


000
 !"#
$%
&'()**+,*&-.*+*+&/0&123456(
Đ ti:
“ Phát triển mô hình điều khiển cánh tuốc bin gió trục đứng ”.
7089)*-&35&:&;<=*+
">?-=4&70@AB
&'()**+,*&-.*+*+&/0&123456(
96489)*C&4=&70-$D$DE#F
Thái nguyên, 11.201
1
GH
Gió l một dạng năng lượng lý tưởng thay thế cho năng lượng hóa thạch
đang cạn kiệt. Trong các máy phát điện dùng sức gió, các turbine(tuốc bin) trục
đứng (Vertical-axis wind turbines - VAWT) được đang được quan tâm nghiên cứu
nhằm cải thiện hiệu năng của nó [1-10]. Các tuốc bin trục đứng cánh thẳng (dạng H
H-Darrieus) được ưa chuộng do cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo của nó. Tuy vậy, một
trong những nhược điểm cố hữu của nó l không tự khởi động được (Self-start) l
vấn đ đang rất được quan tâm [1-9]. Các cố gắng cải tiến đã được thực hiện [1-2]
nhưng rô – to vẫn không tự quay khi có tải, dù l tải nhẹ.
Nhiu nghiên cứu đã tìm cách điu khiển góc cánh tuốc bin sao cho nó đón
được gió nhiu nhất ở phía thuận v cản gió ít nhất ở phía nghịch. Có thể kể đến các
hướng khai thác như: điu khiển cưỡng bức vị trí v góc xoay cánh bằng động cơ
servo [3,4]; kết hợp sử dụng các truyn động cơ khí để cưỡng ép cánh xoay theo
hướng phù hợp cải tiến hình dáng kết cấu v vị trí trục xoay của cánh để nó có thể tự
xoay dưới tác dụng của các lực tương tác của gió [5-7]. Gần đây nhất, một luận văn
cao học tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên cũng cố gắng xây

- Thực hiện các thí nghiệm đánh giá các thông số tương quan trên mô hình
thực;
IU92;V*+*+&9)*0S'
- Mô hình động lực học của cánh tuốc bin gió xoay được;
- Mô hình thực tế.
I60C12W'X0&R*&OYO32O;V0
Đ ti đã thu được một số kết quả chính sau đây:
3
- Chế tạo được một mô hình tuốc bin cánh cố định v ba mô hình tuốc bin
sử dụng cánh tự xoay, trong đó có một mô hình thí nghiệm cho phép thay
đổi số cánh để lựa chọn kết cấu tối ưu.
- Tiến hnh thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của số cánh đến hiệu năng
hoạt động của tuốc bin.
IZ'2<[0\']*8^*
Luận văn bao gồm 5 nội dung chính:
• Chương 1: Tổng quan v đ ti
• Chương 2: Các nghiên cứu v kết cấu cánh v hướng phát triển của đ ti
• Chương 3:Thiết kế mô hình tuốc bin gió
• Chương 4: Kết quả thí nghiệm
• Kết luận v kiến nghị
4
_@-`abcc
@D@D ^*+\;V*++9d8,2e*&&e*&fghQ*+*^*+\;V*++9d2<)*2&1+9>9
@DAD i*+W'=*8P2'U0j9*+9d2<Q0OS*+
@DAD@D'U0j9*+9d2<Q0OS*+
Tuốcbin gió trục đứng (VAWTs) l một loại tuốcbin gió m rôto trụcchínhđược
đặt thẳng đứng v các thnh phần chính được đặt ở phần đế của tuốc bin. Một trong
những ưu điểm của kết cấu ny l máy phát điện v hộp số có thể được đặt ngay
gần mặt đất vì thế chúng được vận hnh v sửa chữa dễ dng hơn v VAWTs không
bị phụ thuộc vo hướng gió. [ 1 ]

Tuốc bin Giromill 2 cánh [7]
Tuốc bin gió trục đứng Giromill

(3 cánh, 200 kW, Falkenberg, Thụy Điển)
@DADADmD(0\42'<j9*
7
Cycloturbine
@DADADnDo\=?2'<j9*k
Hình 1.12 Mô hình Flap turbine
@DlD12\']*0&;T*+@
Như vậy, việc sử dụng năng lượng gió đã được con người khai thác từ rất sớm v
cùng với các phát minh v điện v máy phát điện thì các máy phong điện cũng đã được
ra đời.
Cho đến ngy nay, một loạt các hệ thống phong điện với các tuốc bin gió đã v
đang phát triển rất mạnh mẽ ở một số quốc gia trên thế giới. Khi so sánh giữa hai loại
tuốc bin gió trục ngang (HAWT) v tuốc bin gió trục đứng (VAWT), mặc dù vẫn còn
tồn tại một số mặt hạn chế nhưng VAWTs vẫn được sử dụng nhiu bởi những hiệu ích
m chúng mang lại.
Cho đến nay các công trình nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu suất của loại tuốc bin
gió trục đứng VAWT vẫn đang được quan tâm nhiu, đặc biệt l việc tính toán thiết kế
hệ thống cánh tuốc bin, nhất l yếu tố biên dạng cánh vẫn còn l vấn đ phức tạp cần
sớm được giải quyết. Đây cũng l một trong những đ ti đang được các nh khoa học
quan tâm nghiên cứu để hướng tới sự cải tiến hon thiện hơn cho VAWT.
8
_A-pqr
AD@DTfs2R*&246*C&ROt*+&7006*&2'U0j9*+9d
AD@D@D]2\u&708P*^*+\;V*++9d
AD@DAD702&'(120N=k2v
ADAD t2fUC120Z'06*&2'U0j9*+9d
Cùng với sự phát triển của các hệ thống HAWTs v VAWTs, các nh nghiên cứu

Cánh ở phía thuận Cánh ở phía nghịch
Hướng gió
Hình 2.2. Mô tả chiều quay cánh tuốc bin gió trục đứng
Như vậy, muốn quay được cánh tuốc bin thì giá trị F
xoay
>> 0 v giá trị ny cng
lớn, mô men xoay trục cng lớn. Tuy nhiên, khó có thể tăng F
1
nên người ta luôn tìm
cách giảm F
2
. Để đạt được mục đích đó, các nh nghiên cứu đã đưa ra nhiu kiểu biên
dạng cánh, nhiu phương án điu khiển góc cánh khác nhau, sao cho F
xoay
đạt được l
lớn nhất. V nguyên tắc, có hai cách tạo ra chênh lệch lực tác dụng giữa phía thuận v
phía nghịch.
 Với cánh cố định
Có nhiu kiểu biên dạng cánh khác nhau đã được thiết kế, như:
10
- kiểu dạng chén
- kiểu Savonius
- kiểu plates
- NACA
 Các kiểu xoay cánh
Với mục đích tăng hiệu suất cho tuốc bin, hay nói cách khác l tăng lực F
1
v
giảm lực F
2

12
bi 202 bi 6000
354
350
bi 6000
145
240
280
Ø336,83
Hình 3.1 Bản vẽ chế tạo Turbine số 1
a, Mô hình thực nghiệm.
13
Hình 3.2 Hệ thống cánh tuốc bin số 1
b, Mô tả cấu tạo và nguyên lý hoạt động
- Cấu tạo: Các cánh được chế tạo với biên dạng cong v được lm kín hai
đầu để mục đích hứng gió được nhiu hơn, cánh được lắp vo 2 đĩa đỡ
14
bằng ổ lăn nhờ đó nó có khả năng tự xoay. Trên đĩa đỡ có gắn các chốt
chắn để định vị trí giới hạn cho cánh, tránh sự va chạm các cánh khi lm
việc. Mép ngoi của cánh có gắn ổ lăn ở vị trí giữa, khi có gió tác động
sẽ đẩy cánh trượt trên rãnh của vnh tròn khung bao ngoi. Khung bao
ngoi được thiết kế một vnh tròn có rãnh trượt, vnh tròn ny đặt lệch
tâm với 2 đĩa đỡ mục đích tạo khoảng trống, hình thnh luồng gió lm
quay cánh tuốc bin.
- Nguyên lý hoạt động:

F
1
F
2

tác động theo một luồng lm quay các cánh nhỏ v từ đó lm quay trục
tuốc bin.
lD@Dl'U0j9*+9dh3*+<424\|*+fd0y06*&0UO:*&
17
22
35
5
0
50
420
460
520
5
Hình 3.6. Bản vẽ chế tạo tuốc bin số 3
a, Mô hình thực nghiệm
18
Hình 3.7 Mô hình tuốc bin số 3
b, Mô tả cấu tạo và nguyên lý hoạt động
- Cấu tạo: các cánh được gắn với giá đỡ v nghiêng một góc 30
o
tạo thnh
lõi roto của tuốc bin. Lồng bao ngoi gồm các cánh phẳng gắn cố định
với giá đỡ v nghiêng một góc 30
o
ngược chiu với chiu nghiêng của
cánh trong lõi roto với mục đích tạo luồng xoáy khi có gió tác động. Lồng
bao ngoi được lắp cố định với đế của tuốc bin.
- Nguyên lý hoạt động: khi có gió, gió tác động vo các cánh ngoi v
thnh luồng xoáy tác động vo các cánh cong bên trong đẩy lõi roto quay.
19

21
- Vận hnh thử nghiệm mô hình
- Khảo sát sự thay đổi tốc độ quay của tuốc bin khi có số cánh l: 3,4 ,5 .
- Tính toán các thống số v lực, mô men, công suất khi nguồn gió có các
vận tốc l 1,5 m/s , 2,0 m/s , 3,5 m/s
lDADATfsOz\,55.&e*&2&L0*+&9/5
- Do điu kiện v thời gian không cho phép sử dụng năng lượng gió thực tế nên sử
dụng nguồn năng lượng từ quạt bn lm nguồn gió cung cấp cho thí nghiệm. Các
thông số khảo sát trực tiếp bằng cách đo thực tế l quạt có chiu cao 650mm, đường
kính cánh 400mm.
- Dựa trên cơ sở đó mô hình tuabine chế tạo có chiu cao tổng thể l 630 mm cánh
có chiu cao l 400mm chiu rộng 200 mm
lDADl9z'h6*+&e*&&7006*&2'U0j9*2&912C1
Kiểu dáng hình học cánh tuốc bin ảnh hưởng tới chất lượng v đặc tính khởi
động của tuốc bin gió. Tuy nhiên rất khó để xác định chính xác ảnh hưởng của các kết
cấu cánh khác nhau.
Thực tế cho thấy, khi thiết kế kết cấu cánh cho tuốc bin, nếu xét đơn lẻ một cánh
tại vị trí chắn gió tối ưu thì cánh có biên dạng cong sẽ có khả năng hứng gió cao hơn
cánh có biên dạng thẳng. Tuy nhiên, kết cấu cánh có biên dạng cong khi chế tạo tốn
nhiu kinh phí hơn đồng thời việc bố trí số cánh sao cho tổng công suất có ích l lớn
nhất lại rất khó khăn vì có nhiu cánh ở vị trí gây công suất hao phí do đang ở hnh
trình cản. Nếu muốn giảm số cánh ở hnh trình cản v tăng khả năng hứng gió cho
cánh tối ưu thì phải thiết kế hệ thống điu khiển góc hứng gió của cánh nên rất tốn
kém không đảm bảo tính kinh tế. Do đó đ ti ny chọn kết cấu cánh l dạng cánh
thẳng, tự xoay để điu chỉnh khả năng hứng gió, chế tạo đơn giản. Tuy cánh thẳng có
khả năng hứng gió thấp hơn cánh cong nhưng nếu kết cấu hợp lý thì vẫn đạt được tổng
công suất yêu cầu trên ton bộ hệ thống cánh.
22
200
400

Engineering, Vol. 15, No. 4, 1991, pp. 187-1 95.
[3]. T.Kiwata1, S.Takata, T.Yamada1, N.Komatsu1, T.Kita, S.Kimura1
and M.Elkhoury; Performance Of A Vertical-Axis Wind Turbine With
Variable-Pitch Straight Blades, The Eighteenth International Symposium
on Transport Phenomena, 27-30 August, 2007, Daejeon, KOREA
[4]. I. S. Hwang1, I. O. Jeong1, Y. H. Lee1 and S. J. Kim12;
Aerodynamic Analysis and Rotor Control of a New Vertical Axis Wind
Turbine by Individual Blade Control Method; ICAST 2006:17th
International Conference on Adaptive Structures and Technologies,
Taiwan.
[5]. Paul Cooper and Oliver Kennedy; Development and Analysis of a
Novel Vertical Axis Wind Turbine; University of Wollongong,
Wollongong, NSW 2522, Australia, 2003.
[6]. Pawsey,N.C.K., Development and Evaluation of Passive Variable-
Pitch Vertical Axis Wind Turbines, PhD Thesis, Univ. New South Wales,
Australia, 2002.
[7]. Kirke, B.K. and Lazauskas, L. Enhancing the Performance of a
Vertical Axis Wind Turbine Using a Simple Variable Pitch System, Wind
Engineering, Vol. 15, No. 4, 1991, pp. 187-1 95.
[8]. Lazauskas, L. and Kirke, B.K. Performance Optimisation of a Self-
acting Variable Pitch Vertical Axis Wind Turbine, Wind Engineering Vol.
16, No. 1,1992, pp. 10-26.
[9]. Kirke, B.K. and Lazauskas, L.; A Novel Variable Pitch Vem'calAxis
Wind Turbine, Proc. Solar '87 ConJ Australian-New Zealand Solar Energy
Society, Canberra, 26-28 Nov. 1987.
[10] Miroslav, Petrov, Lic, of Eng. “Aerodynamics of Propellers and Wind
Turbine Rotors”. Stockholm, Sweden.
[11] M. Jureczko, M. Pawlak and A. Mężyk. “Optimisation of wind turbine
blades”. Faculty of Mechanical Engineering, Silesian University of
25