Mở đầu Giới thiệu lý do chọn đề tài, tính cấp thiết, mục tiêu nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu để thực hiện đề tài. Chương 2: Tổng quan. Đề cập đến các loại tuabin gió trục đứng cùng các nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan. Trên cơ sở đó, phân tích tổng hợp để đi đến định hướng nghiên cứu.
Chương 3: Cơ sở lý thuyết. Chương 4: Ý tưởng và phương pháp. Trình bày các cơ sở lý thuyết liên quan đến tính toán thiết kế trụ điện sử dụng nguồn năng lượng điện gió, điện mặt trời. Một hệ thống các công thức cần sử dụng đã được tổng hợp và trình bày phục vụ cho yêu cầu tính toán của đề tài.
Chương 5: Thử nghiệm-đánh giá 4 do an CHƯƠNG 2.1 Tuabin gió trục đứng 2.1 Khái niệm Tuabin gió trục đứng (VAWT) là một loại tuabin gió mà rôto trục chính được đặt thẳng đứng và các thành phần chính được đặt ở phần đế của tuabin. Một trong những ưu điểm của kết cấu này là máy phát điện và hộp số có thể được đặt ngay gần mặt đất vì thế chúng được vận hành và sửa chữa dễ dàng hơn và VAWT không bị phụ thuộc vào hướng gió. Các thiết kế ban đầu (Savonius, Darrieus và Giromill) vẫn còn có những mặt hạn chế là có thể tạo ra các mô-men xoắn trong mỗi vòng quay và mômen uốn trên các cánh là rất lớn. Các thiết kế sau đó cũng đã giải quyết vấn đề về mô men xoắn này bằng cách sử dụng các cánh có biên dạng xoắn gần giống như tuabin nước của Gorlov.
So với các tuabin gió trục ngang truyền thống (HAWT) thì VAWT cũng đã có một số ưu điểm trội hơn: Chúng có thể được lắp đặt thành một vòng khép kín với nhau trong các trang trại gió và cho phép lắp đặt với số lượng nhiều hơn trong một không gian nhất định. Điều này không có nghĩa là vì VAWT có kích thước nhỏ hơn, mà là do loại HAWT có hiệu ứng chậm trên không trung nên buộc các nhà thiết kế phải đặt tách biệt chúng bằng mười lần chiều rộng của chúng. VAWT cứng vững hơn, không gây ồn, đa hướng, và chúng không gây nên ứng suất lớn cho kết cấu giá đỡ. Do bộ phận phát điện có thể đặt gần mặt đất nên việc bảo dưỡng dễ dàng và việc khởi động không cần phải có lượng gió lớn nên có thể được đặt trên ống khói hoặc các cấu trúc cao tầng tương tự.
Nhưng bên cạnh đó VAWT vẫn tồn tại những nhược điểm: VAWT có xu hướng bị ngừng làm việc theo từng cơn gió VAWT có kết cấu bên ngoài rất nhạy cảm và có một chiều cao lắp đặt với giới hạn thấp để có thể vận hành trong môi trường có tốc độ gió thấp hơn. Các cánh của VAWT có xu hướng bị mỏi giống như lưỡi dao quay quanh trục trung tâm. Các cánh làm việc theo phương thẳng đứng có thể bị xoắn và sớm bị cong khi chúng quay trong gió. Điều này khiến các cánh dễ bị uốn cong và nứt.
Theo thời gian các cánh có thể bị vỡ và đôi khi dẫn đến sự phá hủy nghiêm trọng. Vì những tồn tại này mà tuabin gió trục đứng cho thấy độ tin cậy ít hơn tuabin gió trục ngang. 5 do an Mặc dù vẫn còn những tồn tại nhưng so sánh trên nhiều phương diện thì các tuabin gió trục đứng VAWT vẫn được đưa vào sử dụng nhiều và ngày nay các nhà thiết kế đã và đang không ngừng nghiên cứu những thay đổi về kết cấu, biên dạng cánh để VAWT có thể làm việc được theo đa hướng gió và sao cho chúng đón được gió nhiều nhất ở phía thuận và cản gió ít nhất ở phía nghịch nhằm nâng cao hiệu suất phát điện.2 Phân loại Tuabin gió trục đứng loại điển nhình như sau: a. Tuabin Darrieus Tuabin này bao gồm một số cánh thường có phương thẳng đứng được gắn trên một trục quay hoặc khung.
Với thiết kế của loại tuabin gió này Georges Jean Marie Darrieus, một kỹ sư hàng không Pháp đã được cấp bằng sáng chế năm 1931. Trên lý thuyết các loại Darrieus có hiệu quả giống như các loại chong chóng nếu tốc độ gió là không đổi, nhưng trong thực tế hiệu quả này là rất hiếm do áp lực về tính năng vật lý, những hạn chế trong thực tế thiết kế và sự biến thiên của tốc độ gió. Ngoài ra còn có những khó khăn chủ yếu trong việc bảo vệ các tuabin gió Darrieus bởi giới hạn của sức gió và khả năng tự khởi động. Loại tuabin này cũng là một trong những loại VAWT phổ biến nhất và nó cũng là loại được sử dụng khởi điểm cho việc nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả của các loại VAWT được thiết kế sau này.1 Tuabin gió Darrieus ba cánh [1] Ưu điểm của tuabin Darrieus là có thể hoạt động với các hướng gió khác nhau, không cần kích thước cánh lớn, các thiết bị như hộp số, máy phát có thể đặt gần mặt đất, thuận lợi cho việc bảo dưỡng và sửa chữa.
Nó có khả năng làm việc với tốc độ cao và công suất lớn hoặc trung bình.Tuy nhiên nó lại có nhược điểm là không thể tự khởi động được mà cần phải có một nguồn năng lượng cung cấp ngoài. Tuabin Savonius Tuabin Savonius là một loại VAWT cản vì vậy nó không thể quay nhanh hơn tốc độ gió. Điều này có nghĩa là tỷ lệ tốc độ đầu bằng 1 hoặc nhỏ hơn, khiến cho tuabin này không phù hợp cho việc phát điện. Hơn nữa, hiệu quả là rất thấp so với các loại khác, do đó, nó có thể được sử dụng cho những lĩnh vực khác, chẳng hạn như bơm nước hoặc nghiền hạt Hình 2.2 Chiều quay của roto Tuabin Savonius [2] Ưu điểm lớn nhất của loại tuabin này là sự đơn giản, độ tin cậy cũng cao dù tốc độ gió thấp vì mô-men xoắn là rất lớn.
Tuy nhiên mô-men xoắn không phải là hằng số, do đó đã có một số cải tiến với hình dạng xoắn ốc được đưa vào sử dụng. Tuabin Giromill Là một loại tuabin gió cánh thẳng, thường gọi là Giromill hay H-rotor. Nó là một loại tuabin gió có trục thẳng đứng được phát triển bởi Georges Darrieus vào năm 1927. Loại VAWT này đã được nghiên cứu bởi nhóm nghiên cứu của Musgrove tại Vương quốc Anh trong những năm 80.
7 do an Hình 2.3 Tuabin Giromill 2 cánh [3] Trong những tuabin phổ biến kiểu “ đánh trứng” của Darrieus thì các cánh thường được thay thế bằng loại thẳng đứng, gắn liền với trục quay chính bằng các giá đỡ ngang. Những tuabin này thường có 2 hoặc 3 cánh thẳng. Việc thiết kế cánh Giromill đơn giản hơn nhiều cho việc lắp ráp nhưng kết cấu chung lại nặng hơn kiểu truyền thống và yêu cầu cánh phải bền vững hơn. Máy phát điện của các tuabin này được đặt ở dưới chân của trục trung tâm vì vậy mà nó có thể nặng hơn và lớn hơn một máy phát điện thông thường của một HAWT và kết cấu của trục quay chính có thể chế tạo nhẹ hơn.
Mặc dù giá thành chế tạo rẻ hơn và việc lắp ghép dễ dàng hơn so với một tuabin Darrieus tiêu chuẩn nhưng Giromill lại có hiệu suất thấp hơn và đòi hỏi phải có động cơ để khởi động. Tuy nhiên, các tuabin này có thể hoạt động tốt trong điều kiện gió không ổn định và đây cũng là một sự lựa chọn tốt để sử dụng trong các khu vực mà loại HAWT không thích hợp. 8 do an Hình 2.4 Tuabin gió trục đứng Giromill (3 cánh, 200 kW, Falkenberg, Thụy Điển) [4] d. Cycloturbine Cycloturbine là một biến thể của Giromill, trong đó sử dụng một cánh gạt để định hướng tốc độ của các cánh nhằm cho hiệu quả tối đa.
Trong Cycloturbines các cánh được gắn kết để chúng có thể quay xung quanh trục thẳng đứng của mình. Điều này cho phép các cánh có thể đặt nghiêng một góc nào đó so với hướng tác dụng của chiều gió.5 Cycloturbine rotor [5] 9 do an Ưu điểm chính của thiết kế này là mô-men xoắn tạo ra gần như không đổi trên một góc độ rộng và vì vậy Cycloturbines có 3 hoặc 4 cánh đều có một mô-men xoắn tương đối ổn định. Hơn nữa phạm vi góc mô-men xoắn là gần với công suất lớn nhất mà hệ thống có thể tạo ra. So với các tuabin gió Darrieus khác, loại VAWT này thể hiện ưu điểm về khả năng tự khởi động: trong điều kiện gió thấp, các cánh phẳng được đặt nghiêng và ngược với hướng gió từ đó chúng tạo ra lực kéo để làm cho tuabin bắt đầu chuyển động.
Khi tốc độ quay gia tăng, các cánh sẽ nghiêng để gió lùa qua khoảng trống của cánh và tạo ra các lực nâng đỡ tăng tốc cho tuabin. Kết cấu của loại cánh này cho thấy rất phức tạp và thường là nặng, vì vậy Cycloturbines cần phải có một số thiết bị cảm biến để định hướng gió giúp cho các cánh chuyển động được chính xác hơn. Tuabin xoắn Gorlov: Loại tuabin cánh xoắn này được phát minh bởi Alexander Gorlov và nhận bằng sáng chế vào năm 1995. Đây cũng là một dạng tuabin Darrieus.
Ban đầu nó được thiết kế như là một tuabin thủy lực và sau đó nó cũng được biết đến như một tuabin gió. Hiệu suất cao hơn các tuabin trục đứng khác và có thể đạt tới 35%. Điểm nổi bật của loại tuabin gió cánh xoắn Gorlov này là hoạt động với lực xoắn nhỏ, giảm tiếng ồn, giảm rung động, độ cứng vững cao.6 Tuabin gió Gorlov [6] 10 do an f. Flap tuabin Flap turbine (FT) là một loại mới của tuabin trục đứng (VAWT), loại tuabin này có đặc điểm là các cánh có khả năng tự xoay đi để tạo ra sự chênh lệch mô men, tạo nên chuyển động quay cho tuabin.
Khi gió tác động vào những cánh cùng chiều với hướng của gió thì các phần tử cánh sẽ khép kín lại thành dạng cánh buồm, để biến năng lượng gió thành cơ năng làm quay tuabin. Cũng song song với khả năng tự đóng lại của các cánh cùng hướng gió là khả năng tự nâng lên của các cánh ở phía ngược hướng gió, cho phép không khí đi qua các cánh, tạo nên sự chênh lệch về lực giữa các cánh với nhau, từ đó sinh ra mô men quay và làm quay tuabin.7 Mô hình Flap turbine [7] 2.2 Tuabin gió loại Quiet-Revolution/GB (Gorlov) 2.1 Đặc điểm Tuabin gió Quiet-Revolution/GB hay còn được gọi là tuabin gió Gorlov là một tuabin gió được phát triển từ các tuabin gió kiểu Darrieus bằng cách thay đổi hướng xoắn của cánh tuabin gió. Các nguyên lý làm việc cũng giống như nguyên mẫu chính của nó là Darrieus và giải quyết được vấn đề đó là moomen xoắn.