SLIDE THUYẾT TRÌNH năng lượng gió (KS Nguyễn Ngọc Tân)

NĂNG LƯỢNG
ĐIỆN GIÓ
ĐiỆN GÍO


1. Tổng quát
2. Sự phát triển của công nghệ Tua-bin điện gió
3. Nguyên tắc kỹ thuật
4. Thất thóat cơ năng.
5. Phân tích toán tiềm năng gió, dự toán sản lượng điện.
6. Chuẩn mực so sánh trong đầu tư trang trại điện gió
7. Cánh đồng điện gío lắp đặt trên đất liền
8. Trang trại điện gío lắp đặt trên biển
9. Tích trữ năng lượng từ gió.
10. Thử nghiệm điện gió với những công nghệ khác
11. Thị trường điện gió Việt Nam


1. Tổng quát
Sự phát triển Năng lượng điện từ gío tại Đức, Âu châu và Thế giới


Fraunhofer Institute for Wind Energy and Energy System Technology
Szenario sử dụng 100% năng lượng tái tạo tại CHLB Đức – Năm 2050

1 Exajoule = 277,778 Tỉ kW

"Exa" E (1 Trillion) = 1018
"Joule" = Đơn vị của năng lượng

Tài liệu công bố tháng 2 năm 2009

PV photovoltaics
CSP concentrated solar power


Kích thước và công suất những lọai Tua-bin điện gió đã được
sản xuất hàng loạt tính đến năm 2011


Trang trại điện gió tại Mỹ


Gió.
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.
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.
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.
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.


Mô hình hoàn lưu khí quyển với các trung tâm khí áp bề

mặt có tính đến sự phân bố đất biển không đều.


Tốc độ và hướng gió
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.
• 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
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 00 hoặc 3600 và tính theo chiều kim đồng hồ. Như vậy
hướng đông ứng với góc 900, hướng nam ứng với góc 1800, hướng tây ứng
với góc 2700.)
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…
Giáo Trình Khí Tượng Cơ sở DHKHTN - 2012


Nguyên tắc của cột đo gió.
Nguyên tắc cột đo gió và Tua-bin.


Cột đo gió tại Huyện Bình Đại - Bến Tre


Hoa tốc độ gió

Hoa tốc độ gió trung bình

Những số liệu về vận tốc gió được chuyển vào phần mềm, thí dụ
như phần mềm Windrose để hiển thị hoa gió về vận tốc và hướng
gió của từng thời điểm và từng vị trí. Hình hiển thị vận tốc và hướng
gió được định theo chiều đông, tây, nam, bắc và thường được chia
thành 12 hoặc 36 mảng trong một vòng tròn, trong mỗi mảng là trị
số vận tốc gió thường nhất trong ngày hoặc trong tháng.


Bản đồ phân bố tốc độ gió
Việt Nam ở độ cao 80 mét -


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 vận tốc gió trung bình và sự xáo động gió trong năm.
Tiêu chuẩn Lớp gió cho Tua-bin điện gió [59]
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)

Vận tốc gió tiêu biểu của 50
năm v REF

50 m/s

42,5 m/s

37,5 m/s

30 m/s

Vận tốc gió trung bình trong
năm v TB

10 m/s

8,5 m/s

7,5 m/s

6 m/s

Vận tốc gió cao nhất trong 50
70 m/s
năm 1.4 v REF

59,5 m/s

52,5 m/s

42 m/s

Vận tốc gió cao nhất trong 1
năm 1.05 v REF

44,6 m/s

39,4 m/s

31,5 m/s

52,5 m/s


2. Sự phát triển của công nghệ Tua-bin điện gió
Công nghệ điện gió trước đây gồm hai loại, loại trục đứng lọai:
Savonius, lọai Darieus và trụng ngang. Tua-bin điện gió Darrieus
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.

Tua-bin điện gió trục đứng Darrieus - Tua-bin điện gió trục ngang.


Tua-bin trục đứng
Darrieus tại Heroldstat CHLB Đức

Tua-bin trục đứng
Savonius

Tua-bin trục đứng
Savonius 3 tầng

Tua-bin trục đứng HDarrieus tại Nam cực


Trước kia một số Tua-bin điện gió trục ngang được thiết kế có
hướng đón gió từ phía sau (down wind rotor) nhưng 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 loại 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)


Từ thế kỉ 12, người Âu châu bắt đầu sử dụng quạt gió để xay ngũ
cốc. Sức gió làm quay cánh quạt và cơ năng này được chuyển vào
những cối xay. Những cánh quạt này thường có trục ngang và được
cải tiến liên tục, hiện nay phần lớn Tua-bin điện gió trên thế giới
vẫn ứng dụng nguyên tắc này.
Tại Bắc Mỹ mãi đến thế kỉ 19 việc ứng dụng sức gió để bơm nước
mới được phát triển nhờ kỹ thuật cánh quạt tự động ngừng lại để
tránh hư hại khi gió phát triển thành bão. Với nguyên tắc này quạt
gió bơm nước đã được dùng rộng rãi ở Bắc Mỹ.
Năm 1888 dựa trên nguyên tắc quạt gió bơm nước, Charles Francis
Brush người Mỹ đã chế tạo ra cánh quạt điện từ sức gió với công
suất 12 kW để sử dụng trong gia đình, nguồn trữ điện lúc ấy của
ông là những bình ác-quy.


Quạt gió xay ngũ cốc - Hà Lan

Quạt gió bơm nước - Úc


Năm 1891, Poul La Cour người Đan Mạch với sự hỗ trợ của nhà
nước Đan Mạch đã thành công trong việc thử nghiệm chuyển cơ
năng từ cánh quạt gió qua điện năng tại Askov - Jütland và đã là nền
tảng của công nghệ điện gió ngày nay.
Năm 1920 Albert Betz, nhà vật lý người Đức đã nghiên cứu về
nguyên tắc khí động lực học của cánh quạt điện gió và chứng minh

trên phương diện vật lý là chỉ có thể thu được tối đa là 59,259 %
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.


 Vào những đầu 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 và cần có hộp số.
 Cho đến nay, phần lớn những Tua-bin được 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 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


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 vận tốc 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

m

v2
vT
v1
Tua-bin điện gió

Động năng thu được trong dòng gió là 59,259 %. Tỷ lệ công suất
tối đa thu được này vì thế được gọi là Hệ số công suất Betz hoặc
Hệ số Betz.


Cơ năng E của một khối lượng không khí m chuyển động với vận tốc v là:
E= 1/2 m . v2
Thể tích khối lượng không khí chuyển động qua một mặt phẳng A trong một
đơn vị thời gian là:
V=v.A
Khối lượng không khí chuyển động còn phụ thuộc vào mật độ của không khí ρ.
m=ρ.A.v
Công suất P thu được lệ thuộc vào Khối lượng không khí chuyển động, vận tốc
gió, mật độ của không khí ρ, thiết diện A của vòng quay cánh quạt.
P= 1/2 m . v2 = 1/2 ρ . A . v3
Với sự khác biệt của vận tốc gió tại cánh quạt và sau cánh quạt thì:
m = ρ . A1 . v1 = ρ . A2 . v2
và công suất P sẽ là:
P = 1/2 ρ . A . ( v21 - v22) = 1/2 m (v21 - v22)


Khi Tua-bin điện gió có diện tích cánh quạt cố định A, công suất thu
được không bị thất thoát là P, Mật độ ρ của không khí không thay
đổi, áp suất phía trước và sau cánh quạt không khác biệt thì Tua-bin
điện gió chỉ có thể thu được từ cánh quạt với hệ số công suất Cp

(power coefficient) tối đa là: Cp max = 16/27 = 0, 59259
Cơ năng thu được trong dòng gió là 59,259 %. Tỷ lệ công suất tối đa
thu được này vì thế được gọi là Hệ số công suất Betz hoặc Hệ số
Betz.
Cơ năng lý tưởng Pmech của hệ thống cánh quạt lệ thuộc vào vận tốc
gió, mật độ không khí, hệ số Betz và diện tích mặt đón gió của cánh
quạt và được tính theo phương trình:


Để tính được công suất điện có thể thu được phải tính đến hệ số
công suất của máy phát điện và hệ số công suất của hộp số, như thế
công suất điện Pel sẽ là:
Pel: Công suất [W].
η:
Hệ số công suất của máy phát điện và hộp số.
Cp:
Hệ số Betz 0, 59259.
v:
Vận tốc gió (m/s).
ρ:
Mật độ của không khí là 1,225 Kg/m3
A:

Thiết diện của dòng gió đi qua (m2).

Vì thế vận tốc gió là yếu tố quan trọng nhất của công suất, vận tốc
tăng 3 lần thì công suất đạt được tăng theo lũy thừa 3