báo cáo tiểu luận nhập môn ngành điện đề tài tìm hiểu về năng lượng gió nguyên lí hoạt động và cách vận hành tuabin gió

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

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

⁃⁃⁃⁃VIỆN ĐIỆN⁃⁃⁃⁃

***

BÁO CÁO TIỂU LUẬN NHẬP MÔN NGÀNH ĐIỆN

Đề tài: Tìm hiểu về năng lượng gió, nguyên lí hoạt động và cách vận hành

tuabin gió

Giảng viên hướng dẫn: Ts Phạm Văn Trường

MỤC 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

MỞ ĐẦU Ngày nay, trong bối cảnh thế giới đang phải đối mặt với sự nóng lên toàn cầu thì con 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 dân

số một cách nhanh chóng chính là báo hiệu cho một cuộc cạnh tranh gay gắt trong công 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 dụng rất 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 rất thân thiện với môi trường, nó miễn dịch với những biến động của ngành công nghiệp nhiên liệu hóa thạch Những ý tưởng đưa năng lượng gió vào sử dụng đã xuất hiện ở thời Trung cổ nhưng từ sau cuộc khủng hoảng dầu trong thập niên 1970 việc nghiên cứu tìm tòi những nguồn năng lượng khác được đẩy mạnh và năng lượng gió bắt đầu được chú ý hơn Mặc dù điện gió đã được thế giới nghiên cứu và đưa vào sử dụng khá lâu nhưng chỉ trong 10 năm gần đây nó mới khẳng định được

vị thế của mình trên thị trường năng lượng thế giới bởi khả năng cung cấp vô hạn

và tiềm năng kinh tế lớn của chúng

Để tận dụng được tối đa nguồn năng lượng từ gió, các tuabin gió đã được ra đời

và đang ngày càng hoàn thiện hơn Những chiếc tuabin ấy sẽ chuyển hóa động năng

có được từ gió để tạo ra cơ năng Nguồn cơ năng ấy có thể được sử dụng cho các máy bơm nước hay máy nghiện lương thực và cũng có thể tạo ra điện năng sử dụng trong sinh hoạt, công nghiệp Theo thống kế, trong số 20 thị trường lớn nhất trên thế giới, riêng ở châu Âu đã có 13 nước với Đức là nước dẫn đầu trong công cuộc sản xuất năng lượng gió Bên cạnh đó Hoa Kỳ rất quan tâm phát triển lĩnh vực này và các quốc gia khác trên thế giới trong đó có Việt Nam cũng đã và đang chú trọng đầu

tư vào điện gió Điều đó chứng tỏ gió là một trong những nguồn năng lượng hiện đại tốt nhất trên thế giới hiện nay và tương lai

Chương 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 tốc

độ gia tăng dân số nhanh chóng, nhu cầu tiêu thụ điện đang ngày một gia tăng Tuy vậy, các quốc gia cũng cần cân nhắc các biện pháp sản xuất điện năng sao cho vừa đáp 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 nhà máy nhiệt điện cũng là có hạn và năng lượng hạt nhân cũng không phải là nguồn năng lượng dễ sử dụng Bên cạnh đó, khí thải từ những nhà máy nhiệt điện cũng chính là nguyên nhân chính phá hủy tầng ô-zôn và gây ra hiệu ứng nhà kính cũng như làm ô nhiệm môi trường trầm trọng

Nhận ra được tính cấp thiết của vấn đề này, các quốc gia trên thế giới đã đẩy mạnh nghiên cứu tìm tòi những nguồn năng lượng tái tạo mà con người có thể sử dụng Và nguồn năng lượng được biết đến và sử dụng rộng rãi trên thế giới trong đó

có cả Việt Nam chính là năng lượng gió - một nguồn năng lượng vô hạn và rất thân thiện với môi trường

Năng lượng gió (hay điện gió) là một dạng năng lượng tái tạo hoạt động bằng cách chuyển đổi sức gió (động năng của gió) thành cơ năng từ đó biến đổi thành điện năng hoặc nhiệt năng tùy thuộc vào mục đích sử dụng Tuabin gió chính là công cụ giúp chuyển hóa động năng thành cơ năng Bằng cách vận dụng những kiến thức khoa học đã biết, cách nhà khoa học đã tạo nên những cánh quạt nhằm lợi dụng sự chuyển động luồng không khí trong không trung để tạo ra chuyển động và động năng sinh ra từ những chuyển động ấy thông qua các tuabin gió sẽ được biến đổi thành năng lượng cơ khí và điện năng Từ đó, hình thành nên các nhà máy điện gió cung cấp nguồn năng lượng sạch cho đất nước

1.2 Tuabin gió

Tuabin gió (Turbine gió) được xem là lấy cảm hứng từ các cối xay gió tại các nước Hà Lan, Đan Mạch Các tuabin được thử nghiệm và xây dựng vào năm 1887 tại Scotland dưới sự chỉ dẫn của giáo sư ư James Blyth Ông đã chế tạo một tuabin thẳng đứng kiểu Savonius để cung cấp năng lượng cho ngôi nhà của mình với mục đích 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 cung cấp điện cho phòng thí nghiệm của mình Các tuabin gió hiện đại ngày nay được hoàn 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 khá đơn giản và cấu tạo cũng không quá phức tạp Mượn sức gió để chuyển đổi động năng thành cơ năng và tiếp tục chuyển đổi thành điện năng

Tương tự hệ thống điện mặt trời có các tấm phim năng lượng mặt trời ( solar panel) chuyển đổi năng lượng thì tuabin gió có cánh quạt đón gió để chuyển đổi động 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 sức gió Chi tiết quan trọng nhất vẫn là chiếc motor điện một chiều Đây loại thiết bị cơ khí 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

• Trong trường hợp tuabin gió có hộp số, Hub sẽ được nối trực tiếp với trục hộp số quay chậm nhằm chuyển năng lượng gió thành năng lượng lực quay tạo nên điện

• Trong tường hợp tuabin gió có bộ truyền động trực tiếp, Hub sẽ truyền năng lượng đến máy phát vòng ngay lập tức

‑ Rotor: Rotor là thiết bị gắn liền với cánh quạt giúp tạo ra điện năng Chúng sẽ hoạt động dựa theo nguyên tắc nâng

‑ Blades: Đây là cánh quạt, khi gió thổi sẽ tạo lực vào cánh quạt Làm quay trục của động cơ tuabin và sau đó là dẫn tới các chuyển động liên hoàn của hệ thống tuabin 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 chiều

có xuất hiện nguồn gió chính

‑ Yaw motor: Động cơ giúp cho thiết bị yaw drive định hình được hướng gió một cách chính xác

‑ Tower: Là trụ đỡ của toàn bộ động cơ và cánh quạt có chất liệu chính được làm

từ thép Trụ càng cao, lượng gió đón được càng nhiều từ đó lượng điện sản xuất được 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 gió đến bộ phận điều khiển (controller)

‑ Wind vane: Bộ phận giúp nhận biết hướng gió và kết hợp cùng yaw drive định hình tuabin gió

‑ Generator: Bộ phận máy phát, giúp phát điện sau khi tuabin gió tạo ra điện

‑ Nacelle: Đây là phần vỏ của động cơ Bao gồm lớp vỏ bọc ngoài và vỏ của Rotor Được dùng để làm lớp bảo vệ, che chở cho các thành phần chi tiết cấu tạo 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 nối với máy phát điện Trong công nghiệp năng lượng hóa thạch, nhiên liệu sẽ được đốt cháy, 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 được tạo ra từ việc đốt thì chúng sử dụng sức gió Các cánh quạt sẽ hấp thu động năng của gió và quay tròn, chuyển động quay ấy sẽ tạo ra cơ năng rồi từ cơ năng chuyển hóa thành điện năng

Đầu tiên, khi có gió thổi, gió sẽ đập vào cánh quạt của tuabin, làm các cánh quạt quay Vậy tại sao cánh quạt có thể quay được? Nguyên lí quay của chúng được dựa trên ứng dụng của khí động lực học cùng với những thiết bị hỗ trợ khác Khi nhìn vào cánh quạt cuat tuabin chúng ta sẽ thấy được chúng có thiết kế giống với cánh của máy bay nên khi có gió thổi qua, cánh quạt sẽ chặn dòng chảy thông thường của chúng buộc gió phải đi theo hai luồng trên và dưới cánh quạt tạo ra chênh lệch áp suất ở hai

bề mặt, vùng áp suất cao ở dưới và áp suất thấp ở trên Khi đó khối áp suất cao ở phía dưới sẽ đẩy cánh quạt vào vùng áp suất thấp và tạo ra lực nâng Như ta đã biết không khí là một dòng chảy và khi một vật đi xuyên qua dòng chảy sẽ xuất hiện ma sát trên

bề mặt và từ đó sinh ra một lực cản (lực kéo), lực này sẽ làm cho cánh máy bay chậm lại Tuy nhiên, với việc có thiết kế giống cánh máy bay sẽ giảm lực kéo và tăng tối đa lực nâng giúp cánh quạt có thể quay

Khi tuabin quay, rotor của của tuabin cũng quay, năng lượng thu được từ gió sẽ không được thể tạo ra điện được ngay được Bởi tần số quay của tua bin gió rất nhỏ nên nếu kết nối trực tiếp vào máy phát thì sẽ không thể tạo ra năng lượng điện, vì vậy cần có hộp số để khuếch đại tốc độ quay Bên trong hộp số sẽ gồm trục truyền tốc độ thấp, trục truyền tốc độ cao và hệ thống bánh răng Trục tốc độ thấp sẽ được kết nối với phần cánh và máy phát ( Generator) sẽ được kết nối với trục tốc độ cao và hai trục này sẽ kết nối với nhau thông qua bộ bánh răng giúp khuếch tại tốc độ quay lên rất nhiều lần

Khi rotor quay, 2 trục tốc độ cùng bánh răng cũng chuyển động làm quay nam châm điện Như vậy từ năng lượng gió được tuabin biến đổi thành cơ năng làm cho máy phát điện của tuabin quay để sản sinh ra điện Dòng điện sẽ chạy qua các dây cáp đến máy biến áp được đặt ở chân tuabin gió Máy biến áp có nhiệm vụ khuếch đại điện

áp để phân phối trên diện rộng Điện năng được sản sinh ra có dạng 3 pha, một phần sẽ được giữ lại làm nguồn điện dự trữ toàn bộ phần còn lại sẽ được truyền dẫn theo điện lưới quốc gia và đưa đến phân phối ở địa phương và các nhà máy công ty, xí nghiệp

Bên cạnh đó, góc tiếp xúc giữa bề mặt cánh quạt và gió cũng ảnh hưởng đến độ hiệu 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 bộ phận chống đỡ của tuabin gió Bên cạnh đó nếu bề mặt tiếp xúc của cánh quạt song song với hướng gió, mặc dù cánh quạt vẫn quay nhưng quay với tốc độ rất chậm, điều này 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 gió

Quy trình điện sản xuất được đưa vào sử dụng

Vậy nên để tuabin có thể hoạt động với khả năng tốt nhất, ở phần chân các cánh quạt thường có thiết bị hỗ trợ gọi là pitch, giúp điều chỉnh góc tiếp xúc của bề mặt cánh 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 sẽ lớn hơn Tuy nhiên nếu tuabin quay quá nhanh trong một thời gian dài sẽ khiến máy phát làm việc quá tải, vậy nên các tuabin sẽ dừng hoạt động khi tốc độ gió đạt 55 dặm/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 hoàn toàn trong những trận gió bão Ngược lại nếu tốc độ gió quá thấp, việc sản xuất điện sẽ không hiệu quả vậy nên hầu hết các tuabin điện gió cũng sẽ dừng hoạt động khi tốc độ gió giảm xuống dưới 8 dặm/giờ

Tuabin hoạt động tốt nhất khi đứng đối mặt với hướng gió, nhưng do không phải lúc nào gió cũng chỉ thổi theo một hướng cố định vậy nên ngoài pitch có nhiệm vụ xoay phần cánh của tuabin để tạo ra góc tiếp xúc tốt nhất, tuabin còn có hệ thống giúp nhận biết hướng gió (wind vane) và motor để xoay tuabin theo hướng gió ( gồm yaw drive và yaw motor)

Với hệ thống này, khi hướng gió thay đổi phần cánh gió sẽ xác định chiều gió thổi

và gửi thông tin về phía bộ xử lí và khi đó bộ xử lí sẽ điều khiển motor quay trục tuabin sao cho tuabin luôn ở phía chính diện với hướng gió

Quy trình nhận biết hướng gió và điều chỉnh tuabin quay

Rất nhiều người đã đặt ra câu hỏi rằng làm sao để biết được tuabin đã lấy năng lượng từ gió? Để giải quyết những thắc mắc ấy các nhà khoa học đã thực hiện một thí nghiệm, họ đã đo tốc độ gió ở phía trước cánh quạt và phía sau cánh quạt Kết quả là tốc độ gió phía trước cánh quạt lớn hơn nhiều so với tốc gió ở phía sau Điều này chứng tỏ rằng động năng của gió đã bị tuabin hấp thụ để biến thành cơ năng Vậy làm thế nào để chúng ta có thể hấp thụ toàn bộ chỗ động năng ấy? Theo lí thuyết thì để hấp thụ 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 tối thiểu ở phía sau cánh quạt tuabin là điều kiện tất yếu để duy trì dòng chảy của không khí

Các nhà khoa học đã tìm ra được giới hạn hiệu suất của tuabin gió, nó được biết đến là Giới hạn Betz, quy định rằng không một tuabin nào có thể khai thác quá 59,3% năng lượng từ gió

Chương 3 Ưu điểm và hạn chế

3.1 Ưu điểm:

Có thể tái tạo: Gió là nguồn năng lượng có thể tái tạo nên nó sẽ không bao giờ bị cạn 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

Tiết kiệm chi phí: với việc sử dụng nguồn năng lượng miễn phí, điện năng do tuabin gió sản xuất cũng là loại điện rẻ nhất Đặc biệt giá điện do các trang trại gió sản 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 thể phức 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 gió với đa dạng mục đích và địa hình (đồi núi, biển đao, nhà dân, ) và nhiều môi trường khác nhau

Góp phần tạo công ăn việc làm: Sản xuất năng lượng gió đang rất phát triển và ngày càng có nhiều công việc được tạo ra để phục vụ ngành này như thiết kế, lắp đặt, sản xuất, bảo dưỡng, bảo trì, Hiện đã có hơn 100.000 người làm việc trong lĩnh 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 thể truyền đi, ước tính tối đa lên đến 2km Tuy nhiên chúng không ồn ào hơn đường cao tốc và thông thường các tuabin gió cũng được đặt khá xa khu dân cư Tiếng ồn của tuabin cũng phụ thuộc vào hướng gió, nếu không có gió thì sẽ không có tiếng ồn

Hình ảnh tuabin đang được lắp ráp

Tác động lên động vật hoang dã địa phương: Dù những tuabin gió có tác động đến môi trường hoang dã ít hơn những tòa nhà cao tầng Tuy nhiên nó vẫn gây những 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 đến mức 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 này

đã gây không ít khó khăn cho ngành công nghiệp sản xuất điện gió Tuy vậy, ngày nay đã có rất nhiều công nghệ tiên tiến, hỗ trợ cho việc xác định tốc độ và hướng thổi của gió Các phép đo đó sau đó được sử dụng để tinh chỉnh hướng quay của tuabin 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 tạo

là một hướng đi đúng đắn Những tiềm năng mà ngành công nghiệp này mang lại là không hề nhỏ, không chỉ mang đến những cơ hội đầu tư, tạo thêm công ăn việc làm

mà còn thúc đẩy nền kinh tế phát triển bền vững