Nghiên cứu thiết bị và công nghệ phát điện sử dụng sức gió cung cấp điện năng cho cụm dân cư vùng ven biển và hải đảo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI        BÙI THANH THẢO NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ VÀ CÔNG NGHỆ PHÁT ðIỆN SỬ DỤNG SỨC GIÓ CUNG CẤP ðIỆN NĂNG CHO CỤM DÂN CƯ VÙNG VEN BIỂN VÀ HẢI ðẢO LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành : Kỹ thuật ñiện Mã số : 60.52.02.02 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. TRẦN MẠNH HÙNG HÀ NỘI - 2012 Trng i hc Nụng nghip H Ni Lun vn thc s khoa hc k thut i LI CAM OAN Tờn tụi l: Bựi Thanh Tho Sinh ngy 20 thỏng 01 nm 1980 Hc viờn lp cao hc khoỏ 17 - in khớ húa Nụng nghip v Phỏt trin nụng thụn - Trng i hc Nụng nghip H Ni. Hin ủang cụng tỏc ti khoa Khoa hc C bn - Trng Cao ủng ngh C ủin Tõy Bc Huyn Lc Thy, Hũa Bỡnh. Xin cam ủoan: ti Nghiên cứu thiết bị và công nghệ phát điện sử dụng sức gió cung cấp điện năng cho cụm dân c vùng ven biển và Hải đảo do thy giỏo PGS.TS Trn Mnh Hựng hng dn l cụng trỡnh nghiờn cu ca riờng tụi. Tt c cỏc ti liu tham kho ủu cú ngun gc, xut x rừ rng. Tỏc gi xin cam ủoan tt c nhng ni dung trong lun vn ủỳng nh ni dung trong ủ cng v yờu cu ca thy giỏo hng dn. Nu sai tụi hon ton chu trỏch nhim trc Hi ủng khoa hc v trc phỏp lut. H Ni, ngy 20 thỏng 8 nm 2012 Tỏc gi lun vn Bựi Thanh Tho Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… ii LỜI CẢM ƠN Sau thời gian hơn 2 năm học và tập nghiên cứu tại ðại học Nông nghiệp Hà Nội, với sự giúp ñỡ ủng hộ của các thầy cô giáo, các bạn bè ñồng nghiệp, gia ñình cũng như sự nỗ lực của bản thân ñến nay tôi ñã hoàn thành bản luận văn với ñầy ñủ nội dung của ñề tài. Tuy nhiên, do còn hạn chế về kiến thức, tài liệu tham khảo và trình ñộ ngoại ngữ, ñồng thời thời gian nghiên cứu không dài cũng như ñây là một lĩnh vực còn tương ñối mới mẻ nên ñề tài sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất ñịnh. Tôi rất mong nhận ñược sự ñóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, bạn bè ñồng nghiệp và những ai quan tâm ñến vấn ñề này ñể bản luận văn ñược hoàn chỉnh và có ý nghĩa hơn. Cuối cùng tác giả xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo, các cán bộ giảng dạy thuộc Khoa sau ñại học, Khoa Cơ ðiện Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội, và ñặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn và cảm ơn sâu sắc tới cán bộ hướng dẫn khoa học PGS.TS Trần Mạnh Hùng ñã trang bị kiến thức, dẫn dắt, chỉ bảo và ñộng viên tôi trong suốt thời gian qua. Hà Nội, ngày 20 tháng 8 năm 2012 Tác giả luận văn Bùi Thanh Thảo Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… iii MỤC LỤC LỜI CAM ðOAN 0 LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC CÁC HÌNH vii LỜI MỞ ðẦU 1 1. Lý do chọn ñề tài 1 2. Mục ñích của ñề tài 3 3. Nội dung nghiên cứu 3 4. Phương pháp nghiên cứu 4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 5 1.1. ðôi nét về lịch sử nghiên cứu và phát triển của máy phát ñiện sức gió 5 1.1.1. Lịch sử phát triển của máy phát ñiện chạy bằng sức gió 5 1.1.2. ðặc ñiểm chung của máy phát ñiện chạy bằng sức gió 8 1.1.3. Những lợi ích khi sử dụng gió ñể sản xuất ñiện (ñiện gió) 9 1.2. Tình hình khai thác năng lượng gió trên thế giới 11 1.3. Tiềm năng năng lượng gió ở Việt Nam 13 1.3.1. Tốc ñộ gió, cấp gió. 13 1.3.2. Chế ñộ gió ở Việt Nam 14 1.4. Hiện trạng khai thác năng lượng gió 19 1.5. Các dự án ñiện gió ñang triển khai 21 1.6. Kết luận chương 1. 23 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN TRIỂN KHAI ðỀ TÀI 24 2.1. Nguyên lý chung phát ñiện bằng sức gió 24 2.2. Gió và năng lượng của gió. 24 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… iv 2.2. Tìm hiểu hệ thống tuabin gió 27 2.2.1. Tuabin gió trục ngang 27 2.2.2. Hệ thống tuabin gió trục ñứng 32 2.2.3. Kết luận 33 2.3. Khí ñộng lực học của tuabin gió 33 2.3.1. ðộng lực học cánh gió tuabin 33 2.3.2. ðộng lực học của roto 36 2.4. Phương pháp ñiều khiển cánh gió của tuabin trục ñứng 37 2.4.1 Lý luận chung 37 2.4.2. Phương pháp xác ñịnh góc cánh ñiều khiển của tuabin gió trục ñứng. 40 2.5. Tìm hiểu về máy phát ñiện sử dụng năng lượng gió. 43 2.5.1. Máy phát ñiện không ñồng bộ 44 2.5.2. Máy phát ñiện một chiều. 45 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 46 3.1. Sơ ñồ thiết kế hệ thống tuabin gió. 46 3.2. Xác ñịnh nhu cầu năng lượng của một hộ dân và của một cụm dân cư 46 3.3. Xác ñịnh vùng gió ñặt tuabin 46 3.4. Thiết kế tính toán tuabin gió công suất nhỏ 47 3.4.1. Thiết kế mô hình tubin gió 48 3.4.2. Cánh gió 48 3.4.3. Tay ñòn 49 3.4.4. Trục trụ 50 3.4.5. Ổ bi tự lựa 50 3.4.6. ðĩa gắn ổ bi 51 3.4.7. Bánh ñà 51 3.4.8. Thanh truyền ñộng 52 3.4.9. ðai chuyền tải 52 3.4.10. ðế trụ 53 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… v 3.4.11. Máy phát 53 3.5. Thiết kế mạch nạp acquy 54 3.5.1. Các linh kiện ñiện tử 54 3.5.2: Mạch ñiều khiển 58 KẾT LUẬN VÀ ðỀ XUẤT 65 1. Kết luận 65 2. ðề xuất 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Công suất ñịnh mức năng lượng gió của các nước trên thế giới năm 2007 13 Bảng 1.2. Bảng cấp gió Beaufor 14 Bảng 1.3. Vận tốc gió của Việt Nam ñược ño ở ñộ cao 10 ñến 12m 16 Bảng 1.4. Số liệu tốc ñộ gió ở ñộ cao 65 m theo nguồn EVN và WB 17 Bảng 1.5. Hiện trạng khai thác năng lượng gió Việt Nam 21 Bảng 1.6. Các dự án ñiện gió ñang triển khai 22 Bảng 2.1 Góc cánh ñiều khiển ở các vị trí khác nhau 42 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… vii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Mô hình cánh gió tại Trung Mỹ, cuối TK 19 5 Hình 1.2. Mô hình cối xay gió xuất hiện sau thế kỷ 13 6 Hình 1.3. Chiếc máy bơm nước chạy bằng sức gió, những năm 1800 6 Hình 1.4. Máy phát ñiện sức gió do chariles F.Brush chế tạo 7 Hình 1.5. Công suất ñiện gió trên thế giới trong thời gian 1996-2008 12 Hình 1.6. Bản ñồ tài nguyên gió của nước ta ở ñộ cao 80m 18 Hình 1.7. Năm tổ máy của nhà máy ñiện gió ở tỉnh Bình Thuận 20 Hình 2.1. Sơ ñồ nguyên lý chung phát ñiện bằng sức gió 24 Hình 2.2. Cấu trúc tổng quát của tuabin gió trục ngang 28 Hình 2.3. Một số loại tháp ñỡ cơ bản 29 Hình 2.4. Mô hình tổng quát của tuabin gió trục ñứng 32 Hình 2.5. ðường cong biểu diễn K P 34 Hình 2.6. Các lực tác dụng lên cánh gió 35 Hình 2.7. Tác ñộng của gió lên các cánh 37 Hình 2.8. Phân tích ñộng lực học của cánh gió 41 Hình 2.9. Góc ñiều khiển của 1 cánh gió ở 10 vị trí khác nhau 43 Hình 2.10. Hai loại hệ thống phát ñiện chạy sức gió sử dụng MP KðB 44 Hình 3.1. Hình vẽ mô hình tuabin gió trục ñứng 48 Hình 3.2. Hình vẽ mô tả một cánh gió 49 Hình 3.3. Hình ảnh mô tả tay ñòn 49 Hình 3.4. Hình ảnh trục trụ 50 Hình 3.5. Hình ảnh ổ bi tựa 50 Hình 3.6. Hình ảnh ñĩa gắn ổ bi 51 Hình 3.7. Hình ảnh bánh ñà 51 Hình 3.8. Hình thanh truyền ñộng 52 Hình 3.9. ðai truyền tải 52 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… viii Hình 3.10. Hình ảnh ñế trụ 53 Hình 3.11. Hình ảnh máy phát 53 Hình 3.12. Thông số và cấu tạo của LM350 54 Hình 3.13 Thông số cấu tạo của Diode 55 Hình 3.14 Cấu tạo và thông số của bộ khuyếch ñại BC547. 56 Hình 3.15. Cấu tạo thông số của BD140. 57 Hình 3.16 Nguyên lý của mạch nạp ắc quy 58 Hình 3.17. Mạch layout của mạch nạp ắc quy 59 Hình 3.18 Mô phỏng mạch nạp ắc quy 59 Hình 3.19. Hình ảnh 3D của mạch nạp 60 Hình 3.20. Cấu tạo và thống số Diot 1N5401 61 Hình 3.21 Cấu tạo và thông số của BC547 62 Hình 3.22 Mạch ñầu ra chạy ñộng cơ và ñèn led 63 Hình 3.23. Hình ảnh thực tế của tuabin gió thiết kế trong ñề tài 64 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… 1 LỜI MỞ ðẦU 1. Lý do chọn ñề tài Năm 1973 cuộc khủng hoảng dầu lửa nghiêm trọng ñã xẩy ra. Kết quả là với việc dầu mỏ khan hiếm mà nhu cầu thì quá lớn, cuộc khủng hoảng làm tăng giá dầu thô gấp 4 lần. Chính cuộc khủng hoảng năng lượng này ñã gây ra cuộc khủng hoảng kinh tế 1973-1975 trên quy mô toàn cầu. Tiếp ñến là cuộc khủng hoảng dầu lửa năm 1979, làm cho giá dầu tăng từ 50$/thùng lên 100$/thùng. Trong mấy năm gần ñây, các nhà khoa học hàng ñầu của Mỹ, Nga, Trung Quốc, Ấn ðộ… ñã ñưa ra lời cảnh báo về một cuộc khoảng hoảng năng lượng trong thế kỷ 21. Như vậy, vấn ñề năng lượng ñang trở nên hết sức cấp bách, không chỉ ñe dọa ñến tăng trưởng kinh tế thế giới, mà còn ñe dọa trực tiếp hoà bình, an ninh quốc tế. Nguồn năng lượng hoá thạch, món quà cực kỳ quý báu của thiên nhiên ban tặng con người ñang cạn kiệt. Vậy, nguồn năng lượng nào sẽ hỗ trợ cho năng lượng hoá thạch? ðó là vấn ñề mà cả cộng ñồng quốc tế ñã và ñang tìm mọi biện pháp ñể giải quyết. Trước tác ñộng sâu sắc của cuộc khủng hoảng năng lượng toàn cầu, nhiều quốc gia và các tổ chức liên kết khu vực ñã tích cực nghiên cứu, triển khai các giải pháp tìm nguồn năng lượng mới. Giải pháp của thế giới là ña dạng hóa nguồn năng lượng như: Năng lượng hạt nhân, năng lượng tái sinh và năng lượng sinh học. Tỷ suất tăng trưởng của toàn thế giới về các dạng năng lượng ñiện năm 1990-2000 là: năng lượng gió: 32%; năng lượng mặt trời: 20,1%; khí thiên nhiên: 1,6%; năng lượng nguyên tử: 0,6%; than ñá: 1%. Như vậy tỷ suất tăng trưởng của năng lượng mới ñã và ñang phát triển trên phạm vi toàn thế giới. Trong ñó ñiện gió có tốc ñộ tăng trưởng cao nhất. Trong những năm gần ñây, trên thế giới năng lượng gió ñã ñược sử dụng hiệu quả vượt xa cả sự mong ñợi, công suất ñiện do năng lượng gió mang lại hiện nay trên toàn thế giới vào khoảng 50.000MW Các trạm phong ñiện ñã ñược sử dụng ở nhiều nước Mỹ, ðức, Thụy ñiển và các nước [...]... g p nhi u khú khn c a ng i dõn ven bi n v H i ủ o Vỡ v y nghiờn c u ủ ti: Nghiên cứu thiết bị v công nghệ phát điện sử dụng sức gió cung cấp điện năng cho cụm dân c vùng ven biển v Hải đảo v n l vi c lm b c thi t cú ý ngha khoa h c v th c ti n 2 M c ủớch c a ủ ti Nghiờn c u ti p c n k thu t cụng ngh s d ng nng l ng s c giú phỏt ủi n cung c p ủi n nng cho c m dõn c vựng ven bi n v h i ủ o gúp ph n gi... trờn bi n cng thu n l i hn trờn b - Nh ng m m nỳi, nh ng ủ i hoang khụng s d ng ủ c cho cụng nghi p, nụng nghi p cng cú th ủ t ủ c tr m phong ủi n Tr ng h p ny khụng c n lm tr ủ cao, ti t ki m ủỏng k chi phớ xõy d ng - Trờn mỏi nh cao t ng cng cú th ủ t tr m ủi n giú, dựng cho cỏc nhu c u trong nh v cung c p ủi n cho thnh ph khi khụng dựng h t ủi n Tr m ủi n ny cng cú ý ngha thi t th c khi thnh ph... th xõy d ng g n dũng n c m nh v i nh ng ủi u ki n ủ c bi t v c n di n tớch r t l n cho h ch a n c Cỏc tr m ủi n giú cú th ủ t g n ni tiờu th ủi n, nh v y s trỏnh ủ c chi phớ cho vi c xõy d ng ủ ng dõy t i ủi n Tr c ủõy, khi cụng ngh phong ủi n cũn ớt ủ c ng d ng, vi c xõy d ng m t tr m ủi n giú r t t n kộm, chi phớ cho thi t b v xõy l p ủ u r t ủ t nờn ch ủ c ỏp d ng trong m t s tr ng h p th t c n... tr nờn r t ph bi n, thi t b ủ c s n xu t hng lo t, cụng ngh l p rỏp ủó hon thi n nờn chi phớ cho vi c hon thnh m t tr m ủi n giú hi n nay ch b ng 1/4 so v i nm 1986 Cỏc tr m ủi n giú cú th ủ t nh ng ủ a ủi m v v trớ khỏc nhau, v i nh ng gi i phỏp r t linh ho t v phong phỳ: - Cỏc tr m ủi n giú ủ t ven bi n cho s n l ng cao hn cỏc tr m n i ủ a vỡ b bi n th ng cú giú m nh Gi i phỏp ny ti t ki m ủ t xõy... ng Vi t Nam n m trong khu v c c n nhi t ủ i giú mựa v i b bi n di ủú l ủi u ki n thu n l i c b n cho vi c phỏt tri n phong ủi n So sỏnh t c ủ giú trung bỡnh trong vựng Bi n ụng Vi t Nam v cỏc vựng bi n lõn c n cho th y giú t i Bi n ụng khỏ m nh v thay ủ i nhi u theo mựa Trong chng trỡnh ủỏnh giỏ v Nng l ng cho Chõu , Ngõn hng Th gi i ủó cú m t kh o sỏt chi ti t v nng l ng giú khu v c ụng Nam , trong... m t tr m ủi n giú cng ủn gi n hn vi c b o v ủ ng dõy t i ủi n r t nhi u - M t tr m ủi n giú 4 kW cú th ủ ủi n cho m t tr m ki m lõm trong r ng sõu ho c m t ng n h i ủng xa ủ t li n M t tr m 10 kW ủ cho m t ủ n biờn phũng trờn nỳi cao, ho c m t ủn v h i quõn ni ủ o xa M t tr m 40 kW cú th ủ cho m t xó vựng cao, m t ủon thm dũ ủ a ch t hay m t khỏch s n du l ch bi t l p, ni ủ ng dõy cha th vn t i ủ c... i s ng cụng nhõn, v a cung c p n c t i v dựng cho x ng ch bi n s n ph m Tuy nhiờn khụng ph i ni no ủ t tr m ủi n giú cng cú hi u qu nh nhau cú s n l ng ủi n cao c n tỡm ủ n nh ng ni cú nhi u giú Cỏc vựng ủ t nhụ ra bi n v cỏc thung lng sụng th ng l nh ng ni cú l ng giú l n M t vỏch nỳi cao cú th l v t c n giú nhng cng cú th l i t o ra m t ngu n giú m nh th ng xuyờn, r t cú l i cho vi c khai thỏc ủi... c Nh mỏy s ủ c l p ủ t tu c bin giú IMPESA Unipower IWP Class II cụng su t 2,1MW cỏc t mỏy g m nhi u tu c bin giú cho phộp s n xu t 5,5GWh/nm D ki n t ng v n ủ u t cho d ỏn l 2,35 t USD trong 5 nm Hai bờn cng th a thu n v d ỏn s n su t tu c bin giú cụng su t 2MW cú s i cỏnh qu t di 80m cho Vi t Nam T ng h p hi n tr ng khai thỏc nng l ng giú Vi t Nam ủ c th ng kờ trong b ng 1.5 B ng 1.5 Hi n tr ng khai... (NLG) Tr ng i h c Nụng nghi p H N i Lu n vn th c s khoa h c k thu t 26 c trng c a NLG l t p h p cỏc d li u c n thi t v ủ ủ tin c y ủ c trng cho giú nh l m t ngu n nng l ng v cho phộp lm rừ giỏ tr nng l ng c a nú ú cng l m t h th ng cỏc d li u ủ c trng cho ch ủ giú cỏc vựng khỏc nhau, trờn c s ủú cú th tớnh toỏn cỏc ch ủ v th i gian lm vi c c a t mỏy v i cụng su t ny ho c khỏc, v nng l ng t ng c... khn c a dõn c vựng ven bi n v h i ủ o, nh t l nh ng ni cha cú l i ủi n qu c gia 3 N i dung nghiờn c u - T ng quan tỡnh hỡnh nghiờn c u ng d ng cụng ngh phỏt ủi n b ng s c giú ph c v s n xu t v ủ i s ng trong v ngoi n c - Nghiờn c u ti m nng nng l ng giú v gi i phỏp thi t b v cụng ngh chuy n ủ i ủi n nng t s c giú phự h p v i ủi u ki n mụi tr ng, ủ i s ng v s n xu t c a dõn c vựng ven bi n v h i ủ o . khú khn ca ngi dõn ven bin v Hi ủo. Vỡ vy nghiờn cu ủ ti: Nghiên cứu thiết bị và công nghệ phát điện sử dụng sức gió cung cấp điện năng cho cụm dân c vùng ven biển và Hải đảo vn l vic lm bc. Huyn Lc Thy, Hũa Bỡnh. Xin cam ủoan: ti Nghiên cứu thiết bị và công nghệ phát điện sử dụng sức gió cung cấp điện năng cho cụm dân c vùng ven biển và Hải đảo do thy giỏo PGS.TS Trn Mnh Hựng hng. VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI        BÙI THANH THẢO NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ VÀ CÔNG NGHỆ PHÁT ðIỆN SỬ DỤNG SỨC GIÓ CUNG CẤP ðIỆN NĂNG CHO CỤM DÂN CƯ VÙNG VEN