NGHIÊN cứu hàm CÔNG SUẤT của TUABIN GIÓ

Nghiên cứu cho rằng công suất mà tuabin gió có được là do lực của động năng của dòng gió tác động vào mặt trước của cánh và lực giảm áp suất tác dụng vào mặt sau của cánh tuabin.. Nghiên

Nghiên cứu về công suất của tuabin gió:

Tác giả : Lại Bá Ất

Số 32/24 Phan Văn Trường, Cầu Giấy, Hà Nội, Việt Nam

Fax: 0084 43 756 7532; Email: laibaat03@gmail.com

Hà nội Việt nam 19/08/2014

TÓM TẮT

Nghiên cứu chỉ ra điểm bắt đầu sai của định luật Betz là áp dụng định luật 2 Niuton để tính lực của cánh tuabin tác dụng vào gió

Nghiên cứu cho rằng công suất mà tuabin gió có được là do lực của động năng của dòng gió tác động vào mặt trước của cánh và lực giảm áp suất tác dụng vào mặt sau của cánh tuabin

Nghiên cứu đưa ra hệ số suy giảm vận tốc của gió trước khi va chạm vào cánh tuabin Nghiên cứu xây dựng hàm công suất cho tuabin gió cánh quạt:

(w)

Sự cần thiết phải xây dựng lại công thức tính công suất cho tuabin gió

Ngài Albert Betz đã mắc sai lầm nghiêm trọng khi vận dụng định luật 2 Niuton để tính lực F của tuabin tác dụng vào gió: F = ma với m là khối lượng của gió; a là gia tốc của gió; nhưng gió là chất lưu nên không tuân theo định luật 2 Niuton

Do đó không thể có hệ số Betz và công thức tính công suất tuabin gió của định luật

Tuabin gió cánh quạt hoạt động là do các cánh thu được năng lượng từ động năng của gió tác động lên mặt cánh quạt và lực giảm áp suất phía sau cánh quat

Công suất của tuabin gió là một đại lượng vật lý rất phức tạp do có rất nhiều yếu tố vật

lý ảnh hưởng tới độ lớn của nó và các yếu tố vật lý này lại ảnh hưởng qua lại với nhau

1 Công suất của tuabin do tác động lực của gió lên mặt cánh quạt:

Công thức cơ bản tính công suất P của dòng gió là:

3 1 2

: tỷ trọng không khí; S: tiết diện dòng gió; v: vận tốc của dòng gió ;

quạt giống nhau, có mặt phẳng quay vuông góc với hướng gió; tổng diện tích các cánh

cắt ngang của các dòng gió tác động lên các cánh quạt là S.

Ta có : S = S C sinα (1-1)

Chỉ có dòng gió có tiết diện S truyền năng lượng là động năng của nó cho các cánh

tuabin, dòng gió đi qua phần không gian giữa các cánh không truyền năng lượng cho cánh tuabin

Khi gió tác động lên cánh tuabin nó truyền năng lượng là động năng cho cánh, vận tốc của các phần tử không khí giảm đi và có sự thay đổi cả về hướng Sau đó nó được các phần

do sự tác động liên hoàn của các phần tử gió mà vận tốc của gió trước khi va chạm vào cánh tuabin sẽ bị suy giảm vận tốc, sự suy giảm vận tốc của các phần tử gió còn biểu hiện

cả ở sự thay đổi về phương Sự suy giảm vận tốc gió này được biểu diễn bằng hệ số suy

giảm vận tốc trung bình của gió trước khi va chạm vào cánh tuabin gọi tắt là hệ số suy

giảm vận tốc gió và lấy ký hiệu là : k

Như vậy vận tốc của của các phần tử của gió khi va chạm vào cánh tuabin là ; theo

vT = kv Với : 0 < k < 1 ; (1-2)

Đối với tuabin gió cánh quạt:

Càng gần tâm quay sự suy giảm vận tốc của các phần tử gió trước khi va chạm vào cánh tuabin càng nhiều, tốc độ quay của tuabin càng cao sự suy giảm vận tốc gió càng

tăng Ta thấy hệ số k tỷ lệ nghịch với vận tốc quay của tuabin.

tổng diện tích cánh; α là góc tạo bởi mặt phẳng cánh với hướng gió Khoảng trống giữa các cánh càng nhiều thì sự suy giảm vận tốc gió càng ít

Ta có hệ số k tỷ lệ nghịch với tỷ số

Xét sự tác dụng lực :

phương và chiều của trùng với phương và chiều của gió

Công tạo bởi lực của dòng gió là : dE = dx

Mặt khác tính toán theo động năng ta có công thức tính công suất của dòng gió là :

3 1

2

; Với : S = S C sin α ; v = vT

Do đó ta có : P = S vT3 = SC vT3 sin α = vT

= S vT 2 = SC vT2 sin α (1-3)

Ta coi cánh tuabin là phẳng; hướng và vận tốc gió là đồng đều; tuabin chưa quay Phân tích hợp lực của gió tác động lên cánh quạt có mặt phẳng cánh (MC) tạo với hướng gió một góc α (hình 1) ta thấy :

Lực của gió tác động lên cánh tuabin; cánh tuabin nhận được lực pháp tuyến , là phản lực của :

ta có: = sinα

có phương tiếp tuyến với bán kính quay, nó có tác dụng sinh công làm quay cánh tuabin

có phương song song với trục tuabin, không sinh công làm quay cánh tuabin

Độ lớn của lực là:

= cosα = cosα.sinα ( 1-4)

Gọi j là hệ số thu năng lượng của cánh tuabin với cấu tạo bề mặt khác nhau thì khả năng

thu năng lượng gió của cánh tuabin sẽ khác nhau và từ (1-1); (1-2); (1-3); (1-4) ; ta tính

quạtlà :

(1 - 5

gió; α: góc nghiêng của cánh tuabin với hướng gió; j : hệ số hấp thu lực của gió của cánh tuabin ; k: là hệ số suy giảm vận tốc gió trước khi va chạm vào cánh tuabin

Khi tuabin quay, vận tốc của các phần tử của gió va chạm vào cánh quạt sẽ khác nhau khi khoảng cách từ các điểm va chạm tới trục quay khác nhau, coi cánh tuabin có góc nghiêng với hướng gió thay đổi dọc theo chiều dài cánh Ta chia mỗi cánh tuabin ra thành

n các phân đoạn ngắn có bề rộng b i bằng bề rộng cánh, chiều dài dọc theo cánh là l i đủ ngắn để có thể coi vận tốc của gió khi va chạm vào là như nhau trên mặt phân đoạn cánh

đủ ngắn ta có thể quy phân đoạn mặt cánh này về một phân đoạn mặt trung bình mà có thể coi là phẳng, tất cả các đường nằm ngang cánh trên mặt phẳng trung bình và vuông góc với

trên mặt phân đoạn cánh

Ta có : CC’ = b i sinα i

MC’ = b i cosα i

cánh cách trục tuabin di ; tuabin quay với vận tốc góc i là :

v ti = d i i

Cung CC’ là đủ ngắn và bán kính quay d i là đủ dài để coi cung CC’ là thẳng ta có:

Do đó:

Ta coi chuyển động của gió là thẳng, điểm va chạm của một tia gió váo cánh tuabin bắt

này không còn tác động vào cánh tuabin Như vậy điểm va chạm của tia gió với cánh

vận tốc tác dụng của gió lên cánh tuabin là :

(1 - 6)

của phân đoạn cánh tuabin là :

(I -I)

Ta chia cánh tuabin có n phân đoạn ngắn Mỗi phân đoạn ngắn thứ i của cánh tạo với

của gió phân đoạn cánh sẽ tạo ra một mô men lực là:

M Ti = F 1i d i

Tổng hợp mô men lực của gió tác dụng lên mặt cánh tuabin gió là :

(I – II)

trước của cánh là :

P Ti = MTii

Do đó ta có công suất PT do lực của gió tác dụng lên mặt cánh của tuabin có số cánh bằng a là:

(w) (I – III)

2 Công suất của tuabin do lực của sự giảm áp suất phía sau cánh :

Xét một phân đoạn cánh thứ i ta thấy :

N

tuabin quay

(N) (I – IV)

Tổng hợp mô men lực do giảm áp suất sau cánh tuabin là:

Công suất mà phân đoạn thứ i có được bởi lực giảm áp suất là:

(w)

Công suất do lực của sự giảm áp suất phía sau cánh của tuabin có a cánh là:

(w) (I – VI)

Từ (I – III) và (I – VI) ta có : Hàm công suất thu năng lượng gió của tuabin gió cánh

quạt là :

P NL = P T + P C

(w)

Gọi P o là tổn hao ở hộp số, máy phát điện và ma sát các ổ trục Gọi C p là hệ số biến đổi điện; nếu tuabin lắp máy phát điện hòa trực tiếp lên lưới điện thì bỏ qua.

Ta có hàm công suất của tuabin gió cánh quạt là:

phân đoạn cánh thứ i ; v(m/s): vận tốc trường gió; α i (0 0 ) góc nghiêng của cánh tuabin với hướng gió; k i : là hệ số suy giảm vận tốc gió trước khi va chạm vào phân đoạn cánh thứ i ; d i (m): khoảng cách từ phân đoạn cánh thứ i đến trục tuabin ; I (rad/s) vận tốc góc

của tuabin; a : là số cánh của tuabin.; j : hệ số hấp thu lực của gió của cánh tuabin; Cx :

là hệ số phụ thuộc vào hình dạng phía sau cánh nếu phẳng sẽ đạt giá trị cao nhất là 1,32;

P o : là tổn hao ở hộp số, máy phát điện và ma sát các ổ trục; C p : là hệ số tổn hao biến đổi điện nếu tuabin lắp máy phát điện hòa trực tiếp lên lưới điện thì bỏ qua.

cánh đó của tuabin gió tiêu thụ năng lượng Công suất của phân đoạn cánh đó mang giá trị âm

khoảng cách từ phân đoạn cánh thứ i đến trục tuabin ; i : vận tốc góc của tuabin; k i : là hệ

số suy giảm vận tốc gió trước khi va chạm vào phân đoạn cánh thứ i (với tuabin gió có cánh dài thường chọn k i gần bằng 1 để tính ) Cho đạo hàm của hàm số y: y’ = 0 ta được

phân đoạn cánh thu được công suất cực đại từ gió Do đó tuabin sẽ thu được công suất cực đại

Việc tính toán các góc nghiêng tối ưu ứng với các thông số khác nhau cho

ta thấy cánh tuabin phải được chế tạo có góc nghiêng tăng dần từ gốc cánh, tốc độ tăng của góc nghiêng giảm dần từ gốc cánh đến đầu cánh, tạo cho cánh

có hình xoán vỏ đỗ thì tuabin gió cánh quạt mới thu được công suất tốt nhất;

mặt sau của cánh quạt cần chế tạo song song với mặt cánh ở từng phân đoạn thì lực do sự giảm áp suất phía sau cánh mới lớn nhất để làm cho tuabin có công suất cao nhất

Góc nghiêng của mặt phân đoạn đầu cánh không lớn hơn 890 trong quá trình vận hành để tuabin gió có công suất tốt nhất.

Việc chế tạo tuabin gió cánh quạt có cánh khung giàn mặt vặn vỏ đỗ sẽ làm cho tuabin có công suất cao nhất.

KẾT LUẬN

Không thể có hệ số Betz Công thức tính công suất cho tuabin gió theo định luật Betz là sai Nó đã gây ra thiệt hại không nhỏ cho thế giới, cản trở lớn cho việc phát triển kinh tế và chống biến đổi khí hậu toàn cầu

Hàm công suất của tuabin gió cánh quạt cho ta thấy cần phải tính toán để thay đổi hình dáng cánh tuabin gió so với hiện nay nhằm tăng công suất và hạ giá thành; các nhà đầu tư

và hoạch định chính sách về tuabin gió

Hàm công suất của tuabin gió cánh quạt cho ta thấy có cơ sở để chế tạo tuabin gió cánh khung giàn mặt vặn vỏ đỗ có tốc độ cố định trong khoảng 07 đến 20 vòng/phút hoặc thấp hơn, với sải cánh từ 30m đến 100m hoặc cao hơn, phát điện trực tiếp lên lưới điện, làm cho giá thành điện giảm khoảng 4-6 lần so với hiện nay, để đạt được mục tiêu phát triển kinh tế

và chống biến đổi khí hậu toàn cầu

Lời cảm ơn:

Tác giả xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học và bạn đọc đã đọc bài viết và rất mong

có sự đóng góp bổ xung cho bài viết được hoàn hảo hơn và nếu có thể hãy nhận xét và giới thiệu cho nhiều người cùng biết để phát minh có thể được ứng dụng sớm cho sản xuất điện gió phục vụ con người

Tài liệu tham khảo

- Betz’ law (Wikipedia)

- Giáo trình cơ lý thuyết.- Bucgoon – H TRường đại học tổng hợp hà nội 1964

- Cơ học kỹ thuật – động lực học: Nguyễn Đình Chiều, Nguyễn thị Thanh Bình, Nguyễn Ngọc Huyên – H khoa học tự nhiên và công nghệ - 2008

- Khí động lực học cơ bản – Trần Văn Trản – H đại học quốc gia Hà nội – 2004

- Thủy khí động lực học – Nhà xbkh và kt – Hoàng Bá Chư, Trương ngọc Tuấn

- Giáo trình động lực học máy – Franz Hholzwessing – Hansdreisig – ND: Vũ Liêm Chính; Phan nguyên Di – HĐ: Nguyễn Văn Khang – H Hội khoa học kỹ thuật – 2001

- Cơ học kỹ thuật – động lực học : Nguyễn Đình Chiều; Nguyễn thị Thanh Bình; Nguyễn Ngọc Huyên H.Khoa học tự nhiên và công nghệ - 2008

- Động học và động lực học chất điểm: Lê Hoàn Thạch H Giáo dục – 2010

- Cơ chất lỏng: Trần Văn Cúc H Đại học quốc gia Hà nội – 2003

- Cơ chất lỏng: Lê Danh Liên – Hội khoa học kỹ thuật – 2007