Chuong 3 Năng lượng gió

CHƯƠNG 3. NĂNG LƯỢNG GIÓ

Giảng viên: Lưu Văn Phúc
Khoa Vật lý và công nghệ
Năm 2017


NỘI DUNG TRÌNH BÀY
1. Sự hình thành và tiềm năng của năng lượng gió
2. Nguyên lý biến đổi và tính toán năng lượng gió
 Công suất cực đại của turbin gió
 Công suất thực của turbin gió
 Lực tác dụng lên cánh turbin gió

3. Đặc tính cơ bản của turbin gió
4. Hệ thống chuyển đổi năng lượng điện- gió
Kết luận


NĂNG LƯỢNG GIÓ
1. Sự hình thành năng lượng gió
 Khái niệm: Năng lượng gió là động năng của không khí di
chuyển trong bầu khí quyển của trái đất. Năng lượng gió là hình
thức gián tiếp của năng lượng mặt trời.
 Sự hình thành năng lượng gió: Bức
xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt trái
Đất không đồng đều làm cho bầu
khí quyển,nước và không khí nóng
không đều nhau.Sự khác nhau về
nhiệt độ và áp suất tạo thành gió

NĂNG LƯỢNG GIÓ
1. Sự hình thành năng lượng gió


NĂNG LƯỢNG GIÓ
1. Sự hình thành năng lượng gió


NĂNG LƯỢNG GIÓ
1. Sự hình thành năng lượng gió


NĂNG LƯỢNG GIÓ
1. Sự hình thành và tiềm năng của năng lượng gió


NĂNG LƯỢNG GIÓ
1. Sự hình thành và tiềm năng của năng lượng gió


NĂNG LƯỢNG GIÓ
1. Sự hình thành và tiềm năng của năng lượng gió

Tiềm năng của năng lượng gió ở Việt Nam


NĂNG LƯỢNG GIÓ
2. Nguyên lý biến đổi năng lượng gió

 Gió là luồng không khí chuyển động và năng lượng gió chính
là động năng của luồng không khí đó (không khí có khối
lượng). Động năng này chuyển thành điện năng nhờ động cơ
gió
 Năng lượng khối khí chuyển động tỷ lệ với bình phương vận
tốc. Vận tốc tăng gấp đôi, động năng gió tăng gấp 4 lần và
khối lượng không khí qua động cơ tăng gấp đôi
Năng
lượng chuyển đổi qua động cơ gió tăng gấp 8 lần.
Vận tốc gió tăng dù nhỏ cũng có khả năng tăng lượng
điệnmột cách đáng kể


NĂNG LƯỢNG GIÓ
2. Nguyên lý biến đổi năng lượng gió


NĂNG LƯỢNG GIÓ
2. Nguyên lý biến đổi năng lượng gió
A. Các đại lượng liên quan đến năng lượng gió:
1.Công suất gió:
P=

E 1
= mV 2
t 2

(3.1)

+ P: Công suất gió ,W

+ E: Là năng lượng tạo ra từ gió,J
+ m: Lưu lượng không khí chuyển động qua tuabin gió;kg/s
+ V: Vận tốc gió qua động cơ gió; m/s
+ t: thời gian ; s


NĂNG LƯỢNG GIÓ
2. Nguyên lý biến đổi năng lượng gió
A. Các đại lượng liên quan đến năng lượng gió:
 Lưu lượng không khí (m) chuyển qua tuabin gió có thể được
xác định theo phương trình liên tuc sau:
m=ρSV (3.2)
+ ρ : Khối lượng riêng; kg/m3
+ S: Diện tích quét của cánh tuabin ;m2
+ V: Vận tốc gió qua tuabin; m/s
 Kết hợp với công thức (3.1), ta có:
P=

1
1
mV 2 = ρ SV 3
2
2

(3.2)


NĂNG LƯỢNG GIÓ
2. Nguyên lý biến đổi năng lượng gió
A. Các đại lượng liên quan đến năng lượng gió:

2. Công suất cưc đại của tuabin gió
Tuabin gió là thiết bị tiếp nhận năng lượng từ gió. Thiết bị để nghiên
cứu quá trình này là mô hình ống dòng hướng trục. Năng lượng của gió
không thể chuyển hóa hoàn toàn thành cơ năng


NĂNG LƯỢNG GIÓ
2. Nguyên lý biến đổi năng lượng gió
A. Các đại lượng liên quan đến năng lượng gió:
2. Công suất cưc đại của tuabin gió
a-b: Chiều dày cánh tuabin
Pi,Vi: áp suất và vận tốc gió
đầu vào
Pe,Ve: áp suất và vận tốc gió
đầu ra của ống
Pa; Pb; Va; Vb;Áp suất, vận tốc
dòng khí trước và sau cánh
tuabin


NĂNG LƯỢNG GIÓ
2. Nguyên lý biến đổi năng lượng gió
A. Các đại lượng liên quan đến năng lượng gió:
2. Công suất cưc đại của tuabin gió

Viết phương trình Bernoulli cho 2 mặt cắt i-a, ta có:
Pi +

1
1

ρVi 2 + ρ ghi = Pa + ρVa2 + ρ gha
2
2

Với giả thiết ống nằm ngang (hi=ha) ta có:
Pi +

1
1
ρVi 2 = Pa + ρVa2
2
2

(3.3)

Tương tự cho mặt cắt b-e:
Pb +

1
1
ρVb2 = Pe + ρVe2
2
2

(3.4)


NĂNG LƯỢNG GIÓ
2. Nguyên lý biến đổi năng lượng gió
A. Các đại lượng liên quan đến năng lượng gió:

2. Công suất cưc đại của tuabin gió

 Vận tốc gió đi qua tuabin từ a-b sẽ giảm dần do quá trình
biến đổi năng lượng gió thành cơ năng . Suy ra Vi giảm dần
và đạt giá trị Va ngay trên cánh tuabin (Va Khi ra khỏi tuabin vận tốc gió đặt giá trị Ve (Ve Từ các PT(3.3);(3.4), ta có: Pa>Pi và Pe>Pb
Như vậy: áp suất gió tăng khi chạm cánh và sau khi rời khỏi
cánh tuabin.
Kết hợp PT(3.3);(3.4), ta có:

Vi 2 − Va2  
Ve2 − Vb2 
Pa − Pb =  Pi + ρ
÷−  Pe + ρ
÷
2
2

 


(3.5)


NĂNG LƯỢNG GIÓ
2. Nguyên lý biến đổi năng lượng gió
A. Các đại lượng liên quan đến năng lượng gió:
2. Công suất cưc đại của tuabin gió

 Áp suất gió sau khi đi qua tuabin một khoảng thời gian nào
đó sẽ bằng áp suất ban đầu, nên: Pi=Pe
 Vận tốc gió trong tuabin được xem là không đổi vận vì
chiều dày cánh(đoạn a-b) là rất mỏng so với chiều dài ống
đang khảo sát, nên: Va∼ Vb
 Kết hợp các PT trên, ta có:
Vi 2 − Ve2
Pa − Pb = ρ
2

(3.6)


NĂNG LƯỢNG GIÓ
2. Nguyên lý biến đổi năng lượng gió
A. Các đại lượng liên quan đến năng lượng gió:
2. Công suất cưc đại của tuabin gió

 Lực tác dụng dọc trục Fx được tính theo công thức:
Vi 2 − Ve2
Fx = S ( Pa − Pb ) = ρ S
2

(3.7)

 Gọi Vt là vận tốc trung bình của gió vào và ra khỏi tuabin:
Vt =

Vi + Ve
2

Suy ra:

Fx = ρ SVt (Vi − Ve )

(3.8)


NĂNG LƯỢNG GIÓ
2. Nguyên lý biến đổi năng lượng gió
A. Các đại lượng liên quan đến năng lượng gió:
2. Công suất cưc đại của tuabin gió
 Với quá trình lưu động dòng khí là ổn định, công thực hiện của
tuabin có thể được xác định bằng độ biến thiên động năng của
dòng khí. Vì vậy, công suất của tuabin gió có thể được xác đinh
theo phương trình sau:

Vi 2 − Ve2
A Wi − We
P= =
= M.
t
t
2.t

(3.9)

Vi 2 − Ve2
(3.10)
P = m.

2
M
Trong đó: m là lưu lượng dòng khí qua tuabin; kg/s và m =

Hay:

t


NĂNG LƯỢNG GIÓ
2. Nguyên lý biến đổi năng lượng gió
A. Các đại lượng liên quan đến năng lượng gió:
2. Công suất cưc đại của tuabin gió
 Từ PT liên tục, lưu lượng dòng khí qua tuabin có thể được xác đinh
theo phương trình sau:
m = ρ SVt

Vt là vận tốc trung bình của gió vào
và ra khỏi tuabin: V = V + V
t

Vi 2 − Ve2
Vi 2 − Ve2
P = m.
= ρ SVt
2
2
 Kết hợp các phương trình trên ta có:
1
P = ρ S (Vi 2 − Ve2 )(Vi + Ve )

4

i

e

2

(3.11)
(3.12)


NĂNG LƯỢNG GIÓ
2. Nguyên lý biến đổi năng lượng gió
A. Các đại lượng liên quan đến năng lượng gió:
2. Công suất cưc đại của tuabin gió
1
P = ρ S (Vi 2 − Ve2 )(Vi + Ve )
(3.12)
4
 Tuabin gió đạt được công suất cực đại thì vận tốc Ve của gió khi ra
khỏi tuabin phải đạt giá trị tối ưu.
 Để xác định vận tốc Ve tối ưu, ta lấy đạo hàm của PT (3.12) theo Ve
và bằng 0
dP
2
(3.13)
= 3Ve2 + 2VV
i e − Vi = 0
dVe

Giải PT trên ta được:

1
Ve = Vi
3

(3.14)


NĂNG LƯỢNG GIÓ
2. Nguyên lý biến đổi năng lượng gió
A. Các đại lượng liên quan đến năng lượng gió:
2. Công suất cưc đại của tuabin gió
 Thay giá trị Ve vào PT (3.12) ta được:

Pmax =

8
ρ SVi 3
27

 Như vậy, hiệu suất cực đại của tuabin gió sẽ là:
8
ρ
SVi 3
P
8
η = max = 27
= .2 = 0,5926
1

P
ρ SVi 3 27
2

(3.15)

(3.16)


NĂNG LƯỢNG GIÓ
2. Nguyên lý biến đổi năng lượng gió
A. Các đại lượng liên quan đến năng lượng gió:
3. Lực tác dụng lên cánh của tuabin gió: Lực này gồm lực vòng và lực dọc
trục
a.Lực vòng:

T=

P
P
=
v π DN

(3.17)

+ T:Lực vòng,N
+ v:Vận tốc dài của cánh tuabin;m/s
+ D:đường kính quét của cánh tuabin;m
+N:số vòng quay của tuabin trong 1 đơn vị thời gian; vòng/s

NĂNG LƯỢNG GIÓ
2. Nguyên lý biến đổi năng lượng gió
A. Các đại lượng liên quan đến năng lượng gió:
3. Lực tác dụng lên cánh của tuabin gió: Lực này gồm lực vòng và lực dọc
trục
 Thay công thức 3.15 vào 3.17 ta được:

1 ρ DVi 3
T=
8 N

(3.18)

Trường hợp tuabin làm việc với hiệu suất cực đại lực vòng được xác
định theo phương trình:
2 ρ DVi 3
Tmax =
(3.19)
27 N