thiết kế tối ưu hộp tăng tốc dùng cho máy phát điện sức gió trục đứng công suất 10 kw

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


BÁO CÁO TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ


ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ TỐI ƯU HỘP TĂNG TỐC DÙNG
CHO MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ TRỤC ĐỨNG
CÔNG SUẤT 10KW


Học Viên: Nguyễn Thị Thanh Nga
Lớp: CH K11 CTM
Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy
HDKH: TS. Vũ Ngọc Pi







THÁI NGUYÊN - 2010


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

LỜI CAM ĐOAN


Tên tôi là: Nguyễn Thị Thanh Nga, Học viên lớp cao học khóa 11-Công nghệ
chế tạo máy-Trường, hiện đang công tác tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
- Đại học Thái Nguyên
Xin cam đoan:
Đề tài:” Thiết kế tối ưu hộp tăng tốc dùng cho máy phát điện sức gió trục
đứng công suất 10kW “, 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 10 tháng 10 năm 2010

Học viên



Nguyễn Thị Thanh Nga






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

LỜI CẢM ƠN

Thứ nhất, tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới TS. Vũ Ngọc Pi, người đã
tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này. Trong quá trình làm luận văn thầy
luôn định hướng cho bài luận văn, chỉ bảo tôi cách tìm tài liệu tham khảo và cung
cấp một số tài liệu tham khảo. Đồng thời thầy đã hướng dẫn cho tôi về cách trình
bày bài luận văn, bài báo.
Tôi xin chân thành cảm ơn tới Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí – Khoa Cơ khí -
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong thời
gian học tập và làm luận văn.
Lời cảm ơn sâu sắc tới trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã giúp đỡ tôi
về kinh phí đào tạo cũng như thời gian học tập.
Tôi cũng xin cảm ơn các bạn đồng nghiệp nơi tôi công tác đã động viên giúp
đỡ tôi hoàn thành tốt công việc bộ môn để tạo điều kiện cho tôi được học tập tốt.
Cuối cùng tôi gửi lời cảm ơn tới toàn thể gia đình tôi, mẹ tôi, chồng tôi và
con tôi đã tạo điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành khóa học này.

Thái Nguyên, ngày 10/10/2010


Nguyễn Thị Thanh Nga





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

MỤC LỤC

Lời cam đoan
Lời cảm ơn

Mục lục

Danh mục các ký hiệu và chữ cái viết tắt

Danh Mục các hình vẽ

Lời mở đầu
1
Chương 1: Tổng quan về máy phát điện sức gió
9
1.1. Tổng quan về máy phát điện sức gió
1.1.1. Lịch sử của máy phát điện sức gió
1.1.2. Máy phát điện sức gió trục đứng
1.1.3. Công suất của gió
1.1.4. Cấu tạo của tuốc bin gió trục đứng
1.1.4.1. Máy phát
1.1.4.2. Hộp tăng tốc
1.2. Tổng quan về thiết kế và thiết kế tối ưu máy phát điện sức gió
1.2.1. Một số nghiên cứu về máy phát điện sức gió trục ngang
1.2.2. Một số nghiên cứu về máy phát điện sức gió trục đứng
1.2.3. Một số nghiên cứu về hộp tăng tốc của máy phát điện sức gió
1.3. Kết luận
9
9
13
15
17
17
18
21

21
22
23
25
Chương 2: Cơ sở tính toán thiết kế
2.1. Lựa chọn hộp tăng tốc
2.1.1. Các loại bánh răng
2.1.2. Hộp tăng tốc
2.2. Cơ sở tính toán thiết kế bánh răng
2.2.1. Các thông số hình học
2.2.2. Số răng
26
26
26
29
31
31
36


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

2.2.3. Tỷ số truyền
2.3. Máy phát
2.3.1. Hiện tượng từ
2.3.2. Các định luật cơ bản
2.3.3. Các loại máy phát
2.3.4. Lựa chọn loại máy phát
2.4. Kết luận
37

38
38
40
43
46
46
Chương 3: Xây dựng bài toán tối ưu
3.1. Giới thiệu về bài toán tối ưu
3.2. Xây dựng hàm mục tiêu
3.2.1. Hàm mục tiêu khối lượng của hệ gồm hộp tăng tốc và máy phát
là nhỏ nhất
3.2.1.1. Khối lượng của hộp tăng tốc
3.2.1.2. Khối lượng của máy phát
3.2.2. Hàm mục tiêu về giá thành của hệ gồm hộp tăng tốc và máy phát
là nhỏ nhất
3.3. Bài toán tối ưu
3.3.1. Bài toán tối ưu đơn mục nhằm đạt khối lượng của hệ là nhỏ nhất
3.3.2. Bài toán tối ưu đơn mục về giá thành nhỏ nhất
3.4. Kết luận
48
48
48
48

48
56
61

61
61

62
62
Chương 4: Các phương pháp giải bài toán tối ưu
4.1. Các phương pháp giải bài toán tối ưu đơn mục tiêu
4.2. Lựa chọn phương pháp giải bài toán tối ưu đơn mục tiêu
63
63
65
Chương 5: Kết quả và nhận xét
5.1. Kết quả và nhận xét
5.2. Kết luận
67
67
73
Chương 6: Kết luận và kiến nghị
6.1. Kết luận
6.2. Kiến nghị
74
74
75


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

Tài liệu tham khảo

Phụ lục 1: Bài báo

Phụ lục 2: Một phần chương trình giải bào toán tối ưu

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

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ CÁI VIẾT TẮT

HAWTs
Tuốc bin gió kiểu trục ngang
VAWTs
Tuốc bin gió kiểu trục đứng
P
0

Công suất của gió (W)
C
p
Hệ số Bezt

Khối lượng riêng của không khí  = 1,25(Kg/m
3
)


Vận tốc góc (rad/s)
u
Tỷ số truyền
Z
Số răng của bánh răng
d

Đường kính vòng tròn chia (mm)
d
b
Đường kính vòng tròn cơ sở (mm)
d
f
Đường kính vòng tròn chân răng (mm)
d
w
Đường kính vòng tròn lăn (mm)
a
w
Khoảng cách trục
G
H

Khối lượng của hộp tăng tốc (kg)
G
VH
Khối lượng của vỏ hộp tăng tốc (Kg)

1

Khối lượng riêng của vật liệu làm vỏ hộp 
1
= 7,8.10
-6
(Kg/mm
3
)

G
BR
Khối lượng của bánh răng (Kg)

2

Khối lượng riêng của vật liệu làm bánh răng 
2
= 7,8.10
-6
(Kg/mm
3
)
G
TR
Khối lượng của trục (Kg)

3

Khối lượng riêng của vật liệu làm trục 
3
= 7,8.10
-6
(Kg/mm
3
)
T
Mô men xoắn (Nmm)

o

Hiệu suất của ổ lăn

br
Hiệu suất của bánh răng
G
mp
Khối lượng của máy phát (Kg)
G
s
Khối lượng của stator (Kg)


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

G
r
Khối lượng của rotor (Kg)
G
d
Khối lượng của dây quấn đồng (Kg)
G
v
Khối lượng của vỏ máy phát (Kg)

4

Khối lượng riêng của vật liệu làm stator 
4
= 7,8.10
-3

(Kg/cm
3
)

5

Khối lượng riêng của vật liệu làm rotor 
5
= 7,8.10
-3
(Kg/cm
3
)

6

Khối lượng riêng của vật liệu làm dây quấn 
6
= 8,9.10
-3
(Kg/cm
3
)

7

Khối lượng riêng của vật liệu làm vỏ máy phát 
7
= 7,8.10
-3

(Kg/cm
3
)
D
n
Đường kính ngoài của stator (cm)
D
Đường kính trong của stator (cm)
f
Tần số (Hz)
p
Số đôi cực
A
Tải đường (A/cm)
B

Mật độ từ thông khe hở không khí (gauxơ)
J
Mật độ dòng điện (A/mm
2
)
l

Chiều dài lõi sắt stator (cm)

Bước cực (cm)

Khe hở không khí (mm)

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

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 0.1
Bản đồ tiềm năng gió của thế giới
Hình 0.2
Bản đồ tiềm năng điện gió ở Việt Nam
Hình 1.1
Mô hình cối xay gió xuất hiện sau thế kỷ 13
Hình 1.2
Máy bơm chạy bằng sức gió, phía Tây nước Mỹ những năm 1800
Hình 1.3
Máy phát điện sức gió do Charles F. Brush chế tạo, 1888
Hình 1.4
Tuốc bin gió của Dane Poul La Cour ở Askov, Đan Mạch
Hình 1.5
Máy phát Gedser, Công suất 200Kw
HÌnh 1.6
Tuốc bin gió trục đứng Savonius
Hình 1.7
Tuốc bin gió trục đứng kiểu Darieus với đường kính 34m
HÌnh 1.8
VAWT kiểu H – rotor ở Anh
Hình 1.9
Quan hệ giữa hệ số Betz C
p

và tỷ số vân tốc V
0
/V
Hình 1.10
Cỡ của tuốc bin gió
Hình 1.11
Cấu tạo của tuốc bin gió trục đứng
Hình 1.12
Hộp tăng tốc với tỷ số truyền u = 50
Hình 1.13
Hộp tăng tốc cho tuốc bin gió 1.5 MW
Hình 1.14
Hộp tăng tốc dùng cho tuốc bin ESI-80
Hình 1.15
Hộp tăng tốc bánh răng hành tinh của hãng Kisssoft
Hình 1.16
Hộp tăng tốc bánh răng hành tinh
Hình 1.17
Mô hình hộp tăng tốc của hệ thống tuốc bin 1,5 MW
Hình 1.18
Sự so sánh giá của hệ thống tuốc bin khi sử dụng và không sử dụng
hộp tăng tốc
Hình 2.1
Hệ thống cơ bản về năng lượng gió
Hình 2.2
Cặp bánh răng trụ răng thẳng
Hình 2.3
(a) Bánh răng trụ răng nghiêng; (b) Bánh răng chữ V
HÌnh 2.4
Bộ truyền bánh răng côn

Hình 2.5
Bộ truyền trục vít – bánh vít


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

Hình 2.6
Bánh răng hành tinh
Hình 2.7
Sự hình thành đường than khai
Hình 2.8
Sự ăn khớp của hai biên dạng than khai
Hình 2.9
Các thông số chế tạo bánh răng
Hình 2.10
Các thông số của bánh răng trụ răng nghiêng
Hình 2.11
Đoạn ăn khớp thực của cặp bánh răng
Hình 2.12
Số răng của bánh răng chủ động
Hình 2.13
Tỷ số truyền cuar hộp tăng tốc bánh răng trụ răng nghiêng hai cấp
Hình 2.14
Sự tạo thành đường sức khi nam châm trái cực
Hình 2.15
Sự tạo thành đường sức khi nam châm cùng cực
Hình 2.16
Sự tạo thành điện từ
Hình 2.17
Định luật Faraday về cảm ứng điện từ

Hình 2.18
Định luật về lực điện từ
Hình 2.19
Định luật Lenz
Hình 2.20
Các kiểu rotor
Hình 2.21
Các bộ phận của máy phát điện không đồng bộ
Hình 2.22
Lõi thép stator và rotor
Hình 2.23
Dây quấn stator và dây quấn rotor
Hình 3.1
Sơ đồ tính toán khối lượng của hộp số
Hình 3.2
Sơ đồ tính toán khối lượng của máy phát
Hình 4.1
Véc tơ Gradien cho hàm f(x
1
, x
2
, x
3
) tại điểm x
*

Hình 4.2
Phương pháp lát cắt vàng
HÌnh 4.3
Sơ đồ thuật giải của phương pháp tìm kiếm trực tiếp

Hình 5.2
Biểu đồ quan hệ giữa tỷ số truyền chung của hộp tăng tốc và số vòng
quay của máy phát
Hình 5.2
Mối quan hệ giữa số vòng quay và khối lượng máy phát
Hình 5.3
Biểu đồ quan hệ giữa tỷ số truyền của hộp tăng tốc và khối lượng của
hộp


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

Hình 5.4
Mối quan hệ giữa tỷ số truyền chung của hộp và tỷ số truyền các cấp
Hình 5.5
Quan hệ giữa tỷ số truyền của hộp tăng tốc và khối lượng của cả hộp
tăng tốc và máy phát
Hình 5.6
Biểu đồ quan hệ giữa giá thành của hộp tăng tốc, máy phát và giá
thành chung
Hình 5.7
So sánh giá thành trong hai trường hợp của hệ thống tuốc bin gió: (1)
sử dụng máy phát kết hợp với hộp tăng tốc; (2) chỉ sử dụng máy phát

maxmin mpmpmp
CCC 

(a)


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

LỜI MỞ ĐẦU

Năng lượng là một trong những nhu cầu thiết yếu của con người và là một
yếu tố không thể thiếu được của hoạt động kinh tế. Khi mức sống của người dân
càng cao, trình độ sản xuất của nền kinh tế ngày càng hiện đại thì nhu cầu về năng
lượng cũng ngày càng lớn, và việc thỏa mãn nhu cầu này thực sự là một thách thức
đối với hầu hết các quốc gia trên thế giới. Ở Việt Nam, nền kinh tế từ sau Đổi Mới
làm nhu cầu về điện gia tăng đột biến trong khi năng lực cung ứng chưa phát triển
kịp thời. Nếu tiếp tục đà này, nguy cơ thiếu điện vẫn sẽ còn là nỗi lo thường trực
của ngành điện lực Việt Nam cũng như của các doanh nghiệp và người dân cả nước.
Trên thế giới đã có nhiều quốc gia sử dụng năng lượng gió để đáp ứng nhu cầu
trong sinh hoạt và sản xuất. Nước ta hiện nay, năng lượng gió đã và đang được quan
tâm. Tuy nhiên nó vẫn còn là một vấn đề mới mẻ trong việc khai thác và sử dụng.
 Xu thế phát triển năng lƣợng gió trên thế giới
Hiện nay, trong số các nguồn năng lượng mới như: năng lượng gió, năng lượng
điện hạt nhân, năng lượng mặt trời, năng lượng dòng chảy ở biển, năng lượng sóng
biển thì năng lượng gió phát triển nhanh hơn cả vì nguyên liệu dồi dào, rẻ tiền, dễ

áp dụng, sạch và không làm hại môi trường.
Trên hình 1.1 chỉ ra tiềm năng của năng lượng gió của thế giới. Bản đồ này có ý
nghĩa rất quan trọng trong việc xác định vị trí để lắp đặt hệ thống tuốc bin gió của.
Năng lượng gió còn phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và chế độ gió.
Nguồn năng lượng gió chiếm khoảng 20 000 MW trên toàn thế giới vào năm
2007. Riêng trong năm 2006, các nhà máy điện bằng sức gió trên thế giới đã sản
xuất được 74 GW, tăng 25% so với năm trước. Châu Âu vẫn đứng đầu thế giới về
sản lượng điện bằng sức gió với công suất lắp đặt là 40.500 MW, chiếm tới 2/3 sản
lượng điện gió toàn thế giới. Lượng điện tạo ra bằng sức gió đủ để đáp ứng nhu cầu
của 40 triệu người dân. Nhiều nước như Đan Mạch và Đức phần lớn điện năng được
sản xuất ra từ năng lượng gió. Ðan Mạch hiện có công suất điện chạy bằng sức gió
lớn nhất thế giới, chiếm 21,7% tổng sản lượng điện trong nước [1]. Ðan Mạch cũng
là nước đi đầu về lắp đặt các nhà máy phát điện gió ở ngoài khơi. Hiện nay, ở Ðức


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


có hàng chục công ty khai thác năng lượng từ sức gió, đứng đầu là Công ty
Enercon. Hiệp hội Năng lượng gió của Ðức cho biết, tới năm 2010, năng lượng gió
sẽ bảo đảm cung cấp khoảng 10% nhu cầu điện của nước này. Cơ quan Năng lượng
Ðức đề ra mục tiêu đến năm 2015 sản lượng điện từ các nguồn năng lượng tái tạo
chiếm 20% tổng sản lượng điện quốc gia, trong đó 35 nghìn MW điện được sản
xuất từ sức gió. Thụy Điển hệ thống các tuốc bin gió sản xuất 1,4 TWh một năm, và
mục đích sẽ đạt 10TWh vào năm 2015 [1]. Tây Ban Nha chiếm tới 8% sản lượng
điện của các nước này.

Hình 0.1: Bản đồ tiềm năng gió của thế giới [2]

Hiệp hội năng lượng sức gió châu Âu (EWEA) đặt ra mục tiêu, vào khoảng năm
2020, 195 triệu người, tức một nửa số dân lục địa này, có thể sử dụng điện bằng sức
gió. Và điện gió sẽ thỏa mãn tới 23% nhu cầu điện của châu Âu vào năm 2030. Bắc
Mỹ là khu vực đứng thứ hai sau châu Âu về sản lượng điện bằng sức gió.
Tuy nhiên, trong giai đoạn 2006-2010, năng lượng bằng sức gió sẽ phát triển
mạnh ở châu Á, đặc biệt là ở các nước Trung Quốc và Ấn Ðộ.


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


Theo Hiệp hội Năng lượng Gió Trung Quốc, đến nay nước này đã xây dựng 44
nhà máy phát điện chạy bằng sức gió, xếp thứ 10 thế giới và thứ 3 châu Á. Tuy
nhiên, con số này chỉ chiếm 0,2% tổng công suất điện trong nước. Trung Quốc đang
đặt mục tiêu tăng tổng công suất lắp đặt điện chạy bằng sức gió lên 5 triệu KW vào
cuối năm 2010. Sức hấp dẫn của thị trường lớn về năng lượng tái sinh với chi phí
sản xuất thấp ở Trung Quốc tạo môi trường thu hút các công ty trong nước và quốc
tế "đổ xô" vào đầu tư xây dựng các khu vực khai thác sức gió hoặc các nhà máy sản
xuất thiết bị điện gió trên khắp đất nước này. Ông He Dexin, chủ tịch Hiệp hội
Năng lượng từ Sức gió Trung Quốc (CWEA) nói rằng tổng sản lượng điện năng
được tạo ra từ sức gió của Trung Quốc sẽ đạt 5.000 MW vào cuối năm 2010.
Châu Phi là châu lục phát triển chậm nhất về sản xuất năng lượng bằng sức gió.
Hiện nay, việc sản xuất điện bằng sức gió chủ yếu mới được tiến hành ở Ai Cập và
Ma-rốc. Dự kiến đến 2010, sản lượng điện bằng sức gió ở châu lục này sẽ đạt 900
MG/năm.
Có nhiều loại tuốc bin gió và có thể phân thành hai loại: tuốc bin gió trục

ngang (HAWTs) và tuốc bin gió trục đứng (VAWTs).
Với loại tuốc bin gió trục ngang đã có nhiều công ty nổi tiếng thế giới chế
tạo như: hãng Vestas tại Đan Mạch với các sản phẩm 30kW đến 3.0MW; Ấn Độ
công ty Suzlon đưa ra tuốc bin các loại 600kW, 1,25 MW, 1,5 MW và 2.1 MW;
công ty GE Energy tại Mỹ có các sản phẩm 1.5-3.6MW; công ty Nordex (Đức) có
các sản phẩm với công suất1300 kW, 2500 kW; Siemens của Đức đưa ra thị trường
các tuốc bin lớn 1.3 MW, 2.3 MW và 3.6 MW [3].
Những năm gần đây có nhiều công ty phát triển VAWT kiểu Darrieus và
kiểu H-rotor như: Ở Nga sản xuất tuốc bin với tên gọi Wind-Sail và Hà Lan là
Turby với công suất nhỏ vài kW; Một công ty khác Ropatec cũng với tuốc bin trục
đứng loại nhỏ công suất 20kW. Một vài công ty khác sản xuất tuốc bin trục đứng
loại lớn hơn như: Ở phía bắc nước Mỹ, Darrieus với công suất gần 200kW; một
công ty khác cũng ở nước Mỹ đưa ra tuốc bin với công suất lên đến 4.0 MW; Và
một công ty ở Trung Quốc có sản phẩm 3.0MW [1].


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


 Tiền năng và triển vọng phát triển năng lƣợng gió ở Việt Nam
Việt Nam đứng trước thách thức thiếu hụt điện (không nằm ngoài xu thế chung
của toàn cầu), chúng ta cần cân nhắc những biện pháp ứng xử thích hợp. Cho đến
thời điểm này, chúng ta mới chú trọng đến phương án thứ nhất, tức là tiếp tục khai
thác các nguồn năng lượng truyền thống, chủ yếu là thủy điện. Về lâu dài, nước cần
phát triển các nguồn năng lượng mới, đặc biệt là các nguồn năng lượng sạch và có
khả năng tái tạo. Với địa hình nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa với đường
bờ biển dài, Việt Nam có một thuận lợi cơ bản để phát triển năng lượng gió.
Cho đến tận những năm 1990, nhiều người vẫn cho rằng giá thành (bao gồm giá
lắp đặt và vận hành) của các trạm điện gió khá cao. Nhưng ngày nay, định kiến này
đang được nhìn nhận và đánh giá lại, đặc biệt khi quan niệm giá thành không chỉ

bao gồm chi phí kinh tế mà còn gồm cả những chi phí ngoài (như chi phí về xã hội
do phải tái định cư, hay về môi trường do ô nhiễm). Trong khi nguồn năng lượng từ
nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ, khí đốt đang bị coi là kém ổn định và có
xu thế tăng giá, thì cùng với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ, giá thành của
các trạm điện gió càng ngày càng rẻ hơn.
Nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài, Việt Nam có một thuận
lợi cơ bản để phát triển năng lượng gió. So sánh tốc độ gió trung bình trong vùng
Biển Đông Việt Nam và các vùng biển lân cận cho thấy gió tại Biển Đông khá
mạnh và thay đổi nhiều theo mùa. Tiềm năng của năng lượng gió ở Việt Nam được
chỉ ra trên hình 2. Không phải nơi nào đặt tuốc bin gió cũng có hiệu quả như nhau.
Để có sản lượng điện cao cần tìm đến những nơi có nhiều gió. Các vùng đất nhô ra
biển và các thung lũng sông thường là những nơi có lượng gió lớn. Một vách núi
cao có thể là vật cản gió nhưng cũng có thể lại tạo ra một nguồn gió mạnh thường
xuyên, rất có lợi cho việc khai thác phong điện. Khi chọn địa điểm đặt trạm có thể
dựa vào các số liệu thống kê của cơ quan khí tượng hoặc kinh nghiệm của nhân đân
địa phương, nhưng chỉ là căn cứ sơ bộ. Lượng gió mỗi nơi còn thay đổi theo từng
địa hình cụ thể và từng thời gian.


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


Trong chương trình đánh giá về Năng lượng cho Châu Á, Ngân hàng Thế giới
đã có một khảo sát chi tiết về năng lượng gió khu vực Đông Nam Á, trong đó có
Việt Nam. Theo tính toán của nghiên cứu này, trong bốn nước được khảo sát thì
Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất và hơn hẳn các quốc gia lân cận là Thái Lan,
Lào và Campuchia. Trong khi Việt Nam có tới 8,6% diện tích lãnh thổ được đánh
giá có tiềm năng từ tốt đến rất tốt để xây dựng các trạm điện gió cỡ lớn thì diện tích
này ở Campuchia là 0,2%, ở Lào là 2,9%, và ở Thái-lan cũng chỉ là 0,2%. Tổng
tiềm năng điện gió của Việt Nam ước đạt 513.360 MW tức là bằng hơn 200 lần

công suất của thủy điện Sơn La, và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành
điện vào năm 2020.
Theo nghiên cứu của Ngân hàng Thế giới, trên lãnh thổ Việt Nam, hai vùng giàu
tiềm năng nhất để phát triển năng lượng gió là Sơn Hải (Ninh Thuận) và vùng đồi
cát ở độ cao 60-100m phía tây Hàm Tiến đến Mũi Né (Bình Thuận). Gió vùng này
không những có vận tốc trung bình lớn, còn có một thuận lợi là số lượng các cơn
bão khu vực ít và gió có xu thế ổn định là những điều kiện rất thuận lợi để phát triển
năng lượng gió. Trong những tháng có gió mùa, tỷ lệ gió nam và đông nam lên đến
98% với vận tốc trung bình 6-7 m/s tức là vận tốc có thể xây dựng các trạm điện gió
công suất 3 - 3,5 MW.
Tiềm năng về năng lượng gió ở Việt Nam cũng được nhiều tác giả quan tâm.
Khanh Q. Nguyên [4] cũng thảo luận về tiềm năng điện gió ở Việt Nam và tác giả
chỉ ra rằng khoảng 31.000 km
2
diện tích có thể phát triển năng lượng gió, trong đó
865 km
2
diện tích cho công suất 3572 MW. Cũng với mục đích phát triển năng
lượng gió, tác giả trong [5] cũng đưa ra tiềm năng về năng lượng gió ở các nước
Philippines, Việt Nam và Cambodia. Ở Việt Nam tác giả đã đưa ra ba nơi có tiềm
năng điện gió đó là Phước Ninh, Đảo Lý Sơn và Tuy Phong.
Mặc dù có nhiều thuận lợi như đã nêu trên, nhưng khi nói đến năng lượng gió,
chúng ta cần phải lưu ý một số đặc điểm riêng để có thể phát triển nó một cách có
hiệu quả nhất. Nhược điểm lớn nhất của năng lượng gió là sự phụ thuộc vào điều
kiện thời tiết và chế độ gió. Vì vậy khi thiết kế, cần nghiên cứu hết sức nghiêm túc


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

chế độ gió, địa hình cũng như loại gió không có các dòng rối vốn ảnh hưởng không
tốt đến máy phát. Cũng vì lý do phụ thuộc trên, năng lượng gió tuy ngày càng hữu
dụng nhưng không thể là loại năng lượng chủ lực. Tuy nhiên, khả năng kết hợp giữa
điện gió và thủy điện tích năng lại mở ra cơ hội cho chúng ta phát triển năng lượng
ở các khu vực như Tây Nguyên vốn có lợi thế ở cả hai loại hình này.
Nhà máy phát điện bằng sức gió đầu tiên của Việt Nam đặt tại đảo Bạch Long
Vĩ, Hải Phòng với công suất 800 kW. Nhà máy thứ hai được đặt tại huyện đảo Lý
Sơn kết hợp với máy phát điện Diesel với công suất với 7MW.
Các nhà nghiên cứu năng lượng, các nhà khoa học qua khảo sát, kiểm định, đối
sánh đã tìm ra được những vị trí tối ưu để đặt các nhà máy phát nguồn năng lượng
gió với qui mô lớn tại Việt Nam. Bình Định được coi là vị trí tương đối lý tưởng.
Năm 2009, nhà máy Phong điện Phương Mai 3 được khởi công xây dựng trong
Khu kinh tế Nhơn Hội, thuộc địa bàn 2 xã Cát Chánh và Cát Tiến nằm trên địa bàn
bán đảo Phương Mai, huyện Phù Cát, tỉnh Bình Định. Đây là nhà máy phong điện
đầu tiên tại Bình Định do Công ty cổ phần Phong điện Miền Trung - CENWINDCO
làm chủ đầu tư, theo quyết định phê duyệt qui hoạch của Chính phủ với tổng diện
tích mặt bằng 140 ha và tổng vốn đầu tư 35,7 triệu USD. Đây cũng là dự án sản
xuất điện sạch từ năng lượng gió có công suất lớn (21 MW) đầu tiên ở Việt Nam
gồm: 14 tuốc bin FL-MD77/1500 kW, 14 máy biến áp: 0,69/22 kV. Với công suất
này, Nhà máy Phong điện Phương Mai 3 sẽ cung cấp cho lưới điện quốc gia trên địa
bàn Bình Định sản lượng điện 55 triệu kWh/năm.





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

Hình 2: Bản đồ tiềm năng điện gió ở Việt Nam ở độ cao 65m [5]



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


 Mục đích nghiên cứu và nhiệm vụ của luận văn
- Mục đích: Thiết kế tối ưu hộp tăng tốc dùng cho máy phát điện sức gió trục
đứng công suất 10 kW
- Đối tượng nghiên cứu: máy phát và hộp tăng tốc trong máy phát điện sức gió
trục đứng
- Nhiệm vụ của luận văn
Nghiên cứu tổng quan về máy phát điện sức gió: Khái quát về máy phát điện sức
gió nói chung và máy trục các hướng nghiên cứu, tình hình nghiên cứu trong và
ngoài nước về đứng nói riêng để từ đó định hướng nội dung đề tài nghiên cứu;
Cơ sở xây dựng bài toán tối ưu: Trình bày các kiến thức cơ bản về hộp tăng tốc
và máy phát để tính toán cho bài toán tối ưu;
Xây dựng bài toán tối ưu: Trên cơ sở phân tích phương pháp nghiên cứu cần đưa
ra các bài toán tối ưu, cụ thể: Tối ưu về giá thành của sản phẩm;
Các phương pháp giải bài toán tối ưu: Khái quát về các phương pháp giải bài
toán tối ưu và lựa chọn phương pháp giải thích hợp cho bài toán tối ưu của đề tài;
Đánh giá khẳ năng và phạm vi ứng dụng của mô hình tính toán thiết kế tối ưu
hộp giảm tốc ở Việt Nam.


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


CHƢƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ VÀ THIẾT
KẾ TỐI ƢU MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ

1.1. Tổng quan về máy phát điện sức gió
1.1.1 Lịch sử phát triển của máy phát điện sức gió

Hàng nghìn năm 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. 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. Thiết kế này là đã tận dụng được lực nâng
khí động học tác dụng vào cánh gió do đó sẽ làm hiệu suất biến đổi năng lượng gió
của cối xay gió thời kỳ này cao hơn nhiều so với mô hình thiết kế từ những năm
500 - 900 sau CN.

Hình 1.1: Mô hình cối xay gió xuất hiện sau thế kỷ 13[6]
Trong suốt những năm tiếp theo, thiết kế của các 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


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


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 1.2: Chiếc máy bơm nước chạy bằng sức gió miền Trung Tây nước Mỹ

những năm 1800 [6]
Vào cuối thế kỷ 19, Charles F. Brush đã chế tạo chiếc máy phát điện chạy
sức gió đầu tiên, và đặt tại Cleveland, Ohio. Với đặc điểm: Cánh được ghép thành
xuyến tròn, đường kính vòng ngoài 17m; sử dụng hộp giảm tốc với 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.
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. Với mẫu thiết kế của Dane Poul La
Cour năm 1891 được thử nghiệm ở Askov, Đan Mạch (hình 1.4). Tuốc bin này có
bốn cánh và trục quay nhanh hơn và được sử dụng cho mạng lưới điện thắp sáng ở
trường học của ông.


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




Hình 1.3: Máy phát điện sức gió do Charles F.Brush chế tạo, 1888 [7]

Hình 1.4: Tuốc bin gió của Dane Poul La Cour ở Askov, Đan Mạch [7]


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


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, Mỹ, vào những năm 1925 hay máy phát Balaclava công suất 100kW lắp
đặt tại Nga năm 1931 hay máy phát Gedser công suất 200kW, lắp đặt tại đảo
Gedser, đông nam Đan Mạch (hình 1.5).

Hình1.5: Máy phát Gedser, công suất 200kW [8]

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.


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


1.1.2. Máy phát điện sức gió trục đứng (VAWTs)
Trong suốt thế kỷ 20, máy phát điện sức gió trục ngang tiếp tục phát triển với
nhiều tuốc bin lớn hơn và hiện đại hơn. Song song với sự phát triển của máy phát
điện sức gió trục ngang thì máy phát điện sức gió trục đứng cũng được phát triển.
Vào năm 1922, kỹ sư người Phần Lan S.J. Savonius đã phát minh ra tuốc bin gió
trục đứng Savonius (hình 1.6). Một kỹ sư người Pháp George Darrieus cũng sáng
chế ra tuốc bin gió trục đứng kiểu Darrieus, với hai hoặc nhiều cánh linh hoạt được
gắn vào phía trên và phía dưới của trục đứng.

Hình 1.6: Tuốc bin gió trục đứng Savonius [7]
Trong suốt thập kỷ 70 và 80, ở Canada và Mỹ xây dựng nhiều loại tuốc bin
gió trục đứng kiểu Darrieus (hình 1.7). Nó làm việc khá hiệu quả và tin cậy. Tuy
nhiên, theo báo cáo từ các phòng thí nghiệm quốc tế (Mỹ) thì hệ thống VAWTs

không thể cung cấp năng lượng cho các hộ nghèo, và cuối cùng VAWTs được tháo
dỡ vào 1997. Trong những năm 80, công ty FloWind của Mỹ đã được thương mại
hóa tuốc bin Darrieus và xây dựng một số nông trại sử dụng tuốc bin gió. Trong
thời gian đó, tại California cũng vận hành hơn 500 tuốc bin gió trục đứng. Năm
1986, Eole đã xây dựng tuốc bin Darrieus cao 96m và là hệ thống lớn nhất với công
suất 3,8MW. Ở Bắc Mỹ cũng sử dụng loại tuốc bin và điều khiển trực tiếp các máy
phát với đường kính 12m. Trong 5 năm đã sản xuất ra 12 GWh điện năng và đạt
năng lượng tới 2.7 MW. Sau đó các tuốc bin này bị sụp đổ vào năm 1993.


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



Hình 1.7:Tuốc bin trục đứng kiểu Darrieus với đường kính 34m [1]

VAWT cánh thẳng là một phát minh có nguồn gốc từ VAWT kiểu Darrieus,
và được gọi là H-rotor (hình 1.8). Ở Anh, kiểu H-rotor được chế tạo bởi Peter
Musgrove. Kiểu H-rotor lớn nhất được xây dựng ở Anh là 500 kW vào năm 1989.
Trong những năm 90, một công ty ở Đức Heidelberg Motor GmbH với sự phát triển
của VAWT kiểu H-rotor và đã được xây dựng với công suất 300 kW. Các tuốc bin
này có máy phát điều khiển trực tiếp với đường kính lớn.

Hinh 1.8: VAWT kiểu H-rotor ở Anh [1]