Xây dựng mô đun tính toán hệ số công suất và chế tạo turbine gió trục đứng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

CAO ANH KHOA

XÂY DỰNG MƠ ĐUN TÍNH TỐN HỆ SỐ CƠNG
SUẤT VÀ CHẾ TẠO TURBINE GIÓ TRỤC ĐỨNG
Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật
Mã số: 60 52 01 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2015


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : T.S Nguyễn Tường Long ..........................
T.S Nguyễn Quý .......................................
Cán bộ chấm nhận xét 1 : ...........................................................................
....................................................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2 : ...........................................................................
....................................................................................................................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG
Tp. HCM ngày 12 tháng 01 năm 2016
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn
thạc sĩ)
1. GS.TS NGÔ KIỀU NHI .......................
2. PGS.TS TRƯƠNG TÍCH THIỆN .......

3. PGS.TS NGUYỄN HỒI SƠN ...........
4. TS. TRƯƠNG QUANG TRI ...............
5. VŨ CƠNG HỊA ..................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA…………


i

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: CAO ANH KHOA

MSHV:13230424

Ngày, tháng, năm sinh: 28/04/1990.

Nơi sinh: Quảng Ngãi

Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật.

Mã số : 60520101

I. TÊN ĐỀ TÀI:
XÂY DỰNG MƠ ĐUN TÍNH TỐN HỆ SỐ CƠNG SUẤT VÀ CHẾ TẠO TURBINE
GIÓ TRỤC ĐỨNG
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Tính tốn hệ số cơng suất của turbine gió trục đứng bằng phương pháp giải tích, sử dụng
ngơn ngữ lập trình Matlab dựa trên lý thuyết đa ống dịng của Yingxue Yao và đường cong
thực nghiệm Glauert.
- Đóng gói chương trình tính thành một ứng dụng có giao diện người dùng và chạy trực
tiếp trên máy tính hệ điều hành Windows.
- Sử dụng mơ đun tính tốn hệ số cơng suất của turbine gió trục đứng, mơ phỏng hệ số
công suất của turbine, đề xuất bộ thông số kĩ thuật của turbine nhằm cực đại hệ số công
suất turbine, tối ưu thiết kế.
- Chế tạo turbine gió trục đứng từ bộ thông số được đề xuất, thử nghiệm turbine trong hầm
gió, đo điện áp đầu ra theo số vịng quay turbine và vận tốc gió.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 18/8/2013
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15/12/2015
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. Nguyễn Tường Long và T.S Nguyễn Quý.

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20....
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA….………
(Họ tên và chữ ký)

ii

LỜI CÁM ƠN

Trước hết, tôi xin chân thành cám ơn người Thầy hướng dẫn luận văn của tôi là
TS. Nguyễn Tường Long và T.S Nguyễn Quý về sự giúp đỡ nhiệt tình về mặt kiến thức
cũng như những lời khuyên rất bổ ích để tơi hồn thành tốt luận văn này. Tôi gửi lời
cám ơn đến T.S Nguyễn Quốc Ý, trưởng phịng thí nghiệm cơ lưu chất, Đại học Bách
Khoa TP.HCM đã tạo điều kiện để tôi thử nghiệm turbine trong phịng thí nghiệm. Tơi
cũng gửi lời cám ơn đến Th.S Lưu Thiện Quang, giảng viên khoa Điện, trường Đại học
Giao Thông vận Tải TP.HCM đã cung cấp cho tôi những tài liệu quý giá, hỗ trợ tôi về
mặt chế tạo. Tôi gửi lời cám ơn đến tất cả các đồng nghiệp của tôi đã ủng hộ và giúp
đỡ tôi trong q trình nghiên cứu.
Tiếp theo, tơi gửi lời cám ơn đến các Thầy Cô thuộc bộ môn Cơ Kỹ Thuật, khoa
Khoa học Ứng Dụng, Đại học Bách Khoa TP.HCM về những kiến thức mà tôi đã học
được trong quá trình học cao học. Những kiến thức đó khơng chỉ giúp tơi hồn thành
tốt luận văn này mà cịn giúp ích cho công việc của tôi sau này.
Cuối cùng, tôi muốn cám ơn đến gia đình của tơi. Khơng có sự hỗ trợ, động viên từ
gia đình thì tơi khơng thể nào hoàn thành tốt luận văn này.

Tp.HCM, ngày

tháng

năm 2015

Tác giả luận văn

CAO ANH KHOA

iii

TĨM TẮT
Luận văn này tính tốn hệ số cơng suất của turbine gió trục đứng bằng phương
pháp giải tích, sử dụng ngơn ngữ lập trình Matlab dựa trên lý thuyết ống dòng của tác
giả Yingxue Yao và đường cong thực nghiệm Glauert. Chương trình tính được đóng
gói thành một mơ đun có giao diện người dùng, chạy trực tiếp trên máy tính hệ điều
hành Windows, đặt tên là CP-VAWT. Các kết quả tính tốn từ chương trình được kiểm
chứng bằng lý thuyết và thực nghiệm, từ đó sử dụng mơ đun tính tốn hệ số cơng suất
này để mơ phỏng hệ số công suất của turbine, đưa ra bộ thông số kĩ thuật của turbine
gió trục đứng nhằm cực đại hệ số công suất turbine, tối ưu thiết kế. Cuối cùng, hoàn
thành bản vẽ 3D, chế tạo turbine và thử nghiệm turbine trong hầm gió, nhằm phục vụ
nhu cầu sử dụng năng lượng cho hộ gia đình ở Việt Nam.
Từ khóa: turbine gió trục đứng, lý thuyết ống dịng, hệ số công suất, đường cong thực
nghiệm Glauert, chế tạo turbine.

ABSTRACT
This thesis calculate power coefficient of vertical axis wind turbine by analytical
methods, using Matlab programming language based on multiple stream tube theory of
Habtamu Beri and Glauert empirical. This program is packed with user interface and
run directly on operating Windows system, is named CP-VAWT. Calculation results
from CP-VAWT are verified by theoretical and experimental, use this module to
simulate power coefficient of turrbine, give technical parameters of vertical axis wind
turbine for maximum power coefficient of turbine, optimal design. Finally, complete
3D drawings, manufacture turbine and test turbine in wind tunnel, to serve energy
needs for families in Vietnam.
Keywords: vertical axis wind turbine, multiple stream tube theory, power coefficient,
Glauert empirical, manufacture turbine.

iv

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan rằng những nội dung được nêu trong luận văn này là của chính tơi,
các ý tưởng tham khảo và các trích dẫn từ kết quả nghiên cứu cơng bố trong các cơng
trình khoa học khác đều được nêu rõ trong luận văn. Các kết quả tính tốn và thực
nghiệm được trình bày trong luận văn này đều được phản ánh một cách trung thực.
Tp.HCM, ngày

tháng

năm 2015

Tác giả luận văn

CAO ANH KHOA


v

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ………………………………………………………......... i
LỜI CÁM ƠN………………………………………………………………………………………ii
TÓM TẮT…………………………………………………………………………………………..iii
LỜI CAM ĐOAN………………………………………………………………………………….iv
MỤC LỤC………………………………………………………………………………………….v
DANH SÁCH BẢNG…………………………………………………………………………….viii
DANH MỤC HÌNH ẢNH…………………………………………………………………….….ix

Chương 1 : Giới thiệu luận văn…………………………………………………………….….1
1.1 Tổng quan……………………………………………………………………………….....1
1.1.1 Tổng quan về năng lượng gió và tiềm năng phát triển điện gió ở Việt Nam…1
1.1.2. Tình hình nghiên cứu ngồi nước………………………………………………….4
1.1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước…………………………………………………..5
1.2 Mục tiêu nghiên cứu……………………………………………………………………….6
1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài……………………………………………….6
Chương 2 : Ý tưởng và cơ sở lý thuyết …………………………………………..………......8
2.1 Ý tưởng……………………………………………………………………………………….8
2.2 Khí động lực học turbine gió trục đứng………………………………………………....8
2.2.1 Lý thuyết moment động lượng một chiều……………………………………………8
2.2.2 Lý thuyết ống dòng đơn………………………………………………………………11
2.2.3 Lý thuyết đa ống dòng……………………………………………………………….14
2.3 Tỉ số vận tốc mũi và lý thuyết ống dòng……………………………………………….16


vi

2.4 Lý thuyết về turbine gió trục đứng………………………………………………..….….17
2.4.1 Diện tích quét của turbine…………………………………………………………...17
2.4.2 Hệ số công suất…………………………………………………………………….…18
2.4.3 Tỉ số vận tốc mũi…………………………………………………………………….19
2.4.4 Hệ số dày đặc………………………………………………………………………..19
Chương 3 : Tính tốn và mơ phỏng hệ số cơng suất của turbine gió trục đứng…….21
3.1 Giải thuật…………………………………………………………………………………21
3.2 Kiểm tra chương trình tính hệ số cơng suất turbine……………………………...…22
3.2.1 Đóng gói chương trình tính………………………………………………………..22
3.2.2 So sánh với kết quả lý thuyết……………………………………………………….23
3.2.3 So sánh với kết quả thực nghiệm…………………………………………………..24
3.3 Kết quả…………………………………………………………………………………….26

