Chương này sẽ trình bày lại một chủ đề quan trọng về năng lượng gió: tài nguyên gió và các đặc điểm. Những gì đề cập đến trong chương này có thể được sử dụng trực tiếp cho những khía cạnh của năng lượng gió được thảo luận trong những phần khác của cuốn sách. Ví dụ, những hiểu biết về những nét đặc trưng của gió có liên quan đến những chủ đề sau: Thiết kế hệ thống Thiết kế hệ thống cần kiến thức về những điều kiện gió tiêu biểu, cũng như thông tin về tính chất thất thường của gió. Thông tin này được sử dụng để thiết kế tua bin gió cho một địa điểm đặc biệt. Ước lượng hiệu suất Ước lượng hiệu suất cần xác định rõ công suất năng lượng dự tính và hiệu quả của một hệ thống năng lượng nhất định dựa vào tài nguyên gió. Chọn địa điểm – Các điều kiện để chọn địa điểm gồm việc đánh giá hoặc dự đoán các ưu điểm liên quan của những địa điểm được xét cho một hoặc nhiều tua bin gió. Quá trình hoạt động – Quá trình hoạt động cần thông tin về tài nguyên gió để sử dụng cho việc quản lý tải trọng, quy tắc vận hành (ví dụ như khởi động và kết thúc), và dự đoán về việc bảo dưỡng và tuổi thọ hệ thống. Đầu chương là cuộc thảo luận chung về những đặc trưng của tài nguyên gió, sau đó là mục về đặc điểm của tầng khí quyển ranh giới thích hợp với các ứng dụng năng lượng gió. Hai mục tiếp theo trình bày một số chủ đề cho phép phân tích dữ liệu gió, ước lượng tài nguyên và xác định rõ năng suất của tua bin gió dựa trên dữ liệu tài nguyên gió, hoặc từ một lượng dữ liệu gió giới hạn (như tốc độ gió). Tiếp sau là một bản tóm tắt đánh giá tài nguyên gió toàn cầu. Mục sau đó đánh giá các phương pháp đánh giá tài nguyên gió và các thiết bị đo đạc. Kết thúc chương là bản tóm tắt các vấn đề cao cấp trong lĩnh vực mô tả đặc điểm tài nguyên gió.
Chương Các đặc điểm tài nguyên gió 2.1 Giới thiệu Chương trình bày lại chủ đề quan trọng lượng gió: tài nguyên gió đặc điểm Những đề cập đến chương sử dụng trực tiếp cho khía cạnh lượng gió thảo luận phần khác sách Ví dụ, hiểu biết nét đặc trưng gió có liên quan đến chủ đề sau: Thiết kế hệ thống - Thiết kế hệ thống cần kiến thức điều kiện gió tiêu biểu, thơng tin tính chất thất thường gió Thơng tin sử dụng để thiết kế tua bin gió cho địa điểm đặc biệt Ước lượng hiệu suất - Ước lượng hiệu suất cần xác định rõ cơng suất lượng dự tính hiệu hệ thống lượng định dựa vào tài nguyên gió Chọn địa điểm – Các điều kiện để chọn địa điểm gồm việc đánh giá dự đoán ưu điểm liên quan địa điểm xét cho nhiều tua bin gió Quá trình hoạt động – Quá trình hoạt động cần thơng tin tài ngun gió để sử dụng cho việc quản lý tải trọng, quy tắc vận hành (ví dụ khởi động kết thúc), dự đoán việc bảo dưỡng tuổi thọ hệ thống Đầu chương thảo luận chung đặc trưng tài nguyên gió, sau mục đặc điểm tầng khí ranh giới thích hợp với ứng dụng lượng gió Hai mục trình bày số chủ đề cho phép phân tích liệu gió, ước lượng tài nguyên xác định rõ suất tua bin gió dựa liệu tài nguyên gió, từ lượng liệu gió giới hạn (như tốc độ gió) Tiếp sau tóm tắt đánh giá tài ngun gió tồn cầu Mục sau đánh giá phương pháp đánh giá tài nguyên gió thiết bị đo đạc Kết thúc chương tóm tắt vấn đề cao cấp lĩnh vực mô tả đặc điểm tài nguyên gió 2.2 Những đặc điểm chung tài nguyên gió Khi thảo luận đặc điểm chung tài nguyên gió, cần quan tâm đến số chủ đề hình thành tài nguyên gió tồn cầu, đặc điểm chung gió ước tính tiềm tài ngun gió 2.2.1 Tài ngun gió: hình thành Trái đất 2.2.1.1 Mơ hình tồn cầu Gió Trái đất hình thành chênh lệch áp suất bề mặt Trái đất tạo nóng lên khơng trái đất nhờ xạ nhiệt mặt trời Ví dụ, lượng xạ nhiệt hấp thụ xích đạo lớn hai cực Sự biến đổi lượng hấp thụ tạo nên dòng đối lưu tầng thấp khí (tầng đối lưu) Vì vậy, mơ hình luồng đơn giản, khơng khí nâng lên xích đạo hạ thấp dần hai cực Sự lưu thơng khơng khí nóng lên khơng bị ảnh hưởng lớn tự quanh trục Trái đất (với tốc độ khoảng 600 km/h xích đạo, giảm dần đến hai cực) Bên cạnh đó, lượng mặt trời thay đổi theo mùa tạo nên đa dạng luồng lưu thơng khơng khí Sự khác khơng gian truyền nhiệt tới khí Trái đất tạo nên khác áp suất khí khiến cho khơng khí chuyển động từ nơi có áp suất cao đến nơi có áp suất thấp Lực gradien áp suất theo phương thẳng đứng thường bị triệt tiêu lực hấp dẫn Vì gió thổi chủ yếu theo phương nằm ngang, chịu tác dụng gradien áp suất ngang Đồng thời có lực tác dụng xen kẽ, làm xáo trộn nhiệt độ, áp suất bề mặt Trái đất Ngoài gradien áp suất lực hấp dẫn, qn tính khơng khí, tự quay quanh trục Trái đất, ma sát với bề mặt Trái đất (tạo nên chuyển động 20 khơng đều) ảnh hưởng đến gió Sự ảnh hưởng lực với hệ thống gió thay đổi tuỳ theo mức đo vận động xét tới Như biểu diễn Hình 2.1, vòng tuần hồn gió bao gồm sơ đồ gió vùng rộng lớn, ảnh hưởng tới gió gần bề mặt, bao phủ hành tinh Cần ý sơ đồ tối giản hố không phản ánh ảnh hưởng mặt đất tới gió 2.2.1.2 Nguyên lý chuyển động gió Trong sơ đồ đơn giản để phác hoạ nguyên lý chuyển động gió, bốn lực khí xem xét Những lực bao gồm áp lực, lực Coriolis tạo quay quanh trục Trái đất, lực quán tính tạo chuyển động tròn quy mơ lớn, lực ma sát bề mặt Trái đất Hình 2.1: Sơ đồ vòng tuần hồn gió bề mặt Áp lực khơng khí (mỗi khối đơn vị), Fp tính bằng: Fp 1 p n (2.2.1) Trong p mật độ khơng khí n hướng chuẩn với đường đẳng áp op/on gradien áp suất chuẩn với đường đẳng áp Lực Coriolis (mỗi khối đơn vị), FC, lực tưởng tượng tạo đo đạc chuẩn xác trạng thái tự quay (Trái đất), tính bởi: FC = fU (2.2.2) Trong U tốc độ gió f thông số Coriolis [ f = 2ωsin(Φ) ] Φ thể bề rộng ω góc quay Trái đất Vì vậy, độ lớn lực Coriolis phụ thuộc vào tốc độ gió bề rộng Hướng lực Coriolis vng góc với hướng chuyển động khơng khí Hợp lực hai lực này, gọi gió geostrophic, thường song song với đường đẳng áp (Hình 2.2) 21 Vùng áp suất thấp Resultant geostrophic wind Motion commentces due to presure gradient Vùng áp suất cao Hình 2.2: Minh họa gió geostrophic; Fp, áp lực khơng khí; Fp, lực Coriolis Độ lớn gió geostrophic, Ug, hàm thể cân lực tính bằng: Ug 1 p f n (2.2.3) Đây trường hợp lý tưởng xuất vùng áp cao áp thấp khiến cho đường đẳng áp bị bẻ cong Điều tạo thêm lực nữa, lực ly tâm Gió tạo gọi gió gradien, U gr, biểu diễn Hình 2.3 Vùng áp suất thấp Hình 2.3 : Minh hoạ gió gradien; U gr; R, bán kính đường cong Gió gradien song song với đường đẳng áp kết cân lực: U gr2 R fU gr p n (2.2.4) Trong R bán kính đường cong luồng khơng khí, U gr U g 22 U gr2 fR (2.2.5) Lực cuối ảnh hưởng tới gió lực ma sát với mặt đất Bề mặt Trái đất tạo lực có phương ngang tác dụng vào luống khí chuyển động, khiến cho luồng khí chuyển động chậm lại Lực giảm dần lên cao trở nên không đáng kể bên tầng ranh giới (được định nghĩa tầng khơng khí gần mặt đất, nơi chịu ảnh hưởng chủ yếu lực hấp dẫn) Bên tầng ranh giới, gió trở lại cân không chịu lực ma sát thổi với vận tốc gió gradien theo đường đẳng áp Lực ma sát mặt đất làm trệch hướng gió nhiều vùng có áp suất thấp Những mục sau đề cập chi tiết tầng ranh giới Trái đất đặc điểm 2.2.1.3 Những sơ đồ tuần hồn khơng khí khác Sơ đồ vòng tuần hồn thông thường miêu tả thể cách chuẩn xác sơ đồ dành cho mặt cầu nhẵn Trên thực tế, bề mặt Trái đất đa dạng địa hình, với đại dương rộng lớn lục địa Những địa hình khác ảnh hưởng đến luồng khơng khí thay đổi áp suất, hấp thu xạ nhiệt, độ ẩm khơng khí Các đại dương hoạt động nguồn lượng lớn Vì chuyển động khơng khí thường kèm với tuần hồn đại dương Tất tác động dẫn tới áp suất khác ảnh hưởng tới gió tồn cầu nhiều gió khu vực gió mùa Thêm vào đó, ấm lên lạnh vùng tạo gió khu vực hoạt động theo mùa hàng ngày bao gồm gió brizơ biển gió núi Vòng tuần hồn khơng khí quy mơ nhỏ chia thành vòng tuần hồn thứ hai thứ ba Vòng tuần hồn thứ hai xuất trung tâm vùng áp suất cao thấp tạo ấm lên lạnh khơng khí phía Những vòng tuần hồn thứ hai gồm: Bão Vòng tuần hồn gió mùa Siêu lốc nhiệt đới Những vòng tuần hồn thứ ba có quy mơ nhỏ, vòng tuần hồn khu vực có tính chất gió vùng: Gió brizơ biển lục địa Gió núi thung lũng Luồng khơng khí giống gió mùa (VD: luồng khơng khí thổi qua California) Gió phơn (gió khơ nóng bên sườn đón gió dãy núi) Bão có sấm sét thường mưa to Lốc xốy Những ví dụ vòng tuần hồn thứ ba, gió núi thung lũng, thể Hình 2.4 Trong ngày, khơng khí ấm sườn núi bay lên chỗ khơng khí lạnh nặng phía Hướng gió đảo ngược lại vào ban đêm, khơng khí lạnh trượt theo sườn núi tắc lại sàn thung lũng Để ước lượng tiềm năng lượng gió, người ta cần hiểu rõ sơ đồ gió hệ khu vực khác 23 Khơng khí ấm Khơng khí ấm Khơng khí lạnh Khơng khí lạnh Khơng khí lạnh Núi Núi Núi Núi Khơng khí ấm Thung lũng Thung lũng Ngày Đêm Hình 2.4: Gió núi thung lũng ngày 2.2.2 Những đặc điểm chung Gió Những chuyển động khơng khí thay đổi theo thời gian (giây đến tháng) khơng gian (centimet tới hàng nghìn kilomet) Hình 2.5 tóm tắt thay đổi theo thời gian khơng gian chuyển động khơng khí áp dụng cho lượng gió Sẽ nói đến mục sau, đa dạng không gian thường dựa độ cao so với mặt đất điều kiện địa chất toàn cầu địa phương Cycionic – Storms Huricanes Noctural jets squall lines Min/ Valley thunder storms Climatic scale, for Resource Assessment Large Scale for site Selection Tornadoes Deep Con- Space scale Trade winds Westerlies Monsoons Dust Devils Thermals Wakes Small Scale for Wind turbine Design Sec Min Hour Day Week Month Year 10 Year Time scale Hình 2.5 Các định mức thời gian khơng gian chuyển động khơng khí 2.2.2.1 Sự thay đổi thời gian Theo thông lệ, đa dạng tốc độ gió theo thời gian chia thành mục sau: Cách năm Hàng năm Hàng sáng Ngắn hạn (những gió mạnh nhiễu loạn khơng khí) Cách năm Sự thay đổi tốc độ gió cách năm xảy cách khoảng thời gian lớn năm Chúng có ảnh hưởng lớn tới sản lượng điện tua bin gió dài hạn Khả ước tính tính 24 biến thiên cách năm địa điểm gần quan trọng ước tính lượng gió trung bình thời gian dài nơi Các nhà khí tượng học thường kết luận cần có liệu 30 năm để xác định rõ tính chất lâu dài thời tiết hay khí hậu cần năm để biết xác tốc độ gió trung bình hàng năm địa điểm xác định Tuy nhiên, liệu khoảng thời gian ngắn hữu dụng Cuốn Aspliden et al (1986) lưu ý theo thống kê, liệu ghi chép năm sử dụng để dự đốn tốc độ gió trung bình mùa với sai lệch khoảng 10% Các nhà nghiên cứu tìm kiếm phương pháp đáng tin cậy để dự đốn tốc độ gió trung bình lâu dài Sự phức tạp tương tác nhân tố khí tượng học địa hình tạo đa dạng khiến cho việc trở nên khó khăn Hàng năm Những thay đổi quan trọng tốc độ gió trung bình hàng tháng hay mùa xuất hầu khắp nơi Trái đất Ví dụ, phần ba lãnh thổ phía đơng nước Mỹ, gió thổi với tốc độ tối đa suốt mùa đơng đầu mùa xn Nó có tốc độ tối đa mùa xuân vùng đồng rộng lớn, bang Trung Bắc, bờ biển Texas, khu vực lòng chảo thung lũng phía Tây, miền dun hải Trung Nam California; tốc độ tối đa mùa xuân hầu hết tất khu vực miền núi Mỹ, trừ vài khu vực Tây Nam, nơi có tốc độ gió tối đa vào mùa xuân; tốc độ tối đa mùa xuân mùa hè đường vành đai gió bang Oregon, Washington California Hình 2.6 biểu diễn thay đổi theo mùa tốc độ gió Billings, Montana Điều đặc biệt cần lưu ý hình vẽ miêu tả thay đổi tiêu biểu hàng tháng mà không dùng liệu lưu trữ năm Average wind speed, m/s year average Month Hình 2.6: Những thay đổi hàng tháng tốc độ gió Tương tự, Hình 2.7 minh hoạ tầm quan trọng thay đổi tốc độ gió hàng năm tác động lên ngành lượng gió Hàng sáng Tại vùng ơn đới nhiệt đới, thay đổi lớn gió diễn sáng ngày Sự thay đổi tốc độ gió ấm lên bề mặt Trái đất ngày Tốc độ gió thường tăng lên sáng, tốc độ gió thấp từ nửa đêm đến lúc mặt trời mọc Sự thay đổi xạ nhiệt hàng ngày nguyên nhân gây thay đổi tốc độ gió hàng sáng vùng ôn đới vùng đất tương đối phẳng Những thay đổi hàng sáng lớn thường xảy vào mùa xuân mùa hè, nhỏ vào mùa đông Hơn nữa, thay đổi tốc độ gió hàng sáng phụ thuộc vào địa điểm độ cao so với mặt nước biển Ví dụ, nơi có địa hình cao núi hay đỉnh núi, sơ đồ gió hàng sáng khác biệt Sự thay đổi giải thích hồ trộn hay truyền động lượng từ tầng khơng khí tới tầng khơng khí thấp 25 Power, W/m Month Hình 2.7: Sự thay đổi lượng gió theo mùa đơn vị diện tích Amarillo, Texas Theo Hình 2.8, năm có thay đổi đáng kể hoạt động gió hàng sáng, nơi lộng gió Mặc dù nét tổng quan chu kỳ gió hàng sáng thiết lập dựa liệu năm, thông tin chi tiết biên độ dao động hàng sáng thời điểm ngày mà tốc độ gió đạt mức tối đa khơng thể xác định xác Windspees , m/s January 12- year average Windspees , m/s July Hours Hình 2.8: Tốc độ gió hàng sáng trung bình tháng tháng Casper, Wyoming Ngắn hạn Những thay đổi ngắn hạn tốc độ bao gồm nhiễu loạn khơng khí gió mạnh Hình 2.9, kết đo thiết bị đo gió (được miêu tả bên dưới), cho thấy kiểu thay đổi ngắn hạn tốc độ gió thường xuất 26 Wind speed, m/s Những thay đổi ngắn hạn thường có nghĩa thay đổi khoảng thời gian 10 phút Tốc độ trung bình 10 phút thường tính tốc độ mẫu giây Những thay đổi tốc độ khoảng thời gian từ nhỏ giây đến 10 phút có đặc tính khơng ổn định xem nhiễu loạn không khí Với ứng dụng lượng gió, dao động bất thường luồng gió cần xác định để thiết kế tua bin gió dựa tải trọng lớn dự đốn hỏng hóc, kích thích cấu trúc (structural excitations), điều khiển, hệ thống hoạt động, chất lượng lượng Chi tiết nhân tố liên quan tới thiết kế tua bin đề cập kĩ Chương Time, seconds Hình 2.9: Biểu đồ tốc độ gió với thời gian thời gian ngắn Sự nhiễu loạn không khí coi dao động bất thường ngẫu nhiên tốc độ gió dựa tốc độ gió trung bình Những dao động xảy theo ba hướng: theo chiều dọc (theo hướng gió), bên (vng góc với hướng gió trung bình), thẳng đứng Sự nhiễu loạn khơng khí tác động thảo luận sâu mục sau Một gió mạnh tượng riêng rẽ vùng gió hỗn loạn Trong Hình 2.10, cách để mơ tả thuộc tính gió mạnh đo: (a) biên độ, (b) thời điểm xuất hiện, (c) thay đổi lớn (d) thời điểm biến Tải trọng tua bin tạo gió mạnh xác định dựa vào bốn thuộc tính Ví dụ, tải trọng lớn phân tích cách xác định tải trọng có gió mạnh thời gian hoạt động máy 2.2.2.2 Những thay đổi theo địa điểm hướng gió Wind speed Những thay đổi theo địa điểm Tốc độ gió phụ thuộc vào địa hình khu vực loại đất bề mặt Ví dụ Hình 2.11, khác biệt hai địa điểm gần kề dễ dàng nhận thấy Biểu đồ thể tốc độ gió trung bình hàng tháng năm hai nơi cách 21 km (13 dặm) Tốc độ gió trung bình năm chênh lệch khoảng 12% (4.75 4.25 m/s) Mean wind speed Time 27 Hình 2.10: Minh hoạ cho tượng gió mạnh riêng lẻ; a, biên độ; b, thời điểm xuất hiện; c, thay đổi tốc độ gió lớn nhất; d, thời điểm biến Windspeed, m/s Glasgow International Airport Glasgow Air Force Base Year Hình 2.11: Chuỗi thời gian tốc độ gió hàng tháng Sân bay Quốc tế Căn Không quân Montana, Glasgow (Hiester & Pennell, 1981) Những thay đổi theo hướng gió Hướng gió thay đổi theo thời gian tốc độ gió Sự thay đổi theo mùa nhỏ, khoảng 30 độ, gió tháng đổi hướng 180 độ sau năm Sự thay đổi hướng ngắn hạn tính chất bất thường gió Những thay đổi hướng gió ngắn hạn cần xem xét thiết kế lắp đặt tua bin gió Tua bin gió trục ngang phải quay (định hướng) theo thay đổi hướng gió Quá trình định hướng gây tải trọng hồi chuyển tua bin, sử dụng chế liên quan đến chuyển động định hướng Gió thổi tạt ngang thay đổi hướng gió ảnh hưởng đến trọng tải cánh quạt Như vậy, Chương đề cập đến, thay đổi hướng gió ngắn hạn chuyển động kèm theo ảnh hưởng đến độ bền phận cánh quạt hệ thống định hướng 2.2.3 Ước lượng tài nguyên gió tiềm Mục nói tiềm năng lượng tài nguyên gió khả sản xuất lượng 2.2.3.1 Năng lượng gió tiềm Như Hình 2.12, người ta xác định luồng khơng khí, dm/dt, thơng qua đĩa rơto có diện tích A From the continuity equation of fluid mechanics, tốc độ luồng lớn hàm mật độ khơng khí, ρ, tốc độ gió (coi đồng đều), U, tính bằng: dm AU dt Hình 2.12: Luồng khơng khí qua đĩa rơto; A, diện tích; U, tốc độ gió Động đơn vị thời gian, hay lượng, luồng tính 28 (2.2.6) P 1dm U AU 2dt (2.2.7) Năng lượng gió đơn vị diện tích, P/A hay tỷ số lượng gió: P U A (2.2.8) Cần ý rằng: Tỷ số lượng gió tỷ lệ với mật độ khơng khí Trong điều kiện bình thường (mặt nước o biển, 15 C) mật độ khơng khí 1.225 kg/m3 Năng lượng từ gió tỷ lệ với diện tích qt qua rơto (hay bình phương đường kính rơto tua bin gió trục ngang thơng thường) Tỷ số lượng gió tỷ lệ với lập phương vận tốc gió Tiềm sản xuất lượng thực tua bin gió phải tính đến fluid mechanics of the flow chuyền qua rơto sản sinh lượng, khí động lực học hiệu suất rôto/máy phát điện Thực tế, tối đa khoảng 45% lượng gió tiềm sản xuất tua bin gió trục ngang đại tốt (sẽ đề cập Chương 3) Bảng 2.1 cho thấy tốc độ gió thơng số quan trọng ảnh hưởng đáng kể đến lượng tiềm từ gió đơn vị diện tích Bảng 2.1:Năng lượng tiềm từ gió đơn vị diện tích (mật độ khơng khí = 1.225 kg/m3) Wind Speed ( m/s) Power / Area ( W/ m2) 0 80 10 610 15 2070 20 4900 25 30 9560 16550 Nếu biết lượng gió trung bình hàng năm khu vực, người ta vẽ đồ cho thấy tỷ số lượng gió trung bình vùng Những ước tính xác thiết lập biết tốc độ trung bình giờ, U1 năm Sau ước lượng mức lượng trung bình Tỷ số lượng gió trung bình, dựa tốc độ gió trung bình giờ: P/ A U K e (2.2.9) 29 c 8 r (1 cos ) BCl (3.8.4) Hệ số quy nạp tính từ công thức sau: a' a 3a (4a 1) (3.3.17) 1 4sin / ( ' Cl cos ) (3.7.9) Những kết đem so sánh với kết cho cánh lý tưởng mà khơng xoay dòng đi: tan 1 3r (3.6.7) 8 r sin BC1 3r (3.6.8) c Chú ý giá trị tối ưu cho φ c bao gồm xoay dòng thường giống khác so với giá trị đạt khơng giả sử xoay dòng Và trước nên chọn α Cd/ Cl nhỏ Bảng 3.3: Ba rô to tối ưu r/R 1 B=12 c/R 6 B=3 c/R 10 B=2 c/R 0,95 31 0,284 6,6 0,053 0.029 0,85 33,1 0,289 7,4 0,059 4,5 0.033 0,75 35,4 0,291 8,4 0,067 5,1 0,037 0,65 37,9 0,288 9,6 0,076 5,8 0,042 0,55 40,8 0,28 11,2 0,088 6,9 0,05 0,45 43,8 0,263 13,5 0,105 8,4 0,06 0,35 47,1 0,234 17 0,128 10,6 0,075 0,25 50,6 0,192 22,5 