ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ NHIỆT LẠNH

LÊ ĐĂNG HUY

TÍNH TỐN KHÍ ĐỘNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA
TUABIN GIÓ HAI TẦNG CÁNH ĐỒNG TRỤC QUAY ĐỘC LẬP
CN

:

Mã số :

KỸ THUẬT NHIỆT
8520115

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2023


ii

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học :

PGS. TS. Nguyễn Thế Bảo

Cán bộ chấm nhận xét 1: ............................................................ ........................................
Cán bộ chấm nhận xét 2: ............................................................ ........................................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .
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. ............................................................
2. ............................................................
3. ............................................................
4. ............................................................
5. ............................................................
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

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỞNG KHOA…………

LÊ ĐĂNG HUY


iii

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA


Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:

LÊ ĐĂNG HUY

MSHV:

2070339

Ngày, tháng, năm sinh:

08/08/1995

Nơi sinh:

Bình Thuận

Chuyên ngành:

Kỹ Thuật Nhiệt

Mã số:

8520115

TÊN ĐỀ TÀI: Tính tốn khí động và đánh giá hiệu quả của tuabin gió hai tầng
cánh đồng trục quay độc lập

I.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-

Tổng quan về tình hình nghiên cứu lý thuyết tính tốn, mơ phỏng của tuabin
gió 2 tầng cánh ở trong và ngồi nước.

-

Nghiên cứu tổng hợp và đánh giá lý thuyết tính tốn cơng suất, các tham số
ảnh hưởng đến công suất của tuabin gió 2 tầng cánh.

-

Thực nghiệm hầm gió khẳng định tính ưu việt của tuabin gió 2 tầng cánh so
với loại một tầng cánh truyền thống.

-

Xây dựng mơ hình tính tốn chuẩn trên TTS-DLHCL.

-

Kết luận và đề xuất các hướng có thể phát triển tiếp theo của đề tài.

II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 05/09/2022
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/06/2023
IV. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:


PGS.TS. NGUYỄN THẾ BẢO
Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20....

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÊ ĐĂNG HUY


iv

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi những lời cảm ơn sâu sắc và chân thành nhất đến thầy Nguyễn
Thế Bảo, thầy ln tận tình đơn đốc, giúp tơi hiểu ra rằng mình khơng những phải
hồn thành tốt nhất có thể luận văn mà cịn phải trở nên trưởng thành hơn thơng qua
những cam kết, cách phân bổ thời gian, cân nhắc những việc trọng yếu trong cuộc
đời. Thầy còn hỗ trợ hầu như tồn bộ kinh phí thực hiện luận văn này từ việc chế tạo,
máy tính, cho đến các thiết bị thử nghiệm. Đối với tôi, thầy Bảo là một người thầy
sống trọn với đạo đức và khoa học. Tôi vơ cùng kính nể và cảm phục.
Tơi xin gửi lời cảm ơn đến tập thể anh em Viện nghiên cứu và phát triển năng
lượng bền vững - ISED, đặc biệt là Ngô Văn Minh. Minh đã hướng dẫn tôi chế tạo
tuabin thử nghiệm, cùng tơi tính tốn, hồn thiện hầm gió và đồng thời truyền cho tơi
ngọn lửa đam mê của tuổi trẻ và sự cống hiến.
Xin được cảm ơn thầy Đặng Lê Quang, bạn Lê Bá Lộc đã hỗ trợ, định hướng
tơi trong q trình thực hiện tính tốn mô phỏng số.

Xin gửi lời tri ân đến thầy Hà Anh Tùng, nếu khơng có thầy thì tơi có thể đã
vụt mất cơ hội học thạc sĩ trong thời điểm khó khăn.
Tơi cũng xin gửi lời cảm ơn đến cơ Liên đã hỗ trợ tôi rất nhiều trong việc hồ
sơ giấy tờ học tập, khi mà tơi có một quỹ thời gian khá eo hẹp.
Tôi rất biết ơn tất cả những Thầy, Cô trong bộ môn Công nghệ Nhiệt Lạnh
trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã truyền động lực và kiến thức
cần thiết để tơi hồn thiện luận văn này, và hoàn thiện thêm vốn sống của bản thân.
Tôi xin chân thành cảm ơn bố mẹ, người bạn đời thân yêu đã bên cạnh hỗ trợ
tinh thần, tình u thương, sự chăm sóc và quỹ thời gian vơ giá để tơi có điều kiện
tập trung và hồn thành luận văn này.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 06 năm 2023
Tác giả

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÊ ĐĂNG HUY


v

TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Đề tài:
“ Tính tốn khí động và đánh giá hiệu quả của tuabin gió hai tầng cánh
đồng trục quay độc lập ”
Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu tổng hợp được lý thuyết tính tốn
cho tuabin gió 2 tầng cánh; thực nghiệm khẳng định được sự hiệu quả của tuabin 2
tầng cánh cỡ nhỏ so với tuabin gió 1 tầng cánh và xây dựng được mơ hình TTSDLHCL chuẩn cho mọi bài tốn tuabin gió 2 tầng cánh trục ngang.
Luận văn được thực hiện tại bộ môn Công nghệ Nhiệt Lạnh, khoa Kỹ thuật
Cơ Khí, trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. HCM và Viện phát triển
Năng lượng Bền vững từ tháng 5 năm 2022 đến tháng 6 năm 2023.

Quá trình nghiên cứu được chia thành 4 giai đoạn:
Giai đoạn 1: Tổng hợp tài liệu, và nghiên cứu lý thuyết.
Giai đoạn 2: Chuẩn bị mua sắm vật tư, trang thiết bị, dụng cụ đo phục vụ q
trình chế tạo mơ hình thực nghiệm, và tiến hành thực nghiệm.
Giai đoạn 3: Xây dựng mơ hình tính tốn số.
Giai đoạn 4: Xử lý số liệu, viết báo cáo hoàn tất luận văn.
Những kết quả chính đạt được như sau :
Có nhiều mơ hình lý thuyết để tính tốn cơng suất và các đặc tính của tuabin
gió 2 tầng cánh. Tuy nhiên chúng đều chưa thật sự bao quát được hết các sự thay đổi
có thể của một tuabin gió trên thực tế, cụ thể ở đây là tỉ lệ độ lớn của 2 tầng cánh.
Từ thực nghiệm hầm gió có thể kết luận : ở tốc độ gió càng thấp thì hiệu suất
của tuabin 2 tầng cánh càng cao so với một tầng cánh. Ở tốc độ gió <6m/s, tuabin gió
2 tầng cánh luôn cho ra công suất lớn hơn 2,5 lần so với tuabin gió 1 tầng cánh; hệ số
cơng suất lớn hơn 0,4. Nhờ vào đặc tính này mà tuabin 2 tầng cánh cỡ nhỏ theo sáng
chế mới khẳng định được hiệu quả khi áp dụng thực tiễn. Đối với những vùng gió có
tốc độ trung bình thường <7 m/s tại cao độ 10m như Việt Nam, công suất sinh ra
trong cùng một thời gian hồn tồn có thể hơn gấp đôi so với tuabin 1 tầng cánh, đem
lại hiệu quả kinh tế cao khi sử dụng.

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÊ ĐĂNG HUY


vi

Mơ hình TTS-DLHCL chuẩn được xây dựng có thể áp dụng cho bài tốn
tuabin gió 2 tầng cánh trục ngang dưới bất kì cấu hình, biên dạng cánh nào được dùng.
Phương pháp mơ phỏng NSTBR-KOD dạng “lưới cắt”, mơ hình rối k-𝜔VCUSC được
sử dụng với độ sâu miền xoay tối thiểu (ở trong đề tài này lần lượt là 0,09Rf cho miền

xoay trước và 0,06Rr cho miền xoay sau) sẽ cho ra công cơ học của tuabin lớn hơn
thực tế một khoảng <10% ở dãy tốc độ gió tương ứng với thực nghiệm. Đây là một
kết quả chấp nhận được. Đồng thời, tuabin gió 2 tầng cánh có những đặc tính khí
động khác biệt so với loại một tầng cánh ; mà trong đó quan trọng nhất là sự biến đổi
theo chu kỳ của lực tác động dọc trục và lực tiếp tuyến tác động lên cánh. Điều này
yêu cầu q trình thiết kế chính xác và cụ thể hơn, đặc biệt là đối với tầng cánh sau,
khi mà dao động ở tầng cánh này là lớn hơn tầng cánh trước, tạo ra tải trọng mỏi lớn.

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÊ ĐĂNG HUY


vii

ABSTRACT
Thesis:
“ Aerodynamic and efficiency research of a co-axial dual rotor wind
turbine ”
The main objective of the thesis is to study and research the calculation
theory for 2-stage wind turbines; experimentally confirmed the efficiency of a small
2-stage turbine compared to single-stage wind turbine and built a standard CFD
model for all horizontal axis 2-stage wind turbine problems.
The thesis was conducted at the Department of Heat and Refrigeration
Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Ho Chi Minh City University of
Technology, Ho Chi Minh City and the Institute of Sustainable Energy Development
from May 2022 to June 2023.
The research process is divided into four phases:
Stage 1: Synthesis of documents, and theoretical research.
Stage 2: Preparing to purchase materials, equipment, and measuring

instruments for the process of making experimental models, and conducting
experiments.
Stage 3: Building a numerical model.
Stage 4: Data processing, writing report to complete the thesis.
The main results obtained are as follows:
There are many theoretical models to calculate the power and characteristics
of 2-stage wind turbines. However, they have not totally covered all possible changes
in configuration of a wind turbine in practice, specifically here is the ratio of the
diameter of the two blade-stage.
From wind tunnel experiment, we can conclude that at lower wind speeds,
the efficiency of a 2-stage turbine is higher than that of a single-stage turbine. At wind
speed <6m/s, 2-stage wind turbine always produces 2,5 times more power than
single-stage wind turbine; the power factor is greater than 0,4. Thanks to this feature,
the novel small 2-stage turbine is effective in practical applications. For wind areas
with an average speed of <7 m/s at an altitude of 10m like Vietnam, the power

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÊ ĐĂNG HUY


viii

generated in the same time can be more than double that of a single-stage turbine,
bringing economic high efficiency in use.
A standard CFD model is built and can be applied to the problem of
horizontal axis 2-stage wind turbines under whatever blade configurations and
profiles are used. The URANS simulation method, using the k-𝜔 SST turbulence
model will be used with the minimum depth of rotation domain (in this article,
respectively 0,09Rf for the front rotation domain and 0.06Rr for the rear rotation

domain). This will give a mechanical output capacity of the turbine at about <10%
larger than reality at the wind speed range corresponding to the experiment. This is
an acceptable result. In addition, the 2-stage wind turbine has different aerodynamic
characteristics compared to the single-stage type; of which the most important is the
cyclic variation of the axial and tangential forces acting on the blades. This requires
a more precise and specific design process, especially for the rear blade, where the
oscillation at this stage is greater than that of the front one.

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÊ ĐĂNG HUY


ix

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan, đây là cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi. Các
số liệu sử dụng phân tích trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng. Các kết quả nghiên
cứu trong luận văn do tơi tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan qua lý
thuyết và thực nghiệm. Các kết quả này chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên
cứu nào khác.

