I. Tổng quan
Chương này trình bày tổng quan về động cơ gió và năng lượng gió. Sự phát triển của năng lượng gió trên thế giới và Việt Nam được nhấn mạnh, cùng với các loại động cơ gió khác nhau như động cơ gió trục đứng và động cơ gió trục ngang. Việc nghiên cứu năng lượng gió trở nên cần thiết trong bối cảnh nguồn năng lượng hóa thạch đang cạn kiệt và ô nhiễm môi trường gia tăng. Theo báo cáo, Việt Nam có tiềm năng lớn trong việc phát triển năng lượng gió, đặc biệt là khu vực ven biển và cao nguyên miền Nam. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng tốc độ gió trung bình ở một số khu vực có thể đạt ngưỡng tối ưu cho việc khai thác năng lượng gió.
1.1 Tình hình sử dụng năng lượng gió thế giới
Tình hình năng lượng gió trên thế giới đã có những bước phát triển ấn tượng. Với tổng công suất đạt 283GW vào năm 2012, năng lượng gió đã trở thành một nguồn năng lượng thương mại quan trọng. Nhiều quốc gia, đặc biệt là Trung Quốc, đã đầu tư mạnh mẽ vào lĩnh vực này. Sự gia tăng công suất lắp đặt trong giai đoạn 2007-2012 đạt trung bình 27%, cho thấy tiềm năng phát triển mạnh mẽ của công nghệ năng lượng tái tạo này.
1.2 Tình hình sử dụng năng lượng gió ở Việt Nam
Việt Nam có tiềm năng lớn về năng lượng gió, với ước tính lên đến 513360MW. Chính phủ đã xác định năng lượng gió là một lĩnh vực trọng tâm trong chiến lược phát triển năng lượng tái tạo. Các nghiên cứu cho thấy tốc độ gió ở độ cao 65m là lý tưởng cho việc phát triển các dự án điện gió quy mô lớn. Việc khai thác năng lượng gió không chỉ giúp đảm bảo an ninh năng lượng mà còn góp phần bảo vệ môi trường.
II. Cơ sở lý thuyết của động cơ gió trục đứng
Chương này tập trung vào nguyên lý hoạt động và cấu tạo của động cơ gió trục đứng. Cấu trúc của động cơ gió trục đứng được phân tích từ các thành phần chính như cánh quạt, trục và bộ phận phát điện. Nguyên lý hoạt động của động cơ gió trục đứng dựa trên việc chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng cơ học, sau đó thành năng lượng điện. Các phương trình lý thuyết như phương trình Bernoulli và phương trình Euler được sử dụng để mô tả động lực học không khí xung quanh cánh quạt.
2.1 Nguyên lý hoạt động của động cơ gió trục đứng
Động cơ gió trục đứng hoạt động dựa trên nguyên lý lực nâng và lực cản. Khi gió thổi qua cánh quạt, lực nâng tạo ra mô men xoắn trên trục. Mô hình lý thuyết giúp xác định hiệu suất của động cơ, từ đó tối ưu hóa thiết kế để đạt được hiệu quả cao nhất. Sự kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm là rất quan trọng để đánh giá hiệu suất thực tế của động cơ.
2.2 Cấu tạo động cơ gió trục đứng
Cấu tạo của động cơ gió trục đứng bao gồm các bộ phận chính như cánh quạt, hộp số, và bộ phát điện. Cánh quạt có vai trò quan trọng trong việc thu thập năng lượng gió. Hộp số giúp chuyển đổi mô men từ cánh quạt tới máy phát điện. Việc thiết kế các bộ phận này cần phải tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu suất tối ưu và độ bền trong quá trình hoạt động.
III. Thiết kế và thử nghiệm động cơ gió
Chương này mô tả quy trình thiết kế và thử nghiệm động cơ gió sử dụng lò xo xoắn để tích trữ năng lượng. Việc thiết kế bao gồm tính toán các thông số kỹ thuật như kích thước cánh quạt, số vòng quay của trục, và lựa chọn máy phát điện phù hợp. Thực nghiệm được tiến hành để đo tốc độ gió, điện áp và dòng điện phát ra từ động cơ. Kết quả thực nghiệm cho thấy động cơ gió trục đứng có thể hoạt động hiệu quả ở tốc độ gió thấp.
3.1 Quy trình thiết kế động cơ gió
Quy trình thiết kế động cơ gió bao gồm các bước tính toán cụ thể như phân tích lực tác động lên cánh quạt, tính toán mô men và năng lượng gió. Sử dụng phần mềm MATLAB để mô phỏng và tối ưu hóa thiết kế là một phần quan trọng trong quy trình này. Kết quả tính toán cung cấp thông tin quý giá để điều chỉnh thiết kế cho phù hợp với điều kiện thực tế.
3.2 Kết quả thử nghiệm
Kết quả thử nghiệm cho thấy động cơ gió trục đứng có thể phát điện hiệu quả ngay cả khi tốc độ gió thấp. Các số liệu thu thập được từ thực nghiệm cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa động cơ gió có bộ tích năng và không có. Việc tích hợp lò xo xoắn vào thiết kế đã chứng minh được tính khả thi và hiệu quả trong việc tối ưu hóa năng lượng thu được từ gió.