0,159 14,5 0,1 0,15 54,3 0,131 32 0,191 22,5 0,143 Solidity, 0,86 0,088 0,036 Chú thích: β số cánh; c độ dài dải cánh; r bán kính mặt cắt cánh; R bán kính rơ to; λ số vận tốc đầu cánh; φ Góc gió tương đối Sự bền tỷ lệ diện tích cánh diện tích bán kính tác dụng , đó: 111 R2 R rh cdr (3.8.5) Sự bền tối ưu cánh quay tìm thấy từ phương pháp thảo luận bên Khi cánh làm mẫu sư cánh N có bề rộng nhau, bền tính sau: B N ci / R N i 1 (3.8.6) Hình dạng cánh cho rơ to mẫu tối ưu, giả sử có xoay dòng đi, đưa bảng 3.3 Clr giả thiết 1.00 góc tiếp xúc thiết kế rô to này, cánh xoắn liên quan trực tiếp đến góc gió liên quan góc tiếp xúc giả sử không đổi (xem biểu thức 3.5.4 3.5.5) Do đó, biến đổi cánh xoắn phản ánh biến đổi góc gió liên quan biểu thị bảng 3.3 Chúng ta thấy máy 12 cánh có lớp mạ thơ nửa cánh lớp mạ nhỏ gần với trục Các cánh có lực xoắn quan trọng Hai máy nhanh có cánh với dải cánh tăng cánh từ đầu cánh đến ống nối Các cánh có lực xoắn quan trọng máy 12 cánh Máy nhanh có lực xoắn nhanh lực xoắn có chức hệ số tốc độ cục Nó dải cánh nhỏ góc gió liên quan nhỏ hai cánh( xem biểu thức 3.8.3 3.8.4) 3.9 Phương pháp thiết kế rô to suy rộng 3.9.1 Thiết kế roto cho điều kiện chi tiết Phân tích phần trước dùng phương pháp thiết kế rô to suy rộng Phương pháp bắt đầu với việc lựa chọn thong số rô to khác lựa chọn cánh Hình dạng cánh ban đầu sau xác định sử dụng hình dnagj cánh tối ưu với giả sử có xoay dòng Hình dạng cánh cuối vận hành xác định lặp lặp lại lực cản, hao phí đầu cánh dễ sản suất Các bước xác định thiết kế cánh sau: 3.9.1.1 Xác định thông số rô to Bắt đầu việc định hiệu suất nào, P, cần thiết vận tốc gió đặc biệt, V bao gồm hiệu Cp hiệu suất, ŋ , phận khác (như hộp số, máy phát, máy bơm….) bán kính R của rơ to tính từ : P C P R 2U (3.9.1) Theo loại ứng dụng mà chọn hệ số vận tốc, λ Với cối xay gió bơm nước,cần mô men xoắn lớn hơn, dùng 1< λ 4 1-3 Chọn cánh Nếu λ< 3, bẻ cong dùng Nếu λ >3 dử dụng nhiều hình dạng động lực học 3.9.1.2 Xác định hình dạng cánh Thu kiểm tra đường cong thực nghiệm cho đặc tính động lực học cánh mối phần ( cánh thay đổi từ đầu đến đầu kia) ví dụ Cl với α, Cd với α Chọn điều kiện thiết kế động lực học, C thiết kế thiết kế chẳng hạn C d thiết kế / C thiết kế mức nhỏ với phần cánh Chia cánh thành thành phần N( thường từ 10-20) Sử dụng thuyết rô to tối ưu để tính tốn hình dạng cánh với bán kính trung bình r: r ,i (ri / R) (3.9.2) i ( ) tan 1 (1/ r ,i ) (3.9.3) ci 8 ri (1 cosi ) BCl ,d esign,i (3.9.4) T ,i P ,i P ,0 (3.9.5) i P ,i d esign ,i (3.9.6) Dùng hình dạng cánh tối ưu hướng dẫn, chọn hình dạng cánh với gần Để dễ chế tạo, phải chọn chiều dài thay đổi dải cánh, độ dày, độ xoắn Ví dụ, a1,b1 a2 hệ số cho dải cánh chọn phân bố độ xoắn, dải cánh độ xoắn sau: c1 a1r1 b1 (3.9.7) бT ,i a2 ( R ri ) (3.9.8) 3.9.1.3 Tính hiệu suất rơ to thay đổi thiết kế cánh Như đề cập bên trên, phương pháp chọn để giải biểu thức hiệu suất cánh 113 Phương pháp 1- giải Cl α Tìm góc tiếp xúc thực tế nâng hệ số cho trung tâm phận, sử dụng biểu thức sau đường cong cánh thực nghiệm: Cl ,i Fi sin i (cosi r ,i sin i ) i '(sin i r ,i cosi ) (3.9.9) i ' Bci / 2 ri (3.9.10) i i бT ,i бP ,0 (3.9.11) ( B / 2)[1 (ri / R)] Fi (2 / )cos1 exp (ri / R) sin i (3.9.12) Hệ số nâng góc tiếp xúc tìm thấy việc lặp đồ thị Phương pháp đồ thị làm rõ hình 3.27 Phương pháp lặp đòi hỏi việc tính tốn ban đầu với hệ số hao phí đầu cánh Để tìm F khởi đầu, bắt đầu với dự đốn góc gió liên quan của: i ,1 ( ) tan 1 (1/ r ,i ) (3.9.13) Với lần lặp tiếp theo, tìm F, sử dụng: i , j 1 P ,i i , j (3.9.14) Trong j số lần lặp Thường cần lần lặp Cuối cùng, tính tốn hệ số quy nạp trục: 1 4sin i / ( ' Cl ,i cosi ) (3.9.15) Nếu a1 lớn 0.4, sử dụng phương pháp 2: Hình 3.27: Phương pháp đồ thị cho góc tiếp xúc, α; C1: hế số nâng hai hướng theo thứ tự Cl α1, Cl α , cho phần cánh 114 Phương pháp 2- Phướng pháp lặp α α’ Lặp để tìm hệ số quy nạp trục góc sử dụng phương pháp đòi hỏi dự đoán ban đầu giá trị chúng Để tìm giá trị ban đầu, bắt đầu với giá trị từ phần cánh kế bên, giá trị từ thiết kế cánh trước q trình thiết kế rơ to lặp sử dụng tính tốn dựa giá trị thiết kế từ thiết kế cánh tối ưu ban đầu i ,1 ( ) tan 1 (1/ r ,i ) ,1 (3.9.16) (3.9.17) 4sin (i ,1 ) 1 'i , d esign Cl , d esign cosi ,1 a 'i ,1 3ai ,1 (3.9.18) 4a i ,1 Khi có dự đốn cho αr1 αr1’, bắt đầu phương pháp lặp cho lần lặp thứ j Với lần lặp j=1, tính tốn góc gió liên quan hệ số hao phí đầu cánh: tan i ,1 U (1 , j ) r 1 a 'i , j , j 1 a ' i, j ( B / 2)[1 ( r / R)] i Fi , j (2 / )cos1 exp ( r / R )sin i i , j Xác định Cl ,i , j (3.9.19) r ,i (3.9.20) Cd ,i , j từ liệu nâng cánh cản cánh, dùng: i , j i , j p ,i (3.9.21) Tính hệ số đẩy cục bộ: CT ,i , j i '(1 , j ) (Cl ,i , j cosi , j Cd ,i , j sin i , j ) sin i , j (3.9.22) 115 , j 1 Fi , j sin (i , j ) 1 'i Cl ,i , j cosi , j (3.9.23) Nếu CT,2,1>0.96 : , j (1 / Fi , j ) 0,143 0, 0203 0, 6427(0,889 CTt ,i , j ) a 'i , j 1 Fi , j cosi , j ' Cl , j , j 1 (3.9.24) (3.9.25) Nếu hệ số quy nạp nằm sai số chấp nhận dự đốn trước đó, thơng số hiệu suất khác tính tốn Nếu khơng phương pháp bắt đầu lại biểu thức 3.9.19 với j=j+1 Khi giải biểu thức hiệu suất phận cánh, hệ số hiệu suất xác định sử dụng hàm tổng xấp xỉ tích phân biểu thức 3.7.12a: N 8 CP r i 1 2 Ft sin i (cosi ri sin i )(sin i ri cosi ) 1 (Cd / Cl ) cot i ri (3.9.26) Nếu chiều dài tổng nối cánh giả sử chia thành N phần cánh thì: r ri r ( i 1) / N (3.9.27) N 2 CP Ft sin i (cosi ri sin i )(sin i ri cosi ) 1 (Cd / Cl ) cot i ri N i 1 (3.9.28) Trong k số phần cánh gồm cánh thực tế 10 Thay đổi thiết kế cần thiết lặp lại bước 8-10 để tìm thiết kế tốt nhât cho rô to, đưa giới hạn chế tạo 3.9.2 Các đường cong Cr- λ Một cánh thiết kế để hoạt động tối ưu cho hệ số tốc độ đầu cánh thiết kế chi tiêt , hiệu suất rơ to hệ số mong muốn cần xác định Điều hồn thành sử dụng phương pháp đề cập đến phần 3.7 Với hệ số tốc độ đầu cánh,điều kiện động lực học phần cánh cần xác định Các kết thường nói đền biều đồ hệ số công suât với hệ số tốc độ đầu cánh, gọi đường cong Cr- λ, hình 3.28 Cr- λ dùng thiết kế tua bin gió để xác định hệ số cơng suất rơ to kết hợp gió tốc độ rơ to Chúng cung cấp thông tin hệ số công suất rô to cực đại hệ số tốc độ đầu cánh tối 116 Tỷ số công suất ưu Phải cẩn than hi sử dụng đường cong Cr- λ Dữ liệu dùng cho mối liên hệ tìm thấy từ việc kiểm tra tua bin từ mơ hình mẫu Trong trường hợp khác, kết phụ thuộc vào hệ số nâng cản cánh, hệ số thay đổi chức điều kiện dòng Những thay đổi hệ số nâng cánh can cánh phụ thuộc vào cánh số reynold xem xét, hình 3.10 cánh có trạng thái khác số reynold thay đổi với hệ số nhỏ Tỷ số tốc độ đầu Hình 3.28 :Mẫu đường cong Cr- λ cho tua bin gió có hệ số tốc độ đầu cánh cao 3.10 Phương pháp tính tốn hiệu suất rô to HAWT đơn giản Manwell(1990) đưa phương pháp đơn giản để tính hiệu suất rơ to tua bin gió có trục thẳng đứng đặc biệt áp dụng cho rô to không giảm tốc, nưng dùng điều kiện giảm tốc Phương pháp sử dụng thuyết phận cánh thảo luận trước khơng kết hợp với phương pháp phân tích để tìm góc tiếp xúc Phụ thuộc vào liệu hao phí đầu cánh có liên quan đến khơng, hay khơng cần có lần lặp Phương pháp giả thiết hia điều kiện áp dụng: Hế số nâng phần cánh quan hệ góc tiếp xúc thẳng vùng quan tâm Góc tiếp xúc phải đủ nhỏ đê xấp xỉ góc nhỏ sử dụng Hai yêu cầu áp dụng bình thường phần khơng giảm tốc Chúng áp dụng điều kiện giảm tốc phần để làm giảm góc tiếp xúc đường nâng thẳng Phương pháp đơn giản hóa giống phương pháp đề cập bên trê,ngoại trừ việc đơn giản hóa xác định góc tiếp xúc vàheej số nâng cho phần cánh Tính chất phương pháp đơn giản hóa việc sử dụng biểu thức phân tích để tìm góc tiếp xúc khối gió liên quan phần cánh Người ta giả sử đường nâng cản xấp xỉ bằng: Cl Cl ,0 Cl , Cd Cd ,0 Cd , 1 Cd , 2 (3.10.1) (3.10.2) Khi đường nâng thẳng có xấp xỉ góc nhỏ, góc tới tính bằng: q2 q22 4q1q3 2q3 (3.10.3) Trong đó: 117 q1 Cl ,0 d 4F d1 sin p ' q2 Cl , d d1Cl ,0 (3.10.4) 4F ( d1cos p d sin p ) ' q3 Cl , d1 4F d 2cos p ' (3.10.5) (3.10.6) d1 cos p r sin p (3.10.7) d sin p r cos p (3.10.8) Hệ số nâng, hệ số qui nạp trục Sử dụng phương pháp này, góc tới tính tốn từ biểu thức 3.10.3 mà tính tốn ban đầu cho hệ số hao phí đầu cánh xác định Các hệ số nâng cản sau tính từ biểu thức 3.10.1 3.10.2 sử dụng biểu thức 3.9.14 Việc lặp lại với ước tính hệ số hao tổn đầu cánh yêu cầu Phương pháp đơn giản hóa cho biết góc tới gần với góc theo phương pháp chi tiết nhiều điều kiện vận hành Ví dụ, kết phân tích cánh tua bin gió Trường đại học Massachusetts WF=I biểu thị hình 3.19 Đây tua bin cánh với rô to 10m, sử dụng cánh tối ưu hình nón xoắn Đường nâng cánh NACA 4415 xấp xỉ biểu thức Cl = 0.368 + 0.0942 α Hằng số biểu thức hệ số nâng 0.00994, 0.000259 0.0001055 Hình 3.29 so sánh kết từ phương pháp đơn giản hóa với phương pháp thuyết dait cất hạ cánh thơng thường cho góc tiếp xúc số phần cánh Điểm đường cong qua đường nâng xác định góc tiếp xúc hệ số nâng Cũng vẽ hình 3.29 hệ số quy nạp hướng tâm, α cho phận Chú ý điểm giao bên trái cho giá trị α< 12, trường hợp bình thường Hệ số thực nghiệm Rút gọn Đúng Góc đụng, độ 118 Hình 3.29: So sánh phương pháp tính tốn cánh quạt; a hệ số quy nạp trục; C1 hệ số nâng hai chiều 3.11 Ảnh hưởng số cánh quạt lực cản lên hiệu suất tối ưu Ngay đầu chương này, hệ số công suất tối đa tua bin gió theo lý thuyết xác định tính tỷ số tốc độ đầu cánh Như giải thích chương này, lực cản cánh tổn hao đầu cánh có chức tồn số cánh quạt làm giảm hệ số cơng suất tua bin gió Hệ số cơng suất tối đa đạt tua bin gió với hình dáng cánh quạt tối ưu có số lượng cánh hữu hạn lực cản khí động học Wilson cộng tính tốn năm 1976 Những điều chỉnh liệu họ xác khoảng 0.5% tỷ số tốc độ đầu cánh từ đến 20, nâng tỷ số cản (C1/C3) từ 25 đến vô hạn từ ba cánh (B): 1 CP , max 8 1, 32 16 20 (0,57) Cl 27 B3 Cd B (3.11.1) Hình 3.30, dựa vào phương trình này, cho ta thấy hệ số cơng suất tối đa đạt cho tua bin có 1, cánh tối ưu khơng có lực cản Hiệu suất điều kiện lý tưởng (một số lượng vô hạn cánh quạt) Chúng ta thấy cánh quạt, hệ số cơng suất Cp tỷ số tốc độ đầu cánh thấp Hầu hết tua bin gió sử dụng hai ba cánh quạt nói chung hầu hết tua bin gió hai cánh sử dụng tỷ số tốc độ đầu cánh cao tua bin gió ba cánh Vì vậy, thực tế có khác biệt nhỏ hệ số cơng suất Cp tối đa đạt thiết kế hai ba cánh điển hình, giả sử khơng có lực cản Ảnh hưởng việc nâng tỷ số cản lên hệ số công suất tối đa đạt rơto ba cánh hình 3.31 Rõ ràng có giảm đáng kể cơng suất tối đa đạt lực cản cánh tăng lên Để tham khảo, cánh quạt DU-93-W-210 có tỷ số C1 / C4 tối đa 140 góc đụng độ cánh có độ dày LS 19% có tỷ số C1 / C4 tối đa 85 góc đụng độ Ta thấy rõ ràng giúp nhà thiết kế cánh quạt sử dụng cánh quạt với việc nâng cao tỷ số cản Các hệ số cơng suất rơto thực tế giảm thiết kế cánh quạt không tối ưu lại dễ dàng sản xuất hơn, thiếu hụt cánh quạt quay đùm trục hao tổn khí động học học điểm cuối đùm trục cánh quạt Cánh Hệ số công suất Cánh Số lượng vô hạn cánh quạt Cánh Giới hạn Benzt Tỉ lệ tốc độ đầu cánh Hình 3.30: Các hệ số cơng suất tối đa đạt tính cánh quạt khơng có lực cản 119 Hệ số công suất Giới hạn Betz Số lượng vơ hạn cánh quạt, khơng có lực cản Tỷ số tốc độ đầu cánh Hình 3.31: Các hệ số cơng suất tối đa đạt rôto tối ưu ba cánh tính việc nâng tỷ số cản C1/C3 3.12 Các đề tài khí động lực học tiên tiến Như đề cập phần đầu chương này, hiệu suất khí động lực học tua bin gió chủ yếu tính khí động lực học trạng thái ổn định mà thảo luận Phân tích trình bày chương cung cấp phương pháp xác định tải trọng trung bình tua bin gió Tuy nhiên, có số lượng lớn ảnh hưởng động trạng thái ổn định quan trọng gây tăng tải trọng giảm công suất tạo từ tải hay công suất mong muốn theo lý thuyết BEM trình bày đây, đặc biệt tăng tải trọng ngắn hạn Một phần tổng quan ảnh hưởng đưa mục bao gồm ảnh hưởng trạng thái ổn định không lý tưởng, ảnh hưởng dòng tua bin khí động học bất ổn Mục có thích chương trình máy tính sử dụng cho mơ hình hiệu suất rơto tiếp cận tới mơ hình rơto khí động học thay phương pháp BEM 3.12.1 Các vấn đề trạng thái ổn định khơng lý tưởng khí động học Các tác động trạng thái ổn định ảnh hưởng trạng thái hoạt động tua bin gió bao gồm suy giảm hiệu suất hoạt động cánh quạt độ nhám bề mặt, ảnh hưởng lên việc ngừng hoạt động cánh quạt việc quay cánh quạt Như đề cập phần 3.4.5, bề mặt cánh quạt bị nhám hư hỏng mảnh vỡ vụn tăng lực cản đáng kể giảm độ nâng cánh Điều giảm 40% công suất tạo cánh khác Giải pháp thường xuyên sửa chữa cánh quạt lau sử dụng cánh quạt nhạy cảm với bề mặt nhám Các phận cánh quạt tua bin gió vận hành đơi chỗ ngưng chạy Trên rơto trục ngang kiểm sốt ngừng chạy, nhiều cánh quạt ngừng chạy vài điều kiện Các cánh quạt ngừng chạy ln biểu mối quan hệ đơn giản góc đụng lực khí động học mà rõ ràng có liệu hệ số nâng cản Dòng rối loạn riêng biệt xảy suốt q trình ngưng hoạt động gây điều kiện dòng chảy thay đổi nhanh chóng tải trọng thay đổi nhanh chóng tua bin gió Cuối cùng, trạng thái hoạt động nâng cản cánh quạt đo hầm gió điều kiện khơng có chuyển động quay Các nghiên cứu cho thấy cánh quạt giống sử dụng trục ngang tua bin gió cho thấy trình ngừng hoạt động chậm tạo nhiều cơng suất mong muốn Những kết tải trọng cao bất ngờ tốc độ gió cao làm 120 giảm tuổi thọ tua bin Trạng thái kết nối đến chênh lệch áp suất dẫn đến chênh lệch vận tốc thành phần dọc theo cánh quạt giúp giữ dòng khí liền với cánh quạt, làm chậm q trình ngừng hoạt động nâng lực nâng 3.12.2 Các dòng tua bin Nhiều đặc tính dòng khí vào xung quanh tua bin gió mô tả kết lý thuyết BEM: vận tốc phát sinh việc tạo công suất chuyển động quay dòng tua bin dòng mở rộng theo hướng gió thổi tua bin Tuy nhiên từ trường dòng khí thực lại phức tạp nhiều Một vài chi tiết dòng khí xung quanh phía sau trục ngang tua bin gió mơ tả phần Hậu mơ hình dòng khí ảnh hưởng đến tua bin đặt xi gió dẫn đến tượng “dòng xiên lệch” mà gây tải trọng thay đổi tăng lên không đoán trước theo lý thuyết BEM Trước xem xét hậu này, chi tiết dòng đuôi tua bin mô tả đoạn Các dòng tua bin gió thường nghĩ dòng bao gồm dòng sát cánh dòng xa cánh (theo Voutsinas cộng khác viết năm 1993) Sự khác dòng sát cánh dòng xa cánh tính phân bố khơng gian cường độ nhiễu loạn trường dòng khí Mơ hình dòng chảy lưu chất thí nghiệm cho thấy cánh quạt tạo dải dòng xốy chuyển thơng qua dòng dòng khí chuyển động quay dòng khí chuyển động hướng trục dòng Thêm vào đó, dải dòng xốy từ mặt sau cánh quạt, dòng xốy tạo đùm trục dòng xốy mạnh đặc biệt tạo đầu cánh quạt di chuyển đối lưu xuống Các dòng xốy đầu cánh gây tổn hao đầu cánh đề cập đến phần 3.5 Tất dòng xốy nhiễu loạn tạo cách học phát tán hòa lẫn vào dòng sát cánh (trong khoảng đến đường kính rơto hướng xuống rơto Dòng xốy đầu cánh từ cánh hợp dòng đuôi sát cánh vào nhiễu loạn quay dải hình trụ chúng hòa lẫn phát tán thơng qua dòng khí (theo Sorensen Shen viết năm 1999) Nhiều đặc tính chu kỳ dòng khí bị dòng sát cánh (theo Ebert Wood viết năm 1994) Vì vậy, nhiễu loạn dòng xốy rơto tạo bị khuyếch tán dòng sát cánh, dẫn đến nhiều nhiễu loạn biên dạng dòng xốy phân bố dòng xa cánh Trong đó, việc hòa lẫn dòng khí hướng trục chậm dòng tua bin với dòng khí chảy tự chậm hoạt hóa lại dòng chảy Dải dòng xoắn từ dòng xốy đầu cánh dẫn đến diện tích hình vành khăn dòng xa cánh mà nhiễu loạn xung quanh tương đối cao nhiễu loạn trung tâm dòng thấp Việc hòa lẫn khuyếch tán tiếp tục dòng xa cánh nhiễu loạn tua bin tạo thiếu hụt vận tốc liên quan đến dòng khí chảy tự biến Hậu nhiễu loạn dòng xốy dòng tua bin tải trọng độ mỏi tăng Tác động rõ ràng nhiễu loạn tăng dòng khí tua bin xi gió theo tua bin khác nhà máy điện chạy lượng gió (xem chương 8) Đặc tính dòng tua bin ảnh hưởng đến tải trọng tua bin tạo dòng Ví dụ, dòng xốy đầu cánh đùm trục gimar lượng lấy từ rôto Một tác động quan trọng khác xảy với luồng gió ngồi trục chẳng hạn luồng gió mà hướng khơng vng góc với mặt phẳng rơto Các dòng khí ngồi trục, liệu lỗi lệch hay phận hướng gió dọc dẫn đến dòng lệch khơng đối xứng với trục tua bin Các dòng lệch dẫn đến mặt xi gió rơto gần với trung tâm dòng mặt ngược gió bên rơto Tác động nguyên nhân dẫn đến lực tua bin cao lực dự kiến (theo Hansen viết năm 1992) Một cách tiếp cận thường sử dụng để làm mơ hình ảnh hưởng dòng lệch mơ hình Pitt Peters (theo Pitt Peters viết năm 1981; Goankar Peters viết năm 1986) Mơ hình áp dụng nhân tố điều chỉnh bội số vào nhân tố cảm ứng hướng trục có vai trò góc lệch, định vị tia góc phương vị cánh quạt Để biết thêm thơng tin việc sử dụng mơ hình tua bin gió, xem Hansen (viết năm 1992) 121 3.12.3 Các ảnh hưởng khí động học bất ổn định Có nhiều tượng khí động học bất ổn định gây ảnh hưởng lớn đến việc vận hành tua bin gió Các dòng xốy nhiễu loạn diễn với luồng gió trung bình gây thay đổi nhanh chóng tốc độ hướng đĩa rôto Những thay đổi gây lực khí động học thay đổi, lực tăng đỉnh điểm, độ rung cánh quạt độ mỏi nguyên liệu quan trọng Thêm vào đó, tác động chuyển tiếp vùng bóng cột tháp, ngừng động, dòng khí vào động lấy mẫu chuyển động quay (tất giải thích bên duới) thay đổi việc vận hành tua bin theo cách không mong muốn Nhiều tác động số tác động xảy tần số quay rôto bội số tần số quay Những tác động xảy lần vòng quay thường quy cho có tần số 1P Tương tự vậy, tác động xảy ba hay n lần vòng quay rơto thường quy cho xảy tần số 3P nP Vùng bóng cột tháp thiếu hụt tốc độ gió đằng sau cột tháp cản trở cột tháp gây Các cánh quạt rô to xuôi gió với cánh B gặp vùng bóng cột tháp lần vòng quay gây sụt giảm cơng suất độ rung BP nhanh chóng cấu trúc tua bin Ngừng động thay đổi khí động học nhanh chóng mà dẫn đến làm chậm trạng thái ngừng hoạt động.Những thay đổi nhanh chóng tốc độ gió (ví dụ cánh quạt quay qua vùng bóng cột tháp) gây tách đột ngột sau nối liền lại dòng khí dọc cánh quạt Những tác động bề mặt cánh quạt khơng thể đốn trước với khí động học trạng thái ổn định ảnh hưởng tới việc vận hành tua bin, không cánh quạt gặp vùng bóng cột tháp mà suốt q trình vận hành điều khiện gió nhiễu loạn Những ảnh hưởng ngừng động xảy thang đo thời gian theo trật tự thời gian để luồng gió tương đối cánh quạt giao cắt với đường cung mặt cánh, khoảng c/ r Đối với tua bin gió lớn, điều rơi vào thời gian 0.2 giây phần gốc cánh tới 0.1 giây phần đầu cánh (theo Snel Schepers viết năm 1991) Ngừng động dẫn đến lực chuyển tiếp cao tốc độ gió tăng q trình ngừng bị chậm Nhiều mơ hình ngừng động sử dụng mã hiệu suất rơto máy tính bao gồm mơ hình Gormont (1973) mơ hình Beddoes (theo Bjưrck cộng viết năm 1999) Ví dụ mơ hình Gormont điều chỉnh góc đụng tính tốn theo lý thuyết BEM cách thêm nhân tố mà phụ thuộc vào tỉ lệ thay đổi góc đụng Dòng khí vào động phản ứng trường dòng khí lớn tới nhiễu loạn thay đổi vận hành rôto (những thay đổi bước hay tốc độ rơto trường dòng khí ngược xi rơto Trong suốt thay đổi nhanh chóng vận hành rô to, trường lớn phản ứng đủ nhanh để thiết lập điều kiện trạng thái ổn định tức thời Vì điều kiện khí động học rơ to khơng cần phải điều kiện mong mong muốn mà xấp xỉ ln thay đổi trường dòng khí thay đổi Thang đo thời gian ảnh hưởng dòng khí động trình tự D/U, tỷ số đường kính rơ to với vận tốc dòng khí xung quanh trung bình Thang thời gian nhiều 10 giây (theo Snel Schepers viết năm 1991) Hiện tượng xả chậm thời gian xem xét sử dụng phân tích trạng thái ổn định Để biết thêm thơng tin dòng khí vào động, xem sách Snel Schepers viết năm 1991, 1993 Pitt Peters viết năm 1981 Cuối lấy mẫu chuyển động quay (xem Connell viết năm 1982) gây số tác động khí động học khơng ổn định tăng tải trọng thay đổi tua bin gió Những ảnh hưởng tất bị cảm ứng phức tạp gió quanh rơ to lại thay đổi liên tục rơ to quay Nhiễu động dòng khí tổng thể mang đến thay đổi tốc độ gió thời gian khoảng năm giây Những dòng xốy nhiễu động nhỏ đĩa rơ to, dẫn đến luồng gió khác phần gió khác đĩa rơ to Nếu cánh quạt quay lần giây, cánh quạt lấy mẫu phần khác trường dòng khí tỷ lệ nhanh nhiều so với thay đổi tổng thể trường gió gây dòng thay đổi nhanh chóng mặt cánh 3.12.4 Mã máy tính cho ước tính tải trọng hiệu suất Nhiều mã máy tính có dự tính hiệu suất rơ to tải trọng khí động học Phòng thí nghiệm lượng tái tạo quốc gia (NREL) công ty Boulder hỗ trợ phát triển mã tạo số mã có Internet Các mã hiệu suất khí động học có NREL bao gồm: 122 WT_Perf YawDyn and AeroDyn (Mã điều chỉnh động học động khí) WT_Perf: WT_Perf (theo Buhl viết năm 2000) mã hiệu suất rô to cho tua bin gió trục ngang Phân tích khí động học sử dụng thuyết động lượng dải đường băng để xác định hiệu suất cánh bao gồm điều chỉnh tổn hao đầu cánh thay đổi đột ngột hướng gió Những tính tốn khí động học ba chiều thêm vào Hiện NREL có mã tài liệu hướng dẫn người sử dụng mã YawDyn: YawDyn (theo Hansen viết năm 1992) mã phân tích khí động học động lực học tua bin gió trục ngang có tốc độ không đổi Mã thiết kế để đánh giá điều chỉnh động học tua bin gió Một phần mã khí động học này, AeroDyn, sử dụng lý thuyết dải đường băng thực chi tiết với điều chỉnh để cải thiện kết cho luồng gió khơng ổn định Nhiều thơng tin chi tiết YawDyn viết phần 4.4.1 3.12.5 Các phương pháp thiết kế dự đoán hiệu suất khác Trong chương này, phương pháp tiếp cận lý thuyết BEM sử dụng để dự đoán hiệu suất hoạt động rô to Một phương pháp tiếp cận lặp tới thiết kế cánh phác thảo dựa vào phương pháp phân tích trình bày chi tiết Những cách tiếp cận khác để dự đoán hiệu suất hoạt động cánh thiết kế cánh ứng dụng nhiều số trường hợp Một vài bất lợi lý thuyết BEM lỗi điều kiện vận tốc cảm ứng lớn theo Glauert viết năm 1948) dòng khí lệch khơng có khả dự đốn lỗi ngưng hoạt động chậm ảnh hưởng chuyển động quay Các phương pháp dòng xốy áp dụng ngành công nghiệp máy bay trực thăng với phương pháp BEM Các phương pháp dòng xốy tính tốn trường vận tốc cảm ứng cách xác định độ xốy phân bổ dòng Phương pháp phương pháp tính tốn chun sâu hứa hẹn có nhiều lợi ích dòng khí lệch vận hành theo tác động lớp đường biên ba chiều (theo Hansen Butterfield viết năm 1993) Có thể có phương pháp tiếp cận lý thuyết khác nữa, nhà nghiên cứu trường đại học công nghệ Delft báo cáo làm việc bước đầu mơ hình sử dụng phương pháp tiềm làm gia tốc tiệm cận (theo Hansen Butterfield viết năm 1993) Thuyết Cascade thường dùng thiết kế máy móc kiểu tua bin thường dùng để phân tích hiệu suất tua bin gió Lý thuyết Cascade có xét đến tương tác khí động học cánh quạt Mặc dù lý thuyết Cascade tính tốn chun sâu mang đến kết tốt lý thuyết BEM rơ to có độ rắn cao tốc độ đầu cánh thấp (theo Islam Islam viết năm 1994) Thủy động học điện toán (CFD), phương pháp tính tốn chun sâu, ứng dụng rô to tua bin gió (ví dụ xem thêm Sorenson Michelsen – 2002 Duque cộng khác – 1999) Cuối cùng, phương pháp phân tích nghiên cứu dùng kiểu lặp lại để xác định thiết kế cánh cuối cho tua bin gió sản phẩm tạo hình trước để phát triển mã máy tính để tiếp cận vấn đề thiết kế cánh từ hướng đối diện (theo Selig Tangler – 1992) Phương pháp tiếp cận cho phép nhà thiết kế nhập thuộc tính hiệu suất rơ to mong muốn thuộc tính khí động học cánh vào mã xác định hình dạng bên ngồi cánh quạt phù hợp Mã sử dụng thành công để thiết kế cánh quạt cho tua bin gió mang tính thương mại Tài liệu tham khảo Abbott L A., Von Doenhoff, A.E (1959) Theory of Wing Sections Dover Publications, New York Althaus, D (1996) Airfoils and experimental results from the laminar wind tunnel of the Institute for Aerodynamik and Gasdynamik of the University of Stuttgart University of Stuttgart Althaus, D., Wortmann F X (1981) Stuttgarter Profilkatalog., Friedr Vieweg and Sohn, Braunschweig/Wiesbaden 123 Betz, A (1926) Windenergie und Ihre Ausnutzung durch Windmiillen Vandenhoeck and Ruprecht , Gottingen Germany 1926 Bjorck, A., Mert, M., Madsen, H A (1999) Optimal Parameters for the FFA-Beddoes Dynamic Stall Model Proc 1999 EWEC, 1-5 March 1999 Nice 125-129 Buhl, M L., Jr WT_Perf' User's Guide National Wind Technology Center, Golden CO Connell, J R (1982) The Spectrum of Wind Speed Fluctuations Encountered by a Rotating Blade of a Wind Energy Conversion System Solar Energy, 29 (5) 363-375 Currie, I G (1974) Fundamental Mechanics of Fluids McGraw-Hill, New York, de Vries, O (1979) Fluid Dynamic Aspects of Wind Energy Conversion Advisory Group for Aerospace Research and Development, North Atlantic Treaty Organization, AGARD-AG-243 Duque P N., van Dam, C P., Hughes S C (1999) Navier-Stokes Simulations of the NREL Combined Experiment Rotor, AIAA Paper 99-0037, Proc 37th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhihit, Reno NV Ebert, P R., Wood, D H (1994) Three dimensional measurements in the wake of a wind tuabin, Proceedings of the European Wind Energy Conference, Thessalonika 10-14 October, 60-464 Eggleston, D M., Stoddard, F S (1987) Wind Tuabin Engineering Design Van Nostrand Rheinhold New York Eppler, R., and Somers, K M A Computer Program for the Design and Analysis of Low-Speed Aiifoils NASA TM-802I0 Hampton, Virginia: NASA Langley Research Center Gasch, R (ed.) (1996) Windkraftanlagen B G Teubner, Stuttgart Glauert, H (1935) Airplane Propellers Aerodynamic Theory (ed W F Durand), Div L Chapter XI, Springer Veriag, Berlin (reprinted hy Peter Smith, Gloucester, MA, 1976) Glauert H (1948) The Elements of Aero Poll and Airscrew Theory Cambridge University Press, Cambridge England Goankar, G H., Peters, D A (1986) Effectiveness of Current Dynamic-Inflow Models in Hover and Forward Flight Journal of the American Helicopter Society 31 (2) Gormont, R E (1973) A Mathematical Model of Unsteady Aerodynamics and Radial Plow for Application to Helicopter Rotors US Army Air Mobility Research and Development Laboratory, Technical Report, 16-61 Hansen, A C (1992) Yaw Dynamics of Horizontal A.xis Wind Tuabins: Final Report SERI Report, Subcontract No XL-6-05078-2, January 1992 Hansen, A C, Butterfield, C P (1993) Aerodynamics of Horizontal Axis Wind Tuabins Annual Review of Fluid Mechanics 25, 115-149 Islam M Q., Islam, A K M S (1994) The Aerodynamic Performance of a Horizontal Axis Wind Tuabin Calculated by Strip Theory and Cascade Theory JSME International Journal Series B, 37, 871877 Manwell, J F (1990) A Simplified Method for Predicting the Peribrmance of a Horizontal Axis Wind Tuabin Rotor Proc AWEA 1990 Miley, S J (1982) A Catalog of Low Reynolds Number Airfod Data for Wind Tuabin Applications Rockwell Int Rocky Flats Plant RFP-3387, NTIS Pitt, D M., Peters, D A (1981) Theoretical Predictions of Dynamic Inflow Derivatives Vertica, Vol 5(1)21-34 Selig, M S., Tangier, L T (1992) Development and Application of a Multipoint Inverse Design Method for Horizontal Axis Wind Tuabins Wind Engineering, 19 (2) Sengupta A., Verma, M P (1992) An Analytical Expression for the Power Coefficient of an Ideal Horizontal-Axis Wind Tuabin Int J of Energy Research, 16, 453^56 Snel, H Schepers, J G (1991) Engineering Models for Dynamic Inflow Phenomena Proc EWEC '91, Amsterdam Netheriands 390-396 Snel H., Schepers, J G (1993) Investigation and Modelling of Dynamic Inflow Effects Proc EWEC 1993, 8-12 March 1993 Lubeck Germany 371-375 Sorensen, J N, and Shen W Z (1999) Computation of Wind Tuabin Wakes Using Combined Navier-Stokes Actuator-Line Methodology Proc 1999 EWEC, 1-5 March 1999 Nice 15^159 124 Sorenson N.N., Michelsen, J.A (2002) Navier-Stokes Predictions of the NREL Phase VI Rotor in the NASA Ames 80-by-120 Wind Tunnel Proc 2002 ASME Wind Energy Symposium, 40th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhihit, Reno, NV Spera D A (ed) (1994) Wind Tuabin Technology American Society of Mechanical Engineers, NewYork Tangier J L (1987) Status of Special Purpose Airfod Families SERI/TP-217-3264, National Renewable Energy Laboratory Golden, CO, January Tangier J Smith, B., Jager, D Olsen T (1990) Atmospheric Performance of the Status of the Special-purpose SERI Thin-airfoil Family: Final Results Proc EWEC Conf Madrid Spain 10-14 September Vitema, L A Corrigan, R D (1981) Fixed Pitch Rotor Performance of Large Horizontal Axis Wind Tuabins Proceedings, Workshop on Large Horizontal Axis Wind Turbmes NASA CP-2230, DOE Publication CONF-810752, NASA Lewis Research Center, Cleveland OH, 69-85 Voutsinas S G., Rados K G Zervos, A (1993) Wake Effects in Wind Parks A New Modelling Approach Proc ECWEC, 8-12 March 1993, Lubeck, Germany 444-447 Wilson R E., Lissaman, P B S (1974) Applied Aerodynamics of Wind Power Machine Oregon State University Wilson, R E., Lissaman, P B S., Walker S N (1976) Aerodynamic Performance of Wind Tuabins Energy Research and Development Administration, ERDA/NSF/04014-76/1 Wilson, R E., Walker, S N Heh P (1999) Technical and User's Manual for the FAST_AD Advanced Dynamics Code OSU/NREL Report 99-01, Oregon State Univeristy, Corvallis, OR 125 ... dụng ước lượng tài nguyên gió khu vực, người ta ước lượng tiềm năng lượng (điện năng) lượng gió Cũng cần phân biệt giữ loại khác tiềm năng lượng gió ước tính Một ước lượng (Hội đồng Năng lượng Thế... viên ước lượng lượng gió hay tiềm năng lượng vùng Trái đất Trái đất Chương cho thấy tiềm sản xuất lượng tối đa mà rút từ gió khoảng 60% lượng tiềm Nhân tố giảm xuống khoảng 40% tua bin gió trục... hướng gió ngắn hạn chuyển động kèm theo ảnh hưởng đến độ bền phận cánh quạt hệ thống định hướng 2.2.3 Ước lượng tài nguyên gió tiềm Mục nói tiềm năng lượng tài nguyên gió khả sản xuất lượng 2.2.3.1