Nghiên cứu, thiết kế cánh tuốc bin gió cỡ nhỏ làm việc trong điều kiện gió tốc độ thấp

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(130).2018 41 
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CÁNH TUỐC BIN GIÓ CỠ NHỎ LÀM VIỆC 
TRONG ĐIỀU KIỆN GIÓ TỐC ĐỘ THẤP 
RESEARCH ON DESIGNING SMALL WIND TURBINE BLADES OPERATING IN 
LOW WIND SPEED CONDITIONS 
Phan Thành Long, Nguyễn Võ Đạo 
Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; ptlong@dut.udn.vn 
Tóm tắt - Một trong những vấn đề lớn nhất khi thiết kế cánh của tuốc 
bin gió cỡ nhỏ, làm việc với gió tốc độ thấp, là việc chọn biên dạng 
cánh phù hợp và nâng cao hệ số công suất Cp của tuốc bin. Trong 
nghiên cứu này, cánh của tuốc bin gió có công suất 1 kW, làm việc 
ở tốc độ gió khoảng 7 m/s, sử dụng biên dạng cánh SD7062, được 
thiết kế theo hai phương pháp, đề xuất bởi Burton và Manwell. Đặc 
tính làm việc của các cánh tuốc bin sau khi thiết kế được kiểm tra và 
dự đoán bằng phương pháp động lượng phần tử cánh. Kết quả cho 
thấy rằng, cánh tuốc bin gió thiết kế theo phương pháp của Burton 
có khả năng làm việc tốt hơn ở điều kiện gió tốc độ thấp (Cp khoảng 
0,42 khi V = 7 m/s) và có đặc tính khởi động tốt hơn (tốc độ gió khởi 
động V = 3,5 m/s). Ngoài ra, cánh tuốc bin thiết kế theo phương pháp 
này có kích thước nhỏ hơn và đơn giản, dễ chế tạo hơn so với cánh 
thiết kế bằng phương pháp của Manwell. 
Abstract - One of the largest problems in designing blades for a 
small wind turbine operating in low wind speed conditions is selecting 
the suitable airfoil and enhancing the power coefficient (Cp) of the 
turbine. In this research, the wind turbine blades had the power of 
1kW, operating at the wind speed of approximately 7 m/s and using 
the SD7062 airfoil. The blades were designed based on two methods 
recommended by Burton and Manwell respectively. The wind turbine 
blades’ performance were predicted and tested using the blade 
element momentum method. Results showed that the blade of wind 
turbine which was designed based on Burton’s method could operate 
better in the condition of low wind speed (Cp was about 0.42 when V 
= 7m/s) and had better start-up characteristics (start-up wind speed 
V = 3,5 m/s). Besides, this blade had smaller size, simpler design 
and was easier to be made than that of the Manwell’s method. 
Từ khóa - tuốc bin gió cỡ nhỏ; gió tốc độ thấp; khí động học; biên 
dạng cánh SD7062; BEM 
Key words - small wind turbine; low wind condition; aerodynamics; 
SD7062 airfoil; BEM 
1. Đặt vấn đề 
Ngày nay, nhu cầu sử dụng các nguồn năng lượng thay 
thế, trong đó có năng lượng gió, ngày càng tăng do các 
nguy cơ về biến đổi khí hậu và sự thiếu hụt nguồn nhiên 
liệu hóa thạch [1]. Trong đó, nhu cầu sử dụng các tuốc bin 
gió cỡ nhỏ ngày càng tăng do giá thành rẻ, cấu tạo đơn giản 
và không gây ra tiếng ồn. Tuốc bin gió cỡ nhỏ có thể sử 
dụng ở các vùng nông thôn, ngoại ô hoặc thậm chí trong 
các khu dân cư đông đúc, mà tại đó không thể lắp đặt các 
tuốc bin gió cỡ lớn do giới hạn về diện tích và ô nhiễm 
tiếng ồn [2]. Mặc dù có nhiều ưu điểm, tuy nhiên tuốc bin 
gió cỡ nhỏ lại có hệ số công suất Cp thấp, khoảng 0,25 so 
với 0,45 của tuốc bin gió cỡ lớn [3]. Nguyên nhân đầu tiên 
là do tuốc bin gió cỡ lớn thường được đặt tại các vùng có 
điều kiện gió ổn định và tối ưu, trong khi tuốc bin gió cỡ 
nhỏ thường được đặt trên mái nhà, cánh đồng, những nơi 
gió không ổn định do các vật cản bao xung quanh. Ngoài 
ra, do kích thước của tuốc bin nhỏ, cùng tốc độ gió thấp, 
tuốc bin gió cỡ nhỏ thường làm việc với số Reynolds Re 
thấp, dẫn đến việc dòng chảy tầng trên cánh bị tách rời, sau 
đó nhập lại trên bề mặt và hình thành các bong bóng tách 
thành. Các bong bóng này làm tăng chiều dày lớp biên hình 
thành trên bề mặt cánh và lực cản, đồng thời làm giảm lực 
nâng và gây ra nhiều tiếng ồn hơn, điều này làm giảm hệ 
số công suất của tuốc bin [4]. Chính vì vậy, một trong 
những vấn đề quan trọng nhất khi thiết kế các cánh tuốc bin 
gió cỡ nhỏ là phải chọn được các biên dạng cánh phù hợp, 
có thể làm việc ở số Re thấp mà không gây ra hiện tượng 
tách thành của dòng chảy tầng. 
Bên cạnh đó, một yếu tố quan trọng khi thiết kế cánh 
tuốc bin gió cỡ nhỏ là việc xác định kích thước dây cung c 
và góc xoắn  của biên dạng cánh tại các vị trí khác nhau 
dọc theo chiều dài cánh. Sự phân bố c và  này quyết định 
đến hình dạng, kích thước của cánh, cũng như các đặc tính 
khí động học, độ bền của cánh. Trong thực tế, có nhiều mô 
hình đề xuất để tính toán sự phân bố chiều dài dây cung và 
góc xoắn dọc theo cánh tuốc bin gió, vì vậy cần phải xem 
xét để lựa chọn mô hình tính toán phù hợp, từ đó có thể 
thiết kế một cánh tuốc bin gió làm việc với hiệu suất cao 
và đảm bảo các yêu cầu khác. 
Nghiên cứu này giới thiệu các bước để thiết kế một cánh 
tuốc bin gió cỡ nhỏ, có công suất khoảng 1 kW, làm việc 
trong vùng gió tốc độ thấp, khoảng 5 – 7 m/s. Đây là điều 
kiện gió đặc trưng của khu vực ven biển Miền Trung. Cánh 
tuốc bin được thiết kế sử dụng biên dạng cánh SD7062, đây 
là biên dạng cánh được thiết kế dành riêng cho tuốc bin gió 
cỡ nhỏ. Sự phân bố chiều dài dây cung và góc xoắn dọc 
theo cánh được xác định theo hai mô hình khác nhau, được 
đề xuất bởi Burton [5] và Manwell [6]. Đặc tính khí động 
học và khả năng làm việc của hai cánh tuốc bin gió thiết kế 
theo hai mô hình trên được tính toán và mô phỏng bằng 
phương pháp động lượng phần tử cánh (Blade Element 
Momentum Method – BEM). Kết quả mô phỏng này là cơ 
sở để so sánh, lựa chọn cánh tuốc bin gió phù hợp và làm 
việc hiệu quả nhất trong điều kiện thiết kế. 
2. Phương án thiết kế 
2.1. Các thông số thiết kế ban đầu 
Cánh tuốc bin gió được thiết kế là loại dành cho tuốc 
bin gió kiểu trục ngang, có 3 cánh. Đây là loại tuốc bin gió 
phổ biến nhất và có hiệu suất làm việc cao hơn so với các 
loại tuốc bin gió khác. Chiều dài của cánh tuốc bin gió được 
xác định từ công thức [5]: 
3
p
1
P C V A
2
= (1) 
42 Phan Thành Long, Nguyễn Võ Đạo 
Trong đó, P là công suất thiết kế của tuốc bin, trong 
trường hợp này là 1 kW; ρ = 1,25 kg/m3, là khối lượng riêng 
của không khí trong điều kiện tuốc bin làm việc; V là vận 
tốc gió làm việc, được chọn là 7 m/s; Cp là hệ số công suất 
của tuốc bin dự kiến thiết kế, được chọn là 0,4 và A là diện 
tích quét của cánh tuốc bin, A = πR2, với R là chiều dài của 
cánh tuốc bin gió. Từ đó: 
3
p
P
R 0,96 (m)
0,5 C V
= =
 (2) 
Ngoài ra, một thông số ban đầu quan trọng khác cần 
được xác định khi thiết kế cánh tuốc bin gió, đó là hệ số tỉ 
tốc đầu mút cánh  (Tip Speed Ratio – TSR), được định 
nghĩa như sau [7]: 
R
V

 = (3) 
Trong đó,  (rad/s) là vận tốc góc của tuốc bin. Phần 
lớn các tuốc bin gió cỡ nhỏ làm việc với hệ số tỷ tốc đầu 
mút cánh nằm trong khoảng từ 4 đến 10. Nếu  càng cao, 
hiệu suất làm việc của tuốc bin gió càng lớn, tuy nhiên nó 
lại gây ra nhiều tiếng ồn hơn. Chính vì vậy, trong nghiên 
cứu này,  được chọn là 6 khi cho tuốc bin gió làm việc tại 
vận tốc gió 7 m/s. 
2.2. Lựa chọn biên dạng cánh 
Biên dạng cánh là một phần quan trọng khi thiết kế cánh 
tuốc bin gió, vì nó tạo ra lực nâng trên cánh. Tuy nhiên, với 
các tuốc bin gió cỡ nhỏ và làm việc ở điều kiện tốc độ gió 
thấp, việc sử dụng các biên dạng cánh truyền thống (ví dụ 
họ cánh NACA) là không phù hợp, vì sẽ gây ra hiện tượng 
tách rời dòng chảy tầng trên bề mặt cánh, hình thành các 
bong bóng tách thành và làm giảm hiệu suất của tuốc bin. 
Chính vì vậy, khi thiết kế tuốc bin gió cỡ nhỏ, cần phải lựa 
chọn các biên dạng cánh phù hợp. 
Giguere và Selig đã đề xuất một họ biên dạng cánh 
SG60XX (SG6040 – SG6043) dành cho tuốc bin gió cỡ nhỏ, 
hoạt động trong dải số Re từ 1x105 đến 5x105 [8]. Các biên 
dạng cánh này có tỷ số Cl/Cd cao tại số Re thấp khi xét tại các 
góc tấn khác nhau. Bên cạnh đó, một số biên dạng cánh khác 
cũng đã được đánh giá và sử dụng trong các tuốc bin gió thực 
tế. Matsumiya và các đồng nghiệp [9] đã sử dụng biên dạng 
cánh SD7037 cho một tuốc bin gió 3 cánh, có chiều dài cánh 
là 1,8 m và công suất thiết kế là 1 kW. Biên dạng cánh này 
có tỷ số Cl/Cd rất cao tại số Re thấp và các đặc tính khí động 
học phù hợp với tuốc bin gió cỡ nhỏ. Tuy nhiên, biên dạng 
cánh này lại quá mỏng, vì vậy rất khó để sản xuất. Wood [10] 
sử dụng biên dạng cánh SD7062 để thiết kế một tuốc bin gió 
hai cánh, có công suất là 2 kW. Tuốc bin được thiết kế này 
có đặc tính khởi động tốt và công suất đầu ra cao. Lanzafame 
[11] thiết kế một tuốc bin gió 10 kW, sử dụng biên dạng cánh 
S809. Ngoài ra, một biên dạng cánh khác cũng được sử dụng 
để thiết kế các cánh tuốc bin gió cỡ nhỏ, đó là biên dạng cánh 
E387 [8]. Một nghiên cứu để so sánh đặc tính làm việc của 
bốn cánh tuốc bin gió sử dụng lần lượt bốn biên dạng cánh 
SG6043, SD7062, S809 và E387 đã được thực hiện [12]. 
Trong đó chỉ ra rằng, biên dạng cánh SD7062 là phù hợp nhất 
với các tuốc bin gió cỡ nhỏ và làm việc trong điều kiện tốc 
độ gió thấp. Vì vậy, trong nghiên cứu này, biên dạng cánh 
SD7062 được sử dụng để thiết kế cánh tuốc bin gió. 
Hình 1 giới thiệu về hình dạng của biên dạng cánh 
SD7062. Với một biên dạng cánh được chọn, hệ số công 
suất lớn nhất có thể đạt được khi tỷ số Cl/Cd là lớn nhất. 
Tuy nhiên, tỷ số này lại phụ thuộc vào góc tấn α. Vì vậy, 
cánh tuốc bin gió luôn được thiết kế tại góc tấn α tối ưu, 
đồng nghĩa tại đó Cl/Cd là lớn nhất. 
Hình 1. Biên dạng cánh SD7062 
Hình 2 biểu diễn sự phụ thuộc của Cl/Cd vào góc tấn α 
tại số Re = 100.000 của biên dạng cánh SD7062. Trong đó, 
tỷ số Cl/Cd lớn nhất là 47,6 tại góc tấn α = 7o. Tại góc tấn 
này, hệ số nâng đạt được là Cl = 1,25. 
Hình 2. Sự thay đổi tỷ số Cl/Cd theo góc α 
Việc thiết kế cánh tuốc bin gió thường được chia thành hai 
bước: thiết kế khí động học và thiết kế liên quan đến kết cấu. 
Thiết kế khí động học chính là việc xác định hình dạng của 
cánh, bao gồm việc xác định các biên dạng cánh được sử dụng 
và sự phân bố kích thước dây cung c, cùng với góc xoắn  dọc 
theo cánh. Thiết kế liên quan đến kết cấu bao gồm việc lựa 
chọn vật liệu làm cánh và xem xét độ bền cánh khi làm việc. 
Đối với tuốc bin gió cỡ nhỏ, việc thiết kế khí động quan trọng 
hơn thiết kế liên quan đến kết cấu, vì vậy nghiên cứu này chỉ 
xem xét thiết kế liên quan đến khí động học. 
Như phần trước đã trình bày, biên dạng cánh được chọn 
để thiêt kế cánh tuốc bin là SD7062. Với biên dạng cánh 
đã chọn này, việc cần thiết tiếp theo là xác định sự phân bố 
kích thước của c của các phần tử cánh cũng như góc xoắn 
 của nó dọc theo cánh. Sự phân bố này thường được xác 
định dựa vào lý thuyết động lượng phần tử cánh, trong đó 
cánh tuốc bin gió được chia thành một số lượng phần tử 
cánh nhất định, sau đó xác định kích thước của dây cung 
và góc xoắn tại từng phần tử cánh này. Trong nghiên cứu 
này, cánh tuốc bin gió có chiều dài 0,96 m và được chia 
thành 10 phần tử cánh như Hình 3. 
Hình 3. Các phần tử cánh dọc theo cánh tuốc bin gió 
Có nhiều nghiên cứu đề xuất việc xác định sự phân bố 
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(130).2018 43 
kích thước dây cung và góc xoắn tối ưu tại từng phần tử 
cánh dọc theo cánh, trong đó, Burton và các đồng nghiệp 
đã đề xuất một phương pháp trực tiếp để xác định sự phân 
bố c và θ cho một cánh tuốc bin gió cỡ nhỏ như sau [5]: 
r
0.8 0.8 l
c 8 2
2
R 9 C B
  
= − 
   
 (4) 
r
2
r
1
1
13arctg
2
1
3
− 
  =
 +  
 (5) 
θ = ϕ – α (6) 
Trong đó, c là kích thước dây cung, θ là góc xoắn, 
R là chiều dài cánh tuốc bin gió, r là chiều dài tại phần tử 
cánh đang xét, r là hệ số tỷ tốc cục bộ tại phần tử cánh 
đang xét, 0,8 là hệ số tỷ tốc tại r = 0,8R, B là số cánh tuốc 
bin và ϕ là góc gió đi vào tuốc bin. Một phương pháp khác, 
được đề xuất bởi Manwell, trong đó sự phân bố c và θ được 
xác định khi có tính đến ảnh hưởng các vệt hút phía sau 
tuốc bin gió, có công thức như sau [6]: 
r
2 1
arctg
3
 = 
 
 (7) 
( )
l
8 r
c 1 cos
C B
= −  (8) 
θ = ϕ – α (6) 
Trong nghiên cứu này, sự phân bố c và θ dọc theo cánh 
được tính theo cả hai phương pháp trên. Kết quả được biểu 
diễn trong Hình 4 và Hình 5. Hình 4 biểu diễn sự phân bố c 
dọc theo chiều dài cánh theo hai phương pháp của Burton và 
Manwell, trong đó tại các phần tử cánh nằm gần mút cánh, 
giá trị của c tính theo hai phương pháp trên gần như bằng 
nhau. Tuy nhiên, tại các phần tử cánh nằm tại gốc cánh, giá 
trị của c tính theo phương pháp của Burton nhỏ hơn nhiều so 
với giá trị của c tính theo phương pháp của Manwell, điều 
đó đồng nghĩa với cánh tuốc bin gió thiết kế theo phương 
pháp của Burton sẽ nhỏ gọn hơn so với phương pháp của 
Manwell. Ngoài ra, độ lớn của c dọc theo chiều dài cánh, 
tính theo phương pháp của Burton, thay đổi gần như tuyến 
tính, điều này cũng giúp việc chế tạo cánh dễ dàng hơn. 
Hình 4. Sự phân bố chiều dài dây cung c dọc theo cánh 
Hình 5, biểu diễn sự phân bố góc xoắn θ dọc theo cánh 
theo hai phương pháp trên. Tương tự như sự phân bố c, sự 
khác nhau giữa hai phương pháp chủ yếu tập trung tại các 
phần tử cánh nằm sát gốc cánh. Theo phương pháp của 
Burton, góc xoắn lớn nhất xảy ra tại r = 0,1R, với độ lớn là 
14,3o, trong khi đó, theo phương pháp của Manwell, góc 
xoắn lớn nhất tại r = 0,1R là 32,37o. Góc xoắn của cánh 
cành lớn thì độ phức tạp khi chế tạo càng tăng. 
Hình 5. Sự phân bố góc xoắn θ dọc theo cánh 
Kết quả tính toán c và θ theo hai phương pháp trên cho 
thấy, cánh tuốc bin gió tính toán theo phương pháp của 
Burton có kích thước nhỏ gọn hơn, và đơn giản dễ chế tạo 
hơn. Tuy nhiên, các tính toán trên chưa cho biết về khả năng 
làm việc, hiệu suất và các đặc tính khí động học của hai cánh 
tuốc bin vừa được thiết kế. Để thực hiện điều này, phương 
pháp động lượng phần tử cánh được lựa chọn sử dụng. 
2.3. Phương pháp động lượng phần tử cánh – BEM 
Có nhiều phương pháp để đánh giá hiệu suất làm việc, 
cũng như các đặc tính khí động học của tuốc bin gió. Trong 
đó, phương pháp mô phỏng động lực học chất lỏng (CFD) 
có thể giúp đánh giá toàn diện nhất tất cả các hiện tượng có 
thể xảy ra khi tuốc bin gió làm việc, tuy nhiên phương pháp 
này rất phức tạp và đòi hỏi nhiều thời gian tính toán, cũng 
như nhiều tài nguyên phần cứng máy tính. Phương pháp 
xoáy có thể được sử dụng để thay thế phương pháp CFD, tuy 
nhiên phương pháp này lại dựa trên lý thuyết dòng chảy thế, 
do vậy không thể mô phỏng các hiện tượng do tính nhớt của 
chất lỏng gây ra. Chính vì vậy, trong nghiên cứu và thiết kế 
cánh tuốc bin gió, phương pháp động lượng phần tử cánh 
thường được sử dụng để dự đoán hiệu suất và các đặc tính 
làm việc của tuốc bin. Ưu điểm lớn nhất của phương pháp 
này là đơn giản, hiệu quả và giảm thời gian tính toán. 
Phương pháp BEM là sự kết hợp giữa lý thuyết động 
lượng (khối rotor của tuốc bin gió được xem như một đĩa 
phẳng lý tưởng) và lý thuyết phần tử cánh (xem xét cụ thể các 
hiện tượng thực tế xảy ra tại cánh tuốc bin gió). Để tính toán 
theo lý thuyết BEM, cánh tuốc bin gió được chia thành khoảng 
từ 10 đến 20 phần tử cánh khác nhau. Mỗi phần tử cánh được 
định nghĩa bởi biên dạng cánh được sử dụng tại đó, chiều dài 
dây cung c của biên dạng cánh và góc xoắn θ. Khi biết vận tốc 
gió tương đối, hệ số nâng Cl và hệ số cản Cd tại mỗi phần tử 
cánh, phương pháp BEM giúp xác định công suất và moment 
sinh ra tương ứng tại mỗi phần tử cánh, sau đó tổng hợp thành 
công suất và moment cho toàn bộ tuốc bin gió. 
Theo lý thuyết động lượng, lực dọc trục tác dụng lên 
một phân tố diện tích trên cánh tuốc bin có thể được tính 
như sau [13]: 
2dF 4a(1 a) V rdr= − (9) 
Trong đó, a là hệ số cảm ứng dọc trục. Lực đẩy tác dụng 
lên phân tố diện tích đó là: 
3dT 4a '(1 a) V r dr= −  (10) 
44 Phan Thành Long, Nguyễn Võ Đạo 
Trong đó, a’ là hệ số cảm ứng góc và Ω là vận tốc quay 
của tuốc bin. Trong khi đó, theo lý thuyết phần tử cánh, lực 
dọc trục và lực đẩy được tính như sau: 
( )2 l d
1
dF BcW dr C cos C sin
2
= +  (11) 
( )2 l d
1
dT BcW rdr C sin C cos
2
= −  (12) 
Trong đó, W là vận tốc tổng hợp. Đồng nhất phương 
trình (9) và (11), (10) và (12), thu được hệ phương trình sau: 
( )
( )
2 2
l d
2 2
l d
8a(1 a)V r BcW C cos C sin
8a '(1 a)V r BcW C sin C cos
 − = +  
−  = −  
 (13) 
Thay W vào hệ phương trình (13) và biến đổi, các 
phương trình trên có thể viết lại như sau: 
( )l dr
2
C cos C sina
1 a 4 sin
+ 
=
− 
 (14) 
( )l dr C sin C cosa '
1 a ' 4 sin cos
− 
=
+  
 (15) 
Trong đó, σr là tỷ số bao phủ cánh cục bộ, được tính 
như sau: 
r
Bc
2 r
 =
 (16) 
Như vậy, a, a’ và ϕ là các thông số chưa biết. Để xác 
định các thông số này, các phương trình trên cần phải được 
giải đồng thời và sử dụng phương pháp lặp. Sau khi xác 
định được a và a’, có thể sử dụng các thông số này để tính 
công suất và moment của tuốc bin gió. 
3. Kết quả và bàn luận 
Đặc tính làm việc của cánh tuốc bin gió được thiết kế 
bằng hai phương pháp của Burton và Manwell được tính 
toán và kiểm tra bằng phương pháp BEM, sử dụng phần 
mềm Qblade [14]. Trong đó, việc dự đoán sự thay đổi của 
công suất P và hệ số công suất Cp theo hệ số tỷ tốc đầu mút 
cánh  và theo vận tốc gió V là quan trọng nhất. Hình 6 
biểu diễn sự thay đổi Cp theo . Kết quả cho thấy hệ số 
công suất Cp của cánh tuốc bin thiết kế theo phương pháp 
của Burton có giá trị cao hơn so với cánh thiết kế theo 
phương pháp của Manwell, với giá trị lớn nhất khoảng 0,42 
khi  = 7. Tuy nhiên, giá trị của Cp trong thực tế thường 
nhỏ hơn so với giá trị được dự đoán bằng phương pháp 
BEM, vì phương pháp này không xét đến ảnh hưởng của 
dòng chảy không ổn định và vệt hút sau cánh tuốc bin. 
Hình 6. Sự thay đổi Cp theo  
Hình 7 biểu diễn sự thay đổi của Cp theo vận tốc gió V. 
Trong đó, hệ số Cp lớn nhất xảy ra với cánh tuốc bin gió 
thiết kế theo phương pháp của Burton, tại V = 7 m/s. Như 
vậy cánh tuốc bin gió này đạt được yêu cầu thiết kế ban đầu 
đặt ra, khi làm việc với hiệu suất cao nhất tại vận tốc gió 
thấp, khoảng 7 m/s. Tại vận tốc gió cao hơn, hệ số công 
suất Cp của cánh thiết kế theo Manwell đạt giá trị lớn hơn 
so với cánh thiết kế theo Burton. Một điểm đáng chú ý 
khác, đó là cánh tuốc bin gió thiết kế theo Burton có đặc 
tính khởi động tốt hơn, tuốc bin này bắt đầu làm việc với 
V khoảng 3,5 m/s, trong khi cánh tuốc bin gió thiết kế theo 
Manwell là khoảng 4 m/s. 
Hình 7. Sự thay đổi Cp theo V 
Sự thay đổi công suất của tuốc bin theo vân tốc gió được 
biểu diễn trong Hình 8. Trong khoảng vận tốc gió thấp, 
dưới 10 m/s, công suất của hai tuốc bin gió gần như tương 
đương. Trong khi đó, tại vận tốc gió cao hơn, công suất của 
tuốc bin gió thiết kế theo phương pháp Manwell lại lớn 
hơn, và có thể đạt giá trị lớn nhất là 1,2 kW tại V = 11 m/s. 
Hình 8 cũng cho thấy, đặc tính khởi động của cánh tuốc bin 
gió thiết kế theo Burton là tốt hơn. 
Hình 8. Sự thay đổi của công suất P theo V 
Như đã đề cập ở phần trước, việc tính toán và dự đoán 
khả năng làm việc của tuốc bin gió theo phương pháp BEM 
thường có ưu điểm là đơn giản, hiệu quả và nhanh chóng. 
Tuy nhiên, kết quả đạt được thường có sai lệch nhỏ so với 
kết quả thực tế. Trong đó, hệ số công suất Cp và công suất 
P của tuốc bin gió dự đoán theo BEM thường cao hơn so 
với tuốc bin làm việc thực tế, do trong quá trình tính toán 
đã bỏ qua các hiện tượng dòng chảy phức tạp, làm giảm 
khả năng làm việc của tuốc bin. Để dự đoán chính xác hơn 
khả năng làm việc của tuốc bin gió, cần thực hiện một mô 
hình tính toán CFD 3 chiều và xét cho chế độ làm việc 
không ổn định. Điều này dẫn đến chi phí tính toán sẽ tăng 
lên. Tuy vây, kết quả tính toán theo phương pháp BEM vẫn 
đủ độ tin cậy để đánh giá các thiết kế sơ bộ ban đầu của 
tuốc bin gió. Kết quả tính toán cho thấy rằng, cánh tuốc bin 
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(130).2018 45 
gió thiết kế theo phương pháp của Burton có khả năng làm 
việc tốt hơn (Cp và P cao hơn) ở điều kiện vận tốc gió làm 
việc thấp. Ngoài ra, đặc tính khởi động của cánh tuốc bin 
gió này cũng tốt hơn. Như vậy, cánh tuốc bin gió thiết kế 
theo phương pháp này phù hợp với điều kiện làm việc ở 
những vùng có tốc độ gió thấp. 
4. Kết luận 
Cánh tuốc bin gió cỡ nhỏ được thiết kế theo hai phương 
pháp, đề xuất bởi Burton và Manwell, sử dụng biên dạng 
cánh SD7062. Cánh tuốc bin gió thiết kế theo phương pháp 
của Burton có kích thước nhỏ hơn và cấu tạo đơn giản hơn, 
vì vậy thuận tiện hơn trong việc chế tạo. Kết quả tính toán 
khả năng làm việc dựa trên phương pháp động lượng phần 
tử cánh (BEM) cũng cho thấy, cánh tuốc bin gió thiết kế 
theo Burton làm việc với hiệu suất cao hơn ở điều kiện vận 
tốc gió thấp, cũng như có đặc tính khởi động tốt hơn. Chính 
vì vậy, phương pháp thiết kế cánh tuốc bin gió theo đề xuất 
của Burton phù hợp cho việc thiết kế các cánh tuốc bin gió 
cỡ nhỏ, làm việc ở điều kiện tốc độ gió thấp, ví dụ như khu 
vực bờ biển Miền Trung, Việt Nam. 
Lời cảm ơn 
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển Khoa 
học và Công nghệ Đại học Đà Nẵng trong đề tài mã số 
B2016-DN02-10. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] P. Cooper, P.B. Kosasih, L. Ledo, “Roof mounting site analysis for 
micro-wind turbines”, Renew. Energ, Tập 36, NXB Elsevier, 2010, 
Trang 1379-1391. 
[2] H. Hirahara, M.Z. Hossain, Y. Nonomura, “Testing basic performance 
of a very small wind turbine designed for multi-purposes”, Renew. 
Energ, Tập 30, NXB Elsevier, 2005, Trang 1279-1297. 
[3] H.F. Fasel, A. Gross, Numerical investigation of different wind 
turbine airfoils, Đại học Arizona, 2011. 
[4] P. Giguere, M.S. Selig, “Low Reynolds number airfoils for small 
horizontal axis wind turbines”, Wind. Eng, Tập 21, NXB Sage, 1997, 
Trang 367-380. 
[5] T. Burton, N. Jenkins, D. Sharpe, E. Bossanyi, Wind Energy 
Handbook, tái bản lần 2, NXB John Wiley & Son, 2011. 
[6] J.F. Manwell, J. G. McGowan, A. L. Rogers, Wind Energy 
Explained: Theory, Design and Application, NXB John Wiley & 
Son, 2002. 
[7] P. J. Schubel, R. J. Crossley, “Wind turbine Blade Design”, 
Energies, Tập 5, NXB MDPI, 2012, Trang 3425-3449. 
[8] P. Giguere, M.S. Selig, “New airfoils for small horizontal axis wind 
turbines”, J. Sol. Energ. Eng, Tập 20, NXB ASME, 1998, Trang 
108-114. 
[9] H. Matsumiya, R. Ito, M. Kawakami, D. Matsushita, M. Lida, “Field 
operation and track tests of 1 kW small wind turbine under high wind 
conditions”, J. Sol. Energ. Eng, Tập 32, NXB ASME, 2010, Trang 
11002-11010. 
[10] D. H. Wood, “Dual purpose design of small wind turbine blades”, 
Wind. Eng, Tập 28, NXB Sage, 2004, Trang 511-528. 
[11] R. Lanzafame, M. Messina, “Design and performance of a double – 
pitch wind turbine with non-twisted blades”, Renew. Energ, Tập 34, 
NXB Elsevier, 2009, Trang 1413-1420. 
[12] Phan Thành Long, Nguyễn Văn Triều, “Blade design and numerical 
testing of a small wind turbine for low wind speed conditions”, Kỷ 
yếu Hội nghị MMMS 2018, NXB Bách Khoa, 2018, Trang 436-443. 
[13] P. J. Moriarty, A. C. Hansen, AeroDyn Theory Manual, Phòng Thí 
nghiệm Quốc gia về Năng lượng tái tạo, Colorado, Hoa Kỳ, 2005. 
[14]  
(BBT nhận bài: 28/8/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 09/9/2018)