Năng lượng gió nltt baigiang7

Các loại tuabin gió• “Cối xay gió”- dùng để nghiền hạt thành bột • Nhiều tên gọi khác nhau - “máy phát chạy bằng sức gió”, “máy phát gió”, “tuabin gió”, “máy phát tuabin gió WTG”, “hệ th

408004 Năng lượng tái tạo

Giảng viên: TS Nguyễn Quang Nam

2013 – 2014, HK1

http://www4.hcmut.edu.vn/~nqnam/lecture.php

nqnam@hcmut.edu.vn

Ch 3: Năng lượng gió

3.1 Lịch sử phát triển năng lượng gió

3.2 Các loại tuabin gió

3.3 Công suất gió

3.4 Ảnh hưởng chiều cao của tháp

Lịch sử phát triển năng lượng gió

• Tuabin gió dùng để phát điện đầu tiên được coi là của

Charles F Brush, tại Cleveland, Ohio năm 1888

Lịch sử phát triển năng lượng gió

• Tuabin gió đầu tiên bên ngoài nước Mỹ dùng để tạo ra điện được chế tạo bởi Poul la Cour vào năm 1891 tại Đan Mạch

Lịch sử phát triển năng lượng gió

• Tại Mỹ - hệ thống điện gió đầu tiên được xây dựng vào

cuối những năm 1890

• Đến những năm 1930 và 1940, hàng trăm ngàn hệ thống được dùng trong các khu nông thôn chưa có điện lưới

• Sự quan tâm bị suy giảm khi lưới điện được mở rộng và nguồn điện tin cậy, rẻ tiền có thể mua dễ dàng

• Khủng hoảng dầu vào những năm 1970 tạo ra làn sóng

quan tâm đến năng lượng gió đến khi chính phủ Mỹ dừng chương trình hoàn thuế

• Lại được quan tâm từ những năm 1990

Công suất lắp đặt điện gió toàn cầu

Công suất điện gió lắp đặt hàng năm

Thay đổi lịch sử kinh tế điện gió

Nguồn: National Renewable Energy Lab (NREL), Energy Analysis Office

10 quốc gia lắp đặt điện gió nhiều nhất

Country MW Capacity % of Global Capacity

Các loại tuabin gió

• “Cối xay gió”- dùng để nghiền hạt thành bột

• Nhiều tên gọi khác nhau - “máy phát chạy bằng sức gió”,

“máy phát gió”, “tuabin gió”, “máy phát tuabin gió (WTG)”,

“hệ thống chuyển đổi năng lượng gió (WECS)”

• Có thể ở dạng tuabin trục ngang (HAWT) hoặc tuabin trục đứng (VAWT)

• Một nhóm tuabin gió được đặt tại nơi được gọi là “nông trại gió” hay “công viên gió”

Các loại tuabin gió

• Không cần điều hướng (quay quanh

trục đứng) để giữ cánh đối diện với gió

• Các máy cồng kềnh trong buồng máy

được đặt dưới đất

• Khi tốc độ gió thấp thì các cánh nằm

gần mặt đất hơn

Tuabin gió trục ngang

• “Downwind” HAWT – tuabin gió với cánh nằm phía sau tháp (đuôi gió)

• Không cần điều hướng – các tuabin loại này tự động định hướng theo hướng gió

• Hiệu ứng che khuất – khi một cánh quay xuống và khuất

sau tháp, lượng gió đến nó sẽ tạm thời giảm xuống và cánh gập lại

Tuabin gió trục ngang

• “Upwind” HAWT – cánh nằm phía trước tháp (đầu gió)

• Hầu hết tuabin gió hiện đại thuộc loại này

• Cánh nằm ở “đầu gió” so với tháp

• Cần thuật toán điều hướng hơi phức tạp để giúp cho tuabin luôn hướng đối diện với gió

• Vận hành êm hơn và tạo ra công suất cao hơn

Số cánh tuabin

• Cối xay gió có nhiều cánh

– cần cung cấp mô men khởi động lớn để hỗ trợ trọng

lượng của trục

– phải có khả năng hoạt động ở tốc độ gió thấp để bơm nước cần như liên tục

– diện tích hứng gió của rôto lớn hơn

• Các tuabin với nhiều cánh hoạt động ở tốc độ quay

thấp hơn nhiều – khi tốc độ tăng lên, nhiễu khí động của một cánh sẽ làm ảnh hưởng các cánh khác

Số cánh tuabin

• Các tuabin gió với nhiều cánh hoạt động ở tốc độ quay thấp hơn nhiều so với các tuabin có ít cánh Khi tốc độ quay của tuabin tăng lên, nhiễu khí động do một cánh tạo ra làm ảnh hưởng đến hiệu suất của cánh tiếp theo

• Khi có ít cánh hơn, tuabin có thể quay nhanh hơn trước khi nhiễu khí động này trở nên quá lớn Trục quay nhanh hơn

nghĩa là máy phát có thể có kích thước nhỏ hơn

• Hầu hết tuabin gió hiện đại ở châu Âu có ba cánh, còn các tuabin của Mỹ chỉ có hai cánh

Số cánh tuabin

• Các tuabin ba cánh hoạt động êm ái hơn vì tác động của

nhiễu động tháp và thay đổi tốc độ gió theo độ cao được truyền một cách đều hơn từ rôto đến trục truyền động Chúng cũng có

xu hướng ít gây ồn hơn Tuy nhiên, cánh thứ ba cũng làm gia tăng khối lượng và chi phí tuabin đáng kể

• Một rôto có ba cánh cũng gây khó khăn hơn khi được cẩu lên buồng máy để lắp đặt hoặc thay thế

Công suất gió

• Xét động năng của một “gói” không khí với khối

lượng m di chuyển với vận tốc v

• Chia cho thời gian để nhận được công suất

• Tốc độ truyền khối là (là kl riêng của không khí)

Công suất gió

PW (W) = công suất gió

ρ (kg/m3) = kl riêng kk (1.225kg/m3 tại 15˚C và 1 atm)

A (m2) = tiết diện mà gió xuyên qua

Công suất gió

Công suất gió, trên mỗi m 2 tiết diện, tại 15◦C và 1 atm.

• Công suất tăng theo

lũy thừa ba của vận

Công suất gió

• Công suất gió cũng tỷ lệ thuận với A

• Với một tuabin gió trục ngang, A = (/4)D2, do đó công suất gió tỷ lệ thuận với đường kính bình phương

• Chi phí gần như tỷ lệ thuận với đường kính cánh

• Điều này giải thích lý do các tuabin lớn hiệu quả hơn

Ví dụ 1 – Năng lượng trên 1 m2

2



1 Energy (3 m/s) 1.225 kg/m (1m ) 3 m/s 50 h=827 Wh

2



1 Energy (9 m/s) 1.225 kg/m (1m ) 9 m/s 50 h=22,326 Wh

2



total = 23,152 Wh

Đừng dùng tốc độ gió trung bình!

Mật độ không khí theo nhiệt độ – áp suất

• P = áp suất tuyệt đối (atm)

• M.W = phân tử lượng không khí (g/mol) = 28,97 g/mol

• T = nhiệt độ tuyệt đối (K)

• R = hằng số khí lý tưởng = 8.2056·10-5·m3·atm·K-1·mol-1

• Khối lượng riêng của không khí tăng khí hạ nhiệt độ

Mật độ không khí hiệu chỉnh theo độ cao

Mật độ không khí – hệ số hiệu chỉnh

Ảnh hưởng của độ cao – độ nhám bề mặt

• Vì công suất tăng theo lũy thừa ba của tốc độ gió, chúng ta có thể dự đoán một tác động kinh tế lớn từ một sự gia tăng vừa phải của tốc độ gió

• Ở cách mặt đất vài trăm mét, có rất nhiều sự cản trở đối với gió – các bề mặt trơn tru (nước) sẽ tốt hơn

• Tốc độ gió cao hơn ở các cao độ cao hơn – tháp cao hơn thì tốt hơn

• Rừng cây và tòa nhà làm giảm tốc độ gió nhiều

• Có thể đặc trưng hóa ảnh hưởng của bề mặt gồ ghề và độ

Ảnh hưởng của độ cao – độ nhám bề mặt

• α = hệ số ma sát – trong bảng 6.3

• v = tốc độ gió tại độ cao H

• v 0 = tốc độ gió tại độ cao H 0 (H 0 thường là 10 m)

• Giá trị điển hình của α trong không gian mở là 1/7

• Với một thành phố lớn, α = 0.4; nước lặng yên, α = 0.1

Ảnh hưởng của độ cao – độ nhám bề mặt

• Công thức thay thế (dùng ở châu Âu)

• z là “chiều dài nhám” – cho trong bảng 6.4

• Chú ý rằng hầu hết các phương trình chỉ là xấp xỉ của những thay đổi của tốc độ gió theo độ cao và độ nhám – tốt nhất là

Ảnh hưởng của độ cao – độ nhám bề mặt

Với một thành phố nhỏ, tốc độ gió ở 100 m gấp đôi ở 10 mCác khu vực có bề mặt trơn tru sẽ ít có thay đổi theo độ cao

65 = 1.45 35