Tính toán khí động học tuabin gió trục đứng

..

NGUYỄN ĐĂNG CƢỜNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN ĐĂNG CƯỜNG

CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

TÍNH TỐN KHÍ ĐỘNG HỌC TUABIN GIĨ TRỤC ĐỨNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

KHỐ 2011B

Hà Nội – 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------NGUYỄN ĐĂNG CƯỜNG

TÍNH TỐN KHÍ ĐỘNG HỌC TUABIN GIĨ TRỤC ĐỨNG

Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ khí Động lực

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC :
1.TS. NGUYỄN MẠNH HƢNG
2. PGS.TS HỒNG THỊ BÍCH NGỌC

Hà Nội – 2014


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu
bên trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng
trình nào khác

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Đăng Cƣờng

1


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................4
DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................6
DANH MỤC KÝ HIỆU ............................................................................................8
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................9
Chƣơng 1.
1.1

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU .....................................................11

. Tình hình năng lƣợng gió trên thế giới và ở Việt Nam .......................11

1.1.1. Tổng quan về năng lượng gió .................................................................11
1.1.2. Tình hình sử dụng năng lượng gió trên thế giới ..................................13
1.1.3. Tiềm năng và tình hình khai thác năng lượng gió ở Việt Nam ...........14
1.2. Tuabin gió .....................................................................................................17
1.3. Tổng quan so sánh tuabin gió trục đứng và tuabin gió trục ngang ........18
1.3.1. Ưu và nhược điểm của tuabin gió trục đứng ........................................18
1.3.2. Một số loại tuabin trục đứng .................................................................20
1.3.3. So sánh giữa kiểu tuabin trục đứng kiểu H (H-rotor), kiểu Darrieus
và tuabin trục ngang .........................................................................................23
Chƣơng 2.

LÝ THUYẾT TUABIN GIÓ TRỤC ĐỨNG ..............................25

2.1. Tam giác vận tốc và vận tốc tới profil cánh .................................................25
2.2. Hệ số vận tốc cánh (tỷ tốc) ............................................................................26
2.3. Lực nâng và lực cản ......................................................................................27
2.4. Momen quay và công suất .............................................................................28
2.5. Số Bezt giới hạn. ............................................................................................30
2.6. Hệ số cứng vững ............................................................................................31
Chƣơng 3.

PHƢƠNG PHÁP TÍNH VÀ KẾT QUẢ ỨNG DỤNG ............33

3.1. Phƣơng pháp và mơ hình tính tốn ............................................................33
3.2. Kết quả mô phổng số ....................................................................................36
3.2.1 Kết quả trên mẫu NACA0012 với trƣờng hợp 2 cánh .........................36
3.2.2 Kết quả trên mẫu NACA4412 với trường hợp 2 cánh ............................47

2


3.2.3 Kết quả trên mẫu NACA0012 với trường hợp 3 cánh( R=1m, v=5m/s,

=5rad/s) ...........................................................................................................51
3.2.3 Kết quả trên mẫu NACA0012 với trường hợp 4 cánh( R=1m, v=5m/s,

=5rad/s) ...........................................................................................................53
3.3. Phân tích kết quả ..........................................................................................55
3.2.1. Tính chất khơng dừng của chuyển động (phụ thuộc thời gian) ...........55
3.2.2. Ảnh hưởng của số cánh tới mơmen và cơng suất của tuabin gió .........59
3.2.3. Ảnh hưởng hệ số vận tốc cánh ...............................................................61
3.2.4. Đánh giá ảnh hưởng của profil cánh .....................................................64
Chƣơng 4. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO..................66
KẾT LUẬN...........................................................................................................66
HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ..............................................................66
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................67

3


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Bản đồ vận tốc gió theo mùa
Hình 1.2. Phân loại tua bin gió.
Hình 1.3 Tua bin Darrieus
Hình 1.4 Tua bin Savonius
Hình 1.5 Tua bin Giromill (H-rotor)
Hình 1.6. Tuabin trục đứng kiểu H, kiểu Darrieus,

