Nghiên cứu tính toán và thiết kế biên dạng cánh turbine gió trục đứng cho máy phát điện công suất 3 kw

..

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Ngành: Công nghệ Chế tạo máy

NGHIÊN CỨU, TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ
BIÊN DẠNG CÁNH TURBINE GIĨ TRỤC ĐỨNG
CHO MÁY PHÁT ĐIỆN CÔNG SUẤT 3KW

DƢƠNG VĂN ĐỒNG

THÁI NGUYÊN - 2010

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU, TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ
BIÊN DẠNG CÁNH TURBINE GIÓ TRỤC ĐỨNG
CHO MÁY PHÁT ĐIỆN CƠNG SUẤT 3KW

Ngành
Mã số
Học viên
Lớp
HDKH

: Cơng nghệ Chế tạo máy
: 60.52.04
: Dƣơng Văn Đồng
: CHK11 CTM
: PGS. TS Ngô Nhƣ Khoa

THÁI NGUYÊN - 2010

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




1

LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Dƣơng Văn Đồng - Học viên cao học lớp K11-Cơng nghệ chế tạo máy
Khóa học 2008 - 2010 trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Sau hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trƣờng tôi lựa chọn thực
hiện đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu, tính tốn và thiết kế biên dạng cánh turbine gió
trục đứng cho máy phát điện cơng suất 3KW”.
Đƣợc sự hƣớng dẫn và giúp đỡ tận tình của PGS. TS Ngô Nhƣ Khoa và sự
nỗ lực của bản thân, đề tài đã đƣợc hồn thành năm 2010.

Tơi cam đoan toàn bộ nội dung và kết quả của luận văn này là do tự bản thân
tôi thực hiện, không sao chép của ngƣời khác. Nếu sai tơi xin hồn tồn chịu trách
nhiệm.
Thái Nguyên, ngày 10 tháng 10 năm 2010
Tác giả

Dương Văn Đồng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




2

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trƣờng Đại học Kỹ
thuật Công nghiệp Thái Nguyên, tác giả xin đƣợc bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc nhất
tới PGS. TS Ngô Nhƣ Khoa và ban Công nghệ thông tin Đại học Thái Nguyên đã
tận tình chỉ bảo, giúp đỡ và tạo điều kiện để tơi thực hiện hồn thành đề tài luận văn
tốt nghiệp.
Cảm ơn các thầy, cô giáo trƣờng Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun
đã tận tình giảng dạy trong hai năm học vừa qua.
Cảm ơn Ban Giám hiệu và khoa Khoa học cơ bản - Trƣờng Cao đẳng Kỹ
thuật Công nghiệp (số 202 - Trần Nguyên Hãn - TP. Bắc Giang) đã tạo điều kiện về
thời gian để tôi thực hiện và hồn thành khóa học.
Cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ tôi trong thời
gian qua để luận văn đƣợc hoàn thành đúng tiến độ.
Thái Nguyên, ngày 10 tháng 10 năm 2010
Tác giả

Dương Văn Đồng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




3

MỤC LỤC
Lời cam đoan…………………………………………………………..……... 1
Lời cảm ơn…………………………………………………………………....

2

Mục lục. ……………………………………………………………...……..... 3
Danh mục các hình vẽ…………………………………………….....……......

6

Danh mục các bảng biểu………………………………………….....………..

9

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt……………………………....………… 10

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài………………………………………….....……… 12
2. Mục tiêu và nhiện vụ của luận văn………………………………....…….... 13

3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu……………………………….....…….... 14
4. Phƣơng pháp nghiên cứu……………………………………….......…….... 14
5. Ý nghĩa……………………………………………………………..……....

14

NỘI DUNG
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Năng lƣợng gió…………………………………………………...…….... 15
1.1.1. Tình hình sử dụng năng lƣợng gió trên thế giới………………...……... 15
1.1.2 Tình hình sử dụng năng lƣợng gió ở Việt Nam………………...……....

17

1.2. Các loại máy phong điện………………………………………...……...

19

1.3. Các kiểu dáng hình học cánh turbine gió………………………...……..

21

1.3.1. Kiểu dạng chén…………………………………………….........……..

22

1.3.2. Kiểu savonius………………………………………………...……......

23

1.3.3. Turbine kiểu plates……………………………………………...…......

24

1.3.4. Kiểu Darrieus – Rotor và H – Rotor…………………………....……...

24

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




4

1.4. Kết luận chƣơng 1…………………………………………….........…….

25

CHƢƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH TỐN, THIẾT KẾ
BIÊN DẠNG CÁNH TURBINE GIĨ
2.1. Học thuyết Albert Betz ……………………….........……........................

26

2. 2. Đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động máy phong điện……………

28

2.2.1. Máy phong điện trục ngang(HAWT).....................................................

28

2.2.2. Máy phong điện trục đứng(VAWTs) ....................................................

30

2.3. Cánh turbine gió.......................................................................................

32

2.3.1. Các thông số cơ bản trên cánh turbine..................................................

33

2.3.2. Lực tác động lên cánh turbine...............................................................

32

2.4. Lực tác dụng lên rotor...............................................................................

39

2.4.1. Lực tác dụng lên rotor trục đứng............................................................

39

2.4.2. Lực tác dụng lên rotor trục ngang..........................................................

41

2.4.2.1. Các khái niệm hình học.......................................................................

41

2.4.2.2. Năng suất vận hành của một phần tử cánh..........................................

42

2.4.2.3. Biểu thức tổng quát của áp lực, mômen và công suất.........................

43

2.5. Một số loại rotor điển hình......................................................................... 44
2.5.1. Rotor Darieus..........................................................................................

44

2.5.2. Rotor Savonius .......................................................................................

49

2.6. Kết luận chƣơng 2......................................................................................

50

CHƢƠNG 3. TÍNH TỐN, THIẾT KẾ
MƠ HÌNH CÁNH TURBINE GIÓ
3.1. Các biên dạng cánh thƣờng dùng..............................................................

51

3.1.1. Biên dạng cánh NACA...........................................................................

51

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




5

3.1.2. Một số biên dạng cánh khác...................................................................

57

3.2. Mơ hình thực nghiệm................................................................................

59

3.2.1. Các thiết bị thực nghiệm ........................................................................

59

3.2.2 Thực hiện các thí nghiệm........................................................................

61

3.2.2.1. Thí nghiệm thứ nhất : Xác định hệ số cản lực gió qua bề mặt cánh

turbine...............................................................................................................

61

3.2.2.2. Thí nghiệm thứ hai : Xác định góc đặt cánh........................................

63

3.2.2.3. Thí nghiệm thứ ba: Xác định vận tốc góc và cơng suất rotor biên
dạng cánh cung trịn..........................................................................................

64

3.2.2.4. Thí nghiệm thứ tƣ: Xác định tốc độ vịng quay và cơng suất rotor
biên dạng cánh NACA0015..............................................................................

69

3.3. Kết luận chƣơng 3......................................................................................

73

CHƢƠNG 4. TÍNH TỐN, THIẾT KẾ CÁNH TURBINE GIĨ
TRỤC ĐỨNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN CƠNG SUẤT 3KW
4.1. Thiết kế cánh turbine gió biên dạng cung trịn........................................... 74
4.2. Thiết kế cánh turbine gió biên dạng NACA0015....................................... 82
4.3. Vật liệu chế tạo cánh turbine gió ..............................................................

93

CHƢƠNG 5. KẾT LUẬN CHUNG
5.1. Kết quả luận văn đã đạt đựơc....................................................................

99

5.2. Những kiến nghị nghiên cứu tiếp theo......................................................

99
100

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




6

TÀI LIỆU THAM KHẢO

16

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Biểu đồ phát triển điện năng từ nguồn gió ở một số nƣớc trên thế
giới……………………………………………………………………………
Hình 1.2. Biểu đồ sử dụng điện của một số nƣớc trên thế giới………………

16

Hình 1.3. Máy phong điện trục đứng, trục ngang…………………………….

19

Hình 1.4. Máy phong điện có 2 cánh và 3 cánh cách đều……………………

19

Hình 1.5. Rotor dạng chén……………………………………………………

22

Hình 1.6. Rotor dạng savonius. ………………………………………….......

23

Hình 1.7. Rotor dạng plates. …………………………………………………

24

Hình 1.8. Rotor dạng Darrieus – Rotor và H – Rotor. ……………………….

24

Hình 2.1. Khí động học cánh rotor. …………………………………………

26

Hình 2.2. Máy phong điện ngang…………………………………………….

28

Hình 2.3. Các bộ phận của turbine gió trục ngang…………………………...

29

Hình 2.4. Sơ đồ ngun lý hoạt động máy phong điện trục ngang…………..

30

Hình 2.5. Máy phong điện trục đứng…………………………………………

30

Hình 2.6. Cấu tạo của turbine gió trục đứng…………………………………

31

Hình 27. Sơ đồ nguyên lý hoạt động turbine gió trục đứng …………………

32

Hình 2.8. Các thơng số cánh turbine……………………………………….....

32

Hình 2.9. Sự di chuyển của luồng gió khi vào cánh…………………….……

34

Hình 2.10. Phân bố áp lực gió ở mặt trên và mặt dƣới của cánh…………….

34

Hình 2.11. Các thành phần lực tác dụng lên cánh turbine……………….…...

35

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




7

Hình 2.12. Biểu đồ biến thiên của hệ số C và Cd …………………….…….

37

Hình 2.13. Biểu diễn hệ số Cl và Cd trên dây cung và tiếp tuyến với dây
cung…………………………………………………………………………...

37

Hình 2.14. Lực tác động lên một vị trí cánh………………………………….

39

Hình 2.15. Lực tác động lên các vị trí khi u/v>1……………………………..

40

Hình 2.16. Lực tác động lên các vị trí khi u/v<1……………………………..

40

Hình 2.17. Tam giác véc tơ lực ..................................………………………..

41

Hình 2.18. Các thơng số rotor trục ngang…………………………………….

41

Hình 2.19. Biểu diễn các thành phần vận tốc tác dụng trên mặt cắt ngang
cánh…………………………………………………………………………… 42
Hình 2.20. Thành phần vận tốc trên rotor Darrieus…………………………... 44
Hình 2.21. Thành phần vận tốc trên H-rotor………………………………….

45

Hình 2.22. Rotor Savonius……………………………………………………

49

Hình 3.1. Kết cấu hình học cánh NACA……………………………………... 51
Hình 3.2. Biên dạng cánh cong đối xứng…………………………………….

57

Hình 3.3. Biên dạng cánh cong khơng đối xứng…………………………….

58

Hình 3.4. Biên dạng cánh cung trịn…………………………………………

58

Hình 3.5. Biên dạng cánh dạng nón …………………………………………

58

Hình 3.6. Biên dạng cánh tấm phẳng…………………………………………

59

Hình 3.7. Hình ảnh các thiết bị và mơ hình thực nghiệm…………………….. 60
Hình 3.8. Thí nghiệm xác định hệ số cản lực khi gió đi qua cánh turbine….... 61
Hình 3.9. Giá trị hệ số cản trên các bề mặt cánh turbine biên dạng khác nhau. 62
Hình 3.10. Cánh và rotor biên dạng cung trịn………………………………..

64

Hình 3.11. Bố trí các thiết bị thí nghiệm………………………………….….. 65

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




θ

8

Hình 3.12. Biểu đồ so sánh tốc độ vịng quay rotor giữa tính tốn và đo thực
nghiệm theo các giá trị vận tốc gió khác nhau. ………………………………

68

Hình 3.13. Rotor và các cánh NACA0015………………………………….... 69
Hình 3.14 . Biểu đồ tốc độ vịng quay thực nghiệm so với tính tốn mơ hình
rotor cánh NACA0015………………………………………………………..

72

Hình 4.1. Lực tác dụng lên cánh……………………………………………… 74
Hình 4.2. Vị trí tính M1……………………………………………………….

77

Hình 4.3. Vị trí tính M2……………………………………………………….

78

Hình 4.4. Vị trí tính M3……………………………………………………….

79

Hình 4.5. Vị trí tính M4……………………………………………………….

80

Hình 4.6. Gió tác động lên cánh…………………....………………………… 83
Hình 4.7. Các thành phần lực Fl và Fd tác động lên cánh………………….....

84

Hình 4.8. Các thành phần lực pháp tuyến và tiếp tuyến……………………… 85
Hình 4.9. Quan hệ các góc β, i, θ………………………………..……………

86

Hình 4.10. Vị trí tính M1……………………………………………………… 88
Hình 4.11. Vị trí tính M2……………………………………………………… 89
Hình 4.12. Vị trí tính M3……………………………………………………… 90
Hình 4.13. Vị trí tính M4……………………………………………………… 91
Hình 4.14. Sợi thủy tinh ……………………………………………………...

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

97




9

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Quan hệ độ cong(m) và vị trí độ cong(p) trên cánh NACA 5 số…..

54

Bảng 3.2. Các hệ số ax và dx trên cánh NACA 4 và 5 số……………………..

55

Bảng 3.3. So sánh các bộ NACA thƣờng dùng………………………………. 57
Bảng 3.4. Kết quả thực nghiệm giá trị hệ số cản lực trên bề mặt cánh turbine. 61
Bảng 3.5. So sanh kết quả thực nghiệm giá trị C1 và C2 với tài liệu khác

62

Bảng 3. 6. Tốc độ vịng quay tại các góc đặt cánh khác nhau…………..……. 63
Bảng 3.7. Vận tốc, số vịng quay và cơng suất rotor cánh cung tròn…..……..

67

Bảng 3.8. Kết quả đo thực nghiệm số vòng quay rotor cánh cung tròn……… 67
Bảng 3.9. Bảng so sánh kết quả thực nghiệm và tính tốn thiết kế…………..

67

Bảng 3.10. Vận tốc, số vịng quay và cơng suất mơ hình biên dạng cánh
NACA0015………….………….………….………….………….…………..

71

Bảng 3.11. Vận tốc, số vịng quay rotor biên dạng NACA0015.…………….

71

Bảng 3.12. Bảng so sánh kết quả thực nghiêm và thiết kế rotor cánh

NACA0015………….………….………….………….………….…………... 72
Bảng 4.1. Quan hệ các giá trị R, ω, n trên rotor……….………….…………..

