Nghiên ứu máy phát điện gió sử dụng turbine trụ đứng

95 Trang 6 5 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮTAC Xoay chiều DC Một chiều HAWT Tuabine gió trục ngangMPPT Điều khiển tối ưu công suấtNLG Năng lượng gió NLTT Năng lượng tái tạ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

LÊ TUẤN ANH

NGHIÊN CỨU MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ

Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT ĐIỆN HƯỚNG THIẾT BỊ ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS NGUYỄN THẾ CÔNG

Hà Nội Năm 201 – 2

Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131683491000000

1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và là công trình nghiên cứu của tôi, chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày 17 tháng 09 năm 2012 Tác giả luận văn

Lê Tuấn Anh

2

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7

I MỞ ĐẦU 11

II NỘI DUNG 13

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ 13

1.1 SƠ LƯỢC VỀ PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG GIÓ TRÊN THẾ GIỚI 13 1.1.1 Nhu cầu và hiện trạng phát triển năng lượng gió 13

1.1.2 Lịch sử phát triển của công nghệ điện gió 15

1.1.3 Các công nghệ điện gió hiện nay 16

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KHAI THÁC NĂNG LƯƠNG GIÓ Ở VIỆT NAM 24

1.2.1 Nhu cầu năng lượng của Việt Nam 24

1.2.2.Các nghiên cứu về năng lượng gió tại Việt Nam 25

1.2.3 Quá trình phát triển công nghệ khai thác năng lượng gió ở Việt Nam 25

1.2.4 Cơ hội và thách thức khi triển khai dự án điện gió 28

CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ PHONG NĂNG VÀ ỨNG DỤNG Ở VIỆT NAM 31

2.1 Đặc điểm của gió và biến đổi năng lượng 31

2.1.1 Đặc điểm của gió 31

2.1.2 Sự biến đổi năng lượng khí động học thành năng lượng điện 33

2.2 Khí động lực học của turbine gió 36

2.2.1 Động lực học cánh gió turbine 36

2.2.2 Động lực học của rotor 39

2.3 ĐẶC ĐIỂM CỤ THỂ VỀ GIÓ Ở VIỆT NAM 41

2.3.1 Tốc độ gió, cấp gió 41

3

2.3.2 Chế độ gió ở Việt Nam 42

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HÓA CHO HỆ THỐNG TURBINE GIÓ TRỤC ĐỨNG CÔNG SUẤT NHỎ VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MPPT 45

3.1 Giới thiệu chung 45

3.2 Mô hình gió 47

3.3 Mô hình hóa turbine 48

3.3.1 Đặc điểm của turbine 48

3.3.2 Chuyển đổi điện 50

3.3.3 Đặc điểm của đường cong Cp 51

3.4 Mô hình của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu 53

3.5 Bộ chỉnh lưu PWM 61

3.6 Phương pháp MPPT 62

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG TURBINE GIÓ TRỤC ĐỨNG CÔNG SUẤT NHỎ 66

4.1 Giới thiệu về phần mềm khảo sát, mô phỏng 66

4.2 Xây dựng mô hình mô phỏng 66

4.2.1 Khối tốc độ gió 68

4.2.2 Khối turbine gió 70

4.2.2 Khối máy phát PMSG 72

4.2.3 Khối ổn định tốc độ 76

4.2.4 Khối tạo điện áp Vsref 77

4.2.5 Khối MPPT 78

4.2.6 Khối phát xung 79

4.2.7 Khối chỉnh lưu 80

4.2.8 Định nghĩa các tham số 80

4.3 Kết quả mô phỏng 80

4.3.1 Mô phỏng với tốc độ gió gần với thực tế 80

4.3.2 Mô phỏng với tốc độ gió cụ thể 86

III KẾT LUẬN 94

4

KẾT LUẬN CHUNG 94CÁC KIẾN NGHỊ VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 96

6

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Tổng công suất lắp đặt điện gió của một số nước trên thế giới 14

Bảng 2.1 Bảng cấp gió Beaufor 42

Bảng 2.2 Bảng tiềm năng gió ở Việt Nam 43

Bảng 3.1 Bảng thông số turbine 49

Bảng 3.2 Bảng thông số máy phát 54

7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Quá trình phát triển công nghệ điện gió thương mại ở Mỹ 15

Hình 1.2 Các công nghệ điện gió theo vị trí đặt turbine 16

Hình 1.3 Cấu tạo của turbine gió 17

Hình 1.4 Cấu tạo turbine gió trục ngang (hộp số, trục rô-to và phanh) 18

Hình 1.5 Nhà máy điện gió Doesburger, Ede, Hà lan 19

Hình 1.6 Turbine 1, 2 và 3 cánh quạt 19

Hình 1.7 Vận chuyển cánh quạt Turbine qua Edenfield ở Anh 20

Hình 1.8 Turbine Darrieus cao 30 m ở đảo Magdalen (Pháp) 23

Hình 1.9 Turbine Giromill 23

Hình 2.1 Hàm xác suất phân bố cho Rayleigh với các tốc độ gió trung bình khác nhau 32

Hình 2.2 Dữ liệu gió thử nghiệm 33

Hình 2.3 Khí động học chuyển đổi thành năng lượng điện 34

Hình 2.4 Tốc độ gió Vv và tốc độ đầu cánh Ω R 35

Hình 2.6 Hệ số công suất của các loại tuabin gió 36

Hình 2.7 Đường cong biểu diễn Kp 37

Hình 2.8 Các lực tác dụng lên cánh gió 38

Hình 2.9 Tác dụng của gió lên các cánh 40

Hình 3.1 Hệ thống điện gió 45

Hình 3.2 Cấu trúc turbine gió sử dụng bộ chỉnh lưu PWM 46

Hình 3.3 Cấu trúc turbine gió sử dụng chỉnh lưu diode băm xung– 46

Hình 3.4 Tốc độ gió – mô hình phân tích 47

Hình 3.5 Turbine trục đứng (R = 0,5m; H = 2m) 49

Hình 3.6 Kích thước hình học của cánh turbine gió Savonius 49

Hình 3.7 Sơ đồ khối của một turbine gió 50

Hình 3.8 Mô hình turbine gió trục đứng Savonius 51

Hình 3.9 Hệ số công suất theo hệ số tốc độ đầu cánh 52

8

Hình 3.10 Chuyển đổi năng lượng trong turbine gió (a) hoạt động “bình thường”

(b) hoạt động “hút- ventilateur” 52

Hình 3.11 Mô hình tính toán của turbine gió 53

Hình 3.12 Mạch tương đương trục d,q của PMSG 56

Hình 3.13 Đồ thị vector 57

Hình 3.14 Sơ đồ điều khiển dòng điện 58

Hình 3.15 Sơ đồ điều khiển tốc độ 59

Hình 3.16 Sơ đồ điều khiển tốc độ 60

Hình 3.17 Sơ đồ điều khiển tốc độ tương đương 60

Hình 3.18 Sơ đồ điều khiển tốc độ hoàn chỉnh 61

Hình 3.19 Bộ chỉnh lưu PWM 62

Hình 3.20 Tối ưu hóa tốc độ tham chiếu theo công suất 63

Hình 3.21 Sự hội tụ của sự theo dõi điều khiển tốc độ 64

Hình 3.22 Tối ưu momen theo tốc độ 64

Hình 3.23 Sự hội tụ khi giám sát điều khiển mô men 65

Hình 4.1 Mô phỏng hệ thống turbine gió trục đứng với gió gần với gió thực 67

Hình 4.2 Khối “Tốc độ gió” 68

Hình 4.3 Bên trong khối tốc độ gió 69

Hình 4.3 Mô phỏng gió trong thời gian 10s 69

Hình 4.4 Khối Turbine gió 70

Hình 4.5 Bên trong khối Turbine gió 70

Hình 4.6 Công suất turbine gió ứng với các tốc độ gió theo tốc độ Ω 71

Hình 4.7 Momen turbine gió ứng với các tốc độ gió theo tốc độ Ω 71

Hình 4.8 Khối máy phát PMSG 72

Hình 4.9 Bên trong khối PMSG 73

Hình 4.10 Khối Electrical model 73

Hình 4.11 Hàm tính momen Te 74

Hình 4.12 Khối abc2qd 74

Hình 4.13 Khối qd2abc 75

9

Hình 4.15 Khối ổn định tốc độ 76

Hình 4.16 Bên trong khối ổn định tốc độ 76

Hình 4.14 Mechanical model 76

Hình 4.17 Khối tạo Vabcref 77

Hình 4.18 Bên trong khối Vabcref 77

Hình 4.19 Khối Vsref 78

Hình 4.20 Khối MPPT 78

Hình 4.21 Bên trong khối MPPT 78

Hình 4.22 Khối phát xung 79

Hình 4.23 Bên trong khối phát xung 79

Hình 4.24 Khối chỉnh lưu 80

Hình 4.25 Tốc độ gió thay đổi trong thời gian mô phỏng 2s 81

Hình 4.26 Tốc độ Ω đặt 81

Hình 4.27 Tốc độ Ω khi có phương pháp MPPT 82

Hình 4.28 Hệ số công suất Cp khi tốc độ gió thay đổi 82

Hình 4.29 Công suất thu được theo phương pháp MPPT 83

Hình 4.30 Momen gió thu được 83

Hình 4.31 Dòng điện iabc 84

Hình 4.32 Điện áp Vabref 84

Hình 4.33 Momen điện từ Te của máy phát 85

Hình 4.34 Dòng điện isd 85

Hình 4.35 Dòng điện isq 86

Hình 4.36 Dòng điện id & idref 86

Hình 4.37 Hệ số công suất Cp khi tốc độ gió Vv = 6 m/s 87

Hình 4.38 Tốc độ Ω thực tế đạt được với Vv = 6 m/s 87

Hình 4.39 Công suất Pgió đạt được với Vv = 6 m/s 88

Hình 4.40 Dòng điện iabc với Vv = 6 m/s 88

Hình 4.41 Momen Tm với Vv = 6 m/s 89

Hình 4.42 Momen điện từ Te với tốc độ Vv = 6 m/s 89

10

Hình 4.43 Hệ số công suất Cp khi tốc độ gió Vv = 9 m/s 90

Hình 4.44 Tốc độ Ω thực tế đạt được với Vv = 9 m/s 90

Hình 4.45 Công suất Pgió đạt được với Vv = 9 m/s 91

Hình 4.46 Dòng điện iabc với Vv = 9 m/s 91

Hình 4.47 Momen Tm với Vv = 9 m/s 92

Hình 4.48 Momen điện từ Te với tốc độ Vv = 9 m/s 92

Năng lượng gió có tính không ổn định và mang tính chu kỳ hơn nữa năng , lượng gió thường phụ thuộc vào nhiều yếu tố đặc biệt là không gian và thời gian

Do đó, để thu được tối ưu năng lượng gió là vấn đề hết sức khó khăn và cần được đầu tư nghiên cứu hơn nữa Đối với trường hợp của nước ta, cũng như các nước khác trên thế giới, việc khai thác các loại năng lượng như thủy điện, than đá…đã gây một tác hại to lớn đặc biệt đó là sự biến đổi khí hậu, ảnh hưởng trực tiếp đến chúng ta như chúng ta đã thấy rõ rệt trong những năm gần đây nhiệt độ khí hậu : ngày càng tăng cao, bão thiên tai ngày càng nhiều…trong khí đó, nguồn năng , lượng gió ở nước ta là dồi dào tuy nhiên chưa được khai thác đúng mức và hiệu quả Trong những năm gần đây các hoạt động nghiên cứu, ứng dụng năng lượng gió để thiết kế những hệ thống phát điện ở nước ta đang phát triển khá mạnh mẽ và rộng khắp Hơn nữa, nước ta có những nơi vùng sâu vùng xa, điện lưới chưa thể kéo đến, đồng thời xây dựng những hệ thống điện gió lớn là không khả thi, việc sử dụng những hệ thống điện gió nhỏ là cần thiết và mang tính cấp bách, ngoài ra hệ thống điện gió còn hướng đến sử dụng cho những nơi gần khu dân cư nhằm giảm tải bớt cho hệ thống điện vốn chưa đủ đáp ứng của nước ta

Chính vì vậy đề tài “Nghiên cứu Máy phát điện gió sử dụng turbine gió trục đứng” mang tính cấp thiết và có ý nghĩa rất quan trọng điều kiện tình hình

kinh tế xã hội ở Việt Nam hiện nay.-

Trong cuốn luận văn này sẽ trình bày cơ bản về năng lượng gió ở Việt Nam

và trên thế giới, lý thuyết cơ bản về phong năng, nghiên cứu hệ thống năng lượng gió công suất nhỏ cụ thể nghiên cứu turbine gió trục đứng và máy phát điện đồng bộ

12

nam châm vĩnh cửu PMSG (Permanent Magnet Synchronous Generator), và phương pháp tối ưu năng lượng gió MPPT (Maximal Power Point Tracking) khi đã biết đường cong hệ số công suất Cp(λ), xây dựng mô hình toán học cho một hệ

thống năng lượng gió nhỏ sử dụng turbine trục đứng và máy phát điện đồng bộ có chỉnh lưu PWM Và phần cuối của luận văn, tác giả xin trình bày kết quả mô phỏng sau khi xây dựng mô hình toán của hệ thống trên

Từ những vấn đề được trình bày trong cuốn luận văn, hy vọng sẽ giúp ích cho nhiều cá nhân, tập thể muốn tìm hiểu về năng lượng gió và làm tham chiếu cho các thiết kế điện gió tại Việt Nam

Cấu trúc luận văn bao gồm những nội dung sau:

Chương 1 Tổng quan về năng lượng gió

Chương 2 Lý thuyết cơ bản về phong năng và ứng dụng ở Việt Nam

Chương 3 Mô hình hóa cho hệ thống turbine gió trục đứng công suất nhỏ và phương pháp điều khiển MPPT

Chương 4 Mô phỏng hệ thống máy phát điện gió sử dụng turbine gió trục đứng công suất nhỏ

Kết luận

Luận văn mang tính thời sự cao và hi vọng là cơ sở cho các đề tài nghiên cứu tiếp theo về điện gió tại Việt Nam Tuy đã có nhiều cố gắng nhưng do trình độ còn hạn chế nên sẽ ông tránh khỏi những thiếu sót, mong được sự góp ý để luận văn khhoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của TS NGUYẾN THẾ CÔNG; các

thầy cô bộ môn Thiết bị điện điện tử trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đồng – nghiệp trường Đại học Thủy lợi đã giúp đỡ tôi hoàn thành tốt luận văn này

Hà nội, ngày 17 tháng 09 năm 2012

Lê Tuấn Anh

13

II N I DUNG Ộ

1.1 SƠ LƯỢ C V PHÁT TRI Ề ỂN NĂNG LƯỢ NG GIÓ TRÊN TH GI I Ế Ớ

1.1.1 Nhu cầu và hiện trạng phát triển năng lượng gió

Theo đánh giá của các chuyên gia năng lượng, với mức độ sử dụng hiện nay, các nhiên liệu hoá thạch sẽ cạn kiệt trong vòng 100 năm nữa Trong hoàn cảnh đó, đương nhiên con người quan tâm đến việc tìm kiếm phương án thay thế nhiên liệu hoá thạch, đáp ứng nhu cầu năng lượng của mình Mặt khác trong nhiều thập niên , qua, những lo ngại về nóng ấm và biến đổi khí hậu toàn cầu đã bắt buộc các nhà lập chính sách tìm cách thoát khỏi việc dùng nhiên liệu hoá thạch, nguồn gốc gây nên phát thải khí nhà kính Trong hoàn cảnh này, đòi hỏi phát triển công nghệ khai thác nguồn năng lượng tái tạo Trong các loại năng lượng tái tạo, năng lượng gió thường

là lựa chọn hấp dẫn nhất cho phát triển nguồn điện mới nhìn từ góc độ kinh tế, an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường

Sau khi thu thập và tổng kết phân tích trên 8000 tài liệu về tiềm năng năng lượng gió trên các lục địa, người ta đã thiết lập được một bộ bản đồ phân bố năng lượng gió trên thế giới Theo bản đồ này gió có thể tạo ra được 72 terawatt điện năng, gấp 40 lần tổng sản lượng điện mà tất cả các quốc gia trên thế giới sử dụng trong năm 2000 Nếu con người chỉ khai thác được 20% tổng số này thì sẽ thỏa mãn mọi nhu cầu năng lượng của thế giới [9] Tốc độ gió trung bình trên toàn cầu và phân bố năng lượng gió trên đại dương vào 2 mùa mùa khô và mưa trong năm tương đối lớn (Hình 1.1 và Hình 1.2)

Tính đến năm 2008, tổng công su t các trấ ạm điện gió c a th giủ ế ới đã đạt trên 100.000 MW, với sản lượng điện đủ cung c p cho nhu c u sinh ho t hàng ngày cấ ầ ạ ủa

150 triệu người Dự kiến đến năm 2020, tổng công su t các trấ ạm điện gió c a thủ ế

giới sẽ đạt 2 3 triệu MW [17] Tổng công suất lắp đặt của một số nước trên thế ớ- gi i được th hi n trong Bể ệ ảng 1, trong đó: Đức hiện đứng đầu th gi i v ế ớ ề điện gió v i ớ

14

tổng công suất lắp đặt lên tới 22.000 MW và sẽ ếp tục phát triển các trạm điện gió ti

ở ngoài khơi Mặc dù M ỹ là nước có nguồn năng lượng hóa th ch r t lạ ấ ớn, cũng có

t ng ổ công suất điện gió hiện nay là 16.800 MW Tây Ban Nha hiện đứng thứ ba thế

giới với tổng công suất lắp đặt là 15.100 MW Đứng thứ tư trên thế ới về gi khai thác năng lượng gió là Ấn Độ ớ ổ v i t ng công su t lấ ắp đặt kho ng 8.000 MW M t ả ộđiển hình trong vi c phát triệ ển năng lượng gió là Trung Qu c Theo d ki n c a ố ự ế ủchính phủ nước này, đến năm 2020 sẽ đưa tổng công suất của các trạm điện gió của Trung Qu c hi n nay là 6.050 MW lên t i 30.000 MW ố ệ ớ

B ng 1.1 T ng công su t lả ổ ấ ắp đặt điện gió c a m t s ủ ộ ố nước trên th gi i ế ớ

STT Qu c gia ố Công su t ấ

Công su t ấ (MW)

10 Bồ Đào Nha 2.150 21 Những nước khác 2.953

15

1.1.2 Lịch sử phát triển của công ngh ệ điện gió

Năng lượng gió đã được sử dụng từ hàng nghìn năm nay Con người đã dùng năng lượng gió để di chuyển thuyền buồm hay khinh khí cầu, ngoài ra năng lượng gió còn được sử dụng để tạo công cơ học nhờ vào các cối xay gió Năng lượng gió

có thể được khai thác để sử dụng rất nhiều trong cuộc sống hàng ngày nhưng hiện nay việc khai thác thương mại và sử dụng chủ yếu là để phát điện

Lúc đầu nguyên tắc của cối xay gió chỉ chuyển đổi động năng của gió thành năng lượng cơ học Ý tưởng dùng năng lượng gió để sản xuất điện hình thành ngaysau các phát minh ra điện và máy phát điện Đan Mạch là quốc gia đầu tiên trên thế giới xây dựng trạm phát điện bằng sức gió với công suất nhỏ 5-25 kW Khi bộ môn

cơ học dòng chảy tiếp tục phát triển thì các thiết bị xây dựng và hình dáng của cáccánh quạt cũng được chế tạo đặc biệt hơn Ngày nay người ta gọi đó , turbine gió, khái niệm cối xay gió không còn phù hợp nữa vì chúng không còn có thiết bị nghiền

Công nghệ chế tạo turbine gió ngày càng phát triển với thiết kế tối ưu, kiểu dáng đẹp, vật liệu siêu bền và nhẹ Đường kính rotor ngày càng tăng đồng thời với

CS: 750KW Rotor: 46 m

CS: 3,6 MW Rotor: 104 m

CS: 1,5 MW Rotor: 77 m

CS: 2,5 MW Rotor: 93 m

Hình 1.1 Quá trình phát triển công nghệ điện gió thương mại ở Mỹ

Những năm

1990

16

công suất điện tạo thành tăng Hình 1.1 dưới đây mô tả quá trình phát triển công nghệ điện gió thương mại ở Mỹ, có các bước tương đồng với quá trình phát triển điện gió trên thế giới, trong đó bước phát triển đáng chú ý là đưa các cánh đồng quạt gió từ đất liền ra ngoài vùng biển có độ sâu đến hơn 100m để tránh nhược điểm chiếm diện tích đất sinh sống lớn của các cánh đồng quạt gió ở trên bờ, đường kính rotor khoảng 20m vào giữa những năm 1980 thì hiện nay đường kính rotor đã đạt được hơn 100m (lớn hơn so với cánh quạt của máy bay 747)

1.1.3 Các công ngh ệ điện gió hiện nay

Hiện nay, công nghệ điện gió rất phát triển, ngoài các dự án điện gió trên bờ người ta đã đưa điện gió ra ngoài khơi xa (Hình 1.1 và hình 1.2)

Dù là điện gió trên bờ hay ngoài khơi, công nghệ điện gió hiện nay có thể

chia thành 2 nhóm chính là turbine gió trục ngang và turbine gió trục thẳng đứng.

+ Turbine gió trục ngang (HAWT - Horizontal Axis Wind Turbine)

+ Cấu tạo chung (Hình 1.3 và hình 1.4)

Turbine trục ngang truyền thống bao gồm các phần:

Turbine

trên bờ

Turbine cột đơn, độ sâu 0-30m Turbine đế

3 chân, cố định, độ sâu 20-80m

Turbine đế nổi, độ sâu 40-900m

Công nghệ hiện nay

Hình 1.2 Các công nghệ điện gió theo vị trí đặt turbine

17

í Trục rotor chính: Rotor là bộ phận chiếm 20% chi phí của turbine gió, bao gồm các cánh quạt để chuyển năng lượng gió thành chuyển động quay tròn với vận tốc thấp hơn

í Bộ phận phát điện, thường chiếm 34% chi phí turbine, bao gồm máy phát điện, bộ điều khiển điện (control electronics) và bộ phận hộp số để chuyển chuyển động quay tốc độ nhỏ đầu vào thành chuyển động quay tốc độ cao đủ

để phát điện

í Thành phần xây dựng hỗ trợ (structural support component), chiếm 15% chi phí lắp turbine, bao gồm tháp, bộ phận truyền chuyển động (yaw mechanism) Các turbine nhỏ được định hướng bằng van gió đơn giản, trong khi đó turbine lớn thường sử dụng các cảm biến gió (wind sensor) đi kèm với các motor phụ Và chúng đều có hộp số để chuyển các chuyển động quay chậm của cánh quạt thành chuyển động quay nhanh hơn đáp ứng với điều kiện đầu vào của bộ phận phát điện

Do tháp gió sản sinh nhiễu loạn ngay sau nó, nên turbine thường hướng thẳng vào chiều gió đang thổi vào tháp (upwind gió nghịch) Cánh quạt được làm –

Trục quay chậm Bánh răng

Máy phát

Thiết bị đo Hộp điều

khiển

Van gió

Vỏ Trục quay nhanh

Hướng gió

Phanh

Truyền động

Động cơ Truyền động Cánh Cột tháp

Hình 1.3 Cấu tạo của turbine gió

+ Các loại turbine trục ngang

í Quạt gió thế kỷ 12: Có cấu trúc lùn, ít nhất 4 cánh quạt, thường có bản hứng

gió bằng gỗ hoặc bằng vải (Hình 5), được phát triển ở Châu Âu Những 1.quạt gió này được điều chỉnh để hướng vào gió bằng tay hoặc thông qua quạt hậu, và thường được sử dụng để xay ngũ cốc Ở Hà Lan, chúng cũng được sử dụng để bơm nước từ vùng đất thấp, và là công cụ để giữ cho vùng đất này luôn khô ráo

í Quạt gió thế kỷ 19: Quạt gió Eclipse được xây dựng vào những năm 1866 ở

Beloit, Wisconsin và sớm thành công bơm nước cho trang trại và bơm đầy các bể chứa đường sắt Rất nhiều quạt gió này được sản xuất trước khi điệnhóa về nông thôn, sau đó vẫn có 1 số lượng nhỏ tiếp tục hoạt động Điện hóa Hình 1.4 Cấu tạo turbinegió trục ngang (hộp số, trục rô-to và phanh)

19

nông thôn ở Mỹ đã liên kết rất nhiều trang trại xây dựng trạm phát điện tập trung, thay thế các trạm điện gió cá thể của những năm 1950 Chúng cũng được phát triển ở các nước như Nam Phi, Úc…

Hình 1.5 Nhà máy điện gió Doesburger, Ede, Hà lan

í Turbine gió hiện đại: Các turbine này được sử dụng trong các trang trại điện

gió để sản xuất điện công nghiệp, thường có 3 cánh (turbine 2 hoặc 1 cánh quạt ít được sử dụng) và quay về hướng gió bằng mô tơ kiểm soát bởi máy tính (Hình 6) Các 1 turbine này có tốc độ đầu mút cao, thường cao hơn Turbine 1 cánh Turbine 2 cánh Turbine 3 cánh

Hình 1.6 Turbine 1, 2 và 3 cánh quạt

20

320km/h, hiệu suất cao Tháp bằng thép hình trụ cao từ 60 90m Cánh quạt quay từ 10 22 vòng/phút Hộp số thường dùng để tăng tốc độ của máy phát -Tất cả các turbine đều có bộ ngắt để tránh hư hỏng khi có gió quá to

-+ Ưu điểm

í Bệ tháp cao cho phép tiếp cận gió mạnh hơn, hướng gió hoặc tốc độ gió thay đổi hoặc cả hướng gió và tốc độ gió thay đổi, năng lượng đầu ra lên 34% mỗi khi lên cao 10m

+ Nhược điểm

í Tháp cao và cánh quạt có thể dài tới 40 50m, rất khó vận chuyển (Hình- 1.7), chi phí vận chuyển hiện nay có thể bằng 20% chi phí thiết bị;

Hình 1.7 Vận chuyển cánh quạt Turbine qua Edenfield ở Anh

í HAWT cao nên khó lắp đặt, cần phải có cần trục rất cao, giá thành cao và người vận hành phải có kỹ năng;

í Xây dựng tháp lớn cần phải cung cấp các cánh quạt nặng, hộp số và bộ phận phát điện;

í Phản xạ từ HAWT cao có thể ảnh hưởng đến các radar gây nhiễu tín hiệu mặc

dù đã được lắp bộ lọc khử nhiễu;

í Chiều cao của chúng làm hạn chế tầm nhìn trên diện tích rộng lớn, làm ảnh hưởng đến cảnh quan và đôi khi tạo nên các đối lập cục bộ;

Khó có thể đặ t turbine thẳng đứng trên tháp cao, có nghĩa là chúng thường đượ ắ ở ịc l p v trí g n đ ầ ế hơn, như mặt đất ho c nóc các tòa nhà nơi có độặ cao th p, ấ

tốc độgió thấp hơn nên năng lượng thu được thấp hơn

Dòng không khí gần mặt đất và các vật th khác có thể ể ạ t o các dòng nhiễu động, điều này có th gây ra vể ấn đề ề độ v rung, bao g m ti ng đ ng và hao mòn, có ồ ế ộ

th ểlàm giảm tuổi thọ ủa thiết bị Nếu độ cao của đòn nóc đặt tháp c turbine xấp xỉ50% độ cao của tòa nhà, độ cao này g n tầ ối ưu để năng lượng gió đạ ựt c c đ i, nhi u ạ ễ

động gió c c ti u ự ể

+ Một số loại turbine trục đứng

í Turbine Darrieus (Hình 8) là 1 turbine trục đứng mang tên nhà sáng chế Pháp

- Georges Jean Marie Darrieus, phát minh ra năm 1931

í Turbine Giromill (Hình 9): là 1 loại 1 turbine trục đứng, trong đó cánh dài cong theo hình máy đánh trứng của turbine Darrieus được thay thế bằng các cánh thẳng, gắn với cột trung tâm

+ Ưu điểm

í Turbine loại này ít được sử dụng, thường được đặt ở gần mặt đất, được xây dựng ở những nơi HAWT bị cấm sử dụng, máy phát được đặt gần mặt đất hơn, dễ dàng bảo hành và thay thế các bộ phận, tốc độ khởi động thấp hơn

22

turbine trục ngang, chúng thường khởi động tạo điện với tốc độ 6.m.p.h (10km/h), VAWT được đặt gần mặt đất nên có thể tận dụng các vị trí như nóc nhà, đỉnh đồi và ống khói, đường giao thông… những nơi có thể làm tăng vận tốc của gió, VAWT được đặt gần mặt đất để tận dụng các vị trí và ít tạo ra tiếng ồn hơn

+ Nhược điểm

í VAWT phải sử dụng các dây chằng để giữ cho hệ thống đứng yên, đáy chịu toàn bộ trọng lượng của rotor nằm trên trụ Các dây chằng được nối với đỉnh trụ giảm áp lực hướng xuống mỗi khi gió giật; Với rotor đặt gần mặt đất, là nơi tốc độ gió thấp hơn do cản trở bề mặt địa hình, VAWT không sản xuất được nhiều điện như HAWT ở cùng độ cao

Các turbine trục đứng và ngang đã được đưa ra khai thác gió ngoài khơi với các đặc điểm đã được cải tiến rất nhiều so với turbine gió hiện đang lắp đặt trên bờ như:

í Turbine ở ngoài khơi thường được lắp đặt là turbine trục ngang, có kích thước lớn hơn turbine trên bờ để đón gió mạnh hơn và tạo ra điện nhiều hơn Một turbine trên bờ hiện nay thông thường được lắp đặt ở độ cao 60-80m và cánh quạt dài 30 40m còn hầu hết các - turbine ngoài khơi có độ dài và ở độ cao lớn hơn so với mức này

í Turbine ngoài khơi có các yêu cầu kỹ thuật mà turbine trên bờ không cần đến

để có thể chịu được khí hậu khắc nghiệt ngoài khơi Các cải tiến bao gồm:

- Các turbine gió được thiết kế, chế tạo để có thể vận hành trong dải tốc độ gió rộng từ 3 4 m/s đến 25 m/s tức là khoảng 90 km/h tương đương sức gió bão - -cấp 9, cấp 10

- Cột chắc khỏe hơn để chống chọi với sóng gió, bảo vệ máy do không khí biển và các móng màu sáng để tàu thuyền tránh qua lại và để bảo dưỡng Turbine ngoài khơi được sơn chống ăn mòn bên ngoài, các cần trục gắn liền

23 Hình 1.8 Turbine Darrieus cao 30 m ở đảo Magdalen (Pháp)

Hình 1.9 Turbine Giromill

24

- Để giảm tối thiểu các dịch vụ đắt tiền, turbine ngoài khơi có hệ thống tra dầu mỡ tự động để bôi trơn các cánh quạt, các hệ thống làm mát, làm ấm để duy trì nhiệt độ của dầu mỡ Hệ thống bảo vệ nhanh để làm giảm các nguy cơ thiệt hại do dừng đột ngột thường xảy ra trên biển

Có thể lắp đặt các turbine ở các vị trí có độ sâu từ 0 m 900 m Dựa vào độ - sâu lắp đặt có thể chia thành 2 loại :

+ Turbine vùng nước nông (0 m -30 m);

+ Turbine vùng nước sâu (30 m - 900 m)

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KHAI THÁC NĂNG LƯƠNG GIÓ Ở

VI T NAM Ệ

1.2.1 Nhu cầ u nă ng lượ ng của Vi t Nam ệ

Xu thế rất rõ nét trong cân bằng năng lượng của Việt Nam là cung ngày càng nhỏ hơn cầu Tốc độ sử dụng năng lượng thương mại của Việt Nam tăng nhanh hơn tốc độ tăng trưởng kinh tế Việt Nam Trong 19 năm từ 1998 đến 2007, sử dụng năng lượng thương mại đã tăng với tốc độ trung bình là 12,1%/năm, trong khi GDP của Việt Nam tăng 7,3%/năm Tổng lượng năng lượng của Việt Nam tăng từ 387 kgoe (kg quy đổi ra dầu) trên 1000$ GDP vào năm 1998 đến 573 kgoe/1000USD năm 2007 [6]

Trong khi đó, Việt Nam đứng trong số 15 nước có số dân đông nhất thế giới, nhưng về nguồn năng lượng hóa thạch không tái tạo (dầu, khí, than, uranium), Việt Nam chỉ đứng vào hàng trung bình thấp của thế giới Hiện nay nhiên liệu hóa thạch nội địa ngày càng cạn kiệt, giá dầu thế giới tăng cao và sự phụ thuộc ngày càng nhiều hơn vào giá năng lượng thế giới, khả năng đáp ứng năng lượng đủ cho nhu cầu trong nước ngày càng khó khăn và trở thành một thách thức lớn

Vì vậy, việc phát triển các nguồn NLTT ngày càng có vai trò lớn trong cân bằng năng lượng và có ý nghĩa quan trọng trong vấn đề an ninh năng lượng của Việt Nam

25

1.2.2.Các nghiên cứu về năng lượng gió tại Việt Nam

Dự án đầu tiên đánh giá định lượng tiềm năng gió của Việt Nam được tiến hành trong 3 năm 1998-2001 do Ngânhàng Thế giới (WB) tài trợ và do Công ty tư vấn True Wind Solutions (Mỹ) thực hiện Dự án đã xây dựng ‘Bản đồ tài nguyên NLG của Đông Nam Á’(Wind Energy Resource Atlas of South East Asia-WB), gọi tắt là bản đồ gió BĐG 01, bản đồ được phát hành tháng 9/2001 BĐG 01 là tập tài - -liệu đánh giá tiềm năng tài nguyên gió cho bốn nước Campuchia, Lào, Thái lan và Việt Nam BĐG 01 được thực hiện dựa trên phần mềm mô hình mô phỏng thời tiết -

‘MesoMap’ Tại Việt Nam, Atlas đã sử dụng số liệu mặt đất của 9 trạm khí tượng của Viện Khí tượng thủy văn Việt Nam và trạm Phước Hòa – Bình Định của viện Vật lý địa cầu

Ngoài ra, còn có nhiều nghiên cứu tiềm năng năng lượng gió của các nhà khoa học trong nước như các nghiên cứu của TS.Tạ Văn Đa, PGS.TS Trần Việt Liễn, Trần Hữu Quốc …

1.2.3 Quá trình phát triển công nghệ khai thác năng lượng gió ở Việt Nam

1.2.3.1 Giai đoạn trước năm 2000

Công nghệ điện gió đã được nghiên cứu và tự chế tạo tại Việt Nam hoặc mua của nước ngoài, của các Viện nghiên cứu và trường học hoặc tư nhân với quy mô công suất nhỏ từ 200 W hoặc 300 W đến 3 kW Các dự án điện gió được tiến hành tại các vùng không có lưới điện quốc gia Tuy nhiên có số lượng ít, tuổi thọ thiết bị ngắn từ 6 tháng đến 1 năm

1.2.3.2 Giai đoạn sau năm 2000

+ Dự án điện gió tại Hải Hậu (Nam Định)

Turbine có công suất 30 kW + 10kW diesel do tổ chức NEDO Nhật bản trợ giúp thiết bị Dự án mang tính chất nghiên cứu thử nghiệm do trung tâm năng lượng mới của trường Đại học Bách khoa Hà Nội tiếp nhận và lắp đặt tại biển Hải Thịnh - Nam Định Trạm điện này đã hoạt động với các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật tương đối hấp dẫn cho đến khi khu vực xung quanh trạm mọc lên các ngôi nhà ở của dân cao

26

3-5 tầng che kín mọi hướng gió Hiện nay máy ngừng hoạt động không khai thác được do bị hỏng hóc và không được tu sửa

+ Dự án điện gió 2 W và diesel tại Kontum k

Dự án cũng do NEDO tài trợ và do viện Năng lượng thực hiện Dự án đã phát huy tác dụng

+ Dự án điện gió 800 W Bạch Long Vĩ k

Do Trung ương đoàn Thanh niên cộng sản Hồ Chí Minh làm chủ đầu tư bằng nguồn vốn ngân sách cấp Đơn vị thực hiện tổng đội TNXP Hải Phòng thực hiện

Dự án gồm một turbine gió có công suất 800 W, thiết bị k turbine MADE AE52800kW của hãng Made endesa Tây Ban Nha 800 kVA; 2 máy phát điện diezel công suất 414 VA/máy và hệ thống mạng lưới, nhà điều hành… với tổng vốn đầu tư là k

-34 tỷ đồng Sau bốn năm xây dựng và lắp đặt, cánh quạt gió bắt đầu quay và phát điện năm 2004 với công suất từ 50 kW đến 400 W Máy chỉ duy trì hoạt động kđược 1 năm và không liên tục Trạm điện đã ngừng hoạt động từ tháng 6 năm 2006 – Nguyên nhân là do phương án lựa chọn thiết bị không phù hợp Ngay thời gian vận hành đầu tiên có chuyên gia trực tiếp vận hành và xử lý nhưng hệ thống thiết bị

đo điều khiển tự động thường xuyên hư hỏng, phải sửa chữa thay thế Khi hết thời gian bảo hành, chuyên gia về nước, lực lượng vận hành của trạm không đủ trình độ khắc phục Đảo xa đất liền nên không có chuyên gia có trình độ chuyên môn cao để

hỗ trợ Trạm điện gió phải ngừng hoạt động

+ Dự án điện gió Tuy Phong – Bình Thuận – công suất 30 MW

Do công ty cổ phần Năng lượng tái tạo Việt Nam làm chủ đầu tư, sử dụng thiết bị của hãng Flurender, đã lắp đặt và đưa vào vận hành 5 tổ máy 7,5 MW hòa với lưới điện quốc gia Đây là dự án có quy mô công nghiệp do 1 công ty đầu tư củaViệt Nam đã mạnh dạn thực hiện đã thành công Nhà máy đã hòa với lưới điện quốc gia, nhưng chưa có hợp đồng giá điện chính thức Hiện công ty đang tiếp tục xây lắp 15 tổ máy còn lại đạt công suất 30 MW và có thể nâng lên 120MW

+ Dự án điện gió và diesel của đảo Lý Sơn Quảng Ngãi: -

+ Có 17 dự án đã đo gió hoặc đang lập báo cáo đầu tư, dự án đầu tư

Một số dự án đã có giấy phép đầu tư tổng công suất đạt 1.308 MW Các dự

án này chủ yếu chờ cơ chế giá điện

- Dự án điện gió Phương Mai I: gặp rất nhiều khó khăn trong việc đàm phán bán giá điện Năm 2004: Dự kiến đầu tư với công suất 15 MW, đã đề nghị Tập đoàn điện lực và chính phủ cho bán giá điện 5cent USD/KWh đã không được chấp nhận

Từ 2005 2007: Dự kiến đầu tư với công suất 50 MW, đã liên doanh với Cộng hòa Liên bang Đức tính toán và lập xong dự án với yêu cầu giá điện được bán 5,5 cent EUR tương đương 6,7cent USD/KWh Giá điện không được chấp nhận, phía Đức không vay được tiền của Ngân hàng Phát triển Liên bang Đức Dự án phải ngừng thực hiện

-Phương Mai I 30MW: tháng 11 năm 2009 đã được UBND tỉnh Bình Định cấp giấy phép đầu tư, hiện đang tiến hành xét thầu mua thiết bị turbine không hộp

-số loại AV 928 của hãng AVANTIS trụ sở tại Hồng Kông và EWT 2,0 MW của Hà Lan, và hãng XEMC loại turbine Z8 2,2 MW của Trung Quốc và triển khai dự án Với khung giá được chính phủ xét duyệt dự án có thể thực hiện được với hiệu quả kinh tế cao

- Và một số dự án khác như: Công ty Đầu tư & Phát triển năng lượng sạch châu Á (AGECO tp SG) với hai dự án trạm điện gió Tiến Thành và Phước Thể ở - Bình Thuận với công suất lắp đặt lần lượt là 51 và 30 MW; Công ty cổ phần NLG Trung ương (CWP Central Wind Power Joint Stock Company) với dự án Phương - Mai 3 công suất 21 MW; Công ty cổ phần Năng lượng Sài Gòn Bình Định với dự -

í Nếu không có trợ giá của chính phủ cũng như các chính sách hỗ trợ, ưu tiên, chắc chắn các dự án NLG này không thể đi vào hoạt động và cạnh tranh với các hình thức sản xuất điện truyền thống Mới đây, theo thoả thuận ký kết giữa Bộ Công Thương và Tổ chức Hợp tác Kỹ thuật Đức (GTZ) tại Hà Nội, GTZ sẽ hỗ trợ 1 triệu Euro cho Việt Nam thực hiện dự án “Xây dựng khung pháp lý và hỗ trợ kỹ thuật cho điện gió nối lưới tại Việt Nam” trong giai đoạn 2009-2011 Dự án sẽ giúp triển khai một số chương trình như xây dựng khung pháp lý cho điện gió nối lưới và quy trình quy hoạch điện gió, chương trình thúc đẩy tiến bộ khoa học về điện gió và tư vấn các dự án điện gió tại Việt Nam

í Dự án Đánh giá tiềm năng gió tại một số địa điểm tại Việt Nam của Bộ Công thương do WB tài trợ đã lựa chọn 3 địa điểm đo gió (Phan Rang, Phan Thiết

và Pleiku) Căn cứ vào kết quả đo gió đã tính toán giá thành điện gió cho 3 dự

án và đã trình khung giá điện gió hòa lưới điện quốc gia giá điện từ 6,37 đến 15,5 cent USD/KWh để Bộ Công Thương xem xét và trình Chính phủ phê duyệt Đây là cơ hội rất quan trọng nó giúp giải quyết những khó khăn mà các

dự án điện gió mà thời gian qua gặp phải Đây là cở sở quan trọng để bộ Công Thương và Chính phủ xem xét duyệt khung giá điện gió và cho các nhà tư vấn, nhà đầu tư tham khảo trong quá trình xây dựng dự án điện gió

í Tiềm năng gió của Việt Nam đã được xác định tương đối rõ được nhiều tổ chức trong nước và nước ngoài quan tâm và có kế hoạch đầu tư

29

í Năm tổ máy 1,5 MW của nhà máy điện Tuy Phong đã hòa lưới điện quốc gia

và vận hành tốt, 25 tổ máy đang được tiếp tục xây lắp Sự thành công của nhà máy này tạo niềm tin cho các nhà đầu tư khác tích cực triển khai các dự án điện gió

í Giá điện của Việt Nam chưa theo đúng cơ chế thị trường và phù hợp với thực

tế, Điện gió khó cạnh tranh được với nguồn truyền thống các nhà đầu tư không tham gia đầu tư Thách thức này sẽ được khắc phục khi giá than và giá điện tiến tới giá cả của thị trường Hơn nữa khi có khung giá điện gió thì đây không còn là thách thức nữa

í Năng lượng tái tạo nói chung và NLG nói riêng phát triển không phải là tiền bạc mà là các chính sách sáng kiến và viễn kiến của rất nhiều chính phủ trên thế giới Nói cách khác, chính sách khôn ngoan sẽ tạo ra tiền bạc Nhiều nước

đã ban hành hàng loạt các chính sách ưu đãi (CSƯĐ) (feed-in policies), luật

ưu đãi (feed in law), giá ưu đãi (feed in tariffs), trợ cấp vốn đầu tư, miễn trừ - hoặc giảm thuế cho sản xuất NLG, chứng nhận giảm khí thải (CER), v.v để khuyến khích, thúc đẩy phát triển NLG CSƯĐ đối với năng lượng tái tạo tại Việt Nam (~0/10), Campuchia (1/10); Indonesia (1/10); Thailand (4/10); Trung Quốc (6/10); Philipin (4/10); Ấn Độ (8/10)

-í Điện gió còn mới đối với Việt Nam hơn nữa còn thiếu các nhà tư vấn và hệ thống quản lý Để khắc phục thách thức này cần đúc rút kinh nghiệm các bài học thành công và thất bại của 10 năm phát triển của điện gió vừa qua, đồng thời cần tổ chức đào tạo tiếp thu kiến thức và kinh nghiệm của nước ngoài một cách kịp thời

í Thiết bị chủ yếu là nhập khẩu, toàn bộ phụ tùng thay thế phụ thuộc vào hãng cung cấp nước ngoài Tiềm lực về cơ sở kinh tế kỹ thuật cũng như nhân lực trong nước khá mạnh nếu có kế hoạch và biện pháp tổ chức chúng ta có thể chủ động bảo đảm phục vụ cho việc sữa chữa thay thế cho các turbine điện

về nguồn vốn Vì thế mới có một số dự án nhỏ về NLG trên bờ nhưng chưa đạt được hiệu quả Việc tiến tới NLG ngoài khơi còn cần cả một quá trình lâu dài về nâng cao nhận thức về năng lượng tái tạo

K t lu n ế ậ

Qua việc tìm hiểu về tình hình khai thác năng lượng hiện nay trên thế giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng, ta thấy rằng việc phát triển nguồn năng lượng tái tạo là vô cùng cần thiết và là nhiệm vụ cấp bách, trong đó có nguồn năng lượng gió Trên thế giới, công nghệ điện gió ngày càng được phát triển mạnh mẽ và có hướng đi đúng Với nguồn năng lượng gió tương đối dồi dào, Việt Nam cần phải quan tâm nghiên cứu và đầu tư hơn nữa, xem đây là nhiệm vụ cần thiết trong tương lai

31

ỨNG DỤNG Ở VIỆT NAM2.1 Đặ c đi ể m củ a gió và bi ế n đ ổi năng lượ ng

Sử dụng năng lượng gió hiệu quả là một nhiệm vụ khó khăn Như với tất cả các nguồn năng lượng, vấn đề về hiệu suất hoạt động của thiết bị luôn được đưa ra

và cần giải quyết tối ưu Tuy nhiên, trước khi giải quyết các khía cạnh kỹ thuật của nghiên cứu, chúng ta sẽ tóm tắt một số các đặc tính của tài nguyên gió

2.1.1 Đặc điểm c a gió ủ

Gió trên Trái đất hình thành do sự chênh lệch áp suất trên bề mặt Trái đất tạo

ra bởi sự nóng lên không đều của trái đất nhờ bức xạ nhiệt mặt trời Ví dụ, một lượng bức xạ nhiệt được hấp thụ ở xích đạo lớn ở hai cực Sự biến đổi trong năng lượng hấp thụ tạo nên những dòng đối lưu tại tầng thấp hơn của khí quyển (tầng đối lưu) Vì vậy, trong một mô hình luồng đơn giản, không khí nâng lên tại xích đạo và

hạ thấp dần ở hai cực Sự lưu thông của không khí do sự nóng lên không đều bị ảnh hưởng rất lớn của sự tự quay quanh trục của Trái đất (với tốc độ khoảng 600 km/h tại xích đạo, giảm dần đến 0 ở hai cực) Bên cạnh đó, năng lượng mặt trời thay đổi theo mùa cũng tạo nên sự đa dạng của gió

Gió là nguồn năng lượng thay đổi và các giá trị dữ liệu của các đại lượng đo

từ gió thường là rất lớn Vì vậy các phương pháp thống kê được sử dụng để mô tả , gió Các phương pháp thống kê được sử dụng để dự đoán tiềm năng năng lượng tại một vùng nơi mà chúng ta cần phải biết các thống kê phân bố gió Hai phương , pháp thống kê phân bố gió là phân bố Rayleigh và phân bố Weibull Phân bố Rayleigh dựa trên tốc độ gió trung bình trong khi đó phân phối Weibull có thể được suy ra từ tốc độ gió trung bình và độ lệch chuẩn do đó nó chính xác hơn, tuy nhiên cần phải biết thêm một số thông tin về vùng đó Phân bố Rayleigh đơn giản hơn phân bố Weibull bởi nó có sai số tiêu chuẩn là 0,523 lần tốc độ gió trung bình Vì vậy phân bố Rayleigh được sử dụng trong các mô phỏng bởi nó đơn giản hơn.Xác suất phân bố p v( ) cho một Rayleigh được xác định:

32

( )

2 4 2

2

v v

Một đặc điểm quan trọng nữa của gió là sự nhiễu loạn Sự nhiễu loạn của gió gây ra bởi sự hao mòn năng lượng từ động năng của gió thành nhiệt năng qua sự tạo

ra và biến mất không ngừng của những cơn gió xoáy nhỏ hơn (hay những cơn gió mạnh) Gió nhiễu loạn có thể có tốc độ trung bình không đổi trong khoảng 1 giờ hoặc hơn nhưng trong những khoảng thời gian ngắn hơn (phút hoặc ít hơn) nó có thể khá biến động Sự biến thiên của gió có vẻ như khá ngẫu nhiên nhưng thực tế nó

có những đặc trưng không rõ ràng Những đặc trưng này được diễn tả bằng một số đặc tính được thống kê như cường độ nhiễu loạn, hàm mật độ xác suất tốc độ gió,

Hình 2.1 Hàm xác suất phân bố cho Rayleigh với các tốc độ gió trung bình

33

sự tự tương quan…Thống kê cơ bản nhất của sự nhiễu loạn là cường độ nhiễu loạn,

nó được đo bằng tỷ số giữa độ lệch chuẩn của tốc độ gió với tốc độ trung bình Cường độ nhiễu loạn thường trong khoảng 0,1 đến 0,4 Thông thường cường độ nhiễu loạn lớn nhất xảy ra ở những tốc độ gió thấp nhất, nhưng giá trị giới hạn thấp nhất tại một địa điểm cho trước sẽ phụ thuộc vào những đặc điểm địa hình và điều kiện bề mặt tại chỗ Hình 2.2 minh họa biểu đồ của một phần dữ liệu gió tại tần số 8

Hz Tốc độ trung bình trong dữ liệu là 10,4 m/s và độ lệch chuẩn là 1,63 m/s Vì vậy cường độ nhiễu loạn trong khoảng thời gian 10 phút là 0,16 Dữ liệu gió này gần với chuỗi gió thực tế

2.1.2 S biự ế n đ ổi năng lượng khí độ ng học thành năng lượng điện

Dòng không khí chuyển động giống như bất kỳ một vật thể chuyển động nào khác đều có một động năng Một trong các dạng sử dụng động năng là biến nó thành cơ năng Động năng của vật thể bất kỳ kể cả năng lượng gió được xác định bằng biểu thức:

2 (J) 2 v mV

ta cần xem xét tiếp những vấn đề sau đây

+ Tỷ số tốc độ đầu cánh (tip – speed ratio)

Tỷ số tốc độ đầu cánh là một hệ số cụ thể của turbine gió, nó được định nghĩa bằng tỉ lệ của tốc độ đầu cánh của turbine gió Ω Rvới tốc độ hiện tại của gió

Vv:

v

R V

1 v

gió gió

p

SV

P P

P C

ρ

=

Trong đó:

Pgiólà công suất hấp thu của turbine (W)

Slà diện tích quét bề mặt của turbine gió (m2)

Tốc độ gió

Hình 2.4 Tốc độ gió Vv và tốc độ đầu cánh Ω R

Tốc độ đầu cánh

Tốc độ gió

16 ≈ và nó được gọi là giới hạn Betz Hệ số này là đặc tính cơ

bản để đánh giá khả năng sinh công suất của từng loại turbine

Hệ số công suất khác nhau cho từng loại turbine gió

37

động năng của turbine thông qua động lực học của gió tác dụng lên cánh turbine Để hiểu được sự hoạt động của cánh và quan trọng hơn là cơ chế biến đổi năng lượng của turbine gió ta cần phải có những kiến thức cơ bản về khí động lực học cánh gió.Nếu ta giả thiết các cánh đứng yên và không khí chuyển động với cùng một tốc độ, nhưng ở hướng ngược lại, các lực tác dụng vào cánh không thay đổi giá trị Khi đó lực tác dụng chỉ phụ thuộc vào tốc độ tương đối và góc tới tác dụng Vì vậy,

để dễ dàng cho việc giải thích, chúng ta hãy xét trường hợp cánh cố định, không khí chuyển động với tốc độ vô hạn V

Áp lực của không khí lên bề mặt ngoài của cánh không là đều nhau: Ở bề mặt trên thì áp lực giảm còn ở bề mặt dưới thì áp lực tăng lên Để biểu diễn sự thay đổi của áp lực, trên đường vuông góc với biên dạng của bề mặt cánh, ta lấy một đoạn có chiều dài bằng Kp:

0 2

1 2

p

p p K

Hình 2.7 Đường cong biểu diễn Kp

38

Hợp lực của các thành phần lực khác nhau tác dụng lên cánh dưới tác dụng của vận tốc gió V là F, nó thường nghiêng so với hướng của tốc độ tương đối, và được cho bởi biểu thức:

Lực này có thể được chia thành hai phần:

- Một thành phần song song với vector Vr: Lực cản Frd

- Một thành phần vuông góc vector Vr: lực nâng Fr1, Fd và F1 được cho bởi các biểu thức:

trên phương vuông góc với AB ta được:

Từ đó ta có C n = C1cos i C + d sin i, C t = C d cos i C − 1sin i

Nếu gọi M là momen động lực học tương đối của tác động lên mép trước Fcủa cánh Chúng ta có thể xác định hệ số momen Cmthông qua biểu thức:

2

1

Với là chiều dàil dây cung cánh gió

Từ đó ta thấy động lực học của cánh gió được đặc trưng bởi lực cản, lực nâng cánh và mômen động lực học

2.2.2 Động l c h c c a rotor ự ọ ủ

Các máy chạy bằng sức gió cổ xưa và các turbine gió hiện đại ngày nay đều

có các cánh được gắn trên một trục và cấu tạo nên rotor Trước khi nghiên cứu về động lực học của rotor turbine gió, chúng ta hãy đưa ra một số định nghĩa như sau:

- Trục rotor: là trục quay của rotor

- Mặt phẳng quay: là mặt phẳng vuông góc với trục quay của rotor

- Đường kính rotor: là đường kính của vùng quét bởi trục rotor

- Trục cánh: là trục dọc cánh mà nó có thể tạo nên độ nghiêng của cánh so với mặt phẳng quay

- Phần cánh trong bán kính : là phần giao của cánh với một hình trụ có bán r

Phần này sẽ có tốc độ trong mặt phẳng quay bằng U = 2πrN

Nếu ta gọi tốc độ gió dọc trục qua rotor, và vận tốc của dòng không khí so V với cánh là Wr như hình 2.9: