TỐI ƯU HÓA THIẾT KẾ CÁNH TUABIN GIÓ NHỎ – GIẢI PHÁP MỚI CHO ĐIỆN GIÓ VIỆT NAM

Nghiên cứu mới của các nhà khoa học Viện Khoa học công nghệ Năng lượng và Môi trường – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã đánh dấu bước tiến quan trọng trong việc thiết kế và chế tạo mẫu cánh tuabin gió dành riêng cho vùng tốc độ gió thấp. Điểm nhấn của nghiên cứu là khả năng cải thiện hiệu suất khí động học so với các thiết kế cánh truyền thống, nhờ ứng dụng phương pháp thiết kế hiện đại bằng phần mềm mô phỏng động lực học chất lưu (CFD) tiên tiến. Kết quả nghiên cứu không chỉ đáp ứng các yêu cầu về hiệu quả vận hành mà còn mở ra cơ hội ứng dụng thực tế, góp phần quan trọng vào việc tăng khả năng khai thác nguồn năng lượng gió tại Việt Nam.

Trong các dự án điện gió, việc thiết kế tôi ưu mẫu cánh tuabin gió góp phần quan trọng vào việc tối ưu hóa hiệu suất khí động học của cả cánh tuabin gió nhằm tăng khả năng khai thác năng lượng động năng của gió và hiệu quả kinh tế. Tuy nhiên, hầu hết các thiết kế cánh tuabin gió công suất lớn hiện nay lại chỉ tập trung vào các khu vực có tốc độ gió cao và đang bỏ trống khu vực có tốc độ gió thấp. Các phần mềm mô phỏng tiên tiến như FAST, XFOIL và Ansys Fluent, sử dụng các thuật toán tối ưu hóa, đã hỗ trợ cho việc thiết kế mẫu cánh nhằm cải thiện hiệu suất khí động học của cánh tuabin gió.

Ở Việt Nam, các vùng đồng bằng, ven biển và một số khu vực có tốc độ gió khá tốt đã được đầu tư xây dựng các dự án điện gió công suất lớn để hòa vào lưới điện quốc gia. Tuy nhiên, việc khai thác nguồn năng lượng gió vẫn chưa tương xứng với tiềm năng sẵn có, đặc biệt là tại các khu vực có tốc độ gió trung bình và thấp. Hiện nay, cả tuabin gió công suất lớn lẫn nhỏ đều phải nhập khẩu hoàn toàn từ nước ngoài, dẫn đến nhiều vấn đề kỹ thuật phát sinh trong quá trình vận hành. Bên cạnh đó, việc thiết kế và phát triển các mẫu cánh tuabin gió phù hợp với điều kiện khí hậu, địa hình của từng vùng vẫn chưa được nghiên cứu cụ thể, đặc biệt là tại những khu vực có tốc độ gió thấp.

Từ thực tế trên, nhóm nghiên cứu của TS. Lê Quang Sáng đã triển khai thực hiện đề tài: “Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và chế tạo mẫu cánh tuabin gió phù hợp với tốc độ gió thấp ở Việt Nam” (mã số: VAST07.01/22-23). Mục tiêu của nghiên cứu là thiết kế và mô phỏng mẫu cánh tuabin gió hoạt động hiệu quả trong điều kiện tốc độ gió thấp, đặc thù của Việt Nam, nhằm nâng cao hiệu suất vận hành và giảm chi phí sản xuất, thúc đẩy tự chủ công nghệ trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.

Trong khuôn khổ nghiên cứu, các nhà khoa học Viện Khoa học công nghệ Năng lượng và Môi trường đã phát triển thành công các mẫu cánh tuabin gió mới dựa trên một số mẫu cánh gốc được tham khảo trên trang website (http://airfoiltools.com). Các mẫu cánh mới được tối ưu về hình dạng để tăng hiệu suất hóa khí động học thông qua điều chỉnh các thông số như độ dày lớn nhất, vị trí độ dầy lớn nhất, độ cong lớn nhất và vi trí độ cong lớn nhất. Kết quả mô phỏng bằng phần mềm Ansys Fluent cho thấy các mẫu cánh mới có hiệu suất khí động học cao hơn so với mẫu cánh gốc. Nhóm nghiên cứu cũng hoàn thiện quy trình mô phỏng và chế tạo các mẫu cánh thực tế và đã được kiểm chứng trong hầm gió của Viện Cơ khí Động lực thuộc Đại học Bách khoa Hà Nội. Những mẫu cánh này không chỉ nâng cao hiệu suất khí động học mà còn mở ra cơ hội phát triển hoàn thiện các cánh tuabin gió công suất nhỏ, đáp ứng nhu cầu phát triển năng lượng bền vững cho các khu vực nông thôn, vùng sâu, vùng xa và các khu vực có tốc độ gió thấp khác.

Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học đã phát triển và chế tạo thành công 5 mẫu cánh tuabin gió, bao gồm VAST-EPU-E387, VAST-EPU-S1010, VAST-EPU-S1223, VAST-EPU-NACA0009 và VAST-EPU-NACA6409, có kích thước từ 25 x 15 (10) x (3 – 5) cm. Các mẫu cánh được làm từ vật liệu composite, đảm bảo độ bền và hiệu quả trong điều kiện tốc độ gió thấp và hiện đang được lưu giữ tại Viện Khoa học công nghệ Năng lượng và Môi trường. Bên cạnh đó, nghiên cứu còn hoàn thiện 5 bộ bản vẽ thiết kế chi tiết cho các mẫu cánh mới, phục vụ công tác nghiên cứu và triển khai ứng dụng trong tương lai.

Các kết quả nghiên cứu đã được công bố trong các bài báo khoa học uy tín trong nước và quốc tế, góp phần làm sáng tỏ những tiến bộ khoa học mới. Cụ thể, bài báo “A Method to Design an Efficient Airfoil for Small Wind Turbines in Low Wind Speed Conditions Using XFLR5 and CFD Simulations” được đăng trên tạp chí Energies, Volume 17(16), 2024, đã trình bày phương pháp thiết kế hiệu quả cánh tuabin gió đối với điều kiện tốc độ gió thấp, dựa trên mô phỏng CFD và phần mềm XFLR5. Bài báo này đã có đóng góp quan trọng vào việc tối ưu hóa thiết kế mẫu cánh tuabin gió cho các khu vực gió thấp tại Việt Nam. Ngoài ra, các bài báo khác cũng đã được công bố trên các tạp chí quốc tế danh mục SCIE/Scopus như Proceedings of the Institution of Civil Engineers và GMSARN International Journal, đề cập đến các phân tích khí động học và tiềm năng phát triển điện gió ngoài khơi tại Việt Nam.

Nghiên cứu còn hỗ trợ đào tạo một nghiên cứu sinh và một thạc sĩ về các nội dung nghiên cứu liên quan đến đề tài, qua đó góp phần nâng cao năng lực nghiên cứu và phát triển công nghệ trong nước.

Nghiên cứu là bước khởi đầu quan trọng để tiếp tục hoàn thiện và phát triển các cánh tuabin gió phù hợp với điều kiện tốc độ gió thấp tại Việt Nam, hướng đến việc khai thác hiệu quả hơn nguồn năng lượng gió. Trong thời gian tới, nhóm nghiên cứu sẽ tập trung cải thiện quy trình thiết kế và chế tạo cánh hoàn chỉnh, đặc biệt là việc làm nhẵn bề mặt mẫu cánh và lựa chọn vật liệu phù hợp hơn nhằm giảm hệ số cản của mẫu cánh. Ngoài ra, việc ứng dụng các công cụ hiện đại như trí tuệ nhân tạo (AI) vào thiết kế sẽ được xem xét nhằm nâng cao hiệu suất khí động học. Một trong những mục tiêu tiếp theo là phát triển mẫu cánh hoàn chỉnh cho tuabin công suất thấp, phù hợp với điều kiện tốc độ gió thấp. Các nhà khoa học đang nỗ lực nghiên cứu với hy vọng sẽ sớm hoàn thiện cánh tuabin gió để khai thác hiệu quả năng lượng gió và tạo thêm những lựa chọn thực tiễn hơn cho những khu vực có nhu cầu sử dụng năng lượng gió trong tương lai gần.

Thực hiện: Chu Thị Ngân – Trung tâm Dữ liệu và Thông tin khoa học.

Hình dạng mẫu cánh gốc S1010 và mẫu cánh mới VAST-EPU-S1010: a) Mẫu cánh gốc S1010 dạng 3D

Hình dạng mẫu cánh gốc S1010 và mẫu cánh mới VAST-EPU-S1010: b) Mẫu cánh VAST-EPU-S1010 dạng 3D

Thí nghiệm các mẫu cánh tuabin gió tại hầm gió của Đại học Bách khoa Hà Nội

Thí nghiệm các mẫu cánh tuabin gió tại hầm gió của Đại học Bách khoa Hà Nội

Thiết kế và chế tạo mẫu cánh VAST-EPU-S1010: b) Mô phỏng 3D và chế tạo mẫu cánh

Nguồn: Bản Tin Khcn Isi.Vast