giải pháp tường gió đối với trạm phong điện

Năng lượng của sông: dựa vào chênh lệch thế năng của nước trong các hồ chứa với vùng hạ lưu để chuyển hóa thành điện năng thông qua turbin và máy phát.. Khả năng áp dụng ở Việt Nam: với

MỞ ĐẦU

I Đánh giá tiềm năng và nhu cầu năng lượng của Việt Nam:

Việt Nam là một nước đang phát triển với tốc độ tăng trưởng kinh tế khá cao Do

đó, nhu cầu tiêu thụ năng lượng, trong đó có điện năng hiện rất lớn Theo dự báo của Tập đoàn Điện lực Việt Nam EVN, nhu cầu điện năng của nước ta vào năm 2020,

2030 lần lượt là 200.000 GWH và 327.000 GWH trong khi khả năng sản xuất điện trong những năm nói trên chỉ đạt 165.000 GWH (2020) và 208.000 GWH (2030) Như vậy, ta có thể thấy rõ lượng thiếu hụt lên tới 20 % đến 30% mỗi năm

Điện năng ở nước ta hiện nay chủ yếu được sản xuất từ hai nguồn: nhiệt điện và thủy điện Trong đó, nhiên liệu của các nhà máy nhiệt điện thường là than Theo như tính toán của các nhà khoa học, với sản lượng khai thác than dự báo là 35 đến 40 triệu tấn/năm thì trữ lượng than còn lại chỉ đủ dùng trong 60 năm nữa sau đó sẽ cạn dần Mặt khác, hậu quả của việc sử dụng các nguồn năng lượng truyền thống, không có khả năng tái tạo, như than, dầu khí,… là rất nghiêm trọng Đó là hiện tượng nóng lên của Trái Đất, sự ô nhiễm môi trường, thay đổi khí hậu mà kéo theo nó là hàng loạt các vấn đề mang tính toàn cầu và lâu dài khác

Một câu hỏi đặt ra là liệu có nguồn năng lượng mới nào có thể đồng thời giải quyết được các vấn đề trên hay không Để trả lời câu hỏi này, đã từ nhiều năm nay, các nhà khoa học trên thế giới đã đầu tư nhiều công sức cho việc tìm kiếm các dạng năng lượng khác, thân thiện với môi trường hơn và có thể tái sử dụng được Các dạng năng lượng này được gọi chung là năng lượng tái tạo với các ưu điểm nổi trội sau:

- Ổn định, bền vững và tạo điều kiện độc lập về năng lượng: các dạng năng

lượng này tuy không hoàn toàn được phân bố như nhau trên các quốc gia nhưng rõ ràng ở quốc gia, vùng lãnh thổ nào cũng có và cũng đều có khả năng khai thác dưới các dạng khác nhau Mặt khác, các dạng năng lượng này

là vô tận nên đảm bảo về vấn đề an ninh năng lượng

- Sạch, không gây ô nhiễm môi trường: năng lượng tái tạo là một nguồn năng

lượng sạch, trong quá trình sử dụng không làm gia tăng lượng CO2 và các chất khí thải độc hại khác trong môi trường, gây ô nhiễm

Sau đây ta sẽ điểm qua một vài dạng năng lượng tái tạo, có thể sử dụng để phát điện, và khả năng áp dụng tại Việt Nam

1 Thủy năng:

Bao gồm: năng lượng của sông và năng lượng của đại dương

Năng lượng của sông: dựa vào chênh lệch thế năng của nước trong các hồ chứa với vùng hạ lưu để chuyển hóa thành điện năng thông qua turbin và máy phát

Năng lượng của đại dương: dựa vào động năng của sóng biển, thủy triều, chuyển hóa thành điện năng bằng hệ thống thu và chuyển hóa năng lượng

Khả năng áp dụng ở Việt Nam: với đặc điểm khí hậu nóng ẩm, lượng mưa

trung bình năm lớn và điều kiện địa hình núi cao dốc, có nhiều thung lũng hẹp, nước

ta có tiềm năng rất lớn khai thác thủy điện Thực tế tại Việt Nam, các trạm thủy điện

có quy mô từ nhỏ đến rất lớn đều đã và đang được xây dựng nhằm khai thác triệt để tiềm năng to lớn này Về năng lượng thủy triều, do đặc điểm thủy triều bờ biển nước

ta thấp nên khả năng khai thác là không lớn

2 Năng lượng mặt trời:

Năng lượng mặt trời chuyển hóa thành điện năng dựa trên đặc tính quang điện của những vật liệu bán dẫn: chiếu một tia sáng lên diện tích một vật bán dẫn để tạo ra một hiệu số điện thế Thiết bị hiện nay được sử dụng là pin mặt trời

Khả năng áp dụng ở Việt Nam: là một nước nhiệt đới có số ngày nắng trung

bình năm tương đối cao, đặc biệt ở các vùng từ Thừa Thiên – Huế trở vào Nam Bộ, Việt Nam có tiềm năng không nhỏ trong việc khai thác năng lượng mặt trời Nước ta

đã xây dựng trên 100 trạm quan trắc để theo dõi các số liệu về năng lượng mặt trời trên khắp lãnh thổ Dựa trên các số liệu, năng lượng bức xạ trung bình trên cả nước là

4 – 6 kWh/m2/ngày Tuy nhiên do vẫn hạn chế về mặt công nghệ và giá thành nên hiện tại, năng lượng mặt trời ở Việt Nam mới chủ yếu dừng lại ở những dự án nhỏ lẻ

có sự tài trợ của các tổ chức quốc tế

3 Năng lượng gió:

Bằng việc chuyển hóa động năng của gió thành cơ năng quay turbin, nối turbin này với máy phát ta sẽ chuyển được năng lượng gió thành điện năng

Khả năng áp dụng ở Việt Nam: tuy không có được tiềm năng lớn như ở các

nước Châu Âu, song theo khảo sát của “Chương trình đánh giá về năng lượng cho châu Á” của Ngân hàng Thế giới WB, Việt Nam có tiềm năng về gió lớn nhất ở Đông Nam Á, ước đạt 513.360 MW, cao hơn công suất dự báo của EVN năm 2020 Mặt khác, Việt Nam có đường bờ biển dài hơn 3000 km, lại nằm giữa chí tuyến Bắc và xích đạo, là nơi có gió thổi điều hòa nhất Với sự quan tâm của chính phủ cùng với sự giúp đỡ của các nước có công nghệ tiên tiến, Việt Nam hoàn toàn có khả năng phát triển năng lượng gió để giải bài toán năng lượng trong tương lai

4 Năng lượng sinh khổi:

Đây là nguồn năng lượng từ cây cỏ thiên nhiên và rác thải Năng lượng sinh khối có nhiều tác dụng và một trong số đó là sản xuất điện, bằng công nghệ sản xuất điện và nhiệt kết hợp (Combine heat and power – CHP)

Khả năng áp dụng ở Việt Nam: Việt Nam là một nước nông nghiệp, do đó có

nhiều thuận lợi trong việc sử dụng năng lượng này Theo nhiều kết quả nghiên cứu, tiềm năng sinh khối từ bã mía trong sản xuất điện là 200 – 250 MW, trấu là 100 MW Tuy nhiên, việc phát triển dạng năng lượng này để sản xuất điện còn ở giai đoạn thử nghiệm nhỏ, chủ yếu nghiên cứu để sản xuất nhiên liệu mới, đồng thời chính phủ cũng chưa ban hành khung pháp lý về đầu tư phát triển năng lượng sinh học Đây chính là những khó khăn nhất định trong việc áp dụng năng lượng này ở Việt Nam

5 Năng lượng địa nhiêt:

Nguyên lý: lợi dụng sức nóng của nguồn nước có nhiệt đọ cao từ 150oC trở lên

để sản xuất điện Nghĩa là chuyển hóa nhiệt năng thành điện năng

Khả năng áp dụng ở Việt Nam: tuy không nằm đúng trên vành đai lửa Thái

Bình Dương nhưng do ở gần đó nên nước ta cũng có nhiều nguồn nước nóng Theo thống kê chưa đầy đủ của Cục Địa chất và Khoáng sản, hiện Việt Nam có 264 nguồn nước nóng, trong đó 64 nguồn từ 30 – 40oC, 72 nguồn 41 – 60oC, 36 nguồn 61 –

100oC, trên 100oC chỉ có 4 nguồn Do nhiệt độ không thực sự cao nên khả năng sản xuất điện từ dạng năng lượng này là có giới hạn

Trong số những nguồn năng lượng mới nêu trên, thủy điện có tiềm năng nhất (xét cả về mặt kinh tế và kỹ thuật) Tuy nhiên, như đã nêu, thủy điện đã và đang được tận dụng triệt để Ở đất nước ta Nnăng lượng gió là , một nguồn năng lượng tiềm tàng vẫn chưa được khai thác nhiều và , với những ưu điểm của mình chúng, hoàn toàn có thể đưa vào khai thác thương mại, phục vụ phát triển sản xuất cũng như nhu cầu sinh hoạt của nhân dân

Vì Với những lí do nàynói trên, chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu khoa học làtập trung nghiên cứu vào năng lượng gió Cụ thể là tính toán khả năng sử dụng gió

để cung cấp điện độc lập cho những khu vực vùng núi, hải đảo Đề tài đề cập giới thiệu nguyên lý tập trung gió bằng tường chắn và so sánh, phân tích ưu nhược điểm

so với các trạm phong điện thông thường

Bài toán được áp dụng cụ thể cho trạm phong điện tại đảo Phú Quý, Bình Thuận Kết quả nghiên cứu làm cơ sở về phương pháp luận cho việc lựa chọn loại hình nhà máy phong điện nói chung

CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT CHUNG NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI

I Một số khái niệm cơ bản

Gió bắt nguồn từ sự nóng lên không đều của khí quyển trên bề mặt trái đất dưới tác động của bức xạ mặt trời Trái đất của chúng ta gồm có: lục địa, đại dương, núi, rừng… Chính sự không đồng nhất của bề mặt đã quy định sự nóng lên khác nhau cùa từng khu vực trên cùng một vĩ độ Bên cạnh đó chuyển động quay của trái đất cũng làm thay đổi hướng của các luồng không khí

Trên quy mô toàn cầu các hiệu ứng nhiệt này kết hợp với các hiệu ứng động do

sự quay của trái đất sẽ hình thành kiểu gió thịnh hành (hinh 1-1)

- Vùng lặng gió: nằm trên xích đạo

- Vùng gió mùa: nằm từ xích đạo đến 30O vĩ độ Bắc và 30O vĩ độ Nam

+ Ở bán cầu bắc: hướng gió di chuyển từ phía Đông Bắc

+ Ở bán cầu nam: hướng gió di chuyển từ phía Đông Nam

+ Vận tốc gió mùa trung bình khoảng 6 – 8 m/s

+ Chiều cao hoạt động của gió mùa tính từ bề mặt trái đất từ 1 – 4 km

- Vùng lặng gió có áp suất cao: nằm từ ở độ 30O bán cầu Bắc và bán cầu Nam

- Vùng từ vĩ độ 30O đến vĩ độ 60O :

+ Ở bán cầu bắc: hướng gió di chuyển từ phía Tây – Tây Nam

+ Ở bán cầu nam: hướng gió di chuyển từ phía Tây – Tây Bắc

- Vùng từ vĩ độ 60O đến Bắc và cực Nam :

+ Ở bán cầu bắc: hướng gió di chuyển từ phía Bắc Đông Bắc

+ Ở bán cầu nam: hướng gió di chuyển từ phía Nam – Đông Nam

Hình 1-2: Sự luân chuyển của khí quyển

Các vùng có trữ năng gió phân biệt với nhau khá rõ nét do các yếu tố địa lý và môi trường Tốc độ gió trung bình của một khu vực giúp chúng ta lực chọn loại động

cơ gió và đánh giá hiệu suất của máy phát điện

Vận tốc gió là quãng đường mà khối không khí di chuyển trong một đơn vị thời gian Vận tốc gió biến đổi đều theo hướng cũng như theo độ lớn Nguyên nhân của sự biến đổi này là do sự nóng lên không đều của bề mặt trái đất và sự không bằng phẳng của địa hình

Tốc độ gió tăng theo độ cao và các thành phần lực tác dụng nằm ngang theo tính toán lớn hơn nhiều so với các thành phần thẳng đứng Tuy nhiên thành phần thẳng đứng lại là nguyên nhân chính gây ra các cơn gió mạnh và các biến đổi ngắn hạn

II Nội dung cơ bản của đề tài

Việc đánh giá tiềm năng năng lượng gió của một vùng để đưa vào khai thác trong lĩnh vực phát điện là một yêu cầu cần thiết Để xây dựng một nhà máy phong điện cần có một diện tích lớn để phân bố toàn bộ các cột tuabin gió theo thiết kế Trong phạm vi để tài này trình bày nghiên cứu đánh giá tiềm năng năng lượng gió của một vùng và so sánh phương pháp tập trung năng lượng gió bằng tường gió với một trạm phong điện thông thường có những ưu nhược điểm gì

Hình 1-3: Minh họa phương pháp tập trung năng lượng gió thông thường

Hình 1-4: Minh họa phương pháp tập trung năng lượng bằng tường gió

CHƯƠNG II: CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI

- Công suất của gió qua một diện tích F:

kW F u

1

m

kW u

N

En = r × ,

- T: thời gian (giờ)

CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG ĐỀ TÀI TRONG VIỆC ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG GIÓ CỦA NAM ĐẢO PHÚ QUÝ VÀ GIẢI PHÁP TƯỜNG GIÓ ĐỐI VƠI

TRẠM PHONG ĐIỆN

I.

Tính toán tiềm năng năng lượng gió ở đảo Phú Quý:

1.Các thông tin chung về đảo Phú Quý:

- Kết quả thu được từ tài liệu:

+ Hướng gió chính của năm: Bắc – Đông -Bắc

+ Hướng gió theo tháng: (xem phụ lục I)

- u cd: vận tốc gió trung bình theo cấp độ

- K0: hệ số độ thoáng của vị trí đặt turbin gió, được xác định như sau:

ax 0

m b

K K

H K

hφ

 

=  ÷ ÷

Với H là độ cao cột turbin gió dự kiến

hφ là độ cao đặt máy đo gió, ở đây là 40m

m là hệ số phụ thuộc vào vận tốc: m=f(u) Do ở đây không có số liệu tra nên ta chọn m = 0,14

- Công suất của gió qua một turbindiện tích F:

' 3 d

1 2

Trong đó:

- ρ: khối lượng riêng của không khí, lấy bằng 1.226 (kg/m3)

- ucd’: vận tốc gió đã hiệu chỉnh, tính theo công thức (2-1)

- Điện năng gió theo lý thuyết:

Trong đó: T0 là số giờ trong năm: 8760h

∆Pi là tần suất xuất hiện của cấp độ gió ui trong năm

Các đại lượng khác đã được giải thích ở trên

(Kết quả tính toán cụ thể xem bảng tính số 2)

- Hệ số sử dụng công suất lắp máy:

' ( )u i i

T

N N

N

Với NT là công suất định mức của turbin gió

N’i là công suất phụ thuộc vào đặc tính của turbin và vận tốc u’cd (Kết quả tính toán Ksd xin xem bảng tính số 3)

- Điện năng của một trạm phong điện:

NT đã được giả thích ở trên

Sau khi tính toán Ksd cụ thể cho từng tháng theo công thức 2-8, ta tính được

E1tram của từng tháng theo công thức 2-11 (lúc này, Tsd là số giờ phát được công suất định mức trong từng tháng và trong công thức 2-11 T0 là số giờ trong tháng) ta được kết quả tính ghi ở bảng 4

c2.3 ) Chọn loại turbin:

Căn cứ vào vận tốc gió lớn nhất cũng như chiều cao lắp đặt dự kiến và khoảng vận tốc gió có tần suất xuất hiện lớn nhất, ta chọn loại turbin của hãng Fuhrlander-250 có các thông số như sau:

-9 8.9 1.125 1 9.56 5.63 61.62 366.36 80 125 0.640 0.0369

-10 9.5 1.125 1 10.69 4.48 66.10 511.47 89 125 0.712 0.03210-11 10.5 1.125 1 11.81 4.35 70.44 690.59 103 125 0.824 0.036 11-12 11.5 1.125 1 12.94 4.49 74.93 907.29 113 125 0.904 0.041 12-13 12.5 1.125 1 14.06 4.40 79.33 1165.15 125 125 1.000 0.044 13-14 13.5 1.125 1 15.19 3.02 82.36 1467.76 125 125 1.000 0.030 14-15 14.5 1.125 1 16.31 2.81 85.17 1818.68 125 125 1.000 0.028 15-16 15.5 1.125 1 17.44 2.15 87.32 2221.51 125 125 1.000 0.022 16-17 16.5 1.125 1 18.56 1.17 88.49 2679.81 125 125 1.000 0.012 17-18 17.5 1.125 1 19.69 0.51 89.00 3197.18 125 125 1.000 0.005 18-19 18.5 1.125 1 20.81 0.27 89.28 3777.18 125 125 1.000 0.003 19-20 19.5 1.125 1 21.94 0.15 89.43 4423.41 125 125 1.000 0.001 20-21 20.5 1.125 1 23.06 0.08 89.51 5139.43 125 125 1.000 0.001 21-22 21.5 1.125 1 24.19 0.07 89.57 5928.82 125 125 1.000 0.001

Theo phương thức bố trí trong nhà máy phong điện diện tích chiếm dụng trung bình của 1 cột tuabin gió là 5000 m2

Ứng với nhà máy phong điện gồm 6 tổ máy, công suất lắp máy là :750kW , điện năng trung bình năm là : 3114 MWh

3 Tính toán so sánh giữa phương án lắp đặt nhà máy phong điện truyền thống và phương án lắp đặt đập gió (tường gió):

a) Mô tả tường gió:

- Turbin gió đã chọn ở trên là loại 125kW có diện tích là 683,5 m2 Do đó ta xây dựng một tường gió có diện tích gần 683,5m2

- Tường gió lắp đặt loại turbin Atlantis Windkraft WB15/0.3kW có các thông

- Mỗi turbin được đặt trong một khoang hình tròn có bán kính là 0,8 m và bao ngoài

là ô hình lục giác có bán kính đường tròn ngoại tiếp là 1,2 m với tổng diện tích là 3,74m2 Như vậy, tổng diện tích của tường gió là 673,4 m2

- Tường gió trên được bố trí 9 tầng, mỗi tầng 20 turbin Tâm của turbin thấp nhất cách mặt đất 3m, tâm của turbin cao nhất cách mặt đất 17,4 m

Hình 3-1 Sơ đồ bố trí tường gió

b) Tính toán năng lượng của tường gió:

- Sử dụng chung các công thức tính toán cho một trạm phong điện như ở trên để tính toán tìm năng lượng của tường gió Tính toán cho các cấp độ gió ở từng độ cao lắp

- Kết quả tính toán như sau:

Độ cao đặt turbin K sd E n 1 turbin

(kWh)

E n tầng

(KWh)

3 0.274 888.0888720.072 17761.81296134.8 0.309 1001.531812.052 20030.6146169.46.6 0.338 1095.526888.264 21910.5159887.58.4 0.338 1095.567888.264 21911.3159887.510.2 0.364 1179.797956.592 23595.9172186.6

12 0.375 1215.45985.5 24309.017739013.8 0.394 1277.0331035.432 25540.7186377.815.6 0.4 1296.481051.2 25929.618921617.4 0.409 1325.6511074.852 26513.0193473.4

- Mật độ năng lượng gió khai thác để phát điện trên một đơn vị diện tích:

NM

n thác khai

Từ kết quả trên có thể thấy mật độ năng lương gió dùng để phát điện của tường gió lớn hơn khoảng 3 lần so với trạm phong điện thông thường.

- Tuy nhiên, khả năng lắp đặt, xây dựng còn phụ thuộc vào điều kiện địa chất, địa hình và các yếu tố khác, do đó việc tính toán sơ bộ ở đây chỉ là một yếu tố

để xem xét khi chọn phương án

4 Tiến hành bố trí cho từng phương án nhà máy phong điện truyền thống :

- Căn cứ vào bình đồ khu vực phía Nam đảo đã có, ta tiến hành bố trí vị trí các turbin gió cũng như tường gió

- Căn cứ vào cách xây dựng hoa gió từ tài liệu khí tượng

- Với phương án trạm phong điện kiểu truyền thống: bố trí 6 turbin với các khoảng cách như trên hình sau:

NNE

Hình 3 – 2 Sơ dđ ồ bố trí nhà máy phong điện kiểu truyền thống

- Sơ đồ bố trí cụ thể xem trên bình đồ