CHƯƠNG 3 : NĂNG LƯỢNG GIÓ
3.2. Sự hình thành năng lượng gió
Nguyên lý cơ bản của năng lượng gió: Bức xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt Trái
Đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và khơng khí nóng khơng đều nhau. Một nửa bề mặt của Trái Đất, mặt ban đêm, bị che khuất không nhận được bức xạ của Mặt Trời và thêm vào đó là bức xạ Mặt Trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn là ở các cực, do đó có sự khác nhau về nhiệt độ và vì thế là khác nhau về áp suất mà khơng khí giữa xích đạo và 2 cực cũng như khơng khí giữa mặt ban ngày và mặt ban đêm của Trái Đất di động tạo thành gió. Trái Đất xoay trịn cũng góp phần vào việc làm xốy khơng khí và vì trục quay của Trái Đất nghiêng đi (so với mặt phẳng do quỹ đạo Trái Đất tạo thành khi quay quanh Mặt Trời) nên cũng tạo thành các dịng khơng khí theo mùa.
Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay quanh trục của Trái Đất nên khơng khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển động thẳng mà tạo thành các cơn gió xốy có chiều xốy khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu. Nếu nhìn từ vũ trụ thì trên Bắc bán cầu khơng khí di chuyển vào một vùng áp thấp ngược với chiều kim đồng hồ và ra khỏi một vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ. Trên Nam bán cầu thì chiều hướng ngược lại.
Ngồi các yếu tố có tính tồn cầu trên gió cũng bị ảnh hưởng bởi địa hình tại từng địa phương. Do nước và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất nóng lên nhanh hơn nước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay hồ vào đất liền. Vào ban đêm đất liền nguội đi nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra theo chiều ngược lại.
83
Năng lượng gió là động năng của khơng khí chuyển động với vận tốc . Khối lượng đi qua một mặt phẳng hình trịn vng góc với chiều gió trong thời gian t là:
(3.1)
với ρ là tỷ trọng của khơng khí, V là thể tích khối lương khơng khí đi qua mặt cắt ngang hình trịn diện tích A, bán kinh r trong thời gian t.
Vì thế động năng E (kin) và cơng suất P của gió là:
(3.2) (3.3)
Điều đáng chú ý là cơng suất gió tăng theo lũy thừa 3 của vận tốc gió và vì thế vận tốc gió là một trong những yếu tố quyết định khi muốn sử dụng năng lượng gió.
Cơng suất gió có thể được sử dụng, thí dụ như thơng qua một tuốc bin gió để phát điện, nhỏ hơn rất nhiều so với năng lượng của luồng gió vì vận tốc của gió ở phía sau một tuốc bin không thể giảm xuống bằng không. Trên lý thuyết chỉ có thể lấy tối đa là 59,3% năng lượng tồn tại trong luồng gió. Trị giá của tỷ lệ giữa cơng suất lấy ra được từ gió và cơng suất tồn tại trong gió được gọi là hệ số Betz, do Albert Betz tìm ra vào năm 1926.
Có thể giải thích một cách dễ hiểu như sau: Khi năng lượng được lấy ra khỏi luồng gió, gió sẽ chậm lại. Nhưng vì khối lượng dịng chảy khơng khí đi vào và ra một tuốc bin gió phải khơng đổi nên luồng gió đi ra với vận tốc chậm hơn phải mở rộng tiết diện mặt cắt ngang. Chính vì lý do này mà biến đổi hồn tồn năng lượng gió thành năng lượng quay thơng qua một tuốc bin gió là điều khơng thể được. Trường hợp này đồng nghĩa với việc là lượng khơng khí phía sau một tuốc bin gió phải đứng n.
Năng lượng gió tại Việt Nam: Tiềm năng về năng lượng gió Việt Nam chỉ vào loại trung bình. Hầu hết, các khu vực trên đất liền có năng lượng gió thấp khai thác khơng hiệu quả. Chỉ có một vài nơi, do có địa hình đặc biệt nên gió tương đối khá tuy nhiên công suất lại không lớn. Chỉ dọc theo bờ biển và trên các hải đảo năng lượng gió tốt hơn. Nơi có nguồn năng lượng tốt nhất là đảo Bạch Long Vĩ, tốc độ trung bình năm đạt được từ 7.1-7.3m/s. Tiếp đến là các khu vực đảo Trường Sa, Phú Q, Cơn Đảo... có tốc độ gió trong khoảng 4.0- 6.6m/s. Tuy nhiên cũng nên nói thêm rằng tiềm năng năng
84
lượng gió Việt Nam chưa được điều tra đánh giá đầy đủ vì phần lớn số liệu về năng lượng gió chủ yếu chỉ thu thập qua các trạm Khí tượng Thủy văn, tức chỉ đo ở độ cao từ 10m đến 12m trên mặt đất. Chúng ta đang thiếu số liệu về năng lượng gió ở các độ cao trên 40m. Hiện nay đang có khoảng 10 cột đo gió ở độ cao từ 30m đến 60m.
Theo số liệu của Ngân Hàng Thế Giới khảo sát năm 2000 thì Việt Nam do điều kiện địa lý và thời tiết giữa các vùng là khác nhau nên tốc độ gió trung bình và chiều gió có sự khác nhau:
- Vùng Tây Bắc Việt Nam (Lai Châu, Điện Biên Sơn La) có vận tốc gió trung bình hàng năm khoảng từ 0.5 – 1.9m/s.
- Khu vực miền núi phía Bắc (Cao Bằng, Lạng Sơn, Sa Pa) có vận tốc gió trung bình cao hơn, nhưng cũng chỉ khoảng từ 1.5 – 3.1m/s, vận tốc cực đại trung bình khoảng trên 40m/s.
- Đồng Bằng Bắc Bộ (Tam Đảo, Hà Nội) có vận tốc gió trung bình khoảng 2.0 – 3.5m/s. Vận tốc trung bình cực đại trên 35m/s.
- Vùng bờ biển từ Móng Cái tới Hịn Gai, Phú Liên, Thanh Hóa, Vinh, Đồng Hới có vận tốc gió trung bình tăng, khoảng 2.0 – 4.0m/s. Cực đại trên 50m/s.
- Vùng bờ biển từ Huế tới Tuy Hòa (Huế, Đà Nẵng, Quảng Ngãi, Quy Nhơn, Tuy Hịa) có vận tốc gió trung bình khá ổn định khoảng 3.0 - 5.0m/s. Cực đại trên 35m/s.
- Vùng bờ biển từ Nha Trang tới Rạch Giá (Nha Trang, Phan Thiết, Vũng Tàu, Phú Quốc, Rạch Giá) có vận tốc trung bình 2.4–6.1m/s, cực đại trên 30m/s.
- Vùng Đồng Bằng Sông Cửu Long (Thành phố Hồ Chí Minh, Cần Thơ, Cà Mau) có vận tốc gió trung bình khoảng 2.2–4.0m/s, cực đại 26m/s.
- Tây Nguyên (Đà Lạt, Pleiku) có vận tốc gió trung bình khoảng 2.4–4.5m/s, cực đại 24m/s.
Những dự án năng lượng gió đã và đang triển khai tại Việt Nam: nhà máy phát điện sức gió đầu tiên ở Việt Nam phải kể đến là nhà máy đặt tại huyện đảo Bạch Long Vỹ, TP Hải Phịng. Cơng suất 800KW với vốn đầu tư 0.87 triệu USD (14 tỉ đồng). Như vậy, với giá bán điện 0.05USD/KWh (750VNĐ/KWh) thì thời gian hồn vốn là 7 - 8 năm. Thực tế cho thấy, mặc dù trong năm 2005, đã có 3 cơn bão lớn, tốc độ gió đều vượt qua cấp 12 nhưng turbine gió - phát điện vẫn vận hành an tồn. Nhà máy điện gió thứ 2 của cả nước
85
đặt ở huyện đảo Lý Sơn (Quảng Ngãi) vận hành bằng sức gió, có kết hợp máy phát điện diesel với tổng cơng suất 7MW, tổng vốn đầu tư gần 200 tỷ đồng. Dự án được chia làm 3 giai đoạn: giai đoạn 1 được thực hiện trong hai năm 2007 và 2008 có cơng suất 2.5 MW, vốn đầu tư 80 tỷ đồng cung cấp cho 4000 hộ dân với gần 20000 nhân khẩu. Giai đoạn 2 nâng công suất lên 5MW thực hiện trong các năm 2008 - 2009 và giai đoạn 3 được thực hiện trong các năm 2009 - 2012 sẽ công suất lên trên 10MW.
Nhiều dự án điện gió rất lớn với mục tiêu hịa vào lưới điện quốc gia vẫn đang được xúc tiến. Dự án xây dựng Nhà máy phong điện 3, tại khu kinh tế Nhơn Hội, tỉnh Bình Định với tổng vốn đầu tư hơn 35.7 triệu USD. Theo thiết kế, nhà máy được đầu tư xây dựng toàn bộ 14 turbine, 14 máy biến áp đồng bộ cùng các trang thiết bị và dịch vụ kèm theo. Sản lượng điện hằng năm của nhà máy hoà vào lưới điện quốc gia đạt khoảng 55 triệu kWh sau khi nhà máy đi vào hoạt động cuối năm 2008. Hiện tại, nhà máy điện gió đang được xây dựng tại Bình Thuận với cơng suất khá lớn.
Một dự án đầu tư rất lớn đang có thể trở thành hiện thực ở Việt Nam đó là xây dựng nhà máy điện gió có cơng suất phát điện 120 MW với vốn đầu tư 120 triệu USD (gần 2000 tỉ đồng) do tập đoàn EurOriont đầu tư chính. Để có một hình dung về con số này, hãy so sánh với thủy điện - thủy lợi Rào Quán ở Quảng Trị, vốn đầu tư 2000 tỉ đồng và công suất phát điện là 64 MW.
Vậy, nhìn chung các dự án điện gió có suất đầu tư 1000USD/kW, khả năng thu hồi vốn trong vòng 10 năm, giá thành điện không cao 5UScents/kWh. Theo dự báo đến năm 2010, suất đầu tư nguồn điện bằng sức gió chỉ cịn khoảng 700- 800USD/kW, giá thành 3.5– 4.0UScents/kWh. Với quy mơ nhỏ thì đặc biệt hữu ích cho vùng sâu, vùng xa và hải đảo... Với quy mơ lớn thì thường được phát triển ở những vùng trống, khô cằn ở vùng Nam Trung bộ như Quảng Ngãi, Bình Định, Khánh Hịa, Bình Thuận...
3.3. Tởng quan về Tuabin gió
Turbine gió trục đứng và trục ngang: Có nhiều kiểu thiết kế khác nhau cho turbine gió, và được phân ra làm hai loại cơ bản chính: Turbine gió trục ngang (HAWT) và turbine gió trục đứng (VAWT). Các cánh quạt gió thường có các dạng hình dáng: cánh buồm, mái chèo, hình chén đều được dùng để “bắt” năng lượng gió để tạo ra mô men quay trục turbine.
86
Turbine gió trục ngang (HAWT) có rơ to kiểu chong chóng với trục chính nằm ngang. Số lượng cánh quạt có thể thay đổi, tuy nhiên thực tế cho thấy loại 3 cánh là có hiệu suất cao nhất. HAWT có các thành phần cấu tạo nằm thẳng hàng với hướng gió, cánh quạt quay được truyền động thơng qua bộ nhông và trục. Loại turbine trục ngang không bị ảnh hưởng bởi sự xáo trộn luồng khí (khí động học), nhưng u cầu phải có một hệ thống điều chỉnh hướng gió bằng cơ khí để đảm bảo các cánh quạt ln ln hướng thẳng góc với chiều gió.
Hình 3. 5. Cấu tạo turbine trục đứng và trục ngang
1. Chiều gió đến của HAWT
2. Đường kính rơ to 3. Chiều cao của Hub 4. Cánh rô to
5. Hộp số
6. Máy phát 7. Vỏ
8. Tháp HAWT
9. Chiều gió phía sau rơ to
10. Chiều cao rô to
11. Tháp VAWT 12. Độ cao kính xích đạo. 13. Cánh rơ to với góc bước cố định. 14. Nền rơ to.
Turbine gió trục đứng (VAWT) có cánh nằm dọc theo trục chính đứng. Loại này khơng cần phải điều chỉnh cánh quạt theo hướng gió và có thể hoạt động ở bất kỳ hướng gió nào. Việc duy tu bảo quản và duy trì vận hành rất dễ dàng vì các bộ phận chính như máy phát, hệ thống truyền động đều được đặt ngay trên mặt đất. Tuy nhiên nó cần có khơng gian rộng hơn cho các dây chằng chống đỡ hệ thống.
87
Đã có nhiều tranh luận xoay quanh vấn đề này, có thể nói bắt đầu từ khi phát minh ra các bộ chuyển đổi năng lượng gió. Các chuyên gia đã đưa ra nhiều quan điểm khác nhau. Dennis G.Shepherd đã so sánh hai loại turbine này một cách toàn diện nhất trong tác phẩm “Năng lượng gió”, ơng đã đưa ra những ưu và nhược điểm tương đối của hai loại turbine này như sau:
Ưu điểm của VAWT so với HAWT:
▪ Một turbine gió trục đứng truyền thống là một cỗ máy không hướng. Nghĩa là VAWT hoạt động mà khơng phụ thuộc vào hướng gió. Như vậy hệ thống xoay hướng gió phức tạp của HAWT sẽ không cần thiết ở VAWT.
▪ VAWT được đặt ngay trên nền đất, khác với HAWT phải được đưa lên tháp cao. Hộp số, máy phát và dàn cơ khí điều khiển rất nặng, do đó nếu đặt dưới đất thì việc lắp đặt, bảo trì sẽ rất thuận tiện và dễ dàng.
▪ Với cùng một công suất ngõ ra, tổng chiều cao của HAWT (bao gồm tháp) sẽ cao hơn rất nhiều so với loại trục đứng Darrieus gây tác động rõ rệt đến xung quanh. Về phương diện này, các turbine gió trục đứng được coi như thân thiện với môi trường hơn so với loại trục ngang.
▪ Các cánh quạt của VAWT không bị phải chịu đựng áp lực khi xoay. Cánh của VAWT rẻ và bền cao hơn so với HAWT.
▪ VAWT được thiết kế sao cho tải ly tâm được cân bằng bởi các lực trên cánh quạt, như vậy tránh được mô men xoắn.
Hạn chế của VAWT:
▪ VAWT nói chung khơng thể tự khởi động được. Rơ to Savonious là một ngoại lệ nhưng nó có hiệu suất khá thấp.
▪ Vì VAWT được đặt ngay trên mặt đất, nên nó lệ thuộc vào gió có tốc độ thấp và thay đổi liên tục. Với cùng một diện tích qt và trọng lượng thì cơng suất ngõ ra của VAWT thấp hơn HAWT.
▪ Các dây cáp chằng VAWT chiếm khá nhiều diện tích, nên có thể gây khó khăn cho việc tận dụng phần đất bên dưới turbine, đất đai thường canh tác, trồng trọt bên dưới.
88
▪ Toàn bộ trọng lượng của VAWT được đặt lên bộ đệm đỡ phía dưới, bộ đệm này rất cứng, linh hoạt và có độ tin cậy cao khi vận hành. Tuy nhiên khi bộ đệm này hư hỏng, thì địi hỏi phải tháo dỡ xuống tồn bộ máy phát để sửa chữa hoặc thay thế.
▪ Đối với VAWT, mô men quay và công suất ngõ ra thay đổi thất thường một cách tuần hoàn khi cánh quạt đi vào và ra khỏi vùng tác động của gió trong mỗi vịng quay, trong khi ở HAWT mơ men quay và công suất ngõ ra khá ổn định.
Do mơ men quay của VAWT thay đổi tuần hồn, nên tạo ra nhiều tần số dao động tự nhiên. Điều này rất nguy hiểm và cần phải được loại bỏ nhanh chóng bởi bộ điều khiển cơ khí, nếu khơng sự cộng hưởng sẽ gây hư hỏng nghiêm trọng cho rơ to. Trong khi đó một HAWT nếu được thiết kế kỹ lưỡng sẽ khơng có những vấn đề rung động như vậy.
Sự phát triển mang tính cạnh tranh và những gì làm được của turbine trục ngang sẽ bị hạn chế trong tương lai, phần lớn là do tải trọng của những cánh quạt ngày càng lớn. Có thể nhận thấy rằng, mặc dù hiệu suất thấp nhưng turbine trục đứng không chịu áp lực nhiều từ tải trọng của nó, điều làm giới hạn kích thước của turbine trục ngang.
Xét về mặc hiệu quả kinh tế, các nhà phân tích cho rằng: nếu trước đây các turbine trục đứng với công suất ngõ ra khoảng 10 MW được phát triển thì ít nhất nó cũng làm được những gì mà turbine trục ngang làm được ngày nay, nhưng chi phí trên một đơn vị cơng suất thấp hơn nhiều, do đó vấn đề hiệu suất của turbine trục đứng thấp 19% đến 40% so với 56% turbine trục ngang là khơng quan trọng.
Tóm lại: Turbine trục ngang và trục đứng như trên đã phân tích đều có ưu và nhược
điểm nhất định. Loại trục ngang có hiệu suất cao hơn nhưng chi phí cũng lớn, hệ thống khá phức tạp và chỉ hoạt động tốt khi vận tốc gió lớn. Trong khi loại trục đứng có hạn chế là hiệu suất thấp nhưng bù lại dễ thiết kế, bảo dưỡng và giá thành thấp, đồng thời hoạt động tốt trong điều kiện gió thấp, chiều gió thay đổi liên tục.
Việc chọn mơ hình trục đứng hay trục ngang khi thiết kế sẽ phụ thuộc vào điều kiện gió tại nơi đó và các tiêu chí thiết kế, các tiêu chí này sẽ được đưa vào bảng phân tích nhân tố và tùy vào nhu cầu người dùng ở từng quốc gia mà các tiêu chí sẽ có trọng số khác nhau, tiêu chí nào có trọng số lớn nhất sẽ được chọn để thiết kế.
Các tiêu chí dùng để đánh giá nhu cầu sử dụng của các nước đang phát triển bao gồm: o Giá thành thấp.
89 o Hiệu suất cao.
o Ít duy tu bảo quản. o Bền.
o Hoạt động có hiệu quả ở các điều kiện gió khơng lý tưởng, gió quẩn. o Lắp đặt dễ dàng.
3.4. Máy phát điện tuabin gió
Cấu tạo của tuabin gió: Các thành phần của máy phát điện gió được mơ tả như