Mặt khác, ta biết mật độ khơng khí được biểu diễn theo đẳng thức:
T p 485 . 3 = (kg/m3) (3-6) Trong đẳng thức này:
p: là áp suất, đơn vị là Pa.
T : là nhiệt độ Kelvin.
Như vậy, năng lượng gió từ đẳng thức (2-2) được biểu diễn lại như sau:
T Au Au Pw 3 1.742 3 2 1 = = (W) (3-7)
Đối với khơng khí ở điều kiện bình thường thì p= 101.3 Pa và T= 273 K, với A là diện tích quét (m2) và u là vận tốc gió (m/s). Khi đó phương trình được rút gọn lại là:
3
647 .
0 Au
Pw = (W) (3-8)
Phương trình tổng quát (2-4) nên được dùng khi vị trí đặt turbine gió có độ cao vài trăm mét so với mặt nước biển hoặc nhiệt độ lớn đáng kể so với 00C.
92
Nếu như ta xem khối khơng khí di chuyển ban đầu khi chưa tiếp cận turbine gió có đường kính d1, vận tốc u1, áp suất p1. Vận tốc khối khí sẽ giảm khi tiếp xúc với turbine làm cho luồng khí giãn ra bằng với đường kính d2 của turbine gió. Áp lực khơng khí sẽ tăng cực đại ở ngay trước turbine và sẽ giảm ngay khi qua khỏi turbine. Chính động năng (kinetic energy) trong khơng khí được chuyển thành năng lượng tiềm ẩn (potential energy) để gây ra sự tăng áp suất này. Sau khi qua khỏi turbine sẽ vẫn còn nhiều động năng được chuyển đổi thành năng lượng tiềm ẩn để làm tăng áp suất khơng khí trở lại bình thường. Điều này làm cho tốc độ gió tiếp tục giảm cho tới khi áp suất trở lại cân bằng. Một khi tốc độ gió tiến đến điểm thấp, thì tốc độ của khối khí sẽ tăng trở lại sao cho u4 = u1 như bầu khơng khí xung quanh nó.
Hình 3. 8. Biểu diễn luồng khí thởi qua một turbine gió lý tưởng
Có thể biểu diễn theo các điều kiện tối ưu, khi cơng suất cực đại được truyền từ khối khí sang turbine. Ta có các quan hệ sau:
1 4 1 3 2 1 4 1 3 2 3 3 2 3 1 3 2 A A A A A u u u u u = = = = = =
93 ) 9 8 ( 2 1 ) ( 2 1 3 1 1 3 4 4 3 1 1 4 1 , P P Au A u Au Pmideal = − = − = (W) (3-9)
Đẳng thức trên được phát biểu rằng một turbine lý tưởng sẽ thu được 8/9 năng lượng từ luồng gió tự nhiên. Tuy nhiên, như Hình 3.8 ta thấy khối khí có diện tích nhỏ hơn diện tích turbine, và điều này có thể làm sai kết quả do diện tích A1 khó xác định.
Phương pháp bình thường biểu diễn phần năng lượng thu được theo tốc độ gió u1 và diện tích turbine A2. Phương pháp này cho ta:
) 27 16 ( 2 1 ) 3 2 ( 9 8 2 1 3 1 2 3 1 2 , A u Au Pmideal = = (W) (3-10)
Hệ số 16/27= 0.593 thường được gọi là hệ số Betz. Nghĩa là một turbine không thể thu được nhiều hơn 59.3% năng lượng của khối khí có cùng diện tích. Thực tế cho thấy phần năng lượng thu được ln ln ít hơn, ngun nhân là do hệ thống cơ khí khơng hồn hảo. Ở điều kiện tối ưu kết quả tốt nhất có thể thu được cũng chỉ khoảng 35% - 40% năng lượng từ gió, mặc dù người ta khẳng định là hồn tồn có thể thu được tới 50%. Một turbine mà có thể thu được tới 40% năng lượng từ gió, tức thu được khoảng 2/3 năng lượng mà một turbine lý tưởng thu được cũng được coi là rất tốt.
3.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả khai thác năng lượng gió- Hiệu suất turbine gió gió
Phần năng lượng thu được từ năng lượng gió của các turbine trong thực tế thường do giá trị Cpquyết định, Cpchính là hiệu suất của turbine. Theo luật Benz, hiệu suất tối ưu nhất của một turbine là 59.3%, tất cả các turbine gió trong thực tế đều không đạt đến giá trị này, mà chỉ nằm trong khoảng từ 20-30%. Vậy công suất cơ ngõ ra, công suất làm quay trục tốc độ thấp, trong thực tế được biểu diễn theo đẳng thức sau:
w p p m C Au C P P = )= 2 1 ( 3 (W) (3-11) m
P : Công suất cơ
Turbine Darrieus hoạt động với góc pitch khơng đổi trong khi đó các turbine trục ngang cỡ lớn thường có góc pitch thay đổi. Góc pitch được thay đổi để duy trì Cpở giá trị lớn nhất theo tốc độ ur của turbine, hoặc có khi Cpđược điều chỉnh giảm trong khi Pw đang tăng theo tốc độ gió để duy trì cơng suất ngõ ra ở giá trị định mức của turbine.
94
p
C không là hằng số, mà thay đổi theo: tốc độ gió, tốc độ quay (TSR) của turbine, và các thơng số cánh như góc tới và góc pitch và kiểu dáng cánh.
Bảng 3. 2 Hiệu suất turbine ứng với từng kiểu khác nhau
Hệ thống năng lượng gió Hiệu suất %
Cấu trúc đơn giản
Thiết kế tối ưu
Turbine bơm nước nhiều cánh dùng cho nông trại 10 20
Turbine bơm nước kiểu cánh buồm 10 25
Turbine bơm nước kiểu Darrieus 15 30
Máy phát điện nhỏ turbine kiểu Savonius 10 20
Máy phát điện cỡ nhỏ, turbine kiểu chong chóng (<2kW) 20 30 Máy phát điện cỡ trung, turbine kiểu chong chóng (từ 2-10Kw) 20 30 Máy phát điện cỡ lớn, turbine kiểu chong chóng (>10kW) ----- 30 – 45
Máy phát điện gió kiểu Darrieus 15 35
Các bước thiết kế máy phát điện gió cơng suất nhỏ
Lưu đồ tính tốn thiết kế cho máy phát điện gió cơng suất nhỏ, loại turbine trục đứng và kiểu dáng cánh Lenz2. Để đơn giản, đề tài đã tóm tắt tồn bộ các khâu thiết kế thành các bước như sau:
Bước 1: Khảo sát gió.
Đây là khâu khảo sát tốc độ gió ở các vùng cần cung cấp điện bằng năng lượng gió. Việc khảo sát này sẽ thực hiện khảo sát tát cả thời gian trong ngày. Để khảo sát được cần phải sử dụng thiết bị đo gió, như Hình 2.9
95
Hình 3. 9. Thiết bị đo vận tốc gió Bước 2: Xác định vận tốc gió. Bước 2: Xác định vận tốc gió.
Thơng thường số liệu khảo sát sẽ bị thay đổi liên tục, nên giá trị này xác định từ các số liệu khảo sát gió. Giá trị này được xác định lấy giá trị gió khảo sát mà tần số xuất hiện nhiều nhất để lựa chọn.
Bước 3: Xác định được giá trị công suất điện Pe ở ngõ ra mong muốn.
Lựa chọn công suất ngõ ra mà khi máy phát điện gió phát điện ở vận tóc gió thường xun, đây là cơng suất thu được sau khi qua máy phát điện.
Bước 4: Xác định ước lượng diện tích cánh A sẽ thiết kế trong máy phát điện gió.
Diện tích cánh gió được lựa chọn phụ thuộc vào chiều cao cánh gió và độ rộng của cánh gió. Nếu như cánh gió có bán kính càng nhỏ thì sẽ turbine cánh gió sẽ quay với tốc độ càng lớn nhưng mơ men quay càng nhỏ và ngược lại. Diện tích cánh gió được xác định như sau:
A=dm *h (m2)
Trong đó: A: Diện tích cánh gió (m2)
dm là đường kính cánh rơ to (m); h là chiều cao cánh rơ to (m).
Bước 5: Tính cơng suất gió tối đa thu được ứng với diện tích cánh rơ to A (m2), khi tính ở nhiệt độ bình thường. Để tính cơng suất thu được sử dụng cơng thức:
Pw=0.647*A.u3 (W). Trong đó:
Pw : Cơng suất gió (W) A: Diện tích cánh gió (m2) u: Vận tốc gió (m/s)
96
Đối với loại kiểu dáng cánh Lenz2 có tỷ số tối ưu TSR là 0.8; Cp =0.389
Bước 7: Công suất truyền qua bộ truyền động với hiệu suất truyền động là m:
m m
t P
P = (W) Để xác định được hiệu suất truyền động:
• Tính tốc độ quay của rơ to cánh gió:
m r u n . . 2 . 2 = (vịng/giây) = m r u . . 2 . 60 (vịng/phút); với =0.8 (TSR) • Lựa chọn tỷ số truyền động i:
Với tốc độ quay của máy phát điện là n, tính được tỷ số truyền động i = n1/n2; - Nếu i ≤ 7 thì lựa chọn một tầng bánh răng;
- Nếu 8 ≤ i ≤ 40 thì lựa chọn 2 tầng bánh răng, nếu như tỷ số truyền lớn hơn có thể chọn 3 hoặc 4 tầng bánh răng;
Hiệu suất truyền động được tính như sau: nếu lựa chọn 1 tầng thì hiệu suất là 0.99 và nếu thêm 1 tầng nữa thì hiệu suất sẽ giảm đi 1% nữa;
Bước 8: Công suất ngõ ra Pout của máy phát, với glà hiệu suất của máy phát điện:
t g out P
P = (W);
Bước 9: Kiểm tra công suất ngõ ra Pout
• Nếu Pout < Pe thì phải tăng lại diện tích cánh, tức phải quay lại Bước 4 để thực hiện lại việc chọn diện tích cánh phù hợp.
• Nếu Pout > Pe thì thực hiện tiếp bước 10.
Bước 10: Đưa ra chi tiết kết quả:
• Vận tốc gió định mức u (m/s);
• Diện tích cánh rơ to A (m2): đường kính cánh rơ to dm (m); chiều cao cánh rơ to h (m); số lượng cánh: 3 cánh; độ dày mỗi cánh: m = 0.1875*dm (m); chiều dài cánh: l = 0.4*dm(m).
• Bộ truyền động: tỷ số truyền i; tốc độ quay của rơ to n2 (vịng/phút); tốc độ quay của máy phát n1 (vòng/phút); số tầng bánh răng q (tầng); số răng của bánh răng ở mỗi tầng với bánh răng cơ sở là x răng;
• Cơng suất đạt được Pout; • Hình dạng, kiểu dáng.
97
Hình 3. 10. Mơ hình máy turbine gió trục đứng, kiểu dáng cánh Lenz2
Tất cả các bước thực hiện thiết kế cho máy phát điện gió cơng suất nhỏ loại trục đứng với kiểu dáng cánh Lenz2 được thể hiện trong lưu đồ.
Lưu đồ thiết kế:
Hình 3. 11. Lưu đồ thiết kếmáy phát điện gió cơng suất nhỏ trục đứng, kiểu dáng cánh Lenz2 3.6. Bài tập: Tính tốn thiết kế mơ hình gió điển hình
98 • Hiệu suất cao.
• Cấu tạo đơn giản.
• Dễ vận hành và bảo dưỡng.
• Thay đổi được tốc độ nhờ bộ truyền động. • Thay đổi được diện tích cánh rơ to.
• Ít duy tu, bảo quản. • Bền.
Cơng suất ngõ ra dự kiến của máy phát điện gió ở mức thường xuyên là khoảng 400W.
Hình 3. 12. Cấu tạo của hệ thống máy phát điện gió cơng suất nhỏ dạng trục đứng với kiểu dáng cánh Lenz2
3.6.2. Tính tốn lựa chọn, thiết kế máy phát điện gió cơng suất nhỏ
Trong máy phát điện gió bao gồm tất cả các bộ phận như sau: • Rơ to: cánh rơ to, cánh tay địn, hub.
• Bộ truyền động: hộp số chuyển đổi tỷ số truyền động trong cơ cấu truyền động, chủ yếu là hộp tăng tốc độ từ tốc độ thấp của rơ to cánh gió sang tốc độ cao hơn của máy phát điện.
• Trụ quay và giàn đỡ. • Máy phát điện.
• Bộ phận nén và tích trữ điện, bộ phận xã điện.
Để thiết kế một hệ thống năng lượng gió, người ta cần biết trước các thơng số để sử dụng trong q trình tính tốn về năng lượng gió:
99
• Vận tốc gió định mức, số liệu này có được từ việc khảo sát, vận tốc này được tính từ giá trị trung bình của vận tốc gió nơi đặt turbine, thơng qua khảo sát gió.
• Loại trục turbine là loại turbine trục đứng hay trục ngang. • Đường kính rơ to.
• Diện tích qt rơ to. • Kiểu dáng cánh...
Với mơ hình thiết kế và thi cơng, loại máy phát điện gió turbine trục đứng (VAWT) kiểu dáng cánh Lenz2. Ở đây lựa chọn kiểu dáng cánh Lenz2 vì với loại cánh này dễ thiết kế và thi công hơn các loại cánh khác. Với các thông số đầu vào và đầu ra như Bảng 2.3:
Bảng 3. 3 Các thông số đầu vào và đầu ra của mơ hình
Thơng số đầu vào
Vận tốc gió định mức: 8 m/s
Tỷ số tốc độ TRS 0.8
Số cánh 3 (hoặc 6)
Kiểu dáng cánh Lenz2
Đường kính rơ to (cực đại ) 2m
Chiều cao cánh 3m Số tầng 1 hoặc 2 tầng Thông số đầu ra Diện tích qt rơ to 6m2 Cơng suất ngõ ra 400W Đường kính và số tầng Cố định
Chất liệu cánh Cánh tôn Độ dày phù hợp
Chất liệu giàn và trụ đỡ
Sắt và thép Sắt ống, vuông – Thanh chữ V
Tính tốn thiết kế và cơng suất ngõ ra: 1. Cơng suất thu được từ gió:
Coi như mơ hình được đặt và thử nghiệm ở điều kiện mơi trường bình thường. Ở điều kiện bình thường, cơng suất gió sử dụng cơng thức (2–5):
3 647 . 0 Au Pw = = 0.647*6*83 = 1988W Với A = 6 m2 và u = 8 m/s
100
Theo tỷ số TRS tối ưu của Lenz2 là 0.8. Sử dụng công thức để tính hiệu suất turbine:
Với 0.5TSR1.0:Cp =0.196(TSR)+0.23233 = 0.389 là hiệu suất tối ưu của turbine gió trục đứng kiểu dáng cánh Lenz2.
3. Hiệu suất của bộ truyền động:
+ Tốc độ quay của rơ to cánh quạt được tính theo cơng thức:
m r u n . . 2 . 2 = (vòng/giây) = m r u . . 2 . 60 (vòng/phút); với =0.8 60 1 * * 2 8 * 8 . 0 2 = n =62vòng/phút
+ Tốc độ của máy phát điện n1:
i = n1/n2; với tỷ số truyền 8 ≤ i ≤ 40 nên chọn 2 tầng bánh răng để truyền động dễ dàng, chọn 2 tầng bánh răng như vậy hiệu suất còn lại là 98%, coi như mỗi tầng mất đi hiệu suất 1% nếu có bơi trơn và đặt trong hộp kín, m =0.98 là hiệu suất của bộ truyền động.
4. Hiệu suất của máy phát điện:
Hiệu suất của máy phát điện được dự đoán là 27.8% đến 82.2% như trong thí nghiệm về máy phát điện thì hiệu suất phụ thuộc vào tốc độ quay của rô to của máy phát điện, g = 27.8% đến 82.2% là hiệu suất của máy phát điện. Ở đây, giả sử hiệu suất máy phát đạt được 80%
5. Hiệu suất toàn hệ thống:
Hiệu suất tồn hệ thống được tính theo công thức như sau:
gR mR pR C 0 = Với: pR
C = 0.389 là hiệu suất của turbine;
mR
= 0.98 là hiệu suất của bộ truyền động;
gR
= 0.8 là hiệu suất của máy phát điện. 0
101
6. Cơng suất tồn hệ thống:
Cơng suất tồn hệ thống được tính theo cơng thức như sau: Pe=CpRmRgR Pw= 0. Pw
Pe = 0.304* 1988 =606W
Chương này được biên soạn nhằm cung cấp cho sinh viên: o Tổng quan về năng lượng gió.
o Tiềm năng phát triển năng lượng gió tại Việt Nam. o Các kiểu turbine gió.
o Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của turbine gió.
o Mối quan hệ giữa các thơng số trong máy phát điện gió. o Lưu đồ thiết kế máy phát điện gió cơng suất nhỏ.
102
Câu hỏi chương 3
1. Hãy trình bày lịch sử sử dụng năng lượng gió trên thế giới.
2. Hãy cho biết thực trạng, tiềm năng ứng dụng năng lượng gió tại Việt Nam. 3. Hãy trình bày các kiểu turbine gió.
4. So sánh máy phát điện gió trục đứng và trục ngang. 5. Trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động của turbine gió. 6. Nêu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất máy phát điện gió.
7. Tính tốn thiết kế máy phát điện gió cho hộ gia đình sử dụng 500W với loại trục đứng.
8. Tính tốn thiết kế máy phát điện gió cho hộ gia đình sử dụng 500W với loại trục ngang.
103
CHƯƠNG 4: NĂNG LƯỢNG ĐỊA NHIỆT Giới thiệu: Chương này trình bày các nội dung về năng lượng gió: Giới thiệu: Chương này trình bày các nội dung về năng lượng gió:
• Khái quát năng lượng địa nhiệt;
• Phân loại nhà máy điện năng lượng địa nhiệt;
• Cấu tạo cơ bản của nhà máy điện năng lượng địa nhiệt;
• Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả khai thác năng lượng địa nhiệt. - Về kiến thức:
+ Mô tả khái quát về sự hình thành năng lượng địa nhiệt. + Trình bày được cấu tạo của máy phát điện địa nhiệt. - Về kỹ năng:
+ Lựa chọn công suất phù hợp với phụ tải.
+ Phân tích quy trình khai thác năng lượng địa nhiệt.