Nghiên cứu, thiết kế cánh tuốc bin gió cỡ nhỏ làm việc trong điều kiện gió tốc độ thấp

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(130).2018<br /> <br /> 41<br /> <br /> NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CÁNH TUỐC BIN GIÓ CỠ NHỎ LÀM VIỆC<br /> TRONG ĐIỀU KIỆN GIÓ TỐC ĐỘ THẤP<br /> RESEARCH ON DESIGNING SMALL WIND TURBINE BLADES OPERATING IN<br /> LOW WIND SPEED CONDITIONS<br /> Phan Thành Long, Nguyễn Võ Đạo<br /> Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; ptlong@dut.udn.vn<br /> Tóm tắt - Một trong những vấn đề lớn nhất khi thiết kế cánh của tuốc<br /> bin gió cỡ nhỏ, làm việc với gió tốc độ thấp, là việc chọn biên dạng<br /> cánh phù hợp và nâng cao hệ số công suất Cp của tuốc bin. Trong<br /> nghiên cứu này, cánh của tuốc bin gió có công suất 1 kW, làm việc<br /> ở tốc độ gió khoảng 7 m/s, sử dụng biên dạng cánh SD7062, được<br /> thiết kế theo hai phương pháp, đề xuất bởi Burton và Manwell. Đặc<br /> tính làm việc của các cánh tuốc bin sau khi thiết kế được kiểm tra và<br /> dự đoán bằng phương pháp động lượng phần tử cánh. Kết quả cho<br /> thấy rằng, cánh tuốc bin gió thiết kế theo phương pháp của Burton<br /> có khả năng làm việc tốt hơn ở điều kiện gió tốc độ thấp (Cp khoảng<br /> 0,42 khi V = 7 m/s) và có đặc tính khởi động tốt hơn (tốc độ gió khởi<br /> động V = 3,5 m/s). Ngoài ra, cánh tuốc bin thiết kế theo phương pháp<br /> này có kích thước nhỏ hơn và đơn giản, dễ chế tạo hơn so với cánh<br /> thiết kế bằng phương pháp của Manwell.<br /> <br /> Abstract - One of the largest problems in designing blades for a<br /> small wind turbine operating in low wind speed conditions is selecting<br /> the suitable airfoil and enhancing the power coefficient (Cp) of the<br /> turbine. In this research, the wind turbine blades had the power of<br /> 1kW, operating at the wind speed of approximately 7 m/s and using<br /> the SD7062 airfoil. The blades were designed based on two methods<br /> recommended by Burton and Manwell respectively. The wind turbine<br /> blades’ performance were predicted and tested using the blade<br /> element momentum method. Results showed that the blade of wind<br /> turbine which was designed based on Burton’s method could operate<br /> better in the condition of low wind speed (Cp was about 0.42 when V<br /> = 7m/s) and had better start-up characteristics (start-up wind speed<br /> V = 3,5 m/s). Besides, this blade had smaller size, simpler design<br /> and was easier to be made than that of the Manwell’s method.<br /> <br /> Từ khóa - tuốc bin gió cỡ nhỏ; gió tốc độ thấp; khí động học; biên<br /> dạng cánh SD7062; BEM<br /> <br /> Key words - small wind turbine; low wind condition; aerodynamics;<br /> SD7062 airfoil; BEM<br /> <br /> 1. Đặt vấn đề<br /> Ngày nay, nhu cầu sử dụng các nguồn năng lượng thay<br /> thế, trong đó có năng lượng gió, ngày càng tăng do các<br /> nguy cơ về biến đổi khí hậu và sự thiếu hụt nguồn nhiên<br /> liệu hóa thạch [1]. Trong đó, nhu cầu sử dụng các tuốc bin<br /> gió cỡ nhỏ ngày càng tăng do giá thành rẻ, cấu tạo đơn giản<br /> và không gây ra tiếng ồn. Tuốc bin gió cỡ nhỏ có thể sử<br /> dụng ở các vùng nông thôn, ngoại ô hoặc thậm chí trong<br /> các khu dân cư đông đúc, mà tại đó không thể lắp đặt