Dũng khụng khớ chuyển động giống như bất kỳ một vật thể chuyển động nào khỏc đều cú một động năng. Một trong cỏc dạng sử dụng động năng là biến nú thành cơ năng. Động năng của vật thể bất kỳ kể cả năng lượng giú được xỏc định bằng biểu thức 2.4.
Năng lượng của dũng khớ chuyển động với vận tốc V qua tiết diện ngang F được xỏc định như sau:
Thể tớch khụng khớ chuyển động với vận tốc V qua tiết diện F trong 1 giõy bằng:
Vk = VF (m3/s) (2.8)
Thể tớch này nhõn với trọng lượng riờng γ của khụng khớ ta nhận được lưu
lượng trọng lượng của khụng khớ:
G = γ VF (N/s) (2.9)
Lưu lượng khối lượng của khụng khớ bằng: m = G = γVF
(Ns/m) (2.10)
g g
Biểu thức γ/g gọi là khối lượng riờng hay mật độ khụng khớ kớ hiệu là ρ
(kNs2/m4). Thay giỏ trị γ/g = ρ vào biểu thức 2.11 ta được:
V
V
Hỡnh 2.1. Bề mặt cỏnh bỏnh cụng tỏc động cơ giú chiếm chỗ khi quay
Thay giỏ trị m vào biểu thức 2.8 ta được: mV2 2 ρ.V.F.V2 = 2 ρ.F.V3 = 2 (Nm/s =W) (2.12)
Biểu thức này xỏc định năng lượng giú qua tiết diện F trong 1 giõy. Cần nhấn mạnh rằng, năng lượng giú tỷ lệ bậc 3 với vận tốc giú và tỷ lệ bậc nhất với tiết diện F.
Động cơ giú chỉ biến đổi một phần năng lượng này thành cơ năng và được xỏc định bằng hệ số sử dụng năng lượng giú ký hiệu là ξ. Bởi vậy động năng giú cú tiết diện F (hỡnh 2.1) sẽ sản ra cụng trong 1 giõy bằng:
T = ρ.V .F.ξ (J/s) (2.13)
2
Hệ số sử dụng năng lượng giú ξ là tỷ số giữa cụng động cơ giú thực hiện được trong 1 giõy với năng lượng dũng khớ chảy qua tiết diện cú diện tớch bằng diện tớch bề mặt cỏnh bỏnh cụng tỏc giú chiếm chỗ khi quay trong 1 giõy.
Đặc tớnh ưu việt của giú là một nguồn năng lượng cú ở mọi nơi. Xong việc ứng dụng năng lượng giú trong cỏc quỏ trỡnh sản xuất là hết sức khú khăn. Mật độ khụng khớ nhỏ hơn 800 lần so với mật độ nước, bởi vậy để nhận được cụng suất lớn cần phải cú động cơ giú kớch thước rất lớn. Chẳng hạn để nhận được cụng suất 100
2.2. Tiềm năng năng lượng giú ở Việt Nam
2.2.1. Tốc độ giú, cấp giú
Một trong cỏc thụng số đặc trưng của giú là tốc độ giú, kớ hiệu là V, đơn vị cú thể là m/s hay km/h.
Căn cứ vào tốc độ giú người ta chia thành cỏc cấp và bảng cấp giú được sử dụng phổ biến trờn thế giới hiện nay là bảng cấp giú Bụ-Pho (Beaufor) với 17 cấp được cho ở bảng 2.1 dười đõy.
Cấp giú
Tốc độ giú Áp suất giú
trung Đặc điểm của
m/s km/h bỡnh (kg/m2) giú 0 0,0 ữ 0,2 0,0 ữ 1,0 0,0 Lặng giú 1 0,3 ữ 1,5 1,0 ữ 5,0 0,2 Giú ờm 2 1,6 ữ 3,3 6,0 ữ 11 0,9 Giú nhẹ 3 3,4 ữ 5,4 12 ữ 19 2,2 Giú yếu 4 5,5 ữ 7,9 20 ữ 28 4,5 Giú vừa 5 8,0 ữ 10,7 29 ữ 38 7,8 Giú mỏt 6 10,8 ữ 13,8 39 ữ 49 12,5 Giú hơi mạnh 7 13,9 ữ 17,1 50 ữ 61 18,8 Giú mạnh 8 17,2 ữ 20,7 62 ữ 74 27,0 Giú rất mạnh 9 20,8 ữ 24,4 75 ữ 88 37,5 Giú bóo 10 24,5 ữ 28,4 89 ữ 102 51,1 Bóo 11 28,5 ữ 32,6 113 ữ 117 69,4 Bóo mạnh 12 32,7 ữ 36,9 118 ữ 133 89,0 Bóo rất mạnh 13 37,0 ữ 41,4 134 ữ 149 109,2 14 41,5 ữ 46,1 150 ữ 166 135,8
Bảng 2.1. Bảng cấp giú Beaufor
Trong thiờn nhiờn giú thường xuyờn thay đổi tốc độ, vỡ vậy để đỏnh giỏ được tiềm năng từng vựng người ta sử dụng cỏc thụng số giú trung bỡnh Vtb, gồm trung bỡnh năm, tốc độ giú cực đại Vmax và tần suất xuất hiện cỏc tốc độ giú gọi tắt là tần suất tốc độ giú.
2.2.2. Chế độ giú ở Việt Nam
Việt Nam nằm ở khu vực gần xớch đạo trong khoảng 80 đến 230 vĩ Bắc thuộc khu vực nhiệt đới giú mựa.
Giú ở Việt Nam cú hai mựa rừ rệt: Giú Đụng bắc và giú Đụng nam với tốc độ giú trung bỡnh ở vựng ven biển từ 4,5 đến 6 (m/s) (ở độ cao 10 đến 12m). Tại cỏc đảo xa tốc độ giú đạt 6 đến 8 (m/s). Như vậy tuy khụng cao bằng tốc độ giú ở cỏc nước Bắc Âu ở vĩ độ cao nhưng cũng đủ lớn để sử dụng động cơ giú cú hiệu quả.
Cũn ở cỏc vựng đồng bằng tốc độ giú nhỏ hơn 4 (m/s), do đú việc sử dụng động cơ giú khú đem lại hiệu quả.
Ở cỏc vựng nỳi tốc độ giú cũn thấp hơn trừ một vài vựng nỳi cao và những nơi cú địa thế đặc biệt tạo ra những hành lang hỳt giú.
Một đặc điểm nữa của giú ở Việt Nam là hàng năm cú nhiều cơn bóo mạnh kốm theo giú giật đổ bộ vào miền Bắc và miền Trung. Tốc độ giú cực đại đo được trong cỏc cơn bóo tại Việt Nam đạt tới 45 (m/s) (bóo cấp 14). Vỡ vậy khi nghiờn cứu chế tạo động cơ giú ở Việt Nam phải chỳ ý đến chống bóo và lốc.
Tiềm năng giú của Việt Nam cú thể đỏnh giỏ thụng qua cỏc số liệu về giú của Cục Khớ tượng Thuỷ văn được cho trong bảng 2.2.
Tờn địa phương Tốc độ trung bỡnh Vtb(m/s) Hệ số ảnh năng lượng K Mật độ cụng suất giú (W/m2) Mật độ năng lượng năm (E = kWh/m2) Bói Chỏy 3,3 2,9 64,0 562
Đảo Cụ Tụ 4,4 2,9 22,5 1.317,9 Đồng Hới 3,9 3,1 108,6 952 Đảo Phỳ Quý 6,8 2,1 108 3554,2 Đà Lạt 3 4,5 66,2 580 Hà Nội 2,5 2,5 24,2 212,4 Lai Chõu 2,0 3,0 22,5 131,8 Lạng Sơn 2,7 3,6 - 379,2 Nam Định 3,6 2,5 72,0 631 Pha Đin 3,2 3,2 22,5 751,1 Plõyku 3,1 4,1 69,6 610 Phỳ Quốc 3,7 3,3 97,5 855 Quy nhơn 4,1 3,1 106,6 935 Súc Trăng 2,7 4,2 49,2 431 Thỏi Nguyờn 2,3 2,5 22,5 154,3 Thanh Hoỏ 2,6 2,9 29,5 259 Tõy Ninh 2,4 2,3 66,2 179,3 Tõn Sơn Nhất 3,2 2,9 56,1 492 Trường Sa 6,3 2,1 307,1 2.692 Rạch Giỏ 3,2 2,8 47,7 476 Văn Lý 4,3 2,3 72,0 933,5 Vũng Tàu 3,9 3,0 101,1 886
Bảng 2.2. Bảng tiềm năng giú ở Việt Nam
Trong bảng 2.2 vận tốc giú được đo ở độ cao 10 đến 12m. Cỏc động cơ giú cụng suất lớn vài trăm đến 1000 (kW) thường được lắp trờn độ cao 50 đến 60m. Song cỏc dữ liệu vận tốc giú ở độ cao trờn 12m thỡ ta chưa cú. Vỡ vậy một vài đơn
V = V Trong đú: 1 1 2.3) V là vận tốc giú cần tỡm trờn độ cao h
V1 là vận tốc giú đo được gần mặt đất trờn độ cao h1
Từ quan hệ trờn ta tỡm được vận tốc giú trờn độ cao 50m như sau (xem bảng
Tờn TT địa phương Tốc độ trung bỡnh Vtb trờn độ cao 12m (m/s) Tốc độ trung bỡnh Vtb trờn độ cao 50m (m/s) 1 Bói Chỏy 3,3 4,4 2 Bạch Long Vĩ 7,3 9,7 3 Bạc Liờu 2,8 3,7 4 Cam Ranh 4,2 5,6 5 Đảo Cụ Tụ 4,4 5,8 6 Đồng Hới 3,9 5,2 7 Đảo Phỳ Quý 6,8 9,0 8 Đà Lạt 3,0 4,0 9 Hà Nội 2,5 3,3 10 Lai Chõu 2,0 2,7 11 Lạng Sơn 2,7 3,6 12 Nam Định 3,6 4,8 13 Pha Đin 3,2 4,2 14 Plõyku 3,1 4,1 15 Phỳ Quốc 3,7 4,9 h
21 Tõn Sơn Nhất 3,2 4,2
22 Trường Sa 6,3 8,4
23 Rạch Giỏ 3,2 4,2
24 Văn Lý 4,3 5,7
25 Vũng Tàu 3,9 5,2
Bảng 2.3. Bảng đo vận tốc giú trờn độ cao 12m và 50m
2.3. Sản xuất điện từ năng lượng giú ở Việt Nam
Giú là một nguồn năng lượng cú đặc tớnh ưu việt là cú ở tất cả mọi nơi. Song việc ứng dụng NLG trong cỏc quỏ trỡnh sản suất là hết sức khú khăn, để nhận được cụng suất lớn cần cú động cơ giú kớch thước rất lớn. Thờm vào đú là NLG khụng ổn định theo thời gian nờn khú sử dụng rộng rói trong cụng nghiệp và giao thụng.
Năng lượng giú ở Việt Nam thỡ khụng tốt bằng cỏc nước Chõu Âu , thế nhưng dọc bờ biển và hải đảo thỡ Việt Nam cao nhất so với cỏc nước trong khu vực. Nay do số liệu về giú trờn độ cao 40 một thỡ Việt Nam chưa cú.
Hiện nay đang xõy dựng một số cột đo giú độ cao trờn 40 một; khi đỏnh giỏ được thỡ mới cú thể khai thỏc. Việt Nam là nước ven biển nờn cú nhiều vựng giú tiềm năng, hiện đang cú một số dự ỏn của Trung tõm nghiờn cứu Năng Lượng Mới thuộc Đại Học Bỏch Khoa Hà Nội cú thể phỏt điện hoà vào mạng lưới điện Việt Nam. Căn cứ việc đo giú họ đó tiến hành một dự ỏn ở Bỡnh Định đầu tiờn là 50MW nhưng do khú khăn về đất nờn chỉ thực hiện được 20MW.
Tập đồn Tài chớnh EurOrient (“EurOrient”) đó cụng bố kế hoạch thỳc đẩy phỏt triển cỏc nguồn năng lượng tỏi tạo và sạch hơn tại khu vực miền Bắc Việt Nam, đồng thời dự tớnh sẽ quyết định đầu tư 125 triệu USD nhằm gúp phần phỏt triển năng lượng điện chạy bằng sức giú. Hoạt động sản xuất điện bằng sức giú sắp triển khai đang được dự tớnh xõy dựng theo hỡnh thức “xõy dựng - sở hữu - chuyển
dựng cỏc nhà mỏy phỏt điện chạy bằng sức giú với tổng cụng suất 125MW, tuy nhiờn cụng suất chớnh xỏc cũng như những vấn đề khỏc vẫn chưa cú được quyết định cuối cựng. Tập đoàn Tài chớnh EurOrient cũng sẽ cung cấp hỗ trợ kỹ thuật và nõng cao năng lực phục vụ việc phỏt triển sản xuất điện giú nhằm đẩy mạnh hơn nữa việc sản xuất điện bằng sức giú ở cỏc tỉnh khỏc.
Việc nghiờn cứu ứng dụng NLG ở Việt Nam đó bắt đầu vào những năm 1970 với sự tham gia của nhiều cơ quan. Từ năm 1984 với sự tham gia của chương trỡnh Tiến bộ khoa học kỹ thuật nhà nước về Năng lượng mới và tỏi tạo nờn đó cú một số kết quả sau:
Về động cơ giú phỏt điện:
- Mỏy phỏt điện PD 170- 6, cụng suất 120W nạp ắcquy của Trường Đại Học Bỏch Khoa Thành Phố Hồ CHớ Minh.
- Mỏy phỏt điện PH- 500, cụng suất 500W của Trường Đại Học Bỏch Khoa Hà Nội. - Mỏy WINDCHARGER, cụng suất 200W nạp ắcquy (theo thiết kế của Mỹ) do một
số cơ quan cải tiến thiết kế chế tạo.
- Mỏy phỏt điện giú cụng suất 150W của Trung tõm nghiờn cứu SOLALAB Trường Đại Học Bỏch Khoa Thành Phố Hồ CHớ Minh.
Về động cơ giú bơm nước:
- Mỏy D- 4 bơm cột nước thấp của Viện năng lượng, Bộ Cụng Thương. - Mỏy D- 3,2 bơm cột nước cao của Viện năng lượng, Bộ Cụng Thương.
- Cỏc mỏy PB 380- 10 và 350- 8 bơm cột nước cao do Trường Đại Học Bỏch Khoa Thành Phố Hồ Chớ Minh thiết kế, chế tạo
- Mỏy OASIS bơm cột nước cao (trước đõy do hợp tỏc xó 2- 9 Thành Phố Hồ Chớ Minh cải tiến, thiết kế và chế tạo).
Bờn cạnh cỏc thiết bị phỏt điện dựng sức giú cụng suất cực nhỏ nhập của Trung Quốc ta đó xõy dựng cỏc dự ỏn nhà mỏy điện giú cụng suất lớn.
giú
3.1.1 Tổng quan về hệthống thống
a. Yờu cầu đối với hệ thống
Trạm điện sức giú được xõy dựng phải đỏp ứng được cỏc yờu cầu hoạt động và vận hành sau đõy:
+ Hệ thống làm việc độc lập nhưng vẫn cho phộp cú sự can thiệp của con người khi cú yờu cầu.
+ Cấu trỳc lắp đặt của hệ thống đảm bảo thuận lợi cho cụng tỏc bảo dưỡng, kiểm tra, thay thế, phũng chống thiờn tai: bóo, lũ.
Bờn cạnh đú, do điều kiện năng lượng giú đầu vào của trạm phỏt điện luụn biến động theo thời gian cũn cụng suất tiờu thụ phớa phụ tải đầu ra cũng khụng ổn định, cho nờn hệ thống phải cú khả năng xử lý những thay đổi trong năng lượng thu và phỏt, nhằm duy trỡ sự cõn bằng về năng lượng. Như vậy:
+ Hệ thống thực hiện tớch trữ hoặc bự đắp năng lượng trong điều kiện năng lượng đầu vào nhiều hơn hoặc ớt hơn cụng suất tiờu thụ phớa phụ tải.
+ Nếu cụng suất tiờu thụ vượt quỏ lượng cung cấp đầu vào và khả năng bự đắp, hệ thống cú biện phỏt kỹ thuật đảm bảo khụng bị ró lưới tiờu thụ.
+ Khi cụng suất tiờu thụ quỏ nhỏ cũn năng lượng thu được từ đầu vào quỏ lớn vượt quỏ năng lượng cú thể tớch trữ lại, hệ thống cú giải phỏp tiờu hao nguồn năng lượng dư thừa.
Căn cứ theo những yờu cầu vận hành và cỏc bài toỏn kỹ thuật cần phải cú, hệ thống phỏt điện sức giú cú cấu trỳc được thiết kế như hỡnh vẽ 3.1.
b. Nguyờn lý hoạt động
Năng lượng giú sẽ được chuyển hoỏ thành điện năng và được lấy ra ỏ phớa stator của mỏy phỏt. Hai bộ chỉnh lưu làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng xoay chiều thành năng lượng một chiều và đưa vào mạch một chiều. Chỉnh lưu phụ với điện trở
36
Nối với mạch một chiều cú cỏc bộ phận điện trở hóm, nghịch lưu, mạch nạp ắc-quy và ắc-quy, chỳng được tớch hợp để phục vụ cỏc bài toỏn kỹ thuật cho hệ thống. Khi đú dũng năng lượng một chiều sẽ được điều khiển cung cấp cho phụ tải thụng qua nhỏnh phần tử nghịch lưu, hoặc nạp vào trong bộ phận ắc-quy, hoặc đưa tới điện trở hóm. Hoạt động của chỳng được điều khiển bởi một bộ điều khiển hiện trường (dựng TMS 320F2812) được tớch hợp trong hệ thống.
Thụng qua cỏc thiết bị đúng cắt S1,S2, … bộ điều khiển hệ thống (dựng Simatic S7-200 của Simens) sẽ thiết lập cỏc chế độ hoạt động: khởi động, cấp điện phụ tải, cắt tải, v.v…
c.Phõn cấp điều khiển trong hệ thống
Phần điều khiển trong hệ thống được chia thành hai cấp căn cứ theo mục đớch hoạt động:
+ Cấp điều khiển hiện trường, thực hiện cỏc bài toỏn điều khiển cấp Slave nhưng đũi hỏi thời gian thực (bài toỏn điều chỉnh ổn định điện ỏp ra, bài toỏn nạp ắc-quy, bài toỏn tiờu hao năng lượng dư thừa dựng điện trở hóm, bài toỏn bự hệ số cụng suất cosφ) can thiệp trực tiếp đến cỏc phần tử của hệ thống, nú gồm một bộ điều khiển chớnh, xõy dựng dựa trờn phần tử TMS320F2812, và cỏc module phụ trợ. + Cấp điều khiển hệ thống, thực hiện cỏc bài toỏn điều khiển cấp Master như: thiết lập chế độ hoạt động, phõn bố phụ tải tiờu thụ, giỏm sỏt hoạt động của hệ thống, tham gia thực hiện bài toỏn chẩn đoỏn và giỏm sỏt từ xa thực trạng vận hành. Phần cứng sử dụng là phần tử khả trỡnh Simatic S7-200 của hóng Simens. Một thiết bị điều khiển, chẩn đoỏn và giỏm sỏt từ xa (hỡnh 3.2) đó được tớch hợp thờm (kết nối với bộ điều khiển hệ thống thụng qua modem của S7-200 và đường dõy điện thoại) cho phộp thực hiện được cỏc chức năng quan trọng như: chẩn đoỏn hệ thống, phỏt hiện lỗi, cập nhật phần mềm v.v…
Bộ điều khiển hiện trường Thiết bị cấp trường Hệ thống điều khiển giỏm sỏt tại chỗ Hệ thống điều khiển giỏm sỏt từ xa
Hỡnh 3.2. Sơ đồ phõn cấp trong hệ thống điều khiển trạm phỏt điện sức giú
3.1.2 Cấp điều khiển hiện trường
Trong hệ thống phỏt điện sức giú, cấp điều khiển hiện trường là một bộ điều khiển do Phũng Thớ nghiệm trọng điểm Tự động hoỏ thiết kế, chế tạo, được tớch hợp dựa trờn vi xử lý tớn hiệu số TMS 320F2812 của hóng Texas Instrument. Bờn cạnh card điều khiển (hỡnh 3.3) là 3 module được thiết kế để giải quyết 3 bài toỏn điều khiển cấp hiện trường như:
Card điều khiển
Module điện trở đốt Module nghịch lưu Module nạp acqui
Hỡnh 3.3. Cỏc thành phần của hệ thống điều khiển hiện trường
54
55