Nghiên cứu nâng cao công suất khí Động tuabin gió trục Đứng savonius sử dụng mô phỏng số

Từ những kết quả trên cho thấy tiềm năng ứng dụng lớn của tuabin gió với thiết kế cánh mới trong các ứng dụng về năng lượng tái tạo tại khu vực thành thị và hỗ trợ các cộng đồng khó khăn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Ngoài ra, tôi xin chân thành cảm ơn TS Trần Thế Hùng, là đồng tác giả bài báo khoa học liên quan đến luận văn, và khoa Hàng không Vũ trụ, Học viện Kỹ thuật Quân sự đã hỗ trợ tôi trong quá trình tính toán mô phỏng số sử dụng phần mềm ANSYS Fluent

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn thạc sĩ

Với điều kiện thời gian cũng như kinh nghiệm còn hạn chế của một học viên, luận văn này không thể tránh được những thiếu sót Tôi rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các quý thầy cô để tôi có điều kiện bổ sung, nâng cao ý thức, năng lực của mình, phục vụ tốt hơn cho công tác thực tế sau này

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Cụ thể ở vùng tỉ tốc gió thấp hơn 0.8, công suất được cải thiện nhiều hơn khoảng 12%, và

ở vùng tỉ tốc cao hơn, công suất cải thiện lên tới 0.28 – khoảng 185% tại tỉ tốc 1.5 khi so sánh với dạng cánh nguyên bản Hiệu quả hoạt động của thiết kế cánh mới còn được phân tích chứng minh thêm với việc cải thiện khả năng tự khởi động và tốc độ quay cao hơn 24%

so với dạng cánh nguyên bản thông qua phân tích 6 bậc tự do (6DOF) Từ những kết quả trên cho thấy tiềm năng ứng dụng lớn của tuabin gió với thiết kế cánh mới trong các ứng dụng về năng lượng tái tạo tại khu vực thành thị và hỗ trợ các cộng đồng khó khăn không

có điện lưới

Từ khóa: tuabin Savonius, tỉ tốc, cấu hình cánh, hệ số công suất, 6DOF

Mục lục

Lời cảm ơn i

Lời cam đoan i

Tóm tắt ii

Mục lục iii

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt v

Danh mục các bảng vii

Danh mục các hình vẽ, đồ thị viii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG 3

1.1 Tình hình sử dụng năng lượng hiện nay 3

1.2 Năng lượng mới 4

1.3 Năng lượng gió và ứng dụng khai thác năng lượng gió 8

1.4 Tổng quan các nghiên cứu về tua-bin gió trục đứng ở thế giới và trong nước 10

1.4.1 Trên thế giới 10

1.4.2 Tại Việt Nam 13

Mục tiêu của luận văn nghiên cứu 15

Chương 2 THIẾT KẾ CẤU HÌNH BIÊN DẠNG CÁNH CẢI TIẾN CHO TUABIN GIÓ SAVONIUS 16

2.1 Cơ sở lý thuyết hoạt động của tua-bin gió 16

2.1.1 Tuabin gió sử dụng lực nâng 16

2.1.2 Tuabin gió sử dụng lực cản 17

2.2 Chi tiết thiết kế biên dạng cánh 17

2.3 Kết luận chương 2 19

Chương 3 PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ 20

3.1 Phương pháp mô phỏng số 20

3.2 Miền tính toán, lưới và thiết lập điều kiện biên cho mô phỏng 22

3.3 Kết luận chương 3 25

Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 26

4.1 Kiểm nghiệm phương pháp mô phỏng với thực nghiệm 26

4.2 Phân tích hiệu suất khí động học 26

4.2.1 Phân bố momen trong một vòng quay 26

4.2.2 Phân bố áp suất, vận tốc và xoáy trên cánh 27

4.2.3 Phân bố hệ số momen và hệ số công suất trung bình theo tỉ tốc gió 32

4.2.4 Phân tích 6 bậc tự do 6DOF về hiệu suất cho tua-bin gió Savonius 34

4.3 Kết luận chương 4 36

KẾT LUẬN 37

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

PHỤ LỤC 43

A Các công trình khoa học được công bố trong thời gian học Thạc sĩ 43

B Học bổng đạt được trong thời gian học tập, nghiên cứu tại bậc học Thạc sĩ 44

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt

Từ viết tắt

CFD Tính toán mô phỏng số động lực học chất lỏng

ĐHQGHN Đại học Quốc gia Hà Nội

EIA Cơ quan thông tin về năng lượng (Energy Information Agency) FVM Phương pháp thể tích hữu hạn

HAWT Tuabin gió trục ngang

VAWT Tuabin gió trục đứng

NLTT Năng lượng tái tạo

TSR Tỉ tốc gió đầu cánh (gọi tắt tỉ tốc gió hoặc tỉ tốc 𝜆)

P Công suất tua-bin [W]

𝑢𝑖′, 𝑢𝑗′ Tensor ứng suất Reynolds, được xác định theo giả thuyết Boussinesq

𝐺𝑘 Đại diện cho việc tạo ra động năng nhiễu loạn (kinetic energy) do các

gradient vận tốc trung bình gây nên

𝐺𝑏 Là sự tạo ra động năng nhiễu loạn (kinetic energy) do lực nổi

𝑌𝑀 Đại diện cho sự đóng góp của sự giãn nở dao động trong dòng chảy rối

nén được vào tỷ lệ tiêu hao tổng thể

𝐶3𝜀 Mức độ mà  bị ảnh hưởng bởi lực nổi được xác định bởi hằng số C3

Trong Ansys Fluent, C3 không được chỉ định cụ thể, mà thay vào đó được

tính toán theo công thức C3 tanh v

u

 =

Danh mục các bảng

Bảng 1.1 Tóm tắt các nghiên cứu tối ưu biên dạng cánh cho tua-bin Savonius 12

Bảng 2.1 Thông số thiết kế cánh chi tiết 18

Bảng 3.1 Chất lượng lưới 24

Bảng 3.2 Khảo sát tính độc lập lưới 25

Bảng 4.1 So sánh hệ số Cp_max trên rô-to cải tiến với R3 thay đổi ở tỉ tốc nhỏ hơn 0.8 33

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình 1.1 Năng lượng sử dụng tính trung bình cho mỗi người năm 2022 [1] 3

Hình 1.2 Thống kê lượng phát thải CO2 năm 2022 [2] 4

Hình 1.3 Mức đầu tư hàng năm vào nhiên liệu hóa thạch và năng lượng sạch (từ năm 2015 đến 2023) [3] 5

Hình 1.4 Đầu tư vào năng lượng tái tạo hàng năm [4] 6

Hình 1.5 Thị phần sản xuất điện từ các nguồn năng lượng chính [5] 6

Hình 1.6 Thay đổi hàng năm trong sản xuất năng lượng gió, mặt trời, và các năng lượng khác [1] 7

Hình 1.7 Năng lượng gió sản xuất theo khu vực từ năm 1965 đến năm 2022 [1] 8

Hình 1.8 Thực tế tuabin gió trục ngang và tuabin gió trục đứng 9

Hình 1.9 Hệ số công suất tua-bin gió theo tỉ tốc gió [9] 9

Hình 1.10 Mô phỏng đặc điểm gió xung quanh các tòa nhà cao tầng trong đô thị [13] 10

Hình 1.11 Các tính năng và khu vực ứng dụng lắp đặt tuabin gió [8] 11

Hình 1.12 Kết cấu tuabin Savonius sử dụng hệ thống hướng dòng [14, 18, 19] 12

Hình 1.13 Vị trí các dự án điện gió và bản đồ tài nguyên gió tại Việt Nam [36] 14

Hình 1.14 Tuabin gió trục đứng 14

Hình 2.1 Cấu hình cánh và thông số thiết kế cánh 19

Hình 3.1 Miền tính toán và các điều kiện biên 23

Hình 3.2 Chi tiết lưới xung quanh rô-to 24

Hình 3.3 Phân bố momen trong 10 chu kỳ quay trên rô-to OB tại tỉ tốc 0.8 25

Hình 4.1 So sánh kết quả mô phỏng số với kết quả thực nghiệm 26

Hình 4.2 Phân bố momen trong một vòng quay giữa hai rô-to CB và OB ở TSR 0.8(a) và 1.5(b) 27

Hình 4.3 Phân bố áp suất xung quanh cánh ở các góc phương vị khác nhau tại tỉ tốc gió 0.8 28

Hình 4.4 Phân bố áp suất xung quanh cánh ở các góc phương vị khác nhau tại tỉ tốc gió 1.5 30

Hình 4.5 Phân bố vận tốc chuẩn hóa xung quanh cánh nguyên bản (a) và cánh cải tiến (b) ở tỉ tốc 1.5 31

Hình 4.6 Phân bố xoáy chuẩn hóa và đường dòng của dòng chảy xung quanh cánh nguyên bản(a) và cánh cải tiến(b) ở tỉ tốc 1.5 32

Hình 4.7 Phân bố hệ số Cm (a) và hệ số Cp (b) ở các biên dạng cánh khác nhau 33

Hình 4.8 Ảnh hưởng của số Reynolds tới hệ số công suất Cp ở các tỉ tốc khác nhau 34

Hình 4.9 Vận tốc góc thay đổi theo thời gian với các tốc độ gió khác nhau: a 3 m/s; b 7 m/s 35

MỞ ĐẦU

Năng lượng và khả năng làm chủ nguồn năng lượng đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong quá trình phát triển kinh tế - xã hội và tiến bộ khoa học - kỹ thuật của từng quốc gia, đồng thời thúc đẩy cách mạng công nghiệp Trong thời đại hiện nay, nguồn cung cấp năng lượng vẫn chủ yếu phụ thuộc vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ và khí tự nhiên Tuy nhiên, việc sử dụng những nguồn năng lượng này không chỉ gây ra các tác động tiêu cực đối với khí hậu và môi trường sống, mà còn đang dần cạn kiệt Hơn nữa, các cuộc xung đột và chiến tranh trên thế giới cũng đang gia tăng với tần suất lớn hơn, gây

ra sự bất ổn trong lĩnh vực an ninh năng lượng Với những thách thức này, nghiên cứu và phát triển nguồn năng lượng mới và sạch trở thành một yêu cầu thiết yếu để đảm bảo sự phát triển bền vững của thế giới trong tương lai gần Điều này giúp bù đắp cho sự thiếu hụt năng lượng từ các nguồn năng lượng hiện tại, giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực đối với môi trường và an ninh toàn cầu

Năng lượng gió là nguồn năng lượng tái tạo đang dần gia tăng trên bản đồ năng lượng thế giới cũng như tại Việt Nam Với nhiều ưu điểm như ổn định và ít gây phát thải độc hại, năng lượng gió đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện môi trường, và giúp giảm tải áp lực lên hệ thống điện lưới quốc gia Năng lượng gió được khai thác thông qua các loại tuabin khác nhau, tuỳ thuộc vào tốc độ gió và các yếu tố kỹ thuật Tuabin gió trục ngang (HAWT) có hiệu suất cao và phù hợp với các khu vực có không gian lắp đặt lớn, hoạt động tốt ở tốc độ gió cao Trong khi đó, tuabin gió trục đứng (VAWT) thích hợp cho các ứng dụng thu năng lượng ở các khu vực có tốc độ gió thấp và không gian nhỏ, hẹp, có tiềm năng phát triển lớn trong các đô thị và vùng sâu vùng xa nơi khó tiếp cận với lưới điện quốc gia

Tuabin Savonius là một loại tuabin gió trục đứng Hiện nay đây là loại tuabin phổ biến được nghiên cứu phát triển cho các ứng dụng trong khu vực đô thị với các ưu điểm như: kích thước nhỏ gọn, lắp ráp đơn giản, dễ dàng sản xuất và bảo trì với chi phí thấp, khởi động ở tốc độ gió thấp, không phụ thuộc hướng gió, và tiếng ồn thấp Tuy nhiên, nhược điểm của loại tuabin này là hiệu suất tương đối thấp, giảm nhanh ở tỉ tốc gió cao, chưa phù hợp cho các ứng dụng trong môi trường đô thị với điều kiện gió phức tạp, có dải tỉ tốc gió rộng (thường lớn hơn 0.8), và đa hướng Nhiều nghiên cứu trước đây đã được thực hiện nhằm nâng cao hiệu suất cho tuabin gió Savonius, tuy nhiên hầu hết các nghiên cứu chỉ dừng lại ở các vùng tỉ tốc nhỏ hơn 1.0 Trong khi đó, ở môi trường đô thị, tuabin gió trục đứng thường làm việc ở điều kiện tỉ tốc gió cao (Tip speed ratio – TSR) lên đến 1.7, từ đó đòi hỏi các nghiên cứu cải tiến thiết kế để tối ưu công suất của tuabin Savonius trong điều kiện dải tỉ tốc gió rộng và phức tạp

