Phương pháp đánh giá tiềm năng của năng lượng gió

PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG
CỦA NĂNG LƯỢNG GIÓ
ASSESSMENT METHODS FOR THE WIND POWER POTENTIAL


NGUYỄN NGỌC DIỆP
Hội Kỹ sư Ô tô Việt Nam


TÓM TẮT
Đánh giá đúng tiềm năng gió cho địa điểm sẽ đặt cụm các tuabin gió phát điện lá rất quan
trọng bởi lẽ nó sẽ xác định tính hiệu quả, tính kinh tế của một dự án phong điện. Bài báo này
trình bày cơ sở lý thuyết của việc xử lý số liệu về gió và thử áp dụng để tính khả năng phát
điện cho dự án Phương Mai với các trụ gió cao 78 m, đường kính cánh quạt D=82 m.
ABSTRACT
The assessment of wind potential of a prospective place is very important because it will
specify the effectiveness, the economy of a wind-genereated electrical project. This article
presents fundamental theory of data processing process. It also estimates the electrical
capacity of the wind-generated electrical Phuong Mai project. The project has wind tower’s
height of 78 m with blade diameter of D = 82 m.


1. Đặt vấn đề
Loài người càng ngày càng tin rằng để phát triển bền vững cần phải áp dụng những
công nghệ không làm tổn hại đến môi trường sống, không bóc lột quá đáng thiên nhiên, tránh
làm ô nhiễm môi trường sống không chỉ dành riêng cho loài người mà cho cả mọi sinh vật,
hơn nữa, không chỉ mọi sinh vật trên trái đất mà cả những thứ vô tri vô giác như sông hồ, biển
cả, đất đai.
Năng lượng giành cho sự phát triển được lấy từ than đá, dầu mỏ, thậm chí từ các chất
phóng xạ... rồi sẽ cạn kiệt. Các dự báo về năng lượng đều khẳng định điều đó.
Năng lượng mà Trái Đất nhận được từ mặt trời rất khổng lồ. Nhưng đến nay loài

người chỉ mới khai thác đáng kể thuỷ năng. Dạng khác của năng lượng mặt trời là năng lượng
gió chưa được nghiên cứu và khai thác đúng mức. Lý do chủ yếu là mật độ năng lượng của
sức gió bình thường nhỏ hơn khoảng 1000 lần so với dòng nước. Nhưng nếu biết khai thác
sức gió bằng công nghệ hiện đại và với quy mô lớn thì loài người sẽ được hưởng lợi bởi môi
trường sống không bị ô nhiễm của nguồn tài nguyên này.
Muốn đánh giá đúng đắn tiềm năng năng lượng gió cần phải có những hiểu biết vững
chắc về lĩnh vực khoa học này. Đã có nhiều công trình sử dụng năng lượng gió không hiệu
quả do không đánh giá đúng tiềm năng gió tại nơi lắp đặt tuabin gió.
Bài báo này trình bày một số phương pháp đánh giá tiềm năng gió, tổng kết từ những
nghiên cứu gần đây nhất. Và tác giả thử áp dụng trên cơ sở những phương pháp luận được
nêu để đánh giá tiềm năng gió cho dự án phong điện Phương Mai của tỉnh Bình Định là một
dự án về sử dụng năng lượng gió lớn nhất tại Việt Nam và Đông Nam Á.

2. Một dự án về năng lượng gió phải được bắt đầu từ số liệu điều tra cơ bản được tiến
hành trong nhiều năm
Ở quy mô toàn cầu nên có một bản đồ gió. Đáng tiếc là chưa có tổ chức, định chế nào
làm việc đó. Mới có bản đồ gió tỉ lệ xích nhỏ và không đầy đủ. Ở nước ta cũng chưa có tổ
chức nào, chương trình quốc gia nào làm công việc đo và lập bản đồ gió của Việt Nam. Một
số nước như Trung Quốc, Nhật Bản... họ đã có bản đồ các đường đồng giá trị về vận tốc gió
24
24
1


i
ii
tb
tV
V
30

30
1


i
ii
tb
tV
V
trên quy mô cả nước. Tuy vậy bản đồ gió cho từng vùng, nhất là những vùng có tiềm năng
khá về gió thì không có ngay mà cần thời gian đo đạc trong nhiều năm khi cần chú ý lập dự án
cho vùng đó. Việc đo gió ở quy mô một dự án cũng không phải là không tốn kém: cần trang
bị các máy đo gió ghi tự động lưu trữ số liệu hoặc truyền trực tiếp số liệu xuống máy tính.
Cần xây lắp các trụ đặt thiết bị đo hướng gió, vận tốc gió có chiều cao từ vài chục mét đến 60,
80 mét. Từ số liệu đo gió đủ tin cậy với thời gian đo liên tục trong một số năm thì mới có căn
cứ ban đầu cho việc phân tích và đánh giá tiếp theo. Các máy đo gió này phải có tính năng đo
2 giây một lần và cứ 10 phút thì lấy giá trị trung bình.

3. Công việc xử lý số liệu đo
Từ số liệu đo được, ta sẽ lập các biểu mẫu:
1- Vận tốc gió theo từng giờ trong ngày (từ giờ thứ 1 đến giờ thứ 24 trong ngày) vào
mùa đông, vào mùa hè và trung bình trong năm.
2- Vận tốc gió trung bình theo từng ngày trong năm.
3- Vận tốc gió trung bình theo từng tháng trong năm.
Từ các biểu mẫu này, ta lập các đồ thị:
1) Đồ thị bar V=f (giờ trong ngày) v- m/s giờ trong ngày: 1,2,..,24
Từ đồ thị này tìm:
- Vận tốc gió trung bình trong ngàyVtb:

2) Đồ thị bar V=f (giờ trong tháng)

Vận tốc gió trung bình trong tháng

3) Căn cứ biểu mẫu V=f (giờ trong ngày) (của giá trị trung bình trong cả năm), ta lập
bảng tần suất xuất hiện từng vận tốc gió theo số giờ trong ngày hay theo số giờ trong tháng.
Từ bảng này, lập đồ thị bar tần suất xuất hiện=f(V) (tần suất xuất hiện – tính theo thời gian:
số giờ trong tháng)
Lập thêm đồ thị XY-Scatter tần suất xuất hiện=f(V).
4- Lập bảng phân bố luỹ tích số giờ có gió mà V gió < V gió tham chiếu. Cột thứ I
của bảng này là các khoảng vận tốc gió, cột thứ II là số giờ có vận tốc gió đó xuất
hiện, cột thứ III là số giờ luỹ kế. Cụ thể, gọi cột 1 của hàng thứ i là cột i,1. Cột thứ
2 là cột i,j-1 thì cột luỹ kế là cột i,j. Giá tri của cột
i,3
= Giá trị của cột
i-1, j
+ giá trị
cột
i,2
.
Vẽ đồ thị phân bố luỹ tích số giờ có gió mà V gió < V gió tham chiếu. (trục tung là %
luỹ kế (cột 4). Trục hoành là các khoảng giá trị của V. (cột 1)
Lấy phương trình giải tích của đồ thị phân bố luỹ tích số giờ có gió mà V gió < V gió
tham chiếu. Phương trình này * cần ở dạng tuyến tính. Và chú ý tuyến tính hoá đường cong
đồ thị tần suất xuất hiện=f(V) trong phạm vi V=0.7*Vtb đến V=2*Vtb.
Từ đồ thị tần suất xuất hiện=f(V) và đồ thị phân bố luỹ tích số giờ có gió mà V gió <
V gió tham chiếu ta có thể định tính được trạng huống của gió tại vùng khảo sát.
Song để có cách nhìn tổng quan, và chính xác, ta cần sử dụng hàm phân bố thống kê
toán học Weibull. Sử dụng hàm Weibull sẽ vừa định tính và định lượng trạng huống của gió
tại vùng này, vừa có thể từ đó tính được mật độ năng lượng gió. Có thể căn cứ thêm vào các
thông số của tuabin gió dự kiến sẽ được lắp đặt để tính ra điện năng mà nó sản xuất.

4. Phân bố Weibull
Nhận xét từ đồ thị tần suất vận tốc gió và đồ thị phân bố luỹ tích đã nói ở trên, nếu ta
lấy trục hoành theo V/Vtb thì ta sẽ có đồ thị của các đại lượng tương tự, rất tiện lợi cho việc
so sánh trạng huống của các vùng gió khác nhau. Những trạng huống này có thể được mô
)1(
)2(




0
)( dVVVfV
dVVfVV )()(
2
0
2





)7(
















k
c
V
VF exp1)(
)8(























 kk
c
V
c
V
c
k
dV
dF
Vf exp)(
1
)9(
dyeyX
yx 




0
1
)(
)10(









k
cV
1
1
)11(

























k
k
V
V
k
VF
1
1exp1)(









































k
kk
k
V
V
kk
V
V
V

k
Vf
1
1exp
1
)(
)12(
)13(
hình hoá bằng hàm thống kê toán học Weibull hay Rayleigh. Nhờ hai hàm phân bố này ta có
thể đoán định số giờ làm việc có hiệu quả của tuabin gió và điện năng thu được từ các máy
phát điện bằng tuabin gió.
Hàm Weibull:
Hàm Weibull F(V) mô tả số thời gian hoặc số % thời gian mà gió có vận tốc nhỏ hơn
một vận tốc quy chiếu: F(V)=P (V<=V) (không thứ nguyên) (3)
Hàm Weibull f(V) mô tả mật độ phân bố tần suất Vgió:
f(V)=dF(V)/dV (s/m) (4)
hoặc
Hàm S(V) được định nghĩa là thời gian mà V>=V tức là S(V)=1 - F(V) = P (V>=V)

Vận tốc trung bình có thể tìm được từ biểu thức:


(m/s)
Và lệch sai tiêu chuẩn  bằng:
(m
2
/s
2
)

Phân bố Weibull:
Đặc tính của phân bố Weibull biểu thị bởi hai nhân tử đặc tính: nhân tử k (không thứ
nguyên) và nhân tử thang độ c (m/s). Nhân tử k đặc trưng cho dạng đường cong phân bố.
Nhân tử c đặc trưng cho thang độ của trục toạ độ gọi là tham số tiêu độ.
Hàm số phân bố luỹ tích F(V):


Hàm phân bố tần suất mật độ vận tốc f(V):



Vtb có thể biểu thị qua k và c; hoặc c là hàm của Vtb và k. Các tích phân trên rất khó
:
giải, do vậy để đơn giản người ta đưa vào hàm Gamma

Suy ra


Thay (11) vào biểu thức F(V) và f(V) ta được:







Hàm phân bố Rayleigh là trường hợp riêng của hàm Weibull, khi k=2.
Do khi k=2 thì 
2
(1+1/2)=/4, lúc này F(v) và f(v) trở thành:

``)()(
0
dVVfvF
V


)5(
)6(


















2
4
exp1)(
V

V
VF



















2
2
4
exp.
2
)(
V
V
V

V
Vf

)14(
)15(
3
____
____
tb
E
Vtheotinhluongnang
dungkhaluongnangtong
k 
)16(
)
1
1(/)
3
1(
3
kk
k
E

3
1
1
3
1
1












N
n
n
N
n
n
E
V
N
V
N
k
)17(
3
2
1

 Vk
A

P
E

)18(







Hàm 
k
(1+1/k) có thể được tính gần đúng bằng hàm Gamma G hoặc tra từ số tay toán
học. G=0.2869 1/k + 0.6880 k
0.1
.
Chú ý rằng cần lấy giá trị trục tung của đồ thị f(V) nhân lên 10 lần.
Tìm các nhân tử Weibull từ bảng số liệu về gió:
Sau khi đã có các số liệu đo đầy đủ, ta có thể tính được các giá trị của các nhân tử k và
c của hàm Weibull. Có ba phương pháp để xác định các giá trị này:
- Phương pháp dùng đồ thị hệ trục toạ độ Weibull
- Phương pháp phân tích lệch sai tiêu chuẩn
- Phương pháp phân tích hệ số đường cong năng lượng.
Trong bài này tác giả trình bày phương pháp thứ nhất và thứ ba.
Phương pháp dùng đồ thị hệ trục toạ độ Weibull
Bằng cách chuyển đường cong đồ thị Weibull sang dạng tuyến tính thì dễ dàng xác
định giá trị của k và c. Lúc này tang của góc nghiêng đường Weibull tuyến tính chính là k.
Cách làm:
Trục tung (hàm luỹ tích F(V)) có thang độ chia theo lnln[1-F(V)]

-1
. Trục hoành có
thang độ chia theo ln(V).Lúc này đồ thị hàm Weibull sẽ có dạng đường thẳng. Đường thẳng
này được đặt vào đồ thị qua hai cặp giá trị của phương trình giải tích của đố thị phân bố luỹ
tích số giờ có gió mà V gió < V gió tham chiếu (đã nói ở phần *). Đo độ nghiêng của đường
đồ thị tuyến tính này, chính là hàm lượng giác tang của nó. Chính là k. Từ giao điểm của
đường này với đường F(V)=0.632 chiếu xuống trục hoành, ta có giá trị của c.
Phương pháp dùng hệ số đường cong năng lượng
Golding định nghĩa hệ số đường cong năng lượng k
E
như sau:



Mật độ công suất: P(V)/ A= 0.5..V
3
(W/m
2
)

Suy từ công thức trên cho hàm f(V), được:

Quan hệ giữ k
E
và k theo đồ thị H.1:

Có thể tìm k
E
theo biểu thức:

Như vậy, sau khi đã có k
E
ta sẽ tính mật độ năng lượng (W/m
2
)

5. Tính toán cho dự án phong điện Phương Mai III
5.1. Có thể nói dự án Phương Mai là dự án về phong điện lớn nhất Việt Nam. Các nhà
làm dự án và lãnh đạo tỉnh Bình Định có một tầm nhìn vượt lên nhiều nhà hoạch định chính
sách năng lượng bình thường. Tuy nhiên, với một dự án mà tổng công suất phong điện lớn
hơn toàn bộ công suất phát điện của tỉnh Bình Định với các cột cao 78 m và tuabin có đường
kính cánh 82 m và tiền đầu tư khoảng 50 triệu đôla thì cần phải tính toán đầy đủ về mọi mặt
trong đó có việc đánh giá càng chính xác càng tốt tiềm năng gió và công suất phát từ cụm các
tuabin gió đặt tại đây. Câu trả lời từ kết quả tính toán là tổng điện năng phát ra trong một năm
là bao nhiêu. Việc đầu tư sẽ có hiệu quả không. Giá thành điện sản xuất ra là bao nhiêu. Thị
trường có chấp nhận không.
Tác giả dựa trên số liệu đo của các cơ quan làm dự án đo đạc *** để tính toán kiểm tra
lại các kết quả tính của họ.

Giờ Vtb mùa Hè Vtb mùa Đông Vtb năm
0 -1 4.8 6.7 5.7
1 - 2 4.7 6.7 5.7
2 - 3 5.0 6.8 5.9
3 - 4 5.1 6.8 6.0
4 - 5 5.2 7.0 6.1
5 - 6 5.1 7.1 6.1
6 - 7 4.8 7.0 5.9

7 - 8 4.5 7.0 5.7
8 - 9 4.6 7.0 5.8
9 - 10 5.0 7.2 6.1
10 - 11 5.8 7.9 6.8
11 - 12 6.3 8.6 7.4
12 - 13 6.6 8.8 7.7
13 - 14 6.7 9.0 7.8
14 - 15 6.6 9.0 7.8
15 - 16 6.5 9.0 7.7
16 - 17 6.2 8.9 7.6
17 - 18 6.0 8.7 7.3
18 – 19 5.7 8.4 7.0
19 - 20 5.3 8.2 6.7
20 -21 4.8 7.7 6.3
21 - 22 4.6 7.2 5.9
22 - 23 4.6 7.0 5.8
23 - 24 4.7 6.7 5.7