NGHIÊN cứu hàm CÔNG SUẤT của TUABIN GIÓ

Nghiên cứu cơng suất tuabin gió: HÀM CƠNG SUẤT CỦA TUABIN GIÓ CÁNH QUẠT 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 điểm bắt đầu sai định luật Betz áp dụng định luật Niuton để tính lực cánh tuabin tác dụng vào gió Nghiên cứu cho cơng suất mà tuabin gió có lực động dòng gió tác động vào mặt trước cánh lực giảm áp suất tác dụng vào mặt sau cánh tuabin Nghiên cứu đưa hệ số suy giảm vận tốc gió trước va chạm vào cánh tuabin Nghiên cứu xây dựng hàm cơng suất cho tuabin gió cánh quạt: (w) Sự cần thiết phải xây dựng lại cơng thức tính cơng suất cho tuabin gió Ngài Albert Betz mắc sai lầm nghiêm trọng vận dụng định luật Niuton để tính lực F tuabin tác dụng vào gió: F = ma với m khối lượng gió; a gia tốc gió; gió chất lưu nên khơng tn theo định luật Niuton Do khơng thể có hệ số Betz cơng thức tính cơng suất tuabin gió định luật Betz: vơ nghĩa Hiện giới sử dụng công thức ! HÀM CƠNG SUẤT CỦA TUABIN GIĨ CÁNH QUẠT Tuabin gió cánh quạt hoạt động cánh thu lượng từ động gió tác động lên mặt cánh quạt lực giảm áp suất phía sau cánh quat Cơng suất tuabin gió đại lượng vật lý phức tạp có nhiều yếu tố vật lý ảnh hưởng tới độ lớn yếu tố vật lý lại ảnh hưởng qua lại với Cơng suất tuabin tác động lực gió lên mặt cánh quạt: Cơng thức tính cơng suất P dòng gió là: P  Sv : tỷ trọng khơng khí; S: tiết diện dòng gió; v: vận tốc dòng gió ; Xét tuabin gió có trục song song với hướng gió thu lượng gió cánh quạt giống nhau, có mặt phẳng quay vng góc với hướng gió; tổng diện tích cánh quạt SC; góc tạo mặt phẳng cánh quạt hướng gió α , tổng diện tích mặt cắt ngang dòng gió tác động lên cánh quạt S Ta có : S = SC sinα (1-1) Chỉ có dòng gió có tiết diện S truyền lượng động cho cánh tuabin, dòng gió qua phần khơng gian cánh khơng truyền lượng cho cánh tuabin Khi gió tác động lên cánh tuabin truyền lượng động cho cánh, vận tốc phần tử khơng khí giảm có thay đổi hướng Sau phần tử khơng khí chuyển động phía sau đẩy Vận tốc gió trường gió nơi đặt tuabin , tác động liên hồn phần tử gió mà vận tốc gió trước va chạm vào cánh tuabin bị suy giảm vận tốc, suy giảm vận tốc phần tử gió biểu thay đổi phương Sự suy giảm vận tốc gió biểu diễn hệ số suy giảm vận tốc trung bình gió trước va chạm vào cánh tuabin gọi tắt hệ số suy giảm vận tốc gió lấy ký hiệu : k Như vận tốc của phần tử gió va chạm vào cánh tuabin ; theo phương gió vận tốc phần tử gió có độ lớn là: vT = kv Với : < k < ; (1-2) Đối với tuabin gió cánh quạt: Càng gần tâm quay suy giảm vận tốc phần tử gió trước va chạm vào cánh tuabin nhiều, tốc độ quay tuabin cao suy giảm vận tốc gió tăng Ta thấy hệ số k tỷ lệ nghịch với vận tốc quay tuabin Với thông số tuabin gió cánh quạt: Ao diện tích quét cánh tuabin; Sc tổng diện tích cánh; α góc tạo mặt phẳng cánh với hướng gió Khoảng trống cánh nhiều suy giảm vận tốc gió Ta có hệ số k tỷ lệ nghịch với