Tìm hiểu tại sao Tuabin gió thường có ba cánh?

Tuabin gió có ba cánh là tiêu chuẩn. Thật bất thường khi tưởng tượng bất cứ điều gì khác biệt. Mặc dù cối xay gió truyền thống có bốn cánh, chúng ta đã quen với tuabin gió ba cánh. Nhưng bạn có biết rằng một số thiết kế yêu cầu hai lưỡi, hoặc thậm chí một? Chúng không phổ biến và thường được dành cho mục đích thử nghiệm.

Hóa ra là có lý do chính đáng mà tuabin gió có ba cánh thay vì hai hoặc bốn. Thiết kế 3 cánh cung cấp sự cân bằng hoàn hảo giữa tính ổn định và hiệu quả, do đó, đây là lý do tại sao nó là tiêu chuẩn công nghiệp. Nó chỉ đơn giản là thiết kế hiệu quả nhất và được nghiên cứu kỹ lưỡng cho đến nay.

Cân bằng giữa hiệu quả và ổn định:

Số lượng cánh trên tuabin gió là kết quả của sự cân bằng giữa hiệu suất và độ ổn định. Ít cánh hơn đồng nghĩa với hiệu quả cao hơn, nhưng kém ổn định hơn. Tuabin ba cánh đạt được sự cân bằng hoàn hảo giữa hai yếu tố này.

Việc có một cánh mang lại hiệu quả cao nhất về số lượng cánh, nhưng việc cân bằng tuabin với một cánh là một thách thức. Các cánh quạt cần phải có đối trọng, và thậm chí khi đó, việc quay có thể gây ra sự không ổn định về cấu trúc.

Có 2 cánh quạt mang lại hiệu quả cao hơn so với ba cánh, nhưng tuabin hai cánh cũng có xu hướng không ổn định một chút. Một hiện tượng được gọi là hiện tượng con quay hồi chuyển làm cho tuabin lắc lư khi nó quay. Điều này là do sự thay đổi mômen động lượng từ các cánh được đặt ở hai đầu đối diện với nhau.

Tua bin có ba cánh được tạo ra ổn định, vì khi một cánh ở đầu vòng quay của nó, hai cánh còn lại tạo ra sự cân bằng. Điều này cho phép sự ổn định tối đa với số lượng cánh thấp nhất có thể.

Số lượng cánh cũng có ảnh hưởng đến hộp số. Ít lưỡi quạt hơn với tốc độ quay cao hơn làm giảm mô-men xoắn cực đại trên bánh răng. Điều này làm giảm căng thẳng trên hệ thống truyền động, có thể giảm chi phí đáng kể. Hộp số và máy phát điện thường là bộ phận lớn nhất trong chi phí vận hành và bảo trì của tuabin gió, vì tải nặng đòi hỏi phải bảo trì liên tục.

Khí động học

Khí động học là khía cạnh quan trọng nhất của thiết kế cánh quạt. Các cánh quạt có hình dạng giống như một chiếc tàu bay, tương tự như cánh máy bay. Điều này cho phép cánh quạt tạo ra lực nâng, sau đó quay rôto. Đường cong ở mặt sau của lưỡi kiếm tạo ra một số lực cản, làm cho không khí di chuyển nhanh hơn ở mặt trước của lưỡi.

Các kỹ sư phải đảm bảo rằng các cánh quạt tạo ra lực cản phù hợp. Nếu chúng tạo ra quá nhiều, nó sẽ tốn nhiều lực hơn để làm quay cánh quạt, và tuabin sẽ mất hiệu suất. Nếu chúng không tạo đủ lực cản, các cánh quạt sẽ quay quá dễ, có thể làm hỏng các linh kiện bên trong.

Hướng tương đối của gió cũng thay đổi do sự quay của các cánh quạt, do đó gió sẽ đập vào cánh quạt ở một góc nhỏ. Các kỹ sư giải thích điều này bằng cách tạo ra một đường xoắn dọc theo cánh quạt để tận dụng hiệu ứng này. Điều này cho phép cánh quạt đạt được hiệu quả cao hơn.

Cánh quạt cũng phải nhẹ và bền. Trong khi phần lớn thân của tuabin gió được làm bằng thép và nhôm, các cánh quạt được làm bằng vật liệu tổng hợp bao gồm sợi carbon, vải thủy tinh và nhựa lỏng. Điều này tạo ra một vật liệu có mật độ thấp, nhẹ và cực kỳ dai.

Trong khi số lượng cánh ảnh hưởng đến hiệu quả khí động học, các kỹ sư có thể đạt được hiệu quả tương tự với bất kỳ số lượng lưỡi nào bằng cách thay đổi chiều rộng của lưỡi và / hoặc tốc độ quay. Về mặt lý thuyết, tuabin gió với bất kỳ số lượng cánh nào cũng có thể đạt được hiệu suất như nhau, cho dù đó là một, ba hoặc thậm chí mười cánh. Trong thực tế, điều này không thực tế. Chi phí vật liệu và tính toàn vẹn của cấu trúc đặt ra các giới hạn về kích thước, chiều dài và vận tốc của các cánh.

Tuabin một lưỡi

NASA và một số công ty hàng không vũ trụ đã tiến hành các thí nghiệm sử dụng tuabin một cánh vào những năm 1980. NASA đã chế tạo một tuabin một cánh với một cánh quạt dài 15 mét. Thí nghiệm đã quan sát thấy một số ưu điểm.

Một cánh quạt có nghĩa là ít vật liệu hơn và chi phí thấp hơn. Lưỡi đơn cũng làm giảm lực cản vì không có lưỡi kiếm nào khác làm nhiễu động không khí phía trước nó. Điều này có nghĩa là tốc độ quay cao hơn và do đó hiệu quả cao hơn.

Tuy nhiên, tuabin một cánh có nhiều nhược điểm hơn. Tua bin một cánh sẽ ở vị trí sáu giờ đồng hồ khi không bị xáo trộn. Một đối trọng là cần thiết để cân bằng cánh đơn, điều này làm tăng thêm những cơn đau đầu không cần thiết.

Và ngay cả khi có đối trọng, các tuabin cũng không ổn định. Mặc dù tốc độ quay nhanh hơn giúp tăng hiệu quả, nhưng nó cũng có thể gây ra các vấn đề về cấu trúc, đặc biệt là do thiếu đối xứng. Họ cũng được mô tả là khó coi và chướng mắt do vẻ ngoài khó xử.

Tua bin hai cánh

Những ưu và nhược điểm của tuabin hai cánh đã được ghi nhận đầy đủ, nhờ vào một thí nghiệm của NASA và Bộ Năng lượng. NASA đã chế tạo bảy nguyên mẫu hai cánh từ năm 1975 đến năm 1992. Cuộc thử nghiệm đã bị thúc đẩy bởi cuộc khủng hoảng dầu mỏ, khi giá dầu tăng nhanh chóng khiến chính phủ phải tài trợ cho nghiên cứu về năng lượng thay thế.

Sự sụt giảm sau đó của giá dầu vào giữa những năm 80 khiến năng lượng gió trở nên không kinh tế, và nghiên cứu đã kết thúc. Bất chấp sự thất bại rõ ràng trong quá trình phát triển năng lượng gió, chương trình chung của NASA / DOE đã tạo tiền đề cho các tuabin gió ngày nay.

Có hai lưỡi mang lại một số lợi thế giống như có một. Họ thấy lực cản giảm, hiệu suất cao hơn và tốc độ tối đa cao hơn. Chúng cũng đẹp hơn về mặt thẩm mỹ so với các đối tác một lưỡi của chúng. Ít lưỡi hơn cũng có nghĩa là ít vật liệu hơn và chi phí thấp hơn. Tua bin hai cánh có cùng tốc độ đầu với tuabin ba cánh tạo ra ít tiếng ồn hơn. Tua bin hai cánh cũng tốn ít chi phí lắp đặt hơn, vì hai cánh quạt có thể được sản xuất thành một bộ phận lớn.

Thiết kế mặc định của tuabin hai cánh tạo ra các vấn đề về cấu trúc cố hữu. Các cánh ở hai đầu đối diện của rôto, tạo ra một dạng trọng lượng không đối xứng khi các cánh quay. Điều này dẫn đến một hiện tượng được gọi là hiện tượng chuyển động con quay hồi chuyển, trong đó thân của tuabin sẽ lắc lư theo chuyển động quay của các cánh quạt.

Điều này tương tự như sự dao động được nhìn thấy trong con quay. Kết quả là sự chao đảo có thể gây ra các vấn đề về cấu trúc và cuối cùng là hỏng hóc trong thời gian dài. Sự chao đảo này đặc biệt rõ rệt khi tuabin phải quay mặt về hướng gió.

Mặc dù dường như đã bị loại bỏ vào đầu những năm 1990, tuabin hai cánh đã quay trở lại một thời gian ngắn vào đầu những năm 2010. Một vài công ty, chẳng hạn như Nordic Windpower, đã sản xuất tuabin hai cánh vào năm 2010.

Một công ty Trung Quốc có tên Ming Yang Wind Power đã thử nghiệm với tuabin hai cánh công suất lớn 6 MW vào năm 2014. Cùng năm đó, Hitachi và Fuji đã hợp tác chế tạo một vài Các tuabin gió xuôi chiều công suất 2 MW với hai cánh.

Thậm chí ngày nay, một số công ty đang chú ý đến thiết kế hai cánh cho các trang trại điện gió ngoài khơi. Các tuabin ngoài khơi thường lớn hơn, có nghĩa là chúng tốn nhiều chi phí hơn để sản xuất, vận chuyển và lắp đặt. Chi phí tiết kiệm được bằng cách giảm số lượng cánh quạt có thể lớn hơn chi phí của những thách thức kỹ thuật bổ sung khi có hai cánh quạt

3 cánh: Con số kỳ diệu

Các kỹ sư quyết định trên ba cánh quạt như một sự thỏa hiệp giữa tính ổn định, chi phí và hiệu quả. Đó là sự lựa chọn tốt nhất để đạt được hiệu suất cao nhất với chi phí thấp nhất mà vẫn ổn định. Khi một cánh ở đầu vòng quay của nó, hai cánh kia đóng vai trò như một đối trọng, ngăn chặn bất kỳ sự lắc lư nào trong kết cấu của tuabin.

