đồ án phương pháp sử dụng năng lượng gió

ĐiỆN GÍO
Nguyễn Ngọc Tân
Công nghiệp
Thời báo Kinh Tế Sài Gòn & Trung tân Kinh tế châu Á - TBD - Thành phố Hồ Chí Minh
ngày 06 tháng 4 năm 2012
1. Tổng quát.
2. Sự phát triển của công nghệ tua-bin điện gió.
3. Sơ lược về kỹ thuật.
6. Chuẩn mực so sánh trong đầu tư trang trại điện gió.
4. Thất thóat cơ năng.
10. Thử nghiệm điện gió với những công nghệ khác.
8. Trang trại điện gío lắp đặt trên biển.
7. Cánh đồng điện gío lắp đặt trên đất liền.
9. Tích trữ năng lượng từ gió.
11. Thị trường điện gió Việt Nam.
5. Phân tích và xác định tiềm năng gió, dự toán sản lượng điện.
13. Đọan phim ngắn về điện mặt trời và điện gió.
14. Thảo luận.
Nội dung
12. Tua-bin điện gió và kinh phí đầu tư.
Năng lượng tái tạo
1. Tổng quát.
Fraunhofer Institute for Wind Energy and Energy System Technology
Kịch bản sử dụng 100% năng lượng tái tạo tại CHLB Đức – Năm 2050
Tài liệu công bố tháng 2 năm 2009
1 Exajoule = 277,778 Tỉ kW
"Exa" E (1 Trillion) = 10
18
"Joule" = Đơn vị của năng lượng
PV photovoltaics
CSP concentrated solar power

- - - Sau sự cố Fukishima , CHLB Đức quyết định đóng cửa tất cả những nhà máy điện nguyên tử vào năm 2022 (ghi chú thêm từ NNT)
Tia nắng mặt trời chiếu vào mặt đất thay đổi không đồng đều
làm nhiệt độ trong bầu khí quyển, nước và không khí luôn khác
nhau, trái đất luôn quay trong quỹ đạo xung quanh mặt trời và tự
quay quanh trục nên tạo ra mùa, ngày, đêm.
Gió.
Chính vì sự thay đổi nhiệt độ của khí quyển làm không khí
chuyển động. Sự chuyển động của không khí được gọi là gió.
Ngoài ra vào ban đêm, một nửa bề mặt của trái đất, bị che khuất
không nhận được tia nắng mặt trời, nửa bề mặt kia là ban ngày
nên cường độ tia nắng cao hơn, thêm vào đó nhiệt độ ở Bắc bán
cầu, Nam bán cầu và đường xích đạo cũng như nhiệt độ ở biển và
trên đất liền luôn khác nhau.
Từ sự quay quanh trục của trái đất nên không khí chuyển động
xoáy theo những chiều khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán
cầu làm nhiệt độ của khí quyển thay đổi phát sinh những vùng áp
cao và áp thấp.
Mô hình hoàn lưu khí quyển với các trung tâm khí áp bề
mặt có tính đến sự phân bố đất biển không đều.
Giáo Trình Khí Tượng Cơ sở DHKHTN - 2012
• 1 kn = 1 sm/h = 1,852 km/h = 0,514 m/s
• 1 m/s = 3,6 km/h = 1,944 kn = 2,237 mph
• 1 km/h = 0,540 kn = 0,278 m/s = 0,621 mph
• 1 mph = 1,609344 km/h = 0,8690 kn = 0,447 m/s
Đơn vị của tốc độ gío được tính theo kilomet trên giờ (km/h) hoặc mét trên
giây (m/s) hoặc knot (kn: hải lý trên giờ) hoặc Mile trên giờ (mph) tại Mỹ.
Hướng gió là hướng mà từ đó gió thổi tới điểm quan trắc. Hướng gió được
biểu thị bằng phương vị đông, tây, nam, bắc hoặc theo góc là lấy hướng bắc
làm mốc ở vị trí 0
0

hoặc 360
0
và tính theo chiều kim đồng hồ. Như vậy hướng
đông ứng với góc 90
0
, hướng nam ứng với góc 180
0
, hướng tây ứng với góc
270
0
.)
Ngoài ra, người ta còn dùng cấp gió để chỉ tốc độ gió như cấp gió
Beaufort. (Francis Beaufort 1806) và được viết tắt là bft. Biểu đồ này đầu tiên
được đưa ra để đánh giá ảnh hưởng của gío cho thuyền buồm và việc vận
chuyển trên sông hồ, biển…
Tốc độ và hướng gió.
Bản đồ phân bố tốc độ gió
Việt Nam ở độ cao 80 mét.
Bản đồ phân bố tốc độ gió
Việt Nam ở độ cao 80 mét
được thực hiện từ Bộ công
thương,TrueWind Solutions
LCC (Mỹ) và Ngân hàng
thế giới năm 2010. Đây là
tài liệu đánh giá tiềm năng
gió tại Việt Nam.
Bản đồ phân bố tốc độ gió
được thực hiện với phần
mềm mô phỏng
‘MesoMap’. Kết quả mô

phỏng được trình bày trên
bản đồ hiển thị tốc độ gió
trung bình theo màu với độ
phân giải là 1 km.
Kết quả mô phỏng của mô hình có thể sai lệch từ 5 đến 8% so với
tốc độ và hướng gió thực nên không thể dựa vào Bản đồ phân bố
tốc độ gió để dự toán sản lượng điện hàng năm cho một cánh đồng
điện gió.
Tuy nhiên đây là một nguồn thông tin quan trọng vì Bản đồ phân
bố tốc độ gió cung cấp cho các nhà đầu tư có cái nhìn tổng thể về
những địa điểm có tiềm năng gió cao thích hợp để xây dựng nhà
máy điện gió.
Để xác định chính xác tiềm năng gió và dự toán được sản lượng
điện hàng năm của dự án điện gió, cần có số liệu gió trung bình
trong năm, số liệu này phải chính xác (!). Việc này chỉ có thể thực
hiện được khi dựa theo phương pháp đo gió SODAR (Sound
Detecting And Ranging) hoặc xây dựng cột đo gió. Thời gian đo ít
nhất phải là 1 năm, tốt nhất là 10 năm.
Nguyên tắc cột đo gió và tua-bin.
Với số liệu thu được từ
cột đo gió ở độ cao thấp
hơn (tại những vùng bằng
phẳng và trống trải) ta có
thể tính ra được tốc độ gió
ở độ cao tâm cánh quạt
của Tua-bin điện gió dựa
theo phương trình:
trong đó:
v
1

: Tốc độ gió ở độ cao thứ 1 (m/s).
v
2
: Tốc độ gió ở độ cao thứ 2 (m/s).
Z
1
: Độ cao thứ nhất (m).
Z
2
: Độ cao thứ hai (m).
α: Hệ số Hellman từ 0,06 đến 0,60
tùy theo địa hình, vị trí, độ vẩn đục
của môi trường không khí.
Hoa tốc độ gió
Hoa tốc độ gió trung bình
Những số liệu về tốc độ và hướng gió của từng thời điểm và từng vị
trí được hiển thị bằng hoa gió. Hướng gió trong hoa gió được định
theo chiều đông, tây, nam, bắc và thường được chia thành 12 hoặc
36 mảng trong một vòng tròn. Diện tích trong mỗi mảng được hiển
thị bằng màu là tốc độ gió trung bình trong ngày hoặc trong tháng.
Cột đo tốc độ và hướng gió tiêu biểu.
Cột đo gió tại Huyện Bình Đại - Bến Tre
Tiêu chuẩn lớp gió cho tua-bin điện gió.
Uỷ ban Kỹ thuật Điện Quốc tế IEC (International Electrotechnical Commission)
đưa ra những Tiêu chuẩn lớp gió của tua-bin cho những vùng có tiềm năng gió
ít hoặc nhiều theo tốc độ gió trung bình và sự xáo động gió trong năm.
Tiêu chuẩn Lớp gió cho tua-bin điện gió
Tiêu chuẩn tua-bin theo loại
(IEC)
I

(vùng có
gió mạnh)
II
(vùng có
gió khá
mạnh)
III
(vùng có
gió trung
bình)
IV
(vùng có
gió yếu)
Tốc độ gió tiêu biểu của 50
năm v
REF
50 m/s 42,5 m/s 37,5 m/s 30 m/s
Tốc độ gió trung bình trong
năm v
TB
10 m/s 8,5 m/s 7,5 m/s 6 m/s
Tốc độ gió cao nhất trong 50
năm 1.4 v
REF
70 m/s 59,5 m/s 52,5 m/s 42 m/s
Tốc độ gió cao nhất trong 1
năm 1.05 v
REF
52,5 m/s 44,6 m/s 39,4 m/s 31,5 m/s
Tua-bin điện gió trục đứng Darrieus - Tua-bin điện gió trục ngang.

Công nghệ điện gió gồm hai loại, loại trục đứng: Savonius,
Darieus và loại trụng ngang. Tua-bin điện gió trục đứng có hệ số
công suất thấp nhưng vì cấu hình giản dị, dễ thiết kế và dễ sản
xuất nên những loại tua-bin điện gió này thường được sản xuất
cho những nơi cần công suất khoảng từ 5 đến 20kW.
2. Sự phát triển của công nghệ tua-bin điện gió.
Quạt gió xay ngũ cốc - Hà Lan Quạt gió bơm nước - Úc
Tua-bin trục đứng
Savonius
Tua-bin trục đứng
Savonius 3 tầng
Tua-bin trục đứng
Darrieus tại Heroldstat -
CHLB Đức
Tua-bin trục đứng H-
Darrieus tại Nam cực
Tua-bin trục đứng.
10MW Aerogenerator X ©
Wind Power Ltd & Grimshaw
2010 / GB
Trước kia một số tua-bin điện gió trục ngang được thiết kế có
hướng đón gió từ phía sau (down wind rotor), phương pháp này có
nhiều nhược điểm như dòng gió luôn bị xáo động do gió thổi vào
thân trụ rồi mới đến cánh quạt.
Từ khoảng năm 1995 tua-bin điện gió được thiết kế với nguyên tắc
đón gió từ phía sau không còn được sử dụng rộng rãi. Phần lớn
những tua-bin điện gió hiện nay được thiết kế có hướng đón gió từ
phía trước (up wind rotor).
Tua-bin đón gió từ phía
sau (down wind rotor)

Tua-bin đón gió từ phía
trước (up wind rotor)
 Cho đến nay, phần lớn những tua-bin lắp đặt trên thế giới sử
dụng hộp số để chuyển tốc độ số vòng quay của cánh quạt lên cao
và truyền đến máy phát điện.
 Từ năm 1993 công nghiệp điện gió sử dụng máy phát điện nam
châm vĩnh cửu được sản xuất và đưa vào thị trường. Nguyên tắc
của lọai máy phát điện này là sử dụng nam châm vĩnh cửu kết
hợp nhiều cực trong một vòng khung và được gắn trực tiếp với hệ
thống Rotor. Công nghệ này trong những năm 90 không phát
triển vì giá thành vật liệu nam châm vĩnh cửu từ đất hiếm rất cao.
Những năm vừa qua việc khai thác đất hiếm tăng nên công nghệ
máy phát điện nam châm vĩnh cửu phát triển nhanh.
 Vào đầu những năm 80, khái niệm công nghệ tua-bin, được
gọi là “Khái Niệm Đan-Mạch”. Trong công nghệ này tua-bin
họat động với một tốc độ nhất định để giữ tần số điện phù hợp
với lưới điện.
Tua-bin điện gió
v
1
v
T
v
2
A
m
Định luật Betz ứng dụng trong thiết kế cánh quạt.
Năng lượng gió là nguồn năng lượng do chuyển động của không
khí với một tốc độ trong một thời gian nhất định. Theo định luật
Betz, (Nhà vật lý người Đức - Albert Betz 1885-1968) về động lực

học khí quyển thì nguồn năng lượng gió này không thể chuyển tất
cả sang một loại năng lượng khác.
A
2
Những trụ điện gió lắp đặt
năm 1987 tại CHLB Đức.
Albert Betz, chứng
minh trên phương diện
vật lý là chỉ có thể thu
được tối đa là 59,26 %
năng lượng chuyển
động kinetic của gió,
việc này ảnh hưởng
quan trọng đến khả
năng đón gió của cánh
quạt.
Cho đến nay việc tạo
dáng và thiết kế những
cánh quạt điện gió hiện
đại vẫn dựa trên những
kiến thức này.
Sự phát triển Năng lượng điện gío tại Đức, Âu châu và Thế giới.
Kích thước và công suất những lọai tua-bin điện gió đã được sản xuất hàng loạt
tính đến năm 2012.
Cánh đồng điện gió trên đất liền tại Aurich CHLB Đức, công suất mỗi
trụ 6 – 7,5MW.