SLIDE THUYẾT TRÌNH năng lượng gió (KS Nguyễn Ngọc Tân)

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 như dùng thuyền buồm để đi lại trên sông hồ, biển, khinh khí cầu hoặc chuyển năng lượng từ gió qua cơ năng làm quạt xay bột, quạt gió bơm nước v.v… Ngay sau khi phát minh ra máy phát điện, nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu dùng cơ năng của gió để sản xuất ra điện. Việc ứng dụng sức gió để tạo thành điện năng đã có từ năm 1887 và được triển khai tại nhiều nơi như Anh, Đan Mạch, Mỹ nhưng công suất thu được từ những tuabin điện gió đầu tiên này chỉ đủ thắp sáng nên việc tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng năng lượng gió đã bị hạn chế rất nhiều. Từ sau cuộc khủng hoảng dầu trong thập niên 1970, việc nghiên cứu về năng lượng gió mới được khuyến khích và hỗ trợ mạnh trong nhiều nước và hiện nay đã trở thành một ngành công nghiệp quan trọng tại Anh, Ấn Độ, Đan Mạch, Đức, Mỹ và Trung Quốc. Năng lượng sạch như điện từ ánh nắng mặt trời, điện gió, địa nhiệt, điện từ sóng biển, khí sinh học hoặc tương tự được mọi người trong xã hội quan tâm và mong muốn một ngày nào đó môi trường sống của con người và những động vật khác trên hành tinh địa cầu được sạch hơn và an toàn hơn.

ĐiỆN GÍO

NĂNG LƯỢNG

ĐIỆN GIÓ

1 T ổng quát

2 S ự phát triển của công nghệ Tua-bin điện gió

3 Nguyên t ắc kỹ thuật

6 Chu ẩn mực so sánh trong đầu tư trang trại điện gió

4 Th ất thóat cơ năng.

10 Th ử nghiệm điện gió với những công nghệ khác

8 Trang tr ại điện gío lắp đặt trên biển

7 Cánh đồng điện gío lắp đặt trên đất liền

9 Tích tr ữ năng lượng từ gió.

11 Th ị trường điện gió Việt Nam

5 Phân tích toán ti ềm năng gió, dự toán sản lượng điện.

1 T ổng quát

S ự phát triển Năng lượng điện từ gío tại Đức, Âu châu và Thế giới

Fraunhofer Institute for Wind Energy and Energy System Technology

Szenario s ử dụng 100% năng lượng tái tạo tại CHLB Đức – Năm 2050

Tài li ệu công bố tháng 2 năm 2009

1 Exajoule = 277,778 Tỉ kW

"Exa" E (1 Trillion) = 1018

"Joule" = Đơn vị của năng lượng PV photovoltaics CSP concentrated solar power

Kí ch thước và công suất những lọai Tua-bin điện gió đã được

s ản xuất hàng loạt tính đến năm 2011

Trang tr ại điện gió tại Mỹ

Tia n ắng mặt trời chiếu vào mặt đất thay đổi không đồng đều làm nhi ệt độ trong bầu khí quyển, nước và không khí luôn khác nhau, trái đất luôn quay trong quỹ đạo xung quanh mặt trời và tự quay quanh tr ục nên tạo ra mùa, ngày, đêm.

c ầu, Nam bán cầu và đường xích đạo cũng như nhiệt độ ở biển và trên đất liền luôn khác nhau.

T ừ sự quay quanh trục của trái đất nên không khí chuyển động xoáy theo nh ững chiều khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán

c ầu làm nhiệt độ của khí quyển thay đổi phát sinh những vùng áp cao và áp th ấp.

Mô hình hoàn l ưu khí quyển với các trung tâm khí áp bề

m ặt có tính đến sự phân bố đất biển không đều.

Giáo Trình Khí T ượng Cơ sở DHKHTN - 2012

T ốc độ và hướng gió

Nguyên t ắc của cột đo gió.

Nguyên t ắc cột đo gió và Tua-bin.

C ột đo gió tại Huyện Bình Đại - Bến Tre

Hoa t ốc độ gió Hoa t ốc độ gió trung bình

Nh ững số liệu về vận tốc gió được chuyển vào phần mềm, thí dụ như phần mềm Windrose để hiển thị hoa gió về vận tốc và hướng gió c ủa từng thời điểm và từng vị trí Hình hiển thị vận tốc và hướng gió được định theo chiều đông, tây, nam, bắc và thường được chia thành 12 ho ặc 36 mảng trong một vòng tròn, trong mỗi mảng là trị

s ố vận tốc gió thường nhất trong ngày hoặc trong tháng.

B ản đồ phân bố tốc độ gió

Vi ệt Nam ở độ cao 80 mét

-Tiêu chu ẩn lớp gió cho Tua-bin điện gió

Uỷ ban Kỹ thuật Điện Quốc tế IEC (International Electrotechnical Commission)đưa ra những Tiêu chuẩn lớp gió của Tua-bin cho những vùng có tiềm năng gió

ít hoặc nhiều theo vận tốc gió trung bình và sự xáo động gió trong năm

Tiêu chu ẩn Lớp gió cho Tua-bin điện gió [59]

Tiêu chu ẩn Tua-bin theo loại

(IEC)

I

(vùng có gió m ạnh)

II

(vùng có gió khá

m ạnh)

III

(vùng có gió trung bình)

IV

(vùng có gió y ếu)

V ận tốc gió tiêu biểu của 50

Tua- bin điện gió trục đứng Darrieus - Tua-bin điện gió trục ngang.

Công ngh ệ điện gió trước đây gồm hai loại, loại trục đứng lọai: Savonius, l ọai Darieus và trụng ngang Tua-bin điện gió Darrieus

có h ệ số công suất thấp nhưng vì cấu hình giản dị, dễ thiết kế và

d ễ sản xuất nên những loại Tua-bin điện gió này thường được sản

xu ất cho những nơi cần công suất khoảng từ 5 đến 20kW.

2 S ự phát triển của công nghệ Tua-bin điện gió

Tua-bin tr ục đứng

Savonius

Tua-bin tr ục đứng Savonius 3 t ầng

Tua-bin tr ục đứng Darrieus t ại Heroldstat - CHLB Đức

Tua-bin tr ục đứng Darrieus t ại Nam cực

H-Trước kia một số Tua-bin điện gió trục ngang được thiết kế có hướng đón gió từ phía sau (down wind rotor) nhưng phương pháp này có nhi ều nhược điểm như dòng gió luôn bị xáo động do gió

th ổi vào thân trụ rồi mới đến cánh quạt.

T ừ khoảng năm 1995 Tua-bin điện gió được thiết kế với nguyên

t ắc đón gió từ phía sau không còn được sử dụng rộng rãi Phần lớn

nh ững loại Tua-bin điện gió hiện nay được thiết kế có hướng đón gió t ừ phía trước (up wind rotor).

Tua- bin đón gió từ

phía sau

(down wind rotor)

Tua- bin đón gió từ phía trước (up wind rotor)

T ừ thế kỉ 12, người Âu châu bắt đầu sử dụng quạt gió để xay ngũ

c ốc Sức gió làm quay cánh quạt và cơ năng này được chuyển vào

nh ững cối xay Những cánh quạt này thường có trục ngang và được

c ải tiến liên tục, hiện nay phần lớn Tua-bin điện gió trên thế giới

v ẫn ứng dụng nguyên tắc này.

T ại Bắc Mỹ mãi đến thế kỉ 19 việc ứng dụng sức gió để bơm nước

m ới được phát triển nhờ kỹ thuật cánh quạt tự động ngừng lại để tránh hư hại khi gió phát triển thành bão Với nguyên tắc này quạt gió bơm nước đã được dùng rộng rãi ở Bắc Mỹ.

Năm 1888 dựa trên nguyên tắc quạt gió bơm nước, Charles Francis Brush người Mỹ đã chế tạo ra cánh quạt điện từ sức gió với công

su ất 12 kW để sử dụng trong gia đình, nguồn trữ điện lúc ấy của ông là nh ững bình ác-quy.

Qu ạt gió xay ngũ cốc - Hà Lan Qu ạt gió bơm nước - Úc

Năm 1891, Poul La Cour người Đan Mạch với sự hỗ trợ của nhà nước Đan Mạch đã thành công trong việc thử nghiệm chuyển cơ năng từ cánh quạt gió qua điện năng tại Askov - Jütland và đã là nền

t ảng của công nghệ điện gió ngày nay.

Năm 1920 Albert Betz, nhà vật lý người Đức đã nghiên cứu về nguyên t ắc khí động lực học của cánh quạt điện gió và chứng minh trên phương diện vật lý là chỉ có thể thu được tối đa là 59,259 % năng lượng chuyển động kinetic của gió, việc này ảnh hưởng quan

tr ọng đến khả năng đón gió của cánh quạt Cho đến nay việc tạo dáng và thi ết kế những cánh quạt điện gió hiện đại vẫn dựa trên

nh ững kiến thức này.

 Cho đến nay, phần lớn những Tua-bin được lắp đặt trên thế giới

s ử dụng hộp số để chuyển tốc độ số vòng quay của cánh quạt lên cao và truy ền đến máy phát điện.

 T ừ năm 1993 công nghiệp điện gió sử dụng máy phát điện nam châm v ĩnh được sản xuất và đưa vào thị trường Nguyên tắc của

l ọai máy phát điện này là sử dụng nam châm vĩnh cửu kết hợp nhi ều cực trong một vòng khung và được gắn trực tiếp với hệ

th ống Rotor

 Vào nh ững đầu năm 80, khái niệm công nghệ tua-bin, được

g ọi là “Khái Niệm Đan Mạch”, trong công nghệ này tua-bin họat động với một tốc độ nhất định và cần có hộp số.

Tua- bin điện gió

Định luật Betz ứng dụng trong thiết kế cánh quạt

Năng lượng gió là nguồn năng lượng do chuyển động của không khí v ới một vận tốc trong một thời gian nhất định Theo định luật Betz, (Nhà v ật lý người Đức - Albert Betz 1885-1968) về động lực

h ọc khí quyển thì nguồn năng lượng gió này không thể chuyển tất

c ả sang một loại năng lượng khác.

Động năng thu được trong dòng gió là 59,259 % Tỷ lệ công suất

t ối đa thu được này vì thế được gọi là Hệ số công suất Betz hoặc

H ệ số Betz.

Cơ năng E của một khối lượng không khí m chuyển động với vận tốc v là:

Công suất P thu được lệ thuộc vào Khối lượng không khí chuyển động, vận tốc

gió, mật độ của không khí ρ, thiết diện A của vòng quay cánh quạt.

Khi Tua-bin điện gió có diện tích cánh quạt cố định A, công suất thu

được không bị thất thoát là P, Mật độ ρ của không khí không thay

đổi, áp suất phía trước và sau cánh quạt không khác biệt thì Tua-bin điện gió chỉ có thể thu được từ cánh quạt với hệ số công suất Cp(power coefficient) t ối đa là: Cp max= 16/27 = 0, 59259

Cơ năng thu được trong dòng gió là 59,259 % Tỷ lệ công suất tối đa thu được này vì thế được gọi là Hệ số công suất Betz hoặc Hệ số Betz.

Cơ năng lý tưởng Pmech c ủa hệ thống cánh quạt lệ thuộc vào vận tốc gió, m ật độ không khí, hệ số Betz và diện tích mặt đón gió của cánh

qu ạt và được tính theo phương trình:

Để tính được công suất điện có thể thu được phải tính đến hệ số công su ất của máy phát điện và hệ số công suất của hộp số, như thế công su ất điện Pel s ẽ là:

A: Thi ết diện của dòng gió đi qua (m 2 ).

Vì th ế vận tốc gió là yếu tố quan trọng nhất của công suất, vận tốc tăng 3 lần thì công suất đạt được tăng theo lũy thừa 3

Nh ững trụ điện gió lắp đặt năm 1987 tại CHLB Đức

Cánh đồng điện gió trên đất liền tại Aurich CHLB Đức, công suất mỗi

tr ụ 7,5MWh.

C ấu hình Tua-bin điện gió trục ngang dùng hộp số

S ự phân bố lực tác động F vào cánh quạt với góc < 20°

Cánh qu ạt điện gió khi thiết kế phải đáp ứng nguyên tắc khí động

l ực học và định luật Betz để tạo được công suất cao ổn định kể cả

ở tình trạng điều chỉnh số vòng quay của hệ thống cánh Rotor

c ũng như những yếu tố chi tiết khác như độ ồn phát sinh, tần số rung khi ho ạt động.

3.1 Cánh qu ạt, đùm

C ấu trúc những lớp vật liệu của cánh quạt

Cánh qu ạt thô với vật liệu

composite, s ợi carbon chưa

hoàn thành

Cánh qu ạt Tua-bin Growian

Cấu hình cánh quạt tùy theo công nghệ và việc chọn lựa vật liệu nên có nhiềuthiết kế khác nhau nhưng phần lớn đều dựa trên kinh nghiệm cấu hình chế tạocánh máy báy như của Hội đồng tư vấn hàng không NACA-Mỹ (NationalAdvisory Committee for Aeronautics) hoặc Viện Khí động lực học Liên xô với

cấu hình TsAGI hoặc những viện nghiên cứu khác cũng như những Nhà khoa

học Khí động lực học, thí dụ như cấu hình FX (Franz Xaver Wortmann), cấuhình YH (Clark Profile), cấu hình HQ (Horstmann/Quast) vv

Nh ững thiết diện và cấu hình khác nhau của cánh quạt điện gió

Độ bền vật liệu và khả năng sản xuất là những yếu tố chính Việc chọn lựa vật liệu cánh qu ạt được dựa trên kinh nghiệm chế tạo cánh máy bay và những vật liệu này là:

Density γ

Strenght of material -

δB

Young's modulus

E

Ultim tensile strenght to d.

δB/γ

Young's mod To d

S ố cánh quạt của Tua-bin

D ựa trên nguyên tắc vật lý và Khí động lực học, những nghiên

c ứu và thử nghiệm về số cánh quạt cho Tua-bin điện gió đã được

th ực hiện từ nhiều thập niên trước ở nhiều nơi trên thế giới, diện tích quét gió ph ụ thuộc vào bề mặt cũng như chiều dài cánh quạt nên trên nguyên t ắc số cánh quạt của Tua-bin không là yếu tố quy ết định cơ bản về công suất.

Th ử nghiệm Tua-bin một cánh MOD-0 năm

1985 t ại Mỹ

Tr ụ Tua-bin điện gió trục ngang

có th ể có 1, 2, 3 hoặc 4 cánh.

Trong hai th ập niên vừa qua vì

y ếu tố kinh tế cũng như kỹ

thu ật, Tua-bin địện gió trục

ngang 3 cánh đã dần thay thế

t ất cả những loại Tua-bin khác.

Trên phương diện động lực học thì số cánh quạt càng ít thì hiệu quả càng caonhưng trên phương diện cơ học thì khi Tua-bin họat động với số vòng quaynhanh sẽ phát sinh những nhược điểm cơ bản như tần số rung của Tua-binđiện gió sẽ mất ổn định ảnh hưởng đến những chi tiết khác của hệ thống, sựphân bố lực của một cánh quạt vào trục và thân trụ không đều nên độ bền hệ

thống giảm rất nhiều, ngoài ra khi Tua-bin điện gió hoạt động sẽ phát sinh ra

tiếng ồn rất cao, đặc biệt là những Tua-bin sử dụng hộp số

Những Tua-bin một cánh quạt được đưa vào hoạt động từ những năm 1985

với công suất từ 25 đến 1000kW, ưu điểm của Tua-bin điện gió một cánh là

giảm được trọng lượng so với những Tua-bin hai hoặc ba cánh, số vòng quaynhanh có thể lên đến 49 vòng trong một phút nên tạo được công suất cao vàgiá thành thấp

Trong thiết kế Tua-bin điện gió, hệ số vận tốc gió tại đầu cánh (tip speed ratio)

λ (lambda) là tỉ lệ giữa vận tốc tại vòng quay của đầu cánh quạt và vận tốc củadòng gió thổi điến v Đây là yếu tố quan trọng giữa việc quyết định số cánh

quạt, công suất, độ bền và kinh phí sản xuất Hệ số vận tốc gió tại đầu cánh

Hệ số vận tốc gió tại đầu cánh nhỏ thường có những nhược điểm là momen

xoắn α tăng, những bộ phận cơ của Tua-bin điện gió phải được thiết kế phù

hợp vì cơ năng sẽ bị thất thóat nhiều Khi hệ số vận tốc gió tại đầu cánh tăng,

số cánh quạt và diện tích mặt đón gió có thể giảm để tiếp nhận nguồn cơ năng

S ố cánh quạt và hệ số vận tốc gió tại đầu cánh với cấu hình thường sử dụng.

Tua-bin điện gió ba cánh nhờ sự phân bố đều về lực trong diện tích vòng quaynên họat động ổn định hơn Tua-bin điện gió một hoặc hai cánh và có tỉ lệ công

suất cao hơn khoảng 3-4% so với Tua-bin điện gió hai cánh, ngòai ra độ rung

hệ thống ít bi xáo động nên hạn chế được những ảnh hưởng cơ của những chi

tiết khác trong Tua-bin

Việc nâng số cánh quạt của Tua-bin điện gió lên bốn cánh hoặc nhiều hơn

chỉ đạt được công suất thêm tối đa là 1 đến 2% so với Tua-bin điện gió bacánh nên những Tua-bin loại nhiều cánh chỉ tồn tại trong quá trình thửnghiệm vì không kinh tế

H ệ số vận tốc gió tại đầu cánh λ và cấu hình NACA 4415 theo số cánh quạt

H ội đồng cố vấn Hàng không Mỹ – NACA –(National Advisory Committee for Aeronautics)

Phần lớn những Tua-bin điện gió hiện nay trên thế giới được thiết kế theo loại

trục ngang và có công suất từ vài kW đế trên 10 MW

Tua- bin điện gió trục ngang 3 Cánh - 1987

Tua- bin điện gió trục ngang 4 cánh (th ử nghiệm) - 1942

Tua-bin hai cánh l ắp dặt

trên bi ển

Trên phương diện động lực học thì số cánh quạt càng ít thì hiệu

qu ả càng cao nhưng trên phương diện cơ học thì khi Tua-bin họat động với số vòng quay nhanh sẽ phát sinh những nhược điểm cơ

b ản như:

T ần số rung của Tua-bin điện gió sẽ mất ổn định ảnh hưởng đến

nh ững chi tiết khác của hệ thống.

S ự phân bố lực của một cánh quạt vào trục và thân trụ không đều nên độ bền hệ thống giảm rất nhiều

Khi Tua-bin điện gió hoạt động sẽ phát sinh ra tiếng ồn cao, đặc

bi ệt là những Tua-bin sử dụng hộp số.

H ệ thống nối cánh quạt - Rotor

H ệ thống đùm nối cánh quạt - Rotor

và máy phát điện vòng

Đùm và hệ thống nối cánh quạt - Rotor và máy phát điện vòng

3.2 Nh ững nguyên tắc điều chỉnh hệ thống Rotor

Vì v ận tốc gió luôn thay đổi nên trong thiết kế, để có một công suất

ổn định Tua-bin chỉ có thể hoạt động tối ưu với một vận tốc gió

nh ất định Để đạt được những yêu cầu này, hệ thống Rotor phải có

nh ững chức năng tự điều chỉnh theo vận tốc và hướng gió và tự ngưng hoạt động bằng những hệ thống thắng để bảo đảm an toàn.

Vi ệc điều chỉnh hệ thống Rotor trước đây thường theo nguyên tắc điều chỉnh tình trạng gió trượt của cánh quạt (Stall control – pasiv

ho ặc activ), trong thập niên vừa qua việc điều chỉnh này được thực

hi ện bằng phương thức chỉnh quay mặt đón gió của cánh quạt (Pitch control).

Stall control - Điều chỉnh dòng gió thổi vào cánh quạt

Pitch control – Điều chỉnh mặt đón gió của cánh quạt

Vi ệc điều chỉnh mặt đón gió của cánh quạt thực sự là để điều chỉnh

s ố vòng quay của hệ thống Rotor Vận tốc gió luôn thay đổi nên

vi ệc điều chỉnh, tăng và giới hạn cơ năng từ dòng gió là yếu tố quan tr ọng để Tua-bin điện gió có thể hoạt động lâu dài và ổn định.

Khi v ận tốc gió lên quá cao, hệ thống cánh quạt phải tự chỉnh góc không đón gió để ngưng hoạt động, tránh hư hại cho Tua-bin điện gió.

Khi dòng gió có v ận tốc thấp, hệ thống cánh quạt phải chỉnh mặt

di ện tích đón gió cao để có được công suất tối ưu.

Khi v ận tốc gió lên cao, hệ thống cánh quạt phải giảm mặt đón gió

để tiếp tục hoạt động

H ệ thống Rotor hoạt động, cánh quạt

quay ch ỉnh mặt đón gió tối ưu (0°) ở vận

t ốc gió từ 4 đến 11 m/s

H ệ thống Rotor hoạt động, mặt cánh

qu ạt chỉnh góc đón gió từ 0 - 90° ở vận

t ốc gió từ 12 đến 25 m/s

T ừ lực tác động của gió vào bề mặt cánh quạt, cơ năng sẽ truyền đến những ổ vòng bi (Ball roller bearings) và làm quay hệ thống Rotor Nh ững vòng bi này thường có một hoặc nhiều lớp Cánh

qu ạt của những Tua-bin điện gió có công suất cao thường sử dụng vòng bi 2 l ớp có 4 điểm tiếp xúc (Four point contact bearings).

Vòng bi 4 điểm tiếp xúc loại 1 lớp Vòng bi 4 điểm tiếp xúc loại 2 lớp

Yaw control - Ch ỉnh Tua-bin điện gió theo hướng gió

Hướng gió thay đổi tùy theo từng thời điểm, vị trí và theo mùa.Tua-bin điện gió muốn đạt được hiệu quả về công suất cũng

ph ải chỉnh theo hướng gió, đặc biệt là những Tua-bin điện gió trục ngang Phương pháp chỉnh Tua-bin theo hướng gió gồm hai loại: phương pháp chỉnh thụ động và phương pháp chỉnh tích cực.

Trong phương thức chỉnh thụ động, hệ thống cánh quạt khi quay sẽ tùy theo hướng gió và quay đến vị trí có hướng gió mạnh nhất nhờ đuôi chong chóng gió (weather vane) gắn trên thùng Nacelle Tuy nhiên phương pháp này chỉ có thể áp dụng được đối với những Tua-bin điện gió có trọng lượng thấp, công suất từ 5 đến 20 kW và đường kính cánh quạt khoảng 10 mét.