Luận Văn Thạc Sĩ HCMUTE Về Mô Hình Phát Điện Gió

• Tác giả: Phan Văn Thưởng
• Người hướng dẫn: PGS.TS Trương Việt Anh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Mô Hình Phát Điện Gió
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Sơ lược lịch sử phát triển của tuabin gió
• 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.2.1. Tình hình nghiên cứu hệ thống điện gió cánh đơn ngoài nước
• 1.2.2. Tình hình nghiên cứu hệ thống điện gió cánh đơn trong nước
• 1.2.3. Tình hình nghiên cứu hệ thống điện gió cánh kép ngoài nước
• 1.2.4. Tình hình nghiên cứu hệ thống điện gió cánh kép trong nước
• 1.3. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.5. Mục đích nghiên cứu luận văn
• 1.6. Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn luận văn
• 1.7. Phương pháp nghiên cứu
• 1.8. Kế hoạch thực hiện luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Giới thiệu tuabin gió
• 2.2. Tuabin gió trục đứng (Savonius, Darieus)
• 2.3. Tuabin gió trục ngang
• 2.4. Giới thiệu tuabin gió trục ngang hệ 2 lớp cánh ghép đồng trục
• 2.5. Công suất của một tuabin gió
• 2.6. Khí động học tuabin gió trục ngang
• 2.6.1. Các yếu tố lý thuyết của tuabin gió cánh đơn
• 2.6.2. Thuyết động lượng và hệ số công suất của rotor cho cánh tuabin đơn
• 2.6.3. Số Betz giới hạn
• 2.6.4. Các yếu tố lý thuyết của tuabin gió cánh kép (cánh thứ hai)
• 2.6.5. Các yếu tố lý thuyết của tuabin gió cánh kép
• 2.6.6. Các đồ thị biểu diễn điểm cực đại n theo các giá trị của x,y
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH
• 3.1. Cơ sở lý thuyết thiết kế cánh tuabin gió
• 3.2. Xây dựng cánh tuabin bằng phần mềm Siemens NX
• 3.2.1. Kích thước cánh
• 3.2.2. Dựng cách tuabin
• 3.2.3. Các bước dựng cánh
• 3.3. Chọn máy phát cho tuabin
• 3.4. Cấu tạo của máy phát điện xoay chiều
• 3.5. Chọn trục cho hệ thống tuabin
• 3.5.1. Cột tháp dạng khung giàn
• 3.5.2. Cột thép hình ống
• 3.5.3. Cột thép dạng dây nối đất
• 3.6. Tính toán và chọn tải tiêu thụ
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH
• 4.1. Kết quả thí nghiệm khoảng cách (k) giữa hai lớp cánh
• 4.1.1. Kết quả thí nghiệm trên mô hình máy phát điện gió cánh kép với k=4
• 4.1.2. Kết quả thí nghiệm trên mô hình máy phát điện gió cánh kép với k=5
• 4.1.3. Kết quả thí nghiệm trên mô hình máy phát điện gió cánh kép với k=6
• 4.1.4. Kết quả thí nghiệm trên mô hình máy phát điện gió cánh kép với k=7
• 4.1.5. Kết quả thí nghiệm trên mô hình máy phát điện gió cánh kép với k=8
• 4.2. Các thí nghiệm trên mô hình máy phát điện gió cánh kép với vận tốc gió thay đổi
• 4.2.1. Kết quả thí nghiệm trên mô hình máy phát điện gió cánh kép với vận tốc gió 5,5 m/s
• 4.2.2. Kết quả thí nghiệm trên mô hình máy phát điện gió cánh kép với vận tốc gió 6 m/s
• 4.2.3. Kết quả thí nghiệm trên mô hình máy phát điện gió cánh kép với vận tốc gió 6,5 m/s
• 4.2.4. Kết quả thí nghiệm trên mô hình máy phát điện gió cánh kép với vận tốc gió 7 m/s
• 4.2.5. Kết quả thí nghiệm trên mô hình máy phát điện gió cánh kép với vận tốc gió 8 m/s
• 4.2.6. Kết quả thí nghiệm trên mô hình máy phát điện gió cánh kép với vận tốc gió 9 m/s
• 4.2.7. Kết quả thí nghiệm trên mô hình máy phát điện gió cánh kép với vận tốc gió 9
• 4.3. Nhận xét hiệu suất tăng thực tế từ thí nghiệm mô hình phát điện gió cánh kép
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về mô hình phát điện gió

Mô hình phát điện gió là một phần quan trọng trong nghiên cứu và phát triển năng lượng tái tạo. Năng lượng gió được coi là một nguồn năng lượng dồi dào và kinh tế, có khả năng cung cấp điện năng cho nhiều khu vực. Việc xây dựng mô hình năng lượng tái tạo không chỉ giúp tối ưu hóa hiệu suất mà còn đóng góp vào việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Đề tài này tập trung vào việc phát triển một mô hình phát điện gió mới, sử dụng công nghệ tuabin gió cánh kép, nhằm nâng cao hiệu suất và khả năng hoạt động trong điều kiện gió thấp. Kết quả nghiên cứu cho thấy mô hình này có thể đạt hiệu suất cao hơn từ 1,3 đến 1,5 lần so với các mô hình cánh đơn. Điều này không chỉ mang lại lợi ích về mặt kinh tế mà còn góp phần vào việc phát triển bền vững trong ngành công nghiệp năng lượng.

1.1. Lịch sử phát triển của tuabin gió

Lịch sử phát triển của tuabin gió bắt đầu từ những năm 1970, với nhiều nghiên cứu và ứng dụng trong thực tiễn. Các thiết kế ban đầu chủ yếu tập trung vào việc sử dụng sức gió để quay các cối xay bột và bơm nước. Đến năm 1888, Charles F. Brush đã chế tạo chiếc máy phát điện gió đầu tiên, đánh dấu bước ngoặt trong việc ứng dụng công nghệ phát điện từ gió. Các nghiên cứu sau này đã chỉ ra rằng việc cải tiến thiết kế tuabin gió có thể nâng cao hiệu suất và khả năng hoạt động của hệ thống. Mô hình cánh kép được phát triển nhằm tối ưu hóa việc thu thập năng lượng gió, cho phép hoạt động hiệu quả hơn trong các điều kiện gió khác nhau.

II. Cơ sở lý thuyết và thiết kế mô hình

Cơ sở lý thuyết cho việc thiết kế mô hình phát điện gió bao gồm các nguyên lý khí động học và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của tuabin gió. Hiệu suất phát điện gió phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thiết kế cánh, tốc độ gió và cấu trúc của tuabin. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng tuabin gió cánh kép có thể cải thiện đáng kể hiệu suất so với các mô hình cánh đơn. Các thông số kỹ thuật như kích thước cánh, hình dạng và vật liệu cũng được xem xét kỹ lưỡng trong quá trình thiết kế. Việc áp dụng phần mềm mô phỏng như Siemens NX11 giúp tối ưu hóa thiết kế và dự đoán hiệu suất của mô hình trước khi thực hiện xây dựng thực tế.

2.1. Thiết kế cánh tuabin gió

Thiết kế cánh tuabin gió là một yếu tố quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất phát điện gió. Cánh tuabin được thiết kế với hình dạng và kích thước phù hợp để tối đa hóa khả năng thu thập năng lượng gió. Việc sử dụng công nghệ mô phỏng giúp xác định các thông số tối ưu cho cánh tuabin, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động. Các nghiên cứu cho thấy rằng cánh kép có khả năng hoạt động hiệu quả hơn trong các điều kiện gió khác nhau, đặc biệt là ở tốc độ gió thấp. Điều này không chỉ giúp tăng cường khả năng phát điện mà còn giảm thiểu chi phí vận hành và bảo trì cho hệ thống.

III. Kết quả thí nghiệm và đánh giá mô hình

Kết quả thí nghiệm cho thấy mô hình phát điện gió cánh kép có hiệu suất vượt trội so với các mô hình truyền thống. Các thí nghiệm được thực hiện với nhiều điều kiện gió khác nhau, từ đó thu thập dữ liệu về hiệu suất và khả năng hoạt động của mô hình. Đặc biệt, mô hình cánh kép cho thấy khả năng hoạt động ổn định hơn trong các điều kiện gió không đồng đều. Việc đánh giá mô hình dựa trên các tiêu chí như công suất phát điện, hiệu suất và độ bền của thiết bị. Kết quả cho thấy mô hình này không chỉ có khả năng phát điện hiệu quả mà còn có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp năng lượng tái tạo.

