MỞ ĐẦU 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Năng lƣợng gió là một dạng năng lƣợng sạch, có khả năng tái sinh. Hiện nay, trên thế giới việc phát triển phong điện đang là một xu thế lớn, thể hiện ở mức tăng trƣởng cao so với các nguồn năng lƣợng khác. Thuận lợi lớn nhất ở Việt Nam khi phát triển điện gió là nƣớc ta có tiềm năng năng lƣợng gió tƣơng đối lớn. Tuy nhiên, nếu muốn đẩy mạnh nguồn năng lƣợng này trong tƣơng lai, chúng ta cần hoàn chỉnh thêm công nghệ cũng nhƣ làm thế nào để đạt đƣợc công suất cao.
Nhằm biến năng lƣợng của gió thành điện năng cao nhất để từ đó có thể hạ giá thành và cạnh tranh đƣợc với những nguồn năng lƣợng khác. Nhu cầu sử dụng các nguồn năng lƣợng tái tạo, đặc biệt là nguồn năng lƣợng gió, để chuyển đổi thành năng lƣợng điện phục vụ cho nhu cầu điện sinh hoạt ở các khu vực vùng sâu vùng xa, miền núi chƣa có nguồn điện lƣới quốc gia hiện đang đƣợc quan tâm rộng rãi. Bên cạnh đó, ở các thành phố lớn việc nghiên cứu ứng dụng năng lƣợng gió cũng đang đƣợc đầu tƣ để tăng tỉ lệ nguồn điện sạch góp phần bảo vệ môi trƣờng. Tuy nhiên, ngoài các trạm phát điện gió công suất lớn có thể đƣợc lắp đặt ở một số nơi xác định, việc ứng dụng năng lƣợng gió ở các thành phố lớn gặp phải một khó khăn lớn là gió trong thành phố có vận tốc nhỏ (v < 6 m/s).
Do vậy, việc nghiên cứu, phát triển các máy phát điện gió công suất nhỏ có thể hoạt động với vận tốc dƣới 6 m/s là chủ đề nóng trong những năm gần đây trên thế giới cũng nhƣ ở trong nƣớc. Các máy phát điện gió công suất nhỏ hiện nay đều có ở dạng trục ngang và trục đứng. Xét theo các giới hạn nhƣ: diện tích không gian nhỏ, vận tốc gió tƣơng đối thấp, hƣớng gió không ổn định thì máy phát điện gió trục đứng phù hợp hơn vì có kết cấu đơn giản, nhỏ gọn, dễ lắp ráp và sửa chữa cũng nhƣ lợi thế về giá thành [5,17,18]. Về hiệu suất thì máy phát điện gió trục ngang có cao hơn nhƣng lại phụ 1 thuộc lớn vào hƣớng gió và tốc độ gió.
Trong thành phố với nhiều nhà cao tầng, khoảng không gian chật hẹp, gió quẫn thì máy phát điện gió công suất nhỏ dạng trục đứng là lựa chọn phù hợp. Vấn đề đặt ra là làm thế nào để các máy phát điện này có hiệu suất cao hơn và hoạt động đƣợc ở vận tốc gió thấp. Trên cơ sở áp dụng các thành tựu mới của nhiều ngành khoa học tiên tiến, thì việc nghiên cứu sử dụng năng lƣợng gió đã đạt đƣợc những tiến bộ rất lớn về chất lƣợng các thiết bị và quy mô ứng dụng. Vì vậy đề tài “Nghiên cứu phát triển máy phát điện gió trục đứng công suất nhỏ tự điều chỉnh cánh theo hướng gió” mang tính cấp thiết và có ý nghĩa rất quan trọng điều kiện tình hình kinh tế - xã hội ở Việt Nam hiện nay.2 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 1.1 Ý nghĩa khoa học - Đề xuất đƣợc nguyên lý, kết cấu máy phát điện gió trục đứng công suất nhỏ tự điều chỉnh cánh theo hƣớng gió.
- Xây dựng đƣợc hệ công thức và đề xuất đƣợc cách tính toán các thông số liên quan đến hoạt động của tuabin gió trục đứng. - Đề xuất đƣợc cách tính và xác định độ lệch tâm phù hợp để điều chỉnh góc quay của cánh, của cơ cấu tự điều chỉnh cánh. Góp phần tăng khả năng hứng gió của tuabin gió trục đứng qua đó nâng cao hiệu suất phát điện của tuabin.2 Ý nghĩa thực tiễn - Thiết kế chế tạo đƣợc tuabin phát điện gió trục đứng công suất nhỏ tự điều chỉnh cánh để hứng gió tối đa có thể hoạt động đƣợc với tốc độ gió nhỏ (< 6 m/s). Kết cấu của tuabin gió đơn giản phù hợp với điều kiện chế tạo tại Việt Nam.
- Đóng góp một giải pháp phù hợp để xây dựng một hệ thống phát điện bằng nguồn năng lƣợng gió công suất nhỏ tƣơng ứng với tiềm năng gió của Việt Nam có hiệu suất cao. Tạo điều kiện phát triển kinh tế phù hợp với chiến lƣợc phát triển của địa phƣơng. Nhất là những vùng núi, vùng sâu, vùng xa mà điện lƣới quốc gia chƣa có khả năng vƣơn tới đƣợc.3 MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU Việc nâng cao hiệu suất chuyển đổi cơ năng của gió thành điện năng để giảm giá thành là vấn đề rất quan trọng trong quá trình sản xuất nguồn năng lƣợng sạch ở hiện tại và trong tƣơng lai. Để nâng cao đƣợc hiệu suất sử dụng năng lƣợng gió đề tài định hƣớng nghiên cứu đến các mục tiêu sau: - Đề xuất đƣợc nguyên lý cơ cấu tự điều chỉnh cánh theo hƣớng gió.
- Thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh máy. - Thử nghiệm và đánh giá khả năng hoạt động của máy phát điện gió trục đứng công suất nhỏ tự điều chỉnh cánh theo hƣớng gió. Nhiệm vụ cụ thể cần thực hiện trong đề tài nhƣ sau: - Nghiên cứu tổng quan về các công trình đã đƣợc thực hiện trong và ngoài nƣớc về máy phát điện gió trục đứng công suất nhỏ và các kiểu máy khác có liên quan. - Nghiên cứu, tính toán, xác định đƣợc biên dạng cánh phù hợp tuabin gió.
- Đề xuất đƣợc nguyên lý, cơ cấu tự điều chỉnh cánh theo hƣớng gió, cách tính và xác định độ lệch tâm phù hợp để điều chỉnh góc quay cánh. - Xác định đƣợc thông số cơ bản của cánh đuôi lái điều chỉnh hƣớng gió. - Thiết kế hoàn chỉnh máy phát điện gió trục đứng công suất nhỏ tự điều chỉnh cánh theo hƣớng gió. - Thử nghiệm, đánh giá khả năng ứng dụng của máy phát điện gió.4 ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1.1 Đối tƣợng nghiên cứu - Năng lƣợng gió ở Tp.
Hồ Chí Minh - Các cơ cấu điều khiển cánh xoay theo hƣớng gió của các tuabin gió đã có trong và ngoài nƣớc.2 Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu thiết kế, chế tạo tuabin gió trục đứng công suất nhỏ (< 100 W) có cánh theo biên dạng cánh NACA. 3 - Cơ cấu điều chỉnh cánh theo hƣớng gió có góc quay cố định, điều chỉnh cánh bằng trục mang chong chóng gió. - Do thời gian và nội dung nên đề tài cũng không đề cập đến cơ cấu hãm khi có sự cố gió giật, bão.5 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu phân tích lý thuyết: thu thập tài liệu từ các nguồn báo chí, tạp chí, sách, từ internet có liên quan đến nội dung nghiên cứu. Qua phân tích, xử lý thông tin thu đƣợc đề xuất qui trình nghiên cứu phát triển máy phát điện gió trục đứng công suất nhỏ tự điều chỉnh cánh theo hƣớng gió.
- Phƣơng pháp thực nghiệm: tiến hành chế tạo thử nghiệm máy phát điện gió trục đứng công suất nhỏ, thử nghiệm hoạt động và hoàn chỉnh thiết kế.6 BỐ CỤC CỦA ĐỀ TÀI Đề tài đƣợc chia làm 7 chƣơng với các nội dung: - Lý do chọn đề tài, tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học – thực tiễn, đối tƣợng, phạm vi, mục tiêu và phƣơng pháp nghiên cứu đƣợc trình bày trong chƣơng 1. - Chƣơng 2 trình bày tổng quan về tuabin gió trục đứng công suất nhỏ, các giải pháp điều chỉnh cánh đón gió. Tình hình sử dụng năng lƣợng gió trên thế giới và ở Việt Nam. Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc có liên quan, định hƣớng nghiên cứu của đề tài.
- Chƣơng 3 phân tích động lực học cánh gió tuabin, phƣơng pháp điều chỉnh cánh gió của tuabin, xác định các thông số của cơ cấu điều chỉnh cánh đón gió. Các thông số biên dạng cánh NACA. - Chƣơng 4 trình bày ý tƣởng thiết kế, đề xuất các phƣơng án, sau đó lựa chọn phƣơng án tốt nhất để thiết kế máy. - Chƣơng 5 tính toán các thông số của máy cần thiết kế, xác định tọa độ biên dạng cánh, cơ cấu điều chỉnh cánh đón gió bằng cam lệch tâm.
- Chƣơng 6 chế tạo thiết bị, kiểm nghiệm và đánh giá. - Chƣơng 7 kết luận – kiến nghị 4 Chƣơng 2 TỔNG QUAN 2.1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG GIÓ 2.1 Năng lƣợng gió Khi mặt trời chiếu xuống trái đất không đồng đều làm cho nhiệt độ của bầu khí quyển, không khí và nƣớc 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 lƣợng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển trái đất và là một hình thức gián tiếp của năng lƣợng mặt trời.
Năng lƣợng gió đã đƣợc sử dụng từ hàng trăm năm nay. Ban đầu ngƣời đã dùng năng lƣợng gió để di chuyển thuyền buồm hay kinh khí cầu. Ý tƣởng dùng năng lƣợng gió để sản xuất điện năng hình thành ngay sau khi các phát minh ra điện và máy phát điện.2 Đơn vị và hƣớng gió Đơn vị của tốc độ gió đƣợc tính theo kilomet trên giờ (km/h) hoặc mét trên giây (m/s) hoặc knot (kn: hải lý trên giờ) hoặc Mile trên giờ (mph) tại Mỹ. 1 (kn) = 1,852 (km/h) = 0,514 (m/s) 1 (mph) = 1,609344 (km/h) = 0,8690 (kn) = 0,447 (m/s) Hƣớng gió là hƣớng mà từ đó gió thổi tới điểm quan trắc.
Hƣớng gió đƣợc biểu thị bằng phƣơng vị đông, tây, nam, bắc hoặc theo góc là lấy hƣớng bắc làm mốc ở vị trí 0 hoặc 360 và tính theo chiều kim đồng hồ. Nhƣ vậy hƣớng đông ứng với 90 , hƣớng nam ứng với 180 và hƣớng tây ứng với góc 270 .1: Cột xác định hướng gió 2.3 Khảo sát bản đồ gió Việt Nam Với đƣờng bờ biển dài hơm 3,000Km và nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, Việt Nam đƣợc cho là có tiềm năng rất lớn về gió. Nguồn dữ liệu tiềm năng gió của Việt Nam đƣợc thu thập từ 150 trạm khí tƣợng thủy văn. Tốc độ gió hàng năm đo đƣợc tại các trạm này là tƣơng đối thấp.
Trong khoảng từ 2 – 3 m/s trong đất liền (hình 2. Khu vực ven biển có tốc độ gió cao hơn, trong khoảng từ 3 – 5 m/s. Ở khu vực đảo, tốc độ gió trung bình lơn đến 5 – 8 m/s [27].2: Sơ đồ điện lưới các trạm thủy văn thực hiện đo gió [27] 6 Theo nghiên cứu của Ngân hàng Thế giới chỉ ra rằng Việt Nam là nƣớc có tiềm năng gió lớn nhất trong bốn nƣớc trong khu vực [22].