Luận văn Thiết kế hệ thống chiếu sáng hybrid năng lượng gió và năng lượng mặt trời

tâm được cân bằng bởi các lực trên cánh quạt, như vậy tránh được moment uốn. 1.2.2.2. Hạn chế của VAWT so với HAWT: VAWT được đặt ngay trên mặt đất, nên nó lệ thuộc vào gió có tốc độ thấp và thay đổi liên tục. Với cùng một diện tích quét và trọng lượng thì công suất ngõ ra của VAWT thấp hơn HAWT. Toàn bộ trọng lượng VAWT được đặt lên bộ đệm đỡ phía dưới, bộ đệm này rất cứng, linh hoạt và có độ tin cậy cao khi vận hành. Tuy nhiên khi bộ đệm này hư hỏng, thì đòi hỏi phải tháo dỡ xuống toàn bộ máy phát để sửa chữa hoặc thay thế. Đối với VAWT, moment quay và công suất ngõ ra thay đổi thất thường một cách tuần hoàn khi cánh quạt đi vào và ra khỏi vùng tác động của gió trong mỗi vòng quay, trong khi ở HAWT moment quay và công suất ngõ ra khá ổn định. Do moment quay của VAWT thay đổi tuần hoàn, nên tạo ra nhiều tần số dao động tự nhiên. Điều này rất nguy hiểm và cần phải được loại bỏ nhanh chóng bởi bộ điều khiển cơ khí, nếu không sự cộng hưởng sẽ gây hư hỏng nghiêm trọng cho roto. Trong khi đó một HAWT nếu được thiết kế kỹ lưỡng sẽ không có những vấn đề rung động như vậy. 9 Sự phát triển mang tính cạnh tranh và những gì làm được của tuabine trục ngang sẽ bị hạn chế trong tương lai, phần lớn là do tải trọng của những cánh quạt ngày càng lớn. Có thể nhận thấy rằng, mặc dù hiệu suất thấp nhưng tuabine trục đứng không chịu áp lức nhiều từ tải trọng của nó, điều làm giới hạn kích thước của tuabine trục ngang. 1.2.2.3. Kết luận: Tuabine trục ngang và trục đứng như trên đã phân tích đều có ưu và nhược điểm nhất định. Loại trục ngang có hiệu suất cao hơn nhưng chi phí cũng lớn, hệ thống khá phức tạp và chỉ hoạt động tốt khi vận tốc gió lớn. Trong khi loại trục đứng có hạn chế là hiệu suất thấp nhưng bù lại dễ thiết kế, bảo dưỡng và giá thành thấp, đồng thời hoạt động tốt trong điều kiện gió thấp, chiều gió thay đổi liên tục. Việc chọn mô hình trục đứng hay trục ngang khi thiết kế sẽ phụ thuộc vào điều kiện gió tại nơi đó và các tiêu chí thiết kế, các tiêu chí này sẽ được đưa vào bảng phân tích nhân tố và tùy vào nhu cầu người dùng ở từng quốc gia mà các tiêu chí sẽ có trọng số khác nhau, tiêu chí nào có trọng số lớn nhất sẽ được chọn để thiết kế. Theo đề tài này tôi đưa ra 7 tiêu chí sau, để đánh giá nhu cầu sử dụng:  Giá thành thấp.  Được thiết kế dễ dàng và sản xuất với số lượng lớn.  Hiệu suất cao.  Ít duy tu bảo quản.  Bền.  Hoạt động có hiệu quả ở các điều kiện gió không lý tưởng, gió quẩn.  Lắp đặt dễ dàng. Kết quả cho thấy tiêu chí hiệu suất cao, giá thành thấp có trọng số lớn nhất và đã được chọn làm tiêu chí thiết kế để phù hợp với máy phát điện gió công suất nhỏ. Như vậy, nó đánh giá đúng cho điều kiện gió ở Việt Nam, khoảng 4m/s và đặc biệt cho đề tài nghiên cứu này. Với nghiên cứu máy phát điện gió của đề tài này được xây dựng với điều kiện vận tốc gió thấp tại các vùng nông thôn ở Việt Nam, cần phải được làm việc hiệu suất cao mà giá thành thấp cũng như đảm bảo được hết