LỜI CAM ĐOAN Tôi là Dương Văn Đồng - Học viên cao học lớp K11-Công nghệ chế tạo máy Khóa học 2008 - 2010 trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp 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 biên dạng cánh turbine gió trục đứng cho máy phát điện công suất 3KW”. Được sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của PGS. TS Ngô Như Khoa và sự nỗ lực của bản thân, đề tài đã được hoàn thành năm 2010. Tôi 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 người khác. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Thái Nguyên, ngày 10 tháng 10 năm 2010 Tác giả Dương Văn Đồng 1 MỤC LỤC Lời cam đoan………………………………………………………… …… 1 Mục lục. …………………………………………………………… …… 2 Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt…………………………… ………… 3 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài………………………………………… ……… 4 2. Mục tiêu và nhiện vụ của luận văn……………………………… …… 5 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu……………………………… …… 5 4. Phương pháp nghiên cứu……………………………………… …… 6 5. Ý nghĩa…………………………………………………………… …… 6 NỘI DUNG CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1. Năng lượng gió………………………………………………… …… 6 1.2. Các loại máy phong điện……………………………………… …… 6 1.3. Các kiểu dáng hình học cánh turbine gió……………………… …… 8 1.4. Kết luận chương 1…………………………………………… ……. 9 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ BIÊN DẠNG CÁNH TURBINE GIÓ 2.1. Học thuyết Albert Betz ……………………… …… 9 2. 2. Đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động máy phong điện…………… 9 2.3. Cánh turbine gió 10 2.4. Lực tác dụng lên rotor 11 2.5. Một số loại rotor điển hình 12 2.6. Kết luận chương 2 13 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH CÁNH TURBINE GIÓ 3.1. Các biên dạng cánh thường dùng 14 3.2. Mô hình thực nghiệm 15 3.3. Kết luận chương 3 17 CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÁNH TURBINE GIÓ 2 TRỤC ĐỨNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN CÔNG SUẤT 3KW 4.1. Thiết kế cánh turbine gió biên dạng cung tròn 18 4.2. Thiết kế cánh turbine gió biên dạng NACA0015 19 4.3. Vật liệu chế tạo cánh turbine gió 20 93 CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN CHUNG 5.1. Kết quả luận văn đã đạt đựơc 21 5.2. Những kiến nghị nghiên cứu tiếp theo Tài liệu tham khảo 21 22 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT B C C l C d C m C p D HAWT VAWT h R M m NACA P S Số lượng cánh trên rotor Chiều dài dây cung cánh (m) Hệ số nâng Hệ số cản Hệ số mô men Hệ số công suất rotor Đường kính rotor (m) Máy phong điện trục ngang Máy phong điện trục đúng Chiều cao cánh (m) Bán kính rotor (m) Mô men quay rotor (N.m) Khối lượng (kg) Ủy ban cố vấn ngành hàng không quốc gia Công suất rotor (w) Diện tích cánh (m 2 ) 3 F F l F d V W U i β θ λ ω n ρ φ Lực tác động lên cánh (N) Lực nâng tác động lên cánh (N) Lực cản tác động lên cánh (N) Vận tốc thực của gió (m/s) Vận tốc tương đối của gió (m/s) Vận tốc cánh (m/s) Góc tới (độ) Góc đặt cánh (độ) Góc hướng tâm (độ) Tỷ số tốc độ đầu cánh Vận tốc góc rotor (rad/s) Số vòng quay rotor (v/ph) Mật độ không khí (kg/m 3 ) Góc giữa vận tốc W và vận tốc U MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Để thực hiện mục tiêu “công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước” chúng ta cần đảm bảo nguồn năng lượng phát triển công nghiệp, trong đó điện năng giữ vai 4 trò huyết mạch. Từ trước đến nay, nguồn điện năng mà chúng ta sử dụng chủ yếu được tạo ra từ các nhà máy thủy điện, nhà máy nhiệt điện… Nhưng hiện nay, các nguồn tài nguyên thiên nhiên tạo ra năng lượng truyền thống đó đang ngày càng cạn kiệt và ô nhiễm môi trường đang trở thành vấn đề toàn cầu. Yêu cầu cấp thiết cần tìm ra nguồn năng lượng mới để khắc phục các vấn đề trên. Năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng đáp ứng được yêu cầu cấp thiết đó. Việc thực hiện đề tài “Nghiên cứu, tính toán và thiết kế biên dạng cánh turbine gió trục đứng cho máy phát điện công suất 3KW” là rất cần thiết, góp phần cho việc phát triển máy phong điện cung cấp điện năng ở nước ta hiện nay. 2. Mục tiêu và nhiệm vụ • Mục tiêu: Lựa chọn được cánh phù hợp cho loại turbine gió kiểu trục đứng với năm cánh phương hứng gió cố định có tiềm năng ứng dụng trong các máy phát điện bằng sức gió công suất 3KW. Nhiệm vụ: Nghiên cứu tổng quan về các công trình đã được thực hiện trong và ngoài nước đối với tính toán thiết kế cánh turbine gió. Nghiên cứu, tính toán xây dựng công thức để xác định được biên dạng cánh turbine gió. Thực nghiệm mô hình để khảo sát, đánh giá và xác định các thông số cơ bản của hệ thống cánh turbine gió. Xác định được thông số cơ bản của cánh turbine cho máy phát điện bằng sức gió công suất 3kw. Đánh giá khả năng và phạm vi ứng dụng của đề tài. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Tính toán, thiết kế hệ thống cánh turbine gió kiểu trục đứng - Có phương hứng gió cố định - Với năm cánh trên rotor - Sử dụng cho máy phát điện bằng sức gió công suất đến 3KW. 4. Phương pháp nghiên cứu 5 - Nghiên cứu, tính toán khí động học tác động lên hệ thống cánh turbine gió. - Thực nghiệm mô hình cánh turbine gió. - Xác định các thông số cơ bản hệ thống cánh turbine phù hợp yêu cầu đề tài. 5. Ý nghĩa - Ý nghĩa khoa học: Đề tài góp phần nghiên cứu tìm ra quy luật động lực học tác dụng lên cánh hứng gió của turbine. Từ đó đóng góp vào việc thiết kế, chế tạo cánh turbine gió tối ưu nhất phù hợp với điều kiện Việt Nam. - Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả của đề tài cho phép các nhà khoa học chế tạo hệ thống cánh turbine gió kiểu trục đứng cho máy phát điện công suất 3kw phù hợp với điều kiện Việt Nam. Từ đó cung cấp nguồn điện năng phục vụ sinh hoạt và đóng góp cho ngành công nghiệp phát triển xây dựng đất nước. NỘI DUNG CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1. Năng lượng gió Khi mặt trời chiếu xuống trái đất không đồng đều làm cho nhiệt độ của bầu khí quyển, không khí và nước khác nhau. Vì vậy, tạo thành các khu vực có nhiệt độ và áp suất chênh lệch nhau, dẫn đến hình thành luồng khí di chuyển từ vùng có áp suất cao tới vùng có áp suất thấp gọi là gió. Vậy, năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển trái đất và là một hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời. • Tình hình sử dụng năng lượng gió trên thế giới Trên thế giới từ sau những cuộc khủng hoảng dầu mỏ trong thập kỷ 1970 thì việc nghiên cứu sản xuất năng lượng từ các nguồn khác được đẩy mạnh trên toàn thế giới, kể cả việc phát triển các turbine gió hiện đại. Khi đó, một loạt các nước đẩy mạnh khai thác các nguồn năng lượng từ thiên nhiên, trong đó có năng lượng gió. Các nước dẫn đầu khai thác, sử dụng năng lượng gió trên thế giới, như Đức, Mỹ, Hà Lan, Đan Mạch, Tây Ban Nha, Áo, Anh, Pháp, Úc, Ấn Độ, Nhật Bản, Trung 6 Quốc… Và bên cạnh đó có rất nhiều các công trình nghiên cứu trên thế giới về lĩnh vực này. • Tình hình sử dụng năng lượng gió ở Việt Nam Ở Việt nam, chúng ta có tiềm năng gió rất lớn, nước ta có trên 3600 km bờ biển từ bắc vào nam và khoảng 3000 đảo lớn nhỏ. Phần lớn các đảo có dân cư sinh sống, tại đây có nguồn gió quanh năm. Vì đặc điểm về địa lý và địa hình khác nhau giữa các vùng nên mật độ và tính ổn định của nguồn năng lượng gió rất khác nhau. Các vùng được xem là có tiềm năng gió tương đối mạnh và ổn định như: Đảo Bạch Long Vĩ, Đảo Trường Sa, Đảo Hoàng Sa, Quy Nhơn, Quảng Bình, Phan Thiết, Cửa Tùng, Móng Cái… Cùng với việc sử dụng máy phong điện còn có hàng loạt các đề tài nghiên cứu nhằm tìm ra biện pháp nâng cao hiệu quả của máy phong điện ở Việt Nam. Các đề tài nghiên cứu trong nước: Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có công suất 10-30kw phù hợp với điều kiện Việt Nam”; đề tài KC 07.04: “ nghiên cứu lựa chọn công nghệ và thiết bị để sử dụng năng lượng gió trong sản suất, sinh hoạt nông nghiệp và bảo vệ môi trường” 2006;đề tài “Tính toán thiết kế hệ thống cánh turbine gió kiểu trục đứng trong máy phong điện công suất 10KW”, 2009 Vì vậy, đòi hỏi cần có một loại máy phong điện công suất nhỏ phù hợp với điều kiện Việt Nam và đề tài “Nghiên cứu, tính toán và thiết kế biên dạng cánh turbine gió trục đứng cho máy phát điện công suất 3KW ” cần thực hiện để chế tạo máy phát điện bằng sức gió phục vụ điện năng sinh hoạt cho hộ gia đình và sử dụng cho các mục đích khác. 1.2. Các loại máy phong điện - Loại máy phong điện trục đứng(VAWTs) - Loại máy phong điện trục ngang(HAWTs) - Loại máy phong điện ít cánh (2 ÷ 3 cánh) - Một số máy phong điện thường dùng: turbine Darrieus; turbine Savonius; turbine xoắn Gorlov; turbine Giromill 1.3. Các kiểu dáng hình học cánh turbine gió 7 Kiểu dạng chén Kiểu savonius 1.4. Kết luận chương 1 Cho đến ngày nay, năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt thì việc phát triển máy phong gió đang rất được các nước trên thế giới quan tâm. Ở một số nước có sự phát triển rất mạnh hệ thống HAWTs và VAWTs, đã có nhiều công trình nghiên cứu của các nhà khoa học về máy phong điện, song nhìn chung việc tính toán thiết 8 kế hệ thống cánh turbine trong máy phong điện vẫn luôn là một đề phức tạp, nhất là yếu tố biên dạng cánh, đây cũng là một thách thức cho khoa học hiện đại và cũng là đề tài hết sức thu hút các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu, tìm tòi cải tiến hoàn thiện hơn. CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ BIÊN DẠNG CÁNH TURBINE GIÓ 2.1. Học thuyết Albert Betz Lực tác dụng lên rotor và công suất được tính theo công thức: )( 2 1 2 2 2 1 VVSVF −= ρ ))(( 4 1 21 2 2 2 1 VVVVSP +−= ρ 3 1max 27 8 SVP ρ = Ý nghĩa: học thuyết này là cơ sở để tính toán và thiết kế turbine đề tài. 2. 2. Đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy phong điện • Máy phong điện trục ngang(HAWTs) • Máy phong điện trục đứng(VAWTs) 9 2.3. Cánh turbine gió • Các thông số cơ bản trên cánh turbine • Lực và công suất 3 2 2 1 2 1 AVP AVF ρ ρ = = • Hằng số Reynolds Α === υυµ ρ QLVLVL R e • Tỷ số tốc độ đầu cánh - λ V R ω λ = 2.4. Lực tác dụng lên rotor • Lực tác dụng lên rotor trục đứng Ta xét tam giác lực sau θ i θ o B A N M n 10 [...]... tốc gió, thì mô hình biên dạng cánh NACA0015 tốc độ trục turbine chạy nhanh hơn dẫn đến công suất cao hơn mô hình cánh biên dạng cung tròn - Biên dạng cánh NACA015 có biên dạng cánh phức tạp hơn biên dạng cánh cung tròn Vì vậy, công nghệ chế tạo cánh turbine đòi hỏi cao hơn - Biên dạng cánh NACA015 có thể áp dụng cho các turbine gió công suất trung bình và công suất lớn 18 - Turbine sử dụng biên dạng. .. turbine - Kết quả thực nghiệm là cơ sở để tính toán và thiết kế hệ thống cánh turbine cho máy phát điện công suất 3 (kw) CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÁNH TURBINE GIÓ TRỤC ĐỨNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN CÔNG SUẤT 3KW 4.1 Thiết kế cánh turbine gió biên dạng cung tròn Đường kính rotor : D = 3 (m) Bán kính rotor : R = 1,5 (m) Chiều cao rotor : h= 3 (m) Chiều rộng cánh : b = 0,3R = 0,45 (m) Vận tốc góc rotor : ω =... quay trục rotor : n = 38,2 (v/ph) Kết luận: - Như vậy ta hoàn toàn xác định được các thông số của cánh turbine đươc thiết kế Biên dạng cánh NACA được sử dụng rất phổ biến bởi ưu điểm nổi bật tạo lực nâng cánh lớn và lực cản nhỏ Biên dạng cánh này thường chế tạo các turbine công suất lớn và công suất trung bình Thích hợp cho cả turbine trục đứng và turbine trục ngang - Bên cạnh đó, loại cánh turbine biên. .. turbine trong đề tài thiết kế cho máy phát điện công suất nhỏ (3kw) nên cho phép không cần sử dụng động cơ khởi động turbine - Turbine thiết kế trong đề tài, hoạt động rất tốt trong trường hợp gió nhỏ hoặc gió không ổn định Vì biên dạng cánh turbine có hệ số lực đẩy cánh lớn và hệ số lực cản cánh nhỏ nên tạo mô men sinh công quay cho trục khá cao 19 - Turbine sử dụng biên dạng cánh cung tròn chuyển... với tính toán thiết kế Điều này đã chứng minh phương pháp thiết kế mô hình là đúng Kết quả này là cơ sở cho phép ta tính toán thiết kế hệ thống cánh turbine trục đứng công suất 3 kw - So với các tài liệu khác, kết quả thiết kế là phù hợp và chính xác 17  Thí nghiệm thứ tư: Xác định tốc độ vòng quay và công suất rotor biên dạng cánh NACA0015 TT V(mph) 1 2 3 4 5 6 7.8 10.0 12.3 13.8 15.8 17.4 TB Tính toán. .. (2007), Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có công suất 10 – 30kw phù hợp với điều kiện Việt Nam, mã số KC.06 20CN Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội [3] Trần Ích Thịnh (1994), Vật liệu composite, Nxb GD Hà Nội [4] Chu Đức Quyết (2009), Tính toán thiết kế hệ thống cánh turbine gió kiểu trục đứng trong máy phong điện công suất 10KW”, Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật, Trường Đại học Kỹ thuật Công. .. (v/ph) Số cánh trên rotor : B = 5 (cánh) Tỷ số tốc độ đầu cánh : λ= 0,3 Kết luận: - Từ phần trên, ta có thể hoàn toàn xác định được kích thước biên dạng cánh turbine gió Turbine thiết kế trong đề tài có biên dạng cánh giống như biên dạng cánh turbine Savonius, nhưng turbine Savonius thường được ứng dụng để khởi động cho các turbine khác hoặc dùng trong trường hợp turbine công suất nhỏ Còn turbine trong... cung cánh turbine cho máy phát điện bằng sức gió công suất 3kw - Xác định được quy luật đường gió di chuyển qua các cánh turbine - Luận văn là nguồn tài liệu cho các đề tài khác liên quan tham khảo 5.2 Những kiến nghị nghiên cứu tiếp theo - Cần xây dựng được phần mềm chuyên dùng để thiết kế biên dạng cánh - Nghiên cứu ảnh hưởng lực quẩn của gió tác động tới cánh - Ảnh hưởng của hằng số Reynoilds đến cánh. .. phù hợp Trong phạm vi luận văn, tác giả định hướng tập trung vào nghiên cứu lực khí động học tác động lên dạng rotor Darrieus với các biên dạng cánh khác nhau Từ đó tìm ra biên dạng cánh phù hợp với yêu cầu của đề tài 14 CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH CÁNH TURBINE GIÓ 3.1 Các biên dạng cánh thường dùng • Biên dạng cánh NACA NACA 4 số Bộ NACA đầu tiên được các nhà thiết kế tạo ra là bộ 4 số -... kế rotor cánh NACA0015 là đúng Đây là cơ sở để thiết kế turbine gió cho máy phát điện bằng sức gió công suất 3kw 3.3 Kết luận chương 3: - Vận tốc gió luôn tỷ lệ thuận với tốc độ vòng quay và giá trị công suất rotor Qua thực nghiệm nhiều lần ta hoàn toàn xác định được góc đặt cánh hợp lý để rotor hoạt động đạt công suất tối đa - Kết quả thực nghiệm cả hai mô hình rất phù hợp với lý thuyết tính toán - . 4. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÁNH TURBINE GIÓ 2 TRỤC ĐỨNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN CÔNG SUẤT 3KW 4.1. Thiết kế cánh turbine gió biên dạng cung tròn 18 4.2. Thiết kế cánh turbine gió biên dạng NACA0015 19 4.3 cấp thiết đó. Việc thực hiện đề tài Nghiên cứu, tính toán và thiết kế biên dạng cánh turbine gió trục đứng cho máy phát điện công suất 3KW là rất cần thiết, góp phần cho việc phát triển máy. turbine cho máy phát điện công suất 3 (kw). CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÁNH TURBINE GIÓ TRỤC ĐỨNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN CÔNG SUẤT 3KW 4.1 Thiết kế cánh turbine gió biên dạng cung tròn Đường kính rotor