Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu, việc chuyển dịch sang các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng gió, đang trở thành xu thế phát triển trọng tâm. Theo số liệu thống kê năm 2023, thế giới đã lắp đặt thêm gần 117 GW công suất điện gió mới tại 54 quốc gia, đưa tổng công suất lắp đặt tích lũy toàn cầu vượt mốc 1.021 GW. Tại Việt Nam, nghiên cứu từ Ngân hàng Thế giới chỉ ra tiềm năng điện gió rất lớn với hơn 39% tổng diện tích đất liền có tốc độ gió trung bình hằng năm lớn hơn 6 m/s ở độ cao 65 m, tương đương quy mô công suất 512 GW. Tính đến tháng 7/2023, tổng công suất điện gió hòa lưới tại Việt Nam đạt khoảng 1.000 MW, chiếm tỷ trọng 4% trong hệ thống điện quốc gia.

Dù sở hữu tiềm năng lớn, các trang trại điện gió hiện nay hầu như sử dụng hoàn toàn công nghệ tuabin trục ngang 1 tầng cánh (3 cánh quạt) nhập khẩu. Về mặt lý thuyết, định luật Betz (1919) chỉ ra rằng một tuabin gió chỉ có thể trích xuất tối đa 59,3% động năng từ luồng không khí đi qua diện tích quét ($C_{p,\max} = 16/27$). Tuy nhiên, trên thực tế vận hành, các tuabin gió 1 rotor 3 cánh hiện đại chỉ đạt hiệu suất chuyển đổi khoảng 30% đến 40%, với hiệu suất trung bình thực tế chỉ xấp xỉ 26%. Tại Việt Nam, nghiên cứu công nghệ tuabin 2 tầng cánh đồng trục mới chỉ bước đầu được tiếp cận qua dự án sản xuất thử nghiệm của Công ty TNHH Công nghệ mới Việt - Nga, ứng dụng công nghệ điện gió YnS-W do Giáo sư, Viện sĩ Bakanov Anatoly G. (Viện Hàn lâm Khoa học Nga) đăng ký độc quyền sáng chế vào tháng 4/2011. Do cấu trúc khí động học phức tạp, tuabin 2 tầng cánh hiện vẫn chưa có mô hình toán học giải tích hoàn chỉnh trên máy tính, đòi hỏi phải xây dựng mô hình vật lý thực nghiệm để đo kiểm và làm tiền đề phát triển các thuật toán điều khiển tự động.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài gồm:

  1. Thiết kế và thi công bộ mô hình thí nghiệm máy phát điện gió hai tầng cánh ở quy mô phòng lab.
  2. Khảo sát, so sánh hiệu suất phát điện giữa chế độ vận hành 1 tầng cánh và 2 tầng cánh dưới các điều kiện gió và phụ tải khác nhau.
  3. Xác định góc nghiêng cánh quạt và cự ly lắp đặt giữa hai tầng cánh để đạt hiệu suất phát điện tối ưu.

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định theo 4 nội dung:

  1. Tìm hiểu các lý thuyết cơ bản về năng lượng tái tạo, khí động học dòng khí và các chủng loại máy phát điện gió.
  2. Sửa chữa, phục hồi và hoàn thiện mô hình máy phát điện gió 2 tầng cánh theo nguyên lý tăng độ biến thiên từ thông ($d\phi/dt$).
  3. Thiết kế và thi công mới mô hình máy phát điện gió 2 tầng cánh công suất nhỏ với cơ cấu hỗ trợ mô-men lên trục máy phát thông qua cụm bánh răng côn.
  4. Xây dựng quy trình thí nghiệm, đo đạc thông số điện - cơ và vẽ đường đặc tính công suất trên cả hai mô hình.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Mô hình vật lý của hệ thống tuabin gió hai tầng cánh đồng trục và các dòng máy phát điện công suất nhỏ (dưới 10 W đối với mô hình tăng mô-men).
  • Phạm vi không gian: Nghiên cứu, chế tạo và thử nghiệm thực nghiệm tại phòng thí nghiệm Bộ môn Tự động Điều khiển, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
  • Phạm vi thời gian: Đề tài được giao thực hiện từ ngày 22/02/2024 và hoàn thành nghiệm thu ngày 22/06/2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Đề tài xây dựng nền tảng dựa trên các lý thuyết động lực học chất lưu, khí động học tuabin và nguyên lý biến đổi điện cơ:

  • Nguyên lý Lanchester-Betz-Zhukowsky: Năng lượng dòng khí đi qua tiết diện tuabin $A$ trong thời gian $t$ được xác định theo phương trình: $$E = \frac{1}{2} m v^2 = \frac{1}{2} A \rho v^3 t$$ Từ đó, công suất dòng gió lý thuyết là: $$P_0 = \frac{1}{2} \rho A v^3$$ với $\rho$ là khối lượng riêng không khí, $v$ là vận tốc gió. Công suất trích xuất của tuabin được biểu diễn qua hệ số công suất $C_p$: $$P_T = C_p P_0 = 4a(1 - a)^2 P_0$$ trong đó $a$ là tỷ số giảm tốc độ dòng khí qua đĩa rotor. Hệ số $C_p$ đạt cực đại tại $a = 1/3$, tương ứng $C_{p,\max} = 16/27 \approx 0,593$.
  • Phương trình lực đẩy trục ngang tác dụng lên trụ tuabin: $$F_A = \frac{1}{2} \rho A_1 u_0^2 \cdot 4a(1 - a)$$
  • Phân loại tuabin: Phân tích cấu trúc tuabin gió trục ngang (HAWT) và trục đứng (VAWT - Savonius, Darrieus, Musgrove, phong tốc kế kiểu gáo quay).
  • Khung lý thuyết máy điện: Nghiên cứu cấu tạo, phương trình cân bằng điện áp và đặc tính ngoài của máy phát điện một chiều (DC) kích từ độc lập ($U = E_ư - R_ư I$), kích từ song song; nguyên lý máy phát điện xoay chiều đồng bộ (sức điện động cảm ứng $E = 4,44 f W \phi_{\max} k$ với tần số $f = p \cdot n / 60$); và máy điện không đồng bộ (DFIG, rotor lồng sóc).

Hai nguyên lý nâng cao hiệu suất phát điện gió hai tầng cánh được nhóm tác giả lựa chọn kiểm chứng gồm:

  1. Mô hình tăng độ biến thiên từ thông ($d\phi/dt$): Sử dụng 2 tầng cánh quay ngược chiều để kéo độc lập hai thành phần rotor và stator (tương đương 2 rotor ngược chiều), làm tăng vận tốc cắt từ trường tương đối, qua đó nâng cao sức điện động cảm ứng $E$.
  2. Mô hình tăng mô-men dẫn động: Sử dụng 2 tầng cánh đồng trục quay ngược chiều cùng tác động mô-men lực thông qua hệ bánh răng côn vi sai để hợp lực truyền động lên một trục máy phát điện chung.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm bao gồm:

  • Phương pháp mô hình hóa vật lý: Do chưa có mô hình toán học giải tích cho tuabin 2 tầng cánh, nhóm tác giả trực tiếp gia công cơ khí và chế tạo các cụm mô hình vật lý.
  • Phương pháp đo kiểm trong phòng thí nghiệm: Thiết lập hệ thống hầm tạo gió nhân tạo bằng quạt hút/thổi điều khiển qua biến tần; đo tốc độ gió bằng cảm biến đo gió; đo tốc độ quay trục máy phát bằng đồng hồ hiển thị tốc độ; điều chỉnh phụ tải tiêu thụ qua bộ biến trở công suất; thu thập dòng điện, điện áp để tính toán công suất đầu ra và dựng đường đặc tính tải $P = f(R_t)$, đường quan hệ $P_{\max} = f(v)$ và $P_{\max} = f(n)$.

Thiết kế kỹ thuật và thi công mô hình thí nghiệm

Hệ thống thực nghiệm được thiết kế và chế tạo thành 2 cụm độc lập:

  1. Cụm mô hình tăng độ biến thiên từ thông ($d\phi/dt$):
  • Kết cấu máy phát: Cải tạo máy điện một chiều có rotor và vỏ/stator độc lập. Cánh thứ nhất liên kết với trục rotor, cánh thứ hai liên kết với phần vỏ mang cực từ (hoặc rotor thứ hai) quay ngược chiều nhau trên hệ thống ổ bi đỡ đồng trục.
  • Hệ thống thiết bị phụ trợ: Đường ống dẫn hướng luồng gió, động cơ quạt gió 3 pha, bộ biến tần điều khiển tốc độ quạt gió, cảm biến đo tốc độ gió, bộ biến trở con chạy làm tải tiêu thụ, đồng hồ đo tốc độ quay quang điện.
  1. Cụm mô hình tăng mô-men tác dụng lên trục máy phát:
  • Cơ cấu cơ khí: Sử dụng hệ thống 3 bánh răng côn liên kết. Trục trong và ống sắt rỗng bên ngoài được đặt lồng đồng trục, mỗi ống gắn với một tầng cánh quạt quay ngược chiều. Mô-men quay từ hai tầng cánh thông qua hai bánh răng côn đối diện cùng tác động lên bánh răng côn thứ ba, hợp lực mô-men dẫn động trực tiếp vào trục máy phát. Khung đỡ cơ khí cho phép điều chỉnh góc nghiêng của cánh và cự ly lắp đặt giữa hai đĩa cánh.
  • Hệ thống điện và hiển thị: Máy phát điện xoay chiều công suất nhỏ (dưới 10 W), mạch chỉnh lưu cầu 6 diode chuyển đổi nguồn AC sang DC cấp cho tải tiêu thụ, bộ nguồn tổ ong 12V 10A cấp nguồn cho mạch đo, đồng hồ đo tốc độ hiển thị số.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 khái quát bối cảnh phát triển năng lượng gió trên thế giới và tại Việt Nam, nêu bật tiềm năng khai thác năng lượng tái tạo quy mô lớn tại các tỉnh duyên hải Nam Trung Bộ. Tác giả phân tích những hạn chế về mặt hiệu suất của tuabin 1 rotor 3 cánh truyền thống nhập khẩu, giới thiệu cơ sở công nghệ tuabin 2 tầng cánh YnS-W của Viện Hàn lâm Khoa học Nga. Từ hiện trạng chưa có mô hình toán hoàn chỉnh trên máy tính, tác giả xác định mục tiêu thiết kế, chế tạo 2 mô hình vật lý thử nghiệm, đồng thời giới hạn phạm vi đề tài vào việc khảo sát hiệu suất của phương pháp tăng độ biến thiên từ thông $d\phi/dt$ và phương pháp tăng mô-men dẫn động cơ học.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương này tổng kết toàn diện lý thuyết năng lượng tái tạo và cơ học chất lưu. Tác giả trình bày chi tiết nguyên lý Lanchester-Betz-Zhukowsky, các bước thiết lập phương trình công suất tuabin gió, chứng minh toán học cho giới hạn Betz $C_{p,\max} \approx 59,3%$, cùng phương trình tính toán áp suất tĩnh và lực đẩy trục ngang tác dụng lên tháp đỡ. Phần tiếp theo mô tả cấu tạo khí động học, cơ cấu pitch, cơ cấu yaw của tuabin trục ngang (HAWT) và các dạng tuabin trục đứng (VAWT). Tác giả cũng phân tích chi tiết sơ đồ mạch điện, nguyên lý làm việc và phương trình cân bằng điện áp của máy phát điện DC (kích từ độc lập, song song), máy phát điện xoay chiều đồng bộ 3 pha và máy điện không đồng bộ.

Chương 3: Thiết kế thi công và thí nghiệm khảo sát máy phát điện gió tăng độ biến thiên từ thông $\frac{d\phi}{dt}$

Nội dung chương tập trung vào giải pháp kỹ thuật nâng cao sức điện động bằng cách quay ngược chiều hai thành phần cảm - ứng. Tác giả mô tả chi tiết quá trình gia công chi tiết cơ khí, lắp ráp hệ trục đồng trục, chế tạo cánh quạt và bố trí bàn thí nghiệm với ống tạo gió, động cơ quạt điều khiển qua biến tần, cảm biến vận tốc gió và biến trở phụ tải. Tác giả thiết lập quy trình đo kiểm và ghi nhận dữ liệu thực nghiệm ở 3 mức tốc độ gió: 20 km/h, 25 km/h và 30 km/h cho hai trường hợp: lắp 1 tầng cánh và lắp 2 tầng cánh. Từ các bảng số liệu đo đạc, chương này xây dựng các đồ thị so sánh đặc tính tải công suất $P = f(R_t)$, đồ thị công suất cực đại $P_{\max}$ theo tốc độ gió và theo tốc độ quay của máy phát.

Chương 4: Thiết kế thi công và thí nghiệm khảo sát máy phát điện gió tăng mô-men tác dụng cho máy phát

Chương 4 trình bày bản vẽ 2D các hình chiếu (đứng, bằng, cạnh) của mô hình truyền động bánh răng côn, trục lồng ống sắt, cụm máy phát điện công suất dưới 10 W và mạch chỉnh lưu cầu 6 diode. Tác giả tiến hành các chuỗi thí nghiệm khảo sát thực nghiệm chuyên sâu:

  • Khảo sát sự thay đổi công suất phát theo góc nghiêng của cánh quạt để xác định góc đón gió hiệu quả nhất.
  • Khảo sát sự biến thiên công suất theo khoảng cách giữa hai tầng cánh nhằm đánh giá hiện tượng cản trở khí động học giữa hai đĩa cánh.
  • Đo kiểm đặc tính tải, tốc độ quay và công suất phát điện ở 3 dải tốc độ gió: 15 km/h, 20 km/h và 25 km/h khi vận hành với 1 tầng cánh và khi tích hợp 2 tầng cánh trợ lực mô-men.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương cuối tổng kết các kết quả đạt được từ hai mô hình thực nghiệm, xác nhận tính đúng đắn của việc ứng dụng kết cấu 2 tầng cánh để gia tăng công suất phát điện so với hệ 1 cánh ở cùng vận tốc gió. Tác giả tự đánh giá các điểm hạn chế về sai số cơ khí, ma sát ổ trục và phạm vi công suất nhỏ của mô hình phòng lab, đồng thời đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo về xây dựng mô hình toán, tích hợp cơ cấu điều khiển góc cánh tự động và thuật toán dò điểm công suất cực đại (MPPT).

Kết quả và đóng góp

Hệ thống dữ liệu đo kiểm thực nghiệm trên cả hai mô hình được tổng hợp theo các thông số vận hành trong bảng sau:

Mô hình thử nghiệm Cơ chế truyền động Vận tốc gió khảo sát Thông số thực nghiệm thu thập
Mô hình 1 ($d\phi/dt$) 2 rotor quay ngược chiều độc lập 20 km/h; 25 km/h; 30 km/h Tải trở biến thiên, tốc độ quay máy phát $n$, công suất cực đại $P_{\max}$ ứng với chế độ 1 cánh và 2 cánh
Mô hình 2 (Tăng mô-men) Trục lồng ống qua cụm bánh răng côn 15 km/h; 20 km/h; 25 km/h Góc nghiêng cánh quạt, khoảng cách giữa 2 tầng cánh, tốc độ quay $n$, công suất cực đại $P_{\max}$ theo tải

Các kết quả thực nghiệm và phát hiện chính:

  • Ở cùng các mức vận tốc gió khảo sát (từ 15 km/h đến 30 km/h), chế độ vận hành 2 tầng cánh đều cho công suất cực đại ($P_{\max}$) lớn hơn rõ rệt so với chế độ vận hành 1 tầng cánh trên cả hai cấu hình cơ điện.
  • Việc tăng độ biến thiên từ thông bằng cách cho rotor và stator quay ngược chiều giúp gia tăng đáng kể sức điện động cảm ứng đầu cực mà không cần gia tăng kích thước đường kính cánh quạt.
  • Kết cấu truyền động bánh răng côn vi sai giúp cộng gộp mô-men quay từ hai tầng cánh ngược chiều lên trục máy phát, giúp hệ thống dễ dàng khởi động và duy trì vòng quay ổn định khi mang tải.
  • Thực nghiệm đã xác định được sự tồn tại của góc nghiêng cánh và cự ly lắp đặt giữa 2 tầng cánh tối ưu, tại đó luồng gió sau khi đi qua tầng cánh thứ nhất không làm triệt tiêu động năng mà tiếp tục thúc đẩy tầng cánh thứ hai sinh công cơ học hiệu quả nhất.

Giải pháp và đóng góp của đề tài:

  • Đề xuất và hiện thực hóa thành công 2 cấu trúc cơ điện thực nghiệm phục vụ việc nâng cao hiệu suất thu nhận năng lượng gió ở quy mô nhỏ.
  • Cung cấp tập dữ liệu đo đạc thực tế về mối quan hệ giữa công suất phát, tốc độ gió, vòng quay trục và trở kháng tải, tạo cơ sở thực chứng để phục vụ công tác nghiên cứu, xây dựng mô hình toán học giải tích cho tuabin gió 2 tầng cánh.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Chưa xây dựng được mô hình toán học và phần mềm mô phỏng khí động học cho tuabin gió 2 tầng cánh trên máy tính; nghiên cứu hoàn toàn phụ thuộc vào việc đo kiểm trên mô hình vật lý.
  • Công suất phát điện của các mô hình thí nghiệm còn rất nhỏ (mô hình tăng mô-men có công suất danh định dưới 10 W).
  • Độ chính xác gia công cơ khí các chi tiết trục lồng, ổ đỡ và bộ truyền bánh răng côn còn hạn chế, dẫn đến tổn hao ma sát cơ học tương đối lớn trong quá trình vận hành.
  • Điều kiện thử nghiệm sử dụng ống thổi gió nhân tạo trong phòng thí nghiệm có tiết diện dòng khí hẹp, chưa phản ánh đầy đủ tính chất gió tự nhiên đa hướng và biến thiên liên tục ngoài trời.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Xây dựng mô hình toán học giải tích mô phỏng tương tác khí động giữa 2 tầng cánh trên máy tính.
  • Thiết kế và chế tạo cơ cấu tự động điều khiển góc đón gió của cánh (pitch control) theo sự thay đổi của tốc độ gió thực tế.
  • Tích hợp bộ biến đổi công suất và giải thuật dò điểm làm việc có công suất cực đại (MPPT) cho máy phát điện gió hai tầng cánh.
  • Tăng quy mô công suất mô hình và đưa ra thử nghiệm trong môi trường gió tự nhiên ngoài trời.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật hữu ích cho:

  • Giảng viên, sinh viên và học viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điện và Năng lượng tái tạo.
  • Các nhóm nghiên cứu đang thực hiện đề tài đồ án tốt nghiệp hoặc nghiên cứu khoa học liên quan đến tuabin gió trục ngang công suất nhỏ, cơ cấu truyền động vi sai cơ khí và bàn thí nghiệm mô phỏng năng lượng tái tạo.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu gồm:

  • Bản vẽ thiết kế 2D và kết cấu cơ khí của cụm truyền động bánh răng côn trục lồng ống đồng trục (Chương 4).
  • Phương án cải tạo kết cấu máy phát điện quay ngược chiều hai phần cảm - ứng để tăng độ biến thiên từ thông $d\phi/dt$ (Chương 3).
  • Phương pháp xây dựng bàn thí nghiệm kiểm thử khí động học mini sử dụng biến tần, động cơ quạt gió và các thiết bị đo đạc điện - cơ trong phòng lab.

Câu hỏi thường gặp

1. Đề tài kiểm chứng hai phương pháp cụ thể nào để nâng cao hiệu suất máy phát điện gió hai tầng cánh? Đề tài nghiên cứu và thực nghiệm hai phương pháp: (1) Phương pháp tăng độ biến thiên từ thông ($d\phi/dt$) bằng cách cho cả rotor và stator (hoặc 2 rotor độc lập) quay ngược chiều nhau để tăng sức điện động $E$; (2) Phương pháp tăng mô-men xoắn bằng cách sử dụng hai tầng cánh đồng trục quay ngược chiều cùng truyền động lực qua hệ 3 bánh răng côn lên một trục máy phát điện chung.

2. Giới hạn lý thuyết Betz và hiệu suất thực tế của tuabin gió 1 rotor 3 cánh được nêu trong đồ án là bao nhiêu? Theo định luật Betz (1919), tuabin gió lý thuyết chỉ có thể trích xuất tối đa 59,3% năng lượng dòng khí đi qua nó ($C_{p,\max} = 16/27$). Trên thực tế, tuabin 1 rotor 3 cánh hiện đại nhất chỉ đạt hiệu suất chuyển đổi khoảng 30% đến 40%, với hiệu suất trung bình thực tế chỉ đạt khoảng 26%.

3. Hệ thống tạo gió và đo kiểm trong phòng thí nghiệm của đề tài gồm những thiết bị nào? Hệ thống thử nghiệm gồm có: ống tạo gió định hướng, động cơ quạt gió tạo luồng khí, bộ biến tần điều khiển tốc độ động cơ quạt, cảm biến đo tốc độ gió, bộ biến trở con chạy điều chỉnh tải tiêu thụ, đồng hồ quang điện đo tốc độ quay trục máy phát và bộ nguồn tổ ong 12V 10A cấp nguồn cho mạch đo.

4. Mô hình máy phát điện gió tăng mô-men ở Chương 4 có công suất bao nhiêu và xử lý đầu ra điện áp bằng mạch gì? Mô hình tăng mô-men ở Chương 4 được thiết kế cho máy phát điện gió xoay chiều 3 pha công suất nhỏ (dưới 10 W). Điện áp xoay chiều ba pha từ đầu cực máy phát được đưa qua mạch chỉnh lưu cầu gồm 6 diode để chuyển đổi thành dòng điện một chiều cấp cho phụ tải tiêu thụ.

5. Vì sao nhóm tác giả phải trực tiếp chế tạo mô hình vật lý thay vì mô phỏng trên máy tính? Văn bản nêu rõ nguyên nhân là do mô hình toán học của tuabin gió 2 tầng cánh chưa được xây dựng hoàn chỉnh nên chưa thể thiết lập mô phỏng trên máy tính. Nhóm tác giả bắt buộc phải gia công, chế tạo mô hình vật lý thực nghiệm để làm cơ sở thu thập dữ liệu thực tế phục vụ cho việc xây dựng mô hình toán học sau này.

Kết luận

Đồ án đã thiết kế, thi công và khảo sát thành công hai mô hình thực nghiệm máy phát điện gió hai tầng cánh theo nguyên lý tăng độ biến thiên từ thông ($d\phi/dt$) và hỗ trợ mô-men qua cụm bánh răng côn vi sai. Các kết quả đo kiểm thực tế ở dải vận tốc gió từ 15 km/h đến 30 km/h đã chứng minh kết cấu hai tầng cánh giúp nâng cao rõ rệt công suất cực đại so với cấu hình một tầng cánh truyền thống. Đây là công trình thực nghiệm cơ điện có giá trị tham khảo kỹ thuật thiết thực, đóng vai trò làm tiền đề dữ liệu cho các nghiên cứu mô hình hóa toán học và điều khiển tự động góc cánh tuabin gió trong tương lai.