các yêu cầu còn lại. Những tiêu chí này hoàn toàn phù hợp với mô hình trục đứng. Trong quá trình chọn dạng cánh để làm đề tài tôi đã chọn kiểu dáng cánh Lenz2 với nhiều ưu điểm, kiểu dáng cánh Lenz2 này dễ dàng trong thiết kế chế tạo và thi công so với các dạng cánh khác. 10 Hình 1.5: Kiểu cánh dạng Lenz2 cải tiến từ dạng cánh Sovonious và Darrieus 1.3. MỘT THÍ DỤ VỀ SỰ THAY ĐỔI ĐỘ GIÓ TRONG NĂM Qua liên hệ với trạm khí tượng thủy văn Bà Rịa Vũng Tàu, Đồng Nai tôi được cung cấp bản sơ đồ vận tốc gió của năm 2012 như sau: Bảng 1.1: Tốc độ gió trung bình (m/s) các tháng trong năm của Long Hải và Phước Tỉnh thuộc Bà Rịa -Vũng Tàu Tháng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Long Hải 5.84 5.11 7.29 6.57 6.03 6.10 11.63 9.50 11.45 8.06 6.57 7.29 Phước Tỉnh 6.23 5.71 7.84 7.00 6.61 6.80 12.16 10.03 12.1 8.58 6.90 6.16 Bảng 1.2 Tốc độ và hướng gió khu vực giai đoạn 2001-2011 Ghi chú: Nguồn từ Trung tâm Khí tượng Thủy văn Quốc gia, Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Nam bộ. Số liệu Trạm Khí tượng Đồng Nai. S: Nam N: Bắc W: Tây E: Đông H: Hướng 11 Bảng 2: Tốc độ gió trung bình (m/s) các tháng trong năm của tỉnh Đồng Nai Với kết quả trên cho ta thấy việc ứng dụng năng lượng gió ở ba địa phương Long Hải và Phước Tỉnh, Đồng Nai trên là khả thi. Với các trạm điện gió cỡ nhỏ và vừa có tốc độ bắt đầu hoạt động trong khoảng từ 3- 5 m/s , khả năng ứng dụng cao 1.4. SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ Hiện tại nước ta đang xảy ra hiện tượng thiếu điện ở mùa khô, do đó việc phủ lưới điện quốc gia tới những khu vực thưa dân cư như khu vực ven biển, miền núi, hải đảo là chưa thể trong nhiều năm tới. Việc ứng dụng năng lượng gió công suất nhỏ tỏ ra phù hợp với những vùng có điều kiện thời tiết đầy tiềm năng này. Đây chính là một lý do được các nhà khoa học Việt Nam theo đuổi. Thông thường những vùng sử dụng năng lượng gió công suất nhỏ là những vùng có thu nhập thấp vì vậy chúng ta phải tìm ra phương án khả thi về chi phí đầu tư, vận hành và bảo trì cho những trạm phát điện như thế này. Vì theo kinh nhiệm và thông tin thì hầu như những trạm điện nhỏ lẻ chế tạo do những nhóm nghiên cứu của Việt Nam thì ngưng vận hành trong thời gian rất ngắn sau khi nghiệm thu. Vì những vùng này thường có bão và dao động về khí hậu rất lớn trong khi việc nghiên cứu chuyên sâu để có được những thiết bị như máy phát, vv chịu được những tình huống này không được xem xét đến trong dự án có thể là do kinh phí dự án và nhiều yếu tố khác. Thông qua dự án nghiên cứu chế tạo máy phát năng lượng gió tầm thấp này chúng tôi tập trung vào việc nghiên cứu những phần nào chúng ta có thể còn lại những thiết bị nào cần thiết chúng ta vẫn phải phụ thuộc vào những đơn vị ngiên cứu chuyên nghiệp và tìm ra phương án thi công cũng như những nguyên vật liệu có sẵn tại Việt Nam để giảm giá đến mức thấp nhất cho người sử dụng. Với công suất thiết kế 300W, máy phát điện gió này cũng đủ cung cấp cho hệ thống đèn chiếu sáng riêng lẻ phục vụ cho khu vực miền núi và hải đảo. Mục tiêu chính của dự án là:  Thiết kế chế tạo máy phát điện gió tầm thấp  Nghiên cứu và thiết kế dạng cánh chịu được sự thay đổi lớn  Tìm hiểu một số dạng trụ có sẵn như trụ điện, trụ tháp anten của các đơn vị đã thiết kế sẵn để giảm chi phí đầu tư  Thiết kế pin năng lượng mặt trời tương ứng phù hợp cho chiếu sáng  Thiết kế mạch để có thể sử dụng được hai nguồn điện áp  Thiết kế mạch biến đổi DC-24 /AC -220, sử dụng thiết bị chiếu sáng 12 1.5. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.5.1. Hệ thống điện gió độc lập Hệ thống năng lượng gió là hệ thống các thiết bị chuyển đổi cơ năng của gió sang điện năng phục vụ các mục đích của con người. Những bộ phận chính trong hệ thống năng lượng gió gồm có động cơ điện một chiều, cánh quạt gió, trụ và cột, bộ phận biến đổi điện thích hợp với bình acqui và bộ nghịch lưu để đổi sang dòng điện xoay chiều. Điện từ máy phát điện gió được nạp vào bình acqui để sử dụng trong phạm vi, ứng dụng nhỏ cho những nơi xa thành phố, khu vực quân sự các hải đảo mà nguồn điện Quốc gia không tới được. Một hệ thống sử dụng năng lượng gió nhỏ thường hoạt động độc lập và bao gồm các thành phần cơ bản cấu thành như sau:  Cánh quạt gió  Máy phát điện gió  Tháp hay trụ đỡ máy phát  Các bộ điều khiển  Acqui được lắp đặt theo lưu đồ hình 1.6:  Các bộ biến đổi Hình 1.6: Sơ đồ hệ thống điện gió độc lập kết hợp acqui 1.5.2. Hệ thống điện gió hybrid Hệ thống hyrid hệ thống pin Năng lượng mặt trời/hệ thống năng lượng gió "Hybrid Power W-02" bao gồm các thành phần chính sau: Biến tần / bộ sạc năng lượng mặt trời, module năng lượng mặt trời, máy phát điện gió (bao gồm cả chỉnh lưu và bộ điều khiển) cũng như pin và hộp kết nối pin (BAE). 13 Hình 1.7: Sơ đồ hệ thống hybrid. 1.5.3. Bộ điều khiển: Năng lượng gió có nhược điểm lớn là tốc độ gió thay đổi liên tục vì vậy công suất nhận được từ máy phát cũng dễ dàng thay đổi liên tục không ổn định. Vì năng lượng gió là phi tuyến nên rất khó thiết lập phương pháp tuyến tính để kiểm soát công suất. Đồng thời công suất phát của tuabin phụ thuộc vào tốc độ quay của roto và tốc độ gió hay điểm hoạt động công suất tối ưu. Chính vì các lý do đó đề tài nghiên cứu và ứng dụng bộ điều khiển có khả năng dò điểm hoạt động có công suất cực đại (Maximum Power Point Tracking – MPPT) mà không phân biệt loại máy phát điện nào sử dụng, bộ điều khiển sẽ điều khiển thông số dòng điện và điện áp đầu ra của máy phát một cách tự động, điều chỉnh sao cho công suất phát ra ứng với tốc độ gió là tối đa. Tổn thất điện năng của máy phát điện gió đạt giá trị tối thiểu, và làm giảm năng lượng tổn hao. Bộ điều khiển có chức năng hòa hai nguồn điện áp từ tuabin gió và pin năng lượng mặt trời. 14 Một nhiệm vụ không kém quan trọng khác của bộ điều khiển được trình bày trong sơ đồ tổng quát của hệ thống năng lượng gió là nạp năng lượng cho hệ thống bình acqui. Bộ điều khiển có nhiệm vụ chính là sẽ nạp năng lượng cho hệ thống ácquy kết hợp với kiểm soát tình trạng quá tải hệ thống khi acqui đầy. Nếu trường hợp quá tải xảy ra bộ điều khiển này sẽ tự động chuyển năng lượng thừa sang bộ phận xả điện. 1.5.4. Bộ sạc acqui Mạch nạp ắcquy 3 giai đoạn hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, với những ưu điểm nạp nhanh chóng và an toàn, đồng thời tăng tuổi thọ của ắcquy. Để phục vụ cho việc nạp vào hệ thống bình ắcquy, đề tài đã nghiên cứu, tính toán và thiết kế mạch sạc ắcquy 3 giai đoạn. Nhằm mục đích làm chủ được công nghệ của bộ điều khiển trong hệ thống năng lượng gió công suất nhỏ. Mạch nạp ắcquy 3 giai đoạn là cải tiến từ những hạn chế của mạch nạp 2 giai đoạn. Đầu tiên cũng nạp với dòng điện nạp không đổi cho đến khi đạt đến điện áp 14.4V đối với ắcquy 12V. Sau đó giữ nguyên giá trị điện áp này, do dung lượng ắcquy lúc này đã tăng lên đáng kể nên dòng điện nạp giảm dần bằng ¼ giá trị cực đại (giai đoạn 2). Kết thúc giai đoạn này ắcquy được nạp khoảng 90% dung lượng. Điện áp nạp lại tự động giảm xuống và giữ điện áp nổi là 13.8V (giai đoạn 3). Khi đó bình sẽ từ từ được khôi phục 10% dung lượng còn lại. Như vậy toàn bộ dung lượng ắcquy sẽ được khôi phục nhanh chóng và an toàn. 1.5.5. Bộ biến đổi Bộ biến đổi dùng để biến đổi điện áp và tần số cho phù hợp với mục đích sử dụng được trình bày trong hình 10. Hầu hết các tải đang được sử dụng là tải xoay chiều, do đó muốn sử dụng được thì cần phải có một bộ nghịch lưu DC/AC có nhiệm vụ chuyển đổi dòng điện một chiều từ hệ thống ắcquy sang điện xoay chiều dưới dạng sóng sin chuẩn, điện áp bằng điện áp lưới thường 220V hay 110V tùy lưới điện của từng quốc gia. Bộ nghịch lưu này phải có công suất phù hợp với hệ thống tuabine gió tương ứng. 1.5.6. Đèn chiếu sáng Hiện nay hệ thống chiếu sáng công cộng trên cả nước đang được sử dụng các loại đèn sử dụng bóng sodium có công xuất 100W, 150W, 250W ánh sáng vàng sử dụng nguồn điện 220V. Với tiêu chí sử dụng năng lượng tái tạo và làm giảm việc ô nhiễm môi trường. Trong đề tài này đèn được tôi chọn là đèn LED 75W độ rọi 7000- 15 8000 lm tương đương với bóng sodium 150W. Đèn led có tuổi thọ cao độ bền 50.000 giờ phát sáng, phát sinh nhiệt lượng ít trong quá trình vận hành. Hình 1.8: đèn chiếu sáng sử dụng bóng dèn led Bảng 1.3 : Thông số kỹ thuật đèn chiếu sáng sử đèn Led do công ty cổ phần năng lượng Tuấn Ân cung cấp Lamp power 1 x 40W 1 x 80W 2x 80W 1x 80W 2x 80W Solar module 100W 200W 300W 200W 300W Lumens 2800lm 4000lm 4000lm 4000lm 4000lm Lux average 24 lux 24 lux 24 lux 24 lux 24 lux Lamp height 6.0m 8.0m 8.0m 10.0m 10.0m Lamp life 100.000hrs 100.000hrs 100.000hrs 100.000hrs 100.000hrs 16 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN 2.1. Thiết kế chế tạo máy phát điện gió Với yêu cầu cần lắp đặt máy phát điện gió cho tầm thấp dưới 20 mét chỉ nên chọn dạng máy phát có trục thẳng đứng (vì máy phát cho trục nằm ngang phải có tốc độ gió trên 4m/s) Qua tìm hiểu một số loại máy phát điện hiện có trên thị trường như sau: Máy phát điện thông thường tốc độ vòng tua lớn muốn phát điện phải qua một hệ thống nhông truyền dẫn động. Máy phát điện tốc độ thấp có nhiều cặp cực nhập khẩu từ nước ngoài có giá thành quá cao, quy trình nhập khẩu gặp nhiều khó khăn. Chính vì những lí do đó tôi thiết kế chế tạo máy phát điện chạy tốc độ thấp với 16 cực từ sử dụng nam châm vĩnh cửu với các yêu cầu như sau:  Tốc độ quay phát điện 60V/phút  Điện áp phát trên pha 18V  Công xuất định mức 300W  Dòng điện 5 A Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu được thiết kế để phục vụ cho quá trình chế tạo sau này. Tuy nhiên đây chỉ là thiết kế chế tạo thủ công đơn chiếc. Để đưa vào sản xuất hàng loạt còn phải thực hiện thiết kế quy trình công nghệ phù hợp với quy mô sản xuất lớn. 2.1.1. Các công thức tính toán các số liệu chính của động cơ - Điện áp pha: Để quấn và lồng dây được thuận lợi, chọn sơ đồ nối dây hình tam giác. Uf = Ud = 18V - Dòng điện với cos =0,95 chọn sơ bộ theo kiểu máy Id = = = 10,1 A If = = 5,85 A Công suất tính toán P’ = Ke * Pđm = 1,07*0,3 = 0,321 Chọn sơ bộ bước răng 17 T = 0,6cm Bước cực của máy; ở đây chọn số rãnh của một pha dưới một cực q =1 = tmq = 0,6*3*1 = 1,8 Đường kính ngoài của Stator: Ds = = = 18,3 Chiều dài lỏi thép = bước cực = 0,92 đường cong từ trường Ks = 1,1 ọn hệ số quấn dây kd = 1 mật độ từ thông khe hở không khí = 0,4t tải đường A = 272A/cm ta có = 2,215 cm có = 3 cm 2.1.2. Dây quấn, rảnh Stator và khe hở không khí Số rãnh stator Z1 = mp1q1 = 3*16*1 = 48 Số thanh dẫn tác dụng trên một rãnh: Ur = = 46,4 Chọn mạch nhánh song song a=1 Số vòng dây nối tiếp của 1 pha : W1 = = 835. Tiết diện đường dây quấn sơ bộ chọn mật độ dòng điện J = 1,2A/mm2. Từ đó ta tính được tiết diện cần thiết: S = = = 4,875 mm2 18 Từ thông khe hở không khí: = = 10,4*10-5 Mật độ từ thông khe hở không khí = = 0,62 T Kích thước rãnh: S = 24,89mm2 Bề rộng răng Stator = –d1 = -2 = 11,57 = – d2 = 10,14 = = 10,98 - Chọn khe hở không khí = 0,9mm Chọn chiều cao gông Stator: hgi= 20mm2 2.1.3. Kích thước Rotor Rotor là phần nằm phía ngoài, lắp trực tiếp với hệ thống tuabin gió. Các kích thước tính toán dưới đây đảm bảo cho phần điện từ của máy điện. Bề rộng mặt cực từ : với m = 0,92 ta có Bm = m = 0,92* 1,8 = 1,656 cm Đường kính trong của rotor: Dtr= Ds + 2 = 183+2*0,9 = 184,8 mm. Đường kính lắp nam châm; trong đề tài này tôi chọn thanh nam châm có bề dày 5mm. D’tr = Dtr + 2Inc= 184,8+2*5 = 194,8 mm Đường kính ngoài lõi sắt rotor : chọn bề dày vỏ máy (đồng thời là mặt dẫn từ ) là 7mm Dnr= D’tr + 2hg2 = 194,8 + 2*7 = 208 mm 19 Hình 2.1: Stator máy phát 2.1.3. Tính toán mạch từ - Hệ số khe hở không khí : vật liệu được dùng để chế tạo lõi thép Stator là thép kỹ thuật điện loại 2211. = v = 0,517 = 1,049 = 1 = = 1,049 từ động khe hở không khí = 1,6 = 604,2A Mật độ từ thông răng Stator: BzI= 0,559T  Hzl = 1,09 A/cm, hzl = 20,67mm  Fzl =2Hzl hzl = 4,5A - Hệ số bảo hòa : Kz = = 1,007 - Chiều dài phần đấu nối dây quấn sơ bộ: với dây quấn bước đủ Y = = = 1,5 Ta có = = =3,175 cm Kdn = 0,3 ; p =1 Rảnh Stator   Lổ luồn dây kết nối pin năng lượng 20  Ldn= kdn + 2p = 0,3*3,175+2 = 2,95 - Chiều dài trung bình nửa vòng dây quấn: - Ltb = L1 + Ldn = 4 + 2,95 =6,95 cm - Chiều dài dây quấn một pha: L1 = 2 Ltb10-2 w1 = 2*835*6,95*10-2=116,06m - Điện trở tác dụng của dây quấn Stator R1 = 0,35 = R1 = 0,35* = 0,113 - Hệ số từ dẫn tạp Stator: = 0 (hệ số này lấy tương đối tương đương máy đồng bộ cực tròn do ghép liền nam châm vĩnh cửu) - Hệ số từ tản phần đầu nối: =0,34 (Ldn – 0.64 ) = 0,34 ( 2,95 – 0,64*1*1,8) = 0,226 - Lựa chọn nam châm vĩnh cửu: Loại nam châm N38, xem thông số theo bảng 4.1 dưới đây: Hình 2.2: Rotor máy phát Bảng 2.1: Tham số nam châm N38 của Công ty NINBO (Trung Quốc) Nam châm vĩnh cửu 21 - Đây là loại nam châm thông dụng với giá thành khá hợp lý. Cũng có thể sử dụng các loại nam châm khác có chất lượng cao hơn (tra cứu thông qua Website: - Kích thước nam châm vĩnh cửu: Để tạo ra từ thông khe hở không khí theo yêu cầu của máy, kích thước tối thiểu của một miếng nam châm phải là: + Chiều dài Inc = = 20mm + Bề rộng cung : = 0,92* 180= 165,6 mm + Bề dày : b= 6mm 2.1.4. Tổng kết các số liệu thiết kế Thông số của máy phát như sau:  Số cực: 16 cực  Dây điện quấn theo kiểu: 3 pha  Kiểu đấu dây: Tam giác  Cốt của trục đứng: 35mm  Điện áp phát trên pha: 18V  Công xuất định mức: 300W  Dòng điện: 10,1 A Hình 2.3: Dạng tuabin cho hệ thống hybird được thiết kế 22 Chương 3: THIẾT KẾ CÁNH QUẠT 3.1. Tính toán xác định góc cánh điều khiển của tuabin gió trục đứng. Trong thời gian thực nghiệm nguyên cứu và chế tạo dạng cánh cho đề tài Tác giả có thiết kế chế tạo hai dạng cánh Dạng cánh Giromill và Dạng cánh Lenz2 để tiến hành thực nghiệm. 3.1.1. Dạng cánh Giromill Tuabin gió trong luận văn nghiên cứu là tuabin trục đứng gồm 1 0 cánh có biên dạng phẳng hình chữ nhật Để xác định góc cánh điều khiển ta đi phân tích động lực học của cánh gió tuabin ở một vị trí bất kỳ như hình : Hình 3.1: Véc tơ tác dụng lên một cánh là góc định vị ở tâm là góc cánh (đại lượng cần điều khiển) là góc tới là tốc độ gió Giả thiết tốc độ gió tác động vào cánh tuabin là , ta phân tích nó thành hai thành phần, một thành phần song song với mặt cánh là một thành phần vuông góc với mặt cánh là = + Chiều quay 23 Với biến dạng là phẳng thì thành phần sẽ gây ra lực cản Fd còn thành phần sẽ gây ra lực nâng cánh F1, chỉ có thành phần F1mới có tác dụng gây ra lực tác động của cánh. Ta phân tích thành hai thành phần: = + = Với : là tốc độ theo phương tiếp tuyến là tốc độ theo phương hướng tâm Thành phần theo phương hướng tâm gây ra lực hướng tâm trên cánh, thành phần theo phương tiếp tuyến tạo ra lực làm các cánh quạt chuyển động và đó ta gọi là lực hiệu dụng Fhd. Ta có: Fhd = ChdA Trong đó : : Mật độ không khí (Kg/m3) Uhd : vận tốc của gió theo phương tiếp tuyến (m/s) A : Diện tích cánh gió Chd : Hệ số lực hiệu dụng Theo lý thuyết tối ưu về hiệu suất biến đổi năng lượng gió thì ở một vị trí xác định ( xác đinh) giá trị Fhd phải đạt giá trị là lớn nhất Fhd max và từ biểu thức trên ta thấy để có Fhd max thì Uhd phải đạt giá trị lớn nhất. U= V sin ; Uhd = U cos = V sin cos Với = - + 900  Uhd = Vsin cos = V sin( - + 900)cos = Vcos( - )*cos  Uhd = [ cos(2 – ) + cos ] Khi xác định thì Uhd đạt giá trị lớn nhất khi cos(2 – ) = 1 => = 24 Hướng gió 34 2 5 1 10 7 9 8 Từ mối quan hệ giữa góc cánh và góc định vị ta có thể xác định được góc cánh điều khiển của một cánh tuabin ở 10 vị trí Hình 3.2: Mô hình khi được lắp đặt Tuy nhiên khi đưa mô hình dạng cánh trên vào lắp đặt và thử nghiệm tại xưởng chế tạo cho thấy mô hình trên khi hoạt đồng cần phải có gió tốc độ lớn thì cánh quạt mới có thể hoạt động được và đồng thời với dạng cánh trên sinh ra hệ số bạt gió cao (kết quả kiểm chứng tại chương thực nghiệm). Do đó tác giả chỉ dừng lại ở việc chế tạo thử nghiệm tại xưởng mà không thực nghiệm tại hiện trường. 3.1.2. Dạng cánh Lenz2 Kiểu cánh được sử dụng là kiểu Lenz2. Có đường kính phủ ngoài của cánh là 1,2m, chiều cao của cánh chọn = 1,2m. Loại tuabin là loại trục đứng vì vậy ta tính cho tổng tiết diện cánh 1,44m2. Vậy năng lượng gió thu được từ diện tích cánh A được tính như sau: 477,02 W Công suất cơ làm quay trục roto: (W) Trong đó với loại kiểu dạng cánh Lenz2 có tỷ số tối ưu TSR là 0.8 6  Chiều quay 25  Cp = 0,196(TSR)+0,23233 = 0,389 Hiệu suất máy phát: vì đây là động cơ công suất nhỏ, hiệu suất máy phát thay đổi từ 0.4 – 0.8. 206 – 412 (W) trong đó: là hiệu suất của máy phát. Bảng3.1: Thông số kỹ thuật cho cánh tua bin máy phát Hạng mục Chỉ tiêu Công suất định mức cánh 400W Công suất cánh cực đại 600W Tốc độ gió khởi động 1.5m/s Tốc độ gió thổi qua cánh 4~8m/s Số lượng cánh 3 Đường kính phủ ngoài cánh 1.5 m Chiều cao cánh 1.2m Tốc độ quay định mức 60~260rpm Khối lượng máy phát 18 Kg Điện áp sạc acqui 12VDC 3.2. Tính toán thiết kế thông số cánh tuabin: 3.2.1. Thiết kế máy phát điện gió công suất nhỏ: Tính toán thiết kế cho máy phát điện gió công suất nhỏ, loại turbine trục đứng và kiểu dáng cánh Lenz2. Để đơn giản, đề tài nghiên cứu tóm tắt toàn bộ các khâu thiết kế:  Xác định ước lượng diện tích cánh A sẽ thiết kế trong máy phát điện gió: (m2) trong đó: o dm: là đường kính cánh roto, đơn vị m o h: là chiều cao cánh roto, đơn vị m  Tính công suất gió tối đa thu được ứng với diện tích cánh roto A (m2), khi tính ở nhiệt độ bình thường. Để tính công suất thu được sử dụng công thức: (W) 26  Tính công suất cơ làm quay trục roto: (W). Đối với loại kiểu dạng cánh Lenz2 có tỷ số tối ưu TSR là 0.8. Nên sử dụng công thức: Cp = 0,196(TSR)+0,23233 = 0.389  Công suất truyền qua bộ truyền động với hiệu suất truyền động là (W) Để xác định được hiệu suất truyền động: Tính tốc độ quay của roto cánh gió: với  Công suất ngõ ra Pout của máy phát (W) là hiệu suất của máy phát.  Kiểm tra công suất ngõ ra Pout Nếu Pout< Pe thì phải tăng diện tích cánh 3.2.2. Thiết kế thông số cụ thể tuabin gió: Cánh tuabin: o Cung tròn nhỏ cho cánh = 0.1875* đường kính vòng tròn lớn  = 0,1875*1200 = 225 mm  Với chọn đường kính VT lớn = 1,2m o Chiều dài đuôi cánh nhỏ = 0.4*đường kính tuabin  = 0,4*1200 = 480 mm o Cánh tuabin được thiết kế theo hai công thức trên, cánh được đặt lệch 90 theo như hình vẽ. 27 3.2.3. Các thiết bị phụ trong tuabin gió: Hình 3.3: Hình chiếu bằng khi có xương cánh Để thuận tiện thi công chế tạo đồng thời đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật, vật liệu cánh được làm bằng tôn có độ dày 0.45 mm, được gò lại và có các thanh dằn bằng thép để đảm bảo độ vững chắc và lực tác động của gió vào cánh quạt. 3.2.4. Động lực học cánh gió tuabin. Hình 3.4: Véc tơ vận tốc tác dụng lên turbine 3 cánh Xét cánh số 1 Ta có Wr1= Vsin( = Vsin 2  HƯỚNG GIÓ w v  u 3  2  28 Wt1= U-Vcos( = U + Vcos tg = tg Đặt = với được gọi là tỉ số tốc độ Trong đó: là vận tốc góc. r là bán kính quỹ đạo quay của cánh Hình 3.5: Véc tơ vận tốc tác dụng lên cánh số 1 Xét cánh số 2 Ta có Wr2= Vsin( = Vsin Wt2= Vcos( = -(U + Vcos ) (2)  + (3) (1)  HƯỚNG GIÓ 29 tg Hình 3.5: Véc tơ vận tốc tác dụng lên cánh số 3 tg Tổng hợp các kết quả trên cho ta thấy các thành phần của xác định theo phương tiếp tuyến và pháp tuyến trên các cánh là: Wt= U + Vcos ; Wr2= Vsin Ta có Wt= U + Vcos = r Vận tốc W được dùng để xác định lực tác dụng lên cánh, W được tính như sau: = (r 2 + Góc Tg = Ta có giá trị lớn nhất của tỉ số tốc độ HƯỚNG GIÓ 30 Với C là số lượng cánh turbine Lựa chọn số cánh : Đặc trưng của cánh và cách bố trí cánh cho tua bin là ở vị trí thuận với chiều gió nên không gây cản. Vì vậy công suất hệ thống chính bằng công suất có ích. Công suất của trục quay được tính theo công thức: = Trong đó : : là momen của trục (Nm) : là số vòng quay của trục (vòng /giây) Áp lực gió được tính : F = Trong đó : Cp là hệ số cản phụ thuộc vào hình dạng của vật thể hoặc kết cấu , Cp của dạng cánh được chọn được tính bằng công thức : Cp = 0,196(TSR)+0,23233 = 0,389. là trọng lượng riêng của không khí, = 1,25 Kg/m3 A : là diện tích cánh tua bin Vận tốc W được dùng để xác định lực tác dụng lên cánh, W được tính như sau: = Qua khảo sát biểu đồ gió tại Đồng Nai, tốc độ gió ở độ cao 10m cáo tốc độ gió trung bình là 6m/s, ta sử dụng tốc độ gió trung bình này để tính toán. = 261+30cos Từ các biểu thức trên ta có biểu thức tính tổng quát công suất hệ thống cho tuabin như sau: 31 tg = Trong đó; : vận tốc của gió dùng để khảo sát (chọn tùy từng loại khu vực khác nhau có vận tốc gió khác nhau) (m/s) : vận tốc góc : góc nâng : góc hợp bởi vận tốc thực và vận tốc vòng của gió tác dụng lên cánh : tỷ số tốc độ (tùy thuộc vào số lượng cánh turbine được chọn) : trọng lượng riêng của không khí ( = 15kg/m3) Cp – hệ số cản ta có Cp của 5 cánh phẳng Cp= 1.28, Cp của dạng cánh tròn là Cp =0,389 Áp dụng các biểu thức tổng quát ta sẽ lần lượt tính được công suất hệ thống cho turbine có số cánh tùy ý ứng với từng giá trị V, , , , khác nhau. Với trường hợp thiết kế turbine của tác giả đã lựa chọn các giá trị: V = 6 (m/s) ; .r = 2,5V = 2,5.6 = 15 ; Như phần trên đã chỉ ra, ta chỉ tính toán lựa chọn số cánh tối ưu cho turbine cánh đã chọn làm thực nghiệm là 3 cánh. Do vậy, ta sẽ tính công suất cho turbine có số cánh lần lượt là 3 cánh. Với mỗi turbine ta sẽ xét ở 2 vị trí cánh khác nhau để tìm ra vị trí cho công suất lớn hơn. Từ giá trị công suất lớ