tuabin trục ngang (từ trái qua phải)
Hình 2.1. Nguyên lý làm việc của tuabin gió trục đứng
Hình 2.2. Tam giác vận tốc tại vị trí vận tốc gió vng góc với profil cánh và   0
Hình 2.3. Vận tốc tới và góc tới phụ thuộc vào hệ số vận tốc cánh
Hình 2.4. Lực nâng và lực cản
Hình 2.5. Xác định momen quay
Hình 2.6. Các lực thành phần tác động lên cánh
Hình 2.7. Mơ hình dịng qua roto của Bezt
Hình 2.8. Lựa chọn loại tuabin theo tỷ tốc đầu cánh
Hình 3.1. Biên dạng lá cánh - Naca 0012 và Naca 4412
Hình 3.2. Lưới tuabin 2 cánh được xây dựng trên Gambit
Hình 3.3. Trường vận tốc và hình ảnh vết tại góc  = 45o và  = 135o
Hình 3.4. Thơng số của tuabin gió trục đứng (hai vị trí “hãm” của cánh)
Hình 3.5. Vết khí động và xốy tại  = 90o và  = 270o

4


Hình 3.5 b: Trường vận tốc ở các góc phương vị khác nhau. ( tại các thời điểm
khác nhau)
Hình 3.5c : Lưới của mơ hình sau khi chia được tạo trên Gambit Naca4412
Hình 3.5d : Lưới của mơ hình sau khi chia được tạo trên Gambit Naca0012 3 cánh
Hình 3.5e : Lưới của mơ hình sau khi chia được tạo trên Gambit Naca0012 4 cánh
Hình 3.6. Mơ men quay của tuabin tại 3 vòng quay đầu (tuabin 2 cánh, Naca 0012,
R=1m, v=5m/s, =5rad/s)
Hình 3.7. Mơ men quay của tuabin tại 3 vòng quay đầu (tuabin 2 cánh, Naca 0012,
R=1m, v=5m/s, =5rad/s)
Hình 3.8. Mơ men quay của tuabin tại 3 vịng quay đầu (tuabin 2 cánh, Naca 0012,
R=1m, v=5m/s, =5rad/s)

5


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Mười nước có sản lượng điện gió lớn nhất (cuối năm 2012) [1]
Bảng 1.2: Tiềm năng gió của Việt Nam ở độ cao 80m so với mặt đất
Bảng 1.3: So sánh tuabin trục đứng (VAHT) kiểu H và Darrieur và tuabin trục
ngang HAWT (Eriksson et al. , 2008)

Bảng 3.1a: Thông số số đầu vào điều kiện biên mẫu cánh NACA 0012
Bảng 3.1b: Vận tốc góc và tỷ số vận tốc với bán kính R = 1m
Bảng 3.1c: Mơ men quay của tuabin tại vịng quay thứ 3 (tuabin 2 cánh, Naca
0012, R=1m, v=5m/s, =2,5rad/s)
Bảng 3.1d: Mô men quay của tuabin tại vòng quay thứ 3 (tuabin 2 cánh, Naca
0012, R=1m, v=5m/s, =5rad/s)
Bảng 3.1e: Mô men quay của tuabin tại vòng quay thứ 3 (tuabin 2 cánh, Naca
0012, R=1m, v=5m/s, =7,5rad/s)

Bảng 3.2a: Thông số số đầu vào điều kiện biên mẫu cánh NACA 4412
Bảng 3.2b: Vận tốc góc và tỷ số vận tốc với bán kính R = 1m
Bảng3.2c Mơ men quay của tuabin tại 3 vịng quay đầu (tuabin 2 cánh, Naca 4412,
R=1m, v=5m/s, =2,5rad/s)
Bảng 3.2d Mơ men quay của tuabin tại 3 vịng quay đầu (tuabin 2 cánh, Naca 4412,
R=1m, v=5m/s, =5rad/s)
Bảng 3.2e Mô men quay của tuabin tại 3 vòng quay đầu (tuabin 2 cánh, Naca 4412,
R=1m, v=5m/s, =7,5rad/s)

6

Bảng 3.3: Mơ men quay của tuabin tại 3 vịng quay đầu (tuabin 3 cánh, Naca 0012,
R=1m, v=5m/s, =5rad/s)
Bảng 3.4: Mơ men quay của tuabin tại 3 vịng quay đầu (tuabin 4 cánh, Naca 0012,
R=1m, v=5m/s, =5rad/s)
Bảng 3.5. So sánh cơng suất trung bình phụ thuộc vào số cánh (Naca 0012, R=1m,
v=5m/s, =5rad/s, =1)
Bảng 3.6. So sánh công suất trung bình phụ thuộc vào hệ số vận tốc (Naca 4412,
R=1m, v=5m/s,)

7


DANH MỤC KÝ HIỆU
Ký hiệu

Tên tiếng việt

Tên tiếng Anh

CL

Hệ số lực nâng

Coefficient of lift

CD

Hệ số lực cản

Coefficient of drag

CP

Hệ số công suất

Coefficient of power

L

Lực nâng

Lift force

D

Lực cản

Drag force

N

Lực pháp tuyến

Normal force

T

Lực tiếp tuyến

Tangential force

S

Diện tích qt

Planform area of airfoil blade

α

Góc tấn với vận tốc tổng hợp

Angle of Attack with resultant
air velocity

ω

Vận tốc góc của tuabin

Angular velocity

λ

Hệ số vận tốc đầu cánh

Tip speed ratio

θ

Góc phương vị

azimuth angles

c

Chiều dài dây cung cánh

Chord length

σ

Hệ số cứng vững

Solidity

R

Bán kính rotor

Distance of airfoil blade from
center

Re

Số Reynolds

Reynolds number

ρ

Tỷ trọng

Density

μ

Độ nhớt động lực học

Dynamic viscosity

n

Số cánh tuabin

Number of blades

8


MỞ ĐẦU
Nền kinh tế Việt Nam đang tăng trưởng mạnh nên nhu cầu về năng lượng sẽ
tăng rất nhanh trong thời gian tới. Các nhà máy điện đang được đầu tư xây mới
nhưng cũng không đủ đáp ứng nhu cầu điện trong nước. Hơn nữa thời tiết ngày
càng khắc nghiệt dự báo là ngành điện sẽ gặp rất nhiều khó khăn do thủy điện thiếu
nước, nguồn tài nguyên khác đang cạn kiệt. Nên việc tạo ra điện từ một nguồn cung
cấp vơ tận, thân thiện với mơi trường là gió là một hướng đi rất nhiều triển vọng,
được nhà nước khuyến khích phát triển.
Nghiên cứu của Ngân hàng Thế giới chỉ ra rằng Việt Nam là nước có tiềm năng
gió lớn nhất trong bốn nước trong khu vực: hơn 39% tổng diện tích của Việt Nam
được ước tính là có tốc độ gió trung bình hàng năm lớn hơn 6 m/s ở độ cao 65 m,
tương đương với tổng công suất 512 GW. Đặc biệt, hơn 8% diện tích Việt Nam

được xếp hạng có tiềm năng gió rất tốt.
Dùng tuabin gió loại nhỏ phát điện cho hộ gia đình trong thành phố, khu dân cư
là biện pháp rất khả thi và hiệu quả. Ngồi ra cịn có thể dùng tuabin gió kết hợp
với hệ thống pin mặt trời để cấp điện chiếu sáng cho chiếu sáng đô thị ven biển hay
các trục đường cao tốc. Hơn nữa lắp đặt hệ thống này cũng làm cho cảnh quan ở các
thành phố du lịch đẹp, thân thiện mơi trường hơn. Rất thích hợp để lắp đặt tua-bin
gió nhỏ ở những vùng có lưới mini độc lập – đó là các đảo và vùng núi, nơi mà
khơng có lưới điện quốc gia.
Hiện nay trên thế giới loại tua bin gió trục đứng loại công suất nhỏ lắp đặt phục
vụ nhu cầu hộ gia định và chiếu sáng đô thị đang được chú trọng phát triển. Canada,
Mỹ và trung quốc là các quốc gia đi đầu về khai thác thị trường này, nhu cầu sử
dụng loại tua bin cỡ nhỏ đang tăng lên rất nhanh do tính hiệu quả trong phát điện và
hiệu quả đầu tư kinh tế.
Loại tuabin gió trục đứng cơng suất nhỏ có nhiều ưu điểm như: Có thể phát điện
ở vận tốc gió khá thấp với hiệu suất cao và khả năng cân bằng khá tốt nên chi phí
sản xuất trụ rẻ hơn rất nhiều so với loại tuabin gió trục ngang.

9


Hơn nữa loại tuabin cỡ nhỏ loại này rất phù hợp để cung cấp cho nhu cầu dung
điện cấp hộ gia đình và lưới điện mini độc lập. Do có ưu điểm về kết cấu đơn giản
dễ chế tạo nên hồn tồn có khả năng sản xuất được trong nước và có thể cạnh tranh
với các sản phẩm cùng loại của nước ngoài.
Do vậy việc đầu tư nghiên cứu để đưa ra thị trường phục vụ nhu cầu cho nhân
dân là rất khả thi và hết sức cần thiết. Cho nên tác giả xin chọn đề tài: “Tính tốn
khí động học tuabin gió trục đứng”. Trên thế giới, nhiều nước có sự phát triển
mạnh loại tuabin gió trục ngang, vài năm gần đây mới bắt đầu bắt tay vào nghiên
cứu phát triển loại tua bin gió trục đứng. Do thời gian và điều kiện hạn chế trong
một luận văn thạc sĩ, tác giả xây dựng mơ hình trên máy tính, tính tốn mơ phỏng

bằng phần mềm Fluent-Ansys kết hợp với lập trình tính tốn nhỏ. Từ đó tiến hành
phân tích và so sánh để đưa ra những lựa chọn tối ưu, làm cơ sở cho việc tính tốn
thiết kế và chế tạo mẫu thử nghiệm trong các giai đoạn tiếp theo.
-

Tính tốn đặc trưng khí động của cánh

-

Tính năng khí động của lưới cánh và rotor tuabin gió

-

Đối tượng nghiên cứu: khí động học của tuabin trục đứng.

-

Phạm vi nghiên cứu: tuabin trục đứng dựa trên nguyên lý lực nâng dạng 2D

-

Lý thuyết khí động lực học profil cánh, cánh và lưới cánh

-

Thử nghiệm mơ hình bằng mơ phỏng số trên phần mềm Ansys.

Nội dung của luận văn được phân thành 4 chương chính:
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan nghiên cứu tuabin gió

Chương 2: Cơ sở lý thuyết của tuabin gió trục đứng.
Chương 3: Phương pháp tính và kết quả ứng dụng
Kết luận

10


Chƣơng 1.

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

1.1 . Tình hình năng lƣợng gió trên thế giới và ở Việt Nam
1.1.1. Tổng quan về năng lượng gió
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 khơng 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 khơng khí giữa xích đạo và 2 cực
cũng như khơng khí giữa mặt ban ngày và mặt ban đêm của Trái Đất di động tạo
thành gió. Trái Đất xoay trịn cũng góp phần vào việc làm xốy khơng 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 dịng khơng khí theo mùa.

Hình 1.1 Bản đồ vận tốc gió theo mùa
Bức xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất khơng đồng đều làm cho bầu khí
quyển, nước và khơng khí nóng khơng 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

11


về nhiệt độ và vì thế là khác nhau về áp suất mà khơng khí giữa xích đạo và 2 cực
cũng như khơng khí giữa mặt ban ngày và mặt ban đêm của Trái Đất di động tạo
thành gió. Trái Đất xoay trịn cũng góp phần vào việc làm xốy khơng 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 dịng khơng khí theo mùa.
Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay quanh trục
của Trái Đất nên khơng khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển động
thắng mà tạo thành các cơn gió xốy có chiều xốy khác nhau giữa Bắc bán cầu và
Nam bán cầu. Nếu nhìn từ vũ trụ thì trên Bắc bán cầu khơng 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 hướng ngược lại.
Ngồi các yếu tố có tính tồn cầu trên gió cũng bị ảnh hưởng bởi địa hình tại
từng địa phương. Do nước và đất 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. [1]
Sử dụng năng lượng gió
Năng lượng gió đã được sử dụng từ hằng trăm năm nay. Con người đã dùng
năng lượng gió để di chuyển thuyền buồm hay khinh khí cầu, ngồi ra năng lượng
gió cịn được sử dụng để tạo công cơ học nhờ vào các cối xay gió.
Ý tưởng dùng năng lượng gió để sản xuất điện hình thành ngay sau các phát
minh ra điện và máy phát điện. Lúc đầu nguyên tắc của cối xay gió chỉ được biến
đổi nhỏ và thay vì là chuyển đổi động năng của gió thành năng lượng cơ học thì
dùng máy phát điện để sản xuất năng lượng điện. Khi bộ mơn cơ học dịng chảy tiếp
tục phát triển thì các thiết bị xây dựng và hình dáng của các cánh quạt cũng được
chế tạo đặc biệt hơn. Ngày nay người ta gọi đó tuốc bin gió, khái niệm cối xay gió
khơng cịn phù hợp nữa vì chúng khơng cịn có thiết bị nghiền. Từ sau những cuộc

khủng hoảng dầu trong thập niên 1970 việc nghiên cứu sản xuất năng lượng từ các

12


nguồn khác được đẩy mạnh trên toàn thế giới, kể cả việc phát triển các tuốc bin gió
hiện đại. [1]
1.1.2. Tình hình sử dụng năng lượng gió trên thế giới
Tính đến cuối năm 2012 thế giới đã có trên 200.000 tuabin đang hoạt động với
tổng khoảng 282,587 MW điện gió. Và hàng năm công suất lắp đặt luôn tăng.
Bảng 1.1. Mười nước có sản lượng điện gió lớn nhất (cuối năm 2012) [1]

Country

New 2012
capacity (MW)

Windpower total
capacity

% world total

(MW)

China

12,960

75,324

26.7

United States

13,124

60,007

21.2

Germany

2,145

31,308

11.1

Spain

1,122

22,796

8.1

India

2,336

18,421

6.5

UK

1,897

8,845

3.0

Italy

1,273

8,144

2.9

France

757

7,564

2.7

Canada

935

6,200

2.2

Portugal

145

4,525

1.6

6,737

39,853

14.1

44,799 MW

282,587 MW

100%

(rest of world)
World total

(Nguồn: />

13


1.1.3. Tiềm năng và tình hình khai thác năng lượng gió ở Việt Nam
a. Tiềm năng năng lượng gió ở Việt Nam
Một số nghiên cứu đánh giá cho thấy Việt Nam có tiềm năng gió để phát triển
các dự án điện gió với quy mơ lớn là rất khả thi. Bản đồ tiềm năng gió của Ngân
hàng Thế giới8 (Worldbank, 2001) được xây dựng cho bốn nước trong khu vực
Đông Nam Á (gồm: Việt Nam, Cam-pu-chia, Lào, và Thái Lan) dựa trên phương
pháp mơ phỏng bằng mơ hình số trị khí quyển. Theo kết quả từ bản đồ năng lượng
gió này, tiềm năng năng lượng gió ở độ cao 65 m của Việt Nam là lớn nhất so với
các nước khác trong khu vực, với tiềm năng năng lượng gió lý thuyết lên đến
513.360 MW. Những khu vực được hứa hẹn có tiềm năng lớn trên tồn lãnh thổ là
khu vực ven biển và cao nguyên miền nam Trung Bộ và Nam Bộ. Tuy nhiên, các
kết quả mô phỏng này được đánh giá là khá khác biệt so với kết quả tính tốn dựa
trên số liệu quan trắc của EVN, sự khác biệt này có thể là do sai số tính tốn mơ
phỏng.
Năm 2007, EVN cũng đã tiến hành nghiên cứu đánh giá tiềm năng gió, xác định
các vùng thích hợp cho phát triển điện gió trên tồn lãnh thổ với cơng suất kỹ thuật
1.785 MW9. Trong đó miền Trung Bộ được xem là có tiềm năng gió lớn nhất cả
nước với khoảng 880 MW tập trung ở hai tỉnh Quảng Bình và Bình Định, tiếp đến
vùng có tiềm năng thứ hai là miền Nam Trung Bộ với công suất khoảng 855 MW,
tập trung ở hai tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận.
Ngồi ra, Bộ Cơng thương và Ngân hàng Thế giới (2010)11 đã tiến hành cập
nhật thêm số liệu quan trắc (đo gió ở 3 điểm) vào bản đồ tiềm năng gió ở độ cao 80
m cho Việt Nam. Kết quả cho thấy tiềm năng năng lượng gió ở độ cao 80 m so với
bề mặt đất là trên 2.400 MW (tốc độ gió trung bình năm trên 7 m/s). [1]

14

Bảng 1.2 Tiềm năng gió của Việt Nam ở độ cao 80m so với mặt đất
Tốc độ gió trung

<4

4-5

5-6

6-7

7-8

8-9

>9

Diện tích (km2)

95.916

70.868

40.473

2.435

220

20

1

Diện tích chiếm

45,7

33,8

19,3

1,2

0,1

0,01

< 0.01

956.16

708.68

404.73

24.351

2.202

200

10

bình (m/s)

(%)
Tiềm năng (MW)

(Nguồn: AWS TruePower, 2011. Wind resource atlast of Vietnam. 463 New
Karner Road, Albany, New York 12205)
b. Các trạm điện năng lượng gió đã và đang được xây dựng ở 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 cơng 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 tp Hồ Chí Minh đã lắp đặt trên 800 tuabin 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 tuabin gió đã hoạt động. Ở Cần Giờ
thành phố Hồ Chí Minh với sự hỗ trợ của Pháp cũng đã lắp đặt được 50 tuabin gió.
Tuy nhiên những tuabin gió trên đều có cơng suất nhỏ khoảng vài KW mức độ
thành cơng khơng cao vì khơng được bảo dưỡng thường xuyên theo đúng yêu cầu.
Tháng 8-2008 Fuhrlaender AG, một tập đồn sản xuất tuabin gió hàng đầu của
Đức đã bàn giao 5 tổ máy (cánh quạt gió) sản xuất điện gió đầu tiên cho dự án điện
gió tại Tuy Phong , Bình Thuận với mỗi tổ máy có cơng suất 1.5MW (cũng xin ghi
nhận nơi đây thời tiết ở Tuy Phong rất khơ khan, nhưng 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-

15


2008 và chính thức hịan thành kết nối vào điện lưới quốc gia vào tháng 8 năm
2009.
Toàn bộ thiết bị của 15 tổ máy còn lại của giai đọan 1 sẽ được hồn thành trong
thời gian sắp tới để hịan tất việc lắp đặt toàn bộ 20 tổ máy cho giai đọan 1. Tổng
cơng suất của nhà máy điện gió tại Bình Thuận trong giai đoạn này là 30MW do
Cơng 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 328ha.
Theo kế hoạch giai đoạn 2 sẽ mở rộng sau đó với cơng suất lên 120MW. - Tháng
10-2008 tại Hà Nội đã diễn ra lễ ký kết giữa Tổng Cơng Ty Điện Lực Dầu Khí Việt
Nam (PV Power) thuộc Tập Đồn Dầu Khí Việt Nam và Tập Đồn 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 tuabin 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 cơng
suất 1 GW trên diện tích 10.000 ha nằm cách xã Hịa Thắng huyện Bắc Bình tỉnh
Bình Thuận khoảng 6 km về hướng đông bắc. Nhà máy sẽ được lắp đặt tuabin gió
IMPESA Unipower IWP –Class II cơng suất 2,1MW các tổ máy gồm nhiều tuabin
gió cho phép sản xuất 5,5 Gwh/năm. Dự kiến tổng vốn đầu tư cho dự án là 2,35 tỷ
USD trong 5 năm. Hai bên cũng thỏa thuận về dự án sản suất tuabin gió cơng suất
2MW có sải cánh quạt dài 80m cho Việt Nam và cho xuất khẩu. - Những đế án
khác chẳng hạn như: Phương Mai - Quy-Nhơn với công xuất 2,5 MW do chuyên
viên tập đòan Avantis Energy Group; hai đề án với công xuất 150 MW & 80 MW
tại tỉnh Lâm Đồng đang được tích cực triển khai; Công ty Thụy Sĩ Aerogie Plus
Solution AG lắp đặt nhà máy điện gió có cơng xuất 7,5 MW kết hợp với động cơ
diesel tại Côn Đảo , tỉnh Bà Rịa- Vũng Tàu. [2]

16


1.2. Tuabin gió
Turbine gió là máy dùng để biến đổi động năng của gió thành cơ năng. Máy
năng lượng này có thể được 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 một số bộ phận khác nhau. Nhưng thành
phần quan trọng nhất vẫn là motor điện một chiều; loại dùng nam châm bền và cánh
đón lấy gió. Cịn lại là các bộ phận khác như: đi lái gió, trục và cột để dựng máy
phát, bộ phận đổi dịng 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 thơng 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.
Các máy phát điện sử dụng năng lượng gió thường được xây dựng gần nhau và
điện năng sản xuất ra được hòa vào mạng điện chung sau đó biến đổi để có được
nguồn điện phù hợp. Việc sử dụng ăc quy 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 ắc quy 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.
Ngồi ra cịn 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. Q 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 dịnh liên tục.
Hiện nay trên thế giới có nhiều cách phân loại tuabin gió nhưng dễ dàng nhất là
phân loại theo ngun lý hoạt động thì tuabin gió chia làm hai loại chính là tuabin
gió trục ngang và tua bin trục đứng. Đối với mỗi loại lại có đặc điểm, ưu và nhược

điểm khác nhau tùy vào dải cơng suất, tốc độ gió…

17


(a) Tuabin gió trục đứng

(b) tuabin gió trục ngang

Hình 1.2 Phân loại tua bin gió

1.3. Tổng quan so sánh tuabin gió trục đứng và tuabin gió trục ngang
1.3.1. Ưu và nhược điểm của tuabin gió trục đứng
Tuabin gió trục đứng (VAWT: Vertical Axis Wind Turbine) là một loại tuabin
gió mà rơto trục chính được đặt thẳng đứng và các thành phần chính được đặt ở
phần đế của tuabin. Một trong những ưu điểm của kết cấu này là máy phát điện
và hộp số có thể được đặt ngay gần mặt đất vì thế chúng được vận hành và sửa chữa
dễ dàng hơn, độ vững cao và VAWT không bị phụ thuộc vào hướng gió. [3]
Các thiết kế ban đầu của các tuabin gió trục đứng (Savonius, Darrieus và
Giromill) vẫn cịn có những mặt hạn chế là có thể tạo ra các mơmen xoắn trong mỗi
vịng quay và mơmen uốn trên các cánh là rất lớn. Các thiết kế sau đó cũng đã giải
quyết vấn đề về mô men xoắn này bằng cách sử dụng các cánh có biên dạng xoắn
gần giống như tua bin nước của Gorlov.

18


So với các tua bin gió trục ngang truyền thống (HAWT: Horizontal Axis Wind
Turbine) thì VAWT cũng đã có một số ưu điểm trội hơn như sau:
- Chúng có thể được lắp đặt thành một vịng khép kín với nhau trong các

trang trại gió và cho phép lắp đặt với số lượng nhiều hơn trong một không gian nhất
định. Điều này khơng có nghĩa là vì VAWT có kích thước nhỏ hơn, mà là do loại
HAWT có hiệu ứng chậm trên không trung nên buộc các nhà thiết kế phải đặt tách
biệt chúng bằng mười lần chiều rộng của chúng.
- VAWT cứng vững hơn, khơng gây ồn, có khả năng phát điện mà khơng phụ
thuộc vào hướng gió, và chúng không gây nên ứng suất lớn cho kết cấu giá đỡ. [4]
[5]
- Các cánh của tuabin trục đứng quay ở vận tốc thấp hơn so với loại trục ngang,
nên giảm thiểu việc gây hại cho chim.
- Do bộ phận phát điện có thể đặt gần mặt đất nên việc bảo dưỡng dễ dàng và
việc khởi động khơng cần phải có lượng gió lớn nên có thể được đặt trên ống khói
hoặc các cấu trúc cao tầng tương tự. [6]
Nhưng bên cạnh đó VAWT vẫn tồn tại những nhược điểm:
- VAWT có xu hướng bị ngừng làm việc theo hướng gió
- VAWT có một chiều cao lắp đặt với giới hạn thấp, vì thế nó vận hành trong
mơi trường có tốc độ gió thấp. [7]
- Các cánh của VAWT có xu hướng bị mỏi giống như lưỡi dao quay quanh trục
trung tâm. Các cánh làm việc theo phương thẳng đứng có thể bị xoắn và bị cong khi
chúng quay trong gió. Điều này khiến các cánh dễ bị uốn cong và nứt. [8]
Mặc dù vẫn còn những tồn tại nhưng so sánh trên nhiều phương diện thì các
tua bin gió trục đứng VAWT vẫn được đưa vào sử dụng nhiều và ngày nay các
nhà thiết kế đã và đang không ngừng nghiên cứu những thay đổi về kết cấu, biên
dạng cánh để VAWTs có thể làm việc được theo đa hướng gió và sao cho chúng

19


đón được gió nhiều nhất ở phía thuận và cản gió ít nhất ở phía nghịch nhằm nâng
cao hiệu suất phát điện.
1.3.2. Một số loại tuabin trục đứng

Tuabin gió trục đứng đựa chia ra làm hai loại: một dạng hoạt động theo nguyên
lý lực nâng và một loại theo nguyên lý lực cản.
a. Tuabin Darrieus

Hình 1.3 Tuabin Darrieus
Tua bin này bao gồm một số cánh thường có phương thẳng đứng được gắn
trên một trục quay hoặc khung. Với thiết kế của loại tuabin gió này Georges
JeanMarie Darrieus, một kỹ sư hàng không Pháp đã được cấp bằng sáng chế năm
1931. Trên lý thuyết các loại Darrieus có hiệu quả giống như các loại chong chóng
nếu tốc độ gió là khơng đổi, nhưng trong thực tế hiệu quả này là rất hiếm do áp lực
về tính năng vật lý, những hạn chế trong thực tế thiết kế và sự biến thiên của tốc độ

20


gió. Ngồi ra cịn có những khó khăn chủ yếu trong việc bảo vệ các tuabin gió
Darrieus bởi giới hạn của sức gió và khả năng tự khởi động.
Loại tuabin này cũng là một trong những loại VAWT phổ biến nhất và nó cũng
là loại được sử dụng khởi điểm cho việc nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả của
các loại VAWT được thiết kế sau này.
Ưu điểm của tuabin Darrieus là có thể hoạt động với các hướng gió khác nhau,
khơng cần kích thước cánh lớn, các thiết bị như hộp số, máy phát có thể đặt gần mặt
đất, thuận lợi cho việc bảo dưỡng và sửa chữa. Nó có khả năng làm việc với tốc độ
cao và cơng suất lớn hoặc trung bình. Tuy nhiên nó lại có nhược điểm là không thể
tự khởi động được mà cần phải có một nguồn năng lượng cung cấp ngồi.
b. Tuabin Savonius
Tua bin Savonius là một loại VAWT cản vì vậy nó khơng thể quay nhanh hơn
tốc độ gió. Điều này có nghĩa là tỷ lệ tốc độ đầu bằng 1 hoặc nhỏ hơn, khiến cho
tuabin này không phù hợp cho việc phát điện. Hơn nữa, hiệu quả là rất thấp so với
các loại khác, do đó, nó có thể được sử dụng cho những lĩnh vực khác, chẳng hạn

như bơm nước hoặc nghiền hạt…

Hình 1.4 Tua bin Savonius
Ưu điểm lớn nhất của loại tuabin này là sự đơn giản, độ tin cậy cũng cao dù tốc
độ gió thấp vì mơmen xoắn là rất lớn. Tuy nhiên mômen xoắn không phải là hằng
số, do đó đã có một số cải tiến với hình dạng xoắn ốc được đưa vào sử dụng.

21


c. Tuabin Giromill (tuabin chữ H)
Là một loại tuabin gió cánh thẳng, thường gọi là Giromill hay H-rotor. Nó là
một loại tuabin gió có trục thẳng đứng được phát triển bởi Georges Darrieus vào
năm 1927. Loại VAWT này đã được nghiên cứu bởi nhóm nghiên cứu của
Musgrove tại Vương quốc Anh trong những năm 80.

Hình 1.5 Tuabin Giromill (H-rotor)
Trong những tuabin phổ biến kiểu “ đánh trứng” của Darrieus thì các cánh
thường được thay thế bằng loại thẳng đứng, gắn liền với trục quay chính bằng các
giá đỡ ngang. Những tuabin này thường có 2 hoặc 3 cánh thẳng. Việc thiết kế cánh
Giromill đơn giản hơn nhiều cho việc lắp ráp nhưng kết cấu chung lại nặng hơn
kiểu truyền thống và yêu cầu cánh phải bền vững hơn. Máy phát điện của các
tuabin này được đặt ở dưới chân của trục trung tâm vì vậy mà nó có thể nặng hơn
và lớn hơn một máy phát điện thông thường của một HAWT và kết cấu của trục
quay chính có thể chế tạo nhẹ hơn. Mặc dù giá thành chế tạo rẻ hơn và việc lắp
ghép dễ dàng hơn so với một tuabin Darrieus tiêu chuẩn nhưng Giromill lại có hiệu
suất thấp hơn và địi hỏi phải có động cơ để khởi động. Tuy nhiên, các tuabin này
có thể hoạt động tốt trong điều kiện gió khơng ổn định và đây cũng là một sự lựa
chọn tốt để sử dụng trong các khu vực mà loại HAWT khơng thích hợp.

22


1.3.3. So sánh giữa kiểu tuabin trục đứng kiểu H (H-rotor), kiểu Darrieus và
tuabin trục ngang

Hình 1.6. Tuabin trục đứng kiểu H, kiểu Darrieus,
tuabin trục ngang (từ trái qua phải)
Bảng 1.3: So sánh tuabin trục đứng (VAHT) kiểu H và Darrieur và tuabin trục
ngang HAWT (Eriksson et al. , 2008)
VAWT kiểu H

VAWT Darrieus

HAWT

Biên dạng cánh

Đơn giản

Phức tạp

Phức tạp

Cơ cấu điều khiển hướng

khơng

khơng

có

Cơ cấu điều khiển ngang

Có

Khơng

Có

Tháp

Có

Khơng

Có

Tiếng ồn

Thấp

Vừa phải

Diện tích cánh

Vừa phải

Rộng

Nhỏ

Vị trí máy phát

Dưới mặt đất

Dưới mặt đất

Trên đỉnh tháp

Blade load

Vừa phải

Thấp

Cao

23