Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng, có tiềm năng lớn tại Việt Nam với tổng tiềm năng kỹ thuật điện gió trên bờ khoảng 217 GW và ngoài khơi khoảng 600 GW. Tuy nhiên, hiện nay Việt Nam mới chỉ khai thác khoảng 32,5% tiềm năng điện gió trên bờ, chủ yếu tập trung vào các tuabin công suất lớn nhập khẩu. Trong bối cảnh đó, nghiên cứu và phát triển tuabin gió cỡ nhỏ, đặc biệt là tuabin gió hai tầng cánh đồng trục quay độc lập, có vai trò quan trọng nhằm đáp ứng nhu cầu điện năng cho hộ gia đình, trang trại và các vùng sâu vùng xa khó tiếp cận lưới điện.

Luận văn thạc sĩ này tập trung vào tính toán khí động và đánh giá hiệu quả của tuabin gió hai tầng cánh đồng trục quay độc lập công suất dưới 4 kW, với tốc độ gió định mức 8 m/s, dựa trên sáng chế mới. Mục tiêu nghiên cứu bao gồm tổng hợp lý thuyết tính toán, thực nghiệm hầm gió để khẳng định hiệu quả so với tuabin một tầng cánh, xây dựng mô hình tính toán số chuẩn trên phần mềm TTS-DLHCL và đề xuất hướng phát triển tiếp theo. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 5/2022 đến tháng 6/2023 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh và Viện Phát triển Năng lượng Bền vững.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao hiệu suất thu năng lượng gió, đặc biệt ở vùng gió tốc độ thấp (<7 m/s), nơi mà tuabin hai tầng cánh có thể tạo ra công suất gấp đôi so với tuabin một tầng cánh, góp phần thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo và giảm phát thải khí nhà kính theo cam kết quốc gia.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Thuyết động lượng một chiều (động lượng tuyến tính): Xem rotor tuabin như một đĩa truyền động, dòng gió đi qua là dòng một chiều không nhớt, không xoáy, giúp tính toán công suất và hệ số công suất tối đa (Betz limit 0,593).

  • Phương pháp động lượng phân tố cánh (PP-DLPTC): Chia đĩa rotor thành các phân tố nhỏ để phân tích lực nâng, lực cản và vận tốc tương đối tại từng vị trí bán kính, từ đó tính toán hiệu suất tuabin chính xác hơn.

  • Mô hình tuabin gió hai tầng cánh đồng trục quay độc lập: Nghiên cứu các phương pháp tính toán công suất và hiệu suất của tuabin hai tầng cánh dựa trên các nghiên cứu của Newman, Chantharasenawong, Sundararaju và Yin, trong đó có sự điều chỉnh các hệ số cảm ứng dọc trục, tỉ lệ diện tích ống dòng và tương tác giữa hai tầng cánh.

  • Mô hình tính toán số TTS-DLHCL: Sử dụng phương pháp mô phỏng động lực học chất lưu tính toán (CFD) với mô hình rối k-𝜔VCUSC và kỹ thuật lưới cắt (sliding mesh) để mô phỏng trường vận tốc, áp suất và lực tác động lên tuabin hai tầng cánh.

Các khái niệm chính bao gồm: hệ số công suất (𝐶_p), hệ số cảm ứng dọc trục (a, b, c, d, e), tỉ lệ diện tích ống dòng (𝛼_s), lực nâng (Cl), lực cản (Cd), góc tấn (α), góc nghiêng cánh (θ_p).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Tổng hợp tài liệu nghiên cứu trong và ngoài nước, số liệu thực nghiệm từ hầm gió, dữ liệu mô phỏng CFD trên phần mềm Ansys Fluent.

  • Phương pháp phân tích:

    • Lý thuyết: Xây dựng công thức tính toán công suất và hiệu suất tuabin hai tầng cánh dựa trên thuyết động lượng và phương pháp động lượng phân tố cánh.
    • Thực nghiệm: Chế tạo mô hình tuabin hai tầng cánh công suất 1 kW, thực hiện thử nghiệm trong hầm gió với tốc độ gió từ 3 m/s đến 7 m/s để đo công suất và hệ số công suất.
    • Mô phỏng số: Xây dựng mô hình CFD chuẩn với kỹ thuật lưới cắt, mô hình rối k-𝜔VCUSC, khảo sát ảnh hưởng của các tham số cấu hình và so sánh kết quả với thực nghiệm.

  • Timeline nghiên cứu:

    • Giai đoạn 1 (5/2022 - 8/2022): Tổng hợp tài liệu, nghiên cứu lý thuyết.
    • Giai đoạn 2 (9/2022 - 12/2022): Chuẩn bị vật tư, chế tạo mô hình thực nghiệm, tiến hành thử nghiệm hầm gió.
    • Giai đoạn 3 (1/2023 - 4/2023): Xây dựng mô hình tính toán số, mô phỏng CFD.
    • Giai đoạn 4 (5/2023 - 6/2023): Xử lý số liệu, viết báo cáo và hoàn thiện luận văn.

  • Cỡ mẫu: Mô hình tuabin thực nghiệm công suất 1 kW, thử nghiệm trong hầm gió với nhiều tốc độ gió khác nhau (3-7 m/s).

  • Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn tốc độ gió phù hợp với vùng gió thấp tại Việt Nam, tập trung vào phạm vi mà tuabin hai tầng cánh có ưu thế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu suất tuabin hai tầng cánh vượt trội ở tốc độ gió thấp:
    Thực nghiệm hầm gió cho thấy tại tốc độ gió dưới 6 m/s, tuabin hai tầng cánh tạo ra công suất lớn hơn 2,5 lần so với tuabin một tầng cánh, với hệ số công suất (𝐶_p) lớn hơn 0,4. Đây là mức hiệu suất cao hơn đáng kể so với tuabin một tầng cánh truyền thống.

  2. Mô hình tính toán số TTS-DLHCL cho kết quả chấp nhận được:
    Mô phỏng CFD với kỹ thuật lưới cắt và mô hình rối k-𝜔VCUSC cho công suất cơ học của tuabin lớn hơn thực tế dưới 10% trong dãy tốc độ gió tương ứng với thực nghiệm, thể hiện độ chính xác và khả năng ứng dụng của mô hình.

  3. Ảnh hưởng của tỉ lệ diện tích ống dòng và khoảng cách giữa hai tầng cánh:
    Nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng cho thấy tỉ lệ diện tích ống dòng (𝛼_s) và khoảng cách giữa hai tầng cánh ảnh hưởng lớn đến hiệu suất tổng thể của tuabin, đòi hỏi thiết kế chính xác để tối ưu hóa công suất.

  4. Biến đổi lực tác động theo chu kỳ trên hai tầng cánh:
    Lực dọc trục và lực tiếp tuyến tác động lên tầng cánh sau có dao động lớn hơn tầng cánh trước, tạo ra tải trọng mỏi cao hơn, yêu cầu thiết kế vật liệu và kết cấu phù hợp để đảm bảo độ bền.

Thảo luận kết quả

Kết quả thực nghiệm và mô phỏng khẳng định ưu thế của tuabin hai tầng cánh đồng trục quay độc lập trong việc khai thác năng lượng gió ở vùng gió thấp, phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam. Việc công suất tuabin hai tầng cánh vượt trội hơn 2,5 lần so với tuabin một tầng cánh ở tốc độ gió dưới 6 m/s là một phát hiện quan trọng, mở ra cơ hội ứng dụng rộng rãi cho các khu vực có tiềm năng gió thấp.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, hệ số công suất tối đa của tuabin hai tầng cánh đạt khoảng 0,64 (theo Newman) đến 0,81 (theo Chantharasenawong và Sundararaju), trong khi thực nghiệm và mô phỏng của luận văn cho kết quả thực tế gần với giới hạn này, chứng tỏ tính khả thi của mô hình và phương pháp nghiên cứu.

Biểu đồ so sánh công suất và hệ số công suất giữa tuabin hai tầng cánh và một tầng cánh theo tốc độ gió có thể minh họa rõ ràng sự vượt trội của tuabin hai tầng cánh, đồng thời biểu đồ lực tác động theo chu kỳ giúp nhận diện các vùng tải trọng cao cần chú ý trong thiết kế.

Tuy nhiên, dao động lực lớn ở tầng cánh sau cũng đặt ra thách thức về độ bền vật liệu và tuổi thọ tuabin, cần nghiên cứu thêm về vật liệu và kết cấu chịu mỏi.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển thiết kế tuabin hai tầng cánh tối ưu hóa tỉ lệ diện tích ống dòng và khoảng cách giữa hai tầng cánh:
    Thực hiện nghiên cứu chi tiết để xác định các thông số thiết kế tối ưu nhằm nâng cao hiệu suất và giảm tải trọng mỏi, áp dụng trong vòng 1-2 năm, do các nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất tuabin thực hiện.

  2. Mở rộng thử nghiệm thực tế ngoài trời với các mô hình tuabin hai tầng cánh công suất nhỏ:
    Triển khai lắp đặt thử nghiệm tại các vùng có tốc độ gió trung bình thấp (<7 m/s) để đánh giá hiệu quả vận hành thực tế, tiến hành trong 1 năm, do viện nghiên cứu và các trường đại học phối hợp thực hiện.

  3. Nâng cao mô hình mô phỏng CFD với các mô hình rối tiên tiến và tính toán tải trọng mỏi:
    Áp dụng các mô hình LES hoặc DES để mô phỏng chính xác hơn các dao động lực tác động, phục vụ thiết kế vật liệu và kết cấu, thực hiện trong 1-2 năm, do các nhóm nghiên cứu chuyên sâu về CFD đảm nhiệm.

  4. Phát triển sản phẩm tuabin hai tầng cánh công suất nhỏ phù hợp với nhu cầu hộ gia đình và trang trại:
    Tập trung vào thiết kế đơn giản, chi phí thấp, dễ lắp đặt và bảo trì, nhằm thúc đẩy ứng dụng rộng rãi tại các vùng sâu vùng xa, triển khai trong 2-3 năm, do doanh nghiệp và viện nghiên cứu phối hợp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật nhiệt, cơ khí và năng lượng tái tạo:
    Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết, phương pháp tính toán và mô phỏng chi tiết về tuabin gió hai tầng cánh, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển các công trình tương tự.

  2. Doanh nghiệp sản xuất và phát triển tuabin gió công suất nhỏ:
    Tham khảo để thiết kế, chế tạo và tối ưu hóa sản phẩm tuabin gió hai tầng cánh phù hợp với điều kiện khí hậu và nhu cầu thị trường Việt Nam.

  3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng:
    Cung cấp dữ liệu và phân tích về hiệu quả tuabin gió hai tầng cánh, hỗ trợ xây dựng các chính sách phát triển năng lượng tái tạo, đặc biệt cho vùng nông thôn và vùng sâu vùng xa.

  4. Các tổ chức và dự án phát triển năng lượng bền vững:
    Sử dụng kết quả nghiên cứu để triển khai các dự án năng lượng gió quy mô nhỏ, góp phần giảm phát thải và nâng cao chất lượng cuộc sống tại các khu vực khó tiếp cận điện lưới.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tuabin gió hai tầng cánh đồng trục quay độc lập là gì?
    Đây là loại tuabin gió có hai tầng cánh gắn trên cùng một trục nhưng quay ngược chiều nhau độc lập, giúp tăng tốc độ quay từ trường và nâng cao hiệu suất thu năng lượng gió.

  2. Hiệu suất của tuabin hai tầng cánh so với một tầng cánh như thế nào?
    Thực nghiệm cho thấy ở tốc độ gió dưới 6 m/s, tuabin hai tầng cánh tạo ra công suất lớn hơn 2,5 lần và hệ số công suất trên 0,4, vượt trội so với tuabin một tầng cánh truyền thống.

  3. Phương pháp mô phỏng CFD nào được sử dụng trong nghiên cứu?
    Nghiên cứu sử dụng mô hình rối k-𝜔VCUSC kết hợp kỹ thuật lưới cắt (sliding mesh) trên phần mềm Ansys Fluent để mô phỏng trường vận tốc, áp suất và lực tác động lên tuabin.

  4. Tại sao tải trọng mỏi ở tầng cánh sau lại lớn hơn?
    Do tầng cánh sau chịu dao động lực dọc trục và lực tiếp tuyến theo chu kỳ lớn hơn tầng cánh trước, gây ra tải trọng mỏi cao hơn, đòi hỏi thiết kế vật liệu và kết cấu phù hợp.

  5. Ứng dụng thực tế của tuabin hai tầng cánh công suất nhỏ là gì?
    Phù hợp cho hộ gia đình, trang trại, vùng sâu vùng xa khó tiếp cận lưới điện, giúp cung cấp điện năng bền vững, giảm chi phí và góp phần bảo vệ môi trường.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình lý thuyết và mô hình tính toán số chuẩn cho tuabin gió hai tầng cánh đồng trục quay độc lập, phù hợp với nhiều cấu hình và điều kiện vận hành.
  • Thực nghiệm hầm gió chứng minh tuabin hai tầng cánh có hiệu suất vượt trội, đặc biệt ở vùng gió tốc độ thấp, với công suất gấp hơn 2,5 lần so với tuabin một tầng cánh.
  • Mô phỏng CFD cho kết quả công suất cơ học gần với thực tế, sai số dưới 10%, khẳng định tính khả thi của phương pháp mô phỏng.
  • Nghiên cứu chỉ ra sự biến đổi lực tác động theo chu kỳ trên hai tầng cánh, đặt ra yêu cầu thiết kế vật liệu và kết cấu chịu mỏi.
  • Đề xuất các hướng phát triển tiếp theo bao gồm tối ưu thiết kế, mở rộng thử nghiệm thực tế, nâng cao mô hình mô phỏng và phát triển sản phẩm ứng dụng.

Next steps: Triển khai nghiên cứu thiết kế tối ưu, thử nghiệm ngoài trời và phát triển sản phẩm thương mại trong vòng 1-3 năm tới.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý năng lượng được khuyến khích hợp tác để ứng dụng và phát triển công nghệ tuabin gió hai tầng cánh nhằm thúc đẩy năng lượng tái tạo tại Việt Nam.