thiết kế cánh turbine máy phát điện sức gió kiểu trục đứng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
==========






BÙI THANH HIỀN




THIẾT KẾ CÁNH TURBINE MÁY PHÁT
ĐIỆN SỨC GIÓ KIỂU TRỤC ĐỨNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY









Thái Nguyên - 2010





Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
==========






BÙI THANH HIỀN

THIẾT KẾ CÁNH TURBINE MÁY PHÁT
ĐIỆN SỨC GIÓ KIỂU TRỤC ĐỨNG







LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY










Thái Nguyên - 2010

1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

LỜI CAM ĐOAN


Tên tôi là: Bùi Thanh Hiền, Học viên lớp cao học khóa 11-Công nghệ chế
tạo máy-Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, hiện đang công tác tại Trường
Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên
Xin cam đoan:
Đề tài:” Thiết kế cánh turbine máy phát điện sức gió kiểu trục đứng “,
do thầy giáo TS. Vũ Ngọc Pi hướng dẫn là công trình do bản thân tôi thực hiện
dựa trên sự hướng dẫn của thầy giáo hướng dẫn khoa học và các tài liệu tham
khảo đã trích dẫn.


Thái Nguyên, ngày 25 tháng 9 năm 2010

Học viên



Bùi Thanh Hiền

2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

MỤC LỤC


Nội dung
Trang
Trang phụ bìa

Lời cam đoan
1
Mục lục
2
Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt
4
Danh mục các bảng biểu
5
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
6
Lời mở đầu
8
Phần 1: Tổng quan về máy phát điện sức gió và máy phát điện
sức gió kiểu trục đứng

11
1.1. Tổng quan về máy phát điện sức gió
11
1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về máy phát điện
sức gió kiểu trục đứng
14
1.2.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài
14
1.2.2. Tình hình nghiên cứu ở trong nước
19
1.3. Các kiểu kết cấu cánh đã có và vấn đề lựa chọn số cánh tối ưu
20
1.3.1. Các kiểu kết cấu cánh đã được thiết kế
20
1.3.2. Vấn đề lựa chọn số cánh tối ưu
23
Phần 2: Cơ sở tính toán khí động học cánh turbine
25
2.1. Năng lượng của gió
25
2.1.1. Vật lý học về năng lượng gió
25
2.1.2. Tài nguyên gió ở Việt Nam
26
2.2. Các định luật cơ bản và các khái niệm về khí động học cánh
turbine trong máy phát điện sức gió
28

3

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2.2.1. Học thuyết Betz
28
2.2.2. Lý thuyết về cánh và kết cấu cánh turbine
29
2.2.2.1. Kiểu cánh và các khái niệm cơ bản
30
2.2.2.2. Khí động học tác dụng lên cánh turbine
31
2.2.2.3. Năng suất vận hành một phần tử cánh (thuyết cơ
bản
33
2.2.2.4. Biểu thức tổng quát cảu áp lực, mômen và công
suất
34
2.3. Lực và sự phân bố lực trên bề mặt cánh turbine
35
2.3.1. Nguyên lý sự phân bố lực trên bề mặt cánh turbine
35
2.3.2. Các hệ số khí động học tương đối trên dây cung và
pháp tuyến với dây cung
36
Phần 3: Thiết kế cánh turbine máy phát điện sức gió kiểu trục
đứng 10KW
38
3.1. Đặt vấn đề
38
3.2. Kiểu dáng hình học cánh turbine thiết kế
39

3.3. Kích thước hình học cánh turbine
40
3.4. Lựa chọn số cánh tối ưu
51
3.5. Xác định kích thước của cánh turbine
60
3.6. Vật liệu cánh turbine
65
3.7. Kết luận
67
Phần 4: Kết luận và kiến nghị
69
4.1. Kết luận
69
4.2. Kiến nghị
70
Tài liệu tham khảo
71



4

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

HAWTs
hệ turbine gió kiểu trục ngang
VAWTs

hệ turbine gió kiểu trục đứng
U
Vận tốc thực của gió (m)

Trọng lượng riêng của không khí  =1,25(kg/m
3
)
b
Chiều rộng cánh turbine (m)
h
Chiều cao cánh turbine (m)
r
Bán kính Rotor (m)
P
Công suất (W)
M
Mômen (Nm)
C


Hệ số nâng
C
d
Hệ số cản (drag coefficient)
S
Diện tích cánh (m
2
)
A
Diện tích quét của cánh turbine (m

2
)

Góc xoay cánh turbine (độ)
F
Áp lực (N)
i
Góc tới (độ)

Góc nâng (độ)
W
Vận tốc tương đối (m).

Vận tốc góc (rad/s).
n
Số vòng quay (vòng/giây)






5

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1
Thống kê công suất định mức lắp đặt trên thế giới

Bảng 3.1
Bảng giá trị của tỷ số tốc độ lớn nhất ứng với từng turbine có số
cánh đang xét
Bảng 3.2
Bảng giá trị công suất hệ thống cho turbine 5 cánh
Bảng 3.3
Bảng giá trị công suất hệ thống cho turbine 4 cánh
Bảng 3.4
Bảng giá trị công suất hệ thống cho turbine 3 cánh
Bảng 3.5
So sánh công suất hệ thống của turbine có số cánh lần lượt là 5
cánh, 4 cánh, 3 cánh
Bảng 3.6
Bảng giá trị ,  trên hành trình sinh công có ích
Bảng 3.7
Bảng quan hệ giữa  và r
Bảng 3.8
Vật liệu dự kiến chọn làm cánh turbine

6

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1
Máy phát điện sức gió do Charles F.Brush chế tạo
Hình 1.2
Máy phát điện Gedser công suất 200kW
Hình 1.3
Cánh đồng phong điện tại tỉnh Cam Túc, Trung Quốc
Hình 1.4
Nhà nghiên cứu năng lượng gió Nguyễn Phú Uynh và mô hình chế
tạo turbine gió của ông
Hình 1.5
Kiểu dạng chén
Hình 1.6
Rotor dạng chén
Hình 1.7
Turbine kiểu Savonius
Hình 1.8
Turbine kiểu plates
Hình 1.9
Turbine kiểu Darrieus - Rotor và H - Rotor
Hình 2.1
Biểu đồ gió khu vực Trung du miền núi phía Bắc
Hình 2.2

Biên dạng cánh loại NACA-04
Hình 2.3
Biểu đồ lực nâng và lực cản loại NACA 00X
Hình 2.4
Khí động học bộ phận cánh turbine
Hình 2.5
Thành phần lực tác dụng lên cánh turbine
Hình 2.6
Biểu diễn các thành phần vận tốc tác dụng trên mặt cắt ngang cánh
Hình 2.7
Thành phần lực và vận tốc trên cánh turbine
Hình 3.1
Hình dáng cánh turbine dự kiến thiết kế
Hình 3.2
Véc tơ vận tốc tác dụng lên turbine 5 cánh
Hình 3.3
Véc tơ vận tốc tác dụng lên cánh số 1
Hình 3.4
Véc tơ vận tốc tác dụng lên cánh số 2
Hình 3.5
Véc tơ vận tốc tác dụng lên cánh số 3
Hình 3.6
Véc tơ vận tốc tác dụng lên turbine 4 cánh
Hình 3.7
Véc tơ vận tốc tác dụng lên cánh số 1
Hình 3.8
Véc tơ vận tốc tác dụng lên cánh số 2
Hình 3.9
Véc tơ vận tốc tác dụng lên turbine 3 cánh

7

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Hình 3.10
Véc tơ vận tốc tác dụng lên cánh số 1
Hình 3.11
Véc tơ vận tốc tác dụng lên cánh số 2
Hình 3.12
Vị trí thứ nhất của cánh
Hình 3.13
Vị trí thứ hai của cánh
Hình 3.14
Vị trí thứ nhất của cánh
Hình 3.15
Vị trí thứ hai của cánh
Hình 3.16
Vị trí thứ nhất của cánh
Hình 3.17
Vị trí thứ hai của cánh
Hình 3.18
Phương của véc tơ vận tốc W trên hành trình sinh công có ích
Hình 3.19
Vị trí tính toán kích thước tối ưu của cánh
Hình 3.20
Kích thước cánh turbine thiết kế

8

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

LỜI MỞ ĐẦU

Kinh tế Việt Nam đang trên đà phát triển theo hướng công nghiệp hoá, hiện
đại hoá. Thực tế cho thấy ngày càng nhiều máy móc được sử dụng để phục vụ
sản xuất và sinh hoạt, do đó cần nhiều năng lượng điện cho các hoạt động này.
Tuy nhiên cho đến nay, nguồn năng lượng phục vụ cho sản xuất và sinh hoạt
đang thiếu trầm trọng. Mặc dù chính phủ đã có nhiều phương án đối phó với thực
trạng này như: xây thêm các nhà máy phát điện, tăng lượng điện nhập khẩu từ

nước ngoài, mặt khác kêu gọi toàn dân tiết kiệm điện. Nhưng hiện nay và trong
tương lai tình trạng thiếu điện cho sản xuất và sinh hoạt vẫn là một vấn đề cấp
bách.
Máy phát điện sức gió được sử dụng rộng rãi ở châu Âu, châu Mỹ và rất
nhiều nơi khác, nhưng chưa phát triển ở Việt nam. Nước ta chủ yếu khai thác
nguồn năng lượng truyền thống, chủ yếu là thủy điện và nhiệt điện. Gần đây,
Chính phủ đưa ra mặt trái của việc xây dựng ồ ạt các đập thuỷ điện gây biến đổi
tình hình khí hậu trong nước, hạn hán vào mùa khô và lũ lụt vào mùa mưa. Trong
các nguồn năng lượng tái tạo để tạo thành điện năng thì năng lượng gió có nhiều
ưu điểm vì nó dễ sử dụng, rẻ tiền, có trữ lượng vô tận và thân thiện với môi
trường. Vì thế khai thác năng lượng gió ở nước ta là một hướng đi đúng.
Máy phát điện sức gió trục đứng kết cấu nhỏ gọn phù hợp với địa hình lắp
đặt ở nước ta.
Việc thiết kế cánh quạt gió là công đoạn quan trọng nhất trong các công
đoạn thiết kế máy phát điện sức gió, vì nó quyết định trực tiếp đến hiệu suất đạt
được. Cho đến nay đã có nhiều công trình khoa học nghiên cứu về thiết kế cánh
turbine gió Tuy nhiên việc thiết kế biên dạng cánh và lựa chọn số cánh hợp lý
nhằm nâng cao hiệu suất và hạ giá thành của máy phát điện sức gió kiểu trục
đứng, phù hợp với điều kiện kinh tế và sử dụng ở nước hiện nay còn chưa có các
công trình công bố.

9

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Được sự hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của thầy giáo TS. Vũ Ngọc Pi, tôi
đã tiến hành nghiên cứu đề tài: “Thiết kế cánh turbine máy phát điện sức gió
kiểu trục đứng”
Để giải quyết lần lượt các vấn đề trên, luận văn bao gồm các phần sau:
Phần 1: - Tổng quan về máy phát điện sức gió

- Khái quát về các hướng nghiên cứu, tình hình nghiên cứu trong và
ngoài nước về máy phát điện sức gió trục đứng, về kết cấu các kiểu cánh đã được
có và về vấn đề lựa chọn số cánh tối ưu.
Phần 2: Cơ sở tính toán khí động học cánh turbine.
Phần 3: Thiết kế cánh turbine máy phát điện sức gió kiểu trục đứng 10KW.
Phần 4: Kết luận và các kiến nghị.
Tài liệu tham khảo.

* Mục đích của đề tài:
Đề tài được thực hiện nhằm mục đích thiết kế cánh quạt turbine máy phát
điện sức gió kiểu trục đứng nhằm nâng cao hiệu suất và hạ giá thành của máy
phát điện sức gió kiểu trục đứng có công suất 10 kW.

* Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài:
Nghiên cứu thiết kế biên dạng cánh và tính chọn chọn số cánh tối ưu nhằm
nâng cao hiệu suất và hạ giá thành của máy phát điện sức gió kiểu trục đứng có
công suất 10 kW.

* Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài:
+ Ý nghĩa khoa học
Nghiên cứu của đề tài phù hợp với xu thế phát triển năng lượng gió trong
và ngoài nước . Do đó ý nghĩa khoa học của đề tài là thể hiện trong thiết kế biên
dạng cánh máy phát điện sức gió trục đứng nhằm đảm bảo hiệu suất yêu cầu, đạt
giá thành chế tạo nhỏ nhất.

10

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

+ Ý nghĩa thực tiễn

Đề tài có ý nghĩa thực tiễn trong việc sản xuất điện năng, phục vụ cho sinh
hoạt và sản xuất, phù hợp với yêu cầu và tình hình kinh tế, khí hậu, địa hình Việt
Nam.























11

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Phần 1:
TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ, KHÁI QUÁT
VỀ CÁC HƢỚNG NGHIÊN CỨU MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ
TRỤC ĐỨNG

1.1. TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ
Vào đầu những năm 1970, giá dầu tăng vọt lần đầu tiên khiến con người
quan tâm đến nguồn năng lượng gió. Tận dụng các cơn gió mạnh dùng để cung
cấp điện năng.
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, đường kính vòng ngoài 17m;
* Sử dụng hộp số (tỉ số truyền 50:1) ghép giữa cánh turbine với trục máy
phát;
* Tốc độ định mức của máy phát là 500 vòng/phút;
* Công suất phát định mức là 12kW.


Hình 1.1. Máy phát điện sức gió do Charles F.Brush chế tạo [1]
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

12

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

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. Ví dụ như các máy phát công suất từ 1 đến 3 kW được
lắp đặt tại vùng nông thôn của Đồng bằng lớn ở Mỹ vào những năm 1925 hay
máy phát Balaclava công suất 100kW lắp đặt tại Nga năm 1931 và máy phát
Gedser công suất 200kW được lắp đặt tại đảo Gedser ở đông nam Đan Mạch.

Hình 1.2. Máy phát điện Gedser, công suất 200kW [1]
Sự phát triển của máy phát điện chạy sức gió trong thời kỳ này có đặc điểm
sau:
- Ít về số lượng, lắp đặt rải rác nhưng tập trung chủ yếu ở Mỹ, các nước Tây
Âu như Đan Mạch, Đức, Pháp, Anh, Hà Lan;
- Công suất máy phát thấp chủ yếu nằm ở mức vài chục kW.
Các công nghệ về năng lượng gió cũng đạt được những bước tiến rất
nhanh chóng, cuối năm 1989 một turbine gió có công suất 300KW thì đường
kính của roto là 30m, chỉ 10 năm sau một turbine gió có công suất là 2000KW thì

13

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

đường kính roto chỉ vào khoảng 80m. Những dự án đầu tiên đang được sử dụng
có công suất 3MW đường kính Roto vào khoảng 90m. Ngày nay các turbine gió
có công suất từ 3 đến 3.6 MW mới có giá trị sử dụng. Năm 2004 công suất đạt 4
– 5MW dưới mức nhu cầu phát triển, mục tiêu trong thời gian tới có thể xây
dựng các hệ thống turbine gió có công suất 6 – 7 MW.
Ngày nay máy phát điện trục ngang cũng như trục đứng được sử dụng
tương đối hiệu quả ở nhiều nước trên thế giới. Các nước như Hà Lan, Pháp, Tây
Ban Nha, Bồ Đào Nha, Trung Quốc, Đức… là những nước có lịch sử phát triển
hệ thống máy phát điện sức gió từ lâu đời và ngày nay chúng vẫn được phát triển
rất mạnh mẽ.

Trong tổng số năng lượng được sử dụng toàn cầu, năng lượng gió chỉ
chiếm một phần nhỏ. Tuy nhiên, nhiều quốc gia trên thế giới ngày càng quan tâm
xem xét đến năng lượng gió không chỉ bởi nó là nguồn năng lượng xanh, giảm
lượng khí thải CO
2
mà còn là giải pháp kinh tế cho nhiều vùng có tốc độ gió
thích hợp, các vùng thưa dân cư, vùng sâu vùng xa mà lưới điện Quốc gia còn
gặp nhiều khó khăn để cung cấp tới các vùng này.
Có hai loại turbine gió, loại trục thẳng đứng VAWTs và loại trục nằm
ngang HAWTs. Năm 1922, kỹ sư người Phần Lan S.J. Savonius đã phát minh ra
turbine Savonius. Năm 1931, Georges Darrieus được cấp bằng sáng chế về ý
tưởng một turbine gió trục đứng với các cánh thẳng hoặc cong. Vào những năm
1970 và 1980 máy phát điện trục đứng trở thành tiêu điểm khi mà cả Canada và
Mỹ đã xây dựng một vài nguyên mẫu của turbine Darrieus, nó đã tỏ ra khá hiệu
quả và tin cậy. Hơn 500 VAWTs vận hành ở California trong những năm 1980.
Eole đã xây dựng turbine Darrieus cao 96m vào năm 1986 là hệ thống VAWT
lớn nhất từng được xây dựng có công suất 3.8 MW. Những turbine Darrieus
được Bắc Mỹ dùng vào năm 1980 phần lớn có những máy phát cảm ứng với
những hộp số. Tuy nhiên Eole điều khiển trực tiếp các máy với đường kính 12m.
Nó sản xuất ra 12 GWh điện năng trong 5 năm và đạt đến mức năng lượng tới
2.7 MW.

14

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Lịch sử phát triển của HAWTs và VAWTs đã có từ lâu đời, đã có rất
nhiều kiểu dáng hình học cánh được các nhà nghiên cứu đưa ra và đã áp dụng
tương đối có hiệu quả. Cho đến ngày nay nó vẫn rất được quan tâm, ở một số
nước có sự phát triển rất mạnh mẽ hệ thống HAWTs và VAWTs, đã có nhiều

công trình nghiên cứu của các nhà khoa học về máy phát điện sức gió, song nhìn
chung việc tính toán thiết kế hệ thống cánh turbine trong máy phát điện vẫn luôn
là một đề tài hết sức thu hút các nhà khoa học, nó đã và vẫn đang không ngừng
được các nhà khoa học tìm tòi nghiên cứu cải tiến hoàn thiện hơn.
Việc thiết kế được máy phát điện sức gió đạt công suất yêu cầu phù hợp với
khí hậu, địa hình và kinh tế Việt Nam là một vấn đề cấp bách khắc phục tình
trạng thiếu điện trên toàn quốc. Tính chọn số cánh tối ưu và thiết kế biên dạng
cánh được tác giả lựa chọn làm đề tài nghiên cứu.

1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC VỀ MÁY
PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ KIỂU TRỤC ĐỨNG

1.2.1.Tình hình nghiên cứu ở nƣớc ngoài
Máy phát điện sức gió kiểu trục đứng (VAWT) được sản xuất và đưa ra
thị trường hiện nay là loại cánh turbine cố định, có thể hoạt động bình đẳng với
mọi hướng gió nên 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, bảo dưỡng đơn giản. Với
đăc điểm như vậy, nên thị trường mà các công ty R&D (nghiên cứu chế tạo và
thương mại hóa) hệ thống này (chủ yếu của Trung Quốc) hiện đang hướng tới là
các trạm phát điện độc lập, công suất vừa và nhỏ, phù hợp với các trang trại, hộ
gia đình hay nhưng nơi độc lập xa trung tâm.
Trong số 20 thị trường lớn nhất trên thế giới, chỉ riêng châu Âu đã có 13
nước với Đức là nước dẫn đầu về công suất của các nhà máy dùng năng lượng
gió với khoảng cách xa so với các nước còn lại. Đức và sau đó là Tây Ban Nha,
Hoa Kỳ, Đan Mạch và Ấn độ là những quốc gia sử dụng năng lượng gió nhiều

15

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

nhất trên thế giới. Tại Đức, Đan Mạch và Tây Ban Nha việc phát triển năng
lượng gió liên tục trong nhiều năm qua được nâng đỡ bằng quyết tâm chính trị.
Nhờ vào đó mà một ngành công nghiệp mới đã phát triển tại 3 quốc gia này.
Công nghệ Đức (bên cạnh các phát triển mới từ Đan Mạch và Tây Ban Nha) đã
được sử dụng trên thị trường nhiều hơn trong những năm vừa qua.
Mặc dù là các quốc gia còn lại, ngoại trừ Ai cập với 145 MW, đều có công
suất lắp đặt ít hơn 100 MW, có thể nhận ra được là nhiều nước chỉ mới khám phá
ra năng lượng gió ở những năm gần đây và được dự đoán là sẽ có tăng trưởng
mạnh trong những năm sắp đến. Trong năm 2005 theo dự đoán sẽ có khoảng
10.000 MW được lắp đặt mới trên toàn thế giới mà trong đó có vào khoảng 2.000
MW là ở Đức.
Năm 2007 thế giới đã xây mới được khoảng 20073 MW điện, trong đó
Mỹ với 5244 MW, Tây Ban Nha 3522MW, Trung Quốc 3449 MW, 1730 MW ở
Ấn Độ và 1667 ở Đức, nâng công suất định mức của các nhà máy sản xuất điện
từ gió lên 94.112 MW. Công suất này có thể thay đổi dựa trên sức gió qua các
năm, các nước, các vùng (bảng 1.1)

Bảng 1.1. Công suất điện sức gió đã được lắp đặt trên thế giới [5]
Số thứ tự
Quốc gia
Công suất (MW)
01
Đức
22.247
02
Mỹ
16.818
03
Tây Ban Nha
15.145

04
Ấn Độ
8.000
05
Trung Quốc
6.050
06
Đan Mạch
3.125
07
Ý
2.726
08
Pháp
2.454
09
Anh
2.389
10
Bồ Đào Nha
2.150
11
Ca na đa
1.846
12
Hà Lan
1.746

16

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

13
Nhật
1.538
14
Áo
982
15
Hy Lạp
871
16
Úc
824
17
Ai Len
805
18
Thụy Điển
788
19
Na Uy
333
20
Niu Di Lân
322

Những nước khác
2.953

Thế giới
94.112

Theo ông Stefan Gsanger, Tổng thư ký Hiệp hội năng lượng gió thế giới,
châu Á đã trở thành nơi năng động nhất của thế giới về đầu tư năng lượng gió
trong năm 2009. Hiện tại, khu vực này chiếm tới hơn 40% các turbine gió mới
được lắp đặt, trong đó dẫn đầu là Trung Quốc. Kết thúc năm 2009, Trung Quốc
đã lắp đặt thêm nhiều hệ thống sản xuất điện từ gió và kỳ vọng năm nay sẽ đạt
được 20 Gigawatt (GW). Sản lượng phong điện này sẽ giúp Trung Quốc qua mặt
Tây Ban Nha để đứng thứ ba thế giới, chỉ sau Mỹ và Đức. Mỹ đã thu được 25,2
GW năm 2008, chiếm 20,8% toàn thế giới, thời điểm đó Trung Quốc chỉ mới đạt
12,2 GW, trong khi Tây Ban Nha là 16,8 GW. Trung Quốc cũng đã công bố các
chương trình năng lượng xanh tham vọng. Cuối năm 2009, Trung Quốc thông
báo kế hoạch xây dựng nhà máy phong điện quy mô lớn ở tỉnh Cam Túc. Đây sẽ
là nhà máy phong điện lớn nhất thế giới với công suất lắp đặt 5GW vào cuối năm
2010, 12GW vào cuối năm 2015 và 20GW vào cuối năm 2020. Dự kiến, công
suất lắp đặt của nhà máy này cuối cùng sẽ đạt 40GW. Dự án xây dựng nhà máy
điện nói trên có tổng vốn đầu tư dự kiến khoảng trên 120 tỷ nhân dân tệ (19,6 tỷ
USD) [4] . Do tận dụng được lợi thế đất đai rộng lớn, Trung Quốc đã xây được
nhiều những cánh đồng rộng lớn để lắp đặt hệ thống máy phát điện sức gió, gần
đây nhất Trung Quốc đã xây dựng cánh đồng máy phát điện sức gió tại tỉnh Cam
Túc (hình 1.3)


17

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Hình 1.3. Cánh đồng phong điện tại tỉnh Cam Túc, Trung Quốc [4]

Các nghiên cứu về hệ thống này cũng còn tương đối hạn chế, chủ yếu tập
trung theo hướng nghiên cứu động lực học cánh turbine nhằm nâng cao hiệu quả
mặt hứng gió và giảm thiểu ảnh hưởng của mặt cản gió cho cánh turbine.
Ấn Độ đứng thứ 5 trên thế giới với tổng công suất năng lượng gió 9.587 MW
trong năm 2008, hoặc 3% của tất cả điện sản xuất tại Ấn Độ. The World Wind
Energy Conference in New Delhi in November 2006 has given additional
impetus to the Indian wind industry. Hội nghị Năng lượng gió thế giới tại New
Delhi tháng 11 2006 đã thêm động lực cho ngành công nghiệp gió Ấn Độ. Lng
Muppandal ở bang Tamil Nadu, Ấn Độ, có nhiều trang trại tuốc bin gió ở vùng
lân cận của nó, và là 1 trong những trung tâm khai thác năng lượng gió lớn ở Ấn
Độ, dẫn đầu bởi các công ty như Suzlon, Vestas, Micon và 1 số công ty khác.
Mexico mới đây đã mở dự án điện gió La Venta II như một bước quan trọng
trong việc giảm mức tiêu thụ nhiên liệu hoá thạch của Mexico. Dự án 88MW này
là dự án điện gió đầu tiên ở Mexico, cung cấp 13% nhu cầu về điện của bang
Oaxaca. Năm 2012 dự án sẽ có công suất 3.500MW. Một thị trường đang phát
triển khác là Brazil, với tiềm năng gió là 143GW. Chính quyền lien bang đã tạo
ra một chương trình ưu đãi được gọi là Proinfa, để xây dựng năng lực sản xuất
với công suất 3.300 MW năng lượng tái tạo cho năm 2008, trong đó 1.422 MW
thông qua năng lượng gió. Chương trình tìm kiếm để sản xuất 10% điện cho
Brazil thông qua các nguồn tái tạo. Nam Phi đã đề suất một trạm về phí bắc Bờ

18

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Tây của cửa sông Olifants gần thị trấn Koekenaap, phía đông Vredendal ở tỉnh
Western Cape. Trạm này được đề xuất để có tổng sản lượng 100 MW, mặc dù có
những cuộc đàm phán để tăng gấp đôi khả năng này. Nhà máy có thể hoạt động
vào năm 2010. Pháp đã công bố một mục tiêu 12.500 MW được sản xuất vào

năm 2010, mặc dù trong vài năm qua họ sản xuất ngắn hạn. Canada có kinh
nghiệm phát triển nhanh chóng năng lực gió giữa 2000 và 2006, với tổng công
suất lắp đặt tăng từ 137 MW đến 1.451 MW, và tỷ lệ tăng trưởng hàng năm là
38%. Đặc biệt tăng trưởng nhanh chóng thấy rõ vào năm 2006, với tổng công
suất tăng gấp đôi từ 684 MW vào cuối năm 2005. Sự tăng trưởng này đã được
bảo đảm bằng các biện pháp gồm các mục tiêu sản xuất, ưu đãi và hỗ trợ kinh tế
chính trị. Ví dụ, chính quyền Ontario đã thông báo rằng nó sẽ giới thiệu 1 cấp dữ
liệu trong biểu thuế cho năng lượng gió, được gọi là “Hợp đồng Cung cấp Tiêu
chuẩn”, mà có thể đẩy mạnh các ngành công nghiệp gió trên địa bàn tỉnh. Ở
Quebec, các tỉnh sở hữu tiện ích điện có kế hoạch mua 1 bổ sung 2.000 MW vào
năm 2013. Năm 2025, Canada sẽ đạt công suất 55.000 MW năng lượng gió, hay
20% năng lượng mà đất nước cần [5].
Những turbine gió trục thẳng đứng đã được phát triển song song với sự phát
triển của Turbine gió trục nằm ngang HAWTs ( Horizontal axis wind turbines),
nhưng ít được hỗ trợ và quan tâm. Kỹ sư người Phần Lan S.J. Savonius đã phát
minh ra turbine Savonius vào năm 1922. Vào năm 1931 Georges Darrieus được
cấp bằng sáng chế về ý tưởng một turbine gió trục đứng với các cánh thẳng hoặc
cong. Vào những năm 1970 và 1980 máy phong điện trục đứng đã trở lại và trở
thành tiêu điểm khi mà cả Canada và Mỹ đã xây dựng một vài nguyên mẫu của
turbine Darrieus, nó đã tỏ ra khá hiệu quả và tin cậy. Tuy nhiên theo báo cáo từ
các phòng thí nghiệm của Mỹ thì hệ thống VAWTs không thể cung cấp năng
lượng cho các hộ nghèo, cuối cùng VAWTs được tháo dỡ vào 1997. Vào năm
1980 công ty FloWind của Mỹ đã được thương mại hóa turine Darrieus và xây
dựng một số nông trại sử dụng gió. Các máy đó làm việc có hiệu quả nhưng nó
có vấn đề về độ bền mỏi của cánh. Hơn 500 VAWTs vận hành ở California trong

19

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

những năm 1980. Eole đã xây dựng turbine Darrieus cao 96m vào năm 1986 là
hệ thống VAWT lớn nhất từng được xây dựng có công suất 3.8 MW. Những
turbine Darrieus được Bắc Mỹ dùng vào năm 1980 phần lớn có những máy phát
cảm ứng với những hộp số. Tuy nhiên Eole điều khiển trực tiếp các máy với
đường kính 12m. Nó sản xuất ra 12 GWh điện năng trong 5 năm và đạt đến mức
năng lượng tới 2.7 MW[15]

1.2.2.Tình hình nghiên cứu trong nƣớc
Cho đến nay các nghiên cứu trong nước về hệ thống turbine gió còn ít. Một
nghiên cứu có quy mô và gần đây nhất có thể kể đến là kết quả của nhóm nghiên
cứu do PGS-TSKH Nguyễn Phùng Quang - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
chủ trì. Đó là đề tài cấp nhà nước KC. 06 [3] Nhóm nghiên cứu tập trung chủ yếu
vào việc xây dựng các bộ điều khiển: bộ điều khiển nạp bank accu, bộ điều khiển
công suất phát, bộ nghịch lưu và tích hợp với hệ thống turbine gió và máy phát
nhập ngoại. Đây là hệ thống turbine kiểu trục ngang, có các thông số kỹ thuật
như sau: Dải tốc độ gió hoạt động: 3-14 m/s; tốc độ gió giới hạn 16 m/s; tốc độ
tối đa của cánh tua bin 160 vòng/phút; đường kính mặt quét cánh tua bin 10,4 m;
công suất phát điện định mức 20 kW; điện áp điều chế 380 VAC/220 VAC, tần
số 50 Hz; điện áp một chiều trung gian 120-240 VDC; sử dụng loại tua bin 3
cánh; khối lượng trạm phát điện sức gió: 750 kg; khối lượng hệ thống cột đỡ
3.500 kg; chiều cao cột đỡ 30 m; điều khiển hiện trường: DSP loại
TMS320F2812 của TI và điều khiển hệ thống PLC S7-200 của Siemens.
Gần đây Chu Đức Quyết [1] đã tính toán và thiết kế lý thuyết turbine gió
kiểu trục đứng, cánh thẳng với số cánh là 5, có bộ điều khiển khả năng hứng gió
của cánh. Tuy nhiên, việc thiết kế có bộ điều khiển góc quay của cánh sẽ rất tốn
kém do đó tính kinh tế chưa cao, chưa phù hợp với kinh tế Việt Nam.
Ngoài ra còn có một số nhà nghiên cứu năng lượng gió cũng đã đi sâu vào
nghiên cứu để thiết kế turbine gió có cấu tạo và công suất theo yêu cầu [6],

20

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

turbine thiết kế theo nguyên lý cản cánh buồm, khác biệt với các turbin gió đã có,
rotor đón gió mọi hướng. Hiệu suất cao vì thu nhận toàn bộ lưu lượng gió tác
động vào cánh theo nguyên lý cản cánh buồm, sải cánh ngắn. Tuy nhiên sang chế
này trên thực tế vẫn chưa được đưa vào chế tạo và lắp đặt để sử dụng ở nước ta.

Hình 1.4. Nhà nghiên cứu năng lượng gió Nguyễn Phú Uynh và mô
hình chế tạo turbine gió của ông [6]

1.3. CÁC KIỂU KẾT CẤU CÁNH ĐÃ CÓ VÀ VẤN ĐỀ LỰA CHỌN
SỐ CÁNH TỐI ƢU
1.3.1. Các kiểu kết cấu cánh đã đƣợc thiết kế:
Có rất nhiều kiểu kết cấu cánh khác nhau đã được thiết kế, ví dụ như ở hình
1.3 và hình 1.4 là kiểu cánh turbine dạng chén, kiểu cánh này cho phép turbine
quay được theo một chiều sử dụng lực cản của các cánh là các tấm thép mỏng
được chế tạo dạng chén để hứng gió. Các cánh này được gắn cố định trên trục
quay (thường là trục thẳng đứng) [11].

21

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

H-íng giã
H-íng giã

Hình 1.3. Cánh turbine kiểu dạng chén [19]

Hình 1.4. Cánh turbine kiểu dạng chén [11]
Một kiểu cánh nữa có biên dạng cong cũng đã được thiết kế, đó là kiểu
savonius có các cánh có thể được làm bằng nhiều cách khác nhau như với các
thùng, các cánh buồm, các thùng dầu. Rotor Savonius có dạng chữ S khi nhìn từ

22

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

trên xuống và nó được bắt nguồn từ Phần Lan. Thiết kế này quay một cách
tương đối chậm chạp ( hình 1.5 ).


Hình 1.5. Turbine kiểu savonius

Turbine kiểu dạng tấm đã có từ rất lâu đời, nó là sự kết hợp của hai loại
cánh đã được thiết kế trước đó: loại cánh có màn chắn của Ba Tư và loại cánh có
kết cấu dạng tấm của Trung Quốc, các cánh được chế tạo bằng tấm thép mỏng
[11] ( hình 1.6)
rudder
screen
wind
deflector attached to the
rudder

Hình 1.6. Turbine kiểu dạng tấm [11]
Hướng gió
Cánh điều khiển
Màn chắn
Bộ làm lệch tăng cường

cho cánh điều khiển

23

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Một kiểu kết cấu cánh nữa được ra đời sau nhưng đã thể hiện nhiều ưu điểm
hơn cả, đó là kiểu Darrieus có trục nâng thẳng đứng. Darrieus có bắt nguồn từ
Pháp, lần đầu tiên được cấp bằng sáng chế vào năm 1927. Mỗi cánh chịu lực
nâng (lực xoắn) cực đại, chỉ có 2 cánh quay tròn làm cho lực xoắn có giá trị
khổng lồ (hình 1.7).

a)


b)
Hình 1.7. Turbine kiểu Darrieus và H – rotor [18]
a) Kiểu Darrieus – Rotor ; b) H – Rotor.
1.3.2. Vấn đề lựa chọn số cánh tối ƣu:
Cùng với sự phát triển đa dạng của các kiểu biên dạng cánh turbine thì
việc thiết kế turbine có số cánh khác nhau cũng được chú ý đến. Việc lựa chọn số
cánh tối ưu nhằm máy phát điện sức gió tạo ra đạt công suất yêu cầu với chi phí
chế tạo nhỏ nhất là một bài toán khó.
Trên thực tế năng lượng sinh ra bởi turbine gió, mà năng lượng được sinh
ra của turbine phụ thuộc không đáng kể vào diện tích cánh mà nó phụ thuộc
nhiều vào diện tích quét của cánh [9]. Sử dụng số cánh ít sẽ giảm chi phí về vật
liệu tuy nhiên phải đảm bảo được công suất yêu cầu tức là phải chú ý đến diện
tích quét của cánh sinh công có ích đáp ứng theo yêu cầu của công suất đầu ra.