bài tập lớn môn năng lượng tái tạo

Mặc dù không ai biết chính xác ai đã phát minh ra cối xay gió đầutiên nhưng các nhà khảo cổ đã phát hiện ra một chiếc bình Trung Quốc có niên đại từthiên niên kỷ thứ 3 trước Công nguyên

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

🙞 🙞 🙞

-BÀI TẬP LỚN MÔN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

Lớp: DHDI16A GVHD: Nguyễn Hoài Phong Sinh viên thực hiện:

1 Nguyễn Thái An 20009341 1 1-20

TP HCM, tháng 10 năm 2023

1 Lịch sử phát triển năng lượng gió 1

1.1 Tuabin gió 4

1.2 Tua bin gió ngoài khơi 9

2 Khí động lực học của tuabin gió 10

Hình 1.1: Cối xay gió thế kỷ 19 được cải tạo 2

Hình 1.2: Cối xay gió Halladay (Được phép của Billy Hathorn thông qua Wikipedia.) 3

Hình 1.3: Tua bin gió điện đầu tiên (Được phép của Robert W Righter thông qua Wikipedia.) 3

Hình 1.4: Chiều cao trung bình của tuabin gió 5

Hình 1.5: Đường kính rôto điển hình 5

Hình 1.6: Cánh tuabin gió 1,8 MW 6

Hình 1.7: Tua bin gió trục ngang 1,8 MW 7

Hình 1.8: Vỏ của tuabin gió 1,8 MW 7

Hình 1.9: Tua bin gió trục đứng (Được phép của Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia Hoa Kỳ.) 8

Hình 1.10: Tua bin gió nhỏ (Được phép của Anders Sandberg thông qua Wikipedia.) 9

Hình 1.11: Tua bin gió trục đứng ngoài khơi (Được phép của Leonard G thông qua Wikipedia.) 10

Hình 2.1: Gió đi qua một vòng 12

Hình 2.2: Mật độ năng lượng gió là một hàm của tốc độ gió 13

2 Lịch sử phát triển năng lượng gió

Gió là nguồn năng lượng trong suốt lịch sử Người Ai Cập cổ đại đã phát hiện

ra sức mạnh của gió, dẫn đến việc phát minh ra thuyền buồm vào khoảng năm 5000 trước Công nguyên Mặc dù không ai biết chính xác ai đã phát minh ra cối xay gió đầu tiên nhưng các nhà khảo cổ đã phát hiện ra một chiếc bình Trung Quốc có niên đại từ thiên niên kỷ thứ 3 trước Công nguyên có hình ảnh giống cối xay gió Đến năm 200 trước Công nguyên, người Ba Tư, Trung Quốc và Trung Đông đã sử dụng cối xay gió rộng rãi để tưới tiêu, chặt gỗ và nghiền ngũ cốc Chúng thường được xây dựng như hệ thống cửa quay với cánh buồm dệt bằng sậy, tương tự như hệ thống gió trục thẳng đứng được sử dụng ngày nay Đến thế kỷ thứ 11, người dân ở Trung Đông đã sử dụng rộng rãi cối xay gió để sản xuất lương thực Trong khoảng thời gian từ thế kỷ 11 đến thế kỷ 13, các thương nhân nước ngoài buôn bán với Trung Đông và quân thập tự

chinh xâm chiếm khu vực này đã mang công nghệ cối xay gió trở lại châu Âu Hình

1.1 cho thấy một cối xay gió được cải tạo vào thế kỷ 19 ở Châu Âu Ở Hà Lan, cối xay

gió cũng được sử dụng để thoát nước cho những vùng đất dưới mực nước sông Rhine Trong thời đại này, làm việc trong cối xay gió là một trong những công việc nguy hiểm nhất ở châu Âu Các công nhân thường xuyên bị thương vì cối xay gió được chế tạo từ một khối quay khổng lồ mà có rất ít hoặc không có khả năng kiểm soát chuyển động quay của nó Âm thanh mài hoặc búa lớn đến mức nhiều công nhân bị điếc, bụi mài của một số vật liệu như gỗ gây ra các vấn đề về sức khỏe hô hấp và đá mài thường gây ra tia lửa điện và cháy nổ

Ngoài việc sản xuất năng lượng cơ học, cối xay gió còn được sử dụng để liên lạc với hàng xóm bằng cách khóa các cánh buồm của cối xay gió theo một cách sắp xếp nhất định Trong Thế chiến thứ hai, người Hà Lan thường đặt cánh buồm cối xay gió ở những vị trí nhất định để cảnh báo công chúng về một cuộc tấn công có thể xảy

ra của kẻ thù

Trong thế kỷ 19, những người định cư châu Âu đã mang công nghệ cối xay gió đến Bắc Mỹ Chúng chủ yếu được sử dụng để bơm nước từ giếng phục vụ nông nghiệp Cối xay gió đầu tiên được biết đến được chế tạo bởi Daniel Halladay vào năm

1854 Đây là một hệ thống khá sáng tạo vì nó có thể tự điều chỉnh theo hướng gió Năm 1863, ông thành lập Công ty Máy bơm và Động cơ Gió Hoa Kỳ, Illinois, là nhà

sản xuất cối xay gió hàng loạt đầu tiên ở Hoa Kỳ Một trong những thiết kế của họ

được thể hiện trong Hình 1.2 Trong thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, đã có hơn 1000 nhà

máy chế tạo những cỗ máy rất hữu ích này Tuy nhiên, hầu hết đều là những thiết kế yếu, bị hỏng do chạy quá tốc độ khi có gió giật

Cối xay gió ban đầu được làm từ gỗ, điều này hạn chế sức mạnh và tốc độ của chúng Theo thời gian, sắt thép đã thay thế gỗ và các hệ thống hộp số đã ra đời Chúng

là những hệ thống mạnh mẽ nhưng đắt hơn nhiều so với gỗ Cối xay gió hoàn toàn bằng thép đầu tiên được phát minh và thiết kế bởi Thomas Osborn Perry vào năm

1883 Năm 1888, Charles Francis Brush của Hoa Kỳ đã thực hiện một sự đổi mới lớn bằng cách chuyển đổi-biến động năng của gió thành điện năng Những loại cối xay gió

này được gọi là "tua bin gió" Thiết kế đầu tiên, được thể hiện trong Hình 1.3, có chiều

cao khoảng 20 m và nặng 36 tấn Cấu trúc khổng lồ này chỉ tạo ra 12 kW Bởi vì lưới điện không đến được các vùng đất nông nghiệp ở Hoa Kỳ cho đến quý 2 của thế kỷ 20 nên nông dân phải dựa vào các tuabin gió này để đáp ứng nhu cầu năng lượng điện của

họ Trong thời giantừ năm 1930 đến năm 1940, hàng nghìn tuabin gió đã được sử dụng

ở các vùng nông thôn chưa có lưới điện

Hình 1.1: Cối xay gió thế kỷ 19 được cải tạo.

Hình 1.2: Cối xay gió Halladay (Được phép của Billy Hathorn thông qua Wikipedia.)

Hình 1.3: Tua bin gió điện đầu tiên (Được phép của Robert W Righter thông qua

Wikipedia.)

Đồng bằng lớn (phía tây sông Mississippi và phía đông dãy núi RockyMountains ở Hoa Kỳ và Canada) có phần lớn các máy này Năm 1891, Poul La Cour của Đan Mạch đã chế tạo tuabin gió đầu tiên bên ngoài nước Mỹ Nhữngnăm

1896, ông đã thử nghiệm các mô hình tua bin gió nhỏ trong đường hầm gió Đây là thí nghiệm đầu tiên như vậy trên thế giới Trong số những đóng góp chính của ông là việc phát hiện ra khả năng thu năng lượng như là một hàm của hình dạng lưỡi dao và số lượng lưỡi dao Của anh ấy thí nghiệm nguyên thủy trong hầm gió cho thấy tám cánh

quạt có thể thu được khoảng 28% năng lượngnăng lượng gió có sẵn, trong khi 16 cánh quạt có thể thu được khoảng 29% La Cour kết luận rằng số lượng cánh quạt và khả năng thu năng lượng không liên quan tuyến tính Ngoài ra, ông còn chứng tỏ rằng những cánh quạt cong có thể thu được nhiều năng lượng hơn từ gió đó làcác yếu tố chính dẫn đến việc thiết kế các tuabin gió hiện tại Sau khi phát minh ra động cơ hơi nước và mở rộng lưới điện tới các vùng nông thôn, sự quan tâm đến tuabin gió giảm sút Sự quan tâm chỉ được gia hạn trong cuộc khủng hoảng dầu mỏ nămnhững năm

1970, chủ yếu là nhờ chính sách ưu đãi thuế hào phóng của chính phủ Mỹ Do đó, một

số trang trại gió được xây dựng ở Hoa Kỳ vào những năm 1970 và 1980 Thật không may, tua bin là những cỗ máy rất đắt tiền và cần bảo trì nhiều Họ cũng đã tạo ra các

sự cố về điện cho lưới điện như chập chờn điện áp và sụt áp dotrước nhu cầu cao và mang tính chu kỳ về công suất phản kháng Sự quan tâm đến năng lượng gió lại giảm sút vào những năm 1980 vì bốn lý do sau:

1 Giá dầu giảm đáng kể vào khoảng năm 1985.

2 Các khoản tín dụng thuế của Hoa Kỳ được cung cấp cho bất kỳ ai đã lắp đặt

tua-bin gió thay thếcủa việc sản xuất năng lượng thực tế Vì nhược điểm này, tua-bin gió bị ảnh hưởng bởi năng suất thấp và thường xuyên thất bại Nó không có gì bất thường để tìm một trang trại gió có ít hơn 10% số tuabin sản xuất điện Khoản tín dụng thuế đầu tư này đã hết hạn vào năm 1986

3 Thiết kế của tuabin gió rất mỏng manh và cần được bảo trì rộng rãi.

4 Giá điện do tuabin gió tạo ra cao hơn nhiều lần so với những thứ được cung

cấp từ các nguồn tài nguyên thông thường Để giải quyết sự quan tâm ngày càng giảm đối với năng lượng gió, Hoa Kỳ đã ban hành một loại chính sách mới tín dụng thuế vào năm 1992 dựa trên việc sản xuất điện thay vì chi phí lắp đặt,được gọi là tín dụng thuế sản xuất liên bang (PTC) PTC khuyến khích những cải tiến lớn trong nghiên cứu

và thiết kế tuabin gió, đồng thời khuyến khích các nhà phát triển tối đa hóa sản lượng điện của họ Kết quả là ngày nay, chi phí năng lượng gió đã giảm xuống mức tương đương với các nhà máy điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch

2.1 Tuabin gió

Tua bin gió hiện đại có kích thước lớn hơn và đáng tin cậy hơn nhiều so với phiên bản những năm 1970-1980 Công suất định mức của các tuabin gió, như trong

Hình 1.4, đã tăng từ chỉ vài kilowatt lên tới 8 MW cho một tổ máy vào năm 2013 Do

mật độ không khí thấp nên các máy này có kích thước lớn, như đã thấy trong nhân vật Hãy nhớ rằng chiều cao của Tượng Nữ thần Tự do là 93 m và của Kim tự tháp vĩ đại là

140 m

Hình 1.4: Chiều cao trung bình của tuabin gió

Hình 1.5: Đường kính rôto điển hình

Công suất mà tuabin thu được tỷ lệ thuận với diện tích quét của các cánh tuabin Điều này làm cho công suất tỷ lệ với bình phương chiều dài cánh quạt, như đã thấy trong Chương 2 Đường kính của vùng quét được gọi là “đường kính rôto”, gấp đôi

chiều dài của một cánh quạt Một số đường kính rôto điển hình được cho trong Hình

20

40

60

80

100

120

140

160

kW 50

kW 300

kW 700

MW 2.0

MW 3.0

8.0 MW

1980–

1990

1990–

1995

1995–

2000

2000–

2010

2010 Year

2013

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

1.5 Để dễ so sánh, đường kính của tuabin 2 MW lớn hơn chiều dài của máy bay

Boeing 747 hoặc Airbus 380 Hình 1.6 cho thấy một cánh tuabin 1,8 MW Lưu ý chiều

dài của lưỡi dao so với xe tải kéo dài Chiều dài lớn như vậy đặt ra một vấn đề về giao thông vì hầu hết các con đường đều không thể cho phép người lái xe rẽ Đây là lý do tại sao các tuabin lớn hơn được xây dựng ngoài khơi Trục truyền động của tuabin gió

có thể quay theo chiều ngang hoặc chiều dọc Tua bin gió trục ngang (HAWT) được

thể hiện trong Hình 1.7 Đây là loại hệ thống tuabin gió phổ biến nhất được sử dụng

hiện nay Trục truyền động chính, hộp số, máy phát điện và đôi khi máy biến áp được

đặt trong vỏ bọc trên đỉnh tháp (xem Hình 1.8) Tua bin được căn chỉnh để đối mặt với

hướng gió ngược Để tránh các cánh quạt va vào tháp khi có gió lớn, các cánh quạt được đặt cách xa phía trước tháp và nghiêng lên một chút Tháp cao cho phép tuabin tiếp cận gió mạnh Mỗi cánh quạt đều nhận được năng lượng từ gió ở bất kỳ vị trí nào, điều này khiến HAWT trở thành một thiết kế có hiệu suất cao Tuy nhiên, HAWT yêu cầu xây dựng tháp lớn để hỗ trợ vỏ bọc nặng nề và nó cần một hệ thống kiểm soát độ lệch bổ sung để quay các cánh quạt theo hướng gió

Hình 1.6: Cánh tuabin gió 1,8 MW.

Hình 1.7: Tua bin gió trục ngang 1,8 MW.

Hình 1.8: Vỏ của tuabin gió 1,8 MW.

Thiết kế còn lại là tuabin gió trục đứng (VAWT) được thể hiện trên Hình 1.9.

Nó được gọi là “tua bin gió Darrieus” và trông giống như một chiếc máy đánh trứng khổng lồ lộn ngược VAWT là một trong những thiết kế tua-bin gió đầu tiên vì nó phù hợp với những địa điểm có hướng gió thay đổi Thiết kế này không yêu cầu cơ chế ngáp để hướng lưỡi dao theo hướng gió Máy phát điện, hộp số và máy biến áp đều

được đặt ở mặt đất, giúp VAWT dễ lắp đặt và bảo trì hơn so với HAWT Tốc độ truy cập của VAWT thường thấp hơn tốc độ của HAWT Tuy nhiên, do quán tính lớn, VAWT có thể cần nguồn điện bên ngoài để khởi động tuabin và hệ thống ổ đỡ rộng rãi

để hỗ trợ trọng lượng nặng của tuabin Do tốc độ gió ở gần mặt đất chậm hơn nên năng lượng gió sẵn có sẽ thấp hơn HAWT Ngoài ra, các vật thể ở gần mặt đất có thể tạo ra dòng chảy rối có thể tạo ra rung động trên các bộ phận quay và gây thêm ứng suất cho tuabin.VAWT cũng phổ biến trong các hệ thống năng lượng gió nhỏ Một trong số chúng được thể hiện trong Hình 1.10 VAWT nhỏ này dành cho mục đích sử dụng cá nhân (gia đình hoặc văn phòng) và một số thiết bị có các biến thể thiết kế đã được lắp đặt trên toàn thế giới

Hình 1.9: Tua bin gió trục đứng (Được phép của Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái

tạo Quốc gia Hoa Kỳ.)

Hình 1.10: Tua bin gió nhỏ (Được phép của Anders Sandberg thông qua Wikipedia.) 2.2 Tua bin gió ngoài khơi

Với nhu cầu liên tục về các tuabin gió lớn hơn, các nhà nghiên cứu đã hình dung ra các tuabin gió ngoài khơi Điều này là do một số lý do; một vài trong số đó như sau:

• Kích thước của tuabin gió cuối cùng sẽ đạt tới mức mà đường sá không thể đáp ứng được việc vận chuyển các cánh quạt

• Gió ngoài khơi mạnh hơn trên bờ

• Gió ngoài khơi thường mạnh vào buổi chiều, phù hợp với thời điểm nhu cầu điện lớn

• Khu vực đông dân cư nhất là gần bờ biển Vì vậy, các hệ thống ngoài khơi không cần hệ thống truyền tải rộng rãi Ví dụ, 28 tiểu bang ở Hoa Kỳ có đường bờ biển Những bang này tiêu thụ 78% năng lượng điện quốc gia

• Tua bin ngoài khơi thường không thể nhìn thấy được từ bờ biển Điều này làm giảm mối lo ngại của công chúng về tác động trực quan của các trang trại gió

• Tiếng ồn và ánh sáng nhấp nháy ít là vấn đề đối với các tuabin ngoài khơi

Hình 1.11: Tua bin gió trục đứng ngoài khơi (Được phép của Leonard G thông qua

Wikipedia.)

Với công nghệ ngày nay, hầu hết các công trình lắp đặt ngoài khơi đều ở vùng

nước tương đối nông (sâu tới 50 m) (Hình 1.11) Tua bin gió ngoài khơi đầu tiên được

lắp đặt ở Đan Mạch vào năm 1991 Đến đầu năm 2014, 70 trang trại gió ngoài khơi đã

đi vào hoạt động với công suất khoảng 7 GW Gió ngoài khơi dự kiến sẽ thống trị thị trường tuabin lớn trong tương lai gần

Bài tập:

1 Sự khác biệt giữa cối xay gió và tua-bin gió là gì?

2 Cối xay gió Halladay là gì?

3 Ai đã phát minh ra tuabin gió đầu tiên?

4 Tua bin gió đầu tiên được phát minh ở đâu?

5 Nêu một trong những đóng góp chính của Poul La Cour

6 Chiều dài cánh trung bình của tuabin gió 6 MW là bao nhiêu?

7 HAWT có ưu điểm và nhược điểm gì?

8 Ưu điểm và nhược điểm của VATT là gì?

9 Ưu điểm và nhược điểm của tuabin gió ngoài khơi là gì?

3 Khí động lực học của tuabin gió

Vai trò của tuabin gió (WT) là khai thác động năng trong gió và chuyển đổi nó thành năng lượng điện Theo định luật chuyển động thứ hai của Newton, động năng của một vật là năng lượng mà nó sở hữu khi chuyển động

1 2

KE m

1\* MERGEFORMAT (2.1)211Equation Chapter (Next) Section 1

Khi đó:

KE là động năng của vật chuyển động (Watt giây, Ws)

m là khối lượng của vật (kg)

 là vận tốc của vật (m/s)

Nếu vật chuyển động là không khí thì KE của không khí chuyển động (gió) có thể được tính theo cách tương tự

Trong hình 2.1, khối lượng không khí đi qua một vòng là

MERGEFORMAT (2.2) Khi đó:

δ là mật độ không khí (đối với không khí mỏng có thể dùng 1,0 kg/m3)

vol là thể tích không khí đi qua vòng

Thể tích không khí đi qua vòng bằng diện tích của vòng nhân với chiều dài cột không khí

MERGEFORMAT (2.3) Khi đó:

A là diện tích của vòng

d là chiều dài cột không khí, thay đổi theo thời gian

Nó phụ thuộc vào tốc độ gió và thời gian

MERGEFORMAT (2.4) Khi đó:

t là thời gian (s)

 là tốc độ gió (m/s)

Do đó, khối lượng không khí đi qua vòng trong một thời gian nhất định là

62Equation Section (Next)7\* MERGEFORMAT (2.5)

Thay khối lượng trong Công thức 2.5 vào Công thức 2.1 thu được:

3

1 2

KE A t 

8\*

MERGEFORMAT (2.6)

Hình 2.12: Gió đi qua một vòng.

Vì năng lượng là công suất nhân với thời gian nên công suất gió (P) tính bằng watt là:

3

1 2

KE

t

    

9\*

MERGEFORMAT (2.7) Lưu ý rằng KE và sức mạnh của gió tỷ lệ với lập phương tốc độ gió; nếu tốc độ

gió chỉ tăng 10% thì KE của gió tăng 33,1% Từ phương trình 2.7, mật độ năng lượng

gió có thể được viết là

3

1 2

P A



10\*

MERGEFORMAT (2.8) Đối với không khí khô loãng 1 kg/m3, mật độ năng lượng gió là khoảng 3,0 kW/m2 nếu tốc độ gió là 18 m/s Đây là một lượng năng lượng cực lớn đối với tốc độ gió vừa phải Đây là lý do tại sao bão có sức tàn phá; ở tốc độ 35 m/s (78 dặm/giờ),

mật độ năng lượng gió là khoảng 21,5 kW/m2 Hình 2.2 cho thấy mật độ năng lượng

gió đối với các tốc độ gió yếu đến trung bình khác nhau Mật độ năng lượng gió

Wind

Wind passing through a ring