đồ án phương pháp sử dụng năng lượng gió

Kết quả mô phỏng của mô hình có thể sai lệch từ 5 đến 8% so vớitốc độ và hướng gió thực nên không thể dựa vào Bản đồ phân bố tốc độ gió để dự toán sản lượng điện hàng năm cho một cánh đồ

1 T ổng quát.

2 S ự phát triển của công nghệ tua-bin điện gió.

3 Sơ lược về kỹ thuật.

6 Chu ẩn mực so sánh trong đầu tư trang trại điện gió.

4 Th ất thóat cơ năng.

10 Th ử nghiệm điện gió với những công nghệ khác.

8 Trang tr ại điện gío lắp đặt trên biển.

7 Cánh đồng điện gío lắp đặt trên đất liền.

9 Tích tr ữ năng lượng từ gió.

11 Th ị trường điện gió Việt Nam.

5 Phân tích và xác định tiềm năng gió, dự toán sản lượng điện.

13 Đọan phim ngắn về điện mặt trời và điện gió.

14 Th ảo luận.

N ội dung

12 Tua- bin điện gió và kinh phí đầu tư.

Năng lượng tái tạo

1 T ổng quát.

Fraunhofer Institute for Wind Energy and Energy System Technology

K ịch bản sử dụng 100% năng lượng tái tạo tại CHLB Đức – Năm 2050

Tài li ệu công bố tháng 2 năm 2009

1 Exajoule = 277,778 Tỉ kW

"Exa" E (1 Trillion) = 1018

" Joule " = Đơn vị của năng lượng PV photovoltaics CSP concentrated solar power

- - - Sau s ự cố Fukishima , CHLB Đức quyết định đóng cửa tất cả những nhà máy điện nguyên tử vào năm 2022 (ghi chú thêm từ NNT)

Tia nắng mặt trời chiếu vào mặt đất thay đổi không đồng đềulàm nhiệt độ trong bầu khí quyển, nước và không khí luôn khácnhau, trái đất luôn quay trong quỹ đạo xung quanh mặt trời và tựquay quanh trục nên tạo ra mùa, ngày, đêm.

cầu, Nam bán cầu và đường xích đạo cũng như nhiệt độ ở biển vàtrên đất liền luôn khác nhau

Từ sự quay quanh trục của trái đất nên không khí chuyển độngxoáy theo những chiều khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán

cầu làm nhiệt độ của khí quyển thay đổi phát sinh những vùng ápcao và áp thấp

Mô hình hoàn l ưu khí quyển với các trung tâm khí áp bề

m ặt có tính đến sự phân bố đất biển không đều.

Giáo Trình Khí T ượng Cơ sở DHKHTN - 2012

Hướng gió là hướng mà từ đó gió thổi tới điểm quan trắc Hướng gió được

bi ểu thị bằng phương vị đông, tây, nam, bắc hoặc theo góc là lấy hướng bắc làm m ốc ở vị trí 0 0 ho ặc 360 0 và tính theo chi ều kim đồng hồ Như vậy hướng đông ứng với góc 90 0 , hướng nam ứng với góc 180 0 , hướng tây ứng với góc

2700.)

Ngoài ra, người ta còn dùng cấp gió để chỉ tốc độ gió như cấp gió Beaufort (Francis Beaufort 1806) và được viết tắt là bft Biểu đồ này đầu tiên được đưa ra để đánh giá ảnh hưởng của gío cho thuyền buồm và việc vận chuy ển trên sông hồ, biển…

B ản đồ phân bố tốc độ gió

Vi ệt Nam ở độ cao 80 mét.

B ản đồ phân bố tốc độ gió

Vi ệt Nam ở độ cao 80 mét được thực hiện từ Bộ công thương,TrueWind Solutions LCC (M ỹ) và Ngân hàng

th ế giới năm 2010 Đây là tài li ệu đánh giá tiềm năng gió t ại Việt Nam.

B ản đồ phân bố tốc độ gió được thực hiện với phần

m ềm mô phỏng

‘MesoMap’ K ết quả mô

ph ỏng được trình bày trên

b ản đồ hiển thị tốc độ gió trung bình theo màu v ới độ phân gi ải là 1 km

Kết quả mô phỏng của mô hình có thể sai lệch từ 5 đến 8% so với

tốc độ và hướng gió thực nên không thể dựa vào Bản đồ phân bố

tốc độ gió để dự toán sản lượng điện hàng năm cho một cánh đồngđiện gió

Tuy nhiên đây là một nguồn thông tin quan trọng vì Bản đồ phân

bố tốc độ gió cung cấp cho các nhà đầu tư có cái nhìn tổng thể về

những địa điểm có tiềm năng gió cao thích hợp để xây dựng nhàmáy điện gió

Để xác định chính xác tiềm năng gió và dự toán được sản lượngđiện hàng năm của dự án điện gió, cần có số liệu gió trung bìnhtrong năm, số liệu này phải chính xác (!) Việc này chỉ có thể thực

hiện được khi dựa theo phương pháp đo gió SODAR (SoundDetecting And Ranging) hoặc xây dựng cột đo gió Thời gian đo ít

nhất phải là 1 năm, tốt nhất là 10 năm

Nguyên t ắc cột đo gió và tua-bin.

Với số liệu thu được từ

cột đo gió ở độ cao thấphơn (tại những vùng bằng

phẳng và trống trải) ta có

thể tính ra được tốc độ gió

ở độ cao tâm cánh quạt

của Tua-bin điện gió dựatheo phương trình:

Hoa t ốc độ gió Hoa t ốc độ gió trung bình

Những số liệu về tốc độ và hướng gió của từng thời điểm và từng vịtrí được hiển thị bằng hoa gió Hướng gió trong hoa gió được địnhtheo chiều đông, tây, nam, bắc và thường được chia thành 12 hoặc

36 mảng trong một vòng tròn Diện tích trong mỗi mảng được hiển

thị bằng màu là tốc độ gió trung bình trong ngày hoặc trong tháng

C ột đo tốc độ và hướng gió tiêu biểu

C ột đo gió tại Huyện Bình Đại - Bến Tre

Tiêu chu ẩn lớp gió cho tua-bin điện gió

U ỷ ban Kỹ thuật Điện Quốc tế IEC (International Electrotechnical Commission) đưa ra những Tiêu chuẩn lớp gió của tua-bin cho những vùng có tiềm năng gió

ít ho ặc nhiều theo tốc độ gió trung bình và sự xáo động gió trong năm.

Tiêu chu ẩn Lớp gió cho tua-bin điện gió

Tiêu chu ẩn tua-bin theo loại

(IEC)

I

(vùng có gió m ạnh)

II

(vùng có gió khá

m ạnh)

III

(vùng có gió trung bình)

IV

(vùng có gió y ếu)

T ốc độ gió tiêu biểu của 50

Tua- bin điện gió trục đứng Darrieus - Tua-bin điện gió trục ngang.

Công nghệ điện gió gồm hai loại, loại trục đứng: Savonius,Darieus và loại trụng ngang Tua-bin điện gió trục đứng có hệ sốcông suất thấp nhưng vì cấu hình giản dị, dễ thiết kế và dễ sản

xuất nên những loại tua-bin điện gió này thường được sản xuấtcho những nơi cần công suất khoảng từ 5 đến 20kW

2 S ự phát triển của công nghệ tua-bin điện gió.

Qu ạt gió xay ngũ cốc - Hà Lan Qu ạt gió bơm nước - Úc

Tua-bin tr ục đứng

Savonius

Tua-bin tr ục đứng Savonius 3 t ầng

Tua-bin tr ục đứng Darrieus t ại Heroldstat - CHLB Đức

Tua-bin tr ục đứng Darrieus t ại Nam cực

H-Tua-bin tr ục đứng.

10MW Aerogenerator X ©

Wind Power Ltd & Grimshaw

2010 / GB

Trước kia một số tua-bin điện gió trục ngang được thiết kế cóhướng đón gió từ phía sau (down wind rotor), phương pháp này cónhiều nhược điểm như dòng gió luôn bị xáo động do gió thổi vàothân trụ rồi mới đến cánh quạt.

Từ khoảng năm 1995 tua-bin điện gió được thiết kế với nguyên tắcđón gió từ phía sau không còn được sử dụng rộng rãi Phần lớn

những tua-bin điện gió hiện nay được thiết kế có hướng đón gió từphía trước (up wind rotor)

Tua- bin đón gió từ phía

sau (down wind rotor)

Tua- bin đón gió từ phía trước (up wind rotor)

 Cho đến nay, phần lớn những tua-bin lắp đặt trên thế giới sử

dụng hộp số để chuyển tốc độ số vòng quay của cánh quạt lên cao

và truyền đến máy phát điện

 Từ năm 1993 công nghiệp điện gió sử dụng máy phát điện namchâm vĩnh cửu được sản xuất và đưa vào thị trường Nguyên tắc

của lọai máy phát điện này là sử dụng nam châm vĩnh cửu kết

hợp nhiều cực trong một vòng khung và được gắn trực tiếp với hệ

thống Rotor Công nghệ này trong những năm 90 không pháttriển vì giá thành vật liệu nam châm vĩnh cửu từ đất hiếm rất cao

Những năm vừa qua việc khai thác đất hiếm tăng nên công nghệmáy phát điện nam châm vĩnh cửu phát triển nhanh

 Vào đầu những năm 80, khái niệm công nghệ tua-bin, được

gọi là “Khái Niệm Đan-Mạch” Trong công nghệ này tua-bin

họat động với một tốc độ nhất định để giữ tần số điện phù hợp

với lưới điện

Tua- bin điện gió

v 1 v T

v 2

A

m

Định luật Betz ứng dụng trong thiết kế cánh quạt.

Năng lượng gió là nguồn năng lượng do chuyển động của khôngkhí với một tốc độ trong một thời gian nhất định Theo định luậtBetz, (Nhà vật lý người Đức - Albert Betz 1885-1968) về động lực

học khí quyển thì nguồn năng lượng gió này không thể chuyển tất

cả sang một loại năng lượng khác

A 2

Nh ững trụ điện gió lắp đặt năm 1987 tại CHLB Đức.

Albert Betz, chứngminh trên phương diện

vật lý là chỉ có thể thuđược tối đa là 59,26 %năng lượng chuyểnđộng kinetic của gió,

việc này ảnh hưởngquan trọng đến khảnăng đón gió của cánh

quạt

Cho đến nay việc tạodáng và thiết kế nhữngcánh quạt điện gió hiệnđại vẫn dựa trên những

kiến thức này

S ự phát triển Năng lượng điện gío tại Đức, Âu châu và Thế giới.

Kí ch thước và công suất những lọai tua-bin điện gió đã được sản xuất hàng loạt

tính đến năm 2012.

Cánh đồng điện gió trên đất liền tại Aurich CHLB Đức, công suất mỗi

tr ụ 6 – 7,5MW.

Trang tr ại điện gió tại Mỹ.

C ấu hình tua-bin điện gió trục ngang dùng h ộp số.

3 Nguyên t ắc kỹ thuật.

S ự phân bố lực tác động F vào cánh quạt với góc < 20°

Cánh quạt điện gió khi thiết kế phải đáp ứng nguyên tắc khí động

lực học và định luật Betz để tạo được công suất cao ổn định, kể cả

ở tình trạng điều chỉnh số vòng quay của hệ thống cánh Rotor

cũng như những yếu tố chi tiết khác như độ ồn phát sinh, tần sốrung khi hoạt động

3.1 Cánh qu ạt

Dòng gió khi vào cánh qu ạt gây ra tình trạng

gió trượt (Stall effect)

Cánh qu ạt tua-bin Growian

Cấu hình cánh quạt tùy theo công nghệ và việc chọn lựa vật liệunên có nhiều thiết kế khác nhau nhưng phần lớn đều dựa trên kinhnghiệm cấu hình chế tạo cánh máy báy như của Hội đồng tư vấnhàng không NACA-Mỹ (National Advisory Committee forAeronautics) hoặc Viện Khí động lực học Nga với cấu hình TsAGI

hoặc những viện nghiên cứu khác cũng như những Nhà khoa họcKhí động lực học, thí dụ như cấu hình FX (Franz XaverWortmann), cấu hình YH (Clark Profile), cấu hình HQ(Horstmann/Quast) vv

Nh ững thiết diện và cấu hình khác nhau của cánh quạt điện gió

C ấu trúc những lớp vật liệu của cánh quạt

Cánh qu ạt thô với vật liệu

composite, s ợi carbon chưa

hoàn thành.

Vi ệc chọn lựa vật liệu cánh quạt được dựa trên kinh nghiệm chế tạo cánh máy bay Độ bền vật liệu và khả năng sản xuất là những yếu tố chính.

Nh ững vật liệu này là:

Density

Kh lượng riêng γ

Strenght of material - (ĐBVL) δB

Young's modulus (ĐB dẻo) E

Ultim tensile strenght to d.

(ĐB Kéo) δB/γ

Young's mod

to density (ĐBdẻo/d)E/γ

Fatigue limit

±δ (ĐB mỏi) A

3.2 S ố cánh quạt của tua-bin.

Dựa trên nguyên tắc vật lý và khí động lực học, những nghiên

cứu và thử nghiệm về số cánh quạt cho tua-bin điện gió đã được

thực hiện từ nhiều thập niên trước ở nhiều nơi trên thế giới

Th ử nghiệm tua-bin một cánh MOD-0

năm 1985 tại Mỹ

Trụ tua-bin điện gió trục ngang có

thể có 1, 2, 3 hoặc 4 cánh

Diện tích quét gió phụ thuộc vào

bề mặt cũng như chiều dài cánh

quạt nên trên nguyên tắc, số cánh

quạt của tua-bin không là yếu tố

quyết định cơ bản về công suất

Trên phương diện khí động lực học thì số cánh quạt càng ít thì

hiệu quả càng cao nhưng trên phương diện cơ học thì khi tua-bin

họat động với số vòng quay nhanh sẽ phát sinh những nhượcđiểm cơ bản như tần số rung của tua-bin điện gió sẽ mất ổn địnhảnh hưởng đến những chi tiết khác

Tua-bin điện gió một cánh được đưa vào hoạt động từ nhữngnăm 1985 với công suất từ 25 đến 1000kW Ưu điểm của tua-binđiện gió một cánh là giảm được trọng lượng so với những tua-bin hai hoặc ba cánh, số vòng quay nhanh có thể lên đến 49 vòngtrong một phút nên tạo được công suất cao và giá thành thấp

Sự phân bố lực của một cánh vào trục và thân trụ không đều nên

độ bền hệ thống giảm rất nhiều, ngoài ra khi tua-bin điện gió hoạtđộng sẽ phát sinh ra tiếng ồn rất cao

Trên lý thuyết thì số cánh quạt của tua-bin không là yếu tố quyếtđịnh về công suất nhưng trên thực tế, tua-bin điện gió hai cánh có

thể đạt được công suất cao hơn Tua-bin một cánh khoảng 10%

Hệ số tốc độ gió tại đầu cánh (tip speed ratio) đạt đến 10-12trong khi Tua-bin điện gió 3 cánh chỉ khoảng từ 6 đến 8

Tuy nhiên Tua-bin điện gió hai cánh cũng có nhược điểm là vì

họat động với số vòng quay nhanh, tần số rung của Tua-bin mất

ổn định ảnh hưởng đến những chi tiết khác của hệ thống

Sự phân bố lực của cánh quạt vào trục, thùng và thân trụ tùythuộc vào vị trí của cánh quạt, khi cánh quạt ở vị trí thẳng đứng,

tần số rung của cánh thấp nhưng khi cánh ở vị trí nằm ngang thì

tần số rung hệ thống tăng nên Tua-bin điện gió dễ bị giao động

và phát sinh ra tiếng ồn cao

Tua-bin điện gió ba cánh nhờ sự phân bố đều về lực trong diệntích vòng quay nên họat động ổn định hơn tua-bin điện gió một

hoặc hai cánh và có tỉ lệ công suất cao hơn khoảng 3-4% so vớitua-bin điện gió hai cánh

Ngòai ra độ rung hệ thống ít bi xáo động nên hạn chế được

những ảnh hưởng cơ tác động đến những chi tiết khác trong bin

tua-S ố cánh quạt n λ n ở Hệ số Betz lý tưởng

S ố cánh quạt và hệ số tốc độ gió tại đầu cánh với cấu hình thường sử dụng.

Trong hai thập niên vừa qua vì yếu tố kinh tế cũng như kỹ thuật,tua-bin địện gió trục ngang 3 cánh đã dần thay thế tất cả những

loại tua-bin khác

Việc nâng số cánh quạt của tua-bin điện gió lên bốn cánh hoặcnhiều hơn chỉ đạt được công suất thêm tối đa là 1 đến 2% so

với tua-bin điện gió ba cánh nên những tua-bin loại nhiều cánh

chỉ tồn tại trong quá trình thử nghiệm vì không kinh tế

H ệ số tốc độ gió tại đầu cánh λ và cấu hình NACA 4415 theo số cánh quạt

H ội đồng cố vấn hàng không Mỹ – NACA –(National Advisory Committee for Aeronautics)

Phần lớn những tua-bin điện gió hiện nay trên thế giới được thiết

kế theo loại trục ngang và có công suất từ vài kW đến 10 MW

Tua- bin điện gió trục ngang 3 Cánh - 1987

Tua- bin điện gió trục ngang 4 cánh (th ử nghiệm) - 1942 Tua-bin điện gió hai cánh lắp

đặt trên biển

H ệ thống nối cánh quạt - Rotor.

H ệ thống đùm nối cánh quạt - Rotor

và máy phát điện vòng

Đùm và hệ thống nối cánh quạt - Rotor và máy phát điện vòng

3.3 Nh ững nguyên tắc điều chỉnh hệ thống Rotor.

Vì tốc độ gió luôn thay đổi nên trong thiết kế, để có một công suất

ổn định, tua-bin chỉ có thể hoạt động tối ưu với một tốc độ gió nhấtđịnh Để đạt được những yêu cầu này, hệ thống Rotor phải có

những chức năng tự điều chỉnh theo tốc độ và hướng gió và tựngưng hoạt động bằng những hệ thống thắng để bảo đảm an toàn

Việc điều chỉnh hệ thống Rotor trước đây thường theo nguyên tắcđiều chỉnh tình trạng gió trượt của cánh quạt (Stall control – pasiv

hoặc activ), trong thập niên vừa qua việc điều chỉnh này được thực

hiện bằng phương thức chỉnh quay mặt đón gió của cánh quạt(Pitch control)

Stall control - Điều chỉnh dòng gió thổi trượt vào cánh quạt.

Pitch control – Điều chỉnh mặt đón gió của cánh quạt.

Việc điều chỉnh mặt đón gió của cánh quạt thực sự là để điều chỉnh

số vòng quay của hệ thống Rotor tốc độ gió luôn thay đổi nên việcđiều chỉnh, tăng hoặc hạn chế cơ năng từ dòng gió là yếu tố quan

trọng để tua-bin điện gió có thể hoạt động lâu dài và ổn định

Khi tốc độ gió lên quá cao, hệ thống cánh quạt phải tự chỉnh góckhông đón gió để ngưng hoạt động, tránh hư hại cho tua-bin điệngió và như thế chính là dựa trên nguyên tắc khí động lực học để

thắng cánh quạt khi cần thiết

Khi dòng gió có tốc độ thấp, hệ thống cánh quạt phải chỉnh mặt

diện tích đón gió cao để có được công suất tối ưu

Khi tốc độ gió lên cao, hệ thống cánh quạt phải giảm mặt đón gió

để tiếp tục hoạt động

H ệ thống Rotor hoạt động, cánh quạt

quay ch ỉnh mặt đón gió tối ưu (0°) ở tốc

độ gió từ 4 đến 11 m/s.

H ệ thống Rotor hoạt động, mặt cánh

qu ạt chỉnh góc đón gió từ 0 - 90° ở tốc

độ gió từ 12 đến 25 m/s.

Từ lực tác động của gió vào bề mặt cánh quạt, cơ năng sẽ truyềnđến những ổ vòng bi (Ball roller bearings) và làm quay hệ thốngrotor Những vòng bi này thường có một hoặc nhiều lớp Cánh quạt

của những tua-bin điện gió có công suất cao thường sử dụng vòng

bi 2 lớp có 4 điểm tiếp xúc (Four point contact bearings)

Vòng bi 4 điểm tiếp xúc loại 1 lớp Vòng bi 4 điểm tiếp xúc loại 2 lớp.

Yaw control - Ch ỉnh tua-bin theo hướng gió.

Hướng gió thay đổi tùy theo từng thời điểm, vị trí và theo mùa.Tua-bin điện gió muốn đạt được hiệu quả về công suất cũng phải

chỉnh theo hướng gió, đặc biệt là những tua-bin điện gió trụcngang Phương pháp chỉnh tua-bin theo hướng gió gồm hai loại:phương pháp chỉnh thụ động và phương pháp chỉnh tích cực

Trong phương thức chỉnh thụ động, hệ thống cánh quạt khi quay sẽtùy theo hướng gió và quay đến vị trí có hướng gió mạnh nhất nhờđuôi chong chóng gió (weather vane) gắn trên thùng Nacelle Tuynhiên phương pháp này chỉ có thể áp dụng được đối với những tua-bin điện gió có trọng lượng thấp, công suất từ 5 đến 20 kW vàđường kính cánh quạt khoảng 10 mét