Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ CẤU
DẪN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN GÓC CÁNH TURBINE
GIÓ KIỂU TRỤC ĐỨNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN
CÔNG SUẤT 10KW

GIANG NGỌC THANH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Thái Nguyên, 2010
HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. Nguyễn Đăng Hòe
HỌC VIÊN



Thái Nguyên, ngày 03 tháng 11 năm 2010
Tác giả
Giang Ngọc Thanh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường Đại học Kỹ thuật
Công nghiệp Thái Nguyên, tác giả xin được bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc nhất tới thầy
giáo hướng dẫn khoa học PGS. TS Nguyễn Đăng Hoè - Phó hiệu trưởng trường Đại
học kỹ thuật công nghiêp - Đại học Thái Nguyên đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ và tạo
điều kiện để tôi thực hiện hoàn chỉnh luận văn tốt nghiệp.
Cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đai học
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 2
Chƣơng 1. GIỚI THIỆU 4
1.1. Đặt vấn đề 4
1.2. Giới thiệu về việc sử dụng năng lượng gió - turbine gió 5
1.3. Tính cấp thiết của đề tài 10
1.4. Mục tiêu và ý nghĩa nghiên cứu 11
1.5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 11
1.6. Các kết quả chính 12
1.7. Cấu trúc luận văn 12
Chƣơng 2.CÁC VẤN ĐỀ CƠ SỞ 14
2.1. Cơ sở tính toán lực khí động 14
2.1.1. Lý thuyết Albert Betz 14
2.1.2. Mô hình toán lực khí động trên cánh turbine 16
2.2. Một số dạng kết cấu VAWTs điển hình 19
2.2.1. Kiểu VAWT cánh cố định 19
2.3. Phân tích kết cấu Novel VAWT có khả năng điều chỉnh góc hứng gió 26
2.3.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của kết cấu 26
2.4. Đề xuất kết cấu VAWT mới khả điều chỉnh góc hứng gió của cánh 29
CHƢƠNG 3. ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC MÔ HÌNH VAWT MỚI 32
3.1. Nguyên lý hoạt động của turbine. 32
3.2. Phân tích lực khí động 32
3.3. Kết luận chương 3. 41
Chƣơng 4. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CƠ CẤU DẪN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN
GÓC CÁNH TURBINE 43
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

- 1 -
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

HAWTs
hệ turbine gió kiểu trục ngang.
VAWTs
hệ turbine gió kiểu trục đứng.
U
Vận tốc thực của gió (m).

Trọng lượng riêng của không khí (kg/m
3
).
b
Chiều rộng cánh turbine (m).
h
Chiều cao cánh turbine (m).
r
Bán kính Rotor (m).
P
Công suất (W).
M
Mômen (Nm).
C


Hệ số nâng.
C
d

Hệ số mômen.
n
Số vòng quay (vòng/giây) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 2 - DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1
Cấu tạo bộ dẫn động cơ khí của turbine gió trục ngang
Hình 1.2
Hình ảnh vận chuyển cánh turbine gió trục ngang ở nước Anh.
Hình 1.3
Hệ thống turbine gió trục đứng có biên dạng cánh phức tạp
Hình 2.1
Khí động học cánh Rotor
Hình 2.2
Lực khí động học cánh turbine
Hình 2.3
Turbine kiểu dạng chén
Hình 2.4
Turbine kiểu Darrieus và các dạng cải tiến của nó
Hình 2.5
Lực khí động học trên phần tử cánh Turbine Darrieus/H.rotor

và
d
F

tác dụng lên cánh
Hình 3.4
Các thành phần lực tiếp tuyến và pháp tuyến ở nửa bên phải.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 3 -
Hình 3.5
Lực tác dụng lên rotor tại vị trí 1.
Hình 3.6
Lực tác dụng lên rotor tại vị trí 2.
Hình 3.7
Lực tác dụng lên rotor tại vị trí 3.
Hình 3.8
Lực tác dụng lên rotor tại vị trí 4.
Hình 3.9
Quan hệ giữ a C
m
, C
l
, và góc tới của cánh NACA 0010-65
Hình 4.1
Vị trí cánh trong chu kỳ sinh công của turbine
Hình 4.2

Chi tiết số 3
Hình 4.18
Chi tiết số 18
Hình 4.19
Cụm chi tiết số 19
Hình 4.20
Các chi tiết thuộc cụm chi tiết số 19
Hình 4.21
Hình ảnh mô phỏng cơ cấu điều khiển 5 cánh turbine.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 4 - Chƣơng 1
GIỚI THIỆU

1.1. Đặt vấn đề
Hiện nay, trong số các nguồn năng lượng mới, năng lượng bằng sức gió
phát triển nhanh nhất trên thế giới vì nguyên liệu dồi dào, rẻ tiền, dễ áp dụng,
sạch và không làm hại môi trường. Các máy phát điện lợi dụng sức gió (trạm
phong điện) đã được sử dụng nhiều ở các nước châu Âu, Mỹ và các nước công

Trang trại gió lớn nhất thế giới là Horse Hollow Trung tâm Năng lượng gió, tại
Texas, với 421 turbine gió có khả năng cung cấp điện cho 220.000 hộ gia đình /
năm. Ngày nay, năng lượng gió là một nguồn năng lượng hấp dẫn, thay thế cho
nhiên liệu hóa thạch, vì nó rất phong phú, có thể tái tạo, phân phối rộng rãi, sạch
sẽ và sản xuất không thải khí nhà kính. Tính đến năm 2009, tỷ lệ phần trăm điện
mà có nguồn gốc từ năng lượng gió là 19% ở Đan Mạch, 13% ở Tây Ba Nha và
Bồ Đào Nha, 7% ở Đức và Ireland.
Hiện nay, năng lượng gió chủ yếu là chuyển đổi thành điện năng bằng
cách triển khai turbine gió. Có nhiều turbine gió với những công suất khác nhau
từ khoảng 1kW đến hàng MW. Chúng có thể phát điện khi tốc độ gió đạt 2,8m/s
và tự ngưng phát điện khi tốc độ gió vượt quá 25m/s, và hoạt động hiệu quả
trong tốc độ gió từ 10m/s đến 17m/s. Turbine gió được chia thành hai loại: một
loại trục đứng giống như máy bay trực thăng (vertical axis wind turbines -
VAWTs) và một loại trục ngang (horizontal axis wind turbines - HAWTs).
Turbine gió trục ngang là loại phổ biến hơn, thường có 2 hay 3 cánh
quạt. Ngày nay turbine gió trục ngang 3 cánh quạt được sử dụng rộng rãi.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 6 -
Turbine gió ngang có một trục rôto chính và máy phát điện ở phía trên tháp, hoạt
động theo chiều gió với bề mặt cánh quạt hướng về chiều gió đang thổi nhờ một
van gió, chúng rất lý tưởng cho những nơi hướng gió thay đổi thường xuyên.
Không giống như turbine dọc, turbine gió dạng trục ngang hoạt động đúng
hướng gió, và cánh turbine dao luôn luôn di chuyển vuông góc với gió, năng
lượng nhận được thông qua toàn bộ luân chuyển. Do khả năng đa chiều, turbine
gió trục ngang có thể chuyển đổi thành năng lượng gió nhiều hơn cho hiệu quả
cao hơn và sản lượng điện tốt hơn turbine gió trục dọc. Hơn nữa, các cơ sở tháp

 Để giảm thiểu sự mỏi do nhiễu loạn không khí, turbine gió thường được
định vị cách nhau một khoảng bằng 5 lần đường kính rôto, nhưng khoảng cách
phụ thuộc vào nhà sản xuất và mô hình động cơ turbine.
Mặc dù ít phổ biến hơn nhưng turbine gió dạng trục dọc vẫn luôn được
quan tâm và có liên tục có những thiết kế, mô hình mới. Các thiết kế cho turbine
gió trục đứng hiện nay có nguồn gốc chủ yếu từ các nhà phát minh mang tính cá
nhân. VAWTs có rôto trục chính được bố trí theo chiều dọc, lợi thế chính của sự
sắp xếp này là turbine không phải xoay cả hệ thống theo phương gió. Ưu điểm
của VAWTs là máy phát điện và hộp số của nó có thể được đặt gần mặt đất, làm
cho việc bảo trì được dễ dàng hơn và giảm chi phí xây dựng ban đầu. VAWTs
nằm gần mặt đất có thể tận dụng lợi thế ở những đỉnh núi bằng phẳng, ngọn đồi,
qua kênh gió và tốc độ gió tăng lên. Hơn nữa, VAWTs có thể được xây dựng tại
địa điểm mà các cấu trúc cao đều bị cấm. VAWTs có tốc độ gió khởi động thấp
hơn HAWTs. Thông thường, chúng bắt đầu tạo ra điện ở tốc độ gió 6 mph
(2,8m/s). Hình 1.3. Hệ thống turbine gió trục đứng có biên dạng cánh phức tạp
Trái ngược với HAWTs, VAWTs có những nhược điểm sau đây:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 9 -
 Tốc độ gió là chậm ở độ cao thấp hơn, năng lượng gió vì vậy ít có sẵn
cho một turbine kích thước nhất định. Và luồng không khí gần mặt đất có các cơ
sở hạ tầng, cây cối,…tạo ra dòng chảy hỗn loạn. Tuy nhiên, khi một động cơ
turbine được đặt trên một nóc nhà có thể tăng gấp đôi tốc độ turbine. Nếu chiều
cao của tháp được đặt trên tầng thượng của turbine là khoảng 50% chiều cao xây

được điều khiển chủ động nhằm đạt hiệu quả tối đa ở hành trình hứng gió và cản
tối thiểu ở hành trình cản gió còn rất hạn chế .
Các nghiên cứu trong nước về hệ thống turbine gió nói riêng và phong
điện nói chung còn đặc biệt ít. Nhóm nghiên cứu của GS-TSKH Nguyễn Phùng
Quang [4] đã tập trung vào vấn đề xây dựng các bộ điều khiển: bộ điều khiển
nạp bank accu, bộ điều khiển công suất phát, bộ nghịch lưu và tích hợp với hệ
thống turbine gió và máy phát nhập ngoại; Một số nghiên cứu tập trung theo
hướng điều khiển máy phát điện (phần phát) chạy bằng sức gió; Luận văn Thạc
sỹ của Chu Đức Quyết [2], ở đề tài này đã tính toán thiết kế các vị trí, số cánh,
kích thước hệ thống cánh phẳng cho máy phong điện kiểu trục đứng.
1.3. Tính cấp thiết của đề tài
Việt Nam có diện tích bờ biển dài với nguồn gió phong phú và ổn định,
tốt cho các máy phong điện hoạt động và phát triển. Những địa điểm có tiềm
năng phát triển phong điện bao gồm vùng ven biển, hải đảo, vùng núi cao biên
giới. Đặc biệt là địa bàn các tỉnh Quảng trị, Bình định, vv… 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 trạm phát điện diezen
đang hoạt động ở những khu vực này hiện nay.
So sánh giữa hai hệ thống phong điện kiểu trục ngang và trục đứng cho
thấy: Về lý thuyết, hệ thống trục đứng có những ưu điểm nổi trội so với hệ thống
trục ngang: Có thể hoạt động ở tốc độ gió thấp, do đó độ cao của tháp thấp hơn,
độ an toàn trong bão cao hơn; hiệu suất chuyển đổi công suất gió/cơ học cao hơn
(tới 50%), do đó chi phí sản xuất, tiêu hao vật tư và chi phí đầu tư thấp hơn; khả
năng công nghệ tốt hơn. Tuy nhiên, để phát huy được những ưu điểm trên, đặc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 11 -


- 12 -
Đối tượng đề tài nghiên cứu là cơ cấu dẫn động điều khiển góc cánh
turbine gió kiểu trục đứng cho máy phát điện bằng sức gió công suất 10kW.
b. Phạm vi nghiên cứu
Cơ cấu điều khiển/dẫn động cánh turbine trong mô hình VAWT có khả
năng điều chỉnh góc hứng gió, áp dụng cho các VAWT công suất nhỏ đến
10KW.
1.6. Các kết quả chính
- Luận văn đã đề xuất được mô hình VAWT mới có khả năng điều chỉnh
góc hứng gió các cánh turbine. Mô hình này có kết cấu hệ thống điều khiển/dẫn
động cánh hoàn toàn bằng các cơ cấu cơ khí đơn giản, đạt hiệu suất chuyển đổi
năng lượng gió/công suất cơ cao.
- Đã thiết kế chi tiết hệ thống cơ cấu điều khiển/dẫn động cánh turbine cho
mô hình VAWT đã đề xuất.
- Mô phỏng nguyên lý hoạt động của cơ cấu nói riêng và mô hình VAWT
mới nói chung.
1.7. Cấu trúc luận văn
Luận văn được trình bày trong 4 chương với các nội dung chính như sau:
Chương 1. Trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
liên quan đến nội dung của đề tài. Trên cơ sở đó xác định nhiệm vụ nghiên cứu,
mục tiêu nghiên cứu của luận văn.
Chương 2. Phân tích một số kết cấu VAWT có khả năng điều chỉnh góc hứng
gió đã được nghiên cứu trên thế giới, từ đó đề xuất phương án thiết kế của luận
văn dựa trên một số cải tiến phù hợp. Đồng thời cũng trình bày những cơ sở lý
thuyết về lực khí động phục vụ cho việc tính toán, thiết kế và kiểm nghiệm đặc
tính khí động học cho hệ thống VAWT đề xuất.

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


mayơ và có số cánh vô tận và không tạo ra lực cản tới sự di chuyển của gió khi
đi qua nó.
Vậy, đây là một máy biến đổi năng lượng sạch. Ngoài ra, các điều kiện trên
tổng diện tích quét bởi rotor giả thiết là không đổi và tốc độ của gió đi qua rotor
đều làm cho trục quay.
Rotor gió lý tưởng ta cần chú ý đến một số yêu tố, như: trục, cánh turbine,
bộ phận cột đỡ,các cơ cấu khác, bố trí địa điểm trong môi trường lưu động.
Xét khí động học tác động lên cánh rotor như hình vẽ sau:


S1
V
S
C
D
V1
S2
V2

Hình 2.1. Khí động học cánh Rotor

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 15 - Trong đó:
V - là vận tốc gió thực tế di chuyển qua rotor và giả thiết gió đều tới diện

1
= SV = S
2
V
2
(2.1)
Lực của cơn gió tác dụng lên rotor, theo định lý Euler‟s là như nhau:
F =

SV(V
1
– V
2
) (2.2)
Công suất đạt được là:
P = FV =

SV
2
(V
1
– V
2
) (2.3)
Như vậy thấy rằng, công suất có được từ động năng. Sự biến thiên của động
năng từ đầu cơn gió đến cuối cơn gió có giá trị:

)(
2
1

2
2
1
VVSVF 

(2.6)

))((
4
1
21
2
2
2
1
VVVVSP 

(2.7)
Vận tốc gió ở phía trước rotor là V
1
, ta có thể nghiên cứu sự biến thiên của công
suất P theo hàm của V
2

Vi phân ta có:
)32(
4
1
2
221

SVP


(2.9)
Trong đó  là trọng lượng riêng của không khí, ta thay  = 1.25 kg/m
3

3
1
3
1max
37,0
27
8
SVSVP 

(2.10)
2.1.2. Mô hình toán lực kh động trên cánh turbine
a. Sơ đồ hóa lực khí động tác dụng trên cánh turbine
Khi rotor quay một chu trình (một vòng quay) thì mỗi cánh chuyển động
qua hai giai đoạn là: giai đoạn (hành trình) sinh công và hành trình cản công. Do
đó, cần khảo sát lực khí động tác dụng lên cánh turbine tại vị trí bất kỳ ứng với
hành trình sinh công và hành trình cản như hình 2.2.
Trong đó: θ - Góc hướng tâm; β - Góc đặt cánh và i - Góc tới theo phương gió.
Quan hệ các góc:
0
90

i
(2.11)

B



(2.13)
Trong đó:
V[mph] - Vận tốc gió;
F[lbf] - Lực tác động lên cánh turbine;
ρ[lbm/ft
3
] - Mật độ không khí;
S[ft
2
] - Diện tích bề mặt cản gió;
C
1
- Hệ số lực cản gió mặt hứng gió của cánh;


C
p
là hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió/cơ học, (Cp: 0,25÷0.59).
ρ - Mật độ không khí.
P - Công suất tính toán của rotor, với quan hệ công suất máy phát và công
suất tính toán của rotor: Pe = 0,8P.
V - Vận tốc gió.
S - Diện tích quét gió của VAWT (S=D.h). Để cánh turbine đạt hiệu quả về
diện quét gió lớn, chọn D = h.
Chiều rộng cánh turbine được xác định dựa trên thông số đường kính rotor
và số cánh turbine, theo yêu cầu tránh hiện tượng cản gió giữa các cánh.
Với turbine 5 cánh, chọn b = 0,15D [1].
Mômen quay rotor tức thời có thể được xem là giá trị mô men quay trung
bình của rotor ở một số trạng thái đại diện. Giá trị mô men tại các trạng thái này
được xác định bằng cách tính toán lực khí động trên mỗi cánh turbine ở vị trí
tương ứng, với góc đặt cánh hiệu quả β = 30
0
. Theo đó, giá trị mô men quay của
rotor được xác định theo biểu các thức sau:
Mô men phát sinh trên mỗi cánh thuộc hành trình sinh công:
])()cos([.
2
2
2
1
RCVCRkM



(2.15)

2.2. Một số dạng kết cấu VAWTs điển hình
2.2.1. Kiểu VAWT cánh cố định
Bộ phận chính của một turbine gió là cánh. Khả năng quay của cánh là một
nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất turbine gió. Dẫn đến việc phải
nghiên cứu hình dạng, kích thước cánh tối ưu hay thiết kế khí động học hình
dạng cánh. Ngoài ra, đối với turbine dạng trục đứng, còn có thể khắc phục
nhược điểm bằng cách thiết kế cơ cấu thay đổi hướng cánh hoặc phối kết hợp
với việc thiết kế hình dạng cánh.
Đi theo hướng thiết kế khí động học hình dạng cánh, các kiểu dáng cánh
điển hình sau đã được phát minh và đưa vào sử dụng:
 Kiểu dạng chén

Trích đoạn Phân tích nguyên lý điều khiển-dẫn động cánh turbinee Mô phỏng nguyên lý hoạt động của hệ thống VAWT mới

---