(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu phát triển hệ thống năng lượng gió trụ ngang công suất nhỏ sử dụng hiệu ứng hầm gió (Wind Cube)(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu phát triển hệ thống năng lượng gió trụ ngang công suất nhỏ sử dụng hiệu ứng hầm gió (Wind Cube)(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu phát triển hệ thống năng lượng gió trụ ngang công suất nhỏ sử dụng hiệu ứng hầm gió (Wind Cube)(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu phát triển hệ thống năng lượng gió trụ ngang công suất nhỏ sử dụng hiệu ứng hầm gió (Wind Cube)(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu phát triển hệ thống năng lượng gió trụ ngang công suất nhỏ sử dụng hiệu ứng hầm gió (Wind Cube)(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu phát triển hệ thống năng lượng gió trụ ngang công suất nhỏ sử dụng hiệu ứng hầm gió (Wind Cube)(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu phát triển hệ thống năng lượng gió trụ ngang công suất nhỏ sử dụng hiệu ứng hầm gió (Wind Cube)(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu phát triển hệ thống năng lượng gió trụ ngang công suất nhỏ sử dụng hiệu ứng hầm gió (Wind Cube)(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu phát triển hệ thống năng lượng gió trụ ngang công suất nhỏ sử dụng hiệu ứng hầm gió (Wind Cube)(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu phát triển hệ thống năng lượng gió trụ ngang công suất nhỏ sử dụng hiệu ứng hầm gió (Wind Cube)(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu phát triển hệ thống năng lượng gió trụ ngang công suất nhỏ sử dụng hiệu ứng hầm gió (Wind Cube)(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu phát triển hệ thống năng lượng gió trụ ngang công suất nhỏ sử dụng hiệu ứng hầm gió (Wind Cube)(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu phát triển hệ thống năng lượng gió trụ ngang công suất nhỏ sử dụng hiệu ứng hầm gió (Wind Cube)(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu phát triển hệ thống năng lượng gió trụ ngang công suất nhỏ sử dụng hiệu ứng hầm gió (Wind Cube)(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu phát triển hệ thống năng lượng gió trụ ngang công suất nhỏ sử dụng hiệu ứng hầm gió (Wind Cube)(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu phát triển hệ thống năng lượng gió trụ ngang công suất nhỏ sử dụng hiệu ứng hầm gió (Wind Cube)(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu phát triển hệ thống năng lượng gió trụ ngang công suất nhỏ sử dụng hiệu ứng hầm gió (Wind Cube)(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu phát triển hệ thống năng lượng gió trụ ngang công suất nhỏ sử dụng hiệu ứng hầm gió (Wind Cube)(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu phát triển hệ thống năng lượng gió trụ ngang công suất nhỏ sử dụng hiệu ứng hầm gió (Wind Cube)
Lý do chọn đề tài
Kinh tế Việt Nam đang phát triển theo hướng công nghiệp hóa và hiện đại hóa, dẫn đến nhu cầu sử dụng nguồn năng lượng điện ngày càng tăng cao để phục vụ sản xuất và sinh hoạt Tuy nhiên, tình trạng thiếu hụt nguồn năng lượng này vẫn diễn ra nghiêm trọng, dù chính phủ đã thực hiện nhiều biện pháp như xây mới nhà máy phát điện, tăng nhập khẩu điện và kêu gọi tiết kiệm điện từ cộng đồng Hiện tại và trong tương lai gần, vấn đề thiếu điện vẫn là thách thức cấp bách cần được giải quyết để đảm bảo sự phát triển bền vững của đất nước.
Dự báo của Tổng Công ty Điện lực Việt Nam cho thấy, với tăng trưởng GDP duy trì ở mức 7,1% mỗi năm, nhu cầu điện sản xuất của Việt Nam sẽ đạt khoảng 200.000 GWh vào năm 2020 và 327.000 GWh vào năm 2030 Tuy nhiên, ngay cả khi khai thác tối đa các nguồn điện truyền thống, sản lượng điện nội địa dự kiến chỉ đạt 165.000 GWh vào năm 2020 và 208.000 GWh vào năm 2030, dẫn đến nguy cơ thiếu hụt điện nghiêm trọng và tỷ lệ thiếu hụt có thể lên tới 20-30% mỗi năm, ảnh hưởng lớn đến sự phát triển kinh tế bền vững của đất nước.
Máy phát điện gió đã được sử dụng rộng rãi ở châu Âu, châu Mỹ và nhiều quốc gia khác, nhưng tại Việt Nam vẫn chưa phát triển đáng kể Hiện nay, nguồn điện của nước ta chủ yếu dựa vào nhiệt điện khí, nhiệt điện than và thủy điện, nhưng việc khai thác các nguồn năng lượng truyền thống này gây ra các vấn đề về biến đổi khí hậu, hạn hán, lũ lụt Trong các nguồn năng lượng tái tạo để sản xuất điện, năng lượng gió nổi bật với ưu điểm về chi phí thấp, phân bố rộng khắp lãnh thổ, dễ sử dụng, có trữ lượng vô tận và thân thiện với môi trường Do đó, phát triển năng lượng gió là hướng đi phù hợp và tiềm năng cho tương lai năng lượng của Việt Nam.
Máy phát điện gió trục ngang công suất nhỏ có thiết kế nhỏ gọn, phù hợp với địa hình lắp đặt và điều kiện kinh tế tại Việt Nam Sản phẩm lý tưởng cho các ứng dụng năng lượng tái tạo nhờ vào tính linh hoạt và hiệu quả cao Việc sử dụng máy phát điện gió nhỏ giúp giảm chi phí đầu tư và vận hành, góp phần thúc đẩy phát triển nguồn năng lượng sạch và bền vững tại Việt Nam.
Các hệ thống phát điện gió công suất nhỏ đang ngày càng được quan tâm và ứng dụng rộng rãi để phục vụ nhu cầu sinh hoạt hàng ngày Tuy nhiên, hiệu quả của các hệ thống này còn phụ thuộc vào tốc độ gió khu vực, đặc biệt là ở các thành phố có tốc độ gió không cao Việc lựa chọn giải pháp phù hợp đòi hỏi phải xem xét kỹ điều kiện thời tiết và điều kiện địa lý của từng khu vực để đảm bảo hoạt động hiệu quả.
Hồ Chí Minh gặp nhiều khó khăn khi sử dụng máy phát điện gió công suất nhỏ do tốc độ gió trung bình dưới 6 m/s Để tối ưu hóa hiệu quả năng lượng từ gió trong những vùng có tốc độ gió thấp, cần thiết phải sử dụng các thiết bị tăng tốc độ gió Việc này giúp nâng cao hiệu suất và khả năng vận hành của các hệ thống điện gió nhỏ, phù hợp với điều kiện khí hậu khu vực.
Nhận thức rõ vai trò của tốc độ gió trong việc tối ưu hóa công suất phát điện của tuabin gió, các nghiên cứu nhằm tăng cường tác động của gió lên cánh quạt đã được triển khai Hầm gió là một giải pháp khả thi giúp tăng tốc gió cho máy phát điện gió trục ngang công suất nhỏ, góp phần nâng cao hiệu quả vận hành Dựa trên kết quả mô phỏng, một hầm gió thí nghiệm đã được thiết kế và chế tạo để kiểm chứng các giả thuyết nghiên cứu Các thử nghiệm thực tế đã được tiến hành nhằm xác thực tính khả thi của cấu trúc hầm gió đề xuất, đảm bảo tính hợp lý và hiệu quả trong ứng dụng thực tiễn.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
+ Đề xuất được cách thức tính toán, thiết kế hầm gió
+ Đề xuất được kết cấu hầm gió có thể ứng dụng trong máy phát điện gió trục ngang
+ Đánh giá khả năng ứng dụng của hầm gió trên máy phát điện gió trục ngang công suất nhỏ
+ Đề xuất được kết cấu hầm gió phù hợp ứng dụng trong tuabin gió trục ngang công suất nhỏ hoạt động ở tốc độ gió thấp < 6 m/s
+ Chế tạo thành công hầm gió ứng dụng cho tuabin gió trục ngang công suất
≤ 300 W và hoạt động tại thành phố Hồ Chí Minh
+ Đánh giá được khả năng làm việc của hầm gió bằng thực nghiệm.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
- Nghiên cứu, thiết kế hầm gió ứng dụng trong các tuabin gió trục ngang công suất nhỏ
Thiết kế, chế tạo và đánh giá khả năng ứng dụng của hầm gió trên máy phát điện gió trục ngang công suất nhỏ giúp tuabin hoạt động hiệu quả khi tốc độ gió trung bình không cao, đạt khoảng 2,5 m/s Việc áp dụng hầm gió tối ưu hóa khả năng khai thác năng lượng gió ở mức gió thấp, góp phần nâng cao hiệu suất năng lượng và khả năng vận hành ổn định của hệ thống Nghiên cứu này cung cấp các giải pháp kỹ thuật mới nhằm nâng cao hiệu quả phát điện gió trong điều kiện gió yếu, phù hợp cho các khu vực có tốc độ gió trung bình thấp.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
- Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của đề tài là thiết kế, chế tạo hầm gió cho phát điện gió trục ngang công suất nhỏ
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
Phương pháp nghiên cứu
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
1.5.2 Phương pháp thu thập thông tin
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
1.5.3 Phương pháp tính toán thiết kế
- Nghiên cứu đi từ phân tích lý thuyết, phân tích tiềm năng máy phát điện gió công suất nhỏ ở Việt Nam
- Thiết kế, mô phỏng dựa vào công cụ thiết kế 3D
- So sánh, phân tích lựa chọn hầm gió phù hợp
- Từ phương án thiết kế được chọn, tiến hành chế tạo, kiểm tra đánh giá
1.5.4 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Dựa vào thiết kế hoàn chỉnh để chế tạo thiết bị sau đó thử nghiệm lại, đánh giá.
Kết cấu của đồ án tốt nghiệp
Đề tài được chia làm 5 chương với các nội dung như sau:
- Chương 1: Lý do chọn đề tài, ý nghĩa khoa học – thực tiễn, đối tượng, phạm vi và mục tiêu nghiên cứu
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
Chương 3 trình bày cơ sở lý thuyết về tuabin gió trục ngang, nhấn mạnh vai trò của dòng chảy trong việc ảnh hưởng đến hiệu suất của tuabin Các công thức tính toán và thiết kế hầm gió cung cấp nền tảng để tối ưu hóa hoạt động của hệ thống, đảm bảo hiệu quả cao và khả năng vận hành ổn định Nghiên cứu này giúp hiểu rõ các yếu tố khí động học liên quan đến dòng chảy và cách áp dụng chúng vào quy trình thiết kế tuabin gió trục ngang.
- Chương 4: Xác định kết cấu hầm gió thông qua mô phỏng, thí nghiệm và chế tạo thực nghiệm để đánh giá kết quả
- Chương 5: Thực nghiệm – Đánh giá
- Chương 6: Kết luận – Kiến nghị
Tổng quan về năng lượng gió
Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển của Trái Đất, phản ánh sức mạnh của các luồng gió tự nhiên Đây là một hình thức năng lượng tái tạo sạch và thân thiện với môi trường, góp phần giảm thiểu ô nhiễm và phát thải khí nhà kính Năng lượng gió không chỉ đóng vai trò quan trọng trong hệ sinh thái năng lượng toàn cầu mà còn là nguồn cung cấp năng lượng bền vững, giúp giảm sự phụ thuộc vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch Điều đặc biệt là năng lượng gió là một dạng gián tiếp của năng lượng mặt trời, vì quá trình tạo gió bắt nguồn từ sự phân bố nhiệt và áp suất không đều của bức xạ mặt trời trên toàn cầu.
2.1.2 Nguyên nhân hình thành gió
Bức xạ Mặt Trời không đều phân bố trên bề mặt Trái Đất, gây ra sự nóng lên khác nhau của khí quyển, nước và mặt đất Vùng xích đạo nhận nhiệt lượng nhiều hơn so với hai cực, dẫn đến sự chênh lệch nhiệt độ giữa các vùng, từ đó hình thành áp suất khí quyển không đều và thúc đẩy sự di chuyển của không khí gọi là gió Ngoài ra, hiện tượng ngày và đêm cùng sự xoay và nghiêng của Trái Đất góp phần tạo ra các dòng khí theo mùa và xoáy không khí, ảnh hưởng đến khí hậu toàn cầu.
Hiệu ứng Coriolis do quay quanh trục của Trái Đất gây ra, làm cho không khí di chuyển từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không theo hướng thắng mà tạo thành các cơn gió xoáy có chiều xoáy khác nhau ở Bắc bán cầu và Nam bán cầu Xem từ vũ trụ, trên Bắc bán cầu, không khí di chuyển vào vùng áp thấp theo chiều ngược kim đồng hồ và thoát ra khỏi vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ, còn trên Nam bán cầu, chiều hướng này hoàn toàn ngược lại.
2.1.3 Đơn vị và hướng gió Đơn vị của tốc độ gió được 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 mph tương đương với 1,609344 km/h, 0,8690 knot và 0,447 m/s Hướng gió là hướng từ đó gió thổi tới điểm quan trắc, được biểu thị bằng các phương vị như Đông, Tây, Nam, Bắc hoặc theo góc, trong đó hướng Bắc thường được dùng làm điểm chuẩn Việc hiểu rõ các đơn vị vận tốc gió giúp phân tích chính xác các yếu tố khí tượng, trong khi xác định hướng gió là yếu tố quan trọng để dự báo thời tiết và sự dịch chuyển không khí.
6 mốc ở vị trí 0° hoặc 360° và tính theo chiều kim đồng hồ Như vậy hướng đông ứng với 90°, hướng nam ứng với 180° và hướng tây ứng với góc 270°
Hình 2.1 Cột xác định hướng gió 2.1.4 Bản đồ gió Việt Nam
Việt Nam nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài, tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển năng lượng gió Gió Tây Nam thổi vào mùa hè giúp thúc đẩy khai thác năng lượng gió hiệu quả So sánh tốc độ gió trung bình ở vùng Biển Đông và các vùng biển lân cận cho thấy gió tại Biển Đông khá mạnh và biến đổi theo mùa, là nguồn năng lượng tiềm năng cho các dự án năng lượng gió của quốc gia.
Năm 2001, Ngân hàng Thế giới đã tài trợ xây dựng bản đồ gió cho Việt Nam, Lào, Campuchia và Thái Lan nhằm thúc đẩy phát triển năng lượng gió ở khu vực Bản nghiên cứu này dựa trên dữ liệu gió thu thập từ các trạm khí tượng thủy văn cùng phần mềm mô phỏng MesoMap, giúp ước tính sơ bộ tiềm năng năng lượng gió tại Việt Nam ở độ cao 65m và 30m so với mặt đất.
Hình 2.2 Bản đồ gió tại độ cao 65m
Hình 2.3: Bản đồ gió tại độ cao 30m
Dựa trên bản đồ năng lượng gió, Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất so với ba quốc gia còn lại, với hơn 39% diện tích đạt tốc độ gió trung bình hàng năm trên 6m/s ở độ cao 65m, tương đương tổng công suất 512GW Đặc biệt, hơn 8% diện tích đất nước được xếp vào loại có tiềm năng gió rất tốt, mở ra nhiều cơ hội phát triển năng lượng gió bền vững cho Việt Nam.
Việt Nam có tiềm năng phát triển năng lượng gió đáng kể ở độ cao 30m và 65m, đặc biệt tập trung tại vùng núi và cao nguyên Tây Nguyên, trong đó khu vực tiếp giáp giữa Ninh Thuận và Bình Thuận nổi bật với vận tốc gió trung bình cao, xu hướng ổn định và ít bão, là địa điểm phù hợp để lắp đặt các tuabin công suất lớn từ 3 đến 3,5MW Ngoài ra, các khu vực phía bắc của Quảng Bình và Quảng Trị cũng có gió mạnh với vận tốc từ 6-8m/s, tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển phong điện quy mô lớn.
Vùng duyên hải Bắc Bộ từ Quảng Ninh, Hải Phòng đến Thanh Hóa và duyên hải Nam Bộ là những khu vực có tiềm năng gió lớn, với vận tốc gió từ 4-6m/s, phù hợp cho việc phát triển các dự án điện gió với tua bin có công suất trung bình, góp phần thúc đẩy nguồn năng lượng sạch và bền vững cho quốc gia.
Bảng đồ gió của Ngân hàng Thế giới được đánh giá là quá lạc quan và không phản ánh chính xác các số liệu đo gió thực tế của Tập đoàn Điện lực Việt Nam EVN.
Sự chênh lệch này có thể là do sai số trong mô phỏng tính toán (bảng 2.2)
Bảng 2 2: So sánh vận tốc gió trung bình của EVN và bản đồ gió của WB [9]
Vào đầu năm 2010, Bộ Công Thương phối hợp với Ngân hàng Thế giới đã triển khai dự án xây dựng bản đồ gió mới cho Việt Nam Đơn vị thực hiện dự án là AWS Truepower, trước đây gọi là TrueWind Solutions, nhằm cập nhật và nâng cao độ chính xác của bản đồ gió quốc gia Dự án này góp phần thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo và hỗ trợ các dự án điện gió tại Việt Nam.
Hình 2.4: Bản đồ phân bố tốc độ gió của Việt Nam ở độ cao 80m [3]
Theo bản đồ mới, khu vực đầy hứa hẹn để phát triển năng lượng gió bao gồm duyên hải Nam Bộ, Nam Trung Bộ và đèo núi miền Trung Việt Nam Dọc theo duyên hải Nam Trung Bộ, tốc độ gió trung bình dự kiến đạt 6,5-7 m/s, tạo điều kiện thuận lợi cho các dự án điện gió lớn Khu vực duyên hải gần Cần Thơ có tốc độ gió khả quan từ 5-6 m/s, phù hợp để phát triển năng lượng gió quy mô nhỏ đến vừa Ngoài ra, khu vực đèo núi phía tây tỉnh Bình Định, giáp ranh giữa Gia Lai và Đắc Lắc, cũng là điểm sáng tiềm năng cho năng lượng gió do sự đa dạng về hướng gió Ở phía bắc, duyên hải gần Quảng Bình và khu vực phía đông nam Hà Nội chủ yếu chịu ảnh hưởng của gió biển vào và gió Tây khô nóng, ảnh hưởng đến khả năng khai thác gió của các dự án năng lượng tái tạo.
Ở khu vực Bắc Bộ, nhiều địa phương như Đông Bắc có tiềm năng khai thác năng lượng gió hiệu quả, trong khi Tây Bắc, đặc biệt trên các điểm cao và cao nguyên Mộc Châu, dọc theo dãy Hoàng Liên Sơn, có tốc độ gió 4-5 m/s tại độ cao 80m, cho thấy khả năng khai thác năng lượng gió rất khả quan Tuy nhiên, ở các vùng núi thấp và trung du Bắc Bộ, các khu vực thấp phía Tây Bắc, Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh và khu vực sâu trong đất liền đồng bằng Nam Bộ, tiềm năng năng lượng gió vẫn còn hạn chế tại độ cao này.
Tây Nguyên là khu vực có tiềm năng khai thác năng lượng gió cao nhất trong đất liền, với tốc độ gió từ 5.5 đến 6.75 m/s, mang lại hiệu quả lớn cho việc phát triển năng lượng gió Trong khi đó, vùng đất thấp phía tây giáp Campuchia có tiềm năng khai thác năng lượng gió thấp hơn, hạn chế khả năng phát triển các dự án gió trong khu vực này Nhờ vào độ cao lý tưởng và tốc độ gió ổn định, các khu vực còn lại của Tây Nguyên chứng tỏ tiềm năng khai thác năng lượng gió khả quan và thúc đẩy phát triển nguồn năng lượng sạch, bền vững.
Bảng 2 3: Tiềm năng năng lượng gió tại độ cao 80m theo atlas [3]
Tổng quan về máy phát điện gió
2.2.1 Lịch sử phát triển máy phát điện gió
Trong hàng nghìn năm, con người đã biết khai thác sức gió để vận hành các máy móc phục vụ cuộc sống hàng ngày Từ việc sử dụng buồm để ra khơi và đánh bắt hải sản, đến ứng dụng trong bơm nước và xay ngũ cốc, sức gió đã trở thành nguồn năng lượng tự nhiên quan trọng trong lịch sử phát triển của nhân loại.
Năm 1888 Charles F Brush đã chế tạo máy phát điện chạy bằng sức gió đầu tiên đặt tại Cleveland, Ohio [4] với các đặc điểm:
- Cánh được ghép thành xuyến tròn, đường kính 17m
- Sử dụng hộp số (tỉ số truyền 50:1) ghép giữa cánh tuabin với trục máy phát
- Tốc độ định mức của máy là 500vòng/phút
- Công suất phát định mức 12KW
Hình 2.5: Tuabin gió Charles F.Brush
Năm 1891, Poul la Cour đã chế tạo thành công tuabin gió đầu tiên ngoài nước Mỹ để phát điện tại Đan Mạch, mở ra bước ngoặt trong ngành năng lượng tái tạo Tuabin gió này sử dụng trục bốn cánh kiểu cánh máy bay, giúp tối ưu hóa hiệu suất, đồng thời có trục quay nhanh hơn, tăng khả năng chuyển đổi năng lượng gió thành điện năng hiệu quả hơn.
Hình 2.6: Tuabin gió Poul la Cour
Đến đầu những năm 1910, Đan Mạch đã lắp đặt nhiều máy phát điện chạy bằng sức gió công suất 25kW để khai thác năng lượng gió Tuy nhiên, giá thành điện năng từ các máy này không thể cạnh tranh với giá của các nhà máy nhiệt điện dùng nhiên liệu hóa thạch Dù gặp khó khăn do thị trường chưa phát triển, các thế hệ máy phát điện gió vẫn tiếp tục được nghiên cứu, thiết kế và lắp đặt để thúc đẩy ngành năng lượng gió trong tương lai.
Trong giai đoạn hiện tại, số lượng máy phát điện chạy năng lượng gió còn hạn chế, chủ yếu được lắp đặt rải rác Các quốc gia đi đầu trong việc ứng dụng công nghệ này tập trung chủ yếu ở Mỹ và các nước Tây Âu như Đan Mạch, Đức, Pháp, nhằm tận dụng nguồn năng lượng sạch và bền vững.
Hà Lan với công suất máy phát thấp chủ yếu nằm ở mức vài chục kW
Tua bin Savonius được phát minh bởi kỹ sư người Phần Lan Sigurd Johannes Savonius vào năm 1922, là một dạng tua bin gió trục đứng đơn giản và hiệu quả Thiết kế của nó bao gồm các gầu dạng bán xy-lanh lắp trên trục quay hoặc khung sườn, giúp tận dụng năng lượng gió một cách tối ưu Tua bin Savonius thường được sử dụng trong các ứng dụng năng lượng gió nhỏ, nhờ vào đặc điểm cấu tạo đơn giản, dễ lắp đặt và bảo trì Với khả năng hoạt động ổn định kể cả trong gió nhẹ, loại tua bin này ngày càng phổ biến trong hệ thống năng lượng tái tạo.
Năm 1931, kỹ sư người Pháp Geoge Darrieus đã phát minh ra tuabin gió trục đứng Darrieus, sử dụng cấu trúc gồm hai cánh mềm dạng cánh máy bay Một đầu cánh gắn ở đỉnh của tuabin, trong khi đầu còn lại gắn xuống đáy, tạo thành hình dạng giống như máy đánh trứng khổng lồ Các mẫu thiết kế sau đó được cải tiến với cánh quạt có rãnh nhằm nâng cao hiệu suất hoạt động của tuabin gió không trung.
Thị trường ứng dụng cho các máy phát điện sức gió bắt đầu phát triển mạnh mẽ từ những năm cuối của thập kỷ 70 thế kỷ 20, nhờ vào cuộc khủng hoảng dầu mỏ toàn cầu Trong giai đoạn này, máy phát điện sức gió thường được lắp đặt thành các vườn gió và vận hành độc lập bởi các nhà phát triển Đây chính là thời kỳ hoàng kim của công nghệ máy phát điện chạy bằng sức gió, mở ra bước ngoặt lớn trong ngành năng lượng tái tạo.
Năm 1950, kỹ sư Johannes Juhl đã phát triển tuabin gió 3 cánh khả năng phát điện xoay chiều, đánh dấu tiền thân của tuabin gió Đan Mạch hiện đại Châu Âu dẫn đầu trong lĩnh vực năng lượng gió, khi vào năm 1982, công suất tối đa của các tuabin gió chỉ đạt 50KW Đến năm 1995, công suất của các tuabin gió thương mại đã tăng gấp 10 lần, đồng thời chi phí xây dựng và sản xuất điện năng giảm một nửa Trong giai đoạn này, nhiều tuabin gió lớn trở thành loại cực nhỏ do sản lượng chỉ vài KW mỗi tháng Hiện nay, các tuabin gió có công suất lên tới 3MW với đường kính lên tới 100m, cùng với sự phát triển của nhiều nhà máy sản xuất tuabin gió kích thước lớn để phục vụ nhu cầu năng lượng sạch và bền vững.
Turbine gió là thiết bị chuyển đổi động năng của gió thành cơ năng, góp phần vào sản xuất năng lượng sạch và bền vững Những turbine này có thể trực tiếp sử dụng năng lượng gió để vận hành các thiết bị như cối xay, giúp tối ưu hóa việc khai thác nguồn năng lượng tự nhiên Việc sử dụng turbine gió không chỉ giúp giảm phát thải khí nhà kính mà còn thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo cho tương lai bền vững.
13 sức gió, hay biến đổi tiếp thành điện năng như trong trường hợp máy phát điện bằng sức gió
Máy phát điện bằng sức gió chủ yếu gồm motor điện một chiều sử dụng nam châm bền và cánh quạt để bắt gió chuyển đổi thành điện năng Các bộ phận còn lại bao gồm trục và cột dựng máy, bộ phận đổi dòng điện phù hợp với bình ắc quy, và máy biến đổi để chuyển đổi điện từ ắc quy thành điện xoay chiều phổ biến.
Máy phát điện turbine gió thường sử dụng loại máy phát xoay chiều có nhiều cặp cực, nhờ vào kết cấu đơn giản và phù hợp với tốc độ thấp của turbine gió Điều này giúp tối ưu hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió thành điện năng hiệu quả và bền bỉ hơn Sử dụng máy phát có nhiều cặp cực cũng hỗ trợ tạo ra dòng điện ổn định, phù hợp với các hệ thống cung cấp điện từ nguồn năng lượng tái tạo.
Turbine gió có thể được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí như cấu tạo hoạt động, công suất hoặc số cánh quạt Tuy nhiên, hai loại chính của turbine gió là turbine gió trục ngang và turbine gió trục đứng, phù hợp với các ứng dụng khác nhau trong ngành năng lượng tái tạo.
2.2.2.1 Tuabin gió trục ngang (HAWT)
Hình 2.7: Tuabin gió trục ngang Đây loại tubin gió phổ biến trên thị trường:
- Công suất phát điện từ vài trăm W đến vài MW
- Dải vận tốc gió hoạt động từ 4m/s-25m/s
- Chiều cao cột chống tubin 6m ( loại công suất nhỏ) – 120m (loại công suất lớn)
- Số cánh quạt 2-3 cánh quạt
- Bán kính cánh quạt từ 3m - 45m
- Số vòng quay cánh quạt 20 – 40vòng/phút
Một số đặc điểm của tuabin gió trục ngang :
- Đây là loại tubin gió có hiệu suất cao nhất
- Thích hợp với nhiều vận tốc gió khác nhau
- Hình dạng và kích thước lớn nên đòi hỏi chỉ số an toàn cao
Hệ thống điều chỉnh hướng giúp đón gió hiệu quả, nhưng chỉ giới hạn ở một góc quay nhất định, phù hợp cho các khu vực có vận tốc gió ổn định.
Hình 2.8: Cấu tạo của tuabin gió trục ngang
Gió tác động qua cánh quạt, làm quay roto của turbine, chuyển đổi năng lượng gió thành chuyển động cơ học Roto truyền chuyển động vào hệ thống bánh răng tăng tốc, giúp tăng tốc độ quay của động cơ phát điện Động cơ phát điện tạo ra điện năng, sau đó truyền đến bình ắc quy để lưu trữ và cung cấp điện ổn định cho hệ thống.
2.2.2.2 Tuabin gió trục đứng (VAWT)
Hình 2.9: Tuabin gió trục đứng Đây là loại tubin mới phát triển trong thời gian gần đây
- Dải vận tốc gió hoạt động 3-40m/s
- Bán kính cánh quạt dưới 10m Đặc điểm :
- Dải vận tốc gió hoạt động là khá rộng
Tubin hoạt động hiệu quả mà không phụ thuộc vào hướng của vận tốc dòng khí, cho phép lắp đặt ở những vị trí có gió thổi mạnh và dòng chảy không ổn định Điều này giúp đảm bảo hiệu suất làm việc của hệ thống khí nén trong nhiều điều kiện khác nhau Theo đó, lựa chọn vị trí phù hợp để đặt tubin sẽ tối ưu hóa quá trình khai thác năng lượng từ gió.
- Tuy nhiên hiệu suất của tubin chỉ bằng 50% so với tubin trục ngang khi hoạt động ở cùng 1 vận tốc gió
Tiềm năng phát triển năng lượng gió công suất nhỏ tại Việt Nam
Việt Nam còn khoảng 4,5 triệu người dân, đặc biệt tại các hộ dân vùng sâu, vùng xa vẫn chưa có điện lưới quốc gia Theo quy hoạch phát triển mạng lưới điện, đến năm 2020 dự kiến còn hơn 1.000 xã, chiếm hơn 11% tổng số xã (hơn 9.000 xã), với khoảng 500.000 hộ dân và gần 3 triệu người chưa được tiếp cận nguồn điện quốc gia.
Dựa trên phân tích tình hình năng lượng và bản đồ phân bố tốc độ gió đã khảo sát, mô hình máy phát điện công suất nhỏ được xác định phù hợp với điều kiện ở Việt Nam, góp phần thúc đẩy năng lượng sạch và bền vững trong nước.
Sau đây là những lý do vì sao phát triển mô hình máy phát điện công suất nhỏ ở Việt Nam:
Có thể cung cấp ngay nguồn điện chiếu sáng cho một phần lớn cư dân trong số 4,5 triệu người sống ở vùng sâu, vùng xa chưa có điện, đặc biệt là tại các cụm dân cư độc lập Việc hòa lưới điện truyền thống đối với những khu vực này sẽ rất tốn kém, do đó, giải pháp cấp điện tại chỗ sẽ là phương án hiệu quả và khả thi để nâng cao đời sống người dân.
Việt Nam sở hữu hàng nghìn km bờ biển, tập trung nhiều khu đô thị và cụm dân cư ven biển, là điều kiện tối ưu để phát triển năng lượng gió nhỏ (từ 2-6 m/s) Việc khai thác hiệu quả nguồn năng lượng gió này không chỉ góp phần tăng cường nguồn điện tại chỗ mà còn giảm áp lực lên lưới điện quốc gia, thúc đẩy sự phát triển bền vững và an toàn năng lượng cho đất nước.
Các hộ dân cư trên các đảo nhỏ và tàu thuyền đánh cá nhỏ hoàn toàn có thể tự cung cấp nguồn năng lượng cho chính mình với chi phí thấp hơn so với việc sử dụng máy phát điện chạy diesel truyền thống Việc sử dụng các giải pháp năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời hoặc gió giúp giảm thiểu chi phí vận hành và nâng cao tính tự chủ về năng lượng của cộng đồng địa phương Điều này không chỉ mang lại lợi ích về kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường biển, thúc đẩy phát triển bền vững khu vực đảo nhỏ.
- Chi phí đầu tư cho máy phát điện công suất nhỏ rẻ hơn so với tấm pin mặt trời có cùng công suất
- Có thể nhân rộng mô hình và sử dụng nguồn năng lượng có sẵn tại địa phương
- Máy phát điện gió trục ngang ứng dụng hầm gió có khả năng hoạt động ở vận tốc gió thấp hơn so với máy phát thông thường
- Dễ chế tạo với số lượng nhiều để giảm giá thành và bán lại cho ngươi dân với giá hỗ trợ
Việt Nam có tiềm năng năng lượng gió lớn nhất khu vực, tạo lợi thế phát triển năng lượng tái tạo quốc gia Các quốc gia châu Á như Trung Quốc, Ấn Độ, Sri Lanka đã thành công trong việc phát triển điện gió nhỏ, là minh chứng cho khả năng ứng dụng phù hợp tại Việt Nam Đánh giá chính xác chế độ gió và xây dựng mô hình máy phát điện nhỏ phù hợp với điều kiện kinh tế là hướng đi đúng đắn, đồng thời phù hợp xu hướng phát triển của thế giới Việc lựa chọn mô hình máy phát điện gió phù hợp sẽ giúp tối ưu hóa hiệu quả, đảm bảo phát triển bền vững cho ngành năng lượng Việt Nam.
Hầm gió
Hầm gió có cấu tạo như một ống dẫn với một đầu lớn và một đầu nhỏ nhằm lưu dẫn và tập trung luồng gió Nhờ đó, hầm gió giúp gia tăng tốc độ gió trước khi tác động vào cánh tuabin gió Đường kính lớn của hầm gió đón nhận luồng không khí, trong khi cạnh bên của hầm giúp nâng cao tốc độ gió, đặc biệt là tại đầu nhỏ nơi nhận được tốc độ gió cao nhất, tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống năng lượng gió.
Các nguyên cứu trong và ngoài nước
Hầu hết các máy phát điện gió truyền thống có thiết kế lâu đời với kết cấu lớn và công suất hạn chế Nhiều công trình nghiên cứu đã được thực hiện nhằm nâng cao hiệu suất và công suất của các máy phát điện gió này, giúp chúng đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong thực tế.
Windspot đã cải tiến kết cấu cánh tuabin, giúp cánh có thể điều chỉnh để thay đổi bước lá, từ đó tránh các vòng quay quá mức gây hư hỏng máy phát điện Việc điều chỉnh cánh này không chỉ giúp tăng mô-men tác động, nâng cao hiệu suất hoạt động của tuabin mà còn nâng cao độ tin cậy của hệ thống Nhờ những cải tiến này, hệ thống tuabin gió của Windspot hoạt động ổn định và hiệu quả hơn, đảm bảo vận hành an toàn và bền bỉ trong thời gian dài.
Hình 2.11 : Máy phát điện gió bước lá cánh thay đổi của Windspot [7]
Garra Hassan-Arter Group đã nâng cấp máy phát điện gió bằng cách chế tạo tuabin kín sử dụng cổ hút Laval, giúp tối ưu hiệu suất năng lượng Công ty cũng cải tiến dynamo với tổ hợp máy phát điện đồng trục van, đảm bảo hiệu quả hoạt động cao hơn Tua bin cánh quạt kết nối trực tiếp với máy phát điện mà không qua bộ tăng tốc, giảm thiểu tổn hao năng lượng và nâng cao độ bền của hệ thống Ngoài ra, việc tích hợp các thiết bị điện tử nguồn điện giúp tăng năng suất và độ ổn định của hệ thống phát điện gió.
Hình 2.12: Máy phát điện sức gió tuabin kín (CWT) [6]
Marcio Loos đã sử dụng vật liệu polyurethane được gia cố bằng ống nano cacbon để chế tạo cánh quạt nhẹ, cứng và bền, giúp duy trì kích thước và hình dạng ban đầu của cánh quạt Nhờ đó, tuabin có khả năng thu được năng lượng tối ưu, nâng cao hiệu suất vận hành và tuổi thọ của hệ thống Sự kết hợp này tạo ra một giải pháp tiên tiến trong lĩnh vực năng lượng gió, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất điện sạch.
Nhiều nghiên cứu về cải tiến thiết kế tuabin gió nhằm tăng khả năng hoạt động dưới tốc độ gió thấp Công ty DynaTech Engineering đã ứng dụng định luật Bernoulli vào thiết kế WindCube để tạo ra hiệu ứng hầm gió, giúp tập trung luồng gió từ không gian rộng sang không gian nhỏ hơn Nhờ đó, áp lực gió tăng lên, dẫn đến sản lượng điện phát ra cao hơn gấp 8 lần so với các tuabin gió thông thường (hình 2.13).
Hình 2.13: Máy phát điện gió WINCUBE [13]
Công ty SheerWind đã phát triển tuabin gió INVELOX, sử dụng hiệu ứng Venturi để tập trung và tăng tốc luồng gió từ nhiều hướng khác nhau Nhờ vào hành lang ống, lưu lượng gió được nâng cao giúp tuabin hoạt động hiệu quả ngay ở tốc độ gió thấp khoảng 3,2 km/h, đồng thời nâng cao năng suất lên đến 600%.
Hình 2.14: Máy phát điện gió INVELOX [14]
Các thiết kế hiện tại chủ yếu tập trung vào các máy phát điện gió trục ngang công suất lớn để hòa vào lưới điện quốc gia Tuy nhiên, vẫn còn thiếu các giải pháp sáng tạo cho máy phát điện nhỏ phù hợp phục vụ nhu cầu sinh hoạt hàng ngày của hộ gia đình Đây là một khoảng trống cần được nghiên cứu và phát triển để đáp ứng nhu cầu năng lượng sạch và tiện lợi hơn cho người dân.
Hiện tại, chưa có tài liệu nghiên cứu nào về việc ứng dụng hầm gió cho máy phát điện gió trục ngang công suất nhỏ do các hạn chế về điều kiện Việc phát triển công nghệ này vẫn đang gặp nhiều thách thức, và cần thêm các nghiên cứu để xác định hiệu quả cũng như khả năng ứng dụng thực tiễn của hầm gió trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.
Các vấn đề còn tồn tại trong nghiên cứu hiện nay
Mặc dù các nghiên cứu hiện nay đã nâng cao công suất phát điện của các tuabin gió, chủ yếu tập trung vào các máy phát điện gió trục ngang công suất lớn, nhưng các thiết kế dựa trên hiệu ứng hầm gió cho các máy phát điện nhỏ vẫn chưa được nghiên cứu và phát triển nhiều.
Cơ sở lý thuyết tuabin gió trục ngang
3.1.1 Khái niệm hoạt động thực của rotor
Hình 3.1 trình bày sơ đồ mô tả các biến đổi của dòng chảy qua đĩa rotor, với các thông số ∞, 𝑑, 𝑤 lần lượt đại diện cho dòng chảy ở xa vô cùng phía trước rotor, tại vị trí của rotor, và xa vô cùng phía sau rotor.
Hình 3.1: Sự thay đổi áp suất và vận tốc gió qua turbine
Xét định luật bảo toàn khối lượng cho dòng chảy qua rotor tại 3 tiết diện ở xa vô cùng phía trước, phía sau và ngay tại rotor :
Aw Đường sinh gió phía sau rotor
A∞ Tiết diện dòng khí trao đổi phía trước rotor
Ud Tốc độ gió tại vị trí đặt rotor
Uw Tốc độ gió phía sau vị trí dặt rotor
U∞ Tốc độ gió phía trước rotor Đặt:
Thay vào biểu thức trên ta được:
Hệ số α, còn gọi là hệ số thu hẹp của dòng chảy, đặc trưng cho mức độ trao đổi năng lượng giữa dòng không khí và rotor Với diện tích rotor Aₙ, diện tích dòng không khí tương ứng là A∞(1 - α), thể hiện sự phụ thuộc của quá trình truyền năng lượng vào hệ số này Diện tích rotor Aₙ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả truyền năng lượng giữa dòng khí và rotor trong hệ thống.
3.1.2 Thuyết động lượng và hệ số công suất của rotor
Mặt trước và mặt sau của rotor có sự chênh lệch về áp suất, gây ra lực tác dụng lên rotor Sự biến động của lực này chính là nguyên nhân làm thay đổi động lượng của dòng khí qua rotor, ảnh hưởng đến hiệu suất và hoạt động của thiết bị.
Phương trình Becnuli cho dòng chảy ta có:
2 𝜌 𝑈 2 + 𝑝 + 𝜌 𝑔 ℎ = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡 (3.5) Áp dụng cho dòng chảy trước đĩa
Tương tự như vậy cho dòng chảy sau đĩa:
2𝜌 𝑈 𝑑 2 + 𝑝 𝑑 − (3.7) Kết hợp (3.6) và (3.7) ta có :
2𝜌 (𝑈 ∞ 2 − 𝑈 𝑤 2 ) (3.8) Thay vào phương trình (3.2) ta được:
Mà Ud = U∞(1-α) nên ta có
25 Điều này có nghĩa là vận tốc vào rotor và vận tốc ở xa vô cùng phía sau rotor đều giảm đi 1 lượng 𝑎 𝑈 ∞
Thay vào biểu thức ta có :
Công suất truyền cho rotor chính là công giãn nở của dòng khí
Hệ số công suất của rotor thể hiện tỷ lệ giữa công truyền cho rotor so với động năng của dòng khí đi qua diện tích quét của rotor trong một đơn vị thời gian Đây là chỉ số quan trọng để đánh giá hiệu suất hoạt động của hệ thống quay, giúp tối ưu hóa quá trình truyền năng lượng Việc nắm vững hệ số công suất của rotor hỗ trợ lựa chọn thiết bị phù hợp, nâng cao hiệu quả vận hành và giảm tiêu thụ năng lượng trong các hệ thống công nghiệp.
Thay vào trên ta có :
3.1.3 Số Betz giới hạn Đạo hàm biểu thức (3.8) theo 𝑎 ta có:
Hình 3.2: số giới hạn Betz
Hiệu suất của rotor tối đa, còn gọi là hệ số công suất tối đa theo định luật Betz do nhà vật lý người Đức Albert Betz phát hiện vào năm 1926, là giới hạn tối đa mà bất kỳ tuabin nào cũng không thể vượt qua Điều này có nghĩa là, dù sử dụng loại tuabin nào đi chăng nữa, vẫn không thể đạt được hệ số công suất lớn nhất này, vì đây là giới hạn lý thuyết của hiệu quả chuyển đổi năng lượng gió thành điện năng.
26 thiết kế mà là dòng chảy của không khí vào tuabin bị thu hẹp đi so với dòng chảy tự do qua bề mặt rotor
Và điều này đã được chứng minh trong thực tế Các tubin gió hiện đại ngày nay đều có hiệu suất chỉ đạt 30-45%
Năng lượng gió là nguồn năng lượng do sự chuyển động của không khí với tốc độ nhất định trong một khoảng thời gian Theo định luật Bezt của nhà vật lý Albert Bezt (1885-1968), năng lượng gió không thể chuyển hoàn toàn thành các dạng năng lượng khác, điều này nhấn mạnh giới hạn của năng lượng gió trong quá trình chuyển đổi năng lượng Động năng của một khối lượng không khí m chuyển động với tốc độ v được tính bằng công thức E = ½ m v², phản ánh mối liên hệ giữa khối lượng, vận tốc và năng lượng của không khí chuyển động.
E Động năng của năng lượng gió (Nm) m Khối lượng không khí (kg) v Tốc độ gió (m/s)
Thể tích của không khí chuyển động qua một mặt phẳng A trong một đơn vị thời gian là:
Khối lượng không khí chuyển động còn phụ thuộc vào mật độ không khí trong thời gian t là: m = ρ.V.t = .v At (3.18)
Công suất gió đi qua mặt phẳng A là:
27 ρ mật độ không khí (𝜌=1,225 kg/m 3 )
Diện tích quét của cánh quạt, hay còn gọi là diện tích mặt đón gió, là yếu tố quan trọng trong hiệu suất của turbine gió Đối với turbine gió HAWT ( horizontal-axis wind turbine), diện tích quét là hình tròn, phản ánh vùng gió tiếp xúc với cánh quạt Trong khi đó, turbine VAWT (vertical-axis wind turbine) có diện tích quét là hình chữ nhật, phù hợp với thiết kế trục đứng của chúng Việc hiểu rõ diện tích quét giúp tối ưu hóa công suất và hiệu quả của hệ thống năng lượng gió.
Công suất gió thực tế mà tuabin gió thu được:
Hệ số công suất 𝐶𝑝, còn gọi là giới hạn Betz, thể hiện tỷ lệ năng lượng gió chuyển đổi thành năng lượng cơ khí qua tuabin, với giá trị lý tưởng là 0.59 [7] Hiện nay, công suất của các máy phát điện gió đạt khoảng 30-45% [7], phần nào cho thấy hiệu suất chưa tối ưu do vận tốc gió giảm sau khi năng lượng được khai thác Khi năng lượng gió bị trích xuất, vận tốc gió sẽ chậm lại, buộc luồng khí phải mở rộng diện tích mặt cắt ngang để duy trì khối lượng dòng chảy không đổi Điều này lý giải vì sao không thể hoàn toàn biến đổi năng lượng gió thành năng lượng quay của tuabin; luồng khí phía sau tuabin gió phải đứng yên để đảm bảo dòng chảy ổn định.
Hình 3.3: Năng lượng gió qua tuabin
Hiệu suất của cả hệ thống máy phát điện gió
Hình 3.4: Sơ đồ Công suất tuabin gió
P t là công suất sau khi qua bộ truyền động với hiệu suất bộ truyền là m
P e là công suất đầu ra của máy phát điện với hiệu suất máy phát là g
3.1.5 Tỉ số tốc độ đầu cánh (TSR)
Tỉ số tốc độ gió đầu cánh (tip speed ratio) là tỉ số giữa tốc độ vòng quay tại đầu cánh quạt và tốc độ của gió top R v v v
là tỉ số tốc độ gió đầu cánh vtop tốc độ quay tại đầu cánh quạt (m/s) v tốc độ gió (m/s)
vận tốc góc của rotor (rad/s)
Tỉ số tốc độ gió đầu cánh (Theo 3.22) là yếu tố quan trọng trong thiết kế tuabin gió, giúp rotor đạt tốc độ tối ưu để tối đa hóa hiệu suất Nếu tuabin quay quá chậm, gió sẽ thổi qua khe hở giữa các cánh dẫn, làm giảm năng lượng thu được Ngược lại, quay quá nhanh khiến các cánh tạo thành một tường chắn gió, gây ra sự giảm hiệu suất của tuabin.
Vậy vấn đề đặt gia là turbine phải được thiết kế sao cho luôn vận hành với một tối ưu để thu được năng lượng nhiều nhất
Tỉ số tốc độ gió đầu cánh tối ưu để thu được năng lượng nhiều nhất suy ra từ mối quan hệ:
- Thời gian gió xáo động khi qua cánh trở về bình thường tw
- Thời gian cần thiết để cánh quạt quay với vận tốc ω đến vị trí trước đó ts
Với rotor có n cánh, thì chu kỳ để cánh di chuyển đến vị trí trước đó là:
Nếu độ dài của luồng gió động từ trước tới sau cánh quạt là At, thì thời gian để gió trở về bình thường là: t w t A
Hiệu suất đạt cực đại khi tw ≈ ts
Vậy tỉ số tốc độ gió đầu cánh tối ưu được tinh theo công thức
opt tỉ số tốc độ gió đầu cánh tối ưu
opt vận tốc quay tối ưu của rotor n số cánh
At độ dài của luồng gió động từ trước tới sau cánh quạt
Hình 3.5: Mối quan hệ giữa TSR và 𝒄 𝑷
3.1.6 Động lực học cánh tuabin
Là góc giữa dây cung cánh quạt (chord line) và mặt phẳng quay (plane of rotation)
Dây cung cánh là đường thẳng nối từ gờ trước của cánh đến đuôi cánh
Mặt phẳng quay là mặt phẳng vuông góc với trục quay
Góc Pitch của HAWT là góc giữa đường đi của cánh quạt và dây cung cánh quạt
Góc Pitch của VAWT là góc giữa đường vuông góc với chiều chuyển động cánh quạt và dâu cung cánh quạt
TSR chỉ tối ưu ở một vận tốc gió nhất định, do đó, khi vận tốc gió thay đổi, hiệu suất của TSR không còn tối ưu nữa Để khắc phục điều này, người ta phát triển các loại tuabin có góc pitch điều chỉnh theo từng vận tốc gió để duy trì hiệu quả tối ưu trong các điều kiện gió khác nhau.
Hình 3 6: Góc Pitch (𝜷 ) và góc tới (𝜶) 3.1.6.2 Góc tới 𝜶 (Angle of attack)
Góc giữa dây cung cánh quạt và chiều tác động của luồng khí là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống Góc này, gọi là góc động, phụ thuộc vào cả tốc độ của cánh quạt lẫn tốc độ gió, giúp xác định chính xác lực tác động và hướng di chuyển của luồng khí Tốc độ của cánh quạt được tính dựa trên bán kính r từ tâm quay, với vận tốc góc là 𝜔 𝑚 = r. m, qua đó tối ưu hóa hiệu quả hoạt động của quạt và tiết kiệm năng lượng.
3.1.6.3 Lực tác động lên cánh tuabin gió
Khi rotor gặp gió, luồng gió sẽ di chuyển vào cả hai bề mặt trên và dưới của cánh quạt Do phần trên của cánh thường có không gian rộng hơn phần dưới, nên luồng gió ở phía trên thường di chuyển nhanh hơn, tạo ra sự khác biệt áp suất giữa hai mặt làm thúc đẩy lực nâng Hiểu rõ cơ chế này giúp tối ưu hóa hiệu suất của các thiết bị sử dụng rotor trong các ứng dụng hàng không và công nghiệp.
Theo lý thuyết Bernoulli, phần cánh phía trên di chuyển nhanh hơn, tạo ra vùng áp suất thấp trên bề mặt trên của cánh Trong khi đó, phần dưới của cánh có tốc độ chậm hơn, dẫn đến sự hình thành vùng áp suất cao, góp phần tạo lực nâng cho máy bay.
Hình 3.7: Sự di chuyển của luồng gió khi vào cánh tuabin
Hợp lực F được chia thành 2 thành phần:
- Thành phần song song với V: lực cản F d
F C SV với C d là hệ số cản (3.27)
- Thành phần vuông góc với V: lực nâng F l
F C SV với C l là hệ số nâng (3.28)
Hình 3.8: Các thành phần lực tác dụng lên cánh tuabin [8]
Theo hình 3.8 vì Ft và Fd vuông góc với nhau nên:
Gọi M là momen của lực F với hệ số momen C m
Trong đó: l là chiều dài dây cung
Do đó khí động lực học trên mặt cắt hình học có thể biểu diễn bằng lực cản, lực nâng và momen
3.1.7 Động lực học của rotor
3.1.7.1 Lý thuyết phân tố cánh tuabin gió trục ngang
Lực tác dụng lên phân tố cánh chủ yếu phụ thuộc vào hai yếu tố có thể điều chỉnh được là kích thước cánh và góc tới, nhờ vào việc xác định vận tốc tương đối của gió so với cánh Thành phần vận tốc chuyển động dọc theo bán kính của cánh được coi là không đáng kể, giúp đơn giản hóa quá trình tính toán Việc biết rõ hình dáng của phân tố cánh cho phép xác định chính xác hệ số lực nâng và lực cản, từ đó tối ưu hiệu suất hoạt động của cánh.
C C và biến thiên của chúng theo góc tới
Gọi a là hệ số tổn thất vận tốc pháp tuyến của cánh quạt
Xét tuabin gió quay với vận tốc góc và vận tốc gió và V
Tua bin có n cánh, bán kính R, chiều dài dây cung là c, góc đặt cánh
Cả hai yếu tố c, đều có thể biến thiên theo cánh quạt
Hình 3.9: Gió ở cánh tuabin gió trục ngang
Trong phân tố cánh, vận tốc tiếp tuyến của phân tố cánh là \(\omega \cdot r\), còn vận tốc tiếp tuyến của vết là \(\omega \cdot r a'\) Do đó, vận tốc tiếp tuyến tương đối của dòng khí đối với cánh được tính bằng \( (1 + a') r \omega \), phản ánh rõ sự chuyển động của dòng khí so với cánh quạt trong quá trình vận hành.
Hình 3.10: Tam giác vận tốc gió
Từ tam giác vận tốc cho biết vận tốc tương đối của dòng chảy với phan tố cánh
Góc tới của phân tố cánh.:
Khi đó lực nâng và lực cản tác dụng lên một phân tố cánh:
Và góc được xác định:
Góc tới của phân tố cánh
Lực nâng và lực cản tác dụng lên phân tố cánh:
3.1.7.2 Thuyết động lượng phân tố cánh BEM
Xem như hệ số dòng chảy a, α i là không đổi trên diện tích quét của phân tố Và không có sự tương tác giữa các dòng kề nhau
Thành phần lực tác động lên n phân tố cánh theo chiều trục quay
.cos dF sin W ( cos C sin ) l d 2 l d dF n c C dr (3.35)
Thành phần lực tác động lên n phân tố cánh theo phương tiếp tuyến là
.sin dF cos W ( sin C cos ) l d 2 l d dF n c C dr (3.36)
Sự thay đổi động lượng theo trục của dòng khí đi qua diện tích quét là:
Sự mất áp suất nguyên nhân do vết quay:
(3.38) Áp suất này tạo ra một lực tác dụng theo phương trục quay là:
Do đó cân bằng lực theo hương trục quay:
.cos dF sin l d dF m v p ds (3.40)
Do thành phần p ds m v nên để tiện cho tính toán ta coi p ds 0
Nên biểu thức trên trở thành:
Sự thay đổi động lượng góc của khí truyền qua diện tích quét của phân tố:
Mà vận tốc gió phía sau chậm hơn so với vận tốc gió phía trước rotor là:
Cân bằng với lực khí động theo phương tiếp tuyến ta được:
sin dF cos 4 (1 ) ' l d dF V a a r r dr
3.1.7.3 Năng suất vận hành của một phần tử cánh
Cơ sở lý thuyết dòng chảy
3.2.1 Trạng thái chuyển động của chất lưu
Trong thực tế, có hai trạng thái chảy khác nhau của chất lỏng ảnh hưởng đến cấu tạo của dòng chảy, phân bố lưu tốc và ứng suất tiếp, dẫn đến các quy luật khác nhau về tổn thất năng lượng Tùy theo trạng thái chảy, các đặc tính của dòng chảy sẽ biến đổi, tác động đến hiệu suất và hiệu quả của hệ thống dẫn lưu Hiểu rõ hai trạng thái chảy giúp tối ưu hóa thiết kế và vận hành các hệ thống chất lỏng trong kỹ thuật.
Hình 3.12: Thí nghiệm Rây-nôn
Qua thí nghiệm Rây-nôn cho ta thấy hai trạng thái chảy khác nhau
Trạng thái chảy trong đó các phần tử chất lỏng chuyển động vô trật tự, xáo trộn vào nhau gọi là trạng thái chảy rối
Thí nghiệm mô tả ở trên là thí nghiệm về sự chuyển biến từ trạng thái chảy tầng sang trạng thái chảy rối
Trạng thái chảy quá độ từ rối sang tầng hoặc từ tầng sang rối gọi là trạng thái chảy phân giới
Lưu tốc ứng với dòng chảy chuyển từ trạng thái tầng sang trạng thái rối gọi là lưu tốc phân giới trên Ký hiệu là vKtren
Lưu tốc ứng với dòng chảy chuyển từ trạng thái rối sang trạng thái tầng gọi là lưu tốc phân giới dưới Ký hiệu là vKduoi
Qua thí nghiệm thấy: vKtren > vKduoi Lưu tốc phân giới không những phụ thuộc vào loại chất lỏng mà còn phụ thuộc vào đường kính ống làm thí nghiệm
3.2.1.1 Tiêu chuẩn phân biệt hai trạng thái dòng chảy
Dựa vào kết quả nhiều thí nghiệm, Rây-nôn đã dùng một đại lượng không thứ nguyên để đặc trưng cho trạng thái chảy, đó là số Rây-nôn
Trong đó: v _ hệ số động học nhớt d _ đường kính ống
Số Rây-nôn có thể coi là tỷ số giữa lực quán tính và lực ma sát nhớt
Trị số Rây-nôn phân giới (ReK) phản ánh trạng thái chuyển đổi giữa phân giới từ chảy tầng sang chảy rối hoặc ngược lại, từ chảy rối sang chảy tầng Trị số này giúp xác định chính xác điểm phân giới trong quá trình thăm dò dòng chảy Việc đo lường trị số Rây-nôn phân giới rất quan trọng trong việc đánh giá đặc điểm dòng chảy, đảm bảo chẩn đoán chính xác và tối ưu hóa quy trình điều trị hoặc xử lý phù hợp Used trong các nghiên cứu thủy lực và kỹ thuật thủy lợi, trị số Rây-nôn phân giới đóng vai trò then chốt trong việc phân biệt các trạng thái dòng chảy khác nhau để nâng cao hiệu quả công tác kiểm soát dòng chảy.
(3.54) Ứng với vKduoi , ta có số Rây-nôn phân giới dưới:
Trạng thái chảy ứng với số Rây-nôn Re < ReKduoi bao giờ cũng là chảy tầng Trạng thái chảy có Re > ReKtren bao giờ cũng là chảy rối
Trạng thái chảy có ReKduoi < Re < ReKtren có thể là chảy tầng hoặc là chảy rối, nhưng thường là chảy rối
Qua nhiều thí nghiệm, người ta phát hiện ra rằng giá trị của ReKtren không cố định, thường dao động trong khoảng từ 12.000 đến 50.000, phản ánh tính biến động cao của đại lượng này trong các điều kiện khác nhau Trong khi đó, ReKduoi duy trì một trị số cố định là 2320 đối với mọi loại chất lỏng và các đường kính khác nhau, cho thấy tính ổn định của giá trị này trong các điều kiện thử nghiệm khác nhau.
Do đó ReKduoi được dùng làm tiêu chuẩn để phân biệt trạng thái chảy Ta có thể coi rằng:
Khi Re < 2320 sẽ có trạng thái chảy tầng
Khi Re > 2320 sẽ có trạng thái chảy rối Ðối với kênh dẫn, ta dùng bán kính thủy lực R thay cho đường kính d trong công thức:
Khi ReR < 580 thì trạng thái chảy tầng sẽ xảy ra
Khi ReR > 580 thì trạng thái sẽ là chảy rối Tuyệt đại đa số dòng chảy trong ống, kênh, sông là chảy rối
3.2.1.2 Ảnh hưởng trạng thái chảy đối với quy luật tổn thất cột nước
Trạng thái chảy rất quan trọng đối với quy luật tổn thất cột nước, vì khi tốc độ chảy càng tăng thì sự xáo trộn của các phần tử chất lỏng càng mạnh, gây ra nhiều trở lực hơn trong chuyển động của chất lỏng Trong dòng chảy rối, tổn thất năng lượng lớn hơn nhiều so với dòng chảy tầng, và mức độ tổn thất càng tăng khi tốc độ dòng chảy càng lớn, ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể của hệ thống thủy lực.
3.2.2.1 Công thức tổng quát Dacxi
Nghiên cứu thí nghiệm dòng chảy rối trong ống tròn có đường kính d cho thấy rằng ứng suất tiếp tại thành rắn không phụ thuộc vào độ nhám tuyệt đối của thành, lưu tốc trung bình v, khối lượng riêng của chất lỏng hoặc hệ số nhớt Điều này chứng tỏ ứng suất tiếp là một hàm số không phụ thuộc vào các biến số độc lập như đã đề cập.
Bán kính thủy lực đối với ống tròn
Thông qua biến đổi ta có công thức Dacxi
Hệ số ma sát không thứ nguyên l được xác định chủ yếu qua các nghiệm thực tế Đối với mặt cắt ướt không phải là hình tròn, công thức Đaxxy được điều chỉnh bằng cách thay thế bán kính thủy lực bằng đường kính trong, với công thức d = 4R Việc này giúp tính toán chính xác hơn trong các ứng dụng liên quan đến dòng chảy qua các mặt cắt không đều.
Hai công thức trên là tổng quát tính tổn thất cột nước dọc đường cho dòng chảy đều, dùng cho cả dòng chảy tầng lẫn dòng chảy rối
Khi suy diễn công thức Ðacxy, gọi 4R , vậy:
Như vậy hệ số ma sát dọc đường Ðacxy của dòng chảy rối phụ thuộc vào số
Re và độ nhám tuyệt đối
Mục đích của thí nghiệm Nicuratsơ là để xác định quy luật biến thiên của hệ số độ nhám Trong quá trình thực hiện, các ống có đường kính khác nhau được xử lý bằng cách bôi sơn không thấm nước trên thành ống và đổ vào đó một loại cát đã chọn có độ thô xác định Cát dính vào thành ống tạo thành lớp nhám, với đủ độ dày để đo được đường kính trung bình của hạt cát (Δ) và bán kính của ống (ro) Qua thí nghiệm, hệ số độ nhám tương đối (r0) của ống được xác định một cách chính xác, giúp hiểu rõ hơn về quy luật biến thiên của hệ số này theo các thông số hình học và vật liệu.
, và độ nhám tuyệt đối Những ống này dùng để thí nghiệm đo tổn thất dọc đường
Nicuratsơ đã ghi lại những kết quả thí nghiệm trên một biểu đồ có trục hoành độ là lgRe, trục tung độ là lg100
Tổn thất cột nước đặc biệt lớn tại những nơi dòng chảy thay đổi đột ngột về phương hướng hoặc dạng mặt cắt ướt, đặc biệt là tại các đoạn cong, mở rộng hoặc thu hẹp, có chướng ngại vật, gây ra tổn thất cục bộ hay còn gọi là sức cản hình dạng Để dễ dàng tính toán, người ta giả định rằng tổn thất cột nước cục bộ tập trung tại một mặt cắt điển hình trong đoạn có đặc trưng rõ rệt Công thức Vétsbatsơ được sử dụng để xác định chính xác tổn thất cục bộ trong quá trình phân tích dòng chảy.
Hệ số tổn thất C thường được xác định thông qua thí nghiệm Trong thực tế, dòng chảy tại các vị trí gây tổn thất cục bộ là dòng chảy rối thuộc khu vực sức cản bình phương Do đó, hệ số tổn thất cục bộ không phụ thuộc vào Reynolds number (Re) mà chủ yếu dựa trên hình dạng và đặc điểm hình học của chỗ gây tổn thất cục bộ.
3.2.3.1 Mất năng do thay đổi tiết diện chảy
Theo công thức Booc-đa:
Biến dổi công thức trên ta được:
Ghi chú: Nếu dòng chảy từ trong ống vào bể chứa, thì ta có thể xem
Do dó: C 1 v1, là vận tốc và diện tích mặt cắt nhỏ v2, là vận tốc và diện tích mặt cắt lớn
Ghi chú: Nếu dòng chảy từ bể chứa vào ống, thì ta có thể xem
Nếu miệng vào ống ta có các trường hợp:
3.2.3.2 Mất năng do thay đổi hướng chảy
- Uốn đột ngột thành góc
- Uốn đột ngột thành góc αᵒ
Hình 3.13: Thay đổi đột ngột góc 90ᵒ
Trong đó: r 0 là bán kính ống
R là bán kính cong trục ống r 0
Nếu 90 o : bảng trên có thể dùng được bằng cách nhân C với 0
Cơ sở lý thuyết hầm gió
3.3.1 Phương trình liên tục Ðối với một ống dòng đã cho, tích của vận tốc chảy của chất lưu lý tưởng với tiết diện thẳng của ống tại mọi nơi là một đại lượng không đổi
Hình 3.14: Phương trình liên tục của dòng lưu chất
Phương trình liên tục của dòng lưu chất:
V1 Vận tốc của lưu chất tại tiết diện S1, m/s
V2 Vận tốc của lưu chất tại tiết diện S2, m/s
S1 Diện tích mặt cắt ngang tại tiết diện S1, m
Diện tích mặt cắt ngang tại tiết diện S2 đóng vai trò quan trọng trong quá trình dòng chảy của chất lưu trong ống Khi chất lưu di chuyển trên một đường ống có tiết diện khác nhau, vận tốc dòng chảy sẽ tăng ở những đoạn có tiết diện nhỏ hơn và giảm ở những đoạn có tiết diện lớn hơn Điều này phản ánh rõ mối liên hệ giữa diện tích mặt cắt ngang và vận tốc dòng chảy, giúp hiểu rõ hơn về sự phân bố tốc độ của chất lưu trong hệ thống ống.
Hầm gió có cấu tạo như một ống dẫn nhằm lưu thông luồng gió tự nhiên một cách hiệu quả Thiết kế của hầm gió đảm bảo vận tốc gió duy trì đồng nhất tại mọi điểm dọc theo ống dẫn Nhờ đó, hầm gió giúp tập trung luồng gió, gia tăng tốc độ gió để quay cánh tuabin nhanh hơn Việc này dẫn đến khả năng sản xuất công suất điện lớn hơn, góp phần nâng cao hiệu quả của hệ thống phát điện năng lượng gió.
Tuân theo nguyên tắc của phương trình liên tục, kết cầu hầm gió được xác định với biên dạng là hình nón cụt
Hình 3.15 trình bày kết cấu cơ bản của hầm gió, trong đó đường kính lớn của hầm gió giúp đón luồng không khí hiệu quả vào hệ thống Các cạnh bên của hầm gió có vai trò tăng tốc độ gió trước khi tác động vào cánh tuabin, đảm bảo hiệu quả tối ưu trong việc khai thác năng lượng gió Đầu của hầm gió, với đường kính nhỏ hơn, nhận được tốc độ gió cao nhất, chính là vị trí lý tưởng để lắp đặt cánh tuabin gió, từ đó tối đa hóa công suất phát điện.
Hình 3.16: Vị trí đặt cánh tuabin gió
Hầm gió được thiết kế cho phép hoạt động hiệu quả ngay cả với tốc độ gió thấp khoảng 2,2 m/s, tạo ra lượng điện ổn định Thiết kế khí động học của giếng gió giúp tăng tốc gió nhiều lần trước khi đến cánh quạt tuabin, từ đó nâng cao hiệu suất phát điện so với tuabin gió thông thường Nghiên cứu và xác định các thông số kỹ thuật của hầm gió cho máy phát điện gió trục ngang công suất nhỏ là cần thiết để đáp ứng nhu cầu sinh hoạt của hộ gia đình Công nghệ này rất hữu ích trong việc sản xuất điện gió tại các khu vực có tốc độ gió thấp và vùng xa khu dân cư.
3.3.3 Kết cấu cơ bản của hầm gió
Chọn kết cấu cơ bản của hầm gió là yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu quả hoạt động tối ưu Hầm gió có tác dụng chính là đón nhận luồng không khí từ bên ngoài, giúp tạo áp suất và hướng dòng khí vào khu vực cần làm mát hoặc thông gió Nhờ đó, luồng không khí được tăng cường, gia tăng tốc độ gió, giúp quay cánh tuabin nhanh hơn và nâng cao hiệu suất năng lượng Việc thiết kế kết cấu phù hợp của hầm gió góp phần tối ưu hóa quá trình tạo gió và giảm thiểu tiêu thụ năng lượng.
Hình 3.17: Kết cấu cơ bản của hầm gió
D1 Đường kính lớn (đầu vào)
Dưới đây là đoạn văn đã được chỉnh sửa phù hợp với quy tắc SEO và đảm bảo nội dung chính của bài viết: Chiều dài của đường kính lớn giúp duy trì ổn định tốc độ gió đầu vào, giúp tối ưu hiệu suất của hệ thống Trong khi đó, chiều dài của đường kính nhỏ đảm bảo ổn định tốc độ gió đầu ra và tạo ra không gian cố định cho tuabin gió hoạt động hiệu quả hơn.
2α Góc đầu thu của hầm gió (góc thu hẹp): kết nối đường kính lớn và đường kính nhỏ của hầm gió nhằm tăng tốc độ gió
Công thức tính toán: đường kính hầm gió tại vị trí đặt cánh tuabin
D Đường kính của tuabin gió
D2 Đường kính nhỏ của hầm gió
Ảnh hưởng của hầm gió đến tốc độ gió
4.1.1 Chọn loại tuabin sử dụng thí nghiệm
Hệ thống thiết bị thí nghiệm gió của De Lorenzo Group sử dụng tuabin gió có các thông số kỹ thuật được trình bày trong bảng 4.1, phù hợp cho các nghiên cứu về hiệu ứng hầm gió Các tuabin này đóng vai trò chính trong các thí nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của hiệu ứng hầm gió đối với dòng không khí Việc sử dụng các tuabin tiêu chuẩn giúp đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của kết quả thí nghiệm, góp phần nâng cao hiệu quả nghiên cứu về khí động học trong các hệ thống xây dựng và công trình.
Bảng 4 1: Các thông số của tuabin
- Tốc độ gió tuabin hoạt động 4,5 m/s
- Loại tuabin 6 cánh, gió ngang
4.1.2 Xác định hầm gió thí nghiệm
Các thông số kỹ thuật của hầm gió cần thiết kế được xác định như sau:
- Tốc độ gió đầu vào: V1 = 2,5 m/s
- Tốc độ gió tại đáy nhỏ đạt được: V2 > 4,5 m/s
Kích thước của cánh tuabin là D = 500 mm, vì vậy, chúng tôi chọn kích thước đầu ra của hầm gió D2 = 660 mm để dễ dàng lắp ghép và tránh va chạm khi tuabin hoạt động ở tốc độ cao Hầm gió dự kiến sẽ kết nối với thiết bị thí nghiệm điện gió công nghiệp có đường kính ống dẫn gió D2 = 660 mm; do đó, đường kính đầu vào của hầm gió D1 cần lớn hơn D2, tức là D1 > 660 mm Đáy lớn của hầm gió cũng được chọn nhằm đạt tốc độ gió tối thiểu 4,5 m/s để tuabin bắt đầu hoạt động, dựa trên phương trình liên tục (3.68).
Đường kính đáy lớn đã được xác định qua tính toán là D1 = 885 mm, đảm bảo đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật Để đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành và loại trừ các sai số tính toán, cần áp dụng hệ số an toàn K từ 1,05 đến 1,5; trong đó, chúng tôi đã chọn hệ số K = 1,05, nhằm tối ưu hóa độ an toàn và hiệu quả kết cấu.
D1 = K.D1 = 1,05.886 = 930,3 (mm) Qui chuẩn, ta chọn D1 = 940 mm
Trong quá trình thiết kế hầm gió, mục tiêu chính là tập trung luồng gió bên trong nhằm tối ưu hóa hiệu suất của tuabin gió Để dễ dàng lắp đặt và định vị chính xác tuabin gió, hầm gió được trang bị ống dẫn tại hai đáy, giúp ổn định luồng gió trước khi đi qua tuabin Cụ thể, phần đáy nhỏ được bổ sung ống dẫn dài 700 mm, trong khi phần đáy lớn có ống dẫn dài 800 mm Các bước thiết kế và mô hình thí nghiệm được thực hiện nhằm đảm bảo hiệu quả và chính xác của hệ thống tuabin gió.
Hình 4.1: Thiết kế và chế tạo hầm gió thí nghiệm
Hình 4.1b trình bày hầm gió đã chế tạo với biên dạng tròn đã được thay thế bằng biên dạng đa giác, nhằm phù hợp với đầu ra của thiết bị thí nghiệm điện gió công nghiệp [28].
4.1.3 Mô phỏng hầm gió thí nghiệm
Tiến hành mô phỏng trên phần mềm ANSYS với các thông số thiết kế và chế tạo của hầm gió (hình 4.1), ta có các thông số đầu vào sau:
Bảng 4 2: Thông số đầu vào
Thông số Giá trị Đường kính đầu vào, D1 (mm) 940
49 Đường kính đầu ra, D2 (mm) 660
Tốc độ gió đầu vào V1 (m/s) 2,5 -12 Áp suất đầu vào (Pascal) 101325
Khi tốc độ gió tại đáy lớn thay đổi, tốc độ gió tại đáy nhỏ của hầm gió sẽ tăng tương ứng từ 2 đến 2,1 lần so với ban đầu, giúp nâng cao hiệu suất lưu thông không khí Các hình vẽ minh họa (Hình 4.2) cho thấy rằng khi luồng gió đi qua thành nghiêng 45˚, tốc độ gió được tập trung và tăng lên rõ rệt, thể hiện qua các màu sắc từ xanh lam (tốc độ ban đầu) đến cam và đỏ (tốc độ cao nhất) Các số liệu cụ thể cho thấy mức tăng tốc độ gió tại đáy nhỏ có thể đạt tới gấp đôi hoặc hơn, ví dụ như từ V1 = 2,5 m/s đến V2 = 5 m/s, hoặc từ V1 = 12 m/s đến V2 = 23 m/s, đảm bảo hiệu quả làm mát và lưu thông không khí tối ưu trong hệ thống hầm gió.
Hình 4.2: Mô phỏng xác định tốc độ gió ở đáy nhỏ hầm gió
Dựa trên kết cấu đã thiết kế và kết quả mô phỏng, hầm gió đã chế tạo có khả năng đón luồng gió với tốc độ V2 = 2,5 m/s và sau khi đi qua hầm gió, tốc độ gió đạt V1 = 5 m/s, vượt qua yêu cầu của tuabin Theo thông số kỹ thuật của tuabin, tốc độ gió V1 = 5 m/s đáp ứng điều kiện hoạt động tối thiểu của tuabin (V1 = 4,5 m/s), đảm bảo hiệu quả vận hành của hệ thống.
Tuabin gió 6 cánh trục ngang, P = 40 W, D = 500 mm [28] a) b)
Hình 4.3: Hệ thống ống, tuabin gió 6 cánh trục ngang
Hầm gió thí nghiệm được chế tạo với các thông số chính: D1 = 940 mm, L2 800 mm, D2 = 660 mm, L1 = 700 mm (hình 4.1)
Thiết bị đo sử dụng là thiết bị của công ty DELORENZO (Italia)
Thiết bị đo tốc độ gió và máy đo cường độ dòng điện, tốc độ gió và hiệu điện thế được thể hiện ở hình 4.4
51 a) Thiết bị đo tốc độ gió b) Máy đo cường độ dòng điện và hiệu điện thế
Hình 4.4: Thiết bị đo tốc độ gió và cường độ dòng điện
Cụm thiết bị gồm biến tần và động cơ tạo gió hoạt động để cung cấp luồng gió với các tốc độ khác nhau, giúp tối ưu hiệu quả vận hành Hệ thống này bao gồm biến tần điều khiển động cơ, điều chỉnh điện áp và tần số để kiểm soát tốc độ quay của động cơ tạo gió Động cơ tạo gió đóng vai trò chính trong việc sinh ra luồng gió phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật và hiệu suất Hình 4.5 minh họa chi tiết cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ thống biến tần và động cơ tạo gió.
Hình 4.5: Biến tần điều khiển và động cơ tạo luồng gió
4.1.4.3 Các bước tiến hành thí nghiệm
Bước 1 trong quá trình đo tốc độ gió là lắp đặt thiết bị tại đáy lớn với đường kính 940 mm, sau đó điều chỉnh biến tần từ 0 đến 50 để điều khiển động cơ tạo gió Hệ thống sẽ tạo ra dòng khí có tốc độ thay đổi từ 0 đến 3,3 m/s, và các số liệu quan trọng như hiệu điện thế, cường độ dòng điện cùng tốc độ gió sẽ được tự động ghi nhận nhằm phục vụ quá trình phân tích dữ liệu chính xác và hiệu quả.
Hình 4.6: Thiết bị đo được đặt tại đáy lớn
Trong bước 2, cần thay đổi vị trí của thiết bị đo tốc độ gió xuống đáy nhỏ có đường kính 660 mm để đảm bảo đo lường chính xác hơn Sau đó, điều khiển động cơ để điều chỉnh tốc độ gió phù hợp và ghi lại các thông số đo được, như đã thực hiện ở bước 1 để đảm bảo dữ liệu đầy đủ và chính xác cho quá trình phân tích.
Hình 4.7: Thiết bị đo được đặt tại đáy nhỏ
Bước 3 quan trọng trong quá trình đo lường là so sánh tốc độ gió, cường độ dòng điện và hiệu điện thế tại hai vị trí đặt thiết bị đo gió Việc này giúp đánh giá chính xác dữ liệu thực tế so với các số liệu mô phỏng đã được dự đoán trước đó Thực hiện so sánh này đảm bảo tính chính xác và tin cậy của các kết quả đo lường, đồng thời giúp xác định những yếu tố ảnh hưởng đến dữ liệu trong quá trình đo.
Trong quá trình thí nghiệm, biến tần được điều chỉnh từ 0 đến 50 để điều chỉnh tốc độ gió từ 0 đến 3,3 m/s, cung cấp luồng gió phù hợp cho hầm gió Kết quả thu được trình bày trong bảng số liệu (bảng 4.3), phản ánh rõ mối quan hệ giữa giá trị điều chỉnh của biến tần và tốc độ gió tạo ra.
Bảng 4 3: Bảng số liệu tốc độ gió đầu vào, đầu ra
Giá trị đặt trên biến tần
Tốc độ gió đầu vào V1
Tốc độ gió đầu ra V2
Hình ảnh thí nghiệm đo tốc độ gió tại đáy hầm gió (hình 4.8) a) V2 = 9 km/h, V1 = 16 km/h => V2 = 2,5 m/s, V1 = 4,44 m/s b) V2 = 12 km/h, V1 = 22 km/h => V2 = 3,3 m/s, V1 = 6,1 m/s
Hình 4.8: Thí nghiệm tốc độ gió ở đáy nhỏ hầm gió
So sánh số liệu thu được từ thực nghiệm và mô phỏng
Bảng 4 4: Các giá trị thu được từ mô phỏng và thực nghiệm
STT Giá trị thí nghiệm Giá trị mô phỏng
Giá trị thực nghiệm đầu ra thường thấp hơn so với dự đoán trong quá trình mô phỏng, chủ yếu do tác động của ma sát giữa gió và thành hầm gió Ngoài ra, sự chuyển đổi từ hình tròn sang đa giác nhằm thuận tiện cho quá trình gia công và lắp ráp cũng góp phần gây ra sự sai lệch Hiệu suất của quá trình thử nghiệm cũng ảnh hưởng đáng kể đến kết quả cuối cùng.
Dựa trên bảng số liệu 7, có thể kết luận rằng các giá trị thực nghiệm tương đối chính xác so với các kết quả mô phỏng Điều này cho thấy hầm gió có khả năng áp dụng thực tế cho các máy phát điện gió trục ngang công suất nhỏ, góp phần nâng cao hiệu quả năng lượng tái tạo.
Kết quả nghiên cứu, mô phỏng và thực nghiệm chỉ ra rằng: Hầm gió có khả năng giúp tăng tốc độ gió.
Ảnh hưởng của biên dạng đầu vào
Dựa trên số liệu tính toán ban đầu, chúng tôi tiến hành mô phỏng trên phần mềm ANSYS để phân tích lưu lượng gió trong hầm Mô phỏng tập trung vào việc đánh giá hiệu suất của hầm gió có biên dạng đầu ra không đổi, cụ thể là dạng tròn với đường kính cố định Quá trình mô phỏng giúp xác định các thông số quan trọng như áp suất, vận tốc gió và phân phối lưu lượng trong hệ thống, từ đó tối ưu hóa thiết kế và nâng cao hiệu quả hoạt động Kết quả mô phỏng cung cấp cái nhìn toàn diện về hành vi dòng chảy trong hầm gió, góp phần nâng cao độ chính xác của các dự báo kỹ thuật và đảm bảo an toàn vận hành.
660 mm) và biên dạng đầu vào thay đổi vuông , lục giác, bát giác, đa giác 12 cạnh, tròn ( có tiết diện đầu vào không đổi (693626 mm 2 ) (bảng 4.5)
Bảng 4 5: Thông số mô phỏng biên dạng đầu vào
Biên dạng đầu vào Vuông Lục giác Bát giác Đa giác đều
Tiết diện đầu vào 693626 mm 2 Độ dài các cạnh
55 Đường kính ngoại tiếp (mm) 588,88 516,7 495,19 480,26 470
Bảng 4 6: Bảng số liệu mô phỏng biên dạng đầu vào
Vuông Lục giác Bát giác a)V1=2,5m/s,V2= 6,09m/s b) V1=2,5 m/s, V2 =6,48 m/s c)V1=2,5m/s, V2=6,61m/s Đa giác 12 cạnh Tròn d)V1=2,5m/s, V2 =6,7m/s e) V1=2,5m/s, V2=6,79m/s
Hình 4.9: Biểu đồ đánh giá ảnh hưởng của biên dạng đầu vào đến tốc độ gió
- Tốc độ gió ở đầu ra đạt lớn nhất ứng với biên dạng dầu vào là tròn (6,79 m/s)
Kết quả mô phỏng cho thấy tốc độ gió tại đầu ra đạt mức thấp nhất khi biên dạng đầu vào là hình vuông (6,09 m/s), nhưng biên dạng tròn lại mang đến hiệu suất cao hơn, cho thấy đây là lựa chọn tối ưu để nâng cao hiệu quả hệ thống.
Thiết kế kết cấu hầm gió
4.3.1 Thông số thiết kế hệ thống
- Tuabin sử dụng bắt đầu hoạt động ở tốc độ gió 4,5 m/s
- Công suất tuabin tối đa 300W
- Tốc độ gió đầu vào khoảng 2,5 m/s
- Hầm gió nhận gió vào với tiết diện có đường kính 1350 mm và gió ra có tiết diện là đường kính 860 mm
- Góc đầu thu giữa đường kính lớn và nhỏ là α
Hình 4.10: Thông số cơ bản của hầm gió
Trong đó, tuabin gió trục ngang được chọn trước
Đề tài tập trung vào việc tính toán xác định biên dạng và kích thước hầm gió nhằm đạt được hiệu suất tối ưu cho hệ thống Trong quá trình thiết kế, việc chọn loại tuabin gió phù hợp đóng vai trò quan trọng để đảm bảo hiệu quả vận hành của hầm gió Đồng thời, xác định kết cấu hầm gió phù hợp giúp tối ưu hóa năng suất và độ bền của công trình Các bước này đều hướng tới việc tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo tính khả thi của dự án năng lượng gió.
Ta chọn loại tuabin gió của Gudcraft với các thông số kỹ thuật nổi bật, như đã trình bày trong bảng 4.7, đảm bảo hiệu quả hoạt động tối ưu Loại tuabin này còn được sử dụng rộng rãi trong các thí nghiệm về hiệu ứng hầm gió, góp phần nâng cao khả năng nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng gió.
Bảng 4 7: Các thông số tuabin gió Gudcraft Đường kính tuabin 820 mm
Tốc độ gió tuabin hoạt động 4,5 m/s
Loại tuabin 6 cánh, gió ngang Đây là loại tuabin 6 cánh gió ngang có khả năng sản sinh công suất tối đa là 300W
Hình 4.11: Tuabin gió WG300-24V - 300W - 6 4.3.2 Xác định kết cấu hầm gió
4.3.2.1 Xác định đường kính ngoại tiếp
Các thông số kỹ thuật của hầm gió cần thiết kế được xác định như sau:
- Tốc độ gió đầu vào: V1 = 2,5 m/s
- Tốc độ gió tại đáy nhỏ đạt được: V2 4,5 m/s
Biết rằng kích thước của cánh tuabin là D = 820 mm, chúng tôi đã chọn kích thước đường kính ngoài của hầm gió (vị trí lắp ghép với cánh tuabin) là D2 = 860 mm để đảm bảo dễ dàng trong quá trình lắp đặt và cố định cánh tuabin.
Đáy lớn của hầm gió cần được chọn với kích thước phù hợp để đạt được tốc độ gió ≥ 4,5 m/s ở phần đáy nhỏ, nhằm đảm bảo hoạt động hiệu quả của tuabin Tốc độ gió tại đáy nhỏ được tính toán dựa trên phương trình liên tục (3.68), trong đó đường kính đáy lớn, đo bằng mm, đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh và tối ưu hóa lưu lượng không khí, giúp tăng hiệu suất khai thác năng lượng gió.
Hệ số an toàn K khi chọn đường kính lớn D1: K1,1 1,5 Chọn K1,15 Khi đó đường kính lớn D1 sẽ là: D 1 1,15.1154 1327
Qui chuẩn ta chon: D 1 1350 Đường kính đáy lớn được xác định qua tính toán là D1= 1350
4.3.2.2 Xác định góc đầu thu
Gió là một đại lượng có mật độ không cao, nên việc điều chỉnh góc độ đầu thu thay đổi với tần số 1 hoặc 2 độ ít ảnh hưởng đến kết quả mô phỏng Do đó, để đảm bảo độ chính xác và hiệu quả, chúng tôi chọn thay đổi góc độ đầu thu với tần số 5 độ trong quá trình phân tích.
Tiến hành mô phỏng trên phần mềm ANSYS các góc độ thay đổi từ 85; 90; 95…125ᵒ (bảng 4.8; 4.9)
Bảng 4 8: Thông số mô phỏng biên dạng góc đầu thu
Biên dạng đầu vào Góc đầu thu Đường kính lớn Đường kính nhỏ Tròn 85; 90;95;…;120;125ᵒ D1 = 1350 D2 = 860
Bảng 4 9: Bảng số liệu mô phỏng góc đầu thu
Lớn nhất 9.31 Lớn nhất 9.83 Lớn nhất 9.72 Đầu ra 7.41 Đầu ra 7.89 Đầu ra 7.79
Lớn nhất 9.54 Lớn nhất 9.11 Lớn nhất 8.77 Đầu ra 7.63 Đầu ra 8.20 Đầu ra 8.33
Lớn nhất 9 Lớn nhất 9.63 Lớn nhất 9.5 Đầu ra 8.56 Đầu ra 8.67 Đầu ra 8.56
Bảng 4 10: Bảng tóm tắt tốc độ gió thu được
Góc độ đầu thu Vận tốc lớn nhất thu được Vận tốc tại đầu ra
Vận tốc lớn nhất của gió được xác định tại điểm giao nhau giữa góc đầu thu và đường kính nhỏ của hầm gió Gió tập trung vào góc nghiêng nhằm gia tăng tốc độ, do đó, khi vừa ra khỏi góc nghiêng, gió đạt tốc độ cao nhất Việc nắm rõ vị trí này giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống hầm gió và đảm bảo lưu lượng gió đạt mức tối đa, góp phần nâng cao hiệu quả làm mát và thông gió trong các công trình xây dựng.
Vận tốc đầu ra chính là mức tốc độ gió thúc đẩy hoạt động của tuabin Tại đây, gió có sự kết hợp giữa các tốc độ cao và thấp, tạo ra một tốc độ gió ổn định giúp tuabin vận hành hiệu quả hơn.
Hình 4 12: Biểu đồ so sánh ảnh hưởng của góc độ đầu thu tới tốc độ gió
Dựa trên bảng số liệu từ mô phỏng, việc điều chỉnh góc thu của hầm gió đạt 120ᵒ giúp tối ưu hóa hiệu quả thu năng lượng gió Khi tốc độ gió đầu vào là 2,5 m/s và góc thu ban đầu là 2α0ᵒ, tốc độ gió tại vị trí đặt rotor có thể tăng lên đến 8,67 m/s Do đó, thiết lập góc thu của hầm gió là 120ᵒ là lựa chọn phù hợp nhằm đạt hiệu quả tối ưu trong quá trình khai thác năng lượng gió.
Tập trung luồng gió để tăng tốc độ gió có thể gây ra hiện tượng dòng chảy rối bên trong hầm gió khi chuyển từ đường kính lớn sang đường kính nhỏ Hiện tượng này ảnh hưởng tiêu cực đến tính chất chuyển động của luồng không khí, đồng thời làm giảm năng suất hoạt động của hệ thống Việc kiểm soát luồng gió một cách hợp lý là yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu quả tối ưu trong quá trình vận hành.
Theo nghiên cứu về thủy động lực học của Euler và Navier-Stokes, Reynolds là đại lượng đặc trưng cho tác động tỷ đối của lực nhớt Khi các kích thước của vật tiếp xúc với chất lỏng hoặc khí rất nhỏ, ngay cả với độ nhớt thấp, Re vẫn không đáng kể và lực ma sát chi phối hệ thống Ngược lại, nếu kích thước và vận tốc của vật lớn, tác động của lực nhớt trở nên rõ rệt hơn trong dòng chảy.
Re >> 1 và ngay cả độ nhớt lớn cũng không ảnh hưởng tới tính chất của chuyển động