Trong khi chúng ta đã quen thuộc với bốn cánh buồm trên cối xay gió, lực cản do cánh phụ tạo ra sẽ khiến tuabin mất một số điểm hiệu suất có giá trị. Điều này có thể được khắc phục bằng cách tạo ra các lưỡi mỏng hơn quay chậm hơn, nhưng điều đó sẽ tạo ra các lưỡi mỏng manh hơn vì các lưỡi mỏng hơn khó duy trì độ cứng. Các kỹ sư sẽ phải củng cố cấu trúc bên trong của cánh quạt hoặc hoán đổi hoàn toàn các vật liệu.

Cánh quạt phụ cũng sẽ tốn nhiều chi phí sản xuất và lắp đặt hơn. Việc vận chuyển nhiều cánh quạt hơn tốn nhiều tiền và thời gian hơn. Và giờ đây, các công ty điện gió đang gặp khó khăn trong việc tái chế các cánh tua bin cũ, thì chắc chắn là ít hơn.

Loại không cánh

Mặc dù số lượng cánh quạt có thể còn để tranh luận, nhưng điều gì không phải là sự cần thiết của bản thân các cánh quạt để tạo ra năng lượng gió. Đó là cho đến khi khái niệm về tuabin gió không cánh bắt đầu tạo sóng. Tua bin không cánh gần như hoàn toàn xa lạ về mặt thiết kế.

Nó giống một vật thể cùn lớn, hoặc một cây gậy bóng chày khổng lồ, nhô lên khỏi mặt đất. Mặc dù nó trông không giống thứ mà người ta mong đợi để tạo ra điện từ gió, nhưng tuabin không cánh có khả năng trở thành tiêu chuẩn trong ngành công nghiệp gió.

Tua bin gió không cánh hoạt động thông qua các rung động. Khi gió đập vào một vật thể cùn, các xoáy được tạo ra. Các dòng xoáy này làm cho tuabin dao động. Nhiều vòng xoáy gió hơn làm cho tuabin dao động mạnh hơn cho đến khi nó đạt tần số cộng hưởng với gió. Đây được gọi là rung động do xoáy. Tua bin không cánh tận dụng những dao động này bằng cách sử dụng một hệ thống máy phát điện biến đổi năng lượng dao động thành điện năng.

Tua bin gió không cánh có ít bộ phận chuyển động nên chúng có lợi thế hơn tuabin có cánh về chi phí bảo trì và chế tạo. Chúng cũng có trọng lượng nhẹ, với trọng tâm gần mặt đất hơn nên dễ lắp đặt hơn. Chúng cũng chịu tải ứng suất thấp hơn nhiều so với tuabin cánh quạt.

Mặc dù nghe có vẻ là một ý tưởng hay, nhưng công nghệ này vẫn còn sơ khai. Chúng ta vẫn chưa thấy các thiết kế ý tưởng không cánh nào sánh được với hiệu suất và hiệu quả chi phí của các tuabin truyền thống. Các thiết kế hiện tại yêu cầu tuabin phải rung ở tốc độ cao để tạo ra điện, điều này có thể gây ra các vấn đề lớn về kết cấu và sự mất ổn định.

Phần kết luận

Thiết kế ba cánh tạo ra các tuabin gió ổn định, hiệu quả và thẩm mỹ. Chúng đã trở thành tiêu chuẩn. Các thí nghiệm sử dụng tuabin đôi và một cánh cho chúng ta biết rằng điều đó đơn giản là không khả thi; những bất lợi lớn hơn lợi ích.

Mặc dù vậy, một số công ty điện gió đã cố gắng đưa tuabin hai cánh trở lại, mặc dù có nhiều kết quả khác nhau. Hiện tại, có ba cánh quạt là tiêu chuẩn, ít nhất là cho đến khi tuabin không cánh được hoàn thiện.

Các câu hỏi thường gặp

Tại sao tuabin gió có ba cánh?

Ba cánh quạt mang lại sự cân bằng hoàn hảo giữa tính ổn định và hiệu quả. Tua bin có hai cánh có thể trở nên không ổn định và tuabin có bốn cánh thì kém hiệu quả hơn.

Tại sao không có tuabin có hai cánh?

Tua bin có hai cánh trải qua một hiện tượng gọi là hiện tượng chuyển động con quay hồi chuyển, trong đó thân của tua bin lắc lư theo chuyển động quay của các cánh. Sự thiếu đối xứng cuối cùng có thể dẫn đến sự không ổn định về cấu trúc.

Tua bin hai cánh có hiệu quả không?

Tua bin hai cánh hiệu quả hơn ba cánh. Điều này là do chúng nhẹ và có tốc độ quay cao hơn do giảm lực cản.