Nghiên cứu thiết kế và thử nghiệm động cơ gió phát điện trục đứng với lò xo xoắn tích trữ năng lượng

LỜI CÁM ƠN

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

DANH SÁCH CÁC HÌNH

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ ĐƠN VỊ

1. CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN

1.1. Giới thiệu năng lƣợng gió

1.2. Tình hình sử dụng năng lƣợng thế giới

1.3. Tình hình sử dụng năng lƣợng gió của thế giới

1.4. Tình hình sử dụng năng lƣợng gió ở Việt Nam

1.5. Khảo sát sự phân bố và tốc độ gió tại các vùng ở Việt Nam

1.5.1. Phân bố tốc độ gió trên lãnh thổ tại độ cao 65m

1.5.2. Phân bố tốc độ gió trên lãnh thổ tại độ cao 30m

1.5.3. Phân bố tốc độ gió trên lãnh thổ tại độ cao 10m

1.6. Khả năng khai thác năng lƣợng gió tầm thấp ở Việt Nam

1.7. Giới thiệu động cơ gió

1.8. Động cơ gió trục ngang (Horizontal Axis Wind Turbine - HAWT)

1.9. Động cơ gió trục đứng (Vertical Axis Wind Turbine - VAWT)

1.10. Lý do chọn đề tài

1.11. Tình hình nghiên cứu động cơ gió trong và ngoài nƣớc

1.12. Mục tiêu và các nội dung chính của đề tài

1.13. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

1.13.1. Phạm vi nghiên cứu

1.14. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1.14.1. Ý nghĩa khoa học

1.14.2. Ý nghĩa thực tiễn

1.15. Phƣơng pháp nghiên cứu

1.15.1. Phƣơng pháp toán học

1.15.2. Phƣơng pháp thực nghiệm

2. CHƢƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỘNG CƠ GIÓ TRỤC ĐỨNG VÀ BỘ TÍCH TRỮ NĂNG LƢỢNG

2.1. Nguyên lý và cấu tạo động cơ gió trục đứng

2.1.1. Nguyên lý làm việc động cơ gió trục đứng

2.1.2. Cấu tạo động cơ gió trục đứng

2.2. Cơ sở lý thuyết động lực học không khí của động cơ gió

2.2.1. Phƣơng trình liên tục

2.2.2. Phƣơng trình Euler

2.2.3. Phƣơng trình Bernouli

2.2.4. Phƣơng trình động lƣợng

2.2.5. Lực nâng và lực cản

2.2.6. Cơ sở động lực học của cánh

2.3. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của bộ phận tích trữ năng lƣợng

2.3.1. Hộp số giảm tốc

2.3.2. Bánh răng chủ động

2.3.3. Bánh răng bị động

2.3.4. Bộ phận phát điện

2.3.5. Khớp nối mềm

2.4. Nguyên lý hoạt động của bộ phận tích trữ năng lƣợng

2.5. Ý nghĩa của bộ phận tích trữ năng lƣợng bằng lò xo xoắn trong đề tài

3. CHƢƠNG 3 : CƠ SỞ TÍNH TOÁN-THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ GIÓ TRỤC ĐỨNG

3.1. Trình tự thiết kế các bộ phận của động cơ gió trục đứng có bộ tích năng

3.2. Tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng có bộ tích năng

3.2.1. Phân tích các thành phần lực tác dụng lên một cánh Lenz

3.2.2. Moment của trục

3.2.3. Năng lƣợng gió tác động vào cánh tính theo hệ số Bezt

3.2.4. Số vòng quay của trục cánh gió

3.2.5. Tính toán bộ truyền động

3.2.6. Tính toán lò xo xoắn

3.2.7. Tính toán chọn máy phát điện

4. CHƢƠNG 4 : VIẾT CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN ĐỘNG CƠ GIÓ TRỤC ĐỨNG BẰNG MATLAB

4.1. Sơ đồ khối tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng truyền động trực tiếp

4.2. Sơ đồ khối tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng có bộ tích năng

4.3. Sơ đồ khối tính toán thiết kế biên dạng cánh Lenz

4.4. Sơ đồ khối tính toán thiết kế bộ truyền động giảm tốc

4.5. Sơ đồ khối tính toán chọn lò xo xoắn

4.6. Lập giao diện chƣơng trình tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng

4.6.1. Giao diện tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng truyền động trực tiếp

4.6.2. Giao diện tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng có bộ tích năng

4.6.3. Giao diện so sánh tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng giữa truyền động trực tiếp và khi có bộ tích năng

4.7. Kết quả tính toán từ chƣơng trình Matlab

4.7.1. Kết quả tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng truyền động trực tiếp

4.7.2. Kết quả tính toán thiết kế cơ gió trục đứng có bộ tích năng

4.7.3. Kết quả tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng giữa truyền động trực tiếp và khi có bộ tích năng

5. CHƢƠNG 5 : CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ GIÓ TRỤC ĐỨNG

5.1. Biên dạng cánh Lenz

5.2. Trục động cơ gió

5.3. Thanh nối các cánh Lenz với trục động cơ gió

5.4. Khung đỡ và các bộ phận truyền động

5.4.1. Bộ phận truyền động

6. CHƢƠNG 6 : THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ GIÓ TRỤC ĐỨNG

6.1. Thiết bị đo tốc độ gió

6.2. Thiết bị đo dòng điện và điện áp KYORITSU 2012R

6.3. Thiết bị đo moment xoắn

6.4. Thiết bị đo dao động ký GW-Instek GDS – 1042

6.5. Thiết bị đo tốc độ vòng quay PCE – DT 65

6.6. Nội dung của thực nghiệm

6.6.1. Thực nghiệm 1: Động cơ gió trục đứng truyền động trực tiếp (trục động cơ gió đƣợc nối trực tiếp với máy phát điện)

6.6.2. 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)

6.7. Kết quả thực nghiệm

6.7.1. Kết quả thực nghiệm của động cơ gió trục đứng truyền động trực tiếp

6.7.2. Kết quả thực nghiệm của động cơ gió trục đứng có bộ tích năng

7. CHƢƠNG 7 : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Phụ lục 1: Giao diện tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng truyền động trực tiếp

Phụ lục 2: Giao diện tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng có bộ tích năng

Phụ lục 3: Hình các máy phát điện thử nghiệm

Phụ lục 4: Kết quả đo đạc thực nghiệm

I. Tổng quan

Chương này trình bày tổng quan về động cơ gió và năng lượng gió. Sự phát triển của năng lượng gió trên thế giới và Việt Nam được nhấn mạnh, cùng với các loại động cơ gió khác nhau như động cơ gió trục đứng và động cơ gió trục ngang. Việc nghiên cứu năng lượng gió trở nên cần thiết trong bối cảnh nguồn năng lượng hóa thạch đang cạn kiệt và ô nhiễm môi trường gia tăng. Theo báo cáo, Việt Nam có tiềm năng lớn trong việc phát triển năng lượng gió, đặc biệt là khu vực ven biển và cao nguyên miền Nam. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng tốc độ gió trung bình ở một số khu vực có thể đạt ngưỡng tối ưu cho việc khai thác năng lượng gió.

1.1 Tình hình sử dụng năng lượng gió thế giới

Tình hình năng lượng gió trên thế giới đã có những bước phát triển ấn tượng. Với tổng công suất đạt 283GW vào năm 2012, năng lượng gió đã trở thành một nguồn năng lượng thương mại quan trọng. Nhiều quốc gia, đặc biệt là Trung Quốc, đã đầu tư mạnh mẽ vào lĩnh vực này. Sự gia tăng công suất lắp đặt trong giai đoạn 2007-2012 đạt trung bình 27%, cho thấy tiềm năng phát triển mạnh mẽ của công nghệ năng lượng tái tạo này.

1.2 Tình hình sử dụng năng lượng gió ở Việt Nam

Việt Nam có tiềm năng lớn về năng lượng gió, với ước tính lên đến 513360MW. Chính phủ đã xác định năng lượng gió là một lĩnh vực trọng tâm trong chiến lược phát triển năng lượng tái tạo. Các nghiên cứu cho thấy tốc độ gió ở độ cao 65m là lý tưởng cho việc phát triển các dự án điện gió quy mô lớn. Việc khai thác năng lượng gió không chỉ giúp đảm bảo an ninh năng lượng mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

II. Cơ sở lý thuyết của động cơ gió trục đứng

Chương này tập trung vào nguyên lý hoạt động và cấu tạo của động cơ gió trục đứng. Cấu trúc của động cơ gió trục đứng được phân tích từ các thành phần chính như cánh quạt, trục và bộ phận phát điện. Nguyên lý hoạt động của động cơ gió trục đứng dựa trên việc chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng cơ học, sau đó thành năng lượng điện. Các phương trình lý thuyết như phương trình Bernoulli và phương trình Euler được sử dụng để mô tả động lực học không khí xung quanh cánh quạt.

2.1 Nguyên lý hoạt động của động cơ gió trục đứng

Động cơ gió trục đứng hoạt động dựa trên nguyên lý lực nâng và lực cản. Khi gió thổi qua cánh quạt, lực nâng tạo ra mô men xoắn trên trục. Mô hình lý thuyết giúp xác định hiệu suất của động cơ, từ đó tối ưu hóa thiết kế để đạt được hiệu quả cao nhất. Sự kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm là rất quan trọng để đánh giá hiệu suất thực tế của động cơ.

2.2 Cấu tạo động cơ gió trục đứng

Cấu tạo của động cơ gió trục đứng bao gồm các bộ phận chính như cánh quạt, hộp số, và bộ phát điện. Cánh quạt có vai trò quan trọng trong việc thu thập năng lượng gió. Hộp số giúp chuyển đổi mô men từ cánh quạt tới máy phát điện. Việc thiết kế các bộ phận này cần phải tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu suất tối ưu và độ bền trong quá trình hoạt động.

III. Thiết kế và thử nghiệm động cơ gió

Chương này mô tả quy trình thiết kế và thử nghiệm động cơ gió sử dụng lò xo xoắn để tích trữ năng lượng. Việc thiết kế bao gồm tính toán các thông số kỹ thuật như kích thước cánh quạt, số vòng quay của trục, và lựa chọn máy phát điện phù hợp. Thực nghiệm được tiến hành để đo tốc độ gió, điện áp và dòng điện phát ra từ động cơ. Kết quả thực nghiệm cho thấy động cơ gió trục đứng có thể hoạt động hiệu quả ở tốc độ gió thấp.

3.1 Quy trình thiết kế động cơ gió

Quy trình thiết kế động cơ gió bao gồm các bước tính toán cụ thể như phân tích lực tác động lên cánh quạt, tính toán mô men và năng lượng gió. Sử dụng phần mềm MATLAB để mô phỏng và tối ưu hóa thiết kế là một phần quan trọng trong quy trình này. Kết quả tính toán cung cấp thông tin quý giá để điều chỉnh thiết kế cho phù hợp với điều kiện thực tế.

3.2 Kết quả thử nghiệm

Kết quả thử nghiệm cho thấy động cơ gió trục đứng có thể phát điện hiệu quả ngay cả khi tốc độ gió thấp. Các số liệu thu thập được từ thực nghiệm cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa động cơ gió có bộ tích năng và không có. Việc tích hợp lò xo xoắn vào thiết kế đã chứng minh được tính khả thi và hiệu quả trong việc tối ưu hóa năng lượng thu được từ gió.

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu và thiết kế động cơ gió phát điện trục đứng sử dụng lò xo xoắn