Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số hai tầng cánh đến hệ số công suất của tuabin gió trục ngang chong chóng kép

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

17
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong báo cáo này tác giả tập trung đi vào việc phân tích các thông số hai tầng cánh như: Số cánh Z, đường kính mỗi tầng cánh, tỉ tốc đầu mút cánh λ, biên dạng profile cánh tới hệ số công suất Cp. Từ đó, đưa ra một bộ thông số tối ưu cho tuabin gió chong chóng kép phù hợp với vận tốc gió thấp tại Việt Nam.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số hai tầng cánh đến hệ số công suất của tuabin gió trục ngang chong chóng kép

HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số hai tầng cánh đến hệ số công suất của tuabin gió trục ngang chong chóng kép Đoàn Kim Bình 1, *, Bùi Minh Hoàng 2, Nguyễn Văn Tuệ 3, Nguyễn Sơn Tùng 4 1 Khoa Cơ - Điện, Trường Đại học Mỏ - Địa Chất, Việt Nam, doankimbinh@humg.edu.vn; 2 Khoa Cơ - Điện, Trường Đại học Mỏ - Địa Chất, Việt Nam, buiminhhoang@humg.edu.vn; 3 Khoa Cơ - Điện, Trường Đại học Mỏ - Địa Chất, Việt Nam, nguyenvantue@humg.edu.vn; 4 Khoa Cơ - Điện, Trường Đại học Mỏ - Địa Chất, Việt Nam, nguyensontung@humg.edu.vn; THÔNG TIN BÀI BÁO TÓM TẮT Quá trình: Trong báo cáo này tác giả tập trung đi vào việc phân tích các thông số hai Nhận bài 17/6/2021 tầng cánh như: số cánh Z, đường kính mỗi tầng cánh, tỉ tốc đầu mút cánh λ, Chấp nhận 18/8/2021 biên dạng profile cánh … tới hệ số công suất Cp . Từ đó, đưa ra một bộ thông Đăng online 20/12/2021 số tối ưu cho tuabin gió chong chóng kép phù hợp với vận tốc gió thấp tại Từ khóa: Việt Nam. wind turbine double blade © 2021 Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Tất cả các quyền được bảo đảm. 1. Mở đầu profile cánh máy bay cánh tua bin cũng như các thiết bị máy cánh khác. Hệ thống cánh là bộ phận quan trọng nhất Một yêu cầu quan trong nữa của profile cánh trong tổ máy phát điện tuabin gió, nó có nhiệm vụ là làm sao trên một đơn vị chiều dài cánh lượng biến đổi năng lượng của dòng khí thành cơ năng tổn thất năng lượng là nhỏ nhất có thể. Nhìn chung trên trục quay để quay máy phát điện. Trong hệ cánh tua bin gió có độ võng không lớn lắm hay nói thống cánh, profile là một thông số hình học quan cánh khác nhỏ hơn rất nhiều so với cánh tua bin trọng nhất trong việc trao đổi năng lượng của hơi. Cánh tua bin gió cũng có yêu cầu là ít thay đổi cánh với dòng chất khí. Trong quá trình tính toán tâm áp và có mô men xoay cánh nhỏ, đôi khi các thiết kế cánh bánh tua bin của động cơ gió nói cánh có bố trí ở phần bán kính nhỏ các profile có riêng và của máy cánh dẫn nói chung việc lựa chọn bụng hơi vồng ra phía ngoài. đúng hoặc thiết kế được một profile phù hợp sẽ Ngoài thông số profile cánh thì các thông số hệ góp phần tạo ra một ro to gió có hiệu suất cao. số λ, số cánh Z, góc tấn α và profile sẽ ảnh hưởng Đối với tua bin gió có công suất nhỏ, thường đến hệ số Cp. chọn một profile cho cả chiều dài cánh nhằm đơn giản cho việc xâu cánh cũng như chế tạo bề mặt 2. Xác định sự ảnh hưởng của các thông số hai làm việc của cánh. Đối với các tua bin gió công suất tầng cánh đến hệ số công suất Cp lớn dọc theo chiều dài cánh có thể là sự kết tiếp 2.1. Công thức hệ số công suất Cp nhiều profile khác nhau để có cơ sở ưu tiên là bán kính lớn là nơi ưu tiên khả năng tạo mô men quay Xét tua bin có cánh quay với vận tốc góc Ω và tác động lên trục. Ở bán kính nhỏ ưu tiên cho độ vận tốc dòng khí là U∞ , có Z cánh, bán kính R và bền cánh. Một khí cạnh nào đó thì profile cánh tua chiều dài dây cung là c. Góc đặt cánh là β. Cả hai bin gió có những đặc trưng riêng thường dầy hơn thông số c và β đều thay đổi biến thiên theo bán kính cánh quạt. 41
HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) Lực tác dụng lên phân tố cánh phụ thuộc và hai yếu tố này có thể thay đổi được kích thước cánh dT = Z.PN.dr (𝟒) và góc tấn nhờ sự xác định vận tốc tương đối với cánh. Thành phần vận tốc chuyển động dọc theo dM = r.Z.PT.dr (𝟓) bán kính của cánh roto coi như là không đáng kể. Từ (5) ta có dM=Z.r.(0,5.ρ.c.CL.V2.sinφ – (𝟔) 0,5.ρ.c.CD.V2.cosφ)dr Công suất của tuabin : P = M.Ω (𝟕) Từ (1) và (7) ta có công thức tính CP Hình 1. Lực và vận tốc tương đối 8.M . CP = (𝟖) Ta có công thức tính công suất: . .D 2 .v 3 .td .mf Trong đó: dT - Lực phân tố pháp tuyến (N); 1  .D 2 3 dN - Lực phân tố tiếp tuyến (N) ; Z - Số cánh tua P = CP . . .v .td . mf (𝟏) bin; CL - Hệ số lực nâng; CD - Hệ số lực cản; c - Chiều 2 4 dài dây cung cánh (m); V- Hiệu suất máy phát; M - Trong đó: P - Công suất tuabinh gió (w); Cp - Hệ Mô men tác dụng lên cánh tuabinh gió (N.m); Ω - số công suất; ρ - khối lượng riêng không khí Vận tốc góc cánh (rad/s); (kg/m3); D - Đường kính cánh tuabin (m); v - Vận tốc gió (m/s); ηtd - Hiệu suất thủy động; ηmf - Hiệu 2.2. Sự ảnh hưởng của tỉ tốc đầu mút cánh λ đến hệ suất máy phát; số công suất Cp Mặt khác xét lực tiếp tuyến PN và lực pháp Tỷ tốc đầu mút cánh thiết kế (λ): λ được chọn tuyến PT tác dụng lên cánh trong hình 2 ta có: phụ thuộc yêu cầu moment khởi động của máy công tác. Nếu tuabin gió phối hợp tải với máy phát thì cần phải chọn λ cao và nếu phối hợp tải với bơm piston có moment khởi động cao thì λ phải thấp. Hệ số moment khởi động của rotor tăng nhanh với sự giảm λ. Ngoài ra việc chọn hệ số λ còn phụ thuộc vào vận tốc gió. Ở nước ta vận tốc gió thấp nên chon hệ số λ thấp hơn do mô men khởi động thấp phù hợp với vận tốc gió, nếu chọn λ cao thì cần phải vận tốc gió lớn để khởi động như vậy không phù hợp với vận tốc gió nước ta. 2.3. Sự ảnh hưởng của số cánh Z đến hệ số công Hình 2. Lực tác dụng lên cánh suất Cp PN = L.cosφ + D.sinφ (𝟐) Số cánh Z: không có một quy định chính xác nào để tính toán số cánh Z. Thông thường thì Z PT = L.sinφ – D.conφ (𝟑) giảm khi λ tăng.Ta có thể chọn số cánh trên những cơ sở sau: Trong đó: PN- Lực tiếp tuyến (N); PT- Lực Khi Z tăng, sự mất mát đầu mút cánh giảm và vì pháp tuyến (N); L - Lực nâng (N); D - Lực cản (N); vậy Cp tăng với sự tăng của Z. Tuy nhiên, sự khác φ - Góc tới (độ); biệt này chỉ lớn đối với rotor 1 tầng cánh cánh và Xét lực phân tố dT và mô men phân tố dM tác 2 tầng cánh, thì số cánh thường là 3 cánh , còn lớn dụng lên cánh tuabin ta có: hơn 3 cánh thì có thể bỏ qua. 42
HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) Nếu Z nhỏ thì cung cánh sẽ lớn, vì vậy số Reynold cục bộ sẽ lớn. Giá trị cực tiểu của CD/CL thấp hơn khi cánh khí động có số Reynold cao, và vì vậy Cp cũng cao hơn. Có nghĩa là Cp tăng theo sự tăng của cung cánh. Để cho cánh có thể chịu được moment xoắn và moment uốn và chống lại sự rung động, không ổn định về mặt khí động thì cung cánh không nên quá nhỏ so với chiều dài cánh. Với những rotor quay chậm thường có nhiều Hình 3. Profile cánh cánh. Nếu dùng ít cánh thì cung cánh sẽ lớn và điều Với profill NACA 4 số: Định nghĩa với 4 số tự này kết hợp với khoảng cách yêu cầu giữa rotor và nhiên cột sẽ dẫn đến moment lớn của lực bên của rotor Số thứ nhất chỉ độ vồng lớn nhất so với 1/100 quanh tâm cột. Điều này có thể gây nên tình trạng dây cung không ổn định của hệ thống an toàn. Đối với tuabin chong chóng kép tại Việt Nam Số thứ hai chỉ độ vồng lớn nhất so với 1/10 dây thì ta chọn số cánh của hai tầng cánh là Z = 3 cung Hai số cuối chỉ độ dày lớn nhất tính theo phần 2.4. Sự ảnh hưởng của đường kính D đến đến trăm dây cung hệ số công suất Cp Ở đây ta chọn profill NACA 4412 để nghiên cứu Đối với tua bin gió chong chóng kép, do có hai tính toán cho cánh tua bin do profile Naca 4412 tầng cánh cho nên vận tốc cánh sau luôn bị cản và tạo lực nâng tốt và có tâm áp gần tâm khí động suy yếu hơn so với tầng cánh trước, do vậy để công đảm bảo độ ổn định. Ta thực hiện chạy mô suất théo công thức (1) thì đường kính cánh sau phỏng trường vận tốc V = 6 (m/s) và đưa ra thường lớn hơn cánh trước. Áp dụng luật tương được đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của các thông tự, công suất cho hai tầng cánh được phân chia như sau: số profile cánh của hai tầng cánh như sau: P1 = 0,6.P (8) P2 = 0,4.P Trong đó: P1 - Công suất tầng cánh trước tuabinh gió (w);P2 - Công suất tầng cánh sau tuabinh gió (w); 2.5. Sự ảnh hưởng của biên dạng profile và chiều dài dây cung cánh đến đến hệ số công suất Cp Chọn profile : việc chọn profile ta sử dụng profile NACA để nghiên cứu đặc tính khí động học vì nó có rất nhiều giá trị thuận lợi của số Re, góc tấn, chiều dài dây cung, hệ số lực nâng và lực đẩy, tỉ lệ trượt, hệ số áp suất. Hình 4. Đồ thị sự phụ thuộc Cl vào góc tấn của Naca 4412 43
HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) Hình 7. Đồ thị sự phụ thuộc Cl và Cd vào góc tấn của Naca 4412 Hình 5. Đồ thị sự phụ thuộc của Cd vào góc tấn của 2.6. Bộ thông số tối ưu tuabin chong chóng kéo Naca 4412 phù hợp với vận tốc gió tại Việt Nam. Dựa vào những phân tích trên ta chọn các thông số trước khi tính toán là : Chọn cấu hình tuabin gió trục ngang chong chóng kép. Về cấu hình ta chọn Loại tuabin gió có cánh trước lớn hơn cánh sau có ưu điểm tận dụng tối đa công suất cánh có đường kính lớn. Nhưng có nhược điêm là cánh sau nhỏ hơn sẽ nhận được rất ít công suất (nhỏ hơn 8 lần so với công sất cánh trước ). Loại tuabin gió có cánh trước nhỏ hơn cánh sau có ưu điểm với cùng một công suất thiết kế, loại tuabin này vẫn đáp ứng đủ công suất và có số vòng quay lớn hơn do đó máy phát sẽ nhỏ gọn hơn so với loại tuabin có cánh trước lớn hơn cánh sau rất nhiều. Hình 6. Đồ thị sự phụ thuộc k = Cl / Cd vào góc tấn Số cánh hai tầng cánh Z = 3. của Naca 4412 Profill cánh chọn profile Naca 4412. Khi đó góc tấn α = 40 . Đây là góc tấn tối ưu Góc tấn profill α = 40. chúng ta cần đặt cánh. Tỉ tốc đầu mút cánh λ = 6. Khi góc tấn α thay đổi thì theo công thức (2), Vận tốc gió thay đổi từ 5-8 (m/s) phù hợp với (3) các thông số khác thay đổi dẫn đến công thức tốc độ gió tại Việt Nam (8) thay đổi. Hệ số Cp thay đổi. Từ đó ta thu được các kết quả sau: 44
HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) Bảng 1. Kết quả thông số cánh trước . V = 5 (m/s) V = 6 (m/s) λ Cp n P Cp n P 3 0.0327 7.165605 827.2435 0.0327 8.598726 1429.477 4 0.1603 9.55414 4058.766 0.1603 11.46497 7013.548 5 0.2637 11.94268 6676.672 0.2637 14.33121 11537.29 6 0.4135 14.33121 10468.37 0.3418 17.19745 14954.4 7 0.2135 16.71975 5405.398 0.2135 20.06369 9340.527 8 0.2097 19.10828 5309.319 0.2097 22.92994 9174.504 9 0.2209 21.49682 5591.319 0.2209 25.79618 9661.799 10 0.1746 23.88535 4419.722 0.1746 28.66242 7637.279 V = 7 (m/s) V = 8 (m/s) λ Cp n P Cp n P 3 0.0327 10.03185 2269.956 0.0327 11.46497 3388.389 4 0.1603 13.3758 11137.25 0.1603 15.28662 16624.71 5 0.2637 16.71975 18320.79 0.2637 19.10828 27347.65 6 0.4135 20.06369 28725.2 0.4135 22.92994 42878.43 7 0.2135 23.40764 14832.41 0.2135 26.75159 22140.51 8 0.2097 26.75159 14568.77 0.2097 30.57325 21746.97 9 0.2209 30.09554 15342.58 0.2209 34.3949 22902.04 10 0.1746 33.43949 12127.72 0.1746 38.21656 18103.18 Bảng 2. Kết quả thông só cá nh trước . V = 5 (m/s) V = 6 (m/s) λ Cp n P Cp n P 3 0.0048 7.165605 121.78 0.0048 8.598726 210.4359 4 0.0908 9.55414 2298.746 0.0908 11.46497 3972.233 5 0.2011 11.94268 5090.961 0.2011 14.33121 8797.181 6 0.2705 14.33121 6847.635 0.2705 17.19745 11832.71 7 0.4061 16.71975 10279.73 0.4061 20.06369 17763.38 8 0.1762 19.10828 4460.573 0.1762 22.92994 7707.87 9 0.1678 21.49682 4249.169 0.1678 25.79618 7342.565 10 0.1479 23.88535 3745.17 0.1479 28.66242 6471.653 V = 7 (m/s) V = 8 (m/s) λ Cp n P Cp n P 3 0.0048 10.03185 334.1644 0.0048 11.46497 498.8111 4 0.0908 13.3758 6307.76 0.0908 15.28662 9415.665 5 0.2011 16.71975 13969.6 0.2011 19.10828 20852.58 6 0.2705 20.06369 18789.91 0.2705 22.92994 28047.91 7 0.4061 23.40764 28207.59 0.4061 26.75159 42105.79 8 0.1762 26.75159 12239.81 0.1762 30.57325 18270.51 9 0.1678 30.09554 11659.72 0.1678 34.3949 17404.6 10 0.1479 33.43949 10276.75 0.1479 38.21656 15340.21 45
HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) Từ đó ta thu được đồ thị đặc tính CP cánh 3. Kết luận trước như sau: Nội dung bài báo tác giả đã tập trung đi vào việc phân tích các thông số hai tầng cánh như: số cánh Z, đường kính mỗi tầng cánh, tỉ tốc đầu mút cánh λ, biên dạng profile cánh … tới hệ số công suất Cp . Từ đó, đưa ra một bộ thông số tối ưu cho tuabin gió chong chóng kép phù hợp với vận tốc gió thấp tại Việt Nam. Tài liệu tham khảo Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có công suất từ 10 đến 30 KW phù hợp với điều kiện Viêt Nam, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước mã số KC.06.20.CN, GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang, nghiêm thu 2007. Tiềm năng và phương hướng khai thác các dạng năng lượng tái tạo ở VIÊT NAM, PGS.TS Nguyễn Xuân Cự, PGS.TS Lưu Đức Hải, Ts Trần Thanh Lâm, TS. Trần Văn Quy, Bộ kế Hình 8. Đường đặc tính Cp – λ tầng cánh hoạch đầu tư, 2009 trước. Cơ sở năng lượng mới và năng lượng tái tạo, Đồ thị đặc tính CP cánh sau như sau: Đặng Đình Thống, Lê Danh Liên, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, Quí III năm 2008. Aerodynamic optimization of a Small-Scalle wind turbine blade for low windspeed conditions, Nicoltte Arnalda Cencenlli, 2008. Development of a New Generation of Design Tools for Horizontal Axis Wind Turbines, Vontisina S.G, NTUA, Final Raport J002- CT92-0113, Athens, 1995. Calculation of the Stationary blad load aerodynamics in VIDYM, Jonhanson, HJalmar, (IN Swedish) TG- raport nr98-15, May 1998. Hình 9. Đường đặc tính Cp – λ ứng với tầng cánh sau. 46