BÀI TIỂU LUẬN ĐỀ TÀI : NĂNG LƯỢNG GIÓ & ỨNG DỤNG

Mặc dù điện gió bắt đầu được thế giới nghiên cứu từ 25 năm trước,nhưng chỉ trong gần 10 năm trở lại đây nó mới khẳng định được vị trí trên thị trường nănglượng thế giới khi sản lượng điệ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT TP.HCM

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BÀI TIỂU LUẬN

ĐỀ TÀI : NĂNG LƯỢNG GIÓ & ỨNG DỤNG

Giáo viên hướng dẫn :PGS.TS Đặng Thành Trung Nhóm thực hiện : Nhóm 7

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT TP.HCM

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BÀI TIỂU LUẬN

ĐỀ TÀI : NĂNG LƯỢNG GIÓ & ỨNG DỤNG

Giáo viên hướng dẫn :PGS.TS Đặng Thành Trung Danh sách nhóm 7:

Trần Nhật Tân 14147076

Lương Thái Học 14147034

Phạm Khang Tới 14147085

Phạm Thanh Hải 14147026

Võ Thành Đạt 14147014

Du Hoàng Hải 14147024

NĂNG LƯỢNG GIÓ

Trong bối cảnh sự thay đổi khí hậu đang ngày càng hiện hữu thì người ta ngày càng ýthức được hơn sự hữu hạn của các nguồn tài nguyên Giá dầu khí và giá lương thực tăng từngngày, cùng với đó là sự tăng trưởng không ngừng của dân số thế giới báo hiệu sẽ nổ ra mộtcuộc cạnh tranh gay gắt hơn trong cuộc đua tìm kiếm các nguồn năng lượng và các tàinguyên khác Nhưng cùng với đó là sự đa dạng sinh học, một kho báu của các nguồn tàinguyên kinh tế chưa được khai thác, lại đã và đang bị đe dọa và hủy hoại một cách vô tráchnhiệm

Trong khi đó, gió là một nguồn năng lượng sạch và vô hạn, nó miễn dịch với những biếnđộng và biến động của ngành công nghiệp nhiên liệu hóa thạch Ý tưởng dùng năng lượnggió để sản xuất điện hình thành ngay từ thời Trung cổ Từ sau những cuộc khủng hoảngdầu trong thập niên 1970 việc nghiên cứu sản xuất năng lượng từ các nguồn khác được đẩymạnh trên toàn thế giới Mặc dù điện gió bắt đầu được thế giới nghiên cứu từ 25 năm trước,nhưng chỉ trong gần 10 năm trở lại đây nó mới khẳng định được vị trí trên thị trường nănglượng thế giới khi sản lượng điện gió tăng trưởng một cách ngoạn mục với tốc độ trung bình28%/năm, cao nhất trong tất cả các nguồn năng lượng hiện có

Một nghiên cứu mới cho rằng, chỉ riêng gió mặt đất cũng có thể bảo đảm hơn 20 lần nănglượng tiêu thụ của toàn thế giới, còn những turbines trên diều không khí về tiềm năng có thểthu được một số lượng năng lượng lớn hơn đến 100 lần nhu cầu hiện nay Điều đó chứng

tỏ gió là nguồn năng lượng hiện đại số một trên thế giới hiện nay

Trục quay của Trái Đất nghiêng so với mặt phẳng quỹ đạo do nó tạo thành khi quay quanh Mặt Trời tạo thành các dòng không khí theo mùa.

