nghiên cứu, thiết kế và thi công mô hình máy phát điện gió turbine trục đứng công suất nhỏ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ TURBINE
TRỤC ĐỨNG CÔNG SUẤT NHỎ
S

K

C

0

0

3

9

5

9

MÃ SỐ: T67 - 2008

S KC 0 0 2 1 1 8

Tp. Hồ Chí Minh, 2008


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT - THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN - BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ
TURBINE TRỤC ĐỨNG CÔNG SUẤT NHỎ
ĐỀ TÀI CẤP TRƯỜNG
MÃ SỐ : T 67 - 2008

NGƯỜI THỰC HIỆN
CNĐT: TS. TRƯƠNG VIỆT ANH
Th.S ĐỖ ANH KHOA

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2008


TÓM TẮT
Việt Nam với lợi thế khoảng 3260 km bờ biển và gần 3000 hòn ñảo lớn nhỏ [15], là
quốc gia có tiềm năng năng lượng gió khá lớn so với nước trong khu vực. Tiềm
năng này hiện ñang ñược nhà nước ñặc biệt quan tâm và ñược xem là một trong
những nguồn năng lượng sẽ góp phần ñáng kể cho nhu cầu về ñiện ñang ngày càng
thiếu thốn trầm trọng tại Việt nam.
Bên cạnh các các cỗ máy phát ñiện gió cỡ lớn thì các máy phát ñiện gió phân tán cỡ
nhỏ dùng cho hộ gia ñình, cụm dân cư cũng ñang ñược áp dụng rất thành công trên
thế giới. Các máy phát ñiện cỡ nhỏ có ưu ñiểm hơn so với loại cỡ lớn là có thể vận
hành ở ñiều kiện gió thấp.

Các máy phát ñiện gió ñộc lập cỡ nhỏ cung cấp nguồn năng lượng tái sinh, sạch,
chủ ñộng cho hộ gia ñình, nông trại, hải ñảo, tàu thuyền,…làm giảm áp lực lên lưới
ñiện.
Với những lý do trên, luận văn tập trung nghiên cứu mô hình máy phát ñiện sử dụng
năng lượng gió trục ñứng công suất nhỏ. Kiểu turbine trục ñứng Lenz2 trong ñề tài
này có thể vận hành tốt ở những ñiều kiện gió không lý tưởng, giá thành thấp, dễ
lắp ñặt, bảo dưỡng và có thể chế tạo bằng các nguồn nguyên liệu sẵn có tại Việt
nam.
Sản phẩm của ñề tài là mô hình máy phát ñiện trục ñứng kiểu Lenz2, cao 0,6m và
ñường kính là 0,5m, công suất ngõ ra: 0,49W ở vận tốc gió 3m/s, hiệu suất của hệ
thống khoảng 10%.


ABSTRACT

Vietnam, with 3650 km of coast line and 3000 islands, is one of the nations with the
most wind energy potential in Southeast Asia. In recent years, the government has
paaid special attention to this field and regards it as the significant energy resource
to reduce the serious lack of electricity demand in Vietnam.
Beside the large scale wind machines, the small-scale-distributed wind energy
systems are very successful globally. The advantage of distributed wind energy
systems is that they can operate in low wind speeds.
Distributed wind energy systems provide clean, renewable power for on-site use
and help relieve pressure on the power grid. They also provide jobs and contribute
to energy security for homes, farms, schools, factories, private and public facilities,
distribution utilities, and remote locations.
For the above reasons, this project focused on the small scale Vertical Axis Wind
Turbine (VAWT). The Lenz2 turbine in this thesis could operate at non-ideal
conditions, at a low cost, with simple assembly, and low maintenance. It is easy to
make it by raw materials in Vietnam.

The study outcome was that, one VAWT Lenz2 (height 0.6m, diameter 0.5m) had
electrical power output about 0.49 Watts in 3m/s and total system efficiency
estimated to be 10%.


ðề tài cấp trường: NC, TK và TC mô hình Máy phát ñiện gió trục ñứng

MỤC LỤC
TÓM TẮT ........................................................................................................................1
ABSTRACT .....................................................................................................................2
MỤC LỤC........................................................................................................................3
DANH MỤC KÝ HIỆU...................................................................................................6
DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................................9
DANH MỤC HÌNH VẼ, ðỒ THỊ .................................................................................11
CHƯƠNG 0: GIỚI THIỆU............................................................................................14
0.1. Tình hình năng lượng của thế giới ......................................................................14
0.2. Những thuận lợi khi dùng năng lượng gió ..........................................................15
0.3. Mục tiêu của ñề tài ..............................................................................................16
0.4. Phương pháp nghiên cứu .....................................................................................18
0.5. Bố cục ñề tài ........................................................................................................18
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN..........................................................................................19
1.1. Năng lượng gió thế giới.......................................................................................19
1.2. Năng lượng gió phân tán .....................................................................................22
1.2.1. Công nghệ ñiện gió phân tán trên thế giới....................................................23
1.2.2. Máy phát ñiện ñộc lập cỡ nhỏ (off-grid) ......................................................27
1.2.2.1. Bối cảnh chung về ứng dụng..................................................................28
1.2.2.2. Máy phát ñiện cỡ nhỏ trong giai ñoạn hiện nay.....................................28
1.2.2.3. ðánh giá thị trường toàn cầu..................................................................29
1.3. Năng lượng gió Việt Nam ...................................................................................33
1.4. Tiềm năng phát triển năng lượng gió công suất bé tại Việt Nam .......................35

CHƯƠNG 2: LỊCH SỬ MÁY PHÁT ðIỆN GIÓ .........................................................38
2.1. Lịch sử phát triển ................................................................................................38
2.2. Các kiểu turbin gió ..............................................................................................41
2.2.1. Turbin gió trục ñứng và trục ngang ..............................................................41

Trương Việt Anh - ðỗ Anh Khoa

Trang 3


ðề tài cấp trường: NC, TK và TC mô hình Máy phát ñiện gió trục ñứng

2.2.2. Các kiểu turbin gió trục ñứng .......................................................................42
2.2.2.1. Savonius: Kiểu dùng lực ñẩy .................................................................42
2.2.2.2. Darrieus, VAWT dùng lực nâng ............................................................43
2.2.2.3. Các kiểu turbine lực nâng khác..............................................................45
2.3. So sánh turbine trục ñứng và trục ngang .............................................................46
2.4. Kết luận ...............................................................................................................48
CHƯƠNG 3: LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN MÁY PHÁT ðIỆN GIÓ............................50
3.1. Năng lượng gió. ...................................................................................................50
3.2 Hiệu suất tuabin C p ..............................................................................................53
3.2.1 Tỉ số tốc ñộ ñỉnh (Tip Speed Ratio viết tắt TSR) ..........................................54
3.2.2. Tính hiệu suất turbine theo TSR và ω bằng phương pháp lặp......................56
3.2.3 Góc Pitch .......................................................................................................59
3.2.4 Góc tới (Angle of attack), γ ..........................................................................60
3.3. Hiệu suất truyền ñộng..........................................................................................61
3.4. Hiệu suất máy phát. .............................................................................................63
3.5. Hiệu suất hệ thống. ..............................................................................................66
3.6. Cánh tuabin..........................................................................................................66
3.7 Mối quan hệ giữa ñộ cao và tốc ñộ gió ................................................................67

3.8. Các thành phần của turbine gió ...........................................................................68
3.9. Công suất ñịnh mức và vận tốc gió ñịnh mức .....................................................70
3.10. Vận tốc gió ngưỡng vào (Cut–in wind speed)...................................................70
3.11. Vận tốc gió Cut-out [12] ...................................................................................71
3.12. Mối quan hệ giữa các thông số..........................................................................72
3.13. Lưu ñồ tính toán thiết kế ...................................................................................74
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ ðO ðẠT....................................76
4.1. Giới thiệu .............................................................................................................76
4.2 Thiết kế máy phát ñiện gió trục ñứng công suất bé kiểu Lenz2...........................77
4.2.1. Tiêu chí thiết kế ............................................................................................77

Trương Việt Anh - ðỗ Anh Khoa

Trang 4


ðề tài cấp trường: NC, TK và TC mô hình Máy phát ñiện gió trục ñứng

4.2.2. Tính toán thiết kế. .........................................................................................77
4.2.2.1. Công suất ngõ ra của hệ thống ...............................................................78
4.2.2.2. Cánh tuabin kiểu Lenz2 .........................................................................79
4.2.2.3. Trục rôto ( Shaft)....................................................................................82
4.2.2.4. Bộ nhông. ...............................................................................................84
4.2.2.5. Máy phát (Generator). ............................................................................85
4.2.2.6. Cánh tay giữ máy phát. ..........................................................................87
4.2.3. Các mô hình. .................................................................................................88
4.3. Mô tả thí nghiệm, kết quả ño ñạt.........................................................................89
4.3.1. Kết quả ño ñạt Mô hình 1 (Hình 4.12a)........................................................89
4.3.2. Kết quả ño ñạt Mô hình 2. ............................................................................90
4.3.3. Kết quả ño ñạt Mô hình 3. ............................................................................90

4.3.4. Kết quả ño ñạt Mô hình 4. ............................................................................91
4.3.5. Kết quả ño ñạt Mô hình 5. ............................................................................91
4.3.6. Kết quả ño ñạt Mô hình 6. ..........................................................................100
4.4. ðánh giá và so sánh kết quả : ............................................................................100
4.5. Ứng dụng mô hình.............................................................................................102
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN ...........................................................................................104
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................107

Trương Việt Anh - ðỗ Anh Khoa

Trang 5


ðề tài cấp trường: NC, TK và TC mô hình Máy phát ñiện gió trục ñứng

DANH MỤC KÝ HIỆU
P

: Công suất

Pw

: Công suất thu ñược từ gió

Pout

: Công suất ngõ ra

Pe

: Công suất ngõ ra máy phát (công suất ñiện)

PeR

: Công suất ñiện ñịnh mức ngõ ra

Pt

: Công suất ngõ ra hệ thống truyền ñộng

PtR

: Công suất cơ ñịnh mức ngõ vào

Pm

: Công suất cơ

PmR

: Công suất cơ ñịnh mức

u

: Vận tốc gió m/s

A

: Diện tích cắt ngang của khối khí ñi qua, ñơn vị là m2

ρ

: Mật ñộ không khí, ñơn vị kg/m3

T

: Nhiệt ñộ Kelvin

p

: Áp suất có ñơn vị là kPa

Cp

: Hiệu suất của turbine

C pR

: Hiệu suất turbine ở vận tốc gió ñịnh mức

ηm

: Hiệu suất truyền

η mR

: Hiệu suất truyền ở vận tốc gió ñịnh mức.

ηg

: Hiệu suất máy phát

η gR

: Hiệu suất máy phát ở vận tốc gió ñịnh mức.

η0

: Tổng hiệu suất ñịnh mức của hệ thống

VAWT

: Vertical Axis Wind Turbine: Turbine gió trục ñứng

HAWT

: Horizontal Axis Wind Turbine: Tuabin gió trục ngang

ur

: Vận tốc ñịnh mức của turbine

rm

: Bán kính quay cực ñại turbine ñơn vị là m

Trương Việt Anh - ðỗ Anh Khoa

Trang 6

ðề tài cấp trường: NC, TK và TC mô hình Máy phát ñiện gió trục ñứng

ωm

: Vận tốc góc cơ của turbine, ñơn vị là rad/s

ω opt

: Vận tốc quay tối ưu của rôto.

TSR : Tip Speed Ratio - Tỉ số tốc ñộ ñỉnh
β

: Góc Pitch

λopt

: TSR tối ưu

γ

: Góc tới

n

: Tốc ñộ quay (rotational speed), ñơn vị vòng/phút

tw

: Thời gian gió xáo ñộng khi qua cánh trở về bình thường.

ts

: Thời gian cần thiết ñể cánh phía sau quay với vận tốc ω ñến vị trí trước ñó

s

: ðộ dài của luồng gió ñộng từ trước tới sau cánh rôto

I shaft

: Momen quán tính của rotor lên trục quay

NB

: Số cánh quạt.

ρB

: Tỷ trọng vật liệu làm cánh quạt.

LB

: ðộ dài cánh quạt

WB

: ðộ rộng của cánh quạt:

tB

: ðộ dầy của cánh quạt.

r

: Bán kính

q

: Số tầng bánh răng.

MW : Megawatt
GW

: Gigawatt

x

: ðộ dầy khối khí, ñơn vị m

U

: ðộng năng

d1

: ðường kính khói khí di chuyển bam ñầu

u1

: Vận tốc ban ñầu

p1

: Áp suất ứng với ñướng kính d1

d2

: ðường kính

n

: Hệ số ma sát mặt ñất,

Trương Việt Anh - ðỗ Anh Khoa

Trang 7


ðề tài cấp trường: NC, TK và TC mô hình Máy phát ñiện gió trục ñứng

h1

: ðộ cao ở vị trí thứ nhất

h2

: ðộ cao ở vị trí thứ hai

DC

: Một chiều

AC

: Xoay chiều

R

: ðiện trở

Trương Việt Anh - ðỗ Anh Khoa

Trang 8


ðề tài cấp trường: NC, TK và TC mô hình Máy phát ñiện gió trục ñứng

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Sản lượng ñiện toàn cầu ñến năm 2007....................................................... 20
Bảng 1.2: Tổng công suất lắp ñặt (MW) trên thế giới ñến năm 2020 ......................... 24
Bảng 1.3: Sử dụng ñiện ở các nước ñang phát triển theo vùng ( Năm 2000).............. 32
Bảng 3.1: Hiệu suất turbine ứng với từng kiểu khác nhau........................................... 59
Bảng 3.2: Tỷ lệ máy ñiện gió cỡ nhỏ với các vận tốc gió ñịnh mức thông dụng ........ 70
Bảng 3.3: Tỷ lệ máy ñiện gió cỡ nhỏ với các vận tốc cut-in thông dụng .................... 71
Bảng 3.4: Tỷ lệ % máy ñiện gió cỡ nhỏ với các vận tốc Cut-out thông dụng ............. 72
Bảng 4.1: Các thông số và kích thước của mô hình turbine Lenz2 ............................. 78
Bảng 4.1: Kết quả ño ñạt công suất ngõ ra máy phát ñiện gió mô hình 1, với ñộng
cơ DC, tỷ số nhông 1:6 loại bánh răng, R=180(Ohm) vận tốc gió 2 và

3m/s ............................................................................................................. 89
Bảng 4.2: Kết quả ño ñạt công suất ngõ ra máy phát ñiện gió mô hình 2, với
Dynamo 12VAC, Không sử dụng bộ nhông , R=180(Ohm) vận tốc gió 2
và 3m/s......................................................................................................... 90
Bảng 4.3: Kết quả ño công suất ngõ ra máy phát ñiện gió mô hình 3, Dynamo xe
ñạp 3W, tỷ lệ nhông 1:5, dây curoa, R=180(Ohm), vận tốc gió 2 và 3m/s. 90
Bảng 4.4: Kết quả ño ñạt công suất ngõ ra máy phát ñiện gió mô hình 4, với ñộng
cơ DC 24V, 15W, tỷ số nhông 1:10 dùng bánh răng dây curoa,
R=180(Ohm), vận tốc gió 2 và 3m/s ........................................................... 91
Bảng 4.5: Kết quả ño công suất ngõ ra P của mô hình 5, với cuộn dây máy phát cỡ
dây 0.18mm, quấn 1500 vòng, vận tốc gió u=3m/s .................................... 93
Bảng 4.6: Kết quả ño công suất ngõ ra P của mô hình 5, với cuộn dây máy phát có
cỡ dây 0.18mm, quấn 1500 vòng, vấn tốc gió u=2m/s ............................... 94
Bảng 4.7: Kết quả ño công suất ngõ ra P của mô hình 5, với cuộn dây máy phát có
cỡ dây 0.18mm, quấn 1400 vòng, vấn tốc gió u=3m/s ............................... 94

Trương Việt Anh - ðỗ Anh Khoa

Trang 9


ðề tài cấp trường: NC, TK và TC mô hình Máy phát ñiện gió trục ñứng

Bảng 4.8: Kết quả ño công suất ngõ ra P của mô hình 5, với cuộn dây máy phát có
cỡ dây 0.18mm, quấn 1400 vòng, vấn tốc gió u=2m/s ............................... 95
Bảng 4.9: Kết quả ño công suất ngõ ra P của mô hình 5, với cuộn dây máy phát có
cỡ dây 0.18mm, quấn 1300 vòng, vấn tốc gió u=3m/s ............................... 95
Bảng 4.10: Kết quả ño công suất ngõ ra P của mô hình 5, với cuộn dây máy phát có
cỡ dây 0.18mm, quấn 1300 vòng, vấn tốc gió u=2m/s ............................... 95
Bảng 4.11: Kết quả ño công suất ngõ ra P của mô hình 5, với cuộn dây máy phát có

cỡ dây 0.18mm, quấn 1100 vòng, vấn tốc gió u=3m/s ............................... 96
Bảng 4.12: Kết quả ño công suất ngõ ra P của mô hình 5, với cuộn dây máy phát có
cỡ dây 0.18mm, quấn 1100 vòng, vấn tốc gió u=2m/s ............................... 96
Bảng 4.13: Kết quả ño công suất ngõ ra P của mô hình 5, với cuộn dây máy phát có
cỡ dây 0.25mm, quấn 1600 vòng, vấn tốc gió u=3m/s ............................... 98
Bảng 4.14: Kết quả ño công suất ngõ ra P của mô hình 5, với cuộn dây máy phát có
cỡ dây 0.25mm, quấn 1200 vòng, vấn tốc gió u=3m/s ............................... 98
Bảng 4.15: Kết quả ño công suất ngõ ra P của mô hình 5, với cuộn dây máy phát có
cỡ dây 0.25mm, quấn 800 vòng, vấn tốc gió u=3m/s ................................. 99

Trương Việt Anh - ðỗ Anh Khoa

Trang 10


ðề tài cấp trường: NC, TK và TC mô hình Máy phát ñiện gió trục ñứng

DANH MỤC HÌNH VẼ, ðỒ THỊ

Hình 0.1: Hành tinh chúng ta còn bao nhiêu dầu? .........................................................15
Hình 1.1: Biểu ñồ tăng trưởng công suất lắp ñặt năng lượng gió năm. .........................20
Hình 1.2: Biểu ñồ tăng trưởng công suất lắp ñặt trên thế giới ñến năm 2020. .............26
Hình 1.3: Biên ñộ dao ñộng công suất dự ñoán ở tất cả các phân ñoạn ........................27
Hình 2.1: Turbine gió ñầu tiên của Charles F.Brush tại Cleveland, Ohio 1888 ............38
Hình 2.2: Turbine gió thử nghiệm Poul la Cour tại Askov, ðan Mạch năm 1897 ........39
Hình 2.3: Turbine gió trục ñứng kiểu Savonius.............................................................39
Hình 2.4: Turbine gió trục ñứng Darrieus kiểu “Eole C” tại Cap Chat, Quebec...........40
Hình 2.5: Cấu tạo turbine trục ñứng và trục ngang........................................................42
Hình 2.6: Rô to Savonius có mặt cắt ngang hình chữ S.................................................43
Hình 2.7: Nguyên lý khí ñộng học của cánh máy bay ...................................................44

Hình 2.8: VAWT kiểu Darrieus, rô to có dạng hình chữ C ...........................................44
Hình 2.9: Turbine kiểu Giromill ....................................................................................46
Hình 2.10: Turbine Cyclo ..............................................................................................46
Hình 3.1: Năng lượng của khối không khí.....................................................................50
Hình 3.2: Biễu diễn luồng khí thổi qua một turbine gió lý tưởng..................................52
Hình 3.3: Hiệu suất tuabin là hàm theo TSR .................................................................55
Hình 3.4: Lưu ñồ giải lặp ñể tìm Cp ...............................................................................58
Hình 3.5: ðịnh nghĩa “góc pitch” β và “góc tới” γ ...................................................60
Hình 3.6: Hiệu suất từng phần của toàn hệ thống ..........................................................61
Hình 3.7: Hiệu suất truyền ứng với 1, 2, 3 tầng bánh răng ............................................62
Hình 3.8: Hiệu suất máy phát ứng với ba cỡ máy..........................................................65
Hình 3.9: ðộ vững rôto theo TSR ..................................................................................67
Hình 3.10: Các thành phần của turbine gió....................................................................68
Hình 3.11: Sơ ñồ quan hệ các thông số thiết kế máy phát ñiện gió nhỏ ........................73

Trương Việt Anh - ðỗ Anh Khoa

Trang 11


ðề tài cấp trường: NC, TK và TC mô hình Máy phát ñiện gió trục ñứng

Hình 3.12: Lưu ñồ thiết kế .............................................................................................75
Hình 4.1: Cánh theo tỷ lệ ñường kính rôto ....................................................................80
Hình 4.2: Mặt cắt ngang một cánh Lenz2 ......................................................................80
Hình 4.3: Bộ khung gỗ bằng ván ép của từng cánh .......................................................81
Hình 4.4: Nhôm tấm ốp quanh bộ khung gỗ theo chiều hình vẽ ...................................82
Hình 4.5: Mặt cắt ngang của rôto bên trái và thực tế hình bên phải ..............................82
Hình 4.6a: Dĩa thép phía dưới ........................................................................................83
Hình 4.6b: Kiểu trục số 1, sau khi ñược bắt cánh vào ...................................................83

Hình 4.6c: ðầu trên trục bắt ốc dính vào máy phát .......................................................83
Hình 4.7a: Hub trên chặn lại bằng ốc.............................................................................84
Hình 4.7b: Hub dưới thả lỏng ........................................................................................84
Hình 4.7c: Trục số 2 khi lắp cánh hoàn chỉnh ...............................................................84
Hình 4.8a: Bánh răng lớn 62 răng ..................................................................................85
Hình 4.8b: Cơ cấu thay ñổi bánh răng nhỏ ....................................................................85
Hình 4.8c: Bánh răng nhỏ 10 răng .................................................................................85
Hình 4.9a: Hệ thống với bộ nhông kiểu 2 ......................................................................85
Hình 4.9b: Truyền qua dây curoa...................................................................................85
Hình 4.9c: Chu vi bánh nhông lớn 50cm, bánh nhỏ là 10cm ........................................85
Hình 4.10a: Máy phát 1 (Motor DC 24V, 4A 15W)......................................................87
Hình 4.10b: Máy phát 2 (Dynamo xe ñạp) ....................................................................87
Hình 4.10c Máy phát 3 (Quạt trần cải tiến) ..................................................................87
Hình 4.10d: Máy phát 4 (Dynamo xe hơi.) ....................................................................87
Hình 4.11a: Bản vẽ.........................................................................................................88
Hình 4.11b: Sản phẩm sau khi chế tạo...........................................................................88
Hình 4.12a: Mô hình 1 ...................................................................................................89
Hình 4.12b: Mô hình 2 ...................................................................................................89
Hình 4.12c: Mô hình 3 ...................................................................................................89
Hình 4.12d: Mô hình 4 ...................................................................................................89
Hình 4.12e: Mô hình 5 ...................................................................................................89

Trương Việt Anh - ðỗ Anh Khoa

Trang 12


ðề tài cấp trường: NC, TK và TC mô hình Máy phát ñiện gió trục ñứng

Hình 4.12f: Mô hình 6....................................................................................................89

Hình 4.13 và 4.14: Quạt trần ñuổi muỗi và các thành phần cấu tạo ..............................92
Hình 4.15: ðo dòng, áp ngõ ra ứng với các giá trị R khác nhau....................................93
Hình 4.15: ðồ thị các ñường cong công suất ứng với dây 0.18mm ..............................97
Hình 4.16: ðồ thị các ñường cong công suất với cỡ dây 0.25mm...............................100
Hình 4.17: Năng lượng tạo ra chiếu sáng hơn 50 bóng ñèn Led .................................103
Hình 4.18: Mô hình 5 turbine trục ñứng kiểu Lenz 2 ..................................................103

Trương Việt Anh - ðỗ Anh Khoa

Trang 13


ðề tài cấp trường: NC, TK và TC mô hình Máy phát ñiện gió trục ñứng

CHƯƠNG 0: GIỚI THIỆU

0.1. Tình hình năng lượng của thế giới
Càng ngày người ta càng lo ngại về một cuộc khủng hoảng năng lượng có
thể làm thay ñổi nền văn minh loài người, nguy cơ này ñang ngày một ñến gần, bởi
vì thế giới vẫn còn ñang tiếp tục phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch (Leggett,
2006). Dầu, than ñá và khí ñốt chiếm khoảng 75% nhu cầu năng lượng thế giới, mỗi
ngày trên thế giới sử dụng ñến 80 triệu thùng dầu. Và ñương nhiên trong tương lai
nhu cầu toàn cầu về dầu hỏa sẽ vượt xa khả năng cung cấp. Từ năm 1985, tốc ñộ
khai thác dầu và tiêu thụ ñã vượt xa tốc ñộ khám phá trữ lượng dầu mới (Hình 1).
Công ty BP dự ñoán rằng với tốc ñộ sử dụng như hiện nay, thì chỉ trong vòng 40
năm nữa sẽ cạn kiệt nguồn dẩu hoả [5].
Thế giới ñang tìm kiếm một nguồn năng lượng tái sinh có thể cung cấp năng
lượng một cách bền vững trong tương lai. Các công nghệ khai thác nguồn năng
lượng phát sinh từ bức xạ mặt trời như: năng lượng mặt trời, thủy triều, sóng biển
và năng lượng gió ñã chiếm vị trí tiên phong trong cuộc chạy ñua này.

Các chính phủ ñã ñón nhận các công nghệ này một cách hết sức nghiêm túc,
và ñưa ra các mục tiêu ñầy tham vọng cho sản lượng ñiện tạo ra từ các nguồn năng
lượng tái sinh trên. Người dân ngày càng ý thức về sự tàn phá và ô nhiễm môi
trường từ các nguồn nhiên liệu hoá thạch và năng lượng hạt nhân. Trong khi các
nguồn năng lượng tái sinh có thể khai thác tự do và không bao giờ cạn kiệt.
Năng lượng gió là một nguồn năng lượng sạch có thể thay thế các nguồn
năng lượng truyền thống. Các ứng dụng của nó tại các nước ñang phát triển giúp
làm giảm hiệu ứng nhà kính và giữ gìn ñược các nguồn năng truyền thống ñang cạn
kiệt. Các quốc gia ñã và ñang phát triển ñều xem năng lượng gió là nguồn năng
lượng lý tưởng phù hợp với xu hướng phát triển mới của nhân loại, ñược ưu tiên

Trương Việt Anh - ðỗ Anh Khoa

Trang 14


ðề tài cấp trường: NC, TK và TC mô hình Máy phát ñiện gió trục ñứng

ñầu tư số một trong các chính sách về năng lượng.

Hình 0.1: Hành tinh chúng ta còn bao nhiêu dầu?
(Nguồn: The Independent, 20 January 2006)

0.2. Những thuận lợi khi dùng năng lượng gió
Những thuận lợi khi dùng năng lượng gió [5], bao gồm:
- Giảm hay thay thế việc xây dựng các nhà máy ñiện truyền thống dùng năng
lượng hóa thạch.
- Không gây ô nhiễm môi trường khi turbine vận hành sản xuất ñiện năng.
- Là nguồn năng lượng không bao giờ cạn kiệt.
- Dễ dàng tăng thêm công suất khi cần thiết .

- Việc lắp ñặt và xây dựng các turbine gió tương ñối nhanh.
- Mặc dù năng lượng gió hiện nay có giá ñắt hơn nhiều so với nguồn năng
lượng truyền thống, nhưng nó không bị ảnh hưởng bởi giá nguyên liệu và sự
gián ñoạn cung cấp.

Trương Việt Anh - ðỗ Anh Khoa

Trang 15


ðề tài cấp trường: NC, TK và TC mô hình Máy phát ñiện gió trục ñứng

- Ở các nước phát triển nhà nước hỗ trợ về thuế và các ưu ñãi khác.
- Tạo ra nhiều công ăn việc làm hơn so với các nhà máy năng lượng khác, khi
cùng sản xuất ra 1 ñơn vị năng lượng. Số người làm việc cho các trung tâm
năng lượng gió trên khắp thế giới khoảng 100.000 công nhân. Một Megawatt
ñiện gió cần từ 2.5 – 3 nhân công làm việc ……
- Các turbine gió mang lại nhiều lợi ích kinh tế cho nông dân và các chủ ñất từ
nguồn thu cho thuê ñất nơi ñặt các máy phát ñiện gió, mà không làm ảnh
hưởng ñến việc canh tác ngay trên mảnh ñất ñó.
- Công nghệ năng lượng gió có thể thay ñổi cho nhiều ứng dụng có công suất từ
nhỏ ñến lớn. Thời gian từ khi khảo sát ñến lắp ñặt và vận hành ngắn, và những
thuận lợi khác mà các nhà máy ñiện kiểu truyền thống không làm ñược.
0.3. Mục tiêu của ñề tài
Năng lượng gió Việt Nam với lợi thế bờ biển trải dài 3260 km và gần 3000
hòn ñảo lớn nhỏ [15] rất có tiềm năng, theo ñánh giá của Ngân hàng thế giới tiềm
năng năng lượng gió của Việt Nam tương ñối khá so với các nước ðông Nam Á,
nhưng so với thế giới thì thấp [2]. Việc khai thác năng lượng gió tại Việt Nam còn
rất hạn chế, một phần là do nhà nước chưa có chính sách hỗ trợ thích hợp phần khác
là do chế ñộ gió của Việt nam không cao, chỉ tập trung ở một vài nơi, do ñó khó

lòng phát triển trên diện rộng.
ðể các máy phát ñiện gió cỡ lớn hoạt ñộng hiệu quả, thì các máy này phải
ñược ñặt tại những nơi có gió mạnh. Ngay cả tại Phú Quốc – Kiên giang là nơi ñược
ñánh giá là có tiềm năng gió tốt mà vẫn không phát triển ñược năng lượng gió trên
bình diện rộng, qua tìm hiểu tài liệu khảo sát tại Sở Công Nghiệp Kiên giang ñược
biết tại Phú quốc chỉ có một ñiểm duy nhất có thể lắp ñặt ñược máy phát ñiện gió
công suất lớn, còn các nơi khác tại Phú Quốc ñều có chế ñộ gió không ñạt yêu cầu.
Tại Rạch Giá vận tốc gió trung bình khoảng 4m/s. Những mô hình ñiện gió công
suất bé tại Việt Nam cũng chưa thật sự thuyết phục, bởi vì cấu trúc phức tạp giá
thành cao, người dùng không thể tự bảo quản ñược nên sau một thời gian hoạt ñộng

Trương Việt Anh - ðỗ Anh Khoa

Trang 16


ðề tài cấp trường: NC, TK và TC mô hình Máy phát ñiện gió trục ñứng

ñều hư hỏng và ngừng hoạt ñộng.
Vì vậy cần phải có một mô hình máy phát ñiện gió công suất bé ñộc lập dùng
cho hộ gia ñình, công suất từ vài chục ñến khoảng 500 Watt. Cấu trúc máy ñiện gió
này phải thật ñơn giản, người dân có thể tự lắp ñặt với những vật liệu hiện có tại ñịa
phương, chi phí cho một máy phát không quá 5.000.000 ñồng, mỗi tháng máy có
thể cung cấp lượng ñiện năng khoảng 60 kWh ñủ cho nhu cầu chiếu sáng và các
tiện nghi ñơn giản khác.
Mục tiêu của ñề tài là ñưa ra một mô hình máy phát ñiện trục ñứng công suất
bé dùng cho các vùng có chế ñộ gió không tốt, chiều gió thay ñổi liên tục, gió quẩn,
tốc ñộ gió thấp.
Sau khi nghiên cứu nhiều tài liệu nước ngoài về các ứng dụng mô hình năng
lượng gió công suất bé, bảng phân tích nhân tố [9] ñánh giá nhu cầu người dùng ở

các nước phát triển và các nước ñang phát triển, ñề tài ñã ñi theo hướng máy phát
ñiện trục ñứng công suất bé có cánh kiểu Lenz2. Bởi vì chi phí cho các máy phát
trục ñứng sẽ có giá thành thấp vì không cần trụ ñỡ, có thể lắp ñặt ngay trên nóc nhà,
tận dụng ñược nguồn gió từ nhiều hướng, người dân có thể tự chế tạo theo kích cỡ
phù hợp với nhu cầu sử dụng của mình. Nghĩa là kiểu máy phát này rất ñơn giản về
mặt cấu tạo và có hiệu suất khá.
Cánh kiểu Lenz2 do Ed Ward phát triển năm 2005 [4], ñây là loại cánh cải
tiến từ kiểu Darieuss và Venturi vừa nâng vừa kéo, thích hợp với ñiều kiện gió thấp,
tỉ số TSR tối ưu bằng 0,8. Hiệu suất tối ưu ứng với TSR = 0,8 là 39%. Máy có thể
phát ñiện với vận tốc gió từ 2m/s trở lên.
ðặc ñiểm nổi bật của ñề tài này là tính ứng dụng rất cao và ña dạng, vì ngoài
nông thôn mô hình này còn có thể sử dụng trong thành phố, chiếu sáng công cộng,
có thể dùng ñể chiếu sáng vườn cây ban ñêm ñể ñuổi chim, dơi…

Trương Việt Anh - ðỗ Anh Khoa

Trang 17


ðề tài cấp trường: NC, TK và TC mô hình Máy phát ñiện gió trục ñứng

0.4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu trên mô hình vật lý và kiểm tra với các thiết kế tiêu chuẩn.
0.5. Bố cục ñề tài
Chương 0 :

Giới thiệu

Chương 1 :

Tổng quan

Chương 2 :

Lịch sử máy phát ñiện gió

Chương 3 :

Lý thuyết tính toán máy phát ñiện gió

Chương 4 :

Thiết kế mô hình và kết quả ño ñạt

Chương 5 :

Kết luận

Trương Việt Anh - ðỗ Anh Khoa

Trang 18


ðề tài cấp trường: NC, TK và TC mô hình Máy phát ñiện gió trục ñứng

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Năng lượng gió thế giới
Năng lượng gió trên thế giới hiện ñang trong thời kỳ phát triển rực rỡ nhất, ñặc
biệt là các Nước Cộng ðồng Châu Âu, công nghệ turbine gió có thể giải quyết ñược

các vấn ñề: cạn kiệt nguồn tài nguyên hóa thạch, hiệu ứng nhà kính, tuân thủ các ñiều
khoản trong Nghị ñịnh Thư Kyoto về hiện tượng trái ñất ấm dần lên.
Công suất lắp ñặt năng lượng gió trên thế giới tăng theo hàm mũ, và tăng gấp
hai lần công suất của những năm cuối thập kỷ (Hình.1.1). ðiều mà từ trước ñến nay
không một công nghệ năng lượng nào làm ñược. Mặc dù phải ñối diện với nhiều khó
khăn trong khâu truyền tải, cung cấp, nhưng thị trường năng lượng gió của năm 2006
tăng một cách chóng mặt tới 32% sản lượng năm 2005 … Bảng 1.1 [5]
Ta thấy năm 2006 tổng sản lượng ñiện gió toàn cầu ñạt 74.223 MW, tức tăng
thêm 15.197 MW so với năm 2005 là 59.091 MW [5]. Những nước có sản lượng cao
ấn tượng nhất là:
- ðức

: 20.621 MW

- Tây Ban Nha : 11.615 MW
- Hoa Kỳ

: 11.603 MW

- Ấn ðộ

: 6.270 MW

- ðan Mạch

: 3.136 MW

Trương Việt Anh - ðỗ Anh Khoa

Trang 19

Dung lượng lắp ñặt [Mwe]

ðề tài cấp trường: NC, TK và TC mô hình Máy phát ñiện gió trục ñứng

Năm

Hình 1.1: Biểu ñồ tăng trưởng công suất lắp ñặt năng lượng gió năm.
(Nguồn: Global Wind Energy Council :GWEC)
Bảng 1.1: Sản lượng ñiện toàn cầu ñến năm 2007
QUỐC GIA

SẢN LƯỢNG [MW]

Ai Cập

230

Marốc

124

Iran

48

Tunisia

20

Các nước khác

19

Tổng cộng : Châu Phi và Trung ðông

441

Canada

1,459

Mỹ

11,603

Tổng cộng: Bắc Mỹ

13,062

Brazil

237

Mêhico

88

Costa Rica

74

Caribê

35

Argentina

27

Trương Việt Anh - ðỗ Anh Khoa

Trang 20


ðề tài cấp trường: NC, TK và TC mô hình Máy phát ñiện gió trục ñứng

Columbia

20

Jamaica

20

Các nước khác

7

Tổng cộng: Mỹ La tinh

508

Ấn ðộ

6,270

Trung Quốc

2,604

Nhật Bản

1,394

ðài loan

188

Hàn Quốc

173

Philippin

25

Các nước khác

13

Tổng cộng Châu Á

10,667

ðức

20,622

Tây Ban nha

11,615

ðan Mạch

3,136

Ý

2,123

Anh

1,963

Bồ ðào Nha

1,716

Pháp

1,560

Úc

965

Hy Lạp

746

Ái Nhĩ Lan

745

Thụy ðiển

572

Na Uy

314

Bỉ

193

Phần Lan

153

Các nước khác

556

Tổng cộng Châu Âu:

48,545

Australia

817

Niu Di Lân

171

Các ñảo Thái Bình Dương

12

Tổng cộng Khu vực Thái Bình Dương

Trương Việt Anh - ðỗ Anh Khoa

1,000

Trang 21

ðề tài cấp trường: NC, TK và TC mô hình Máy phát ñiện gió trục ñứng

TỔNG CỘNG THẾ GIỚI:

74,223

Với tình hình phát triển nhanh chóng như hiện nay tại các nước châu âu, cho
thấy sản lượng của các nước này sẽ còn tiếp tục tăng. Mỹ và Canada cũng tích cực
phát triển mở rộng tăng công suất năng lượng gió.
Các nước Trung ðông, Viễn ðông và Nam Mỹ cũng bắt ñầu ñưa năng lượng
gió vào nền công nghiệp năng lượng của nước mình. Hiện tại các nước này có những
dự án phát triển ñến năm 2010 ñạt sản lượng 150 GW.
Tốc ñộ mở rộng phụ thuộc vào mức ñộ hỗ trợ của chính phủ, chính quyền các
nước cũng như cộng ñồng quốc tế. ðây cũng là trách nhiệm chính cho các nước trong
việc tuân thủ cắt giảm lượng khí thải Carbon Dioxide theo Nghị ðịnh Thư Kyoto về
cắt giảm khí thải gây hiệu ứng nhà kính.
Một làn sóng công nghệ mới ñã và ñang phát triển nhanh chóng với mục tiêu
tương lai là cải thiện công suất và giảm giá thành.
1.2. Năng lượng gió phân tán
Sự gia tăng nhanh chóng công suất lắp ñặt hằng năm trên thế giới của ngành
công nghiệp năng lượng gió phần lớn là do các máy phát ngày càng lớn hơn, hiệu
suất cao hơn. Những cánh ñồng gió với các máy phát cực lớn tập trung ñã tạo ra
lượng ñiện năng không thua gì các nhà máy ñiện truyền thống. Tuy nhiên ñể có thể
làm ñược ñiều này thì không phải quốc gia nào, vùng ñất nào cũng làm ñược.
ðiều kiện gió ñóng vai trò quyết ñịnh ñến sản lượng ñiện tạo ra nhiều hay ít,
mô hình và kích cỡ máy phát. Việc hòa lưới các máy phát cỡ lớn cũng gặp rất nhiều
khó khăn vì làm mất ổn ñịnh hệ thống và chí phí tăng cao. Chính vì lẽ ñó các hệ
thống năng lượng gió phân tán ñang ngày càng ñược quan tâm. Các hệ thống này
thường có công suất nhỏ có thể vận hành ở những nơi vận tốc gió thấp, ñộc lập và

thích hợp cho các hộ gia ñình vùng nông thôn, làng, xã, cụm dân cư...
Các hệ thống năng lượng gió phân tán cung cấp nguồn năng lượng tái sinh
giúp cải thiện môi trường, làm giảm áp lực trên lưới ñiện ñồng thời cũng tạo việc

Trương Việt Anh - ðỗ Anh Khoa

Trang 22


ðề tài cấp trường: NC, TK và TC mô hình Máy phát ñiện gió trục ñứng

làm, cung cấp nguồn năng lượng an toàn cho hộ gia ñình, nông trại, trường học, nhà
máy, các tiện nghi công cộng, công ty ñiện, các vùng xa xôi hẻo lánh. Người Mỹ ñã
ñi tiên phong ở lĩnh vực công nghệ turbine gió công suất nhỏ từ những năm 1920, cho
ñến nay ngành công nghiệp này Mỹ vẫn là nước có công nghệ, nhà máy và thị phần
ñứng ñầu thế giới.
Các hệ thống gió phân tán thường cung cấp ñiện cho người dùng phía ñồng hồ
ñiện mà không cần các ñường dây truyền tải, ñưa ra thêm một sự chọn lựa có tính
cạnh tranh cao, giá thành thấp so với các hệ thống dùng tấm pin mặt trời mà hiện nay
ñang ñược dùng nhiều ờ các căn hộ trong thành phố. Các turbine phân tán cỡ nhỏ tạo
ra ñiện ở vận tốc gió thấp hơn so với các loại cỡ lớn của ngành ñiện lực thường phải
nằm ở những vùng có vận tốc gió cao. Từ những yếu tố ñó, kết hợp với việc giá ñiện
ngày càng tăng, nhu cầu ñiện ngày càng lớn ñã thúc ñẩy mạnh ngành công nghiệp
máy phát ñiện phân tán phát triển, tạo thế cân bằng, mở rộng thị trường một cách
nhanh chóng.
Từ các số liệu khảo sát [3], ñiều tra của U.S. Department of Energy (DOE)
Wind, Hydropower Technologies Program và National Renewable Energy
Laboratory’s (NREL’s), National Wind Technology Center (NWTC) cho thấy hiện
nay ngành công nghiệp năng lượng gió phân tán này có 7 phân ñoạn thị trường, bao
gồm:

- Loại cỡ nhỏ cho vùng hẻo lánh hay không có lưới ñiện quốc gia
- Loại dùng cho nhà riêng có lưới ñiện
- Trang trại, công ty, các ứng dụng gió công nghiệp cỡ nhỏ
- Loại cỡ nhỏ dùng cho cho cụm dân cư.
- Các hệ thống gió-diesel.
- Bơm nước tưới tiêu
- Khử muối trong nước
1.2.1. Công nghệ ñiện gió phân tán trên thế giới.
Thị trường máy phát ñiện gió phân tán xưa nay ñược biết là rất khó ñánh giá,

Trương Việt Anh - ðỗ Anh Khoa

Trang 23