BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ MÔ HÌNH TURBINE GIÓ TRỤC ĐỨNG CÔNG SUẤT NHỎ PHÙ HỢP CHO NHIỀU LOẠI CÁNH Ngành KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ Giảng viên hướng dẫn TS BÙI MINH DƯƠNG Sinh viên thực hiện MSSV Lớp Nguyễn Minh Hiếu 1711020289 17DDCA2 Nguyễn Văn Thảo 1711020387 17DDCA2 Vũ Nguyễn Bảo Vương 1711020488 17DDCA2 TP Hồ Chí Minh, 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ MÔ HÌNH TURBINE GIÓ TRỤC ĐỨNG CÔNG SUẤT.
Tính cấp thiết của đề tài
Trước nguy cơ cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch, Chính phủ Việt Nam đang thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng gió Mặc dù có nhiều chính sách ưu đãi, năng lượng gió vẫn phát triển chậm Trong khi tuabin gió trục ngang (HAWT) được sử dụng phổ biến cho sản xuất điện công nghiệp, chúng không hoạt động hiệu quả trong môi trường đô thị Ngược lại, tuabin gió trục đứng (VAWT) hoạt động tốt trong điều kiện gió thành phố, với thiết kế đơn giản, dễ bảo trì và phù hợp cho các không gian như sân thượng hay nóc nhà Nhóm nghiên cứu đã quyết định phát triển các tuabin gió trục đứng công suất nhỏ, nhằm cung cấp nguồn điện cho sinh hoạt và góp phần vào sự phát triển năng lượng tái tạo.
Tình hình nghiên cứu
Trong năm 2012, tốc độ tăng trưởng điện gió toàn cầu đạt 19.3%, mức tăng thấp nhất trong vòng 10 năm qua Châu Á tiếp tục dẫn đầu trong lĩnh vực này.
Hai khu vực có công suất điện gió mới lắp đặt cao nhất là châu Á (chiếm 36,3% toàn cầu) và Bắc Mỹ (31,3%), tiếp theo là châu Âu (27,5%) Các khu vực khác như Mỹ Latinh, Australia và châu Phi lần lượt chiếm 3,9%, 0,8% và 0,2% WWEA dự đoán rằng công suất điện gió toàn cầu có khả năng đạt 500.000 MW vào năm 2016 và ít nhất 1.000.000 MW vào cuối năm 2020.
Hình a: Tổng công suất lắp đặt điện gió trên thế giới trong giao đoạn 1997 –
Hiện nay, có 100 quốc gia trên thế giới đang khai thác năng lượng điện gió, trong đó 10 quốc gia dẫn đầu về công suất bao gồm Trung Quốc, Mỹ, Đức, Tây Ban Nha, Ấn Độ, Anh, Italia, Pháp và Bồ Đào Nha, chiếm tới 86% tổng công suất điện gió toàn cầu Việt Nam hiện đứng thứ 59 trong bảng xếp hạng của WWEA về công suất điện gió.
Bảng a: Công suất và tốc độ gia tăng điện gió ở một số nước trên trên thế giới
Quốc gia Tổng công suất năm 2010 (MW)
Tổng công suất năm 2011 (MW)
Tổng công suất năm 2012 (MW)
Công suất gia tăng năm
Tỷ lệ gia tăng năm
Mục đích nghiên cứu
Mục đích của đề tài là thiết kế mô hình turbine gió trục đứng công suất nhỏ, phù hợp với nhiều loại cánh, nhằm tạo ra nguồn điện phục vụ sinh hoạt cho người dân Đề tài sẽ sử dụng nhiều mẫu cánh để so sánh hiệu quả, từ đó lựa chọn loại cánh có kết quả tốt nhất Đồng thời, việc chọn vật liệu nhẹ cũng góp phần tăng khả năng tự khởi động của turbine.
Nhiệm vụ nghiên cứu
- Thiết kế phần cơ khí cánh turbine gió trục đứng dạng hình chữ H (H-rotor)
Chọn mẫu turbine gió trục đứng dạng hình chữ H (H-rotor), vẽ bản vẽ trên AUTOCAD 2018, chuẩn bị vật liệu, thi công mô hình
- Thiết kế phần cơ khí cánh turbine gió trục đứng dạng hình Darrieus
Chọn mẫu turbine gió trục đứng dạng hình Darrieus, vẽ bản vẽ trên AUTOCAD
2018, chuẩn bị vật liệu, thi công mô hình
- Thiết kế phần cơ khí cánh turbine gió trục đứng dạng hình chữ S (S-Savonius)
Chọn mẫu turbine gió trục đứng dạng hình chữ S (S-Savonius)., vẽ bản vẽ trên AUTOCAD 2018, chuẩn bị vật liệu, thi công mô hình
- Thiết kế phần điện cho turbine gió công suất nhỏ
Đo điện áp đầu ra để chọn bộ sạc acquy cho phù hợp
- So sánh các loại cánh turbine gió trục đứng với nhau
So sánh ưu điểm và nhược điểm của từng cánh
- Thu thập kết quả thực nghiệm, phân tích và viết báo cáo
Dùng các thiết bị đo, đo thông số và ghi chép kết quả
Dựa vào số liệu viết báo cáo.
Phương pháp nghiên cứu
- Sử dụng GOOGLE, YOUTUBE để tham khảo các mô hình cánh turbine hiệu quả trên thế giới Từ đó chọn ra cánh turbine để nghiên cứu đề tài
- Sử dụng phần mềm AUTOCAD 2018 để vẽ thiết kế mô hình.
Kết quả đạt được
- Tạo ra được nguồn điện công suất phục vụ sinh hoạt;
- Giúp mọi người nhận ra lợi ích mang lại nguồn năng lượng tái tạo, hiểu rõ được các loại cánh của turbine gió trục đứng
- Đồ án giúp nhóm em biết về các loại cánh của turbine từ đó phát triển nhiều loại cánh khác để có nhiều loại cánh turbine hiệu quả hơn
Nhận thức rõ tầm quan trọng của việc phát triển năng lượng gió và các nguồn năng lượng tái tạo khác là điều cần thiết, đặc biệt khi nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt và ô nhiễm môi trường từ các nhà máy điện chạy bằng than đá ngày càng gia tăng Việc chuyển đổi sang năng lượng tái tạo không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn đảm bảo nguồn cung năng lượng bền vững cho tương lai.
Kết cấu đề tài gồm 6 chương
Chương này giới thiệu đề tài,tổng quan về các turbine, và cơ sở lý thuyết
Chương 2: Tổng quan về giải pháp thiết kế turbine gió trục đứng
Chương này nói về các giải pháp mục tiêu
Chương 3: Phương pháp thay đổi cấu trúc cánh turbine gió trục đứng
Chương này nói về các phương pháp giải quyết vấn đề mô hình gặp phải
Chương 4: Quy trình thiết kế turbine gió trục đứng công suất nhỏ
Chương này trình bày nội dung thiết kế cánh turbine
Chương 5: Lắp đặt turbine gió trục đứng, đo đạc và phân tích kết quả
Chương này trìn bày các bước lắp ráp mô hình và nghiệm thu kết quả
Chương 6: Đánh giá kết quả đạt được và kết luận của đề tài
Chương này rút ra kinh nghiện,kết luận đề tài
Giới thiệu về đề tài
1.1.1 Lý do nhóm chọn đề tài
Khi làm việc với thiết bị điện, việc mất điện có thể gây ra sự khó chịu cho các thành viên trong nhóm Điều này buộc họ phải dừng tất cả các hoạt động và chờ đợi cho đến khi có điện trở lại để tiếp tục công việc.
- Đôi khi bị gia đình nhắc nhở vì việc sài điện nhiều quá dẫn đến tiền điện tăng
- Các turbine gió trục ngang cần một nơi rộng rãi để đón gió Nhưng các thành viên nhóm đều trong thành phố, không có khoảng trống đó
Chính vì thế, các thành viên nhóm chọn đề tài turbine gió trục đứng để làm đề tài nghiên cứu
Đề tài giải quyết các vấn đề của thành viên nhóm như sau
- Có được nguồn điện đủ dùng cho các thiết bị công suất nhỏ
- Góp phần giảm tiền điện gia đình của các thành viên trong nhóm, khi bị cúp điện, có nguồn điện thay thế
Theo thống kê, nguồn năng lượng truyền thống đang dần cạn kiệt trong khi nhu cầu năng lượng toàn cầu ngày càng tăng, dẫn đến sự chú trọng vào phát triển năng lượng sạch và thân thiện với môi trường Điện gió nổi bật như một nguồn năng lượng tiềm năng, với tổng công suất lắp đặt đạt 743 MW vào năm 2020 Sự xuất hiện ngày càng nhiều của các trụ turbine gió và trang trại turbine gió đã trở nên quen thuộc trong bối cảnh này.
Nhóm nghiên cứu đang đóng góp vào sự phát triển của năng lượng sạch thông qua việc thiết kế các loại turbine hiệu quả Sản phẩm của nhóm nổi bật với giá thành hợp lý, dễ lắp đặt và sử dụng linh kiện dễ tìm, đặc biệt phù hợp cho hoạt động trong môi trường đô thị Nguồn điện từ turbine có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị công suất nhỏ Đề tài tập trung vào việc thiết kế ba loại cánh chính: turbine Savonius 3 cánh xoắn ốc, turbine 6 cánh kiểu H-rotor, và turbine Darrieus kết hợp cánh Sarvonius Nhóm dựa trên các mô hình nguyên mẫu có sẵn để phát triển mô hình turbine công suất nhỏ hiệu quả hơn.
Mô hình cải tiến này khắc phục những nhược điểm của các loại cánh nguyên mẫu trước, bao gồm việc tăng khả năng tự khởi động ở tốc độ gió thấp và đảm bảo hoạt động ổn định hơn.
Tổng quan về turbine gió
Vào khoảng 3000 TCN, người Ai Cập đã phát minh ra thuyền buồm bằng cách sử dụng sức gió, và đến thế kỷ IV, cối xoay gió đầu tiên đã được áp dụng để bơm nước và nghiền hạt Mặc dù công nghệ lúc bấy giờ còn hạn chế, sự phát triển của công nghệ đã diễn ra mạnh mẽ qua các thế kỷ, bắt đầu từ Trung Đông và Trung Quốc vào thế kỷ XI trong lĩnh vực nông nghiệp Năm 1300, Hà Lan chế tạo cối xoay gió trục đứng đầu tiên, và đến năm 1888, Charles F Brush phát minh ra cối xay gió lớn đầu tiên tạo ra điện ở Cleveland, Ohio với công suất 12 kW, đánh dấu sự ra đời của turbine gió Từ đó, turbine gió đã trở thành nguồn năng lượng quan trọng trong sản xuất điện, với các mốc đáng chú ý như năm 1941, turbine gió 1.250 kW được xây dựng ở Vermont và năm 1985, công suất điện gió ở California vượt 1.000 MW, đủ cung cấp cho 250.000 hộ gia đình.
8 cầu vượt quá 74.000 MW; năm 2008 công suất lắp đặt năng lượng gió toàn cầu vượt quá 94.000 MW…
Hình 1.1: Bên trái: Paul LaCours, Đan Mạch 1891; Bên phải: Smith-Putnam, Mỹ
1.2.2 Nguyên lý làm việc của cánh turbine và giới thiệu turbine gió trục đứng (VAWT)
1.2.2.1 Nguyên lý làm việc của cánh turbine
Cả hai thiết kế nguyên bản và biến thể của cánh turbine đều tuân theo nguyên tắc khí động học tương tự như cánh máy bay, với hình dạng cánh là yếu tố quan trọng nhất Bề mặt cánh có sự chênh lệch về độ dài, khiến gió chia thành hai luồng: một luồng đi lên và một luồng đi xuống Luồng gió đi lên di chuyển nhanh hơn qua một quãng đường dài hơn, dẫn đến áp suất giảm ở phía trên cánh turbine, trong khi luồng gió phía dưới di chuyển chậm hơn và tạo ra áp suất cao hơn Sự chênh lệch áp suất này giữa hai mặt của cánh tạo ra lực nâng, đẩy cánh turbine từ khu vực áp suất cao sang khu vực áp suất thấp.
Gió chủ yếu thổi theo hướng ngang, khiến các cánh quạt xoay quanh trục thẳng đứng và vị trí tương đối của chúng với gió liên tục thay đổi Sự biến đổi này ảnh hưởng đến tốc độ và góc thổi của gió, từ đó tác động đến hiệu suất của turbine Turbine quay khi có momen dương, được tạo ra bởi lực nâng tác động lên các cánh quạt Khi góc thổi của gió thay đổi, lực nâng cũng có thể tăng hoặc giảm Ngoài ra, gió ngược thổi qua cánh tạo ra luồng gió tuần hoàn hỗn loạn phía sau, gọi là Wake down wind, khi đó gió ngược lấy năng lượng từ luồng gió lần thứ hai Sự tương tác giữa các cánh turbine trong từng phần rất phức tạp và khó phân tích.
1.2.2.2 Giới thiệu turbine gió trục đứng (VAWT)
Hình 1.2: Các loại cánh VAWT
Mỗi loại cánh của tuabin gió trục đứng (VAWT) có cấu tạo và vật liệu riêng, dẫn đến những ưu điểm và nhược điểm khác nhau cho từng loại.
Bảng 1.1: So sánh các loại cánh VAWT
Số thứ tự Tên Cánh quạt Ưu điểm Nhược điểm
+Thiết kế phức tạp +Khó tự khởi động
+Dễ dàng xây dựng +Làm việc tốt trong gió hỗn loạn
Có thể gặp sự cố khi tự khởi động
(Helical) + Ổn định, yên tĩnh
+Thiết kế đơn giản + Dễ dàng tự khởi động
+Làm việc tốt ở tốc độ gió thấp
- Về nguyên tắc làm việc, VAWT có thể được chia thành 2 loại chính: Turbine gió điều khiển kéo và điều khiển nâng
Turbine gió điều khiển kéo, hay còn gọi là turbine Savonius, hoạt động dựa trên lực kéo do gió thổi vào các cánh quạt, khiến rotor quay Loại turbine này được đặt theo tên của kỹ sư Phần Lan Sigurd Johannes Savonius.
Vào năm 1922, nghiên cứu về khí động học chỉ ra rằng khi gió tiếp cận độ cong của cánh quạt, sự chênh lệch lực kéo giữa mặt lõm và mặt lồi của cánh tạo ra lực quay cho rotor Tuy nhiên, do rotor tự cản trở trong quá trình hoạt động, Savonius không thể đạt tốc độ vượt quá tốc độ gió Điều này dẫn đến hiệu suất thấp, là nhược điểm chính mà tất cả các turbine loại Savonius gặp phải trong quá trình phát điện.
Turbine điều khiển nâng, hay còn gọi là turbine gió Darrieus, sử dụng lực nâng khí động học để tạo ra năng lượng Được phát minh bởi kỹ sư Pháp Georges Jean Marie Darrieus vào năm 1926, turbine Darrieus có cánh hình dạng giống cánh máy bay, khác với cánh quạt lớn của turbine Savonius Cấu trúc của turbine Darrieus bao gồm các cánh được uốn cong ở hai đầu và gắn vào trục thẳng đứng, tuy nhiên, khả năng tự khởi động của nó kém hơn so với turbine Savonius.
Cơ sở lý thuyết
1.3.1 Tổng quan về cấu trúc của turbine gió
Nguyên tắc tạo ra năng lượng từ gió khá đơn giản: gió thổi từ nhiều hướng vào turbine, giúp hấp thụ năng lượng cơ học Sau đó, turbine chuyển đổi năng lượng này thành chuyển động quay quanh trục thẳng đứng, và vòng quay này được truyền tới rotor qua hộp số để điều chỉnh tốc độ quay theo yêu cầu.
Rotor tạo ra từ trường quay, và khi từ trường này cắt qua các cuộn dây ở stator, nó sinh ra dòng điện xoay chiều Nếu các cuộn dây được bố trí theo kiểu ba pha, dòng điện đầu ra sẽ là dòng điện xoay chiều ba pha Ngoài ra, có thể thêm một số thành phần bên ngoài để điều chỉnh năng lượng điện khi cần thiết.
Giả sử một vật rắn có khối lượng m (kg) và có vận tốc v (m/s), động năng của vật rắn được tính bằng: Động năng = 1
Năng lượng trên một đơn vị thời gian (W) được xác định bởi công thức liên quan đến khối không khí chuyển động với vận tốc v (m/s) qua khu vực A (m²) Công thức này có thể được biểu diễn dưới dạng 2𝑚𝑣² (J), cho thấy mối quan hệ giữa năng lượng và vận tốc của khối không khí.
𝑇𝑖𝑚𝑒 ).𝑣 2 (W) Nếu A là diện tích quét của gió, tốc độ dòng chảy khối lượng m (kg/s) được hiển thị như sau: m = 𝑑𝑚
Do đó, công suất của gió được tạo ra bằng cách kết hợp hai phương trình trên:
𝜌: Mật độ không khí (kg/𝑚 3 )
A: Diện tích quét của gió (𝑚 2 ) v: vận tốc gió (m/s)
Lưu ý: Công suất gió tỷ lệ thuận với tốc độ gió và diện tích quét của rotor turbine
13 Đối với rotor Savonius trục đứng, diện tích quét được tính theo công thức:
D: Đường kính cánh quạt (m) d: Bán kính lưỡi cắt (m) e: Khoảng cách chồng chéo (m)
Hình 1.3: Thông số turbine Savonius 1.3.3 Hệ số công suất
Hệ số công suất 𝐶 𝑝 là tỷ lệ của công suất trích từ gió với công suất khả dụng trong gió
Mômen xoắn được định nghĩa là lực tác động tiếp tuyến lên cánh quạt, hoạt động ở khoảng cách bán kính rotor (d) từ tâm:
I: là moment quán tính của rotor
𝛼: là gia tốc góc của rotor
Tổng moment quán tính của turbine gió Savonius bằng:
𝐼 𝑏 : moment quán tính của 2 hoặc 3 cánh quạt (kg/𝑚 2 )
𝐼 𝑝 : moment quán tính của tấm cuối (kg /𝑚 2 )
𝐼 𝑠 : Moment quán tính của trục (kg/𝑚 2 )
𝜔 2 : Tốc độ góc cuối cùng (1/s)
𝜔 1 : Tốc độ góc ban đầu (1/s)
Hình 1.4: Mômen quán tính của các phần turbine
1.3.4 Định luật và công suất cơ học của Betz Định luật của Betz, được đặt theo tên nhà vật lý người Đức, Albert Betz, định luật Betz chỉ ra hiệu suất chuyển đổi cơ năng cực đại từ năng lượng gió không phụ thuộc vào thiết kế của turbine gió trong điều kiện gió thổi tự do Công suất điện đầu ra của gió (𝑃 𝑜𝑢𝑡 ) được tính bằng tích của tổng công suất gió thổi vào tuabin ở tốc độ gió cụ thể (𝑃 𝑖𝑛 ) với hệ số công suất turbine gió (𝐶 𝑝 ):
Mặc dù năng lượng gió là một nguồn tái tạo tiềm năng, hiệu quả khai thác từ nó vẫn còn hạn chế Theo nghiên cứu của Albert Betz vào năm 1919, sức mạnh tối đa có thể chiết xuất từ một turbine gió trong điều kiện lý tưởng không bao giờ vượt quá giá trị nhất định Quá trình khai thác năng lượng gió từ tuabin được minh chứng qua mối quan hệ giữa mật độ không khí và công suất.
Khi gió với vận tốc 𝑣 𝑢 tiếp cận turbine, một phần động năng của nó được chuyển hóa bởi các turbine gió Sau khi đi qua turbine, gió rời đi với vận tốc 𝑣 𝑑 và có áp suất thấp hơn, dẫn đến việc gió mở rộng dần khi quá trình này kết thúc.
Tỷ lệ giữa vận tốc gió trước và sau cánh quạt không thể bằng 0 hoặc 1, vì nếu vậy sẽ không có gió phía sau tuabin hoặc tuabin không bị ảnh hưởng bởi gió Do đó, cần một tỷ lệ lý tưởng giữa hai vận tốc để đạt hiệu quả tối đa Albert Betz đã chỉ ra rằng năng lượng chiết xuất từ gió tương đương với sự chênh lệch động năng giữa vận tốc gió trước và sau cánh quạt, có thể được tính theo công thức nhất định.
𝑚̇: Tốc độ dòng khí lớn bên trong ống
𝑣 𝑢 : Vận tốc gió trước cánh quạt
𝑣 𝑑 : Vận tốc gió sau cánh quạt
Vận tốc tại mặt cắt ngang của turbine được xác định là trung bình của tốc độ gió trước và sau cánh quạt Do đó, khối lượng không khí đi qua khu vực quét có thể được tính toán dựa trên mật độ không khí và tốc độ gió tại vị trí đó.
Từ 2 công thức trên, ta có:
2 ) (𝑣 𝑢 2 − 𝑣 𝑑 2 ) Xác định λ là tỷ lệ của tốc độ gió sau cánh quạt trên tốc độ gió trước cánh và λ = ( 𝑣 𝑑
𝑣 𝑢) Công xuất được trích suất trở thành
Công suất gió ngược và công suất gió trích xuất là hai thuật ngữ quan trọng trong lĩnh vực năng lượng gió Hiệu suất của rotor, ký hiệu là 𝐶𝑝, được định nghĩa là đại lượng trong giá đỡ, thể hiện khả năng chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng cơ học.
2 (1 + λ)(1 − λ 2 ) Để đạt được giá trị tối đa của 𝐶 𝑝 , đạo hàm của 𝐶 𝑝 liên quan đến λ cần phải được đặt thành 0:
Giải phương trình này và nhận giá trị của λ: λ = 𝑣 𝑑
Theo nghiên cứu, hiệu suất tối đa của turbine đạt được khi tỷ lệ tốc độ gió sau cánh quạt trên tốc độ gió trước cánh quạt đạt 1/3 Giá trị này có thể được tính bằng cách thay thế λ vào công thức của hệ số công suất 𝐶 𝑝 Để tối đa hóa sản lượng điện, cần cung cấp gió mạnh hơn và tăng hệ số công suất 𝐶 𝑝 Tuy nhiên, Albert Betz đã chứng minh rằng hệ số công suất tối đa không thể vượt quá 0,593, tương đương 59,3%.
1.3.5 Tỷ lệ tốc độ đầu cánh
Hệ số công suất không phải là giá trị cố định mà thay đổi theo tỷ lệ tốc độ đầu mút của turbine Tỷ lệ này thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ quay của turbine và vận tốc gió, được định nghĩa bởi công thức: λ = tốc độ đầu mút của cánh quạt / vận tốc gió.
Tốc độ đầu mút cánh quạt được xác định dựa vào tốc độ quay của turbine và chiều dài của các cánh quạt Công thức tính toán này giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của turbine.
Trong đó: rpm: Tốc độ cánh quạt, vòng quay mỗi phút d: Đường kính canh quạt (m) v: Tốc độ gió (m/s) của turbine
Các loại turbine gió, số lượng cánh quạt và cấu hình cánh quạt ảnh hưởng đến tỷ lệ tốc độ đầu mút Nếu rotor quay quá nhanh, nó sẽ tạo ra lực kéo lớn và từ chối gió, giống như một đĩa phẳng lớn Ngược lại, nếu rotor quay quá chậm, sẽ có quá nhiều gió đi qua mà không bị xáo trộn, dẫn đến việc không trích xuất được nhiều năng lượng.
Trong khí động học, góc kích được định nghĩa là góc giữa đường kết nối của cánh turbine với gió đến tương đối
Hình 1.5: Góc kích của cánh turbine
Khi gió thổi vào cánh turbine, cánh turbine chịu tác động của hai loại lực chính: lực nâng vuông góc với hướng gió, cần được tối ưu hóa để đạt hiệu quả cao nhất, và lực kéo song song với hướng gió, cần được giảm thiểu Sự kết hợp của hai lực này tạo ra chuyển động quay cho turbine.
Góc kích, ký hiệu là α, có vai trò quan trọng trong việc cân bằng lực nâng và lực kéo, từ đó quyết định hiệu quả hoạt động của turbine Khi góc kích ở mức rất thấp (≤ 5°), cả lực nâng và lực kéo đều ở mức thấp Tuy nhiên, khi góc kích tăng lên khoảng 15°, lực nâng bắt đầu tăng và có thể đạt giá trị cực đại do sự chênh lệch áp lực giữa hai bên cánh turbine dần dần tích tụ.
Các giải pháp thiết kế turbine gió trục đứng
2.1.1 Thay đổi kết cấu nguyên mẫu của turbine
Lựa chọn cánh turbine phù hợp cho nguyên mẫu VAWT nhỏ là một yếu tố thiết kế quan trọng Có ba loại turbine chính: turbine Savonius 3 cánh hình xoắn ốc, turbine 6 cánh kiểu H-rotor, và turbine Darrieus kết hợp 3 cánh Savonius Mỗi loại turbine này mang lại những ưu điểm và nhược điểm riêng, nhưng đều có khả năng tự khởi động tốt, giúp tăng cường hiệu suất hoạt động trong điều kiện gió thay đổi liên tục ở đô thị.
Hình 2.1: Turbine Darrieus kết hợp 3 cánh Sarvonius
2.2.2 Sử dụng các vòng bi vào khớp nối trục turbine gió Để tốc độ gió được tối ưu, việc giảm thiểu mômen khởi động theo yêu cầu là rất cần thiết để xây dựng một VAWT nhỏ bên cạnh khả năng tự khởi động của chính nó Tuy nhiên, có một số lý do cơ bản hạn chế quá trình tự khởi động của một VAWT nhỏ trong thời gian ngắn nhất, cho nên việc sử dụng vòng bi giúp tăng khả năng tự khởi động và để cánh quạt quay với tốc độ tối đa, cũng như tăng khả năng phát điện của turbine gió trục đứng.
Mục tiêu khi thiết kế turbine gió trục đứng
- Tạo ra nguồn điện công suất nhỏ phù hợp với nhiều loại cánh
- Thiết kế nhiều loại cánh và chọn ra loại cánh có khả năng hoạt động tốt nhất
Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế một mô hình turbine gió trục đứng với công suất nhỏ, có khả năng tương thích với nhiều loại cánh quạt khác nhau, nhằm tạo ra nguồn điện với công suất nhỏ.
Thiết kế nhiều mẫu cánh giúp đảm bảo hoạt động ổn định trong vùng có tốc độ gió thay đổi liên tục Qua việc phân tích kết quả từ từng cánh, chúng ta có thể lựa chọn cánh hoạt động hiệu quả nhất.
Thay đổi kết cấu nguyên mẫu của cánh turbine - Tìm hiểu và thử nghiệm
Đối với cánh turbine Sarvonius:
Sau khi nghiên cứu và thử nghiệm nhiều loại cánh turbine như Sarvonius, H-rotor và Darrieus, nhóm phát hiện rằng cánh chữ S của turbine Sarvonius có cấu trúc hình tròn hoặc bầu dục cho khả năng tự khởi động tốt Khi kết hợp loại cánh này với các loại cánh khác có khả năng khởi động kém, tốc độ quay của turbine được cải thiện đáng kể.
Hình 3.1: Cấu hình của 2 cánh dạng hình tròn và hình bầu dục
Đối với cánh turbine H-rotor:
Theo bảng so sánh trong bảng 1.1 và kết quả thực nghiệm, khả năng tự khởi động của hệ thống được ghi nhận là khá thấp, dẫn đến việc có thể gặp phải sự cố trong quá trình khởi động.
Thiết kế cánh dẹp như hình 3.2 có khả năng đón gió thấp, dẫn đến việc giảm khả năng tự khởi động của cánh turbine Tuy nhiên, ưu điểm nổi bật của thiết kế này là khả năng hoạt động ổn định.
Turbine Sarvonius nổi bật với thiết kế cánh hình tròn, giúp tối ưu hóa khả năng đón gió và tự khởi động hiệu quả Nhóm nghiên cứu đã áp dụng ống nước hình tròn tương ứng với cánh turbine để nâng cao hiệu suất hoạt động.
27 turbine Savonius để làm cánh đón gió cho cánh turbine H-rotor như hình 3.2 (hình bên phải)
- Việc thay thế cánh đón gió của cánh turbine H-rotor, thì việc khởi động của turbine được cải thiện đáng kể
Hình 3.2: Hình trái: Nguyên mẫu cánh turbine H-rotor, hình phải: Cánh turbine
H-trotor kết hợp cánh turbine Sarvonius
Đối cới cánh turbine Darrieus:
Cánh turbine Darrieus, mặc dù gặp khó khăn trong việc khởi động giống như cánh turbine Sarvonius, nhưng lại có hiệu suất hoạt động cao hơn Trong khi cánh turbine Sarvonius hoạt động hiệu quả ở tốc độ gió thấp, cánh turbine Darrieus lại hoạt động tốt hơn ở tốc độ gió cao Do đó, việc kết hợp hai loại cánh này không chỉ giúp giải quyết vấn đề khởi động mà còn cải thiện hiệu suất làm việc của turbine Darrieus.
Hình 3.3: Hình trái: Nguyên mẫu cánh turbine Darrieus, hình phải: cánh turbine
Darrieus kết hợp cánh turbine Sarvonius.
Sử dụng các vòng bi vào khớp nối trục turbine
Hình 3.4: Cấu taọ vòng bi
Thành phần giúp cấu tạo của vòng bi bao gồm:
Vòng bi là các bộ phận thiết yếu giúp máy móc hoạt động hiệu quả bằng cách giảm ma sát và tải trọng Cấu trúc của vòng bi khá đơn giản, bao gồm những viên bi (bạc đạn) lăn trên bề mặt kim loại nhẵn Những viên bi này không chỉ có khả năng chịu tải mà còn giúp giảm thiểu sức nặng của tải trọng, từ đó nâng cao hiệu suất làm việc của máy móc.
Đối với mô hình của nhóm
Lực ma sát từ vòng bi tròn, ổ lăn côn và ổ bi trong tuabin gió trục đứng (VAWT) là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng tự khởi động Việc sử dụng dầu mỡ bôi trơn là cần thiết để giảm thiểu lực ma sát giữa các vòng bi và các thành phần bên ngoài Nếu một tuabin gió nhỏ không được trang bị vòng bi phù hợp, nó sẽ không hoạt động hiệu quả và có thể gây hư hỏng cho các vòng bi kết nối giữa cánh tuabin và trục tuabin, trong đó các vòng bi này gắn liền với trục có đường kính 31 mm.
Phần cơ khí
Chương này trình bày những nội dung chính nhằm hoàn thành mục tiêu thiết kế và xây dựng tuabin gió trục đứng (VAWT) công suất nhỏ với nhiều loại cánh khác nhau Mục tiêu tiếp theo là phát triển sản phẩm phù hợp cho những khu vực có tốc độ gió thấp như thành phố và nội ô, với thiết kế nhỏ gọn, dễ lắp đặt, sửa chữa và có giá thành hợp lý.
VAWT sử dụng vật liệu nhẹ như PVC và tấm nhôm, giúp dễ dàng khởi động và thu hút gió hiệu quả Những vật liệu này không chỉ đảm bảo độ bền mà còn có giá thành phải chăng Với hiệu suất hoạt động tốt và chi phí thiết kế thấp, VAWT trở thành lựa chọn phù hợp cho mọi đối tượng.
4.1.2 Các thiết bị của một VAWT
- Một trục - Hai vòng bi
- Bộ nạp acquy - Một turbine
- Các loại khác như, vít, đai ốc và vòng đệm
4.1.3 Thiết kế mẫu cánh trên phần mềm AUTOCAD 2018
Hình 4.1: Phần mềm thiết kế bản vẽ AUTOCAD 2018
Sau khi nghiên cứu các loại cánh nguyên mẫu và phát triển ý tưởng cho cánh turbine, nhóm sẽ tận dụng ưu điểm và cải thiện nhược điểm của các nguyên mẫu ban đầu Các thành viên sẽ thiết kế và mô phỏng các loại cánh bằng phần mềm AUTOCAD 2018, giúp định hình và mô phỏng cánh turbine cho mô hình.
Bảng 4.1: Bản vẽ mặt đứng, trên, cánh hứng gió của 3 loại cánh turbine
T Tên cánh Mặt đứng Mặt trên Cánh gió
Savonius 3 cánh hình xoắn ốc
Trong dự án này, nhóm sẽ xác định loại cánh turbine tối ưu, chú ý đến sự khác biệt về tốc độ gió giữa các khu vực Khu vực đất trống với ít vật cản sẽ có lượng gió lớn hơn, trong khi khu vực đô thị thường gặp nhiều vật cản, dẫn đến gió yếu hơn Vì vậy, cần lựa chọn loại cánh phù hợp với từng khu vực, mỗi loại đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng Nhóm đề xuất ba loại cánh turbine VAWT khả thi, bao gồm: turbine Savonius 3 cánh hình xoắn ốc, turbine 6 cánh kiểu H-rotor và turbine Darrieus kết hợp 3 cánh Savonius Những loại cánh này nổi bật với khả năng khởi động dễ dàng ở tốc độ gió thấp và hoạt động ổn định.
Khi chế tạo cánh tuabin, việc lựa chọn vật liệu là rất quan trọng Có bốn loại vật liệu chính thường được sử dụng, bao gồm tấm nhôm, tấm tôn, ống nhựa và các thanh nối bằng sắt.
Các vật liệu được kết nối bằng ốc vít nhờ vào tính tiện dụng và linh hoạt của chúng Việc sử dụng cánh quạt làm bằng nhôm, tấm tôn và ống nhựa PVC, cùng với các thanh sắt khoan lỗ cho phần canh, có những lý do hợp lý.
Các tấm tôn, nhôm và ống nhựa nhẹ là lựa chọn lý tưởng cho việc chế tạo cánh turbine Việc tối ưu hóa vật liệu cho cánh turbine không chỉ giúp giảm trọng lượng mà còn nâng cao khả năng tự khởi động của thiết bị.
33 động của turbine Ngoài ra, như vậy các loại turbine có khả năng nhận được tốc độ gió khởi động và cắt thấp hơn
Sử dụng các thanh sắt khoan lỗ và ốc vít để liên kết cho phép điều chỉnh cánh turbine, giúp tối ưu hóa khả năng đón luồng gió mạnh nhất Điều này mang lại hiệu quả cao hơn so với việc sử dụng cánh turbine cố định.
- Độ bền vật liệu cao
4.1.4.1 Turbine Savonius 3 cánh hình xoắn ốc
Hình 4.2: Turbine Savonius 3 cánh hình xoắn ốc
- Vật liệu sử dụng là các tấm nhôm nhẹ
- Cánh hứng gió được cắt và uốn thành vòng cung với bán kình 8.7 cm, chiều cao 60 cm
- Hai tấm hình tròn bán kính 30 cm ở phần đáy trên và dưới ngay khớp nối cố định cánh turbine với phần khung
- Cánh và phần đáy trên dưới được khoét lổ để nối các phần với nhau cố định và chắc chắn hơn
Hình 4.3: Turbine 6 cánh kiểu H-rotor
- Vật liệu sử dụng gồm: ống nhựa PVC bán kính 5.5 cm, các thanh sắt nối dài, bản lề góc cố định
Các ống nhựa PVC có trọng lượng nhẹ, kết hợp với các thanh sắt cố định chắc chắn, giúp chịu được lực gió mà không bị cong hay gãy khi gặp gió lớn.
Các ống PVC được cắt đôi với bán kính đồng nhất, sau đó được kết nối bằng vít và bản lề góc cố định Các thanh sắt được gắn liền với bản để tạo sự ổn định và có thể điều chỉnh linh hoạt.
35 chỉnh cánh quay ra hoặc vô, giúp có thể hứng được luồng gió tốt nhất khi cài đặt sử dụng
Để nâng cao hiệu suất so với cánh hứng gió H-rotor, diện tích tiếp xúc với gió đã được cải tiến, dẫn đến tốc độ vòng quay tăng lên và sản lượng điện năng tạo ra cũng tăng đáng kể.
Loại rotor H-6 cánh thu hút gió hiệu quả hơn so với rotor 3 và 4 cánh phổ biến trên thị trường Mặc dù số lượng cánh đã tăng lên, nhưng lực cản gió khi thu gió theo chiều ngược lại vẫn không đáng kể.
4.1.4.3 Turbine Darrieus kết hợp 3 cánh Sarvonius
Hình 4.4: Turbine Darrieus kết hợp 3 cánh Sarvonius
- Đối với cánh Darrieus tôn mỏng cắt thành 2 tấm bề ngang 10cm và bề dài 94cm và cố định bằng bản lề và ốc vít
- Đối với cánh Sarvonius dùng ống nhựa PVC bán kính 20cm, bản lề cố định và thanh sắt nối dài và ốc vít
Các ống nhựa PVC và tôn mỏng có trọng lượng nhẹ, kết hợp với các thanh sắt cố định cánh có khả năng chịu lực gió tốt, giúp tránh tình trạng cong hoặc gãy khi gặp gió lớn.
Các ống nhựa được cắt đôi với bán kính đồng nhất và được cố định bằng bản lề, trong khi phần thanh sắt được kết nối với phần dưới của cánh quạt, giúp tăng cường độ ổn định và ngăn chặn sự rung lắc trong quá trình hoạt động.
Turbine Darrieus có hiệu suất cao và hoạt động ổn định, nhưng gặp khó khăn trong việc khởi động Ngược lại, turbine Savonius dễ khởi động hơn Do đó, việc kết hợp hai loại cánh này không chỉ cải thiện hiệu suất hoạt động mà còn tăng cường khả năng tự khởi động cho hệ thống.
Phần điện
Dự án nhằm sử dụng turbine gió trục thẳng đứng công suất nhỏ để cung cấp điện cho hộ gia đình, vì vậy loại máy phát điện xoay chiều được lựa chọn.
Hình 4.5: Máy phát điện xoay chiều 4.2.1.1 Máy phát điện xoay chiều không đồng bộ
Máy phát điện không đồng bộ, hay còn gọi là máy phát điện cảm ứng, bao gồm cuộn dây dẫn stator và rotor với từ trường quay Điện áp đầu ra của nó có thể là một hoặc ba pha, với dòng điện là AC Trong ngành công nghiệp turbine gió, máy phát điện cảm ứng được ưa chuộng hơn so với máy phát đồng bộ Nguyên lý hoạt động của máy phát điện cảm ứng tương tự như máy phát đồng bộ, với điểm khác biệt là rotor của máy phát điện cảm ứng.
Lồng sóc được cấu tạo từ các thanh đồng hoặc nhôm, với mỗi bên có hai vòng ngắn mạch Bên trong động cơ, lõi sắt được quấn cách nhiệt để tăng hiệu quả hoạt động.
Máy này có khả năng hoạt động như cả động cơ và máy phát điện, tùy thuộc vào tốc độ quay của nó Khi hoạt động ở tốc độ thấp hơn một chút so với tốc độ đồng bộ, nó sẽ hoạt động như một động cơ Ngược lại, khi tốc độ quay vượt qua tốc độ đồng bộ, máy sẽ sản xuất điện xoay chiều tương tự như một máy phát.
4.2.1.2 Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG)
Trong máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu, từ trường được tạo ra từ bộ nam châm vĩnh cửu gắn quanh rotor, mang lại cấu trúc đơn giản và độ bền cao Một ưu điểm nổi bật là số lượng cực không cố định và có thể điều chỉnh linh hoạt để phù hợp với tần số mong muốn Tần số dòng điện đầu ra phụ thuộc vào số lượng cực từ và tốc độ quay của rotor, theo mối quan hệ cụ thể.
N: Tốc độ quay của rotor (rpm) f: Tần số (Hz)
Để đạt được tần số đầu ra mong muốn, chẳng hạn như 50Hz hoặc 60Hz, cần hiểu mối quan hệ giữa số cực và tốc độ quay của rotor, như được trình bày trong bảng 4.2.
Bảng 4.2: Mối liên hệ giữa số cực và tốc độ quay
Tốc độ quay của rôto (rpm)
Tốc độ quay của rotor cần duy trì không đổi để đảm bảo đầu ra tần số ổn định ở các giá trị như 60Hz, 3600, 1800, 900, 600, 300, và 200 Mặc dù ở những khu vực có điều kiện gió ổn định, vấn đề này có thể không nghiêm trọng, nhưng trong thực tế, tốc độ gió thường xuyên thay đổi, dẫn đến việc công thức trở nên kém hiệu quả nếu không có các giải pháp hỗ trợ.
4.2.2 Bộ nạp acquy Điện áp từ turbine gió cần qua bộ nạp để sạc vào acquy tích trữ điện mà điện áp ngõ ra của máy phát là điện áp AC nên cần bộ nạp chuyển từ điện áp AC sang DC vì điện áp vào của acquy là DC
Hình 4.6: Bộ điều khiển sạc máy phát điện gió 12V/24V, 300W/600W
Tên: Bộ điều khiển sạc không thấm nước 12V/24V 300W/600W của máy phát điện gió Mẫu: B26386
Chất liệu: Hợp kim nhôm Ứng dụng: Bộ điều khiển quang điện gió
Pin điện áp danh định: DC/24V
Công suất định mức của turbine gió: 300W/600W
Khóa điện áp của tuabin gió: 15V/30V Điện áp phục hồi trượt (Giá trị cài đặt tại nhà máy): 13.5V/27V
Nhiệt độ làm việc và phạm vi độ ẩm: -35 ~ +75℃
Kích thước: khoảng 76mm × 102mm × 23mm
Cấp độ bảo vệ: IP67
4.2.3.1 Đồng Hồ Kim Sanwa YX-360Tre
Hình 4.7: Đồng Hồ Kim Sanwa YX-360Tre
4.2.3.2 Máy đo tốc độ kỹ thuật số bằng laser không tiếp xúc RPM DT-2234C+
Hình 4.8: Máy đo tốc độ kỹ thuật số bằng laser không tiếp xúc RPM DT-2234C+
Phạm vi: 2.5 đến 99.999 RPM Độ phân giải: 0.1 RPM (từ 2.5 đến 999.9 RPM) 1 RPM (hơn 1.000 RPM) Độ chính xác: + / – (0,05% +1 digit)
Khỏang cách đo: 50 đến 500 mm / 2 đến 20 inch
4.2.3.3 Máy đo tốc độ gió Anemimeter
Hình 4.9: Máy đo tốc độ gió Anemimeter
- Phạm vi: 0 – 30 m/S, 0 – 90 km/h, 0 – 5860 ft/phút, 0 – 65 mph, 0 – 55 knots
- Độ phân giải: 0.1 mét/giây, 0.3 km/h, 19ft/phút, 0.2mph, 0.2 hải lý
- Ngưỡng: 0.1 mét/giây, 0.3 km/h, 39 ft/phút, 0.2 mph, 0.1 hải lý
Giới thiệu
Sau khi hoàn thiện thiết kế mô hình ở chương 4 và chuẩn bị các vật liệu cần thiết, các thành viên tiến hành lắp ráp để tạo ra mô hình hoàn chỉnh Sau khi hoàn tất, mô hình sẽ được thử nghiệm và sử dụng các thiết bị đo để kiểm tra và nghiệm thu kết quả đạt được Quy trình này bao gồm hai phần chính.
- Thi công lắp đặt mô hình
- Đo đạc và phân tích kết quả.
Thi công, lắp ráp mô hình
- Để quá trình đo cho kết quả chính sác thì các bước đo cần phải chú ý các thiết bị có chuẩn và các cánh quạt có trục trặc không
- Dựa vào bản vẽ trên bảng 2.1, lắp ráp 3 loại cánh từ các vật liệu chuẩn bị từ trước
- Đây là quá trình lắp ráp và đo thông số loại cánh Turbine 6 cánh kiểu H-rotor
Bước 1: Cắt và cố dịnh bản lề vào ống Qúa trình này cần dộ chính sác, các cánh cần cố định tốt để hướng được luồng gió
Hình 5.1: Cắt ống nhựa PVC và bắt cố định bản lề bằng ốc vít
Bước 2: Lắp đặt turbine vào trục và bôi mỡ cho các vòng bi để đảm bảo hoạt động mượt mà Việc bôi trơn các vòng bi rất quan trọng, vì nếu chúng khô sẽ ảnh hưởng đến tốc độ vòng quay, làm giảm khả năng sinh ra điện của turbine Cuối cùng, hãy cố định các khớp nối bằng ốc vít để đảm bảo sự ổn định trong quá trình vận hành.
Hình 5.2: Lắp đặt turbine với trục
Bước 3: Tiến hành lắp đặt cánh quạt vào các lỗ đã được khoan trên bề mặt turbine Khoảng cách giữa các cánh quạt được tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo phân bố đồng đều, giúp tối ưu hóa khả năng hứng gió và ảnh hưởng tích cực đến tốc độ quay của turbine.
Hình 5.3: Lắp các cánh hứng gió vào turbine
Bước 4: Lắp đặt bộ sạc điện gió SF-12-24-A từ nguồn diện tạo ra từ turbine vào ắc quy để trữ điện.
Nghiệm thu kết quả
Sau quá trình lắp ráp, chạy thử nghiệm mô hình để nghiệm thu kết quả Có 4 bước:
Sau khi hoàn tất lắp ráp, bước đầu tiên là cài đặt tốc độ gió giả lập để mô phỏng chạy thử cánh turbine và đánh giá kết quả Nhóm nghiên cứu sử dụng máy đo tốc độ gió Anemimeter để đo chính xác nguồn gió giả lập từ cánh quạt, với tốc độ gió trung bình dao động từ 3.4 m/s đến 5 m/s.
Hình 5.5: Dùng máy đo tốc độ gió Anemimeter đo tốc độ gió
Khi cánh turbine quay dưới tốc độ gió giả lập từ quạt máy, chúng ta sử dụng máy đo tốc độ hình ảnh kỹ thuật số bằng laser không tiếp xúc RPM DT-2234C+ để thực hiện phép đo Kết quả đo sẽ được ghi chép vào cuốn sách thu hoạch để so sánh với các loại cánh khác.
Hình 5.6: Dùng máy đo tốc độ RPM DT-2234C+ đo số vòng quay
Bước 3: Sau 2 bước trên nhóm em dùng Đồng Hồ Kim Sanwa YX-360Tre để đo điện áp ra từ bộ sạc vào ắc quy
Hình 5.7: Dùng đồng Hồ Kim Sanwa để đo điện áp ra từ bộ sạc vào ắc quy
Bước 4: Ghi chép kết quả nghiệm thu được, các thông số (vận tốc gió, tốc độ vòng quay, điện áp)
Bảng 5.1: Bảng đo đạc kết quả của mô hình
Tốc độ vòng quay (Vòng/Phút) Điện áp (V)
5.3.2 Kết quả đo và phân tích thảo luận
5.3.2.1 Tốc độ gió và số vòng quay của turbine gió
5.3.2.1.1 Turbine Savonius 3 cánh hình xoắn ốc
Bảng 5.2: Bảng tốc độ vòng quay (vòng/phút) của các lần đo của turbine Savonius 3 cánh hình xoắn ốc
STT Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 4 Trung bình sấp sỉ
- Sau 4 lần đo sai số giữa các lần đo không nhiều (±5 vòng/phút)
Tốc độ vòng quay của cánh quạt không chỉ bị ảnh hưởng bởi vận tốc gió từ chính cánh quạt mà còn chịu tác động từ nguồn gió bên ngoài, điều này có thể dẫn đến sai số trong quá trình hoạt động.
- Số đo trung bình được tính theo công thức 𝑇𝑟𝑢𝑛𝑔 𝑏ì𝑛ℎ = ( 𝐿ầ𝑛 1+𝑙ầ𝑛 2+𝑙ầ𝑛 3+𝑙ầ𝑛 4)
Bảng 5.3: Bảng đo vận tốc gió và tốc độ vòng quay của turbine Savonius 3 cánh hình xoắn ốc
STT Vận tốc gió (m/s) Tốc độ vòng quay(vòng/phút)
Biểu Đồ Kết Quả Đo
Hình 5.8: Biểu đồ vận tốc gió và tốc độ vòng quay của turbine Savonius 3 cánh hình xoắn ốc
Turbine Savonius 3 cánh hình xoắn ốc có hệ số chồng chéo giữa các cánh là 𝑒 = 6.5 cm (0.065 m) Với tốc độ gió 5 m/s, turbine này có thể đạt 140 vòng/phút Ở tốc độ gió thấp hơn, cụ thể là 3.4 m/s từ quạt máy, tốc độ quay của turbine giảm xuống còn 75 vòng/phút.
- Trung bình mỗi lần vận tốc gió khoảng 0.5 m/s thì tốc độ vòng quay tăng từ 5 đến
Tốc độ vòng quay (Vòng/phút) Tốc độ vòng quay (Vòng/Phút)
Bảng Kết Quả Đo Bảng 5.4: Bảng tốc độ vòng quay (v/p) các lần đo của turbine 6 cánh kiểu H-rotor
STT Lần 1 Lần 2 Lần3 Lân4 Trung bình sấp sỉ
- Sau 4 lần đo sai số giữa các lần đo không nhiều (±5 vòng/phút)
Tốc độ quay của cánh quạt không chỉ bị ảnh hưởng bởi vận tốc gió từ chính nó, mà còn chịu tác động từ nguồn gió bên ngoài, điều này dẫn đến sự thay đổi trong tốc độ vòng quay và gây ra sai số.
- Số đo trung bình được tính theo công thức 𝑇𝑟𝑢𝑛𝑔 𝑏ì𝑛ℎ = ( 𝐿ầ𝑛 1+𝑙ầ𝑛 2+𝑙ầ𝑛 3+𝑙ầ𝑛 4)
Bảng 5.5: Bảng đo vận tốc gió và tốc độ vòng quay của turbine 6 cánh kiểu H
STT Vận tốc gió(m/s) Tốc độ vòng quay(vòng/phút)
Biểu Đồ Kết Quả Đo
Hình 5.9: Biểu đồ vận tốc gió và tốc độ vòng quay của turbine 6 cánh kiểu H-rotor
- Đây là turbine 6 cánh kiểu H-rotor với hệ số chồng chéo giữa các cánh là
Tốc độ vòng quay của quạt đạt 109 vòng/phút khi vận tốc gió là 5 m/s, với bán kính 𝑒 = 2.5 cm (0.025 m) Trong điều kiện gió từ quạt máy với vận tốc gió thấp 3.4 m/s, tốc độ vòng quay giảm xuống còn 69 vòng/phút.
- Trung bình mỗi lần vận tốc gió khoảng 0.5 m/s thì tốc độ vòng quay tăng từ 9 đến 13 vòng/phút
Tốc độ vòng quay (Vòng/phút) Tốc độ vòng quay (vòng/phút)
5.3.2.1.3 Turbine Darrieus kết hợp 3 cánh Sarvonius
Bảng 5.6: Bảng tốc độ vòng quay (vòng/phút) các lần đo của turbine Darrieus kết hợp
STT Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 4 Trung bình sấp sỉ
- Sau 4 lần đo sai số giữa các lần đo không nhiều (±5 vòng/phút)
Tốc độ vòng quay của cánh quạt không chỉ phụ thuộc vào vận tốc gió từ chính nó mà còn bị ảnh hưởng bởi nguồn gió bên ngoài, điều này có thể dẫn đến sự thay đổi và sai số trong quá trình hoạt động.
- Số đo trung bình được tính theo công thức 𝑇𝑟𝑢𝑛𝑔 𝑏ì𝑛ℎ = ( 𝐿ầ𝑛 1+𝑙ầ𝑛 2+𝑙ầ𝑛 3+𝑙ầ𝑛 4)
Bảng 5.7: Bảng đo vận tốc gió và tốc độ vòng quay của turbine Darrieus kết hợp 3 cánh Sarvonius
STT Vận tốc gió(m/s) Tốc độ vòng quay(vòng/phút)
Biểu Đồ Kết Quả Đo
Hình 5.10: Biểu đồ vận tốc gió và tốc độ vòng quay của turbine Darrieus kết hợp 3 cánh Sarvonius
Turbine Darrieus kết hợp ba cánh Sarvonius với hệ số chồng chéo giữa các cánh là 𝑒 = 6 cm (0.06 m) cho thấy hiệu suất ấn tượng Khi gặp vận tốc gió 5 m/s, turbine có thể đạt tốc độ quay hơn 82 vòng/phút Ngay cả ở vận tốc gió thấp 3.4 m/s, trong điều kiện gió từ quạt máy, tốc độ quay vẫn đạt 49 vòng/phút.
- Trung bình mỗi lần vận tốc gió khoảng 0.5 m/s thì tốc độ vòng quay tăng từ 7 đến 12 vòng/phút
Tốc độ vòng quay (Vòng/phút) Tốc độ vòng quay (vòng/phút)
5.3.2.1.4 So sánh về số vòng quay của 3 loại cánh
Bảng Kết Quả Đo Bảng 5.8: So sánh kết quả đo vận tốc gió và tốc độ vòng quay giữa 3 loại cánh
Tốc độ vòng quay (Vòng/Phút)
Turbine Savonius 3 cánh hình xoắn ốc
Turbine Darrieus kết hợp 3 cánh sarvonius
Biểu Đồ Kết Quả Đo
Hình 5.11: Biểu đồ so sánh kết quả đo vận tốc gió và tốc độ quay giữa 3 loại cánh
Turbine Savonius 3 cánh hình xoắn ốc
Turbine Darrieus kết hợp 3 cánh sarvonius
Biểu đồ so sánh kết quả đo cho thấy sự khác biệt rõ rệt trong tốc độ vòng quay của từng cánh.
Cánh turbine Savonius 3 cánh hình xoắn ốc đạt hiệu suất tối ưu, với các số liệu đo cho thấy rằng ở vận tốc gió từ 3.4 đến 5 m/s, tốc độ vòng quay tăng từ 75 đến 140 vòng/phút.
- Đứng thứ 2 so với biểu đồ kết quả đo thì turbine 6 cánh kiểu H-rotor, ở vận tốc gió (3.4 đến 5 m/s) thì tốc độ gió tăng từ (69 đến 109 vòng/phút)
Turbine Darrieus kết hợp 3 cánh Sarvonius đứng thứ 3 trong biểu đồ kết quả đo, với vận tốc gió từ 3.4 đến 5 m/s, tốc độ gió tăng từ 49 đến 82 vòng/phút Kết quả đo cho thấy turbine này có hiệu suất thấp nhất so với ba loại cánh thiết kế khác.
- Có nhiều nguyên nhân ảnh hưởng tới kết quả đo của từng cánh:
Do vật liệu thiết kế từng cánh khác nhau, có loại vật liệu có trọng lượng năng gây ảnh hưởng tới tốc độ vòng quay của cánh đo
Khi cánh quạt có nhiều cánh hơn, chúng sẽ chịu lực cản từ gió ngược chiều, dẫn đến việc cánh quay chậm hơn và ảnh hưởng đến tốc độ vòng quay.
5.3.2.2 Hệ số công suất và tỉ lệ tốc độ đầu cánh của turbine gió
5.3.2.2.1 Turbine Savonius 3 cánh hình xoắn ốc
Bảng 5.9: Tỷ lệ tốc độ dầu cánh và hệ số công suất củaturbine Savonius 3 cánh hình xoắn ốc
Stt Tỷ lệ tốc độ đầu cánh (λ) Hệ số công suất (𝑪 𝒑 )
- Tính tỷ lệ tốc độ đầu cánh
Dựa vào công thức tính tỷ lệ đầu cánh phần 1.8 phần cơ sở lý thuyết ta có công thức: λ = 𝐵𝑙𝑎𝑑𝑒 𝑡𝑖𝑝 𝑠𝑝𝑒𝑒𝑑 𝑊𝑖𝑛𝑑 𝑠𝑝𝑒𝑒𝑑
Trong đó: λ: Tỷ lệ tốc độ đầu cánh
Blade tip speed: Tốc độ đầu cánh turbine
Wind speed: Vận tốc gió
Trong đó: rpm: Tốc độ cánh quạt, vòng quay mỗi phút d: Đường kính canh quạt (m) v: Tốc độ gió (m/s) của turbine
- Tính hệ số công suất
Dựa vào công thức định luật và công suất cơ học của Betz phần 1.7 phần cơ sở lý thuyết ta có công thức:
C p : Hệ số công suất λ: Tỷ lệ tốc độ đầu cánh
Biểu Đồ Kết Quả Đo
Hình 5.12: Biểu đồ tỷ lệ tốc độ đầu cánh và hệ số công suất củaturbine Savonius 3 cánh hình xoắn ốc
- Dựa vào biểu đồ biểu thị tỷ lệ tốc độ đầu cánh và hệ số công suất của turbine Savonius 3 cánh hình xoắn ốc cho thấy tăng đều
Hệ số công suất cao nhất đạt 0.586 khi tỷ lệ tốc độ đầu cánh là 0.25, trong khi hệ số công suất thấp nhất là 0.576 tại tỷ lệ tốc độ đầu cánh 0.2.
- Kết quả cho thấy khi “rpm” càng cao thì tỷ lệ đầu cánh càng cao
Tỷ lệ tốc độ đầu cánh
Bảng 5.10: Tỷ lệ tốc độ dầu cánh và hệ số công suất củaturbine 6 cánh kiểu H-rotor được thực nghiệm
Stt Tỷ lệ tốc độ đầu cánh (λ) Hệ số công suất (𝑪 𝒑 )
- Tính tỷ lệ tốc độ đầu cánh
Dựa vào công thức tính tỷ lệ đầu cánh phần cơ sở lý thuyết ta có công thức: λ = 𝐵𝑙𝑎𝑑𝑒 𝑡𝑖𝑝 𝑠𝑝𝑒𝑒𝑑 𝑊𝑖𝑛𝑑 𝑠𝑝𝑒𝑒𝑑
Trong đó: λ: Tỷ lệ tốc độ đầu cánh
Blade tip speed: Tốc độ đầu lưỡi
Wind speed: Vận tốc gió
Trong đó: rpm: Tốc độ cánh quạt, vòng quay mỗi phút d: Đường kính canh quạt (m) v: Tốc độ gió (m/s) của turbine
- Tính hệ số công suất
Dựa vào công thức định luật và công suất cơ học của Betz phần 1.7 phần cơ sở lý thuyết ta có công thức:
C p : Hệ số công suất λ: Tỷ lệ tốc độ đầu cánh
Biểu Đồ Kết Quả Đo
Hình 5.13: Biểu đồ tỷ lệ tốc độ dầu cánh và hệ số công suất củaturbine 6 cánh kiểu H- rotor
- Dựa vào biểu đồ biểu thị tỷ lệ tốc độ đầu cánh và hệ số công suất của turbine 6 cánh kiểu H-rotor cho thấy tăng đều
Tỷ lệ tốc độ đầu cánh
Hệ số công suất cao nhất đạt 0.5541 tại tỷ lệ tốc độ đầu cánh 0.126, trong khi hệ số công suất thấp nhất là 0.5508 khi tỷ lệ tốc độ đầu cánh giảm xuống 0.117.
- Kết quả cho thấy khi “rpm” càng cao thì tỷ lệ đầu cánh càng cao
5.3.2.2.3 Turbine Darrieus kết hợp 3 cánh Sarvonius
Bảng 5.11: Tỷ lệ tốc độ dầu cánh và hệ số công suất củaturbine Darrieus kết hợp 3 cánh Sarvonius
Stt Tỷ lệ tốc độ đầu cánh (λ) Hệ số công suất (𝑪 𝒑 )
- Tính tỷ lệ tốc độ đầu cánh
Dựa vào công thức tính tỷ lệ đầu cánh cơ sở lý thuyết ta có công thức: λ = 𝐵𝑙𝑎𝑑𝑒 𝑡𝑖𝑝 𝑠𝑝𝑒𝑒𝑑 𝑊𝑖𝑛𝑑 𝑠𝑝𝑒𝑒𝑑
Trong đó: λ: Tỷ lệ tốc độ đầu cánh
Blade tip speed: Tốc độ đầu lưỡi
Wind speed: Vận tốc gió
Trong đó: rpm: Tốc độ cánh quạt, vòng quay mỗi phút d: Đường kính canh quạt (m) v: Tốc độ gió (m/s) của turbine
- Tính hệ số công suất
Dựa vào công thức định luật và công suất cơ học của Betz phần 1.7 phần cơ sở lý thuyết ta có công thức:
C p : Hệ số công suất λ: Tỷ lệ tốc độ đầu cánh
Biểu Đồ Kết Quả Đo
Hình 5.14: Biểu đồ tỷ lệ tốc độ dầu cánh và hệ số công suất củaturbine Darrieus kết hợp 3 cánh Sarvonius
Tỷ lệ tốc độ đầu cánh
- Dựa vào biểu đồ biểu thị tỷ lệ tốc độ đầu cánh và hệ số công suất của turbine Darrieus kết hợp 3 cánh Sarvonius cho thấy tăng đều
Hệ số công suất cao nhất đạt 0.5871 khi tỷ lệ tốc độ đầu cánh là 0.2576, trong khi hệ số công suất thấp nhất là 0.5818 tại tỷ lệ tốc độ đầu cánh 0.2264.
- Kết quả cho thấy khi “rpm” càng cao thì tỷ lệ đầu cánh càng cao
5.3.2.2.4 So sánh kết quả hệ số công suất giữa 3 loại cánh
Bảng Kết Quả Đo Bảng 5.12: So sánh hệ số công suất giữa 3 loại cánh được thiết kế
Turbine Savonius 3 cánh hình xoắn ốc
Hình 5.15: Biểu đồ so sánh kết quả đo vận tốc gió và hệ số công suất giữa 3 loại cánh
Turbine Savonius 3 cánh hình xoắn ốc
Turbine Darrieus kết hợp 3 cánh sarvonius
- Dựa vào biểu đồ so sánh kết quả đo vận tốc gió và hệ số công suất giữa 3 loại cánh cho thấy:
