Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm tuabin gió công suất nhỏ kiểu quiet revolution GB

TỔNG QUAN

Tuabin gió trục đứng

Tuabin gió trục đứng (VAWT) là loại tuabin có rôto thẳng đứng, với các thành phần chính nằm ở phần đế, giúp dễ dàng vận hành và sửa chữa Một lợi thế nổi bật của VAWT là máy phát điện và hộp số được đặt gần mặt đất, không bị phụ thuộc vào hướng gió, mang lại hiệu suất ổn định và thuận tiện cho người sử dụng.

Các thiết kế ban đầu của tuabin gió như Savonius, Darrieus và Giromill vẫn tồn tại những hạn chế, bao gồm khả năng tạo ra mô-men xoắn trong mỗi vòng quay và mô-men uốn lớn trên các cánh Tuy nhiên, các thiết kế sau này đã khắc phục vấn đề mô-men xoắn bằng cách áp dụng các cánh có biên dạng xoắn tương tự như tuabin nước của Gorlov.

So với các tuabin gió trục ngang truyền thống (HAWT) thì VAWT cũng đã có một số ưu điểm trội hơn:

VAWT có thể được lắp đặt thành một vòng khép kín trong các trang trại gió, cho phép tăng số lượng lắp đặt trong một không gian nhất định Điều này không phải vì VAWT có kích thước nhỏ hơn, mà là do HAWT có hiệu ứng chậm trên không trung, khiến các nhà thiết kế phải tách biệt chúng với khoảng cách gấp mười lần chiều rộng của chúng.

 VAWT cứng vững hơn, không gây ồn, đa hướng, và chúng không gây nên ứng suất lớn cho kết cấu giá đỡ

Bộ phận phát điện có thể được lắp đặt gần mặt đất, giúp việc bảo trì trở nên dễ dàng hơn Hơn nữa, việc khởi động không yêu cầu một lượng gió lớn, cho phép chúng có thể được đặt trên ống khói hoặc các cấu trúc cao tầng tương tự.

Nhưng bên cạnh đó VAWT vẫn tồn tại những nhược điểm:

 VAWT có xu hướng bị ngừng làm việc theo từng cơn gió

VAWT có thiết kế nhạy cảm và chiều cao lắp đặt thấp, cho phép hoạt động hiệu quả trong điều kiện gió yếu.

Các cánh của tuabin gió trục đứng (VAWT) có xu hướng bị mỏi tương tự như lưỡi dao quay quanh trục trung tâm Khi quay trong gió, các cánh theo phương thẳng đứng có thể bị xoắn và cong, dẫn đến nguy cơ uốn cong và nứt Theo thời gian, các cánh này có thể bị vỡ, đôi khi gây ra sự phá hủy nghiêm trọng Chính vì những vấn đề này mà tuabin gió trục đứng thường kém tin cậy hơn so với tuabin gió trục ngang.

Mặc dù vẫn còn một số hạn chế, các tuabin gió trục đứng (VAWT) ngày càng được sử dụng rộng rãi nhờ vào những cải tiến trong thiết kế và cấu trúc Các nhà thiết kế đang nghiên cứu để tối ưu hóa biên dạng cánh của VAWT, giúp chúng hoạt động hiệu quả hơn với nhiều hướng gió Mục tiêu là tăng cường khả năng đón gió từ phía thuận và giảm thiểu cản gió từ phía nghịch, từ đó nâng cao hiệu suất phát điện của hệ thống.

Tuabin gió trục đứng loại điển nhình như sau: a Tuabin Darrieus

Tuabin gió Darrieus, được cấp bằng sáng chế bởi kỹ sư hàng không Pháp Georges Jean Marie Darrieus vào năm 1931, bao gồm các cánh gió theo phương thẳng đứng gắn trên một trục quay Mặc dù lý thuyết cho thấy loại tuabin này có hiệu suất tương tự như chong chóng khi tốc độ gió ổn định, nhưng trong thực tế, hiệu quả này hiếm khi đạt được do các yếu tố vật lý, hạn chế trong thiết kế và sự biến đổi của tốc độ gió Thêm vào đó, việc bảo vệ tuabin gió Darrieus gặp khó khăn do giới hạn về sức gió và khả năng tự khởi động.

Loại tuabin này là một trong những loại VAWT phổ biến nhất và đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả cho các thiết kế VAWT sau này.

Tuabin gió Darrieus ba cánh có nhiều ưu điểm nổi bật như khả năng hoạt động hiệu quả với các hướng gió khác nhau và không yêu cầu kích thước cánh lớn Các thiết bị như hộp số và máy phát có thể được đặt gần mặt đất, giúp thuận tiện cho việc bảo trì và sửa chữa Tuabin này có khả năng làm việc với tốc độ cao và công suất lớn hoặc trung bình Tuy nhiên, nhược điểm lớn của nó là không thể tự khởi động mà cần một nguồn năng lượng bên ngoài để khởi động.

Tuabin Savonius là một loại tuabin gió trục đứng (VAWT) có tốc độ quay không thể vượt quá tốc độ gió, với tỷ lệ tốc độ đầu bằng 1 hoặc thấp hơn Điều này làm cho tuabin này không phù hợp cho việc phát điện, vì hiệu suất của nó rất thấp so với các loại tuabin khác Tuy nhiên, tuabin Savonius có thể được ứng dụng trong các lĩnh vực khác như bơm nước hoặc nghiền hạt.

Tuabin Savonius, với chiều quay của roto như hình 2.2, nổi bật với ưu điểm đơn giản và độ tin cậy cao ngay cả khi tốc độ gió thấp, nhờ vào mô-men xoắn lớn Tuy nhiên, do mô-men xoắn không ổn định, một số cải tiến đã được thực hiện với hình dạng xoắn ốc để nâng cao hiệu suất.

Giromill, hay còn gọi là H-rotor, là một loại tuabin gió cánh thẳng với trục thẳng đứng, được phát triển bởi Georges Darrieus vào năm 1927 Loại tuabin gió này đã được nhóm nghiên cứu của Musgrove tại Vương quốc Anh nghiên cứu vào những năm 80.

Trong các tuabin kiểu "đánh trứng" Darrieus, cánh thường được thay thế bằng loại thẳng đứng, gắn với trục quay chính qua các giá đỡ ngang Những tuabin này thường có 2 hoặc 3 cánh thẳng, với thiết kế cánh Giromill đơn giản hơn cho lắp ráp, nhưng cấu trúc tổng thể nặng hơn so với kiểu truyền thống và yêu cầu cánh phải bền vững hơn Máy phát điện được đặt ở chân trục trung tâm, cho phép nó lớn hơn và nặng hơn so với máy phát điện thông thường của HAWT, trong khi cấu trúc trục quay chính có thể được chế tạo nhẹ hơn.

Giromill có giá thành chế tạo rẻ hơn và lắp ghép dễ dàng hơn so với tuabin Darrieus tiêu chuẩn, nhưng hiệu suất của nó thấp hơn và cần động cơ để khởi động Tuy nhiên, Giromill hoạt động hiệu quả trong điều kiện gió không ổn định, là lựa chọn lý tưởng cho những khu vực mà tuabin HAWT không phù hợp.

Hình 2.4 Tuabin gió trục đứng Giromill (3 cánh, 200 kW, Falkenberg, Thụy Điển) [4] d Cycloturbine

Tuabin gió loại Quiet-Revolution/GB (Gorlov)

Tuabin gió Quiet-Revolution/GB, hay còn gọi là tuabin gió Gorlov, là một loại tuabin gió được cải tiến từ thiết kế Darrieus bằng cách thay đổi hướng xoắn của cánh Với nguyên lý hoạt động tương tự như tuabin Darrieus, tuabin Gorlov giải quyết hiệu quả vấn đề moomen xoắn, mang lại hiệu suất cao hơn trong việc khai thác năng lượng gió.

Trong thiết kế xoắn ốc, các cánh tuabin được sắp xếp quanh trục nhằm phân bố đồng đều lực nâng và lực cản từ không khí và gió Thiết kế này không chỉ tạo ra đường cong mô-men xoắn mượt mà, mà còn giảm thiểu rung động và tiếng ồn so với thiết kế Darrieus Hơn nữa, nó giúp giảm áp lực lên cấu trúc trục tuabin, từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho việc khởi động tuabin ở tốc độ gió thấp.

Công nghệ này mang lại những lợi ích về chi phí và môi trường, đơn giản hóa các vần đề quản lý bảo trì

Tuabin gió Quiet-Revolution sở hữu trục vuông góc với hướng gió, cho phép hoạt động hiệu quả ngay cả trong điều kiện gió thấp Thiết kế cánh xoắn với một góc A giúp tăng lực nâng và giảm lực cản, tối ưu hóa hiệu suất của tuabin.

Hình 2.8 Cơ cấu đón gió [8]

Khi tuabin gió quay theo chiều kim đồng hồ, chuyển động của cánh quạt tác động đến dòng chất khí bên trái, làm thay đổi vận tốc của nó so với khung quy chiếu của tuabin Sự kết hợp hiệu quả của hai thành phần dòng khí này tạo ra vận tốc dòng khí rõ ràng, như được minh họa trong hình tiếp theo.

Hình 2.9 Hiệu quả dòng khí [9]

Hành động của dòng khí trên từng phần lá tạo ra lực kéo và lực đẩy, được thể hiện qua hình "Các lực vector mạng" Mỗi vector lực có thể chia thành hai thành phần: xuyên tâm và tiếp tuyến, tương ứng với "lực bình thường" và "lực dọc" Lực bình thường bị cấu trúc tuabin chống lại và không truyền đạt năng lượng cho tuabin, trong khi thành phần lực tiếp tuyến đẩy tuabin theo chiều kim đồng hồ, từ đó mô-men xoắn được sinh ra và năng lượng có thể được thu hoạch.

Theo Lucid Energy Technologies, công ty sở hữu bản quyền bằng sáng chế cho tuabin xoắn ốc Gorlov, đã chỉ ra rằng sơ đồ hiện tại có thể gây hiểu lầm do không có vận tốc rõ ràng ở góc phương vị 180 độ Điều này xảy ra khi lưỡi dao ở vị trí quay, ngay lập tức di chuyển theo hướng hạ nguồn, dẫn đến việc vận tốc dòng khí không rõ ràng chỉ xảy ra ở tốc độ mũi của sự hợp nhất (TSR = 1) Thực tế, các tuabin thường hoạt động ở TSR lớn hơn đáng kể so với mức thống nhất Ngoài ra, các biểu đồ "Vectors Mực Net" và "Vectors lực bình thường" cần được điều chỉnh, vì các đoạn hướng xuống phía dưới nên hiển thị các vectơ bên ngoài vòng tròn để đảm bảo có tải lưới trên tuabin.

Hình 2.10 Hiệu quả vevtor dòng khí [10]

Các thiết kế ngày nay của tuabin gió trục đứng đều có cấu trúc giống như hình:

Hình 2.11 Cấu tạo của tuabin gió trục đứng

- ① Cánh quạt tuabin: có tác dụng biến đổi năng lượng gió thành động năng quay trục

- ② Pitch: là trục điều khiển góc đặt cánh

- ③ Wind vane: dùng để xác định hướng gió

- ④ Các cần đỡ: có tác dụng đỡ các cánh quạt của turbine

- ⑦ Hộp số: có tác dụng thay đổi vận tốc vòng quay trục theo một tỷ số truyền nhất định

- ⑧ Máy phát điện: có tác dụng biến đổi cơ năng thành năng lượng điện.

Thực trạng thiết kế tuabin gió Quiet-Revolution/GB ở Việt Nam

Tuabin cánh xoắn Gorlov, được phát minh và cấp bằng sáng chế bởi Alexander Gorlov vào năm 1995, là một dạng tuabin Darrieus Ban đầu được thiết kế cho mục đích thủy lực, tuabin này sau đó đã được áp dụng trong lĩnh vực năng lượng gió Với hiệu suất vượt trội so với các tuabin trục đứng khác, tuabin Gorlov có thể đạt hiệu suất lên tới 35% Điểm nổi bật của loại tuabin này là khả năng hoạt động với lực xoắn nhỏ, giúp giảm tiếng ồn và rung động, đồng thời mang lại độ cứng vững cao.

Tình hình nghiên cứu tuabin gió trục đứng kiểu Gorlov tại Việt Nam vẫn còn hạn chế, chủ yếu tập trung vào hệ thống tuabin gió trục ngang Gần đây, một số đề tài tốt nghiệp và luận văn thạc sĩ của sinh viên đã đề cập đến vấn đề này Tuy nhiên, việc thiết kế cánh xoắn và chọn chất liệu cho cánh tuabin gặp nhiều khó khăn và chi phí cao, dẫn đến tính kinh tế chưa cao và không phù hợp với điều kiện kinh tế Việt Nam, do đó chưa được áp dụng rộng rãi trong sản xuất và lắp đặt.

Trong những năm gần đây, nghiên cứu và phát triển các máy phát điện gió công suất nhỏ hoạt động hiệu quả ở vận tốc gió dưới 6 m/s đã trở thành một chủ đề nóng cả ở trong nước và trên thế giới Đặc biệt, thiết kế kiểu Quiet-Revolution/GB đang được chú trọng Tuy nhiên, đây là một lĩnh vực còn mới, nên quá trình nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tuabin gió gặp không ít khó khăn Việc áp dụng kiến thức học được và tham khảo tài liệu nghiên cứu trước đó là cần thiết để tính toán chính xác, chế tạo dễ dàng và đạt công suất tối ưu Những thách thức chính bao gồm thiết kế cánh quạt tuabin, cấu trúc gá đặt tuabin và xác định tốc độ gió cần thiết để bắt đầu sản xuất điện năng.

16 biên dạng cánh tuabin gió Và những khó khăn có thể kể đến như:

Chọn biên dạng cánh tuabin là bước quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất chuyển hóa gió thành điện năng Hiện nay, các biên dạng cánh như hình chén, hình trụ và tấm phẳng chưa đạt hiệu quả tối ưu Biên dạng cánh NACA, được sử dụng phổ biến trong hàng không và các tuabin gió lớn, đã được tính toán và mô phỏng trên phần mềm Ansys 15, cho kết quả khả quan Tuy nhiên, việc tính toán biên dạng gặp nhiều khó khăn liên quan đến công thức tọa độ và việc vẽ trên phần mềm 3D Solidworks Ngoài ra, việc lựa chọn vật liệu và phương pháp gia công cho cánh tuabin cũng là thách thức lớn.

Góc xoắn của cánh quạt dọc theo trục tuabin được thiết kế để tối ưu hóa khả năng đón gió ở vận tốc thấp, đảm bảo khởi động hiệu quả Thiết kế này giúp cánh quạt tạo ra lực nâng lớn nhất và lực cản gió nhỏ nhất.

Việc thiết kế mô hình công suất nhỏ với mục tiêu đường kính cánh quạt không quá

Bộ khung cho tuabin gió cần được chế tạo từ vật liệu nhẹ nhưng vẫn đảm bảo tính thẩm mỹ và độ bền chắc trong quá trình vận hành, nhằm cung cấp công suất định mức và dòng điện đáp ứng yêu cầu sử dụng.

Các nghiên cứu trong và ngoài nước

2.4.1 Trong nước a Thiết kế tuabin gió trục đứng

Việt Nam sở hữu hàng ngàn km bờ biển và nhiều khu đô thị ven biển, nơi có nguồn gió lý tưởng cho phát triển máy phát điện gió công suất nhỏ (4m/s-6m/s) Việc khai thác hiệu quả nguồn năng lượng gió này sẽ giúp giảm áp lực lên lưới điện quốc gia một cách đáng kể.

Các hộ dân cư trên các đảo nhỏ và tàu thuyền đánh cá có thể tự cung cấp năng lượng với chi phí thấp hơn so với việc sử dụng máy phát diesel hiện tại Việt Nam sở hữu tiềm năng năng lượng gió lớn, có thể hoạt động hiệu quả ngay cả ở vận tốc gió thấp hơn so với các máy phát cỡ lớn.

Việt Nam sở hữu tiềm năng năng lượng gió lớn, tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển Đánh giá chính xác chế độ gió và phát triển mô hình máy phát điện công suất nhỏ là phù hợp với tình hình kinh tế hiện tại của Việt Nam và xu thế toàn cầu Vấn đề quan trọng là lựa chọn mô hình máy phát điện gió thích hợp với điều kiện gió và kinh tế của đất nước.

Gần đây, Chu Đức Quyết đã phát triển một thiết kế lý thuyết cho turbine gió kiểu trục đứng với 5 cánh thẳng, đi kèm với bộ điều khiển giúp tối ưu hóa khả năng hứng gió của các cánh.

Việc thiết kế bộ điều khiển góc quay cho cánh sẽ tốn kém, dẫn đến tính kinh tế chưa cao và không phù hợp với điều kiện kinh tế của Việt Nam.

