TỔNG QUAN
Nguồn gốc năng lượng gió
Bầu khí quyển, nước và không khí trên Trái Đất có nhiệt độ không đồng nhất do mức độ hấp thụ bức xạ mặt trời khác nhau Điều này dẫn đến sự chuyển động của các luồng không khí và hình thành gió.
Hình 2.1 - Chênh lệch nhiệt độ bề mặt các đại dương và hướng chuyển động của không khí trên tầng đối lưu [4]
Năng lượng gió mà con người khai thác chủ yếu đến từ gió bề mặt, tức là tầng gió ở độ cao dưới 100m so với mặt đất, và bị ảnh hưởng bởi cấu trúc bề mặt trái đất Mặc dù tiềm năng gió ở các tầng không khí cao hơn vẫn có thể được sử dụng, nhưng chi phí và độ bền của tuabin tại những độ cao này thường gây ra nhiều thách thức, làm giảm hiệu quả kinh tế của chúng.
Tài nguyên gió tại Việt Nam và ứng dụng tại các khu vực khác nhau
Theo báo cáo của Tạp chí Năng lượng Việt Nam (tháng 8/2020), tổng tiềm năng kỹ thuật điện gió trên bờ của Việt Nam đạt khoảng 217 GW, trong khi đó tiềm năng điện gió ngoài khơi lên tới khoảng 600 GW.
Cụ thể, tổng tiềm năng kỹ thuật điện gió trên bờ của Việt Nam được chia theo các mức độ gió như sau:
1/ Tốc độ gió cao (>6m/s) là 24 GW
2/ Tốc độ trung bình (5,5 - 6m/s) là 30 GW
3/ Tốc độ thấp (4,5 - 5,5m/s) là 163 GW
Việt Nam hiện có 6 vùng điện gió trên bờ, với tổng công suất điện gió đã được phê duyệt và đang trong quá trình bổ sung quy hoạch, như được thể hiện trong bảng dưới đây.
Bảng 2.1 - Quy hoạch điện gió trên bờ của Việt Nam theo khu vực
Tên vùng Đã được bổ sung quy hoạch (MW) Đã đăng ký đầu tư (MW)
Việt Nam hiện chỉ khai thác khoảng 32,5% tổng sản lượng điện gió trên bờ, cho thấy tiềm năng lớn cho điện gió ngoài khơi Sự phát triển năng lượng gió tại Việt Nam vẫn còn rất khả thi, đặc biệt khi áp dụng các giải pháp mới có thể nâng cao sản lượng điện với chi phí sản xuất hợp lý Điều này sẽ đáp ứng nhu cầu điện ngày càng tăng của các hộ gia đình và trang trại, đặc biệt là ở các khu vực sâu vùng xa khó tiếp cận lưới điện.
Tình hình nghiên cứu trong trên thế giới và trong nước
2.3.1 Nghiên cứu ý tưởng và chế tạo
* Những ý tưởng ngoài nước ban đầu
Trên thế giới hiện nay đã có những tuabin gió công suất từ vài MW đến 15
Các tuabin gió công suất lớn, thường chỉ được sản xuất bởi một số quốc gia có công nghệ tiên tiến, yêu cầu tốc độ gió tối thiểu 10 m/s Để cải thiện hiệu suất, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm tìm ra giải pháp thay thế cho các tuabin gió trục ngang truyền thống, bằng cách sử dụng nhiều rotor trên một tháp với hai mục tiêu chính.
1 Để thay một rotor lớn bằng một số rotor nhỏ;
2 Sử dụng năng lượng còn thừa sau rotor đầu tiên để nâng cao hiệu suất thực tế của tuabin
Hai mô hình khác nhau được đề xuất và phát triển với mục tiêu đầu tiên là:
- Tuabin gió sử dụng nhiều rotor gắn trên cùng 1 mặt phẳng (Co-planer multi rotor wind tuabin);
- Tuabin gió sử dụng nhiều rotor gắn đồng trục một chiều (Unidirectional co- axial series rotor wind tuabin);
Tuabin gió nhiều rotor là loại tuabin sử dụng nhiều rotor gắn trên cùng một mặt phẳng, với các rotor nhỏ thay thế cho một cánh tuabin lớn, mỗi rotor được hỗ trợ bởi một giá đỡ và truyền công suất đến máy phát điện riêng biệt Điều này tạo thành cụm các tuabin gió nhỏ trên một tháp Các mẫu tuabin gió này, như hình 2.2 cho thấy, được thiết kế bởi Hãng Lagerwey Wind từ những năm 1908 đến 1990 và mẫu thử nghiệm của NASA năm 2010 Tuy nhiên, loại tuabin này gặp khó khăn trong việc điều khiển đuôi để hãm khi có gió bão (≥ 25 m/s) và đồng bộ hóa phát điện giữa các rotor.
Hình 2.2 - Mô hình tuabin gió sử dụng nhiều rotor gắn trên cùng một mặt phẳng
Tuabin gió loại rotor đồng trục một chiều được thiết kế với nhiều rotor gắn phía trước và phía sau tháp tuabin, kết nối qua một trục truyền động chung để dẫn động máy phát điện So với tuabin gió rotor đơn và tuabin gió nhiều rotor trên cùng một mặt phẳng, loại này mang lại nhiều ưu điểm vượt trội.
- Đối với tuabin gió loạt rotor đồng trục một chiều cần máy phát điện truyền động trực tiếp kích thước nhỏ vì vòng tua máy cao hơn
- Chi phí của máy phát có vòng tua cao thấp hơn so với máy phát có vòng tua thấp
- Có độ ổn định cấu trúc tốt vì nó có chứa rotor ở cả hai phía của trục ngang
Hình 2.3 - Mô hình tuabin gió sử dụng nhiều rotor gắn đồng trục một chiều
Tuy nhiên, loại tuabin này có nhược điểm lớn về độ bền kết cấu do trục nằm ngang quá dài, dẫn đến khả năng chịu lực kém Hơn nữa, vẫn còn tồn tại vấn đề trong việc điều khiển đuôi để dừng tuabin khi gặp gió bão.
Tuabin gió trục ngang quay ngược chiều nhau được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất năng lượng bằng cách sử dụng năng lượng thừa từ rotor đầu tiên Rotor thứ hai, đặt phía sau rotor đầu tiên, giúp nâng cao hệ số hiệu suất thực tế Công suất của rotor thứ hai chủ yếu được dùng để dẫn động phần ứng bên trong, trong khi rotor phía trước dẫn động phần ứng bên ngoài Sự tăng tốc độ tương đối giữa các rotor cho phép thu được nhiều năng lượng hơn so với tuabin gió rotor đơn.
Tiếp đến, có 2 hướng chính để khai thác năng lượng từ loại tuabin này:
- Công suất cơ học của cả hai rotor được kết hợp bởi các bánh răng và được sử dụng để truyền động cho máy phát điện [8]
- Sử dụng hai máy phát điện riêng biệt kết hợp với hai rotor [9]
Hình 2.4 - Mô hình tuabin gió trục ngang 2 tầng cánh quay ngược
Mặc dù việc sử dụng trọng lượng đối trọng trên cả hai mặt của tháp giúp tăng cường độ ổn định cho hệ thống tuabin gió, nhưng tuabin gió quay ngược có thể không khả thi khi áp dụng ở quy mô lớn.
MW sử dụng trục nhô ra để duy trì khoảng cách thích hợp giữa các cánh tuabin Các tuabin gió quay ngược theo phương pháp bánh răng yêu cầu sắp xếp bánh răng phức tạp và đồng bộ hóa Với cấu hình 2 máy phát điện, tuabin có cấu tạo phức tạp và gặp khó khăn trong việc đồng bộ hóa dòng điện ra.
* Những ý tưởng hiện đại nhằm thực tế hóa tuabin 2 tầng cánh
Gần đây, các nghiên cứu tiếp tục hiện thực hóa các mô hình lý tưởng, trong đó có sáng chế “Dual rotor wind power assembly” của nhóm nghiên cứu Bakanov, nhằm giải quyết vấn đề hãm tốc của tuabin 2 tầng cánh thông qua bộ ly hợp Mô hình tuabin mang tên thương mại ИнС-В-1000 được giới thiệu, tuy nhiên, hệ số công suất của tuabin 2 tầng cánh đạt tới 100% trong cùng một sáng chế này có thể chưa chính xác về mặt logic.
Hình 2.5 - Bộ ly hợp của tuabin 2 tầng cánh theo sáng chế của nhóm Bakanov
Hình 2.6 - Tuabin 2 tầng cánh theo sáng chế của nhóm Bakanov
Ngoài ra còn rất nhiều những mô hình sáng chế khác được đăng ký tại Mỹ
Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực này, nhưng các giải pháp vẫn chưa được hiện thực hóa và thường sử dụng hệ bánh răng hành tinh với tổn thất lớn Do đó, chúng chưa được ứng dụng thực tiễn, đặc biệt là không phù hợp cho hệ tuabin gió cỡ nhỏ.
Tại Việt Nam hầu như chưa có nhiều nghiên cứu về tính toán, ứng dụng tuabin gió 2 tầng cánh, chỉ có một số nghiên cứu sau:
- Nguyen The Bao, Ngo Van Minh, and Ngo Gia Huy (2022); Horizontal Coaxial Dual-Stage Wind Turbine with Independent Rotation, Computational Intelligence Methods for Green Technology and Sustainable Development, GTSD
- Nguyen The Bao, Ngo Van Minh, Ngo Gia Huy (2022); Method to Improve the Power Coefficient of Vertical Axis Wind Turbines, Lecture Notes in Mechanical Engineering, 2022, 29-39 (Scopus: Book Series) [16]
- Huy L D, Bảo N T Ứng dụng lý thuyết phân tố cánh trên tuabin gió trục ngang để tính toán tuabin gió hai tầng cánh Sci Tech Dev J - Eng Tech.; 5(3):1605-1613
- Nguyễn Thế Bảo, Ngô Văn Minh, Ngô Gia Huy (2021); Nghiên cứu và chế tạo cánh GOE 222 dùng cho tuabin gió trục ngang công suất nhỏ, Hội nghị Khoa học
& Công nghệ Toàn quốc về Cơ khí lần thứ VI - NSCME2021, TP Hồ Chí Minh, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, trang 367-374 [18]
- Công báo sở hữu công nghiệp về tuabin gió 2 tầng cánh của PGS TS Nguyễn Thế Bảo [3]
Nguyễn Thế Bảo, Ngô Gia Huy và Ngô Văn Minh (2021) đã đăng ký sáng chế cánh quạt có biên dạng khí động học dành cho tuabin gió hai tầng cánh Quyết định số 18277w/QĐSHTT của Cục Sở hữu trí tuệ đã chấp nhận đơn hợp lệ này.
Các nghiên cứu nói trên hiện nay cũng chỉ dừng lại ở mức nghiên cứu cơ bản, chưa đưa ra phương pháp tính toán cũng như thực nghiệm
2.3.2 Nghiên cứu về lý thuyết tính toán Điều đầu tiên cần nói đến là lý thuyết tính toán về tuabin gió 2 tầng cánh vẫn chưa thực sự hoàn thiện và được chấp nhận rộng rãi, còn rất nhiều điều gây tranh cãi và cần được phát triển thêm Trong phạm vi của luận văn này thì tác giả cũng tổng hợp tuần tự những nguồn nghiên cứu đáng tin theo thời gian, đồng thời đưa ra những yếu tố tiếp theo cần phải xét đến khi tính toán tuabin gió 2 tầng cánh
Phần này sẽ được đề cập cụ thể trong một chương riêng như nội dung chính của đề tài
2.3.3 Nghiên cứu thực nghiệm; dùng TTS-DLHCL để tính toán
Nghiên cứu của Jung et al (2005) đã thực hiện thí nghiệm với tuabin gió 2 tầng cánh 30 kW, cho thấy hiệu quả khai thác năng lượng của tuabin 2 tầng cánh chỉ cao hơn một chút so với tuabin 1 tầng cánh khi thay đổi tỉ lệ đường kính và khoảng cách giữa chúng Lucia-Andreea Mitulet và cộng sự đã xác nhận rằng tuabin gió 2 tầng cánh có thể tăng công suất trung bình khoảng 40% trong khoảng tốc độ từ 5,5 đến 10 m/s so với tuabin 1 tầng cánh P Santhana Kumar và các cộng sự đã tiến hành thí nghiệm với mô hình thu nhỏ của tuabin 2 tầng cánh và so sánh với kết quả mô phỏng TTS-DLHCL Tuy nhiên, chưa có thực nghiệm nào được thực hiện trong hầm gió để đánh giá hiệu quả hoạt động của tuabin với cấu trúc truyền động mới.
* Về tính toán mô phỏng số bằng TTS-DLHCL:
Li Zhiqiang và các cộng sự đã nghiên cứu tính toán TTS-DLHCL cho tuabin gió trục ngang bằng mô hình mô phỏng MPXL-LBM, cho thấy công suất của tuabin thay đổi theo góc đặt cánh và khoảng cách giữa 2 tầng cánh Nhóm nghiên cứu của A Rosenberg đã tối ưu thiết kế tuabin bằng mô hình NSTBR-T và xác nhận hiệu quả qua mô hình MPXL F.F Yin cùng các cộng sự đã đề xuất lý thuyết tính toán cho tuabin 2 tầng cánh và thực hiện mô phỏng TTS-DLHCL để xác nhận giá trị sử dụng Amr Mohamed và các cộng sự đã sử dụng mô hình NKTC Rotor tĩnh để mô phỏng tuabin 2 tầng cánh nhỏ với cơ cấu tăng tốc bằng ống khuếch tán Ngoài ra, còn nhiều nghiên cứu ứng dụng TTS-DLHCL cho tuabin gió một tầng cánh.
Các nghiên cứu hiện tại chưa chỉ ra cách thiết lập cụ thể của mô hình TTS-DLHCL, điều này gây khó khăn trong việc áp dụng cho nhiều cấu hình tuabin 2 tầng cánh trục ngang khác nhau, đặc biệt là khi khoảng cách giữa 2 tầng cánh thay đổi từ nhỏ đến lớn.
Mục đích nghiên cứu
Mục đích của luận văn này là tính toán công suất và đánh giá hiệu năng của mô hình tuabin gió hai tầng cánh đồng trục quay độc lập theo bằng sáng chế số: 1-2021-03837 của PGS TS Nguyễn Thế Bảo Nghiên cứu này sẽ tạo tiền đề cho việc ứng dụng tuabin gió quy mô nhỏ vào thực tế tại các trang trại ở Việt Nam.
Kết quả nghiên cứu của đề tài phải đáp ứng những yêu cầu sau đây:
- Thiết lập được các công thức tính toán công suất, hiệu suất của tuabin 2 tầng cánh theo sáng chế mới
- Thiết lập mô hình hầm gió để kiểm nghiệm hiệu quả, hiệu suất hoạt động thực tế của tuabin 2 tầng cánh so với 1 tầng cánh
- Xây dựng được mô hình tính toán công suất tuabin 2 tầng cánh trên Ansys Fluent, sử dụng trong nhiều trường hợp
- Đưa ra những hạn chế và hướng phát triển tiếp của đề tài.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:
Tổng hợp và phân tích các kết quả nghiên cứu toàn cầu cũng như tại Việt Nam nhằm xây dựng cơ sở lý thuyết cho việc tính toán tuabin theo sáng chế mới.
- Xây dựng mô hình tính toán lý thuyết và mô hình tính toán mô phỏng phù hợp để dự đoán hiệu quả hoạt động của tuabin
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:
- Xây dựng mô hình thực nghiệm trong hầm gió, so sánh và tổng hợp các kết quả nghiên cứu đạt được.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Kết quả của luận văn được sử dụng làm cơ sở dữ liệu và tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu sau này
Luận văn đề xuất giải pháp tính toán chi phí phù hợp cho các tuabin gió 2 tầng cánh trục ngang, đảm bảo độ chính xác tương đối và khả năng ứng dụng với nhiều cấu hình khác nhau Giải pháp này có ý nghĩa thực tiễn quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu chi phí đầu tư cho các dự án năng lượng gió.
Vấn đề năng lượng đang trở thành mối quan tâm hàng đầu tại Việt Nam và toàn cầu, đặc biệt sau khi Quy hoạch điện VIII được ban hành vào ngày 15/05/2023 Đầu tư vào nghiên cứu và ứng dụng các hệ thống năng lượng tái tạo đang được khuyến khích mạnh mẽ Việc nghiên cứu và phát triển tuabin gió có thể cung cấp giải pháp năng lượng cho các nhu cầu quy mô nhỏ như hộ gia đình và trang trại, đặc biệt ở những khu vực khó tiếp cận như biên cương và hải đảo.
Nghiên cứu và ứng dụng tuabin gió 2 tầng cánh đồng trục quay độc lập không chỉ mang lại lợi ích môi trường mà còn có ý nghĩa xã hội quan trọng, đồng thời góp phần thực hiện cam kết của Thủ tướng Chính phủ tại COP26.
NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT CHO TUABIN GIÓ 2 TẦNG CÁNH ĐỒNG TRỤC QUAY ĐỘC LẬP
Tuabin gió 2 tầng cánh đồng trục quay độc lập theo sáng chế mới
Tuabin gió 2 tầng cánh đồng trục quay độc lập được mô tả theo nguyên bản của sáng chế [3] (hình 3.1) Trong quá trình thực hiện luận văn, các điều chỉnh về kích thước và khoảng cách giữa 2 tầng cánh đã được áp dụng để phù hợp với điều kiện thực tế của hầm gió và công suất thiết kế.
Hình 3.1 minh họa cấu trúc và các bộ phận của tuabin gió 2 tầng cánh đồng trục quay độc lập theo sáng chế mới Bộ chân đế xoay 35 được làm từ ống thép hàn với mặt bích dưới để gắn với cột 36 bằng bu lông Trên ống thép có vòng chắn 22 và ổ lăn 23 Khi gắn bộ khung xoay 21 lên chân đế xoay, trên khung có ổ lăn 24 và vòng khóa 25 Bộ khung xoay hoạt động nhờ hai ổ lăn 23 và 24, và được cố định trên chân đế xoay bằng vòng khóa 25.
Bộ khung xoay 21 được chế tạo từ các miếng thép tấm, với một ống thép 18 được tiện để gắn hai ổ lăn 17 và 19 ở hai đầu Ống thép 18 được hàn chắc chắn vào khung xoay, đảm bảo tính ổn định và độ bền cho cấu trúc.
Trục tuabin 16 là một trục thép đặc, được kết nối chặt chẽ với lõi rotor của động cơ phát điện 8 và ống thép 18, nằm trên hai ổ lăn 17 và 19 của bộ khung xoay 21 Để đảm bảo tính ổn định, trục tuabin 16 được cố định vào bộ khung xoay 21 bằng đai ốc 20.
- Rotor động cơ phát điện 8 gồm các lá thép được ghép với nhau và được gắn vào nam châm 9 Rotor động cơ phát điện 8 được gắn với trục tuabin 16
Stator của động cơ phát điện 7 được cấu thành từ các lá thép kỹ thuật điện, được ghép lại để cuốn dây đồng và gắn với vỏ 6 Hai nắp đậy 10 và 11 giữ vai trò định tâm cho rotor trong stator, đồng thời có hai ổ lăn 12 và 13 trên nắp giúp rotor quay trơn tru Để bảo vệ động cơ khỏi nước và các chất lỏng khác, hai phớt cao su 17 và 33 được gắn trên hai nắp này.
Cổ góp điện 14 bao gồm ba vòng đồng được cách điện và gắn cố định vào nắp động cơ phát điện Nó kết nối với ba đầu dây của máy phát điện, giúp ngăn ngừa hiện tượng xoắn dây điện trong quá trình tuabin hoạt động.
Chổi than 15 bao gồm ba chổi quét quanh ba vòng đồng trên cổ góp 14, có nhiệm vụ dẫn điện từ động cơ tới bộ cổ góp chổi than 26 và xuống nơi sử dụng điện Chổi than 15 được lắp đặt trên bộ khung xoay 21.
Tầng cánh trước 1 bao gồm ba cánh được kết nối với đĩa cánh 30 thông qua bộ giữ cánh 3, tất cả được gắn vào trục 16 Khi hoạt động, tầng cánh trước 1 quay theo chiều kim đồng hồ, kéo rotor 8 quay quanh stator 7 và khung xoay 21.
Tầng cánh sau 2 bao gồm ba cánh được gắn vào đĩa cánh 36 thông qua các bộ giữ cánh 4 Tầng cánh sau này được kết nối với vỏ và stator 7 của động cơ phát điện Khi hoạt động, tầng cánh sau 2 quay ngược chiều với tầng cánh trước 1, kéo theo stator 7 quay quanh rotor 8.
Tầng cánh trước 1 và tầng cánh sau 2 đều có ba cánh có kích thước và góc tấn giống nhau, dao động từ 7 đến 10 độ Khoảng cách giữa hai tầng cánh được thiết lập từ 20 đến 70 cm nhằm hạn chế độ trễ tối thiểu khi luồng gió đi qua.
Đuôi tuabin 27 được cấu tạo từ hai ống thép liên kết với nhau và một tấm thép 28 được hàn chắc chắn vào ống thép Toàn bộ cấu trúc đuôi này được gắn chặt với khung xoay 21 thông qua các bu lông.
Tuabin 27 có khả năng điều chỉnh hướng của hai tầng cánh thẳng theo hướng gió Chiều dài đuôi của tuabin này bằng 1,3 lần bán kính cánh, và diện tích đuôi phải đạt ít nhất 1/14 diện tích quét của cánh.
- Nắp chụp đầu cánh 31 gắn vào đĩa cánh của tầng cánh trước 1 Giúp tối ưu luồng gió đi vào cánh
- Vỏ thân tuabin 5 gắn vào vỏ động cơ stator để bảo vệ và giúp tuabin liền khối
- Vỏ sau 32 bảo vệ phần khung xoay 21 và các bộ phận bên trong
- Tuabin gió hai tầng cánh đồng trục quay độc lập hoạt động như sau:
Khi gió thổi vào tuabin đuôi, tuabin 27 sẽ điều chỉnh hai tầng cánh trước và tầng cánh sau hướng thẳng về luồng gió, khiến hai tầng cánh nhận năng lượng từ gió và quay theo hai chiều ngược nhau Sự quay ngược chiều này kéo theo rotor và stator của máy phát điện, tạo ra tốc độ quay từ trường cao hơn so với tuabin một tầng cánh Kết quả là sản lượng điện sinh ra lớn hơn, và dòng điện này được truyền qua cổ góp và chổi than, sau đó đi xuống nơi sử dụng.
Hình 3.1 - Cấu hình cơ bản của tuabin 2 tầng cánh đồng trục quay độc lập Ưu điểm của tuabin gió theo sáng chế này là:
- Hiệu suất thu năng lượng gió cao cả ở vận tốc gió thấp và cao
- Công suất cao hơn tuabin gió 1 tầng cánh ở hầu hết các tốc độ gió, đặc biệt cao hơn ở tốc độ gió thấp
- Giải quyết được việc các tầng cánh bị cuốn theo nhau mà không cần sử dụng bánh răng hệ hành tinh
- Cấu tạo đơn giản dễ vận hành, lắp đặt và sửa chữa
- Độ bền vật liệu cao và có thể tái chế
- Giá thành thấp do sản xuất được ở trong nước.
Lý thuyết tính toán tuabin gió cơ bản
3.2.1 Thuyết động lượng một chiều (động lượng tuyến tính)
Thuyết động lượng được áp dụng để phân tích rotor tuabin gió trong điều kiện gió phân bố đều trên mặt phẳng rotor, với vận tốc gió giảm dần khi đi qua rotor Trong bối cảnh này, rotor có thể được coi như một đĩa truyền động, nơi dòng chảy qua nó là tĩnh, một chiều, không nhớt và không có hiện tượng xoay, tương đương với một bề mặt thấm có độ dày vô cùng nhỏ.
Định luật bảo toàn năng lượng theo thuyết động lượng 1 chiều cho thấy công suất khai thác từ dòng gió qua đĩa tuabin có diện tích quét A có thể được tính toán bằng công thức cụ thể.
2𝜌𝑢𝐴(𝑉 0 2 − 𝑢 1 2 ) (1) Trong đó các vận tốc u và u1 lần lượt được tính theo các công thức [28]:
Với V0 là vận tốc gió tự do từ xa đi vào tuabin gió, như biểu diễn trên hình 3.2, và a là hệ số cảm ứng dọc trục
Công suất cơ học phát sinh của luồng gió qua tuabin sau khi biến đổi được thể hiện dưới dạng sau:
Hệ số công suất được định nghĩa là:
Hệ số công suất và hệ số lực đẩy được tính theo giá trị a theo công thức:
Hệ số lực đẩy đạt giá trị cực trị khi a=1/2, trong khi hệ số công suất đạt cực đại tại a=1/3, được gọi là hệ số công suất Betz với giá trị 0,593 Đối với các giá trị a > 1/3, công thức hiệu chỉnh Glauert sẽ được áp dụng để tính toán hệ số lực đẩy phụ thuộc vào hệ số cảm ứng dọc trục a.
3.2.2 Phương pháp động lượng phân tố cánh (PP-DLPTC)
Phương pháp động lượng phân tố cánh, như được thể hiện trong Hình 3.3, chia đĩa tuabin thành nhiều hình khuyên có độ dày dr tại bán kính r để thực hiện phân tích Phương pháp này cho phép vẽ một tam giác vận tốc, giúp phân tích xu hướng chuyển động của gió qua cánh tuabin, đồng thời xem xét hai yếu tố quan trọng: thành phần vận tốc cảm ứng dọc trục 𝑎𝑉 0 và thành phần vận tốc cảm ứng tiếp tuyến.
Hình 3.3 - Ống dòng độ dày dr tại vị trí bán kính r [28]
Hình 3.4 [30] Mô tả các vận tốc và lực tác động lên phân tố cánh tại vị trí hình khuyên bán kính r so với trục tuabin Trong đó:
+ U(1-a): Vận tốc gió đến cánh U trong trường hợp này tương đương với V0 trong các định nghĩa phía trên, nó là dòng gió tự do từ xa đến tuabin
+ Urel: Vận tốc gió tương đối, là thành phần gió tổng hợp mà cánh “cảm nhận” được
Hình 3.4 - Các vận tốc và lực tác động lên phân tố cánh tại vị trí bán kính r
+ θp: Góc nghiêng của phần tử cánh so với mặt phẳng xoay
+ φ = θp + α: Góc gió đến tương đối
Góc nghiêng chung của cánh tuabin, ký hiệu là θp,0, được tính tại phân tố ở đỉnh cánh, trong khi θr là góc đặt cánh so với góc nghiêng chung Bài viết cũng đưa ra các định nghĩa liên quan đến các loại lực tác động lên cánh tuabin.
Lực nâng là lực vuông góc với dòng gió tương đối vào tuabin (Urel), được hình thành do sự chênh lệch áp suất giữa bề mặt trên và dưới của cánh tuabin Sự không đồng đều này xảy ra dưới tác động của gió và tốc độ quay của tuabin.
Lực cản là lực có phương song song với dòng gió tương đối, xuất phát từ lực ma sát nhớt trên bề mặt cánh tuabin và sự chênh lệch áp suất giữa mặt trước và mặt sau của cánh tuabin theo chiều gió.
Nếu các điều kiện dưới đây được đáp ứng, phương pháp này cho phép tính toán lực nâng l và lực cản d trên từng phân tố cánh, từ đó có thể xác định các lực này cho toàn bộ tuabin.
1 Không có tương tác dọc trục của các dòng khác nhau qua từng phân tố cánh
2 Biết hệ số lực nâng Cl và lực cản Cd như là một hàm của góc tấn và hệ số Reynolds (Re)
3 Công thức thực nghiệm 7 là đúng trong ống dòng ở Hình 3.3
4 Không có biến thiên phương vị tại vận tốc đầu ra 𝑢 1 Để đảm bảo giả thiết số 4 ở trên, có thể sử dụng hệ số hiệu chỉnh đầu mút Prandtl [29] khi mô phỏng tuabin với số lượng cánh hữu hạn nhưng cho kết quả tính toán gần giống với mô hình dòng chảy thật qua cánh (có dạng xoáy):
Khi đó phương trình 7 trở thành:
Nghiên cứu tính toán khí động học tuabin gió 2 tầng cánh
Giới hạn Betz cho tuabin gió một tầng cánh là 59,3%, nhưng các nhà khoa học vẫn đặt ra câu hỏi về khả năng tối ưu hóa công suất tuabin gió trong điều kiện trường gió cố định Vấn đề này có ý nghĩa khoa học và thực tiễn quan trọng, do đó cần được nghiên cứu thêm Bài viết này sẽ tóm tắt các lý thuyết chính liên quan đến đề tài này.
Newman và các cộng sự của ông được coi là những người tiên phong trong nghiên cứu về hệ số công suất tối đa của tuabin gió vào năm 1986 Dựa trên “thuyết động lượng tuyến tính” hay “thuyết động lượng 1 chiều”, Newman đã dự đoán rằng hệ số công suất tối đa cho tuabin gió 2 tầng cánh với kích thước các tầng cánh giống nhau đạt 64%, cao hơn khoảng 5% so với tuabin một tầng cánh Nghiên cứu của ông được đề cập chi tiết trong mục 3.3.1.
Trong mô hình của Newman, dòng khí đến rotor trước được chia thành hai ống dòng: ống dòng trong và ống dòng ngoài Rotor phía sau được che phủ hoàn toàn bởi ống dòng trong của rotor phía trước, trong khi hệ số cảm ứng dọc trục của cả hai ống dòng là như nhau Nghiên cứu của Newman và các cộng sự chỉ ra rằng việc thêm các rotor phía sau chỉ làm tăng rất ít hệ số công suất tối đa cho tuabin gió.
Trong những năm gần đây, Chantharasenawong và các cộng sự cùng Agrawal đã áp dụng lý thuyết động lượng tuyến tính để nghiên cứu tuabin gió 2 tầng cánh Nghiên cứu của họ dựa trên kết quả từ Newman với hai điều chỉnh chính: đầu tiên, hệ số cảm ứng dọc trục của dòng khí trong ống dòng trong và ngoài được tách thành hai hệ số riêng biệt Thứ hai, áp suất khí giữa rotor phía trước và phía sau được giả định phục hồi về áp suất khí quyển, cho thấy hai rotor hoạt động độc lập mà không tương tác khí động, với rotor phía sau không ảnh hưởng đến ống dòng đi qua rotor phía trước, chỉ tác động qua sự giảm tốc độ gió ở vết của nó.
Theo nghiên cứu, tuabin 2 tầng cánh với kích thước rotor tương đương đạt hệ số công suất tối đa 81,4%, vượt qua giới hạn Betz khoảng 22% và cao hơn 17,4% so với kết quả của Newman về tuabin gió 2 tầng cánh.
Nghiên cứu của nhóm Chantharasenawong và nhóm Agrawal được đề cập cụ thể ở mục 3.3.2
Năm 2017, nhóm nghiên cứu của Haripriya Sundararaju đã mở rộng nghiên cứu bằng cách tính thêm tác động của các thông số thực tiễn như khoảng cách giữa hai rotor, kích thước tương đối giữa các rotor và tỷ số tốc độ đầu cánh của mỗi rotor vào kết quả nghiên cứu trước đó.
Thuyết động lượng tuyến tính được áp dụng trong nghiên cứu, nhưng Sundararaju đã loại bỏ giả định áp suất phục hồi về khí quyển từ hai nghiên cứu của nhóm Chantharasenawong và Agrawal Điều này dẫn đến việc tính toán "hiệu ứng cặp," hay tương tác giữa rotor trước và sau, trong lòng ống dòng trong.
Nhóm nghiên cứu đã phát triển một công thức tổng quan để tính toán tuabin gió 2 tầng cánh, đạt được hệ số công suất tối đa 81,4%, tương tự như kết quả của nhóm Chantharasenawong và nhóm Agrawal.
Nghiên cứu của nhóm Sundararaju được đề cập cụ thể ở mục 3.3.3
Năm 2022, Nhóm của F F Yin đã cải tiến kết quả nghiên cứu từ nhóm của Sundararaju và ứng dụng phương pháp động lượng phân tố cánh để tính toán hiệu suất của tuabin gió 2 tầng cánh.
Nghiên cứu của nhóm F F Yin được đề cập cụ thể ở mục 3.3.4
Từ những nghiên cứu nói trên, có thể mở rộng đề tài bằng cách:
Nghiên cứu ứng dụng phương pháp động lượng phân tố cánh cho tuabin cánh thẳng yêu cầu tìm kiếm các tham số hiệu chỉnh phù hợp, đặc biệt là việc xác định số Re và các hệ số Cl, Cd cho từng phân tố cánh Mặc dù giả định về việc giữ ổn định góc tấn và hệ số Re theo khoảng cách xuyên tâm thường được chấp nhận trong thiết kế cánh, điều này không hoàn toàn đúng với cánh thẳng do sự chênh lệch lớn giữa góc tấn ở phân tố cánh gần gốc và phân tố cánh ở đỉnh tuabin.
Bổ sung hệ số tỉ lệ đường kính 2 tầng cánh vào các phương trình bảo toàn giúp phát triển lý thuyết tính ứng dụng phương pháp động lượng phân tố cánh Điều này cho phép đạt được kết quả tổng quát và nhanh chóng hơn so với việc sử dụng mô phỏng trên TTS-DLHCL.
+ Nghiên cứu bài toán TTS-DLHCL cụ thể đối với tuabin cánh thẳng 2 tầng cánh và so sánh với các lý thuyết trên
3.3.1 Phương pháp đề xuất bởi nhóm nghiên cứu của Newman
Xét một tuabin gió với n đĩa dẫn động, khoảng cách giữa các đĩa đủ lớn để dòng khí đi qua mỗi đĩa được coi là dòng một chiều.
Tốc độ dọc trục qua mặt trước và sau của đĩa thứ r là V(1-ar), trong đó V là vận tốc dòng gió tự do vào tuabin và a là hệ số cảm ứng dọc trục Ống dòng ngoài của đĩa thứ r khi lướt qua vành ngoài của đĩa thứ r+1 được đặc trưng bởi hệ số br, dẫn đến tốc độ dọc trục là V(1-br) Áp suất trước và sau đĩa thứ r được ký hiệu lần lượt là pr và qr.
Tổng thể dòng gió đi qua đĩa có thể chia thành nhiều ống dòng nhỏ Phần cắt giữa ống dòng và đĩa tạo thành một hình khuyên với diện tích Amr, trong đó m là thứ tự của đĩa mà ống dòng đang xét nằm trong đó R là thứ tự của ống dòng tại đĩa m theo chiều xuyên tâm; đối với đĩa thứ r, ống dòng này được gọi là ống dòng ngoài Đối với đĩa thứ r+1, ống dòng Amr sẽ lướt qua bên ngoài diện tích quét của đĩa Mỗi đĩa chỉ có một ống dòng ngoài, và ống dòng ngoài này không bị ảnh hưởng bởi rotor tiếp theo ở phía hạ lưu.
Trong hình 3.5, ống dòng A(r-1)r nằm ở đĩa r-1, với "r-1" chỉ ra vị trí của ống dòng trên đĩa thứ r-1 Chữ "r" thể hiện ống dòng thứ r tại đĩa "r-1" Khi ống dòng này giãn nở về phía hạ lưu, nó sẽ trở thành ống dòng ngoài của đĩa thứ r.
Hình 3.5 - Các đường dòng, ống dòng đi qua n đĩa truyền động
tầng cánh đường kính bằng nhau
Phương pháp đề xuất bởi nhóm nghiên cứu của F F Yin
Tuabin gió 2 tầng cánh khai thác hiệu quả năng lượng gió bằng cách tận dụng động năng của không khí hai lần, khi gió đi qua cả tầng cánh phía trước và phía sau Điều này tạo ra các giao thoa khí động học phức tạp giữa hai tầng cánh, gây khó khăn trong việc thiết kế và phân tích khí động học.
Tổng hợp sự tương tác giữa 2 tầng cánh là:
1) Rotor phía sau hoạt động ở phía sau rotor phía trước, do đó động lượng dòng vào của rotor phía sau bị giảm đi, không ổng định và hỗn loạn
2) Rotor phía trước hoạt động trong vùng cảm ứng của rotor phía sau, rotor phía sau được xem là một tấm cản với rotor phía trước
3) Các hiện tượng giao thoa khác sinh ra giữa 2 rotor do hiệu ứng nhớt, có thể được phân tích bởi thuyết động lượng
Nhóm của F F Yin tiếp thu những nghiên cứu từ các nhà khoa học đi trước
Nghiên cứu của Sundararaju được đánh giá là cung cấp phương pháp tính toán sát với thực tế hơn, tuy nhiên vẫn còn thiếu sót khi không xem xét đến vận tốc quay của các tầng cánh, hiệu ứng nhớt, và sự tương tác giữa các ống dòng trong và ngoài.
Nhóm nghiên cứu đã nhận thấy rằng tuabin gió 2 tầng cánh thương mại có tỉ số khoảng cách giữa 2 tầng cánh trên đường kính cánh nhỏ, dẫn đến sự tương tác xuyên tâm cục bộ lớn hơn Để cải tiến hiệu suất, họ đã đề xuất ứng dụng phương pháp động lượng phân tố cánh (PP-DLPTC) vào tính toán cho loại tuabin này, trong đó các giao thoa vận tốc được tính đến Tuy nhiên, mô hình hiện tại vẫn chưa xem xét trường hợp khi tầng cánh sau lớn hơn tầng cánh trước.
Thuyết động lượng một chiều và phương pháp phân tố cánh cho tuabin 2 tầng cánh
Thuyết động lượng liên kết các lực và momen tác động lên dòng khí, đồng thời phản ánh sự thay đổi động lượng của dòng chảy qua rotor Thuyết phân tố cánh chia rotor thành các phần hình khuyên, giúp tính toán khí động học tương tự như khí động học 2D của cánh máy bay, dựa trên tốc độ gió vào và góc tấn.
Trong nghiên cứu của nhóm F F Yin, thuyết động lượng cho tuabin 2 tầng cánh được xây dựng thông qua sự chồng chất cảm ứng của các rotor theo cả hai hướng dọc trục và tiếp tuyến Thuyết phân tố cánh tạo ra các ống hình khuyên giữa các phần tử phân tố của rotor này và rotor khác, dựa trên nguyên tắc bảo toàn khối lượng.
Sự chồng chất động lượng dọc trục
Nhóm F F Yin cũng tiến hành nghiên cứu tương tự như nhóm Sundararaju, chia dòng chảy qua hai tầng cánh thành hai ống dòng Ống dòng trong chứa không khí đi qua cả hai tầng cánh, với mối quan hệ giữa vận tốc và áp suất trên các tầng cánh có sự liên quan chặt chẽ Trong khi đó, ống dòng ngoài chỉ đi qua rotor trước, nên có đặc tính tương tự như khi đi qua một rotor đơn.
Hình 3.21 minh họa các ống dòng đi qua rotor trước và sau Dòng gió tự do từ xa đến 𝑉 ∞ sẽ giảm vận tốc xuống còn 𝑈 ∞ (1 − 𝑎) tại rotor trước và 𝑈 ∞ (1 − 𝑏) tại rotor 2, trong đó a và b là hệ số cảm ứng cục bộ do cả hai rotor tạo ra Sự tương tác giữa hai rotor khiến các hệ số này có tác động qua lại, do đó không thể xác định mối quan hệ giữa độ sụt áp qua rotor và các hệ số này Để áp dụng phương pháp phân tố cánh cho tuabin 2 tầng cánh, nhóm nghiên cứu đã đề xuất một trường dòng chảy rotor đôi, đại diện cho sự phân bố tốc độ cảm ứng do sự tương tác của hai rotor.
Trong phương pháp PP-DLPTC cổ điển, hệ số cảm ứng cục bộ và hệ số cảm ứng tiếp tuyến: 𝑎 𝑆𝑅 , 𝑎 𝑆𝑅 ′ của 1 rotor được xác định bởi:
+ 𝜔 là tốc độ xoay của rotor
+ 𝑈 𝑖𝑛𝑓𝑙𝑜𝑤,𝑎 là vận tốc đến của rotor được tính toán
Vận tốc cục bộ tại rotor được xác định là: (1 − 𝑎 𝑆𝑅 )𝑈 𝑖𝑛𝑓𝑙𝑜𝑤,𝑎
Cảm ứng tại rotor của tuabin 2 tầng cánh ảnh hưởng đến vận tốc đến, được tính bằng vận tốc dòng tự do trừ đi vận tốc cảm ứng do rotor còn lại Trong phương pháp PP-DLPTC của tuabin 1 tầng cánh, vận tốc đến được xác định là vận tốc dòng tự do, không bị ảnh hưởng bởi tuabin.
+ 𝑏 𝑆𝑅 được xác định tương tự như phương trình 64, nhưng áp dụng cho rotor
2 như phương trình 66 sau đây:
Tỉ số giữa độ lớn vận tốc cảm ứng tại rotor a so với rotor b được biểu diễn bằng công thức 𝑏 𝑆𝑅 , 𝑏 𝑆𝑅 ′ = 𝑓(𝜔, 𝑈 𝑖𝑛𝑓𝑙𝑜𝑤,𝑏 ) Dựa trên các giả định này, đặc tính khí động học của tuabin 2 tầng cánh có thể được đơn giản hóa thành đặc tính khí động học của một rotor, với sự xem xét tác động của rotor còn lại lên vận tốc vào Khi giải các phương trình khí động học của rotor trước, phần cảm từ rotor sau có thể được coi là tương đương với độ giảm của vận tốc vào dọc trục của rotor trước và ngược lại Phương pháp lặp được sử dụng để giải quyết sự giao thoa giữa vận tốc dọc trục của hai rotor.
Vận tốc quay và phân tố cánh trong ống dòng
Phương pháp động lượng phân tố cánh được dùng trong nghiên cứu của nhóm
F F Yin thực hiện bằng cách chia vùng ống dòng thành nhiều ống dòng độc lập, cho phép dòng chảy đi qua lần lượt một phân tố của rotor trước và một phân tố tương ứng của rotor sau.
Hình 3.22 dưới đây thể hiện một ống dòng đi qua lần lượt 2 rotor và sự thay đổi vận tốc sau của dòng gió sau khi đi qua 2 rotor đó
Các tam giác vận tốc trên hình 3.22 thể hiện tốc độ cảm nhận của các phân tố
𝑑𝑟 1 và 𝑑𝑟 2 trước và sau các mặt phẳng rotor Các vận tốc dọc trục 𝑢 1 và 𝑢 2 là không đổi khi đi qua đĩa rotor có độ dày không đáng kể Tuy nhiên, có một sự thay đổi lớn trong vận tốc tiếp tuyến khi dòng gió đi qua sau đĩa rotor
Phân tích ống dòng đi qua hai rotor cho thấy sự thay đổi vận tốc của dòng gió Công suất sinh ra từ tuabin được tính theo phương trình Euler, dựa trên độ biến thiên moment động lượng góc nhân với tốc độ quay.
+ Số “1”, “2” thể hiện rotor trước, sau
+ 𝑑𝑃 là công suất sản sinh bởi phần hình khuyên của ống dòng đang xét tại mặt rotor
Độ biến đổi vận tốc góc của dòng khí khi đi qua rotor, ký hiệu là ∆𝐶 𝜃, có thể được tính toán bằng cách áp dụng thuyết động lượng cho thành phần tốc độ góc Dựa trên các hệ số cảm ứng tiếp tuyến tại các vị trí trên hình 3.22, chúng ta có thể rút ra chuỗi phương trình để xác định tốc độ góc.
+ 𝐶 𝜃,12 , 𝐶 𝜃,21 , 𝐶 𝜃,22 lần lượt là vận tốc góc sau rotor 1, trước rotor 2 và sau rotor 2 𝐶 𝜃,11 = 0 vì trước rotor 1 có thể xem rằng vận tốc gió không có thành phần xoay
Hệ số cảm ứng tiếp tuyến của vận tốc dòng khí được ký hiệu lần lượt là 𝑎1, 𝑎2, và 𝑏1, đại diện cho các vị trí sau rotor 1, trước rotor 2, và sau rotor 2 Đối với tuabin 2 tầng cánh có tỉ lệ đường kính/khoảng cách giữa 2 tầng cánh lớn, sự giảm tốc độ góc giữa 2 rotor do lực nhớt của dòng khí có thể được xem là không đáng kể Bằng cách áp dụng phương trình bảo toàn động lượng góc, chúng ta có thể thu được các kết quả cần thiết cho quá trình phân tích.
Từ đây có thể giải được tam giác vận tốc cho từng phân tố cánh, và áp dụng được phương pháp động lượng phân tố cánh
Phương pháp động lượng phân tố cánh
Khi xác định được vận tốc dọc trục và vận tốc tiếp tuyến của phân tố cánh, bạn có thể sử dụng bảng tính chất biên dạng cánh để tính toán các lực khí động.
Ứng dụng thuyết động lượng phân tố cánh để tính toán cơ bản cho
2 tầng cánh của chính tác giả
Trong bài báo khoa học công bố trên Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ - Kĩ thuật và Công nghệ 2022, nhóm nghiên cứu của Nguyễn Thế Bảo đã áp dụng thuyết động lượng phân tố cánh để tính toán cho tuabin 2 tầng cánh Nghiên cứu dựa trên kết quả thực nghiệm của nhóm Ercan Erturk cho thấy luồng gió đến tầng cánh sau bị giảm, chỉ còn lại từ 0,5-0,7 giá trị vận tốc của dòng gió đến tầng cánh trước.
Bằng cách áp dụng thuyết động lượng phân tố cánh, chúng ta có thể tuần tự tính toán công suất của tầng cánh trước và tầng cánh sau, từ đó cộng lại để xác định tổng công suất của tuabin.
Phương pháp tính toán cho tuabin gió 2 tầng cánh chưa được nghiên cứu toàn diện về tính chất khí động học và chưa giải quyết được vấn đề cánh thẳng Giải thuật liên quan được trình bày trong phụ lục của luận văn.
CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ THỰC
Mô hình tuabin gió 2 tầng cánh trong thực nghiệm được lắp đặt tương tự như mô hình trong sáng chế mới, với điểm khác biệt duy nhất là không có mũ chụp 31 và hệ thống yaw system (hệ thống xoay theo hướng gió).
Thông số cơ bản khi thiết lập tuabin 2 tầng cánh thử nghiệm được thể hiện trong bảng 4.1
Hầm gió được cấu tạo như trên hình 4.1 bởi:
1 Một hệ 8 cánh quạt sử dụng biên dạng GOE 222 với 4 cánh lớn đường kính 4,2m, góc đặt cánh 9 o , dây cung 0,16m
Bốn cánh nhỏ có đường kính 2,2m và góc đặt cánh 20 độ, với dây cung 0,16m Góc đặt cánh của các cánh nhỏ được tính toán sơ bộ dựa trên mô phỏng TTS-DLHCL đơn giản và sau đó được điều chỉnh thực tế để kết hợp hiệu quả với tấm hướng dòng, tạo ra luồng gió đồng đều.
Bảng 4.1 - Thông số thiết lập cơ bản của thực nghiệm tuabin gió 2 tầng cánh
TT Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị
1 Bán kính tầng cánh trước Rf 1,65 m
2 Biên dạng tầng cánh trước
N/A GOE 222, cánh thẳng toàn bộ
3 Góc đặt cánh tầng cánh trước
4 Bán kính trong của cánh trước
5 Dây cung cánh trước cf 0,16 m
6 Bán kính tầng cánh sau Rr 1,75 m
7 Biên dạng tầng cánh sau N/A GOE 222, cánh thẳng toàn bộ
8 Góc đặt cánh tầng cánh sau
9 Bán kính trong của cánh sau
10 Dây cung cánh sau cr 0,16 m
11 Khoảng cách đặt 2 tầng cánh
12 Loại máy phát điện sử dụng
N/A Máy phát điện nam châm vĩnh cửu PMG
13 Số cặp cực của máy phát điện n 8 N/A
14 Dãy tốc độ hầm gió VT 1-15 m/s
15 Mặt cắt hầm gió A 4,4 x 4,4 mxm
3 Hệ chân đế được cố định cứng xuống sàn và phần tường xung quanh hầm gió bởi các thanh thép ống
4 Hệ tấm hướng dòng bằng tấm nhôm nhựa alu Mỗi ô có kích thước 550x550x500mm
5 Motor công suất 55kW được lựa chọn dựa trên bài tính TTS-DLHCL đơn giản
6 Hệ trục xoay và đĩa cánh được truyền động bởi 3 dây đai từ motor
7 Khung bao che của hầm gió được làm bằng tôn
8 Trụ đỡ tuabin được gia công từ thép hộp, có mặt bích ở trên để liên kết với đế tuabin cần thử nghiệm Cao độ của tuabin thử nghiệm là ngay tâm hầm gió: 2,2m
9 Hệ thống dây chằng giảm độ dao động của tuabin thử nghiệm khi hoạt động Việc lựa chọn công suất motor và góc đặt cánh của tuabin dựa trên những thực tế sau và được thực hiện trên TTS-DLHCL:
+ Tái sử dụng cánh tuabin theo biên dạng sẵn có, nhằm hài hòa mức tài chính để chế tạo
Đội ngũ chuyên nghiệp của chúng tôi có khả năng thực hiện mô phỏng sơ bộ và điều chỉnh thực tế một cách hiệu quả Chúng tôi cũng sử dụng các tấm hướng dòng để cải thiện độ đồng đều của luồng gió, đảm bảo hiệu suất tối ưu cho hệ thống.
+ Gia công thuận lợi và có thể thuận tiện để lắp đặt thêm các thiết bị đo khác + Motor có giá thành phù hợp và dễ dàng điều khiển
Hầm gió được thiết kế với hệ cánh hướng dòng cách mặt quạt 2m, đảm bảo độ đồng đều và ổn định của tốc độ gió Việc cân chỉnh được thực hiện kỹ lưỡng và tốc độ gió được đo bằng đồng hồ điện tử UT363S với độ chia nhỏ nhất là 0.01 m/s Kết quả cho thấy hầm gió tạo ra gió đều, tương đương với đặc tính của quạt hướng trục, với sai số khoảng 10% chỉ xảy ra ở các góc vuông và khu vực 4 ô hướng dòng giữa hầm gió Mặc dù tuabin gió có tiết diện tròn, luồng gió đều từ hầm gió trong thực nghiệm này vẫn được coi là phù hợp cho nghiên cứu.
Mô hình tuabin gió 2 tầng cánh với kích thước được nói đến trong bảng 4.1 được thiết kế sơ bộ dựa trên những cơ sở sau:
Kích thước, biên dạng, góc đặt cánh và kích thước cung cánh của tầng cánh trước hoàn toàn giống với thiết kế tuabin theo nghiên cứu của Viện Phát triển Năng lượng Bền vững Thiết kế này đã được áp dụng thực tế trong thời gian dài và đáp ứng tốt các yêu cầu thực tiễn.
Tầng cánh sau được thiết kế dựa trên nguyên tắc dễ chế tạo và mang tính thử nghiệm, mà chưa được tối ưu hóa Do đó, các thông số như bán kính cánh, biên dạng, góc đặt cánh và kích thước cung cách được giữ nguyên so với tầng cánh trước Tuy nhiên, góc đặt cánh sẽ được điều chỉnh ngược lại so với tầng cánh trước để đảm bảo hai tầng cánh quay ngược chiều nhau khi có gió.
Khoảng cách giữa 2 tầng cánh được chọn là 25 cm nhằm loại bỏ hiện tượng 2 tầng cánh cuốn theo nhau trong quá trình khởi động Các thử nghiệm cho thấy khi khoảng cách này được duy trì, hiện tượng không còn xảy ra với mọi tốc độ gió vượt qua 3m/s Nguyên nhân chính của hiện tượng này là do tuabin không sử dụng hệ bánh răng hành tinh, dẫn đến việc nó hoàn toàn phụ thuộc vào lực gió Trong quá trình khởi động, nếu moment của tầng cánh sau không đủ để thắng moment giữ của nam châm trên rotor 2 và trục rotor 1, tầng cánh sau sẽ quay theo cùng chiều với tầng cánh trước, làm giảm hiệu quả của tuabin.
Kinh nghiệm từ sáng chế [3] cho thấy rằng khoảng cách giữa hai tầng cánh cần được giảm thiểu để ngăn chặn hiện tượng cuốn theo nhau Bên cạnh đó, việc sử dụng cánh thẳng GOE 222 mang lại công suất cao hơn nhiều so với cánh xoắn.
4.1 Thiết đặt mô hình thực nghiệm
Mô hình thực nghiệm được thiết lập như trên hình 4.4 và hình 4.5 bao gồm các thành phần được nêu trong bảng 4.2 sau đây
Hình 4.2 - Thiết bị đo tốc độ gió điện tử Hình 4.3 - Phổ tốc độ gió dọc trục từ hầm gió, nhìn từ mặt chiếu đứng
Bảng 4.2 - Bảng các thành phần của mô hình thực nghiệm
TT Tên thiết bị Thông số đặc trưng Giá trị Đơn vị
1 Biến tần Mã hiệu CHV100-055G/075P-4 N/A
Công suất tối đa 55 kW
2 Hầm gió Như mô tả ở chương 4
3 Cầu diot Dòng chịu tối đa 150 A
4 Hệ Acquy Mã hiệu 6FM200D-X N/A Điện áp sạc mỗi acquy 12 V
Số acquy mắc nối tiếp 3 N/A
5 Watt kế Mã hiệu RC Watt Meter DC
6 Đồng ho đo vạn năng
Các tính năng được sử dụng trong thử nghiệm
+ Đo kiểm điện áp + Đo tần số tổng của dòng điện ra khỏi tuabin
7 Đồng hộ đo tốc độ quay
Mã hiệu UT373 N/A Độ chia nhỏ nhất sử dụng
Hình 4.4 - Thiết lập thực nghiệm hầm gió: đo công suất, tổng rpm
Hình 4.5 - Thiết lập thực nghiệm hầm gió: đo rpm tầng trước
Quạt hầm gió 2 được điều khiển bởi biến tần 1, với cánh quạt xoay tạo ra dòng điện xoay chiều Dòng điện này được chỉnh lưu bởi cầu diot 3 tại khu vực xử lý số liệu Một đầu ra được kết nối vào cực âm của hệ acquy 4, trong khi cực dương để hở Thiết bị đo vạn năng 6 được kết nối trước cầu diot 3 để đo tần số dòng điện xoay chiều từ tuabin và kiểm tra điện áp đầu ra.
Các bước thực nghiệm được mô tả cụ thể bằng bảng 4.3 ở bên dưới
Bảng 4.3 - Các bước thực nghiệm chi tiết
TT Bước thực hiện thực nghiệm
1 Điều khiển biến tần 1 x x Nhập tay Nhập đúng
2 ổn định x x Cảm nhận Cảm nhận không có gió giật
3 Thả tầng cánh sau quay x N/A Bằng tay Quay đúng hướng
4 Thả tầng cánh trước quay x x Bằng tay Quay đúng hướng
5 Đợi tuabin hoạt động ổn định x x Cảm nhận Cảm thấy tốc độ quay không thay đổi
6 Đo Hz dòng ra x x Bằng đồng hồ
6 xác nhận tần số dòng ra ổn định
Lấy số liệu khi giá trị dao động ±1 Hz
7 Đo rpm tầng trước x N/A Bằng đồng hồ
Lấy số liệu khi giá trị dao động ±0,2 rpm
8 Nối tải x x Bằng tay An toàn điện
9 Đọc giá trị công suất tức thời x x Xem giá trị
Lấy giá trị lớn nhất
Cách đo công suất theo bước 9 giúp giảm thiểu sai số do hiện tượng hãm tuabin khi kết nối với tải (acquy) Khi đấu tải acquy, bạn vẫn có thể áp dụng các bước tương tự, nhưng mạch điện sẽ trở nên phức tạp hơn và có thể phát sinh nhiều sai số từ các thiết bị liên quan.
