Nghiên cứu mô phỏng tương tác lỏng rắn tác dụng lên cánh tuốc bin gió cở nhỏ trục ngang bằng phần mềm ANSYS

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

HUỲNH KIM TÚ

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG TƯƠNG TÁC
LỎNG – RẮN TÁC DỤNG LÊN CÁNH TUỐC BIN GIÓ CỠ
NHỎ TRỤC NGANG BẰNG PHẦN MỀM ANSYS

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

HUỲNH KIM TÚ

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG TƯƠNG TÁC
LỎNG - RẮN TÁC DỤNG LÊN CÁNH TUỐC BIN GIÓ
CỠ NHỎ TRỤC NGANG BẰNG PHẦN MỀM ANSYS
Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Mã số: 60520116

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Người hướng dẫn khoa học:
TS. Phan Thành Long

Đà Nẵng – Năm 2017

i
 Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được
ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận văn

Huỳnh Kim Tú


ii

MỤC LỤC
Trang

MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài: .......................................................................................... 1
2. Mục đích và ý nghĩa của đề tài ..................................................................... 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:................................................................ 2
4. Phương pháp nghiên cứu:.............................................................................. 2
5. Nội dung nghiên cứu ..................................................................................... 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU .......................... 5
1.1. Tình hình sử dụng năng lượng gió hiện nay trên thế giới. ...................... 5
1.1.1. Tình hình năng lượng chung:................................................................... 5
1.1.2. Tình hình sử dụng năng lượng gió trên thế giới: ..................................... 5
1.2. Tình hình sử dụng năng lượng gió hiện nay tại Việt Nam. ..................... 6
1.2.1. Tiềm năng gió tại Việt Nam và khu vực ven biển Miền Trung. ............. 6
1.2.2. Tình hình sử dụng năng lượng gió hiện nay tại Việt Nam: ..................... 9
1.3. Tình hình nghiên cứu, chế tạo tuốc bin gió.............................................. 12

1.3.1. Tình hình nghiên cứu chế tạo tuốc bin gió: .......................................... 12
1.3.2. Tình hình nghiên cứu chế tạo tuốc bin gió cở nhỏ trục ngang. ............ 13
1.4. Kết luận: ................................................................................................. 13
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CÁNH TUỐC BIN GIÓ ........... 14
2.1. Cấu tạo hoạt động và nguyên lý làm việc của tuốc bin gió. .................... 14
2.2. Lý thuyết về cánh tuốc bin gió. ................................................................ 15
2.2.1. Các thông số vận hành tuốc bin gió: ..................................................... 15
2.2.2. Cách tiếp cận theo thể tích kiểm tra: ..................................................... 19
2.2.3. Tham số vận hành và hiệu suất tối ưu của tuốc bin gió. ....................... 20
2.2.4. Lý thuyết phần tử cánh BEM. ............................................................... 22
2.3. Các dạng biên dạng cánh của tuốc bin gió cở nhỏ: .................................. 27
2.4. Lý thuyết về sức bền cánh:....................................................................... 32
2.4.1. Lực khí động tác dụng lên tuốc bin gió: ............................................... 33
2.4.2. Lực hấp dẫn tác dụng lên cánh tuốc gió: .............................................. 34
2.4.3. Lực ly tâm ............................................................................................. 34
2.4.4. Lực hồi chuyển: ..................................................................................... 34
2.5. Kết luận: ................................................................................................... 35
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ TUỐC BIN GIÓ CỠ NHỎ ............................... 36
3.1. Các vấn đề khi thiết kế cánh tuốc bin gió cỡ nhỏ: ................................... 36
3.2. Thiết kế tuốc bin gió cỡ nhỏ trục ngang phù hợp với điều kiện làm việc


iii

ven biển Miền Trung: ...................................................................................... 36
3.2.1. Yêu cầu thiết kế của tuốc bin gió: ......................................................... 36
3.2.2. Thiết kế cánh tuốc bin gió: .................................................................... 38
3.2.3. Chế tạo cánh tuốc bin gió:..................................................................... 41
3.2.4. Kiểm nghiệm việc thiết kế cánh tuốc bin gió: ...................................... 43
3.3. Kết luận: ................................................................................................... 46

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC LỎNG - RẮN TÁC DỤNG
LÊN CÁNH TUỐC BIN GIÓ CỠ NHỎ TRỤC NGANG ......................... 47
4.1.Lý thuyết FSI............................................................................................. 47
4.1.1. Giới thiệu về lý thiết FSI. ...................................................................... 47
4.1.2. Xây dựng bài toán FSI: ........................................................................ 50
4.2. Mô phỏng tương tác lỏng - rắn tác dụng của cánh tuốc bin gió cỡ nhỏ trục
ngang bằng phần mềm mô phỏng ANSYS. .................................................... 51
4.2.1. Giới thiệu bài toán: ................................................................................ 51
4.2.2. Giới thiệu phần mềm Ansys Fluent: ...................................................... 53
4.2.3. Mô hình hóa bài toán: ............................................................................ 59
4.2.4. Thiết lập thông số mô phỏng: ................................................................ 62
4.2.5. Kết quả: .................................................................................................. 64
4.3. Kết luận: ................................................................................................. 69
CHƯƠNG 5:KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ................................................... 70
5.1. Kết quả đạt được: ..................................................................................... 70
5.2. Đánh giá kết quả: ..................................................................................... 71
5.3. Kết luận và hướng phát triển đề tài: ......................................................... 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 72


iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

DAWT

Diffuser augmented wind
turbine

Bộ khuyếch tán gió qua tuốc bin

Re

Reynolds

Hệ số Reynolds

Cd

Drag Coefficient

Hệ số cản

Cl

Lift Coefficient

Hệ số nâng

Cp

Pressure Coeficient

Hệ số áp suất

CFD

Computional Fluid
Dynamics

Phương pháp tính toán động lực
học lưu chất

FSI

Fluid-structure interaction

Tương tác lỏng rắn

FEA

Finite Element Analysis

Phân tích bằng phần tử hửu hạn


v

DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
2.1
2.2
3.1
3.2
3.3

3.4
4.1

Tên bảng
Trang
Dữ liệu của tuốc bin gió đường kính 7m Bergey
BWC XL 10 KW và tuốc bin gió đường kính 80 m
17
Vestas V80 2 MW.
Các thông số của họ cánh SG.
28
Giá trị bán kính tuốc bin gió được chia thành 10 đoạn
34
bằng nhau
Hệ số đầu mũi cánh tại các bánh kính ri
35
Bảng xác định góc tới ϕ, góc xoắn Ɵ , chiều dài dây
37
cung c tại các bán kính ri
Thông số kỹ thuật của vật liệu chế tạo cánh tuốc bin
41
Các thông số cấu trúc chính của cánh tuốc bin
44
Tjaereborg


vi

DANH MỤC CÁC HÌNH
Số

hiệu

Tên hình

Biểu đồ công suất điện gió trên thế giới trong thời gian từ
năm 200 - 2015
1.2 Biểu đồ năng lượng gió tại Việt Nam ở độ cao 30m
Sơ đồ phân bố tốc độ gió trung bình năm ở vùng biển ven
1.3
bờ Việt Nam tại độ cao 10m và 100m
1.4 Tiềm năng điện gió ở biển Việt Nam
1.5 Công trình điện gios tại Tuy Phong, Bình Thuận
1.6 Nhà máy điện gió Bạc Liêu
Qui mô phát triển tuốc bin gió của thế giới từ năm 1908
1.7
đến nay
1.8 Một tuốc bin gió với công suất 1,5MW
2.1 Kết cấu của tốc bin gió
Biểu đồ công suất tuốc bin gió đường kính 7 m Bergey
2.2
BWC XL 10 KW tại mực nước biển.
Biểu đồ công suất tuốc bin gió đường kính 80m Vestas
2.3
V80 2 MW.
Hệ số công suất biến thể với tỷ lệ vận tốc đầu mũi cánh
2.4
cho tuốc bin gió Vestas V80
Thể tích kiểm tra tuốc bin gió bán kính r trong dòng chảy
2.5
đồng nhất

2.6 Hệ số lực đẩy tại cảm ứng trục lớn
Mặt cắt ngang ống dòng hình vành khuyên của phần tử
2.7
cánh
2.8 Vận tốc của phần tử cánh ở bán kính r
2.9 Lực cản và lực nâng trên phần tử cánh
2.10 Biên dạng cánh 4 chữ số của NACA
2.11 Biên dạng cánh SG hiện đại dùng cho tuốc bin gió
Biểu đồ hệ số lực nâng của biên dạng cánh SG6040 và
2.12 a
SG6043
Biểu đồ hệ số lực cản của biên dạng cánh SG 6040 và SG
2.12 b
6043
2.12 c Biểu đồ biểu thị tỷ lệ hệ số lực nâng/ lực cản của biên
1.1

Trang
5
6
7
7
9
10
11
12
13
16
16
18

19
21
23
24
25
27
28
29
30
30


vii

Số
hiệu
2.13
2.14
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
3.10
3.11
3.12

3.13
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
4.10
4.11

Tên hình
dạng cánh SG 6040 và SG 6043
Các lực tác dụng lên tuốc bin gió
Lực khí động tác dụng lên cánh tuốc bin.
Đồ thị quan hệ giữa hệ số lực cản. lực nâng với số Renold
=300.000
Đồ thị hệ số lực nâng theo góc tấn của biên dạng cánh SG
6043
Xét các profin cánh tại các mặt dòng từ 1 đến 10
Các lực tác dụng lên phần tử cánh
Mặt cắt ngang của một cánh tuốc bin.
Mặt cắt ngang của một cánh tuốc bin có khung xương
(dầm) ở giữa
Cánh tuốc bin sau khi chế tạo hoàn chỉnh.
Biên dạng cánh tuốc bin gió SG 6043
Đồ thị biểu thị quan hệ lực cản Cd và lực nâng Cl
Đồ thị biểu thị quan hệ lực nâng Cl và góc tấn α

Đồ thị quan hệ tỷ số lực nâng/ lực cản với góc tấn α
Đồ thị biểu thị quan hệ hệ số công cuất với vận tốc gió
Đồ thị biểu thị quan hệ công suất P[w] với vận tốc gió
Sơ đồ phương pháp tiếp cận khối (a) và cách tiếp cận
từng phần (b)
Mô hình lưới thích nghi và lưới không thích nghi
Sơ đồ của các miền chất lỏng và rắn trong một bài toán
FSI.
Sơ đồ tương tác lỏng rắn FSI
Liên kết kết quả từ module Fluent sang module Ansys
Static Mechanical.
Động cơ đốt trong được mô hình hóa bằng ANSYS Fluent
Bộ giải dựa trên áp suất.
Thuật toán của bộ giải dựa trên mật độ
Mô hình cánh tuốc bin gió 1 KW.
Cánh tuốc bin đặt trong hình trụ bao quanh cánh
Mô hình chia lưới trong Ansys Meshing

Trang

32
32
36
36
38
39
41
42
42
43

43
43
44
44
45
47
48
49
51
52
52
56
56
59
59
60


viii

Số
hiệu

Tên hình

Trang

4.12

Giá trị độ lệch của việc chia lưới

61

4.13
4.14
4.15
4.16
4.17
4.18
4.19
4.20
4.21
4.22

Chất lượng trực giao của việc chia lưới
Hệ số co của việc chia lưới
Bảng lựa chọn mô hình rối trong phân tích CFD
Bảng lựa chọn điều kiện biên trong phân tích CFD
Bộ giải áp suất, giải bài toán phụ thuộc vào thời gian
Lực áp suất tác dụng lên cánh tuốc bin gió
Phân bố vận tốc trên cánh tuốc bin gió
Phân bố áp suất trên cánh tuốc bin gió.
Đường dòng của gió qua cánh tuốc bin
Cánh tuốc bin không có thanh chống ở giữa.
Biến dạng của cánh tuốc bin gió dưới ảnh hưởng của lực
khí động trong trường hợp cánh tuốc bin không có thanh
ở giữa cánh.
Cánh tuốc bin gió có thanh chống ở giữa.
Biến dạng của cánh tuốc bin gió trong trường hợp cánh có
thanh chống ở giữa.

Phân bố ứng suất Von Misses trên bề mặt cánh tuốc bin.
Biến dạng của cánh tuốc bin gió dưới ảnh hưởng của lực
khí động

62
62
63
63
64
64
65
65
66
67

4.23
4.24
4.25
4.26
4.27

67
68
68
69
69


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài:
Khai thác, sản xuất và tiêu thụ năng lượng có nguồn gốc hóa thạch (dầu mỏ,
than đá) là các nguyên nhân chính làm tăng lượng khí nhà kính dẫn đến biến đổi
khí hậu - một mối nguy của toàn cầu, nhưng nhu cầu về năng lượng lại ngày
càng tăng nhanh. Trong khi đó, các nguồn năng lượng hóa thạch đang cạn dần
và có tác động mạnh đến môi trường, các nguồn thủy điện thì rất nhạy cảm với
hệ sinh thái và thiên tai như lũ lụt, động đất. Năng lượng hạt nhân thì có nhiều
nguy cơ mất an toàn và thiếu biện pháp dài hạn cho các chất thải hạt nhân. Vì
thế, công nghệ năng lượng ở các nước tiên tiến hiện nay đang chuyển dần sang
các nguồn tái tạo và sạch như mặt trời, gió, khí sinh học, sóng và thủy triều.
Trong đó, khai thác điện từ gió và mặt trời là các công nghệ năng lượng tái tạo
phát triển nhanh nhất. Khai thác năng lượng từ gió dường như là khả thi và đáng
tin cậy nhất ở nhiều nước với tỷ lệ phát triển hàng năm khoảng 25-30%. Công
nghiệp điện gió với tốc độ đầu tư và phát triển công nghệ có thể cung cấp tới
12% nhu cầu về điện của toàn cầu vào năm 2050. Hơn nữa, điện gió cũng đóng
góp lớn cho giảm thiểu khí nhà kính, dự báo sẽ làm giảm 0.5 tỷ tấn CO2 (9.2%)
vào năm 2020 và làm giảm 3 tỷ tấn CO2 (7.8%) vào năm 2050 [1].
Tiềm năng điện gió ở Việt nam là lớn hơn rất nhiều lần so với các nước lục
địa. Đặc biệt tại miền duyên hải miền Trung và Nam Bộ tiềm năng về điện gió là
rất lớn. Tuy nhiên việc khai thác năng lượng gió hiện nay tại vùng ven biển miền
Trung chưa được quan tâm đầu tư đúng mức.
Có rất nhiều lý do dẫn đến việc khai thác năng lượng gió chưa được đầu tư
đúng mức như:
- Giá thành nhập khẩu máy móc, thiết bị (như cánh quạt, tuốc bin gió, máy
phát điện v.v…) từ nước ngoài là rất cao.
- Các cánh tuốc bin gió do nước ngoài chế tạo là loại cánh tuốc bin cỡ lớn
không phù hợp với sức gió có vận tốc từ 5 - 7m/s của khu vực ven biển miền
Trung Việt Nam nên từ đó hiệu quả khai thác và sử dụng không cao.
- Tuốc bin gió cỡ lớn đã được nghiên cứu kỹ nhưng tuốc bin gió cỡ nhỏ

vẫn phải nghiên cứu thêm vì phụ thuộc vào vị trí lắp đặt và điều kiện sử dụng
khác nhau.
Vì các lý do nêu trên tôi chọn đề tài “ Nghiên cứu mô phỏng tương tác lỏng
– rắn tác dụng lên cánh tuốc bin gió cỡ nhỏ trục ngang bằng phần mềm Ansys”
nhằm góp phần vào nghiên cứu, chế tạo các cánh tuốc bin gió phù hợp với điều


2

kiện làm việc tại Việt Nam nói chung và khu vực ven biển Miền Trung nói
riêng.
2. Mục đích và ý nghĩa của đề tài
2.1. Mục tiêu của đề tài:
- Thiết kế cánh tuốc bin gió cỡ nhỏ trục ngang phù hợp với sức gió của khu
vực ven biển Miền Trung, Việt Nam.
- Đánh giá độ bền của cánh tuốc bin gió cỡ nhỏ trục ngang trong tương tác
lỏng - rắn.
2.1. Ý nghĩa của đề tài: Góp phần nghiên cứu chế tạo hoàn chỉnh tuốc bin gió
loại này.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
3.1. Đối tượng nghiên cứu: Cánh tuốc bin gió cỡ nhỏ trục ngang với công suất
phát điện nhỏ hơn 2 KW.
3.2. Phạm vi nghiên cứu:
- Nghiên cứu lý thuyết về cánh tuốc bin và khí động học trên cánh tuốc bin
gió.
- Tính tối ưu các thông số kỹ thuật của cánh tuốc bin gió trong điều kiện
sức gió của khu vực ven biển Miền Trung Việt Nam.
- Tính toán, kiểm nghiệm độ bền cánh tuốc bin gió theo điều kiện làm việc
dựa vào tương tác lỏng - rắn.
- Chỉ nghiên cứu việc chế tạo cánh tuốc bin gió cỡ nhỏ trục ngang không

nghiên cứu việc chế tạo các chi tiết còn lại của tuốc bin gió.
4. Phương pháp nghiên cứu:
- Kết hợp giữa lý thuyết và mô phỏng.
- Sử dụng phần mềm ANSYS.
5. Nội dung nghiên cứu
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU:
1.1. Tình hình sử dụng năng lượng gió hiện nay trên thế giới.
1.1.1. Tình hình năng lượng chung.
1.1.2. Tình hình sử dụng năng lượng gió trên thế giới.
1.2. Tình hình sử dụng năng lượng gió hiện nay tại Việt Nam.
1.2.1. Tiềm năng gió tại Việt Nam và khu vực ven biển Miền Trung
1.2.2. Tình hình sử dụng năng lượng gió hiện nay tại Việt Nam
1.3. Tình hình nghiên cứu, chế tạo tuốc bin gió.
1.3.1. Tình hình nghiên cứu chế tạo tuốc bin gió
1.3.2. Tình hình nghiên cứu chế tạo tuốc bin gió cở nhỏ trục ngang.


3

1.4. Kết luận.
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CÁNH TUỐC BIN GIÓ.
2.1. Cấu tạo hoạt động và nguyên lý làm việc của tuốc bin gió.
2.2. Lý thuyết về cánh tuốc bin gió.
2.2.1. Các thông số vận hành tuốc bin gió.
2.2.2. Cách tiếp cận theo thể tích kiểm tra.
2.2.3. Tham số vận hành và hiệu suất tối ưu của tuốc bin gió.
2.3. Các dạng biên dạng cánh của tuốc bin gió cở nhỏ.
2.4. Lý thuyết về sức bền cánh.
2.4.1. Lực khí động tác dụng lên tuốc bin gió.
2.4.2. Lực hấp dẫn tác dụng lên cánh tuốc gió.

2.4.3. Lực ly tâm.
2.4.4. Lực hồi chuyển.
2.5. Kết luận.
Chương 3: THIẾT KẾ TUỐC BIN GIÓ CỠ NHỎ.
3.1. Các vấn đề khi thiết kế cánh tuốc bin gió cỡ nhỏ.
3.2. Thiết kế tuốc bin gió cỡ nhỏ trục ngang phù hợp với điều kiện làm việc ven
biển Miền Trung.
3.2.1. Yêu cầu thiết kế của tuốc bin gió.
3.2.2. Thiết kế cánh tuốc bin gió.
3.2.3. Chế tạo cánh tuốc bin gió.
3.2.4. Kiểm nghiệm việc thiết kế cánh tuốc bin gió.
3.3. Kết luận.
Chương 4: NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC LỎNG - RẮN TÁC DỤNG LÊN
CÁNH TUỐC BIN GIÓ CỠ NHỎ TRỤC NGANG.
4.1.Lý thuyết FSI.
4.1.1. Giới thiệu về lý thiết FSI.
4.1.2. Xây dựng bài toán FSI.
4.2. Mô phỏng tương tác lỏng - rắn tác dụng của cánh tuốc bin gió cỡ nhỏ trục
ngang bằng phần mềm mô phỏng ANSYS.
4.2.1. Giới thiệu bài toán.
4.2.2. Giới thiệu phần mềm Ansys Fluent.
4.2.3. Mô hình hóa bài toán.
4.2.4. Thiết lập thông số mô phỏng.
4.2.5. Kết quả.
4.3. Kết luận.


4

CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN.

5.1. Kết quả đạt được.
5.2. Đánh giá kết quả.
5.3. Kết luận và hướng phát triển đề tài.


5

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1.1. Tình hình sử dụng năng lượng gió hiện nay trên thế giới.
1.1.1. Tình hình năng lượng chung:
Làm thế nào để đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng của con người
là một trong các vấn đề nóng bỏng trong thời gian tới. Hiện nay, trên thế giới sự
giới hạn nguồn năng lượng tỷ lệ nghịch với nhu cầu ngày càng tăng của các khu
vực và trên thế giới. Vấn đề an ninh năng lượng của thế giới đang trở nên bức
bách hơn bao giờ hết. Việc sử dụng năng lượng hiện nay đang tập trung ở nguồn
năng lượng hóa thạch. Theo thống kê, các nguồn năng lượng con người đang
tiêu thụ gồm 41,7% dầu mỏ, 24,7% than, 21,% ga, 6,% năng lượng nguyên tử,
6,% thủy điện và năng lượng gió, mặt trời, địa nhiệt, năng lượng sinh học, thủy
triều, vv… chỉ chiếm khoảng gần 1% nhu cầu năng lượng của con người [3].
Theo dự báo của Cơ quan năng lượng quốc tế, nếu lượng tiêu thụ năng
lượng của thế giới tiếp tục giữ mức như hiện nay, nhu cầu năng lượng sẽ tăng
hơn 30% vào năm 2030, riêng về nhu cầu của dầu lửa có thể tăng đến 41%.
Trong bối cảnh hiện nay, đảm bảo an ninh năng lượng phục vụ sự phát triển bền
vững, giảm sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng nhập khẩu từ bên ngoài, đặc
biệt là dầu mỏ, trở thanh vấn đề đặc biệt quan tâm ở quốc gia.
Sự tăng trưởng về nhu cầu năng lượng tập trung vào các nước đang phát
triển. Dự kiến các nước này nhu cầu năng lượng sẽ đạt 50% nhu cầu năng lượng
của thế giới vào năm 2030. Các dạng năng lượng truyền thống như than, dầu
mỏ, khí đốt.vv… đang ngày càng cạn kiệt. Nhiều nước trong khu vực ASEAN

có nguồn dầu khí, trong đó Brunei, Inđônêsia thuộc nhóm các nước xuất khẩu
dầu. Nhưng nhu cầu năng lượng của khu vực như hiện nay sẽ dẫn đến nguy cơ
phải chịu sự phụ thuộc vào nhập khẩu năng lượng. Theo nghiên cứu dự báo của
giám đốc Trung tâm năng lượng ASEAN, mức độ phụ thuộc này có thể đạt
khoảng 49% đến 58%.
1.1.2. Tình hình sử dụng năng lượng gió trên thế giới:
Nhận thức được tầm quan trọng của năng lượng tái sinh nói chung và năng
lượng gió nói riêng, chính phủ của nhiều quốc gia trên thế giới đang dốc tiền
của, nhân lực vào việc nghiên cứu và đưa vào sử dụng thực tiễn năng lượng gió
giúp giảm sự căng thẳng năng lượng ở các nước.
Tính đến cuối năm 2015, tổng công suất phát điện đặt tổng cộng trên toàn
thế giới từ sức gió lên tới 432.883 MW, tăng 17% so với năm trước đó. Lắp đặt


6

điện gió toàn cầu tăng thêm 63.330 MW, 51.447 MW và 35.467 MW vào năm
2015, 2014 và 2013 tương ứng [19].
Từ năm 2010, hơn một nửa của tất cả các năng lượng gió mới đã được bổ
sung ngoài các thị trường truyền thống của châu Âu và Bắc Mỹ, chủ yếu là do
sự bùng nổ tại Trung Quốc và Ấn Độ. Vào cuối năm 2015, Trung Quốc đã có
145 GW điện gió được lắp đặt. Trong năm 2015, Trung Quốc lắp đặt gần một
nửa công suất điện gió trên của thế giới.
Một số quốc gia đã sử dụng điện gió ở mức độ tương đối cao, chẳng hạn
như chiếm 39% sản lượng điện sử dụng ở Đan Mạch, 18% ở Bồ Đào Nha, 16%
ở Tây Ban Nha, 14% ở Ireland và 9% ở Đức vào năm 2010. Tính đến năm 2011,
83 quốc gia trên toàn thế giới đang sử dụng năng lượng gió ở mức độ thương
mại. Đóng góp của năng lượng gió vào tổng sản lượng tiêu thụ điện trên toàn thế
giới vào cuối năm 2014 là 3,1% [19]
Hình 1.1 trình bày công suất sản suất từ điện gió trên thế giới trong khoảng

thời gian từ năm 2000 đến 2015.

Hình 1.1 : Biểu đồ công suất điện gió trên thế giới trong thời gian từ năm 20002015 [19]
1.2. Tình hình sử dụng năng lượng gió hiện nay tại Việt Nam.
1.2.1. Tiềm năng gió tại Việt Nam và khu vực ven biển Miền Trung.
a. Tiềm năng gió tại Việt Nam
Nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài, Việt Nam có
một thuận lợi cơ bản để phát triển năng lượng gió. So sánh tốc độ gió trung bình
trong vùng Biển Đông Việt Nam và các vùng biển lân cận cho thấy gió tại Biển
Đông khá mạnh và thay đổi nhiều theo mùa.


7

Trong chương trình đánh giá về Năng lượng cho Châu Á, Ngân hàng Thế
giới đã có một khảo sát chi tiết về năng lượng gió khu vực Đông Nam Á, trong
đó có Việt Nam. Như vậy Ngân hàng Thế giới đã làm hộ Việt Nam một việc
quan trọng, trong khi Việt Nam còn chưa có nghiên cứu nào đáng kể. Theo tính
toán của nghiên cứu này, trong bốn nước được khảo sát thì Việt Nam có tiềm
năng gió lớn nhất và hơn hẳn các quốc gia lân cận là Thái Lan, Lào và
Campuchia. Trong khi Việt Nam có tới 8,6% diện tích lãnh thổ được đánh giá có
tiềm năng lớn để xây dựng các trạm điện gió cỡ lớn, trong khi đó thì diện tích
này ở Campuchia là 0,2%, ở Lào là 2,9%, và ở Thái-lan cũng chỉ là 0,2%. Tổng
tiềm năng điện gió của Việt Nam ước đạt 513.360 MW tức là bằng hơn 200 lần
công suất của thủy điện Sơn La và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành
điện vào năm 2020. Tất nhiên, để chuyển từ tiềm năng lý thuyết thành tiềm năng
có thể khai thác, đến tiềm năng kỹ thuật và cuối cùng thành tiềm năng kinh tế là
cả một câu chuyện dài; nhưng điều đó không ngăn cản việc chúng ta xem xét
một cách thấu đáo tiềm năng to lớn về năng lượng gió ở Việt Nam [18]:

Hình 1.2: Biểu đồ năng lượng gió tại Việt Nam ở độ cao 30 m [16]


8

Nếu xét tiêu chuẩn để xây dựng các trạm điện gió cỡ nhỏ phục vụ cho phát
triển kinh tế ở những khu vực khó khăn thì Việt Nam có đến 41% diện tích nông
thôn có thể phát triển điện gió loại nhỏ. Nếu so sánh con số này với các nước
láng giềng thì Campuchia có 6%, Lào có 13% và Thái Lan là 9% diện tích nông
thôn có thể phát triển năng lượng gió. Đây quả thật là một ưu đãi dành cho Việt
Nam mà chúng ta còn thờ ơ chưa nghĩ đến cách tận dụng.

Hình 1.3: Sơ đồ phân bố tốc độ gió trung bình năm ở vùng biển ven bờ
Việt Nam tại độ cao 10m và 100m

Hình 1.4. Tiềm năng điện gió ở Biển Việt Nam


9

b. Tiềm năng gió tại khu vực Miền Trung Việt Nam:
Từ hình 1.2 và 1.3 ta thấy tiềm năng gió tại khu vực Miền Trung Việt Nam
là rất lớn. Đặc biệt ở độ cao 30m tốc độ gió từ 5 m/s – 7 m/s rải đều khắp các
tỉnh của khu vực miền trung Việt Nam. Còn ở độ cao 10m tốc độ gió 5 – 7m/s
phân bố nhiều nhất ở các tỉnh như Thanh Hóa, Quảng Bình, Quảng Trị, Quảng
Nam, Quảng Ngãi, Khánh Hòa, Phan Thiết, Bình Thuận. Tìm năng gió tuy là rất
lớn như vậy nhưng việc khai thác, sử dụng năng lượng gió tại khu vực này chưa
tương xứng với tiềm năng hiện có của nó.
1.2.2. Tình hình sử dụng năng lượng gió hiện nay tại Việt Nam:
Tiềm năng gió của Việt Nam rất lớn, vì thế việc nghiên cứu phát triển năng

lượng gió là một công việc cần thiết. Sự nghiên cứu triển khai năng lượng gió ở
Việt Nam đã đi những bước đầu tiên. Nhưng cơ bản sự phát triển năng lượng gió
trong nước còn nhỏ lẻ, còn khá khiêm tốn so với tiềm năng to lớn của
Việt Nam. Hiện tại Việt Nam có tất cả 20 dự án diện gió với dự kiến sản xụất 20
GW. Nguồn điện gió này sẽ kết nối với hệ thống điện lưới quốc gia và sẽ được
phân phối và quản lý bởi Tổng Công Ty Điện Lực Việt Nam. Trong thời gian
qua (tháng 4 năm 2004) , Việt Nam đã lắp đặt trạm năng lượng gió công suất
858KW trên đảo Bạch Long Vĩ do chính phù tài trợ và các tổ máy được chế tạo
bởi hãng Technology SA (Tây Ban Nha) . Ngoài ra Trung Tâm Năng Lượng Tái
Tạo và Thiết Bị Nhiệt (RECTARE) Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh
đã lắp đặt trên 800 tuốc bin gió trong hơn 40 tỉnh thành với sự tài trợ của Hiệp
hội Việt Nam – Thụy Sĩ tập trung nhiều nhất gần Nha Trang, trong đó có gần
140 tuốc bin gió đã hoạt động. Ở Cần Giờ thành phố Hồ Chí Minh với sự hỗ trợ
của Pháp cũng đã lắp đặt được 50 tuốc bin gió. Tuy nhiên những tuốc bin gió
trên đều có công suất nhỏ khoảng vài KW mức độ thành công không cao vì
không được bảo dưỡng thường xuyên theo đúng yêu cầu.
Tháng 8-2008 Fuhrlaender AG, một tập đoàn sản xuất tuốc bin gió hàng
đầu của Đức đã bàn giao 5 tổ máy (tuốc bin gió) sản xuất điện gió đầu tiên cho
dự án điện gió tại Tuy Phong , Bình Thuận với mỗi tổ máy có công suất 1,5MW
(nơi đây thời tiết ở Tuy Phong có nhiều nắng vá gió, tốc độ gió trung bình ở đây
là 6,7 m/s). Tổ máy đầu tiên được lắp đặt vào tháng 11-2008 và
chính thức hoàn thành kết nối vào điện lưới quốc gia vào tháng 8 năm 2009.


10

Hình 1.5 : Công trình điện gió tại Tuy Phong, Bình Thuận
Trên hình 1.5 là 5 tổ máy của nhà máy điện gió tầm cỡ MW đầu tiên ở Việt
Nam ở xã Bình Thạnh, huyện Tuy Phong , tỉnh Bình Thuận. Chiều cao của mỗi
tháp là 103,75 m và đường kính của cánh tuốc bin là 37,5 m [18].

Toàn bộ thiết bị của 15 tổ máy còn lại của giai đọan 1 sẽ được hoàn thành
trong thời gian sắp tới để hòan tất việc lắp đặt toàn bộ 20 tổ máy cho giai đọan
1. Tổng công suất của nhà máy điện gió tại Bình Thuận trong giai đoạn này là
30MW do Công Ty Cổ Phần Năng Lượng Tái Tạo Việt Nam (REVN) làm chủ
đầu tư. Thời gian hoạt động của dự án là 49 năm. Nhà máy được xây dựng trên
diện tích 328 ha. Theo kế hoạch giai đoạn 2 sẽ mở rộng sau đó với công suất lên
120MW [18].
Tháng 10-2008 tại Hà Nội đã diễn ra lễ ký kết giữa Tổng Công Ty Điện
Lực Dầu Khí Việt Nam (PV Power) thuộc Tập Đoàn Dầu Khí Việt Nam và Tập
Đoàn Luyện Kim của Argentina Industrias Metallurgica Pescamona S.A.I.yF
(IMPSA) thỏa thuận chi tiết về việc sản suất và phát triển các dự án điện gió và
thủy điện tại Việt Nam. Hai bên đã đồng ý góp vốn để kinh doanh và thương
mại hóa tuốc bin gió, phát triển và quản lý các dự án điện gió, cung cấp các dịch
vụ bảo trì, sửa chữa các thiết bị điện gió ở Việt Nam. Hai bên cũng đã kí thỏa
thuận hợp tác triển khai nhà máy điện gió công suất 1 GW trên diện tích 10.000
ha nằm cách xã Hòa Thắng huyện Bắc Bình tỉnh Bình Thuận khoảng 6 km về
hướng đông bắc. Nhà máy sẽ được lắp đặt tuốc bin gió IMPESA Unipower IWP
–Class II công suất 2,1MW các tổ máy gồm nhiều tuốc bin gió cho phép sản
xuất 5,5Gwh/năm. Dự kiến tổng vốn đầu tư cho dự án là 2,35 tỷ USD trong 5
năm. Hai bên cũng thỏa thuẩn về dự án sản suất tuốc bin gió công suất 2MW có
sải cánh quạt dài 80m cho Việt Nam và cho xuất khẩu.


11

Những đề án khác chẳng hạn như: đề án điện gió Phương Mai – Quy Nhơn
với công suất 2,5 MW do chuyên viên tập đòan Avantis Energy Group; hai đề
án điện gió với công suất 150 MW & 80 MW tại tỉnh Lâm Đồng đang được tích
cực triển khai và đề án điện gió do Công ty Thụy Sĩ Aerogie Plus Solution AG
lắp đặt nhà máy điện gió có công suất 7,5 MW kết hợp với động cơ diesel tại

Côn Đảo , tỉnh Bà Rịa- Vũng Tàu.
Ngày 17 – 01 -2016 sau 48 tháng triển khai xây dựng, Nhà máy điện gió
Bạc Liêu đã hoàn thành, đưa vào vận hành đấu nối và phát điện hòa vào lưới
điện quốc gia cung cấp sản lượng điện 320 triệu KWh/năm. Nhà máy điện gió
Bạc Liêu được xây dựng tại vùng bãi bồi ven biển xã Vĩnh Trạch Đông, thành
phố Bạc Liêu, tỉnh Bạc Liêu. Nhà máy điện gió tỉnh Bạc Liêu được khởi công
xây dựng vào ngày 9-9-2010, do Công ty TNHH Xây dựng - Thương mại và Du
lịch Công Lý (Cà Mau) làm chủ đầu tư. Dự án có quy mô công suất là 99,2 MW,
điện năng sản xuất khoảng 320 triệu KWh/năm, vốn đầu tư 5.217 tỷ đồng [17]

Hình 1.6. Nhà máy điện gió Bạc Liêu
Tính từ trụ tuốc bin gió đầu tiên được hòa vào lưới điện quốc gia tháng 52013, đến thời điểm khánh thành dự án tổng sản lượng điện hòa vào lưới điện
quốc gia là 130 triệu KWh, doanh thu từ bán điện 150 tỷ đồng, đóng góp ngân
sách 15 tỷ đồng. Trong thời gian tới Nhà máy điện gió Bạc Liêu sẽ xúc tiến lập
báo cáo tiền khả thi triển khai giai đoạn tiếp theo cho 71 trụ tuốc bin gió loại
2MW với tổng công suất 142MW, tổng mức đầu tư dự kiến 8.850 tỷ đồng. Thời
gian thực hiện 36 tháng, dự kiến cuối năm 2018 hoàn thành đưa vào vận hành,
hòa vào hệ thống điện quốc gia, biến nơi đây thành cánh đồng điện gió lớn nhất
đồng bằng sông Cửa Long [17].
Thế giới tiến tới những nguồn năng lượng tái tạo đó là một xu thế không
thể thay đổi, với xu thế đó Việt Nam đang có những bước chuyển mình để phù


12

hợp, thích nghi cho dù còn chưa nhanh, mạnh nhưng đó là một công việc cần
làm và cần đẩy mạnh nhiều hơn nữa.
1.3. Tình hình nghiên cứu, chế tạo tuốc bin gió.
1.3.1. Tình hình nghiên cứu chế tạo tuốc bin gió:
Tình hình nghiên cứu chế tạo tuốc bin gió trên thế giới đã phát triển một

cách vượt bậc trong vòng 35 qua từ một tuốc bin gió có công suất lớn nhất 50
KW với đường kính cánh tuốc bin từ 10m – 15m đến nay các Nhà khoa học đã
nghiên cứu, chế tạo ra tuốc bin gió với công suất 5MW với đường kính cánh
tuốc bin 120m [11].

Hình 1.7. Qui mô phát triển tuốc bin gió của thế giới từ năm 1980
đến nay [15]
Nền tảng công nghệ Năng lượng gió châu Âu hình dung rằng "vào năm
2030, năng lượng gió sẽ là một nguồn năng lượng hiện đại lớn, đáng tin cậy và
cạnh tranh về chi phí cho mỗi kWh. Ngoài ra, họ thấy trước rằng năng lượng gió
sẽ đóng góp 21% đến 28% nhu cầu điện Liên minh châu Âu (EU). Công nghệ
Năng lượng gió châu Âu nền tảng mô tả một chuỗi dài các cải tiến nghiên cứu
và phát triển mà sẽ là cần thiết để làm cho chi phí sử dụng năng lượng gió rất
cạnh tranh vào năm 2030. Nhiều bước tiến thực hiện với kỹ năng kỹ thuật có thể
tích lũy mang lại một sự cải thiện 30% đến 40% trong hiệu quả chi phí của công
nghệ năng lượng gió công nghệ trong hai thập kỷ tới.


13

Hình 1.8. Một tuốc bin gió với công suất 1,5MW.
1.3.2. Tình hình nghiên cứu chế tạo tuốc bin gió cở nhỏ trục ngang.
Như đã trình bày ở trên, việc nghiên cứu, chế tạo tuốc bin cỡ lớn đã được
các nước trên thế giới quan tâm, nghiên cứu và chế tạo hầu như đã hoàn hảo.
Tuy nhiên đối với các tuốc bin cở nhỏ sử dụng cho hộ gia đình nông thôn, ven
biển tại các nước đang phát triển trên thế giới chưa được quan tâm, nghiên cứu
chế tạo.
1.4. Kết luận:
Qua quá trình nghiên cứu, tìm hiểu về tình hình năng lượng nói chung ta
thấy nguồn năng lượng hóa thạch như dầu mỏ, than đá sẽ dần dần cạn kiệt. Do

vậy việc nghiên cứu và phát triển nguồn năng lượng thay thế là rất cần thiết cho
sự phát triển kinh tế của mỗi quốc gia. Các nguồn năng lượng thay thế cũng có
rất nhiều loại khác nhau như năng lượng sinh học, năng lượng mặt trời, năng
lượng gió, năng lượng thủy điện, thủy triều v.v... Trong đó khai thác nguồn năng
lượng gió có rất nhiều ưu điểm và khả thi nhất. Qua khảo sát ở trên chúng ta
thấy tuốc bin gió cỡ lớn đã được nghiên cứu, chế tạo hoàn hảo tuy nhiên đối với
loại tuốc bin gió cỡ nhỏ, đặc biệt là các tuốc bin gió cỡ nhỏ trục ngang chưa
được quan tâm nghiên cứu. Việc nghiên cứu, chế tạo tuốc tin gió cỡ nhỏ trục
ngang là rất cần thiết cho các vùng duyên hải miền Trung Việt Nam như đã phân
tích ở trên.


14

CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CÁNH TUỐC BIN GIÓ
2.1. Cấu tạo hoạt động và nguyên lý làm việc của tuốc bin gió.
a. Cấu tạo:
Các bộ phận chủ yếu của hệ thống phát điện gió điển hình được thể hiện
trên hình 3 gồm: Tuốc bin gió, hộp số, máy phát điện (MFĐ), thiết bị điều gió và
tháp đỡ. Do tổ máy phát điện gió có quán tính chuyển động lớn nên tốc độ quay
của tuabin gió được thiết kế ở tốc độ thấp, thường từ 20~30 vòng/ phút nên để
đạt được yêu cầu tốc độ quay của máy phát điện từ 1000~1500 vòng/phut thì
giữa tuabin gió và máy phát điện có lắp thêm hộp số giảm tốc. Tuốc bin gió có 2
loại là loại trục ngang và loại trục đứng. Hiện nay đại bộ phận hệ thống phát
điện gió là loại trục ngang, bánh gió ở phía trước tháp đỡ và có 3 cánh; thiết bị
điều hướng đồng thời vừa làm nhiệm vụ điều chỉnh tuabin gió theo hướng gió để
thu được phong năng nhiều nhất, vừa có tác dụng giảm thiểu mô mem xoắn ảnh
hưởng đến tháp đỡ.
4

1

2
5

3

Hình 2.1: Kết cấu của tuốc bin gió
1. Cánh tuốc bin, 2 Bầu cánh, 3. Trụ đỡ, 4. Máy phát điện, 5. Bánh lái điều
khiển tuốc bin.
b. Nguyên lý làm việc của tuốc bin gió:
Khi gió được thổi vào các cánh tuốc bin sinh ra lực nâng làm quay cánh
tuốc bin gắn với trục của tuốc bin. Trục tuốc bin được gắn với rô to máy phát
điện, khi rô to quay sẽ sinh ra một từ trường tác dụng đến cuộn dây stato sinh ra


15

điện năng.
2.2. Lý thuyết về cánh tuốc bin gió.
2.2.1. Các thông số vận hành tuốc bin gió:
Giống như bất kỳ loại máy thủy lực nào, để đánh giá hiệu suất hoạt động
của tuốc bin gió, các hệ số không thứ nguyên thường được sử dụng. Trong đó,
thông số quan trọng nhất là hệ số hiệu suất CP, được xác định như sau:
CP 

P
1
U 03 R 2
2

(2.1)

Cp là tỷ số giữa công suất thực tế tuốc bin gió sinh ra và công suất vốn có
của gió đi đến tuốc bin.
Công suất tuốc gió được xác định như sau [8]:
P

1
 CpU 03 R 2
2

(2.2)

Lưu ý rằng CP không phải là hiệu suất, tuy nhiên hệ số này thường được
hiểu như là hiệu suất khi so sánh các tuốc bin gió cùng loại với nhau.
Từ phương trình (2.2) chúng ta nhận thấy rằng công suất tuốc bin gió phụ
thuộc vào tốc độ gió, khối lượng riêng của không khí , bán kính tuốc bin gió R,
tốc độ quay của tuốc bin Ω và độ nhớt động học của không khí , khi đó:
(2.3)
f(P;U0;, R, Ω, ) = 0
Trong đó f là hàm phụ thuộc,  là độ nhớt thực tế chia cho mật độ đơn vị là
m2/s. Đối với điều kiện mực nước biển  = 1,5x10-5 m2/s ở 200C. Có rất nhiều
cách để tiến hành phân tích thứ nguyên, tất cả đều có kết quả tương tự.
Phương trình (2.3) chứa sáu tham số và ba thứ nguyên, vì vậy cần có ba
nhóm không thứ nguyên từ kết quả của phân tích thứ nguyên. Để đảm bảo rằng
hiệu suất CP được xác định bởi (2.1) là một trong các nhóm này,'' các tham số
cần lặp lại phải là U0,  và R. Những tham số lặp đi lặp lại này về nguyên tắc có
thể xuất hiện trong tất cả các nhóm phi không thứ nguyên. Gộp các nhóm này lại
với nhau, khi đó phương trình (2.3) có thể được viết lại như sau:

(2.4)
f(CP; ΩR/U0; U0R/) = 0
Nhóm không thứ nguyên thứ hai trong phương trình (2.4) rất quan trọng,
và được gọi là tỷ tốc đầu mũi cánh và ký hiệu λ:
 = ΩR/U0 = Vtip / U0
(2.5)
Đây là tỷ số của vận tốc vòng của đầu mũi cánh tuốc bin Vtip với tốc độ
gió U0. Việc xác định hệ số lực cản, hệ số lực nâng tạo ra trên cánh tuốc bin