THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH TURBIN GIÓ TRỤC ĐỨNG CÔNG SUẤT NHỎ TỰ ĐỘNG HÓA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH TURBIN GIÓ TRỤC ĐỨNG
CÔNG SUẤT NHỎ TỰ ĐỘNG HÓA

Họ và tên sinh viên: LÊ QUỐC CẢNH
Ngành: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
Niên khóa: 2007 – 2011

Tháng 06 năm 2011


THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH TURBIN GIÓ TRỤC ĐỨNG CÔNG
SUẤT NHỎ TỰ ĐỘNG HÓA

Tác giả

LÊ QUỐC CẢNH

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu
cấp bằng kỹ sư ngành
ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

Giáo viên hướng dẫn:
TS. DƯƠNG MINH TÂM (Khu Công Nghệ Cao TP.HCM)

Tháng 06 năm 2011
i

LỜI CẢM TẠ
Trước tiên, con xin cảm ơn cha mẹ, người thân gia đình đã sinh ra, nuôi dưỡng,
động viên và yêu thương con trong suốt thời gian qua. Gia đình đã là chỗ dựa vững chắc
giúp con trong suốt những năm học tại trường.
Sau đó, em xin được gởi lời cảm ơn đến quý thầy cô Trường Đại Học Nông Lâm
TP. Hồ Chí Minh, đặc biệt là toàn thể thầy cô Khoa Cơ Khí – Công Nghệ đã tận tình dạy
dỗ và truyền đạt cho em những kiến thức cần thiết trong suốt 4 năm theo học ở trường.
Em xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy TS. Dương Minh Tâm Giám Đốc
Trung Tâm Nghiên Cứu Triển Khai Khu Công Nghệ Cao TP. HCM đã trực tiếp giúp đỡ,
hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện đề tài.
Cuối cùng, mình xin cảm ơn tập thể các bạn trong lớp DH07TD nói riêng và các
bạn nói chung đã động viên, giúp đỡ mình trong suốt những năm học vừa qua và trong
thời gian thực hiện khóa luận.
Em xin chân thành cảm ơn!
TP. HCM, tháng 06 năm 2011
Sinh viên thực hiện
LÊ QUỐC CẢNH

ii


TÓM TẮT
Hiện tượng nóng lên của trái đất là một vấn đề đang được thế giới quan tâm hiện
nay, bên cạnh đó là vấn đề về năng lượng cũng được nhiều quốc gia quan tâm, nhất là
Việt Nam một quốc gia đang phát triển cần nguồn năng lượng khổng lồ để thúc đẩy quá
trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Một vấn đề đặt ra là phải tìm ra nguồn năng
lượng thay thế trong khi các nguồn năng lượng khác dần cạn kiệt mà lại thân thiện với
môi trường. Ngoài năng lượng mặt trời,năng lượng gió là một năng lượng thiên nhiên mà

loài người đang chú trọng đến cho nhu cầu năng lượng thế giới trong tương lai. Để biến
động năng của gió thành điện năng người ta dùng máy phát điện sử dụng turbin gió.Hiện
nay ,trên thế giới sử dụng hai loại turbin gió cho máy phát :turbin trục ngang và turbin
gió trục đứng.Tuy nhiên,hệ thống sử dụng turbin gió trục ngang có những nhược
điểm:cấu taọ và kết cấu rất công kềnh cánh quạt lắp cố định với trục quay nên không
điều khiển được công suất phát điện cho tải … . Hệ thống sử dụng turbin gió trục đứng
đang là hướng nghiên cứu mới hiện nay do khắc phục được một số nhược điểm của hệ
thống trục ngang như là kết cấu nhỏ gọn,điều khiển công suất cho tải một cách độc lập.Vì
vậy, đề tài được chọn là: ”Thiết kế mô hình turbin gió trục đứng với công suất nhỏ tự
động hóa” .
Giáo viên hướng dẫn

Sinh viên thực hiện

TS. DƯƠNG MINH TÂM

LÊ QUỐC CẢNH

iii


MỤC LỤC
Trang
Trang tựa

i

Lời cảm ơn

ii

Tóm Tắt

iii

Mục lục

iv

Danh sách các hình

vii

Danh sách các bảng

ix

Chương I :MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1 
1.1.  Đặt vấn đề ................................................................................................................ 1 
1.2. Mục đích và giới hạn đề tài ..................................................................................... 2 
1.2.1. Mục đích ............................................................................................................. 2 
1.2.2. Giới hạn đề tài ..................................................................................................... 2 
Chương II :TỔNG QUAN ............................................................................................... 3 
2.1 Tìm hiểu về nguồn năng lượng gió ............................................................................ 3 
2.1.1    Sự phát triển của nguồn năng lượng gió trên thế giới ....................................... 5 
2.1.2 : Tiềm năng phát triển của nguồn năng lượng gió trên lãnh thồ Việt Nam ......... 6 
2.2 : Tìm hiểu Máy phát điện gió .................................................................................... 8 
2.2.1 : Đôi nét về lịch sử nghiên cứu và máy phát điện bằng sức gió .......................... 8 
2.2.1.1: Lịch sử phát triển của máy phát điện chạy bằng sức gió................................. 8 
2.2.1.2 : Đặc điểm chung của máy phát điện bằng sức gió ......................................... 11 

   Cấu tạo một turbin gió ............................................................................................ 11 
2.2.1.3: Những lợi ích khi sử dụng năng lượng gió để phát điện ............................... 14 
a.Những thuận lợi .......................................................................................................... 14 
b. Những khó khăn ........................................................................................................ 14 
2.2.2 : Thiết bị biến đổi năng lượng gió thành Điện ................................................... 15 
2.2.2.1 : Turbin gió ........................................................................................................... 15 
2.2.2.1.1 Tính toán năng lượng gió hấp thụ bởi turbin gió . ................................ 16 
2.2.2.1.2 : Một số Turbin gió trục đứng đang có trên thị trường: ......................... 18 
iv


2.2.2.1.3 : Ưu,nhược điểm của turbin gió trục đứng so vói turbin gió trục ngang 20 
2.2.2.1.4 :Khí động lực học trong turbin gió.............................................................. 20 
a) Động lực học cánh quạt turbin ...................................................................... 20
b) Động lực học của rotor. ................................................................................. 23
2.2.2.2 : Máy Phát điện trong turbin gió........................................................................ 25 
a. 

Khái niệm máy phát điện: ......................................................................... 26 

b. 

Cấu tạo của máy phát điện: ....................................................................... 26 

c. 

Phần loại máy phát điện:........................................................................... 26 

d. 

Nguyên lí làm việc .................................................................................... 27 

e. 

vật liệu chế tạo máy phát điện .................................................................. 29 

f. 

Vật liệu dẫn điện ....................................................................................... 29 

g. 

Vật liệu dẫn từ........................................................................................... 30 

h. 

Vật liệu cách điện ..................................................................................... 30 

2.2.3 :Phương pháp điều khiển turbin gió ................................................................... 30 
2.2.4 :Các phương pháp lưu trữ và sữ dụng phong điện ............................................. 37 
Chương III : Nội Dung Và Phương Pháp,Phương Tiện Nghiên Cứu Error! Bookmark
not defined. 
3.1 : Địa điểm và Thời gian nghiên cứu đề tài .............................................................. 42 
3.2 : Phương Pháp thực hiện đề tài ................................................................................ 43 
3.3 : Phương tiện thực hiện đề tài .................................................................................. 43 
Chương 4: Kết Quả Và Thảo Luận .................................. Error! Bookmark not defined. 
4.1 : Thiết kế mô hình .................................................................................................... 44 
4.2 : Khảo sát tính toán thông số kỹ thuật máy phát điện gắn vào turbin gió: .............. 53 
4.3 : Thực hiện phần cơ khí: .......................................................................................... 56 
a. Phần turbin: ............................................................................................................. 56 

b.Phần cánh tay nối cánh turbin và trục rotor: ............................................................ 56 
c.Phần trục rotor : ........................................................................................................ 57 
d. Phần đở turbin: ........................................................................................................ 57 
4.4 : Lắp Ráp ,Kiểm tra ,Hiệu Chỉnh Và Hoàn Thiện Mô Hình.................................... 58 
4.4.1 Kiểm tra thiết bị ................................................................................................. 58 
4.4.2 Hiệu chỉnh thiết bị .............................................................................................. 58 
4.5 Khảo nghệm lấy kết quả và thảo luận ...................................................................... 58 
4.5.1 Quy trình khảo nghiệm ...................................................................................... 58 
v


4.5.2 Kết quả ............................................................................................................... 60 
Chương 5 : Kết luận và kiện nghị ................................................................................. 61 
5.1 :Kết luận ................................................................................................................... 61 
5.2 :Kiến nghị ................................................................................................................ 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

vi


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Trang
Hình 2.1. Sự hình thành năng lương gió . ......................................................................3
Hình 2.2. Pin mặt trời . ................................................................................................... 4
Hình 2.3. Turbin gió . ......................................................................................................4
Hình 2.4. Tổng công suất lắp đặt điện gió toàn cầu thực tế và dự báo 1997-2010 . ..... 5
Hình 2.5. Bản đồ Việt Nam. .............................................................................................6
Hinh 2.6. Bản đồ tài nguyên gió trên lãnh thổ Việt Nam . ..............................................7
Hình 2.7. Mô hình cánh gió tại Trung Mỹ cuối thể kỷ 19 ..............................................8

Hình 2.8. Mô hình côi xây gió xuất hiện sau thể kỷ 13. .................................................9
Hình 2.9. Chiếc máy bơm nước chạy bằng sức gió ,phía Tây nước mỹ năm 1800 ....... 9
Hình 2.10. Máy phát điện sức gió do Chales F.Brush chế tạo. ....................................10
Hình 2.11. Máy phát Gedser công suất 200kW. ............................................................10
Hình 2.12. Cấu tạo bên trong máy phát điện gió trục ngang....................................... 11
Hình 2.13 Sơ đồ turbin gió trục đứng. .........................................................................13
Hình 2.14. Tại nạn va chạm vào turbin gió ..................................................................15
Hình 2.15. Đường cong biểu diển quan hệ giửa Cp và ..............................................17
Hình 2.16. Các dạng turbin gió trục đứng. ..................................................................18
Hình 2.17. Một số turbin gió trục đứng đang có trên thị trường . ...............................19
Hình 2.18. Đường cong biểu diển Kp ............................................................................21
Hình 2.19. Các lực tác dụng lên cánh gió . ...................................................................22
Hình 2.20. Lực tác động của gió lên các cánh ..............................................................24
Hình 2.21. Máy phát điện dùng trong turbin gió ......................................................... 25
Hình 2.22. Máy phát điện ..............................................................................................26
Hình 2.23. Cấu tạo của một máy phát điện .................................................................. 26
vii


Hình 2.24. Nguyên lý phát điện . ..................................................................................27
Hinh 2.25. Đường sức đi ra từ nam châm . ..................................................................28
Hình 2.26. Mật đồ từ thông xuyên qua nam châm . .....................................................28
Hình 2.27. Sơ đồ máy phát điện thực tế . .....................................................................29
Hình 2.28. Sơ đồ cấu trục điều khiển hệ thống . .......................................................... 31
Hình 2.29. Turbin gió trục đứng 3 cánh . .....................................................................32
Hình 2.30. Phân tích động lực học cánh turbin gió . ...................................................32
Hình 2.31. Góc điều khiển của một cánh turbin gió ở 10 vị trí khác nhau .................. 34
Hình 2.32. Sơ đồ lưu trử phong điện sử dụng bình acquy . .........................................36
Hình 2.33. Sơ đồ tích lũy phong điện bằng cách hòa vào lười điện quốc gia . ...........38
Hình 2.34. Một vài trang trại gió trục đứng................................................................ 38

Hình 4.1. Mô hình chọn thiết kế ....................................................................................41
Hình 4.2. Biều thị quan hệ giữa Cp và . .......................................................................45
Hình 4.3. Ổ bi . ..............................................................................................................50
Hình 4.4. Máy phát điện sử dụng trong turbin gió trục đứng trên thị trường . ........... 52
Hình 4.5. Cánh turbin . ..................................................................................................53
Hình 4.6. Cánh tay đở turbin . .......................................................................................53
Hình 4.7. Sơ đồ lắp turbin. ........................................................................................... 54
Hình 4.8. Hình ảnh kết nối cánh quạt turbin vào cánh tay trục rotor . .......................54
Hình 4.9. Mô hình thiết kế turbin gió trục đứng . .........................................................55
Hình 4.10.Sơ đồ bố trí khảo nghiệm . . ..........................................................................57

viii


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1. Góc cánh điều khiển của một cánh turbin .......................................................34
Bảng 2. Cấp gió theo vận tốc theo thang Beaufort và miêu tả tình trạng . ...................46
Bảng 3. Tính các thông số của mô hình theo vận tốc . ..................................................47
Bảng 4. Đặc trưng cơ học của cốt thép ........................................................................ 48
Bảng 5. Thông số kỷ thuật của máy phát điện đang có trên thị trường ....................... 51
Bảng 6: Bảng khảo nghiệm số vòng quay turbin . …………………………………. 56

ix


Phụ lục
Phụ lục 1: Một số hình ảnh đạt mô hình turbin đạt được khi thực hiện đề tài
Phụ lục 2: Một số hình ảnh bố trí khảo nghiệm mô hình

x


Chương I
MỞ ĐẦU
1.1.

Đặt vấn đề
Với cuộc sống năng động và phát triển mạnh mẽ như hiện nay thì nhu cầu điện

năng không bao giờ là đủ với con người. Hiện nay, năng lương điện đang rơi vào tình
trạng thiếu hụt nghiêm trọng. Chính vì vậy, chính phủ nhiều nước trên thế giới và ngay cả
Việt Nam đã có nhiều chính sách khuyến khích và đầu tư vào lĩnh vực năng lượng xanh.
Một lĩnh cực đầy tiềm năng và hứa hẹn sẽ là yếu tố chủ chốt để thay thế dần cho các nhà
máy thủy điện, nhiệt điện,… trong tương lai không xa. Một trong những nguồn năng
lượng xanh là năng lượng gió hay còn gọi với tên gọi thân thuộc là phong điện. Để
chuyển động năng của gió thành điện năng người ta dùng máy phát điện sử dụng tuabin
gió. Trên thế giới hiện nay đang dùng hai hệ thống máy phát sử dụng tuabin gió đó là
máy phát sử dụng tuabin gió trục ngang và tuabin gió trục đứng. Hệ thống sử dụng tuabin
gió trục ngang là hệ thống phát triển đầu tiên trên thế giới, hệ thống này đã và đang được
sử dụng rộng rãi ở nhiều nước như Đức, Mỹ, Tây Ban Nha... về cơ bản thì hệ thống đã
hoàn thiện cả về cấu tạo, kết cấu cơ khí và hệ thống điều khiển. Tuy nhiên hệ thống này
cũng có một số nhược điểm đó là cấu tạo, kết cấu rất cồng kềnh; cánh quạt lắp cố định
với trục quay nên không điều khiển được công suất phát điện cho tải, nếu muốn ổn định
công suất cho tải cần phải dùng nhiều hệ thống máy phát điện đặt ở nhiều nơi khác nhau
nối ghép với nhau để bù công suất khi cường độ gió thay đổi... . Hệ thống sử dụng tuabin
gió trục đứng đang là hướng nghiên cứu mới hiện nay do hệ thống này khắc phục được
một số nhược điểm của hệ thống trục ngang như là kết cấu nhỏ gọn; điều khiển công suất
1

cho tải một cách độc lập; điều khiển góc mở của cánh gió theo hướng gió và theo cường
độ gió. Từ những lý do đó, Được sự chấp thuận của ban chủ nhiệm Khoa Cơ Khí – Công
Nghệ Trường Đại Học Nông Lâm TP. HCM, cùng sợ hỗ trợ giúp đỡ của Trung Tâm
Nghiên Cứu Triển Khai Khu Công Nghệ Cao TP. HCM. Em tiến hành thực hiện đề tài :
“Thiết kế chế tạo mô hình turbin trục đứng công suất nhỏ.”
1.2. Mục đích và giới hạn đề tài
1.2.1. Mục đích
 Mục đích chung
 Tìm hiểu về nguồn năng lượng gió . 
 Tìm hiểu các loại hệ thống turbin gió phát điện đã có trên thế giới và ở Việt Nam. 
 Tính toán ,thiết kế mô hình turbin gió trục đứng. 
 Tính toán và chọn máy phát điện phù hợp với turbin gió đã thiết kế. 
 Tìm hiểu về các phương pháp điều khiển tự động turbin gió trục đứng. 
 Tìm hiểu các phương pháp lưu trữ và sữ dụng phong điện. 
 Mục đích cụ thể
 Tính toán, thiết kế, chế tạo mô hình turbin gió trục đứng với công suất khoảng
100W. 
 Chọn máy phát điện phù hợp với turbin đã thiết kế và công suất đã thiết kế . 
1.2.2. Giới hạn đề tài
 Thiết kế mô hình turbin gió trục đứng với công suất khoảng 100W dựa vào các
kinh nghiệm tính toán, thiết kế các loại turbin gió trục đứng đã có trên thế giới. 
 Chọn máy phát điện cho mô hình thiết kế chế tạo. 

2


Chương II
TỔNG QUAN
2.1 Tìm hiểu về nguồn năng lượng gió

 Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển của
trái đất.Năng lượng gió là một hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời .

Hình 2.1: Sự hình thành năng lượng gió
 Đây là nguồn năng lượng tạo ra trên nguyên tắc không làm biến đổi khí hậu,
không làm thay đổi các quy luật tự nhiên .
 Hiện nay trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng sử dụng chủ yếu với
nguồn năng lượng tạo ra từ dòng chảy của nước và nhiên liệu hóa thạch hay còn gọi là
thủy điện và nhiệt điện.
 Nhiệt điện: sử dụng các nguyên liệu hóa thạch được hình thành hàng triệu năm
trước từ xác các loài động thực vật: than đá, dầu mỏ, khí tự nhiên… để tạo ra nhiệt biến
đổi thành cơ năng rồi tạo ra điện năng. Đây là những nguồn nhiên liệu có hạn, và sẽ cạn
3


