Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng gió là nguồn năng lượng sạch, có khả năng tái sinh và đang được quan tâm phát triển mạnh mẽ trên thế giới. Theo thống kê, đến năm 2007, tổng công suất điện gió toàn cầu đạt khoảng 20.073 MW, trong đó Mỹ chiếm 5.244 MW, Tây Ban Nha 3.522 MW, Trung Quốc 3.449 MW và Ấn Độ 1.730 MW. Ở Việt Nam, với đường bờ biển dài hơn 3.000 km và khí hậu nhiệt đới gió mùa, tiềm năng năng lượng gió được đánh giá khá lớn, đặc biệt tại các vùng duyên hải Nam Trung Bộ, Tây Nguyên và Bắc Bộ với vận tốc gió trung bình từ 4 đến 8 m/s ở độ cao 65-80 m. Tuy nhiên, vận tốc gió trong các khu vực đô thị lớn thường thấp hơn 6 m/s, gây khó khăn cho việc ứng dụng các tuabin gió công suất lớn.

Vấn đề nghiên cứu tập trung vào phát triển máy phát điện gió trục đứng công suất nhỏ có khả năng hoạt động hiệu quả ở vận tốc gió thấp (< 6 m/s), phù hợp với điều kiện gió tại các khu vực đô thị và vùng sâu vùng xa chưa có điện lưới. Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là thiết kế, chế tạo và thử nghiệm máy phát điện gió trục đứng công suất nhỏ với cơ cấu tự điều chỉnh cánh theo hướng gió, nhằm tối ưu hóa hiệu suất thu năng lượng gió và giảm chi phí sản xuất, bảo dưỡng.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế tuabin gió công suất nhỏ dưới 100 W, sử dụng biên dạng cánh NACA, với cơ cấu điều chỉnh cánh tự động dựa trên nguyên lý cam lệch tâm. Thời gian nghiên cứu thực hiện trong giai đoạn đến năm 2016 tại thành phố Hồ Chí Minh và một số địa phương có điều kiện gió tương tự. Ý nghĩa nghiên cứu góp phần phát triển nguồn năng lượng tái tạo, giảm áp lực lên lưới điện quốc gia, đồng thời hỗ trợ phát triển kinh tế vùng sâu vùng xa và đô thị với nguồn điện sạch, giá thành hợp lý.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Định luật Betz về công suất gió: Giới hạn hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió thành cơ năng của tuabin là khoảng 59,3%, do đó hiệu suất thực tế của tuabin thường đạt từ 30-45%. Công suất gió được tính theo công thức:

$$ P_w = \frac{1}{2} \rho A v^3 $$

với $\rho$ là mật độ không khí, $A$ diện tích quét của cánh, và $v$ vận tốc gió.

  • Tỉ số tốc độ gió đầu cánh (TSR - Tip Speed Ratio): Tỉ số giữa tốc độ vòng quay đầu cánh và vận tốc gió, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất tuabin. TSR tối ưu thường nằm trong khoảng 2-5 tùy loại tuabin.

  • Động lực học cánh tuabin gió trục đứng (VAWT): Phân tích lực nâng và lực cản trên cánh dựa trên biên dạng cánh NACA, với các hệ số khí động học Cl (lực nâng) và Cd (lực cản) phụ thuộc vào góc tấn công và vận tốc gió.

  • Nguyên lý điều chỉnh cánh theo hướng gió bằng cam lệch tâm: Cơ cấu tự điều chỉnh cánh dựa trên sự lệch tâm giữa trục mang chong chóng gió và trục quay tuabin, giúp cánh luôn hướng vuông góc với hướng gió, tối ưu hóa lực đẩy và mômen quay.

  • Khí động lực học của đuôi lái (chong chóng gió): Đuôi lái có vai trò giữ hướng tuabin theo hướng gió, với các thông số hình học và momen quán tính ảnh hưởng đến khả năng điều chỉnh và ổn định của tuabin.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu từ các trạm khí tượng thủy văn tại Việt Nam, bản đồ tiềm năng gió quốc gia, tài liệu khoa học trong và ngoài nước về tuabin gió trục đứng và các cơ cấu điều chỉnh cánh.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phương pháp tính toán lý thuyết dựa trên các công thức khí động học, mô phỏng hướng gió và lực tác động lên cánh tuabin với các giá trị lệch tâm khác nhau (45, 50, 55, 60 mm). Phân tích hiệu suất và lực động học để xác định thông số tối ưu.

  • Thiết kế và chế tạo: Thiết kế cơ cấu tự điều chỉnh cánh theo nguyên lý cam lệch tâm với độ lệch tâm 50 mm được chọn làm tiêu chuẩn. Chế tạo các bộ phận cánh, tay gân, cơ cấu điều chỉnh và lắp ráp hoàn chỉnh máy phát điện gió trục đứng công suất nhỏ.

  • Thử nghiệm thực nghiệm: Thực hiện các thí nghiệm tại phòng thử gió nhân tạo và ngoài thực tế để đánh giá khả năng hoạt động của tuabin ở các vận tốc gió 2,5 m/s, 3,0 m/s và 3,5 m/s. Đo tốc độ quay, công suất phát điện và hiệu suất hoạt động.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu và thiết kế trong 6 tháng đầu, chế tạo và lắp ráp trong 3 tháng tiếp theo, thử nghiệm và đánh giá trong 3 tháng cuối năm 2016.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả cơ cấu tự điều chỉnh cánh theo cam lệch tâm: Thí nghiệm với các độ lệch tâm 45, 50, 55, 60 mm cho thấy độ lệch tâm 50 mm là tối ưu, giúp tuabin gió trục đứng công suất nhỏ có thể hoạt động ổn định ở vận tốc gió thấp khoảng 2,5 m/s. Tốc độ quay tuabin đạt khoảng 150-200 vòng/phút ở vận tốc gió 3 m/s, cao hơn 15-20% so với các cơ cấu khác.

  2. Hiệu suất thu năng lượng gió: Máy phát điện gió trục đứng với biên dạng cánh NACA và cơ cấu tự điều chỉnh cánh đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió thành điện năng khoảng 35-40% ở vận tốc gió 3-3,5 m/s, vượt trội so với các tuabin trục đứng không điều chỉnh cánh (hiệu suất khoảng 25-30%).

  3. Khả năng vận hành trong điều kiện gió không ổn định: Máy có thể hoạt động tốt trong môi trường gió có hướng thay đổi liên tục, nhờ cơ cấu điều chỉnh cánh tự động giúp cánh luôn hướng vuông góc với hướng gió, giảm thiểu tổn thất năng lượng do góc gió lệch.

  4. Chi phí và tính ứng dụng: Máy phát điện gió công suất nhỏ được chế tạo từ các vật liệu sẵn có tại Việt Nam, có giá thành thấp, dễ lắp đặt và bảo dưỡng. Thí nghiệm thực tế cho thấy máy phù hợp với các khu vực đô thị, vùng ven biển và vùng sâu vùng xa có vận tốc gió trung bình từ 2,5 đến 6 m/s.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu khẳng định rằng việc áp dụng cơ cấu tự điều chỉnh cánh theo nguyên lý cam lệch tâm là giải pháp hiệu quả để nâng cao hiệu suất và khả năng hoạt động của tuabin gió trục đứng công suất nhỏ trong điều kiện gió yếu và không ổn định. So với các giải pháp điều chỉnh cánh khác như đòn bẩy lò xo hay động cơ servo, cơ cấu cam lệch tâm có ưu điểm về độ bền, chi phí thấp và khả năng tự khởi động nhờ sức gió.

Phân tích động lực học cánh cho thấy việc duy trì góc cánh α ổn định và phù hợp với hướng gió giúp tăng lực nâng Fl và giảm lực cản Fd, từ đó tăng lực đẩy FT và mômen quay tuabin. Việc điều chỉnh cánh tự động giúp giữ TSR ở mức tối ưu, đảm bảo hiệu suất cao nhất trong dải vận tốc gió thấp.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả này bổ sung thêm giải pháp thiết kế tuabin gió công suất nhỏ phù hợp với điều kiện khí hậu và kinh tế Việt Nam, đặc biệt là các khu vực đô thị có vận tốc gió thấp. Dữ liệu thử nghiệm có thể được trình bày qua biểu đồ tốc độ quay tuabin theo vận tốc gió và bảng so sánh hiệu suất giữa các cơ cấu điều chỉnh cánh.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển sản phẩm tuabin gió công suất nhỏ với cơ cấu cam lệch tâm: Khuyến khích các doanh nghiệp và cơ sở sản xuất trong nước đầu tư nghiên cứu, hoàn thiện và sản xuất đại trà máy phát điện gió trục đứng công suất nhỏ sử dụng cơ cấu tự điều chỉnh cánh theo cam lệch tâm, nhằm đáp ứng nhu cầu điện sạch cho vùng sâu vùng xa và đô thị. Thời gian thực hiện trong 2-3 năm.

  2. Xây dựng hệ thống thử nghiệm và đánh giá hiệu suất tuabin gió: Thiết lập các phòng thí nghiệm và khu thử nghiệm ngoài trời để kiểm tra, đánh giá hiệu suất và độ bền của các mẫu tuabin gió công suất nhỏ, đảm bảo chất lượng sản phẩm trước khi đưa ra thị trường. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và trường đại học kỹ thuật.

  3. Chính sách hỗ trợ phát triển năng lượng gió công suất nhỏ: Đề xuất các chính sách ưu đãi về thuế, hỗ trợ tài chính và khuyến khích đầu tư cho các dự án phát triển và ứng dụng máy phát điện gió công suất nhỏ, đặc biệt tại các vùng chưa có điện lưới quốc gia. Thời gian áp dụng trong 5 năm tới.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo, tập huấn về thiết kế, chế tạo, lắp đặt và bảo dưỡng tuabin gió công suất nhỏ cho kỹ sư, kỹ thuật viên và người dân địa phương nhằm đảm bảo vận hành hiệu quả và bền vững. Chủ thể thực hiện là các trường đại học và trung tâm đào tạo nghề.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí, năng lượng tái tạo: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết, phương pháp thiết kế và thử nghiệm tuabin gió trục đứng công suất nhỏ, giúp nâng cao kiến thức và phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

  2. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị năng lượng tái tạo: Thông tin về cơ cấu tự điều chỉnh cánh và thiết kế tuabin gió công suất nhỏ giúp doanh nghiệp phát triển sản phẩm phù hợp với thị trường trong nước và khu vực.

  3. Chính quyền địa phương và nhà hoạch định chính sách năng lượng: Cung cấp dữ liệu và giải pháp kỹ thuật để xây dựng các chương trình phát triển năng lượng sạch, đặc biệt cho vùng sâu vùng xa và đô thị có điều kiện gió yếu.

  4. Người dân và cộng đồng vùng sâu vùng xa, đảo nhỏ: Giúp hiểu rõ về công nghệ tuabin gió công suất nhỏ, khả năng tự chủ nguồn điện sạch, giảm chi phí và cải thiện chất lượng cuộc sống.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy phát điện gió trục đứng công suất nhỏ có thể hoạt động ở vận tốc gió thấp bao nhiêu?
    Máy có thể hoạt động hiệu quả ở vận tốc gió từ khoảng 2,5 m/s trở lên nhờ cơ cấu tự điều chỉnh cánh theo cam lệch tâm, giúp cánh luôn hướng vuông góc với hướng gió, tối ưu hóa lực đẩy.

  2. Cơ cấu tự điều chỉnh cánh theo cam lệch tâm hoạt động như thế nào?
    Cơ cấu này dựa trên sự lệch tâm giữa trục mang chong chóng gió và trục quay tuabin, khi gió thay đổi hướng, trục mang chong chóng quay làm thay đổi góc cánh tự động, giúp cánh đón gió hiệu quả hơn mà không cần động cơ điều khiển.

  3. Hiệu suất của tuabin gió trục đứng công suất nhỏ đạt được là bao nhiêu?
    Hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió thành điện năng đạt khoảng 35-40% ở vận tốc gió 3-3,5 m/s, cao hơn so với các tuabin không có cơ cấu điều chỉnh cánh (khoảng 25-30%).

  4. Máy có dễ dàng lắp đặt và bảo dưỡng không?
    Với kết cấu đơn giản, vật liệu sẵn có và cơ cấu điều chỉnh cánh cơ khí, máy dễ dàng lắp đặt, vận hành và bảo dưỡng, phù hợp với điều kiện kinh tế và kỹ thuật tại Việt Nam.

  5. Ứng dụng thực tế của máy phát điện gió công suất nhỏ này ở đâu?
    Máy phù hợp cho các khu vực đô thị có vận tốc gió thấp, vùng ven biển, vùng sâu vùng xa chưa có điện lưới, đảo nhỏ và các hộ gia đình cần nguồn điện sạch, ổn định với chi phí hợp lý.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công máy phát điện gió trục đứng công suất nhỏ với cơ cấu tự điều chỉnh cánh theo cam lệch tâm, hoạt động hiệu quả ở vận tốc gió thấp từ 2,5 m/s.
  • Cơ cấu cam lệch tâm giúp cánh tuabin luôn hướng vuông góc với hướng gió, tối ưu hóa lực đẩy và mômen quay, nâng cao hiệu suất phát điện lên 35-40%.
  • Máy có kết cấu đơn giản, giá thành thấp, dễ lắp đặt và bảo dưỡng, phù hợp với điều kiện khí hậu và kinh tế Việt Nam.
  • Kết quả thử nghiệm thực tế chứng minh khả năng vận hành ổn định trong điều kiện gió không ổn định và vận tốc gió thấp.
  • Đề xuất phát triển sản phẩm, xây dựng chính sách hỗ trợ và đào tạo kỹ thuật để thúc đẩy ứng dụng rộng rãi máy phát điện gió công suất nhỏ trong tương lai gần.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các tổ chức nghiên cứu, doanh nghiệp và chính quyền địa phương phối hợp triển khai sản xuất, thử nghiệm quy mô lớn và ứng dụng thực tế nhằm góp phần phát triển nguồn năng lượng tái tạo bền vững tại Việt Nam.