Tài liệu ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ KỸ THUẬT TUABIN GIÓ CÔNG SUẤT 500W potx

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CƠ KHÍ

BÙI VĂN HIỀN
CK51 – CTM

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
THIẾT KẾ KỸ THUẬT TUABIN GIÓ CÔNG
SUẤT 500W


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
CHUYÊN NGÀNH: CHẾ TẠO MÁY







NHA TRANG s– 07/2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
THIẾT KẾ KỸ THUẬT TUABIN GIÓ CÔNG
SUẤT 500W



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
CHUYÊN NGÀNH: CHẾ TẠO MÁY

GVHD: Đặng Xuân Phương





NHA TRANG – 07/2013
i

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
Họ, tên sinh viên: Bùi Văn Hiền Lớp: 51CT
Chuyên ngành: Chế tạo máy MSSV: 51130312
Tên đề tài:“Thiết kế tuabin gió công suất 500W”.
Số trang: Số chương: 4

số tài kiệu tham khảo: Hiện vật:
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Kết luận:

Nha Trang, ngàytháng năm 2013
CÁN Bộ HƯớNG DẫN


TS :

ĐIỂM CHUNG
Bằng số

Bằng chữ


ii

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
Họ, tên sinh viên: Lớp: 51CT
Chuyên ngành: MSSV: 51131914
Tên đề tài:“ Thiết kế tuabin gió công suất 500W”.
Số trang: 89 Số chương: 4 Số tài kiệu tham khảo: 16
Hiện vật:
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

Điểm phản biện:
Nha Trang, ngày…tháng 7 năm 2013
CÁN Bộ PHảN BIệN


___________________________________________________________________
Nha Trang, ngày…tháng 7 năm 2013
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒN


ĐIỂM CHUNG
Bằng số

Bằng chữ


iii

MỤC LỤC
PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP i

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

LỜI CẢM ƠN ix

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 3

1.1 Tổng quan 3

1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển của tuabine gió 3

1.1.2 Giới thiệu về tuabine gió 5

1.1.3 Đặc điểm chung của máy phát điện chạy bằng sức gió 7

1.1.4 Những lợi ích khi sử dụng gió để sản xuất điện (điện gió) 8

1.1.5 Gió và năng lượng gió. 10

1.2 Đối tượng, phạm vi và mục tiêu nghiên cứu của đề tài 12

1.2.1 Đối tượng nghiên cứu: Tuabine sử dụng năng lượng gió 12

1.2.2 Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu thiết kế tuabine gió trục sử dụng để
phát điện. 12

1.2.3 Mục tiêu nghiên cứu: 13

1.2.4 Phương hướng tiếp cận: 13

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA TUABINE GIÓ
TRỤC NGANG 14

2.1 Khái niệm hoạt động thực của roto 14

2.2 Thuyết động lượng và hệ số công suất của rotor. 15

2.3 Số Betz giới hạn 16

2.4 Lý thuyết phân tố cánh. 16

2.5 Thuyết động lượng phân tố cánh (BEM) 18

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CÁNH TUABINE 500W 20

3.1 Yêu cầu: 20

iv

3.2 Tính bán kính cánh quạt rotor. 20

3.3 Profile cánh. 21
3.4 Chiểu dài dây cung cánh 23

3.5 Góc đặt cánh 25

3.6 Tính hiệu suất tuabine 27

3.7 Xây dựng cánh tuabine bằng phần mềm Pro/Engineer 5.0 28

3.7.1 Kích thước của cánh: 28

3.7.2 Dựng cánh Tuabine: 28

3.7.3 Các bước cụ thể ta làm như sau 28

CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KẾT CÁC BỘ PHẬN CƠ BẢN
CỦA TUABINE 39

