Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 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 Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM angondt@hcmute.edu.vn; bdathuynhtan238@gmail.com TÓM TẮT Máy phát điện gió trục ngang công suất nhỏ sử dụng phổ biến nhiều nơi giới giúp giảm nguồn cung cứng điện Tuy nhiên, đa số máy thiết kế để hoạt động với tốc độ gió v> m/s sử dụng thành phố Hồ Chí Minh, nơi có tốc độ gió trung bình vào khoảng < m/s Các nghiên cứu hiệu ứng hầm gió (WindCube) cho thấy ứng dụng hiệu ứng hầm gió để giúp máy phát điện gió hoạt động tốc độ gió nhỏ tốc độ thiết kế Bài báo trình bày kết nghiên cứu việc xác định thông số hầm gió thông số liên quan khác cho máy phát điện gió công suất nhỏ (12V, 40W) Bằng kỹ thuật mô phỏng, kết cấu hầm gió xác định mô hình thực tế chế tạo để kiểm nghiệm kết mô Số liệu thu từ mô qua kiểm nghiệm thực tế cho phép đề xuất kết cấu hầm gió cho máy phát điện gió công suất nhỏ hoạt động tốc độ gió vào khoảng 2,5 m/s Từ khoá: 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 m/s wind speed, so it can’t be used in Ho Chi Minh city, where has everage wind speed is smaller 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 about2.5 m/s wind speed Keywords: wind power, Horizontal-Axis Wind Turbine ̣(HAWT), turbine, wind speed, windcube 1.ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, nhu cầu sử dụng điện sinh hoạt tăng lên vùng phát triển, thiếu hụt lượng khu vực ngày tăng Nguồn lượng tái tạo, đặc biệt lượng gió đề cập nhằm đáp ứng thiếu hụt này.Tuy nhiên, máy phát điện gió công suất nhỏ hoạt động vùng đông dân cư nơi có tốc độ gió thấp Bên cạnh việc nghiên cứu đưa vào hoạt động máy phát điện gió công suất nhỏ tốc độ thấp (V < m/s) chưa quan tâm Hầu hết máy phát điện gió truyền thống với thiết kế lâu đời, có kết cấu tương đối lớn công suất không cao Đã có nhiều công trình nghiên cứu vấn đề để nâng cao 594 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV công suất ứng dụng thực tiễn Công ty Windspot cải tiến kết cấu cánh tuabin cho phép điều chỉnh cánh giúp tăng mômen tác động lên cánh tạo hiệu suất độ tin cậy cao [1] Garra Hassan-Arter Group cải tiến máy phát điện gió cách chế tạo tuabin kín không sử dụng cánh quạt với giải pháp tăng cường tốc độ dòng khí giải pháp chuyển đổi thành điện [2] Marcio Loos sử dụng vật liệu polyurethane gia cố ống nano cacbon để chế tạo cánh quạt có trọng lượng nhẹ, độ cứng độ bền cao giúp trì kích thước hình dạng cánh quạt ban đầu, tuabin thu lượng tốt [3] Bên cạnh đó, nhiều nghiên cứu việc cải tiến thiết kế tuabin gió giúp chúng hoạt động với tốc độ gió thấp Công ty DynaTech Engineering ứng dụng định luật Bernuclli cho thiết kế WindCube (hiệu ứng hầm gió) nhằm tập trung luồng gió, sau gia tăng sức gió lên tạo công suất phát điện lớn gấp lần so với tuabin gió thông thường [4] (hình 1a) Công ty SheerWind cũngđã cho đời tuabin gió INVELOX sử dụng hiệu ứng Venturi giúp tuabin hoạt động tốc độ gió khoảng 3,2 km/h cải thiện suất lên đến 600% (hình 1b) [5] 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 tăng lên nhiều lần so với tuabin gió thông thường tất thiết kế ứng dụng cho máy phát điện gió trục ngang công suất lớn [4, 5] Các thiết kế dựa hiệu ứng hầm gió cho máy phát điện công suất nhỏ chưa quan tâm nghiên cứu nhiều Hiện nay, việc sử dụng máy phát điện gió công suất nhỏnhư nguồn bổ sung để đáp ứng nhu cầu điện sinh hoạt ngày tăng vùng đông dân có không gian hẹp [4] để ý đến Tuy nhiên, vùng có tốc độ gió không cao (tốc độ gió trung bình < m/s) khó khăn sử dụng máy phát điện gió công suất nhỏ vấn đề đặt phải có phận giúp tăng tốc độ gió Trong báo này, 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 thực nghiệm Một mô hình hầm gió dựa kết mô thiết kế, chế tạo kiểm nghiệm hệ thống thiết bị thí nghiệm gió De Lorenzo Group (Italia) [6] NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Kết cấu hầm gió Các ký hiệu sử dụng trình tính toán thiết kế hầm gió sử dụng trình bày bảng 595 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV S1 Bảng 1: Các ký hiệu thường dùng Tiết diện mặt cắt ngang đáy lớn, m2 D Đường kính đáy lớn, m S2 Tiết diện mặt cắt ngang đáy nhỏ, m2 D2 Đường kính đáy nhỏ, m V1 Vận tốc lưu chất tiết diện S , m/s n Số vòng quay rôto, vòng/s V2 Vận tốc lưu chất tiết diện S , m/s P Công suất định mức, W Hầm gió có cấu tạo ống dẫn để lưu dẫn luồng gió tự nhiên ống mà tích vận tốc chảy chất lưu với tiết diện thẳng nơi đại lượng không đổi [7] Hầm gió cho phép tập trung luồng gió, sau gia tăng sức gió làm quay cánh tuabin nhanh tạo công suất phát điện lớn Tuân theo nguyên tắc phương trình liên tục, kết cầu hầm gió xác định với biên dạng hình nón cụt Đáy lớn có tác dụng đón luồng không khí vào, thân có tác dụng gia tăng tốc độ gió trước tác động vào cánh tuabin gió, đáy nhỏ nơi nhận tốc độ gió cao Do đó, cánh quạt tuabin gió đặt vị trí kết tuabin phát lượng điện gấp nhiều lần so với tuabin gió thông thường D1 D2 Khí vào S1 Khí S2 V1 V2 Hình 2: Điều kiện hình học tăng tốc dòng không khí hầm gió Thiết kế hầm gió cho phép thiết bị hoạt động với tốc độ gió chậm khoảng km/giờ (2,2 m/s), phát lượng điện tương đối ổn định[4] 2.2 Mô xác định kết cấu hầm gió 2.2.1 Chọn loại tuabin sử dụng Hệ thống thiết bị thí nghiệm gió De Lorenzo Group[6] sử dụng tuabin gió có thông số kỹ thuật bảng Đây tuabin sử dụng cho thí nghiệm hiệu ứng hầm gió Bảng 2: Các thông số 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 6cánh, gió ngang 2.2.2 Tính toán, thiết kế hầm gió Các thông số kỹ thuật hầm gió cần thiết kế xác định sau: - Tốc độ gió đầu vào: V = 2,5 m/s - Tốc độ gió đáy nhỏ đạt được: V ≥4,5 m/s Hầm gió dự kiến ghép nối với thiết bị thí nghiệm điện gió công nghiệp [6] có đường kính ngoại tiếp đầu ống dẫn gió 660 mm Do đó, đường kính ngoại tiếp đầu vào hầm gió D1 phải chọn cho D1> 660 mm 596 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Biết rằng, kích thước cánh tuabin D = 500 mm Ta chọn kích thước đường kính ngoại tiếp đầu hầm gió (vị trí lắp ghép với cánh tuabin) D2= 660 mm (đường kính nội tiếp 609,76 mm) dựa theo kích thước mẫu thiết bị thí nghiệm để dễ dàng cho việc sử dụng lại đồ gá lắp đặt cánh tuabin (hình 5) Đáy lớn hầm gió cần chọn để đạt tốc độ gió ≥ 4,5 m/s đáy nhỏ (là tốc độ cần có để tuabin hoạt động đạt công suất định mức) tính toán theo phương trình liên tục [7]: 𝑉𝑉2 𝐷𝐷22 4,5 6602 𝐷𝐷1 = � = � = 885.48 𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑉𝑉1 2,5 Đường kính đáy lớn xác định qua tính toán D1= 885.48 mm Để loại trừ sai số gia công, dễ dàng cho việc lắp ghép ta chọn đường kính ngoại tiếp D1= 940 mm (hình 3) a) Thiết kế b) Mô hình thử nghiệm Hình 3: Thiết kế chế tạo hầm gió Với mục đích tập trung luồng gió bên hầm gió tạo điều kiện dễ dàng cho việc lắp đặt tuabin gió vị trí ta thiết kế hầm gió có thêm ống dẫn đáy để ổn định lưu lượng gió vào khỏi tuabin gió Như vậy, đáy nhỏ ghép thêm ống dẫn có chiều dài 700 mm đáy lớn 800 mm (hình 3a) Hình 3b trình bày hầm gió chế tạo với biên dạng tròn thay biên dạng đa giác để phù hợp với đầu thiết bị thí nghiệm điện gió [6] 2.2.3 Mô hoạt động hầm gió Tiến hành mô phần mềm ANSYS với thông số thiết kế chế tạo hầm gió (hình 3), ta có thông số đầu vào sau: Bảng 3: Thông số đầu vào 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 597 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Khi thay đổi tốc độ gió đáy lớn kết mô cho thấy đáy nhỏ hầm gió,tốc độ gió tăng tương ứng từ 2- 2,2 lần Ở hình 4, đáy lớn tốc độ gió đầu vào thể màu xanh lam vào hầm gió luồng gió tập trung lại qua thành nghiêng 45˚ Lúc tốc độ tăng lên thể màu cam, số vị trí bên đáy nhỏ hầm gió đạt tốc độ cao thể màu đỏ a) V1 = 2,5 m/s, V2 = 5m/s b) V1 = 2,8m/s, V2 = 5.6m/s c) V1 = 3,3 m/s, V2 = 6,7m/s d) V1= m/s, V2 = 8m/s e) V1= 4,5 m/s, V2 = 9m/s f) V1= 12 m/s, V2 = 23m/s Hình 4: Mô xác định tốc độ gió đáy nhỏ hầm gió Từ kết cấu thiết kế (hình 3) kết mô (hình 4), ta thấy mô hình hầm gió chế tạo có khả đón luồng gió có tốc độ V1= 2,5 m/s sau qua hầm gió đạt tốc độ V2= m/s (hình 4a) Như vậy, theo thông số kỹ thuật tuabin (bảng 2), kết mô cho thấy tốc độ gió đáp ứng điều kiện hoạt động tuabin (V2≥ 4,5 m/s) THỰC NGHIỆM 3.1 Mô tả thiết bị - Tuabin gió cánh trục ngang, P = 40 W, D = 500 mm[6] Đầu đo gió Thiết bị đo Cụm tạo gió Ống dẫn gió Cánh tuabin Đồ gá lắp đặt cánh tuabin Hình 5: Hệ thống thiết bị thí nghiệm De Lorenzo (ống, tuabin gió cánh trục ngang) [6] 598 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV - Hầm gió thí nghiệm chế tạo với thông số chính: đường kính ngoại tiếp D1= 940 mm, L1= 800 mm, đường kính ngoại tiếp D2=660 mm, L2= 700 mm (hình 3) - Bố trí tổng thể thiết bị thí nghiệm trình bày hình Hình 6: Bố trí thiết bị thí nghiệm 3.2 Thiết bị đo kiểm - Thiết bị đo tốc độ gió máy đo cường độ dòng điện, tốc độ gió hiệu điện thể hình [6] a) Đầu đo tốc độ gió b) Thiết bị điều khiển, đo điện thế, dòng tốc độ gió Hình 7: Thiết bị đo tốc độ gió cường độ dòng điện [6] - Cụm thiết bị biến tần động tạo gióđể cung cấp luồng gió với tốc độ khác (hình 5, 7b) [6] 3.3 Các bước tiến hành thực nghiệm - Bước 1: Lắp đặt thiết bị đo tốc độ gió đáy lớn (D1= 940 mm) (hình 8), sau điều khiển điều chỉnh biến tần thay đổi giá trị từ - 50 để điều khiển động tạo gió tạo dòng khí tốc độ thay đổi từ - 12 km/h Các số liệu tự động ghi lại bao gồm hiệu điện thế, cường độ dòng điện tốc độ gió Hình 8: Thiết bị đo đặt đáy lớn Hình 9: Thiết bị đo đặt đáy nhỏ 599 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV - Bước 2: Di chuyển vị trí đặt thiết bị đo tốc độ gió đến đáy nhỏ (D2 = 660 mm) (hình 9), sau điều khiển động để thay đổi tốc độ gió ghi lại thông tin đo bước - Bước 3: So sánh tốc độ gió, cường độ dòng điện hiệu điện vị trí đặt thiết bị đo tốc độ gió, sau so sánh với số liệu mô 3.4 Thực nghiệm Tiến hành thực nghiệm cách điều chỉnh biến tần thay đổi giá trị từ – 50để tạo gió có tốc độ thay đổi từ - 12 km/hcung cấp cho hầm gió, ta có bảng số liệu (bảng 4) Bảng 4: Bảng số liệu tốc độ gió đầu vào, đầu Giá trị đặt biến tần Tốc độ gió đầu vào V1(m/s) Tốc độ gió đầu V2(m/s) 33,07 2,5 4,44 36,18 2,8 5,0 37,33 3,05 5,56 40,42 3,3 6,1 KẾT QUẢ - THẢO LUẬN Số liệu thu từ thực nghiệm mô trình bày bảng STT Bảng 5: Các giá trị vận tốc thu từ mô thực nghiệm Giá trị mô Giá trị thực nghiệm Giá trị đầu vào (V2, m/s) (V2, m/s) (V1, m/s) 2,5 5,0 4,44 2,8 5,6 5,0 3,3 6,7 6,1 (Do hạn chế động tạo gió nên có nguồn gió với tốc độ 3,3 m/s) Ta dễ dàng nhận thấy giá trị vận tốc thực nghiệm đầu nhỏ so với mô phỏng, sai lệch do: - Quãng đường di chuyển đoạn dài m (ống dẫn gió thiết bị thí nghiệm, ống dẫn hầm gió) góc nghiêng thay đổi tiết diện chưa thật “trơn” gây tổn thất tốc độ - Do khe hở cạnh ống dẫn dạng bát giác đường kính cánh tuabin lớn (khoảng 54 mm, chưa kể đến khe hở góc nhọn) nên không tập trung hết luồng gió qua cánh tuabin Từ bảng số liệu ta thấy giá trị thực nghiệm vận tốc gió đầu vào V1 = 2,5 m/s ứng với kết cấu hầm gió thiết kế chế tạo đạt vận tốc đầu V2 = 4,44 m/s, có sai lệch so với giá trị định mức 4,5 m/s khoảng 1,33% Nếu giảm khe hở ống dẫn cánh tuabin để tập trung luồng gió tốt cho cánh tuabin, vận tốc gió đạt cao hơnhoàn toàn đáp ứng yêu cầu vận tốc gió để đạt công suất định mức (V ≥4,5 m/s) Như vậy, tính toán thiết kế hầm gió thí nghiệm thực áp dụng vào thực tiễn để thiết kế hầm gió cho máy phát điện gió trục ngang công suất nhỏ KẾT LUẬN - Hiệu ứng hầm gió cho phép tăng tốc độ gió,giúp máy phát điện trục ngang hoạt động vận tốc gió thấp - Kết mô kiểm nghiệm qua mô hình hầm gió thiết kế chế tạo cho thấy, hầm gió có kích thước đáy lớn D1= 940 mm đáy nhỏ D2= 660 mm nhận luồng 600 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV gió đầu vào với tốc độ khoảng 2,5 m/s tăng tốc lên đến 4,5 m/s đủ đáp ứng điều kiện để tuabin gió trục ngang (12 V, 40 W) hoạt động