Thiết kế tuabin gió theo chuẩn NREL

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
────────***────────

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Thiết kế tuabin gió theo chuẩn
NREL
Sinh viên thực hiện : ĐINH QUANG NGỌC
Lớp
: KSCLC-CKHK-K59
Giảng viên hướng dẫn : TS. LÊ THỊ TUYẾT NHUNG
TS. VŨ ĐÌNH QUÝ

HÀ NỘI 06-2019
1


PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1. Thông tin về sinh viên
Họ và tên sinh viên: Đinh Quang Ngọc
MSSV: 20143196
Điện thoại liên lạc: 0332583486
Email:
Lớp: KSCLC - Cơ khí hàng khơng K59
Hệ đào tạo: Chính quy
Đồ án tốt nghiệp được thực hiện tại: Bộ môn Kỹ thuật Hàng Không và Vũ Trụ
Thời gian làm ĐATN:
Ngày giao nhiệm vụ
:
14/02/2019
Ngày hoàn thành nhiệm vụ : 10/06/2019

2. Mục đích nội dung của ĐATN
- Thiết kế tuabin gió theo chuẩn NREL.
- Ứng dụng thiết kế tuabin gió cho điều kiện gió tại Tuy Phong Bình Định.
3. Các nhiệm vụ cụ thể của ĐATN
- Tổng quan về tuabin gió và chuẩn thiết kế NREL.
- Tính tốn khí động cho cánh NREL phase II – S809.
- Kiểm bền cho cánh tuabin gió thiết kế trong điều kiện gió tại Tuy Phong Bình
Định.
4. Lời cam đoan của sinh viên:
Tôi – Đinh Quang Ngọc - cam kết ĐATN là cơng trình nghiên cứu của bản thân
tơi dưới sự hướng dẫn của TS.Lê Thị Tuyết Nhung và TS. Vũ Đình Qúy.
Các kết quả nêu trong ĐATN là trung thực, khơng phải là sao chép tồn văn của
bất kỳ cơng trình nào khác.
Hà Nội, ngày tháng năm 2019
Sinh viên

Đinh Quang Ngọc

2


5. Xác nhận của giáo viên hướng dẫn về mức độ hoàn thành của ĐATN và cho
phép bảo vệ:
……………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
Hà Nội, ngày tháng năm 2019
Giáo viên hướng dẫn

3

6. Nhận xét và đánh giá của giáo viên phản biện:
……………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
Hà Nội, ngày tháng năm 2019
Giáo viên phản biện

4


MỤC LỤC
PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP.......................................................2
Danh mục hình ảnh.........................................................................................................7
Danh mục bảng...............................................................................................................9
Danh mục biểu đồ........................................................................................................... 9
Danh sách từ viết tắt.....................................................................................................10
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI..............................................................................11
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TUABIN GIÓ VÀ TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ
TUABIN GIÓ NREL...................................................................................................12
1.1.
Tổng quan về tuabin gió...........................................................................12
1.1.1.
Lịch sử phát triển của tuabin gió...........................................................12
1.1.2.
Cấu tạo của tuabin gió...........................................................................16
1.1.3.
Phân loại................................................................................................17
1.2.
Tiêu chuẩn thiết kế tuabin gió NREL.......................................................19
1.2.1.
Phân cấp tuabin gió............................................................................19
1.2.2.

Điều kiện gió......................................................................................20
1.2.2.1.
Điều kiện gió thơng thường........................................................20
1.2.2.1.1.
Phân bố tốc độ gió....................................................................20
1.2.2.1.2.
Mơ hình biên dạng gió thơng thường(NWP)............................21
1.2.3.
Các trường hợp thiết kế và các trường hợp tải...................................23
1.3.
Thông số thiết kế của tuabin gió theo chuẩn NREL Phase II....................26
1.3.1.
Thơng số thiết kế cho tuabin gió........................................................26
CHƯƠNG II: CÁC BƯỚC TÍNH TỐN MỘT BÀI TÍNH FSI THEO CHUẨN NREL
...................................................................................................................................... 28
2.1.
Đặt vấn đề.................................................................................................28
2.2.
Mơ phỏng khí động..................................................................................28
2.2.1.
Lựa chọn mơ hình rối............................................................................29
2.2.2.
Xây dựng mơ hình.................................................................................29
2.2.3.
Chia lưới...............................................................................................31
2.2.4.
Thiết lập điều kiện biên.........................................................................32
2.2.5.
Phân tích kết quả mơ phỏng khí động...................................................35
2.3.

Mơ phỏng kết cấu.....................................................................................39
2.3.1.
Kiểm bền tới hạn...................................................................................43
2.3.2.
Kiểm bền mỏi........................................................................................47
CHƯƠNG III: KẾT QUẢ KIỂM BỀN VỚI CÁC TRƯỜNG HỢP THIẾT KẾ
TUABIN GIĨ NREL PHASE II CHO TUY PHONG BÌNH ĐỊNH............................51
3.1.
Kết quả kiểm bền tới hạn với các trường hợp thiết kế..............................51
5


3.2.
Kết quả kiểm bền mỏi với các trường hợp thiết kế...................................59
3.3.
Tổng hợp các trường hợp đã kiểm bền.....................................................63
KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG.................................................................................64
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................65

6


Danh mục hình ảnh
Hình 1: Tuabin gió........................................................................................................12
Hình 2: Cấu tạo tuabin gió............................................................................................16
Hình 3: Tuabine gió trục ngang....................................................................................18
Hình 4: Tuabine gió trục đứng......................................................................................18
Hình 5: Độ lệch chuẩn của xốy đối với mơ hình luồng xốy thơng thường (NTM)....21
Hình 6: Cường độ xốy đối với mơ hình xốy thơng thường (NTM)...........................22
Hình 7: Mơ hình cánh quay..........................................................................................30

Hình 8: Mơ hình hình học bài tốn khí động................................................................30
Hình 9: Mơ hình lưới tại profil cánh.............................................................................31
Hình 10: Mơ hình lưới tổng quan.................................................................................32
Hình 11: Tên các thành phần biên................................................................................32
Hình 12: Thiết lập vùng Roto quay...............................................................................33
Hình 13: Thiết lập interface..........................................................................................34
Hình 14: Thiết lập phương pháp giải............................................................................34
Hình 15: Sơ đồ vận tốc.................................................................................................35
Hình 16: Đường dịng vận tốc tại 80% sải cánh...........................................................36
Hình 17: Đường dịng vận tốc tại 30% sải cánh...........................................................36
Hình 18: Trường áp suất tĩnh tại vị trí 0.3 sải cánh.......................................................37
Hình 19: Trường áp suất tĩnh tại vị trí 0.8 sải cánh.......................................................37
Hình 20: Trường phân bố áp suất trên bề mặt cánh......................................................38
Hình 21: So sánh hệ số áp suất tại 80% sải cánh...Lỗi! Thẻ đánh dấu khơng được xác
định.
Hình 22: So sánh hệ số áp suất tại 30% sải cánh..........................................................39
Hình 23: Mơ hình kết cấu cánh.....................................................................................40
Hình 24: Kết cấu dầm...................................................................................................40
Hình 24: Vật liệu Cylindrical sections & D spar..........................................................42
Hình 25: Vật liệu cho Tailing edge...............................................................................43
Hình 26: Thiết lập điều kiện cố định............................................................................44
Hình 27: Điều kiện cánh quay......................................................................................44
Hình 28: Phân bố áp suất trên cánh tại tốc độ gió 8m/s................................................45
Hình 29: Ứng suất phân bố trên cánh...........................................................................45
Hình 30: Chuyển vị của cánh........................................................................................46
Hình 31: Kết quả kiểm bền kết cấu...............................................................................46
Hình 37: Dữ liệu mỏi của vật liệu.................................................................................50
7

Hình 41: Tuổi thọ mỏi..................................................................................................60
Hình 42: Hư hại mỏi trên cánh.....................................................................................61
Hình 43: Phổ ứng suất lớn nhất tại gốc thanh dầm trong trường hợp...........................61
Hình 44: Tuổi mỏi........................................................................................................62
Hình 45: Hư hại............................................................................................................62

8


Danh mục bảng
Bảng 1: Tham số cơ bản của các cấp tuabin gió...........................................................20
Bảng 2: Các trường hợp tải thiết kế..............................................................................26
Bảng 3: Thơng số kĩ thuật của tuabin gió theo chuẩn NREL Phase II..........................27
Bảng 4: Thông số và chất lượng lưới............................................................................31
Bảng 5: Thiết lập điều kiện biên...................................................................................33
Bảng 6: Thông số lưới..................................................................................................41
Bảng 7: Thông số vật liệu.............................................................................................41
Bảng 8: Kết cấu lớp vỏ cánh tuabin gió........................................................................42
Bảng 9: Kết quả kiểm bền cho trường hợp tuabin gió phát điện với mơ hình gió xốy
thơng thường................................................................................................................51
Bảng 10: Kết quả kiểm bền cho trường hợp tuabin gió phát điện với mơ hình gió đổi
hướng........................................................................................................................... 54
Bảng 11: Kết quả kiểm bền cho trường hợp tuabin gió nghỉ........................................54
Bảng 12: Kết quả kiểm bền cho trường hợp tuabin gió khởi động với mơ hình gió đổi
hướng........................................................................................................................... 55
Bảng 13: Kết quả kiểm bền cho trường hợp tuabin gió dừng với mơ hình xốy thơng
thường.......................................................................................................................... 57
Bảng 14: Kết quả kiểm bền các trường hợp tải của tuabin gió………………………..61

Danh mục biểu đồ

Biểu đồ 1: Chuyển vị lớn nhất trong trường hợp tuabin gió phát điện với mơ hình gió
xốy thơng thường........................................................................................................52
Biểu đồ 2: Ứng suất lớn nhất trong trường hợp tuabin gió phát điện với mơ hình gió
xốy thơng thường........................................................................................................52
Biểu đồ 3: Chuyển vị lớn nhất trong trường hợp tuabin gió khởi động với mơ hình gió
đổi hướng.....................................................................................................................56
Biểu đồ 4: Ứng suất lớn nhất trong trường hợp tuabin gió khởi động với mơ hình gió
đổi hướng.....................................................................................................................56
Biểu đồ 5: Chuyển vị lớn nhất trong trường hợp tuabin gió dừng với mơ hình xốy
thơng thường................................................................................................................58
Biểu đồ 6: Ứng suất lớn nhất trong trường hợp tuabin gió dừng với mơ hình xốy thơng
thường.......................................................................................................................... 58
9


Danh sách từ viết tắt
HAWTs Tuabin gió trục đứng
VAWTs Tuabin gió trục ngang
DLC Trường hợp tải thiết kế
EDC Gió có đổi hướng
EOG Gió giật hoạt động cực trị
EWM Mơ hình tốc độ gió cực trị
EWS Gió cắt cực trị
NTM Mơ hình xốy bình thường
ETM Mơ hình xốy cực trị
NWP Mơ hình biên dạng gió bình thường
F Độ mỏi
U Độ bền giới hạn
N Bình thường
A Bất thường

