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

1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong các nguồn năng lượng tái tạo thì năng
lượng gió được coi là phát triển nhanh hơn cả vì nó
sạch, rẻ tiền, dễ sử dụng và có trữ lượng vô tận. Hàng
trăm năm nay, con người đã biết sử dụng năng
lượng gió để di chuyển thuyền buồn, khinh khí cầu.
Ngày nay người ta sử dụng năng lượng gió để tạo thành
điện năng. Máy phát điện sức gió được sử dụng rộng rãi
ở châu Âu, châu Mỹ và rất nhiều nơi khác.
Cho đến thời điểm này, Việt Nam vẫn chủ yếu
khai thác nguồn năng lượng truyền thống, chủ yếu là
thủy điện và nhiệt điện. Mặt khác, nước ta đang đứng
trước sự thiếu hụt về điện, chúng ta cần phải có biện
pháp khắc phục thích hợp. Việt Nam với địa hình nằm
trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài nên
rất thuận lợi để phát triển năng lượng gió. Vì vậy vấn đề
khai thác năng lượng gió ở nước ta là một vấn đề cấp
bách.
Việc thiết kế một máy phát điện sức gió bao gồm
rất nhiều công đoạn như thiết kế cánh quạt gió, thiết kế
hộp giảm tốc, máy phát vv… Trong đó, thiết kế hộp
giảm tốc đóng vai trò quan trọng. Đã có nhiều công
trình khoa học nghiên cứu về năng lượng gió, về tối ưu
của máy phát, roto…Tuy nhiên với máy phát điện sức
gió trục đứng, vấn đề thiết kế tối ưu hộp giảm tốc hiện
nay còn chưa có các công trình công bố. Vì vậy tác giả
chọn đề tài:
“Thiết kế tối ưu hộp tăng tốc dùng cho máy phát điện
sức gió trục đứng công suất 10 kW”
2. Ý nghĩa của đề tài
2.1. Ý nghĩa khoa học

Về mặt khoa học đề tài rất phù hợp với xu thế
phát triển trong và ngoài nước về năng lượng gió. Do đó
ý nghĩa khoa học của đề tài là thể hiện trong tính toán
-1-
tối ưu hộp giảm tốc của máy phát điện sức gió trục đứng
nhằm đạt giá thành chế tạo nhỏ nhất.
2.2. Ý nghĩa thực tiễn
Năng lượng gió ngày càng được sử dụng rộng rãi
ở nhiều nước trên thế giới. Vì vậy, đề tài này có ý nghĩa
rất thực tiễn trong việc sản xuất điện năng, phục vụ cho
sinh hoạt và sản xuất.
-2-
CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ
VÀ THIẾT KẾ TỐI ƯU MÁY PHÁT ĐIỆN
SỨC GIÓ
1.1. 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. 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.
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.
1.2. Tổng quan về thiết kế và thiết kế tối ưu hộp
tăng tốc của máy phát điện sức gió
Một nghiên cứu của Andrew Firth và Hui Long
[21] về sự phát triển của công cụ phần mềm thiết kế cho
hộp tăng tốc của hệ thống tuốc bin. Phần mềm này rất
dễ dàng khi tính toán hộp tăng tốc hành tinh. Nó đã
được tính toán thử nghiệm cho hộp tăng tốc của hệ
-3-
thống tuốc bin với công suất 2 MW và máy phát không
đồng bộ ba pha với số vòng quay là 1600 vòng/phút.
Sự đánh giá về thiết kế hộp tăng tốc cho hệ
thống tuốc bin gió được nghiên cứu bởi James F.
Manwell [10]. Sự đánh giá này dựa trên cơ sở đó là sự
phân tích hộp tăng tốc sử dụng cho tuốc bin gió ESI-80
với công suất 250 kW. Hộp tăng tốc được sử dụng cho
hệ thống tuốc bin này là hộp hành tinh đã chỉ ra trên
hình 1.14. Kết quả của nghiên cứu này cho thấy: Xác
định lực và các đặc điểm của hộp tăng tốc; cung cấp
phương pháp để xác định mô men.
Nghiên cứu của Ray. Hicks MBE [22] về thiết
kế tối ưu hộp tăng tốc bánh răng hành tinh của hệ thống
tuốc bin gió với khối lượng là nhỏ nhất, độ tin cậy cao
và được kết hợp với giá thành thấp của máy phát. Trong
nghiên cứu này đã thành công và áp dụng cho hệ thống

tuốc bin LS1 3 MW ở Orkney năm 1982 và những năm
gần đây đã thử nghiệm vận hành cho hệ thống tuốc bin
3,4 MW ở phía bắc Châu Âu.
Cấu trúc của hộp tăng tốc bánh răng hành tinh -
loại của bánh răng được sử dụng, số răng, tỷ số truyền,
số bánh răng hành tinh, sự phối hợp tỷ số truyền ảnh
hưởng đến cỡ của tuốc bin. Tác giả trong [23] đã áp
dụng việc thay đổi cấu trúc của hộp tăng tốc cho hệ
thống tuốc bin 2,0 MW và so sánh trọng lượng của từng
phần bánh răng, cỡ của hộp tăng tốc, cỡ và trọng lượng
của máy phát.
Một nghiên cứu khác về sự so sánh của hệ thống
tuốc bin gió khi sử dụng hộp tăng tốc và không sử dụng
hộp tăng tốc. Các tác giả [24] đã chỉ ra rằng hệ thống
tuốc bin gió khi không có hộp tăng tốc sẽ có đường kính
rotor của cánh tuốc bin lớn hơn và giá của cả hệ thống
tuốc bin thì cao hơn khi sử dụng hộp tăng tốc.
Một nghiên cứu của E. Spooner [25] đã chỉ ra
giá thành của hệ thống tuốc bin trong trường hợp sử
-4-
dụng hộp tăng tốc và không sử dụng hộp tăng tốc và kết
quả cho thấy khi không sử dụng hộp tăng tốc thì giá
thành của máy phát tăng rất nhiều lần
Như vậy, với nhiều nghiên cứu trước chỉ ra rằng
việc sử dụng hộp tăng tốc cho hệ thống tuốc bin gió làm
giảm giá thành của máy phát. Tuy nhiên, chưa có
nghiên cứu nào đề cặp đến giá thành của hệ thống bao
gồm cả hộp tăng tốc và máy phát.
1.3. Kết luận
Máy phát điện sức gió đã ra đời và phát triển từ

khá lâu. Đến nay, máy phát điện sức gió đã và đang sử
dụng ở nhiều nước trên thế giới trong đó có Việt Nam.
Việc sử dụng máy phát điện sức gió càng ngày càng
được quan tâm vì đây là nguồn năng lượng dồi dào, rẻ
tiền và không gây hại cho môi trường.
Cho đến nay có khá nhiều công trình nghiên cứu
về thiết kế và thiết kế tối ưu máy phát điện sức gió nói
chung và máy phát điện sức gió nói riêng. Việc tính
toán thiết kế và thiết kế tối ưu hộp tăng tốc của máy
phát điện sức gió cũng đã được chú ý. Tuy nhiên chưa
có nghiên cứu nào về thiết kế tối ưu hộp tăng tốc cho
máy phát điện sức gió nhằm mục tiêu giá thành của hệ
thống là nhỏ nhất. Chính vì thế cần thiết phải thiết kế tối
ưu hộp tăng tốc cho máy phát điện sức gió kiểu trục
đứng 10kW.
-5-
CHƯƠNG 2:
XÂY DỰNG CÁC BÀI TOÁN TỐI ƯU
2.1. Giới thiệu về bài toán tối ưu
Tối ưu là một vấn đề quan trọng không chỉ trong
kỹ thuật mà còn trong nhiều lĩnh vực khác như: kinh tế,
nông nghiệp, quốc phòng, an ninh v.v… Bởi vì bài toán
tối ưu cho được kết quả tốt nhất trong một số điều kiện
nhất định. Trong bài toán tối ưu có thể sử dụng để giải
quyết mọi vấn đề kỹ thuật như: bài toán tối ưu về giá
thành là nhỏ nhất, bài toán tối ưu về khối lượng là nhỏ
nhất, lợi nhuận là lớn nhất.
Với nghiên cứu này sẽ đề cập đến bài toán tối ưu
đơn mục tiêu về khối lượng của hệ gồm hộp tăng tốc và
máy phát là nhỏ nhất và bài toán về giá thành của hệ là

nhỏ nhất.
Bài toán tối ưu đơn mục tiêu có thể được định
nghĩa như sau [36]:
Tìm một véc tơ X = (x
1
, x
2
,…, x
n
) là các biến thiết kế để
hàm mục tiêu (hoặc hàm giá thành) đạt giá trị nhỏ nhất:
f(X) = f(x
1
, x
2
,…, x
n
)
Với các điều kiện ràng buộc:
0)( ≤Xg
j
,
mj , ,2,1=
,
pj ,2,1=
Trong đó: X là một véc tơ ma trận n cột, x
1
, x
2
,

…, x
n
là các biến thiết kế; f(X) là hàm mục tiêu; g
j
(X),
)(Xh
j
là các điều kiện ràng buộc.
2.2. Xây dựng các hàm đơn mục tiêu
2.2.1. Hàm mục tiêu khối lượng của hệ gồm hộp tăng
tốc và máy phát là nhỏ nhất
2.2.1.1. Khối lượng của hộp tăng tốc
-6-
Khối lượng của hộp tăng tốc được xác định như sau
(hình 3.1):
TRBRVHH
GGGG ++=
(3.1)
Trong đó:
-
VH
G
: khối lượng của vỏ hộp;
-
BR
G
: khối lượng của bánh răng;
-
TR
G

: khối lượng của trục.
l
1
L
S
G
1,5S
G
dw
11
B
2
l
3
B
1
dw
12
1,5S
G
S
G
dw
22
2
H
dw
21
d
sb1

d
sb2
l
2
I
II
d
sb3
III
A
2
5S
G
1
1,5S
G
A
1
Hình 3.1: Sơ đồ tính toán khối lượng của hộp số
2.2.1.2. Xác định khối lượng của máy phát
-7-
l
l
δ
s
δ
h
D
'
D

D
n
c
b
A
2
A
1
Hình 3.2: Sơ đồ tính khối lượng của máy phát
Khối lượng của máy phát được xác định theo công thức
(Hình 3.2):
G
mp
= G
s
+ G
r
+ G
d
+ G
v

(3.50)
Trong đó:
G
s
: khối lượng của stato;
G
r
: khối lượng của roto;

G
d
: khối lượng của dây đồng
G
v
: khối lượng của vỏ máy;
2.3. Bài toán tối ưu
2.3.1. Bài toán tối ưu đơn mục nhằm đạt khối lượng
của hệ là nhỏ nhất
Từ các phương trình (3.1) và (3.50) xác định
được hàm đơn mục tiêu nhằm đạt khối lượng nhỏ nhất
như sau:
Min
G
= min
)(
mpH
GG +
=
),,(
1 dbh
nuuf
→ min
(3.78)
Với các điều kiện ràng buộc:
maxmin hhh
uuu ≤≤
max11min1
uuu ≤≤
maxmin dbdbdb

nnn ≤≤
-8-
Các giá trị ràng buộc được xác định như sau:
;5
min
=
h
u
40
max
=
h
u
;
2
min1
=u
;
9
max1
=u
;
150
min
=
db
n

(vòng/phút);
6000

max
=
db
n
(vòng/phút)
2.3.2. Bài toán tối ưu đơn mục về giá thành nhỏ nhất
Sau khi giải bài toán tối ưu về khối lượng là nhỏ
nhất thì bài toán tối đơn mục tiêu về giá thành nhỏ nhất,
được viết dưới dạng sau:
Min
mpmpHH
GCGCC ** +=
→ min
(3.79)
Với điều kiện ràng buộc:
maxmin HHH
CCC ≤≤
Các giá trị ràng buộc được xác
định như sau:
100
min
=
H
C
(nghìn VNĐ/kg);
300
max
=
H
C

(nghìn VNĐ/kg);
100
min
=
mp
C
(nghìn
VNĐ/kg);
300
max
=
mp
C
(nghìn VNĐ/kg).
2.4. Kết luận
Các hàm đơn mục tiêu cho bài toán tính toán
thiết kế tối ưu hộp tăng tốc và máy phát đã được xây
dựng. Chúng gồm: hàm đơn mục tiêu về khối lượng của
hộp tăng tốc và máy phát là nhỏ nhất; hàm đơn mục tiêu
về giá thành của hộp tăng tốc và máy phát là nhỏ nhất.
Từ các hàm đơn mục tiêu, các bài toán tối ưu
đơn mục tiêu đã được xây dựng. Các bài toán này gồm
có: bài toán đơn mục tiêu nhằm đạt khối lượng của hệ
(gồm khối lượng của hộp tăng tốc và khối lượng của
máy phát) là nhỏ nhất và bài toán đơn mục tiêu nhằm
đạt giá thành của hệ (gồm hộp tăng tốc và máy phát) là
nhỏ nhất.
-9-
maxmin mpmpmp
CCC

≤≤
CHƯƠNG 3:
KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT
3.1. Các kết quả và nhận xét
Bằng việc sử dụng phương pháp tìm kiếm trực tiếp
của Robert Hooke và T. A. Jeeves và sự trợ giúp của
máy tính bởi phầm mềm Matlab đã hỗ trợ để giải bài
toán tối ưu của hàm mục tiêu trong chương 3 cùng với
các điều kiện ràng buộc đã đạt được kết quả rất khả thi
có thể áp dụng trong và ngoài nước.
Biểu đồ mối quan hệ giữa tỷ số truyền của hộp
tăng tốc và số vòng quay của máy phát (hình 3.1)
Hình 3.1: Biểu đồ quan hệ giữa tỷ số truyền chung của
hộp tăng tốc
và số vòng quay của máy phát
Trên hình 3.1 chỉ ra rằng, với số vòng quay của
máy phát càng lớn thì yêu cầu tăng tốc nhiều hơn. Vì
vậy, cần phải sử dụng hộp tăng tốc với tỷ số truyền lớn
hơn và kết quả là kích thước, khối lượng và giá thành
của hộp tăng tốc tăng lên. Do đó, cần phải phối hợp
giữa tỷ số truyền của hộp tăng tốc và số vòng quay của
-10-
máy phát để đạt được kích thước, khối lượng và giá
thành của chúng là nhỏ nhất.
Biểu diễn mối quan hệ giữa số vòng quay của máy
phát và khối lượng của máy phát (hình 3.2). Từ đồ thị
đã chỉ ra rằng khi số vòng quay của máy phát càng tăng
thì kích thước, khối lượng và giá thành của máy phát
càng giảm. Điều này được giải thích là do khi số vòng
quay càng nhỏ thì số đôi cặp cực của máy phát càng cao

vì vậy giá thành của máy phát càng đắt. Với giá trị khảo
sát số vòng quay của máy phát (n
db
= 150 vòng/ phút
đến 6000 vòng/phút), thấy rằng khối lượng của máy
phát giảm mạnh từ giá trị 150 vòng/ phút tới giá trị 300
vòng/phút.
Hình 3.2: Mối quan hệ giữa số vòng quay máy phát và
khối lượng máy phát
Với chương trình tính toán tối ưu như đã nêu trên,
đã chỉ ra rằng khi tỷ số truyền của hộp tăng tốc tăng thì
khối lượng của hộp tăng. Tuy nhiên, trên biểu đồ hình
3.3 thấy rằng khối lượng tối ưu của hộp tăng không lớn.
Chính vì vậy, khi muốn thiết kế tối ưu hộp tăng tốc để
đạt giá thành của hộp là nhỏ nhất có thể dựa vào kết quả
này để lựa chọn được tỷ số truyền các cấp trong hộp là
hợp lý. Việc lựa chọn tỷ số truyền các cấp này được
trình bày trên biểu đồ hình 3.4.
-11-
Hình 3.3: Biểu đồ quan hệ giữa tỷ số truyền của hộp
tăng tốc và khối lượng của hộp
Hình 3.4 biểu diễn mối quan hệ giữa tỷ số truyền
chung của hộp và tỷ số truyền các cấp. Khi tỷ số truyền
chung của hộp tăng thì tỷ số truyền các cấp cũng tăng.
Tuy nhiên, tỷ số truyền của cấp nhanh tăng nhanh hơn
cấp chậm. Điều này được giải thích như sau: khi u
h
lớn,
sự chênh lệch mô men xoắn trên trên trục ra với trục vào
sẽ lớn nên cần u

2
lớn để giảm bớt chênh lệch kích thước
giữa các cấp và giảm khối lượng cho hộp.
Từ kết quả thu được của chương trình tối ưu, phân
tích hồi quy đã được tiến hành và một công thức để tính
toán tỉ số truyền của cấp nhanh của hộp đã được đưa ra:
7129.0
2
.6417,0
h
uu =
(3.1)
Mô hình công thức toán học trên biểu thức (5.1) phù
hợp với dữ liệu, với hệ số xác định R
2
= 1. Với kết quả
này rất phù hợp với kết quả trong [30] đã đưa ra. Và giá
trị tỷ số truyền của bộ truyền cấp chậm được xác định
theo biểu thức:
-12-
2
1
u
u
u
h
=
(3.2)
Hình 3.4: Mối quan hệ giữa tỷ số truyền chung của hộp
và tỷ số truyền các cấp

Đồ thị trên hình 3.5 chỉ ra rằng, khi tỷ số truyền
của hộp tăng tốc tăng thì khối lượng chung (bao gồm
khối lượng của hộp tăng tốc và khối lượng của máy
phát) giảm. Bởi vì khi tỷ số truyền tăng thì khối lượng
của hộp tăng tốc tăng nhưng không nhiều. Hơn nữa tỷ
số truyền của hộp tăng thì số vòng quay của máy phát
tăng, do đó số đôi cặp cực giảm làm cho khối lượng của
máy phát giảm đáng kể.
Bằng việc phân tích hồi quy đã đưa ra công thức
liên hệ giữa tỷ số truyền của hộp tăng tốc và khối lượng
chung như sau:
2578.0
.92,258
−
=
h
uG
(3.3)
Với hệ số xác định R
2
= 0,9917.
Như đã biết, với cùng một phạm vi công suất của máy
phát thì có thể chọn số vòng quay theo dãy: n
db
= 600,
-13-
750, 1000, 1500 và 3000 (vòng /phút) [37]. Còn với hộp
Hình 3.5: Quan hệ giữa tỷ số truyền của hộp tăng tốc
và khối lượng chung của cả hộp tăng tốc và máy phát
tăng tốc bánh răng trụ răng nghiêng hai cấp khai triển

giá trị tỷ số truyền nằm trong khoảng (u
h
= 5 ÷ 40 [30]).
Từ bài toán tối ưu, để giá thành chung (bao gồm hộp
tăng tốc và máy phát) đạt giá trị nhỏ nhất thì khối lượng
chung của chúng phải đạt giá trị nhỏ nhất. Với các kết
quả đã đạt được ở trên thì khối lượng chung đạt giá trị
nhỏ nhất khi n
db
=3000 vòng/ phút và tỷ số truyền của
hộp tăng tốc u
h
= 20. Tại giá trị này thì:
G
min
= G
HTT
+ G
MP
= 118,24658 (Kg) (3.4)
Với: G
HTT
= 56,7636 (Kg) ; G
MP
= 61.483 (Kg)
Do đó, giá thành chung tương ứng với giá trị G
min
được
chỉ ra trên hình 3.6
Trong trường hợp, khi không sử dụng hộp tăng tốc trong

hệ thống tuốc bin gió mà chỉ có máy phát thì khối lượng
của máy phát rất lớn. Bởi số vòng quay của máy phát
nhỏ (n
db
= 150 vòng/phút) nên số đôi cặp cực lớn. Với
-14-
Hình 3.6: Biểu đồ quan hệ giữa giá thành của hộp tăng
tốc, máy phát và giá thành chung
trường hợp này, tác giả đã so sánh với giá trị tối ưu khi
sử dụng hộp tăng tốc khi giá thành của hộp tăng tốc là
C
HTT
= 200.000 nghìn đồng/kg và giá thành của máy
phát là C
MP
= 150.000 nghìn đồng/kg. Sự so sánh này
được chỉ ra trên hình 3.7 và kết quả cho thấy rằng: giá
thành của hệ thống tuốc bin gió khi không sử dụng hộp
tăng tốc lớn hơn rất nhiều khi sử dụng hộp tăng tốc. Kết
quả của nghiên cứu này rất phù hợp với kết quả đã nêu
trong [25].
Hình 3.7: 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
-15-
x10
3

x10

5
3.2. Kết luận
- Bài toán tối ưu đơn mục tiêu đã được xây dựng gồm
hai bài toán: bài toán tối ưu đơn mục tiêu nhằm đạt
khối lượng của hệ (gồm hộp tăng tốc và máy phát)
là nhỏ nhất và bài toán tối ưu đơn mục tiêu nhằm đạt
giá thành của hệ là nhỏ nhất;
- Bài toán tối ưu được giải bằng việc lập trình máy
tính (sử dụng phần mềm Matlab) với việc sử dụng
phương pháp tìm kiếm trực tiếp của Robert Hooker
và T. A Jeeves;
- Từ kết quả của chương trình tối ưu, việc phân tích
hồi quy đã được tiến hành và hai công thức hồi quy
đã được đề xuất đó là: (i) công thức tính tỷ số truyền
cấp nhanh của hộp tăng tốc; (ii) công thức xác định
khối lượng của hệ (gồm hộp tăng tốc và máy phát)
theo tỷ số truyền chung của hộp tăng tốc đã được
đưa ra;
- Tỷ số truyền tối ưu của hộp tăng tốc đã được xác
định u
h
= 20. Với tỷ số truyền này thì khối lượng và
giá thành của hệ đạt giá trị nhỏ nhất;
- Đã đưa ra sự so sánh giữa giá thành của hệ thống
khi sử dụng hộp tăng tốc và khi không sử dụng hộp
tăng tốc.
-16-
KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ
 Kết luận
Mục đích của nghiên cứu này là thiết kế tối ưu hộp

tăng tốc dùng cho máy phát điện sức gió kiểu trục đứng
có công suất 10kW, với tốc độ vòng quay trục cánh tuốc
bin khoảng 150 vòng/phút. Để làm được điều đó một
khối lượng lớn các công việc đã được tiến hành. Những
công việc này bao gồm:
- Khái quát về tiềm năng phát triển năng
lượng gió trên thế giới và ở Việt Nam;
- Nghiên cứu tổng quan về máy phát điện
sức gió và thiết kế tối ưu máy phát điện sức gió;
- Cơ sở tính toán tối ưu hộp tăng tốc;
- Nghiên cứu các phương pháp giải bài
toán tối ưu;
- Giải các bài toán tối ưu và nhận xét kết
quả;
- Các kết luận của nghiên cứu và kiến nghị
hướng nghiên cứu tiếp theo;
Từ kết quả của luận văn, một số kết luận đã được rút
ra:
- Máy phát điện sức gió nói chung và máy
phát điện sức gió kiểu trục đứng nói riêng đã và đang
được sử dụng ở nhiều nơi trên thế giới và đã bắt đầu sử
dụng ở Việt Nam. Việc sử dụng cũng như thiết kế chế
tạo máy phát điện sức gió ngày càng được quan tâm vì
đây là nguồn năng lượng dồi dào, rẻ tiền và không gây ô
nhiễm môi trường;
- Trong việc thiết kế tối ưu máy phát điện
sức gió nói chung và máy phát điện sức gió kiểu trục
đứng nói riêng, việc thiết kế tối ưu hộp tăng tốc và máy
phát là rất quan trọng vì chúng là những bộ phận chính
của hệ thống tuốc bin gió;

- Việc tính toán thiết kế tối ưu hộp tăng
tốc và máy phát có quan hệ khăng khít với nhau vì tỷ số
-17-
truyền của hộp tăng tốc có ảnh hưởng đến số vòng quay
của máy phát và dẫn tới ảnh hưởng lớn đến giá thành
của nó;
- Hộp tăng tốc bánh răng trụ răng nghiêng
hai cấp khai triển được chọn làm đối tượng thiết kế vì
hộp này có cấu tạo đơn giản, tỷ số truyền phù hợp với
hệ thống và giá thành thiết kế chế tạo nhỏ;
- Máy phát điện không đồng bộ cũng được
chọn làm đối tượng nghiên cứu của đề tài. Bởi vì loại
máy phát này có cấu tạo đơn giản, phù hợp cho việc sản
xuất ra điện năng từ gió và giá thành chế tạo rẻ;
- Đã thiết lập được các bài toán tối ưu
đơn mục tiêu của hệ gồm hộp tăng tốc và máy phát với
hai chỉ tiêu sau: khối lượng của hệ là nhỏ nhất và giá
thành của hệ là nhỏ nhất;
- Trên cơ sở phân tích các phương
pháp giải bài toán tối ưu đơn mục tiêu đã chọn được
phương pháp giải thích hợp - phương pháp tìm kiếm
trực tiếp của Robert Hooker và T. A Jeeves;
- Việc lập trình giải bài toán tối ưu đơn
mục tiêu đã được thực hiện một cách hiệu quả bằng việc
sử dụng chương trình Matlab;
- Từ kết quả của các bài toán tối ưu,
các kết luận sau đây được rút ra:
+, Tỷ số truyền của hộp tăng tốc càng
tăng thì khối lượng và giá thành của máy
phát càng giảm, đồng thời khối lượng và

giá thành của hộp tăng tốc tăng;
+, Giá thành của hệ thống tuốc bin giảm
đáng kể khi sử dụng hộp tăng tốc cho hệ
thống. Chính vì thế nên sử dụng hộp tăng
tốc và giá trị tối ưu tỷ số truyền của hộp
là giá trị lớn nhất có thể được;
+, Giá trị tỷ số truyền tối ưu của hộp tăng
tốc đạt được là u
h
= 20.
-18-
 Kiến nghị
Mặc dù nghiên cứu này đã đạt được các kết quả rất
hữu ích cho việc thiết kế và chế tạo hệ thống tuốc bin
gió. Nhưng vẫn có một số kiến nghị cho các nghiên
cứu tiếp theo như sau:
- Trong nghiên cứu này mới chỉ tính
toán tối ưu cho hộp tăng tốc dùng bánh răng trụ răng
nghiêng hai cấp. Vì vậy, việc tính toán tối ưu cho các
loại hộp tăng tốc khác như: hộp tăng tốc ba cấp, hộp
hành tinh, hộp trục vít – bánh vít v.v… là cần thiết;
- Việc tính toán tối ưu cho máy phát
điện trong mghiên cứu này là tiến hành cho máy phát
không đồng bộ. Do đó, cũng có thể tính toán cho các
loại máy phát khác như: máy phát điện đồng bộ, máy
phát điện cảm ứng …v.v để kết hợp với hộp tăng tốc để
tạo ra giá thành của hệ thống tuốc bin gió là nhỏ nhất.
-19-
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Sandra Eriksson, Direct Driven Genorators for

Vertical Axis Wind Turbines, Universitatis Upsaliensis
Uppsala 2008.
[2] />Map/index-world.html
[3] Chu Đức Quyết, Tính toán thiết kế hệ thống cánh
turbine gió kiểu trục đứng trong máy phong điện công
suất 10KW, Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, 2008.
[4] Khanh Q. Nguyen, Wind energy in Vietnam:
Resource assessment, development status and future
implications, Department of energy economics, Institute
of Energy, 6 Ton That Tung, Dong da, Hanoi, Vietnam,
2006.
[5] EC – Asean Energy Facility, Feasibility Assessment
and Capacity Building for Wind Energy development
in Cambodia, Philippines and Vietnam, Version:
070126/RISO/PN, 2007.
[6] Lịch sử buổi đầu qua năm 1875
/>hl=vi&langpair=en
%7Cvi&u=
[7] N.D Butler, Design optimization of a wind turbine
gearbox and bearing, Cranfield University, 2006.
[8] Danish Wind Industry Association
/>[9] L.H. Hansen, L. Helle, F. Blaabjerg, E. Ritchie,
Conceptual Survey of Generators and Power
Electronics for Wind Turbin, National Laboratory,
Roskilde, Demark, 2001.
[10] James F. Manwell, Anthony Rogers, Utama
Abdulwahid, Anthony Ellis, Wind Turbine Gearbox
Evaluation, Renewable Energy Research Laboratory
-20-
MIE Dept., ELab Bldg., University of Massachusetts,

Amherst, MA 01003.
[11] KissSoft, Wind Turbine Gearbox Canculation
/>cles/docu_Wind_Turbine_Gearbox_Calculation.pdf
[12] Adam Ragheb and Magdi Ragheb, Wind Turbine
Gearbox Technologies, Department of Aerospace
Engineering, Department of Nuclear, Plasma and
Radiological Engineering, University of Illinois at
Urbana-Champaign, USA, March 2010.
[13] Dipl. Ing. ETH Hanspeter Dinner, Static and
Fatigue Calculation of Wind Turbine Gearboxes –
Part I, May 2008.
[14] P.Fuglsang, H.A. Madsen, Optimization method
for Wind turbine rotor, Jounal of Wind Engineering
and Industrial Aerodynamics 80 (1999).
[15] Ali Vardar and Bulenr Eker, Principle of Rotor
Design for Horizontal Axis Wind Turbines,
Department of Agricultural Machinery, Faculty of
Agriculture, Uludag University, Bursa, Turkey, 2006.
[16] Bernardo Fortunato and Giovanni Mummolo,
Technical - Economic optimization of a wind power
plant by means of a stoxhastic analytical model,
Dipartimento DI Progettazione e Produzione Industriale,
Politecnico di Bari, viale Japigia 182, 70125 Bari, Italy,
1995.
[17] G.R. Collecutt, R.G.J. Flay, The economic
optimization of horizontal axis wind turbine design,
Department of mechanical Engineering, The University
of Auckland, Auckland, New Zealand, 1996.
[18] PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang, Nghiên cứu
thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có công

suất 10 - 30kW phù hợp với điều kiện Việt Nam, đề tài
cấp nhà nước mã số KC.06.20CN, 2007.
-21-
[19] B.G. Newman and T.M. Ngabo, The design and
testing of a vertical – axis wind turbine using sails,
Department of Mechanical Engineering, McGill
University, Canada.
[20] Jianhui Zhang, Numnerical Modeling of Vertical
Axis Wind Turbine, Department of Mechanical
Engineering, Technical University of Denmark, 2004.
[21] Andrew Firth and Hui Long, A Design Software
Tool for Conceptual Design of Wind Turbine
Gearboxes, School of Engineering and Computing
Sciences, Durham University, Durham, DH13LE,
England, April 2010.
[22] Ray J. Hicks MBE, Frank Cunliffe BSc, URS
Driger Dipl. Mech Eng, Optimised Gearbox Design for
Modern Wind Turbines, Orbital2 LTD, May Hall
Llanggammarch Well, Powys, Wales, UK, 2004.
[23] C. D. Schultz, Beyta Gear Service, The Effect of
Gearbox Architecture on Wind Turbine Enclosure
Size, American Gear manufactures Association, 500
Montgimery Street, Suite 350 Alexandria, Virginia,
22314, September 2009.
[24] Mohamad Taghi Ameli, Saeid Moslehpour, Mnin
Mizaie, Feasibility Study for Replacing Asynchrous
Generator with Synchrous Generator in Wind Farm
Power Station, Power and water University of
Technology, 2008.
[25] E. Spooner, Case Study - Direct Driver Wind

Turbine Generator, IEEE London, July 2000.
[26] Wind Turbine Design Optimization
/>[27] />hl=vi&source=hp&q=Bevel+gear&meta=&aq=f&aqi=g
1&aql=&oq=&gs_rfai =
-22-
[28] />hl=vi&q=worm+gear&meta=&aq=f&aqi=g1&aql=&oq
=&gs_rfai =
[29] />hl=vi&q=plentary+gear&meta=&aq=f&aqi=&aql=&oq=&gs
_rfai=
[30] Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, Tính toán thiết kế hệ
dẫn động cơ khí tập I, Nhà xuất bản giáo dục, 2001.
[31] Geoff Klempner and Isidor Kerszenbaum,
Operatio and Maintenance of Large Turbo Generator
(Chapert 1), ISBN 0-471-61447-5, 2004.
[32] Prof. Krishna Vasudevan, Prof. G. Sridhara Rao,
Electrical Machines II, Indian Institute of Technology
Madras.
[33] N.Levin
(1)
, V.Pugachov
(1)
, L.Ribickis
(2)
,
A.Zhiravetska
(2)
, Contactless Multipolar Doubly - Fed
Asynchronous Generator For Windmills, Electrical
Power Quality and Utilisation, Juornal Vol. XII, No, 2,
2006.

[34] Nguyễn Hồng Anh, Bùi Tấn Lợi, Nguyễn Văn Tấn,
Võ Quang Sơn, Máy điện không đồng bộ, Đại học
Bách Khoa Đà Nẵng.
[35] Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ,
Nguyễn Văn Sáu, Máy Điện I, II, Nhà xuất bản khoa
học và Kỹ thuật, Hà Nội 2005.
[36] Vu Ngoc Pi, Performance Enhancement of
Abrasive Waterjet Cutting, Delft University of
Technology, 2008.
[37] Romhild I., Linke H., Gezielte Auslegung Von
Zahnradgetrieben mit minimaler Masse auf der Basis
neuer Berechnungsverfahren, Konstruktion 44, 229-
236, (1992).
[38] Vu Ngoc Pi, Optimal determination of partial
transmission ratios of three-step helical gearboxes
with first and third-step double gear-sets for minimal
-23-
mass of gears, Faculty of Mechanical, Maritime and
Materials Engineering Delft University of Technology
Mekelweg 2, 2628 Delft, 2008.
[39] Trần Khánh Hà, Thiết kế máy điện không đồng bộ,
Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 1981.
[40] Trần Khánh Hà, Nguyễn Hồng Thanh, Thiết kế
máy điện, Nhà xuất bản khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội
2006.
[41] Jasbir S.Arora, Introduction to Optimum Design,
Depaetment of Mechanical and ndustrial Engineering,
The University of Iowa, Iowa City 2004.
[42] Robert Michael Lewis, Direct Search Methods:
Then and Now, Institute for Computer Application in

Science and Engineering NASA Langley Research
Center, Hampton, VA, ICASE Report No. 2000-26.
-24-