* Dự án điện gió Trường Sa 9kW (3 x Đánh giá tiềm năng năng lượng gió vùng biển ven bờ Việt Nam Trần Thị Bé 14 K19 Cao học Môi Trường 3kW) và 7kW điện mặt trời, do Trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh thực hiện, đã đưa vào vận hành. Các tua-bin nhỏ quy mô hộ gia đình có công suất 100 - 200W tới 500W được xem là vận hành khá tốt ở Việt Nam do được bảo dưỡng thường xuyên. Đơn vị chính sản xuất tuabin gió loại này là Trung tâm Năng lượng tái tạo và thiết bị nhiệt (RECTERE) thuộc Trường đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh. Ngoài ra, Viện Năng lượng là đơn vị cũng đã nghiên cứu, triển khai ứng dụng các tua-bin có công suất 150W để áp dụng cho các hộ dân cư vùng sâu, vùng xa.
CHƯƠNG 3
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
* Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của Luận văn là năng lượng gió (cụ thể là tốc độ gió và mật độ năng lượng gió).
* Phạm vi nghiên cứu: Phạm vi nghiên cứu của Luận văn là vùng biển ven bờ và các hải đảo của Việt Nam (Hình 8), cách đường bờ khoảng 50km (trừ một số hòn đảo ngoài khơi), được chia thành các khu vực sau: - Vùng biển Bắc Bộ bao gồm 5 tỉnh: Quảng Ninh, Hải Phòng, Thái Bình, Nam Định, Ninh Bình. - Vùng biển Bắc Trung Bộ bao gồm 6 tỉnh: Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh, Quảng Bình, Quảng Trị, Thừa Thiên Huế. - Vùng biển Nam Trung Bộ bao gồm 8 tỉnh, thành phố: Đà Nẵng, Quảng Nam, Quảng Ngãi, Bình Định, Phú Yên, Khánh Hòa, Ninh Thuận, Bình Thuận. - Vùng biển Nam Bộ bao gồm 9 tỉnh, thành phố: Bà Rịa-Vũng Tàu, Thành phố Hồ Chí Minh, Tiền Giang, Bến Tre, Trà Vinh, Sóc Trăng, Bạc Liêu, Cà Mau, Kiên Giang. - Các đảo gần bờ bao gồm 7 đảo: Cô Tô, Hòn Dấu, Hòn Ngư, Cồn Cỏ, Lý Sơn, Côn Đảo, Phú Quốc. - Các đảo xa bờ bao gồm 2 đảo: Bạch Long Vĩ, Phú Quý.
3.2. Phương pháp nghiên cứu
3.2.1. Phương pháp tính toán tốc độ gió ở các độ cao khác nhau
Để đánh giá tiềm năng năng lượng gió tại một độ cao nào đó của khu vực, cần phải biết giá trị tốc độ gió ở độ cao đó. Song, trong thực tế, trên thế giới nói chung và ở nước ta nói riêng, số trạm quan trắc cao không (có thể quan trắc được gió trên các độ cao) rất ít. Do đó, những nơi không có thiết bị quan trắc gió trên cao, phải xác định gió cho các độ cao một cách gián tiếp dựa vào tốc độ gió mặt đất quan trắc được từ các trạm khí tượng bằng một hàm phân bố gió theo độ cao.
Quy luật loga nhằm mô phỏng sự biến đổi theo chiều thẳng đứng của tốc độ gió ngang trong lớp biên, chủ yếu là lớp bề mặt (từ mặt đất đến độ cao khoảng 100m). Ở những lớp cao thuộc khí quyển tự do thì phân bố gió lại tuân theo luật gió địa chuyển. Nếu biết tốc độ gió V1 ở độ cao z1 có thể tính được tốc độ gió Vz ở độ cao zz theo công thức sau:
V z V1=
ln(ZoZz)
ln(ZZo1)
Trong đó, Vz là tốc độ gió ở độ cao cần tính zz , V1 là tốc độ gió quan trắc mặt đất, z0 là độ gồ ghề của mặt đệm, mức z1 là độ cao của máy đo gió mặt đất (z1 = 10 mét). Do độ cao cần tính thường lớn hơn độ cao đo gió mặt đất (zz > z1) nên Vz > V1 hay tốc độ gió tăng theo độ cao của địa hình. Ngoài ra, mức độ tăng lên của tốc độ gió theo độ cao phụ thuộc vào độ gồ ghề của mặt đệm (z0). Khi độ gồ ghề của mặt đệm càng lớn thì tốc độ gió ở độ cao cần tính (Vz) càng tăng nhanh.
3.2.2. Phương pháp tính toán mật độ năng lượng gió
Năng lượng tức thời của luồng gió có vận tốc V trên diện tích S được đặt thẳng góc với luồng gió chính là động năng của khối không khí và được tính bằng công thức sau:
E=12mv2
Trong đó:
- E: năng lượng tức thời của khối không khí trên diện tích S, (đơn vị: J/m2 /s) - V: vận tốc của luồng gió (đơn vị:m/s)
- m: khối lượng các phân tử không khí qua diện tích S trong 1 đơn vị thời gian, (đơn vị: kg/m2 /s).
Nếu S là đơn vị diện tích thì khối lượng các phân tử không khí đập trên S trong một giây sẽ là : m = ρV (2.4)
Với : ρ (kg/m3 ) là khối lượng riêng (mật độ) của khối khí Như vậy : E = 1/2ρV3 (2.5)
3.2.3.Phương pháp đánh giá tiềm năng năng lượng gió
Việc sử dụng các phân cấp trong các Atlas gió hiện nay không giống nhau giữa các nước, các tác giả do quan niệm khác nhau, do các bản đồ được dùng có độ cao, thời kỳ không giống nhau. Trong tập bản đồ gió của Hoa Kỳ hiện nay, Cục Năng lượng Hoa Kỳ đã phân cấp năng lượng gió như sau:
Bảng 4: Phân cấp năng lượng gió của Cục Năng lượng Hoa Kỳ [4]Cấp năng Cấp năng
lượng gió Tốc độ gióĐộ cao 10m Độ cao 50m
(m/s) Mật độ nănglượng Tốc độ gió(m/s) Mật độ nănglượng
1 0 - 4,4 0 - 100 0 - 5,6 0 - 200 2 4,4 - 5,1 100 - 150 5,6 - 6,4 200 - 300 3 5,1 - 5,6 150 - 200 6,4 - 7,0 300 - 400 4 5,6 - 6,0 200 - 250 7,0 - 7,5 400 - 500 5 6,0 - 6,4 250 - 300 7,5 - 8,0 500 - 600 6 6,4 - 7,0 300 - 400 8,0 - 8,8 600 - 800 7 7,0 - 9,4 400 - 1000 8,8 - 11,9 800 - 2000 Dựa vào phân cấp trên, dự án “Năng lượng Gió và Bức xạ mặt trời” do UNEP chủ trì đã dắn việc đánh giá chất lượng của các lớp năng lượng như sau: lớp 1: nghèo, lớp 2 là lớp biên, lớp 3: trung bình, lớp 4: tốt, các lớp 5, 6, 7 là tuyệt vời. Hiện nay ở Mỹ người ta mới chỉ chú ý đến các vùng đạt từ lớp 4 trở lên.
Căn cứ vào kết quả tính toán tốc độ gió ở các độ cao khác nhau và mật độ năng lượng gió trung bình, có thể thấy được sự tương quan giữa tốc độ gió và mật độ năng
Ngoài ra, theo các tham khảo về phân cấp năng lượng gió đã trình bày như trên và các bản đồ năng lượng gió đã lập, trong Luận văn này cũng phân chia các cấp năng lượng gió dựa theo tốc độ gió và mật độ năng lượng gió (tại các độ cao 10m và 100m) nhằm tạo điều kiện dễ dàng hơn cho việc đánh giá và phân vùng tiềm năng năng lượng gió. Trong Bảng 15 là các giới hạn trung bình của giá trị mật độ năng lượng gió tương ứng với các khoảng tốc độ gió. Ngoài ra, có những địa điểm do có hệ số năng lượng mẫu K nhỏ hoặc lớn trội hơn hẳn so với những nơi khác nằm trong cùng khoảng tốc độ thì giá trị mật độ năng lượng nằm ngoài giới hạn trên.
CHƯƠNG 4
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
4.1. Kết quả tính toán tốc độ gió tại các độ cao khác nhau
Nhằm so sánh sự thay đổi của tốc độ gió ở các độ cao khác nhau, ngoài độ cao 10m (gió tầng thấp), trong Luận văn này đã lựa chọn các độ cao khác là 50m, 100m và 150m để tính toán sự phân bố tốc độ gió theo độ cao. Độ tăng tương đối của tốc độ gió theo độ cao không những phụ thuộc vào tình trạng địa lý của khu vực mà còn của chính địa điểm nghiên cứu. Ngoài nhân tố trên, độ tăng tương đối của tốc độ gió còn phụ thuộc vào cường độ gió tại điểm đó.
Tốc độ gió tăng theo độ cao và mức độ tăng được thể hiện qua Bảng 17 dưới đây. Theo bảng này, tốc độ gió tăng theo độ cao từ 10m đến 50m thể hiện rõ rệt nhất với ∆V = 1,1 ÷ 2,1m/s. Từ độ cao 50m đến 100m, tốc độ gió tiếp tục tăng, tuy nhiên phần tăng thêm này ít hơn so với tốc độ gió tăng từ độ cao 10m đến 50m, cụ thể ∆V = 0,5 ÷ 0,9m/s. Càng lên cao, tốc độ gió càng tăng chậm do đó từ độ cao 100m đến 150m tốc độ gió tăng chậm hơn so với các mức thấp hơn, cụ thể ∆V = 0,3 ÷ 0,5m/s. Có thể nói độ cao 100m được xem là phù hợp để lắp đặt các tua-bin gió bởi vì càng lên cao tốc độ gió càng tăng, từ độ cao 10m đến 100m tốc độ gió tăng lên rõ rệt, còn từ độ cao 100m đến 150m tốc độ gió chỉ tăng nhẹ nên so với chi phí tốn kém để nâng độ cao của tua-bin thì việc đầu tư khai thác năng lượng gió ở độ cao 150m là chưa hiệu quả đối với tình hình tài chính và công nghệ hiện nay ở Việt Nam. Mặt khác, các tua-bin gió công suất lớn hiện nay đều thiết kế với tháp cao từ 80 - 120m.
Bảng 5: Kết quả tính toán tốc độ gió ở các độ cao 50m, 100m và 150m tại một số trạm khí tượng đo gió
TT Tên
trạm Tại độ cao 50m Tại độ cao 100m Tại độ cao 150m Mùa
hạ đôngMùa Năm Mùahạ đôngMùa Năm Mùahạ đôngMùa Năm 1 Móng 3,7 3,8 3,8 4,2 4,2 4,3 4,5 4,5 4,5
2 Tiên Yên 4,7 4,8 4,7 5,3 5,4 5,3 5,6 5,7 5,7 3 Cửa Ông 4,5 4,6 4,5 5 5,1 5,1 5,3 5,5 5,4 4 Cô Tô 6 6,7 6,4 6,7 7,4 7,1 7,1 7,9 7,5 5 Bãi Cháy 4,1 4,3 4,2 4,6 4,8 4,7 4,9 5,1 5,0 6 Phù Liễn 5,6 4,9 5,4 6,4 5,6 6,1 6,9 6,0 6,6 7 Hòn Dấu 7,3 6,1 6,8 8,1 6,8 7,6 8,6 7,2 8 8 Bạch Long Vĩ 8 8,7 8,4 8,8 9,5 9,3 9,3 10,1 9,8 9 Thái Bình 4,2 4,3 4,3 4,7 4,8 4,8 5 5,1 5,1 10 Văn Lý 5 4,8 5 5,6 5,3 5,5 5,9 5,6 5,8 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
4.2. Kết quả xây dựng sơ đồ phân bố tiềm năng năng lượng gió
Xây dựng bản đồ gió nói riêng, nghiên cứu tài nguyên gió nói chung là điều kiện cần, là cơ sở cho việc quy hoạch, lập dự án đầu tư khai thác nguồn năng lượng gió cho bất kỳ vùng lãnh thổ nào. Tuy nhiên, hiện nay vẫn chưa có một khuôn mẫu atlas gió chung cho quốc gia về nguồn số liệu sử dụng, phương pháp thực hiện, chủng loại bản đồ, tầng gió thể hiện…
Cùng với nguồn tài nguyên gió trên đất liền đã được phát triển từ khá lâu, tài nguyên gió ngoài khơi với những ưu thế vượt trội đang là đối tượng được quan tâm trong những năm gần đây. Vì thế cùng với sự ra đời của atlas gió trên đất liền, các atlas gió ngoài khơi cũng đã được triển khai ở nhiều nước, ví dụ như Anh, Hoa Kỳ, Trung Quốc…
Ngoài ra, để tận dụng tối đa nguồn năng lượng gió thì độ cao 10m không phải là tầng khai thác năng lượng tối ưu mà thường ở các độ cao cao hơn. Mặt khác, người làm Luận văn cũng đã tham khảo Atlas gió ngoài khơi của các quốc gia như Hoa Kỳ (ở độ cao 90m), Trung Quốc (ở độ cao 90m) và Anh (ở độ cao 100m). Do đó, Luận văn đã chọn các độ cao khác nhau (50m, 100m, 150m) để tính toán năng lượng gió, trong đó nhận thấy rằng độ cao 100m là phù hợp để lắp đặt các tua-bin gió ở khu vực biển ven bờ nước ta hiện nay. Trên cơ sở các kết quả tính toán, người làm Luận văn đã lập ra 05 sơ đồ phân bố của tốc độ gió và mật độ năng lượng gió ở tầng thấp (10m) và tầng cao dự kiến lắp đặt tua-bin gió (100m). Các sơ đồ này thể hiện từ Hình 8 đến Hình 10 được trình bày cụ thể trong mục phân tích tiềm năng năng lượng gió dưới đây. Danh mục các sơ đồ về tiềm năng năng lượng gió cụ thể như sau:
TT Tên sơ đồ Độ cao (m) Đơn vị 1 Phân bố tốc độ gió trung bình năm 10 m/s 2 Phân bố tốc độ gió trung bình năm 100 m/s 3 Phân bố mật độ năng lượng gió
mùa hạ 100 W/m
2
4 Phân bố mật độ năng lượng gió
mùa đông 100 W/m
2
5 Phân bố mật độ năng lượng gió
năm 100 W/m
2
Để thiết lập các sơ đồ theo các đường đẳng trị, khoảng cách giữa các đường này có ý nghĩa quan trọng. Dựa trên kết quả tính toán và phân cấp năng lượng như trên, các sơ đồ phân bố tốc độ gió và mật độ năng lượng gió ở độ cao 100m đều lấy khoảng cách giữa các đường đẳng trị tốc độ gió trung bình năm là 1m/s, giữa các đường đẳng trị mật độ năng lượng gió trung bình năm và mùa là 100W/m2 . Chỉ trong trường hợp ở tầng thấp 10m, cấp tốc độ gió nhỏ nên lấy khoảng cách giữa các đường đẳng trị tốc độ gió trung bình năm là 0,5m/s.
4.3. Đánh giá tiềm năng năng lượng gió
4.3.1. Đánh giá tiềm năng năng lượng gió theo tốc độ gió
Để đánh giá tiềm năng năng lượng gió nhằm phục vụ cho việc khai thác điện gió ở một khu vực nào đó, trước hết phải đánh giá được tiềm năng năng lượng gió lý thuyết trong khu vực đó. Tiếp đó, phải đánh giá được dải tốc độ gió tối ưu phù hợp với từng loại động cơ gió (tua-bin gió), xác định được những vị trí có khả năng khai thác đảm bảo thu được sản lượng điện tối ưu.
Ngoài ra, để đảm bảo khả năng khai thác năng lượng gió, cần tính đến các điều kiện địa lý, địa hình, các điều kiện tự nhiên, xã hội có liên quan đến việc lắp đặt các tua-bin gió cũng như khả năng hòa vào lưới điện quốc gia...
Bởi vậy khả năng khai thác năng lượng gió (tiềm năng kỹ thuật) phụ thuộc vào hai yếu tố: tiềm năng năng lượng gió lý thuyết của địa điểm và khả năng khai thác của thiết bị.
Do báo cáo này là bước đầu nghiên cứu về nguồn năng lượng gió, cùng với lượng thời gian có hạn nên người làm báo cáo chỉ tập trung nghiên cứu đánh giá tiềm năng lý thuyết của năng lượng gió tại vùng biển ven bờ nước ta, do đó sẽ không đi sâu tìm hiểu đánh giá về tiềm năng kỹ thuật của năng lượng gió. Từ độ lớn và sự phân bố của tốc độ gió và hệ số mẫu năng lượng có thể đánh giá được tiềm năng năng lượng gió và sự phân bố của nó trong khu vực nghiên cứu.
Trong hai nhân tố quyết định giá trị của năng lượng là tốc độ gió trung bình và hệ số mẫu năng lượng thì tốc độ gió trung bình vẫn giữ vai trò chủ yếu. Do đó, sự phân bố tiềm năng năng lượng gió ở vùng biển ven bờ và hải đảo về cơ bản tương tự với phân bố của tốc độ gió trung bình. Để đánh giá tiềm năng năng lượng gió theo tốc độ gió trung bình năm, người làm báo cáo đã lựa chọn tốc độ gió tại độ cao 10m (tầng cơ bản) và độ cao 100m (tầng lắp đặt tua-bin gió).
Tiềm năng năng lượng gió trên biển thực tế sẽ cao hơn tiềm năng được tính toán trong Luận văn này dựa trên các số liệu về tốc độ gió đo đạc trên đất liền. Bởi vì do số liệu gió thu thập phần lớn từ các trạm khí tượng đặt ở trong đất liền, địa hình bị che chắn nên nếu so với khu vực ngoài khơi mặt nước không có các vật cản thì tốc độ
gió trên biển sẽ lớn hơn so với trên đất liền. Cụ thể như Dự án điện gió Bạc Liêu theo số liệu đo đạc và quan trắc từ vệ tinh từ năm 2000 – 2009 [32, 33] cho thấy tốc độ gió trung bình năm đạt tới 8,19m/s ở độ cao 100m tại khu vực dự án. Trong khi đó theo kết quả tính toán tốc độ gió trung bình năm ở độ cao 100m cho trạm Bạc Liêu chỉ đạt 5,1m/s. Như vậy, so với trong đất liền, tốc độ gió ngoài biển tăng lên rất nhiều.
4.3.2. Đánh giá tiềm năng năng lượng gió theo mật độ gió
Để đánh giá tiềm năng năng lượng gió ta còn dựa vào kết quả tính toán mật độ