Optimized Blade Design for Homemade Windmills/vi

Mục đích của dự án này, được tạo ra với sự hợp tác của Mech425, là xác định góc tối ưu cho cánh quạt phẳng, đồng đều so với luồng khí. Góc của cánh quạt nên được tối ưu hóa để chuyển đổi lượng năng lượng lớn nhất thành chuyển động quay. Cánh quạt phẳng được sử dụng kết hợp với tua-bin trục đứng và thiết kế này thường được lựa chọn khi ưu tiên sự đơn giản hoặc khi việc tiếp cận các công cụ và vật tư bị hạn chế.

• Dự án đã được lựa chọn để hỗ trợ những cá nhân muốn tạo ra điện bằng cách khai thác năng lượng gió
• Đối tượng mục tiêu là những người không đủ khả năng mua các mô hình thương mại có sẵn và đã chọn tự xây dựng

Cối xay gió có nhiều chức năng và có thể được vận hành ở bất cứ nơi nào có gió. Cối xay gió sử dụng cánh quạt để chuyển đổi năng lượng gió thành chuyển động quay. Chuyển động quay này có thể được sử dụng trực tiếp hoặc chuyển đổi thành điện. Ban đầu, cối xay gió được sử dụng để nghiền bột. Ngày nay, chúng vẫn được sử dụng cho mục đích này nhưng đã mở rộng phạm vi sử dụng sang bơm nước và phát điện. Ở các nước kém phát triển hơn về kinh tế, điện được tạo ra từ cối xay gió tự chế thường được dùng để sạc pin và điện thoại di động, hoặc vận hành các thiết bị chiếu sáng, radio và máy bơm tưới tiêu.

Các tuabin gió hiện đại có sẵn trên thị trường đã được thiết kế riêng để đáp ứng các tốc độ gió cụ thể và có khả năng tạo ra hàng megawatt điện từ mỗi tuabin. Tuy nhiên, các giải pháp tự chế thường có công nghệ thấp và ít được kiểm tra về mặt tối ưu hóa. Báo cáo này nhằm mục đích xác định góc nghiêng cánh quạt tốt nhất so với hướng gió tới để tạo ra lượng điện tối đa.

William Kamkwamba là một ví dụ tuyệt vời về một người có thể hưởng lợi từ những phân tích được trình bày trong báo cáo này. Ông đã xây dựng được cối xay gió bằng chính sự khéo léo và tinh thần thử nghiệm của mình. Ông đã thành công trong việc biến những vật liệu phế thải xung quanh thành một cối xay gió hữu dụng, vừa cung cấp ánh sáng vừa tưới tiêu. Công trình của ông đã mang lại cuộc sống tốt đẹp hơn cho gia đình và bạn bè, đồng thời truyền cảm hứng cho nhiều người trên khắp thế giới. Tuy nhiên, do trình độ học vấn hạn chế, ông đã không áp dụng các tính toán kỹ thuật để tối ưu hóa thiết kế. Khi ngày càng nhiều người nỗ lực khai thác tiềm năng của gió, việc tối ưu hóa những thiết bị này để tối đa hóa lợi ích xã hội của chúng là vô cùng giá trị.

Để biết thêm thông tin về William, câu chuyện đầy cảm hứng của anh ấy có thể được xem bên dưới:

Lợi ích của lưỡi dao phẳng

Lưỡi dao phẳng ít phổ biến hơn các thiết kế khác nhưng mang lại những lợi ích đáng kể, đặc biệt là ở những vùng thu nhập thấp hoặc vùng sâu vùng xa. Sau đây là danh sách các lợi ích khi sử dụng lưỡi dao phẳng:

• Dễ dàng xây dựng
• Ít yêu cầu thiết kế và kiến ​​thức địa phương
• Cần ít thiết bị và thời gian hơn trong quá trình xây dựng
• Dễ dàng đảm bảo lưỡi dao có hình dạng và kích thước đồng nhất

Tính toán kỹ thuật

Năng lượng động học được lưu trữ trong gió có thể được tìm thấy theo Nguyên lý Bernoulli:

KE = 1 / 2( m * v ² )

Để tìm năng lượng trong gió, chúng ta phải tìm khối lượng của hình trụ. Khối lượng này dựa trên thể tích của hình trụ nhân với mật độ của chất lỏng:

m = ρ * V

Tổng thể tích của chất lỏng được biểu diễn bằng cột trụ là:

V = A * L

Chúng ta có thể tính diện tích đáy của hình trụ bằng cách:

A = 1 / 4(π * D ² )

Chiều dài của hình trụ biểu thị lượng chất lỏng đã đi qua diện tích quét của cối xay gió. Con số này được tính bằng cách nhân vận tốc gió với thời gian:

L = v * t

Có thể đơn giản hóa như sau:

KE = 1 / 8(ρ * π * D ² ) * v ³ * t

Cuối cùng, sức mạnh của gió chỉ đơn giản là năng lượng trên một đơn vị thời gian

P = π / 8(ρ * D ² * v ³ )

Như đã trình bày, công suất gió liên quan chặt chẽ đến vận tốc không khí và ít liên quan đến đường kính cánh quạt. Lượng năng lượng trong chất lỏng liên quan đến vận tốc của chất lỏng lập phương và cho thấy tầm quan trọng của tốc độ gió cao. Do đó, để tăng sản lượng điện, yếu tố quan trọng nhất là tìm vị trí có tốc độ gió cao. Điều này có thể đạt được bằng cách xây dựng một tháp để đặt cối xay gió ở vị trí cao hơn. Điều này sẽ giúp giảm tác động của bất kỳ vật cản nào từ mặt đất. Kích thước cánh quạt tuabin cũng rất quan trọng và cũng nên được xem xét như một phương pháp để đạt được công suất cao hơn.

Hiệu quả tối đa có thể

Giới hạn Betz được Albert Betz phát triển và nhằm mục đích biểu thị năng lượng tối đa mà một thiết bị có thể thu được từ dòng chất lỏng ở một tốc độ nhất định. Trong trường hợp cối xay gió, hiệu suất lý thuyết tối đa của một rotor mỏng có thể được tìm thấy dựa trên các giả định sau:

• Rotor được coi là lý tưởng vì có số lượng cánh quạt vô hạn và không có lực cản.
• Dòng chảy vào và ra khỏi rôto là theo trục và tuân theo các phương trình bảo toàn.
• Chất lỏng được mô hình hóa dựa trên dòng chảy không nén được.

Giới hạn Betz đã dự đoán giá trị tối đa lý thuyết cho hệ số công suất là 0,593. Điều này có nghĩa là giới hạn lý thuyết của công suất được loại bỏ khỏi chất lỏng là 59,3%. Để so sánh, các tua-bin gió thương mại hiện có thể đạt được mức chuyển đổi 40 - 50% do một số thiếu sót nhỏ liên quan đến thiết kế cánh quạt và quy trình cơ học. ^{[ 1 ]}

Góc tối ưu của lưỡi dao

Lượng năng lượng có sẵn trong một dòng chất lỏng đã được chỉ ra bên dưới và liên quan chặt chẽ đến cả vận tốc chất lỏng và diện tích quét của cánh. Một yếu tố quan trọng khác là lượng năng lượng có thể được lấy từ dòng chất lỏng đang chảy tới. Đối với cánh phẳng, góc nghiêng của cánh cối xay gió so với dòng chất lỏng sẽ quyết định lượng năng lượng có thể được chuyển đổi thành chuyển động quay và sau đó được hệ thống thu thập để tạo ra công có ý nghĩa. Góc tối ưu đã được tính toán bên dưới:

Áp suất gió là lượng lực do gió tác dụng trên một đơn vị diện tích của cánh quạt và được biểu thị bằng: P = 1/2 (1 + c ) * ρ * v ²

• Trong đó c là hằng số và bằng 1,0 đối với tấm phẳng dài.

Lực của gió tác dụng lên cánh quạt gió được tính bằng áp lực gió nhân với diện tích cánh quạt hướng về phía dòng chảy ngược. Trong trường hợp cánh quạt nghiêng một góc so với dòng khí ngược, diện tích cánh quạt tiếp xúc với chất lỏng sẽ giảm đi một hệ số sin θ . Do đó, phép tính áp lực gió được nhân với A * sin θ để có được lực gió tác dụng lên cánh quạt. Ngoài ra, lực gió chuyển thành chuyển động quay có liên quan đến góc của cánh quạt so với dòng chất lỏng ngược. Mối quan hệ này được biểu thị bằng hệ số cos θ .

Hơn nữa, các cánh quạt sẽ gặp phải hệ số cản liên quan đến góc của cánh quạt khi chúng quay quanh trục vuông góc với dòng chất lỏng đang chảy tới. Hệ số cản này sẽ được biểu thị bằng D * cos θ .

Do đó, phép tính kết hợp để xác định lực cân bằng trên các cánh là:

F = ρ * v ² * A * sin θ * cos θ * D * cos θ

Một mối quan hệ quan trọng cần lưu ý là giữa lực và θ . Cân bằng lực kết hợp chỉ ra mối quan hệ giữa lực và sin θ * cos θ * cos θ .

Kết quả là, độ nghiêng tối ưu của cánh quạt sẽ tạo ra một góc với luồng khí sao cho sin θ * cos θ * cos θ là giá trị cực đại. Giá trị này được trình bày trong biểu đồ bên dưới để minh họa sự thay đổi của giá trị khi θ được điều chỉnh. 

Góc được điều chỉnh theo radian và dường như chỉ ra giá trị cực đại ở khoảng 0,62 radian, hay khoảng 35,5 độ. Điều này tương đương với việc chuyển đổi tối đa 38,5% lực gió thành chuyển động quay. Do đó, cánh quạt nên được nghiêng một góc khoảng 35,5 độ so với luồng gió đang tới để đạt được lượng năng lượng tối ưu khi sử dụng cối xay gió cánh phẳng.

Phân tích động lực học chất lưu tính toán (CFD) được dự định thực hiện cho góc cánh này để nghiên cứu sự phân bố áp suất và luồng khí khi nó đi qua các cánh. Rất tiếc, giấy phép sử dụng phần mềm CFD Fluent đã hết hạn. Mô hình lưới của thiết kế cánh, sử dụng chương trình Gambit, đã được đính kèm bên dưới.

Bản phân tích CFD hoàn chỉnh sẽ được đăng tải khi có quyền truy cập vào Fluent hoặc chương trình phần mềm tương đương.

Những cân nhắc về khu vực

Các khu vực mục tiêu của công nghệ này là những nơi người dân có khả năng tiếp cận hạn chế với các công cụ hoặc vật tư, chẳng hạn như Châu Phi cận Sahara. Ngoài ra, khu vực này phải có nguồn tài nguyên gió hợp lý và một số vật liệu chính. Những vật liệu này bao gồm nhiều vật liệu công nghệ tiên tiến như máy phát điện và động cơ. Tuy nhiên, chúng có thể được tìm thấy tại các bãi phế liệu miễn là chúng còn hoạt động và đáp ứng được các yêu cầu cơ bản. Mặc dù nhiều người không đủ khả năng chi trả cho những vật dụng này, nhưng có rất nhiều ô tô và thiết bị hỏng hóc có thể đủ dùng.

Xét về tác động xã hội, khả năng tiếp cận điện là một công cụ mạnh mẽ, có khả năng giúp các cộng đồng thoát khỏi đói nghèo. Ngược lại, nó đã nhiều lần được chứng minh là nguyên nhân dẫn đến sự gia tăng và mở rộng khoảng cách kinh tế. Điều quan trọng là năng lượng phải được sử dụng một cách tôn trọng và không được sử dụng như một công cụ để làm cho những người kém may mắn trở nên nghèo đói hơn.

Tài liệu

Danh sách sau đây trình bày các vật liệu cơ bản cần thiết để chế tạo một cối xay gió tại nhà hoặc sử dụng vật liệu phế thải. Như William Kamkwamba đã chỉ ra những điều có thể và truyền cảm hứng cho mọi người trên thế giới, các vật liệu ông đã sử dụng để chế tạo cối xay gió đầu tiên của mình được hiển thị bên dưới: ^{[ 2 ]}

Nếu cối xay gió đang được xây dựng và mục đích là để lưu trữ điện, thì các vật liệu sau đây cũng được yêu cầu: ^{[ 3 ]}

• Pin chu kỳ sâu 12V (Nếu người dùng có ý định lưu trữ năng lượng điện)
• Bộ điều khiển sạc để điều chỉnh lượng pin sạc
• Bộ chuyển đổi DC/AC
• Bộ chỉnh lưu cầu (để đảm bảo điện chạy vào pin)

Công cụ

Nếu không bị hạn chế về dụng cụ, thì việc có sẵn cưa, tua vít, ốc vít, búa, đinh, long đền, đai ốc và bu lông, thước thủy và thước kẻ sẽ rất hữu ích. Ngoài ra, công việc điện sẽ dễ dàng hơn với kìm và cả đồng hồ đo điện áp, ampe kế và điện trở. Tuy nhiên, ở các vùng nông thôn trên thế giới, người dân buộc phải sáng tạo hơn với các nguồn lực sẵn có. Dưới đây là một vài ví dụ về trường hợp này: ^{[ 4 ]}

• Lưỡi dao phẳng có thể được tạo ra bằng cách cắt ống PVC theo chiều dọc, sử dụng cưa hoặc thiết bị tương tự, sau đó nung nóng ống trên lửa. Khi nóng, nó có thể được đúc thành lưỡi dao dài và phẳng.
• Có thể làm vòng đệm bằng cách đập nắp chai cho phẳng rồi đục một lỗ ở giữa.

Trong những trường hợp này, đinh, đá, lửa và gỗ trở thành công cụ để chế tạo tuabin gió. Thép hoặc đá có thể được dùng làm búa, nan hoa xe đạp có thể được cạo dọc theo tảng đá để tạo thành một cạnh phẳng, và túi nhựa có thể được nấu chảy để tạo thành tay cầm quanh một đầu. Hơn nữa, có thể tạo ra mũi khoan từ lõi ngô làm tay cầm và đinh đùn. Sau đó, đinh có thể được nung nóng trên lửa cho đến khi đỏ rực và được sử dụng để xuyên qua một số vật liệu nhất định.

Kỹ năng và Kiến thức

Để tận dụng tiềm năng phát điện của các tua-bin gió, điều quan trọng là phải hiểu rõ lượng gió có sẵn tại một địa điểm nhất định. Thang Beaufort cung cấp chỉ báo về tốc độ gió dựa trên nhiều dấu hiệu trực quan. Mặc dù những dấu hiệu này cho thấy tốc độ gió trên mặt đất, nhưng có khả năng năng lượng gió sẽ lớn hơn khi độ cao tăng lên. Điều này dựa trên lớp ranh giới hình thành trên bề mặt Trái Đất, cùng với các vật cản khác nhau trên mặt đất ảnh hưởng đến luồng gió. Thang Beaufort được cung cấp dưới đây: ^{[ 5 ]}

Để có danh sách đầy đủ hơn về các yếu tố nhận dạng vật lý, vui lòng nhấp vào liên kết này.

Hơn nữa, để truyền tải điện năng được tạo ra cho các ứng dụng như đèn hoạt động, radio hoặc sạc pin, điều quan trọng là phải hiểu biết về lý thuyết điện, chẳng hạn như điện áp và cường độ dòng điện cần thiết để cấp nguồn cho thiết bị mong muốn. Bạn có thể tìm thấy tóm tắt về kiến ​​thức này tại đây.

Thông số kỹ thuật

William đã có thể chế tạo cối xay gió của mình dựa trên sơ đồ được hiển thị bên dưới. ^{[ 6 ]} Sau đó, nó được lắp trên một tháp lớn do ông tạo ra bằng gỗ. Nhìn chung, khái niệm về cỗ máy khá đơn giản, với những hạn chế chính là vật liệu có sẵn và khả năng tiếp cận công cụ hạn chế. Qua thử nghiệm, William nhận thấy rằng sử dụng thiết kế của mình, cối xay gió bốn cánh có thể tạo ra nhiều năng lượng hơn so với cối xay gió ba cánh. ^{[ 7 ]}

Chi phí ước tính

William đã tiết lộ rằng chi phí sản xuất cối xay gió của ông vào khoảng 15 đô la và máy phát điện xe đạp là thứ khó kiếm nhất. ^{[ 8 ]} Một ước tính về chi phí cho các thành phần khác nhau đã được biên soạn dựa trên những gì ông có thể tìm thấy miễn phí tại bãi phế liệu hoặc từ gia đình.

Ở vùng nông thôn, chi phí cho các bộ phận sẽ thay đổi đáng kể tùy thuộc vào vật liệu có thể tận dụng hoặc phải mua tại địa phương hoặc từ các làng lân cận. Do đó, việc đưa ra một khoảng chi phí dự kiến ​​dựa trên mức độ đa dạng về khả năng tiếp cận của một số vật liệu nhất định là phù hợp hơn. Mặc dù đây chỉ là ước tính, nhưng nó cũng cho thấy mức giá dự kiến ​​cho các bộ phận.

Như đã chỉ ra, phạm vi chi phí nằm trong khoảng từ 0 đến 99 đô la và cung cấp một phạm vi chung về chi phí dự án dựa trên số tiền có thể tận dụng được. Dựa trên những ước tính này, ngân sách 15 đô la của William dường như nằm ở mức thấp nhất trong phạm vi vì anh ấy đã tìm được phần lớn vật liệu từ những thứ mà người khác coi là rác thải.

Ngoài chi phí ban đầu, năng lượng gió còn có tiềm năng trở thành một công nghệ tạo thu nhập. Điện thoại di động đã tạo việc làm cho nhiều người, những người cho thuê điện thoại để gọi đến các chợ lân cận nhằm xác định giá cả hàng hóa. Tương tự, điện có thể được bán cho những người muốn sạc điện thoại di động hoặc các loại pin khác dùng cho chiếu sáng hoặc nghe radio. 

Những lỗi thường gặp

Có nhiều biến thể thiết kế cối xay gió được William Kamkwamba sử dụng và đã được tinh chỉnh trong phần này. Tuy nhiên, có một số biến thể thường được sử dụng và có tác động tiêu cực đến hiệu suất. Một trong những ví dụ này là việc sử dụng gỗ làm vật liệu chế tạo cánh quạt. Gỗ là một lựa chọn kém hiệu quả vì nó là vật liệu nặng hơn và do đó cần nhiều năng lượng hơn để bắt đầu quay và tạo ra nhiều vòng xoáy hơn. Nên cân nhắc các vật liệu khác.

Ngoài ra, điều rất quan trọng là các cánh quạt phải có hình dạng đồng đều vì điều này có thể gây ra hiện tượng rung lắc. Sự rung lắc này sẽ làm giảm hiệu suất và rút ngắn tuổi thọ của cối xay gió do các rung động bổ sung. Các cánh quạt của cối xay gió cũng nên được đặt cao hơn tất cả các vật cản khác để có được luồng gió mạnh và đều hơn. Một nguyên tắc chung là đặt tuabin cao gấp đôi so với bất kỳ vật cản nào ở gần.

Thiết kế khác

Nếu bạn có sẵn các thiết bị bổ sung như cưa và giấy nhám, bạn có thể sử dụng thiết kế được giới thiệu trong video bên dưới. Ngoài ra, hãy nhớ rằng tuabin gió có thể xoay và sử dụng đuôi để hướng cánh quạt vào gió.

Tài liệu tham khảo