Lý thuyết về Turbin Gió và Hệ số Betz

Để xác định công suất lấy từ gió bởi turbine gió, chúng ta phải giả sử một ống dẫn không khí như được hiển thị trong hình vẽ. Cũng giả sử rằng tốc độ gió tại lối vào của ống dẫn là V1 và tốc độ không khí tại lối ra của ống dẫn là V2. Giả sử, khối lượng m của không khí đi qua ống dẫn tưởng tượng này mỗi giây.
Bây giờ do khối lượng này, năng lượng động của gió tại lối vào của ống dẫn là,

Tương tự, do khối lượng này, năng lượng động của gió tại lối ra của ống dẫn là,


Do đó, năng lượng động của gió đã thay đổi, trong quá trình luồng không khí này đi từ lối vào đến lối ra của ống dẫn tưởng tượng là,

Như chúng ta đã nói, khối lượng m của không khí đi qua ống dẫn tưởng tượng này trong một giây. Do đó, công suất lấy từ gió là giống như năng lượng động thay đổi trong quá trình luồng khối lượng m của không khí từ lối vào đến lối ra của ống dẫn.

Chúng ta định nghĩa công suất là sự thay đổi năng lượng mỗi giây. Do đó, công suất lấy này có thể viết dưới dạng,

Khi khối lượng m của không khí đi qua trong một giây, chúng ta gọi số lượng m là lưu lượng khối lượng của gió. Nếu chúng ta suy nghĩ kỹ, chúng ta có thể dễ dàng hiểu rằng lưu lượng khối lượng sẽ giống nhau tại lối vào, lối ra và ở mọi mặt cắt ngang của ống dẫn không khí. Bởi vì, bất kỳ số lượng không khí nào vào ống dẫn, số lượng tương tự sẽ ra khỏi lối ra.
Nếu Va, A và ρ lần lượt là vận tốc của không khí, diện tích mặt cắt ngang của ống dẫn và mật độ không khí tại cánh turbine, thì lưu lượng khối lượng của gió có thể biểu diễn như sau

Bây giờ, thay thế m bằng ρVaA trong phương trình (1), chúng ta có,

Bây giờ, khi turbine được giả sử đặt ở giữa ống dẫn, vận tốc gió tại cánh turbine có thể coi là vận tốc trung bình của vận tốc lối vào và lối ra.

Để đạt được công suất tối đa từ gió, chúng ta phải phân biệt phương trình (3) theo V2 và cho nó bằng không. Đó là,

Hệ số Betz

Từ phương trình trên, ta thấy rằng công suất tối đa lý thuyết lấy từ gió là một phần 0.5925 của tổng công suất động. Phần này được gọi là Hệ số Betz. Công suất tính toán này theo lý thuyết turbine gió nhưng công suất cơ học thực tế nhận được bởi máy phát điện thấp hơn và do mất mát ma sát ổ đỡ rotor và hiệu quả thiết kế khí động học của turbine.

Từ phương trình (4), rõ ràng rằng công suất lấy là

1. Tỷ lệ thuận với mật độ không khí ρ. Khi mật độ không khí tăng, công suất của turbine tăng.

2. Tỷ lệ thuận với diện tích quét của cánh turbine. Nếu chiều dài cánh tăng, bán kính của diện tích quét cũng tăng theo, do đó công suất turbine tăng.

3. Công suất turbine cũng thay đổi theo vận tốc3 của gió. Điều đó chỉ ra rằng nếu vận tốc gió tăng gấp đôi, công suất turbine sẽ tăng lên tám lần.

Tuyên bố: Trân trọng nguyên bản, bài viết tốt xứng đáng được chia sẻ, nếu có vi phạm quyền tác giả xin liên hệ để xóa.