Năng lượng gió (phần 3) (NĂNG LƯỢNG tái tạo SLIDE)

Ch 3: Năng lượng gió 3.9 Ước lượng lượng tuabin gió 3.10 Tính tốn đặc tính vận hành tuabin gió 3.11 Tính tốn kinh tế 3.12 Tác động mơi trường máy phát điện gió Bài giảng Phân cấp cơng suất gió Bài giảng Ước lượng lượng tuabin gió • Khơng phải tồn lượng gió giữ lại – rơto loại bỏ bớt gió tốc độ cao, cịn gió tốc độ thấp chậm để vượt qua lực cản • Tùy thuộc vào rơto, 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 PE Power to Gearbox & Electricity Generator 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 cơng 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 rơto 48 m hiệu suất tồn 30%, cơng 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 ×10 kWh/yr Bài giảng Trang trại gió • Thơng thường, có ý nghĩa lắp đặt số lượng lớn tuabin gió trang trại hay cơng 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 xun qua cánh Cơng suất lấy từ cánh: Pb = m&( v − vd ) (6.18) • Trích cơng 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 Trang trại gió • Kết nghiên cứu slide trước xem xét cụm vng, cụm vng khơng có ý nghĩa • Các cụm hình chữ nhật với vài hàng dài tốt • Khoảng cách khuyến cáo 3-5 lần đường kính rơto tháp hàng, 5-9 lần đường kính rơto hàng • Các hàng thường đặt lệch • Phổ biến theo hướng gió thịnh Bài giảng 9 Trạng trại gió – Khoảng cách tối ưu Số liệu ước tính cho GE 1.5 MW vùng trung tây tháp 80 acre 3D to 5D Figure 6.29 Khoảng cách tối ưu 3-5 lần đường kính rơ to tháp 5-9 lần hàng 7D 5D to 9D 4D Bài giảng 10 Khảo sát đường cong công suất (Weibull) • Có thể tính gần xác suất, đơn giản hóa q trình tính tốn xác suất prob ( v − ∆v / ≤ V ≤ v + ∆v / ) = ∫ v + ∆v / v − ∆v / Bài giảng f ( v ) dv ≈ f ( v ) ⋅ ∆v 28 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 cơng suất hàm mật độ xác suất phù hợp để ước lượng xác điện tạo từ tuabin gió Bài giảng 29 Ví dụ 6.15 – Ước lượng điện sinh • Xét tuabin gió NEG Micon 1000/60 (1000 kW cơng suất danh định, đường kính cánh 60 m) điểm lắp đặt có cơng 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 rơto Bài giảng 30 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 rơto tính theo ý nghĩa thuật ngữ nêu Bài giảng 31 Ước lượng điện sinh • Dù số gió hoạt động vận tốc thấp lớn, lượng mà cung cấp không đáng kể Bài giảng 32 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 cơng suất định mức (PR) số năm CF = (Năng lượng thực nhận/8760)/PR CF = Cơng suất trung bình/Cơng suất danh định • Sinh viên xem ví dụ 6.16 tài liệu Bài giảng 33 Ước lượng điện CF • Dùng đường cong cơng 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 34 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 ì = 0,324 D 2,13 ã Vậy, điện cung cấp E = 8760 × PR × CF = 8760 × 0,9 × 0,324 = 2551 kWh/năm Bài giảng 35 Tính tốn kinh tế • Vốn đầu tư kW tuabin gió giảm dần Bài giảng 36 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 tốn hàng năm (2500*0,1087 + 100) = 374, 49 USD/năm Bài giảng 37 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 38 Tính kinh tế theo quy mơ • Hiện tại, trang trại gió lớn sản xuất điện kinh tế so với nhà máy nhỏ • Các yếu tố dẫn đến chi phí thấp – Cơng suất gió tỷ lệ với diện tích qt cánh (bình phương đường kính) cịn 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 39 Các khía cạnh mơi trường điện gió • Viện Hàn lâm Quốc gia Hoa Kỳ xuất báo cáo vấn đề liên quan vào năm 2007 • Hệ thống điện gió khơng sinh nhiễm khơng khí khơng 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 nhiễm • Các ảnh hưởng khác xem xét sinh vật, chủ yếu chim dơi, người Bài giảng 40 Khía cạnh mơi trường điện gió • Tuabin gió xa bờ cần nước tương đối nơng, 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 41 Khía cạnh mơi 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 42 ...Phân cấp cơng suất gió Bài giảng Ước lượng lượng tuabin gió • Khơng phải tồn lượng gió giữ lại – rơto loại bỏ bớt gió tốc độ cao, cịn gió tốc độ thấp q chậm để vượt qua lực... 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 rơto 48 m hiệu suất tồn 30%, cơng suất trung bình tuabin gió. .. Do đó, lượng cung cấp năm Energy = 165.303 kW ×8760 hrs/yr = 1.44 ×10 kWh/yr Bài giảng Trang trại gió • Thơng thường, có ý nghĩa lắp đặt số lượng lớn tuabin gió trang trại hay cơng viên gió •