Nghiên Cứu và Xây Dựng Chương Trình Tính Toán Thông Số Cánh Động Cơ Gió Trục Ngang

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật nhiệt nghiên cứu và xây dựng chương trình tính toán thông số cánh của động cơ gió trục, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Nguyên Chí Thiện
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thế Bảo
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt
• Đề tài: Nghiên Cứu và Xây Dựng Chương Trình Tính Toán Thông Số Cánh Động Cơ Gió Trục Ngang
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu năng lượng gió
• 1.2. Tình hình sử dụng năng lượng thế giới
• 1.3. Tình hình sử dụng năng lượng gió ở Việt Nam
• 1.4. Giới thiệu Turbine gió
• 1.4.1. Turbine gió trục ngang (HAWT)
• 1.4.2. Turbine gió trục đứng (VAWT)
• 1.5. Hiệu suất turbine gió
• 1.6. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài
• 1.6.1. Mục tiêu của đề tài
• 1.6.2. Nhiệm vụ của đề tài
• 1.6.3. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6.4. Ý nghĩa khoa học và tính cấp thiết đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN
• 2.1. Nguyên lý và cấu tạo động cơ gió trục ngang
• 2.2. Cấu tạo động cơ gió trục ngang
• 2.2.1. Cơ cấu điều tốc
• 2.2.2. Bộ truyền động
• 2.2.3. Cơ cấu định hướng
• 2.2.4. Bộ phận khác
• 2.3. Cơ sở lý thuyết động lực học không khí của động cơ gió
• 2.3.1. Cơ sở động học của cánh
• 2.3.2. Lực khí động tác dụng lên cánh
• 2.3.3. Đặc tính lực nâng lên tiết diện cánh
• 2.3.4. Đặc tính lực cản lên tiết diện cánh
• 2.3.5. Đường cong cực
• 2.3.6. Đặc tính moment tác dụng lên tiết diện cánh
• 2.3.7. Tiêu điểm và trung tâm áp lực
• 2.3.8. Lực nâng, lực cản và moment trong trường hợp góc tấn lớn
• 2.3.9. Ảnh hưởng của hệ số Reynold và độ nhám thô bề mặt
• 2.3.10. Lý thuyết động lượng hướng trục
• 2.3.11. Lý thuyết phân tổ cánh
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
• 3.1. Tính toán bán kính cánh quạt
• 3.2. Biên dạng cánh
• 3.3. Chiều dài dây cung cánh
• 3.4. Góc gật cánh
• 3.5. Tính toán hiệu suất của động cơ
• 4. CHƯƠNG 4: VIẾT CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN
• 4.1. Chương trình vẽ biên dạng cánh 4 số
• 4.1.1. Giao diện chương trình
• 4.1.2. Kết quả chương trình
• 4.2. Chương trình vẽ biên dạng cánh 5 số
• 4.2.1. Giao diện chương trình
• 4.2.2. Kết quả chương trình
• 4.3. Chương trình tính thông số tối ưu của biên dạng
• 4.3.1. Giao diện chương trình
• 4.4. Chương trình lựa chọn hiệu suất các biên dạng
• 4.4.1. Giao diện chương trình
• 4.4.2. Kết quả chương trình
• 4.5. Tính toán các thông số cánh thiết kế
• 4.5.1. Giao diện chương trình
• 4.5.2. Kết quả chương trình
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN
• 5.1. Hướng phát triển đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC 1: Mã code matlab chương trình vẽ biên dạng cánh 4 số
• PHỤ LỤC 2: Mã code chương trình vẽ biên dạng cánh 5 số
• PHỤ LỤC 3: Mã code chương trình tính thông số các biên dạng cánh
• PHỤ LỤC 4: Mã code chương trình lựa chọn hiệu suất các biên dạng
• PHỤ LỤC 5: Mã code chương trình tính toán thông số cánh thiết kế

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Động Cơ Gió Trục Ngang Hiệu Quả

Năng lượng gió ngày càng trở nên quan trọng trong bối cảnh nhu cầu năng lượng toàn cầu tăng cao và sự cần thiết phải giảm thiểu tác động môi trường. Động cơ gió trục ngang (HAWT) là một trong những công nghệ khai thác năng lượng gió phổ biến nhất, đặc biệt hiệu quả ở các khu vực có vận tốc gió thấp. Nghiên cứu này tập trung vào việc xây dựng chương trình tính toán thông số cánh động cơ gió, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và khai thác tối đa tiềm năng năng lượng gió. Việc này bao gồm từ lý thuyết khí động lực học cánh đến việc áp dụng các phần mềm tính toán hiện đại, hướng đến một giải pháp năng lượng sạch, bền vững và phù hợp với điều kiện thực tế Việt Nam. Theo một báo cáo của Ngân hàng Thế giới, Việt Nam có tiềm năng gió rất lớn, cho thấy tầm quan trọng của việc phát triển công nghệ động cơ gió trục ngang ở nước ta.

1.1. Tiềm năng năng lượng gió và ứng dụng thực tiễn

Việt Nam có tiềm năng năng lượng gió dồi dào, đặc biệt ở các vùng ven biển và cao nguyên. Việc ứng dụng động cơ gió trục ngang không chỉ giúp giảm sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng hóa thạch mà còn góp phần phát triển kinh tế địa phương, tạo ra việc làm và thúc đẩy ngành công nghiệp năng lượng tái tạo. Các dự án điện gió ở Bình Thuận và Bạc Liêu là minh chứng cho thấy hiệu quả của việc khai thác năng lượng gió ở Việt Nam, với sản lượng điện đáng kể được hòa vào lưới điện quốc gia. Nghiên cứu này hướng đến việc cung cấp công cụ để thiết kế cánh động cơ gió phù hợp với điều kiện gió đặc thù của từng vùng, nâng cao hiệu suất động cơ gió.

1.2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu về thiết kế cánh động cơ gió

Nghiên cứu này đặt ra mục tiêu xây dựng một chương trình tính toán thông số cánh động cơ gió trục ngang có khả năng tùy biến cao, phù hợp với nhiều loại cánh khác nhau, bao gồm cả cánh NACA 4 số và 5 số. Phạm vi nghiên cứu bao gồm việc xây dựng cơ sở lý thuyết tính toán, phát triển thuật toán và giao diện người dùng thân thiện. Chương trình được thiết kế để hỗ trợ kỹ sư và nhà nghiên cứu trong việc thiết kế, mô phỏng và tối ưu hóa cánh động cơ gió, từ đó nâng cao hiệu suất động cơ gió và giảm chi phí sản xuất. Các kết quả nghiên cứu sẽ được kiểm chứng thông qua so sánh với các kết quả thực nghiệm và mô phỏng CFD.

II. Thách Thức Tối Ưu Hiệu Suất Cánh Động Cơ Gió Trục Ngang

Việc thiết kế cánh động cơ gió trục ngang hiệu quả là một thách thức lớn, đòi hỏi sự kết hợp giữa kiến thức khí động lực học, kỹ năng lập trình và kinh nghiệm thực tiễn. Các yếu tố như hình dạng cánh, góc tấn, tỉ lệ giữa chiều dài và chiều rộng cánh, và vật liệu cánh động cơ gió đều ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ gió. Ngoài ra, sự biến động của vận tốc gió và các điều kiện thời tiết khắc nghiệt cũng đặt ra những yêu cầu khắt khe về độ bền và khả năng chịu tải của cánh. Bài toán tối ưu hóa cánh động cơ gió là một bài toán đa mục tiêu, đòi hỏi phải cân bằng giữa hiệu suất, độ bền và chi phí.

2.1. Ảnh hưởng của hình dạng cánh đến khí động lực học cánh

Hình dạng cánh có vai trò then chốt trong việc tạo ra lực nâng và giảm thiểu lực cản. Các loại cánh NACA 4 số và 5 số được sử dụng phổ biến trong thiết kế cánh động cơ gió, mỗi loại có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Việc lựa chọn hình dạng cánh phù hợp phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm vận tốc gió trung bình, góc tấn tối ưu và yêu cầu về độ bền. Khí động lực học cánh là một lĩnh vực phức tạp, đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về các hiện tượng vật lý như sự phân lớp biên, sự hình thành xoáy và sự ảnh hưởng của hệ số Reynold.

2.2. Vấn đề lựa chọn vật liệu và độ bền của cánh động cơ gió

Lựa chọn vật liệu cánh động cơ gió là một quyết định quan trọng, ảnh hưởng đến độ bền, trọng lượng và chi phí của cánh. Các vật liệu phổ biến bao gồm sợi thủy tinh, sợi carbon và composite. Mỗi loại vật liệu có những đặc tính cơ học khác nhau, cần được xem xét kỹ lưỡng trong quá trình thiết kế. Độ bền của cánh là một yếu tố sống còn, đặc biệt trong điều kiện vận tốc gió cao và thời tiết khắc nghiệt. Các phương pháp kiểm tra độ bền, bao gồm thử nghiệm kéo, nén và uốn, được sử dụng để đảm bảo cánh có khả năng chịu tải và hoạt động an toàn trong suốt tuổi thọ của nó.

III. Phương Pháp Xây Dựng Chương Trình Tính Toán Thông Số Cánh

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm để xây dựng chương trình tính toán thông số cánh động cơ gió. Cơ sở lý thuyết dựa trên Blade Element Momentum Theory (BEMT) và các nguyên tắc khí động lực học cánh. Chương trình được phát triển bằng ngôn ngữ lập trình MATLAB, với giao diện người dùng thân thiện và khả năng tùy biến cao. Quá trình xây dựng chương trình bao gồm các bước: thu thập dữ liệu, xây dựng thuật toán, lập trình, kiểm thử và đánh giá.

3.1. Ứng dụng lý thuyết BEMT trong tính toán thông số cánh

Blade Element Momentum Theory (BEMT) là một phương pháp phổ biến để tính toán thông số cánh động cơ gió. Phương pháp này chia cánh thành nhiều phần tử nhỏ và áp dụng các định luật bảo toàn động lượng và năng lượng để tính toán lực tác dụng lên từng phần tử. BEMT cho phép xác định các thông số quan trọng như góc tấn, lực nâng, lực cản và hiệu suất cánh. Phương pháp này cũng cho phép đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố như số cánh, vận tốc gió và hình dạng cánh đến hiệu suất của động cơ gió.

3.2. Phát triển thuật toán và giao diện người dùng chương trình

Thuật toán tính toán thông số cánh được xây dựng dựa trên lý thuyết BEMT và các phương pháp tối ưu hóa. Chương trình được lập trình bằng ngôn ngữ MATLAB, với giao diện người dùng thân thiện, cho phép người dùng dễ dàng nhập dữ liệu, cấu hình các tham số và xem kết quả. Giao diện người dùng được thiết kế trực quan, với các biểu đồ và bảng số liệu rõ ràng, giúp người dùng dễ dàng phân tích và đánh giá kết quả. Chương trình cũng cung cấp các công cụ để mô phỏng cánh động cơ gió và đánh giá hiệu suất của nó trong các điều kiện hoạt động khác nhau.

IV. Ứng Dụng Phân Tích và Lựa Chọn Biên Dạng Cánh NACA Tối Ưu

Chương trình tính toán được sử dụng để phân tích và lựa chọn biên dạng cánh NACA tối ưu cho động cơ gió trục ngang với vận tốc gió thấp. Các biên dạng cánh NACA 4 số và 5 số được đánh giá dựa trên các tiêu chí như hiệu suất cánh, lực nâng, lực cản và ổn định khí động. Kết quả phân tích cho thấy một số biên dạng cánh NACA có hiệu suất cao hơn so với các biên dạng khác, phù hợp với điều kiện vận tốc gió thấp ở Việt Nam.

4.1. So sánh hiệu suất các biên dạng cánh NACA 4 số và 5 số

Chương trình tính toán cho phép so sánh hiệu suất của các biên dạng cánh NACA 4 số và 5 số trong các điều kiện hoạt động khác nhau. Kết quả cho thấy các biên dạng cánh NACA 5 số thường có hiệu suất cao hơn ở góc tấn thấp, phù hợp với điều kiện vận tốc gió thấp. Tuy nhiên, các biên dạng cánh NACA 4 số có thể có hiệu suất tốt hơn ở góc tấn cao. Việc lựa chọn biên dạng cánh phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

4.2. Tối ưu hóa thông số cánh dựa trên phân tích khí động lực học

Chương trình tính toán cung cấp các công cụ để tối ưu hóa thông số cánh, bao gồm góc tấn, chiều dài dây cung và góc xoắn. Quá trình tối ưu hóa dựa trên phân tích khí động lực học chi tiết, nhằm tìm ra cấu hình cánh có hiệu suất cao nhất. Các phương pháp tối ưu hóa như thuật toán di truyền và phương pháp leo đồi được sử dụng để tìm kiếm giải pháp tối ưu. Kết quả tối ưu hóa cho thấy việc điều chỉnh các thông số cánh có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của động cơ gió.

V. Kết Luận Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Cánh Động Cơ Gió

Nghiên cứu này đã thành công trong việc xây dựng chương trình tính toán thông số cánh động cơ gió trục ngang, cung cấp một công cụ hữu ích cho kỹ sư và nhà nghiên cứu. Chương trình cho phép phân tích, đánh giá và tối ưu hóa các biên dạng cánh NACA, góp phần nâng cao hiệu suất động cơ gió. Hướng phát triển tiếp theo của nghiên cứu là tích hợp các mô hình mô phỏng CFD và thử nghiệm thực nghiệm để kiểm chứng và cải thiện độ chính xác của chương trình.

5.1. Tích hợp mô phỏng CFD để kiểm chứng và cải thiện độ chính xác

Việc tích hợp các mô hình mô phỏng CFD sẽ giúp kiểm chứng và cải thiện độ chính xác của chương trình tính toán thông số cánh. Mô phỏng CFD cho phép mô phỏng dòng chảy ba chiều quanh cánh, cung cấp thông tin chi tiết về các hiện tượng khí động lực học như sự phân lớp biên và sự hình thành xoáy. So sánh kết quả tính toán từ chương trình với kết quả mô phỏng CFD sẽ giúp xác định các sai số và cải thiện thuật toán tính toán.

5.2. Thử nghiệm thực nghiệm và đánh giá hiệu suất cánh thực tế

Thử nghiệm thực nghiệm là một bước quan trọng để đánh giá hiệu suất của cánh thực tế. Các thử nghiệm được thực hiện trong hầm gió hoặc trên động cơ gió thực tế, với các điều kiện vận tốc gió và tải khác nhau. Kết quả thử nghiệm sẽ cung cấp thông tin về hiệu suất cánh, lực nâng, lực cản và độ bền của cánh. So sánh kết quả thử nghiệm với kết quả tính toán và mô phỏng CFD sẽ giúp đánh giá độ tin cậy của chương trình tính toán và cung cấp cơ sở cho việc cải thiện thiết kế cánh.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng, được sử dụng rộng rãi trên thế giới nhằm giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và hạn chế phát thải khí nhà kính. Theo số liệu thống kê đến năm 2011, công suất lắp đặt turbine gió toàn cầu đã tăng nhanh, đóng góp đáng kể vào tổng công suất năng lượng tái tạo. Tại Việt Nam, tiềm năng năng lượng gió ở độ cao 65m được ước tính đạt khoảng 513.360 MW, vượt xa công suất các nhà máy thủy điện lớn như Sơn La, cho thấy khả năng khai thác năng lượng gió rất lớn, đặc biệt ở các vùng có vận tốc gió thấp như thành thị và nông thôn.

Tuy nhiên, hiệu suất của các động cơ gió trục ngang (HAWT) hiện nay vẫn còn cách xa hiệu suất lý thuyết Betz (59%), với mức hiệu suất thực tế cao nhất khoảng 47%. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp tính toán, thiết kế cánh turbine gió phù hợp với vận tốc gió nhỏ là rất cần thiết để nâng cao hiệu suất và khả năng ứng dụng của turbine gió tại Việt Nam. Mục tiêu của luận văn là xây dựng chương trình tính toán các thông số cánh turbine gió trục ngang dựa trên các biên dạng cánh NACA 4 số và 5 số, từ đó lựa chọn được biên dạng cánh tối ưu cho điều kiện vận tốc gió thấp, góp phần nâng cao hiệu suất và hiệu quả khai thác năng lượng gió.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các biên dạng cánh NACA phổ biến, số hóa đồ thị và phân tích hiệu suất của 20 biên dạng cánh (10 loại 4 số và 10 loại 5 số), áp dụng cho các turbine gió trục ngang vận hành trong điều kiện vận tốc gió nhỏ tại Việt Nam. Ý nghĩa nghiên cứu được thể hiện qua việc hỗ trợ thiết kế, chế tạo turbine gió hiệu suất cao, giảm chi phí điện gió và góp phần bảo vệ môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

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

• Lý thuyết động lực học không khí: Áp dụng phương trình Bernoulli để phân tích sự biến đổi áp suất và vận tốc dòng khí quanh cánh turbine, từ đó xác định lực nâng, lực cản và moment tác dụng lên cánh. Các hệ số lực nâng ($C_L$), lực cản ($C_D$) và moment ($C_M$) được xác định dựa trên góc tấn và đặc tính biên dạng cánh.

• Lý thuyết động học cánh turbine gió: Phân tích các thông số hình học và khí động học của cánh như góc tấn, góc nghiêng, chiều dài dây cung, tỉ số vận tốc đầu mút cánh, hệ số Reynolds và độ nhám bề mặt ảnh hưởng đến hiệu suất turbine.

• Mô hình biên dạng cánh NACA: Sử dụng các biên dạng cánh NACA 4 số và 5 số với các mã hiệu tiêu biểu (ví dụ: 2306, 2309, 63215, 63415) để mô phỏng và tính toán các thông số khí động học. Mỗi biên dạng có đặc trưng riêng về độ cong, vị trí độ cong lớn nhất và độ dày tương đối.

• Lý thuyết hiệu suất turbine gió: Áp dụng các công thức tính toán hiệu suất dựa trên tỉ số vận tốc đầu mút cánh và vận tốc gió, so sánh với hiệu suất Betz để đánh giá hiệu quả thiết kế.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Thu thập tài liệu kỹ thuật trong và ngoài nước về năng lượng gió, đặc biệt là các tài liệu về biên dạng cánh NACA, lý thuyết khí động học và các nghiên cứu về turbine gió trục ngang. Số liệu vận tốc gió, công suất turbine và hiệu suất được lấy từ các báo cáo ngành và các dự án điện gió tại Việt Nam.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng phương pháp toán học để xây dựng các phương trình tính toán các thông số cánh turbine dựa trên lý thuyết khí động học. Các đồ thị hệ số lực nâng, lực cản theo góc tấn được số hóa bằng phần mềm Matlab để chuyển đổi thành các hàm số phục vụ tính toán.

• Phát triển chương trình tính toán: Lập trình Matlab để xây dựng giao diện và các module tính toán biên dạng cánh NACA 4 số và 5 số, số hóa đồ thị, tính toán các thông số khí động học và lựa chọn biên dạng cánh tối ưu dựa trên hiệu suất.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu bắt đầu từ tháng 7/2013, hoàn thành vào tháng 6/2014, bao gồm các giai đoạn thu thập tài liệu, xây dựng lý thuyết, phát triển chương trình, số hóa dữ liệu và phân tích kết quả.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Lựa chọn 20 biên dạng cánh NACA tiêu biểu (10 loại 4 số và 10 loại 5 số) để phân tích nhằm đảm bảo tính đại diện và đa dạng trong thiết kế cánh turbine gió.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Xây dựng thành công chương trình vẽ biên dạng cánh NACA 4 số và 5 số: Chương trình Matlab cho phép vẽ chính xác các biên dạng cánh theo mã hiệu, hỗ trợ số hóa đồ thị và tính toán các thông số khí động học. Kết quả số hóa 20 biên dạng cánh đã được thực hiện với độ chính xác cao.

2. Phân tích hiệu suất các biên dạng cánh: Qua tính toán, biên dạng cánh NACA 2415 (4 số) và NACA 63415 (5 số) cho hiệu suất cao nhất trong nhóm nghiên cứu, với hệ số lực nâng và tỉ số lực nâng/lực cản vượt trội hơn các biên dạng khác khoảng 10-15%.

3. Ảnh hưởng của các thông số hình học đến hiệu suất: Góc tấn, góc nghiêng và chiều dài dây cung cánh có mối quan hệ chặt chẽ với hiệu suất turbine. Ví dụ, tăng góc tấn trong giới hạn cho phép làm tăng lực nâng, nhưng vượt quá sẽ gây tăng lực cản và giảm hiệu suất.

4. Hiệu suất turbine gió trục ngang vận tốc gió nhỏ được cải thiện đáng kể: So với các thiết kế truyền thống, việc lựa chọn biên dạng cánh tối ưu dựa trên chương trình tính toán giúp nâng cao hiệu suất turbine lên gần 45%, gần sát với hiệu suất lý thuyết Betz (59%).

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc áp dụng lý thuyết khí động học kết hợp với công cụ tính toán hiện đại như Matlab giúp tối ưu hóa thiết kế cánh turbine gió trục ngang, đặc biệt trong điều kiện vận tốc gió thấp. Việc số hóa đồ thị và mô phỏng các biên dạng cánh NACA đã cung cấp dữ liệu chính xác để lựa chọn biên dạng phù hợp, góp phần nâng cao hiệu suất và khả năng khai thác năng lượng gió tại Việt Nam.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả này tương đồng với xu hướng nâng cao hiệu suất turbine thông qua cải tiến biên dạng cánh và điều chỉnh các thông số khí động học. Việc lựa chọn biên dạng cánh phù hợp giúp giảm lực cản, tăng lực nâng và moment tác dụng lên trục, từ đó tăng công suất phát điện.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ hệ số lực nâng và lực cản theo góc tấn, biểu đồ hiệu suất các biên dạng cánh, cũng như bảng so sánh các thông số khí động học của từng biên dạng. Những biểu đồ này minh họa rõ ràng sự khác biệt hiệu suất giữa các biên dạng và tác động của các thông số hình học.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển và ứng dụng chương trình tính toán thông số cánh trong thiết kế turbine gió: Khuyến khích các nhà sản xuất turbine gió trong nước sử dụng chương trình để thiết kế cánh phù hợp với điều kiện vận tốc gió thấp, nhằm nâng cao hiệu suất và giảm chi phí sản xuất. Thời gian thực hiện: 1-2 năm.

2. Tăng cường nghiên cứu và thử nghiệm thực tế các biên dạng cánh tối ưu: Thực hiện các dự án thử nghiệm tại các địa phương có vận tốc gió thấp để đánh giá hiệu quả thực tế của các biên dạng cánh được lựa chọn. Chủ thể thực hiện: Viện nghiên cứu, trường đại học, doanh nghiệp. Thời gian: 2-3 năm.

3. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật cho cán bộ thiết kế và vận hành turbine gió: Tổ chức các khóa đào tạo về lý thuyết khí động học, sử dụng phần mềm tính toán và thiết kế cánh turbine gió nhằm nâng cao chất lượng nguồn nhân lực. Thời gian: liên tục.

4. Khuyến khích đầu tư phát triển công nghệ sản xuất cánh turbine gió trong nước: Hỗ trợ các doanh nghiệp đầu tư dây chuyền sản xuất cánh turbine gió theo thiết kế tối ưu, giảm phụ thuộc vào nhập khẩu, đồng thời giảm giá thành điện gió. Thời gian: 3-5 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các 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 và công cụ tính toán chi tiết về thiết kế cánh turbine gió, hỗ trợ nghiên cứu và học tập chuyên sâu.

2. Doanh nghiệp sản xuất và lắp đặt turbine gió: Tham khảo để áp dụng chương trình tính toán và lựa chọn biên dạng cánh tối ưu, nâng cao hiệu suất sản phẩm và giảm chi phí vận hành.

3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng các chính sách hỗ trợ phát triển năng lượng gió, đặc biệt tại các vùng có vận tốc gió thấp.

4. Các tổ chức đầu tư và phát triển dự án năng lượng tái tạo: Đánh giá tiềm năng và hiệu quả đầu tư dựa trên các thông số kỹ thuật và hiệu suất turbine gió được nghiên cứu, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hợp lý.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần nghiên cứu thiết kế cánh turbine gió cho vận tốc gió nhỏ?
   Vận tốc gió nhỏ phổ biến ở nhiều khu vực đô thị và nông thôn, nơi hiệu suất turbine thường thấp. Thiết kế cánh phù hợp giúp tối ưu hóa lực nâng và giảm lực cản, nâng cao hiệu suất và khả năng khai thác năng lượng gió trong điều kiện này.

2. Chương trình tính toán sử dụng những dữ liệu nào để xác định thông số cánh?
   Chương trình dựa trên các biên dạng cánh NACA, số hóa đồ thị hệ số lực nâng và lực cản theo góc tấn, kết hợp các công thức khí động học để tính toán các thông số như góc tấn, góc nghiêng, chiều dài dây cung và hiệu suất.

3. Hiệu suất turbine gió trục ngang có thể đạt được bao nhiêu phần trăm?
   Theo nghiên cứu, hiệu suất tối ưu đạt gần 45%, cao hơn nhiều so với các thiết kế truyền thống và gần sát với hiệu suất lý thuyết Betz là 59%.

4. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế sản xuất?
   Các nhà sản xuất có thể sử dụng chương trình tính toán để thiết kế cánh turbine phù hợp với điều kiện địa phương, từ đó sản xuất cánh có hiệu suất cao, giảm chi phí và nâng cao tuổi thọ turbine.

5. Nghiên cứu có thể hỗ trợ gì cho phát triển năng lượng gió tại Việt Nam?
   Nghiên cứu cung cấp công cụ và cơ sở lý thuyết giúp nâng cao hiệu suất turbine gió, đặc biệt ở vùng có vận tốc gió thấp, góp phần tăng công suất lắp đặt, giảm phát thải CO2 và thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo bền vững.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công chương trình tính toán và vẽ biên dạng cánh NACA 4 số và 5 số, hỗ trợ số hóa và phân tích các thông số khí động học.
• Lựa chọn được biên dạng cánh tối ưu (NACA 2415 và 63415) phù hợp với điều kiện vận tốc gió nhỏ, nâng cao hiệu suất turbine gió trục ngang lên gần 45%.
• Kết quả nghiên cứu góp phần quan trọng vào công nghệ thiết kế và chế tạo turbine gió trong nước, giảm chi phí và tăng hiệu quả khai thác năng lượng gió.
• Đề xuất các giải pháp ứng dụng chương trình tính toán trong thiết kế, thử nghiệm thực tế, đào tạo nhân lực và phát triển công nghệ sản xuất turbine gió.
• Khuyến khích các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý sử dụng kết quả để thúc đẩy phát triển năng lượng gió bền vững tại Việt Nam.

Hành động tiếp theo là triển khai ứng dụng chương trình tính toán trong các dự án thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu để cải tiến thiết kế cánh và nâng cao hiệu suất turbine gió trong các điều kiện vận hành đa dạng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYÊN CHÍ THIỆN NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN THÔNG SỐ CÁNH CỦA ĐỘNG CƠ GIÓ TRỤC NGANG VỚI VẬN TÓC GIÓ NHỎ Chuyên ngành : KY THUẬT NHIET Mã so : 605280 TP. HO CHI MINH, THANG 06 NAM 2014 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HOC BACH KHOA —DHQG -HCM Cán bộ hướng dẫn khoa hoc : TS. NGUYEN THE BẢO.

(Ghi rõ ho, tên, học hàm, học vi va chữ ky) Cán bộ chấm nhận Xét Ì :.-- c2 + 6E E+E#E SE SE EsESEEESESEEsErkeereree (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận Xét 2 : .-¿- - + E612 EESE SE EsESEEESESEEsErkekreree (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vi của Hội đông cham bảo vệ luận văn thạc si) Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyền ngành sau khi luận van đã được sửa chữa (nêu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ ii DAI HOC QUOC GIA TP.HCM CONG H A XÃ HỘI CHU NGHĨA VIET NAM TRUONG DAI HOC BACH KHOA Doc lap - Tu do - Hanh phic NHIEM VỤ LUẬN VĂN THAC SĨ Họ tên học viên: NGUYÊN CHÍ THIỆN MSHV: 12060484 Ngày, tháng, năm sinh: 14/08/1989 Nơi sinh: Tiền Giang Chuyên ngành: KỸ THUẬT NHIỆT Mã số : 605280 I. TÊN DE TAI: NGHIEN CUU VA XAY DUNG CHUONG TRINH TINH TOAN THONG SO CANH CUA DONG CO GIO TRUC NGANG VOI VAN TOC GIO NHO H.

NHIEM VU VÀ NOI DUNG: - Nghiên cứu co sở lý thuyết tính toán thông số cánh. - Lập chương trình vẽ biên dạng cánh NACA 4 số và 5 số bất kỳ. - Số hóa đồ thị của 10 cánh NACA 4 số (2306, 2309, 2312, 2315, 2406, 2409, 2412, 2415, 2418, 2421) và 10 cánh NACA 5 số (63215, 63218, 63221, 63415, 63418, 63421, 64415, 64421, 65415, 65421) dé tìm thông số tối ưu của cánh - Phân tích lựa chọn cánh có hiệu suất cao nhất dé tính toán thông số cánh cho động co gid trục ngang Ill. NGÀY GIAO NHIEM VU : 20/7/2013 IV.

NGAY HOAN THANH NHIEM VU: 20/06/2014 v. CAN BO HUONG DAN: TS. NGUYEN THE BAO Tp. CAN BO HUONG DAN CHU NHIEM BO MON DAO TAO (Họ tên va chữ ky) (Họ tên và chữ ký) TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ (Họ tên và chữ ký) ili LOI CAM ON Thứ nhất, tôi xin chân thành cám ơn sự hướng dẫn nhiệt tình, tận tâm của TS.

Nguyễn Thế Bao. Thứ 2, tôi xin cám ơn sự giúp đỡ, hỗ trợ các Thay, Cô trong Bộ môn Công Nghệ Nhiệt đã đưa ra những nhận xét và đánh giá giúp tôi hoàn chỉnh luận văn. Sau cùng, tôi xin cám ơn sự giúp đỡ của gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã ủng hộ cho dé tài thành công. HỌC VIÊN THỰC HIỆN Nguyễn Chí Thiện IV TOM TAT LUẬN VĂN THẠC SĨ Với sự bức bách về nhu cầu năng lượng.

người ta sử dụng động cơ gió trục ngang với tốc độ gió thấp thực sự có hiệu quả ở các địa điểm như thành thị, nông thôn. Qua nghiên cứu tài liệu, tôi đã tập hợp và xây dựng cơ sở lý thuyết tính toán thông số cánh. Và tôi đã lập chương trình vẽ biên dạng cánh NACA 4 số và 5 số bất kỳ. Đồng thời, tôi đã số hóa đồ thị của 10 cánh NACA 4 số (2306, 2309, 2312, 2315, 2406, 2409, 2412, 2415, 2418, 2421) và 10 cánh NACA 5 số (63215, 63218, 63221, 63415, 63418, 63421, 64415, 64421, 65415, 65421) để tìm thông số tối ưu của cánh.

Sau đó, tôi đã phân tích lựa chọn cánh có hiệu suất cao nhất dé thiết kế thông số cánh thành công cho động cơ gió trục ngang. SUMMARY OF THESIS For the urgent demand of energy, Horizontal Axis Wind Turbines (HAWT) have been effectively used for low speed wind places (in both urban and rural areas). Doing some research, I have gathered the data and built up a theoretical background for parameter calculations of rotor blades. Then, a program was written to draw the edge of any airfoil (modified NACA, 4-digit and 5-digit ones).

In addition, I digitized the graphs of 10 4-digit NACA airfoils (2306, 2309, 2312, 2315, 2406, 2409, 2412, 2415, 2418, 2421) and 10 5-digit NACA airfoils (63215, 63218, 63221, 63415, 63418, 63421, 64415, 64421, 65415, 65421) to find the optimal parameter. Subsequently, I performed an analysis and chose the airfoil with the best performance to design the parameter of rotor blades for Horizontal Axis Wind Turbines LOI CAM DOAN CUA TÁC GIÁ Tôi xin cam đoan kêt quả được tinh toán trong luận văn nay chưa được công bó hay không được viết trong bat kì tai liệu nao. TpHCM,ngày tháng năm Nguyễn Chí Thiện V1 MUC LUC NHIEM VU LUẬN VĂN THAC SĨ. - G2 E3 E1 23 v1 vn ng cv rkp ii LOL CAM ƠN.

ch HH ga iii TOM TAT LUẬN VAN THAC SĨ. ¿<3 E1 EEEESEEE2ESESEEEEEEEEEESErkrerered iv LOI CAM DOAN CUA TÁC GIA Qu ceeeseesesssesssesneessesssesneensecusesncensesueenneensesseensenseenes V DANH SACH HINH 064015. x DANH SÁCH BẢNG. xii DANH SÁCH KY HIEU .- G- G6 SE E3 E982 ESE#EEESEEEEeEeESEEESEEEEsEsErkeereree xiii CHUONG 1: TONG QUAN 1.

Giới thiệu năng lượng gIỐ. Tình hình sử dụng năng lượng thế giới. Tình hình sử dụng năng lượng gió ở Việt Nam. Giới thiệu Turbine ØIỐ.

Turbine gió trục ngang (HA WÏT). Turbine gió trục đứng (VÀ WT) oo. eee Q G HH ng rre 5 1. Hiệu suất turbine g1Ó.

Mục tiêu và nhiệm vụ của để tài. sec ST 112121 1g neo 12 1. Mục tiêu của dé tài.- - c1 TT 11g12 TT ng TH ng ng. Nhiệm vu của dé tài.

Phương pháp nghiÊn CỨU. Y nghĩa khoa học và tính cấp thiết dé tài .---- - +55 cS+cxcxsrrxrrerrerrees 14 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN. Nguyên lý và cau tạo động cơ gió trục ngang. Nguyên ly làm việc turbine gi6 frục ngøang.

---«sss s21 eg 15 Vil 2. Cấu tao động cơ iO trUC IØA'E. Cơ cầu điều tỐC.---c+-cctctt TH TH HH HH nh r hn 19 2. Bộ truyền động.

Cơ cau định hướng G16. Bộ phận khác. Cơ sở lý thuyết động lực học không khí của động cơ gió. Cơ sở động học của cánh.

Lực khí động tác dụng lên cánh. Đặc tính lực nâng lên tiết diện cánh. Đặc tính lực cản lên tiết diện cánh. Đường CONG CỰC.

nọ nọ và 33 2. Đặc tính moment tác dụng lên tiết diện cánh. Tiêu điểm và trung tâm áp LUC. Luc nâng, lực cản và moment trong trường hợp góc tan lớn.

Ảnh hưởng của hệ số Reynold và độ nhám thô bề mặt. Lý thuyết động lượng hướng trục. Lý thuyết phân t6 cánh phân t6 cánh .------ +2 + 2+2 ++s+x+£e+x+xezscxez 43 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIET K. Tính toán bán kính cánh quạt ROOTF.

Biên dạng cCánh. Chiều dài dây cung cánh .----- - +2 S2 2E+E+EE£E£EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEErkrkrrrrrrree 57 Vill 3. GOC Gat CANN. Tính toán hiệu suất của động CO v.ceeeccccscessesessssesesessssscsesesesrstetstsesesesessseseses 60 CHƯƠNG 4: VIET CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN.

Chương trình vẽ biên dạng cánh 4 SỐ. Giao diện chương trinh. Kết quả chương trình.----¿- - ¿56 5£ SE2E+E£SE+E#EEEE£EEEEEEEEEEEEEEEEEErkrkrrkrerreee 63 4. Chương trình vẽ biên dạng cánh 5 cánh.

Giao diện chương trinh. Kết quả chương trình.- ¿+ + 6 S2 SE+E+ESE2E9EE E393 E121 21111 2111. Chương trình tính thông số tối ưu của biên dạng:. Giao diện chương trinh.

Chương trình lựa chon hiệu suất các biên 520m. Sơ đỗ Khối occ ccccccccsccccscscscscsscscscscscsssscscscscsssscsescscsssscsescsssssscsessessssessessseens 66 4. Giao diện chương trinh:. Kết quả chương trinh.

Tính toán các thông số cánh thiẾt K6. Giao diện chương trinh. Kết quả chương trình.----¿- - + 6 5£ SE +E+E£SE+E#EE 3E E111 1E1 2111. 69 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬẬNN.-G- - -cSeS 3S EE S38 511118 515118 515151111118 E118 EEEEcee 7] 1X 5.

Hướng phát trién để taic.ecccccccccsccsessssssesscscsesscsesesscsesesscsessscscsssesescseseesessseees 71 TÀI LIEU THAM KHẢO. 73 Phụ lục 1: Mã code matlab chương trình vẽ biên dạng cánh 4 SO vccceccesesescsceceecaceeees 73 Phu luc 2: Ma code chuong trinh vé bién dang canh 5 SO veececessecesesescscesescsceeeecseeeeees 74 Phụ luc 3: Mã code chương trình tính thong số các biên dạng cánh. 75 Phụ lục 4: Mã code chương trình lựa chọn hiệu suất các biên dạng. 89 Phu lục 5: Mã code chương trình tính toán thông số cánh thiết kế.

9] PHAN LY LICH TRÍCH NGANG W.cccccccsesscecessssscscececessecscscecsesevevscececevevscseevavavees 93 DANH SÁCH HINH VE Hình 1. Năng lượng tai tạo sử dụng ở một số nước tính đến năm 201 1. Biểu đồ công suất turbine gió hăng năm từ năm 1996 đến 2012. Biểu đồ tổng công suất turbine gió từ năm 1996 đến 2012.

-- - - - - << 5 G1000 nọ nà4 Hình 1. Các dang turbine 916 trục gang .- «c0 ng và 5 Hình 1.Turbine gió loại Darrieus. Turbine gió loại SañOVIUS. cọ nà 6 Hình 1.

Mối quan hệ c; va ti số vận tốc gid VỚI tốc độ đầu mút cánh của turbine. Anh minh họa góc tấn, góc nghiêng và góc cánh. Sơ đồ nguyên lý động cơ gió công suất nhỏ. Sơ đồ nguyên lý động cơ gió công suất lớn.--¿--- - 2 + scs+szce¿ 16 Hình 2.

Sơ đồ hệ thống điện liên kết lưới. Cau tao động cơ iO trUC NYANY. Cau tạo điều tốc cơ IG. Máy phát xoay chiều với nam châm vĩnh cửu hình sao.

Máy phát xoay chiêu kích thích kiểu điện từ. Các chi tiết chính của 16 fO.--- - + 2 62% E2 EE2EEE# SE 12111252111 EE ke, 24 Hình 2. Stato và sơ đồ cuộn dây của máy phát điện xoay chiêu. Động cơ gió không cần dùng đuôi lái .---- - 2 255cc £2£<+<zc+2 26 Hình 2.

Biểu thị dòng chảy của chất khí. Sự phân bố hệ số áp lực .----¿-¿- + 252 SE 2E£E+E2EEEEEEEEEEEEEErkrkrkrree 30 Hình 2. Biểu diễn áp lực và moment tác dụng lên cánh. Quan hệ giữa hệ số lực nâng và góc tân (.

Mối quan hệ giữa góc tấn ơ và hệ số lực cản .------ + scs+sse: 32 Hình 2. Đường CONG CUC. -- G0 0 nọ nọ và 33 Hình 2. Biéu diễn lực tác dụng tại trung tâm áp lực.

Biểu diễn moment tác dụng tại trung tâm khí động học. Đồ thị biéu diễn hệ số lực nâng, lực can, moment tác dụng lên cánh trong trường hợp góc COL ÏỚII. Định luật bảo toàn của dòng khí trước và sau cánh. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc Cp vào a.--- 2 25555+c+cczcszeccee Al Hình 2.

Mô ta phân tô cánh dọc theo CANN. Hình minh hoa thé hiện mối quan hệ tỉ tốc đầu mút 2. và số cánh B. Biên dạng cánh mã hiệu NACA 24Íl5.

Hình dạng biên dạng cánh mã hiệu 63⁄‡l Š. Đồ thị thé hiện mối quan hệ giữa C¡, và a của biên dạng 63415. Đồ thị thé hiện mối quan hệ giữa CD và a của biên dạng 63415. Đồ thị thé hiện mối quan hệ giữa chiều dài cung cánh theo bán kính .