ĐỒ ÁNTỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG TURBINE GIÓ TRỤC ĐỨNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
NGÀNH ĐIỆN CÔNG NGHIỆP



ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề Tài :

THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG TURBINE GIÓ
TRỤC ĐỨNG
Giáo viên hướng dẫn:

Thầy Trần Thanh Vũ

Sinh viên thực hiện :

Nguyễn Bảo Quân - 1551030044
Phạm Nguyễn Hà Vy - 1551030069

Lớp:

DC15A

TP. Hồ Chí Minh, tháng 12/2019


PHẦN NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

1. Tinh thần và thái độ làm việc của sinh viên trong quá trình làm đề tài tốt nghiệp.
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
2. Đánh giá chất lượng của đề tài tốt nghiệp (so với nội dung yêu cầu đã đề ra trong nhiệm
vụ đề tài tốt nghiệp, trên các mặt lý luận thực tiễn, tính toán giá trị sử dụng, chất lượng
các bản vẽ..)
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
3. Cho điểm của GVHD:
Điểm ghi bằng số:..................................................................................................................
Điểm ghi bằng chữ:................................................................................................................

Ngày … tháng … năm 2019
Giáo viên hướng dẫn chính
(Ký và ghi rõ họ tên)

NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CỦA NGƯỜI CHẤM PHẢN BIỆN
ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP

1. Đánh giá chất lượng đề tài tốt nghiệp về các mặt thu thập và phân tích số liệu ban đầu, cơ
sở lý luận chọn phương án tối ưu, cách tính toán chất lượng thuyết minh và bản vẽ, giá trị
lý luận và thực tiễn đề tài.

2. Cho điểm của cán bộ chấm phản biện.
Cho điểm bằng số:.............................................................................................................................
Cho điểm bằng chữ:...........................................................................................................................

MỤC LỤC


LỜI MỞ ĐẦU
Trong cuộc Hội thảo do Trung tâm Truyền thông Tài nguyên và Môi trường - Bộ Tài
nguyên và Môi trường phối hợp với Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Bình Thuận tổ chức
ngày 28/8 tại thành phố Phan Thiết, tỉnh Bình Thuận, nhiều ý kiến cho rằng, nhiều nước trên
thế giới cũng như Việt Nam đang sử dụng các nguồn năng lượng hóa thạch (than, dầu, khí
đốt) để tạo ra nguồn điện. Các nguồn năng lượng này không chỉ đang cạn kiệt mà còn đem
lại nhiều thách thức rất lớn về bảo vệ môi trường.
Việc phát triển năng lượng tái tạo, tìm ra các nguồn năng lượng sạch, nhất là năng
lượng gió, thay thế nguồn năng lượng hóa thạch trở nên rất quan trọng và cần thiết. Phát triển


“năng lượng xanh” trở thành hướng đi thông minh và xu thế phát triển tất yếu của Việt Nam
và cả thế giới.
Việt Nam được đánh giá là quốc gia có nhiều tiềm năng để phát triển năng lượng mới
và năng lượng tái tạo. Sự đa dạng của các nguồn năng lượng tái tạo có sẵn trong tự nhiên
như mặt trời, gió, thủy điện, sinh khối, thủy triều, dòng chảy,… đã và đang được triển
khai trên toàn cầu nhằm giảm thiểu các tác động của biến đổi khí hậu và bảo vệ môi trường.

Không chỉ dọn dẹp ô nhiễm, rác trên hành tinh của chúng ta, giảm bớt sự nóng lên
của Trái Đất mà các nguồn năng lượng này sẽ không bao giờ cạn kiệt, có khả năng tái tạo và
khai thác ở những nơi xa xôi nhất.
Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái Đất.
Năng lượng gió là một hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời. Năng lượng gió được
con người khai thác từ các tuốc bin gió.
Trong số 20 thị trường lớn nhất trên thế giới, chỉ riêng châu Âu đã có 13 nước với
Đức là nước dẫn đầu về công suất của các nhà máy dùng năng lượng gió với khoảng cách xa
so với các nước còn lại. Tại Đức, Đan Mạch và Tây Ban Nha việc phát triển năng lượng gió
liên tục trong nhiều năm qua được nâng đỡ bằng quyết tâm chính trị. Nhờ vào đó mà một
ngành công nghiệp mới đã phát triển tại 3 quốc gia này.
Năm 2007 thế giới đã xây mới được khoảng 94.112 MW điện, trong đó Mỹ với
16.818 MW, Tây Ban Nha 15.145 MW, Trung Quốc 6.050 MW, 8.000 MW ở Ấn Độ và
22.247 ở Đức.
Chi phí đã giảm khi công nghệ tuabin gió đã được cải thiện. Hiện nay có các cánh
tuabin gió dài hơn và nhẹ hơn, cải thiện hiệu suất của tuabin và tăng hiệu suất phát điện.
Ngoài ra, vốn dự án gió và chi phí bảo trì vẫn tiếp tục giảm.
Chính vì vậy, nhóm em lựa chọn đề tài Thiết kế và xây dựng hệ thống turbine gió
làm đề tài tốt nghiệp. Việc xây dựng hệ thống turbine gió giúp bảo vệ môi trường và tạo
cảnh quan du lịch. Bên cạnh đó, điện tạo ra từ turbine gió thay thế một phần điện lưới quốc
gia, giúp tiết kiệm kinh tế cho người tiêu dùng.


TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ
GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ
Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái Đất.
Năng lượng gió là một hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời. Sử dụng năng lượng gió
là một trong các cách lấy năng lượng xa xưa nhất từ môi trường tự nhiên.
Sự hình thành năng lượng gió:
Bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển,

nước và không khí nóng không đều nhau. Một nửa bề mặt của Trái Đất, mặt ban đêm, bị che
khuất không nhận được bức xạ của Mặt Trời và thêm vào đó là bức xạ Mặt Trời ở các vùng


gần xích đạo nhiều hơn là ở các cực, do đó có sự khác nhau về nhiệt độ, và vì thế là khác
nhau về áp suất mà không khí giữa xích đạo và 2 cực cũng như không khí giữa mặt ban ngày
và mặt ban đêm của Trái Đất di động tạo thành gió. Trái Đất xoay tròn cũng góp phần vào
việc làm xoáy không khí và vì trục quay của Trái Đất nghiêng đi (so với mặt phẳng do quỹ
đạo Trái Đất tạo thành khi quay quanh Mặt Trời) nên cũng tạo thành các dòng không khí theo
mùa.
Do bị ảnh hưởng của hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay quanh trục của Trái
Đất nên không khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển động thắng mà tạo
thành các cơn gió xoáy có chiều xoáy khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu. Nếu
nhìn từ vũ trụ thì trên Bắc bán cầu không khí di chuyển vào một vùng áp thấp ngược với
chiều kim đồng hồ và ra khỏi một vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ. Trên Nam bán cầu
thì chiều ngược hướng lại.
Ngoài các yếu tố có tính toàn cầu trên, gió cũng bị ảnh hưởng địa hình tại từng địa
phương. Do đất và nước có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất nóng lên nhanh hơn
nước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay hồ vào đất liền. Vào ban
đêm đất liền nguội đi nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra theo chiều ngược lại.
Lợi ích khi sử dụng năng lượng gió:
-

Một môi trường trong sạch:
Hiện nay nhiên liệu từ hóa thạch chiếm khoảng 67% năng lượng được cung cấp
cho toàn cầu, nhưng lại đang làm ô nhiễm môi trường trầm trọng vì khí carbon
dioxide mà chúng thải ra, đây là loại khí nhà kính tạo ra những thay đổi khủng
khiếp về môi trường và đang dần hủy hoại cuộc sống của chúng ta.
Theo báo cáo của Stern 2007 chỉ ra rằng nếu con người không có hành động nào
để chống lại sự thay đổi của khí hậu thì sẽ làm cho GDP của toàn cầu bị mất đi từ

5 đến 20%.
Turbine gió tạo ra năng lượng không tạo ra khí carbon dioxide. Theo đánh giá của
EWEA (Hiệp hội năng lượng gió châu Âu) tiềm năng điện gió được lắp đặt ở châu
Âu đến cuối năm 2007 có tổng công suất là 56,5 GW, sẽ tránh phải thải ra 90 triệu
tấn CO2 mỗi năm. Con số này tương đương với 45 triệu ô tô đang chạy trên
đường.


Đến năm 2010, với 80 GW dự kiến được lắp đặt được đưa vào hoạt động, thì
lượng CO2 hàng năm không bị thải ra môi trường lên tới 135 triệu tấn. Con số này
chiếm hơn 35% khí thải nhà kính cần cắt giảm trong cam kết của châu Âu theo
những quy định của Nghị định thư Tokyo.
Đến năm 2020, điện gió trên biển và trên cạn sẽ được lắp đặt ở châu Âu có tổng
công suất là 180 GW. Con số này tương đương với 325 triệu tấn CO2 không thải
ra môi trường.
Ngoài việc có thể cắt giảm được khí CO2, điện gió cũng tránh được chất thải hóa
học độc hại như là thủy ngân và chất gây ô nhiễm môi trường. Ô nhiễm môi
trường có thể gây ra tác động xấu đến sức khỏe của con người bao gồm các bệnh
liên quan đến tim mạch, các bệnh về hô hấp, ung thư,…
Năng lượng gió không có chất phóng xạ hoặc gây ô nhiễm nguồn nước. Sử dụng
năng lượng điện gió không làm suy kiệt, hay phá hoại nguồn tài nguyên thiên
nhiên mà còn đảm bảo tận dụng tốt nguồn tài nguyên từ gió.
-

Làm giảm giá điện:
Đưa năng lượng gió vào hệ thống điện có thể làm giảm tổng thể giá điện.
Có 2 lý do cơ bản để giải thích: một là tác động liên quan của nó đến nguồn khác,
và thứ hai là từ việc điện gió không tạo ra khí CO2.
Đầu tiên, turbine gió không tiêu thụ nhiên liệu, chi phí bảo trì không lớn. Điều này
có nghĩa là một khi các trang trại gió được xây dựng nó sẽ khiến nền kinh tế đỡ

phải chi trả một khoản tiền lớn để mua nhiên liệu mà vẫn có thể khai thác tối đa
tiềm năng từ gió.
Thứ hai, vì điện gió không thải ra khí CO2 nên các nhà đầu tư có thể tiết kiệm một
khoản tiền trong việc đầu tư các loại máy móc thân thiện với môi trường hay các

-

khoản phí khi thải ra khí CO2 vượt mức cho phép.
Tạo công ăn việc làm:
Điều này đang được chứng minh tại quốc gia có nền công nghiệp phát triển, các
nước tiêu thụ phần lớn năng lượng từ điện gió.
Một minh chứng sống động nhất tại châu Âu. Dựa trên số liệu thống kê từ
Eurostat, việc làm trong lĩnh vực gió sẽ chiếm khoảng 7,3% việc làm trong ngành
điện, khí đốt, hơi nước, cấp nước. Hiện tại, năng lượng gió cung cấp khoảng 3,7%
nhu cầu năng lượng của EU.
Trong tương lai, theo EWEA các dự án của ngành năng lượng gió sẽ chiếm
khoảng 184.000 nhân công vào năm 2010 (bao gồm cả nhân công trực tiếp và gián


tiếp) và đạt 318.000 vào năm 2020 nếu liên minh châu Âu đạt được mục tiêu là sử
dụng 20% nguồn năng lượng tái tạo.
NĂNG LƯỢNG GIÓ Ở VIỆT NAM:
Bên cạnh nguồn năng lượng từ mặt trời thì năng lượng gió cũng được kỳ vọng sẽ giúp
Việt Nam bắt kịp tốc độ tăng trưởng nhanh chóng về nhu cầu điện trong cả ngắn hạn và dài
hạn
Hiện nay các nước trên thế giới đang đối mặt với cuộc chiến chống biến đổi khí hậu
toàn cầu, và với việc thực hiện mục tiêu của Paris COP 21 là đảm bảo sự tăng nhiệt độ trung
bình toàn cầu từ nay đến năm 2100 ở mức dưới 2C, bằng biện pháp giảm sản xuất và sử
dụng năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch (than, dầu, khí), nguyên nhân phát ra 2/3 lượng khí
nhà kính (CO2) mà thay thế bằng các nguồn năng lượng tái tạo như gió, mặt trời, thủy

điện,...
Theo báo cáo của Bộ Công thương, Việt Nam có tiềm năng phát triển điện gió với
trên 3000 km2 đường bờ biển . Theo lộ trình, Việt Nam sẽ phát triển 800MW vào năm 2020,
chiếm khoảng 0,8% tổng nhu cầu điện. Mục tiêu là phát triển 2000MW điện gió vào năm
2025 và 6000MW vào năm 2030.
Nghiên cứu của Ngân hàn thế giới chỉ ra rằng, Việt Nam là nước có tiềm năng gió lớn
nhất trong 4 nước khu vực, với hơn 39% tổng diện tích của Việt Nam được ước tính là có tốc
dộ gió trung bình hàng năm lớn hơn 6m/s, ở độ cao 65m, tương đương với tổng công suất
512GW. Đặc biệt, hơn 8% diện tích Việt Nam được xếp hạng có tiềm năng gió rất tốt (tốc độ
gió ở độ cao 65m 7-8m/s), có thể tạo ra hơn 110GW.

(Hình 1)


Tại Việt Nam, Tập đoàn Điện lực quốc gia Việt Nam (EVN) đã triển khai đưa vào
hoạt động thương mại ba trụ điện gió đầu tiên của dự án điện gió Đầm Nại tỉnh Ninh Thuận.
Điện gió Đầm Nại dự kiến hằng năm sẽ cung cấp 110 triệu kWh điện cho lưới điện quốc gia.

3 trụ điện gió đầu tiên ở Ninh Thuận (Hình 2)
Đây là dự án điện gió đầu tiên đi vào hoạt động tại Ninh Thuận. Dự án do liên doanh
nhà thầu Công ty CP TSV (TP.HCM) và Công ty The Blue Circle (Singapore) xây dựng trên
tổng diện tích 9,4 ha, có công suất 40 MW, với tổng mức đầu tư 80 triệu USD.
Vì vậy, phát triển các dự án trang trại điện gió (wind farm) tại Việt Nam hướng tới
mục tiêu chuyển dần sang nguồn năng lượng tái tạo, giảm thiểu tác động biến đổi khí hậu, là
một trong những giải pháp đánh giá là khả thi hiện nay.

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TURBINE GIÓ
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG TURBINE GIÓ:

Rotor Turbine gió trục ngang (Hình 1)
Turbine gió là máy dùng để biến đổi động năng của gió thành cơ năng. Máy năng
lượng này có thể dùng trực tiếp như trong trường hợp của cối xay bằng sức gió, hay biến đổi
tiếp thành điện năng như trong trường hợp máy phát điện bằng sức gió.
Máy phát điện bằng sức gió bao gồm vài thành phần khác nhau. Nhưng thành phần
quan trọng nhất vẫn là motor điện một chiều; loại nam châm bền và cánh đón lấy gió. Còn lại
là các bộ phận khác như: đuôi lái gió, trục và cột để dựng máy phát, bộ phận đổi dòng điện
để hợp với bình ắc qui và cuối cùng là 1 chiếc máy đổi điện (inverter) để chuyển điện từ ắc
quy thành điện xoay chiều thông dụng.
Máy phát điện turbine gió thường sử dụng máy phát là loại xoay chiều có nhiều cặp
cực do kết cấu đơn giản và phù hợp đặc điểm tốc độ thấp của turbine gió.
Việc sử dụng acquy để lưu giữ nguồn điện phát ra chỉ sử dụng cho máy phát điện đơn
lẻ và cung cấp cho hộ tiêu thụ nhỏ (gia đình). Việc lưu điện vào acquy và sau đó chuyển đổi
lại thường cho hiệu suất thấp hơn và chi phí cao cho bộ lưu điện tuy nhiên có ưu điểm là ổn
định đầu ra.
Ngoài ra còn có một cách lưu trữ năng lượng gió khác. Người ta dùng cánh quạt gió
truyền động trực tiếp vào máy nén khí. Năng lượng gió sẽ được tích trữ trong hệ thống rất
nhiều bình khí nén. Khí nén trong bình sau đó sẽ được lần lượt bung ra để xoay động cơ vận
hành máy phát điện. Quá trình nạp khí và xả khí được luân phiên giữa các bình, bình này
đang xả thì các bình khác đang được nạp bởi cánh quạt gió. Điện sẽ được ổn định liên tục.


Hiện nay có 2 kiểu turbine phổ biến, đó là loại trục ngang và loại trục đứng. Trục
ngang là loại truyền thống, còn trục đứng là loại công nghệ mới, luôn quay ổn định với mọi
chiều gió.

Turbine gió trục ngang – HAWT (Hình 2)

Turbine gió trục đứng (H - rotor) – VAWT (Hình 3)

Turbine gió trục đứng (Savonius) – VAWT (Hình 4)

Turbine gió trục đứng (spiral) – VAWT (Hình 5)


Turbine gió trục đứng (Darreius) – VAWT (Hình 6)
CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA TURBINE GIÓ TRỤC NGANG
(HAWT):
Cấu tạo của HAWT:

Cấu tạo Turbine gió trục ngang (Hình 7)


1. Blades: Gió thổi qua các cánh quạt và là nguyên nhân làm các cánh quạt chuyển
động và quay.
2. Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục.
3. Pitch (Bước răng): Cánh được xoay và làm nghiêng một ít để giữ cho rotor quay
trong gió không quá cao hay quá thấp để tạo ra điện.
4. Brake (Bộ hãm – phanh): Dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp bằng điện,
bằng sức nước hoặc bằng động cơ.
5. Low – speed shaft: Trục quay tốc độ thấp.
6. Gear box (Hộp số): 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 turbine gió.
7. Generator (Máy phát): Dùng để phát ra điện.
8. Controller (Bộ điều khiển): Bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở tốc độ gió
khoảng 8 đến 14 dặm/giờ tương ứng với 12km/h đến 22km/h và tắt động cơ
khoảng 65 dặm/giờ tương đương với 104km/h vì các máy phát này có thể phát

nóng.
9. Anemometer: Bộ đo lường tốc độ gió và truyền tốc độ gió đến bộ điều khiển.
10. Wind vane: Để xử lý hướng gió và liên lạc với “yaw drive” để định hướng turbine
gió.
11. Nacelle (Vỏ): Bao gồm rotor và vỏ bọc ngoài, toàn bộ được đặt trên đỉnh trụ và
bao gồm các phần: gear box, low and high – speed shafts, generator, controller và
brake. Vỏ bọc ngoài dùng bảo vệ các thành phần bên trong vỏ. Một số vỏ phải đủ
rộng để một kỹ thuật viên có thể đứng bên trong trong khi làm việc.
12. High speed shaft: Trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao.
13. Yaw drive: Dùng để giữ cho rotor luôn hướng về hướng gió chính khi có sự thay
đổi hướng gió.
14. Yaw motor: Động cơ cung cấp cho “yaw drive” định được hướng gió.
15. Tower (Trụ đỡ Nacelle): Được làm bằng thép hình trụ hoặc thanh giằng 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.
Nguyên lý làm việc của HAWT:


(Hình 8)
Mỗi cánh quạt vận hành như cánh máy bay, vì thế mỗi khi gió thổi qua, một túi chứa
áp suất không khí thấp sẽ được tạo ra ở phía dưới cánh quạt. Túi chứa áp suất không khí thấp
sau đó sẽ đẩy cánh quạt về phía trước, và điều này sẽ làm rotor quay. Quá trình này gọi là sự
nâng. Sức đẩy của lực nâng này thực chất mạnh hơn rất nhiều so với sức kéo của gió đối với
mặt trước của cánh quạt. Sự kết hợp của nâng và kéo sẽ làm cho cánh quạt và trục đều quay
được và sinh ra dòng điện.
Các turbine gió được đặt trên trụ cao để thu hầu hết năng lượng gió và ở độ cao cách
mặt đất 30m thì các turbine gió có tốc độ nhanh hơn, ít bị các luồng gió bất thường.
Các turbine gió có thể sử dụng cung cấp điện cho nhà cửa hoặc xây dựng, chúng có
thể nối tới một mạng điện để phân phối mạng điện ra rộng hơn.
Ưu điểm và nhược điểm của HAWT:

Ưu điểm:
-

Sử dụng cánh trục ngang cho phép turbine thu được lượng gió năng lượng tối đa.
Hiệu suất cao hơn vì nó có bộ cánh được lắp đặt vuông góc với hướng gió và do

-

đó hứng được nhiều năng lượng hơn.
Hiệu quả cao hoàn thiện về lý thuyết.
Vì được sử dụng lâu đời nên rất phổ biến ở các nước, nhất là các nước châu Âu.

Nhược điểm:
-

Chỉ được xây dựng ở những nơi có nhiều gió.
Độ cao trục phải trên 30m để tránh các loại gió hỗn tạp.
Vì phải xây ở những nơi cao hoặc có trục cao để đón nhiều gió nên cần có vật liệu
lắp đặt bền và tốt nhất.


-

HAWT có kích thước lớn hơn rất nhiều so với VAWT.
Phụ thuộc vào hướng gió.
Gây tiếng ồn khi turbine quay.

CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA TURBINE GIÓ TRỤC ĐỨNG
(VAWT):
Cấu tạo của Darius wind turbine (Rotor đẩy):

Cấu tạo của Darreius wind turbine (Hình 9)
1.
2.
3.
4.

Upper hub: Trụ trên, gắn liền với rotor, thường có kích thước nhỏ hơn lower hub.
Lower hub: Trụ dưới, gắn liền với rotor.
Rotor blade: cánh turbine nối liền với rotor.
Gear box: Bánh răng nối trục có tốc độ thấp với trục có tốc độ cao để tăng tốc độ

quay đáp ứng yêu cầu tạo ra điện.
5. Generator: Máy phát ra điện.
6. Guy wire (Dây chằng): Cáp nối chóp của trục thẳng đứng với nền bê tông để nắm
giữ turbine chạy bằng sức gió đưa vào vị trí trụ.


Nguyên lý làm việc của Darius wind turbine (Rotor đẩy):
Khi có gió tác động vào cánh turbine làm rotor blade quay, kéo theo hộp số quay và
tạo tốc độ cao làm máy phát quay và tạo ra dòng điện.
Turbine Darreius được chế tạo ở Pháp vào những năm 1920. Nó được miêu tả giống
như máy đánh trứng vì nó có cánh quạt dọc xoay quanh trục nhằm đẩy gió ra hoặc vào.
Turbine này sử dụng lực nâng khí động học nên nó có thể hấp thụ nhiều năng lượng hơn là
các thiết bị kéo.

Ưu điểm và nhược điểm của Darius wind turbine (Rotor đẩy):
Ưu điểm:
-

Cánh turbine uốn cong.
Hình dạng cánh turbine giống như một con quay khổng lồ.
Hoạt động tốt với động cơ chắc chắn.
Có thể phát triển trong mô hình lớn (kiểu ).
Hoạt động được ở nơi có gió nhẹ.
Không phụ thuộc vào hướng gió.

Nhược điểm:
Hạn chế trong việc phát triển thương mại.
Cấu tạo của Savonius wind turbine (Rotor kéo):

Cấu tạo của Savonius wind turbine (Hình 10)
1. Turbine blades: cánh turbine gió gắn liền với rotor.
2. Spining mast/pole: cột quay gắn liền với rotor, khi rotor quay thì spining mast sẽ
quay theo.


3. Gearbox (Hộp số): giúp chuyển đổi tốc độ quay thấp thành tốc độ quay cao thông
qua bánh răng.
4. Generator: Máy phát ra điện.
Nguyên lý hoạt động của Savonius wind turbine (Rotor kéo):
Khi có gió tác động làm quay cánh turbine thì sẽ kéo theo spining mast, gearbox và
generator quay theo và generator sẽ phát ra điện.
Turbine Savonius có hình chữ S nếu nhìn từ phía trên. Loại turbine kéo này chuyển
hóa tương đối chậm nhưng mang lại một moment xoắn cao. Turbine này rất hữu ích trong
việc bơm nước, nghiền hạt và một số công việc khác, nhưng nó có tốc độ quay chậm và điều
đó sẽ ảnh hưởng đến việc tạo ra điện năng.
Ưu điểm và nhược điểm của Savonius wind turbine (Rotor kéo):
Ưu điểm:
-

Cấu tạo đơn giản.
Hiệu quả tốt đối với tốc độ gió thấp.
Có lịch sử lâu đời ( phát minh năm 1924).
Hoạt động được ở nơi có gió nhẹ.
Không phụ thuộc vào hướng gió.

Nhược điểm:
-

Hiệu suất thấp, không được thương mại hóa.

Đối tượng, phạm vi và mục tiêu nghiên cứu của đề tài.
-

Đối tượng nghiên cứu: Turbine sử dụng năng lượng gió trục đứng loại rotor kéo

-

Darrieus – VAWT.
Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu thiết kế turbine gió trục đứng sử dụng để phát

-

điện.
Mục tiêu nghiên cứu: thiết kế chế tạo turbine gió trục đứng nhằm đáp ứng nhu cầu
dùng điện sạch của hộ gia đình và bảo vệ môi trường.

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1:
Qua chương này nhóm em đã tìm hiểu được cấu tạo và nguyên lý của turbine gió trục

đứng và turbine gió trục ngang, và biết được ưu nhược điểm của chúng. Từ đó thấy được
turbine gió trục ngang rất phổ biến và được sử dụng rộng rãi để cung cấp điện cho quốc gia.
Turbine gió trục đứng thì “mới” hơn vì được phát minh muộn hơn, ít được thương mại hóa,
chủ yếu góp phần xây dựng cảnh quan thành phố, vì nó mang lại hiệu suất thấp hơn nhiều so


với turbine trục ngang. Nhưng ngày nay, với nhiều ý tưởng mang tính sáng tạo và đột phá,
người ta đang dần cải tiến và nâng cao hiệu suất turbine gió trục đứng để được sử dụng rộng
rãi và thương mại hóa.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA TURBINE GIÓ TRỤC
ĐỨNG.
KHÁI NIỆM HOẠT ĐỘNG THỰC CỦA ROTOR:
Vt

V’
V

Sự thay đổi áp suất và vận tốc gió qua turbine (Hình 11)
Ta xem xét một turbine gió với cánh quạt ở khu vực At đặt trong một dòng gió như thể
hiện trong hình 11. Cho Au và Ad là khu vực của P1 và P2 và V và V ' là vận tốc gió tương ứng
tại các phần. Vt là vận tốc tại phần tuabine. Theo định luật bảo toàn khối lượng, khối lượng
của không khí chảy qua các bước này là như nhau.
.A.U  .Ad .Ud  .Au.Uu

2.1

Ud  U1 a

2.2

Đặt

Thay vào biểu thức trên ta được:
A.U  1 aAd .U

2.3

Ta thấy rằng với rotor có diện tích Ad thì tương ứng với phần diện tích A  1 aAd
của dòng không khí là trao đổi năng lượng với rotor. Hệ số a được gọi là hệ số thu hẹp của
dòng chảy. Đây là 1 hệ số đặc trưng cho sự trao đổi năng lượng giữa dòng không khí và
rotor.


THUYẾT ĐỘNG LƯỢNG VÀ HỆ SỐ CÔNG SUẤT CỦA ROTOR:
Do mặt trước và mặt sau của rotor có bước nhảy về áp suất nên xuất hiện lực và lực
này là nguyên nhân thay đổi động lượng của dòng khí qua rotor.

F  pd  pd .Ad  U Uu ..Ad .Ud

2.4

Phương trình Becnuli cho dòng chảy ta có :
..U2 + p + .g.h = constant

2.5

Áp dụng cho dòng chảy trước đĩa :
. .U2 + .g.h = . d.Ud2 + pd+ + d.g.hd

2.6

. .U2 = . .Ud2 + pd+

2.7

Tương tự như vậy cho dòng chảy sau đĩa :
. .Uu2 = . .Ud2 + pd-

2.8

Lấy (2.7) – (2.8), ta có:
pd+ - pd- = . .(U2 – Uu2)

2.9

Thay vào phương trình (2.4) ta được :
F  . .(U2 – Uu2) .Ad = U Uu ..Ad .Ud

Mà Ud  U1 a nên ta có Uu  U1 2a

2.10
2.11

Điều này có nghĩa là vận tốc vào rotor và vận tốc ở xa vô cùng phía sau rotor đều
giảm đi 1 lượng a.U.
Thay vào biểu thức (2.10) ta được :
F   .(U - Uu) .Ad .Ud= 2.a. 1 a ..Ad .U2

2.12

Công suất truyền cho rotor chính là công giãn nở của dòng khí :
P  F.Ud  2..Ad .U3 .a.1  a2

2.13

Hệ số công suất của rotor là tỷ số giữa công truyền cho rotor và động năng dòng khí
đi qua diện tích quét của rotor trong 1 đơn vị thời gian :


=

2.14

Thay vào trên ta có :  = 4a.1 a2

2.15

SỐ BETZ GIỚI HẠN:
Đạo hàm biểu thức 2.15 theo a ta có :
= 41 a.1 3a  0

2.16

Đồ thị biểu diễn theo phương trình 2.16 (Hình 12)
Ta thấy rằng a = 1/3 => max = = 0,593.
Tức là hiệu suất của rotor max. Đây cũng chính là nội dung định luật Betz được nhà
vật lý người Đức Albert Betz tìm ra vào năm 1926. Với mọi loại turbine thì đều không thể
đạt được hệ số công suất lớn nhất này. Không phải sự giới hạn khi thiết kế mà là dòng chảy
của không khí vào turbine bị thu hẹp đi so với dòng chảy tự do qua bề mặt rotor.

Và điều này đã được chứng minh thực tế. Các turbine gió hiện đại ngày nay đều có
hiệu suất chỉ đạt 30-45%.

HỆ THỐNG TURBINE GIÓ TRỤC ĐỨNG (ROTOR KÉO – SAVONIUS)
Nhóm em sẽ nói về turbine gió trục đứng loại rotor kéo (Savonius turbine), loại này
có cấu tạo đơn giản, dễ lắp đặt, không bị ảnh hưởng bởi hướng gió, hiệu suất cao, phù hợp
với địa hình thấp, ít gió và kinh tế của nhóm.
Đề tài: Thiết kế và xây dựng hệ thống turbine gió trục đứng loại rotor kéo.
NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC:
Đầu tiên, máy phát sẽ làm việc ở chế độ động cơ, vì địa hình lắp đặt turbine gió có
gió không đều. Động cơ làm quay cánh turbine sẽ như “mồi” cho cánh turbine và theo quán


tính sẽ dễ quay theo tác động của gió. Khi cảm biến gió có tốc độ bằng với tốc độ set lúc đầu,
động cơ sẽ ngắt ra và hoạt động ở chế độ máy phát. Khi đó cánh turbine quay kéo theo hộp
số và máy phát quay. Máy phát quay phát ra điện xoay chiều qua tủ điện chuyển thành điện
một chiều ổn định cung cấp cho pin.
CẤU TẠO:
Rotor blades
Rotor shaft

Puli
Generate

Electrical box
Tower

Cấu tạo của turbine gió trục đứng (Hình 13)
1.
2.

3.
4.
5.
6.

Rotor blades: Cánh turbine.
Rotor shaft: Trục được gắn với cánh turbine, khi turbine quay kéo theo trục quay.
Tower: Tháp.
Puli: Puli dùng để kết nối trục rotor shaft với máy phát.
Generate (Máy phát): Máy phát ra điện.
Electrical box (Tủ điện): Tủ điện chuyển đổi dòng xoay chiều ra dòng một chiều

ổn định.
7. Wind velocity sensor: Cảm biến tốc độ gió.


Rotor blades (Cánh turbine gió):

Cánh turbine gió (Hình 14)
Số lượng: 7 cánh.
Cấu tạo: Gồm 2 khung xương cánh và vỏ cánh.
Khung xương cánh:
-

Chiều dài khung xương cánh turbine: 300 mm
Chiều rộng khung xương cánh turbine: 350 mm
Bán kính hình tròn khung xương cánh turbine: 120 mm


Chiều dài khung xương cánh turbine (Hình 15)

Chiều rộng khung xương cánh turbine (Hình 16)