Xây dựng thuật toán và chương trình tính toán năng lượng gió và đánh giá hiệu quả

TIỂU LUẬN ĐỀ TÀI: “XÂY DỰNG THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN NĂNG LƯỢNG GIĨ Ở VIỆT NAM VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ” LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com KếT QUả NGHIÊN CứU Và ứNG DụNG XY DỰNG THUẬT TỐN VÀ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN NĂNG LƯỢNG GIÓ Ở VIỆT NAM VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ PGS.TS Nguyễn Thượng Bằng 1; KS Phạm Đức Cường Tóm tắt: Việt Nam nước có tiềm điện gió Hiện nay, việc khai thác nguồn lượng đưa vào chương trình lượng Quốc gia Tuy nhiên, nghiên cứu sâu sắc toàn diện cơng nghệ khai thác lượng gió chưa phổ cập Bài báo tóm tắt số kết nghiên cứu tiềm năng, quy hoạch, công nghệ khai thác hướng tiếp cận để đánh giá hiệu đầu tư trạm phong điện Việt Nam Summary: Vietnam is a country with high potential of wind power Currently, the exploitation of this energy resource has been included in the National energy program However, insight and comprehensive research on exploiting of wind energy technology has not been popularized The article summarizes some findings on the potential, planning, technology and approaches to assess the investment efficiency of wind power stations in Vietnam Nhận ngày 10/8/2011; chỉnh sửa 23/8/2011; chấp nhận đăng 30/9/2011 Mở đầu Việt Nam có tiềm điện gió, nhiên, việc phát triển dự án điện gió với quy mơ cơng nghiệp Việt Nam cịn chậm Có nhiều lý để giải thích vấn đề Nguyên nhân chưa có nghiên cứu quy hoạch vùng phát triển điện gió Việt Nam chưa có sách hỗ trợ mặt tài từ phía Chính phủ cho dạng lượng Kinh nghiệm từ nước thành công lĩnh vực ứng dụng lượng gió để phát điện cho thấy, nơi có tiềm năng lượng gió cao thơng thường tập trung vị trí hẻo lánh, xa hệ thống lưới điện truyền tải hữu Do vậy, việc kết nối nhà máy điện gió thường phải đối mặt với vấn đề đảm bảo chất lượng điện (ổn định điện áp, dao động điện áp, tần số dòng điện), hướng truyền tải cơng suất Vì vậy, giải pháp kết nối nhà máy điện gió cần phải nghiên cứu tính tốn chi tiết cho vùng cụ thể Bên cạnh tin học tự động hóa q trình tính tốn thiết kế trạm điện gió lĩnh vực cần quan tâm nghiên cứu Tiềm năng lượng gió Việt Nam 2.1 Tiềm quy hoạch phát triển lượng điện gió Về mặt tiềm gió: Theo nghiên cứu Ngân hàng giới (WB), tiềm điện gió độ cao 65m Việt Nam [1], [9] trình bày Bảng 1: Viện Khoa học Cơng nghệ Cơng trình thủy, Trường Đại học Xây dựng E-mail: dhxd@vienctt.com 42 Số 10/9-2011 Tạp chí khoa học công nghƯ x©y dùng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com KếT QUả NGHIÊN CứU Và ứNG DụNG Bng Tiềm năng lượng gió Việt Nam (độ cao 65m) Tốc độ gió trung bình Diện tích (km2) % tổng diện tích Tiềm (MW) Kém (9m/s) 197.342 100.367 25.679 2.187 113 60,6 30,8 7,8 0,7 0,1 - 401.444 102.716 8.748 452 Khu vực Đồng sông Cửu Long có tiềm năng lượng gió tương đối khá, khu vực duyên hải, tốc độ gió trung bình từ 7-7,5 m/s độ cao 65m Đảo Cơn Sơn có tiềm cao, tốc độ gió trung bình đạt 8-9 m/s Hai huyện Duyên hải (tỉnh Trà Vinh) huyện Thạnh Phú (tỉnh Bến Tre), tốc độ gió trung bình đạt 7-7,5 m/s Khu vực Tây Nguyên Việt Nam, vùng núi Bảo Lộc có tiềm gió lớn, tốc độ gió đạt 7-7,5 m/s (cao độ so với mực nước biển 800-1000m) Trong đó, khu vực Pleiku Bn Mê Thuột (cao độ so với mực nước biển 500m) có tiềm năng lượng gió tương đối tốt, tốc độ gió đạt m/s Khu vực Duyên hải Nam Trung Việt Nam có tiềm tốt, tốc độ gió từ 8-9,5 m/s, nhiên nơi thường tập trung vùng núi cao độ 1600-2000m so với mực nước biển Khu vực miền núi phía Tây Quy Nhơn Tuy Hòa cao độ so với mực nước biển 1000-1200m, tốc độ gió đạt 7,5-7,8 m/s Khu vực Huyện Ninh Phước (tỉnh Ninh Thuận), tốc độ gió trung bình 7-7,5 m/s Khu vực Tuy Phong, Bắc Bình, bờ biển Nam Phan Thiết đảo Phú Quý (tỉnh Bình Thuận) có tiềm năng lượng gió lớn, đỉnh núi khu vực Ninh Thuận, Bình Thuận Lâm Đồng tốc độ gió trung bình lên đến 8-8,5 m/s Khu vực Bắc Trung Bộ, dãy Trường Sơn chạy dọc biên giới Lào-Việt, nơi có cao độ 1800m, tốc độ gió trung bình lên đến 8,5-9 m/s, có nơi lên đến 9,0-9,5 m/s Tuy nhiên, số nơi có khả phát triển điện gió tìm thấy thuộc khu vực vùng núi đồi biên giới Lào Việt Nam phía Tây Huế, cao độ từ 400-800m tốc độ gió trung bình đạt đến 7-8 m/s Khu vực đông Trường Sơn, cao độ 800-1200m có tiềm gió tương tự, tốc độ gió trung bình 7,0-8,0 m/s Tiềm năng lượng gió cho turbine gió nhỏ, tập trung khu vực đồng duyên hải phía Bắc Huế, tốc độ trung bình độ cao 30m đo vào khoảng 5,5-6,0 m/s có nơi sát vùng dun hải cịn vượt 6,0 m/s Vùng duyên hải Quảng Ngãi Trường Sơn Đơng, tiềm gió mức tốt tập trung vùng núi cao có cao độ khoảng 1100m Khu vực Miền Bắc, đặc biệt khu vực duyên hải gần Hải Phịng có tốc độ gió trung bình 6,5-7 m/s Hải đảo khơi, đỉnh đồi tốc độ gió đo lên đến 7m/s, nhiên giảm nhanh sâu vào đất liền Tốc độ gió trung bình đo đạt 8-9 m/s số đỉnh núi cao độ 1300-1800m so với mực nước biển Vùng biên giới Lào-Việt Nam, vùng Đông Nam Vinh vùng đồi núi Đông Bắc biên giới Trung Quốc – Việt Nam cao độ 700-1000m có tiềm gió tốt Về mặt quy hoạch phát triển lượng điện gió [3]: Các tỉnh duyên hải miền Nam Việt Nam bao gồm 12 tỉnh: Ninh Thuận, Bình Thuận, Bà Rịa Vũng Tàu, TP Hồ Chí Minh, Long An, Tiền Giang, Bến Tre, Trà Vinh, Sóc Trăng, Bạc Liêu, Cà Mau Kiên Giang Tuy nhiên, theo tài liệu [11], vùng có khả phát điện gió hiệu mặt kinh tế (tốc độ gió mật độ lượng gió trung bình năm độ cao 65m tương ứng đạt m/s 400 W/m2 trở lên) khu vực duyên hải miền Nam Việt Nam chủ yếu tập trung tỉnh: Ninh Thuận, Bình Thuận, Lâm Đồng, Bến Tre, Trà Vinh, Sóc Trăng (nghiên cứu thêm tỉnh Lâm Đồng thuộc vựng cao nguyờn Nam) Tạp chí khoa học công nghƯ x©y dùng Sè 10/9-2011 43 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com KếT QUả NGHIÊN CứU Và ứNG DơNG Để xác định tiềm điện gió quy hoạch vùng khai thác cho tỉnh này, sử dụng tài liệu [11], kết đo gió trạm: Tuy Phong – Bình Thuận (1/2005-1/2006); Ninh Phước – Ninh Thuận (1/2005-1/2006); Xuân Trường – Đà Lạt (1/2006 đến nay); Duyên Hải – Trà Vinh (1/2006 đến nay) sử dụng phần mềm chun dụng để tính tốn cho kết sau (Bảng 2) Bảng Tổng hợp điểm đánh giá tất vùng gió tiềm Tiêu chí NLG 2,5 Hệ số nhân:4 10 KC đến lưới điện Địa hình VC, lắp dựng Hướng địa hình Sự đồng thuận Chi phí đất Cây 10m Đất Tác động MT Quy mơ Tổng điểm 36 ngồi NLG Tổng cộng 46 Vùng gió tiềm 10 2 2,7 3,6 8 10,8 14,4 2 8 8 11 2,5 10 12 3,5 14 13 14 2,3 9,2 15 5 5 4 4 4 5 5 3 3 3 5 2 3 4 3 2 3 1 3 5 5 5 3 4 5 4 5 5 5 5 5 3 5 5 3 5 5 4 5 4 42 35 42 38 35 36 36 41 28 39 29 39 39 32 50 43 50 46 43 44 44 51,8 42,4 49 43 47 48,2 40 - Tỉnh Ninh Thuận + Vùng tiềm 1: xã Phước Diêm, xã Phước Minh + Vùng tiềm 2: xã Phước Nam, xã Phước Minh + Vùng tiềm 3: xã Phước Nam + Vùng tiềm 4: xã Phước Hữu Phước Nam + Vùng tiềm 5: xã Phước Hữu + Vùng tiềm 6: xã Phước Hữu, thị trấn Phước Dân xã Phước Hậu + Vùng tiềm 7: xã Phước Sơn Phước Hậu + Vùng tiềm 8: xã Phước Hải An Hải + Vùng tiềm 9: xã Phước Hải, xã Phước Nam thị trấn Phước Dân + Vùng tiềm 10: xã An Hải Phước Dinh + Vùng tiềm 11: xã An Hải Phước Dinh + Vùng tiềm 12: xã Phước Dinh - Tỉnh Bình Thuận + Vùng tiềm 13: xã Phước Thể + Vùng tiềm 14: xã Bình Thạnh - Tỉnh Lâm Đồng + Vùng tiềm 15: xã Xuân Trường - TP Đà Lt 44 Số 10/9-2011 Tạp chí khoa học công nghệ x©y dùng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com KếT QUả NGHIÊN CứU Và ứNG DụNG Da vo kt trên, vùng có triển vọng để phát nhà máy điện gió là: Vùng tiềm 9: xã Phước Hải, xã Phước Nam TT Phước Vùng tiềm 4: xã Phước Hữu, xã Phước Nam Vùng tiềm 2: xã Phước Nam, xã Phước Minh Khả lắp đặt vùng là: 100 MW, 65 MW 70 MW Căn kết nghiên cứu rút số nhận xét sau: - Tiềm gió miền Nam Việt Nam chủ yếu tập trung tỉnh Ninh Thuận, Bình Thuận, Lâm Đồng, Bến Tre, Trà Vinh Sóc Trăng - Sơ tiềm lắp đặt cơng suất điện gió đạt hiệu mặt kinh tế khu vực tỉnh duyên hải miền Nam Việt Nam đạt khoảng 800 MW (trên vùng đất có tổng diện tích khoảng 17500 ha), tập trung Ninh Phước - Ninh Thuận, Tuy Phong - Bình Thuận Xuân Trường - Đà Lạt Tuy nhiên, số thực tế cịn cao chưa đánh giá hết tiềm gió tỉnh Ninh Thuận, Bình Thuận Lâm Đồng Trong tương lai, giá thành sản xuất điện gió giảm, khai thác tiếp đến vùng có tiềm thấp Khi đó, tổng cơng suất lắp đặt điện gió có khả đạt hiệu mặt kinh tế nhiều 2.2 Hiện trạng khai thác Theo điều tra Viện Năng lượng [3], từ năm 1980 chương trình Quốc gia nghiên cứu ứng dụng dạng lượng tái tạo: Viện Năng lượng, Bộ Giao thông Vận tải, Viện Cơ giới Bộ Quốc phòng, trung tâm nghiên cứu lượng Đại học Bách khoa Hà Nội, TP Hồ Chí Minh nghiên cứu thử nghiệm turbine gió cỡ nhỏ từ 150 W đến kW Tính đến năm 1999, có khoảng 1000 máy phát điện gió cỡ hộ gia đình (cơng suất 150-200 W) lắp đặt, tập trung tình vùng duyên hải từ Đà Nẵng trở vào phía Nam Cũng năm 1999, nhờ vốn tài trợ Nhật Bản, turbine gió cơng suất 30 kW lắp đặt xã Hải Thịnh, huyện Hải Hậu, tỉnh Nam Định Năm 2000, turbine gió cơng suất kW lắp đặt huyện Đắc Hà, tỉnh Kon Tum Năm 2002, Viện Năng lượng nghiên cứu lắp đặt thành công turbine gió cơng suất 3,2 kW Hiện tại, Việt Nam có số dự án điện gió quy mơ cơng nghiệp triển khai sau: - Đảo Bạch Long Vĩ – Thành phố Hải Phòng: Đã lắp đặt turbine gió cơng suất 800 kW, đưa vào vận hành tháng 10/2004, cơng trình Trung ương Đoàn làm chủ đầu tư - Cửa Tùng – Quảng Trị: Dự án đo gió từ năm 2002-2004 Bộ Cơng nghiệp chủ trì - Tỉnh Khánh Hịa: Có dự án xây dựng nhà máy điện gió cơng suất 24 MW nghiên cứu thực - Bán đảo Phương Mai – Tỉnh Bình Định: Có dự án xây dựng nhà máy điện gió nghiên cứu triển khai Tổng công suất 85 MW - Đảo Phú Quý – Tỉnh Bình Thuận: Hồ sơ dự án đầu tư trạm phát điện gió đảo Cơng ty Tư vấn xây dựng Điện lập EVN phê duyệt vào tháng 10/2005 Dự án dự kiến thực theo giai đoạn, với tổng cơng suất điện gió lắp đặt 7,4 MW Giai đoạn lắp đặt 1,7 MW - Đảo Phú Quốc – Tỉnh Kiên Giang: Dự án đánh giá tiềm điện gió tư vấn nước ngồi thực Cơng ty Điện lực (PC2) làm chủ đầu tư, vốn vay ngân hàng giới T¹p chÝ khoa häc công nghệ xây dựng Số 10/9-2011 45 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com KếT QUả NGHIÊN CứU Và øNG DơNG - Dự án quy hoạch lượng gió để phát điện tỉnh duyên hải Việt Nam EVN làm chủ đầu tư Phân làm khu vực: Miền Bắc Viện Năng lượng thực hiện, miền Trung Công ty Tư vấn xây dựng Điện (PECC4) thực miền Nam Công ty Tư vấn xây dựng Điện (PECC3) thực Thời gian thực từ tháng 3/2004 đến tháng 12/2006 - Dự án phong điện - Tỉnh Bình Thuận: Ngày 27/8/2008 tập đoàn Fuhrlaender AG CHLB Đức bàn giao cho Chủ đầu tư Công ty CP lượng tái tạo Việt Nam (REVN) 05 tổ máy sản xuất điện gió cho dự án Giai đoạn dự án có cơng suất lắp đặt 30 MW (20 turbine x 1,5 MW) với diện tích chiếm đất 300 ha, tổng mức đầu tư 817,35 tỷ đồng, dự kiến hoàn tất năm 2009 Trong giai đoạn 2, dự án nâng công suất lên 120 MW Kỹ thuật công nghệ khai thác lượng gió 3.1 Nguyên lý chung Năng lượng gió hàm tốc độ khối lượng khơng khí Khi tốc độ gió cao lượng gió lớn Mối quan hệ khối lượng, tốc độ khơng khí lượng gió thể phương trình động [7]: Eg = mV2 (1) đó: Eg - lượng gió (kgm); m - khối lượng khơng khí (kg); V - tốc độ khơng khí (m/s) Khối lượng khơng khí tính cơng thức: m = ρ FV t (2) đó: m - khối lượng khơng khí (kg); ρ - mật độ khơng khí (kg/m3); F - diện tích khơng khí qua (m2); V - tốc độ khơng khí (m/s); t - thời gian tính tốn (s) Thay (2) vào phương trình (1) ta có: Eg = ρFt V3 (3) ρ FV3 (4) Cơng suất gió tính theo cơng thức: Pg = Vì lượng tỷ lệ bậc với tốc độ gió nên cần phải đặc biệt quan tâm đến vị trí đặt turbine để thu gió có tốc độ lớn Chúng ta sử dụng cơng thức sau để dự báo gia tăng tốc độ gió theo chiều cao S / S = ( H / H )α (5) đó: S0 - tốc độ gió chiều cao ban đầu; S - tốc độ gió chiều cao tính tốn; H0 - chiều cao ban đầu; H - chiều cao tính tốn Số mũ α thay đổi theo độ mấp mô bề mặt đại lượng đo lực ma sát gió thổi ngang qua mặt đất Như vậy, turbine gió thiết kế tốt, nhận khoảng 30% tổng lượng gió tiềm [7] 46 Sè 10/9-2011 T¹p chí khoa học công nghệ xây dựng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com KếT QUả NGHIÊN CứU Và øNG DơNG Hiệu suất tổng cộng = Roto × Truyền động × Máy phát × Điều kiện gió 29% = 40% × 90% × 90% × 90% Ví dụ: Tốc độ gió độ cao 35 m = m/s x 1,2 = m/s; mật độ lượng vận tốc gió m/s = 253 W/m2 ; diện tích cánh quạt gió = π(3,5)2 = 38,5 m2 AEO = 253 W/m2 x 38,5m2 x 20% x 8760 h/năm = 17.000 kWh/năm Nhà thiết kế sử dụng đường cong công suất nhà sản xuất để đánh giá AEO (Năng lượng gió trung bình năm) Đây kỹ thuật sử dụng chuyên gia khí tượng xác định tiềm phát điện từ động gió nhà máy turbine gió thương mại Về ghép phân bố tốc độ với đường cong cơng suất để tìm số năm mà turbine gió phát mức lượng khác [6] 3.2 Đo gió Để có đầy đủ số liệu phục vụ tính toán thiết kế, khu vực dự kiến xây dựng trạm điện gió cần phải có số liệu từ trạm đo gió lân cận phải xây dựng trạm đo gió Thời gian đo từ đến năm Các thông số cần phải thu thập bao gồm [2], [6] - Tần suất vận tốc gió ứng với hướng gió độ cao khác - Vận tốc gió trung bình theo trung bình 10 phút ngày điển hình tháng quan trắc - Vận tốc gió trung bình tháng năm - Tần suất lặng gió, tần suất gió thịnh hành độ cao khác - Đường cong phân bố tần suất vận tốc theo phút tháng thực tế độ cao khác Từ thông số xác định quy mô khai thác dự án, hướng, chiều cao turbin gió, loại turbin số lượng turbin cuối xác định tổng hiệu ích lượng điện dự án Một thiết bị đo gió bao gồm phần: cảm biến (đầu đo gió) công cụ để hiển thị liệu đo Sensor phát tín hiệu điện tương ứng với tốc độ gió Ví dụ cảm biến NWS, sử dụng chong chóng gồm cánh để dẫn động máy phát điện chiều (một động gió bé) Các thay đổi tốc độ gió gây thay đổi điện dịng chiều sau đọc vơn kế chuẩn Kim dao động đi lại lại giống kim đồng hồ tốc độ ôtô Để ghi liệu, thiết bị đo gió phải đọc thủ công Phương pháp luận đánh giá hiệu trạm điện gió Phương pháp luận phân tích hiệu kinh tế - tài dự án phong điện tương tự dự án phát triển nguồn điện khác [1], [4] Có nghĩa phải xác định chi phí bỏ ra, lợi ích đạt lựa chọn phương pháp phân tích để đánh giá hiệu Chi phí dự án phong điện Ngồi chi phí như: vốn đầu tư xây dựng; vốn đầu tư thiết bị; chi phí vận hành hàng năm; chi phí khấu hao; chi phí bảo hiểm; loại thuế Đối với dự án phong điện cần ý thêm đến chi phí sau: tác động bóng râm nhấp nháy đến môi trường; ảnh hưởng tiếng ồn turbine gió; ảnh hưởng Turbine gió tới lồi chim; ảnh hưởng tới vơ tuyến viễn thơng T¹p chÝ khoa học công nghệ xây dựng Số 10/9-2011 47 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com KÕT QU¶ NGHI£N CøU Vµ øNG DơNG Lợi ích dự án : Lợi ích lượng hóa dự án phong điện gần sản lượng điện hàng năm cung cấp cho lưới điện quốc gia Ngồi tính thêm lợi ích chi phí tránh khai thác lượng (CDM) [5] Phương pháp phân tích: phương pháp phân tích sử dụng Chi phí - Lợi ích Các tiêu kinh tế xem xét là: NPV: Lợi nhuận ròng quy tại, IRR: Suất hoàn vốn nội tại, B/C: Tỷ số B/C (Lợi ích rịng/Chi phí rịng quy tại), Thời gian hoàn vốn, Giá thành điện Viết chương trình kiểm tra chương trình Chương trình viết đặt tên WPA (Wind Power Analysis) viết ngôn ngữ Visual Basic theo công thức thuật tốn đề xuất với module (Hình 1) module1: tính toán lợng trạm phong điện module2: phân tích tài dự án trạm phong điện Bắt đầu Bắt đầu V gió năm Vkđ, VmaxTB E gió, Vốn đầu t (Phân kỳ đầu t, tỷ lệ vốn), Giá, Thuế, Tỷ giá Sai Vkđ