6. Kết cấu luận văn
1.3 Tuabin giĩ
1.3.2.4 Tuabin cánh xoắn Quiet – Revolution
Loại tuabin cánh xoắn này đƣợc phát minh bởi Alexander M. Gorlov (Alexander Moiseevich Gorlov 1931 - 2016) và nhận bằng sáng chế vào năm 1995 [36]. Đây cũng là một biến thể của tuabin Darrieus và đƣợc thiết kế để phát điện nhờ sức nƣớc (tuabin thủy lực). Sau đĩ các kết cấu chính cũng nhƣ ý tƣởng thiết kế của tuabin thuỷ lực này đƣợc sử dụng để thiết kế tuabin giĩ trục đứng cánh xoắn kiểu Quiet
– Revolution. Loại tuabin giĩ trục đứng cánh xoắn này cĩ tên là Quiet – Revolution và
để nhấn mạnh rằng nĩ đƣợc phát triển trên cơ sở của tuabin Gorlov ta cĩ thể sử dụng ký hiệu /GB (Gorlov Basis) (cũng cịn cĩ ý nghĩa là loại tuabin Quiet – Revolution cơ sở/ban đầu). Hiệu suất của tuabin Quiet – Revolution /GB cao hơn các loại tuabin trục đứng khác đến 35% (các phiên bản mới Quiet – Revolution /5, Quiet – Revolution /6 cĩ thể đạt hiệu suất cao hơn). Điểm nổi bật của loại tuabin Quiet – Revolution này là cĩ thể hoạt động với mơmen nhỏ, ít gây tiếng ồn, rung động nhỏ, độ cứng vững cao. Tuy nhiên biên dạng cánh khá phức tạp và gia cơng chế tạo khĩ khăn [37].
Hình 1.16: Turbine Quiet – Revolution 1.3.3 So sánh tuabin HAWT và VAWT
Ƣu và nhƣợc điểm của các hệ thống tuabin HAWT và VAWT đƣợc thể hiện ở bảng 1.1.
Bảng 1.1: So sánh tuabin HAWT và VAWT
Chỉ tiêu kinh tế & kỹ thuật
Tuabin giĩ trục ngang (HAWT)
Tuabin giĩ trục đứng (VAWT)
Hiệu suất Cao Thấp
Cơng suất Lớn Nhỏ
Chế tạo Khĩ, phức tạp Dễ
Vận tốc giĩ khởi động Thấp (cơng suất nhỏ)
Cao (cơng suất lớn) Thấp
Phụ thuộc hƣớng giĩ Cĩ Khơng
Moment khởi động Lớn (tuỳ thuộc kiểu tuabin) Nhỏ/Lớn
Tiếng ồn Lớn Nhỏ
Chi phí sản xuất Cao Thấp
Từ cấu tạo và các ƣu nhƣợc điểm trên ta cĩ một số nhận xét sau:
- Việc chọn mơ hình tubin giĩ trục đứng hay trục ngang khi thiết kế sẽ phụ thuộc vào cơng suất, tiềm năng giĩ cũng nhƣ tốc độ giĩ tại nơi vị trí lắp đặt và các chỉ tiêu thiết kế.
- Tuabin điện giĩ cơng suất nhỏ cần đảm bảo đƣợc các yêu cầu nhƣ: kích thƣớc nhỏ, cột lắp đặt thấp, cĩ thể phát điện khi tốc độ giĩ thấp và ít gây ra tiếng ồn.
- Trụ đèn chiếu sáng thƣờng cĩ cơng suất khơng quá 100 W (nếu sử dụng đèn LED thế hệ mới cơng suất tiêu thụ cịn nhỏ hơn), chiều cao cột từ 6 – 8 m nên chỉ cần sử dụng tuabin giĩ cơng suất nhỏ. Ở chiều cao này và nhiều khu vực cần chiếu sáng ta thấy sẽ cĩ hiện tƣợng giĩ xốy, giĩ tù thay đổi hƣớng thƣờng xuyên do bị cản trở bởi nhà cửa, các cơng trình xây dựng; tốc độ giĩ thấp (vì chiều cao cột thấp),… Do vậy, tuabin giĩ trục đứng cơng suất nhỏ cĩ thể hoạt động với bất kỳ hƣớng giĩ nào là lựa chọn phù hợp. Ngồi ra, tuabin giĩ trục đứng cánh xoắn Quiet
- Revolution cho phép nâng cao hiệu suất so với các loại VAWT khác, hoạt động
đƣợc ở tốc độ giĩ nhỏ cĩ thể đáp ứng đƣợc các yêu cầu đặt ra.
1.3.4 Tuabin giĩ trục đứng cánh xoắn Quiet - Revolution 1.3.4.1 Kết cấu cánh tuabin 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