BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CƠ KHÍ

BÙI VĂN HIỀN
CK51 – CTM

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
THIẾT KẾ KỸ THUẬT TUABIN GIÓ CÔNG
SUẤT 500W ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
CHUYÊN NGÀNH: CHẾ TẠO MÁY

NHA TRANG s– 07/2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CƠ KHÍ Kết luận:

Nha Trang, ngàytháng năm 2013
CÁN Bộ HƯớNG DẫN TS :

ĐIỂM CHUNG
Bằng số

Bằng chữii

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
Họ, tên sinh viên: Lớp: 51CT
Chuyên ngành: MSSV: 51131914
Tên đề tài:“ Thiết kế tuabin gió công suất 500W”.
Số trang: 89 Số chương: 4 Số tài kiệu tham khảo: 16
Hiện vật:
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

LỜI CẢM ƠN ix

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 3

1.1 Tổng quan 3

1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển của tuabine gió 3

1.1.2 Giới thiệu về tuabine gió 5

1.1.3 Đặc điểm chung của máy phát điện chạy bằng sức gió 7

1.1.4 Những lợi ích khi sử dụng gió để sản xuất điện (điện gió) 8

1.1.5 Gió và năng lượng gió. 10

1.2 Đối tượng, phạm vi và mục tiêu nghiên cứu của đề tài 12

1.2.1 Đối tượng nghiên cứu: Tuabine sử dụng năng lượng gió 12

1.2.2 Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu thiết kế tuabine gió trục sử dụng để
phát điện. 12

1.2.3 Mục tiêu nghiên cứu: 13

1.2.4 Phương hướng tiếp cận: 13

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA TUABINE GIÓ
TRỤC NGANG 14

3.7.2 Dựng cánh Tuabine: 28

3.7.3 Các bước cụ thể ta làm như sau 28

CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KẾT CÁC BỘ PHẬN CƠ BẢN
CỦA TUABINE 39

4.1 Hộp số 39

4.2 Tháp 40

4.2.1 Cột tháp dạng khung giàn 40

4.2.2 Cột thép hình ống 41

4.2.3 Cột tháp dạng dây nối đất 41

4.2.4 Gió, bản thân Trọng lượng và tải trọng cơ cấu bên trong 43

4.3 Tính toán và lựa chọn máy phát điện. 44

4.4 Tính toán số lượng bình acquy lưu trữ điện 46

4.5 Lựa chọn bộ điều khiển nạp sạc 47

CHƯƠNG 5 TÍNH GIÁ THÀNH CỦA SẢN PHẨM 48

5.1 Tổng giá thành sản phẩm. 48

5.1.1 Tháp tuabine 48
vi DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1 Hệ số λ 21

Bảng 3.2 Kết quả tính toán dây cung cánh 24

Bảng 3.3 Kết quả tính góc tấn 26

Bảng 3.4 kết quả tính toán 27
vii

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1 Mô hình cánh gió tại Trung Mỹ, cuối TK 19 3

Hình 1.2 Mô hình cối xay gió xuất hiện sau TK 13 4

Hình 1.3 Chiếc máy bơm nước chạy bằng sức gió, phía Tây nước Mỹ những
năm 1800 4

Hình 1.4 Máy phát điện sức gió do Charles F.Brush chế tạo 5

Hình 1.5 cấu tạo tuabine gió trục ngang 6



Hình 3.11 Tạo các mặp phẳng 31

Hình 3.12 31

Hình 3.13 Chọn mặt phẳng 32

Hình 3.14 Chọn file naca 32

Hình 3.15 Chọn naca 33

Hình 3.16 Nhập kích thước 34

Hình 3.17 Kết quả sau khi nhập kích thước 34

Hình 3.18 Kết quả sau khi nhập hoàn thành 35

Hình 3.19 Tạo đương dẩn 36

Hình 3.20 Chọn Smooth 36

Hình 3.21 Tạo đường dẩn 37

Hình 3.22 Chọn ok 38

Hình 3.23 Kết quả sau khi vẽ 38

Hình 4.1 Sắp xếp thiết bị của một tuabine gió 39

Hình 4.2 Đường cong công suất của một tuabine gió điển hình 40

 C
d
: Lực đẩy
 N: Số cánh
 C: Chiều dài dây cung
 : Góc đặt cánh
 V: Tiền vật liệu
 P: Tiền lương cho công nhân
 K: Khấu hao tài sản cố định
 H: Chi phí cho quản lý
 T: Thời gian gia công
 T
0
: Thời gian gia công cơ bản
 T
p
: Thời gian phụ
 T
pv
: Thời gian phục vụ kỹ thuật
 T
nn
: Thời gian nghỉ ngơi theo nhu cầu cần thiết của công nhân x


trong bộ môn.
Đề tài “Nghiên cứu thiết kế tuabine gió trục ngang công suất 500w”
Nội dung đề tài của em gồm có 5 chương:
- Chương 1: Mở đầu.
- Chương 2: Tính toán khí động học tuabine gió trục ngang
- Chương 3: Thiết kế kế cánh tuabine gió công suất 500W và xây dựng cánh
tuabine bằng phần mềm Pro/Engineer 5.0
- Chương 4: Tính toán các bộ phận khác của tuabine
- Chương 5: Hạch toán giá thành sản phẩm
Làm đề tài TN đã giúp em củng cố thêm kiến thức đã được học và học hỏi
được nhiều kiến thức mới. Với sự hướng dẫn tận tình của T.S.Đặng Xuân Phương
nay em đã hoàn thành đề tài của mình.
Em xin chân thành cảm ơn T.S Đặng Xuân Phương, các quý Thầy trong bộ
môn chế tạo máy và các bạn đã giúp em hoàn thành đề tài này.
2

Nha Trang, tháng 06 năm 2013
Sinh viên thực hiện
3

CHƯƠNG 1
MỞ ĐẦU
1.1 Tổng quan
1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển của tuabine gió
Vào cuối những năm 1970, cuộc khủng hoảng về dầu mỏ đã buộc con người
phải tìm các nguồn năng lượng mới thay thế, một trong số đó là năng lượng gió.
Những năm về sau, rất nhiều các chương trình nghiên cứu và phát triển năng lượng
gió được thực hiện với nguồn tài trợ từ các Chính phủ, bên cạnh các dự án nghiên
cứu do các cá nhân, tổ chức tự đứng ra thực hiện.
Lịch sử phát triển của thế giới loài người đã chứng kiến những ứng dụng của

tiên, và đặt tại Cleveland, Ohio. Nó có đặc điểm:
 Cánh được ghép thành xuyến tròn, đƣờng kính vòng ngoài 17m;
5

 Sử dụng hộp số (tỉ số truyền 50:1) ghép giữa cánh tuabine với trục máy
phát;
 Tốc độ định mức của máy phát là 500 vòng/phút;
 Công suất phát định mức là 12kW.

Hình 1.4 Máy phát điện sức gió do Charles F.Brush chế tạo
Trong những năm tiếp sau, một số mẫu thiết kế khác đã được thực hiện tuy
nhiên vẫn không đem lại bước đột phát đáng kể.Ví dụ mẫu thiết kế của Dane Poul
La Cour năm 1891. Cho đến đầu những năm 1910, đã có nhiều máy phát điện chạy
bằng sức gió công suất 25kW được lắp đặt tại Đan Mạch nhưng giá thành điện năng
do chúng sản xuất ra không cạnh tranh được với giá thành của các nhà máy nhiệt
điện sử dụng nhiên liệu hoá thạch. Mặc dù gặp khó khăn do không có thị trường,
những thế hệ máy phát điện chạy bằng sức gió vẫn tiếp tục được thiết kế và lắp đặt.
1.1.2 Giới thiệu về tuabine gió
Tuabine gió là thiết bị biến đổi động năng của gió thành cơ năng, từ cơ năng
có thể biến đổi thành điện năng nhờ máy phát điện- Máy phát điện dùng sức gió.

Hình
Về cơ b
ản có thể chia loại tubin gió
t
ạo hoạt động, theo công suất hay theo số cánh
gió theo 2 loại cơ b
ản sau đây
Tuabine gió tr
ục ngang (HAWT).
Hình 1.6- tuabine gió trục ngang
ại tubin gió phổ biến tr
ên thị trường.
t phát đi
ện từ vài trăm W đến vài MW.
c gió ho
ạt động từ 4m/s-25m/s.
t ch
ống tubin 6m ( loại công suất nhỏ
) 120m (lo
t 2
– 3 cánh quạt.
Bán kính cánh qu
ạt từ 3m – 45m.
vòng quay
cánh quạt 20 – 40vòng/phút.
ột số đặc điểm của tubin gió trục ngang
:

ức khác nhau
: theo cấu
ên có th
ể chia tubine
à tubine gió tr
ục đứng.
) 120m (lo
ại công suất


ệ
hoạt động ở
cùng 1 v
1.1.3 Đ
ặc điểm chung của máy phát điện chạy bằng sức gió
Các máy phát đi
ện sử dụng sức gió
Âu, Mỹ và các nư
ớc công nghiệp phát triển khác.N
v
ề công nghệ điện sử dụng sức gió (điện gió).
7
i tubin gió có hi
ệu suất cao nhất;
i nhi
ều vận tốc gió khác nhau;
ng và kích thư
ớc lớn nên đòi hỏi chỉ số
an toàn cao;
ố
ng điều chỉnh hướng để đón gió xong vẫ
n gi
t đinh nên ch
ỉ thích hợp cho nhưng nơi có vận tố
c gió
ục đứng (VAWTS)Hình 1.7Turbine gió trục đứng
ại tubin mới phát triển trong thời

ề công nghệ điện sử dụng sức gió (điện gió).

an toàn cao;

n gi
ới hạn ở 1 góc
c gió
ổn định.
ố
c dòng khí nên
y không
ổn định.
i tubin tr
ục ngang khi
ử dụng nhiều ở các n
ước châu
ớc Đức đang dẫn đầu thế giới
8

Tới nay đa số vẫn là các máy phát điện tuabine gió trục ngang, gồm một máy
phát điện có trục quay nằm ngang, với rotor (phần quay) ở giữa, liên hệ với một
tuabine 3 cánh đón gió.Máy phát điện được đặt trên một tháp cao hình côn.Trạm
phát điện kiểu này mang dáng dấp những cối xay gió ở châu Âu từ những thế kỷ
trước, nhưng rất thanh nhã và hiện đại.
Các máy phát điện tuabine gió trục đứng gồm một máy phát điện có trục quay
thẳng đứng, rotor nằm ngoài được nối với các cánh đón gió đặt thẳng đứng. Loại
này có thể hoạt động bình đẳng với mọi hướng gió nên hiệu qủa cao hơn, lại có cấu
tạo đơn giản, các bộ phận đều có kích thước không quá lớn nên vận chuyển và lắp
ráp dễ dàng, độ bền cao, duy tu bảo dưỡng đơn giản. Loại này mới xuất hiện từ vài
năm gần đây nhưng đã đƣợc nhiều nơi quan tâm và sử dụng.

vì bờ biển thường có gió mạnh. Giải pháp này tiết kiệm đất xây dựng,
đồng thời việc vận chuyển các cấu kiện lớn trên biển cũng thuận lợi hơn
trên bộ.
 Những mỏm núi, những đồi hoang không sử dụng được cho công nghiệp,
nông nghiệp cũng có thể đặt được trạm phong điện. Trường hợp này
không cần làm trụ đỡ cao, tiết kiệm đáng kể chi phí xây dựng.
 Trên mái nhà cao tầng cũng có thể đặt trạm điện gió, dùng cho các
nhu cầu trong nhà và cung cấp điện cho thành phố khi không dùng hết
điện. Trạm điện này càng có ý nghĩa thiết thực khi thành phố bất ngờ bị
mất điện.
 Ngay tại các khu chế xuất cũng có thể đặt các trạm điện gió. Nếu tận
dụng không gian phía trên các nhà xưởng để đặt các trạm điện gió thì sẽ
giảm tới mức thấp nhất diện tích đất xây dựng và chi phí làm đường dây
điện.
 Đặt một trạm điện gió bên cạnh các trạm bơm thủy lợi ở xa lưới điện
quốc gia sẽ tránh được việc xây dựng đường dây tải điện với chi phí lớn
gấp nhiều lần chi phí xây dựng một trạm điện gió. Việc bảo quản một
trạm điện gió cũng đơn giản hơn việc bảo vệ đường dây tải điện rất
nhiều.
 Một trạm điện gió 4 kW có thể đủ điện cho một trạm kiểm lâm trong
rừng sâu hoặc một ngọn hải đăng xa đất liền. Một trạm 10 kW đủ cho
một đồn biên phòng trên núi cao, hoặc một đơn vị hải quân nơi đảo xa.
10

Một trạm 40 kW có thể đủ cho một xã vùng cao, một đoàn thăm dò địa
chất hay một khách sạn du lịch biệt lập, nơi đường dây chưa thể vươn tới
được. Một nông trường cà phê hay cao su trên cao nguyên có thể xây
dựng trạm điện gió hàng trăm hoặc hàng ngàn kW, vừa phục vụ đời
sống công nhân, vừa cung cấp nước tưới và dùng cho xưởng chế biến
sản phẩm

Trong đó: P là năng lượng hấp thu, C
p
là hệ số biến đổi năng lượng (nó là một
11

hàm của tỉ số tốc độ đầu cánh và góc cánh ), là mật độ không khí, A
t
là diện
tích mặt cắt của tuabine gió, v là vận tốc gió. Theo lý thuyết thì giá tri lớn nhất của
Cp là 16/270,5926 và nó được gọi là giới hạn Betz. Năng lượng trong gió tỉ lệ với
lập phương của vận tốc gió, do đó nếu tốc độ gió tăng thì năng lượng tăng lên rất
nhiều. Vì vậy giá trị năng lƣợng của tuabine thay đổi rất lớn.Điều này có thể thấy
được trong hình 3.1, hình vẽ biểu diễn sự biến thiên của tốc độ gió và năng lượng
gió trong khoảng thời gian ngắn của những cơn gió giật.từ hình vẽ ta thấy sự biến
thiên của năng lượng gió lớn hơn nhiều so với sự biến thiên của tốc độ gió.
Hệ số biến đổi năng lượng C
p
trong công thức 1.1 là một hàm của tỉ số tốc độ
đầu cánh , nó là tỉ số giữa tốc độ đầu cánh của tuabine gió và tốc độ gió.
V
R
m 0



1.2
Trong đó: 
m
là tốc độ quay của tuabine, R
0

1.2 Đối tượng, phạm vi và mục tiêu nghiên cứu của đề tài
1.2.1 Đối tượng nghiên cứu: Tuabine sử dụng năng lượng gió
1.2.2 Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu thiết kế tuabine gió trục sử dụng để phát
13

điện.
1.2.3 Mục tiêu nghiên cứu:
Thiết kế, chế tạo tuabine gió trục ngang nhằm đáp ứng nhu cầu dung điện
sạch cho hộ gia đình.
1.2.4 Phương hướng tiếp cận:
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 công suất nhỏ .
Nghiên cứu quá trình làm việc của tuabine gió.Trên cơ sở đó xây dựng các yêu
cầu cần thiết để thiết kế tuabine gió hoàn chỉnh.