báo cáo chủ đề công nghệ năng lượng điện gió

Mặc dù điện gió bắt đầu được thế giới nghiên cứu từ 25 năm trước, nhưng chỉ trong gần 10 năm trở lại đây nó mới khẳng định được vị trí trên thị trường năng lượng thế giới khi sản lượng đ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

NHÓM 2

CHỦ ĐỀ: Công nghệ năng lượng điện gió

Thành viên trong nhóm: Nguyễn Năng Phúc

Trần Đại Tưởng Nguyễn Hải Đăng Thiều Quang Tấn

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

LỜI MỞ ĐẦU 3

I Tổng quan về năng lượng gió 4

1 Khái niệm 4

2 Sự hình thành năng lượng gió 4

3 Ưu và nhược điểm của năng lượng gió 4

4 Ứng dụng của năng lượng gió 5

II Tuabin gió 7

1 Phân loại 7

2 Tuabin gió trục ngang 8

III Công nghệ năng lượng điện gió trên thế giới 10

1 Lịch sử phát triển năng lượng gió 10

2 Tình hình phát triển năng lượng gió trên thế giới 11

3 Tiềm năng và hiện trạng của năng lượng điện gió tại Việt Nam 14

IV KẾT LUẬN 18

LỜI MỞ ĐẦU

Trong bối cảnh sự thay đổi khí hậu đang ngày càng hiện hữu thì người ta ngày càng ý thức được hơn sự hữu hạn của các nguồn tài nguyên Giá dầu khí và giá lương thực tăng từng ngày, cùng với đó là sự tăng trưởng không ngừng của dân số thế giới báo hiệu sẽ nổ ra một cuộc cạnh tranh gay gắt hơn trong cuộc đua tìm kiếm các nguồn năng lượng và các tài nguyên khác Nhưng cùng với đó là sự đa dạng sinh học, một kho báu của các nguồn tài nguyên kinh

tế chưa được khai thác, lại đã và đang bị đe dọa và hủy hoại một cách vô trách nhiệm

Trong khi đó, gió là một nguồn năng lượng sạch và vô hạn, nó miễn dịch với những biến động và biến động của ngành công nghiệp nhiên liệu hóa thạch Ý tưởng dùng năng lượng gió

để sản xuất điện hình thành ngay từ thời Trung cổ Từ sau những cuộc khủng hoảng dầu trong thập niên 1970 việc nghiên cứu sản xuất năng lượng từ các nguồn khác được đẩy mạnh trên toàn thế giới Mặc dù điện gió bắt đầu được thế giới nghiên cứu từ 25 năm trước, nhưng chỉ trong gần 10 năm trở lại đây nó mới khẳng định được vị trí trên thị trường năng lượng thế giới khi sản lượng điện gió tăng trưởng một cách ngoạn mục với tốc độ trung bình 28%/năm, cao nhất trong tất cả các nguồn năng lượng hiện có

Một nghiên cứu mới cho rằng, chỉ riêng gió mặt đất cũng có thể bảo đảm hơn 20 lần năng lượng tiêu thụ của toàn thế giới, còn những turbines trên diều không khí về tiềm năng có thể thu được một số lượng năng lượng lớn hơn đến 100 lần nhu cầu hiện nay Điều đó chứng tỏ gió là nguồn năng lượng hiện đại số một trên thế giới hiện nay

I Tổng quan về năng lượng gió

1 Khái niệm

Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển của Trái Đất

Năng lượng gió là một hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời

Năng lượng gió gió được mô tả như một quá trình, nó được sử dụng để phát ra năng

lượng cơ hoặc điện Tuabin gió sẽ chuyển đổi từ động lực gió thành năng lượng cơ

2 Sự hình thành năng lượng gió

3 Ưu và nhược điểm của năng lượng gió

NGUYÊN NHÂN HÌNH THÀNH GIÓ

Bức xạ Mặt Trời

chiếu xuống bề

mặt Trái Đất

không đồng đều

làm cho nước và

bầu khí quyển

nóng lên không

đều nhau, dẫn tới

sự chênh lệch về

áp suất làm cho

không khí dịch

chuyển tạo thành

gió

Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay quanh trục của Trái Đất nên không khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển động thẳng mà tạo thành các cơn gió xoáy có chiều xoáy khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu

Trục quay của Trái Đất nghiêng

so với mặt phẳng quỹ đạo do nó tạo thành khi quay quanh Mặt Trời tạo thành các dòng không khí theo mùa

Gió địa phương

VD gió biển: ban ngày gió thổi từ biển vào đất liền, ban đêm gió thổi theo chiều ngược lại

Ưu điểm Nhược điểm

- Là một nguồn tài nguyên tái tạo hoàn

toàn, sạch và không gây ô nhiễm môi

trường

- Nguồn nguyên liệu miễn phí, không tốn

nhiên liệu

- Chi phí vận hành thấp

- Hiệu suất cao

- Lợi nhuận cao, giá thành thấp

- Tốn ít diện tích xây dựng, không ảnh

hưởng nhiều đến trồng trọt và chăn nuôi

- Có thể lắp turbines gió ở nhiều địa hình

khác nhau nên tiết kiệm được chi phí truyền

tải

- Hầu như vô cùng bền vững

- Vốn đầu tư ban đầu lớn, chi phí lắp ráp và chi phí bảo trì cao

- Phải có trình độ kỹ thuật cao khi thiết kế

và vận hành

- Phụ thuộc hoàn toàn vào thời tiết

- Ô nhiễm tiếng ồn

- Turbines quay ảnh hưởng đến tầm quan sát xa và nhiễu sóng vô tuyến

=> Ngoài ra còn 1 số ảnh hưởng khác nhưng các ảnh hưởng này đều không đáng

kể

4 Ứng dụng của năng lượng gió

Từ lâu năng lượng gió đã được con người biết đến và sử dụng để tạo thành cơ năng thay thế cho sức lao động nặng nhọc của con người Thế kỷ XIV, năng lượng gió đã được sử dụng

để tạo công cơ học nhờ các cối xay gió, làm di chuyển thuyền buồm và khinh khí cầu Cùng với sự phát triển của Khoa học kỹ thuật hiện đại và nhu cầu năng lượng, đặc biệt là năng lượng sạch, năng lượng gió được chú trọng trong nghiên cứu phát triển và có nhiều ứng dụng trong cuộc sống

Năng lượng gió được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như kinh tế, du lịch, chính trị như

xe chạy bằng năng lượng gió tiết kiệm nhiên liệu, các turbines gió cho các động cơ máy bay phản lực dùng trong chiến tranh, các cánh đồng gió mang lại cảnh quan đẹp thu hút khách du lịch, Đặc biệt, động cơ gió còn có ứng dụng quan trọng trong bơm nước và công nghệ phát điện

a Ứng dụng động cơ bơm nước

Động cơ gió bơm nước có hai loại máy bơm nước hỗ trợ là máy bơm qua lại truyền thống

và hệ thống máy bơm khí nén

Máy bơm qua lại truyền thống có cối xay gió nằm trực tiếp trên nguồn nước Bơm nước bằng guồng đạp nước truyền thống có chi phí rẻ nhưng hiệu suất thấp hoặc bằng bơm piston hoặc bơm màng để hiệu suất cao hơn

Hệ thống bơm khí nén được sử dụng phổ biến hơn vì chi phí thấp Đây là loại máy bơm dựa vào hoạt động của cối xay gió để nén khí kích hoạt máy bơm nằm trong nước Nước được bơm cho đến khi van nổi lên để đóng mở cửa, đồng thời khí nén hất nước ra cửa bơm và đẩy lên máng

b Ứng dụng động cơ gió phát điện

Đây là ứng dụng quan trọng nhất của động cơ gió Dựa trên nguyên tắc hoạt động của cối xay gió, người ta nghiên cứu máy phát điện gió để sản xuất điện năng Trên cơ sở áp dụng những thành tựu mới của khoa học công nghệ, các cánh gió của cối xay gió cũng như các thiết

bị xây dựng được chế tạo đặc biệt hơn thành turbines gió

II Tuabin gió

1 Phân loại

- Turbines gió trục ngang (cánh dạng khí động)

- Turbines gió trục đứng: dạng cánh phẳng trục đứng

dạng roto cánh tròn trục đứng

trục đứng Darrieus

Nội dung Turbines gió cánh dạng khí

Cấu tạo

cánh gió

Có dạng khí động học, cho hiệu suất sử dụng rất cao, sử dụng cho động cơ gió phát điện

- Cánh gió phẳng

- Hai bên trục là hai phần cánh gió

Hoạt động

của bánh

công tác

gió

- Trục cánh gió trùng với hướng gió

=> R với lực thành phần Y tạo momen quay

- Khi bánh công tác gió quay, trên mỗi phân tố của cánh đều có dòng khí chảy vào

- Tam giác vận tốc và lực tác dụng lên cánh làm nó quay

Tại mỗi thời điểm chỉ một phần cánh gió chuyển động trùng hướng gió, phần kia xu hướng chuyển động ngược hướng gió

=> chế tạo thêm tấm chắn thích hợp để làm giảm lực cản

Phân loại - Loại ít cánh (quay nhanh) với số cánh từ 1 đến 4

- Loại nhiều cánh (quay chậm) với

số cánh tới 24

Hệ số sử

dụng

Nhược

điểm

- Chi phí sản xuất khá cao

- Chỉ đón gió một hướng

- Vcánh ≤ Vgió

- Bề mặt chiếm chỗ của bánh công tác gió gần như bị che phủ hoàn

Nội dung Turbines gió roto cánh tròn

trục đứng

Turbines gió trục đứng Darrieus (đang được nghiên

cứu ứng dụng)

Cấu tạo

cánh gió

Được cấu tạo bởi hai nửa hình trụ (như một thùng phuy bổ đôi) gộp so le với nhau và quay quanh trục thẳng đứng

- Hai cánh dạng thẳng và cong

- Cánh có biến dạng khí động học

Ưu điểm Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo

Kết cấu gọn nhẹ nên có hiệu suất khá cao ~ 35%

Nhược điểm - Tốc độ chậm (độ cao tốc Z = 0,9 – 1,0) - Tỷ trọng lớn

- Momen khởi động của động cơ lớn nhưng hiệu suất thấp – chỉ bằng 18%

- Sản xuất gợn sóng momen quay lớn, mang tính chu kỳ

- Momen xoắn ban đầu là rất thấp

2 Tuabin gió trục ngang

a Cấu tạo

Blades (Cánh quạt): Gió thổi qua các cánh quạt làm nó chuyển động và quay

Rotor: Bao gồm cánh quạt và trục

Pitch (Bước răng): Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho rotor quay với tốc độ

hợp lý nhất nhằm đạt hiệu suất sinh điện cao nhất Nó bảo vệ cánh quạt và rotor trong điều kiện gió quá lớn

Blake (Phanh đĩa): Có thể áp dụng máy móc, điện, thủy lực để dừng rotor trong trường hợp

khẩn cấp

Low – speed shaft (Trục tốc độ thấp): Rotor quay trục tốc độ thấp ở khoảng 30 đến 60 vòng

một phút

Gear box (Hộp số): Kết nối các trục tốc độ thấp với trục tốc độ cao và tăng tốc độ quay từ

khoảng 30 – 60 vòng/phút (rpm) khoảng 1000 - 1800 rpm

Generator (Máy phát điện): Thông thường, một máy phát điện cảm ứng sản xuất 60 chu kỳ

AC điện

Controller (Bộ điều khiển): Khởi động máy với tốc độ gió khoảng 8-16 dặm/giờ (mph) và tắt

máy tại khoảng 55 mph Turbines không hoạt động ở tốc độ gió ở trên khoảng 55 mph vì

họ có thể bị hư hỏng bởi những cơn gió cao

Anemometer (Máy đo gió): Bộ đo lường tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điểu

khiển

Wind vane (Gió cánh): Để xử lý hướng gió và liên lạc với các ổ đĩa yaw để định hướng turbines

gió

Nacelle (Thùng máy bay): Thùng máy bay nằm trên đỉnh tháp và bao gồm hộp số, trục thấp và

tốc độ cao, máy phát điện, bộ điều khiển và phanh

High – speed shaft (Trục quay tốc độ cao): Ổ đĩa máy phát điện Là trục truyền động của máy

phát ở tốc độ cao

Yaw drive (Ổ đĩa Yaw): Dùng để giữ cho rotor luôn luôn hướng về hướng gió chính khi có sự

thay đổi hướng gió

Yaw motor (Động cơ Yaw): Động cơ cung cấp cho “Yaw drive” định được hướng gió Tower (Trụ đỡ Nacelle): Towers được làm từ thép ống, bê tông, hoặc lưới thép Bởi vì tốc độ

gió tăng lên với chiều cao, tháp cao cho phép turbines dễ nắm bắt năng lượng hơn và tạo

ra nhiều điện hơn

b Nguyên lý hoạt động

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 tuabin 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 tuabin Đây chính là cơ chế tạo ra năng lượng tái tạo Nguồn điện từ năng lượng gió này nhằm phục vụ cho con người để sử dụng cho các thiết bị trong đời sống sinh hoạt

c Vì sao turbines trục ngang phổ biến hơn turbines trục đứng?

Với thiết kế trục đứng cùng các cánh được bố trí lệch tâm bao quanh trục quay, turbines gió trục đứng có thể đón gió từ mọi hướng khác nhau mà không cần bánh lái định hướng Thế nên turbines trục đứng sẽ có hiệu suất rất cao

Turbines gió trục đứng có nhiều ưu thế nổi trội hơn các turbines trục ngang như chúng

có thể được lắp đặt gần nhau hơn trong các trang trại gió, tiết kiệm không gian sản xuất Turbines gió trục đứng có kết cấu khá đơn giản, không gây ra nhiều tiếng ồn và không yêu cầu nhiều vào cấu trúc hỗ trợ Nó không đòi hỏi nhiều gió để phát điện, nên có thể được lắp gần mặt đất Do đó mang lại thuận tiện trong việc bảo trì và có thể được cài đặt trên ống khói hoặc các cấu trúc tương tự

Tuy nhiên hiện nay trên thế giới, turbines trục đứng vẫn chưa được sử dụng phổ biến như turbines trục ngang do có một số hạn chế đang được nghiên cứu khắc phục Turbines gió trục đứng thường có xu hướng chững lại theo hướng gió, lúc khởi động thường có momen xoắn rất thấp, nhưng sản xuất gợn sóng momen quay lại rất lớn và mang tính chu kỳ Thiết kế của trục đứng khi gặp gió cánh quạt sẽ cong đi để đón gió nên chịu momen uốn, trong thời gian dài sẽ gây ra sự nứt và vỡ cánh quạt

Tốc độ gió thay đổi theo chiều cao, càng lên cao thì tốc độ gió càng nhanh và mượt mà hơn do ma sát của gió với bề mặt Trái Đất Thế nên để sử dụng tối ưu năng lượng gió, người

ta phải lắp đặt động cơ càng cao so với mặt đất càng tốt Cánh gió của turbines trục đứng thường được lắp gần mặt đất nên không đón được gió vận tốc cao như ở trục ngang

III Công nghệ năng lượng điện gió trên thế giới

1 Lịch sử phát triển năng lượng gió

- Từ 5000 năm trước Công nguyên, loài người đã biết vận dụng gió để làm lực đẩy các thuyền buồm trên sông Nile ở Ai Cập Vào khoảng 2000 năm trước Công nguyên, người Lưỡng

Hà đã biết dùng cánh quạt gió để dẫn thủy nhập điền Trong lúc đó, vào khoảng 700 năm sau

Công nguyên, người Ba Tư và các dân tộc vùng Trung Đông dùng quạt gió có trục đứng để xay lúa mì và các loại hạt

- Thế kỷ 13 sau Công nguyên, châu Âu và Trung Quốc bắt đầu phát triển cối xay gió trục ngang và cả trục đứng

- Thế kỷ 14, các cối xay gió được xây dựng như các nhà máy bằng gỗ, bằng gạch hoặc đá ở

Hà Lan để xay ngũ cốc và thoát nước

- 1887, Jame Blyth là người đầu tiên tạo ra điện bằng một turbines gió trục dọc

- 1888, chế tạo thành công turbines gió quy mô lớn Charles Brush

- 1931, phát minh ra turbines gió Darrieus

- 1902, turbines gió được ứng dụng làm máy phát điện trên tàu buồm "Chance", New Zealand

- 1941, turbines gió kích thước megawatt đầu tiên trên thế giới được Hoa Kỳ chế tạo

- Trong thế kỷ 20, năng lượng gió đã trải qua nhiều giai đoạn thăng trầm Ngay sau khi Thế chiến thứ hai chấm dứt, giá dầu sụt giảm mạnh nên công nghệ gió hầu như bị ngưng trệ hoàn toàn Nhưng khi khủng hoảng dầu hỏa nổ ra vào thập niên 70, công nghệ nghiên cứu và phát triển nguồn điện năng này lớn mạnh ngay sau đó

- 1980, các trang trại gió bắt đầu được xây dựng

- 1990, bắt đầu phát triển các turbines gió đa-megawatt

- 2008, nhiều nước đầu tư khai thác năng lượng gió, đánh dấu sự phát triển mạnh mẽ nhất của ngành công nghiệp gió trên thế giới

2 Tình hình phát triển năng lượng gió trên thế giới

Trung Quốc là nhà sản xuất và tiêu thụ điện lớn nhất có công suất lắp đặt tuabin gió (WT) lớn nhất trên thế giới Trong hai thập kỷ gần đây, công suất lắp đặt của Trung Quốc đã bùng

nổ, tác động đáng kể đến ngành năng lượng gió (WP) của nước này và thúc đẩy sự phát triển của ngành này trên toàn cầu Nghiên cứu chỉ ra rằng Trung Quốc đã trở thành nhà lãnh đạo toàn cầu về WP, sự phát triển WP của nước này đã thúc đẩy đáng kể tốc độ phát triển của WP toàn cầu, và nó trở thành một lực lượng không thể thiếu trong sự phát triển WP toàn cầu Tuy nhiên, khả năng toàn diện của thế hệ WP của Trung Quốc không chỉ thấp hơn so với các nước

WP lớn khác mà còn thấp hơn mức trung bình toàn cầu WT của Trung Quốc có mức độ công nhận toàn cầu thấp và khó xuất khẩu Ngoài ra, tỷ trọng WP trong cơ cấu quyền lực của Trung Quốc thấp hơn so với hầu hết các nước WP lớn khác May mắn thay, những khoảng cách này giữa Trung Quốc và các nước WP lớn khác đang dần thu hẹp

+) GWEC: Trung Quốc vượt qua kỷ lục điện gió toàn cầu, tăng gấp đôi số lượng lắp đặt hàng năm vào năm 2020

- Năm 2020, Trung Quốc đã phá kỷ lục thế giới về công suất điện gió được lắp đặt nhiều nhất trong một năm với 52 GW công suất mới - gấp đôi số công suất lắp đặt hàng năm của nước này so với năm trước

- Nhìn chung, gần 56 GW công suất điện gió mới đã được lắp đặt ở khu vực Châu Á Thái Bình Dương vào năm 2020, tăng 78% so với cùng kỳ năm ngoái

- Khu vực Châu Á Thái Bình Dương đang ngày càng thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp gió toàn cầu, với khu vực này chiếm 60% tổng công suất điện gió mới vào năm

2020

- Tổng công suất điện gió ở Châu Á Thái Bình Dương hiện là gần 347 GW, trở thành khu vực có công suất điện gió nhiều nhất trên toàn thế giới và giúp tránh được 510 triệu tấn khí thải C02 hàng năm - tương đương với việc loại bỏ 110 triệu xe du lịch trên đường

+) Trung Quốc lắp đặt một nửa công suất gió ngoài khơi toàn cầu mới trong năm 2020 trong năm kỷ lục