Tóm tắt Luận văn Nghiên cứu, tính toán và thiết kế cơ cấu dẫn động điều khiển góc cánh turbine gió kiểu trục đứng cho máy phát điện công suất 10kw

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP --------------------------------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ CẤU DẪN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN GÓC CÁNH TURBINE GIÓ KIỂU TRỤC ĐỨNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN CÔNG SUẤT 10KW GIANG NGỌC THANH THÁI NGUYÊN, 2010 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP --------------------------------------- GIANG NGỌC THANH NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ CẤU DẪN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN GÓC CÁNH TURBINE GIÓ KIỂU TRỤC ĐỨNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN CÔNG SUẤT 10KW CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Thái Nguyên, 2010 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. Nguyễn Đăng Hòe HỌC VIÊN Giang Ngọc Thanh KHOA ĐÀO TẠO SĐH BGH TRƯỜNG ĐHKTCN PGS.TS. Nguyễn Đăng Hòe LỜI CAM ĐOAN Tôi là Giang Ngọc Thanh - Học viên cao học lớp K11- Công nghệ chế tạo máy (khóa học 2008 - 2010) tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên. Sau hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường tôi lựa chọn thực hiện đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu, tính toán và thiết kế cơ cấu dẫn động điều khiển góc cánh turbine gió kiểu trục đứng cho máy phát điện công suất 10KW”. Được sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của PGS. TS Nguyễn Đăng Hoè và sự nỗ lực của bản thân, đề tài đã được hoàn thành năm 2010. Tôi cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong luận văn này là do tự bản thân tôi thực hiện, không sao chép của người khác và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Trừ các phần tham khảo đã được nêu rõ trong Luận văn. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Thái Nguyên, ngày 03 tháng 11 năm 2010 Tác giả Giang Ngọc Thanh -tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, tác giả xin được bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc nhất tới thầy giáo hướng dẫn khoa học PGS. TS Nguyễn Đăng Hoè - Phó hiệu trưởng trường Đại học kỹ thuật công nghiêp - Đại học Thái Nguyên đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ và tạo điều kiện để tôi thực hiện hoàn chỉnh luận văn tốt nghiệp. Cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đai học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên và trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình giảng dạy trong hai năm học vừa qua. Cảm ơn Lãnh đạo UBND tỉnh Thái Nguyên, Ban lãnh đạo Sở Công Thương Thái Nguyên và các phòng ban chức năng của Sở Công Thương Thái Nguyên (số 4 - đường Cách mạng tháng tám - thành phố Thái Nguyên - tỉnh Thái Nguyên) đã tạo mọi điều kiện để tôi thực hiện và hoàn thành khóa học này. Cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ tôi trong thời gian qua để luận văn được hoàn thành đúng tiến độ. Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn không tránh khỏi sai sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô giáo, các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp. Thái Nguyên, ngày 03 tháng 11 năm 2010 Tác giả Giang Ngọc Thanh -tnu.edu.vn MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................... 1 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .................................................................................. 2 Chƣơng 1. GIỚI THIỆU .......................................................................................... 4 1.1. Đặt vấn đề ......................................................................................................... 4 1.2. Giới thiệu về việc sử dụng năng lượng gió - turbine gió .................................. 5 1.3. Tính cấp thiết của đề tài .................................................................................. 10 1.4. Mục tiêu và ý nghĩa nghiên cứu ...................................................................... 11 1.5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................. 11 1.6. Các kết quả chính ............................................................................................ 12 1.7. Cấu trúc luận văn ............................................................................................ 12 Chƣơng 2.CÁC VẤN ĐỀ CƠ SỞ .......................................................................... 14 2.1. Cơ sở tính toán lực khí động ........................................................................... 14 2.1.1. Lý thuyết Albert Betz ............................................................................... 14 2.1.2. Mô hình toán lực khí động trên cánh turbine ........................................... 16 2.2. Một số dạng kết cấu VAWTs điển hình ......................................................... 19 2.2.1. Kiểu VAWT cánh cố định ........................................................................ 19 2.3. Phân tích kết cấu Novel VAWT có khả năng điều chỉnh góc hứng gió ......... 26 2.3.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của kết cấu ............................................ 26 2.4. Đề xuất kết cấu VAWT mới khả điều chỉnh góc hứng gió của cánh ............. 29 CHƢƠNG 3. ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC MÔ HÌNH VAWT MỚI ............ 32 3.1. Nguyên lý hoạt động của turbine. ................................................................... 32 3.2. Phân tích lực khí động .................................................................................... 32 3.3. Kết luận chương 3. .......................................................................................... 41 Chƣơng 4. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CƠ CẤU DẪN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN GÓC CÁNH TURBINE ......................................................................................... 43 -tnu.edu.vn 4.1. Phân tích nguyên lý điều khiển-dẫn động cánh turbinee. ............................... 43 4.2. Phân tích động học cơ cấu .............................................................................. 45 4.3.1. Tính số bậc tự do. ..................................................................................... 46 4.3.2. Tính tỷ số truyền với các cánh ở nửa bên có răng của bánh răng 1. ........ 46 4.3. Thiết kế cơ cấu điều khiển - dẫn động cánh hệ thống VAWT 10KW. ........... 47 4.3.1. Thông số thiết kế các chi tiết trong cơ cấu điều khiển 05 cánh turbine. .. 48 4.4. Mô phỏng nguyên lý hoạt động của hệ thống VAWT mới. ........................... 59 4.5. Kết luận chương 4. .......................................................................................... 61 KẾT LUẬN ............................................................................................................. 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 64 -tnu.edu.vn - 1 - DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT HAWTs hệ turbine gió kiểu trục ngang. VAWTs hệ turbine gió kiểu trục đứng. U Vận tốc thực của gió (m).  Trọng lượng riêng của không khí (kg/m 3 ). b Chiều rộng cánh turbine (m). h Chiều cao cánh turbine (m). r Bán kính Rotor (m). P Công suất (W). M Mômen (Nm). C Hệ số nâng. Cd Hệ số cản (drag coefficient). S Diện tích cánh (m2). A Diện tích quét của cánh turbine (m2).  Góc xoay cánh turbine (độ). F Áp lực (N). i Góc tới (độ).  Góc nâng (độ). g Gia tốc trọng trường (9.81m/s2). W Vận tốc tương đối (m).  Vận tốc góc (rad/s). Cp Hệ số công suất. Cm Hệ số mômen. n Số vòng quay (vòng/giây) -tnu.edu.vn - 2 - DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu tạo bộ dẫn động cơ khí của turbine gió trục ngang Hình 1.2 Hình ảnh vận chuyển cánh turbine gió trục ngang ở nước Anh. Hình 1.3 Hệ thống turbine gió trục đứng có biên dạng cánh phức tạp Hình 2.1 Khí động học cánh Rotor Hình 2.2 Lực khí động học cánh turbine Hình 2.3 Turbine kiểu dạng chén Hình 2.4 Turbine kiểu Darrieus và các dạng cải tiến của nó Hình 2.5 Lực khí động học trên phần tử cánh Turbine Darrieus/H.rotor Hình 2.6 Turbine kiểu Savonius Hình 2.7 Rotor dạng tấm phẳng bán hành trình Hình 2.8 Hệ thống cyclogyro Hình 2.9 Hệ thống Lagarde Hình 2.10 Hệ thống kiểu đĩa Hình 2.11 Hệ thống Novel Vertical Axis Wind Turbine Hình 2.12 Cấu tạo của Novel VAWT Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lý hoạt động Hình 2.14 Vị trí cánh trong chu kỳ sinh công của turbine Hình 2.15 Vị trí cánh trong chu kỳ không sinh công của turbine Hình 3.1 Vị trí cánh trong chu kỳ sinh công (trái) và chu kỳ sinh công (phải) Hình 3.2 Gió tác động lên cánh Hình 3.3 Các thành phần lưc lF  và dF  tác dụng lên cánh Hình 3.4 Các thành phần lực tiếp tuyến và pháp tuyến ở nửa bên phải. -tnu.edu.vn - 3 - Hình 3.5 Lực tác dụng lên rotor tại vị trí 1. Hình 3.6 Lực tác dụng lên rotor tại vị trí 2. Hình 3.7 Lực tác dụng lên rotor tại vị trí 3. Hình 3.8 Lực tác dụng lên rotor tại vị trí 4. Hình 3.9 Quan hệ giữa Cm, Cl, và góc tới của cánh NACA 0010-65 Hình 4.1 Vị trí cánh trong chu kỳ sinh công của turbine Hình 4.2 Vị trí cánh trong chu kỳ không sinh công của turbine Hình 4.3 Sơ đồ cơ cấu điều khiển/ dẫn động góc xoay cánh turbine Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý cơ cấu điều khiển/ dẫn động Hình 4.5 Phân tích chiều chuyển động của các bánh răng Hình 4.6 Kích thước tổng thể cơ cấu điều khiểngóc xoay cánh Hình 4.7 Ổ lăn Hình 4.8 Bánh răng Z9 Hình 4.9 Bánh răng Z10 Hình 4.10 Bánh răng Z1 Hình 4.11 Bánh răng Z2 Hình 4.12 Bánh răng Z16 Hình 4.13 Bánh răng Z17 Hình 4.14 Chi tiết trục Hình 4.15 Giá đỡ ổ lăn số 5, 8 Hình 4.16 Giá đỡ ổ lăn số 11, 15 Hình 4.17 Chi tiết số 3 Hình 4.18 Chi tiết số 18 Hình 4.19 Cụm chi tiết số 19 Hình 4.20 Các chi tiết thuộc cụm chi tiết số 19 Hình 4.21 Hình ảnh mô phỏng cơ cấu điều khiển 5 cánh turbine. -tnu.edu.vn - 4 - Chƣơng 1 GIỚI THIỆU 1.1. Đặt vấn đề Hiện nay, trong số các nguồn năng lượng mới, năng lượng bằng sức gió phát triển nhanh nhất trên thế giới vì nguyên liệu dồi dào, rẻ tiền, dễ áp dụng, sạch và không làm hại môi trường. Các máy phát điện lợi dụng sức gió (trạm phong điện) đã được sử dụng nhiều ở các nước châu Âu, Mỹ và các nước công nghiệp phát triển khác. Đức đang dẫn đầu thế giới về công nghệ phong điện. Hiện tại, các trạm phong điện trục ngang (gồm một máy phát điện có trục quay nằm ngang với turbine 3 cánh đón gió) đang được sản xuát và sử dụng phổ biến hơn nhiều so với các trạm phong điện trục đứng (gồm một máy phát điện có trục quay thẳng đứng với các cánh đón gió đặt thẳng đứng). Hiện có các loại máy phát phong điện với công suất rất khác nhau, từ vài trăm W tới hàng MW. Các trạm phong điện có thể hoạt động độc lập hoặc cũng có thể nối với mạng điện quốc gia. Các trạm phong điện 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 quả từ 10 m/s tới 17 m/s, tùy theo từng thiết bị phong điện. Đối với hệ turbine gió kiểu trục ngang (HWAT). Đây là hướng đi chủ yếu của các công ty lớn cũng như của nhiều nhà khoa học trên thế giới, với những thành công vượt bậc về công nghệ, thể hiện qua sản phẩm mang tính thương mại hóa của một số hãng chế tạo nổi tiếng thế giới như Vestas (Denmark) với các -tnu.edu.vn - 5 - sản phẩm V52-850 kW, V80-1.8 MW, V80-2.0 MW, V82-1.65 MW, V90- 1.8&2.0 MW, V90-3.0 MW; Suzlon (India) với các turbine 950 kW to 2 MW; công ty GE Energy (USA) có các sản phẩm 1.500 - 3.600 kW; Siemens(germany) đưa ra thị trường các turbine lớn 1.3 MW, 2.3 MW và 3.6 MW; ..v..v. Tuy nhiên các hệ thống này hiện được xem là rào cản lớn về mặt công nghệ chế tạo tại Việt Nam, do đó các dự án phát triển phong điện trong nước hiện đang đi theo hướng nhập khẩu thiết bị hoàn chỉnh để xây dựng các nhà máy điện gió tại một số khu vực tiềm năng. 1.2. Giới thiệu về việc sử dụng năng lƣợng gió - turbine gió Các trang trại gió ngoài khơi đầu tiên là ở Cape Cod, Massachusetts. Trang trại gió lớn nhất thế giới là Horse Hollow Trung tâm Năng lượng gió, tại Texas, với 421 turbine gió có khả năng cung cấp điện cho 220.000 hộ gia đình / năm. Ngày nay, năng lượng gió là một nguồn năng lượng hấp dẫn, thay thế cho nhiên liệu hóa thạch, vì nó rất phong phú, có thể tái tạo, phân phối rộng rãi, sạch sẽ và sản xuất không thải khí nhà kính. Tính đến năm 2009, tỷ lệ phần trăm điện mà có nguồn gốc từ năng lượng gió là 19% ở Đan Mạch, 13% ở Tây Ba Nha và Bồ Đào Nha, 7% ở Đức và Ireland. Hiện nay, năng lượng gió chủ yếu là chuyển đổi thành điện năng bằng cách triển khai turbine gió. Có nhiều turbine gió với những công suất khác nhau từ khoảng 1kW đến hàng MW. Chúng có thể phát điện khi tốc độ gió đạt 2,8m/s và tự ngưng phát điện khi tốc độ gió vượt quá 25m/s, và hoạt động hiệu quả trong tốc độ gió từ 10m/s đến 17m/s. Turbine gió được chia thành hai loại: một loại trục đứng giống như máy bay trực thăng (vertical axis wind turbines - VAWTs) và một loại trục ngang (horizontal axis wind turbines - HAWTs). Turbine gió trục ngang là loại phổ biến hơn, thường có 2 hay 3 cánh quạt. Ngày nay turbine gió trục ngang 3 cánh quạt được sử dụng rộng rãi.