Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ XÁC ĐỊNH KẾT CẤU
HẦM GIÓ CHO MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ TRỤC NGANG CÔNG SUẤT NHỎ
SIMULATION TO DETERMINE THE STRUCTURE
OF WINDCUBE FOR SMALL HORIZONTAL-AXIS WIND TURBINE
Đặng Thiện Ngôn1a, Huỳnh Tấn Đạt1b
Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM
;
1

TÓM TẮT
Máy phát điện gió trục ngang công suất nhỏ hiện đang được sử dụng phổ biến ở nhiều
nơi trên thế giới đã và đang giúp giảm nguồn cung cứng điện. Tuy nhiên, đa số các máy được
thiết kế để hoạt động với tốc độ gió v> 6 m/s không thể sử dụng tại thành phố Hồ Chí Minh,
nơi có tốc độ gió trung bình vào khoảng < 6 m/s. Các nghiên cứu về hiệu ứng hầm gió
(WindCube) cho thấy có thể ứng dụng hiệu ứng hầm gió để giúp các máy phát điện gió có thể
hoạt động được ở tốc độ gió nhỏ hơn tốc độ thiết kế. Bài báo trình bày các kết quả nghiên cứu
về việc xác định các thông số của hầm gió cũng như các thông số liên quan khác cho một máy
phát điện gió công suất nhỏ (12V, 40W). Bằng kỹ thuật mô phỏng, kết cấu của hầm gió đã
được xác định và một mô hình thực tế đã được chế tạo để kiểm nghiệm các kết quả mô phỏng.
Số liệu thu được từ mô phỏng cũng như qua kiểm nghiệm thực tế cho phép đề xuất kết cấu
hầm gió cho một máy phát điện gió công suất nhỏ hoạt động ở tốc độ gió vào khoảng 2,5 m/s.
Từ khoá: năng lượng gió, máy phát điện gió trục ngang, tuabin, tốc độ gió, hiệu ứng
hầm gió.
ABSTRACT
Small Horizontal-Axis Wind Turbine ̣(HAWT) is being placed more popular on over
the world and reduced power supplied from the others. However, most of them were designed
to operate more than 6 m/s wind speed, so it can’t be used in Ho Chi Minh city, where has
everage wind speed is smaller 6 m/s. The studies of WindCube effects presented that small
HAWT can be operated in smaller than the rated wind speed. This article shows the results of

tăng sức gió lên và tạo ra công suất phát điện lớn hơn gấp 8 lần so với tuabin gió thông
thường [4] (hình 1a). Công ty SheerWind cũngđã cho ra đời tuabin gió INVELOX sử dụng
hiệu ứng Venturi giúp tuabin có thể hoạt động ở tốc độ gió khoảng 3,2 km/h và cải thiện năng
suất lên đến 600% (hình 1b) [5].

a) Máy phát điện gió WINCUBE [4]

b) Máy phát điện gió INVELOX [5]

Hình 1: Các kết cấu tăng tốc độ gió cho máy phát điện gió
Mặc dù công suất phát điện đã tăng lên nhiều lần so với tuabin gió thông thường nhưng
tất cả các thiết kế trên chỉ mới ứng dụng cho các máy phát điện gió trục ngang công suất lớn
[4, 5]. Các thiết kế dựa trên hiệu ứng hầm gió cho các máy phát điện công suất nhỏ chưa được
quan tâm nghiên cứu nhiều.
Hiện nay, việc sử dụng máy phát điện gió công suất nhỏnhư nguồn bổ sung để đáp ứng
nhu cầu điện sinh hoạt ngày càng tăng tại các vùng đông dân và có không gian hẹp [4] đang
được để ý đến. Tuy nhiên, ở những vùng có tốc độ gió không cao (tốc độ gió trung bình < 6
m/s) sẽ rất khó khăn khi sử dụng máy phát điện gió công suất nhỏ và vấn đề đặt ra là phải có
bộ phận giúp tăng tốc độ gió. Trong bài báo này, chúng tôi nghiên cứu xác định kết cấu hầm
gió để tăng tốc độ gió cho máy phát điện gió trục ngang công suất nhỏ thông qua mô phỏng
và thực nghiệm. Một mô hình hầm gió dựa trên các kết quả mô phỏng đã được thiết kế, chế
tạo và kiểm nghiệm trên hệ thống thiết bị thí nghiệm gió của De Lorenzo Group (Italia) [6].
2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
2.1. Kết cấu hầm gió
Các ký hiệu được sử dụng trong quá trình tính toán thiết kế hầm gió và sử dụng trong
bài được trình bày ở bảng 1.
595


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hầm gió có cấu tạo như một ống dẫn để lưu dẫn luồng gió tự nhiên trong ống mà tích
của vận tốc chảy của chất lưu với tiết diện thẳng tại mọi nơi là một đại lượng không đổi [7].
Hầm gió cho phép tập trung luồng gió, sau đó gia tăng sức gió làm quay cánh tuabin nhanh
hơn và tạo ra công suất phát điện lớn hơn.
Tuân theo nguyên tắc của phương trình liên tục, kết cầu hầm gió được xác định với biên
dạng là hình nón cụt. Đáy lớn có tác dụng đón luồng không khí vào, thân có tác dụng gia tăng
tốc độ gió trước khi tác động vào cánh tuabin gió, đáy nhỏ là nơi nhận được tốc độ gió cao
nhất. Do đó, cánh quạt của tuabin gió sẽ được đặt ở vị trí này và kết quả là tuabin có thể phát
ra một lượng điện gấp nhiều lần so với tuabin gió thông thường.
D1
D2
Khí vào

S1

Khí ra
S2

V1

V2

Hình 2: Điều kiện hình học tăng tốc dòng không khí trong hầm gió
Thiết kế của hầm gió cho phép thiết bị này hoạt động ngay cả với tốc độ gió khá chậm
là khoảng 8 km/giờ (2,2 m/s), phát ra lượng điện tương đối ổn định[4].
2.2. Mô phỏng và xác định kết cấu hầm gió
2.2.1. Chọn loại tuabin sử dụng
Hệ thống thiết bị thí nghiệm gió của De Lorenzo Group[6] sử dụng tuabin gió có các
thông số kỹ thuật như ở bảng 2. Đây cũng là tuabin được sử dụng cho các thí nghiệm về hiệu
ứng hầm gió.

ngoại tiếp đầu ra của hầm gió (vị trí lắp ghép với cánh tuabin) D2= 660 mm (đường kính nội
tiếp là 609,76 mm) dựa theo kích thước mẫu của thiết bị thí nghiệm để dễ dàng cho việc sử
dụng lại đồ gá lắp đặt cánh tuabin (hình 5).
Đáy lớn của hầm gió cần chọn để đạt được tốc độ gió ≥ 4,5 m/s ở đáy nhỏ (là tốc độ cần
có để tuabin hoạt động đạt được công suất định mức) được tính toán theo phương trình liên
tục [7]:
𝑉𝑉2 . 𝐷𝐷22
4,5. 6602
𝐷𝐷1 = �
= �
= 885.48 𝑚𝑚𝑚𝑚
𝑉𝑉1
2,5

Đường kính đáy lớn được xác định qua tính toán là D1= 885.48 mm. Để loại trừ các sai
số gia công, dễ dàng cho việc lắp ghép ta chọn đường kính ngoại tiếp D1= 940 mm (hình 3).

a) Thiết kế

b) Mô hình thử nghiệm

Hình 3: Thiết kế và chế tạo hầm gió
Với mục đích tập trung luồng gió bên trong hầm gió và tạo điều kiện dễ dàng cho việc
lắp đặt tuabin gió đúng vị trí ta thiết kế hầm gió có thêm ống dẫn ở 2 đáy để ổn định lưu
lượng gió khi vào và ra khỏi tuabin gió. Như vậy, đáy nhỏ ghép thêm ống dẫn có chiều dài
700 mm và ở đáy lớn là 800 mm (hình 3a). Hình 3b trình bày hầm gió đã chế tạo với biên
dạng tròn ngoài được thay bằng biên dạng đa giác để phù hợp với đầu ra của thiết bị thí
nghiệm điện gió [6].
2.2.3. Mô phỏng hoạt động của hầm gió
Tiến hành mô phỏng trên phần mềm ANSYS với các thông số thiết kế và chế tạo của


a) V1 = 2,5 m/s, V2 = 5m/s

b) V1 = 2,8m/s, V2 = 5.6m/s

c) V1 = 3,3 m/s, V2 = 6,7m/s

d) V1= 4 m/s, V2 = 8m/s

e) V1= 4,5 m/s, V2 = 9m/s

f) V1= 12 m/s, V2 = 23m/s

Hình 4: Mô phỏng xác định tốc độ gió ở đáy nhỏ hầm gió
Từ kết cấu đã thiết kế (hình 3) và kết quả mô phỏng (hình 4), ta thấy mô hình hầm gió đã
chế tạo có khả năng đón luồng gió có tốc độ V1= 2,5 m/s và sau khi đi qua hầm gió sẽ đạt được
tốc độ V2= 5 m/s (hình 4a). Như vậy, theo thông số kỹ thuật của tuabin (bảng 2), kết quả mô
phỏng cho thấy tốc độ gió đáp ứng được điều kiện hoạt động của tuabin (V2≥ 4,5 m/s).
3. THỰC NGHIỆM
3.1. Mô tả thiết bị
- Tuabin gió 6 cánh trục ngang, P = 40 W, D = 500 mm[6].
Đầu đo gió

Thiết bị đo

Cụm tạo gió

Ống dẫn
gió



Hình 8: Thiết bị đo được đặt tại đáy lớn

Hình 9: Thiết bị đo được đặt tại đáy nhỏ
599


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
- Bước 2: Di chuyển vị trí đặt thiết bị đo tốc độ gió đến đáy nhỏ (D2 = 660 mm) (hình
9), sau đó điều khiển động cơ để thay đổi tốc độ gió và ghi lại thông tin đo được như bước 1.
- Bước 3: So sánh tốc độ gió, cường độ dòng điện và hiệu điện thế tại 2 vị trí đặt thiết bị
đo tốc độ gió, sau đó so sánh với số liệu mô phỏng.
3.4. Thực nghiệm
Tiến hành thực nghiệm bằng cách điều chỉnh biến tần thay đổi giá trị từ 0 – 50để tạo ra
gió có tốc độ thay đổi từ 0 - 12 km/hcung cấp cho hầm gió, ta có được bảng số liệu (bảng 4).
Bảng 4: Bảng số liệu tốc độ gió đầu vào, đầu ra
Giá trị đặt trên biến tần
Tốc độ gió đầu vào V1(m/s)
Tốc độ gió đầu ra V2(m/s)
33,07

2,5

4,44

36,18

2,8

5,0

5,0

4,44

2

2,8

5,6

5,0

3

3,3

6,7

6,1

(Do hạn chế của động cơ tạo gió nên chỉ có thể có được nguồn gió với tốc độ 3,3 m/s)
Ta dễ dàng nhận thấy giá trị vận tốc thực nghiệm ở đầu ra nhỏ hơn so với mô phỏng, sai
lệch này là do:
- Quãng đường di chuyển trên đoạn dài 2 m (ống dẫn gió của thiết bị thí nghiệm, ống
dẫn của hầm gió) và góc nghiêng thay đổi tiết diện chưa thật sự “trơn” gây tổn thất tốc độ.
- Do khe hở giữa các cạnh ống dẫn dạng bát giác và đường kính ngoài cánh tuabin khá
lớn (khoảng 54 mm, chưa kể đến các khe hở của góc nhọn) nên không tập trung được hết
luồng gió đi qua cánh tuabin.
Từ bảng số liệu 5 ta thấy giá trị thực nghiệm khi vận tốc gió đầu vào V1 = 2,5 m/s ứng
với kết cấu hầm gió đã thiết kế chế tạo đạt được vận tốc ở đầu ra là V2 = 4,44 m/s, có sai lệch

thông
tin
doanh
nghiệp,
03/2015,
Website:
/>[3] Darren Quick, Carbon nanotube-reinforced polyurethane could make for bigger and
better wind turbines. Gizmag Pty Ltd (Gizmag), Sep. 2011, Website:
/>[4] Green Energy Technologies, LLC, Green Energy Technologies Launches WindCube(R)
at
Windpower
2009.
PR
Newswire
MediaRoom,
2009.
Website:
/>[5] Victoria Woollaston, The future of wind turbines? Bizarre-looking funnel produces SIX
times more energy than traditional designs. Daily Mail, Feb. 2014. Website:
/>[6] De Lorenzo Group, Renewable Energies:Wind Power Trainer With Wind Tunnel (DL
Wind -– B). De Lorenzo, 2014.
[7] Lê Công Cát, Khí động ứng dụng. NXB Khoa học & Kỹ thuật, Hà Nội, 2010.
[8] David A Spera, Wind Turbine Technology: Fundamental Concepts in Wind Turbine
Engineering, 2nd Edition. New York, ASME Press, 2009.
THÔNG TIN TÁC GIẢ
1.

Đặng Thiện Ngôn. Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh,
Email: Điện thoại: 0913 804803