Nghiên cứu ứng dụng phần mềm GH Bladed phiên bản giáo dục trong đào tạo kỹ sư điện gió

1
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHẦN MỀM GH BLADED PHIÊN BẢN
GIÁO DỤC TRONG ĐÀO TẠO KỸ SƯ ĐIỆN GIÓ
Applied study GH Bladed Software Educational version in the training
Engineers on Wind Power

PGS. TS.Ngô Văn Quyết
Trường Đại học Sao Đỏ,

Tóm tắt: Bài báo trình bày cấu trúc của
phần mềm GH Bladed phiên bản giáo dục
phục vụ quá trình dạy và học chuyên ngành
công nghệ điện gió. Tác giả nghiên cứu cấu
trúc của 13 mô đun và trình bày công dụng
và cách sử dụng của từng mô đun. Phần
mềm GH Bladed phiên bản giáo dục có thể
dùng dạy và học phương pháp tính toán,
thiết kế hoàn chỉnh một trụ gió trên đất liền
hoặc ngoài khơi với các điều kiện tiêu
chuẩn.

Abstract: The configuration of GH Bladed
software Educational version in wind power
industrial which can be using in the teaching
and learning process of training wind energy
course. The structure of 13 modules, using
and applying one of them has been scripting
by author. GH Bladed software Educational
version can be using not only in the teaching
but also in the learning of method of
calculation and design wind farm in the

offshore or onshore with initial conditions .
Keyword: Educational version- phiên bản
giáo dục; Licensed-được cấp bản quyền;
Solely for educational purposes- Chỉ nhằm
mục đích giáo dục; demo_a prj-minh họa
một dự án; All.prj and .Spj.files-Tất cả các
dự án và các file mô phỏng dự án; DLL-Thư
viện liên kết động;Cut in windspeed-Tốc độ
gió làm cánh bắt đầu quay; Cut out
windspeed-Tốc độ gió cánh bắt đầu ngừng
quay; Power production-sản lượng điện.

I.ĐẶT VẤN ĐỀ
Nhân dịp kỷ niệm 40 năm (1973-2013)
ngày thiết lập quan hệ ngoại giao giữa
Việt Nam và Liên hiệp Vương quốc Anh,
đồng thời nhân dịp kỷ niệm 20 năm
(1993-2013) ngày thành lập của tâp đoàn
điện gió GL Garrd Hassan, sau nhiều lần
thương nghị, ngày 18 tháng 3 năm
2013,Trường Đại học Sao Đỏ may mắn
nhận được quà tặng hữu nghị (Friendship
Gift) là phần mềm GH Bladed phiên bản
giáo dục có bản quyền trong bối cảnh
tích cực chuẩn bị đào tạo nguồn nhân lực
kỹ sư điện gió cho đất nước.
Vậy cấu trúc và đặc điểm của GH Bladed
Software phiên bản giáo dục như thế nào
và có những gì khác so với phiên bản
thương mại tổng quát [4]? Nó được sử

dụng trong dạy và học chuyên ngành
công nghệ điện gió như thế nào?
Trong bài viết này, những vấn đề học
thuật chính yếu của phiên bản giáo dục
sẽ được trình bày nhằm trả lời các câu
hỏi đặt ra ở trên.
2


II.CẤU TRÚC CỦA PHẦN MỀM GH BLADED PHIÊN BẢN GIÁO DỤC
2.1.Giao diện chính
Sau khi cài đặt, giao diện chính của GH
Bladed Educational ver.5.1,năm 2013, có
dạng như hình 1. Tương tự như [4], mười
ba biểu tượng tương ứng với mười ba mô
đun xuất hiện, chỉ khác nhau ở hình dáng
các biểu tượng mà thôi. Dưới đây chúng
tôi sẽ nêu bật những đặc điểm của phiên
bản giáo dục này. Những vấn đề gì giống
phiên bản thương mại[4] sẽ không đề cập
lại (ví dụ Mô đun tự động tính toán, mô
đun phân tích…) .

Hình 1.Giao diện chính của GH bladed Educational Version
Đặc điểm thứ nhất, như đã chỉ ra trong
tài liệu [4], đây chỉ là một phần của GH
Bladed thương mại, nghĩa là chỉ cho
phép sử dụng một mô đun cơ bản.
Đặc điểm thứ hai, mô phỏng việc tính
toán, thiết kế một trang trại gió có 5 trụ

gió với công suất 2MW. Mỗi trụ gió
ngang có rotor 3 cánh hoạt động trong
điều kiện môi trường tiêu chuẩn.
Đặc điểm thứ ba, mỗi một mô đun đã có
sẵn một sơ sở dữ liệu chuẩn. Các cơ sở
dữ liệu này được cấu tạo theo kiểu thư
viện liên kết động (DLL-Dynamic Link
Library).
Đặc điểm thứ tư, khi nhập liệu có hai
cách: nhập lô theo từng thư viện liên kết
động, hoặc nhập liệu rời rạc theo từng
thông số mà các mô đun yêu cầu một
cách logic.
Đặc điểm thứ năm là quá trình tính toán,
thiết kế trụ gió được sắp xếp thành 4 khối
sau
2.1.1.Khối nhập liệu
3

Hình 2:Giao diện khối nhập liệu
2.1.2. Khối tính toán

Hình 3: Giao diện khối tính toán
2.1.3. Khối tùy chọn tính toán

Hình 4: Giao diện khối tùy chọn tính toán


Tương ứng với
Mô đun thiết kế

cấu hình
turbine [4]

Tương ứng với
Mô đun tự động
tính toán [4]
Rất nhiều tùy
chọn đẻ thực
hiện quá trình
tính toán
4
2.1.4.Khối kết xuất

Hình 5: Giao diện của khối kết xuất

2.2.Mô đun thiết kế cánh



Hình 6:Giao diện dùng cho tính toán thiết kế cánh

Vùng này biểu diễn chiều dài cánh.Các thông số cần nhập liệu lần lượt theo mặt cắt được
liệt kê ngay dưới đồ thị biểu diễn cánh

Vùng này biểu diễn một mặt cắt ngang cánh; các mặt cắt này thay đổi kế tiếp nhau theo
chiều từ chân cánh đến đầu cánh;khoảng cách kể từ chân cánh lần lượt là (10,20,30,40,50 mét)
mà các thông số hình học mặt cắt lần lượt cho trong DLL
Các vị trí nhập liệu:
 Thông tin chung về cánh

Chiều dài được giới hạn bởi biên
dạng phía trong cánh:58m; xét ở 5
mặt cắt. Nhập các thông số kích
thước mặt cắt; lực khí động tác
dụng lên mặt cắt
A
B
Chọn dạng
kết xuất:
Đồ thị hay
bảng tính
Excel.
Có thể vẽ
6 đồ thị
trên cùng
một hệ
trục tọa
độ
5
 Các thông số hình học của cánh
 Khối lượng và độ vững chắc của cánh
 Khối lượng bổ sung, mô men khối lượng; mô men quán tính
2.3.Mô đun phân tích khí động lực
Chọn DLL về các thông số động lực học
của cánh; các hệ số ảnh hưởng tới góc
quay, các hệ số lực nâng và lực hạ, các
hệ số ảnh hưởng của mô men ứng với
từng vị trí quay trong một vòng quay
quanh trục rotor được 360 độ

Hình 7:Cơ sở dữ liệu động lực học gió

Hình 8:Xác định mặt cắt khí động

Dữ liệu tổng quát: tỷ số chiều
dầy và chiều dài cánh; Hằng số Reynolds;
Tâm quay của mô men làm cánh quay
quanh trục của nó; Góc quay; mô men
quay chỉnh hướng gió
1
Bảng các hằng số: góc tới của gió; hệ số lực nâng;
h hệ số lực hạ; hệ số mô men quay chỉnh hướng gió

2
A
6
Vị trí mặt cắt tính từ chân: 26,4074 mét; Dạng cánh: chuẩn; Số mặt cắt: 3;
Nội suy hằng số Reynolds: Tỷ số chiều dầy và chiều dài cánh: LS 1m13r2
Nội suy LS 1m17r2

2.4.Mô đun thiết kế cấu hình turbine
Nội dung dùng để xác định cấu hình
turbine: tính toán turbine và rotor, Tính
toán hộp lắp ráp với cánh và thân trụ
tháp.

Hình 9 Giao diện tính toán thiết kế rotor
2.4.Mô đun thiết kế trụ tháp

Hình 10: Mô đun trụ tháp

B
Minh họa kích thước 3 chiều của
turbine và rotor ;
Hộp thùng chứa các bộ phận
1
2
7
Xác định các thuộc tính của trụ tháp: kích thước hình học; khối lượng;độ cứng vững;
góc xoắn của trụ tháp;
 Vật liệu làm trụ tháp:Tên vật liệu; mật độ;mô đun đàn hồi Young (E);
Môi trường: đất liền; biển
Số lượng các mặt cắt tính từ chân đế
 Mô tả vị trí các mặt cắt từ đế lên hộp thùng
 Nền móng: đất; nền móng trên biển; đệm giảm chấn
2.6.Mô đun chuỗi dòng điện

Hình 11:Chuỗi dòng điện
Sự dẫn động:Lựa chọn tỷ số truyền
hộp bánh răng hành tinh tăng tốc, mô
men quán tính của máy phát; tốc độ trục
rotor (trục tốc độ thấp); khớp nối, phanh;
tốc độ trục máy phát (trục tốc độ cao);
Sự lắp đặt:Lựa chọn mô hình lắp đặt;
tấm đệm; hộp tốc độ bánh răng; độ cứng
vững; cách giảm chấn; mô men quán tính
của các phần;
Máy phát điện: dạng máy phát; các
thông số cơ bản của máy phát;mô men
xoắn nhỏ nhất và lớn nhất trên trục máy
phát; hằng số thời gian;

Tổn thất: Tổn thất năng lượng, tổn thất
cơ năng và tổn thất điện năng. Đối với
Mô tả quá trình sản sinh ra dòng điện một cách liên tục: truyền động cơ học biến đổi động năng
gió nhờ các cánh, trục rotor quay, qua hộp tăng tốc bánh răng; trục cao tốc làm việc; máy phát
điện làm việc; tổn thất năng lượng; dòng điện được sinh ra và kết nối với lưới điện
Dạng xoắn trục không lắp phanh. Trục quay với tần số
3225 Hz (20263 rad/s).Hệ số giảm chấn 0,01583
Trục máy phát
Hộp
tốc độ
Bánh
răng

Trục quay chậm không
lắp phanh
8
tổn thất cơ năng có thể chọn các hàm mô
men trên trục hoặc chọn công suất theo
bảng.Đối với tổn thất điện năng có thể
chọn quan hệ tuyến tính hoặc chọn theo
bảng.
Lưới điện: kết nối lưới điện chỉ ra số
lượng các turbine điện gió có thể kết nối
lưới điện; hiệu thế của lưới điện
2.7. Mô đun thiết kế vỏ thùng

Hình 12: Giao diện tính toán thiết kế vỏ thùng
Như đã trình bày trong [4], được nhập liệu từ DLL cụ thể.
2.8. Mô đun hệ thống điều khiển

Hình 13. Giao diện mô đun điều khiển
 Điều khiển sản lượng điện
9
 Điều khiển các tác vụ:Khởi dộng;
dừng bình thường; dừng khẩn cấp;
phanh; chỉnh hướng gió; cánh đón
gió;điều chỉnh thiết bị ngoại vi; dừng
quay; chạy không
Điều chỉnh tối ưu mô men quay; tốc
độ máy phát điện
Điều chỉnh các góc quay chỉnh
hướng; mô men quay yêu cầu cho máy
phát điện; số vòng quay yêu cầu cho máy
phát điện
2.9. Mô đun mô thức làm việc

Hình 14. Các tần số của cánh và của thân trụ
Các mô thức làm việc của cánh-rotor và
của trụ tháp như trình bày trong [4].Thực
chất mô đun này là xem xét sự dao động
của các cánh và của thân trụ ở các cấp độ
tần số khác nhau khi có bộ phận giảm
chấn và không có bộ phận giảm chấn
2.10. Mô đun phân tích gió

Hình 15. Giao diện mô đun gió- Trường hợp gió không biến đổi
Các hằng số của gió
Tốc độ gió: m/s
Chiều cao tại đó xác định tốc độ gió, m
Hướng gió [so với phương bắc], độ

Sự chếch của dòng, độ
A
B
Thời gian gió thay đổi
Sự trượt của gió
Xác định ống khí động lực
Sự dao động của thân trụ

10
2.11. Mô đun thiết kế ống khí động

Hình 16: Giao diện xác định ống khí động
 Định trị và các thông số ống khí động
Dạng phổ ống khí động khác nhau có
thể được lựa chọn.Ví dụ chọn dạng von
Kaman
 Có thể chọn ống khí động phát sinh
khác

Hình 17:Chọn các thông số 3D cho ống khí động từ DLL
2.12.Mô phỏng sản phẩm điện





A Thời gian gió biến đổi
trong ống gió 3D
B Chọn từ DLL mặc định
C Chọn từ file mặc định

Đường biểu diễn công suất
2MW trong vùng
tốc độ từ 12 m/s đến 25m/s
11
Hình 18: Đường cong công suất điện theo tốc độ gió


Hình 19: Mô phỏng sản phẩm điện theo thời gian
1-Tốc độ gió trung bình trong ống gió, 12m/s
2- Góc chỉnh hướng gió, độ
3-Công suất 2MW
4- Mô men trên trục nhanh,k Nm
III.PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG TRONG ĐÀO TẠO KỸ SƯ ĐIỆN GIÓ
3.1.Đối với quá trình dạy
- Rút ngắn thời gian nhập liệu, trình
giảng trên lớp bằng việc sử dụng hệ
thống các thư viện liên kết động (DLL).
Điều này đòi hỏi người dạy vừa có kiến
thức sâu rộng về khoa học và công nghệ
điện gió vừa phải có kiến thức vững chắc
về lý thuyết lập trình và lý thuyết nhúng;
-Người dạy: Nắm chắc các điều kiện tiêu
chuẩn: ngoài các quy định thông thường
về nhiệt độ, áp suất;độ ẩm; gia tốc trọng
trương …ra;còn thêm các điều kiện tiêu
chuẩn cho turbine điện gió như: mật độ
không khí:1,225 kg/m3;độ nhớt không
khí 1,85E-5 kg/ms; đường kính rotor :
80mét; độ cao lắp rotor;61,5 mét , chiều

quay cánh: theo chiều kim đồng hồ; tốc
độ gió khởi động cánh: 4m/s (bắt đầu
phát điện); tốc độ gió cánh quay trơn:
25m/s (không phát điện)
-Trên cơ sở cấu trúc của phần mềm phiên
bản giáo dục này, có thể biên soạn thành
các bài học tiếng Anh chuyên ngành
công nghệ điện gió, ví dụ: các bài học về
hệ thống cánh và rotor; hộp tốc độ bánh
răng và truyền động cơ khí;các loại máy
phát điện trong turbine gió; hệ thống điều
khiển trong turbine gió v.v.
3.2.Đối với quá trình học
1
2
3
4
12
-Góp phần củng cố các phần lý thuyết về
chuyên ngành điện gió thông qua việc
tính toán ở các mô đun khác nhau;
-Hình thành kỹ năng và kỹ xảo phân tích
và kiểm tra các dữ liệu: người học có thể
nhập liệu nhiều lần từ bộ dữ liệu chuẩn
trong các thư viện động (DLL); hiểu rõ
mối tương quan logic giữa các số liệu thu
thập được từ tự nhiên với các dữ liệu
khác mà người thiết kế đưa ra để có thể
đạt được một trụ gió có sản lượng điện
tốt nhất;

-Góp phần hình thành phẩm chất tổ chức,
quản lý, sử dụng một nguồn năng lượng
sạch ở người kỹ sư điện gió tương lai.
Trên cơ sở sử dụng phần mềm này, người
học liên tưởng và hình dung được toàn
bộ những vấn đề xây dựng một trang trại
gió trong điều kiện địa lý-chính trị cụ thể
nhằm mục tiêu phát triển kinh tế-xã hội,
an ninh-quốc phòng của đất nước.
IV. KẾT LUẬN
4.1.So sánh hai phiên bản:thương mại và giáo dục
Tiêu chí so sánh

Phần mềm thương mại

Phần mềm giáo dục
1.Mục đích

Tính toán thiết kế trụ gió
trên đất liền và ngoài khơi


Dậy –họcTính toán thiết kế trụ
gió trên đất liền và ngoài khơi





2.Mô đun cơ bản và các

mô đun tùy chọn


Đầy đủ mô đun cơ bản và
các mô đun tùy chọn


Chỉ có mô đun cơ bản





3.Các điều kiện địa vật lý
khác nhau


Dùng cho các điều kiện
địa vật lý khác nhau


Chỉ có một điều kiện
tiêu chuẩn mặc định





4.Đặc điểm tính toán

Nhập liệu mới các dữ liệu

Dữ liệu tiền định
5.Thay đổi giá trị các biến

Được, Tự do thay đổi

Không được





6 Hệ thống các chủ đề
thảo luận


Không có

Có 10 chủ đề định hướng toàn
bộ các vấn đề cơ bản của khoa
học và công nghệ điện gió.





7. Kết quả thu được

Chưa biết trước

Đã biết trước
4.2.Sử dụng hiệu quả phần mềm phiên bản giáo dục
-Đặc điểm nổi bật của phiên bản giáo dục
là tính sư phạm cao. Điều này thể hiện ở
chỗ trình bày những vấn đề khó hiểu, dài
dòng bằng bốn khối sơ đồ làm cho vấn
đề khoa học điện gió trở nên trong sáng
hơn, dễ hiểu hơn, súc tích hơn. Người
học tiếp thu những vấn đề mới về học
thuật của công nghệ điện gió theo logic
phép biện chứng tự nhiên và theo định
luật bảo toàn và biến hóa năng lượng
13
(“Năng lượng không tự nhiên sinh ra,
không tự nhiên mất đi mà nó chỉ tồn tại
hoặc chuyển hóa từ dạng này sang dạng
khác”) nên hiệu quả giảng dậy và học tập
sẽ cao.
- Do khuôn khổ hạn chế của bài báo,
nhiều vấn đề trong phiên bản này chưa
thể giới thiệu hết ngay trong một bài viết
như: phương pháp dòng mưa xác đình tải
trọng và ứng suất gây ra sự phá hủy mỏi
cho nhiều cơ phận, như cánh, trục rotor;
bánh răng; ổ lăn [1]; hoặc những chỉ tiêu
mới của Cơ học phá hủy để đánh giá độ
bền và tuổi thọ theo lý thuyết lan truyền
vết nứt và năng lượng phá hủy…Những
vấn đề chuyên sâu ấy có thể trình bày

trong những bài viết khác như dạng [2],
người dậy và người học cần tìm đọc thêm
tài liệu.
-Phần mềm này đáp ứng học phần bắt
buộc số 53 trong [5] mà ngay cả ấn phẩm
mới nhất [3] cũng chưa hề đề cập tới.
-Kết thúc bài báo này, chúng tôi muốn
nói lời cám ơn chân thành tới tập đoàn
GH Bladed and Partner Ltd mà người
lãnh đạo là Tiến sĩ Hassan. Việc sử dụng
hữu hiệu phiên bản giáo dục này trong
việc đào tạo kỹ sư chuyên ngành điện gió
của nhà trường là sự biểu hiện việc tri ân
tới nghĩa cử cao đẹp-quà tặng hứu nghị
vô giá đó.
Tài liệu tham khảo

[1] Ngô Văn Quyết: Cơ sở lý thuyết mỏi.Hà
nội, “Giáo dục”, 2000, 292 trang
[2 Ngô Văn Quyết: Những đặc điểm về tính
toán bánh răng trong hộp tốc độ của turbine
gió Tạp chí Nghiên cứu khoa học Trường
Đại học Sao Đỏ. Số 6- 2012, trang 6- 16
[3] Nguyễn Ngọc: Điện gió Quạt gió và Bơm
nước. Hà nội, “Đại học Bách khoa”, 2013,
840 trang
[4] Ngô Văn Quyết: Nghiên cứu khai thác và
sử dụng phần mềm thiết kế điện gió Tạp chí
Nghiên cứu khoa học Trường Đại học Sao
Đỏ. Số 15-3- 2013, trang 14- 23

[5] Vũ Thanh Chương, Phí Đăng Tuệ, Vũ
Quang Thập, Nguyễn Xuân Ứng,Ngô Văn
Quyết: Nghiên cứu đề xuất khung chương
trình đâo tạo kỹ sư điện gió cho Việt Nam-
Triển khai áp dụng tại trường Đại học Sao
Đỏ -Tạp chí Nghiên cứu khoa học Trường
Đại học Sao Đỏ. Số 15- 3-2013, trang 24-30
Ghi chú: 1. Inputs block-Khối nhập liệu;
2. Calculation Block-Khối tính toán;
3.Calculation Options Block- Khối
tùy chọn tính toán; 4.Outputs Block-
Khối kết xuất;
5. Blades: Các cánh (hoặc cánh quạt)
; 6. Aerofoil: Phân tích khí
động lực
7.Turbine configuration: Cấu hình
turbine;8.Tower : Trụ tháp;9. Power Train Chuỗi
dòng điện;
10. Nacelle : Vỏ thùng;11 Control
Systems : Các hệ thống điều khiển; 12.Modal
: Dạng thức làm việc; 13. Wind:
Gió;14.Turbulence-Ống khí động ; 15.Power
Production-Sản lượng điện■

14
Địa chỉ: Số 24 Thái Học 2; Phường Sao
Đỏ,Thị Xã Chí Linh; Tỉnh Hải Dương

BÀI ĐÃ ĐĂNG TRÊN TẠP CHÍ NCKH ĐẠI
HỌC SAO ĐỎ -SỐ 22-2013 TRANG 13-24
Đã báo cáo tại Hội nghị Khoa học-Công nghệ
toàn quốc về Cơ khí lần thứ III và đã đăng
trong tuyển tập.