Thiết kế, chế tạo turbine gió dẫn động máy sục khí

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
---------------------------

NGUYỄN VĂN THƢ

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO TURBINE GIÓ DẪN ĐỘNG MÁY SỤC KHÍ

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số: 60520103

Thái Nguyên – 2015
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




ii

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

NGUYỄN VĂN THƢ
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO TURBINE GIÓ DẪN ĐỘNG MÁY SỤC KHÍ

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số: 60520103

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

KHOA CHUYÊN MÔN
TRƢỞNG KHOA

TS. ĐỖ THỊ TÁM
PHÕNG ĐÀO TẠO

THÁI NGUYÊN - 2015

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




iii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là trung thực
và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Trừ các
phần thao khảo đã được nêu rõ trong luận văn.

Tác giả

Nguyễn Văn Thƣ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




iv

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới TS. Đỗ Thị Tám - Cô đã
tận tình hƣớng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trƣờng Đại học Kỹ thuật Công
nghiệp, Phòng Đào tạo, Khoa Cơ khí và bộ môn Chế tạo máy đã tạo mọi điều kiện
thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện bản luận văn này.
Cuối cùng tôi muốn bày tỏ lòng cảm ơn đối với gia đình tôi, các thầy cô giáo,
các bạn đồng nghiệp đã ủng hộ và động viên tôi trong suốt quá trình làm luận văn này.
Mặc dù đã cố gắng song do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên chắc
chắn luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, tác giả rất mong muốn sẽ nhận
đƣợc những chỉ dẫn từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc
hoàn thiện và có ý nghĩa hơn nữa trong thực tiễn.
Xin trân trọng cảm ơn!
Tác giả

Nguyễn Văn Thƣ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

v

MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1
CHƢƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ GIÓ VÀ KHAI THÁC NĂNG LƢỢNG GIÓ ............ 3
1.1. Lịch sử hình thành và phát triển của turbines gió [4] ............................................... 3
1.2. Khai thác năng lƣợng gió .......................................................................................... 7
1.2.1. Công suất đƣợc khai thác từ năng lƣợng gió ......................................................... 7
1.2.2 Các Công ty sản xuất turbines gió .......................................................................... 9
1.2.2.1 Công ty Vestas (Đan Mạch) ................................................................................. 9
1.2.2.2 General electric (GE-Mỹ) .................................................................................. 10
1.2.2.3 Gemesa (Tây Ba Nha) ....................................................................................... 10
1.3. Khai thác năng lƣợng gió ở Việt Nam .................................................................... 10
1.3.1 Tiềm năng điện gió ở Việt Nam ............................................................................ 10
1.3.2 Phân bố vận tốc gió ở Việt Nam ........................................................................... 12
1.3.3 Việc nghiên cứu sử dụng năng lƣợng gió ............................................................. 12
1.4 Turbines gió [7],[8], [9] ........................................................................................... 13
1.4.1.Turbine gió trục đứng (VAWTs) .......................................................................... 13
1.4.2.Turbines gió trục ngang (HORIZONTAL AXIS WIND TURBINE) .................. 15
1.5. Định luật Betz ứng dụng trong thiết kế cánh turbine gió trục ngang. [4] ............... 17
1.5.1.Thông số ảnh hƣởng đến hiệu quả làm việc của turbines [9] ............................... 17
1.5.2. Thiết kế cánh turbine gió...................................................................................... 19
1.5.3. Vật liệu làm Turbine gió ...................................................................................... 21
1.5.4. Số cánh quạt của turbines gió trục ngang ............................................................ 22
CHƢƠNG 2:KHÍ ĐỘNG HỌC CÁNH TURBINES GIÓ TRỤC NGANG ................. 24
2.1 Vật lý học về năng lƣợng gió ................................................................................... 24
2.2 Hoạt động của Tubines gió ...................................................................................... 26
2.3 Thuyết động lƣợng và hệ số công suất của cánh turbines gió ................................. 28
2.4. Số „Betz‟ giới hạn ................................................................................................... 29
2.5. Lý thuyết cánh turbines gió ..................................................................................... 30

2.5.1 Vết quay ................................................................................................................ 30
2.5.2 Lý thuyết phân tố cánh .......................................................................................... 33

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




vi

2.5.3 Thuyết động lƣợng phân tố cánh........................................................................... 34
2.6 Sự ảnh hƣởng của số hữu hạn cánh Turbines gió .................................................... 37
2.6.1 Hiện tƣợng đầu mũi cánh ...................................................................................... 38
2.6.2 Phƣơng pháp gần đúng của Prandtl cho hệ số „tip-loss‟ ....................................... 41
2.6.3 „Root loss‟ ............................................................................................................. 42
2.6.4 Ảnh hƣởng của hiện tƣợng „tip-loss‟ đến thiết kế cánh Turbines gió................... 43
2.7. Profile cánh [7] ........................................................................................................ 45
CHƢƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TURBINES GIÓ TRỤC NGANG ................. 48
3.1. Thiết kế turbines gió với công suất là 200W .......................................................... 48
3.2 Lực nâng và lực đẩy ................................................................................................. 48
3.3 Chiều dài dây cung cánh .......................................................................................... 50
3.4 Góc đặt cánh ............................................................................................................. 52
....................................................................................... 54
3.6 Kết cấu một cánh turbine gió hoàn chỉnh ............................................................... 67
CHƢƠNG IV:THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ ............................................ 71
4.1 Tiến hành thí nghiệm xác định hoạt động của turbines ........................................... 71
4.1.1 Mục đích thí nghiệm ............................................................................................. 71
4.1.2 Thiết bị thí nghiệm ................................................................................................ 71
4.1.2.1.Thiết bị tạo gió ................................................................................................... 71
4.1.2.2 Dụng cụ đo tốc độ gió (phong kế)- Testo 445 ................................................... 72

4.1.2.3 Thiết bị xác định số vòng quay trên trục turbines .............................................. 72
4.1.2.4.Thiết bị đo mô men xoắn DEWE - 3020 .......................................................... 73
4.1.2.5. Máy nén khí....................................................................................................... 75
4.1.3. Tiến hành thí nghiệm ........................................................................................... 75
4.1.3.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm ..................................................................................... 75
5.5.4 Kết quả .................................................................................................................. 79
KẾT LUẬN CHƢƠNG IV ............................................................................................ 81
KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................ 82
KIẾN NGHỊ ................................................................................................................... 83

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu:
P: Công suất đầu ra của turbine gió(W)
C p : Hệ số công suất turbine gió

: Mật độ không khí (kg/m3)
At: Diện tích cánh turbine gió (m2)
V: Vận tốc gió (m/s)

 m : Là tốc độ quay của turbine gió(v/ph)
R0 : Bán kính cánh turbine gió (m)
: Tỉ số tốc độ đầu cánh
P(v): Xác suất phân bố

v: Tốc độ gió trung bình hàm xác suất phân bố (m/s)
t: Thời gian (phút)
m: Khối lƣợng (kg)
Ekin: Động năng
P: Áp lực của gió (N)
U: Vận tốc của gió phía trƣớc cánh turbine gió (m/s)
Uw: Vận tốc của gió phía sau cánh turbine gió (m/s)
A: Diện tích dòng chảy ở phía xa (m2)
Ad: Diện tích dòng chảy tại cánh (m2)
a: Hệ số thu hẹp dòng chảy
r: Hiệu suất tại một bán kính r
CT: Hệ số lực đẩy
CL: Hệ số của lực nâng
Cd: Hệ số của lực đẩy
: Vận tốc quay của turbine gió(v/ph)
r: Tỉ số vận tốc vòng phân bố
N: Số cánh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




viii

c: Chiều dài dây cung cánh (m)
: Góc đặt cánh (o)
: Góc tới (o)
: Góc tấn (o)
p: Áp suất (bar)

Q: Mô men dòng khí (Nm)
a(r): Hệ số giá trị trung bình phƣơng vị của dòng chảy
f(r): Hệ số „tip-loss‟
ab(r): Hệ số dòng chảy cục bộ với một phân tố cánh
: Khối lƣợng riêng (g/cm3)
E: Mô dun đàn hồi (kN/mm2)
U hd : Tốc độ theo phƣơng tiếp tuyến
U ht : Tốc độ theo phƣơng hƣớng tâm

Fhd: Lực hiệu dụng (N)
: Tỷ số bán kính

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Hình 1.1 Mô hình cánh gió lắp tại Trung Mỹ cuối Thế kỷ XIX ....................................... 3
Hình 1.2 Cối xay gió ở Mykonos ...................................................................................... 4
Hình 1.3. Cối xay gió của Alexandria (Woodcroft, 1851) ............................................... 4
Hình 1.4. Tháp cối xay gió ( .......... 5
Hình 1.5 Turbine gió phát điện đầu tiên .......................................................................... 5
Hình 1.6. Jacobs turbine (Jacobs, 1961) ......................................................................... 6
Hình 1.7 Trang trại turbines gió trên biển ....................................................................... 7
Bảng 1.1 Công suất được khai thác từ năng lượng gió trên thế giới .............................. 8
Hình 1.8. Top 10 sử dụng năng lượng gió (2007) ........................................................... 9
Hình 1.9. Công suất và kích thước cánh rotor các loại turbine gió ................................ 9

