TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁNH TUA BIN GIÓ TRỤC NGANG CÔNG SUẤT 20KW BẰNG LẬP TRÌNH MATLAB

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁNH TUA BIN GIÓ TRỤC NGANG CÔNG SUẤT 20KW BẰNG LẬP TRÌNH MATLAB TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ─────── ─────── ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁNH TUA BIN GIÓ TRỤC NGANG CÔNG SUẤT 20KW BẰNG LẬP TRÌNH MATLAB Giáo viên hướng dẫn: TS. VŨ VĂN TRƯỜNG Sinh viên thực hiện : LƯU THẾ ANH SHSV : 20100021 Lớp : MÁY THỦY KHÍ – K55 Hà Nội, 62015 NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1. Thông tin về sinh viên Họ và tên sinh viên: LƯU THẾ ANH Điện thoại liên lạc: 01279494437 Email: luutheanh1312.ckbkgmail.com Lớp: Máy thủy khí K55 Hệ đào tạo: Đại học Đồ án tốt nghiệp được thực hiện tại: Bộ môn Máy và Tự động thủy khí Thời gian làm ĐATN: Ngày giao nhiệm vụ: 01 012015 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 01 062015 2. Mục đích nội dung của ĐATN Đề tài thiết kế: Tính toán thiết kế cánh tuabin gió trục ngang công suất 20 kW bằng lập trình MATLAB Năng lượng gió là một nguồn năng lượng tái tạo rất khả thi và kinh tế. Vì vậy việc tính toán thiết kế tuabin gió đóng vai trò quan trọng. Theo đó, xây dựng một chương trình MATLAB sẽ giúp quá trình thiết kế dễ dàng và thuận tiện hơn. Đề tài thực hiện tìm hiểu tổng quan về tình hình nghiên cứu tuabin gió trục ngang công suất nhỏ, một số phương án thiết kế và chọn ra một phương án phù hợp cho việc xây dựng chương trình tính toán thiết kế bằng MATLAB. 3. Các nhiệm vụ cụ thể của ĐATN Các số liệu ban đầu: Công suất P = 20kW, vận tốc gió làm việc V = 8ms Nghiên cứu tổng quan về tình hình nghiên cứu tua bin gió công suất nhỏ trong nước và thế giới. Đề xuất giải pháp phù hợp với Việt Nam. Nghiên cứu một số phương pháp tính toán thiết kế khí động lực học cánh tua bin gió trục ngang Xây dựng chương trình MATLAB (có giao diện) cho việc thiết kế khí động học cánh tua bin theo phương pháp tối ưu hệ số công suất, kết hợp với tuyến tính cánh (thuận lợi cho chế tạo) và tính lại công suất theo phương pháp động lượng phân tố cánh (BEM) Tính toán khối xoay tua bin so với hướng gió Bản vẽ và đồ thị: + 01 bản vẽ thiết kế cánh tua bin (A0) + 01 bản vẽ chương trình MATLAB (A1) + 01 bản vẽ chế tạo cánh tua bin (A0) + 01 bản vẽ lắp tua bin (A0) + 01 bản vẽ chế tạo khuôn làm cánh (A0) + 01 bản vẽ sơ đồ tính toán tối ưu (A1) + 01 bản vẽ sơ đồ tính lại công suất (A1) 4. Lời cam đoan của sinh viên: Tôi – Lưu Thế Anh cam kết ĐATN là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Vũ Văn Trường Các kết quả nêu trong ĐATN là trung thực, không phải là sao chép toàn văn của bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày 01 tháng 06 năm 2015 Tác giả ĐATN Lưu Thế Anh 5. Xác nhận của giáo viên hướng dẫn về mức độ hoàn thành của ĐATN và cho phép bảo vệ: ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. Hà Nội, ngày….tháng….năm Giáo viên hướng dẫn TS. Vũ Văn Trường MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ 6 DANH MỤC BẢNG BIỂU 8 CÁC KÍ HIỆU SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN 9 LỜI MỞ ĐẦU 11 CHƯƠNG 1 13 TỔNG QUAN VỀ GIÓ VÀ TUA BIN GIÓ 13 1.1. NGUỒN GỐC GIÓ 13 1.2. TỐC ĐỘ GIÓ TRUNG BÌNH 14 1.3. NĂNG LƯỢNG TRONG GIÓ 17 1.4. SỰ CHẢY RỐI 17 1.5. TÌNH TRẠNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG GIÓ TẠI VIỆT NAM 19 1.5.1. Năng lượng tái tạo 20 1.5.2. Tiềm năng năng lượng gió 22 1.5.3 Thực trạng sử dụng 23 1.6. QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA TUA BIN GIÓ 24 1.6.1. Giai đoạn hình thành ở đầu thế kỉ 19 24 1.6.2. Những bước phát triển đầu tiên của tua bin gió 25 1.6.3. Từ năm 90 đến nay 27 1.6.4. Giá thành xây dựng nhà máy năng lượng gió so với năng lượng truyền thống 27 1.7. TUA BIN GIÓ 28 1.7.1. Phân loại tua bin gió 28 1.7.2. Cấu tạo tua bin gió trục ngang: 29 30 1.7.3. Các kiểu tua bin gió hiện nay 31 1.7.4. Máy phát điện trong tua bin gió 33 CHƯƠNG 2 35 KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA TUA BIN GIÓ TRỤC NGANG 35 2.1. GIỚI THIỆU VỀ THUYẾT ĐỘNG LƯỢNG PHÂN TỐ CÁNH (BEM) 35 2.2. THUYẾT ĐỘNG LƯỢNG 35 2.2.1. Lực dọc trục 35 2.2.2. Thuyết phân tố cánh 37 2.2.3. Hệ số tổn thất đầu mũi cánh 41 2.2.4. Các phương trình động lượng phân tố cánh 41 2.2.5. Công suất đầu ra 42 2.2.6. Hiệu chỉnh Glauert 42 CHƯƠNG 3 44 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁNH TUA BIN GIÓ 20 KWl 44 3.1. TÍNH TOÁN CÁNH THEO TỐI ƯU 44 3.1.1. Các thông số đầu vào 44 3.1.2. Các bước tính toán 44 3.2. TÍNH LẠI CÔNG SUẤT SAU KHI HIỆU CHỈNH CUNG CÁNH C 50 CHƯƠNG 4 55 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN KHÍ ĐỘNG HỌC CÁNH BẰNG MATLAB 55 CHƯƠNG 5 64 TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HƯỚNG TUA BIN GIÓ 64 5.1. TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC HỆ DẪN ĐỘNG 64 5.2. TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ TRÊN CÁC TRỤC HỆ DẪN ĐỘNG 64 5.3. THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN TRỤC VÍT BÁNH VÍT 65 5.3.1. Chọn vật liệu 65 5.3.2. Xác định ứng suất cho phép của bánh vít 66 5.3.3. Xác định sơ bộ khoảng cách trục 67 5.3.4. Xác định mô đun 68 5.3.5. Xác định lại khoảng cách trục 68 5.3.6. Xác định các thông số động học 68 5.3.7. Kiểm nghiệm răng bánh vít 70 5.3.8. Một vài thông số của bộ truyền 71 5.3.9. Bảng tổng kết các thông số của bộ truyền (Bảng 5 1): 71 5.4. CHỌN Ổ LĂN 72 KẾT LUẬN 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 DANH MỤC HÌNH VẼ 6 DANH MỤC BẢNG BIỂU 8 CÁC KÍ HIỆU SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN 9 LỜI MỞ ĐẦU 11 CHƯƠNG 1 13 TỔNG QUAN VỀ GIÓ VÀ TUA BIN GIÓ 13 1.1. NGUỒN GỐC GIÓ 13 1.2. TỐC ĐỘ GIÓ TRUNG BÌNH 14 1.3. NĂNG LƯỢNG TRONG GIÓ 17 1.4. SỰ CHẢY RỐI 17 1.5. TÌNH TRẠNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG GIÓ TẠI VIỆT NAM 19 1.5.1. Năng lượng tái tạo 20 1.5.2. Tiềm năng năng lượng gió 22 1.5.3 Thực trạng sử dụng 23 1.6. QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA TUA BIN GIÓ 24 1.6.1. Giai đoạn hình thành ở đầu thế kỉ 19 24 1.6.2. Những bước phát triển đầu tiên của tua bin gió 25 1.6.3. Từ năm 90 đến nay 27 1.6.4. Giá thành xây dựng nhà máy năng lượng gió so với năng lượng truyền thống 27 1.7. TUA BIN GIÓ 28 1.7.1. Phân loại tua bin gió 28 1.7.2. Cấu tạo tua bin gió trục ngang: 29 1.7.3. Các kiểu tua bin gió hiện nay 31 1.7.4. Máy phát điện trong tua bin gió 33 CHƯƠNG 2 35 KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA TUA BIN GIÓ TRỤC NGANG 35 2.1. GIỚI THIỆU VỀ THUYẾT ĐỘNG LƯỢNG PHÂN TỐ CÁNH (BEM) 35 2.2. THUYẾT ĐỘNG LƯỢNG 35 2.2.1. Lực dọc trục 35 2.2.2. Thuyết phân tố cánh 37 2.2.3. Hệ số tổn thất đầu mũi cánh 41 2.2.4. Các phương trình động lượng phân tố cánh 41 2.2.5. Công suất đầu ra 42 2.2.6. Hiệu chỉnh Glauert 42 CHƯƠNG 3 44 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁNH TUA BIN GIÓ 20 KWl 44 3.1. TÍNH TOÁN CÁNH THEO TỐI ƯU 44 3.1.1. Các thông số đầu vào 44 3.1.2. Các bước tính toán 44 3.2. TÍNH LẠI CÔNG SUẤT SAU KHI HIỆU CHỈNH CUNG CÁNH C 50 CHƯƠNG 4 55 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN KHÍ ĐỘNG HỌC CÁNH BẰNG MATLAB 55 CHƯƠNG 5 64 TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HƯỚNG TUA BIN GIÓ 64 5.1. TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC HỆ DẪN ĐỘNG 64 5.2. TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ TRÊN CÁC TRỤC HỆ DẪN ĐỘNG 64 5.3. THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN TRỤC VÍT BÁNH VÍT 65 5.3.1. Chọn vật liệu 65 5.3.2. Xác định ứng suất cho phép của bánh vít 66 5.3.3. Xác định sơ bộ khoảng cách trục 67 5.3.4. Xác định mô đun 68 5.3.5. Xác định lại khoảng cách trục 68 5.3.6. Xác định các thông số động học 68 5.3.7. Kiểm nghiệm răng bánh vít 70 5.3.8. Một vài thông số của bộ truyền 71 5.3.9. Bảng tổng kết các thông số của bộ truyền (Bảng 5 1): 71 5.4. CHỌN Ổ LĂN 72 KẾT LUẬN 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76   DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 1: Mô tả dải quang phổ Vander Hoven 14 Hình 1 2: Mô tả hàm phân bố xác suất của tốc độ gió trung bình và mật độ năng lượng với tốc độ gió. 15 Hình 1 3: Tỉ trọng công suất thiết kế các nhà máy điện năm 2005 21 Hình 1 4: Các dạng chất thải từ các nguồn năng lượng khác nhau. 21 Hình 1 5: So sánh tổng thể về tính cạnh tranh giá cả của các loại hình năng lượng khác nhau. 22 Hình 1 6: Bản đồ tiềm năng điện gió Việt Nam 23 Hình 1 7: Tua bin gió công suất 800KW tại đảo Bạch Long Vĩ 24 Hình 1 8: Tua bin gió trục ngang chế tạo bởi Charles F.Brush năm 1888. 26 Hình 1 9: Một loại tua bin gió trục ngang. 27 Hình 1 10: a) Tua bin gió trục đứng (Tua bin Darrieus), b) Tua bin gió trục ngang. 28 Hình 1 11: Sơ đồ tua bin gió với tốc độ cố định 28 Hình 1 12: Sơ đồ tua bin gió với tốc độ thay đổi 29 Hình 1 13: Cấu tạo Tua bin gió trục ngang 30 Hình 1 14: Tua bin gió trục đứng 31 Hình 1 15: Các loại tua bin gió trục đứng. 32 Hình 1 16: Tua bin gió trục ngang. 32 Hình 2 1: Ống dòng dọc theo trục quanh tua bin gió 35 Hình 2 2: Ống dòng vành khuyên quay 37 Hình 2 3: Chú giải chi tiết ống dòng vành khăn quay 38 Hình 2 4: Phân tố cánh 38 Hình 2 5: Dòng lên trên cánh 39 Hình 2 6: Đồ thị hệ số lực nâng, lực cản cho NACA 0012 40 Hình 2 7: Mối quan hệ giữa hệ số dòng dọc trục, trạng thái dòng và lực đẩy của một rô to 43 Hình 3 1: Đồ thị liên hệ số cánh và tỉ số vận tốc đầu mũi cánh 44 Hình 3 2: Profin cánh 45 Hình 3 3: Đồ thị sự phụ thuộc CL vào góc tấn của Naca 4412 46 Hình 3 4: Đồ thị sự phụ thuộc của CD vào góc tấn của Naca 4412 46 Hình 3 5: Đồ thị sự phụ thuộc của CLCD vào góc tấn của Naca 4412 47 Hình 3 6 : Chia cánh theo phương pháp phân tố 48 Hình 3 7: Sơ đồ tính toán lại công suất sau khi hiệu chỉnh c 52 Hình 3 8: Đồ thị cR theo tỉ số bán kính x trước và sau khi hiệu chỉnh 53 Hình 4 1: Giao diện người dùng GUI 55 Hình 4 2: Nút Clalpha 56 Hình 4 3: Nút Cdalpha 57 Hình 4 4: Nút ClCdalpha 57 Hình 4 5: Nút Tối ưu 58 Hình 4 6: Nút vẽ cR theo x 58 Hình 4 7: Nút vẽ beta theo x 59 Hình 4 8: Nút hiệu chỉnh c 59 Hình 4 9: Nút hiệu chỉnh beta 60 Hình 4 10: Xâu cánh 2D trước hiệu chỉnh 61 Hình 4 11: Xâu cánh 3D trước hiệu chỉnh 61 Hình 4 12: Xâu cánh 2D sau hiệu chỉnh 62 Hình 4 13: Xâu cánh 3D sau hiệu chỉnh 62 Hình 4 14: Cánh 3D hoàn chỉnh trước hiệu chỉnh 63 Hình 4 15: Cánh 3D hoàn chỉnh sau hiệu chỉnh 63   DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 1: Giá trị đặc trưng của độ cao nhấp nhô z0 và số mũ độ nhấp nhô α ứng với các dạng bề mặt khác nhau. 16 Bảng 3 1: Bảng giá trị cung cánh c, góc tới và góc đặt cánh β 49 Bảng 3 2: Bảng giá trị cung cánh c, góc tới và góc đặt cánh β sau khi đã hiệu chỉnh 53 Bảng 5 1: Bảng tổng kết các thông số của bộ truyền 72   CÁC KÍ HIỆU SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN a : Hệ số dòng chảy dọc theo trụchệ số thu hẹp dòng chảy. a’ : Hệ số dòng chảy theo phương tiếp tuyến. c : Chiều dài dây cung của phân tố cánh. : Hệ số lực đẩy dọc trục tác dụng lên rô to. Z : Số cánh quạt của rô to V : Vận tốc gió Cp : Hệ số vận tốc P : Công suất định mức : Khối lượng riêng của không khí W : Vận tốc tương đối của dòng chảy với phân tố cánh x : Tỉ số bán kính (rR) : Vận tốc góc của rô to  : Vận tốc góc của dòng : Tỉ số vận tốc đầu mũi cánh η : Hiệu suất rô to cánh quạt α : Góc tấn : Góc tới β : Góc đặt cánh F : Hệ số tổn thất đầu mũi cánh Fx : Lực dọc trục Fθ : Lực tiếp tuyến N : Số phân tố cánh p : Áp suất T : Mô men xoắn L : Lực nâng D : Lực cản : Hệ số bền cánh R : Bán kính rô to r : Bán kính phân tố

VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

─────── * ───────

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Đề tài:

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁNH TUA BIN GIÓ

TRỤC NGANG CÔNG SUẤT 20KW BẰNG LẬP

1 Thông tin về sinh viên

Họ và tên sinh viên: LƯU THẾ ANH

Điện thoại liên lạc: 01279494437 Email: luutheanh1312.ckbk@gmail.comLớp: Máy thủy khí - K55 Hệ đào tạo: Đại học

Đồ án tốt nghiệp được thực hiện tại: Bộ môn Máy và Tự động thủy khí

Thời gian làm ĐATN:

Ngày giao nhiệm vụ: 01/ 01/2015

Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 01/ 06/2015

2 Mục đích nội dung của ĐATN

- Đề tài thiết kế: Tính toán thiết kế cánh tua-bin gió trục ngang công suất 20 kWbằng lập trình MATLAB

- Năng lượng gió là một nguồn năng lượng tái tạo rất khả thi và kinh tế Vì vậy việctính toán thiết kế tua-bin gió đóng vai trò quan trọng Theo đó, xây dựng mộtchương trình MATLAB sẽ giúp quá trình thiết kế dễ dàng và thuận tiện hơn

- Đề tài thực hiện tìm hiểu tổng quan về tình hình nghiên cứu tua-bin gió trục ngangcông suất nhỏ, một số phương án thiết kế và chọn ra một phương án phù hợp choviệc xây dựng chương trình tính toán thiết kế bằng MATLAB

3 Các nhiệm vụ cụ thể của ĐATN

- Các số liệu ban đầu: Công suất P = 20kW, vận tốc gió làm việc V = 8m/s

- Nghiên cứu tổng quan về tình hình nghiên cứu tua bin gió công suất nhỏ trongnước và thế giới Đề xuất giải pháp phù hợp với Việt Nam

- Nghiên cứu một số phương pháp tính toán thiết kế khí động lực học cánh tua bingió trục ngang

- Xây dựng chương trình MATLAB (có giao diện) cho việc thiết kế khí động học

- Bản vẽ và đồ thị:

+ 01 bản vẽ thiết kế cánh tua bin (A0)

+ 01 bản vẽ chương trình MATLAB (A1)

+ 01 bản vẽ chế tạo cánh tua bin (A0)

+ 01 bản vẽ lắp tua bin (A0)

+ 01 bản vẽ chế tạo khuôn làm cánh (A0)

+ 01 bản vẽ sơ đồ tính toán tối ưu (A1)

+ 01 bản vẽ sơ đồ tính lại công suất (A1)

4 Lời cam đoan của sinh viên:

Tôi – Lưu Thế Anh - cam kết ĐATN là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới

sự hướng dẫn của TS Vũ Văn Trường

Các kết quả nêu trong ĐATN là trung thực, không phải là sao chép toàn văn của bất

kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày 01 tháng 06 năm 2015

Tác giả ĐATN

Lưu Thế Anh

5 Xác nhận của giáo viên hướng dẫn về mức độ hoàn thành của ĐATN và cho phép bảo vệ:

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Hà Nội, ngày….tháng….năm Giáo viên hướng dẫn TS Vũ Văn Trường

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG BIỂU

CÁC KÍ HIỆU SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN

a : Hệ số dòng chảy dọc theo trục-hệ số thu hẹp dòng chảy.

a’ : Hệ số dòng chảy theo phương tiếp tuyến.

c : Chiều dài dây cung của phân tố cánh.

T

C : Hệ số lực đẩy dọc trục tác dụng lên rô to

Z : Số cánh quạt của rô to

V : Vận tốc gió

C p : Hệ số vận tốc

P : Công suất định mức

ρ : Khối lượng riêng của không khí

W : Vận tốc tương đối của dòng chảy với phân tố cánh

D : Lực cản

σ : Hệ số bền cánh

R : Bán kính rô to

r : Bán kính phân tố

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thời đại kinh tế thị trường hiện nay, với những đòi hỏi rất cao về nănglượng điện cho nền sản xuất Nhu cầu sử dụng năng lượng điện cũng như các nguồnnăng lượng khác trên cả nước là vô cùng lớn Đất nước đang trên đường phát triển,công nghiệp hóa, hiện đại hóa ở khắp mọi nơi Trong khi đó, tình trạng thiếu hụtnăng lượng vẫn thường xuyên diễn ra, đặc biệt vào những mùa, những ngày, giờ caođiểm đã gây rất nhiều trở ngại trong sinh hoạt cũng như trong phát triển sản xuất.Giải quyết vấn đề này, nhiều nhà khoa học đã đưa ra các giải pháp để bổ sung thêmnguồn năng lượng điện cho nước ta như: xây dựng các nhà máy thủy điện, nhiệtđiện, điện nguyên tử, Nhưng trên thực tế cho thấy rằng thủy điện đang có nguy cơgiảm năng suất vì các dòng sông chính như sông Hồng, sông Cửu Long, đang dầncạn do phía Trung Quốc xây dựng các đập thủy điện ngăn dòng chảy ở thượngnguồn Nhiệt điện thì cần đến nhiều các nguồn tài nguyên hóa thạch và việc đốt tạo

ra các khí thải làm ô nhiễm môi trường Điện nguyên tử cần vốn đầu tư vô cùnglớn, và đỏi hỏi có nền khoa học hiện đại cao, bên cạnh đó nguy cơ xảy ra nhiễmphóng xạ cao, nguy hiểm đến tính mạng con người Nước ta có đường bờ biển dàihàng ngàn ki lô mét, hàng năm nhận nhiều đợt gió thổi vào đất liền, rất thuận lợicho việc phát triển năng lượng điện từ gió Mặt khác, năng lượng gió là một nguồnnăng lượng sạch, khai thác nó không làm ảnh hưởng đến khí hậu và môi trường.Một ưu điểm nữa đó là không bao giờ cạn kiệt nguồn năng lượng này Tua bin gióhay còn gọi là động cơ gió là một loại thiết bị lấy năng lượng từ gió để chuyển hóathành năng lượng điện bằng cách lợi dụng sức gió làm quay tua bin, qua bộ truyềnlàm quay máy phát điện từ đó sinh ra dòng điện Trên cơ sở nhiều ưu điểm như vậy

mà động cơ gió được sử dụng rất nhiều trên thế giới như ở Hà Lan, Anh, Mỹ,Đức,Trung Quốc và ở điều kiện nước ta rất thuận lợi cho việc phát triển loại thiết

bị này phục vụ cho nhu cầu sử dụng điện để phát triển nền kinh tế quốc dân

Trong xu thế phát triển, cơ cấu kinh tế của đất nước đã có nhiều sự thay đổi,công nghiệp và dịch vụ đang phát triển từng ngày thì năng lượng trở thành một vấn

đề cấp bách Năng lượng từ dầu đang giảm dần, theo ước tính trữ lượng dầu sẽ hếtsau khoảng 100 năm Do đó phải tìm một nguồn năng lượng mới nhất là một nguồnnăng lượng tái tạo Trong các nguồn năng lượng tái tạo cho đến nay chỉ có thủy điện

là đáng kể Trong những nguồn còn lại thì tiềm năng lớn là điện gió

Trong chiến lược phát triển năng lượng của chính phủ, theo thông tin của bộcông thương về năng lượng tái tạo của Việt Nam, dự kiến nguồn năng lượng này sẽtăng 15% Việt Nam đang có kế hoạch phát triển và thay thế các nguồn năng lượng

Nhiều dự án điện gió đã và đang được tiến hành xây dựng trong cả nước Các

dự án điện gió như: Nhà máy điện gió nằm ở xã Bình Thạnh, Huyện Tuy Phong,Tỉnh Bình Thuận, có tổng công suất lắp đặt là 120 MW Công trình Phương Mai tạiQuy Nhơn công suất 2,5MW Tại Lâm Đồng hai đề án nhà máy điện gió công suất150MW và 80 MW đang được tích cực triển khai Tại Lạng Sơn, Côn Đảo, Bà RịaVũng Tàu cũng đang có những dự án điện gió…

Tiềm năng năng lượng gió tại Việt Nam là rất cao nhưng với trình độ côngnghệ và vật liệu ở nước ta hiện nay thì việc thiết kế chế tạo các tua bin gió có côngsuất cao còn gặp nhiều khó khăn, các cơ sở nghiên cứu trong nước chưa có đội ngũcán bộ nghiên cứu chuyên ngành đủ mạnh… chúng ta chưa thể chế tạo tua bin gió

có công suất lớn

Tuy nhiên các loại tua bin gió nhỏ và trung bình thì đã bắt đầu được nghiêncứu chế tạo, để tiến tới việc làm chủ thiết kế, chế tạo thiết bị tua bin gió trong nướctrong một tương lai không xa

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIÓ VÀ TUA BIN GIÓ

Gió được đặc trưng bởi tốc độ và hướng của nó, cái mà bị ảnh hưởng bởi vài

bin gió tác động qua lại với gió, thu nạp một phần động năng và biến nó thành nănglượng có ích Sự biến đổi năng lượng này là kết quả của một vài hiện tượng mà sẽđược nghiên cứu trong chương này.

1.1 NGUỒN GỐC GIÓ

Gió là những chuyển động của các khối khí trong khí quyển chủ yếu xuấtphát từ sự chênh lệch nhiệt độ Độ chênh lệch nhiệt độ ứng với quá trình nung nóngkhông đều nhờ mặt trời Trên thực tế, vùng xích đạo được chiếu sáng nhiều hơn cáccực Bởi vậy, bầu không khí ấm hơn và sáng hơn của vùng xích đạo tăng lên ở lớpngoài của khí quyển và dịch chuyển về các cực, tại lớp trong bị thay thế bởi mộtdòng khí yếu hơn và lạnh hơn ở các vùng cực theo chiều ngược trở lại Sự tuần hoàngió này cũng chịu tác động của lực Coriolit kết hợp với hiện tượng quay của TráiĐất Thật ra, những lực này làm lệch hướng dòng chảy bên trên về hướng đông vàdòng chảy bên dưới hướng về phía tây Thông thường những ảnh hưởng của sựchênh lệch nhiệt độ suy giảm theo phạm vi rộng hơn 30 độ bắc và 30 độ nam, nơigió hướng tây chiếm ưu thế tương ứng với quá trình quay của Trái Đất Những dòngkhí phạm vi rộng lớn chiếm chỗ trong khí quyển tạo nên gió alize (gió sinh ra dochuyển động quay của trái đất) hay còn gọi là gió Mậu Dịch

Lớp khí quyển bên dưới được biết như là lớp bề mặt và mở rộng trong độ cao

là 100 mét Trong lớp này, gió bị chậm lại do lực ma sát và vật cản, không chỉ làmthay đổi tốc độ của chúng mà còn cả hướng của chúng nữa Đây là điểm mấu chốtcủa dòng chảy rối, cái mà gây ra sự biến đổi tốc độ gió vượt quá một giới hạn củadải biên độ và tần số Thêm nữa, sự hiện diện của các đại dương và các hồ lớn gây

ra sự lưu chuyển của các khối khí tương tự trong bản chất của gió Mậu Dịch Tất cảnhững sự di chuyển không khí này đều được gọi là gió cục bộ

Gió ở những nơi xác định gần bề mặt của trái đất là kết quả của sự tổng hợpgió cục bộ và gió Mậu Dịch Do đó, nó phụ thuộc vào vị trí địa lí, khí hậu, độ cao sovới mặt đất, độ nhấp nhô của địa hình và sự cản trở của môi trường xung quanh.Chúng là các tác nhân tác động qua lại với tua bin gió Một đặc điểm thú vị của cáclớp gió bề mặt là sự phân bố động năng của chúng trong dải tần số cái mà được

nhận thấy nhờ quang phổ Hoven Hình 1- 1 minh họa một hình ảnh đặc trưng Chú

ý là biểu đồ chỉ mật độ phổ công suất Sv nhân với tần số góc ω Mặc dù có vài điểm

khác biệt trong bộ phận, quang phổ được đo ở những nơi khác nhau theo dạnggiống nhau Độc lập với vị trí, quang phổ cho thấy 2 đỉnh xấp xỉ khoảng 0,01vòng/h (4 ngày 1 vòng) và 50 vòng/h (1 phút 1 vòng), cái mà bị tách ra bởi một khe

hở năng lượng giữa thời gian nghỉ là 10 phút đến 2 giờ Nhánh tần số thấp của

Hình 1- 1: Mô tả dải quang phổ Vander Hoven

Sự tập trung của năng lượng xung quanh 2 dải tần số riêng biệt rõ ràng cho

phép phân chia tốc độ gió kí hiệu là V thành 2 thành phần:

p t t

V V t dt t

+

−

(1.2)Thông thường, khoảng giá trị trung bình được chọn nằm với khe năng lượng,một cách chính xác hơn nữa trong khoảng từ 10 đến 20 phút Khi đây là lớp biên thìmacro về khí tượng thay đổi trong tốc độ gió như sự thay đổi chậm của vận tốc gió

trung bình, khi mà trị số v chứng tỏ sự nhiễu loạn không khí.

1.2 TỐC ĐỘ GIÓ TRUNG BÌNH

Hiểu biết về tốc độ gió trung bình gần như dừng có thể kì vọng vào một vị trítiềm năng mà chủ yếu là xác định được tính kinh tế của đề án năng lượng gió.Những chỉ tiêu này về cơ bản chọn WECS để làm tăng tối đa hiệu suất và độ bền.Hàm phân bố xác suất của vận tốc gió trung bình được dự đoán trên những phép đothực nghiệm trong nhiều năm qua Tất cả những dữ liệu này thường được định trướctrong một biểu đồ Hàm phân bố gió đạt được bằng thực nghiệm có thể làm gần

đúng bằng hàm phân bố Weibull giống như Hình 1- 2a Hàm phân bố Weibull được

tính bằng:

( ) 1 ( m/ )k

k

V C m

m

V k

Trong đó k và C lần lượt là các hệ số tỉ lệ và hình dạng Những hệ số này được điều

chỉnh để phù hợp với nguồn gió ở một vị trí đặc biệt

Hàm tần suất Weibull cho thấy tốc độ trung bình lớn hiếm khi xảy ra trong

khi gió ôn hòa thì thường xuyên xảy ra Trong trường hợp đặc biệt của Hình 1- 2a,

tốc độ gió trung bình lớn nhất có thể là xấp xỉ 5.5 m/s trong khi tốc độ gió trungbình là 7 m/s

Hình 1- 2: Mô tả hàm phân bố xác suất của tốc độ gió trung bình và mật độ năng lượng

với tốc độ gió.

Tốc độ gió trung bình Tốc độ gió lớn nhất có thể

Tốc độ gió trung bình cũng là hàm của độ cao Trên mặt đất, thậm chí không

có sự có mặt của vật cản, lực ma sát sinh ra làm chậm lại gió ở lớp dưới Hiện tượngnày gọi là sự trượt của gió, là đáng kể khi mà chiều cao giảm và ảnh hưởng quantrọng tới sự làm việc của tua bin gió Mô hình tính toán khác dự kiến mô tả sự trượtcủa gió Một trong số chúng tuân theo định luật Logarit Prandtl:

( ) ( ) ( ( 00) )

Trong đó z là tầng cao trên mặt đất, z ref là chiều cao chuẩn (thông thường là

10 mét) và z 0 là độ dài nhấp nhô Giá trị đặc trưng của thông số ứng với các loại

khác nhau của địa hình được liệt kê trong Bảng 1-1 Phương trình kinh nghiệm

thường được sử dụng để mô tả sự ảnh hưởng của địa hình đến độ chênh lệch tốc độgió theo hàm mũ:

Bảng 1- 1: Giá trị đặc trưng của độ cao nhấp nhô z 0 và số mũ độ nhấp nhô α ứng với các

1.3 NĂNG LƯỢNG TRONG GIÓ

Động năng tích trữ trong dòng chảy trên một đơn vị thể tích là Ek= 0,5ρV 2 , trong đó ρ là mật độ của chất lỏng Một dòng khí chảy qua một tiết diện ngang A, lưu lượng dòng chảy là AV Do đó, công chuyển qua một tiết diện A với vận tốc V là

P v = 0,5ρAV 3

3

1 2

v

P = ρ AV

Năng lượng hữu ích trong gió có thể đạt được bằng cách lấy tích phân (1.6)

trong một khoảng thời gian T p, một năm đặc trưng:

3 0

1 2

p

T

(1.7)Cái này có thể bị thu hút để lấy đi tốc độ gió lớn nhất có thể hoặc tốc độ giótrung bình từ phân bố Weibull và sau đó đánh giá năng lượng trung bình Trongtrường hợp đó, chúng ta sẽ thực sự đánh giá không đúng mức nguồn tài nguyên gió.Điều này là bởi vì tốc độ gió cao chứa đựng năng lượng nhiều hơn gió tốc độ thấp,như được tuyên bố bằng quan hệ bậc 3 giữa tốc độ và công

Hình 1.2b chỉ ra mật độ năng lượng, đó là phân bố của năng lượng ở tốc độ

gió khác nhau Biểu đồ này đạt được bằng cách tổng hợp hàm phân bố xác suất củatốc độ gió với năng lượng ở mỗi tốc độ Ở mỗi kết quả, hình dạng của đường congWeibull lại thay đổi Chú ý rằng phần lớn năng lượng gió sẽ được cung cấp bởi gió

ở trên giá trị vận tốc trung bình Trong Hình 1.2 giá trị năng lượng trung bình tương

ứng với tốc độ gió là 12 m/s

1.4 SỰ CHẢY RỐI

Từ định nghĩa, sự chảy rối bao hàm tất cả sự thay đổi vận tốc gió với độchênh lệch phổ ở các tần số cao hơn Do đó nó chứa đựng tất cả các thành phầntrong khoảng từ từng giây đến từng phút Nhìn chung, chảy rối có một phạm vi nhỏ

bé trong năng lượng thu được hàng năm, cái mà về cơ bản đã được xác định bằngtốc độ gió trung bình ổn định Tuy nhiên nó có sự va đập mạnh ảnh hưởng tới tảitrọng khí động và chất lượng công suất

Sự chảy rối của gió ở một điểm đang xét trong không gian được vẽ lên mộtcách ngẫu nhiên nhờ giá trị trung bình của phổ công suất Hai loại mô hình được

ϕ ω

ω

= +

(1.8)

và hàm phổ Kaimal:

( ) ( 1 )53

v v

K T

ϕ ω

ω

= +

(1.9)

Cả hai mô hình đều được biểu diễn bằng tham số là hằng số T v và K v Hằng

số T v xác định bề rộng dải tần số của sự chảy rối trong khi đó K v thì được ghép với

năng lượng xoáy Trong miền thời gian này, T v cũng là một bước của mối tươngquan thời gian của sự chảy rối Cả hai thông số đều phụ thuộc nhiều vào tốc độ giótrung bình trên đặc trưng địa hình của vùng lãnh thổ Chẳng hạn như trong trườnghợp của hàm phổ Karman, những hệ số được làm xấp xỉ bởi:

1

ln /

v v

Cả L v và σvđược đặc trưng cho miền lãnh thổ và được tiến hành bằng thực

nghiệm thu được từ sự đo tốc đọ gió Độ dài tương quan nói chung mang lại giá trịdao động từ 100m đến 330m trong khi mật độ chảy rối mang lại giá trị giữa khoảng

từ 0,1 đến 0,2

Phương trình (1.13) cho thấy mật độ chảy rối giảm đi theo độ cao Nó cũngquay ra ngoài cái mà mật độ chảy rối cao hơn khi có những vật cản ở môi trườngxung quanh.

1.5 TÌNH TRẠNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG GIÓ TẠI VIỆT NAM

Tốc độ tăng trưởng trung bình của sản lượng điện ở Việt Nam trong 20 nămtrở lại đây đạt mức rất cao, khoảng 12-13%/năm - tức là gần gấp đôi tốc độ tăngtrưởng GDP của nền kinh tế Chiến lược công nghiệp hóa và duy trì tốc độ tăngtrưởng cao để thực hiện “dân giàu, nước mạnh” và tránh nguy cơ tụt hậu sẽ còn tiếptục đặt lên vai ngành điện nhiều trọng trách và thách thức to lớn trong những thậpniên tới Để hoàn thành được những trọng trách này, ngành điện phải có khả năng

dự báo nhu cầu về điện năng của nền kinh tế, trên cơ sở đó hoạch định và phát triểnnăng lực cung ứng của mình [1]

Việc ước lượng nhu cầu về điện không hề đơn giản, bởi vì nhu cầu về điện lànhu cầu dẫn xuất Chẳng hạn như nhu cầu về điện sinh hoạt tăng cao trong mùa hè

là do các hộ gia đình có nhu cầu điều hòa không khí, đá và nước mát Tương tự nhưvậy, các công ty sản xuất cần điện là do điện có thể được kết hợp với các yếu tố đầuvào khác (như lao động, nguyên vật liệu v.v.) để sản xuất ra các sản phẩm cuốicùng

Nói cách khác, chúng ta không thể ước lượng nhu cầu về điện một cách trựctiếp mà phải thực hiện một cách gián tiếp thông qua việc ước lượng nhu cầu của cácsản phẩm cuối cùng Nhu cầu này, đến lượt nó, lại phụ thuộc vào nhiều biến số kinh

tế và xã hội khác

Một cách khác để nhìn vào khía cạnh cầu về điện năng là phân tách tổng cầu

về điện theo các ngành kinh tế Nhu cầu về điện năng trong công nghiệp và sinh

hoạt/ hành chính chiếm tỷ trọng chủ yếu trong tổng nhu cầu Năm 2005, điện phục

vụ tiêu dùng và công nghiệp chiếm tỷ trọng rất lớn, lần lượt là 43,81% và 45,91%,trong khi 11% còn lại dành cho nông nghiệp và các nhu cầu khác Nhu cầu điện củakhu vực công nghiệp tăng cao là hệ quả trực tiếp của chủ trương công nghiệp hóa,hiện đại hóa nền kinh tế, mà một biểu hiện của nó là tốc độ tăng trưởng giá trịSXCN trung bình trong hơn 10 năm qua đạt mức khá cao là 10,5%

Còn ở khu vực tiêu dùng, cùng với mức tăng dân số, tốc độ đô thị hóa khácao, và gia tăng thu nhập của người dân, nhu cầu về điện tiêu dùng cũng tăng vớitốc độ rất cao Kết quả là nhu cầu về điện của toàn nền kinh tế tăng trung bình gần13%/năm, và tốc độ tăng của mấy năm trở lại đây thậm chí còn cao hơn mức trungbình Theo dự báo, tốc độ tăng chóng mặt này sẽ còn tiếp tục được duy trì trong

Bây giờ hãy thử kết hợp những dự báo về nhu cầu điện năng của nền kinh tếvới năng lực cung ứng của ngành điện Nếu tốc độ phát triển nhu cầu về điện tiếptục duy trì ở mức rất cao 14-15%/năm như mấy năm trở lại đây thì năm 2010 cầu vềđiện sẽ đạt mức 90.000 GWh, gấp đôi mức cầu của năm 2005

Theo dự báo của Tổng Công ty Điện lực Việt Nam, nếu tốc độ tăng trưởngGDP trung bình tiếp tục được duy trì ở mức 7,1%/năm thì nhu cầu điện sản xuất củaViệt Nam vào năm 2020 sẽ là khoảng 200.000 GWh, vào năm 2030 là 327.000GWh

Trong khi đó, ngay cả khi huy động tối đa các nguồn điện truyền thống thìsản lượng điện nội địa của chúng ta cũng chỉ đạt mức tương ứng là 165.000 GWh(năm 2020) và 208.000 GWh (năm 2030) Điều này có nghĩa là nền kinh tế sẽ bịthiếu hụt điện một cách nghiêm trọng, và tỷ lệ thiếu hụt có thể lên tới 20-30% mỗinăm Nếu dự báo này của Tổng Công ty Điện lực trở thành hiện thực thì hoặc làchúng ta phải nhập khẩu điện với giá đắt gấp 2-3 lần so với giá sản xuất trong nước,hoặc là hoạt động sản xuất của nền kinh tế sẽ rơi vào đình trệ, còn đời sống củangười dân sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng

Nhiều doanh nghiệp nước ngoài khi đến đầu tư tại Việt Nam thường đặt racâu hỏi: “Khi nào thì Việt Nam hết thiếu điện?”

1.5.1 Năng lượng tái tạo

- Pin mặt trời: Hiện còn quá đắt so với điều kiện hiện tại của Việt Nam

- Năng lượng gió:

* Tỷ trọng công suất thiết kế các nhà máy điện (Hình 1- 3).

* Các dạng thải từ các nguồn năng lượng khác nhau (Hình 1- 4) và giá cả các loại hình phát điện (Hình 1- 5).

Hình 1- 3: Tỉ trọng công suất thiết kế các nhà máy điện năm 2005

Hình 1- 4: Các dạng chất thải từ các nguồn năng lượng khác nhau.

Hình 1- 5: So sánh tổng thể về tính cạnh tranh giá cả của các loại hình năng lượng khác

nhau.

1.5.2 Tiềm năng năng lượng gió

1.5.2.1 Gió trong đất liền

Theo tính toán của nghiên cứu này, trong bốn nước được khảo sát thì Việt

Nam có tiềm năng gió lớn nhất và hơn hẳn các quốc gia lân cận là Thái Lan, Lào

và Campuchia Trong khi Việt Nam có tới 8,6% diện tích lãnh thổ được đánh giá

có tiềm năng từ “tốt” đến “rất tốt” để xây dựng các trạm điện gió cỡ lớn thì diệntích này ở Campuchia là 0,2%, ở Lào là 2,9%, và ở Thái-lan cũng chỉ là 0,2%.Tổng tiềm năng điện gió của Việt Nam ước đạt 513.360 MW tức là bằng hơn 200lần công suất của thủy điện Sơn La, và hơn 10 lần tổng công suất dự báo củangành điện vào năm 2020

Tất nhiên, để chuyển từ tiềm năng lý thuyết thành tiềm năng có thể khaithác, đến tiềm năng kỹ thuật, và cuối cùng, thành tiềm năng kinh tế là cả một câuchuyện dài; nhưng điều đó không ngăn cản việc chúng ta xem xét một cách thấuđáo tiềm năng to lớn về năng lượng gió ở Việt Nam

Hình 1- 6: Bản đồ tiềm năng điện gió Việt Nam

1.5.2.2 Gió ngoài khơi

Tiềm năng điện gió ở Việt Nam thật là lớn gấp nhiều lần so với lục địa Nếu

tính theo Hình 1- 6 thì miền duyên hải Nam Trung Bộ và Nam Bộ có khả năng sản

xuất 5,000 tỷ kW-h mỗi năm, có khả năng chu toàn gấp nhiều lần nhu cầu điện choViệt Nam và các nước lân cận

1.5.3 Thực trạng sử dụng

- Công trình Tuy Phong – Bình Thuận

- Tua bin gió ở đảo Bạch Long Vĩ do đoàn TNCS Hồ Chí Minh mua của Tây BanNha giá 0,87 triệu USD có công suất 800KW cũng chỉ hoạt động một thời gian

ngắn rồi ngưng (Hình 1- 7).

Hình 1- 7: Tua bin gió công suất 800KW tại đảo Bạch Long Vĩ

1.6 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA TUA BIN GIÓ

1.6.1 Giai đoạn hình thành ở đầu thế kỉ 19

Có thể khẳng định rằng con người đã biết đến sức gió từ rất sớm, vào khoảngnăm 3.500 trước Công nguyên khi làm ra những chiếc buồm để đẩy tàu thuỷ lướttrên mặt nước Kế đến, những chiếc cối xay gió trục đứng đầu tiên đã xuất hiện vàothế kỷ thứ 2 trước Công nguyên tại xứ Ba Tư Nhưng phải đợi đến thế kỷ 13, loạicối xay gió trục ngang mới được phổ biến ở châu Âu

Đến năm 1850, Lord Kelvin, một nhà vật lý người Anh, nảy ra ý tưởng nối một chiếc máy phát điện vào một cánh quạt gió Từ đó, "động cơ gió" ra đời Tuy nhiên, trong thế kỷ 20, do không cạnh tranh được với dầu mỏ, năng lượng gió gần như bị bỏ quên Bước sang thế kỷ 21, khi con người đang đứng trước nhiềubài toán cấp bách về ô nhiễm môi trường và bắt buộc phải tìm kiếm ra những nguồn năng lượng sạch hơn và "nhiều" hơn, thì năng lượng gió lại thu hút sự quantâm đặc biệt của các nhà khoa học và môi trường

Lịch sử thế giới loài người đã chứng kiến những ứng dụng của năng lượnggió vào cuộc sống từ rất sớm Gió giúp quay các cối xay bột, gió giúp các thiết bịbơm nước hoạt động, và gió thổi vào cánh buồm giúp đưa các con thuyền đi xa.Theo những tài liệu cổ còn giữ lại được thì bản thiết kế đầu tiên của chiếc cối xayhoạt động nhờ sức gió là vào khoảng thời gian nhũng năm 500 - 900 sau côngnguyên tại Ba Tư Đặc điểm nổi bật của thiết bị này đó là các cánh đón gió được bốtrí xung quanh một trục đứng, minh họa một mô hình cánh gió được lắp tại Trung

Mỹ vào cuối thế kỷ 19, mô hình này cũng có cấu tạo cánh đón gió quay theo trụcđứng

Muộn hơn nữa, kể từ thế kỷ 13, các cối xay gió xuất hiện tại Châu Âuvới cấu trúc phức tạp hơn có các cánh đón gió quay theo phương ngang Cải tiến cơbản này đã tận dụng được lực nâng khí động tác dụng lên cánh quạt và làm hiệusuất của cối xay gió thời kỳ này được cải thiện đáng kể Trong suốt những năm tiếptheo, các thiết kế của cối xay gió ngày được hoàn thiện và được sử dụng rộng rãitrong các lĩnh vực: bơm nước, tưới tiêu, xay bột… Tuy nhiên vào đầu thế kỷ 19,với sự xuất hiện của máy hơi nước, đã thay thế dần dần các thiết bị chạy bằng sứcgió

1.6.2 Những bước phát triển đầu tiên của tua bin gió

Năm 1888, tại Ohio-Mỹ, chiếc máy phát điện chạy bằng sức gió đầu tiên được

chế tạo bởi Charles F.Brush (Hình 1- 8) Nó có đặc điểm:

- Cánh được ghép thành xuyến tròn, có đường kính 17m

- Sử dụng hộp số (tỉ số truyền 50:1) giữa trục tua bin với máy phát

- Tốc độ định mức của máy phát là 500 v/phút

- Công suất định mức của máy phát là 12kW

Hình 1- 8: Tua bin gió trục ngang chế tạo bởi Charles F.Brush năm 1888.

Trong những năm tiếp theo thì hàng loạt máy phát điện gió ra đời như: máyđiện gió công suất 25kw ở Đan Mạch năm 1910, 1-3kw ở Mỹ năm 1925, 100kw

ở Nga năm 1931 Tuy nhiên do giá thành điện của những máy này không cạnhtranh được với các nhà máy nhiệt điện vì vậy chúng không được phát triển rộng rãi

Vào thời kỳ này thế giới đang bước vào một cuộc khủng hoảng dầu mỏ,năng lượng Ở các nước phát triển bắt đầu tập trung vào nghiên cứu chế tạo cácmáy điện gió Mỹ là nước đi tiên phong trong lĩnh vực này khi mà tại đây rất nhiềumáy điện gió của các nhà sản xuất trên thế giới được lắp đặt Những thiết kế, môhình máy điện gió đã phát triển rất nhanh và đáng chú ý là mô hình thiết kế củaĐan Mạch: có 3 cánh, điều khiển ổn định tối ưu tốc độ, công suất 250kw, máy cóthể điều chỉnh được góc đón gió của cánh tua bin Đây là một mẫu thiết kế đã

mang dáng dấp của những tua bin gió hiện đại sau này (Hình 1- 9).

Hình 1- 9: Một loại tua bin gió trục ngang.

1.6.3 Từ năm 90 đến nay

Sau năm 90, cùng với Mỹ các nước Đức, Anh, Tây Ba Nha, Hà Lan,Thụy Điển là những thị trường đầy tiềm năng Nhiều máy điện gió được lắp đặtvới dải công suất ngày càng lớn Năm 1990, công suất máy phát lắp đặt chỉ ở mức200KW thì đến năm 2003 công suất máy phát có thể lên đến 5MW Kéo theo đó

là sự xuất hiện hàng loạt các trang trại điện gió với công suất lên đến vàitrăm MW Thời kỳ này đánh dấu sự phát triển các trang trại điện gió trên biển.Gió trên biển có đặc điểm vận tốc gió cao và ổn định nên hứa hẹn có thể mang lạimột lượng công suất rất lớn

1.6.4 Giá thành xây dựng nhà máy năng lượng gió so với năng lượng truyền thống

Giá thành xây dựng nhà máy điện gió trong nhưng năm gần đây đã giảmđáng kể Thử lấy một ví dụ so sánh giá thành giữa điện gió và thủy điện Nhà máythủy điện Sơn La với 6 tổ máy có tổng công suất là 2.400MW điện được xây dựngtrong 7 năm với tổng đầu tư là 2,4 tỷ USD Giá thành khi phát điện (chưa tính đếnchi phí môi trường) là 70USD/MWh

Như vậy để có được 1KW công suất điện cần đầu tư 1.000 USD trong 7 năm.Trong khi đó theo thời giá năm 2003 thì 1KW điện gió cũng vào khoảng 1.000USD Và giá thành này giảm đều hàng năm do cải tiến công nghệ Cộng thêm chiphí vận hành khoảng 48-60 USD/MWh Hơn nữa năng lượng gió được coi là mộtnguồn năng lượng sạch không ô nhiễm môi trường

Qua so sánh này ta thấy rằng kinh phí xây dựng các nhà máy điện gió hoàn

1.7 TUA BIN GIÓ

1.7.1 Phân loại tua bin gió

Việc phân loại tua bin gió theo nhiều cách khác nhau Ví dụ như theo dảicông suất, số cánh quạt, cấu tạo hoạt động…Tuy nhiên người ta thường phânloại tua bin gió theo hai dạng cơ bản sau: Tua bin gió trục ngang và tua bin gió trục

đứng (Hình 1- 10).

Hình 1- 10: a) Tua bin gió trục đứng (Tua bin Darrieus), b) Tua bin gió trục ngang.

Nếu xét về tốc độ quay của tua bin thì ta có thể chia làm hai loại:

- Loại tua bin có tốc độ cố định: Fixed speed wind turbine

- Loại tua bin có tốc độ thay đổi: Variable – speed wind turbine

Loại tua bin có tốc độ cố định (Hình 1- 11) có máy phát không đồng bộ

được nối trực tiếp với lưới điện Tuy nhiên hệ thống này có nhược điểmchính là do tốc độ cố định nên không thể thu được năng lượng cực đại từ gió

Hình 1- 11: Sơ đồ tua bin gió với tốc độ cố định

Loại tua bin có tốc độ thay đổi (Hình 1- 12) khắc phục được nhược

có thể thu được năng lượng cực đại từ gió Nhưng bất lợi của loại tua bin

này là cần hệ thống điện phức tạp vì cần có bộ biến đổi điện tử công suất

để tạo ra khả năng hoạt động với tốc độ thay đổi Điều này cũng là nguyên

nhân dẫn đến chi phí cho tua bin gió có tốc độ thay đổi lớn hơn so với tua bin

gió có tốc độ cố định

Hình 1- 12: Sơ đồ tua bin gió với tốc độ thay đổi

1.7.2 Cấu tạo tua bin gió trục ngang:

Bao gồm các phần chính sau đây:

- Cảm biến đo tốc độ gió (Anemometer): Bộ đo lường tốc độ gió và truyền dữ liệutốc độ gió tới bộ điểu khiển

- Cánh quạt (Blades): Gió thổi qua các cánh quạt và là nguyên nhân làm cho các

cánh quạt chuyển động và quay

- Bộ hãm, phanh (Brake): Dùng để dừng rô to trong tình trạng khẩn cấp bằng điện,

bằng sức nước hoặc bằng động cơ

- Bộ điều khiển (Controller): Bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở tốc độ gió

khoảng 8 đến 14 dặm/giờ tương ứng với 12 km/h đến 22 km/h và tắt động cơkhoảng 65 dặm/giờ tương đương với 104 km/h bởi vì các máy phát này có thể phátnóng

- Hộp số (Gear box): Bánh răng được nối với trục có tốc độ thấp với trục có tốc độ

cao và tăng tốc độ quay từ 30 đến 60 vòng/ phút lên 1200 đến 1500 vòng/ phút, tốc

độ quay là yêu cầu của hầu hết các máy phát điện sản xuất ra điện

- Máy phát (Generator): Phát ra điện

- Trục tốc độ cao (High – speed shaft): Trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao.

- Trục tốc độ thấp (Low – speed shaft): Trục quay tốc độ thấp.

phải đủ rộng để một kỹ thuật viên có thể đứng bên trong trong khi làm việc.

- Bước răng (Pitch): Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho rô to quay

trong gió không quá cao hay quá thấp để tạo ra điện

- Phần quay (Rotor): Bao gồm các cánh quạt và trục.

- Cột đỡ (Tower): Trụ đỡ Nacelle Được làm bằng thép hình trụ hoặc thanh dằn bằng

thép Bởi vì tốc độ gió tăng lên nếu trụ càng cao, trụ đỡ cao hơn để thu được nănglượng gió nhiều hơn và phát ra điện nhiều hơn

- Cảm biến đo hướng gió (Wind vane): Để xử lý hướng gió và liên lạc với “yaw

drive” để định hướng tua bin gió

- Khối xoay tua bin (Yaw drive): Dùng để giữ cho rô to luôn luôn hướng về hướng

gió chính khi có sự thay đổi hướng gió

- Động cơ hộp số (Yaw motor): Động cơ cung cấp cho “yaw drive” định được

hướng gió

Hình 1- 13: Cấu tạo Tua bin gió trục ngang

1.7.3 Các kiểu tua bin gió hiện nay

Các tua bin gió hiện nay được chia thành hai loại:

* Loại trục đứng giống như máy bay trực thăng (Hình 1- 14):

Hình 1- 14: Tua bin gió trục đứng

Đây là loại tubin mới phát triển trong thời gian gần đây

- Dải vận tốc gió hoạt động 3 - 40m/s

- Chiều cao tubin dưới 30m

- Số cánh quạt 2 - 4 cánh

- Bán kính cánh quạt dưới 10m

Đặc điểm:

- Dải vận tốc gió hoạt động là khá rộng

- Tua bin hoạt động không phụ thuộc vào hướng của vận tốc dòng khínên có thể lắp đặt ở vị trí có vận tốc gió cao với dòng chảy không ổn định

- Tuy nhiên hiệu suất của tua bin chỉ bằng 50% so với tua bin trụcngang khi hoạt động ở cùng 1 vận tốc gió

Có ba dạng tua bin gió trục đứng chính hiện nay trên thế giới đó là (Hình 1- 15):

- Rô to kiểu H

Hình 1- 15: Các loại tua bin gió trục đứng.

* Loại trục ngang (Hình 1- 16):

Hình 1- 16: Tua bin gió trục ngang.

Đây loại tua bin gió phổ biến trên thị trường

- Dải vận tốc gió hoạt động từ 4m/s - 25m/s.

- Chiều cao cột chống tua bin 6m (loại công suất nhỏ) – 120m (loại côngsuất lớn)

- Số cánh quạt 2 - 3 cánh quạt

- Bán kính cánh quạt từ 3m - 45m

- Số vòng quay cánh quạt 20 - 40 vòng/phút

Một số đặc điểm của tubin gió trục ngang:

- Đây là loại tua bin gió có hiệu suất cao nhất

- Thích hợp với nhiều vận tốc gió khác nhau

- Hình dạng và kích thước lớn nên đòi hỏi chỉ số an toàn cao

- Tuy có hệ thống điều chỉnh hướng để đón gió xong vẫn giới hạn ở 1 gócquay nhất định nên chỉ thích hợp cho nhưng nơi có vận tốc gió ổn định

Các loại tua bin gió trục ngang là loại phổ biến có 2 hay 3 cánh quạt Tua bingió 3 cánh quạt hoạt động theo chiều gió với bề mặt cánh quạt hướng về chiều gióđang thổi Ngày nay tua bin gió 3 cánh quạt được sử dụng rộng rãi

1.7.4 Máy phát điện trong tua bin gió

Máy phát điện là một thành phần quan trọng không thể thiếu trong tua bingió, vì nó có nhiệm vụ biến đổi cơ năng của tua bin thành điện năng Trong một

hệ thống phát điện, việc thiết kế và chọn máy phát điện phải phù hợp với loại tuabin đã được chọn Các tua bin này được thiết kế với việc ưu tiên cho các phươngpháp điều khiển mong muốn và điều kiện gió tại vùng quy hoạch Các máy phátđiện ở đây không chỉ sử dụng để biến đổi năng lượng mà còn dùng để điều khiểnđiện áp thông qua tốc độ quay của tua bin Trong quá trình làm việc, các máyphát điện cần phải được làm mát Có thể làm mát máy phát bằng cách lắp vào mộtquạt lớn để làm mát dòng không khí Một số máy phát khác sử dụng hệ thống làmmát bằng nước

Tua bin được nối trực tiếp với rô to của máy phát thông qua một trụctruyền động, tức là trực tiếp điều khiển máy phát Loại máy phát này sẽ có tốc độquay chậm hơn so với các loại máy phát thông thường Do đó nó được thiết kếvới số lượng điện cực nhiều để đạt được cảm ứng từ tốt và hiệu quả cao Việc điềukhiển trực tiếp giúp loại bỏ tổn thất, bảo dưỡng và các chi phí liên quan đến hộp

số Một số nghiên cứu cho thấy, hộp số là nguyên nhân dẫn đến hầu hết các hư

Với rô to kiểu H điều này có nghĩa tháp đỡ sẽ giảm được khối lượng Khi trục truyền động trực tiếp có đường kính lớn và cồng kềnh thì sử dụng tua bin gió trục đứng có ưu điểm hơn rất nhiều do máy phát được đặt tại mặt đất, khi đó thì kích thước và trọng lượng của máy phát không còn là vấn đề cần quan tâm nữa.

CHƯƠNG 2 KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA TUA BIN GIÓ TRỤC NGANG

2.1 GIỚI THIỆU VỀ THUYẾT ĐỘNG LƯỢNG PHÂN TỐ CÁNH (BEM)

Lý thuyết động lượng phân tố cánh là sự kết hợp của hai phương pháp,phương pháp động lượng và phương pháp phân tố để khảo sát hoạt động của mộttua bin gió Phương pháp thứ nhất sử dụng sự cân bằng động lượng trong một ốngdòng xuyên suốt cánh tua bin Phương pháp thứ hai khảo sát các lực được tạo ra đặctrưng bởi hệ số lực nâng và lực cản ở các phân tố khác nhau dọc theo cánh Haiphương pháp này cho chúng ta một hệ thống các phương trình để tính toán cánh [2,4]

2.2 THUYẾT ĐỘNG LƯỢNG

2.2.1 Lực dọc trục

Hình 2- 1: Ống dòng dọc theo trục quanh tua bin gió

Hình ảnh ống dòng được thể hiện trên Hình 2- 1 Có bốn vị trí được minh

họa, vị trí 1 - đường vào ống dòng, vị trí 2 - trước khi vào cánh, vị trí 3 - sau khi quacánh và vị trí 4 - đường ra ống dòng Giữa 2 và 3 có sự xoáy của gió tạo nên sự thayđổi áp suất

Giả thiết p 1 = p 4 và V 2 = V 3 Chúng ta có thể giả thiết rằng giữa 1 và 2 và giữa

3 và 4, dòng không có ma sát; Áp dụng phương trình Bernoulli:

Lực sinh ra trong vùng thay đổi áp suất:

V

−

=

(2.3)Hoặc:

Hình 2- 2: Ống dòng vành khuyên quay

Mô men của một phân tố: dT= dmωr 2 (2.10) Phân tố vành khăn quay:

2 2

Thuyết phân tố cánh dựa trên 2 giả thiết chính:

+ Không có sự tương tác khí động học giữa các phân tố cánh với nhau

+ Lực trên các phân tố cánh được xác định duy nhất bằng hệ số lực nâng và lực

Hình 2- 3: Chú giải chi tiết ống dòng vành khăn quay

Hình 2- 4: Phân tố cánh

Cánh được chia ra thành N phân tố (Hình 2- 3, 2- 4), mỗi phân tố cánh sẽ

quay trong mỗi vùng ống dòng khác nhau, với các tốc độ quay (Ωr) khác nhau,

chiều dài cung cánh (c) khác nhau và mỗi góc đặt cánh (β ) khác nhau Chia ra càng

nhiều phân tố thì khi tính toán và thiết kế sẽ có độ chính xác cánh càng cao (thường

là 10 đến 20 phân tố) Tính toán trên từng phân tố sau đó lấy tổng tích phân sẽ cóđược thuộc tính của toàn bộ cánh

Hình 2- 5: Dòng lên trên cánh

2.2.2.1 Dòng tương đối:

Hệ số lực nâng và lực cản là có sẵn cho mỗi loại profin Dòng vào cánh bắtđầu từ vị trí 2 và kết thúc ở vị trí 3 Ở đầu vào, để cho cánh không quay, ở mũi vànhkhăn có tốc độ quay là ω, nên ở vị trí trung bình vành khăn sẽ có tốc độ quay là/ 2

ω Cánh quay với tốc độ là Ω Vận tốc tiếp tuyến trung bình của cánh là

ϕλ

−

=+