Nghiên cứu, thiết kế cánh tuốc bin gió cỡ nhỏ làm việc trong điều kiện gió tốc độ thấp

Nghiên cứu này giới thiệu các bước để thiết kế một cánh tuốc bin gió cỡ nhỏ, có công suất khoảng 1 kW, làm việc trong vùng gió tốc độ thấp, khoảng 5 – 7 m/s.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu, thiết kế cánh tuốc bin gió cỡ nhỏ làm việc trong điều kiện gió tốc độ thấpISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(130).201841NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CÁNH TUỐC BIN GIÓ CỠ NHỎ LÀM VIỆCTRONG ĐIỀU KIỆN GIÓ TỐC ĐỘ THẤPRESEARCH ON DESIGNING SMALL WIND TURBINE BLADES OPERATING INLOW WIND SPEED CONDITIONSPhan Thành Long, Nguyễn Võ ĐạoTrường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; ptlong@dut.udn.vnTóm tắt - Một trong những vấn đề lớn nhất khi thiết kế cánh của tuốcbin gió cỡ nhỏ, làm việc với gió tốc độ thấp, là việc chọn biên dạngcánh phù hợp và nâng cao hệ số công suất Cp của tuốc bin. Trongnghiên cứu này, cánh của tuốc bin gió có công suất 1 kW, làm việcở tốc độ gió khoảng 7 m/s, sử dụng biên dạng cánh SD7062, đượcthiết kế theo hai phương pháp, đề xuất bởi Burton và Manwell. Đặctính làm việc của các cánh tuốc bin sau khi thiết kế được kiểm tra vàdự đoán bằng phương pháp động lượng phần tử cánh. Kết quả chothấy rằng, cánh tuốc bin gió thiết kế theo phương pháp của Burtoncó khả năng làm việc tốt hơn ở điều kiện gió tốc độ thấp (Cp khoảng0,42 khi V = 7 m/s) và có đặc tính khởi động tốt hơn (tốc độ gió khởiđộng V = 3,5 m/s). Ngoài ra, cánh tuốc bin thiết kế theo phương phápnày có kích thước nhỏ hơn và đơn giản, dễ chế tạo hơn so với cánhthiết kế bằng phương pháp của Manwell.Abstract - One of the largest problems in designing blades for asmall wind turbine operating in low wind speed conditions is selectingthe suitable airfoil and enhancing the power coefficient (Cp) of theturbine. In this research, the wind turbine blades had the power of1kW, operating at the wind speed of approximately 7 m/s and usingthe SD7062 airfoil. The blades were designed based on two methodsrecommended by Burton and Manwell respectively. The wind turbineblades’ performance were predicted and tested using the bladeelement momentum method. Results showed that the blade of windturbine which was designed based on Burton’s method could operatebetter in the condition of low wind speed (Cp was about 0.42 when V= 7m/s) and had better start-up characteristics (start-up wind speedV = 3,5 m/s). Besides, this blade had smaller size, simpler designand was easier to be made than that of the Manwell’s method.Từ khóa - tuốc bin gió cỡ nhỏ; gió tốc độ thấp; khí động học; biêndạng cánh SD7062; BEMKey words - small wind turbine; low wind condition; aerodynamics;SD7062 airfoil; BEM1. Đặt vấn đềNgày nay, nhu cầu sử dụng các nguồn năng lượng thaythế, trong đó có năng lượng gió, ngày càng tăng do cácnguy cơ về biến đổi khí hậu và sự thiếu hụt nguồn nhiênliệu hóa thạch [1]. Trong đó, nhu cầu sử dụng các tuốc bingió cỡ nhỏ ngày càng tăng do giá thành rẻ, cấu tạo đơn giảnvà không gây ra tiếng ồn. Tuốc bin gió cỡ nhỏ có thể sửdụng ở các vùng nông thôn, ngoại ô hoặc thậm chí trongcác khu dân cư đông đúc, mà tại đó không thể lắp đặt cáctuốc bin gió cỡ lớn do giới hạn về diện tích và ô nhiễmtiếng ồn [2]. Mặc dù có nhiều ưu điểm, tuy nhiên tuốc bingió cỡ nhỏ lại có hệ số công suất Cp thấp, khoảng 0,25 sovới 0,45 của tuốc bin gió cỡ lớn [3]. Nguyên nhân đầu tiênlà do tuốc bin gió cỡ lớn thường được đặt tại các vùng cóđiều kiện gió ổn định và tối ưu, trong khi tuốc bin gió cỡnhỏ thường được đặt trên mái nhà, cánh đồng, những nơigió không ổn định do các vật cản bao xung quanh. Ngoàira, do kích thước của tuốc bin nhỏ, cùng tốc độ gió thấp,tuốc bin gió cỡ nhỏ thường làm việc với số Reynolds Rethấp, dẫn đến việc dòng chảy tầng trên cánh bị tách rời, sauđó nhập lại trên bề mặt và hình thành các bong bóng táchthành. Các bong bóng này làm tăng chiều dày lớp biên hìnhthành trên bề mặt cánh và lực cản, đồng thời làm giảm lựcnâng và gây ra nhiều tiếng ồn hơn, điều này làm giảm hệsố công suất của tuốc bin [4]. Chính vì vậy, một trongnhững vấn đề quan trọng nhất khi thiết kế các cánh tuốc bingió cỡ nhỏ là phải chọn được các biên dạng cánh phù hợp,có thể làm việc ở số Re thấp mà không gây ra hiện tượngtách thành của dòng chảy tầng.Bên cạnh đó, một yếu tố quan trọng khi thiết kế cánhtuốc bin gió cỡ nhỏ là việc xác định kích thước dây cung cvà góc xoắn  của biên dạng cánh tại các vị trí khác nhaudọc theo chiều dài cánh. Sự phân bố c và  này quyết địnhđến hình dạng, kích thước của cánh, cũng như các đặc tínhkhí động học, độ bền của cánh. Trong thực tế, có nhiều môhình đề xuất để tính toán sự phân bố chiều dài dây cung vàgóc xoắn dọc theo cánh tuốc bin gió, vì vậy cần phải xemxét để lựa chọn mô hình tính toán phù hợp, từ đó có thểthiết kế một cánh tuốc bin gió làm việc với hiệu suất caovà đảm bảo các yêu cầu khác.Nghiên cứu này giới thiệu các bước để thiết kế một cánhtuốc bin gió cỡ nhỏ, có công suất khoảng 1 kW, làm việctrong vùng gió tốc độ thấp, khoảng 5 – 7 m/s. Đây là điềukiện gió đặc trưng của khu vực ven biển Miền Trung. Cánhtuốc bin được thiết kế sử dụng biên dạng cánh SD7062, đâylà biên dạng cánh được thiết kế dành r ...