Nghiên cứu mối quan hệ không thứ nguyên của các thông số hình học và động học đến khả năng trao đổi năng lượng của tổ hợp cánh roto

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MỐI QUAN HỆ KHÔNG THỨ NGUYÊN CỦA CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC VÀ ĐỘNG HỌC ĐẾN KHẢ NĂNG TRAO ĐỔI NĂNG LƯỢNG CỦA TỔ HỢP CÁNH ROTO .... 42 CHƯƠNG 3 ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC MỐI

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài trong luận văn là công trình nghiên cứu của riêng tôi, dưới sự hướng dẫn của Giáo sư, Tiến sỹ Nguyễn Thế Mịch Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

Nguyễn Tuấn Vinh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 4

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

DANH MỤC CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ 7

LỜI MỞ ĐẦU 9

1 Tính cấp thiết của đề tài 9

2 Vấn đề nghiên cứu 10

3 Ý nghĩa khoa học và thưc tiễn 10

4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 11

5 Phương pháp nghiên cứu 11

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ 12

1.1 Gió và năng lượng gió 12

1.1.1 Sự hình thành gió 12

1.1.2 Tốc độ gió trung bình 13

1.1.3 Năng lượng gió 13

1.2 Các biện pháp sử dụng năng lượng gió 15

1.3 Tiềm năng năng lượng gió ở Việt Nam 18

1.3.1 Tiềm năng gió trên đât liền 18

1.3.2 Tiềm năng gió ngoài khơi 20

1.4 Tổng quan các loại máy phát điện Tuabin gió 21

1.4.1 Nguyên lý làm việc của máy phát điện gió 21

1.4.2 Một số trạm điện gió thường gặp hiện nay 21

1.5 Tình hình nghiên cứu và khai thác năng lượng gió hiện 23

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MỐI QUAN HỆ KHÔNG THỨ NGUYÊN CỦA CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC VÀ ĐỘNG HỌC ĐẾN KHẢ NĂNG TRAO ĐỔI

NĂNG LƯỢNG CỦA TỔ HỢP CÁNH ROTO 30

2.1 Năng lượng gió 30

2.2 Thuyết động lượng và hệ số công suất roto 31

2.3 Số Bezt giới hạn 33

2.4 Lý thuyết phân tố cánh 34

2.4.1 Mối quan hệ giữa tỷ số dây cung cánh và tỷ số bán kính c   f x R  34

2.4.2 Mối quan hệ giữa  f x  39

2.4.3 Mối quan hệ giữa hệ số lực đẩy C T  f  ,  41

2.4.4 Mối quan hệ giữa hệ số công suất và tỷ tốc mút cánh 42

CHƯƠNG 3 ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC MỐI QUAN HỆ KHÔNG THỨ NGUYÊN CỦA CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC VÀ ĐỘNG HỌC ĐẾN KHẢ NĂNG TRAO ĐỔI NĂNG LƯỢNG TỔ HỢP CÁNH ROTO CÔNG SUẤT 20KW 43

3.1 Mối quan hệ giữa hệ số công suất và tỷ tốc mút cánh 43

3.2 Mối quan hệ giữa tỷ số dây cung cánh và tỷ số bán kính cánh c/R = f(x) 54

3.3 Mối quan hệ giữa φ = f (x) 58

3.4 Mối quan hệ giữa tỷ số choán σ và λ 60

3.5 Mối quan hệ giữa hệ số lực đẩy C T  f  ,  63

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Mô hình chuyền động của không khí trên trái đất 12

Hình 1.2: Một số ứng dụng ban đầu của năng lượng gió điện gió trong việc bơm nước sạch 16

Hình 1.3: Sơ đồ của hệ thống bơm nước với điện gió 16

Hình 1.4: Kết hợp điện gió và pin mặt trời để cấp điện cho máy bơm nước điện gió trong việc lọc nước biển 17

Hình 1.5: Một hệ thống lọc nước biển điện gió dùng trong máy lọc nước lưu động 17

Hình 1.6: Máy lọc nước di động dùng điện gió lọc nước 18

Hình 1.7: Bản đồ phân bố tốc độ gió trên lãnh thổ Việt Nam ở độ cao 80m 20

Hình 1.8: Bản đồ phân bổ tốc độ gió ngoài khơi của Việt Nam ở độ cao 80m 21

Hình 1.9: Sơ đồ hệ thống điện liên kết lưới 22

Hình 1.10: Một số động cơ gió trục đứng 23

Hình 1.11: Một loại tuabin gió trục ngang 24

Hình 1.12: Máy phát điện gió theo nguyên lý hiện đại roto gió- Máy phát 24

Hình 1.13: Tốc độ phát triển điện gió của thế giới 25

Hình 1.14: Tỷ trong điện gió của các châu lục tù các năm 2007- 2012 25

Hình 1.15: Phần đầu tiên đã xây dựng xong của cánh đồng gió Tuy Phong 27

Hình 1.16: Cánh đồng điện gió TuyPhong – Bình Thuận 27

Hình 1.17: Cánh đồng điện gió tại huyện đảo Phú Quý 28

Hình 2.1: Mô tả dòng khí đi qua tiết diện A 30

Hình 2.2: Bức tranh dòng chảy theo mô hình Bezt 31

Hình 2.3: Đồ thị hệ số công suất phụ thuộc a 33

Hình 2.4: Đồ thị biến thiên hệ số công suất và hệ số lực đẩy theo a 34

Hình 2.5: Phân tố cánh 35

Hình 2.6: Lực và vận tốc tương đối 35

Hình 2.7: Profil cánh 36

Hình 2.11: Tam giác vận tốc 40

Hình 2.12: Lực tác dụng lên cánh 41

Hình 3.1: Đường đặc tính Cp – λ ứng với cấu hình tua bin λ = 6 51

Hình 3.2: Đường đặc tính Cp – λ ứng với cấu hình tua bin λ = 7 51

Hình 3.3: Đường đặc tính Cp – λ ứng với cấu hình tua bin λ = 8 52

Hình 3.4: Đường đặc tính P – n ứng với cấu hình tua bin λ = 6 52

Hình 3.5: Đường đặc tính P – n ứng với cấu hình tua bin λ = 7 53

Hình 3.6: Đường đặc tính P – n ứng với cấu hình tua bin λ = 8 53

Hình 3.7: Kết hợp đường đặc tính máy phát và đường đặc tính tua bin 54

Hình 3.8: Biểu thị mối quan hệ giữa c/r và x khi chưa tuyến tính và tuyến tính 56

Hình 3.9: Biểu thị mối quan hệ giữa tỷ số c/R với x ứng với các λ khác nhau khi chưa tuyến tính 57

Hình 3.10: Biểu thị mối quan hệ giữa tỷ số c/R với x ứng với các λ khác nhau khi tuyến tính 58

Hình 3.11: Mối quan hệ giữa góc xoắn cánh và tỉ số bán kính 59

Hình 3.12: Mối quan hệ giữa tỉ số φ với x ứng với các λ khác nhau khi chưa tuyến tính 60

Hình 3.13: Mối quan hệ giữa tỉ số choán σ và λ 61

Hình 3.14: Mối quan hệ giữa tỉ số choán σ và λ ứng với các giá trị Z 62

Hình 3.15: Biểu thị mối quan hệ giữa hệ số lực đẩy CT và φ ứng với mỗi λ 64

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Số liệu tốc độ gió ở độ cao 65 m theo nguồn EVN và WB 19

Bảng 1.2: Tiềm năng năng lƣợng gió theo độ cao 80 m 19

Bảng 1.3: Hiên trạng sử dụng năng lƣợng gió ở Việt Nam 28

Bảng 3.1: Kết quả tính toán cho cấu hình tua bin λ = 6 43

Bảng 3.2: Kết quả tính toán cho cấu hình tua bin λ = 7 46

Bảng 3.3: Kết quả tính toán cho cấu hình tua bin λ = 8 48

Bảng 3.4: Giá trị c/R và x chƣa tuyến tính 54

Bảng 3.5: Giá trị c/R và x đã tuyến tính 55

Bảng 3.6: Giá trị tỉ số c/R với x ứng với các λ khác nhau khi chƣa tuyến tính 56

Bảng 3.7: Giá trị tỉ số c/R với x ứng với các λ khác nhau khi tuyến tính 57

Bảng 3.8 Giá trị giữa góc xoắn và tỷ số bán kính 57

Bảng 3.9: Giá trị tỉ số φ với x ứng với các λ khác nhau khi chƣa tuyến tính 59

Bảng 3.10: Giá trị tỉ số λ với σ 61

Bảng 3.11: Giá trị tỉ số choán σ và λ ứng với các giá trị Z 62

Bảng 3.12: Giá trị CT ứng với mỗi φ 63

DANH MỤC CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ

A : Diện tích của Roto Tuabin gió

a : Hệ số xuyên qua theo phương pháp tuyến

a’ : Hệ số xuyên qua theo phương tiếp tuyến

C : Hệ số lực đẩy của Roto Tuabin gió

c Chiều dài dây cung cánh

P : Công suất Tuabin gió thu được

Png : Công suất nguồn

N

P : Hình chiếu của lực trên phương vuông góc với mặt phẳng roto

LỜI MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong tương lai sẽ vẫn cần những nguồn năng lượng truyền thống như dầu và khí đốt để đáp ứng nhu cầu năng lượng trên toàn thế giới Tuy nhiên vì những nguồn năng lượng đó là hữu hạn và vì chúng ảnh hưởng xấu đến môi trường nên ngay từ bây giờ một vần đế ngày càng cấp bách đã được đặt ra là nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng, cũng như tìm kiếm những nguồn năng lượng thay thế, đặc biệt là những nguồn năng lượng vô hạn, tái sinh được

Năng lượng gió là nguồn năng lượng vô tận từ thiên nhiên Từ nhiều thế kỷ trước con người đã sử dụng nguồn năng lượng này trong việc vận chuyển: Dùng thuyền buồm để đi lại trên sông hồ, biển, khinh khí cầu, hay chuyển qua cơ năng làm quật xay bột, quạt gió bơm nước… Hệ thống năng lượng gió là một trong những hệ thống năng lượng tái tạo sử dụng trong hộ gia đình mang lại hiệu quả kinh tế nhất Tùy thuộc vào nguồn gió, một hệ thống năng lượng gió quy mô nhỏ có thể làm giảm hóa đơn tiền điện của bạn từ 50% đến 90%, giúp bạn tránh được chi phí cao cho đường dây điện dài đến những vùng hẻo lánh, không bị cúp điện và không gây

ô nhiễm

Cùng với việc mở cửa hội nhập của nền kinh tế thế giới, Việt Nam cũng như nhiều nước khác trên thê giới gặp phải nhiều khó khăn , đặc biệt là thiếu hụt về năng lượng, trong khi các nguồn năng lượng truyền thống: thủy điện, nhiệt điện, dầu khí…dần không đủ đáp ứng các yêu cầu sử dụng Thì nhu cầu cấp thiết tìm ra những nguốn năng lượng thay thế, bổ xung cho sự thiếu hụt về năng lượng được đặt lên hàng đầu: năng lượng gió, mặt trời, năng lượng sóng… được đầu tư và phát triển mạnh mẽ

Từ nhu cầu cấp thiết đó chúng ta phải xây dựng được một hệ thống từ thiết kế đến chế tạo tuabin gió trục ngang làm sao cho dễ dàng nhất và phù hợp với điều kiện gió đặc trưng ở Việt Nam từ 6 m/s đến 8 m/s Một trong những bước thiết kế

thông số hình học và động học để các nhà thiết kế có thể tham khảo khi thiết kế tuabin gió cho Việt Nam

2 Vấn đề nghiên cứu

Việc nghiên cứu mối quan hệ không thứ nguyên của các thông số hình học và thông số động học để ta có thể phân tích và đánh giá các mối quan hệ đó ảnh hưởng thế nào đến khả năng trao đổi năng lượng của tổ hợp cánh roto của tuabin gió Từ

đó ta có thể tính toán và thiết kế tuabin gió trục ngang một cách hợp lý nhất và phù hợp với điều kiện thời tiết ở Việt Nam

Trong quá trình nghiên cứu mối quan hệ không thứ nguyên của các thông số hình học và động học đến khả năng trao đổi năng lượng của tổ hợp cánh roto tuabin gió chúng ta sẽ giải quyết những vấn đề sau:

- Nghiên cứu và xây dựng mối quan hệ không thứ nguyên của các thông số hình học và động học dựa trên lý thuyết phân tố cánh

- Đánh giá ảnh hưởng các mối quan hệ không thứ nguyên đó đến khả năng trao đổi năng lượng của tổ hợp cánh roto tuabin gió trục ngang cụ thể Ở đây ta tính toán cho tuabin gió với công suất là 20kW

3 Ý nghĩa khoa học và thưc tiễn

Đề tài nghiên cứu mối quan hệ không thứ nguyên của các thông số hình học và động học đến khả năng trao đổi năng lượng của tổ hợp cánh roto tuabin gió có ý nghĩa thực tế quan trọng trong việc đánh giá và tối ưu các mối quan hệ đó từ đó ta

có thể hạn chế được tính rủi ro trong việc thiết kế và chế tạo tuabin gió

Việc thành công của hướng nghiên cứu mở ra một cách nhìn mới, một cách thiết lập mối quan hệ mới giữa các thông số hình học và động học để tiến tới xây dựng toàn bộ hệ thống tuabin gió trục ngang

4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu chính của luận văn này là xây dựng các mối quan hệ không thứ nguyên của các thông số hình học và động học Các mối quan hệ này được thiết lập trong các phần mềm thiết kế và chế tạo.tuabin gió

Phạm vi nghiên cứu của luận văn chỉ giới hạn cho xác định ảnh hưởng của mối quan hệ đó đến khả năng trao đổi năng lượng của tổ hợp cánh roto tuabin gió Phần

so sánh các mối quan hệ này được áp dụng cho các công trình tuabin gió trục ngang phù hợp với vận tốc gió từ 6 m/s đến 8 m/s Tất cả các mối quan hệ được thiết lập ở chương 2 và tính toán ở chương 3 đều chung một mục đích là tối ưu hóa khí động

và công suất trên cánh tuabin, riêng mối quan hệ giữa tỷ số dây cung cánh và tỷ số bán kính cánh để tối ưu trong quá trình chế tạo cánh tuabin

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu mà tác giả áp dụng là phương pháp truyền thống dựa trên lý thuyết khí động học, lý thuyết phân tố cánh, số Bezt giới hạn Nghiên cứu và thiết lập mối quan hệ không thứ nguyên của các thông số hình học và động hoc để

đề xuất những thông số phù hợp với khả năng trao đổi năng lượng của tổ hợp cánh roto tuabin gió trục ngang từ đó nêu ra các kiến nghị

Cho nên xuất phát từ yêu cầu thực tế và được sự đồng ý của giáo viên hướng dẫn tôi làm đề tài “Nghiên cứu mối quan hệ không thứ nguyên của các thông số hình học và động học đến khả năng trao đổi năng lượng của tổ hợp cánh roto tuabin gió trục ngang” với mong muốn khi đề tài được ứng dụng sẽ tạo ra những động cơ gió cỡ nhỏ phát điện trong các gia đình Từ đó làm cơ sở để tạo nên những trạm điện gió trong tương lai

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ 1.1 Gió và năng lượng gió

1.1.1 Sự hình thành gió

Gió là chuyển động của lớp không khí bao quanh bề mặt trái đất được hình thành

do các nguyên nhân: tác động của từ trường lên trái đất, tác động của lực Coriolis, tác động của nắng của mặt trời lên trái đất khi trái đất quay xung quanh mặt trời cũng như trái đất tự quay xung quanh trục của nó tạo ra ngày và đêm hình thành nên

sự trênh lệch về nhiệt độ, dẫn đến áp suất của các điểm trên bề mặt trái đất khác nhau Gió là sự chuyển động của không khí từ nơi áp suất cao đến nơi áp suất thấp Năng lượng gió phân bố theo vĩ độ, hai cực trái đất ở vĩ độ lớn có nguồn năng lượng gió dồi dào Một đặc trưng của gió là gió địa hình và gió mùa, tạo nên các vùng hoặc tiểu vùng ở gần vĩ độ thấp có tốc độ gió thấp không ổn định, việc khai thác gặp nhiều khó khăn hơn, hệ số sử dụng năng lượng thấp hơn vùng gió vĩ độ

1.1.2 Tốc độ gió trung bình

Tốc độ gió trung bình được dùng xác định tính kinh tế của đề án năng lượng gió Hàm phân bố xác suất của vận tốc gió trung bình được dự đoán trên những phép đo thực nghiệm trong nhiều năm Hàm phân bố gió có thể tính gần đúng bằng hàm phân bố Weibull:

  1  / 

l

Kl m

Giá trị đặc trưng của thông số ứng với các loại khác nhau của địa hình được liệt

kê trong bảng 1.1 Phương trình kinh nghiệm thường được sử dụng để mô tả sự ảnh hưởng của địa hình đến độ chênh lệch tốc độ gió theo hàm mũ:

Động năng của dòng gió và công suất của gió: Động năng tích trữ trong dòng chảy trên một đơn vị thể tích là Ek= 0,5ρV2, trong đó ρ là mật độ của chất lỏng Một dòng khí chảy qua một tiết diện ngang A, lưu lượng dòng chảy là AV Do đó, công chuyển qua một tiết diện A với vận tốc V là Pv= 0,5ρAV3

3

1 2

V

P   AV (1.4) Năng lượng hữu ích trong gió có thể đạt được bằng cách lấy tích phân (1.4) trong một khoảng thời gian Tp, một năm đặc trưng:

3 0

12

Sự chảy rối: sự chảy rối bao hàm tất cả sự thay đổi vận tốc gió với độ chênh lệch phổ ở các tần số cao hơn Sự chảy rối của gió ở một điểm đang xét trong không gian được vẽ lên một cách ngẫu nhiên nhờ giá trị trung bình của phổ công suất Hai loại

mô hình được chấp nhận rộng rãi là hàm phổ Karman:

Cả hai mô hình đều được biểu diễn bằng tham số là hằng số Tv và Kv Hằng số

Tv xác định bề rộng dải tần số của sự chảy rối trong khi đó Kv thì được ghép với năng lượng xoáy Trong miền thời gian này, Tv cũng là một bước của mối tương quan thời gian của sự chảy rối Cả hai thông số đều phụ thuộc nhiều vào tốc độ gió trung bình trên đặc trưng địa hình của vùng lãnh thổ Chẳng hạn như trong trường hợp của hàm phổ Karman, những hệ số được làm xấp xỉ bởi:

   0

1

ln /

V v m

từ 0,1 đến 0,2

Phương trình 1.10 cho thấy mật độ chảy rối giảm đi theo độ cao Nó cũng quay

ra ngoài cái mà mật độ chảy rối cao hơn khi có những vật cản ở môi trường xung quanh

1.2 Các biện pháp sử dụng năng lượng gió

Từ xa xưa, con người đã biết sử dụng năng lương gió phục vụ cho nhiều lĩnh vực khác nhau: di chuyển của các tầu đi trên sông, biển, chạy máy xay xát, chạy các guồng nước cung cấp nước tưới và sinh hoạt, kéo máy bơm nước, lưu thông điều hòa không khí trong các tòa nhà… Ngày nay, việc khai thác năng lượng gió để kéo máy phát điện tạo ra điện năng phục vụ con người là một ứng dụng to lớn hơn cả

Nó đã và sẽ mang lại cho loại người một nguồn năng lượng tái tạo sạch có trữ lượng lớn và lâu dài vì đây là nguồn năng lượng tái tạo

Hình 1 2: Một số ứng dụng ban đầu của năng lượng gió điện gió trong việc bơm nước sạch

Hình 1 3: Sơ đồ của hệ thống bơm nước với điện gió

Hình 1 4: Kết hợp điện gió và pin mặt trời để cấp điện cho máy bơm nước điện gió trong

việc lọc nước biển Lọc nước biển là một nhu cầu thực tế cho các hải đảo, các tàu đánh cá, khu du lịch ven biển và các giàn khoan ngoài khơi, điển hình là hể thống lọc nước biển (hình 1.5)

Hình 1 5: Một hệ thống lọc nước biển điện gió dùng trong máy lọc nước lưu động

Hệ thống lọc nước lưu động này gồm có những bộ phận chính: điện gió, máy lọc nước và chiếc xe vận tải dùng trong việc chuyên chở hệ thống lọc nước đến những nơi cần dùng

Hình 1 6: Máy lọc nước di động dùng điện gió lọc nước

1.3 Tiềm năng năng lượng gió ở Việt Nam

1.3.1 Tiềm năng gió trên đât liền

Tiềm năng năng lượng gió trên đất liền Việt Nam nằm sát Thái Bình Dương có

bờ biển dài trên 3000 Km, địa hình dốc từ Tây sang Đông, do đó, Việt Nam có tài nguyên gió tương đối tốt so với các nước trong khu vực Đông Nam Á Trong nhưng năm gần đây chính phủ Việt Nam dưới sự hỗ trợ của các tổ chức trên thế giới như Worldbank, như tổ chức GIZ của chính phủ Đức đã tiến hành đo đạc tiềm năng gió tại nhiều nơi để xây dựng chiến lược phát triển điện gió Tuy nhiên việc xác định tiềm năng gió càng chính xác khi việc đo đạc được thực hiện trong nhiều năm Trong bảng 1 dưới đây là số liệu đo đạc tốc độ gió của một số địa phương do Worldbank và EVN thực hiện ở các độ cao khác nhau

Bảng 1.1: Số liệu tốc độ gió ở độ cao 65 m theo nguồn EVN và WB

Bảng 1.2: Tiềm năng năng lƣợng gió theo độ cao 80 m

Các kết qua đo đạc cho thấy thấy tốc độ trung bình của những nơi có gió có khả năng khai thác kinh tế của Việt Nam không nhiều Ƣớc tính của EVN những nơi có khả năng khia thác thuận lợi hiện nay có tổng công suất là 1785 MW (miền bắc 50

MW, miền trung 880 MW, miền nam 855MW) Theo ƣớc tính của các chuyên gia khoảng 10.000 MW đến 20.000 MW

Hình 1-7 là bản đồ phân bố tốc độ gió trung bình trên lãnh thổ đất liền Viêt Nam: Qua hình 1-7 cho thấy tốc độ gió trung bình của lãnh thổ Việt Nam thuộc nhóm trung bình khá tức là khoảng từ 6 m/s đến 8,5m/s Khi tham khảo các bản đồ với tỷ

lệ xích nhỏ hơn nữa chi tiết hơn nữa ta thấy các vùng có gió tốc độ từ 6 m/s đến 8,5 m/s tập trung vào một số vùng ở ven biển Bắc bộ nhƣ Quảng Ninh tốc độ gió từ 6

m/s đến 7 m/s, ở miền trung Bắc bộ như Quảng Bình một số địa phương có gió tốc

độ từ 6,6 m/s đến 7,5 m/s Tại tây Tây Nguyên một số vùng tốc độ gió từ 6,5 m/s đến 7,5 m/s Vùng có tốc độ gió trung bình cao là Ninh Thuận, Bình Thuận từ 7 m/s đến 8,5 m/s Ở vùng duyên hải tỉnh Cà Mau cũng có tốc độ gió trung bình tương đối cao nằm trong khoảng 6,5 đến 7,5 m/s

Hình 1 7: Bản đồ phân bố tốc độ gió trên lãnh thổ Việt Nam ở độ cao 80m

1.3.2 Tiềm năng gió ngoài khơi

Tiềm năng điện gió ngoài khơi ở Việt Nam lớn gấp nhiều lần so với lục địa Nếu tính theo hình dưới đây thì miền duyên hải Nam Trung Bộ và Nam Bộ có khả năng sản xuất 5,000 tỷ kWh mỗi năm, có khả năng chu toàn gấp nhiều lần nhu cầu điện cho Việt Nam và các nước lân cận

Hình 1 8: Bản đồ phân bổ tốc độ gió ngoài khơi của Việt Nam ở độ cao 80m

1.4 Tổng quan các loại máy phát điện Tuabin gió

1.4.1 Nguyên lý làm việc của máy phát điện gió

Động cơ gió sử dụng năng lượng gió để tạo ra điện Gió làm quay cánh quạt, dẫn đến làm quay trục nối với một máy phát sản xuất ra điện

1.4.2 Một số trạm điện gió thường gặp hiện nay

Đối với những động cơ gió công suất nhỏ (< 200 w), đặt ở những nơi có tốc độ gió không đều thì điện áp phát ra từ máy phát điện được nạp vào bình acquy trước khi được sử dụng hình (1 - 6)

Nguyên lý hoạt động của sơ đồ bên dưới như sau: Điện áp phát ra từ động cơ gió

là điện xoay chiều ba pha qua bộ điều khiển và được nạp vào bình ác quy Bộ điều khiển còn có nhiệm vụ điều khiển chế độ hoạt động của động cơ gió như khi gặp gió lớn, bão thì cánh quạt quay nhanh dễ bị gãy cánh, lúc này bộ điều khiển sẽ làm cho các cánh quạt ngừng quay đảm bảo an toàn cho động cơ gió

Đối với những nơi có tốc độ gió ổn định thì điện phát ra được đưa đến nơi tiêu thụ ngay và chỉ nạp vào bình acquy khi công suất phát ra lớn hơn công suất tiêu thụ Đối với những trạm điện gió công suất lớn (> 1 MW) thì điện phát ra được hòa vào mạng lưới điện chung cho một vùng tiêu thụ Những hệ thống này được gọi là những hệ thống liên kết lưới

Hình 1 9: Sơ đồ hệ thống điện liên kết lưới Phân loại động cơ gió:

Hiện nay trên thế giới có hai loại động cơ gió chính:

+ Động cơ gió trục ngang

+ Động cơ gió trục đứng

Động cơ tuabin gió trục ngang

Những động cơ gió đầu tiên trên thế giới có cấu tạo khá đơn giản (hình 1-15), việc điều khiển cho cánh động cơ gió xoay theo hướng gió hay điều khiển cánh quay chậm lại khi có gió lớn đều được điều khiển cơ khí nhờ đuôi lái và cơ cấu điều tốc

Hiện nay, động cơ gió có cấu tạo hiện đại hơn, sự hoạt động của động cơ gió

Động cơ tuabin gió trục đứng

Các trạm điện gió trục đứng gồm một máy phát điện có trục quay thẳng đứng, rotor nằm ngoài được nối với các cánh đón gió đặt thẳng đứng Trạm điện gió trục đứng có thể hoạt động bình đẳng với mọi hướng gió nên hiệu quả cao hơn, lại có cấu tạo đơn giản, các bộ phận đều có kích thước không quá lớn nên vận chuyển và lắp ráp dễ dàng, độ bền cao, duy tu bảo dưỡng đơn giản Loại này mới xuất hiện từ vài năm gần đây nhưng đã được nhiều nơi sử dụng Một số loại tuabin gió trục đứng như hình bên dưới:

Hình 1 10: Một số động cơ gió trục đứng

1.5 Tình hình nghiên cứu và khai thác năng lượng gió hiện

1.5.1 Tình hình nghiên cứu và khai thác năng lượng gió trên thế giới

Vào khoảng năm 3.500 trước Công nguyên, con người đã làm ra những chiếc buồm để đẩy tàu thuỷ lướt trên mặt nước Kế đến, những chiếc cối xay gió trục đứng đầu tiên đã xuất hiện vào thế kỷ thứ 2 trước Công nguyên tại xứ Ba Tư Nhưng phải đợi đến thế kỷ 13, loại cối xay gió trục ngang mới được phổ biến ở châu Âu

Năm 1850, Lord Kelvin (nhà vật lý người Anh), đưa ra ý tưởng nối máy phát điện với tuabin gió, từ đó, "động cơ gió" ra đời Tuy nhiên, trong thế kỷ 20, do không cạnh tranh được với dầu mỏ, năng lượng gió gần như bị bỏ quên

Năm 1888, tại Ohio-Mỹ, chiếc máy phát điện chạy bằng sức gió đầu tiên được chế tạo bởi Charles F.Brush

Hình 1 11: Một loại tuabin gió trục ngang Sau năm 90, cùng với Mỹ, các nước Đức, Anh, Tây Ba Nha, Hà Lan, Thụy Điển

là những thị trường đầy tiềm năng Nhiều máy điện gió điện gió được lắp đặt với giải công suất ngày càng lớn Năm 1990, công suất một máy phát lắp đặt chỉ ở mức 200kw thì đến năm 2003 công suất một máy phát có thể lên đến 5MW

Hình 1 13: Tốc độ phát triển điện gió của thế giới

Hình 1 14: Tỷ trong điện gió của các châu lục tù các năm 2007- 2012

1.5.2 Tình hình nghiên cứu và khai thác năng lượng gió ở Việt Nam

Tốc độ tăng trưởng trung bình của sản lượng điện ở Việt Nam trong 20 năm trở lại đây đạt mức rất cao, khoảng 12-13%/năm - tức là gần gấp đôi tốc độ tăng trưởng GDP của nền kinh tế Nếu tốc độ phát triển nhu cầu về điện tiếp tục duy trì ở mức rất cao 14-15%/năm như mấy năm trở lại đây thì 2010 cầu về điện sẽ đạt mức 90.000 GWh, gấp đôi mức cầu của năm 2005

Theo dự báo của Tổng Công ty Điện lực Việt Nam, nếu tốc độ tăng trưởng GDP trung bình tiếp tục được duy trì ở mức 7,1%/năm thì nhu cầu điện sản xuất của Việt Nam vào năm 2020 sẽ là khoảng 200.000 GWh, vào năm 2030 là 327.000 GWh Trong tổng nhu cầu tăng trưởng của nguồn điện song song với phát triển các nguồn điện truyền thống như xây dựng hàng loạt các nhà máy điện bằng nhiên liệu hóa thạch như nhiệt điện chạy than, nhiệt điện chạy khí ga, phát triển các loại nhà

máy thủy điện lớn, nhỏ Một loại năng lượng mới được chú ý để phát triển nguồn điện đó là năng lượng gió Chính phủ Việt Nam đã nhận thức đúng đắn và đánh giá đúng được tiềm năng về điện gió Trên cơ sở đó đã xây dựng được hàng loạt các chính sách nhằm hỗ trợ phát triển lĩnh vực điện gió Ngoài ra còn có hàng loạt các

hỗ trợ khác như giao cho Bộ Công Thương cùng các tổ chức quốc tế khác như GIZ của công hòa liên bang Đức, Worldbank tổ chức hàng loạt các hội thảo về cơ hội đầu tư, hội thảo trang thiết bị điện gió tại Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh cũng như một số tỉnh có tiềm năng gió cao như Bình Thuận, Ninh Thuận…

Sau hàng loạt các hoạt động và các chính sách đã có những tác động tích cực, hàng loạt dự án đã hình thành ở nhiều cấp độ khác nhau, nhiều dự án nhỏ đã lắp đặt thành công các trạm điện gió ở qui mô gia đình, qui mô hộ tiêu thụ nhỏ có công suất vài trăm W đến một số KW ở một số địa phương đã được lắp đặt thành công Một

số cánh đồng điện gió có công suất từ vài MW đến cả trăm MW đã được lắp đặt xong hoặc đã xây dựng xong pha đầu tiên đã đưa vào vận hành khai thác Điển hình

là dự án điện lai ghép điện gió và diezel có tổng công suất 9 MW tại đảo Phú Quí trong đó 03 tổ điện gió mỗi tổ có công suất 2 MW được sản suất tại Áo và 06 tổ diezel mỗi tổ có công suất 500KW Đây là trạm lai ghép điện gió- diezel đầu tiên ở Việt Nam có công suất vài MW được xây dựng rất nhanh xuất phát từ như cầu cấp bách về năng lương điện để sản xuất và sinh hoạt của hòn đảo này có giá bán điện là 13cent/KWh có khả năng thu hồi vốn nhanh nhất Một cánh đồng gió do công ty cổ phần điện gió Việt Nam RVN đầu tư xậy dựng tại Tuy Phong - Bình Thuận có tổng công suất 120MW sử dụng tua bin gió của công ty Fuhrlaender, tổng số tua bin của

dự án là 80 tổ đã lắp đặt xong 20 tổ và đã đưa vào khai thác Đặc biệt là cánh đồng gió do công ty cổ phần điện gió Cà Mau làm chủ đầu tư được xây dựng trên vùng nước nông ven biển thuộc tỉnh Cà Mau có tổng công suất dự kiến 99MW đã lắp đặt

và đưa vào vận hành thành công pha 1 là 10 tổ máy có công suất mỗi tổ là 1,5MW

gió bão quật đổ Ngoài ra còn trạm điện gió lai ghép do Nhật Bản tài trợ có công suất 30KW tại Hải Thịnh - Nam Định…

Hình 1 15: Phần đầu tiên đã xây dựng xong của cánh đồng gió Tuy Phong

Hình 1 16: Cánh đồng điện gió TuyPhong – Bình Thuận

Hình 1 17: Cánh đồng điện gió tại huyện đảo Phú Quý Bảng 1.3: Hiên trạng sử dụng năng lượng gió ở Việt Nam

Trong xu thế phát triển, cơ cấu kinh tế của đất nước đã có nhiều sự thay đổi, công nghiệp và dịch vụ đang phát triển từng ngày thì năng lượng trở thành một vấn đề cấp bách Năng lượng từ dầu đang giảm dần, theo ước tính trữ lượng dầu sẽ hết sau khoảng 100 năm Do đó phải tìm một nguồn năng lượng mới nhất là một nguồn năng lượng tái tạo Trong các nguồn năng lượng tái tạo cho đến nay chỉ có thủy điện là đáng kể Trong những nguồn còn lại thì tiềm năng lớn là điện gió

Trong chiến lược phát triển năng lượng của chính phủ, theo thông tin của bộ

Tiềm năng năng lượng gió tại Việt Nam là rất cao nhưng với trình độ công nghệ

và vật liệu ở nước ta hiện nay thì việc thiết kế chế tạo các tuabin gió có công suất cao còn gặp nhiều khó khăn, các cơ sở nghiên cứu trong nước chưa có đội ngũ cán

bộ nghiên cứu chuyên ngành đủ mạnh… chúng ta chưa thể chế tạo tuabin gió có công suất lớn

Tuy nhiên các loại tuabin gió nhỏ và trung bình thì đã bắt đầu được nghiên cứu chế tạo, để tiến tới việc làm chủ thiết kế, chế tạo thiết bị tuabin gió trong nước trong một tương lai không xa

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MỐI QUAN HỆ KHÔNG THỨ NGUYÊN CỦA CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC VÀ ĐỘNG HỌC ĐẾN KHẢ NĂNG TRAO

ĐỔI NĂNG LƯỢNG CỦA TỔ HỢP CÁNH ROTO

2.1 Năng lượng gió

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

Khối lượng của không khí đi qua một tiết diện có diện tích A vuông góc chiều gió với tốc độ là v sau thời gian t có công thức sau:

+: khối lượng riêng của không khí (kg/m3)

+ A: diện tích của mặt cắt gió quét qua (m2)

+ v: vận tốc của không dòng khí mà chưa bị nhiễu loạn (m/s)

V

A

Vậy từ (2-3) ta được công thức tính công suất động cơ gió:

3

1 2

PC  A v   (W) (2.4)

2.2 Thuyết động lượng và hệ số công suất roto

Bức tranh dòng chảy theo mô hình Bezt

Hình 2 2: Bức tranh dòng chảy theo mô hình Bezt

Do mặt trước và mặt sau rotor có bước nhảy về áp suất nên xuất hiện lực và lực này là nguyên nhân thay đổi động lượng của dòng khí qua rotor

F p d p d.A d U Uw . A U d. d



    (2.5) Phương trình Becnuli cho dòng chảy ta có

Tương tự như vậy cho dòng chảy sau đĩa

 2 2

w

1 2

2  

. d 2 d 1

Hệ số công suất của rotor là tỷ số giữa công truyền cho rotor và động năng dòng

khí đi qua diện tích quét của rotor trong 1 đơn vị thời gian

3

1 2

p

d

P C

kế mà là dòng chảy của không khí vào tubin bị thu hẹp đi so với dòng chảy tự do qua bề mặt rotor.Và điều này đã được chứng minh trong thực tế Các tubin gió hiện đại ngày nay đều có hiệu suất chỉ đạt 30-45%

Do mặt trước và mặt sau của rotor có bước nhảy về áp suất nên sinh ra áp lực lên rotor Từ đó ta định nghĩa hệ số lực đẩy của rotor bằng biểu thức sau: