2.4. Ƣu và nhƣợc điểm của năng lƣợng gió. 2.4.1. Ƣu điểm. 2.4.1. Ƣu điểm.
Năng lƣợng gió là nguồn năng lƣợng cạnh tranh: ngày nay năng lƣợng gió đã
đƣợc nghiên cứu kĩ, và giá thành có thể cạnh tranh với các nguồn năng lƣợng khác. Năm 2006, trong báo cáo của viện nghiên cứu năng lƣợng mới, giá thành năng lƣợng gió chỉ cao hơn nhà máy điện chạy năng lƣợng than đá một ít và tƣơng đƣơng với năng lƣợng khí thiên nhiên, nhƣng khơng thải khí CO2 .
Năng lƣợng gió có thể dự đoán trƣớc: giá dầu, ga thiên nhiên, than đá và các
nhiên liệu khác dao động lên xuống khơng dự đốn đƣợc. Giá của năng lƣợng gió là dự đốn đƣợc – nó miễn phí. Đây là nguồn động lực lớn cho ngƣời dân và chính phủ đầu tƣ tiền vào.
Năng lƣợng gió nhanh: nhanh ở đây có nghĩa là một nhà máy điện chạy bằng
sức gió đƣợc xây dựng nhanh chóng, điều này có ý nghĩa lớn với các quốc gia đang thiếu điện nhƣ nƣớc ta.
Năng lƣợng gió độc lập: chúng ta biết gió là nguồn năng lƣợng vơ tận và khơng
thuộc quyền quản lý của một tổ chức nào, mọi ngƣời dân, tổ chức đều có quyền sử dụng năng lƣợng gió.
Năng lƣợng gió là nguồn năng lƣợng sạch: ƣu điểm dễ thấy nhất của điện bằng
sức gió là khơng tiêu tốn nhiên liệu, khơng gây ô nhiễm môi trƣờng nhƣ các nhà máy điện, dễ chọn địa điểm và tiết kiệm đất xây dựng, khác hẳn với các nhà máy thủy điện chỉ có thể xây dựng gần dịng nƣớc mạnh với những điều kiện đặc biệt và cần diện tích rất lớn cho hồ chứa nƣớc. Các Tua-bin gió sau khi đã hết tuổi thọ hoạt động có thể tái chế đến 80%.
Các trạm điện bằng sức gió có thể đặt gần nơi tiêu thụ điện, nhƣ vậy sẽ tránh
đuợc chi phí cho việc xây dựng đƣờng dây tải điện. Ngày nay điện bằng sức gió đã trở nên rất phổ biến, thiết bị đƣợc sản xuất hàng loạt, cơng nghệ lắp ráp đã hồn thiện nên chi phí cho việc hồn thành một trạm điện bằng sức gió hiện nay thấp và thời gian chỉ khoảng 1-2 năm.
2.4.2. Nhƣợc điểm.
Điểm bất thuận lợi chính yếu của nguồn năng lƣợng gió là phụ thuộc vào thiên nhiên. Dù cơng nghệ gió đang phát triển cao, và giá thành của một Tua-bin gió giảm dần từ hơn 10 năm qua, xét về chất lƣợng điện năng thì mức đầu tƣ ban đầu cho nguồn năng lƣợng này vẫn còn cao hơn mức đầu tƣ các nguồn năng lƣợng cổ điển.
Gió đến từ thiên nhiên cho nên khơng đáp ứng đƣợc những nhu cầu cần thiết của con ngƣời, vì con ngƣời khơng thể kiểm sốt đƣợc nguồn gió và nguồn điện năng này không thể giữ lại đƣợc và điện dƣ thừa trừ khi chuyển điện qua các bình điện dự trữ, rất tốn kém và không hiệu quả kinh tế.
Nguồn gió nhiều và đều đặn thƣờng ở khu vực xa thành phố, do đó ngồi việc sử dụng tại chỗ, điện năng từ gió khó đƣợc chuyển về các khu đông dân cƣ. Do đó, trƣớc khi có những biện pháp nhằm giải quyết các bất lợi trên, năng lƣợng từ gió có thể xem nhƣ một nguồn năng lƣợng dự phịng ngồi các nguồn năng lƣợng chính yếu khác.
Ảnh hƣởng đáng lƣu tâm của Tua-bin gió là gây ra tiếng động làm đảo lộn các luồng gió trong khơng khí có thể làm xáo trộn hệ sinh thái của các loài chim hoang dã và gây ra nhiều trở ngại cho việc phát sóng trong truyền thanh và truyền hình.
Tất nhiên, gió là dạng năng lƣợng vơ hình và mang tính ngẫu nhiên rất cao nên khi đầu tƣ vào lĩnh vực này cần có các số liệu thống kê đủ tin cậy. Nhƣng chắc chắn chi phí đầu tƣ cho điện bằng sức gió thấp hơn so với thủy điện.
CHƢƠNG 3: TUA-BIN ĐIỆN GIÓ.
3.1. Nguyên tắc.
Tua-bin điện gió là thiết bị dùng chuyển động năng của sự vận chuyển khơng khí thành cơ năng và từ cơ năng chuyển thành điện năng để cung cấp cho tải tiêu thụ. Để tạo đƣợc một Tua-bin điện gió dựa trên nhiều kiến thức trong các lĩnh vực nhƣ: cơ khí, điện, điện tử, khí tƣợng v.v… Trong những thập niên vừa qua, việc nghiên cứu, thử nghiệm và đƣa vào hoạt động có nhiều tiến triển đặc biệt. Cấu trúc Tua-bin gió hiện đại gồm các phần:
Cánh quạt.
Hệ thống rotor.
Hệ thống điều chỉnh mặt đón gió của cánh quạt.
Hệ thống quay, trục và bộ phận thắng.
Máy phát điện với hộp số hoặc không dùng hộp số.
Hệ thống chỉnh lƣu tua-bin theo hƣớng gió tại đầu trục.
Hệ thống điều khiển và thiết bị điện.
Hệ thống chống sét, chống cháy nổ.
Cơng nghệ điện gió theo thị trƣờng có thể chia thành ba nhóm: nhóm tua-bin loại nhỏ có cơng suất từ 0,4 đến 100 kW, nhóm loại trung từ 100 đến 999 kW và nhóm loại lớn từ 1 MW trở lên.
Trong tua-bin điện gió gồm 2 loại: loại trục đứng và loại trục ngang.
Tua-bin trục đứng Darrieus tại Tua-bin trục đứng H Darrieus Heroldstat -CHLB Đức. tại Nam cực.
Hình 3.2: Tua-bin điện gió loại trục đứng.
Ƣu điểm: khơng lệ thuộc vào hƣớng gió. Hệ thống hộp số và máy phát nằm gần mặt đất nên dễ dàng bảo trì. Tua-bin khơng cần thùng Nacelle và chân trụ không cao nhƣ Tua-bin trục ngang. Lực tác động vào cánh quạt phân bố đều, trục quay không bị cong vì trọng lƣợng hệ thống trục và momen xoắn. Cánh quạt cấu hình giản dị, dễ sản xuất, chi phí thấp.
Nhƣợc điểm: Hệ số công suất tƣơng đối thấp, tối đa 40%. Lực tác động và lực ly tâm luôn thay đổi nên ảnh hƣởng đến sức bền vật liệu.
Hình 3.3: Tuabin điện gió loại trục ngang.
Ƣu điểm: Hệ số công suất cao. Hệ số tốc độ gió đầu cánh cao. Cơng suất tạo ra cao hơn.
Nhƣợc điểm: Lực tác động và lực xoắn không đƣợc phân bố đều nên độ bền những chi tiết cơ bị ảnh hƣởng. Độ rung hệ thống không ổn định. Độ ồn phát sinh cao.
Thời gian đầu của công nghiệp điện gió, tua-bin trục ngang đƣợc thiết kế có hƣớng đón gió từ phía sau (down wind rotor) nhƣng phƣơng pháp này có nhiều nhƣợc điểm nhƣ dịng gió ln bị nhiễu động do gió thổi vào thân trụ rồi mới đến cánh quạt, đặc biệt đối với những trụ điện có cơng suất cao, lực tác động vào tua-bin điện gió khơng đƣợc phân bố đều làm ảnh hƣởng đến độ bền của cánh quạt và của cả hệ thống, ngoài ra độ ồn phát sinh cao và có khả năng dây cáp điện bên trong thân trụ bị cuốn khi tua-bin điện gió quay nhiều về một hƣớng. Ƣu điểm của loại tua-bin điện gió này là khơng cần hệ thống chỉnh hƣớng gió vì tua-bin nhẹ nên tự quay đƣợc mặt sau đến chiều hƣớng gió.
Tua-bin đón gió từ phía sau Tua-bin đón gió từ phía trước (down wind rotor) (up wind rotor)
Hình 3.4: Hướng đón gió của tua-bin.
Với ƣu điểm này loại tua-bin điện gió trục ngang đón hƣớng gió từ phía sau chỉ thích hợp cho những loại tua-bin có cơng suất thấp. Từ khoảng năm 1995 tua-bin điện gió đƣợc thiết kế với ngun tắc đón gió từ phía sau khơng cịn đƣợc sử dụng rộng rãi. Phần lớn những loại tua-bin điện gió hiện đại đƣợc thiết kế có hƣớng đón gió từ phía trƣớc (up wind rotor).
Bảng 3.1: Tỉ lệ tua-bin điện gió đón gió từ phía sau và đón gió từ phía trước.
Tỉ lệ phần trăm tua-bin đón gió từ phía sau và phía trƣớc
Năm 1989 1990 1991 1992 1994 1995
Tua-bin đón gió từ phía sau 18% 8% 7% 4% 1% 0%
Tua-bin đón gió từ phía trƣớc 82% 92% 93% 96% 99% 100%
Việc điều chỉnh nguồn gió ổn định để sử dụng tƣơng đối phức tạp, tuy nhiên trong những năm gần đây yếu tố này đã đƣợc hạn chế một phần do cánh quạt đƣợc
đƣợc tua-bin theo hƣớng gió tại đầu thân trụ. Ngoài ra hệ thống điều khiển sự hoạt động của tua-bin điện gió và những hệ thống khác đặt trong thùng Nacelle hoặc trong thân trụ hoặc bên ngoài cũng đƣợc cải thiện hoàn chỉnh hơn.
1. Cánh quạt 11. Máy phát điện 2. Đùm 12. Vòng nối trục 3. Khung, giá đỡ 13. Bánh thắng Rotor 4. Bộ phận nối Azimuth 14. Hộp số
5. Bộ phận thắng Azimuth 15. Giá đỡ hộp số 6. Động cơ Azimuth 16. Truc Rotor 7. Ca-bin 17. Ổ đỡ trục
8. Không gian hở cho cẩu 18. Bộ phận nối Pitch 9. Hệ thống trao đổi nhiệt lƣợng 19. Động cơ Pitch 10. Thiết bị đo gió
Hình 3.5: Mặt cắt tua-bin điện gió sử dụng hộp số Nordex N100/2500-Đường kính cánh quạt: 99,8m-cơng suất 2,5MW.
3.2. Cánh quạt.
Cánh quạt tua-bin điện gió là bộ phận đón gió để quay và chuyển cơ năng vào hộp số rồi vào máy phát điện hoặc chuyển thẳng cơ năng vào máy phát điện nam châm vĩnh cửu. Dựa trên những nguyên tắc về khí động lực học, cánh quạt đƣợc tạo dáng,
thiết kế phù hợp với những tình trạng khác biệt của dịng khơng khí chuyển động nhƣ tốc độ gió, hƣớng gió, áp suất, mật độ, độ ẩm và nhiệt độ tại mơi trƣờng khơng khí của nơi lắp đặt tua-bin điện gió. Những cánh quạt tua-bin điện gió hiện đại thƣờng đƣợc làm bằng những vật liệu composite có độ bền cao và nhẹ kết hợp với nhơm hoặc thép cứng.
Cấu hình cánh quạt đƣợc thiết kế thon và dài, bên trong thân cánh rỗng và có những phần chịu lực, bề mặt là những lớp nhựa tổng hợp và sơn bảo vệ. Đƣờng kính cánh quạt tùy theo cơng suất, lớp gió tiêu chuẩn của tua-bin và cơng nghệ nên có kích thƣớc khác nhau
Ví dụ: Tua-bin điện gió Nordex N150-6000 cơng suất 6MW, đƣờng kính cánh
quạt là 150m hoặc Siemens E-SWT-6.0-154 đƣờng kính cánh quạt là 154m hoặc tua- bin điện gió Enercon E-126 cơng suất 7,5MW đƣờng kính cánh quạt là 127m hoặc Vestas V90 cơng suất 2MW đƣờng kính cánh quạt là 90m
3.2.1. Định luật Betz trong ứng dụng thiết kế cánh quạt.
Năng lƣợng gió là nguồn năng lƣợng do chuyển động của khơng khí với một tốc độ trong một thời gian nhất định. Theo định luật Betz, (Nhà vật lý ngƣời Đức – Albert Betz 1885-1968) về Động lực học khí quyển thì nguồn năng lƣợng gió này khơng thể chuyển tất cả sang một loại năng lƣợng khác.
Khi một khối lƣợng gió thổi vào tua-bin điện gió làm cánh quạt quay, năng lƣợng của gió chuyển vào cánh quạt thành cơ năng. Nguồn năng lƣợng mà gió chuyển vào cánh quạt phụ thuộc vào vận tốc gió, mật độ của khơng khí và diện tích mặt đón gió của cánh quạt.
Cơ năng E của một khối lƣợng khơng khí m chuyển động với tốc độ v là:
2 1 . 2 E m v Trong đó:
E: Cơ năng của năng lƣợng gió [Nm]. m: Khối lƣợng khơng khí [kg].
Thể tích khối lƣợng khơng khí chuyển động qua một mặt phẳng A trong một đơn vị thời gian là:
V = v.A
Khối lƣợng khơng khí chuyển động cịn phụ thuộc vào mật độ của khơng khí
.
. .
m A v
Công suất P thu đƣợc lệ thuộc vào khối lƣợng khơng khí chuyển động, tốc độ gió, mật độ của khơng khí , thiết diện A của vịng quay cánh quạt.
2 3 1 1 . . . 2 2 P m v A v Trong đó: P: Công suất [W]. m: Khối lƣợng khơng khí [kg/s]. v: Tốc độ gió [m/s]. : Mật độ của khơng khí [kg/m3].
A: Thiết diện của vòng quay cánh quạt [m2]. Với sự khác biệt của tốc độ gió tại cánh quạt và sau cánh quạt thì:
1 1 2 2 . . . . m A v A v Và công suât P sẽ là : 2 2 2 2 1 1 1 2 1 2 1 1 . . (v ) (v ) 2 2 P v A v m v
m : Khối lƣợng khơng khí. v1 : Tốc độ gió.
vT : Tốc độ gió tại cánh quạt. v2 : Tốc độ gió sau cánh quạt. A : Thiết diện của dịng gió đi qua. Tốc độ gió tại tâm cánh quạt vT là :
1 2
2
T
v v v
Khối lƣợng khơng khí tại cánh quạt là :
1 2 1 . . . .( ) 2 T m A v A v v Công suất P sẽ là : 2 2 1 2 1 2 1 1 . ( ). ( ) 2 2 P A v v v v
Hệ số công suất lý tƣởng CP đƣợc tính theo cơng suất thực của gió và cơng suất tua-bin có thể thu đƣợc : 2 2 1 2 1 2 3 0 1 1 . .(v ).( ) 4 1 . . 2 P A v v v P C P A v
Tỉ lệ giữa tốc độ gió tại cánh quạt và phía sau là v2/v1 nên hệ số này chỉ lệ thuộc vào lực cản gió và hệ số cơng st sẽ là :
2 3 2 2 2 1 1 1 1 1 2 P v v v C v v v
Hình 3.7: Tỉ số vận tốc v2/v1.
CP cực đại khi vận tốc là: v2/v1 = 1/3 nên:
Khi tua-bin điện gió có diện tích cánh quạt cố định A, cơng suất thu đƣợc khơng bị thất thốt là P, mật độ của khơng khí khơng thay đổi, áp suất phía trƣớc và sau cánh quạt khơng khác biệt thì tua-bin điện gió chỉ có thể thu đƣợc từ cánh quạt với hệ số công suất CP tối đa là :
CPmax=16/27=0,59259
Nhƣ thế động năng thu đƣợc trong dịng gió là 59,259%. Tỉ lệ cơng suất tối đa thu đƣợc này vì thế đƣợc gọi là hệ số công suất Betz hoặc hệ số Betz.
Định luật bảo toàn động lƣợng là cơ sở của nguồn cơ năng từ gió của hệ thống cánh quạt. Theo nguyên lý cơ bản về cánh quạt thì cơng suất thu đƣợc phụ thuộc vào cấu hình của cánh quạt và những nhân tố của dịng gió.
Nhƣ thế cơng suất cơ năng lý tƣởng Plý tƣởng của hệ thống cánh quạt lệ thuộc vào tốc độ gió, mật độ khơng khí, hệ số Betz và diện tích mặt đón gió của cánh quạt và đƣợc tính theo phƣơng trình: Plý tƣởng 1 3 2 P C Av Trong đó: Plý tƣởng: Công suất [W]. CP: Hệ số Betz = 0,59259.
v: Tốc độ gió [m/s].
: Mật độ của khơng khí = 1,225 [Kg/m3]. A: Thiết diện của dịng gió đi qua [m2].
Để tính tốn cơng suất điện có thể thu đƣợc phải tính đến hệ số cơng suất của máy phát điện và hệ số công suất của hộp số, nhƣ thế công suất điện Pđiện sẽ là:
Pđiện 1 3 2 P C Av Trong đó: Plý tƣởng: Công suất [W]. CP: Hệ số Betz = 0,59259. v: Tốc độ gió [m/s]. : Mật độ của khơng khí = 1,225 [Kg/m3]. A: Thiết diện của dịng gió đi qua [m2].
: Hệ số công suất của máy phát điện và hộp số.
Vì thế tốc độ gió là yếu tố quan trọng nhất của cơng suất. Khi tốc độ gió tăng 2 lần thì cơng suất đạt đƣợc tăng theo lũy thừa 3.
3.2.2. Thiết kế cánh quạt.
Cánh quạt điện gió khi thiết kế phải đáp ứng nguyên tắc khí động lực học và định luật Betz để tạo đƣợc công suất cao ổn định, kể cả ở tình trạng điều chỉnh số vịng quay của hệ thống cánh Rotor cũng nhƣ những yếu tố chi tiết khác nhƣ độ ồn phát sinh, tần số rung khi hoạt động. Cấu hình cánh quạt đƣợc thiết kế dài, có bề mặt cong để thân cánh có đƣợc diện tích đón gió cao, tăng lực tác động F và giảm lực cản Fc, tại đầu nhọn của cánh quạt nơi mà tốc độ quay cao nhất của cánh phải có sức ma sát ít nhất.
Khi dịng gió thổi vào cánh quạt thì dịng gió bị phân tán và áp suất ở mặt trên sẽ tăng cao hơn mặt dƣới. Sự khác biệt vùng áp suất tạo ra một lực tác động F ln thẳng đứng với dịng gió tác động vào cánh quạt. Lực tác động này là nguyên nhân làm