Nghiên cứu phát triển hệ thống năng lượng gió trụ ngang công suất nhỏ sử dụng hiệu ứng hầm gió (wind cube)

Nghiên cứu phát triển hệ thống năng lượng gió trụ ngang công suất nhỏ sử dụng hiệu ứng hầm gió (wind cube) Nghiên cứu phát triển hệ thống năng lượng gió trụ ngang công suất nhỏ sử dụng hiệu ứng hầm gió (wind cube) Nghiên cứu phát triển hệ thống năng lượng gió trụ ngang công suất nhỏ sử dụng hiệu ứng hầm gió (wind cube)

Lý do chọn đề tài

Kinh tế Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ theo hướng công nghiệp hóa và hiện đại hóa, dẫn đến nhu cầu cao về năng lượng điện cho sản xuất và sinh hoạt Tuy nhiên, nguồn năng lượng điện hiện đang thiếu hụt nghiêm trọng Mặc dù nhà nước đã triển khai nhiều biện pháp như xây dựng thêm nhà máy điện, tăng cường nhập khẩu điện và kêu gọi người dân tiết kiệm điện, tình trạng thiếu điện vẫn là một vấn đề cấp bách cả hiện tại và trong tương lai.

Theo dự báo của Tổng Công ty Điện lực Việt Nam, nếu GDP tiếp tục tăng trưởng 7,1%/năm, nhu cầu điện của Việt Nam sẽ đạt khoảng 200.000 GWh vào năm 2020 và 327.000 GWh vào năm 2030 Tuy nhiên, sản lượng điện nội địa chỉ có thể đạt 165.000 GWh và 208.000 GWh trong cùng thời gian, dẫn đến nguy cơ thiếu hụt điện nghiêm trọng, với tỉ lệ thiếu hụt có thể lên tới 20-30% mỗi năm.

Máy phát điện gió đang ngày càng phổ biến ở châu Âu và châu Mỹ, nhưng tại Việt Nam, nguồn năng lượng này vẫn chưa được phát triển Hiện nay, điện năng chủ yếu của Việt Nam đến từ nhiệt điện khí, nhiệt điện than và thủy điện, tuy nhiên, việc khai thác những nguồn năng lượng truyền thống này gây ra nhiều vấn đề như biến đổi khí hậu, hạn hán mùa khô và lũ lụt mùa mưa Trong số các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng gió nổi bật với nhiều ưu điểm như chi phí thấp, phân bố rộng rãi, dễ sử dụng, trữ lượng vô tận và thân thiện với môi trường Do đó, phát triển năng lượng gió tại Việt Nam là một hướng đi đúng đắn.

Máy phát điện gió trục ngang công suất nhỏ có thiết kế gọn nhẹ, lý tưởng cho địa hình và điều kiện kinh tế tại Việt Nam Việc sử dụng loại máy này mang lại hiệu quả cao trong việc khai thác năng lượng gió.

Ngày càng nhiều người quan tâm và ứng dụng các phát điện gió công suất nhỏ để phục vụ nhu cầu sinh hoạt Tuy nhiên, ở những khu vực có tốc độ gió thấp, đặc biệt là tại các thành phố, việc áp dụng công nghệ này gặp nhiều thách thức.

Hồ Chí Minh gặp khó khăn trong việc sử dụng máy phát điện gió công suất nhỏ khi tốc độ gió trung bình dưới 6 m/s Do đó, cần thiết bị tăng tốc độ gió để khai thác hiệu quả năng lượng gió ở những khu vực có tốc độ gió thấp.

Tốc độ gió đóng vai trò quan trọng trong công suất phát điện của tuabin gió, do đó, nghiên cứu nhằm tăng tốc độ gió tác động vào cánh tuabin đã được triển khai Hầm gió là một trong những giải pháp khả thi giúp cải thiện tốc độ gió cho máy phát điện gió trục ngang có công suất nhỏ Dựa trên kết quả mô phỏng, một hầm gió thí nghiệm đã được thiết kế và chế tạo, và các thí nghiệm cần thiết đã được thực hiện để kiểm nghiệm tính chính xác của các kết quả mô phỏng cũng như tính hợp lý của cấu trúc hầm gió đã đề xuất.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

+ Đề xuất được cách thức tính toán, thiết kế hầm gió

+ Đề xuất được kết cấu hầm gió có thể ứng dụng trong máy phát điện gió trục ngang

+ Đánh giá khả năng ứng dụng của hầm gió trên máy phát điện gió trục ngang công suất nhỏ

+ Đề xuất được kết cấu hầm gió phù hợp ứng dụng trong tuabin gió trục ngang công suất nhỏ hoạt động ở tốc độ gió thấp < 6 m/s

+ Chế tạo thành công hầm gió ứng dụng cho tuabin gió trục ngang công suất

≤ 300 W và hoạt động tại thành phố Hồ Chí Minh

+ Đánh giá được khả năng làm việc của hầm gió bằng thực nghiệm.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu, thiết kế hầm gió ứng dụng trong các tuabin gió trục ngang công suất nhỏ

Hầm gió được thiết kế và chế tạo nhằm nâng cao khả năng ứng dụng cho máy phát điện gió trục ngang công suất nhỏ, giúp tuabin hoạt động hiệu quả ngay cả khi tốc độ gió trung bình chỉ đạt 2,5 m/s.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

- Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của đề tài là thiết kế, chế tạo hầm gió cho phát điện gió trục ngang công suất nhỏ

Nghiên cứu này tập trung vào thiết kế và chế tạo hầm gió cho máy phát điện gió trục ngang, với công suất từ 100 đến 300W, hoạt động hiệu quả trong điều kiện gió có vận tốc tối thiểu 2,5 m/s.

Phương pháp nghiên cứu

Kế thừa các nghiên cứu đã công bố trong và ngoài nước, bài viết này tập trung vào việc cải tiến và nâng cao năng suất cho tuabin gió, nhằm tiết kiệm thời gian và đạt hiệu quả cao trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.

1.5.2 Phương pháp thu thập thông tin

Để tiếp cận các tài liệu nghiên cứu và thông tin cần thiết liên quan đến đề tài, bạn có thể tham khảo các tạp chí khoa học, tài liệu chuyên ngành, cũng như các nguồn tin từ báo chí, đài truyền hình và internet.

1.5.3 Phương pháp tính toán thiết kế

- Nghiên cứu đi từ phân tích lý thuyết, phân tích tiềm năng máy phát điện gió công suất nhỏ ở Việt Nam

- Thiết kế, mô phỏng dựa vào công cụ thiết kế 3D

- So sánh, phân tích lựa chọn hầm gió phù hợp

- Từ phương án thiết kế được chọn, tiến hành chế tạo, kiểm tra đánh giá

1.5.4 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Dựa vào thiết kế hoàn chỉnh để chế tạo thiết bị sau đó thử nghiệm lại, đánh giá.

Kết cấu của đồ án tốt nghiệp

Đề tài được chia làm 5 chương với các nội dung như sau:

- Chương 1: Lý do chọn đề tài, ý nghĩa khoa học – thực tiễn, đối tượng, phạm vi và mục tiêu nghiên cứu

Chương 2 cung cấp cái nhìn tổng quan về năng lượng gió, bao gồm máy phát điện gió và cấu trúc hầm gió Bên cạnh đó, chương này cũng tổng hợp các nghiên cứu trong và ngoài nước nhằm cải tiến và nâng cao năng suất cho tuabin gió.

Chương 3 trình bày cơ sở lý thuyết về tuabin gió trục ngang, bao gồm các nguyên lý hoạt động và thiết kế của chúng Bên cạnh đó, nội dung cũng đề cập đến ảnh hưởng của dòng chảy đến hiệu suất của tuabin gió, cùng với các công thức cần thiết để tính toán và thiết kế hầm gió một cách hiệu quả.

- Chương 4: Xác định kết cấu hầm gió thông qua mô phỏng, thí nghiệm và chế tạo thực nghiệm để đánh giá kết quả

- Chương 5: Thực nghiệm – Đánh giá

- Chương 6: Kết luận – Kiến nghị

Tổng quan về năng lượng gió

Năng lượng gió, một dạng động năng từ không khí di chuyển trong khí quyển Trái Đất, là hình thức năng lượng gián tiếp từ năng lượng mặt trời.

2.1.2 Nguyên nhân hình thành gió

Bức xạ Mặt Trời không đồng đều trên bề mặt Trái Đất dẫn đến sự chênh lệch nhiệt độ giữa các khu vực, với vùng xích đạo nhận nhiều bức xạ hơn so với hai cực Hiện tượng ngày và đêm cũng góp phần tạo ra sự khác biệt về nhiệt độ và áp suất, từ đó hình thành nên gió Ngoài ra, sự xoay của Trái Đất và độ nghiêng của trục Trái Đất cũng ảnh hưởng đến các dòng không khí theo mùa.

Do ảnh hưởng của hiệu ứng Coriolis từ sự quay của Trái Đất, không khí di chuyển từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không theo đường thẳng mà tạo thành các cơn gió xoáy khác nhau giữa Bắc và Nam bán cầu Cụ thể, ở Bắc bán cầu, không khí di chuyển vào vùng áp thấp theo chiều ngược kim đồng hồ và ra khỏi vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ, trong khi ở Nam bán cầu, hướng di chuyển này là ngược lại.

2.1.3 Đơn vị và hướng gió Đơn vị của tốc độ gió được tính theo kilomet trên giờ (km/h) hoặc mét trên giây (m/s) hoặc knot ( kn: hải lý trên giờ) hoặc Mile trên giờ (mph) tại Mỹ

Tốc độ gió được chuyển đổi từ dặm mỗi giờ (mph) sang các đơn vị khác như km/h (1 mph = 1,609344 km/h), knot (0,8690 kn) và mét mỗi giây (0,447 m/s) Hướng gió là hướng mà gió thổi tới điểm quan trắc, được biểu thị bằng phương vị như đông, tây nam, bắc hoặc theo góc, trong đó hướng bắc được lấy làm chuẩn.

6 mốc ở vị trí 0° hoặc 360° và tính theo chiều kim đồng hồ Như vậy hướng đông ứng với 90°, hướng nam ứng với 180° và hướng tây ứng với góc 270°

Hình 2.1 Cột xác định hướng gió 2.1.4 Bản đồ gió Việt Nam

Việt Nam, nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài và gió Tây Nam vào mùa hè, có lợi thế lớn trong việc phát triển năng lượng gió Tốc độ gió trung bình tại Biển Đông Việt Nam mạnh và biến đổi theo mùa, cho thấy tiềm năng lớn cho năng lượng tái tạo này.

Năm 2001, Ngân hàng Thế giới đã hỗ trợ xây dựng bản đồ gió cho bốn quốc gia: Việt Nam, Lào, Campuchia và Thái Lan, nhằm thúc đẩy phát triển năng lượng gió trong khu vực Nghiên cứu này sử dụng dữ liệu từ các trạm khí tượng thủy văn và phần mềm mô phỏng MesoMap, cung cấp ước tính sơ bộ về tiềm năng gió ở Việt Nam tại độ cao 65m và 30m so với mặt đất.

Hình 2.2 Bản đồ gió tại độ cao 65m

Hình 2.3: Bản đồ gió tại độ cao 30m

Việt Nam sở hữu tiềm năng gió lớn nhất trong số bốn quốc gia, với hơn 39% tổng diện tích có tốc độ gió trung bình hằng năm vượt quá 6m/s ở độ cao 65m, tương đương với tổng công suất 512GW Đặc biệt, hơn 8% diện tích đất nước được đánh giá là có tiềm năng gió rất tốt.

Tiềm năng gió của Việt Nam ở độ cao 65m so với mặt đất cho thấy vùng núi và cao nguyên Tây Nguyên, đặc biệt là khu vực giáp ranh giữa Ninh Thuận và Bình Thuận, là những địa điểm lý tưởng để phát triển năng lượng gió Khu vực này có vận tốc gió trung bình cao, ổn định và ít bão, với tốc độ gió từ 6-8m/s, rất phù hợp cho việc lắp đặt các tuabin công suất lớn từ 3 đến 3,5MW Ngoài ra, khu vực phía bắc, bao gồm hai tỉnh Quảng Bình và Quảng Trị, cũng có tiềm năng gió mạnh.

Vùng duyên hải Bắc Bộ, bao gồm Quảng Ninh, Hải Phòng và Thanh Hóa, cùng với vùng duyên hải Nam Bộ, sở hữu tiềm năng lớn cho phát triển năng lượng gió Với vận tốc gió đạt từ 4-6m/s, khu vực này rất phù hợp cho việc lắp đặt các tua bin gió có công suất trung bình.

Bảng đồ gió của Ngân hàng Thế giới được cho là quá lạc quan và không khớp với số liệu đo gió thực tế từ Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN).

Sự chênh lệch này có thể là do sai số trong mô phỏng tính toán (bảng 2.2)

Bảng 2 2: So sánh vận tốc gió trung bình của EVN và bản đồ gió của WB [9]

Vào đầu năm 2010, Bộ Công Thương Việt Nam, với sự hỗ trợ từ Ngân hàng Thế giới và sự thực hiện của AWS Truepower (trước đây là TrueWind Solutions), đã tạo ra một bản đồ gió mới nhằm cập nhật thông tin vào bản đồ gió trước đó của quốc gia.

Hình 2.4: Bản đồ phân bố tốc độ gió của Việt Nam ở độ cao 80m [3]

Theo bản đồ mới, khu vực tiềm năng cho phát triển năng lượng gió tại Việt Nam bao gồm duyên hải Nam Bộ, Nam Trung Bộ và khu vực đèo núi miền Trung Dọc theo duyên hải Nam Trung Bộ, tốc độ gió trung bình dự kiến đạt 6,5-7m/s, trong khi duyên hải gần Cần Thơ có tốc độ gió khả quan từ 5-6m/s Khu vực đèo núi phía tây tỉnh Bình Định, giáp ranh giữa Gia Lai và Đắc Lắc, cũng được chú ý Ngoài ra, duyên hải gần Quảng Bình và đông nam Hà Nội chủ yếu nhận gió từ biển và gió Tây khô nóng.

Khu vực Bắc Bộ, đặc biệt là Đông Bắc, có tiềm năng khai thác năng lượng tái tạo tốt Tại Tây Bắc, các điểm cao và cao nguyên Mộc Châu, cùng dãy Hoàng Liên Sơn, cho thấy tốc độ gió khả quan từ 4-5m/s ở độ cao 80m Tuy nhiên, những khu vực như vùng núi thấp và trung du Bắc Bộ, các khu vực thấp phía Tây Bắc, cùng với Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh và những vùng sâu trong đồng bằng Nam Bộ, vẫn có tiềm năng hạn chế cho việc khai thác năng lượng.

Tây Nguyên là khu vực có tiềm năng năng lượng gió lớn nhất trên đất liền, với tốc độ gió trung bình từ 5.5 đến 6.75m/s Tuy nhiên, vùng đất thấp phía tây giáp Campuchia vẫn có tiềm năng khai thác thấp Các khu vực khác trong Tây Nguyên đều cho thấy hiệu quả khả quan trong việc khai thác năng lượng gió ở độ cao này.

Bảng 2 3: Tiềm năng năng lượng gió tại độ cao 80m theo atlas [3]

Tổng quan về máy phát điện gió

2.2.1 Lịch sử phát triển máy phát điện gió

Hàng nghìn năm qua, con người đã khéo léo khai thác sức gió để phục vụ cho cuộc sống, từ việc sử dụng gió để điều khiển buồm ra khơi cho đến việc vận hành máy bơm nước và xay ngũ cốc.

Năm 1888 Charles F Brush đã chế tạo máy phát điện chạy bằng sức gió đầu tiên đặt tại Cleveland, Ohio [4] với các đặc điểm:

- Cánh được ghép thành xuyến tròn, đường kính 17m

- Sử dụng hộp số (tỉ số truyền 50:1) ghép giữa cánh tuabin với trục máy phát

- Tốc độ định mức của máy là 500vòng/phút

- Công suất phát định mức 12KW

Hình 2.5: Tuabin gió Charles F.Brush

Năm 1891, tuabin gió đầu tiên được chế tạo bên ngoài nước Mỹ để phát điện tại Đan Mạch bởi Poul la Cour Tuabin gió này sở hữu thiết kế với bốn cánh kiểu máy bay và có khả năng quay nhanh hơn.

Hình 2.6: Tuabin gió Poul la Cour

Đến đầu những năm 1910, Đan Mạch đã lắp đặt nhiều máy phát điện gió công suất 25kw, tuy nhiên, giá điện từ chúng không cạnh tranh được với điện từ các nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch Dù gặp khó khăn do thiếu thị trường, các thế hệ máy phát điện gió vẫn tiếp tục được thiết kế và lắp đặt, thể hiện sự phát triển không ngừng của công nghệ này.

Trong thời kỳ hiện nay, số lượng máy phát điện chạy bằng sức gió còn hạn chế và thường được lắp đặt rải rác Tuy nhiên, các hệ thống này chủ yếu tập trung tại Mỹ và các quốc gia Tây Âu như Đan Mạch, Đức và Pháp.

Hà Lan với công suất máy phát thấp chủ yếu nằm ở mức vài chục kW

Tua bin Savonius, được phát minh bởi kỹ sư Phần Lan Sigurd Johannes Savonius vào năm 1922, là một loại tua bin gió trục đứng đơn giản Thiết kế của nó bao gồm các gầu bán xy-lanh được lắp đặt trên một trục quay hoặc khung sườn.

Năm 1931, kỹ sư người Pháp Georges Darrieus đã phát minh ra tuabin gió trục đứng mang tên ông Tuabin này có hai cánh mềm hình dạng giống cánh máy bay, với một đầu cánh gắn ở đỉnh và đầu còn lại gắn xuống đáy trục chính, tạo hình dáng giống như một cái máy đánh trứng khổng lồ Sau đó, các mẫu thiết kế đã được cải tiến với cánh quạt có rãnh nhằm nâng cao hiệu suất hoạt động.

Thị trường ứng dụng máy phát điện gió bắt đầu phát triển mạnh mẽ vào cuối những năm 1970, đặc biệt là trong bối cảnh cuộc khủng hoảng dầu mỏ Trong giai đoạn này, các máy phát điện gió được lắp đặt thành các vườn sức gió và hoạt động độc lập dưới sự quản lý của các nhà phát triển, đánh dấu một thời kỳ hoàng kim cho công nghệ năng lượng gió.

Vào năm 1950, kỹ sư Johnnes Juhl đã phát triển tuabin gió 3 cánh đầu tiên có khả năng phát điện xoay chiều, đặt nền móng cho tuabin gió hiện đại của Đan Mạch Châu Âu hiện đang dẫn đầu trong lĩnh vực năng lượng gió, với công suất tối đa của các tuabin gió chỉ đạt 50KW vào năm 1982 Tuy nhiên, đến năm 1995, công suất của các tuabin gió thương mại đã tăng gấp 10 lần, trong khi chi phí xây dựng và sản xuất điện năng giảm mạnh, giúp thúc đẩy sự phát triển của ngành Nhiều tuabin gió lớn đã chuyển sang kích thước nhỏ hơn do sản lượng chỉ vài KW/tháng Ngày nay, các tuabin gió được thiết kế với công suất lên đến 3MW và đường kính 100m, với sự xuất hiện của nhiều nhà máy sản xuất tuabin gió lớn.

Turbine gió là thiết bị chuyển đổi động năng của gió thành cơ năng, được sử dụng để sản xuất điện năng hoặc thực hiện các công việc cơ học Thiết bị này hoạt động tương tự như cối xay gió, cho phép khai thác năng lượng tái tạo từ gió một cách hiệu quả.

13 sức gió, hay biến đổi tiếp thành điện năng như trong trường hợp máy phát điện bằng sức gió

Máy phát điện gió bao gồm nhiều thành phần, trong đó motor điện một chiều với nam châm bền và cánh quạt là phần quan trọng nhất Ngoài ra, máy còn có trục và cột để lắp đặt, bộ đổi dòng điện để kết nối với bình ắc quy, và một máy đổi điện để chuyển đổi điện từ ắc quy thành điện xoay chiều thông dụng.

Máy phát điện turbine gió thường sử dụng máy phát xoay chiều với nhiều cặp cực, nhờ vào kết cấu đơn giản và khả năng hoạt động hiệu quả ở tốc độ thấp của turbine gió.

Turbine gió có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, bao gồm cấu tạo, công suất và số lượng cánh quạt Tuy nhiên, hai loại chính của turbine gió là turbine gió trục ngang và turbine gió trục đứng.

2.2.2.1 Tuabin gió trục ngang (HAWT)

Hình 2.7: Tuabin gió trục ngang Đây loại tubin gió phổ biến trên thị trường:

- Công suất phát điện từ vài trăm W đến vài MW

- Dải vận tốc gió hoạt động từ 4m/s-25m/s

- Chiều cao cột chống tubin 6m ( loại công suất nhỏ) – 120m (loại công suất lớn)

- Số cánh quạt 2-3 cánh quạt

- Bán kính cánh quạt từ 3m - 45m

- Số vòng quay cánh quạt 20 – 40vòng/phút

Một số đặc điểm của tuabin gió trục ngang :

- Đây là loại tubin gió có hiệu suất cao nhất

- Thích hợp với nhiều vận tốc gió khác nhau

- Hình dạng và kích thước lớn nên đòi hỏi chỉ số an toàn cao

Mặc dù hệ thống điều chỉnh hướng giúp đón gió, nhưng nó vẫn bị giới hạn ở một góc quay nhất định, do đó chỉ phù hợp với những khu vực có vận tốc gió ổn định.

Hình 2.8: Cấu tạo của tuabin gió trục ngang

Gió thổi qua cánh đón gió làm quay roto, từ đó truyền động đến cặp bánh răng, giúp tăng tốc độ cho động cơ phát điện Động cơ này sau đó nạp điện vào bình Ắcqui để tích trữ và cung cấp nguồn điện.

2.2.2.2 Tuabin gió trục đứng (VAWT)

Hình 2.9: Tuabin gió trục đứng Đây là loại tubin mới phát triển trong thời gian gần đây

- Dải vận tốc gió hoạt động 3-40m/s

- Bán kính cánh quạt dưới 10m Đặc điểm :

- Dải vận tốc gió hoạt động là khá rộng

Tubin hoạt động hiệu quả mà không phụ thuộc vào hướng của vận tốc dòng khí, cho phép lắp đặt ở những vị trí có tốc độ gió cao và dòng chảy không ổn định.

- Tuy nhiên hiệu suất của tubin chỉ bằng 50% so với tubin trục ngang khi hoạt động ở cùng 1 vận tốc gió

Tiềm năng phát triển năng lượng gió công suất nhỏ tại Việt Nam

Việt Nam hiện vẫn còn 4,5 triệu dân, trong đó nhiều hộ ở vùng sâu, vùng xa chưa được tiếp cận điện Theo quy hoạch phát triển mạng lưới điện, dự kiến đến năm 2020, vẫn có hơn 1000 xã, tương ứng với 500.000 hộ dân và khoảng 3 triệu người, chưa có lưới điện quốc gia.

Dựa trên tình hình năng lượng và bản đồ phân bố tốc độ gió đã khảo sát, mô hình máy phát điện công suất nhỏ là phù hợp với điều kiện tại Việt Nam.

Sau đây là những lý do vì sao phát triển mô hình máy phát điện công suất nhỏ ở Việt Nam:

Nhu cầu điện chiếu sáng cho khoảng 4,5 triệu dân ở vùng sâu, vùng xa vẫn chưa được đáp ứng, đặc biệt là tại các cụm dân cư độc lập, nơi việc hòa lưới điện tốn kém.

Việt Nam sở hữu hàng ngàn km bờ biển với nhiều khu đô thị và cụm dân cư ven biển, cung cấp nguồn gió lý tưởng cho phát triển máy phát điện gió công suất nhỏ (2 - 6 m/s) Việc khai thác hiệu quả nguồn năng lượng gió này sẽ giúp giảm áp lực đáng kể lên lưới điện quốc gia.

Các hộ dân cư trên các đảo nhỏ và tàu thuyền đánh cá có thể tự chủ nguồn năng lượng với chi phí thấp hơn so với việc sử dụng máy phát diesel hiện tại.

- Chi phí đầu tư cho máy phát điện công suất nhỏ rẻ hơn so với tấm pin mặt trời có cùng công suất

- Có thể nhân rộng mô hình và sử dụng nguồn năng lượng có sẵn tại địa phương

- Máy phát điện gió trục ngang ứng dụng hầm gió có khả năng hoạt động ở vận tốc gió thấp hơn so với máy phát thông thường

- Dễ chế tạo với số lượng nhiều để giảm giá thành và bán lại cho ngươi dân với giá hỗ trợ

Việt Nam sở hữu tiềm năng năng lượng gió lớn, tạo lợi thế so với các nước trong khu vực Các quốc gia như Trung Quốc, Ấn Độ và Sri Lanka đã thành công trong phát triển điện gió nhỏ Việc đánh giá chính xác chế độ gió và phát triển mô hình máy phát điện công suất nhỏ là phù hợp với điều kiện kinh tế hiện tại của Việt Nam và xu hướng phát triển toàn cầu Do đó, việc lựa chọn mô hình máy phát điện gió thích hợp với điều kiện gió và kinh tế của Việt Nam là rất cần thiết.

Hầm gió

Hầm gió được thiết kế như một ống dẫn với một đầu lớn và một đầu nhỏ, giúp tập trung và gia tăng sức gió Đường kính lớn ở đầu hầm gió có nhiệm vụ thu hút luồng không khí vào, trong khi cạnh bên hầm gió làm tăng tốc độ gió trước khi tác động vào cánh tuabin gió Đầu nhỏ của hầm gió là nơi có tốc độ gió cao nhất.

Các nguyên cứu trong và ngoài nước

Các máy phát điện gió truyền thống thường có thiết kế cũ, kích thước lớn và công suất hạn chế Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm cải thiện hiệu suất và áp dụng những phát minh này vào thực tiễn.

Công ty Windspot đã nâng cấp thiết kế cánh tuabin, cho phép điều chỉnh bước lá cánh nhằm tránh tình trạng quay quá mức gây hư hỏng cho máy phát điện Sự điều chỉnh này không chỉ giúp tăng mômen tác động lên cánh mà còn nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

Hình 2.11 : Máy phát điện gió bước lá cánh thay đổi của Windspot [7]

Công ty Garra Hassan-Arter Group đã nâng cấp máy phát điện gió bằng cách chế tạo tuabin kín với cổ hút Laval và cải tiến dynamo thông qua tổ hợp máy phát điện đồng trục van Tua bin cánh quạt được kết nối trực tiếp với máy phát điện mà không cần bộ tăng tốc, đồng thời sử dụng thiết bị điện tử tích hợp nguồn điện nhằm tăng năng suất.

Hình 2.12: Máy phát điện sức gió tuabin kín (CWT) [6]

Marcio Loos sử dụng vật liệu polyurethane gia cố bằng ống nano cacbon để chế tạo cánh quạt nhẹ, có độ cứng và độ bền cao Điều này giúp cánh quạt duy trì kích thước và hình dạng ban đầu, từ đó tối ưu hóa hiệu suất thu năng lượng của tuabin.

Công ty DynaTech Engineering đã áp dụng định luật Bernoulli trong thiết kế WindCube, giúp tuabin gió hoạt động hiệu quả hơn ở tốc độ gió thấp Thiết kế này sử dụng hiệu ứng hầm gió để tập trung luồng gió từ một không gian rộng vào không gian nhỏ hơn, từ đó gia tăng sức gió và tạo ra công suất phát điện lớn hơn gấp 8 lần so với tuabin gió thông thường.

Hình 2.13: Máy phát điện gió WINCUBE [13]

Công ty SheerWind đã phát triển tuabin gió INVELOX, tận dụng hiệu ứng Venturi để tập trung luồng gió yếu từ nhiều hướng khác nhau Thiết kế này giúp tăng tốc độ gió thông qua một hành lang ống, cho phép tuabin hoạt động hiệu quả ở tốc độ gió chỉ khoảng 3,2 km/h và nâng cao năng suất lên đến 600%.

Hình 2.14: Máy phát điện gió INVELOX [14]

Tất cả các thiết kế hiện tại chủ yếu chỉ áp dụng cho máy phát điện gió trục ngang công suất lớn, nhằm hòa vào mạng điện quốc gia Tuy nhiên, vẫn còn thiếu các thiết kế mới cho máy phát điện công suất nhỏ, phục vụ nhu cầu sinh hoạt của hộ gia đình.

Do các hạn chế về điều kiện, hiện tại chưa có tài liệu nghiên cứu nào về việc ứng dụng hầm gió cho máy phát điện gió trục ngang có công suất nhỏ.

Các vấn đề còn tồn tại trong nghiên cứu hiện nay

Mặc dù các nghiên cứu hiện tại đã nâng cao công suất phát điện của tuabin gió lên nhiều lần so với các thiết kế thông thường, nhưng hầu hết chỉ áp dụng cho các máy phát điện gió trục ngang công suất lớn Thực tế, các thiết kế sử dụng hiệu ứng hầm gió cho máy phát điện công suất nhỏ vẫn chưa được nghiên cứu và phát triển nhiều.

Cơ sở lý thuyết tuabin gió trục ngang

3.1.1 Khái niệm hoạt động thực của rotor

Sơ đồ trong Hình 3.1 mô tả sự biến đổi của dòng chảy khi đi qua đĩa rotor, với các thông số ∞, 𝑑, 𝑤 đại diện cho dòng chảy ở xa vô cùng trước rotor, tại rotor và xa vô cùng phía sau rotor.

Hình 3.1: Sự thay đổi áp suất và vận tốc gió qua turbine

Xét định luật bảo toàn khối lượng cho dòng chảy qua rotor tại 3 tiết diện ở xa vô cùng phía trước, phía sau và ngay tại rotor :

Aw Đường sinh gió phía sau rotor

A∞ Tiết diện dòng khí trao đổi phía trước rotor

Ud Tốc độ gió tại vị trí đặt rotor

Uw Tốc độ gió phía sau vị trí dặt rotor

U∞ Tốc độ gió phía trước rotor Đặt:

Thay vào biểu thức trên ta được:

Rotor có diện tích 𝐴 𝑑 tương ứng với diện tích A∞ (1-α).Ad của dòng không khí, nơi diễn ra quá trình trao đổi năng lượng với rotor Hệ số α, được gọi là hệ số thu hẹp của dòng chảy, đặc trưng cho sự trao đổi năng lượng giữa dòng không khí và rotor.

3.1.2 Thuyết động lượng và hệ số công suất của rotor

Mặt trước và mặt sau của rotor tạo ra sự chênh lệch áp suất, dẫn đến sự xuất hiện của lực Lực này là nguyên nhân chính làm thay đổi động lượng của dòng khí khi đi qua rotor.

Phương trình Becnuli cho dòng chảy ta có:

2 𝜌 𝑈 2 + 𝑝 + 𝜌 𝑔 ℎ = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡 (3.5) Áp dụng cho dòng chảy trước đĩa

Tương tự như vậy cho dòng chảy sau đĩa:

2𝜌 𝑈 𝑑 2 + 𝑝 𝑑 − (3.7) Kết hợp (3.6) và (3.7) ta có :

2𝜌 (𝑈 ∞ 2 − 𝑈 𝑤 2 ) (3.8) Thay vào phương trình (3.2) ta được:

Mà Ud = U∞(1-α) nên ta có

25 Điều này có nghĩa là vận tốc vào rotor và vận tốc ở xa vô cùng phía sau rotor đều giảm đi 1 lượng 𝑎 𝑈 ∞

Thay vào biểu thức ta có :

Công suất truyền cho rotor chính là công giãn nở của dòng khí

Hệ số công suất của rotor là tỷ lệ giữa công suất truyền cho rotor và động năng của dòng khí qua diện tích quét của rotor trong một đơn vị thời gian.

Thay vào trên ta có :

3.1.3 Số Betz giới hạn Đạo hàm biểu thức (3.8) theo 𝑎 ta có:

Hình 3.2: số giới hạn Betz

Hiệu suất tối đa của rotor, được gọi là hệ số công suất tối đa, là nội dung chính của định luật Betz do nhà vật lý Albert Betz phát hiện vào năm 1926 Tất cả các loại turbine đều không thể đạt được hệ số công suất lớn nhất này, cho thấy sự hạn chế trong thiết kế và hiệu suất của chúng.

26 thiết kế mà là dòng chảy của không khí vào tuabin bị thu hẹp đi so với dòng chảy tự do qua bề mặt rotor

Và điều này đã được chứng minh trong thực tế Các tubin gió hiện đại ngày nay đều có hiệu suất chỉ đạt 30-45%

Năng lượng gió là nguồn năng lượng phát sinh từ chuyển động của không khí trong một khoảng thời gian nhất định Theo định luật Bezt, được phát triển bởi nhà vật lý người Đức Albert Bezt, năng lượng gió không thể chuyển hóa hoàn toàn thành một dạng năng lượng khác Động năng E của một khối lượng không khí m chuyển động với tốc độ v có thể được tính toán dựa trên các yếu tố này.

E Động năng của năng lượng gió (Nm) m Khối lượng không khí (kg) v Tốc độ gió (m/s)

Thể tích của không khí chuyển động qua một mặt phẳng A trong một đơn vị thời gian là:

Khối lượng không khí chuyển động còn phụ thuộc vào mật độ không khí trong thời gian t là: m = ρ.V.t = v At (3.18)

Công suất gió đi qua mặt phẳng A là:

27 ρ mật độ không khí (𝜌=1,225 kg/m 3 )

Diện tích quét của cánh quạt, được đo bằng mét vuông (m²), có hình dạng khác nhau tùy thuộc vào loại tua-bin gió Đối với tua-bin gió trục ngang (HAWT), diện tích quét hình tròn, trong khi đó, tua-bin gió trục đứng (VAWT) có diện tích quét hình chữ nhật.

Công suất gió thực tế mà tuabin gió thu được:

Hệ số công suất 𝐶𝑝, hay còn gọi là giới hạn Betz, cho biết khả năng của tuabin trong việc chuyển đổi động năng của gió thành năng lượng cơ khí, với giá trị lý tưởng là 0.59 Các máy phát điện hiện nay chỉ đạt công suất khoảng 30 - 45% Nguyên nhân là khi năng lượng được lấy ra từ gió, vận tốc gió sẽ giảm, và do khối lượng dòng chảy không khí không đổi, luồng gió ra sau tuabin phải mở rộng diện tích mặt cắt ngang Điều này lý giải tại sao không thể biến hoàn toàn năng lượng gió thành năng lượng quay qua tuabin gió, dẫn đến luồng không khí phía sau tuabin phải đứng yên.

Hình 3.3: Năng lượng gió qua tuabin

Hiệu suất của cả hệ thống máy phát điện gió

Hình 3.4: Sơ đồ Công suất tuabin gió

P t là công suất sau khi qua bộ truyền động với hiệu suất bộ truyền là  m

P e là công suất đầu ra của máy phát điện với hiệu suất máy phát là  g

3.1.5 Tỉ số tốc độ đầu cánh (TSR)

Tỉ số tốc độ gió đầu cánh (tip speed ratio) là tỉ số giữa tốc độ vòng quay tại đầu cánh quạt và tốc độ của gió top R v v v

 là tỉ số tốc độ gió đầu cánh vtop tốc độ quay tại đầu cánh quạt (m/s) v tốc độ gió (m/s)

 vận tốc góc của rotor (rad/s)

Tỉ số tốc độ gió đầu cánh (3.22) là yếu tố then chốt trong thiết kế tuabin gió, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất hoạt động của rotor Khi tuabin quay với tốc độ tối ưu, hiệu suất thu năng lượng cao nhất được đảm bảo Ngược lại, nếu tuabin quay quá chậm, gió sẽ dễ dàng thoát qua khe hở giữa các cánh, dẫn đến việc giảm năng lượng thu được Trong khi đó, nếu tốc độ quay quá nhanh, các cánh sẽ tạo thành một bức tường chắn gió, cũng làm giảm khả năng khai thác năng lượng từ gió.

Vậy vấn đề đặt gia là turbine phải được thiết kế sao cho luôn vận hành với một  tối ưu để thu được năng lượng nhiều nhất

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

- Thời gian gió xáo động khi qua cánh trở về bình thường tw

- Thời gian cần thiết để cánh quạt quay với vận tốc ω đến vị trí trước đó ts

Với rotor có n cánh, thì chu kỳ để cánh di chuyển đến vị trí trước đó là:

Nếu độ dài của luồng gió động từ trước tới sau cánh quạt là At, thì thời gian để gió trở về bình thường là: t w t A

Hiệu suất đạt cực đại khi tw ≈ ts

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

 opt tỉ số tốc độ gió đầu cánh tối ưu

 opt vận tốc quay tối ưu của rotor n số cánh

At độ dài của luồng gió động từ trước tới sau cánh quạt

Hình 3.5: Mối quan hệ giữa TSR và 𝒄 𝑷

3.1.6 Động lực học cánh tuabin

Là góc giữa dây cung cánh quạt (chord line) và mặt phẳng quay (plane of rotation)

Dây cung cánh là đường thẳng nối từ gờ trước của cánh đến đuôi cánh

Mặt phẳng quay là mặt phẳng vuông góc với trục quay

Góc Pitch của HAWT là góc giữa đường đi của cánh quạt và dây cung cánh quạt

Góc Pitch của VAWT là góc giữa đường vuông góc với chiều chuyển động cánh quạt và dâu cung cánh quạt

TSR (Tỷ số tốc độ rotor) chỉ đạt hiệu suất tối ưu ở một tốc độ gió nhất định; khi tốc độ gió thay đổi, TSR không còn hiệu quả Vì vậy, các nhà sản xuất đã phát triển tuabin gió với khả năng điều chỉnh góc pitch để phù hợp với từng tốc độ gió cụ thể.

Hình 3 6: Góc Pitch (𝜷 ) và góc tới (𝜶) 3.1.6.2 Góc tới 𝜶 (Angle of attack)

Góc giữa dây cung cánh quạt và chiều tác động của luồng khí là một yếu tố quan trọng, phụ thuộc vào tốc độ cánh và tốc độ gió Tốc độ của cánh quạt được xác định từ bán kính r tính từ tâm quay, với vận tốc góc là 𝜔, tạo nên một mối liên hệ chặt chẽ giữa các yếu tố này.

3.1.6.3 Lực tác động lên cánh tuabin gió

Khi rotor tiếp xúc với luồng gió, gió sẽ lưu thông qua cả hai bề mặt trên và dưới của cánh Do bề mặt trên có diện tích lớn hơn bề mặt dưới, gió sẽ di chuyển nhanh hơn ở phần trên.

Theo thuyết Bernoulli, phần cánh nhanh hơn sẽ tạo ra vùng áp suất thấp ở bề mặt trên cánh, trong khi vùng dưới cánh sẽ hình thành vùng áp suất cao.

Hình 3.7: Sự di chuyển của luồng gió khi vào cánh tuabin

Hợp lực F được chia thành 2 thành phần:

- Thành phần song song với V: lực cản F d

F  C SV với C d là hệ số cản (3.27)

- Thành phần vuông góc với V: lực nâng F l

F  C SV với C l là hệ số nâng (3.28)

Hình 3.8: Các thành phần lực tác dụng lên cánh tuabin [8]

Theo hình 3.8 vì Ft và Fd vuông góc với nhau nên:

Gọi M là momen của lực F với hệ số momen C m

Trong đó: l là chiều dài dây cung

Do đó khí động lực học trên mặt cắt hình học có thể biểu diễn bằng lực cản, lực nâng và momen

3.1.7 Động lực học của rotor

3.1.7.1 Lý thuyết phân tố cánh tuabin gió trục ngang

Lực tác dụng lên phân tố cánh phụ thuộc vào kích thước cánh và góc tới, được xác định bởi vận tốc tương đối của gió Thành phần vận tốc dọc theo bán kính cánh được coi là không đáng kể Từ hình dáng phân tố cánh, ta có thể xác định hệ số lực nâng và lực cản.

C C và biến thiên của chúng theo góc tới

Gọi a là hệ số tổn thất vận tốc pháp tuyến của cánh quạt

Xét tuabin gió quay với vận tốc góc và vận tốc gió và V

Tua bin có n cánh, bán kính R, chiều dài dây cung là c, góc đặt cánh 

Cả hai yếu tố c, đều có thể biến thiên theo cánh quạt

Hình 3.9: Gió ở cánh tuabin gió trục ngang

Tại một phân tố cánh r, vận tốc tiếp tuyến của phân tố cánh được xác định là  r, trong khi vận tốc tiếp tuyến của vết là  .r a ' Do đó, vận tốc tiếp tuyến tương đối của dòng khí so với cánh là (1a ' ) r.

Hình 3.10: Tam giác vận tốc gió

Từ tam giác vận tốc cho biết vận tốc tương đối của dòng chảy với phan tố cánh

Góc tới của phân tố cánh.:    

Khi đó lực nâng và lực cản tác dụng lên một phân tố cánh:

Và góc  được xác định:

Góc tới của phân tố cánh    

Lực nâng và lực cản tác dụng lên phân tố cánh:

3.1.7.2 Thuyết động lượng phân tố cánh BEM

Xem như hệ số dòng chảy a, α i là không đổi trên diện tích quét của phân tố Và không có sự tương tác giữa các dòng kề nhau

Thành phần lực tác động lên n phân tố cánh theo chiều trục quay

.cos dF sin W ( cos C sin ) l d 2 l d dF     n c C   dr (3.35)

Thành phần lực tác động lên n phân tố cánh theo phương tiếp tuyến là

.sin dF cos W ( sin C cos ) l d 2 l d dF     n c C   dr (3.36)

Sự thay đổi động lượng theo trục của dòng khí đi qua diện tích quét là:

Sự mất áp suất nguyên nhân do vết quay:

  (3.38) Áp suất này tạo ra một lực tác dụng theo phương trục quay là:

Do đó cân bằng lực theo hương trục quay:

.cos dF sin l d dF     m v p ds (3.40)

Do thành phần p ds  m v nên để tiện cho tính toán ta coi p ds 0

Nên biểu thức trên trở thành:

Sự thay đổi động lượng góc của khí truyền qua diện tích quét của phân tố:

Mà vận tốc gió phía sau chậm hơn so với vận tốc gió phía trước rotor là:

Cân bằng với lực khí động theo phương tiếp tuyến ta được:

sin dF cos 4 (1 ) ' l d dF     V  a  a r r dr

3.1.7.3 Năng suất vận hành của một phần tử cánh

Cơ sở lý thuyết dòng chảy

3.2.1 Trạng thái chuyển động của chất lưu

Trong thực tế, chất lỏng có hai trạng thái chảy khác nhau, mỗi trạng thái ảnh hưởng đến cấu trúc dòng chảy, phân bố lưu tốc, phân bố ứng suất tiếp và tổn thất năng lượng theo những quy luật riêng biệt.

Hình 3.12: Thí nghiệm Rây-nôn

Qua thí nghiệm Rây-nôn cho ta thấy hai trạng thái chảy khác nhau

Trạng thái chảy trong đó các phần tử chất lỏng chuyển động vô trật tự, xáo trộn vào nhau gọi là trạng thái chảy rối

Thí nghiệm mô tả ở trên là thí nghiệm về sự chuyển biến từ trạng thái chảy tầng sang trạng thái chảy rối

Trạng thái chảy quá độ từ rối sang tầng hoặc từ tầng sang rối gọi là trạng thái chảy phân giới

Lưu tốc ứng với dòng chảy chuyển từ trạng thái tầng sang trạng thái rối gọi là lưu tốc phân giới trên Ký hiệu là vKtren

Lưu tốc ứng với dòng chảy chuyển từ trạng thái rối sang trạng thái tầng gọi là lưu tốc phân giới dưới Ký hiệu là vKduoi

Qua thí nghiệm thấy: vKtren > vKduoi Lưu tốc phân giới không những phụ thuộc vào loại chất lỏng mà còn phụ thuộc vào đường kính ống làm thí nghiệm

3.2.1.1 Tiêu chuẩn phân biệt hai trạng thái dòng chảy

Dựa vào kết quả nhiều thí nghiệm, Rây-nôn đã dùng một đại lượng không thứ nguyên để đặc trưng cho trạng thái chảy, đó là số Rây-nôn

Trong đó: v _ hệ số động học nhớt d _ đường kính ống

Số Rây-nôn có thể coi là tỷ số giữa lực quán tính và lực ma sát nhớt

Trị số Rây-nôn (Re) là một chỉ số quan trọng xác định sự chuyển đổi giữa dòng chảy tầng và dòng chảy rối Trạng thái phân giới này được gọi là trị số Rây-nôn phân giới (ReK) ứng với vKtren Số Rây-nôn phân giới giúp hiểu rõ hơn về các đặc điểm dòng chảy trong các hệ thống chất lỏng.

  (3.54) Ứng với vKduoi , ta có số Rây-nôn phân giới dưới:

Trạng thái chảy ứng với số Rây-nôn Re < ReKduoi bao giờ cũng là chảy tầng Trạng thái chảy có Re > ReKtren bao giờ cũng là chảy rối

Trạng thái chảy có ReKduoi < Re < ReKtren có thể là chảy tầng hoặc là chảy rối, nhưng thường là chảy rối

Qua nhiều thí nghiệm, ReKtren cho thấy trị số không xác định, dao động từ 12,000 đến 50,000 Ngược lại, ReKduoi có trị số không đổi là 2,320, áp dụng cho mọi loại chất lỏng và các đường kính khác nhau.

Do đó ReKduoi được dùng làm tiêu chuẩn để phân biệt trạng thái chảy Ta có thể coi rằng:

Khi Re < 2320 sẽ có trạng thái chảy tầng

Khi Re > 2320 sẽ có trạng thái chảy rối Ðối với kênh dẫn, ta dùng bán kính thủy lực R thay cho đường kính d trong công thức:

Khi ReR < 580 thì trạng thái chảy tầng sẽ xảy ra

Khi ReR > 580 thì trạng thái sẽ là chảy rối Tuyệt đại đa số dòng chảy trong ống, kênh, sông là chảy rối

3.2.1.2 Ảnh hưởng trạng thái chảy đối với quy luật tổn thất cột nước

Trạng thái chảy đóng vai trò quan trọng trong quy luật tổn thất cột nước Khi tốc độ chảy tăng, sự xáo trộn của các phần tử chất lỏng cũng gia tăng, dẫn đến việc chuyển động của chất lỏng gặp nhiều trở lực hơn Do đó, trong dòng chảy rối, tổn thất năng lượng cao hơn so với dòng chảy tầng, và mức tổn thất này càng tăng khi tốc độ chảy lớn hơn.

3.2.2.1 Công thức tổng quát Dacxi

Nghiên cứu thí nghiệm về dòng chảy rối trong ống tròn với đường kính d, độ nhám tuyệt đối của thành rắn, và lưu tốc trung bình v cho thấy rằng ứng suất tiếp tại thành rắn không phụ thuộc vào các yếu tố này Điều này có nghĩa là ứng suất tiếp không phải là hàm số của những biến số độc lập như khối lượng đơn vị và hệ số nhớt của chất lỏng.

Bán kính thủy lực đối với ống tròn

Thông qua biến đổi ta có công thức Dacxi

Hệ số ma sát không thứ nguyên được xác định chủ yếu thông qua thí nghiệm Đối với mặt cắt ướt không hình tròn, công thức Ðacxy cần thay bán kính thủy lực vào đường kính, với công thức d = 4R.

Hai công thức trên là tổng quát tính tổn thất cột nước dọc đường cho dòng chảy đều, dùng cho cả dòng chảy tầng lẫn dòng chảy rối

Khi suy diễn công thức Ðacxy, gọi   4R , vậy:

Như vậy hệ số ma sát dọc đường Ðacxy của dòng chảy rối phụ thuộc vào số

Re và độ nhám tuyệt đối

Mục đích của thí nghiệm Nicuratsơ là xác định quy luật biến thiên của độ nhám trong các ống có đường kính khác nhau Nicuratsơ đã sử dụng sơn không thấm nước để bôi vào bên trong các ống, sau đó đổ cát có độ thô xác định vào ống Cát bám vào thành ống với đường kính trung bình của hạt cát là Δ và bán kính ống là ro, từ đó tính toán được độ nhám tương đối r0.

 , và độ nhám tuyệt đối  Những ống này dùng để thí nghiệm đo tổn thất dọc đường

Nicuratsơ đã ghi lại những kết quả thí nghiệm trên một biểu đồ có trục hoành độ là lgRe, trục tung độ là lg100 

Tổn thất cột nước đặc biệt lớn xảy ra ở những khu vực có sự thay đổi đột ngột về phương hướng dòng chảy và hình dạng mặt cắt ướt, như tại các khúc uốn cong, nơi mở rộng hoặc thu hẹp, và có chướng ngại vật Các tổn thất này được gọi là tổn thất cục bộ, và sức cản tương ứng được gọi là sức cản hình dạng Để tính toán tổn thất cột nước cục bộ, người ta giả định rằng nó tập trung vào một mặt cắt điển hình trong đoạn dài có các đặc trưng của sự tổn thất này Công thức Vétsbatsơ được sử dụng để xác định tổn thất cục bộ.

Hệ số tổn thất cục bộ thường được xác định qua thí nghiệm và chủ yếu liên quan đến dòng chảy rối trong khu vực sức cản bình phương Điều này cho thấy rằng hệ số tổn thất cục bộ không phụ thuộc vào số Reynolds (Re), mà chỉ phụ thuộc vào hình dạng của khu vực có tổn thất.

3.2.3.1 Mất năng do thay đổi tiết diện chảy

Theo công thức Booc-đa:

Biến dổi công thức trên ta được:

Ghi chú: Nếu dòng chảy từ trong ống vào bể chứa, thì ta có thể xem   

Do dó:  C 1 v1, là vận tốc và diện tích mặt cắt nhỏ v2,  là vận tốc và diện tích mặt cắt lớn

Ghi chú: Nếu dòng chảy từ bể chứa vào ống, thì ta có thể xem  

Nếu miệng vào ống ta có các trường hợp:

3.2.3.2 Mất năng do thay đổi hướng chảy

- Uốn đột ngột thành góc

- Uốn đột ngột thành góc αᵒ

Hình 3.13: Thay đổi đột ngột góc 90ᵒ

Trong đó: r 0 là bán kính ống

R là bán kính cong trục ống r 0

Nếu  90 o : bảng trên có thể dùng được bằng cách nhân  C với 0

Cơ sở lý thuyết hầm gió

3.3.1 Phương trình liên tục Ðối với một ống dòng đã cho, tích của vận tốc chảy của chất lưu lý tưởng với tiết diện thẳng của ống tại mọi nơi là một đại lượng không đổi

Hình 3.14: Phương trình liên tục của dòng lưu chất

Phương trình liên tục của dòng lưu chất:

V1 Vận tốc của lưu chất tại tiết diện S1, m/s

V2 Vận tốc của lưu chất tại tiết diện S2, m/s

S1 Diện tích mặt cắt ngang tại tiết diện S1, m

Tại tiết diện S2, diện tích mặt cắt ngang có vai trò quan trọng trong việc xác định vận tốc của chất lưu Khi chất lưu chảy qua ống có tiết diện không đồng nhất, vận tốc sẽ tăng lên ở những khu vực có tiết diện nhỏ và giảm xuống ở những khu vực có tiết diện lớn.

Hầm gió là một ống dẫn giúp lưu thông luồng gió tự nhiên, với vận tốc dòng chảy và tiết diện không đổi Cấu trúc này cho phép tập trung luồng gió, từ đó gia tăng sức gió để quay cánh tuabin nhanh hơn, tạo ra công suất phát điện lớn hơn.

Tuân theo nguyên tắc của phương trình liên tục, kết cầu hầm gió được xác định với biên dạng là hình nón cụt

Hầm gió có kết cấu cơ bản với đường kính lớn giúp thu hút luồng không khí vào, trong khi cạnh bên của hầm gió tăng tốc độ gió trước khi tác động vào cánh tuabin gió Đầu hầm gió với đường kính nhỏ là nơi có tốc độ gió cao nhất, do đó cánh tuabin gió sẽ được đặt ở vị trí này để tối ưu hóa hiệu suất.

Hình 3.16: Vị trí đặt cánh tuabin gió

Hầm gió được thiết kế để hoạt động hiệu quả ngay cả với tốc độ gió thấp khoảng 2,2 m/s, mang lại lượng điện ổn định Với thiết kế khí động học, giếng dẫn gió có khả năng tăng tốc độ gió trước khi tiếp xúc với cánh quạt tuabin, cho phép tuabin sản xuất điện gấp nhiều lần so với các tuabin gió thông thường Nghiên cứu và xác định các thông số kỹ thuật của hầm gió cho máy phát điện gió trục ngang công suất nhỏ là rất cần thiết, đặc biệt cho nhu cầu sinh hoạt của hộ gia đình ở những khu vực có tốc độ gió thấp và xa khu dân cư.

3.3.3 Kết cấu cơ bản của hầm gió

Hầm gió là cấu trúc thiết yếu giúp thu hút luồng không khí, từ đó tăng cường sức gió để làm cho cánh tuabin quay nhanh hơn.

Hình 3.17: Kết cấu cơ bản của hầm gió

D1 Đường kính lớn (đầu vào)

Đường kính nhỏ D2 ảnh hưởng đến tốc độ gió đầu ra, trong khi chiều dài đường kính lớn giúp ổn định tốc độ gió đầu vào Chiều dài đường kính nhỏ không chỉ ổn định tốc độ gió đầu ra mà còn tạo ra không gian cố định cho tuabin gió.

2α Góc đầu thu của hầm gió (góc thu hẹp): kết nối đường kính lớn và đường kính nhỏ của hầm gió nhằm tăng tốc độ gió

Công thức tính toán: đường kính hầm gió tại vị trí đặt cánh tuabin

D Đường kính của tuabin gió

D2 Đường kính nhỏ của hầm gió

Ảnh hưởng của hầm gió đến tốc độ gió

4.1.1 Chọn loại tuabin sử dụng thí nghiệm

Hệ thống thiết bị thí nghiệm gió của De Lorenzo Group sử dụng tuabin gió với các thông số kỹ thuật được trình bày trong bảng 4.1 Tuabin này cũng được áp dụng cho các thí nghiệm liên quan đến hiệu ứng hầm gió.

Bảng 4 1: Các thông số của tuabin

- Tốc độ gió tuabin hoạt động 4,5 m/s

- Loại tuabin 6 cánh, gió ngang

4.1.2 Xác định hầm gió thí nghiệm

Các thông số kỹ thuật của hầm gió cần thiết kế được xác định như sau:

- Tốc độ gió đầu vào: V1 = 2,5 m/s

- Tốc độ gió tại đáy nhỏ đạt được: V2 > 4,5 m/s

Kích thước cánh tuabin được xác định là D = 500 mm, và để thuận tiện cho việc lắp ghép cũng như tránh va chạm khi cánh tuabin hoạt động ở vận tốc cao, kích thước đầu ra của hầm gió được chọn là D2 = 660 mm Hầm gió sẽ được kết nối với thiết bị thí nghiệm điện gió công nghiệp có đường kính ống dẫn gió là D2 = 660 mm Do đó, đường kính đầu vào của hầm gió D1 cần được chọn sao cho D1 > D2 = 660 mm Để đạt được tốc độ gió tối thiểu là 4,5 m/s (tốc độ cần thiết để tuabin bắt đầu hoạt động), đáy lớn của hầm gió cũng cần được thiết kế phù hợp dựa trên phương trình liên tục.

Đường kính đáy lớn được tính toán là D1 = 885 mm Để đảm bảo an toàn trong quá trình hoạt động và loại trừ sai số, cần lưu ý hệ số an toàn K, được chọn là 1,05.

D1 = K.D1 = 1,05.886 = 930,3 (mm) Qui chuẩn, ta chọn D1 = 940 mm

Để tối ưu hóa luồng gió trong hầm gió và thuận tiện cho việc lắp đặt tuabin gió, chúng tôi đã thiết kế hầm gió với hai ống dẫn ở đáy nhằm ổn định lưu lượng gió trước khi vào và ra khỏi tuabin Cụ thể, đáy nhỏ được ghép thêm ống dẫn dài 700 mm, trong khi đáy lớn có ống dẫn dài 800 mm a) Thiết kế b) Mô hình thí nghiệm.

Hình 4.1: Thiết kế và chế tạo hầm gió thí nghiệm

Hầm gió đã được chế tạo với biên dạng đa giác, thay thế cho biên dạng tròn, nhằm phù hợp với đầu ra của thiết bị thí nghiệm điện gió công nghiệp [28].

4.1.3 Mô phỏng hầm gió thí nghiệm

Tiến hành mô phỏng trên phần mềm ANSYS với các thông số thiết kế và chế tạo của hầm gió (hình 4.1), ta có các thông số đầu vào sau:

Bảng 4 2: Thông số đầu vào

Thông số Giá trị Đường kính đầu vào, D1 (mm) 940

49 Đường kính đầu ra, D2 (mm) 660

Tốc độ gió đầu vào V1 (m/s) 2,5 -12 Áp suất đầu vào (Pascal) 101325

Khi tốc độ gió ở đáy lớn của hầm gió thay đổi, tốc độ gió tại đáy nhỏ sẽ tăng từ 2 đến 2,1 lần so với ban đầu Hình 4.2 cho thấy tốc độ gió đầu vào tại đáy lớn được biểu thị bằng màu xanh lam Khi luồng gió đi vào hầm gió và qua thành nghiêng 45˚, tốc độ gió sẽ tăng lên, được thể hiện bằng màu cam Một số vị trí bên trong đáy nhỏ có thể đạt tốc độ cao nhất, được biểu thị bằng màu đỏ Các ví dụ về tốc độ gió là: a) V1 = 2,5 m/s, V2 = 5 m/s; b) V1 = 2,8 m/s, V2 = 5,6 m/s; c) V1 = 3,3 m/s, V2 = 6,7 m/s; d) V1 = 4 m/s, V2 = 8 m/s; e) V1 = 4,5 m/s, V2 = 9 m/s; f) V1 = 12 m/s, V2 = 23 m/s.

Hình 4.2: Mô phỏng xác định tốc độ gió ở đáy nhỏ hầm gió

Dựa trên kết cấu thiết kế và kết quả mô phỏng, hầm gió chế tạo có khả năng tiếp nhận luồng gió với tốc độ V2 = 2,5 m/s, và sau khi đi qua, tốc độ gió đạt V1 = 5 m/s Điều này cho thấy, với thông số kỹ thuật của tuabin, tốc độ gió đạt yêu cầu hoạt động của tuabin là V1 = 4,5 m/s.

Tuabin gió 6 cánh trục ngang, P = 40 W, D = 500 mm [28] a) b)

Hình 4.3: Hệ thống ống, tuabin gió 6 cánh trục ngang

Hầm gió thí nghiệm được chế tạo với các thông số chính: D1 = 940 mm, L2 800 mm, D2 = 660 mm, L1 = 700 mm (hình 4.1)

Thiết bị đo sử dụng là thiết bị của công ty DELORENZO (Italia)

Thiết bị đo tốc độ gió và máy đo cường độ dòng điện, tốc độ gió và hiệu điện thế được thể hiện ở hình 4.4

51 a) Thiết bị đo tốc độ gió b) Máy đo cường độ dòng điện và hiệu điện thế

Hình 4.4: Thiết bị đo tốc độ gió và cường độ dòng điện

Cụm thiết bị biến tần và động cơ tạo gió có khả năng cung cấp luồng gió với các tốc độ khác nhau Biến tần được sử dụng để điều khiển động cơ, trong khi động cơ tạo gió đảm bảo hiệu suất tối ưu trong việc tạo ra luồng không khí.

Hình 4.5: Biến tần điều khiển và động cơ tạo luồng gió

4.1.4.3 Các bước tiến hành thí nghiệm

Bước đầu tiên là lắp đặt thiết bị đo tốc độ gió có đường kính 940 mm tại đáy lớn Sau đó, điều chỉnh biến tần để thay đổi giá trị từ 0 đến 50, nhằm kiểm soát động cơ tạo gió, từ đó tạo ra dòng khí với tốc độ biến đổi từ 0 đến 3,3 m/s Các dữ liệu như hiệu điện thế, cường độ dòng điện và tốc độ gió sẽ được ghi lại tự động.

Hình 4.6: Thiết bị đo được đặt tại đáy lớn

Bước 2: Di chuyển thiết bị đo tốc độ gió xuống vị trí đáy nhỏ với đường kính 660 mm, sau đó điều chỉnh động cơ để thay đổi tốc độ gió và ghi lại các thông tin đo được như ở bước 1.

Hình 4.7: Thiết bị đo được đặt tại đáy nhỏ

Bước 3: So sánh tốc độ gió, cường độ dòng điện và hiệu điện thế tại hai vị trí lắp đặt thiết bị đo tốc độ gió, sau đó đối chiếu với số liệu mô phỏng để đánh giá độ chính xác.

Thí nghiệm được thực hiện bằng cách điều chỉnh biến tần với giá trị từ 0 đến 50, nhằm tạo ra gió có tốc độ thay đổi từ 0 đến 3,3 m/s cho hầm gió, kết quả được ghi nhận trong bảng số liệu (bảng 4.3).

Bảng 4 3: Bảng số liệu tốc độ gió đầu vào, đầu ra

Giá trị đặt trên biến tần

Tốc độ gió đầu vào V1

Tốc độ gió đầu ra V2

Hình ảnh thí nghiệm đo tốc độ gió tại đáy hầm gió (hình 4.8) a) V2 = 9 km/h, V1 = 16 km/h => V2 = 2,5 m/s, V1 = 4,44 m/s b) V2 = 12 km/h, V1 = 22 km/h => V2 = 3,3 m/s, V1 = 6,1 m/s

Hình 4.8: Thí nghiệm tốc độ gió ở đáy nhỏ hầm gió

So sánh số liệu thu được từ thực nghiệm và mô phỏng

Bảng 4 4: Các giá trị thu được từ mô phỏng và thực nghiệm

STT Giá trị thí nghiệm Giá trị mô phỏng

Giá trị thực của đầu ra thường thấp hơn so với kết quả mô phỏng, nguyên nhân chủ yếu là do ma sát giữa gió và thành hầm gió, sự chuyển đổi từ đường tròn sang đa giác để thuận tiện cho quá trình gia công lắp ráp, cùng với hiệu suất của quá trình thí nghiệm.

Dựa vào bảng số liệu 7, chúng ta có thể kết luận rằng các giá trị thực nghiệm có độ chính xác tương đối cao so với các giá trị mô phỏng Điều này cho thấy hầm gió hoàn toàn có thể được áp dụng trong thực tiễn cho máy phát điện gió trục ngang có công suất nhỏ.

Kết quả nghiên cứu, mô phỏng và thực nghiệm chỉ ra rằng: Hầm gió có khả năng giúp tăng tốc độ gió.

Ảnh hưởng của biên dạng đầu vào

Dựa trên số liệu đã tính toán, chúng tôi tiến hành mô phỏng hầm gió bằng phần mềm ANSYS với biên dạng đầu ra không đổi, cụ thể là biên dạng tròn với đường kính xác định.

660 mm) và biên dạng đầu vào thay đổi vuông , lục giác, bát giác, đa giác 12 cạnh, tròn ( có tiết diện đầu vào không đổi (693626 mm 2 ) (bảng 4.5)

Bảng 4 5: Thông số mô phỏng biên dạng đầu vào

Biên dạng đầu vào Vuông Lục giác Bát giác Đa giác đều

Tiết diện đầu vào 693626 mm 2 Độ dài các cạnh

55 Đường kính ngoại tiếp (mm) 588,88 516,7 495,19 480,26 470

Bảng 4 6: Bảng số liệu mô phỏng biên dạng đầu vào

Vuông Lục giác Bát giác a)V1=2,5m/s,V2= 6,09m/s b) V1=2,5 m/s, V2 =6,48 m/s c)V1=2,5m/s, V2=6,61m/s Đa giác 12 cạnh Tròn d)V1=2,5m/s, V2 =6,7m/s e) V1=2,5m/s, V2=6,79m/s

Hình 4.9: Biểu đồ đánh giá ảnh hưởng của biên dạng đầu vào đến tốc độ gió

- Tốc độ gió ở đầu ra đạt lớn nhất ứng với biên dạng dầu vào là tròn (6,79 m/s)

Tốc độ gió tối thiểu ở đầu ra đạt 6,09 m/s khi biên dạng đầu vào là hình vuông Kết quả mô phỏng cho thấy, biên dạng đầu vào có tiết diện tròn mang lại hiệu suất cao nhất.

Thiết kế kết cấu hầm gió

4.3.1 Thông số thiết kế hệ thống

- Tuabin sử dụng bắt đầu hoạt động ở tốc độ gió 4,5 m/s

- Công suất tuabin tối đa 300W

- Tốc độ gió đầu vào khoảng 2,5 m/s

- Hầm gió nhận gió vào với tiết diện có đường kính 1350 mm và gió ra có tiết diện là đường kính 860 mm

- Góc đầu thu giữa đường kính lớn và nhỏ là α

Hình 4.10: Thông số cơ bản của hầm gió

Trong đó, tuabin gió trục ngang được chọn trước

Đề tài này tập trung vào việc tính toán để xác định biên dạng và kích thước của hầm gió nhằm đạt hiệu suất tối ưu Do đó, việc lựa chọn loại tuabin gió là bước đầu tiên trong quá trình thiết kế và xác định kết cấu của hầm gió.

Chúng tôi lựa chọn tuabin gió của Gudcraft với các thông số kỹ thuật được trình bày trong bảng 4.7 Đây là loại tuabin được áp dụng cho các thí nghiệm nghiên cứu hiệu ứng hầm gió.

Bảng 4 7: Các thông số tuabin gió Gudcraft Đường kính tuabin 820 mm

Tốc độ gió tuabin hoạt động 4,5 m/s

Loại tuabin 6 cánh, gió ngang Đây là loại tuabin 6 cánh gió ngang có khả năng sản sinh công suất tối đa là 300W

Hình 4.11: Tuabin gió WG300-24V - 300W - 6 4.3.2 Xác định kết cấu hầm gió

4.3.2.1 Xác định đường kính ngoại tiếp

Các thông số kỹ thuật của hầm gió cần thiết kế được xác định như sau:

- Tốc độ gió đầu vào: V1 = 2,5 m/s

- Tốc độ gió tại đáy nhỏ đạt được: V2  4,5 m/s

Kích thước cánh tuabin được xác định là D = 820 mm Để thuận tiện cho việc lắp đặt và giữ chặt cánh tuabin, đường kính ngoại tiếp đầu ra của hầm gió được chọn là D2 = 860 mm.

Để đảm bảo tốc độ gió đạt ≥ 4,5 m/s tại đáy nhỏ, cần lựa chọn đáy lớn của hầm gió phù hợp Tốc độ này là điều kiện cần thiết để tuabin hoạt động hiệu quả Việc tính toán đường kính đáy lớn được thực hiện theo phương trình liên tục.

Hệ số an toàn K khi chọn đường kính lớn D1: K1,1 1,5 Chọn K1,15 Khi đó đường kính lớn D1 sẽ là: D 1 1,15.1154 1327

Qui chuẩn ta chon: D 1 1350 Đường kính đáy lớn được xác định qua tính toán là D1= 1350

4.3.2.2 Xác định góc đầu thu

Gió có mật độ không cao, vì vậy việc thay đổi góc độ đầu thu với tần số 1 hoặc 2 độ không ảnh hưởng nhiều đến kết quả mô phỏng Do đó, chúng ta quyết định chọn góc độ đầu thu thay đổi với tần số 5 độ để đảm bảo tính chính xác hơn trong các kết quả.

Tiến hành mô phỏng trên phần mềm ANSYS các góc độ thay đổi từ 85; 90; 95…125ᵒ (bảng 4.8; 4.9)

Bảng 4 8: Thông số mô phỏng biên dạng góc đầu thu

Biên dạng đầu vào Góc đầu thu Đường kính lớn Đường kính nhỏ Tròn 85; 90;95;…;120;125ᵒ D1 = 1350 D2 = 860

Bảng 4 9: Bảng số liệu mô phỏng góc đầu thu

Lớn nhất 9.31 Lớn nhất 9.83 Lớn nhất 9.72 Đầu ra 7.41 Đầu ra 7.89 Đầu ra 7.79

Lớn nhất 9.54 Lớn nhất 9.11 Lớn nhất 8.77 Đầu ra 7.63 Đầu ra 8.20 Đầu ra 8.33

Lớn nhất 9 Lớn nhất 9.63 Lớn nhất 9.5 Đầu ra 8.56 Đầu ra 8.67 Đầu ra 8.56

Bảng 4 10: Bảng tóm tắt tốc độ gió thu được

Góc độ đầu thu Vận tốc lớn nhất thu được Vận tốc tại đầu ra

Vận tốc lớn nhất trong hầm gió đạt được tại vị trí giao nhau giữa góc đầu thu và đường kính nhỏ Gió được tập trung vào góc nghiêng, giúp gia tăng tốc độ, và khi ra khỏi góc nghiêng, gió sẽ đạt tốc độ cao nhất.

Vận tốc đầu ra là khu vực mà tốc độ gió ảnh hưởng đến hoạt động của tuabin Tại đây, sự hòa trộn giữa gió có tốc độ cao và thấp tạo ra một môi trường gió ổn định, giúp tuabin hoạt động hiệu quả hơn.

Hình 4 12: Biểu đồ so sánh ảnh hưởng của góc độ đầu thu tới tốc độ gió

Dựa trên dữ liệu từ mô phỏng, khi tốc độ gió đầu vào là 2.5 m/s và góc đầu thu 2α0ᵒ, tốc độ gió tại vị trí rotor đạt 8.67 m/s Vì vậy, góc đầu thu tối ưu cho hầm gió được chọn là 120ᵒ.

Tập trung luồng gió để tăng tốc độ gió có thể tạo ra dòng chảy rối trong hầm gió khi chuyển từ đường kính lớn sang nhỏ, ảnh hưởng đến tính chất chuyển động và giảm năng suất.

Theo nghiên cứu về thủy động lực học của Euler và Navier-Stokes, số Reynolds là một đại lượng quan trọng thể hiện mối quan hệ giữa lực nhớt và các yếu tố khác Khi kích thước của vật tiếp xúc với chất lỏng hoặc khí rất nhỏ, số Reynolds sẽ không đáng kể ngay cả khi độ nhớt không lớn, dẫn đến việc lực ma sát trở nên áp đảo Ngược lại, khi kích thước và vận tốc của vật lớn, ảnh hưởng của lực nhớt sẽ giảm đi.

Re >> 1 và ngay cả độ nhớt lớn cũng không ảnh hưởng tới tính chất của chuyển động