Nghiên cứu, tính toán, thiết kế và chế tạo mô hình bộ điều tốc turbine gió bằng cách sử dụng hệ bánh răng nón

Luận văn Thc sỹ
4
TịM TẮT

Các nghiên cu ngày nay về turbine gió là làm sao điều khiển hiệu qu tốc độ ca
turbine khi vận tốc gió thay đổi, đm bo hiệu suất turbine hot động cao nhất. Nhược
điểm lớn nhất ca các hệ thống turbine gió hiện ti là khi tốc độ gió thay đổi, thì tốc độ
turbine luôn không ổn định. Các nghiên cu ngày nay về turbine gió là làm sao điều
khiển hiệu qu tốc độ ca turbine khi vận tốc gió thay đổi.
Nội dung luận văn “Nghiên cu, tính toán, thiết kế và chế to mô hình bộ điều tốc
turbine gió bằng cách sử dụng hệ bánh răng nón” do thầy PGS.TS Nguyễn Ngọc
Phương hướng dẫn, được thực hiện trong thi gian hơn 8 tháng đã hoàn thành. Nội
dung luận văn trình bày về một kết cấu bộ điều tốc cánh turbine mới bằng cách dùng hệ
bánh răng nón để thực hiện việc xoay cánh turbine với phương pháp thiết kế, chế to và
quá trình điều khiển hoàn toàn đơn gin.
Sau quá trình tính toán và thiết kế, mô hình thí nghiệm đã được thi công hoàn chỉnh
và được thực nghiệm ti khoa Cơ Khí máy trưng Đi học Sư phm Kỹ thuật thành
phố Hồ Chí Minh. Kết qu thí nghiệm cho thấy bộ điều tốc sử dụng hệ bánh răng nón
hot động rất hiệu qu, tốc độ turbine được điều khiển linh hot nh hệ thống trục vít
bánh vít và động cơ bước. Kết qu ban đầu cho thấy quá trình nghiên cu đã đem li
những thành công trong quá trình điều khiển tốc độ turbine gió, đm bo độ ổn định,
cân bằng cho toàn bộ hệ thống turbine trong quá trình hot động.

ABSTRACT
Today, the researches about the wind turbine is how to effectively control the speed
of the turbine when the wind speed changes, ensure that the turbines are highest
effective performance. This is the biggest weakness of the current wind turbine system.
Luận văn Thc sỹ
5
Thesis content "Research, calculate, design and manufacture the model control of
wind turbine speed by bevel-gear system " by teacher Dr. Nguyen Ngoc Phuong guide,

was completed in the near 8 months. Thesis content consturcted a system control of
wind turbine speed by using the bevel-gear system to
revolve the turbine blade with
manufacturing and control process is straightforward.
After the calculation and design, experimental models is completed and
experimented at the mechanical Department of Engineering University of Technical
Education Ho Chi Minh. Experimental results showed that the turbine operated
effectively, flexible, turbine speed is controlled by bevel-gear and stepper motor. The
fist results showed that the research brought success in control the wind turbine speed,
ensure safeness and balance for the turbine system during operation.














Luận văn Thc sỹ
6
MC LC

TRANG TA TRANG
Quyết định giao đề tài

Lý lịch cá nhân i
Li cam đoan ii
Cm t iii
Tóm tắt iv
Mục lục vi
Danh mục hình vẽ ix
Danh mục bng xi
Danh mục ký hiệu xii
CHNG 1: TNG QUAN 13
1.1 Tng quan v lĩnh vc nghiên cu: 13
1.1.1 Lý do chọn đề tài 13
1.1.2 Mục đích ca đề tài nghiên cu 14
1.1.3 Tình hình nghiên cu trong và ngoài nước 15
1.2 Đi tng vƠ phm vi nghiên cu 16
1.3 ụ nghĩa thc tin vƠ ý nghĩa khoa hc ca đ tƠi 16
1.4 Phng pháp nghiên cu 16
CHNG 2: C S Lụ THUYT 17
2.1 Tng quan v năng lng gió 17
2.1.1 Định nghĩa gió và máy phát điện gió 17
2.1.2 Lịch sử phát triển năng lượng gió 18
2.2 Phân loi turbine gió 24
Luận văn Thc sỹ
7
2.2.1 Turbine gió trụ đng 24
2.2.2 Turbine gió trụ ngang 26
2.3 Đng lc hc cánh turbine gió 28
2.3.1 Thuyết động học ca turbine 28
2.3.2
Động lực học cánh turbine gió
30

