Cơng suất của gió

7. Kết cấu đề tài gồm 6 chương

1.3 Cơ sở lý thuyết

1.3.2 Cơng suất của gió

Giả sử một vật rắn có khối lượng m (kg) và có vận tốc v (m/s), động năng của vật rắn được tính bằng:

Động năng = 1

2𝑚𝑣2 ( J )

Năng lượng trên một đơn vị thời gian (W) là đơn vị năng lượng nên cơng thức của nó được xác định bởi một khối khơng khí chuyển động với vận tốc v (m/s) qua khu vực A (𝑚2) sẽ là:

Power through area A = Energy Time = 1

2 ( 𝑀𝑎𝑠𝑠

𝑇𝑖𝑚𝑒 ).𝑣2 (W)

Nếu A là diện tích qt của gió, tốc độ dịng chảy khối lượng m (kg/s) được hiển thị như sau:

m = 𝑑𝑚

𝑑𝑡 = 𝜌Av

Do đó, cơng suất của gió được tạo ra bằng cách kết hợp hai phương trình trên: 𝑃𝑔𝑖ó = 𝑃𝑖𝑛 = 1

2 𝜌A𝑣3 (W)

Trong đó:

𝑃𝑖𝑛: Cơng suất của gió (W) 𝜌: Mật độ khơng khí (kg/𝑚3) A: Diện tích qt của gió (𝑚2)

v: vận tốc gió (m/s)

13

Đối với rotor Savonius trục đứng, diện tích qt được tính theo cơng thức: A =2𝜋.d.H

Trong đó:

H: Chiều cao của rotor (m) 𝐷0: Đường kính tấm cuối (m) D: Đường kính cánh quạt (m) d: Bán kính lưỡi cắt (m)

e: Khoảng cách chồng chéo (m)

Hình 1.3: Thơng số turbine Savonius 1.3.3 Hệ số công suất

Hệ số công suất 𝐶𝑝 là tỷ lệ của cơng suất trích từ gió với cơng suất khả dụng trong gió. 𝐶𝑝 = 𝑃𝑜𝑢𝑡

𝑃𝑖𝑛 = 1𝑇𝜔

2.𝜌𝐴𝑣3

Mơmen xoắn được định nghĩa là lực tác động tiếp tuyến lên cánh quạt, hoạt động ở khoảng cách bán kính rotor (d) từ tâm:

14

Trong đó:

I: là moment qn tính của rotor

𝛼: là gia tốc góc của rotor

Tổng moment qn tính của turbine gió Savonius bằng:

I = 𝐼𝑏 + 2𝐼𝑝 + 𝐼𝑠 Trong đó:

𝐼𝑏: moment qn tính của 2 hoặc 3 cánh quạt (kg/𝑚2) 𝐼𝑝: moment quán tính của tấm cuối (kg /𝑚2)

𝐼𝑠 : Moment quán tính của trục (kg/𝑚2) Gia tốc góc α là: 𝛼 = 𝜔2−𝜔1 𝜏 Trong đó: 𝜔2: Tốc độ góc cuối cùng (1/s) 𝜔1: Tốc độ góc ban đầu (1/s) 𝜏 : Thơi gian (s)

15

1.3.4 Định luật và công suất cơ học của Betz

Định luật của Betz, được đặt theo tên nhà vật lý người Đức, Albert Betz, định luật Betz chỉ ra hiệu suất chuyển đổi cơ năng cực đại từ năng lượng gió khơng phụ thuộc vào thiết kế của turbine gió trong điều kiện gió thổi tự do. Cơng suất điện đầu ra của gió (𝑃𝑜𝑢𝑡) được tính bằng tích của tổng cơng suất gió thổi vào tuabin ở tốc độ gió cụ thể (𝑃𝑖𝑛) với hệ số cơng suất turbine gió (𝐶𝑝):

𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝐶𝑝 x 𝑃𝑖𝑛 = 1

2 . 𝜌𝐴𝑣3 . 𝐶𝑝

Mặc dù năng lượng gió là một nguồn năng lượng tái tạo đầy hứa hẹn, nhưng hiệu quả khai thác năng lượng từ gió khá hạn chế. Người ta nói rằng sức mạnh tối đa mà ta có thể được chiết xuất từ một turbine gió trong điều kiện lý tưởng nhất khơng bao giờ có thể vượt quá giá trị này. Mối quan hệ được nghiên cứu bởi Albert Betz, một nhà vật lý người Đức vào năm 1919. Quá trình khai thác năng lượng gió của tuabin có thể được chứng minh bằng cách sau đây.

Khi gió đến turbine với vận tốc 𝑣𝑢 (vận tốc gió trước cánh quạt), động năng của nó được chiết xuất một phần bởi các turbine gió. Sau đó, gió rời khỏi turbine ở vận tốc 𝑣𝑑 (vận tốc gió sau cánh quạt) và có áp suất thấp hơn trước; do đó, nó mở rộng dần khi kết thúc quá trình.

Tỷ lệ vận tốc gió sau cánh quạt so với vận tốc gió trước cánh quạt rõ ràng là khơng thể ở gần 0 hoặc 1. Vì nếu là một trong hai trường hợp, thì sẽ hồn tồn khơng có gió phía sau tuabin vì vận tốc là 0 hoặc turbine hồn tồn khơng bị ảnh hưởng bởi gió. Do đó, cần có một tỷ lệ lý tưởng giữa 2 vận tốc để hiệu quả đạt được giá trị tối đa. Albert Betz tuyên bố rằng năng lượng chiết xuất tương đương với chênh lệch động năng giữa vận tơc gió trước cánh quạt và sau cánh quạt có thể được tính theo cơng thức:

𝑃 = ∆𝐸 =1

16

Trong đó:

P: Cơng suất chiết

𝑚̇: Tốc độ dịng khí lớn bên trong ống 𝑣𝑢: Vận tốc gió trước cánh quạt

𝑣𝑑: Vận tốc gió sau cánh quạt

Hãy xem xét, vận tốc tại mặt cắt ngang của turbine là trung bình của gió trước cánh quạt và gió sau cánh quạt. Do đó, khối lượng khơng khí chảy qua khu vực quét có thể được mơ tả như là một hàm của mật độ khơng khí và tốc độ gió tại điểm đó.

M = 𝜌𝑎𝑖𝑟 𝐴 1 2(𝑣𝑢+ 𝑣𝑑) Từ 2 cơng thức trên, ta có: P = 1 2 𝜌𝑎𝑖𝑟𝐴 (𝑣𝑢+𝑣𝑑 2 ) (𝑣𝑢2− 𝑣𝑑2)

Xác định λ là tỷ lệ của tốc độ gió sau cánh quạt trên tốc độ gió trước cánh và λ = ( 𝑣𝑑

𝑣𝑢 ) Cơng xuất được trích suất trở thành

P = 1 2𝜌 𝐴 (𝑣+ λ v 2 ) (𝑣2− λ2𝑣2) = 1 2𝜌 𝐴 𝑣3. [1 2 (1 + λ) (1 − λ2)]

Thuật ngữ đầu tiên cịn được gọi là cơng suất của gió ngược, và thuật ngữ thứ hai thể hiện phần trích xuất của cơng suất gió. Đại lượng này trong giá đỡ được định nghĩa là hiệu suất của rotor, ký hiệu là 𝐶𝑝:

𝐶𝑝 = 1

2 (1 + λ)(1 − λ 2)

Để đạt được giá trị tối đa của 𝐶𝑝, đạo hàm của 𝐶𝑝 liên quan đến λ cần phải được đặt thành 0:

𝑑𝐶𝑝 𝑑 λ = 1

17

Giải phương trình này và nhận giá trị của λ: λ = 𝑣𝑑

𝑣𝑢 =1 3

Theo kết quả này, bất cứ khi nào tỷ lệ của tốc độ gió sau cánh quạt trên tốc độ gió trước cánh quạt lên đến 1/3, hiệu suất của turbine đạt giá trị tối đa. Hơn nữa, giá trị này được tính trực tiếp bằng cách thay thế λ vào công thức của 𝐶𝑝.

Để tối đa hóa sản lượng điện, khơng chỉ cung cấp gió mạnh hơn vào turbine mà cịn tăng hệ số cơng suất 𝐶𝑝. Tuy nhiên, Albert Betz, thiết lập mối quan hệ và chứng minh rằng hệ số cơng suất khơng thể lớn hơn 1,chính xác ở mức 0,593 hoặc 59, 3%.

1.3.5 Tỷ lệ tốc độ đầu cánh

Tuy nhiên, hệ số công suất không phải là giá trị tĩnh như được xác định ở trên; nó thay đổi theo tỷ lệ tốc độ đầu mút của turbine. Tỷ lệ tốc độ đầu mút cho biết tốc độ quay của turbine với vận tốc của gió và được định nghĩa là:

λ = 𝐵𝑙𝑎𝑑𝑒 𝑡𝑖𝑝 𝑠𝑝𝑒𝑒𝑑 𝑊𝑖𝑛𝑑 𝑠𝑝𝑒𝑒𝑑

Tốc độ đầu mút cánh quạt có thể được tính từ tốc độ quay của turbine và chiều dài của các cánh quạt được sử dụng trong turbine bằng phương trình :

Blade tip speed = rpm∗ π∗d 60 Trong đó:

rpm: Tốc độ cánh quạt, vịng quay mỗi phút d: Đường kính canh quạt (m)

v: Tốc độ gió (m/s) của turbine

Các loại turbine gió, số lượng cánh quạt và cấu hình của tất cả các cánh quạt đều có ảnh hưởng đến giá trị tỷ lệ tốc độ đầu mút. Nếu rotor quay quá nhanh, nó xuất hiện dưới dạng đĩa phẳng lớn, tạo ra một lực kéo lớn và từ chối gió. Mặt khác, nếu rotor quay quá chậm, nó sẽ cho phép quá nhiều gió đi qua mà không bị xáo trộn; do đó khơng có nhiều năng lượng sẽ được trích xuất.

18

1.3.6 Góc kích

Trong khí động học, góc kích được định nghĩa là góc giữa đường kết nối của cánh turbine với gió đến tương đối

Hình 1.5: Góc kích của cánh turbine

Khi gió thổi về phía cánh turbine, cánh turbine trải qua sự kết hợp của 2 loại lực khác nhau. Lực nâng vng góc với hướng gió thổi và càng lớn càng tốt. Một lực khác là lực kéo, song song với hướng gió thổi, nên được giảm thiểu. Kết quả của 2 lực thành phần này là nguyên nhân gây ra sự quay của turbine.

Góc kích, ký hiệu là α, đóng vai trị quan trọng trong việc cân bằng lực nâng và lực kéo do đó quyết định hiệu quả của turbine. Trong trường hợp góc kích rất thấp (≤ 5°), cả hai lực nâng và lực kéo thấp. Nhưng khi góc kích tăng lên tới khoảng 15°, lực nâng tăng lên và có thể đạt đến giá trị cực đại bởi vì sự khác biệt về áp lực từ cả hai phía của cánh turbine dần dần tích tụ.

Tuy nhiên, khi tăng diện tích bề mặt cản gió trực tiếp, lực kéo cũng trở nên lớn hơn. Ngày càng có nhiều nhiễu loạn xuất hiện phía sau cánh turbine do hiệu ứng tách luồng khơng khí. Góc mà lực nâng cao nhất được gọi là góc kích, thường là khoảng 15° - 20° đối với hầu hết các loại cánh turbine. Khi góc vượt quá giá trị tới hạn này, cánh quạt được coi là trong tình trạng “giảm tốc”. Vào thời điểm đó, lực nâng bắt đầu

19

giảm và lực kéo tăng nhanh vì ngày càng nhiều khu vực dưới cánh quạt bị lộ ra. Phần quan trọng nhất là sẽ gây ra nhiễu loạn cao, gây ra rung động nghiêm trọng và cuối cùng làm hỏng turbine.

Góc kích phụ thuộc vào hướng chuyển động tương đối của gió tới cánh turbine. Hướng gió tương đối này là kết quả của vectơ hướng gió thực tế (đó là 𝑉𝑤𝑖𝑛𝑑 và nằm ngang như mơ tả trong hình 1.6) và cánh di chuyển hướng 𝑉𝑏𝑙𝑎𝑑𝑒. Hình 1.5 minh họa góc kích, lực nâng và lực kéo được tạo ra và các thành phần đó thay đổi khi turbine quay xung quanh.

Hình 1.6: Lực nâng và lực kéo trên một cánh turbine

Giả sử rằng hướng gió ổn định theo một hướng cụ thể, ví dụ từ trái sang đúng theo chiều ngang, mỗi cánh sẽ có lực nâng cao nhất ở 2 mức cụ thể vị trí: hầu hết bên trái và bên phải của chu vi.

20

1.3.7 Lực nâng

Lực nâng là một thành phần chính của lực tổng hợp tác dụng khi có gió di chuyển qua cánh turbine. Lực nâng là một đại lượng vectơ tác dụng vng góc với hướng của luồng khơng khí. Độ lớn của lực nâng có thể được xác định:

L = 1

2 × 𝐶𝐿 × 𝐴 × 𝜌 × 𝑣2 Trong đó:

L:Cường độ của lực nâng 𝐶𝐿: Hệ số lực nâng (*) A: Diện tích cánh

𝜌: Mật độ khơng khí, const = 1,225 kg/𝑚3

v: Vận tốc khơng khí liên quan đến cánh turbine.

Ghi chú:

 Hệ số lực nâng thể hiện tất cả các phụ thuộc phức tạp vào hình dạng cánh turbine, góc kích, độ nhớt khơng khí, và độ nén.

 Hệ số nâng có thể được xác định bằng thực nghiệm.

Có nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến cường độ của lực nâng như được cho biết trong bảng 1.2:

Bảng 1.2: Các yếu tố ảnh hưởng đến lực nâng

Các nhân tố Tăng lực nâng Giảm lực nâng

Tăng Góc kích ✓ Độ dày ✓ Khu vực ✓ Độ cao (mật độ không khí thấp hơn) ✓ Vân tốc gió ✓ Độ cong ✓

21

1.3.8 Lực kéo

Tương tự như lực nâng, kéo cũng là một lực thành phần được tạo ra khi có chuyển động tương đối giữa cánh turbine và khơng khí. Tuy nhiên, lực kéo đóng vai trị như một lực cản, vì vậy hướng song song với luồng khí đi vào và vng góc so với lực nâng.

Cường độ của lực kéo được xác định: D= 1

2× 𝐶𝐷× 𝐴 × 𝜌 × 𝑣2 Trong đó

D: Cường độ lực kéo 𝐶𝐷: Hệ số kéo (*) A: Khu vực tham chiếu

𝜌: Mật độ khơng khí, khơng đổi = 1.225 kg / 𝑚3

v: Vận tốc khơng khí liên quan đến cánh quạt

Ghi chú:

- Khu vực tham chiếu có thể thay đổi từ khu vực cánh quạt phía trước, tổng diện tích bề mặt của phần thân hoặc cùng khu vực được sử dụng để tính hệ số nâng. Chọn các khu vực khác nhau có thể dẫn đến hệ số kéo khác nhau, mặc dù lực cản giữ nguyên và hệ số kéo có thể được chuyển đổi bằng cách sử dụng tỷ lệ của các khu vực.

- Hệ số kéo thể hiện tất cả các phụ thuộc phức tạp vào hình dạng cánh quạt, góc kích, độ nhớt khơng khí, và độ nén.

- Khơng giống như lực nâng, lực cản có thể đến từ một số nguồn: lực cản do hình dạng, lực cản do lớp vỏ bọc, lực cản của sóng và lực cản cảm ứng.

22

Bảng 1.3: Các yếu tố ảnh hưởng đến lực kéo

Các nhân tố Tăng lực kéo Giảm lực kéo

Tăng

Góc kích ✓

Kích thước ✓

Khu vực phía trước ✓

Độ cao ✓

Vận tốc gió ✓

Độ nhám bề mặt ✓

1.3.9 Độ rắn của cánh

Độ rắn của cánh, ký hiệu là 𝛿, là tỷ lệ của độ dài kết nối cánh với chiều cao của turbine. 𝛿 = 𝑐 𝑠 = 𝑐 2𝜋𝑅 𝑁 = 𝑐 𝑁 2𝜋𝑅 Trong đó:  s: độ cao  R: bán kính  N: Số lượng cánh

 c: Độ dài đường kết nối cánh (Chord length)  s=2𝜋𝑅

𝑁

1.3.10 Tốc độ cắt gió vào/ra

Rõ ràng, một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến hiệu suất của turbine là tốc độ gió. Thật hợp lý khi tìm ra tốc độ gió trong phạm vi hoạt động của turbine.

● Tốc độ cắt: Tốc độ gió mà turbine bắt đầu tạo ra điện, thường từ 2 đến 4 m/s. ● Tốc độ định mức: Tốc độ gió mà tại đó turbine đạt cơng suất tối đa. Tại đây công suất đầu ra thường được giữ ổn định, như công suất định mức, bằng cách sắp xếp các cánh theo những cách cụ thể.

23

● Tốc độ cắt: Tốc độ giới hạn mà turbine hoạt động. Nếu gió nhanh hơn giá trị này, turbine có khả năng bị hư hỏng hoặc bị phá hủy. Để ngăn chặn điều này, một cơ chế phanh hoặc hệ thống điều khiển tốc độ được thực hiện.

24

CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP THIẾT KẾ TURBINE GIÓ TRỤC ĐỨNG

2.1 Các giải pháp thiết kế turbine gió trục đứng 2.1.1 Thay đổi kết cấu nguyên mẫu của turbine 2.1.1 Thay đổi kết cấu nguyên mẫu của turbine

Lựa chọn cánh turbine thích hợp cho một nguyên mẫu VAWT nhỏ là một trong những vấn đề thiết kế quan trọng của đồ án này. Các loại turbine cung cấp các ưu điểm và nhược điểm khác nhau. Do đó, 3 loại turbine nhóm thiết kế gồm: turbine Savonius 3 cánh hình xoắn ốc, turbine 6 cánh kiểu H-rotor, và turbine Darrieus kết hợp 3 cánh Sarvonius. Các loại cánh này là sự kết hợp giữa các ưu điểm của các loại cánh có khả năng tự khởi động tốt, giúp tăng khả năng tự khởi động của mơ hình trong điều kiện gió thay đổi liên tục trong thành phố, đô thị.

25

2.2.2 Sử dụng các vịng bi vào khớp nối trục turbine gió

Để tốc độ gió được tối ưu, việc giảm thiểu mơmen khởi động theo yêu cầu là rất cần thiết để xây dựng một VAWT nhỏ bên cạnh khả năng tự khởi động của chính nó. Tuy nhiên, có một số lý do cơ bản hạn chế quá trình tự khởi động của một VAWT nhỏ trong thời gian ngắn nhất, cho nên việc sử dụng vòng bi giúp tăng khả năng tự khởi động và để cánh quạt quay với tốc độ tối đa, cũng như tăng khả năng phát điện của turbine gió trục đứng.

Hình 2.2: Vịng bi 2.2 Mục tiêu khi thiết kế turbine gió trục đứng

- Tạo ra nguồn điện công suất nhỏ phù hợp với nhiều loại cánh.

- Thiết kế nhiều loại cánh và chọn ra loại cánh có khả năng hoạt động tốt nhất.

- Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế mơ hình turbine gió trục đứng công suất nhỏ phù hợp cho nhiều loại cánh, tạo ra nguồn điện công suất nhỏ.

- Thiết kế nhiều mẫu cánh có khả năng hoạt động ổn định khi hoạt động trong vùng có tốc độ gió thay đổi liên tục và từ kết quả thu được từng cánh, để chọn ra cánh hoạt động tốt nhất.

26

CHƯƠNG 3

PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI CẤU TRÚC CÁNH CỦA TURBINE GIÓ TRỤC ĐỨNG

3.1 Thay đổi kết cấu nguyên mẫu của cánh turbine - Tìm hiểu và thử nghiệm

 Đối với cánh turbine Sarvonius:

Sau khi tìm hiểu và thử nghiệm nhiều loại nguyên mẫu của các loại cánh turbine Sarvonius, cánh turbine H-rotor và cánh turbine Darrieus cũng như trong quá trình thử nghiệm, nhóm nhận ra cánh loại chữ S của cánh Sarvonius có kết cấu dạng hình trịn hoặc bầu dục thì khả năng tự khởi động khá tốt và khi kết hợp với các loại cánh khác ít