Trong báo cáo này tác giả tập trung đi vào việc phân tích các thông số hai tầng cánh như: Số cánh Z, đường kính mỗi tầng cánh, tỉ tốc đầu mút cánh λ, biên dạng profile cánh tới hệ số công suất Cp. Từ đó, đưa ra một bộ thông số tối ưu cho tuabin gió chong chóng kép phù hợp với vận tốc gió thấp tại Việt Nam.
HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) Nghiên cứu ảnh hưởng thông số hai tầng cánh đến hệ số cơng suất tuabin gió trục ngang chong chóng kép Đồn Kim Bình 1, *, Bùi Minh Hồng 2, Nguyễn Văn Tuệ 3, Nguyễn Sơn Tùng Khoa Cơ - Điện, Trường Đại học Mỏ - Địa Chất, Việt Nam, doankimbinh@humg.edu.vn; Khoa Cơ - Điện, Trường Đại học Mỏ - Địa Chất, Việt Nam, buiminhhoang@humg.edu.vn; Khoa Cơ - Điện, Trường Đại học Mỏ - Địa Chất, Việt Nam, nguyenvantue@humg.edu.vn; Khoa Cơ - Điện, Trường Đại học Mỏ - Địa Chất, Việt Nam, nguyensontung@humg.edu.vn; THÔNG TIN BÀI BÁO TĨM TẮT Q trình: Nhận 17/6/2021 Chấp nhận 18/8/2021 Đăng online 20/12/2021 Trong báo cáo tác giả tập trung vào việc phân tích thơng số hai tầng cánh như: số cánh Z, đường kính tầng cánh, tỉ tốc đầu mút cánh λ, biên dạng profile cánh … tới hệ số công suất Cp Từ đó, đưa thơng số tối ưu cho tuabin gió chong chóng kép phù hợp với vận tốc gió thấp Việt Nam Từ khóa: wind turbine double blade © 2021 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tất quyền bảo đảm Mở đầu profile cánh máy bay cánh tua bin thiết bị máy cánh khác Một yêu cầu quan profile cánh đơn vị chiều dài cánh lượng tổn thất lượng nhỏ Nhìn chung cánh tua bin gió có độ võng khơng lớn hay nói cánh khác nhỏ nhiều so với cánh tua bin Cánh tua bin gió có yêu cầu thay đổi tâm áp có mơ men xoay cánh nhỏ, đơi cánh có bố trí phần bán kính nhỏ profile có bụng vồng phía ngồi Ngồi thơng số profile cánh thơng số hệ số λ, số cánh Z, góc α profile ảnh hưởng đến hệ số Cp Xác định ảnh hưởng thông số hai tầng cánh đến hệ số công suất Cp Hệ thống cánh phận quan trọng tổ máy phát điện tuabin gió, có nhiệm vụ biến đổi lượng dịng khí thành trục quay để quay máy phát điện Trong hệ thống cánh, profile thơng số hình học quan trọng việc trao đổi lượng cánh với dịng chất khí Trong q trình tính tốn thiết kế cánh bánh tua bin động gió nói riêng máy cánh dẫn nói chung việc lựa chọn thiết kế profile phù hợp góp phần tạo ro to gió có hiệu suất cao Đối với tua bin gió có cơng suất nhỏ, thường chọn profile cho chiều dài cánh nhằm đơn giản cho việc xâu cánh chế tạo bề mặt làm việc cánh Đối với tua bin gió cơng suất lớn dọc theo chiều dài cánh kết tiếp nhiều profile khác để có sở ưu tiên bán kính lớn nơi ưu tiên khả tạo mơ men quay tác động lên trục Ở bán kính nhỏ ưu tiên cho độ bền cánh Một khí cạnh profile cánh tua bin gió có đặc trưng riêng thường dầy 2.1 Công thức hệ số cơng suất Cp Xét tua bin có cánh quay với vận tốc góc Ω vận tốc dịng khí U∞ , có Z cánh, bán kính R chiều dài dây cung c Góc đặt cánh β Cả hai thông số c β thay đổi biến thiên theo bán kính cánh quạt 41 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) Lực tác dụng lên phân tố cánh phụ thuộc hai yếu tố thay đổi kích thước cánh góc nhờ xác định vận tốc tương cánh Thành phần vận tốc chuyển động dọc theo bán kính cánh roto coi không đáng kể dT = Z.PN.dr (𝟒) dM = r.Z.PT.dr (𝟓) Từ (5) ta có dM=Z.r.