Đồ án Thiết kế kỹ thuật tuabin gió công suất 500W

khô 100 Ah ................................................................. 47 Hình 4.10 Bộ điều khiển nạp sạc ắc quy ........................................................ 47 ix DANH MỤC CHỮ VIẾT TĂT  A-d: Diện tích roto  a: Hệ số thu hẹp dòng chảy  P: Công suất roto  : hệ số công suất  Ω: Vận tốc góc  : Vận tốc dòng  Cl: Lực nâng  Cd: Lực đẩy  N: Số cánh  C: Chiều dài dây cung  : Góc đặt cánh  V: Tiền vật liệu  P: Tiền lương cho công nhân  K: Khấu hao tài sản cố định  H: Chi phí cho quản lý  T: Thời gian gia công  T0: Thời gian gia công cơ bản  Tp: Thời gian phụ  Tpv: Thời gian phục vụ kỹ thuật  Tnn: Thời gian nghỉ ngơi theo nhu cầu cần thiết của công nhân x LỜI CẢM ƠN Sau sáu tháng 4 nghiên cứu, làm việc khẩn trương, được sự động viên, giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy giáohướng dẫnTS.Đặng Xuân Phương, với đề tài “Thiết kế kỹ thuật tuabine gió trục ngang công suất 500 W” đã hoàn thành. Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hướng dẫn TS.Đặng Xuân Phươngđã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Các thày giáo cô giáo thuộc bộ môn chế tạo máy– Khoa cơ khí - Trường ĐạiHọc Nha Trangđã giúp đỡem trong suốt quá trình học tập cũng như quá trình nghiên cứu thực hiện đồ án. Toàn thể các bạn bè, gia đình và người thân đã quan tâm, độngviên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành bản luận văn. 1 LỜI NÓI ĐẦU Nguồn năng lượng đang là một vấn đề toàn cầu.Cũng với sự phát triển của các ngành công nghiệp,năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt.Nhu cầu tìm ra loại năng lượng mới,sạch,có thể tái tạo được,…thây thế nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống là bào toán đặt ra từ lâu đối với các quốc gia phát triển như Anh,Mỹ,Pháp,… Cùng với việc mở cửa hội nhập của nền kinh tế,Việt Nam cũng gặp phải những khó khăn và trở ngại chung khi thiếu hụt về năng lượng,trong khi các nguồn năng lượng truyền thống dần không đủ đáp ứng.Mặt khác,Việt Nam còn có lợi thế là hơn 3000km bờ biển nên nguồn năng lượng gió là rất dồi dào.Với ưu thế về vị trí địa lý này,Việt Nam hoàn toàn có thể sử dụng nguồn năng lượng gió.Và những năm gần đây,khai thác năng lượng gió đang được nhà nước quan tâm. Đề tài “Thiết kế turbin gió trục ngang loại 500W”, đây cũng là một đề tài mới vì vậy trong quá trinh làm đồ án em không tránh khỏi những sai sót và hạn chế về kiến thức. Em rất mong nhận được sự góp ý và đánh giá của các thầy cô giáo trong bộ môn. Đề tài “Nghiên cứu thiết kế tuabine gió trục ngang công suất 500w” Nội dung đề tài của em gồm có 5 chương: - Chương 1: Mở đầu. - Chương 2: Tính toán khí động học tuabine gió trục ngang - Chương 3: Thiết kế kế cánh tuabine gió công suất 500W và xây dựng cánh tuabine bằng phần mềm Pro/Engineer 5.0 - Chương 4: Tính toán các bộ phận khác của tuabine - Chương 5: Hạch toán giá thành sản phẩm Làm đề tài TN đã giúp em củng cố thêm kiến thức đã được học và học hỏi được nhiều kiến thức mới. Với sự hướng dẫn tận tình của T.S.Đặng Xuân Phương nay em đã hoàn thành đề tài của mình. Em xin chân thành cảm ơn T.S Đặng Xuân Phương, các quý Thầy trong bộ môn chế tạo máy và các bạn đã giúp em hoàn thành đề tài này. 2 Nha Trang, tháng 06 năm 2013 Sinh viên thực hiện 3 CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1.1 Tổng quan 1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển của tuabine gió Vào cuối những năm 1970, cuộc khủng hoảng về dầu mỏ đã buộc con người phải tìm các nguồn năng lượng mới thay thế, một trong số đó là năng lượng gió. Những năm về sau, rất nhiều các chương trình nghiên cứu và phát triển năng lượng gió được thực hiện với nguồn tài trợ từ các Chính phủ, bên cạnh các dự án nghiên cứu do các cá nhân, tổ chức tự đứng ra thực hiện. Lịch sử phát triển của thế giới loài người đã chứng kiến những ứng dụng của năng lượng gió vào cuộc sống từ rất sớm.Gió giúp quay các cối xay bột, gió giúp các thiết bị bơm nước hoạt động, và gió thổi vào cánh buồm giúp đưa các con thuyền đi xa.Theo những tài liệu cổ còn giữ lại được thì bản thiết kế đầu tiên của chiếc cối xay hoạt động nhờ vào sức gió là vào khoảng thời gian những năm 500 - 900 sau CN tại Ba Tư (Irac ngày nay). Đặc điểm nổi bật của thiết bị này đó là các cánh đón gió được bố trí xung quanh một trục đứng, minh hoạ một mô hình cánh gió đựợc lắp tại Trung Mỹ vào cuối thế kỷ 19, mô hình này cũng có cấu tạo cánh đón gió quay theo trục đứng. Hình 1.1Mô hình cánh gió tại Trung Mỹ, cuối TK 19 Muộn hơn nữa, kể từ sau thế kỷ 13, các cối xay gió xuất hiện tại châu Âu (Tây Âu) với cấu trúc có các cánh đón gió quay theo phương ngang, chúng phức tạp hơn 4 mô hình thiết kế tại Ba Tư. Cải tiến cơ bản của thiết kế này là đã tận dụng đựợc lực nâng khí động học tác dụng vào cánh gió do đó sẽ làm hiệu suất biến đổi năng lượng gió của cối xay gió thời kỳ này cao hơn nhiều so với mô hình thiết kế từ những năm 500 - 900 tại Ba Tư. Hình 1.2Mô hình cối xay gió xuất hiện sau TK 13 Trong suốt những năm tiếp theo, các thiết kế của thiết bị chạy bằng sức gió càng ngày được hoàn thiện và được sử dụng rộng rãi trong khá nhiều các lĩnh vực ứng dụng: chế tạo các máy bơm nước, hệ thống tưới tiêu trong nông nghiệp, các thiết bị xay xát, xẻ gỗ, nhuộm vải… Cho đến đầu thế kỷ 19, cùng với sự xuất hiện của máy hơi nước, thiết bị chạy bằng sức gió dần dần bị thay thế. Lịch sử con người đã bước sang thời kỳ mới với những công cụ mới: máy chạy hơi nước. Hình 1.3Chiếc máy bơm nước chạy bằng sức gió, phía Tây nước Mỹ những năm 1800 Năm 1888, Charles F. Brush đã chế tạo chiếc máy phát điện chạy sức gió đầu tiên, và đặt tại Cleveland, Ohio. Nó có đặc điểm:  Cánh được ghép thành xuyến tròn, đƣờng kính vòng ngoài 17m; 5  Sử dụng hộp số (tỉ số truyền 50:1) ghép giữa cánh tuabine với trục máy phát;  Tốc độ định mức của máy phát là 500 vòng/phút;  Công suất phát định mức là 12kW. Hình 1.4 Máy phát điện sức gió do Charles F.Brush chế tạo Trong những năm tiếp sau, một số mẫu thiết kế khác đã được thực hiện tuy nhiên vẫn không đem lại bước đột phát đáng kể.Ví dụ mẫu thiết kế của Dane Poul La Cour năm 1891. Cho đến đầu những năm 1910, đã có nhiều máy phát điện chạy bằng sức gió công suất 25kW được lắp đặt tại Đan Mạch nhưng giá thành điện năng do chúng sản xuất ra không cạnh tranh được với giá thành của các nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hoá thạch. Mặc dù gặp khó khăn do không có thị trường, những thế hệ máy phát điện chạy bằng sức gió vẫn tiếp tục được thiết kế và lắp đặt. 1.1.2 Giới thiệu về tuabine gió Tuabine gió là thiết bị biến đổi động năng của gió thành cơ năng, từ cơ năng có thể biến đổi thành điện năng nhờ máy phát điện- Máy phát điện dùng sức gió. Hình Về cơ bản có thể chia loại tubin gió tạo hoạt động, theo công suất hay theo số cánh gió theo 2 loại cơ bản sau đây Tuabine gió trục ngang (HAWT). Đây loại tubin gió phổ biến tr  Công suất phát đi  Dải vận tốc gió ho  Chiều cao cột ch lớn)  Số cánh quạt 2  Bán kính cánh qu  Số vòng quay Một số đặc điểm của tubin gió trục ngang 6 1.5cấu tạo tuabine gió trục ngang theo nhiều hình thức khác nhau quạt. Tuy nhiên có th : Tubine gió trục ngang và tubine gió tr Hình 1.6- tuabine gió trục ngang ên thị trường. ện từ vài trăm W đến vài MW. ạt động từ 4m/s-25m/s. ống tubin 6m ( loại công suất nhỏ) 120m (lo – 3 cánh quạt. ạt từ 3m – 45m. cánh quạt 20 – 40vòng/phút. : : theo cấu ể chia tubine ục đứng. ại công suất  Đây là loại tubin gió có hi  Thích hợp với nhi  Hình dạng và kích thư  Tuy có hệ thố quay nhất đinh nên ch Tubin gió trục đứng (VAWTS) Đây là loại tubin mới phát triển trong thời  Dải vận tốc gió ho  Chiều cao tubin dư  Số cánh quạt 2  Bán kính cánh qu Đặc điểm:  Dải vận tốc gió ho  Tubin hoạt độ có thể lắp đặt  Tuy nhiên hiệ hoạt động ở cùng 1 v 1.1.3 Đặc điểm chung của máy phát điện chạy bằng sức gió Các máy phát điện sử dụng sức gió Âu, Mỹ và các nước công nghiệp phát triển khác.N về công nghệ điện sử dụng sức gió (điện gió). 7 ệu suất cao nhất; ều vận tốc gió khác nhau; ớc lớn nên đòi hỏi chỉ số an toàn cao; ng điều chỉnh hướng để đón gió xong vẫn gi ỉ thích hợp cho nhưng nơi có vận tốc gió Hình 1.7Turbine gió trục đứng gian gần đây. ạt động 3-40m/s. ới 30m. - 4 cánh. ạt dưới 10m. ạt động là khá rộng. ng không phụ thuộc vào hướng của vận tố ở vị trí có vận tốc gió cao với dòng chảy không u suất của tubin chỉ bằng 50% so với tubin tr ận tốc gió. đã được sử dụng nhiều ở các n ước Đức đang dẫn đầu thế giới ới hạn ở 1 góc ổn định. c dòng khí nên ổn định. ục ngang khi ước châu 8 Tới nay đa số vẫn là các máy phát điện tuabine gió trục ngang, gồm một máy phát điện có trục quay nằm ngang, với rotor (phần quay) ở giữa, liên hệ với một tuabine 3 cánh đón gió.Máy phát điện được đặt trên một tháp cao hình côn.Trạm phát điện kiểu này mang dáng dấp những cối xay gió ở châu Âu từ những thế kỷ trước, nhưng rất thanh nhã và hiện đại. Các máy phát điện tuabine gió trục đứng gồm một máy phát điện có trục quay thẳng đứng, rotor nằm ngoài được nối với các cánh đón gió đặt thẳng đứng. Loại này có thể hoạt động bình đẳng với mọi hướng gió nên hiệu qủa cao hơn, lại có cấu tạo đơn giản, các bộ phận đều có kích thước không quá lớn nên vận chuyển và lắp ráp dễ dàng, độ bền cao, duy tu bảo dưỡng đơn giản. Loại này mới xuất hiện từ vài năm gần đây nhưng đã đƣợc nhiều nơi quan tâm và sử dụng. Hiện có các loại máy phát điện dùng sức gió với công suất rất khác nhau, từ 1 kW tới hàng chục ngàn kW.Các trạm phát điện này có thể hoạt động độc lập hoặc cũng có thể nối với mạng điện quốc gia.Các trạm độc lập cần có một bộ nạp, bộ ắc – quy và bộ đổi điện. Khi dùng không hết, điện đƣợc tích trữ vào ắc – quy. Khi không có gió sẽ sử dụng điện phát ra từ ắc-quy.Các trạm nối với mạng điện quốc gia thì không cần bộ nạp và ắc-quy. Các trạm phát điện dùng sức gió có thể phát điện khi tốc độ gió từ 3 m/s (11 km/h), và tự ngừng phát điện khi tốc độ gió vượt quá 25 m/s (90 km/h). Tốc độ gió hiệu qủa từ 10 m/s tới 17 m/s, tùy theo từng loại máy phát điện. 1.1.4 Những lợi ích khi sử dụng gió để sản xuất điện (điện gió) Ưu điểm dễ thấy nhất của điện gió là không tiêu tốn nhiên liệu, tận dụng được nguồn năng lượng vô tận là gió, không gây ô nhiễm môi trường như các nhà máy nhiệt điện, không làm thay đổi môi trường và sinh thái như nhà máy thủy điện, không có nguy cơ gây ảnh hưởng lâu dài đến cuộc sống của người dân xung quanh Như nhà máy điện hạt nhân, dễ chọn địa điểm và tiết kiệm đất xây dựng, khác hẳn với các nhà máy thủy điện chỉ có thể xây dựng gần dòng nước mạnh với những điều kiện đặc biệt và cần diện tích rất lớn cho hồ chứa nước. Các trạm điện gió có thể đặt gần nơi tiêu thụ điện, như vậy sẽ tránh được chi phí cho việc xây dựng đường dây tải điện. 9 Trước đây, khi công nghệ phong điện còn ít được ứng dụng, việc xây dựng một trạm điện gió rất tốn kém, chi phí cho thiết bị và xây lắp đều rất đắt nên chỉ được áp dụng trong một số trường hợp thật cần thiết. Ngày nay điện gió đã trở nên rất phổ biến, thiết bị được sản xuất hàng loạt, công nghệ lắp ráp đã hoàn thiện nên chi phí cho việc hoàn thành một trạm điện gió hiện nay chỉ bằng ¼ so với năm 1986. Các trạm điện gió có thể đặt ở những địa điểm và vị trí khác nhau, với những giải pháp rất linh hoạt và phong phú:  Các trạm điện gió đặt ở ven biển cho sản lượng cao hơn các trạm nội địa vì bờ biển thường có gió mạnh. Giải pháp này tiết kiệm đất xây dựng, đồng thời việc vận chuyển các cấu kiện lớn trên biển cũng thuận lợi hơn trên bộ.  Những mỏm núi, những đồi hoang không sử dụng được cho công nghiệp, nông nghiệp cũng có thể đặt được trạm phong điện. Trường hợp này không cần làm trụ đỡ cao, tiết kiệm đáng kể chi phí xây dựng.  Trên mái nhà cao tầng cũng có thể đặt trạm điện gió, dùng cho các nhu cầu trong nhà và cung cấp điện cho thành phố khi không dùng hết điện. Trạm điện này càng có ý nghĩa thiết thực khi thành phố bất ngờ bị mất điện.  Ngay tại các khu chế xuất cũng có thể đặt các trạm điện gió. Nếu tận dụng không gian phía trên các nhà xưởng để đặt các trạm điện gió thì sẽ giảm tới mức thấp nhất diện tích đất xây dựng và chi phí làm đường dây điện.  Đặt một trạm điện gió bên cạnh các trạm bơm thủy lợi ở xa lưới điện quốc gia sẽ tránh được việc xây dựng đường dây tải điện với chi phí lớn gấp nhiều lần chi phí xây dựng một trạm điện gió. Việc bảo quản một trạm điện gió cũng đơn giản hơn việc bảo vệ đường dây tải điện rất nhiều.  Một trạm điện gió 4 kW có thể đủ điện cho một trạm kiểm lâm trong rừng sâu hoặc một ngọn hải đăng xa đất liền. Một trạm 10 kW đủ cho một đồn biên phòng trên núi cao, hoặc một đơn vị hải quân nơi đảo xa. 10 Một trạm 40 kW có thể đủ cho một xã vùng cao, một đoàn thăm dò địa chất hay một khách sạn du lịch biệt lập, nơi đường dây chưa thể vươn tới được. Một nông trường cà phê hay cao su trên cao nguyên có thể xây dựng trạm điện gió hàng trăm hoặc hàng ngàn kW, vừa phục vụ đời sống công nhân, vừa cung cấp nước tưới và dùng cho xưởng chế biến sản phẩm.... Tuy nhiên không phải nơi nào đặt trạm điện gió cũng có hiệu quả như nhau. Để có sản lượng điện cao cần tìm đến những nơi có nhiều gió.Các vùng đất nhô ra biển và các thung lũng sông thường là những nơi có lượng gió lớn.Một vách núi cao có thể là vật cản gió nhưng cũng có thể lại tạo ra một nguồn gió mạnh thường xuyên, rất có lợi cho việc khai thác điện gió. Khi chọn địa điểm đặt trạm có thể dựa vào các số liệu thống kê của cơ quan khí tượng hoặc kinh nghiệm của nhân đân địa phương, nhưng chỉ là căn cứ sơ bộ. Lượng gió mỗi nơi còn thay đổi theo từng địa hình cụ thể và từng thời gian. Tại nơi dự định dựng trạm điện gió cần đặt các thiết bị đo gió và ghi lại tổng lượng gió hàng năm, từ đó tính ra sản lượng điện có thể khai thác, tuơng ứng với từng thiết bị điện gió. Việc này càng quan trọng hơn khi xây dựng các trạm công suất lớn hoặc các vùng điện gió tập trung. 1.1.5 Gió và năng lượng gió. Gió là một nguồn năng lượng sạch trong tự nhiên mà loài người nên khai thác và sử dụng nó, do đó yêu cầu đặt ra là cần phải có một công nghệ cao để khai thác có hiệu quả nguồn năng lượng đó.Gió sẽ thay đổi cả về tốc độ cũng như hướng gió phụ thuộc vào thời gian. Tốc độ gió thay đổi theo các khoảng thời gian khác nhau. Tốc độ gió thay đổi theo mùa trong một năm, thay đổi theo giờ trong một ngày, hoặc cũng có thể thay đổi theo từng phút, ví dụ như tốc độ gió vào mùa hè, thu ở nước ta thường lớn hơn các mùa khác hay tốc độ gió vào ban ngày lớn hơn ban đêm. Ngoài ra tốc độ gió cũng khác nhau phụ thuộc vào độ cao và địa hình, gió ở trên cao thường mạnh hơn dưới thấp. Năng lượng mà một tuabine gió có thể hấp thu là: 3 2 1 VACP tp (1.1) Trong đó: P là năng lượng hấp thu, Cp là hệ số biến đổi năng lượng (nó là một 11 hàm của tỉ số tốc độ đầu cánh và góc cánh ), là mật độ không khí, At là diện tích mặt cắt của tuabine gió, v là vận tốc gió. Theo lý thuyết thì giá tri lớn nhất của Cp là 16/270,5926 và nó được gọi là giới hạn Betz. Năng lượng trong gió tỉ lệ với lập phương của vận tốc gió, do đó nếu tốc độ gió tăng thì năng lượng tăng lên rất nhiều. Vì vậy giá trị năng lƣợng của tuabine thay đổi rất lớn.Điều này có thể thấy được trong hình 3.1, hình vẽ biểu diễn sự biến thiên của tốc độ gió và năng lượng gió trong khoảng thời gian ngắn của những cơn gió giật.từ hình vẽ ta thấy sự biến thiên của năng lượng gió lớn hơn nhiều so với sự biến thiên của tốc độ gió. Hệ số biến đổi năng lượng Cp trong công thức 1.1 là một hàm của tỉ số tốc độ đầu cánh , nó là tỉ số giữa tốc độ đầu cánh của tuabine gió và tốc độ gió. V Rm 0  1.2 Trong đó: m là tốc độ quay của tuabine, R0 là bán kính tuabine, v là tốc độ gió. Với tuabine gió trục ngang (TGTN) hoạt động bình thường ở tỉ số tốc độ đầu cánh được cho ở 1.2.Với tuabine gió trục đứng (TGTĐ) thì hoạt động ở tỉ số tốc độ đầu cánh thấp hơn.Đường cong biểu diễn quan hệ giữa Cp và cho ởHình 1.8. Hình 1.8Đường cong biểu diễn quan hệ giữa Cp và Điều khiển hoạt động của tuabine gió: Tuabine gió hấp thu được năng lượng nhiều nhất khi vận hành ở giá trị tối ưu của . Tuy nhiên tốc độ quay của tuabine cũng được chọn ở giá trị sao cho năng lượng hấp thu được là lớn nhất. Với tốc độ quay cố định và khi tốc độ gió tăng thì 12 sẽ giảm và tuabine sẽ đi vào vùng giảm tốc. Khi công suất đạt được giá trị định mức thì nó được giữ cố định và sau đó phương pháp điều khiển công suất được sử dụng để hạn chế sự hấp thu năng lượng khi tốc độ gió tăng. Một tuabine gió có thể được vân hành theo các quy tắc điều khiển khác nhau tùy thuộc vào tốc độ gió. Tuabine gió được hoạt động ở tốc độ gió từ 4m/s đến 20m/s và tốc độ gió định mức là 12m/s. Tuabine gió được khởi động khi tốc độ gió vượt qua 4m/s. Nó được điều khiển ở giá tri tối ưu của , cho đến khi tốc độ gió vượt qua 10m/s. Khi tốc độ gió trên 10m/s thì tốc độ quay được giữ cố định. Hệ số Cp sễ giảm chút khi tốc độ từ 10m/s đến 12m/s. Khi tốc độ gió trên 12m/s thì công suất được giữ cố định và tuabine giá bắt đầu quá trình giảm hấp thu năng lượng. Khi đó tốc độ quay cần phải giảm chút ít tùy thuộc vào hiệu quả của phương pháp điều khiển. Đường cong công suất của tuabine hoạt động theo phương pháp này được trình bày ởHình 1.9. Việc hạn chế tốc độ quay không chỉ là điều khiển tuabine mà còn vì lý do về sự bền vững của kết cấu hệ thống, sự dao động của lá cánh, và để hạn chế mức độ tiếng ồn khí động học. Hình 1.9Đương cong công suất của tuabine gió 50kW điều khiển theo tốc độ gió 1.2 Đối tượng, phạm vi và mục tiêu nghiên cứu của đề tài 1.2.1 Đối tượng nghiên cứu: Tuabine sử dụng năng lượng gió 1.2.2 Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu thiết kế tuabine gió trục sử dụng để phát 13 điện. 1.2.3 Mục tiêu nghiên cứu: Thiết kế, chế tạo tuabine gió trục ngang nhằm đáp ứng nhu cầu dung điện sạch cho hộ gia đình. 1.2.4 Phương hướng tiếp cận: Nghiên cứu lý thuyết điều tuabine gió từ sách và nguồn tài liệu trên internet. Nắm được ứng dụng của tuabine gió để thiết kế chế tạo tuabine gió công suất nhỏ . Nghiên cứu quá trình làm việc của tuabine gió.Trên cơ sở đó xây dựng các yêu cầu cần thiết để thiết kế tuabine gió hoàn chỉnh. 14 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA TUABINE GIÓ TRỤC NGANG 2.1 Khái niệm hoạt động thực của roto Hình 2.1Sự thay đổi áp suất và vận tốc gió qua turbine Ta xem xét một tua-bin gió với cánh quạt của khu vực AT, đặt trong một dòng gió như thể hiện trong hình. 2.1 Cho A và A’ Là khu vực của các phần 1-1, và 2-2 và V và V ' là vận tốc gió tương ứng tại các phần.VT là vận tốc tại phần tuabine.Theo định luật bảo toàn khối lượng, khối lượng của không khí chảy qua các bước này là như nhau. wwdd UAUAUA ......   2.1 Đặt  aUUd   1 2.2 Thay vào biểu thức trên ta được :     UAaUA d .1. 2.3 Ta thấy rằng với rotor có diện tích dA thì tương ứng với phần diện tích   dAaA  1 của dòng không khí là trao đổi năng lượng với rotor. Hệ số a được gọi là hệ số thu hẹp của dòng chảy. Đây là 1 hệ số đặc trưng cho sự trao đổi năng lượng giữa dòng không khí và rotor. 15 2.2 Thuyết động lượng và hệ số công suất của rotor. Do mặt trước và mặt sau rotor có bước nhảy về áp suất nên suất hiện lực và lực này la nguyên nhân thay đổi động lượng của dòng khí qua rotor.     ddWddd UAUUAppF ....   2.4 Phương trình Becnuli cho dòng chảy ta có constant.... 2 1 2  hgpU  2.5 Áp dụng cho dòng chảy trước đĩa ddddd hgpUhgpU .... 2 1 .... 2 1 22    2.6    dd pUU 22 .. 2 1 .. 2 1  2.7 Tương tự như vậy cho dòng chảy sau đĩa  ddw pUU 22 .. 2 1 .. 2 1  2.8 Kết hợp (3.3) và (3.4) ta có   22.. 2 1 wdd UUpp     2.9 Thay vào phương trình (3.2) ta được     ddwdw UAUUAUU ...... 2 1 22    2.10 Mà  aUUd   1 nên ta có    UaUw .21 2.11 Điều này có nghĩa là vận tốc vào rotor và vận tốc ở xa vô cùng phía sau rotor đều giảm đi 1 lượng Ua. Thay vào biểu thức (4.1) ta có   )1.(....2... 2 aaUAUAUUF dddw    2.12 16 Công suất truyền cho rotor chính là công giãn nở của dòng khí  23 1.....2. aaUAUFP dd   2.13 Hệ số công suất của rotor là tỷ số giữa công truyền cho rotor và động năng dòng khí đi qua diện tích quét của rotor trong 1 đơn vị thời gian 3... 2 1   UA P d  2.14 Thay vào trên ta có:  21.4 aa  2.15 2.3 Số Betz giới hạn Đạo hàm biểu thức 2.15 theo a ta có    031.14  aa da d 2.16 Ta thấy rằng a=1/3 → 593,0 27 16 max  Tức là hiệu suất của rotor max. Đây cũng chính là nội dung định luật Betz được nhà vật lý người Đức Albert Betz tìm ra vào năm 1926. Với mọi loại tubin thì đều không thể đạt được hệ số công suất lớn nhất này. Không phải sự giới hạn khi thiết kế mà là dòng chảy của không khí vào tubin bị thu hẹp đi so với dòng chảy tự do qua bề mặt rotor. Và điều này đã được chứng minh trong thực tế. Các tubin gió hiện đại ngày nay đều có hiệu suất chỉ đạt 30-45%. 2.4 Lý thuyết phân tố cánh. Lực tác dụng lên phân tố cánh phụ thuộc và 2 yếu tố có thể thay đổi được là kích thước cánh và góc tấn nhờ sự xác định vận tốc tương đối với cánh. Thành phần 17 vận tốc chuyển động dọc theo bán kính của cánh rotor coi như không đáng kể. Biết được hình dáng phân tố cánh ta có thể xác định được các hệ số lực nâng và lực cản dl CC , và biến thiên của chúng theo góc tấn. Xét tubin gió quay với vận tốc góc là  và vận tốc dòng khí là U . Tubin có N cánh, bán kính R và chiều dài dây cung là c. Góc đặt cánh là β là góc giữa đường khí động cánh và mặt phẳng quay của đĩa. Cả 2 yếu tố ,c đều có thể biến thiên theo bán kính cánh quạt. Hình 2.2cánh tuabine gió Tại 1 phân tố cánh r, vận tốc tiếp tuyến của phân tố cánh là Ωr và vận tốc tiếp tuyến của vết là a’Ωr. Do đó vận tốc tiếp tuyến tương đối của dòng khí với phân tô cánh là (1 – a’)Ωr. 18 Tam giác vận tốc cho ta vận tốc tương đối của dòng chảy với phân tố cánh    22222 '1.1. araUW   2.17 Và góc tới ϕ được xác định bởi biểu thức:   W aU    1. sin 2.18   W ar '1. cos   2.19 Góc tấn của phân tố cánh: α = ϕ – β Khi đó lực nâng và lực cản lên phân tố cánh là: rCcWL l  ..... 2 1 2 2.20 rCcWD d  ..... 2 1 2 2.21 2.5 Thuyết động lượng phân tố cánh (BEM) Xem như hệ số dòng chảy a,a’ là không đổi trên diện tích quét của phân tố.Và không có sự tương tác giữa các dòng gần kề nhau. Thành phần lực khí động tác dụng lên N phân tố cánh theo chiều trục quay là:   rCCcNWDL dl  .sin.cos...... 2 1 sin.cos. 2  2.22 Thành phần lực tác dụng lên N phân tố cánh theo phương tiếp tuyến là:   rCCcNWDL dl  .cos.sin...... 2 1 cos.sin. 2  2.23 19 Sự thay đổi động lượng theo trục của dòng khí đi qua diện tích quét là:     traaUUarraUvm  ..1....4..2....2.1... 2   2.24 Sự mất áp suất nguyên nhân do vết quay  2.'..2.. 2 1 rap   2.25 Áp suất này tạo ra 1 lực tác dụng theo phương trục quay là:   rrra  ...2..'..2.. 2 1 2  2.26 Do đó cân bằng lực theo phương trục quay: spvmDL  ..sin.cos.  2.27 Do thành phần vmsp  .. nên để tiện cho tính toán ta coi 0.  sp  Nên biểu thức trên trở thành:     rraaUrCCcNW dl  ..1...4sin.cos...... 2 1 22   2.28 →    aaxCC r c N U W dl   1..8sin.cos... 2 2  2.29 Sự thay đổi động lượng góc của dòng khí truyền qua diện tích quét của phân tố:     rrraaUrrraaU  ..'..1..4..2.'.2..1..   2.30 Cân bằng với lực khí động theo phương tiếp tuyến ở biểu thức (2.11), ta có:   rrraaUDL  .'..1...4cos.sin.   2.31 Hay:     rrraaUrCCcNW dl  ..'..1...4cos.sin...... 2 1 2   2.32    aaxCC r c N U W dl   1'...8cos.sin... 2 2 2  2.33 20 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CÁNH TUABINE 500W 3.1 Yêu cầu:  Tốc độ gió khởi động2,5 m/s;  Tốc độ gió bắt đầu phát 3 m/s;  Tốc độ gió định mức 7 m/s;  Công suất định mức 500W;  Tốc độ quay Rotor0 – 250 vg/ph;  Loại turbine: 3 cánh, gió ngang. 3.2 Tính bán kính cánh quạt rotor. Turbine gió công suất 500W hoạt động ở vận tốc gió định mức 7 m/s.Dựa vào công thức tính hiệu suất của turbine tra ([1, trang 14 công thức 2.8] ) 3 21 . . . . 2 P U R     (3.1) Hiệu suất turbine cực đại đạt được theo lý thuyết là 0.593 nhưng các turbine gió ngày nay thì chỉ đạt giá trị η = 0.3 – 0.4. → 31 . . . . 2 P R U    (3.2) Với P= 500W (công suất định mức )   1,225 kg/m3 (khối lượng riêng của không khí) U = 7m/s (Vận tốc gió định mức) Thay số vào ta được R =1.5 m . Chọn tỉ số vận tốc đầu mũi cánh λ: 21 Hình 3.1Số cánh và tốc độ đầu cánh Hoặc dựa vào bảng bên dưới: Bảng 3.1Hệ số λ Số cánh λ 1 8 – 24 2 6 –12 3 3 – 6 4 3 – 4 >4 1 – 3 Ta chọn λ = 6. Khi đó vận tốc quay của rotor là: )/(15 2 10.6 srad R U    3.3 Profile cánh. Giới thiệu về NACA 22 NACA được Ủy ban Cố vấn Quốc gia về Hàng không (NACA) đã phát triểnnhững series 4 chữ số, 5 chữ số, và 6 chữ số, được tạo ra để sử dụng thiết kế cánh máy bay và cánh tuabine gió.Thiết kế cánh máy bay trở nên tinh vi hơn, tiếp cận cơ bản này được sửa đổi để bao gồm các biến bổ sung, nhưng hai giá trị hình học cơ bản vẫn là trung tâm của tất cả các series cánh máy bay NACA, như minh họa dưới đây. Trong lĩnh vực turbine gió, một vài profile NACA đã được sử dụng để nghiên cứu đặc tính khí động học vì nó có rất nhiều giá trị thuận lợi của số Re,góc tấn,chiều dài dây cung,hệ số lực nâng và lực đẩy,tỉ lệ trượt,hệ số áp suất khỏe nhất và nhỏ nhất đã được quan tâm đến. Vào những thập niên trước, thường sử dụng họ cánh cho turbin gió trục ngang (HAWTs) là các họ NACA 44xx,NACA 23xxx,NACA 63xxx, và NACA LS Loại profile NACA 4412 được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới với nhiều ứng dụng cho cán máy bay, cánh tuabine gió… vì thế em chọn profile NACA 4412 để thiết kế cho cánh tuabine gió. Hình 3.2Các thông số cơ bản của profile cánh Hệ = số lực nâng: CL = 7,172.∞ + 0,3 Hệ số lực đẩy: 007,0.007,0.01,0 2  llD CCC Từ các dữ liệu hiệu suất có sẵn của NACA 4412, ta có CD/CL là 0,01 ở góctấn α = 4° hệ số lực nân tương tương ứng CL=0,8. 23 3.4 Chiểu dài dây cung cánh Xuất phát từ biểu thức (2.13) liên quan tới mômen quay của rotor. Để tiện cho tính toán, giả sử ≈ 0, khi đó : . . . (. − cosϕ) ≈ .. . = 8. . (1 − ) Thay = () à = . (1 − ) + Ω. (1 + )vào biểu thức trên: . . = 8. . μ . Hay: . . = .. ()() (3.3) Vế phải của biểu thức trên phụ thuộc vào hệ số dòng ,. Để hiệu suất của cánh max thì , phải thỏa mãn biểu thức (3.13): = ; = () = .. (3.4) Do đó (3.3) trở thành: . . = ( ) (3.5) Với số cánh quạt của tubin gió là N=3, λ = 6 và C1 = 8 .Ta xây dựng được sự biến thiên theo ( tỷ số bán kính = ) ta chia đều thành 10 phần bằng nhau theo bảng sau tại mổi khoảng 150cm. 24 Hình 3.3Cánh tuabine gió Hình 3.4Profile cánh Bảng 3.2Kết quả tính toán dây cung cánh Tỷ số bán kính = Chỉ số dây cung theo bán kính 0.15 0.292 0.3 0.190 0.45 0.135 0.6 0.104 0.75 0.084 0.9 0.071 1.05 0.061 1.2 0.053 1,35 0.048 1.5 0.042 25 3.5 Góc đặt cánh Hình 3.5Góc đặt cánh )1( aU  -Tốc độ gió tại cánh ; relU - Tốc độ gió tương đối; p - Bước góc; - Góc tấn;   p - Góc gió tương đối 0,p - Góc lưỡi cán. Biến đổi biểu thức (3.5) 2 ..9 2 . 9 4 ....9 .16         x x R c N Cl    3.6 Sử dụng biểu thức hệ số lực nâng: 3,0.162,7  lC 3.7 Có góc tấn của cánh theo bảng sau: 26 Bảng 3.3Kết quả tính góc tấn Stt Tỷ số bán kính = Góc tấn của cánh α (độ) 1 0.15 4.01 2 0.3 4.02 3 0.45 4.03 4 0.6 4.01 5 0.75 4.03 6 0.9 3.94 7 1.05 3.97 8 1.2 4.05 9 1,35 3.92 10 1.5 4.13 Để tính góc đặt cánh β ta sẽ xác định góc tới ϕcủa dòng khí theo công thức:     x x x x ra Ua tag ..3 2 ..3 2 ..9 2 1..3 2 .'1 1 22                   3.8 → β = ϕ – α 3.9 27 Bảng 3.4kết quả tính toán Tỷ số bán kính = Góc tấn α Góc tới ϕ Góc đặt cánh β 0.15 4.01 30.17 26.16 0.3 4.02 19.11 15.10 0.45 4.03 13.47 9.44 0.6 4.01 10.31 6.30 0.75 4.03 8.34 4.31 0.9 3.94 6.99 3.05 1.05 3.97 6.01 2.03 1.2 4.05 5.27 1.22 1,35 3.92 4.69 0.77 1.5 4.13 4.22 0.09 Hình 3.6Kết quả hình 3D 3.6 Tính hiệu suất tuabine Hầu hết các nhà sản xuất Mỹ phân loại tuabine của họ bằng lượng điện mà tuabine có thể sản xuất an toàn ở một tốc độ gió cụ thể, thường khoảng giữa 10m/giây và 16m/giây.Công thức để tính công suất tuabin gió là: Hiệu suất gió tạo ra được tính theo công thức: 28 2 ... 3VAkC P p   3.10 Trong đó:  P = Công suất (kW);  CP = Hệ số công suất cực đại, trong khoảngtừ 0,25 – 0,45, nhỏ hơn (theo lý thuyết max = 0,59);  ρ =Mật độ không khí, lb/ft3;  A = Diện tích quét của rotor, ft2 hoặc πD2/4 ( D=1,5 là đường kính rotor tính bằng ft, π= 3.1416);  V = 7 Vận tốc gió, m/giờ;  k = 0.000133 một hằng số để đo công suất bằng kW (nhân với số kW ở trên với 1,340 để chuyển sang đơn vị mã lực, ví dụ: 1 kW = 1,340 Hp). 3.7 Xây dựng cánh tuabine bằng phần mềm Pro/Engineer 5.0 3.7.1 Kích thước của cánh: Chiều dài cánh L=1,5 m Dựa vào bảng 3.1 và 3.3 3.7.2 Dựng cánh Tuabine: Để dựng cánh Tuabine ta thực hiện theo các bước:  Tạo profile NACA 4412  Tạo các mặt phẳng vẽ phác với khoảng cách xác định.  Kết nối các Profile thành đường dẫn.  Đùn khối Solid. 3.7.3 Các bước cụ thể ta làm như sau 3.7.3.1 Tạo các Profile Dựa vào phần mềm DESIGNFOIL ta có profile NACA 4412 cánh dưới đây. 29 Hình 3.7 profile Naca 4412 Suất chương trình phần mề profile Naca 4412 ra phần mềm Pro/Engineer. Hình 3.8Profile Naca 4412 khi xuất sang phần mềm Pro/Engineer 3.7.3.2 Tạo các mặt phẳng vẽ phác  Từ thanh công cụ chọn File-New,hộp thoại New hiện ra;  Đặt tên file mới là “Tuabine” tại ô Name. Bỏ đấu trước dòng Use default template. Xong chọn Ok.(hình 4.3);  Hộp thoại New file Option hiện ra,chọnmmns_part_solid, chọn Ok Chọn Ok màn hình đồ họa xuất hiện (hình 4.4). 30  Chọn thêm các mặt phẳng phụ bằng cách chọn biểu tượng trên thánh công cụ. lúc này sẽ xuất hiện hộp thoại DATUM PLANE, sau đó chọn mặt phẳng Top làm tham chiếu. bây giờ trên ô Translation sẽ sáng và ta nhập theo kính thước ở bảng 4 – 1 là 150mm là khoản cách của mặt phẳng phụ thứ nhất với mặt phẳng Top  Sau đó lại lấy mặt phẳng TM1 là mặt phẳng chuẩn để tạo mặt phẳng phụ thứ 2 với khoảng cách ở bảng 4-1 là 150 mm. Cứ như vậy ta lập 4 mặp phẳng với khoảng cách như vậy.  Lấy TM4 làm chuẩn tạo thêm TM5 với khoảng cách là 150mm , rồi ta nhập thêm 2 mặt phẳng TM6, TM7 với khoảng cách như vậy.  Tương tự ta tạo mặt phẳn TM6, TM7,TM8,TM9,TM10 cùng khoảng cách là 150mm. Hình 3.9Tạo file tuabine Hình 3.10Chọn kích thước 31 Hình 3.11 Tạo các mặp phẳng Hình 3.12  Sau khi lập xong các mặt phẳng phụ như trên ta kích chuột vào biểu tượng Sketch lúc này hộp thoại Sketch sẽ hiện ravà chọn mặt phẳng Top,lúc này hộp thoại Sketch sáng lên và ta chọn Sketch trong hộp thoại, bây giờ màn hình đồ họa sẽ hiện ra  Sáng lên và ta chọn Sketch trong hộp thoại, bây giờ màn hình đồ họa sẽ hiện ra 32 Hình 3.13Chọn mặt phẳng  Chọn biểu tượng trên thanh công cụ để vẽ hình tròn bằng cách nhấn chuột vào vào tâm của màn hình đồ họa. nhấp giữa chuột để kết thúc  Nhấn đúp chuột vào kích thước và sửa kính thước đường kính với kích thước 150. Xong chọn  Tiếp tục chọn Sketch chọn mặt phẳng vẽ phác TM1 rồi nhấn Sketch trên hộp thoại Sketch. Từ Menu chọn Sketch→ Data from file→ File System. Hình 3.14Chọn file naca Lúc này hộp thoại Open mở ra,ta tìm file mà ta lưu các Profile đã vẽ rồi mở file đó ra (hình 4-11). Chọn profile1. Rồi nhấp chuột vào tâm màn hình đồ họa và 33 trùng với tâm của hình tròn vẽ trước đó, lúc này Profile1 đã xuất hiện trên màn màn hình đồ họa đồng thời xuất hiện hộp thoại nhờ hộp thoại này để ta chỉnh sửa kích thước và góc nghiêng của Profile như yêu cầu. Hình 3.15Chọn naca  Kéo tâm của Profile1 về trùng tâm của Sketch đường tròn vừa rồi;  Trên dòng ta nhập kích thước của Profile;  Trên dòng ta nhập góc xoay của Profile;  Ta nhập kích thước và góc xoay theo bảng 4-1; 34 Hình 3.16Nhập kích thước Kết quả sau khi nhập kích thước và góc đặt cánh như hình 4-13 Hình 3.17 Kết quả sau khi nhập kích thước  Làm tương tự với các Profile còn lại ta thu được kết quả như sau: 35 Hình 3.18Kết quả sau khi nhập hoàn thành 3.7.3.3 Tạo đường bề mặt bao phủ các Profile vừa tạo bằng lệnh Blend. Vào Menu chọn Insert→ Protrusion lúc này hộp thoại Menu Managre Blend Option hiện ra ta chấp nhận các mạc định Parallel- Regular Section- Don Tại Menu Attributes chọn Smooth để tạo vật thể Blend với đường cong trơn và mền mạinhấn Don, chọn Top làm mặt vẽ phác chọn Ok→ Default. 36 Hình 3.19Tạo đương dẩn Hình 3.20 Chọn Smooth Chọn trên thanh công cụ,hộp thoại Type hiện ra chấp nhận tùy chọn Single.Nhấn chuột chọn đường tròn rồi giữa chuột phải chọn Toggle Section lúc này tiết diện này sẽ mờ đi. 37 Hình 3.21Tạo đường dẩn Làm tương tự với các Profile còn lại nhưng với Profile cuối cùng ta làm như sau: Chọn trên thanh công cụ,hộp thoại Type hiện ra chấp nhận tùy chọn Single. Nhấn chuộn chọn profile cuối cùng sau đó sau đó chọn Ok trên hộp thoại rồi chọn Close trân hộp thoại rồi nhấn Menu Manager DEPTH xuất hiện, ta chấp nhận các mạc đinh Blind và chọn Don lúc này máy yêu cầu nhập khoảng cách các Profile cũng chính là khoảng cách giữa các mặt phẳng. Nhập một khoảng cách xong ta ấn Enter xong tiếp tực nhâp các khoảng cách tương tự. Khi kết thúc nhập khoảng cách thì trên hộp thoại sáng lên ta nhấn chuột vào đó để xem cánh tuabine của mình dùn đã đúng chưa. Khi thấy được rồi ta chọn OK trên hộp thoại .kết quả như hình. 38 Hình 3.22Chọn ok Hình 3.23Kết quả sau khi vẽ 39 CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KẾT CÁC BỘ PHẬN CƠ BẢN CỦA TUABINE 4.1 Hộp số Chức năng của hộp số là đẩy mạnh tốc độ quay cánh quạt một giá trị phù hợp với máy phát điện cảm ứng tiêu chuẩn, trong đó, Tốc độ của một cánh quạt tuabine gió điển hình có thể là 30 đến 50 vòng / phút trong khi đó, tốc độ tối ưu của máy phát điện có thể là vào khoảng 1000 to 1500 vòng/phút. Do đó, bộ truyền động là thiết bị được ứng dụng trong các đường dây truyền tải để thao tác với tốc độ theo yêu cầu của các máy phát điện. và hộp số được lắp ráp vào các tua bin gió từ 100kw trở lên, khi đó tốc độ quay sẽ phù hợp với tốc độ của máy phát. Hình 4.1Sắp xếp thiết bị của một tuabine gió Với tuabine gió cở vài kw thì người ta đấu trực tiếp vào máy phát điện, không qua hộp số. Do là với các tuabine gió có công suất nhỏ nên cánh khá nhẹ nên tốc độ quay lớn gần bằng tốc độ quay của máy phát. 40 Hình 4.2Đường cong công suất của một tuabine gió điển hình 4.2 Tháp Tháp hỗ trợ các cánh quạt và vỏ bọc động cơ của một tuabine gió ở độ cao mong muốn.Các loại chính của tòa tháp được sử dụng trong tua – bin hiện đại là tháp khung dàn, tháp ống và tháp dây nối đất.tháp được thể hiện trongHình 4.3. Hình 4.3Các loại tháp tuabine gió Cột tháp khung dàn và tháp hình ống được sử dụng với tuabine gió lớn, còn tháp hình treo chỉ sử dung với tuabine nhỏ. 4.2.1 Cột tháp dạng khung giàn 41 Cột tháp dạng khung dàn được sản xuất sử dụng những mặt nghiêng mối hàn thép.Lợi thế cơ bản của cột thép dạng khung giàn là chi phí, vì một cột tháp dạng khung giàn chỉ yêu cầu bằng một nửa số nguyên liệu so với một cột tháp hình ống với độ vững chãi tương tự. Tuy nhiên, vì lý do thẩm mỹ mà những cột tháp khung giàn gần như biến mất trong việc sử dụng cho các tuabine gió cỡ lớn và hiện đại ngày nay. 4.2.2 Cột thép hình ống Hầu hết các tua bin gió cỡ lớn đều sử dụng cột thép hình ống được sản xuất trong khoảng từ 20 – 30 mét với các mặt bích tại mỗi đầu và được nối lại với nhau tại các điểm. Những cột tháp là hình nón (với đường kính của chúng tăng theo hướng chân đế) để tăng độ mạnh của chúng và cũng là để tiết kiệm nguyên liệu. 4.2.3 Cột tháp dạng dây nối đất Nhiều tuabine gió nhỏ được xây dựng với cột tháp thu hẹp được hỗ trợ bởi những dây nối. Lợi thế đó là tiết kiệm trọng lượng và do vậy tiết kiệm chi phí. Sự bất lợi là việc phải chấp nhận những khó khăn xung quanh cột tháp, điều làm nó ít phùhợp trong khu vực nông trại. Cuối cùng, loại cột tháp này là dễ bị nghiêng dẫn đến hư hỏng, do vậy ảnh hưởng đến an toàn tổng thể. 42 Hình 4.4- l;Ảnh hưởng của chiều cao tháp vào vận tốc Tốc độ gió cũng sẽ thay đổi tùy theo khu vực xung quanh. Qua nhiều năm kinh nghiệm, các nhà sản xuất tuabine và các chuyên gia đã khuyến cáo rằng một tua-bin nên được cao hơn so với bất kỳ đối tượng trong vòng bán kính 300m ít nhất 30m.Các nguyên tắc này được sử dụng để tránh những thay đổi nhanh chóng trong tốc độ và hướng gió, hoặc bất ổn.Tốc độ gió phải được tối đa và liên tục tại các cánh của tuabine hướng để tối đa hóa năng suất của tuabine gió.Giảm gió hỗn loạn cũng làm giảm mệt mỏi trên các tuabine gió. Nhiều tuabin gió nhỏ được xây dựng với cột tháp thu hẹp được hỗ trợ bởi những dây nối. Lợi thế đó là tiết kiệm trọng lượng và do vậy tiết kiệm chi phí. Sự bất lợi là việc phải chấp nhận những khó khăn xung quanh cột tháp, điều làm nó ít phù hợp trong khu vực nông trại. Cuối cùng, loại cột tháp này là dễ bị nghiêng dẫn đến hư hỏng, do vậy ảnh hưởng đến an toàn tổng thể Tháp nối dây có các thông số sau  Đường kính tháp 15cm  Theo các tính toán và phân tích của các nhà nghiên cứu sản suất tuabine gió lâu năm thì chiều cao tháp thường lớn hơn vật cản là 3m em chọn 43 chiều cao tháp 25m theo địa hình ở nha trang.  Dây cáp. Hình 4.5- Tháp nối dây Hình 4.6-Cách dựng tháp nối dây 4.2.4 Gió, bản thân Trọng lượng và tải trọng cơ cấu bên trong a) Phân bố tải trọng ngang do gió: W = Wo. k. c =83.0,80.1,2=79,68 kg/m 2 4.10 44 b) Trong đó c là hệ số lực kéo, - W0 là áp lực gió ở độ cao z=25m. W0=83kg/m 2 - k: là hệ số tính đến sự thay đổi của áp lực gió theo độ cao và dạng địa hình “theo bảng 5,TCVN 273-195” k=0,80 - c: hệ số khí động xác định “theo bảng 6, TCVN 273-195” c= 1,2 Phân phối tải trọng dọc do trọng lượng tháp và các đồ đạc bên trên tháp:  zAww IFv  4.11 Ở đây WIF là tải phân phối do đồ đạc nội bộ, A(z)là diện tích mặt cắt ngang ở độ cao z, và  là khối lượng riêng của vật liệu tháp. Việc tính toán cho tháp được thể hiện trongHình 4.7. Hình 4.7- Tính toán tải của tháp 4.3 Tính toán và lựa chọn máy phát điện. Các thốn số để tính toán thiết kế máy phát  Công suất tuabine gió 500W;  tốc độ quay 0-200 vòng/phút. Máy phát điện là một thành phần quan trọng không thể thiếu trong tuabine gió, vì nó có nhiệm vụ chuyển đổi cơ năng của tuabine thành điện năng.Trong một hệ thống phát điện, việc thiết kế và chọn máy phát điện phải phù hợp với loại tuabine 45 đã được lựa chọn.Các tuabine này được thiết kế với việc ưu tiên cho các phương pháp điều khiển mong muốn và điều kiện gió tại vùng đã được quy hoạch.Các máy phát điện ở đây không chỉ được sử dụng để biến đổi năng lượng mà còn dùng để điều khiển điện áp thông qua tốc độ quay của tuabine. Tuabine được nối trực tiếp với rotor của máy phát thông qua một trục truyền động, tức là trực tiếp điều khiển máy phát.Loại máy phát này sẽ có tốc độ quay chậm hơn so với các loại máy phát thông thường. Do đó nó được thiết kế với số lượng điện cực nhiều để đạt được cảm ứng từ tốt và hiệu quả cao. Việc điều khiển trực tiếp giúp loại bỏ tổn thất, bảo dưỡng và các chi phí liên quan đến hộp số.Một số nghiên cứu cho thấy hộp số là nguyên nhân dẫn đến hầu hết các hư hỏng của tuabine gió.Hơn nữa, điều khiển trực tiếp làm giảm liên kết xoắn trên các trục truyền động bởi tần số dao động riêng. Do đó các trục sẽ nhỏ hơn so với trường hợp sử dụng hộp số, với H-rotor điều này có nghĩa là tháp đỡ sẽ được giảm khối lượng. Chọn máy phát điện xoay chiều, kích từ bằng nam châm vỉnh cửu. Các thông số cơ bản:  Số nam châm vỉnh cửu 24 cái  Số cuộn dây 9  Số vòng quay: n= 250vòng/phút;  Công suất tối đa 1000W  khối lượng nặng 36kg  Tần số: f = 50Hz;  Số pha: m=3;  Kích từ bằng nam châm vỉnh cửu. 46 Hình 4.9- máy phát điện 4.4 Tính toán số lượng bình acquy lưu trữ điện Để lưu trữ điện từ tuabine gió phát ra ta dùng nhiều bình ắc quy khô nối tiếp nhau dùng để dự trử nguồn điện 1 chiều. Mổi khi tuabin gió không hoạt động hay hoạt động yếu, hệ thống này sẽ cung cấp điện cho bộ phận chuyển đổi điện 1 chiều (DC) ra điện xoay chiều (AC). Bình ắc quy thường dùng loại ắc quy khô dể bảo quãn, bảo trì, an toàn hơn mặc dầu giá trị bình nhiều hơn ắc quy nước. AH = (T * W)/(V * pf) T  Tổng Công suất tiêu thụ trong hệ thống (W)  Hiệu điện thế của mạch nạp bình ắc quy (V)  Dung lượng của bình ắc quy (AH)  Thời gian cần có điện của hệ thống (T)  Hệ số năng suất của bộ kích điện (pf): thường là 0,7 hoặc 0,8 Để tính tổng dung lượng của ắc quy (AH) nếu xác định trước thời gian sử dụng hệ thống T, tổng công suất của Inverter W, điện thế của bộ nạp V, pf = 0.7 hoặc 0.8 tuỳ vào từng loại Inverter Một gia đình khi mất điện sử dụng 1 bóng đèn compact 20W + một quạt điện 60W.Khi đó ta có tổng công suất tiêu thụ là 80W  T=8 giờ thời gian cần có điện của hệ thống  pf=0,7 hệ số năng suất của bộ kích điện 47  hiệu điện thế 12 V AhAH 100 7,0.12 80.9   Để đảm bảo công suất đầu ra ổn định đối với các bộ kích điện tiêu chuẩn thường có điện áp đầu vào phải là 24V DC đối công suất từ 800W trở lên. Điện áp 12V chỉ nên sử dụng với công suất nhỏ từ 600W trở xuống.  Với dung lượng ăc quy là 100Ah ta chọn 2 bình ăc quy loại ăc quy 12v/100Ah. Thông số kỹ thuật ắc quy khô 100Ah  Điện thế : 12 (V)  Dung lượng 100Ah  Trọng lượng 32kg  Bình ắc quy khô kín 4.5 Lựa chọn bộ điều khiển nạp sạc Bộ điều khiển nạp sạc là một thiết bị trung gian giữa tubine và hệ các bình ắc quy lưu trữ. Nhiệm vụ chính của nó là "điều khiển" việc sạc bình ắc quy từ nguồn điện sinh ra từ pin mặt trời.Nó làm nhiệm vụ bảo vệ ắc quy khi nạp đầy thì nó sẽ ngắt nguồn điện không cho điện áo vào. Trên thị trường có rất nhiều loại bộ nạp sạc cho ăc quy Hitech Power 12V - 100Ah nó có các đặc tính sau a. Sạc cho các loại bình ắc quy: từ 10A – 100Ah b. Điện áp vào: từ 90 – 265 VAC. c. Điện áp ra: 12VDC d. Tần số : 50Hz. e. Sạc đầy tự ngắt f. Bình ắc quy yếu tự sạc g. Sạc và bảo vệ h. Bảo vệ chống đấu ngược cực i. Ổn định dòng sạc j. Ổn định điện áp sạc. Hình 4.8Ăc quy quy khô 100 Ah Hình 4.9Bộ điều khiển nạp sạc ắc quy 48 CHƯƠNG 5 TÍNH GIÁ THÀNH CỦA SẢN PHẨM 5.1 Tổng giá thành sản phẩm. Giá thành của sản phẩm: C=V+P+H+K Trong đó:  V: tiền vật liệu  P: Tiền lương cho công nhân ( 1người=2.600.000VNĐ)  K: Khấu hao tài sản cố định  H: Chi phí cho quản lý  T: Thời gian gia công  T0: Thời gian gia công cơ bản  Tp: Thời gian phụ  Tpv: Thời gian phục vụ kỹ thuật  Tnn: Thời gian nghỉ ngơi theo nhu cầu cần thiết của công nhân 5.1.1 Tháp tuabine  Giá phôi liệu: V= 200 x 25000mm x65kgx25.000đ/1kg= 1.625.000 VNĐ;  Cáp thép :V=  15x 50m x20.000/1mét VND= 1.000.000VND. → Giá thành của sản phẩm: C=2.625.000 VNĐ 5.1.2 Trục chính Giá phôi liệu: V= 32 x 450mm x2.8kgx32.000đ/1kg= 89.600 VNĐ  Thời gian gia công: T=T0+Tp+Tpv+Tng=8.1+20+10+10=38 (phút)  Tiền lương cho công nhân: P= 38 x 200= 7.600 VNĐ  Khấu hao tài sản cố định K=30.000 VNĐ  Chi phí quản lý: H= 5.000 → Giá thành của sản phẩm: C=V + P + H + K=132.200 VNĐ 5.1.3 Máy phát điện Máy phát điện C= 5.000.000VND 49 5.1.4 Roto tubine  Giá phôi liệu:  100 x 8 x 20kgx32.000đ/1kg=640.000 VND  Thời gian gia công: T=T0+Tp+Tpv+Tng=0.08 + 5 + 5 + 5=15.08 (phút)  Tiền lương cho công nhân: P= 15.08 x 200 = 24000VND  Khấu hao tài sản cố định K=10.000 VNĐ  Chi phí quản lý: H= 2.000 → Giá thành của sản phẩm: C=V + P + H + K=676.000 VNĐ 5.1.5 Long đền đai ốc:  10x 24cáix0.01kgx32.000đ/1kg=7.680VNĐ 5.1.6 Bulông các loại: Giá phôi liệu:  8 x 30 x 30con x 3.000 =90.000VNĐ Đai ốc  8 x 30 con x 3.000 =90.000VNĐ Tổng cộng: C=180.000 VNĐ 5.1.7 Bình ắc quy Ắc quy 2 bình, khối lượng 32kg/bình= 2x2.000.000/cái=4.000.000VND 5.1.8 Vòng bi NSK-6205ZZ Vòng bin  25x52x15x1cáix156.000/cái=156.000VND 5.1.9 Đế đỡ máy phát điện  Giá phôi liệu: 140 x 80x15kgx32.000đ/1kg=480.000VND  Thời gian gia công: T=T0+Tp+Tpv+Tng=60 +10+20+10=100 (phút)  Tiền lương cho công nhân: P= 100 x 100= 18.000 VNĐ  Khấu hao tài sản cố định K=80.000 VNĐ  Chi phí quản lý: H= 10.000. → Giá thành của sản phẩm: C=V + P + H + K=588.000 VNĐ 5.1.10 Đuôi tuabine  Phôi nhựa: tấp 10x2435x2978x0,01kgx30 =3.000VNĐ 50  Thời gian gia công: T=T0+Tp+Tpv+Tng=0.5+10+10+10=30.5 (phút)  Tiền lương cho công nhân: P = 60 x 100 =6000 VNĐ  Khấu hao tài sản cố định K=30.000 VNĐ  Chi phí quản lý: H= 5.000. → Giá thành của sản phẩm: C=V + P + H + K=66.000 VNĐ 5.1.11 Khớp nối:  Giá phôi liệu:  40 x 90 x 0,9kgx12.000đ/1kg=10.800 vnđ  Thời gian gia công: T=T0+Tp+Tpv+Tng=1.12+10+10+10=31.12 (phút)  Tiền lương cho công nhân: P= 31.12 x 100 = 3.112 VNĐ  Khấu hao tài sản cố định K=30.000 VNĐ  Chi phí quản lý: H= 5.000. → Giá thành của sản phẩm: C=V + P + H + K=49.000 VNĐ. 5.1.12 Bộ điều khiển nạp sạc → Giá thành của sản phẩm: C =450.000 VNĐ 5.2 Lắp ráp:  Thời gian gia công: T=T0+Tp+Tpv+Tng=60 (phút)  Tiền lương cho công nhân: P= 60 x 200 = 12.000 VNĐ  Khấu hao tài sản cố định K=10.000 VNĐ  Chi phí quản lý: H= 5.000. → Giá thành của sản phẩm: C=V + P + H + K=27.000 VNĐ. Tổng giá thành: P=2.625.000+132.2+1.500.000+676.000+7.680 + 180.000 + 4.000.000 +156.000 + 588.000 + 66.000 + 49.000 + 49 + 27.000= 13.959.000 VNĐ 51 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Sau 6 tháng nghiên cứu tài liệu cũng như tìm hiểu trong thực tế em đã hoàn thành những nội dung công việc cụ thể của đồ án nhưu sau:  Tìm hiểu lịch sử phát triển nguồn năng lượng gió và các máy phát điện chạy bằng sức gió.  Phân tích khí động lực học cánh gió của tuabin gió trục ngang và xác định góc cánh điều khiển.  Thiết kế cánh tuabine với công suất yêu cầu 500W  Tính toán các bộ phận khác của tuabine  Hạch toán giá thành sản phẩm Qua nghiên cứu tính toán thiết kế cánh tuabine gió em thấy tuabine gió là một năng lượng sạch và thực tế, có thể phát triển nó trong tương lai gần. Do thời gian và khả năng của em có hạn nên việc tính toán thiết kế có sai sót. Hơn nữa đây là lần đầu tiên em tiếp xúc nên còn gặp nhiều khó khăn và bỡ ngỡ. Kiến nghị Trong quá trình thực hiện đề tài em thấy rằng đây là một đề tài rất hay và mang tính thực tế cao. Tuy nhiên trong việc tính toán thiết kế chỉ mang tính lý thuyết vậy nên em kiến nghị với nhà trường củng như thầy cô trong trường nên áp dụng thực tế sản xuất tuabine gió. Đây là một năng lượng sạch không có độc hại gì đến con người và môi trường. Việc áp dụng và thiết kế nó sẽ làm giảm một phần chi phí tiêu thụ điện Trong bối cảnh nguồn điện càng hạn hẹp và giá cả cao. 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Springer (1997), “Wind Energy”. [2] Tony burton,David sharpe,Nick Jenkins,Ervin Bossanyi,Wind Enegry Handbook,2001 – England [3] Martin O.L.Hansen,Aerodynamics of wind turbines,second edition 2008 – England [4] Dr.Sathyajith Mathew,Wind Enegry,2006 – India [5] Thomas Ackerman (2005), “Wind Power in Power Systems”, John Wiley and Sons, Ltd. [6] Sandra Eriksson (2008), “Direct Driven Generators for Vertical Axis Wind Turbines”, Uppsala University, Sweden. [7] Désiré Le Gouriérès (1982), “Wind power plants – Theory and Desig”, Pergamon Press. [8] Morten H. Hansen, Anca Hansen, Torben J. Larsen, Stig Øye,Poul Sørensen and Peter uglsang (2005), “Control design for a pitch-regulated, variable speed wind turbine”. [9] Fernando D. Bianchi, Hernán De Battista and Ricardo J. Mantz (2006), “Wind Turbine Control Systems”, Department of Electrical Engineering National University of La Plata, Argentina. [10] Gary L. Johnson (2001), “Wind energy systems”, Manhattan, KS [11] Erich Hau Springer (2005), “Wind turbine”. [8] John F. Walker, and Nicholas Jenkins (1997), “Wind Energy technology”, John Wiley and Sons, Ltd. [9] Springer (1997), “Wind Energy”. [10] Robert Mikkelsen (2003), “Actuator Disc Methods Applied to Wind Turbines”, Technical University of Denmark DK-2800 Lyngby, Denmark [11] George Ellis, “Cures for Mechanical Resonance in Industrial Servo Systems”, A Danaher Motion Company, USA. 53 [12] George Ellis, Robert D. Lorenz (2000), “Resonant Load Control Methods for Industrial Servo Drives”, IEEE Industry ApplicationsSociety, Annual Meeting, Rome, Italy. [13] Koji Sugiura and Yoichi Hori (1996), “Vibartion Suppression in 2 – and 3 Mass System Based on the Feedback of Imperfect Derivative of the Estimated Torsional Torque”, IEEE, Vol 43, No 1. [14] Tiêu chuẩn việt nam (TCVN) 2737-1995 [15] [16] 5D=10&MReNumForm%5Bchord%5D=0.2&MReNumForm%5Bkvisc%5D=1. 4207E-5&yt0=T%C3%ADnh+to%C3%A1n