Bộ phận chính của một turbine gió là cánh. Khả năng quay của cánh là một nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất turbine gió. Dẫn đến việc phải nghiên cứu hình dạng, kích thước cánh tối ưu hay thiết kế khí động học hình dạng cánh. Ngoài ra, đối với turbine dạng trục đứng, còn có thể khắc phục nhược điểm bằng cách thiết kế cơ cấu thay đổi hướng cánh hoặc phối kết hợp với việc thiết kế hình dạng cánh.
Đi theo hướng thiết kế khí động học hình dạng cánh, các kiểu dáng cánh điển hình sau đã được phát minh và đưa vào sử dụng:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Đây là kiểu turbine hoạt động dựa trên độ lợi về tỷ số hệ số cản giữa 2 bề mặt: Cbề mặt hứng gió/Cbề mặt cản gió >>1. Loại này thường được sử dụng để chế tạo các thiết bị đo gió.
H-íng giã
H-íng giã
Hình 2.3. Turbine kiểu dạng chén
Kiểu Darrieus
Hay còn gọi là “Eggbeater” turbine, có hình dạng giống như cái đánh trứng được đặt tên theo nhà phát minh người Pháp Georges Darrieus, được cấp bằng sáng chế lần đầu tiên vào năm 1927. Kiểu Darrieus có mômen xoắn khởi đầu thấp, do đó thường yêu cầu nguồn điện bên ngoài. Một biến thể của Darrieus là giromill, H- rotor.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 2.4a Hình 2.4b Hình 2.4c Hình 2.4. Turbine kiểu Darrieus và các dạng cải tiến của nó
Hình 2.5. Lực khí động trên phần tử cánh turbine Darrieus/H rotor
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Kiểu savonius có các cánh có thể được làm bằng nhiều cách khác nhau như với các thùng, các cánh buồm, các thùng dầu. Rotor Savonius có dạng chữ S khi nhìn từ trên xuống và nó được bắt nguồn từ Finland. Kiểu turbine này có tốc độ thấp.
Hình 2.5a Hình 2.5b
Hình 2.5c Hình 2.5d
Hình 2.5. Turbine kiểu Savonius
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hiện nay, để thay đổi hướng đón gió của cánh turbine, các nhà phát minh đã và đang nghiên cứu theo cách dùng kết cấu cơ khí hoặc ứng dụng hệ thống điều khiển độc lập trên từng cánh. Nếu sử dụng hệ thống điều khiển thì chi phí cho chúng và công suất điều khiển là quá lớn so với công suất phát điện.
Turbine kiểu tấm phẳng bán hành trình
Ở kết cấu này (hỉnh 2.6), các cánh turbine có dạng tấm phẳng được gắn cứng với giá. Tuy nhiên khả năng vận hành được đảm bảo nhờ cơ cấu chắn gió dạng bán trụ , nhờ đó ở hành trình không sinh công các cánh turbine không chịu tác động của gió. Cơ cấu này có khả năng tự động định phương nhờ phần đuôi (rudder). Kết cấu này tương đối đơn giản, tuy nhiên hạn chế lớn nhất chính là kết cấu vỏ trụ chắn gió tự xoay, kết cấu này sẽ trở nên rất cồng kềnh với turbine có kích thước lớn và bản thân nó phải chịu áp lực gió rất lớn trong quá trình làm việc. Do đó, kết cấu này chỉ dừng ở mức mô hình hoặc turbine có công suất nhỏ.
rudder
screen wind
deflector attached to the rudder
Hình 2.6. Rotor dạng tấm phẳng bán hành trình
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 2.7. Hệ thống cyclogyro
Hệ thống Cyclogyro là một biến thể của dạng Darrieus, có các cánh có thể điều chỉnh hướng đón gió, do đó cho hiệu quả cao hơn kiểu Darrieus cổ điển. Sự thay đổi góc đón gió của cánh được thực hiện nhờ cơ cấu tay quay thanh truyền hoặc cơ cấu bánh răng.
Hệ thống Darrieus được thiết kế bởi Lagarde (trường đại học Montpellier) và Evans (trường đại học ST Andrews)…
Trong thiết kế của Lagarde góc quay của cánh được điều chỉnh bởi một thanh đàn hồi gắn vào phần đuôi cánh (“trailing edge”) và bị giới hạn bởi hai bộ phận định vị. Trong thiết kế của Evans thì nhờ con chạy gắn với phần trước của cánh (leading edge) bởi một lò xo làm nó có thể trượt trên trục nối cánh với trục quay mà góc quay của cánh được điều chỉnh. Ưu điểm của hai thiết kế này là chúng có thể tự khởi động.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 2.8. Hệ thống Lagarde
Hệ thống kiểu đĩa được thiết kế bởi Robert D Hunt [19]
Hệ thống này (Hình 2.9), có cơ cấu điều khiển độ mở của từng cặp cánh phụ thuộc vào vị trí của cặp cánh trong hành trình làm việc của turbine. Có thể thấy đây là hệ thống cho hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió/cơ học cao, tuy nhiên cơ cấu điều khiển/dẫn động khá phức tạp và kém khả thi với VAWT công suất vừa và lớn.
Hình 2.9. Hệ thống kiểu đĩa
Hệ thống Novel Vertical Axis Wind Turbine [20]
Hệ thống này (Hình 2.10), có cơ cấu điều khiển/dẫn động góc cánh liên tục trong cả vòng quay, nhờ cặp truyền động bánh răng giữa bánh răng trung tâm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
(đồng trục với trục rotor) và các bánh răng gắn liền trục với trục cánh. Có thể thấy đây là hệ thống cho hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió/cơ học khá cao, cơ cấu điều khiển/dẫn động khá đơn giản.
Hình 2.10. Hệ thống Novel Vertical Axis Wind Turbine