Giới thiệu bài báo: “ Ảnh hưởng của mưa lên tuabin gió trục ngang có cánh hình chữ nhật”

Nhu cầu sử dụng năng lượng tái tạo trên toàn cầu đang tăng lên đã thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng của công nghệ năng lượng gió [1]. Có thể dự đoán rằng điện gió sẽ tiếp tục phát triển trong những năm tới. Trong thiết kế tuabin gió, gió là nguồn lực chính bên ngoài. Do vậy ngoài việc gió cung cấp năng lượng cho tuabin, nó còn có tác động đến cánh và các thành phần của tuabin. Đã có một số nghiên cứu về lĩnh vực này [2-4], nhưng nói chung, các nghiên cứu hiện nay tập trung chủ yếu vào phản ứng khí động học của các tháp tuabin theo các chế độ gió thông thường.

Trong những năm gần đây, số các sự kiện ảnh hưởng đến tuabin do gió lớn, mưa lớn, và bão đã tăng lên. Bão khác với gió thông thường về tốc độ, hướng tác động, độ giật, mức độ tác động, và luồng gió [5]. Đã có một số công trình phân tích sự va đập của gió ngang trong điều kiện bình thường và bão tố trên các công trình xây dựng [6-9].

Với ngày càng nhiều tuabin được xây dựng cả ở trên đất liền và trên biển, chúng càng có nguy cơ bị thiệt hại do mưa lớn hoặc bão. Mặc dù có rất ít các phân tích về phản ứng khí động học của tuabin gió trong các cơn bão, nhưng những thiệt hại đối với tuabin gió trong các cơn bão vẫn được báo cáo thường xuyên [10-13]. Tất cả những tai nạn này dường như chỉ ra rằng mô hình gió thực tế trên tuabin gió có thể khác với tình trạng giới hạn giả định trong thiết kế [10]. Tuabin gió thường được thiết kế với chức năng mà hệ thống ngắt được khóa bằng đĩa phanh khi tốc độ gió vượt quá tốc độ cắt. Tuy nhiên, hệ thống ngắt của tuabin gió cũng có thể di chuyển khi tốc độ gió vượt quá tốc độ cắt. Ví dụ, ở cơn bão Maemi, các tua bin gió số 3, 4, và 5 tại nhà máy điện gió Karimata đã di chuyển theo chiều kim đồng hồ từ 94° đến 156° khi tốc độ gió vượt quá 25 m/s [11]. Kết quả là, chúng chịu tải gió lớn hơn so với khi các cánh quay trong cơn bão. Một chế độ gió không thuận lợi xảy ra khi hướng gió của cơn bão đột ngột thay đổi do chuyển động hỗn loạn mạnh hoặc do ảnh hưởng địa hình. Khi cơn bão Maemi qua đảo Miyakojima, hướng gió quan sát đột ngột thay đổi 120° [11]. Tóm lại, do các yếu tố phức tạp liên quan đến điều khiển tuabin gió cũng như những thay đổi đột ngột về hướng gió và vận tốc gió trong điều kiện khắc nghiệt, sự ảnh hưởng lên tuabin gió thực tế lớn hơn đáng kể so với thiết kế thông thường.

Hơn nữa, khi cơn bão đổ bộ, nó luôn luôn mang đến một cơn mưa lớn. Mưa có thành phần vận tốc theo chiều ngang, gây tác động lên bề mặt cánh tuabin gió, tạo nên sự rung động, làm trầm trọng thêm sự ảnh hưởng lên các tuabin gió. Một số nghiên cứu đã bắt đầu xem xét tác động của lượng mưa lên cấu trúc xây dựng [14]. Tuy nhiên, trong trường hợp khí hậu cực đoan, chẳng hạn như giông hay bão, ảnh hưởng của mưa sẽ rất lớn. Sự kết hợp của gió và mưa rất phức tạp, nhưng một số phương pháp đơn giản để tính tác động đồng thời của gió và mưa lên các công trình xây dựng [15-18] vẫn còn giá trị đề sử dụng cho tuabin gió.

Cho đến nay, chưa có mô hình nghiên cứu nào dựa trên cơ sở vật lý về tác động và cơ chế gây hại cho các tuabin gió trong các điều kiện thời tiết như mưa nhỏ, mưa vừa, mưa to, giông và bão. Mưa nhỏ đến mưa vừa có thể không gây hỏng hóc cho tuabin, nhưng chúng cũng ảnh hưởng đến sản lượng điện. Ngoài ra, tuy các sự kiện mưa bão cực đoan hiếm khi xảy ra, nhưng ảnh hưởng của chúng có thể rất thảm khốc. Vì vậy, các tác động của mưa lên tuabin gió trong những điều kiện vận hành khắc nghiệt nên được chú ý nhiều hơn. Sau khi nghiên cứu và hiểu được ảnh hưởng của các điều kiện cực trị đối với tuabin gió, việc thiết kế và phân tích tính dễ tổn thương của tuabin gió cần được phát triển thêm.

Bài báo này tập trung chủ yếu vào việc phân tích các tác động của mưa và gió lên cánh tuabin dạng hình chữ nhật trong điều kiện thời tiết xấu, đặc biệt là trong các cơn mưa lớn, giông, hay bão mạnh. Các đặc tính của lượng mưa được tính theo phổ M-P và độ ướt được tính dựa trên bảo toàn lưu lượng khối lượng. Để khảo sát sự ảnh hưởng lên công suất tuabin trong điều kiện mưa gió, một mô hình cho tua-bin gió được lập và mô phỏng theo dạng cánh tuabin và sự lệch hướng gió. Tác động của cường độ mưa khác nhau cũng được nghiên cứu. Các kết quả nghiên cứu giúp làm sáng tỏ đường đặc tính của công suất tuabin gió trong các điều kiện mưa, giông và bão và từ đó giúp đánh giá an toàn cho tuabin gió.

Kết quả chi tiết được công bố trên tạp chí:

N.T. Anh, N.H. Duc, “Effect of rain on horizontal axis wind turbines with blade of rectangle shape,” Journal of Science and Technology of Industry University of Vietnam, 12/2017.