4.1 Hộp số 39

4.2 Tháp 40

4.2.1 Cột tháp dạng khung giàn 40

4.2.2 Cột thép hình ống 41

4.2.3 Cột tháp dạng dây nối đất 41

4.2.4 Gió, bản thân Trọng lượng và tải trọng cơ cấu bên trong 43

4.3 Tính toán và lựa chọn máy phát điện. 44

4.4 Tính toán số lượng bình acquy lưu trữ điện 46

4.5 Lựa chọn bộ điều khiển nạp sạc 47

CHƯƠNG 5 TÍNH GIÁ THÀNH CỦA SẢN PHẨM 48

5.1 Tổng giá thành sản phẩm. 48

5.1.1 Tháp tuabine 48

5.1.2 Trục chính 48

5.1.3 Máy phát điện 48

5.1.4 Roto tubine 49

5.1.5 Long đền đai ốc: 49

5.1.6 Bulông các loại: 49

5.1.7 Bình ắc quy 49

v

5.1.8 Vòng bi NSK-6205ZZ 49

5.1.9 Đế đỡ máy phát điện 49
5.1.10 Đuôi tuabine 49

5.1.11 Khớp nối: 50

5.1.12 Bộ điều khiển nạp sạc 50

5.2 Lắp ráp: 50

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

vi


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1 Hệ số λ 21

Bảng 3.2 Kết quả tính toán dây cung cánh 24

Bảng 3.3 Kết quả tính góc tấn 26

Bảng 3.4 kết quả tính toán 27



vii

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1 Mô hình cánh gió tại Trung Mỹ, cuối TK 19 3

Hình 1.2 Mô hình cối xay gió xuất hiện sau TK 13 4

Hình 1.3 Chiếc máy bơm nước chạy bằng sức gió, phía Tây nước Mỹ những
năm 1800 4

Hình 1.4 Máy phát điện sức gió do Charles F.Brush chế tạo 5

Hình 1.5 cấu tạo tuabine gió trục ngang 6

Hình 1.6 tuabine gió trục ngang 6
Hình 1.7 Turbine gió trục đứng 7

Hình 1.8 Đường cong biểu diễn quan hệ giữa Cp và 11

Hình 1.9 Đương cong công suất của tuabine gió 50kW 12

Hình 2.1 Sự thay đổi áp suất và vận tốc gió qua turbine 14

Hình 2.2 cánh tuabine gió 17

Hình 3.1 Số cánh và tốc độ đầu cánh 21
Hình 3.2 Các thông số cơ bản của profile cánh 22

Hình 3.3 Cánh tuabine gió 24

Hình 3.4 Profile cánh 24
Hình 3.5 Góc đặt cánh 25

Hình 3.6 Kết quả hình 3D 27

Hình 3.7 profile Naca 4412 29

Hình 3.8 Profile Naca 4412 khi xuất sang phần mềm Pro/Engineer 29

Hình 3.9 Tạo file tuabine 30

Hình 3.10 Chọn kích thước 30

viii

Hình 3.11 Tạo các mặp phẳng 31

Hình 3.12 31

Hình 3.13 Chọn mặt phẳng 32

Hình 3.14 Chọn file naca 32

Hình 3.15 Chọn naca 33

Hình 3.16 Nhập kích thước 34

Hình 3.17 Kết quả sau khi nhập kích thước 34

Hình 3.18 Kết quả sau khi nhập hoàn thành 35

Hình 3.19 Tạo đương dẩn 36

Hình 3.20 Chọn Smooth 36

Hình 3.21 Tạo đường dẩn 37

Hình 3.22 Chọn ok 38

Hình 3.23 Kết quả sau khi vẽ 38

Hình 4.1 Sắp xếp thiết bị của một tuabine gió 39

Hình 4.2 Đường cong công suất của một tuabine gió điển hình 40

Hình 4.3 Các loại tháp tuabine gió 40

Hình 4.4 Ảnh hưởng của chiều cao tháp vào vận tốc 42

Hình 4.5 bảng phân chia tốc độ gió ở việt nam Error! Bookmark not defined.

Hình 4.6 Tháp nối dây 43

Hình 4.7 Cách dựng tháp nối dây 43

Hình 4.8 Tính toán tải của tháp 44

Hình 4.9 Ăc quy quy khô 100 Ah 47

Hình 4.10 Bộ điều khiển nạp sạc ắc quy 47
ix

DANH MỤC CHỮ VIẾT TĂT
 A-d: Diện tích roto
 a: Hệ số thu hẹp dòng chảy
 P: Công suất roto
 : hệ số công suất
 Ω: Vận tốc góc
 

: Vận tốc dòng
 C
l
: Lực nâng

 C
d
: Lực đẩy
 N: Số cánh
 C: Chiều dài dây cung
 : Góc đặt cánh
 V: Tiền vật liệu
 P: Tiền lương cho công nhân
 K: Khấu hao tài sản cố định
 H: Chi phí cho quản lý
 T: Thời gian gia công
 T
0
: Thời gian gia công cơ bản
 T
p
: Thời gian phụ
 T
pv
: Thời gian phục vụ kỹ thuật
 T
nn
: Thời gian nghỉ ngơi theo nhu cầu cần thiết của công nhân





x

LỜI CẢM ƠN
Sau sáu tháng 4 nghiên cứu, làm việc khẩn trương, được sự động viên, giúp đỡ
và hướng dẫn tận tình của thầy giáohướng dẫnTS.Đặng Xuân Phương, với đề tài
“Thiết kế kỹ thuật tuabine gió trục ngang công suất 500 W” đã hoàn thành.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:
Thầy giáo hướng dẫn TS.Đặng Xuân Phươngđã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ em
hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.
Các thày giáo cô giáo thuộc bộ môn chế tạo máy– Khoa cơ khí - Trường
ĐạiHọc Nha Trangđã giúp đỡem trong suốt quá trình học tập cũng như quá trình
nghiên cứu thực hiện đồ án.
Toàn thể các bạn bè, gia đình và người thân đã quan tâm, độngviên, giúp đỡ
tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành bản luận văn.

1

LỜI NÓI ĐẦU
Nguồn năng lượng đang là một vấn đề toàn cầu.Cũng với sự phát triển của các
ngành công nghiệp,năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt.Nhu cầu tìm ra
loại năng lượng mới,sạch,có thể tái tạo được,…thây thế nguồn năng lượng hóa
thạch truyền thống là bào toán đặt ra từ lâu đối với các quốc gia phát triển như
Anh,Mỹ,Pháp,…
Cùng với việc mở cửa hội nhập của nền kinh tế,Việt Nam cũng gặp phải
những khó khăn và trở ngại chung khi thiếu hụt về năng lượng,trong khi các nguồn
năng lượng truyền thống dần không đủ đáp ứng.Mặt khác,Việt Nam còn có lợi thế
là hơn 3000km bờ biển nên nguồn năng lượng gió là rất dồi dào.Với ưu thế về vị trí
địa lý này,Việt Nam hoàn toàn có thể sử dụng nguồn năng lượng gió.Và những năm
gần đây,khai thác năng lượng gió đang được nhà nước quan tâm.
Đề tài “Thiết kế turbin gió trục ngang loại 500W”, đây cũng là một đề tài
mới vì vậy trong quá trinh làm đồ án em không tránh khỏi những sai sót và hạn chế
về kiến thức. Em rất mong nhận được sự góp ý và đánh giá của các thầy cô giáo

trong bộ môn.
Đề tài “Nghiên cứu thiết kế tuabine gió trục ngang công suất 500w”
Nội dung đề tài của em gồm có 5 chương:
- Chương 1: Mở đầu.
- Chương 2: Tính toán khí động học tuabine gió trục ngang
- Chương 3: Thiết kế kế cánh tuabine gió công suất 500W và xây dựng cánh
tuabine bằng phần mềm Pro/Engineer 5.0
- Chương 4: Tính toán các bộ phận khác của tuabine
- Chương 5: Hạch toán giá thành sản phẩm
Làm đề tài TN đã giúp em củng cố thêm kiến thức đã được học và học hỏi
được nhiều kiến thức mới. Với sự hướng dẫn tận tình của T.S.Đặng Xuân Phương
nay em đã hoàn thành đề tài của mình.
Em xin chân thành cảm ơn T.S Đặng Xuân Phương, các quý Thầy trong bộ
môn chế tạo máy và các bạn đã giúp em hoàn thành đề tài này.
2

Nha Trang, tháng 06 năm 2013
Sinh viên thực hiện
3

CHƯƠNG 1
MỞ ĐẦU
1.1 Tổng quan
1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển của tuabine gió
Vào cuối những năm 1970, cuộc khủng hoảng về dầu mỏ đã buộc con người
phải tìm các nguồn năng lượng mới thay thế, một trong số đó là năng lượng gió.
Những năm về sau, rất nhiều các chương trình nghiên cứu và phát triển năng lượng
gió được thực hiện với nguồn tài trợ từ các Chính phủ, bên cạnh các dự án nghiên
cứu do các cá nhân, tổ chức tự đứng ra thực hiện.
Lịch sử phát triển của thế giới loài người đã chứng kiến những ứng dụng của

năng lượng gió vào cuộc sống từ rất sớm.Gió giúp quay các cối xay bột, gió giúp
các thiết bị bơm nước hoạt động, và gió thổi vào cánh buồm giúp đưa các con
thuyền đi xa.Theo những tài liệu cổ còn giữ lại được thì bản thiết kế đầu tiên của
chiếc cối xay hoạt động nhờ vào sức gió là vào khoảng thời gian những năm 500 -
900 sau CN tại Ba Tư (Irac ngày nay). Đặc điểm nổi bật của thiết bị này đó là các
cánh đón gió được bố trí xung quanh một trục đứng, minh hoạ một mô hình cánh
gió đựợc lắp tại Trung Mỹ vào cuối thế kỷ 19, mô hình này cũng có cấu tạo cánh
đón gió quay theo trục đứng.

Hình 1.1Mô hình cánh gió tại Trung Mỹ, cuối TK 19
Muộn hơn nữa, kể từ sau thế kỷ 13, các cối xay gió xuất hiện tại châu Âu (Tây
Âu) với cấu trúc có các cánh đón gió quay theo phương ngang, chúng phức tạp hơn
4

mô hình thiết kế tại Ba Tư. Cải tiến cơ bản của thiết kế này là đã tận dụng đựợc lực
nâng khí động học tác dụng vào cánh gió do đó sẽ làm hiệu suất biến đổi năng
lượng gió của cối xay gió thời kỳ này cao hơn nhiều so với mô hình thiết kế từ
những năm 500 - 900 tại Ba Tư.

Hình 1.2Mô hình cối xay gió xuất hiện sau TK 13
Trong suốt những năm tiếp theo, các thiết kế của thiết bị chạy bằng sức gió
càng ngày được hoàn thiện và được sử dụng rộng rãi trong khá nhiều các lĩnh vực
ứng dụng: chế tạo các máy bơm nước, hệ thống tưới tiêu trong nông nghiệp, các
thiết bị xay xát, xẻ gỗ, nhuộm vải… Cho đến đầu thế kỷ 19, cùng với sự xuất hiện
của máy hơi nước, thiết bị chạy bằng sức gió dần dần bị thay thế. Lịch sử con người
đã bước sang thời kỳ mới với những công cụ mới: máy chạy hơi nước.

Hình 1.3Chiếc máy bơm nước chạy bằng sức gió, phía Tây nước Mỹ những
năm 1800
Năm 1888, Charles F. Brush đã chế tạo chiếc máy phát điện chạy sức gió đầu

tiên, và đặt tại Cleveland, Ohio. Nó có đặc điểm:
 Cánh được ghép thành xuyến tròn, đƣờng kính vòng ngoài 17m;
5

 Sử dụng hộp số (tỉ số truyền 50:1) ghép giữa cánh tuabine với trục máy
phát;
 Tốc độ định mức của máy phát là 500 vòng/phút;
 Công suất phát định mức là 12kW.

Hình 1.4 Máy phát điện sức gió do Charles F.Brush chế tạo
Trong những năm tiếp sau, một số mẫu thiết kế khác đã được thực hiện tuy
nhiên vẫn không đem lại bước đột phát đáng kể.Ví dụ mẫu thiết kế của Dane Poul
La Cour năm 1891. Cho đến đầu những năm 1910, đã có nhiều máy phát điện chạy
bằng sức gió công suất 25kW được lắp đặt tại Đan Mạch nhưng giá thành điện năng
do chúng sản xuất ra không cạnh tranh được với giá thành của các nhà máy nhiệt
điện sử dụng nhiên liệu hoá thạch. Mặc dù gặp khó khăn do không có thị trường,
những thế hệ máy phát điện chạy bằng sức gió vẫn tiếp tục được thiết kế và lắp đặt.
1.1.2 Giới thiệu về tuabine gió
Tuabine gió là thiết bị biến đổi động năng của gió thành cơ năng, từ cơ năng
có thể biến đổi thành điện năng nhờ máy phát điện- Máy phát điện dùng sức gió.

Hình
Về cơ b
ản có thể chia loại tubin gió
t
ạo hoạt động, theo công suất hay theo số cánh
gió theo 2 loại cơ b
ản sau đây
Tuabine gió tr
ục ngang (HAWT).

