Đang tải... (xem toàn văn)
[r]
(1)Chương Năng lượng gió
1
Chương này được biên so n nh m cung c p cho sinh viên:ạ ằ ấ o T ng quan v năng lổ ề ượng gió.
o Ti m năng phát tri n năng lề ể ượng gió t i Vi t Nam.ạ ệ
o Các ki u turbine gió.ể
o C u t o và nguyên lý ho t đ ng c a turbine gió.ấ ạ ạ ộ ủ
o M i quan h gi a các thơng s trong máy phát đi n gió.ố ệ ữ ố ệ
o L u đ thi t k máy phát đi n gió cơng su t nh ư ồ ế ế ệ ấ ỏ
Câu h i chỏ ương 2:
Câu 1: Anh/ch hãy trình bày l ch s s d ng năng lị ị ử ụ ượng gió c a lồi ngủ ười?
Câu 2: Anh/ch hãy cho bi t th c tr ng, ti m năng ng d ng năng lị ế ự ề ứ ụ ượng gió t i Vi tạ ệ Nam
Câu 3: Anh/ch hãy trình bày các ki u turbine gió? So sánh máy phát đi n gió tr c đ ng vàị ể ệ ụ ứ tr c ngang? ụ
Câu 4: C u t o và nguyên lý ho t đ ng c a turbine gió?ấ ạ ộ ủ
(2)Chương Năng lượng gió
2
Chương 2: Năng lượng gió
2.1 L ch s ng d ng năng lị ử ứ ụ ượng gió
Hàng nghìn năm nay con người đã bi t khai thác s c gió đ v n hành các c máy ph c vế ứ ể ậ ỗ ụ ụ cho cu c s ng c a mình, t vi c d a vào s c gió đ dong bu m ra kh i cho đ n v nộ ố ủ ệ ự ứ ể ế ậ hành các máy b m nơ ước hay xay ngũ c c. Hình nh c i xay gió trên nh ng mi n quêố ả ố ữ ề phương Tây đã tr nên tiêu bi u qua nhi u th k [12].ở ể ề ế ỷ
Hình 2.1. Turbine gió đ u tiên c a Charles F.Brush, Cleveland, Ohio 1888 [25]ầ ủ
Đ n cu i th k 19 chi c máy phát đi n dùng s c gió đ u tiên ra đ i, v i tên g i làế ố ế ỷ ế ệ ứ ầ ọ turbinegió đ phân bi t v i c ixaygió (bi n năng lể ệ ố ế ượng gió thành c năng). Charles Fơ Brush đã t o ra chi c turbine gió có kh năng phát đi n đ u tiên trên th gi i t iạ ế ả ệ ầ ế Cleveland, Ohio vào năm 1888 [20]. Gi ng nh m t c i xay gió kh ng l có đố ộ ố ổ ường kính 17m v i 144 cánh b ng g m ng, Hình 1.1. ớ ằ ỗ ỏ Năm 1891 nhà khí tượng h c ngọ ười Đan M chạ Poul The Mule Cour xây d ng m t turbine th nghi m Askov – Đan M ch, Hình 1.2.ự ộ ệ Turbine gió này có m t rơ to b n cánh ki u cánh máy bay và có tr c quay nhanh h n.ộ ố ể ụ
(3)Chương Năng lượng gió
3
s ngư ười Pháp George Darrieus phát minh ra turbine gió tr c đ ng Darrieus. D a vàoụ ứ ự nguyên lý kéo, turbine này có hai (ho c nhi u h n) cánh m m d ng cánh máy bay. M tặ ề ề ộ đ u cánh g n đ nh và m t đ u g n xu ng đáy c a tr c đ ng chính turbine, gi ng nhầ ắ ỉ ộ ầ ắ ố ủ ụ ứ ố ư m t cái máy đánh tr ng kh ng l Sau đó nh ng m u thi t k độ ứ ổ ữ ẫ ế ế ược c i ti n v i cánhả ế qu t có rãnh đ hi u su t turbine cao h n. ạ ể ệ ấ
Năm 1950 k s Johannes Juhl, đã phát tri n turbine gió 3 cánh có kh năng phát đi nỹ ể ả ệ xoay chi u, đây chính là ti n thân c a turbine gió Đan M ch hi n đ i. Cu c kh ng ho ngề ề ủ ệ ộ ủ ả d u ho vào năm 1973, đã làm cho con ngầ ả ười quan tâm tr l i đ n tính thở ế ương m i c aạ ủ năng lượng gió và làm ti n đ cho s phát tri n cơng ngh cao h n t i Đan M ch vàề ề ự ể ệ ạ Califonia
Hình 2.2. Turbine gió c a Poul la Cour, Askov, Đan M ch năm 1897ủ [25]
Hình 2.3. Turbine gió tr c đ ng ki u Savonius [26]ụ ứ ể
(4)Chương Năng lượng gió
4
tri n đ u ti n hành trên turbine tr c ngang, m c dù v n có các nghiên c u sâu h n trênể ề ế ụ ặ ẫ ứ m u thi t k tr c đ ng Darrieus Canada và M vào nh ng năm 1970 và ẫ ế ế ụ ứ ỹ ữ 1980, mà đ cao c a nó là chi c máy v i đủ ế ường kính rơ to là 100m có cơng su t 4.2MW v i tên g iấ ọ “Eole C” t i Cap Chat – Quebec, Hình 1.4. Tuy nhiên nó ch v n hành đạ ỉ ậ ược có 6 tháng thì h h ng cánh qu t, do s c ch u đ ng c a cánh qu t q kém.ư ỏ ứ ị ự ủ
Hình 2.4. Turbine gió tr c đ ng Darrieus ki u “Eole C”, Cap Chat, Quebecụ ứ ể [4]
Châu Âu d n đ u trong lĩnh v c năng lẫ ầ ự ượng gió, vào năm 1982 cơng su t t i đa c a cácấ ố ủ turbine gió ch có 50 kW. Đ n năm 1995 các turbine gió thỉ ế ương m i đã đ t cơng su t lênạ ấ g p 10 l n, t c kho ng 500 KW. Trong th i gian đó, chi phí xây d ng các turbine gióấ ầ ứ ả ự gi m đ t ng t, chi phí s n xu t đi n năng gi m đi m t n a. M t s lả ộ ộ ả ấ ệ ả ộ ộ ố ượng l n turbine gióớ t c l n tr thành lo i c c nh , vì s n lừ ỡ ự ỏ ả ượng c a chúng ch vài kWh/tháng. Các turbineủ ỉ gió ngày nay được xây d ng v i kích thự ước lên đ n 3 MW và đế ường kính là 100m. Hi nệ nay có nhi u nhà máy s n xu t turbine gió kích thề ả ấ ướ ớc l n
Năng lượng gió trên th gi i hi n đang trong th i k phát tri n r c r nh t, đ c bi t làế ệ ỳ ể ự ỡ ấ ặ ệ các Nước C ng đ ng châu Âu, cơng ngh turbine gió có th gi i quy t độ ệ ể ả ế ược các v n đ :ấ ề c n ki t ngu n tài ngun hóa th ch, hi u ng nhà kính, tn th các đi u kho n trongạ ệ ệ ứ ủ ề ả Ngh đ nh Th Kyoto v hi n tị ị ề ệ ượng trái đ t m d n lên.ấ ấ ầ
(5)Chương Năng lượng gió
5
cơng ngh năng lệ ượng nào làm được. M c dù ph i đ i di n v i nhi u khó khăn trongặ ả ố ệ ề khâu truy n t i, cung c p, nh ng th trề ả ấ ị ường năng lượng gió c a năm 2006 tăng m t cáchủ ộ chóng m t t i 32% s n lặ ả ượng năm 2005 [25]
Hình 1.5. Bi u đ tăng trể ưởng cơng su t l p đ t năng lấ ắ ặ ượng gió theo năm
Năm 2006 t ng s n lổ ả ượng đi n gió tồn c u đ t 74.223 MW, t c tăng thêm 15.197 MW soệ ầ ứ v i năm 2005 là 59.091MW [5]. Nh ng nớ ữ ước có s n lả ượng cao n tấ ượng nh t là:ấ
• Đ c : 20.621 MWứ
• Tây Ban Nha : 11.615 MW
• Hoa K : 11.603 MWỳ • Ấn Đ : 6.270 MWộ • Đan M ch : 3.136 MWạ
V i tình hình phát tri n nhanh chóng nh hi n nay t i các nớ ể ệ ước châu Âu, cho th y s nấ ả lượng c a các nủ ước này s cịn ti p t c tăng. M và Canada cũng tích c c phát tri n mẽ ế ụ ỹ ự ể ở r ng tăng công su t năng lộ ấ ượng gió
Các nước Trung Đơng, Vi n Đơng và Nam M cũng b t đ u đ a năng lễ ỹ ắ ầ ượng gió vào n nề cơng nghi p năng lệ ượng c a nủ ước mình. Hi n t i các nệ ước này có nh ng d án phát tri nữ ự ể đ n năm 2010 đ t đế ượ ả ược s n l ng là 150 GW
T c đ m r ng ph thu c vào m c đ h tr c a chính ph , chính quy n các nố ộ ộ ụ ộ ứ ộ ỗ ợ ủ ủ ề ước cũng nh c ng đ ng qu c t Đây cũng là trách nhi m chính cho các nư ộ ố ế ệ ước trong vi c tuân thệ ủ c t gi m lắ ả ượng khí th i Carbon Dioxide theo Ngh Đ nh Th Kyoto v c t gi m khí th iả ị ị ề ắ ả ả gây hi u ng nhà kính.ệ ứ
(6)Chương Năng lượng gió
6
T các s li u kh o sát [10], cho th y hi n nay ngành công nghi p năng lừ ố ệ ả ấ ệ ệ ượng gió phân tán này có 7 phân đo n th trạ ị ường, bao g m:ồ
Lo i c nh cho vùng h o lánh hay vùng khơng có lạ ỡ ỏ ẻ ưới đi n qu c gia.ệ ố Lo i dùng cho nhà riêng có lạ ưới đi n qu c gia.ệ ố
Trang tr i, cơng ty và các ng d ng gió cơng nghi p c nh ứ ụ ệ ỡ ỏ Lo i c nh dùng cho cho c m dân c ỡ ỏ ụ
Các h th ng gió diesel.ệ ố B m nơ ướ ước t i tiêu
Kh mu i trong nử ố ước.
B ng 1.1. ả T ng công su t l p đ t (MW) trên th gi i đ n năm 2020ổ ấ ắ ặ ế ế
Năm Offgrid H gia đìnhộ Nơng tr i/cơngạ nghi p/cơng tyệ
C m dân cụ Gió/diesel Cỡ
Turbine 5kW 12.5kW
Large : 325 kW
Net Bill : 30Kw 750kW 200kW
2005 3.261 14 8.250 10
2010 3.118 36 154 17.250 310
2015 6.275 99 410 40.125 1.810
2020 10.693 286 666 95.625 3.810
2.2 Nguyên lý c b n c a năng lơ ả ủ ượng gió
(7)Chương Năng lượng gió
7
ph ng do qu đ o Trái Đ t t o thành khi quay quanh M t Tr i) nên cũng t o thành cácẳ ỹ ấ ặ dịng khơng khí theo mùa
Do b nh hị ả ưởng b iở hi u ng Coriolisệ ứ đượ ạc t o thành t s quay quanh tr c c a Tráiừ ự ụ ủ Đ t nên khơng khí đi t vùng áp cao đ n vùng áp th p khơng chuy n đ ng th ng mà t oấ ế ấ ể ộ ắ thành các c n gió xốy có chi u xốy khác nhau gi a B c bán c u và Nam bán c u. N uơ ề ữ ắ ầ ầ ế nhìn t vũ tr thì trên B c bán c u khơng khí di chuy n vào m t vùng áp th p ngừ ụ ắ ầ ể ộ ấ ược v iớ chi u kim đ ng h và ra kh i m t vùng áp cao theo chi u kim đ ng h Trên Nam bánề ồ ỏ ộ ề ồ c u thì chi u hầ ề ướng ngượ ạc l i
Ngồi các y u t có tính tồn c u trên gió cũng b nh hế ố ầ ị ả ưởng b i đ a hình t i t ng đ aở ị ị phương. Do nước và đ t cóấ nhi t dungệ khác nhau nên ban ngày đ t nóng lên nhanh h nấ nước, t o nên khác bi t v áp su t và vì th có gió th i t bi n hay h vào đ t li n. Vàoạ ệ ề ấ ế ổ ể ấ ề ban đêm đ t li n ngu i đi nhanh h n nấ ề ộ ước và hi u ng này x y ra theo chi u ngệ ứ ả ề ượ ạc l i Năng lượng gió là đ ng năngộ c a khơng khí chuy n đ ng v i v n t củ ể ộ ậ ố Kh i lố ượng đi qua m t m t ph ng hình trịn vng góc v i chi u gió trong th i gianộ ặ ẳ ề là:
(2.1)
v i là t tr ng c a khơng khí, V là th tích kh i lớ ρ ỷ ọ ủ ể ố ương khơng khí đi qua m t c t ngangặ ắ hình trịn di n tích A, bán kinh r trong th i gian t.ệ
Vì th đ ng năng E (kin) và cơng su t P c a gió là:ế ộ ấ ủ
(2.2)
(2.3)
(8)Chương Năng lượng gió
8
Cơng su t gió có th đấ ể ượ ục s d ng, thí d nh thơng qua m tụ ộ tu c bin gióố đ phát đi n,ể ệ nh h n r t nhi u so v i năng lỏ ấ ề ượng c a lu ng gió vì v n t c c a gió phía sau m tủ ậ ố ủ ộ tu c bin khơng th gi m xu ng b ng khơng. Trên lý thuy t ch có th l y t i đa là 59,3%ố ể ả ố ằ ế ỉ ể ấ ố năng lượng t n t i trong lu ng gió. Tr giá c a t l gi a cơng su t l y ra đồ ị ủ ỷ ệ ữ ấ ấ ượ ừc t gió và cơng su t t n t i trong gió đấ ược g i là h s Betz, doọ ệ ố Albert Betz tìm ra vào năm 1926 Có th gi i thích m t cách d hi u nh sau: Khi năng lể ả ộ ễ ể ượng đượ ấc l y ra kh i lu ng gió,ỏ gió s ch m l i. Nh ng vì kh i lẽ ậ ố ượng dịng ch y khơng khí đi vào và ra m t tu c bin gióả ộ ố ph i khơng đ i nên lu ng gió đi ra v i v n t c ch m h n ph i m r ng ti t di n m t c tả ổ ậ ố ậ ả ộ ế ệ ặ ắ ngang. Chính vì lý do này mà bi n đ i hồn tồn năng lế ổ ượng gió thành năng lượng quay thơng qua m t tu c bin gió là đi u khơng th độ ố ề ể ược. Trường h p này đ ng nghĩa v i vi cợ ệ là lượng khơng khí phía sau m t tu c bin gió ph i đ ng n.ộ ố ả ứ
2.3 Năng lượng gió t i Vi t Nam ạ ệ
Ti m năng v năng lề ề ượng gió Vi t Nam ch vào lo i trung bình. H u h t, các khu v cệ ỉ ầ ế ự trên đ t li n có năng lấ ề ượng gió th p khai thác khơng hi u qu Ch có m t vài n i, do cóấ ệ ả ỉ ộ đ a hình đ c bi t nên gió tị ặ ệ ương đ i khá tuy nhiên công su t l i không l n. Ch d c theoố ấ ỉ ọ b bi n và trên các h i đ o năng lờ ể ả ả ượng gió t t h n. N i có ngu n năng lố ơ ượng t t nh t làố ấ đ o B ch Long Vĩ, t c đ trung bình năm đ t đả ố ộ ượ ừc t 7.17.3m/s. Ti p đ n là các khuế ế v c đ o Trự ả ường Sa, Phú Q, Cơn Đ o có t c đ gió trong kho ng 4.0 6.6m/s. Tuyả ố ộ ả nhiên cũng nên nói thêm r ng ti m năng năng lằ ề ượng gió Vi t Nam ch a đệ ược đi u traề đánh giá đ y đ vì ph n l n s li u v năng lầ ủ ầ ố ệ ề ượng gió ch y u ch thu th p qua các tr mủ ế ỉ ậ Khí tượng Th y văn, t c ch đo đ cao t 10m đ n 12m trên m t đ t. Chúng ta đangủ ứ ỉ ộ ế ặ ấ thi u s li u v năng lế ố ệ ề ượng gió các đ cao trên 40m. Hi n nay đang có kho ng 10 c tở ộ ệ ả ộ đo gió đ cao t 30m đ n 60m [9].ở ộ ế
(9)Chương Năng lượng gió
9
đượ ằc r ng năng lượng gió s là gi i pháp t t cho kho ng 300000 h c dân nơng thơnẽ ả ố ả ộ khơng có đi n. Trong khi năng lệ ượng gió có th mang đ n nh ng l i ích v môi trể ế ữ ợ ề ường, kinh t , xã h i… Nh ng hi n nay lế ộ ệ ượng đi n năng khai thác t gió g n nh là con sệ ầ ố khơng. Nhà nước cũng ch a có chính sách h tr , khuy n khích nào cho năng lư ỗ ợ ế ượng gió. Vì v y, nhi m v u tiên hàng đ u hi n nay là đ t m c tiêu cho phát tri n năng lậ ệ ụ ầ ệ ặ ụ ể ượng tái sinh và đ tìm tịi nghiên c u cơng ngh m i phù h p v i Vi t Nam. ể ứ ệ ợ ệ
Theo s li u c a Ngân Hàng Th Gi i [14] kh o sát năm 2000 thì Vi t Nam do đi u ki n đ aố ệ ủ ế ả ệ ề ệ ị lý và th i ti t gi a các vùng là khác nhau nên t c đ gió trung bình và chi u gió có s khácờ ế ữ ố ộ ề ự nhau:
Vùng Tây B c Vi t Nam (Lai Châu, Đi n Biên S n La) có v n t c gió trung bình hàngắ ệ ệ ậ ố năm kho ng t 0.5 – 1.9m/s.ả
Khu v c mi n núi phía B c (Cao B ng, L ng S n, Sa Pa) có v n t c gió trung bìnhự ề ắ ằ ậ ố cao h n, nh ng cũng ch kho ng t 1.5 – 3.1m/s, v n t c c c đ i trung bình kho ng trênơ ỉ ả ậ ố ự ả 40m/s
Đ ng B ng B c B (Tam Đ o, Hà N i) có v n t c gió trung bình kho ng 2.0 –ồ ằ ắ ộ ả ộ ậ ố ả 3.5m/s. V n t c trung bình c c đ i trên 35m/s.ậ ố ự
Vùng b bi n t Móng Cái t i Hịn Gai, Phú Liên, Thanh Hóa, Vinh, Đ ng H i có v nờ ể ớ ậ t c gió trung bình tăng, kho ng 2.0 – 4.0m/s. C c đ i trên 50m/s.ố ả ự
Vùng b bi n t Hu t i Tuy Hòa (Hu , Đà N ng, Qu ng Ngãi, Quy Nh n, Tuy Hòa)ờ ể ế ế ẵ ả có v n t c gió trung bình khá n đ nh kho ng 3.0 5.0m/s. C c đ i trên 35m/s.ậ ố ổ ị ả ự
Vùng b bi n t Nha Trang t i R ch Giá (Nha Trang, Phan Thi t, Vũng Tàu, Phúờ ể ế Qu c, R ch Giá) có v n t c trung bình 2.4–6.1m/s, c c đ i trên 30m/s.ố ậ ố ự
(10)Chương Năng lượng gió
10
Tây Ngun (Đà L t, Pleiku) có v n t c gió trung bình kho ng 2.4–4.5m/s, c c đ iạ ậ ố ả ự ạ 24m/s.
Nh ng d án năng lữ ự ượng gió đã và đang tri n khai t i Vi t Namể ệ : nhà máy phát đi n s cệ ứ gió đ u tiên Vi t Nam ph i k đ n là nhà máy đ t t i huy n đ o B ch Long V , TPầ ệ ả ể ế ặ ệ ả ỹ H i Phịng. Cơng su t 800KW v i v n đ u t 0.87 tri u USD (14 t đ ng). Nh v y, v iả ấ ố ầ ệ ỉ ậ ớ giá bán đi n 0.05USD/KWh (750VNĐ/KWh) thì th i gian hồn v n là 7 8 năm. Th c tệ ố ự ế cho th y, m c dù trong năm 2005, đã có 3 c n bão l n, t c đ gió đ u vấ ặ ố ộ ề ượt qua c p 12ấ nh ng turbine gió phát đi n v n v n hành an tồn. Nhà máy đi n gió th 2 c a c nư ệ ẫ ậ ệ ứ ủ ả ước đ t huy n đ o Lý S n (Qu ng Ngãi) v n hành b ng s c gió, có k t h p máy phát đi nặ ệ ả ả ậ ằ ứ ế ợ ệ diesel v i t ng công su t 7MW, t ng v n đ u t g n 200 t đ ng. D án đớ ổ ấ ổ ố ầ ầ ỷ ự ược chia làm 3 giai đo n: giai đo n 1 đạ ược th c hi n trong hai năm 2007 và 2008 có cơng su t 2.5 MW,ự ệ ấ v n đ u t 80 t đ ng cung c p cho 4000 h dân v i g n 20000 nhân kh u. Giai đo n 2ố ầ ỷ ấ ộ ầ ẩ nâng công su t lên 5MW th c hi n trong các năm 2008 2009 và giai đo n 3 đấ ự ệ ược th cự hi n trong các năm 2009 2012 s công su t lên trên 10MW.ệ ẽ ấ
Nhi u d án đi n gió r t l n v i m c tiêu hòa vào lề ự ệ ấ ớ ụ ưới đi n qu c gia v n đang đệ ố ẫ ược xúc ti n. D án xây d ng Nhà máy phong đi n 3, t i khu kinh t Nh n H i, t nh Bình Đ nhế ự ự ệ ế ộ ỉ ị v i t ng v n đ u t h n 35.7 tri u USD. Theo thi t k , nhà máy đớ ổ ố ầ ệ ế ế ược đ u t xây d ngầ ự toàn b 14 turbine, 14 máy bi n áp đ ng b cùng các trang thi t b và d ch v kèm theo.ộ ế ộ ế ị ị ụ S n lả ượng đi n h ng năm c a nhà máy hoà vào lệ ằ ủ ưới đi n qu c gia đ t kho ng 55 tri uệ ố ả ệ kWh sau khi nhà máy đi vào ho t đ ng cu i năm 2008. Hi n t i, nhà máy đi n gió đangạ ộ ố ệ ệ được xây d ng t i Bình Thu n v i cơng su t khá l n.ự ậ ấ
M t Tr i Trái Đ t xích đ o hi u ng Coriolis nhi t dung