Tác giả

LÊ ĐĂNG HUY

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÊ ĐĂNG HUY



x

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ......................................... iii
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iv
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ .............................................................................v
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... ix
DANH MỤC HÌNH ................................................................................................. xii
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... xvi
DANH MỤC KÍ HIỆU ......................................................................................... xviii
DANH MỤC VIẾT TẮT ........................................................................................ xix
CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU ............................................................................................20
1.1
1.2

Lý do chọn đề tài .........................................................................................20
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...............................................................21

CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN .....................................................................................22
2.1
2.2
2.3

2.4
2.5
2.6

Nguồn gốc năng lượng gió ..........................................................................22
Tài nguyên gió tại Việt Nam và ứng dụng tại các khu vực khác nhau........22

Tình hình nghiên cứu trong trên thế giới và trong nước. ............................23
2.3.1

Nghiên cứu ý tưởng và chế tạo......................................................23

2.3.2

Nghiên cứu về lý thuyết tính tốn .................................................28

2.3.3

Nghiên cứu thực nghiệm; dùng TTS-DLHCL để tính tốn ..........29

Mục đích nghiên cứu ...................................................................................30
Phương pháp nghiên cứu .............................................................................30
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .....................................................................30

CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN LÝ THUYẾT CHO TUABIN GIĨ 2
TẦNG CÁNH ĐỒNG TRỤC QUAY ĐỘC LẬP ....................................................31
3.1
3.2

3.3

Tuabin gió 2 tầng cánh đồng trục quay độc lập theo sáng chế mới ............31
Lý thuyết tính tốn tuabin gió cơ bản ..........................................................34
3.2.1

Thuyết động lượng một chiều (động lượng tuyến tính) ................34


3.2.2

Phương pháp động lượng phân tố cánh (PP-DLPTC)...................35

Nghiên cứu tính tốn khí động học tuabin gió 2 tầng cánh .........................38
3.3.1

Phương pháp đề xuất bởi nhóm nghiên cứu của Newman ............40

3.3.2 Phương pháp đề xuất bởi nhóm nghiên cứu của
Chantharasenawong. ...................................................................................44

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÊ ĐĂNG HUY


xi

3.3.3 Phương pháp đề xuất bởi nhóm nghiên cứu của Sundararaju với
tuabin 2 tầng cánh đường kính bằng nhau. .................................................48
3.3.4

Phương pháp đề xuất bởi nhóm nghiên cứu của F. F. Yin. ...........60

3.3.5 Ứng dụng thuyết động lượng phân tố cánh để tính tốn cơ bản cho
tuabin 2 tầng cánh của chính tác giả. ..........................................................66
CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ..............67
4.1
4.2


Thiết đặt mơ hình thực nghiệm....................................................................71
Kết quả thực nghiệm....................................................................................76

CHƯƠNG 5. TÍNH TỐN CƠNG SUẤT TUABIN 2 TẦNG CÁNH THEO SÁNG
CHẾ MỚI BẰNG TTS-DLHCL ...............................................................................83
5.1

5.2
5.3
5.4

Mơ hình tính tốn số ....................................................................................83
5.1.1

Phương trình bảo tồn khối lượng [38] .........................................83

5.1.2

Phương trình bảo tồn động lượng [38] ........................................83

5.1.3

Phương pháp lưới cắt (Sliding mesh) ............................................84

5.1.4

Phương pháp đơn và nhiều khung tham chiếu (DKTC, NKTC)..86

5.1.5


Lý thuyết tính tốn lực, moment trong Ansys Fluent [42] ............89

Khảo sát khả năng ứng dụng NKTC-Rotor tĩnh để mô phỏng ....................91
Khảo sát khả năng ứng dụng NKTC “lưới cắt” để mơ phỏng .....................97
Xây dựng mơ hình mơ phỏng chuẩn cho tuabin 2 tầng cánh ......................99
5.4.1

Bài toán độc lập lưới ...................................................................100

5.4.2

Bài tốn mơ phỏng 2 tuabin tầng cánh. .......................................105

5.4.3

Kết quả mô phỏng về moment và công suất tuabin ....................106

5.4.4

Kết quả mơ phỏng về hướng dịng gió và hệ quả ........................114

5.4.5

Kết quả và nhận xét về sự suy giảm tốc độ dọc trục ...................118

CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ..........................122
6.1
6.2


Kết luận......................................................................................................122
Hướng phát triển đề tài ..............................................................................123

PHỤ LỤC 1 : CODE MATLAB GIẢI THUẬT CHƯƠNG 3...........................124
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................144

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÊ ĐĂNG HUY


xii

DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1 - Chênh lệch nhiệt độ bề mặt các đại dương và hướng chuyển động của
khơng khí trên tầng đối lưu [4] .................................................................................22
Hình 2.2 - Mơ hình tuabin gió sử dụng nhiều rotor gắn trên cùng một mặt phẳng ..24
Hình 2.3 - Mơ hình tuabin gió sử dụng nhiều rotor gắn đồng trục một chiều ..........25
Hình 2.4 - Mơ hình tuabin gió trục ngang 2 tầng cánh quay ngược .........................26
Hình 2.5 - Bộ ly hợp của tuabin 2 tầng cánh theo sáng chế của nhóm Bakanov......27
Hình 2.6 - Tuabin 2 tầng cánh theo sáng chế của nhóm Bakanov ............................27
Hình 3.1 - Cấu hình cơ bản của tuabin 2 tầng cánh đồng trục quay độc lập ............33
Hình 3.2 - Dịng chảy 1 chiều qua đĩa tuabin [28] ....................................................34
Hình 3.3 - Ống dịng độ dày dr tại vị trí bán kính r [28] ...........................................36
Hình 3.4 - Các vận tốc và lực tác động lên phân tố cánh tại vị trí bán kính r...........36
Hình 3.5 - Các đường dịng, ống dịng đi qua n đĩa truyền động ..............................41
Hình 3.6 - Giá trị Cp max theo số tầng cánh n bởi nhóm Newman ..........................43
Hình 3.7 - Minh họa cách phân tích ống dịng qua tuabin 2 tầng cánh ....................44
Hình 3.8 - Minh họa biến đổi áp suất ống dòng trong khi qua 2 tầng cánh ..............45
Hình 3.9 - Minh họa biến đổi áp suất ống dịng ngồi khi qua tầng cánh trước .......45

Hình 3.10 - Đồ thị hàm số CPtotal và cực trị theo a và c dạng 3d ...........................47
Hình 3.11 - Đồ thị hàm số CPtotal theo a và c dạng 2d ...........................................47
Hình 3.12 - Đồ thị các hệ số công suất của rotor 1, 2 và hệ số công suất tổng ........48
Hình 3.13 - Mơ hình đĩa truyền động và các ống dịng theo đề xuất của nhóm
nghiên cứu Sundararaju.............................................................................................49
Hình 3.14 - Hệ số cơng suất tối đa Max (CP(total)) theo αs ...................................55
Hình 3.15 - Giá trị của bộ 3 biến a1, a2, b2 để hệ số công suất hệ đạt tối đa tương
ứng với hình 3.14 ......................................................................................................55
Hình 3.16 - Miền tính tốn cho tuabin 2 tầng cánh bằng TTS-DLHCL ...................56
Hình 3.17 - Kết quả mơ phỏng TTS-DLHCL cho trường hợp CPtotal tối đa tại
αs =0,582 ..................................................................................................................57

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÊ ĐĂNG HUY


xiii

Hình 3.18 - Mối quan hệ giữa tỉ số khoảng cách rotor/đường kính rotor (S/D) ứng
với tỉ lệ diện tích ống dòng αs để đạt được giá trị hệ số cơng suất tổng tối đa. .......57
Hình 3.19 - Tỉ số khoảng cách rotor/đường kính rotor (S/D) ứng với hệ số cơng suất
tổng tối đa ..................................................................................................................58
Hình 3.20 - CP(total) tối đa trong trường hợp 2: b2 = 1, c1 = 1/3 .......................59
Hình 3.21 - Các ống dịng đi qua rotor trước và sau .................................................61
Hình 3.22 - Phân tích một ống dịng đi qua lần lượt 2 rotor và sự thay đổi vận tốc
sau của dịng gió sau khi đi qua 2 rotor đó................................................................63
Hình 3.23 - Kết quả phân bố hệ số cảm ứng dọc trục theo tỉ số S/D của tuabin tham
khảo NREL-5 MW. ...................................................................................................66
Hình 4.1 - Cấu tạo hầm gió để thực nghiệm .............................................................69

Hình 4.2 - Thiết bị đo tốc độ gió điện tử...................................................................71
Hình 4.3 - Phổ tốc độ gió dọc trục từ hầm gió, nhìn từ mặt chiếu đứng ..................71
Hình 4.4 - Thiết lập thực nghiệm hầm gió: đo cơng suất, tổng rpm .........................72
Hình 4.5 - Thiết lập thực nghiệm hầm gió: đo rpm tầng trước .................................73
Hình 4.6 - Đo moment khởi động của tầng cánh trước.............................................75
Hình 4.7 - Đo moment khởi động của tầng cánh sau ................................................75
Hình 4.8 - So sánh kết quả thực nghiệm tuabin 2 tầng cánh theo sáng chế mới so với
chỉ tầng cánh trước: (a) Công suất điện; (b) Hệ số công suất; (c) Các chỉ số tỉ lệ
công suất và tỉ lệ hệ số cơng suất ..............................................................................82
Hình 5.1 - Mơ tả miền xoay b và miền tĩnh a [39] ....................................................85
Hình 5.2 - Sự không liên tục của lưới giữa miền tĩnh bên trái và miền xoay bên phải
[39] ............................................................................................................................86
Hình 5.3 - Mơ tả ý tưởng chính của phương pháp DKTC và NKTC [39] ................87
Hình 5.4 - Các vận tốc mà phân tố cánh “cảm thấy” [39] ........................................88
Hình 5.5 – Mơ tả DKTC ...........................................................................................89
Hình 5.6 – Mơ tả NKTC ...........................................................................................89
Hình 5.7 - Ý tưởng mơ phỏng ban đầu, sử dụng NKTC Rotor tĩnh .........................91
Hình 5.8 - Thực nghiệm tuabin NREL VI [43].........................................................92
Hình 5.9 - Lưới chia sử dụng trong mơ hình Rotor tĩnh cho tuabin NREL VI: .......94

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÊ ĐĂNG HUY


xiv

Hình 5.10 - Kết quả mơ phỏng hoạt động tuabin NREL VI theo độ sâu miền xoay 96
Hình 5.11 - So sánh kết quả mô phỏng công suất cơ học của tuabin NREL VI trong
trường hợp độ sâu miền xoay 0,06Rf và 0,09Rf sử dụng “lưới cắt” .........................98

Hình 5.12 - Vorticity=6 s-1 , trường hợp độ sâu 0,06Rf ............................................98
Hình 5.13 - Vorticity=6 s-1 , trường hợp độ sâu 0,09Rf ............................................98
Hình 5.14 - Kích thước chi tiết của mơ hình tính tốn .............................................99
Hình 5.15 - Các vùng lưới bề mặt với chất lượng khác nhau trên cánh tuabin ......101
Hình 5.16 - Lưới chia điển hình của các miền tính tốn dùng cho tuabin 2 tầng cánh:
(a) Lưới tính tốn cho miền xoay của tầng cánh trước; (b) Lưới tính tốn cho miền
xoay của tầng cánh sau; (c) Lưới tính tốn cho miền tĩnh. .....................................102
Hình 5.17 - Đồ thị kết quả cơng suất cơ học trên trục của tuabin theo các trường hợp
lưới tính tốn khác nhau ..........................................................................................103
Hình 5.18 - Kết quả moment và công suất cơ trên trục của tuabin 2 tầng cánh tại tốc
độ gió 7m/s: (a) Moment tầng trước; (b) Moment tầng sau; (c) Cơng suất tuabin .108
Hình 5.19 - Kết quả moment và công suất cơ trên trục của tuabin 2 tầng cánh tại tốc
độ gió 6m/s: (a) Moment tầng trước; (b) Moment tầng sau; (c) Công suất tuabin .109
Hình 5.20 - Kết quả moment và cơng suất cơ trên trục của tuabin 2 tầng cánh tại tốc
độ gió 5m/s: (a) Moment tầng trước; (b) Moment tầng sau; (c) Cơng suất tuabin .110
Hình 5.21 - Kết quả moment và công suất cơ trên trục của tuabin 2 tầng cánh tại tốc
độ gió 4m/s: (a) Moment tầng trước; (b) Moment tầng sau; (c) Cơng suất tuabin .111
Hình 5.22 - Kết quả moment và công suất cơ trên trục của tuabin 2 tầng cánh tại tốc
độ gió 3m/s: (a) Moment tầng trước; (b) Moment tầng sau; (c) Công suất tuabin .112
Hình 5.23 - Sự biến thiên moment xoắn của tầng cánh trước và tầng cánh sau theo
tốc độ gió tự do vào tuabin: (a) Tầng trước; (b) Tầng sau ......................................113
Hình 5.24 - Biến thiên theo thời gian của lực đẩy tác dụng lên tầng cánh trường hợp
gió vào 7m/s: (a) Tầng trước; (b) Tầng sau ............................................................114
Hình 5.25 - Cấu trúc dịng chảy xốy đằng sau tuabin 2 tầng cánh tại tốc độ gió vào
7m/s: (a), (b) Bề mặt đẳng vorticity =12s-1 2 tầng cánh xoay; (c), (d) Bề mặt đẳng
vorticity =9s-1 chỉ tầng cánh trước xoay ..................................................................115

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÊ ĐĂNG HUY



xv

Hình 5.26 - Trường vận tốc và áp suất điển hình của tuabin 2 tầng cánh theo sáng
chế mới: (a) Trường vận tốc dọc trục; (b) Trường áp suất .....................................116
Hình 5.27 - Trường vận tốc và áp suất điển hình của tuabin 1 tầng cánh: (a) Trường
vận tốc dọc trục; (b) Trường áp suất .......................................................................117

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÊ ĐĂNG HUY


xvi

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 - Quy hoạch điện gió trên bờ của Việt Nam theo khu vực ........................23
Bảng 3.1 - Bảng giá trị ar mà tại đó Cp đạt max theo n và r ....................................43
Bảng 4.1 - Thông số thiết lập cơ bản của thực nghiệm tuabin gió 2 tầng cánh ........67
Bảng 4.2 - Bảng các thành phần của mô hình thực nghiệm......................................71
Bảng 4.3 - Các bước thực nghiệm chi tiết.................................................................73
Bảng 4.4 - Tóm tắt thơng số và kết quả đo moment cản khởi động .........................76
Bảng 4.5 - Kết quả thử nghiệm hầm gió của tuabin 2 tầng cánh theo sáng chế mới 76
Bảng 4.6 - Kết quả thử nghiệm hầm gió của tuabin 1 tầng cánh ..............................77
Bảng 4.7 - Kết quả và sai số chi tiết của thử nghiệm hầm gió tuabin 2 tầng cánh
theo sáng chế mới ......................................................................................................77
Bảng 4.8 - Kết quả và sai số chi tiết của thử nghiệm hầm gió tuabin 1 tầng cánh ...78
Bảng 4.9 - Kết quả và sai số chi tiết về hệ số cơng suất trong thử nghiệm hầm gió
tuabin 2 tầng cánh .....................................................................................................79

Bảng 4.10 - Kết quả và sai số chi tiết về hệ số công suất trong thử nghiệm hầm gió
tuabin 1 tầng cánh .....................................................................................................80
Bảng 4.11 - Kết quả và sai số chi tiết về tỉ lệ công suất điện và tỉ lệ hệ số công suất
so sánh giữa tuabin 2 và 1 tầng cánh theo tốc độ gió................................................80
Bảng 5.1 - Thông số biên dạng cánh tuabin NREL VI [43] .....................................92
Bảng 5.2 - Tổng hợp điều kiện đầu vào cho mơ hình tính tuabin NREL VI ............95
Bảng 5.3 - Bảng kết quả mô phỏng cho tuabin NREL VI dùng NKTC-Rotor tĩnh .95
Bảng 5.4 - Cụ thể kích thước mơ hình tính tốn và ý nghĩa từng kích thước ...........99
Bảng 5.5 - Điều kiện đầu vào của bài toán xét độc lập lưới tuabin 2 tầng cánh .....101
Bảng 5.6 - Thông số lưới và kết quả công suất theo trường hợp lưới ....................103
Bảng 5.7 - Các thông số cụ thể được sử dụng để chia lưới.....................................104
Bảng 5.8 - Thông số đầu và thơng số xét hội tụ bài tốn mơ phỏng 2 tầng cánh ...105
Bảng 5.9 - Kết quả mô phỏng về moment và công suất tuabin 2 tầng cánh ...........106
Bảng 5.10 - So sánh hệ số cảm ứng dọc trục giữa trường hợp 7m/s và 4m/s .........118

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÊ ĐĂNG HUY


xvii

Bảng 5.11 - Hệ số cảm ứng dọc trục cảm nhận được của tầng cánh sau trong 1 chu
kì 2 tầng cánh cắt nhau ............................................................................................120

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÊ ĐĂNG HUY



xviii

DANH MỤC KÍ HIỆU
A
P, Pe
𝑚̇
𝜌
𝑉0 , V, 𝑉∞ ; VT
a, b, c, d, e, f
𝐶𝑝 , 𝐶𝑇
𝜔, Ω
R
D
𝑈𝑟𝑒𝑙
𝜃𝑝
α
φ
𝜃𝑝,0
𝜃𝑟
Cl
Cd
p, q
∆𝑝
𝛼𝑠
Q
R f, R r
𝛽𝑓 , 𝛽𝑟
Rif, Rir
cf, cr
n

VT
𝑡
⃗
𝑈
𝑆𝑚
𝑔
𝜇
ν
∇
torquef, torquer

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tiết diện quét, mặt cắt, m2
Công suất cơ học, Công suất điện, W
Lưu lượng khối lượng, kg/s
Khối lượng riêng, kg/m3
Vận tốc tự do đến từ xa; tốc độ hầm gió m/s
Hệ số cảm ứng dọc trục, không thứ nguyên
Hệ số công suất, hệ số lực đẩy, khơng thứ ngun
Tốc độ góc của tầng cánh, rad/s
Bán kính rotor, m
Đường kính rotor, m
Vận tốc gió tương đối mà phân tố cánh cảm nhận, m/s
Góc nghiêng của phân tố cánh với mặt phẳng xoay, rad
Góc tấn, rad
Góc gió đến tương đối, rad
Góc nghiêng chung của cánh, rad
Góc đặt cánh so với góc nghiêng chung, rad
Hệ số lực nâng, không thứ nguyên

Hệ số lực đẩy, khơng thứ ngun
Áp suất, Pa
Chênh áp, Pa
Tỉ lệ diện tích ống dịng trong trước/ diện tích qt sau,
khơng thứ ngun
Lưu lượng thể tích, m3/s
Bán kính tầng cánh trước, tầng cánh sau, m
Góc đặt cánh tầng cánh trước, tầng cánh sau, o
Bán kính trong của cánh trước, cánh sau, m
Dây cung cánh trước, sau, m
Số cặp cực của máy phát
Tốc độ gió từ hầm gió, m/s
Bước thời gian – timestep trong mô phỏng số, s
Vector vận tốc
Nguồn phát sinh trong mô phỏng số
Vector gia tốc trọng trường
Độ nhớt tuyệt đối, Pa.s
Độ nhớt động học, m2/s
Div
Moment xoắn tầng cánh trước, sau từ CFD, N.m

LÊ ĐĂNG HUY


xix

DANH MỤC VIẾT TẮT
Viết tắt Viết
tắt Tên thuật ngữ tiếng Tên thuật ngữ tiếng Việt
tiếng Anh tiếng Việt

Anh
BEM
PP-DLPTC Blade element method
Phương pháp động lượng
phân tố cánh
BOI
KTD
Body of influence
Khối tác động
CFD
TTSComputational fluid
Tính tốn số động lực học
DLHCL
dynamic
chất lưu
FR
RT
Frozen rotor
Phương pháp rotor tĩnh
LBM-LES MPXLLattice Boltzmann
Mơ phỏng xốy lớn dựa
LBM
method-based largetrên phương pháp Lattice
eddy simulation
Boltzmann
MRF
NKTC
Multiple reference
Nhiều khung tham chiếu
frame

NREL
NREL
National Renewable
Phịng thí nghiệm năng
Energy Laboratory
lượng tái tạo quốc gia, Hoa
Kỳ
PISO
TTThuật toán PressureThuật toán tách tốn tử ẩn
TTTAAS
Implicit Splitting of
áp suất
Operators
RANS
NSTBR-t
Reynolds Averaged
Hệ phương trình NavierNavier-Stokes
Stokes trung bình Reynolds
ổn định
RKE
KE-THD
Mơ hình nhiễu loạn k-ε
Realizable k-𝜀
“Thực hiện được”
turbulence model
RKE-S
KE-THDMơ hình nhiễu loạn k-ε
Realizable k-𝜀
CTMR
“Thực hiện được” với hàm

turbulence model
số tường “Có thể mở rộng”
Scalable wall function
SRF
DKTC
Single reference frame
Đơn khung tham chiếu
k-𝜔SST
k-𝜔VCUSC k-𝜔 Shear Stress
Mơ hình nhiễu loạn k-𝜔
Transport
“Vận chuyển ứng suất cắt”
URANS
NSTBRUnsteady Reynolds
Hệ phương trình Navierkod
Averaged Navier-Stokes Stokes trung bình Reynolds
khơng ổn định
Trong khn khổ luận văn này, để thuận tiện cho việc theo dõi thì những từ viết tắt và thuật
ngữ tiếng Anh gốc sẽ được trình bày bằng từ tiếng Việt tương đương như trong danh mục
trên.

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÊ ĐĂNG HUY


20

CHƯƠNG 1.
1.1


MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài
Mọi sự phát triển của con người, các hoạt động sản xuất, đời sống đều cần phải

tiêu tốn năng lượng dưới nhiều hình thức khác nhau. Điều này đóng một vai trị cơ bản
trong sự phát triển của các nền văn minh.
Các nguồn năng lượng truyền thống, không tái tạo đang được con người khai
thác một cách triệt để cho sự phát triển của nhân loại: Theo đánh giá của Liên hiệp
quốc trong World Energy Assessment Overview, tổng dự trữ năng lượng hóa thạch đã
xác minh trên toàn thế giới hiện nay là 778 Gtoe [1]. Điều đó có nghĩa là với mức sử
dụng như năm 2001 thì con người chỉ cịn 251 năm sử dụng đối với than, 64 năm với
khí thiên nhiên và 41 năm đối với dầu mỏ. Nguồn năng lượng đầy tiềm năng khác là
năng lượng hạt nhân cũng xuất phát từ việc bắn phá các đồng vị phóng xạ, vốn dĩ cũng
là có hạn và sẽ mất dần theo thời gian. Tất nhiên mức sử dụng năng lượng sẽ tăng lên
dần theo thời gian, nếu khơng có biện pháp thay thế hoặc tái tạo thì thời gian con người
cịn than, khí thiên nhiên… hay Uranium cũng giảm đi nhiều. Trước viễn cảnh đó, các
nguồn năng lượng tái tạo dưới nhiều dạng khác nhau: bức xạ mặt trời, sinh khối, thế
năng của nước, địa nhiệt … và đặc biệt là năng lượng gió được con người nghiên cứu
và ứng dụng thực tiễn nhằm hướng đến mục tiêu thay thế từng phần và tiến đến thay
thế hoàn toàn các nguồn năng lượng khơng tái sinh. Việt Nam cũng đã có những bước
đi tích cực với cam kết đạt phát thải rịng bằng 0 tại COP26 [2], điều đó tạo động lực
và trách nhiệm cho toàn thể xã hội và ngành khoa học nước nhà.
Trong xu thế tồn cầu hóa và giao lưu cơng nghệ, chính phủ và người dân Việt
Nam đã dần quen với các tuabin gió khổng lồ, nhập từ nhiều nước trên thế giới như
Mỹ, Đức, Anh, Trung Quốc… với công suất trên nhiều MW. Tuy nhiên Việt Nam chưa
có nhiều cơng trình nghiên cứu tính tốn, chế tạo cho tuabin gió cỡ nhỏ và siêu nhỏ,
cơng suất dưới 5kW và đặc biệt là để phục vụ cho nhu cầu sử dụng đa dạng từ thành
thị đến nông thôn, nơi mà thế năng gió rất dồi dào. Ứng dụng của tuabin gió trong tầm

cơng suất này cũng hết sức đa dạng và có tiềm năng: Sử dụng cho hộ gia đình, sử dụng

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÊ ĐĂNG HUY


21

cho trang trại để thay thế một phần nhu cầu tiêu thụ điện năng… Điều đó đã thơi thúc
học viên trên con đường khoa học ứng dụng, đây là vấn đề được học viên đặc biệt quan
tâm và lựa chọn làm đề tài luận văn để nghiên cứu.
1.2

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Tuabin gió trục ngang 2 tầng cánh đồng trục quay độc lập có cơng suất dưới

4kW, cụ thể là tuabin 1 kW 2 tầng cánh tại tốc độ gió định mức là 8 m/s với cấu hình
dựa theo sáng chế mới [3].
- Nghiên cứu ứng dụng phương pháp động lượng phân tố cánh tĩnh, trong đề tài
không đề cập đến lý thuyết phân tố cánh động.
- Điều kiện gió thực nghiệm từ hầm gió trong khoảng từ 3m/s - 7m/s. Điều này
để phù hợp với phạm vi ứng dụng mà tuabin 2 tầng cánh có lợi thế, đó là khu vực gió
tốc độ thấp.
- Nghiên cứu giới hạn ở việc so sánh kết quả tính tốn, mơ phỏng với mơ hình
thực nghiệm, chưa lắp đặt thực tế. Đó sẽ là phần mở để nghiên cứu tiếp sau cho luận
văn này.

LUẬN VĂN THẠC SĨ


LÊ ĐĂNG HUY


22

CHƯƠNG 2.
2.1

TỔNG QUAN

Nguồn gốc năng lượng gió
Bầu khí quyển, nước và khơng khí trong phạm vi Trái Đất có nhiệt độ không

đều nhau do mức độ hấp thụ khác nhau với bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt Trái
Đất. Chính vì lí do đó mà làm cho các luồng khơng khí chuyển động và sinh ra gió.

Hình 2.1 - Chênh lệch nhiệt độ bề mặt các đại dương và hướng chuyển động của
khơng khí trên tầng đối lưu [4]
Năng lượng gió mà con người sử dụng được là gió bề mặt (tầng gió ở độ cao
thấp hơn 100m so với mặt đất), bị ảnh hưởng bởi cấu trúc bề mặt trái đất. Tất nhiên ở
những tầng khơng khí cao hơn, con người vẫn có thể sử dụng được tiềm năng của gió,
tuy nhiên vấn đề độ bền, kết cấu của tuabin lúc này gây nhiều tốn kém và làm hiệu quả
kinh tế của tuabin khơng cịn cao.
2.2

Tài ngun gió tại Việt Nam và ứng dụng tại các khu vực khác nhau
Theo báo cáo cập nhật các nguồn năng lượng tái tạo ‘phi thủy điện’ của Tạp

chí Năng lượng Việt Nam (tháng 8/2020) [5]: Tổng tiềm năng kỹ thuật điện gió (trên
bờ) của Việt nam khoảng 217 GW, cịn tổng tiềm năng kỹ thuật điện gió (ngồi khơi)

khoảng 600 GW [6].
Cụ thể, tổng tiềm năng kỹ thuật điện gió trên bờ của Việt Nam được chia theo
các mức độ gió như sau:
1/ Tốc độ gió cao (>6m/s) là 24 GW.
2/ Tốc độ trung bình (5,5 - 6m/s) là 30 GW.
3/ Tốc độ thấp (4,5 - 5,5m/s) là 163 GW.

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÊ ĐĂNG HUY


23

Việt Nam được chia thành 6 vùng điện gió trên bờ. Theo tổng hợp, cơng suất
điện gió trên bờ đã được phê duyệt và đang trình bổ sung quy hoạch như bảng dưới:
Bảng 2.1 - Quy hoạch điện gió trên bờ của Việt Nam theo khu vực
Tên vùng

Đã được bổ sung quy hoạch (MW)

Đã đăng ký đầu tư (MW)

Bắc bộ

-

-

Bắc Trung bộ


-

372

Trung Trung bộ

560

2522

Tây Nguyên

286,8

10174

Nam Trung bộ

2030

2461

Nam bộ

2099

14775

Toàn quốc


4975,8

30304

Như vậy trên thực tế người Việt mới chỉ sử dụng và quy hoạch sử dụng khoảng
32,5 % tổng sản lượng điện gió trên bờ, tiềm năng sử dụng điện gió ngồi khơi vẫn
còn nhiều. Như vậy tiềm năng phát triển năng lượng gió tại Việt Nam vẫn là rất lớn,
đặc biệt khi có thể kết hợp một giải pháp mới giúp nâng cao sản lượng điện với chi phí
sản xuất phù hợp để hướng đến áp dụng rộng rãi, giải quyết nhu cầu tiêu thụ điện bức
thiết và ngày càng tăng của các trang trại và hộ gia đình nói chung và các khu vùng
sâu vùng xa khó tiếp cận lưới điện nói chung.
2.3

Tình hình nghiên cứu trong trên thế giới và trong nước.

2.3.1

Nghiên cứu ý tưởng và chế tạo
* Những ý tưởng ngoài nước ban đầu
Trên thế giới hiện nay đã có những tuabin gió cơng suất từ vài MW đến 15

MW. Tuy nhiên loại tuabin công suất lớn này chỉ được sản xuất bởi vài quốc gia có
trình độ cơng nghệ rất cao và phù hợp với vùng có tốc độ gió trên 10 m/s. Vì vậy đã
có nhiều nghiên cứu nhằm cố gắng tìm ra giải pháp thay thế cho các tuabin gió trục
ngang cơng suất lớn thơng thường bằng cách sử dụng nhiều rotor trên một tháp với hai
mục tiêu sau [7]:
1. Để thay một rotor lớn bằng một số rotor nhỏ;

LUẬN VĂN THẠC SĨ


LÊ ĐĂNG HUY


24

2. Sử dụng năng lượng còn thừa sau rotor đầu tiên để nâng cao hiệu suất thực tế
của tuabin.
Hai mô hình khác nhau được đề xuất và phát triển với mục tiêu đầu tiên là:
- Tuabin gió sử dụng nhiều rotor gắn trên cùng 1 mặt phẳng (Co-planer multi
rotor wind tuabin);
- Tuabin gió sử dụng nhiều rotor gắn đồng trục một chiều (Unidirectional coaxial series rotor wind tuabin);
Tuabin gió sử dụng nhiều rotor gắn trên cùng một mặt phẳng bao gồm một số
rotor được gắn trên cùng một tháp. Nó bao gồm một số rotor nhỏ có diện tích tương
đương để thay thế một cánh tuabin lớn. Mỗi rotor được hỗ trợ bởi một giá đỡ riêng biệt
và truyền công suất đến một máy phát điện riêng biệt để sản xuất điện. Điều này tạo
thành một cụm các tuabin gió nhỏ thơng thường được gắn trên một tháp. Hình 2.2 trình
bày các dạng tuabin gió được thiết kế theo ngun lý này, trong đó mẫu a, b, c (theo tứ
tự từ trái sang) được thiết kế bởi Hãng Lagerwey Wind trong những năm 1908s đến
1990s [7] trong khi mẫu d được thiết kế và thử nghiệm bởi Phịng thí nghiệm NASA
năm 2010 [7]. Vấn đề mà loại tuabin gió sử dụng nhiều rotor gắn trên cùng một mặt
phẳng đang gặp phải là phần điều khiển đuôi để hãm tuabin khi gặp gió bão ( 25 m/s)
và đồng bộ hóa phát điện giữa các rotor riêng lẻ.

Hình 2.2 - Mơ hình tuabin gió sử dụng nhiều rotor gắn trên cùng một mặt phẳng

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÊ ĐĂNG HUY



25

Tuabin gió loại rotor đồng trục một chiều bao gồm một số rotor gắn phía trước
và một số gắn phía sau tháp tuabin trên một trục truyền động chung để dẫn động một
máy phát điện như thể hiện trong Hình 2.3. Loại này có những ưu điểm sau so với
tuabin gió rotor đơn và tuabin gió nhiều rotor gắn trên cùng một mặt phẳng như sau
[7]:
- Đối với tuabin gió loạt rotor đồng trục một chiều cần máy phát điện truyền
động trực tiếp kích thước nhỏ vì vịng tua máy cao hơn.
- Chi phí của máy phát có vịng tua cao thấp hơn so với máy phát có vịng tua
thấp.
- Có độ ổn định cấu trúc tốt vì nó có chứa rotor ở cả hai phía của trục ngang.

Hình 2.3 - Mơ hình tuabin gió sử dụng nhiều rotor gắn đồng trục một chiều
Tuy nhiên loại này có nhược điểm lớn là độ bền kết cấu khơng được cao vì
trục nằm ngang quá dài. Hơn nữa, vấn đề điều khiển đi để ngừng tuabin khi gặp gió
bão vẫn tồn tại.
Tuabin gió trục ngang quay ngược chiều nhau (counter rotating horizontal axis
wind turbine) được phát triển để đáp ứng mục tiêu thứ hai nói trên, đó là sử dụng năng
lượng cịn thừa của rotor thứ nhất bằng cách đặt rotor thứ hai phía sau nó để nâng cao
hệ số hiệu suất thực tế như trong Hình 2.4. Cơng suất của rotor thứ hai quay ngược
chiều được sử dụng cho mục đích chính là để dẫn động phần ứng bên trong trong khi
rotor phía trước được sử dụng để dẫn động phần ứng ngồi. Do đó, tốc độ tương đối
giữa các rotor tăng lên, cuối cùng giúp thu được nhiều năng lượng hơn so với tuabin
gió rotor đơn.

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÊ ĐĂNG HUY