Thực nghiệm và mô phỏng số cho turbine gió không cánh
- 66 trang
- file .pdf
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Thực nghiệm và mô phỏng số cho turbine gió
không cánh
BÙI XUÂN HÀ
[email protected]
Ngành Kỹ thuật Hàng không
Giảng viên hướng dẫn: TS. Lê Thị Tuyết Nhung Chữ ký của GVHD
Bộ môn: Kỹ thuật Hàng không và Vũ trụ
Viện: Cơ khí Động lực
HÀ NỘI, 7/2021
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Bùi Xuân Hà
Đề tài luận văn: Thực nghiệm và mô phỏng số cho turbine gió không
cánh
Chuyên ngành: Kỹ thuật Hàng không
Mã số SV: 20202586M
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác
nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày
03/09/2021 với các nội dung sau:
- Sửa lại lối hành văn theo văn viết.
- Căn chỉnh lề cho đúng theo quy định luận văn thạc sĩ.
- Thống nhất đơn vị các đơn vị và đặc biệt là về độ dài.
- Các bảng (bảng 17-20,...) đưa vào cho gọn và nhắc lại tiêu đề khi sang
trang.
- Sửa các tài liệu trích dẫn theo đúng mẫu.
Ngày 16 tháng 9 năm 2021
Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn
Bùi Xuân Hà
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
1. Thông tin học viên
Họ và tên: Bùi Xuân Hà
Điện thoại: 0353234163 Email:[email protected]
Lớp: 20202586M
Hệ đào tạo: Cao học
Luận văn được thực hiện tại: Bộ môn Kỹ thuật Hàng không và Vũ trụ, trường Đại
học Bách khoa Hà Nội
Thời gian làm luận văn: 6 tháng
- Ngày giao nhiệm vụ: 14/12/2020
- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 30/06/2021
2. Mục đích nội dung của luận văn
Nghiên cứu sự ảnh hưởng của hình dạng thân turbine tới công suất của turbine gió
không cánh.
3. Các nhiệm vụ cụ thể của luận văn
- Tìm hiểu tổng quan về turbine gió không cánh. Phân tích tính hiệu quả cho
turbine gió không cánh ở Việt Nam.
- Thiết lập mô hình tính toán công suất cho turbine gió không cánh.
- Thực nghiệm đo sự ảnh hưởng của hình dạng thân turbine tới biên độ dao
động của turbine gió không cánh.
- Thiết kế các bộ phận cơ bản cho turbine gió không cánh.
4. Lời cam đoan của học viên
Tôi – Bùi Xuân Hà - cam kết luận văn là công trình nghiên cứu của bản thân tôi
dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Thị Tuyết Nhung.
Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực, không phải là sao chép toàn văn của
bất kỳ công trình nào khác.
Hà Nội, ngày 30 tháng 07 năm 2020
Tác giả luận văn
Bùi Xuân Hà
5. Xác nhận của giáo viên hướng dẫn về mức độ hoàn thành của luận văn và
cho phép bảo vệ:
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
Hà Nội, ngày....tháng....năm 2020
Giáo viên hướng dẫn
TS. Lê Thị Tuyết Nhung
Lời cảm ơn
Tôi xin chân thành cảm ơn TS Lê Thị Tuyết Nhung cùng các thầy cô trong Bộ
môn Kỹ thuật hàng không và vũ trụ, Viện Cơ khí động lực đã tận tình chỉ bảo,
hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này. Do kiến thức còn hạn hẹp, nên đề tài không
tránh khỏi thiếu sót, tôi rất mong nhận được đóng góp từ thầy cô và các bạn.
Tóm tắt nội dung luận văn
Ngày nay với sự phát triển ngày càng mạnh ở ngành công nghiệp năng lượng tái
tạo, đặc biệt có rất nhiều nghiên cứu mới về phát triển điện gió. Sự ra đời của một
turbine gió không cánh quạt tạo ra năng lượng từ gió thông qua dao động hoặc rung
dường như mở ra một hướng mới trong việc giải quyết những khó khăn trong vận
chuyển cũng như lắp đặt so với tua bin gió hiện tại.
Từ ý tưởng trên, tôi đã quyết định nghiên về loại turbine gió không cánh cỡ nhỏ với
chiều cao 3m, phục vụ cho các hộ gia đình nhỏ hoặc chiếu sáng ngoài trời.
Trên thị trường quốc tế hiện nay có nhiều loại turbine gió không cánh với hình dạng
thân khác nhau: Hình trụ, hình chóp, hình côn loe,…. Đối với turbine gió không
cánh, hình dạng của cột trụ làm turbine có ý nghĩa quyết định đến công suất.
Trong đề tài nghiên cứu này, tôi sẽ tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của biên dạng
thân turbine đến công suất của turbine.
Học viên thực hiện
Bùi Xuân Hà
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TURBINE GIÓ KHÔNG CÁNH ......2
1.1 Tổng quan về turbine gió không cánh .............................................................2
Lịch sử hình thành............................................................................2
Nguyên lý hoạt động ........................................................................3
Cấu tạo của turbine gió không cánh .................................................3
Cơ cấu chuyển đổi năng lượng ........................................................4
Đặc điểm thiết kế .............................................................................6
Phân loại turbine gió không cánh .....................................................8
1.2 Phân tích hiệu quả & tính khả thi cho turbine không cánh ở Việt Nam .........8
Công nghệ gió tốc độ thấp ...............................................................9
Phân tích so sánh ............................................................................11
CHƯƠNG 2. THIẾT LẬP MÔ HÌNH TÍNH TOÁN ..........................................16
2.1 Ý tưởng thiết kế turbine ................................................................................16
2.2 Các loại mô hình turbine ...............................................................................17
2.3 Chọn vật liệu .................................................................................................18
Tại sao chọn Composite sợi thủy tinh ............................................18
Ưu điểm nổi bật của Glass Fiber ....................................................18
Nhược điểm của Glass Fiber ..........................................................19
2.4 Thiết lập mô hình tính toán ...........................................................................19
Lựa chọn biên dạng turbine ...........................................................19
Thiết lập phương trình và công thức tính toán ...............................22
CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG VÀ TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT..............................24
3.1 Tính toán công suất .......................................................................................24
3.2 Bài toán FSI cho turbine gió không cánh ......................................................26
Đặt vấn đề ......................................................................................26
Mô phỏng khí động ........................................................................27
Mô phỏng kết cấu ...........................................................................32
CHƯƠNG 4. THỰC NGHIỆM ĐO BIÊN ĐỘ DAO ĐỘNG CHO TỪNG LOẠI
MÔ HÌNH TURBINE .............................................................................................36
4.1 Mục đích của thực nghiệm ............................................................................36
4.2 Nội dung thực nghiệm ...................................................................................36
4.3 Quy trình thực nghiệm ..................................................................................37
Mô hình hóa turbine .......................................................................37
Lựa chọn tỉ lệ vận tốc gió...............................................................37
Thiết lập mô hình thực nghiệm ......................................................38
4.4 Kết quả thực nghiệm .....................................................................................39
CHƯƠNG 5. TÍNH TOÁN CÁC BỘ PHẬN CƠ BẢN CỦA TURBINE ..........43
5.1 Trục truyền động ...........................................................................................43
Cụm đai cố định .............................................................................45
Cụm dẫn hướng ..............................................................................45
Cụm bánh răng ...............................................................................46
Bản vẽ chi tiết ................................................................................48
5.2 Máy phát điện ................................................................................................52
5.3 Bình acquy ....................................................................................................52
5.4 Bộ điều khiển nạp sạc ...................................................................................53
KẾT LUẬN ..............................................................................................................55
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
AC Dòng điện xoay chiều
AH Dung lượng của bình ắc quy
DC Dòng diện một chiều
emf Lực điện động
HAWT Turbine trục ngang
LCOE Chi phí năng lượng được phân cấp
PECC3 Công ty Tư vấn Điện 3
pf Hệ số năng suất của bộ kích điện
PV Quang điện mặt trời
T Thời gian cần có điện của hệ thống
V Hiệu điện thế của mạch nạp bình ắc quy
VAWT Turbine trục dọc
VIV Rung động do xoáy
W Tổng Công suất tiêu thụ trong hệ thống
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1: Mô hình tổng quan về turbine gió không cánh ..............................................2
Hình 2: Nguyên lý hoạt động của turbine gió không cánh .........................................3
Hình 3: Cấu tạo của turbine ........................................................................................3
Hình 4: Mô phỏng dòng xoáy phía sau cột trụ ............................................................4
Hình 5: Vụ sập cầu Tacoma do cộng hưởng rung động năm 1940 ở Hoa Kỳ ............5
Hình 6: So sánh giữa turbine gió thông thường và turbine gió không cánh ...............7
Hình 7: Các loại turbine gió hiện nay trên thị trường .................................................9
Hình 8: Chí phí sản xuất của từng loại năng lượng điện...........................................13
Hình 9: Mô hình thiết kế của nhóm uosdesign .........................................................17
Hình 10: Các mô hình turbine gió không cánh ........................................................17
Hình 11: Thanh Rod composite ................................................................................18
Hình 12: Các mô hình cột trụ trong ĐATN, Bùi Xuân Hà, “Thiết kế turbine gió
không cánh công suất 100W”, 2020. [16] .................................................................19
Hình 13: Mô hình turbine gió [16] ............................................................................20
Hình 14: Kích thước của cột trụ ................................................................................21
Hình 15: Thiết kế 3D.................................................................................................22
Hình 16: Tần số dao động riêng ................................................................................24
Hình 17: Chia lưới để tính hệ số lực nâng ................................................................25
Hình 18: Đồ thị hệ số lực nâng .................................................................................25
Hình 19: Kết quả hệ số lực nâng ...............................................................................25
Hình 20: Xây dựng miền khí động ............................................................................27
Hình 21: Mô hình lưới tại thân turbine .....................................................................28
Hình 22: Thiết lập phương pháp giải ........................................................................29
Hình 23: Chỉ số Y+ ...................................................................................................29
Hình 24: Đường dòng vận tốc ...................................................................................30
Hình 25: Contour vận tốc ..........................................................................................30
Hình 26: Phân bố áp suất lên thân turbine ................................................................30
Hình 27: Contour áp suất mặt trước và mặt sau của turbine .....................................31
Hình 28: Trường vận tốc tại vị trí 0,8 thân ...............................................................31
Hình 29: Trường áp suất tại vị trí 0,8 thân ................................................................31
Hình 30: Mô hình lưới trong Static Structural ..........................................................32
Hình 31: Thiết lập điều kiện cố định.........................................................................33
Hình 32: Phân bố áp suất ..........................................................................................34
Hình 33: Biến dạng trên turbine ................................................................................34
Hình 34: Ứng suất tác dụng lên turbine ....................................................................35
Hình 35: Các loại mô hình thí nghiệm khí động lực học ..........................................36
Hình 36: Các mô hình thực nghiệm ..........................................................................37
Hình 37: Máy quay tốc độ cao HSC .........................................................................39
Hình 38: Phân tích hình ảnh bằng phần mềm ImageJ...............................................39
Hình 39: Trục truyền động ........................................................................................43
Hình 40: Đai cố định .................................................................................................45
Hình 41: Cụm dẫn hướng chuyển động tịnh tiến gắn với cột trụ..............................46
Hình 42: Bánh răng nhỏ quay theo chiều tịnh tiến của thanh răng thẳng .................46
Hình 43: Bánh răng côn ............................................................................................47
Hình 44: Cụm bánh răng gắn với motor điện ...........................................................47
Hình 45: Bản vẽ chi tiết của turbine..........................................................................48
Hình 46: Bản vẽ cụm dẫn hướng ..............................................................................49
Hình 47: Bản vẽ cụm kiểm tra công suất ..................................................................50
Hình 48: Bản vẽ các chi tiết gia công .......................................................................51
Hình 49: Máy phát điện PMG220 100W dọc trục ....................................................52
Hình 50: Bình ác quy khô 100Ah .............................................................................53
Hình 51: Bộ điều khiển nạp sạc ắc quy .....................................................................54
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1: Phân loại turbine gió không cánh ............................................................. 8
Bảng 2: Công suất ứng với tốc độ gió của từng loại turbine gió ......................... 10
Bảng 3: Diện tích gió ứng với từng tốc độ gió..................................................... 11
Bảng 4: Các thông số của vật liệu Glass Fiber .................................................... 18
Bảng 5: Thông số kích thước của......................................................................... 22
Bảng 6: Giá trị công suất theo chu kì T – Mô hình 2 ........................................... 26
Bảng 7: Công suất của các mô hình turbine ......................................................... 26
Bảng 8: Thông số và chất lượng lưới ................................................................... 28
Bảng 9: Thiết lập điều kiện biên .......................................................................... 28
Bảng 10: Thông số lưới kết cấu ........................................................................... 32
Bảng 11: Thông số vật liệu Glass Fiber ............................................................... 33
Bảng 12: Thông số kích thước của từng mô hình thực nghiệm ........................... 36
Bảng 13: Dải vận tốc ứng với tần số cánh quạt ................................................... 38
Bảng 14: Kết quả thực nghiệm của mô hình 1 ..................................................... 40
Bảng 15: Kết quả thực nghiệm của mô hình 2 ..................................................... 40
Bảng 16: Kết quả thực nghiệm của mô hình 3 ..................................................... 41
Bảng 17: Biên độ dao động của 3 mô hình .......................................................... 41
Bảng 18: Danh sách các chi tiết của bộ truyền động ........................................... 44
Bảng 19: Danh sách chi tiết cụm dẫn hướng ....................................................... 49
Bảng 20: Danh sách chi tiết cụm dẫn hướng và máy phát điện ........................... 51
Bảng 21: Bản danh sách các chi tiết gia công ...................................................... 52
DANH MỤC ĐỒ THỊ
Biểu đồ 1: Hiệu năng của từng loại turbine dựa trên tốc độ gió .......................... 12
Biểu đồ 2: Chi phí hoạt động trong một năm của từng lại turine ........................ 14
Biểu đồ 3: Liên hệ giữa tần số quạt và vận tốc dòng khí ..................................... 38
Biểu đồ 4: Vận tốc gió – Biên độ giao động ........................................................ 42
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TURBINE GIÓ KHÔNG CÁNH
1.1 Tổng quan về turbine gió không cánh
Lịch sử hình thành
Khi nhắc đến “phong điện” hay điện được tạo ra từ năng lượng gió, chúng ta sẽ
nghĩ ngay đến các turbine gió. Tuy nhiên những loại turbine này với sải cánh của
nó khá tốn diện tích, mới đây một công ty Tây Ban Nha đã đề xuất một cách
hoàn toàn mới để tạo ra năng lượng gió với những chiếc turbine có kiểu dáng
hoàn toàn khác lạ.
Ý tưởng mới được đưa ra bởi công ty Vortex, bằng những chiếc máy turbine gió
không cánh có hình dáng như một cuộn giấy dựng đứng. Turbine Vortex có mục
đích giống như một turbine gió bình thường là biến gió thành năng lượng động
học và chuyển thành điện sử dụng nhưng theo một cách khác nhau.
Vortex Bladless là một máy phát điện gió cộng hưởng rung động do xoáy. Về cơ
bản, công nghệ của turbine gió không cánh bao gồm một hình trụ được cố định
theo chiều dọc với một thanh đàn hồi. Hệ thống này dao động trên một phạm vi
gió, sau đó tạo ra điện thông qua hệ thống máy phát điện. [8]
Hình 1: Mô hình tổng quan về turbine gió không cánh
Turbine gió không cánh có nhiều tính năng và hiệu quả chi phí hơn theo thời gian
so với các tấm pin mặt trời và các turbine gió thông thường.
Nguyên lý hoạt động
Turbine gió không cánh được trang bị nam châm để điều chỉnh turbine, nhằm
nhận được nhiều năng lượng nhất dù gió ở cấp độ nào. Nói cách khác, mẫu
turbine này cực kỳ linh hoạt. Khi cấu trúc bắt đầu rung động, một máy phát điện
đặt bên trong thiết bị làm nhiệm vụ chuyển đổi chuyển động cơ học thành điện
năng.
Hình 2: Nguyên lý hoạt động của turbine gió không cánh
Cấu tạo của turbine gió không cánh
Cột buồm bên ngoài được thiết kế có độ bền cao
và có khả năng rung, còn lại được neo vào thanh
dưới cùng. Đỉnh của cột buồm không bị giới hạn
và có biên độ dao động cực đại. Cấu trúc được xây
dựng bằng cách sử dụng nhựa được gia cố bằng
sợi carbon hoặc sợi thủy tinh, vật liệu được sử
dụng trong các cánh turbine gió thông thường [6].
Đầu thanh trụ hỗ trợ cột buồm và đáy của nó được
neo chặt vào mặt đất. Nó được làm bằng polymer
gia cố bằng sợi carbon, cung cấp khả năng chống
mỏi rất lớn.
Thiết kế của turbine gió như vậy khá khác so với
turbine truyền thống. Turbine gió Vortex chỉ có
một cột trụ tròn được làm bằng vật liệu nhẹ và gắn
chặt với mặt đất. Điều này làm giảm việc sử dụng
nguyên liệu thô và nhu cầu về một nền tảng sâu
hơn.
Hình 3: Cấu tạo của turbine
Cơ cấu chuyển đổi năng lượng
Turbine gió không cánh thu được năng lượng từ gió bằng một hiện tượng cộng
hưởng được tạo ra bởi hiệu ứng khí động học gọi là sự biến đổi xoáy. Trong cơ
học chất lỏng, khi gió đi qua một trụ tròn, dòng chảy thay đổi và tạo ra một mô
hình xoáy theo chu kỳ. Khi tần số của các lực này đủ gần với tần số cấu trúc, cột
trụ bắt đầu dao động và đi vào cộng hưởng với gió, điều này còn được gọi là rung
động do xoáy. [13]
Hiện tượng này thường được tránh trong kỹ thuật kết cấu, hàng không và kiến
trúc. Hoàn toàn ngược lại, turbine Vortex có thể tối đa hóa sự mất ổn định khí
động học và nhiễu loạn gió này.
Thân turbine được thiết kế đặc biệt để đạt được hiệu suất tối đa với vận tốc gió
quan sát trung bình. Nó có thể thích ứng rất nhanh với sự thay đổi hướng gió và
luồng không khí hỗn loạn thường thấy trong môi trường đô thị.
Sự xáo trộn của dòng gió hạ lưu là lý do tại sao các turbine thông thường cần
được lắp đặt cách xa nhau. Điều này không ảnh hưởng đến các turbine gió không
cánh, bất kỳ giới hạn nào liên quan đến hiệu ứng này đều tránh được. Hy vọng
các thiết bị Vortex sẽ hoạt động tốt hơn với nhau, phản hồi lẫn nhau nếu chúng
có không gian trống thích hợp xung quanh chúng, được ước tính bằng một nửa
tổng chiều cao của thiết bị. Đối với các turbine gió thông thường, không gian
trống này thường gấp năm lần tổng chiều cao của thiết bị.
Hình 4: Mô phỏng dòng xoáy phía sau cột trụ
Hiện tại, Vortex tạo ra điện thông qua hệ thống máy phát điện xoay chiều, được
chế tạo bằng cuộn dây và nam châm, thích ứng với động lực xoáy, không có
bánh răng, trục hoặc bất kỳ bộ phận quay nào.
Alternators là một công nghệ nổi tiếng, hoàn toàn theo cách mà Vortex đang sử
dụng nó là sáng tạo và được cấp bằng sáng chế. Thiết kế này cho phép giảm bảo
trì và loại bỏ sự cần thiết phải bôi trơn trong quá trình hoạt động.
- Điều chỉnh tần số
Tần số của sự biến đổi Vortex tỷ lệ thuận với vận tốc của luồng gió, tuy nhiên
mỗi cấu trúc có tần số rung động tự nhiên riêng. Để phù hợp với tần số gió với
thiết bị tần số tự nhiên, ta có thể điều chỉnh khối lượng turbine (khối lượng càng
nhiều thì tần số tự nhiên càng nhỏ) và độ cứng (độ cứng càng cao thì tần số càng
cao), trong số các thông số khác. Do đó, cần phải có các cơ chế phức tạp để thay
đổi tần số tự nhiên của thiết bị đó.
Để tránh điều này, thiết kế Vortex thay vào đó sử dụng hệ thống từ tính với nam
châm vĩnh cửu làm tăng độ cứng của hệ thống theo mức độ uốn cong của chúng.
Mức độ uốn cong tăng lên khi gió mạnh lên. Chúng tôi gọi hệ thống điều chỉnh
này là cải tiến.
Do đó, hệ thống tự đồng bộ hóa được cấp bằng sáng chế của Vortex cho phép thu
được phạm vi tốc độ gió rộng hơn mà không cần nỗ lực, với điểm cắt trong
khoảng 3 m/s (tốc độ bắt đầu). Nó có thể tự động thay đổi độ cứng và đồng bộ
hóa với tốc độ gió đến, để duy trì sự cộng hưởng mà không có bất kỳ sự can thiệp
cơ học hoặc thủ công nào.
- Hiệu ứng xoáy VorKarman
Hình 5: Vụ sập cầu Tacoma do cộng hưởng rung động năm 1940 ở Hoa Kỳ
Hiệu ứng Vortex Street hay hiệu ứng Vortex Shashing lần đầu tiên được mô tả và
chính thức hóa bằng toán học bởi Theodore von Karman, thiên tài hàng không,
vào năm 1911. Hiệu ứng này được tạo ra bởi các lực gió bên trên một vật thể
chìm trong dòng chảy tầng. Luồng gió tạo ra một mô hình xoáy theo chu kỳ, có
thể trở thành một thách thức kỹ thuật cho các cấu trúc thanh mảnh, như tháp, cột
buồm và ống khói. Một trong những ví dụ như vậy là vụ sập cầu Tacoma Narrow
lối vào năm 1940, Hoa Kỳ.
Đặc điểm thiết kế
Công nghệ turbine gió hiện nay cần hỗ trợ các mức tải rất khác nhau dưới tốc độ
gió thay đổi, điều này đặt ra yêu cầu cơ học cao đối với việc truyền các bộ phận
như bánh răng, vòng bi, ống lót hoặc phanh. Nhiều bộ phận chuyển động liên tục
bị mòn, dẫn đến chi phí bảo trì cao.
Turbine gió không cánh loại bỏ hoàn toàn các yếu tố cơ học có thể chịu mài mòn
do ma sát. Các vật liệu chính được sử dụng để sản xuất turbine Vortex là polyme
sợi carbon, nhựa, thép, neodymium và đồng. Giới hạn làm việc của các vật liệu
này khác xa so với tiêu chuẩn hoạt động của Vortex.
- Sự mài mòn và độ mỏi
Tất nhiên, turbine gió này không tránh khỏi lực mỏi. Mỏi được xác định bởi sự
suy yếu của vật liệu gây ra do tải trọng hoặc lực tác dụng nhiều lần. Turbine chịu
đựng sự uốn cong liên tục và một sự cố gãy có thể xảy ra khi đạt giới hạn mỏi.
Thanh sợi carbon được thiết kế để hoạt động ở biên độ dao động nhỏ ... Điều này
ngụ ý một biến dạng vật liệu rất thấp. Phân tích tính toán và toán học được thực
hiện liên quan đến thành phần bị ảnh hưởng nhiều nhất bởi hiện tượng mỏi này
nên máy phát điện Vortex có tuổi thọ rất lớn.
- Công suất
Trong chuyển đổi năng lượng gió, sản xuất điện tỷ lệ thuận với diện tích quét của
turbine gió. Vortex hiện đang quét lên tới 30% diện tích làm việc của một turbine
gió dựa trên 3 cánh quạt thông thường có chiều cao giống hệt nhau.
Kết quả là, chúng ta có thể nói năng lượng gió Vortex kém hiệu quả hơn so với
các turbine gió trục ngang thông thường. Mặt khác, một khu vực quét nhỏ hơn
cho phép lắp đặt nhiều turbine không cánh hơn trong cùng một diện tích bề mặt,
bù lại hiệu suất năng lượng với hiệu quả không gian theo cách rẻ hơn.
Công suất ước tính của Vortex Tacoma (2.75m) là 100W một khi được công
nghiệp hóa.
- Tối ưu hóa
Mọi hướng: Các thiết bị xoáy luôn được định hướng theo gió nhờ tiết diện
tròn mast. Các sóng gió hoặc các luồng gió hỗn hợp không ảnh hưởng đến
chức năng của các thiết bị.
Không bị hạn chế: Cách thức hoạt động cộng hưởng biến mất ngoài phạm vi
khóa, do đó, Vortex tự dừng dao động mà không cần phanh nếu tốc độ gió
vượt quá ngưỡng thiết bị
Mọi tốc độ: Năng lượng Công nghệ Vortex được thiết kế để tạo ra năng lượng
từ tốc độ gió rất thấp, thường xuyên hơn trong các khu dân cư hoặc đô thị.
Năng lượng sạch: Vortex không có bánh răng di chuyển và dao động xảy ra ở
tần số rất thấp nên thiết bị hoạt động lặng lẽ khi được hiệu chỉnh đúng. Dễ
dàng và đơn giản như một bảng điều khiển năng lượng mặt trời.
1.1.5.1. Thích nghi khí quyển
Trong môi trường đô thị, luồng gió thường rất hỗn loạn, đây là vấn đề đối với các
turbine gió thông thường. Ngoài ra, sự trỗi dậy của các cối xay gió thông thường
là vấn đề khi lắp đặt một số turbine gió làm việc cùng một nơi.
Mặt khác, các turbine gió thông thường cần một hệ thống định hướng để đối mặt
với luồng gió sự cố. Máy phát điện gió xoáy không cần thiết nữa do tiết diện tròn
của nó.
Hiệu ứng VIV dựa trên nhiễu loạn chất lỏng. Do đó, turbine gió không cánh này
sẽ thích ứng rất nhanh với hướng gió và thay đổi cường độ, bất kể sóng gió. Một
luồng gió được phát triển đầy đủ là không cần thiết cho hoạt động hiệu quả của
turbine Vortex.
1.1.5.2. Thân thiện với môi trường
Turbine gió không cánh chủ yếu là một giải pháp cho việc tạo ra năng lượng
phân tán. Nó là hoàn hảo để được đặt gần một ngôi nhà hoặc trên mái nhà. Nó là
một phần của quá trình lắp đặt năng lượng mặt trời lai cộng với việc tạo gió.
- Tác động môi trường
Thiết kế đơn giản và trọng lượng nhẹ cho phép sử dụng nguyên liệu thô rất hiệu
quả. Không có quy trình sản xuất phức tạp nào được yêu cầu để chế tạo một
turbine gió không cánh, mặc dù các phương pháp hiện tại phải khác biệt rõ rệt để
công nghiệp hóa sản xuất. Việc không có chất bôi trơn làm cho không cần thiết
để quản lý chất thải này. [6]
Hình 6: So sánh giữa turbine gió thông thường và turbine gió không cánh
Tổng trọng lượng của một Vortex Tacoma (2,75m) được ước tính là ít hơn 15 Kg
sau khi công nghiệp hóa. Không giống như năng lượng gió dựa trên sự quay
thông thường, với việc hiệu chỉnh và neo phù hợp, chúng tôi hy vọng công nghệ
Vortex sẽ hoàn toàn không gây ồn ào.
- Tác động đến động vật hoang dã
Mặc dù các turbine gió nhỏ thường không phải là một vấn đề quan trọng đối với
động vật hoang dã, nhưng sức gió không thể phá hủy ảnh hưởng đến quần thể
chim dự kiến sẽ nhỏ hơn nhiều. Thiết kế Vortex cho phép một sự dao động trên
các turbine không cánh với không gian nhỏ và ít nguy hiểm hơn các turbine gió
truyền thống, do đó, nó đã thân thiện hơn với động vật hoang dã và cho phép
chim và dơi tránh chúng dễ dàng khi bay.
Phân loại turbine gió không cánh
Trên thị trường hiện tại có 3 loại turbine gió không cánh đó là Vortex Atlantis,
Vortex Mini, Vortex Grand.
Chiều cao Cân nặng Công suất Giá thành
Vortex Atlantis 3m 10 kg 100 W 250 $
Vortex Mini 13 m 100 kg 4 KW 5000 $
Vortex Grand 150 m 100 tấn 1 MW -
Bảng 1: Phân loại turbine gió không cánh
Vortex Atlantis có công suất 100W kết hợp với hệ thống điện mặt trời để đáp
ứng yêu cầu phụ tải. Ở những nơi điện lưới chưa thể tiếp cận được ví dụ như
những nơi vùng sâu vùng xa, biên giới hải đảo hay một số nơi có địa hình phức
tạp nhưng vẫn có người dân sinh sống thì Vortex Atlantis thật sự là một giải pháp
hữu hiệu và hiệu quả nhất. Vortex Mini là một loại máy phát điện được lắp đặt
gần khu vực sản xuất điện công nghiệp và hộ gia đình nói chung, v.v ... Vortex
Grand có công suất phát điện lớn hơn, được thiết kế để tận dụng lợi thế của công
ty cung cấp điện.
1.2 Phân tích hiệu quả & tính khả thi cho turbine không cánh ở Việt Nam
Trong thập kỷ qua, việc sử dụng năng lượng tái tạo, đặc biệt là từ các nguồn năng
lượng mặt trời và gió, đang phát triển với tốc độ nhanh hơn nhiều so với phần
còn lại của nền kinh tế trên toàn thế giới. Việc giảm chi phí đáng kể cho quang
điện mặt trời (PV) và năng lượng gió trong thời gian này đã tăng sức hấp dẫn đối
với những khách hàng quan tâm đến việc tiết kiệm tiền và giúp môi trường với
các hệ thống tự tạo.
Phần này sẽ giải thích ngắn gọn về tình hình hiện tại của các công nghệ khác
nhau trên thị trường và cố gắng đưa ra một tham chiếu về những gì quan trọng
cần phân tích để có ý tưởng chung về khả năng đầu tư vào việc lắp đặt năng
lượng tái tạo của turbine gió không cánh.
Công nghệ gió tốc độ thấp
Turbine gió công suất thấp là một phương pháp tuyệt vời để cung cấp năng lượng
tái tạo cho các hộ gia đình, mạng lưới đô thị và cơ sở hạ tầng, hoặc các hệ thống
ngoài lưới khi cần thiết.
Một số tính năng của từng công nghệ gió hiện có, thu thập những ưu điểm và
nhược điểm của chúng. Để bắt đầu phân tích, điều quan trọng là làm nổi bật các
họ chính hiện có trong công nghệ gió: Turbine trục ngang (HAWT), turbine trục
dọc (VAWT) và turbine Vortex.
1.2.1.1. Các loại turbine gió hiện nay
Hình 7: Các loại turbine gió hiện nay trên thị trường
Bản vẽ trên tương ứng với các mô hình turbine thường có thể được tìm thấy
trong thị trường turbine gió. Theo thứ tự: Máy gió trục ngang, Máy gió trục dọc,
Máy gió dao động (Vortex).
Turbine gió trục ngang (HAWT) là loại phổ biến nhất do sự thông dụng của
chúng. Tất cả các bộ phận (lưỡi, trục và máy phát) nằm trên đỉnh tháp và lưỡi
dao hướng gió. Trục nằm ngang với mặt đất, nó có một bánh răng ở đầu quay
máy phát điện và trong trường hợp turbine lớn, phanh để làm chậm nó trong
trường hợp gió quá nhiều.
Trong các turbine trục dọc (VAWT) và các cánh được nối thẳng đứng với kết
cấu. Các thành phần chính nằm gần mặt đất hơn, cung cấp một trọng tâm ổn định
hơn. Loại turbine này mới hơn so với trục ngang và có nhiều thiết kế và mô hình
khác nhau hiện nay với hiệu quả và hoạt động khác nhau
Cơ sở của công nghệ này là một hiện tượng gọi là xoáy. Turbine không cánh hoạt
động chuyển đổi năng lượng gió thành điện năng trên dao động xảy ra khi cấu
trúc của thiết bị đạt cùng tần số cộng hưởng như các cơn gió được tạo ra phía
sau. Điều này được biết đến trong động lực học chất lỏng với tên là Vortex cảm
ứng rung động.
1.2.1.2. Turbine gió với từng loại tốc độ gió
Điểm cắt trung bình (tốc độ bắt đầu) đối với HAWT gió nhỏ là khoảng 4 m/s.
Đối với VAWT, nó lớn hơn một chút, khoảng 4,5 mét mỗi giây . Turbine xoáy có
thể đạt đến sự đồng bộ với độ xoáy từ 3 m/s và sau đó cộng hưởng hoàn toàn một
chút (tùy thuộc vào chất lượng gió), điều đó có nghĩa là điểm cắt sẽ ở xung quanh
tốc độ gió đó. Các thông số thiết kế trên thanh bên trong Vortex, có thể thay đổi
điểm cắt của thiết bị, mang lại phạm vi tốc độ gió có thể điều chỉnh được.[1]
Thiết kế turbine rất quan trọng để tạo ra năng lượng ở tốc độ gió thấp, điều này
cũng có nghĩa là đạt được mức sản xuất năng lượng tối đa trước đó. Bảng dưới
đây cho thấy cách tiếp cận công suất đầu ra ở các tốc độ gió khác nhau đối với
các turbine HAWT và VAWT trung bình bên cạnh ước tính cho các turbine
Vortex Tacoma công nghiệp hóa trong tương lai (chiều cao 2,75m). [11]
HAWT VAWT Turbine gió không
Tốc độ gió (m/s) cỡ nhỏ cỡ nhỏ cánh cỡ nhỏ
3 0W 0W 3W
6 72 W 44 W 35 W
7 104 W 66 W 60 W
8 135 W 86 W 80 W
9 160 W 105 W 93 W
Tốc độ hiệu quả 400 W 200 W 100 W
Bảng 2: Công suất ứng với tốc độ gió của từng loại turbine gió
Mục đích của bảng trên là nêu ra sự hiệu quả của các công nghệ turbine khác
nhau. Thông thường, máy điện được dự kiến sẽ làm việc trong điều kiện thiết kế,
điều đó có nghĩa là hầu hết thời gian chúng nên hoạt động ở công suất danh định.
Tuy nhiên, các turbine gió ở mặt đất hiếm khi đạt đến đỉnh công suất danh nghĩa
do tốc độ gió cao cần thiết là không phổ biến.
1.2.1.3. Tiềm năng gió ở Việt Nam
Năm 2007, Bộ Công Thương với sự hỗ trợ của Ngân hàng thế giới đã tiến hành
đo gió tại 3 điểm, góp phần vào xác định tiềm năng gió của Việt Nam. Chương
trình được từ vấn quốc tế AWS TruePower và GPCo phối hợp với công ty Tư
vấn Điện 3 (PECC3) tiến hành trong 2 năm. Kết quả đo đạc này và các số liệu
khác đã được Bộ Công Thương sử dụng để cập nhật Atlas gió cho Việt Nam, đơn
vụ thực hiện là AWS TruePower-tiền thân là TrueWind Solutions - cũng là đơn
vị xây dựng Atlas gió cho 4 quốc gia, trong đó có Việt Nam năm 2001. [5]
Tốc độ gió <4m/s 4-5m/s 5-6m/s 6-7m/s 7-8m/s 8-9m/s >9m/s
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Thực nghiệm và mô phỏng số cho turbine gió
không cánh
BÙI XUÂN HÀ
[email protected]
Ngành Kỹ thuật Hàng không
Giảng viên hướng dẫn: TS. Lê Thị Tuyết Nhung Chữ ký của GVHD
Bộ môn: Kỹ thuật Hàng không và Vũ trụ
Viện: Cơ khí Động lực
HÀ NỘI, 7/2021
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Bùi Xuân Hà
Đề tài luận văn: Thực nghiệm và mô phỏng số cho turbine gió không
cánh
Chuyên ngành: Kỹ thuật Hàng không
Mã số SV: 20202586M
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác
nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày
03/09/2021 với các nội dung sau:
- Sửa lại lối hành văn theo văn viết.
- Căn chỉnh lề cho đúng theo quy định luận văn thạc sĩ.
- Thống nhất đơn vị các đơn vị và đặc biệt là về độ dài.
- Các bảng (bảng 17-20,...) đưa vào cho gọn và nhắc lại tiêu đề khi sang
trang.
- Sửa các tài liệu trích dẫn theo đúng mẫu.
Ngày 16 tháng 9 năm 2021
Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn
Bùi Xuân Hà
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
1. Thông tin học viên
Họ và tên: Bùi Xuân Hà
Điện thoại: 0353234163 Email:[email protected]
Lớp: 20202586M
Hệ đào tạo: Cao học
Luận văn được thực hiện tại: Bộ môn Kỹ thuật Hàng không và Vũ trụ, trường Đại
học Bách khoa Hà Nội
Thời gian làm luận văn: 6 tháng
- Ngày giao nhiệm vụ: 14/12/2020
- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 30/06/2021
2. Mục đích nội dung của luận văn
Nghiên cứu sự ảnh hưởng của hình dạng thân turbine tới công suất của turbine gió
không cánh.
3. Các nhiệm vụ cụ thể của luận văn
- Tìm hiểu tổng quan về turbine gió không cánh. Phân tích tính hiệu quả cho
turbine gió không cánh ở Việt Nam.
- Thiết lập mô hình tính toán công suất cho turbine gió không cánh.
- Thực nghiệm đo sự ảnh hưởng của hình dạng thân turbine tới biên độ dao
động của turbine gió không cánh.
- Thiết kế các bộ phận cơ bản cho turbine gió không cánh.
4. Lời cam đoan của học viên
Tôi – Bùi Xuân Hà - cam kết luận văn là công trình nghiên cứu của bản thân tôi
dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Thị Tuyết Nhung.
Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực, không phải là sao chép toàn văn của
bất kỳ công trình nào khác.
Hà Nội, ngày 30 tháng 07 năm 2020
Tác giả luận văn
Bùi Xuân Hà
5. Xác nhận của giáo viên hướng dẫn về mức độ hoàn thành của luận văn và
cho phép bảo vệ:
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
Hà Nội, ngày....tháng....năm 2020
Giáo viên hướng dẫn
TS. Lê Thị Tuyết Nhung
Lời cảm ơn
Tôi xin chân thành cảm ơn TS Lê Thị Tuyết Nhung cùng các thầy cô trong Bộ
môn Kỹ thuật hàng không và vũ trụ, Viện Cơ khí động lực đã tận tình chỉ bảo,
hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này. Do kiến thức còn hạn hẹp, nên đề tài không
tránh khỏi thiếu sót, tôi rất mong nhận được đóng góp từ thầy cô và các bạn.
Tóm tắt nội dung luận văn
Ngày nay với sự phát triển ngày càng mạnh ở ngành công nghiệp năng lượng tái
tạo, đặc biệt có rất nhiều nghiên cứu mới về phát triển điện gió. Sự ra đời của một
turbine gió không cánh quạt tạo ra năng lượng từ gió thông qua dao động hoặc rung
dường như mở ra một hướng mới trong việc giải quyết những khó khăn trong vận
chuyển cũng như lắp đặt so với tua bin gió hiện tại.
Từ ý tưởng trên, tôi đã quyết định nghiên về loại turbine gió không cánh cỡ nhỏ với
chiều cao 3m, phục vụ cho các hộ gia đình nhỏ hoặc chiếu sáng ngoài trời.
Trên thị trường quốc tế hiện nay có nhiều loại turbine gió không cánh với hình dạng
thân khác nhau: Hình trụ, hình chóp, hình côn loe,…. Đối với turbine gió không
cánh, hình dạng của cột trụ làm turbine có ý nghĩa quyết định đến công suất.
Trong đề tài nghiên cứu này, tôi sẽ tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của biên dạng
thân turbine đến công suất của turbine.
Học viên thực hiện
Bùi Xuân Hà
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TURBINE GIÓ KHÔNG CÁNH ......2
1.1 Tổng quan về turbine gió không cánh .............................................................2
Lịch sử hình thành............................................................................2
Nguyên lý hoạt động ........................................................................3
Cấu tạo của turbine gió không cánh .................................................3
Cơ cấu chuyển đổi năng lượng ........................................................4
Đặc điểm thiết kế .............................................................................6
Phân loại turbine gió không cánh .....................................................8
1.2 Phân tích hiệu quả & tính khả thi cho turbine không cánh ở Việt Nam .........8
Công nghệ gió tốc độ thấp ...............................................................9
Phân tích so sánh ............................................................................11
CHƯƠNG 2. THIẾT LẬP MÔ HÌNH TÍNH TOÁN ..........................................16
2.1 Ý tưởng thiết kế turbine ................................................................................16
2.2 Các loại mô hình turbine ...............................................................................17
2.3 Chọn vật liệu .................................................................................................18
Tại sao chọn Composite sợi thủy tinh ............................................18
Ưu điểm nổi bật của Glass Fiber ....................................................18
Nhược điểm của Glass Fiber ..........................................................19
2.4 Thiết lập mô hình tính toán ...........................................................................19
Lựa chọn biên dạng turbine ...........................................................19
Thiết lập phương trình và công thức tính toán ...............................22
CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG VÀ TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT..............................24
3.1 Tính toán công suất .......................................................................................24
3.2 Bài toán FSI cho turbine gió không cánh ......................................................26
Đặt vấn đề ......................................................................................26
Mô phỏng khí động ........................................................................27
Mô phỏng kết cấu ...........................................................................32
CHƯƠNG 4. THỰC NGHIỆM ĐO BIÊN ĐỘ DAO ĐỘNG CHO TỪNG LOẠI
MÔ HÌNH TURBINE .............................................................................................36
4.1 Mục đích của thực nghiệm ............................................................................36
4.2 Nội dung thực nghiệm ...................................................................................36
4.3 Quy trình thực nghiệm ..................................................................................37
Mô hình hóa turbine .......................................................................37
Lựa chọn tỉ lệ vận tốc gió...............................................................37
Thiết lập mô hình thực nghiệm ......................................................38
4.4 Kết quả thực nghiệm .....................................................................................39
CHƯƠNG 5. TÍNH TOÁN CÁC BỘ PHẬN CƠ BẢN CỦA TURBINE ..........43
5.1 Trục truyền động ...........................................................................................43
Cụm đai cố định .............................................................................45
Cụm dẫn hướng ..............................................................................45
Cụm bánh răng ...............................................................................46
Bản vẽ chi tiết ................................................................................48
5.2 Máy phát điện ................................................................................................52
5.3 Bình acquy ....................................................................................................52
5.4 Bộ điều khiển nạp sạc ...................................................................................53
KẾT LUẬN ..............................................................................................................55
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
AC Dòng điện xoay chiều
AH Dung lượng của bình ắc quy
DC Dòng diện một chiều
emf Lực điện động
HAWT Turbine trục ngang
LCOE Chi phí năng lượng được phân cấp
PECC3 Công ty Tư vấn Điện 3
pf Hệ số năng suất của bộ kích điện
PV Quang điện mặt trời
T Thời gian cần có điện của hệ thống
V Hiệu điện thế của mạch nạp bình ắc quy
VAWT Turbine trục dọc
VIV Rung động do xoáy
W Tổng Công suất tiêu thụ trong hệ thống
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1: Mô hình tổng quan về turbine gió không cánh ..............................................2
Hình 2: Nguyên lý hoạt động của turbine gió không cánh .........................................3
Hình 3: Cấu tạo của turbine ........................................................................................3
Hình 4: Mô phỏng dòng xoáy phía sau cột trụ ............................................................4
Hình 5: Vụ sập cầu Tacoma do cộng hưởng rung động năm 1940 ở Hoa Kỳ ............5
Hình 6: So sánh giữa turbine gió thông thường và turbine gió không cánh ...............7
Hình 7: Các loại turbine gió hiện nay trên thị trường .................................................9
Hình 8: Chí phí sản xuất của từng loại năng lượng điện...........................................13
Hình 9: Mô hình thiết kế của nhóm uosdesign .........................................................17
Hình 10: Các mô hình turbine gió không cánh ........................................................17
Hình 11: Thanh Rod composite ................................................................................18
Hình 12: Các mô hình cột trụ trong ĐATN, Bùi Xuân Hà, “Thiết kế turbine gió
không cánh công suất 100W”, 2020. [16] .................................................................19
Hình 13: Mô hình turbine gió [16] ............................................................................20
Hình 14: Kích thước của cột trụ ................................................................................21
Hình 15: Thiết kế 3D.................................................................................................22
Hình 16: Tần số dao động riêng ................................................................................24
Hình 17: Chia lưới để tính hệ số lực nâng ................................................................25
Hình 18: Đồ thị hệ số lực nâng .................................................................................25
Hình 19: Kết quả hệ số lực nâng ...............................................................................25
Hình 20: Xây dựng miền khí động ............................................................................27
Hình 21: Mô hình lưới tại thân turbine .....................................................................28
Hình 22: Thiết lập phương pháp giải ........................................................................29
Hình 23: Chỉ số Y+ ...................................................................................................29
Hình 24: Đường dòng vận tốc ...................................................................................30
Hình 25: Contour vận tốc ..........................................................................................30
Hình 26: Phân bố áp suất lên thân turbine ................................................................30
Hình 27: Contour áp suất mặt trước và mặt sau của turbine .....................................31
Hình 28: Trường vận tốc tại vị trí 0,8 thân ...............................................................31
Hình 29: Trường áp suất tại vị trí 0,8 thân ................................................................31
Hình 30: Mô hình lưới trong Static Structural ..........................................................32
Hình 31: Thiết lập điều kiện cố định.........................................................................33
Hình 32: Phân bố áp suất ..........................................................................................34
Hình 33: Biến dạng trên turbine ................................................................................34
Hình 34: Ứng suất tác dụng lên turbine ....................................................................35
Hình 35: Các loại mô hình thí nghiệm khí động lực học ..........................................36
Hình 36: Các mô hình thực nghiệm ..........................................................................37
Hình 37: Máy quay tốc độ cao HSC .........................................................................39
Hình 38: Phân tích hình ảnh bằng phần mềm ImageJ...............................................39
Hình 39: Trục truyền động ........................................................................................43
Hình 40: Đai cố định .................................................................................................45
Hình 41: Cụm dẫn hướng chuyển động tịnh tiến gắn với cột trụ..............................46
Hình 42: Bánh răng nhỏ quay theo chiều tịnh tiến của thanh răng thẳng .................46
Hình 43: Bánh răng côn ............................................................................................47
Hình 44: Cụm bánh răng gắn với motor điện ...........................................................47
Hình 45: Bản vẽ chi tiết của turbine..........................................................................48
Hình 46: Bản vẽ cụm dẫn hướng ..............................................................................49
Hình 47: Bản vẽ cụm kiểm tra công suất ..................................................................50
Hình 48: Bản vẽ các chi tiết gia công .......................................................................51
Hình 49: Máy phát điện PMG220 100W dọc trục ....................................................52
Hình 50: Bình ác quy khô 100Ah .............................................................................53
Hình 51: Bộ điều khiển nạp sạc ắc quy .....................................................................54
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1: Phân loại turbine gió không cánh ............................................................. 8
Bảng 2: Công suất ứng với tốc độ gió của từng loại turbine gió ......................... 10
Bảng 3: Diện tích gió ứng với từng tốc độ gió..................................................... 11
Bảng 4: Các thông số của vật liệu Glass Fiber .................................................... 18
Bảng 5: Thông số kích thước của......................................................................... 22
Bảng 6: Giá trị công suất theo chu kì T – Mô hình 2 ........................................... 26
Bảng 7: Công suất của các mô hình turbine ......................................................... 26
Bảng 8: Thông số và chất lượng lưới ................................................................... 28
Bảng 9: Thiết lập điều kiện biên .......................................................................... 28
Bảng 10: Thông số lưới kết cấu ........................................................................... 32
Bảng 11: Thông số vật liệu Glass Fiber ............................................................... 33
Bảng 12: Thông số kích thước của từng mô hình thực nghiệm ........................... 36
Bảng 13: Dải vận tốc ứng với tần số cánh quạt ................................................... 38
Bảng 14: Kết quả thực nghiệm của mô hình 1 ..................................................... 40
Bảng 15: Kết quả thực nghiệm của mô hình 2 ..................................................... 40
Bảng 16: Kết quả thực nghiệm của mô hình 3 ..................................................... 41
Bảng 17: Biên độ dao động của 3 mô hình .......................................................... 41
Bảng 18: Danh sách các chi tiết của bộ truyền động ........................................... 44
Bảng 19: Danh sách chi tiết cụm dẫn hướng ....................................................... 49
Bảng 20: Danh sách chi tiết cụm dẫn hướng và máy phát điện ........................... 51
Bảng 21: Bản danh sách các chi tiết gia công ...................................................... 52
DANH MỤC ĐỒ THỊ
Biểu đồ 1: Hiệu năng của từng loại turbine dựa trên tốc độ gió .......................... 12
Biểu đồ 2: Chi phí hoạt động trong một năm của từng lại turine ........................ 14
Biểu đồ 3: Liên hệ giữa tần số quạt và vận tốc dòng khí ..................................... 38
Biểu đồ 4: Vận tốc gió – Biên độ giao động ........................................................ 42
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TURBINE GIÓ KHÔNG CÁNH
1.1 Tổng quan về turbine gió không cánh
Lịch sử hình thành
Khi nhắc đến “phong điện” hay điện được tạo ra từ năng lượng gió, chúng ta sẽ
nghĩ ngay đến các turbine gió. Tuy nhiên những loại turbine này với sải cánh của
nó khá tốn diện tích, mới đây một công ty Tây Ban Nha đã đề xuất một cách
hoàn toàn mới để tạo ra năng lượng gió với những chiếc turbine có kiểu dáng
hoàn toàn khác lạ.
Ý tưởng mới được đưa ra bởi công ty Vortex, bằng những chiếc máy turbine gió
không cánh có hình dáng như một cuộn giấy dựng đứng. Turbine Vortex có mục
đích giống như một turbine gió bình thường là biến gió thành năng lượng động
học và chuyển thành điện sử dụng nhưng theo một cách khác nhau.
Vortex Bladless là một máy phát điện gió cộng hưởng rung động do xoáy. Về cơ
bản, công nghệ của turbine gió không cánh bao gồm một hình trụ được cố định
theo chiều dọc với một thanh đàn hồi. Hệ thống này dao động trên một phạm vi
gió, sau đó tạo ra điện thông qua hệ thống máy phát điện. [8]
Hình 1: Mô hình tổng quan về turbine gió không cánh
Turbine gió không cánh có nhiều tính năng và hiệu quả chi phí hơn theo thời gian
so với các tấm pin mặt trời và các turbine gió thông thường.
Nguyên lý hoạt động
Turbine gió không cánh được trang bị nam châm để điều chỉnh turbine, nhằm
nhận được nhiều năng lượng nhất dù gió ở cấp độ nào. Nói cách khác, mẫu
turbine này cực kỳ linh hoạt. Khi cấu trúc bắt đầu rung động, một máy phát điện
đặt bên trong thiết bị làm nhiệm vụ chuyển đổi chuyển động cơ học thành điện
năng.
Hình 2: Nguyên lý hoạt động của turbine gió không cánh
Cấu tạo của turbine gió không cánh
Cột buồm bên ngoài được thiết kế có độ bền cao
và có khả năng rung, còn lại được neo vào thanh
dưới cùng. Đỉnh của cột buồm không bị giới hạn
và có biên độ dao động cực đại. Cấu trúc được xây
dựng bằng cách sử dụng nhựa được gia cố bằng
sợi carbon hoặc sợi thủy tinh, vật liệu được sử
dụng trong các cánh turbine gió thông thường [6].
Đầu thanh trụ hỗ trợ cột buồm và đáy của nó được
neo chặt vào mặt đất. Nó được làm bằng polymer
gia cố bằng sợi carbon, cung cấp khả năng chống
mỏi rất lớn.
Thiết kế của turbine gió như vậy khá khác so với
turbine truyền thống. Turbine gió Vortex chỉ có
một cột trụ tròn được làm bằng vật liệu nhẹ và gắn
chặt với mặt đất. Điều này làm giảm việc sử dụng
nguyên liệu thô và nhu cầu về một nền tảng sâu
hơn.
Hình 3: Cấu tạo của turbine
Cơ cấu chuyển đổi năng lượng
Turbine gió không cánh thu được năng lượng từ gió bằng một hiện tượng cộng
hưởng được tạo ra bởi hiệu ứng khí động học gọi là sự biến đổi xoáy. Trong cơ
học chất lỏng, khi gió đi qua một trụ tròn, dòng chảy thay đổi và tạo ra một mô
hình xoáy theo chu kỳ. Khi tần số của các lực này đủ gần với tần số cấu trúc, cột
trụ bắt đầu dao động và đi vào cộng hưởng với gió, điều này còn được gọi là rung
động do xoáy. [13]
Hiện tượng này thường được tránh trong kỹ thuật kết cấu, hàng không và kiến
trúc. Hoàn toàn ngược lại, turbine Vortex có thể tối đa hóa sự mất ổn định khí
động học và nhiễu loạn gió này.
Thân turbine được thiết kế đặc biệt để đạt được hiệu suất tối đa với vận tốc gió
quan sát trung bình. Nó có thể thích ứng rất nhanh với sự thay đổi hướng gió và
luồng không khí hỗn loạn thường thấy trong môi trường đô thị.
Sự xáo trộn của dòng gió hạ lưu là lý do tại sao các turbine thông thường cần
được lắp đặt cách xa nhau. Điều này không ảnh hưởng đến các turbine gió không
cánh, bất kỳ giới hạn nào liên quan đến hiệu ứng này đều tránh được. Hy vọng
các thiết bị Vortex sẽ hoạt động tốt hơn với nhau, phản hồi lẫn nhau nếu chúng
có không gian trống thích hợp xung quanh chúng, được ước tính bằng một nửa
tổng chiều cao của thiết bị. Đối với các turbine gió thông thường, không gian
trống này thường gấp năm lần tổng chiều cao của thiết bị.
Hình 4: Mô phỏng dòng xoáy phía sau cột trụ
Hiện tại, Vortex tạo ra điện thông qua hệ thống máy phát điện xoay chiều, được
chế tạo bằng cuộn dây và nam châm, thích ứng với động lực xoáy, không có
bánh răng, trục hoặc bất kỳ bộ phận quay nào.
Alternators là một công nghệ nổi tiếng, hoàn toàn theo cách mà Vortex đang sử
dụng nó là sáng tạo và được cấp bằng sáng chế. Thiết kế này cho phép giảm bảo
trì và loại bỏ sự cần thiết phải bôi trơn trong quá trình hoạt động.
- Điều chỉnh tần số
Tần số của sự biến đổi Vortex tỷ lệ thuận với vận tốc của luồng gió, tuy nhiên
mỗi cấu trúc có tần số rung động tự nhiên riêng. Để phù hợp với tần số gió với
thiết bị tần số tự nhiên, ta có thể điều chỉnh khối lượng turbine (khối lượng càng
nhiều thì tần số tự nhiên càng nhỏ) và độ cứng (độ cứng càng cao thì tần số càng
cao), trong số các thông số khác. Do đó, cần phải có các cơ chế phức tạp để thay
đổi tần số tự nhiên của thiết bị đó.
Để tránh điều này, thiết kế Vortex thay vào đó sử dụng hệ thống từ tính với nam
châm vĩnh cửu làm tăng độ cứng của hệ thống theo mức độ uốn cong của chúng.
Mức độ uốn cong tăng lên khi gió mạnh lên. Chúng tôi gọi hệ thống điều chỉnh
này là cải tiến.
Do đó, hệ thống tự đồng bộ hóa được cấp bằng sáng chế của Vortex cho phép thu
được phạm vi tốc độ gió rộng hơn mà không cần nỗ lực, với điểm cắt trong
khoảng 3 m/s (tốc độ bắt đầu). Nó có thể tự động thay đổi độ cứng và đồng bộ
hóa với tốc độ gió đến, để duy trì sự cộng hưởng mà không có bất kỳ sự can thiệp
cơ học hoặc thủ công nào.
- Hiệu ứng xoáy VorKarman
Hình 5: Vụ sập cầu Tacoma do cộng hưởng rung động năm 1940 ở Hoa Kỳ
Hiệu ứng Vortex Street hay hiệu ứng Vortex Shashing lần đầu tiên được mô tả và
chính thức hóa bằng toán học bởi Theodore von Karman, thiên tài hàng không,
vào năm 1911. Hiệu ứng này được tạo ra bởi các lực gió bên trên một vật thể
chìm trong dòng chảy tầng. Luồng gió tạo ra một mô hình xoáy theo chu kỳ, có
thể trở thành một thách thức kỹ thuật cho các cấu trúc thanh mảnh, như tháp, cột
buồm và ống khói. Một trong những ví dụ như vậy là vụ sập cầu Tacoma Narrow
lối vào năm 1940, Hoa Kỳ.
Đặc điểm thiết kế
Công nghệ turbine gió hiện nay cần hỗ trợ các mức tải rất khác nhau dưới tốc độ
gió thay đổi, điều này đặt ra yêu cầu cơ học cao đối với việc truyền các bộ phận
như bánh răng, vòng bi, ống lót hoặc phanh. Nhiều bộ phận chuyển động liên tục
bị mòn, dẫn đến chi phí bảo trì cao.
Turbine gió không cánh loại bỏ hoàn toàn các yếu tố cơ học có thể chịu mài mòn
do ma sát. Các vật liệu chính được sử dụng để sản xuất turbine Vortex là polyme
sợi carbon, nhựa, thép, neodymium và đồng. Giới hạn làm việc của các vật liệu
này khác xa so với tiêu chuẩn hoạt động của Vortex.
- Sự mài mòn và độ mỏi
Tất nhiên, turbine gió này không tránh khỏi lực mỏi. Mỏi được xác định bởi sự
suy yếu của vật liệu gây ra do tải trọng hoặc lực tác dụng nhiều lần. Turbine chịu
đựng sự uốn cong liên tục và một sự cố gãy có thể xảy ra khi đạt giới hạn mỏi.
Thanh sợi carbon được thiết kế để hoạt động ở biên độ dao động nhỏ ... Điều này
ngụ ý một biến dạng vật liệu rất thấp. Phân tích tính toán và toán học được thực
hiện liên quan đến thành phần bị ảnh hưởng nhiều nhất bởi hiện tượng mỏi này
nên máy phát điện Vortex có tuổi thọ rất lớn.
- Công suất
Trong chuyển đổi năng lượng gió, sản xuất điện tỷ lệ thuận với diện tích quét của
turbine gió. Vortex hiện đang quét lên tới 30% diện tích làm việc của một turbine
gió dựa trên 3 cánh quạt thông thường có chiều cao giống hệt nhau.
Kết quả là, chúng ta có thể nói năng lượng gió Vortex kém hiệu quả hơn so với
các turbine gió trục ngang thông thường. Mặt khác, một khu vực quét nhỏ hơn
cho phép lắp đặt nhiều turbine không cánh hơn trong cùng một diện tích bề mặt,
bù lại hiệu suất năng lượng với hiệu quả không gian theo cách rẻ hơn.
Công suất ước tính của Vortex Tacoma (2.75m) là 100W một khi được công
nghiệp hóa.
- Tối ưu hóa
Mọi hướng: Các thiết bị xoáy luôn được định hướng theo gió nhờ tiết diện
tròn mast. Các sóng gió hoặc các luồng gió hỗn hợp không ảnh hưởng đến
chức năng của các thiết bị.
Không bị hạn chế: Cách thức hoạt động cộng hưởng biến mất ngoài phạm vi
khóa, do đó, Vortex tự dừng dao động mà không cần phanh nếu tốc độ gió
vượt quá ngưỡng thiết bị
Mọi tốc độ: Năng lượng Công nghệ Vortex được thiết kế để tạo ra năng lượng
từ tốc độ gió rất thấp, thường xuyên hơn trong các khu dân cư hoặc đô thị.
Năng lượng sạch: Vortex không có bánh răng di chuyển và dao động xảy ra ở
tần số rất thấp nên thiết bị hoạt động lặng lẽ khi được hiệu chỉnh đúng. Dễ
dàng và đơn giản như một bảng điều khiển năng lượng mặt trời.
1.1.5.1. Thích nghi khí quyển
Trong môi trường đô thị, luồng gió thường rất hỗn loạn, đây là vấn đề đối với các
turbine gió thông thường. Ngoài ra, sự trỗi dậy của các cối xay gió thông thường
là vấn đề khi lắp đặt một số turbine gió làm việc cùng một nơi.
Mặt khác, các turbine gió thông thường cần một hệ thống định hướng để đối mặt
với luồng gió sự cố. Máy phát điện gió xoáy không cần thiết nữa do tiết diện tròn
của nó.
Hiệu ứng VIV dựa trên nhiễu loạn chất lỏng. Do đó, turbine gió không cánh này
sẽ thích ứng rất nhanh với hướng gió và thay đổi cường độ, bất kể sóng gió. Một
luồng gió được phát triển đầy đủ là không cần thiết cho hoạt động hiệu quả của
turbine Vortex.
1.1.5.2. Thân thiện với môi trường
Turbine gió không cánh chủ yếu là một giải pháp cho việc tạo ra năng lượng
phân tán. Nó là hoàn hảo để được đặt gần một ngôi nhà hoặc trên mái nhà. Nó là
một phần của quá trình lắp đặt năng lượng mặt trời lai cộng với việc tạo gió.
- Tác động môi trường
Thiết kế đơn giản và trọng lượng nhẹ cho phép sử dụng nguyên liệu thô rất hiệu
quả. Không có quy trình sản xuất phức tạp nào được yêu cầu để chế tạo một
turbine gió không cánh, mặc dù các phương pháp hiện tại phải khác biệt rõ rệt để
công nghiệp hóa sản xuất. Việc không có chất bôi trơn làm cho không cần thiết
để quản lý chất thải này. [6]
Hình 6: So sánh giữa turbine gió thông thường và turbine gió không cánh
Tổng trọng lượng của một Vortex Tacoma (2,75m) được ước tính là ít hơn 15 Kg
sau khi công nghiệp hóa. Không giống như năng lượng gió dựa trên sự quay
thông thường, với việc hiệu chỉnh và neo phù hợp, chúng tôi hy vọng công nghệ
Vortex sẽ hoàn toàn không gây ồn ào.
- Tác động đến động vật hoang dã
Mặc dù các turbine gió nhỏ thường không phải là một vấn đề quan trọng đối với
động vật hoang dã, nhưng sức gió không thể phá hủy ảnh hưởng đến quần thể
chim dự kiến sẽ nhỏ hơn nhiều. Thiết kế Vortex cho phép một sự dao động trên
các turbine không cánh với không gian nhỏ và ít nguy hiểm hơn các turbine gió
truyền thống, do đó, nó đã thân thiện hơn với động vật hoang dã và cho phép
chim và dơi tránh chúng dễ dàng khi bay.
Phân loại turbine gió không cánh
Trên thị trường hiện tại có 3 loại turbine gió không cánh đó là Vortex Atlantis,
Vortex Mini, Vortex Grand.
Chiều cao Cân nặng Công suất Giá thành
Vortex Atlantis 3m 10 kg 100 W 250 $
Vortex Mini 13 m 100 kg 4 KW 5000 $
Vortex Grand 150 m 100 tấn 1 MW -
Bảng 1: Phân loại turbine gió không cánh
Vortex Atlantis có công suất 100W kết hợp với hệ thống điện mặt trời để đáp
ứng yêu cầu phụ tải. Ở những nơi điện lưới chưa thể tiếp cận được ví dụ như
những nơi vùng sâu vùng xa, biên giới hải đảo hay một số nơi có địa hình phức
tạp nhưng vẫn có người dân sinh sống thì Vortex Atlantis thật sự là một giải pháp
hữu hiệu và hiệu quả nhất. Vortex Mini là một loại máy phát điện được lắp đặt
gần khu vực sản xuất điện công nghiệp và hộ gia đình nói chung, v.v ... Vortex
Grand có công suất phát điện lớn hơn, được thiết kế để tận dụng lợi thế của công
ty cung cấp điện.
1.2 Phân tích hiệu quả & tính khả thi cho turbine không cánh ở Việt Nam
Trong thập kỷ qua, việc sử dụng năng lượng tái tạo, đặc biệt là từ các nguồn năng
lượng mặt trời và gió, đang phát triển với tốc độ nhanh hơn nhiều so với phần
còn lại của nền kinh tế trên toàn thế giới. Việc giảm chi phí đáng kể cho quang
điện mặt trời (PV) và năng lượng gió trong thời gian này đã tăng sức hấp dẫn đối
với những khách hàng quan tâm đến việc tiết kiệm tiền và giúp môi trường với
các hệ thống tự tạo.
Phần này sẽ giải thích ngắn gọn về tình hình hiện tại của các công nghệ khác
nhau trên thị trường và cố gắng đưa ra một tham chiếu về những gì quan trọng
cần phân tích để có ý tưởng chung về khả năng đầu tư vào việc lắp đặt năng
lượng tái tạo của turbine gió không cánh.
Công nghệ gió tốc độ thấp
Turbine gió công suất thấp là một phương pháp tuyệt vời để cung cấp năng lượng
tái tạo cho các hộ gia đình, mạng lưới đô thị và cơ sở hạ tầng, hoặc các hệ thống
ngoài lưới khi cần thiết.
Một số tính năng của từng công nghệ gió hiện có, thu thập những ưu điểm và
nhược điểm của chúng. Để bắt đầu phân tích, điều quan trọng là làm nổi bật các
họ chính hiện có trong công nghệ gió: Turbine trục ngang (HAWT), turbine trục
dọc (VAWT) và turbine Vortex.
1.2.1.1. Các loại turbine gió hiện nay
Hình 7: Các loại turbine gió hiện nay trên thị trường
Bản vẽ trên tương ứng với các mô hình turbine thường có thể được tìm thấy
trong thị trường turbine gió. Theo thứ tự: Máy gió trục ngang, Máy gió trục dọc,
Máy gió dao động (Vortex).
Turbine gió trục ngang (HAWT) là loại phổ biến nhất do sự thông dụng của
chúng. Tất cả các bộ phận (lưỡi, trục và máy phát) nằm trên đỉnh tháp và lưỡi
dao hướng gió. Trục nằm ngang với mặt đất, nó có một bánh răng ở đầu quay
máy phát điện và trong trường hợp turbine lớn, phanh để làm chậm nó trong
trường hợp gió quá nhiều.
Trong các turbine trục dọc (VAWT) và các cánh được nối thẳng đứng với kết
cấu. Các thành phần chính nằm gần mặt đất hơn, cung cấp một trọng tâm ổn định
hơn. Loại turbine này mới hơn so với trục ngang và có nhiều thiết kế và mô hình
khác nhau hiện nay với hiệu quả và hoạt động khác nhau
Cơ sở của công nghệ này là một hiện tượng gọi là xoáy. Turbine không cánh hoạt
động chuyển đổi năng lượng gió thành điện năng trên dao động xảy ra khi cấu
trúc của thiết bị đạt cùng tần số cộng hưởng như các cơn gió được tạo ra phía
sau. Điều này được biết đến trong động lực học chất lỏng với tên là Vortex cảm
ứng rung động.
1.2.1.2. Turbine gió với từng loại tốc độ gió
Điểm cắt trung bình (tốc độ bắt đầu) đối với HAWT gió nhỏ là khoảng 4 m/s.
Đối với VAWT, nó lớn hơn một chút, khoảng 4,5 mét mỗi giây . Turbine xoáy có
thể đạt đến sự đồng bộ với độ xoáy từ 3 m/s và sau đó cộng hưởng hoàn toàn một
chút (tùy thuộc vào chất lượng gió), điều đó có nghĩa là điểm cắt sẽ ở xung quanh
tốc độ gió đó. Các thông số thiết kế trên thanh bên trong Vortex, có thể thay đổi
điểm cắt của thiết bị, mang lại phạm vi tốc độ gió có thể điều chỉnh được.[1]
Thiết kế turbine rất quan trọng để tạo ra năng lượng ở tốc độ gió thấp, điều này
cũng có nghĩa là đạt được mức sản xuất năng lượng tối đa trước đó. Bảng dưới
đây cho thấy cách tiếp cận công suất đầu ra ở các tốc độ gió khác nhau đối với
các turbine HAWT và VAWT trung bình bên cạnh ước tính cho các turbine
Vortex Tacoma công nghiệp hóa trong tương lai (chiều cao 2,75m). [11]
HAWT VAWT Turbine gió không
Tốc độ gió (m/s) cỡ nhỏ cỡ nhỏ cánh cỡ nhỏ
3 0W 0W 3W
6 72 W 44 W 35 W
7 104 W 66 W 60 W
8 135 W 86 W 80 W
9 160 W 105 W 93 W
Tốc độ hiệu quả 400 W 200 W 100 W
Bảng 2: Công suất ứng với tốc độ gió của từng loại turbine gió
Mục đích của bảng trên là nêu ra sự hiệu quả của các công nghệ turbine khác
nhau. Thông thường, máy điện được dự kiến sẽ làm việc trong điều kiện thiết kế,
điều đó có nghĩa là hầu hết thời gian chúng nên hoạt động ở công suất danh định.
Tuy nhiên, các turbine gió ở mặt đất hiếm khi đạt đến đỉnh công suất danh nghĩa
do tốc độ gió cao cần thiết là không phổ biến.
1.2.1.3. Tiềm năng gió ở Việt Nam
Năm 2007, Bộ Công Thương với sự hỗ trợ của Ngân hàng thế giới đã tiến hành
đo gió tại 3 điểm, góp phần vào xác định tiềm năng gió của Việt Nam. Chương
trình được từ vấn quốc tế AWS TruePower và GPCo phối hợp với công ty Tư
vấn Điện 3 (PECC3) tiến hành trong 2 năm. Kết quả đo đạc này và các số liệu
khác đã được Bộ Công Thương sử dụng để cập nhật Atlas gió cho Việt Nam, đơn
vụ thực hiện là AWS TruePower-tiền thân là TrueWind Solutions - cũng là đơn
vị xây dựng Atlas gió cho 4 quốc gia, trong đó có Việt Nam năm 2001. [5]
Tốc độ gió <4m/s 4-5m/s 5-6m/s 6-7m/s 7-8m/s 8-9m/s >9m/s