CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TUABIN GIÓ
2.4. Đặc tính của gió và các ảnh hưởng của nó
Dựa trên dữ liệu nghiên cứu Tuabin gió AOC 15/50của NREL (National Renewable Energy Laboratory)[38], ý tưởng thiết kế được đưa ra dựa trên những phân tích sau:
Hình 2. 5: Đồ thị năng lƣợng Tuabin gió AOC 15/50[24]
Hình (2.5) miêu tả mộtdữ liệu thay đổi của gió và năng lƣợng mà Tuabin gió có thể chuyển đổi đƣợc. Tốc độ gió trung bình là 11 m/s (đây là tốc độ cài đặt lý tưởng mà Tuabin gió có thể đạt được công suất đầu ra như mong muốn) và nó được mô tả bởi đường màu đỏ ở trên. Năng lượng mà Tuabin gió có thể chuyển đổi khoảng 60kW ở tốc độ cài đặt này. Mỗi lần tốc độ gió giao động xung quanh vị trí 11 m/s thì năng lƣợng có thể chuyển đổi cũng dao động gần vị trí 60 kW thông qua các cơ cấu điều khiển của Tuabin gió và nó được mô tả bằng đường màu đỏ trên đồ thị năng lượng. Ý tưởng ở đây là tìm ra phương pháp để Tuabin gió có thể chuyển
HVTH: ĐOÀN MINH DUY Trang 28 hóa năng lượng dư thừa khi tốc độ gió lên cao hơn mức cài đặt (đường màu xanh trên đồ thị năng lượng) sau đó lưu trữ phần năng lượng dư thừa này lạivà phóng thích nó khi cần thiếtđể duy trì mức cân bằng dù tốc độ gió xuống thấp, từ đó sản xuất ra nhiều năng lƣợng hơn từ gió.
Khoảng năng lượng cần lưu trữ và kích thước của bình tích áp phụ thuộc vào những biến động này theo thời gian. Để hiểu rõ hơn về biến động của gió theo thời gian cần quan sát tìm hiểu kỹ đặc tính của gió.
Bảng 2. 1: Phân loại cấp độ gió theo tốc độ gió trung bình[7]
Cấp độ Gió
Tốc độ gió ở độ cao 10m Tốc độ gió ở độ cao trên 10m Tốc độ, m/giây Tốc độ, m/h Tốc độ, m/giây Tốc độ, m/h
1 < 4,4 < 9,8 < 5,6 < 12,5
2 4,4 – 5,1 9,8 – 11,5 5,6 – 6,4 12,5 – 14,3 3 5,1 – 5,6 11,5 – 12,5 6,4 – 7,0 14,3 – 15,7 4 5,6 – 6,0 12,5 – 13,4 7,0 – 7,5 15,7 – 16,8 5 6,0 – 6,4 13,4 – 14,3 7,5 – 8,0 16,8 – 17,9 6 6,4 – 7,0 14,3 – 15,7 8,0 – 8,8 17,9 – 19,7
7 > 7,0 > 15,7 > 8,8 > 19,7
Tốc độ gió thay đổi cả về không gian lẫn thời gian. Gió toàn cầu gây ra bởi năng lƣợng mặt trời bức xạ nhiệt tạo nên sự chênh lệch áp suất trên bề mặt của trái đất. Những luồng gió lớn và có quy mô sẽ ảnh hưởng đến sự thay đổi tốc độ gió địa phương. Gió ở mỗi khu vực cụ thể (gần bề mặt của trái đất) sẽ bị ảnh hưởng rất nhiều bởi các cấu trúc địa lý như sườn núi, thung lũng và các cấu trúc khác. Tại bất kỳ địa điểm cụ thể,sự thay đổi tốc độ gió theo thời gian cũng là do khác nhau điều kiện khí quyển, các điều kiện địa lý và các hiệu ứng tại vùng lân cận[15], [49], [57].
Các phổ tốc độ gió ở một vị trí nhất định cho chúng ta một dấu hiệu của các loại biến thể và quy mô thời gian liên quan đến những biến động này. Hình (2.6) cho thấy tốc độ gió điển hình có phổ tốc độ nhƣ thế nào:
HVTH: ĐOÀN MINH DUY Trang 29
Hình 2. 6: Phổ tốc độ gió minh họa (dựa theo lý thuyết của Van Der Hoven)[24]
Phổ tốc độ gió trong hình (2.6) cho thấy bốn đỉnh riêng biệt. Đỉnh cao đầu tiên từ trái qua xảy ra ở tần số của một năm (hàng năm), đợt cao điểm thứ hai mỗi bốn ngày (do áp thấp và xoáy nghịch), đỉnh cao thứ ba là biến đổi trong ngày chủ yếu là do thay đổi nhiệt độ giữa ngày và đêm và cuối cùng là khoảng thời gian của 1phút.
Dao độngcủa gió khí quyển đƣợc đại diện bởi các dãi tần số Micro (xung quanh đỉnh 1 phút) là những biến đổi ngắn hạn với một khoảng thời gian khác nhau, từ 30 giây đến vài phút. Một khía cạnh khác của tính toán cho thấy rằng để lưu trữ quá độ gây ra bởi ba dãi tần số đầu tiên, cần phải cóbình tích áprất lớn và chúng thì không sẵn có. Nhƣ vậy, chỉ có thể sử dụng bình tích áp có cài đặt chức năng tự tắt khi quá độ hoặc sử dụng cho những dao động trong dãi tần số Micro.
Dòng chảy rối là một hiện tƣợng vật lý phức tạp và nó tốt nhất đƣợc hiểu hoặc được mô tả dưới dạng phân phối thống kê. Một đặc điểm nổi bật của phổ tốc độ gió (Hình 2.6) đƣợc nghiên cứu bởi một số tác giả [67], [68], là “chênh lệch phổ” phân bố vĩ mô và vi mô theo phạm vi khí tƣợng. Điều này giúp chúng tathiết lập các giả định quan trọng về phân phối thống kê bản chất của gió. Với một dạng dòng chảy rối đƣợc mô tả nhƣ ở trên, tốc độ gió trung bình có thể đƣợc coi là gần nhƣ không đổi, nếu khoảng thời gian lựa chọn nằmtrong khoảng dao động của một dạng phổ.
Các quá trình ngẫu nhiên với giá trị trung bình khác nhau rất chậm có thể vẫn đƣợc
HVTH: ĐOÀN MINH DUY Trang 30 coi là một quá trình ổn định [18]. Ví dụ, mô hình gió trong một giờ có thể đƣợc coi là một quá trình cố định với giá trị trung bình đƣợc xác định bởi hàng năm, theo mùa hoặcbiến đổi trong ngày, Nhƣ vậy, biến động ngẫu nhiên của gió trong khoảng thời gian ngắn hạn sẽ có trị trung bình nhất định. Với những đặc tính đó, mô hình gió rối loạn có thể đƣợc biểu diễn nhƣ sau:
u u u (2. 11)
Có thể đƣợc coi là một biến ngẫu nhiên có phân bố Gauss với một trị trung bình là zero và độ lệch chuẩn đƣợc định nghĩa bởi [15]:
uI (2. 12)
Trong đó I là cường độ nhiễu loạn (theo%) tại một địa điểm cụ thể. Phương
trình trên chỉ có ích nếu khoảng cách phổ trong dãy dao động là khác biệt. Các nghiên cứu gần đây có kết luận rằng khoảng cách phổ này không phải là luôn luôn khác biệt [67], [68]. Trong một số trường hợp [10] không thể quan sát hết tất cả khoảng cách phổ. Nhƣng để đƣa ra một số kết luận kỹ thuật, nó đƣợc giả định rằng có một khoảng cách phổ riêng biệt trong phổ gió. Một số học thuyết đã gợi ý rằng
trong một khoảng thời gian 20 phút là xấp xỉ tốt nhất cho mô hình dòng chảy rối phức tạp của gió.