Một số nhà nghiên cứu năng lượng gió đã thiết kế turbine gió mới với cấu trúc và công suất theo yêu cầu, sử dụng nguyên lý cản cánh buồm, khác biệt với các turbin gió hiện có Rotor của turbine này có khả năng đón gió từ mọi hướng, giúp tăng hiệu suất bằng cách thu nhận toàn bộ lưu lượng gió tác động vào cánh với sải cánh ngắn Tuy nhiên, công nghệ này vẫn chưa được chế tạo và lắp đặt để sử dụng tại Việt Nam.

Hình 2.13 Nhà nghiên cứu năng lượng gió Nguyễn Phú Uynh và mô hình chế tạo turbine gió của ông [11]

Đề tài luận văn thạc sĩ của Phùng Tấn Lộc nghiên cứu phát triển máy phát điện gió trục đứng công suất nhỏ với khả năng tự điều chỉnh cánh theo hướng gió, hoạt động hiệu quả ở tốc độ gió nhỏ (v < 6 m/s) Nghiên cứu trình bày giải pháp tự điều chỉnh cánh dựa vào độ lệch tâm của trục mang chong chóng và trục quay của tuabin Một cơ cấu tự điều chỉnh với các độ lệch tâm 45, 50, 55, 60 mm đã được thiết kế và thử nghiệm Kết quả cho thấy, cơ cấu với độ lệch tâm 50 mm cho phép máy phát điện gió trục đứng hoạt động ở tốc độ gió khoảng 2,5 m/s, sử dụng biên dạng cánh NACA.

Hình 2.14 Mô hình nghiên cứu của Phùng Tấn Lộc [12] b Thiết kế tuabin gió trục ngang

Đề tài nghiên cứu cấp nhà nước "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống turbine gió kiểu trục ngang có công suất trong dải từ 15-20kW" của giáo sư Nguyễn Thế Mịch chỉ ra rằng việc nhập khẩu tuabin gió nước ngoài sẽ dẫn đến hiệu quả kinh tế thấp và thời gian thu hồi vốn chậm GS Nguyễn Thế Mịch giải thích rằng các tuabin ngoại nhập thường được thiết kế để hoạt động tối ưu ở vận tốc gió 12m/s, trong khi vận tốc gió trung bình tại nhiều khu vực ở Việt Nam chỉ dao động từ 5,5-7,5m/s Điều này đã thúc đẩy nghiên cứu về việc chế tạo tuabin gió có khả năng hoạt động hiệu quả ở vận tốc gió thấp, từ đó giúp tăng cường khả năng khai thác năng lượng gió và rút ngắn thời gian thu hồi vốn đầu tư Mục tiêu của đề tài là phát triển sản phẩm tuabin gió phù hợp với tiềm năng gió của Việt Nam.

Nhóm nghiên cứu đã phát triển 19 mẫu tuabin gió với nhiều ưu điểm công nghệ, nổi bật với vận tốc khởi động chỉ 2,5m/s, thấp hơn so với tuabin thông thường (3,5m/s) Tuabin này đạt công suất tối ưu ở tốc độ gió 6-7,5m/s, trong khi các tuabin trên thị trường thường yêu cầu tốc độ gió từ 11-12m/s, thậm chí 13m/s Điều này cho thấy tuabin của nhóm nghiên cứu vẫn có khả năng khai thác gió hiệu quả ở vận tốc thấp, đảm bảo hệ số công suất cao Giáo sư đã tự thiết kế và chế tạo thành công tổ hợp tuabin gió với công suất từ 15-20kW ở tốc độ gió thấp, bao gồm các bộ phận cơ khí – khí động học, máy phát điện nam châm vĩnh cửu, hệ thống điều khiển và biến đổi điện, kèm theo tài liệu hướng dẫn lắp đặt và vận hành.

Hình 2.15 Mô hình sơ đồ tuabin gió trục ngang

Tuabin gió hoạt động hiệu quả trong dải vận tốc gió thấp tại Việt Nam, mang lại khả năng lắp đặt và khai thác năng lượng gió hiệu quả, đồng thời có tiềm năng thu hồi vốn và lợi nhuận cao hơn so với việc nhập khẩu tuabin từ nước ngoài Sự thành công trong chế tạo tuabin gió mở ra cơ hội ứng dụng cho loại tuabin trục ngang với công suất từ 15-20kW.

Tại Việt Nam, 20 việc trong dải vận tốc thấp cho thấy tuabin gió phù hợp với quy mô hộ tiêu thụ nhỏ, nhất là trong bối cảnh kinh tế hiện nay và các quốc gia đang phát triển Các cơ sở sản xuất quy mô nhỏ có thể lựa chọn mua và lắp đặt tổ hợp phát điện độc lập Nghiên cứu và phát triển công nghệ tuabin gió với giá thành hợp lý sẽ thúc đẩy chuyển giao công nghệ và mở rộng ứng dụng sản phẩm Hơn nữa, việc trang bị tuabin gió tại các cơ sở sản xuất vùng sâu, vùng xa không chỉ giúp chủ động nguồn điện mà còn tạo việc làm và phát triển các ngành nghề liên quan.

Mặc dù sản phẩm đã có những tiến bộ nhất định, nhưng vẫn tồn tại một số hạn chế như thiếu quy trình sản xuất hàng loạt, dẫn đến độ chính xác và tính lặp lại không ổn định Bên cạnh đó, một số vật tư cần thiết vẫn chưa có sẵn, điều này gây khó khăn trong việc phát triển như các nước công nghiệp điện gió tiên tiến.

Khu công nghệ cao quận 9 Tp.HCM là nơi triển khai hệ thống năng lượng tái tạo đầu tiên của tập đoàn Intel tại châu Á, kết hợp giữa năng lượng gió và năng lượng mặt trời Hệ thống này sử dụng tuabin gió trục ngang cao 15m, cung cấp điện cho các bóng đèn LED, góp phần vào việc phát triển bền vững.

Công trình nghiên cứu tại tỉnh Khánh Hòa về “Ga Nha Trang sử dụng điện phát từ năng lượng mặt trời và sức gió” đã lắp đặt hệ thống phát điện hỗn hợp với tổng công suất 9 kW, bao gồm 1 tuabin gió trục đứng 4 kW và 20 tấm pin quang điện 5 kW, tất cả đều được nhập khẩu Tương tự, Đề tài “Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng ứng dụng năng lượng mặt trời và gió vào đào tạo và nghiên cứu khoa học” cũng sử dụng hệ thống phát điện hỗn hợp nhập từ nước ngoài với tổng công suất 8,6 kW, bao gồm 1 tuabin gió trục ngang 1,8 kW và hệ thống pin quang điện 6,8 kW phục vụ cho nghiên cứu khoa học.

2.4.2 Ngoài nước a Tuabin gió bão

Atsushi Shimizu, một kỹ sư người Nhật, đã phát minh ra "tuabin gió bão" đầu tiên trên thế giới, một thiết bị phát điện nhằm khai thác năng lượng từ các cơn bão nhiệt đới Ông cho biết rằng nếu lắp đặt một chuỗi máy phát điện của mình, chúng có thể cung cấp đủ năng lượng cho toàn Nhật Bản trong vòng 50 năm chỉ từ một cơn bão duy nhất.

Hình 2.16 Tuabin gió đón bão [13]

Định hướng của đề tài

- Nghiên cứu lý thuyết đánh giá được tiềm năng năng lượng gió tại Việt Nam

- Tìm hiểu về phương pháp nâng cao hiệu suất của tuabin gió trục đứng

Phân tích và xác định các thông số kỹ thuật của tuabin gió trục đứng công suất nhỏ kiểu Quiet-Revolution/GB là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động Đề xuất các kết cấu liên quan và công suất định mức phân định sẽ giúp nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng gió, đồng thời đáp ứng nhu cầu năng lượng bền vững trong tương lai.

- Thiết kế, chế tạo tuabin gió trục đứng công suất nhỏ kiểu Quiet-Renovation

- Thực nghiệm, phân tích, đánh giá kết quả

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Học thuyết Albert Betz

Học thuyết cơ bản về khí động học trên máy phát điện gió cung cấp phương pháp và công thức để tính toán lực gió tác động và công suất của rotor.

Các lý thuyết ban đầu về turbine gió được A Betz tại Viện nghiên cứu Gottingen phát triển, cho rằng rotor gió lý tưởng không có ma sát, có số cánh vô hạn và không gây cản trở cho dòng gió Điều này cho thấy turbine gió là một máy biến đổi năng lượng sạch Hơn nữa, các điều kiện trên toàn bộ diện tích quét của rotor được giả định là không đổi, với tốc độ gió đồng đều đi qua rotor để tạo ra chuyển động quay.

Để thiết kế một rotor gió lý tưởng, cần chú ý đến nhiều yếu tố quan trọng như trục, cánh quạt, bộ phận cột đỡ, các cơ cấu khác và cách bố trí địa điểm trong môi trường lưu động.

Xét khí động học gió tác động lên cánh rotor như hình vẽ sau:

Hình 3.1 Khí động học cánh rotor [19]

V - là vận tốc gió thực tế di chuyển qua rotor và giả thiết gió đều tới diện tích quét của cánh (S)

V 1 - Vận tốc gió trước khi di chuyển qua rotor

V 2 - Vận tốc gió sau khi di chuyển qua rotor

S 1 - Diện tích mặt cắt của gió trước khi di chuyển qua rotor

S 2 - Diện tích mặt cắt của gió sau khi di chuyển qua rotor

Việc chế tạo rotor gió hiệu quả phụ thuộc vào việc giảm lực gió khi đi qua rotor, tức là vận tốc gió V2 phải nhỏ hơn V1 Điều này dẫn đến việc diện tích mặt cắt ngang của luồng gió tăng lên từ đầu đến cuối rotor, với S2 lớn hơn S1.

Nếu giả sử rằng cơn gió là không nén được, điều kiện liên tục (khối lượng

28 gió là hằng số) ta có thể viết được:

Lực của cơn gió tác dụng lên rotor, theo định lý Euler’s là như nhau:

Công suất đạt được là:

Như vậy thấy rằng, công suất có được từ động năng Sự biến thiên của động năng từ đầu cơn gió đến cuối cơn gió có giá trị:

Cân bằng hai biểu thức P và T ta được:

Lực tác dụng lên rotor và công suất được tính theo công thức:

P  4 SV V  V  V (3.7) Đo được vận tốc gió ở phía trước rotor là V 1 , ta có thể nghiên cứu sự biến thiên của công suất P theo hàm của V 2

Vi phân hai vế, ta có:

2 dP 0 dV  có hai trường hợp xảy ra:

- Thứ nhất: V2 = - V1 thì bài toán không có ý nghĩa vật lý

- Thứ hai: V2 = V1/3 công suất đạt giá trị lớn nhất: max 1

Trong đó  là trọng lượng riêng của không khí, ta thay  = 1.225 kg/m 3 max 1 1

Công suất và hiệu suất gió tuabin

Năng lượng gió là nguồn năng lượng được tạo ra từ chuyển động của không khí trong một khoảng thời gian nhất định Theo định luật Bezt, nguồn năng lượng này không thể chuyển hóa hoàn toàn thành năng lượng cơ học do các yếu tố trong động lực học khí quyển.

29 tất cả sang một loại năng lượng khác [23] Động năng E của một khối lượng không khí m chuyển động với tốc độ v là:

Trong đó: 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 = .V.t = .v.A.t (kg) (312)

Công suất gió là công suất cho bởi động năng của gió trong một diện tích được xác định theo công thức [15]:

Trong đó: ρ - Mật độ không khí (ρ=1,225 kg/m3)

Diện tích quét của cánh quạt, được tính bằng mét vuông (m2), là yếu tố quan trọng trong thiết kế tuabin gió Đối với tuabin gió trục ngang (HAWT), diện tích quét hình tròn, trong khi tuabin gió trục dọc (VAWT) có diện tích quét hình chữ nhật Công thức tính diện tích quét cho VAWT là A = c.h, trong đó c là chiều dài dây cung cánh (m) và h là chiều cao cánh (m).

Công suất gió thực tế mà tuabin gió thu được:

P  C  Av (W) (3.15) Hiệu suất của tuabin gió ở điều kiện thông thường có hệ số công suất [15] w 1 3

Trong đó 𝐶𝑝 được gọi là hệ số công suất, tức là tuabin chỉ có thể chuyển đổi một lượng 𝐶𝑝 động năng của gió thành cơ năng làm quay tuabin

Trong thực tế có 3 nhân tố làm giảm hệ số công suất cực đại:

- Tồn tại dòng xoáy phía sau tuabin gió

- Số cánh của tuabin là có hạn

Giới hạn Betz, hay hệ số Betz, được xác định là 0,59 và được chứng minh bởi Betz vào năm 1927 Đây là giá trị tối đa của hiệu suất năng lượng mà một tuabin gió lý tưởng có thể đạt được trong điều kiện số cánh vô hạn Trong thực tế, các máy phát điện gió hiện nay có hiệu suất Cpmax khoảng 30-45% Nguyên nhân là khi năng lượng được khai thác từ gió, vận tốc gió sẽ giảm Tuy nhiên, do khối lượng dòng chảy không khí không đổi, luồng gió ra sau tuabin phải mở rộng diện tích mặt cắt ngang, dẫn đến việc không thể chuyển đổi hoàn toàn năng lượng gió thành năng lượng quay Điều này đồng nghĩa với việc luồng không khí phía sau tuabin phải đứng yên.

Hình 3.2 Năng lượng gió qua tuabin gió [20]

Lý thuyết về cánh và kết cấu cánh tuabin

Kết cấu cánh turbine gió đóng vai trò quan trọng trong việc xác định chất lượng và đặc tính khởi động của thiết bị Tuy nhiên, việc đánh giá chính xác mức độ ảnh hưởng của các loại kết cấu cánh khác nhau đến hiệu suất và khả năng khởi động của turbine gió là một thách thức lớn.

Cánh turbine gió là bộ phận quan trọng nhất, với khả năng quay quyết định công suất đầu ra Để tối ưu hóa hiệu suất, việc lựa chọn hình dáng hình học và kích thước cánh phù hợp là rất cần thiết.

3.3.1 Kiểu cánh và các khái niệm cơ bản

Khi thiết kế kết cấu cánh turbine, biên dạng cánh cong có ảnh hưởng lớn đến dòng chảy, điều này làm cho việc thiết kế turbine trở nên quan trọng hơn so với biên dạng cánh thẳng Mặc dù biên dạng cánh cong thường được sử dụng trong hệ thống HAWT, nhưng biên dạng đối xứng cũng phù hợp cho hệ thống VAWT.

Mặc dù việc lựa chọn biên dạng cánh tối ưu cho thiết kế cánh turbine là khó khăn, khảo sát ban đầu cho thấy biên dạng cánh NACA 00XX là lựa chọn phù hợp.

Hình 3.3 Biên dạng cánh loại NACA-04 [21]

Lực nâng và lực cản loại NACA này là khác nhau (hình 2.3) trong đó chọn loại NACA 0012 là thích hợp nhất cho thiết kế này

Hình 3.4 Biểu đồ lực nâng và lực cản loại NACA 00XX [22]

3.3.2 Tỉ số tốc độ gió đầu cánh (TSR)

Cánh tuabin gió bao gồm hai mặt: mặt cản và mặt nâng Mặt cản tạo ra chuyển động nhờ vào dòng không khí cản, trong khi mặt nâng tạo ra chuyển động từ dòng không khí nâng cánh Tỉ số giữa tốc độ vòng quay tại đầu cánh quạt (tip speed ratio) và tốc độ gió được gọi là tỉ số tốc độ gió đầu cánh, ký hiệu là λ, được xác định qua biểu thức [20]: top.

Trong đó: vtop : tốc độ quay tại đầu cánh quạt (m/s)

: vận tốc góc của rotor (rad/s)

Tỉ số tốc độ gió là yếu tố quan trọng trong thiết kế tuabin gió, với bán kính rotor (m) ảnh hưởng lớn đến hiệu suất Rotor cần quay với tốc độ tối ưu; nếu quá chậm, gió sẽ không được khai thác hiệu quả, còn nếu quá nhanh, các cánh sẽ tạo thành bức tường chắn gió, giảm năng lượng thu được.

Vậy vấn đề đặt ra là tuabin phải được thiết kế sao cho luôn vận hành với một  tốt nhất để thu được năng lượng nhiều nhất

Tỉ số tốc độ gió đầu cánh tốt nhất để thu được năng lượng nhiều nhất suy ra từ mối quan hệ:

Thời gian gió xáo động khi cánh quạt trở về trạng thái bình thường là t_w Thời gian cần thiết để cánh quạt quay với vận tốc ω đến vị trí trước đó là T_s Đối với rotor có n cánh, chu kỳ để cánh di chuyển đến vị trí trước đó được xác định rõ ràng.

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: w

Hiệu suất đạt cực đại khi tw ≈ ts

Vậy tỉ số tốc độ gió đầu cánh tối ưu được tinh theo công thức:

Với:  opt - tỉ số tốc độ gió đầu cánh tối ưu

 opt - vận tốc quay tối ưu của rotor (rad/s) n

Hình 3.5 Mối quan hệ giữa tỉ số tốc độ gió đầu cánh và Cp [23]

Động lực học cánh VAWT

Các thông số trên cánh VAWT được phân tích theo động lực học của chong chóng gió như chỉ ra ở hình 3.3

Hình 3.6 Phân tích lực động lực học cánh tuabin gió trục đứng [24]

Hình vẽ được xét là tuabin gió trục đứng có 3 cánh, biên dạng cánh NACA

Trong điều kiện hướng gió được cố định theo một phương Tuabin có bán kính R

(m), vận tốc góc  (rad/s), vận tốc gió ban đầu V 0 (m/s), vận tốc tương đối của gió W

(m/s) Thành phần vận tốc pháp tuyến V n (m/s) , vận tốc tiếp tuyến V t (m/s):

Khi rotor của tuabin gặp luồng gió, gió di chuyển qua cả hai bề mặt trên và dưới của cánh tuabin Do phần trên cánh có không gian rộng lớn hơn, gió di chuyển nhanh hơn ở bề mặt trên, dẫn đến việc tạo ra vùng áp suất thấp theo thuyết Bernoulli, trong khi vùng dưới cánh hình thành vùng áp suất cao.

Hình 3.7 Sự di chuyển luồng gió khi vào cánh tuabin [25]

Do sự chênh lệch áp suất giữa hai bề mặt nên cánh tuabin gió sẽ sinh ra lực F làm quay tuabin gió

Trong đó:  - mật độ không khí (kg/ m3 )

A - diện tích hứng gió của cánh ( m2 )

Cr - tổng hệ số khí động học

V o - vận tốc gió (m/s) Hợp lực F được chia thành 2 thành phần:

- Thành phần song song với W, lực cản Fd

- Thành phần vuông góc với W, lực nâng Fl

Theo [11], hệ số cản Cd và hệ số nâng Cl được xác định theo công thức:

Lực đẩy F T tác động lên tuabin qua cánh do gió tạo ra, được xác định qua hai thành phần: lực tiếp tuyến Ft và lực pháp tuyến Fn, như thể hiện trong hình 3.3.

Thành phần vận tốc pháp tuyến Vn (m/s), vận tốc tiếp tuyến Vt (m/s):

(3.31) Quan hệ giữa góc phương vị , góc cánh α (góc thay đổi vị trí cánh) [17]: tan 1 n t

Sơ đồ hình 3.5 thể hiện sự thay đổi góc cánh α

Hình 3.8 Sơ đồ thay đổi góc cánh  theo  và  [26]

Qua sơ đồ cho thấy, α không phụ thuộc vào V 0 nhưng phụ thuộc vào  Khi  tăng thì  giảm

Góc cánh α thay đổi giá trị “ – “ hay giá trị “ +” là do ảnh hưởng của hướng gió

37 tới Góc cánh α xoay lớn nhất có giá trị: α = 900

Hệ số Reynolds được tính:

Trong đó: - c chiều dài dây cung cánh (m)

-  độ nhớt động học không khí (m2/s)

Ở nhiệt độ 200°C, không khí có độ nhớt động học  = 1,5.10^-5 (m2/s) Lực tác động lên cánh tuabin được xác định thông qua hệ số Cd và Cl dựa trên biên dạng cánh NACA, và lực này phụ thuộc vào điều kiện góc tấn α và số Reynolds Re.

Khi phân tích động lực học của cánh tuabin gió trục đứng, góc α đóng vai trò quan trọng trong việc xác định độ lớn của lực đẩy FT Cụ thể, khi tỷ số λ nhỏ, góc α sẽ lớn, ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của tuabin.

Khi tỷ lệ  lớn, góc nâng α sẽ nhỏ, dẫn đến lực nâng cánh Fl cũng giảm Để đạt được điều kiện tối ưu, tỷ lệ  nên nằm trong khoảng 3 đến 5, giúp duy trì góc nâng α ở mức cao, từ đó tăng cường lực nâng Fl đủ lớn để đảm bảo tỉ số l/d hiệu quả.

Tuabin gió trục đứng với biên dạng cánh NACA được thiết kế với góc cánh α lớn đến một giá trị tối ưu, giúp tối đa hóa thành phần lực tiếp tuyến F l Khi đó, lực đẩy cánh F T đạt giá trị cao, dẫn đến tỷ số l d cũng được cải thiện.

F được giữ ở mức cao, đồng thời phải

Để tối ưu hóa hiệu suất của tuabin gió, góc cánh α cần được xác định ở một giá trị nhất định, giúp giảm lực cản F d trên mỗi cánh Giá trị này phải ổn định và được duy trì ngay cả khi hướng gió V o thay đổi liên tục.

Ý TƯỞNG VÀ PHƯƠNG ÁN

Yêu cầu thiết kế

Thiết kế tuabin gió công suất nhỏ kiểu Quiet-Revolution/GB có yêu cầu như sau:

- Công suất nguồn điện phát P = 70kW

- Biên dạng cánh theo kiểu NACA

- Vận tốc gió máy bắt đầu có thể hoạt động là 3 m/s

Ý tưởng

Để nâng cao hiệu suất cho tuabin gió, việc sử dụng hệ thống tuabin gió trục đứng là cần thiết, cùng với các yếu tố hỗ trợ khác.

- Thiết kế bộ cánh của tuabin gió theo dạng xoắn để có thể đón gió từ bất kỳ hướng nào

- Thiết kế lắp đặt thêm cơ cấu điều khiển hệ thống khỏi động thêm cho tuabin gió.

Đề xuất phương án

4.3.1 Phương án 1 : Thiết kế tuabin gió cánh xoắn kiểu Gorlov

Cách bố trí của tuabin bao gồm ba cánh tuabin uốn xoắn gắn trên một trục quay theo chiều dọc hoặc ngang, cho phép tuabin đón gió hiệu quả Độ xoắn của các cánh tuabin giúp chúng quay ở tốc độ cao và khởi động ở tốc độ gió thấp Sự sắp xếp này vẫn mang lại hiệu quả tương đương ngay cả khi gió thổi ngược, mà không cần phải xoay để đối mặt với gió như kiểu thông thường.

Khi gió thổi vào bề mặt cánh tua bin, sự chênh lệch áp suất tạo ra lực nâng vuông góc với phương gió và lực cản song song với phương gió Lực nâng giúp cánh tua bin quay quanh trục, trong khi lực cản hạn chế chuyển động này Qua các bộ truyền động cơ khí như bộ truyền đai hoặc bộ truyền bánh răng, trục của máy phát điện cũng quay theo, sản xuất điện năng có thể nạp vào ắc quy hoặc sử dụng trực tiếp.

Hình ảnh cấu trúc tuabin gió trục đứng kiểu Gorlov:

Hình 4.1 Tuabin gió Gorlov theo chiều ngang được đặt trên đại lộ [27] Ưu điểm:

- Hiệu suất cao hơn các tuabin trục đứng khác và có thể đạt tới 35%

- Hoạt động với lực xoắn nhỏ

- Giảm tiếng ồn, giảm rung động, độ cứng vững cao

- Tuabin khởi động ở tốc độ gió thấp

- Biên dạng cánh xoắn nên khó chế tạo

- Giá thành chế tạo cao

4.3.2 Phương án 2: thiết kế tuabin gió kiểu Darrieus 2 cánh:

Cách bố trí của tuabin bao gồm hai cánh tuabin uốn cong gắn trên một trục quay theo chiều dọc Độ cong của các cánh cho phép tuabin tiếp nhận gió và quay với tốc độ cao Hai cánh tuabin được sắp xếp đối xứng với góc quay không bằng nhau, giúp tối ưu hóa hiệu suất dù gió thổi ngược với kiểu thông thường.

Nguyên lý tuabin gió Darrieus là một dạng máy phát điện trục đứng, thuộc loại tuabin gió VAWT kiểu thang máy Khác với các tuabin gió truyền thống, tuabin Darrieus sử dụng lực nâng từ gió thổi qua các aerofoils để quay, thay vì đón gió trực tiếp Tuy nhiên, tuabin gió Darrieus không thể tự khởi động, do đó cần có một động cơ nhỏ để khởi động quá trình.

41 bắt đầu quay, và khi nó có đủ tốc độ, gió đi qua các lỗ khí bắt đầu tạo ra mô men và rotor được điều khiển bởi gió

Hình ảnh cấu trúc tuabin gió trục đứng kiểu Darrieus 2 cánh quạt:

Hình 4.2 Tuabin Darrieus 2 cánh quạt [28] Ưu điểm:

- Chế tạo đơn giản gồm hai cánh quạt cong lắp đối diện với nhau

- Khả năng chịu lực kém

- Động cư gió loại này vẫn trong giai đoạn nghiên cứu để hoàn thiện nên chưa được ứng dụng rộng rãi bằng loại động cơ cánh khí động

So sánh các phương án:

Bảng 4.1: Bảng so sánh 2 phương án thiết kế tuabin

STT Tiêu chí so sánh Phương án

Tuabin xoắn Gorlov Tuabin Darrieus

1 Cấu tạo Đơn giản Đơn giản

2 Hiệu suất Cao Không cao

3 Kết cấu Đơn giản Đơn giản

4 Mức độ ổn định Cao Cao

5 Gia công, chế tạo Phức tạp Đơn giản hơn

6 Bảo trì Đơn giản Đơn giản

7 Giá đầu tư Thấp Thấp

8 Tốc độ gió khởi động Thấp Cao

Kết luận từ bảng so sánh cho thấy tuabin xoắn Gorlov vượt trội hơn tuabin Darrieus với các ưu điểm như hiệu suất cao, tốc độ gió khởi động thấp hơn và diện tích lắp đặt tối ưu hơn.

Sau khi đã phân tích, so sánh hai phương án thiết kế tuabin gió thì tiêu chí chính để lựa chọn như sau:

- Hiệu suất đạt tỷ lệ cao (vì hệ thống được thiết kế cho hộ gia đình)

- Tốc độ gió khởi động thấp

- Lắp đặt ở vị trí thấp để có thể dễ dàng duy tu bảo dưỡng

Như vậy phương án 1 được lựa chọn vì phù hợp với những tiêu chí trên

Kết luận, tuabin gió Gorlov được ưa chuộng hơn tuabin gió Darrieus nhờ vào nhiều ưu điểm nổi bật, mặc dù quá trình tính toán, thiết kế và chế tạo loại cánh này không hề đơn giản.

Tính toán thiết kế và chế tạo cánh

4.4.1 Các biên dạng cánh thường dùng

NACA (Ủy ban Cố vấn Ngành Hàng không Quốc gia Mỹ) quy định thiết kế các cánh turbine gió với biên dạng theo từng bộ, bao gồm nhiều loại cánh khác nhau.

Bộ cánh NACA 4 số và 5 số cho phép phân tích và tính toán độ cong của đường trung bình cùng với phân bố độ dày cánh dọc theo chiều dài dây cung Sau này, NACA 6 số được phát triển để biểu diễn các kiểu cánh phức tạp hơn Trước khi xuất hiện các chuỗi cánh NACA, những nghiên cứu này đã đặt nền tảng quan trọng cho thiết kế và tối ưu hóa cánh máy bay.

43 phát triển các cánh thường được các nhà thiết kế thực hiện nhiều lần trong phòng thí nghiệm để điều chỉnh biên dạng cánh theo yêu cầu

Phương pháp này đã có những thay đổi quan trọng từ những năm 1930, khi ủy ban cố vấn ngành hàng không quốc gia công bố báo cáo mang tên “The Characteristics of 78”.

Báo cáo "Related Airfoil Sections from Tests in the Variable Density Wind Tunnel" chỉ ra rằng sự đồng dạng của các cánh là yếu tố quyết định đến thành công Hai thông số chính ảnh hưởng lớn đến biên dạng cánh là độ cong của đường trung bình và sự phân bố độ dày cánh trên và dưới chiều dài dây cung Để xác định mối quan hệ giữa các biên dạng cánh, các tác giả đã áp dụng các phương trình tính toán cho hai thông số này, làm cho thiết kế cánh trở nên phức tạp hơn, với cơ sở là điều chỉnh các thông số đầu vào Các thông số trên cánh NACA được minh họa như hình dưới đây.

Hình 4.3 Kết cấu hình học cánh NACA [29] a NACA 4 số

Bộ NACA đầu tiên được các nhà thiết kế tạo ra là bộ 4 số

- Chỉ số đầu tiên biểu thị độ cong lớn nhất (m - phần trăm trên chiều dài dây cung)

- Chỉ số thứ hai biểu thị vị trí độ cong lớn nhất (p - phần mười trên chiều dài dây cung)

- Còn hai số cuối biểu thị độ dày tối đa (t - phần trăm trên chiều dài dây cung)

Bộ NACA 4 số, thường được viết dưới dạng NACAxxxx, bao gồm hai loại biên dạng cánh: đối xứng và không đối xứng Các biên dạng cánh đối xứng như NACA0012, NACA0015, NACA0016, NACA0018 và NACA0024, trong khi đó, các biên dạng không đối xứng bao gồm NACA2415, NACA4415, NACA0515, NACA0815, NACA1115 và NACA2715.

Ví dụ, NACA2415 có độ cong 2% tại vị trí 40% (0,4c) độ dài từ đâu cánh trên dây cung và độ dầy tối đa 15% dây cung của cánh

Từ các thông số m, p và t chúng ta có thể tính toán tọa độ các điểm thuộc biên dạng cánh dựa vào các quan hệ sau:

Chọn giá trị đầu tiên của x từ 0 đến chiều dài dây cung (C)

Tính toán tọa độ đường cong trung bình bằng giá trị m và p cho mỗi tọa độ x qua các công thức sau:

Trong bài viết này, các tọa độ quan trọng được xác định như sau: x là tọa độ dọc theo chiều dài của cánh, nằm trong khoảng từ 0 đến C; y đại diện cho tọa độ trên và dưới đường biên theo chiều dài dây cung cánh, trong đó y t là tọa độ cho độ dày và y c là tọa độ cho độ cong Thêm vào đó, m là độ cong tối đa của cánh trên dây cung, p là vị trí của độ cong tối đa trên 10% chiều dài dây cung, và t là độ dày tối đa của cánh trên dây cung.

Tính toán phân bố độ dày phía trên (+) và phía dưới (-) đường cong trung bình bằng các giá trị của t qua các công thức tọa độ của x như sau:

Cuối cùng xác định tọa độ cho bề mặt trên ( x u , y u ) và bề mặt dưới (x l , y l ) của cánh thông qua các công thức sau: u t sin x  x y  u c t cos y  y y  trong đó ar y x ctg d

NACA 5 số có chiều dày cánh xác định giống như NACA 4 số, nhưng việc xác định đường cong trung bình khác nhau và biểu thị tên cũng phức tạp hơn

Chỉ số đầu nhân với 3/2 để biểu thị phần mười hệ số lực nâng thiết kế C l

Hai chỉ số tiếp theo chia cho 2 cho ta vị trí độ cong lớn nhất (p) theo phần mười dây cung

Hai chỉ số cuối cho biết phần trăm độ dày lớn nhất của cánh theo dây cung

Bộ NACA 5 số thường sử dụng các loại như NACA63-215; NACA63-218;

Ví dụ, NACA23-012 có độ dày tối đa 12%; hệ số lực nâng là 0,3; vị trí độ cong lớn nhất 15% từ đầu cánh trên chiều dài dây cung

Tính tọa độ của cánh như sau:

- Chọn giá trị đầu tiên của x từ 0 đến chiều dài dây cung C

- Tính toán tọa độ đường cong trung bình cho mỗi tọa độ x qua các công thức sau

Từ giá trị p đã biết xác định giá trị m và k 1 bằng cách dùng bảng (3.1) dưới đây

Bảng 4.2 Quan hệ độ cong (m) và vị trí độ cong (p) trên cánh NACA 5 số

Tính toán độ dầy cánh giống như ở NACA4 số phần trên

Xác định tọa độ bề mặt giống như ở NACA4 số phần trên c NACA 4/5 số

Cánh dạng này thường được sử dụng cho bình cao áp B-58 với 4 hoặc 5 số, tuy nhiên, việc điều chỉnh biên dạng cánh khá khó khăn Chẳng hạn, cánh NACA 0003.46-64.069 có hình dạng cơ bản 0003, với độ dày 3% và độ cong 0% Đây là cánh đối xứng, có phần trên và dưới của đường cong trung bình giống nhau Số đầu tiên 0003.46 cho biết độ cong mũi cánh, với các giá trị từ gạch ngang trở lại biểu thị bán kính tương tự như cánh ban đầu, trong đó giá trị đầu cánh là 0 Việc gia tăng giá trị này sẽ làm tăng độ cong mũi cánh Chỉ số thứ hai xác định vùng độ dày lớn nhất trong phần mười dây cung, thường mặc định cho cánh 4 và 5 số là 30% từ đầu cánh, ví dụ ở đây độ dày cánh lớn nhất là 40%.

Cuối cùng, trong khoảng 0003.46-64.069, cần chú ý rằng sẽ có hai chữ số thập phân Thay vì 3% độ dày, hãy điều chỉnh thành 3,46% độ dày cánh Đồng thời, thay đổi giá trị vị trí độ cong lớn nhất từ 40% cánh thành 40,69% cánh.

Tiếp theo, ta tính tọa độ biên dạng cánh như sau:

- Chọn giá trị đầu tiên của x từ 0 đến chiều dài dây cung (c)

- Tính toán tọa độ đường cong trung bình như NACA 4 và 5 số tương ứng

Để tính toán sự phân bố độ dày phía trên (+) và phía dưới (-) của đường cong trung bình, cần sử dụng các công thức tương ứng Các giá trị hệ số a x và d x được xác định theo bảng (3.2) dưới đây, được dẫn xuất cho 20% độ dày cánh.

Bảng 4.3 Các hệ số ax và dx trên cánh NACA 4 và 5 số

Xác định tọa độ bề mặt giống như ở NACA4/5 số trên Điều chú ý là phương pháp này cho lợi được 20% độ đầy cánh d NACA 1 số hoặc 16 số

Các bộ NACA có sự khác nhau về mối quan hệ hình học, với NACA 1 số được phát triển từ những năm 1930 qua nhiều cải tiến trong thiết kế biên dạng cánh Các khái niệm cơ bản được xác định dựa trên sự phân bố áp lực trên cánh, điều này ảnh hưởng đến lực nâng cho từng hình dạng cánh Kết quả là không có công thức giống nhau cho các bộ NACA 4 và 5 số, và bộ cánh 1 số cũng khác biệt so với bộ 5 số.

Ví dụ về mã NACA 16-212 cho thấy rằng chữ số đầu tiên chỉ thiết kế cánh không siêu âm, chữ số thứ hai chỉ vùng áp lực nhỏ nhất trong phần mười cánh, với trường hợp này là 60% đến đầu cánh Sau dấu gạch ngang, chữ số đầu tiên biểu thị một phần mười hệ số lực nâng (0,2) và hai số cuối cùng đại diện cho phần trăm độ cong trên cánh (12%) Mã NACA 16xxx đã được áp dụng rộng rãi trong thiết kế cánh.

Mặc dù các NACA đã thử nghiệm phương pháp gần đúng để tạo ra các chuỗi số từ 2 đến 5 số, nhưng vẫn chưa tìm ra cánh như mong muốn Việc sử dụng bộ 6 số dẫn đến những kết quả không như kỳ vọng.

Phương pháp chính xác 47 được áp dụng để tối ưu hóa bộ 1 số, nhằm đạt được phân bố áp lực mong muốn và cải tiến tính toán theo yêu cầu hình dạng cánh Mục tiêu là thiết kế cánh với nhiều tấm lớn nhất có thể Trong quá trình hoạt động, lực cản giảm nhờ vào việc giới hạn hệ số nâng, giúp tối ưu hóa hiệu suất Việc chuyển đổi tên của bộ 6 số trở nên phức tạp hơn do sự khác biệt lớn giữa các thông số hiện tại.

Chỉ số NACA 641-212 với a = 0,6 cho thấy thiết kế dòng chảy tầng lớn hơn bộ 4 và 5 số Chỉ số thứ hai 4 biểu thị áp lực nhỏ nhất trong phần mười dây cung cánh (0,4c) Chỉ số dưới 1 cho thấy lực cản nhỏ, đảm bảo hệ số lực nâng 0,1, thấp hơn hệ số lực nâng thiết kế 0,2 từ chỉ số đầu tiên Hai chỉ số cuối cùng thể hiện phần trăm độ dày cánh trên dây cung (12%) Phần xác định bởi a cho thấy phần trăm dây cung được phân bố áp lực đều đặn (0,6c), và nếu chưa xác định, các thông số được giả định là 1 hoặc phân bố áp lực là hằng số trên cánh.

Tiêu chí thiết kế cánh

4.5.1 Hướng gió để tuabin hoạt động: Đối với loại tuabin gió trục đứng thì nó có thể hoạt động trong mọi hướng gió vì trục xoay của nó vuông góc với mặt đất và trong phạm vi nào đó có thể nói trục xoay của nó vuông góc với mọi hướng gió

4.5.2 Số cánh hoạt động tại một thời điểm: Đối với loại tuabin gió trục đứng, thì tại một thời điểm chỉ có một cánh hoạt động nói đúng hơn thì chỉ có một cánh chịu tác động chính từ gió, còn hai cánh còn lại có thể chỉ bị ảnh hưởng phụ

Khi gió thổi vào bề mặt cánh quạt, nó sẽ làm cho trục của tuabin xoay Với cấu trúc trục đứng, chỉ có một cánh quạt nhận tác động từ gió tại một thời điểm nhất định.

50 chính để làm quay tuabin (cánh còn lại có thể bị tác dụng phụ gây cản trở chyển động)

Vì hiệu suất của loại này thấp hơn so với tuabin gió trục ngang

Khi so sánh thời gian hoạt động của tuabin gió trục ngang và trục đứng, cánh của tuabin trục ngang phải chịu tác động lực lớn hơn, đặc biệt khi điều chỉnh hướng hứng gió Điều này dẫn đến việc cánh của tuabin gió trục ngang có độ bền kém hơn so với cánh của tuabin gió trục đứng, ngay cả khi sử dụng cùng một loại vật liệu.

4.5.5 Tốc độ gió khởi động:

Khi gió tác động lên từng tiết diện của cánh tuabin gió, lực tương ứng sẽ được sinh ra Đối với tuabin gió trục đứng, khoảng cách từ các tiết diện đến trục xoay là đồng nhất Nếu so sánh cùng bán kính rotor, momen xoay do lực gió tác động lên tuabin gió trục đứng sẽ lớn hơn so với tuabin trục ngang Do đó, tốc độ gió khởi động của tuabin gió trục đứng thường thấp hơn so với tuabin trục ngang.

4.5.6 Độ ồn khi hoạt động:

Cánh của tuabin gió trục ngang hoạt động đồng thời, dẫn đến tốc độ quay cao hơn so với tuabin trục đứng Tuy nhiên, điều này cũng làm tăng độ ồn phát sinh, gây ảnh hưởng tiêu cực khi lắp đặt trong khu vực dân cư.

4.5.7 Diện tích cần thiết để lắp đặt:

Tuabin gió trục ngang yêu cầu diện tích lớn hơn để xoay trục, do đó độ cao lắp đặt là một yếu tố quan trọng, trong khi tuabin gió trục đứng có thể được lắp ở những vị trí thấp hơn Khi đã chọn phương án tuabin gió trục đứng, bước tiếp theo là lựa chọn loại cánh phù hợp Hiện nay, tuabin gió trục đứng đang được nghiên cứu và phát triển với nhiều kiểu dáng cánh khác nhau, trong đó ba loại cánh thường được sử dụng cho công suất nhỏ là: Savonius rotor, Helical – Darrieus rotor, H – rotor và kiểu mới nhất là Gorlov.

Bảng 4.5 Bảng so sánh giữa các dạng cánh tuabin gió trục đứng Đặc điểm, tiêu chí Savonius

Tốc độ quay Thấp Cao hơn

Khả năng tự khởi động của thiết bị rất quan trọng; trong khi một số có khả năng khởi động tự động tốt, những thiết bị khác lại có khả năng này kém Về độ rung lắc và độ ồn, dao động không đáng kể ở những thiết bị chất lượng cao, trong khi những thiết bị kém hơn có thể gặp phải sự gián đoạn và độ ồn do lực khí động học gây ra.

Kết luận: Dựa vào bảng so sánh, loại rotor Gorlov được lựa chọn do có nhiều ưu điểm vượt trội hơn so với hai loại còn lại, mặc dù quá trình tính toán, thiết kế và chế tạo cánh này không hề đơn giản.

Công thức tính toán cánh tuabin

Cánh tuabin có hình dạng xoắn, chạy dọc theo đường sinh AME trên bề mặt hình trụ với chiều cao L và bán kính R Độ xoắn của cánh được xác định thông qua các phương trình cụ thể.

Hình 4.8 Sơ đồ biên dạng cánh NACA

Với x, y, z là tọa độ của điểm M,  là góc nghiêng của cánh so với mặt phẳng XOY

Hình 4.9 Gió đi qua một tiết diện

Với As là diện tích quét

Giả định rằng tiết diện ngang của cánh có hình dạng một hình chữ nhật mỏng, với chiều dài tương ứng với chiều dài dây cung b của biên dạng cánh Tỷ lệ giữa lực nâng và lực cản giữ nguyên sau khi phân tích phản lực F, được xác định thông qua công thức sau:

Trong công thức tính toán, k0 là hằng số có giá trị khoảng 1.2ρ, trong đó ρ là trọng lượng riêng của không khí A đại diện cho diện tích hình chiếu của phần diện tích phía trước của cánh quạt lên mặt phẳng vuông góc với dòng gió Vận tốc gió tại cánh, ký hiệu là uw, được tính bằng công thức uw = - (1 a) u∞.

Một phần rất nhỏ của đường sinh AME được định nghĩa là : d   R (1  q 2 1/2 ) d , q  tan (4.9)

Trong đó: l: chiều dài cánh

  là góc xoắn của toàn bộ cánh

Góc tới của gió là  , tại mỗi điểm M: sin cos , cos  sin

Momen xoay được tính bằng công thức:

Thay công thức số (6) vào (11) ta được  T với diện tích rất nhỏ của cánh sin

: vận tốc góc của rotor

Với  là hệ số tốc độ đầu cánh.

Vật liệu chế tạo cánh tuabin

Cánh turbine là bộ phận quan trọng tương tác trực tiếp với gió, do đó, vật liệu chế tạo cánh cần đảm bảo độ bền, ổn định và tính thẩm mỹ Hiện nay, có nhiều loại vật liệu như thép hợp kim và vật liệu tổng hợp được sử dụng Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, composite trở thành lựa chọn hiệu quả cho việc chế tạo cánh turbine.

Từ xa xưa, việc thiết kế cánh turbine đã bắt đầu với việc lựa chọn vật liệu chế tạo, vì tính chất của vật liệu quyết định phương pháp thiết kế và sản xuất cánh Thiết kế cánh turbine không thể tách rời khỏi vật liệu sử dụng, do đó, cần xác định các tiêu chí kỹ thuật cho việc chọn vật liệu Điều này cho thấy rằng lựa chọn vật liệu, khái niệm thiết kế, phương pháp sản xuất và năng suất lao động phải được xem xét một cách tổng thể, nhằm đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu cho cánh turbine.

Một số vật liệu được các phòng thí nghiệm kỹ thuật quan tâm, như:

- Vật liệu sợi composite (sợi thủy tinh, sợi các bon và sợi aramide)

Các thuộc tính quan trọng của vật liệu được đánh giá như sau:

- Giới hạn độ bền (N/mm 2 )

- Độ bền cắt trên khối lượng riêng, gọi là độ nứt dài

- Modulus đàn hồi tương đối cho khối lượng riêng (10 3 km)

- Độ bền mỏi cho phép từ 10 7 đến 10 8 (N/mm 2 ) (có tải)

Vật liệu chế tạo cánh turbine có ảnh hưởng nhất định đến giá thành của sản xuất và công nghệ chế tạo cánh

Bảng tổng hợp dưới đây cho ta thấy các thông số kỹ thuật của một số loại vật liệu:

Bảng 4.6 Các thông số kỹ thuật của một số vật liệu cánh turbine

Thông số Khối Độ bền Modulus

Mudulus cắt trên đàn hồi lượng riêng Giới hạn độ bền đàn hồi khối trên khối Giới hạn mỏi

(kN/mm riêng riêng Vật liệu (g/cm

Nhôm, mặc dù là vật liệu đắt tiền với nhiều thuộc tính ưu việt, thường được sử dụng trong chế tạo cánh máy bay và cánh turbine ở Trung Quốc Trong khi đó, titanium cũng là một vật liệu có giá trị cao, nhưng việc chế biến titanium lại được xem là một quá trình khó khăn.

56 đắt tiền, nên titanium thường ít được sử dụng làm vật liệu chế tạo cánh turbine

Sợi carbon là một vật liệu đắt tiền nhưng nếu áp dụng phương pháp sản xuất phù hợp, nó có thể mang lại lợi nhuận cao Với độ bền vượt trội, sợi carbon được sử dụng rộng rãi, đặc biệt trong các vật liệu composite Các composite có cốt sợi carbon đang ngày càng được xem xét ứng dụng trong tương lai, đặc biệt trong việc chế tạo cánh turbine, nơi mà sự kết hợp giữa sợi carbon và sợi thủy tinh đang trở nên phổ biến.

Vật liệu đa hợp GFRP, bao gồm sợi nhôm, thép, carbon và sợi thủy tinh, được lựa chọn do tính năng vượt trội mặc dù giá thành cao Gần đây, sự kết hợp giữa sợi thủy tinh và sợi carbon, cũng như giữa gỗ và nhựa epoxy, đã tạo ra các vật liệu đa hợp đáp ứng tốt yêu cầu kỹ thuật của cánh turbine.

Vật liệu sợi đóng vai trò quan trọng trong sản xuất và đời sống con người Ban đầu, con người sử dụng sợi từ thực vật như thảo mộc, vỏ, và xơ của cây cỏ, dây leo Sau đó, tơ tằm trở thành một loại sợi sinh vật quan trọng Hiện nay, sợi kim loại và sợi đa phân tử (polimer) ngày càng phong phú và đang dần thay thế các loại sợi từ sinh vật.

Sợi thuỷ tinh có độ bền gấp 7 đến 16 lần so với sợi thép cùng kích cỡ, trong khi sợi carbone mang đến các tính năng vượt trội như cách điện, cách nhiệt, khả năng chịu hóa chất và sức chịu lực gấp hàng trăm lần so với sắt thép, tạo nên một thách thức lớn cho các loại vật liệu sợi trước đây.

Vật liệu tổ hợp (composite) đã trở thành một trong những loại vật liệu được nghiên cứu và ứng dụng phổ biến nhất trong 10 năm qua, nhờ vào những đặc tính ưu việt của chúng Hiện nay, vật liệu tổng hợp được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp và đời sống Các loại vật liệu tổng hợp được phân loại theo chất phụ gia tăng cường, trong đó, vật liệu tổ hợp được tăng cường bằng cốt sợi mang lại ý nghĩa kinh tế kỹ thuật cao.

Từ những năm 1980 đến cuối những năm 1990, turbine gió chủ yếu được sản xuất với các thành phần cơ bản Tuy nhiên, sau giai đoạn này, các thành phần đặc biệt đã được thiết kế và sản xuất cho cánh turbine Nguyên liệu composite hiện đang được xem là một trong những giải pháp tối ưu trong chế tạo turbine gió.

Ngày nay, vật liệu composite đóng vai trò quan trọng trong cánh turbine, yêu cầu cao về tính chất vật lý và thành phần hóa học Điều này giúp turbine hoạt động hiệu quả trong điều kiện khắc nghiệt ngoài trời và chịu được tải trọng lớn mà không cần che chắn bảo vệ.

Vật liệu composite nền nhựa cốt sợi thủy tinh:

Sợi thủy tinh chủ yếu được tạo ra từ silic, một thành phần chiếm tỷ lệ lớn trong cát trắng Sự hiện diện của các phân tử lạ trong nguyên liệu có thể tạo ra những màu sắc và tính chất khác nhau cho thủy tinh, mang lại cả lợi ích và tác hại Để đảm bảo chất lượng sản phẩm, các nhà sản xuất cần lọc thủy tinh thành thủy tinh siêu sạch thông qua các phương pháp như ly tâm hoặc nung nguyên liệu.

57 với chất hấp thụ là Creolite hay Diatomic, nói cách khác là làm giàu silic trong nguyên liệu rồi mới phối hợp với các “nguyên tố lạ”.

Thủy tinh siêu sạch, hay còn gọi là thạch anh, có khả năng cho phép tất cả các bước sóng quang học đi qua Đây là nguyên liệu chính để sản xuất các linh kiện thiết bị quang học chất lượng cao như máy chụp hình và kính viễn vọng.

Chì (Pb) làm tăng đáng kể chỉ số chiết suất của thủy tinh, tạo ra hiệu ứng óng ánh và bắt sáng giống như kim cương, được gọi là pha lê Khi thêm bạc (Ag), hiệu ứng phản xạ toàn phần được thiết lập, ứng dụng trong công nghệ cáp quang.

- Có mặt các phân tử oxit sắt (FeO) và lưu huỳnh (S), thuỷ tinh sẽ giòn và dễ vỡ

Canxi (Ca) làm tăng tính dễ vỡ của thủy tinh, nhưng khi vỡ, mảnh vỡ không có cạnh sắc, tạo ra loại thủy tinh “hạt lựu” Loại thủy tinh này khi bị vỡ sẽ tan thành những mảnh nhỏ như hạt lựu, không sắc bén, nên khó gây thương tích cho người sử dụng Thủy tinh “hạt lựu” thường được sử dụng để chế tạo kính chắn gió cho xe ô tô.

Khi nhôm (Al) được thêm vào, thủy tinh trở nên dẻo dai và có khả năng uốn cong Việc bổ sung cobalt (Co) giúp thủy tinh dễ dàng kéo sợi, từ đó có thể se xoắn hoặc dệt thành cáp chịu lực Ngoài ra, sự kết hợp với kevlar tạo ra áo giáp chống đạn hiệu quả.

CHẾ TẠO THỰC NGHIỆM