T Vận chuyển và lắp đặt
* An toàn độ mỏi từng phần

10


GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI
Nguồn năng lượng đang là một vấn đề toàn cầu. Cũng với sự phát triển của các
ngành cơng nghiệp, năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt. Nhu cầu tìm ra loại
năng lượng mới, sạch, có thể tái tạo được,…thay thế nguồn năng lượng hóa thạch
truyền thống là bài tốn đặt ra từ lâu đối với các quốc gia phát triển trên thế giới. Việt
Nam với lợi thế là hơn 3000km bờ biển nên nguồn năng lượng gió là rất dồi dào.Với
ưu thế về vị trí địa lý này,Việt Nam hồn tồn có thể sử dụng nguồn năng lượng gió.
Và những năm gần đây, Việt Nam đã và đang phát triển được nền công nghiệp tuabin
gió của chính mình.
Thiết kế tuabin gió là bài tốn khơng mới trong nghiên cứu những năm gần đây.
Tuy nhiên khi ứng dụng trong cơng nghiệp, một tuabin gió muốn đưa ra sản xuất hàng
loạt và đưa vào sử dụng phải đảm bảo được các chuẩn thiết kế quốc tế hoặc quốc gia.
Nhiệm vụ của kỹ sư là sau khi đưa ra thiết kế, phải kiểm tra thiết kế đó theo các tiêu
chuẩn. Đối với tuabin gió, chuẩn thiết kế được Mỹ sử dụng là NREL và châu âu là IEC
61400 -1:2014.
Trong đồ án tốt nghiệp này em đã tìm hiểu các bài tính trong thiết kế tuabin gió
theo chuẩn NREL áp dụng trong cơng nghiệp, để từ đó đưa ra quy trình tính tốn thiết
kế đối với mỗi đơn hàng thiết kế tuabin gió (theo vùng gió và theo cơng suất). Trong
đó đồ án sẽ thực hiện các bài tính trên một mẫu tuabin gió có sẵn của NREL để áp
dụng cho vùng Tuy Phong – Bình Thuận và em sẽ mơ phỏng bài tốn trên bằng phần
mềm ANSYS.
Trong q trình làm đồ án chúng em khơng tránh khỏi những sai sót và hạn chế về
kiến thức. Em rất mong nhận được sự góp ý và đánh giá của các thầy cô giáo trong bộ
môn.

Hà Nội, ngày 9 tháng 06 năm 2019
Sinh viên

Đinh Quang Ngọc
11


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TUABIN GIÓ VÀ TIÊU CHUẨN
THIẾT KẾ TUABIN GIĨ NREL.
Một tuabin gió muốn đưa ra sản xuất hàng loạt và đưa vào sử dụng phải đảm bảo
được các chuẩn thiết kế quốc tế hoặc quốc gia. Trong phần này em sẽ tìm hiểu về tiêu
chuẩn thiết kế tuabin gió của mỹ là NREL. Theo chuẩn NREL để 1 tuabin gió được
kiểm duyệt qua khâu thiết kế, thiết kế đó phải thỏa mãn 8 trường hợp tải sử dụng với
22 bài tính FSI.
1.1. Tổng quan về tuabin gió.
1.1.1. Lịch sử phát triển của tuabin gió
Ngay từ thế kỷ đàu tiên, năng lượng gió đã được khai thác cho các mục đích thực
tế. Kể từ đó, thiết kế tuabin đã đi một chặng đường dài từ nguyên mẫu thiết kế dựng
trên khung tháp với bốn cánh gỗ như chong chóng đến mẫu thiết kế ba cánh phổ biến
như ngày nay, tuabin gió vẫn đang tiếp tục phát triển và được ứng dụng trong nhiều
lĩnh vực của khoa học và đời sống. trong khuôn khổ bài viết này chúng tơi muốn trao
đổi cùng độc giả về tuabin gió sử dụng phong điện.

Hình 1: Tuabin gió
Các tuabin gió đầu tiên được sử dụng để chuyển đổi năng lượng khác như cối xay
gió, được sử dụng để bơm nước, xay ngũ cốc… được xây dựng vào năm 1887 bởi Giáo
sư James Blyth của trường Đại học Anderson College, Glassgow (nay là Strathclyde
University). Thí nghiệm của Blyth có ba thiết kế tuabin khác nhau với trụ cao 10 mét
(33 foot), cánh bằng khung gỗ bọc vải, được ông thử nghiệm lắp đặt tại khu vườn trong

trang trại riêng của ông tại Marykirk một làng nhỏ thuộc Quận Kincardineshire (một
12


quận nằm trên bờ biển phía đơng bắc Scotland), và tuabin gió đầu tiên này đã hoạt
động trong suốt 25 năm sau đó. Phát minh Blyth đã đánh dấu buổi bình minh của sự
phát triển tuabin gió với đặc trưng là thiết kế cánh quạt gồm 144 cánh đơn làm từ gỗ
tùng tuyết, cánh quạt có đường kính quay 17m và tạo ra cơng suất 12kW (hình 1).
Năm 1890 Poul la Cour nhà khoa học người Đan Mạch hoàn chỉnh các thiết kế của
mình và tuabin gió lần đầu tiên được lắp đại trà tại Đan Mạch với 2.500 chiếc, tổng
cơng suất ước tính tối đa đạt khoảng 30 MW. Các tuabin gió của la Cour khơng những
chỉ dùng vào sản xuất điện mà còn được sử dụng trong việc sản xuất hydro.
Kể từ đó, tuabin gió đã được lắp đặt bởi hàng triệu người trên thế giới, đặc biệt là ở
vùng Trung tây Hoa Kỳ, nơi mà những nông trại đã sử dụng các máy bơm điện để phục
vụ thủy lợi và tưới tiêu. Năm 1931, tuabin gió hiện đại đầu tiên có trục quay nằm
ngang đã được đưa vào sử dụng tại Yalta, Liên Xơ cũ. Đó là một máy phát điện công
suất lớn 100 kW được lắp đặt trên một tháp cao 30m, máy phát điện này cũng lập kỷ
lục về hệ số công suất (tỷ lệ giữa công suất thực tế và công suất tối đa thiết kế) cho
tuabin gió là 32% vào thời điểm đó. Năm 1941 lần đầu tiên trên thế giới một tuabin gió
cơng suất 1.25 MW đã hịa lưới điện tại Grandpa’s Knob thuộc vùng Castleton bang
Virgina Hoa Kỳ.
Tuabin gió hiện đại đầu tiên được xây dựng ở Đan Mạch khoảng giữa những năm
1950. Theo Hiệp hội Cơng nghiệp Gió Đan Mạch (DWIA), 200 tuabin gió hiệu Gedser
cơng suất 200 kW (hình 2) được xây dựng vào năm 1956 bởi kỹ sư Johannes Juul của
công ty Điện lực SEASS trên bờ biển Gedser ở phía nam Đan Mạch. Thiết kế ba cánh
gió với cơ cấu tự động điều khiển góc đón gió của tuabin cùng máy phát điện không
đồng bộ của tuabin Gedser theo một cơ quan chức năng nhận xét là một “thiết kế tiên
phong cho các tuabin gió hiện đại, mặc dù cánh quạt với dây chằng trơng có vẻ hơi cổ
điển”. Hệ thống phanh điều tốc (stall - controlled) của tuabin mà Juul phát minh là hệ
thống phanh khí động lực được lắp ở đầu chóp tâm cánh quạt nó được kích hoạt bởi lực

ly tâm trong trường hợp tuabin quay quá tốc độ. Về cơ bản hệ thống của Juul giống
như hệ thống điều tốc của các tuabin gió hiện đại ngày nay. Tuabin của Juul đã chạy
liên tục 11 năm mà không cần bảo dưỡng.
Việc sử dụng năng lượng điện gió được thổi một luồng sinh khí mới sau cuộc
khủng hoảng dầu lửa thế giới đầu tiên vào năm 1973. Các nước như Đan Mạch, Đức,
Thụy Điển, Anh và Mỹ đua nhau thiết kế các tuabin lớn hơn. Năm 1979, các kỹ sư Đan
Mạch đã lắp đặt thành cơng 2 tuabin gió với cơng suất 630 kW một chiếc với hệ thống
tự động điều khiển góc nghiêng cánh quạt (Pitch - controlled) và hệ thống phanh điều
13


tốc (Stall - controlled) hiện dại. Tuy vậy, Hiệp hội Cơng nghiệp Gió Đan Mạch
(DWIA) than thở “Mặc dù hiện đại và lớn nhất nhưng các tuan bin gió này theo nhiều
cách cũng phải đối mặt với thực trạng nghiệt ngã như các người anh em của nó ở nước
ngồi”, DWIA giải thích “Các tuabin trở nên cực kỳ tốn kém, và giá năng lượng quá
cao của nó đã gây ra một cuộc tranh luận quan trọng về năng lượng gió”. Đã có rất
nhiều thảo luận về phát triển thiết kế tuabin gió nhằm mục đích tăng hiệu quả và giảm
chi phí của phong điện. Mặt khác, việc phát triển cơ sở hạ tầng của ngành cung cấp
năng lượng cũng có ảnh hưởng đáng kể đến việc sử dụng năng lượng gió. Sự phát triển
của một mạng lưới điện thơng minh sẽ cho phép kết hợp và điều phối mượt mà hơn
giữa những nhà máy phong điện có cơng suất lớn nhỏ khác nhau vào mạng điện chung.
Ngày nay, tất cả thiết kế tuabin gió hiện đại vẫn tiếp tục được phân loại theo cấu
hình trục quay của cánh quạt. Có hai loại là: tuabin gió trục ngang (HAWTs) và tuabin
gió trục thẳng đứng (VAWTs). Hơn 90% các tuabin gió sử dụng ngày nay có thiết kế
HAWTs. Theo một phó giáo sư kỹ thuật và công nghệ áp dụng Eastern Illinois
University (một trường đại học nổi tiếng ở tiểu bang Charleston, bang Illinois, Hoa
Kỳ), Tiến sĩ Rigoberto Chincilla, một lý do chính HAWTs hiện đại chiếm lĩnh thị
trường là sự sắp xếp của các cánh quạt cho phép tuabin luôn ln tương tác đầy đủ với
gió, điều này rất quan trọng trong việc cải thiện sức mạnh và hệ số công suất của tuabin
HAWTs hiện đại. Nhưng tuabin HAWTs cũng có một số nhược điểm, ơng nói. Một

trong những nhược điểm phổ biến là nó gây tiếng ồn lớn. Tiếng ồn với dải băng thơng
rộng chủ yếu có nguồn gốc từ các hiện tượng khí động học (như luồng khơng khí xung
quanh cánh quạt, trung tâm và tháp), và bởi sự rung động của các thành phần cơ khí.
Tiếng ồn do tuabin HAWTs gây ra có thể dao động trong các mức độ áp lực âm thanh
khac nhau, từ 58 dBA (ngay trên tiếng ồn xung quanh) đến 108 dBA (tương đương âm
thanh của một máy bay DC -8 hoặc Boeing 707 trước khi hạ cánh). Và một điều nữa
khiến tuabin HAWTs bị dư luận cộng đồng phản đối là nó nhìn “chướng mắt”
(“eyesores”).
Tuabin HAWTs cũng cịn có những giới hạn về kỹ thuật bị chỉ trích với ba điểm
quan trọng mà tiến sĩ Chinchilla đã nêu ra trong một bài viết vào tháng 1 - 2011 đăng
trên Tạp chí Công nghệ Công nghiệp. Một là HAWTs không thể chịu được gió hỗn
loạn như ở mơi trường đơ thị, hai là HAWTs khơng thể hoạt động trong gió mạnh vì độ
cản gió của các tuabin lớn sẽ khiến nó bị nghiêng hoặc đổ do đó tuabin sẽ phải phanh
hẳn lại khi tốc độ gió khoảng ra của gió và áp dụng một phanh khi tốc độ gió đạt
khoảng 88,5 km/h. Tiến sĩ Chinchilla và các đồng tác giả của bài viết, Tiến sĩ Sam
Guccione và Joseph Tillman, cũng cho rằng với kích thước thiết kế như hiện tại,
14


HAWTs đã đạt tới giới hạn khả năng chịu đựng của nó. Mặc dù vậy nhiều tuabin khổng
lồ lớn hơn như 5 MW-HAWTs với cánh quạt dài 122m đang được phát triển và thử
nghiệm trong ống gió và việc đưa nó vào sử dụng chỉ là một sớm một chiều nhưng,
nhóm Chinchilla viết: “Người ta nghi ngờ độ tin cậy của HAWTs 10 MW sẽ được xây
dựng sắp tới”. Tất cả những yếu tố này góp phần vào sự quan tâm mới trong lĩnh vực
phong điện dành cho mẫu tuabin VAWTs, “nhược điểm quan trọng nhất mà mẫu tuabin
trục đứng cần khắc phục là hiệu suất của nó quá thấp so với HAWTs” nhóm tiến sĩ
Chinchilla khẳng định.
Ở Việt Nam, cho đến nay phong điện mới chập chững đi những bước đầu tiên, mặc
dù được sự hỗ trợ và ưu đãi mạnh mẽ từ Chính phủ (mà gần đây nhất là Nghị định của
Thủ tướng Chính phủ về cơ chế hỗ trợ phát triển các dự án điện gió tại việt Nam có

hiệu lực từ 20 - 8 - 2011) nhưng để phát triển được, “Phong điện Việt Nam” còn phải
đối mặt với rất nhiều khó khăn và thách thức.
Là một trong những nước có nguồn năng lượng gió dồi dào, nhưng đến nay sự phát
triển phong điện ở Việt Nam vẫn chưa tương xứng với tiềm năng. Trên cả nước hiện
mới có 42 dự án phong điện - tập trung chủ yếu tại 12 tỉnh miền Trung, Tây Nguyên và
Tây Nam bộ với tổng công suất 3.906 MW. Trong đó, 1/3 số dự án có sự tham gia của
nhà đầu tư nước ngoài Đức, Canada, Thụy Sĩ, Argentina, nhưng việc đầu tư cịn chậm
và mang tính thăm dị.
Năm 2009 khi làm tờ trình Chính phủ Nghị định khuyến khích phát triển năng
lượng tái tạo, bình quân giá phong điện Việt Nam vào khoảng 0,125 usd/kWh, trong
khi giá điện bình quân thời điểm đó mới chỉ khoảng 0,053 usd/kWh. Nếu tính cả lần
điều chỉnh giá điện gần dây nhất (ngày 1/3/2911), giá điện bình qn mới có 1.242
đồng/kWh (tương đương 0,059 usd/kWh). Trên thực tế giá thành phát điện của phong
điện vào khoảng 0,07 - 0,12 usd/kWh, khi lãi suất vay tăng thì giá thành phát điện có
thể đến 0,14 usd/kWh. Như vậy, so với thủy điện, giá phong điện là rất cao. Nếu trong
giá điện đạt được mức giá như trên thị trường quốc tế và giá bán than khơng thấp hơn
giá sản xuất thì điện gió sẽ có cơ hội phát triển mạnh. Cịn theo tính tốn của Chủ tịch
Hiệp hội Đầu tư xây dựng năng lượng Việt Nam (VECIA) Trần Viết Ngãi, do chi phí
đầu tư cao (mức đầu tư cao nhất là 2,77 triệu USD/MW, thấp nhất là 1,77 triệu
USD/MW, và trung bình là 2,2 triệu USD/MW, gấp đôi thủy điện) dẫn tới giá thành,
giá bán điện cao. Trong khi giá bán của các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ cho EVN
dao động từ 450 đồng đến 700 đồng/kWh, giá phong điện lên tới 1.300 đồng/kWh nên
người dân khó chấp nhận.
15


1.1.2. Cấu tạo của tuabin gió.

Hình 2: Cấu tạo tuabin gió
-

-

-

Anemometer: Bộ đo lường tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điều khiển.
Blades: Cánh quạt. Gió thổi qua các cánh quạt và là nguyên nhân làm cho các cánh
quạt chuyển động và quay.
Brake: Bộ hãm (phanh). Dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp bằng điện,
bằng sức nước hoặc bằng động cơ.
Controller: Bộ điều khiển. Bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở tốc độ gió khoảng
8 đến 14 dặm/giờ tương ứng với 12 km/h đến 22 km/h và tắt động cơ khoảng 65
dặm/giờ tương đương với 104 km/h bởi vì các máy phát này có thể phát nóng.
Gear box: Hộp số. Bánh răng được nối với trục có tốc độ thấp với trục có tốc độ cao
và tăng tốc độ quay từ 30 đến 60 vòng/ phút lên 1200 đến 1500 vòng/ phút, tốc độ
quay là yêu cầu của hầu hết các máy phát điện sản xuất ra điện. Bộ bánh răng này
rất đắt tiền nó là một phần của bộ động cơ và tuabin gió.
Generator: Máy phát. Phát ra điện
High – speed shaft: Trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao.
Low – speed shaft: Trục quay tốc độ thấp.
Nacelle: Vỏ. Bao gồm rotor và vỏ bọc ngoài, toàn bộ được đặt trên đỉnh trụ và bao
gồm các phần: gear box, low and high – speed shafts, generator, controller, and
16


-

-

brake. Vỏ bọc ngoài dùng bảo vệ các thành phần bên trong vỏ. Một số vỏ phải đủ

rộng để một kỹ thuật viên có thể đứng bên trong trong khi làm việc.
Pitch: Bước răng. Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho rotor quay
trong gió khơng q cao hay quá thấp để tạo ra điện.
Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục.
Tower: Trụ đỡ Nacelle. Được làm bằng thép hình trụ hoặc thanh giằng bằng thép.
Bởi vì tốc độ gió tăng lên nếu trụ càng cao, trụ đỡ cao hơn để thu được năng lượng
gió nhiều hơn và phát ra điện nhiều hơn.
Wind vane: Để xử lý hướng gió và liên lạc với “yaw drive” để định hướng tuabin
gió.
Yaw drive: Dùng để giữ cho rotor ln ln hướng về hướng gió chính khi có sự
thay đổi hướng gió.
Yaw motor: Động cơ cung cấp cho “yaw drive” định được hướng gió.

1.1.3. Phân loại.
Về cơ bản có thể chia loại tuabin gió theo nhiều hình thức khác nhau : theo cấu tạo
hoạt động, theo công suất hay theo số cánh quạt. Tuy nhiên có thể chia tuabin gió theo
2 loại cơ bản sau đây : Tuabin gió trục ngang và tuabin gió trục đứng.
Tuabin gió trục ngang (HAWT)
Đây loại tuabin gió phổ biến trên thị trường:
- Cơng suất phát điện từ vài trăm W đến vài MW.
- Dải vận tốc gió hoạt động từ 4m/s-25m/s.
- Chiều cao cột chống tuabin 6m ( loại công suất nhỏ) – 120m (loại cơng suất
lớn).
- Số cánh quạt 2-3 cánh quạt.
- Bán kính cánh quạt từ 3m - 45m.
- Số vòng quay cánh quạt 20 – 40 vòng/phút.

17

Hình 3: Tuabine gió trục ngang
Một số đặc điểm của tuabin gió trục ngang :
- Đây là loại tuabin gió có hiệu suất cao nhất.
- Thích hợp với nhiều vận tốc gió khác nhau.
- Hình dạng và kích thước lớn nên địi hỏi chỉ số an tồn cao.
- Tuy có hệ thống điều chỉnh hướng để đón gió xong vẫn giới hạn ở 1 góc quay nhất
định nên chỉ thích hợp cho những nơi có vận tốc gió ổn định.
Tuabin gió trục đứng (VAWTs)

Hình 4: Tuabine gió trục đứng
-

Đây là loại tuabin mới phát triển trong thời gian gần đây.
Dải vận tốc gió hoạt động 3-40m/s.
Chiều cao tuabin dưới 30m. Số cánh quạt 2 - 4 cánh.
Bán kính cánh quạt dưới 10m.
Dải vận tốc gió hoạt động là khá rộng.
Đặc điểm:
Tuabin hoạt động không phụ thuộc vào hướng của vận tốc dịng khí nên có thể lắp
đặt ở vị trí có vận tốc gió cao với dịng chảy khơng ổn định.
18


-

Tuy nhiên hiệu suất của tuabin chỉ bằng 50% so với tuabin trục ngang khi hoạt
động ở cùng 1 vận tốc gió.

1.2. Tiêu chuẩn thiết kế tuabin gió NREL.
NREL là tên viết tắt của viện nghiên cứu năng lượng tái tạo quốc gia Hoa

kì (National Renewable Energy Laboratory). Các lĩnh vực nghiên cứu và phát triển
của NREL là điện tái tạo, năng suất, lưu trữ năng lượng , tích hợp hệ thống và giao
thơng bền vững nhằm mục đích giảm thiểu sự phụ thuộc vào dầu mỏ, giảm lượng khí
thải carbon từ việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch.
Trong lĩnh vực điện gió NREL đã sản xuất nhiều cơng nghệ tác động đến ngành
cơng nghiệp gió ở cấp độ tồn cầu. Và trong thiết kế tuabin gió trong đất liền NREL sử
dụng theo chuẩn thiết kế châu âu IEC 61400-1:2014,  Tuabin gió - Phần 1: u cầu
thiết kế. Ngồi ra NREL cịn có sử dụng một số tiêu chuẩn cho tuabin gió loại nhỏ và
tuabin gió ngồi khơi:
1) IEC 61400-2:2013, Wind turbines - Part 2: Small wind turbines
2) IEC 61400-3:2009, Wind turbines - Part 3: Design requirements for offshore
wind turbines
1.2.1. Phân cấp tuabin gió.

Cấp tuabin gió được xác định theo các tham số tốc độ gió và xốy. Mục đích của
phân cấp là nhằm bao quát hầu hết các trường hợp. Việc phân cấp tuabin gió đưa ra
một giới hạn bền vững được xác định rõ ràng theo các tham số tốc độ gió và xốy.
Bảng 1 quy định các tham số cơ bản, để xác định các cấp tuabin gió.
Ngồi ra, định nghĩa thêm một cấp tuabin gió nữa, cấp S, để sử dụng khi nhà thiết
kế hoặc khách hàng yêu cầu điều kiện gió cực trị hoặc các điều kiện bên ngoài khác
hoặc cấp an toàn đặc biệt,. Các giá trị thiết kế cho các tuabin gió cấp S phải được nhà
thiết kế chọn và được quy định trong tài liệu thiết kế. Đối với các thiết kế đặc biệt như
vậy, các giá trị được chọn đối với các điều kiện thiết kế phải phản ánh môi trường tối
thiểu có độ khắc nghiệt như dự kiến cho việc sử dụng các tuabin gió.
Các điều kiện bên ngồi cụ thể được xác định đối với cấp I, II và III khơng nhằm
bao qt các điều kiện ngồi khơi hay các điều kiện gió trong các cơn bão nhiệt đới
như cuồng phong, lốc xốy, gió bão. Các điều kiện như vậy có thể yêu cầu thiết kế
tuabin gió cấp S.

19

Cấp tuabin gió

I

II

III

Vref

(m/s)

50

42,5

37,5

A

Iref (-)

0,16

B

Iref (-)

0,14

C

Iref (-)

S
Các giá trị được nhà
thiết kế quy định

0,12
Bảng 1: Tham số cơ bản của các cấp tuabin gió

Trong Bảng 1, các giá trị tham số áp dụng ở chiều cao của hub và
Vref là tốc độ gió chuẩn lấy trung bình trong 10 min.
A cấp có đặc tính xốy cao.
B cấp có đặc tính xốy trung binh.
C cấp có đặc tính xốy thấp.
lref giá trị kỳ vọng của cường độ2 xoáy ở tốc độ 15 m/s.
Tuổi thọ thiết kế đối với các cấp tuabin gió từ cấp I đến cấp III phải ít nhất là 20
năm.
Đối với tuabin gió cấp S, trong tài liệu thiết kế, nhà chế tạo phải mơ tả các mơ hình
được sử dụng và các giá trị của các tham số thiết kế.
1.2.2. Điều kiện gió.
1.2.2.1.

Điều kiện gió thơng thường.

1.2.2.1.1.

Phân bố tốc độ gió.

Phân bố tốc độ gió là quan trọng đối với thiết kế tuabin gió vì nó quyết định tần
suất xuất hiện các điều kiện tải riêng rẽ đối với các tình huống thiết kế thơng thường.
Giá trị trung bình của tốc độ gió trong khoảng thời gian 10 min phải được giả định là
tuân theo phân bố Rayleigh ở độ cao của hub được cho bởi
PR(Vhub) = 1 - exp[-π(Vhub/2Vave)2]

trong đó, trong các cấp tuabin gió tiêu chuẩn, Vave phải được chọn như sau
2
20


                                            Vave=

0,2Vref

1.2.2.1.2.
Mơ hình biên dạng gió thơng thường(NWP).
Biên dạng gió, V(z), chỉ tốc độ gió trung bình như một hàm số của chiều cao z so
với mặt đất. Trong trường hợp các cấp tuabin gió tiêu chuẩn, biên dạng gió thông
thường phải được đưa ra theo luật lũy thừa:
V(z) = Vhub(z/zhub)α
Số mũ luật lũy thừa, α, phải được giả định là 0,2.
1.2.2.1.3.

Mơ hình gió xoáy thơng thường(NTM).

Đối với mơ hình xốy thơng thường, giá trị đại diện cho độ lệch chuẩn của xoáy σ 1,
phải được cho bởi 90 % phân bố đối với tốc độ gió tại chiều cao của hub cho trước. Giá

trị đối với các cấp tuabin gió tiêu chuẩn phải được cho bởi
σ1 = Iref(0,75Vhub + b); b = 5,6 m/s
Các giá trị đối với độ lệch chuẩn của xoáy σ 1 và cường độ xoáy σ1/Vhub được biểu
diễn trong Hình 1a và Hình 1b.
Các giá trị lref được cho trong Bảng 1.

Hình 5: Độ lệch chuẩn của xốy đối với mơ hình luồng xốy thơng thường (NTM)

21


Hình 6: Cường độ xốy đối với mơ hình xốy thơng thường (NTM)
1.2.2.2.

Điều kiện gió cực trị.

Các điều kiện gió cực trị bao gồm các sự kiện trượt gió, cũng như các tốc độ gió
đỉnh do bão và các thay đổi nhanh của tốc độ và hướng gió.
1.2.2.2.1.

Mơ hình gió tốc độ gió cực trị(EWM).

Mơ hình EWM phải là mơ hình gió ổn định hoặc mơ hình gió xốy. Các mơ hình
gió phải dựa trên tốc độ gió chuẩn, Vref, và độ lệch chuẩn của luồng xoáy cố định, σ1.
Đối với mơ hình tốc độ gió cực trị luồng xốy, tốc độ gió lấy trung bình trong 10
min là hàm số của z có các tần suất xuất hiện 50 năm và 1 năm tương ứng được cho bởi
V50 (z)= Vref(z/zhub)α
V1(z) = 0,8V50 (z)
Độ lệch chuẩn của luồng xoáy theo chiều dọc phải là
σ1 = 0,11Vhub

1.2.2.2.2.

Gió giật hoạt động cực trị (EOG).

Độ lớn gió giật tại chiều cao của hub V gust được cho đối với các cấp tuabin gió tiêu
chuẩn bằng quan hệ sau:

22


trong đó:
σ1
Λ1 tham số tỷ lệ luồng xốy;
D đường kính rơto.
Tốc độ gió phải được xác định theo cơng thức:
đối với 0 ≤ t ≤ T
trường hợp khác
1.2.2.2.3.
Mơ hình gió xoáy cực trị (ETM).
Mơ hình gió xốy cực trị phải sử dụng mơ hình biên dạng gió bình thường và gió
xốy có độ lệch chuẩn thành phần theo chiều dọc cho bởi

1.2.2.2.4.

Mơ hình gió cực trị đổi hướng(EDC).

Độ lớn đổi hướng cực trị, θe, phải được tính tốn khi sử dụng quan hệ sau:

trong đó:
σ1 được cho bởi cơng thức (11) đối với mơ hình NTM;

θe được giới hạn trong khoảng ± 180o;
Λ1 tham số tỷ lệ luồng xoáy;
D đường kính rơto.
1.2.3. Các trường hợp thiết kế và các trường hợp tải.
Điều này mô tả các trường hợp tải thiết kế cho một tuabin gió và một số lượng quy
định tối thiểu cần xem xét.
Đối với các mục đích thiết kế, tuổi thọ của tuabin gió có thể được biểu diễn bằng
một tập hợp các tình huống thiết kế bao gồm các điều kiện quan trọng nhất mà tuabin
gió có thể trải qua.
23


Các trường hợp tải thiết kế được sử dụng để kiểm tra kết cấu của tuabin gió phải
được tính tốn bằng cách kết hợp:
- Các tình huống thiết kế bình thường và điều kiện bên ngồi bình thường hoặc
cực trị thích hợp.
- Các tình huống thiết kế sự cố và các điều kiện bên ngồi thích hợp.
- Các tình huống thiết kế vận chuyển, lắp đặt và bảo trì và các điều kiện bên ngồi
thích hợp.
Trong mỗi tình huống thiết kế, phải xem xét một vài trường hợp tải thiết kế. Tối
thiểu phải xem xét các trường hợp tải thiết kế trong Bảng 2. Trong bảng này, các
trường hợp tải thiết kế được quy định đối với mỗi tình huống thiết kế bằng cách mơ tả
gió, điện và các điều kiện bên ngoài khác.
Trong trường hợp tải thiết kế với một mơ hình gió xác định, nếu bộ điều khiển
tuabin gió có thể làm cho tuabin gió bị dừng trước khi đạt đến góc xoay tuabin và/hoặc
tốc độ gió tối đa, thì phải chỉ ra rằng tuabin có thể dừng một cách tin cậy trong điều
kiện xốy có sự thay đổi như nhau về điều kiện gió xác định.
Phải xem xét các trường hợp tải thiết kế khác nếu có liên quan đến tính an tồn kết
cấu của thiết kế tuabin gió cụ thể.
Đối với mỗi trường hợp tải thiết kế, loại phân tích thích hợp được cơng bố là "F" và

"U" trong Bảng 2. Loại "F" đề cập đến phân tích các tải mỏi, được sử dụng trong việc
đánh giá độ bền mỏi. Loại "U" đề cập đến phân tích các tải tới hạn, liên quan đến sức
bền vật liệu, độ uốn đầu cánh và ổn định của kết cấu.
Các trường hợp tải thiết kế loại "U", được phân loại là bình thường (N), bất thường
(A), hoặc vận chuyển và lắp đặt (T). Trường hợp tải thiết kế bình thường dự kiến sẽ
xảy ra thường xuyên trong tuổi thọ của tuabin. Tuabin ở trạng thái bình thường hoặc có
thể có các lỗi hoặc bất thường nhỏ. Các tình huống thiết kế bất thường ít có khả năng
xảy ra. Chúng thường tương ứng với các tình huống thiết kế với các sự cố nghiêm
trọng dẫn đến kích hoạt các chức năng bảo vệ hệ thống. Loại tình huống thiết kế, N, A
hay T xác định các hệ số an toàn từng phần γf được áp dụng cho các tải giới hạn.

24


Tình huống
DLC
thiết kế

1) Phát điện

2) Phát điện
có xuất hiện
sự cố

3) Khởi động

Điều kiện gió

1.1

NTM

Vin < Vhub < Vout

1.2
1.3

NTM
ETM

1.4

EDC

1.5

EWS

Vin < Vhub < Vout
Vin < Vhub < Vout
Vhub = Vr - 2
m/s,
Vr, Vr + 2m/s
Vin < Vhub < Vout

2.1

NTM

Vin < Vhub < Vout

2.2

NTM

Vin < Vhub < Vout

2.3

EOG

Vhub = Vr ± 2
m/s và Vout

2.4

NTM

Vin < Vhub < Vout

3.1

NWP

3.2
3.3

4.1
4) Dừng bình
4.2

thường
5) Dừng khẩn
5.1
cấp
6.1
6) Nghỉ (đứng
6.2
n hoặc chạy
khơng tải)
6.3
6.4
7) Điều kiện 7.1

Các điều kiện khác

Loại
phân
tích

Hệ số
an
toàn

Để ngoại suy các sự
kiện cực trị

U

N

F
U

*
N

U

N

U

N

U

N

U

A

U

A

F

*

F

*

U

N

U

N

F

*

U

N

U

N

U

N

U

A

U

N

F
U

*
A

Sự cố hệ thống điều
khiển hoặc mất điện
lưới
Sự cố hệ thống bảo vệ
hoặc sự cố điện bên
trong
Sự cố điện bên ngoài
hoặc bên trong kể cả
mất điện
Sự cố hệ thống điều
khiển, hệ thống bảo vệ
hoặc hệ thống điện

Vin < Vhub < Vout
Vhub = Vin, Vr ±
EOG
2 m/s và Vout
Vhub = Vin, Vr ±

EDC
2 m/s và Vout
NWP Vin < Vhub < Vout
Vhub = Vr ± 2
EOG
m/s và Vout
Vhub = Vr ± 2
NTM
m/s và Vout
Tần suất 50
EWM
năm
Tần suất 50
EWM
Mất kết nối điện lưới
năm
Độ lệch xoay tuabin
EWM Tần hiện 1 năm
cực trị
NTM Vhub < 0,7 Vref
EWM Tần suất 1 năm
25