(0,5.ρ.c.CL.V2.sinφ 0,5.ρ.c.CD.V2.cosφ)dr Công suất tuabin : P = M.Ω – (𝟔) (𝟕) Từ (1) (7) ta có cơng thức tính CP Hình Lực vận tốc tương đối CP = Ta có cơng thức tính cơng suất: D P = CP v td mf (𝟏) 2.2 Sự ảnh hưởng tỉ tốc đầu mút cánh λ đến hệ số công suất Cp Tỷ tốc đầu mút cánh thiết kế (λ): λ chọn phụ thuộc yêu cầu moment khởi động máy cơng tác Nếu tuabin gió phối hợp tải với máy phát cần phải chọn λ cao phối hợp tải với bơm piston có moment khởi động cao λ phải thấp Hệ số moment khởi động rotor tăng nhanh với giảm λ Ngồi việc chọn hệ số λ cịn phụ thuộc vào vận tốc gió Ở nước ta vận tốc gió thấp nên chon hệ số λ thấp mô men khởi động thấp phù hợp với vận tốc gió, chọn λ cao cần phải vận tốc gió lớn để khởi động khơng phù hợp với vận tốc gió nước ta 2.3 Sự ảnh hưởng số cánh Z đến hệ số công suất Cp Hình Lực tác dụng lên cánh PT = L.sinφ – D.conφ (𝟖) Trong đó: dT - Lực phân tố pháp tuyến (N); dN - Lực phân tố tiếp tuyến (N) ; Z - Số cánh tua bin; CL - Hệ số lực nâng; CD - Hệ số lực cản; c - Chiều dài dây cung cánh (m); V- Hiệu suất máy phát; M Mô men tác dụng lên cánh tuabinh gió (N.m); Ω Vận tốc góc cánh (rad/s); Trong đó: P - Cơng suất tuabinh gió (w); Cp - Hệ số công suất; ρ - khối lượng riêng không khí (kg/m3); D - Đường kính cánh tuabin (m); v - Vận tốc gió (m/s); ηtd - Hiệu suất thủy động; ηmf - Hiệu suất máy phát; Mặt khác xét lực tiếp tuyến PN lực pháp tuyến PT tác dụng lên cánh hình ta có: PN = L.cosφ + D.sinφ 8.M . D v td mf Số cánh Z: khơng có quy định xác để tính tốn số cánh Z Thơng thường Z giảm λ tăng.Ta chọn số cánh sở sau: Khi Z tăng, mát đầu mút cánh giảm Cp tăng với tăng Z Tuy nhiên, khác biệt lớn rotor tầng cánh cánh tầng cánh, số cánh thường cánh , cịn lớn cánh bỏ qua (𝟐) (𝟑) Trong đó: PN- Lực tiếp tuyến (N); PT- Lực pháp tuyến (N); L - Lực nâng (N); D - Lực cản (N); φ - Góc tới (độ); Xét lực phân tố dT mơ men phân tố dM tác dụng lên cánh tuabin ta có: 42 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) Nếu Z nhỏ cung cánh lớn, số Reynold cục lớn Giá trị cực tiểu CD/CL thấp cánh khí động có số Reynold cao, Cp cao Có nghĩa Cp tăng theo tăng cung cánh Để cho cánh chịu moment xoắn moment uốn chống lại rung động, không ổn định mặt khí động cung cánh khơng nên q nhỏ so với chiều dài cánh Với rotor quay chậm thường có nhiều cánh Nếu dùng cánh cung cánh lớn điều kết hợp với khoảng cách yêu cầu rotor cột dẫn đến moment lớn lực bên rotor quanh tâm cột Điều gây nên tình trạng khơng ổn định hệ thống an toàn Đối với tuabin chong chóng kép Việt Nam ta chọn số cánh hai tầng cánh Z = Hình Profile cánh Với profill NACA số: Định nghĩa với số tự nhiên Số thứ độ vồng lớn so với 1/100 dây cung Số thứ hai độ vồng lớn so với 1/10 dây cung Hai số cuối độ dày lớn tính theo phần trăm dây cung Ở ta chọn profill NACA 4412 để nghiên cứu tính tốn cho cánh tua