3.1. Đánh giá hiệu suất mô hình

Đánh giá hiệu suất của mô hình phát điện gió cánh kép cho thấy sự cải thiện rõ rệt so với các mô hình cánh đơn. Các số liệu thu thập từ thí nghiệm cho thấy rằng mô hình cánh kép có thể đạt hiệu suất cao hơn từ 1,3 đến 1,5 lần. Điều này chứng tỏ rằng việc áp dụng công nghệ mới trong thiết kế tuabin gió có thể mang lại lợi ích kinh tế và môi trường. Hơn nữa, mô hình này cũng cho thấy khả năng hoạt động tốt trong các điều kiện gió khác nhau, từ đó mở ra cơ hội phát triển cho các dự án năng lượng gió trong tương lai.

Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng gió là một nguồn năng lượng tái tạo dồi dào và kinh tế, đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp năng lượng hiện đại. Theo ước tính, công suất phát điện từ gió trên thế giới đã tăng trưởng nhanh chóng, với dự báo giá thành lắp đặt hệ thống phát điện gió sẽ giảm đáng kể đến năm 2020, từ khoảng 800 Euro/kW ở các nước phát triển xuống còn thấp hơn nhờ cải tiến công nghệ. Tuy nhiên, giá thành phát điện từ gió vẫn cao hơn so với các nguồn năng lượng truyền thống như than đá, khoảng 2,5 đến 3 lần, nhưng lại có lợi thế về môi trường và tính bền vững.

Vấn đề nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng mô hình phát điện gió hiệu suất cao, đặc biệt là mô hình tuabin gió cánh kép, nhằm nâng cao hiệu suất thu năng lượng gió và giảm chi phí phát điện. Mục tiêu cụ thể của luận văn là thiết kế, tính toán và xây dựng mô hình tuabin gió cánh kép sử dụng công nghệ hai lớp cánh ghép đồng trục quay ngược chiều nhau, từ đó so sánh hiệu suất với tuabin gió cánh đơn truyền thống.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào điều kiện vận hành tại Việt Nam, với các thí nghiệm được thực hiện trong phòng thí nghiệm hầm gió tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh trong năm 2017. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao hiệu suất phát điện gió từ 30-45% lên mức dự kiến cao hơn từ 1,3 đến 1,5 lần so với tuabin cánh đơn, đồng thời giảm tốc độ gió hoạt động tối thiểu, phù hợp với điều kiện gió thấp tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

• Lý thuyết Betz: Giới hạn hiệu suất tối đa của tuabin gió là 59,3%, tuy nhiên thực tế hiệu suất chỉ đạt khoảng 30-45%. Lý thuyết này được sử dụng để tính toán công suất tối đa có thể thu được từ năng lượng gió.

• Mô hình khí động học tuabin gió trục ngang: Phân tích sự thay đổi vận tốc và áp suất của dòng khí qua cánh tuabin, bao gồm các hệ số thu hẹp dòng chảy (x, y) và hệ số công suất (η) cho tuabin cánh đơn và cánh kép.

• Mô hình tuabin gió cánh kép: Sử dụng hai lớp cánh ghép đồng trục quay ngược chiều nhau, dựa trên công nghệ của Nga, nhằm triệt tiêu mô-men xoắn và tăng hiệu suất thu năng lượng. Mô hình này cho phép vận tốc gió hoạt động thấp hơn (khoảng 2,5-4 m/s so với 7-9 m/s của tuabin đơn) và hiệu suất tăng lên khoảng 37% so với tuabin đơn.

• Lý thuyết động lượng phân tố cánh: Phân tích lực nâng, lực cản và mô men quay trên từng phân tố cánh, sử dụng các hệ số lực nâng (CL), lực cản (CD), góc tấn (α), góc đặt cánh (β) và tỉ số đầu mút cánh (λ) để thiết kế cánh tuabin tối ưu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm tài liệu nghiên cứu trong và ngoài nước về phát điện gió, các mô hình tuabin gió hiện có, và dữ liệu thí nghiệm mô hình vật lý tại phòng lab.

Phương pháp nghiên cứu gồm:

• Xây dựng mô hình toán học dựa trên lý thuyết Betz và khí động học tuabin gió, sử dụng phần mềm Grapher để mô phỏng và phân tích các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất.

• Thiết kế và gia công mô hình vật lý tuabin gió cánh kép bằng phần mềm Siemens NX11 và công nghệ in 3D, với kích thước và cấu tạo cánh tuabin được tối ưu hóa.

• Thí nghiệm mô hình trong hầm gió phòng lab, thay đổi các thông số như khoảng cách giữa hai lớp cánh (k từ 4 đến 8) và vận tốc gió (5,5 m/s đến 9 m/s) để đo công suất phát điện và hiệu suất thực tế.

• Phân tích kết quả thí nghiệm so sánh với mô hình toán học và các nghiên cứu trước, nhằm đánh giá hiệu quả và tính khả thi của mô hình tuabin cánh kép.

Cỡ mẫu thí nghiệm là mô hình vật lý tuabin gió nhỏ, được lựa chọn để phù hợp với điều kiện phòng lab và khả năng gia công. Phương pháp chọn mẫu là mô hình thí nghiệm có thể điều chỉnh các thông số để khảo sát ảnh hưởng đến hiệu suất. Phương pháp phân tích sử dụng so sánh số liệu thực nghiệm với mô hình lý thuyết và các nghiên cứu tương tự.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu suất tuabin cánh kép vượt trội so với cánh đơn: Kết quả thí nghiệm cho thấy hiệu suất của tuabin cánh kép đạt khoảng 0,8093, cao hơn 37% so với hiệu suất tối đa của tuabin cánh đơn (0,59). Điều này được minh chứng qua các đồ thị so sánh công suất phát điện giữa hai loại tuabin, với công suất tuabin cánh kép tăng từ 1,3 đến 1,5 lần.

2. Ảnh hưởng của khoảng cách giữa hai lớp cánh (k): Thí nghiệm với các giá trị k từ 4 đến 8 cho thấy công suất cực đại đạt được khi k = 6, với công suất phát điện cao hơn đáng kể so với các giá trị khác. Khoảng cách này tối ưu hóa sự tương tác khí động học giữa hai lớp cánh, giúp triệt tiêu mô-men xoắn và tăng hiệu suất.

3. Tốc độ gió hoạt động thấp hơn: Tuabin cánh kép có thể hoạt động hiệu quả ở vận tốc gió thấp từ 2,5 đến 4 m/s, trong khi tuabin cánh đơn cần vận tốc gió từ 7 đến 9 m/s để đạt công suất tương đương. Điều này phù hợp với điều kiện gió tại nhiều vùng ở Việt Nam, giúp mở rộng phạm vi ứng dụng.

4. Giá thành và chi phí đầu tư: Mặc dù chi phí sản xuất tuabin cánh kép tăng khoảng 15% do thêm lớp cánh thứ hai, nhưng hiệu suất tăng giúp giảm thời gian hoàn vốn và chi phí phát điện tổng thể. Hộp số và cấu tạo cơ khí phức tạp hơn nhưng vẫn đảm bảo độ bền và ổn định vận hành.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu suất tăng là do mô hình tuabin cánh kép tận dụng được nhiều năng lượng gió hơn tại cùng một điểm, đồng thời triệt tiêu mô-men xoắn gây lãng phí trong tuabin cánh đơn. Việc quay ngược chiều của hai lớp cánh giúp cân bằng lực và giảm rung động cơ học.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với công nghệ của Nga và Hàn Quốc, nơi đã phát triển tuabin hai lớp cánh với hiệu suất cải thiện tương tự. Kết quả cũng vượt trội hơn các mô hình tuabin cánh đơn truyền thống được nghiên cứu trong nước.

Ý nghĩa của kết quả là mở ra hướng phát triển mới cho ngành năng lượng gió tại Việt Nam, giúp tận dụng nguồn gió phong phú nhưng có vận tốc thấp, đồng thời giảm chi phí phát điện và tăng tính cạnh tranh so với các nguồn năng lượng khác.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh công suất phát điện theo vận tốc gió và khoảng cách k, bảng thống kê hiệu suất và chi phí đầu tư, giúp minh họa rõ ràng sự ưu việt của mô hình tuabin cánh kép.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển sản xuất tuabin gió cánh kép quy mô lớn: Đẩy mạnh nghiên cứu và đầu tư sản xuất tuabin cánh kép với kích thước công nghiệp, nhằm tận dụng hiệu suất cao và giảm chi phí phát điện. Thời gian thực hiện dự kiến 3-5 năm, chủ thể là các doanh nghiệp và viện nghiên cứu trong ngành năng lượng.

2. Ứng dụng công nghệ in 3D và gia công chính xác: Nâng cao chất lượng cánh tuabin bằng công nghệ in 3D tiên tiến và vật liệu composite nhẹ bền, giúp giảm trọng lượng và tăng độ bền cơ học. Thời gian triển khai 1-2 năm, chủ thể là các trung tâm công nghệ và nhà sản xuất thiết bị.

3. Xây dựng hệ thống thí nghiệm và mô phỏng chuyên sâu: Mở rộng quy mô phòng thí nghiệm hầm gió và phát triển phần mềm mô phỏng khí động học để tối ưu thiết kế tuabin, giảm thiểu sai số và tăng độ chính xác. Thời gian 2-3 năm, chủ thể là các trường đại học và viện nghiên cứu.

4. Chính sách hỗ trợ và khuyến khích đầu tư năng lượng tái tạo: Đề xuất các chính sách ưu đãi thuế, hỗ trợ tài chính cho các dự án phát triển tuabin gió cánh kép, thúc đẩy phát triển năng lượng sạch tại Việt Nam. Chủ thể là các cơ quan quản lý nhà nước, thời gian thực hiện liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện, năng lượng tái tạo: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và mô hình thực nghiệm chi tiết về tuabin gió cánh kép, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển công nghệ mới.

2. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị năng lượng gió: Tham khảo để cải tiến thiết kế tuabin, nâng cao hiệu suất sản phẩm và giảm chi phí sản xuất.

3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Cung cấp dữ liệu và phân tích khoa học để xây dựng chính sách phát triển năng lượng tái tạo hiệu quả.

4. Các tổ chức đầu tư và phát triển dự án năng lượng sạch: Đánh giá tiềm năng và hiệu quả kinh tế của công nghệ tuabin gió cánh kép trong các dự án phát điện gió.

Câu hỏi thường gặp

1. Tuabin gió cánh kép khác gì so với tuabin cánh đơn?
   Tuabin cánh kép sử dụng hai lớp cánh quay ngược chiều nhau, giúp thu nhiều năng lượng gió hơn, triệt tiêu mô-men xoắn và hoạt động hiệu quả ở vận tốc gió thấp hơn so với tuabin cánh đơn.

2. Hiệu suất của tuabin cánh kép đạt được bao nhiêu?
   Theo kết quả nghiên cứu, hiệu suất tuabin cánh kép đạt khoảng 80,9%, cao hơn 37% so với hiệu suất tối đa của tuabin cánh đơn (59%).

3. Khoảng cách tối ưu giữa hai lớp cánh là bao nhiêu?
   Thí nghiệm cho thấy khoảng cách k = 6 (đơn vị chiều dài cánh) là tối ưu, giúp đạt công suất phát điện cực đại và hiệu suất cao nhất.

4. Chi phí đầu tư cho tuabin cánh kép có cao hơn không?
   Chi phí sản xuất tăng khoảng 15% do thêm lớp cánh thứ hai, nhưng hiệu suất tăng giúp giảm thời gian hoàn vốn và chi phí phát điện tổng thể.

5. Tuabin cánh kép có phù hợp với điều kiện gió tại Việt Nam?
   Có, tuabin cánh kép hoạt động hiệu quả ở vận tốc gió thấp từ 2,5 đến 4 m/s, phù hợp với nhiều vùng có điều kiện gió yếu tại Việt Nam.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học và mô hình vật lý tuabin gió cánh kép, chứng minh hiệu suất vượt trội so với tuabin cánh đơn.
• Hiệu suất tuabin cánh kép đạt khoảng 80,9%, tăng 37% so với tuabin đơn, với công suất phát điện tăng từ 1,3 đến 1,5 lần.
• Khoảng cách giữa hai lớp cánh tối ưu là k = 6, giúp triệt tiêu mô-men xoắn và tăng hiệu suất thu năng lượng gió.
• Mô hình tuabin cánh kép hoạt động hiệu quả ở vận tốc gió thấp, phù hợp với điều kiện gió tại Việt Nam, mở rộng phạm vi ứng dụng.
• Đề xuất phát triển sản xuất quy mô lớn, ứng dụng công nghệ gia công hiện đại và chính sách hỗ trợ để thúc đẩy phát triển năng lượng gió bền vững.

Tiếp theo, cần triển khai nghiên cứu mở rộng quy mô mô hình, hoàn thiện thiết kế và thử nghiệm thực tế ngoài trời để đánh giá hiệu quả vận hành trong điều kiện thực tế. Mời các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm hợp tác phát triển công nghệ tuabin gió cánh kép nhằm góp phần phát triển năng lượng tái tạo tại Việt Nam.