Chương 4 : Chế tạo và thử nghiệm turbine gió trục đứng…………………….…… …30
4.1 Đề xuất bộ thông số thiết kế turbine…………………………………………………..30
4.2 Bản vẽ 3D…………………………………………………………………………………30
4.3 Chế tạo turbine…………………………………………………………………………..31
4.3.1 Stator của turbine gió……………………………………………………………...31
4.3.2 Rotor của turbine gió………………………………………………………………32
4.3.3 Cánh của turbine gió……………………………………………………………....33
4.4 Thử nghiệm turbine gió………………………………………………………………..35
4.4.1 Hầm gió……………………………………………………………………………..35
4.4.2 Các thiết bị đo…………………………………………………………………...…37
4.4.2.1 Thiết bị đo vận tốc gió………………………………………………………37


vii

4.4.2.2 Thiết bị đo điện áp…………………………………………………………..37
4.4.3 Quy trình thử nghiệm turbine……………………………………………….……38
4.4.4 Kết quả thử nghiệm………………………………………………………………..41
4.4.4.1 Số vòng quay của turbine theo vận tốc gió……………………………....41
4.4.4.2 Điện áp đầu ra theo tốc độ quay của turbine……………………………42
4.4.4.3 Điện áp đầu ra theo vận tốc gió…………………………………………..43
Chương 5 : Kết luận và kiến nghị …………………………………………………......…45
5.1 Kết luận………………………………………………………………………………….45
5.2 Kiến nghị những nghiên cứu tiếp theo………………………………………………45
DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ……………………………...47
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………….48
PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG…………………………………………………………..50


viii

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 : Số liệu tốc độ gió tại một số khu vực ở Việt Nam .....……………………………2
Bảng 3.1 : Thơng số turbine gió [3]………………………………………………………….23
Bảng 3.2 : Bảng so sánh hệ số công suất giữa DMST và CP-VAWT……………………23
Bảng 3.3 : Thơng số turbine gió [5]……………………………………………………….....24
Bảng 3.4 : Bảng so sánh hệ số công suất giữa thực nghiệm và CP-VAWT…………….25
Bảng 4.1 : Bộ thông số thiết kế của turbine……………………………………...……........30


ix

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 : Sơ đồ mạng lưới các trạm đo gió tại Việt Nam …………………………….…...1
Hình 1.2 : Turbine gió trục ngang loại 3 cánh và loại nhiều cánh………………….….…3
Hình 1.3 : Các loại turbine gió trục đứng………………………………………………….….3
Hình 2.1 : Ống dịng mơ hình……………………………………………………………….….9
Hình 2.2 : Hệ số lực đẩy trong ống dịng theo hệ số giảm tốc…………………………….11
Hình 2.3 : Các lực khí động trên cánh turbine gió………………………………………….12
Hình 2.4 : Các ống dịng trong mơ hình……………………………………………………..15
Hình 2.5 : Ảnh hưởng của tỉ số vận tốc mũi…………………………………………...…….17
Hình 2.6 : Hệ số công suất theo tỉ số vận tốc mũi của một số loại VAWT……………….20
Hình 3.1 : Sơ đồ xác định hệ số giảm tốc a cho một ống dịng……………………………21
Hình 3.2 : Giao diện của mơ đun CP-VAWT………………………………………………...22
Hình 3.3 : Đồ thị biểu diễn mối quan hệ Cp-λ giữa CP-VAWT và lý thuyết…………......24
Hình 3.4 : Đồ thị biểu diễn mối quan hệ Cp-λ giữa CP-VAWT và thực nghiệm………...25
Hình 3.5 : Quan hệ Cp-λ-σ với biên dạng cánh NACA 0021, v=3m/s, R=0.46m……….26
Hình 3.6 : Quan hệ Cp-λ-σ với biên dạng cánh NACA 0018, v=3m/s, R=0.46m……....27
Hình 3.7 : Quan hệ Cp-λ-σ với biên dạng cánh NACA 0021, v=4m/s, R=0.46m……....27
Hình 3.8 : Quan hệ Cp-λ-σ với biên dạng cánh NACA 0018, v=4m/s, R=0.46m……….28

Hình 3.9: Quan hệ Cp-λ-σ với biên dạng cánh NACA 0021, v=5m/s, R=0.46m………..28
Hình 3.10 : Quan hệ Cp-λ-σ với biên dạng cánh NACA 0018, v=5m/s, R=0.46m……..29
Hình 4.1 : Bản vẽ 3D cánh turbine………………………………………………….…………30
Hình 4.2: Bản vẽ 3D mơ hình tổng thể của turbine………………………………………….31
Hình 4.3 : Cuộn dây của stator…………………………………………………………………32
Hình 4.4 : Các cuộn dây đặt vào khn đúc stator………………………………………….32
Hình 4.5 : Rotor của turbine gió…………………………………………………………….....33
Hình 4.6 : Sơ đồ gắn nam châm………………………………………………………………..33
Hình 4.7 : Biên dạng cánh của turbine………………………………………………………..34
Hình 4.8 : Rotor và stator của turbine…………………………………………………………34
Hình 4.9 : Tổng thể turbine gió trục đứng được chế tạo……………………………………35
Hình 4.10 : Tổng quan hầm gió…………………………………………………….………….36


x

Hình 4.11 : Động cơ và cánh quạt của hầm gió………………………………………..……36
Hình 4.12 : Máy đo gió Konamax………………………………………………………….…..37
Hình 4.13 : Đồng hồ vạn băng Fluke 789………………………………………………….…38
Hình 4.14 : Turbine đặt trước hầm gió……………………………………………………..…39
Hình 4.15 : Biến tần điều khiển động cơ hầm gió……………………………………………39
Hình 4.16 : Đo vận tốc gió của hầm gió bởi máy đo gió…………………………………...40
Hình 4.17 : Thầy hướng dẫn cùng nhóm thử nghiệm turbine…………………………..….40
Hình 4.18 : Đồ thị số vịng quay turbine theo vận tốc gió từ 2.5m/s đến 4.5m/s………...41
Hình 4.19 : Đồ thị số vịng quay turbine theo vận tốc gió từ 5m/s đến 6m/s……………..42
Hình 4.20 : Đồ thị điện áp theo số vòng quay rotor từ 3 rpm đến 62 rpm……………….42
Hình 4.21 : Đồ thị điện áp theo số vòng quay rotor từ 200 rpm đến 3000 rpm…………43
Hình 4.22 : Đồ thị điện áp theo vận tốc gió từ 2.5m/s đến 4.5m/s…………………..…….43
Hình 4.23 : Đồ thị điện áp theo vận tốc gió từ 5m/s đến 6m/s………………………….….44

1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU LUẬN VĂN
1.1. Tổng quan
1.1.1 Tổng quan về năng lượng gió và tiềm năng phát triển điện gió ở Việt Nam.
Hiện nay, năng lượng là một vấn đề toàn cầu. Việc sử dụng cạn kiệt các nguồn
năng lượng từ tự nhiên đã gây ra những tác động vô cùng to lớn đến môi trường. Trước
sự biến mất dần của các nguồn năng lượng hóa thạch con người đã khơng ngừng tìm
kiếm các nguồn năng lượng thay thế. Trong đó năng lượng gió ngày càng được quan
tâm vì tính bền vững và thân thiện với mơi trường. Với hơn 3000 km bờ biển, nằm
trong khu vực khí hậu nhiệt đới gió mùa, Việt Nam có vị trí địa lý tương đối thuận lợi
để phát triển điện gió.

Hình 1.1 Sơ đồ mạng lưới các trạm đo gió tại Việt Nam [4]
Theo dữ liệu về tiềm năng gió của Việt Nam được thu thập từ 150 trạm khí tượng
thủy văn, tốc độ gió hàng năm đo được tại các trạm này trong khoảng từ 2m/s đến 3m/s


2

trong đất liền (hình 1.1). Khu vực ven biển tốc độ gió cao hơn, trong khoảng từ 3m/s
đến 5m/s. Ở khu vực đảo, tốc độ gió trung bình lên tới 5 đến 8m/s.
Theo báo cáo “ Bản đồ năng lượng gió khu vực Đơng Nam Á ” cho vận tốc gió tại
độ cao 65m, chúng ta có thể ước tính vận tốc gió tại các cao độ khác như bảng sau:
Bảng 1.1 Số liệu tốc độ gió tại một số khu vực ở Việt Nam

Vận tốc theo độ cao
(m/s)

65m 30m 25m 20m 15m 10m

mặt
đất

Vận tốc
trung
bình ở
10m 20m

Vùng 1
Móng Cai, Quảng Ninh

5.80 5.19 5.06 4.90 4.70 4.44 1.65

Văn Lý, Nam Định

6.88 6.16 6.00 5.81 5.58 5.27 1.96

Sầm Sơn, Thanh Hóa

5.82 5.21 5.08 4.92 4.72 4.45 1.66

Kỳ Anh, Hà Tĩnh

6.48 5.80 5.65 5.48 5.26 4.96 1.85

Giá trị trung bình

5.28 5.06 4.78 1.78

5.04

Vùng 2
Quảng Ninh, Quảng Bình

6.73 6.03 5.87 5.69 5.46 5.15 1.92

Gio Linh, Quảng Trị

6.53 5.85 5.70 5.52 5.30 5.00 1.86

Phương Mai, Bình Định

7.30 6.54 6.37 6.17 5.92 5.59 2.08

Tu Bơng, Khánh Hịa

5.14 4.60 4.48 4.34 4.17 3.93 1.47

Giá trị trung bình

5.43 5.21 4.92 1.83

5.19

Vùng 3
Phước Minh, Ninh Thuận

7.22 6.46 6.30 6.10 5.86 5.53 2.06

Đà lạt, Lâm Đồng

6.88 6.16 6.00 5.81 5.58 5.27 1.96

Tuy Phong, Bình Định

6.89 6.17 6.01 5.82 5.59 5.27 1.97

Duyên Hải, Trà Vinh

6.47 5.79 5.64 5.47 5.25 4.95 1.85

Giá trị trung bình

5.80 5.57 5.25 1.96

5.54


3

Dựa vào các số liệu trên ta thấy việc phát triển năng lượng gió ở Việt Nam có tiềm
năng rất to lớn.
Hiện nay, turbine gió thường có hai dạng: trục ngang (HAWT) và trục đứng
(VAWT). Hai loại này có những ưu và nhược điểm riêng.

Hình 1.2 Turbine gió trục ngang loại 3 cánh và loại nhiều cánh

Hình 1.3 Các loại turbine gió trục đứng

4

Những ưu và nhược điểm của turbine gió trục đứng so với trục ngang:
 Ưu điểm:
- Các loại VAWT có thể hoạt động được ở những hướng gió khác nhau, không cần
hệ thống thay đổi hướng của turbine cho phù hợp với hướng của gió như các loại
HAWT.
- Hầu hết các loại VAWT được lắp ở gần mặt đất, trong khi HAWT được lắp đặt
trên những tháp cao để đón gió, vì vậy việc bảo trì, sửa chữa thuận tiện hơn và ít
tốn chi phí hơn.
- VAWT được bố trí dưới thấp nên hạn chế được tiếng ồn so với HAWT.
- So với HAWT thì VAWT có thể bố trí gần nhau, cho phép lắp nhiều turbine gió
trên cùng diện tích.
- Chi phí sản xuất, lắp đặt, vận chuyển VAWT rẻ hơn so với HAWT.
-Phù hợp với nhu cầu sử dụng năng lượng cho hộ gia đình ở Việt Nam.
 Khuyết điểm:
- Nhìn chung VAWT có cơng suất thấp hơn công suất của HAWT khi hoạt động ở
cùng một vận tốc gió.
Từ những so sánh trên ta thấy VAWT là một triển vọng của điện gió nhỏ, giá rẻ.
Như đã nêu ở trên, Việt Nam có một vị trí địa lý khá thuận lợi để phát triển điện
gió. Tuy nhiên, nước ta quan tâm nhiều đến những dự án khai thác năng lượng gió loại
cơng suất lớn, tầm vài megawatt trở lên, trong khi nhu cầu sử dụng năng lượng của các
hộ gia đình, các cơng ty vừa và nhỏ là rất lớn. Do đó, VAWT rất phù hợp cho việc lắp
đặt ở các vùng nông thôn, nơi mà mạng lưới điện chưa được phủ khắp, phù hợp với
nhu cầu sử dụng năng lượng cho hộ gia đình ở Việt Nam.
1.1.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước

5

VAWT được phát triển bởi trung tâm Sandia National Laboratories (Mỹ) vào
những năm 1980. Từ đó đến nay đã có nhiều nghiên cứu trên thế giới về VAWT. Các
đề tài tiêu biểu:
- Yingxue Yao, Habtamu Beri, "Double Multiple Stream Tube Model and
Numerical Analysis of Vertical Axis Wind Turbine," Energy and Power Engineering,
May 11, 2011 [3]. Bài báo này xây dựng mơ hình phân tích dịng khơng ổn định qua
biên dạng cánh NACA 0018 của VAWT dựa trên lý thuyết đa ống dịng kép ở vận tốc
gió thấp. Các kết quả từ lời giải lý thuyết được so sánh với kết quả mô phỏng CFD
nhưng chưa so sánh với kết quả thực nghiệm.
- Marco Raciti Castelli, Alessandro Englaro, Ernesto Benini, “The Darrieus with
turbine: Proposal for a new performance prediction model based on CFD”, 2011,
Energy, Science Direct [11]. Bài báo này nghiên cứu đặc tính khí động lực học của
VAWT bằng phương pháp mơ phỏng CFD, sau đó đề xuất bộ thơng số cho VAWT 3
cánh, biên dạng NACA 0021, nhưng chưa chế tạo sản phẩm.
- J. Kjellin, F. Bulow , S. Eriksson, P. Deglaire, M. Leijon, H. Bernhoff (2011) [5].
Power coefficient measurement on a 12 kW straight bladed vertical axis wind turbine.
Elsevier. Bài báo này thực hiện đo lường dữ liệu thực nghiệm turbine gió trục đứng
12kW để tính tốn hệ số cơng suất của turbine. Từ đó xác định mối quan hệ giữa tỉ số
vận tốc mũi cánh và hệ số công suất cánh. Hạn chế của bài báo này là chưa đánh giá
tổng quát sự tương quan giữa hệ số công suất của turbine theo tỉ số vận tốc mũi cánh,
hệ số dày đặc cánh, biên dạng cánh.
1.1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước
Ở nước ta, VAWT chưa được đầu tư nghiên cứu sâu rộng. Nước ta chủ yếu là
chuyển giao công nghệ, đầu tư lắp đặt các dự án về turbine gió trục ngang. Gần đây,
VAWT bắt đầu được nghiên cứu tại khoa Kỹ Thuật Giao Thông, trường Đại Học Bách
Khoa TP.HCM. Các luận văn tốt nghiệp Đại học đã thực hiện:

6

- Huỳnh Ngọc Thanh, 2011, Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật Hàng Không “
Thiết kế và xây dựng mô hình thử nghiệm turbine gió trục đứng”. Đề tài này đã tạo
được mẫu thiết kế ban đầu cho mơ hình turbine gió trục đứng loại 50W để đưa vào thí
nghiệm. Thiết kế dựa trên lý thuyết đa ống dòng đi qua turbine, luận văn này chưa chế
tạo mơ hình để kiểm chứng.
- Đỗ Đăng Khương, 2012, Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ Thuật Hàng Khơng “
Phân tích đặc tính khí động lực học và khả năng tự khởi động của turbine trục đứng
Darrieus sử dụng Fluent” . Kết quả mô phỏng của đề tài này dùng để phân tích hiện
tượng vật lý, lực khí động tác dụng lên turbine, từ đó đánh giá khả năng tự khởi động
của turbine cũng như sự tin cậy của phần mềm mô phỏng Fluent. Đề tài này tiếp cận
VAWT thuần túy bằng phương pháp mô phỏng số, chưa chế tạo VAWT.
1.2 Mục tiêu nghiên cứu
Từ các hạn chế của các nghiên cứu trước đây, đề tài này tập trung vào việc tính tốn
hệ số cơng suất của VAWT bằng phương pháp giải tích, sử dụng ngơn ngữ lập trình
Matlab dựa trên lý thuyết đa ống dòng của tác giả Yingxue Yao và đường cong thực
nghiệm Glauert.
Đóng gói chương trình tính lại thành một ứng dụng có giao diện người dùng, chạy
trực tiếp trên máy tính hệ điều hành Windows (file có đi .exe). Các kết quả tính tốn
từ chương trình được kiểm chứng bằng lý thuyết và thực nghiệm.
Sử dụng chương trình tính để đưa ra bộ thông số kĩ thuật của turbine nhằm cực đại
hệ số công suất của VAWT, tối ưu thiết kế.
Hoàn thành bản vẽ 3D, chế tạo turbine từ bộ thơng số được đề xuất, thử nghiệm
turbine ở hầm gió để xác định vận tốc gió khởi động của turbine, đo điện áp đầu ra của
turbine theo số vòng quay của rotor và vận tốc gió.
1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài


7

Về mặt khoa học: Đề tài này xây dựng mô đun tính tốn hệ số cơng suất cho
turbine gió trục đứng, sử dụng mô đun này để đưa ra bộ thơng số kỹ thuật cho turbine
gió trục đứng nhằm cực đại hệ số công suất turbine, tối ưu thiết kế.
Về mặt thực tiễn: Mơ đun tính tốn hệ số cơng suất có giao diện người dùng được
đóng gọi lại có thể thương mại hóa. Ứng dụng kết quả nghiên cứu, chế tạo mơ hình
turbine của đề tài kết hợp với doanh nghiệp để sản xuất turbine gió trục đứng giá rẻ
cạnh tranh với turbie gió trục đứng ngồi thị trường (Trung Quốc, Đài Loan, châu Âu,
Mỹ…), phục vụ nhu cầu sử dụng năng lượng cho hộ gia đình ở Việt Nam.


8

CHƢƠNG 2: Ý TƢỞNG VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Ý tƣởng
Ý tưởng chung của luận văn này là xây dựng mơ đun tính tốn hệ số cơng suất
cho turbine gió trục đứng, chạy trực tiếp trên hệ điều hành Windows để tính tốn, mơ
phỏng hệ số cơng suất của turbine gió trục đứng. Từ đó, đưa ra bộ thơng số kĩ thuật của
turbine gió trục đứng nhằm cực đại hệ số công suất của turbine, tối ưu thiết kế.
Chế tạo turbine từ bộ thông số được đề xuất, thử nghiệm turbine trong hầm gió
nhằm xác định vận tốc gió khởi động của turbine, chế tạo turbine đáp ứng vận tốc gió
khởi động dưới 2.5m/s.
Sử dụng kết quả nghiên cứu của đề tài này liên kết với doanh nghiệp, sản xuất
turbine gió trục đứng giá rẻ, cạnh tranh với turbine gió trục đứng ngoài thị trường (Mỹ,
châu Âu, Trung Quốc…) giá thành khá cao, phục vụ nhu cầu sử dụng năng lượng cho
hộ gia đình ở Việt Nam, đặc biệt là ở những nơi mà mạng điện lưới quốc gia chưa
được phủ khắp.
2.2. Khí động lực học turbine gió trục đứng
2.2.1 Lý thuyết moment động lƣợng một chiều
Giả thiết thể tích kiểm sốt có có biên là ống dịng và các tiết diện mặt cắt như

hình 2.1. Turbine gió được đặc trưng là một đĩa (actuator disc), áp suất sẽ khác biệt
giữa hai mặt đĩa. Dịng dừng, khơng nén, khơng ma sát, khơng xốy, cánh vơ hạn, lực
đẩy qua đĩa đều là điều kiện áp dụng lý thuyết.
Lực đẩy mà khối khí sinh ra sẽ bằng với độ biến thiên động lượng lượng của
dịng khí.
T  V   AV 1  Ve   AV 4

(2.1)


9

Hình 2.1 Ống dịng mơ hình


Vì dịng ổn định nên:   AV 1    AV 4  m do đó:


T  m V  Ve 

(2.2)

Áp dụng phương trình Bernoulli cho dịng trước và sau đĩa:
  V2
  V22
p 

pe 

 p2 

2

  V32
2

 p4 

2

  Ve2
2

(2.3)
(2.4)

Giả thiết áp suất xa trước ống và sau ống bằng nhau p  pe , vận tốc dịng khí
bằng nhau trước và sau đĩa: V2  V3 . Mặc khác.
T  A2  p2  p3 

(2.5)

Từ (2.2)(2.3)(2.4) ta được:
T

 A2 V 2  V 2e 

(2.6)

2

Từ (2.2)(2.6) ta được:
V2 

V



V
2

Ký hiệu a là hệ số giảm tốc ta được:

e

(2.7)


10

a

V



V

V



V

2

V

V

e

V

2

(2.8)

1  a 
 1  2a 


(2.9)
(2.10)

Khi hệ số giảm tốc a càng tăng thì vận tốc dịng sau rotor Ve càng nhỏ. Từ công
thức (2.10), Ve bằng 0 khi a = 0,5. Khi đó lý thuyết moment động lượng khơng cịn phù
hợp.
Cơng suất đẩy bằng lực đẩy nhân với vận tốc tại đĩa:
P

 A2 V 2  V 2e 

2
Kết hợp (2.9)(2.11) ta được:
P

V2 

 A2V2 V  Ve V  Ve 
2

 A2V 3 4a 1  a 
2

(2.11)

(2.12)

Hệ số cơng suất của turbine gió:
Cp 

P
cơng st rotor

3
0,5    V  A cơng st gió

(2.13)

Kết hợp (2.12)(2.13) ta được:
C p  4a 1  a 

2

(2.14)

Phương trình (2.14) cho hệ số cơng suất lớn nhất tại a = 1/3 và
C p,max  16 / 27  0,5926

Từ phương trình (2.6)(2.9) lực đẩy dọc trục trên đĩa là:
T

 A2V 2 4a 1  a 
2

(2.15)

Tương tự, hệ số lực đẩy đặc trưng cho lực đẩy của turbine gió và được xác định:
CT 

T
0,5    V2  A

(2.16)

Kết hợp (2.15)(2.16) ta được:
CT  4a 1  a 

(2.17)

11

Phương trình (2.17) chỉ ra rằng hệ số lực đẩy lớn nhất bằng 1 khi a = 0,5. Khi a
> 0,5 thì lý thuyết động lượng này khơng ứng dụng được dẫn đến hệ số lực đẩy cũng
chỉ sử dụng khi a < 0,5. Với a lớn dịng khơng cịn tĩnh, lý thuyết động lượng trên
khơng tính chính xác hệ số lực đẩy của dịng. Thực tế thì khi a lớn có nhiều mơ hình
tính tốn hệ số lực đẩy từ thực nghiệm mà điển hình là đường thực nghiệm của Glauert
hình 2.2. Theo thực nghiệm của Glauert khi a > 0,4 thì quan hệ giữa hệ số lực đẩy và a
theo công thức (2.18)
a  0,143  0, 0203  0, 6427  0,889  CT 
CT

 a  0,143


 0,55106
0, 6427
2

(2.18)

Từ (2.17) (2.18) ta được:
CT 


CT 


4a(1  a)

 a  0,143

 0,55106
0, 6427

a  0, 4

(2.19)

2

a  0, 4

Hình 2.2 Hệ số lực đẩy trong ống dịng theo hệ số giảm tốc a
2.2.2. Lý thuyết ống dòng đơn [3]
Cánh turbine gió trục đứng nhìn từ trên xuống được diễn tả trong hình 2.3,
trong hình cánh quay theo ngược chiều kim đồng hồ, dây cung cánh được đặt vuông


12

góc với bán kính, góc  xác định vị trí của cánh trên quỹ đạo quay.

Hình 2.3: Các lực khí động trên cánh turbine gió
Từ hình 2.3 thành phần vận tốc theo đối với cánh được tính như sau:
VR 

Va sin    Va cos    R 

2

2

(2.20)

Chia phương trình (2.20) cho vận tốc dịng vào V ta được:
2

 V sin    Va cos     R 
VR
  a
 

V
V
 V  


2

(2.21)

Kết hợp phương trình (2.9) và (2.21) ta được:
VR

V

 1  a  sin     1  a  cos   
2

2

(2.22)

Từ hình 2.3 góc tới của dịng khí đến cánh tính như sau:
tan  

Va sin 
Va cos     R

(2.23)


13

tan  

Va
sin 
V

Va
R
cos  
V
V

  tan 1

1  a  sin 
1  a  cos   

(2.24)

(2.25)

Ứng dụng lý thuyết động lượng thẳng, lực đẩy trên chiều dài cánh H được tính
như sau:




T  m V  m 2aV

(2.26)

Với lưu lượng khối lượng trên chiều cao H tính như sau:


m   2 RHV 1  a 

(2.27)

Từ (2.26) (2.27) lực đẩy :
T  4RH  a 1  a V 2

(2.28)

Hệ số lực khí động vng góc và tiếp tuyến với quỹ đạo quay:

Cn  Cl cos   Cd sin 
Ct  Cl sin   Cd cos 

(2.29)

Lực đẩy khí động tức thời trên một cánh tại vị trí góc  :
Ti 

V 2 R H  c  Ct cos   Cn sin  
2

(2.30)

Tổng lực đẩy gây ra trên n cánh của turbine gió:
T

N
2

2

 T d
i

(2.31)

0

Lực đẩy khí động gây ra trên cánh phải bằng lực đẩy tính bằng lý thuyết động
lượng. Từ (2.28) (2.31) ta được:

4 RH  a 1  a V
1
a 1  a  
2

2


N

2

2

 T d
i

0

2

V 2 R Nc
0 V 2 8R  Ct cos   Cn sin  d

Kết hợp phương trình (2.22) (2.32) ta được:

(2.32)