Nghiên cứu mô phỏng và xác định kết cấu hầm gió cho máy phát điện gió trục ngang công suất nhỏ

Nội dung text: Nghiên cứu mô phỏng và xác định kết cấu hầm gió cho máy phát điện gió trục ngang công suất nhỏ

1. NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ XÁC ĐỊNH KẾT CẤU HẦM GIÓ CHO MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ TRỤC NGANG CÔNG SUẤT NHỎ SIMULATION TO DETERMINE THE STRUCTURE OF WINDCUBE FOR SMALL HORIZONTAL-AXIS WIND TURBINE Đặng Thiện Ngôn1a, Huỳnh Tấn Đạt1b 1Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh, Tp. Hồ Chí Minh, Việt Nam angondt@hcmute.edu.vn bdathuynhtan238@gmail.com TÓM TẮT Máy phát điện gió trục ngang công suất nhỏ hiện đang được sử dụng phổ biến ở nhiều nơi trên thế giới đã và đang giúp giảm nguồn cung cứng điện. Tuy nhiên, đa số các máy được thiết kế để hoạt động với tốc độ gió v > 6 m/s không thể sử dụng tại thành phố Hồ Chí Minh, nơi có tốc độ gió trung bình vào khoảng < 6 m/s. Các nghiên cứu về hiệu ứng hầm gió (WindCube) cho thấy có thể ứng dụng hiệu ứng hầm gió để giúp các máy phát điện gió có thể hoạt động được ở tốc độ gió nhỏ hơn tốc độ thiết kế. Bài báo trình bày các kết quả nghiên cứu về việc xác định các thông số của hầm gió cũng như các thông số liên quan khác cho một máy phát điện gió công suất nhỏ (12V, 40W). Bằng kỹ thuật mô phỏng, kết cấu của hầm gió đã được xác định và một mô hình thực tế đã được chế tạo để kiểm nghiệm các kết quả mô phỏng. Số liệu thu được từ mô phỏng cũng như qua kiểm nghiệm thực tế cho phép đề xuất kết cấu hầm gió cho một máy phát điện gió công suất nhỏ hoạt động ở tốc độ gió vào khoảng 2,5 m/s. Từ khoá: Năng lượng gió, máy phát điện gió trục ngang, tuabin, tốc độ gió, hiệu ứng hầm gió ABSTRACT Small Horizontal-Axis Wind Turbine ̣(HAWT) is being placed more popular on over the world and reduced power supplied from the others. However, most of them were designed to operate more than 6 m/s wind speed, so it can’t be used in Ho Chi Minh city, where has everage wind speed is smaller 6 m/s. The studies of WindCube effects presented that small HAWT can be operated in smaller than the rated wind speed. This article shows the results of the studies about WindCube’s parameter determination and others for a small wind generator (14V, 40W). The simulation technique was used to determine of the WindCube structure, a equipment model was made for the testing of the simulation results. Experimental data from the simulation and testing process allow to suggest the WindCube structure for a small HAWT, which can operate about 2.5 m/s wind speed. Từ khóa: Wind power, Horizontal-Axis Wind Turbine ̣(HAWT), turbine, wind speed, windcube 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, nhu cầu sử dụng điện sinh hoạt đang tăng lên ở những vùng đang phát triển, do đó sự thiếu hụt năng lượng ở những khu vực này ngày càng tăng. Nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng gió được đề cập nhằm đáp ứng sự thiếu này.Tuy nhiên, các máy phát điện gió công suất nhỏ không thể hoạt động tại ở những vùng đông dân nơi có tốc độ gió thấp. Bên cạnh đó việc nghiên cứu đưa vào hoạt động các máy phát điện gió công suất nhỏ ở tốc độ thấp (V < 6 m/s) chưa được quan tâm. Hầu hết các máy phát điện gió truyền thống với thiết kế lâu đời, có kết cấu tương đối lớn và công suất không cao. Đã có nhiều công trình nghiên cứu về vấn đề này để nâng cao công suất
2. và được ứng dụng trong thực tiễn. Công ty Windspot đã cải tiến kết cấu cánh tuabin cho phép điều chỉnh cánh giúp tăng mômen tác động lên cánh tạo ra hiệu suất và độ tin cậy cao hơn [1]. Garra Hassan-Arter Group đã cải tiến máy phát điện gió bằng cách chế tạo tuabin kín không sử dụng cánh quạt với các giải pháp về tăng cường tốc độ dòng khí và giải pháp chuyển đổi cơ năng thành điện năng [2]. Marcio Loos sử dụng vật liệu polyurethane gia cố bằng ống Formatted: Font color: Auto nano cacbon để chế tạo cánh quạt có trọng lượng nhẹ, độ cứng và độ bền cao giúp duy trì kích Formatted: Font color: Auto thước hình dạng cánh quạt như ban đầu, tuabin sẽ thu được năng lượng tốt nhất [3]. Bên cạnh đó, nhiều nghiên cứu về việc cải tiến thiết kế tuabin gió giúp chúng có thể hoạt động với tốc độ gió thấp. Công ty DynaTech Engineering đã ứng dụng định luật Bernuclli cho thiết kế WindCube (hiệu ứng hầm gió) nhằm tập trung luồng gió, sau đó gia tăng sức gió lên và tạo ra công suất phát điện lớn hơn gấp 8 lần so với tuabin gió thông thường [4] (hình 1a). Công ty SheerWind cũng đã cho ra đời tuabin gió INVELOX sử dụng hiệu ứng Venturi giúp tuabin có thể hoạt động ở tốc độ gió khoảng 3,2 km/h và cải thiện năng suất lên đến 600% (hình 1b) [5]. Formatted: Font color: Auto Formatted: Font color: Auto a) Máy phát điện gió WINCUBE [4] b) Máy phát điện gió INVELOX [5] Hình 1: Các kết cấu tăng tốc độ gió cho máy phát điện gió. Mặc dù công suất phát điện đã tăng lên nhiều lần so với tuabin gió thông thường nhưng tất cả các thiết kế trên chỉ mới ứng dụng cho các máy phát điện gió trục ngang công suất lớn [4, 5]. Các thiết kế dựa trên hiệu ứng hầm gió cho các máy phát điện công suất nhỏ chưa được quan tâm nghiên cứu nhiều. Hiện nay, việc sử dụng máy phát điện gió công suất nhỏ như nguồn bổ sung để đáp ứng nhu Formatted: Font color: Auto cầu điện sinh hoạt ngày càng tăng tại các vùng đông dân và có không gian hẹp [4] đang được để ý đến. Tuy nhiên, ở những vùng có tốc độ gió không cao (tốc độ gió trung bình < 6 m/s) sẽ rất khó khăn khi sử dụng máy phát điện gió công suất nhỏ và vấn đề đặt ra là phải có bộ phận giúp tăng tốc độ gió. Trong bài báo này, chúng tôi nghiên cứu xác định kết cấu hầm gió để tăng tốc độ gió cho máy phát điện gió trục ngang công suất nhỏ thông qua mô phỏng và thực nghiệm. Một mô hình hầm gió dựa trên các kết quả mô phỏng đã được thiết kế, chế tạo và kiểm nghiệm trên hệ thống thiết bị thí nghiệm gió của De Lorenzo Group (Italia) [6]. 2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Kết cấu hầm gió Các ký hiệu được sử dụng trong quá trình tính toán thiết kế hầm gió và sử dụng trong bài được trình bày ở bảng 1. Bảng 1: Các ký hiệu thường dùng. 2 S1 Tiết diện mặt cắt ngang tại đáy lớn, m D1 Đường kính đáy lớn, m 2 S2 Tiết diện mặt cắt ngang tại đáy nhỏ, m D2 Đường kính đáy nhỏ, m V1 Vận tốc của lưu chất tại tiết diện S1, m/s U∞ Tốc độ gió định mức, m/s
3. V2 Vận tốc của lưu chất tại tiết diện S2, m/s R Bán kính của cánh rôto, m n Số vòng quay của rôto, vòng/s P Công suất định mức, W Hầm gió có cấu tạo như một ống dẫn để lưu dẫn luồng gió tự nhiên trong ống mà tích của vận tốc chảy của chất lưu với tiết diện thẳng tại mọi nơi là một đại lượng không đổi [7]. Hầm gió cho phép tập trung luồng gió, sau đó gia tăng sức gió làm quay cánh tuabin nhanh hơn và tạo ra công suất phát điện lớn hơn. Tuân theo nguyên tắc của phương trình liên tục, kết cầu hầm gió được xác định với biên dạng là hình nón cụt. Đáy lớn có tác dụng đón luồng không khí vào, thân có tác dụng gia tăng tốc độ gió trước khi tác động vào cánh tuabin gió, đáy nhỏ là nơi nhận được tốc độ gió cao nhất. Do đó, cánh quạt của tuabin gió sẽ được đặt ở vị trí này và kết quả là tuabin có thể phát ra một lượng điện gấp nhiều lần so với tuabin gió thông thường. D1 D2 S1 S2 V1 V2 Hình 2: Điều kiện hình học tăng tốc dòng không khí trong hầm gió. Thiết kế của hầm gió cho phép thiết bị này hoạt động ngay cả với tốc độ gió khá chậm là khoảng 8 km/giờ (2,2 m/s), phát ra lượng điện tương đối ổn định [4]. 2.2 Tính toán các thông số chính của tuabin gió Tính toán các thông số chính của tuabin gió được thực hiện như sau [8]: P (1) - Bán kính rôto, mm R = √ 3 0,5 . ρ . U∞ . π . η λ. 푈 - Vận tốc góc của rôto, rad/s 훺 = ∞ (2) 푅 훺. 180 - Số vòng quay của rôto, vòng/s 푛 = (3) . 360 2.3 Tính toán xác định kết cấu hầm gió 2.3.1 Chọn loại tuabin sử dụng Hệ thống thiết bị thí nghiệm gió của De Lorenzo Group [6] sử dụng tuabin gió có các thông Formatted: Font color: Auto số kỹ thuật như ở bảng 2. Đây cũng là tuabin được sử dụng cho các thí nghiệm về hiệu ứng hầm gió. Bảng 2: Các thông số của tuabin [6]. - Đường kính tuabin 500 mm - Tốc độ gió tuabin hoạt động 4,5 m/s - Công suất định mức 40 W - Loại tuabin 6 cánh, gió ngang 2.2.2 Tính toán, thiết kế hầm gió
4. Các thông số kỹ thuật của hầm gió cần thiết kế được xác định như sau: - Tốc độ gió đầu vào: V1 = 2,5 m/s - Tốc độ gió tại đáy nhỏ đạt được: V2 4,5 m/s Hầm gió dự kiến được ghép nối với thiết bị thí nghiệm điện gió công nghiệp [6] có đường kính ngoại tiếp đầu ra của ống dẫn gió là 660 mm. Do đó, đường kính ngoại tiếp đầu vào của Formatted: Font color: Auto hầm gió D1 phải được chọn sao cho D1 > 660 mm. Formatted: Font color: Auto Biết rằng, kích thước của cánh tuabin là D = 500 mm. Ta chọn kích thước đường kính ngoại Formatted: Font color: Auto tiếp đầu ra của hầm gió (vị trí lắp ghép với cánh tuabin) D2 = 660 mm (đường kính nội tiếp là Formatted: Font color: Auto 609,76 mm) dựa theo kích thước mẫu của thiết bị thí nghiệm để dễ dàng cho việc lắp đặt, gá Formatted: Font color: Auto giữ cánh tuabin, hình 5). Đáy lớn của hầm gió cần chọn để đạt được tốc độ gió 4,5 m/s ở đáy nhỏ (là tốc độ cần có để Formatted: Font color: Auto tuabin hoạt động) được tính toán theo phương trình liên tục [7]: Formatted: Font color: Auto 2 2 2. 2 4,5 . 660 1 = √ = √ = 784 885( ) 1 2,5 Đường kính đáy lớn được xác định qua tính toán là D1 = 784 885 mm. Để loại trừ các sai số tính toán, gia công, lắp ghép ta chọn đường kính ngoại tiếp D1 = 940 mm (hình 3). Formatted: Font color: Auto Formatted Table Formatted: Font: (Default) +Headings (Times New Roman), 12 pt, Check spelling and grammar a) Thiết kế Formatted: Not Highlight Sửa hình này: sai các ký hiệu D1, D2, chữ to b) Mô hình thử nghiệm Formatted: Left hơn và đầu cầu viết hoa Hình 3: Thiết kế và chế tạo hầm gió. Với mục đích tập trung luồng gió bên trong hầm gió và tạo điều kiện dễ dàng cho việc lắp đặt
5. tuabin gió đúng vị trí ta thiết kế hầm gió có thêm ống dẫn ở 2 đáy để ổn định lưu lượng gió khi vào và ra khỏi tuabin gió. Như vậy, đáy nhỏ ghép thêm ống dẫn có chiều dài 700 mm và ở đáy lớn là 800 mm (hình 3a). Hình 3b trình bày hầm gió đã chế tạo với biên dạng tròn ngoài được thay bằng biên dạng đa giác để phù hợp với đầu ra của thiết bị thí nghiệm điện gió [6]. 2.2.3 Mô phỏng hoạt động của hầm gió Tiến hành mô phỏng trên phần mềm ANSYS với các thông số thiết kế và chế tạo của hầm gió (hình 3), ta có các thông số đầu vào sau: Bảng 3: Thông số đầu vào. Formatted: Font color: Auto Thông số Giá trị Đường kính đầu vào, D1 (mm) 940 Đường kính đầu ra, D2 (mm) 660 Tốc độ gió đầu vào V2 (m/s) 2,5 - 12 Áp suất đầu vào (pascal) 980000 Formatted: Font color: Auto Khi thay đổi tốc độ gió ở đáy lớn thì kết quả mô phỏng cho thấy tại đáy nhỏ của hầm gió, tốc độ gió sẽ tăng tương ứng từ 2 - 2,2 lần. Ở hình 4, tại đáy lớn tốc độ gió đầu vào được thể hiện bằng màu xanh lam và khi đi vào hầm gió luồng gió được tập trung lại đi qua thành nghiêng 45˚. Lúc này tốc độ được tăng lên và được thể hiện bằng màu cam, một số vị trí bên trong đáy nhỏ của hầm gió có thể đạt tốc độ cao nhất và được thể hiện là màu đỏ. a) V1 = 2,5 m/s, V2 = 5 m/s b) V1 = 2,8 m/s, V2 = 5.6 m/s c) V1 = 3,3 m/s, V2 = 6,7 m/s d) V1 = 4 m/s, V2 = 8 m/s e) V1 = 4,5 m/s, V2 = 9 m/s f) V1 = 12 m/s, V2 = 23 m/s Hình 4: Mô phỏng xác định tốc độ gió ở đáy nhỏ hầm gió Từ kết cấu đã thiết kế (hình 3) và kết quả mô phỏng (hình 4), ta thấy mô hình hầm gió đã chế tạo có khả năng đón luồng gió có tốc độ V1 = 2,5 m/s và sau khi đi qua hầm gió sẽ đạt được tốc độ V2 = 5 m/s (hình 4a). Như vậy, theo thông số kỹ thuật của tuabin (bảng 2), kết quả mô phỏng tốc độ gió đáp ứng được điều kiện hoạt động của tuabin (V2 4,5 m/s). 3. THỰC NGHIỆM 3.1 Mô tả thiết bị - Tuabin gió 6 cánh trục ngang, P = 40 W, D = 500 mm [6].
6. Đầu đo gió Thiết bị đo Cụm tạo gió Hình 5: Hệ thống thiết bị thí nghiệm De Lorenzo (ống, tuabin gió 6 cánh trục ngang) [6]. - Hầm gió thí nghiệm được chế tạo với các thông số chính: đường kính ngoại tiếp D1 = Formatted: Font color: Auto 940 mm, L1 = 800 mm, đường kính ngoại tiếp D2 = 660 mm, L2 = 700 mm (hình 3). Formatted: Font color: Auto - Bố trí tổng thể thiết bị thí nghiệm được trình bày ở hình 6. Hình 6: Bố trí thiết bị thí nghiệm. 3.2 Thiết bị đo kiểm - Thiết bị đo tốc độ gió và máy đo cường độ dòng điện, tốc độ gió và hiệu điện thế được thể hiện ở hình 6 [6]. a) Đầu đo tốc độ gió b) Thiết bị điều khiển, đo điện thế, dòng và tốc độ gió Hình 7: Thiết bị đo tốc độ gió và cường độ dòng điện [6]. - Cụm thiết bị biến tần và động cơ tạo gió để cung cấp luồng gió với các tốc độ khác nhau (hình 5, 7b) [6]. 3.2 Các bước tiến hành thực nghiệm - Bước 1: Lắp đặt thiết bị đo tốc độ gió tại đáy lớn (D1 = 940 mm) (hình 8), sau đó điều khiển điều chỉnh biến tần thay đổi giá trị từ 0 - 50 để điều khiển động cơ tạo gió tạo ra dòng khí tốc độ thay đổi từ 0 - 12 km/h. Các số liệu được tự động ghi lại bao gồm hiệu điện thế, cường độ dòng điện và tốc độ gió.
7. Formatted Table Hình 8: Thiết bị đo được đặt tại đáy lớn. Hình 9: Thiết bị đo được đặt tại đáy nhỏ. - Bước 2: Di chuyển vị trí đặt thiết bị đo tốc độ gió đến đáy nhỏ (D2 = 660 mm) (hình 9), sau đó điều khiển động cơ để thay đổi tốc độ gió và ghi lại thông tin đo được như bước 1. - Bước 3: So sánh tốc độ gió, cường độ dòng điện và hiệu điện thế tại 2 vị trí đặt thiết bị đo tốc độ gió, sau đó so sánh với số liệu mô phỏng. 3.3 Thực nghiệm Tiến hành thực nghiệm bằng cách điều chỉnh biến tần thay đổi giá trị từ 0 – 50 để tạo ra gió có tốc độ thay đổi từ 0 - 12 km/h cung cấp cho hầm gió, ta có được bảng số liệu (bảng 4). Bảng 4: Bảng số liệu tốc độ gió đầu vào, đầu ra. Giá trị đặt trên biến tần Tốc độ gió đầu vào V1 (m/s) Tốc độ gió đầu ra V2 (m/s) 33,07 2,5 4,44 36,18 2,8 5 37,33 3,05 5,56 40,42 3,3 6,1 4. KẾT QUẢ - THẢO LUẬN Số liệu thu được từ thực nghiệm và mô phỏng được trình bày trong bảng 5. Bảng 5: Các giá trị vận tốc thu được từ mô phỏng và thực nghiệm STT Giá trị đầu vào Giá trị mô phỏng Giá trị thực nghiệm (V1, m/s) (V2, m/s) (V2, m/s) 2,5 5,0 4,44 2,8 5,6 5,0 3,3 6,7 6,1 (Do hạn chế của động cơ tạo gió nên chỉ có thể có được nguồn gió với tốc độ 3,3 m/s) Ta dễ dàng nhận thấy giá trị vận tốc thực nghiệm ở đầu ra nhỏ hơn so với mô phỏng, sai lệch này là do: - Quảng đường di chuyển trên đoạn dài 2 m (ống dẫn gió của thiết bị thí nghiệm, ống dẫn của hầm gió). - Do khe hở giữa các cạnh ống dẫn dạng bát giác và đường kính ngoài cánh tuabin khá lớn (khoảng 54 mm, chưa kể đến các khe hở của góc nhọn) nên không tập trung được hết luồng gió đi qua cánh tuabin. Từ bảng số liệu 4 ta thấy giá trị thực nghiệm ở vận tốc gió đầu vào V1 = 2,5 m/s ứng với kết cấu hầm gió đã thiết kế chế tạo đạt được vận tốc ở đầu ra là V2 = 4,44 m/s có sai lệch so với giá trị định mức 4,5 m/s khoảng 1,33%. Nếu làm giảm đi khe hở giữa ống dẫn và cánh tuabin
8. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.