(Đồ án hcmute) nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm tuabin gió công suất nhỏ kiểu quiet revolution gb

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM
TUABIN GIĨ CƠNG SUẤT NHỎ KIỂU
QUIET-REVOLUTION/GB

GVHD: PGS.TS. ĐẶNG THIỆN NGÔN
KS. PHÙNG DANH SA
SVTH: NGUYỄN VĂN VŨ
MSSV: 13143410

SKL 0 0 5 0 0 3

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2016

do an


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM
TUABIN GIĨ CƠNG SUẤT NHỎ KIỂU
QUIET-REVOLUTION/GB

GVHD: PGS.TS. ĐẶNG THIỆN NGÔN
KS. PHÙNG DANH SA
SVTH : NGUYỄN VĂN VŨ
MSSV : 13143410
Khóa : 2013

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2016

do an


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM
TUABIN GIĨ CƠNG SUẤT NHỎ KIỂU
QUIET-REVOLUTION/GB

GVHD : PGS.TS. ĐẶNG THIỆN NGÔN
KS. PHÙNG DANH SA
SVTH : NGUYỄN VĂN VŨ
MSSV : 13143410
Khóa : 2013

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2017

do an

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY
Bộ mơn Cơng nghệ chế tạo máy

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dành cho giảng viên hướng dẫn)
Họ và tên sinh viên: Nguyễn Văn Vũ

MSSV: 13143410
Hội đồng: CKM – 05

Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm tuabin gió công suất
nhỏ kiểu Quiet-Revolution/GB.
Ngành đào tạo: Công nghệ chế tạo máy
Họ và tên GV hướng dẫn: PGS.TS. Đặng Thiện Ngôn
Ý KIẾN NHẬN XÉT
1. Nhận xét về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên (không đánh máy)
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................

2. Nhận xét về kết quả thực hiện của ĐATN (không đánh máy)
2.1. Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:
......................................................................................................................................................

........................................................................................................................................... ...........
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................

2.2 Nội dung đồ án: (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng
của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)
.....................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................

2.3. Kết quả đạt được:
.....................................................................................................................................................

do an


........................................................................................................................................................................
........................................................................................................................................................................

2.4. Những tồn tại (nếu có):
........................................................................................................................................................................
........................................................................................................................................................................
........................................................................................................................................................................

3. Đánh giá:

1.

2.

Điểm Điểm đạt
tối đa
được

Mục đánh giá

TT

Hình thức và kết cấu ĐATN

30

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của
các mục

10

Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài

10

Tính cấp thiết của đề tài

10

Nội dung ĐATN

50

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và
kỹ thuật, khoa học xã hội…

5

Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá

10

Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành phần,
hoặc quy trình đáp ứng yêu cầu đưa ra với những
ràng buộc thực tế.
Khả năng cải tiến và phát triển

15

15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm
chuyên ngành…

5

3.

Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài

10

4.

Sản phẩm cụ thể của ĐATN

10

Tổng điểm

100

4. Kết luận:
 Được phép bảo vệ
 Không được phép bảo vệ
TP.HCM, ngày

tháng

năm 2017

Giảng viên hướng dẫn
((Ký, ghi rõ họ tên)

do an


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

Bộ môn Công nghệ chế tạo máy

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dành cho giảng viên phản biện)
Họ và tên sinh viên: Nguyễn Văn Vũ

MSSV: 13143410
Hội đồng: CKM – 05

Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm tuabin gió công suất nhỏ
kiểu Quiet-Revolution/GB.
Ngành đào tạo: Công nghệ chế tạo máy
Họ và tên GV phản biện: PGS.TS. Trần Ngọc Đảm
Ý KIẾN NHẬN XÉT
1. Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
2. Nội dung đồ án: (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ

án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................

3. Kết quả đạt được:
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................

.............................................................................................................................................

4. Những thiếu sót và tồn tại của ĐATN:
.............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................

do an


.............................................................................................................................................

5. Câu hỏi:
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................

6. Đánh giá:

1.

2.

Điểm Điểm đạt
tối đa
được

Mục đánh giá

TT

Hình thức và kết cấu ĐATN

30

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các
mục
Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài

10

Tính cấp thiết của đề tài

10

Nội dung ĐATN

10
50

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ
thuật, khoa học xã hội…

5

Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá

10

Khả năng thiết kế, chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc

quy trình đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc
thực
tế. cải tiến và phát triển
Khả năng

15
15

3.

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên
ngành…
Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài

10

4.

Sản phẩm cụ thể của ĐATN

10

5

Tổng điểm

100

7. Kết luận:
 Được phép bảo vệ

 Không được phép bảo vệ
TP.HCM, ngày

tháng

năm 2017

Giảng viên phản biện
((Ký, ghi rõ họ tên)

do an


LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố
Hồ Chí Minh, em đã đúc kết được nhiều kiến thức bổ ích cho chun mơn của mình. Q trình
làm đồ án tốt nghiệp, em đã vận dụng được những kiến thức đã học để có thể giải quyết được
những vấn đề thực tế. Với đồ án “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm tuabin gió cơng suất
nhỏ kiểu Quiet-Revolution/GB”, do tính mới của đề tài nên em đã gặp khơng ít khó khăn trong
q trình thực hiện. Tuy nhiên, dưới sự hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn PGS.TS Đặng
Thiện Ngôn, sự hỗ trợ, giúp đỡ của kỹ sư Phùng Danh Sa trường cao đẳng nghề An Giang, và các
anh trong phòng nghiên cứu của Thầy Đặng Thiện Ngơn, gia đình và bạn bè đã giúp cho em hồn
thành đề tài của mình. Cho đến thời điểm này, với đề tài mà em thực hiện đã đạt được các yêu cầu
đặt ra, em đã đưa ra được nền tảng ban đầu để việc nghiên cứu tiếp tục phát triển hơn nữa.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:
- Ban Giám hiệu Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
- Thầy PGS.TS. Đặng Thiện Ngơn – Phịng Nghiên cứu Cơng nghệ kỹ thuật cơ khí – Khoa Cơ
khí Chế tạo máy.
- Anh Phùng Danh Sa kỹ sư khoa cơ khí chế tạo máy trường cao đẳng nghề An Giang.
- Gia đình, bạn bè và người thân.

Một lần nữa, em xin được chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, hỗ trợ tận tình của q thầy cơ,
bạn bè và gia đình đã tạo điều kiện thuận lợi giúp em hoàn thành đề tài của mình. Xin trân trọng
cảm ơn!
TP. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 07 năm 2017.

do an


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

Bộ mơn CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: Nguyễn Văn Vũ
Lớp:
131431A
Ngành đào tạo:
Công nghệ Chế tạo máy

MSSV: 13143410
Khoá: 2013 – 2017
Hệ:
A

1. Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm tuabin gió cơng suất nhỏ

kiểu Quiet-Revolution/GB.
2. Các số liệu, tài liệu ban đầu:
- Tuabin gió trục đứng Quiet-Revolution/GB.
- Cơng suất P = 70W.
3. Nội dung chính của đồ án:
- Tìm hiều, khảo sát các tuabin gió trục đứng cơng suất nhỏ có trên thị trường.
- Nghiên cứu, xác định, đề xuất các thông số thiết kế cụ thể cho tuabin gió trục
đứng loại Quiet-Revolution/GB (công suất < 100W).
- Nghiên cứu, đề xuất tuabin gió kiểu Quiet-Revolution/GB.
- Tính tốn, thiết kế, mơ phỏng các cụm chính của tuabin phát điện gió kiểu
Quiet-Revolution/GB.
- Đề xuất cơng nghệ chế tạo các chi tiết chính của tuabin phát điện gió kiểu QuietRevolution/GB.
- Chế tạo thử nghiệm tuabin gió cơng suất nhỏ kiểu Quiet-Revolution/GB.
- Tập bản vẽ chi tiết, bản vẽ lắp.
- Tập thuyết minh, poster.
4. Ngày giao đồ án:

06/03/2017

5. Ngày nộp đồ án:

15/07/2017

TRƯỞNG BỘ MÔN
(Ký, ghi rõ họ tên)

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
(Ký, ghi rõ họ tên)

PGS. TS. Đặng Thiện Ngôn

Được phép bảo vệ

…………………………………………
(GVHD ký, ghi rõ họ tên)

do an


MỤC LỤC
TRANG BÌA PHỤ
Trang
BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ............................................i
BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ...............................................ii
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iv
DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU ........................................................................... vii
DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH ............................................................................. vii
Chương 1. MỞ ĐẦU ................................................................................................ 1
1.1 Đặt vấn đề ........................................................................................................ 1
1.2 Tính cấp thiết .....................................................................................................2
1.3 Ý nghĩa của đề tài ..............................................................................................3
1.4 Mục tiêu nghiên cứu ..........................................................................................3
1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................3
1.5.1 Đối tượng nghiên cứu ................................................................................3
1.5.2 Phạm vi nghiên cứu ....................................................................................3
1.6 Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................3
1.7 Kết cấu đồ án tốt nghiệp ...................................................................................4
Chương 2. TỔNG QUAN .........................................................................................5
2.1 Tuabin gió trục đứng .........................................................................................5
2.1.1 Khái niệm ...................................................................................................5

2.1.2 Phân loại ....................................................................................................6
a. Tuabin Darrieus ............................................................................................6
b. Tuabin Sovonius ...........................................................................................7
c. Tuabin Giromill ............................................................................................7
d. Cyclotuabin ..................................................................................................9
e. Tuabin xoắn Gorlov ................................................................................... 10
f. Flap tuabin ................................................................................................. 11
2.2 Tuabin gió loại Quiet-Revolution/GB (Gorlov)............................................. 11
2.2.1 Đặc điểm ................................................................................................. 11
2.2.2 Kết cấu .................................................................................................... 11
2.2.3 Kết cấu chung .......................................................................................... 13
2.3 Thực trạng thiết kế tuabin gió Quiet-Revolution/GB ở Việt Nam................. 14
2.4 Các nghiên cứu trong và ngoài nước ............................................................. 16
2.3.1 Trong nước .............................................................................................. 16

do an


a. Thiết kế tuabin gió trục đứng .................................................................... 16
b. Thiết kế tuabin gió trục ngang .................................................................. 18
2.3.1 Ngồi nước .............................................................................................. 21
a. Tuabin gió bão ........................................................................................... 21
b. Tuabin lai gió và nước............................................................................... 22
c. Tuabin gió trên khơng trung ...................................................................... 22
d. Tuabin gió khơng cánh .............................................................................. 23
e. Tuabin gió kiểu phễu ................................................................................. 24
f. Tuabin gió thân thiện với chim trời ........................................................... 25
2.5 Định hướng của đề tài .................................................................................... 26
Chương 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .......................................................................... 27
3.1 Học thuyết Albert Betz................................................................................... 27

3.2 Công suất và hiệu suất gió tuabin .................................................................. 28
3.3 Lý thuyết về cánh và kết cấu cánh tuabin ...................................................... 30
3.3.1 Kiểu cánh và các khái niệm cơ bản ......................................................... 31
3.3.2 Tỉ số tốc độ gió đầu cánh ........................................................................ 32
3.4 Động lực học cánh VAWT ............................................................................ 34
Chương 4. Ý TƯỞNG VÀ PHƯƠNG ÁN ........................................................... 39
4.1 Yêu cầu thiết kế .............................................................................................. 39
4.2 Ý tưởng........................................................................................................... 39
4.3 Đề xuất phương án ......................................................................................... 39
4.3.1 Phương án 1: thiết kế tuabin gió cánh xoắn kiểu Gorlov ........................ 39
4.3.2 Phương án 2: thiết kế tuabin gió kiểu Darrieus 2 cánh ........................... 40
4.3.3 Lựa chọn phương án................................................................................ 40
4.4 Tính toán thiết kế và chế tạo cánh .................................................................. 42
4.4.1 Các biên dạng cánh thường dùng ............................................................ 42
a. NACA 4 số ................................................................................................ 43
b. NACA 5 số ................................................................................................ 44
c. NACA 4/5 số ............................................................................................. 45
d. NACA 1 số hoắc 16 số .............................................................................. 46
e. NACA 6 số ................................................................................................ 46
f. NACA 7 số ................................................................................................. 47
g. NACA 8 số ................................................................................................ 47
4.2.2 Một số biên dạng cánh khác ................................................................... 48
4.5 Tiêu chí thiết kế cánh ..................................................................................... 49
4.5.1 Hướng gió để tuabin hoạt động ............................................................... 49

do an


4.5.2 Số cánh hoạt động tại một thời điểm ...................................................... 49
4.5.3 Hiệu suất.................................................................................................. 49

4.5.4 Độ bền của cánh ...................................................................................... 50
4.5.5 Tốc độ gió khởi đơng .............................................................................. 50
4.5.6 Độ ồn khi hoạt động ................................................................................ 50
4.5.7 Diện tích cần thiết khi lắp đặt ................................................................. 50
4.6 Cơng thức tính tốn cánh tuabin .................................................................... 51
4.7 Vật liệu chế tạo cánh tuabin ........................................................................... 55
Chương 5. CHẾ TẠO THỰC NGHIỆM ........................................................... ..59
5.1 Kết cấu tuabin gió Gorlov .............................................................................. 59
5.2 Tính tốn thiết kế tuabin gió cơng suất nhỏ kiểu Quiet-Revolution/GB ....... 60
5.2.1 Phần 1- tính tốn cánh tuabin .................................................................. 61
5.2.2 Thiết kế phần 2 - khung tuabin gió ......................................................... 66
5.2.3 Thiết kế phần 3 – đế đỡ tuabin ................................................................ 70
5.3 Mơ hình tổng thể tuabin gió công suất nhỏ kiểu Quiet-Revolution/GB........ 76
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................... 79
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 80

do an


DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 4.1: Bảng so sánh 2 phương án thiết kế tuabin .............................................. 42
Bảng 4.2: Quan hệ độ cong (m) và vị trí độ cong (p) trên cánh NACA 5 số .......... 45
Bảng 4.3: Các hệ số ax và dx trên cánh NACA 4 và 5 số ........................................ 46
Bảng 4.4: So sánh các bộ NACA thường dùng ....................................................... 48
Bảng 4.5: Bảng so sánh giữa các dạng cánh tuabin gió trục đứng .......................... 51
Bảng 4.6: Các thơng số kỹ thuật của một số vật liệu cánh tuabin ........................... 55
Bảng 5.1: Tọa độ biên dạng cánh NACA2412 nửa cánh bên trái ........................... 64
Bảng 5.2: Tọa độ biên dạng cánh NACA2412 nửa cánh bên phải .......................... 64
Bảng 5.3: Thông số kỹ thuật của tuabin gió ............................................................ 77

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Tuabin gió Darrieus ba cánh ......................................................................6
Hình 2.2: Chiều quay của roto tuabin Savonius .........................................................7
Hình 2.3: Tuabin Giromill 2 cánh ..............................................................................8
Hình 2.4: Tuabin gió trục đứng Giromill (3 cánh, 200 kW, Falkenberg) ..................9
Hình 2.5: Cycloturbine rotor ......................................................................................9
Hình 2.6: Tuabin gió Gorlov ................................................................................... 10
Hình 2.7: Mơ hình Flap turbine ............................................................................... 11
Hình 2.8: Cơ cấu đón gió......................................................................................... 12
Hình 2.9: Hiệu quả dịng khí ................................................................................... 12
Hình 2.10: Hiệu quả vector dịng khí ...................................................................... 13
Hình 2.11: Cấu tạo của tuabin gió trục đứng........................................................... 14
Hình 2.12: Tuabin gió Gorlov (Quiet-Revolution) ................................................. 15
Hình 2.13: Nhà nghiên cứu năng lượng gió Nguyễn Phú Uynh và mơ hình .......... 17
Hình 2.14: Mơ hình nghiên cứu của Phùng Tấn Lộc .............................................. 18
Hình 2.15: Mơ hình sơ đồ tuabin gió trục ngang .................................................... 19
Hình 2.16: Tuabin gió đón bão ................................................................................ 21
Hình 2.17: Tuabin kết hợp giữa gió và nước........................................................... 22
Hình 2.18: Tuabin gió trên khơng trung .................................................................. 23
Hình 2.19: Tuabin kết khơng cánh .......................................................................... 24
Hình 2.20: Tuabin gió kiểu phễu ............................................................................. 25

do an


Hình 2.21: Tuabin gió thân thiện với chim trời ....................................................... 26
Hình 3.1: Khí động học cánh rotor .......................................................................... 27
Hình 3.2: Năng lượng gió qua tuabin gió ................................................................ 30
Hình 3.3: Biên dạng cánh loại NACA-04 ............................................................... 31
Hình 3.4: Biểu đồ lực nâng và lực cản loại NACA 00XX ...................................... 32

Hình 3.5: Mối quan hệ giữa tỉ số tốc độ gió đầu cánh  và Cp............................... 34
Hình 3.6: Phân tích lực động lực học cánh tuabin gió trục đứng ............................ 34
Hình 3.7: Sự di chuyển luồng gió khi vào cánh tuabin ........................................... 35
Hình 3.8: Sơ đồ thay đổi góc cánh  theo  và  ................................................ 36
Hình 3.9: Khí động học tác dụng lên 1 cánh tuabin ................................................ 37
Hình 4.1: Tuabin gió Gorlov theo chiều ngang được đặt trên đại lộ....................... 40
Hình 4.2: Tuabin Darrieus 2 cánh quạt ................................................................... 41
Hình 4.3: Kết cấu hình học cánh NACA ................................................................. 43
Hình 4.4: Biên dạng cánh cong đối xứng ................................................................ 48
Hình 4.5: Biên dạng cánh cong khơng đối xứng ..................................................... 48
Hình 4.6: Biên dạng cánh cung trịn ........................................................................ 49
Hình 4.7: Biên dạng cánh tấm phẳng ...................................................................... 49
Hình 4.8: Sơ đồ biên dạng cánh NACA .................................................................. 52
Hình 4.9: Gió đi qua một tiết diện ........................................................................... 52
Hình 4.10: Sợi thủy tinh .......................................................................................... 58
Hình 5.1: Mơ hình 3D thiết kế bằng SolidWorks 2016........................................... 59
Hình 5.2: Gió đi qua tiết diện của tuabin gió .......................................................... 60
Hình 5.3: Hệ số tốc độ đầu cánh với Cp của một số lạo rotor ................................ 61
Hình 5.4: Biên dạng cánh NACA2412 khơng đối xứng ......................................... 62
Hình 5.5: Biên dạng cánh NACA 2412 ................................................................... 65
Hình 5.6: Cánh tuabin gió biên dạng NACA2412 .................................................. 66
Hình 5.7: Bộ phận trục đỡ tuabin ............................................................................ 67
Hình 5.8: Nắp che trục............................................................................................. 68
Hình 5.9: Mặt bích trên ........................................................................................... 68
Hình 5.10: Mặt bích giữa......................................................................................... 69
Hình 5.11: Mặt bích dưới ........................................................................................ 69
Hình 5.12: Ống đỡ chặn .......................................................................................... 70
Hình 5.13: Trục tuabin ............................................................................................ 70
Hình 5.14: Bộ phận đế tuabin ................................................................................. 71
Hình 5.15: Dy-na-mơ (động cơ) .............................................................................. 72

Hình 5.16: Khớp nối đàn hồi ................................................................................... 72

do an


Hình 5.17: Ống đỡ chặn .......................................................................................... 73
Hình 5.18: Ống đỡ lắp ổ lăn .................................................................................... 73
Hình 5.19: Mặt bích che trên ................................................................................... 74
Hình 5.20: Mặt bích che giữa .................................................................................. 74
Hình 5.21: Mặt bích che dưới .................................................................................. 75
Hình 5.22: Thanh nối cánh ..................................................................................... 75
Hình 5.23: Thanh lục giác ....................................................................................... 76
Hình 5.24: Mơ hình tuabin gió cơng suất nhỏ kiểu Quiet-Revolution/GB ............. 77

do an


Chương 1. MỞ ĐẦU
1.1 Đặt vấn đề
Ngoài năng lượng mặt trời, năng lượng gió là một năng lượng thiên nhiên mà loài
người đang chú trọng đến cho nhu cầu năng lượng trên thế giới trong tương lai. Hiện
nay, năng lượng gió đã mang đến nhiều hứa hẹn. Tuy nhiên nếu muốn đẩy mạnh nguồn
năng lượng này trong tương lai, chúng ta cần phải hồn chỉnh thêm cơng nghệ cũng như
làm thế nào để đạt được năng suất chuyển động năng của gió thành điện năng cao để từ
đó có thể hạ giá thành và cạnh tranh được với những nguồn năng lượng khác.
Bên cạnh đó nhu cầu sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là nguồn năng
lượng gió, để chuyển đổi thành năng lượng điện phục vụ cho nhu cầu điện sinh hoạt ở
các khu vực vùng sâu vùng xa, miền núi chưa có nguồn điện lưới quốc gia hiện đang
được quan tâm rộng rãi. Và ở các thành phố lớn việc nghiên cứu ứng dụng năng lượng
gió cũng đang được đầu tư để tăng tỉ lệ nguồn điện sạch góp phần bảo vệ mơi trường.

Tuy nhiên, ngồi các trạm phát điện gió cơng suất lớn có thể được lắp đặt ở một số
nơi xác định, việc ứng dụng năng lượng gió ở các thành phố lớn gặp phải một khó khăn
lớn là gió trong thành phố có vận tốc nhỏ. Do vậy, việc nghiên cứu, phát triển các máy
phát điện gió cơng suất nhỏ có thể hoạt động với vận tốc dưới 6 m/s là chủ đề nóng trong
những năm gần đây trên thế giới cũng như ở trong nước.
Các máy phát điện gió cơng suất nhỏ hiện nay đều có ở dạng trục ngang và trục
đứng. Xét theo các giới hạn như: diện tích khơng gian nhỏ, vận tốc gió tương đối thấp,
hướng gió khơng ổn định thì máy phát điện gió trục đứng phù hợp hơn vì có kết cấu đơn
giản, nhỏ gọn, dễ lắp ráp và sửa chữa cũng như lợi thế về giá thành. Về hiệu suất thì
máy phát điện gió trục ngang có cao hơn nhưng lại phụ thuộc lớn vào hướng gió và tốc
độ gió. Trong thành phố với nhiều nhà cao tầng, khoảng khơng gian chật hẹp, gió quẫn
thì máy phát điện gió cơng suất nhỏ dạng trục đứng là lựa chọn phù hợp. Vấn đề đặt ra
là làm thế nào để các máy phát điện này có hiệu suất cao hơn và hoạt động được ở vận
tốc gió thấp. Đã có nhiều giải pháp được đưa ra như tối ưu biên dạng cánh, sử dụng vật
liệu nhẹ cho cánh và các kết cấu liên quan, tăng số lượng cánh, tăng hiệu suất dynamo,
sử dụng các ổ trục có ma sát nhỏ, tự điều chỉnh cánh theo hướng gió,…. Trong các giải
pháp đã nêu, giải pháp tự điều chỉnh cánh theo hướng gió là một trong các giải pháp cho
hiệu suất phát điện lớn do giúp tuabin gió có mơmen lớn nên có thể hoạt động ở vận tốc
gió nhỏ.

1

do an


1.2 Tính cấp thiết
Đất nước đang trên đà phát triển hòa nhập cùng các nước trong khu vực và vươn
lên trường quốc tế. Một trong những mục tiêu phát triển là “cơng nghiệp hóa, hiện đại
hóa đất nước” mà trong đó khoa học kỹ thuật có vai trị quan trọng để phục vụ các
ngành công nghiệp.

Để thực hiện mục tiêu “cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước” chúng ta cần
đảm bảo nguồn năng lượng phát triển công nghiệp, trong đó điện năng giữ vai trị huyết
mạch. Từ trước đến nay, nguồn điện năng mà chúng ta sử dụng chủ yếu được tạo ra từ
các nhà máy thủy điện, nhà máy nhiệt điện… Nhưng hiện nay, các nguồn tài nguyên
thiên nhiên tạo ra năng lượng truyền thống đó đang ngày càng cạn kiệt và ô nhiễm môi
trường đang trở thành vấn đề tồn cầu. u cầu cấp thiết cần tìm ra nguồn năng lượng
mới để khắc phục các vấn đề trên. Năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng
đáp ứng được yêu cầu cấp thiết đó.
Điện năng được tạo ra từ năng lượng gió thơng qua các máy phong điện. Nó có
những ưu điểm: tận dụng được nguồn năng lượng gió vơ tận, ổn định và khơng gây ô
nhiễm môi trường; xét về lâu dài, máy phong điện mang tính kinh tế cao hơn các nhà
máy thủy điện và nhiệt điện.
Trên thế giới, việc sử dụng năng lượng gió để tạo ra điện năng đã được nhiều nước
quan tâm từ rất sớm. Đầu thế kỷ XIX đã có các nước sử dụng máy phong điện, như:
Đan Mạch, Đức, Hà Lan, Mỹ và gần đây có Australia, Trung Quốc, Nhật Bản…
Đối với Việt Nam, nước ta có diện tích bờ biển dài trên 3000 km. Đây là điều kiện
tạo ra nguồn gió lớn, rất dồi dào và ổn định cho các máy phong điện hoạt động. Ngoài
ra, nước ta cịn có các hải đảo, vùng núi cao và đây cũng là các vùng có tiềm năng về
gió rất lớn để có thể sản xuất điện năng từ gió phục vụ đất nước.
Theo kết quả khảo sát của Ngân hàng Thế giới trong chương trình đánh giá về
“Năng lượng gió châu Á” thì Việt Nam là một quốc gia có tiềm năng về năng lượng gió
cao nhất Đơng Nam Á, với 513.360 MW, tức là hơn 200 lần công suất của nhà máy
thủy điện Sơn La, và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện Việt Nam năm
2020.
Mặt khác, giá thành xây dựng máy phong điện trong những năm gần đây đã giảm
đáng kể. Ví dụ, so sánh giá thành giữa phong điện và thủy điện. Nhà máy thủy điện Sơn
La với 6 tổ máy có tổng công suất là 2400 MW điện, được xây dựng trong bảy năm với
tổng số vốn đầu tư là 2,4 tỷ USD. Giá thành khi phát điện (chưa tính đến chi phí mơi
trường) là 70USD/MWh. Như vậy, để có được 1kw công suất điện cần đầu tư 1000
USD trong bảy năm. Trong khi đó, theo thời giá năm 2003 thì 1kw điện gió cũng vào

khoảng 1000 USD. Và giá thành điện từ gió giảm đều hàng năm do cải tiến cơng nghệ.

2

do an


Qua so sánh này, ta thấy rằng kinh phí xây dựng các máy phong điện hoàn toàn ngang
bằng với việc xây dựng nhà máy thủy điện.
Như vậy, cứ ở đâu có gió phù hợp là cho phép ta phát triển máy phong điện để
cung cấp điện năng. Tại Việt Nam nơi đó thường là các hải đảo ngồi biển, vùng núi
cao biên giới…Điều này rất phù hợp cho việc giải quyết bài toán cung cấp điện sinh
hoạt cho hộ gia đình ở các vùng sâu, vùng xa, vùng biên giới hải đảo để thay thế các nhà
máy thủy điện, nhiệt điện đang hoạt động ở nước ta hiện nay.
Từ các lý do trên, việc thực hiện đề tài “nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử
nghiệm tuabin gió cơng suất nhỏ kiểu Quiet-Revolution/GB” là rất cần thiết, góp phần
cho việc phát triển máy phong điện cung cấp điện năng ở nước ta hiện nay.
1.3
Ý nghĩa của đề tài
 Ý nghĩa khoa học:
Đề tài góp phần nghiên cứu tìm ra quy luật động lực học tác dụng lên cánh hứng
gió của turbine. Từ đó đóng góp vào việc thiết kế, chế tạo cánh turbine gió tối ưu nhất
phù hợp với điều kiện Việt Nam.
 Ý nghĩa thực tiễn:
Kết quả của đề tài cho phép các nhà khoa học chế tạo hệ thống cánh turbine gió
kiểu trục đứng cho máy phát điện công suất nhỏ phù hợp với điều kiện Việt Nam.
Từ đó cung cấp nguồn điện năng phục vụ sinh hoạt và đóng góp cho ngành
cơng nghiệp phát triển xây dựng đất nước.
1.4 Mục tiêu nghiên cứu
Xây dựng hệ thống năng lượng gió nhằm khai thác năng lượng gió thơng qua

việc áp dụng các kiến thức đã học về cơ khí, điện tử và điều khiển, trên cơ sở tính tốn,
thiết kế tuabin gió cơng suất nhỏ, nhằm giảm bớt lượng điện tiêu thụ của hộ gia đình từ
lưới điện EVN.
1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.5.1 Đối tượng nghiên cứu
 Hệ thống turbine gió kiểu trục đứng
 Kiểu cánh NACA
1.5.2 Phạm vi nghiên cứu
Thiết kế hệ thống có cơng suất đến 70W, 24V dùng cho hộ gia đình.
1.6 Phương pháp nghiên cứu
 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 cơng suất nhỏ.
 Nghiên cứu q trình làm việc của tuabine gió.Trên cơ sở đó xây dựng các yêu
cầu cần thiết để thiết kế tuabine gió hồn chỉnh.
3

do an


 Nghiên cứu, tính tốn khí động học tác động lên hệ thống cánh turbine gió.
 Thực nghiệm mơ hình cánh turbine gió.
 Xác định các thơng số cơ bản hệ thống cánh turbine phù hợp yêu cầu đề tài.
1.7 Kết cấu đồ án tốt nghiệp
 Chương 1: Mở đầu
Giới thiệu lý do chọn đề tài, tính cấp thiết, mục tiêu nghiên cứu và phương pháp
nghiên cứu để thực hiện đề tài.
 Chương 2: Tổng quan.
Đề cập đến các loại tuabin gió trục đứng cùng các nghiên cứu trong và ngồi
nước có liên quan. Trên cơ sở đó, phân tích tổng hợp để đi đến định hướng nghiên cứu.
 Chương 3: Cơ sở lý thuyết.

 Chương 4: Ý tưởng và phương pháp.
Trình bày các cơ sở lý thuyết liên quan đến tính tốn thiết kế trụ điện sử dụng
nguồn năng lượng điện gió, điện mặt trời. Một hệ thống các cơng thức cần sử dụng đã
được tổng hợp và trình bày phục vụ cho u cầu tính tốn của đề tài.
 Chương 5: Thử nghiệm-đánh giá

4

do an


CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN
2.1 Tuabin gió trục đứng
2.1.1 Khái niệm
Tuabin gió trục đứng (VAWT) là một loại tuabin gió mà rơto trục chính được đặt
thẳng đứng và các thành phần chính được đặt ở phần đế của tuabin. Một trong những
ưu điểm của kết cấu này là máy phát điện và hộp số có thể được đặt ngay gần mặt đất
vì thế chúng được vận hành và sửa chữa dễ dàng hơn và VAWT khơng bị phụ thuộc vào
hướng gió.
Các thiết kế ban đầu (Savonius, Darrieus và Giromill) vẫn còn có những mặt hạn
chế là có thể tạo ra các mơ-men xoắn trong mỗi vịng quay và mơmen uốn trên các cánh
là rất lớn. Các thiết kế sau đó cũng đã giải quyết vấn đề về mô men xoắn này bằng cách
sử dụng các cánh có biên dạng xoắn gần giống như tuabin nước của Gorlov.
So với các tuabin gió trục ngang truyền thống (HAWT) thì VAWT cũng đã có một
số ưu điểm trội hơn:
 Chúng có thể được lắp đặt thành một vịng khép kín với nhau trong các trang
trại gió và cho phép lắp đặt với số lượng nhiều hơn trong một không gian nhất
định. Điều này không có nghĩa là vì VAWT có kích thước nhỏ hơn, mà là do
loại HAWT có hiệu ứng chậm trên khơng trung nên buộc các nhà thiết kế phải
đặt tách biệt chúng bằng mười lần chiều rộng của chúng.

 VAWT cứng vững hơn, không gây ồn, đa hướng, và chúng không gây nên ứng
suất lớn cho kết cấu giá đỡ.
 Do bộ phận phát điện có thể đặt gần mặt đất nên việc bảo dưỡng dễ dàng và
việc khởi động không cần phải có lượng gió lớn nên có thể được đặt trên ống
khói hoặc các cấu trúc cao tầng tương tự.
Nhưng bên cạnh đó VAWT vẫn tồn tại những nhược điểm:
 VAWT có xu hướng bị ngừng làm việc theo từng cơn gió
 VAWT có kết cấu bên ngồi rất nhạy cảm và có một chiều cao lắp đặt với giới
hạn thấp để có thể vận hành trong mơi trường có tốc độ gió thấp hơn.

Các cánh của VAWT có xu hướng bị mỏi giống như lưỡi dao quay quanh trục
trung tâm. Các cánh làm việc theo phương thẳng đứng có thể bị xoắn và sớm bị
cong khi chúng quay trong gió. Điều này khiến các cánh dễ bị uốn cong và nứt.
Theo thời gian các cánh có thể bị vỡ và đôi khi dẫn đến sự phá hủy nghiêm
trọng. Vì những tồn tại này mà tuabin gió trục đứng cho thấy độ tin cậy ít hơn
tuabin gió trục ngang.

5

do an


Mặc dù vẫn còn những tồn tại nhưng so sánh trên nhiều phương diện thì các tuabin
gió trục đứng VAWT vẫn được đưa vào sử dụng nhiều và ngày nay các nhà thiết kế đã
và đang không ngừng nghiên cứu những thay đổi về kết cấu, biên dạng cánh để VAWT
có thể làm việc được theo đa hướng gió và sao cho chúng đón được gió nhiều nhất ở
phía thuận và cản gió ít nhất ở phía nghịch nhằm nâng cao hiệu suất phát điện.
2.1.2 Phân loại
Tuabin gió trục đứng loại điển nhình như sau:
a. Tuabin Darrieus

Tuabin này bao gồm một số cánh thường có phương thẳng đứng được gắn trên một
trục quay hoặc khung. Với thiết kế của loại tuabin gió này Georges Jean Marie Darrieus,
một kỹ sư hàng không Pháp đã được cấp bằng sáng chế năm 1931. Trên lý thuyết các
loại Darrieus có hiệu quả giống như các loại chong chóng nếu tốc độ gió là khơng đổi,
nhưng trong thực tế hiệu quả này là rất hiếm do áp lực về tính năng vật lý, những hạn
chế trong thực tế thiết kế và sự biến thiên của tốc độ gió. Ngồi ra cịn có những khó
khăn chủ yếu trong việc bảo vệ các tuabin gió Darrieus bởi giới hạn của sức gió và khả
năng tự khởi động.
Loại tuabin này cũng là một trong những loại VAWT phổ biến nhất và nó cũng
là loại được sử dụng khởi điểm cho việc nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả của các
loại VAWT được thiết kế sau này.

Hình 2.1 Tuabin gió Darrieus ba cánh [1]
Ưu điểm của tuabin Darrieus là có thể hoạt động với các hướng gió khác nhau,
khơng cần kích thước cánh lớn, các thiết bị như hộp số, máy phát có thể đặt gần mặt đất,
thuận lợi cho việc bảo dưỡng và sửa chữa. Nó có khả năng làm việc với tốc độ cao và
công suất lớn hoặc trung bình.Tuy nhiên nó lại có nhược điểm là khơng thể tự khởi động
được mà cần phải có một nguồn năng lượng cung cấp ngoài.

6

do an


b. Tuabin Savonius
Tuabin Savonius là một loại VAWT cản vì vậy nó khơng thể quay nhanh hơn tốc
độ gió. Điều này có nghĩa là tỷ lệ tốc độ đầu bằng 1 hoặc nhỏ hơn, khiến cho tuabin này
không phù hợp cho việc phát điện. Hơn nữa, hiệu quả là rất thấp so với các loại khác,
do đó, nó có thể được sử dụng cho những lĩnh vực khác, chẳng hạn như bơm nước hoặc
nghiền hạt

Hình 2.2 Chiều quay của roto Tuabin Savonius [2]
Ưu điểm lớn nhất của loại tuabin này là sự đơn giản, độ tin cậy cũng cao dù tốc
độ gió thấp vì mơ-men xoắn là rất lớn. Tuy nhiên mơ-men xoắn khơng phải là hằng số,
do đó đã có một số cải tiến với hình dạng xoắn ốc được đưa vào sử dụng.
c. Tuabin Giromill
Là một loại tuabin gió cánh thẳng, thường gọi là Giromill hay H-rotor. Nó là một
loại tuabin gió có trục thẳng đứng được phát triển bởi Georges Darrieus vào năm 1927.
Loại VAWT này đã được nghiên cứu bởi nhóm nghiên cứu của Musgrove tại Vương
quốc Anh trong những năm 80.

7

do an


Hình 2.3 Tuabin Giromill 2 cánh [3]
Trong những tuabin phổ biến kiểu “ đánh trứng” của Darrieus thì các cánh thường
được thay thế bằng loại thẳng đứng, gắn liền với trục quay chính bằng các giá đỡ ngang.
Những tuabin này thường có 2 hoặc 3 cánh thẳng. Việc thiết kế cánh Giromill đơn giản
hơn nhiều cho việc lắp ráp nhưng kết cấu chung lại nặng hơn kiểu truyền thống và yêu
cầu cánh phải bền vững hơn. Máy phát điện của các tuabin này được đặt ở dưới chân
của trục trung tâm vì vậy mà nó có thể nặng hơn và lớn hơn một máy phát điện thông
thường của một HAWT và kết cấu của trục quay chính có thể chế tạo nhẹ hơn.
Mặc dù giá thành chế tạo rẻ hơn và việc lắp ghép dễ dàng hơn so với một tuabin
Darrieus tiêu chuẩn nhưng Giromill lại có hiệu suất thấp hơn và địi hỏi phải có động cơ
để khởi động. Tuy nhiên, các tuabin này có thể hoạt động tốt trong điều kiện gió khơng
ổn định và đây cũng là một sự lựa chọn tốt để sử dụng trong các khu vực mà loại HAWT
khơng thích hợp.

8

do an


Hình 2.4 Tuabin gió trục đứng Giromill (3 cánh, 200 kW, Falkenberg, Thụy Điển) [4]
d. Cycloturbine
Cycloturbine là một biến thể của Giromill, trong đó sử dụng một cánh gạt để
định hướng tốc độ của các cánh nhằm cho hiệu quả tối đa. Trong Cycloturbines các
cánh được gắn kết để chúng có thể quay xung quanh trục thẳng đứng của mình. Điều
này cho phép các cánh có thể đặt nghiêng một góc nào đó so với hướng tác dụng của
chiều gió.

Hình 2.5 Cycloturbine rotor [5]

9

do an


Ưu điểm chính của thiết kế này là mơ-men xoắn tạo ra gần như khơng đổi trên một
góc độ rộng và vì vậy Cycloturbines có 3 hoặc 4 cánh đều có một mơ-men xoắn tương
đối ổn định. Hơn nữa phạm vi góc mơ-men xoắn là gần với cơng suất lớn nhất mà hệ
thống có thể tạo ra.
So với các tuabin gió Darrieus khác, loại VAWT này thể hiện ưu điểm về khả năng
tự khởi động: trong điều kiện gió thấp, các cánh phẳng được đặt nghiêng và ngược với
hướng gió từ đó chúng tạo ra lực kéo để làm cho tuabin bắt đầu chuyển động. Khi tốc
độ quay gia tăng, các cánh sẽ nghiêng để gió lùa qua khoảng trống của cánh và tạo ra
các lực nâng đỡ tăng tốc cho tuabin. Kết cấu của loại cánh này cho thấy rất phức tạp và
thường là nặng, vì vậy Cycloturbines cần phải có một số thiết bị cảm biến để định hướng

gió giúp cho các cánh chuyển động được chính xác hơn.
e. Tuabin xoắn Gorlov:
Loại tuabin cánh xoắn này được phát minh bởi Alexander Gorlov và nhận bằng
sáng chế vào năm 1995. Đây cũng là một dạng tuabin Darrieus. Ban đầu nó được thiết
kế như là một tuabin thủy lực và sau đó nó cũng được biết đến như một tuabin gió. Hiệu
suất cao hơn các tuabin trục đứng khác và có thể đạt tới 35%. Điểm nổi bật của loại
tuabin gió cánh xoắn Gorlov này là hoạt động với lực xoắn nhỏ, giảm tiếng ồn, giảm
rung động, độ cứng vững cao.

Hình 2.6 Tuabin gió Gorlov [6]

10

do an