BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGÀNH ĐIỆN CÔNG NGHIỆP  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề Tài : THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG TURBINE GIÓ TRỤC ĐỨNG Giáo viên hướng dẫn: Thầy Trần Thanh Vũ Sinh viên thực : Nguyễn Bảo Quân - 1551030044 Phạm Nguyễn Hà Vy - 1551030069 Lớp: DC15A TP Hồ Chí Minh, tháng 12/2019 PHẦN NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Tinh thần thái độ làm việc sinh viên trình làm đề tài tốt nghiệp Đánh giá chất lượng đề tài tốt nghiệp (so với nội dung yêu cầu đề nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp, mặt lý luận thực tiễn, tính tốn giá trị sử dụng, chất lượng vẽ ) Cho điểm GVHD: Điểm ghi số: Điểm ghi chữ: Ngày … tháng … năm 2019 Giáo viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CỦA NGƯỜI CHẤM PHẢN BIỆN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Đánh giá chất lượng đề tài tốt nghiệp mặt thu thập phân tích số liệu ban đầu, sở lý luận chọn phương án tối ưu, cách tính tốn chất lượng thuyết minh vẽ, giá trị lý luận thực tiễn đề tài Cho điểm cán chấm phản biện Cho điểm số: Cho điểm chữ: MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU Trong Hội thảo Trung tâm Truyền thông Tài nguyên Môi trường - Bộ Tài nguyên Môi trường phối hợp với Sở Tài ngun Mơi trường tỉnh Bình Thuận tổ chức ngày 28/8 thành phố Phan Thiết, tỉnh Bình Thuận, nhiều ý kiến cho rằng, nhiều nước giới Việt Nam sử dụng nguồn lượng hóa thạch (than, dầu, khí đốt) để tạo nguồn điện Các nguồn lượng không cạn kiệt mà đem lại nhiều thách thức lớn bảo vệ môi trường Việc phát triển lượng tái tạo, tìm nguồn lượng sạch, lượng gió, thay nguồn lượng hóa thạch trở nên quan trọng cần thiết Phát triển “năng lượng xanh” trở thành hướng thông minh xu phát triển tất yếu Việt Nam giới Việt Nam đánh giá quốc gia có nhiều tiềm để phát triển lượng lượng tái tạo Sự đa dạng nguồn lượng tái tạo có sẵn tự nhiên mặt trời, gió, thủy điện, sinh khối, thủy triều, dòng chảy,… triển khai toàn cầu nhằm giảm thiểu tác động biến đổi khí hậu bảo vệ mơi trường Không dọn dẹp ô nhiễm, rác hành tinh chúng ta, giảm bớt nóng lên Trái Đất mà nguồn lượng không cạn kiệt, có khả tái tạo khai thác nơi xa xôi Năng lượng gió động khơng khí di chuyển bầu khí Trái Đất Năng lượng gió hình thức gián tiếp lượng mặt trời Năng lượng gió người khai thác từ tuốc bin gió Trong số 20 thị trường lớn giới, riêng châu Âu có 13 nước với Đức nước dẫn đầu công suất nhà máy dùng lượng gió với khoảng cách xa so với nước lại Tại Đức, Đan Mạch Tây Ban Nha việc phát triển lượng gió liên tục nhiều năm qua nâng đỡ tâm trị Nhờ vào mà ngành công nghiệp phát triển quốc gia Năm 2007 giới xây khoảng 94.112 MW điện, Mỹ với 16.818 MW, Tây Ban Nha 15.145 MW, Trung Quốc 6.050 MW, 8.000 MW Ấn Độ 22.247 Đức Chi phí giảm cơng nghệ tuabin gió cải thiện Hiện có cánh tuabin gió dài nhẹ hơn, cải thiện hiệu suất tuabin tăng hiệu suất phát điện Ngoài ra, vốn dự án gió chi phí bảo trì tiếp tục giảm Chính vậy, nhóm em lựa chọn đề tài Thiết kế xây dựng hệ thống turbine gió làm đề tài tốt nghiệp Việc xây dựng hệ thống turbine gió giúp bảo vệ môi trường tạo cảnh quan du lịch Bên cạnh đó, điện tạo từ turbine gió thay phần điện lưới quốc gia, giúp tiết kiệm kinh tế cho người tiêu dùng TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ Năng lượng gió động khơng khí di chuyển bầu khí Trái Đất Năng lượng gió hình thức gián tiếp lượng mặt trời Sử dụng lượng gió cách lấy lượng xa xưa từ môi trường tự nhiên Sự hình thành lượng gió: Bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất không đồng làm cho bầu khí quyển, nước khơng khí nóng khơng Một nửa bề mặt Trái Đất, mặt ban đêm, bị che khuất không nhận xạ Mặt Trời thêm vào xạ Mặt Trời vùng gần xích đạo nhiều cực, có khác nhiệt độ, khác áp suất mà khơng khí xích đạo cực khơng khí mặt ban ngày mặt ban đêm Trái Đất di động tạo thành gió Trái Đất xoay tròn góp phần vào việc làm xốy khơng khí trục quay Trái Đất nghiêng (so với mặt phẳng quỹ đạo Trái Đất tạo thành quay quanh Mặt Trời) nên tạo thành dòng khơng khí theo mùa Do bị ảnh hưởng hiệu ứng Coriolis tạo thành từ quay quanh trục Trái Đất nên khơng khí từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển động thắng mà tạo thành gió xốy có chiều xốy khác Bắc bán cầu Nam bán cầu Nếu nhìn từ vũ trụ Bắc bán cầu khơng khí di chuyển vào vùng áp thấp ngược với chiều kim đồng hồ khỏi vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ Trên Nam bán cầu chiều ngược hướng lại Ngồi yếu tố có tính tồn cầu trên, gió bị ảnh hưởng địa hình địa phương Do đất nước có nhiệt dung khác nên ban ngày đất nóng lên nhanh nước, tạo nên khác biệt áp suất có gió thổi từ biển hay hồ vào đất liền Vào ban đêm đất liền nguội nhanh nước hiệu ứng xảy theo chiều ngược lại Lợi ích sử dụng lượng gió: - Một mơi trường sạch: Hiện nhiên liệu từ hóa thạch chiếm khoảng 67% lượng cung cấp cho tồn cầu, lại làm nhiễm mơi trường trầm trọng khí carbon dioxide mà chúng thải ra, loại khí nhà kính tạo thay đổi khủng khiếp môi trường dần hủy hoại sống Theo báo cáo Stern 2007 người khơng có hành động để chống lại thay đổi khí hậu làm cho GDP tồn cầu bị từ đến 20% Turbine gió tạo lượng khơng tạo khí carbon dioxide Theo đánh giá EWEA (Hiệp hội lượng gió châu Âu) tiềm điện gió lắp đặt châu Âu đến cuối năm 2007 có tổng cơng suất 56,5 GW, tránh phải thải 90 triệu CO2 năm Con số tương đương với 45 triệu ô tô chạy đường Đến năm 2010, với 80 GW dự kiến lắp đặt đưa vào hoạt động, lượng CO2 hàng năm khơng bị thải môi trường lên tới 135 triệu Con số chiếm 35% khí thải nhà kính cần cắt giảm cam kết châu Âu theo quy định Nghị định thư Tokyo Đến năm 2020, điện gió biển cạn lắp đặt châu Âu có tổng cơng suất 180 GW Con số tương đương với 325 triệu CO2 khơng thải mơi trường Ngồi việc cắt giảm khí CO2, điện gió tránh chất thải hóa học độc hại thủy ngân chất gây nhiễm mơi trường Ơ nhiễm mơi trường gây tác động xấu đến sức khỏe người bao gồm bệnh liên quan đến tim mạch, bệnh hô hấp, ung thư,… Năng lượng gió khơng có chất phóng xạ gây ô nhiễm nguồn nước Sử dụng lượng điện gió khơng làm suy kiệt, hay phá hoại nguồn tài nguyên thiên nhiên mà đảm bảo tận dụng tốt nguồn tài nguyên từ gió - Làm giảm giá điện: Đưa lượng gió vào hệ thống điện làm giảm tổng thể giá điện Có lý để giải thích: tác động liên quan đến nguồn khác, thứ hai từ việc điện gió khơng tạo khí CO2 Đầu tiên, turbine gió khơng tiêu thụ nhiên liệu, chi phí bảo trì khơng lớn Điều có nghĩa trang trại gió xây dựng khiến kinh tế đỡ trả khoản tiền lớn để mua nhiên liệu mà khai thác tối đa tiềm từ gió Thứ hai, điện gió khơng thải khí CO2 nên nhà đầu tư tiết kiệm khoản tiền việc đầu tư loại máy móc thân thiện với mơi trường hay - khoản phí thải khí CO2 vượt mức cho phép Tạo cơng ăn việc làm: Điều chứng minh quốc gia có cơng nghiệp phát triển, nước tiêu thụ phần lớn lượng từ điện gió Một minh chứng sống động châu Âu Dựa số liệu thống kê từ Eurostat, việc làm lĩnh vực gió chiếm khoảng 7,3% việc làm ngành điện, khí đốt, nước, cấp nước Hiện tại, lượng gió cung cấp khoảng 3,7% nhu cầu lượng EU Trong tương lai, theo EWEA dự án ngành lượng gió chiếm khoảng 184.000 nhân cơng vào năm 2010 (bao gồm nhân công trực tiếp gián tiếp) đạt 318.000 vào năm 2020 liên minh châu Âu đạt mục tiêu sử dụng 20% nguồn lượng tái tạo NĂNG LƯỢNG GIÓ Ở VIỆT NAM: Bên cạnh nguồn lượng từ mặt trời lượng gió kỳ vọng giúp Việt Nam bắt kịp tốc độ tăng trưởng nhanh chóng nhu cầu điện ngắn hạn dài hạn Hiện nước giới đối mặt với chiến chống biến đổi khí hậu toàn cầu, với việc thực mục tiêu Paris COP 21 đảm bảo tăng nhiệt độ trung bình tồn cầu từ đến năm 2100 mức 2C, biện pháp giảm sản xuất sử dụng lượng từ nhiên liệu hóa thạch (than, dầu, khí), nguyên nhân phát 2/3 lượng khí nhà kính (CO2) mà thay nguồn lượng tái tạo gió, mặt trời, thủy điện, Theo báo cáo Bộ Cơng thương, Việt Nam có tiềm phát triển điện gió với 3000 km2 đường bờ biển Theo lộ trình, Việt Nam phát triển 800MW vào năm 2020, chiếm khoảng 0,8% tổng nhu cầu điện Mục tiêu phát triển 2000MW điện gió vào năm 2025 6000MW vào năm 2030 Nghiên cứu Ngân hàn giới rằng, Việt Nam nước có tiềm gió lớn nước khu vực, với 39% tổng diện tích Việt Nam ước tính có tốc dộ gió trung bình hàng năm lớn 6m/s, độ cao 65m, tương đương với tổng công suất 512GW Đặc biệt, 8% diện tích Việt Nam xếp hạng có tiềm gió tốt (tốc độ gió độ cao 65m 7-8m/s), tạo 110GW (Hình 1) Tại Việt Nam, Tập đoàn Điện lực quốc gia Việt Nam (EVN) triển khai đưa vào hoạt động thương mại ba trụ điện gió dự án điện gió Đầm Nại tỉnh Ninh Thuận Điện gió Đầm Nại dự kiến năm cung cấp 110 triệu kWh điện cho lưới điện quốc gia trụ điện gió Ninh Thuận (Hình 2) Đây dự án điện gió vào hoạt động Ninh Thuận Dự án liên doanh nhà thầu Công ty CP TSV (TP.HCM) Công ty The Blue Circle (Singapore) xây dựng tổng diện tích 9,4 ha, có cơng suất 40 MW, với tổng mức đầu tư 80 triệu USD Vì vậy, phát triển dự án trang trại điện gió (wind farm) Việt Nam hướng tới mục tiêu chuyển dần sang nguồn lượng tái tạo, giảm thiểu tác động biến đổi khí hậu, giải pháp đánh giá khả thi TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TURBINE GIÓ GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG TURBINE GIĨ: Hình 35 Hình 36 Hình 37 Tìm hiểu động bước: Hình 38 Cấu tạo động bước nam châm vĩnh cửu (Hình 40) Hình 41 - Khái niệm: Động bước loại động điện có nguyên lý ứng dụng khác biệt với đa số động điện thông thường Chúng thực chất động đồng dùng để biến đổi tín hiệu điều khiển dạng xung điện rời rạc thành chuyển động góc quay chuyển động rotor - có khả cố định rotor vào vị trí cần thiết Về cấu tạo, động bước coi tổng hợp hai loại động cơ: động - chiều không tiếp xúc động đồng giảm tốc công suất nhỏ Về hoạt động: Động bước không quay theo chế thông thường, chúng quay theo bước nên có độ xác cao mặt điều khiển học Chúng làm việc nhờ chuyển mạch điện tử đưa tín hiệu điều khiển vào stator theo thứ tự tần số định Tổng số góc quay rotor tương ứng với số lần chuyển mạch, chiều quay tốc độ quay rotor phụ thuộc vào thứ tự - chuyển đổi tần số chuyển đổi Về ứng dụng, điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động bước cấu chấp hành đặc biệt hữu hiệu thực trung thành lệnh đưa - dạng số Động bước ứng dụng nhiều ngành Tự động hóa, chúng ứng dụng thiết bị cần điều khiển xác Ví dụ: Điều khiển robot, điều khiển tiêu cự hệ quang học, điều khiển định vị hệ quan trắc, điều khiển bắt, bám mục tiêu khí tài quan sát, điều khiển lập trình thiết bị gia công cắt gọt, điều khiển cấu lái phương chiều máy - bay,… Trong cơng nghệ máy tính, động bước sử dụng cho loại ổ đĩa cứng, ổ - đĩa mềm, máy in,… Động bước chia làm loại: nam châm vĩnh cửu biến từ trở (cũng có loại động hỗn hợp, khơng khác biệt so với động vĩnh cửu) Nếu nhãn động cơ, phân biệt loại động cảm giác mà không cần cấp điện cho chúng ĐC bước nam châm vĩnh cửu (Hình 42) - ĐC bước biến từ trở (Hình 43) Động nam châm vĩnh cửu dường có nấc dùng tay xoay nhẹ rotor chúng, động biến từ trở dường xoay tự (mặc dù cảm thấy chúng có nấc nhẹ giảm từ tính rotor) Cũng - phân biệt loại động ohm kế Động biến từ trở có mấu, với dây chung, động nam châm vĩnh cửu thường có mấu phân biệt, có khơng có nút trung tâm - Nút trung tâm dùng động nam châm vĩnh cửu đơn cực Động bước phong phú góc quay Các động quay 90 độ bước, động nam châm vĩnh cửu xử lý cao thường quay 1.8 độ đến 0.72 độ bước Với điều khiển, hầu hết loại động nam châm vĩnh cửu hỗn hợp chạy chế độ nửa bước, vài điều khiển - điều khiển phân bước nhỏ hay gọi vi bước Đối với động nam châm vĩnh cửu động biến từ trở, mấu động kích, rotor (ở khơng tải) nhảy đến góc cố định sau giữ nguyên góc moment xoắn vượt qua giá trị moment xoắn giữ - (hold torque) động Động cực: - Hình 44 Động nam châm vĩnh cửu hỗn hợp hai cực có cấu trúc khí giống y động đơn cực, mấu động nối đơn giản hơn, khơng có đầu trung tâm Vì vậy, thân động đơn giản hơn, mạch điều khiển để đảo cực cặp cực động phức tạp Minh họa hình 41 - cách nối động Để phân biệt động nam châm vĩnh cửu cực với động dây biến từ trở, đo điện trở cặp dây Chú ý vài động nam châm vĩnh cửu có mấu độc lập, xếp thành Trong bộ, mấu nối tiếp với nhau, động cực điện cao Nếu chúng nối song song, động cực điện thấp Nếu chúng nối tiếp với đầu trung tâm, dùng với động đơn cực điện thấp Electrical box (Tủ điện): biến đổi điện xoay chiều từ máy phát thành điện chiều ổn định Ảnh tủ điện : Hình 45 Hình 46 Hình 47 Tủ điện bao gồm CB 20A, chỉnh lưu, mạch tăng áp Thiết bị đóng cắt điện (CB) : Dùng loại CB thường có dòng điện định mức 20A, Icu = 1.5kA Ảnh CB: Hình 48 Hình 49 Bộ chỉnh lưu: Thiết bị điện chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện chiều (DC) - Mạch chỉnh lưu cầu pha không điều khiển: Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu pha khơng điều khiển (Hình 50) - Hoạt động mạch: Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu cầu pha (Hình 51) o Trong khoảng từ đến 60, điện áp giai đoạn cuối C cao nên cực dương D5 nhiều phần dương điện áp dòng điện => D5 mở o Từ 60 đến 180, giai đoạn cuối A trở nên nhiều phần dương, D1 thuận chiều D1 mở o Tại 180 giai đoạn cuối A điện áp xuống điện áp giai đoạn cuối B Bây điện áp giai đoạn cuối B nhiều phần dương, đặt D3 mở o Ở 300, điện áp giai đoạn cuối C trở lại đa phần dương, đặt D5 mở o Tương tự, tình trạng diode số chẵn xác định từ hình cách tìm đa phần âm giai đoạn cuối điện áp Từ đến 120, đầu chót B đa phần âm, từ 120 đến 240, đầu chót C đa phần âm, từ 240 đến 360, đầu chót A đa phần âm Kết tổng kết bảng sau: Hình 52 Hình dạng sóng sau qua chỉnh lưu (Hình 53) Mạch tăng áp: Nguyên lý hoạt động: Mạch tăng áp 1200W – 20A tăng điện áp DC với điện áp đầu vào DC từ 8V – 60V, điện áp ngõ liên tục điều chỉnh chiết áp từ 12V – 80V Mạch có cơng suất tải tối đa lên tới 1200W dòng tải tối đa lên tới 18A (Hình 54) Hình 55 Thơng số kỹ thuật:                Điện áp ngõ vào: 8V – 60V DC Dòng điện ngõ vào: tối đa 20A ( lớn 15A cần thêm làm mát) Điệp áp ngõ ra: 12V – 80V DC Dòng điện tiêu thụ khơng tải: 15mA Dòng tải tối đa: 18A (lớn 15A cần thêm làm mát) Dòng điều chỉnh: 0.5A – 18A ( điều chỉnh chiết áp) Công suất ngõ max: 1200W Nhiệt độ hoạt động: -40 0C ~ +85 0C Tần số hoạt động: 150 KHz Hiệu suất hoạt động: 92% đến 97% Kích thước: 120*52*46mm Bảo vệ ngược cực Bảo vệ pin yếu Bảo vệ ngắn mạch Bảo vệ dòng THIẾT KẾ CÁNH TURBINE Yêu cầu: - Tốc độ gió khởi động 1.5 m/s - Tốc độ gió bắt đầu phát m/s Tốc độ gió định mức 20 m/s Công suất định mức 750 W Tốc độ quay rotor – 500 v/p Loại turbine: cánh, turbine gió trục đứng Ký hiệu tính tốn: Vo : Tốc độ gió luồng miễn phí (m/s) R : Bán kính cánh turbine (m)  : Vận tốc góc rotor (rad/s) h : Chiều dài cánh quạt (m) v : Tốc độ gió tương đối (m/s) α : Góc cơng () (alpha) L : Lực nâng (N) D : Lực cản (N) P : Công suất (W) Nb : Số lượng cánh turbine n : Tốc độ quay rotor (v/p) Re : Số Reynolds  : Mật độ khơng khí (kg/m3)  : Độ nhớt khơng khí động học (m2/s) Cp : Hệ số cơng suất  : Tỷ lệ tốc độ tip  : Độ rắn rotor cpmax :  nhằm tối đa hóa Cp cpmax :  nhằm tối đa hóa Cp C : Hợp âm máy bay CL : Hệ số nâng CD : Hệ số cản Tính hệ số Reynold: Ta tính tốn theo sơ đồ khối sau: Với cơng suất 750W, chọn cánh NACA 0018 Với tốc độ gió định mức 20 m/s Mật độ khơng khí 1.2 kg/m3 Độ nhớt khơng khí động học 1,46 * 10-5 m2/s Tỷ lệ khung cánh quạt (h/R) (Hình 56) Hình 56 cho biết tỷ lệ chiều dài cánh bán kính cánh turbine Với h = 1400 mm, Bán kính cánh turbine R = 1000m => Tỷ lệ khung hình cánh quạt (h/R) = AR = 1.4 => Turbine có AR thấp có hệ số công suất cao tốc độ quay thấp Turbine hiển thị ưu điểm : cấu trúc (lưỡi dày có khả chịu ứng suất cao hơn) ổn định (quán tính rotor lớn hơn) Ta giả sử Hệ số Reynold lúc đầu 5*106  Hệ số Cpmax, cpmax, cpmax xác định từ bảng 57 Hình 57 Cpmax = 0.51 , cpmax = 0.3 , cpmax = Tính hợp âm C = cpmax R/Nb = 0.3 * / = 0.0428 Tính hệ số Reynold lần thứ hai, ta áp dụng công thức : Re = CVocpmax/ = 0.0428*20*3/(1.46*10-5) = 175890  1.75 * 105 < 5*106 Tốc độ quay turbine :  = cpmaxVo / R = * 20 / = 60 (v/p)  Lần thử thứ Hình 58 Chọn hệ số Re = 1.75*105 Tra theo Hình 58c, có Cpmax = 0.464, cpmax = 0.4, cpmax = 2.96  Tính hợp âm C = cpmax R/Nb = 0.4 * / = 0.0571 Tính hệ số Reynold lần thứ ba, ta áp dụng công thức : Re = CVocpmax/ = 0.0571*20*2.96/(1.46*10-5) = 231529  2.3 * 105 > 1.75*105 Tốc độ quay turbine :  = cpmaxVo / R = 2.96 * 20 / = 59.2  59 (v/p)  Hồn thành Cơng việc xem xét việc thiết kế turbine gió trục thẳng đứng để tối đa hóa cơng suất Người ta thấy hệ số cơng suất turbine gió tỷ lệ thuận với Reynold cánh Bằng cách phân tích yếu tố ảnh hưởng đến số Reynold, người ta thấy tỷ lệ chiều cao cánh turbine bán kính cánh quạt ảnh hưởng đến số Reynold hệ số cơng suất Một turbine có tỷ lệ khung hình thấp có lợi so với turbine có tỷ lệ khung hình cao Khi số Reynold tăng, hệ số nâng cánh tăng hệ số cản giảm cung cấp moment xoắn lớn