tỷ số Xét tác dụng lực : Ta gọi tổng hợp lực dòng gió có tổng tiết diện SC tác dụng lên cánh tuabin, phương chiều trùng với phương chiều gió Cơng tạo lực dòng gió : dE = dx Do ta có cơng suất P dòng gió : P = = = vT Mặt khác tính tốn theo động ta có cơng thức tính cơng suất dòng gió : P   Sv ; Với : S = SC sin α ; v = vT Do ta có : P = S vT3 = SC vT3 sin α = vT Độ lớn lực tác dụng lên cánh tuabin có diện tích SC; góc nghiêng với hướng gió α là: = S vT = SC vT2 sin α (1-3) Ta coi cánh tuabin phẳng; hướng vận tốc gió đồng đều; tuabin chưa quay Phân tích hợp lực gió tác động lên cánh quạt có mặt phẳng cánh (MC) tạo với hướng gió góc α (hình 1) ta thấy : Lực gió tác động lên cánh tuabin; cánh tuabin nhận lực pháp tuyến , phản lực : ta có: = sinα Lực phân tích thành hai lực thành phần : có phương tiếp tuyến với bán kính quay, có tác dụng sinh cơng làm quay cánh tuabin có phương song song với trục tuabin, không sinh công làm quay cánh tuabin Độ lớn lực là: = cosα = cosα.sinα ( 1-4) Gọi j hệ số thu lượng cánh tuabin với cấu tạo bề mặt khác khả thu lượng gió cánh tuabin khác từ (1-1); (1-2); (1-3); (1-4) ; ta tính thành phần F1 lực gió tác dụng tiếp tuyến với quỹ đạo quay cánh quạt : (1 - Trong : : tỷ trọng khơng khí ; S C : tổng diện tích cánh tuabin; v: vận tốc trường gió; α: góc nghiêng cánh tuabin với hướng gió; j : hệ số hấp thu lực gió cánh tuabin ; k: hệ số suy giảm vận tốc gió trước va chạm vào cánh tuabin Khi tuabin quay, vận tốc phần tử gió va chạm vào cánh quạt khác khoảng cách từ 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 cánh tuabin thành n phân đoạn ngắn có bề rộng bi bề rộng cánh, chiều dài dọc theo cánh li đủ ngắn để coi vận tốc gió va chạm vào mặt phân đoạn cánh có diện tích Sci = li.bi , Mặt cánh tuabin gió không phẳng, phân đoạn cánh đủ ngắn ta quy phân đoạn mặt cánh phân đoạn mặt trung bình mà coi phẳng, tất đường nằm ngang cánh mặt phẳng trung bình vng góc với bán kính quay có góc nghiêng với hướng gió αi Khoảng cách từ tâm mặt phân đoạn cánh tới trục quay tuabin gió di coi chung cho tất điểm mặt phân đoạn cánh Xét phân đoạn phân đoạn cánh thứ i ( hình 2) có mặt cánh MM 1C1C diện tích Sci góc nghiêng mặt phân đoạn cánh cánh với hướng gió αi , khoảng cách từ tâm phân đoạn cánh tới trục quay di ; tuabin quay với vận tốc góc i Khi tuabin quay, xét chuyển động phân đoạn cánh MM1C1C tới vị trí M’M’1C’1C’ khoảng thời gian t i tạo thành góc CC’M vng; góc CMC’ = αi ; MC’ song song với hướng gió; bề rộng cánh MC = bi ; coi cung CC’ thẳng Ta có : CC’ = bisinαi MC’ = bicosαi Vận tốc dài vti phân đoạn cánh theo hướng tiếp tuyến với quỹ đạo quay phân đoạn cánh cách trục tuabin di ; tuabin quay với vận tốc góc i : vti = dii Cung CC’ đủ ngắn bán kính quay di đủ dài để coi cung CC’ thẳng ta có: Do đó: Ta coi chuyển động gió thẳng, điểm va chạm tia gió váo cánh tuabin điểm M di chuyển dần tới