bin profile Naca 4412 2.4 Sự ảnh hưởng đường kính D đến đến hệ số cơng suất Cp Đối với tua bin gió chong chóng kép, có hai tầng cánh vận tốc cánh sau bị cản suy yếu so với tầng cánh trước, để cơng suất théo cơng thức (1) đường kính cánh sau thường lớn cánh trước Áp dụng luật tương tự, công suất cho hai tầng cánh phân chia sau: P1 = 0,6.P (8) P2 = 0,4.P Trong đó: P1 - Cơng suất tầng cánh trước tuabinh gió (w);P2 - Cơng suất tầng cánh sau tuabinh gió (w); tạo lực nâng tốt có tâm áp gần tâm khí động đảm bảo độ ổn định Ta thực chạy mô trường vận tốc V = (m/s) đưa đồ thị thể phụ thuộc thông số profile cánh hai tầng cánh sau: 2.5 Sự ảnh hưởng biên dạng profile chiều dài dây cung cánh đến đến hệ số công suất Cp Chọn profile : việc chọn profile ta sử dụng profile NACA để nghiên cứu đặc tính khí động học có nhiều giá trị thuận lợi số Re, góc tấn, chiều dài dây cung, hệ số lực nâng lực đẩy, tỉ lệ trượt, hệ số áp suất Hình Đồ thị phụ thuộc Cl vào góc Naca 4412 43 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) Hình Đồ thị phụ thuộc Cl Cd vào góc Naca 4412 2.6 Bộ thơng số tối ưu tuabin chong chóng kéo phù hợp với vận tốc gió Việt Nam Hình Đồ thị phụ thuộc Cd vào góc Naca 4412 Dựa vào phân tích ta chọn thơng số trước tính tốn : Chọn cấu hình tuabin gió trục ngang chong chóng kép Về cấu hình ta chọn Loại tuabin gió có cánh trước lớn cánh sau có ưu điểm tận dụng tối đa cơng suất cánh có đường kính lớn Nhưng có nhược điêm cánh sau nhỏ nhận cơng suất (nhỏ lần so với công cánh trước ) Loại tuabin gió có cánh trước nhỏ cánh sau có ưu điểm với cơng suất thiết kế, loại tuabin đáp ứng đủ công suất có số vịng quay lớn máy phát nhỏ gọn so với loại tuabin có cánh trước lớn cánh sau nhiều Số cánh hai tầng cánh Z = Profill cánh chọn profile Naca 4412 Góc profill α = 40 Tỉ tốc đầu mút cánh λ = Vận tốc gió thay đổi từ 5-8 (m/s) phù hợp với tốc độ gió Việt Nam Từ ta thu kết sau: Hình Đồ thị phụ thuộc k = Cl / Cd vào góc Naca 4412 Khi góc α = 40 Đây góc tối ưu cần đặt cánh Khi góc α thay đổi theo cơng thức (2), (3) thông số khác thay đổi dẫn đến công thức (8) thay đổi Hệ số Cp thay đổi 44 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) Bảng Kết thông số cánh trước λ 10 Cp 0.0327 0.1603 0.2637 0.4135 0.2135 0.2097 0.2209 0.1746 λ 10 Cp 0.0327 0.1603 0.2637 0.4135 0.2135 0.2097 0.2209 0.1746 V = (m/s) n 7.165605 9.55414 11.94268 14.33121 16.71975 19.10828 21.49682 23.88535 V = (m/s) n 10.03185 13.3758 16.71975 20.06369 23.40764 26.75159 30.09554 33.43949 Bảng Kết thông só cá nh trước V = (m/s) λ Cp n 0.0048 7.165605 0.0908 9.55414 0.2011 11.94268 0.2705 14.33121 0.4061 16.71975 0.1762 19.10828 0.1678 21.49682 10 0.1479 23.88535 V = (m/s) λ Cp n 0.0048 10.03185 0.0908 13.3758 0.2011 16.71975 0.2705 20.06369 0.4061 23.40764 0.1762 26.75159 0.1678 30.09554 10 0.1479 33.43949 P 827.2435 4058.766 6676.672 10468.37 5405.398 5309.319 5591.319 4419.722 Cp 0.0327 0.1603 0.2637 0.3418 0.2135 0.2097 0.2209 0.1746 P 2269.956 11137.25 18320.79 28725.2 14832.41 14568.77 15342.58 12127.72 Cp 0.0327 0.1603 0.2637 0.4135 0.2135 0.2097 0.2209 0.1746 P 121.78 2298.746 5090.961 6847.635 10279.73 4460.573 4249.169 3745.17 Cp 0.0048 0.0908 0.2011 0.2705 0.4061 0.1762 0.1678 0.1479 P 334.1644 6307.76 13969.6 18789.91 28207.59 12239.81 11659.72 10276.75 Cp 0.0048 0.0908 0.2011 0.2705 0.4061 0.1762 0.1678 0.1479 45 V = (m/s) n 8.598726 11.46497 14.33121 17.19745 20.06369 22.92994 25.79618 28.66242 V = (m/s) n 11.46497 15.28662 19.10828 22.92994 26.75159 30.57325 34.3949 38.21656 V = (m/s) n 8.598726 11.46497 14.33121 17.19745 20.06369 22.92994 25.79618 28.66242 V = (m/s) n 11.46497 15.28662 19.10828 22.92994 26.75159 30.57325 34.3949 38.21656 P 1429.477 7013.548 11537.29 14954.4 9340.527 9174.504 9661.799 7637.279 P 3388.389 16624.71 27347.65 42878.43 22140.51 21746.97 22902.04 18103.18 P 210.4359 3972.233 8797.181 11832.71 17763.38 7707.87 7342.565 6471.653 P 498.8111 9415.665 20852.58 28047.91 42105.79 18270.51 17404.6 15340.21 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) Từ ta thu đồ thị đặc tính CP cánh trước sau: Kết luận Nội dung báo tác giả tập trung vào việc phân tích thơng số hai tầng cánh như: số cánh Z, đường kính tầng cánh, tỉ tốc đầu mút cánh λ, biên dạng profile cánh … tới hệ số công suất Cp Từ đó, đưa thơng số tối ưu cho tuabin gió chong chóng kép phù hợp với vận tốc gió thấp Việt Nam Tài liệu tham khảo Nghiên cứu, thiết kế chế tạo phát điện sức gió có cơng suất từ 10 đến 30 KW phù hợp với điều kiện Viêt Nam, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước mã số KC.06.20.CN, GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang, nghiêm thu 2007 Tiềm phương hướng khai thác dạng lượng tái tạo VIÊT NAM, PGS.TS Nguyễn Xuân Cự, PGS.TS Lưu Đức Hải, Ts Trần Thanh Lâm, TS Trần Văn Quy, Bộ kế hoạch đầu tư, 2009 Cơ sở lượng lượng tái tạo, Đặng Đình Thống, Lê Danh Liên, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Quí III năm 2008 Aerodynamic optimization of a Small-Scalle wind turbine blade for low windspeed conditions, Nicoltte Arnalda Cencenlli, 2008 Development of a New Generation of Design Tools for Horizontal Axis Wind Turbines, Vontisina S.G, NTUA, Final Raport J002CT92-0113, Athens, 1995 Calculation of the Stationary blad load aerodynamics in VIDYM, Jonhanson, HJalmar, (IN Swedish) TG- raport nr98-15, May 1998 Hình Đường đặc tính Cp – λ tầng cánh trước Đồ thị đặc tính CP cánh sau sau: Hình Đường đặc tính Cp – λ ứng với tầng cánh sau 46 ... 4412 để nghiên cứu tính tốn cho cánh tua bin profile Naca 4412 2.4 Sự ảnh hưởng đường kính D đến đến hệ số cơng suất Cp Đối với tua bin gió chong chóng kép, có hai tầng cánh vận tốc cánh sau... thuộc thông số profile cánh hai tầng cánh sau: 2.5 Sự ảnh hưởng biên dạng profile chiều dài dây cung cánh đến đến hệ số công suất Cp Chọn profile : việc chọn profile ta sử dụng profile NACA để nghiên. .. hợp với vận tốc gió, chọn λ cao cần phải vận tốc gió lớn để khởi động khơng phù hợp với vận tốc gió nước ta 2.3 Sự ảnh hưởng số cánh Z đến hệ số công suất Cp Hình Lực tác dụng lên cánh PT = L.sinφ