Đây lo
ại tubin gió phổ biến tr
 Công suấ
t phát đi
 Dải vận tố
c gió ho
 Chiều cao cộ
t ch
lớn)
 Số cánh quạ
t 2

Bán kính cánh qu
 Số
vòng quay
M
ột số đặc điểm của tubin gió trục ngang
6
Hình
1.5cấu tạo tuabine gió trục ngang
ản có thể chia loại tubin gió
theo nhiều hình th
ức khác nhau
ạo hoạt động, theo công suất hay theo số cánh
quạt. Tuy nhi
ên có th
ản sau đây
: Tubine gió trục ngang v
à tubine gió tr
ục ngang (HAWT).

Hình 1.6- tuabine gió trục ngang
ại tubin gió phổ biến tr
ên thị trường.
t phát đi
ện từ vài trăm W đến vài MW.
c gió ho
ạt động từ 4m/s-25m/s.
t ch
ống tubin 6m ( loại công suất nhỏ
) 120m (lo
t 2
– 3 cánh quạt.
Bán kính cánh qu
ạt từ 3m – 45m.
vòng quay
cánh quạt 20 – 40vòng/phút.
ột số đặc điểm của tubin gió trục ngang
:

ức khác nhau
: theo cấu
ên có th
ể chia tubine
à tubine gió tr
ục đứng.
) 120m (lo
ại công suất

 Đây là loạ
i tubin gió có hi
 Thích hợp vớ
i nhi
 Hình dạ
ng và kích thư
 Tuy có hệ th
ố
quay nhấ
t đinh nên ch
Tubin gió tr
ục đứng (VAWTS)
Đây là lo
ại tubin mới phát triển trong thời
 Dải vận tố
c gió ho
 Chiề
u cao tubin dư
 Số cánh quạ
t 2

Bán kính cánh qu
Đặc điểm:
 Dải vận tố
c gió ho
 Tubin hoạt đ
ộ
có thể lắp đặ
t
 Tuy nhiên hi

ệ
hoạt động ở
cùng 1 v
1.1.3 Đ
ặc điểm chung của máy phát điện chạy bằng sức gió
Các máy phát đi
ện sử dụng sức gió
Âu, Mỹ và các nư
ớc công nghiệp phát triển khác.N
v
ề công nghệ điện sử dụng sức gió (điện gió).
7
i tubin gió có hi
ệu suất cao nhất;
i nhi
ều vận tốc gió khác nhau;
ng và kích thư
ớc lớn nên đòi hỏi chỉ số
an toàn cao;
ố
ng điều chỉnh hướng để đón gió xong vẫ
n gi
t đinh nên ch
ỉ thích hợp cho nhưng nơi có vận tố
c gió
ục đứng (VAWTS)


Hình 1.7Turbine gió trục đứng
ại tubin mới phát triển trong thời

gian gần đây.
c gió ho
ạt động 3-40m/s.
u cao tubin dư
ới 30m.
t 2
- 4 cánh.
Bán kính cánh qu
ạt dưới 10m.
c gió ho
ạt động là khá rộng.
ộ
ng không phụ thuộc vào hướng của vận t
ố
t
ở vị trí có vận tốc gió cao với dòng chả
y không
ệ
u suất của tubin chỉ bằng 50% so vớ
i tubin tr
cùng 1 v
ận tốc gió.
ặc điểm chung của máy phát điện chạy bằng sức gió

ện sử dụng sức gió
đã được s
ử dụng nhiều ở các n
ớc công nghiệp phát triển khác.N
ư
ớc Đức đang dẫn đầu thế giới

ề công nghệ điện sử dụng sức gió (điện gió).

an toàn cao;

n gi
ới hạn ở 1 góc
c gió
ổn định.
ố
c dòng khí nên
y không
ổn định.
i tubin tr
ục ngang khi
ử dụng nhiều ở các n
ước châu
ớc Đức đang dẫn đầu thế giới
8

