Các nhà nghiên cứu về gió thực hiện nghiên cứu xác thực toàn diện về một tuabin gió xuôi gió
Tiffany Plate, Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia
Vào tháng 5 năm 2024, các nhà nghiên cứu đã theo dõi những gì sẽ xảy ra khi các cánh tuabin gió 1,5 megawatt tại Cơ sở Flatirons của NREL được quay xuôi gió. Tín dụng: Pietro Bortolotti, NREL
Hầu hết các tuabin gió đều hướng về phía gió—và có một lý do chính đáng cho điều đó. Kể từ những năm 1980, các nhà phát triển tuabin gió đã sử dụng cái gọi là "khái niệm Đan Mạch" cho các thiết kế của họ—ba cánh, được định vị ngược gió (tức là hướng về phía gió), được thiết kế để tiếp tục hướng về phía gió nhằm tối đa hóa sản lượng năng lượng.
Mùa xuân năm nay, một nhóm các nhà nghiên cứu của Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia (NREL), hợp tác với Đại học kỹ thuật Đan Mạch (DTU), đã tìm cách thách thức khái niệm của Đan Mạch bằng cách trả lời câu hỏi: Điều gì xảy ra khi chúng ta quay các cánh tuabin gió lại?
"Đã có nhiều thập kỷ thảo luận liên tục trong cộng đồng nghiên cứu về việc liệu tất cả các tua-bin có nên hướng gió hay không", Pietro Bortolotti, nhà nghiên cứu năng lượng gió của NREL (và là người đứng đầu dự án) cho biết. "Các tua-bin mà chúng tôi bắt đầu vào những năm 1980, khi tiêu chuẩn này được thiết lập, rất khác so với những tua-bin mà chúng tôi triển khai ngày nay. Chúng nhỏ hơn nhiều và có cánh quạt lớn hơn, tháp lớn hơn".
Mục tiêu của một thí nghiệm gần đây là cung cấp dữ liệu cứng về việc liệu mô hình hướng gió có còn hiệu lực hay không.
Mặt khác
Để hoàn thành thí nghiệm, các nhà nghiên cứu của NREL và DTU đã thực sự lật ngược rô-to của một tua-bin gió nghiên cứu công suất 1,5 megawatt đặt tại Cơ sở Flatirons của NREL ở Colorado—cùng với cánh gió và nacelle (nơi chứa hộp số) trên đỉnh tháp. Sau đó, họ nối lại dây điện cho máy phát điện để quay theo hướng ngược lại. "Ngoài ra, chúng tôi còn phải làm hàng triệu việc khác để đảm bảo rằng chúng tôi sẽ không làm hỏng bất cứ thứ gì", Bortolotti cho biết.
Sau khi các kỹ thuật viên dành nhiều ngày đêm trên các bệ trên không để thực hiện quá trình chuyển đổi, gắn đai áp suất và lắp đặt micrô ở nhiều khoảng cách khác nhau từ tua-bin gió, nhóm đã có thể bắt đầu thu thập dữ liệu.
"Chúng tôi tiến hành thí nghiệm này vì hai lý do: nghiên cứu tính khả thi về mặt kỹ thuật - kinh tế của tua-bin xuôi gió và sử dụng thiết bị đo lường rất mới này từ DTU có thể đo hiệu suất phân phối áp suất trên cánh tua-bin", Bortolotti cho biết.
Bortolotti nhận được sự hỗ trợ của nhiều nhà nghiên cứu và kỹ thuật viên năng lượng gió khác, bao gồm Jason Roadman, Mark Iverson, Chris Ivanov, Jon Keller và Derek Slaughter, những người đã cùng nhau thực hiện quá trình chuyển đổi vật lý và theo dõi kết quả.
Phân tích kỹ thuật - kinh tế để trả lời những câu hỏi đã tồn tại hàng thập kỷ
Thí nghiệm này là một trong những dự án cuối cùng được thực hiện thông qua dự án Big Adaptive Rotor (BAR), do Văn phòng Công nghệ Năng lượng Gió thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ tài trợ. Mục tiêu của BAR là hỗ trợ phát triển các công nghệ tua-bin gió trên cạn và xác định các cách để giảm chi phí, cụ thể là liên quan đến việc chế tạo các cánh nhẹ hơn với độ linh hoạt cao hơn.
"Chúng tôi đã xem xét toàn bộ các ứng cử viên có thể", Bortolotti cho biết. "Và chúng tôi muốn tìm hiểu xem liệu việc đi xuôi gió có phải là cơ hội để tăng thêm tính linh hoạt và giảm chi phí hay không".
Thoạt nhìn, một số khía cạnh của kịch bản xuôi gió có vẻ hứa hẹn. Đầu tiên, các cánh quạt trong tua-bin xuôi gió tự nhiên bị gió đẩy ra khỏi tháp, do đó có cơ hội thiết kế các cánh quạt nhẹ hơn và linh hoạt hơn, không cần phải đủ cứng để tránh xa tháp. Và cánh quạt càng nhẹ thì chi phí sản xuất càng thấp.
Thứ hai, độ nghiêng của rô-to tua-bin gió sẽ chuyển hướng luồng gió xoáy của tua-bin về phía mặt đất, do đó ít có khả năng gây nhiễu cho các tua-bin khác trong trang trại. Và một số nghiên cứu cho thấy rô-to xuôi gió làm tăng hiệu suất điện của các trang trại gió lớn.
Nhưng có một vấn đề lớn đi kèm với kịch bản xuôi gió. Thực tế là khi một cánh quạt đi qua phía sau tháp, trong tích tắc, nó được che chắn khỏi gió. Điều này làm thay đổi áp suất trên cánh quạt, tạo ra dao động hoặc dao động, gây mỏi cho chính cánh quạt và tạo ra tiếng "thump" có thể nghe được. Tiếng "thump" đó xảy ra mỗi khi một trong các cánh quạt đi qua sau tháp—nói cách khác, thường xuyên.
Trong suốt 11 giờ thu thập dữ liệu, nhóm nghiên cứu thực sự đã ghi lại được tiếng "thump", ở mức đủ nghe để có thể tác động đến các cộng đồng trong tầm nghe.
Cánh quạt chịu áp lực
Dao động không chỉ tạo ra âm thanh đáng chú ý. Nó còn tạo ra áp suất trên tuabin gió—áp suất mà trong quá trình thử nghiệm, được đo thông qua ba đai đặc biệt mà các nhà nghiên cứu từ DTU gắn vào một trong các cánh quạt và tháp tuabin.
"Các đai là thiết bị đo lường rất mới mà DTU đang nghiên cứu", Bortolotti cho biết, ông nói thêm rằng các thiết bị đai có thể giúp các nhà nghiên cứu xác định hiệu suất của rô-to, cho dù là ngược gió hay xuôi gió. "Chúng tôi đã sử dụng thử nghiệm này để giúp DTU thúc đẩy công nghệ này, vì đây là một công nghệ rất có giá trị và
thiết bị độc đáo mà chúng tôi hy vọng sẽ sử dụng lại trong tương lai cho rô-to ngược gió."
Trong quá trình thử nghiệm, các đai đã đo phân bố áp suất dọc theo vòng quay của rô-to, giúp nhóm nghiên cứu có cái nhìn chính xác về tác động của dao động phía sau tháp lên cánh quạt. Các phép đo này sẽ giúp cung cấp thông tin chi tiết quan trọng về tải trọng mỏi tăng lên mà rô-to xuôi gió gặp phải.
Một lợi ích quan trọng khác của việc sử dụng đai trong nghiên cứu là dữ liệu mà chúng tạo ra. Dữ liệu này có thể cung cấp xác thực thực tế về các mô hình số khí động học đàn hồi mà nhóm đã phát triển bằng công cụ OpenFAST của NREL.
"Tại NREL, chúng tôi phát triển rất nhiều công cụ để dự đoán số lượng tải trọng, hiệu suất của tua-bin gió, trang trại gió, v.v.", Bortolotti cho biết, đồng thời nói thêm rằng các thiết bị như đai áp suất rất quan trọng để xác thực các công cụ số này.
Nhóm nghiên cứu có kế hoạch sử dụng đai áp suất trong các thí nghiệm trong tương lai trên các rô-to thông thường hơn. "Nhờ có dự án BAR, chúng tôi hiện tin tưởng rằng đai là một cách khả thi để tạo ra các tập dữ liệu thử nghiệm có giá trị giúp chúng tôi cải thiện hiểu biết của mình về tua bin gió", Bortolotti cho biết.
Rút ra kết luận
Mặc dù kết quả chính thức của nghiên cứu sẽ không được công bố cho đến cuối năm 2024, nhưng kết quả sơ bộ đã đủ để kết luận rằng lợi ích tiềm năng của các hoạt động xuôi gió không lớn hơn những hạn chế.
Bortolotti chỉ ra rằng nhóm nghiên cứu biết rằng mặc dù tiếng ồn và mối lo ngại về mỏi cánh quạt có ở các tua bin trên đất liền xuôi gió, nhưng tác động vẫn chưa rõ ràng.
"Cộng đồng nghiên cứu phải dựa vào các tập dữ liệu từ những năm 1980 và bằng chứng giai thoại, mà trong khoa học là không đủ", Bortolotti cho biết. "Giờ đây, chúng ta có thể tự tin nói rằng thế hệ tua bin gió trên đất liền tiếp theo sẽ lớn hơn và linh hoạt hơn, nhưng khái niệm của Đan Mạch sẽ tiếp tục là công nghệ thống trị".
Cuối cùng, thí nghiệm là một thành tựu lớn - và không chỉ vì thực tế là nó đã thu thập được dữ liệu quan trọng về hiệu suất của tua bin gió xuôi gió quy mô tiện ích trong khi xác thực các công cụ mô hình hóa và mô phỏng.
"Chúng tôi đã làm một điều mà không ai nghĩ rằng chúng tôi có thể làm được, đó là quay một tua-bin gió khá lớn được trang bị một bộ thiết bị lớn ghi lại phổ rộng dữ liệu khí động học, tải trọng và áp suất", Bortolotti cho biết. "Tua-bin 1,5 megawatt này nhỏ so với các thiết bị hiện đại, nhưng dù sao thì nó vẫn là một con quái vật lớn, và quay nó theo hướng gió một cách an toàn mà không làm gãy một bu-lông nào là một thành tựu lớn".
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