2.4 Phân tích lc và các yu t hnh hng đn turbine 32
2.4.1 Phân tích lực tác dụng lên cánh turbine 32
2.4.2 Các giá trị nh hưng đến tốc độ trục chính turbine 36
2.4.3 Mi quan h gia góc ti α vƠ C
l
, C
d
39
CHNG 3: TệNH TOÁN, THIT K C KHệ 41
3.1 Thit k cánh turbine 41
3.1.1 Đưng kính cánh turbine 41
3.1.2 Tỷ số tốc độ đỉnh TSR (Tip Speed Ratio) 42
3.1.3 Hiệu suất turbine C
p
43
3.1.4 Số lượng cánh turbine 44
3.2 Tính toán, thit k trc turbine 45
3.2.1 Tính toán số vòng quay ca turbine 45
3.2.2 Tính toán thiết kế hộp tốc độ 46
3.2.3 Tính toán đưng kính trục 50
3.2.4 Lựa chọn ổ lăn 52
3.2.5 Chọn động cơ 53
3.2.5.1 Các loi động cơ bước và so sánh với các loi động cơ khác 53
Luận văn Thc sỹ
8
3.2.η.2 Tính toán công suất động cơ 58
3.2.θ Lựa chọn cm biến 60
3.2.7 Thiết kế cơ cấu hãm tốc 62
3.2.8 Thiết kế chân giá đỡ 62
CHNG 4: TệNH TOÁN CHO B ĐIU TC 63

4.1 Tính toán s vòng quay trc chính ng vi s thay đi ca góc ti 63
4.1.1 Mối quan hệ giữa góc nghiêng cánh và góc tới 63
4.1.2 Tính toán số vòng quay trục chính khi góc cánh thay đổi 63
4.2 Mối quan giữa tốc độ trục chính, hệ bánh răng nón, trục vít bánh vít và động cơ 71
CHNG 5: GII THIU MỌ HỊNH VÀ THC NGHIM 73
5.1 Cấu to vƠ nguyên lý hot đng ca b điu tc 73
5.1.1 Giới thiệu 73
5.1.2 Nguyên lý hot động 75
5.2 Kho sát hot động ca bộ điều tốc ng với sự thay đổi tốc độ trục chính 78
5.3 Kt qu thc nghim 82
5.3.1 Ghi nhận kết qu 83
5.3.2 Nhận xét kết qu thực nghiệm 85
KT LUẬN VÀ KIN NGH 88
PH LC 89
K HOCH THC HIN 91
TÀI LIU THAM KHO 92

Luận văn Thc sỹ
9
DANH MC HỊNH

HÌNH TRANG
Hình 1.1.3 Một dng kết cấu ca hệ thống xoay cánh turbine. 15
Hình 2.1.1 Các dng turbine gió 18
Hình 2.1.2.1 Mô hình cánh gió ti Tung Mỹ, cuối thế kỷ 19 19
Hình 2.1.2.2 Sử dụng cối xay gió để bơm nước trên đo Crete 20
Hình 2.1.2.3 Mô hình cối xay gió xuất hiện sau thế kỷ 13 20
Hình 2.1.2.4 Qut gió cánh thép bơm nước  vùng Trung Tây nước Mỹ (cuối 1800) 21
Hình 2.1.2.5 Máy phát điện sc gió do Charles F.Brush chế to 22
Hình 2.1.2.6 Kiểu turbine gió được phát minh vào năm 19θ0 23

Hình 2.1.2.7 Dng turbine gió hiện đi được sử dụng phổ biến ngày nay 24
Hình 2.2.1 Một dng turbine gió trục đng 27
Hình 2.2.1 Một dng turbine gió trục ngang 29
Hình 2.3.1 Mô hình dòng chy ca không khí qua mặt cắt ngang 31
Hình 2.3.2 Động lực học cánh turbine gió. 33
Hình 2.3.1.1:Phân tích lực tác động lên cánh turbine. 35
Hình 2.3.1.2 Biểu diễn lực trên mặt phẳng cắt ngang ca cánh turbine . 37
Hình 2.3.1.3 Các yếu tố nh hưng đến cánh turbine 38
Hình 2.4.2.1 nh hưng vận tốc đến góc tới 40
Hình 2.4.2.2 Góc tới

tăng làm nh hưng đến hiệu suất làm việc turbine 41
Hình 2.4.2.3 Hình biểu diễn mặt phẳng lực 42
Hình 2.4.3: Mối quan hệ giữa góc tới α và C
l
, C
d.
43
Hình 2.4.3 Đưng kính turbine thiết kế 4η

Luận văn Thc sỹ
10
Hình 3.2.2 Biểu đồ biểu diễn mối quan hệ giữa C
p
và λ 46
Hình 3.2.3 Mối quan hệ giữa số lượng cánh turbine và hiệu suất C
p
. 47
Hình 3.2.4 Lựa chọn ổ lăn 55
Hình 3.2.5.1 Động cơ bước từ tr. 57

Hình 3.2.5.2 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu. 58
Hình 3.2.5.3 Động cơ bước lai 59
Hình 3.2.5.4 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu 61
Hình 3.2.6 Cm biến từ dùng nhân biết kim loi 65
Hình 4.1 Biểu đồ biểu diễn sự thay đổi tốc độ trục chính ng với vận tốc gió khác
nhau khi góc tới thay đổi 72
Hình 4.2 Biểu đồ biểu diễn tốc độ trục chính và góc xoay động cơ bước theo tính toán
lý thuyết 73
Hình 5.1.2.1 Cấu to bộ điều tốc 78
Hình 5.1.2.2 Bộ cấp điện cho động cơ bước 80
Hình 5.2.1 Mô hình thí nghiệm 81
Hình 5.2.2 Các thí nghiệm tiến hành 83
Hình 5.3.1 Biểu đồ thực nghiệm biểu diễn mối quan hệ tốc độ trục chính và góc xoay
động cơ 86
Hình 5.3.2 Biểu đồ biểu diễn mối quan hệ giữa tốc độ trục chính và góc xoay động cơ
bước theo thực nghiệm và theo tính toán lý thuyết. 88


Luận văn Thc sỹ
11
DANH MC BNG

BNG TRANG
Bng 2.4.3 Giá trị hệ số nâng và hệ số cn tương ng với từng góc 40
Bng 4.1 Bng giá trị diểu diễn mối liên hệ góc tới và góc xoay cánh 59
Bng 4.2.1 Số vòng quay trục chính ng với
0
2

66

Bng 4.2.2 Số vòng quay trục chính ng với
0
4

68

Bng 4.2.3 Số vòng quay trục chính ng với
0
5

68

Bng 4.2.4 Số vòng quay trục chính ng với
0
7

69

Bng 4.2.5 Số vòng quay trục chính ng với
0
10

70

Bng 4.2.6 Số vòng quay trục chính ng với
0
16

70

Bng 4.2.7 Bng tổng hợp tốc độ trục chính ng với các giá trị gía trị góc tới 72
Bng 5.2 Kho sát góc xoay động cơ bước ng với sự thay đổi tốc độ 82

Bng 5.3.1.1 Giá trị góc xoay động cơ bước ng với sự thay đổi tốc độ trục chính 85
Bng 5.3.1.2 Bng giá trị biểu diễn góc xoay động cơ ng với tốc độ trục chính 87





Luận văn Thc sỹ
12
DANH MC Kụ HIU

a đi lượng đặc trưng sự thay đổi vận tốc[ ] α góc tới ca dòng không khí [độ]
A diện tích hot động cánh turbine [m
2
]  góc xoay cánh turbine [độ]
c chiều dài dây cung cánh [m] φ góc dòng chy [độ]
C
p
hệ số công suất turbine [ ] λ tốc độ dỉnh (vận tốc tip)
C
l
hệ số cn [ ]  hiệu suất turbine [ ]
C
d
hệ số nâng [ ] Ω vận tốc góc [rad/s]
D lực cn [N] ρ khối lượng riêng không khí [kg/m
3

]
L lực nâng [N]
F lực tác dụng lên turbine [N]
m khối lượng dòng chy [kg]
n số lượng cánh qut [ ]
P công suất turbine [W]
q lưu lượng dòng chy [m
3
/s]
r bán kính cánh turbine [m]
t thi gian [s]
T moment sinh ra [Nm]
V
0
vận tốc gió [m/s]
V
rel
vận tốc tổng hợp [m/s]
Luận văn Thc sỹ
13

CHNG 1
TNG QUAN

1.1 Tng quan v lĩnh vc nghiên cu
1.1.1 Lý do chọn đề tài
Ngày nay, năng lượng là một trong những nhu cầu thiết yếu ca con ngưi và là
một yếu tố đầu vào không thể thiếu được ca hot động kinh tế. Khi mc sống ca
ngưi dân càng cao, trình độ sn xuất ca nền kinh tế ngày càng hiện đi thì nhu cầu
về năng lượng cũng ngày càng lớn và việc thỏa mãn nhu cầu này thực sự là một thách

thc đối với hầu hết mọi quốc gia. Khi các nguồn năng lượng hoá thch ngày càng bị
cn kiệt, nhu cầu sử dụng điện năng ngày một tăng cao, vấn đề môi trưng cần được
đm bo thì việc tìm kiếm, khai thác, sử dụng các nguồn năng lượng mới được đặt ra
rất cấp thiết.
Hiện trên thế giới, việc phát triển điện từ nguồn năng lượng mới đang là một xu thế
lớn, đặc biệt nguồn năng lượng gió thể hiện  mc tăng trưng cao nhất so với các
nguồn năng lượng khác.  Việt Nam, sự khi sắc ca nền kinh tế từ sau đổi mới làm
nhu cầu về điện gia tăng đột biến trong khi năng lực cung ng chưa phát triển kịp thi.
Nếu tiếp tục đà này, nguy cơ thiếu điện vẫn sẽ còn là nỗi lo thưng trực ca ngành
điện lực Việt Nam cũng như ca các doanh nghiệp và ngưi dân c nước. Do đó, việc
đầu tư và xây dựng các nhà máy phát điện là vô cùng cần thiết và cấp bách. Với
những thành tựu ca thế giới và tiềm năng ca Việt Nam về năng lượng gió, chúng ta
hoàn toàn có thể phát triển nguồn năng lượng này để góp phần vào sự phát triển kinh
tế - xã hội ca đất nước.
Với những ưu điểm từ năng lượng gió gii quyết được vấn đề cấp bách hiện nay là
môi trưng,Việt Nam đang dần xây dựng và m rộng, phát triển nguồn năng lượng
Luận văn Thc sỹ
14
dồi dào này, nhưng để tận dụng triệt để, ngoài yếu tố tự nhiên còn phụ thuộc nhiều
vo vấn đề kỹ thuật, đặc biệt là hệ thống phát điện gió. Do gió là nguồn năng lượng
không ổn định nên trong quá trình khai thác thưng xy ra các sự cố về mặt kỹ thuật
làm hư hỏng các hệ thống máy phát. Nhược điểm ca động cơ gió là khi tốc độ gió
thay đổi, tốc độ quay ca turbine cũng thay đổi theo, khi tốc độ trục chính tăng cao
vượt qua tốc độ cho phép thì có thể gây cháy máy phát hoặc mất cân bằng toàn bộ hệ
thống turbine gây ra những thiệt hi nghiêm trọng.
Nhận biết được tầm quan trọng ca động cơ phát điện gió, đề tài “Nghiên cu, tính
toán, thiết kế và chế to mô hình bộ điều tốc turbine gió bằng cách sử dụng hệ bánh
răng nón” được thực hiện. Với bộ điều tốc này có thể giữ cho tốc độ quay ca turbine
ổn định bằng cách xoay cánh để thay đổi diện tích bề mặt hng gió, giúp cho turbine
luôn hot động với hiệu suất lớn nhất, linh hot vừa to sự ổn định, mặt khác phi giữ

được sự cân bằng cho toàn bộ hệ thống turbine gió.
Khi đề tài được khai thác một cách triệt để sẽ ha hẹn mang đến nhiều thành công
mới trong việc xây dựng và chế to máy phát điện gió phù hợp với mọi sự thay đổi từ
gió, nâng cao sự hot động ổn định cho toàn bộ hệ turbine gió, đm bo độ cân bằng
ca toàn bộ hệ thống được và gim bớt những ri ro đồng thi mang li hiệu qu kinh
tế cao.
1.1.2 Mục đích ca đề tài nghiên cu
Một turbine gió cần phi hot động với một công suất tối ưu, phi khai thác được
tiềm năng vốn có ca nó, đồng thi cần phi xét về chi phí, mc độ bo trì Chính vì
vậy, cần có những phương pháp điều khiển, kết cấu phù hợp để hn chế những ri ro,
chi phí thiết kế gim, chế độ bo trì và phương pháp điều khiển đơn gin nhưng hiệu
qu.
Nhiệm vụ trước mắt ca đề tài là thực hiện các bước tính toán và thiết kế ban đầu
Luận văn Thc sỹ
15
khi tiến hành chế to một turbine gió, chế to thành công mô hình bộ điều tốc cho
turbine gió bằng cách sử dụng hệ bánh răng nón để xoay cánh. Tiến hành thực
nghiệm, thu thập số liệu và so sánh với lý thuyết.
Xa hơn nữa, nếu quá trình nghiên cu thành công, ha hẹn sẽ đem li nhiều đóng
góp to lớn cho ngành công nghiệp gió, khai thác triệt để tiềm năng ca nguồn năng
lượng này, sử dụng ch yếu ngoài khơi, những nơi có lượng gió dồi dào.
1.1.3 Tình hình nghiên cu trong, ngoài nước:
Hiện nay việc thiết kế, chế to hệ thống cánh để có thể xoay được đã và đang
nghiên cu rộng rãi trên thế giới. Kết cấu điều khiển cánh riêng lẻ nghĩa là mỗi cánh
sẽ được điều khiển bằng một hệ riêng biệt cũng đang là lĩnh vực nghiên cu mới
[hình 1.1.3a] ha hẹn mang đến nhiều thành công mới trong ngành điện gió. Với cách
điều khiển này sẽ giúp gim ti tác dụng lên cánh turbine, giúp turbine hot động nhẹ
hơn, cánh luôn được điều chỉnh kịp thi để tăng hiệu suất cao nhất đồng thi làm tăng
độ bền mỏi ca cánh nên tuổi thọ ca hệ thống cánh tăng lên đáng kể, khắc phục hoàn
toàn hiện tượng gãy cánh do chịu áp lực lớn. Khi hướng gió thay đổi, ti đặt lên cánh

cũng thay đổi, hệ điều khiển từng cánh sẽ ghi nhận ti phân bố trên từng cánh và có
nhiệm vụ điều chỉnh để gim ti và cân bằng ba cánh, do đó, có thể làm cho hệ điều
khiển tr nên phc tp. Tiếp đó, quá trình điều khiển riêng lẻ đòi hỏi hệ điều khiển
từng cánh phi luôn hot động tốt, nếu hệ điều khiển một trong ba cánh ca turbine có
vấn đề, không hot động được thì sẽ dễ dàng gây nh hưng, làm mất cân bằng hệ
thống turbine hơn so với quá trình điều khiển đồng bộ.
Luận văn Thc sỹ
16

a b

c d
Hình 1.1.3 Các dng kết cấu ca hệ thống xoay cánh turbine đã được nghiên cu .
Với phương pháp thiết kế cũ là 3 cánh turbine đều cố định. Với kết cấu này, luôn
đm bo hệ thống an toàn về mặt kết cấu nhưng nếu vận tốc gió thay đổi đột ngột về
tốc độ, cũng như hướng di chuyển thì hiệu suất turbine sẽ không đt hiệu qu như
mong muốn. Hiện nay, dng thiết kế này ít sử dụng, thưng sử dụng ch yếu nơi gió
có công suất nhỏ như các hộ gia đình.
Kết hợp 2 kết cấu trên, việc thiết kế một hệ thống kết cấu có thể điều khiển xoay
cánh một cách đồng bộ có nhiều ưu điểm. Kết cấu này cũng đang được nghiên cu
nhiều trên thế giới với những kết cấu đa dng nhưng quá trình điều khiển cũng như
kết cấu vẫn chưa hoàn toàn tối ưu [hình 1.1.3 b, c, d], vẫn còn phc tp về kết cấu.

Luận văn Thc sỹ
17
Trong nước, hiện nay các đề tài về nghiên cu để điều khiển tốc độ turbine gió
cũng đã và đang được nghiên cu rộng rãi. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều hn chế như bộ
điều tốc kém ổn định, phương pháp điều khiển phc tp.
1.2 Đi tng vƠ phm vi nghiên cu:
Đối tượng nghiên cu là turbine gió trục ngang

Nghiên cu, phân tích động lực học turbine gió trục ngang
Tối ưu hóa hệ thống xoay cánh bằng hệ bánh răng nón.
Thiết kế và chế to mô hình.
Thực nghiệm so sánh với tính toán lý thuyết.
1.3 ụ nghĩa khoa hc vƠ ý nghĩa thc tin ca đ tƠi:
Về ý nghĩa khoa học: Đề tài đưa ra một kết cấu và phương pháp điều khiển tốc độ
turbine gió hoàn toàn mới, tối ưu và kh năng gii quyết được những khó khăn trước
mắt ca một turbine gió, đáp ng linh hot với sự thay đổi tốc độ ca trục chính, vừa
đm bo sự cân bằng tuyệt đối cho turbine,…
Về ý nghĩa thực tiễn: Đề tài mang tính thi sự cao, là vấn đề được quan tâm nhiều
 thi điểm hiện ti, thiết kế và điều khiển đơn gin có thể sử dụng cho turbine gió có
công suất nhỏ sử dụng ti gia đình và có ý nghĩa rất lớn với ngành công nghiệp gió đòi
hỏi công suất lớn được sử dụng ngoài khơi.
1.4 Phng pháp nghiên cu:
Tham kho tài liệu.
Phân tích số liệu, tính toán trên cơ s lý thuyết.
Thực nghiệm và thu thập số liệu.


Luận văn Thc sỹ
18
CHNG 2
C S Lụ THUYT

2.1 Tng quan v năng lng gió
2.1.1 Định nghĩa turbine gió và máy phát điện gió
Turbine gió là máy dùng để biến đổi động năng ca gió thành cơ năng. Máy năng
lượng này có thể được dùng trực tiếp như trong trưng hợp ca cối xay bằng sc gió,
hay biến đổi tiếp thành điện năng như trong trưng hợp máy phát điện bằng sc gió.
Máy phát điện bằng sc gió bao gồm nhiều thành phần khác nhau. Nhưng thành phần

quan trọng nhất vẫn là motor điện một chiều; loi dùng nam châm bền và cánh đón lấy
gió. Còn li là các bộ phận khác như: đuôi lái gió, trục và cột để dựng máy phát, bộ
phận đổi dòng điện để hợp với bình ắcqui và cuối cùng là một chiếc máy đổi điện
(inverter) để chuyển điện từ ắc quy thành điện xoay chiều thông dụng.
Máy phát điện turbine gió thưng sử dụng máy phát là loi xoay chiều có nhiều
cặp cực do kết cấu đơn gin và phù hợp đặc điểm tốc độ thấp ca turbine gió.
Các máy phát điện sử dụng năng lượng gió thưng được xây dựng gần nhau và điện
năng sn xuất ra được hòa vào mng điện chung sau đó biến đổi để có được nguồn điện
phù hợp. Việc sử dụng ăc quy để lưu giữ nguồn điện phát ra chỉ sử dụng cho máy phát
điện đơn lẻ và cung cấp cho hộ tiêu thụ nhỏ (gia đình). Việc lưu điện vào ắc quy và sau
đó chuyển đổi li thưng cho hiệu suất thấp hơn và chi phí cao cho bộ lưu điện tuy
nhiên có ưu điểm là ổn định đầu ra.
Ngoài ra còn có một cách lưu trữ năng lượng gió khác. Ngưi ta dùng cánh qut
gió truyền động trực tiếp vào máy nén khí. Năng lượng gió sẽ được tích trữ trong hệ
thống rất nhiều bình khí nén. Khí nén trong bình sau đó sẽ được lần lượt bung ra để
Luận văn Thc sỹ
19
xoay động cơ vận hành máy phát điện. Quá trình np khí và x khí được luân phiên
giữa các bình, bình này đang x thì các bình khác đang được np bi cánh qut gió.
Điện sẽ được ổn định liên tục.
Hiện nay có hai kiểu turbine phổ biến, đó là loi trục ngang và loi trục đng,
thưng được thiết kế như [hình 2.2.2]

Hình 2.1.1 Các dng turbine gió

2.1.2 Lịch sử phát triển ca năng lượng gió
Lịch sử phát triển ca thế giới loài ngưi đã chng kiến những ng dụng ca năng
lượng gió vào cuộc sống từ rất sớm. Gió giúp quay các cối xay bột, gió giúp các thiết
bị bơm nước hot động và gió thổi vào cánh buồm giúp đưa các con thuyền đi xa. Theo
những tài liệu cổ thì bn thiết kế đầu tiên ca chiếc cối xay hot động nh vào sc gió

là vào khong thi gian những năm η00-900 sau Công Nguyên ti Ba Tư (Irac ngày
nay). Đặc điểm nổi bật ca thiết bị này đó là các cánh đón gió được bố trí xung quanh
một trục đng, minh ho một mô hình cánh gió được lắp ti Trung Mỹ vào cuối thế kỷ
19, mô hình này cũng có cấu to cánh đón gió quay theo trục đng.
Luận văn Thc sỹ
20

Hình 2.1.2.1 Mô hình cánh gió ti Trung Mỹ, cuối thế kỷ 19
Muộn hơn nữa, kể từ sau thế kỷ 13, các cối xay gió xuất hiện ti châu Âu (Tây Âu)
với cấu trúc có các cánh đón gió quay theo phương ngang, chúng phc tp hơn mô
hình thiết kế ti Ba Tư. Ci tiến cơ bn ca 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
ca cối xay gió thi kỳ này cao hơn nhiều so với mô hình thiết kế từ những năm η00 -
900 ti Ba Tư. Một trong các ng dụng thành công nhất ca năng lượng gió là sử dụng
rộng rãi ca máy bơm nước trên hòn đo Crete.  đây, hàng trăm cánh buồm, cánh
qut cối xay gió để bơm nước cho cây trồng và vật nuôi.

Luận văn Thc sỹ
21

Hình 2.1.2.2 Sử dụng cối xay gió để bơm nước trên đo Crete


Hình 2.1.2.3 Mô hình cối xay gió xuất hiện sau thế kỷ 13
Trong suốt những năm tiếp theo, các thiết kế ca thiết bị chy bằng sc gió càng
ngày được hoàn thiện và được sử dụng rộng rãi trong khá nhiều các lĩnh vực ng dụng:
chế to các máy bơm nước, trong nông nghiệp, các thiết bị xay xát, xẻ gỗ, nhuộm vi…
Cho đến đầu thế kỷ 19, cùng với sự xuất hiện ca máy hơi nước, thiết bị chy bằng sc
gió dần dần bị thay thế. Lịch sử con ngưi đã bước sang thi kỳ mới với những công
cụ mới: máy chy hơi nước.

Luận văn Thc sỹ
22
Quá trình hoàn thiện những cánh buồm cối xay gió, ci tiến tăng thêm hiệu qu, mất
η00 năm. Bi thi gian quá trình này được hoàn thành, thuyền buồm cối xay gió đã có
tất c các tính năng chính được công nhận bi các nhà thiết kế hiện đi là rất quan
trọng đến việc thực hiện ca các cánh qut turbine gió hiện đi. Trong khi tiếp tục bước
vào thế kỷ 19, việc sử dụng ca các nhà máy tháp lớn gim với tăng cưng sử dụng
động cơ hơi nước.

Hình 2.1.2.4 Qut gió cánh thép bơm nước  vùng Trung Tây nước Mỹ (cuối 1800)
Đối với hàng trăm năm, các ng dụng quan trọng nhất ca cối xay gió  cấp độ sinh
hot phí đã được cơ khí bơm nước sử dụng hệ thống tương đối nhỏ với đưng kính
cánh qut ca một vài mét. Các hệ thống này đã được hoàn thiện ti Hoa Kỳ trong thế
kỷ 19, bắt đầu từ Halladay năm 18η4, vẫn đang được sử dụng ngày hôm nay.
Năm 1888, Charles F. Brush đã chế to chiếc máy phát điện chy sc gió đầu
tiên, và đặt ti Cleveland, Ohio. Nó có đặc điểm:
 Cánh ghép thành xuyến tròn, đưng kính vòng ngoài 17 m
 Sử dụng hộp số (tỉ số truyền η0 : 1) ghép giữa cánh turbine với trục máy phát
 Tốc độ định mc ca máy phát là η00 vòng/phút
 Công suất phát định mc là 12kW
Luận văn Thc sỹ
23

Hình 2.1.2.5 Máy phát điện sc gió do Charles F.Brush chế to
Phát triển châu Âu tiếp tục sau khi chiến tranh thế giới th II, khi tình trng thiếu hụt
tm thi ca nhiên liệu hóa thch đã dẫn đến chi phí năng lượng cao hơn. Như  Hoa
Kỳ, các ng dụng ch yếu cho các hệ thống này là kết nối với lưới điện.
Phát triển dọc trục cánh qut hiện đi được bắt đầu ti Pháp bi GJM Darrieus trong
những năm 1920. Trong một số cánh qut thiết kế, một trong những quan trọng nhất là
một cánh qut bao gồm mnh, cong, phần lưỡi dao gắn  phía trên và dưới cùng ca

một ống thẳng đng quay, đã được tái phát minh vào cuối những năm 19θ0 bi hai nhà
nghiên cu Canada.

Hình 2.1.2.6 Kiểu turbine gió được phát minh vào năm 19θ0
Luận văn Thc sỹ
24
Nỗ lực ca Mỹ ti Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia bắt đầu sau khi lệnh cấm vận
dầu năm 1973, với sự xâm nhập ca Chương trình Năng lượng gió liên bang Mỹ vào
chu kỳ phát triển năng lượng gió.
Quá trình hoàn thiện những cánh buồm cối xay gió, ci tiến tăng thêm hiệu qu, mất
η00 năm. Bi thi gian quá trình này được hoàn thành, thuyền buồm cối xay gió đã có
tất c các tính năng chính được công nhận bi các nhà thiết kế hiện đi là rất quan
trọng đến việc thực hiện ca các cánh qut turbine gió hiện đi.
Và cho tới ngày nay thì turbine gió đã phát triển mnh trên hệ thống toàn cầu Anh,
Đc, Mỹ… Đây chính là nguồn năng lượng được đầu tư mnh từ các quốc gia trong đó
có Việt Nam. Gió là nguồn năng lượng có nhiều tiềm năng, cùng với năng lượng mặt
tri đây là những nguồn năng lượng sch đem li nhiều hiệu qu kinh tế cao và có thể
thay thế những nguồn nhiên liệu trước đây…

Hình 2.1.2.7 Dng turbine gió hiện đi được sử dụng phổ biến ngày nay

Luận văn Thc sỹ
25
2.2 Phơn loi turbine gió
Hiện nay đặc điểm ngưi ta phân turbine gió làm hai loi cơ bn sau: Turbine gió
trục đng và turbine gió trục ngang.
2.2.1 Turbine gió trục đng

Hình 2.2.1 Một dng turbine gió trục đng
Một turbine gió trong đó trục quay là vuông góc với luồng gió và mặt đất. Turbine gió

trục đng làm việc giống như một bánh xe nước.
Những ưu điểm cơ bn ca turbine gió trục đng là:
Các máy phát điện, hộp số có thể đặt trên mặt đất
Cánh qut tự động hướng gió  bất c vị trí nào.
Những khó khăn cơ bn:
Luận văn Thc sỹ
26
Tốc độ gió thấp vì đặt gần với mặt đất . Do đó, tốc độ gió sẽ rất thấp trên phần
dưới ca các cánh qut
Hiệu suất tổng thể ca turbine trục dọc không cao
2.2.2 Turbine gió trục ngang

Hình 2.2.2 Một dng turbine gió trục ngang
Một turbine gió, trong đó trục quay ca rotor là song song với các luồng gió và
mặt đất là turbine gió trục ngang. Tất c các kết nối lưới điện turbine gió thương mi
ngày hôm nay được xây dựng với một cánh qut-rotor loi trên một trục ngang (tc là
một trục ngang chính). Hầu hết các trục ngang turbine được xây dựng ngày hôm nay là
hai hoặc ba cánh, mặc dù một số có lưỡi ít hay nhiều. Mục đích ca cánh qut là để
chuyển đổi những chuyển động tuyến tính ca gió thành năng lượng quay có thể được
sử dụng để phát điện. Nguyên tắc cơ bn giống nhau được sử dụng trong một turbine
nước hiện đi, nơi có dòng chy ca nước là song song với trục quay ca cánh turbine.
Gió đi qua c bề mặt ca cánh, một mục tiêu trong thiết kế turbine gió là cánh
Luận văn Thc sỹ
27
turbine. Tỷ lệ này có thể khác nhau dọc theo chiều dài ca cánh turbine để tối ưu hóa
năng lượng ca turbine gió  tốc độ khác nhau. Đặc điểm nổi bật ca turbine gió trục
ngang là tiết diện ca tất c các cánh đều hng gió tốt, nên có thể đt tối đa công suất.
Hiện nay việc xây dựng turbine gió trục ngang đang được sử dụng rộng rãi dựa trên
nhiều ưu điểm ca nó.Vì vậy, từ những ưu nhược điểm, mô hình được sử dụng nghiên
cu chính là turbine gió loi trục ngang.

2.3 Đng lc hc ca cánh turbine gió
2.3.1 Thuyết động học ca turbine :


Hình 2.3.1.1 Mô hình dòng chy ca không khí qua mặt cắt ngang [4]
[Hình 2.3.1.1] cho thấy sự di chuyển ca không khí với U.Δt chiều dài, và A là mặt
cắt ngang với mật độ ρ, thể tích dòng chy trong mẫu thí nghiệm là ρ.U.Δt.A , do đó
lưu lượng đi qua trong mỗi giây là:
m = ρUA (2.1)
Tương tự, động lượng và năng lượng sinh ra trong dòng chy:
Động lượng
AUUm
2


(2.2)
Năng lượng
AUUm
2
1
.
2
1
32


(2.3)
Luận văn Thc sỹ
28
Động lượng và năng lượng bị nh hưng bi lực D, đã tác động gây cn tr dòng

chy. Quá trình này được thể hiện rõ nhất qua [hình 2.3.1.2].
Lực đẩy D được xác định bi đơn vị ∆p=D/A (2.4)
Với sự di chuyển dòng chy như trong [hình 2.3.1.2], Theo phương trình Bernoulli ,
các động lượng và năng lượng năng lượng sinh ra được tính:

)(
1 e
VUVAD 

(2.5)

)
2
1
2
1
(
2
2
1 e
UUVAP 

(2.6)
P là năng lượng làm việc được tính trên 1giây, lực D tác dụng lên dòng chy có liên hệ
với vận tốc V
1
theo công thc P = D.V
1
(2.7)
Kết hợp (2.η), (2.6), (2.7) ta có vận tốc

)(
2
1
1 e
VUV 
(2.8)
Khi dòng không khí đi qua một turbine gió, chúng ta có thể xem xét và chia thành ba
tốc độ gió tương ng: vận tốc trước khi vào turbine U, vận tốc khi qua turbine V
1
, vận
tốc sau khi ra khỏi turbine V
e
và lực cn D.

Hình 2.3.1.2 Tác dụng dòng chy lên turbine [4]
Gọi a là đi lượng đặc trưng cho sự thay đổi vận tốc ti bề mặt được xét

U
VU
a
)1( 

(2.9)

Thay vào phương trình (2.η), (2.θ) ta được: