6. Kết cấu luận văn
1.3 Tuabin giĩ
1.3.4 Tuabin giĩ trục đứng cánh xoắn Quiet-Revolution
1.3.4.1 Kết cấu cánh tuabin
Đây là loại tuabin giĩ cĩ các cánh biên dạng NACA đƣợc thiết kế sao cho các cánh xoắn xung quanh tâm bề mặt bên ngồi một hình trụ.
Cũng nhƣ các loại tuabin giĩ trục đứng khác, loại tuabin này thƣờng cĩ ba cánh và chúng đƣợc phân bố đều nhau 120o
.
Hình 1.17: Các cánh của tuabin
xoắn quanh hình trụ
Hình 1.18: Vị trí các cánh của tuabin
Quiet – Revolution
Gĩc xoắn của cánh tuabin theo chiều dọc trục tuabin cũng đƣợc tính tốn sao cho ở vận tốc giĩ thấp mà vẫn cĩ thể đĩn giĩ để khởi động đƣợc. Đồng thời tạo lực nâng cánh là lớn nhất và lực cản giĩ là bé nhất.
Hình 1.19: Bố trí các cánh của tuabin Quiet – Revolution
Cánh tuabin Quiet - Revolution khi thiết kế phải đáp ứng nguyên tắc khí
điều chỉnh số vịng quay của hệ thống cánh rotor cũng nhƣ những yếu tố chi tiết khác nhƣ độ ồn phát sinh, tần số rung khi hoạt động.
Hình 1.20: Kết cấu đĩn giĩ của cánh tuabin Quiet - Revolution [1] 1.3.4.2 Vật liệu chế tạo tuabin Quiet - Revolution
Vật liệu chế tạo bộ khung cho tuabin Quiet – Revolution cần cĩ trọng lƣợng nhẹ và thƣờng chế tạo bằng hợp kim nhơm AlZnMgCu hoặc nhơm 5019 (AlMg5, nhơm cĩ thể hàn). Cánh tuabin Quiet - Revolution cũng thƣờng đƣợc chế tạo từ hợp kim nhơm, hợp kim titan hoặc vật liệu composite (loại sợi thuỷ tinh, sợi cacbon, sợi
Aramid).
1.4 Thực trạng ứng dụng tuabin Quiet - Revolution ở Việt Nam
Tình hình nghiên cứu tuabin giĩ trục đứng cánh xoắn Quiet - Revolution ở
nƣớc ta cho đến nay vẫn cịn ít và đa số là nghiên cứu về hệ thống tuabin giĩ trục ngang. Gần đây cũng đã cĩ một số cơng bố về tuabin giĩ trục đứng cơng suất nhỏ nhƣng đa số là các dạng tuabin H-Rotor, C-Rotor, Cycloturbine. Chƣa tìm thấy các
cơng bố liên quan đến tuabin Quiet – Revolution đƣợc nghiên cứu ở Việt Nam.
1.5 Các nghiên cứu trong và ngồi nƣớc 1.5.1 Các nghiên cứu ngồi nƣớc 1.5.1 Các nghiên cứu ngồi nƣớc
- L. X. Zhang và cộng sự trong cơng trình nghiên cứu “Aerodynamic Performance Prediction of Straight - Bladed Vertical Axis Wind Turbine Based on CFD” (2013) đã trình bày và phân tích hiệu suất khí động học của tuabin giĩ trục
đứng cánh thẳng bằng phần mềm CFD [38].
Wind Turbines” của Frank Scheurich và Richard E. Brown (2011) đã phân tích ảnh
hƣởng khí động lực học của tuabin trục đứng cánh xoắn và đã khẳng định tuabin trục đứng cánh xoắn khi hoạt động giảm sự dao động của hệ số cơng suất Cp, điều này cho thấy tuabin trục đứng cánh xoắn là dạng tuabin trục đứng đạt hiệu suất làm việc tối ƣu nhất so với các loại tuabin trục đứng khác [14].
- A. Hovhannisjan và nhĩm cộng sự đã trình bày một dự án nghiên cứu, thiết kế một tuabin giĩ trục đứng cánh xoắn ứng dụng lắp đặt trên đƣờng cao tốc để thắp sáng đèn LED chiếu sáng đƣờng cao tốc [15]. Tuy nhiên cơng trình nghiên cứu chỉ dừng lại ở việc mơ phỏng bằng các phần mềm chuyên dụng, chƣa chế tạo và triển khai trong thực tiễn.
Hình 1.21: Mơ hình của dự án lắp đặt tuabin giĩ trên đường cao tốc [15]
- Bruce Champagnie và cộng sự trong nghiên cứu “Highway Wind Energy” đã giới thiệu cơng việc chế tạo và thực nghiệm một tuabin để đánh giá khả năng ứng dụng tuabin giĩ trên các trục đƣờng cao tốc [16]. Qua đĩ đã đi đến kết luận rằng tuy giĩ trên các trục đƣờng cao tốc là giĩ nhân tạo (giĩ đƣợc tạo ra do xe di chuyển tốc độ nhanh) nhƣng nĩ cĩ thể làm tuabin hoạt động để tạo ra điện năng cung cấp cho đèn đƣờng và cĩ thể áp dụng đƣợc trên các trục đƣờng cao tốc.
- Travis Justin Carrigan giới thiệu một nghiên cứu lý thuyết về cách phân tích, tối ƣu hĩa các thơng số thiết kế mặt cắt ngang của cánh tuabin giĩ trục đứng cơng suất nhỏ bằng phần mềm CFD [39].
- Andrew Tendai Zhuga, Benson Munyaradzi và Clement Shonhiwa đã giới thiệu một cách thức tối ƣu hố khí động học cánh tuabin giĩ trục đứng dạng H-
Rotor cĩ thể hoạt động ở tốc độ giĩ thấp. Kết quả thử nghiệm cho thấy tuabin giĩ đã chế tạo cĩ thể hoạt động đƣợc ở vận tốc giĩ 2,5 m/s sản xuất ra dịng điện cĩ điện áp đạt 4,83 V (điện áp tính tốn là 6 V) [20].
- Bài báo “Design and analysis of vertical axis wind turbine rotors” của
MD. Saddam Hussen, Dr. K. Rambabu, M. Ramji, E. Srinivas (2015) đã khảo sát hiệu quả đĩn giĩ của cánh tuabin giĩ trục đứng cánh xoắn bằng phần mềm ANSYS ở ba gĩc xoắn () khác nhau (0o, 45o, 90o). Qua đĩ nhĩm tác giả đã khẳng định với gĩc xoắn của cánh tuabin càng lớn thì hiệu quả đĩn giĩ càng cao, càng cứng vững, tốc độ giĩ cho tuabin khởi động thấp, tức là khả năng tự khởi động tốt nhất [18].
a) Cánh tuabin với gĩc xoắn = 0o
a) Cánh tuabin với gĩc xoắn = 90o
Hình 1.22: Ảnh hưởng của gĩc xoắn đến khả năng khởi động của tuabin [18]
- Cơng trình nghiên cứu “Design, Fabrication and Testing of a Water Current Energy Device” của Richard Keough, Victoria Mullaley, Hilary Sinclair,
Greg Walsh (2014) đã khảo sát khả năng khởi động của tuabin cánh xoắn trong hai mơi trƣờng là giĩ và nƣớc. Kết quả cho rằng tuabin cánh xoắn cĩ khả năng tự khởi động ở vận tốc dƣới 2,5 m/s [19].
- Bài báo “Trembling Analysis of Helical Blade Vertical Axis Wind Turbine
(VAWT)” của S. Aravind, S. Sougathali, N. Ashokpandiyan, K. Ganeshkarthikeyan
(2014) đã khảo sát và đánh giá khả năng giảm rung động, giảm tiếng khua của tuabin giĩ trục đứng cánh xoắn tốt hơn so với các loại tuabin giĩ trục đứng khác. Qua đĩ cũng khẳng định tuabin giĩ kiểu cánh xoắn cĩ thể ứng dụng đƣợc trong các khu đơ thị [20].
1.5.2 Những nghiên cứu trong nƣớc
Chiếu sáng cơng cộng sử dụng điện giĩ để giảm chi phí điện năng, giảm gánh nặng cho ngân sách ngày càng đƣợc quan tâm. Một số dự án thử nghiệm cũng nhƣ một số cơng trình nghiên cứu đã đƣợc triển khái thực hiện:
- Dự án thử nghiệm thuộc chƣơng trình mục tiêu quốc gia ứng phĩ với biến đổi khí hậu đang đƣợc triển khai tại ga Nha Trang để cung cấp điện cho hế thống đèn chiếu sáng trong nhà ga. Hệ thống này cịn đƣợc kết hợp với 20 tấm pin quang điện với tổng cơng suất là 5 kW. Tổng cơng suất của hệ thống phát điện hỗn hợp này là 9 kW. Hệ thống đƣợc nhập hồn tồn từ nƣớc ngồi, khơng phải là thiết bị
đƣợc nghiên cứu chế tạo trong nƣớc [40].
Hình 1.23: Trạm phát điện hỗn hợp điện mặt trời – điện giĩ
cơng suất 9 kW tại ga Nha Trang, tỉnh Khánh Hịa
- Dự án hệ thống chiếu sáng sử dụng điện mặt trời – điện giĩ đƣợc lắp đặt tại khu cơng nghệ cao quận 9 (Tp. HCM) để cung cấp điện cho các đèn LED chiếu sáng cơng cộng cho xe lƣu thơng qua cổng đã đƣợc lắp đặt và đƣa vào sử dụng từ tháng 4/2012 [41]. Trụ đèn sử dụng tuabin giĩ trục ngang với chiều cao lắp đặt 15 m. Do tốc độ giĩ tại vị trí lắp đặt các tuabin giĩ khơng cao và giĩ khơng thƣờng xuyên nên lƣợng điện năng thu đƣợc từ các tuabin giĩ khơng nhiều.
Hình 1.24: Hệ thống đèn chiếu sáng sử dụng điện giĩ
và điện mặt trời tại khu cơng nghệ cao (Quận 9 – Tp. HCM)
- Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức giĩ cĩ cơng
suất 10 - 30 kW phù hợp với điều kiện Việt Nam” của Nguyễn Phùng Quang và
cộng sự (2007), đại học Bách khoa Hà Nội [4]. Nội dung đề tài này đã nghiên cứu, thiết kế, chế tạo trạm điện giĩ kiểu trục ngang với cơng suất thiết kế 10 - 30 kW phù hợp với điều kiện thực tiễn Việt Nam.
- Đề tài “Tính tốn thiết kế hệ thống cánh turbine giĩ kiểu trục đứng trong máy
phong điện cơng suất 10 kW” của Chu Đức Quyết (2009), đại học Kỹ thuật Cơng
nghiệp Thái Nguyên [5]. Nội dung đề tài đã tính tốn thiết kế các vị trí cánh, số cánh, kích thƣớc các cánh tuabin, với biên dạng cánh phẳng và cĩ thể điều khiển xoay quanh trục. Đây là hệ VAWT cơng suất lớn và cánh của hệ thống khơng phải là biên dạng cánh cong (NACA).
- Bài báo “Nghiên cứu phát triển máy phát điện giĩ trục đứng cơng suất nhỏ
tự điều chỉnh cánh theo hướng giĩ” của Đặng Thiện Ngơn, Phùng Tấn Lộc (2016),
trƣờng đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh [6]. Nghiên cứu đã phát triển một hệ VAWT cĩ thể hoạt động với tốc độ giĩ nhỏ (v < 6 m/s) với các cánh biên dạng cánh NACA tự điều chỉnh cánh theo hƣớng giĩ bằng cơ chế cam lệch tâm kết hợp chong chĩng giĩ. Kết quả cơng bố cho thấy, cơ cấu tự điều chỉnh cánh theo hƣớng giĩ với độ lệch tâm 50 mm giúp máy phát điện giĩ trục đứng cơng suất nhỏ với biên dạng cánh NACA cĩ thể hoạt động ở tốc độ giĩ vào khoảng 2,5m/s.
a) Tuabin giĩ b) Trụ mang tuabin giĩ
Hình 1.25: Tuabin giĩ tự điều chỉnh cánh theo hướng giĩ [6]
- Đề tài nghiên cứu cấp nhà nƣớc “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống
tuabin giĩ kiểu trục ngang cĩ cơng suất trong dải từ 15 – 20 kW” của Nguyễn Thế
Mịch và nhĩm nghiên cứu của viện Cơ khí Động lực và viện Điện, Trƣờng ĐHBK Hà Nội phát triển thành cơng, mở ra triển vọng ứng dụng khai thác năng lƣợng giĩ đạt hiệu quả kinh tế cao (2015) [42]. Đề tài đã nghiên cứu và chế tạo thành cơng tuabin giĩ trục ngang cĩ thể làm việc phù hợp với tiềm năng giĩ của Việt Nam. Điểm đặc biệt của tuabin giĩ này là cĩ vận tốc khởi động là 2,5 m/s (thơng thƣờng là 3,5 m/s). Ngồi ra, tuabin cịn đƣợc tính tốn đạt cơng suất danh định tại vận tốc giĩ từ 6 - 7,5 m/s. Đây cũng là hệ HAWT cơng suất lớn đã đƣợc nghiên cứu theo nhu cầu phát triển điện giĩ nối lƣới ở Việt Nam.
Hình 1.26: Tuabin giĩ trục ngang cơng suất từ 15 – 20 kW [42]
- Đề tài KC 07.04 “Nghiên cứu lựa chọn cơng nghệ và thiết bị để sử dụng
năng lượng giĩ trong sản suất, sinh hoạt nơng nghiệp và bảo vệ mơi trường” của Nguyễn Tấn Anh Dũng (2006), thuộc viện Khoa học và Thủy lợi [7]. Đề tài nghiên cứu thiết kế một tuabin giĩ trục ngang, kích thƣớc cánh lớn để cung cấp điện năng cho các máy bơm nƣớc và chạy máy sục khí trong vuơng nuơi tơm. Đề tài này chƣa đƣợc áp dụng vào thực tiễn.
- Đề tài “Nghiên cứu, điều tra, khảo sát và đánh giá các hệ thống phát điện
kết hợp các dạng năng lượng tái tạo cho cụm dân cư ở vùng ngồi lưới điện quốc gia” của Phạm Hồng Vân (2014), viện Năng lƣợng - Bộ Cơng thƣơng [8]. Đề tài đã
nghiên cứu và đi đến một số kết luận về việc lựa chọn ứng dụng một số thiết bị sản xuất điện năng từ nguồn năng lƣợng tái tạo. Nghiên cứu này chủ yếu đƣa ra một số các tiêu chí lựa chọn thiết bị, điều kiện áp dụng. Việc thiết kế, chế tạo thiết bị khơng đƣợc quan tâm đến trong nghiên cứu của đề tài.
Nhƣ vậy, đến nay vẫn chƣa tìm thấy các cơng trình nghiên cứu, các cơng bố trong nƣớc về tuabin giĩ trục đứng cánh xoắn Quiet - Revolution.
1.6 Ý kiến thảo luận và đề xuất nhiệm vụ của đề tài 1.6.1 Ý kiến thảo luận 1.6.1 Ý kiến thảo luận
- Hiện nay hệ thống trụ đèn chiếu sáng sử dụng điện giĩ kết hợp điện mặt trời đƣợc lắp đặt chƣa nhiều, các hệ thống này đều là sản phẩm nhập ngoại chƣa đƣợc nghiên cứu phát triển trong nƣớc [40], [41].
- Các đề tài nghiên cứu và đã ứng dụng đề là các hệ thống tuabin giĩ trục ngang cơng suất lớn, khơng phù hợp ứng dụng cho hệ thống trụ đèn chiếu sáng [4], [5].
- Một số đề tài đã nghiên cứu về lựa chọn cơng nghệ, thiết bị để sử dụng điện giĩ, nghiên cứu khảo sát và đánh giá các hệ thống phát điện kết hợp các dạng năng lƣợng tái tạo cho cụm dân cƣ,… [7], [12] chỉ nghiên cứu về lý thuyết, chƣa đƣợc triển khai trong thực tế.
- Một tuabin điện giĩ trục đứng cơng suất nhỏ tự điều chỉnh cánh theo hƣớng giĩ đã đƣợc đƣa vào ứng dụng thử nghiệm trong thực tế cĩ thể hoạt động ở tốc độ giĩ vào khoảng 2,5 m/s, sản xuất đƣợc dịng điện cĩ điện áp 6,89 V; 75 W [6]. Tuy nhiên, hệ thống này đƣợc thiết kế với mục đích cung cấp điện năng phục vụ sinh hoạt cho hộ gia đình.
- Chƣa tìm thấy các nghiên cứu trong nƣớc ứng dụng tuabin Quiet - Revolution hiệu suất cao cĩ cơng suất nhỏ, cũng nhƣ chƣa cĩ thơng tin về nghiên cứu phát triển tuabin giĩ cơng suất nhỏ để cung cấp điện giĩ cho các trụ đèn chiếu sáng cơng cộng.
1.6.2 Đề xuất nhiệm vụ của đề tài
Xuất phát từ thực tế khảo sát, việc nghiên cứu một tuabin giĩ trục đứng cánh xoắn kiểu Quiet - Revolution cĩ nâng cao hiệu suất cao hơn, khắc phục đƣợc những các nhƣợc điểm của các loại tuabin giĩ trục đứng đã nêu là nhu cầu cần thiết. Các định hƣớng sau đƣợc quan tâm nghiên cứu và thực hiện:
- Nghiên cứu đề xuất thơng số thiết kế hệ thống trụ đèn điện giĩ chiếu sáng cơng cộng;
cánh xoắn Quiet - Revolution cơng suất nhỏ;
- Nghiên cứu thiết kế trụ đèn chiếu sáng cơng cộng sử dụng nguồn điện từ tuabin giĩ trục đứng cánh xoắn Quiet - Revolution.
- Chế tạo trụ đèn và mơ hình tuabin giĩ trục đứng cánh xoắn Quiet - Revolution.
- Khảo nghiệm sơ bộ khả năng hoạt động của tuabin giĩ trục đứng cánh xoắn
Chƣơng 2
NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Nội dung nghiên cứu
Các nội dung chính sau đây sẽ đƣợc tập trung nghiên cứu:
- Đề xuất thơng số thiết kế hệ thống trụ đèn điện giĩ chiếu sáng cơng cộng; - Tính tốn, thiết kế biên dạng cánh, kết cấu tuabin giĩ và mạch điện hệ thống cho tuabin giĩ trục đứng cơng suất nhỏ cánh xoắn Quiet - Revolution;
- Thiết kế và chế tạo trụ đèn CSCC sử dụng nguồn điện từ tuabin giĩ trục đứng cánh xoắn Quiet - Revolution.
- Khảo nghiệm sơ bộ đánh giá khả năng hoạt động của tuabin giĩ trục đứng cánh xoắn Quiet - Revolution.
2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu 2.2.1 Phƣơng pháp kế thừa 2.2.1 Phƣơng pháp kế thừa
Kế thừa các cơng trình, kết quả nghiên cứu đã cơng bố của các tác giả trong và ngồi nƣớc về tuabin giĩ trục đứng cánh xoắn nhằm tính tốn, thiết kế tuabin theo yêu cầu đã đặt ra.
2.2.2 Phƣơng pháp thu thập thơng tin
- Tiếp cận các tài liệu nghiên cứu, các thơng tin cần thiết cĩ liên quan đến đề tài cĩ trên các tạp chí khoa học, tài liệu chuyên ngành, qua các nguồn tin từ báo, đài, internet,...
- Tiếp cận thực tiễn, tìm hiểu các tuabin giĩ đã lắp đặt tại một số tỉnh thành trong cả nƣớc.
2.2.3 Phƣơng pháp tính tốn thiết kế
Phƣơng pháp tính tốn thiết kế đƣợc thực hiện qua các bƣớc sau: - Bƣớc 1: Xác định dữ liệu thiết kế;
- Bƣớc 2: Thiết kế sơ đồ nguyên lý;
- Bƣớc 3: Tính tốn động lực học tuabin giĩ trục đứng cánh xoắn Quiet - Revolution;
- Bƣớc 4: Tính tốn thiết kế các chi tiết, cụm chi tiết, các tổng thành;
- Bƣớc 5: Xây dựng các bản vẽ chi tiết và các bản vẽ lắp, cụm chi tiết và các tổng thành của tuabin.
2.2.4 Phƣơng pháp nghiên cứu phục vụ thực nghiệm
Thực hiện tiến hành khảo nghiệm một cách chủ động, để cĩ thể đánh giá khả năng hoạt động của trụ đèn sử dụng tuabin giĩ trục đứng cánh xoắn Quiet - Revolution.
2.2.4.1 Vật liệu và trang thiết bị thực nghiệm a) Vật liệu thực nghiệm