các<br /> tuốc bin gió cỡ lớn do giới hạn về diện tích và ô nhiễm<br /> tiếng ồn [2]. Mặc dù có nhiều ưu điểm, tuy nhiên tuốc bin<br /> gió cỡ nhỏ lại có hệ số công suất Cp thấp, khoảng 0,25 so<br /> với 0,45 của tuốc bin gió cỡ lớn [3]. Nguyên nhân đầu tiên<br /> là do tuốc bin gió cỡ lớn thường được đặt tại các vùng có<br /> điều kiện gió ổn định và tối ưu, trong khi tuốc bin gió cỡ<br /> nhỏ thường được đặt trên mái nhà, cánh đồng, những nơi<br /> gió không ổn định do các vật cản bao xung quanh. Ngoài<br /> ra, do kích thước của tuốc bin nhỏ, cùng tốc độ gió thấp,<br /> tuốc bin gió cỡ nhỏ thường làm việc với số Reynolds Re<br /> thấp, dẫn đến việc dòng chảy tầng trên cánh bị tách rời, sau<br /> đó nhập lại trên bề mặt và hình thành các bong bóng tách<br /> thành. Các bong bóng này làm tăng chiều dày lớp biên hình<br /> thành trên bề mặt cánh và lực cản, đồng thời làm giảm lực<br /> nâng và gây ra nhiều tiếng ồn hơn, điều này làm giảm hệ<br /> số công suất của tuốc bin [4]. Chính vì vậy, một trong<br /> những vấn đề quan trọng nhất khi thiết kế các cánh tuốc bin<br /> gió cỡ nhỏ là phải chọn được các biên dạng cánh phù hợp,<br /> có thể làm việc ở số Re thấp mà không gây ra hiện tượng<br /> tách thành của dòng chảy tầng.<br /> Bên cạnh đó, một yếu tố quan trọng khi thiết kế cánh<br /> tuốc bin gió cỡ nhỏ là việc xác định kích thước dây cung c<br /> và góc xoắn  của biên dạng cánh tại các vị trí khác nhau<br /> dọc theo chiều dài cánh. Sự phân bố c và  này quyết định<br /> <br /> đến hình dạng, kích thước của cánh, cũng như các đặc tính<br /> khí động học, độ bền của cánh. Trong thực tế, có nhiều mô<br /> hình đề xuất để tính toán sự phân bố chiều dài dây cung và<br /> góc xoắn dọc theo cánh tuốc bin gió, vì vậy cần phải xem<br /> xét để lựa chọn mô hình tính toán phù hợp, từ đó có thể<br /> thiết kế một cánh tuốc bin gió làm việc với hiệu suất cao<br /> và đảm bảo các yêu cầu khác.<br /> Nghiên cứu này giới thiệu các bước để thiết kế một cánh<br /> tuốc bin gió cỡ nhỏ, có công suất khoảng 1 kW, làm việc<br /> trong vùng gió tốc độ thấp, khoảng 5 – 7 m/s. Đây là điều<br /> kiện gió đặc trưng của khu vực ven biển Miền Trung. Cánh<br /> tuốc bin được thiết kế sử dụng biên dạng cánh SD7062, đây<br /> là biên dạng cánh được thiết kế dành riêng cho tuốc bin gió<br /> cỡ nhỏ. Sự phân bố chiều dài dây cung và góc xoắn dọc<br /> theo cánh được xác định theo hai mô hình khác nhau, được<br /> đề xuất bởi Burton [5] và Manwell [6]. Đặc tính khí động<br /> học và khả năng làm việc của hai cánh tuốc bin gió thiết kế<br /> theo hai mô hình trên được tính toán và mô phỏng bằng<br /> phương pháp động lượng phần tử cánh (Blade Element<br /> Momentum Method – BEM). Kết quả mô phỏng này là cơ<br /> sở để so sánh, lựa chọn cánh tuốc bin gió phù hợp và làm<br /> việc hiệu quả nhất trong điều kiện thiết kế.<br /> 2. Phương án thiết kế<br /> 2.1. Các thông số thiết kế ban đầu<br /> Cánh tuốc bin gió được thiết kế là loại dành cho tuốc<br /> bin gió kiểu trục ngang, có 3 cánh. Đây là loại tuốc bin gió<br /> phổ biến nhất và có hiệu suất làm việc cao hơn so với các<br /> loại tuốc bin gió khác. Chiều dài của cánh tuốc bin gió được<br /> xác định từ công thức [5]:<br /> <br /> 1<br /> P = Cp V3 A<br /> 2<br /> <br /> (1)<br /> <br /> Phan Thành Long, Nguyễn Võ Đạo<br /> <br /> 42<br /> <br /> Trong đó, P là công suất thiết kế của tuốc bin, trong<br /> trường hợp này là 1 kW; ρ = 1,25 kg/m3, là khối lượng riêng<br /> của không khí trong điều kiện tuốc bin làm việc; V là vận<br /> tốc gió làm việc, được chọn là 7 m/s; Cp là hệ số công suất<br /> của tuốc bin dự kiến thiết kế, được chọn là 0,4 và A là diện<br /> tích quét của cánh tuốc bin, A = πR2, với R là chiều dài của<br /> cánh tuốc bin gió. Từ đó:<br /> <br /> R=<br /> <br /> P<br /> = 0,96 (m)<br /> 0,5Cp V3<br /> <br /> Hình 1 giới thiệu về hình dạng của biên dạng cánh<br /> SD7062. Với một biên dạng cánh được chọn, hệ số công<br /> suất lớn nhất có thể đạt được khi tỷ số Cl/Cd là lớn nhất.<br /> Tuy nhiên, tỷ số này lại phụ thuộc vào góc tấn α. Vì vậy,<br /> cánh tuốc bin gió luôn được thiết kế tại góc tấn α tối ưu,<br /> đồng nghĩa tại đó Cl/Cd là lớn nhất.<br /> <br /> (2)<br /> <br /> Ngoài ra, một thông số ban đầu quan trọng khác cần<br /> được xác định khi thiết kế cánh tuốc bin gió, đó là hệ số tỉ<br /> tốc đầu mút cánh  (Tip Speed Ratio – TSR), được định<br /> nghĩa như sau [7]:<br /> <br /> R<br /> (3)<br /> V<br /> Trong đó,  (rad/s) là vận tốc góc của tuốc bin. Phần<br /> lớn các tuốc bin gió cỡ nhỏ làm việc với hệ số tỷ tốc đầu<br /> mút cánh nằm trong khoảng từ 4 đến 10. Nếu  càng cao,<br /> hiệu suất làm việc của tuốc bin gió càng lớn, tuy nhiên nó<br /> lại gây ra nhiều tiếng ồn hơn. Chính vì vậy, trong nghiên<br /> cứu này,  được chọn là 6 khi cho tuốc bin gió làm việc tại<br /> vận tốc gió 7 m/s.<br /> 2.2. Lựa chọn biên dạng cánh<br /> Biên dạng cánh là một phần quan trọng khi thiết kế cánh<br /> tuốc bin gió, vì nó tạo ra lực nâng trên cánh. Tuy nhiên, với<br /> các tuốc bin gió cỡ nhỏ và làm việc ở điều kiện tốc độ gió<br /> thấp, việc sử dụng các biên dạng cánh truyền thống (ví dụ<br /> họ cánh NACA) là không phù hợp, vì sẽ gây ra hiện tượng<br /> tách rời dòng chảy tầng trên bề mặt cánh, hình thành các<br /> bong bóng tách thành và làm giảm hiệu suất của tuốc bin.<br /> Chính vì vậy, khi thiết kế tuốc bin gió cỡ nhỏ, cần phải lựa<br /> chọn các biên dạng cánh phù hợp.<br /> Giguere và Selig đã đề xuất một họ biên dạng cánh<br /> SG60XX (SG6040 – SG6043) dành cho tuốc bin gió cỡ nhỏ,<br /> hoạt động trong dải số Re từ 1x105 đến 5x105 [8]. Các biên<br /> dạng cánh này có tỷ số Cl/Cd cao tại số Re thấp khi xét tại các<br /> góc tấn khác nhau. Bên cạnh đó, một số biên dạng cánh khác<br /> cũng đã được đánh giá và sử dụng trong các tuốc bin gió thực<br /> tế. Matsumiya và các đồng nghiệp [9] đã sử dụng biên dạng<br /> cánh SD7037 cho một tuốc bin gió 3 cánh, có chiều dài cánh<br /> là 1,8 m và công suất thiết kế là 1 kW. Biên dạng cánh này<br /> có tỷ số Cl/Cd rất cao tại số Re thấp và các đặc tính khí động<br /> học phù hợp với tuốc bin gió cỡ nhỏ. Tuy nhiên, biên dạng<br /> cánh này lại quá mỏng, vì vậy rất khó để sản xuất. Wood [10]<br /> sử dụng biên dạng cánh SD7062 để thiết kế một tuốc bin gió<br /> hai cánh, có công suất là 2 kW. Tuốc bin được thiết kế này<br /> có đặc tính khởi động tốt và công suất đầu ra cao. Lanzafame<br /> [11] thiết kế một tuốc bin gió 10 kW, sử dụng biên dạng cánh<br /> S809. Ngoài ra, một biên dạng cánh khác cũng được sử dụng<br /> để thiết kế các cánh tuốc bin gió cỡ nhỏ, đó là biên dạng cánh<br /> E387 [8]. Một nghiên cứu để so sánh đặc tính làm việc của<br /> bốn cánh tuốc bin gió sử dụng lần lượt bốn biên dạng cánh<br /> SG6043, SD7062, S809 và E387 đã được thực hiện [12].<br /> Trong đó chỉ ra rằng, biên dạng cánh SD7062 là phù hợp nhất<br /> với các tuốc bin gió cỡ nhỏ và làm việc trong điều kiện tốc<br /> độ gió thấp. Vì vậy, trong nghiên cứu này, biên dạng cánh<br /> SD7062 được sử dụng để thiết kế cánh tuốc bin gió.<br /> <br /> Hình 1. Biên dạng cánh SD7062<br /> <br /> Hình 2 biểu diễn sự phụ thuộc của Cl/Cd vào góc tấn α<br /> tại số Re = 100.000 của biên dạng cánh SD7062. Trong đó,<br /> tỷ số Cl/Cd lớn nhất là 47,6 tại góc tấn α = 7o. Tại góc tấn<br /> này, hệ số nâng đạt được là Cl = 1,25.<br /> <br /> =<br /> <br /> Hình 2. Sự thay đổi tỷ số Cl/Cd theo góc α<br /> <br /> Việc thiết kế cánh tuốc bin gió thường được chia thành hai<br /> bước: thiết kế khí động học và thiết kế liên quan đến kết cấu.<br /> Thiết kế khí động học chính là việc xác định hình dạng của<br /> cánh, bao gồm việc xác định các biên dạng cánh được sử dụng<br /> và sự phân bố kích thước dây cung c, cùng với góc xoắn  dọc<br /> theo cánh. Thiết kế liên quan đến kết cấu bao gồm việc lựa<br /> chọn vật liệu làm cánh và xem xét độ bền cánh khi làm việc.<br /> Đối với tuốc bin gió cỡ nhỏ, việc thiết kế khí động quan trọng<br /> hơn thiết kế liên quan đến kết cấu, vì vậy nghiên cứu này chỉ<br /> xem xét thiết kế liên quan đến khí động học.<br /> Như phần trước đã trình bày, biên dạng cánh được chọn<br /> để thiêt kế cánh tuốc bin là SD7062. Với biên dạng cánh<br /> đã chọn này, việc cần thiết tiếp theo là xác định sự phân bố<br /> kích thước của c của các phần tử cánh cũng như góc xoắn<br />  của nó dọc theo cánh. Sự phân bố này thường được xác<br /> định dựa vào lý thuyết động lượng phần tử cánh, trong đó<br /> cánh tuốc bin gió được chia thành một số lượng phần tử<br /> cánh nhất định, sau đó xác định kích thước của dây cung<br /> và góc xoắn tại từng phần tử cánh này. Trong nghiên cứu<br /> này, cánh tuốc bin gió có chiều dài 0,96 m và được chia<br /> thành 10 phần tử cánh như Hình 3.<br /> <br /> Hình 3. Các phần tử cánh dọc theo cánh tuốc bin gió<br /> <br /> Có nhiều nghiên cứu đề xuất việc xác định sự phân bố<br /> <br /> ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(130).2018<br /> <br /> kích thước dây cung và góc xoắn tối ưu tại từng phần tử<br /> cánh dọc theo cánh, trong đó, Burton và các đồng nghiệp<br /> đã đề xuất một phương pháp trực tiếp để xác định sự phân<br /> bố c và θ cho một cánh tuốc bin gió cỡ nhỏ như sau [5]:<br /> <br />  r  2<br /> c<br /> 8 <br /> =<br /> 2−<br /> <br /> R 9 0.8 <br />  0.8  Cl B<br /> <br /> (4)<br /> <br /> <br /> <br /> 1<br />  1−<br /> <br /> 1<br /> 3<br /> <br />  = arctg <br />  1 + 2 r <br />  3 2<br /> <br /> <br /> r<br /> <br /> <br /> (5)<br /> <br /> θ=ϕ–α<br /> (6)<br /> Trong đó, c là kích thước dây cung, θ là góc xoắn,<br /> R là chiều dài cánh tuốc bin gió, r là chiều dài tại phần tử<br /> cánh đang xét, r là hệ số tỷ tốc cục bộ tại phần tử cánh<br /> đang xét, 0,8 là hệ số tỷ tốc tại r = 0,8R, B là số cánh tuốc<br /> bin và ϕ là góc gió đi vào tuốc bin. Một phương pháp khác,<br /> được đề xuất bởi Manwell, trong đó sự phân bố c và θ được<br /> xác định khi có tính đến ảnh hưởng các vệt hút phía sau<br /> tuốc bin gió, có công thức như sau [6]:<br /> <br /> =<br /> <br />  1 <br /> 2<br /> arctg  <br /> 3<br />  r <br /> <br /> (7)<br /> <br /> c=<br /> <br /> 8r<br /> (1 − cos )<br /> Cl B<br /> <br /> (8)<br /> <br /> θ=ϕ–α<br /> (6)<br /> Trong nghiên cứu này, sự phân bố c và θ dọc theo cánh<br /> được tính theo cả hai phương pháp trên. Kết quả được biểu<br /> diễn trong Hình 4 và Hình 5. Hình 4 biểu diễn sự phân bố c<br /> dọc theo chiều dài cánh theo hai phương pháp của Burton và<br /> Manwell, trong đó tại các phần tử cánh nằm gần mút cánh,<br /> giá trị của c tính theo hai phương pháp trên gần như bằng<br /> nhau. Tuy nhiên, tại các phần tử cánh nằm tại gốc cánh, giá<br /> trị của c tính theo phương pháp của Burton nhỏ hơn nhiều so<br /> với giá trị của c tính theo phương pháp của Manwell, điều<br /> đó đồng nghĩa với cánh tuốc bin gió thiết kế theo phương<br /> pháp của Burton sẽ nhỏ gọn hơn so với phương pháp của<br /> Manwell. Ngoài ra, độ lớn của c dọc theo chiều dài cánh,<br /> tính theo phương pháp của Burton, thay đổi gần như tuyến<br /> tính, điều này cũng giúp việc chế tạo cánh dễ dàng hơn.<br /> <br /> Hình 4. Sự phân bố chiều dài dây cung c dọc theo cánh<br /> <br /> Hình 5, biểu diễn sự phân bố góc xoắn θ dọc theo cánh<br /> theo hai phương pháp trên. Tương tự như sự phân bố c, sự<br /> khác nhau giữa hai phương pháp chủ yếu tập trung tại các<br /> phần tử cánh nằm sát gốc cánh. Theo phương pháp của<br /> <br /> 43<br /> <br /> Burton, góc xoắn lớn nhất xảy ra tại r = 0,1R, với độ lớn là<br /> 14,3o, trong khi đó, theo phương pháp của Manwell, góc<br /> xoắn lớn nhất tại r = 0,1R là 32,37o. Góc xoắn của cánh<br /> cành lớn thì độ phức tạp khi chế tạo càng tăng.<br /> <br /> Hình 5. Sự phân bố góc xoắn θ dọc theo cánh<br /> <br /> Kết quả tính toán c và θ theo hai phương pháp trên cho<br /> thấy, cánh tuốc bin gió tính toán theo phương pháp của<br /> Burton có kích thước nhỏ gọn hơn, và đơn giản dễ chế tạo<br /> hơn. Tuy nhiên, các tính toán trên chưa cho biết về khả năng<br /> làm việc, hiệu suất và các đặc tính khí động học của hai cánh<br /> tuốc bin vừa được thiết kế. Để thực hiện điều này, phương<br /> pháp động lượng phần tử cánh được lựa chọn sử dụng.<br /> 2.3. Phương pháp động lượng phần tử cánh – BEM<br /> Có nhiều phương pháp để đánh giá hiệu suất làm việc,<br /> cũng như các đặc tính khí động học của tuốc bin gió. Trong<br /> đó, phương pháp mô phỏng động lực học chất lỏng (CFD)<br /> có thể giúp đánh giá toàn diện nhất tất cả các hiện tượng có<br /> thể xảy ra khi tuốc bin gió làm việc, tuy nhiên phương pháp<br /> này rất phức tạp và đòi hỏi nhiều thời gian tính toán, cũng<br /> như nhiều tài nguyên phần cứng máy tính. Phương pháp<br /> xoáy có thể được sử dụng để thay thế phương pháp CFD, tuy<br /> nhiên phương pháp này lại dựa trên lý thuyết dòng chảy thế,<br /> do vậy không thể mô phỏng các hiện tượng do tính nhớt của<br /> chất lỏng gây ra. Chính vì vậy, trong nghiên cứu và thiết kế<br /> cánh tuốc bin gió, phương pháp động lượng phần tử cánh<br /> thường được sử dụng để dự đoán hiệu suất và các đặc tính<br /> làm việc của tuốc bin. Ưu điểm lớn nhất của phương pháp<br /> này là đơn giản, hiệu quả và giảm thời gian tính toán.<br /> Phương pháp BEM là sự kết hợp giữa lý thuyết động<br /> lượng (khối rotor của tuốc bin gió được xem như một đĩa<br /> phẳng lý tưởng) và lý thuyết phần tử cánh (xem xét cụ thể các<br /> hiện tượng thực tế xảy ra tại cánh tuốc bin gió). Để tính toán<br /> theo lý thuyết BEM, cánh tuốc bin gió được chia thành khoảng<br /> từ 10 đến 20 phần tử cánh khác nhau. Mỗi phần tử cánh được<br /> định nghĩa bởi biên dạng cánh được sử dụng tại đó, chiều dài<br /> dây cung c của biên dạng cánh và góc xoắn θ. Khi biết vận tốc<br /> gió tương đối, hệ số nâng Cl và hệ số cản Cd tại mỗi phần tử<br /> cánh, phương pháp BEM giúp xác định công suất và moment<br /> sinh ra tương ứng tại mỗi phần tử cánh, sau đó tổng hợp thành<br /> công suất và moment cho toàn bộ tuốc bin gió.<br /> Theo lý thuyết động lượng, lực dọc trục tác dụng lên<br /> một phân tố diện tích trên cánh tuốc bin có thể được tính<br /> như sau [13]:<br /> <br /> dF = 4a(1 − a)V2 rdr<br /> <br /> (9)<br /> <br /> Trong đó, a là hệ số cảm ứng dọc trục. Lực đẩy tác dụng<br /> lên phân tố diện tích đó là:<br /> <br /> dT = 4a '(1 − a)Vr3dr<br /> <br /> (10)<br /> <br /> Phan Thành Long, Nguyễn Võ Đạo<br /> <br /> 44<br /> <br /> Trong đó, a’ là hệ số cảm ứng góc và Ω là vận tốc quay<br /> của tuốc bin. Trong khi đó, theo lý thuyết phần tử cánh, lực<br /> dọc trục và lực đẩy được tính như sau:<br /> <br /> 1<br /> dF = BcW2 dr ( Cl cos  + Cd sin  )<br /> 2<br /> <br /> (11)<br /> <br /> 1<br /> dT = BcW2 rdr ( Cl sin  − Cd cos  )<br /> (12)<br /> 2<br /> Trong đó, W là vận tốc tổng hợp. Đồng nhất phương<br /> trình (9) và (11), (10) và (12), thu được hệ phương trình sau:<br />  8a(1 − a)V 2 r = BcW 2 ( C l cos  + C d sin  )<br /> <br /> 2<br /> 2<br /> 8a '(1 − a)Vr = BcW ( C l sin  − C d cos  )<br /> <br /> (13)<br /> <br /> Hình 7 biểu diễn sự thay đổi của Cp theo vận tốc gió V.<br /> Trong đó, hệ số Cp lớn nhất xảy ra với cánh tuốc bin gió<br /> thiết kế theo phương pháp của Burton, tại V = 7 m/s. Như<br /> vậy cánh tuốc bin gió này đạt được yêu cầu thiết kế ban đầu<br /> đặt ra, khi làm việc với hiệu suất cao nhất tại vận tốc gió<br /> thấp, khoảng 7 m/s. Tại vận tốc gió cao hơn, hệ số công<br /> suất Cp của cánh thiết kế theo Manwell đạt giá trị lớn hơn<br /> so với cánh thiết kế theo Burton. Một điểm đáng chú ý<br /> khác, đó là cánh tuốc bin gió thiết kế theo Burton có đặc<br /> tính khởi động tốt hơn, tuốc bin này bắt đầu làm việc với<br /> V khoảng 3,5 m/s, trong khi cánh tuốc bin gió thiết kế theo<br /> Manwell là khoảng 4 m/s.<br /> <br /> Thay W vào hệ phương trình (13) và biến đổi, các<br /> phương trình trên có thể viết lại như sau:<br /> <br />  ( C cos  + Cd sin )<br /> a<br /> = r l<br /> 1− a 4<br /> sin 2 <br /> <br /> (14)<br /> <br />  ( C sin  − Cd cos )<br /> a'<br /> = r l<br /> 1+ a ' 4<br /> sin cos<br /> <br /> (15)<br /> <br /> Trong đó, σr là tỷ số bao phủ cánh cục bộ, được tính<br /> như sau:<br /> <br /> Bc<br /> r =<br /> 2r<br /> <br /> (16)<br /> <br /> Như vậy, a, a’ và ϕ là các thông số chưa biết. Để xác<br /> định các thông số này, các phương trình trên cần phải được<br /> giải đồng thời và sử dụng phương pháp lặp. Sau khi xác<br /> định được a và a’, có thể sử dụng các thông số này để tính<br /> công suất và moment của tuốc bin gió.<br /> 3. Kết quả và bàn luận<br /> Đặc tính làm việc của cánh tuốc bin gió được thiết kế<br /> bằng hai phương pháp của Burton và Manwell được tính<br /> toán và kiểm tra bằng phương pháp BEM, sử dụng phần<br /> mềm Qblade [14]. Trong đó, việc dự đoán sự thay đổi của<br /> công suất P và hệ số công suất Cp theo hệ số tỷ tốc đầu mút<br /> cánh  và theo vận tốc gió V là quan trọng nhất. Hình 6<br /> biểu diễn sự thay đổi Cp theo . Kết quả cho thấy hệ số<br /> công suất Cp của cánh tuốc bin thiết kế theo phương pháp<br /> của Burton có giá trị cao hơn so với cánh thiết kế theo<br /> phương pháp của Manwell, với giá trị lớn nhất khoảng 0,42<br /> khi  = 7. Tuy nhiên, giá trị của Cp trong thực tế thường<br /> nhỏ hơn so với giá trị được dự đoán bằng phương pháp<br /> BEM, vì phương pháp này không xét đến ảnh hưởng của<br /> dòng chảy không ổn định và vệt hút sau cánh tuốc bin.<br /> <br /> Hình 6. Sự thay đổi Cp theo <br /> <br /> Hình 7. Sự thay đổi Cp theo V<br /> <br /> Sự thay đổi công suất của tuốc bin theo vân tốc gió được<br /> biểu diễn trong Hình 8. Trong khoảng vận tốc gió thấp,<br /> dưới 10 m/s, công suất của hai tuốc bin gió gần như tương<br /> đương. Trong khi đó, tại vận tốc gió cao hơn, công suất của<br /> tuốc bin gió thiết kế theo phương pháp Manwell lại lớn<br /> hơn, và có thể đạt giá trị lớn nhất là 1,2 kW tại V = 11 m/s.<br /> Hình 8 cũng cho thấy, đặc tính khởi động của cánh tuốc bin<br /> gió thiết kế theo Burton là tốt hơn.<br /> <br /> Hình 8. Sự thay đổi của công suất P theo V<br /> <br /> Như đã đề cập ở phần trước, việc tính toán và dự đoán<br /> khả năng làm việc của tuốc bin gió theo phương pháp BEM<br /> thường có ưu điểm là đơn giản, hiệu quả và nhanh chóng.<br /> Tuy nhiên, kết quả đạt được thường có sai lệch nhỏ so với<br /> kết quả thực tế. Trong đó, hệ số công suất Cp và công suất<br /> P của tuốc bin gió dự đoán theo BEM thường cao hơn so<br /> với tuốc bin làm việc thực tế, do trong quá trình tính toán<br /> đã bỏ qua các hiện tượng dòng chảy phức tạp, làm giảm<br /> khả năng làm việc của tuốc bin. Để dự đoán chính xác hơn<br /> khả năng làm việc của tuốc bin gió, cần thực hiện một mô<br /> hình tính toán CFD 3 chiều và xét cho chế độ làm việc<br /> không ổn định. Điều này dẫn đến chi phí tính toán sẽ tăng<br /> lên. Tuy vây, kết quả tính toán theo phương pháp BEM vẫn<br /> đủ độ tin cậy để đánh giá các thiết kế sơ bộ ban đầu của<br /> tuốc bin gió. Kết quả tính toán cho thấy rằng, cánh tuốc bin<br /> <br /> ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(130).2018<br /> <br /> gió thiết kế theo phương pháp của Burton có khả năng làm<br /> việc tốt hơn (Cp và P cao hơn) ở điều kiện vận tốc gió làm<br /> việc thấp. Ngoài ra, đặc tính khởi động của cánh tuốc bin<br /> gió này cũng tốt hơn. Như vậy, cánh tuốc bin gió thiết kế<br /> theo phương pháp này phù hợp với điều kiện làm việc ở<br /> những vùng có tốc độ gió thấp.<br /> <br /> [2]<br /> <br /> [3]<br /> [4]<br /> <br /> 4. Kết luận<br /> Cánh tuốc bin gió cỡ nhỏ được thiết kế theo hai phương<br /> pháp, đề xuất bởi Burton và Manwell, sử dụng biên dạng<br /> cánh SD7062. Cánh tuốc bin gió thiết kế theo phương pháp<br /> của Burton có kích thước nhỏ hơn và cấu tạo đơn giản hơn,<br /> vì vậy thuận tiện hơn trong việc chế tạo. Kết quả tính toán<br /> khả năng làm việc dựa trên phương pháp động lượng phần<br /> tử cánh (BEM) cũng cho thấy, cánh tuốc bin gió thiết kế<br /> theo Burton làm việc với hiệu suất cao hơn ở điều kiện vận<br /> tốc gió thấp, cũng như có đặc tính khởi động tốt hơn. Chính<br /> vì vậy, phương pháp thiết kế cánh tuốc bin gió theo đề xuất<br /> của Burton phù hợp cho việc thiết kế các cánh tuốc bin gió<br /> cỡ nhỏ, làm việc ở điều kiện tốc độ gió thấp, ví dụ như khu<br /> vực bờ biển Miền Trung, Việt Nam.<br /> <br /> [5]<br /> <br /> Lời cảm ơn<br /> Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển Khoa<br /> học và Công nghệ Đại học Đà Nẵng trong đề tài mã số<br /> B2016-DN02-10.<br /> <br /> [11]<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> <br /> [13]<br /> <br /> [1] P. Cooper, P.B. Kosasih, L. Ledo, “Roof mounting site analysis for<br /> <br /> [14]<br /> <br /> [6]<br /> <br /> [7]<br /> [8]<br /> <br /> [9]<br /> <br /> [10]<br /> <br /> [12]<br /> <br /> 45<br /> <br /> micro-wind turbines”, Renew. Energ, Tập 36, NXB Elsevier, 2010,<br /> Trang 1379-1391.<br /> H. Hirahara, M.Z. Hossain, Y. Nonomura, “Testing basic performance<br /> of a very small wind turbine designed for multi-purposes”, Renew.<br /> Energ, Tập 30, NXB Elsevier, 2005, Trang 1279-1297.<br /> H.F. Fasel, A. Gross, Numerical investigation of different wind<br /> turbine airfoils, Đại học Arizona, 2011.<br /> P. Giguere, M.S. Selig, “Low Reynolds number airfoils for small<br /> horizontal axis wind turbines”, Wind. Eng, Tập 21, NXB Sage, 1997,<br /> Trang 367-380.<br /> T. Burton, N. Jenkins, D. Sharpe, E. Bossanyi, Wind Energy<br /> Handbook, tái bản lần 2, NXB John Wiley & Son, 2011.<br /> J.F. Manwell, J. G. McGowan, A. L. Rogers, Wind Energy<br /> Explained: Theory, Design and Application, NXB John Wiley &<br /> Son, 2002.<br /> P. J. Schubel, R. J. Crossley, “Wind turbine Blade Design”,<br /> Energies, Tập 5, NXB MDPI, 2012, Trang 3425-3449.<br /> P. Giguere, M.S. Selig, “New airfoils for small horizontal axis wind<br /> turbines”, J. Sol. Energ. Eng, Tập 20, NXB ASME, 1998, Trang<br /> 108-114.<br /> H. Matsumiya, R. Ito, M. Kawakami, D. Matsushita, M. Lida, “Field<br /> operation and track tests of 1 kW small wind turbine under high wind<br /> conditions”, J. Sol. Energ. Eng, Tập 32, NXB ASME, 2010, Trang<br /> 11002-11010.<br /> D. H. Wood, “Dual purpose design of small wind turbine blades”,<br /> Wind. Eng, Tập 28, NXB Sage, 2004, Trang 511-528.<br /> R. Lanzafame, M. Messina, “Design and performance of a double –<br /> pitch wind turbine with non-twisted blades”, Renew. Energ, Tập 34,<br /> NXB Elsevier, 2009, Trang 1413-1420.<br /> Phan Thành Long, Nguyễn Văn Triều, “Blade design and numerical<br /> testing of a small wind turbine for low wind speed conditions”, Kỷ<br /> yếu Hội nghị MMMS 2018, NXB Bách Khoa, 2018, Trang 436-443.<br /> P. J. Moriarty, A. C. Hansen, AeroDyn Theory Manual, Phòng Thí<br /> nghiệm Quốc gia về Năng lượng tái tạo, Colorado, Hoa Kỳ, 2005.<br /> http://www.q-blade.org.<br /> <br /> (BBT nhận bài: 28/8/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 09/9/2018)<br /> <br />