BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ TURBINE
TRỤC ĐỨNG CÔNG SUẤT NHỎ
S

K

C

0

0

3

9

5

9

MÃ SỐ: T67 - 2008

S KC 0 0 2 1 1 8


Các máy phát ñiện gió ñộc lập cỡ nhỏ cung cấp nguồn năng lượng tái sinh, sạch,
chủ ñộng cho hộ gia ñình, nông trại, hải ñảo, tàu thuyền,…làm giảm áp lực lên lưới
ñiện.
Với những lý do trên, luận văn tập trung nghiên cứu mô hình máy phát ñiện sử dụng
năng lượng gió trục ñứng công suất nhỏ. Kiểu turbine trục ñứng Lenz2 trong ñề tài
này có thể vận hành tốt ở những ñiều kiện gió không lý tưởng, giá thành thấp, dễ
lắp ñặt, bảo dưỡng và có thể chế tạo bằng các nguồn nguyên liệu sẵn có tại Việt
nam.
Sản phẩm của ñề tài là mô hình máy phát ñiện trục ñứng kiểu Lenz2, cao 0,6m và
ñường kính là 0,5m, công suất ngõ ra: 0,49W ở vận tốc gió 3m/s, hiệu suất của hệ
thống khoảng 10%.


ABSTRACT

Vietnam, with 3650 km of coast line and 3000 islands, is one of the nations with the
most wind energy potential in Southeast Asia. In recent years, the government has
paaid special attention to this field and regards it as the significant energy resource
to reduce the serious lack of electricity demand in Vietnam.
Beside the large scale wind machines, the small-scale-distributed wind energy
systems are very successful globally. The advantage of distributed wind energy
systems is that they can operate in low wind speeds.
Distributed wind energy systems provide clean, renewable power for on-site use
and help relieve pressure on the power grid. They also provide jobs and contribute
to energy security for homes, farms, schools, factories, private and public facilities,
distribution utilities, and remote locations.
For the above reasons, this project focused on the small scale Vertical Axis Wind
Turbine (VAWT). The Lenz2 turbine in this thesis could operate at non-ideal
conditions, at a low cost, with simple assembly, and low maintenance. It is easy to
make it by raw materials in Vietnam.

CHƯƠNG 2: LỊCH SỬ MÁY PHÁT ðIỆN GIÓ .........................................................38
2.1. Lịch sử phát triển ................................................................................................38
2.2. Các kiểu turbin gió ..............................................................................................41
2.2.1. Turbin gió trục ñứng và trục ngang ..............................................................41

Trương Việt Anh - ðỗ Anh Khoa

Trang 3


ðề tài cấp trường: NC, TK và TC mô hình Máy phát ñiện gió trục ñứng

2.2.2. Các kiểu turbin gió trục ñứng .......................................................................42
2.2.2.1. Savonius: Kiểu dùng lực ñẩy .................................................................42
2.2.2.2. Darrieus, VAWT dùng lực nâng ............................................................43
2.2.2.3. Các kiểu turbine lực nâng khác..............................................................45
2.3. So sánh turbine trục ñứng và trục ngang .............................................................46
2.4. Kết luận ...............................................................................................................48
CHƯƠNG 3: LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN MÁY PHÁT ðIỆN GIÓ............................50
3.1. Năng lượng gió. ...................................................................................................50
3.2 Hiệu suất tuabin C p ..............................................................................................53
3.2.1 Tỉ số tốc ñộ ñỉnh (Tip Speed Ratio viết tắt TSR) ..........................................54
3.2.2. Tính hiệu suất turbine theo TSR và ω bằng phương pháp lặp......................56
3.2.3 Góc Pitch .......................................................................................................59
3.2.4 Góc tới (Angle of attack), γ ..........................................................................60
3.3. Hiệu suất truyền ñộng..........................................................................................61
3.4. Hiệu suất máy phát. .............................................................................................63
3.5. Hiệu suất hệ thống. ..............................................................................................66
3.6. Cánh tuabin..........................................................................................................66
3.7 Mối quan hệ giữa ñộ cao và tốc ñộ gió ................................................................67

4.3.4. Kết quả ño ñạt Mô hình 4. ............................................................................91
4.3.5. Kết quả ño ñạt Mô hình 5. ............................................................................91
4.3.6. Kết quả ño ñạt Mô hình 6. ..........................................................................100
4.4. ðánh giá và so sánh kết quả : ............................................................................100
4.5. Ứng dụng mô hình.............................................................................................102
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN ...........................................................................................104
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................107

Trương Việt Anh - ðỗ Anh Khoa

Trang 5


ðề tài cấp trường: NC, TK và TC mô hình Máy phát ñiện gió trục ñứng

DANH MỤC KÝ HIỆU
P

: Công suất

Pw

: Công suất thu ñược từ gió

Pout

: Công suất ngõ ra

Pe


ρ

: Mật ñộ không khí, ñơn vị kg/m3

T

: Nhiệt ñộ Kelvin

p

: Áp suất có ñơn vị là kPa

Cp

: Hiệu suất của turbine

C pR

: Hiệu suất turbine ở vận tốc gió ñịnh mức

ηm

: Hiệu suất truyền

η mR

: Hiệu suất truyền ở vận tốc gió ñịnh mức.

ηg



ðề tài cấp trường: NC, TK và TC mô hình Máy phát ñiện gió trục ñứng

ωm

: Vận tốc góc cơ của turbine, ñơn vị là rad/s

ω opt

: Vận tốc quay tối ưu của rôto.

TSR : Tip Speed Ratio - Tỉ số tốc ñộ ñỉnh
β

: Góc Pitch

λopt

: TSR tối ưu

γ

: Góc tới

n

: Tốc ñộ quay (rotational speed), ñơn vị vòng/phút

tw


tB

: ðộ dầy của cánh quạt.

r

: Bán kính

q

: Số tầng bánh răng.

MW : Megawatt
GW

: Gigawatt

x

: ðộ dầy khối khí, ñơn vị m

U

: ðộng năng

d1

: ðường kính khói khí di chuyển bam ñầu

u1

DC

: Một chiều

AC

: Xoay chiều

R

: ðiện trở

Trương Việt Anh - ðỗ Anh Khoa

Trang 8


ðề tài cấp trường: NC, TK và TC mô hình Máy phát ñiện gió trục ñứng

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Sản lượng ñiện toàn cầu ñến năm 2007....................................................... 20
Bảng 1.2: Tổng công suất lắp ñặt (MW) trên thế giới ñến năm 2020 ......................... 24
Bảng 1.3: Sử dụng ñiện ở các nước ñang phát triển theo vùng ( Năm 2000).............. 32
Bảng 3.1: Hiệu suất turbine ứng với từng kiểu khác nhau........................................... 59
Bảng 3.2: Tỷ lệ máy ñiện gió cỡ nhỏ với các vận tốc gió ñịnh mức thông dụng ........ 70
Bảng 3.3: Tỷ lệ máy ñiện gió cỡ nhỏ với các vận tốc cut-in thông dụng .................... 71
Bảng 3.4: Tỷ lệ % máy ñiện gió cỡ nhỏ với các vận tốc Cut-out thông dụng ............. 72
Bảng 4.1: Các thông số và kích thước của mô hình turbine Lenz2 ............................. 78
Bảng 4.1: Kết quả ño ñạt công suất ngõ ra máy phát ñiện gió mô hình 1, với ñộng
cơ DC, tỷ số nhông 1:6 loại bánh răng, R=180(Ohm) vận tốc gió 2 và

cỡ dây 0.18mm, quấn 1100 vòng, vấn tốc gió u=3m/s ............................... 96
Bảng 4.12: Kết quả ño công suất ngõ ra P của mô hình 5, với cuộn dây máy phát có
cỡ dây 0.18mm, quấn 1100 vòng, vấn tốc gió u=2m/s ............................... 96
Bảng 4.13: Kết quả ño công suất ngõ ra P của mô hình 5, với cuộn dây máy phát có
cỡ dây 0.25mm, quấn 1600 vòng, vấn tốc gió u=3m/s ............................... 98
Bảng 4.14: Kết quả ño công suất ngõ ra P của mô hình 5, với cuộn dây máy phát có
cỡ dây 0.25mm, quấn 1200 vòng, vấn tốc gió u=3m/s ............................... 98
Bảng 4.15: Kết quả ño công suất ngõ ra P của mô hình 5, với cuộn dây máy phát có
cỡ dây 0.25mm, quấn 800 vòng, vấn tốc gió u=3m/s ................................. 99

Trương Việt Anh - ðỗ Anh Khoa

Trang 10


ðề tài cấp trường: NC, TK và TC mô hình Máy phát ñiện gió trục ñứng

DANH MỤC HÌNH VẼ, ðỒ THỊ

Hình 0.1: Hành tinh chúng ta còn bao nhiêu dầu? .........................................................15
Hình 1.1: Biểu ñồ tăng trưởng công suất lắp ñặt năng lượng gió năm. .........................20
Hình 1.2: Biểu ñồ tăng trưởng công suất lắp ñặt trên thế giới ñến năm 2020. .............26
Hình 1.3: Biên ñộ dao ñộng công suất dự ñoán ở tất cả các phân ñoạn ........................27
Hình 2.1: Turbine gió ñầu tiên của Charles F.Brush tại Cleveland, Ohio 1888 ............38
Hình 2.2: Turbine gió thử nghiệm Poul la Cour tại Askov, ðan Mạch năm 1897 ........39
Hình 2.3: Turbine gió trục ñứng kiểu Savonius.............................................................39
Hình 2.4: Turbine gió trục ñứng Darrieus kiểu “Eole C” tại Cap Chat, Quebec...........40
Hình 2.5: Cấu tạo turbine trục ñứng và trục ngang........................................................42
Hình 2.6: Rô to Savonius có mặt cắt ngang hình chữ S.................................................43
Hình 2.7: Nguyên lý khí ñộng học của cánh máy bay ...................................................44

Hình 4.6c: ðầu trên trục bắt ốc dính vào máy phát .......................................................83
Hình 4.7a: Hub trên chặn lại bằng ốc.............................................................................84
Hình 4.7b: Hub dưới thả lỏng ........................................................................................84
Hình 4.7c: Trục số 2 khi lắp cánh hoàn chỉnh ...............................................................84
Hình 4.8a: Bánh răng lớn 62 răng ..................................................................................85
Hình 4.8b: Cơ cấu thay ñổi bánh răng nhỏ ....................................................................85
Hình 4.8c: Bánh răng nhỏ 10 răng .................................................................................85
Hình 4.9a: Hệ thống với bộ nhông kiểu 2 ......................................................................85
Hình 4.9b: Truyền qua dây curoa...................................................................................85
Hình 4.9c: Chu vi bánh nhông lớn 50cm, bánh nhỏ là 10cm ........................................85
Hình 4.10a: Máy phát 1 (Motor DC 24V, 4A 15W)......................................................87
Hình 4.10b: Máy phát 2 (Dynamo xe ñạp) ....................................................................87
Hình 4.10c Máy phát 3 (Quạt trần cải tiến) ..................................................................87
Hình 4.10d: Máy phát 4 (Dynamo xe hơi.) ....................................................................87
Hình 4.11a: Bản vẽ.........................................................................................................88
Hình 4.11b: Sản phẩm sau khi chế tạo...........................................................................88
Hình 4.12a: Mô hình 1 ...................................................................................................89
Hình 4.12b: Mô hình 2 ...................................................................................................89
Hình 4.12c: Mô hình 3 ...................................................................................................89
Hình 4.12d: Mô hình 4 ...................................................................................................89
Hình 4.12e: Mô hình 5 ...................................................................................................89

Trương Việt Anh - ðỗ Anh Khoa

Trang 12


ðề tài cấp trường: NC, TK và TC mô hình Máy phát ñiện gió trục ñứng

Hình 4.12f: Mô hình 6....................................................................................................89

Các chính phủ ñã ñón nhận các công nghệ này một cách hết sức nghiêm túc,
và ñưa ra các mục tiêu ñầy tham vọng cho sản lượng ñiện tạo ra từ các nguồn năng
lượng tái sinh trên. Người dân ngày càng ý thức về sự tàn phá và ô nhiễm môi
trường từ các nguồn nhiên liệu hoá thạch và năng lượng hạt nhân. Trong khi các
nguồn năng lượng tái sinh có thể khai thác tự do và không bao giờ cạn kiệt.
Năng lượng gió là một nguồn năng lượng sạch có thể thay thế các nguồn
năng lượng truyền thống. Các ứng dụng của nó tại các nước ñang phát triển giúp
làm giảm hiệu ứng nhà kính và giữ gìn ñược các nguồn năng truyền thống ñang cạn
kiệt. Các quốc gia ñã và ñang phát triển ñều xem năng lượng gió là nguồn năng
lượng lý tưởng phù hợp với xu hướng phát triển mới của nhân loại, ñược ưu tiên

Trương Việt Anh - ðỗ Anh Khoa

Trang 14


ðề tài cấp trường: NC, TK và TC mô hình Máy phát ñiện gió trục ñứng

ñầu tư số một trong các chính sách về năng lượng.

Hình 0.1: Hành tinh chúng ta còn bao nhiêu dầu?
(Nguồn: The Independent, 20 January 2006)

0.2. Những thuận lợi khi dùng năng lượng gió
Những thuận lợi khi dùng năng lượng gió [5], bao gồm:
- Giảm hay thay thế việc xây dựng các nhà máy ñiện truyền thống dùng năng
lượng hóa thạch.
- Không gây ô nhiễm môi trường khi turbine vận hành sản xuất ñiện năng.
- Là nguồn năng lượng không bao giờ cạn kiệt.
- Dễ dàng tăng thêm công suất khi cần thiết .

lòng phát triển trên diện rộng.
ðể các máy phát ñiện gió cỡ lớn hoạt ñộng hiệu quả, thì các máy này phải
ñược ñặt tại những nơi có gió mạnh. Ngay cả tại Phú Quốc – Kiên giang là nơi ñược
ñánh giá là có tiềm năng gió tốt mà vẫn không phát triển ñược năng lượng gió trên
bình diện rộng, qua tìm hiểu tài liệu khảo sát tại Sở Công Nghiệp Kiên giang ñược
biết tại Phú quốc chỉ có một ñiểm duy nhất có thể lắp ñặt ñược máy phát ñiện gió
công suất lớn, còn các nơi khác tại Phú Quốc ñều có chế ñộ gió không ñạt yêu cầu.
Tại Rạch Giá vận tốc gió trung bình khoảng 4m/s. Những mô hình ñiện gió công
suất bé tại Việt Nam cũng chưa thật sự thuyết phục, bởi vì cấu trúc phức tạp giá
thành cao, người dùng không thể tự bảo quản ñược nên sau một thời gian hoạt ñộng

Trương Việt Anh - ðỗ Anh Khoa

Trang 16


ðề tài cấp trường: NC, TK và TC mô hình Máy phát ñiện gió trục ñứng

ñều hư hỏng và ngừng hoạt ñộng.
Vì vậy cần phải có một mô hình máy phát ñiện gió công suất bé ñộc lập dùng
cho hộ gia ñình, công suất từ vài chục ñến khoảng 500 Watt. Cấu trúc máy ñiện gió
này phải thật ñơn giản, người dân có thể tự lắp ñặt với những vật liệu hiện có tại ñịa
phương, chi phí cho một máy phát không quá 5.000.000 ñồng, mỗi tháng máy có
thể cung cấp lượng ñiện năng khoảng 60 kWh ñủ cho nhu cầu chiếu sáng và các
tiện nghi ñơn giản khác.
Mục tiêu của ñề tài là ñưa ra một mô hình máy phát ñiện trục ñứng công suất
bé dùng cho các vùng có chế ñộ gió không tốt, chiều gió thay ñổi liên tục, gió quẩn,
tốc ñộ gió thấp.
Sau khi nghiên cứu nhiều tài liệu nước ngoài về các ứng dụng mô hình năng
lượng gió công suất bé, bảng phân tích nhân tố [9] ñánh giá nhu cầu người dùng ở

Tổng quan

Chương 2 :

Lịch sử máy phát ñiện gió

Chương 3 :

Lý thuyết tính toán máy phát ñiện gió

Chương 4 :

Thiết kế mô hình và kết quả ño ñạt

Chương 5 :

Kết luận

Trương Việt Anh - ðỗ Anh Khoa

Trang 18


ðề tài cấp trường: NC, TK và TC mô hình Máy phát ñiện gió trục ñứng

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Năng lượng gió thế giới
Năng lượng gió trên thế giới hiện ñang trong thời kỳ phát triển rực rỡ nhất, ñặc
biệt là các Nước Cộng ðồng Châu Âu, công nghệ turbine gió có thể giải quyết ñược



Dung lượng lắp ñặt [Mwe]

ðề tài cấp trường: NC, TK và TC mô hình Máy phát ñiện gió trục ñứng

Năm

Hình 1.1: Biểu ñồ tăng trưởng công suất lắp ñặt năng lượng gió năm.
(Nguồn: Global Wind Energy Council :GWEC)
Bảng 1.1: Sản lượng ñiện toàn cầu ñến năm 2007
QUỐC GIA

SẢN LƯỢNG [MW]

Ai Cập

230

Marốc

124

Iran

48

Tunisia

20


74

Caribê

35

Argentina

27

Trương Việt Anh - ðỗ Anh Khoa

Trang 20


ðề tài cấp trường: NC, TK và TC mô hình Máy phát ñiện gió trục ñứng

Columbia

20

Jamaica

20

Các nước khác

7


13

Tổng cộng Châu Á

10,667

ðức

20,622

Tây Ban nha

11,615

ðan Mạch

3,136

Ý

2,123

Anh

1,963

Bồ ðào Nha

1,716


153

Các nước khác

556

Tổng cộng Châu Âu:

48,545

Australia

817

Niu Di Lân

171

Các ñảo Thái Bình Dương

12

Tổng cộng Khu vực Thái Bình Dương

Trương Việt Anh - ðỗ Anh Khoa

1,000

Trang 21


thích hợp cho các hộ gia ñình vùng nông thôn, làng, xã, cụm dân cư...
Các hệ thống năng lượng gió phân tán cung cấp nguồn năng lượng tái sinh
giúp cải thiện môi trường, làm giảm áp lực trên lưới ñiện ñồng thời cũng tạo việc

Trương Việt Anh - ðỗ Anh Khoa

Trang 22


ðề tài cấp trường: NC, TK và TC mô hình Máy phát ñiện gió trục ñứng

làm, cung cấp nguồn năng lượng an toàn cho hộ gia ñình, nông trại, trường học, nhà
máy, các tiện nghi công cộng, công ty ñiện, các vùng xa xôi hẻo lánh. Người Mỹ ñã
ñi tiên phong ở lĩnh vực công nghệ turbine gió công suất nhỏ từ những năm 1920, cho
ñến nay ngành công nghiệp này Mỹ vẫn là nước có công nghệ, nhà máy và thị phần
ñứng ñầu thế giới.
Các hệ thống gió phân tán thường cung cấp ñiện cho người dùng phía ñồng hồ
ñiện mà không cần các ñường dây truyền tải, ñưa ra thêm một sự chọn lựa có tính
cạnh tranh cao, giá thành thấp so với các hệ thống dùng tấm pin mặt trời mà hiện nay
ñang ñược dùng nhiều ờ các căn hộ trong thành phố. Các turbine phân tán cỡ nhỏ tạo
ra ñiện ở vận tốc gió thấp hơn so với các loại cỡ lớn của ngành ñiện lực thường phải
nằm ở những vùng có vận tốc gió cao. Từ những yếu tố ñó, kết hợp với việc giá ñiện
ngày càng tăng, nhu cầu ñiện ngày càng lớn ñã thúc ñẩy mạnh ngành công nghiệp
máy phát ñiện phân tán phát triển, tạo thế cân bằng, mở rộng thị trường một cách
nhanh chóng.
Từ các số liệu khảo sát [3], ñiều tra của U.S. Department of Energy (DOE)
Wind, Hydropower Technologies Program và National Renewable Energy
Laboratory’s (NREL’s), National Wind Technology Center (NWTC) cho thấy hiện
nay ngành công nghiệp năng lượng gió phân tán này có 7 phân ñoạn thị trường, bao
gồm: