III. GIẢI QUYẾT KHể KHĂN
đảo Bạch Long Vĩ Hệ thống đốn chạy bằng năng lượng mặt trời và giú đặt tại Khu Cụng nghệ cao
đặt tại Khu Cụng nghệ cao Hũa Lạc (Hà Nội)
Năng lượng giú 1. định nghĩa :
Năng lượng giú là động năng của khụng khớ di chuyển trong bầu khớ quyển Trỏi Đất. Năng lượng giú là một hỡnh thức giỏn tiếp của năng lượng mặt trời. Sử dụng năng lượng giú là một trong cỏc cỏch lấy năng lượng xa xưa nhất từ mụi trường tự nhiờn và đó được biết đến từ thời kỳ Cổ đại.
2. Sự hỡnh thành năng lượng giú
- Bức xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt Trỏi Đất khụng đồng đều làm cho bầu khớ quyển, nước và khụng khớ núng khụng đều nhau. Một nửa bề mặt của Trỏi Đất, mặt ban đờm, bị che khuất khụng nhận được bức xạ của Mặt Trời và thờm vào đú là bức xạ Mặt Trời ở cỏc vựng gần xớch đạo nhiều hơn là ở cỏc cực, do đú cú sự khỏc nhau về nhiệt độ và vỡ thế là khỏc nhau về ỏp suất mà khụng khớ giữa xớch đạo và 2 cực cũng như khụng khớ giữa mặt ban ngày và mặt ban đờm của Trỏi Đất di động tạo thành giú. Trỏi Đất xoay trũn cũng gúp phần vào việc làm xoỏy khụng khớ và vỡ trục quay của Trỏi Đất nghiờng đi (so với mặt phẳng do quỹ đạo Trỏi Đất tạo thành khi quay quanh Mặt Trời) nờn cũng tạo thành cỏc dũng khụng khớ theo mựa.
- Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay quanh trục của Trỏi Đất nờn khụng khớ đi từ vựng ỏp cao đến vựng ỏp thấp khụng chuyển động thắng mà tạo thành cỏc cơn giú xoỏy cú chiều xoỏy khỏc nhau giữa Bắc bỏn cầu và Nam bỏn cầu. Nếu nhỡn từ vũ trụ thỡ trờn Bắc bỏn cầu khụng khớ di chuyển vào một vựng ỏp thấp ngược với chiều kim đồng hồ và ra khỏi một vựng ỏp cao theo chiều kim đồng hồ. Trờn Nam bỏn cầu thỡ chiều hướng ngược lại.
- Ngoài cỏc yếu tố cú tớnh toàn cầu trờn giú cũng bị ảnh hưởng bởi địa hỡnh tại từng địa phương. Do nước và đất cú nhiệt dung khỏc nhau nờn ban ngày đất núng lờn nhanh hơn nước, tạo nờn khỏc biệt về ỏp suất và vỡ thế cú giú thổi từ biển hay hồ vào đất liền. Vào ban đờm đất liền nguội đi nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra theo chiều ngược lại.
3. Sử dụng năng lượng giú:
-Năng lượng giú đó được sử dụng hang trăm năm nay. Con người đó dung năng lượng giú để di chuyển thuyền buồm hay khinh khớ cầu , ngoài ra năng lượng giú cũn được sử dụng để tạo cụng cơ học nhờ vào cỏc cối xay giú.
Ngày nay năng lượng giú được đa dạng trong sử dụng
Chiếc ụ tụ chạy bằng năng lượng giú đầu tiờn trờn thế giới đó ra mắt tại Sydney ngày 14-2. Chiếc xe cú tờn Wind Explorer (ảnh), đó đến Sydney sau khi hoàn thành quóng đường dài hơn 5.000km trong 3 tuần, từ TP Perth đi qua TP Adelaide và TP Melbourne với chi phớ là 16 USD.
Chiếc xe là nguyờn mẫu được thiết kế bởi Dirk Gion và Stefan Simmer trong khoảng 6 thỏng ở Đức.
-Động năng của giú được chuyển thành cơ năng như trong cối xay giú (wind mill) , hay điện năng bằng turbin-giú (wind turbine ).
-í tưởng dựng năng lượng giú để sản xuất điện hỡnh thành ngay sau cỏc phỏt minh ra điện và mỏy phỏt điện.
Mỗi cơ sở phỏt điện bằng sức giú, được gọi là trại giú (wind farm )tập trung hang trăm đến hang ngàn turbines, Dũng điện sản xuất ra cú cụng suất tổng hợp đủ mạnh để đưa vào lưới , nghĩa là hệ thống mạng kết hợp giữa nhiều nhà mỏy điện , đường dõy tải điện và đường dõy phõn phối đến tất cả cỏc nơi sử dụng .
3.1 Vật lý học về năng lượng giú
Năng lượng giú là động năng của khụng khớ chuyển động với vận tốc v. Khối lượng đi qua một mặt phẳng hỡnh trũn vuụng gúc với chiều giú trong thời gian t là:
với ρ là tỷ trọng của khụng khớ, V là thể tớch khối lương khụng khớ đi qua mặt cắt ngang hỡnh trũn diện tớch A, bỏn kinh r trong thời gian t.
Vỡ thế động năng E (kin) và cụng suất P của giú là:
Điều đỏng chỳ ý là cụng suất giú tăng theo lũy thừa 3 của vận tốc giú và vỡ thế vận tốc giú là một trong những yếu tố quyết định khi muốn sử dụng năng lượng giú.
Cụng suất giú cú thể được sử dụng, thớ dụ như thụng qua một tuốc bin giú để phỏt điện, nhỏ hơn rất nhiều so với năng lượng của luồng giú vỡ vận tốc của giú ở phớa sau một tuốc bin khụng thể giảm xuống bằng khụng. Trờn lý thuyết chỉ cú thể lấy tối đa là 59,3% năng lượng tồn tại trong luồng giú. Trị giỏ của tỷ lệ giữa cụng suất lấy ra được từ giú và cụng suất tồn tại trong giú được gọi là hệ số Betz
Cú thể giải thớch một cỏch dễ hiểu như sau: Khi năng lượng được lấy ra khỏi luồng giú, giú sẽ chậm lại. Nhưng vỡ khối lượng dũng chảy khụng khớ đi vào và ra một tuốc bin giú phải khụng đổi nờn luồng giú đi ra với vận tốc chậm hơn phải mở rộng tiết diện mặt cắt ngang. Chớnh vỡ lý do này mà biến đổi hoàn toàn năng lượng giú thành năng lượng quay thụng qua một tuốc bin giú là điều khụng thể được. Trường hợp này đồng nghĩa với việc là lượng khụng khớ phớa sau một tuốc bin giú phải đứng yờn.
3.2 Bơm nước dựng sức giú
Một trong những ứng dụng sức giú trong sản xuất là sử dụng trực tiếp năng lượng cơ học của turbin để chạy bơm nước. Trường hợp này người ta gọi là động cơ giú. Hỡnh 3.3 giới thiệu sơ đồ hoạt động của một động cơ giú trục ngang nhiều cỏnh quay để kộo bơm nước. Hệ thống bơm nước dựng sức giú kiểu này cú thể đưa nước lờn cao 100m.
Động cơ nước được thiết kế phải đạt được cỏc yờu cầu sau:
Khởi động và bắt đầu làm việc ở vận tốc 2m/s.
Làm việc với hiệu suất cao ở tốc độ giú 2,5 - 3m.
Tự động định hướng theo chiều giú và hạn chế số vũng quay khi giú quỏ mạnh, cú bộ phận tự đúng mở an toàn khi cú giú bóo lớn.
Đạt dược hiệu suất tương đối cao, kớch thước gọn nhẹ, kết cấu đơn giản, giỏ thành hạ.
Nguyờn lý làm việc của mỏy bơm chạy bằng sức giú như sau: chuyển động quay của turbin giú 1 được biến thành
chuyển động tịnh tiến của thanh truyền 4 nhờ cơ cấu biờn tay quay, qua cần bẩy 5, thanh nối 6 đến piston 7. Để đảm bảo việc tư động định hướng theo chiều giú, turbin dược đặt trờn hai ổ đỡ bi cụn và cú thể quay tự do, ống trong của ổ đỡ dược bố trớ con trượt và cơ cấu tay quay con trượt.
Cú thể tham khảo cỏc thụng số kĩ thuật của một hệ thống bơm nước chạy bằng sức giú đó được đo đạc, kiểm tra đỏnh giỏ theo kết quả tớnh toỏn lý thuyết dưới đõy:
Đường kớnh turbin: 3,3m
Tỷ số giữa tốc độ quay đầu cỏnh quạt và tốc độ giú: 1,3 Chiều cao cột đỡ : 3,5m
Khối lượng turbin: 150kg.
Nhờ cú cơ cấu tự động nờn hạn chế được tốc độ quay, đảm bảo động cơ làm việc an toàn. Khi tốc độ giú lớn hơn 7 m/s, cỏnh hướng giú sẽ chuyển động lệch đi một gúc nào đú để hạn chế tốc độ quay của turbin. Khi tốc độ giú nhỏ hơn 7 m/s cỏnh hướng giú nằm vuụng gúc với hướng giú. Khi cú giú bóo lớn hơn 14 m/s thỡ turbin ngừng quay. Mỏy cũn được thiết kế tời quay chủ động ngừng hoạt động khi dụng bóo.
3.3Mỏy phỏt điện dựng sức giú
Biến đổi sức giú thành điện năng là một biện phỏp khỏ thuận tiện trong sử dụng năng lượng giú, song hiện nay quỏ trỡnh này đũi hỏi chi phớ quỏ lớn. Trờn thị trường người ta chào
Hỡnh 3.3. Mỏy bơm nước piston chạy bằng sức giú
1. Turbin giú; 2. Trục; 3. Tay quay; 4. Thanh truyền; 5. Đũn bẩy; 6. Thanh nối; 7. Piston; 8. Cột đỡ
bỏn hàng loạt turbin giú, từ turbin cỡ nhỏ cụng suất 200W cú giỏ bỏn khoảng 2000 USD/1kW, cỡ 5 kW giỏ khoảng 600 USD/1kW, tới cỏc turbin cụng suất lớn 800 kW.
Dưới đõy giới thiệu một số mỏy phỏt điện bằng sức giú đang cú trờn thị trường.
Hỡnh 3.4. Mỏy phỏt cỡ nhỏ cụng suất 100W, đường kớnh vũng ngoài 910 mm.
Hỡnh 3.5. Mỏy phỏt cụng suất 250 và 600 W
Vỡ giú khụng thổi đều đặn nờn năng lượng điện phỏt sinh từ cỏc tuốc bin giú chỉ cú thể được sử dụng kết hợp chung với cỏc nguồn năng lượng khỏc để cung cấp năng lượng liờn tục. Tại chõu Âu cỏc tuốc bin giú được nối mạng toàn chõu Âu, nhờ vào đú mà việc sản xuất điện cú thể được điều hũa một phần. Một khả năng khỏc là sử dụng cỏc nhà mỏy phỏt điện cú bơm trữ để bơm nước vào cỏc bồn chứa ở trờn cao và dựng nước để vận hành tuốc bin khi khụng đủ giú. Cụng suất dự trữ phụ thuộc vào độ chớnh xỏc của dự bỏo giú, khả năng điều chỉnh của mạng
lưới và nhu cầu dựng điện. Xõy dựng cỏc nhà mỏy điện cú bơm trữ này là một tỏc động lớn vào thiờn nhiờn vỡ phải xõy chỳng trờn cỏc đỉnh nỳi cao.
Mặt khỏc vỡ cú ỏnh sỏng Mặt Trời nờn giú thổi vào ban ngày thường mạnh hơn vào đờm và vỡ vậy mà thớch ứng một cỏch tự nhiờn với nhu cầu năng lượng nhiều hơn vào ban ngày. Cụng suất dự trữ phụ thuộc vào độ chớnh xỏc của dự bỏo giú, khả năng điều chỉnh của mạng lưới và nhu cầu dựng điện.
Người ta cũn cú một cụng nghệ khỏc để tớch trữ năng lượng giú. Cỏnh quạt giú sẽ được truyền động trực tiếp để quay mỏy nộn khớ. Động năng của giú được tớch lũy vào hệ thống nhiều bỡnh khớ nộn. Hệ thống hàng loạt bỡnh khớ nộn này sẽ được luõn phiờn tuần tự phun vào cỏc turbine để quay mỏy phỏt điện. Như vậy năng lượng giú được lưu trữ và sử dụng ổn định hơn (dự giú mạnh hay giú yếu thỡ khớ vẫn luụn được nộn vào bỡnh, và người ta sẽ dễ dàng điểu khiển cường độ và lưu lượng khớ nộn từ bỡnh phun ra), hệ thống cỏc bỡnh khớ nộn sẽ được nạp khớ và xả khớ luõn phiờn để đảm bảo sự liờn tục cung cấp năng lượng quay mỏy phỏt điện (khi 1 bỡnh đang xả khớ quay mỏy phỏt điện thỡ cỏc bỡnh khỏc sẽ đang được cỏnh quạt giú nạp khớ nộn vào).
Nếu cộng tất cả cỏc chi phớ bờn ngoài (kể cả cỏc tỏc hại đến mụi trường thớ dụ như vỡ thải cỏc chất độc hại) thỡ năng lượng giú bờn cạnh sức nước là một trong những nguồn năng lượng rẻ tiền nhất
***sản xuất điện từ năng lượng giú trờn thế giới.
Trờn nhiều thị trường điện, năng lượng giú phải cạnh tranh với cỏc nhà mỏy điện mà một phần đỏng kể đó được khấu hao toàn bộ từ lõu, bờn cạnh đú cụng nghệ này cũn tương đối mới. Vỡ thế mà tại Đức cú đền bự giỏ giảm dần theo thời gian từ những nhà cung cấp năng lượng thụng thường dưới hỡnh thức Luật năng lượng tỏi sinh, tạo điều kiện cho ngành cụng nghiệp trẻ này phỏt triển.
Trong số 20 thị trường lớn nhất trờn thế giới, chỉ riờng chõu Âu đó cú 13 nước với Đức là nước dẫn đầu về cụng suất của cỏc nhà mỏy điện dựng năng lượng giú với khoảng cỏch xa so với cỏc nước cũn lại (bảng 3.1)
Tại Đức, Đan Mạch và Tõy Ban Nha việc phỏt triển năng lượng giú liờn tục trong nhiều năm qua được khuyến khớch bằng cỏc chớnh sỏch hỗ trợ. Nhờ vào đú mà một ngành cụng nghiệp mới đó phỏt triển tại 3 quốc gia này.
Mặc dự là cỏc quốc gia cũn lại, ngoại trừ Ai Cập với 145 MW, đều cú cụng suất lắp đặt ớt hơn 100 MW, cú thể nhận ra được là nhiều nước chỉ mới khỏm phỏ ra năng lượng giú ở những năm gần đõy và được dự đoỏn là sẽ cú tăng trưởng mạnh trong những năm sắp đến. Trong năm 2005 theo dự đoỏn sẽ cú khoảng 10.000 MW được lắp đặt mới trờn toàn thế giới mà trong đú cú vào khoảng 2.000 MW là ở Đức.
Bảng 3.1. Cụng suất điện sản xuất từ năng lượng giú trờn thế giới.
Số thứ tự Quốc gia Cụng suất
(MW) Số thứ tự Quốc gia Cụng suất (MW)
01 Đức 16.628 12 Bồ Đào Nha 523 02 Tõy Ban Nha 8.263 13 Hy Lạp 466 03 Hoa Kỳ 6.752 14 Canada 444 04 Đan Mạch 3.118 15 Thụy Điển 442
05 Ấn Độ 2.983 16 Phỏp 390
06 í 1.265 17 Úc 380
08 Nhật 940 19 New Zealand 170 09 Liờn hiệp Anh và
Bắc Ireland 897 20 Na Uy 160 10 Trung quốc 764 Cỏc nước cũn lại 951
11 Áo 607 Tổng cộng trờn
toàn thế giới 47.574 4.Cấu tạo của tuabin giú
Tua bin giú là thiết bị chuyển đổi năng lượng giú thành điện. Đặc điểm này là sự khỏc biệt chớnh của tuabin giú với “cối xay giú”, một thiết bị biến năng lượng giú thành năng lượng cơ học. Một tuabin giú điển hỡnh bao gồm cỏc phần chớnh sau đõy: