tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu, tính toán, thiết kế cơ cấu dẫn động điều khiển góc cánh turbine gió kiểu trục đứng cho máy phát đi


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 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
-1-
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, thit k cơ cấu dẫn động điều khiển

góc cánh Turbine gió kiểu tr#c đứng 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.

a. M#c 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
-2-
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.
 !"#
a. Đối tượng nghiên cứu
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.
$%&'()
- 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.
-3-
- Mô phỏng nguyên lý hoạt động của cơ cấu nói
riêng và mô hình VAWT mới nói chung.
*%+,-./
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.
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.
Kt luận và kin nghị.
-4-
% 0
12324256
 7
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
-5-
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 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899:;</- !=>
+?@=
Các trang trại gió ngoài khơi đầu tiên là ở Cape
Cod, Massachusetts. Trang trại gió lớn nhất thế giới là
-6-
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. Turbine gió
ngang có một trục rôto chính và máy phát điện ở phía
-7-
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.

Hình 1.1. Cấu tạo bộ dẫn động cơ khí của turbine gió trục ngang
-8-
Bên cạnh đó, HAWTs có một số nhược điểm như là:
 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.
 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.
 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
-9-
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).
-10-
% 0
%A%BCDE%FGH
 %0:IJ&-K'L
2.1.1. Lý thuyt Albert Betz
2.1.2. Mô hình toán lực kh động trên cánh turbine
 L:<"'BMN:OP
2.2.1. Kiểu VAWT cánh cố định
2.2.2. Kiểu VAWT góc cánh thay đổi nhằm tăng hiệu
suất
2.2.3. Phân tch kt cấu Novel VAWT có khả năng
điều chỉnh góc hứng gió
2.2.4. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của kt cấu
 Q'BMN#8')R
==&
Với ý tưởng thiết kế cơ cấu để điều khiển các
cánh turbine dạng phẳng hoặc cong có khả năng hứng
gió tối đa trong chu kỳ sinh công và cản gió tối thiểu
trong chu kỳ không sinh công. Hình 2.13. Trong chu kỳ
sinh công tại vị trí A mặt phẳng cánh tiếp tuyến với quỹ

đạo quay, khi turbine quay được 1 góc 1000 cánh đến vị
trí B lúc này cánh xoay được 1 góc 900 . Tại vị trí B lúc
này mặt phẳng cánh vuông góc với hướng gió, công
sinh ra của cánh đạt giá trị lớn nhất. Trục turbine tiếp
tục quay 1 góc 1000 , cánh turbine đến vị trí C, cánh
-11-
quay được 1 góc 900 (lúc này mặt phẳng cánh có
phương tiếp tuyến với quỹ đạo quay).
Vị trí A được gọi là vị trí sinh công sớm của
turbine, vị trí C là vị trí thôi sinh công muộn của
turbine.
nhất. Trục turbine tiếp tục quay 1 góc 1000 ,
cánh turbine đến vị trí C, cánh quay được 1 góc 900 (lúc
này mặt phẳng cánh có phương tiếp tuyến với quỹ đạo
quay).
Vị trí A được gọi là vị trí sinh công sớm của
turbine, vị trí C là vị trí thôi sinh công muộn của
turbine.
-12-
% 0
S%TD4U4TVD14W%X4YD4BMN
32
DZ-J"L+?@
[\-K'L
U-. 0
Mô hình VAWT mới, hoạt động dựa trên nguyên
lý: điều khiển cánh xoay lien tục ½ vòng trong hành
trình sinh công, đồng thời cố định góc cánh theo
phương tiếp tuyến với rotor trong hành trình cản cho
hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió/cơ học khá cao so

(0,4) với hầu hết các mô hình VAWT cánh cố định
khác. Trong chương này, luận văn cũng đã tiến hành
tính toán, thiết kế VAWT có công suất 10KW theo
nguyên lý của mô hình VAWT mới đã đề xuất. Trên cơ
sở đó kiểm nghiệm lại về mặt hiệu suất của mô hình
VAWT này.
Trong chương tiếp theo, luận văn sẽ trình bày
phần thiết kế cơ cấu điều khiển/dẫn động cánh turbine
cho mô hình VAWT đề xuất trên đây, đồng thời thiết kế
hệ thống này cho VAWT 10KW đã được tính toán trong
chương này.
-13-
% 0$
TD4]AD^42_U_%F%C6`aDVD1
2E6U42bD1c%%AD46de2Df
$[\Z-'O><gL&
+?@@
$[\Lh0
4.2.1. Tnh số bậc tự do.
4.2.2. Tnh tỷ số truyền với các cánh ở nửa bên có
+/?&+/
$'0'O><gL&9
BMNiUN
4.3.1. Thông số thit k các chi tit trong cơ cấu điều
khiển 05 cánh turbine.
$$jkZ-J"L9
BMN#8
$*U-. 0$
Cơ cấu điều khiển/dẫn động cánh turbine được
thiết kế đảm bảo khả năng điều khiển góc xoay cánh

turbine ½ vòng lien tục trong hành trình sinh công, cho
phép diện tích hứng gió luôn đảm bảo, đồng thời xích
truyền động cánh turbine được ngắt trong hành trình
cản, do vậy cánh turbine được cố định ở vị trí vuông
góc với giá đỡ giúp giảm thiểu công cản trong hành
-14-
trình này. Toàn bộ vị trí tương quan này đã được mô
phỏng kiểm chứng. Bên cánh đó, kết cấu điều khiển/dẫn
động cánh turbine sử dụng các cơ cấu bánh răng nên chế
tạo và lắp đặt dễ dàng.
-15-
U_l6mD
- Với 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. Luận văn đã tiến hành
nghiên cứu, 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.
- Đã tiến hành 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 thiết kế chi tiết hệ thống cơ cấu điều
khiển/dẫn động cánh turbine cho mô hình VAWT đã đề

xuất, 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,
-16-
đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió/công suất cơ
cao.
- Mô phỏng nguyên lý hoạt động của cơ cấu nói
riêng và mô hình VAWT mới nói chung.
>Có thể thấy rằng phạm vi cũng như quy mô sử
dụng các trạm phong điện trục đứng còn rất khiêm tốn
so với các hệ thống HWATs, chủ yếu các hệ thống
VAWTs 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.
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. Những công bố mới theo hướng nghiên cứu cơ
cấu điều khiển góc cánh turbine nhằm đạt hiệu quả tối
đa ở hành trình hứng gió và cản tối thiểu ở hành trình
cản gió. Các công bố này chủ yếu mới dừng ở sáng tạo
về mặt nguyên lý.
- Tính toán thiết kế cơ cấu dẫn động điều khiển góc
cánh Turbine cho kết quả tương đối tốt với các loại cánh
có biên dạng không phức tạp, việc lựa chọn sử dụng cơ
-17-
cấu này hoàn toàn có thể chấp nhận được. Song đối với

hệ thống turbine có biên dạng và góc xoay cánh phức
tạp, không theo quy luật nhất định thì còn gặp nhiều khó
khăn, đây cũng là một trong những nhược điểm khi sử
dụng cơ cấu. Với một đề tài nghiên cứu luận văn thạc
sỹ, thời gian và kiến thức còn hạn chế trong lĩnh vực
nghiên cứu còn mới này, kết quả của đề tài có thể ứng
dụng trong các hệ thống VAWTs có công suất nhỏ và
nó sẽ là cơ sở mở ra một hướng nghiên cứu tính toán
thiết kế cơ cấu điều khiển góc xoay cánh turbine cho
hiệu quả cao hơn.
-18-
n2l2564MU4o]
B9
[1]. Đinh Bá Trụ, Hoàng Văn Lợi, Hướng dẫn sử
dụng ANSYS, Hà Nội, 2003.
[2]. ThS. Chu Đức Quyết, “ Mô hình hóa, tính toán
thiết kế hệ thống cánh turbine gió kiểu trục đứng
trong máy phong điện công suất 10KW” luận văn
thạc sỹ, 2009.
[3]. Dương Văn Đồng, “Nghiên cứu, tính toán và thiết
kế biên dạng cánh turbine gió trục đứng cho máy
phát điện công suất 3KW” luận văn thạc sỹ, 2010.
[4]. PGS. TS Nguyễn Văn Vượng, Sức bền vật liệu,
NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2000.
[5]. Kỷ yếu, Hội thảo toàn quốc về giảng dạy Nguyên
lý-Chi tiết máy, Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
Thái nguyên, 11&12/5/2008.
[6]. 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
M
[7]. Y. Nakasone, S. Yoshimoto,T. A. Stolarski,
Engineering analysis with ANSYS software, 2006.
-19-
[8]. Erich Hau, Windturbines Fundamentals,
Technologies, Application and Economics.
Springer 2005.
[9]. Martin O. L. Hansen. Aerodynamics of Wind
Turbines Second Edition, by Earthscan in the UK
and USA in 2008.
[10]. D. Le Gouriér‹s, Wind power plants theory and
design , 1982
[11]. J. F. Mandell, D. D. Samborsky, and D. S. Cairns,
Fatigue of Composite Materials and
Substructures for Wind Turbine Blades,
Contractor Report SAND2002-0771, Sandia
National Laboratories, Albuquerque, NM, 2002.
[12]. R. P. L. Nijssen, OptiDAT - Fatigue of Wind
Turbine Blade Materials Database, 2006.
[13]. Using of composite material in wind turbine
blades. Journal of Applied Sciences 6 (14), 2006.
[14]. J.F. Manwell, J.G. McGowan and A.L. Rogers,
Wind energy explained theory, design and
application. 2002 by Wiley and Sons Ltd.
[15].
[16]. />[17]. />[18]. />o-Mechanics.gif
-20-
[19]. />v=sCSnq8tksgs&playnext=1&list=PL587B4950D
6645B27&index=32

[20]. Paul Cooper and Oliver Kennedy. Development
and Analysis of a Novel Vertical Axis Wind
Turbine
-21-