ĐỒ ÁN THIẾT KẾ TUA BIN GIÓ TRỤC NGANG CỠ NHỎ

Đồ án thiết kế tua bin gió trục ngang cỡ nhỏ có đầy đủ các bước tính toán, thiết kế, mô phỏng. Dựa vào điều kiện và tài nguyên gió tự nhiên của những khu vực ven biển Việt Nam với các điều kiện thực tế, tôi muốn thiết kế một tuabin gió cỡ nhỏ, dễ chế tạo, dễ lắp đặt ở quy mô hộ gia đình.

TĨM TẮT Tên đề tài: Thiết kế tuabin gió cỡ nhỏ, làm việc chế độ gió thấp Sinh viên thực hiện: Mai Văn Sỹ Đỗ Hữu Trác Số thẻ SV: 103160066 Lớp: 16C4A Số thẻ SV: 103160077 Lớp: 16C4A Tóm tắt: Đất nước phát triển khoa học-kỹ thuật đầu tư vào phát triển bền vững lượng tái tạo, có lượng gió để kịp thời tạo nguồn bổ sung điện hướng đầy tiềm nhận quan tâm đặc biệt Chính phủ Chính vậy, việc xem xét khai thác nguồn lượng tái tạo giai đoạn tới có ý nghĩa quan trọng kinh tế, xã hội, an ninh lượng bảo vệ môi trường Với xu phát triển nguồn lượng “xanh” tương lai “xanh” Việt Nam toàn nhân loại, việc nghiên cứu tiềm khu vực tính tốn lựa chọn thơng số kỹ thuật Tuabin gió cho phù hợp để xây dựng Nhà máy Điện gió vùng có tiềm gió cần thiết Ngồi tuabin gió cỡ lớn xây dựng vùng trọng điểm có tiềm gió lớn tuabin gió cỡ nhỏ xem xét nghiên cứu để phục vụ cho nhu cầu sử dụng nơi có gió trung bình thấp Vì vậy, nhóm tiến hành nghiên cứu, thiết kế tuabin gió cỡ nhỏ, làm việc chế độ gió thấp  Mục tiêu: Nghiên cứu, thiết kế tuabin gió cơng suất nhỏ, hoạt động điều kiện tốc độ gió trung bình thấp nhằm phục vụ cho nhu cầu sử dụng hộ gia đình Đối tượng, phạm vi nghiên cứu: Tuabin sử dụng lượng gió để chuyển đổi thành điện  Ý nghĩa: Nhằm giải vấn đề thiếu hụt nguồn lượng, sử dụng nguồn lượng xanh để phục vụ cho nhu cầu sử dụng lượng ngày tăng người ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ………………………………………… CỘNG HỊA XÃ HƠI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Mai Văn Sỹ Số thẻ sinh viên:103160066 Đỗ Hữu Trác Số thẻ sinh viên: 103160077 Khoa:Cơ Khí Giao Thơng Ngành: Kĩ thuật Cơ khí Lớp:16C4A Tên đề tài đồ án: Thiết kế tuabin gió cỡ nhỏ, làm việc chế độ gió thấp Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ kết thực Các số liệu liệu ban đầu: Theo khảo sát, tìm hiểu tham khảo tài liệu Nội dung phần thuyết minh tính toán: PHẦN CHUNG Chương 1: Tổng quan tiềm gió khu vực ven biển việt nam Chương 2: Tổng quan tuabin gió Chương 3: Thiết kế biên dạng cánh tuabin gió Chương 4: Khí động học tuabin gió trục ngang Chương 5: Thiết kế hệ thống tuabin gió cỡ nhỏ Chương 6: Tổng quan phương pháp tính tốn động lực học chất lưu cfd phần mềm ansys fluent Chương 7: Tính tốn mơ đánh giá khả làm việc tuabin phần mềm ansys fluent Các vẽ, đồ thị ( ghi rõ loại kích thước vẽ ): Bản vẽ tổng thể Bản vẽ rotor Bản vẽ bầu khí động Bản vẽ phận lắp cánh Bản vẽ máy phát Bản vẽ thân Bản vẽ cần bánh lái Bản vẽ bánh lái Bản vẽ trục đầu tháp 10 Bản vẽ tháp Họ tên người hướng dẫn: TS Phan Thành Long Ngày giao nhiệm vụ đồ án: …… /……./202… Ngày hoàn thành đồ án: …… /……./202… Đà Nẵng, ngày tháng năm 202 Trưởng Bộ môn …………………… Người hướng dẫn LỜI NÓI ĐẦU Thời gian làm đồ án tốt nghiệp tạo cho nhóm hội học hỏi, trau dồi thêm kiến thức chuyên ngành thực tế kỹ mềm giúp ích cho tương lai sau Đặc biệt kỹ làm việc nhóm, kỹ xoay sở, xử lý tình huống, kỹ quản lý thời gian hiệu quan trọng ứng dụng kiến thúc học vào thực tế Để hoàn thành tốt đề tài tốt nghiệp trước tiên nhóm em xin gửi đến quý thầy khoa Cơ khí Giao thơng lời cảm ơn chân thành Đặc biệt nhóm em xin bảy tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy TS Phan Thành Long, người tận tình hướng dẫn, giúp đỡ nhóm suốt thời gian thực đề tài hoàn thành đồ án tốt nghiệp Nhóm kết hợp làm việc nỗ lực để hồn thành đồ án tốt nghiệp, song thời gian kiến thức hạn chế nên q trình thực đề tài, nhóm cịn nhiều thiếu sót, kính mong q thầy đóng góp ý kiến để đồ án tốt nghiệp hồn thiện Nhóm xin chân thành cảm ơn! Đà Nẵng, ngày tháng 1, năm 2021 Nhóm sinh viên thực CAM ĐOAN Nhóm xin cam đoan đề tài cơng trình nghiên cứu nhóm, đề tài thực hướng dẫn thầy TS.Phan Thành Long Đề tài không trùng lặp với đề tài đồ án tốt nghiệp trước Các thơng tin, số liệu sử dụng tính tốn trung thực lấy từ tài liệu có nguồn gốc rõ ràng, theo quy định Nhóm sinh viên thực {Chữ ký, họ tên sinh viên} MỤC LỤC TÓM TẮT NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI NÓI ĐẦU i CAM ĐOAN .ii MỤC LỤC iii DANH SÁCH CÁC BẢNG .vii DANH SÁCH CÁC HÌNH .viii DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT xi MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN VỀ TIỀM NĂNG GIÓ KHU VỰC VEN BIỂN VIỆT NAM 1.1 Tiềm lượng gió khu vực ven biển Việt Nam 1.1.1 Tiềm năng lượng gió Việt Nam 1.1.2 Tiềm năng lượng gió khu vực Miền Trung 1.1.3 Vị trí mục tiêu .8 1.2 Tình hình sử dụng lượng gió 1.2.1 Tình hình sử dụng lượng gió giới 1.2.2 Tình hình sử dụng lượng gió Việt Nam 10 1.3 Tình hình nghiên cứu, chế tạo tuabin gió cỡ nhỏ 13 Chương 2: TỔNG QUAN VỀ TUABIN GIÓ 16 2.1 Khái niệm tuabin gió 16 2.2 Một số loại tuabin gió 16 2.2.1.Tuabin gió trục ngang .16 2.2.2 Tuabin gió trục đứng 17 2.3 Tuabin gió cỡ nhỏ 20 2.3.1 Cấu tạo 20 2.3.2 Nguyên lý hoạt động 21 Chương 3: THIẾT KẾ BIÊN DẠNG CÁNH TUABIN GIÓ .22 3.1 Cơ sở lý thuyết thiết kế tuabin gió cỡ nhỏ 22 3.1.1 Cơ sở thiết kế cánh tuabin gió cỡ nhỏ 22 3.1.1.1 Các thơng số tuabin gió .22 3.1.1.2 Hình dạng cánh tuabin 24 3.1.1.3.Các biên dạng cánh dành cho tuabin gió cỡ nhỏ 25 3.2 Thiết kế cánh tuabin gió cỡ nhỏ 28 3.2.1 Các thông số thiết kế ban đầu 28 3.2.2 Thiết kế hình dạng cánh tuabin gió cỡ nhỏ 29 3.2.2.1 Bán kính cánh tuabin gió 29 3.2.2.3 Sự phân bố c θ cho cánh tuabin gió cỡ nhỏ .30 3.2.3 Lựa chọn biên dạng cánh 34 3.2.4 Lựa chọn vật liệu .36 Chương 4: KHÍ ĐỘNG HỌC TUABIN GIĨ TRỤC NGANG 36 4.1 Giới thiệu thuyết động lượng phần tử cánh 36 4.2 Phương pháp BEM .36 4.3 Lý thuyết động lượng 36 4.4 Đánh giá phần tử cánh phương pháp động lượng 40 Chương 5: THIẾT KẾ CÁC HỆ THỐNG CỦA TUABIN GIÓ CỠ NHỎ 45 5.1 Máy phát điện .45 5.2 Bộ phận lắp cánh 47 5.3 Tháp tuabin 49 5.4 Thân tuabin gió 55 5.5 Cụm bánh lái tuabin gió 57 5.6 Trục đầu tháp 59 5.7 Bầu khí động 60 CHƯƠNG 6: TỒNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT LƯU CFD VÀ PHẦN MỀM ANSYS FLUENT 63 6.1 Phương pháp tính toán động lực học chất lưu CFD 63 6.1.1 Định nghĩa CFD .63 6.1.2 Vai trò ứng dụng CFD kỹ thuật 63 6.1.3 Những phương trình phương pháp tính tốn động học lưu chất – CFD 66 6.1.3.1 Nền tảng lý thuyết 66 6.1.3.2 Mô hình hóa dịng chất lưu [16] 66 Để nhận phương trình chuyển động chất lỏng, phải tuân thủ quan điểm sau [16] : .66 6.1.3.3 Phương trình chủ đạo cho động lực học chất lỏng 68 6.1.3.4 Lớp biên 71 6.1.4 Ưu điểm hạn chế phương pháp tính tốn động học lưu chất – CFD .73 6.1.4.1 Ưu điểm phương pháp CFD 73 6.1.4.2 Hạn chế phương pháp CFD 73 6.1.5 Trình tự giải tốn động học lưu chất – CFD 73 6.2 Giới thiệu phần mềm Ansys Fluent .75 6.2.1 Các ứng dụng khả giải toán Ansys Fluent .76 6.2.2 Nguyên lý giải phần mềm ANSYS Fluent 77 6.2.3 Các mơ hình rối sử dụng phần mềm Ansys Fluent 77 6.2.3.1 Mơ hình rối Standard k-  (SKE) 77 6.2.3.2 Mơ hình rối Realizable k - (RKE) .78 6.2.3.3 Mô hình RNG k - (RNG) 78 6.2.3.4 Mơ hình Standard k -  (SKW) 79 6.2.3.5 Mơ hình Shear Stress Transport k -  (KW SST) 79 6.2.3.6 Mơ hình Reynolds Stress Model (RSM) 81 6.2.3.7 Mơ xốy lớn (LES) 81 6.2.4 Các giải sẵn có Ansys Fluent 81 Chương 7: TÍNH TỐN MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG LÀM VIỆC CỦA TUABIN BẰNG PHẦN MỀM ANSYS FLUENT 82 Thiết kế tuabin gió cỡ nhỏ, làm việc chế độ gió thấp Hình 7.5 Cánh tuabin theo phương pháp Manwell Hình 7.6 Mơ hình mơ khí động theo phương pháp Manwell 7.3 Xây dựng mơ hình lưới mơ 7.3.1 Chọn kiểu phần tử lưới Chia lưới thực chất việc rời rạc hóa vùng không gian mô thành phần tử để thực việc tính tốn gần phương pháp số (trong FLUENT phương pháp thể tích hữu hạn) Việc chọn kiểu lưới, số lượng phần tử, kích thước lưới, mật độ lưới phụ thuộc vào yếu tố sau: tính chất tốn mơ phỏng, độ xác cần thiết kết mơ phỏng, cấu hình máy tính có thời gian để thực mơ tốn Tính chất tốn mơ hiểu dạng tốn mơ (mơ hình mơ dịng chảy rối hay dịng chảy tầng; mơ hình nghiên cứu tượng, q trình cần mơ chi tiết hay mơ hình nghiên cứu cơng nghiệp,…) Từ tính chất tốn, người thực phải dự kiến phương pháp mô phỏng, từ Sinh viên thực hiện: Mai Văn Sỹ Đỗ Hữu Trác Hướng dẫn: TS.Phan Thành Long 85 Thiết kế tuabin gió cỡ nhỏ, làm việc chế độ gió thấp xác định phương pháp chia lưới chọn kiểu loại lưới phù hợp Điều quan trọng có ảnh hưởng định đến độ xác tin cậy kết mơ Độ xác cần thiết kết mơ bao gồm độ xác mức độ hội tụ kết Để đạt độ xác đảm bảo u cầu kích thước, mật độ, kiểu dạng lưới cần chọn phù hợp Lưới mịn, kích thước phần tử lưới nhỏ kết mơ xác Tuy nhiên số lượng phần tử phải đảm bảo phù hợp với cấu hình máy tính Nếu số lượng phần tử q nhiều u cầu cấu hình máy tính phải mạnh để xử lý dù máy tính cấu hình mạnh cần thời gian dài để chạy tốn mơ Do vậy, khu vực mà việc chia lưới ảnh hưởng mạnh đến kết mơ lưới phải chia dày, mịn, đảm bảo kích thước tỉ lệ phát triển lưới thích hợp Cịn khu vực mà chất lượng lưới ảnh hưởng không nhiều tới kết mơ chia lưới thưa hơn, chí lưới thơ Ngồi yếu tố trên, khả giải tốn mơ cịn phụ thuộc vào cấu hình máy tính có thời gian để thực mơ tốn Với mơ hình 3D nay, dạng phần tử sử dụng để hình thành nên lưới để phục vụ mô phần tử dạng tứ diện (tetrahedral), phần tử dạng lăng trụ (prisms), phần tử dạng kim tự tháp (piramids), phần tử dạng lục diện (hexahedral) phần tử dạng đa diện (rất dùng), dạng lưới lăng trụ, lưới kim tự tháp dạng lưới chuyển tiếp hai dạng lưới lưới tứ diện lưới lục diện Hình 7.7 Các dạng phần tử lưới Phần tử lưới dạng đa diện sử dụng tính phức tạp dạng lưới cần có kiểm sốt tốt để đảm bảo tính hội tụ kết mơ phỏng, dạng lưới cịn lại sử dụng phổ biến lưới tứ diện (tetra) lưới lục diện (hexa), Sinh viên thực hiện: Mai Văn Sỹ Đỗ Hữu Trác Hướng dẫn: TS.Phan Thành Long 86 Thiết kế tuabin gió cỡ nhỏ, làm việc chế độ gió thấp dạng lưới lăng trụ (prisms) lưới kim tự tháp (piramids) dạng lưới chuyển tiếp 7.3.2 Cải thiện độ xác lưới Điều quan trọng cấu trúc lưới gần tường giới hạn có kích thước phù hợp để đảm bảo mơ xác trường dịng chảy Tính tốn chiều cao ô lưới cách lớp biên lớp biên bề mặt tuabin gió dịng khơng khí cần thiết để đạt y+ theo yêu cầu cách sử dụng lý thuyết lớp biên phẳng Để tốn mơ có độ xác tin cậy lưới phải có chất lượng tốt, yếu tố ảnh hưởng y+ hàm y+ hệ số tác động dòng chảy rối dịng chảy tầng Hàm y+ tính sau: (7.1) Trong đó: y+ - Biên thành y+  - Khối lượng riêng khơng khí,  = 1,225 [kg/m3] Uτ - Vận tốc ma sát bề mặt tiếp xúc dịng khơng khí với bề mặt tuabin, [m/s] y1 – Chiều cao trọng tâm ô lưới đầu tiên, [m]  - Hệ số độ nhớt động lực học,  = 1,7894.10-5 [N.s/m2] Mơ hình rối ta chọn mơ hình k-Ɛ nên 30 < y+ < 500 Thông qua việc thử chất lượng lưới với số y+ ta chọn y+=150 Để tính tốn xác kích thước chiều cao lưới số lượng lớp lưới cần thực nhiều bước tính tốn với phương trình tốn học sau đây: Thơng số cần tính tốn số Reynolds: (7.2) Trong đó: Re - Số Reynolds v - Vận tốc chuyển động khối khí [m/s], v = 10 [m/s] L - Chiều dài đặc trưng [m], L = 1.23[m] = 8,4.10-5 Sinh viên thực hiện: Mai Văn Sỹ Đỗ Hữu Trác Hướng dẫn: TS.Phan Thành Long 87 Thiết kế tuabin gió cỡ nhỏ, làm việc chế độ gió thấp Hệ số cản ma sát lớp bề mặt chảy tầng: (7.3) Giá trị ứng suất tiếp ma sát: (7.4) Trong đó: - Ứng suất tiếp ma sát [Pa] Vận tốc ma sát dịng khơng khí với bề mặt vỏ tơ tính tốn sau: (7.5) Cuối cùng, ta tính tốn chiều cao trọng tâm lưới đầu tiên: [m] = 5.2 [mm] Độ cao trọng tâm phần tử lưới thứ tính tốn dùng để xác định số lượng lớp lăng trụ, đồ án sử dụng lớp lăng trụ Trong cấu trúc mơ hình lưới ưu tiên lớp lăng trụ Nó định tính xác toán 7.3.3 Chọn số phần tử lưới Sinh viên thực hiện: Mai Văn Sỹ Đỗ Hữu Trác Hướng dẫn: TS.Phan Thành Long 88 Thiết kế tuabin gió cỡ nhỏ, làm việc chế độ gió thấp Hình 7.8 Mơ hình chia lưới mơ hình tuabin gió Hình 7.9 Mặt cắt thể kết cấu phần tử lưới bên mơ hình tuabin gió Bảng 7.2 Bảng giá trị đánh giá chất lượng lưới mơ hình tuabin gió Chỉ tiêu đánh giá Mơ hình tuabin gó Số nút (Nodes) 317492 Số phần tử (Elements) 1683399 Hệ số độ lệch chuẩn (Skewness) 0,79 Hệ số chất lượng trực giao (Min Orthogonal) 0.205 Chỉ tiêu đánh giá chất lượng rõ ràng cho mơ hình chia lưới hệ số độ lệch so với phần tử tiêu chuẩn (Skewness) hệ số chất lượng trực giao (Orthogonal Quality) Ở ta thấy mơ hình hai hệ số nằm vùng tốt (good) dải giá trị hệ số 7.4 Thiết lập thơng số tốn mơ Sinh viên thực hiện: Mai Văn Sỹ Đỗ Hữu Trác Hướng dẫn: TS.Phan Thành Long 89 Thiết kế tuabin gió cỡ nhỏ, làm việc chế độ gió thấp 7.4.1 Bộ giải: Steady Trong phần Solver lựa chọn giải Steady Vì với tuabin gió trục ngang suốt q trình hoạt động diện tích tiếp xúc gió bề mặt tuabin khơng thay đổi nên ta chọn giải không phụ thuộc thời gian để giảm thời gian mô 7.4.2 Lựa chọn, thiết lập mơ hình mơ Mơ hình rối lựa chọn mơ hình rối k-epsilon Relizable khả tính tốn nhanh, xuất lỗi, khơng địi hỏi số y+ khắt khe mơ hình rối komega SST Việc sử dụng mơ hình rối k-omega SST địi hỏi kiểm sốt khoảng cách từ điểm gần đến tường nhỏ, dẫn đến việc số lượng lưới lớn đạt chất lượng tốt chia với lưới HEXA Tuy nhiên, sai số mơ hình k-epsilon Relizable cao mơ hình k-omega SST Chất lỏng tốn mơ khơng khí với khối lượng riêng � = 1.225 (kg m3 ⁄ ) độ nhớt động học � = 1.7894 × 10−5 (kg/m-s) 7.4.3 Chọn dạng vật chất khảo sát Trong phần Materials chọn khí lý tưởng (air) dạng vật chất khảo sát với giá trị mặc định thể hình Hình 7.10 Giá trị thơng số chất khí 7.4.3 Chọn dạng vật chất khảo sát Trong phần Materials chọn khí lý tưởng (air) dạng vật chất khảo sát với giá trị mặc định thể hình Hình 7.10 Giá trị thơng số chất khí Sinh viên thực hiện: Mai Văn Sỹ Đỗ Hữu Trác Hướng dẫn: TS.Phan Thành Long 90 Thiết kế tuabin gió cỡ nhỏ, làm việc chế độ gió thấp 7.4.4 Phân tích, thiết lập điều kiện biên Đối với tốn mơ sử dụng phần mềm Ansys Fluent việc thiết lập điều kiện biên cho toán, lựa chọn điều kiện ban đầu Nó đóng vai trị quan trọng để giải toán động học lưu chất Bài toán CFD giải thông số điều kiện ban đầu hay điều kiện biên xác lập điều kiện biên đóng vai trị qua trọng lời giải số Trong phạm vi nghiên cứu đề tài số điều kiện biên sử dụng để giải số toán chuyển động vật lưu chất gồm: - Điều kiện biên vận tốc vào (Inlet-velocity) - Điều kiện biên áp suất (Outlet-pressure) - Điều kiện biên thành (Wall) 7.4.4.1 Điều kiện biên vận tốc vào Điều kiện biên vận tốc vào (inlet-velocity) sử dụng chủ yếu cho dịng khơng khí khơng nén Nếu dùng cho dòng nén dẫn đến kết sai lệch so với thực tế tính chất điểm dừng (nhiệt độ dừng, áp suất dừng) thay đổi phi lý Điều kiện biên vận tốc vào xác định vận tốc dịng vào khơng đổi dùng để gán đầu đảm bảo điều kiện liên tục dòng chuyển động Với điều kiện biên vận tốc vào, thành phần vận tốc, động rối độ tiêu tán rối xác định Điều kiện dùng để tính lưu lượng vào, thông lượng, động lượng, lượng đại lượng khác Lưu lượng khối dịng vào tính theo thành phần vận tốc vng góc với mặt lối vào: (7.6) 7.4.4.2 Điều kiện biên áp suất Điều kiện biên áp suất (outlet-pressure) dùng để xác định áp suất tĩnh dòng tự đầu Giá trị áp suất tĩnh áp dụng cho trường hợp chuyển động vận tốc âm thanh, tính chất khác dịng ngoại suy, từ tính chất dịng chuyển động bên Nếu dịng chuyển động vận tốc âm áp suất tĩnh không sử dụng mà ngoại suy từ điều kiện bên dịng chuyển động Một thơng số điều kiện biên áp suất điều kiện dòng chuyển động ngược lại (backflow) q trình tính tốn, tốn hội tụ dễ dàng đặt giá trị cho dòng ngược Điều kiện biên áp suất dùng cho dòng nén dòng khơng nén được, dùng điều kiện biên tự dịng ngồi dịng khơng bị Sinh viên thực hiện: Mai Văn Sỹ Đỗ Hữu Trác Hướng dẫn: TS.Phan Thành Long 91 Thiết kế tuabin gió cỡ nhỏ, làm việc chế độ gió thấp hạn chế Các giá trị cần gán cho điều kiện biên gồm áp suất tĩnh p, điều kiện dòng ngược gồm nhiệt độ dừng (T0) cho phương trình lượng, vectơ phương dòng lưu chất hệ số rối 7.4.4.3 Điều kiện biên thành Điều kiện biên thành (Wall) dùng để tạo ranh giới vùng lưu chất vùng rắn Trong dòng chảy nhớt, điều kiện biên thành mặc định không xảy tượng trượt thành rắn lưu chất đặc tính dịng sát biên dùng để xác định ứng suất trượt lên lưu chất thành rắn Trường hợp muốn mô thành rắn trượt hay quay phải xác định vận tốc ứng suất trượt cho thành rắn lưu chất Ứng suất trượt truyền nhiệt thành rắn lưu chất tính tốn dựa vào đặc tính dịng vùng gần thành rắn Với dịng chảy tầng, tính toán ứng suất trượt phụ thuộc vào gradient vận tốc thành rắn, dòng chảy rối, ứng xử cho lớp biên gần thành rắn sử dụng để tính tốn ứng suất trượt 7.4.4.4 Thiết lập điều kiện biên Đầu vào đặt điều kiện biên vận tốc vào (inlet-velocity), đầu xe mơ hình đặt điều kiện biên áp suất (outlet-pressure), bề mặt tuabin đặt điều kiện biên thành (wall) Giá trị gán cho loại điều kiện biên sau: - Điều kiện biên vào (Inlet-velocity): + Vận tốc vào v = 10 [m/s] = 36 [km/h] + Cường độ rối I = [%] Bài tốn dịng chảy ống cường độ rối I = 1% 10% - Điều kiện biên (Outlet-pressure): + Áp suất p = [Pa] + Cường độ rối I = [%] Bài toán dòng chảy ống cường độ rối I = 1% 10% Nhiệt độ T [K] điều kiện khác chọn theo thực tế phương trình mơ Điều kiện biên thành (wall) thiết lập mặc định sẵn có Điều kiện biên vào (Inlet-velocity) điều kiện biên (Outlet-pressure) thể hình 7.11 7.12 Sinh viên thực hiện: Mai Văn Sỹ Đỗ Hữu Trác Hướng dẫn: TS.Phan Thành Long 92 Thiết kế tuabin gió cỡ nhỏ, làm việc chế độ gió thấp Hình 7.11 Điều kiện biên vào (Inlet-velocity) Hình 7.12 Điều kiện biên (Outlet-pressure) 7.4.5 Lựa chọn thiết lập phương pháp giải Trong phần Solution methods tiến hành thiết lập giải thuật tốn giải phân tích chương thể hình 7.13 Chọn giải thuật tốn COUPLE để tính thơng số mơ hình tuabin Sinh viên thực hiện: Mai Văn Sỹ Đỗ Hữu Trác Hướng dẫn: TS.Phan Thành Long 93 Thiết kế tuabin gió cỡ nhỏ, làm việc chế độ gió thấp Hình 7.13 Thiết lập phương pháp giải 7.5 Kết mô Kết mô bao gồm vận tốc dịng khí, đường dịng lưu chất sau qua tua bin gió, áp suất tác dụng lên bề mặt tuabin bà biên dạng khác vị trí khác 7.5.1 Đường dòng lưu chất Hình 7.14 Đường dịng bao quanh mơ hình tuabin Sinh viên thực hiện: Mai Văn Sỹ Đỗ Hữu Trác Hướng dẫn: TS.Phan Thành Long 94 Thiết kế tuabin gió cỡ nhỏ, làm việc chế độ gió thấp Hình 7.15 Sự tách lớp biên bề mặt cánh tuabin - Đường dịng bao quanh mơ hình tuabin gió thể rõ ràng hình 7.14 Dịng khơng khí sau qua tuabin có tượng xoáy, áp suất vùng xoáy sau cánh tuabin giảm xuống, dịng khí sau cánh tuabin chuyển động hỗn loạn, điều gây rung lắc cho cánh tuabin, làm giảm cơng suất tuabin - Dịng khơng khí sau qua tuabin bị lượng làm quay cánh tuabin làm giảm vận tốc gió, khiến dịng khí chuyển động hỗn loạn khoảng 20 m phía sau tuabin Nên bố trí lắp đặt tuabin gần cần ý đến khoảng cách tối thiểu để đảm bảo hiệu suất tuabin lớn 7.5.2 Trường phân bố áp suất Hình 7.16 Áp suất phân bố bề mặt trước sau tuabin gió Sinh viên thực hiện: Mai Văn Sỹ Đỗ Hữu Trác Hướng dẫn: TS.Phan Thành Long 95 Thiết kế tuabin gió cỡ nhỏ, làm việc chế độ gió thấp Hình 7.17 Áp suất mặt cắt biên dạng cách tâm 0.5m 1m - Áp suất lớn nhất: 1.094e+03 [Pa] - Áp suất nhỏ nhất: -2.533e+03 [Pa] Nhìn vào hình ảnh phân bố áp suất bề mặt tuabin gió mặt trước mặt sau có chênh lệch áp suất rõ rệt Mặt trước tuabin gió bề mặt chịu tác động gió Hơn phần viền dày cánh tuabin có áp suất lớn nên biên dạng cánh thường dày vùng Kết hợp với chênh áp bề mặt trước sau tạo nên quay cho tuabin Mặt khác, màu phân bố chiều dài cánh tương đối đồng chứng tỏ áp xuất tác dụng lên cánh tương đối đồng dọc theo chiều dài cánh Theo hình 7.17, biên dạng gần với tâm tuabin chênh lệch áp suất mặt trước với mặt sau không lớn biên dạng cách xa tâm tuabin điểm xa tâm tuabin có tốc độ vòng lớn nhiều so với điểm gần gây nên độ chênh lệch lớn Dẫn đến việc điểm bị rung lắc lớn nhất, gây ổn định 7.6 Kết luận Kết mô thể tương đối xác tượng khí động học so với thực tế, thể rõ thay đổi dòng chảy qua tác động tuabin tác động dịng khí lên bề mặt tua bin gió Tuy nhiên kết mơ cịn chưa xác cịn sai số q trình tính tốn thiết lập mơ tài ngun máy tính cịn hạn chế Sinh viên thực hiện: Mai Văn Sỹ Đỗ Hữu Trác Hướng dẫn: TS.Phan Thành Long 96 Thiết kế tuabin gió cỡ nhỏ, làm việc chế độ gió thấp KẾT LUẬN Nghiên cứu, thiết kế tuabin gió thực từ lâu với kích cỡ lớn áp dụng cho nơi có tốc độ gió tiềm giới Bên cạnh đó, tuabin gió cỡ nhỏ quan tâm nhờ vào tiện dụng, đặt nhiều nơi, vị trí có tốc độ gió trung bình thấp Các sản phẩm tuabin gió thân thiện với môi trường sử dụng nhiều nơi nhằm tận dụng nguồn lượng sẳn có, qua tạo nguồn điện sử dụng cho nhu cầu ngày Thiết kế tuabin gió nhóm mơ nhằm kiểm tra, tối ưu kết cấu, tạo cơng suất cao điều kiện tốc độ gió trung bình thấp Việt Nam Áp dụng cho hộ gia đình có nhu cầu có điều kiện tự nhiên phù hợp ,qua tự đáp ứng phần nhu cầu sử dụng, giảm phụ thuộc vào nguồn điện quốc gia Hướng phát triển tương lai: Hoàn thiện kết cấu, tối ưu cánh chi tiết, tạo mơ hình thực tế để thử nghiệm, giảm thiểu chi phí vật liệu, phát triển thành sản phảm có tính thương mại cạnh tranh Đề tài tiền đề để nhóm tổng hợp, trao dồi học hỏi thêm kiến thức, bước đệm để nhóm em có thêm ý tưởng mới, tiếp tục thiết kế, phục vụ cho nhu cầu người Sinh viên thực hiện: Mai Văn Sỹ Đỗ Hữu Trác Hướng dẫn: TS.Phan Thành Long 97 Thiết kế tuabin gió cỡ nhỏ, làm việc chế độ gió thấp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://nangluongvietnam.vn/news/vn/dien-hat-nhan-nang-luong-tai-tao/tiem-nangnang-luong-gio-cua-viet-nam.html [2] Electricity of Viet Nam, 2007 Wind Resource Assessment for Power Generation [3] H.F Fasel, A Gross, Numerical investigation of different wind turbine airfoils, Đại học Arizona, 2011 [4] Larsen, K., “Recycling wind blades,” URL: http://www.wind [5] Muyiwa Adaramola, Wind Turbine Technology: Principles and Design, NXB [6] Hau, E Wind Turbines, Fundamentals, Technologies, Application, Economics, Tái lần 2, NXB Springer, 2011 [7] David Wood, Small Wind Turbines Analysis, Design, and Application, NXB Springer, 2011 [8] T Burton, N Jenkins, D Sharpe, E Bossanyi, Wind Energy Handbook, tái lần 2, NXB John Wiley & Son, 2011 [9] J.F Manwell, J G McGowan, A L Rogers, Wind Energy Explained: Theory, Design and Application, NXB John Wiley & Son, 2002 [10] http://airfoiltools.com [11] P Giguere, M.S Selig, “New airfoils for small horizontal axis wind turbines”, J Sol Energ Eng, Tập 20, NXB ASME, 1998, Trang 108-114 [12] https://fr.scribd.com/doc/223755163/GL-PMG-1000-Specification-Sheet-GLPMG- 1000-Specification-Sheet [13] https://jywsoft.com/catia.htm [14] https://thinhphatict.com/bang-tra-cuong-do-thep [15] Larsen, K., “Recycling wind blades,” URL: http://www.wind watch.org/documents/recycling-wind-blades [16] PGS.TS Hồng Đức Liên “ Giáo trình kỹ thuật thủy khí” [17] ANSYS Fluent Meshing User's Guide [18] Han Cao “Aerodynamics Analysis of Small Horizontal Axis Wind Turbine Blades by Using 2D and 3D CFD Modelling” [19] NACA Airfoil Tools Sinh viên thực hiện: Mai Văn Sỹ Đỗ Hữu Trác Hướng dẫn: TS.Phan Thành Long 98 Thiết kế tuabin gió cỡ nhỏ, làm việc chế độ gió thấp 99