Chng 2 nang luong gio

Chương Năng lượng gió Chương biên soạn nhằm cung cấp cho sinh viên: o o o o o o Tổng quan lượng gió Tiềm phát triển lượng gió Việt Nam Các kiểu turbine gió Cấu tạo nguyên lý hoạt động turbine gió Mối quan hệ thơng số máy phát điện gió Lưu đồ thiết kế máy phát điện gió cơng suất nhỏ Câu hỏi chương 2: Câu 1: Anh/chị trình bày lịch sử sử dụng lượng gió lồi người? Câu 2: Anh/chị cho biết thực trạng, tiềm ứng dụng lượng gió Việt Nam Câu 3: Anh/chị trình bày kiểu turbine gió? So sánh máy phát điện gió trục đứng trục ngang? Câu 4: Cấu tạo nguyên lý hoạt động turbine gió? Câu 5: Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất máy phát điện gió? Chương 2: Năng lượng gió 2.1 Lịch sử ứng dụng lượng gió ThS Nguyễn Phương Trà 27 Chương Năng lượng gió Hàng nghìn năm người biết khai thác sức gió để vận hành cỗ máy phục vụ cho sống mình, từ việc dựa vào sức gió để dong buồm khơi vận hành máy bơm nước hay xay ngũ cốc Hình ảnh cối xay gió miền q phương Tây trở nên tiêu biểu qua nhiều kỷ Hình 2.1 Turbine gió Charles F.Brush, Cleveland, Ohio 1888 Đến cuối kỷ 19 máy phát điện dùng sức gió đời, với tên gọi turbinegió để phân biệt với cối-xay-gió (biến lượng gió thành năng) Charles F Brush tạo turbine gió có khả phát điện giới Cleveland, Ohio vào năm 1888 Giống cối xay gió khổng lồ có đường kính 17m với 144 cánh gỗ mỏng, Hình 2.1 Năm 1891 nhà khí tượng học người Đan Mạch Poul The Mule Cour xây dựng turbine thử nghiệm Askov – Đan Mạch, Hình 2.2 Turbine gió có rơ to bốn cánh kiểu cánh máy bay có trục quay nhanh Năm 1922, kỹ sư người Phần Lan S.J.Savonius cải tiến nguyên lý đẩy khái niệm trục đứng cách thay cánh buồm hai cốc hình trịn, Hình 2.3 Năm 1931, kỹ sư người Pháp George Darrieus phát minh turbine gió trục đứng Darrieus Dựa vào nguyên lý kéo, turbine có hai (hoặc nhiều hơn) cánh mềm dạng cánh máy bay Một đầu cánh gắn đỉnh đầu gắn xuống đáy trục đứng turbine, giống máy đánh trứng khổng lồ Sau mẫu thiết kế cải tiến với cánh quạt có rãnh để hiệu suất turbine cao ThS Nguyễn Phương Trà 28 Chương Năng lượng gió Năm 1950 kỹ sư Johannes Juhl, phát triển turbine gió cánh có khả phát điện xoay chiều, tiền thân turbine gió Đan Mạch đại Cuộc khủng hoảng dầu hoả vào năm 1973, làm cho người quan tâm trở lại đến tính thương mại lượng gió làm tiền đề cho phát triển công nghệ cao Đan Mạch Califonia Hình 2.2 Turbine gió Poul la Cour, Askov, Đan Mạch năm 1897 Hình 2.3 Turbine gió trục đứng kiểu Savonius Tuy nhiên đến năm 1980, cơng nghệ turbine gió đủ thuận lợi để tồn tại, xét mặt kinh tế, để turbine gió cỡ lớn phát điện Hầu hết nghiên cứu phát triển tiến hành turbine trục ngang, có nghiên cứu sâu mẫu thiết kế trục đứng Darrieus Canada Mỹ vào năm 1970 1980, mà đỉnh cao máy với đường kính rơ to 100m có cơng suất 4.2MW với tên gọi “Eole C” Cap Chat – Quebec, Hình 2.4 Tuy nhiên vận hành có tháng hư hỏng cánh quạt, sức chịu đựng cánh quạt ThS Nguyễn Phương Trà 29 Chương Năng lượng gió Hình 2.4 Turbine gió trục đứng Darrieus kiểu “Eole C”, Cap Chat, Quebec Châu Âu dẫn đầu lĩnh vực lượng gió, vào năm 1982 cơng suất tối đa turbine gió có 50 kW Đến năm 1995 turbine gió thương mại đạt cơng suất lên gấp 10 lần, tức khoảng 500 KW Trong thời gian đó, chi phí xây dựng turbine gió giảm đột ngột, chi phí sản xuất điện giảm nửa Một số lượng lớn turbine gió từ cỡ lớn trở thành loại cực nhỏ, sản lượng chúng vài kWh/tháng Các turbine gió ngày xây dựng với kích thước lên đến MW đường kính 100m Hiện có nhiều nhà máy sản xuất turbine gió kích thước lớn Năng lượng gió giới thời kỳ phát triển rực rỡ nhất, đặc biệt Nước Cộng đồng châu Âu, cơng nghệ turbine gió giải vấn đề: cạn kiệt nguồn tài nguyên hóa thạch, hiệu ứng nhà kính, tuân thủ điều khoản Nghị định Thư Kyoto tượng trái đất ấm dần lên Cơng suất lắp đặt lượng gió giới tăng theo hàm mũ, tăng gấp hai lần công suất năm cuối thập kỷ Điều mà từ trước đến không công nghệ lượng làm Mặc dù phải đối diện với nhiều khó khăn khâu truyền tải, cung cấp, thị trường lượng gió năm 2006 tăng cách chóng mặt tới 32% sản lượng năm 2005 Năm 2006 tổng sản lượng điện gió tồn cầu đạt 74.223 MW, tức tăng thêm 15.197 MW so với năm 2005 59.091MW Những nước có sản lượng cao ấn tượng là: • Đức : 20.621 MW • Tây Ban Nha : 11.615 MW ThS Nguyễn Phương Trà 30 Chương Năng lượng gió • Hoa Kỳ : 11.603 MW • Ấn Độ : 6.270 MW • Đan Mạch : 3.136 MW Với tình hình phát triển nhanh chóng nước châu Âu, cho thấy sản lượng nước tiếp tục tăng Mỹ Canada tích cực phát triển mở rộng tăng cơng suất lượng gió Các nước Trung Đông, Viễn Đông Nam Mỹ bắt đầu đưa lượng gió vào cơng nghiệp lượng nước Hiện nước có dự án phát triển đến năm 2010 đạt sản lượng 150 GW Tốc độ mở rộng phụ thuộc vào mức độ hỗ trợ phủ, quyền nước cộng đồng quốc tế Đây trách nhiệm cho nước việc tuân thủ cắt giảm lượng khí thải Carbon Dioxide theo Nghị Định Thư Kyoto cắt giảm khí thải gây hiệu ứng nhà kính Một sóng cơng nghệ phát triển nhanh chóng với mục tiêu tương lai cải thiện công suất giảm giá thành Hiện ngành cơng nghiệp lượng gió có phân đoạn thị trường, bao gồm: - Loại cỡ nhỏ cho vùng hẻo lánh hay vùng khơng có lưới điện quốc gia - Loại dùng cho nhà riêng có lưới điện quốc gia - Trang trại, công ty ứng dụng gió cơng nghiệp cỡ nhỏ - Loại cỡ nhỏ dùng cho cho cụm dân cư - Các hệ thống gió - diesel - Bơm nước tưới tiêu - Khử muối nước Bảng 2.1 Tổng công suất lắp đặt (MW) giới đến năm 2020 Năm Off-grid ThS Nguyễn Phương Trà Hộ gia Nông trại/công Cụm dân cư Gió/diesel 31 Chương Năng lượng gió đình nghiệp/cơng ty Large : 325 kW 12.5kW 14 36 99 286 Net Bill : 30Kw 154 410 666 Cỡ Turbine 2005 2010 2015 2020 5kW 3.261 3.118 6.275 10.693 750kW 8.250 17.250 40.125 95.625 200kW 10 310 1.810 3.810 2.2 Nguyên lý lượng gió Bức xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất không đồng làm cho bầu khí quyển, nước khơng khí nóng không Một nửa bề mặt Trái Đất, mặt ban đêm, bị che khuất không nhận xạ Mặt Trời thêm vào xạ Mặt Trời vùng gần xích đạo nhiều cực, có khác nhiệt độ khác áp suất mà khơng khí xích đạo cực khơng khí mặt ban ngày mặt ban đêm Trái Đất di động tạo thành gió Trái Đất xoay trịn góp phần vào việc làm xốy khơng khí trục quay Trái Đất nghiêng (so với mặt phẳng quỹ đạo Trái Đất tạo thành quay quanh Mặt Trời) nên tạo thành dịng khơng khí theo mùa Do bị ảnh hưởng hiệu ứng Coriolis tạo thành từ quay quanh trục Trái Đất nên khơng khí từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển động thẳng mà tạo thành gió xốy có chiều xốy khác Bắc bán cầu Nam bán cầu Nếu nhìn từ vũ trụ Bắc bán cầu khơng khí di chuyển vào vùng áp thấp ngược với chiều kim đồng hồ khỏi vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ Trên Nam bán cầu chiều hướng ngược lại Ngồi yếu tố có tính tồn cầu gió bị ảnh hưởng địa hình địa phương Do nước đất có nhiệt dung khác nên ban ngày đất nóng lên nhanh nước, tạo nên khác biệt áp suất có gió thổi từ biển hay hồ vào đất liền Vào ban đêm đất liền nguội nhanh nước hiệu ứng xảy theo chiều ngược lại Năng lượng gió động khơng khí chuyển động với vận tốc Khối lượng qua mặt phẳng hình trịn vng góc với chiều gió thời gian là: (2.1) ThS Nguyễn Phương Trà 32 Chương Năng lượng gió với ρ tỷ trọng khơng khí, V thể tích khối lương khơng khí qua mặt cắt ngang hình trịn diện tích A, bán kinh r thời gian t Vì động E (kin) cơng suất P gió là: (2.2) (2.3) Điều đáng ý cơng suất gió tăng theo lũy thừa vận tốc gió vận tốc gió yếu tố định muốn sử dụng lượng gió Cơng suất gió sử dụng, thí dụ thơng qua tuốc bin gió để phát điện, nhỏ nhiều so với lượng luồng gió vận tốc gió phía sau tuốc bin giảm xuống không Trên lý thuyết lấy tối đa 59,3% lượng tồn luồng gió Trị giá tỷ lệ cơng suất lấy từ gió cơng suất tồn gió gọi hệ số Betz, Albert Betz tìm vào năm 1926 Có thể giải thích cách dễ hiểu sau: Khi lượng lấy khỏi luồng gió, gió chậm lại Nhưng khối lượng dịng chảy khơng khí vào tuốc bin gió phải khơng đổi nên luồng gió với vận tốc chậm phải mở rộng tiết diện mặt cắt ngang Chính lý mà biến đổi hồn tồn lượng gió thành lượng quay thơng qua tuốc bin gió điều khơng thể Trường hợp đồng nghĩa với việc lượng khơng khí phía sau tuốc bin gió phải đứng yên 2.3 Năng lượng gió Việt Nam Tiềm lượng gió Việt Nam vào loại trung bình Hầu hết, khu vực đất liền có lượng gió thấp khai thác khơng hiệu Chỉ có vài nơi, có địa hình đặc biệt nên gió tương đối nhiên công suất lại không lớn Chỉ dọc theo bờ biển hải đảo lượng gió tốt Nơi có nguồn lượng tốt đảo Bạch Long Vĩ, tốc độ trung bình năm đạt từ 7.1-7.3m/s Tiếp đến khu vực đảo Trường Sa, Phú Q, Cơn Đảo có tốc độ gió khoảng 4.0- 6.6m/s Tuy nhiên nên nói thêm ThS Nguyễn Phương Trà 33 Chương Năng lượng gió tiềm năng lượng gió Việt Nam chưa điều tra đánh giá đầy đủ phần lớn số liệu lượng gió chủ yếu thu thập qua trạm Khí tượng Thủy văn, tức đo độ cao từ 10m đến 12m mặt đất Chúng ta thiếu số liệu lượng gió độ cao 40m Hiện có khoảng 10 cột đo gió độ cao từ 30m đến 60m Theo số liệu Ngân Hàng Thế Giới khảo sát năm 2000 Việt Nam điều kiện địa lý thời tiết vùng khác nên tốc độ gió trung bình chiều gió có khác nhau: - Vùng Tây Bắc Việt Nam (Lai Châu, Điện Biên Sơn La) có vận tốc gió trung bình hàng năm khoảng từ 0.5 – 1.9m/s - Khu vực miền núi phía Bắc (Cao Bằng, Lạng Sơn, Sa Pa) có vận tốc gió trung bình cao hơn, khoảng từ 1.5 – 3.1m/s, vận tốc cực đại trung bình khoảng 40m/s - Đồng Bằng Bắc Bộ (Tam Đảo, Hà Nội) có vận tốc gió trung bình khoảng 2.0 – 3.5m/s Vận tốc trung bình cực đại 35m/s - Vùng bờ biển từ Móng Cái tới Hịn Gai, Phú Liên, Thanh Hóa, Vinh, Đồng Hới có vận tốc gió trung bình tăng, khoảng 2.0 – 4.0m/s Cực đại 50m/s - Vùng bờ biển từ Huế tới Tuy Hòa (Huế, Đà Nẵng, Quảng Ngãi, Quy Nhơn, Tuy Hịa) có vận tốc gió trung bình ổn định khoảng 3.0 - 5.0m/s Cực đại 35m/s - Vùng bờ biển từ Nha Trang tới Rạch Giá (Nha Trang, Phan Thiết, Vũng Tàu, Phú Quốc, Rạch Giá) có vận tốc trung bình 2.4–6.1m/s, cực đại 30m/s - Vùng Đồng Bằng Sông Cửu Long (Thành phố Hồ Chí Minh, Cần Thơ, Cà Mau) có vận tốc gió trung bình khoảng 2.2–4.0m/s, cực đại 26m/s - Tây Nguyên (Đà Lạt, Pleiku) có vận tốc gió trung bình khoảng 2.4–4.5m/s, cực đại 24m/s Những dự án lượng gió triển khai Việt Nam: nhà máy phát điện sức gió Việt Nam phải kể đến nhà máy đặt huyện đảo Bạch Long Vỹ, TP Hải Phịng Cơng suất 800KW với vốn đầu tư 0.87 triệu USD (14 tỉ đồng) Như vậy, với giá bán điện 0.05USD/KWh (750VNĐ/KWh) thời gian hồn vốn - năm Thực tế cho thấy, năm 2005, có bão lớn, tốc độ gió vượt qua cấp 12 turbine gió ThS Nguyễn Phương Trà 34 Chương Năng lượng gió phát điện vận hành an tồn Nhà máy điện gió thứ nước đặt huyện đảo Lý Sơn (Quảng Ngãi) vận hành sức gió, có kết hợp máy phát điện diesel với tổng công suất 7MW, tổng vốn đầu tư gần 200 tỷ đồng Dự án chia làm giai đoạn: giai đoạn thực hai năm 2007 2008 có cơng suất 2.5 MW, vốn đầu tư 80 tỷ đồng cung cấp cho 4000 hộ dân với gần 20000 nhân Giai đoạn nâng công suất lên 5MW thực năm 2008 - 2009 giai đoạn thực năm 2009 2012 công suất lên 10MW Nhiều dự án điện gió lớn với mục tiêu hòa vào lưới điện quốc gia xúc tiến Dự án xây dựng Nhà máy phong điện 3, khu kinh tế Nhơn Hội, tỉnh Bình Định với tổng vốn đầu tư 35.7 triệu USD Theo thiết kế, nhà máy đầu tư xây dựng toàn 14 turbine, 14 máy biến áp đồng trang thiết bị dịch vụ kèm theo Sản lượng điện năm nhà máy hoà vào lưới điện quốc gia đạt khoảng 55 triệu kWh sau nhà máy vào hoạt động cuối năm 2008 Hiện tại, nhà máy điện gió xây dựng Bình Thuận với cơng suất lớn Một dự án đầu tư lớn trở thành thực Việt Nam xây dựng nhà máy điện gió có cơng suất phát điện 120 MW với vốn đầu tư 120 triệu USD (gần 2000 tỉ đồng) tập đồn EurOriont đầu tư Để có hình dung số này, so sánh với thủy điện - thủy lợi Rào Quán Quảng Trị, vốn đầu tư 2000 tỉ đồng công suất phát điện 64 MW Vậy, nhìn chung dự án điện gió có suất đầu tư 1000USD/kW, khả thu hồi vốn vịng 10 năm, giá thành điện khơng cao 5UScents/kWh Theo dự báo đến năm 2010, suất đầu tư nguồn điện sức gió cịn khoảng 700- 800USD/kW, giá thành 3.5– 4.0UScents/kWh Với quy mơ nhỏ đặc biệt hữu ích cho vùng sâu, vùng xa hải đảo Với quy mơ lớn thường phát triển vùng trống, khô cằn vùng Nam Trung Quảng Ngãi, Bình Định, Khánh Hịa, Bình Thuận 2.4 Các kiểu turbine gió 2.4.1 Turbine gió trục đứng trục ngang ThS Nguyễn Phương Trà 35 Chương Năng lượng gió Có nhiều kiểu thiết kế khác cho turbine gió, phân làm hai loại chính: Turbine gió trục ngang (HAWT) turbine gió trục đứng (VAWT) Các cánh quạt gió thường có dạng hình dáng: cánh buồm, mái chèo, hình chén dùng để “bắt” lượng gió để tạo mơ men quay trục turbine Turbine gió trục ngang (HAWT) có rơ to kiểu chong chóng với trục nằm ngang Số lượng cánh quạt thay đổi, nhiên thực tế cho thấy loại cánh có hiệu suất cao HAWT có thành phần cấu tạo nằm thẳng hàng với hướng gió, cánh quạt quay truyền động thơng qua nhông trục Loại turbine trục ngang không bị ảnh hưởng xáo trộn luồng khí (khí động học), yêu cầu phải có hệ thống điều chỉnh hướng gió khí để đảm bảo cánh quạt ln ln hướng thẳng góc với chiều gió Hình 2.5 Cấu tạo turbine trục đứng trục ngang Chiều gió đến Máy phát 11 Tháp VAWT HAWT Vỏ 12 Độ cao kính xích Đường kính rơ to Tháp HAWT đạo Chiều cao Hub Cánh rơ to Chiều gió phía sau rơ 13 Cánh rơ to với góc bước cố định to Hộp số 10 Chiều cao rô to ThS Nguyễn Phương Trà 14 Nền rô to 36 Chương Năng lượng gió Tóm lại: Turbine trục ngang trục đứng phân tích có ưu nhược điểm định Loại trục ngang có hiệu suất cao chi phí lớn, hệ thống phức tạp hoạt động tốt vận tốc gió lớn Trong loại trục đứng có hạn chế hiệu suất thấp bù lại dễ thiết kế, bảo dưỡng giá thành thấp, đồng thời hoạt động tốt điều kiện gió thấp, chiều gió thay đổi liên tục Việc chọn mơ hình trục đứng hay trục ngang thiết kế phụ thuộc vào điều kiện gió nơi tiêu chí thiết kế, tiêu chí đưa vào bảng phân tích nhân tố tùy vào nhu cầu người dùng quốc gia mà tiêu chí có trọng số khác nhau, tiêu chí có trọng số lớn chọn để thiết kế Các tiêu chí dùng để đánh giá nhu cầu sử dụng nước phát triển bao gồm: o Giá thành thấp o Được thiết kế dễ dàng sản xuất với số lượng lớn o Hiệu suất cao o Ít tu bảo quản o Bền o Hoạt động có hiệu điều kiện gió khơng lý tưởng, gió quẩn o Lắp đặt dễ dàng 2.5 Cấu tạo tuabin gió Các thành phần máy phát điện gió mơ tả Hình 2.6 Máy phát điện gió hầu hết có thành phần sau:  Cánh (Blade): Cánh rô to thành phần turbine dùng để bắt lượng gió chuyển đổi lượng gió thành lượng làm quay trục turbine Việc thay đổi góc pitch cánh làm tối ưu lượng thu từ gió  Hub: Hub điểm tâm nơi cánh gắn vào gắn liền với trục tốc độ thấp ThS Nguyễn Phương Trà 39 Chương Năng lượng gió  Hộp số (Gear box): Hộp số hộp chuyển đổi vận tốc quay từ trục tốc độ thấp sang trục tốc độ cao  Phanh (Brake): Phanh có cấu giống phanh xe hơi, dùng để hãm dừng hẳn tất thành phần turbine q trình cơng nhân sửa chữa, tu Ở turbine cỡ lớn thường có đến hai hệ thống phanh độc lập  Máy phát (Generator): Máy phát nối vào trục tốc độ cao, phận chuyển đổi lượng từ trục tốc độ cao thành lượng điện ngõ  Máy đo tốc độ hướng gió (Anemometer and Wind vane): Hai thiết bị sử dụng để xác định vận tốc gió chiều gió  Bộ xoay hướng gió (Yaw drive): Bộ xoay hướng gió có nhiệm vụ xoay cánh ln ln hướng vng góc với luồng gió, loại turbine trục đứng phận khơng cần thiết  Bộ điều khiển (Controller): Bộ điều khiển hệ thống máy tính giám sát điều khiển hoạt động turbine Chẳng hạn, gió đổi hướng hệ thống điều chỉnh để xoay cánh ln ln hướng vng góc với chiều gió, thay đổi góc pitch để lượng thu ln tối ưu Khi có gió bão cố hệ thống cho dừng hoạt động toàn hệ thống để đảm bảo an toàn  Tháp (Tower): Tháp trụ để đỡ tồn hệ thống  Thùng chứa (Nacelle): Thùng chứa thùng chứa toàn thành phần hệ thống trừ cánh ThS Nguyễn Phương Trà 40 Chương Năng lượng gió Hình 2.6 Các thành phần turbine gió 2.6 Nguyên lý hoạt động tuabin gió Động khối khơng khí có trọng lượng m, thổi với vận tốc u theo chiều x là: (Joules) (2-4) Với: A : Diện tích cắt ngang khối khí qua, đơn vị m2; ρ : Mật độ khơng khí, đơn vị kg/m3; x : Độ dày khối khí, đơn vị m; Giả sử khối khí biểu diễn Hình 2.7, với chiều x di chuyển theo vận tốc u, ta thấy động tăng theo x, khối khí tăng Như vậy, lượng gió Pw, đạo hàm động theo thời gian: (W) ThS Nguyễn Phương Trà (2-5) 41 Chương Năng lượng gió cơng suất thu từ gió Cơng thức dùng cho trục đứng trục ngang Turbine lấy lượng gió theo chiều x, đẳng thức (2-2) cho thấy tồn lượng thu từ diện tích A Hình 2.7 Năng lượng khối khơng khí Mặt khác, ta biết mật độ khơng khí biểu diễn theo đẳng thức: (kg/m3) (2-6) Trong đẳng thức này: : áp suất, đơn vị Pa : nhiệt độ Kelvin Như vậy, lượng gió từ đẳng thức (2-2) biểu diễn lại sau: (W) (2-7) Đối với khơng khí điều kiện bình thường = 101.3 Pa = 273 K, với A diện tích quét (m2) u vận tốc gió (m/s) Khi phương trình rút gọn lại là: (W) (2-8) Phương trình tổng quát (2-4) nên dùng vị trí đặt turbine gió có độ cao vài trăm mét so với mặt nước biển nhiệt độ lớn đáng kể so với 00C ThS Nguyễn Phương Trà 42 Chương Năng lượng gió Nếu ta xem khối khơng khí di chuyển ban đầu chưa tiếp cận turbine gió có đường kính d1, vận tốc u1, áp suất Vận tốc khối khí giảm tiếp xúc với turbine làm cho luồng khí giãn với đường kính d2 turbine gió Áp lực khơng khí tăng cực đại trước turbine giảm qua khỏi turbine Chính động (kinetic energy) khơng khí chuyển thành lượng tiềm ẩn (potential energy) để gây tăng áp suất Sau qua khỏi turbine nhiều động chuyển đổi thành lượng tiềm ẩn để làm tăng áp suất khơng khí trở lại bình thường Điều làm cho tốc độ gió tiếp tục giảm áp suất trở lại cân Một tốc độ gió tiến đến điểm thấp, tốc độ khối khí tăng trở lại cho u4 = u1 bầu không khí xung quanh Hình 2.8 Biểu diễn luồng khí thổi qua turbine gió lý tưởng Có thể biểu diễn theo điều kiện tối ưu, công suất cực đại truyền từ khối khí sang turbine Ta có quan hệ sau: Khi cơng suất thu từ gió có khác biệt ngõ vào ngõ ra: (W) ThS Nguyễn Phương Trà (2-9) 43 Chương Năng lượng gió Đẳng thức phát biểu turbine lý tưởng thu 8/9 lượng từ luồng gió tự nhiên Tuy nhiên, Hình 2.8 ta thấy khối khí có diện tích nhỏ diện tích turbine, điều làm sai kết diện tích A1 khó xác định Phương pháp bình thường biểu diễn phần lượng thu theo tốc độ gió diện tích turbine A2 Phương pháp cho ta: (W) (2-10) Hệ số 16/27= 0.593 thường gọi hệ số Betz Nghĩa turbine thu nhiều 59.3% lượng khối khí có diện tích Thực tế cho thấy phần lượng thu ln hơn, ngun nhân hệ thống khí khơng hồn hảo Ở điều kiện tối ưu kết tốt thu khoảng 35% - 40% lượng từ gió, người ta khẳng định hồn tồn thu tới 50% Một turbine mà thu tới 40% lượng từ gió, tức thu khoảng 2/3 lượng mà turbine lý tưởng thu được coi tốt 2.7 Hiệu suất turbine gió Phần lượng thu từ lượng gió turbine thực tế thường giá trị định, hiệu suất turbine Theo luật Benz, hiệu suất tối ưu turbine 59.3%, tất turbine gió thực tế khơng đạt đến giá trị này, mà nằm khoảng từ 20-30% Vậy công suất ngõ ra, công suất làm quay trục tốc độ thấp, thực tế biểu diễn theo đẳng thức sau: (W) (2-11) : Công suất Turbine Darrieus hoạt động với góc pitch khơng đổi turbine trục ngang cỡ lớn thường có góc pitch thay đổi Góc pitch thay đổi để trì giá trị lớn theo tốc độ turbine, có điều chỉnh giảm tăng theo tốc độ gió để trì cơng suất ngõ giá trị định mức turbine không số, mà thay đổi theo: tốc độ gió, tốc độ quay (TSR) turbine, thơng số cánh góc tới góc pitch kiểu dáng cánh ThS Nguyễn Phương Trà 44 Chương Năng lượng gió Bảng 2.2 Hiệu suất turbine ứng với kiểu khác Hệ thống lượng gió Turbine bơm nước nhiều cánh dùng cho nơng trại Turbine bơm nước kiểu cánh buồm Turbine bơm nước kiểu Darrieus Máy phát điện nhỏ turbine kiểu Savonius Máy phát điện cỡ nhỏ, turbine kiểu chong chóng (10kW) Máy phát điện gió kiểu Darrieus Hiệu suất % Cấu trúc Thiết kế đơn giản 10 10 15 10 20 20 15 tối ưu 20 25 30 20 30 30 30 – 45 35 2.8 Thiết kế máy phát điện gió cơng suất nhỏ Lưu đồ tính tốn thiết kế cho máy phát điện gió cơng suất nhỏ, loại turbine trục đứng kiểu dáng cánh Lenz2 Để đơn giản, đề tài tóm tắt tồn khâu thiết kế thành bước sau: Bước 1: Khảo sát gió Đây khâu khảo sát tốc độ gió vùng cần cung cấp điện lượng gió Việc khảo sát thực khảo sát tát thời gian ngày Để khảo sát cần phải sử dụng thiết bị đo gió, Hình 2.9 Hình 2.9 Thiết bị đo vận tốc gió Bước 2: Xác định vận tốc gió ThS Nguyễn Phương Trà 45 Chương Năng lượng gió Thơng thường số liệu khảo sát bị thay đổi liên tục, nên giá trị xác định từ số liệu khảo sát gió Giá trị xác định lấy giá trị gió khảo sát mà tần số xuất nhiều để lựa chọn Bước 3: Xác định giá trị công suất điện Pe ngõ mong muốn Lựa chọn công suất ngõ mà máy phát điện gió phát điện vận tóc gió thường xuyên, công suất thu sau qua máy phát điện Bước 4: Xác định ước lượng diện tích cánh A thiết kế máy phát điện gió Diện tích cánh gió lựa chọn phụ thuộc vào chiều cao cánh gió độ rộng cánh gió Nếu cánh gió có bán kính nhỏ turbine cánh gió quay với tốc độ lớn mô men quay nhỏ ngược lại Diện tích cánh gió xác định sau: A=dm *h (m2) Trong đó: A: Diện tích cánh gió (m2) dm đường kính cánh rơ to (m); h chiều cao cánh rơ to (m) Bước 5: Tính cơng suất gió tối đa thu ứng với diện tích cánh rơ to A (m 2), tính nhiệt độ bình thường Để tính cơng suất thu sử dụng cơng thức: Pw=0.647*A.u3 (W) Trong đó: Pw : Cơng suất gió (W) A: Diện tích cánh gió (m2) u: Vận tốc gió (m/s) Bước 6: Tính cơng suất làm quay trục rô to: Pm = Cp*Pw (W) Đối với loại kiểu dáng cánh Lenz2 có tỷ số tối ưu TSR 0.8; 0.389 Bước 7: Công suất truyền qua truyền động với hiệu suất truyền động : (W) Để xác định hiệu suất truyền động:  Tính tốc độ quay rơ to cánh gió: (vịng/giây) = 60 (vòng/phút); với =0.8 (TSR)  Lựa chọn tỷ số truyền động i: ThS Nguyễn Phương Trà 46 Chương Năng lượng gió Với tốc độ quay máy phát điện n, tính tỷ số truyền động i = n 1/n2; - Nếu i ≤ lựa chọn tầng bánh răng; - Nếu ≤ i ≤ 40 lựa chọn tầng bánh răng, tỷ số truyền lớn chọn tầng bánh răng; Hiệu suất truyền động tính sau: lựa chọn tầng hiệu suất 0.99 thêm tầng hiệu suất giảm 1% nữa; Bước 8: Công suất ngõ Pout máy phát, với hiệu suất máy phát điện: (W); Bước 9: Kiểm tra công suất ngõ Pout  Nếu Pout < Pe phải tăng lại diện tích cánh, tức phải quay lại Bước để thực lại việc chọn diện tích cánh phù hợp  Nếu Pout > Pe thực tiếp bước 10 Bước 10: Đưa chi tiết kết quả:  Vận tốc gió định mức u (m/s);  Diện tích cánh rơ to A (m2): đường kính cánh rơ to dm (m); chiều cao cánh rô to h (m); số lượng cánh: cánh; độ dày cánh: m = 0.1875*d m (m); chiều dài cánh: l = 0.4*dm(m)  Bộ truyền động: tỷ số truyền i; tốc độ quay rô to n (vòng/phút); tốc độ quay máy phát n1 (vòng/phút); số tầng bánh q (tầng); số bánh tầng với bánh sở x răng;  Cơng suất đạt Pout;  Hình dạng, kiểu dáng ThS Nguyễn Phương Trà 47 Chương Năng lượng gió Hình 2.10 Mơ hình máy turbine gió trục đứng, kiểu dáng cánh Lenz2 Tất bước thực thiết kế cho máy phát điện gió cơng suất nhỏ loại trục đứng với kiểu dáng cánh Lenz2 thể lưu đồ Hình 2.11 Lưu đồ thiết kế: ThS Nguyễn Phương Trà 48 Chương Năng lượng gió Hình 2.11 Lưu đồ thiết kế máy phát điện gió cơng suất nhỏ trục đứng, kiểu dáng cánh Lenz2 2.9 Tính tốn thiết kế mơ hình gió điển hình 2.9.1 Tiêu chí thiết kế máy phát điện gió công suất nhỏ  Hiệu suất cao ThS Nguyễn Phương Trà 49 Chương Năng lượng gió  Cấu tạo đơn giản  Dễ vận hành bảo dưỡng  Thay đổi tốc độ nhờ truyền động  Thay đổi diện tích cánh rơ to  Ít tu, bảo quản  Bền Công suất ngõ dự kiến máy phát điện gió mức thường xuyên khoảng 400W Hình 2.12 Cấu tạo hệ thống máy phát điện gió cơng suất nhỏ dạng trục đứng với kiểu dáng cánh Lenz2 2.9.2 Tính tốn lựa chọn, thiết kế máy phát điện gió cơng suất nhỏ Trong máy phát điện gió bao gồm tất phận sau:  Rô to: cánh rô to, cánh tay đòn, hub  Bộ truyền động: hộp số chuyển đổi tỷ số truyền động cấu truyền động, chủ yếu hộp tăng tốc độ từ tốc độ thấp rơ to cánh gió sang tốc độ cao máy phát điện ThS Nguyễn Phương Trà 50 Chương Năng lượng gió  Trụ quay giàn đỡ  Máy phát điện  Bộ phận nén tích trữ điện, phận xã điện Để thiết kế hệ thống lượng gió, người ta cần biết trước thông số để sử dụng trình tính tốn lượng gió:  Vận tốc gió định mức, số liệu có từ việc khảo sát, vận tốc tính từ giá trị trung bình vận tốc gió nơi đặt turbine, thơng qua khảo sát gió  Loại trục turbine loại turbine trục đứng hay trục ngang  Đường kính rơ to  Diện tích qt rơ to  Kiểu dáng cánh Với mơ hình thiết kế thi cơng, loại máy phát điện gió turbine trục đứng (VAWT) kiểu dáng cánh Lenz2 Ở lựa chọn kiểu dáng cánh Lenz2 với loại cánh dễ thiết kế thi công loại cánh khác Với thông số đầu vào đầu Bảng 2.3: Bảng 2.3 Các thông số đầu vào đầu mơ hình Thơng số đầu vào Thơng số đầu Chất liệu cánh Chất liệu giàn trụ đỡ ThS Nguyễn Phương Trà Vận tốc gió định mức: Tỷ số tốc độ TRS Số cánh Kiểu dáng cánh Đường kính rô to (cực đại ) Chiều cao cánh Số tầng Diện tích qt rơ to Cơng suất ngõ Đường kính số tầng Cánh tơn Sắt thép m/s 0.8 (hoặc 6) Lenz2 2m 3m tầng 6m2 400W Cố định Độ dày phù hợp Sắt ống, vuông – Thanh chữ V 51 Chương Năng lượng gió Tính tốn thiết kế cơng suất ngõ ra: Cơng suất thu từ gió: Coi mơ hình đặt thử nghiệm điều kiện mơi trường bình thường Ở điều kiện bình thường, cơng suất gió sử dụng cơng thức (2–5): = 0.647*6*83 = 1988W Với A = m2 u = m/s Hiệu suất turbine gió: Theo tỷ số TRS tối ưu Lenz2 0.8 Sử dụng cơng thức để tính hiệu suất turbine: Với : = 0.389 hiệu suất tối ưu turbine gió trục đứng kiểu dáng cánh Lenz2 Hiệu suất truyền động: + Tốc độ quay rô to cánh quạt tính theo cơng thức: (vịng/giây) = 60 (vịng/phút); với =0.8 =62vòng/phút + Tốc độ máy phát điện n1: i = n1/n2; với tỷ số truyền ≤ i ≤ 40 nên chọn tầng bánh để truyền động dễ dàng, chọn tầng bánh hiệu suất lại 98%, coi tầng hiệu suất 1% có bơi trơn đặt hộp kín, hiệu suất truyền động Hiệu suất máy phát điện: Hiệu suất máy phát điện dự đoán 27.8% đến 82.2% thí nghiệm máy phát điện hiệu suất phụ thuộc vào tốc độ quay rô to máy phát điện, = 27.8% đến 82.2% hiệu suất máy phát điện Ở đây, giả sử hiệu suất máy phát đạt 80% ThS Nguyễn Phương Trà 52 Chương Năng lượng gió Hiệu suất toàn hệ thống: Hiệu suất toàn hệ thống tính theo cơng thức sau: Với: = 0.389 hiệu suất turbine; = 0.98 hiệu suất truyền động; = 0.8 hiệu suất máy phát điện có giá trị 0.304 Cơng suất tồn hệ thống: Cơng suất tồn hệ thống tính theo công thức sau: Pe Pw= Pw Pe = 0.304* 1988 =606W ThS Nguyễn Phương Trà 53