C thời gian ti = bisinαi / d , qua C tia gió khơng tác động vào cánh tuabin Như điểm va chạm tia gió với cánh tuabin di chuyển theo hướng gió với vận tốc vhi : Tại vị trí thứ i tương ứng với di độ suy giảm vận tốc gió ki ; ta có tổng hợp vận tốc tác dụng gió lên cánh tuabin : (1 - 6) từ (1 -5); (1-6) ta tính lực F1i gió tác dụng tiếp tuyến với quỹ đạo quay phân đoạn cánh tuabin : (I -I) Ta chia cánh tuabin có n phân đoạn ngắn Mỗi phân đoạn ngắn thứ i cánh tạo với hướng gió góc αi , khoảng cách từ phân đoạn cánh thứ i tới trục tuabin di , với tác dụng gió phân đoạn cánh tạo mô men lực là: MTi = F1i di Tổng hợp mơ men lực gió tác dụng lên mặt cánh tuabin gió : (I – II) Mỗi phân đoạn cánh tạo công suất P Ti tác dụng lực gió lên mặt trước cánh : PTi = MTii Do ta có cơng suất P T lực gió tác dụng lên mặt cánh tuabin có số cánh a là: (w) (I – III) Công suất tuabin lực giảm áp suất phía sau cánh : Phía sau cánh quạt tuabin gió có lực Fc giảm áp suất (hình 03) Cơng thức tính lực Fc : Xét phân đoạn cánh thứ i ta thấy : Diện tích mặt sau phân đoạn cánh Si ; Tổng hợp vận tốc tác dụng lên mặt trước phân đoạn cánh : kiv - diicotαi hư vận tốc gió theo phương Fci có giá trị là: (kiv - dii cotαi)sinαi N Do ta có lực Fci giảm áp suất phân đoạn cánh thứ i : Lực Fci phân tích hai thành phần: Thành phần F2ci song song với trục tuabin có tác dụng đẩy đổ tuabin khơng làm tuabin quay Thành phần F1ci tiếp tuyến với bán kính quay làm cho tuabin quay có độ lớn là: (N) (I – IV) Mô men lực Fci : Tổng hợp mô men lực giảm áp suất sau cánh tuabin là: (Nm) (I – V) Công suất mà phân đoạn thứ i có lực giảm áp suất là: (w) Công suất lực giảm áp suất phía sau cánh tuabin có a cánh là: (w) (I – VI) Từ (I – III) (I – VI) ta có : Hàm cơng suất thu lượng gió tuabin gió cánh quạt : PNL = PT + PC (w) Gọi Po tổn hao hộp số, máy phát điện ma sát ổ trục Gọi C p hệ số biến đổi điện; tuabin lắp máy phát điện hòa trực tiếp lên lưới điện bỏ qua Ta có hàm cơng suất tuabin gió cánh quạt là: Trong đó: PTB(w): cơng suất tuabin; : tỷ trọng khơng khí ; S C : diện tích phân đoạn cánh thứ i ; v(m/s): vận tốc trường gió; α i (00) góc nghiêng cánh tuabin với hướng gió; ki: hệ số suy giảm vận tốc gió trước va chạm vào phân đoạn cánh thứ i ; di (m): khoảng cách từ phân đoạn cánh thứ i đến trục tuabin ; I (rad/s) vận tốc góc tuabin; a : số cánh tuabin.; j : hệ số hấp thu lực gió cánh tuabin; Cx : hệ số phụ thuộc vào hình dạng phía sau cánh phẳng đạt giá trị cao 1,32; Po : tổn hao hộp số, máy phát điện ma sát ổ trục; C p : hệ số tổn hao biến đổi điện tuabin lắp máy phát điện hòa trực tiếp lên lưới điện bỏ qua Biểu thức: kiv - dicotαi phân đoạn cánh có giá trị nhỏ phân đoạn cánh tuabin gió tiêu thụ lượng Cơng suất phân đoạn cánh mang giá trị âm Xét hàm số: ; Với giá trị cụ thể thơng số v: vận tốc trường gió; di : khoảng cách từ phân đoạn cánh thứ i đến trục tuabin ; i : vận tốc góc tuabin; ki: hệ số suy giảm vận tốc gió trước va chạm vào phân đoạn cánh thứ i (với tuabin gió có cánh dài thường chọn ki gần để tính ) Cho đạo hàm hàm số y: y’ = ta giá trị góc nghiêng αi mặt phân đoạn cánh, mà với góc nghiêng phân đoạn cánh thu cơng suất cực đại từ gió Do tuabin thu cơng suất cực đại Việc tính tốn góc nghiêng tối ưu ứng với thông số khác cho ta thấy cánh tuabin phải chế tạo có góc nghiêng tăng dần từ gốc cánh, tốc độ tăng góc nghiêng giảm dần từ gốc cánh đến đầu cánh, tạo cho cánh có hình xốn vỏ đỗ tuabin gió cánh quạt thu cơng suất tốt nhất; mặt sau cánh quạt cần chế tạo song song với mặt cánh phân đoạn lực giảm áp suất phía sau cánh lớn để làm cho tuabin có cơng suất cao Góc nghiêng mặt phân đoạn đầu cánh khơng lớn 890 q trình vận hành để tuabin gió có cơng suất tốt Việc chế tạo tuabin gió cánh quạt có cánh khung giàn mặt vặn vỏ đỗ làm cho tuabin có cơng suất cao KẾT LUẬN Khơng thể có hệ số Betz Cơng thức tính cơng suất cho tuabin gió theo định luật Betz sai Nó gây thiệt hại khơng nhỏ cho giới, cản trở lớn cho việc phát triển kinh tế chống biến đổi khí hậu tồn cầu Hàm cơng suất tuabin gió cánh quạt cho ta thấy cần phải tính tốn để thay đổi hình dáng cánh tuabin gió so với nhằm tăng cơng suất hạ giá thành; nhà đầu tư hoạch định sách tuabin gió Hàm cơng suất tuabin gió cánh quạt cho ta thấy có sở để chế tạo tuabin gió cánh khung giàn mặt vặn vỏ đỗ có tốc độ cố định khoảng 07 đến 20 vòng/phút thấp hơn, với sải cánh từ 30m đến 100m cao hơn, phát điện trực tiếp lên lưới điện, làm cho giá thành điện giảm khoảng 4-6 lần so với nay, để đạt mục tiêu phát triển kinh tế chống biến đổi khí hậu toàn cầu Lời cảm ơn: Tác giả xin chân thành cảm ơn nhà khoa học bạn đọc đọc viết mong có đóng góp bổ xung cho viết hồn hảo nhận xét giới thiệu cho nhiều người biết để phát minh ứng dụng sớm cho sản xuất điện gió phục vụ người Tài liệu tham khảo - Betz’ law (Wikipedia) - Giáo trình 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 cơng nghệ - 2008 - Khí động lực học – Trần Văn Trản – H đại học quốc gia Hà nội – 2004 - Thủy khí động lực học – Nhà xbkh kt – Hồng 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 công nghệ - 2008 - Động học 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 ... Công suất mà phân đoạn thứ i có lực giảm áp suất là: (w) Công suất lực giảm áp suất phía sau cánh tuabin có a cánh là: (w) (I – VI) Từ (I – III) (I – VI) ta có : Hàm cơng suất thu lượng gió tuabin. .. tạo công suất P Ti tác dụng lực gió lên mặt trước cánh : PTi = MTii Do ta có cơng suất P T lực gió tác dụng lên mặt cánh tuabin có số cánh a là: (w) (I – III) Công suất tuabin lực giảm áp suất. .. cầu Hàm cơng suất tuabin gió cánh quạt cho ta thấy cần phải tính tốn để thay đổi hình dáng cánh tuabin gió so với nhằm tăng cơng suất hạ giá thành; nhà đầu tư hoạch định sách tuabin gió Hàm cơng