Tới nay đa số vẫn là các máy phát điện tuabine gió trục ngang, gồm một máy
phát điện có trục quay nằm ngang, với rotor (phần quay) ở giữa, liên hệ với một
tuabine 3 cánh đón gió.Máy phát điện được đặt trên một tháp cao hình côn.Trạm
phát điện kiểu này mang dáng dấp những cối xay gió ở châu Âu từ những thế kỷ
trước, nhưng rất thanh nhã và hiện đại.
Các máy phát điện tuabine gió trục đứng gồm một máy phát điện có trục quay
thẳng đứng, rotor nằm ngoài được nối với các cánh đón gió đặt thẳng đứng. Loại
này có thể hoạt động bình đẳng với mọi hướng gió nên hiệu qủa cao hơn, lại có cấu
tạo đơn giản, các bộ phận đều có kích thước không quá lớn nên vận chuyển và lắp
ráp dễ dàng, độ bền cao, duy tu bảo dưỡng đơn giản. Loại này mới xuất hiện từ vài
năm gần đây nhưng đã đƣợc nhiều nơi quan tâm và sử dụng.

Hiện có các loại máy phát điện dùng sức gió với công suất rất khác nhau, từ 1
kW tới hàng chục ngàn kW.Các trạm phát điện này có thể hoạt động độc lập hoặc
cũng có thể nối với mạng điện quốc gia.Các trạm độc lập cần có một bộ nạp, bộ ắc
– quy và bộ đổi điện. Khi dùng không hết, điện đƣợc tích trữ vào ắc – quy. Khi
không có gió sẽ sử dụng điện phát ra từ ắc-quy.Các trạm nối với mạng điện quốc
gia thì không cần bộ nạp và ắc-quy.
Các trạm phát điện dùng sức gió có thể phát điện khi tốc độ gió từ 3 m/s (11
km/h), và tự ngừng phát điện khi tốc độ gió vượt quá 25 m/s (90 km/h). Tốc độ gió
hiệu qủa từ 10 m/s tới 17 m/s, tùy theo từng loại máy phát điện.
1.1.4 Những lợi ích khi sử dụng gió để sản xuất điện (điện gió)
Ưu điểm dễ thấy nhất của điện gió là không tiêu tốn nhiên liệu, tận dụng được
nguồn năng lượng vô tận là gió, không gây ô nhiễm môi trường như các nhà máy
nhiệt điện, không làm thay đổi môi trường và sinh thái như nhà máy thủy điện,
không có nguy cơ gây ảnh hưởng lâu dài đến cuộc sống của người dân xung quanh
Như nhà máy điện hạt nhân, dễ chọn địa điểm và tiết kiệm đất xây dựng, khác
hẳn với các nhà máy thủy điện chỉ có thể xây dựng gần dòng nước mạnh với những
điều kiện đặc biệt và cần diện tích rất lớn cho hồ chứa nước.
Các trạm điện gió có thể đặt gần nơi tiêu thụ điện, như vậy sẽ tránh được
chi phí cho việc xây dựng đường dây tải điện.
9

Trước đây, khi công nghệ phong điện còn ít được ứng dụng, việc xây dựng
một trạm điện gió rất tốn kém, chi phí cho thiết bị và xây lắp đều rất đắt nên chỉ
được áp dụng trong một số trường hợp thật cần thiết. Ngày nay điện gió đã trở nên
rất phổ biến, thiết bị được sản xuất hàng loạt, công nghệ lắp ráp đã hoàn thiện nên
chi phí cho việc hoàn thành một trạm điện gió hiện nay chỉ bằng ¼ so với năm
1986.
Các trạm điện gió có thể đặt ở những địa điểm và vị trí khác nhau, với những
giải pháp rất linh hoạt và phong phú:
 Các trạm điện gió đặt ở ven biển cho sản lượng cao hơn các trạm nội địa

vì bờ biển thường có gió mạnh. Giải pháp này tiết kiệm đất xây dựng,
đồng thời việc vận chuyển các cấu kiện lớn trên biển cũng thuận lợi hơn
trên bộ.
 Những mỏm núi, những đồi hoang không sử dụng được cho công nghiệp,
nông nghiệp cũng có thể đặt được trạm phong điện. Trường hợp này
không cần làm trụ đỡ cao, tiết kiệm đáng kể chi phí xây dựng.
 Trên mái nhà cao tầng cũng có thể đặt trạm điện gió, dùng cho các
nhu cầu trong nhà và cung cấp điện cho thành phố khi không dùng hết
điện. Trạm điện này càng có ý nghĩa thiết thực khi thành phố bất ngờ bị
mất điện.
 Ngay tại các khu chế xuất cũng có thể đặt các trạm điện gió. Nếu tận
dụng không gian phía trên các nhà xưởng để đặt các trạm điện gió thì sẽ
giảm tới mức thấp nhất diện tích đất xây dựng và chi phí làm đường dây
điện.
 Đặt một trạm điện gió bên cạnh các trạm bơm thủy lợi ở xa lưới điện
quốc gia sẽ tránh được việc xây dựng đường dây tải điện với chi phí lớn
gấp nhiều lần chi phí xây dựng một trạm điện gió. Việc bảo quản một
trạm điện gió cũng đơn giản hơn việc bảo vệ đường dây tải điện rất
nhiều.
 Một trạm điện gió 4 kW có thể đủ điện cho một trạm kiểm lâm trong
rừng sâu hoặc một ngọn hải đăng xa đất liền. Một trạm 10 kW đủ cho
một đồn biên phòng trên núi cao, hoặc một đơn vị hải quân nơi đảo xa.
10

Một trạm 40 kW có thể đủ cho một xã vùng cao, một đoàn thăm dò địa
chất hay một khách sạn du lịch biệt lập, nơi đường dây chưa thể vươn tới
được. Một nông trường cà phê hay cao su trên cao nguyên có thể xây
dựng trạm điện gió hàng trăm hoặc hàng ngàn kW, vừa phục vụ đời
sống công nhân, vừa cung cấp nước tưới và dùng cho xưởng chế biến
sản phẩm

Tuy nhiên không phải nơi nào đặt trạm điện gió cũng có hiệu quả như nhau.
Để có sản lượng điện cao cần tìm đến những nơi có nhiều gió.Các vùng đất nhô ra
biển và các thung lũng sông thường là những nơi có lượng gió lớn.Một vách núi cao
có thể là vật cản gió nhưng cũng có thể lại tạo ra một nguồn gió mạnh thường
xuyên, rất có lợi cho việc khai thác điện gió. Khi chọn địa điểm đặt trạm có thể dựa
vào các số liệu thống kê của cơ quan khí tượng hoặc kinh nghiệm của nhân đân địa
phương, nhưng chỉ là căn cứ sơ bộ. Lượng gió mỗi nơi còn thay đổi theo từng địa
hình cụ thể và từng thời gian. Tại nơi dự định dựng trạm điện gió cần đặt các thiết
bị đo gió và ghi lại tổng lượng gió hàng năm, từ đó tính ra sản lượng điện có thể
khai thác, tuơng ứng với từng thiết bị điện gió. Việc này càng quan trọng hơn khi
xây dựng các trạm công suất lớn hoặc các vùng điện gió tập trung.
1.1.5 Gió và năng lượng gió.
Gió là một nguồn năng lượng sạch trong tự nhiên mà loài người nên khai thác
và sử dụng nó, do đó yêu cầu đặt ra là cần phải có một công nghệ cao để khai thác
có hiệu quả nguồn năng lượng đó.Gió sẽ thay đổi cả về tốc độ cũng như hướng gió
phụ thuộc vào thời gian. Tốc độ gió thay đổi theo các khoảng thời gian khác nhau.
Tốc độ gió thay đổi theo mùa trong một năm, thay đổi theo giờ trong một ngày,
hoặc cũng có thể thay đổi theo từng phút, ví dụ như tốc độ gió vào mùa hè, thu ở
nước ta thường lớn hơn các mùa khác hay tốc độ gió vào ban ngày lớn hơn ban
đêm. Ngoài ra tốc độ gió cũng khác nhau phụ thuộc vào độ cao và địa hình, gió ở
trên cao thường mạnh hơn dưới thấp.
Năng lượng mà một tuabine gió có thể hấp thu là:
3
2
1
VACP
tp


(1.1)

Trong đó: P là năng lượng hấp thu, C
p
là hệ số biến đổi năng lượng (nó là một
11

hàm của tỉ số tốc độ đầu cánh và góc cánh ), là mật độ không khí, A
t
là diện
tích mặt cắt của tuabine gió, v là vận tốc gió. Theo lý thuyết thì giá tri lớn nhất của
Cp là 16/270,5926 và nó được gọi là giới hạn Betz. Năng lượng trong gió tỉ lệ với
lập phương của vận tốc gió, do đó nếu tốc độ gió tăng thì năng lượng tăng lên rất
nhiều. Vì vậy giá trị năng lƣợng của tuabine thay đổi rất lớn.Điều này có thể thấy
được trong hình 3.1, hình vẽ biểu diễn sự biến thiên của tốc độ gió và năng lượng
gió trong khoảng thời gian ngắn của những cơn gió giật.từ hình vẽ ta thấy sự biến
thiên của năng lượng gió lớn hơn nhiều so với sự biến thiên của tốc độ gió.
Hệ số biến đổi năng lượng C
p
trong công thức 1.1 là một hàm của tỉ số tốc độ
đầu cánh , nó là tỉ số giữa tốc độ đầu cánh của tuabine gió và tốc độ gió.
V
R
m 0



1.2
Trong đó: 
m
là tốc độ quay của tuabine, R
0

là bán kính tuabine, v là tốc độ
gió. Với tuabine gió trục ngang (TGTN) hoạt động bình thường ở tỉ số tốc độ đầu
cánh được cho ở 1.2.Với tuabine gió trục đứng (TGTĐ) thì hoạt động ở tỉ số tốc độ
đầu cánh thấp hơn.Đường cong biểu diễn quan hệ giữa Cp và cho ởHình 1.8.

Hình 1.8Đường cong biểu diễn quan hệ giữa Cp và
Điều khiển hoạt động của tuabine gió:
Tuabine gió hấp thu được năng lượng nhiều nhất khi vận hành ở giá trị tối ưu
của . Tuy nhiên tốc độ quay của tuabine cũng được chọn ở giá trị sao cho năng
lượng hấp thu được là lớn nhất. Với tốc độ quay cố định và khi tốc độ gió tăng thì 
12

sẽ giảm và tuabine sẽ đi vào vùng giảm tốc. Khi công suất đạt được giá trị định mức
thì nó được giữ cố định và sau đó phương pháp điều khiển công suất được sử dụng
để hạn chế sự hấp thu năng lượng khi tốc độ gió tăng.
Một tuabine gió có thể được vân hành theo các quy tắc điều khiển khác nhau
tùy thuộc vào tốc độ gió. Tuabine gió được hoạt động ở tốc độ gió từ 4m/s đến
20m/s và tốc độ gió định mức là 12m/s. Tuabine gió được khởi động khi tốc độ gió
vượt qua 4m/s. Nó được điều khiển ở giá tri tối ưu của , cho đến khi tốc độ gió
vượt qua 10m/s. Khi tốc độ gió trên 10m/s thì tốc độ quay được giữ cố định. Hệ số
Cp sễ giảm chút khi tốc độ từ 10m/s đến 12m/s. Khi tốc độ gió trên 12m/s thì công
suất được giữ cố định và tuabine giá bắt đầu quá trình giảm hấp thu năng lượng. Khi
đó tốc độ quay cần phải giảm chút ít tùy thuộc vào hiệu quả của phương pháp điều
khiển. Đường cong công suất của tuabine hoạt động theo phương pháp này được
trình bày ởHình 1.9. Việc hạn chế tốc độ quay không chỉ là điều khiển tuabine mà
còn vì lý do về sự bền vững của kết cấu hệ thống, sự dao động của lá cánh, và để
hạn chế mức độ tiếng ồn khí động học.

Hình 1.9Đương cong công suất của tuabine gió 50kW
điều khiển theo tốc độ gió

1.2 Đối tượng, phạm vi và mục tiêu nghiên cứu của đề tài
1.2.1 Đối tượng nghiên cứu: Tuabine sử dụng năng lượng gió
1.2.2 Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu thiết kế tuabine gió trục sử dụng để phát
13

điện.
1.2.3 Mục tiêu nghiên cứu:
Thiết kế, chế tạo tuabine gió trục ngang nhằm đáp ứng nhu cầu dung điện
sạch cho hộ gia đình.
1.2.4 Phương hướng tiếp cận:
Nghiên cứu lý thuyết điều tuabine gió từ sách và nguồn tài liệu trên internet.
Nắm được ứng dụng của tuabine gió để thiết kế chế tạo tuabine gió công suất nhỏ .
Nghiên cứu quá trình làm việc của tuabine gió.Trên cơ sở đó xây dựng các yêu
cầu cần thiết để thiết kế tuabine gió hoàn chỉnh.