đạt công suất định mức - Sử dụng tiết diện tròn cho hầm gió, lưu ý chọn góc nghiêng chuyển đổi hai tiết diện phù hợp, thu nhỏ khe hở đường kính hầm gió (đáy nhỏ) cánh quạt tuabin để có vận tốc gió đầu cao tập trung luồng gió tốt cho cánh tuabin LỜI CẢM ƠN Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo (Khoa Điện - Điện tử, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh) hỗ trợ thực nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Windspot, Variable Pitch Technology Patented by and Exclusive to Windspot Windspot, Feb 2011 Website: http://usa.windspot.es/windspot-news/small-windturbines/103/433/variable-pitch-technology-patented-by-and-exclusive-to-windspot [2] Cục Phát triển Doanh nghiệp, Apter Technology: Động phát điện sức gió hệ Cổng thông tin doanh nghiệp, 03/2015, Website: http://www.business.gov.vn/tabid/96/catid/448/item/13068/apter-technology-động-cơphat-điện-sức-gio-thế-hệ-mới.aspx [3] Darren Quick, Carbon nanotube-reinforced polyurethane could make for bigger and better wind turbines Gizmag Pty Ltd (Gizmag), Sep 2011, Website: http://www.gizmag.com/carbon-nanotube-reinforced-polyurethane-blades/19685/ [4] Green Energy Technologies, LLC, Green Energy Technologies Launches WindCube(R) at Windpower 2009 PR Newswire MediaRoom, 2009 Website: http://www.prnewswire.com/news-releases/green-energy-technologies-launcheswindcuber-at-windpower-2009-61761307.html [5] Victoria Woollaston, The future of wind turbines? Bizarre-looking funnel produces SIX times more energy than traditional designs Daily Mail, Feb 2014 Website: http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-2558377/The-future-wind-turbinesBizarre-looking-funnel-produces-SIX-times-energy-traditional-designs.html [6] De Lorenzo Group, Renewable Energies:Wind Power Trainer With Wind Tunnel (DL Wind -– B) De Lorenzo, 2014 [7] Lê Công Cát, Khí động ứng dụng NXB Khoa học & Kỹ thuật, Hà Nội, 2010 [8] David A Spera, Wind Turbine Technology: Fundamental Concepts in Wind Turbine Engineering, 2nd Edition New York, ASME Press, 2009 THÔNG TIN TÁC GIẢ Đặng Thiện Ngôn Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh, Email: ngondt@hcmute.edu.vn Điện thoại: 0913 804803 Huỳnh Tấn Đạt Học viên Cao học trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh, Email:dathuynhtan238@gmail.com Điện thoại: 0972616307 601 ... hầm gió thí nghiệm thực áp dụng vào thực tiễn để thiết kế hầm gió cho máy phát điện gió trục ngang công suất nhỏ KẾT LUẬN - Hiệu ứng hầm gió cho phép tăng tốc độ gió, giúp máy phát điện trục ngang. .. dù công suất phát điện tăng lên nhiều lần so với tuabin gió thông thường tất thiết kế ứng dụng cho máy phát điện gió trục ngang công suất lớn [4, 5] Các thiết kế dựa hiệu ứng hầm gió cho máy phát. .. độ gió không cao (tốc độ gió trung bình < m/s) khó khăn sử dụng máy phát điện gió công suất nhỏ vấn đề đặt phải có phận giúp tăng tốc độ gió Trong báo này, nghiên cứu xác định kết cấu hầm gió