bài giảng Năng lượng gió (tiếp theo)

408004 Năng lượng tái tạo Giảng viên: TS Nguyễn Quang Nam 2013 – 2014, HK1 http://www4.hcmut.edu.vn/~nqnam/lecture.php nqnam@hcmut.edu.vn Bài giảng Ch 3: Năng lượng gió 3.9 Ước lượng lượng tuabin gió 3.10 Tính toán đặc tính vận hành tuabin gió 3.11 Tính toán kinh tế 3.12 Tác động môi trường máy phát điện gió Bài giảng Phân cấp công suất gió Bài giảng Ước lượng lượng tuabin gió • Không phải toàn lượng gió giữ lại – rôto loại bỏ bớt gió tốc độ cao, gió tốc độ thấp chậm để vượt qua lực cản • Tùy thuộc vào rôto, hộp số, máy phát, tháp, điều khiển, vùng đất, gió • Hiệu suất chuyển đổi toàn (Cpηg) khoảng 30% PW Power in the Wind CP Rotor PB Power Extracted by Blades Bài giảng ηg Gearbox & Generator PE Power to Electricity Ví dụ 6.11 – Năng lượng tuabin gió hàng năm • Cần dùng (6.16) để tìm v 50 m, với z cho độ nhám cấp 0,03 m (từ bảng 6.4) ln( H / z ) v = v0 ln( H / z ) (6.16) ln(50 / 0.03) v = m/s = 6.39 m/s ln(10 / 0.03) • Do đó, mật độ công suất trung bình gió 50 m từ (6.48) 2 Pavg /m = × (1.225) ( 6.39 ) = 304.5 W/m π Bài giảng Ví dụ 6.11 – Năng lượng tuabin gió hàng năm • Đường kính rôto 48 m hiệu suất toàn 30%, công suất trung bình tuabin gió Pavg π = 0.3 ×( 304.5 W/m ) × ×( 48 ) = 165303 W • Do đó, lượng cung cấp năm Energy = 165.303 kW ×8760 hrs/yr = 1.44 ×106 kWh/yr Bài giảng Trang trại gió • Thông thường, có ý nghĩa lắp đặt số lượng lớn tuabin gió trang trại hay công viên gió • Lợi ích – Có thể tận dụng vị trí có gió tốt – Giảm chi phí phát triển – Đơn giản hóa liên kết với hệ thống truyền tải – Truy cập tập trung để vận hành bảo dưỡng • Nên lắp tuabin vị trí? Bài giảng Trang trại gió • Ta biết gió giảm tốc độ xuyên qua cánh Công suất lấy từ cánh: Pb = m& ( v − vd ) (6.18) • Trích công suất cánh làm giảm công suất đến máy nằm phía sau • Khoảng cách tuabin đủ để tốc độ gió phục hồi trước gặp tuabin tiếp theo? Bài giảng Trang trại gió Bài giảng 9 Trang trại gió • Kết nghiên cứu slide trước xem xét cụm vuông, cụm vuông ý nghĩa • Các cụm hình chữ nhật với vài hàng dài tốt • Khoảng cách khuyến cáo 3-5 lần đường kính rôto tháp hàng, 5-9 lần đường kính rôto hàng • Các hàng thường đặt lệch • Phổ biến theo hướng gió thịnh Bài giảng 10 Khảo sát đường cong công suất (Weibull) • Có thể tính gần xác suất, đơn giản hóa trình tính toán xác suất prob( v − ∆v / ≤ V ≤ v + ∆v / ) = ∫ v + ∆v / v − ∆v / Bài giảng f ( v ) dv ≈ f ( v ) ⋅ ∆v 29 Ví dụ 6.14 – Tính gần xác suất • Vận tốc gió phân bố theo hàm mật độ Rayleigh Tìm xác suất vận tốc gió nằm 6,5 m/s 7,5 m/s So sánh với kết ước lượng xấp xỉ từ pdf với vận tốc trung bình m/s • Sinh viên xem tài liệu để thấy phép tính gần lệch 0,2% • Do đó, dùng đường cong công suất hàm mật độ xác suất phù hợp để ước lượng xác điện tạo từ tuabin gió Bài giảng 30 Ví dụ 6.15 – Ước lượng điện sinh • Xét tuabin gió NEG Micon 1000/60 (1000 kW công suất danh định, đường kính cánh 60 m) điểm lắp đặt có công suất gió tuân theo phân bố Rayleigh có vận tốc gió trung bình m/s a) Tính điện cung cấp năm b) Xác định hiệu suất trung bình tổng thể hệ thống c) Tính suất phát điện kWh/năm từ m2 diện tích cánh rôto Bài giảng 31 Ví dụ 6.15 – Ước lượng điện sinh a) Ta cần tính điện vận tốc gió Từ lập bảng thống kê điện cung cấp năm b) Hiệu suất tỷ số điện sinh lượng gió nhận c) Năng suất phát điện kWh/năm từ m2 diện tích cánh rôto tính theo ý nghĩa thuật ngữ nêu Bài giảng 32 Ước lượng điện sinh • Dù số gió hoạt động vận tốc thấp lớn, lượng mà cung cấp không đáng kể Bài giảng 33 Ước lượng điện hệ số sử dụng • Tương tự với hệ thống điện mặt trời, có khái niệm hệ số sử dụng (CF – Capacity Factor), tức tỷ số lượng thu hàng năm tích số công suất định mức (PR) số năm CF = (Năng lượng thực nhận/8760)/PR CF = Công suất trung bình/Công suất danh định • Sinh viên xem ví dụ 6.16 tài liệu Bài giảng 34 Ước lượng điện CF • Dùng đường cong công suất thực để tính CF vận tốc gió khác • Coi CF có dạng tuyến tính sau CF = mV + b • Ta rút (với phân bố Rayleigh) PR CF = 0,087V − D (6.65) • Do tính điện tuabin gió cung cấp hàng năm cách xác đơn giản Bài giảng 35 Ví dụ 6.17 – Ước lượng điện với CF • Tuabin gió có PR = 900 W D = 2,13 m Vận tốc gió trung bình m/s (Rayleigh) Ước tính điện mà tuabin cung cấp • Dùng (6.65): PR 0,9 CF = 0,087V − = 0,087 × − = 0,324 D 2,13 • Vậy, điện cung cấp E = 8760 × PR × CF = 8760 × 0,9 × 0,324 = 2551 kWh/năm Bài giảng 36 Tính toán kinh tế • Vốn đầu tư kW tuabin gió giảm dần Bài giảng 37 Ví dụ 6.18 – Tuabin gió cỡ nhỏ • Xét tuabin gió 0,9 kW có cánh 2,13m lắp độ cao trục có tốc độ gió trung bình 6,7 m/s • Giả sử chi phí cho tuabin 1.600 USD chi phí lắp đặt/phụ 900 USD • Tổng chi phí 2.500 USD thực khoản vay 15 năm, lãi suất 7% • Chi phí vận hành bảo dưỡng năm 100 USD/năm • Hệ số thu hồi vốn (i = 0,07, n = 15) 0,1087 • Tổng số tiền cần toán hàng năm (2500*0,1087 + 100) = 374, 49 USD/năm Bài giảng 38 Ví dụ – Tuabin gió cỡ nhỏ • Để ước tính lượng tuabin cung cấp hàng năm, dùng hệ số dung lượng (6.65) PR 0,9 CF = 0,087v − = ( 0,087 )( 6,7 ) − = 0,385 D 2,13 • Tổng lượng tuabin cung cấp khoảng (0,9)kW⋅(8760)h/năm⋅0,385 = 3035 kWh/năm • Chi phí trung bình kWh 374,5/3035 = 0,123 USD/kWh • Nhận xét? Bài giảng 39 Tính kinh tế theo quy mô • Hiện tại, trang trại gió lớn sản xuất điện kinh tế so với nhà máy nhỏ • Các yếu tố dẫn đến chi phí thấp – Công suất gió tỷ lệ với diện tích quét cánh (bình phương đường kính) chi phí tháp thay đổi theo lũy thừa nhỏ bình phương đường kính – Cánh to vươn cao hơn, nhận gió mạnh – Chi phí cố định liên quan đến xây dựng trải MW dung lượng – Quản lý hiệu trang trại gió lớn thường dẫn đến chi phí vận hành bảo trì thấp (nhân viên chỗ) Bài giảng 40 Các khía cạnh môi trường điện gió • Viện Hàn lâm Quốc gia Hoa Kỳ xuất báo cáo vấn đề liên quan vào năm 2007 • Hệ thống điện gió không sinh ô nhiễm không khí không phát thải CO2; chúng không tiêu thụ nước • Điện gió coi giải pháp thay nguồn lượng khác (thường nhiên liệu hóa thạch) dẫn đến giảm ô nhiễm • Các ảnh hưởng khác xem xét sinh vật, chủ yếu chim dơi, người Bài giảng 41 Khía cạnh môi trường điện gió • Tuabin gió xa bờ cần nước tương đối nông, khoảng cách từ bờ tối đa phụ thuộc vào đáy biển • Hệ số dung lượng có xu hướng tăng tuabin gió đặt xa bờ Image Source: National Renewable Energy Laboratory Bài giảng 42 Khía cạnh môi trường, người • Tuabin gió thường cải thiện sức khỏe nhiều người, số sinh sống gần bị ảnh hưởng tiếng ồn bóng nhấp nháy • Tiếng ồn xuất phát từ 1) hộp số/máy phát 2) tương tác khí động cánh với gió • Tác động ồn thường mức trung bình (50-60 dB) gần (40 m), thấp xa (35-45 dB) 300 m – Tuy nhiên tần số tuabin gió cần xem xét, với tần số “hum” khoảng 100 Hz, số tần số cận ngưỡng nghe (20 Hz hay thấp hơn) • Bóng nhấp nháy chủ yếu ảnh hưởng đến quốc gia vĩ độ cao, mặt trời xuống thấp tạo bóng dài Bài giảng 43 [...]... cánh rôto Bài giảng 9 31 Ví dụ 6.15 – Ước lượng điện năng sinh ra a) Ta sẽ cần tính điện năng ở mỗi vận tốc gió Từ đó lập được bảng thống kê điện năng cung cấp được trong năm b) Hiệu suất là tỷ số giữa điện năng sinh ra và năng lượng gió nhận được c) Năng suất phát điện kWh/năm từ mỗi m2 diện tích cánh rôto có thể được tính theo đúng ý nghĩa của thuật ngữ đã nêu Bài giảng 9 32 Ước lượng điện năng sinh... cost = = $0.00105/kWh 95, 461 kWh / acre ×yr Bài giảng 9 15 Sự thay đổi của gió theo thời gian • Chúng ta cần xem xét không chỉ mức độ thường xuyên của gió mà còn tương quan giữa thời gian có gió và phụ tải điện • Biểu đồ gió thay đổi khá nhiều theo vị trí địa lý, trong đó vùng ven biển và núi có gió ổn định hơn Bài giảng 9 16 Cánh rôto trích năng lượng gió như thế nào Nguyên lý Bernoulli – áp suất... hơn, tạo ra lực nâng Bài giảng 9 17 Cánh rôto trích năng lượng gió như thế nào • Không khí di chuyển về phía cánh tuabin do chuyển động của gió, nhưng cũng gió chuyển động của cánh tuabin • Mũi cánh tuabin di chuyển nhanh hơn nhiều so với gốc cánh, do đó cánh tuabin được xoắn dần từ gốc đến mũi cánh tuabin, để giữ cho góc xung kích ổn định Bài giảng 9 18 Cánh rôto trích năng lượng gió như thế nào • Tăng... suất tuabin gió là 30%, hiệu suất cụm là 80% 4D 7D 7D 4D Bài giảng 9 12 Ví dụ 6.12 – Tiềm năng của một trang trại gió a Tính sản lượng năng lượng hàng năm trên mỗi đơn vị diện tích đất nếu mật độ công suất ở chiều cao trục máy là 400-W/m2 (giả sử 50 m, gió cấp 4) b Chi phí thuê đất là bao nhiêu $/kWh nếu đất được thuê từ một nông dân với mức $100/acre-năm? Bài giảng 9 13 Ví dụ 6.12 – Tiềm năng của một... liệu Bài giảng 9 34 Ước lượng điện năng bằng CF • Dùng đường cong công suất thực để tính CF ở các vận tốc gió khác nhau • Coi CF có dạng tuyến tính như sau CF = mV + b • Ta sẽ rút ra được (với phân bố Rayleigh) PR CF = 0,087V − 2 D (6.65) • Do đó có thể tính điện năng do tuabin gió cung cấp hàng năm một cách khá chính xác và đơn giản Bài giảng 9 35 Ví dụ 6.17 – Ước lượng điện năng với CF • Tuabin gió. .. sinh ra • Dù số giờ gió hoạt động ở vận tốc thấp là rất lớn, năng lượng mà nó cung cấp là không đáng kể Bài giảng 9 33 Ước lượng điện năng bằng hệ số sử dụng • Tương tự như với hệ thống điện mặt trời, chúng ta cũng có khái niệm hệ số sử dụng (CF – Capacity Factor), tức là tỷ số giữa năng lượng thu được hàng năm và tích số của công suất định mức (PR) và số giờ trong năm CF = (Năng lượng thực nhận/8760)/PR... chính xác điện năng được tạo ra từ một tuabin gió Bài giảng 9 30 Ví dụ 6.15 – Ước lượng điện năng sinh ra • Xét tuabin gió NEG Micon 1000/60 (1000 kW công suất danh định, đường kính cánh 60 m) tại điểm lắp đặt có công suất gió tuân theo phân bố Rayleigh có vận tốc gió trung bình 7 m/s a) Tính điện năng cung cấp trong 1 năm b) Xác định hiệu suất trung bình tổng thể của hệ thống c) Tính năng suất phát... 6.12 – Tiềm năng của một trang trại gió a Với 1 tuabin gió: Diện tích đất bị chiếm = 4D × 7D = 28D2 1 Annual Energy Production = ρ Av3 ×∆t ×η 2 1 3 π 2 2 where ρ v = 400 W/m and A = D 2 4 Sản lượng năng lượng hàng năm/diện tích đất 400 W π 1 kWh 2 8760hr = × ( D m) × ×0.3 ×0.8 × = 23.588 2 2 m 4 yr 28 D (m 2 ×yr) Bài giảng 9 14 Ví dụ 6.12 – Tiềm năng của một trang trại gió b 1 acre = 4047m 2 Trong phần... sẽ bị “đứng” khi nhiễu khí động làm mất lực nâng Bài giảng 9 19 Đường cong công suất lý tưởng hóa Vận tốc gió vào, vận tốc gió định mức, vận tốc gió cắt thoát Bài giảng 9 20 Đường cong công suất lý tưởng hóa • Ở dưới vận tốc vào, tuabin không tạo ra công suất • Sau đó, công suất tăng theo lũy thừa 3 của vận tốc gió • Ở trên vận tốc định mức, tuabin gió hoạt động ở công suất định mức (cắt bỏ công suất... vào trục máy Bài giảng 9 22 Tối ưu đường kính rôto • Nếu nâng đường kính cánh rôto, VR sẽ nhỏ hơn ở cùng công suất Nếu giữ nguyên vận tốc VR thì sẽ tạo ra công suất cao hơn khi nâng đường kính cánh Bài giảng 9 23 Hàm phân bố tích lũy vận tốc gió • Dựa vào hàm mật độ xác suất, ta có thể tính được xác suất (tích lũy) để vận tốc gió nằm trong một vùng nào đó, từ đó có thể tính được năng lượng • Phân bố