Và nguồn năng lượng được biết đến và sử dụng rộng rãi trên thế giới trong đócó cả Việt Nam chính là năng lượng gió - một nguồn năng lượng vô hạn và rất thânthiện với môi trường.Năng lượn
Trang 1ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI⁃⁃⁃⁃VIỆN ĐIỆN⁃⁃⁃⁃
Trang 2MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 2
CHƯƠNG 1: Giới thiệu chung về năng lương gió và tuabin gió 3
CHƯƠNG 2: Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của tuabin gió 5
CHƯƠNG 3: Ưu điểm và hạn chế 11
CHƯƠNG 4: Tiềm năng phát triển của năng lượng gió tại Việt Nam 13
Trang 3MỞ ĐẦU
Ngày nay, trong bối cảnh thế giới đang phải đối mặt với sự nóng lên toàn cầu thìcon người ta lại càng nhận thức được rõ hơn sự hữu hạn của tài nguyên thiên nhiên.Giá xăng dầu và giá lương thực đang ngày càng tăng cùng với đó là sự gia tăng dânsố một cách nhanh chóng chính là báo hiệu cho một cuộc cạnh tranh gay gắt trongcông cuộc tìm kiếm các nguồn năng lượng và tài nguyên mới.
Bên cạnh năng lượng mặt trời và năng lượng hạt nhân đã và đang được sử dụngrất rộng rãi trên toàn thế giới bởi sự hiệu quả và nguồn cung cấp vô hạn của chúng.Năng lượng gió cũng được biết đến là một nguồn năng lượng sạch, vô hạn và rấtthân thiện với môi trường, nó miễn dịch với những biến động của ngành côngnghiệp nhiên liệu hóa thạch Những ý tưởng đưa năng lượng gió vào sử dụng đãxuất hiện ở thời Trung cổ nhưng từ sau cuộc khủng hoảng dầu trong thập niên 1970việc nghiên cứu tìm tòi những nguồn năng lượng khác được đẩy mạnh và nănglượng gió bắt đầu được chú ý hơn Mặc dù điện gió đã được thế giới nghiên cứu vàđưa vào sử dụng khá lâu nhưng chỉ trong 10 năm gần đây nó mới khẳng định đượcvị thế của mình trên thị trường năng lượng thế giới bởi khả năng cung cấp vô hạnvà tiềm năng kinh tế lớn của chúng.
Để tận dụng được tối đa nguồn năng lượng từ gió, các tuabin gió đã được ra đờivà đang ngày càng hoàn thiện hơn Những chiếc tuabin ấy sẽ chuyển hóa động năngcó được từ gió để tạo ra cơ năng Nguồn cơ năng ấy có thể được sử dụng cho cácmáy bơm nước hay máy nghiện lương thực và cũng có thể tạo ra điện năng sử dụngtrong sinh hoạt, công nghiệp Theo thống kế, trong số 20 thị trường lớn nhất trên thếgiới, riêng ở châu Âu đã có 13 nước với Đức là nước dẫn đầu trong công cuộc sảnxuất năng lượng gió Bên cạnh đó Hoa Kỳ rất quan tâm phát triển lĩnh vực này vàcác quốc gia khác trên thế giới trong đó có Việt Nam cũng đã và đang chú trọng đầutư vào điện gió Điều đó chứng tỏ gió là một trong những nguồn năng lượng hiệnđại tốt nhất trên thế giới hiện nay và tương lai.
Trang 4Chương 1: Giới thiệu chung về năng lương gió và tuabin gió.1.1 Năng lượng gió
Hiện nay với sự phát triển không ngừng của đô thị hóa, hiện đại hóa cùng với tốcđộ gia tăng dân số nhanh chóng, nhu cầu tiêu thụ điện đang ngày một gia tăng Tuyvậy, các quốc gia cũng cần cân nhắc các biện pháp sản xuất điện năng sao cho vừađáp ứng được nhu cầu tiêu dùng, vừa không gây ảnh hưởng xấu đối với môi trường.Ngoài ra, nguồn nhiên liệu hóa thạch dùng để cung cấp năng lượng cho các nhàmáy nhiệt điện cũng là có hạn và năng lượng hạt nhân cũng không phải là nguồnnăng lượng dễ sử dụng Bên cạnh đó, khí thải từ những nhà máy nhiệt điện cũngchính là nguyên nhân chính phá hủy tầng ô-zôn và gây ra hiệu ứng nhà kính cũngnhư làm ô nhiệm môi trường trầm trọng.
Nhận ra được tính cấp thiết của vấn đề này, các quốc gia trên thế giới đã đẩymạnh nghiên cứu tìm tòi những nguồn năng lượng tái tạo mà con người có thể sửdụng Và nguồn năng lượng được biết đến và sử dụng rộng rãi trên thế giới trong đócó cả Việt Nam chính là năng lượng gió - một nguồn năng lượng vô hạn và rất thânthiện với môi trường.
Năng lượng gió (hay điện gió) là một dạng năng lượng tái tạo hoạt động bằngcách chuyển đổi sức gió (động năng của gió) thành cơ năng từ đó biến đổi thànhđiện năng hoặc nhiệt năng tùy thuộc vào mục đích sử dụng Tuabin gió chính làcông cụ giúp chuyển hóa động năng thành cơ năng Bằng cách vận dụng những kiếnthức khoa học đã biết, cách nhà khoa học đã tạo nên những cánh quạt nhằm lợidụng sự chuyển động luồng không khí trong không trung để tạo ra chuyển động vàđộng năng sinh ra từ những chuyển động ấy thông qua các tuabin gió sẽ được biếnđổi thành năng lượng cơ khí và điện năng Từ đó, hình thành nên các nhà máy điệngió cung cấp nguồn năng lượng sạch cho đất nước.
Trang 51.2 Tuabin gió
Tuabin gió (Turbine gió) được xem là lấy cảm hứng từ các cối xay gió tại cácnước Hà Lan, Đan Mạch Các tuabin được thử nghiệm và xây dựng vào năm 1887tại Scotland dưới sự chỉ dẫn của giáo sư ư James Blyth Ông đã chế tạo một tuabinthẳng đứng kiểu Savonius để cung cấp năng lượng cho ngôi nhà của mình với mụcđích là chiếu sáng Cuối năm đó, doanh nhân, kỹ sư và là nhà phát minh Charles F.Brush đã chế tạo một tuabin có trục nằm ngang công suất 12 kW ở Ohio để cungcấp điện cho phòng thí nghiệm của mình Các tuabin gió hiện đại ngày nay đượchoàn thiện hơn nhờ vào các nghiên cứu của NASA vào những năm 1970.
Cũng giống như cối xay, tuabin điện gió (wind turbine) là một thiết bị cơ khí kháđơn giản và cấu tạo cũng không quá phức tạp Mượn sức gió để chuyển đổi độngnăng thành cơ năng và tiếp tục chuyển đổi thành điện năng.
Trang 6Tương tự hệ thống điện mặt trời có các tấm phim năng lượng mặt trời ( solarpanel) chuyển đổi năng lượng thì tuabin gió có cánh quạt đón gió để chuyển đổiđộng năng của gió thành cơ năng, sau đó chuyển hóa thành điện năng.
Chương 2 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của tuabin gió:2.1 Cấu tạo tuabin gió
Động cơ Tuabin điện gió được xem như một chiếc máy phát điện sử dụng sứcgió Chi tiết quan trọng nhất vẫn là chiếc motor điện một chiều Đây loại thiết bị cơkhí có cấu trúc không quá phức tạp, bao gồm:
‑ Pitch: Bộ phận hỗ trợ bảo vệ cánh quạt và rotor trong điều kiện gặp gió lớn,giúp thay đổi góc của cánh quạt
‑ Hub: Là tâm của rotor, có chất liệu chính từ gang/ thép, thực hiện “công tác”chuyển hướng năng lượng từ cánh quạt vào máy phát điện
Cấu tạo của tuabin điện gió
Trang 7• Trong trường hợp tuabin gió có hộp số, Hub sẽ được nối trực tiếp với trụchộp số quay chậm nhằm chuyển năng lượng gió thành năng lượng lực quaytạo nên điện.
• Trong tường hợp tuabin gió có bộ truyền động trực tiếp, Hub sẽ truyền nănglượng đến máy phát vòng ngay lập tức.
‑ Rotor: Rotor là thiết bị gắn liền với cánh quạt giúp tạo ra điện năng Chúng sẽhoạt động dựa theo nguyên tắc nâng.
‑ Blades: Đây là cánh quạt, khi gió thổi sẽ tạo lực vào cánh quạt Làm quay trụccủa động cơ tuabin và sau đó là dẫn tới các chuyển động liên hoàn của hệ thốngtuabin điện gió.
‑ Brake: Là phanh (bộ hãm), dùng để dừng rotor trong những tình trạng khẩn cấp.‑ Gear box: Bộ phận hộp số Đây là bộ phận kết nối chuyển động quay của rotor
với máy phát điện để sinh ra năng lượng điện.
‑ Yaw drive: Bộ phận xoay của tuabin, giúp định hình rotor luôn hướng về chiềucó xuất hiện nguồn gió chính.
‑ Yaw motor: Động cơ giúp cho thiết bị yaw drive định hình được hướng gió mộtcách chính xác.
‑ Tower: Là trụ đỡ của toàn bộ động cơ và cánh quạt có chất liệu chính được làmtừ thép Trụ càng cao, lượng gió đón được càng nhiều từ đó lượng điện sản xuấtđược cũng lớn hơn.
‑ Low Speed Shaft: Là trục truyền động tốc độ thấp của máy phát.‑ High Speed Shaft: Là trục truyền động tốc độ cao của máy phát.‑ Controller: Bộ điều khiển chính của tuabin gió.
‑ Anemometer: Bộ phận đo lường tốc độ gió và truyền tải thông tin tốc độ gióđến bộ phận điều khiển (controller).
‑ Wind vane: Bộ phận giúp nhận biết hướng gió và kết hợp cùng yaw drive địnhhình tuabin gió.
‑ Generator: Bộ phận máy phát, giúp phát điện sau khi tuabin gió tạo ra điện
Trang 8‑ Nacelle: Đây là phần vỏ của động cơ Bao gồm lớp vỏ bọc ngoài và vỏ củaRotor Được dùng để làm lớp bảo vệ, che chở cho các thành phần chi tiết cấutạo bên trong của động cơ.
2.2 Nguyên lí hoạt động và cách vận hành.
Thông thường cách phổ biến nhất để tạo ra điện là làm quay tuabin đã được kết nốivới máy phát điện Trong công nghiệp năng lượng hóa thạch, nhiên liệu sẽ được đốtcháy, tạo ra hơi hoặc khí có áp suất làm quay tuabin và tạo ra điện.
Tuabin gió cũng hoạt động dựa trên cơ chế như vậy nhưng thay vì dùng khí đượctạo ra từ việc đốt thì chúng sử dụng sức gió Các cánh quạt sẽ hấp thu động năng củagió và quay tròn, chuyển động quay ấy sẽ tạo ra cơ năng rồi từ cơ năng chuyển hóathành điện năng.
Đầu tiên, khi có gió thổi, gió sẽ đập vào cánh quạt của tuabin, làm các cánh quạtquay Vậy tại sao cánh quạt có thể quay được? Nguyên lí quay của chúng được dựatrên ứng dụng của khí động lực học cùng với những thiết bị hỗ trợ khác Khi nhìn vàocánh quạt cuat tuabin chúng ta sẽ thấy được chúng có thiết kế giống với cánh của máybay nên khi có gió thổi qua, cánh quạt sẽ chặn dòng chảy thông thường của chúngbuộc gió phải đi theo hai luồng trên và dưới cánh quạt tạo ra chênh lệch áp suất ở haibề mặt, vùng áp suất cao ở dưới và áp suất thấp ở trên Khi đó khối áp suất cao ở phíadưới sẽ đẩy cánh quạt vào vùng áp suất thấp và tạo ra lực nâng Như ta đã biết khôngkhí là một dòng chảy và khi một vật đi xuyên qua dòng chảy sẽ xuất hiện ma sát trênbề mặt và từ đó sinh ra một lực cản (lực kéo), lực này sẽ làm cho cánh máy bay chậmlại Tuy nhiên, với việc có thiết kế giống cánh máy bay sẽ giảm lực kéo và tăng tối đalực nâng giúp cánh quạt có thể quay.
Trang 9Khi tuabin quay, rotor của của tuabin cũng quay, năng lượng thu được từ gió sẽkhông được thể tạo ra điện được ngay được Bởi tần số quay của tua bin gió rất nhỏnên nếu kết nối trực tiếp vào máy phát thì sẽ không thể tạo ra năng lượng điện, vì vậycần có hộp số để khuếch đại tốc độ quay Bên trong hộp số sẽ gồm trục truyền tốc độthấp, trục truyền tốc độ cao và hệ thống bánh răng Trục tốc độ thấp sẽ được kết nốivới phần cánh và máy phát ( Generator) sẽ được kết nối với trục tốc độ cao và hai trụcnày sẽ kết nối với nhau thông qua bộ bánh răng giúp khuếch tại tốc độ quay lên rấtnhiều lần.
Khi rotor quay, 2 trục tốc độ cùng bánh răng cũng chuyển động làm quay namchâm điện Như vậy từ năng lượng gió được tuabin biến đổi thành cơ năng làm chomáy phát điện của tuabin quay để sản sinh ra điện Dòng điện sẽ chạy qua các dây cápđến máy biến áp được đặt ở chân tuabin gió Máy biến áp có nhiệm vụ khuếch đại điệnáp để phân phối trên diện rộng Điện năng được sản sinh ra có dạng 3 pha, một phần sẽđược giữ lại làm nguồn điện dự trữ toàn bộ phần còn lại sẽ được truyền dẫn theo điệnlưới quốc gia và đưa đến phân phối ở địa phương và các nhà máy công ty, xí nghiệp.
Trang 10Bên cạnh đó, góc tiếp xúc giữa bề mặt cánh quạt và gió cũng ảnh hưởng đến độhiệu quả của tuabin Ví dụ, nếu bề mặt cánh quạt tiếp xúc vuông góc với hướng gió,các cánh quạt sẽ không những không thể quay mà cũng sẽ tạo môt áp lực lớn lên bộphận chống đỡ của tuabin gió Bên cạnh đó nếu bề mặt tiếp xúc của cánh quạt songsong với hướng gió, mặc dù cánh quạt vẫn quay nhưng quay với tốc độ rất chậm, điềunày đồng nghĩa với lượng điện sản xuất ra rất hạn chế và không mang tính hiệu quả.
Cánh quạt xoay để tạo góc tiếp xúc phù hợp với tốc độ gióQuy trình điện sản xuất được đưa vào sử dụng
Trang 11Vậy nên để tuabin có thể hoạt động với khả năng tốt nhất, ở phần chân các cánhquạt thường có thiết bị hỗ trợ gọi là pitch, giúp điều chỉnh góc tiếp xúc của bề mặtcánh quạt và dòng chảy của không khí sao cho tối ưu nhất.
Thông thường, gió càng mạnh tuabin quay càng nhanh, lượng điện sản xuất được sẽlớn hơn Tuy nhiên nếu tuabin quay quá nhanh trong một thời gian dài sẽ khiến máyphát làm việc quá tải, vậy nên các tuabin sẽ dừng hoạt động khi tốc độ gió đạt 55dặm/giờ để tránh hư hỏng Bộ phân thực hiện nhiệm vụ này được gọi là phanh (Brake).Trên thực tế đã có những trường hợp tuabin gió bị hỏng hóc thậm chí bị phá hủy hoàntoàn trong những trận gió bão Ngược lại nếu tốc độ gió quá thấp, việc sản xuất điện sẽkhông hiệu quả vậy nên hầu hết các tuabin điện gió cũng sẽ dừng hoạt động khi tốc độgió giảm xuống dưới 8 dặm/giờ.
Tuabin hoạt động tốt nhất khi đứng đối mặt với hướng gió, nhưng do không phảilúc nào gió cũng chỉ thổi theo một hướng cố định vậy nên ngoài pitch có nhiệm vụxoay phần cánh của tuabin để tạo ra góc tiếp xúc tốt nhất, tuabin còn có hệ thống giúpnhận biết hướng gió (wind vane) và motor để xoay tuabin theo hướng gió ( gồm yawdrive và yaw motor).
Với hệ thống này, khi hướng gió thay đổi phần cánh gió sẽ xác định chiều gió thổivà gửi thông tin về phía bộ xử lí và khi đó bộ xử lí sẽ điều khiển motor quay trụctuabin sao cho tuabin luôn ở phía chính diện với hướng gió.
Quy trình nhận biết hướng gió và điều chỉnh tuabin quay
Trang 12Rất nhiều người đã đặt ra câu hỏi rằng làm sao để biết được tuabin đã lấy nănglượng từ gió? Để giải quyết những thắc mắc ấy các nhà khoa học đã thực hiện một thínghiệm, họ đã đo tốc độ gió ở phía trước cánh quạt và phía sau cánh quạt Kết quả làtốc độ gió phía trước cánh quạt lớn hơn nhiều so với tốc gió ở phía sau Điều nàychứng tỏ rằng động năng của gió đã bị tuabin hấp thụ để biến thành cơ năng Vậy làmthế nào để chúng ta có thể hấp thụ toàn bộ chỗ động năng ấy? Theo lí thuyết thì để hấpthụ hết 100% động năng của gió thì khi ấy vận tốc gió phía sau cánh quạt phải bằng 0,tuy nhiên trên thực tế điều ấy không thể xảy ra được Việc tồn tại một vận tốc gió tốithiểu ở phía sau cánh quạt tuabin là điều kiện tất yếu để duy trì dòng chảy của khôngkhí.
Các nhà khoa học đã tìm ra được giới hạn hiệu suất của tuabin gió, nó được biếtđến là Giới hạn Betz, quy định rằng không một tuabin nào có thể khai thác quá59,3% năng lượng từ gió.
Chương 3 Ưu điểm và hạn chế3.1 Ưu điểm:
Có thể tái tạo: Gió là nguồn năng lượng có thể tái tạo nên nó sẽ không bao giờ bịcạn kiệt, hơn hết năng lượng gió rất thân thiện với môi trường
Dòng không khí bị nghẽn nếu vận tốc sau cánh quạt bằng 0
Trang 13Tiết kiệm chi phí: với việc sử dụng nguồn năng lượng miễn phí, điện năng dotuabin gió sản xuất cũng là loại điện rẻ nhất Đặc biệt giá điện do các trang trại giósản xuất thường ổn định trong thời gian dài, không có sự thay đổi bất thường.
Chi phí vận hành thấp: do tuabin rất ít khi cần bảo trì Tuy công nghệ có thểphức tạp, nhưng hệ thống cơ học rất đơn giản và đáng tin cậy.
Hiệu quả về vị trí không gian: Có khả năng phát triển quy mô hệ thống điện gióvới đa dạng mục đích và địa hình (đồi núi, biển đao, nhà dân, ) và nhiều môitrường khác nhau.
Góp phần tạo công ăn việc làm: Sản xuất năng lượng gió đang rất phát triển vàngày càng có nhiều công việc được tạo ra để phục vụ ngành này như thiết kế, lắpđặt, sản xuất, bảo dưỡng, bảo trì, Hiện đã có hơn 100.000 người làm việc tronglĩnh vực này và ước tính đến năm 2050 khoảng 600.000 việc làm sẽ được tạo ra.
3.2 Hạn chế:
Có thể gây ô nhiễm tiếng ồn: Âm thanh mà tuabin gió tạo ra khi vận hành có thểtruyền đi, ước tính tối đa lên đến 2km Tuy nhiên chúng không ồn ào hơn đườngcao tốc và thông thường các tuabin gió cũng được đặt khá xa khu dân cư Tiếng ồncủa tuabin cũng phụ thuộc vào hướng gió, nếu không có gió thì sẽ không có tiếngồn.
Hình ảnh tuabin đang được lắp ráp
Trang 14Tác động lên động vật hoang dã địa phương: Dù những tuabin gió có tác độngđến môi trường hoang dã ít hơn những tòa nhà cao tầng Tuy nhiên nó vẫn gâynhững ảnh hưởng ít nhiều đến các loài chim cũng như các động vật hoang dã khác.Hiện tại, những nhà khoa học đang tích cực giảm thiểu những tác động nói trên đếnmức thấp nhất.
Sức gió không ổn định: một nhược điểm của điện gió là sức gió không ổn định.Trên thực tế, cường độ của gió rất dễ thay đổi và cả hướng gió cũng vậy, điều nàyđã gây không ít khó khăn cho ngành công nghiệp sản xuất điện gió Tuy vậy, ngàynay đã có rất nhiều công nghệ tiên tiến, hỗ trợ cho việc xác định tốc độ và hướngthổi của gió Các phép đo đó sau đó được sử dụng để tinh chỉnh hướng quay củatuabin để hướng trực tiếp với gió và tạo ra nhiều điện nhất có thể.
Chương 4 Tiềm năng phát triển của năng lượng gió tại Việt Nam
Với việc giá nhiên liệu cho công nghiệp điện hóa thạch đang ngày càng tăng cao,thì việc chính phủ Việt Nam tập trung đầu tư vào lĩnh vực công nghiệp điện tái tạolà một hướng đi đúng đắn Những tiềm năng mà ngành công nghiệp này mang lại làkhông hề nhỏ, không chỉ mang đến những cơ hội đầu tư, tạo thêm công ăn việc làmmà còn thúc đẩy nền kinh tế phát triển bền vững