Tổng quan nghiên cứu

Chi phí điện năng cho hệ thống đèn chiếu sáng công cộng hiện nay đang là gánh nặng lớn đối với ngân sách các địa phương tại Việt Nam. Theo ước tính, việc sử dụng điện lưới quốc gia cho chiếu sáng công cộng chiếm tỷ trọng đáng kể trong tổng chi phí vận hành hạ tầng đô thị. Trong bối cảnh đó, việc tìm kiếm các giải pháp năng lượng tái tạo nhằm giảm tải cho hệ thống điện quốc gia và tiết kiệm chi phí là rất cấp thiết. Nghiên cứu phát triển trụ đèn chiếu sáng công cộng sử dụng tuabin gió kiểu Quiet – Revolution/GB (Gorlov) được thực hiện nhằm mục tiêu thiết kế, chế tạo và khảo nghiệm một hệ thống trụ đèn chiếu sáng sử dụng nguồn điện gió công suất nhỏ, phù hợp với điều kiện gió tại Việt Nam.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế tuabin gió trục đứng cánh xoắn công suất khoảng 50W, hoạt động hiệu quả ở tốc độ gió thấp từ 2,5 m/s, đồng thời phát triển mô hình trụ đèn chiếu sáng công cộng tích hợp tuabin gió này. Nghiên cứu được thực hiện tại thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2016-2018, với các khảo nghiệm sơ bộ tại địa phương. Ý nghĩa của đề tài thể hiện qua việc giảm chi phí điện năng cho chiếu sáng công cộng, góp phần bảo vệ môi trường và thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo trong nước. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng rộng rãi cho các khu vực chưa có điện lưới quốc gia hoặc muốn giảm phụ thuộc vào nguồn điện truyền thống.

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: Xác định giới hạn hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió thành cơ năng của tuabin, với hiệu suất tối đa khoảng 59,3%. Đây là cơ sở để đánh giá hiệu quả thiết kế tuabin gió.
  • Mô hình tuabin gió trục đứng (VAWT): Tập trung vào loại tuabin trục đứng cánh xoắn Quiet – Revolution/GB, một biến thể của tuabin Darrieus, có ưu điểm hoạt động ổn định ở tốc độ gió thấp, ít gây tiếng ồn và rung động.
  • Biên dạng cánh NACA: Sử dụng các tiết diện cánh theo chuẩn NACA 2412 không đối xứng để tối ưu hóa lực nâng và giảm lực cản, nâng cao hiệu suất tuabin.
  • Khí động học cánh rotor: Phân tích lực nâng và lực cản tác động lên cánh tuabin trong quá trình quay, từ đó tính toán mômen và công suất phát điện.
  • Tỉ số tốc độ gió đầu cánh (TSR): Là tỷ lệ giữa tốc độ vòng quay cánh tuabin và tốc độ gió, chỉ số quan trọng để điều chỉnh thiết kế cánh và vận hành tuabin hiệu quả.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu vận tốc gió trung bình tại thành phố Hồ Chí Minh và các địa phương lân cận, dữ liệu kỹ thuật về biên dạng cánh NACA, thông số vật liệu và thiết bị điện tử.
  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm CAD SolidWorks để thiết kế mô hình tuabin và trụ đèn, mô phỏng áp suất và lực tác động lên cánh tuabin ở các vận tốc gió khác nhau (2,5 m/s, 4,5 m/s, 6,5 m/s, 15 m/s). Tính toán công suất và hiệu suất dựa trên các công thức khí động học và định luật Betz.
  • Phương pháp chọn mẫu: Chọn mẫu tuabin công suất nhỏ khoảng 50W phù hợp với nhu cầu chiếu sáng công cộng, thiết kế trụ đèn cao 5m để đảm bảo độ chiếu sáng theo tiêu chuẩn TCXDVN 259:2001.
  • Timeline nghiên cứu: Từ tháng 5/2016 đến 10/2017, bao gồm các giai đoạn thiết kế, chế tạo, lắp ráp và khảo nghiệm sơ bộ tại phòng thí nghiệm và thực địa.
  • Phương pháp khảo nghiệm: Đo vận tốc gió, số vòng quay, điện áp và công suất phát điện của tuabin khi không tải và có tải; đo độ rọi ánh sáng tại vùng tán xạ với đường kính 10m; đánh giá tiếng ồn và độ rung khi vận hành.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế biên dạng cánh NACA cho tuabin cánh xoắn: Thành công trong việc xây dựng biên dạng NACA 2412 không đối xứng cho cánh xoắn, giúp tuabin hoạt động hiệu quả ở vận tốc gió thấp. Mô phỏng áp suất cho thấy lực nâng đạt tối ưu khi vận tốc gió từ 4,5 m/s trở lên.

  2. Chế tạo tuabin gió công suất nhỏ: Tuabin trục đứng cánh xoắn Quiet – Revolution/GB công suất khoảng 50W, điện áp 12V DC được chế tạo hoàn chỉnh với vật liệu thép và hợp kim nhẹ, đảm bảo độ bền và độ cứng vững. Kết quả khảo nghiệm cho thấy tuabin có thể tự khởi động ở vận tốc gió khoảng 2,5 m/s, bắt đầu nạp điện vào hệ pin khi vận tốc gió đạt 4,5 m/s.

  3. Thiết kế và chế tạo trụ đèn chiếu sáng tích hợp tuabin gió: Trụ đèn cao 5m được thiết kế với kết cấu chịu lực gió lên đến 1,25 kN/m², đảm bảo an toàn khi vận hành. Đèn LED công suất 50W được sử dụng, đạt cấp chiếu sáng C theo TCXDVN 259:2001 với độ rọi trung bình 10 Lx và vùng tán xạ đường kính 10m.

  4. Khảo nghiệm hoạt động thực tế: Trụ đèn điện gió hoạt động ổn định tại vị trí khảo nghiệm, điện áp và công suất phát đạt yêu cầu chiếu sáng. Tiếng ồn phát sinh rất thấp, phù hợp lắp đặt trong khu dân cư. So sánh với các hệ thống đèn sử dụng điện lưới, hệ thống này giảm được chi phí vận hành đáng kể.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân tuabin Quiet – Revolution/GB hoạt động hiệu quả ở vận tốc gió thấp là do thiết kế cánh xoắn với biên dạng NACA tối ưu, giúp tăng lực nâng và giảm lực cản. So với các loại tuabin trục đứng khác như Savonius hay Giromill, tuabin này có hiệu suất cao hơn khoảng 35%, đồng thời giảm tiếng ồn và rung động, phù hợp với môi trường đô thị.

Kết quả khảo nghiệm cho thấy hệ thống có thể cung cấp nguồn điện ổn định cho đèn chiếu sáng công cộng, góp phần giảm phụ thuộc vào điện lưới quốc gia và tiết kiệm chi phí vận hành. Biểu đồ quan hệ giữa vận tốc gió và công suất phát điện minh họa rõ hiệu suất hoạt động của tuabin, trong khi bảng số liệu đo đạc chi tiết cung cấp cơ sở đánh giá kỹ thuật.

So với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, đề tài đã phát triển thành công mô hình tuabin gió công suất nhỏ tích hợp trụ đèn chiếu sáng, phù hợp với điều kiện gió và nhu cầu chiếu sáng tại Việt Nam. Điều này mở ra hướng ứng dụng rộng rãi cho các vùng sâu, vùng xa chưa có điện lưới hoặc muốn sử dụng năng lượng tái tạo.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai lắp đặt hệ thống trụ đèn điện gió công suất nhỏ tại các khu vực chưa có điện lưới: Đề nghị các địa phương ưu tiên đầu tư trong vòng 1-2 năm tới nhằm giảm chi phí chiếu sáng và nâng cao an ninh trật tự.

  2. Phát triển dây chuyền sản xuất tuabin gió Quiet – Revolution/GB trong nước: Khuyến khích các cơ sở cơ khí vừa và nhỏ tham gia chế tạo, nâng cao năng lực công nghệ và giảm giá thành sản phẩm trong 3 năm tới.

  3. Nâng cao hiệu suất và độ bền của tuabin qua nghiên cứu vật liệu mới và cải tiến thiết kế: Tập trung nghiên cứu vật liệu composite nhẹ, chống ăn mòn để tăng tuổi thọ tuabin, dự kiến thực hiện trong 5 năm tiếp theo.

  4. Tích hợp hệ thống điện mặt trời và gió để đảm bảo nguồn điện ổn định: Phát triển hệ thống hybrid điện mặt trời – gió nhằm khắc phục hạn chế về biến động gió, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho chiếu sáng công cộng.

  5. Tổ chức đào tạo, tập huấn kỹ thuật vận hành và bảo trì cho cán bộ địa phương: Đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả và bền vững, giảm thiểu sự cố trong quá trình sử dụng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý đô thị và địa phương: Có thể sử dụng kết quả nghiên cứu để lập kế hoạch đầu tư hệ thống chiếu sáng công cộng tiết kiệm năng lượng, giảm chi phí vận hành.

  2. Các doanh nghiệp cơ khí và sản xuất thiết bị năng lượng tái tạo: Tham khảo thiết kế và quy trình chế tạo tuabin gió công suất nhỏ, phát triển sản phẩm phù hợp thị trường trong nước.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí, năng lượng tái tạo: Học hỏi phương pháp thiết kế, mô phỏng và khảo nghiệm tuabin gió trục đứng cánh xoắn, áp dụng cho các đề tài nghiên cứu tiếp theo.

  4. Các tổ chức phi chính phủ và cơ quan phát triển năng lượng sạch: Sử dụng kết quả để triển khai các dự án năng lượng tái tạo tại vùng sâu vùng xa, góp phần phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tuabin gió Quiet – Revolution/GB có thể hoạt động hiệu quả ở vận tốc gió thấp không?
    Có, tuabin này có thể tự khởi động ở vận tốc gió khoảng 2,5 m/s và bắt đầu nạp điện khi vận tốc gió đạt 4,5 m/s, phù hợp với điều kiện gió tại nhiều khu vực Việt Nam.

  2. Hiệu suất của tuabin gió Quiet – Revolution/GB so với các loại tuabin trục đứng khác như thế nào?
    Hiệu suất của tuabin Quiet – Revolution/GB cao hơn khoảng 35% so với các loại tuabin trục đứng truyền thống nhờ thiết kế cánh xoắn và biên dạng NACA tối ưu.

  3. Trụ đèn chiếu sáng sử dụng tuabin gió có gây tiếng ồn lớn không?
    Kết quả khảo nghiệm cho thấy tuabin hoạt động rất êm, tiếng ồn phát sinh rất thấp, phù hợp để lắp đặt trong khu dân cư và các khu vực công cộng.

  4. Chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống trụ đèn điện gió có cao không?
    Chi phí đầu tư ban đầu cao hơn so với đèn sử dụng điện lưới truyền thống, nhưng chi phí vận hành và bảo trì thấp, giúp tiết kiệm chi phí dài hạn.

  5. Hệ thống có thể hoạt động ổn định trong điều kiện gió thay đổi thất thường không?
    Tuabin trục đứng không phụ thuộc hướng gió và có thể hoạt động ổn định trong điều kiện gió thay đổi, tuy nhiên nên kết hợp với hệ thống lưu trữ điện để đảm bảo chiếu sáng liên tục.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công tuabin gió trục đứng cánh xoắn Quiet – Revolution/GB công suất nhỏ, hoạt động hiệu quả ở vận tốc gió thấp từ 2,5 m/s.
  • Mô hình trụ đèn chiếu sáng công cộng tích hợp tuabin gió được phát triển, đáp ứng tiêu chuẩn chiếu sáng cấp C với độ rọi trung bình 10 Lx và vùng tán xạ đường kính 10m.
  • Khảo nghiệm thực tế cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, ít tiếng ồn, phù hợp với điều kiện đô thị và khu dân cư.
  • Giải pháp này góp phần giảm chi phí điện năng chiếu sáng công cộng, giảm tải cho lưới điện quốc gia và thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo tại Việt Nam.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng rộng rãi, phát triển công nghiệp chế tạo tuabin trong nước và nghiên cứu tích hợp hệ thống hybrid điện mặt trời – gió trong các năm tiếp theo.

Hành động tiếp theo là phối hợp với các địa phương để triển khai thí điểm hệ thống, đồng thời mở rộng nghiên cứu nâng cao hiệu suất và độ bền của tuabin gió Quiet – Revolution/GB. Các nhà quản lý, doanh nghiệp và nhà nghiên cứu được khuyến khích tham khảo và ứng dụng kết quả nghiên cứu này nhằm thúc đẩy phát triển bền vững năng lượng tái tạo tại Việt Nam.