MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...........................................................................5
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU....................................................................13
CÁC KÍ HIỆU SỬ DỤNG...............................................................................15
LỜI MỞ ĐẦU...................................................................................................19
Chương 1: KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA TUA BIN GIÓ TRỤCNGANG.21
1.1. GIỚI THIỆU VỀ THUYẾT ĐỘNG LƯỢNG PHÂN TỐ CÁNH (BEM)…………..21
1.2. THUYẾT BẢO TOÀN ĐỘNG LƯỢNG……………………………………………...21

1.2.1. Lực dọc trục……………………………………………………………21
1.2.2. Mô men động lượng vòng……………………………………………..22
1.3. THUYẾT PHÂN TỐ CÁNH…………………………………………………...23

1.3.1. Các giả thiết của thuyết phân tố cánh………………………………..23
1.3.2. Hệ số tổn thất đầu mũi cánh…………………………………………..23
1.3.3. Các phương trình động lượng phân tố cánh…………………………28
1.3.4. Công suất phân tố cánh và hệ sô công suất..…………………………29
1.3.5. Công suất đầu ra……………………………………………………….29
Chương 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁNH TUA BIN GIÓ ……………..31….
2.1. TÍNH TOÁN CÁNH THEO PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU……………………………31

2.1.1. Các thông số đầu vào…………………………………………………..31
2.1.2. Các bước tính toán……………………………………………………..31
2.2. TÍNH LẠI CÔNG SUẤT SAU KHI HIỆU CHỈNH CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC37

2.2.1 Các bước tính toán và kết quả………………………………………………...37

2.2.2 Sơ đồ khối lập trình tính toán tối ưu:………………………………….38
2.2.3. Một số phương án cánh sau hiệu chỉnh……………………………….41
1

4.3.1. Chọn vật liệu…………………………………………………………….52
4.3.2. Xác định ứng suất cho phép của bánh vít……………………………..52
4.3.3. Xác định sơ bộ khoảng cách trục………………………………………52
4.3.4. Xác định ứng suất cho phép của bánh vít…………………………….52
4.3.5. Xác định lại khoảng cách trục…………………………………………52
5.3.6. Xác định các thông số động học……………………………………….53
4.3.7. Kiểm nghiệm răng bánh vít……………………………………………58
4.3.8. Một vài thông số của bộ truyền………………………………………..59
4.4. CHỌN Ổ LĂN …………………………………………………………………………..61
4.5. TÍNH TOÁN TRỤC…………………………………………………………………….61

4.5.1. Chọn vật liệu chế tạo trục……………………………………………...61
4.5.2. Xác định sơ bộ đường kính trục……………………………………….62
4.5.3. Xác định lực…………………………………………………………….62
4.5.4. Vẽ biểu đồ mômen………………………………………………………63
4.5.5. Xác định đường kính các trục………………………………………. ..63
4.5.6. Kiểm nghiệm cho trục………………………………………………….65
4.6. MỘT VÀI HÌNH ẢNH VỀ KẾT QUẢ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUA BIN:
…………………………………………………………………………………….68

Chương 5. NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN
NAM CHÂM VĨNH CỬU………………………………………………….. ..70
5.1. CỞ SỞ LÝ THUYẾT ĐỘNG LỰC HỌC VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY
PHÁT ĐIỆN GIÓ TRỤC NGANG…………………………………………………………70

5.1.1. Cơ sở lý thuyết khí động học (aerodynamic) và quá trình chuyển hóa
từ cơ năng của gió thành điện năng…………………………………………..71
5.1.2. Thông số cơ bản của turbine cho cơ sở tính toán thiết kế máy phát
điện……………………………………………………………………………...75
3


Chương 7: NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN, ĐO
LƯỜNG, XỬ LÝ HƯỚNG GIÓ ĐỂ ĐỊNH HƯỚNG TUA BIN THEO
HƯỚNG GIÓ ....................................................................................................158
7.1.TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ ĐO VẬN TỐC VÀ HƯỚNG GIÓ……………...158

7.1.1.Đo vận tốc gió……………………………………………………………158
4


7.1.2.Thiết bị đo hướng gió…………………………………………………...160
7.1.3.Thiết bị đo hướng gió…………………………………………………...161
7.2.THIẾT KẾ BỘ TIẾP NHẬN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO LƯỜNG …………
163
7.2.1. Sơ đồ nguyên lý bộ thu thập và xử lý tín hiệu vận tốc
gió…………...163
7.2.2. Sơ đồ mạch bộ thu thập và xử lý dữ liệu gió………………………….163
7.2.3. Phần mềm thu thập xử lý dữ liệu gió………………………………….168
7.2.4. Một số kết quả đo đạc vận tốc gió……………………………………..171
7.3. BÔ ĐIỀU KHIỂN QUAY BỆ TUA BIN……………………………………………...172

7.3.1. Mạch động lực cho cơ cấu quay bệ tuabin gió……………………….173
7. 3.2. Sơ đồ mạch điều khiển quay bệ……………………………………….175
7.3.3. Nguyên lý điều khiển………………………………………………….. 177
7.4. KẾT LUẬN……………………………………………………………………...180

Chương 8: KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM TUA BIN MÔ HÌNH TẠI PHÒNG
THÍ NGHIỆM VÀ TUA BIN THỰC TẠI HIỆN TRƯỜNG………………181
8.1. THỬ NGHIỆM TUA BIN MÔ HÌNH TẠI PHÒNG THÍ NGHIỆM………..181
8.2. CÁC NỘI DUNG THÍ NGHIỆM VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM TUA BIN MÔ


21

2

Hình 1. 2: Ống dòng vành khuyên quay

23

3

Hình1. 3: Minh họa chi tiết ống dòng vành khăn quay

24

4

Hình 1.4 Phân tố cánh

24

5

Hình1.5 Sơ đồ phân tích động lực học phân tố cánh

25

6

Hình 1. 6: Dòng gió tương tác với cánh


33

13

34

14

Hình 2. 5: Đồ thị sự phụ thuộc của CL/CD vào góc tấn của Naca
4412
Hình 2. 6 : Chia cánh theo phương pháp phân tố

15

Hình 2.7: Sơ đồ tính toán lại công suất sau khi hiệu chỉnh c

39

16

40

17

Hình 2. 8: Đồ thị c/R theo tỉ số bán kính x trước và sau khi hiệu
chỉnh
Hình 3. 0: Giao diện người dùng GUI

18


45

22

Hình 3. 0: Quan hệ c/R theo x

46

23

Hình 3. 0: Quan hệ vẽ beta theo x

46

24

Hình 3. 0: Cách hiệu chỉnh c

47

25

Hình 3. 0: Cách hiệu chỉnh beta

47

26

Hình 3. 0: Xâu cánh 2D trước hiệu chỉnh


51

32

Hình 4.1 sơ đồ chịu lục của trục

62

33

Hình 4.2: Biểu đồ mômen cho trục

63

34

Hình 4.3. bản vẽ xác định các kích thước bao của trục tua bin

64

35

Hình 4.4 Bản vẽ 3 D cánh của phương án lựa chọn

68

36

Hình 4.5 Kết quả mô phỏng công suất theo số vòng quay ứng với


Hình 5.4 : Vận tốc gió và vận tốc tiếp tuyến trong sơ đồ trục quay
của turbine

73

42

Hình 5.5 : Hệ số công suất của các loại turbine gió khác nhau [6]

74

7


43

Hình 5.6: Điểm công suất cực đại (MPPT)

75

44

Hình 5.7: Hệ số công suất của turbine

76

45

Hình5.8 : Đặc tính momen cơ học của turbine

vĩnh cửu từ thông ngang trục : a, Cấu trúc máy phát khi nhìn theo
phương ngang b, Cấu trúc máy phát nhìn theo phương dọc
Hình 5.13 : Cấu trúc một dạng máy phát phong điện nam châm
vĩnh cửu từ thông dọc trục : a, Cấu trúc máy phát khi nhìn theo
phương ngang b, Cấu trúc máy phát nhìn theo phương dọc
Hình 5.14 : Cấu trúc hình học và kích thước máy phát phong điện
nam châm vĩnh
Hình 5.15: Phân bố cảm ứng từ của một cặp cực trong khe hở
không khí stator- rotor của máy phát
Hình 5.16: Mô hình mạch của máy phát

78

79

79

80

82

84
87

54

Hình 5.17: Kích thước hình học của răng stato

89


60

Hình 5.23: Điều kiện về giới hạn nhỏ nhất của rãnh stator

103

61

Hình 5.24: Đặc tính từ trễ, vận hành và khử từ của nam châm

104

8


62

Hình 5.25: Kết quả tối ưu : phân bố Pareto của công suất – khối
lượng máy phát

105

63

Hình 5.26: Cấu trúc của máy phát tối ưu và mật độ phân bố từ
trường trong máy phát

108

64


111

70

Hình 5.33: Công suất hấp thụ gió của turbine và công suất đầu ra
của máy phát khi đã giản trừ các tổn thất

112

71

Hình 5.34: Quá trình quá độ nhiệt trong máy phát

113

72

Hình 6.1 Bộ biến đổi AC-AC sử dụng PMSG

116

73

Hình 6.2 Chiến lược điều khiển bộ chỉnh lưu

117

74



79

Hình 6.8: Mô hình chỉnh lưu tích cực trên hệ tọa độ d – q

124

80

Hình 6.9. Sơ đồ cấu trúc nghịch lưu áp ba pha bốn dây

126

81

Hình 6.10. Sơ đồ chân của modul IGBT

133

82

Hình 6.11. Tụ B32693 của Epcos

136
9


83

Hình 6.12. Mạch Snubber bảo vệ van IGBT


148

89

Hình 6.18. Sơ đồ tổng hợp số 1

150

90

Hình 6.19. Sơ đồ tổng hợp số 2

151

91

Hình 6.20. Sơ đồ tổng hợp số 3

152

92

Hình 6.21. Sơ đồ tổng hợp số 4

153

93

Hình 6.22. Sơ đồ tổng hợp số 5


160

99

Hình 7.4. Các thành phần cơ khí của thiết bị đo gió

161

100

Hình 7.5. Cảm biến tiệm cận dùng để đo xoắn dây

162

101

Hình 7.6. Nguyên lý tín hiệu đo số vòng xoắn dây cáp

162

102

Hình 7.7. Sơ đồ khối đo lường vận tốc gió

163

103

Hình 7.8. Sơ đồ mạch nguồn


167

10


109

Hình 7.14. Kết quả sản phẩm bộ thu thập, xử lý dữ liệu gió.

167

110

Hình7.15.một số thông tin đo gió tại hiện trường lắp đặt TB thử
nghiệm

171

111

Hình 7.16. Sơ đồ nguyên lý cơ cấu quay bệ tuabin gió

172

112

Hình 7.17. Nguyên lý chung hệ thống điều khiển tuabin gió

173


118

Hình 7.23. Đặc tính công suất phát theo hướng gió

178

119

Hình 8.1 ảnh ba mẫu cánh tua bin mô hình

183

120

Hình 8.2 toàn bộ số cánh tua bin mô hình đã chế tạo của đề tài

184

121

Hình 8.3 Tua bin mô hình mẫu 1

184

122

Hinh 8.4 Tua bin mô hình mãu 2

185


137

Hình 8.10 Tua bin chuẩn bị lắp đặt lên bệ đỡ tua bin

195

138

Hình 8.11sơ đồ kết nối các thiết bị của hệ thống TB và hình ảnh
TB

198

139

Hình 8.12 sơ đồ nối dây giữa các thiết bị của tổ hợp tua bin

199

140

Hình 8.13 thể hiện một trích đoạn thông tin trong thẻ nhớ

200

141

Hình 8.14 Đồ thị quan hệ công suất của tua bin theo tốc độ gió


4

75
Bảng 5. 1: Thông số cơ bản của turbine trong đề tài

5

82
Bảng.5. 2: Cấu trúc và kích thước hình học của máy phát

6

83
Bảng.5. 3: Các đại lượng cơ sở cho việc thiết kế máy phát

12


7

96
Bảng 5. 4: Suất dẫn nhiệt của các vật liệu stator máy phát

8

97
Bảng 5. 5: Đại lượng đặc trưng tính chất nhiệt của vật liệu

9


15

Bảng 6.3. Các thông số cơ bản của ACS756 – 100B

137

16

Bảng 7.1 Quan hệ góc quay theo vận tốc gió

180

17

Bảng 8-1 Kết quả đo mẫu cánh số 1:

189

18

Bảng 8-2 kết quả đo mẫu cánh số 2:

190

19

Bảng 8-3 kết quả đo mẫu cánh số 3:

191


Chiều dài dây cung phân tố cánh

CT

Hệ số lực đẩy theo phương tiếp tuyến roto

Z

Số cánh của roto tua bin

Cp

Hệ số công suất của roto tua bin

Pg

kW

Công suất của dòng gió

Pt

kW

Công suất của tua bin gió
14


ρ


Hiệu suất

α

Góc tấn

β

Góc đặt cánh

Fx

Newton

Lực theo phương dọc trục

Fθ

Newton

Lực theo phương tiếp tuyến
Số phân tố cánh

N
p

N/cm2

Áp suất


M

Bán kính phân tố cánh

R

Ω

Giá trị điện trở

L

H

Giá trị điện Cảm

C

F

Giá trị điện dung

cosφ

Hệ số công suất

U

V


Nm

Mô men

rs

m

Bán kính trong của stator

g

m

Khe hở không khí stator-rotor

lm

m

Độ dày của nam châm

lr

m

Chiều dài của máy phát

ws


m

Độ rộng của răng stator

ds

m

Chiều sâu của rãnh stator

fm

N.m.s.rad-1

Cp

Hệ số công suất của turbine
Tỷ số giữa bán kính trong của stator và chiều dài hiệu

Rrl

dụng của máy phát rs lr
Tỷ số giữa độ sâu của rãnh và bán kính trong của

Rdr

stator d s rs

By



Wm-1K-1

Suất dẫn nhiệt đồng của dây cuốn

16


λiso

Wm-1K-1

Suất dẫn nhiệt của vật liệu cách điện

λco

Wm-1K-1

Suất dẫn nhiệt của thép mạch từ

λca

Wm-1K-1

Suất dẫn nhiệt của vỏ máy phát

Mstator

kg


các nguồn tài nguyên hóa thạch và việc đốt tạo ra các khí thải làm ô nhiễm môi
trường. Điện nguyên tử cần vốn đầu tư vô cùng lớn, và đỏi hỏi có nền khoa học
hiện đại cao, bên cạnh đó nguy cơ xảy ra nhiễm phóng xạ cao, nguy hiểm đến
tính mạng con người. Nước ta có đường bờ biển dài hàng ngàn ki lô mét, hàng
năm nhận nhiều đợt gió thổi vào đất liền, rất thuận lợi cho việc phát triển năng
lượng điện từ gió. Mặt khác, năng lượng gió là một nguồn năng lượng sạch, khai
thác nó không làm ảnh hưởng đến khí hậu và môi trường. Một ưu điểm nữa đó là
không bao giờ cạn kiệt nguồn năng lượng này. Tua bin gió hay còn gọi là động cơ
gió là một loại thiết bị lấy năng lượng từ gió để chuyển hóa thành năng lượng
điện bằng cách lợi dụng sức gió làm quay tua bin, qua bộ truyền làm quay máy
phát điện từ đó sinh ra dòng điện. Trên cơ sở nhiều ưu điểm như vậy mà động cơ
gió được sử dụng rất nhiều trên thế giới như ở Hà Lan, Anh, Mỹ, Đức,Trung
Quốc... và ở điều kiện nước ta rất thuận lợi cho việc phát triển loại thiết bị này
phục vụ cho nhu cầu sử dụng điện để phát triển nền kinh tế quốc dân.
Trong xu thế phát triển, cơ cấu kinh tế của đất nước đã có nhiều sự thay
đổi, công nghiệp và dịch vụ đang phát triển từng ngày thì năng lượng trở thành
một vấn đề cấp bách. Năng lượng từ dầu đang giảm dần, theo ước tính trữ lượng
dầu sẽ hết sau khoảng 100 năm. Do đó phải tìm một nguồn năng lượng mới nhất
là một nguồn năng lượng tái tạo. Trong các nguồn năng lượng tái tạo cho đến nay
chỉ có thủy điện là đáng kể. Trong những nguồn còn lại thì ở nước ta tiềm năng
điện mặt trời và điện gió là rất lớn. Hiện giá điện mặt trời còn khác đắt. Tiềm
năng lớn nhất có khả năng đó là điện gió.
18


Trong chiến lược phát triển năng lượng của chính phủ, theo thông tin của
bộ Công thương về năng lượng tái tạo của Việt Nam, dự kiến nguồn năng lượng
này sẽ tăng 15%. Việt Nam đang có kế hoạch phát triển và thay thế các nguồn
năng lượng hóa thạch vào những năm 2015 - 2025.
.

trục ngang công suất nhỏ phù hợp với tiềm năng gió của Việt Nam.
19


Chương 1
KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA TUA BIN GIÓ TRỤC NGANG

1.1. GIỚI THIỆU VỀ THUYẾT ĐỘNG LƯỢNG PHÂN TỐ CÁNH (BEM)

Lý thuyết động lượng phân tố cánh là sự kết hợp của hai phương pháp,
phương pháp bảo toàn biến thiên động lượng và phương pháp phân tố để khảo sát
hoạt động của một tua bin gió. Phương pháp thứ nhất sử dụng sự bảo toàn động
lượng trong một ống dòng chảy bao cánh tua bin. Phương pháp thứ hai khảo sát
các lực nâng và lực cản được hình thành trên cánh nhờ sự xem xét cánh được
hình thành bởi nhiều phân tố cánh. Trên mỗi phân tố cánh chịu tác động của lực
nâng và lực cản phân tố cánh. Hai phương pháp này cho chúng ta một hệ thống
các phương trình để tính toán cánh [1, 4].
1.2. THUYẾT BẢO TOÀN ĐỘNG LƯỢNG

1.2.1. Lực dọc trục

Hình1.1: Ống dòng dọc theo trục quanh tua bin gió
Hình ảnh ống dòng được thể hiện trên Hình 1.1. Có bốn vị trí được xem xét
,vị trí 1 - đường vào ống dòng, vị trí 2 – dòng không khí trước khi tương tác với
cánh, vị trí 3 – dòng khí sau khi qua cánh và vị trí 4 – dòng khí ở xa cánh đến
mức ổn định áp suất bằng áp suất khí quyển. Giữa 2 và 3 có sự hình thành xoáy
của gió tạo nên sự thay đổi áp suất.

20


V2 = V1 ( 1 − a )

V4 = V1 ( 1 − 2a )

(1.4)


dFx =

1
ρV12  4a ( 1 − a )  2π rdr
2

(1.5)

1.2.2. Mô men động lượng vòng:
Động lượng vòng được thể hiện trong Hình 1. 2; vận tốc góc của phân tố
vành khăn ω , vận tốc góc của cánh là Ω
+ Mô men quán tính của vành khăn:

I= mr2

(1.6)

+ Mô men động lượng vòng:
L= I ω

(1.7)

T= dL/dt

⇒ dT = ρ 2π rdrV2ω r 2 = ρV2ω r 2 2π rdr

a' =

Hệ số dòng góc:
Lại có:

V2 = V ( 1 − a )

ω
2Ω

(1.11)
(1.12)

do đó:

dT = 4a ' ( 1 − a ) ρV Ωr 3π dr

22

(1.13)


1.3. THUYẾT PHÂN TỐ CÁNH

1.3.1. Các giả thiết của thuyết phân tố cánh:
Thuyết phân tố cánh dựa trên 2 giả thiết chính:
+ Không có sự tương tác khí động học giữa các phân tố cánh với nhau
+ Lực trên các phân tố cánh được xác định chỉ bao gồm duy nhất lực nâng và

(Hình 1.6 ).

Từ đó ta có:
Lại có V2= V1 (1-a), do đó:

Ωr +

ωr
= Ωr ( 1 + a ' )
2
tan ϕ =

V (1 − a )
Ωr (1 + a ')

(1.14)

Giá trị của ϕ thay đổi dọc theo cánh gọi là góc xoắn cánh, hay theo từng
phân tố, tỉ tốc đầu mũi cánh tại mỗi phân tố được xác định:
λr =

Hay

tan ϕ =

Ωr
V

(1.15)