Bức xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất không đồng đều làm cho nước và bầu khí quyển nóng lên không đều nhau, dẫn tới sự chênh lệch về áp suất làm cho không khí dịch chuyển tạo thành gió

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 thẳng mà tạo thành các cơn gió xoáy có chiều xoáy khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu

VD : Mặt ban ngày của Trái Đất nhận được nhiều ánh sáng mặt trời hơn mặt ban đêm và cường độ bức xạ ở xích đạo lớn hơn ở 2 cực

Chương I: Tổng quan về năng lượng gió

1 Khái niệm

Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái Đất Năng

lượng gió là một hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời

2 Sự hình thành năng lượng gió

3 Vật lý học về năng lượng gió

Năng lượng gió là động năng của không khí chuyển động với vận tốc v Khối lượng đi

qua một

mặt phẳng hình tròn vuông góc với chiều gió trong thời gian t là:

m = ρ V = ρ Avt = ρ π r2vtρ: tỷ trọng của không khí

V: là thể tích khối lương không khí đi qua mặt cắt ngang hình tròn diện tích A, bán kinh r trong

tố quyết định khả năng sử dụng năng lượng gió

Công suất gió có thể được sử dụng thông qua một turbines để phát điện, nhỏ hơn rất nhiều

so với năng lượng của luồng gió vì vận tốc của gió ở phía sau một turbines không thểgiảm xuống bằng không Trên lý thuyết chỉ có thể lấy tối đa là 59,3% năng lượng tồn tạitrong luồng gió

4 Ưu, nhược điểm của năng lượng gió

Ưu điểm Nhược điểm

- Là một nguồn tài nguyên tái tạo hoàn toàn,

sạch và không gây ô nhiễm môi trường

- Nguồn nguyên liệu miễn phí, không tốn

nhiên liệu

- Chi phí vận hành thấp

- Hiệu suất cao

- Lợi nhuận cao, giá thành thấp

- Tốn ít diện tích xây dựng, không ảnh

hưởng nhiều đến trồng trọt và chăn nuôi

- Có thể lắp turbines gió ở nhiều địa hình

khác nhau nên tiết kiệm được chi phí

5 Ứng dụng của năng lượng gió

Từ lâu năng lượng gió đã được con người biết đến và sử dụng để tạo thành cơ năng thaythế cho sức lao động nặng nhọc của con người Thế kỷ XIV, năng lượng gió đã được sử dụng

để tạo công cơ học nhờ các cối xay gió, làm di chuyển thuyền buồm và khinh khí cầu.Cùng với sự phát triển của Khoa học kỹ thuật hiện đại và nhu cầu năng lượng, đặc biệt lànăng lượng sạch, năng lượng gió được chú trọng trong nghiên cứu phát triển và có nhiều ứngdụng trong cuộc sống

Cối xay gió Thuyền buồm Khinh khí cầu

Năng lượng gió được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như kinh tế, du lịch, chính trị như

xe chạy bằng năng lượng gió tiết kiệm nhiên liệu, các turbines gió cho các động cơ máybay phản lực dùng trong chiến tranh, các cánh đồng gió mang lại cảnh quan đẹp thu hútkhách du lịch, Đặc biệt, động cơ gió còn có ứng dụng quan trọng trong bơm nước và côngnghệ phát điện

Năng lượng gió có rất nhiều ứng dụng

5.1 Ứng dụng động cơ gió bơm nước

Động cơ gió bơm nước có hai loại máy bơm nước hỗ trợ là máy bơm qua lại truyềnthống và hệ thống máy bơm khí nén

Máy bơm qua lại truyền thống có cối xay gió nằm trực tiếp trên nguồn nước Bơmnước bằng guồng đạp nước truyền thống có chi phí rẻ nhưng hiệu suất thấp hoặc bằngbơm piston hoặc bơm màng để hiệu suất cao hơn

Hệ thống bơm khí nén được sử dụng phổ biến hơn vì chi phí thấp Đây là loại máy bơmdựa vào hoạt động của cối xay gió để nén khí kích hoạt máy bơm nằm trong nước Nướcđược bơm cho đến khi van nổi lên để đóng mở cửa, đồng thời khí nén hất nước ra cửa bơm

và đẩy lên máng

Động cơ gió bơm nước

5.2 Ứng dụng động cơ gió phát điện

Đây là ứng dụng quan trọng nhất của động cơ gió Dựa trên nguyên tắc hoạt động của cốixay gió, người ta nghiên cứu máy phát điện gió để sản xuất điện năng Trên cơ sở áp dụngnhững thành tựu mới của khoa học công nghệ, các cánh gió của cối xay gió cũng như cácthiết bị xây dựng được chế tạo đặc biệt hơn thành turbines gió

Nội dung

Turbines gió cánh dạng khí động (được sử dụng rộng rãi nhất)

Turbines gió cánh phẳng trục đứng

Cấu tạo

cánh gió

Có dạng khí động học, cho hiệu suất sửdụng rất cao, sử dụng cho động cơ gió phát điện

- Trục cánh gió trùng với hướng gió =>

R với lực thành phần Y tạo momen quay

- Khi bánh công tác gió quay, trên mỗi phân tố của cánh đều có dòng khí chảy vào

- Tam giác vận tốc và lực tác dụng lên

Tại mỗi thời điểm chỉ một phần cánh gió chuyển động trùng hướng gió, phần kia xu hướng chuyển động ngược hướng gió

- Momen xoắn ban đầu là rất thấp.

* Đồ thị so sánh hiệu suất sử dụng năng lượng gió của các loại turbines gió:

Hiệu suất sử dụng năng lượng gió của một số loại turbines gió1.Cối xay gió cổ Hà Lan 5.Ba cánh

2.Savorius 6.Hai cánh tốc độ cao3.Nhiều cánh 7.Darrieur

4.Lý tưởng

2 Turbines gió trục ngang

Pitch (Bước răng)

Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho rotor quay với tốc độ hợp lý nhất nhằm đạt hiệu suất sinh điện cao nhất Nó bảo vệ cánh quạt và rotor trong điều kiện gió quá lớn

Blake (Phanh đĩa)

Có thể áp dụng máy móc, điện, thủy lực để dừng rotor trong trường hợp khẩn cấp

Low – speed shaft (Trục tốc độ thấp)

Rotor quay trục tốc độ thấp ở khoảng 30 đến 60 vòng một phút

Gear box (Hộp số)

Kết nối các trục tốc độ thấp với trục tốc độ cao và tăng tốc độ quay từ khoảng 30 - 60 vòng/phút (rpm) khoảng 1000 - 1800 rpm.

Generator (Máy phát điện)

Thông thường, một máy phát điện cảm ứng sản xuất 60 chu kỳ AC điện

Controller (Bộ điều khiển)

Khởi động máy với tốc độ gió khoảng 8-16 dặm/giờ (mph) và tắt máy tại khoảng

55 mph Turbines không hoạt động ở tốc độ gió ở trên khoảng 55 mph vì họ có thể

bị hư hỏng bởi những cơn gió cao

Anemometer (Máy đo gió)

Bộ đo lường tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điểu khiển

Wind vane (Gió cánh)

Để xử lý hướng gió và liên lạc với các ổ đĩa yaw để định hướng turbines gió

Nacelle (Thùng máy bay)

Thùng máy bay nằm trên đỉnh tháp và bao gồm hộp số, trục thấp và tốc độ cao, máyphát điện,

bộ điều khiển và phanh

High – speed shaft (Trục quay tốc độ cao)

Ổ đĩa máy phát điện Là trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao

Yaw drive (Ổ đĩa Yaw)

Dùng để giữ cho rotor luôn luôn hướng về hướng gió chính khi có sự thay đổi hướng gió

Yaw motor (Động cơ Yaw)

Động cơ cung cấp cho “Yaw drive” định được hướng gió

Tower (Trụ đỡ Nacelle)

Towers được làm từ thép ống, bê tông, hoặc lưới thép Bởi vì tốc độ gió tăng lên với chiều cao, tháp cao cho phép turbines dễ nắm bắt năng lượng hơn và tạo ra nhiều điện hơn

Cánh quạt quay Roto quay Trục tốc độ thấp quay

Tăng tốcMáy phát điện hoạt động Trục tốc độ cao quay Hộp số

Điện sản sinh ra đi vào một máy biến áp, chuyển đổi điện của máy phát điện khoảng 700 V cho hệ thống phân phối

ĐIỆN

2.22: Nguyên lý làm việc

* Vì sao turbines trục ngang phổ biến hơn turbines trục đứng ?

Với thiết kế trục đứng cùng các cánh được bố trí lệch tâm bao quanh trục quay, turbinesgió trục đứng có thể đón gió từ mọi hướng khác nhau mà không cần bánh lái định hướng.Thế nên turbines trục đứng sẽ có hiệu suất rất cao

Turbines gió trục đứng có nhiều ưu thế nổi trội hơn các turbines trục ngang như chúng

có thể được lắp đặt gần nhau hơn trong các trang trại gió, tiết kiệm không gian sản xuất.Turbines gió trục đứng có kết cấu khá đơn giản, không gây ra nhiều tiếng ồn và không yêucầu nhiều vào cấu trúc hỗ trợ Nó không đòi hỏi nhiều gió để phát điện, nên có thể được lắpgần mặt đất Do đó mang lại thuận tiện trong việc bảo trì và có thể được cài đặt trên ống khóihoặc các cấu trúc tương tự

Tuy nhiên hiện nay trên thế giới, turbines trục đứng vẫn chưa được sử dụng phổ biến nhưturbines trục ngang do có một số hạn chế đang được nghiên cứu khắc phục Turbines gió trụcđứng thường có xu hướng chững lại theo hướng gió, lúc khởi động thường có momen xoắnrất thấp, nhưng sản xuất gợn sóng momen quay lại rất lớn và mang tính chu kỳ Thiết kế củatrục đứng khi gặp gió cánh quạt sẽ cong đi để đón gió nên chịu momen uốn, trong thời giandài sẽ gây ra sự nứt và vỡ cánh quạt

Tốc độ gió thay đổi theo chiều cao, càng lên cao thì tốc độ gió càng nhanh và mượt màhơn do ma sát của gió với bề mặt Trái Đất Thế nên để sử dụng tối ưu năng lượng gió, người

ta phải lắp đặt động cơ càng cao so với mặt đất càng tốt Cánh gió của turbines trục đứngthường được lắp gần mặt đất nên không đón được gió vận tốc cao như ở trục ngang

3 Tính toán lắp đặt turbines gió

3.11: Các điều kiện lắp đặt

Địa hình:

Các turbines gió đặt ở ven biển cho sản lượng cao hơn các trạm nội địa vì

bờ biển thường có gió mạnh Giải pháp này tiết kiệm đất xây dựng, đồng thờiviệc vận chuyển các cấu kiện lớn trên biển cũng thuận lợi hơn trên bộ

Những mỏm núi, những đồi hoang không sử dụng được cho công nghiệp, nôngnghiệp cũng có thể đặt được turbines gió Trường hợp này không cần làm trụ đỡcao, tiết kiệm đáng kể chi phí xây dựng

Ngoài ra, turbines gió còn có thể được đặt trên nóc tòa nhà cao tầng hoặc khu chế xuất

Vận tốc gió: Các turbines gió có thể phát điện khi tốc độ gió từ 3 m/s và tự ngừng phát điện

khi tốc

độ gió vượt quá 25 m/s Tốc độ gió hiệu quả từ 10 - 17 m/s

Công suất: Tùy theo mục đích sử dụng mà tính toán công suất cho turbines gió, có thể từ 1

kW tới hàng chục ngàn kW

3.2.1Một số thông số của turbines gió

3.2.3Chọn số cánh

- Với turbines gió phát điện yêu cầu tốc độ cao, hiệu suất cao nhưng không đòi hỏi momenkhởi

động lớn, nên dùng ít cánh, thường là 2 đến 3 cánh với prophin dạng khí động học

- Với turbines gió bơm nước không yêu cầu tốc độ cao nhưng đòi hỏi momen khởi độnglớn nên phải có nhiều cánh, thông thường là từ 10 đến 24 cánh và chỉ dùng dạng cánh tấmcông hiệu suất thấp hơn

Chương III: Ngành công nghiệp gió trên thế giới

1 Lịch sử phát triển năng lượng gió

- Từ 5000 năm trước Công nguyên, loài người đã biết vận dụng gió để làm lực đẩy cácthuyền buồm trên sông Nile ở Ai Cập Vào khoảng 2000 năm trước Công nguyên, ngườiLưỡng Hà đã biết dùng cánh quạt gió để dẫn thủy nhập điền Trong lúc đó, vào khoảng 700năm sau Công nguyên, người Ba Tư và các dân tộc vùng Trung Đông dùng quạt gió có trụcđứng để xay lúa mì và các loại hạt

- Thế kỷ 13 sau Công nguyên, châu Âu và Trung Quốc bắt đầu phát triển cối xay gió trục ngang và cả trục đứng

- Thế kỷ 14, các cối xay gió được xây dựng như các nhà máy bằng gỗ, bằng gạch hoặc đá ở HàLan

để xay ngũ cốc và thoát nước

- 1887, Jame Blyth là người đầu tiên tạo ra điện bằng một turbines gió trục dọc

- 1888, chế tạo thành công turbines gió quy mô lớn Charles Brush

- 1931, phát minh ra turbines gió Darrieus.

- 1902, turbines gió được ứng dụng làm máy phát điện trên tàu buồm "Chance", New Zealand

- 1941, turbines gió kích thước megawatt đầu tiên trên thế giới được Hoa Kỳ chế tạo

- Trong thế kỷ 20, năng lượng gió đã trải qua nhiều giai đoạn thăng trầm Ngay sau khi Thếchiến thứ hai chấm dứt, giá dầu sụt giảm mạnh nên công nghệ gió hầu như bị ngưng trệhoàn toàn Nhưng khi khủng hoảng dầu hỏa nổ ra vào thập niên 70, công nghệ nghiên cứu

và phát triển nguồn điện năng này lớn mạnh ngay sau đó

- 1980, các trang trại gió bắt đầu được xây dựng.

- 1990, bắt đầu phát triển các turbines gió đa-megawatt.

- 2008, nhiều nước đầu tư khai thác năng lượng gió, đánh dấu sự phát triển mạnh mẽ nhất của ngành công nghiệp gió trên thế giới

2.11: Tình hình chung

Hiện nay trên thế giới có hàng ngàn turbines gió đang hoạt động với tổng công suấtkhoảng 239 MW, trong đó điện gió tại châu Âu chiếm 55% (2011) Trong vòng 10 năm(2001 – 2011), công suất điện gió lắp đặt của thế giới tăng gần 10 lần 81% việc lắp đặt điệngió là ở Mỹ và châu Âu (Đức, Tây Ban Nha) và một số nước châu Á (Trung Quốc, Ấn Độ)

Công suất lắp đặt điện gió tăng nhanh nhất vào năm 2009, ở mức 32% so với năm 2008,đánh dấu sự phát triển rộng rãi của ngành công nghiệp điện gió cũng như sự đầu tư của cácnước phát triển vào nền công nghiệp này Cho đến năm 2008, Đức vẫn là nước dẫn đầu thếgiới về công suất lắp đặt điện gió Nhưng trong các năm gần đây, cùng với sự phát triểncủa công nghệ điện gió, các nước khác cũng đã vươn lên mạnh mẽ và đạt được sự tăngtrưởng đáng kể Đến năm 2010, Trung Quốc đã vươn lên dẫn đầu thế giới với tổng công suấtlắp đặi điện gió là 42.3 GW Đứng thứ hai là Hoa Kỳ, Đức rơi xuống vị trí thứ 3