Nguồn: global wind energy 2008-2020 vietnam, why not?
(www.globalexpo.com.vn) ................................................................................................ 9
Bảng 1.2. Vận tốc gió trung bình tại các tỉnh ven biển Việt Nam ................................ 11
Bảng 1.3 Tiềm năng năng lượng gió khu vực Đông Nam .............................................. 11
Bảng 1.4 Vận tốc gió trung bình ở Việt Nam ................................................................. 12
Hình 1.10 Cánh đồng gió tại huyện đảo Phú Quốc ....................................................... 13
Hình 1.11. Turbine gió trục đứng kiểu Darrieus ........................................................... 13
Hình 1.12.Tuốc bin gió trục đứng kiểu Savonius ........................................................... 14
Hình 1.13 Turbines gió trục ngang (HAWT) ................................................................. 15
Hình 1.14 Turbines gió trục ngang (HAWT) ................................................................. 15
Hình 1.17 Dòng không khí, áp suất và tốc độ trước và sau turbines [9] ...................... 18
Hình 1.16: Thử nghiệm turbines một cánh MOD – O năm 1985 tại Mỹ ....................... 22
Hình 2.1. Năng lượng gió............................................................................................... 25
Hình 2.2. Lực nâng trong Turbine gió ........................................................................... 26
Hình 2.3. Sơ đồ biến đổi dòng không khí đi qua cánh Turbines gió.............................. 27
Hình 2.4. Dòng khí trước và sau cánh ........................................................................... 30
Hình 2.5. Dòng khí qua cánh Turbines gió .................................................................... 31
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




x

Hình 2.6 Dòng khí qua turbine gió 3 cánh .................................................................... 34
Hình 2.7Các thông số của một phân tố cánh ................................................................. 34
Hình 2.8 Đầu xoáy xoắn kế tiếp của trục Turbines gió nằm ngang .............................. 38
Hình 3.1. Mối liên hệ giữa CP, CL, CD…. Với góc tấn α. ............................................... 49
Bảng 3.1 Sự biến thiên

c
theo tỉ số bán kính x............................................................ 51
R

Hình 3.2 Góc đặt cánh ................................................................................................... 52
Bảng 3.2. Sự biến thiên

c
theo góc tấn của cánh......................................................... 53
R

Bảng 3.3 Sự quan hệ giữa các góc của cánh ................................................................. 53
Hình 3.3 Biên dạng và kích thước tại mặt cắt thứ nhất ................................................. 61
Hình 3.4 Biên dạng và kích thước tại mặt cắt thứ hai ................................................... 61
Hình 3.5 Biên dạng và kích thước tại mặt cắt thứ ba .................................................... 62
Hình 3.6 Biên dạng và kích thước tại mặt cắt thứ tư ..................................................... 62
Hình 3.7 Biên dạng và kích thước tại mặt cắt thứ năm ................................................. 63
Hình 3.8 Biên dạng và kích thước tại mặt cắt thứ sáu ................................................... 63
Hình 3.9 Biên dạng và kích thước tại mặt cắt thứ bảy .................................................. 64
Hình 3.10 Biên dạng và kích thước tại mặt cắt thứ tám ................................................ 64
Hình 3.11 Biên dạng và kích thước tại mặt cắt thứ chín ............................................... 65
Hình 3. 12 Biên dạng cánh tại các tiết diện khác nhau ................................................. 65
Hình 3.13 Biên dạng cánh tại một các tiết diện khác nhau sau khi xoay theo góc  ... 66
Hình 3.14 Biên dạng cánh turbines ............................................................................... 66
Hình 3.15 Bản vẽ cánh turbines ..................................................................................... 67
Bảng 3.5 Thông số vật liệu ............................................................................................. 67
Hình 3.16 Sơ đồ phân tích áp lực của gió vào cánh turbine gió ................................... 68
Hình 4.1 Thiết bị tạo gió ................................................................................................ 71
Hình 4.3 Thiết bị xác định số vòng quay trên trục turbines .......................................... 72
Hình 4.2 Thiết bị xác định vận tốc gió ........................................................................... 72

Hình 4.4 Mà hình hiển thị .............................................................................................. 73

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




xi

Hình 4.5. Bộ phận chuyển đổi ........................................................................................ 73
Hình 4.6. Thiết bị kết nối giữa turbines và thiết bị đo ................................................... 74
Hình 4.8. Sơ đồ bố trí thí nghiệm ................................................................................... 75
Hình 4.9. Gá lắp cánh turbine ....................................................................................... 76
Hình 4.10 Tín hiệu được thể hiện trên màn hình ........................................................... 77
Hình 4.11 Kết quả mô men được xuất dưới dạng Excel ................................................ 78
Hình 4.12 Không khí được sục vào bể nước .................................................................. 79

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




1

PHẦN MỞ ĐẦU
1.Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, gió là nguồn năng lƣợng phát triển nhanh nhất trên thế giới, mức
độ tăng trƣởng đạt 29% trong thập kỷ niên qua, trong đó than chỉ tăng 2,5%, năng
lƣợng hạt nhân tăng 1,8%, khí tự nhiên tăng 2,5% và dầu tăng 1,7%/ năm.
Ở một số nƣớc, đặc biệt là các nƣớc ở khu vực châu Âu năng lƣợng gió đƣợc

xem nhƣ một nguồn năng lƣợng quan trọng đã đóng góp một phần đáng kể trong
việc cân bằng năng lƣợng quốc gia [1].
Tại Châu Á, Trung Quốc là nƣớc dẫn đầu phát triển việc nghiên cứu và sử
dụng nguồn năng lƣợng gió, đặc biệt chú trọng các loại turbine gió cỡ nhỏ.
Ƣu thế của Việt Nam là nƣớc có bờ biển dài trên 3.000 km, nhiều hải đảo,
núi cao có tốc độ gió từ 7 đến 9m/s là thƣờng xuyên, có lúc 15-17m/s, đặc biệt là ở
miền Trung và Tây Nguyên đến nay chƣa đƣợc khai thác [1].
Ở Việt Nam, đã có một số cơ quan tham gia nghiên cứu về năng lƣợng gió: Nhƣ
Đại học Bách khoa Hà Nội, Trung tâm năng lƣợng mới [1], Học viện kỹ thuật quân sự,
Trƣờng Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên [2]..,
những cơ quan này cũng đã tập trung nghiên cứu năng lƣợng gió theo nhiều hƣớng
khác nhau, tuy nhiên nghiên cứu turbine gió công suất nhỏ cho kinh doanh hộ cá thể
(nhƣ turbine gió dẫn động để kéo máy sục khí nuôi trồng thủy sản từ 1HP trở lên, hoặc
sản xuất phong điện công suất dƣới 1.5 kw cho các trang trại sản xuất nhỏ), ở điều
kiện vận tốc gió thấp (dƣới 10m/s) còn chƣa đƣợc quan tâm đến.
Theo các tài liệu công bố gần đây [3], tốc độ gió trung bình của Việt Nam có
thể phù hợp cho việc vận hành một turbine gió trục ngang 3 cánh, loại turbine này
có mô men khởi động yêu cầu nhỏ (chỉ cần vận tốc gió thấp khoảng 2.5 m/s là
turbine gió có thể đi vào hoạt động), hiệu suất năng lƣợng cao so với các loại
turbine khác, phần thiết kế, chế tạo đơn giản và kinh phí thấp, phù hợp cho sản xuất
phong điện công suất nhỏ. Tuy nhiên cơ sở khoa học cho việc chế tạo turbine gió
trục ngang này chƣa đƣợc quan tâm nghiên cứu đầy đủ.Vì thế, đề tài “Thiết kế, chế
tạo turbine gió dẫn động máy sục khí” là hết sức cần thiết.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




2

3. Mục tiêu của nghiên cứu
3.1. Mục tiêu chung
Thiết kế, chế tạo và vận hành thành công mô hình turbine gió trục ngang có công
suất nhỏ (dƣới 0,5Kw)
3.2. Mục tiêu cụ thể
- Tìm hiểu lý thuyết cơ bản về khí động lực turbines gió và những nhân tố ảnh
hưởng đến công suất làm việc của turbines gió;
- Sử dụng phần mềm Catia để xây dựng biên dạng cánh trên cơ sở biên dạng cánh
của Naca 63415;
- Đặt ra bài toán, dựa trên phương pháp nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực
nghiệm, tính toán thiết kế, chế tạo mô hình, kiểm nghiệm tuabin gió công suất
nhỏ để vận hành máy sục khí trong nuôi trồng thủy sản đạt được công suất như
dự kiến.
4. Kết quả dự kiến
- Chế tạo, lắp ráp hoàn chỉnh mô hình turbine gió trục ngang nhƣ mục tiêu đề ra.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết (điều tra, thống kê);
- Phƣơng pháp thực nghiệm.
6. Các công cụ, thiết bị nghiên cứu
- Máy đo mô men xoắn DEWE - 3020;
- Phong kế đo tốc độ gióTesto 445.
7. Nội dung của luận văn gồm 04 chƣơng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




3

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ GIÓ VÀ KHAI THÁC NĂNG LƢỢNG GIÓ
1.1. Lịch sử hình thành và phát triển của turbines gió [4]
Lịch sử thế giới loài ngƣời đã biết ứng dụng năng lƣợng gió vào cuộc sống từ
rất sớm. Gió giúp quay các cối xay bột, gió giúp các thiết bị bơm nƣớc hoạt động,
và gió thổi vào cánh buồm giúp đƣa các con thuyền đi xa. Theo những tài liệu còn
giữ lại đƣợc thì bản thiết kế đầu tiên của chiếc cối xay hoạt động nhờ sức gió là vào
khoảng thời gian những năm 500-900 sau công nguyên tại Ba Tƣ. Đặc điểm nổi bật
của thiết bị này đó là các cánh đón gió đƣợc bố trí xung quanh một trục đứng, minh
họa một mô hình cánh gió đƣợc lắp tại Trung Mỹ vào cuối thế kỷ XIX, mô hình này
có cấu tạo cánh đón gió quay theo trục đứng.

Hình 1.1 Mô hình cánh gió lắp tại Trung Mỹ cuối Thế kỷ XIX
Muộn hơn nữa, kể từ thế kỷ XIII, các cối xay gió xuất hiện tại Châu Âu với
cấu trúc phức tạp hơn có các cánh đón gió quay theo phƣơng ngang. Cải tiến cơ bản
này đã tận dụng đƣợc lực nâng khí động tác dụng lên cánh và làm hiệu suất của cối
xay gió thời kỳ này đƣợc cải thiện đáng kể.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




4

Hình 1.2 Cối xay gió ở Mykonos
Trong suốt những năm tiếp theo, các thiết kế của cối xay gió ngày càng đƣợc
hoàn thiện và đƣợc sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực nhƣ; bơm nƣớc, tƣới tiêu,
xay bột. Tuy nhiên vào đầu thế kỷ XIX, với sự xuất hiện của máy hơi nƣớc, đã thay

thế dần các thiết bị chạy bằng sức gió.
Những bƣớc đầu tiên của turbines gió
Các tài liệu tham khảo lịch sử đầu tiên về cối xay gió đề cấp tới Alexandria
(Woodcroft, 1851). Ông đƣợc cho là sống ở thế kỷ thứ nhất trƣớc công nguyên.
Hình 1.3 mô tả một thiết bị cung cấp không khí cho một cơ quan bằng năng lƣợng
của một turbine gió [4]

Hình 1.3. Turbine gió của Alexandria (Woodcroft, 1851)
Turbine gió đã xuất hiện đầu tiên ở Bắc Âu (Anh) vào thế kỷ thứ 12 và đều
có trục nằm ngang. Chúng đƣợc sử dụng trong cơ khí, bơm nƣớc, xay ngũ cốc, cƣa
gỗ, cung cấp năng lƣợng …Turbine gió thƣờng có bốn cánh, số lƣợng và kích thƣớc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




5

của cánh có lẽ là dựa vào tính dễ thi công, và dựa trên kết quả thực nghiệm (tỷ lệ
diện tích cánh cho khu vực quét) [4]

Hình 1.4. Turbine gió ( />Năm 1888, tại Ohio-Mỹ, chiếc turbines gió phát điện đầu tiên đƣợc chế tạo bởi
Charles F.Brush [5]. Đặc điểm của turbines.
- Cánh đƣợc ghép thành xuyến tròn, có đƣờng kính 17m.
- Sử dụng hộp số (tỉ số truyền 50:1) giữa trục Turbines gió với máy phát.
- Tốc độ định mức của máy phát là 500 v/phút.
- Công suất định mức của máy phát là 12kW.

Hình 1.5 Turbine gió phát điện đầu tiên

Nửa đầu của thế kỷ 20 cũng chứng kiến sự ra đời của một số turbine gió lớn
có ảnh hƣởng đáng kể sự phát triển của công nghệ ngày nay. Một trong số đó là là
ở Đan Mạch. Giữa năm 1891 và 1918 Poul La Cour đƣợc xây dựng hơn 100 turbine
phát điện tạo ra trong phạm vi kích thƣớc 20-35kW. Thiết kế của ông dựa trên thế
hệ mới nhất của các nhà máy Đan Mạch.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




6

Một trong những tính năng đáng chú ý hơn của turbine là sản xuất điện năng
đƣợc tạo ra đã đƣợc sử dụng để sản xuất hydro và khí hydro sau đó đã đƣợc sử dụng
để chiếu sáng. Turbine La Cour đã đƣợc theo sau bởi một số turbine sản xuất bởi
Lykkegaard Ltd và FL Smidth & Co trƣớc khi Thế chiến II. Những dao động có
kích thƣớc từ 30 đến 60kW. [5]

Hình 1.6. Jacobs turbine (Jacobs, 1961)
Trong những năm tiếp theo, hàng loạt turbines gió ra đời nhƣ: Turbines gió
công suất 25kW ở Đan Mạch năm 1910, 1-3kW ở Mỹ năm 1925, 100kW ở Nga
năm 1931.
Tuy nhiên do giá thành điện của những máy này không cạnh tranh đƣợc với
các nhà máy nhiệt điện vì vậy chúng không đƣợc phát triển rộng rãi.
Những năm 80 của thế kỷ XX
Vào thời kỳ này thế giới đang bƣớc vào cuộc khủng hoảng năng lƣợng. Ở
các nƣớc phát triển bắt đầu tập trung vào nghiên cứu chế tạo các turbines gió. Mỹ là
nƣớc đi tiên phong trong lĩnh vực này khi mà tại đây rất nhiều turbines gió của các
nhà sản xuất trên thế giới đƣợc lắp đặt. Những thiết kế, mô hình turbines gió đã phát
triển rất nhanh và đáng chú ý là mô hình thiết kế của Đan Mạch; có 3 cánh, công

suất 250kW, turbines gió có thể điều chỉnh đƣợc góc đón gió của cánh turbines gió.
Đây là mẫu thiết kế đã mang dáng dấp của những turbines gió hiện đại sau này.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




7

Từ năm 90 đến nay
Sau năm 90, cùng với Mỹ các nƣớc Đức, Anh, Tây Ba Nha, Hà Lan, Thụy
Điển là những thị trƣờng đầy tiềm năng. Nhiều turbines gió đƣợc lắp đặt với dải
công suất ngày càng lớn. Năm 1990, công suất turbines gió lắp đặt chỉ ở mức
200kW thì đến năm 2003 công suất turbines gió có thể lên đến 5MW. Kéo theo đó
là sự xuất hiện hàng loạt các trang trại turbines gió với công suất lên đến vài trăm MW.
Thời kỳ này đánh dấu sự phát triển các trang trại turbines gió trên biển. Gió
trên biển có đặc điểm vận tốc gió cao và ổn định nên hứa hẹn có thể mang lại một
lƣợng công suất rất lớn.

Hình 1.7 Trang trại turbines gió trên biển
1.2. Khai thác năng lƣợng gió
1.2.1. Công suất được khai thác từ năng lượng gió
Trên thế giới có rất nhiều quốc gia đã đi vào khai thác nguồn năng lƣợng gió,
chủ yếu là các nƣớc phát triển. Trong số 20 thị trƣờng lớn nhất trên thế giới, chỉ
riêng châu Âu đã có 13 nƣớc với Đức là nƣớc dẫn đầu về công suất của các nhà
máy dùng năng lƣợng gió với khoảng cách xa so với các nƣớc còn lại. Tại Đức, Đan
Mạch và Tây Ban Nha việc phát triển năng lƣợng gió liên tục trong nhiều năm qua.
Công nghệ của Đức (bên cạnh các phát triển mới từ Đan Mạch và Tây Ban Nha) đã
đƣợc sử dụng trên thị trƣờng nhiều hơn trong những năm vừa qua .

Năm 2007 thế giới đã xây mới đƣợc khoảng 20073 MW điện, trong đó Mỹ
với 5244 MW, Tây Ban Nha 3522MW, Trung Quốc 3449 MW, 1730 MW ở Ấn Độ
và 1667 MW ở Đức, nâng công suất định mức của các nhà máy sản xuất điện từ gió

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




8

lên 94.112 MW. Công suất này có thể thay đổi dựa trên sức gió qua các năm, các
nƣớc và các vùng.
Bảng 1.1 Công suất được khai thác từ năng lượng gió trên thế giới
Số thứ tự

Quốc gia

Công suất (MW)

1

Đức

22.247

2

Mỹ

16.818

3

Tây Ban Nha

15.145

4

Ấn Độ

8.000

5

Trung Quốc

6.050

6

Đan Mạch

3.125

7

Ý

2.726

8

Pháp

2.454

9

Anh

2.389

10

Bồ Đào Nha

2.150

11

Ca na đa

1.846

12

Hà Lan

1.746

13

Nhật

1.538

14

Áo

982

15

Hy Lạp

871

16

Úc

824

17

Ai Len

805

18

Thụy Điển

788

19

Na Uy

333

20

Niu Di Lân

322

Những nƣớc khác

2.953

Công suất tổng toàn Thế giới

94.112

Nguồn:World Wind Energy Association, dịch từ Wikipedia Đức, 2007
Đứng đầu danh sách là Đức với việc sử dụng gần 20.000 turbines gió hiện

đại nhất thế giới. Với vị trí địa lý thuận lợi đã giúp quốc gia này khai thác nguồn
năng lƣợng gió cả trên đất liền và ngoài khơi.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




9

Hình 1.8. Top 10 sử dụng năng lượng gió (2007)
1. Nguồn:Global Wind Energy Outlook 2008, Global Wind Energy Council
GWEC; Renewable Energy Campaign – Greenpeace International; October

Hình 1.9. Công suất và kích thước cánh rotor các loại turbine gió
Nguồn: global wind energy 2008-2020 vietnam, why not?
(www.globalexpo.com.vn)
1.2.2 Các Công ty sản xuất turbines gió
1.2.2.1 Công ty Vestas (Đan Mạch)
Công ty đã lắp đặt 40.000 turbines gió trên khắp 60 quốc gia trên thế giới. Sản
phẩm của họ chiếm 23% thị trƣờng. Dƣới đây là một số sản phẩm chính của hãng:
- V47-660KW
- V52-850KW
- V66-1,75MW
- V80-2,0MW
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




10

- V90-3,0MW
1.2.2.2 General electric (GE-Mỹ)
Dòng sản phẩm của công ty là các turbines gió và các turbines gió đã đƣợc
lắp đặt trên 100 quốc gia trên thế giới. Một số sản phẩm turbines gió:
- GE -1,5MW
- GE -2,5MW
- GE104-3,6MW
1.2.2.3 Gemesa (Tây Ba Nha)
Dòng sản phẩm của công ty chủ yếu là các turbines gió lắp đặt trên đất liền,
một số sản phẩm turbines gió:
- G52,G58-850KW
- G80,G87-2MW
- G90- 2MW
1.3. Khai thác năng lƣợng gió ở Việt Nam
1.3.1 Tiềm năng điện gió ở Việt Nam
Việt Nam có hơn 3.000km đƣờng biển kéo dài từ Bắc vào Nam và gần 3.000
đảo lớn nhỏ, phần lớn có dân cƣ sinh sống, tại đây có gió mùa quanh năm nhƣng
mật độ năng lƣợng (kWh/m2) và tính ổn định rất khác nhau bởi đặc điểm về địa lý
và địa hình quyết định. Các vùng đƣợc xem là có tiềm năng gió tƣơng đối mạnh
nhƣ: Bạch Long Vĩ, Trƣờng Sa, Quy Nhơn, Quảng Bình, Phù Liễn, Phan Thiết, Cửa
Tùng, Móng Cái, Quảng Ninh…[6]. Mật độ năng lƣợng gió trong một năm tính
bằng kWh/m2 ở độ cao 10m, đƣợc tính theo công thức [6]:
20

E = 0.6125( Vi 3.ti )10 3 ; kWh/m2
i 3

Trong đó: ti – Số giờ có vận tốc gió trung bình (Vi) trong năm, m/s
Mỗi địa phƣơng có vị trí địa lý và địa hình khác nhau nên vận tốc gió và giá trị

mật độ năng lƣợng gió không giống nhau. Vận tốc gió trung bình tháng và năm ở 11
Trạm Khí tƣợng Thủy văn có khả năng sử dụng turbines gió đƣợc nghi nhận ở Bảng 1.2.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




11

Bảng 1.2. Vận tốc gió trung bình tại các tỉnh ven biển Việt Nam
Tháng trong năm

Địa điểm
TT

(Trạm)

Trung

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

bình
năm

1

Bãi cháy

4.2

2.9

3.5

2.8

4.3

3.8

4.6

3.8

4.2

4.6

3.9

3.5

4.1

2

Phú Liễn

4.3

4.1

4.5

4.7

5.0

4.0

3.8

3.4

3.6

4.1

4.2

3.7

4.2

7.9

7.9

7.4

6.8

7.2

6.4

8.3

6.4

6.8

7.3

8.0

7.8

7.4

3.3

3.7

3.0

3.6

3.3

3.3

3.9

3.1

3.6

4.0

4.0

4.0

3.6

4.2

4.3

3.3

2.6

3.1

3.7

3.5

3.7

3.5

3.7

6.3

5.1

3.9

4.3

4.6

3.3

3.7

3.4

4.0

4.0

4.0

2.9

2.9

5.4

6.4

4.1

4.1

4.7

4.3

3.9

3.2

3.5

3.5

3.8

3.0

2.8

3.3

3.8

3.7

3.5

4.6

3.9

3.5

3.4

3.5

3.6

3.5

3.0

2.5

3.6

4.1

3.6

3
4
5
6
7

8

Bạch
Long Vĩ
Nam Định
Quảng
Bình
Quy Nhơn
Phan
Thiết
Liên
Khƣơng

9

Vũng Tàu

3.9

5.2

5.3

4.4

3.4

3.7

3.6

3.7

2.9

2.6

3.1

2.9

3.7

10

Phú Quốc

2.7

2.6

3.0

2.9

3.3

4.6

4.9

5.1

3.9

2.8

3.0

3.8

3.6

11

Trƣờng Sa

8.6

6.8

5.6

4.3

3.8

6.1

6.4

5.7

5.2

5.3

6.3

8.7

6.2

Theo đánh giá của Ngân hàng Thế giới thì Việt Nam có tiềm năng năng
lƣợng gió lớn nhất khu vực Đông Nam Á, với tổng tiềm năng hơn 500.000MW
bằng 200 lần công suất nhà máy thủy điện Sơn La.
Bảng 1.3 Tiềm năng năng lượng gió khu vực Đông Nam

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




12

1.3.2 Phân bố vận tốc gió ở Việt Nam
Bảng 1.4 Vận tốc gió trung bình ở Việt Nam

Bảng vận tốc gió đƣợc cung cấp bởi cục khí tƣợng thủy văn với vận tốc gió ở
độ cao 5-10m. Muốn lắp đặt những turbines gió công suất lớn thì cần phải có những
nghiên cứu cụ thể về vận tốc gió trung bình, hƣớng gió trung bình theo độ cao.

Tuy nhiên căn cứ vào bảng này ta thấy rằng vận tốc gió ở Việt Nam đạt ở
mức trung bình. Tại một số nơi có tiềm năng năng lƣợng gió cao nhƣ đảo Bạch
Long Vĩ - Hải Phòng, Vĩnh Linh - Quảng Trị, Quy Nhơn - Bình Định. Hiện nay
đang có dự án xây dựng các cánh đồng turbines gió có công suất 750KW, 10MW,
15MW và 20MW.
1.3.3 Việc nghiên cứu sử dụng năng lượng gió
Chúng ta đã nhìn nhận và đánh giá đúng mức lợi ích sử dụng năng lƣợng gió
ngay từ năm 1972, từ đó đã có các cơ quan đầu tƣ kinh phí để nghiên cứu, khởi đầu
là Bộ Đại học (Bộ Giáo dục và Đào tạo ngày nay). Tới nay, đã có thêm một số cơ
quan cùng tham gia nghiên cứu loại năng lƣợng này nhƣ: Đại học Bách khoa Hà
Nội, Đại học Bách khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, Viện Năng lƣợng, Trung tâm
năng lƣợng mới, Viện Kỹ thuật Quân sự, Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học
Thái Nguyên, những cơ quan này ngoài việc nghiên cứu năng lƣợng gió là chính,
còn nghiên cứu các dạng năng lƣợng khác nhƣ: Năng lƣợng mặt trời, Năng lƣợng
sinh khối. Riêng năng lƣợng gió đƣợc tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




13

Turbines gió kéo các máy công tác nhƣ máy bơm nƣớc và máy phát điện cỡ nhỏ.
Nhìn chung những mẫu máy trên mới chỉ ở mức thử nghiệm thăm dò, nếu đƣa vào
sản xuất cần phải nghiên cứu tiếp tục cùng với lựa chọn vật liệu, công nghệ chế tạo
thích hợp, điều kiện ứng dụng và đề xuất các phƣơng án cải tiến tiếp theo.

Hình 1.10 Cánh đồng gió tại huyện đảo Phú Quốc
1.4 Turbines gió [7],[8], [9]
Turbines gió là thiết bị biến đổi động năng của gió thành cơ năng, từ cơ năng có

thể biến đổi thành điện năng nhờ máy phát điện - Máy phát điện dùng sức gió
(Turbines) gió có nhiều loại khác nhau nhƣng chủ yếu đƣợc chia làm hai nhóm chính
phụ thuộc vào cách đón gió của nó: Turbines gió trục ngang và Turbines gió trục đứng.
1.4.1.Turbine gió trục đứng (VAWTs)

Hình 1.11. Turbine gió
trục đứng kiểu Darrieus
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




14

Hình 1.12.Turbine gió trục đứng kiểu Savonius
Turbine gió trục đứng là loại turbine mới phát triển trong thời gian gần đây.
- Công suất khoảng từ vài trăm W đến 10kW.
- Dải vận tốc gió hoạt động 3-40m/s.
- Chiều cao turbine dƣới 30m.
- Số cánh quạt 2 - 4 cánh.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN