(Đồ án tốt nghiệp) nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm tuabin gió công suất nhỏ kiểu quiet revolution GB

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ
NGHIỆM TUABIN GIĨ CƠNG SUẤT NHỎ KIỂU
QUIET-REVOLUTION/GB

GVHD: PGS.TS. ĐẶNG THIỆN NGÔN
KS. PHÙNG DANH SA
SVTH: NGUYỄN VĂN VŨ
MSSV: 13143410

SKL005003

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2016


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ
CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BỘ MƠN
CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ
NGHIỆM TUABIN GIĨ CƠNG SUẤT NHỎ
KIỂU QUIET-REVOLUTION/GB
GVHD: PGS.TS. ĐẶNG THIỆN NGÔN
KS. PHÙNG DANH SA

SVTH : NGUYỄN VĂN VŨ
MSSV : 13143410
Khóa : 2013

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2016


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ
MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BỘ MƠN
CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM
TUABIN GIĨ CƠNG SUẤT NHỎ KIỂU
QUIET-REVOLUTION/GB

GVHD :

PGS.TS. ĐẶNG THIỆN NGÔN
KS. PHÙNG DANH SA
SVTH : NGUYỄN VĂN VŨ
MSSV : 13143410
Khóa : 2013

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2017


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

Bộ môn Công nghệ chế tạo máy

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dành cho giảng viên hướng dẫn)
Họ và tên sinh viên: Nguyễn Văn Vũ

MSSV: 13143410

Hội đồng: CKM – 05
Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm tuabin gió công suất
nhỏ kiểu Quiet-Revolution/GB.
Ngành đào tạo: Công nghệ chế tạo máy
Họ và tên GV hướng dẫn: PGS.TS. Đặng Thiện Ngôn
Ý KIẾN NHẬN XÉT
2. Nhận xét về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên (không đánh máy)
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................

2. Nhận xét về kết quả thực hiện của ĐATN (không đánh máy)
2.1. Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:
......................................................................................................................................................
........................................................................................................................................... ...........
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................

2.2 Nội dung đồ án: (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng
dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)
.....................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................

2.3. Kết quả đạt được:
.....................................................................................................................................................


........................................................................................................................................................................
........................................................................................................................................................................

2.4. Những tồn tại (nếu có):
........................................................................................................................................................................
........................................................................................................................................................................
........................................................................................................................................................................

3. Đánh giá:

TT
1.

Mục đánh giá
Hình thức và kết cấu ĐATN

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung củ
các mục

Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài
Tính cấp thiết của đề tài
2.

Nội dung ĐATN

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và
kỹ thuật, khoa học xã hội…
Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá

Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành phần
hoặc quy trình đáp ứng yêu cầu đưa ra với những
ràng buộc thực tế.
Khả năng cải tiến và phát triển
Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm
chuyên ngành…
3.

Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài

4.

Sản phẩm cụ thể của ĐATN
Tổng điểm

4. Kết luận:





Được phép bảo vệ
Không được phép bảo vệ

TP.HCM, ngày

tháng

năm 2017

Giảng viên hướng dẫn
((Ký, ghi rõ họ tên)


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY
Bộ môn Công nghệ chế tạo máy

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dành cho giảng viên phản biện)
Họ và tên sinh viên: Nguyễn Văn Vũ

MSSV: 13143410

Hội đồng: CKM – 05
Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm tuabin gió cơng suất nhỏ
kiểu Quiet-Revolution/GB.

Ngành đào tạo: Cơng nghệ chế tạo máy
Họ và tên GV phản biện: PGS.TS. Trần Ngọc Đảm
Ý KIẾN NHẬN XÉT
2. Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:

.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
2. Nội dung đồ án: (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của

đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
3. Kết quả đạt được:

.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
4. Những thiếu sót và tồn tại của ĐATN:

.............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................


.............................................................................................................................................
5. Câu hỏi:

...........................................................................................................................................

...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
6. Đánh giá:

TT
1.

Mục đánh giá
Hình thức và kết cấu ĐATN

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các
mục

Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài
Tính cấp thiết của đề tài
2.

Nội dung ĐATN
Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ
thuật, khoa học xã hội…
Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá

Khả năng thiết kế, chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặ
quy trình đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc
Khả năng cải tiến và phát triển
Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên
ngành…

3.

Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài

4.

Sản phẩm cụ thể của ĐATN
Tổng điểm

7. Kết luận:
 Được phép bảo vệ




Không được phép bảo vệ

TP.HCM, ngày

tháng

năm 2017

Giảng viên phản biện
((Ký, ghi rõ họ tên)


LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố
Hồ Chí Minh, em đã đúc kết được nhiều kiến thức bổ ích cho chun mơn của mình. Q trình
làm đồ án tốt nghiệp, em đã vận dụng được những kiến thức đã học để có thể giải quyết được

những vấn đề thực tế. Với đồ án “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm tuabin gió cơng
suất nhỏ kiểu Quiet-Revolution/GB”, do tính mới của đề tài nên em đã gặp khơng ít khó khăn
trong q trình thực hiện. Tuy nhiên, dưới sự hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn
PGS.TS Đặng Thiện Ngôn, sự hỗ trợ, giúp đỡ của kỹ sư Phùng Danh Sa trường cao đẳng nghề
An Giang, và các anh trong phòng nghiên cứu của Thầy Đặng Thiện Ngơn, gia đình và bạn bè đã
giúp cho em hồn thành đề tài của mình. Cho đến thời điểm này, với đề tài mà em thực hiện đã
đạt được các yêu cầu đặt ra, em đã đưa ra được nền tảng ban đầu để việc nghiên cứu tiếp tục
phát triển hơn nữa. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:
- Ban Giám hiệu Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
- Thầy PGS.TS. Đặng Thiện Ngơn – Phịng Nghiên cứu Cơng nghệ kỹ thuật cơ khí – Khoa
Cơ khí Chế tạo máy.
- Anh Phùng Danh Sa kỹ sư khoa cơ khí chế tạo máy trường cao đẳng nghề An Giang.
- Gia đình, bạn bè và người thân.
Một lần nữa, em xin được chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, hỗ trợ tận tình của q thầy cơ,
bạn bè và gia đình đã tạo điều kiện thuận lợi giúp em hoàn thành đề tài của mình. Xin trân trọng
cảm ơn!
TP. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 07 năm 2017.


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM
KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

Bộ mơn CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:

Lớp:
Ngành đào tạo:
1. Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm tuabin gió cơng suất

nhỏ kiểu Quiet-Revolution/GB.
2. Các số liệu, tài liệu ban đầu:
- Tuabin gió trục đứng Quiet-Revolution/GB.
- Cơng suất P = 70W.
3. Nội dung chính của đồ án:
- Tìm hiều, khảo sát các tuabin gió trục đứng cơng suất nhỏ có trên thị trường.
- Nghiên cứu, xác định, đề xuất các thông số thiết kế cụ thể cho tuabin gió trục
-

đứng loại Quiet-Revolution/GB (cơng suất < 100W).
Nghiên cứu, đề xuất tuabin gió kiểu Quiet-Revolution/GB.
Tính tốn, thiết kế, mơ phỏng các cụm chính của tuabin phát điện gió kiểu
Quiet-Revolution/GB.
Đề xuất cơng nghệ chế tạo các chi tiết chính của tuabin phát điện gió kiểu QuietRevolution/GB.
Chế tạo thử nghiệm tuabin gió cơng suất nhỏ kiểu Quiet-Revolution/GB.
Tập bản vẽ chi tiết, bản vẽ lắp.
Tập thuyết minh, poster.

4. Ngày giao đồ án: 06/03/2017
5. Ngày nộp đồ án:

15/07/2017

TRƯỞNG BỘ MÔN

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký, ghi rõ họ tên)

(Ký, ghi rõ họ tên)

PGS. TS. Đặng Thiện Ngôn
Được phép bảo vệ …………………………………………
(GVHD ký, ghi rõ họ tên)


MỤC LỤC

TRANG BÌA PHỤ
BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ............................................
BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ...............................................
LỜI CẢM ƠN ...........................................................................................................
MỤC LỤC .................................................................................................................
DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU ...........................................................................
DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH .............................................................................
Chương 1. MỞ ĐẦU ................................................................................................
1.1Đặt vấn đề .....................................................................
1.2Tính cấp thiết ..................................................................
1.3Ý nghĩa của đề tài ...........................................................
1.4Mục tiêu nghiên cứu .......................................................
1.5Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................
1.5.1Đối tượng nghiên cứ
1.5.2Phạm vi nghiên cứu
1.6Phương pháp nghiên cứu ................................................
1.7Kết cấu đồ án tốt nghiệp .................................................
Chương 2. TỔNG QUAN .........................................................................................

2.1Tuabin gió trục đứng ......................................................
2.1.1Khái niệm ..............
2.1.2Phân loại ...............
a. Tuabin Darrieus .........................................................
b. Tuabin Sovonius .........................................................
c. Tuabin Giromill .........................................................
d. Cyclotuabin ...............................................................
e. Tuabin xoắn Gorlov .................................................
f. Flap tuabin ................................................................
2.2Tuabin gió loại Quiet-Revolution/GB (Gorlov)...........
2.2.1Đặc điểm ...............
2.2.2Kết cấu ..................
2.2.3Kết cấu chung .......
2.3Thực trạng thiết kế tuabin gió Quiet-Revolution/GB ở
2.4Các nghiên cứu trong và ngồi nước ...........................
2.3.1Trong nước ............


a. Thiết kế tuabin gió trục đứng ...............................
b. Thiết kế tuabin gió trục ngang .............................
2.3.1Ngồi nước ..........
a. Tuabin gió bão .....................................................
b. Tuabin lai gió và nước .........................................
c. Tuabin gió trên khơng trung ................................
d. Tuabin gió khơng cánh ........................................
e. Tuabin gió kiểu phễu ...........................................
f. Tuabin gió thân thiện với chim trời ......................
2.5Định hướng của đề tài ..............................................
Chương 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..........................................................................
3.1Học thuyết Albert Betz.............................................

3.2Cơng suất và hiệu suất gió tuabin .............................
3.3Lý thuyết về cánh và kết cấu cánh tuabin ................
3.3.1Kiểu cánh và các k
3.3.2Tỉ số tốc độ gió đầ
3.4Động lực học cánh VAWT .......................................
Chương 4. Ý TƯỞNG VÀ PHƯƠNG ÁN ...........................................................
4.1Yêu cầu thiết kế ........................................................
4.2Ý tưởng .....................................................................
4.3Đề xuất phương án ...................................................
4.3.1Phương án 1: thiết
4.3.2Phương án 2: thiết
4.3.3Lựa chọn phương
4.4Tính toán thiết kế và chế tạo cánh ............................
4.4.1Các biên dạng cán
a. NACA 4 số ...........................................................
b. NACA 5 số ..........................................................
c. NACA 4/5 số ........................................................
d. NACA 1 số hoắc 16 số ........................................
e. NACA 6 số ...........................................................
f. NACA 7 số ...........................................................
g. NACA 8 số ..........................................................
4.2.2Một số biên dạng
4.5Tiêu chí thiết kế cánh ...............................................
4.5.1Hướng gió để tuab


4.5.2Số cánh hoạt động
4.5.3Hiệu suất ..............
4.5.4Độ bền của cánh ..
4.5.5Tốc độ gió khởi đơ

4.5.6Độ ồn khi hoạt độn
4.5.7Diện tích cần thiết
4.6Cơng thức tính tốn cánh tuabin ...............................
4.7Vật liệu chế tạo cánh tuabin .....................................
Chương 5. CHẾ TẠO THỰC NGHIỆM ........................................................... ..
5.1Kết cấu tuabin gió Gorlov ........................................
5.2Tính tốn thiết kế tuabin gió cơng suất nhỏ kiểu Qu
5.2.1Phần 1- tính tốn c
5.2.2Thiết kế phần 2 - k
5.2.3Thiết kế phần 3 – đ
5.3Mơ hình tổng thể tuabin gió cơng suất nhỏ kiểu Qui
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...............................................................................
TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................


DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 4.1: Bảng so sánh 2 phương án thiết kế tuabin.......................................................... 42
Bảng 4.2: Quan hệ độ cong (m) và vị trí độ cong (p) trên cánh NACA 5 số.............45
Bảng 4.3: Các hệ số ax và dx trên cánh NACA 4 và 5 số................................................... 46
Bảng 4.4: So sánh các bộ NACA thường dùng...................................................................... 48
Bảng 4.5: Bảng so sánh giữa các dạng cánh tuabin gió trục đứng................................. 51
Bảng 4.6: Các thông số kỹ thuật của một số vật liệu cánh tuabin.................................. 55
Bảng 5.1: Tọa độ biên dạng cánh NACA2412 nửa cánh bên trái................................... 64
Bảng 5.2: Tọa độ biên dạng cánh NACA2412 nửa cánh bên phải................................. 64
Bảng 5.3: Thông số kỹ thuật của tuabin gió............................................................................ 77

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Tuabin gió Darrieus ba cánh........................................................................................ 6
Hình 2.2: Chiều quay của roto tuabin Savonius........................................................ 7
Hình 2.3: Tuabin Giromill 2 cánh.................................................................................................. 8

Hình 2.4: Tuabin gió trục đứng Giromill (3 cánh, 200 kW, Falkenberg)........................ 9
Hình 2.5: Cycloturbine rotor............................................................................................................ 9
Hình 2.6: Tuabin gió Gorlov......................................................................................................... 10
Hình 2.7: Mơ hình Flap turbine................................................................................................... 11
Hình 2.8: Cơ cấu đón gió............................................................................................................... 12
Hình 2.9: Hiệu quả dịng khí......................................................................................................... 12
Hình 2.10: Hiệu quả vector dịng khí........................................................................................ 13
Hình 2.11: Cấu tạo của tuabin gió trục đứng.......................................................................... 14
Hình 2.12: Tuabin gió Gorlov (Quiet-Revolution)............................................................... 15
Hình 2.13: Nhà nghiên cứu năng lượng gió Nguyễn Phú Uynh và mơ hình.............17
Hình 2.14: Mơ hình nghiên cứu của Phùng Tấn Lộc.......................................................... 18
Hình 2.15: Mơ hình sơ đồ tuabin gió trục ngang.................................................................. 19
Hình 2.16: Tuabin gió đón bão.................................................................................................... 21
Hình 2.17: Tuabin kết hợp giữa gió và nước.......................................................................... 22
Hình 2.18: Tuabin gió trên khơng trung................................................................................... 23
Hình 2.19: Tuabin kết khơng cánh............................................................................................. 24
Hình 2.20: Tuabin gió kiểu phễu................................................................................................. 25


Hình 2.21: Tuabin gió thân thiện với chim trời..................................................................... 26
Hình 3.1: Khí động học cánh rotor............................................................................................. 27
Hình 3.2: Năng lượng gió qua tuabin gió................................................................................ 30
Hình 3.3: Biên dạng cánh loại NACA-04................................................................................ 31
Hình 3.4: Biểu đồ lực nâng và lực cản loại NACA 00XX................................................ 32
Hình 3.5: Mối quan hệ giữa tỉ số tốc độ gió đầu cánh λ và Cp........................................ 34
Hình 3.6: Phân tích lực động lực học cánh tuabin gió trục đứng................................... 34
Hình 3.7: Sự di chuyển luồng gió khi vào cánh tuabin...................................................... 35
Hình 3.8: Sơ đồ thay đổi góc cánh α theo λ và θ.................................................................. 36
Hình 3.9: Khí động học tác dụng lên 1 cánh tuabin............................................................. 37
Hình 4.1: Tuabin gió Gorlov theo chiều ngang được đặt trên đại lộ............................. 40

Hình 4.2: Tuabin Darrieus 2 cánh quạt..................................................................................... 41
Hình 4.3: Kết cấu hình học cánh NACA................................................................................. 43
Hình 4.4: Biên dạng cánh cong đối xứng................................................................................ 48
Hình 4.5: Biên dạng cánh cong khơng đối xứng................................................................... 48
Hình 4.6: Biên dạng cánh cung trịn.......................................................................................... 49
Hình 4.7: Biên dạng cánh tấm phẳng........................................................................................ 49
Hình 4.8: Sơ đồ biên dạng cánh NACA................................................................................... 52
Hình 4.9: Gió đi qua một tiết diện.............................................................................................. 52
Hình 4.10: Sợi thủy tinh................................................................................................................. 58
Hình 5.1: Mơ hình 3D thiết kế bằng SolidWorks 2016...................................................... 59
Hình 5.2: Gió đi qua tiết diện của tuabin gió......................................................................... 60
Hình 5.3: Hệ số tốc độ đầu cánh với Cp của một số lạo rotor......................................... 61
Hình 5.4: Biên dạng cánh NACA2412 khơng đối xứng.................................................... 62
Hình 5.5: Biên dạng cánh NACA 2412.................................................................................... 65
Hình 5.6: Cánh tuabin gió biên dạng NACA2412................................................................ 66
Hình 5.7: Bộ phận trục đỡ tuabin................................................................................................ 67
Hình 5.8: Nắp che trục.................................................................................................................... 68
Hình 5.9: Mặt bích trên................................................................................................................... 68
Hình 5.10: Mặt bích giữa................................................................................................................ 69
Hình 5.11: Mặt bích dưới............................................................................................................... 69
Hình 5.12: Ống đỡ chặn................................................................................................................. 70
Hình 5.13: Trục tuabin.................................................................................................................... 70
Hình 5.14: Bộ phận đế tuabin....................................................................................................... 71
Hình 5.15: Dy-na-mơ (động cơ).................................................................................................. 72
Hình 5.16: Khớp nối đàn hồi........................................................................................................ 72


Hình 5.17: Ống đỡ chặn................................................................................................................. 73
Hình 5.18: Ống đỡ lắp ổ lăn.......................................................................................................... 73
Hình 5.19: Mặt bích che trên........................................................................................................ 74

Hình 5.20: Mặt bích che giữa....................................................................................................... 74
Hình 5.21: Mặt bích che dưới....................................................................................................... 75
Hình 5.22: Thanh nối cánh............................................................................................................ 75
Hình 5.23: Thanh lục giác............................................................................................................. 76
Hình 5.24: Mơ hình tuabin gió cơng suất nhỏ kiểu Quiet-Revolution/GB.................77


Chương 1. MỞ ĐẦU
1.1 Đặt vấn đề
Ngoài năng lượng mặt trời, năng lượng gió là một năng lượng thiên nhiên mà loài
người đang chú trọng đến cho nhu cầu năng lượng trên thế giới trong tương lai. Hiện nay,
năng lượng gió đã mang đến nhiều hứa hẹn. Tuy nhiên nếu muốn đẩy mạnh nguồn năng
lượng này trong tương lai, chúng ta cần phải hồn chỉnh thêm cơng nghệ cũng như làm thế
nào để đạt được năng suất chuyển động năng của gió thành điện năng cao để từ đó có thể
hạ giá thành và cạnh tranh được với những nguồn năng lượng khác.
Bên cạnh đó nhu cầu sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là nguồn
năng lượng gió, để chuyển đổi thành năng lượng điện phục vụ cho nhu cầu điện sinh
hoạt ở các khu vực vùng sâu vùng xa, miền núi chưa có nguồn điện lưới quốc gia hiện
đang được quan tâm rộng rãi. Và ở các thành phố lớn việc nghiên cứu ứng dụng năng
lượng gió cũng đang được đầu tư để tăng tỉ lệ nguồn điện sạch góp phần bảo vệ mơi
trường. Tuy nhiên, ngồi các trạm phát điện gió cơng suất lớn có thể được lắp đặt ở
một số nơi xác định, việc ứng dụng năng lượng gió ở các thành phố lớn gặp phải một
khó khăn lớn là gió trong thành phố có vận tốc nhỏ. Do vậy, việc nghiên cứu, phát
triển các máy phát điện gió cơng suất nhỏ có thể hoạt động với vận tốc dưới 6 m/s là
chủ đề nóng trong những năm gần đây trên thế giới cũng như ở trong nước.
Các máy phát điện gió cơng suất nhỏ hiện nay đều có ở dạng trục ngang và trục
đứng. Xét theo các giới hạn như: diện tích khơng gian nhỏ, vận tốc gió tương đối thấp,
hướng gió khơng ổn định thì máy phát điện gió trục đứng phù hợp hơn vì có kết cấu đơn
giản, nhỏ gọn, dễ lắp ráp và sửa chữa cũng như lợi thế về giá thành. Về hiệu suất thì máy
phát điện gió trục ngang có cao hơn nhưng lại phụ thuộc lớn vào hướng gió và tốc độ gió.

Trong thành phố với nhiều nhà cao tầng, khoảng khơng gian chật hẹp, gió quẫn thì máy
phát điện gió cơng suất nhỏ dạng trục đứng là lựa chọn phù hợp. Vấn đề đặt ra là làm thế
nào để các máy phát điện này có hiệu suất cao hơn và hoạt động được ở vận tốc gió thấp.
Đã có nhiều giải pháp được đưa ra như tối ưu biên dạng cánh, sử dụng vật liệu nhẹ cho
cánh và các kết cấu liên quan, tăng số lượng cánh, tăng hiệu suất dynamo, sử dụng các ổ
trục có ma sát nhỏ, tự điều chỉnh cánh theo hướng gió,…. Trong các giải
pháp đã nêu, giải pháp tự điều chỉnh cánh theo hướng gió là một trong các giải pháp
cho hiệu suất phát điện lớn do giúp tuabin gió có mơmen lớn nên có thể hoạt động ở
vận tốc gió nhỏ.

1


1.2 Tính cấp thiết
Đất nước đang trên đà phát triển hòa nhập cùng các nước trong khu vực và vươn
lên trường 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 công nghiệp.
Để thực hiện mục tiêu “cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước” chúng ta cần
đảm bảo nguồn năng lượng phát triển công nghiệp, trong đó điện năng giữ vai trị
huyết mạch. Từ trước đến nay, nguồn điện năng mà chúng ta sử dụng chủ yếu được tạo
ra từ các nhà máy thủy điện, nhà máy nhiệt điện… Nhưng hiện nay, các nguồn tài
nguyên thiên nhiên tạo ra năng lượng truyền thống đó đang ngày càng cạn kiệt và ô
nhiễm môi trường đang trở thành vấn đề tồn cầu. u cầu cấp thiết cần tìm ra nguồn
năng lượng mới để khắc phục các vấn đề trên. Năng lượng gió là một trong những
nguồn năng lượng đáp ứng được yêu cầu cấp thiết đó.
Điện năng được tạo ra từ năng lượng gió thơng qua các máy phong điện. Nó có
những ưu điểm: tận dụng được nguồn năng lượng gió vơ tận, ổn định và khơng gây ô
nhiễm môi trường; 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 lượng gió để tạo ra điện năng đã được nhiều
nước quan tâm từ rất sớm. Đầu thế kỷ XIX đã có các nước sử dụng máy phong điện,
như: Đan Mạch, Đức, Hà Lan, Mỹ và gần đây có Australia, Trung Quốc, Nhật Bản…
Đối với Việt Nam, nước 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, nước 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 nước.
Theo kết quả khảo sát của Ngân hàng Thế giới trong chương trình đánh giá về
“Năng lượng gió châu Á” thì Việt Nam là một quốc gia có tiềm năng về năng lượng
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 công suất là 2400 MW điện, được xây dựng trong bảy năm với
tổng số vốn đầu tư là 2,4 tỷ USD. Giá thành khi phát điện (chưa tính đến chi phí mơi
trường) là 70USD/MWh. Như vậy, để có được 1kw công suất điện cần đầu tư 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 cơng nghệ.
2


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.
Như 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 thường là các hải đảo ngồi biển, vùng núi
cao biên giới…Điều này rất phù hợp cho việc giải quyết bài toán 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 nước ta hiện nay.
Từ các lý do trên, việc thực hiện đề tài “nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử

nghiệm tuabin gió cơng suất nhỏ kiểu Quiet-Revolution/GB” là rất cần thiết, góp
phần cho việc phát triển máy phong điện cung cấp điện năng ở nước ta hiện nay.
1.3 Ý nghĩa của đề tài
 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 ưu
nhất phù hợp với điều kiện Việt Nam.
 Ý nghĩa thực tiễn:
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 nhỏ 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 nước.
1.4 Mục tiêu nghiên cứu
Xây dựng hệ thống năng lượng gió nhằm khai thác năng lượng gió thơng qua
việc áp dụng các kiến thức đã học về cơ khí, điện tử và điều khiển, trên cơ sở tính
tốn, thiết kế tuabin gió cơng suất nhỏ, nhằm giảm bớt lượng điện tiêu thụ của hộ gia
đình từ lưới điện EVN.
1.5
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.5.1 Đối tượng nghiên cứu
 Hệ thống turbine gió kiểu trục đứng
 Kiểu cánh NACA
1.5.2 Phạm vi nghiên cứu
Thiết kế hệ thống có cơng suất đến 70W, 24V dùng cho hộ gia đình.
1.6 Phương pháp nghiên cứu
 Nghiên cứu lý thuyết điều tuabine gió từ sách và nguồn tài liệu trên internet.
Nắm được ứng dụng của tuabine gió để thiết kế chế tạo tuabine gió cơng suất nhỏ.
 Nghiên cứu q trình làm việc của tuabine gió.Trên cơ sở đó xây dựng các
yêu cầu cần thiết để thiết kế tuabine gió hồn chỉnh.
3

 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.

1.7 Kết cấu đồ án tốt nghiệp
 Chương 1: Mở đầu
Giới thiệu lý do chọn đề tài, tính cấp thiết, mục tiêu nghiên cứu và phương pháp
nghiên cứu để thực hiện đề tài.
 Chương 2: Tổng quan.
Đề cập đến các loại tuabin gió trục đứng cùng các nghiên cứu trong và ngồi
nước có liên quan. Trên cơ sở đó, phân tích tổng hợp để đi đến định hướng nghiên cứu.
 Chương 3: Cơ sở lý thuyết.
 Chương 4: Ý tưởng và phương pháp.
Trình bày các cơ sở lý thuyết liên quan đến tính tốn thiết kế trụ điện sử dụng
nguồn năng lượng điện gió, điện mặt trời. Một hệ thống các cơng thức cần sử dụng đã
được tổng hợp và trình bày phục vụ cho u cầu tính tốn của đề tài.
 Chương 5: Thử nghiệm-đánh giá

4


CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN
2.1

Tuabin gió trục đứng
2.1.1 Khái niệm
Tuabin gió trục đứng (VAWT) 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 và VAWT khơng bị phụ thuộc
vào hướng gió.
Các thiết kế ban đầu (Savonius, Darrieus và Giromill) vẫn cịn có những mặt hạn
chế là có thể tạo ra các mơ-men 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 tuabin nước của Gorlov.
So với các tuabin gió trục ngang truyền thống (HAWT) thì VAWT cũng đã có
một số ưu điểm trội hơn:
 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 khơng 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 khơng trung nên buộc các nhà thiết kế phải
đặt tách biệt chúng bằng mười lần chiều rộng của chúng.
 VAWT cứng vững hơn, không gây ồn, đa hướng, và chúng không gây nên ứng

suất lớn cho kết cấu giá đỡ.
 Do bộ phận phát điện có thể đặt gần mặt đất nên việc bảo dưỡng dễ dàng và
việc khởi động không cần phải có lượng gió lớn nên có thể được đặt trên ống
khói hoặc các cấu trúc cao tầng tương tự.
 VAWT có xu hướng bị ngừng làm việc theo từng cơn gió
 VAWT có kết cấu bên ngồi rất nhạy cảm và có một chiều cao lắp đặt với giới

hạn thấp để có thể vận hành trong mơi trường có tốc độ gió thấp hơn.
 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 sớm
bị cong khi chúng quay trong gió. Điều này khiến các cánh dễ bị uốn cong và
nứt. Theo thời gian các cánh có thể bị vỡ và đôi khi dẫn đến sự phá hủy
nghiêm trọng. Vì những tồn tại này mà tuabin gió trục đứng cho thấy độ tin

cậy ít hơn tuabin gió trục ngang.

5


Mặc dù vẫn còn những tồn tại nhưng so sánh trên nhiều phương diện thì các tuabin
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 VAWT có thể
làm việc được theo đa hướng gió và sao cho chúng đón được gió nhiều nhất ở phía thuận
và cản gió ít nhất ở phía nghịch nhằm nâng cao hiệu suất phát điện.
2.1.2 Phân loại
Tuabin gió trục đứng loại điển nhình như sau:
a. Tuabin Darrieus
Tuabin 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 Jean Marie
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 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.

Hình 2.1 Tuabin gió Darrieus ba cánh [1]
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 công suất lớn hoặc trung bình.Tuy nhiên nó lại có nhược điểm là khơng thể tự khởi
động được mà cần phải có một nguồn năng lượng cung cấp ngoài.

6


b. Tuabin Savonius
Tuabin 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 2.2 Chiều quay của roto Tuabin Savonius [2]
Ưu điểm lớn nhất của loại tuabin này là sự đơn giản, độ tin cậy cũng cao dù tốc
độ gió thấp vì mơ-men xoắn là rất lớn. Tuy nhiên mơ-men xoắn khơng phải là hằng số,
do đó đã có một số cải tiến với hình dạng xoắn ốc được đưa vào sử dụng.
c. Tuabin Giromill
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.

7


Hình 2.3 Tuabin Giromill 2 cánh [3]
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.

8