Dựa trên các đặc điểm đã đề cập, nghiên cứu này tập trung thiết kế và tính toán kiểm nghiệm biên dạng cánh mới cho tuabin gió Savonius nhằm tối ưu hóa hiệu suất khí động

trong môi trường đô thị với dải tỉ tốc gió rộng Từ đó cải thiện khả năng khai thác năng lượng từ gió và tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng của tuabin trong môi trường đô thị Nội dung của đề tài nghiên cứu bao gồm 5 chương chính:

Chương 1: Giới thiệu chung

Tổng quan về tình hình sử dụng năng lượng trên thế giới và tại Việt Nam Ứng dụng thu năng lượng gió sử dụng tuabin gió Savonius và các hạn chế trong các nghiên cứu hiện nay Đưa ra mục tiêu nghiên cứu của luận văn tốt nghiệp

Chương 2: Thiết kế cấu hình biên dạng cánh cải tiến cho tua-bin gió Savonius

Cơ sở thiết kế biên dạng cánh mới Giới thiệu cấu hình cánh cải tiến, chi tiết về thông

số hình học cho biên dạng cánh tuabin gió Savonius dạng nguyên bản và dạng cải tiến

Chương 3: Phương pháp mô phỏng số

Khảo sát tính độc lập lưới, xây dựng mô hình tính toán, điều kiện biên trong tính toán

mô phỏng đặc tính khí động lực học trên biên dạng cánh nguyên bản và cánh cải tiến

Chương 4: Kết quả và thảo luận

Tính toán kiểm nghiệm và so sánh hệ số công suất, hệ số momen giữa 2 biên dạng cánh Phân tích các phân bố momen xoắn, phân bố về áp suất, vận tốc, xoáy trên các cấu hình cánh Phân tích 6 bậc tự do 6DOF về hiệu suất cho tuabin gió Savonius Từ đó kết luận về tính khả thi của biên dạng cánh tối ưu cho tuabin Savonius

Chương 5: Kết luận

Đưa ra các kết luận tổng quan cho đề tài

Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Tình hình sử dụng năng lượng hiện nay

Năng lượng đóng vai trò thiết yếu trong đời sống con người Nó là nguồn cung cấp cho các hoạt động sản xuất, kinh doanh, dịch vụ, vận hành các thiết bị, máy móc và là yếu

tố quan trọng để phát triển khoa học, công nghệ và giáo dục Năng lượng không chỉ giúp nâng cao chất lượng cuộc sống mà còn thúc đẩy sự phát triển kinh tế và xã hội Do đó, đảm bảo nguồn năng lượng là một nhiệm vụ quan trọng, là tiền đề cho sự phát triển bền vững của mỗi quốc gia

Mặc dù áp lực trước mắt từ cuộc khủng hoảng năng lượng toàn cầu đã giảm bớt, tuy nhiên nhiều yếu tố bất ổn vẫn đang hiện hữu, đe dọa sự ổn định của thị trường năng lượng, địa chính trị và kinh tế toàn cầu Nguy cơ gián đoạn nguồn cung năng lượng vẫn còn, giá nhiên liệu hóa thạch dù đã giảm so với mức đỉnh năm 2022 nhưng vẫn biến động mạnh Ngoài ra, các cuộc chiến tranh tiếp diễn ở Ukraine và nguy cơ xung đột kéo dài ở Trung Đông tiếp tục làm gia tăng căng thẳng trên thị trường năng lượng Các công ty năng lượng hàng đầu thế giới đã nhanh chóng rút khỏi Nga, khiến các quốc gia châu Âu tìm mọi cách

để đảm bảo nguồn cung cấp năng lượng cho mùa đông Giá khí đốt tự nhiên đạt mức cao nhất trong nhiều năm, gây ra lạm phát hậu đại dịch và tạo ra cuộc khủng hoảng năng lượng

ở nhiều quốc gia Để đối phó với những khủng hoảng này, các nền kinh tế lớn trên thế giới đang nỗ lực tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế Hiện nay, chính phủ các nước hiện đang đẩy nhanh việc triển khai khai thác năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và gió

Hình 1.1 Năng lượng sử dụng tính trung bình cho mỗi người năm 2022 [1]

Bên cạnh đó, nhu cầu tiêu thụ năng lượng tăng cao do dân số gia tăng (Hình 1.1) [1],

và kinh tế phát triển, dẫn đến lượng khí thải CO2 bùng nổ, vượt mức báo động (Hình 1.2) [2] Hậu quả là biến đổi khí hậu ngày càng nghiêm trọng, gây ra các hiện tượng thời tiết cực đoan như hạn hán, nắng nóng, lũ lụt, nước biển dâng Những hệ lụy này ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống sinh hoạt của con người

Hình 1.2 Thống kê lượng phát thải CO 2 năm 2022 [2]

1.2 Năng lượng mới

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, con người ngày càng nhận thức rõ ràng về tác động của việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ, khí đốt Việc sử dụng những nguồn năng lượng này trong thời gian dài đã gây ra tác động tiêu cực đối với khí hậu và môi trường sống, chúng thải ra lượng lớn khí CO2 vào khí quyển,

từ đó làm gia tăng hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu Hơn nữa, trong bối cảnh hiện nay, thời tiết nắng nóng kéo dài cộng với việc nhu cầu sử dụng điện tăng cao đã dẫn đến thiếu hụt nghiêm trọng nguồn cung cấp năng lượng

Vì vậy, việc nghiên cứu và phát triển nguồn năng lượng sạch trở thành một yêu cầu cấp thiết để đảm bảo sự phát triển bền vững của thế giới trong tương lai gần, giúp bù đắp cho sự thiếu hụt năng lượng từ các nguồn năng lượng hiện tại Nhận thức được vấn đề này, nhiều quốc gia trên thế giới đã và đang áp dụng các chính sách khuyến khích sử dụng năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, nhằm giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và bảo vệ môi trường Đây được xem là giải pháp thay thế tiềm năng cho nhiên liệu hóa thạch bởi những ưu điểm vượt trội như:

- Năng lượng tái tạo là nguồn tài nguyên thiên nhiên vô tận, không gây ô nhiễm môi trường và không gây phát thải khí nhà kính

- Năng lượng tái tạo giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia

- Ngành năng lượng tái tạo tạo ra nhiều việc làm mới, thúc đẩy phát triển kinh tế

và xã hội

Ngày nay, việc phát triển năng lượng tái tạo đang là xu hướng tất yếu của tương lai Theo thống kê của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), mức đầu tư cho năng lượng tái tạo toàn cầu đã đạt 1.8 nghìn tỷ USD vào năm 2022, tăng 13% so với năm 2021 (Hình 1.3) [3] Nhiều quốc gia đã đưa ra các chính sách khuyến khích sử dụng năng lượng tái tạo, thúc đẩy phát triển và ứng dụng các công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực này

Hình 1.3 Mức đầu tư hàng năm vào nhiên liệu hóa thạch và năng lượng sạch (từ năm 2015 đến 2023) [3]

Nổi bật trong lĩnh vực năng lượng hiện nay là các nguồn năng lượng chính như: thủy điện, hạt nhân, năng lượng mặt trời, năng lượng gió Năng lượng thủy điện có thể cung cấp nguồn năng lượng dồi dào, tuy nhiên việc xây đập gây ảnh hưởng đến dòng chảy tự nhiên, gây tác động tiêu cực đến môi trường và đời sống xung quanh nó Còn đối với năng lượng hạt nhân, nó mang lại nguồn năng lượng rất lớn và ổn định, tuy nhiên đòi hỏi công nghệ cao và an toàn tuyệt đối, hạn chế khả năng phát triển rộng rãi Thực tế thống kê cho thấy hai hướng phát tri ển năng lượng bền vững trên thế giới hiện nay, và đang trên đà phát triển

là năng lượng tái tạo và năng lượng hạt nhân Mỗi loại đều có những ưu và nhược điểm riêng Năng lượng tái tạo bao gồm năng lượng gió, mặt trời, thủy triều, Ưu điểm của loại năng lượng này là an toàn cao, thân thiện với môi trường và không phát thải khí nhà kính Hiện nay, nguồn năng lượng này đang được đầu tư nghiên cứu phát triển mạnh bởi nhiều

quốc gia trên thế giới (Hình 1.4) [4] Trong khi đó năng lượng hạt nhân có ưu điểm là hiệu quả cao, cung cấp nguồn năng lượng lớn và ổn định Tuy nhiên, nhược điểm của nguồn năng lượng này là nguy cơ rò rỉ, tai nạn, và việc xử lý chất thải nguy hại (đặc biệt là sau sự

cố nổ lò điện hạt nhân tại nhà máy điện hạt nhân Chernobyl 1986 hay nhà máy Fukushima 2011) (Hình 1.5) [5]

Hình 1.4 Đầu tư vào năng lượng tái tạo hàng năm [4]

Hình 1.5 Thị phần sản xuất điện từ các nguồn năng lượng chính [5]

Trong lĩnh vực năng lượng tái tạo, pin năng lượng mặt trời là công nghệ được sử dụng phổ biến và chiếm thị phần lớn nhất hiện nay Tuy nhiên, pin mặt trời đối diện với một số

hạn chế nhất định Trong những ngày mưa gió hoặc trời âm u kéo dài, hoặc vào ban đêm khi không có ánh sáng mặt trời, hiệu suất tạo ra điện của pin giảm đáng kể Bên cạnh đó, môi trường có nhiều bụi bẩn cũng ảnh hưởng đến hiệu suất của pin mặt trời, lý do là vì bề mặt pin sẽ bị che phủ bởi bụi bẩn, làm giảm khả năng thu năng lượng Hơn nữa, việc xử lý lượng lớn pin mặt trời đã hết niên hạn sử dụng cũng trở thành một vấn đề gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng do thành phần chế tạo của chúng chứa nhiều kim loại nặng Ở Việt Nam, mặc dù có tiềm năng ứng dụng năng lượng mặt trời lớn, nhưng thực tế chưa tương xứng với tiềm năng này do nhiều vấn đề liên quan đến chi phí đầu tư và lợi nhuận

Đối với năng lượng thủy triều, mặc dù nó mang lại tiềm năng lớn trong việc cung cấp nguồn năng lượng sạch và ổn định, nhưng thực tế hiện nay vẫn đặt ra nhiều thách thức về khoa học và công nghệ để khai thác hiệu quả Một trong những thách thức lớn nhất là việc phát triển công nghệ để tận dụng được một cách hiệu quả và ổn định từ thủy triều cao đến thủy triều thấp Điều này đòi hỏi sự tiến bộ trong việc thiết kế và xây dựng các cấu trúc cảm biến và thiết bị công nghệ cao để thu thập, chuyển đổi năng lượng từ việc thay đổi mực nước thủy triều Ngoài ra, việc khai thác năng lượng thủy triều còn gây ảnh hưởng đến hệ sinh thái xung quanh nó

Hình 1.6 Thay đổi hàng năm trong sản xuất năng lượng gió, mặt trời, và các năng lượng khác [1]

Ngày nay, năng lượng gió ngày càng được xem là một nguồn năng lượng ổn định, có tiềm năng lớn và gần như không gây tác động đến môi trường Thống kê cho thấy sản lượng năng lượng từ gió đang tăng nhanh từng năm, và đã đạt đến gần 700 TWh vào năm 2021, cao hơn so với năng lượng mặt trời (Hình 1.6) [1]

1.3 Năng lượng gió và ứng dụng khai thác năng lượng gió

Hiện nay, với thực tế nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao, những nguồn năng lượng hóa thạch như than đá, dầu mỏ, khí đốt,… đang dần trở nên khan hiếm cũng như gây các tác động xấu cho môi trường Việc phát triển những dạng năng lượng mới, sạch để thay thế đang được quan tâm chú trọng Một trong những nguồn năng lượng mới tiềm năng, đang trong quá trình khai thác và sử dụng có thể kể đến là năng lượng gió Nó là một nguồn năng lượng tái tạo, hiện đang gia tăng đáng kể trong bản đồ năng lượng thế giới (Hình 1.7) [1]

Hình 1.7 Năng lượng gió sản xuất theo khu vực từ năm 1965 đến năm 2022 [1]

Gió là nguồn năng lượng tái tạo tiềm năng với nhiều ưu điểm nổi bật như ổn định, ít tác động đến môi trường, và là giải pháp thay thế hiệu quả cho nhiên liệu hóa thạch Cùng với năng lượng mặt trời, năng lượng gió đóng vai trò quan trọng trong việc giảm phụ thuộc vào các nguồn năng lượng truyền thống, góp phần cải thiện chất lượng cuộc sống cho các cộng đồng khó khăn chưa được kết nối lưới điện quốc gia

Tuabin gió là thiết bị cơ học được sử dụng để chuyển đổi năng lượng gió thành điện năng Tùy thuộc vào tốc độ gió hay dòng chảy, tuabin được đặc trưng bởi tỷ tốc TSR và hệ

số công suất C p[6-8] Dựa trên cấu hình trục quay của cánh quạt mà tuabin gió được chia thành hai loại chính, đó là tuabin gió trục ngang (HAWTs) và tuabin gió trục thẳng đứng (VAWTs) với những ưu điểm và nhược điểm riêng (Hình 1.8)

Hình 1.8 Thực tế tuabin gió trục ngang và tuabin gió trục đứng

Hình 1.9 Hệ số công suất tua-bin gió theo tỉ tốc gió [9]

Tuabin trục ngang (Ví dụ: Dutch windmill, tuabin trục ngang 1, 2, 3 cánh) là một loại tuabin trong đó trục quay của cánh quạt được đặt ngang, song song với mặt đất, hay bề mặt dòng nước Tuabin này thường được ứng dụng cho khai thác năng lượng gió Ưu điểm của

nó là cho hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió cao (tới 50%) (Hình 1.9) [9] Tuy nhiên, loại tuabin này đòi hỏi chi phí đầu tư, vận hành và bảo dưỡng lớn Đồng thời nó còn đòi hỏi không gian lắp đặt lớn, thoáng, và khi hoạt động gây ra tiếng ồn lớn gây ra các tác động tiêu cực đến môi trường xung quanh

Tuabin trục đứng (Ví dụ: tuabin Savonius, Darrieus, Gorlov) là dạng tuabin có cánh nằm dọc theo trục chính thẳng đứng, có thể hoạt động đa hướng Đây là loại tuabin được

sử dụng rộng rãi cho các nhà máy điện cỡ nhỏ với các ưu điểm như chi phí đầu tư thấp, vận

hành không phụ thuộc vào hướng gió, có độ ồn thấp, có thể hoạt động ở dải tỉ tốc gió rộng

Do đó, nó phù hợp lắp đặt ở không gian nhỏ hẹp, ở các vùng diện tích có sẵn [10]

Phổ biến hiện nay là các trang trại gió quy mô lớn thường được xây dựng tại vùng đồng bằng và ngoài khơi, tận dụng các tuabin HAWT kích thước lớn để khai thác năng lượng gió hiệu quả Tuy nhiên, năng lượng gió cũng hứa hẹn tiềm năng cao ở các khu vực

đô thị, với nguồn gió đến từ nhiều nơi như tòa nhà cao tầng, bên trong hệ thống thông gió tòa nhà, hầm tàu hỏa và hệ thống đường cao tốc [11, 12] Đặc trưng gió tại các khu vực này thường rất phức tạp, biến đổi rộng về biên độ và có độ nhiễu loạn cao do ảnh hưởng của các công trình kiến trúc (Hình 1.10) Điều này khiến HAWT hoạt động kém hiệu quả do phụ thuộc hướng gió Ngược lại, VAWT với khả năng hoạt động đa hướng lại cho khả năng hoạt động phù hợp hơn với môi trường gió phức tạp này [11, 12]

Hình 1.10 Mô phỏng đặc điểm gió xung quanh các tòa nhà cao tầng trong đô thị [13]

1.4 Tổng quan các nghiên cứu về tua-bin gió trục đứng ở thế giới và trong nước 1.4.1 Trên thế giới

Kể từ khi chiếc tuabin gió đầu tiên được chế tạo bởi Charles F Brush Tool năm 1888, việc ứng dụng năng lượng gió đã có những tiến bộ mang tính đột phá Bước sang thế kỷ 21, con người đang từng bước đưa năng lượng gió vào để thay thế các nguồn năng lượng truyền thống, có thể nói, đây là thời kỳ bùng nổ năng lượng gió Tuabin gió trục ngang (HAWT)

có hiệu suất cao, hoạt động ở dải tỉ tốc gió cao và phù hợp với các nhà máy điện cỡ lớn (Hình 1.9) Tuy nhiên, loại tuabin gió này có những mặt hạn chế riêng như chi phí lắp đặt lớn, đòi hỏi không gian lắp đặt và vận hành rộng Trong khi đó, tuabin gió trục đứng (VAWT) phù hợp làm việc ở dải tốc độ gió thấp Điển hình cho dạng tuabin gió này có thể

kể đến đó là tuabin Savonius với các ưu điểm như: kích thước nhỏ gọn, lắp ráp đơn giản,

dễ dàng sản xuất và bảo trì với chi phí thấp, khởi động ở tốc độ gió thấp, không phụ thuộc hướng gió, và tiếng ồn thấp Từ những ưu điểm trên, tuabin gió trục đứng nói chung và tuabin gió Savonius [10] nói riêng rất phù hợp để lắp đặt ở không gian nhỏ hẹp, ở các diện tích có sẵn như: không gian đô thị, sân vườn, khuôn viên khách sạn – resort, nóc nhà – ban công, ven biển, hoặc hải đảo nơi khó khăn về kết nối điện lưới quốc gia (Hình 1.11)

Hình 1.11 Các tính năng và khu vực ứng dụng lắp đặt tuabin gió [8]

Mặc dù có những ưu điểm nổi bật phù hợp cho các ứng dụng như đã nêu trên, tuy nhiên, vấn đề lớn đối với dạng tuabin Savonius này là hiệu suất vẫn còn tương đối thấp, và

có xu hướng giảm mạnh ở tỉ tốc gió cao Nhiều nghiên cứu hiện nay đã được thực hiện để cải tiến hiệu suất của tuabin Savonius, bao gồm điều khiển dòng chảy bằng cánh hướng dòng [14-19] và cải tiến biên dạng cánh [16, 20-33]

Với cánh hướng dòng, gió sẽ được dẫn trực tiếp đến cánh chủ động và bị chặn khỏi cánh bị động Mohamed và cộng sự [14] đã tối ưu hóa biên dạng cánh hướng dòng cho cánh chủ động và cánh bị động, bao gồm hai tấm phẳng hướng dòng chảy có lợi đến cánh

chủ động, và chặn dòng chảy bất lợi lên cánh bị động Kết quả cho thấy hệ số công suất C p

tăng 39.8% so với tuabin nguyên bản không có cánh dẫn dòng Hay trong nghiên cứu của Layeghmand và cộng sự [19], tấm hướng dòng dạng airfoil giúp gia tăng đáng kể hiệu suất trung bình của tuabin Savonius lên đến 50%, đồng thời làm giảm momen xoắn âm trên tuabin Tuy nhiên, ở phương pháp này, các tính năng ưu việt của tuabin Savonius đã bị loại

bỏ như: dễ dàng sản xuất và bảo trì, dễ dàng lắp ráp, và không phụ thuộc hướng gió

Hình 1.12 Kết cấu tuabin Savonius sử dụng hệ thống hướng dòng [14, 18, 19]

Có thể thấy, cấu trúc cánh là bộ phận làm việc quan trọng của tuabin gió nói chung và tuabin Savonius nói riêng Phương pháp hiệu quả hiện nay để cải thiện hiệu suất của tuabin Savonius dựa trên cải tiến biên dạng cánh bao gồm: cánh nhiều lưỡi [27]; cánh overlap [21, 24]; cánh loại Bach [20, 22, 23]; cánh loại Benesh [25]; cánh đa độ cong [29, 30, 34]; cánh

có độ dày [26, 28, 31-33, 35] So sánh với dạng cánh nguyên bản lần đầu tiên được thiết kế

và chế tạo bởi kỹ sư người Phần Lan Savonius S J vào năm 1922, về cơ bản các dạng cánh cải tiến trên giúp tăng hiệu suất tuabin lên từ 10% đến 30%, trong đó dạng cánh đa độ cong

có thể tăng công suất lên đến 100% ở tỉ tốc cao Cụ thể chi tiết hơn ở Bảng 1.1

Bảng 1.1 Tóm tắt các nghiên cứu tối ưu biên dạng cánh cho tua-bin Savonius

Shamar et al [27] Cánh đa độ cong Mô phỏng Tăng từ 8.89% đến 13.69%

Blackwell et al [21]

Al-Faruck et al [24] Cánh overlap Thực nghiệm

Cải thiện hiệu suất đến 25.5% với biên dạng cánh Overlap 0.2 tại tỉ tốc 0.8

Roy et al [25] Cánh loại

Benesh Thực nghiệm Tăng 26.1% tại tỉ tốc 0.8

Kacprzak et al [23]

Zhang et al [29] Cánh bán elip Mô phỏng

Cải thiện đến 10.3% tại tỉ tốc 0.8 Tăng 6% tại tỉ tốc 1.0

Elmekawy et al [34] Cánh xoắn Mô phỏng Tăng tới 5.69% với góc xoắn 35o

Elmekawy et al [34]

Chan et al [30] Cánh đa độ cong Mô phỏng Tăng 32.2% tại tỉ tốc 0.8

Tăng 33% tại tỉ tốc 0.8 Tian et al [31] Cánh có độ dày Mô phỏng Cải thiện 13% tại tỉ tốc 1.1

Tartuferi et al [26] SR3345 Airfoil

SR5050 Airfoil Mô phỏng

Tăng tới 10% tại tỉ tốc ≤ 0.5

Chỉ cải tiến tại tỉ tốc > 0.9

Anh et al [33] Cánh có lưỡi

Tăng khoảng 100% tại tỉ tốc = 1.4, không cải thiện ở vùng tỉ tốc

< 0.8

1.4.2 Tại Việt Nam

Với vị trí địa lý nhiệt đới xích đạo, có đường bờ biển dài hơn 3000 km, có nhiều khu vực đồng bằng rộng lớn, Việt Nam có tiềm năng lớn để phát triển năng lượng gió Với ưu thế như nguồn cấp năng lượng tương đối ổn định, ít phát thải xấu đến môi trường, việc nghiên cứu và tận dụng được năng lượng từ gió giúp cải thiện môi trường, giảm thiểu gánh nặng lên lưới điện Quốc gia Trong khoảng 10 năm trở lại đây, Việt Nam bắt đầu thực hiện các nghiên cứu phát triển năng lượng gió, nhiều dự án năng lượng gió đã được triển khai rộng khắp đất nước Ví dụ như dự án điện gió Bạc Liêu với tổng công suất là 99.2 MW; dự

án lớn về tuabin gió ở Tuy Phong – Bình Thuận với công suất 120 MW bao gồm 80 tuabin điện gió 1.5 MW/tuabin; Dự án tuabin gió An Phong với tổng công suất 180 MW Theo thống kê tính đến năm 2019, cả nước hiện có khoảng 50 dự án điện gió đăng ký với tổng công suất gần 500 MW, nhưng mới chỉ có 7 dự án điện gió đang vận hành với tổng công suất 190 MW [36] Tuy nhiên, ở các trang trại năng lượng gió này, loại tuabin gió được sử dụng là dạng tuabin trục ngang với kích thước lớn, đòi hỏi không gian rộng, thoáng Hơn nữa, với các loại tuabin này, Việt Nam chưa thể tự chế tạo mà hoàn toàn phải nhập khẩu từ nước ngoài về, dẫn đến chưa thể tự chủ về công nghệ

Nghiên cứu cho thấy tốc độ gió trung bình hàng năm trên đất liền ở Việt Nam phổ

biến ở trong dải tốc độ thấp, tốc độ gió U < 7 m/s (tương ứng với tỉ tốc gió TSR nhỏ hơn 2)

chiếm hơn 60% tổng diện tích như trong Hình 1.13 [36, 37] Ở trong khu vực đô thị, tốc độ gió có thể cao hơn nhưng phức tạp cả về hướng và độ lớn do ảnh hưởng của các tòa nhà cao tầng, và ảnh hưởng của các không gian nhỏ hẹp như ngách hay ngõ nhỏ, v.v Do vậy, các tuabin cỡ nhỏ như tuabin Savonius hay tuabin Darriues (Hình 1.14) có khả năng vận hành tốt hơn nhờ kích thước nhỏ gọn, dễ dàng bảo trì, bảo dưỡng

Các nghiên cứu áp dụng tuabin gió quy mô nhỏ đang tiến hành nhưng vẫn gặp nhiều hạn chế ở Việt Nam, chỉ giới hạn trong một số nhóm nghiên cứu nhỏ tại các trường đại học

Ví dụ, nhóm nghiên cứu do PGS Trương Việt Anh, thuộc bộ môn Máy và tự động thủy khí tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã tiến hành nghiên cứu để cải tiến cấu trúc của

cánh quạt nhằm tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng cho tua-bin Savonius Hay gần đây, nhóm nghiên cứu của TS Lê Đình Anh, trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN cũng đã thực hiện đề tài Thiết kế và chế tạo nguyên mẫu tua-bin gió Savonius hiệu suất cao, hứa hẹn khả năng ứng dụng trong thực tế đô thị

Hình 1.13 Vị trí các dự án điện gió và bản đồ tài nguyên gió tại Việt Nam [36]

Hình 1.14 Tuabin gió trục đứng

Mục tiêu của luận văn nghiên cứu

Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu được thực hiện trước đây, nhưng hầu hết đều chỉ cải thiện hiệu suất ở vùng tỉ tốc nhỏ hơn 1.0 (Bảng 1.1) Trong khi đó, ở những nghiên cứu về gió và ảnh hưởng của gió trong đô thị cho thấy rằng, tốc độ gió có thể tăng lên đến hơn 2.5 lần khi so sánh với giá trị gió ban đầu tùy thuộc vào từng khu vực và vị trí [12, 38] Do đó, tua-bin gió có thể hoạt động ở vùng tỉ tốc cao lên đến 1.6 [39, 40] Vì thế cần nghiên cứu thêm để có thể tận dụng các ưu điểm sẵn có của tuabin Savonius trong điều kiện gió rộng

và phức tạp

Dựa trên phân tích về tình hình, nhu cầu sử dụng năng lượng hiện tại, và những nghiên

cứu ứng dụng cho tuabin gió trục đứng, luận văn nghiên cứu về đề tài "Nghiên cứu nâng cao công suất khí động tuabin gió trục đứng savonius sử dụng mô phỏng số" Mục tiêu

của luận văn là đề xuất một cấu hình cánh cải tiến mới giúp nâng cao hiệu suất của tuabin Savonius ở vùng tỉ tốc gió rộng Từ đó đáp ứng nhu cầu về năng lượng tái tạo trong môi trường đô thị, giúp giảm thiểu gánh nặng cho lưới điện quốc gia

Chương 2 THIẾT KẾ CẤU HÌNH BIÊN DẠNG CÁNH CẢI TIẾN CHO TUABIN GIÓ SAVONIUS

2.1 Cơ sở lý thuyết hoạt động của tua-bin gió

Tuabin gió hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi năng lượng từ dòng gió thành năng lượng cơ học, thông qua chuyển động quay của các cánh quạt gió Các loại tuabin gió

có thể được phân loại dựa trên nhiều yếu tố như hình dạng cánh quạt hay cách chuyển động của trục quay

Tuabin gió đóng vai trò quan trọng trong việc khai thác năng lượng tái tạo từ gió, bằng cách chuyển đổi động năng của gió thành năng lượng điện Với một thiết kế đơn giản nhưng hiệu quả, tuabin gió đóng vai trò vô cùng quan trọng trong hệ thống năng lượng tái tạo hiện đại

Dựa trên nguyên lý hoạt động mà tuabin gió được chia thành hai loại chính đó là tuabin gió sử dụng lực nâng và tuabin gió sử dụng lực cản Trên cơ sở nguyên tắc của các dạng này, tuabin gió có thể được phân loại và sử dụng tùy thuộc vào điều kiện và yêu cầu

cụ thể của từng dự án

2.1.1 Tuabin gió sử dụng lực nâng

Tuabin gió sử dụng lực nâng là loại tuabin gió phổ biến nhất hiện nay trên thế giới, thường được sử dụng trong các trang trại gió quy mô lớn Tuabin gió trục ngang (HAWT)

là một ví dụ điển hình cho dạng tuabin hoạt động dựa trên nguyên tắc lực nâng Cấu trúc của HAWT bao gồm cánh quạt được thiết kế theo hình dạng cánh máy bay, tạo ra lực nâng khi gió thổi qua Lực nâng này tác động lên cánh quạt, khiến chúng quay theo chiều dọc trục ngang của tuabin Ngoài ra, trong các loại tuabin gió trục đứng (VAWT), một loại tuabin chú ý là tuabin Darriues, cũng sử dụng nguyên tắc lực nâng để thu năng lượng từ gió

Ưu điểm lớn nhất của loại tuabin gió sử dụng lực nâng là có hiệu suất cao khi hoạt động (Hình 1.9), đặc biệt là trong những khu vực có gió mạnh và ổn định Tuy nhiên, để đạt được hiệu suất cao, tuabin gió cần phải có cánh lớn, và được lắp đặt ở những khu vực rộng Điều này tạo ra những thách thức về không gian và vận chuyển, đặc biệt là trong việc lắp đặt tuabin trên địa hình đồi núi hoặc trên biển Ngoài ra, đối với dạng tuabin gió này, việc đưa vào hoạt động cũng phụ thuộc rất nhiều vào hướng đón gió Điều này có thể gây

ra những vấn đề về điều chỉnh hướng đón gió và vận hành của tuabin, đặc biệt trong các khu vực có gió thay đổi hướng thường xuyên

2.1.2 Tuabin gió sử dụng lực cản

Bên cạnh tuabin gió ứng dụng lực nâng (HAWT) phổ biến, tuabin gió sử dụng lực cản – điển hình cho tuabin gió trục đứng (VAWT) cũng đóng vai trò quan trọng trong khai thác năng lượng gió Ưu điểm của dạng tuabin gió này đầu tiên phải kể đến đó là nó có kết cấu nhỏ gọn, dễ dàng vận chuyển, lắp đặt, vận hành và bảo dưỡng Với cách vận hành không phụ thuộc vào hướng gió, có độ ồn thấp, có thể hoạt động ở dải gió rộng, nó có thể phù hợp lắp đặt ở không gian nhỏ hẹp Tuy nhiên, nhược điểm còn tồn tại trên loại tuabin gió này

đó là hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió sang điện còn khá thấp (Hình 1.9)

Cấu trúc điển hình cho dạng tuabin gió sử dụng lực cản có thể kể đến đó là tuabin gió Savonius [10], với cấu tạo nguyên bản được thiết kế là sự kết hợp của hai cánh hình bán nguyệt (hình chữ S), hoạt động dựa trên nguyên tắc thu lực cản, chuyển lực cản thành momen quay Khi gió thổi qua tuabin, áp suất gió tăng ở mặt lõm cánh đón gió và giảm ở mặt lồi cánh còn lại tạo nên sự chênh lệch áp suất Sự chênh lệch áp suất này tạo ra momen quay, giúp cánh quạt của tuabin quay theo hướng quay Khi cánh tuabin quay, năng lượng

cơ học được tạo ra Loại tuabin gió này có thể hoạt động trong điều kiện gió phức tạp cả về hướng và độ lớn Ngoài việc kế thừa các ưu điểm vốn có của tuabin gió trục đứng, nó còn

có khả năng tự khởi động ở tốc độ gió thấp, rất phù hợp cho các ứng dụng thu năng lượng trong đô thị

Mặc dù có những ưu điểm vượt trội như vậy, nhưng tuabin Savonius thường có hiệu suất chuyển đổi năng lượng thấp hơn so với các loại tuabin khác (Hình 1.9) Điều này phần lớn là do cấu trúc cơ bản của nó không tối ưu cho việc tận dụng hoàn toàn năng lượng của dòng khí, khiến tuabin mất đi một phần năng lượng do hình thành các nhiễu động và xoáy quanh cánh tuabin trong quá trình quay

2.2 Chi tiết thiết kế biên dạng cánh

Trong phần này, chi tiết thiết kế cấu hình cánh mới được đề xuất nhằm cải thiện hiệu suất của tuabin gió Savonius ở vùng tỉ tốc gió rộng, đặc biệt là cho các ứng dụng thu năng lượng trong đô thị Biên dạng cánh mới được cải tiến dựa trên nguyên lý hoạt động của dạng tuabin gió Savonius sử dụng lực cản Yêu cầu đặt ra cho biên dạng cánh này nhằm mục đích thu được nhiều lực cản có lợi cho cánh chủ động, đồng thời giảm lực cản có hại tác dụng lên cánh quay bị động

Dựa trên những nghiên cứu cải thiện hiệu suất cho tua-bin gió Savonius đã được công

bố trước đây, bao gồm thiết kế biên dạng cánh ban đầu thành dạng cánh đa độ cong giúp cải thiện hiệu suất ở vùng tỉ tốc thấp [29-31], hay biên dạng cánh kết hợp cánh phụ elip nhằm mục đích tăng cường lực cản có lợi ở vùng tỉ tốc cao [33], luận văn này đề xuất một

biên dạng cánh mới là sự kết hợp giữa biên dạng cánh đa độ cong có thêm cánh phụ elip nhằm nâng cao hiệu suất cho tuabin gió ở vùng tỉ tốc gió rộng

Cụ thể, luận văn đề xuất một phương pháp kết hợp hai thiết kế cải tiến cánh đã được chứng minh hiệu quả riêng lẻ để tối ưu hóa hiệu suất của tuabin gió Savonius trong một phạm vi tỉ tốc gió rộng hơn Cấu hình cánh là sự kết hợp ưu điểm của cánh đa độ cong với

ưu thế của cánh phụ elip Trong đó:

- Phần cánh phụ elip được thiết kế dựa trên các thông số không thứ nguyên 𝑅1∗ =

ở vùng tỉ tốc gió rộng Các kích thước khác được giữ nguyên như đã báo cáo trong công trình của Anh và cộng sự [33] Ngoài ra, vì không có báo cáo về độ dày của biên dạng cánh trong thí nghiệm thực nghiệm của Blackwell và cộng sự [41], do đó cánh được giả định có

độ dày 4 mm trong nghiên cứu này Thông số chi tiết về các kích thước được tổng hợp như trong Bảng 2.1

Bảng 2.1 Thông số thiết kế cánh chi tiết

* (h/d)

Bằng cách sử dụng biên dạng cánh đa độ cong, tuabin có thể thu được nhiều lực cản

có lợi từ gió ở vùng tỉ tốc thấp, trong khi việc thêm cánh phụ elip sẽ giúp tăng cường lực cản có lợi ở vùng tỉ tốc cao hơn Điều này có thể giúp cho tuabin gió hoạt động ở phạm vi

tỉ tốc gió rộng hơn, và hiệu suất tổng thể của tuabin gió Savonius được cải thiện đáng kể

Từ đó, giúp mở rộng phạm vi ứng dụng của dạng tuabin này trong các điều kiện tỉ tốc gió

đa dạng

Để thuận tiện cho việc phân tích kết quả và thảo luận ở những phần sau, cánh chủ động được định nghĩa là cánh hoạt động trong khoảng góc quay từ 270° - 0° - 90°, cánh bị động là cánh hoạt động trong phần góc còn lại Cánh nguyên bản và cánh cải tiến được định nghĩa lần lượt là cánh CB (Conventional blade) và cánh OB (Optimized blade)

Hình 2.1 Cấu hình cánh và thông số thiết kế cánh

2.3 Kết luận chương 2

Trong chương này trình bày về cơ sở lý thuyết hoạt động của tuabin gió, cũng như phân loại tuabin dựa trên nguyên lý hoạt động, bao gồm hai loại là tuabin gió hoạt động dựa trên lực nâng và tua-bin gió hoạt động dựa trên lực cản

Đồng thời, trong chương đề xuất một biên dạng cánh cải tiến nhằm tăng hiệu suất cho tuabin gió Savonius, hoạt động ở phạm vi tỉ tốc gió rộng hơn, ứng dụng trong môi trường

đô thị Biên dạng cánh mới này được tạo bởi một biên dạng cánh đa độ cong, phụ thuộc vào tham số 𝑅3∗, giúp cải thiện hiệu suất ở vùng tỉ tốc thấp, kết hợp với cánh phụ elip nhằm mục đích tăng hiệu suất ở vùng tỉ tốc cao

Chương 3 PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ

3.1 Phương pháp mô phỏng số

Để hiểu rõ cơ chế dòng chảy xung quanh tuabin gió, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng mô phỏng 3D như kết hợp Reynolds-Averaged Navier-Stokes/Larger Eddy Simulation (RANS/LES) hay mô hình LES là cần thiết để đạt được kết quả đáng tin cậy [43, 44] Tuy nhiên, nó đòi hỏi khối lượng tính toán và thời gian mô phỏng lớn Trong khi

đó, rô-to Savonius có dạng hình học đơn giản với mặt cắt không đổi dọc theo chiều cao tuabin Do vậy, ảnh hưởng 3D của dòng chảy là không đáng kể, chỉ xuất hiện ở mặt giới hạn giữa hai đế của tuabin và có thể bỏ qua Quan trọng hơn, nghiên cứu này hướng đến đề xuất thiết kế biên dạng cánh cải tiến, do vậy mô hình mô phỏng 2D RANS không ổn định, không nén được sử dụng với độ chính xác đáng tin cậy trong tính toán hiệu suất khí động lực học [29, 32, 33, 35, 39, 45-47] Hệ phương trình Navier – Stokes cho dòng 2D không nén được (2D Unsteady Reynolds-averaged Navier – Stokes, URANS) được biểu diễn như sau:

0

i i

u x

𝑢𝑖′, 𝑢𝑗′ Tensor ứng suất Reynolds, được xác định theo giả thuyết Boussinesq

Để tính tới ảnh hưởng của dòng chảy rối quanh cánh, mô hình Realizable k – ε được

sử dụng cho nghiên cứu này Đây là mô hình đã được xác minh và sử dụng trong nhiều nghiên cứu tương tự với độ chính xác cao [33, 35, 47] Phương trình cho mô hình như sau: