Năng lượng tái tạo hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn, là năng lượng mà xuất phát từ tài nguyên thiên nhiên như ánh sáng mặt trời , gió , mưa , thủy triều , và nhiệt địa nhiệt , sinh khối …
Tiểu luận cơ khí Chương 1: GIỚI THIỆU 1.1. Giới thiệu chung. a. Năng lượng tái tạo. - Năng lượng tái tạo hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn, là năng lượng mà xuất phát từ tài nguyên thiên nhiên như ánh sáng mặt trời , gió , mưa , thủy triều , và nhiệt địa nhiệt , sinh khối … - Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái sinh là tách một phần năng lượng từ các quy trình diễn biến liên tục trong môi trường. Các quy trình này thường được thúc đẩy đặc biệt là từ Mặt Trời. - Theo ý nghĩa về vật lý, năng lượng không được tái tạo mà trước tiên là do Mặt Trời mang lại và được biến đổi thành các dạng năng lượng hay các vật mang năng lượng khác nhau. Tùy theo trường hợp mà năng lượng này được sử dụng ngay tức khắc hay được tạm thời dự trữ. - Việc sử dụng khái niệm "tái tạo" theo cách nói thông thường là dùng để chỉ đến các chu kỳ tái tạo mà đối với con người là ngắn đi rất nhiều (thí dụ như khí sinh học so với năng lượng hóa thạch). Trong cảm giác về thời gian của con người thì Mặt Trời sẽ còn là một nguồn cung cấp năng lượng trong một thời gian gần như là vô tận. Mặt Trời cũng là nguồn cung cấp năng lượng liên tục cho nhiều quy trình diễn tiến trong bầu sinh quyển Trái Đất. Những quy trình này có thể cung cấp năng lượng cho con người và cũng mang lại những cái gọi là nguyên liệu tái tăng trưởng. Luồng gió thổi, dòng nước chảy và nhiệt lượng của Mặt Trời đã được con người sử dụng trong quá khứ. Quan trọng nhất trong thời đại công nghiệp là sức nước nhìn theo phương diện sử dụng kỹ thuật và theo phương diện phí tổn sinh thái. Ngược lại với việc sử dụng các quy trình này là việc khai thác các nguồn năng lượng như than đá hay dầu mỏ, những nguồn năng lượng mà ngày nay được tiêu dùng nhanh hơn là được tạo ra rất nhiều. Theo ý nghĩa của định nghĩa tồn tại "vô tận" thì phản ứng tổng hợp hạt nhân (phản ứng nhiệt hạch), khi có thể thực hiện trên bình diện kỹ thuật, và phản ứng phân rã hạt nhân (phản ứng phân hạch) với các lò phản ứng tái sinh, khi năng lượng hao tốn lúc khai thác uranium hay thorium có thể được giữ ở mức thấp, đều là những nguồn năng lượng tái tạo mặc dù là thường thì chúng không được tính vào loại năng lượng này. b. Tầm quan trọng của năng lượng tái tạo và hiệu quả của nó đem lại - Năng lượng tái tạo ngày càng khẳng định được vị thế và tầm quan trọng so với các nguồn năng lượng truyền thống như than đá, khí đốt, dầu mỏ và hạt nhân… Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên - 2011 1 Tiểu luận cơ khí - Nhu cầu năng lượng tăng nhanh không ngừng trong khi những nguồn năng lượng không tái tạo như dầu mỏ, than, khí đốt, uranium, gây ô nhiễm môi trường và đang dần cạn kiệt. Sử dụng năng lượng tái tạo từ thủy điện, mặt trời, gió, địa nhiệt, sóng biển, thủy triều, khí sinh học, dầu sinh học, đang là lựa chọn hàng đầu của nhiều quốc gia khi mà nguồn năng lượng ngày càng cạn kiệt. - Hiệu quả mà năng lượng tái tạo đem lại: + Cấp nguồn cho mạng lưới điện (các nhà máy thủy điện lớn, các trạm điện gió, điện mặt trời tập trung, ); + Thay thế xăng, dầu để chạy các động cơ (ôtô, tàu thủy, máy bay, ); + Cấp nguồn cho nhu cầu sinh hoạt tại chỗ (đun nước, sưởi ấm, nấu ăn, ). + Thay thế nhiên liệu thông thường trong bốn lĩnh vực riêng biệt: điện , nước nóng / sưởi ấm không gian , nhiên liệu vận tải . Ngoài ra ,năng lượng tái tạo là một nguồn năng lượng sạch,không gây ô nhiễm môi trường và thân thiện với con người. Đi đôi với phát triển