Tài liệu Nghiên cứu tính toán thiết kế, chế tạo và thử nghiệm mô hình động cơ gió phát điện trục đứng sử dụng lò xo xoắn để tích trữ năng lượng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------- PHẠM TIẾN NGUYÊN KHANG NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ GIÓ PHÁT ĐIỆN TRỤC ĐỨNG SỬ DỤNG LÒ XO XOẮN ĐỂ TÍCH TRỮ NĂNG LƢỢNG Chuyên ngành Mã số : KỸ THUẬT NHIỆT : 60.52.80 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2014 i CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG - HCM Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: TS. HÀ ANH TÙNG .................................. (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. NGUYỄN THẾ BẢO ................................. (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS. HOÀNG AN QUỐC .......................... (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày 16 tháng 01 năm 2015 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1. TS. NGUYỄN VĂN TUYÊN – CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG 2. TS. BÙI NGỌC HÙNG – THƢ KÝ, ỦY VIÊN 3. TS. NGUYỄN THẾ BẢO – PHẢN BIỆN 1 4. PGS.TS. HOÀNG AN QUỐC – PHẢN BIỆN 2 5. TS. TRẦN VĂN HƢNG – ỦY VIÊN Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trƣởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TS. NGUYỄN VĂN TUYÊN TRƢỞNG KHOA CƠ KHÍ ii ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: PHẠM TIẾN NGUYÊN KHANG ............. MSHV: 11064583 .......... Ngày, tháng, năm sinh: 08/09/1985 ....................................... Nơi sinh: LONG AN ...... Chuyên ngành: KỸ THUẬT NHIỆT ..................................... Mã số: 60.52.80 ........... I. TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ GIÓ PHÁT ĐIỆN TRỤC ĐỨNG SỬ DỤNG LÒ XO XOẮN ĐỂ TÍCH TRỮ NĂNG LƢỢNG II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nghiên cứu động cơ gió trục đứng loại nhỏ có bộ tích năng. - Viết chƣơng trình tính toán động cơ gió trục đứng bằng ngôn ngữ Matlab. - Thí nghiệm đo tốc độ gió, số vòng quay của trục, điện áp và dòng điện của máy phát điện theo thời gian. - So sánh kết quả giữa tính toán lý thuyết và thực nghiệm. - Kết luận và kiến nghị. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 20 / 01 / 2014 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 14 / 11 / 2014 V. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS. HÀ ANH TÙNG Tp. HCM, ngày 14 tháng 11 năm 2014 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) TS. HÀ ANH TÙNG GS.TS. LÊ CHÍ HIỆP TRƢỞNG KHOA CƠ KHÍ (Họ tên và chữ ký) iii LỜI CÁM ƠN Đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn TS. Hà Anh Tùng đã quan tâm và hỗ trợ rất nhiều trong quá trình làm luận văn. Thứ hai, tôi xin cảm ơn quý Thầy, Cô trong Bộ môn Công nghệ Nhiệt của Trƣờng Đại học Bách khoa Tp.HCM vì đã đóng góp ý kiến quí báu giúp tôi hoàn thiện trong quá trình nghiên cứu. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn bạn bè, gia đình và đồng nghiệp đã động viên giúp cho đề tài này thành công. iv TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Năng lƣợng gió thật sự có ích vì nó bổ sung vào nguồn năng lƣợng hóa thạch ngày càng cạn kiệt. Nhƣng với tốc độ gió thấp (< 3m/s) thì động cơ gió hiện nay hầu nhƣ không hiệu quả vì khả năng phát điện không đạt nhƣ mong muốn. Chính vì vấn đề này tác giả chọn hƣớng nghiên cứu: “Nghiên cứu tính toán thiết kế, chế tạo và thử nghiệm mô hình động cơ gió phát điện trục đứng sử dụng lò xo xoắn để tích trữ năng lượng” để khắc phục nhƣợc điểm trên. Qua nghiên cứu tác giả chế tạo và thử nghiệm động cơ gió trục đứng cánh Lenz sử dụng bộ tích năng lò xo để tận dụng nguồn năng lƣợng gió tầm thấp. Đồng thời, tác giả cũng đã lập trình tính toán thiết kế động cơ gió này bằng ngôn ngữ Matlab. Sau đó, kết hợp số liệu tính toán với thử nghiệm thực tế trên mô hình tác giả nhận thấy rằng việc tích hợp bộ tích năng vào động cơ gió là rất khả thi. v LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ Tôi xin cam đoan những kết quả đạt đƣợc của luận văn này là do tôi thực hiện và viết ra. Các nội dung trích dẫn từ các nguồn tài liệu khác đều có ghi rõ nguồn gốc. Ngày 14 tháng 11 năm 2014 Học viên ký tên PHẠM TIẾN NGUYÊN KHANG vi MỤC LỤC Trang LỜI CÁM ƠN ........................................................................................................... iii TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ........................................................................... iv LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ .............................................................................v DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU..............................................................................x DANH SÁCH CÁC HÌNH .........................................................................................x DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ ĐƠN VỊ ......................................................... xiv CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN ......................................................................................1 1.1. Giới thiệu năng lƣợng gió ....................................................................................1 1.1.1. Tình hình sử dụng năng lƣợng thế giới ......................................................1 1.1.2. Tình hình sử dụng năng lƣợng gió của thế giới .........................................3 1.1.3. Tình hình sử dụng năng lƣợng gió ở Việt Nam .........................................4 1.2. Khảo sát sự phân bố và tốc độ gió tại các vùng ở Việt Nam ...............................5 1.2.1. Phân bố tốc độ gió trên lãnh thổ tại độ cao 65m ........................................6 1.2.2. Phân bố tốc độ gió trên lãnh thổ tại độ cao 30m ........................................8 1.2.3. Phân bố tốc độ gió trên lãnh thổ tại độ cao 10m ......................................10 1.2.4. Khả năng khai thác năng lƣợng gió tầm thấp ở Việt Nam .......................12 1.3. Giới thiệu động cơ gió........................................................................................13 1.3.1. Động cơ gió trục ngang (Horizontal Axis Wind Turbine - HAWT) ........13 1.3.2. Động cơ gió trục đứng (Vertical Axis Wind Turbine - VAWT) ..............14 1.4. Lý do chọn đề tài ................................................................................................16 1.5. Tình hình nghiên cứu động cơ gió trong và ngoài nƣớc ....................................16 1.5.1. Ngoài nƣớc ...............................................................................................16 1.5.2. Trong nƣớc ...............................................................................................17 1.6. Mục tiêu và các nội dung chính của đề tài .........................................................20 1.6.1. Mục tiêu ....................................................................................................20 1.6.2. Nội dung ...................................................................................................20 1.7. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài .....................................................20 1.7.1. Đối tƣợng ..................................................................................................20 vii 1.7.2. Phạm vi nghiên cứu ..................................................................................20 1.8. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ...........................................................21 1.8.1. Ý nghĩa khoa học ......................................................................................21 1.8.2. Ý nghĩa thực tiễn ......................................................................................21 1.9. Phƣơng pháp nghiên cứu....................................................................................21 1.9.1. Phƣơng pháp toán học ..............................................................................21 1.9.2. Phƣơng pháp thực nghiệm ........................................................................21 CHƢƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỘNG CƠ GIÓ TRỤC ĐỨNG VÀ BỘ TÍCH TRỮ NĂNG LƢỢNG ....................................................................................22 2.1. Nguyên lý và cấu tạo động cơ gió trục đứng .....................................................22 2.1.1. Nguyên lý làm việc động cơ gió trục đứng ..............................................22 2.1.2. Cấu tạo động cơ gió trục đứng .................................................................23 2.2. Cơ sở lý thuyết động lực học không khí của động cơ gió..................................31 2.2.1. Phƣơng trình liên tục ................................................................................31 2.2.2. Phƣơng trình Euler ...................................................................................33 2.2.3. Phƣơng trình Bernouli ..............................................................................35 2.2.4. Phƣơng trình động lƣợng..........................................................................38 2.2.5. Lực nâng và lực cản..................................................................................42 2.2.6. Cơ sở động lực học của cánh ....................................................................48 2.3. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của bộ phận tích trữ năng lƣợng .................................54 2.3.1. Hộp số giảm tốc ........................................................................................54 2.3.2. Bánh răng chủ động ..................................................................................55 2.3.3. Bánh răng bị động ....................................................................................55 2.3.4. Cơ cấu bánh cóc .......................................................................................56 2.3.5. Bộ phận phát điện .....................................................................................56 2.3.6. Khớp nối mềm ..........................................................................................57 2.4. Nguyên lý hoạt động của bộ phận tích trữ năng lƣợng ......................................57 2.5. Ý nghĩa của bộ phận tích trữ năng lƣợng bằng lò xo xoắn trong đề tài .............58 CHƢƠNG 3 : CƠ SỞ TÍNH TOÁN-THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ GIÓ TRỤC ĐỨNG ..59 3.1. Trình tự thiết kế các bộ phận của động cơ gió trục đứng có bộ tích năng .........59 viii 3.2. Tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng có bộ tích năng .................................59 3.2.1. Phân tích các thành phần lực tác dụng lên một cánh Lenz.......................59 3.2.2. Moment của trục .......................................................................................63 3.2.3. Năng lƣợng gió tác động vào cánh tính theo hệ số Bezt ..........................64 3.2.4. Số vòng quay của trục cánh gió................................................................66 3.2.5. Tính toán bộ truyền động .........................................................................66 3.2.6. Tính toán lò xo xoắn .................................................................................68 3.2.7. Tính toán chọn máy phát điện ..................................................................70 CHƢƠNG 4 : VIẾT CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN ĐỘNG CƠ GIÓ TRỤC ĐỨNG BẰNG MATLAB .........................................................................................75 4.1. Sơ đồ khối tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng truyền động trực tiếp .......75 4.2. Sơ đồ khối tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng có bộ tích năng ................76 4.2.1. Sơ đồ khối tính toán thiết kế biên dạng cánh Lenz ..................................77 4.2.2. Sơ đồ khối tính toán thiết kế bộ truyền động giảm tốc ............................78 4.2.3. Sơ đồ khối tính toán chọn lò xo xoắn .......................................................79 4.3. Lập giao diện chƣơng trình tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng................79 4.3.1. Giao diện tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng truyền động trực tiếp ............................................................................................................................80 4.3.2. Giao diện tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng có bộ tích năng ........80 4.3.3. Giao diện so sánh tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng giữa truyền động trực tiếp và khi có bộ tích năng .................................................................81 4.4. Kết quả tính toán từ chƣơng trình Matlab ..........................................................81 4.4.1. Kết quả tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng truyền động trực tiếp ..81 4.4.2. Kết quả tính toán thiết kế cơ gió trục đứng có bộ tích năng ....................82 4.4.3. Kết quả tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng giữa truyền động trực tiếp và khi có bộ tích năng .................................................................................82 CHƢƠNG 5 : CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ GIÓ TRỤC ĐỨNG ...................83 5.1. Biên dạng cánh Lenz ..........................................................................................83 5.2. Trục động cơ gió ................................................................................................84 5.3. Thanh nối các cánh Lenz với trục động cơ gió ..................................................84 ix 5.4. Đĩa kết nối ..........................................................................................................85 5.5. Khung đỡ và các bộ phận truyền động...............................................................86 5.5.1. Khung đỡ ..................................................................................................86 5.5.2. Bộ phận truyền động ................................................................................87 CHƢƠNG 6 : THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ GIÓ TRỤC ĐỨNG .........91 6.1. Các dụng cụ đo ...................................................................................................91 6.1.1. Thiết bị đo tốc độ gió................................................................................91 6.1.2. Thiết bị đo dòng điện và điện áp KYORITSU 2012R .............................91 6.1.3. Thiết bị đo moment xoắn ..........................................................................92 6.1.4. Thiết bị đo dao động ký GW-Instek GDS – 1042 ....................................92 6.1.5. Thiết bị đo tốc độ vòng quay PCE – DT 65 .............................................93 6.2. Nội dung của thực nghiệm .................................................................................94 6.2.1. Thực nghiệm 1: Động cơ gió trục đứng truyền động trực tiếp (trục động cơ gió đƣợc nối trực tiếp với máy phát điện) .....................................................94 6.2.2. Thực nghiệm 2: Động cơ gió trục đứng có bộ tích năng (trục động cơ gió đƣợc nối với máy phát điện thông qua bộ tích năng).........................................97 6.3. Kết quả thực nghiệm ........................................................................................100 6.3.1. Kết quả thực nghiệm của động cơ gió trục đứng truyền động trực tiếp .100 6.3.2. Kết quả thực nghiệm của động cơ gió trục đứng có bộ tích năng ..........102 CHƢƠNG 7 : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .........................................................106 7.1. Kết luận ............................................................................................................106 7.2. Kiến nghị ..........................................................................................................106 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................107 PHỤ LỤC ................................................................................................................109 Phụ lục 1: Giao diện tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng truyền động trực tiếp .................................................................................................................................109 Phụ lục 2: Giao diện tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng có bộ tích năng ......118 Phụ lục 3: Hình các máy phát điện thử nghiệm ......................................................141 Phụ lục 4: Kết quả đo đạc thực nghiệm ..................................................................142 x DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 So sánh tốc độ gió trung bình của EVN và WB [4] ...................................7 Bảng 1.2 Tiềm năng gió của Việt Nam ở độ cao 65m so với bề mặt đất [4].............7 Bảng 1.3 Phân bố tốc độ gió ở độ 10m trên lãnh thổ và các đảo [6,7] ....................10 Bảng 3.1 Dãy tỉ số truyền động tiêu chuẩn ..............................................................67 Bảng 3.2 Bảng moment xoắn của lò xo xoắn [26] ...................................................69 Bảng 6.1 Bảng thông số của động cơ gió trục đứng truyền động trực tiếp .............95 Bảng 6.2 Bảng thông số của động cơ gió trục đứng có bộ tích năng.......................98 DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1 Tiêu thụ các loại năng lƣợng trên thế giới năm 2012 [1] .............................2 Hình 1.2 Tăng trƣởng năng lƣợng tái tạo và nhiên liệu sinh học trên thế giới 2012 [1] ................................................................................................................................2 Hình 1.3 Năng lƣợng tái tạo sử dụng ở một số nƣớc tính đến năm 2012 [1] .............3 Hình 1.4 Tổng công suất điện đƣợc sản xuất bằng năng lƣợng gió của thế giới [1] ..3 Hình 1.5 Các quốc gia có công suất điện gió lớn [1] ..................................................4 Hình 1.6 Các nhà sản xuất turbine gió lớn [1] ............................................................4 Hình 1.7 Bản đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam ở độ cao 65m [3] ..............................6 Hình 1.8 Bản đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam ở độ cao 30m [3] ..............................8 Hình 1.9 Biểu đồ tốc độ gió ở độ cao 25m tại Long Hải (Bà Rịa – Vũng Tàu) năm 2010 [5] .......................................................................................................................9 Hình 1.10 Biểu đồ tốc độ gió ở độ cao 25m tại Phƣớc Tỉnh (Bà Rịa – Vũng Tàu) năm 2010 [5] ...............................................................................................................9 Hình 1.11 Biểu đồ tốc độ gió ở độ cao 10m tại Phan Rang (1994 – 2010) ..............10 Hình 1.12 Biểu đồ tốc độ gió ở độ cao 10m tại trƣờng Đại học Bách khoa Tp. HCM năm 2012 ...................................................................................................................11 Hình 1.13 Biểu đồ tốc độ gió trong 24h của ngày 01 tháng 8 năm 2012 tại Trƣờng ĐH Bách Khoa Tp. HCM..........................................................................................12 Hình 1.14 Các dạng động cơ gió trục ngang [9] .......................................................14 xi Hình 1.15 Động cơ gió trục ngang ............................................................................14 Hình 1.16 Phân loại các loại các động cơ gió ...........................................................15 Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý động cơ gió trục đứng .....................................................22 Hình 2.2 Động cơ gió trục đứng Savonius ................................................................24 Hình 2.3 Động cơ gió trục đứng Darrieus .................................................................24 Hình 2.4 Động cơ gió trục đứng H-Darrieus ............................................................25 Hình 2.5 Động cơ gió trục đứng cánh Lenz ..............................................................26 Hình 2.6 Nguyên tắc máy phát điện dị bộ [20] .........................................................27 Hình 2.7 Nguyên tắc máy phát điện đồng bộ [20] ....................................................29 Hình 2.8 Khối lƣu chất hình hộp vô cùng nhỏ ..........................................................32 Hình 2.9 Khối lƣu chất hình hộp vô cùng nhỏ ABCDEFGH ...................................33 Hình 2.10 Các vector vận tốc trên đƣờng dòng [21].................................................36 Hình 2.11 Hình biểu diễn các thể tích kiểm soát [21]...............................................38 Hình 2.12 Hình biểu diễn các diện tích S1, S2 ...........................................................39 Hình 2.13 Hình biễu diễn các vector trên vi phân diện tích dA [21] ........................40 Hình 2.14 Biểu diễn đoạn dòng chảy giới hạn bởi 2 mặt cắt ƣớt [21] ......................41 Hình 2.15 Lực nâng khi chịu tác động bởi vận tốc gió U .........................................43 Hình 2.16 Biểu đồ hệ số lực cản theo tỉ lệ bề dày với chiều dài dây cung ...............46 Hình 2.17 Biểu đồ hệ số lực cản do áp suất [22] ......................................................47 Hình 2.18 Vận tốc gió tác động lên một cánh [23] ...................................................48 Hình 2.19 Các thành phần của vận tốc gió tác động lên cánh [23]...........................49 Hình 2.20 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của bộ tích trữ năng lƣợng................................54 Hình 2.21 Bánh răng chủ động với một dãy răng bị phá ..........................................55 Hình 2.22 Cơ cấu bánh cóc .......................................................................................56 Hình 2.23 Khớp nối mềm ..........................................................................................57 Hình 3.1 Biên dạng cánh Lenz [24] ..........................................................................60 Hình 3.2 Lực tác động lên biên dạng cánh Lenz.......................................................61 Hình 3.3 Các thành phần của vận tốc gió tác động lên cánh Lenz ...........................62 Hình 3.4 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc CP vào a .....................................................64 Hình 3.5 Các dạng cánh và hệ số lực nâng [20]........................................................65 xii Hình 3.6 Hệ số Cp ứng với TSR (Tip Speed Ratio) [25] ..........................................66 Hình 3.7 Bộ truyền động bánh răng trụ ....................................................................67 Hình 3.8 Bộ truyền động trục vít ..............................................................................68 Hình 3.9 Biểu đồ ứng suất của lò xo xoắn [26] ........................................................69 Hình 3.10 Lò xo xoắn................................................................................................70 Hình 3.11 Đƣờng đặc tính điện áp của máy phát điện 1 ...........................................71 Hình 3.12 Đƣờng đặc tính cƣờng độ dòng điện của máy phát điện 1 ......................71 Hình 3.13 Đƣờng đặc tính điện áp của máy phát điện 2 ...........................................72 Hình 3.14 Đƣờng đặc tính cƣờng độ dòng điện của máy phát điện 2 ......................72 Hình 3.15 Sơ đồ cấu tạo máy phát điện nam châm vĩnh cửu hƣớng trục .................73 Hình 3.16 Đƣờng đặc tính điện áp của máy phát điện 3 ...........................................74 Hình 3.17 Đƣờng đặc tính cƣờng độ dòng điện của máy phát điện 3 ......................74 Hình 4.1 Sơ đồ khối tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng truyền động trực tiếp ...................................................................................................................................75 Hình 4.2 Sơ đồ khối tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng có bộ tích năng .......76 Hình 4.3 Sơ đồ khối tính toán thiết kế biên dạng cánh Lenz ....................................77 Hình 4.4 Sơ đồ khối tính toán thiết kế bộ truyền động giảm tốc ..............................78 Hình 4.5 Sơ đồ khối tính toán chọn lò xo xoắn ........................................................79 Hình 4.6 Giao diện tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng truyền động trực tiếp .80 Hình 4.7 Giao diện tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng có bộ tích năng ..........80 Hình 4.8 Giao diện so sánh tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng giữa truyền động trực tiếp và khi có bộ tích năng ........................................................................81 Hình 4.9 Kết quả tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng truyền động trực tiếp ....81 Hình 4.10 Kết quả tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng có bộ tích năng ...........82 Hình 4.11 Kết quả tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng giữa truyền động trực tiếp và khi có bộ tích năng ........................................................................................82 Hình 5.1 Bên dạng cánh Lenz (mặt đứng) ................................................................83 Hình 5.2 Biên dạng cánh Lenz (mặt ngang) .............................................................84 Hình 5.3 Thanh nối cánh Lenz ..................................................................................84 Hình 5.4 Kích thƣớc thanh nối cánh Lenz ................................................................85 xiii Hình 5.5 Đĩa kết nối các thanh nối với thân trục ......................................................86 Hình 5.6 Khung đỡ 3 cánh Lenz của động cơ gió.....................................................87 Hình 5.7 Hộp giảm tốc ..............................................................................................88 Hình 5.8 Bánh răng chủ động ...................................................................................88 Hình 5.9 Bánh răng bị động ......................................................................................89 Hình 5.10 Cơ cấu bánh cóc .......................................................................................89 Hình 5.11 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của mô hình ......................................................90 Hình 6.1 Máy đo tốc độ gió Windmaster ..................................................................91 Hình 6.2 Ampe kìm AC-DC KYORITSU 2012R ....................................................92 Hình 6.3 Máy đo moment xoắn ED&D ....................................................................92 Hình 6.4 Máy dao động ký GW-Instek GDS – 1042 ................................................93 Hình 6.5 Thiết bị đo tốc độ vòng quay PCE – DT 65 ...............................................93 Hình 6.6 Sơ đồ thực nghiệm .....................................................................................94 Hình 6.7 Mô hình động cơ gió trục đứng truyền động trực tiếp ...............................95 Hình 6.8 Mô hình động cơ gió trục đứng có bộ tích năng ........................................98 Hình 6.9 Số vòng quay của trục ứng với tốc độ gió ..............................................100 Hình 6.10 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của điện áp khi tốc độ gió thay đổi...........101 Hình 6.11 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của dòng điện khi tốc độ gió thay đổi ......101 Hình 6.12 Số vòng quay trục ứng với tốc độ gió ....................................................102 Hình 6.13 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của điện áp khi tốc độ gió thay đổi...........103 Hình 6.14 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của dòng điện khi tốc độ gió thay đổi ......103 Hình 6.15 Biểu đồ so sánh điện áp ứng với các tốc độ gió .....................................104 Hình 6.16 Biểu đồ so sánh dòng điện ứng với các tốc độ gió.................................104 xiv DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ ĐƠN VỊ Ký hiệu n f p ρ A F FL FD U Γ CL CD  Re Cf λ Ω α c P B a m R FT Cp H U V1 ,V2 0 M RPM u Ý nghĩa Số vòng quay Tần số Số cặp của cực Khối lƣợng riêng của lƣu chất Diện tích Ngoại lực Lực nâng Lực cản Vận tốc lƣu chất Lƣu số Hệ số lực nâng Hệ số lực cản Độ nhớt động học Hệ số Reynolds Hệ số ma sát Tỉ tốc đầu mút Vận tốc góc Góc tấn Chiều dài của dây cung Công suất Số cánh Hệ số thu hẹp dòng Lƣu lƣợng khối lƣợng dòng chảy tính theo một đơn vị chiều cao của cánh Bán kính của cánh động cơ gió Lực tiếp tuyến Hệ số công suất Chiều cao của cánh động cơ gió trục đứng Vận tốc gió trƣớc khi tác động vào cánh Vận tốc gió ra khỏi cánh Hệ số hiệu chỉnh động lƣợng Moment của trục Số vòng quay trên trục cánh gió Tỷ số truyền động Đơn vị Hz kg/m3 m2 N N N m/s m²/s m/s m W kg/s m N m m/s m/s N.m vòng/phút - xv n1 Số vòng quay của bánh dẫn vòng/phút n2 Số vòng quay của bánh bị dẫn vòng/phút z1 Số răng của bánh dẫn - z2 Số răng của bánh bị dẫn -  Hiệu suất của bộ truyền động - MS Monent xoắn của lò xo N.m kg/cm2 S Ứng suất của lò xo b Bề rộng của lò xo xoắn mm h Bề dày của lò xo xoắn mm L Chiều dài của lò xo xoắn mm D Đƣờng kính ngoài của lò xo xoắn mm D1 Đƣờng kính lỗ tâm của lò xo xoắn mm nx Số vòng xoắn của lò xo - LUẬN VĂN THẠC SĨ 1 CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN Chƣơng này trình bày các vấn đề có liên quan đến đề tài nhƣ: lý do chọn đề tài, mục tiêu của đề tài, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. Đồng thời trong chƣơng này có trình bày tình hình sử dụng năng lƣợng gió của thế giới và Việt Nam, các loại động cơ gió trục đứng, khảo sát sự phân bố và tốc độ gió tại các vùng ở Việt Nam, tình hình nghiên cứu động cơ gió kiểu gián đoạn trong và ngoài nƣớc và phƣơng pháp nghiên cứu khoa học. 1.1. Giới thiệu năng lƣợng gió 1.1.1. Tình hình sử dụng năng lƣợng thế giới Trong những thập niên vừa qua môi trƣờng không khí toàn cầu ngày càng bị ô nhiễm trầm trọng và đó cũng là vấn đề đƣợc sự quan tâm của cả nhân loại. Các nguồn nhiên liệu hóa thạch đƣợc con ngƣời khai thác để sản xuất điện làm gia tăng sự phát thải CO2 và một khối lƣợng lớn các chất nguy hại (CH4, CFC….) cũng đƣợc thải vào môi trƣờng làm cho hàm lƣợng các khí độc hại trong khí quyển tăng lên rất nhanh. Ngoài ra, việc khai thác quá mức các nguồn nhiên liệu quá thạch dẫn đến các nguồn nguyên liệu đó ngày càng cạn kiệt. Sự lệ thuộc vào các nguồn nguyên liệu hóa thạch cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hƣởng đến an ninh năng lƣợng của mỗi quốc gia. Để giải quyết các vấn đề này, một mặt phải khai thác và sử dụng các nguồn năng lƣợng hóa thạch này một cách hợp lý, mặt khác phải tìm ra các nguồn năng lƣợng khác để thay thế cho năng lƣợng hóa thạch và đồng thời nguồn năng lƣợng này không gây ảnh hƣởng xấu đến môi trƣờng. Vì thế, những nguồn năng lƣợng tái tạo nhƣ: năng lƣợng mặt trời, năng lƣợng địa nhiệt, năng lƣợng sinh khối, năng lƣợng gió… đƣợc nghiên cứu và đƣa vào ứng dụng nhiều nơi. Trong các thập niên gần đây, việc nghiên cứu, ứng dụng các dạng năng lƣợng tái tạo trên thế giới đã có những bƣớc phát triển nhanh. GVHD: TS. HÀ ANH TÙNG HVTH: PHẠM TIẾN NGUYÊN KHANG LUẬN VĂN THẠC SĨ 2 Hình 1.1 Tiêu thụ các loại năng lƣợng trên thế giới năm 2012 [1] Hình 1.2 Tăng trƣởng năng lƣợng tái tạo và nhiên liệu sinh học trên thế giới 2012 [1] GVHD: TS. HÀ ANH TÙNG HVTH: PHẠM TIẾN NGUYÊN KHANG LUẬN VĂN THẠC SĨ 3 Hình 1.3 Năng lƣợng tái tạo sử dụng ở một số nƣớc tính đến năm 2012 [1] 1.1.2. Tình hình sử dụng năng lƣợng gió của thế giới Với công suất xây dựng mới trong năm 2012 là 45GW, tổng công suất điện gió thế giới đã đạt 283GW. Có ít nhất 44 nƣớc đã xây dựng thêm điện gió trong năm 2012 và hiện nay có hơn 83 nƣớc đang sử dụng năng lƣợng gió nhƣ một nguồn năng lƣợng thƣơng mại. Tốc độ tăng công suất lắp đặt động cơ gió trung bình trong giai đoạn 2007-2012 là 27%, một tốc độ tăng trƣởng rất ấn tƣợng, mặc dù nhƣ chúng ta biết, thế giới đang ở trong giai đoạn khủng hoảng kinh tế nặng nề. [1] Hình 1.4 Tổng công suất điện đƣợc sản xuất bằng năng lƣợng gió của thế giới [1] GVHD: TS. HÀ ANH TÙNG HVTH: PHẠM TIẾN NGUYÊN KHANG LUẬN VĂN THẠC SĨ 4 Trung Quốc là nƣớc đứng đầu thế giới về phát triển năng lƣợng gió với tổng công suất đến cuối 2012 là 75.3GW. Năm 2011, Trung Quốc xây dựng thêm 13GW, chiếm 27% tổng công suất điện gió xây dựng mới của cả thế giới trong năm. [1] Hình 1.5 Các quốc gia có công suất điện gió lớn [1] Hình 1.6 Các nhà sản xuất turbine gió lớn [1] 1.1.3. Tình hình sử dụng năng lƣợng gió ở Việt Nam Trƣớc những thách thức về tình trạng thiếu điện và ứng phó hiệu quả với biến đổi khí hậu trong những năm tiếp theo thì kế hoạch xây dựng và phát triển nhà máy điện từ các nguồn năng lƣợng tái tạo là một giải pháp khả thi nhằm đảm bảo an ninh năng lƣợng và bảo vệ môi trƣờng. Gần đây, Chính phủ Việt Nam đã xác định rõ các mục tiêu trong định hƣớng xây dựng và phát triển các nhà máy điện sử dụng các nguồn năng lƣợng tái tạo. Trong đó, năng lƣợng gió đƣợc xem nhƣ là một lĩnh vực GVHD: TS. HÀ ANH TÙNG HVTH: PHẠM TIẾN NGUYÊN KHANG