Chương 2 : Năng lượng gió
2.7 Hiệu suất turbine 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 khơng 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) (2-11) 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.
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.
43
Bảng 2.2. 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
2.8 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
44
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 mô 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 rô 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)
Bước 6: Tính cơng suất cơ làm quay trục rô to: Pm = Cp*Pw (W).
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 (vòng/phút);
45
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 rô 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;
46
Hình 2.10. 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 như Hình 2.11
47
Lưu đồ thiết kế:
Hình 2.11. Lưu đồ thiết kế máy phát điện gió
cơng suất nhỏ trục đứng, kiểu dáng cánh Lenz2
2.9 Tính tốn thiết kế mơ hình gió điển hình
2.9.1. Tiêu chí thiết kế máy phát điện gió cơng suất nhỏ
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.
48 Ít duy tu, bảo quản.
Bền.
Công suất ngõ ra dự kiến của máy phát điện gió ở mức thường xuyên là khoảng 400W.
Hình 2.12. Cấu tạo của hệ thống máy phát điện gió cơng suất nhỏ dạng trục đứng với kiểu dáng cánh Lenz2
2.9.2. 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 thông số để sử dụng trong q trình tính tốn về năng lượng gió:
49 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 công, 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 2.3. 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:
50
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
2. Hiệu suất của turbine gió:
Theo tỷ số TRS tối ưu của Lenz2 là 0.8. Sử dụng cơng thức để tính hiệu suất turbine:
Với 0.5TSR1.0:Cp 0.196TSR0.23233 = 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%
51
Hiệu suất toàn hệ thống được tính theo cơng 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
có giá trị 0.304.
6. Cơng suất tồn hệ thống:
Cơng suất tồn hệ thống được tính theo cơng thức như sau: PeCpRmRgR Pw= 0. Pw
52
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.
Câu hỏi chương 2:
Câu 1: Anh/chị hãy trình bày lịch sử sử dụng năng lượng gió của lồi người?
Câu 2: Anh/chị hãy cho biết thực trạng, tiềm năng ứng dụng năng lượng gió tại Việt Nam.
Câu 3: Anh/chị hãy trình bày các kiểu turbine gió? So sánh máy phát điện gió trục đứng và trục ngang?
Câu 4: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của turbine gió?
53
Chương 3: Điện mặt trời
Mặt trời là một khối cầu có đường kính khống 1,4 triệu km với thành phần gồm các khí có nhiệt độ rất cao. Nhiệt độ bên trong mặt trời đạt đến gần 15 triệu độ, với áp suất gấp 70 tỷ lần áp suất khí quyển của Trái đất. Đây là điều kiện lý tưởng cho các phản ứng phân hạch của các nguyên tử hydro. Bức xạ gamma từ các phản ứng phân hạch này, trong quá trình được truyền từ tâm mặt trời ra ngồi, tương tác với các nguyên tố khác bên trong mặt trời và chuyển thành bức xạ có mức năng lượng thấp hơn, chủ yếu là ánh sáng và phần nhiệt của phổ năng lượng. Bức xạ điện từ này, với phổ năng lượng trải dài từ cực tím đến hồng ngoại, phát ra khơng gian ở mọi hướng khác nhau. Quá trình bức xạ của mặt trời diễn ra từ 5 tỷ năm nay, và sẽ còn tiếp tục trong khoảng 5 tỷ năm nữa.
Hình 3.1 Bản đồ phân bố năng lượng mặt trời
Mỗi giây mặt trời phát ra một khối lượng năng lượng khổng lồ vào Thái dương hệ, chỉ một phần nhỏ tổng lượng bức xạ đến được trái đất có cơng suất vào khoảng 1.367MW/m2
ở ngoại tầng khí quyển của Trái đất, 30% bức xạ này bị phản xạ lại về không gian, 70% được hấp thụ bởi mặt đất, đại dương và khí quyển chuyển thành nhiệt sau đó tỏa lại về
54
khơng gian. Chỉ một phần nhỏ NLMT được sử dụng thì có thể đáp ứng được nhu cầu về năng lượng của thế giới.
Mặt trời là nguồn năng lượng mà con người có thể tận dụng được: sạch sẽ, đáng tin cậy, gần như vơ tận và có ở khắp mọi nơi. Việc thu giữ NLMT khơng thải ra khí và nước độc hại, do đó khơng góp phần vào vấn đề ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính.
Tiềm năng về NLMT trên thế giới: phân bố không đồng đều trên thế giới, mạnh nhất là vùng xích đạo và vùng khơ hạn, giảm dần về phía cực trái đất. Tiềm năng kính tế sử dụng NLMT phụ thuộc vào vị trí địa điểm trên trái đất, phụ thuộc vào đặc điểm khí hậu, thời tiết cụ thể của từng vùng miền. Theo số lượng thống kê bức xạ trung bình của một địa điểm trên thế giới vào khoảng 2000kWh/m2/năm.
Tiềm năng về NLMT ở Việt Nam: phân bố không đồng đều trên lãnh thổ Việt Nam do đặc điểm địa hình khí hậu khác nhau của hai miền Nam và Bắc. Nói chung là cường độ năng lượng bức xạ không cao và thay đổi thất thường
Bảng 3.1 Tiềm năng NLMT một số nước trên thế giới.
STT Quốc gia Tiềm năng tWh/năm Bức xạ trung bình kWh/m2/năm 1 Angiêri 13,9 1970 2 Ai Cập 36,0 2450 3 Bồ Đào Nha 3,0 1910 4 Cô oét 2,5 1900 5 Hy Lạp 4,0 1730 6 Iran 16,0 2100 7 Irắc 6,8 2050 8 Ý 10,0 1800 9 Li Băng 1,5 1920
55
10 Marốc 17,0 2000
11 Saudi Arabi 13,9 2130
12 Tây Ban Nha 5,0 2000
Bảng 3.2 Tiềm năng NLMT ở Việt Nam
Vùng Giờ nắng trong năm Bức xạ kcal/cm2/năm Khả năng ứng dụng Đông bắc 1500-1700 100-125 Thấp Tây bắc 1750-1900 125-150 Trung bình Bắc trung bộ 1700-200 140-160 Tốt Tây nguyên, nam trung
bộ 2000-2600 150-175 Rất tốt Nam bộ 2200-2500 130-150 Rất tốt Trung bình cả nước 1700-2500 100-175 Tốt Hai ứng dụng chính của NLMT là:
Nhiệt mặt trời : Chuyển bức xạ mặt trời thành nhiệt năng, sử dụng ở các hệ thống
sưởi hoặc để đun nước tạo hơi quay turbin điện.
Điện mặt trời: Chuyển bức xạ mặt trời (dạng ánh sáng) trực tiếp thành điện năng
(hay còn gọi là quang điện – photovoltaics - PV).
Hai dạng hệ thống dân dụng sử dụng NLMT phổ biến nhất hiện nay là hệ thống nhiệt NLMT và hệ thống quang điện cá nhân. Một số hệ thống khác là: Hệ thống đun nước mặt trời, máy bơm NLMT và điện mặt trời sử dụng cho các trạm truyền thông vô tuyến ở vùng sâu vùng xa.
Nhu cầu về điện mặt trời tăng rất nhanh trong 20 năm qua, với tốc độ trung bình là 25% mỗi năm, trong năm 2004 tổng cơng suất lắp đặt điện mặt trời tồn cầu đạt 927 MW, tăng gần gấp đôi năm 2003( 574MW) và gấp hơn 40 lần so với 25 năm trước. Các quốc gia
56
phát trên thế giới đang thúc đẩy mạnh mẽ các kế hoạch phát triển điện mặt trời thông qua cải thiện kỹ thuật cũng như trợ vốn.
3.1 Pin mặt trời và lịch sử phát triển
Quang điện là một hiện tượng ánh sáng sinh điện. Khi ánh sáng rọi trên bề mặt một vật.