kiệt trong tương lai nếu chỉ biết khai thác mà không có chính sách khai thác phù hợp và
tìm nguồn năng lượng khác thay thế. Theo thống kê gần đây ở Mỹ, hai phần ba lượng
điện năng hiện nay là từ việc đốt cháy các nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu
mỏ và khí tự nhiên. Quá trình đốt cháy tạo nên khí carbon dioxit, đây là một trong những
khí gây hiệu ứng nhà kính, phá hủy tần Ozon, tác nhân chủ yếu của việc trái đất nóng dần
lên.Nhiệt điện phụ thuộc quá mức vào nguồn nhiên liệu hữu hạn nên đã làm cho phương
pháp này trở nên lỗi thời và xa dần mục tiêu phát triển và tồn tại lâu dài của con người.
 Thủy điện: là phương pháp tạo điện năng rất được ưa chuộng ở khắp nơi trên
thế giới bởi chỉ sử dụng dòng chảy của nước để quay turbin. Tuy nhiên, việc xây dựng
các hệ thống thủy điện đang nảy sinh nhiều vấn đề bất cập giữa các vùng, các nước. Đó là
sự thay đổi quy luật của dòng chảy làm tê liệt sự phát triển của hệ sinh thái, cạn kiệt
nguồn nước ở các nơi khác vào mùa khô sỡ dĩ là do nhà máy giữ nước lại để duy trì hoạt
động .
 Những nguồn năng lượng xanh được dùng nhiều hiện nay gồm:
 Năng lượng gió (Wind energy).

 Năng lượng mặt trời (Solar energy).
 Năng lượng địa nhiệt (Geothermal energy).
 Năng lượng sinh khối (Biomass energy).
 Hai nguồn năng lượng xanh được coi là sạch, rẻ và dồi dào hiện nay là: năng
lượng mặt trời và năng lượng gió.

Hình 2.2: Pin mặt trời

Hình 2.3: Tuabin gió
4


2.1.1 Sự phát triển của nguồn năng lượng gió trên thế giới
Theo Hiệp hội Năng lượng gió châu Âu (European Wind Energy Association, viết
tắt là EWEA): “phát điện bằng năng lượng gió ở châu Âu năm 2008 phát triển nhanh hơn
các công nghệ sản xuất điện khác”. Trung bình mỗi ngày có 20 tuabin gió ở châu Âu
được lắp đặt, và 10 nước EU đạt công suất điện trên 1GW.
Theo Hiệp hội năng lượng gió toàn cầu (Global Wind Energy Council, viết tắt
GWEC), Trung Quốc là nước có công suất điện gió tăng gấp đôi trong 4 năm liên tiếp, dự
kiến xếp vị trí thứ 2 vào năm 2010 và đáp ứng mục tiêu đến năm 2020 đạt 30 GW.

Hình 2.4: Tổng công suất lắp đặt điện gió toàn cầu thực tế và dự báo 1997-2010
Năng lượng gió là công nghệ duy nhất có khả năng thực hiện những cắt giảm CO2
cần thiết trong giai đoạn khủng hoảng đến năm 2020. Tổng các khoản đầu tư trong năm
2008 là 36,5 tỷ euro.
5


Từ các nhận định trên đã chứng tỏ rằng năng lượng gió đã và đang được thế giới
quan tâm và khai thác tối đa lợi ích mà nó mang lại.

2.1.2 : Tiềm năng phát triển của nguồn năng lượng gió trên lãnh thồ Việt Nam
 Đặc điểm khí hậu ở việt nam
 Vị trí địa lý
- Việt Nam nằm ở phía đông bán đảo Đông Dương, kéo dài từ vĩ độ 23o23’B –
8o27’B. Lãnh thổ nằm hoàn toàn trong vành đai nhiệt đới nửa cầu Bắc.

Hình 2.5: Bản đồ Việt Nam
- Ảnh hưởng của vị trí địa lý đến khí hậu:
+ Lãnh thổ Việt Nam nằm trọn trong vùng nhiệt đới, giáp biển Đông,
đồng thời nằm ở rìa phía đông nam của phần châu Á lục địa, nên chịu ảnh hưởng trực tiếp
của kiểu khí hậu gió mùa mậu dịch, thường thổi ở các vùng vĩ độ thấp.
+ Vị trí lãnh thổ nằm trên đường di chuyển của nhiều khối khí và đặc thù
về địa lý như: bờ biển kéo dài hơn 3000 km, nhiều hải đảo và cao nguyên kết hợp với sự
chênh lệch khác nhau về các khu vực, vùng khí hậu của Việt Nam tạo nên nhiều yếu tố
tạo ra các nguồn gió có tốc độ lớn, đều và phân bố quanh năm.
 Chế độ gió ở Việt Nam:
-

Khoảng từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau, gió mùa thường thổi từ phía đông

bắc dọc theo bờ biển Trung Quốc, qua vịnh Bắc Bộ, luồn theo các thung lũng sông giữa
các cánh cung núi ở Đông Bắc mang theo nhiều hơi ẩm.
6


-

Gió mùa tây nam mùa hè xảy ra từ tháng 5 đến tháng 10, không khí nóng từ

sa mạc Gobi phát triển xa về phía bắc, khiến không khí ẩm từ biển tràn vào trong đất liền

gây nên mưa nhiều .
 Tài nguyên gió ở Việt Nam:
-

Do mang tính chất khí hậu nhiệt đới gió mùa lại có bờ biển dài hơn 3000 km

nên Việt Nam có tiềm năng gió rất lớn .
-

Tiềm năng này được đánh giá vừa có lưu lượng gió lớn lại vừa có tốc độ gió

khá cao .

 

Hình 2.6: Bản đồ tài nguyên gió trên lãnh thổ Việt Nam
Theo nhận định của Tiến sĩ Hermann Scheer - Nhà kinh tế học và xã hội học nổi
tiếng người Đức, Chủ tịch ủy ban Quốc tế về phát triển năng lượng tái tạo, vừa qua được
mời đến Việt Nam: “Việt Nam là xứ sở nhiều gió và ánh nắng mặt trời, nên tập trung
phát triển việc sử dụng nguồn năng lượng đó (năng lượng gió và năng lượng mặt trời)” .
Theo Tiến sĩ Dương Huy Hoạt – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, tính
toán sơ bộ thì tổng tiềm năng về năng lượng gió của Việt Nam là rất lớn, vùng lãnh thổ
có thể khai thác có hiệu quả năng lượng gió chiếm 9% diện tích cả nước .
Tài nguyên gió ở Việt Nam được đánh giá là có tiềm năng cao nhất Đông Nam Á,
đủ sức thoả mãn 350 lần nhu cầu điện năng dự kiến của năm 2010. Trữ lượng về năng
lượng gió tập trung dọc theo thềm lục địa biển Đông và vùng duyên hải Việt Nam, cao
gấp 1,5 lần so với trữ lượng năng lượng gió trong đất liền và cao nguyên, vùng núi, trừ
7

một vài vùng, điểm đặc biệt có tốc độ và trữ năng năng lượng gió cao ngang với giữa
biển Đông. Ví dụ ở Hoàng Liên Sơn, Điện Biên Phủ, Kontum, Gia Lai, Lâm Đồng,… .
2.2 : Tìm hiểu Máy phát điện gió
2.2.1 : Đôi nét về lịch sử nghiên cứu và máy phát điện bằng sức gió
2.2.1.1: Lịch sử phát triển của máy phát điện chạy bằng sức gió
Vào cuối những năm 1970, cuộc khủng hoảng về dầu mỏ đã buộc con người phải
tìm các nguồn năng lượng mới thay thế, một trong số đó là năng lượng gió. Những năm
về sau, rất nhiều các chương trình nghiên cứu và phát triển năng lượng gió được thực
hiện với nguồn tài trợ từ các Chính phủ, bên cạnh các dự án nghiên cứu do các cá nhân,
tổ chức tự đứng ra thực hiện.
Lịch sử phát triển của thế giới loài người đã chứng kiến những ứng dụng của năng
lượng gió vào cuộc sống từ rất sớm. Gió giúp quay các cối xay bột, gió giúp các thiết bị
bơm nước hoạt động, và gió thổi vào cánh buồm giúp đưa các con thuyền đi xa. Theo
những tài liệu cổ còn giữ lại được thì bản thiết kế đầu tiên của chiếc cối xay hoạt động
nhờ vào sức gió là vào khoảng thời gian những năm 500 - 900 sau công nguyên tại Ba
Tư (Irac ngày nay). Đặc điểm nổi bật của thiết bị này đó là các cánh đón gió được bố trí
xung quanh một trục đứng, minh hoạ một mô hình cánh gió được lắp tại Trung Mỹ vào
cuối thế kỷ 19, mô hình này cũng có cấu tạo cánh đón gió quay theo trục đứng.

Hình 2.7: Mô hình cánh gió tại Trung Mỹ, cuối thể kỷ 19
8


Muộn hơn nữa, kể từ sau thế kỷ 13, các cối xay gió xuất hiện tại châu Âu (Tây
Âu) với cấu trúc có các cánh đón gió quay theo phương ngang, chúng phức tạp hơn mô
hình thiết kế tại Ba Tư. Cải tiến cơ bản của thiết kế này là đã tận dụng được lực nâng khí
động học tác dụng vào cánh gió do đó sẽ làm hiệu suất biến đổi năng lựợng gió của cối
xay gió thời kỳ này cao hơn nhiều so với mô hình thiết kế từ những năm 500 - 900 tại Ba
Tư.

Hình 2.8 : Mô hình cối xay gió xuất hiện sau thể kỷ 13
Trong suốt những năm tiếp theo, các thiết kế của thiết bị chạy bằng sức gió càng
ngày được hoàn thiện và được sử dụng rộng rãi trong khá nhiều các lĩnh vực ứng dụng:
chế tạo các máy bơm nước, hệ thống tưới tiêu trong nông nghiệp, các thiết bị xay xát, xẻ
gỗ, nhuộm vải… . Cho đến đầu thế kỷ 19, cùng với sự xuất hiện của máy hơi nước, thiết
bị chạy bằng sức gió dần dần bị thay thế. Lịch sử con người đã bước sang thời kỳ mới với
những công cụ mới: máy chạy hơi nước.

Hình 2.9: Chiếc máy bơm nước chạy bằng sức gió, phía Tây nước Mỹ những năm 1800
Năm 1888, Charles F. Brush đã chế tạo chiếc máy phát điện chạy sức gió đầu tiên,
và đặt tại Cleveland, Ohio. Nó có đặc điểm:
* Cánh được ghép thành xuyến tròn, đường kính vòng ngoài 17m;
9


* Sử dụng hộp số (tỉ số truyền 50:1) ghép giữa cánh tuabin với trục máy phát;
* Tốc độ định mức của máy phát là 500 vòng/phút;
* Công suất phát định mức là 12kW.

Hình 2.10: Máy phát điện sức gió do Charles F.Brush chế tạo
Trong những năm tiếp sau, một số mẫu thiết kế khác đã được thực hiện tuy nhiên
vẫn không đem lại bước đột phát đáng kể. Ví dụ mẫu thiết kế của Dane Poul La Cour
năm 1891. Cho đến đầu những năm 1910, đã có nhiều máy phát điện chạy bằng sức gió
công suất 25kW được lắp đặt tại Đan Mạch nhưng giá thành điện năng do chúng sản xuất
ra không cạnh tranh được với giá thành của các nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu
hoá thạch. Mặc dù gặp khó khăn do không có thị trường, những thế hệ máy phát điện
chạy bằng sức gió vẫn tiếp tục được thiết kế và lắp đặt.
Ví dụ như các máy phát công suất từ 1 đến 3 kW được lắp đặt tại vùng nông thôn
của Đồng bằng lớn, Mỹ, vào những năm 1925 hay máy phát Balaclava công suất 100kW
lắp đặt tại Nga năm 1931 hay máy phát Gedser công suất 200kW, lắp đặt tại đảo Gedser,

đông nam Đan Mạch.

Hình 2.11 Máy phát Gedser, công suất 200kW
10


Sự phát triển của máy phát điện chạy sức gió trong thời kỳ này có đặc điểm sau:
- Ít về số lượng, lắp đặt rải rác nhưng tập trung chủ yếu ở Mỹ, các nước Tây
Âu như Đan Mạch, Đức, Pháp, Anh, Hà Lan;
- Công suất máy phát thấp chủ yếu nằm ở mức vài chục kW.
2.2.1.2 : Đặc điểm chung của máy phát điện bằng sức gió
 Cấu tạo một turbin gió trục ngang
Bao gồm các phần chính sau đây:
a. Cánh quạt (Blades): Gió thổi cánh quạt và là nguyên nhân làm cho các cánh quạt
chuyển động và quay.
b. Rotor: bao gồm các cánh quạt và trục.
c. Bước răng (Pitch ) : Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ rotor quay
trong gió không quá cao hay quá thấp để tạo ra điện.
d. Bộ hãm phanh (Brake) : Dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp (bảo tố ,gió
quá lớn )bằng điện bằng sức nước hoặc bằng động cơ.

Hình 2.12 : Cấu tạo bên trong máy phát điện gió trục ngang.
11


e. Trục quay tốc độ thấp (Low-speed shaft).
f. Hộp số (Gear box) : Bánh răng được nối với trục có tốc độ thấp với trục có tốc độ
cao và tăng tốc độ quay từ 30 đến 60 vòng/phút lên 1200 đến 1500 vòng/phút, tốc độ
quay là yêu cầu của hầu hết các máy phát điện sản xuất ra điện. Bộ bánh răng này rất đắt
tiền, nó là một phần của động cơ và tuabin gió.

g. Máy phát (Generator ) : Dùng để phát ra điện.
h. Bộ điều khiển (Controller) : Bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở tốc độ gió
khoảng 12 km/h đến 22 km/h và tắt động cơ khoảng 104 km/h bởi vì các máy phát này có
thể bị nóng.
i. Bộ đo lường tốc độ gió (Anemometer) và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điều
khiển.
j. Đuôi – van chỉnh hướng gió (Wind vane) : để xử lí hướng gió và liên lạc với hộp
số chỉnh hướng (yaw drive) để định hướng tuabin gió.
k. Thân quạt (Nacelle) : bao gồm rotor và vỏ bọc ngoài, toàn bộ được đặt lên đỉnh trụ
và bao gồm các phần: hộp số, trục truyền động tốc độ thấp và cao, máy phát điện, bộ điều
khiển và bộ hãm. Vỏ bọc ngoài dùng để bảo vệ các thành phần bên trong vỏ. Một số vỏ
phải đủ rộng để kỹ thuật viên có thể đứng bên trong khi làm việc.
l. Trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao (High-speed shaft) .
m. Hộp số định hướng (Yaw drive) : dùng để giữ cho rotor luôn luôn hướng về hướng
gió chính khi có sự thay đổi hướng gió.
n. Động cơ (Yaw motor) điều khiển “yaw drive” để định hướng gió.
o. Thân quạt (Tower) : được làm bằng thép hình trụ hoặc thanh dằn bằng thép. Bởi vì
tốc độ gió tăng lên nếu trụ càng cao, trụ đỡ cao hơn để thu được năng lượng gió nhiều
hơn và phát ra điện nhiều hơn.
 Đặc điểm máy phát điện gió : 

Các máy phát điện sử dụng sức gió đã được sử dụng nhiều ở các nước châu Âu,
Mỹ và các nước công nghiệp phát triển khác. Nước Đức đang dẫn đầu thế giới về công
nghệ điện sử dụng sức gió (điện gió).
12


Tới nay đa số vẫn là các máy phát điện tuabin gió trục ngang, gồm một máy phát
điện có trục quay nằm ngang, với rotor (phần quay) ở giữa, liên hệ với một tuabin 3 cánh
đón gió. Máy phát điện được đặt trên một tháp cao hình côn. Trạm phát điện kiểu này

mang dáng dấp những cối xay gió ở châu Âu từ những thế kỷ trước, nhưng rất thanh nhã
và hiện đại.
Các máy phát điện tuabin gió trục đứng (Vertical axis wind turbin) gồm một máy
phát điện có trục quay thẳng đứng, rotor nằm ngoài được nối với các cánh đón gió đặt
thẳng đứng. Loại này có thể hoạt động bình đẳng với mọi hướng gió nên hiệu qủa cao
hơn, lại 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. Loại này mới xuất
hiện từ vài năm gần đây nhưng đã được nhiều nơi quan tâm và sử dụng.

Hình 2.13 :Sơ đồ turbin gió trục đứng
Hiện có các loại máy phát điện dùng sức gió với công suất rất khác nhau, từ 1 kW
tới hàng chục ngàn kW. Các trạm phát điện này có thể hoạt động độc lập hoặc cũng có
thể nối với mạng điện quốc gia. Các trạm độc lập cần có một bộ nạp, bộ ắc-quy và bộ đổi
điện. Khi dùng không hết, điện được tích trữ vào ắc-quy. Khi không có gió sẽ sử dụng
điện phát ra từ ắc-quy. Các trạm nối với mạng điện quốc gia thì không cần bộ nạp và ắcquy .

13


Các trạm phát điện dùng sức gió có thể phát điện khi tốc độ gió từ 3 m/s (11km/h),
và tự ngừng phát điện khi tốc độ gió vượt quá 25 m/s (90 km/h). Tốc độ gió hiệu quả từ
10 m/s tới 17 m/s, tùy theo từng loại máy phát điện.
2.2.1.3: Những lợi ích khi sử dụng năng lượng gió để phát điện
a.Những thuận lợi
- Ưu điểm dễ thấy nhất của điện gió là không tiêu tốn nhiên liệu, tận dụng được
nguồn năng lượng vô tận là gió, không gây ô nhiễm môi trường như các nhà máy nhiệt
điện, không làm thay đổi môi trường và sinh thái như nhà máy thủy điện, không có nguy
cơ gây ảnh hưởng lâu dài đến cuộc sống của người dân xung quanh như nhà máy điện hạt
nhân, dễ chọn địa điểm và tiết kiệm đất xây dựng, khác hẳn với các nhà máy thủy điện
chỉ có thể xây dựng gần dòng nước mạnh với những điều kiện đặc biệt và cần diện tích

rất lớn cho hồ chứa nước .
- Năng lượng gió là 1 dạng nguồn năng lượng vô tận, năng lượng gió có ở nhiều
vùng. Do đó nguồn cung cấp năng lượng gió của đất nước thì rất phong phú .
- Năng lượng gió là một dạng năng lượng có thể tái tạo lại được mà giá cả lại thấp
do công nghệ khoa học tiên tiến ngày nay, giá khoảng 4÷6 cent/kWh, điều đó còn tuỳ
thuộc vào nguồn gió, tài chính của công trình và đặc điểm công trình.
- Tuabin gió có thể xây dựng trên các nông trại, vì vậy đó là một điều kiện kinh tế
cho các vùng nông thôn, là nơi tốt nhất về gió mà có thể tìm thấy. Những người nông dân
và các chủ trang trại có thể tiếp tục công việc trên đất của họ bởi vì Tuabin gió chỉ sử
dụng một phần nhỏ đất trồng của họ. Chủ đầu tư năng lượng gió phải trả tiền bồi thường
cho những nông dân và chủ các trang trại mà có đất sử dụng cho việc lắp đặt các turbin
gió .
b. Những khó khăn
- Năng lượng gió phải cạnh tranh với các nguồn phát sinh thông thường ở một giá
cơ bản. Điều đó còn tuỳ thuộc vào nơi có gió thường xuyên và sức gió ở mức nào. Vì thế
nó đòi hỏi vốn đầu tư ban đầu cao hơn các máy phát chạy bằng nhiên liệu khác.
14