LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Dương Văn Đồng - Học viên cao học lớp K11-Công nghệ chế tạo máy
Khóa học 2008 - 2010 trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Sau hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường tôi lựa chọn thực
hiện đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu, tính toán và thiết kế biên dạng cánh turbine gió
trục đứng cho máy phát điện công suất 3KW”.
Được sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của PGS. TS Ngô Như Khoa và sự
nỗ lực của bản thân, đề tài đã được hoàn thành năm 2010.
Tôi cam đoan toàn bộ nội dung và kết quả của luận văn này là do tự bản thân
tôi thực hiện, không sao chép của người khác. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách
nhiệm.
Thái Nguyên, ngày 10 tháng 10 năm 2010
Tác giả
Dương Văn Đồng
1
MỤC LỤC
Lời cam đoan………………………………………………………… …… 1
Mục lục. …………………………………………………………… …… 2
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt…………………………… ………… 3
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài………………………………………… ……… 4
2. Mục tiêu và nhiện vụ của luận văn……………………………… …… 5
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu……………………………… …… 5
4. Phương pháp nghiên cứu……………………………………… …… 6
5. Ý nghĩa…………………………………………………………… …… 6
NỘI DUNG
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Năng lượng gió………………………………………………… …… 6
1.2. Các loại máy phong điện……………………………………… …… 6
1.3. Các kiểu dáng hình học cánh turbine gió……………………… …… 8
1.4. Kết luận chương 1…………………………………………… ……. 9

C
C
l
C
d
C
m
C
p
D
HAWT
VAWT
h
R
M
m
NACA
P
S
Số lượng cánh trên rotor
Chiều dài dây cung cánh (m)
Hệ số nâng
Hệ số cản
Hệ số mô men
Hệ số công suất rotor
Đường kính rotor (m)
Máy phong điện trục ngang
Máy phong điện trục đúng
Chiều cao cánh (m)
Bán kính rotor (m)

Góc tới (độ)
Góc đặt cánh (độ)
Góc hướng tâm (độ)
Tỷ số tốc độ đầu cánh
Vận tốc góc rotor (rad/s)
Số vòng quay rotor (v/ph)
Mật độ không khí (kg/m
3
)
Góc giữa vận tốc W và vận tốc U
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Để thực hiện mục tiêu “công 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
4
trò 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 toàn cầu. Yêu 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.
Việc thực hiện đề tài “Nghiên cứu, tính toán và thiết kế biên dạng cánh
turbine gió trục đứng cho máy phát điện công suất 3KW” là rất cần thiết, góp phần
cho việc phát triển máy phong điện cung cấp điện năng ở nước ta hiện nay.
2. Mục tiêu và nhiệm vụ
• Mục tiêu:
Lựa chọn được cánh phù hợp cho loại turbine gió kiểu trục đứng với năm
cánh phương hứng gió cố định có tiềm năng ứng dụng trong các máy phát điện bằng
sức gió công suất 3KW.
Nhiệm vụ:

NỘI DUNG
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Năng lượng gió
Khi mặt trời chiếu xuống trái đất không đồng đều làm cho nhiệt độ của bầu
khí quyển, không khí và nước khác nhau. Vì vậy, tạo thành các khu vực có nhiệt độ
và áp suất chênh lệch nhau, dẫn đến hình thành luồng khí di chuyển từ vùng có áp
suất cao tới vùng có áp suất thấp gọi là gió. Vậy, năng lượng gió là động năng của
không khí di chuyển trong bầu khí quyển trái đất và là một hình thức gián tiếp của
năng lượng mặt trời.
• Tình hình sử dụng năng lượng gió trên thế giới
Trên thế giới từ sau những cuộc khủng hoảng dầu mỏ trong thập kỷ 1970 thì
việc nghiên cứu sản xuất năng lượng từ các nguồn khác được đẩy mạnh trên toàn
thế giới, kể cả việc phát triển các turbine gió hiện đại. Khi đó, một loạt các nước đẩy
mạnh khai thác các nguồn năng lượng từ thiên nhiên, trong đó có năng lượng gió.
Các nước dẫn đầu khai thác, sử dụng năng lượng gió trên thế giới, như Đức, Mỹ, Hà
Lan, Đan Mạch, Tây Ban Nha, Áo, Anh, Pháp, Úc, Ấn Độ, Nhật Bản, Trung
6
Quốc… Và bên cạnh đó có rất nhiều các công trình nghiên cứu trên thế giới về lĩnh
vực này.
• Tình hình sử dụng năng lượng gió ở Việt Nam
Ở Việt nam, chúng ta có tiềm năng gió rất lớn, nước ta có trên 3600 km bờ
biển từ bắc vào nam và khoảng 3000 đảo lớn nhỏ. Phần lớn các đảo có dân cư sinh
sống, tại đây có nguồn gió quanh năm. Vì đặc điểm về địa lý và địa hình khác nhau
giữa các vùng nên mật độ và tính ổn định của nguồn năng lượng gió rất khác nhau.
Các vùng được xem là có tiềm năng gió tương đối mạnh và ổn định như: Đảo Bạch
Long Vĩ, Đảo Trường Sa, Đảo Hoàng Sa, Quy Nhơn, Quảng Bình, Phan Thiết, Cửa
Tùng, Móng Cái…
Cùng với việc sử dụng máy phong điện còn có hàng loạt các đề tài nghiên
cứu nhằm tìm ra biện pháp nâng cao hiệu quả của máy phong điện ở Việt Nam.

thiện hơn.
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ
BIÊN DẠNG CÁNH TURBINE GIÓ
2.1. Học thuyết Albert Betz
Lực tác dụng lên rotor và công suất được tính theo công thức:

)(
2
1
2
2
2
1
VVSVF −=
ρ))((
4
1
21
2
2
2
1
VVVVSP +−=
ρ
Α
===
υυµ
ρ
QLVLVL
R
e

• Tỷ số tốc độ đầu cánh - λ
V
R
ω
λ
=

2.4. Lực tác dụng lên rotor
• Lực tác dụng lên rotor trục đứng
Ta xét tam giác lực sau
θ
i
θ
o
B
A
N
M
n
10
;
βα

CF
xx
ρ
=

• Lực tác dụng lên rotor trục ngang
V
U
α
α
r
R
l
• Năng suất vận hành của một phần tử cánh
α
i
I
V
- U
W
V
α
i
I
V
- U
W
V
dR
d

Biểu thức tổng quát của áp lực, mômen và công suất
ω
MP
FVdFVP
u
=
=∑=

Hiệu suất là:
FV
M
P
P
u
ω
η
==

Thường sử dụng hiệu suất η =(0,2→0,5)
2.5. Một số loại rotor điển hình
• Rotor Darrieus
θ
y
W
U
V
X
θ
δ
O

2
1
3
2
2
0
1
3
∫ ∫
+
−
Π
==
Hệ số mô men liên hệ với hệ số công suất qua biểu thức:
0
.
λ
mP
CC =

12
• Rotor Savonius
Diện tích gió quét:
hDS 2
=

Công suất:
η
ω
NqHk

cung)
- Còn hai số cuối biểu thị độ dày tối đa (t - phần trăm trên chiều dài dây cung)
NACA 5 số
NACA 5 số có chiều dày cánh xác định giống như NACA 4 số, nhưng việc
xác định đường cong trung bình khác nhau và biểu thị tên cũng phức tạp hơn.
- Chỉ số đầu nhân với 3/2 để biểu thị phần mười hệ số lực nâng thiết kế C
l
.
- Hai chỉ số tiếp theo chia cho 2 cho ta vị trí độ cong lớn nhất (p) theo phần mười
dây cung.
- Hai chỉ số cuối cho biết phần trăm độ dày lớn nhất của cánh theo dây cung.
• Một số biên dạng cánh khác
Biên dạng cánh cong đối xứng
Biên dạng cánh cong không đối xứng
14
Biên dạng cánh cung tròn
3.2. Mô hình thực nghiệm
 Thí nghiệm thứ nhất: Xác định hệ số cản lực gió qua bề mặt cánh turbine
Kết quả thực nghiệm Theo tài liệu [8] Sai số
C
1
C
2
C
1
C
2
C
1
C

n(v/ph)
Sai số(%)
Tính toán
mô hình
Kết quả
thực
nghiệm
6.6 37.3 37 1%
7.9 44.9 44 2%
9.9 56.4 51 10%
12.1 68.8 61 11%
14.3 79.3 72 9%
16.5 92.7 81 13%
TB 63.2 57.7 7,6%
Kết luận
- Kết quả thực nghiệm cho thấy, tốc độ vòng quay trên thực nghiệm phù hợp
với thiết kế mô hình. Vậy, tốc độ vòng quay giống nhau thì công suất rotor sẽ giống
nhau.
- Kết quả thực nghiệm phù hợp với tính toán thiết kế. Điều này đã chứng
minh phương pháp thiết kế mô hình là đúng. Kết quả này là cơ sở cho phép ta tính
toán thiết kế hệ thống cánh turbine trục đứng công suất 3 kw.
- So với các tài liệu khác, kết quả thiết kế là phù hợp và chính xác
Quạt gió
Thiết bị đo gió
Rotor
n
Nguồn điện
Biến tần
Hầm gió
16

- Xét cùng vận tốc gió, thì mô hình biên dạng cánh NACA0015 tốc độ trục
turbine chạy nhanh hơn dẫn đến công suất cao hơn mô hình cánh biên dạng cung
tròn.
- Biên dạng cánh NACA015 có biên dạng cánh phức tạp hơn biên dạng cánh
cung tròn. Vì vậy, công nghệ chế tạo cánh turbine đòi hỏi cao hơn.
- Biên dạng cánh NACA015 có thể áp dụng cho các turbine gió công suất
trung bình và công suất lớn.
17
- Turbine sử dụng biên dạng cánh cung tròn hoạt động với mô men lớn và tốc
độ quay thấp nên turbine dạng này cho phép không cần động cơ khởi động.
- Như vậy, với turbine đề tài thực hiện (3kw) thì chúng ta có thể sử dụng một
trong hai loại biên dạng cánh turbine trên. Nhưng để vẫn hoạt động tốt và đảm bảo
tính kinh tế thì ta nên chọn biên dạng cánh cung tròn để chế tạo cánh turbine.
- Kết quả thực nghiệm là cơ sở để tính toán và thiết kế hệ thống cánh turbine
cho máy phát điện công suất 3 (kw).
CHƯƠNG 4
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÁNH TURBINE GIÓ TRỤC ĐỨNG
CHO MÁY PHÁT ĐIỆN CÔNG SUẤT 3KW
4.1 Thiết kế cánh turbine gió biên dạng cung tròn
Đường kính rotor : D = 3 (m)
Bán kính rotor : R = 1,5 (m)
Chiều cao rotor : h= 3 (m)
Chiều rộng cánh : b = 0,3R = 0,45 (m)
Vận tốc góc rotor : ω = 2,7 (rad/s)
Tốc độ vòng quay rotor : n = 26 (v/ph)
Số cánh trên rotor : B = 5 (cánh)
Tỷ số tốc độ đầu cánh : λ= 0,3
Kết luận:
- Từ phần trên, ta có thể hoàn toàn xác định được kích thước biên dạng cánh
turbine gió. Turbine thiết kế trong đề tài có biên dạng cánh giống như biên dạng

turbine cần đảm bảo được độ bền, độ ổn định và tính thẩm mĩ cho cánh. Vật liệu chế
tạo cánh turbine có rất nhiều loại, như các loại thép hợp kim, vật liệu tổng hợp.
Ngày nay, với khoa học kỹ thuật phát triển chúng ta có rất nhiều loại vật liệu mới để
chế tạo cánh, trong đó vật liệu composite được các nhà khoa học sử dụng chế tạo
cánh rất hiệu quả.
Vật liệu composite nền nhựa cốt sợi thủy tinh:
Sợi thủy tinh- nguyên tố chủ đạo thuỷ tinh là silic, chiếm một tỷ lệ lớn trong cát
trắng. Sự tồn tại các phân tử chất lạ trong nguyên liệu sẽ làm cho thuỷ tinh có những
19
màu sắc và tính chất rất khác, có lợi cũng như có hại. Để đảm bảo kỹ thuật, nhà sản
xuất phải lọc thuỷ tinh thành thuỷ tinh siêu sạch bằng ly tâm hay bằng cách nung
nguyên liệu với chất hấp thụ là Creolite hay Diatomic, nói cách khác là làm giàu
silic trong nguyên liệu rồi mới phối hợp với các “nguyên tố lạ”.
- Thuỷ tinh siêu sạch được gọi là thạch anh, cho phép tất cả các bước sóng
quang học đi qua, và là cơ sở chế tạo các linh kiện thiết bị quang học (máy chụp
hình, kính viễn vọng v.v ) tốt nhất.
- Nhựa epoxy là loại nhựa có nhiều ưu điểm tốt và được sử dụng rộng rãi để
chế tạo vật liệu composite như có tính ổn định hoá học, bền hoá chất, có tính cơ học
cao, nó có độ bám dính cao với nhiều loại cốt, tiện lợi khi xử lý công nghệ, tạo dáng
các kết cấu và có thể giữ lâu ở trạng thái chưa đóng rắn, tiện lợi cho việc chế tạo kết
cấu và các bán thành phẩm.
Việc sử dụng nhựa epoxy trên nền cốt sợi thuỷ tinh làm tăng tính bền cơ học
lên đáng kể và rất thích hợp để chế tạo thiết bị chống ăn mòn hoá chất.
Qua nghiên cứu đã lựa chọn được hai loại nhựa Epoxy: EP- 3 và EP- 4 trong
số 5 loại epoxy có trên thị trường, có khối lượng phân tử trung bình, độ nhớt và các
chỉ số hoá học thích hợp cho yêu cầu đề tài.
Kết luận
Căn cứ vào đặc điểm, yêu cầu cánh turbine mà đề tài thiết kế và tham khảo các
tài liệu có được, tác giả lựa chọn vật liệu composite nền nhựa cốt sợi thủy tinh (E =
39,1GPa) để chế tạo cánh turbine.

[4] Chu Đức Quyết (2009), Tính toán thiết kế hệ thống cánh turbine gió kiểu trục
đứng trong máy phong điện công suất 10KW”, Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật, Trường
Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Tiếng Anh
[5] Dorn, J.G. Earth Policy Institute (2008), Wind Indicator Data, th-
policy.org/Indicators/Wind.htm March 4, 2008.
[6] Erich Hau (2006), Wind Turbines,2
nd
edition, Berlin Germany, page 101.
[7] Daid Lindley (1982), Wind Power Plant, British wind energy association,
Savonius page 114
[8] John Anderson(2006), Drag on Basic Shapes Determination of the Drag
Coefficient, Department of Agrultural Machinery, Faculty of Agrultural, Aludag
University, Turkey
[9] Manwel. J.F., McGowman. J.G., Rogers. A.L (2002), Wind turbine explained,
University of Massschusetts, Amherst, USA.
[10] Robert M.Pinkerton, Harry Greeng (1938), Aerodynamic characteristic of a
large of airfoils tested in the variable denstity wind tunnel, langley memorial
aeronautical laboratory.
[11] \Drag coefficient.
[12] \wiki\Tip speed ratio.
[13] http//: vi. wikipedia.org\năng lượng gió\ứng dụng năng lượng từ gió
22