Nghiên cứu tính toán thiết kế, chế tạo và thử nghiệm mô hình động cơ gió phát điện trục đứng sử dụng lò xo xoắn để tích trữ năng lượng

PHẠM TIẾN NGUYÊN KHANG NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ GIÓ PHÁT ĐIỆN TRỤC ĐỨNG SỬ DỤNG LÒ XO XOẮN... TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, CHẾ

PHẠM TIẾN NGUYÊN KHANG

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO

VÀ THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ GIÓ PHÁT ĐIỆN TRỤC ĐỨNG SỬ DỤNG LÒ XO XOẮN

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS HOÀNG AN QUỐC

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 16 tháng 01 năm 2015

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1 TS NGUYỄN VĂN TUYÊN – CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

2 TS BÙI NGỌC HÙNG – THƯ KÝ, ỦY VIÊN

3 TS NGUYỄN THẾ BẢO – PHẢN BIỆN 1

4 PGS.TS HOÀNG AN QUỐC – PHẢN BIỆN 2

5 TS TRẦN VĂN HƯNG – ỦY VIÊN

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

TS NGUYỄN VĂN TUYÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: PHẠM TIẾN NGUYÊN KHANG MSHV: 11064583 Ngày, tháng, năm sinh: 08/09/1985 Nơi sinh: LONG AN Chuyên ngành: KỸ THUẬT NHIỆT Mã số: 60.52.80

I TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM

MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ GIÓ PHÁT ĐIỆN TRỤC ĐỨNG SỬ DỤNG LÒ XO XOẮN ĐỂ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Nghiên cứu động cơ gió trục đứng loại nhỏ có bộ tích năng

- Viết chương trình tính toán động cơ gió trục đứng bằng ngôn ngữ Matlab

- Thí nghiệm đo tốc độ gió, số vòng quay của trục, điện áp và dòng điện của máy phát điện theo thời gian

- So sánh kết quả giữa tính toán lý thuyết và thực nghiệm

- Kết luận và kiến nghị

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 20 / 01 / 2014

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 14 / 11 / 2014

cảm ơn bạn bè, gia đình và đồng nghiệp đã động viên giúp cho đề tài này thành công

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Năng lượng gió thật sự có ích vì nó bổ sung vào nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt Nhưng với tốc độ gió thấp (< 3m/s) thì động cơ gió hiện nay hầu như không hiệu quả vì khả năng phát điện không đạt như mong muốn Chính vì

vấn đề này tác giả chọn hướng nghiên cứu: “Nghiên cứu tính toán thiết kế, chế tạo

và thử nghiệm mô hình động cơ gió phát điện trục đứng sử dụng lò xo xoắn để tích trữ năng lượng” để khắc phục nhược điểm trên Qua nghiên cứu tác giả chế tạo và

thử nghiệm động cơ gió trục đứng cánh Lenz sử dụng bộ tích năng lò xo để tận dụng nguồn năng lượng gió tầm thấp Đồng thời, tác giả cũng đã lập trình tính toán thiết kế động cơ gió này bằng ngôn ngữ Matlab Sau đó, kết hợp số liệu tính toán với thử nghiệm thực tế trên mô hình tác giả nhận thấy rằng việc tích hợp bộ tích năng vào động cơ gió là rất khả thi

Ngày 14 tháng 11 năm 2014 Học viên ký tên

PHẠM TIẾN NGUYÊN KHANG

MỤC LỤC

Trang

LỜI CÁM ƠN iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ iv

LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ v

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU x

DANH SÁCH CÁC HÌNH x

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ ĐƠN VỊ xiv

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu năng lượng gió 1

1.1.1 Tình hình sử dụng năng lượng thế giới 1

1.1.2 Tình hình sử dụng năng lượng gió của thế giới 3

1.1.3 Tình hình sử dụng năng lượng gió ở Việt Nam 4

1.2 Khảo sát sự phân bố và tốc độ gió tại các vùng ở Việt Nam 5

1.2.1 Phân bố tốc độ gió trên lãnh thổ tại độ cao 65m 6

1.2.2 Phân bố tốc độ gió trên lãnh thổ tại độ cao 30m 8

1.2.3 Phân bố tốc độ gió trên lãnh thổ tại độ cao 10m 10

1.2.4 Khả năng khai thác năng lượng gió tầm thấp ở Việt Nam 12

1.3 Giới thiệu động cơ gió 13

1.3.1 Động cơ gió trục ngang (Horizontal Axis Wind Turbine - HAWT) 13

1.3.2 Động cơ gió trục đứng (Vertical Axis Wind Turbine - VAWT) 14

1.4 Lý do chọn đề tài 16

1.5 Tình hình nghiên cứu động cơ gió trong và ngoài nước 16

1.5.1 Ngoài nước 16

1.5.2 Trong nước 17

1.6 Mục tiêu và các nội dung chính của đề tài 20

1.6.1 Mục tiêu 20

1.6.2 Nội dung 20

1.7 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 20

1.7.1 Đối tượng 20

1.9.2 Phương pháp thực nghiệm 21

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỘNG CƠ GIÓ TRỤC ĐỨNG VÀ BỘ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG 22

2.1 Nguyên lý và cấu tạo động cơ gió trục đứng 22

2.1.1 Nguyên lý làm việc động cơ gió trục đứng 22

2.1.2 Cấu tạo động cơ gió trục đứng 23

2.2 Cơ sở lý thuyết động lực học không khí của động cơ gió 31

2.2.1 Phương trình liên tục 31

2.2.2 Phương trình Euler 33

2.2.3 Phương trình Bernouli 35

2.2.4 Phương trình động lượng 38

2.2.5 Lực nâng và lực cản 42

2.2.6 Cơ sở động lực học của cánh 48

2.3 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của bộ phận tích trữ năng lượng 54

2.3.1 Hộp số giảm tốc 54

2.3.2 Bánh răng chủ động 55

2.3.3 Bánh răng bị động 55

2.3.4 Cơ cấu bánh cóc 56

2.3.5 Bộ phận phát điện 56

2.3.6 Khớp nối mềm 57

2.4 Nguyên lý hoạt động của bộ phận tích trữ năng lượng 57

2.5 Ý nghĩa của bộ phận tích trữ năng lượng bằng lò xo xoắn trong đề tài 58

CHƯƠNG 3 : CƠ SỞ TÍNH TOÁN-THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ GIÓ TRỤC ĐỨNG 59

3.2 Tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng có bộ tích năng 59

3.2.1 Phân tích các thành phần lực tác dụng lên một cánh Lenz 59

3.2.2 Moment của trục 63

3.2.3 Năng lượng gió tác động vào cánh tính theo hệ số Bezt 64

3.2.4 Số vòng quay của trục cánh gió 66

3.2.5 Tính toán bộ truyền động 66

3.2.6 Tính toán lò xo xoắn 68

3.2.7 Tính toán chọn máy phát điện 70

CHƯƠNG 4 : VIẾT CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN ĐỘNG CƠ GIÓ TRỤC ĐỨNG BẰNG MATLAB 75

4.1 Sơ đồ khối tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng truyền động trực tiếp 75

4.2 Sơ đồ khối tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng có bộ tích năng 76

4.2.1 Sơ đồ khối tính toán thiết kế biên dạng cánh Lenz 77

4.2.2 Sơ đồ khối tính toán thiết kế bộ truyền động giảm tốc 78

4.2.3 Sơ đồ khối tính toán chọn lò xo xoắn 79

4.3 Lập giao diện chương trình tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng 79

4.3.1 Giao diện tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng truyền động trực tiếp 80

4.3.2 Giao diện tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng có bộ tích năng 80

4.3.3 Giao diện so sánh tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng giữa truyền động trực tiếp và khi có bộ tích năng 81

4.4 Kết quả tính toán từ chương trình Matlab 81

4.4.1 Kết quả tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng truyền động trực tiếp 81

4.4.2 Kết quả tính toán thiết kế cơ gió trục đứng có bộ tích năng 82

4.4.3 Kết quả tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng giữa truyền động trực tiếp và khi có bộ tích năng 82

CHƯƠNG 5 : CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ GIÓ TRỤC ĐỨNG 83

5.1 Biên dạng cánh Lenz 83

5.2 Trục động cơ gió 84

5.3 Thanh nối các cánh Lenz với trục động cơ gió 84

6.1.1 Thiết bị đo tốc độ gió 91

6.1.2 Thiết bị đo dòng điện và điện áp KYORITSU 2012R 91

6.1.3 Thiết bị đo moment xoắn 92

6.1.4 Thiết bị đo dao động ký GW-Instek GDS – 1042 92

6.1.5 Thiết bị đo tốc độ vòng quay PCE – DT 65 93

6.2 Nội dung của thực nghiệm 94

6.2.1 Thực nghiệm 1: Động cơ gió trục đứng truyền động trực tiếp (trục động cơ gió được nối trực tiếp với máy phát điện) 94

6.2.2 Thực nghiệm 2: Động cơ gió trục đứng có bộ tích năng (trục động cơ gió được nối với máy phát điện thông qua bộ tích năng) 97

6.3 Kết quả thực nghiệm 100

6.3.1 Kết quả thực nghiệm của động cơ gió trục đứng truyền động trực tiếp 100 6.3.2 Kết quả thực nghiệm của động cơ gió trục đứng có bộ tích năng 102

CHƯƠNG 7 : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 106

7.1 Kết luận 106

7.2 Kiến nghị 106

TÀI LIỆU THAM KHẢO 107

PHỤ LỤC 109

Phụ lục 1: Giao diện tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng truyền động trực tiếp 109

Phụ lục 2: Giao diện tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng có bộ tích năng 118

Phụ lục 3: Hình các máy phát điện thử nghiệm 141

Phụ lục 4: Kết quả đo đạc thực nghiệm 142

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 So sánh tốc độ gió trung bình của EVN và WB [4] 7

Bảng 1.2 Tiềm năng gió của Việt Nam ở độ cao 65m so với bề mặt đất [4] 7

Bảng 1.3 Phân bố tốc độ gió ở độ 10m trên lãnh thổ và các đảo [6,7] 10

Bảng 3.1 Dãy tỉ số truyền động tiêu chuẩn 67

Bảng 3.2 Bảng moment xoắn của lò xo xoắn [26] 69

Bảng 6.1 Bảng thông số của động cơ gió trục đứng truyền động trực tiếp 95

Bảng 6.2 Bảng thông số của động cơ gió trục đứng có bộ tích năng 98

DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1 Tiêu thụ các loại năng lượng trên thế giới năm 2012 [1] 2

Hình 1.2 Tăng trưởng năng lượng tái tạo và nhiên liệu sinh học trên thế giới 2012 [1] 2

Hình 1.3 Năng lượng tái tạo sử dụng ở một số nước tính đến năm 2012 [1] 3

Hình 1.4 Tổng công suất điện được sản xuất bằng năng lượng gió của thế giới [1] 3

Hình 1.5 Các quốc gia có công suất điện gió lớn [1] 4

Hình 1.6 Các nhà sản xuất turbine gió lớn [1] 4

Hình 1.7 Bản đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam ở độ cao 65m [3] 6

Hình 1.8 Bản đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam ở độ cao 30m [3] 8

Hình 1.9 Biểu đồ tốc độ gió ở độ cao 25m tại Long Hải (Bà Rịa – Vũng Tàu) năm 2010 [5] 9

Hình 1.10 Biểu đồ tốc độ gió ở độ cao 25m tại Phước Tỉnh (Bà Rịa – Vũng Tàu) năm 2010 [5] 9

Hình 1.11 Biểu đồ tốc độ gió ở độ cao 10m tại Phan Rang (1994 – 2010) 10

Hình 1.12 Biểu đồ tốc độ gió ở độ cao 10m tại trường Đại học Bách khoa Tp HCM năm 2012 11

Hình 1.13 Biểu đồ tốc độ gió trong 24h của ngày 01 tháng 8 năm 2012 tại Trường ĐH Bách Khoa Tp HCM 12

Hình 1.14 Các dạng động cơ gió trục ngang [9] 14

Hình 2.5 Động cơ gió trục đứng cánh Lenz 26

Hình 2.6 Nguyên tắc máy phát điện dị bộ [20] 27

Hình 2.7 Nguyên tắc máy phát điện đồng bộ [20] 29

Hình 2.8 Khối lưu chất hình hộp vô cùng nhỏ 32

Hình 2.9 Khối lưu chất hình hộp vô cùng nhỏ ABCDEFGH 33

Hình 2.10 Các vector vận tốc trên đường dòng [21] 36

Hình 2.11 Hình biểu diễn các thể tích kiểm soát [21] 38

Hình 2.12 Hình biểu diễn các diện tích S1, S2 39

Hình 2.13 Hình biễu diễn các vector trên vi phân diện tích dA [21] 40

Hình 2.14 Biểu diễn đoạn dòng chảy giới hạn bởi 2 mặt cắt ướt [21] 41

Hình 2.15 Lực nâng khi chịu tác động bởi vận tốc gió U 43

Hình 2.16 Biểu đồ hệ số lực cản theo tỉ lệ bề dày với chiều dài dây cung 46

Hình 2.17 Biểu đồ hệ số lực cản do áp suất [22] 47

Hình 2.18 Vận tốc gió tác động lên một cánh [23] 48

Hình 2.19 Các thành phần của vận tốc gió tác động lên cánh [23] 49

Hình 2.20 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của bộ tích trữ năng lượng 54

Hình 2.21 Bánh răng chủ động với một dãy răng bị phá 55

Hình 2.22 Cơ cấu bánh cóc 56

Hình 2.23 Khớp nối mềm 57

Hình 3.1 Biên dạng cánh Lenz [24] 60

Hình 3.2 Lực tác động lên biên dạng cánh Lenz 61

Hình 3.3 Các thành phần của vận tốc gió tác động lên cánh Lenz 62

Hình 3.4 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc CP vào a 64

Hình 3.6 Hệ số Cp ứng với TSR (Tip Speed Ratio) [25] 66

Hình 3.7 Bộ truyền động bánh răng trụ 67

Hình 3.8 Bộ truyền động trục vít 68

Hình 3.9 Biểu đồ ứng suất của lò xo xoắn [26] 69

Hình 3.10 Lò xo xoắn 70

Hình 3.11 Đường đặc tính điện áp của máy phát điện 1 71

Hình 3.12 Đường đặc tính cường độ dòng điện của máy phát điện 1 71

Hình 3.13 Đường đặc tính điện áp của máy phát điện 2 72

Hình 3.14 Đường đặc tính cường độ dòng điện của máy phát điện 2 72

Hình 3.15 Sơ đồ cấu tạo máy phát điện nam châm vĩnh cửu hướng trục 73

Hình 3.16 Đường đặc tính điện áp của máy phát điện 3 74

Hình 3.17 Đường đặc tính cường độ dòng điện của máy phát điện 3 74

Hình 4.1 Sơ đồ khối tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng truyền động trực tiếp 75

Hình 4.2 Sơ đồ khối tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng có bộ tích năng 76

Hình 4.3 Sơ đồ khối tính toán thiết kế biên dạng cánh Lenz 77

Hình 4.4 Sơ đồ khối tính toán thiết kế bộ truyền động giảm tốc 78

Hình 4.5 Sơ đồ khối tính toán chọn lò xo xoắn 79

Hình 4.6 Giao diện tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng truyền động trực tiếp 80 Hình 4.7 Giao diện tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng có bộ tích năng 80

Hình 4.8 Giao diện so sánh tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng giữa truyền động trực tiếp và khi có bộ tích năng 81

Hình 4.9 Kết quả tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng truyền động trực tiếp 81

Hình 4.10 Kết quả tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng có bộ tích năng 82

Hình 4.11 Kết quả tính toán thiết kế động cơ gió trục đứng giữa truyền động trực tiếp và khi có bộ tích năng 82

Hình 5.1 Bên dạng cánh Lenz (mặt đứng) 83

Hình 5.2 Biên dạng cánh Lenz (mặt ngang) 84

Hình 5.3 Thanh nối cánh Lenz 84

Hình 5.4 Kích thước thanh nối cánh Lenz 85

Hình 5.11 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của mô hình 90

Hình 6.1 Máy đo tốc độ gió Windmaster 91

Hình 6.2 Ampe kìm AC-DC KYORITSU 2012R 92

Hình 6.3 Máy đo moment xoắn ED&D 92

Hình 6.4 Máy dao động ký GW-Instek GDS – 1042 93

Hình 6.5 Thiết bị đo tốc độ vòng quay PCE – DT 65 93

Hình 6.6 Sơ đồ thực nghiệm 94

Hình 6.7 Mô hình động cơ gió trục đứng truyền động trực tiếp 95

Hình 6.8 Mô hình động cơ gió trục đứng có bộ tích năng 98

Hình 6.9 Số vòng quay của trục ứng với tốc độ gió 100

Hình 6.10 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của điện áp khi tốc độ gió thay đổi 101

Hình 6.11 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của dòng điện khi tốc độ gió thay đổi 101

Hình 6.12 Số vòng quay trục ứng với tốc độ gió 102

Hình 6.13 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của điện áp khi tốc độ gió thay đổi 103

Hình 6.14 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của dòng điện khi tốc độ gió thay đổi 103

Hình 6.15 Biểu đồ so sánh điện áp ứng với các tốc độ gió 104

Hình 6.16 Biểu đồ so sánh dòng điện ứng với các tốc độ gió 104

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ ĐƠN VỊ

m Lưu lượng khối lượng dòng chảy tính theo một đơn vị

H Chiều cao của cánh động cơ gió trục đứng m

U Vận tốc gió trước khi tác động vào cánh m/s

MS Monent xoắn của lò xo N.m

D Đường kính ngoài của lò xo xoắn mm

D1 Đường kính lỗ tâm của lò xo xoắn mm

sự phát thải CO2 và một khối lượng lớn các chất nguy hại (CH4, CFC….) cũng được thải vào môi trường làm cho hàm lượng các khí độc hại trong khí quyển tăng lên rất nhanh Ngoài ra, việc khai thác quá mức các nguồn nhiên liệu quá thạch dẫn đến các nguồn nguyên liệu đó ngày càng cạn kiệt

Sự lệ thuộc vào các nguồn nguyên liệu hóa thạch cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến an ninh năng lượng của mỗi quốc gia Để giải quyết các vấn đề này, một mặt phải khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng hóa thạch này một cách hợp lý, mặt khác phải tìm ra các nguồn năng lượng khác để thay thế cho năng lượng hóa thạch và đồng thời nguồn năng lượng này không gây ảnh hưởng xấu đến môi trường Vì thế, những nguồn năng lượng tái tạo như: năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng sinh khối, năng lượng gió… được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng nhiều nơi Trong các thập niên gần đây, việc nghiên cứu, ứng dụng các dạng năng lượng tái tạo trên thế giới đã có những bước phát triển nhanh

Hình 1.1 Tiêu thụ các loại năng lượng trên thế giới năm 2012 [1]

Hình 1.2 Tăng trưởng năng lượng tái tạo và nhiên liệu sinh học trên thế giới

2012 [1]

Hình 1.3 Năng lượng tái tạo sử dụng ở một số nước tính đến năm 2012 [1] 1.1.2 Tình hình sử dụng năng lượng gió của thế giới

Với công suất xây dựng mới trong năm 2012 là 45GW, tổng công suất điện gió thế giới đã đạt 283GW Có ít nhất 44 nước đã xây dựng thêm điện gió trong năm

2012 và hiện nay có hơn 83 nước đang sử dụng năng lượng gió như một nguồn năng lượng thương mại Tốc độ tăng công suất lắp đặt động cơ gió trung bình trong giai đoạn 2007-2012 là 27%, một tốc độ tăng trưởng rất ấn tượng, mặc dù như

chúng ta biết, thế giới đang ở trong giai đoạn khủng hoảng kinh tế nặng nề [1]

Hình 1.4 Tổng công suất điện được sản xuất bằng năng lượng gió của thế giới

[1]

Hình 1.5 Các quốc gia có công suất điện gió lớn [1]

Hình 1.6 Các nhà sản xuất turbine gió lớn [1]

1.1.3 Tình hình sử dụng năng lượng gió ở Việt Nam

Trước những thách thức về tình trạng thiếu điện và ứng phó hiệu quả với biến đổi khí hậu trong những năm tiếp theo thì kế hoạch xây dựng và phát triển nhà máy điện từ các nguồn năng lượng tái tạo là một giải pháp khả thi nhằm đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường Gần đây, Chính phủ Việt Nam đã xác định rõ các mục tiêu trong định hướng xây dựng và phát triển các nhà máy điện sử dụng các

trọng tâm, do Việt Nam được xem là nước có giàu tiềm năng nhất trong khu vực Đông Nam Á Một số nghiên cứu đánh giá cho thấy Việt Nam có tiềm năng gió để phát triển các dự án điện gió với quy mô lớn là rất khả thi

Bản đồ tiềm năng gió của Ngân hàng Thế giới (World Bank, 2001) được xây dựng cho bốn nước trong khu vực Đông Nam Á (gồm: Việt Nam, Campuchia, Lào,

và Thái Lan) dựa trên phương pháp mô phỏng bằng mô hình số trị khí quyển Theo kết quả từ bản đồ năng lượng gió này, tiềm năng năng lượng gió ở độ cao 65m của Việt Nam là lớn nhất so với các nước khác trong khu vực, với tiềm năng năng lượng gió lý thuyết lên đến 513360MW Những khu vực được hứa hẹn có tiềm năng lớn trên toàn lãnh thổ là khu vực ven biển và cao nguyên miền Nam Trung Bộ và Nam

Bộ [2]

Bộ Công thương và Ngân hàng Thế giới (2010) đã tiến hành cập nhật thêm số liệu quan trắc vào bản đồ tiềm năng gió ở độ cao 80m cho Việt Nam Kết quả cho thấy tiềm năng gió ở độ cao 80m so với bề mặt đất là trên 2400MW (tốc độ gió

trung bình năm trên 7m/s) [2]

1.2 Khảo sát sự phân bố và tốc độ gió tại các vùng ở Việt Nam

Tốc độ gió phân bố theo quy luật càng lên cao gió thổi càng mạnh Ở các vùng núi thì tại sườn đón gió, gió có tốc độ mạnh; ngược lại phía sườn khuất gió, gió có tốc độ yếu Trong các thung lũng hẹp và lòng chảo trũng gió rất yếu Tuy nhiên các thung lũng sông có hướng song song với hướng gió thịnh hành lại là nơi hút gió Ngoài khơi gió thổi mạnh và giảm dần khi vào đất liền Bờ biển và duyên hải là nơi trực tiếp đón gió từ biển thổi vào Tuy nhiên cường độ gió ở mỗi nơi còn tuỳ thuộc hướng của bờ biển đối với hướng gió và dạng địa hình của vùng đất liền Trên các hải đảo phía Đông lãnh thổ, gió thổi rất mạnh Tại các đảo phía Nam do gần xích đạo gió thổi có tốc độ nhỏ rõ rệt so với các đảo phía Đông

Hình 1.7 Bản đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam ở độ cao 65m [3]

Vùng có tốc độ gió trung bình năm trên 5.5m/s là duyên hải đồng bằng sông Hồng Vùng Tây Bắc và Đông Bắc Bộ tốc độ gió trung bình thấp hơn 5m/s Duyên hải Bắc Trung Bộ tốc độ gió cao trên 7.5m/s Duyên hải tỉnh Ninh Thuận, Bình Thuận tố độ gió trên 8.5m/s Trên vùng cao Tây Nguyên tốc độ gần 8m/s Vùng đồng bằng Nam Bộ tốc độ gió gần 7m/s ở các tỉnh ven biển

Bảng 1.1 So sánh tốc độ gió trung bình của EVN và WB [4]

5 Quảng Ninh, Quảng Bình 6.73 7.03

9 Phước Minh, Ninh Thuận 7.22 8.03

Bảng số liệu trên cho thấy các địa phương được khảo sát có tốc độ gió khá lớn hầu hết đều lớn hơn 5m/s Một số nơi có tốc độ gió cao: như Phương Mai-Bình Định (7.30m/s), Phước Minh-Ninh Thuận (7.22m/s), Đà Lạt-Lâm Đồng (6.89m/s), Văn Lý-Nam Định (6.88 m/s) Tốc độ gió khảo sát tương ứng với ba miền Bắc, Trung và Nam Bộ cho thấy ưu thế ở khu vực có tốc độ gió cao là Nam Trung Bộ và Nam Bộ

Dựa vào bản đồ phân bố tốc độ gió và bảng số liệu đo tốc độ gió ở các địa phương có thể thấy rằng ở độ cao 65m tiềm năng về năng lượng gió rất phong phú Nếu tốc độ gió trung bình từ 6-7m/s thì tiềm năng phát điện lên đến 401444MW với diện tích 100361 Km2

Bảng 1.2 Tiềm năng gió của Việt Nam ở độ cao 65m so với bề mặt đất [4]

Tốc độ gió trung bình < 6m/s 6-7 m/s 7-8 m/s 8-9 m/s > 9m/s Diện tích(km2) 197342 100361 25679 2187 113 Diện tích chiếm (%) 60.6% 30.8% 7.9% 0.7% 0.0% Tiềm năng (MW) - 401444 102716 8748 452

Hình 1.8 Bản đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam ở độ cao 30m [3]

Nhìn chung tốc độ gió từ độ cao 65m xuống 30m tốc độ gió giảm chậm với các mức thấp hơn So với các độ cao 65m thì vùng có tốc độ gió cao thu hẹp lại, các vùng có tốc độ nhỏ đƣợc mở rộng ra Tuy nhiên, ở độ cao này trên khoảng nửa diện tích lãnh thổ gió trung bình năm vẫn không vƣợt quá 4.5m/s Vùng có tốc độ gió trung bình năm trên 4m/s là duyên hải Bắc Bộ Duyên hải Bắc Trung Bộ tốc độ gió khá cao gần 6.5m/s Duyên hải tỉnh Ninh Thuận, Bình Thuận tốc độ gió gần 7m/s Đặc biệt vùng ven biển đồng bằng Nam bộ tốc độ gió gần 5.5m/s

Như vậy, tại độ cao này nhiều nơi thích hợp cho việc sử dụng các loại động cơ gió có công suất trung bình Trên đất liền, vùng núi và cao nguyên Tây Nguyên nối với dải duyên hải Nam Trung Bộ có tiềm năng phong phú nhất Vùng duyên hải đồng bằng Nam bộ có tiềm năng thấp Vùng đồng bằng Nam Bộ, nằm sâu trong đất liền, tiềm năng còn khá thấp

Hình 1.9 Biểu đồ tốc độ gió ở độ cao 25m tại Long Hải

(Bà Rịa – Vũng Tàu) năm 2010 [5]

Hình 1.10 Biểu đồ tốc độ gió ở độ cao 25m tại Phước Tỉnh

(Bà Rịa – Vũng Tàu) năm 2010 [5]

Đông và các đảo thì có tốc độ gió gần 5m/s

Bảng 1.3 Phân bố tốc độ gió ở độ 10m trên lãnh thổ và các đảo [6,7] Địa phương Độ cao (m) Thời gian khảo sát Tốc độ gió(m/s)

Phân tích tốc biểu đồ độ gió tại bộ môn Công Nghệ Nhiệt Lạnh của trường đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh thì hầu hết các tháng trong năm tốc độ gió không vượt quá 2.5m/s Với vận tốc gió trung bình này thì tiềm năng phát điện là rất thấp

vì hầu hết các động cơ gió đều có vận tốc khởi động cao (> 3m/s) Trong biểu đồ cho thấy ở tháng 8 tốc độ gió là cao hơn so với các tháng khác trong năm (năm khảo sát 2012)

Hình 1.12 Biểu đồ tốc độ gió ở độ cao 10m tại trường

Đại học Bách khoa Tp HCM năm 2012

Khảo sát tốc độ gió ngày 01 tháng 8 năm 2012, tháng có tốc độ gió cao nhất trong năm 2012, cho thấy là tốc độ gió từ 8h đến 17h dao động từ 3 ÷ 5m/s ngoài ra hầu hết các thời gian khác trong ngày tốc độ gió đều dưới 2m/s

0.80 0.85

1.83 1.49 2.06

Hình 1.13 Biểu đồ tốc độ gió trong 24h của ngày 01 tháng 8 năm 2012 tại

Trường ĐH Bách Khoa Tp HCM 1.2.4 Khả năng khai thác năng lượng gió tầm thấp ở Việt Nam

Vùng núi phía Bắc Bắc Bộ có tốc độ gió không mạnh Trên các núi cao gần

biên giới tốc độ gió trung bình trong năm chỉ 2 ÷ 3m/s ở độ cao 10m Vùng duyên

hải từ Tuy Hòa đến Phan Thiết có tốc độ gió khả quan (Phan Thiết 2.47m/s), đặc

biệt trên các mũi đất lấn ra biển như mũi Cà Ná, Mũi Né,… Ở đồng bằng Nam Bộ,

tốc độ gió trung bình năm trên 2m/s xuất hiện trên các dải đất khá rộng bao quanh

phía Đông và phía Tây Tốc độ gió trên 3m/s chỉ có trên dải duyên hải rất hẹp nằm

sát biển.Vào sâu trong đất liền gió yếu, tốc độ gió trung bình năm chỉ đạt 2 ÷ 3m/s

Trên các hải đảo càng xa đất liền gió càng mạnh Tại các đảo xa bờ phía Đông lãnh

thổ gió rất mạnh Tốc độ gió trung bình năm ở Cồn Cỏ là 3.9m/s, Lý Sơn là 4.3m/s

Có thể nhận thấy, tốc độ gió ở độ cao 10m trên lãnh thổ Việt Nam nhìn chung

nhỏ Phần lớn trên lãnh thổ tốc độ gió trung bình năm không vượt quá 3m/s (độ cao

10m) nên không thích hợp để lắp đặt các động cơ gió công suất trung bình và lớn

Để tận dụng hiệu quả nguồn năng lượng gió này cần phải có các động cơ gió có khả

năng nhạy gió là hoạt động hiệu quả khi gió có vận tốc thấp (< 3m/s)

Qua sự tham khảo các nguồn tài liệu tác giả nhận thấy rằng hầu hết các loại

động cơ gió trên thị trường thuộc loại phát điện liên tục cùng với tốc độ gió Nếu

gió mạnh sẽ làm quay động cơ gió và bộ phận phát điện tạo ra điện năng và ngược

lại, nếu gió yếu thì không đủ sức để làm quay động cơ gió và bộ phát điện nên toàn

0

Giờ

thông thường được nối với động cơ gió dưới dạng đồng trục hoặc thông qua bộ tăng tốc nên có moment khởi động là khá lớn Vì vậy, các động cơ gió loại này thường yêu cầu vận tốc gió khởi động từ 3m/s trở lên

Theo sự phân bố tốc độ gió tại độ cao 10m ở Việt Nam là khá thấp nên không thích hợp để xây dựng các động cơ gió phát điện liên tục Để tận dụng hiệu quả nguồn năng lượng gió tầm thấp này cần khắc phục một số nhược điểm của động cơ gió phát điện liên tục Một trong số các giải pháp được đề xuất là sử dụng các động

cơ gió phát điện kiểu gián đoạn

1.3 Giới thiệu động cơ gió

Động cơ gió là thiết bị biến đổi động năng của gió thành cơ năng, từ cơ năng có thể biến đổi thành điện năng nhờ bộ phận phát điện Động cơ gió có nhiều loại khác nhau nhưng chủ yếu được chia làm hai nhóm chính phụ thuộc vào cánh đón gió của nó: động cơ gió trục ngang và động cơ gió trục đứng

Hiện có các loại động cơ gió với công suất rất khác nhau, từ 1kW tới hàng chục ngàn kW Các trạm phát điện này có thể hoạt động độc lập hoặc cũng có thể nối với mạng điện quốc gia Các trạm độc lập cần có một bộ nạp, bộ ắc-quy và bộ đổi điện Khi dùng không hết, điện được tích trữ vào ắc-quy Khi không có gió sẽ sử dụng điện phát ra từ ắc-quy Các trạm nối với mạng điện quốc gia thì không cần bộ nạp

và ắc-quy

Các trạm phát điện dùng sức gió có thể phát điện khi tốc độ gió từ 3m/s (11km/h), và tự ngừng phát điện khi tốc độ gió vượt quá 25m/s (90km/h) Tốc độ

gió hiệu quả từ 10m/s tới 17m/s, tùy theo từng loại máy phát điện [8]

1.3.1 Động cơ gió trục ngang (Horizontal Axis Wind Turbine - HAWT)

Hiện nay đa số vẫn là các động cơ gió trục ngang, gồm một máy phát điện có trục quay nằm ngang, với rotor (phần quay) ở giữa, liên kết với trục là 3 cánh đón gió Máy phát điện được đặt trên một tháp cao hình côn Trạm phát điện kiểu này mang dáng dấp những cối xay gió ở châu Âu từ những thế kỷ trước, nhưng rất hiện đại

Hình 1.14 Các dạng động cơ gió trục ngang [9]

Hình 1.15 Động cơ gió trục ngang 1.3.2 Động cơ gió trục đứng (Vertical Axis Wind Turbine - VAWT)

Động cơ gió trục đứng là loại ít phổ biến của động cơ gió hiện nay, tuy nhiên nó

có ưu điểm là bình đẳng với mọi hướng gió mà không cần đuôi dẫn hướng như loại động cơ gió trục ngang Ngoài ra, động cơ gió trục đứng trong quá trình vận hành sản xuất điện ít gây tiếng ồn hơn loại trục ngang

Với trục quay thẳng đứng của động cơ trục đứng cho phép đặt các máy phát điện ở dưới chân tháp đỡ, điều này sẽ đơn giản hóa việc lắp đặt, bảo trì, bảo dưỡng các máy phát đồng thời giúp giảm nhẹ tải trọng của tháp đỡ Do đó giảm thiểu các chi phí lắp đặt, bảo trì, bảo dưỡng; kích thước, trọng lượng của máy phát điện không còn là mối lo ngại khi tính toán thiết kế Ngoài ra các hệ thống điều khiển động cơ gió loại này cũng được đặt tại mặt đất nên cũng tạo điều kiện cho việc truy cập, lập trình và sửa chữa

Hình 1.16 Phân loại các loại các động cơ gió

hướng gió không cần cánh dẫn hướng, kết hợp với phương pháp phát điện kiểu gián đoạn để giảm moment khởi động, phát điện ổn định và hoạt động ở tốc độ gió thấp (< 3m/s)

Chính vì các ưu điểm của phương pháp phát điện kiểu gián đoạn kết hợp với

động cơ gió trục đứng nên tác giả đã chọn đề tài: “Nghiên cứu tính toán thiết kế, chế

tạo và thử nghiệm mô hình động cơ gió phát điện trục đứng sử dụng lò xo xoắn để tích trữ năng lượng ”

Trong nghiên cứu này, tác giả đề xuất một phương pháp phát điện kiểu gián đoạn thông qua việc tích trữ năng lượng dưới dạng thế năng của lò xo xoắn Ưu điểm của phương pháp này là là chi phí đầu tư thấp, dễ chế tạo, hệ thống nhỏ gọn Tác giả nhận thấy việc thực hiện đề tài này thật sự cấp thiết vì tính khả thi của nó trong việc ứng dụng ở nhiều địa điểm có tốc độ gió thấp

1.5 Tình hình nghiên cứu động cơ gió trong và ngoài nước

1.5.1 Ngoài nước

Trong các thập niên gần đây, việc nghiên cứu, ứng dụng năng lượng gió vào thực tế đang ngày càng phát triển Tác giả đã tìm hiểu qua các công trình nghiên cứu của các nhà nghiên cứu trên thế giới cụ thể như sau:

 Louis Angelo M Danao, “The Influence of Unsteady Wind on the Performance and Aerodynamics of Vertical Axis Wind Turbines”, bài nghiên cứu này nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ gió không ổn định đến hiệu

suất và động lực học cánh của động cơ gió trục đứng [10]

 Javier Castillo, “Small-Scale Vertical Axis Wind Turbine Design”, bài nghiên cứu này nhằm nghiên cứu chế tạo và phân tích động lực học cánh của

động cơ gió trục đứng loại nhỏ [11]

 Himmatsinh P.Gohil, Prof S.T Patel, “Design procedure for Lenz type vertical axis wind turbine for urban domestic application”, bài nghiên cứu này hai tác giả đã đưa ra phương án thiết kế một động cơ gió trục đứng sử

dụng cho hộ gia đình [12]

Hầu hết các nghiên cứu về động cơ gió trục đứng của các nhà nghiên cứu đều thuộc loại phát điện kiểu liên tục Ngoài ra, trên thế giới hiện nay còn có phương pháp phát điện kiểu gián đoạn theo các hướng nghiên cứu như sau:

 Một là, phương pháp phát điện gián đoạn thông qua việc tích trữ năng lượng

dưới dạng thế năng của môi chất ở trạng thái lỏng Động cơ gió trục đứng kết hợp với một máy bơm trục thủy lực để bơm môi chất lên bể chứa Khi bể chứa đầy thì van xả mở ra, môi chất đổ xuống làm quay turbine thủy lực do

có sự chênh lệch về độ cao.[13]

 Hai là, phương pháp phát điện gián đoạn thông qua việc tích trữ năng lượng

bằng khí nén Động cơ gió được gắn với một máy nén khí, khi động cơ gió hoạt động thì máy nén khí nạp khí từ từ vào bình chứa cao áp Khi bình chứa cao áp đạt tới giá trị cài đặt trước thì khí nén được xả ra thông qua van xả

khí, lượng khí này sẽ được dẫn đến bộ phận phát điện [14]

Các phương pháp phát điện gián đoạn ở trên có mặt lợi thế là vẫn hoạt động khi động cơ gió vận hành ở tốc độ thấp Nhưng các phương pháp trên vẫn có một số mặt hạn chế là hệ thống khá phức tạp, chi phí đầu tư lớn

trì [15]

 Giai đoạn từ những năm 1985-1990 có rất nhiều nhiều cơ quan tham gia nghiên cứu về năng lượng gió như: Viện Kỹ Thuật Quân Sự (Bộ Quốc Phòng), Viện Kỹ Thuật Giao Thông (Bộ Giao Thông Vận Tải), Trường Đại

 Từ năm 1990 đến nay:

o Một số đề tài đề tài cấp nhà nước về năng lượng gió được Trung tâm Nghiên Cứu Thiết Bị Nhiệt và Năng Lượng Mới thực hiện như: Đề tài cấp nhà nước: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo động cơ gió bơm nước cột

áp cao”, 1991; Đề tài cấp nhà nước: “ Động cơ gió phát điện vận tốc chậm”, 1992; Dự án P cấp nhà nước: “ Động cơ gió trục đứng cánh mềm”, 1994-1995; Đề tài: “Chế tạo động cơ công suất nhỏ và động cơ gió bơm nước phục vụ các vùng nông thôn việt Nam”, “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo động cơ gió trục đứng kiểu Darrieus” của PGS.TS

Trần Thanh Kỳ thực hiện năm 1991-1993 [15]

o Báo cáo khoa học kỹ thuật “Nghiên cứu lựa chọn công nghệ và thiết

bị để khai thác và sử dụng các loại năng lượng tái tạo trong chế biến nông – lâm – thủy sản, sinh hoạt và bảo vệ môi trường nông thôn” của Dương Thị Thanh Lương Trong bài báo này có một phần năng lượng gió với các nghiên cứu về các tài liệu kỹ thuật, lý thuyết, tính toán thiết kế các thành phần cơ bản của động cơ gió phát điện vận tốc chậm, động cơ gió bơm nước cột áp cao, động cơ gió bơm nước cột

 Động cơ gió GE Energy 1.6MW-Mỹ (Trang trại điện gió gần bờ Bạc Liêu do công TNHH Xây dựng-Thương mại-Dịch vụ Công Lý đầu tư với công suất 99MW)

 Động cơ gió Vestas 2.0MW- Đan Mạch (Cánh đồng điện gió Phú Quý do Tổng công ty điện lực dầu khí Việt Nam đầu tư với công suất 6MW)

 Động cơ gió XZERES 442SR 10.4kW-Mỹ (Công ty Mặt Trời Bách Khoa (BK-IDSE) lắp đặt tại Trường Sa)

Ngoài ra các loại động cơ gió trục đứng cũng đang trong giai đoạn nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm tại một số địa phương ở Việt Nam và gần như chưa có một nghiên cứu nào về phương pháp phát điện kiểu gián đoạn cho động cơ gió trục đứng Một số đề tài tiêu biểu của loại động cơ gió trục đứng phát điện kiểu liên tục như:

 “Cụm mô hình thiết bị diệt rầy nâu và côn trùng có cánh sử dụng năng lượng gió tầm thấp” được thực hiện theo Hợp đồng đặt hàng sản xuất và cung cấp dịch vụ sự nghiệp công, nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ (dành cho đề tài R&D) số 033.11 RD/HĐ-KHCN ngày 10 tháng 03 năm 2011 giữa

Bộ Công Thương và Trường Đại Học Nguyễn Tất Thành

 Luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu ứng dụng điều khiển thích nghi mờ để điều khiển cánh gió tuabin trục đứng” của tác giả Nguyễn Văn Huỳnh chuyên

ngành Tự động hóa Đại học Thái Nguyên [16]

 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật “Mô hình hóa và tính toán kết cấu cánh turbine gió kiểu trục đứng theo lý thuyết chuyển vị bậc nhất bằng phương pháp phần tử hữu hạn” của tác giả Trần Thị Nam Thu chuyên ngành Công nghệ Chế tạo

máy Đại học Thái Nguyên [17]

 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật “Nghiên cứu, tính toán và thiết kế biên dạng cánh turbine gió trục đứng cho máy phát điện công suất 3kW” của tác giả Dương

Văn Đồng chuyên ngành Công nghệ Chế tạo máy Đại học Thái Nguyên [18]

 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật “Phát triển mô hình điều khiển cánh turbine gió trục đứng” của tác giả Phan Thị Như Trang chuyên ngành Công nghệ Chế

tạo máy Đại học Thái Nguyên [19]

gián đoạn

1.6.2 Nội dung

Để đạt được 2 mục tiêu chính nêu trên trình tự thực hiện đề tài sẽ bao gồm các nội dung như sau:

 Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về động cơ gió trục đứng

 Nghiên cứu phương án tích trữ năng lượng bằng lò xo xoắn

 Viết chương trình tính toán mô hình động cơ gió phát điện trục đứng

 Thiết kế, chế tạo mô hình động cơ gió trục đứng có bộ tích năng

 Thử nghiệm mô hình động cơ gió phát điện trục đứng sử dụng lò xo xoắn để tích trữ năng lượng

 Đánh giá tính khả thi và xem xét khả năng ứng dụng của đề tài

1.7 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

1.8 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1.8.1 Ý nghĩa khoa học

 Đề tài là một hướng đi mới tại Việt Nam trong vấn đề áp dụng phương pháp tích trữ năng lượng vào động cơ gió để có khả năng phát điện tại các vùng gió yếu

 Kết quả đề tài có thể dùng làm tài liệu tham khảo để thiết kế các động cơ gió trục đứng có khả năng tận dụng năng lượng gió yếu thông qua hệ thống tích trữ năng lượng bằng lò xo xoắn

Sau khi tham khảo các tài liệu thu thập được, tác giả lựa chọn một số công thức

cơ bản và các lý thuyết có liên quan để lập phương trình tính toán tìm ra các thông

số cần thiết thông qua đó để tính toán và thiết kế mô hình động cơ gió trục đứng có

hệ thống tích trữ năng lượng bằng lò xo xoắn

Trong việc tính toán tác giả còn sử dụng thêm chương trình tính toán Matlab để

dễ dàng tính toán các thông số phức tạp nhằm tạo điều kiện cho việc tính toán dễ dàng và chính xác hơn

1.9.2 Phương pháp thực nghiệm

Xây dựng mô hình thực nghiệm, đo đạc thực nghiệm:

- Sơ đồ mô hình động cơ gió trục đứng

- Tiến hành đo tốc độ gió, số vòng quay của trục cánh, điện áp đầu ra của máy phát, cường độ dòng điện của máy phát khi có tải, …… theo thời gian

2.1 Nguyên lý và cấu tạo động cơ gió trục đứng

2.1.1 Nguyên lý làm việc động cơ gió trục đứng

Động cơ gió có nguyên tắc hoạt động trái ngược với động cơ điện Động cơ điện chuyển điện năng thành cơ năng, còn động cơ gió chuyển cơ năng thành điện năng bằng cách sử dụng năng lượng gió để tạo ra điện Gió làm quay cánh quạt, cánh quạt quay dẫn đến làm quay trục, mà trục thì được nối với một máy phát, máy phát sản xuất ra điện Vì là động cơ gió trục đứng nên không lệ thuộc vào hướng gió nên không cần hệ thống điều chỉnh động cơ gió theo hướng gió, và tùy loại có thể khởi động với vận tốc gió khá thấp khoảng 1.5m/s Ngoài ra việc sản xuất các loại động cơ gió trục đứng này tương đối đơn giản và chi phí chế tạo thấp

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý động cơ gió trục đứng

1 Động cơ gió; 2 Bộ điều khiển; 3 Ắc-quy; 4 Bộ chuyển đổi điện; 5 Bảng

phân phối điện; 6 Thiết bị tiêu thụ điện

Với trục quay thẳng đứng của động cơ gió trục đứng cho phép đặt các máy phát điện ở dưới chân tháp đỡ, điều này sẽ đơn giản hóa việc lắp đặt, bảo trì, bảo dưỡng các máy phát đồng thời giúp giảm nhẹ tải trọng của tháp đỡ Do đó giảm thiểu các chi phí lắp đặt, bảo trì, bảo dưỡng, và kích thước, trọng lượng của máy phát điện không còn là mối lo ngại khi tính toán thiết kế nữa Ngoài ra các hệ thống điều khiển động cơ gió loại này cũng được đặt tại mặt đất nên cũng tạo điều kiện cho việc truy cập, lập trình và sửa chữa

2.1.2 Cấu tạo động cơ gió trục đứng

2.1.2.1 Cánh gió

Cánh gió là bộ phận quan trọng của động cơ gió Động cơ gió hoạt động được nhờ cánh gió thu năng lượng của gió, chuyển năng lượng gió thành năng lượng cơ học làm quay máy phát điện Cánh gió làm không khí đi qua chậm lại, dưới tác dụng động lực học không khí thì cánh gió quay chuyển năng lượng gió thành năng lượng cơ học Việc thiết kế cánh gió ảnh hướng rất lớn đến sự làm việc của động cơ gió

Động cơ gió trục đứng gồm có 2 loại cánh gió chính: loại trục đứng Savonius

và loại trục đứng Darrieus Ngoài ra còn có một số loại động cơ gió trục đứng lai giữa Savonius và Darrieus

2.1.2.1.1 Động cơ gió loại Savonius

Động cơ gió trục đứng Savonius được phát minh bởi Sigurd Johannes Savonius năm 1925 Động cơ gió thường được thiết kế từ 2 đến 3 cánh nằm song song với trục đứng với nguyên tắc khí động học đơn giản là khi lực cản của cánh thấp hơn lực của gió thì cánh gió sẽ hoạt động

Động cơ gió Savonius quay với tốc độ thấp nên độ ồn phát sinh ra nhỏ hơn nhiều so với các loại động cơ gió khác Động cơ gió Savonius thường có công suất thấp nên chỉ sử dụng ở những nơi cần có công suất thấp hơn 50kW Động cơ gió Savonius có công suất không cao nhưng giá thành chế tạo thấp, dễ bảo dưỡng và sửa chữa Tuy nhiên động cơ gió Savonius cũng có các mặt hạn chế là trọng lượng của cánh và trục cũng khá cao nên các ổ bi giữ trục chịu tác động khá lớn đòi hỏi phải chịu được lực tác động cao

Hình 2.2 Động cơ gió trục đứng Savonius 2.1.2.1.2 Động cơ gió loại Darrieus

Động cơ gió trục đứng Darrieus được phát minh bởi nhà vật lý người Pháp Georges Jean Marie Darrieus vào năm 1925 Động cơ gió Darrieus thường có từ 2 đến 4 cánh được gắn vào thân trục Động cơ gió Darrieus có hệ số công suất thấp hơn động cơ gió trục ngang nhưng có ưu điểm là có kết cấu đơn giản và chi phí chế tạo và lắp đặt rẻ nên cũng được sử dụng ở những nơi cần công suất thấp Do có nhiều thay đổi về thiết kế biên dạng cánh nên động cơ gió Darrieus ngày nay có nhiều hình dạng khác nhau để tận dụng tối đa năng lượng gió và nâng cao hệ số công suất và giảm độ ồn

Hình 2.3 Động cơ gió trục đứng Darrieus