Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tua bin gió trục Đứng công suất nhỏ

Lúc đầu nguyên tắc của cối xay gió chỉ được biến đổi nhỏ và thay vì là chuyển đổi động năng của gió thành năng lượng cơ học thì dùng máy phát điện để sản xuất năng lượng điện.. Vì gió kh

UỶ BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THỦ ĐỨC

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

Cùng với việc mở cửa hội nhập của nền kinh tế, Việt Nam cũng gặp phải những khó khăn và trở ngại chung khi thiếu hụt về năng lượng, trong khi các nguồn năng lượng truyền thống dần không đủ đáp ứng Mặt khác, Việt Nam còn có lợi thế

là hơn 3000km bờ biển nên nguồn năng lượng gió là rất dồi dào Với ưu thế về vị trí địa lý này, Việt Nam hoàn toàn có thể sử dụng nguồn năng lượng gió Và những năm gần đây, khai thác năng lượng gió đang được nhà nước quan tâm

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trước những thách thức về tình trạng thiếu điện và ứng phó hiệu quả với biến đổi khí hậu đối với thế giới và việt nam thì kế hoạch phát triển “điện xanh” 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 vì vậy, Chính phủ Việt Nam đã xác định rõ các mục tiêu trong định hướng phát triển dạng “điện xanh” này Trong đó, năng lượng gió được xem như là một lĩnh vực trọng tâm, do Việt Nam được xem là nước có giàu tiềm năng nhất trong khu vực Đông Nam Á

Với sự định hướng đó, đề tài “ Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tua-bin gió trục đứng

công suất nhỏ.” Đã được triển khai

2 Mục đích nghiên cứu

Xây dựng cơ sở lý thuyết tính toán, thiết kế tua-bin gió

Chế tạo thử nghiệm tua bin gió trục đứng công suất nhỏ phù hợp với điều kiện tại thành phố hồ chí minh

3 Đối tượng và khách thể nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu

Các loại loại tua-bin gió ;

Biên dạng cánh tua bin gió;

Khách thể nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu về:

Tua –bin gió trục đứng

Tính toán, thiết kế và chế tạo thử nghiệm tua-bin gió

Công suất của tua-bin gió 10-20 (w)

4 Giả thuyết nghiên cứu

Giả thuyết khi thực nghiệm luồng gió không bị nhiễu động

5 Nhiệm vụ nghiên cứu

− Trình bày các loại tua-bin gió

− Các thông số khi thiết kế tua-bin gió

− Các loại biên dạng cánh sử dụng trên tua-bin gió

6 Phương pháp nghiên cứu

Cơ sở phương pháp luận

Các loại tua-bin gió hiện nay

Biên dạng cánh tua-bin gió

Xác định các thông số hình học của tua-bin gió Thiết kế, chế tạo thử nghiệm tua-bin gió trục đứng Nghiên cứu bằng thực nghiệm

7 Phạm vi ảnh hưởng

Đề tài tập trung vào nghiên cứu tua-bin gió trục đứng

PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Năng lượng gió là gì?

Năng lượng gió là quá trình gió sử dụng hoạt động di chuyển của mình làm quay tuabin gió để tạo ra năng lượng cơ học Tuabin gió là thiết bị giúp chuyển hóa động năng thành cơ năng Người ta sử dụng năng lượng gió để tạo ra điện, vận dụng sự chuyển động của luồng không khí trong không trung tạo ra chuyển động Tuabin gió giữ trách nhiệm mang năng lượng gió chuyển thành điện năng

1.2 Lịch sử hình thành năng lượng gió

Bức xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và không khí nóng không đều nhau Một nửa bề mặt của Trái Đất, mặt ban đêm, bị che khuất không nhận được bức xạ của Mặt Trời và thêm vào đó là bức xạ Mặt Trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn là ở các cực

Do đó có sự khác nhau về nhiệt độ và vì thế là khác nhau về áp suất mà không khí giữa xích đạo và 2 cực cũng như không khí giữa mặt ban ngày và mặt ban đêm của Trái Đất di động tạo thành gió Trái Đất xoay tròn cũng góp phần vào việc làm xoáy không khí và vì trục quay của Trái Đất nghiêng đi (so với mặt phẳng do quỹ đạo Trái Đất tạo thành khi quay quanh Mặt Trời) nên cũng tạo thành các dòng không khí theo mùa

Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay quanh trục của Trái Đất nên không khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển động thẳng mà tạo thành các cơn gió xoáy có chiều xoáy khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu Nếu nhìn từ vũ trụ thì trên Bắc bán cầu không khí di chuyển vào một vùng áp thấp ngược với chiều kim đồng hồ và ra khỏi một vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ Trên Nam bán cầu thì chiều hướng ngược lại

Ngoài các yếu tố có tính toàn cầu trên gió cũng bị ảnh hưởng bởi địa hình tại từng địa phương Do nước và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất nóng lên nhanh hơn

nước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay hồ vào đất liền Vào ban đêm đất liền nguội đi nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra theo chiều ngược lại

1.3 Ưu nhược điểm của năng lượng gió

1.3.1 Ưu điểm của năng lượng gió

Từ 5.000 năm trước Công nguyên, tác dụng của gió đã được biết đến trong chế tạo thuyền buồm Các thủy thủ là những người đầu tiên tìm ra cách dễ dàng hơn để di chuyển trên biển, đặt nền móng cho sự hiểu biết của loài người về những khái niệm quan trọng như động lực học và lực nâng Bắt đầu từ chiếc cối xay có cánh, những nguyên lý này trở thành chìa khóa cho sự đổi mới, mở màn cho cuộc cách mạng tự động hóa các hoạt động trong nông nghiệp

Chi tiết cụ thể những ưu điểm của năng lượng gió:

Có thể tái tạo

Gió là nguồn tài nguyên vô hạn sẽ không bao giờ cạn kiệt Công nghệ sẽ được cải thiện và các tuabin gió hiện tại có thể được thay thế bằng nhiều thiết bị tốt hơn, nhưng gió sẽ luôn ở đó Gió là nguồn năng lượng sạch và có thể tái tạo

Tiết kiệm chi phí

Với nguồn năng lượng miễn phí, các tuabin gió trên đất liền sản xuất điện rẻ nhất trên hành tinh Theo Văn phòng Năng lượng Hiệu quả & Năng lượng Tái tạo, chỉ 1-2 cent cho mỗi kilowatt-giờ (kWh) Và đặc biệt năng lượng gió do các trang trại gió sản xuất được bán trong một thời gian dài với giá cố định, không có sự thay đổi giá bất thường ảnh hưởng đến điện sản xuất bằng nhiên liệu hóa thạch

Hiệu quả về vị trí không gian

Các tua-bin gió ngày càng lớn hơn và hiệu quả hơn trong khi vẫn duy trì một dấu ấn tương tự Mỗi loại hiện tại có thể cung cấp đủ điện cho 600 ngôi nhà điển hình của Hoa

Kỳ dựa trên lượng điện được tạo ra chỉ trong một năm sử dụng Những tua-bin lớn này phải trải rộng hơn, nhưng đất ở giữa có thể được sử dụng cho những việc khác như sản

xuất lương thực Vì lý do này, chúng có thể hiệu quả hơn rất nhiều các trang trại năng lượng mặt trời

Tạo công ăn việc làm

Sản xuất năng lượng gió là một ngành công nghiệp phát triển nhanh và ngày càng có nhiều việc làm được tạo ra để phục vụ ngành này Thiết kế, sản xuất, lắp đặt, bảo trì và

hỗ trợ có nghĩa là ước tính khoảng 600.000 việc làm sẽ được tạo ra vào năm 2050 Hiện

