đồ án thiết kế chế tạo tua bin gió 500kw

i

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 GIĨ 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

i
i

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 TỐN 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 tốn và lựa chọn máy phát điện.......................................................................44
4.4 Tính tốn 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

i
i
i

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

i
v

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Hệ số λ ........................................................................................... 21
Bảng 3.2 Kết quả tính tốn dây cung cánh ..................................................... 24

Bảng 3.3 Kết quả tính góc tấn ....................................................................... 26
Bảng 3.4 kết quả tính tốn ............................................................................. 27

v

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Mơ hình cánh gió tại Trung Mỹ, cuối TK 19 .................................... 3
Hình 1.2 Mơ 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 cơng 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 thơng 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

v
i

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 hồn 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 cơng 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 tốn tải của tháp ..................................................................... 44
Hình 4.9 Ăc quy quy khơ 100 Ah ................................................................. 47
Hình 4.10 Bộ điều khiển nạp sạc ắc quy ........................................................ 47

v
i
i

DANH MỤC CHỮ VIẾT TĂT

 A-d: Diện tích roto

 a: Hệ số thu hẹp dịng chảy

 P: Cơng suất roto

 : hệ số cơng suất  Ω: Vận tốc góc

 : Vận tốc dịng

 Cl: Lực nâng

 Cd: 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

 T0: Thời gian gia công cơ bản

 Tp: Thời gian phụ

 Tpv: Thời gian phục vụ kỹ thuật

 Tnn: Thời gian nghỉ ngơi theo nhu cầu cần thiết của công nhân

v
i
i
i

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 cơng 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
hồn 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 cơng 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 cịn 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 hồn tồn 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 khơng 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 cơng suất 500w”

Nội dung đề tài của em gồm có 5 chương:

- Chương 1: Mở đầu.

- Chương 2: Tính tốn khí động học tuabine gió trục ngang

- Chương 3: Thiết kế kế cánh tuabine gió cơng suất 500W và xây
dựng cánh tuabine bằng phần mềm Pro/Engineer 5.0

- Chương 4: Tính tốn 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 mơ hình cánh gió đựợc lắp tại Trung Mỹ
vào cuối thế kỷ 19, mơ hình này cũng có cấu tạo cánh đón gió quay theo trục đứng.

Hình 1.1Mơ 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
mơ 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 mơ hình thiết kế từ những năm
500 - 900 tại Ba Tư.

Hình 1.2Mơ 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 trịn, đƣờng kính vịng 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 vịng/phút;  Cơng 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 cơng 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 hố thạch. Mặc dù gặp khó khăn do khơng 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.

6
Hình 1.5cấu tạo tuabine gió trục ngang
Về cơ bản có thể chia loại tubin giótheo nhiều hình thức khác nhau: theo cấu tạo
hoạt động, theo công suất hay theo số cánh quạt. Tuy nhiên có thể chia tubine gió
theo 2 loại cơ bản sau đây: Tubine gió trục ngang và tubine gió trục đứng.
Tuabine gió trục ngang (HAWT).

Hình 1.6- tuabine gió trục ngang Đây
loại tubin gió phổ biến trên thị trường.

 Công suất phát điện từ vài trăm W đến vài MW.
 Dải vận tốc gió hoạt động từ 4m/s-25m/s.
 Chiều cao cột chống tubin 6m ( loại công suất nhỏ) 120m (loại công suất

lớn)
 Số cánh quạt 2 – 3 cánh quạt.
 Bán kính cánh quạt từ 3m – 45m.
 Số vòng quay cánh quạt 20 – 40vòng/phút.
Một số đặc điểm của tubin gió trục ngang:
 Đây là loại tubin gió có hiệu suất cao nhất;
 Thích hợp với nhiều vận tốc gió khác nhau;
 Hình dạng và kích thước lớn nên địi hỏi chỉ số an tồn cao;
 Tuy có hệ thống điều chỉnh hướng để đón gió xong vẫn giới hạn ở 1 góc

quay nhất đinh nên chỉ thích hợp cho nhưng nơi có vận tốc gió ổn định.
Tubin gió trục đứng (VAWTS)

7

Hình 1.7Turbine gió trục đứng Đây là
loại tubin mới phát triển trong thời gian gần đây.

 Dải vận tốc gió hoạt động 3-40m/s.
 Chiều cao tubin dưới 30m.
 Số cánh quạt 2 - 4 cánh.
 Bán kính cánh quạt dưới 10m.
Đặc điểm:
 Dải vận tốc gió hoạt động là khá rộng.
 Tubin hoạt động không phụ thuộc vào hướng của vận tốc dịng khí nên có

thể lắp đặt ở vị trí có vận tốc gió cao với dịng chảy không ổn định.
 Tuy nhiên hiệu suất của tubin chỉ bằng 50% so với tubin trục ngang khi hoạt

động ở cùng 1 vận tốc gió.
1.1.3 Đặc điểm chung của máy phát điện chạy bằng sức gió

Các máy phát điện sử dụng sức gió đã được sử dụng nhiều ở các nước châu Âu,
Mỹ và các nước công nghiệp phát triển khác.Nước Đức đang dẫn đầu thế giới về công
nghệ điện sử dụng sức gió (điện gió).

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 cơn.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

8

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 cơng 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 khơng hết, điện đƣợc tích trữ vào ắc – quy. Khi khơng
có gió sẽ sử dụng điện phát ra từ ắc-quy.Các trạm nối với mạng điện quốc gia thì
khơng 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 khơng tiêu tốn nhiên liệu, tận dụng được
nguồn năng lượng vô tận là gió, khơng gây ơ nhiễm mơi trường như các nhà máy
nhiệt điện, không làm thay đổi môi trường và sinh thái như nhà máy thủy điện, khơng
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 dịng 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.

Trước đây, khi công nghệ phong điện cịn 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, cơng nghệ lắp ráp đã hồn thiện nên chi phí cho
việc hồn 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:

9

 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,
nơng 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
khơng 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.

Một trạm 40 kW có thể đủ cho một xã vùng cao, một đồn thăm dị 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 nhơ ra biển
và các thung lũng sơng 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

10

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 cịn 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 cơng

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 lồi người nên khai thác
và sử dụng nó, do đó yêu cầu đặt ra là cần phải có một cơng 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. Ngồi 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:

P  Cp AtV 3 (1.1)

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

hàm của tỉ số tốc độ đầu cánh  và góc cánh ), là mật độ khơng khí, At 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 Cp 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.

11

mR0

 1.2

V

Trong đó: m là tốc độ quay của tuabine, R0 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 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 cơng 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 cơng suất được giữ
cố định và tuabine giá bắt đầu quá trình giảm hấp thu năng lượng. Khi đó tốc độ quay

12
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 khơng chỉ là điều khiển tuabine mà cịn 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 cơng 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 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 cơng 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 hồn chỉnh.