TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI BỘ MÔN THỦY ĐIỆN VÀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO GIÁO TRÌNH LÝ THUYẾT THIẾT KẾ VÀ ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG GIÓ (Bản dịch Lưu hành nội bộ, xuất bản lần thứ nhất) HÀ NỘI, 2017 Mục lục Chương 1[.]
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI
BỘ MÔN THỦY ĐIỆN VÀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
GIÁO TRÌNH
LÝ THUYẾT THIẾT KẾ VÀ ỨNG DỤNG
NĂNG LƯỢNG GIÓ
(Bản dịch Lưu hành nội bộ, xuất bản lần thứ nhất)
Trang 3Mục lục
Chương 1 Giới thiệu năng lượng gió hiện đại và quá trình phát triến 1
1.1 Các tua bin gió hiện đại 1
1.1.1 Thiết kế Tua bin gió hiện đại 2
1.1.2 ước tính sản lượng điện 7
1.1.3 Các khái niệm khác về tua bin gió 8
1.2 Lịch sử khai thác năng lượng gió 10
1.2.1 Sơ lược lịch sử của cối xay gió 11
1.2.2 Quá trình phát triển 14
1.2.3 Sự hồi sinh của năng lượng gió 15
1.2.4 Công nghệ nền tảng của tua bin gió hiện đại 18
1.2.5 Những xu hướng chung 19
Tài liệu tham khảo 19
Chương 2 Các đặc điếm và tài nguyên gió 21
2.1 Giói thiệu 21
2.2 Những đặc điếm chung của tài nguyên gió 21
2.2.1 Tài nguyên gió: sự hình thành trên Trái đất 22
2.2.2 Những đặc điểm chung của Gió 25
2.2.3 Ước lượng tài nguyên gió tiềm năng 32
2.3 Những đặc điểm của tầng khí quyển ranh giói 35
2.3.1 Những nét đặc trưng của tầng khí quyến ranh giới 35
2.3.2 Sự nhiễu loạn 38
2.3.3 Gió on định: sự thay đối tốc độ gió theo độ cao 43
2.3.4 Ánh hưởng của địa hình lên tính chất của gió 47
2.4 Phân tích dữ liệu gió và Ước tính tài nguyên 52
2.4.1 Khía cạnh chung của việc sản xuất năng lượng bằng tua bin gió 53
2.4.2 Phương pháp trực tiếp phân tích dữ liệu, mô tả tài nguyên và năng suất tua bin 54
2.4.3 Phân tích thống kế dữ liệu gió 57
2.5 Ước tính sản lượng tù’ tua bin gió sử dụng các phương pháp kỹ thuật thống kê 62
2.5.1 Tính toán sản lượng lý tưởng sử dụng hàm phân bố Rayleigh 63
2.5.2 Tính toán sản lượng cho tua bin gió thực sử dụng hàm phân bo Weibull 64
2.6 Tổng quan về dữ liệu đánh giá nguồn tài nguyên sẵn có 65
2.6.1 Nguồn thông tin từ Hoa Kỳ 66
2.6.2 Thông tin dữ liệu về nguồn tài nguyên gió tại khu vực châu Âu 69
2.6.3 Thông tin dữ liệu về nguồn tài nguyên gió tại các khu vực trên thế giới 71
2.7 Các dụng cụ và thiết bị đo gió 72
2.7.1 Tồng quát 72
2.7.2 Đặc điếm chung của các dụng cụ đo lường 74
2.7.3 Dụng cụ đo lường vận tốc gió 75
2.7.4 Thiết bị đo hướng gió 79
2.7.5 Cột đo 79
2.7.6 Hệ thống ghi chép dữ liệu 80
2.7.7 Phân tích dữ liệu gió 81
2.7.8 Tồng quan về chương trình giám sát gió 82
2.8 Nhũng chủ đề nâng cao 83
2.8.1 ứng dụng các quá trình ngẫu nhiên trong năng lượng gió 83
2.8.2 Phân tích và biếu thị đặc tính sự nhiễu động của gió 84
2.8.3 Sử dụng mô hình số hoặc tính toán động lực học chất lỏng trong việc mô tả đặc điểm luồng gió 85
2.8.4 Định vị vi mô 85
2.8.5 Các kỹ thuật đánh giá tài nguyên dựa trên thống kê nâng cao 85
i
Trang 4Tài liệu tham khảo 85
Chương 3 Khỉ động học của tua bin gió 88
3.1 Tổng quan 88
3.2 Thuyết động lưọng một chiều và giói hạn Betz 89
3.3 Tua bin gió trục ngang lý tuông có sự quay của dòng đuôi 94
3.4 Dạng khí động học và khái niệm chung về khí động học 100
3.4.1 Thuật ngữ cánh 100
3.4.2 Các thông số không thứ nguyên, lực kéo và lực nâng 101
3.4.3 Trạng thái hoạt động của cánh quạt 103
3.4.4 Mô hình hóa các đặc điêm của cánh quạt sau khi sụt tốc 107
3.4.5 Cánh quạt cho tua bin gió 107
3.4.6 Máy nâng và máy kéo 109
3.5 Thuyết momen và thuyết phần tử cánh 111
3.5.1 Giới thiệu chung 111
3.5.2 Thuyết mômen 112
3.5.3 Thuyết cánh 112
3.6 Hình dáng cánh quạt cho rô-to lý tưởng không bị sự quay dòng đuôi 116
3.7 Dự đoán chung về hoạt động của cánh quạt rô-to 119
3.7.1 Thuyết cho rô-to tồng quát bao gồm sự quay dòng đuôi 119
3.7.2 Tính toán hệ số công suất 122
3.7.3 Tổn thất đầu cánh: tác động của số các cánh lên hệ số công suất 124
3.7.4 Các vấn đề vận hành do sai thiết kế 125
3.8 Hình dạng cánh cho rô-to tối ưu với việc chuyển động xoay dòng đuôi 128
3.9 Phương pháp thiết kế rô-to tồng quát 130
3.9.1 Thiết kế rô-to cho các điều kiện chi tiết 130
3.9.2 Các đường cong Cp- X 135
3.10 Phương pháp tính toán hiệu suất rô-to HAWT đơn giản 136
3.11 Ảnh hưỏng của số cánh quạt và lực cản lên hiệu suất tối ưu 138
3.12 Các đề tài khí động lực học nâng cao 140
3.12.1 Các vấn đề khí động học ở trạng thái ôn định không lý tưởng 140
3.12.2 Các dòng đuôi tua bin 140
3.12.3 Các ảnh hưởng khí động học bat on định 142
3.12.4 Mã máy tính cho ước tính tải trọng và hiệu suất 143
3.12.5 Các phương pháp thiết kế và dự đoán hiệu suất khác 143
Tài liệu tham khảo 144
Chương 4 Cơ học và Động học 147
4.1 Giới thiệu chung 147
4.1.1 Các loại ngoại lực 148
4.1.2 Các nguồn lực tác dụng 149
4.1.3 Các tác động của tải trọng 150
4.2 Các nguyên lý chung 150
4.2.1 Các chủ đề được lựa chọn từ cơ học cơ bản 150
4.2.2 Độ rung dao động 155
4.2.3 Độ mỏi 163
4.3 Động lực rô-to cánh quạt của tua bin gió 169
4.3.1 Các tải trọng rô-to lý tưởng 169
4.3.2 Mô hình rô-to cánh quạt lò xo bản lề tuyến tính 171
4.4 Mô hình động năng chi tiết và chuyên dụng 202
Trang 54.4.1 YawDyn 202
4.4.2 Các mã khí động lực khác 204
Tài liệu tham khảo 204
Chương 5 vấn đề điện trong các loại tua bin gió 206
5.1 Tổng quan 206
5.2 Những khái niệm cơ bản về năng lượng điện 207
5.2.1 Những nguyên tắc cơ bản về điện 207
5.2.2 Dòng điện xoay chiều 207
5.2.3 Các đặc tính cơ bản của nam châm điện 218
5.3 Bộ biến áp công suất 225
5.4 Các máy điện 227
5.4.1 Các máy điện đơn giản 227
5.4.2 Từ trường bao quanh 229
5.4.3 Các máy điện đồng bộ 230
5.4.4 Các máy điện cảm ứng 235
5.4.5 Máy phát điện một chiều 243
5.4.6 Các máy phát điện nam châm vĩnh cửu 244
5.4.7 Các loại máy điện khác 244
5.4.8 Thiết kế cơ học máy phát điện 245
5.4.9 Thông số máy phát điện 246
5.5 Bộ biến đoi công suất 247
5.5.1 Khái quát chung về bộ biến đôi công suất 247
