CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ GIÓ VÀ KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG GIÓ
1.5. Định luật Betz ứng dụng trong thiết kế cánh turbine gió trục ngang. [4]
1.5.1.Thông số ảnh hưởng đến hiệu quả làm việc của turbines [9]
Gió là một nguồn năng lƣợng sạch và sẵn có trong tự nhiên nên việc khai thác và sử dụng cần phải có một công nghệ cao để khai thác có hiệu quả nguồn năng lƣợng này. Gió sẽ thay đổi theo các khoảng thời gian khác nhau. Tốc độ gió thay đổi theo mùa trong một năm, thay đổi theo giờ trong một ngày hoặc cũng có thể thay đổi theo từng phút, như tốc độ gió vào mùa hè, mùa thu ở nước ta thường lớn hơn các mùa khác hay tốc độ gió vào ban ngày lớn hơn ban đêm. Ngoài ra tốc độ gió cũng khác nhau, phụ thuộc vào độ cao và địa hình, gió ở trên cao thường mạnh hơn dưới thấp.
Công suất đầu ra của turbines gió:
3
2
1 C A V
P p t
(1.1) Trong đó:
- P là công suất đầu ra của turbines gió [w]
- Cp là hệ số hấp thụ năng lƣợng của turbines gió - là mật độ không khí (kg/m3)
- At là diện tích cánh turbines gió (m2) - V là vận tốc gió (m/s)
Theo lý thuyết thì giá trị lớn nhất của Cp là 16/27 0,5926 và nó đƣợc gọi là giới hạn „Betz‟. Công suất tỉ lệ với lập phương của vận tốc gió, do đó nếu tốc độ gió tăng thì công suất tăng. Điều này có thể thấy đƣợc trong đồ thị (1.1), hình vẽ biểu diễn sự biến thiên của tốc độ gió và công suất. Trong khoảng thời gian ngắn của những cơn gió giật và sự biến thiên của công suất lớn hơn nhiều so với sự biến thiên của tốc độ gió
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Hình 1.15 Dòng không khí, áp suất và tốc độ trước và sau turbines [9]
Hệ số công suất turbines gió Cp trong công thức (1.1) phụ thuộc vào tỉ số vận tốc đầu mũi cánh (Tip Speed Ratio – TSR) [9]
Mặt khác tại đầu mũi cánh có bán kính R thì:
V R
.
(1.2) Trong đó: - là vận tốc quay của turbines gió (rad/s)
- R là bán kính cánh turbines gió (m) - V là tốc độ gió (m/s)
Với turbines gió trục ngang hoạt động bình thường thì tỉ số vận tốc đầu mũi cánh đƣợc cho ở công thức (1.2). Với turbines gió trục đứng thì hoạt động ở tỉ số này thấp hơn. Đường cong biểu diễn quan hệ giữa Cp và cho ở đồ thị (1.1).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Đồ thị 1.1 Đường cong biểu diễn quan hệ giữa Cp và
1.5.2. Thiết kế cánh turbine gió
Năng lƣợng gió là nguồn năng lƣợng do chuyển động của không khí với một tốc độ trong một thời gian nhất định. Theo định luật Betz (Nhà vật lý người Đức – Albert Betz) về động lực khí quyển thì nguồn năng lƣợng này không thể chuyển tất cả sang một loại năng lượng khác. Albert Betz chứng minh rằng, trên phương diện vật lý là chỉ có thể thu đƣợc tối đa 59,265% năng lƣợng chuyển động kinetic của gió, việc này ảnh hưởng quan trọng đến khả năng đón gió của cánh quạt. Cho đến nay việc chế tạo hình dáng và thiết kế những cánh gió hiện đại vẫn dựa trên các kiến thức này
Hình 1. 16 Dòng gió khi vào cánh quạt gây ra tình trạng gió trượt
Hình 1.17 Sự phân bố lực tác động F vào cánh quạt với góc <200
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Cánh turbines gió khi thiết kế phải đáp ứng nguyên tắc khí động lực học và định luật Betz để tạo đƣợc công suất cao và ổn định, kể cả ở tình trạng điều chỉnh số vòng 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.
Cấu hình cánh quạt tùy theo công nghệ và việc lựa chọn vật liệu nên có nhiều thiết kế khác nhau nhƣng phần lớn đều dựa trên kinh nghiệm cấu hình chế tạo máy bay nhƣ Hội đồng tƣ vấn hàng không NACA – Mỹ (National Advisory Committee for Aeronautics) hoặc Viện khí động lực Nga với cấu hình TsAGI hoặc những viện nghiên cứu khác cũng nhƣ những Nhà khoa học Khí động lực học, thí dụ cấu hình FX (Franz Xaver Wortmann), cấu hình YH (Clark Profile), cấu hình HQ (Horstmann/Quast) vv…
Hình 1.18 Cánh quạt turbines Growian
Hình 1.19 Những thiết diện và cấu hình khác nhau của cánh quạt điện gió
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 1.5.3. Vật liệu làm Turbine gió
Việc lựa chọn vật liệu cánh quạt đƣợc dựa trên kinh nghiệm chế tạo cánh máy bay. Độ bền vật liệu và khả năng sản xuất là những yếu tố chính. Những vật liệu này là:
Vật liệu
Density Khối lƣợng
g/cm3
Strenght of material – (ĐBVL b)
N/mm2
Young‟s modulus (ĐB dẻo –
kN/mm2)
Ultim, tensile strengh to d
(ĐB dẻo
b/)
Young‟s mod. to density (ĐB dẻo/d
– E/
Fatigue limit
(ĐB mỏi – 107N/mm2)
Thép St.52 7,85 520 210 6,6 2,7 60
Hợp kim thép
1.7753.3 7,85 680 210 8,7 2,7 70
Nhôm
AlZnMgCu 2,7 480 70 18 2,6 40
Nhôm AlMg5
(có thể hàn) 2,7 236 70 8,7 2,6 20
Hợp kim Titan
3.7164.1 4,5 900 110 20 2,4
Sợi tủy tinh – Epoxy (E –
glas)
1,7 420 15 24,7 0,9 35
Sợi Carbon -
Epoxyd 1,4 550 44 39 3,1 100
Sợi Aramid 1,25 450 24 36 1,9
Gỗ thông
Stika spruce 0,38 65 8 17 2,1 20
Gỗ Epoxy 0,58 75 11 13 1,9 35
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 1.5.4. Số cánh quạt của turbines gió trục ngang
Dựa trên nguyên tắc vật lý và khí động lực học, những nghiên cứu và thử nghiệm về số cánh quạt cho turbines gió đã được thực hiện nhiều thập niên trước ở nhiều nơi trên thế giới.
Diện tích quét gió phụ thuộc vào bề mặt cũng nhƣ chiều dài cánh quạt nên trên nguyên tắc, số cánh quạt của turbines không là yếu tố quyết định cơ bản về công suất
Turbines gió trục ngang có thể có từ 1, 2, 3 hoặc nhiều cánh hơn
Trên phương diện khí động lực học thì số cánh quạt càng ít thì hiệu quả càng cao nhưng trên phương diện cơ học thì khi turbines hoạt động với số vòng quay nhanh sẽ phát sinh những nhƣợc điểm cơ bản nhƣ tần số rung của turbines điện gió sẽ mất ổn định ảnh hưởng đến những chi tiết khác.
Turbines điện gió một cánh đƣợc đƣa vào hoạt động từ những năm 1985 với công suất từ 25 đến 1000 kW. Ƣu điểm của turbines gió một cánh là trọng lƣợng thấp hơn so với turbines hai hoặc ba cánh, số vòng quay có thể lên đến 49 vòng trong 1 phút nên tạo đƣợc công suất cao và giá thành thấp.
Sự phân bố lực của một cánh vào trục và thân trụ không đều nên độ bền hệ thống giảm rất nhiều, ngoài ra khi turbine điện gió hoạt động sẽ phát sinh ra tiếng ồn rất cao
Hình 1.20 Thử nghiệm turbines một cánh MOD – O năm 1985 tại Mỹ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Kết luận
1. Hơn 90% các turbine gió sử dụng ngày nay có thiết kế trục ngang do: (1) sự sắp xếp của các cánh quạt cho phép turbine luôn luôn tương tác đầy đủ với gió, điều này rất quan trọng trong việc cải thiện sức mạnh và hệ số công suất của turbine gió trục ngang hiện đại, (2) Hiệu suất của Turbine gió trục ngang cao hơn Turbine gió trục đứng với cùng vận tốc gió
2. Trên lý thuyết thì số cánh quạt của turbine gió không là yếu tố quyết định về công suất nhƣng trên thực tế, turbine gió hai cánh có thể đạt đƣợc công suất cao hơn Turbine gió một cánh khoảng 10%, turbine gió ba cánh nhờ có sự phân bố đều về lực trong diện tích vòng quay nên hoạt động ổn định và có công suất cao hơn khoảng 3-4% so với turbine gió hai cánh (đồ thị 1.1);
3. Cánh turbine gió khi thiết kế phải đáp ứng nguyên tắc khí động lực học và định luật Betz để tạo đƣợc công suất cao và ổn định, kể cả ở tình trạng điều chỉnh số vòng 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;
4. Đề tài lựa chọn mô hình nghiên cứu turbine gió trục ngang 3 cánh công suất nhỏ sử dụng để kéo máy sục khí trong nuôi trồng thủy sản, biên dạng cánh đƣợc thiết kế theo kinh nghiệm cấu hình chế tạo của Hội đồng tƣ vấn hàng không NACA – Mỹ, nhằm làm chủ công nghệ chế tạo cánh theo tiêu chuẩn của Naca và phù hợp với điều kiện sản xuất phong điện tại Việt Nam.