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

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

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

GIANG NGỌC THANH

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

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
HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

HỌC VIÊN

PGS.TS. Nguyễn Đăng Hòe

Giang Ngọc Thanh

KHOA ĐÀO TẠO SĐH

BGH TRƯỜNG ĐHKTCN

PGS.TS. Nguyễn Đăng Hòe

Thái Nguyên, 2010

THÁI NGUYÊN, 2010
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



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

LỜI CẢM ƠN

(khóa học 2008 - 2010) tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái

Sau một thời gian học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường Đại học Kỹ thuật

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

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

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

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 -

văn. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

đường Cách mạng tháng tám - thành phố Thái Nguyên - tỉnh Thái Nguyên) đã tạo mọi
Thái Nguyên, ngày 03 tháng 11 năm 2010
Tác giả

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

Giang Ngọc Thanh

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



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

MỤC LỤC

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
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................... 1

4.5. Kết luận chương 4. .......................................................................................... 61

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .................................................................................. 2

KẾT LUẬN ............................................................................................................. 62

Chƣơng 1. GIỚI THIỆU .......................................................................................... 4

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 64

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



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




-1-

-2-

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

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Vận tốc thực của gió (m).

Hình 1.1

Cấu tạo bộ dẫn động cơ khí của turbine gió trục ngang



Trọng lượng riêng của không khí (kg/m ).

Hình 1.2

Hình ảnh vận chuyển cánh turbine gió trục ngang ở nước Anh.

b

Chiều rộng cánh turbine (m).

Hình 1.3

Hệ thống turbine gió trục đứng có biên dạng cánh phức tạp

h

Chiều cao cánh turbine (m).

Hình 2.1

Khí động học cánh Rotor

r

Bán kính Rotor (m).

Hình 2.2

Lực khí động học cánh turbine

P

Công suất (W).

Hình 2.3

Turbine kiểu dạng chén

M

Mômen (Nm).

Hình 2.4

Turbine kiểu Darrieus và các dạng cải tiến của nó

C

Hệ số nâng.

Hình 2.5

Lực khí động học trên phần tử cánh Turbine Darrieus/H.rotor

Cd

Hệ số cản (drag coefficient).

Hình 2.6

Turbine kiểu Savonius

Hình 2.7

Rotor dạng tấm phẳng bán hành trình

Diện tích quét của cánh turbine (m ).

Hình 2.8

Hệ thống cyclogyro



Góc xoay cánh turbine (độ).

Hình 2.9

Hệ thống Lagarde

F

Áp lực (N).

Hình 2.10

Hệ thống kiểu đĩa

i

Góc tới (độ).

Hình 2.11

Hệ thống Novel Vertical Axis Wind Turbine



Góc nâng (độ).

Hình 2.12

Cấu tạo của Novel VAWT

g

Gia tốc trọng trường (9.81m/s2).

Hình 2.13

Sơ đồ nguyên lý hoạt động

W

Vận tốc tương đối (m).

Hình 2.14

Vị trí cánh trong chu kỳ sinh công của turbine



Vận tốc góc (rad/s).

Hình 2.15

Vị trí cánh trong chu kỳ không sinh công của turbine

Cp

Hệ số công suất.

Hình 3.1

Cm

Hệ số mômen.

Hình 3.2

Vị trí cánh trong chu kỳ sinh công (trái) và chu kỳ sinh công
(phải)
Gió tác động lên cánh

Số vòng quay (vòng/giây)

Hình 3.3

Các thành phần lưc Fl và Fd tác dụng lên cánh

Hình 3.4

Các thành phần lực tiếp tuyến và pháp tuyến ở nửa bên phải.

S
A

n

3

2

Diện tích cánh (m ).
2

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





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




-3-

-4-

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 giữa Cm, Cl, 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

phát triển nhanh nhất trên thế giới vì nguyên liệu dồi dào, rẻ tiền, dễ áp dụng,

Hình 4.7

Ổ lăn

sạch và không làm hại môi trường. Các máy phát điện lợi dụng sức gió (trạm

Hình 4.8

Bánh răng Z9

phong điện) đã được sử dụng nhiều ở các nước châu Âu, Mỹ và các nước công

Hình 4.9

Bánh răng Z10

nghiệp phát triển khác. Đức đang dẫn đầu thế giới về công nghệ phong điện.

Hình 4.10

Bánh răng Z1

Hiện tại, các trạm phong điện trục ngang (gồm một máy phát điện có trục

Hình 4.11

Bánh răng Z2

quay nằm ngang với turbine 3 cánh đón gió) đang được sản xuát và sử dụng phổ

Hình 4.12

Bánh răng Z16

biến hơn nhiều so với các trạm phong điện trục đứng (gồm một máy phát điện

Hình 4.13

Bánh răng Z17

có trục quay thẳng đứng với các cánh đón gió đặt thẳng đứng). Hiện có các loại

Hình 4.14

Chi tiết trục

máy phát phong điện với công suất rất khác nhau, từ vài trăm W tới hàng MW.

Hình 4.15

Giá đỡ ổ lăn số 5, 8

Các trạm phong điện có thể hoạt động độc lập hoặc cũng có thể nối với mạng

Hình 4.16

Giá đỡ ổ lăn số 11, 15

điện quốc gia. Các trạm phong điện có thể phát điện khi tốc độ gió từ 3 m/s (11

Hình 4.17

Chi tiết số 3

km/h), và tự ngừng phát điện khi tốc độ gió vượt quá 25 m/s (90 km/h). Tốc độ

Hình 4.18

Chi tiết số 18

gió hiệu quả từ 10 m/s tới 17 m/s, tùy theo từng thiết bị phong điện.

Hình 4.19

Cụm chi tiết số 19

Hình 4.20

Các chi tiết thuộc cụm chi tiết số 19

của các công ty lớn cũng như của nhiều nhà khoa học trên thế giới, với những

Hình 4.21

Hình ảnh mô phỏng cơ cấu điều khiển 5 cánh turbine.

thành công vượt bậc về công nghệ, thể hiện qua sản phẩm mang tính thương mại

Chƣơng 1
GIỚI THIỆU

1.1. Đặt vấn đề
Hiện nay, trong số các nguồn năng lượng mới, năng lượng bằng sức gió

Đối với hệ turbine gió kiểu trục ngang (HWAT). Đây là hướng đi chủ yếu

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



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




-5-

-6-

sản phẩm V52-850 kW, V80-1.8 MW, V80-2.0 MW, V82-1.65 MW, V90-

Turbine gió ngang có một trục rôto chính và máy phát điện ở phía trên tháp, hoạt

1.8&2.0 MW, V90-3.0 MW; Suzlon (India) với các turbine 950 kW to 2 MW;

động theo chiều gió với bề mặt cánh quạt hướng về chiều gió đang thổi nhờ một

GE Energy (USA) có các sản phẩm 1.500 - 3.600 kW;

van gió, chúng rất lý tưởng cho những nơi hướng gió thay đổi thường xuyên.

Siemens(germany) đưa ra thị trường các turbine lớn 1.3 MW, 2.3 MW và 3.6

Không giống như turbine dọc, turbine gió dạng trục ngang hoạt động đúng

MW; ..v..v. Tuy nhiên các hệ thống này hiện được xem là rào cản lớn về mặt

hướng gió, và cánh turbine dao luôn luôn di chuyển vuông góc với gió, năng

công nghệ chế tạo tại Việt Nam, do đó các dự án phát triển phong điện trong

lượng nhận được thông qua toàn bộ luân chuyển. Do khả năng đa chiều, turbine

nước hiện đang đi theo hướng nhập khẩu thiết bị hoàn chỉnh để xây dựng các

gió trục ngang có thể chuyển đổi thành năng lượng gió nhiều hơn cho hiệu quả

nhà máy điện gió tại một số khu vực tiềm năng.

cao hơn và sản lượng điện tốt hơn turbine gió trục dọc. Hơn nữa, các cơ sở tháp

công ty

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

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.

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).

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:

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



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




-7-

-8-

 Cần phải xây dựng một tháp lớn để lắp đặt hệ thống turbine có trọng

 Để giảm thiểu sự mỏi do nhiễu loạn không khí, turbine gió thường được

lượng lớn, hộp số và máy phát điện, HAWTs cao rất khó để lắp đặt, cần cẩu rất

định vị cách nhau một khoảng bằng 5 lần đường kính rôto, nhưng khoảng cách

cao và đắt tiền và cần có kỹ năng vận hành.

phụ thuộc vào nhà sản xuất và mô hình động cơ turbine.

 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).

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 1.2. 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.
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



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




-9-

- 10 -

 Tốc độ gió là chậm ở độ cao thấp hơn, năng lượng gió vì vậy ít có sẵn

nâng cao hiệu quả mặt hứng gió và giảm thiểu ảnh hưởng của mặt cản gió cho

cho một turbine kích thước nhất định. Và luồng không khí gần mặt đất có các cơ

cánh turbine. Đặc biệt, những công bố mới theo hướng nghiên cứu cánh turbine

sở hạ tầng, cây cối,…tạo ra dòng chảy hỗn loạn. Tuy nhiên, khi một động cơ

được điều khiển chủ động nhằm đạt hiệu quả tối đa ở hành trình hứng gió và cản

turbine được đặt trên một nóc nhà có thể tăng gấp đôi tốc độ turbine. Nếu chiều

tối thiểu ở hành trình cản gió còn rất hạn chế .

cao của tháp được đặt trên tầng thượng của turbine là khoảng 50% chiều cao xây

Các nghiên cứu trong nước về hệ thống turbine gió nói riêng và phong

dựng, điều này là gần tối ưu cho năng lượng gió tối đa và nhiễu loạn gió tối

điện nói chung còn đặc biệt ít. Nhóm nghiên cứu của GS-TSKH Nguyễn Phùng

thiểu.

Quang [4] đã tập trung vào vấn đề xây dựng các bộ điều khiển: bộ điều khiển
 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.

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

VAWTs mới phổ biến ở dạng công suất nhỏ, các công ty sản xuất turbine

hướng điều khiển máy phát điện (phần phát) chạy bằng sức gió; Luận văn Thạc

đang hướng tới phát triển các trạm phát điện công suất vừa và nhỏ phù hợp với

sỹ của Chu Đức Quyết [2], ở đề tài này đã tính toán thiết kế các vị trí, số cánh,

các trang trại, hộ gia đình, những nơi bị cô lập với nguồn điện. Nghiên cứu đang

kích thước hệ thống cánh phẳng cho máy phong điện kiểu trục đứng.

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



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 -

- 12 -

biệt là việc nâng cao hiệu suất chuyển đổi công suất gió/cơ học ở các hệ thống

Đối tượng đề tài nghiên cứu là cơ cấu dẫn động điều khiển góc cánh

có công suất lớn, đòi hỏi các cánh turbine phải có khả năng điều chỉnh chống

turbine gió kiểu trục đứng cho máy phát điện bằng sức gió công suất 10kW.

cản gió trong hành trình không sinh công. Vấn đề này hiện chưa có được một

b. Phạm vi nghiên cứu

nguyên lý cũng như công nghệ phù hợp. Vì vậy, hệ thống trục đứng mới chỉ phổ

Cơ cấu điều khiển/dẫn động cánh turbine trong mô hình VAWT có khả

biến ở dạng công suất nhỏ, không có cơ cấu điều khiển góc hứng gió của các

năng điều chỉnh góc hứng gió, áp dụng cho các VAWT công suất nhỏ đến

cánh.

10KW.
Từ các lý do trên, việc thực hiện đề tài “Nghiên cứu, tính toán, thiết kế

cơ cấu dẫn động điều khiển góc cánh Turbine gió kiểu trục 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.

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.

1.4. Mục tiêu và ý nghĩa nghiên cứu

- Đã thiết kế chi tiết hệ thống cơ cấu điều khiển/dẫn động cánh turbine cho
mô hình VAWT đã đề xuất.

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.

- 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.

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

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




- 13 -

- 14 -

Chương 3. Tính toán đặc tính kỹ thuật lực khí động cho thiết kế VAWT 10KW

Chƣơng 2.

nhằm đánh giá tính hiệu quả về hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió/công suất

CÁC VẤN ĐỀ CƠ SỞ

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

2.1. Cơ sở tính toán lực khí động

mô hình VAWT đề xuất.

2.1.1. Lý thuyết Albert Betz

Kết luận và kiến nghị.

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:

C


V1
S1

V
S

V2
S2


D
Hình 2.1. Khí động học cánh Rotor

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



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




- 15 -

- 16 -

P

Trong đó:

1
2
2
F  SV (V1  V2 )
2

(2.6)

1
S (V12  V2 2 )(V1  V2 )
4

(2.7)

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

Vận tốc gió ở phía trước rotor là V1, ta có thể nghiên cứu sự biến thiên của công

tích quét của cánh S.

suất P theo hàm của V2

V1 - Vận tốc gió trước khi di chuyển qua turbine.

Vi phân ta có:

V2 - là vận tốc gió sau khi di chuyển qua turbine.

dP 1
2
2
 S (V1  2V1V2  3V2 )
dV2 4

S1 - là diện tích mặt cắt của gió trước khi di chuyển qua rotor
S2 - 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 V2 phải nhỏ hơn V1. 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

dP
 0 có 2 trường hợp:
dV2

- Thứ nhất: V2 = - V1 thì bài toán không có ý nghĩa vật lý.
- Thứ hai: V2 = V1/3 công suất đạt giá trị lớn nhất:
Pmax 

lớn hơn S1.
Nếu giả sử rằng cơn gió là không nén được, điều kiện liên tục (khối lượng

F = SV(V1 – V2)

(2.9)

8
SV13  0,37SV13
27

(2.10)

2.1.2. Mô hình toán lực khí động trên cánh turbine
(2.2)

Công suất đạt được là:

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

P = FV = SV2 (V1 – V2)

(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:

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.

1
2
2
T  SV (V1  V2 )
2

(2.4)

Trong đó: θ - Góc hướng tâm; β - Góc đặt cánh và i - Góc tới theo phương gió.
Quan hệ các góc:

Cân bằng hai biểu thức P và T ta được:
V

Pmax 

(2.1)

Lực của cơn gió tác dụng lên rotor, theo định lý Euler‟s là như nhau:

8
SV13
27

Trong đó  là trọng lượng riêng của không khí, ta thay  = 1.25 kg/m3

gió là hằng số) ta có thể viết được:
S1V1 = SV = S2V2

(2.8)

i      900

V1  V2
2

(2.11)

(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



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




- 17 -

- 18 C2 - 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:

1
P  C p SV 3
2

A
x
O

(2.14)

Trong đó:

ω

Cp là hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió/cơ học, (Cp: 0,25÷0.59).
ρ - Mật độ không khí.

B

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.

Hình 2.2. Lực khí động trên cánh turbine

Chiều rộng cánh turbine được xác định dựa trên thông số đường kính rotor

Áp lực gió trên hành trình sinh công:
FA 

S[C1 (V cos ) 2  C 2 (R) 2 ]
29,91

và số cánh turbine, theo yêu cầu tránh hiện tượng cản gió giữa các cánh.
(2.12)

Mômen quay rotor tức thời có thể được xem là giá trị mô men quay trung

Áp lực gió trên hành trình cản công:
FB 

Với turbine 5 cánh, chọn b = 0,15D [1].

SC2 [(V cos ) 2  (R) 2 ]
29,91

bình của rotor ở một số trạng thái đại diện. Giá trị mô men tại các trạng thái này
(2.13)

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 = 300. Theo đó, giá trị mô men quay của

Trong đó:

V[mph] - Vận tốc gió;

rotor được xác định theo biểu các thức sau:

F[lbf] - Lực tác động lên cánh turbine;

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

M   k .R[C1 (V cos ) 2  C 2 (R) 2 ]

3

ρ[lbm/ft ] - Mật độ không khí;
2

S[ft ] - Diện tích bề mặt cản gió;

(2.15)

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

C1 - Hệ số lực cản gió mặt hứng gió của cánh;
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



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

- 19 -

- 20 -

M  k .C 2 [(V cos )  (R) ]


2

2

(2.16)

Đây là kiểu turbine hoạt động dựa trên độ lợi về tỷ số hệ số cản giữa 2 bề
mặt: Cbề mặt hứng gió/Cbề mặt cản gió >>1. Loại này thường được sử dụng để chế tạo các
thiết bị đo gió.

Với:

k  0,033.R..S.cos 

(2.17)

Xác định vận tốc góc cho rotor. Bằng việc giải hệ phương trình:

H-íng giã

(2.18)
Trong đó:

Các chỉ số „i’ và „j‟ tương ứng chỉ các cánh nằm trong hành trình sinh công

H-íng giã

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.

Hình 2.3. Turbine kiểu dạng chén
 Kiểu Darrieus
Hay còn gọi là “Eggbeater” turbine, có hình dạng giống như cái đánh
trứng được đặt tên theo nhà phát minh người Pháp Georges Darrieus, được cấp
bằng sáng chế lần đầu tiên vào năm 1927. Kiểu Darrieus có mômen xoắn khởi
đầu thấp, do đó thường yêu cầu nguồn điện bên ngoài. Một biến thể của
Darrieus là giromill, H- rotor.

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

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



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




- 21 -

- 22 Kiểu savonius có các cánh có thể được làm bằng nhiều cách khác nhau như
với các thùng, các cánh buồm, các thùng dầu. Rotor Savonius có dạng chữ S khi
nhìn từ trên xuống và nó được bắt nguồn từ Finland. Kiểu turbine này có tốc độ
thấp.

Hình 2.4a

Hình 2.4b

Hình 2.4c

Hình 2.4. Turbine kiểu Darrieus và các dạng cải tiến của nó

Hình 2.5a

Hình 2.5c

Hình 2.5b

Hình 2.5d

Hình 2.5. Turbine kiểu Savonius
Hình 2.5. Lực khí động trên phần tử cánh turbine Darrieus/H rotor

2.2.2. Kiểu VAWT góc cánh thay đổi nhằm tăng hiệu suất

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



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




- 23 -

- 24 -

Hiện nay, để thay đổi hướng đón gió của cánh turbine, các nhà phát minh
đã và đang nghiên cứu theo cách dùng kết cấu cơ khí hoặc ứng dụng hệ thống
điều khiển độc lập trên từng cánh. Nếu sử dụng hệ thống điều khiển thì chi phí
cho chúng và công suất điều khiển là quá lớn so với công suất phát điện.
 Turbine kiểu tấm phẳng bán hành trình
Ở kết cấu này (hỉnh 2.6), các cánh turbine có dạng tấm phẳng được gắn
cứng với giá. Tuy nhiên khả năng vận hành được đảm bảo nhờ cơ cấu chắn gió
dạng bán trụ , nhờ đó ở hành trình không sinh công các cánh turbine không chịu
tác động của gió. Cơ cấu này có khả năng tự động định phương nhờ phần đuôi

(rudder). Kết cấu này tương đối đơn giản, tuy nhiên hạn chế lớn nhất chính là
kết cấu vỏ trụ chắn gió tự xoay, kết cấu này sẽ trở nên rất cồng kềnh với turbine
Hình 2.7. Hệ thống cyclogyro

có kích thước lớn và bản thân nó phải chịu áp lực gió rất lớn trong quá trình làm
việc. Do đó, kết cấu này chỉ dừng ở mức mô hình hoặc turbine có công suất nhỏ.

deflector attached to the
rudder

Hệ thống Cyclogyro là một biến thể của dạng Darrieus, có các cánh có thể
điều chỉnh hướng đón gió, do đó cho hiệu quả cao hơn kiểu Darrieus cổ điển. Sự
thay đổi góc đón gió của cánh được thực hiện nhờ cơ cấu tay quay thanh truyền
hoặc cơ cấu bánh răng.

wind

 Hệ thống Darrieus được thiết kế bởi Lagarde (trường đại học Montpellier) và
Evans (trường đại học ST Andrews)…
Trong thiết kế của Lagarde góc quay của cánh được điều chỉnh bởi một

rudder

thanh đàn hồi gắn vào phần đuôi cánh (“trailing edge”) và bị giới hạn bởi hai bộ
phận định vị. Trong thiết kế của Evans thì nhờ con chạy gắn với phần trước của
cánh (leading edge) bởi một lò xo làm nó có thể trượt trên trục nối cánh với trục

screen
Hình 2.6. Rotor dạng tấm phẳng bán hành trình

quay mà góc quay của cánh được điều chỉnh. Ưu điểm của hai thiết kế này là
chúng có thể tự khởi động.

 Hệ thống cyclogyro [18]

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



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




- 25 -

- 26 (đồng trục với trục rotor) và các bánh răng gắn liền trục với trục cánh. Có thể
thấy đây là hệ thống cho hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió/cơ học khá cao, cơ
cấu điều khiển/dẫn động khá đơn giản.

Hình 2.8. Hệ thống Lagarde
 Hệ thống kiểu đĩa được thiết kế bởi Robert D Hunt [19]
Hệ thống này (Hình 2.9), có cơ cấu điều khiển độ mở của từng cặp cánh
phụ thuộc vào vị trí của cặp cánh trong hành trình làm việc của turbine. Có thể
thấy đây là hệ thống cho hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió/cơ học cao, tuy
nhiên cơ cấu điều khiển/dẫn động khá phức tạp và kém khả thi với VAWT công
suất vừa và lớn.

Hình 2.10. Hệ thống Novel Vertical Axis Wind Turbine
2.3. Phân tích kết cấu Novel VAWT có khả năng điều chỉnh góc hứng gió

2.3.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của kết cấu
Hình 2.11, hình 2.12 mô tả cấu tạo và nguyên lý của kết cấu VAWT này.

Hình 2.9. Hệ thống kiểu đĩa
 Hệ thống Novel Vertical Axis Wind Turbine [20]
Hệ thống này (Hình 2.10), có cơ cấu điều khiển/dẫn động góc cánh liên tục
trong cả vòng quay, nhờ cặp truyền động bánh răng giữa bánh răng trung tâm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



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




- 27 -

- 28 -

Hình 2.12. Sơ đồ nguyên lý hoạt động
Nhờ xích truyền động là cặp bánh răng côn giữa trục của giá đỡ cố định
(tạm thời) và trục cánh turbine, mà mỗi cánh turbine sẽ được quay 1 vòng liên
tục khi rotor quay đủ 1 vòng quanh trục giá đỡ. Với việc thiết lập góc ban đầu
cho từng cánh turbine, mà mỗi cánh turbine có khả năng đạt góc hứng gió hiệu
quả trong hành trình sinh công và giảm thiểu được công cản trong hành trình
Hình 2.11. Cấu tạo của Novel VAWT

không sinh công. Trong hệ thống này, bánh răng trung tâm được gắn với đuôi
hướng gió, nhờ đó bánh răng trung tâm sẽ được xoay đi một góc tương ứng khi

Trong đó:

phương của gió thay đổi. Đồng thời góc ban đầu của các cánh turbine sẽ tự động

1 - Cánh quạt turbine: có tác dụng biến đổi năng lượng gió thành động năng
quay trục.

được điều chỉnh theo.
Hạn chế ở kết cấu này, đó là trong hành trình không sinh công, các cánh

2 - Pitch: là trục điều khiển góc đặt cánh.

turbine vẫn tiếp tục xoay, do vậy chưa giảm thiểu được công cản do các cánh

3 - Wind vane: dùng để xác định hướng gió.

turbine gây ra.

4 - Bánh răng côn.

Để khắc phục nhược điểm trên, có một số phương án như sau:

5 - Trục chính trục rotor.
6 - Các cần đỡ: có tác dụng đỡ các cánh quạt của turbine.

Phương án 1. Tại chu kỳ không sinh công, giải phóng xích truyền động

7 - Hộp số: có tác dụng thay đổi vận tốc vòng quay trục theo một tỷ số

giữa trục giá đỡ và trục cánh và để cánh tự do xoay. Phương án này sẽ đảm bảo

truyền nhất định.

rằng công cản sinh ra bởi mỗi cánh là cực tiểu; tuy nhiên, phương án này gặp

8 - Máy phát điện.

khó khăn về mặt kỹ thuật vì không thể tái xác lập lại góc cánh ban đầu khi bắt
đầu trở lại hành trình sinh công.

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



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




- 29 -

- 30 -

Phương án 2. Tại chu kỳ không sinh công, thiết lập 1 xích truyền động thứ

B

2 nhằm điều chỉnh liên tục góc cánh để giảm thiểu công cản do cánh gây ra.
Phương án này rất phức tạp về mặt kỹ thuật vì phải thiết kế 2 xích truyền động

riêng biệt, đồng thời đảm bảo tính nối tiếp về mặt hành trình giữa 2 xích.
H-íng giã
10°

nhưng cố định cánh ở một góc xác lập. Phương án này khả thi về mặt kỹ thuật

10°

Phương án 3. Tại chu kỳ không sinh công, giải phóng xích truyền động

A

C

và đảm bảo khả năng giảm thiểu được công cản bởi các cánh do xác lập góc
cánh hợp lý trong hành trình cản.
Với những phân tích trên đây, tiếp theo luận văn tập trung trình bày một đề xuất
kết cấu VAWT mới dựa trên sơ đồ cải tiến từ kết cấu Novel VAWT theo
phương án thứ 3.

Hình 2.13.Vị trí cánh trong chu kỳ sinh công của turbine.

2.4. Đề xuất kết cấu VAWT mới khả điều chỉnh góc hứng gió của cánh
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

Hình 2.14. Trong chu kỳ không sinh công mặt phẳng đón gió của các
cánh turbine có phương tiếp tuyến với quỹ đạo quay (hợp với phương bán
kính quỹ đạo quay 1 góc 900).

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 90 0 . Tại vị trí B lúc này
mặt phẳng cánh vuông góc với hướng gió, công sinh ra của cánh đạt giá trị lớn
H-íng giã
10°

được 1 góc 900 (lúc này mặt phẳng cánh có phương tiếp tuyến với quỹ đạo

10°

nhất. Trục turbine tiếp tục quay 1 góc 1000 , cánh turbine đến vị trí C, cánh quay

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.

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



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




- 31 -

- 32 -

Hình 2.14. Vị trí cánh trong chu kỳ không sinh công của turbine

Chƣơng 3.
ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC MÔ HÌNH VAWT MỚI
3.1. Nguyên lý hoạt động của turbine.
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 3.1) theo mô hình VAWT đã đề xuất.
B

H-íng giã
A

C

Hình 3.1 . Vị trí cánh trong chu kỳ sinh công (trái) và chu kỳ sinh công (phải)
3.2. Phân tích lực khí động
Xét lực tác động lên cánh turbine tại một điểm A bất kỳ trên quỹ đạo quay


của rotor (bên có răng và không có răng của bánh răng 1). Khi gió có vận tốc V




tác động vào cánh turbine, phân tích vận tốc gió ra hai thành phần U , W , và


phân tích vận tốc tương đối W của gió tác động lên cánh theo hai phương tiếp




tuyến và pháp tuyến, tương ứng ta được W và Wn như hình (3.5), ta có:

    
V = U  W , W  W  Wn .

Trong đó:

V - Vận tốc thực của gió
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



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




- 33 -

- 34 -


U - Vận tốc cánh rotor

W - Vận tốc tương đối của gió



F


Fl

θ - Góc hướng tâm - góc hợp bởi bán kính hướng tâm với phương
vuông góc với hướng gió.



W



φ - Góc hợp bởi giữa U và W


Fd

i





Hình 3.3. Các thành phần lưc Fl và Fd tác dụng lên cánh
Phân tích các lực theo phương pháp tuyến và tiếp tuyến với quỹ đạo quay
của rotor, như hình (3.4).
Từ hình vẽ trên ta xác định được lực tác động lên cánh theo phương pháp
tuyến và tiếp tuyến như sau:

Fn  Fl cos  Fd sin
F  Fd cos  Fl sin

(3.1)
(3.2)

Như vậy, ta thấy chỉ có thành phần lực theo phương tiếp tuyến gây ra mô
men quay cho rotor. M  F .R với R - Bán kính rotor.

Hình 3.2. Gió tác động lên cánh
Khi luồng gió tác động qua diện tích cánh S sẽ sinh ra lực tác động vào
 
cánh Fd , Fl như hình (3.3) theo công thức sau:

Fd 

1
Cd SW 2 (Cd – Hệ số lực đẩy)
29,91

Fl 

1
Cl SW 2 (Cl – Hệ số lực nâng)
29,91

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

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




- 35 -

- 36 -

Hình 3.4. Các thành phần lực tiếp tuyến và pháp tuyến ở nửa bên phải.
M  R[ Fd cos  Fl sin ]
M  R.

1
.S. V 2  R 2 2  2VR.cos [Cd (Vcos  R )  VCl .sin ]
29,91

(3.3)

Chọn vận tốc gió: V = 12(m/s) ( hay V = 26,83mph ), công suất turbine gió
P = 10kW. Dựa vào công thức tính hiệu suất của turbine:


P
P

3
1

RhV

3
 AV
2

(3.4)

Với các turbine gió ngày nay thì   0,30  0, 45 . Chọn   0, 4 và chọn
chiều cao của roto bằng đường kính của nó, ta tính được bán kính roto:
R

P
10000

 2, 43  m 
2V 3
2.0, 4.1, 225.123

Hình 3.5. Lực tác dụng lên rotor tại vị trí 1.

Vậy chọn R = 2.5 (m).
Theo [2], ta có chiều dài dây cung cánh turbine tính theo công thức sau:
C = 0,37.R = 0,37.2,5 = 0,925 (m) ( hay C = 3,035ft )
Thay thế các giá trị trên vào công thức tính M.
Gọi tên các cánh phân bố trên rotor thiết kế là A; B; C; D; E.
Gọi i là góc tới: góc hợp bởi dây cung và vận tốc tương đối của gió. Ta có:
i


2

    với các cánh ở bên phải

i   với các cánh ở bên phải

Ta tiến hành xác định mô men M của các cánh tại một số vị trí khác nhau.
Tại vị trí 1.
Cánh A ở vị trí có góc θ = 900. Gió tác động lên rotor như hình (3.5).

Ta xác định mômen của rotor tại vị trí 1 là: M1 = M1A+ M1B+ M1C+ M1D+ M1E
(lbf.ft).
M 1  1, 73E  14  279,83
2, 07 E  12  10351,19
67, 27 2  2, 69 E  14  718, 24
949,19  305, 45

67, 27 2  418,12  718, 24
10526, 69  5481, 04

67, 27 2  258, 41  718, 24
10526, 69  5481, 04

67, 27 2  258, 41  718, 24
949,19  305, 45

67, 27 2  418,12  718, 24


 12, 6  4, 05  67, 27 2  418,12  718, 24
  3,89  2, 03  67, 27 2  258, 41  718, 24 .

Tại vị trí 2.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



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




- 37 -

- 38 -

0

Cánh A ở vị trí có góc θ =180 . Gió tác động lên rotor như hình (3.6):

Hình 3.7.Lực tác dụng lên rotor tại vị trí 3.

Hình 3.6.Lực tác dụng lên rotor tại vị trí 2.
Mô men của rotor tại vị trí 2 là: M2 = M2A + M2B + M2C + M2D + M2E (lbf.ft)
M 2  102, 64  266,13

Mô men của rotor tại vị trí 3 là: M3= M3A+ M3B+ M3C+ M3D+ M3E (lbf.ft)
M 3  1, 73E  14  279,83 

6, 22 E  44  1,9 E  44

67, 27 2  439, 63  718, 24

17981, 72  17808,98

67, 27 2  135,85  718, 24
11113,32  4324,14

67, 27 2  355, 67  718, 24
 16, 08  6, 08  67, 27  355, 67  718, 24 .
2

Tại vị trí 3.

2, 07 E  12  10351,19
67, 27 2  2, 69 E  14  718, 24



949,19  305, 45
10526, 69  5481, 04

67, 27 2  418,12  718, 24 67, 27 2  258, 41  718, 24



10526, 69  5481, 04
949,19  305, 45

67, 27 2  258, 41  718, 24
67, 27 2  418,12  718, 24

 12, 6  4, 05  67, 27 2  418,12  718, 24

0

Cánh A ở vị trí có góc θ = 90 như hình (3.7).

  3,89  2, 03  67, 27 2  258, 41  718, 24 .

Tại vị trí 4.
Cánh A ở vị trí có góc θ = 00 như hình (3.8).

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



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




- 39 -

- 40 4,14 E  12  20702,38
1898,38  610,9
M tb  1,73E  14  272,98 

67, 27 2  2,69 E  14  718, 24 67, 27 2  418,12  718, 24


2053,38  10962,08
2053,38  10962,08
1898,38  610,9



67, 27 2  258, 41  718, 24 67, 27 2  258, 41  718, 24 67, 27 2  418,12  718, 24



6, 22 E  44  1,9 E  44
17981,72  17808,98
11113,32  4324,14


67, 27 2  439,63  718, 24 67, 27 2  135,85  718, 24 67, 27 2  355,67  718, 24



17981,72  17808,98
11113,32  4324,14

67, 27 2  135,85  718, 24 67, 27 2  355,67  718, 24

  25, 2  8,1  67, 27 2  418,12  718, 24   7,78  4,06  67, 27 2  258, 41  718, 24
 16,08  6,08  67, 27 2  355,67  718, 24   2,04  2,02  67, 27 2  135,85  718, 24.

Mômen M làm roto quay tạo nên công suất M tb . Vì hiệu suất   0, 4 nên
để có được công suất 10kW, ta cần:
Hình 3.8. Lực tác dụng lên rotor tại vị trí 4.
Mô men của rotor tại vị trí 4 là: M4= M4A + M4B + M4C + M4D + M4E (lbf.ft)
M 4   102, 64  266,13 



17981, 72  17808,98
67, 27 2  135,85  718, 24

1,356.M tb  25000  W 

Từ hệ trên, ta tìm được   4  rad/s 
Suy ra  

11113,32  4324,14
 16,56  5, 07  67, 27 2  439, 63  718, 24
67, 27 2  355, 67  718, 24

R 2,5.4

 0,83.
V
12

Ta chọn biên dạng cánh NACA 0010 – 65, với ưu điểm là hệ số lực nâng
lớn, hệ số lực cản rất nhỏ và rất phù hợp với tốc độ cao. Các thông số của biên
dạng cánh NACA 0010 – 65 là:

  2, 04  2, 02  67, 27 2  135,85  718, 24 .

Từ giá trị mô men tại các vị trí đã xét ở trên, ta có giá trị mô men trung
bình theo công thức sau:
M tb 

M1  M 2  M3  M 4

(lbf . ft )
4

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



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




- 41 Thickness:
Camber:
Trailing edge angle:
Lower flatness:
Leading edge radius:
Max CL:
Max CL angle:

10.0%
0.0%
23.7o
65.3%
2.8%
0.839
15.0

Max L/D:

20.343

Max L/D angle:
Max L/D CL:
Stall angle:
Zero-lift angle:

3.0
0.347
3.0
0.0

- 42 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.

Hình 3.9. Quan hệ giữa Cm, Cl, và góc tới của cánh NACA 0010-65
3.3. Kết luận chƣơng 3.
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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



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

- 43 -

- 44 Hình 4.1.Vị trí cánh trong chu kỳ sinh công của turbine.

Chƣơng 4.
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CƠ CẤU DẪN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

Hình 4.2, các cánh turbine trong chu kỳ không sinh công được cố định,
với mặt phẳng đón gió của các cánh turbine tiếp tuyến với quỹ đạo quay.

GÓC CÁNH TURBINE
Trong phần này, luận văn tập trung tính toán thiết kế cơ cấu điều khiển góc
xoay cánh, thiết bị này được thiết kế để điều khiển các cánh turbine dạng phẳng
hoặc cong theo nguyên lý của mô hình VAWT mới đã đề xuất trong chương 2.
4.1. Phân tích nguyên lý điều khiển-dẫn động cánh turbinee.

10°

10°

H-íng giã

Trở lại với mô hình VAWT đã được đề xuất trên đây. Hình 4.1, tại vị trí A
mặt phẳng cánh tiếp tuyến với quỹ đạo quay, khi turbine quay được 1 góc 100 0
cánh đến vị trí B lúc này cánh xoay được 1 góc 90 0. 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 quay được
1 góc 900 (lúc này mặt phẳng cánh có phương tiếp tuyến với quỹ đạo quay).
B

Hình 4.2. Vị trí cánh trong chu kỳ không sinh công của turbine
Để thực hiện được yêu cầu như trên, luận văn đề xuất cơ cấu áp dụng cho
mô hình VAWT mới gồm 5 cánh bằng một hệ thống các bánh răng.
Sơ đồ cơ cấu điều khiển/dẫn động góc xoay cánh Turbine như sau (mô tả
cho một cánh):

10°

A

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

10°

H-íng giã

C



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