Tại sao hiệu suất của tuabin gió trục đứng lại thấp?

Nguyên nhân chính dẫn đến hiệu suất thấp hơn của tuabin gió trục đứng (VAWT) so với tuabin gió trục ngang (HAWT) bao gồm nhiều yếu tố như đặc tính khí động học, thiết kế kết cấu và môi trường hoạt động. Sau đây là phân tích chi tiết:
1. Hiệu suất khí động học thấp

Khả năng tự khởi động kém: Góc tấn công của hầu hết các tuabin gió trục đứng (đặc biệt là loại Dario) có biên dạng cánh quạt liên tục thay đổi trong quá trình quay, khiến việc tạo ra mô-men xoắn khởi động đủ mạnh ở tốc độ gió thấp trở nên khó khăn và cần các thiết bị bổ sung hoặc lực tác động bên ngoài để khởi động.

Vấn đề mất lực nâng động: Khi các cánh quạt quay về phía ngược chiều gió, hướng luồng không khí so với các cánh quạt thay đổi đột ngột, điều này dễ gây ra hiện tượng mất lực nâng động và dẫn đến tổn thất năng lượng.

Sự nhiễu loạn giữa các cánh quạt: Các cánh quạt của quạt trục đứng sẽ đi qua vùng xoáy phía hạ lưu trong quá trình quay và bị ảnh hưởng bởi sự nhiễu loạn của vùng xoáy phía trước cánh quạt, làm giảm hiệu quả khí động học.

2. Thiết kế kết cấu và những hạn chế về vật liệu

Hiện tượng tập trung ứng suất mỏi: Cấu trúc đỡ (như dây cáp hoặc cột) và chân cánh quạt trục đứng chịu tải trọng thay đổi theo chu kỳ, dễ bị hư hỏng do mỏi và hạn chế thiết kế quy mô lớn.

Độ phức tạp trong sản xuất cánh quạt: Quá trình sản xuất cánh quạt cong (như loại Daryl) phức tạp hơn, tốn kém hơn và khó áp dụng hơn để thiết kế hình dạng khí động học hiệu quả so với cánh quạt thẳng có trục ngang.

3. Hệ số sử dụng năng lượng gió thấp (Cp)

Giới hạn lý thuyết thấp: Hệ số sử dụng năng lượng gió tối đa về mặt lý thuyết của quạt trục đứng là khoảng 0,4, trong khi đó của quạt trục ngang có thể đạt tới 0,59 (giới hạn Bates).

Chênh lệch hiệu suất thực tế: Hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió thực tế của quạt trục đứng thường chỉ đạt 10% -30%, trong khi quạt trục ngang hiện đại có thể đạt 40% -50%.

4. Khả năng thích nghi với môi trường không đủ

Nhạy cảm với sự thay đổi hướng gió: Mặc dù về mặt lý thuyết, quạt trục đứng có thể hoạt động với mọi hướng gió, nhưng trên thực tế, rất khó để duy trì góc tấn công tối ưu của cánh quạt trong môi trường gió xoáy hoặc thay đổi thường xuyên.

Khả năng chống gió yếu: Quạt trục đứng cỡ lớn dễ gặp vấn đề về độ ổn định do rung động kết cấu dưới tác động của gió mạnh, và thiết kế hệ thống phanh phức tạp hơn.

5. Các kịch bản ứng dụng và mức độ trưởng thành về công nghệ

Hạn chế về quy mô: Tuabin gió trục đứng chủ yếu được sử dụng cho các dự án phát điện phân tán quy mô nhỏ và trung bình (như môi trường đô thị), nhưng các dự án điện gió thương mại quy mô lớn vẫn chủ yếu sử dụng tuabin trục ngang, loại tuabin đã được tối ưu hóa trong nhiều thập kỷ và có độ hoàn thiện công nghệ cao.

Đầu tư nghiên cứu và phát triển thấp: Do thị phần nhỏ, tiến bộ công nghệ trong tối ưu hóa khí động học, nghiên cứu vật liệu và hệ thống điều khiển cho quạt trục đứng diễn ra tương đối chậm.

Ưu điểm và các trường hợp ứng dụng của quạt trục đứng

Mặc dù hiệu suất thấp, quạt trục đứng vẫn có một số ưu điểm độc đáo:

Không cần hệ thống điều chỉnh hướng gió: có thể thu gió theo bất kỳ hướng nào.

Độ ồn thấp và an toàn: Tốc độ thấp, độ ồn thấp và quỹ đạo chuyển động của cánh quạt tương đối an toàn cho chim.

Bảo trì thuận tiện: Máy phát điện và các thiết bị khác có thể được đặt trên mặt đất để dễ dàng bảo trì.

Do đó, tuabin gió trục đứng phù hợp hơn cho việc ứng dụng trong môi trường đô thị có nhiễu loạn mạnh và hướng gió thay đổi, hoặc các hệ thống cung cấp điện độc lập quy mô nhỏ, hơn là các trang trại gió quy mô lớn.

bản tóm tắt

Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến hiệu suất thấp của tuabin gió trục đứng là do thiếu các đặc tính khí động học vốn có, hạn chế khả năng thu năng lượng gió của chúng. Ngoài ra, sự mỏi vật liệu và thách thức về quy mô cũng khiến chúng khó cạnh tranh với tuabin gió trục ngang. Trong tương lai, với sự phát triển của các vật liệu mới và công nghệ điều khiển dòng chảy như cánh lái chủ động và bộ tạo xoáy, hiệu suất của tuabin gió trục đứng dự kiến ​​sẽ được cải thiện, nhưng chúng vẫn có thể đóng vai trò bổ sung trong thị trường năng lượng gió chính thống.