87

Bảng 4.2. Các thông số kỹ thuật của một số vật liệu cánh turbine…………… 94

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




10

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
B

Số lƣợng cánh trên rotor

C

Chiều dài dây cung cánh (m)

Cl

Hệ số nâng

Cd

Hệ số cản

Cm

Hệ số mơ men

Cp

Hệ số cơng suất rotor

D

Đƣờng kính rotor (m)

HAWT

Máy phong điện trục ngang

VAWT

Máy phong điện trục đúng

h

Chiều cao cánh (m)

R

Bán kính rotor (m)

M

Mơ men quay rotor (N.m)

m

Khối lƣợng (kg)

NACA

Ủy ban cố vấn ngành hàng không quốc gia

P

Công suất rotor (w)

S

Diện tích cánh (m2)

F

Lực tác động lên cánh (N)

Fl

Lực nâng tác động lên cánh (N)

Fd

Lực cản tác động lên cánh (N)

V

Vận tốc thực của gió (m/s)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




11

W

Vận tốc tƣơng đối của gió (m/s)

U

Vận tốc cánh (m/s)

i

Góc tới (độ)

β

Góc đặt cánh (độ)

θ

Góc hƣớng tâm (độ)

λ

Tỷ số tốc độ đầu cánh

ω

Vận tốc góc rotor (rad/s)

n

Số vịng quay rotor (v/ph)

ρ

Mật độ khơng khí (kg/m3)

φ

Góc giữa vận tốc W và vận tốc U

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




12

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Đất nƣớc đang trên đà phát triển hòa nhập cùng các nƣớc trong khu vực và
vƣơn lên trƣờng quốc tế. Một trong những mục tiêu phát triển là “cơng nghiệp hóa,
hiện đại hóa đất nước” mà trong đó khoa học kỹ thuật có vai trị quan trọng để phục
vụ các ngành cơng nghiệp.
Để thực hiện mục tiêu “cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước” chúng ta
cần đảm bảo nguồn năng lƣợng phát triển cơng nghiệp, trong đó điện năng giữ vai
trị huyết mạch. Từ trƣớc đến nay, nguồn điện năng mà chúng ta sử dụng chủ yếu
đƣợc tạo ra từ các nhà máy thủy điện, nhà máy nhiệt điện… Nhƣng hiện nay, các
nguồn tài nguyên thiên nhiên tạo ra năng lƣợng truyền thống đó đang ngày càng cạn
kiệt và ơ nhiễm mơi trƣờng đang trở thành vấn đề toàn cầu. Yêu cầu cấp thiết cần
tìm ra nguồn năng lƣợng mới để khắc phục các vấn đề trên. Năng lƣợng gió là một
trong những nguồn năng lƣợng đáp ứng đƣợc yêu cầu cấp thiết đó.
Điện năng đƣợc tạo ra từ năng lƣợng gió thơng qua các máy phong điện. Nó
có những ƣu điểm: tận dụng đƣợc nguồn năng lƣợng gió vơ tận, ổn định và không
gây ô nhiễm môi trƣờng; xét về lâu dài, máy phong điện mang tính kinh tế cao hơn
các nhà máy thủy điện và nhiệt điện.
Trên thế giới, việc sử dụng năng lƣợng gió để tạo ra điện năng đã đƣợc nhiều
nƣớc quan tâm từ rất sớm. Đầu thế kỷ XIX đã có các nƣớc sử dụng máy phong điện,
nhƣ: Đan Mạch, Đức, Hà Lan, Mỹ và gần đây có Australia, Trung Quốc, Nhật
Bản…
Đối với Việt Nam, nƣớc ta có diện tích bờ biển dài trên 3000 km. Đây là điều
kiện tạo ra nguồn gió lớn, rất dồi dào và ổn định cho các máy phong điện hoạt động.
Ngoài ra, nƣớc ta cịn có các hải đảo, vùng núi cao và đây cũng là các vùng có tiềm
năng về gió rất lớn để có thể sản xuất điện năng từ gió phục vụ đất nƣớc.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

13

Theo kết quả khảo sát của Ngân hàng Thế giới trong chƣơng trình đánh giá
về “Năng lượng gió châu Á” thì Việt Nam là một quốc gia có tiềm năng về năng
lƣợng gió cao nhất Đơng Nam Á, với 513.360 MW, tức là hơn 200 lần công suất
của nhà máy thủy điện Sơn La, và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện
Việt Nam năm 2020.
Mặt khác, giá thành xây dựng máy phong điện trong những năm gần đây đã
giảm đáng kể. Ví dụ, so sánh giá thành giữa phong điện và thủy điện. Nhà máy thủy
điện Sơn La với 6 tổ máy có tổng cơng suất là 2400 MW điện, đƣợc xây dựng trong
bảy năm với tổng số vốn đầu tƣ là 2,4 tỷ USD. Giá thành khi phát điện (chƣa tính
đến chi phí mơi trƣờng) là 70USD/MWh. Nhƣ vậy, để có đƣợc 1kw cơng suất điện
cần đầu tƣ 1000 USD trong bảy năm. Trong khi đó, theo thời giá năm 2003 thì 1kw
điện gió cũng vào khoảng 1000 USD. Và giá thành điện từ gió giảm đều hàng năm
do cải tiến công nghệ. Qua so sánh này, ta thấy rằng kinh phí xây dựng các máy
phong điện hoàn toàn ngang bằng với việc xây dựng nhà máy thủy điện.
Nhƣ vậy, cứ ở đâu có gió phù hợp là cho phép ta phát triển máy phong điện
để cung cấp điện năng. Tại Việt Nam nơi đó thƣờng là các hải đảo ngoài biển, vùng
núi cao biên giới…Điều này rất phù hợp cho việc giải quyết bài tốn cung cấp điện
sinh hoạt cho hộ gia đình ở các vùng sâu, vùng xa, vùng biên giới hải đảo để thay
thế các nhà máy thủy điện, nhiệt điện đang hoạt động ở nƣớc ta hiện nay.
Từ các lý do trên, việc thực hiện đề tài “Nghiên cứu, tính tốn và thiết kế
biên dạng cánh turbine gió trục đứng cho máy phát điện cơng suất 3KW” là rất cần
thiết, góp phần cho việc phát triển máy phong điện cung cấp điện năng ở nƣớc ta
hiện nay.
2. Mục tiêu và nhiệm vụ
 Tên đề tài:
“Nghiên cứu, tính tốn và thiết kế biên dạng cánh turbine gió trục đứng cho máy
phát điện cơng suất 3KW”

 Mục tiêu:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




14

Lựa chọn đƣợc cánh phù hợp cho loại turbine gió kiểu trục đứng với năm
cánh phƣơng hứng gió cố định có tiềm năng ứng dụng trong các máy phát điện bằng
sức gió cơng suất 3KW.
Góp phần thúc đẩy nghiên cứu và ứng dụng năng lƣợng gió vào phục vụ lợi
ích đời sống con ngƣời
 Nhiệm vụ:
Nghiên cứu tổng quan về các cơng trình đã đƣợc thực hiện trong và ngồi
nƣớc đối với tính tốn thiết kế cánh turbine gió.
Nghiên cứu, tính tốn xây dựng cơng thức để xác định đƣợc biên dạng cánh
turbine gió.
Thực nghiệm mơ hình để khảo sát, đánh giá và xác định các thông số cơ bản
của hệ thống cánh turbine gió.
Xác định đƣợc thơng số cơ bản của cánh turbine cho máy phát điện bằng sức
gió công suất 3kw.
Đánh giá khả năng và phạm vi ứng dụng của đề tài.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Tính tốn, thiết kế hệ thống cánh turbine gió kiểu trục đứng
- Có phƣơng hứng gió cố định
- Với năm cánh trên rotor
- Sử dụng cho máy phát điện bằng sức gió cơng suất đến 3KW.
4. Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu, tính tốn khí động học tác động lên hệ thống cánh turbine gió.
- Thực nghiệm mơ hình cánh turbine gió.
- Xác định các thơng số cơ bản hệ thống cánh turbine phù hợp yêu cầu đề tài.
5. Ý nghĩa
- Ý nghĩa khoa học:
Đề tài góp phần nghiên cứu tìm ra quy luật động lực học tác dụng lên cánh
hứng gió của turbine. Từ đó đóng góp vào việc thiết kế, chế tạo cánh turbine gió tối
ƣu nhất phù hợp với điều kiện Việt Nam.
- Ý nghĩa thực tiễn:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




15

Kết quả của đề tài cho phép các nhà khoa học chế tạo hệ thống cánh turbine
gió kiểu trục đứng cho máy phát điện công suất 3kw phù hợp với điều kiện Việt
Nam.
Từ đó cung cấp nguồn điện năng phục vụ sinh hoạt và đóng góp cho ngành
cơng nghiệp phát triển xây dựng đất nƣớc.

NỘI DUNG
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Năng lượng gió
Khi mặt trời chiếu xuống trái đất khơng đồng đều làm cho nhiệt độ của bầu
khí quyển, khơng khí và nƣớc khác nhau. Vì vậy, tạo thành các khu vực có nhiệt độ
và áp suất chênh lệch nhau, dẫn đến hình thành luồng khí di chuyển từ vùng có áp

suất cao tới vùng có áp suất thấp gọi là gió. Vậy, năng lƣợng gió là động năng của
khơng khí di chuyển trong bầu khí quyển trái đất và là một hình thức gián tiếp của
năng lƣợng mặt trời.
Năng lƣợng gió đã đƣợc sử dụng từ hàng trăm năm nay. Ban đầu ngƣời đã
dùng năng lƣợng gió để di chuyển thuyền buồm hay khinh khí cầu. Ý tƣởng dùng
năng lƣợng gió để sản xuất điện năng hình thành ngay sau khi các phát minh ra điện
và máy phát điện.
1.1.1. Tình hình sử dụng năng lượng gió trên thế giới
Trên thế giới từ sau những cuộc khủng hoảng dầu mỏ trong thập kỷ 1970 thì
việc nghiên cứu sản xuất năng lƣợng từ các nguồn khác đƣợc đẩy mạnh trên tồn
thế giới, kể cả việc phát triển các turbine gió hiện đại. Khi đó, một loạt các nƣớc đẩy
mạnh khai thác các nguồn năng lƣợng từ thiên nhiên, trong đó có năng lƣợng gió.
Các nƣớc dẫn đầu khai thác, sử dụng năng lƣợng gió trên thế giới, nhƣ Đức, Mỹ, Hà
Lan, Đan Mạch, Tây Ban Nha, Áo, Anh, Pháp, Úc, Ấn Độ, Nhật Bản, Trung
Quốc… Và bên cạnh đó có rất nhiều các cơng trình nghiên cứu trên thế giới về lĩnh
vực này.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




16

Theo [5], thống kê đến năm 2007 thế giới đã xây dựng đƣợc khoảng 20073
MW điện từ năng lƣợng gió, trong đó Mỹ có 5244 MW, Tây Ban Nha có 3522 MW,
Trung Quốc có 3449 MW, Ấn Độ có 1730 MW và ở Đức có 1667 MW. Cơng suất
này có thể thay đổi dựa trên nguồn năng lƣợng gió qua các năm, tại các nƣớc và các
vùng khác nhau.
Ngay từ năm 1996, ngƣời ta đã thống kê và so sánh về tỷ lệ điện năng sử

dụng từ máy phong điện so với tổng điện năng sử dụng toàn quốc ở một số nƣớc
trên thế giới nhƣ: Đức, Mỹ, Tây Ban Nha, Ân Độ, Trung Quốc, Đan Mạch và các
nƣớc khác.
Theo [5], sự phát triển điện năng từ nguồn gió theo các năm nhƣ biểu đồ sau:

Hình 1.1. Biểu đồ phát triển điện năng từ nguồn gió ở một số nước trên thế giới
Chiếm tỷ lệ theo phần trăm nhƣ biểu đồ sau:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




17

Hình 1.2. Biểu đồ sử dụng điện của một số nước trên thế giới
Ở khu vực Châu Á, Trung Quốc là nƣớc dẫn đầu nghiên cứu phát triển và sử
dụng nguồn năng lƣợng gió, đặc biệt chú trọng các loại máy phong điện cỡ nhỏ.
Trung bình hàng năm Trung Quốc sản xuất tới 2000 máy phong điện phục vụ sản
xuất và sinh hoạt ở vùng nông thôn. Tại vùng Nội Mơng thuộc Trung Quốc đã có
1300 máy phong điện các cỡ đang hoạt động để phát điện và chạy các máy chế biến
lâm sản và nơng sản. Chính quyền địa phƣơng này đã có những biện pháp khuyến
khích hỗ trợ giá cho các nhà máy sử dụng máy phong điện, vì vậy máy phát điện
bằng sức gió đã đƣợc sử dụng rất phổ biến trong địa phƣơng này.
1.1.2. Tình hình sử dụng năng lượng gió ở Việt Nam
Ở Việt nam, chúng ta có tiềm năng gió rất lớn, nƣớc ta có trên 3600 km bờ
biển từ bắc vào nam và khoảng 3000 đảo lớn nhỏ. Phần lớn các đảo có dân cƣ sinh
sống, tại đây có nguồn gió quanh năm. Vì đặc điểm về địa lý và địa hình khác nhau
giữa các vùng nên mật độ và tính ổn định của nguồn năng lƣợng gió rất khác nhau.
Các vùng đƣợc xem là có tiềm năng gió tƣơng đối mạnh và ổn định nhƣ: Đảo Bạch

Long Vĩ, Đảo Trƣờng Sa, Đảo Hồng Sa, Quy Nhơn, Quảng Bình, Phan Thiết, Cửa
Tùng, Móng Cái…
Ví dụ mật độ năng lƣợng gió ở một số địa phƣơng:
- Tây Nguyên: 600 KWh/m2- năm
- Đồng bằng Sông Hồng: 250 KWh/m2- năm
- Quảng Nam, Quảng Ngãi: 400 KWh/m2- năm
- Cam Ranh, Vũng Tàu: 700÷ 800 KWh/m2- năm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




18

- Tiền Giang, Cà Mau: 500 KWh/m2- năm
- Bờ biển bắc Trung Bộ: 500 ÷ 600 KWh/m2- năm
- Các hải đảo phía đơng: 3000 ÷ 4.000 KWh/m2- năm
Nhà máy phát điện bằng sức gió đầu tiên ở Việt Nam đƣợc đặt tại huyện đảo
Bạch Long Vỹ, Hải Phịng, có cơng suất 800 KW với vốn đầu tƣ khoảng 0,87 triệu
USD. Trạm phong diện ở huyện Quảng Xƣơng - Thanh Hoá và hai huyện thuộc tỉnh
Gia Lai, công suất mỗi tổ máy khoảng 500A. Hiện nay, chúng ta đang xây dựng các
máy phong điện ở khắp các nơi trên các miền hải đảo, miền trung và ở các tỉnh
Quảng Trị, Bình Định, Bình Thuận…
Cùng với việc sử dụng máy phong điện cịn có hàng loạt các đề tài nghiên
cứu nhằm tìm ra biện pháp nâng cao hiệu quả của máy phong điện ở Việt Nam.
Các đề tài nghiên cứu trong nƣớc:
Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có cơng
suất 10-30kw phù hợp với điều kiện Việt Nam”, 2004 của nhóm nhà khoa học thuộc
Đại học Bách khoa Hà Nội do PGS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang làm chủ đề tài.
Nội dung đề tài này đã nghiên cứu, thiết kế, chế tạo trạm phong điện kiểu trục ngang

với công suất thiết kế 10 – 30 kw phù hợp với điều kiện Việt Nam. Đề tài này chƣa
áp dụng cho máy phong điện trục đứng và loại công suất nhỏ.
Đề tài KC 07.04: “ nghiên cứu lựa chọn công nghệ và thiết bị để sử dụng
năng lượng gió trong sản suất, sinh hoạt nơng nghiệp và bảo vệ môi trường” 2006,
của KS. Nguyễn Tấn Anh Dũng, thuộc Viện Khoa học và Thủy lợi. Đề tài nghiên
cứu turbine gió trục ngang, số lƣợng cánh lớn. Nội dung đề tài dùng turbine gió để
kéo các máy bơm nƣớc và chạy máy sục khí trong ao ni trồng con tơm. Vậy, đề
tài này chƣa nghiên cứu turbine kiểu trục đứng và áp dụng cho việc sử dụng năng
lƣợng gió để phát ra điện năng.
Đề tài “Tính tốn thiết kế hệ thống cánh turbine gió kiểu trục đứng trong máy
phong điện công suất 10KW”, 2009, luận văn Thạc sỹ của Chu Đức Quyết, Trƣờng
Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Nội dung đề tài đã tính tốn thiết kế
các vị trí, số cánh, kích thƣớc hệ thống cánh turbine, với biên dạng cánh phẳng và
cho phép xoay quanh trục cho máy phong điện kiểu trục đứng. Chƣa tính tốn cho
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




19

máy phong điện công suất nhỏ (3kw), chƣa sử dụng biên dạng cánh cong và cánh có
phƣơng hứng gió cố định.
Nhƣ vậy, các đề tài này nghiên cứu máy phong điện công suất từ 10kw trở
lên, chƣa nghiên cứu các máy phong điện cỡ nhỏ dùng cho hộ gia đình. Và chƣa tìm
ra đƣợc hệ thống cánh turbine kiểu trục đứng có phƣơng hứng gió cố định phù hợp,
để phát huy tối đa cơng suất máy phong điện.
Vì vậy, địi hỏi cần có một loại máy phong điện cơng suất nhỏ phù hợp với
điều kiện Việt Nam và đề tài “Nghiên cứu, tính tốn và thiết kế biên dạng cánh
turbine gió trục đứng cho máy phát điện cơng suất 3KW ” cần thực hiện để chế tạo

máy phát điện bằng sức gió phục vụ điện năng sinh hoạt cho hộ gia đình và sử dụng
cho các mục đích khác.
1.2. Các loại máy phong điện
Nếu phân loại theo phƣơng của trục máy: ngƣời ta đã chế tạo và sử dụng hai
loại là máy phong điện trục đứng và máy phong điện trục ngang

Hình 1.3. Máy phong điện trục đứng, trục ngang
Nếu phân loại theo số lƣợng cánh: ta có máy phong điện hai cánh đối xứng,
ba cánh cách lệch 1200 trong không gian, máy phong điện năm cánh và nhiều cánh.
Số cánh càng nhiều thì rotor quay càng chậm và ngƣợc lại.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




20

Hình 1.4. Máy phong điện có hai cánh và ba cánh cách đều


Loại máy phong điện trục đứng(VAWTs):
- Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, dễ lắp đặt, hƣớng gió nào cũng quay

đƣợc nên có thể khơng cần bộ phận lái hƣớng gió (đi lái).
- Nhược điểm: Hiệu suất thấp, cơng suất phụ thuộc đƣờng kính hệ thống cánh
cồng kềnh, mơ men khởi động lớn, chiếm diện tích mặt bằng lớn khi lắp đặt.


Loại máy phong điện trục ngang(HAWTs):

- Ưu điểm: Có thể nâng lên cao tùy ý để đón gió, có khả năng tăng cơng suất

lớn bởi đƣờng kính turbine có thể tăng, khơng chiếm nhiều diện tích lắp đặt.
- Nhược điểm: Kết cấu phức tạp, đặc biệt các cánh của turbine gió phải có
tiết diện hình học và các góc nghiêng hợp lý thì mới phát huy hiệu quả khả năng hấp
thu gió. Máy phong điện cơng suất càng lớn thì cánh càng cao lớn và càng khó lắp
đặt, khó đảm bảo độ cứng vững và bảo quản. Hƣớng đón gió khơng linh hoạt nên
thƣờng sử dụng đi lái.


Loại máy phong điện ít cánh (2 ÷ 3 cánh)
- Ưu điểm: Máy phong điện loại ít cánh, do số lƣợng cánh ít nên số vịng

quay khá cao, đƣợc dùng cho máy cần tốc độ vòng quay lớn nhƣ máy phát điện,
máy bơm ly tâm…
- Nhược điểm: Mô men khởi động lớn, vì vậy vận tốc gió sử dụng cao (trên
3m/s), gây rung động, nhanh mòn các ổ trục, độ cứng vững thấp và có thể phát ra

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




21

tiếng ồn. Đƣợc dùng ở những nơi thống gió, gió có vận tốc lớn và cƣờng độ gió
mạnh, thƣờng dùng ở các nơi nhƣ các khe núi, đỉnh đồi, cửa sông, bờ biển và các
hải đảo…
 Một số máy phong điện thường dùng
Trên thế giới việc sử dụng máy phong điện đã đƣợc thực hiện từ các thế kỷ

trƣớc và thƣờng dùng các loại phổ biến do các nhà khoa học cổ điển nghiên cứu tìm
ra, nhƣ: Darrieus, Savonius, Gorlov, Giromill…Tƣơng ứng là các loại turbine mang
tên các nhà khoa học phát minh ra, đặc điểm một số loại turbine thƣờng gặp:
- Đặc điểm turbine Darrieus:
Cho phép hoạt động với các hƣớng gió khác nhau, khơng cần kích thƣớc cánh lớn,
có thể đặt hộp số ngay bên dƣới hệ thống cánh. Thƣờng làm việc với tốc độ cao,
công suất lớn và cơng suất trung bình.
Bên cạnh đó, turbine Darrieus cịn có nhƣợc điểm là khơng có khả năng tự quay
đƣợc mà cần nguồn ngăng lƣợng từ bên ngoài để khởi động.
- Đặc điểm turbine Savonius:
Loại này thƣờng ứng dụng trong trƣờng hợp quy mô hoạt động nhỏ, công suất nhỏ,
nhƣ trên mái nhà, trên mái xe bus…Turbine Savonius thƣờng dùng nhƣ motor để
khởi động cho các turbine khác. Thƣờng loại này làm việc nhờ lực kéo và mômen
của lực kéo, có hệ số cơng suất nhỏ Cp nhỏ và λ nhỏ (thƣờng λ = 1)
- Đặc điểm turbine xoắn Gorlov:
Hiệu suất cao hơn 35% so với các turbin trục đứng khác. Các ƣu điểm vƣợt trội:
Lực xoắn nhỏ, giảm tiếng ồn, giảm rung động, độ cứng vững cao.
- Đặc điểm turbine Giromill:
Có khả năng tự khởi động, Giromill thƣờng đƣợc làm cánh dạng thẳng. Lực khởi
động nhỏ, nên cần có động cơ khởi động.
1.3. Các kiểu dáng hình học cánh turbine gió
Lịch sử phát triển của HAWTs và VAWTs đã có từ lâu đời, đã có rất nhiều
kiểu dáng hình học cánh đƣợc các nhà nghiên cứu đƣa ra và đƣợc áp dụng tƣơng đối
có hiệu quả.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

22

Biên dạng cánh turbine có các hình dáng khác nhau, từ các loại đơn giản đến
phức tạp, nhƣ: biên dạng phẳng, biên dạng cong, biên dạng xoắn ốc và có thể sử
dụng kết hợp một số loại biên dạng.
Biên dạng cánh turbine cần đạt đƣợc yêu cầu: hứng gió đƣợc lớn nhất, khi
gió tác động vào cánh sao cho lực cản gió ít nhất đồng thời lực gió đẩy cánh sinh
mơ men quay lớn nhất.
Biên dạng cánh turbine gió là một yếu tố quyết định tới hiệu suất turbine gió
và đây cũng là mũi nhọn mà các nhà khoa học đang nghiên cứu để khai thác năng
lƣợng gó một cách hiệu quả nhất.
Sau đây là một số kiểu dáng hình học cánh turbine điển hình trên thế giới đã
đƣợc lồi ngƣời phát minh ra và sử dụng.

1.3.1. Kiểu dạng chén

Hƣớng gió

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




23

Hình 1.5. Rotor dạng chén
Biên dạng cánh này thƣờng ứng dụng cho turbine gió cơng suất nhỏ. Rotor sử dụng
biên dạng cánh này hiệu suất đạt cao và trục quay với mơ men lớn.
1.3.2. Kiểu savonius

a)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên