TỔNG QUAN VỀ TIỀM NĂNG GIÓ
Tiềm năng về năng lượng gió ở Việt Nam
1.1.1 Tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam:
Với mục tiêu tạo điều kiện và cơ chế tối đa cho việc phát triển năng lượng tái tạo, đặc biệt là nguồn điện gió có tiềm năng và khả năng khai thác lớn nhất Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định số: 37/QĐ-TTg, ngày 29/6/2011, về cơ chế hỗ trợ phát triển các dự án điện gió tại Việt Nam, trong đó yêu cầu cần thiết phải thiết lập quy hoạch phát triển điện gió cấp quốc gia và các tỉnh có tiềm năng phát triển điện gió Một trong các nhiệm vụ của công tác lập quy hoạch là phải đánh giá được tiềm năng lý thuyết, tiềm năng kỹ thuật của nguồn điện gió Tuy nhiên, cũng như trường hợp của nhiều nước đang phát triển, việc đánh giá tiềm năng gió với độ tin cậy cao tại Việt Nam chưa được tiến hành, mặc dù đã có những đánh giá ban đầu của các tổ chức, đơn vị ở các mức độ khác nhau về tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam.
Trong năm 2001, Ngân hàng thế giới tài trợ xây dựng bản đồ gió cho 4 nước (Campuchia, Lào, Thái Lan và Việt Nam), nhằm hỗ trợ phát triển năng lượng gió cho khu vực Bản nghiên cứu này, với dữ liệu gió lấy từ trạm khí tượng thủy văn cùng với dữ liệu lấy từ mô hình MesoMap, đưa ra ước tính sơ bộ về tiềm năng gió ở Việt Nam tại độ cao 65m và 30m cách mặt đất, tương ứng với độ cao trục của các turbun gió nối lưới cỡ lớn và turbine gió nhỏ được lắp đặt ở những vùng có lưới mini độc lập Dữ liệu khí tượng thủy văn do Viện Khí tượng và Thủy văn quốc gia Việt Nam (VNHM) và Cục quản lý Hải dương học và Khí tượng quốc gia Mỹ (NOAA) cung cấp NOAA, từ năm 1994 đã có kết nối với 24 trạm khí tượng thủy văn ở Việt Nam để thu nhập dữ liệu thủy văn.
Nghiên cứu của Ngân hàng thế giới chỉ ra rằng, Việt Nam là nước có tiềm năng gió lớn nhất trong 4 nước trong khu vực: hơn 39% tổng diện tích của ViệtNam được ước tính là có tốc độ gió trung bình hàng năm lớn hơn 6m/s ở độ cao65m, tương đương với tổng công suất 512GW Đặc biệt, hơn 8% diện tích ViệtNam được xếp hạng có tiềm năng gió rất tốt [1].
Bảng 1.1 Tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam tại độ cao 65 m phía trên mực nước biển.
Vận tốc gió trung bình (m/s) Thấp Trung bình Khá cao Cao Rất cao
Hình 1 1 Biểu đồ năng lượng gió tại Việt Nam [1]
Nếu xét tiêu chuẩn để xây dựng các trạm điện gió cỡ nhỏ phục vụ cho phát triển kinh tế ở những khu vực khó khăn thì Việt Nam có đến 41% diện tích nông thôn có thể phát triển điện gió loại nhỏ Nếu so sánh con số này với các nước láng giềng thì Campuchia có 6%, Lào có 13% và Thái Lan là 9% diện tích nông thôn có thể phát triển năng lượng gió.
Một nghiên cứu khác về tiềm năm gió của Việt Nam, được thực hiện bởi Tập đoàn Điện lực Việt Nam, cho thấy tốc độ gió trung bình của Việt Nam tương đối thấphơn so với kết quả khảo sát của Ngân Hàng Thế giới [2] Bảng 1.2 cho thấy kết quả so sánh về tốc độ gió trung bình theo kết quả khảo sát bởi EVN và WB tại một số địa điểm của Việt nam.
Bảng 1.2 So sánh về tốc độ gió trung bình theo khảo sát của EVN và WB.
STT Địa điểm Tốc độ gió trung bình hàng năm tại độ cao 65 m (m/s)
Nghiên cứu này cũng chỉ ra những khu vực phù hợp với việc khai thác điện gió, với tổng công suất điện gió dự kiến khoảng 1.785 MW (Bảng 1.3) Trong đó, khu vực Miền Trung, từ Quảng Bình đến Bình Định, có tiềm năng lớn nhất, khoảng
880 MW, sau đó là khu vực Nam Trung Bộ, với hai tỉnh Ninh Thuận đến và Bình Thuận, với công suất khoảng 855 MW
Bảng 1.3 Công suất điện gió tiềm năng của Việt Nam
STT Khu vực Công suất điện gió dự kiến (MW)
Tuy nhiên, việc tính toán của EVN chưa được hoàn thành do quy mô của dự án cũng như nguyên tắc tập trung vào các tỉnh duyên hải miền Trung Như vậy, hoàn toàn có khẳ năng là nhiều vị trí có tiềm năng gió tốt, chưa được phát hiện và do vậy cần phải có các nghiên cứu sâu rộng hơn để có được bức tranh đầy đủ hơn về tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam.
Hình 1 2.Sơ đồ phân bố tốc độ gió trung bình năm ở Việt Nam tại độ cao 80m
Bảng 1.4 Tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam tại độ cao 80m phía trên mực nước biển.
Vận tốc gió trung bình(m/s)
Công suất tiềm năng (MW)
Bên cạnh các khảo sát đã được thực hiện bởi một số tổ chức như đã nêu trên,một số tổ chức và viện nghiên cứu khác cũng tổ chức thực hiện việc đánh giá tiềm năng gió của Việt Nam, đặc biệt là ở cấp độ Tỉnh và Thành phố
Tại độ cao 10m Tại độ cao 100m
Hình 1 3 Sơ đồ phân bố tốc độ gió trung bình năm ở vùng biển ven bờ Việt
Nam tại độ cao 10m và 100m[1]
Hình 1 4Tiềm năng điện gió ngoài khơi ở Việt Nam [1] rất lớn Đặc biệt ở độ cao 30m tốc độ gió từ 5 m/s – 7 m/s rải đều khắp các tỉnh của khu vực miền trung Việt Nam Còn ở độ cao 10m tốc độ gió 5 – 7m/s phân bố nhiều nhất ở các tỉnh như Thanh Hóa, Quảng Bình, Quảng Trị, Quảng Nam, Quảng Ngãi, Khánh Hòa, Phan Thiết, Bình Thuận, Ninh Thuận Tìm năng gió tuy là rất lớn như vậy nhưng việc khai thác, sử dụng năng lượng gió tại khu vực này chưa tương xứng với tiềm năng hiện có của nó
1.1.3 Vị trí mục tiêu: Để xác định vị trí đích cho việc lắp đặt turbine gió, so sánh một số vị trí liệt kê ở trên có thể được thực hiện Các đặc điểm của từng vị trí mà các so sánh sẽ được thực hiện là chế độ gió, tiềm năng thay thế các nguồn cung cấp năng lượng không thể tái tạo, và tiềm năng mang lại lợi ích cho cộng đồng cùng với việc họ sẵn sàng áp dụng công nghệ.
Từ các biểu đồ cũng như các bảng so sánh tốc độ gió ở các khu vực ở trên.
Ta có thể chọn Phước Minh, Ninh Thuận là nơi lý tưởng với tốc độ gió trung bình hằng năm cao 7,22 m/s (EVN) và 8,03 m/s (WB) để tiến hành lắp đặt, thử nghiệm mô hình turbine gió này.
Tình hình sử dụng năng lượng gió hiện nay
1.2.1 Tình hình sử dụng năng lượng gió trên thế giới:
Hình 1 5 Sản xuất điện bằng năng lượng tái tạo ở phần lớn thế giới (Enerdata,
2016)[1] Đáng chú ý là khoảng 13,44% tổng sản lượng điện nội địa của Hoa Kỳ đến từ nguồn năng lượng tái tạo (Enerdata, 2016) Trong số tất cả các nguồn năng lượng tái tạo, gió năng lượng, dễ tiếp cận, thân thiện với môi trường và tiết kiệm chi phí, đã trở thành một trong những nguồn năng lượng tái tạo đang phát triển phổ biến trên thế giới để phát điện Gió được coi là nguồn lực tiềm tàng quan trọng nhất và không bao giờ cạn kiệt Tuy nhiên, gió công nghệ turbine có thể được sử dụng như một động cơ chính vận hành bằng loại năng lượng tái tạo như vậy.
Mặc dù thực tế là ngành năng lượng gió còn khá mới, nhưng nó đã trở thành một trong những ngành nguồn năng lượng phát triển nhanh nhất trên thế giới Điều này chủ yếu là do sự lây lan của công nghệ và chi phí vận hành thấp so với các nguồn điện bền vững khác Thương mại turbine gió đã mở rộng đáng kể về kích thước, dẫn đến năng lượng nhiều hơn chiết xuất từ gió Theo Hội đồng Năng lượng gió Toàn cầu (GWEC), tổng công suất điện gió toàn cầu đã lắp đặt là gần 487
GW Các quốc gia hàng đầu về năng lượng gió khu vực là Mỹ, Trung Quốc, Đức và Ấn Độ Hơn nữa, những màn trình diễn bất ngờ mạnh mẽ từ Pháp, Thổ Nhĩ Kỳ và
Hà Lan (GWEC, 2017) Công suất gió lắp đặt tích lũy toàn cầu 2001-2016 được thể hiện trong hình 1.6.
Hình 1 6 Công suất gió lắp đặt tích lũy toàn cầu giai đoạn 2001-2016 (GWEC,
Hơn nữa, công suất năng lượng gió tích lũy của các nước lớn đến tháng 12 năm 2016 được thể hiện trong hình sau:
Hình 1 7 Năng lượng gió tích lũy của các nước lớn[1]
Hình 1 8 Tỷ trọng nguồn điện gió toàn cầu hết năm 2017[1]
1.2.2 Tình hình sử dụng năng lượng gió hiện nay tại Việt Nam:
Việt Nam có lợi thế rất lớn về gió, với bờ biển dài hơn 3000km và nhiều hải đảo với vận tốc gió thổi trung bình quanh năm từ 5m/s trở lên Tuy nhiên, sự phát triển công nghệ điện gió vẫn chưa tương xứng với tiềm năng này Hiện nay trên cả nước có khoảng trên dưới 50 dự án về điện gió Các dự án tiêu biểu bao gồm:
+ Dự án điện gió Tuy Phong - Bình Thuận: Công ty Cổ phần năng lượng tái tạo Việt Nam (REVN) phát triển với tổng mức đầu tư khoảng 1.450 tỷ đồng và công suất 120MW bao gồm 80 turbine điện gió 1,5MW Giai đọan 1 đã hoàn thành vào năm 2011 với 20 turbine hiện đang hoạt động khá tốt
Hình 1 9 Công trình điện gió tại Tuy Phong, Bình Thuận[1]
+ Dự án điện gió Bạc Liêu: Công ty TNHH Xây Dựng – Thương mại & Du Lịch Công Lý phát triển với tổng mức đầu tư khoảng 5.300 tỷ đồng và công suất 99.2MW Hiện nay đã hoàn thành giai đoạn 1 của dự án với 10 turbine gió, công suất mỗi turbine là 1.6MW Giai đoạn 2 đã bắt đầu khởi công vào tháng 8/2013 với tổng cộng 52 turbine gió.
Hình 1 10 Nhà máy điện gió Bạc Liêu [1]
+ Dự án điện gió Phú Quý - Bình Thuận: Tổng công ty Điện lực dầu khí ViệtNam đầu tư với công suất 6MW sử dụng turbine loại 2,0MW
Hình 1 11 Điện gió Phú Quý-Bình Thuận [1]
+ Dự án điện gió Phương Mai: Công ty cổ phần Phong điện Phương Mai đầu tư đã được chính thức khởi công tại Bình Định vào đầu tháng 4 năm 2012 Công suất giai đoạn 1 là 30MW gồm 12 turbine điện gió loại 2,5MW, công suất giai đoạn
2 là 75MW và công suất giai đoạn 3 là 100 MW
Hình 1 12 Điện gió Phương Mai[1]
+ Dự án điện gió Phú Lạc: Công ty Bình Thuận Wind Power JSC đầu tư với công suất 24MW gồm 16 turbine 1,5MW + Dự án điện gió An Phong: Công ty Thuận Phong Energy Development JSC đầu tư với tổng công suất 180MW
Hình 1 13 Điện gió Phú Lạc[1]
Hình 1.14 thể hiện vị trí các dự án điện gió đã đang và sẽ thực hiện tại ViệtNam Dựa vào hình vẽ cho thấy các dự án điện gió hiện đang tập trung chủ yếu ở các tỉnh miền Trung và Nam bộ.
Hình 1 14 Vị trí các dự án điện gió tại Việt Nam[1]
Tuy việc ứng dụng năng lượng gió tại Việt Nam ngày càng được mở rộng, nhưng chủ yếu đến từ việc xây dựng các nhà máy điện gió lớn, tại một số khu vực có điều kiện gió thuận lợi Việc xây dựng các nhà máy điện gió lớn này cũng có nhiều tác động xấu đến môi trường Trong khi đó, theo các khảo sát phía trên, ViệtNam có tiềm năng để ứng dụng năng lượng gió ở rất nhiều khu vực, đặc biệt là ở các tỉnh ven biển Miền Trung Bên cạnh đó, ở Việt Nam, việc ứng dụng năng lượng gió ở cấp độ nhỏ hơn, cho nhu cầu sử dụng của từng hộ gia đình hoặc trong nông nghiệp, bằng cách sử dụng các turbine gió cỡ nhỏ, vẫn chưa được triển khai rộng rãi.
Tình hình nghiên cứu, chế tạo turbine gió cỡ nhỏ
Việc nghiên cứu, chế tạo turbine gió trên thế giới đã phát triển một cách vượt bậc trong vòng 35 năm qua Từ turbine gió có công suất lớn nhất 50 kW với đường kính cánh turbine bin từ 10 m – 15 m, đến nay các turbine gió đã đạt đến công suất lớn nhất 5 MW, với đường kính cánh turbine 120 m
Hình 1 15 Tình hình phát triển turbine gió của thế giới từ năm 1980 đến nay
Tuy nhiên, một thực tế đặt ra là, mặc dù công nghệ dành cho turbine cỡ lớn
(> 100 kW) đã được phát triển tương đối hoàn chỉnh, turbine gió cỡ nhỏ vẫn cần được nghiên cứu nhiều hơn Điều này xuất phát từ việc turbine gió cỡ nhỏ có nhiều kiểu kết cấu khác nhau và các kiểu ứng dụng cũng khác nhau Turbine gió cỡ nhỏ có thể sử dụng ở các vùng nông thôn, ngoại ô hoặc thậm chí trong các khu dân cư đông đúc, mà tại đó không thể lắp đặt các turbine gió cỡ lớn do giới hạn về diện tích và ô nhiễm tiếng ồn Mặc dù có nhiều ưu điểm, tuy nhiên turbine gió cỡ nhỏ lại có hệ số công suất Cp thấp, khoảng 0,25 so với 0,45 của turbine gió cỡ lớn [3]. Nguyên nhân đầu tiên là do turbine gió cỡ lớn thường được đặt tại các vùng có điều kiện gió ổn định và tối ưu, trong khi turbine gió cỡ nhỏ thường được đặt trên mái nhà, cánh đồng, những nơi gió không ổn định do các vật cản bao xung quanh. Ngoài ra, do kích thước của turbine nhỏ, cùng tốc độ gió thấp, turbine gió cỡ nhỏ thường làm việc với số Reynolds Re thấp, dẫn đến việc dòng chảy tầng trên cánh bị tách rời, sau đó nhập lại trên bề mặt và hình thành các bong bóng tách thành Các bong bóng này làm tăng chiều dày lớp biên hình thành trên bề mặt cánh và lực cản, đồng thời làm giảm lực nâng và gây ra nhiều tiếng ồn hơn, điều này làm giảm hệ số công suất của turbine Chính vì vậy, vấn đề đầu tiên được tập trung nghiên cứu là cố gắng cải thiện hiện suất của turbine gió cỡ nhỏ trong các điều kiện làm việc xác định Điều này được thực hiện chủ yếu thông qua việc sử dụng các phương pháp mô phỏng số như Động lực học chất lỏng tính toán (Computational Fluid Dynamics
- CFD), Phương pháp động lượng phần tử cánh (Blade Element Momentum Method – BEM), Phương pháp Phần tử xoáy (Vortex Element Method) … Một vấn đề quan trọng khác cũng đang được nghiên cứu, đó là vật liệu dùng để chế tạo cánh turbine Đây là một vấn đề mà tất cả các nhà khoa học trên thế giới đang đối mặt. Hiện nay, vật liệu phổ biến nhất cho cánh turbine gió là composite sợi thủy tinh và nhựa từ dầu mỏ, tuy nhiên, đây là các vật liệu không dễ tái sử dụng Vì vậy, các nhà khoa học đang nỗ lực để tìm kiếm các vật liệu “xanh” để thay thế các vật liệu truyền thống trong chế tạo cánh turbine [4].
Trong khi đó, theo khảo sát về tiềm năng gió của Việt Nam được giới thiệu ở phần trên, tốc độ gió trung bình tại khu vực ven biển các tỉnh Miền Trung khoảng từ 5 – 7 m/s, đây là tốc độ gió tương đối thấp so với tốc độ gió cần thiết để turbine gió đạt hiệu quả (> 8 m/s) Chính vì vậy, để sử dụng hiệu quả turbine gió trong điều kiện gió này, cần phải có nhiều nghiên cứu để cải thiện hiệu suất của turbine, trong đó đặc biệt quan trọng là việc thiết kế các cánh turbine gió phù hợp với điều kiện tốc độ gió như vậy Việc thiết kế này liên quan đến lựa chọn các biên dạng cánh phù hợp để làm việc tại số Reynolds thấp, cũng như xác định kích thước, hình dạng của cánh để nó có thể đạt được hiệu suất cao tại điều kiện tốc độ gió làm việc thấp. Một số nghiên cứu đã được thực hiện để thiết kế các biên dạng cánh phù hợp khi làm việc với điều kiện số Re thấp, ví dụ như họ cánh SG60XX, SD7062, SD7037, E387, AF3000… Một số biên dạng cánh này đã được ứng dụng để chế tạo các cánh turbine gió cỡ nhỏ trong thực tế, và làm việc đạt hiệu suất cao Bên cạnh đó, một số nghiên cứu khác lại tập trung vào việc xác định chiều dài cánh, chiều dài dây cung cũng như góc xoắn của cánh tại các vị trí nhất định dọc theo chiều dài cánh, để cánh làm việc với hiệu suất cao hoặc đạt được các đặc tính khác, ví dụ như đặc tính khởi động tốt
Trong đề tài, cánh turbine cỡ nhỏ được nghiên cứu và thiết kế, để có thể làm việc hiệu quả tại điều kiện tốc độ gió thấp của khu vực Miền Trung Việt Nam (5 –
7 m/s) Việc thiết kế dựa trên việc đánh giá lựa chọn biên dạng cánh phù hợp, xác định kích thước và chiều dài cánh theo các phương pháp khác nhau Các đặc tính làm việc của cánh turbine gió này được mô phỏng tính toán bằng phương pháp động lượng phần tử cánh và phương pháp phần tử xoáy Cánh turbine gió sau khi thiết kế sẽ được chế tạo bằng vật liệu composit sợi thủy tinh, sau khi được thử nghiệm để đánh giá khả năng làm việc.
TỔNG QUAN VỀ TURBINE GIÓ
Khái niệm về turbine gió
Turbine gió là một thiết bị cơ khí khá đơn giản và cấu tạo không quá phức tạp, mượn sức gió để chuyển đổi động năng thành cơ năng và tiếp tục chuyển đổi thành điện năng Điện gió được xem là một trong những năng lượng bền vững hấp dẫn nhất vì sản xuất sản lượng điện cao nhưng vẫn bảo vệ được môi trường.
Một số loại turbine gió hiện nay
Turbine gió được chia thành hai loại:
Các turbine điện gió trục đứng hoạt động không chịu ảnh hưởng bởi hướng gió Nhưng chúng phải được tính toán nhiều ở trục quay và turbine trục đứng thường công suất không cao.
Các turbine gió trục ngang là loại phổ biến và thông thường bao gồm 2 hoặc 3 cánh quạt Turbine gió 3 cánh quạt hoạt động theo chiều gió với bề mặt cánh quạt hướng về chiều gió đang thổi.
Turbine gió trục ngang có trục cánh quạt chính và máy phát điện ở trên cùng của ngọn tháp, và phải được hướng về phía gió Turbine nhỏ chỉnh hướng bằng một cánh gió đơn giản, trong khi turbine lớn thường sử dụng một cảm biến gió kết hợp với một động cơ servo Hầu hết chúng đều có một hộp số dùng để điều chỉnh tốc độ chuyển động quay để phù hợp hơn cho máy phát điện
Turbine sử dụng trong các trang trại gió cho sản xuất điện thương mại thường là ba cánh và định hướng gió bằng động cơ điện dưới sự kiểm soát của máy tính.
Hình 2.1 Một số turbine gió trục ngang [20]
Một số đặc điểm của turbine gió trục ngang phổ biến trên thị trường:
Công suất phát điện từ vài trăm Watt đến vài MW.
Dải vận tốc gió hoạt động từ 4m/s- 25m/s.
Chiều cao cột chống turbine 6m (loại công suất nhỏ) 120m (loại công suất lớn).
Số cánh quạt 2-3 cánh quạt.
Số vòng quay cánh quạt 20-40 vòng/phút.
- Là loại turbine phát triển từ lâu đời nên có nhiều dữ liệu trong việc thiết kế.
- Đây là loại turbine gió có hiệu suất cao nhất.
- Thích hợp với nhiều vận tốc gió khác nhau.
- Hình dạng và kích thước lớn nên đòi hỏi chỉ số an toàn cao.
- Tuy có hệ thống điều chỉnh hướng gió xong vẫn giới hạn ở góc quay nhất định nên chỉ thích hợp cho những nơi có vận tốc gió ổn định.
- Tiếng ồn lớn, chịu ảnh hưởng nhiều từ môi trường.
Turbine gió trục đứng có trục cánh quạt chính được sắp xếp theo chiều dọc. Lợi ích của sự sắp xếp này là turbine không cần phải quay về hướng gió, đó là một ưu điểm tại nơi mà có các hướng gió khác nhau, ví dụ như khi các turbine được tích hợp vào một tòa nhà Ngoài ra, các máy phát điện và hộp số có thể được đặt gần
Một số đặc điểm của turbine gió trục đứng phổ biến trên thị trường:
Dải vận tốc gió hoạt động 3-40m/s.
Bán kính cánh quạt dưới 10m.
Dải vận tốc gió hoạt động khá rộng.
Turbine hoạt động không phụ thuộc vào hướng gió của dòng không khí nên có thể lắp đặt ở vị trí có vận tốc gió cao dòng chảy không ổn định.
Hoạt động êm do tốc độ vòng quay chậm.
Ít chịu ảnh hưởng từ môi trường bên ngoài.
Công nghệ mới nên giá thành cao và chưa có nhiều kĩ năng thiết kế.
Phân loại turbine gió trục đứng:
Savonius hoạt động nhờ lực cản o Tạo momen khởi động lớn nhưng hiệu suất thấp o Tốc độ quay ko thể lớn hơn tốc độ gió đầu vào
Hình 2.2 Một số turbine gió trục đứng
Darrie us hoạt động nhờ lực nâng o Tạo hiệu suất lớn hơn nhưng momen khởi động thấp o Không thể tự khởi động o Áp lực các cánh đè lên tâm máy lớn
Hình 2.3 Các dạng cánh của turbine gió trục đứng[20]
Các dạng biến thể cánh trên Darrieus có thể kể đến như 4 dạng trên:
(a) Dạng chữ H, (b) Dạng chữ V, (c) Dạng Troposkien, (d) Dạng xoắn ốc Để khắc phục nhược điểm trên của 2 loại turbine gió trục đứng hiện nay loại kết hợp sử dụng cả Savonius và Darrieus wind turbine để đạt hiệu quả cao nhất.
Hình 2.4 Kết hợp dạng Savonius và Darrieus của turbine gió trục đứng
Loại turbine này cũng đã được áp dụng vào thực tế tại một số nước cung cấp điện cho các thiết bị công suất nhỏ và đã cho thấy được hiệu quả rõ rệt so với 2 loại turbine gió trục đứng riêng lẻ.
Hình 2.5 Hệ số công suất so với tỷ lệ tốc độ đầu cho nhiều loại cấu hình turbine
Hình 2.6 Ứng dụng loại turbine gió kết hợp trong thực tế
Các bộ phận chủ yếu của turbine gió cỡ nhỏ trục ngang điển hình được thể hiện trên hình 2.7 Về cơ bản, cấu tạo của turbine gió cỡ nhỏ đơn giản hơn nhiều so với turbine gió cỡ lớn, trong đó turbine gió thường được nối trực tiếp với máy phát điện, mà không thông qua hộp số cơ khí Ngoài ra, các turbine gió cỡ nhỏ thường được trang bị một bánh lái để điều khiển nó quay về phía hướng gió
Cánh turbine gió là bộ phận quan trọng nhất của turbine gió, được thiết kế để nhận năng lượng gió và chuyển đổi thành cơ năng Hình dạng và kích thước của cánh turbine gió được xác định từ công suất thiết kế của turbine Ngoài ra, hai vấn đề cơ bản cần quan tâm đồng thời khi thiết kế cánh turbine gió, đó là thiết kế khí động học và thiết kế liên quan đến kết cấu Thiết kế khí động học chính là việc xác định hình dạng của cánh, bao gồm việc xác định các biên dạng cánh được sử dụng và sự phân bố kích thước dây cung c, cùng với góc xoắn θ dọc theo cánh Thiết kế liên quan đến kết cấu bao gồm việc lựa chọn vật liệu làm cánh và xem xét độ bền cánh khi làm việc Đối với turbine gió cỡ nhỏ, việc thiết kế khí động quan trọng hơn thiết kế liên quan đến kết cấu, vì vậy đề tài này tập trung vào việc xem xét thiết kế liên quan đến khí động học của cánh turbine gió
Hình 2.7 Cấu tạo của turbine gió
1.Cánh turbine, 2.Trung tâm cánh, 3.Trụ đỡ,
Các turbine gió sẽ hoạt động, chuyển năng lượng của gió thành năng lượng cơ học và phát ra điện Turbine gió được đặt trên trụ cao để đón năng lượng gió giúp tốc độ quay nhanh hơn và ít bị các luồng gió bất thường.
Khi có gió, chuyển động sẽ tác động lực, đẩy cho cánh quạt quay và dọc theo trục của turbine Đó là phần lực cơ học mà cánh quạt tạo ra.
Từ đó, các bộ phận chuyển động khác của động cơ máy phát điện sẽ quay khi kết nối với trục của turbine Đây chính là cơ chế tạo ra năng lượng tái tạo.Nguồn điện gió này nhằm phục vụ cho con người để sử dụng cho các thiết bị trong đời sống sinh hoạt.
Các mô hình sản xuất điện từ năng lượng gió
2.4.1 Mô hình hệ thống điện gió không lưu trữ và không nối lưới:
Hệ thống điện gió không lưu trữ và không nối lưới[20]
Năng lượng gió được turbine chuyển thành điện năng, qua bộ điều khiển và cung cấp trực tiếp đến tải mà không qua các thiết bị lưu trữ Hệ thống này giúp tiết kiệm kinh phí vì không phải đầu tư vào các thiết bị lưu trữ mà thường được áp dụng ở những vùng có mật độ gió ổn định và đều quanh năm Đây là mô hình có mức đầu tư chi phí thấp nhất trong các mô hình năng lượng điện gió.
2.4.2 Mô hình hệ thống điện gió không lưu trữ và nối lưới:
Việc kết nối hệ thống điện gió vào lưới điện mà không có lưu trữ, chủ yếu là ắc quy là cách đầu tư chi phí có hiệu quả và thân thiện với môi trường nhất Hệ thống này có thể loại bỏ việc sử dụng ắc quy, ít tốn kém hơn, loại bỏ chi phí bảo trì, đồng thời góp phần bảo vệ môi trường Mô hình này cũng được sử dụng ở những nơi có mật độ gió ổn định và đều.
Hình 2.10 Hệ thống điện gió không lưu trữ và không nối lưới[20]
2.4.3 Mô hình hệ thống điện gió có lưu trữ và nối lưới:
Việc kết nối hệ thống điện gió vào lưới điện sẽ đạt được hai lợi ích Hộ tiêu thụ sẽ không bị giới hạn công suất tiêu thụ và có thể đưa năng lượng gió thừa trả lại vào lưới điện Khi mất điện ở lưới, hộ tiêu thụ vẫn có thể sử dụng điện dựa vào nguồn năng lượng lưu trữ trong ắc-quy và hệ thống phát điện turbine gió. Ở mô hình hệ thống này, việc cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ sẽ đảm bảo được tính ổn định và liên tục hơn các mô hình hệ thống khác Tuy nhiên, đối với hệ thống này hộ tiêu thụ sẽ phải đầu tư thêm chi phí cho phần lưu trữ ắc-quy Hệ thống điện gió này có thể được sử dụng ở những nơi năng lượng gió không đều Và khi ấy, hộ tiêu thụ có thể sử dụng điện từ ắc-quy hoặc từ lưới điện.
2.11 Hệ thống điện gió có lưu trữ vàcó nối lưới[20]
2.4.4 Mô hình hệ thống điện gió có lưu trữ, máy phát dự phòng và không nối lưới:
Hệ thống điện gió không nối lưới chủ yếu sử dụng ắc-quy Hệ thống này thường được lựa chọn do việc nối với lưới rất tốn kém Tuy nhiên, trong trường hợp này, hộ tiêu thụ sẽ bị giới hạn về công suất bởi kích thước của các nguồn phát.
Do đó, các hộ tiêu thụ này phải có kế hoạch sử dụng điện hợp lý.
Hình 2.12 Hệ thống điện gió có lưu trữ, máy phát dự phòng và không nối lưới[20]
THIẾT KẾ BIÊN DẠNG CÁNH TURBINE GIÓ
Cơ sở lý thuyết về thiết kế turbine gió cỡ nhỏ
3.1.1 Cơ sở thiết kế cánh turbine gió cỡ nhỏ:
3.1.1.1 Các thông số cơ bản của turbine gió: Để đánh giá hiệu suất hoạt động của turbine gió, các hệ số không thứ nguyên thường được sử dụng Trong đó, hệ số công suất Cp, tỷ số giữa công suất thực tế turbine gió sinh ra và công suất vốn có của gió đi đến turbine, là thông số quan trọng nhất và được xác định như sau:
2 ρ V 3 π R 2 (3.1) Trong đó: P (W) – là công suất của turbine gió, V (m/s) là vận tốc gió turbine,
R (m) là chiều dài cánh turbine và ρ (kg/m3) là khối lượng riêng của không khí. là giới hạn Betz-Joukowsky [5] Tuy nhiên, trong thực tế Cp của turbine gió thường thấp hơn giá trị này, do ảnh hưởng của vệt hút phía sau khối rotor, lực cản khí động lên cánh cũng như ảnh hưởng của số cánh hữa hạn.
Hình 3 1 Hệ số công suất thực tế của turbine gió[5]
Từ biểu thức (3.1), công suất của turbine gió có thể được xác định như sau:
2 ρ C P V 3 π R 2 (3.2) Một hệ số quan trọng khác khi đánh giá hoạt động của turbine, được gọi là hệ số tỷ tốc đầu mũi cánh, là tỷ số của vận tốc vòng của đầu mũi cánh turbine Vtip với tốc độ gió V, ký hiệu λ: λ=Ω R
Trong đó Ω (rad/s) là vận tốc góc của turbine Đây là một hệ số quan trọng vì nó ảnh hưởng đến hiệu suất, moment, ứng suất, đặc tính khí động học của cánh turbine cũng như độ ồn do cánh turbine tạo ra Hiệu suất của turbine càng tăng khi λ càng lớn, tuy nhiên, trong một số trường hợp việc tăng hiệu suất này là không đáng kể khi so sánh với các hậu quả khác do việc tăng hệ số λ, ví dụ như tăng độ ồn, tăng lực khí động và lực ly tâm tác dụng lên cánh Hệ số tỷ tốc đầu mút cánh λ cao, đồng nghĩa vận tốc tại đầu mút cánh lớn Điều này đòi hỏi phải giảm bề rộng của cánh, làm giảm giá thành sản xuất cánh Tuy nhiên, nó cũng làm tăng lên lực khí động và lực ly tâm tác dụng vào cánh, điều này có thể ảnh hưởng đến độ bền của cánh khi làm việc ở tốc độ lớn Thông thường, các turbine gió trục ngang hiện đại thường có λ từ 9 – 10 nếu có 2 cánh, và từ 6 – 9 nếu có 3 cánh [5]
Hình dạng cánh turbine gió ảnh hưởng rất lớn đến khả năng hấp thu năng lượng gió và chuyển đổi thành cơ năng Việc xác định hình dáng tối ưu của cánh turbine gió là một trong những nhiệm vụ quan trọng nhất khi thiết kế một turbine gió Hình dạng cánh tuốc turbine gió thông thường được biểu diễn như Hình 3.2
Hình 3 2 Hình dạng đặc trưng của cánh turbine gió [17]
Thông thường, phần lớn công suất của turbine gió được sinh ra tại phần đầu mút cánh, trong khi đó phần gốc cánh không ảnh hưởng nhiều đến công suất của turbine gió, nhưng lại là nơi chịu moment lớn nhất Vì vậy, khi thiết kế cánh turbine gió, phần thân cánh và mũi cánh thường được thiết kế để đạt hiệu suất khí động học cao nhất, trong khi phần gốc cánh lại được thiết kế với mục tiêu là đảm bảo độ bền khi cánh hoạt động Chính vì vậy, phần gốc cánh thường rộng và dày hơn so với phần mũi cánh Để tối ưu hóa các đặc tính khí động học của cánh turbine gió, thay vì được chế tạo như một thanh phẳng, cánh turbine gió thường được chế tạo bằng cách sử dụng các biên dạng cánh Đối với cánh turbine gió cỡ nhỏ, để đơn giản cho việc chế tạo, thông thường chỉ sử dụng một loại biên dạng cánh dọc theo chiều dài cánh, trong khi đó, với cánh turbine gió cỡ lớn, thường sử dụng nhiều loại biên dạng cánh khác nhau dọc theo chiều dài của nó Kích thước của các biên dạng cánh này, thể hiên thông qua kích thước chiều dài dây cung c, cũng thay đổi dọc theo chiều dài cánh Các biên dạng cánh gần gốc của cánh turbine gió có chiều dài dây cung lớn, để đảm bảo độ bền cho cánh Chiều dài dây cung c này giảm dần từ gốc đến mũi cánh Việc xác định sự phân bố chiều dài dây cung c, dọc theo chiều dài cánh, là một trong những nhiệm vụ quan trọng nhất khi thiết kế cánh turbine gió.
Hình 3 3 Cánh turbine gió sử dụng các biên dạng cánh khác nhau[17]
Bên cạnh đó, do kích thước chiều dài dây cung c của biên dạng cánh thay đổi dọc theo chiều dài cánh, số Reynolds của dòng khí chuyển động qua cánh tại các vị trí trên cánh là khác nhau Vì vậy, để tối ưu hóa góc của gió đi vào cánh, từ đó có thể đạt được đặc tính khí động học tốt nhất, cánh turbine gió thường có độ xoắn thay đổi dọc theo chiều dài cánh Góc xoắn này lớn nhất tại các biên dạng cánh gần gốc cánh, sau đó giảm dần dọc theo chiều dài cánh, từ gốc đến mũi cánh (Hình 3.4) Việc xác định sự phân bố góc xoắn này dọc theo chiều dài cánh cũng là một trong những vấn đề quan trọng khi thiết kế cánh turbine gió.
Hình 3 4 Sự thay đổi kích thước biên dạng cánh và góc xoắn dọc theo chiều dài cánh turbine gió[17]
3.1.1.3 Các biên dạng cánh dành cho turbine gió cỡ nhỏ:
Các biên dạng cánh đầu tiên và phổ biến nhất là họ biên dạng cánh NACA. Hình 3.5 giới thiệu họ biên dạng cánh NACA bốn chữ số NACA là Ủy ban Tư vấn quốc gia Hoa Kỳ về Hàng không, và là tiền thân của NASA ngày nay Tổ chức này đã rất tích cực trong việc phát triển biên dạng cánh sau Chiến tranh thế giới thứ nhất Các họ biên dạng cánh NACA bốn chữ số được phát triển vào cuối những năm 1920 Dựa trên họ cánh này, người ta đã định nghĩa các thuật ngữ cơ bản của những biên dạng cánh, và được sử dụng rộng rãi cho đến ngày nay. Đường thẳng nối các cạnh ở đầu và cuối của biên dạng cánh được gọi là dây cung và có chiều dài c Góc tấn α được là góc tạo bởi phương giữa vận tốc gió V và dây cung Đường thẳng nằm giữa biên dạng cánh (vị trí trung bình), cách đều các bề mặt trên và dưới của một biên dạng cánh được gọi là đường trung bình Khoảng cách tối đa giữa các dây cung và đường trung bình được gọi là độ cong Cuối cùng độ dày biên dạng cánh được thêm vào Ngày nay, các biên dạng cánh NACA bốn chữ số không còn được sử dụng rộng rãi, nhưng biên dạng cánh NACA 0012 có lẽ là biên dạng cánh được nghiên cứu nhiều nhất trong lịch sử Biên dạng cánh này được đặc trưng bởi sự trùng nhau của đường trung bình và dây cung, vì vậy đây là một biên dạng cánh đối xứng, do đó nó không tạo ra lực nâng tại góc tấn bằng không Đây là một đặc tính rất hữu ích cho đuôi cánh máy bay cũng như máy bay trực thăng và các loại cánh khác Số đầu tiên của bốn số chỉ ra độ cong bằng phần trăm của c; chỉ số này bằng 0 đối với biên dạng cánh đối xứng Số thứ hai trong ký hiệu biên dạng cánh chỉ ra vị trí tại đó độ cong lớn nhất Hai chỉ số cuối chỉ ra độ dày tối đa t theo phần trăm của chiều dài dây cung, ví dụ các biên dạng cánh NACA trong hình 3.5 đều có độ dày tối đa t là 12% chiều dài dây cung
Hình 3 5 Biên dạng cánh bốn chữ số của NACA[17]
Hình 3 6 Biên dạng cánh SG hiện đại dùng cho turbine gió[17]
Mặc dù các biên dạng cánh NACA đã được nghiên cứu rất nhiều và được sử dụng rộng rãi, đặc biệt là trong ngành hàng không, tuy nhiên, như đã đề cập trong phần trước, các biên dạng cánh này lại không phù hợp với turbine gió cỡ nhỏ, vì chúng thường làm việc với góc tấn lớn và số Reynolds nhỏ Chính vì vậy, để sử dụng cho việc thiết kế cánh turbine gió cỡ nhỏ, một số nhóm nghiên cứu trên thế giới đã thiết kế ra các biên dạng cánh mới, phù hợp hơn với điều kiện làm việc của turbine gió Một trong các biên dạng cánh đó là họ cánh SG60XX (Hình 3.6), được thiết kế bởi Giáo sư Michael Selig (S) và Phillipe Giguere (G) của Đại học
Illinios tại Urbana Champaign, đặc biệt dành cho các tua bin gió cỡ nhỏ [12].
Chúng được xem là các biên dạng cánh đầu tiên được thiết kế cho mục đích này.
Các thông số thiết kế cơ bản của các biên dạng cánh này được cho trong Bảng 3.1, trong đó biên dạng cánh SG6040 có độ dày lớn nhất, thích hợp để sử dụng ở phần gốc của turbine gió, nơi chịu moment và ứng suất lớn nhất [7]
Bảng 3.1 Các thông số của họ cánh SG60XX
Biên dạng cánh t/c (%) Độ cong (%) Cl thiết kế Số Re thiết kế
Một biên dạng cánh với một hình dạng nhất định sẽ có một lực nâng L và lực cản D phụ thuộc vào V, chiều dài dây cung c, khối lượng riêng của không khí ρ, hệ số nhớt động học ν và các góc tấn α Suy ra định nghĩa của hệ số lực nâng và lực cản như sau:
Các nghiên cứu chỉ ra rằng hầu hết turbine gió loại lớn (trên 5 kW) hoạt động ở số Re > 500.000, ít nhất là gần đầu mũi cánh, khu vực nơi hầu hết công suất của turbine được sinh ra Tuy nhiên, các turbine gió cỡ nhỏ lại hoạt động ở số Reynolds dưới 10 5 Để hiểu được tác dụng của số Re nhỏ, điều quan trọng là phải làm rõ về mối quan hệ giữa các lực nâng và phân bố áp suất xung quanh một biên dạng cánh Lực nâng được sinh ra bởi phân bố áp suất và các ứng suất nhớt trên các bề mặt cánh Trong đó độ lớn của lực do phân bố áp suất sinh ra thường lớn hơn nhiều Đối với một biên dạng cánh và phần lớn các vật thể có hình dạng khí động, sự phân bố áp suất trên biên dạng cánh không đóng góp nhiều vào lực cản Đây là lý do lực nâng có thể cao hơn nhiều so với lực cản Khi số Re giảm, các lớp biên làm gia tăng độ dày bề mặt biên dạng cánh và do đó thay đổi hình dạng của biên dạng cánh, làm giảm lực nâng và làm tăng lực cản Có rất ít dữ liệu về đặc tính khí động học của biên dạng cánh tại Re