cạn kiệt nguồn năng lượng này. Tua bin gió hay còn gọi là động cơ
gió là một loại thiết bị lấy năng lượng từ gió để chuyển hóa thành năng lượng
điện bằng cách lợi dụng sức gió làm quay tua bin, qua bộ truyền làm quay máy
phát điện từ đó sinh ra dòng điện. Trên cơ sở nhiều ưu điểm như vậy mà động cơ
gió được sử dụng rất nhiều trên thế giới như ở Hà Lan, Anh, Mỹ, Đức,Trung
Quốc... và ở điều kiện nước ta rất thuận lợi cho việc phát triển loại thiết bị này
phục vụ cho nhu cầu sử dụng điện để phát triển nền kinh tế quốc dân.
Trong xu thế phát triển, cơ cấu kinh tế của đất nước đã có nhiều sự thay
đổi, công nghiệp và dịch vụ đang phát triển từng ngày thì năng lượng trở thành
một vấn đề cấp bách. Năng lượng từ dầu đang giảm dần, theo ước tính trữ lượng
dầu sẽ hết sau khoảng 100 năm. Do đó phải tìm một nguồn năng lượng mới nhất
là một nguồn năng lượng tái tạo. Trong các nguồn năng lượng tái tạo cho đến nay
chỉ có thủy điện là đáng kể. Trong những nguồn còn lại thì ở nước ta tiềm năng
điện mặt trời và điện gió là rất lớn. Hiện giá điện mặt trời còn khác đắt. Tiềm
năng lớn nhất có khả năng đó là điện gió.
18


Trong chiến lược phát triển năng lượng của chính phủ, theo thông tin của
bộ Công thương về năng lượng tái tạo của Việt Nam, dự kiến nguồn năng lượng
này sẽ tăng 15%. Việt Nam đang có kế hoạch phát triển và thay thế các nguồn
năng lượng hóa thạch vào những năm 2015 - 2025.
.

Điện gió hay còn gọi là năng lượng gió và năng lượng mặt trời dự kiến sẽ
chiếm một nửa nguồn năng lượng tái tạo đó.
Nhiều dự án điện gió đã và đang được tiến hành xây dựng trong cả nước.
Các dự án điện gió như: Nhà máy điện gió nằm ở xã Bình Thạnh, Huyện Tuy
Phong, Tỉnh Bình Thuận, có tổng công suất lắp đặt là 120 MW hiện mới lắp đạt
được 20 tổ công suất 30MW. Công trình điện gió đảo Phú Quý với 3 tổ tua bin
công suất 6MW. Một công trình đang được xây dựng khá nhanh đó là nhà máy
điện gió Bạc Liêu có 62 tổ với công suất 99,2MW do công ty cổ phần điện gió
Công Lý là chủ đầu tư hiên đã lắp đặt được 15 tua bin dự kiến cuối 2015 sẽ lắp
đặt xong. Công trình Phương Mai tại Quy Nhơn công suất 50MW. Tại Lâm Đồng
hai đề án nhà máy điện gió công suất 150MW và 80 MW đang được tích cực
triển khai. Tại Lạng Sơn, Côn Đảo, Bà Rịa Vũng Tàu cũng đang có những dự án
điện gió…Tổng số dự án đăng ký xây dưng lên đến 68 dự án đạt công suất gần
6GW. Nhưng phần lớn mới chỉ dừng trên đăng ký con đang trông chờ hỗ trợ
chính sách của chính phủ.
Tiềm năng năng lượng gió tại Việt Nam là rất cao nhưng với trình độ công
nghệ và vật liệu ở nước ta hiện nay thì việc thiết kế chế tạo các tua bin gió có
công suất cao còn gặp nhiều khó khăn, các cơ sở nghiên cứu trong nước chưa có
đội ngũ cán bộ nghiên cứu chuyên ngành đủ mạnh… chúng ta chưa thể chế tạo
tua bin gió có công suất lớn.
Việc nghiên cứu các loại tua bin gió công suất nhỏ và vừa để dần dần làm
chủ công nghệ chế tạo là rất cần thiết đối với một nước có tới gần trăm triệu dân
và nền kinh tế đang trên đà phát triển mạnh là hết sức cần thiết. Từ những lý do
đó chúng tôi đã xây dựng đề tài: “ Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống turbine
gió kiểu trục ngang có công suất trong dải 15-20kW” và đã được Bộ khoa học
công nghệ ký hợp đồng nghiên cứu khoa học giao trường đại học Bách khoa Hà
Nội làm đơn vị chủ trì. Nghiên cứu này là một phần của quá trình tự lực trong
nghiên cứu thiết kế và chế tạo các tua bin nhỏ phục vụ phát triển kinh tế đất nước.
Dưới đây giới thiệu những cơ sở khoa học của việc tính toán thiết kế cũng như
các kết quả đạt được của việc nghiên cứu, tính toán và chế tạo tua bin gió kiểu

trục ngang công suất nhỏ phù hợp với tiềm năng gió của Việt Nam.
19


Chương 1
KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA TUA BIN GIÓ TRỤC NGANG

1.1. GIỚI THIỆU VỀ THUYẾT ĐỘNG LƯỢNG PHÂN TỐ CÁNH (BEM)

Lý thuyết động lượng phân tố cánh là sự kết hợp của hai phương pháp,
phương pháp bảo toàn biến thiên động lượng và phương pháp phân tố để khảo sát
hoạt động của một tua bin gió. Phương pháp thứ nhất sử dụng sự bảo toàn động
lượng trong một ống dòng chảy bao cánh tua bin. Phương pháp thứ hai khảo sát
các lực nâng và lực cản được hình thành trên cánh nhờ sự xem xét cánh được
hình thành bởi nhiều phân tố cánh. Trên mỗi phân tố cánh chịu tác động của lực
nâng và lực cản phân tố cánh. Hai phương pháp này cho chúng ta một hệ thống
các phương trình để tính toán cánh [1, 4].
1.2. THUYẾT BẢO TOÀN ĐỘNG LƯỢNG

1.2.1. Lực dọc trục

Hình1.1: Ống dòng dọc theo trục quanh tua bin gió
Hình ảnh ống dòng được thể hiện trên Hình 1.1. Có bốn vị trí được xem xét
,vị trí 1 - đường vào ống dòng, vị trí 2 – dòng không khí trước khi tương tác với
cánh, vị trí 3 – dòng khí sau khi qua cánh và vị trí 4 – dòng khí ở xa cánh đến
mức ổn định áp suất bằng áp suất khí quyển. Giữa 2 và 3 có sự hình thành xoáy
của gió tạo nên sự thay đổi áp suất.

20

Giả thiết p1= p4 và V2= V3. Chúng ta có thể giả thiết rằng giữa 1 và 2 và
giữa 3 và 4, dòng không có ma sát; Áp dụng phương trình Bernoulli:
p2 − p3 =

1
ρ ( V12 − V42 )
2

(1.1)

Lực sinh ra trong vùng thay đổi áp suất:
dFx = ( p2 − p3 ) dA
⇒ dFx =

1
ρ ( V12 − V42 ) dA
2

(1.2)

Hệ số dòng hướng trục:
a=

V1 − V2
V1

(1.3)

Hoặc:

V2 = V1 ( 1 − a )

V4 = V1 ( 1 − 2a )

(1.4)


dFx =

1
ρV12  4a ( 1 − a )  2π rdr
2

(1.5)

1.2.2. Mô men động lượng vòng:
Động lượng vòng được thể hiện trong Hình 1. 2; vận tốc góc của phân tố
vành khăn ω , vận tốc góc của cánh là Ω
+ Mô men quán tính của vành khăn:

I= mr2

(1.6)

+ Mô men động lượng vòng:
L= I ω

(1.7)

T= dL/dt

(1.8)

+ Mô men xoắn:

21


2
dI ω d ( mr ω ) dm 2
⇒T =
=
=
rω
dt
dt
dt

(1.9)

Hình1.2: Ống dòng vành khuyên quay
dT= dm ω r2

Mô men của một phân tố:
Phân tố vành khăn quay:

(1.10

dm = ρ AV2
dm = ρ 2π rdrV2

⇒ dT = ρ 2π rdrV2ω r 2 = ρV2ω r 2 2π rdr

a' =

Hệ số dòng góc:
Lại có:

V2 = V ( 1 − a )

ω
2Ω

(1.11)
(1.12)

do đó:

dT = 4a ' ( 1 − a ) ρV Ωr 3π dr

22

(1.13)


1.3. THUYẾT PHÂN TỐ CÁNH

1.3.1. Các giả thiết của thuyết phân tố cánh:
Thuyết phân tố cánh dựa trên 2 giả thiết chính:
+ Không có sự tương tác khí động học giữa các phân tố cánh với nhau
+ Lực trên các phân tố cánh được xác định chỉ bao gồm duy nhất lực nâng và

lực cản

Hình 1.3: Minh họa chi tiết ống dòng vành khăn quay

23


Hình 1.4 Phân tố cánh

Hình1.5 Sơ đồ phân tích động lực học phân tố cánh
Cánh được chia ra thành N phân tố (Hình 1. 3, 1. 4), mỗi phân tố cánh sẽ
quay trong mỗi vùng ống dòng khác nhau, với các tốc độ quay ( Ωr ) khác nhau,
chiều dài cung cánh (c) khác nhau và mỗi góc đặt cánh ( β ) khác nhau. Chia ra
càng nhiều phân tố thì khi tính toán và thiết kế sẽ có độ chính xác cánh càng cao
(thường là 10 đến 20 phân tố). Tính toán trên từng phân tố sau đó lấy tổng tích
phân sẽ có được thông tin cần biết của toàn bộ cánh.

24


Hình 1. 6: Dòng gió tương tác với cánh
a. Dòng tương đối:
Hệ số lực nâng và lực cản theo góc đặt cánh là có sẵn cho mỗi loại profin.
Dòng vào cánh bắt đầu từ vị trí 2 và kết thúc ở vị trí 3. Ở đầu vào, để cho cánh
không quay, ở mũi vành khăn có tốc độ quay là ω , nên ở vị trí trung bình vành
khăn sẽ có tốc độ quay là ω / 2 . Cánh quay với tốc độ là Ω . Vận tốc tiếp tuyến
1
Ωr + ω r
2
trung bình của cánh là

(Hình 1.6 ).

Từ đó ta có:
Lại có V2= V1 (1-a), do đó:

Ωr +

ωr
= Ωr ( 1 + a ' )
2
tan ϕ =

V (1 − a )
Ωr (1 + a ')

(1.14)

Giá trị của ϕ thay đổi dọc theo cánh gọi là góc xoắn cánh, hay theo từng
phân tố, tỉ tốc đầu mũi cánh tại mỗi phân tố được xác định:
λr =

Hay

tan ϕ =

Ωr
V

(1.15)

(1 − a )
λr (1 + a ')

25

(1.16)