kinh tế, vài năm trở lại đây nhiều quốc gia trên thế giới đầu tư vào khai thác các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, sức gió… và hướng đi này đã tỏ ra sáng suốt trong bối cảnh luôn có biến động trong thị trường dầu mỏ thế giới. Tiềm năng năng lượng tái tạo không hè thua kém các nguồn năng lượng khác.Vấn đề ở chỗ là các quốc gia nhận thức được thế mạnh nội tại trong phát triển năng lượng tái tạo đến đâu và đầu tư phát triển và ứng dụng như thế nào. 1.2. Giới thiệu về nguồn năng lượng gió,mục đích của đề tài. Trong các nguồn cung cấp năng lượng tái tạo thì gió là một nguồn năng lượng thiên nhiên mà loài người đang nhắm đến cho nhu cầu về năng lượng trên thế giới trong tương lai. a. Năng lượng gió : - Năng lượng gió được mô tả như một quá trình, nó được sử dụng để phát ra năng lượng cơ hoặc điện. Tuabin gió sẽ chuyển đổi từ động lực của gió thành năng lượng cơ. Năng lượng cơ này có thể sử dụng cho những công việc cụ thể như là bơm nước hoặc các máy nghiền lương thực hoặc cho một máy phát có thể chuyển đổi từ năng lượng cơ thành năng lượng điện. Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên - 2011 2 Tiểu luận cơ khí - Gió là một dạng của năng lượng mặt trời. Gió được sinh ra là do nguyên nhân mặt trời đốt nóng khí quyển, do trái đất xoay quanh mặt trời và do sự không đồng đều trên bề mặt trái đất. Luồng gió thay đổi tuỳ thuộc vào địa hình trái đất, luồng nước, cây cối, con người sử dụng luồng gió hoặc sự chuyển động năng lượng cho nhiều mục đích như: đi thuyền, thả diều và phát điện. Khi bức xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và không khí nóng không đều nhau. Một nửa bề mặt của Trái Đất, mặt ban đêm, bị che khuất không nhận được bức xạ của Mặt Trời và thêm vào đó là bức xạ Mặt Trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn là ở các cực, do đó có sự khác nhau về nhiệt độ và vì thế khác nhau về áp suất mà không khí giữa xích đạo và 2 cực cũng như không khí giữa mặt ban ngày và mặt ban đêm của Trái Đất di động tạo thành gió. Trái Đất xoay tròn cũng góp phần vào việc làm xoáy không khí và vì trục quay của Trái Đất nghiêng đi (so với mặt phẳng do quỹ đạo Trái Đất tạo thành khi quay quanh Mặt Trời) nên cũng tạo thành các dòng không khí theo mùa. Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay quanh trục của Trái Đất nên không khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển động thắng mà tạo thành các cơn gió xoáy có chiều xoáy khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu. Nếu nhìn từ vũ trụ thì trên Bắc bán cầu không khí di chuyển vào một vùng áp thấp ngược với chiều kim đồng hồ và ra khỏi một vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ. Trên Nam bán cầu thì chiều hướng ngược lại. - Ngoài các yếu tố có tính toàn cầu trên gió cũng bị ảnh hưởng bởi địa hình tại từng địa phương. Do nước và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất nóng lên nhanh hơn nước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay hồ vào đất liền. Vào ban đêm đất liền nguội đi nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra theo chiều ngược lại. - Ưu điểm của năng lượng gió là tận dụng được nguồn năng lượng vô tận là gió, không bị khống chế quy mô diện tích đầu tư. Ngoài ra, phong điện không tổn thất chi phí vận hành, nơi sản xuất điện và tiêu thụ điện được thu hẹp khoảng cách một cách đáng kể. Hơn nữa, máy phát điện từ gió có thể đễ dàng bổ sung máy phát điện thông thường khi nhu cầu dùng điện của người dân tăng lên. Gió còn là nguồn nguyên liệu sạch, không làm ô nhiễm không khí và nước khi tạo điện năng, có khả năng giảm đáng kể lượng khí CO 2 thải ra môi trường. Các tua bin gió không tạo ra mưa axít do khí thải SO 2 hay các khí nhà kính. Nếu cộng tất cả các chi phí bên ngoài (kể cả việc giải quyết nạn ô nhiễm môi trường) thì năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng rẻ tiền nhất. - Nhược điểm lớn nhất của năng lượng gió là sự phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và chế độ gió. Vì vậy, cần nghiên cứu hết sức chi tiết về địa hình và Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên - 2011 3 Tiểu luận cơ khí tính chất của gió để tránh những ảnh hưởng không tốt đến máy phát. Hơn nữa, các trạm điện gió thường hay gây tiếng ồn trong khi vận hành. Nếu các yếu tố kỹ thuật không đảm bảo có thể phá vỡ cảnh quan tự nhiên và làm ảnh hưởng đến tín hiệu của các sóng vô tuyến. Do vậy, khi xây dựng các khu điện gió cần tính toán khoảng cách hợp lý đến các khu dân cư, khu du lịch để không gây những tác động tiêu cực. b. Mục đích của đề tài : Đề tài nói lên sự hình thành năng lượng gió, tầm quan trọng của nó trước nguy cơ cạn kiệt nguồn năng lượng hoá thạch, từ đó đề xuất ra hướng phát triển và ứng dụng của nguồn năng lượng này trong tương lai ở các quốc gia trên thế giới như : chế tạo được các tuabin gió có giá thành hợp lý,đảm bảo được các điều kiên làm việc ,kiểm soát được lượng gió vào tuabin, sử dụng nguồn điện năng từ gió một cách có hiệu quả ,kinh tế không gây lãng phí. Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên - 2011 4 Tiểu luận cơ khí Chương 2: TỔNG QUAN. 2.1. Lịch sử phát triển . Lịch sử phát triển của thế giới loài người đã chứng kiến những ứng dụng của năng lượng gió vào cuộc sống từ rất sớm. Gió giúp quay các cối xay bột, gió giúp các thiết bị bơm nước hoạt động, và gió thổi vào cánh buồm giúp đưa các con thuyền đi xa… Trước thế kỷ 19, giai đoạn đầu tiên: - Từ cách đây 5000 năm, loài người đã biết khai thác năng lượng gió với những con thuyền buồm. Khoảng 1700 năm trước công nguyên người Iran đã có những cối xay nhờ sức gió. Từ thế kỷ thứ 10 người châu Âu chế ra cối xay gió trục ngang với các bánh răng truyền động. Thế kỷ 15 người Hà Lan bắt đầu công cuộc quai đê lấn biển, cần bơm nước biển ra ngoài đê, họ đã gắn xuống phía dưới các cối xay gió một guồng nước. - Muộn hơn nữa, kể từ sau thế kỷ 13, các cối xay gió xuất hiện tại châu Âu (Tây Âu) với cấu trúc có các cánh đón gió quay theo phương ngang, chúng phức tạp hơn mô hình thiết kế tại Ba Tư. Cải tiến cơ bản của thiết kế này là đã tận dụng được lực nâng khí động học tác dụng vào cánh gió do đó sẽ làm hiệu suất biến đổi năng lượng gió của cối xay gió thời kỳ này cao hơn nhiều so với mô hình thiết kế từ những năm 500 - 900 tại Ba Tư. Hình 1: Mô hình cối xay gió xuất hiện sau TK 13 - Trong suốt những năm tiếp theo, các thiết kế của thiết bị chạy bằng sức gió càng ngày được hoàn thiện và được sử dụng rộng rãi trong khá nhiều các lĩnh vực ứng dụng: chế tạo các máy bơm nước, hệ thống tưới tiêu trong nông nghiệp, các thiết bị xay xát, xẻ gỗ, nhuộm vải… Cho đến đầu thế kỷ 19, cùng với sự xuất hiện của máy hơi nước, thiết bị chạy bằng sức gió dần dần bị thay Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên - 2011 5 Tiểu luận cơ khí thế. Lịch sử con người đã bước sang thời kỳ mới với những công cụ mới: máy chạy hơi nước. Hình 2: Chiếc máy bơm nước chạy bằng sức gió, Mỹ 1800 Cuối thế kỷ 19, những bước đi đầu tiên: - Năm 1888, Charles F. Brush đã chế tạo chiếc máy phát điện chạy sức gió đầu tiên, và đặt tại Cleveland, Ohio. Nó có đặc điểm: * Cánh được ghép thành xuyến tròn, đường kính vòng ngoài 17m; * Sử dụng hộp số (tỉ số truyền 50:1) ghép giữa cánh turbine với trục máy phát; * Tốc độ định mức của máy phát là 500 vòng/phút; * Công suất phát định mức là 12kW. Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên - 2011 6 Tiểu luận cơ khí Hình 3: Máy phát điện sức gió do Charles F.Brush chế tạo - Năm 1891, tại trường đại học Askov Đan Mạch, giáo sư Paul LaCours đã hoàn thành thiết bị phong điện đầu tiên với máy phát điện một chiều sau khi nghiên cứu một cách hệ thống việc sử dụng năng lượng gió để phát điện. Hình 4: Paul LaCours, Đan Mạch 1891 - Sau thế chiến thứ nhất, các công trình turbin gió được chú ý hơn rất nhiều, đặc biệt việc nghiên cứu cơ bản về cơ chế hoạt động cánh quạt các máy bay quân sự và dân dụng. Năm 1920 Betz đã vận dung “Lý thuyêt bề mặt chủ động” vào các turbin gió và đã thu được tới 59% động năng của gió. Trên nền tảng lý thuyết turbin mới đã xuất hiện những bước đầu các công trình turbin gió hiện đại, như máy phát Balaclava công suất 100kW lắp đặt tại Nga năm 1931 hay máy phát Gedser công suất 200kW, lắp đặt tại đảo Gedser, đông nam Đan Mạch. Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên - 2011 7 Tiểu luận cơ khí Hình 5: Máy phát Gedser (200kW), Đan Mạch 1931 Sự phát triển của máy phát điện chạy sức gió trong thời kỳ này có đặc điểm sau: + Ít về số lượng, lắp đặt rải rác nhưng tập trung chủ yếu ở Mỹ, các nước Tây Âu như Đan Mạch, Đức, Pháp, Anh, Hà Lan; + Công suất máy phát thấp chủ yếu nằm ở mức vài chục kW. - Những bước khởi hành ngoạn mục đã đình trệ khi thế chiến thứ 2 bùng nổ. Riêng tại Mỹ công nghệ phong điện vẫn phát triển. Cùng với nhà sản xuất thiết bị thủy điện Smith, lần đầu tiên kỹ sư Palmer C. Putnam đã hòa mạng một thiết bị phong điện cỡ lớn (công suất 1250kW) với sự tham gia của các nhà khoa học nổi tiếng. Thiết bị hoạt động từ 1941 tới 1945. Điện năng sản xuất theo cách này đắt hơn khoảng 50%, vì vậy dự án của Putnam đã không phổ biến rộng rãi được. Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên - 2011 8 Tiểu luận cơ khí Hình 6: Smit-Putnam, 1250 KW, Mỹ 1941 - Sau thế chiến thứ 2, trong việc tái thiết châu Âu, phong điện lại được quan tâm nhiều vào thập kỷ 50. Thông qua tổ chức hợp tác kinh tế châu Âu (OEEC) các chuyên gia từ Anh, Đan Mạch, Đức, Pháp v.v. đã gặp gỡ và trao đổi kinh nghiệm về phong điện. + Huetter đã theo đuổi một đề án hiện đại, cánh bằng sợi thủy tinh, điều chỉnh đầu cánh bằng thủy lực, máy phát điện đồng bộ 50 Hz. Thiết bị hoạt động tới năm 1968 sau nhiều lần gián đoạn. Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên - 2011 9 Tiểu luận cơ khí Hình 7: Huetter, 100 KW, Đức 1958 + Johannes Juul đi theo một hướng khác hẳn. Mục đích của ông là một phương án hòa mạng đơn giản và đảm bảo. Ông đã dựng nên thiết bị Gedser nổi tiếng, hoạt động từ 1957 tới 1962 qua nhiều giờ hòa mạng. Ý tưởng của ông là: một động cơ điện không đồng bộ được làm quay bởi một turbin gió, trở thành một máy phát điện không đồng bộ. Bộ cánh đơn giản bằng gỗ nguyên tấm có các thanh thép gia cường, được cấu tạo hợp lí về khí động học, khi gặp gió mạnh sẽ tự điều chỉnh để công suất phát nằm trong một giới hạn nhất định. Tấm hãm hình mái chèo có tác dụng giới hạn tốc độ quay, hạn chế lực văng cánh quạt khi gió quá mạnh và phải ngắt mạch điện. Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên - 2011 10 [...]... ngày càng tăng, các nguồn năng lượng hóa thạch (than đa, dầu mỏ …) ngày càng khan hiếm, phát triển và ứng dụng năng lượng tái tạo là sự cân thiết cho mỗi quốc gia Và năng lượng gió sẽ là lựa chọn số một Để tăng hiệu quả của năng lượng gió, trên thế giới đang phát triển các laọi tubin gió trục đứng, kết hợp năng lượng gió với nguồn năng lượng tái tạo khác như thủy triều, năng lượng mặt trời… Người ta... biện pháp nhằm giải quyết các thuận lợi trên, năng lượng từ gió có thể xem như một nguồn năng lượng dự phòng ngoài các nguồn năng lượng chính yếu khác - Vì gió không thổi đều đặn nên năng lượng điện phát sinh từ các tuốc bin gió chỉ có thể được sử dụng kết hợp chung với các nguồn năng lượng khác để cung cấp năng lượng liên tục Tại châu Âu, các tuốc bin gió được nối mạng toàn châu Âu, nhờ vào đó mà... có tiềm năng về gió Một cuộc khảo sát mới về năng lượng gió toàn thế giới cho thấy nó có thể đáp ứng đủ nhu cầu năng lượng của mọi quốc gia Sau khi thu thập hơn 8.000 tài liệu về gió trên mọi lục địa, nhà nghiên cứu Christina Archer và Mark Jacobson thuộc ĐH Stanford (Mỹ) đã tạo ra một bộ bản đồ về năng lượng gió của thế giới Bản đồ tiết lộ gió có thể tạo ra 72 terawatt (72 nghìn tỷ watt) điện năng, ... được công bố trong tập san Energy Economics - Tổ chức Năng lượng gió Châu Âu đang tiến hành một chiến lược phát triển rầm rộ nhất cho năng lượng gió với mục tiêu đưa năng lượng gió vào nhóm những nguồn năng lượng quan trọng nhất Theo kế hoạch của tổ chức này, mục tiêu đến năm 2020, sản lượng điện gió sẽ đạt 94,8 GW, chiếm 12,1% tổng sản lượng điện năng của thế giới Theo kế hoạch này đến năm 2020, tổng... trong gió không quá cao hay quá thấp để tạo ra điện - Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục b Hoạt động: Các tuabin gió tạo ra điện như thế nào? Một cách đơn giản là một tuabin gió làm việc trái ngược với một máy quạt điện, thay vì sử dụng điện để tạo ra gió như quạt điện thì ngược lại tuabin gió lại sử dụng gió để tạo ra điện Các tuabin gió hoạt động theo một nguyên lý rất đơn giản Năng lượng của gió. .. phát triển các trạm điện gió ngoài thềm lục địa cũng đang được tiến hành để lợi dụng gió biển và ước tính sẽ chiếm trên 40% sản lượng điện gió tương lai của Châu Âu Cũng theo dự đoán này thì năng lượng gió sẽ tăng dần và vượt qua nhiều nguồn năng lượng truyền thống nhưng tiềm ẩn rủi ro cao như điện hạt nhân và thủy điện lớn, và vào năm 2030 năng lượng gió sẽ trở thành nguồn năng lượng chiếm tỷ trọng lớn... triển ứng dụng năng lượng gió bằng việc sử dụng tuabin gió trục đứng (VAWT) Đề xuất ra các giải pháp công nghệ giúp cho việc khai thác và sử dụng nguồn năng lượng này một cách có hiệu quả nhất qua đó thấy được những thành quả mà nguồn năng lượng này đem lại Khuyến khích cho các quốc gia sử dụng năng lượng gió, và trong tương lai không xa, năng lượng gió sẽ là nguồn cung cấp điện năng chính cho các quốc... nhiệt điện - Hội đồng Năng lượng Gió Thế giới cũng đưa ra những dự báo hết sức khả quan cho triển vọng phát triển năng lượng điện gió Theo Hội đồng này, đến năm 2020 sản lượng điện gió sẽ chiếm tới 12% trong tổng sản lượng điện năng của thế giới Để đạt được mục tiêu này, thế giới sẽ đầu tư khoảng 100 tỷ USD mỗi năm vào điện gió, đồng thời tạo ra 2,3 triệu việc làm và giảm được một lượng đáng kể khí CO2... hâm nóng toàn cầu Đảm bảo cung cấp một nguồn năng lượng sạch vì nguyên liệu được dùng là "gió" Nguồn năng lượng này không làm ô nhiễm không khí như nguồn điện năng xuất phát từ các nhà máy phát điện bằng than hay khí đốt Các turbine gió không tạo ra mưa acid do khí thải SO2, hay các khí nhà kính Nguồn năng lượng nầy tương tự như năng lượng mặt trời, vì gió là nguyên nhân của sự hâm nóng bầu khí quyển... tiêu cực tới năng lực cạnh tranh của nền kinh tế vốn đã bị giảm liên tục trong mấy năm trở lại đây Trong trung hạn và dài hạn, Việt Nam cần có chiến lược đảm bảo an ninh năng lượng bằng cách một mặt mở rộng khai thác những nguồn năng lượng truyền thống; mặt khác, thậm chí còn quan trọng hơn phát triển các nguồn năng lượng mới, đặc biệt là các nguồn năng lượng sạch và có khả năng tái tạo Khả năng này phụ