Nghiên cứu, lựa chọn công nghệ và thiết bị để khai thác và sử dụng các loại năng lượng tái tạo trong chế biến nông lâm, thủy sản, sinh hoạt nông thôn và bảo vệ môi trường

Nghiên cứu, lựa chọn công nghệ và thiết bị để khai thác và sử dụng các loại năng lượng tái tạo trong chế biến nông lâm, thủy sản, sinh hoạt nông thôn và bảo vệ môi trường

bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn

viện khoa học thủy lợi

báo cáo tổng kết chuyên đề

Năng lượng gió

thuộc đề tài kc 07.04:

“nghiên cứu, lựa chọn công nghệ và thiết bị để khai thác và

sử dụng các loại năng lượng tái tạo trong chế biến nông, lâm, thủy sản, sinh hoạt nông thôn và bảo vệ môi trường”

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Trường Đại Học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh Trung tâm Nghiên cứu Thiết bị nhiệt và Năng lượng mới

BÁO CÁO KHKT ĐỀ TÀI KC – 07 – 04

“Nghiên cứu lựa chọn công nghệ và thiết bị để khai thác và sử dụng các loại năng lượng tái tạo trong chế biến nông – lâm – thủy

sản, sinh hoạt và bảo vệ môi trường nông thôn”

PHẦN NĂNG LƯỢNG GIÓ

Tp.HCM 12/2003

LỜI MỞ ĐẦU

Việt Nam là một nước nông nghiệp với hơn 80% dân số đang sống và

làm việc tại nông thôn Trong đó khoảng 47% sống ở các đồng bằng sông

Hồng và sông Cửu Long với tiềm năng đất đai, tài nguyên khoáng sản, rừng

biển to lớn Do đó nông thôn luôn luôn đóng vai trò quan trọng trong sự nghiệp

phát triển kinh tế – xã hội của đất nước Để thúc đẩy sự phát triển của các

ngành kinh tế, nâng cao dân trí, giảm tỷ lệ gia tăng dân số…Nhà nước đã có

nhiều chính sách về xây dựng và phát triển nông thôn – Một trong các chính

sách lớn đó là chương trình điện khí hóa nông thôn và chương trình KHCN

về nhu cầu tiêu thụ điện ở nông thôn đến năm 2010 ( trong tổng sơ đồ phát

triển điện lực Việt Nam giai đoạn IV) đã dự kiến về cơ bản công cuộc điện khí

hoá nông thôn sẽ hoàn thành vào năm 2010 với khoảng 70% số hộ nông thôn

được sử dụng lưới điện quốc gia

Ngày 12/02/1999 Chính phủ đã ra quyết định số 22/1999 QĐTT phê

duyệt đề án điện nông thôn đến năm 2000 với nguyên tắc chỉ đạo “…Việc đưa

điện về nông thôn phải kết hợp giữa phát triển điện quốc gia và điện tại chỗ

như : thủy điện nhỏ, điện gió, điện mặt trời, hầm khí biogas…Trên cơ sở phân

tích tối ưu các chỉ thị và các yếu tố khác liên quan…”

Với những vùng nông thôn xa xôi hẻo lánh, những vùng miền núi hải

đảo nơi có tiềm năng về năng lượng gió thì việc sử dụng các động cơ gió phát

điện và bơm nước phục vụ cho sản xuất và đời sống là giải pháp tối ưu Tuy

http://www.ebook.edu.vn

nhiên vấn đề đặt ra là: làm thế nào để sử dụng một cách có hiệu quả nguồn

năng lượng vô tận này?

Đề tài nhánh phần Năng lượng Gió thuộc “Đề tài KC – 07 – 04” đã

được thực hiện với mục tiêu : Xác định các giải pháp công nghệ và chế tạo

các loại thiết bị Động cơ gió nhằm đáp ứng nhu cầu thị trường trong nước

để khai thác và sử dụng có hiệu quả nguồn năng lượng gió phục vụ sản xuất

và sinh hoạt cho các vùng nông thôn Việt Nam

Với mục tiêu này, đề tài nhánh phần “Năng lượng Gió” đã tiến hành

việc phân tích một cách có hệ thống các yếu tố về tiềm năng gió, về nhu cầu

năng lượng phục vụ sản xuất và đời sống của các vùng nông thôn Việt Nam

cũng như trình độ công nghệ để tìm ra các vấn đề tồn tại trong thiết kế và công

nghệ chế tạo nhằm đưa ra những mẫu thiết bị thích hợp có khả năng ứng dụng

trong thực tế sản xuất và đời sống

Để nâng cao chất lượng công việc trong nghiên cứu, thiết kế đề tài đã

tập hợp được một đội ngũ chuyên gia liên ngành như: điện – điện tử, công

nghệ thông tin, công nghệ tự động hoá, công nghệ chế tạo máy và vật liệu

mới…

Trong quá trình nghiên cứu đề tài cũng tập trung nghiên cứu kỹ các tài

liệu trong và ngoài nước, tiến hành lựa chọn một cách có chọn lọc những mẫu

nghiên cứu phù hợp với điều kiện công nghệ và chế độ gió Việt Nam

Nội dung nghiên cứu và các công việc chính của đề tài :

1 Nghiên cứu các tài liệu kỹ thuật, phân tích mẫu mã của nước ngoài về

động cơ gió phát điện và bơm nước để thực hiện việc nghiên cứu mẫu

2 Nghiên cứu lý thuyết, tính toán thiết kế các cấu thành cơ bản của động

cơ gió phát điện vận tốc chậm, động cơ gió phát điện quay nhanh, động

cơ gió bơm nước cột áp cao, động cơ gió bơm nước cột áp thấp như: bánh

xe gió, cơ cấu định hướng…

3 Nghiên cứu các giải pháp khoa học công nghệ

4 Chế tạo lắp đặt thử nghiệm 04 hệ thống động cơ gió phát điện và bơm

nước

5 Hoàn thiện thiết kế và lập qui trình công nghệ chế tạo những sản phẩm

trên

Các sản phẩm của đề tài là:

1 Động cơ gió bơm nước cột áp cao BP 350-12

Q ≤ 2,5m3/h ở H ≤ 10m ở 8m/s

2 Động cơ gió bơm nước cột áp thấp BP 450 – 12

3 Động cơ gió phát điện vận tốc chậm PD 280 – 3

4 Động cơ gió phát điện vận tốc nhanh PD 220 - 4

http://www.ebook.edu.vn

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

NĂNG LƯỢNG GIÓ TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

§ 1 - 1 Ngoài nước

Kể từ cuộc khủng hoảng dầu lửa đầu thập niên 70, nhiều nước trên thế

giới đã điều chỉnh chính sách năng lượng hướng về các nguồn năng lượng mới

và năng lượng tái tạo Trong đó ở một số nước thì năng lượng gió được đánh

gía như một nguồn năng lượng có thể đóng góp một phần đáng kể trong cân

bằng năng lượng quốc gia

1.1.1 Sự phát triển của các động cơ gió công suất lớn hoà mạng lưới

điện quốc gia:

• Tổng công suất lắp đặt và số lượng động cơ gió được lắp đặt

trên thế giới :

Từ năm 1991 trở về trước, Mỹ luôn là quốc gia dẫn đầu về tổng công suất lắp đặt các tuabin gió, riêng ở bang California (1991) số lượng

các tuabin gió được lắp đặt là 16387 cái và tổng công suất là 1679 MW

Nhưng cho đến nay, Châu Aâu đã vượt qua Mỹ về công suất lắp đặt và

đang có xu hướng phát triển mạnh mẽ

Hiệp hội Năng lượng Gió Hoa Kỳ (AWEA) dự định tới năm 2007 sẽ lắp đặt trên 4.000 MW Còn mục tiêu của Hiệp Hội Năng lượng Gió

Châu Âu đến năm 2030, tổng công suất lắp đặt các tuabin gió lên đến

đến ngày 18/07/2001 tổng công suất lắp đặt trên toàn thế giới là 18.6100

MW Riêng Châu Âu là 13.664 MW Dưới đây là bảng thống kê công

suất lắp đặt động cơ gió của các nước trên thế giới tính đến ngày

18/07/2001

No Tên nước Tổng công suất lắp đặt (MW)

Tổng cộng : trên toàn thế giới : 18.600 MW

Năm 2002, tốc độ phát triển năng lượng gió của thế giới tăng không đáng kể, chỉ vượt trội hơn năm 2001 là 5,9 % Riêng Châu Âu đã

lắp thêm 6.163MW, tăng 36,1 % so với năm 2001 Sự phát triển của

việc sử dụng năng lượng gió ở Châu Âu và trên toàn thế giới được biểu

diễn trên hình 1

http://www.ebook.edu.vn

Như đã thấy trên hình (1) sự tăng trưởng của việc lắp đặt các tuabin gió từ 1998 là dấâu hiệu cho thấy ngày càng nhiều hơn các nước

quan tâm và đang phát triển việc sử dụng năng lượng gió

Kết luận này hoàn toàn được củng cố bằng dự đoán về sự phát triển năng lượng gió cho đến năm 2007 Theo dự đoán này , năng lượng

được sản xuất từ các tuabin gió có triển vọng tăng từ 32.037MW đến

hơn 83.000MW trên toàn thế giới đến năm 2007 [2]

Riêng ở Châu Âu, tới năm 2007, công suất được lắp đặt có triển vọng tăng đến 58.000MW Điều này có nghĩa là sự phát triển năng

lượng gió hàng năm trên thế giới sẽ là 6.960MW/năm Theo dự tính

trên, Châu Âu sẽ chiếm 68% tổng công suất lắp đặt trên toàn cầu

Cũng trên hình 1 ta có thể thấy: công suất lắp đặt tích lũy từ WTs (tuabin gió) ở Châu Aâu là 23.832MW vào cuối năm 2002 và trên toàn

thế giới là 32.037MW Như vậy cho thấy hiện nay Châu Âu nắm giữ 1

vai trò chủ chốt trong ngành công nghiệp năng lượng gió

http://www.ebook.edu.vn

Ở Châu Mỹ, công suất lắp đặt các WTs đã giảm đi :

lắp đặt mới tăng từ 42MW (2001) tới 147MW (2002) Ba nước ở Châu

Aâu: Đức, Tây Ban Nha, Đan Mạch vẫn là những nước hàng đầu trong

việc lắp đặt WTs Trong tổng số 6.163MW lắp đặt ở Châu Âu năm 2002

có 5270MW được lắp đặt ở 3 nước này Hiện nay các công ty sản xuất

tuabin gió lớn nhất trên thế giới phần lớn thuộc về Châu Âu

• Sự phát triển về công nghệ sản xuất tuabin gió [2]:

Bắt đầu từ những năm 1970, những cơ quan hàng không lớn trên thế giới

ngay từ đầu đã thử thiết kế những tuabin gió vài MW mà không đi theo con

đường mòn là nâng đường kính bánh xe gió lên từ từ và họ đã phạm phải sai

lầm khi nghĩ với trình độ công nghệ cao của họ sẽ thích hợp cho việc thiết kế

các động cơ gió

Trong khi đó những người “tiên phong” trong lĩnh vực năng lượng gió

của thế giới đã đi bằng con đường khác :

Do thiếu trình độ công nghệ cao và đội ngũ kỹ sư quan trọng họ đã bắt

đầu bằng việc nghiên cứu những động cơ gió công suất nhỏ mà cũng đã đầy

khó khăn Công nghệ bắt đầu là công nghệ mượn : dạng khí động từ sổ tay cũ

của NASA, cánh được thiết kế như cánh máy bay, thông số vật liệu từ cơ sở

của hàng không, hộp số, máy phát, hệ thống định hướng từ những động cơ gió

bơm nước cũ…

Với việc hoàn thiện, cải tiến và nâng kích thước (công suất) một cách từ

từ Con đường bắt đầu của đội “tiên phong” với việc mượn công nghệ đã được

chứng minh một cách thành công trong thực tế

Từ những năm 1980, các hãng sản xuất động cơ gió trên thế giới mới chỉ

sản xuất được các động cơ gió có đường kính bánh xe gió là 20m (100kW), sau

đó phát triển lên đến 40m (500kW) – Đến đầu những năm 1990 mới bắt đầu

http://www.ebook.edu.vn

xuất hiện khoảng 14 động cơ gió với đường kính 50m (750kW) đến 80m (3.000

kW) – Tuy nhiên những mẫu này chỉ mang tính thử nghiệm

Sau hơn 25 năm phát triển công nghệ tuabin gió, cho đến nay các hãng

sản xuất của Đan Mạch, Đức, Mỹ, Hà Lan, Tây Ban Nha… đã đưa ra thị trường

thương mại các loại động cơ gió tiêu chuẩn với công suất từ 500 ÷ 1.500 kW

Các hãng sản xuất đã chế tạo các động cơ gió ngày càng lớn hơn và giá

thành 1 kWh ngày càng rẻ đi Hiện Hà Lan đang thử nghiệm những mẫu động

cơ gió từ 3 ÷4 MW, hãng ENERON (Đức) sẽ cho ra đời loại động cơ gió 5MW

trong khoảng 1 vài năm tới Với sự phát triển của nền công nghiệp sản xuất

động cơ gió hiện nay, việc lắp đặt các động cơ gió ngoài biển đã mở ra một

triển vọng lớn cho các quốc gia có tiềm năng gió ngoài khơi nhưng diện tích

đất liền bị hạn chế như Hà Lan, Đan Mạch…

Nếu trên đất liền nhà máy điện gió công suất vài chục MW được cho là

lớn thì đối với ngoài khơi nó là mức tối thiểu để đạt được hiệu quả Với công

trình trên đất liền : thiết bị chiếm 75% kinh phí, còn ở ngoài khơi thiết bị chỉ

chiếm 40% vốn đầu tư; chi phí lớn nhất dành cho nền móng và nối với lưới

điện – Hơn nữa, khai thác và bảo trì cũng tốn kém hơn Tuy nhiên, với cùng

công suất lắp đặt, sản lượng điện phát ra trên biển khơi sẽ lớn hơn nhiều so với

việc lắp đặt trên đất liền

Trong 40 năm tới, nếu chương trình được thực hiện, người Đan Mạch có

thể tự hào là những người đầu tiên trên thế giới đã sản xuất ½ sản lượng điện

từ biển cả

Với một nguồn than quá ô nhiễm, với một ý thức mạnh mẽ đối với vấn

đề môi trường, một tiềm năng về phong điện trên bờ bị hạn chế nhưng cực lớn

trên biển và một nền công nghệ về quạt gió có kỹ năng tốt nhất trên thế giới,

những điều kiện này đã hội tụ cho Đan Mạch là quốc gia đứng đầu trong lĩnh

vực phong điện ngoài biển khơi

Năm 1991, Đan Mạch đã lắp 11 động cơ gió của hãng BONUS (Đan

Mạch) với công suất 450 kW/ cái tại bờ biển phía nam Zeeland (chi phí cao hơn

lắp đặt trên đất liền 85%)

Tháng 10/1995, nhà máy thứ 2 của Đan Mạch trên biển khơi

(TUNOKNOB) bắt đầu vận hành với 10 động cơ gió công suất 500 kW/cái của

hãng VESTAS (Đan Mạch) Theo Bộ trưởng Môi trường Đan Mạch đã thông

báo: đến năm 2005 Đan Mạch sẽ xây dựng 5 nhà máy phong điện “trên mặt

biển” với tổng công suất là 750 MW, đến năm 2015 công suất lắp đặt trên biển

sẽ đạt 2.300 MW ở 5 vị trí trên và đến năm 2030 sẽ đạt 4.000MW hoặc có thể

lớn hơn con số nêu trên từ 1.000 ÷ 2.000 MW

Tại hội nghị Kyoto về việc kiểm soát các loại khí thải lồng kính, Đan

Mạch đã cam kết mức khí CO2 thải ra không gian vào năm 2005 sẽ giảm 20%

so với mức năm 1998 dựa trên việc khai thác tiềm năng gió ngoài khơi nhằm

thay thế các nhà máy nhiệt điện đốt than

1.1.2 Sự phát triển các động cơ gió công suất nhỏ :

Mặc dù các nước công nghiệp tiên tiến tập trung phát triển các động cơ

gió công suất lớn hòa mạng điện quốc gia nhưng bên cạnh đó kỹ thuật công

nghệ sản xuất động cơ gió nhỏ vẫn được chú trọng nhằm phục vụ cho các vùng

xa xôi, hẻo lánh đặc biệt là trợ giúp về kỹ thuật và công nghệ cho các nước

đang phát triển

Trong khu vực Châu Á, Trung Quốc là một điển hình về việc phát triển

các động cơ gió phát điện công suất nhỏ Trong kế hoạch 5 năm lần 5,6,7 (1981

– 1995) Trung Quốc đã đầu tư kinh phí lớn cho việc nghiên cứu và phát triển

hàng loạt các các động cơ gió công suất nhỏ Các chính quyền địa phương đã

có những biện pháp khuyến khích sản xuất chế tạo và hỗ trợ giá Phần lớn

những tuabin gió mini đang hoạt động ở Nội Mông được trợ cấp 20% kinh phí

Đến cuối năm 2000 đã có khoảng 180.000 động cơ gió phát điện được

lắp đặt ở Trung Quốc Trong số đó khoảng 80% ở Nội Mông Khả năng hàng

năm Trung Quốc có thể sản xuất 20.000 cái Nếu tính về khả năng sản xuất và

số lượng những động cơ gió phát điện công suất nhỏ đã được lắp đặt thì Trung

Quốc hiện đang giữ vị trí hàng đầu trên thế giới

Hiện Trung Quốc có khoảng 10 nhà máy sản xuất động cơ gió Trong

đó, điển hình là nhà máy SLMW Khả năng sản xuất của nhà máy này là

10.000 động cơ gió trong 1 năm Các động cơ gió nhỏ này được bán cho không

chỉ 24 địa phương mà còn xuất khẩu sang 22 nước khác nhau như : Indonesia,

Thụy Điển, Mông Cổ, Đức và Thái Lan… [3]

http://www.ebook.edu.vn

Năm 1988 nhà máy SAHMF đã hợp tác với Công ty SVIAB (Thụy Điển)

để nhập công nghệ chế tạo các động cơ gió 100W, 300W, 500W và 750W đáp

ứng được thị trường trong nước và xuất khẩu

Cho đến nay họ đã chế tạo được 30 chủng loại động cơ gió từ 50W đến

5kW Con đường phát triển của họ cũng bắt đầu từ những động cơ gió công

suất cực nhỏ 50W đến 100W Sau đó là việc hợp tác với các công ty nước

ngoài để nhập công nghệ tiến tiến nhằm nâng từ từ công suất động cơ gió lên

300W, 500W, 750W và tới 5 kW Trong số đó loại 100W, 300W và 500W là

loại được người tiêu dùng ưa chuộng nhất

1.1.3 Sự phát triển các động cơ gió bơm nước trên thế giới :

Động cơ gió bơm nước được chia thành 3 loại :

a./ Thế hệ đầu tiên :

Các loại bơm gió cổ điển, loại nhiều cánh, động cơ gió của Mỹ, loại bơm gió cỡ nhỏ với hộp giảm tốc

• Ưu điểm : tỉ tốc đầu mút cánh thấp (λo ≤ 1), độ tin cậy

cao (hơn 20 năm), bảo dưỡng ít

• Khuyết điểm : trọng lượng lớn, giá thành đầu tư cao,

lắp đặt phức tạp

b./ Thế hệ thứ hai :

Bơm gió loại mới, nhẹ nhàng hơn đã được lắp đặt trong 20 năm gần đây Số cánh ít hơn, tỉ tốc đầu mút cánh (λo =1 – 2)

• Ưu điểm : nhẹ hơn, dễ chế tạo, có hiệu quả trong kinh

tế và ứng dụng

công nghệ chưa được hoàn chỉnh, bị hạn chế đối với những giếng có chiều sâu lớn

c./ Loại giá thành thấp :

Thiết kế đơn giản, có thể chế tạo tại địa phương với các phương tiện đơn giản từ các vật liệu rẻ tiền của địa phương

• Ưu điểm : vốn ban đầu thấp, có khả năng sử dụng vật

liệu địa phương

• Khuyết điểm : yêu cầu bảo dưỡng cao, tuổi thọ thấp,

giá thành nước cao

Hiện nay có khoảng 100 hãng sản xuất động cơ gió bơm nước trên thế giới Các hãng sản xuất ở các nước có truyền thống như Mỹ, Uùc,

Nam Phi, Tây Ban Nha vẫn còn sản xuất các loại bơm gió thế hệ đầu

tiên ( trước 1850) Trên thế giới có khoảng 20% động cơ gió bơm nước

được sản xuất tại các nước đang phát triển như Ấn Độ, Trung Quốc,

Kênia, Nam Phi, Bắc Phi, Indonesia, Philippines, Srilanka, Achentina…

Cho tới nay Ấn Độ được đánh giá là một trong những quốc gia điển hình trong việc nghiên cứu, thử nghiệm và sản xuất kinh doanh

động cơ gío bơm nước Ngay từ những năm 1950 Ấn Độ đã nhập khẩu

160 động cơ gió Southerncross nhưng sau vài ba năm những động cơ gió

này đều bị bỏ rơi do thiếu đội ngũ chuyên môn được đào tạo và thiếu

các bộ phận thay thế – Động cơ gió hầu như bị lãng quên

Sau cuộc khủng hoảng dầu lửa năm 1973, Ấn Độ lại quan tâm trở lại với chương trình quốc gia về năng lượng gió bằng dự án thứ 6 (1980 –

1985) Kết quả của dự án này là hơn 1700 động cơ gió được lắp đặt, chủ

yếu là mẫu 12 – PU 500 của tổ chức CWD (Hà Lan) Rút kinh nghiệm từ

những động cơ gió này năm 1985 – 1990 ( dự án thứ 7) được soạn thảo

và thực hiện với việc tập trung kinh phí để giới thiệu những thiết kế mới,

hỗ trợ lắp đặt, bảo quản và sửa chữa thiết bị Việc sản xuất kinh doanh

động cơ gió bơm nước tăng nhanh vào cuối năm 1992 và đã lắp đặt được

• Thực hiện việc nghiên cứu phát triển, cải tiến thiết kế và

tăng hiệu suất làm việc của động cơ gío bơm nước

• Thử nghiệm trên hiện trường và lập các mô hình trình diễn

• Củng cố và phát triển các cơ sở sản xuất động cơ gió bơm

khẩu các thiết bị nước ngoài, cải tiến cho phù hợp và sản xuất trong

nước hoặc cộng tác với công ty nước ngoài để sản xuất trong nước

§ 1 – 2 Trong nước

Có thể nói Việt Nam khởi đầu việc nghiên cứu năng lượng gió không

muộn hơn nhiều quốc gia Châu Á khác Việc nghiên cứu năng lượng gió được

đề xuất 1972 tại Bộ Đại Học và đến năm 1974 đã thành lập nhóm nghiên cứu

đầu tiên về phong điện Việc nghiên cứu năng lượng gió ở nước ta có thể chia

thành những thời kì sau:

Nhóm đề tài liên bộ (Bộ Đại Học – Bộ Giao Thông Vận Tải) động

cơ gió sạc bình accu công suất 1,5kW với đường kính 5m và đã lắp đặt thử

nghiệm tại ty Bảo Đảm Hàng Hải – Hải Phòng, sau một vài năm thì ngừng

hoạt động

Năm 1976: Chi cục muối Nam Hà cũng lắp đặt 20 động cơ gió bơm

nuớc với đường kính 3,6 m và số cánh là 6 để phục vụ việc sản xuất muối

Sau vài ba năm những động cơ này cũng ngừng hoạt động do bị ăn mòn và

thiếu bảo trì sữa chữa

Năm 1978: Nhóm nghiên cứu Viện NCKH KT Điện – Bộ Điện Lực

cũng bắt tay vào nghiên cứu một số mẫu động cơ gió đơn giản như: động cơ

gió trục ngang cánh vải, động cơ gió savonius Hai mẫu này hiệu suất thấp,

kết cấu cồng kềnh, năng suất bơm nhỏ, không có cơ cấu an toàn nên không

đáp ứng được nhu cầu sử dụng Những động cơ gió này đã ngừng hoạt động

sau một thời gian thử nghiệm

Năm 1980: Viện NCKH KT Điện đã lắp đặt tại Hội An – Tam Kỳ

loại động cơ gió D-4 với 12 cánh để bơm nước sản xuất muối, song vẫn

chưa giải quyết được vấn đề phối hợp tải giữa động cơ gió và bơm guồng

gỗ

Cũng trong năm 1980, chương trình năng lượng mới MS 10-05 được

thành lập do Bộ Điện Lực chủ trì

Năm 1985-1990: Chương trình năng lượng mới đổi sang mã số 52C

và do Bộ Giáo Dục và Đào Tạo chủ trì

Trong thời gian này đã có thêm nhiều cơ quan tham gia nghiên cứu

về năng lượng gió như : Viện Kỹ Thuật Quân Sự (Bộ Quốc Phòng), Viện

Kỹ Thuật Giao Thông (Bộ Giao Thông Vận Tải), Trường Đại Học Cơ Điện,

Trường Đại Học Bách Khoa Tp HCM, Trung tâm Phát Thanh và Truyền

Hình Tp HCM, Xí nghiệp Cơ Khí 2-9 Tp HCM

Nhữõng cơ quan này đã nghiên cứu, thiết kế chế tạo và lắp đặt thử

nghiệm một số mẫu động cơ gió phát điện công suất nhỏ và động cơ gió

bơm nước Tất cả những mẫu này chỉ mang tính chất thử nghiệm chứ chưa

triển khai được vào thực tế ứng dụng

Trung tâm Nghiên Cứu Thiết Bị Nhiệt và Năng Lượng Mới là cơ

quan duy nhất chủ trì thực hiện các dự án, đề tài cấp nhà nước về năng

lượng gió đã được đánh giá xuất sắc

Đề tài cấp nhà nước: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo động cơ gió bơm nước cột áp cao” – 1991

Đề tài cấp nhà nước: “Động cơ gió phát điện vận tốc chậm” –

1992 Được Hội Đồng Bộ Trưởng khen thưởng

Dự án P cấp nhà nước: “Dây chuyền chế tạo động cơ gió phát điện công suất nhỏ sạc bình accu” – 1994

Đề tài cấp Bộ: “ Động cơ gió trục đứng kiểu Darrieus” – 1994

Dự án P cấp nhà nước: “Động cơ gió trục đứng cánh mềm” –

1994 - 1995

Dự án hỗ trợ khoa học và công nghệ: “Xây dựng mô hình làng năng lượng gió cho phường đảo Vĩnh Nguyên Nha Trang, lắp đặt

50 hệ thống động cơ gió phát điện PD 170-6”

Đề tài khoa học cấp thành phố: “Xây dựng mô hình làng năng lượng gió cho Ấp Thiềng Liềng Cán Gáo – Huyên Cần Giờ, lắp đặt 50 hệ thống động cơ gió phát điện PD 170-6”

Đề tài cấp nhà nước: “Nghiên cứu khả năng khai thác và sử dụng năng lượng gió ở khu vực miền núi và hải đảo phía Nam”

Dự án của một số tổ chức phi chính phủ như Hội Hữu Nghị Thụy

Sĩ – Việt Nam và tổ chức ACCT đã hỗ trợ lắp đặt 200 hệ thống

http://www.ebook.edu.vn

động cơ gió phát điện PD 170-6 cho các tỉnh khu vực phía Nam (1995 – 1996)

Đề tài cấp Bộ: “Nghiên cứu khả năng ứng dụng Tổ Hợp Gió – Diesel công suất 100kW”

Đề tài cấp Bộ: “Nghiên cứu khả năng điện khí hoá các vùng quần đảo hải đảo Việt Nam bằng Tổ Hợp Gió – Diesel”

Tham gia đề tài cấp nhà nước: “Giải pháp cung cấp điện cho vùng sâu, vùng xa của ĐBSCL”

Ngoài ra còn nhiều công trình dự án về năng lượng gió mà

RECTERE đã làm cho các tỉnh

Nhìn lại khoảng thời gian qua ở Việt Nam, việc nghiên cứu năng

lượng gió được tiến hành theo 3 xu hướng sau:

1 Xu hướng tiến ngay vào thiết kế chế tạo động cơ gió có kích

thước và công suất lớn (10kW) Xu hướng này đã bị thất bại ngay khi đang lắp đặt dở dang (động cơ gió 10kW ở Cần Giờ), hay động cơ gió tại Cà Ná, Minh Hải, Đà Nẵng chỉ hoạt động trong thời gian rất ngắn đã bị hỏng

2 Xu hướng sao chép nguyên mẫu mã nước ngoài hoặc nhập thẳng

thiết bị và chỉ cần ứng dụng Xu hướng này cũng đã được chứng minh trong thực tế là không đạt kết quả tốt

3 Xu hướng nghiên cứu phân tích các mẫu của nước ngoài, lắp đặt

thử nghiệm để cải tiến hay để xuất mẫu mã cho phù hợp với công nghệ Việt Nam, chế độ gió và nhu cầu sử dụng

Xu hướng thứ 3 đã được RECTERE kiên trì theo đuổi từ năm 1990

đến nay và thu được một số kết quả đáng khích lệ như PD 170-6 chính là

được cải tiến từ mẫu KOALA của Ba Lan sau một thời gian lắp đặt thử

nghiệm và cải tiến hoàn thiện thiết kế và công nghệ

Cho đến nay, RECTERE đã lắp đặt được hơn 900 động cơ gió PD

170-6 và hơn 100 động cơ gió trục đứng cánh mềm HL 250, HL 300, HL

350 tại hơn 40 tỉnh thành trong cả nước Con số này thực ra còn quá khiêm

tốn so với tiềm năng gió ở nhiều vùng nông thôn của nước ta

Ngoài ra , RECTERE đã hợp tác với một số Công ty của Mỹ, Đan

Mạch để tiến hành nghiên cứu khả năng ứng dụng Tổ Hợp Gió – Diesel

công suất lớn với công nghệ nuớc ngoài phục vụ cho việc điện khí hoá các

vùng nông thôn quần hải đảo Việt Nam

RECTERE đã lắp đặt một số trạm đo gió ở độ cao 30m (ở Cà Ná,

Mũi Né, Phú Quốc, Bạch Long Vỹ) để thu thập số liệu gió bằng máy đo gió

tự ghi nhằm tiến hành các nghiên cứu tiền khả thi cho các dự án lắp đặt

những động cơ gió lớn hòa mạng điện quốc gia (vùng ven biển nơi có lưới

điện quốc gia) hoặc hòa mạng điện diesel (như ở Huyện đảo Bạch Long

Vỹ, Huyện đảo Phú Quốc)

Nói chung cho đến nay, chúng ta mới đạt được một số kết quả nhất

định trong việc nghiên cứu triển khai các động cơ gió công suất nhỏ và

động cơ gió bơm nước Trong vấn đề khai thác sử dụng năng lượng gió ở

quy mô công nghiệp điều quan trọng là phải tiến hành các nghiên cứu tiền

khả thi, tức là phải đo đạc tốc độ gió, hước gió, áp suất v.v… trong vòng ít

nhất là 1 năm bằng máy đo gió tự ghi

http://www.ebook.edu.vn

Chương 2

LỰA CHỌN ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

§ 2 – 1 Cơ sở chọn đối tượng nghiên cứu, cách tiếp cận và thiết kế

nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài được lựa chọn xuất phát từ việc phân

tích nhu cầu sử dụng, trình độ công nghệ và chế độ gió ở các vùng nông thôn

Việt Nam

Nước ta với 3000km bờ biển và nằm trong khu vực gió mùa được đánh

giá là có khả năng sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng gió

Năng lượng gió được tính gần đúng bằng công thức :

V- vận tốc gió trung bình

K- hệ số lưu lượng – Đó là tỷ lệ giữa năng lượng thực của gió với năng

lượng

được tính toán từ tốc độ gió trung bình

Trong thời gian vừa qua, Viện khí tượng thủy văn cũng đã hoàn thành

các bản đồ phân vùng gió đánh giá mật độ gió ở nhiều nơi trên đất nước (xem

phụ lục 1)

Trên quan điểm khai thác năng lượng gió thì các số liệu của khí tượng

thủy văn mới chỉ giúp chúng ta có một nhận định khái quát chung về trữ năng

và những hướng gió chính của từng khu vực Còn việc lựa chọn những địa điểm

cụ thể để việc lắp đặt động cơ gió một cách có hiệu quả và đặc biệt đối với

những động cơ gió công suất lớn (vài trăm kW trở lên) thì phải tiến hành đo

đạc với những thiết bị đo gió tự ghi Các thiết bị này cho phép thu thập số liệu

gió 10 phút 1 lần

Các số liệu của các trạm khí tượng thủy văn được lấy theo các obf Mỗi

obf cách nhau từ 4-6 giờ Theo kết quả nghiên cứu của W.A.M Jasen {5} cho

thấy khoảng thời gian lấy trung bình tốc độ gió càng lớn thì giá trị của tổng

năng lượng gió tính toán giảm đi Cũng theo kết quả nghiên cứu trong tài liệu

[4] thì tổng năng lượng tính toán với tập hợp tốc độ trung bình một giờ một và

ba giờ một so với tốc độ trung bình 10 phút 1 lần nhỏ hơn lần lượt là 5,3% và

10,6% Còn nếu tập hợp tốc độ gió 6 giờ 1 lần thì sẽ nhỏ hơn tới 14,8%

Sự chênh lệch này phụ thuộc vào mức độ dao động gió ở từng vùng, tốc

độ gió dao động càng nhiều thì độ chênh lệch càng lớn và ngược lại

Trong khi đó năng lượng gió được tạo ra tỷ lệ với lập phương của vận

tốc gió Ví dụ với cùng chế độ gió cấp 3 (v=3.4m/s – 5.4m/s) thì năng lượng gió

thu được ở 5m/s lớn hơn gấp 2 lần năng lượng gió thu được ở vận tốc gió 4m/s

với cùng một diện tích hứng gió

Bản đồ phân bố tốc độ gió trung bình được xây dựng trên số liệu của 206

trạm khí tượng thủy văn toàn quốc., và cho một hình ảnh khái quát về tình hình

phân bố tốc độ gió trên lãnh thổ Việt Nam như sau :

• Ngoài khơi gió thổi mạnh và giảm dần khi vào đất liền Tại các hải

đảo phía đông nước ta có tốc độ gió trung bình năm từ 6-8 m/s Ở xa

bờ và gần bờ là 5-6 m/s Riêng các hải đảo phía Tây và Tây Nam chỉ

3-4 m/s

• Vùng duyên hải tiếp giáp với đồng bằng Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ từ

Diễn Châu đến Cửa Tùng có tốc độ gió trung bình năm trên 4 m/s

• Khu vực từ đèo Hải Vân đến Quảng Ngãi do khuất gió Tây Nam nên

tốc độ gió trung bình của vùng này chỉ khoảng 1-2 m/s

Khi đánh giá tiềm năng gió cần lưu ý đến hệ số K (hệ số ảnh hưởng)

Giá trị K ở một số vùng đặc trưng như sau :

• Cao nguyên : K = 4 – 4,5

• Đồng bằng Bắc Bộ : K < 2,5

• Đồng bằng Nam Bộ : K = 3,5 – 4

Như vậy với cùng tốc độ gió trung bình thì năng lượng sinh ra ở đồng

bằng Nam Bộ lớn gấp 1,3-1,5 lần so với đồng bằng Bắc Bộ

Khu vực Tây Bắc và phần phía Bắc Trung Bộ có hệ số ảnh hưởng tương

đối lớn K = 3-3,5 Đặc biệt ở vùng Tây Nguyên phần lớn đều có K = 4-4,5, đây

cũng là khu vực có hệ số K lớn nhất lãnh thổ nước ta Địa hình càng phức tạp

http://www.ebook.edu.vn

thì hệ số K càng lớn Đối với Bắc Bộ, ở nửa miền đồng bằng nằm sâu trong đất

liền có mật độ năng lượng khoảng 300 – 500 kWh/m2, nửa miền về phía biển

có mật độ năng lượng khoảng 300 – 500 kWh/m2 và tăng nhanh 500 – 900

kWh/m2 từ miền duyên hải ra ven bờ

Ở vùng đồng bằng Nam Bộ do địa hình bằng phẳng, sông nước kênh

rạch thoáng đãng và biển bao bọc 2 phía nên mật độ năng lượng gió khá lớn, từ

300 – 500 kWh/m2 và ở ven biển là 500 kWh/m2

Vùng núi thấp, khu vực trung du Bắc Bộ, Bắc Trung Bộ và khu vực Nam

Trung Bộ khuất sau dãy Trường Sơn là những vùng có tiềm năng nhỏ nhất trên

toàn lãnh thổ (mật độ năng lượng dưới 200 kWh/m2) Riêng khu vực gần biên

giới Đông Bắc Bắc Bộ do trực tiếp chịu ảnh hưởng của gió mùa Đông BẮc thì

có tiềm năng gió lớn hơn

Tuỳ theo vị trí tương đối với hướng xâm nhập của gió mùa mà có những

nơi mật độ năng lượng có thể lên tới 400 – 500 kWh/m2 Nhìn chung, Trung Bộ

có tiềm năng gió đáng kể, khu vực phía Tây có tổng năng lượng hàng năm

khoảng 200 – 500 kWh/m2, phần phía Đông mở ra phía biển từ 500 – 900

kWh/m2, vùng Tây Nguyên cũng có tiềm năng gió khá phong phú

Tóm lại, nước ta nằm trong khu vực châu Á gió mùa, nhiều nơi có vận

tốc gió trung bình cao đánh giá một tiềm năng lớn để có thể phục vụ việc phát

triển năng lượng gió tại Việt Nam

• Nhu cầu về động cơ gió phát điện công suất nhỏ:

Theo dự kiến về cơ bản chương trình điện khí hóa nông thôn ở nước ta

sẽ hoàn thành vào năm 2010 với khoảng 70% số hộ nông dân được sử dụng

điện lưới quốc gia Như vậy, trên toàn quốc vẫn còn khoảng 30% số hộ dân ở

nông thôn vùng sâu, vùng cao, biên giới, hải đảo không thể có lưới điện quốc

gia Do đặc điểm về địa hình, nhu cầu năng lượng bị phân tán ( người dân sống

rải rác) và phụ tải điện bé với thu nhập thấp, đời sống còn nhiều khó khăn, nhu

cầu năng lượng của người dân chỉ hạn chế ở việc thắp sáng, nghe đài, xem tivi

và thông tin liên lạc Trong khi đó ở những vùng này lại có tiềm năng về gió

rất lớn vì vậy nhu cầu sử dụng các loại động cơ gió phát điện công suất nhỏ là

rất lớn

• Nhu cầu về động cơ gió bơm nước:

Nước ta là nước nông nghiệp với khoảng 4,72 triệu ha đất trồng lúa; 1,24

triệu ha trồng cây lâu niên; 6,5 trồng cây ngắn hạn và nhu cầu tưới tiêu rất lớn

Ngoài ra, nước ta còn rất nhiều khu vực nông thôn, miền núi và đặc biệt là

đồng bằng sông Cửu Long đang sử dụng nguồn nước mặt làm nguồn nước sinh

hoạt chính vì vậy rất ảnh hưởng tới sức khỏe của người dân và cộng đồng Đây

là một vấn đề hết sức bức xúc Để giải quyết vấn đề này chương trình nước

sạch nông thôn với sự đầu tư của Chính phủ, sự hỗ trợ của các tổ chức quốc tế

(UNICEF, Hội chữ thập đỏ …) đã được triển khai mạnh mẽ

Đặc biệt chương trình nước sạch của UNICEF đã cung cấp một số lượng

đáng kể các giếng khoan và bơm tay cho các vùng nông thôn Việt Nam Việc

sử dụng các động cơ gió bơm nước cột áp cao lưu lượng nhỏ ( bơm giếng sâu)

phục vụ cấp nuớc sinh hoạt và động cơ gió cột áp thấp lưu lượng lớn phục vụ

tưới tiêu trong nông nghiệp ở những vùng có tiềm năng về gió sẽ là phương án

tối ưu phục vụ cho sản xuất, sinh hoạt và bảo vệ môi trường nông thôn

Trên cơ sở xác định được đối tượng cần nghiên cứu là động cơ gió phát

điện công suất nhỏ, động cơ gió bơm nước cột áp cao và động cơ gió bơm nước

cột áp thấp, đề tài đã sử dụng các cách tiếp cận sau :

• Tiếp cận hệ thống : Thiết bị động cơ gió nói chung rất phức tạp và

phụ thuộc vào nhiều yếu tố : vận tốc gió, nhu cầu sử dụng (công suất,

lưu lượng và cột áp) , trình độ công nghệ và các quan điểm thiết kế

khác nhau Quá trình nghiên cứu và p hát triển động cơ gió trên thế

giới đã có một bề dày lịch sử Chính vì vậy, việc sử dụng phương

pháp phân tích các vấn đề một cách có hệ thống là một điều rất cần

thiết giúp tìm ra các vấn đề tồn tại trong thiết kế và công nghệ, các

vấn đề bức xúc cần giải quyết tránh việc nghiên cứu trùng lặp

• Tiếp cận liên ngành : Để chế tạo động cơ gió cần đến sự tham gia

của khá nhiều ngành : trước hết là ngành cơ khí chế tạo, ngành điện

– điện tử về phương diện làm các máy phát chuyên dụng, các bộ bảo

vệ bình accu và các bộ điều chỉnh…, ngành vật liệu mới về phương

diện làm các bánh xe gió, máy công tác … Chính vì vậy, để nâng cao

chất lượng của các sản phẩm nghiên cứu, đề tài cần tập hợp đội ngũ

chuyên gia trong các lĩnh vực trên

http://www.ebook.edu.vn

• Tiếp cận trên cơ sở kế thừa có chọn lọc : Việc nghiên cứu phát

triển các động cơ gió phát điện công suất nhỏ và các động cơ gió

bơm nước đã được các nước công nghiệp tiên tiến rất quan tâm, đặc

biệt nhằm mục đích giúp đỡ các nước đang phát triển – Rất nhiều dự

án với nhiều mẫu mã thiết kế đã được lắp đặt tại các nước như :

Trung Quốc, Ấn Độ, Kenia, Nam Phi, Bắc Phi, Indonesia, Argentina,

Srilanka, Philippines v.v… Do vậy việc nghiên cứu, phân tích kỹ các

tài liệu của nước ngoài và nghiên cứu theo mẫu là rất quan trọng

Việc chọn mẫu nghiên cứu phải dựa trên sự phù hợp về chế độ gió ,

nhu cầu sử dụng và điều kiện công nghệ – Bên cạnh đó cần phải

phối hợp với những kết quả nghiên cứu trong nước trước đây để tìm

ra các giải pháp tối ưu

• Tiếp cận trên cơ sở phân tích xu hướng toàn cầu hóa : Cho đến

nay chỉ có một số rất ít động cơ gió được nhập vào Việt Nam bằng

nhiều con đường khác nhau và có thể nói là thị trường động cơ gió

còn “chưa mở cửa” đối với các thiết bị của Trung Quốc và các nước

công nghiệp tiên tiến do nhiều lý do Nhưng trong tương lai sự cạnh

tranh này là tất yếu Chính vì vậy cần phân tích các lợi thế của thiết

bị trong nước, đồng thời vừa nghiêu cứu thị trường vừa lập các quan

hệ giữa nghiên cứu – sản xuất và triển khai ứng dụng để có thể tạo

thành các mạng lưới liên kết nhằm đưa sản phẩm nghiêu cứu vào sản

xuất

§ 2 -2 Phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật đã sử dụng

1./ Phương pháp nghiên cứu :

* Phương pháp thu thập thông tin và nghiên cứu tài liệu :

Trong quá trình phát triển năng lượng gió nhiều nước trên thế giớ đã đầu

tư rất nhiều cho việc nghiên cứu chế tạo các mẫu động cơ gió bơm nước và

động cơ gió phát điện Họ đã đạt được rất nhiều thành tựu trong nghiên cứu lý

thuyết và các thử nghiệm Nhiều dự án được triển khai thành công với các mẫu

thiết bị đạ được lắp đặt và ứng dụng trong thực tế

Ngay ở trong nước cũng có một số mẫu thiết bị đã được nghiên cứu Mặc

dù chưa triển khai được vào thực tế sản xuất vì còn một số vấn đề kỹ thuật cần

phải giải quyết nhưng chắc chắn việc thu thập thông tin nghiên cứu và phân

tích các tài liệu kỹ thuật ngoài nước và trong nước là phương pháp rất quan

trọng Nó sẽ giúp cho đề tài tiếp thu được những thành tựu mới và khắc phục

được những vấn đề còn tồn tại

Thông qua mạng Internet, thông qua các đề tài các cấp, thông qua các

nghiên cứu thường xuyên, các quan hệ hợp tác với nhiều tổ chức Quốc tế,

RECTERE đã thu thập được nhiều những tài liệu kỹ thuật, các tạp chí, các thiết

kế giúp cho việc triển khai nghiên cứu của đề tài

2./ Phương pháp thu thập thông tin qua nghiên cứu mẫu :

Phương pháp này cho phép thu thập được nhiều thông tin tổng hợp bằng

trực quan Song vấn đề quan trọng là lựa chọn mẫu nào để nghiên cứu và sử

dụng kỹ thuật nào để khảo sát mẫu Cần nghiên cứu qua các thông tin và các

tài liệu kỹ thuật đã được thu thập để lựa chọn những mẫu phù hợp

Để đánh giá lựa chọn mẫu mã của các thiết bị động cơ gió phát điện và

bơm nước cần tập trung vào những điểm chính sau đây :

• Số lượng và thời gian đã lắp đặt loại mẫu đó Nó đánh giá mức độ đón nhận của thị trường và đồng thời cũng nói lên chất lượng của sản phẩm

• Vận tốc gió khởi động - vận tốc gió định mức Nó đánh giá sự phù hợp với chế độ gió ở Việt Nam

• Công suất định mức và lưu lượng nước nói lên sự phù hợp với nhu cầu năng lượng của vùng nông thôn Việt Nam

• Dạng profil cánh và vật liệu cánh Phải lựa chọn xem nên sử dụng loại profil cánh nào và loại vât liệu cánh nào để phù hợp với điều kiện tự nhiên và công nghệ Việt Nam

• Loại máy công tác phối hợp tải với động cơ gió

3./ Xây dựng những mô hình thử nghiệm máy công tác ( máy bơm, máy

phát, các hệ thống truyền động…) :

Đây là một khâu rất quan trọng trong nghiên cứu giúp cho việc nghiên

cứu được hoàn thiện Các thử nghiệm cho phép ta đánh giá trực quan các hoạt

động của máy công tác, các hệ thống truyền động, sự phù hợp trong thiết kế

cũng như xây dựng được đặc tính tổng hợp của máy phát, của bơm để giải

quyết bài toán phối hợp tải giữa động cơ gío và máy công tác

http://www.ebook.edu.vn

4./ Nghiên cứu tại hiện trường :

Trong quá trình thử nghiệm tại xưởng để nghiên cứu, dù đã rất cố gắng

để tạo ra các điều kiện hoạt động giống với thực tế nhưng trong chừng mực

nào đó còn có nhiều hạn chế không khắc phụ được đặc biệt đối với năng lượng

gió ( sự thay đổi tốc độ và hướng, điều kiện ăn mòn, phèn, mặn…)

Bằng việc lắp đặt thử nghiệm tại hiện trường trong một thời gian dài

chúng ta có thể thu nhận được các số liệu rất phong phú về các tác động của tự

nhiên (chế độ gió, độ ăn mòn kim loại) và tác động của con người (kỹ năng

quản lý vận hành, phụ tải sử dụng…) và có thể đánh giá được độ bền, độ ổn

định làm việc thông qua hàng tháng trời vận hành liên tục Ngoài ra việc lắp

đặt thử nghiệm tại hiện trường còn giúp cho người nghiên cứu bằng trực quan

nhận ra những tồn tại trong thiết kế để từ đó có thể hoàn thiện việc nghiên cứu

hiệu quả hơn

5./ Kỹ thuật đã sử dụng :

a./ Sử dụng máy tính phục vụ cho công tác tính toán thiết kế :

o Một số phần mềm đã được sử dụng để tính toán và thiết kế toàn

bộ hệ thống động cơ gió trên máy tính như : Mechanical,Autocad, Excel…

o Sử dụng phần mềm chuyên dụng NRG MicroSite 2.0 để phân tích

xử lý các số liệu gió thu thập

b./ Sử dụng các thiết bị đo hiện đại độ chính xác cao: như máy đo gió

tự ghi NRG 9.200 PLUS, thiết bị đo kiểm máy phát, thiết bị kiểm

nghiệm bơm, các máy đo gió cầm tay cơ khí, điện tử Dụng cụ đo số

vòng quay bằng quang học…

http://www.ebook.edu.vn

Chương 3

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ LÝ THUYẾT

TÍNH CÁNH

§ 3 – 1 Phương pháp tính cánh của Glauert

Để thiết kế động cơ gió, việc quan trọng hàng đầu là tính toán các thông

số hình học của lá cánh ( độ dài cung cánh tại từng tiết diện, góc đặt cánh

tương ứng) Để làm việc này cần phải sử dụng đến các lý thuyết về động cơ

gió

Mặc dù động cơ gió đã tồn tại hàng nghìn năm nay nhưng lý thuyết về

động cơ gió chỉ thực sự định hình và phát triển mạnh mẽ vào đầu đầu thế kỷ 20

với các công trình của Betz (1923) về mô hình động cơ gió lý tưởng Những lý

thuyết này dựa trên những giả thiết lý tưởng ( trường vận tốc không bị nhiễu

loạn, dòng khí coi như dòng chất lưu không bị nén…)

Trên thực tế, trường vận tốc phía sau động cơ gió chịu những biến đổi

đáng kể do sự xuất hiện một số dạng cuộn xoáy gây tổn thất đến hiệu suất khí

động

Hiệu suất thực tế của động cơ gió (Cp) luôn luôn nhỏ hơn hiệu suất lý

tưởng (CpBetz)

Để đáp ứng các nhu cầu chính xác hơn về tính toán khả năng vận hành

thực của các động cơ gió cần phải dựa trên mô hình thực của bánh xe gió Đó

là cơ sở của mọi lý thuyết về đông cơ gió thực đã được phát triển đồng thời ở

nhiều nước với các tên tuổi như : Stefaniak, Glauert…

Tất cả các tác giả nói trên đều xuất phát từ việc nghiên cứu các mô hình

cuộn xoáy và sự khác nhau chỉ ở những giả thiết phụ, những phương pháp giải

quyết bài toán…

Các kết quả thu được từ những lý thuết này không chênh nhau đáng kể

và đều khá sát với thực tế Trong đó việc tính cánh theo phương pháp Glauert

được xem là hiện đại nhất

Phương pháp Glauert dựa trên giả thuyết về mô hình dòng xoáy 3 thành

phần :

1 Xoáy trung tâm xuất phát từ moayơ cuốn quanh trục của rotor và

song song với vận tốc

2 Xoáy đầu cánh : các chưỗi xoáy xuất phát từ đầu cánh tạo thành ống

xoay quanh rotor

Trường vận tốc cảm ứng có thể khảo sát như một kết quả chồng chất 3 dạng cuộn xoáy và do vậy vận tốc thực tại các điểm sẽ là tô3ng hợp của vận tốc gió tự nhiên không nhiễu loạn và vận tốc gió cảm ứng gây bởi cuộn xoáy

Để khảo sát các vận tốc cảm ứng, một sơ đồ điện tương đương đã được

sử dụng Trong đó hệ thống dây dẫn đóng vai trò các cuộn xoáy thông qua

từ trường mà nó sinh ra Việc tính toán nhờ vậy được đơn giản hơn

Trong lý thuyết Gluaert việc xác định các thông số hình học cánh được

tính toán trong điều kiện tối ưu : tại nơi mặt cắt, công suất cục bộ đạt giá trị

cực đại và khi đó cánh được coi như không có lực kháng(tg2 = CD/CL), được

thực hiện trên cơ sở xác định các hệ số biến thiên vận tốc k và h trong điều

kiện tối ưu

Khi đó, các biểu thức k và h có dạng :

http://www.ebook.edu.vn

ri : bán kính tiết diện khảo sát

λo : Tỷ tốc đầu mút cánh thiết kế

R : Bán kính của bánh xe gió

λi : Tỷ tốc đầu mút cánh trên tiết diện khảo sát

h = 1+ 1-k2

λ2

Sau khi xác định được k và h ta dễ dàng xác định được góc φ và giá trị CL.BC

bằng các biểu thức : ri

Ở đây : CL là lực nâng

B là số cánh

c là độ dài cung cánh

φ là góc nghiêng

Để thuận tiện cho ứng dụng, các lượng λe, k,h,Cp, CL.BC và φ đã được

tính ri

bằng chương trình máy tính (OPTI) cho những giá trị của λ nằm trong

khoảng 0,1 và 10 và được thể hiện trên bảng 7 của bảng tài liệu [3]

Sau khi tính được các đại lượng trên thì với số cánh và profil cánh đã

chọn ta có thể xác định được độ dài cung cánh c và góc đặt cánh β = φ - α

α : góc tấn tối ưu ứng với profil cánh đã chọn

§ 3 – 2 Phương pháp thiết kế bánh xe gió của Kragten (CWD)

Dựa trên lý thuyết cơ bản của Glauert ( 1935), các chuyên gia của tổ chức CWD ( Hà Lan) đã đưa ra cách tính toán các thông số hình học của

cánh một cách đơn giản hơn nhưng vẫn bảo đảm được các điều kiện tối ưu

hoặc gần tối ưu trong trong phạm vi hiệu suất sử dụng năng lượng gió (Cp) có

thể đạt được

Tất cả rotor của các mẫu dộng cơ gió CWD và nhiều những động

cơ gió khác đã được thiết kế theo các công thức mà A Kragten đã đưa ra trong

tài liệu [4] Kết quả đo trong ống khí động cho thấy thông số hình học của các

cánh động cơ gió CWD đã đạt được kết quả tốt

a Các thông số của bánh xe gió :

Dạng hình học của bánh xe gió được xác định bằng những thông số

sau :

• Tỷ tốc đầu mút cánh thiết kế (λd)

• Dạng khí động cánh là một hàm của bán kính cục bộ r

• Cung cánh (c) là hàm của bán kính cục bộ r

• Góc đặt cánh β là hàm của bán kính cục bộ r

Dưới đây ta sẽ giải thích thêm về những thông số này :

Công suất điện được tính từ công thức : Pel = Cp.ηTr.ηgen ½ ρ

V3.πR2 (W )

Ở đây : Cp, ηTr, ηgen, lần lượt là : hiệu suất sử dụng năng lượng gió ( Cp =

0,4 – 0,45), hiệu suất truyền động và hiệu suất của máy phát điện Các đại

lượng này không phải là hằng số mà phụ thuộc rất nhiều vào sự phối hợp tải

giữa bánh xe gió và máy phát

Với một sự kết hợp nhất định giữa bánh xe gió, bộ truyền động, máy

phát và hệ thống an toàn sẽ có một đường cong năng lượng – vận tốc tương ứng

( Pel – V)

Năng lượng sản xuất ra trong một khoảng thời gian nhất định ( ví dụ như

một năm) phụ thuộc vào đường cong Pel – V và sự phân bố vận tốc gió tại vị trí

http://www.ebook.edu.vn

mà động cơ gió được lắp đặt Vì vậy không thể xác định R một cách đơn giản

từ năng lượng yêu cầu sản xuất hàng năm

Pel nên tính toán ở một vận tốc gió thấp tương đối mà Cp, ηTr, và ηgen

vẫn hợp lý Khi tính toán dạng hình học của rotor ta giả sử R đã được xác định

- Số cánh B : không có một qui định chính xác nào để tính toán số

cánh B Thông thường, thì B giảm khi λd tăng:

Ta có thể chọn số cánh trên những cơ sở sau :

• Khi B tăng, sự mất mát đầu mút cánh giảm và vì vậy Cp

tăng với sự tăng của B Hình 2 [4] minh họa ảnh hưởng vủa B đối với Cp (Cp/ CL = 0) Tuy nhiên, sự khác biệt này chỉ lớn đối với rotor 1 cánh và 2 cánh còn giữa 3 và 6 cánh thì có thể bỏ qua

• Nếu B nhỏ thì cung cánh sẽ lớn vì vậy số Reynold cục bộ sẽ lớn Giá trị cực tiểu của CD/CL thấp hơn khi cánh khí động có số Reynold cao và vì vậy Cp cũng cao hơn Có nghĩa là Cp tăng theo sự tăng của cung cánh

uốn và chống lại sự rung động, không ổn định về mặt khí động thì cung cánh không nên quá nhỏ so với chiều dài cánh

• Với những rotor quay chậm thường có nhiều cánh Nếu dùng ít cánh thì cung cánh c sẽ lớn và điều này kết hợp với khoảng cách yêu cầu giữa rotor và cột sẽ dẫn đến moment lớn của lực bên của rotor quanh tâm cột Điều này có thể gây nên tình trạng không ổn định của hệ thống an toàn

• Động cơ gió dùng đuôi định hướng hay có hệ thống an toàn bằng cách quay bánh xe gió ra khỏi hướng gió thì phải có số cánh lớn hơn 3

- Tỷ tốc đầu mút cánh thiết kế (λd ) :

λd được chọn phụ thuộc yêu cầu moment khởi động của máy công tác Nếu bánh xe gió phối hợp tải với máy phát thì cần phải chọn

λd cao và nếu phối hợp tải với bơm piston có moment khởi động cao thì λd phải thấp Hệ số moment khởi động của rotor tăng nhanh với sự giảm λd

- Dạng profil của cánh là hàm của bán kính cục bộ r :

Dạng khí động của cánh có thể không đổi hoặc thay đổi như là 1 hàm

của bán kính cục bộ r Với rotor quay nhanh đầu mút cánh mỏng bởi vì nó có tỉ

số CD/CL thấp Phần dầy thuuộc về gốc cánh bời vì cần độ bền uốn

Ngoài ra, việc lựac chọn profil cánh của bánh xe gió còn phải phù hợp

với điều kiện công nghệ chế tạo và lắp đặt Bánh xe gió phải có kết cấu đơn

giản, dễ tháo lắp để có thể lắp ráp mà không đòi hỏi các phương tiện phức tạp

như cần cẩu… Có như vậy mới phù hợp với các vùng nông thôn Việt Nam

b Tính toán thông số hình học của cánh :

Giả sử bán kính rotor R, số cánh B, λd và dạng profil cánh đã được

chọn trước

Ta chia cánh ra thành một số tiết diện Số tiết diện nhiều hay ít tuỳ

thuộc vào độ chính xác yêu cầu Ở mỗi tiết diện đó ta sẽ tính (c) và (β)

Khoảng cách giữa những tiết diện này nên nhỏ hơn ở gốc cánh và lớn hơn ở

đầu mút cánh Giả sử cánh kết thúc ở khoảng O, 2R Một lựa chọn tốt đầu tiên

là lấy 7 vị trí từ A → G như minh họa hình dưới đây Sau đó ta lập thành bảng

biểu diễn tất cả các thông số đã tính toán cho từng vị trí khác nhau

http://www.ebook.edu.vn

Lưu ý : Bán kính r gốc cánh thường được lấy trong khoảng từ 0,2 – 0,3R

Bán kính này tạo nên 1 khoảng trống ở gốc cánh được gọi là cửa sổ cánh Cửa

sổ này là chỗ gió sẽ thoát ra sau, nó có tác dụng làm giảm trọng lượng cánh

(đặc biệt là đối với những động cơ gió nhiều cánh bơm nước) Nhiều khi do

điều kiện vật liệu người ta có thể làm cửa sổ này lớn hơn nhiều so với tỉ lệ 0,2

– 0,3R

Từ các giá trị tính toán của cung cánh (c) và góc đặt β để đảm bảo cánh

có kích thước triển khai thuận lợi, kinh tế, dễ gia công ta tiến hành tuyến tính

hoá các thông số hình học của cánh Việc tuyến tính hóa này sẽ gây nên sự

mất mát nhỏ về công suất nhưng nếu ta tiến hành một cách tinh tế thì phần

trăm mất mát này sẽ giảm

Biết rằng 75% công suất là do rotor nhận được từ nửa phần ngoài của

cánh vì diện tích quét biến thiên tỉ lệ với bình phương của bán kính rotor Chính

vì vậy việc tuyến tính hóa cung cánh và góc đặt cánh được tính toán ở 2 tiết

diện r1= 0,5R và r2 = 0,4R Có nghĩa là chiều dài cung cánh và góc đặt cánh

được tính toán ở 02 tiết diện trên sẽ được giữ nguyên còn các tiết diện khác sẽ

được tính lại Để làm việc này ta giải hệ phương trình sau :

Cr1 = a1.r1 + a2

Cr2 = a1.r2 + a2

Và

βr1 = b1r1 + b2

βr2 = b1r2 + b2

Sau khi xác định được các hệ số a1, a2, b1,b2 ta sẽ lần lượt tính lại các

thông số (c) và (β) ở mọi tiết diện

Từ các giá trị cmới này ta tính được hệ số choán : σ = Σ S cánh

Squét

Ta phải kiểm tra giá trị của hệ số choán theo đồ thị hoặc theo bảng σ sẽ phụ

thuộc vào λ nếu nó nằm ngoài giới hạn cho phép thì ta phải tiến hành lại việc

tính toán bằng cách tăng hoặc giảm số cánh và điều chỉnh λ

Có thể tính toán các thông số hình học của cánh theo 02 trường hợp sau :

o Tính cho trường hợp hệ số lực nâng không đổi trên suốt chiều dài cánh (CL = const)

o Tính cho trường hợp cung cánh c cố định: Trường hợp này chỉ sử dụng khi đã có sẵn loại tole làm cánh với kích thước cố định

Ở đây chúng ta sẽ tính toán các thông số hình học của động cơ gió bơm

nước và động cơ gió phát điện trong trường hợp CL = const

Để tính toán các thông số hình học của bánh xe gió ta cần các thông số

ban đầu và các công thức tính toán sau:

Đường kính cánh D Số cánh B

Hệ số lực nâng Góc tấn tối ưu Các công thức tính toán:

Tỷ tốc từng tiết diện : λr = λ.r/R

Diện tích cánh : Scánh = (C10 + C1) (r10 – r)/2

Tỷ số choán : σ = Scánh.B /Squét

http://www.ebook.edu.vn

§ 3 – 3 Tính toán thiết kế cánh của động cơ gió phát điện và bơm nước

BP 350 – 12, BP 450 – 12, PD 280 – 3 và PD 220 - 4

a- Động cơ gió bơm nước cột áp cao BP 350-12

Các thông số ban đầu:

• Bán kính cửa sổ gió (gốc cánh): r = 0,6m

Các thông số thay đổi cho từng phương án khác nhau:

Các số liệu tính toán được đưa dưới dạng bảng (phần phục lục) Dựa vào các

kết quả tính toán và việc phân tích số liệu gió, ta chọn các thông số hình học

cánh của động cơ gió bơm nước cột áp cao theo phương án: λ = 1,3 và B = 12

Bảng 2.1a Kết quả tính toán các thông số hình học của động cơ gió bơm nước

Tỷ số choán : δ = 0.49

Sau đó ta tiến hành tuyến tính hóa các thông số hình học của cánh và

các số liệu tính toán cũng được đưa vào bảng

b- Động cơ gió bơm nước cột áp thấp BP 450 – 12

Các thông số ban đầu:

• Bán kính cửa sổ gió (gốc cánh): r = 0,6m Các thông số thay đổi cho từng phương án khác nhau:

Tỷ số choán : δ = 0.47

8 1.88 21.7 0.35 -0.04 0.43 -13.6 47.3 21.7 0.35

9 2.07 20.0 0.34 -0.04 0.43 -13.6 47.3 19.2 0.35

10 2.25 18.5 0.32 -0.04 0.43 -13.6 47.3 16.7 0.34

c- Động cơ gió phát điện vận tốc chậm PD 280 – 3

Các thông số ban đầu:

• Bán kính cửa sổ gió (gốc cánh): r = 0,3m Các thông số thay đổi cho từng phương án khác nhau:

Diện tích quét : S quét

Diện tích cánh : S cánh

Tỷ số choán : δ = 0.19

d- Động cơ gió phát điện vận tốc nhanh PD 220 – 4

Các thông số ban đầu:

• Bán kính cửa sổ gió (gốc cánh): r = 0,3m Các thông số thay đổi cho từng phương án khác nhau: