Mô phỏng công suất phát điện của tuabin gió trục đứng dưới ảnh hưởng của mưa

SCIENCE TECHNOLOGY 
Số 48.2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 33
MÔ PHỎNG CÔNG SUẤT PHÁT ĐIỆN CỦA TUABIN GIÓ 
TRỤC ĐỨNG DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA MƯA 
NUMERICAL ANALYSIS AND SIMULATION OF GENERATED POWERS OF VERTICAL-AXIS WIND TURBINS 
UNDER RAINING EFFECTS 
Nguyễn Tuấn Anh1, Nguyễn Hữu Đức1,* 
TÓM TẮT 
Công suất của tuabin gió bị ảnh hưởng đáng kể bởi các điều kiện không khí 
của môi trường hoạt động. Mưa là một hiện tượng phổ biến ở nhiều nơi trên thế
giới, nên việc tìm hiểu ảnh hưởng của nó đến công suất của tuabin gió trục đứng 
sẽ cung cấp những thông tin có giá trị trong công tác thiết kế một tháp điện gió 
mới. Một mô hình được xây dựng để nghiên cứu sự ảnh hưởng của mưa, từ đó xác 
định độ ướt tối ưu cũng như công suất phát điện tương ứng. 
Từ khóa: Tuabin gió trục đứng; sự ảnh hưởng của mưa; suy giảm công suất 
tuabin. 
ABSTRACT 
The power of the wind turbine are significantly affected by the air conditions of 
the operating environment. Rain is a widespread phenomenon in many parts of the 
world, so exploring its effect on the power of wind turbines will provide valuable 
insights into the déign of a new wind tower. A model is built to estimate the effect 
of precipitation by simulating the actual physical processes of the rain drops 
forming on the surface of the blades of a verticle-axis turbine, thereby determining 
optimal wetness, then power and performance respectively. 
Keywords: Horizontal-axis wind turbine; effect of rain; power decrease of 
wind turbine. 
1Khoa Công nghệ năng lượng, Trường Đại học Điện lực 
*Email: ducnh@epu.edu.vn 
Ngày nhận bài: 04/01/2018 
Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 01/3/2018 
Ngày chấp nhận đăng: 21/8/2018 
Phản biện khoa học: TS. Đặng Thúy Hằng 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Vấn đề nghiên cứu sự ảnh hưởng của mưa chưa được đề 
cập nhiều, ở trong nước chưa có tác giả nào nghiên cứu 
vấn đề này, còn trên thế giới chỉ có một số nghiên cứu 
riêng lẻ chủ yếu về mô phỏng và phân tích khí động lực của 
mưa lên kết cấu hình dạng của cánh [1, 2], lên kết cấu của 
tháp tuabin trục ngang [3] và trục đứng [4]. Tuy nhiên chưa 
có nghiên cứu nào đưa ra những kết quả tối ưu liên quan 
đến vận tốc gió, kích thước giọt mưa, độ ướt bề mặt cánh 
ảnh hưởng lên công suất và hiệu suất của tuabin. 
Do các yếu tố phức tạp liên quan đến điều khiển tuabin 
gió cũng như những thay đổi đột ngột về hướng gió và vận 
tốc gió trong điều kiện mưa lớn, sự ảnh hưởng lên tuabin 
gió thực tế lớn hơn đáng kể so với thiết kế thông thường. 
Hơn nữa, mưa có thành phần vận tốc theo chiều ngang, 
gây tác động lên bề mặt cánh tuabin gió, tạo nên sự rung 
động, làm trầm trọng thêm sự ảnh hưởng lên các tuabin 
gió. Một số nghiên cứu đã bắt đầu xem xét tác động của 
lượng mưa lên cấu trúc [5]. 
Mưa nhỏ đến mưa vừa có thể không gây ảnh hưởng lên 
cấu trúc của tuabin, nhưng chúng cũng ảnh hưởng đến sản 
lượng điện. Vì vậy, các tác động của mưa lên tuabin gió 
trong những điều kiện vận hành dưới mưa nên được chú ý 
nhiều hơn. Sau khi nghiên cứu và hiểu được ảnh hưởng của 
các điều kiện cực trị đối với tuabin gió, việc thiết kế và phân 
tích tính sụt giảm công suất của tuabin gió cần được phát 
triển thêm. 
Bài báo này tập trung chủ yếu vào việc phân tích và 
đánh giá mô phỏng sự ảnh hưởng của các thông số vận 
hành dưới tác động của mưa và gió lên cánh tuabin trục 
đứng trong điều kiện thời tiết xấu và có mở rộng đánh giá 
trong trường hợp mưa lớn. Một mô hình cho tuabin gió 
được lập và mô phỏng theo dạng cánh tuabin và sự lệch 
hướng gió. Các kết quả mô phỏng giúp làm sáng tỏ đường 
đặc tính của công suất tuabin gió trong điều kiện có mưa, 
từ đó giúp đánh giá về thiết kế và mức độ an toàn cho 
tuabin gió. 
2. TÁC ĐỘNG CỦA MƯA 
Tác động của hạt mưa tới cánh tuabin gió ngoài gây 
nên sự rung động cánh tuabin còn gây ảnh hưởng đến 
công suất ra của tuabin gió. Năng lượng hạt mưa rơi xuống 
cánh tuabin gió liên quan đến đường kính và tốc độ va đập 
của giọt mưa [6]. Khi hạt mưa đập vào một mặt cứng, vận 
tốc của giọt mưa bằng 0 rất nhanh. Khi đó, lực tác động của 
một giọt mưa lên tuabin gió trong khoảng thời gian rất 
ngắn  có thể được tính bằng phương trình [7]: 
() =


∫ ()d =




=


. 
trong đó, () là lực tác động của một giọt mưa tại thời 
điểm ;  là vận tốc của giọt mưa;  là mật độ nước, và  là 
đường kính giọt mưa;  là khối lượng của giọt mưa, 
 = (1/6), nếu giọt mưa coi như có dạng hình cầu. 
 CÔNG NGHỆ 
 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số 48.2018 34
KHOA HỌC
Lực tác động của mưa, có thể được khảo sát như một 
dải phân bố đều như sau: 
  = ()


=


. (1) 
trong đó, vùng tác động của giọt mưa là  = /4, độ lấp 
đầy thể tích  = (1/6) và thời gian tác động 
 = /2;  là độ rộng của cấu trúc bị mưa tác động, 
tương đương với độ ướt và sẽ được tính ở mục 3; N là lượng 
mưa với giọt có đường kính giữa [1, 2] trong một đơn vị 
thể tích không khí: 
  = ∫ ()d

= ∫ 
d


với 1 = 0,01 cm và 2 = 0,6 cm [8]. () là phân bố theo 
kích thước giọt mưa (gọi là phân bố Marshall-Palmer) [9, 
10];  = 0,08 cm-4, Λ = 4,1	, cm-1 là hệ số độ dốc,  là 
lượng mưa ở đơn vị mm/h và được phân loại trong bảng 1. 
Bảng 1. Phân loại cường độ mưa 
Phân loại Mưa 
nhỏ 
Mưa 
vừa 
Mưa to Mưa 
bão 
Bão 
yếu 
Bão 
vừa 
Bão 
mạnh 
Cường độ mưa (mm/h) 2,5 8 16 32 64 100 200 
Mưa và gió có lúc xuất hiện riêng rẽ nhưng cũng có lúc 
xuất hiện đồng thời. Đôi khi sức mạnh của gió rất lớn, 
nhưng của mưa lại không đáng kể và ngược lại. Sự phân bố 
tần suất và cường độ của gió và mưa có đặc điểm khí tượng 
theo từng khu vực với cơ chế phức tạp vượt quá phạm vi 
nghiên cứu. Để có một phân tích khả thi và đơn giản, trong 
nghiên cứu này, tác động của gió là chính theo mục đích 
thiết kế về chức năng của tuabin gió và coi tác động của 
mưa chỉ như một đóng góp bổ sung. Khi đó, tác dụng của 
gió và mưa cùng nhau được xem xét, trong đó tác động của 
gió thì tạo nên công suất phát điện, còn tác động của mưa 
là yếu tố ảnh hưởng đến công suất đó. Phương pháp này 
không chỉ giải quyết được bản chất của vấn đề mà còn đơn 
giản hoá tính toán. 
3. ĐỘ ƯỚT TRÊN CÁNH TUABIN 
Hình 1. Tuabin gió trục đứng 
Giả định rằng mưa rơi xuống đồng đều với vận tốc 
không đổi  (và không có lốc). Ý tưởng chính là: tập trung 
vào khu vực bị lấp đầy bởi các giọt mưa tác động vào cánh 
tuabin trong quá trình quay trong gió. Gọi khu vực này là 
vùng bị mưa, hay vùng quét của cánh tuabin. Vùng bị mưa 
có dạng hình trụ nếu cánh tuabin có dạng hình chữ nhật, 
và có dạng hình ellipsoid nếu cánh tuabin nhỏ dần ở đầu 
cánh. Lượng nước để lại trên cánh tuabin sẽ tỷ lệ tương ứng 
với vùng bị mưa. Theo đó, phương pháp đo lường hình học 
được áp dụng để xác định chỉ số về độ ướt toàn phần. 
Giả sử rằng cánh tuabin quay ở tốc độ không đổi do 
nhận một lượng gió hữu ích đi vào ở tốc độ không đổi dọc 
theo chiều ngang. Đặt một hệ tọa độ Descartes theo cách 
sao cho tháp tuabin đặt ở gốc và di chuyển tương đối theo 
chiều dương của trục x. Như vậy, vận tốc gió hữu ích là 
 = {, 0,0}. Các cánh tuabin đã tiếp xúc với các giọt mưa 
trong một khoảng thời gian hữu hạn, cụ thể là 1/. Khu vực 
mưa bao gồm tất cả các vị trí ban đầu để một giọt mưa có 
thể rơi trên cánh. Đặt Q là một vị trí tương ứng với một giọt 
mưa sẽ rơi vào ở thời điểm t. Sau đó, nó sẽ rơi tiếp tại điểm 
Q + . Điểm đó lại tiếp tục chuyển động tương đối cùng 
với tuabin P = Q +  –  . Như vậy tại mỗi điểm tiếp xúc 
với mưa P trên cánh tuabin ở thời điểm 0, điểm P + ( – 
 ) nằm trong vùng mưa khi 0 ≤  ≤ 1/. Điều này cho 
thấy vùng mưa được tạo thành từ các đoạn thẳng song 
song với vector mưa biểu kiến  =  –  , điểm kết thúc 
nằm ở điểm tiếp xúc với cánh tuabin ở thời điểm 0 và có độ 
dài ‖‖/. Từ đây, độ ướt toàn phần, hay vùng không gian 
quét của cánh tuabin quay khi bị mưa tác động W, là tích 
giữa diện tích tiếp xúc dưới mưa với hình chiếu của vector 
/ lên phương pháp tuyến với mặt đó. Để xác định vùng 
không gian quét của cánh tuabin khi quay, có thể coi 
chúng tạo nên một mặt trụ có độ cao bằng chính sải cánh 
và bán kính đáy bằng cánh tay đòn của tuabin. Sử dụng các 
thành phần vận tốc của mưa  = {, , −}, trong đó 
thành phần tới  > 0, thành phần ngang  và thành phần 
rơi của mưa  > 0. Từ đây, vector / = { − , , −}/. 
Tham khảo [11], độ ướt khi đó có dạng: 
 () =
()



, (2) 
trong đó,  và  là cánh tay đòn và độ dài của cánh tuabin. 
Ví dụ, hãy xét một vùng không gian mà cánh tuabin 
quay tạo ra với các kích thước như sau:  = 1 m,  = 2 m, 
trong thời tiết mưa có tốc độ rơi là  = 7 m/s, tốc độ hướng 
thẳng vào tuabin  = 2 m/s và tốc độ ngang  = 1 m/s. Khi 
đó, độ ướt (s) đạt cực tiểu ở tốc độ gió hữu ích  = 2 m/s 
(trong trường hợp tuabin trục ngang), và  = 2,5 m/s (trong 
trường hợp tuabin trục đứng). Kết quả thu được ở hình 2. 
Hình 2. Độ ướt trên cánh tuabin trong trường hợp vùng không gian quét của 
cánh khi quay có dạng hình trụ: đường cong A đối với tuabin trục ngang và 
đường cong B đối với tuabin trục đứng 
SCIENCE TECHNOLOGY 
Số 48.2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 35
4. CÔNG SUẤT PHÁT ĐIỆN GIÓ 
Công suất ra của một tuabin gió lý tưởng tích lũy tới vận 
tốc gió hữu ích  sử dụng phân bố Weibull có dạng: 
() = ∫ ()()d


 (3) 
trong đó, 
() =


 (4) 
 = 2 là diện tích vùng quét của cánh tuabin, và 
() =













 (5) 
với  ≥ 1, là phân bố Weibull. Ở đây,  là thông số cấu 
hình và  là thông số thang đo. Tính tích phân (3), chúng ta 
thu được 
() =


 






,




− 





 (6) 
Từ đây, có thể tìm được các hệ số 
 =






,




− 





 (7) 
trong đó,  là hệ số công suất gió và  là hiệu suất 
truyền động. 
Với  ≤ 1,  ≤ , (, = 16/27, gọi là giới hạn 
Betz), phương trình (7) suy ra 






,




− 





≤ , (8) 
Phương trình (8) được giải bằng hình 3 cho kết quả 
 ≤ 10, với mọi giá trị . 
Hình 3. Hệ số công suất phụ thuộc vào tốc độ gió ứng với ba thông số cấu hình 
khác nhau (κ = 8, 10, 12 tương ứng với các đường từ A đến B) khi λ = 6 m/s 
Khi tính đến tác động của mưa, công suất bị suy giảm 
một lượng s, 
() = () − s (9) 
với  từ biểu thức (1) và độ ướt  từ biểu thức (2a) 
hoặc (2b). 
5. XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG 
Mô hình trên được mô phỏng bằng phần mềm Wolfram 
Mathematica [12]. Các thông số đưa vào bao gồm: 
1. Hình dạng của cánh tuabin: 
- Độ dài cánh tay đòn, được khảo sát từ 1 đến 3m; 
- Độ dài cánh, khảo sát từ 1 đến 5m; 
2. Các thành phần của nước mưa và không khí: 
- Mật độ không khí, khảo sát từ 0,1 đến 1,5kg/m3; 
- Mật độ nước của mưa, từ 800 đến 1500kg/m3; 
- Đường kính giọt mưa, từ 0,1 đến 0,6cm; 
- Lượng mưa, từ 1 đến 200mm/h; 
- Thành phần vận tốc tới của mưa, từ -5 đến 14m/s; 
- Thành phần vận tốc ngang của mưa, từ 0 đến 30m/s; 
- Thành phần vận tốc rơi của mưa, từ 5 đến 15m/s; 
3. Các thông số của tuabin gió: 
- Thông số cấu hình, được khảo sát từ 1 đến 10; 
- Thông số thang đo, được khảo sát từ 0,1 đến 20m/s; 
Các bước mô phỏng được thực hiện như sau: 
- Trước tiên lựa chọn dạng hình học của cánh tuabin khi 
quay và các thông số cấu hình và thông số thang đo của 
tuabin gió. Các thông số về mưa và gió ứng với điều kiện 
mưa vừa và gió không lớn. 
- Các phương trình gồm phương trình lượng mưa, biểu 
thức độ ướt, lực tác động của giọt mưa, công suất tuabin 
dưới ảnh hưởng của mưa và các giá trị tối ưu được đánh giá 
và mô tả bằng hình vẽ. 
- Các thông số có thể được thay đổi tùy theo bài toán 
cụ thể và kết quả được minh họa tương ứng ngay trên các 
hình vẽ. 
- Bằng phương pháp này, có thể đánh giá được mức độ 
ảnh hưởng của mưa lên công suất tuabin gió, từ đó đưa ra 
những giải pháp cho thiết kế hình dạng cánh tuabin, hay 
tốc độ tối ưu để tuabin gió vẫn khai thác được năng lượng 
trong điều kiện mưa gió. 
Các kết quả mô phỏng được cho ở bảng 2 và hình 4. Độ 
sụt giảm công suất do mưa đối với tuabin trục đứng ít bị 
ảnh hưởng khi kích thước của giọt mưa tăng, nhưng lại bị 
ảnh hưởng mạnh khi vận tốc mưa ngang tăng. Điều này là 
do các cánh của tuabin trục đứng được bố trí theo phương 
thẳng đứng. 
Bảng 2. Kết quả mô phỏng các thông số vận hành 
Loại 
cánh 
tuabin 
Đường 
kính 
giọt 
mưa 
Vận tốc 
mưa 
ngang 
Vận 
tốc gió 
tối ưu 
Độ ướt 
tối ưu 
Hệ số 
công 
suất 
Công 
suất 
định 
mức 
Công 
suất 
suy 
giảm 
Tuabin 
trục 
ngang 
0,2 cm 0 m/s 5 m/s 3 m2 0,297 1,09 
MW 
1,06 
MW 
0,2 cm 7 m/s 5 m/s 3 m2 0,297 1,09 
MW 
1,05 
MW 
0,3 cm 0 m/s 5 m/s 3 m2 0,297 1,09 
MW 
0,94 
MW 
0,3 cm 7 m/s 5 m/s 3 m2 0,297 1,09 
MW 
0,89 
MW 
0,4 cm 0 m/s 5 m/s 3 m2 0,297 1,09 
MW 
0,58 
MW 
0,4 cm 7 m/s 5 m/s 3 m2 0,297 1,09 
MW 
0,37 
MW 
 CÔNG NGHỆ 
 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số 48.2018 36
KHOA HỌC
Tuabin 
trục 
đứng 
0,2 cm 0 m/s 5 m/s - 0,297 1,45 
MW 
1,44 
MW 
0,2 cm 7 m/s 15 m/s 10 m2 0,297 1,45 
MW 
1,39 
MW 
0,3 cm 0 m/s 5 m/s - 0,297 1,45 
MW 
1,41 
MW 
0,3 cm 7 m/s 15 m/s 10 m2 0,297 1,45 
MW 
1,07 
MW 
0,4 cm 0 m/s 5 m/s - 0,297 1,45 
MW 
1,31 
MW 
0,4 cm 7 m/s 15 m/s 10 m2 0,297 1,45 
MW 
0,10 
MW 
Hình 4a. Kết quả mô phỏng của tuabin trục đứng 
Hình 4b. Kết quả mô phỏng của tuabin trục ngang 
6. KẾT LUẬN 
Với sự phát triển của điện gió cũng như sự gia tăng của 
các sự kiện mưa và gió cực kỳ mạnh, các tuabin gió có thể 
bị ảnh hưởng do gió và mưa. Trong nghiên cứu này, một 
phương pháp phân tích năng lượng của tuabin gió dưới 
điều kiện của mưa và mưa bão đã được nghiên cứu. Các kết 
luận chính như sau. 
(1) Bài báo này là kết quả nghiên cứu đầu tiên tìm hiểu 
sự ảnh hưởng của mưa lên công suất của tuabin gió. 
(2) Độ ướt trên cánh tuabin có mối liên quan chặt chẽ 
với lực tác động của mưa. Kết quả cho thấy có một độ ướt 
tối ưu, khi đó lực tác động của mưa lên cánh tuabin cũng 
nhỏ nhất, và do đó sự sụt giảm công suất do mưa cũng 
nhỏ nhất. 
(3) Đường đặc tính của công suất được tính theo phân 
tích thống kê khá phù hợp với đường đặc tính đo được 
thực tế, chỉ với cách chọn các thông số cấu hình và thang 
đo phù hợp. 
(4) Sự sụt giảm của công suất do mưa thể hiện đáng kể 
khi kích thước của giọt mưa tăng lên. Điều đó dễ hiểu, vì khi 
mưa càng nặng hạt, thì càng ảnh hưởng đến tốc độ quay 
của cánh tuabin. Sự sụt giảm của công suất cũng ảnh 
hưởng mạnh khi có mưa tạt ngang. Công suất cũng bị sụt 
giảm nhẹ khi các thông số khác như lượng mưa, vận tốc 
mưa tới, vận tốc mưa rơi tăng lên. Tuy nhiên, vẫn có thể tìm 
được công suất tốt nhất tùy từng trường hợp ứng với vận 
tốc gió hữu ích và độ ướt tối ưu, hay lực tác động của mưa 
là nhỏ nhất. 
Khả năng kinh tế yêu cầu các cấu hình tối ưu của các 
thành phần của tuabin gió. Để phát triển một hệ thống tối 
ưu, điều cần thiết là phải có một mô hình khả thi. Mặc dù 
đã có những nghiên cứu trước, nhưng chủ yếu là cho 
những dao động cơ học trong điều kiện gió lớn, hay mưa 
bão lớn, mà chưa đưa ra được sự ảnh hưởng của mưa lên 
công suất với các dự đoán cụ thể ứng với nhiều điều kiện 
khác nhau. Mô hình được mô phỏng để dự đoán những 
tính chất cho tuabin với các kích thước hình học của cánh 
tuabin và điều kiện bị ảnh hưởng khác nhau của mưa. Hình 
ảnh về độ ướt, lực tác động của mưa và công suất phát điện 
được minh họa trực quan bằng hình ảnh động có tương tác 
và điều chỉnh tùy theo mục đích khảo sát. Mô hình tương 
đối đơn giản nhưng vẫn cho những kết quả khá chính xác. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Z. Wang, Y. Zhao, F. Li, và J. Jiang, 2013. Extreme Dynamic Responses of 
MW-Level Wind Turbine Tower in the Strong Typhoon Considering Wind-Rain 
Loads. Hindawi Publishing Corporation, Mathematical Problems in Engineering, 
Vol. 2013, Article ID 512530, 13 pages. 
[2]. T. Wan và S.-P. Pan, 2010. Aerodynamic Efficiency Study under The 
Influence of Heavy Rain via Two-Phase Flow Approach. 27th International 
Congress of The Aeronautical Sciences (ICAS 2010). 
SCIENCE TECHNOLOGY 
Số 48.2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 37
[3]. A. C. Cohana and H. Arastoopoura, 2016. Numerical simulation and 
analysis of the effect of rain and surface property on wind-turbine airfoil 
performance. International Journal of Multiphase Flow, Vol. 81, pp. 46-53. 
[4]. B. C. Al, C. Klumpner và D. B. Hann, 2011. Effect of Rain on Vertical Axis 
Wind Turbines. International Conference on Renewable Energies and Power 
Quality (ICREPQ’11), Las Palmas de Gran Canaria (Spain), 13th to 15th April, 
2011. Proceeding Vol.1, No.9, pp. 1263-1268. 
[5]. E. C. C. Choi, 2011. Wind-driven rain and driving rain coefficient during 
thunderstorms and non-thunderstorms. Journal of Wind Engineering and 
Industrial Aerodynamics, vol. 89, no. 3-4, pp. 293–308. 
[6]. M. Abuku, H. Janssen, J. Poesen, and S. Roels, 2009. Impact, absorption 
and evaporation of raindrops on building facades. Building and Environment, vol. 
44, no. 1, pp. 113–124. 
[7]. H.N. Li, Y.M. Ren, and H. F. Bai, 2007. Rain-wind-induced dynamic model 
for transmission tower system. Proceedings of the CSEE, vol. 27, no. 30, pp. 43–
48. 
[8]. W. L. Chen and Z. L. Wang, 1991. The trial research on the behaviours of 
artificial rainfall by simulation. Bulletin of Soil andWater Conservation, vol. 11, 
no. 2, pp. 55–62. 
[9]. J. Marshall and W. Palmer, 1948. The distribution of raindrops with size. 
Journal of Meteorology, vol. 5, pp. 165–166. 
[10]. E. Villermaux and B. Bossa, 2009. Single-drop fragmentation 
determines size distribution of raindrops. Nature Physics, vol. 5, no. 9, pp. 697–
702. 
[11]. Seongtaek Seo, 2015. Run or walk in the rain? (orthogonal projected 
area of ellipsoid). IOSR Journal of Applied Physics (IOSR-JAP), e-ISSN: 2278-4861. 
Volume 7, Issue 2 Ver. I, pp. 139-150,. 
[12]. P. R. Wellin, 2013. Programming with Mathematica. Cambridge 
Publishing.