CHƯƠNG 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1. GIỚI THIỆU CHUNG Nhu cầu về năng lượng trong thời đại khoa học kỹ thuật không ngừng gia tăng. Tuy nghiên các nguồn năng lượng truyền thống đang được khai thác như : than đá, dầu mỏ, khí đốt, khí thiên nhiên và ngay cả thủy điện…đang ngày càng cạn kiệt.
Không những thế chúng còn có tác hại xấu đối với môi trường như: gây ra ô nhiễm môi trường, ô nhiễm tiếng ồn, mưa axit, trái đất ấm dần lên, thủng tầng ozon. Do đó, việc tìm ra và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió và năng lượng gió là rất cần thiết.Việc nghiên cứu năng lượng gió ngày càng thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu, nhất là trong tình trạng thiếu hụt nghiêm trọng năng lượng hiện nay. Năng lượng gió là nguồn năng lượng sạch, dồi dào, hoàn toàn miễn phí, không gây ô nhiễm môi trường và không gây ô nhiễm tiếng ồn … Hiện nay, năng lượng gió đã dần dần đi vào cuộc sống của con người, chúng được áp dụng khá rộng rãi trong dân dụng và trong công nghiệp dưới nhiều hình thức khác nhau. - Ưu điểm : Cùng với năng lượng mặt trời ưu điểm lớn nhất của nguồn năng lượng này là có thể tái tạo lại, trong khi đó nhiên liệu hóa thạch như than, dầu khí,.
thì hoàn toàn không thể. Nguồn năng lượng xanh này là miễn phí và ” bất tử”. Nếu được sử dụng rộng rãi, nguồn năng lượng gió hoàn toàn có thể thay thế nhu cầu năng lượng hiện nay. Lý do lớn nhất chính là năng lượng không gây bất cứ ô nhiễm môi trường như năng lượng hóa thạch.
Tiếp theo là hiệu quả về mặt chi phí, bạn không cần phải chi phí việc mua, vận chuyển nguyên liệu như những nhà máy phát điện bằng than. Chỉ mất chi phí đầu tư lớn ban đầu nhưng tuổi thọ và thời gian sử dụng đủ để bạn không cần lo nghĩ. 1 Hình 1-1 Cối xay gió Tuy nhiên , vẫn có một số nhược điểm như sau : Mặc dù là nguồn năng lượng tuyệt vời vô hạn nhưng có điểm hạn chế là phi phí lắp đặt hệ thống năng lượng gió ban đầu thường khá lớn. Đồng thời nguồn năng lượng này không liên tục bởi gió thường thổi theo từng đợt và cần phải tích trữ năng lượng để sử dụng dần.
CÁC LÍ THUYẾT CƠ BẢN VỀ CẤU TẠO TUABIN GIÓ 2. NGUYÊN LÍ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ - Gió là luồng không khí chuyển động và năng lượng gió chính là động năng của luồng không khí chuyển động đó. - Bộ phận dùng để đón gió và nhận năng lượng từ gió gọi là Rotor gió. Rotor gió làm nhiệm vụ tiếp nhận động năng của luồng gió và chuyển thành cơ năng trên trục quay.
Nó có cấu trúc là một giàn xoay có gắn các lá cánh. Ta đặt Rotor gió trong một trường gió vuông góc với mặt Rotor. Theo thuyết Bezt’s ta có: - Động năng của khối không khí (luồng gió) di chuyển với vận tốc v (m/s) là: 1 𝑷 = 𝑚𝑣2 2 Thể tích của khối khí đó là: V = vS (m3 /s) Khối lượng khối khí với mật độ p (kg/m3 ) là : m = 𝝆V = 𝝆vS (Kg/s) Năng lượng từ của khối khí di chuyển đó là: 1 1 𝑷 = 𝑚𝑣2 = 𝑝𝑣3 2 2 Đối với Rotor hình đĩa (cánh quạt), hiệu động năng của khối khí di chuyển trước và sau khi qua Rotor là: 1 𝑷 = p(𝑠1 𝑣31 − 𝑠2 𝑣32 )(𝑤) 2 Theo định luật bảo toàn khối lượng ta có: Pv1S1= Pv2S2 (Kg/s) Công suất được Rotor hấp thụ là: 1 𝑷 = 𝑝𝑣1 𝑠1 (𝑣21 − 𝑣22 2 𝒑 = 𝟏/ 𝟐 𝒎(𝒗𝟏𝟐 − 𝒗𝟐𝟐 ) Từ phương trình trên ta có hiệu suất Rotor là cực đại khi v2 = 0, điều này chỉ đạt được khi vận tốc khối khí đầu vào v1 = 0 tức là không có gió. Do đó, ta quan 3 tâm chỉ số v2/v1 đạt cực đại, điều này đòi hỏi ta quan tâm đến lực không khí tác động lên cánh quạt Rotor: F = m(vi - V2) Công suất gió đặt trên cánh quạt là : P = Fv’ = m(v1 - v2)v’ (W) Theo thuyết Bezt’s : tỉ số cực đại của vận tốcv2/v1 Hình 2-1.
Tỉ số cực đại của vận tốcv2/v1 Tỉ số cực đại của vận tốc là: v2/v1 = 1/3 nên: CP = 16/27 = 0.593 Trong thực tế Cp của các động cơ gió quay chậm nằm trong khoảng từ 0. Điều này là do trong điều kiện vận hành thực tế động cơ gió còn gặp các tổn thất do việc sinh ra các luồng xoáy khi khối khi di chuyển qua cánh quạt 2. Phân loại tuabin gió Tuabin gió gồm 2 loại là tuabin gió dọc trục và tuabin gió ngang trục - Tuabin gió dọc trục : 4 Hình 2-2 Tua-bin gió dọc trục. Ưu điểm : Không phụ thuộc vào hướng gió.
Hệ thống hộp số và máy phát nằm gần mặt đất nên dễ dàng bảo trì. Tuabin không cần thùng Nacelle và chân trụ không cao như tuabin gió trục ngang. Lực tác động vào cánh quạt phân bố đều , trục quay không bị cong vì trọng lượng hệ thống trục và momen xoắn. Cánh quạt cấu hình giản dị , dễ sản xuất, chi phí thấp.
Nhược điểm : Hệ số công suất tương đối thấp , tối đa 40%. Lực tác động và lực li tâm luôn thay đổi nên ảnh hưởng đến sức bền vật liệu - Tuabin gió ngang trục Hình 2-3 Tua-bin gió dọc trục. 5 Ưu điểm : Hệ số công suất cao. Hệ số tốc độ gió đầu cánh cao, công suất tạo ra cao hơn Nhược điểm : Lực tác động và lực xoắn không được phân bố đều nên độ bền những chi tiết cơ bị ảnh hưởng.
Độ rung hẹ thống không ổn định, độ ồn phát sinh cao 2. Các dạng truyền động Gồm 3 dạng chính : Truyền bánh răng, đai , xích - Bộ truyền bánh răng: làm việc theo nguyên lý ăn khớp, thực hiện truyền chuyển động và công suất nhờ vào sự ăn khớp của các răng truyền trên bánh răng. Bộ truyền bánh răng có thể truyền chuyển động quay giữa hai trục song song, giao nhau, chéo nhau hay biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến hay ngược lại. - Bộ truyền xích: là cơ cấu truyền chuyển động quay giữa các trục song song gồm bánh xích lắp cố định trên các trục và dây xích liền vòng ôm ăn khớp với hai bánh xích.
Bảng 5: Ưu, nhược điểm của bộ truyền động đai xích và bánh răng. Đặc Điểm Bộ truyền Đai Xích Bánh răng Hiệu suất Rất tốt Rất tốt Rất tốt Chuyển động cưỡng Rất tốt Rất tốt Rất tốt lực Khoảng cách trục lớn Rất tốt Rất tốt Không tốt Khả năng chịu mài Tốt Rất tốt Rất tốt mòn Sử dụng nhiều dãy Rất tốt Rất tốt Không tốt 6 Khả năng chịu nhiệt Không Rất tốt Tốt tốt Tính trơ hóa học Không Rất tốt Tốt tốt Làm việc trong dầu Không Rất tốt Rất tốt tốt Khả năng tải Tốt Rất tốt Rất tốt Vận tốc cao Rất tốt Không tốt Rất tốt Dễ bảo trì Tốt Rất tốt Không tốt Môi trường Không Rất tốt Rất tốt tốt Dựa vào bảng ưu, nhược điểm trên ta thấy truyền động xích và bánh răng có nhiều điểm ưu việt cho Tua-bin gió. Tuy nhiên truyền động xích không truyền được vận tốc cao (Khoảng 1500 vòng/phút) cho ứng dụng kéo máy phát điện nên ta dùng bộ truyền bánh răng cho Tua-bin gió 2. Đinh luật cảm ứng điện từ 2.
Trường hợp từ thông xuyên qua vòng biến thiên Khi từ thông O = O(t) xuyên qua vòng dây biến thiên, trong vòng dây sẽ cảm ứng sức điện động e(t). Sức điện động đó có chiều sao cho dòng điện do nó sinh ra tạo ra từ thông chống lại sự biến thiên của từ thông sinh ra nó. Sức điện động trong một vòng dây được tính theo công thức Maxwell: 𝑑∅ e = - (V) 𝑑𝑡 Trong đó 𝜓= N𝜙 (WB) gọi là từ thông móc vòng của cuộn dây. Trường hợp thanh dẫn chuyển động trong từ trường Khi thanh dẫn chuyển động thẳng góc với đường sức từ trong thanh dẫn cảm ứng sức điện động có trị số là: e = Blv (V) Trong đó: • B - là cường độ từ cảm (T) • l - chiều dài tác dụng của thanh dẫn (m) Còn chiều sức điện động cảm ứng xác định bằng quy tắc bàn tay phải: đặt bàn tay phải sao cho đường sức từ có hướng chui vào lòng bàn tay, còn ngón tay cái duỗi ra (900) theo chiều chuyển động của dây dẫn, các ngón tay còn lại chỉ chiều của dòng điện cảm ứng.
Khi thanh dẫn mang điện đặt thẳng góc với đường sức từ trường , thanh dẫn sẽ chịu một lực điện từ tác dụng có trujh số là ; f = Bil (N) Trong đó : • B - cường độ từ cảm (T) • i - dòng điện chạy trong thanh dẫn (A) • l - Chiều dài thanh dẫn (m) • f - lực điện từ đo bằng Niuton (N) Chiều của lực điện từ xác định bằng nguyên tắc bàn tay trái: đặt bàn tay trái lên đoạn mạch điện sao cho các ngón tay vươn thẳng hướng theo chiều dòng điện, các đường sức của từ trường chui vào lòng bàn tay thì ngón tay cái dũi ra chỉ hướng của của lực tác động lên dây dẫn điện. Hòa đồng bộ Để hòa điện vào lưới điện phát ra phải thỏa 3 điều kiện sau: • Tần số máy phát ra phải bằng tần số lưới. • Điện áp máy phát ra phải bằng điện áp lưới. • Phải cùng thứ tự pha, và góc pha phải trùng với nhau 2.
Cấu tạo tuabin gió Tua-bin điện gió là thiết bị dùng chuyển động năng của sự vận chuyển không khí thành cơ năng và từ cơ năng chuyển thành điện năng để cung cấp cho tải tiêu thụ. Để tạo được một Tua-bin điện gió dựa trên nhiều kiến thức trong các lĩnh vực như: cơ khí, điện, điện tử, khí tượng v. Trong những thập niên vừa qua, việc nghiên cứu, thử nghiệm và đưa vào hoạt động có nhiều tiến triển đặc biệt. Cấu trúc Tua-bin gió hiện đại gồm các phần: • Roto gió.
• Bộ truyền động và bộ phận thắng. • Vỏ và hệ thống định hướng. • Bộ điều khiển. • Hệ thống chống sét, chống cháy nổ.
• Tháp và nền. • Máy phát điện 9 Hình 2-4. Cấu hình Tua-bin điện gió trục ngang và thân trụ dùng hộp số. Cấu tạo bên trong Tua-bin gió trục ngang Cấu tạo bên trong tuabin gió trục ngang Trong đó : • Wind direction: Hướng gió.
11 • Blades: Cánh Tua-bin. • Low-speed shaft: Trục tốc độ thấp. Yaw drive: Truyền động cho động cơ góc phương vị. • Controller: Bộ điều khiển.
• Gear box: Hộp số. • Generator: Máy phát điện.