ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ NHIỆT LẠNH
LÊ ĐĂNG HUY
TÍNH TỐN KHÍ ĐỘNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA
TUABIN GIÓ HAI TẦNG CÁNH ĐỒNG TRỤC QUAY ĐỘC LẬP
CN : KỸ THUẬT NHIỆT
Mã số : 8520115
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Trang 2CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS TS Nguyễn Thế Bảo
Cán bộ chấm nhận xét 1:
Cán bộ chấm nhận xét 2:
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1
2
3
4
5
Trang 3ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: LÊ ĐĂNG HUY MSHV: 2070339 Ngày, tháng, năm sinh: 08/08/1995 Nơi sinh: Bình Thuận
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Nhiệt Mã số: 8520115
TÊN ĐỀ TÀI: Tính tốn khí động và đánh giá hiệu quả của tuabin gió hai tầng cánh đồng trục quay độc lập
I NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Tổng quan về tình hình nghiên cứu lý thuyết tính tốn, mơ phỏng của tuabin
gió 2 tầng cánh ở trong và ngoài nước
- Nghiên cứu tổng hợp và đánh giá lý thuyết tính tốn công suất, các tham số
ảnh hưởng đến công suất của tuabin gió 2 tầng cánh
- Thực nghiệm hầm gió khẳng định tính ưu việt của tuabin gió 2 tầng cánh so
với loại một tầng cánh truyền thống
- Xây dựng mơ hình tính tốn chuẩn trên TTS-DLHCL
- Kết luận và đề xuất các hướng có thể phát triển tiếp theo của đề tài II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 05/09/2022
III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/06/2023
IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS NGUYỄN THẾ BẢO
Tp HCM, ngày tháng năm 20
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
Trang 4LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi những lời cảm ơn sâu sắc và chân thành nhất đến thầy Nguyễn Thế Bảo, thầy ln tận tình đơn đốc, giúp tơi hiểu ra rằng mình khơng những phải hồn thành tốt nhất có thể luận văn mà cịn phải trở nên trưởng thành hơn thông qua những cam kết, cách phân bổ thời gian, cân nhắc những việc trọng yếu trong cuộc đời Thầy cịn hỗ trợ hầu như tồn bộ kinh phí thực hiện luận văn này từ việc chế tạo, máy tính, cho đến các thiết bị thử nghiệm Đối với tôi, thầy Bảo là một người thầy sống trọn với đạo đức và khoa học Tôi vô cùng kính nể và cảm phục
Tơi xin gửi lời cảm ơn đến tập thể anh em Viện nghiên cứu và phát triển năng lượng bền vững - ISED, đặc biệt là Ngô Văn Minh Minh đã hướng dẫn tôi chế tạo tuabin thử nghiệm, cùng tơi tính tốn, hồn thiện hầm gió và đồng thời truyền cho tơi ngọn lửa đam mê của tuổi trẻ và sự cống hiến
Xin được cảm ơn thầy Đặng Lê Quang, bạn Lê Bá Lộc đã hỗ trợ, định hướng tơi trong q trình thực hiện tính tốn mơ phỏng số
Xin gửi lời tri ân đến thầy Hà Anh Tùng, nếu khơng có thầy thì tơi có thể đã vụt mất cơ hội học thạc sĩ trong thời điểm khó khăn
Tơi cũng xin gửi lời cảm ơn đến cô Liên đã hỗ trợ tôi rất nhiều trong việc hồ sơ giấy tờ học tập, khi mà tơi có một quỹ thời gian khá eo hẹp
Tôi rất biết ơn tất cả những Thầy, Cô trong bộ môn Công nghệ Nhiệt Lạnh trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã truyền động lực và kiến thức cần thiết để tôi hoàn thiện luận văn này, và hoàn thiện thêm vốn sống của bản thân
Tôi xin chân thành cảm ơn bố mẹ, người bạn đời thân yêu đã bên cạnh hỗ trợ tinh thần, tình u thương, sự chăm sóc và quỹ thời gian vơ giá để tơi có điều kiện tập trung và hoàn thành luận văn này
Trang 5TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Đề tài:
“ Tính tốn khí động và đánh giá hiệu quả của tuabin gió hai tầng cánh đồng trục quay độc lập ”
Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu tổng hợp được lý thuyết tính tốn cho tuabin gió 2 tầng cánh; thực nghiệm khẳng định được sự hiệu quả của tuabin 2 tầng cánh cỡ nhỏ so với tuabin gió 1 tầng cánh và xây dựng được mơ hình TTS-DLHCL chuẩn cho mọi bài tốn tuabin gió 2 tầng cánh trục ngang
Luận văn được thực hiện tại bộ môn Công nghệ Nhiệt Lạnh, khoa Kỹ thuật Cơ Khí, trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP HCM và Viện phát triển Năng lượng Bền vững từ tháng 5 năm 2022 đến tháng 6 năm 2023
Quá trình nghiên cứu được chia thành 4 giai đoạn:
Giai đoạn 1: Tổng hợp tài liệu, và nghiên cứu lý thuyết
Giai đoạn 2: Chuẩn bị mua sắm vật tư, trang thiết bị, dụng cụ đo phục vụ q trình chế tạo mơ hình thực nghiệm, và tiến hành thực nghiệm
Giai đoạn 3: Xây dựng mơ hình tính tốn số
Giai đoạn 4: Xử lý số liệu, viết báo cáo hoàn tất luận văn Những kết quả chính đạt được như sau :
Có nhiều mơ hình lý thuyết để tính tốn cơng suất và các đặc tính của tuabin gió 2 tầng cánh Tuy nhiên chúng đều chưa thật sự bao quát được hết các sự thay đổi có thể của một tuabin gió trên thực tế, cụ thể ở đây là tỉ lệ độ lớn của 2 tầng cánh
Trang 7ABSTRACT
Thesis:
“ Aerodynamic and efficiency research of a co-axial dual rotor wind turbine ”
The main objective of the thesis is to study and research the calculation theory for 2-stage wind turbines; experimentally confirmed the efficiency of a small 2-stage turbine compared to single-stage wind turbine and built a standard CFD model for all horizontal axis 2-stage wind turbine problems
The thesis was conducted at the Department of Heat and Refrigeration Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Ho Chi Minh City University of Technology, Ho Chi Minh City and the Institute of Sustainable Energy Development from May 2022 to June 2023
The research process is divided into four phases:
Stage 1: Synthesis of documents, and theoretical research
Stage 2: Preparing to purchase materials, equipment, and measuring instruments for the process of making experimental models, and conducting experiments
Stage 3: Building a numerical model
Stage 4: Data processing, writing report to complete the thesis The main results obtained are as follows:
There are many theoretical models to calculate the power and characteristics of 2-stage wind turbines However, they have not totally covered all possible changes in configuration of a wind turbine in practice, specifically here is the ratio of the diameter of the two blade-stage
Trang 8generated in the same time can be more than double that of a single-stage turbine, bringing economic high efficiency in use
Trang 9LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan, đây là cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tơi Các số liệu sử dụng phân tích trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng Các kết quả nghiên cứu trong luận văn do tơi tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan qua lý thuyết và thực nghiệm Các kết quả này chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác
Tác giả
Trang 10MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ iii
LỜI CẢM ƠN iv
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ v
LỜI CAM ĐOAN ix
DANH MỤC HÌNH xii
DANH MỤC BẢNG xvi
DANH MỤC KÍ HIỆU xviii
DANH MỤC VIẾT TẮT xix
CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 20
1.1 Lý do chọn đề tài 20
1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 21
CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 22
2.1 Nguồn gốc năng lượng gió 22
2.2 Tài nguyên gió tại Việt Nam và ứng dụng tại các khu vực khác nhau 22
2.3 Tình hình nghiên cứu trong trên thế giới và trong nước 23
2.3.1 Nghiên cứu ý tưởng và chế tạo 23
2.3.2 Nghiên cứu về lý thuyết tính toán 28
2.3.3 Nghiên cứu thực nghiệm; dùng TTS-DLHCL để tính tốn 29
2.4 Mục đích nghiên cứu 30
2.5 Phương pháp nghiên cứu 30
2.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 30
CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN LÝ THUYẾT CHO TUABIN GIÓ 2 TẦNG CÁNH ĐỒNG TRỤC QUAY ĐỘC LẬP 31
3.1 Tuabin gió 2 tầng cánh đồng trục quay độc lập theo sáng chế mới 31
3.2 Lý thuyết tính tốn tuabin gió cơ bản 34
3.2.1 Thuyết động lượng một chiều (động lượng tuyến tính) 34
3.2.2 Phương pháp động lượng phân tố cánh (PP-DLPTC) 35
3.3 Nghiên cứu tính tốn khí động học tuabin gió 2 tầng cánh 38
3.3.1 Phương pháp đề xuất bởi nhóm nghiên cứu của Newman 40
Trang 113.3.3 Phương pháp đề xuất bởi nhóm nghiên cứu của Sundararaju với
tuabin 2 tầng cánh đường kính bằng nhau 48
3.3.4 Phương pháp đề xuất bởi nhóm nghiên cứu của F F Yin 60
3.3.5 Ứng dụng thuyết động lượng phân tố cánh để tính tốn cơ bản cho tuabin 2 tầng cánh của chính tác giả 66
CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 67
4.1 Thiết đặt mơ hình thực nghiệm 71
4.2 Kết quả thực nghiệm 76
CHƯƠNG 5 TÍNH TỐN CƠNG SUẤT TUABIN 2 TẦNG CÁNH THEO SÁNG CHẾ MỚI BẰNG TTS-DLHCL 83
5.1 Mơ hình tính tốn số 83
5.1.1 Phương trình bảo tồn khối lượng [38] 83
5.1.2 Phương trình bảo tồn động lượng [38] 83
5.1.3 Phương pháp lưới cắt (Sliding mesh) 84
5.1.4 Phương pháp đơn và nhiều khung tham chiếu (DKTC, NKTC) 86
5.1.5 Lý thuyết tính tốn lực, moment trong Ansys Fluent [42] 89
5.2 Khảo sát khả năng ứng dụng NKTC-Rotor tĩnh để mô phỏng 91
5.3 Khảo sát khả năng ứng dụng NKTC “lưới cắt” để mô phỏng 97
5.4 Xây dựng mơ hình mơ phỏng chuẩn cho tuabin 2 tầng cánh 99
5.4.1 Bài toán độc lập lưới 100
5.4.2 Bài tốn mơ phỏng 2 tuabin tầng cánh 105
5.4.3 Kết quả mô phỏng về moment và công suất tuabin 106
5.4.4 Kết quả mơ phỏng về hướng dịng gió và hệ quả 114
5.4.5 Kết quả và nhận xét về sự suy giảm tốc độ dọc trục 118
CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 122
6.1 Kết luận 122
6.2 Hướng phát triển đề tài 123
PHỤ LỤC 1 : CODE MATLAB GIẢI THUẬT CHƯƠNG 3 124
Trang 12DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1 - Chênh lệch nhiệt độ bề mặt các đại dương và hướng chuyển động của
khơng khí trên tầng đối lưu [4] 22
Hình 2.2 - Mơ hình tuabin gió sử dụng nhiều rotor gắn trên cùng một mặt phẳng 24
Hình 2.3 - Mơ hình tuabin gió sử dụng nhiều rotor gắn đồng trục một chiều 25
Hình 2.4 - Mơ hình tuabin gió trục ngang 2 tầng cánh quay ngược 26
Hình 2.5 - Bộ ly hợp của tuabin 2 tầng cánh theo sáng chế của nhóm Bakanov 27
Hình 2.6 - Tuabin 2 tầng cánh theo sáng chế của nhóm Bakanov 27
Hình 3.1 - Cấu hình cơ bản của tuabin 2 tầng cánh đồng trục quay độc lập 33
Hình 3.2 - Dịng chảy 1 chiều qua đĩa tuabin [28] 34
Hình 3.3 - Ống dịng độ dày dr tại vị trí bán kính r [28] 36
Hình 3.4 - Các vận tốc và lực tác động lên phân tố cánh tại vị trí bán kính r 36
Hình 3.5 - Các đường dịng, ống dịng đi qua n đĩa truyền động 41
Hình 3.6 - Giá trị Cp max theo số tầng cánh n bởi nhóm Newman 43
Hình 3.7 - Minh họa cách phân tích ống dịng qua tuabin 2 tầng cánh 44
Hình 3.8 - Minh họa biến đổi áp suất ống dịng trong khi qua 2 tầng cánh 45
Hình 3.9 - Minh họa biến đổi áp suất ống dịng ngồi khi qua tầng cánh trước 45
Hình 3.10 - Đồ thị hàm số CPtotal và cực trị theo a và c dạng 3d 47
Hình 3.11 - Đồ thị hàm số CPtotal theo a và c dạng 2d 47
Hình 3.12 - Đồ thị các hệ số công suất của rotor 1, 2 và hệ số công suất tổng 48
Hình 3.13 - Mơ hình đĩa truyền động và các ống dịng theo đề xuất của nhóm nghiên cứu Sundararaju 49
Hình 3.14 - Hệ số cơng suất tối đa Max (CP(total)) theo αs 55
Hình 3.15 - Giá trị của bộ 3 biến a1, a2, b2 để hệ số cơng suất hệ đạt tối đa tương ứng với hình 3.14 55
Hình 3.16 - Miền tính tốn cho tuabin 2 tầng cánh bằng TTS-DLHCL 56
Trang 13Hình 3.18 - Mối quan hệ giữa tỉ số khoảng cách rotor/đường kính rotor (S/D) ứng
với tỉ lệ diện tích ống dịng αs để đạt được giá trị hệ số cơng suất tổng tối đa 57
Hình 3.19 - Tỉ số khoảng cách rotor/đường kính rotor (S/D) ứng với hệ số cơng suất tổng tối đa 58
Hình 3.20 - CP(total) tối đa trong trường hợp 2: b2 = 1, c1 = 1/3 59
Hình 3.21 - Các ống dịng đi qua rotor trước và sau 61
Hình 3.22 - Phân tích một ống dịng đi qua lần lượt 2 rotor và sự thay đổi vận tốc sau của dịng gió sau khi đi qua 2 rotor đó 63
Hình 3.23 - Kết quả phân bố hệ số cảm ứng dọc trục theo tỉ số S/D của tuabin tham khảo NREL-5 MW 66
Hình 4.1 - Cấu tạo hầm gió để thực nghiệm 69
Hình 4.2 - Thiết bị đo tốc độ gió điện tử 71
Hình 4.3 - Phổ tốc độ gió dọc trục từ hầm gió, nhìn từ mặt chiếu đứng 71
Hình 4.4 - Thiết lập thực nghiệm hầm gió: đo cơng suất, tổng rpm 72
Hình 4.5 - Thiết lập thực nghiệm hầm gió: đo rpm tầng trước 73
Hình 4.6 - Đo moment khởi động của tầng cánh trước 75
Hình 4.7 - Đo moment khởi động của tầng cánh sau 75
Hình 4.8 - So sánh kết quả thực nghiệm tuabin 2 tầng cánh theo sáng chế mới so với chỉ tầng cánh trước: (a) Công suất điện; (b) Hệ số công suất; (c) Các chỉ số tỉ lệ công suất và tỉ lệ hệ số cơng suất 82
Hình 5.1 - Mô tả miền xoay b và miền tĩnh a [39] 85
Hình 5.2 - Sự khơng liên tục của lưới giữa miền tĩnh bên trái và miền xoay bên phải [39] 86
Hình 5.3 - Mơ tả ý tưởng chính của phương pháp DKTC và NKTC [39] 87
Hình 5.4 - Các vận tốc mà phân tố cánh “cảm thấy” [39] 88
Hình 5.5 – Mơ tả DKTC 89
Hình 5.6 – Mơ tả NKTC 89
Hình 5.7 - Ý tưởng mô phỏng ban đầu, sử dụng NKTC Rotor tĩnh 91
Hình 5.8 - Thực nghiệm tuabin NREL VI [43] 92
Trang 14Hình 5.10 - Kết quả mô phỏng hoạt động tuabin NREL VI theo độ sâu miền xoay 96Hình 5.11 - So sánh kết quả mô phỏng công suất cơ học của tuabin NREL VI trong
trường hợp độ sâu miền xoay 0,06Rf và 0,09Rf sử dụng “lưới cắt” 98
Hình 5.12 - Vorticity=6 s-1 , trường hợp độ sâu 0,06Rf 98
Hình 5.13 - Vorticity=6 s-1 , trường hợp độ sâu 0,09Rf 98
Hình 5.14 - Kích thước chi tiết của mơ hình tính tốn 99
Hình 5.15 - Các vùng lưới bề mặt với chất lượng khác nhau trên cánh tuabin 101
Hình 5.16 - Lưới chia điển hình của các miền tính tốn dùng cho tuabin 2 tầng cánh: (a) Lưới tính toán cho miền xoay của tầng cánh trước; (b) Lưới tính tốn cho miền xoay của tầng cánh sau; (c) Lưới tính tốn cho miền tĩnh 102
Hình 5.17 - Đồ thị kết quả công suất cơ học trên trục của tuabin theo các trường hợp lưới tính tốn khác nhau 103
Hình 5.18 - Kết quả moment và cơng suất cơ trên trục của tuabin 2 tầng cánh tại tốc độ gió 7m/s: (a) Moment tầng trước; (b) Moment tầng sau; (c) Cơng suất tuabin 108Hình 5.19 - Kết quả moment và công suất cơ trên trục của tuabin 2 tầng cánh tại tốc độ gió 6m/s: (a) Moment tầng trước; (b) Moment tầng sau; (c) Công suất tuabin 109Hình 5.20 - Kết quả moment và cơng suất cơ trên trục của tuabin 2 tầng cánh tại tốc độ gió 5m/s: (a) Moment tầng trước; (b) Moment tầng sau; (c) Cơng suất tuabin 110Hình 5.21 - Kết quả moment và công suất cơ trên trục của tuabin 2 tầng cánh tại tốc độ gió 4m/s: (a) Moment tầng trước; (b) Moment tầng sau; (c) Công suất tuabin 111Hình 5.22 - Kết quả moment và cơng suất cơ trên trục của tuabin 2 tầng cánh tại tốc độ gió 3m/s: (a) Moment tầng trước; (b) Moment tầng sau; (c) Cơng suất tuabin 112Hình 5.23 - Sự biến thiên moment xoắn của tầng cánh trước và tầng cánh sau theo tốc độ gió tự do vào tuabin: (a) Tầng trước; (b) Tầng sau 113
Hình 5.24 - Biến thiên theo thời gian của lực đẩy tác dụng lên tầng cánh trường hợp gió vào 7m/s: (a) Tầng trước; (b) Tầng sau 114
Trang 15Hình 5.26 - Trường vận tốc và áp suất điển hình của tuabin 2 tầng cánh theo sáng
chế mới: (a) Trường vận tốc dọc trục; (b) Trường áp suất 116
Hình 5.27 - Trường vận tốc và áp suất điển hình của tuabin 1 tầng cánh: (a) Trường
Trang 16DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 - Quy hoạch điện gió trên bờ của Việt Nam theo khu vực 23
Bảng 3.1 - Bảng giá trị ar mà tại đó Cp đạt max theo n và r 43
Bảng 4.1 - Thông số thiết lập cơ bản của thực nghiệm tuabin gió 2 tầng cánh 67
Bảng 4.2 - Bảng các thành phần của mơ hình thực nghiệm 71
Bảng 4.3 - Các bước thực nghiệm chi tiết 73
Bảng 4.4 - Tóm tắt thơng số và kết quả đo moment cản khởi động 76
Bảng 4.5 - Kết quả thử nghiệm hầm gió của tuabin 2 tầng cánh theo sáng chế mới 76Bảng 4.6 - Kết quả thử nghiệm hầm gió của tuabin 1 tầng cánh 77
Bảng 4.7 - Kết quả và sai số chi tiết của thử nghiệm hầm gió tuabin 2 tầng cánh theo sáng chế mới 77
Bảng 4.8 - Kết quả và sai số chi tiết của thử nghiệm hầm gió tuabin 1 tầng cánh 78
Bảng 4.9 - Kết quả và sai số chi tiết về hệ số công suất trong thử nghiệm hầm gió tuabin 2 tầng cánh 79
Bảng 4.10 - Kết quả và sai số chi tiết về hệ số công suất trong thử nghiệm hầm gió tuabin 1 tầng cánh 80
Bảng 4.11 - Kết quả và sai số chi tiết về tỉ lệ công suất điện và tỉ lệ hệ số công suất so sánh giữa tuabin 2 và 1 tầng cánh theo tốc độ gió 80
Bảng 5.1 - Thơng số biên dạng cánh tuabin NREL VI [43] 92
Bảng 5.2 - Tổng hợp điều kiện đầu vào cho mơ hình tính tuabin NREL VI 95
Bảng 5.3 - Bảng kết quả mô phỏng cho tuabin NREL VI dùng NKTC-Rotor tĩnh 95Bảng 5.4 - Cụ thể kích thước mơ hình tính tốn và ý nghĩa từng kích thước 99
Bảng 5.5 - Điều kiện đầu vào của bài toán xét độc lập lưới tuabin 2 tầng cánh 101
Bảng 5.6 - Thông số lưới và kết quả công suất theo trường hợp lưới 103
Bảng 5.7 - Các thông số cụ thể được sử dụng để chia lưới 104
Bảng 5.8 - Thông số đầu và thông số xét hội tụ bài tốn mơ phỏng 2 tầng cánh 105
Bảng 5.9 - Kết quả mô phỏng về moment và công suất tuabin 2 tầng cánh 106
Trang 18DANH MỤC KÍ HIỆU
A Tiết diện quét, mặt cắt, m2
P, Pe Công suất cơ học, Công suất điện, W
𝑚̇ Lưu lượng khối lượng, kg/s
𝜌 Khối lượng riêng, kg/m3
𝑉0, V, 𝑉∞; VT Vận tốc tự do đến từ xa; tốc độ hầm gió m/s a, b, c, d, e, f Hệ số cảm ứng dọc trục, không thứ nguyên
𝐶𝑝, 𝐶𝑇 Hệ số công suất, hệ số lực đẩy, không thứ nguyên 𝜔, Ω Tốc độ góc của tầng cánh, rad/s
R Bán kính rotor, m
D Đường kính rotor, m
𝑈𝑟𝑒𝑙 Vận tốc gió tương đối mà phân tố cánh cảm nhận, m/s 𝜃𝑝 Góc nghiêng của phân tố cánh với mặt phẳng xoay, rad
α Góc tấn, rad
φ Góc gió đến tương đối, rad
𝜃𝑝,0 Góc nghiêng chung của cánh, rad
𝜃𝑟 Góc đặt cánh so với góc nghiêng chung, rad Cl Hệ số lực nâng, không thứ nguyên
Cd Hệ số lực đẩy, không thứ nguyên
p, q Áp suất, Pa
∆𝑝 Chênh áp, Pa
𝛼𝑠 Tỉ lệ diện tích ống dịng trong trước/ diện tích qt sau, khơng thứ ngun
Q Lưu lượng thể tích, m3/s
Rf, Rr Bán kính tầng cánh trước, tầng cánh sau, m 𝛽𝑓, 𝛽𝑟 Góc đặt cánh tầng cánh trước, tầng cánh sau, oRif, Rir Bán kính trong của cánh trước, cánh sau, m cf, cr Dây cung cánh trước, sau, m
n Số cặp cực của máy phát
VT Tốc độ gió từ hầm gió, m/s
𝑡 Bước thời gian – timestep trong mô phỏng số, s
𝑈⃗⃗ Vector vận tốc
𝑆𝑚 Nguồn phát sinh trong mô phỏng số 𝑔 Vector gia tốc trọng trường
𝜇 Độ nhớt tuyệt đối, Pa.s
ν Độ nhớt động học, m2/s
∇ Div
Trang 19DANH MỤC VIẾT TẮT
Viết tắt tiếng Anh
Viết tắt tiếng Việt
Tên thuật ngữ tiếng Anh
Tên thuật ngữ tiếng Việt
BEM PP-DLPTC Blade element method Phương pháp động lượng phân tố cánh
BOI KTD Body of influence Khối tác động
CFD TTS-DLHCL Computational fluid dynamic Tính tốn số động lực học chất lưu
FR RT Frozen rotor Phương pháp rotor tĩnh
LBM-LES MPXL-LBM
Lattice Boltzmann method-based large-eddy simulation
Mơ phỏng xốy lớn dựa trên phương pháp Lattice Boltzmann
MRF NKTC Multiple reference frame
Nhiều khung tham chiếu
NREL NREL National Renewable
Energy Laboratory
Phịng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia, Hoa Kỳ
PISO
TT-TTTAAS
Thuật toán Pressure-Implicit Splitting of Operators
Thuật toán tách toán tử ẩn áp suất
RANS NSTBR-t Reynolds Averaged Navier-Stokes
Hệ phương trình Navier-Stokes trung bình Reynolds ổn định
RKE KE-THD Realizable k-𝜀 turbulence model
Mơ hình nhiễu loạn k-ε “Thực hiện được”
RKE-S
KE-THD-CTMR
Realizable k-𝜀 turbulence model Scalable wall function
Mơ hình nhiễu loạn k-ε “Thực hiện được” với hàm số tường “Có thể mở rộng” SRF DKTC Single reference frame Đơn khung tham chiếu k-𝜔SST k-𝜔VCUSC k-𝜔 Shear Stress
Transport
Mơ hình nhiễu loạn k-𝜔 “Vận chuyển ứng suất cắt” URANS NSTBR-kod Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes Hệ phương trình Navier-Stokes trung bình Reynolds khơng ổn định
Trang 20CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU
1.1 Lý do chọn đề tài
Mọi sự phát triển của con người, các hoạt động sản xuất, đời sống đều cần phải tiêu tốn năng lượng dưới nhiều hình thức khác nhau Điều này đóng một vai trị cơ bản trong sự phát triển của các nền văn minh
Các nguồn năng lượng truyền thống, không tái tạo đang được con người khai thác một cách triệt để cho sự phát triển của nhân loại: Theo đánh giá của Liên hiệp quốc trong World Energy Assessment Overview, tổng dự trữ năng lượng hóa thạch đã xác minh trên tồn thế giới hiện nay là 778 Gtoe [1] Điều đó có nghĩa là với mức sử dụng như năm 2001 thì con người chỉ còn 251 năm sử dụng đối với than, 64 năm với khí thiên nhiên và 41 năm đối với dầu mỏ Nguồn năng lượng đầy tiềm năng khác là năng lượng hạt nhân cũng xuất phát từ việc bắn phá các đồng vị phóng xạ, vốn dĩ cũng là có hạn và sẽ mất dần theo thời gian Tất nhiên mức sử dụng năng lượng sẽ tăng lên dần theo thời gian, nếu khơng có biện pháp thay thế hoặc tái tạo thì thời gian con người cịn than, khí thiên nhiên… hay Uranium cũng giảm đi nhiều Trước viễn cảnh đó, các nguồn năng lượng tái tạo dưới nhiều dạng khác nhau: bức xạ mặt trời, sinh khối, thế năng của nước, địa nhiệt … và đặc biệt là năng lượng gió được con người nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn nhằm hướng đến mục tiêu thay thế từng phần và tiến đến thay thế hồn tồn các nguồn năng lượng khơng tái sinh Việt Nam cũng đã có những bước đi tích cực với cam kết đạt phát thải ròng bằng 0 tại COP26 [2], điều đó tạo động lực và trách nhiệm cho toàn thể xã hội và ngành khoa học nước nhà
Trang 21cho trang trại để thay thế một phần nhu cầu tiêu thụ điện năng… Điều đó đã thơi thúc học viên trên con đường khoa học ứng dụng, đây là vấn đề được học viên đặc biệt quan tâm và lựa chọn làm đề tài luận văn để nghiên cứu
1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Tuabin gió trục ngang 2 tầng cánh đồng trục quay độc lập có cơng suất dưới 4kW, cụ thể là tuabin 1 kW 2 tầng cánh tại tốc độ gió định mức là 8 m/s với cấu hình dựa theo sáng chế mới [3]
- Nghiên cứu ứng dụng phương pháp động lượng phân tố cánh tĩnh, trong đề tài không đề cập đến lý thuyết phân tố cánh động
- Điều kiện gió thực nghiệm từ hầm gió trong khoảng từ 3m/s - 7m/s Điều này để phù hợp với phạm vi ứng dụng mà tuabin 2 tầng cánh có lợi thế, đó là khu vực gió tốc độ thấp
Trang 22CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN
2.1 Nguồn gốc năng lượng gió
Bầu khí quyển, nước và khơng khí trong phạm vi Trái Đất có nhiệt độ không đều nhau do mức độ hấp thụ khác nhau với bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất Chính vì lí do đó mà làm cho các luồng khơng khí chuyển động và sinh ra gió
Hình 2.1 - Chênh lệch nhiệt độ bề mặt các đại dương và hướng chuyển động của
khơng khí trên tầng đối lưu [4]
Năng lượng gió mà con người sử dụng được là gió bề mặt (tầng gió ở độ cao thấp hơn 100m so với mặt đất), bị ảnh hưởng bởi cấu trúc bề mặt trái đất Tất nhiên ở những tầng khơng khí cao hơn, con người vẫn có thể sử dụng được tiềm năng của gió, tuy nhiên vấn đề độ bền, kết cấu của tuabin lúc này gây nhiều tốn kém và làm hiệu quả kinh tế của tuabin khơng cịn cao
2.2 Tài ngun gió tại Việt Nam và ứng dụng tại các khu vực khác nhau
Theo báo cáo cập nhật các nguồn năng lượng tái tạo ‘phi thủy điện’ của Tạp chí Năng lượng Việt Nam (tháng 8/2020) [5]: Tổng tiềm năng kỹ thuật điện gió (trên bờ) của Việt nam khoảng 217 GW, cịn tổng tiềm năng kỹ thuật điện gió (ngồi khơi) khoảng 600 GW [6]
Cụ thể, tổng tiềm năng kỹ thuật điện gió trên bờ của Việt Nam được chia theo các mức độ gió như sau:
1/ Tốc độ gió cao (>6m/s) là 24 GW
Trang 23Việt Nam được chia thành 6 vùng điện gió trên bờ Theo tổng hợp, cơng suất điện gió trên bờ đã được phê duyệt và đang trình bổ sung quy hoạch như bảng dưới:
Bảng 2.1 - Quy hoạch điện gió trên bờ của Việt Nam theo khu vực
Tên vùng Đã được bổ sung quy hoạch (MW) Đã đăng ký đầu tư (MW)
Bắc bộ - - Bắc Trung bộ - 372 Trung Trung bộ 560 2522 Tây Nguyên 286,8 10174 Nam Trung bộ 2030 2461 Nam bộ 2099 14775 Toàn quốc 4975,8 30304
Như vậy trên thực tế người Việt mới chỉ sử dụng và quy hoạch sử dụng khoảng 32,5 % tổng sản lượng điện gió trên bờ, tiềm năng sử dụng điện gió ngồi khơi vẫn còn nhiều Như vậy tiềm năng phát triển năng lượng gió tại Việt Nam vẫn là rất lớn, đặc biệt khi có thể kết hợp một giải pháp mới giúp nâng cao sản lượng điện với chi phí sản xuất phù hợp để hướng đến áp dụng rộng rãi, giải quyết nhu cầu tiêu thụ điện bức thiết và ngày càng tăng của các trang trại và hộ gia đình nói chung và các khu vùng sâu vùng xa khó tiếp cận lưới điện nói chung
2.3 Tình hình nghiên cứu trong trên thế giới và trong nước 2.3.1 Nghiên cứu ý tưởng và chế tạo
* Những ý tưởng ngoài nước ban đầu
Trên thế giới hiện nay đã có những tuabin gió cơng suất từ vài MW đến 15 MW Tuy nhiên loại tuabin công suất lớn này chỉ được sản xuất bởi vài quốc gia có trình độ cơng nghệ rất cao và phù hợp với vùng có tốc độ gió trên 10 m/s Vì vậy đã có nhiều nghiên cứu nhằm cố gắng tìm ra giải pháp thay thế cho các tuabin gió trục ngang công suất lớn thông thường bằng cách sử dụng nhiều rotor trên một tháp với hai mục tiêu sau [7]:
Trang 242 Sử dụng năng lượng còn thừa sau rotor đầu tiên để nâng cao hiệu suất thực tế của tuabin
Hai mơ hình khác nhau được đề xuất và phát triển với mục tiêu đầu tiên là: - Tuabin gió sử dụng nhiều rotor gắn trên cùng 1 mặt phẳng (Co-planer multi rotor wind tuabin);
- Tuabin gió sử dụng nhiều rotor gắn đồng trục một chiều (Unidirectional co-axial series rotor wind tuabin);
Tuabin gió sử dụng nhiều rotor gắn trên cùng một mặt phẳng bao gồm một số rotor được gắn trên cùng một tháp Nó bao gồm một số rotor nhỏ có diện tích tương đương để thay thế một cánh tuabin lớn Mỗi rotor được hỗ trợ bởi một giá đỡ riêng biệt và truyền công suất đến một máy phát điện riêng biệt để sản xuất điện Điều này tạo thành một cụm các tuabin gió nhỏ thơng thường được gắn trên một tháp Hình 2.2 trình bày các dạng tuabin gió được thiết kế theo nguyên lý này, trong đó mẫu a, b, c (theo tứ tự từ trái sang) được thiết kế bởi Hãng Lagerwey Wind trong những năm 1908s đến 1990s [7] trong khi mẫu d được thiết kế và thử nghiệm bởi Phòng thí nghiệm NASA năm 2010 [7] Vấn đề mà loại tuabin gió sử dụng nhiều rotor gắn trên cùng một mặt phẳng đang gặp phải là phần điều khiển đi để hãm tuabin khi gặp gió bão ( 25 m/s) và đồng bộ hóa phát điện giữa các rotor riêng lẻ
Trang 25Tuabin gió loại rotor đồng trục một chiều bao gồm một số rotor gắn phía trước và một số gắn phía sau tháp tuabin trên một trục truyền động chung để dẫn động một máy phát điện như thể hiện trong Hình 2.3 Loại này có những ưu điểm sau so với tuabin gió rotor đơn và tuabin gió nhiều rotor gắn trên cùng một mặt phẳng như sau [7]:
- Đối với tuabin gió loạt rotor đồng trục một chiều cần máy phát điện truyền động trực tiếp kích thước nhỏ vì vịng tua máy cao hơn
- Chi phí của máy phát có vịng tua cao thấp hơn so với máy phát có vịng tua thấp
- Có độ ổn định cấu trúc tốt vì nó có chứa rotor ở cả hai phía của trục ngang
Hình 2.3 - Mơ hình tuabin gió sử dụng nhiều rotor gắn đồng trục một chiều
Tuy nhiên loại này có nhược điểm lớn là độ bền kết cấu không được cao vì trục nằm ngang quá dài Hơn nữa, vấn đề điều khiển đi để ngừng tuabin khi gặp gió bão vẫn tồn tại
Trang 26Tiếp đến, có 2 hướng chính để khai thác năng lượng từ loại tuabin này:
- Công suất cơ học của cả hai rotor được kết hợp bởi các bánh răng và được sử dụng để truyền động cho máy phát điện [8]
- Sử dụng hai máy phát điện riêng biệt kết hợp với hai rotor [9]
Hình 2.4 - Mơ hình tuabin gió trục ngang 2 tầng cánh quay ngược
Mặc dù trọng lượng đối trọng của các rotor ở cả hai mặt của tháp cải thiện độ ổn định của hệ thống tuabin gió, tuabin gió quay ngược có thể khơng khả thi ở quy mơ MW do trục nhơ ra để duy trì khoảng cách thích hợp giữa các cánh tuabin Các tuabin gió quay ngược theo phương pháp bánh răng [8] cần sự sắp xếp bánh răng phức tạp và sự đồng bộ hóa phức tạp sau đó Với cấu hình sử dụng 2 máy phát điện thì tuabin có cấu tạo phức tạp [7] và gặp vấn đề về việc đồng bộ hóa dòng điện ra [9]
* Những ý tưởng hiện đại nhằm thực tế hóa tuabin 2 tầng cánh
Trang 27hệ số công suất của tuabin 2 tầng cánh đạt tới 100%, đây là một điểm đáng chú ý và có thể chưa được chính xác lắm về mặt logic
Hình 2.5 - Bộ ly hợp của tuabin 2 tầng cánh theo sáng chế của nhóm Bakanov
Hình 2.6 - Tuabin 2 tầng cánh theo sáng chế của nhóm Bakanov
Ngồi ra cịn rất nhiều những mơ hình sáng chế khác được đăng ký tại Mỹ [12], [13], [14] Tuy nhiên chúng đều chưa được hiện thực hóa, hoặc đều sử dụng hệ bánh răng hành tinh với tổn thất lớn nên chưa được ứng dụng trong thực tiễn và đặc biệt là không ứng dụng được cho hệ tuabin gió cỡ nhỏ
Trang 28Tại Việt Nam hầu như chưa có nhiều nghiên cứu về tính tốn, ứng dụng tuabin gió 2 tầng cánh, chỉ có một số nghiên cứu sau:
- Nguyen The Bao, Ngo Van Minh, and Ngo Gia Huy (2022); Horizontal Coaxial Dual-Stage Wind Turbine with Independent Rotation, Computational Intelligence Methods for Green Technology and Sustainable Development, GTSD 2022, LNNS 567, 1-10 (Scopus: Book Series) [15]
- Nguyen The Bao, Ngo Van Minh, Ngo Gia Huy (2022); Method to Improve the Power Coefficient of Vertical Axis Wind Turbines, Lecture Notes in Mechanical Engineering, 2022, 29-39 (Scopus: Book Series) [16]
- Huy L D, Bảo N T Ứng dụng lý thuyết phân tố cánh trên tuabin gió trục ngang để tính tốn tuabin gió hai tầng cánh Sci Tech Dev J - Eng Tech.; 5(3):1605-1613 [17]
- Nguyễn Thế Bảo, Ngô Văn Minh, Ngô Gia Huy (2021); Nghiên cứu và chế tạo cánh GOE 222 dùng cho tuabin gió trục ngang công suất nhỏ, Hội nghị Khoa học & Công nghệ Tồn quốc về Cơ khí lần thứ VI - NSCME2021, TP Hồ Chí Minh, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, trang 367-374 [18]
- Công báo sở hữu công nghiệp về tuabin gió 2 tầng cánh của PGS TS Nguyễn Thế Bảo [3]
- Nguyễn Thế Bảo, Ngô Gia Huy, Ngô Văn Minh (2021); Đăng ký sáng chế cánh quạt có biên dạng khí động học sử dụng cho tuabin gió hai tầng cánh Quyết định số 18277w/QĐSHTT của Cục Sở hữu Trí tuệ về việc chấp nhận đơn hợp lệ
Các nghiên cứu nói trên hiện nay cũng chỉ dừng lại ở mức nghiên cứu cơ bản, chưa đưa ra phương pháp tính tốn cũng như thực nghiệm
2.3.2 Nghiên cứu về lý thuyết tính toán
Trang 29Phần này sẽ được đề cập cụ thể trong một chương riêng như nội dung chính của đề tài
2.3.3 Nghiên cứu thực nghiệm; dùng TTS-DLHCL để tính tốn
* Về thực nghiệm:
Jung et Al - 2005 [19] trong nghiên cứu của mình đã đưa ra thực nghiệm về tuabin gió 2 tầng cánh 30 kW, biện luận hiệu quả của cấu hình tuabin khi thay đổi tỉ lệ đường kính 2 tuabin và khoảng cách giữa chúng Tuy nhiên mơ hình trong nghiên cứu này sử dụng hệ bánh răng hành tinh để truyền động, và kết quả thu được cho thấy hiệu quả khai thác năng lượng của tuabin 2 tầng cánh lớn hơn không nhiều so với tuabin 1 tầng cánh Lucia-Andreea Mitulet và các cộng sự [20] đã tiến hành thực nghiệm kiểm tra cơng suất tuabin gió 2 tầng cánh, khẳng định được độ tăng công suất trung bình khoảng 40% trong dãy tốc độ từ 5,5 đến 10 m/s khi so với tuabin 1 tầng cánh P Santhana Kumar và các cộng sự [21] đã tiến hành thực nghiệm mơ hình thu nhỏ của tuabin 2 tầng cánh, tiến hành đo công suất và so sánh với kết quả mô phỏng TTS-DLHCL Tuy nhiên đối với tuabin theo sáng chế kết cấu truyền động mới thì vẫn chưa có thực nghiệm hầm gió nào để đánh giá đúng hiệu quả hoạt động của nó
* Về tính tốn mơ phỏng số bằng TTS-DLHCL:
Trang 30tầng cánh trục ngang khác nhau (cụ thể là với khoảng cách giữa 2 tầng cánh thay đổi từ nhỏ đến lớn dần)
2.4 Mục đích nghiên cứu
- Nhằm mục đích tính tốn cơng suất, đánh giá hiệu năng của mơ hình tuabin gió hai tầng cánh đồng trục quay độc lập theo bằng sáng chế số: 1-2021-03837 của PGS TS Nguyễn Thế Bảo [3], cũng như làm tiền đề nghiên cứu để có thể ứng dụng tuabin gió quy mơ nhỏ vào thực tế các trang trại tại Việt Nam mà luận văn này được ra đời
Kết quả nghiên cứu của đề tài phải đáp ứng những yêu cầu sau đây:
- Thiết lập được các cơng thức tính tốn cơng suất, hiệu suất của tuabin 2 tầng cánh theo sáng chế mới
- Thiết lập mơ hình hầm gió để kiểm nghiệm hiệu quả, hiệu suất hoạt động thực tế của tuabin 2 tầng cánh so với 1 tầng cánh
- Xây dựng được mơ hình tính tốn công suất tuabin 2 tầng cánh trên Ansys Fluent, sử dụng trong nhiều trường hợp
- Đưa ra những hạn chế và hướng phát triển tiếp của đề tài
2.5 Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:
- Tổng hợp và phân tích các kết quả nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam, xây dựng cơ sở lý thuyết để tính tốn cho tuabin theo sáng chế mới
- Xây dựng mơ hình tính tốn lý thuyết và mơ hình tính tốn mơ phỏng phù hợp để dự đoán hiệu quả hoạt động của tuabin
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:
- Xây dựng mô hình thực nghiệm trong hầm gió, so sánh và tổng hợp các kết quả nghiên cứu đạt được
2.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học:
Trang 31- Luận văn đưa ra giải pháp tính tốn đúng với chi phí tính tốn phù hợp, có thể ứng dụng được với độ chính xác tương đối cho các tuabin gió 2 tầng cánh trục ngang với bất kì cấu hình nào
Ý nghĩa thực tiễn:
- Vấn đề năng lượng ở Việt Nam nói riêng và thế giới nói chung đang là vấn đề cấp thiết và rất được quan tâm Việc thúc đẩy đầu tư nghiên cứu, tính tốn và ứng dụng các hệ thống cung cấp năng lượng, đặc biệt dưới dạng năng lượng tái tại đang được quan tâm và khuyến khích đặc biệt là khi Quy hoạch điện VIII được chính thức ban hành vào ngày 15/05/2023 vừa qua Nghiên cứu, tính tốn thành cơng cho tuabin gió có thể giúp thiết kế được những tuabin phù hợp để đáp ứng vấn đề năng lượng cho những nhu cầu quy mô nhỏ như: hộ gia đình, trang trại trong tương lai; đặc biệt là ở những khu vực biên cương, hải đảo, vùng sâu vùng xa khó tiếp cận với lưới điện
- Nghiên cứu, tính tốn và ứng dụng được tuabin gió 2 tầng cánh đồng trục quay độc lập có ý nghĩa mơi trường và xã hội, góp phần hướng đến mục tiêu của COP26 mà Thủ tướng Chính phủ đã cam kết
CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN LÝ THUYẾT CHO TUABIN GIÓ 2 TẦNG CÁNH ĐỒNG TRỤC QUAY ĐỘC LẬP
3.1 Tuabin gió 2 tầng cánh đồng trục quay độc lập theo sáng chế mới
Dưới đây là mô tả tuabin gió 2 tầng cánh đồng trục quay độc lập theo nguyên bản của sáng chế [3] (hình 3.1) Khi thực hiện luận văn này, một số tinh chỉnh về kích thước, khoảng cách giữa 2 tầng cánh… đã được áp dụng để phù hợp với điều kiện thực tế của hầm gió và cơng suất thiết kế
Trang 32một vịng khóa 25 Tồn bộ bộ khung xoay chuyển động quay bộ đế xoay nhờ hai ổ lăn 23 và 24 Bộ khung xoay được cố định trên chân đế xoay nhờ vịng khóa 25
- Bộ khung xoay 21 được hàn từ các miếng thép tấm, trên khung xoay 21 có một ống thép 18 được tiện để gắn hai ổ lăn 17 và 19 ở hai đầu Ống thép 18 được hàn cứng vào khung xoay
- Trục tuabin 16 là một trục thép đặc được gắn chặt với lõi rotor động cơ phát điện 8 và ống thép 18 trên hai ổ lăn 17, 19 của bộ khung xoay 21 Trục tuabin 16 được cố định trên bộ khung xoay 21 bằng đai ốc 20
- Rotor động cơ phát điện 8 gồm các lá thép được ghép với nhau và được gắn vào nam châm 9 Rotor động cơ phát điện 8 được gắn với trục tuabin 16
- Stator động cơ phát điện 7 gồm các lá thép kỹ thuật điện được ghép với nhau để cuốn dây đồng và được gắn với vỏ 6 Hai nắp đậy 10 và 11 là bộ phận để định tâm rotor trong stator Trên hai nắp 10 và 11 có hai ổ lăn 12 và 13 giúp rotor quay được trong stator Hai phớt cao su 17 và 33 được gắn trên 2 nắp 10, 11 để ngăn nước và chất lỏng khác lọt vào động cơ phát điện
- Cổ góp điện 14 gồm ba vịng đồng được gắn cách điện với nhau và gắn cố định vào nắp của động cơ phát điện, cổ góp 14 được gắn với ba đầu dây của máy phát điện, giúp dây điện không bị xoắn khi tuabin hoạt động
- Chổi than 15 gồm ba chổi than quét xung quanh ba vịng đồng trên cổ góp 14 để dẫn điện từ động cơ sang bộ cổ góp chổi than 26 và đi xuống nơi sử dụng điện Chổi than 15 được gắn trên bộ khung xoay 21
- Tầng cánh trước 1 gồm ba cánh được gắn vào đĩa cánh 30 nhờ bộ giữ cánh 3 Toàn bộ cánh và đĩa cánh được gắn vào trục 16 Khi hoạt động tầng cánh trước 1 quay theo chiều kim đồng hồ và kéo rotor 8 quay quanh stator 7 và khung xoay 21
- Tầng cánh sau 2 cũng gồm ba cánh được gắn vào đĩa cánh 36 nhờ các bộ giữ cánh 4 Toàn bộ tầng cánh sau được gắn vào vỏ và stator 7 của động cơ phát điện Khi hoạt động tầng cánh sau 2 quay ngược chiều với tầng cánh trước 1 và kéo stator 7 của máy phát điện quay quanh rotor 8
Trang 33khoảng từ 20 đến 70 cm để giới hạn độ trễ ở mức nhỏ nhất khi luồng gió đi tới hai tầng cánh
- Đuôi tuabin 27 gồm hai ống thép nối với nhau và một tấm thép 28 được hàn chặt vào ống thép Tồn bộ đi được gắn với khung xoay 21 nhờ bu lơng Đi tuabin 27 có tác dụng điều chỉnh hướng hai tầng cánh thẳng về phía nguồn gió Chiều dài đi tuabin 27 bằng 1,3 lần bán kính cánh và diện tích đi khơng nhỏ hơn 1/14 lần diện tích quét của cánh
- Nắp chụp đầu cánh 31 gắn vào đĩa cánh của tầng cánh trước 1 Giúp tối ưu luồng gió đi vào cánh
- Vỏ thân tuabin 5 gắn vào vỏ động cơ stator để bảo vệ và giúp tuabin liền khối - Vỏ sau 32 bảo vệ phần khung xoay 21 và các bộ phận bên trong
- Tuabin gió hai tầng cánh đồng trục quay độc lập hoạt động như sau:
- Khi gió thổi vào tuabin đuôi tuabin 27 sẽ điều chỉnh cho hai tầng cánh trước 1 và tầng cánh sau 2 hướng thẳng về luồng gió, lúc này hai tầng cánh nhận năng lượng từ gió bắt đầu quay theo hai chiều ngược nhau kéo theo rotor và stator của máy phát điện quay, do hai tầng cánh quay ngược chiều nhau nên tốc độ quay của từ trường là cao hơn so với tuabin 1 tầng cánh Điều này giúp cho ra sản lượng điện nhiều hơn so với loại tuabin chỉ có một tầng cánh Dòng điện sinh ra sẽ được truyền qua cổ góp 14 và chổi than 15 sau đó truyền qua bộ cổ góp chổi than 26 rồi đi xuống nơi sử dụng
Trang 34Ưu điểm của tuabin gió theo sáng chế này là:
- Hiệu suất thu năng lượng gió cao cả ở vận tốc gió thấp và cao
- Cơng suất cao hơn tuabin gió 1 tầng cánh ở hầu hết các tốc độ gió, đặc biệt cao hơn ở tốc độ gió thấp
- Giải quyết được việc các tầng cánh bị cuốn theo nhau mà không cần sử dụng bánh răng hệ hành tinh
- Cấu tạo đơn giản dễ vận hành, lắp đặt và sửa chữa - Độ bền vật liệu cao và có thể tái chế
- Giá thành thấp do sản xuất được ở trong nước
3.2 Lý thuyết tính tốn tuabin gió cơ bản
3.2.1 Thuyết động lượng một chiều (động lượng tuyến tính)
Thuyết động lượng được dùng để xét rotor tuabin gió dưới điều kiện tải gió phân bố đều trên mặt phẳng rotor, vận tốc gió giảm dần đều khi qua rotor (hình 3.2) Khi sử dụng thuyết này, có thể xem rotor như là một đĩa truyền động, dịng đi qua nó là tĩnh, 1 chiều, khơng nhớt và khơng có hiện tượng xoay Đĩa này tương đương một bề mặt thấm với bề dày vô cùng nhỏ
Hình 3.2 - Dịng chảy 1 chiều qua đĩa tuabin [28]
Định luật bảo toàn năng lượng theo thuyết động lượng 1 chiều cho biết công suất khai thác được từ dịng gió qua đĩa tuabin có diện tích qt A [28] dựa theo cơng thức tính dưới đây:
𝑃 =1
2𝑚̇(𝑉02− 𝑢12) =1
Trang 35𝑢 = 𝑉0(1 − 𝑎) (2)
𝑢1 = 𝑉0(1 − 2𝑎) (3)
Với V0 là vận tốc gió tự do từ xa đi vào tuabin gió, như biểu diễn trên hình 3.2, và a là hệ số cảm ứng dọc trục
Công suất cơ học phát sinh của luồng gió qua tuabin sau khi biến đổi được thể hiện dưới dạng sau:
𝑃 = 2𝜌𝑎(1 − 𝑎)2𝑉03𝐴 (4) Hệ số công suất được định nghĩa là:
𝐶𝑝 = 𝑃
0,5𝜌𝐴𝑉03
(5) Hệ số cơng suất và hệ số lực đẩy được tính theo giá trị a theo công thức:
𝐶𝑝(𝑎) = 4𝑎(1 − 𝑎)2 (6a)
𝐶𝑇(𝑎) = 4𝑎(1 − 𝑎) (6b)
Từ công thức (6a) và (6b), hệ số lực đẩy đạt giá trị cực trị khi a=1/2, hệ số công suất đạt giá trị cực đại tại a=1/3, gọi là hệ số công suất Betz với giá trị là 0,593 Trong thực tế đối với những giá trị a > 1/3, công thức hiệu chỉnh Glauert sẽ được sử dụng để tính hệ số lực đẩy phụ thuộc vào hệ số cảm ứng dọc trục a [29], và về tổng quan, có thể biến đổi thành:
𝐶𝑇(𝑎) = { 4𝑎(1 − 𝑎) 𝑣ớ𝑖 𝑎 <134𝑎 (1 −13(5 − 3𝑎)𝑎) 𝑣ớ𝑖 𝑎 ≥13(7)
3.2.2 Phương pháp động lượng phân tố cánh (PP-DLPTC)
Trang 36Hình 3.3 - Ống dịng độ dày dr tại vị trí bán kính r [28]
Hình 3.4 [30] Mô tả các vận tốc và lực tác động lên phân tố cánh tại vị trí hình khun bán kính r so với trục tuabin Trong đó:
+ U(1-a): Vận tốc gió đến cánh U trong trường hợp này tương đương với V0trong các định nghĩa phía trên, nó là dịng gió tự do từ xa đến tuabin
+ Urel: Vận tốc gió tương đối, là thành phần gió tổng hợp mà cánh “cảm nhận” được
Hình 3.4 - Các vận tốc và lực tác động lên phân tố cánh tại vị trí bán kính r
Trang 37+ α: Góc tấn
+ φ = θp + α: Góc gió đến tương đối
+ θp,0: Góc nghiêng chung của cánh, thường tính tại phân tố ở đỉnh cánh + θr: Góc đặt cánh so với góc nghiêng chung
Ở đây có các định nghĩa đối với các loại lực tác động lên cánh tuabin như sau [30]:
+ Lực nâng: là lực có phương vng góc với phương của dịng gió tương đối đi vào tuabin (Urel) Nguyên nhân tạo ra lực nâng là sự không đồng đều về áp suất giữa bề mặt trên (upper surface) và dưới (lower surface) của cánh tuabin dưới tác động của gió và tốc độ quay của chính nó
+ Lực cản: là lực có phương song song với phương dịng gió tương đối Nguyên nhân của lực cản đến từ lực ma sát nhớt trên bề mặt cánh tuabin và sự không đồng đều của áp suất mặt trước và sau của cánh tuabin (theo chiều gió)
Nếu giả sử các điều kiện dưới đây được thỏa mãn, thì khi áp dụng phương pháp này, hồn tồn có thể tính tốn được lực nâng l và lực cản d trên từng phân tố cánh và từ đó tính tốn được trên tồn bộ tuabin:
1 Khơng có tương tác dọc trục của các dòng khác nhau qua từng phân tố cánh 2 Biết hệ số lực nâng Cl và lực cản Cd như là một hàm của góc tấn và hệ số Reynolds (Re)
3 Công thức thực nghiệm 7 là đúng trong ống dịng ở Hình 3.3 4 Khơng có biến thiên phương vị tại vận tốc đầu ra 𝑢1
Để đảm bảo giả thiết số 4 ở trên, có thể sử dụng hệ số hiệu chỉnh đầu mút Prandtl [29] khi mô phỏng tuabin với số lượng cánh hữu hạn nhưng cho kết quả tính tốn gần giống với mơ hình dịng chảy thật qua cánh (có dạng xốy):
Trang 383.3 Nghiên cứu tính tốn khí động học tuabin gió 2 tầng cánh
Giới hạn Betz cho tuabin gió một tầng cánh là 59,3% và được chấp nhận rộng rãi trên toàn thế giới Tuy nhiên các nhà khoa học vẫn có câu hỏi rằng liệu rằng và bằng cách nào con người có thể khai thác tối ưu hơn cơng suất của tuabin gió với một điều kiện trường gió cố định cho trước? Bởi vì ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nó, nên vẫn là một vấn đề rất cần được nghiên cứu Dưới đây trình bày tóm lược nội dung chính của các lý thuyết được nghiên cứu trong khuôn khổ đề tài này
- Newman và các cộng sự của mình [31] có thể được xem là những người đầu tiên nghiên cứu về vấn đề này vào năm 1986 Dựa trên “thuyết động lượng tuyến tính” hay cịn gọi là “thuyết động lượng 1 chiều” như đã đề cập ở mục 3.2, Newman đã tiên đốn hệ số cơng suất tối đa cho tuabin gió 2 tầng cánh - với kích thước các tầng cánh giống nhau - là 64%, tức là cao hơn khoảng 5% so với tuabin một tầng cánh Nghiên cứu của Newman được đề cập cụ thể ở mục 3.3.1
Trong mơ hình của mình, Newman đề xuất dịng khí đến rotor trước sẽ được
chia thành 2 ống dòng (ống dòng trong và ống dịng ngồi) Trong đó rotor phía sau được che phủ hồn tồn bởi “ống dịng trong” của rotor phía trước Đồng thời, đối với rotor trước, hệ số cảm ứng dọc trục của ống dịng trong và ống dịng ngồi là như nhau Việc đặt thêm các rotor phía sau, theo kết quả nghiên cứu của Newman
và các cộng sự của mình, chỉ giúp tăng một lượng rất nhỏ hệ số cơng suất tối đa cho tuabin gió
- Cho đến những năm gần đây, Chantharasenawong và các cộng sự [32], Agrawal [33]… cũng sử dụng lý thuyết động lượng tuyến tính để nghiên cứu tuabin gió 2 tầng cánh Nghiên cứu của họ về cơ bản là dựa trên kết quả từ Newman, với 2 sự
hiệu chỉnh chính Đầu tiên, hệ số cảm ứng dọc trục của dịng khí trong ống dịng trong và ống dịng ngồi khơng cịn được xem là giống nhau nữa và tách thành 2 hệ số riêng biệt Tiếp theo, giữa rotor phía trước và phía sau, áp suất khí được giả định là phục hồi về áp suất khí quyển Giả định thứ 2 này cũng có thể được kiến giải
Trang 39trước Rotor phía trước chỉ tác động lên rotor phía sau bởi sự giảm tốc độ gió ở vết (wake) của nó
Theo kết quả của các nhóm nghiên cứu này, tuabin 2 tầng cánh cùng kích thước rotor cho ra hệ số công suất tối đa lên đến 81,4%, tức là cao hơn khoảng 22% so với giới hạn Betz và cao hơn 17,4% với kết quả nghiên cứu của Newman cho tuabin gió 2 tầng cánh
Nghiên cứu của nhóm Chantharasenawong và nhóm Agrawal được đề cập cụ thể ở mục 3.3.2
- Năm 2017, nhóm nghiên cứu của Haripriya Sundararaju [34] đã tính thêm tác động của các thông số đến từ thực tiễn như: khoảng cách giữa 2 rotor, kích thước tương đối giữa các rotor, tỉ tốc đầu cánh của mỗi rotor vào những kết quả nghiên cứu của các nhóm trước đây
Thuyết động lượng tuyến tính cũng được sử dụng Tuy nhiên Sundararaju bỏ giả định áp suất phục hồi về khí quyển của 2 nghiên cứu từ nhóm Chantharasenawong, Agrawal Do đó, “hiệu ứng cặp” hay cịn gọi là tương tác của
rotor trước và sau, trong lòng của ống dịng trong, được tính đến
Nhóm này rút ra được cơng thức có phần tổng quan hơn để tính tốn tuabin gió 2 tầng cánh Hệ số cơng suất tối đa mà họ thu được cũng là 81,4% như của nhóm Chantharasenawong và nhóm Agrawal
Nghiên cứu của nhóm Sundararaju được đề cập cụ thể ở mục 3.3.3
- Năm 2022, Nhóm của F F Yin [24] đã nghiên cứu, cải tiến kết quả thu được
từ nhóm của Sundararaju và ứng dụng phương pháp động lượng phân tố cánh để tính tốn tuabin gió 2 tầng cánh
Nghiên cứu của nhóm F F Yin được đề cập cụ thể ở mục 3.3.4
Từ những nghiên cứu nói trên, có thể mở rộng đề tài bằng cách:
Trang 40thể chấp nhận được bởi lẽ các nhà thiết kế thường thiết kế cánh với góc đặt cánh, cung cánh thay đổi theo khoảng cách xuyên tâm sao cho góc tấn và hệ số Re khơng thay đổi nhiều dù ở bán kính nào Tuy nhiên giả định này không đúng với cánh thẳng bởi vì sự chênh lệch rất lớn giữa góc tấn ở phân tố cánh gần gốc và phân tố cánh ở đỉnh tuabin
+ Thêm hệ số tỉ lệ đường kính 2 tầng cánh vào các phương trình bảo tồn Sau đó phát triển thêm lý thuyết tính ứng dụng phương pháp động lượng phân tố cánh với đầy đủ các tham số để ra được kết quả tổng quát nhất, nhanh chóng hơn so với việc sử dụng mơ phỏng trên TTS-DLHCL
+ Nghiên cứu bài toán TTS-DLHCL cụ thể đối với tuabin cánh thẳng 2 tầng cánh và so sánh với các lý thuyết trên
3.3.1 Phương pháp đề xuất bởi nhóm nghiên cứu của Newman
Xét một tuabin gió gồm n đĩa dẫn động (actuator discs) như trên hình 3.5, khoảng cách giữa các đĩa là đủ lớn để dịng đi qua mỗi đĩa có thể được xem là dòng 1 chiều
Tốc độ dọc trục qua mặt trước và sau của đĩa thứ r là như nhau và có giá trị: V(1-ar) Trong đó V là vận tốc dịng gió tự do vào tuabin, a là hệ số cảm ứng dọc trục Ống dịng ngồi của đĩa thứ r khi đi lướt qua vành ngoài của đĩa thứ r+1 được đặc trưng bởi hệ số br Tốc độ dọc trục do đó sẽ là V(1-br)
Áp suất trước và sau đĩa thứ r được kí hiệu là pr và qr
Từ đây có thể chia tổng thể dịng gió đi qua đĩa thành nhiều ống dịng nhỏ như trên hình 3.5 Phần cắt giữa ống dịng và đĩa là một hình khun diện tích Amr trong đó m thể hiện thứ tự đĩa mà ống dịng đang xét nằm trong đó; r là thứ tự của ống dòng đang xét tại đĩa m dọc theo chiều xuyên tâm, mà đối với đĩa thứ r thì nó là ống dịng ngồi (đối với đĩa thứ r+1 thì ống dịng Amr này sẽ lướt qua bên ngồi diện tích qt của đĩa) Mỗi đĩa thì chỉ có 1 ống dịng gọi là ống dịng ngồi Ống dịng ngồi xem như khơng bị ảnh hưởng bởi rotor tiếp sau về phía hạ lưu