nghiên cứu, tính toán và thiết kế cơ cấu dẫn động điều khiển góc cánh turbine gió kiểu trục đứng cho máy phát điện công suất 10kw

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


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP





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





NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ CẤU
DẪN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN GÓC CÁNH TURBINE
GIÓ KIỂU TRỤC ĐỨNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN
CÔNG SUẤT 10KW







GIANG NGỌC THANH

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




GIANG NGỌC THANH


NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ CẤU
DẪN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN GÓC CÁNH TURBINE
GIÓ KIỂU TRỤC ĐỨNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN
CÔNG SUẤT 10KW

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT















Thái Nguyên, 2010
HƯỚNG DẪN KHOA HỌC




PGS.TS. Nguyễn Đăng Hòe
HỌC VIÊN

Giang Ngọc Thanh
KHOA ĐÀO TẠO SĐH





BGH TRƯỜNG ĐHKTCN




PGS.TS. Nguyễn Đăng Hòe
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Giang Ngọc Thanh - Học viên cao học lớp K11- Công nghệ chế tạo máy
(khóa học 2008 - 2010) tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái
Nguyên.
Sau hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường tôi lựa chọn thực hiện
đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu, tính toán và thiết kế cơ cấu dẫn động điều khiển góc
cánh turbine gió kiểu trục đứng cho máy phát điện công suất 10KW”.
Được sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của PGS. TS Nguyễn Đăng Hoè và sự
nỗ lực của bản thân, đề tài đã được hoàn thành năm 2010.
Tôi cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong luận văn này là do tự bản thân
tôi thực hiện, không sao chép của người khác và chưa từng được ai công bố trong bất
kỳ một công trình nào khác. Trừ các phần tham khảo đã được nêu rõ trong Luận
văn. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Thái Nguyên, ngày 03 tháng 11 năm 2010
Tác giả



Giang Ngọc Thanh










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





LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường Đại học Kỹ thuật
Công nghiệp Thái Nguyên, tác giả xin được bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc nhất tới thầy
giáo hướng dẫn khoa học PGS. TS Nguyễn Đăng Hoè - Phó hiệu trưởng trường Đại
học kỹ thuật công nghiêp - Đại học Thái Nguyên đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ và tạo
điều kiện để tôi thực hiện hoàn chỉnh luận văn tốt nghiệp.
Cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đai học

Sư phạm - Đại học Thái Nguyên và trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình
giảng dạy trong hai năm học vừa qua.
Cảm ơn Lãnh đạo UBND tỉnh Thái Nguyên, Ban lãnh đạo Sở Công Thương
Thái Nguyên và các phòng ban chức năng của Sở Công Thương Thái Nguyên (số 4 -
đường Cách mạng tháng tám - thành phố Thái Nguyên - tỉnh Thái Nguyên) đã tạo mọi
điều kiện để tôi thực hiện và hoàn thành khóa học này.
Cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ tôi trong thời
gian qua để luận văn được hoàn thành đúng tiến độ.
Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn không tránh khỏi sai sót,
tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô giáo, các nhà khoa
học và các bạn đồng nghiệp.


Thái Nguyên, ngày 03 tháng 11 năm 2010
Tác giả



Giang Ngọc Thanh

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







MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 2
Chƣơng 1. GIỚI THIỆU 4
1.1. Đặt vấn đề 4
1.2. Giới thiệu về việc sử dụng năng lượng gió - turbine gió 5
1.3. Tính cấp thiết của đề tài 10
1.4. Mục tiêu và ý nghĩa nghiên cứu 11
1.5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 11
1.6. Các kết quả chính 12
1.7. Cấu trúc luận văn 12
Chƣơng 2.CÁC VẤN ĐỀ CƠ SỞ 14
2.1. Cơ sở tính toán lực khí động 14
2.1.1. Lý thuyết Albert Betz 14
2.1.2. Mô hình toán lực khí động trên cánh turbine 16
2.2. Một số dạng kết cấu VAWTs điển hình 19
2.2.1. Kiểu VAWT cánh cố định 19
2.3. Phân tích kết cấu Novel VAWT có khả năng điều chỉnh góc hứng gió 26
2.3.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của kết cấu 26
2.4. Đề xuất kết cấu VAWT mới khả điều chỉnh góc hứng gió của cánh 29
CHƢƠNG 3. ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC MÔ HÌNH VAWT MỚI 32
3.1. Nguyên lý hoạt động của turbine. 32
3.2. Phân tích lực khí động 32
3.3. Kết luận chương 3. 41
Chƣơng 4. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CƠ CẤU DẪN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN
GÓC CÁNH TURBINE 43
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

4.1. Phân tích nguyên lý điều khiển-dẫn động cánh turbinee. 43
4.2. Phân tích động học cơ cấu 45
4.3.1. Tính số bậc tự do. 46
4.3.2. Tính tỷ số truyền với các cánh ở nửa bên có răng của bánh răng 1. 46
4.3. Thiết kế cơ cấu điều khiển - dẫn động cánh hệ thống VAWT 10KW. 47
4.3.1. Thông số thiết kế các chi tiết trong cơ cấu điều khiển 05 cánh turbine. 48
4.4. Mô phỏng nguyên lý hoạt động của hệ thống VAWT mới. 59
4.5. Kết luận chương 4. 61
KẾT LUẬN 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO 64
















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

- 1 -
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 (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).
g
Gia tốc trọng trường (9.81m/s
2
).
W
Vận tốc tương đối (m).

Vận tốc góc (rad/s).
C
p
Hệ số công suất.
C
m

Hệ số mômen.
n
Số vòng quay (vòng/giây)


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



- 2 -


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1
Cấu tạo bộ dẫn động cơ khí của turbine gió trục ngang
Hình 1.2
Hình ảnh vận chuyển cánh turbine gió trục ngang ở nước Anh.
Hình 1.3
Hệ thống turbine gió trục đứng có biên dạng cánh phức tạp
Hình 2.1
Khí động học cánh Rotor
Hình 2.2
Lực khí động học cánh turbine
Hình 2.3
Turbine kiểu dạng chén
Hình 2.4
Turbine kiểu Darrieus và các dạng cải tiến của nó
Hình 2.5
Lực khí động học trên phần tử cánh Turbine Darrieus/H.rotor

Hình 2.6
Turbine kiểu Savonius
Hình 2.7
Rotor dạng tấm phẳng bán hành trình
Hình 2.8
Hệ thống cyclogyro
Hình 2.9
Hệ thống Lagarde
Hình 2.10
Hệ thống kiểu đĩa
Hình 2.11
Hệ thống Novel Vertical Axis Wind Turbine
Hình 2.12
Cấu tạo của Novel VAWT
Hình 2.13
Sơ đồ nguyên lý hoạt động
Hình 2.14
Vị trí cánh trong chu kỳ sinh công của turbine
Hình 2.15
Vị trí cánh trong chu kỳ không sinh công của turbine
Hình 3.1
Vị trí cánh trong chu kỳ sinh công (trái) và chu kỳ sinh công
(phải)
Hình 3.2
Gió tác động lên cánh
Hình 3.3
Các thành phần lưc
l
F


và
d
F

tác dụng lên cánh
Hình 3.4
Các thành phần lực tiếp tuyến và pháp tuyến ở nửa bên phải.

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



- 3 -
Hình 3.5
Lực tác dụng lên rotor tại vị trí 1.
Hình 3.6
Lực tác dụng lên rotor tại vị trí 2.
Hình 3.7
Lực tác dụng lên rotor tại vị trí 3.
Hình 3.8
Lực tác dụng lên rotor tại vị trí 4.
Hình 3.9
Quan hệ giữ a C
m
, C
l
, và góc tới của cánh NACA 0010-65
Hình 4.1
Vị trí cánh trong chu kỳ sinh công của turbine
Hình 4.2

Vị trí cánh trong chu kỳ không sinh công của turbine
Hình 4.3
Sơ đồ cơ cấu điều khiển/ dẫn động góc xoay cánh turbine
Hình 4.4
Sơ đồ nguyên lý cơ cấu điều khiển/ dẫn động
Hình 4.5
Phân tích chiều chuyển động của các bánh răng
Hình 4.6
Kích thước tổng thể cơ cấu điều khiểngóc xoay cánh
Hình 4.7
Ổ lăn
Hình 4.8
Bánh răng Z9
Hình 4.9
Bánh răng Z10
Hình 4.10
Bánh răng Z1
Hình 4.11
Bánh răng Z2
Hình 4.12
Bánh răng Z16
Hình 4.13
Bánh răng Z17
Hình 4.14
Chi tiết trục
Hình 4.15
Giá đỡ ổ lăn số 5, 8
Hình 4.16
Giá đỡ ổ lăn số 11, 15
Hình 4.17

Chi tiết số 3
Hình 4.18
Chi tiết số 18
Hình 4.19
Cụm chi tiết số 19
Hình 4.20
Các chi tiết thuộc cụm chi tiết số 19
Hình 4.21
Hình ảnh mô phỏng cơ cấu điều khiển 5 cánh turbine.



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



- 4 -





Chƣơng 1
GIỚI THIỆU

1.1. Đặt vấn đề
Hiện nay, trong số các nguồn năng lượng mới, năng lượng bằng sức gió
phát triển nhanh nhất trên thế giới vì nguyên liệu dồi dào, rẻ tiền, dễ áp dụng,
sạch và không làm hại môi trường. Các máy phát điện lợi dụng sức gió (trạm
phong điện) đã được sử dụng nhiều ở các nước châu Âu, Mỹ và các nước công

nghiệp phát triển khác. Đức đang dẫn đầu thế giới về công nghệ phong điện.
Hiện tại, các trạm phong điện trục ngang (gồm một máy phát điện có trục
quay nằm ngang với turbine 3 cánh đón gió) đang được sản xuát và sử dụng phổ
biến hơn nhiều so với các trạm phong điện trục đứng (gồm một máy phát điện
có trục quay thẳng đứng với các cánh đón gió đặt thẳng đứng). Hiện có các loại
máy phát phong điện với công suất rất khác nhau, từ vài trăm W tới hàng MW.
Các trạm phong điện có thể hoạt động độc lập hoặc cũng có thể nối với mạng
điện quốc gia. Các trạm phong điện 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 quả từ 10 m/s tới 17 m/s, tùy theo từng thiết bị phong điện.
Đối với hệ turbine gió kiểu trục ngang (HWAT). Đây là hướng đi chủ yếu
của các công ty lớn cũng như của nhiều nhà khoa học trên thế giới, với những
thành công vượt bậc về công nghệ, thể hiện qua sản phẩm mang tính thương mại
hóa của một số hãng chế tạo nổi tiếng thế giới như Vestas (Denmark) với các

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



- 5 -
sản phẩm V52-850 kW, V80-1.8 MW, V80-2.0 MW, V82-1.65 MW, V90-
1.8&2.0 MW, V90-3.0 MW; Suzlon (India) với các turbine 950 kW to 2 MW;
công ty GE Energy (USA) có các sản phẩm 1.500 - 3.600 kW;
Siemens(germany) đưa ra thị trường các turbine lớn 1.3 MW, 2.3 MW và 3.6
MW; v v. Tuy nhiên các hệ thống này hiện được xem là rào cản lớn về mặt
công nghệ chế tạo tại Việt Nam, do đó các dự án phát triển phong điện trong
nước hiện đang đi theo hướng nhập khẩu thiết bị hoàn chỉnh để xây dựng các
nhà máy điện gió tại một số khu vực tiềm năng.
1.2. Giới thiệu về việc sử dụng năng lƣợng gió - turbine gió
Các trang trại gió ngoài khơi đầu tiên là ở Cape Cod, Massachusetts.

Trang trại gió lớn nhất thế giới là Horse Hollow Trung tâm Năng lượng gió, tại
Texas, với 421 turbine gió có khả năng cung cấp điện cho 220.000 hộ gia đình /
năm. Ngày nay, năng lượng gió là một nguồn năng lượng hấp dẫn, thay thế cho
nhiên liệu hóa thạch, vì nó rất phong phú, có thể tái tạo, phân phối rộng rãi, sạch
sẽ và sản xuất không thải khí nhà kính. Tính đến năm 2009, tỷ lệ phần trăm điện
mà có nguồn gốc từ năng lượng gió là 19% ở Đan Mạch, 13% ở Tây Ba Nha và
Bồ Đào Nha, 7% ở Đức và Ireland.
Hiện nay, năng lượng gió chủ yếu là chuyển đổi thành điện năng bằng
cách triển khai turbine gió. Có nhiều turbine gió với những công suất khác nhau
từ khoảng 1kW đến hàng MW. Chúng có thể phát điện khi tốc độ gió đạt 2,8m/s
và tự ngưng phát điện khi tốc độ gió vượt quá 25m/s, và hoạt động hiệu quả
trong tốc độ gió từ 10m/s đến 17m/s. Turbine gió được chia thành hai loại: một
loại trục đứng giống như máy bay trực thăng (vertical axis wind turbines -
VAWTs) và một loại trục ngang (horizontal axis wind turbines - HAWTs).
Turbine gió trục ngang là loại phổ biến hơn, thường có 2 hay 3 cánh
quạt. Ngày nay turbine gió trục ngang 3 cánh quạt được sử dụng rộng rãi.

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



- 6 -
Turbine gió ngang có một trục rôto chính và máy phát điện ở phía trên tháp, hoạt
động theo chiều gió với bề mặt cánh quạt hướng về chiều gió đang thổi nhờ một
van gió, chúng rất lý tưởng cho những nơi hướng gió thay đổi thường xuyên.
Không giống như turbine dọc, turbine gió dạng trục ngang hoạt động đúng
hướng gió, và cánh turbine dao luôn luôn di chuyển vuông góc với gió, năng
lượng nhận được thông qua toàn bộ luân chuyển. Do khả năng đa chiều, turbine
gió trục ngang có thể chuyển đổi thành năng lượng gió nhiều hơn cho hiệu quả
cao hơn và sản lượng điện tốt hơn turbine gió trục dọc. Hơn nữa, các cơ sở tháp

cao cho phép gió vào mạnh hơn, luồng gió ổn định hơn là gần mặt đất. Khi tổng
sản lượng và hiệu quả là những cân nhắc quan trọng nhất, trục ngang turbine gió
thường được sử dụng.

Hình 1.1. Cấu tạo bộ dẫn động cơ khí của turbine gió trục ngang
Bên cạnh đó, HAWTs có một số nhược điểm như là:

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



- 7 -
 Cần phải xây dựng một tháp lớn để lắp đặt hệ thống turbine có trọng
lượng lớn, hộp số và máy phát điện, HAWTs cao rất khó để lắp đặt, cần cẩu rất
cao và đắt tiền và cần có kỹ năng vận hành.
 Các tòa tháp cao và cánh turbine lên đến 45 mét, dài rất khó để vận
chuyển. Giao thông vận tải có thể số tiền đến 20% chi phí thiết bị (Hình 1.2).

Hình 1.2. Hình ảnh vận chuyển cánh turbine gió trục ngang ở nước Anh
 Chiều cao của HAWTs làm ảnh hưởng đến tầm nhìn rộng, phá vỡ cảnh
quan và đôi khi tạo ra sự phản đối của địa phương.
 HAWTs cần phải có thêm bộ phận lái các cánh turbine và vỏ động cơ về
hướng gió.
 Các cánh quay vuông góc với hướng gió gây nên sự mỏi của cơ cấu.

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



- 8 -

 Để giảm thiểu sự mỏi do nhiễu loạn không khí, turbine gió thường được
định vị cách nhau một khoảng bằng 5 lần đường kính rôto, nhưng khoảng cách
phụ thuộc vào nhà sản xuất và mô hình động cơ turbine.
Mặc dù ít phổ biến hơn nhưng turbine gió dạng trục dọc vẫn luôn được
quan tâm và có liên tục có những thiết kế, mô hình mới. Các thiết kế cho turbine
gió trục đứng hiện nay có nguồn gốc chủ yếu từ các nhà phát minh mang tính cá
nhân. VAWTs có rôto trục chính được bố trí theo chiều dọc, lợi thế chính của sự
sắp xếp này là turbine không phải xoay cả hệ thống theo phương gió. Ưu điểm
của VAWTs là máy phát điện và hộp số của nó có thể được đặt gần mặt đất, làm
cho việc bảo trì được dễ dàng hơn và giảm chi phí xây dựng ban đầu. VAWTs
nằm gần mặt đất có thể tận dụng lợi thế ở những đỉnh núi bằng phẳng, ngọn đồi,
qua kênh gió và tốc độ gió tăng lên. Hơn nữa, VAWTs có thể được xây dựng tại
địa điểm mà các cấu trúc cao đều bị cấm. VAWTs có tốc độ gió khởi động thấp
hơn HAWTs. Thông thường, chúng bắt đầu tạo ra điện ở tốc độ gió 6 mph
(2,8m/s).


Hình 1.3. Hệ thống turbine gió trục đứng có biên dạng cánh phức tạp
Trái ngược với HAWTs, VAWTs có những nhược điểm sau đây:

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



- 9 -
 Tốc độ gió là chậm ở độ cao thấp hơn, năng lượng gió vì vậy ít có sẵn
cho một turbine kích thước nhất định. Và luồng không khí gần mặt đất có các cơ
sở hạ tầng, cây cối,…tạo ra dòng chảy hỗn loạn. Tuy nhiên, khi một động cơ
turbine được đặt trên một nóc nhà có thể tăng gấp đôi tốc độ turbine. Nếu chiều
cao của tháp được đặt trên tầng thượng của turbine là khoảng 50% chiều cao xây

dựng, điều này là gần tối ưu cho năng lượng gió tối đa và nhiễu loạn gió tối
thiểu.
 Trong một chu kỳ, các turbine gió trục thẳng đứng luôn có những bề
mặt cánh chống lại gió, điều này đã dẫn đến hiệu quả thấp.
VAWTs mới phổ biến ở dạng công suất nhỏ, các công ty sản xuất turbine
đang hướng tới phát triển các trạm phát điện công suất vừa và nhỏ phù hợp với
các trang trại, hộ gia đình, những nơi bị cô lập với nguồn điện. Nghiên cứu đang
được thực hiện trên các VAWTs trong một nỗ lực để tăng sản lượng năng lượng
năng lượng của chúng và giảm thiểu tiếng ồn. Các kỹ sư hy vọng sẽ cải thiện
VAWTs để nó cuối cùng có thể được sử dụng rộng rãi trong các đô thị, nơi
không gian cho việc cài đặt trang trại gió bị hạn chế.
Có thể thấy rằng, đối với hệ turbine gió kiểu trục đứng phạm vi cũng như
quy mô sử dụng còn rất khiêm tốn so với các hệ thống HWAT, chủ yếu các hệ
thống VWAT 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, duy tu bảo dưỡng đơn giản. Với đặc 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. 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

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



- 10 -
nâng cao hiệu quả mặt hứng gió và giảm thiểu ảnh hưởng của mặt cản gió cho
cánh turbine. Đặc biệt, những công bố mới theo hướng nghiên cứu cánh turbine

được điều khiển chủ động nhằm đạt hiệu quả tối đa ở hành trình hứng gió và cản
tối thiểu ở hành trình cản gió còn rất hạn chế .
Các nghiên cứu trong nước về hệ thống turbine gió nói riêng và phong
điện nói chung còn đặc biệt ít. Nhóm nghiên cứu của GS-TSKH Nguyễn Phùng
Quang [4] đã tập trung vào vấn đề 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; Một số nghiên cứu tập trung theo
hướng điều khiển máy phát điện (phần phát) chạy bằng sức gió; Luận văn Thạc
sỹ của Chu Đức Quyết [2], ở đề tài này đã tính toán thiết kế các vị trí, số cánh,
kích thước hệ thống cánh phẳng cho máy phong điện kiểu trục đứng.
1.3. Tính cấp thiết của đề tài
Việt Nam có diện tích bờ biển dài với nguồn gió phong phú và ổn định,
tốt cho các máy phong điện hoạt động và phát triển. Những địa điểm có tiềm
năng phát triển phong điện bao gồm vùng ven biển, hải đảo, vùng núi cao biên
giới. Đặc biệt là địa bàn các tỉnh Quảng trị, Bình định, vv… 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 trạm phát điện diezen
đang hoạt động ở những khu vực này hiện nay.
So sánh giữa hai hệ thống phong điện kiểu trục ngang và trục đứng cho
thấy: Về lý thuyết, hệ thống trục đứng có những ưu điểm nổi trội so với hệ thống
trục ngang: Có thể hoạt động ở tốc độ gió thấp, do đó độ cao của tháp thấp hơn,
độ an toàn trong bão cao hơn; hiệu suất chuyển đổi công suất gió/cơ học cao hơn
(tới 50%), do đó chi phí sản xuất, tiêu hao vật tư và chi phí đầu tư thấp hơn; khả
năng công nghệ tốt hơn. Tuy nhiên, để phát huy được những ưu điểm trên, đặc

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



- 11 -

biệt là việc nâng cao hiệu suất chuyển đổi công suất gió/cơ học ở các hệ thống
có công suất lớn, đòi hỏi các cánh turbine phải có khả năng điều chỉnh chống
cản gió trong hành trình không sinh công. Vấn đề này hiện chưa có được một
nguyên lý cũng như công nghệ phù hợp. Vì vậy, hệ thống trục đứng mới chỉ phổ
biến ở dạng công suất nhỏ, không có cơ cấu điều khiển góc hứng gió của các
cánh.
Từ các lý do trên, việc thực hiện đề tài “Nghiên cứu, tnh toán, thiế t kế
cơ cấu dẫn động điều khiển góc cánh Turbine gió kiể u trụ c đứ ng cho máy
phát điện công suất 10KW” là nội dung rất cần thiết, góp phần quan trọng trong
nghiên cứu về hệ thống turbine gió kiểu trục đứng điều khiển góc hứng gió chủ
động.
1.4. Mục tiêu và ý nghĩa nghiên cứu
a. Mục tiêu
Đề xuất cơ cấu dẫn động/điều khiển góc cánh turbine gió kiểu trục đứng
với 5 cánh, phương hứng gió biến thiên. Đảm bảo tính hiệu quả về mặt kết cấu,
nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió/cơ học của hệ thống VAWT.
b. Ý nghĩa
Kết quả nghiên cứu của đề tài là nguồn tài liệu bổ sung phục vụ cho việc
học tập, nghiên cứu trong và ngoài nước.
Kết quả của đề tài sẽ đóng góp vào việc thiết kế chế tạo hệ thống turbine
gió điều khiển góc hứng gió chủ động, phù hợp với điều kiện Việt Nam. Là cơ
sở ban đầu cho phát triển ngành công nghiệp chế tạo các trạm phong điện cỡ
trung bình, góp phần cung cấp nguồn năng lượng điện trong dân dụng, an ninh
quốc phòng.
1.5. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
a. Đối tượng nghiên cứu

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

- 12 -
Đối tượng đề tài nghiên cứu là cơ cấu dẫn động điều khiển góc cánh
turbine gió kiểu trục đứng cho máy phát điện bằng sức gió công suất 10kW.
b. Phạm vi nghiên cứu
Cơ cấu điều khiển/dẫn động cánh turbine trong mô hình VAWT có khả
năng điều chỉnh góc hứng gió, áp dụng cho các VAWT công suất nhỏ đến
10KW.
1.6. Các kết quả chính
- Luận văn đã đề xuất được mô hình VAWT mới có khả năng điều chỉnh
góc hứng gió các cánh turbine. Mô hình này có kết cấu hệ thống điều khiển/dẫn
động cánh hoàn toàn bằng các cơ cấu cơ khí đơn giản, đạt hiệu suất chuyển đổi
năng lượng gió/công suất cơ cao.
- Đã thiết kế chi tiết hệ thống cơ cấu điều khiển/dẫn động cánh turbine cho
mô hình VAWT đã đề xuất.
- Mô phỏng nguyên lý hoạt động của cơ cấu nói riêng và mô hình VAWT
mới nói chung.
1.7. Cấu trúc luận văn
Luận văn được trình bày trong 4 chương với các nội dung chính như sau:
Chương 1. Trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
liên quan đến nội dung của đề tài. Trên cơ sở đó xác định nhiệm vụ nghiên cứu,
mục tiêu nghiên cứu của luận văn.
Chương 2. Phân tích một số kết cấu VAWT có khả năng điều chỉnh góc hứng
gió đã được nghiên cứu trên thế giới, từ đó đề xuất phương án thiết kế của luận
văn dựa trên một số cải tiến phù hợp. Đồng thời cũng trình bày những cơ sở lý
thuyết về lực khí động phục vụ cho việc tính toán, thiết kế và kiểm nghiệm đặc
tính khí động học cho hệ thống VAWT đề xuất.

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

- 13 -
Chương 3. Tính toán đặc tính kỹ thuật lực khí động cho thiết kế VAWT 10KW
nhằm đánh giá tính hiệu quả về hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió/công suất
cơ học của mô hình VAWT đã đề xuất.
Chương 4. Thiết kế chi tiết hệ thống điều khiển góc hứng gió cánh turbine của
mô hình VAWT đề xuất.
Kết luận và kiến nghị.







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



- 14 -
Chƣơng 2.
CÁC VẤN ĐỀ CƠ SỞ
2.1. Cơ sở tính toán lực khí động
2.1.1. Lý thuyết Albert Betz
Đây là lý thuyết cơ bản trong tính toán khí động học cánh turbine gió. Lý
thuyết đề cập đến phương pháp và công thức tính lực gió tác dụng, tính công
suất rotor
Các lý thuyết chung đầu tiên về turbine gió được xây dựng bởi A. Betz của
Viện nghiên cứu Gottingen. Betz cho rằng rotor gió là lý tưởng, nó không có

mayơ và có số cánh vô tận và không tạo ra lực cản tới sự di chuyển của gió khi
đi qua nó.
Vậy, đây là một máy biến đổi năng lượng sạch. Ngoài ra, các điều kiện trên
tổng diện tích quét bởi rotor giả thiết là không đổi và tốc độ của gió đi qua rotor
đều làm cho trục quay.
Rotor gió lý tưởng ta cần chú ý đến một số yêu tố, như: trục, cánh turbine,
bộ phận cột đỡ,các cơ cấu khác, bố trí địa điểm trong môi trường lưu động.
Xét khí động học tác động lên cánh rotor như hình vẽ sau:


S1
V
S
C
D
V1
S2
V2

Hình 2.1. Khí động học cánh Rotor

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



- 15 -


Trong đó:
V - là vận tốc gió thực tế di chuyển qua rotor và giả thiết gió đều tới diện

tích quét của cánh S.
V
1
- Vận tốc gió trước khi di chuyển qua turbine.
V
2
- là vận tốc gió sau khi di chuyển qua turbine.
S
1
- là diện tích mặt cắt của gió trước khi di chuyển qua rotor
S
2
- là diện tích mặt cắt của gió sau khi di chuyển qua rotor
Việc chế tạo các rotor gió chỉ có hiệu quả khi lực của gió bị giảm đi qua
rotor bị giảm đi, như vậy V
2
phải nhỏ hơn V
1
. Kết quả là diện tích mặt cắt ngang
của cơn gió di chuyển qua rotor tăng lên từ đầu cơn gió tới cuối cơn gió hay S
2

lớn hơn S
1
.
Nếu giả sử rằng cơn gió là không nén được, điều kiện liên tục (khối lượng
gió là hằng số) ta có thể viết được:
S
1
V

1
= SV = S
2
V
2
(2.1)
Lực của cơn gió tác dụng lên rotor, theo định lý Euler‟s là như nhau:
F =

SV(V
1
– V
2
) (2.2)
Công suất đạt được là:
P = FV =

SV
2
(V
1
– V
2
) (2.3)
Như vậy thấy rằng, công suất có được từ động năng. Sự biến thiên của động
năng từ đầu cơn gió đến cuối cơn gió có giá trị:

)(
2
1

2
2
2
1
VVSVT 

(2.4)
Cân bằng hai biểu thức P và

T ta được:

2
21
VV
V


(2.5)
Lực tác dụng lên rotor và công suất cung cấp được tính theo công thức:

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



- 16 -

)(
2
1
2

2
2
1
VVSVF 

(2.6)

))((
4
1
21
2
2
2
1
VVVVSP 

(2.7)
Vận tốc gió ở phía trước rotor là V
1
, ta có thể nghiên cứu sự biến thiên của công
suất P theo hàm của V
2

Vi phân ta có:
)32(
4
1
2
221

2
1
2
VVVVS
dV
dP


(2.8)
0
2

dV
dP
có 2 trường hợp:
- Thứ nhất: V
2
= - V
1
thì bài toán không có ý nghĩa vật lý.
- Thứ hai: V
2
= V
1
/3 công suất đạt giá trị lớn nhất:

3
1max
27
8

SVP


(2.9)
Trong đó  là trọng lượng riêng của không khí, ta thay  = 1.25 kg/m
3

3
1
3
1max
37,0
27
8
SVSVP 

(2.10)
2.1.2. Mô hình toán lực kh động trên cánh turbine
a. Sơ đồ hóa lực khí động tác dụng trên cánh turbine
Khi rotor quay một chu trình (một vòng quay) thì mỗi cánh chuyển động
qua hai giai đoạn là: giai đoạn (hành trình) sinh công và hành trình cản công. Do
đó, cần khảo sát lực khí động tác dụng lên cánh turbine tại vị trí bất kỳ ứng với
hành trình sinh công và hành trình cản như hình 2.2.
Trong đó: θ - Góc hướng tâm; β - Góc đặt cánh và i - Góc tới theo phương gió.
Quan hệ các góc:
0
90

i
(2.11)

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



- 17 -

Hình 2.2. Lực khí động trên cánh turbine
Áp lực gió trên hành trình sinh công:
91,29
])()cos([
2
2
2
1
RCVCS
F
A



(2.12)
Áp lực gió trên hành trình cản công:
91,29
])()cos[(
22
2
RVSC
F

B



(2.13)
Trong đó:
V[mph] - Vận tốc gió;
F[lbf] - Lực tác động lên cánh turbine;
ρ[lbm/ft
3
] - Mật độ không khí;
S[ft
2
] - Diện tích bề mặt cản gió;
C
1
- Hệ số lực cản gió mặt hứng gió của cánh;

A
B
O
x
ω


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



- 18 -
C
2
- Hệ số lực cản gió mặt cản gió của cánh;
R[ft] - Bán kính rotor;
ω[rad/s] - Vận tốc góc rotor
b. Mô hình tính toán hệ thống VAWT biên dạng cánh kiểu bán trụ
Diện tích quét gió của VAWT được xác định từ hệ thức:
3
2
1
SVCP
p


(2.14)
Trong đó:

C
p
là hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió/cơ học, (Cp: 0,25÷0.59).
ρ - Mật độ không khí.
P - Công suất tính toán của rotor, với quan hệ công suất máy phát và công
suất tính toán của rotor: Pe = 0,8P.
V - Vận tốc gió.
S - Diện tích quét gió của VAWT (S=D.h). Để cánh turbine đạt hiệu quả về
diện quét gió lớn, chọn D = h.
Chiều rộng cánh turbine được xác định dựa trên thông số đường kính rotor
và số cánh turbine, theo yêu cầu tránh hiện tượng cản gió giữa các cánh.
Với turbine 5 cánh, chọn b = 0,15D [1].
Mômen quay rotor tức thời có thể được xem là giá trị mô men quay trung
bình của rotor ở một số trạng thái đại diện. Giá trị mô men tại các trạng thái này
được xác định bằng cách tính toán lực khí động trên mỗi cánh turbine ở vị trí
tương ứng, với góc đặt cánh hiệu quả β = 30
0
. Theo đó, giá trị mô men quay của
rotor được xác định theo biểu các thức sau:
Mô men phát sinh trên mỗi cánh thuộc hành trình sinh công:
])()cos([.
2
2
2
1
RCVCRkM



(2.15)

Mô men phát sinh trên mỗi cánh thuộc hành trình cản:

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



- 19 -
])()cos[(.
22
2
RVCkM



(2.16)

Với:

cos 033,0 SRk 
(2.17)
Xác định vận tốc góc cho rotor. Bằng việc giải hệ phương trình:
(2.18)
Trong đó:
Các chỉ số „i’ và „j‟ tương ứng chỉ các cánh nằm trong hành trình sinh công
và hành trình cản; và „k‟ là các trạng thái đại diện.
Trong thực tế tính toán, thiết kế các thông số kết cấu turbine, ngoài cách
tiếp cận như trên, ta còn tiếp cận theo hướng xuất phát từ các thông số kỹ thuật
của máy phát điện, bao gồm momen quay và tốc độ quay của rotor máy phát.
Theo hướng tiếp cận này, các thông số được xác định sẽ lần lượt là: bán kính
turbine, độ rộng cánh turbine và chiều cao turbine.

2.2. Một số dạng kết cấu VAWTs điển hình
2.2.1. Kiểu VAWT cánh cố định
Bộ phận chính của một turbine gió là cánh. Khả năng quay của cánh là một
nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất turbine gió. Dẫn đến việc phải
nghiên cứu hình dạng, kích thước cánh tối ưu hay thiết kế khí động học hình
dạng cánh. Ngoài ra, đối với turbine dạng trục đứng, còn có thể khắc phục
nhược điểm bằng cách thiết kế cơ cấu thay đổi hướng cánh hoặc phối kết hợp
với việc thiết kế hình dạng cánh.
Đi theo hướng thiết kế khí động học hình dạng cánh, các kiểu dáng cánh
điển hình sau đã được phát minh và đưa vào sử dụng:
 Kiểu dạng chén