Luận văn thạc sĩ Công nghệ nhiệt: Khảo sát và tính toán thiết kế hệ thống điện gió kết hợp Diesel cho Côn Đảo

LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYEN THE BAOSVTH: TRUONG TRONG HIEU LOI CAM ON Năng lượng gió, một trong những nguén năng lượng xu thé mới của thời dai.Đề thực hiện một luận văn hoàn chỉnh v

Trang 1

Ls ĐẠI HỌC QUOC GIA THÀNH PHO HO CHÍ MINH

TRUONG DAI HOC BACH KHOA

TRUONG TRONG HIEU

KHAO SAT VA TINH TOAN THIET KEHE THONG DIEN GIO KET HOP DIESEL CHO

CON DAO

Chuyén nganh: CONG NGHE NHIETMã số: 605280

TP HỎ CHÍ MINH, 2015

Trang 2

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠITRUONG ĐẠI HỌC BACH KHOA —- ĐHQG —- HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS NGUYEN THE BAO

Cán bộ chấm nhận xét 1: c.cccccccccccccccececcscececcscesescsceecscscccscscecsecaceecacecsacacsesacaceecacaeecacaceeees

Cán bộ chấm nhận Xét 2: - SG 1t E E3 E8 515818 5158111515811 58 1111158111118 E 1158 E11 ce re

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Truong Dai học Bách Khoa, DHQG TP Hỗ Chí

Minh ngày 31 tháng 07 năm 2015

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 Chủ tịch — GS.TS Lê Chí HIỆp - - - - - c1 113910111133 11111 9 111111 ng ng re2 Thư ký — TS Hà Anh Tùng << s00 re

3 Ủy viên — TS Trần Văn Hung + - + 2 SE +E£E+E#EE SE E113 E121 11 1711151111 Ee.4 Ủy viên PB — TS Nguyễn Văn TuyêÊn 5-5 +52 2522223 E915 1 E21 112121111 cxre.5 Ủy viên PB — PGS.TS Hoàng An QUỐC ¿- ©2252 S223 E212 E1 12121525 121212 Eee,

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

Trang 3

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập — Tự do — Hạnh phúc

NHIEM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Trương Trọng Hiếu MSHV: 12824809

Ngày, tháng, năm sinh: 06/08/1986 Nơi sinh: Khánh Hòa

Chuyên ngành: Công nghệ Nhiệt Mã số: 605280

I TÊN DE TÀI: Khảo sát và tính toán thiết kế hệ thống điện gió kết hop Diesel

cho Côn Đảo.

II NHIEM VU VÀ NỘI DUNG:

Khảo sát và thu thập dữ liệu bao gồm: số liệu vận tốc gió trung bình trong mộtnăm, số liệu phụ tải của huyện Côn Đảo

Phân tích số liệu, tính toán sản lượng điện hàng năm, tính toán cường độ rỗi của

210 dé lua chon loai turbine phu hop nhất

Tính toán câu hình của nhà máy điện gió và khả năng ôn định điện của hệthông.

Phân tích, đánh giá tính khả thi của nhà máy điện gió Côn Đảo.Dé xuât các giải pháp nâng cao hiệu quả sản xuât điện của hệ thông.

Ill NGÀY GIAO NHIỆM VU: 19/01/2015IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VU: 14/06/2015

V._ CÁN BỘ HUONG DAN: TS NGUYEN THE BẢO

Tp HCM, ngày tháng năm 2015

CÁN BỘ HƯỚNG DÂN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

Trang 4

LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYEN THE BAO

SVTH: TRUONG TRONG HIEU

LOI CAM ON

Năng lượng gió, một trong những nguén năng lượng xu thé mới của thời dai.Đề thực hiện một luận văn hoàn chỉnh về nó đòi hỏi một quá trình học tập và nghiêncứu sâu do tính chất con mới mẻ và ít phố biến ở Việt Nam Đề đạt được những thành

quả trong nghiên cứu đó, ngoài nỗ lực không ngừng nghỉ của chính bản thân thì bên

cạnh đó còn có sự giúp đỡ và đóng góp thầm lặng nhưng đây tâm huyết của các thầycô, bạn bè, đồng nghiệp và người thân

Trên hết, tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc nhất đến TS Nguyễn Thế Bảo nói riêng,cũng như các thầy cô trong bộ môn nói chung, những người đã luôn quan tâm và giúpđỡ tận tình về mặt kiến thức chuyên môn để tôi có thể hoàn thành luận văn nảy

Ngoài ra, tôi cũng xin cảm ơn đến công ty cô phan phát triển công nghệ TàiNguyên Xanh đã cùng phối hợp, hỗ trợ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trongviệc khảo sát và thu thập số liệu quan trọng trong quá trình tính toán thực hiện đề tài

Trang 5

TOM TAT

Năng lượng là một trong những nhu cau thiết yếu của con người và là một yếutố không thể thiếu được của các hoạt động sản xuất Tuy nhiên, không phải tat cả mọivùng đều có khả năng tiếp cận với lưới điện quốc gia, đặc biệt là các huyện đảo Chínhvì thế, việc sản xuất điện tại chỗ bang cách tận dụng các nguồn năng lượng tái tạo, màcụ thể là điện gió sẽ là một giải pháp góp phần giảm bớt gánh nặng cho lưới điện quốcgia cũng như góp phan đưa điện về với cuộc sống của người dân ở những vùng xa xôi

hẻo lánh.

Đề xây dựng một nhà máy điện gió, có thể nói có rất nhiều rủi ro và cần phảiphân tích đánh giá một cách chi tiết nhất Tuy nhiên, các nghiên cứu về nguồn nănglượng này chỉ ở mức thu thập, tổng hợp số liệu và đánh giá chung hiện trạng chứ chưa

đi sâu vào phân tích đánh giá tiềm năng cua năng lượng gid, chế độ nhiễu loạn tại khu

vực đó và cau hình phù hợp dé hệ thống vận hành 6n định, mà những điều này lại ảnhhưởng khá nhiều đến chỉ phí dau tư ban dau

Giữa bối cảnh hiện nay, đề tài “Khảo sát và tính toán thiết kế hệ thống điện giókết hop Diesel” ra đời nhằm giúp cho chúng ta có thêm cơ sở khoa học, công cụ hỗ trợ

trong việc tính toán và phòng ngừa những sai sót, lãng phí không đáng có.

Trong quá trình thực hiện luận văn, tác giả sử dụng số liệu đo đạc thực tế tạiCôn Đảo dé làm di liệu đầu vào và chương trình Matlab dé lập trình, thiết kế phanmềm chuyên dụng cho việc tính toán Do hạn chế về mặt thời gian, cũng như kinh phínên luận văn chỉ có được số liệu trong một năm để phục vụ cho công việc mô phỏng

Nhung day cũng sẽ là cơ sở đê nhân rộng mô hình cho các dự án điện gió sau này.

Kết quả nghiên cứu cho thay tiềm năng năng lượng gió mà khu vực Côn Đảo sẽmang lại, cũng như lựa chọn được loại turbine phù hợp với điều kiện khí hậu nơi đây.Kết quả thực tiễn sẽ góp phần vào việc xây dựng nhà máy điện gió đầu tiên tại huyện

Côn Đảo.

Trang 6

ABSTRACT

Power is one of necessary demands of human life and an indispensable factor tomanufacturing activities However, not every area is able to connect to the nationalpower grid, especially islands Therefore, on-site generation by using renewableenergy, which in this case is wind power is a feasible solutions to reduce load fornational power grid as well as provide electricity for people in distant regions.

There are a lot of risks when it comes to constructing a wind power factory.Detailed analysis is required However, current researches related to this subjectconcentrates mostly on data collecting and state estimation Those researches haven’tfocus on analysing wind power potential, air turbulence in areas where wind turbineswill be built, and proper configuration to make system work stably, while all thosethings impact a lot on the capital cost.

In the current circumstance, the subject “Investigation, calculation and designof wind-diesel hybrid power system” was conceived to provide us more tools andscientific base for designing and preventing unnecessary failure and waste.

During making this thesis, the author used data which were measured at ConDao island as model input and used Matlab software for programing, designing Dueto limited time and capital cost, the input series for modeling was collected within oneyear However, this is still a good reference source for the following wind powerprojects.

The research result shows the wind power potential of Con Dao area, as well asadequate wind turbine for Con Dao’s weather The practical result will contribute intoconstructing the first wind power factory in Con Dao.

Trang 7

LOI CAM DOAN

Tôi xin cam đoan kết quả của luận văn là thành qua lao động của bản thân,không sao chép từ bất kỳ công trình nghiên cứu của tác giả khác Số liệu và tài liệutham khảo sử dụng trong luận văn đều được trích dẫn rõ ràng theo đúng quy định củaBộ Giáo dục và Đào tạo Tôi xin chịu trách nhiệm hoàn toàn về các kết quả của luận

~

van.

Tp HCM, ngay 15 thang 06 nam 2015

Truong Trong Hiéu

Trang 8

MUC LUCPHAN MỞ DAU ssesssessssssesssscsscsssescsesscsssenssssscsssencssssssesensssssesessssssssesessnsssesesesseseseessees 1CHUONG 1: TONG QUAN VE ĐẶC DIEM NGUON GIO CON ĐÁẢO 61.1 Tổng quan về năng lượng giÓ +6 S52 SE 3E E1 E E1 E111 E11 re 61.1.1 Những ưu điểm của năng lượng gi6 ¿- 5-6 2+2 SESE£EsEeEErkrkrrerrered 61.1.2 Những nhược điểm của năng lượng gió - 2 25252252 +E+££EzEreseerrered 71.2 Điều kiện tự nhiên tại Côn Đảo - se crierrrrrirrrirrrrrrirrrrrrirrrrrried 7

1.2.1 Vi trí địa Ỉý ng ng 7

1.2.2 Đặc điểm địa hình -csc cv tt tre 81.2.3 Đặc điểm khí hậu - thủy văn ¿-¿-©- + + 2+2 SE E£E# SE E1 E11 EEEEEErErrrrrred 8CHƯƠNG 2: PHAN TÍCH ĐÁNH GIÁ TIEM NANG VA LỰA CHỌN

TURBINE GIO o- GG G5 S55 9 00 00000000 00006060 8080 "2.1 Công nghệ nhà máy điện 16 oe eeccceessssneceeceeeesnaeeeeceeseesaeeeeeeseeseenanees 1]

2.1.1 Tống quan về công nghệ turbine gid + ¿5-5222 £E+E+E+Ez£zezeresree 1]

2.1.2 Cong nghệ Nha máy điện gió huyện Côn Dao eee ceeeessnncceeeeceeeeenaeeeeeees 13

2.1.3 Tối ưu hóa thiết kế công nghé woe cesessceesesesssesessseesssesssssesseseseseeteess 142.2 Mô hình hóa thong kê dữ liệu gió - + 2 + 5252 2E+E+E2EE£E£E£EeEeEErkrkrrerees 142.2.1 Số liệu tốc độ gió khu vực dự án -¿- - + 2 + S2 E2 SE E2 EEkrkrrrreee 152.2.2 Giá trị tốc độ gió trung bình - ¿56k E2 SE SE 1 15111 2111511511 1111111 ctee 172.2.3 Các công thức tính toán về năng lượng gió + 25 5s+s+cs£ecezezescee 182.2.4 Mô hình thống kê dữ liệu tốc độ gió ¿ - ¿22252 S2+E+E+EzEzErerkreeree 182.2.5 Mat độ công suất của vận tốc 300 20

2.2.6 _ Hiệu chỉnh ty trọng không khí theo nhiệt độ - «5555 << **++s++2 21

2.2.7 Sự phân bố vẻ tốc độ gió theo chiều cao ¿-5- 5-5252 252 222E+E+£z£zezeresree 222.2.8 Mối tương quan giữa các đại lượng đặc trưng của ham Weibull 252.3 Phân tích, đánh giá tiềm năng gió - ¿+ - 2 +2 S2SE£E£E+ESEEEEErErEererered 252.3.1 Biến thiên tốc độ gió trung bình theo giờ trong năm - 2-5-5 2 se: 252.3.2 Tân suất xuất hiện các cấp độ giÓ - - + ceS x1 1121111111121 1011111 re 272.3.3 Các đặc trưng thông kê của chuỗi số liệu phục vụ tính toán năng lượng 282.3.4 Quy đổi số liệu vận tốc BÏÓ 5+ + z2 3 1E 1 1111151111 11111111111 011111 y6 2924 Lựa chọn công nghệ, công suất phát điện và ước tính sản lượng điện hàng

I0 — 3a 35

24.1 Lựa chọn kiểu turbine - ke S131 E1 g1 ng ng: 35

Trang 9

SVTH: TRUONG TRONG HIEU2.4.2 Lua chọn công nghệ turbine cc cccccceessseesssnneceeeeeeeeeeseeeeeessnnanaaaeeeeees 37

24.3 Lựa chon công suat Phat GSN 0 40

2.5 Ước tinh sản lượng điện hang nam cee ccccceseessceeesecesceseesecseseseeseeeseeses 43

2.5.1 Kết quả mô phỏng tan suất tốc độ gió -. ¿ - +22 222 2E+E+EErxrkreeree 43

2.5.2 Dac tính phát điện của máy phat turbine 916 555 + eseeess 45

2.5.3 Ước tính sản lượng điện hăng năm - - + 2-2 22E+E+EEE£E£E£EzEzEErErkreereei 47

2.54 Tính toán cường độ nhiễu loan và lựa chọn lớp turbine gió - 49

CHUONG 3: TÍNH TOÁN THIET KE HE THONG WIND - DIESEL 543.1 Giải pháp 6n định công suất nha máy - ¿+ eeeeseseseeseseseseeeeseseeeeen 543.1.1 Su cần thiết phải trang bị giải pháp ồn định wo cece 543.1.2 Sơ đồ hệ thống Wind — Diesel + + S2 SE 2E£E* 2 E23 151212121112 cee 56

3.1.3 Nguyên lý vận hành << vn 57

3.2 M6 hình toán học của hệ thống Wind — Diesel -<<<<<<<<<c<ccesss 57

3.2.1 M6 hình turbine BIỐ - - - << c0 kh 583.2.2 Mô hình Baf{€Ty - - - G cọ kh 583.2.3 M6 hình máy phát điện ÏDI€sS€ÌÏL - - (<< <5 133931101111 13 93111 nh ng ke 593.2.4 Mô hình tính toán lượng khí phat thai do Diesel tạo ra - << «<<: 60

3.3 Mô hình độ ồn định nguồn điện cung cấp của hệ thống -5-5- 603.4 Cơ chế hoạt động của hệ thống Wind-Diesel-Battery «««<<«+2 61CHƯƠNG 4: PHAN TÍCH KINH TE VÀ XÂY DUNG PHAN MEM MO

PHONG TINH TOAN WIND — DIESEÌ s5 << 5 5s ssss se 65

"nu nan 65

4.1.1 M6 hinh oan 65

4.1.2 M6 hình chi phí đầu tư ban dau của hệ thống Wind — Diesel 664.1.3 Mô hình chi phí hang năm của hệ thông Wind — Diesel - 674.1.4 Phan tích so sánh các phương án đầu ttl c.ccccccccscsesessesssesesesssessesesseseseeeeees 694.2 Xây dựng phan mềm mô phỏng tính toán hệ thống Wind — Diesel 76CHUONG 5: KẾT LUẬN & KIÊN NGHỊ, - 5 5 5 << << scsesesesesese 945.I — KẾT luận SQ QC TT TT HT TT TH HT HH ngu 945.2 — Kiến nghị c- CS HH TT 1 1 11111 11112111101112121101 110111 945.3 Hướng phát triển của dé tài - c5 cESE S3 3 1E E1 1111111111011 te 94TÀI LIEU THAM IKKHÁO -< 5 5-5° 5° 5< << se SE EsEsES£ S5 EEsEseseseEeesesesesee 95

Trang 10

PHAN MO DAU

1 TINH CAP THIET CUA DE TAI

Trong những năm gan đây, Chính phủ dang rat quan tâm hỗ trợ phát triển cácdự án điện gió tại Việt Nam Gan đây nhất là quyết định về việc phê duyệt danh mụcDự án “Quy hoạch phát triển điện gió Việt Nam” sử dụng vốn hỗ trợ phát triển chính

thức của Chính phủ Đức vào ngày 30 tháng 08 năm 2014.

Đề tiếp cận với những công nghệ nhà máy điện gió hiện đại trên thế SIỚI, điềutrước tiên là chúng ta phải có một nền tảng kiến thức cơ bản về năng lượng gió Đặcbiệt, một dự án điện gió dù là nối lưới hay độc lập thì hoạt động cốt lõi để đánh giátính khả thi của một dự án điện gió chính là quy trình đánh giá tiềm năng gió (WRA).Dữ liệu đầu ra của WRA sẽ là dữ liệu đầu vào của các bước phân tích tài chính, đánh

giá tính khả thi của toàn bộ dự án.

Hiện nay, tại Côn Đảo nói riêng cũng như các vùng sâu vùng xa trên khắp cảnước vẫn đang vật lộn với tình trạng thiếu điện, trong khi đó nhu cầu của người dânvẫn không ngừng gia tăng Đề giải quyết thực trạng thiếu điện tại Côn Đảo, công ty cổphân phát triển Tài Nguyên Xanh mong muốn phát triển xây dựng nhà máy điện giótại đây để đáp ứng nhu cầu cho người dân cũng như giảm thiểu việc phát thải khí nhà

kính.

Với mong muốn nghiên cứu sâu về lĩnh vực điện gió, mặt khác, được sự tintưởng và ủy thác của công ty Tài Nguyên Xanh, từ thực tiễn nêu trên, việc lựa chọn đềtài: “Khảo sát & Tính toán thiết kế hệ thong điện gió kết hợp Diesel cho huyện CônĐảo” làm luận văn sẽ cung cấp thêm các thông tin khoa học phục vụ cho việc xâydựng nhà máy điện gió đầu tiên tại Côn Đảo cũng như tải liệu tham khảo hữu ích cho

các dự án điện gió sau này.

2 MỤC TIỂU, NOI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨUa Mục tiêu

e - Thiết kế hệ thông Wind — Diesel cho huyện Côn Đảo.e - Xây dựng phần mềm tính toán về năng lượng gió dau tiên trong nước.b Nội dung nghiên cứu

e - Đánh giá tiềm năng gió dựa trên số liệu khảo sát

e - Ước tính sản lượng điện hang năm.

Trang 11

e - Tính toán thiết kế hệ thống điện gió kết hợp với hệ thống Diesel.e Phan tích, đánh giá hiệu quả kinh tế

e Dé xuất các giải pháp dé nâng cao chất lượng hệ thống

Cc Phương pháp nghiên cứu

> Phương pháp thực nghiệm: khảo sát thực địa nhằm thu thập số liệu đo gió trongmột năm (số liệu thu thập tối thiểu để tính toán)

> Phương pháp toán họce Phuong pháp phân tích thông kê:e - Sử dụng ham phân phối Weibull dé tìm các đại lượng đặc trưng của gió;e - Nhiệt động học đối với không khí;

e Phương pháp mô hình hóa: sử dụng phan mềm Matlab dé thực hiện lập

trình tính toán.

3 TINH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

a Tình hình nghiên cứu trong nước

Một số nghiên cứu đánh giá cho thay Việt Nam có tiềm năng gió dé phát triểncác dự án điện gió với quy mô lớn Bản đồ tiềm năng gió của Ngân hàng Thế giới(Worldbank, 2001) được xây dựng cho bốn nước trong khu vực Đông Nam Á (gồm:Việt Nam, Cam-pu-chia, Lào, và Thái Lan) dựa trên phương pháp mô phỏng bằng môhình số trị khí quyền Tuy nhiên, các kết quả mô phỏng này được đánh giá là khá khácbiệt so với kết quả tính toán dựa trên số liệu quan trắc của EVN, sự khác biệt này cóthé là do sai số tính toán mô phỏng

Năm 2007, EVN cũng đã tiễn hành nghiên cứu đánh giá tiềm năng gió, xác địnhcác vùng thích hợp cho phát triển điện gió trên toàn lãnh thổ với công suất kỹ thuật1.785 MW Trong đó miền Trung Bộ được xem là có tiềm năng gió lớn nhất cả nướcvới khoảng 880 MW tập trung ở hai tỉnh Quảng Bình và Bình Định, tiếp đến vùng cótiềm năng thứ hai là miền Nam Trung Bộ với công suất khoảng 855 MW, tập trung ở

hai tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận.

Năm 2010, Bộ Công thương và Ngân hàng Thế giới đã tiến hành cập nhật thêmsố liệu quan trac (đo gió ở 3 điểm) vào ban đỗ tiềm năng gió ở độ cao 80m cho ViệtNam Kết quả cho thấy tiềm năng năng lượng gió ở độ cao 80m so với bé mặt dat làtrên 2.400 MW (tốc độ gió trung bình năm trên 7 m/s)

Trang 12

Bang thong kê sơ bộ tiém năng gió của Việt Nam ở độ cao 80m so với bê mặt dat.\(JJJ ÔUUUỔỔ X‹4m§ #ÊmS ðộm$ 6s Tộmg Bộmh xôn

Dintích(tmÌ MA HAU MATS 260 2? > ion

Ting tn) | HHÚI | NỚN | aurea | ait | 20 | 2M | 8,

Gan đây, trong khuôn khổ hop tác giữa Bộ Công thương (MoIT) và Dự ánNăng lượng Gió GIZ (Hop tác Phát triển Đức GIZ) (gọi tắt, Dự án Năng lượng GióGIZ/Mo[TT), một chương trình đo gió tại 10 điểm trên độ cao 80m đang được tiễn hànhtại các tỉnh cao nguyên và duyên hải Trung Bộ (đo ở 3 độ cao 80, 60, và 40m so với bềmặt đất) Áp dụng các tiêu chuẩn IEC 61400-12 trong suốt quá trình đo gió Dự án nàyđược mong đợi sẽ cung cấp dữ liệu gió có tính đại diện cho các vùng có tiềm năng giócủa Việt Nam để phục vụ cho phát triển điện gió trong thời gian tới Ngoài ra, các báocáo về quy trình và tiêu chuẩn lắp đặt cột đo gió cũng đang được hoàn thiện và sẽ là tàiliệu tham khảo hữu ích cho các nhà phát triển điện gió nói chung

Hiện nay, các dự án phong điện đã triển khai như: Tuy Phong (120MW), Bạc

Liêu (I20MW), Phú Quý (3x2MW), Phương Mai 1 (30MW), Nhơn Hội (27MW),

Duyên Hải (30MW) Đặc biệt, các dự án này đều phụ thuộc vào các đơn vị tư vấnnước ngoài (Fuhrlaender, GE, Vestas, GIZ ) và dựa trên phân mềm WindPro,HOMER, WasP để phân tích đánh giá tiềm năng gió, nghiên cứu tiền kha thi, khathi, phân tích kinh tế - kỹ thuật Điều này cho thấy rằng, mặc dù đất nước ta hiện nayđang rất chú trọng phát triển lĩnh vực điện gió, tuy nhiên chúng ta vẫn chưa có mộtnghiên cứu đánh giá tiềm năng gió cho riêng Việt Nam một cách sâu rộng

Khó khăn của việc chậm phát triển này bắt nguôn từ việc thiếu số liệu quan trắcđể phục vụ phát triển điện gió Nhìn chung, các nghiên cứu về năng lượng gió chỉ

dừng lại ở mức độ thống kê báo cáo sơ bộ, chưa đi sâu vào phân tích đánh giá tiềm

năng gió cho từng khu vực cụ thé và đến nay chưa có một công cụ, phần mém tínhtoán năng lượng gió trong nước nào đáp ứng được Vì vậy, chúng ta vẫn phải chịu sựchi phối và lệ thuộc rất nhiều vào các phần mém tính toán của nước ngoài với chi phí

bản quyên hang năm rat cao.

Trang 13

b — Tình hình nghiên cứu trên thé giới

Nhận thức được tầm quan trọng của năng lượng tái sinh nói chung và nănglượng gió nói riêng, chính phủ của nhiều quốc gia trên thế giới đang dốc tiền của, nhân

lực vào việc nghiên cứu và đưa vào sử dụng thực tiễn năng lượng gió, giúp giảm sự

căng thang năng lượng ở các nước [19]

Năm 2009, Takashi Hiyama va Heri Suryoatmojo thuộc trường Dai Học

Kumamoto đã đi vào nghiên cứu tối ưu hóa hệ thống Wind — PV — Diesel và đánh giálượng CO; phát thải bang thuat toan GA (Genetic algorithm) [15]

Nam 2011, hai tac giả R.Sebastián và Penax Alzola thuộc phòng nghiên cứu

điện, điện tử và kỹ thuật điều khiển, trường Đại học Tây Ban Nha đã mô hình hóathành công hệ thống Wind — Diesel độc lập với hệ thong lưu trữ nang lượng (BESS)dựa trên Matlab — Simulink Kết quả mồ phỏng đã so sánh và chi ra sự cải tiễn đặc biệttrong hệ thống có BESS và không có BESS [17] Trong nghiên cứu này, tác giả tínhtoán dựa trên khái niệm về mức độ xâm nhập gió để thực hiện cho quá trình m6 phỏng

Năm 2013, tác gia Saeid Lotfi Trazoiei dén tir truong Dai hoc Islamic Azad disâu vào nghiên cứu tối ưu hệ thông solar-wind-diesel cho khu vực nông thôn phía namIran [16] Mục tiêu chính của nghiên cứu đi vào tối ưu chi phí cho hệ thống với vòngđời dự án kéo dài đến 20 năm Dé tìm ra chi phí thấp nhất va sự kết hợp giữa các thiếtbị một cách tốt nhất, tác giả đã so sánh giữa các thuật toán ICA (Imperialist

competitive algorithm) với các thuật toán PSO (Particle Swarm Optimization) và ACO

(Ant Colony optimization) dé tìm ra kết quả nhanh nhất và chính xác nhất

Năm 2014, nhóm tác giả Kehe Wu, Huan Zhou và Jizhen Liu thuộc trường Dai

học Bắc Kinh, Trung Quốc đã bat tay nghiên cứu tối ưu phân phối công suất phát điệncủa hệ thống Wind—PV—Diese—Battery với lưới điện bằng thuật toán HIAGA (Hybriditeration adaptive genetic algorithm) Kết quả nghiên cứu chỉ ra tỷ lệ phân phối côngsuất tối ưu cho hệ thống dam bao chi phí thap nhất và tinh 6n định hòa trộn cao nhất.4 Y NGHĨA KHOA HỌC, THỰC TIEN VÀ TÍNH MỚI

a Ý nghĩa khoa học

Ket quả đê tài có thê dùng lam cơ sở dữ liệu và tài liệu tham khảo cho các côngnghệ nhà máy điện gió tương tự.

Trang 14

b Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả của luận văn sẽ cung cấp một cái nhìn trực quan và sâu hơn về nănglượng gió, qua đó giúp nha đầu tư có day đủ cơ sở dé thực hiện việc xây dựng nhà máy

điện gió tại Côn Đảo.

Góp phân giảm bớt việc phát thải khí nhà kính, bảo vệ môi trường sống cũngnhư góp phan tạo công ăn việc làm cho người dân huyện đảo

Cc Tính mới của đề tài

Nghiên cứu sâu về sự ảnh hưởng của các thông số đặc trưng của gió đến kết quả

ước tính sản lượng điện hàng năm.

Nghiên cứu tính toán cường độ roi loạn và phân tích chọn loại turbine gió phùhợp với điều kiện khí hậu tại khu vực khảo sát

Lần đầu tiên sử dụng công cụ mô hình hóa trong nước để đánh giá tiềm năng

năng lượng gió cũng như việc phân tích đánh giá tính kha thi của dự án điện gió tạiCôn Đảo.

Trang 15

CHUONG 1: TONG QUAN VE DAC DIEM NGUON GIO CON DAO

1.1.

1.1.1.

Tong quan vẻ năng lượng gióGió là luồng dịch chuyển của không khí trên bề mặt Trái Dat Gió là nguyênnhân của bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất không đồng đều làmcho bâu khí quyền, hơi nước và không khí nóng không đều nhau, sự chênhlệch nhiệt độ không khí giữa các bán cầu do bề mặt Trái Dat bị che khuất nên

không nhận được bức xạ của Mặt Trời (hiện tượng ngày và đêm) và thêm vào

đó là bức xạ mặt trời ở các vùng gân xích đạo nhiều hơn nên cũng tạo ra sựkhác nhau về nhiệt độ và vì thế dẫn đến sự khác nhau về áp suất gitra các vùngkhông khí trên Trái Đất, giữa xích đạo và 2 cực cũng như giữa mặt ban ngàyvà mặt ban đêm của Trái Đất, không khí di động tạo thành gió Ngoài ra, TráiDat xoay tròn cũng góp phần vào việc làm xoáy không khí và vì trục quay củaTrái Đất nghiêng (so với mặt phang do quỹ đạo Trái Dat tạo thành khi quay

quanh Mặt Trời) nên đã tạo thành các dòng không khí theo mùa Không khí đi

từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển động thang mà tạo thành cáccơn gió xoáy có chiều xoáy khác nhau giữa Bac bán cầu và Nam bán cầu.Không khí di chuyển tạo thành gió nên gió cũng bị ảnh hưởng bởi địa hình tạitừng khu vực trên Trái Đất Do nước và đất có nhiệt dung riêng khác nhau nênban ngày đất nóng lên nhanh hơn nước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thếcó gió thối từ biển hay hồ vào đất liền Vào ban đêm đất liền nguội đi nhanh

hơn nước và hiệu ứng này xảy ra theo chiêu ngược lại.Những ưu diém của năng lượng gió

Năng lượng gió là nguồn nhiên liệu sạch vì được sinh ra bởi gió Năng lượng

gió không gây ô nhiễm không khí như các loại nhiên liệu hóa thạch khác như:

than, dau, khí đốt Nguồn cung cấp năng lượng gió rất phong phú do gió xuất hiện ở mọi nơi trênbề mặt Trái Đất

Năng lượng gió là một dạng năng lượng có thé tự tái tao lại được bởi tự nhiên.Giá thành sản xuất điện năng từ gió ngày càng thấp do sự tiễn bộ của khoa học

kỹ thuật ngày nay.

Trang 16

SVTH: TRUONG TRONG HIEU1.1.2.

1.2.1.2.1.

Những nhược điểm của năng lượng gidMặc dù giá thành sản xuất điện năng từ gió càng ngảy thấp tuy nhiên nó vẫncòn cao dé có thé cạnh tranh với các nguồn năng lượng hóa thạch

Hiệu quả thu năng lượng gió còn phụ thuộc vào tiềm năng gió mạnh hay yếucủa mỗi vùng nên đòi hỏi vốn đầu tư ban dau cao hơn so với các nguồn phátđiện chạy băng nhiên liệu khác

Năng lượng gió là một nguồn năng lượng không 6n định, không liên tục vàkhông dự trữ được Mặt khác, năng lượng gió có thể khai thác không đồngthời với thời điểm mà có nhu câu về phụ tải

Trong nhiều trường hợp, nơi có năng lượng gió tốt thường ở những vị trí cách

xa khu trung tâm hoặc vùng phụ tai.

Điều kiện tự nhiên tại Côn Đảo

Vị trí địa lý

Huyện Côn Đảo thuộc tỉnh Bà Rịa — Vũng Tàu, nam ở biển Đông cáchTp Vũng Tàu 185km và Tp Hỗ Chí Minh khoảng 230km, có tọa độ địa lý từ8°34’ - 8°49° vĩ độ Bắc và từ 106”31' - 106°43’ kinh độ Đông Tổng diện tíchcủa Côn Dao là 75,15km” bao gồm 16 hòn đảo lớn nhỏ

Điện gid Côn Đảo — Giai đoạn 1 nằm trên vịnh Côn Sơn, huyện Côn Đảo baogồm 3 khu vực chính là: Khu vực lắp turbine trên biển, khu vực trung tâm điều

hành công nghệ cao và khu nhà ở chuyền gia.

Vịnh Côn Sơn

i

Bién Déng

| KHU DU KIÊN BO TRÍ GIAI DOAN 2

Hình 1-1: Ban đô huyện Côn Dao (tỉnh Bà Ria-Viing Tau) và Ban do vi trí khu

vực dự án

Trang 17

1.2.3.

Dic diém dia hinhCôn Đảo bao gồm 16 hòn dao lớn nhỏ trong đó dao lớn nhất là Côn Sơn chiếmkhoảng 2/3 diện tích toàn quân thể, địa hình Côn Sơn chủ yếu là dạng đổi núivới các dãy đồi đá granit, chạy dai từ Dong Nam đến Đông Bắc Đảo bị chiacắt thành hai khu vực có cao độ khác nhau:

- Khu vực thấp, tương đối bang phang năm ven bờ chạy xung quanh sườncác đôi núi, có độ cao trung bình 4-15m so với mực nước biển, độ dốc

trung bình 3-25%.

— Khu vực đổi núi, các điểm cao nhất trên đảo Côn Son là núi Thánh gia VỚI

độ cao 577m va núi Chúa cao 515m, các đảo nhỏ khác có độ cao trung

bình 200m, đa số các khu vực có độ cao trên 20m.Đặc điểm khí hậu - thủy văn

Côn Dao nam gan xích đạo, có khí hậu nhiệt đới gió mùa, chịu ảnh hưởng củakhí hậu đại dương nên tương đối mát mẻ, dễ chịu quanh năm Thời tiết ở CônĐảo trong một năm thay đổi không nhiều, có đặc điểm chung của khí hậu khuvực Miền Nam, được người dân nơi đây khái niệm thành hai thời điểm cụ thélà mùa gió chướng và mùa nang Mùa mưa ở Côn Dao không kéo dài, vì vậykhí hậu và nhiệt độ nơi đây luôn 6n định

Côn Đảo chịu ảnh hưởng bởi chế độ gid mùa, trong một năm có hai (02) trào

— Gió Bac - Đông Bac xuất hiện vào mùa đông với tần suất là từ 30 - 50%,và Tây - Tây Nam vào mùa hè với tần suất là từ 60 -70%

Trang 18

GVHD: TS NGUYEN THE BAOSVTH: TRUONG TRONG HIEU

LUAN VAN THAC Si

Bang 1-1: Bang thống kê tốc độ gió trung bình các thang trong năm

(độ cao 10m)

TÓC ĐỘ GIÓ CÁC THÁNG TRONG NĂM TẠI ĐỘ CAO 10m, m/s

| H HI | IV Vv VỊ | VII | VIHI | IX X XI | XI

Min | 0,21 | 0,16 | 0,16 | 0,14 | 0,12 | 0,16 | 0,23 | 0,23 | 0,16 | 0,18 | 0,16 | 0,20Mean | 3,22 | 330 | 2,51 | 1,65 | 1,97 | 2.21 | 2,53 | 2,88 | 232 | 1,68 | 2,26 | 3,18Max | 6,56 | 5,78 | 6,69 | 443 | 5,03 | 5,22 | 6,67 | 7,78 | 6,11 | 3,93 | 4,74 | 641

Biểu do 1-1: Biéu đô tốc độ gió trung bình các thang trong năm (độ cao 10m)

Biéu đồ vận toc gió tại độ cao 10m

8.00

=f Mean

=<= Max.3.00

Van toc gid, m/sN ro) S1.000.00

Tháng

Vung Côn Dao có hai (02) mùa phân biệt rõ rệt là mùa mưa và mùa khô:

- Mùa mưa: Từ hạ tuần Tháng IV đến thượng tuần Tháng XII Mưa caođiểm vào các Tháng VIII, IX Về mùa này, khí hậu khá âm ướt, lượng mưa

trung bình là 2.200mm/năm.

- Mùa khô: Từ trung tuần Tháng XII đến trung tuần Tháng IV, khí hậu mátmẻ, nhiệt độ trung bình hàng năm là 27°C Tháng II là tháng mát mẻ nhất,nhiệt độ trung bình chỉ khoảng 22°C, còn tháng năm là tháng oi bức nhất,nhiệt độ có lúc lên tới 34°C Mùa khô có gió mạnh từ Đông Bắc hoạt độngkhoảng từ Thang I đến Tháng II thường tạo ra những đợt sóng lớn va lamcho tầm nhìn bị hạn chế Ngoài ra, quần đảo cũng bị ảnh hưởng bởi nhữngtrận bão lớn ở các khu vực xung quanh trong những năm gân đây

Trang 19

Các đặc điểm khí hậu khác:Nhiệt độ không khí trung bình năm là 26,6°CĐộ âm không khí trung bình là 80%

Tốc độ gió trung bình: 4 m/s— Tốc độ gió tối đa: < 30 m/s.Với điều kiện thuận lợi trên thì việc xây dựng Nhà máy điện gió huyện CônĐảo không những làm giảm sự phụ thuộc vào nguồn điện Diesel, khắc phụctình trạng thiếu điện mà còn góp phần làm giảm phát thải khí nhà kính, khôngtạo ra chất gây ô nhiễm môi trường Năng lượng gió là hướng đi phù hợp déphát triển năng lượng bền vững, đảm bảo an ninh năng lượng cho Côn Đảo

Trang 20

CHUONG 2: PHAN TÍCH DANH GIA TIEM NANG VA LỰA CHỌN

2.1.2.1.1.

TURBINE GIO

Công nghệ nhà máy điện gió

Tổng quan về công nghệ turbine gióTurbine gió là thiết bị có chức năng chuyển đổi động năng của gió thành nănglượng cơ Năng lượng cơ này có thể sử dụng để phát ra năng lượng điện được

gọi là điện gió Các turbine gió hoạt động theo nguyên lý năng lượng của gió

làm cho các cánh quạt quay quanh 1 rotor Rotor được nối với trục chính vàtrục chính sẽ truyền động làm quay trục quay máy phát để tạo ra điện Turbinegió luôn được đặt trên trụ cao dé thu hiệu quả năng lượng gid Ở trên cao sovới mặt đất thì các turbine ĐIÓ SẼ CÓ tốc độ nhanh hơn và hạn chế được cácluồng gió bất thường

Đề có dãy công suất turbine gió lớn, các turbine gió được tập hợp thành mộtnhóm với nhau được gọi là trang trại gió hay cánh đồng gió và nó sẽ cung cấpnăng lượng lớn hơn cho lưới điện Các turbine gió có thể sử dụng cung cấpđiện cho một mạng điện để phân phối mạng điện ra rộng hơn

Về cau tạo chung thì turbine gió đều được thiết kế với một rotor và một bộphát điện đặt tại đỉnh tháp Các turbine thường được lắp đặt theo hướng gióhoặc sử dụng cảm biến gió kết hợp với mô-tơ chế động Các turbine cũng cómột hộp số dé biến tốc độ xoay chậm của cánh quạt thành tốc độ xoay nhanhhon, đủ dé vận hành máy phát điện Cau tạo các cột turbine gió thông thường

Trang 21

— Máy phat (Generator): Thiết bị phát ra điện.— Trục truyền động tốc độ cao (High - speed shaft): Trục truyền động của

máy phát ở tốc độ cao.— Trục truyền động tốc độ thấp (Low - speed shaft): Trục quay tốc độ thấp.— Vỏ (Nacelle): Vỏ bọc ngoải dùng bảo vệ các thành phan bên trong vỏ, phải

đủ rộng để một người vận hành có thể đứng bên trong trong khi làm việc.— Hệ thống điều chỉnh góc quay của cánh quạt (Pitch): Dùng để điều chỉnh

góc nghiêng của cánh, cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ chovận tốc quay của rotor không quá cao hay quá thấp dé tao ra điện

— Hệ thống điều chỉnh góc quay của vỏ (Yaw system)— Rotor: Bao gém các cánh quạt và trục

— Tháp (Tower): Trụ đỡ Nacelle Được làm bang thép hình trụ hoặc thanh

dan.

Hình 2-1: Cấu tao và các thành phan của một turbine gió dién hình

1 Blades

í 2 Rotor3 Pitch

4 Brake5 Low-spood shaft

6, Gear box

7 Generator8 Controller

9, Anemometer10 Wind Vane11 Nacelle

12 High-speed shaft

13 Yaw drive14 Yaw motor15 TowerViệc phân loại turbine trong tiêu chuẩn IEC-1400-1 được xác định theo tốc độgió trung bình, cường độ nhiễu loạn và một quy trình để xác định Tiêu chuẩn

IEC-1400-1 định nghĩa bốn lớp tiêu chuẩn gồm: I, Il, HH, IV và một lớp S Đối

Trang 22

2.1.2.

với lớp S, tất cả các thông số trường gió phải được quy định bởi nhà sản xuất.Tốc độ 210 trung bình cho lớp I đến IV tương ứng là 10m/s, 8,5m/s, 7,5m/s va6m/s Ngoài các lớp tiêu chuẩn, còn được chia thành lớp nhiễu loạn cao, nhiễuloạn trung bình và nhiễu loạn thấp (lớp A, B và C)

Công nghệ Nhà máy điện gió huyện Côn Đảo

Dự án Nhà máy điện gió huyện Côn Đảo được đầu tư với mục đích cấp điệncho khu vực huyện Đảo Nhà máy sẽ được trang bị các thiết bị hiện đại, cácgiải pháp tốt mang lại hiệu quả về sản xuất điện năng Công suất t6 máy đượcchọn trên cơ sở phân tích an toàn cung cấp điện cho khu vực, tính 6n địnhlưới, và linh hoạt trong điều độ phụ tải

Các hạng mục công nghệ chính của nhà máy dự kiến bao gém:—2 trụ turbine gió đặt trên biển

- Hệ thống cáp ngầm biến.- Hệ thống Wind — Diesel.— Trạm ngắt 22kV

- Hệ thống cáp dau nối trên bờ.— Các thiết bị phục vụ việc đấu nói với lưới điện khu vực.— Các hạng mục hạ tầng kỹ thuật;

Trang 23

2.2.

Tối wu hóa thiết kế công nghệMặc dù tiềm năng của nguồn năng lượng gió tại khu vực dự án có đủ khả năngcung cấp năng lượng điện cho nhu cầu của huyện đảo, nhưng các nguồn nănglượng nay phụ thuộc nhiều vào thiên nhiên do gió không thối đều đặn nênkhông có khả năng cấp điện 6n định vì vậy năng lượng điện phát ra từ cácturbine gió cần phải được sử dụng kết hợp chung với các nguồn năng lượngkhác để điều hòa công suất đầu ra và cung cấp năng lượng liên tục Phương áncung cấp điện hợp lý được đề xuất là nên kết hợp các nguồn điện truyền thốngnhư nguồn điện diesel cho giai đoạn hiện tại và các nguồn điện lưới khác trong

tương lai.

Mặt khác, việc gió thôi không đều cũng như phụ tải điện không 6n định sẽ làmcông suất phát điện của turbine gió và công suất phụ tải luôn biến động vì vậycần thiết phải có một giải pháp kỹ thuật phù hop dé ôn định toàn bộ hệ thống.Các yêu câu giải pháp tối thiểu phải thỏa mãn các điều kiện sau:

— Bu công suất khi công suất phat từ năng lượng gió không đủ đáp ứng phụ

— Tối ưu tiêu hao nhiên liệu khi vận hành nguồn năng lương kết hợp.— Vận hành 6n định và đảm bảo chất lượng điện năng

Mô hình hóa thống kê dữ liệu gióMô hình hóa thống kê dữ liệu gió là sự kết hợp giữa phương pháp thực nghiệm

và phương pháp toán học.

Phương pháp thực nghiệm: là cách thức đo đạc để thu thập số liệu chuỗi thờigian tốc độ gió, đây là cơ sở dé đánh giá thống kê Số liệu tốc độ gió theo giờlà đữ kiện đầu vào không thể thiếu để giải bài toán mô hình trong các lĩnh vựckỹ thuật sử dụng năng lượng gió Số liệu tốc độ gió phải được theo dõi mộtcách có hệ thống từ lâu bằng cách lập trạm quan trắc khí tượng để thu thập

Trang 24

một cach chi tiết số liệu về tốc độ gió liên tục trong từng khoảng thời gian suốtmột thời gian dài, thông thường tối thiểu 01 năm Sự hạn chế cả về số lượngvà chất lượng của số liệu tốc độ gió ảnh hưởng rất lớn đến tính chính xác củakết quả bai toán

Phương pháp toán học:

- Ly thuyết xác suất thống kê- Ly thuyết tính toán ham mật độ phân bố Weibull- Nhiệt động lực học đối với không khí

- Lap trình mô phỏng tính toán bằng Matlab2.2.1 Số liệu tốc độ gió khu vực dự án

Địa điểm do: tại Trạm viễn thông với các cao độ 30m, 50m, 60m trên mặt đất.Thời gian đo: 03/2012 đến 03/2013

Thời điểm do: 10 phút/ 1 lần.Thiết bị đo: Máy tự ghi liên tục trong ngày

Trang 25

7, an : “ a

KỆ 6> oe ae hie

Trang 26

2.2.2 Giá trị tốc độ gió trung bình

Với sô liệu đầu vào là chuỗi sô liệu toc độ gió được do va thu thập môi 10phút/lân liên tục trong vòng 01 năm, các giá tri trung bình sau sẽ được xácđịnh [6]:

— Vận tốc gió trung bình mỗi giờ trong ngày:

vị: Vận tốc gió trung bình từng thang trong năm

Trang 27

2.2.4.

Cac công thức tinh toán về năng lượng gióNăng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyếnTrái Dat

Môi quan hệ giữa vận tôc và công suât gió:

' Ni \ ‘7

1

P= 20AsvÌ (watts) (2 — 3)

Công suất gió khả dụng thông qua một turbine gió dé phát điện sé nhỏ hon ratnhiều so với năng lượng của luéng gió Theo định luật Betz, thì trên lý thuyếtchỉ có thé lấy tối đa là 59,3% năng lượng tổn tai trong luéng gió vì vận tốc gióở phía sau một turbine gió không thể giảm xuống băng không

Mô hình thống kê dữ liệu tốc độ gióPhương pháp mô hình hóa thống kê được áp dụng để dự đoán quy luật về tốc

độ gió nhăm tạo ra chuôi sô liệu toc độ gió theo giờ trong thời gian một năm.

Trang 28

Trong đó, phân bố xác suất Weibull là một dạng hàm phân bố thường dùng démô tả thống kê sự xuất hiện của các đại lượng cực tri trong khí tượng, thuỷvăn và dự báo thời tiết Hàm Weibull là một mô tả toán học hợp lý cho các đồthị tốc độ gió Phân bố này được dùng dé phân tích xác suất, dự đoán thời gian

vận hành và điện năng được sản xuât từ gió.

Trang 29

GVHD: TS NGUYEN THE BAO

LUAN VAN THAC Si

0.18_m

~ / \0.14 +_f- +}

| h \0.12 -+——>x 1¬

ề fF / À ie

ã 017-4 —¬ - A=6

3 fe bt Ve =e8 0.08 L; k LX ta A-7

Đề thấy được sự ảnh hưởng của phân bố thống kê tốc độ gió đến công suất

phát điện, chúng ta cân phải tính toán mật độ công suât của vận tôc gió.

- Mật độ công suất (PD) được định nghĩa:

Trong đó: v là vận toc gió (m/s), pd(v) là ham mật độ xác suất Weibull

Theo quy ước, cường độ gió tại khu vực khảo sát được phân loại dựa vào mật

độ công suất dé đánh giá tiềm năng năng lượng gió của khu vực đó

Đề thực hiện việc đánh giá tiềm năng gió cho một khu vực khảo sát nào đó

Theo bang 2-1 người ta sẽ phân ra thành 7 cấp độ gió, tùy theo kết quả tinhtoán mật độ công suất ở công thức 2-6, chúng ta sẽ biết được khu vực đó cótiềm năng gió hay không

Ngoài ra, tùy thuộc vao từng cấp độ mà chúng ta xem xét có nên dau tư haykhông Do đó, đây là một bước tính toán rất quan trọng trong việc đánh giátiền khả thi, khả thi

Trang 30

GVHD: TS NGUYEN THE BAOSVTH: TRUONG TRONG HIEU

LUAN VAN THAC Si

Bảng 2-1: Bang phân loại lớp gió tại độ cao tham chiếu 10m & 50m[1]

4 Good 200-250 5 ,6-6,0 400-500 7,0-7,5

5 Excellent 250-300 6,0-6,4 500-600 7,5-8,0

6 Outstanding | 300-400 6,4-7,0 600-800 8,0-8,87 Superb 400-1000 | 7,0-9,4 800-2000 8,8-11,92.2.6 Hiéu chỉnh ty trong không khí theo nhiệt độ

Thông thường, năng lượng gió được khảo sát ở nhiệt độ môi trường Ty trọng

không khí p cũng là một yếu ảnh hưởng đến mật độ công suất (PD) Quan hệgiữa PD và p là quan hệ tuyến tính

Tỷ trọng không khí phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ, độ âm tương đối, cànglên cao, cả áp suất và nhiệt độ cùng giảm Công thức tính toán ty trọng không

khí được dựa trên tính toán của khí lý tưởng [3]:

pV = nRT (2-7)

Trong đó:- _p: là áp suất tuyệt đối, (atm)

V: là thể tích chất khí, (m”)n: số lượng phân tử (mol)R: hằng số chất khí (8,314 J/mol.K)T: Nhiệt độ tuyệt đối, (K)

Với p = n/V, Khối lượng mol trên một don vị thể tích

Pp

= PT (2 — 8)

p

Như vậy, nếu xét trong M (gam) khối lượng phan tử của không khí Ty trọng

được tính theo công thức bên dưới:

Trang 31

2.2.7.

p

= RF 1000 (kg/m?) (2 —9)p

Trong đó:

M: khối lượng phân tử của không khí, (M = 28,97 g/mol)Mặt khác, do áp suất khí quyến phụ thuộc vào độ cao Mối quan hệ giữa ápsuất p và độ cao H được tính theo công thức [4],[5]:

p= Dạc 118510 2H (atm) (2 — 10)

Việc hiệu chỉnh này là cần thiết giúp đánh giá năng lượng gió được chính xác

ở các cao độ khác nhau so với mat dat.Su phân bo về toc độ gió theo chiêu cao

Tốc độ gió thường được đo ở một độ cao nhất định từ mặt đất Tuy nhiên,nhăm nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng gió đôi khi cần xem xét tốc độgió ở các độ cao khác nhau Trong thực tế, ma sát giữa không khí và mặt đấtlàm giảm tốc độ gió gân mặt đất, do đó có thé nói vận tốc gió là hàm số của độcao.

Mối tương quan giữa vận tốc và độ cao được biểu diễn bang công thức:

HIỂM

Vy = U¡X (52) (2-11)Trong đó:

v¡,va lần lượt là vận tốc 210 tại các độ cao hị,h›,Hệ số y được gọi là hệ số chênh tốc (wind shear)

Trang 32

[mM] 4 Độ cao tinh từ mat đất

500+

400+

40 m/s300+

Hình 2-6: Sự phân bố tốc độ gió theo chiéu caoTrong các trường hợp muốn ngoại suy tốc độ gió thì hệ số y có thể xác địnhbăng công thức sau:

(2 — 12)

Ngoài ra, trong các trường hợp thiếu số liệu quan trac, người ta có thé sử dungbảng tra để ước tính sơ bộ hệ số y để phục vụ tính toán tùy theo từng trườnghợp cụ thể

Dựa vào bảng 2-2, ta thay rang bé mat dia hinh càng it vat can trở thi hệ số Ycàng bé Vi dụ như bề mặt biến ngoài khơi (y = 0,08) và ngược lại đối với cácthành phố lớn với các tòa nha cao tang (y = 0,39) có hệ số chênh tốc cao gấp 4,

5 lần

Trang 33

Bang 2-2: Bang phan loai bê mặt địa hình và hệ số chênh tốc [1]

Dat nông nghiệp với vài ngôi

nha và hang rào cây cao 8m L5 0.055 0.17với khoảng cach chừng

Trang 34

2.2.8 Mối tương quan giữa các dai lượng đặc (trưng của ham Weibull

Trong phân phối Weibull, ngoài 2 đại lượng đặc trưng k, A Người ta còn đưara mối liên hệ giữa các thông số khác của vận tốc gió như sau:

1k — 1\R

k= (=) (2 — 16)

A=— (2-17)

r(1+z)

2.3 Phân tích, đánh gia tiềm năng øió

Đánh giá tiềm năng gió là việc ước tính mức độ mạnh hay yếu của nguồn năng

lượng gió tại khu vực dự định lắp đặt turbine gió Kết quả đầu ra của việc đánh

giá này sẽ dữ liệu đầu vào cho các bước tính toán tiếp theo Do đó, đây có théxem là bước cốt lõi để xác định tính khả thi của một dự án điện gió

2.3.1 Biến thiên tốc độ gió trung bình theo giờ trong năm2.3.1.1 Số liệu gió theo giờ

Căn cứ theo chuỗi số liệu gió thu thập được trong vòng 01 năm, vận tốc giótrung bình giờ được sắp xếp theo giờ trong ngày từ Oh đến 23h ở các độ caotương ứng 60m, 50m, 30m Các số liệu này được trình bảy dưới dạng bảng vàbiểu đồ như bên dưới nhằm phân tích, đánh giá đặc tính tốc độ gió trung bình

giờ trong ngày theo các độ cao khác nhau.

Trang 35

Bang 2-1: Tốc độ gió trung bình theo giờ tai các độ cao quan trắc cua chuỗisố liệu trung bình 10 phút từ Oh ngày 20/03/2012 đến 23h50 ngày 19/03/2013

Vận tốc gió (Trung bình theo giò), m/s

Giờ 60m 50m 30m

(Kénh 1) (Kénh 2) (Kénh 3)0 6,32 5,68 4,18

| 6,14 5,51 4,072 6,10 5,47 4,053 6,25 5,60 4,144 6,32 5,66 4,195 6,52 5,35 4.346 6,60 5,92 4.377 6,77 6,07 4,498 7,03 6,30 4.679 7,23 6,49 4,8210 745 6,68 4,9311 7,61 6,83 5,0512 7,72 6,92 5,1113 7,90 7,08 5,2114 3,03 7,20 5,3315 8,13 7,29 54016 8,07 7,23 5,3517 7,95 7,13 5,2518 7,34 7,04 5,2019 7,62 6,83 5,0620 7,29 6,54 4.8521 7,02 6,30 4,6622 6,73 6,03 44523 6,55 5,87 4.34Trung bình 7,13 6,4 4,73

Trang 36

thường mạnh hơn vào đêm và vì vậy mà thích ứng một cách tự nhiên với nhu

cầu năng lượng nhiều hơn vào ban ngày Công suất dự trữ phụ thuộc vào độchính xác của dự báo gió, khả năng điều chỉnh của mạng lưới và nhu cầu dùng

điện.

Tân suất xuất hiện các cấp độ gióSo liệu gió xác định tần suat xuât hiệnCăn cứ theo chuỗi số liệu gió thu thập được, vận tốc 210 sẽ được tong kết dướidạng biểu dé thé hiện tần suất xuất hiện tương ứng với tốc độ từ nhỏ hơn 1m/sđến nhỏ hơn 25m/s ở độ cao điển hình 60m

Trang 37

— Tần suất vận tốc gió từ 6m/s trở lên chiếm 60.5%

—_ Vận tốc gió lớn nhất quan trắc được là 31,59m/s (được trích từ kênh max

của sensor đo tốc độ gió).2.3.3 Các đặc trưng thống kê của chuỗi số liệu phục vụ tính toán năng lượng2.3.3.1 Số liệu xác định các đặc trưng thống kê

Dựa trên cơ sở chuỗi số liệu vận tốc gió trung bình 10 phút từ ngày20/03/2012 đến 19/03/2013, sẽ tính toán được các đặc trưng thống kê củachuỗi số liệu gió quan trắc theo hàm phân bố Weibull Ta áp dụng các côngthức tính k, A, PD Kết quả tính toán tại độ cao 60m như sau:

— Tỷ trọng không khí tại độ cao 60m: p = 1.170 kg/m”- Thông số hình dang của đồ thị: k= 2,23

— Thông số tỷ lệ: A = 8.03 m/s— Vận tốc gió trung bình: 7,12 m/s

— Trung vi: Mode = 6,17 m/s

—~ Độ lệch chuẩn: o = 3,36 m/s- Mật độ công suất: PD = 363,15 W/m?

Trang 38

2.3.3.2.

2.3.4.

Weibull DistributionWeibull Distribution Í ] Actual Data |

k

Ld H tT T Y T T T0 5 10 15 20

Wind Speed (m /s)

i)ay

Biểu đô 2-3: Đặc trung của số liệu tốc độ gió ở độ cao 60m theo Weibull

Phân tích và nhận xét

Với mật độ công suất trung bình các hướng gió khoảng 363,15 W/m* tại độ

cao 60m, theo bang 2-1 thì tiềm năng gió khu vực này là cao và được phânloại vào lớp 3 rat phu hop dé khai thác năng lượng, khi turbine gió đặt ở độcao 80m sẽ còn có tiềm năng tốt hơn

Quy đổi số liệu vận tốc gióCác số liệu đo gió thống kê thu thập trong vòng 01 năm ở các độ cao 30m,50m, 60m sẽ được xử lý để áp dụng vào việc khảo sát các chuỗi số liệu nhằmxây dựng một mô hình bài toán mô phỏng để dự đoán quy luật phân bố gióqua đó xác định các số liệu tốc độ 210 cần thiết Do chuỗi số liệu thống kê vềtốc độ không có số liệu ở độ cao lắp cánh turbine là 80m, vì vậy cần thiết phảingoại suy quy đổi từ chuỗi số liệu khảo sát ở những độ cao khác

Trên cơ sở chuỗi số liệu gió thu thập được, áp dụng công thức 2-12 để xácđịnh được giá trị y từ chuỗi số liệu tốc độ gió trung bình 10 phút từ đó có théquy đổi tốc độ gió theo công thức tính Nhằm kiểm chứng tính chính xác củahệ số lễ bang cách sử dung chuỗi số liệu thống kê ở độ cao 60m để quy đôivận tốc ở các độ cao 30m và 50m, sau đó sẽ so sánh và đánh gia các số liệunày với số liệu thực tế ở các độ cao nói trên dé kết luận tinh hợp ly cua giá triy được lựa chon Bang phương pháp và cách thức như trên, các giá trị số liệuquy đôi và thống kê được liệt kê trong bảng và thể hiện trong biểu đồ sau:

Trang 39

LUẬN VĂN THẠC SĨGVHD: TS NGUYEN THE BAO

Bang 2-4: Tốc độ gió trung bình giờ trong năm tai các độ cao quan trắc của

chudi so liệu thông kê và so liệu tính toán quy doi

Số liệu thống kê thực tế So liêu quy đôi Wind

theo độ cao

Giờ 60m 50m 30m Shear

(Kénh 1) | (Kénh 2) | (Kénh 3) $m | 60m) 50m | 30m ’

0 6,32 5,68 4,18 7,352 | 6,32 | 5,67 | 4,18 | 0,601| 6,14 5,51 4,07 7,30 | 6,14 | 5,51 | 4,07 | 0,5992 6,10 5,47 4,05 7⁄25 | 6,10 | 547 | 4,04 | 0,5973 6,25 5,60 4,14 7A4 | 6,25 | 5,60 | 4,13 | 0,6034 6,32 5,66 4,19 7,352 | 6,32 | 5,66 | 4,17 | 0,6035 6,52 5,85 434 7,75 | 6,52 | 5,85 | 4,32 | 0,5986 6,60 5,92 4.37 7,85 | 6,60 | 5,92 | 4,36 | 0,600

7 6,77 6,07 41.49 8,05 | 6,77 | 6,07 | 448 | 0,601

8 7,03 6,30 4.67 8,35 | 7,03 | 6,30 | 4,65 | 0,5999 7,23 6,49 4.82 8,59 | 7,23 | 6A9 | 4,79 | 0,59710 TAS 6,68 4.93 8,87 | 745 | 6,68 | 4,92 | 0,60311 761 6,83 5,05 905 | 7,61 | 6,83 | 5,04 | 0,59912 7,72 6,92 5,11 9,19 | 7,72 | 6,92 | 5,10 | 0,60013 7,90 7,08 5,21 940 | 7,90 | 7,08 | 5,21 | 0,60414 8,03 7,20 5,33 956 | 8,03 | 7,20 | 5.30 | 0,60215 8,13 7,29 540 966 | 8,13 | 7,29 | 5.38 | 0,59816 8,07 7,23 5,35 9,60 | 8,07 | 7,23 | 5,33 | 0,60317 7,95 7,13 5,25 947 | 7,95 | 7,12 | 5,25 | 0,60118 7,34 7,04 5,20 932 | 7,84 | 7,04 | 5,20 | 0,59919 7,62 6,83 5,06 905 | 7,62 | 6,83 | 5,04 | 0,60120 7,29 6,54 4.85 8,66 | 7,29 | 654 | 4,83 | 059721 7,02 6,30 4.66 8,35 | 7,02 | 6,30 | 4,65 | 0,60022 6,73 6,03 4.45 8,00 | 6,73 | 6,03 | 445 | 0,59923 6,55 5,87 434 7,78 | 6,55 | 5,87 | 4,33 | 0,599Mean 7,13 6,40 4,73 8,48 | 7,13 | 6,40 | 4,72 | 0,600

Trang 40

Biểu đồ 2-4: Tốc độ gió trung bình giờ trong năm tai các độ cao quan trắc

của chuôi so liệu thông kê và so liệu tính toán8.00

7.00 th = ==—=3(m

_~ fin a (Channel 3)

6.00 - HHHÚDm cơn

—e& 50m(Channel 2)

— 50m (Quyđổi)

1.000.00 đôi) (Quy

0 1 2 3 45 6 7 8 9 101112 1314 15 16 17 18 19 20 21 22 23

Giờ

Qua bảng số liệu 2-4 cũng như biểu đồ 2-4 có thể nhận xét sai số giữa tínhtoán quy đổi và số liệu thu thập thực tế là rất nhỏ và hoàn toàn có thé chấpnhận được, các đường thê hiện số liệu thu thập và số liệu tính toán quy đôi gân

như trùng nhau.

Kết luận:Việc sử dụng công thức tính hệ số y để quy đổi vận tốc gió ở độ cao 80m là

hoàn toàn châp nhận được.

Tiêu đề	Khảo sát và tính toán thiết kế hệ thống điện gió kết hợp Diesel cho Côn Đảo
Tác giả	Trương Trọng Hiếu
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Thế Bảo
Trường học	Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công nghệ Nhiệt
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2015
Thành phố	Tp. HCM

Định dạng
Số trang	118
Dung lượng	82,06 MB