đồ án nhập môn ngành điện tìm hiểu năng lượng điện gió cơ chế chuyển hóa và sản xuất

Khai thác, s n xuả ất điệ ừn t gió, cơ chế chuyển hóa năng lượng gió thành năng lượng điện bằng tuabin được thực hiện như thế nào?. Sự hình thành gió và năng lượng gió Gió được hình thàn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỒ ÁN NHẬP MÔN NGÀNH ĐIỆN Tìm hiểu năng lượng điện gió, cơ chế chuyển hóa và sản xuất

An Ng c Hà ọMSSV: 20212781 Ha.an212781@sis.hust.edu.vn Ngành điều khiển và tự động hóa EE2

• Giáo viên hưỡng dẫn: Nguyễn Hoàng Nam • Bộ môn: Nhập môn ngành điện

ử

MỤC LỤC

Mở đầu……….2

Chương 1: T ng quan vổ ềnăng lượng điện gió……… 3

1.1 Sự hình thành gió và năng lượng gió……… 3

1.2 Lịch sử của năng lượng gió……….4

1.3 Sản xuất điệ ừ n t năng lượng gió……….6

Chương 2: Tuabin gió và các loại tuabin gió… 8

2.1 Tổng quan về tuabin gió……….8

2.2 Các loại tuabin gió……… 9

2.2.1 Tuabin gió tr c ngang (HAWT)ụ ………9

2.2.2 Tuabin gió tr c thụ ẳng đứng (VAWT)………… 10

2.2.3 Các loại tuabin gió khác………13

Chương 3: C u tấ ạo và cơ chế ản xu s ất điện của tuabin gió………16

Mở đầu

Chất lượng cu c sộ ống con người ngày càng được nâng cao bởi các thi t b và công c h ế ị ụ ỗ trợ con người lao động, h c tọ ập và vui chơi Hầu hết trong số chúng hiện nay đều tiêu thụ điện Nhu cầu sử d ng ụđiện ngày càng tăng cao trong 20 năm trở ại đây Việc này đòi l hỏi con người phải tìm cách sản xuất ra thật nhiều điện phục vụ cho nhu cầu sử d ng chúng ụ

Thuở sơ khai, con người khai thác nhiên li u hóa th ch, không ệ ạtái t o, s d ng chúng vào các nhà máy nhiạ ử ụ ệt điện đề ả s n xuất điện tiêu dùng Điểm l i c a chúng là d ợ ủ ễ thực hi n, d tri n khai Tuy nhiên ệ ễ ểchúng l i gây ra nhi u h u quạ ề ậ ả khôn lường khi chúng tr c ti p gây ô ự ếnhiễm môi trường nghiêm trọng, mặt khác nguồn tài nguyên sẵn có này đăng cạn kiệt vô cùng nhanh Nhiên liệu hóa thạch là lo i nhiên ạliệu không tái t o, v i nhu c u s dạ ớ ầ ử ụng điện cao như hiện nay, sẽ ạ c n kiệt trong vài chục năm tới đây Con người lạ ầi c n phải tìm cách đểsản xuất điện m t cách b n v ng, hộ ề ữ ợp lý, lâu dài, và cũng không được gây h i nhi u cho h sinh thái T ạ ề ệ ừ đó, người ta bắt đầu khai thác nguồn năng lượng tái tạo Nguồn năng lượng tái tạo có nhiều loại, như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng thủy triều,… cùng chung đặc điểm là không hoặc rất lâu cạn kiệt, hơn nữa việc khai thác, sử dụng chúng không gây h i nhi u cho môi ạ ề trường

Khai thác và s d ng nguử ụ ồn năng lượng tái t o tr thành xu ạ ởhướng mới cho các nước phát triển, đặc biệt ph i k đến năng lượng ả ểgió Khai thác, s n xuả ất điệ ừn t gió, cơ chế chuyển hóa năng lượng gió thành năng lượng điện bằng tuabin được thực hiện như thế nào? Đó là vấn đề đồ án này sẽ làm rõ cho người đọc trong các trang tiếp theo

Đồ án c a em có ngu n thông tin tham kh o t internet ủ ồ ả ừ Đây là lần đầu tiên em làm đồ án, em mong nếu có lỗi hay sai sot gì mong thầy cô bỏ qua cho em

ảm ơn!

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN GIÓ 1.1 Sự hình thành gió và năng lượng gió

Gió được hình thành do các khối khí quyển di chuyển từ nơi có áp suất cao v ề nơi có áp suất th p S ấ ở dĩ xảy ra điều này là do b m t trái ề ặđất, khí quyển và nước được bức xạ m t tr i chi u xuống không đều ặ ờ ếnên dẫn đến m t mộ ặt không được chiếu sáng, mặt ban đêm sẽ lạnh đi, còn m t còn l i, s nóng lên Khi kh i khí khác nhau vặ ạ ẽ ố ề nhiệt độ, chúng s chênh l ch nhau v áp su t Kh i khí có áp suẽ ệ ề ấ ố ất cao s nẽ ặng hơn, và di chuyển xuống, còn ngược lại khối khí áp suất thấp sẽ nhẹ và bay lên Các kh i khí tố ừ đó có xu hướng di chuy n tể ừ nơi có áp suất cao v ềnơi có áp suất thấp

Ngoài ra gió cũng được hình thành dựa trên hiệu ứng Coriolis, hiệu ứng gây ra do s quay quanh trục cự ủa trái đất làm cho các khối khí quyển chệch hướng và sinh ra gió

Gió khi di chuy n mang mể ột động năng nhất định Năng lượng gió được sinh ra chính là động năng của không khí chuyển động với vận tốc nhất định Vận tốc càng cao, động năng hay năng lượng gió càng lớn

Tham khào: Công th c vứ ật lý tính động năng chuyển động c a gió ủKhối lượng không khí đi qua một mặt phẳng hình tròn vuông góc với chiều gió trong thời gian t là:

với ρ là tỷ trọng của không khí, V là th tích khể ối lương không khí đi qua m t c t ngang hình tròn di n tích A, bán kinh r trong th i gian t ặ ắ ệ ờVì th ế động năng E (kin) và công suất P của gió là:

Từ đó ta thấy điều đáng chú ý là công suất gió tăng theo lũy thừa 3 của vận t c gió vì th v n t c gió là m t trong nh ng y u t quyố , ế ậ ố ộ ữ ế ố ết định khi muốn s dử ụng năng lượng gió

1.2 Lịch s cử ủa năng lượng gió

Năng lượng gió đã được sử dụng từ hàng trăm năm nay Từ những chiếc thuy n bu m, c i xay gió cho t i nh ng chi c khinh khí c u, tề ồ ố ớ ữ ế ầ ất cả đều s dử ụng năng lượng gió Thời sơ khai, con người ứng d ng gió ụvào vi c di chuy n, thì sau dệ ể ần cũng có cối xay gió, công trình dùng năng lượng gió tạo ra công cơ học để xay lúa t o b t Ngày nay chiạ ộ ếc

cối xay gió c ổ điển vẫn được nhiều nơi giữ ại v l ừa là để ử ụ s d ng, vừa là để lưu giữ một kỳ quan của địa phương (như cối xay gió của Hà Lan)

Ngay khi ch tế ạo ra điện và máy phát điện, con người đã nghĩ tới việc dùng gió để sản xuất điện Ban đầ ừ ối xay gió cơ bảu t c n v i nhớ ững biến đổi nhỏ, người ta dùng gió sinh công cơ học để tạo ra điện Nhưng sau này, khi bộ môn khoa học Cơ học dòng chảy phát tri n thì ểthiết b và hình dáng cánh quị ạt cũng được thiết kế đặc biệt hơn, giúp tận d ng tụ ối đa động năng mà gió mang lại Từ sau đó, người ta cũng có tên m i thay cho c i xay gió, tuabin gió, vì c i xay gió gớ ố ố ốc đã bịthay đổi nhi u v c u trúc cánh ề ề ấ quạt và ph n nghi n c a cầ ề ủ ối xay cũng được lo i bỏ ạ

Từ khủng hoảng d u nhầ ững năm 1970, với m i lo ng i v nghiên liố ạ ề ệu hóa thạch và khí đố các nướt, c trên toàn thế giới cũng đẩy mạnh việc

nghiên c u và s n xuứ ả ất điệ ừ năng lượng gió n t nhằm tìm ra bi n pháp ệsản xuất điện lâu dài, b n v ng và thân thi n về ữ ệ ới môi trường.

Hình 3: Tua bin gió ngày nay

1.3 Sản xuất điện từ năng lượng gió

Tuabin gió là thi t b giúp biế ị ến đổi động năng của gió thành cơ năng Sản xuất điệ ừ gió đượn t c nhiều nước trên thế giới s d ng r ng rãi ử ụ ộTuy nhiên, s n xuả ất điện gió có nhược điểm, đó là gió thổi không đều dẫn đến việc cung cấp điện liên tục trở nên khó khăn hơn.

Trên th c t , có ự ế nhiều cách để khắc ph c vụ ấn đề này, đó là sử ụng dacquy tích tr ữ điện, ho c dùng k t h p v i nguặ ế ợ ớ ồn năng lượng m t tr i ặ ờSử d ng acquy dụ ự trữ ảnh hưởng bởi độ chính xác c a vi c d báo ủ ệ ựgió, khả năng điểu ch nh mỉ ạng lưới và nhu c u s dầ ử ụng điện Còn s ửdụng k t hế ợp năng lượng m t tr i thi kh c phặ ờ ắ ục điểm y u c a nhau: ế ủNăng lượng gió thì d i ồ dào hơn vào ban đêm, còn năng lượng m t trặ ời thì thay th vào bu i sáng ế ổ

Ngoài ra người ta còn có công nghệ khác để tích trữ năng lượng của gió: dùng máy nén khí Động năng của tuabin sẽ được dùng trực tiếp để quay máy nén khí, tích lũy động năng của gió vào nhi u bình khí ềnén b t k gió m nh hay nh H ấ ể ạ ẹ ệ thống bình khí nén này s luân phiên ẽphun vào xoay động cơ của máy phát điện để tạo ra điện Hệ thống gồm nhi u bình khí thay phiên nhau nén và x khí sề ả ẽ giúp người ta điều khiển được công suất đầu ra của tuabin gió, đảm bảo nguồn điện ổn định

Bên c nh sạ ức nước, năng lượng gió sau khi tr chi phí thi công lừ ắp đặt, chi phí phụ là một trong nh ng nguữ ồn năng lượng r ẻ tiền nhất.

Kết luận: Chương này ta đã tìm hiểu tổng quan về gió, năng lượng gió và điện gió Chương sau sẽ đi tìm hiểu sâu hơn về cấu tạo và cơ chế hoạt động của tuabin gió

CHƯƠNG 2

TUABIN GIÓ VÀ CÁC LOẠI TUABIN GIÓ 2.1 T ng quan v tuabin gió ổ ề

Tuabin gió là thi t b g m nhi u phế ị ồ ề ần khác nhau như: máy phát điện, hộp s , cánh ố quạt, rotor, phanh, thi t b ế ị điều khiển và c m bi n, hoả ế ạt động trên nguyên lý chung dùng sức gió qua các tay đòn làm quay bộ phận (cuộn dây, nam châm) bên trong máy phát điện sinh ra hiện tượng cảm ứng điện t , từ ừ đó tạo ra điện năng

Hình 4: Tuabin gió

• Tuabin gió không cánh

• Tuabin cánh quạt quay ngược (Counter-Rotating Turbine)

Hình 5: Các lo i tuabin gió tr c thạụẳng đứng

2.2.1 Tuabin gió tr c ngang (HAWT) ụ

Khi nghĩ đến tuabin gió, người ta thường nghĩ tới loại tuabin gió này Tuabin gió này phổ biến nh t trong các lo i tuabin và có th d dàng ấ ạ ể ễnhận di n b i thiết k khá giống một cánh qu t của chúng Chúng ệ ở ế ạthường có một cánh quạt 3 lưỡi (có tuabin 2 cánh nhưng không ph ổbiến), được gắn lên m t tr c thộ ụ ẳng đứ , khá gi ng m t chi c chong ng ố ộ ế

chóng tre đồ chơi Cánh quạt của chúng hứng gió theo hướng vuông góc v i gió nên g i là tuabin gió tr c ngang ớ ọ ụ

Hình 6: Tuabin gió trục ngang (HAWT)

HAWT s d ng l c nâng v i các cánh có hình dử ụ ự ớ ạng đặc biệt để ạ t o ra điện, cơ chế tương tự cơ chế sử dụng lực nâng của máy bay Mặc dù vậy, t l l c nâng cỉ ệ ự ủa tuabin thường lớn hơn gấp nhiề ầu l n so v i t ớ ỉlệ lực nâng của cánh máy bay thương mại thông thường Chúng thường được đặt trên cao cách mặt đất để tận dụng tối đa tốc độ gió Cho đến nay, đây là loại tuabin được nghiên cứu kỹ lưỡng nhất

2.2.2 Tuabin gió tr c thụ ẳng đứng (VAWT)

Tuabin gió ti p c n gió theo mế ậ ột hướng cùng với hướng c a gió ủ được gọi là tuabin gió tr c thụ ẳng đứng (VAWT) Khác v i HAWT, chúng ớcó hai nguyên lý hoạt động: s dử ụng ự l c nâng, hoặc l c c n c a gió ự ả ủVAWT thường được s dử ụng quy mô nhỏ hơn HAWT Chúng cũng ít được sử dụng ở quy mô công nghiệp Thay vào đó, chúng thường được s dử ụng trên các mái nhà làm nguồn năng lượng b sung Chúng ổ

thường đặt gần mặt đất, làm vi c kém hi u qu v i tệ ệ ả ớ ốc độ gió thấp hơn, nhưng bù lại dễ bào trì bảo dưỡng

VAWT có hai lo i chính, là Darrieus và Savonius Chúng r t khác ạ ấnhau v cách thu gió và nh ng thi t k cề ữ ế ế ủa chúng cũng phụ trợ cho nhiều mục đích khác nhau.

• Darrieus

Các tuabin gió Darrieus được nhận d ng b i hai cánh qu t ạ ở ạdạng cánh cong g n vào trắ ục trung tâm, t o cho chúng hình ạdạng “chiếc máy đánh trứng” Các cánh qu t gạ ắn ở đầu và cuối trục và quay theo phương thẳng đứng xung quanh trục để ph n ảứng v i gió Giớ ống như HAWT, tuabin gió Darrieus tạo ra điện bằng l c nâng ự

Tua bin gió Darrieus có m t s ộ ốưu điểm Thay vì như HAWT, phải vuông góc với hướng gió hoạt động mới hiệu quả, chúng có hi u qu b t kệ ả ấ ể hướng gió Chi phí c a tuabin Darrieus ủthường có phần r ẻ hơn, tuy v y ậtuabin Darrieus thường chỉ có công suất dưới 1 MW

Nhưng tuabin Darrieus có quá nhiều nhược điểm Chúng có xu

hướng kém hi u qu hơn HAWT vì các lưỡi dao quá g n mệ ả ầ ặt đất Thiết k ế cũng không phù hợp v m t c u trúc ề ặ ấ ở quy mô l n Dây Guy ớlà c n thiầ ết để giữ cho các tuabin lớn hơn không bị ậ s p Tua-bin

Hình 7: Tuabin gió trục đứng d ng Darrieus cao ạnhất thế giới hiện nay (110m) tại Quebec, Canada

Darrieus có mô-men xoắn ban đầu thấp, có nghĩa là chúng cần nguồn điện bên ngoài để khởi động Chúng hiếm khi tự khởi động, ngay cả khi tốc độ gió lớn

• Savonius

Tua bin gió Savonius là loại tuabin gió đơn giản nhất Chúng bao g m tồ ối đa bốn gàu bán trục được g n theo chi u dọc v i một ắ ề ớtrục trung tâm Các tuabin này tạo ra điện bằng cách sử dụng lực cản, làm cho chúng kém hiệu quả hơn Chúng có xu hướng được sử dụng khi chi phí và độ tin cậy là những y u tố lế ớn hơn hiệu quả Nhờ thi t k đơn giản, chúng ít ế ếyêu c u b o trì và hoàn toàn t ầ ả ựkhởi động.Chúng đặc bi t hệ ữu ích cho các ứng dụng tiêu th ụ điện năng thấp ở các vị trí xa Phao nước sâu, máy bơm nước và quạt làm mát là những ứng dụng phổbiến cho tuabin savonius Nhi u ềmáy đo gió là tuabin savonius, vì mục tiêu chính là đo tốc độ gió chứ không phải tạo ra điện

năng Ở châu Âu, tuabin savonius đôi khi được s dụng làm qu ng ử ảcáo, trong đó một hình ảnh động hai khung đơn giản được đặt bên trong tuabin, sau đó được kích hoạt bằng chuyển động quay của tuabin

Hình 8: Tuabin Savonius dùng làm qu ng cáo ả

2.2.3 Các lo i tuabin gió khác ạ

• Tua bin gió xuôi / hướng gió (downwind turbine)

Tuabin hướng gió có b ngoài g n gi ng về ầ ố ới tuabin tr c ngang ụ(HAWT) bình thường, m c dù có mặ ột điểm khác bi t l n Tua bin ệ ớhướng gió v cơ bản là quay ngược, nơiề rotor của tuabin được đặt làở cùng phía v i gióớ Điều này đặt các lưỡi phía sau nacelle (bộ ph n ậchứa rotor)

Trong khi các tuabin tr c ngang ụbình thường khác cần phải có yaw system, h ệ thống c m biả ến quay cánh qu t v ạ ề hướng vuông góc với gió, tuabin hướng gió có một ưu điểm tuy t v i khệ ờ i chúng có th quay m t cách th ể ộ ụđộng để đối mặt với gió, tiết kiệm chi phí làm h ệ thống, nhất là đối với các tuabin cánh to, nặng Ngoài ra các lưỡi dao có thể uốn cong và s n xu t b ng ả ấ ằvật li u linh hoệ ạt hơn, điều mà

ở HAWT không làm được, vì n u uốn conế g lưỡi dao của HAWT s ẽva vào tháp

Tuy nhiên có một nhược điểm c a vi c không có hủ ệ ệ thống yaw system, đó là cánh quạt quay theo hướng tùy ý, nếu mà như vậy dây dẫn n i xu ng t tuabin s b r i n ng mà khó có th gố ố ừ ẽ ị ố ặ ể ỡ ra, điều mà khi dùng yaw system, ta có thể ễ d dàng kiểm soát

Một nhược điểm khác của tuabin này so với HAWT là gió bị chẻ hướng khi va vào nacelle, làm giảm độ hiệu qu của tuabin, hơn nữa ảtrong th i gian dài s gây ra y u k t cờ ẽ ế ế ấu.

tuabin hướng gió

• Tuabin gió không cánh

Tua bin gió không cánh là m t thi t k m i sáng t o d a trên các dòng ộ ế ế ớ ạ ựgió xoáy thay vì gió liên tục Tua bin gió không cánh không có cánh quay, và được thi t k ế ế để đứng thẳng để dao động theo phản ứng của các dòng xoáy

Thiết kế c a chúng rủ ất đơn giản, vì vậy chúng có lợi trong việc vận chuyển, sản xuất, bảo quản và lắp đặt Không có vòng bi, bánh răng hay các b ộ phận chuyển động mà s ẽ hư hỏng theo th i gian, vi c bờ ệ ảo trì tuabin không cánh tr nên r t d dàng So v i tuabin gió có cánh ở ấ ễ ớthông thường, chi phí để ạo ra điệ t n của nó thấp hơn 40%.

Các tuabin không cánh hoạt động d a trên m t nguyên lý cự ộ ộng hưởng được gọi là rung động do xoáy Khi gió va vào các v t th cùn, các ậ ểxoáy gió được t o ra xung quang v t Tuabin s dao ạ ậ ẽ động theo nguyên lý cộng hưởng, cho t i khi t n s c a nó g n b ng t n s cớ ầ ố ủ ầ ằ ầ ố ộng hưởng

của xoáy gió Khi tuabin rung, nó tạo ra điện bằng hệ thống máy phát điện

Tuy v y, thi t k này vậ ế ế ẫn còn sơ khai và không hiệu qu so v i các ả ớthiết kế tuabin thông thường Hơn nữa, dao động của tuabin phải đạt tới tốc độ khá cao m i sinh ra mớ ột lượng điện đáng kể Tuy nhiên, tốc độ dao động càng cao thì độ rung tác động lên cột và n n gi nó sẽ ề ữcàng l n, lâu d n s ớ ầ ẽ gây ra hư hại cho n n tề ảng

• Counter-rotating turbine

Thiết k tuabin này là m t thi t k thú vế ộ ế ế ị, trong đó HAWT gió ngược và gió xuôi được đặt trên cùng một tháp Sau đó, hai rotor quay ngược l i nhau, v i tuabin gió ạ ớxuôi sẽ thu năng lượng còn l i t tuabin ạ ừgió ngược Các tuabin gió ngược đạt được hi u suệ ất tăng thêm 40% bằng cách thu năng lượng gió xuôi chiều Chúng cũng không yêu cầu hộp số, và chúng tự điều chỉnh một cách thụ động theo hướng gió

Mặc dù tuabin quay ngược chiều có vẻ có lợi nhưng chúng rất khó để chế ạ t o

Các tuabin gió xuôi ph i nhả ỏ hơn tuabin gió ngược và phải được đặt ở chế độ ừ d ng ở tốc độ gió cao hơn Chúng cũng phải được hẹn gi ờđể quay ở các tỷ l tệ ốc độ nhất định để ngăn chặn các rung động có thể dẫn đến hỏng k t cế ấu Cho đến ngày nay, rất ít tuabin ại này lođược tiêu thụ trên thị trường

Hình 11: Tuabin counter-rotating