đã có hơn 100.000 người làm việc trong lĩnh vực sản xuất điện gió ở Mỹ

1.3.2 Nhược điểm của năng lượng gió

Bất kỳ loại năng lượng nào cũng có những nỗi đáng lo ngại của nó Năng lượng gió cũng vậy, cụ thể:

Tác động đến động vật hoang dã địa phương

Mặc dù tác động của tua-bin gió đối với chim ít hơn so với vật nuôi và các tòa nhà chọc trời, các nhà khoa học và nhà nghiên cứu vẫn đang tiếp tục làm việc để giảm thiểu

và lý tưởng nhất là loại bỏ tác động lên chim và các động vật hoang dã khác

Sự dao động của gió

Một nhược điểm khác của phong điện là sức gió không ổn định Trên thực tế, nó dao động cả về cường độ và hướng

1.4 Ứng dụng của năng lượng gió

Gió là nguồn năng lượng dồi dào, xanh và sạch đối với môi trường Từ nhiều thế kỷ trước, con người đã biết tận dụng sức gió để phục vụ sản xuất và tạo ra điện Ngoài ra năng lượng gió còn được sử dụng để tạo công cơ học nhờ vào các cối xay gió

Trước cách mạng công nghiệp, người ta đã biết dùng sức gió cho nhiều hoạt động kinh tế trên đất liền Người Hà Lan dùng quạt gió làm cạn châu thổ sông Rhin để lấn biển mở rộng lãnh thổ của họ Sau cách mạng công nghiệp, với sự phát triển của điện lực, người ta đã thử dùng những quạt gió để sản xuất điện

Ý tưởng dùng năng lượng gió để sản xuất điện hình thành ngay sau các phát minh ra điện và máy phát điện Lúc đầu nguyên tắc của cối xay gió chỉ được biến đổi nhỏ và thay

vì là chuyển đổi động năng của gió thành năng lượng cơ học thì dùng máy phát điện để sản xuất năng lượng điện Khi bộ môn cơ học dòng chảy tiếp tục phát triển thì các thiết

bị xây dựng và hình dáng của các cánh quạt cũng được chế tạo đặc biệt hơn Ngày nay người ta gọi đó tua-bin gió

Vì gió không thổi đều đặn nên, để cung cấp năng lượng liên tục, năng lượng điện phát sinh từ các tua-bin gió chỉ có thể được sử dụng kết hợp chung với các nguồn năng lượng khác như năng lượng mặt trời

Theo AWEA (Hội năng lượng gió Hoa Kỳ) thì, năm 2009, Hoa Kỳ đã lắp đặt 9.922

MW công suất điện gió, tăng 39% so với 2008 và nâng tổng công suất điện gió lắp đặt ở Hoa Kỳ lên hơn 35.000 MW (công suất tương đương với công suất của 35 lò phản ứng hạt nhân cỡ trung bình)

Nước ta có trên 3.000 km chiều dài bờ biển và 90% lãnh thổ của ta là đồi núi Có ý kiến nói rằng tổng công suất phong năng của ta ước đạt 513.360 MW, bằng hơn 200 lần công suất của Thủy điện Sơn La Nhưng chắc chắn địa thế của ta rất thuận lợi để khai

thác phong năng Nông nghiệp, hơn nửa tổng số lao động của cả nước, dùng sức con người và súc vật là chính Vài nơi dùng động cơ máy nổ và máy điện Đây là một thị trường lớn cho những máy bơm nước chạy bằng sức gió cần sớm khai thác

1.5 Sơ lược lịch sử phát triển của tua-bine gió

Vào cuối những năm 1970, cuộc khủng hoảng về dầu mỏ đã buộc con người phải tìm các nguồn năng lượng mới thay thế, một trong số đó là năng lượng gió Những năm về sau, rất nhiều các chương trình nghiên cứu và phát triển năng lượng gió được thực hiện với nguồn tài trợ từ các Chính phủ, bên cạnh các dự án nghiên cứu do các cá nhân, tổ chức tự đứng ra thực hiện

Lịch sử phát triển của thế giới loài người đã chứng kiến những ứng dụng của năng lượng gió vào cuộc sống từ rất sớm Gió giúp quay các cối xay bột, gió giúp các thiết bị bơm 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 xay hoạt động nhờ vào sức gió là vào khoảng thời gian những năm 500 -

900 sau CN tại Ba Tư (Irac ngày nay) Đặc điểm nổi bật của thiết bị này đó là các cánh đón gió được bố trí xung quanh một trục đứng, minh hoạ một mô hình cánh gió đựợc lắp tại Trung Mỹ vào cuối thế kỷ 19, mô hình này cũng có cấu tạo cánh đón gió quay theo trục đứng

Muộn hơn nữa, kể từ sau thế kỷ 13, các cối xay gió xuất hiện tại châu Âu (Tây Âu) với cấu trúc có các cánh đón gió quay theo phương ngang, chúng phức tạp hơn mô hình thiết kế tại Ba Tư Cải tiến cơ bản của thiết kế này là đã tận dụng đựợc lực nâng khí động học tác dụng vào cánh gió do đó sẽ làm hiệu suất biến đổi năng lượng gió của cối xay gió thời kỳ này cao hơn nhiều so với mô hình thiết kế từ những năm 500 - 900 tại Ba Tư

Hình 1.1: Mô hình cánh gió tại Trung Mỹ, cuối TK 19

Hình 1.2: Mô hình cối xay gió xuất hiện sau TK 13

Trong suốt những năm tiếp theo, các thiết kế của thiết bị chạy bằng sức gió càng ngày được hoàn thiện và được sử dụng rộng rãi trong khá nhiều các lĩnh vực ứng dụng: chế tạo các máy bơm nước, hệ thống tưới tiêu trong nông nghiệp, các thiết bị xay xát, xẻ gỗ, nhuộm vải… Cho đến đầu thế kỷ 19, cùng với sự xuất hiện của máy hơi nước, thiết bị chạy bằng sức gió dần dần bị thay thế Lịch sử con người

đã bước sang thời kỳ mới với những công cụ mới: máy chạy hơi nước

Hình 1.3: Chiếc máy bơm nước chạy bằng sức gió, phía Tây nước Mỹ

những năm 1800

Năm 1888, Charles F Brush đã chế tạo chiếc máy phát điện chạy sức gió đầu tiên, và đặt tại Cleveland, Ohio

Nó có đặc điểm:

− Cánh được ghép thành xuyến tròn, đường kính vòng ngoài 17m;

− Sử dụng hộp số (tỉ số truyền 50:1) ghép giữa cánh tuabine với trục máy phát;

− Tốc độ định mức của máy phát là 500 vòng/phút;

− Công suất phát định mức là 12kW

Hình 1.4: Máy phát điện sức gió do Charles F.Brush chế tạo

Trong những năm tiếp sau, một số mẫu thiết kế khác đã được thực hiện tuy nhiên vẫn không đem lại bước đột phát đáng kể.Ví dụ mẫu thiết kế của Dane Poul

La Cour năm 1891 Cho đến đầu những năm 1910, đã có nhiều máy phát điện chạy bằng sức gió công suất 25kW được lắp đặt tại Đan Mạch nhưng giá thành điện năng

do chúng sản xuất ra không cạnh tranh được với giá thành của các nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hoá thạch Mặc dù gặp khó khăn do không có thị trường, những thế hệ máy phát điện chạy bằng sức gió vẫn tiếp tục được thiết kế và lắp đặt

1.6 Điện gió ngoài khơi

Các vùng biển ngoài khơi gần bờ (cách bờ 10÷60 km) được coi là (không chiếm đất,

có độ sâu nước không quá lớn, có gió biển điều hòa, và không nhận thấy từ đất liền) có triển vọng nhất để sản xuất điện bằng tua bin gió Tuy nhiên, chi phí đầu tư xây dựng các tua bin gió ngoài khơi thường cao hơn 1,5 - 2 lần so với trong đất liền (tháp gió phải cao hơn, nền móng phải vững bền hơn, chịu được nước mặn, v.v ) Ở ngoài khơi, các tháp tua bin được đặt trên móng cọc, các cọc móng được đóng sâu tới 30m, hoặc được đặt trên các giàn nổi

Tua bin gió nổi ngoài biển đầu tiên được công ty H Technologies BV thiết lập vào cuối năm 2007 có công suất 80kW, nằm cách bờ biển phía Nam Ý 10,6 hải lý, ở nơi nước biển có độ sâu 108m Công ty StatoilHydro của Na Uy đã thiết kế các tua bin gió nổi cho các trạm điện gió ngoài khơi có độ sâu lớn

Từ năm 2009, công ty StatoiHydro đã xây dựng một tua bin gió “Hywind” trình diễn

có công suất 2,3MW, nặng 5.300 tấn, đường kính rotor 82,4m, với tháp của tua bin có

độ cao 65m trên mực nước biển và 100m nằm trong nước biển, cách đảo Carma 10 km phía tây - nam Na Uy

1.7 Điện gió trên đất liền

Một trạm điện gió có thể bao gồm nhiều tua bin gió (có thể lên tới hơn 100 tua-bin) được lắp đặt gần nhau và thường được thiết lập ở những nơi có có tốc độ gió trung bình

từ 4,5m/s Trạm điện gió ở gần thành phố Roscoe, bang Texas, Mỹ được công ty E.ON của Đức xây dựng đưa vào vận hành từ 2009 có tới 627 tua bin gió do Mitsubishi, General Electric và Siemens chế tạo, với tổng công suất gần 780MW và có diện tích không nhỏ hơn 400 km2

Gió trong đất liền thường không ổn định (về tốc độ và về hướng) như gió ở ngoài khơi Việc xây dựng các trạm điện gió trong đất liền đỏi hỏi phải khảo sát rất bài bản về tốc độ gió và hướng gió

Việc khảo sát (đo) tốc độ và hướng gió cần được tiến hành ở độ cao từ trên 30m và trong thời gian 1÷2 năm Thông thường, các số liệu thống kê có sẵn về tốc độ gió của các trạm khí tượng không dùng được cho việc thiết kế tua bin gió vì các trạm khí tượng chỉ đo gió ở độ cao khoảng 10 m và nằm trong các vùng gần khu dân cư hay tại các sân bay

Ở nhiều nước, các tua-bin gió được thiết kế theo bản đồ gió do các cơ quan nhà nước thành lập, hoặc được thiết lập bằng vốn ngân sách Ví dụ, ở Canada Bộ Phát triển và Bộ Tài nguyên đã thành lập tập bản đồ (atlat) gió và phần mềm mô phỏng về năng lượng gió (Wind Energy Simulation Toolkit- WEST) cho phép khảo sát để lập phương án xây

dựng tua bin gió ở bất kỳ vị trí nào Chương trình Phát triển của Liên hợp quốc từ năm

2005 đã thành lập bản đồ gió cho 19 nước đang phát triển

Để giảm thiểu ảnh hưởng của các tua bin gió đến môi trường, người ta phải đưa ra một số qui định cụ thể đối với các tua bin gió Ví dụ, ở Anh, Đức, Đan Mạch độ ồn tối

đa của các tua bin gió nhỏ hơn 45 dB vào ban ngày và nhỏ hơn 35 dB vào ban đêm; khoảng cách tối thiểu đến các nhà có người ở là 300m, trong thời kỳ chim di cư, các tua bin gió phải ngừng hoạt động, v.v

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Các kiểu tua-bin gió

Có nhiều thiết kế khác nhau cho tua-bin gió, và được chia ra làm hai loại cơ bản là

tua-bin gió trục ngang (HAWT – Horizontal Axis Wind Turbines) và tua-bin gió trục đứng (VAWT – Vertical Axis Wind Turbines) Cánh quạt của chúng có hình dạng khác

nhau như hình cánh buồm, hình mái chèo,… dùng để “bắt” hướng gió tạo ra mômen quay trục tua-bin

2.1.1 Tua-bin gió trục ngang (HAWT)

Tua-bin gió trục ngang (HAWT) có rotor kiểu chong chóng với trục chính nằm

ngang Số lượng cánh quạt có thể thay đổi, tuy nhiên trong thực tế kiểu loại 3 cánh quạt được sử dụng nhiều nhất vì cho hiệu quả cao nhất [1]

Hình 2.1: Tua-bin đón gió từ phía sau[1] Hình 2.2: Tua-bin đón gió từ phía trước[1]

- Tua-bin gió trục ngang thường gồm hai loại chủ yếu: tua-bin đón gió từ phía sau

(down wind rotor) và tua-bin đón gió từ phía trước (up wind rotor) Tuy nhiên tua-bin

đón gió từ phía sau có nhược điểm là dòng gió luôn bị xáo động do gió thổi vào thân trụ rồi mới đến cánh quạt làm cho lực tác động vào tua-bin gió không được phân bố đều làm ảnh hưởng tới độ bền của cánh cũng như cả hệ thống, ngoài ra phát sinh tiếng ồn cao Vì

vậy từ khoảng năm 1995 tua-bin đón gió từ phía sau đã không được sử dụng rộng rãi Ngày nay, phần lớn những tua-bin gió hiện đại được thiết kế có hướng đón gió từ phía trước

a) Cấu tạo của một tua-bin gió trục ngang

Cấu tạo của một tua-bin gió trục ngang điển hình (hình 2.3) gồm:

Hình 2.3: Cấu tạo của tua-bin gió trục ngang[1]

Bộ đo tốc độ gió (Anemometer): đo tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới

bộ điểu khiển

Cánh quạt (Blades): cánh quạt dùng để đón gió và chuyển năng lượng gió thành

cơ năng làm quay rotor Những tua-bin gió hiện đại có đường kính cánh quạt lên tới 150

m [1]

Bộ hãm (Brake): dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp

Bộ điều khiển (Controller): dùng để khởi động tua-bin ở vận tốc gió xác định

thông thường từ 3.58 – 7.15 m/s và ngừng tua-bin ở vận tốc gió 24.6m/s vì vận tốc gió lớn hơn 24.6 m/s có thể gây hư hại cho tua-bin [4]

Hộp số (Gear box): các bánh răng kết nối trục tốc độ thấp với trục tốc độ cao và

tăng tốc độ quay của trục từ 19 – 30 vòng/phút tới 1000 – 1800 vòng/phút [4] Đây là yêu cầu của đa số máy phát điện để tạo ra điện những thiết kế gần đây sử dụng truyền động trực tiếp và máy phát điện có thể hoạt động ở tốc độ thấp mà không cần hộp số

Máy phát điện (Generator): chuyển đổi cơ năng của trục quay thành điện năng Hộp bảo vệ (Nacelle): chứa các bộ phận chính của tua-bin gió, bao gồm hộp số,

máy phát điện,… Một số vỏ phải đủ rộng để một kỹ thuật viên có thể đứng bên trong trong khi làm việc

Góc xoắn (Pitch): cánh được xoay hoặc làm nghiêng một góc để giữ cho rotor

quay với tốc độ hợp lý nhất nhằm đạt hiệu suất sinh điện cao nhất

Rotor: bao gồm các cánh quạt và trục

Mayơ của hệ thống cánh (hub): mayơ của hệ thống cánh được gắn với trục tốc

độ thấp của tua-bin gió

Trục tốc độ thấp (low Speed Shaft): trục tốc độ thấp của tua-bin gió liên kết đùm

của hệ thông cánh và hộp số

Trục tốc độ cao (High speed shaft)

Trụ đỡ (Tower): được làm bằng thép hình trụ, thép kết cấu hoặc bằng bê tông,

trụ đỡ càng cao thì thu được năng lượng gió càng nhiều và tốc độ gió ổn định

Truyền động Yaw: dùng để giữ cho rotor luôn luôn hướng về hướng gió chính

khi có sự thay đổi hướng gió

Động cơ Yaw: động cơ cung cấp cho truyền động Yaw định được hướng gió Thiết bị phát hiện thay đổi hướng gió (Wind vane): để phát hiện thay đổi hướng gió và truyền tới bộ truyền động yaw để định hướng tua-bin gió một cách chính xác theo

sự thay đổi của hướng gió

Hình 2.4: Mayơ của hệ thống cánh [1]

b) Nguyên lý hoạt động của tua-bin gió trục ngang

Các tua-bin gió hoạt động theo một nguyên lý rất đơn giản Năng lượng của gió làm cho cánh quạt quay dẫn động cho trục tốc độ thấp quay, thông qua hộp số làm cho

trục tốc độ cao quay Mà trục tốc độ cao được nối liền với rotor của máy phát và truyền động làm quay rotor máy phát để tạo ra điện

c) Cánh quạt của tua-bin gió trục ngang

Cánh quạt tua-bin gió là bộ phận đón dòng gió để quay và chuyển cơ năng vào hộp

số rồi vào máy phát điện hoặc chuyển thẳng vào máy phát điện Dựa trên những nguyên tắc về khí động lực học, cánh quạt được tạo dáng, thiết kế phù hợp với những tình trạng khác biệt của dòng khí chuyển động như tốc độ gió, hướng gió, áp suất, mật độ, độ ẩm

và nhiệt độ môi trường tại nơi đặt tua-bin

Cấu hình của cánh quạt được thiết kế thon và dài, bên trong thân cánh rỗng và có các gân chịu lực, bề mặt là những lớp nhựa tổng hợp và sơn bảo vệ đường kính cánh quạt tùy theo công suất, công nghệ,… có chiều dài khác nhau

Hình 2.5: Một số hình dạng và đường kính cách quạt [1]

d) Ưu nhược điểm của tua-bin trục ngang

Các ưu điểm của HAWT có thể kể đến như sau [1]:

Hệ số công suất cao, có thể đạt tới 52%

Cánh quạt quay với tốc độ cao nên hệ thống hộp số hoặc máy phát điện không lớn như tua-bin trục đứng

Tua-bin hoạt động ở vị trí cao nên dễ đạt công suất thiết kế

Công nghệ hoàn chỉnh

Nhược điểm của HAWT [1]:

Khi dòng gió bị nhiễu động, lực tác động thay đổi liên tục nên ảnh hưởng lớn đến sức bền của các chi tiết

Cần thiết bị chỉnh tua-bin theo hướng gió

Trụ và chân đế có kinh phí cao hơn tua-bin trục đứng

Việc bảo trì, thay thế thiết bị gặp nhiều khó khăn vì thiết bị được bố trí ở trên cao

Độ ồn phát sinh cao hơn tua-bin trục đứng

Hình 2.6: Tua-bin gió trục ngang sử dụng trong thực tế

2.1.2 Tua-bin gió trục đứng (VAWT)

Tua-bin gió trục đứng (VAWT) có cánh nằm theo trục chính, loại nhỏ hoạt động không phát sinh tiếng ồn cao nên có thể lắp đặt tại khu dân cư, trên những nóc nhà cao,… Loại này không cần thiết phải có hệ thống điều chỉnh theo hướng gió, và có thể hoạt động với bất kỳ hướng gió nào và tua-bin tùy theo loại có thể khởi động ở tốc độ gió khoảng 0,5 m/s [1]

a) Cấu tạo của tua-bin gió trục đứng

Về cơ bản, các bộ phận cấu tạo nên tua-bin gió trục đứng (hình 2.7) cũng giống như tua-bin gió trục ngang bao gồm: rotor (bao gồm cánh quạt và trục), hộp số (hoặc một hệ thống truyền động khác), máy phát điện,…

Hình 2.7: Cấu tạo của một tua-bin gió trục đứng điển hình

b) Ưu nhược điểm của tua-bin trục đứng

Ưu điểm của VAWT [1]:

Tua-bin gió trục đứng hoạt động không phụ thuộc vào hướng gió vì thế không cần hệ thống điều chỉnh theo hướng gió

Có thể lắp đặt tại vùng có nhiễu động gió trung bình

Tua-bin khởi động với tốc độ gió thấp

Hệ thống hộp số, máy phát điện nằm gần mặt đất nên việc bảo trì, thay thế thiết

bị dễ thực hiện và trụ không nhất thiết phải cao như tua-bin gió trục ngang

Lực tác động vào cánh quạt phân bố đều, trục quay ít bị cong vì trọng lượng của

hệ thống trục và momen xoắn

Cánh quạt có hình dạng đơn giản, dễ sản xuất và kinh phí thấp

Tốc độ vòng quay thấp hơn tua-bin trục ngang nên ít hư hại

Độ ồn phát sinh thấp, có thể lắp đặt ở khu dân cư

Nhược điểm của VAWT [1]:

Tua-bin không lắp đặt cao được vì hệ thống rotor nằm gần mặt đất

c) Các kiểu tua-bin gió trục đứng

Trên thị trường có rất nhiều loại tua-bin gió khác nhau với những biên dạng cánh

và hình thù rất khác biệt Hình 2.8 giới thiệu một số loại tua-bin gió trục đứng điển hình

a) Tua-bin savonius b) Tua-bin darrieus

Hình 2.8: Hai kiểu tua-bin gió trục đứng điển hình

- Tua-bin điện gió savonius dựa theo phát minh của Sigurd Johanners Savonius,

một kiến trúc sư người Phần Lan thực hiện vào năm 1925 [1] Tua-bin thường được thiết

kế hai hoặc ba cánh cong nằm song song với trục đứng với nguyên tắc khí động lực học đơn giản là cánh quạt cản hướng gió, khi lực cản của cánh quạt thấp hơn lực của gió, cánh quạt sẽ hoạt động

Loại tua-bin này chuyển động khá chậm nhưng có momen xoắn cao nên có thể tự khởi động

Hình 2.9: Tua-bin gió Savonius

Vì quay với tốc độ thấp nên tiếng ồn phát sinh cũng ít hơn những loại tua-bin khác

Tua-bin savonius có công suất không cao nhưng giá thành tương đối thấp, dễ bảo trì, sửa

chữa Tuy nhiên vì trọng lượng chung nằm trên một trục quay nên những ổ bi giữ trục phải chịu lực tác động cao

Tua-bin savonius có công suất thấp nên chỉ được sử dụng ở những nơi cần công

suất đến khoảng 50KW Những năm vừa qua, cấu hình tua-bin được thiết kế với những hình dạng khác nhau nhưng nguyên lý hoạt động vẫn như cũ [1]

- Tua-bin điện gió Darrieus dựa theo phát minh của nhà vật lý người pháp Georges

Jeam Marie Darrieus (1888 – 1979) vào năm 1925 [1] Tua-bin Darrieus thường có hai

đến bốn cánh cong được gắn vào thân của trục Dù tua-bin điện gió Darrieus có hệ số

công suất thấp hơn tua-bin trục ngang nhưng vì cấu hình đơn giản, dễ thiết kế và dễ sản xuất nên những tua-bin điện gió này cũng được ưa chuộng ở một số nơi Dựa theo nguyên

tắc tua-bin Darrieus, việc cải tiến được thực hiện nhiều trong những năm vừa qua, hệ số công suất có thể lên đến 40% như tua-bin H – Darrieus Cho đến nay cấu hình và cánh tua-bin H – Darrieus được thiết kế phong phú Tuy nhiên, việc thiết kế cánh cho phù

hợp với nguyên tắc khí động lực học cũng phức tạp hơn trước nhưng ưu điểm chính là