PHẦN MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, gió là nguồn năng lƣợng phát triển nhanh nhất trên thế giới, mức độ tăng trƣởng đạt 29% trong thập kỷ niên qua, trong đó than chỉ tăng 2,5%, năng lƣợng hạt nhân tăng 1,8%, khí tự nhiên tăng 2,5% và dầu tăng 1,7%/ năm. Ở một số nƣớc, đặc biệt là các nƣớc ở khu vực châu Âu năng lƣợng gió đƣợc xem nhƣ một nguồn năng lƣợng quan trọng đã đóng góp một phần đáng kể trong việc cân bằng năng lƣợng quốc gia [1]. Tại Châu Á, Trung Quốc là nƣớc dẫn đầu phát triển việc nghiên cứu và sử dụng nguồn năng lƣợng gió, đặc biệt chú trọng các loại turbine gió cỡ nhỏ. Ƣu thế của Việt Nam là nƣớc có bờ biển dài trên 3.000 km, nhiều hải đảo, núi cao có tốc độ gió từ 7 đến 9m/s là thƣờng xuyên, có lúc 15-17m/s, đặc biệt là ở miền Trung và Tây Nguyên đến nay chƣa đƣợc khai thác [1].
Ở Việt Nam, đã có một số cơ quan tham gia nghiên cứu về năng lƣợng gió: Nhƣ Đại học Bách khoa Hà Nội, Trung tâm năng lƣợng mới [1], Học viện kỹ thuật quân sự, Trƣờng Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên [2]., những cơ quan này cũng đã tập trung nghiên cứu năng lƣợng gió theo nhiều hƣớng khác nhau, tuy nhiên nghiên cứu turbine gió công suất nhỏ cho kinh doanh hộ cá thể (nhƣ turbine gió dẫn động để kéo máy sục khí nuôi trồng thủy sản từ 1HP trở lên, hoặc sản xuất phong điện công suất dƣới 1.5 kw cho các trang trại sản xuất nhỏ), ở điều kiện vận tốc gió thấp (dƣới 10m/s) còn chƣa đƣợc quan tâm đến. Theo các tài liệu công bố gần đây [3], tốc độ gió trung bình của Việt Nam có thể phù hợp cho việc vận hành một turbine gió trục ngang 3 cánh, loại turbine này có mô men khởi động yêu cầu nhỏ (chỉ cần vận tốc gió thấp khoảng 2.5 m/s là turbine gió có thể đi vào hoạt động), hiệu suất năng lƣợng cao so với các loại turbine khác, phần thiết kế, chế tạo đơn giản và kinh phí thấp, phù hợp cho sản xuất phong điện công suất nhỏ. Tuy nhiên cơ sở khoa học cho việc chế tạo turbine gió trục ngang này chƣa đƣợc quan tâm nghiên cứu đầy đủ.Vì thế, đề tài “Thiết kế, chế tạo turbine gió dẫn động máy sục khí” là hết sức cần thiết. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.
Mục tiêu của nghiên cứu 3. Mục tiêu chung Thiết kế, chế tạo và vận hành thành công mô hình turbine gió trục ngang có công suất nhỏ (dƣới 0,5Kw) 3. Mục tiêu cụ thể - Tìm hiểu lý thuyết cơ bản về khí động lực turbines gió và những nhân tố ảnh hưởng đến công suất làm việc của turbines gió; - Sử dụng phần mềm Catia để xây dựng biên dạng cánh trên cơ sở biên dạng cánh của Naca 63415; - Đặt ra bài toán, dựa trên phương pháp nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm, tính toán thiết kế, chế tạo mô hình, kiểm nghiệm tuabin gió công suất nhỏ để vận hành máy sục khí trong nuôi trồng thủy sản đạt được công suất như dự kiến. Kết quả dự kiến - Chế tạo, lắp ráp hoàn chỉnh mô hình turbine gió trục ngang nhƣ mục tiêu đề ra.
Phƣơng pháp nghiên cứu - Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết (điều tra, thống kê); - Phƣơng pháp thực nghiệm. Các công cụ, thiết bị nghiên cứu - Máy đo mô men xoắn DEWE - 3020; - Phong kế đo tốc độ gióTesto 445. Nội dung của luận văn gồm 04 chƣơng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn c 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIÓ VÀ KHAI THÁC NĂNG LƢỢNG GIÓ 1. Lịch sử hình thành và phát triển của turbines gió [4] Lịch sử thế giới loài ngƣời đã biết ứng dụng năng lƣợng gió vào cuộc sống từ rất sớm.
Gió giúp quay các cối xay bột, gió giúp các thiết bị bơm nƣớc hoạt động, và gió thổi vào cánh buồm giúp đƣa các con thuyền đi xa. Theo những tài liệu còn giữ lại đƣợc thì bản thiết kế đầu tiên của chiếc cối xay hoạt động nhờ sức gió là vào khoảng thời gian những năm 500-900 sau công nguyên tại Ba Tƣ. Đặc điểm nổi bật của thiết bị này đó là các cánh đón gió đƣợc bố trí xung quanh một trục đứng, minh họa một mô hình cánh gió đƣợc lắp tại Trung Mỹ vào cuối thế kỷ XIX, mô hình này có cấu tạo cánh đón gió quay theo trục đứng.1 Mô hình cánh gió lắp tại Trung Mỹ cuối Thế kỷ XIX Muộn hơn nữa, kể từ thế kỷ XIII, các cối xay gió xuất hiện tại Châu Âu với cấu trúc phức tạp hơn có các cánh đón gió quay theo phƣơng ngang. Cải tiến cơ bản này đã tận dụng đƣợc lực nâng khí động tác dụng lên cánh và làm hiệu suất của cối xay gió thời kỳ này đƣợc cải thiện đáng kể.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.2 Cối xay gió ở Mykonos Trong suốt những năm tiếp theo, các thiết kế của cối xay gió ngày càng đƣợc hoàn thiện và đƣợc sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực nhƣ; bơm nƣớc, tƣới tiêu, xay bột. Tuy nhiên vào đầu thế kỷ XIX, với sự xuất hiện của máy hơi nƣớc, đã thay thế dần các thiết bị chạy bằng sức gió. Những bƣớc đầu tiên của turbines gió Các tài liệu tham khảo lịch sử đầu tiên về cối xay gió đề cấp tới Alexandria (Woodcroft, 1851). Ông đƣợc cho là sống ở thế kỷ thứ nhất trƣớc công nguyên.3 mô tả một thiết bị cung cấp không khí cho một cơ quan bằng năng lƣợng của một turbine gió [4] Hình 1.
Turbine gió của Alexandria (Woodcroft, 1851) Turbine gió đã xuất hiện đầu tiên ở Bắc Âu (Anh) vào thế kỷ thứ 12 và đều có trục nằm ngang. Chúng đƣợc sử dụng trong cơ khí, bơm nƣớc, xay ngũ cốc, cƣa gỗ, cung cấp năng lƣợng …Turbine gió thƣờng có bốn cánh, số lƣợng và kích thƣớc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn c 5 của cánh có lẽ là dựa vào tính dễ thi công, và dựa trên kết quả thực nghiệm (tỷ lệ diện tích cánh cho khu vực quét) [4] Hình 1. Turbine gió (http://en.org/wiki/File:Oldland_Mill.jpg) Năm 1888, tại Ohio-Mỹ, chiếc turbines gió phát điện đầu tiên đƣợc chế tạo bởi Charles F. Đặc điểm của turbines.
- Cánh đƣợc ghép thành xuyến tròn, có đƣờng kính 17m. - Sử dụng hộp số (tỉ số truyền 50:1) giữa trục Turbines gió với máy phát. - Tốc độ định mức của máy phát là 500 v/phút. - Công suất định mức của máy phát là 12kW.5 Turbine gió phát điện đầu tiên Nửa đầu của thế kỷ 20 cũng chứng kiến sự ra đời của một số turbine gió lớn có ảnh hƣởng đáng kể sự phát triển của công nghệ ngày nay.
Một trong số đó là là ở Đan Mạch. Giữa năm 1891 và 1918 Poul La Cour đƣợc xây dựng hơn 100 turbine phát điện tạo ra trong phạm vi kích thƣớc 20-35kW. Thiết kế của ông dựa trên thế hệ mới nhất của các nhà máy Đan Mạch. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn c 6 Một trong những tính năng đáng chú ý hơn của turbine là sản xuất điện năng đƣợc tạo ra đã đƣợc sử dụng để sản xuất hydro và khí hydro sau đó đã đƣợc sử dụng để chiếu sáng.
Turbine La Cour đã đƣợc theo sau bởi một số turbine sản xuất bởi Lykkegaard Ltd và FL Smidth & Co trƣớc khi Thế chiến II. Những dao động có kích thƣớc từ 30 đến 60kW. Jacobs turbine (Jacobs, 1961) Trong những năm tiếp theo, hàng loạt turbines gió ra đời nhƣ: Turbines gió công suất 25kW ở Đan Mạch năm 1910, 1-3kW ở Mỹ năm 1925, 100kW ở Nga năm 1931. Tuy nhiên do giá thành điện của những máy này không cạnh tranh đƣợc với các nhà máy nhiệt điện vì vậy chúng không đƣợc phát triển rộng rãi.
Những năm 80 của thế kỷ XX Vào thời kỳ này thế giới đang bƣớc vào cuộc khủng hoảng năng lƣợng. Ở các nƣớc phát triển bắt đầu tập trung vào nghiên cứu chế tạo các turbines gió. Mỹ là nƣớc đi tiên phong trong lĩnh vực này khi mà tại đây rất nhiều turbines gió của các nhà sản xuất trên thế giới đƣợc lắp đặt. Những thiết kế, mô hình turbines gió đã phát triển rất nhanh và đáng chú ý là mô hình thiết kế của Đan Mạch; có 3 cánh, công suất 250kW, turbines gió có thể điều chỉnh đƣợc góc đón gió của cánh turbines gió.
Đây là mẫu thiết kế đã mang dáng dấp của những turbines gió hiện đại sau này. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn c 7 Từ năm 90 đến nay Sau năm 90, cùng với Mỹ các nƣớc Đức, Anh, Tây Ba Nha, Hà Lan, Thụy Điển là những thị trƣờng đầy tiềm năng. Nhiều turbines gió đƣợc lắp đặt với dải công suất ngày càng lớn. Năm 1990, công suất turbines gió lắp đặt chỉ ở mức 200kW thì đến năm 2003 công suất turbines gió có thể lên đến 5MW.
Kéo theo đó là sự xuất hiện hàng loạt các trang trại turbines gió với công suất lên đến vài trăm MW. Thời kỳ này đánh dấu sự phát triển các trang trại turbines gió trên biển. Gió trên biển có đặc điểm vận tốc gió cao và ổn định nên hứa hẹn có thể mang lại một lƣợng công suất rất lớn.7 Trang trại turbines gió trên biển 1. Khai thác năng lƣợng gió 1.
Công suất được khai thác từ năng lượng gió Trên thế giới có rất nhiều quốc gia đã đi vào khai thác nguồn năng lƣợng gió, chủ yếu là các nƣớc phát triển. Trong số 20 thị trƣờng lớn nhất trên thế giới, chỉ riêng châu Âu đã có 13 nƣớc với Đức là nƣớc dẫn đầu về công suất của các nhà máy dùng năng lƣợng gió với khoảng cách xa so với các nƣớc còn lại. Tại Đức, Đan Mạch và Tây Ban Nha việc phát triển năng lƣợng gió liên tục trong nhiều năm qua. Công nghệ của Đức (bên cạnh các phát triển mới từ Đan Mạch và Tây Ban Nha) đã đƣợc sử dụng trên thị trƣờng nhiều hơn trong những năm vừa qua.
Năm 2007 thế giới đã xây mới đƣợc khoảng 20073 MW điện, trong đó Mỹ với 5244 MW, Tây Ban Nha 3522MW, Trung Quốc 3449 MW, 1730 MW ở Ấn Độ và 1667 MW ở Đức, nâng công suất định mức của các nhà máy sản xuất điện từ gió Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www. Công suất này có thể thay đổi dựa trên sức gió qua các năm, các nƣớc và các vùng.1 Công suất được khai thác từ năng lượng gió trên thế giới Số thứ tự Quốc gia Công suất (MW) 1 Đức 22.818 3 Tây Ban Nha 15.389 10 Bồ Đào Nha 2.