5.5.2 Bộ chinh lưu 247
5.5.3 Bộ biến đổi 249
5.5.4 Sóng điều hòa 252
5.6 Các thiết bị điện đi kèm 257
5.6.1 Các dây cáp điện 257
5.6.2 Các cồ góp 258
5.6.3 Khởi động từ từ 258
5.6.4 Các công tắc đóng ngắt 258
5.6.5 Các cầu dao và cầu chì trong sơ đồ mạch 258
5.6.6 Bộ ngắt chính 258
5.6.7 Các tụ chỉnh hệ số công suất 259
5.6.8 Các phụ tải điện của tua bin gió 259
Tài liệu tham khảo 259
Chương 6 Thiết kế tua bin gió 260
6.1 Tổng quan 260
6.1.1 Tống quan chương thiết kế 260
6.1.2 Tông quan các vấn đề thiết ke 260
6.2 Quy trình thiết kế 261
6.2.1 Xác định ứng dụng 261
6.2.2 Xem lại kinh nghiệm trước đó 262
6.2.3 Lựa chọn cấu trúc hình học 262
6.2.4 Ước tính các tải trọng sơ bộ 262
6.2.5 Phát triển thiết kế sơ bộ 263
6.2.6 Dự tính hiệu suất hoạt động 263
6.2.7 Đánh giá thiết kế 263
6.2.8 Ước tính các chi phí và chi phí năng lượng 264
6.2.9 Sửa chữa thiết kế 264
6.2.10 Xây dựng nguyên mẫu 265
6.2.11 Kiêm tra nguyên mẫu 265
6.2.12 Thiết kế máy móc sản xuất 265
iii
Trang 66.3 Các cấu trúc địa hình học tua bin gió 265
6.3.1 Định hướng trục rô-to: ngang hay dọc 265
6.3.2 Kiếm soát công suất rô-to: ngừng động, góc nghiêng, độ lệch và các bề mặt khí động học 267
6.3.3 Vị trí rô-to: cột tháp ngược gió hay cột tháp xuôi gió 267
6.3.4 Kiêm soát chệch hướng: tự do hay chủ động 268
6.3.5 Tốc độ rô-to: không đối hay biến đối 268
6.3.6 Thiết kế tỷ số tốc độ đầu cánh và độ rắn chắc 268
6.3.7 Trục: loại cố định, treo, các cánh có bản lề hoặc khớp các đăng 269
6.3.8 Tính cố định: linh động hay cứng nhắc 269
6.3.9 Số lượng cánh 269
6.3.10 Cấu trúc cột tháp 270
6.3.11 Thiết kế các liên kết ràng buộc 271
6.4 Các vật liệu 272
6.4.1 Xem lại các đặc tính cơ học cơ bản 272
6.4.2 Thép 272
6.4.3 Vật liệu tổng họp 273
6.4.4 Đồng 275
6.4.5 Bê tông 276
6.5 Các bộ phận của tua bin 276
6.5.1 Các trục Tl6 6.5.2 Các khớp nối 277
6.5.3 Các lò xo 277
6.5.4 Bộ tiếp họp và phanh 278
6.5.5 Bạc đạn 279
6.5.6 Bánh răng 280
6.5.7 Bộ chống rung 283
6.5.8 Dây cáp 283
6.5.9 Kẹp và ghép nối 284
6.6 Tải tua bin gió 284
6.6.1 Khái quát chung 284
6.6.2 Trọng tải thiết kế tua bin gió 287
6.6.3 Các mối quan hệ tỷ lệ 293
6.7 Hệ thống tua bin gió phụ và các bộ phận của nó 297
6.7*1 Rô-to ’ * 297
6.7.2 Hệ thống truyền động 313
6.7.3 Hệ thống chỉnh hướng gió 321
6.7.4 Khung chính và vỏ bọc 322
6.7.5 Trụ dơ 324
6.7.6 Ket nối và điều khiển 329
6.8 Đánh giá thiết kế 329
6.8.1 Nguồn gió 329
6.8.2 Đặt mô hình tua bin 330
6.8.3 Mô phỏng 330
6.8.4 Chuyến đối đầu ra mô phong sang áp lực 330
6.8.5 Đánh giá mức hư hỏng 330
6.9 Dự tính đường cong công suất 331
6.9T Ví dụ 332
Tài liệu tham khảo 334
Chương 7 Điều khiến tua bin gió 337
7.1 Giới thiệu chung 337
7.1.1 Các loại của hệ thống điều khiển trong tua bin gió 337
7.1.2 Một số ví dụ về hệ thống điều khiên tua bin gió 339
7.2 Tổng quan về hệ thống điều khiển tua bin gió 344
7.2.1 Mầu tua bin cơ bản 344
Trang 77.2.2 Các thành phần của hệ thống điều khiến 345
7.2.3 Điều khiên các quá trình hoạt động của tua bin 348
7.3 Vận hành điển hình của tua bin kết nối vó’i lưới điện 350
7.3.1 Sơ đồ hoạt động của tua bin có tốc độ không đổi 352
7.3.2 Nguyen lý hoạt động của tua bin có vận tốc thay đối 354
7.4 Tổng quan và vận hành hệ thống điều khiển giám sát 356
7.4.1 Tống quan hệ thống điều khiến giám sát 356
7.4.2 Các chế độ làm việc 357
7.4.3 Dự đoán sự cố 360
7.4.4 Hoạt động của hệ thống điều khiển giám sát 361
7.4.5 Hệ thống dự phòng an toàn sự cố 363
7.5 Nguyên lý làm việc của điều khiển động học 364
7.5.1 Mục đích của điều khiển động học 364
7.5.2 Thiết hệ thống điều khiến động học 365
7.5.3 Các vấn đề điều khiến trong thiết kế tua bin gió 370
7.5.4 Sự làm việc của hệ thống điều khiến động lực học 384
Tài liệu tham khảo: 387
Chương 8 Vị trí lắp đặt, thiết kế và tích họp hệ thong cho tua bin gió 389
8.1 Tổng quan 389
8.2 Chọn vị trí đặt tua bin gió 390
8.2.1 Tống quan các vấn đề về chọn tua bin gió 390
8.2.2 Ước tính tài nguyên gió 391
8.2.3 Vi chỉnh vị trí 397
8.3 Những vấn đề lắp đặt và vận hành 397
8.3.1 Phát triến cơ sở và việc cấp giấy phép 397
8.3.2 Chuẩn bị địa điểm 398
8.3.3 Vận chuyển tua bin 398
8.3.4 Lắp ráp và lắp dựng tua bin 398
8.3.5 Lưới kết nối 399
8.3.6 Thử nghiệm 399
8.3.7 Hoạt động của tua bin 400
8.3.8 Bảo trì và sửa chữa 401
8.3.9 Vấn đề an toàn 401
8.4 Trạm năng lượng gió 401
8.4.1 Cở sở hạ tầng trại gió 403
8.4.2 Các vấn đề kỹ thuật 404
8.5 Tua bin gió và các trạm năng lượng gió trong lưới điện 415
8.5.1 Các lưới điện 415
8.5.2 Thiết bị kết nối với lưới điện 419
8.5.3 Sự làm việc của các tua bin gió được nối với các lưới điện 420
8.5.4 Tương tác tua bin - lưới điện 421
8.6 Trạm năng lượng gió ngoài khoi 426
8.6.1 Các khía cạnh độc đáo của nguồn gió ngoài khơi 427
8.6.2 Thiết kế tua bin và nền móng cho trạm năng lượng gió ngoài khơi 429
8.6.4 Các vấn đề khi thiết kế trạm năng lượng gió ngoài khơi 431
8.6.5 Lợi ích từ các hệ thống phong điện ngoài khơi 432
8.7 Việc vận hành trong thời tiết khắc nghiệt 432
8.8 Hệ thống điện hỗn họp 434
8.8.1 Lưới điện diesel độc lập 435
8.8.2 Tống quan về các vấn đề khi thiết kế hệ thống điện hỗn hợp 436
8.8.3 Các thành phần của hệ thống điện hỗn họp 439
8.8.4 Mô hình hệ thống điện hỗn họp 446
V
Trang 8Tài liệu tham khảo 447
Chương 9 Kinh tế năng lượng gió 452
9.1 Giới thiệu 452
9.2 Tổng quan đánh giá kinh tế của hệ thống năng lượng gió 453
9.2.1 Các chi phí phát điện của các tua bin trong lưới điện: Tống quan 453
9.2.2 Giá trị năng lượng gió trong hệ thống phát điện: tống quan 458
9.2.3 Tống quan về các phương pháp phân tích kinh tế 458
9.2.4 Đánh giá thị trường: tống quan 459
9.3 Vốn đầu tư cho hệ thống năng lượng gió 459
9.3.1 Những đánh giá tống quan 459
9.3.2 Sử dụng đường cong kiến thức để dự đoán vốn đầu tư 460
9.3.3 Chi phí máy tua bin gió 461
9.3.4 Những chi phí của trang trại sử dụng tua bin gió 466
9.4 Chi phí vận hành và bảo dưỡng 469
9.5 Giá trị của năng lượng gió 471
9.5.1 Tổng quan 471
9.5.2 Chi phí ngăn ngừa dựa trên giá trị của năng lượng gió 473
9.5.3 Giá trị môi trường của năng lượng gió 475
9.5.4 Giá thị trường của năng lượng gió 476
9.6 Các phương pháp phân tích kinh tế 480
9.6.1 Các phương pháp phân tích kinh tế đơn giản hóa 481
9.6.2 Phương thức chi phí quay vòng 482
9.6.3 Lợi ích điện dựa trên phân tích kinh tế cho các trang trại gió 487
9.6.4 Phân tích độ nhậy hiệu quả kinh tế 489
9.7 Xem xét thị trường năng lượng gió 490
9.7.1 Tổng quát 490
9.7.2 Thị trường cho các hệ thống gió quy mô phát điện 491
9.7.3 Các rào cản cho việc triên khai năng lượng gió 495
9.7.4 Các khuyến khích phát then năng lượng gió 496
Tài liệu tham khảo 497
Chương 10 Hệ thong năng lượng gió: xem xét khía cạnh và tác động môi trường 500
10.1 Giói thiệu 500
10.2 Tác động của chim đối vói các Tua bin gió 501
10.2.1 Tồng quan về vấn đề 501
10.2.2 Đặc tính của vấn đề 503
10.2.3 Các biện pháp giảm thiểu hiện tại và nghiến cứu tình huống 503
10.2.4 Các nguồn nghiên cứu đánh giá tác động của loài chim lên môi trường 504
10.3 Tác động trực quan của tua bin gió 508
10.3.2 Mô tả tính chất vấn đề 509
10.3.3 Thiết kế các hệ thống gió đế giảm thiếu tác động trực quan 509
10.3.4 Các nguồn nghiên cứu tác động trực quan 512
10.4 Tiếng ồn của tua bin gió 513
10.4.1 Khái quát vấn đề 513
10.4.2 Tiếng ồn và các âm thanh cơ bản 514
10.4.3 Cơ chế tiếng ồn của tua bin gió 518
10.4.3 Tiếng ồn cơ khí 520
10.4.4 Dự đoán tiếng ồn từ tua bin gió 521
10.4.5 Lan truyền độ ồn từ các tua bin điện gió 524
10.4.6 Các biện pháp giảm độ ồn cho tua bin điện gió 525
10.4.7 Tiêu chuân hoặc quy định về tiếng ồn 525
10.5 Hiệu ứng giao thoa điện từ 526
Trang 910.5.1 Tổng quan vấn đề 526
10.5.2 Đặc trưng giao thoa điện từ từ một tua bin điện gió 528
10.5.3 Dự đoán ảnh hưởng của giao thoa điện từ do tua bin điện gió gây ra: các mô hình phân tích 530
10.5.4 Các nguồn đe tính toán 534
10.6 Tác động môi trường liên quan đến việc sử dụng dất 535
10.6.1 Tổng quan 535
10.6.2 Cân nhắc liên quan đến sử dụng đất 535
10.6.3 Giảm nhẹ các vấn đề về sử dụng đất 537
10.7 Các xem xét về môi trưòng 538
10.7.1 Mức độ an toàn 538
10.7.2 Anh hưởng đến hệ động thực vật 540
10.7.3 Bóng nhấp nháy và phản xạ 541
Tài liệu tham khảo 542
vii
Trang 11Chương 1 Giói thiệu năng lượng gió hiện đại và quá trình phát triển
Sự tái xuất hiện của gió như một nguồn năng lượng quan trọng của thế giới được xếp vào một trong những phát hiện quan trọng cuối thế kỷ XX Sự ra đời của động cơ hơi nước và sự xuất hiện của các công nghệ khác để biến đối nhiên liệu hoá thạch thành năng lượng hữu ích tưởng như đã loại bỏ vai trò quan trọng của gió trong cơ cấu năng lượng Thực tế, vào giữa những năm 1950 đã xuất hiện sự loại bỏ này Tuy nhiên, đến cuối thập niên 1960, dấu hiệu đầu tiên của một sự đảo chiều có thê được thấy rõ và đầu những năm 1990 sự đảo chiều cơ bản đã diễn ra một cách rõ ràng.
Để hiểu được điều gì đang xảy ra cần phải xem xét 5 yếu tố chính Yếu tố đầu tiên trong tất
cả 5 yếu tố đó là nhu cầu Việc nhận thấy sự hữu hạn của nguồn dự trữ nhiên liệu hoá thạch của trái đất cũng như sự nhận biết về ảnh hưởng bất lợi của việc đốt những nhiên liệu này để tạo ra năng lượng đã khiến nhiều người tìm kiếm những nguồn thay the Yeu tố thứ hai đó là tiềm năng Gió có ở khắp mọi nơi trên trái đất và ở một số vùng có nguồn gió dồi dào Gió được sử dụng rộng rãi trong quá khứ cho cơ khí cũng như vận tải nên chắc chắn có thế hiếu được việc tái sử dụng gió Yeu tố thứ ba là khả năng công nghệ Nói riêng, có các diễn biến trong các lĩnh vực khác, khi ứng dụng vào các tua bin gió có thế cách mạng hoá chúng theo cách mà chúng có thể được sử dụng Ba yếu tố đầu tiên này là cần thiết để thúc đẩy sự tái xuất hiện của năng lượng gió, nhưng chưa đủ Phải cần thêm hai yếu tố nữa, thứ nhất là cách nhìn mới về sử dụng năng lượng gió, thứ hai là mong muốn chính trị đế thực hiện Nhận thức đó bắt đầu trước năm 1960 với các cá nhân như Poul la Cour, Albert Betz, Palmer Putnam và Percy Thomas Nó được tiếp tục bởi Johannes Juul, E.w Golding, Ulrich Hutter and William Heronemus, nhưng đã nhanh chóng truyền tới nhiều người khác và được đề cập đến rất nhiều Vào lúc bắt đầu của sự tái xuất hiện của gió, chi phí năng lượng từ tua bin gió cao hơn so với chi phí năng lượng hóa thạch Sự hỗ trợ của chính phủ được yêu cầu để thực hiện các nghiên cứu, phát triển và thử nghiệm, để cung cấp các qui định cải cách để cho phép tua bin gió liên kết với mạng lưới điện, và để cung cấp các ưu đãi đế giúp đẩy nhanh việc triển khai công nghệ mới Các chính sách cần thiết cho sự hỗ trợ này xuất hiện vào các thời điếm khác nhau
và mức độ khác nhau Ở một số quốc gia: đầu tiên tại Hoa Kỳ, Đan Mạch và Đức, và hiện nay
ở nhiều nơi còn lại trên thế giới.
Mục đích của chương này là cung cấp một cái nhìn khái quát về công nghệ năng lượng gió ngày nay để thiết lập bối cảnh cho phần còn lại của cuốn sách Nó đặt các câu hỏi như: Công nghệ gió hiện đại trông như thế nào? Nó được sử dụng để làm gì? Nó sử dụng công nghệ này như thế nào? Nó sẽ đi đâu?
1.1 Các tua bin gió hiện đại
Tua bin gió như đã được miêu tả trong cuốn sách này là một máy chuyển đổi sức gió thành điện năng Máy này khác biệt với “cối xay gió” vốn chỉ dùng để chuyển đổi sức gió thành cơ năng Giống như các máy phát điện, các tua bin gió được nối với hệ thống điện Hệ thống điện bao gồm các dãy pin, hệ thống điện quy mô hộ gia đình, riêng rẽ hoặc từng vùng, và hệ thống cung cấp điện lớn Xét về số lượng, các tua bin gió được sử dụng thường xuyên nhất là các tua bin gió khá nhỏ - công suất 10kW hoặc nhỏ hơn Xét về công suất phát điện, các tua bin
1
Trang 12có công suất lớn (từ 500kW đến 2MW) lại chiếm phần lớn Những tua bin lớn hơn này được
sử dụng chủ yếu trong hệ thống điện lớn, đa số ở Châu Âu hoặc Hoa Kỳ Một tua bin gió hiện đại điên hình nối với lưới điện, được minh hoạ trong Hình 1.1.
Hình 1.1 Tua bin gió hiện đại
Đẻ hiểu các tua bin gió được sử dụng thế nào, thật hữu ích khi xem xét ngắn gọn một số thực trạng cơ bản qua sự vận hành Trong các tua bin gió hiện đại, quá trình biến đôi sử dụng lực nâng khí động lực đế tạo ra mô men xoắn chủ động trên trục quay, kết quả đầu tiên trong việc tạo ra lực cơ học và sự chuyển đổi của nó thành điện trong máy phát điện Các tua bin gió không giống như hầu hết các máy phát điện khác, có thể sản xuất năng lượng chỉ khi ngay lập tức có gió Không thể lưu giữ và sử dụng gió sau thời điếm nó xuất hiện Sản lượng của tua bin gió như vậy là rất dao động và không thể chuyển đi được (Hầu hết việc tua bin gió có thể làm là giới hạn công suất phát điện ít hơn năng lượng mà gió có thể sinh ra) Bất cứ một
hệ thống nào mà tua bin gió kết nối phải xem xét đến sự biến đối này Trong các hệ thống điện lớn hơn, tua bin gió được sử dụng để giảm tổng phụ tải điện và như vậy kết quả trong việc giảm cũng như số máy phát điện truyền thống đang được sử dụng hoặc nhiên liệu mà các máy phát đó đang tiêu thụ Ở các hệ thống điện nhỏ hơn, có thể có hệ thống lưu trữ năng lượng, máy phát điện dự phòng và một số hệ thống điều khiển được chuyên biệt hóa Một thực tế nữa là gió không thể vận chuyển được: nó chỉ có thể chuyển đổi tại nơi mà nó đang thổi Trong quá khứ, một sản phẩm như lúa mì được làm ra nhờ cối xay gió và sau đó được vận chuyến tới các nơi sử dụng Ngày nay, khả năng của năng lượng điện truyền tải thông qua đường dây tải điện để bổ sung cho việc gió không có khả năng vận chuyển được Trong tương lai, hệ thống năng lượng dựa trên hydro có thể bổ sung vào khả năng này.
1.1.1 Thiết kế Tua bin gió hiện đại
Ngày nay phần lớn các thiết kế chung của tua bin gió là tua bin gió có trục nằm ngang (HAWT) và đây là loại duy nhất được thảo luận chi tiết trong cuốn sách này Loại này có trục quay song song với mặt đất Những rô-to HAWT thường được phân loại theo định hướng (gió
Trang 13thôi ngược hoặc xuôi với cột tháp), thiết kế ô trục - ố trục (cố định hoặc quay được), bộ điều chỉnh cánh quạt (kieu thất tốc hay góc nghiêng), số cánh quạt (thường là 2 hoặc 3 cánh) và chúng được nghiêng như thế nào với gió (xoay đảo hướng tự do hay xoay đảo hướng chủ động) Hình 1.2 chỉ ra bố trí theo dạng ngược gió và xuôi gió.
• Bộ phận điều khiến tua bin.
• Hệ thống cân bàng điện năng bao gồm dây cáp, thiết bị đóng ngắt, máy biến áp và có thể
có các thiết bị chuyến đôi điện năng.
Chức năng chính trong thiết kế máy gió và cấu trúc bao gồm:
• Số cánh quạt (phổ biến là 2 hoặc 3 cánh).
• Cánh quạt định hướng: xuôi gió hoặc ngược gió.
• Vật liệu làm cánh quạt, phương pháp xây dựng và hình dạng.
• Thiết kế ổ trục: cố định, di động hoặc khớp xoay.
• Bộ điều khiên nguồn thong qua bộ điều khiên khí động lực (điều khiến thất tốc) hoặc góc nghiêng cánh quạt thay đổi (điều khiển góc nghiêng).
• Tốc độ cố định hoặc tốc độ biến thiên của rô-to.
• Định hướng bằng cách tự điêu chỉnh (xoay tự do), hoặc điều khiến trục tiếp (xoay chủ động).
• Máy phát điện đồng bộ hoặc máy phát điện cảm ứng.
3
Trang 14• Hộp số hoặc máy phát điện nối trực tiếp.
Hình 1.3 Sơ đồ những bộ phận chính của một tua bin gió
Đó là giới thiệu ngắn về tống quan của vài bộ phận cấu thành quan trọng nhất Thảo luận chi tiết hơn về toàn bộ hệ số thiết kế của các bộ phận cấu thành này và những phần quan trọng khác của hệ thống tua bin gió sẽ được đề cập trong chương 3, 4, 5, 6 và 7 của cuốn sách này.
số hãng sản xuất của Mỹ sử dụng điều khiến góc nghiêng, giờ đây dường như xu hướng chung là tăng việc sử dụng điều khiến góc nghiêng đặc biệt trong các tua bin lớn Các cánh quạt ở phần lớn các tua bin được làm từ hợp chất composite, cơ bản là chất dẻo cốt sợi thuỷ tinh (GRP), nhưng đôi khi thì go/tam epoxy được sử dụng đế làm cánh quạt Những vấn đề
Trang 15này được trình bày chi tiết hơn ở chương Khí động học (chương 3) và chương Thiết kế (chương 6).
1.1.1.2 Hệ thong truyền lực.
Hệ thống truyền động bao gồm các bộ phận quay của tua bin gió Những bộ phận quay điển hình bao gồm một trục quay tốc độ chậm (ở phía rô-to), hộp số và một trục quay tốc độ cao (ở phía máy phát điện) Bộ phận cấu thành hệ thống truyền lực bao gồm O đỡ, một hoặc nhiều khớp truyền động, phanh và các bộ phận quay của máy phát điện (sẽ được thảo luận riêng ở phần tiếp theo) Mục đích của hộp số là tăng tốc độ quay của cánh quạt từ tốc độ chậm (vài chục vòng/phút) lên tốc độ phù hợp để đạt tiêu chuẩn phát điện (hàng trăm hoặc hàng nghìn vòng/phút) Hai loại hộp số được sử dụng trong tua bin gió: loại trục song song và cơ cấu hành tinh Đối với những tua bin lớn hơn (xấp xỉ khoảng 500kW), lợi thế về trọng lượng
và kích cờ của hộp số vệ tinh trở nên rõ ràng hơn Một số thiết kế tua bin gió được thiết kế một cách đặc biệt, những máy phát điện tốc độ thấp không yêu cầu có hộp số.
Trong khi thiết kế của các bộ phận cấu thành hệ thống truyền lực tua bin gió thường theo thông lệ thiết kế cơ khí truyền thống, thì trọng tải duy nhất của hệ thống truyền lực của tua bin gió cần những xem xét đặc biệt Sự thay đổi của gió và động lực học của các rô-to quay cỡ lớn ảnh hướng nhiều đến tải trọng biến đổi tác động lên các bộ phận truyền động.
1.1.1.3 Máy phát điện
Gằn như tất cả các tua bin gió đều sử dụng máy phát điện cảm ứng hoặc máy phát điện đồng bộ Cả hai loại máy phát điện này đòi hỏi tốc độ quay không đối hoặc gần như không đổi khi máy phát điện được kết nối trực tiếp với hệ thống cấp điện.
Phần lớn các tua bin gió được lắp đặt trong hệ thống điện với việc sử dụng các máy phát điện cảm ứng Một máy phát điện cảm ứng hoạt động trong một khoảng cách thu hẹp phạm vi tốc độ hơi cao hơn so với tốc độ đồng bộ của nó (máy phát điện bốn cực hoạt động trong tần
số 60 Hz có tốc độ đồng bộ là 1800 v/ph) Lợi thế chính của các máy phát điện cảm ứng là chúng chạy khoẻ, giá thành rẻ, dễ dàng nối với hệ thống điện.
Tùy chọn cho máy phát điện bao gồm việc sử dụng các tua bin gió có tốc độ thay đổi Có một số lợi ích như giảm hao mòn và hư hỏng trên tua bin gió và tăng khả năng vận hành tua bin gió ở mức hiệu suất tối đa trong nhiều dải tốc độ gió khác nhau, tạo ra sản lượng điện tăng Mặc dù có nhiều khả năng lựa chọn thiết bị để đáp ứng sự thay đổi tốc độ hoạt động của tua bin gió, các bộ phận cấu thành điện năng được sử dụng trong phần lớn các máy thay đổi tốc độ hiện nay đang được thiết kế Khi được sử dụng với các máy đối điện năng thích họp thì
cả máy phát điện đồng bộ và máy phát điện cảm ứng đều có thể chạy với tốc độ thay đổi.
1.1.1.4 Vỏ bọc và hệ thong xoay đảo hướng
Mục này bao gồm vỏ bọc tua bin gió, phiến đế máy hoặc khung chính và hệ thống đảo hướng Khung chính dùng cho việc lắp ghép và bố trí thích hợp của các bộ phận cấu thành hệ thống truyền lực vỏ bọc bảo vệ các bộ phận bên trong khỏi ảnh hưởng của thời tiết.
Hệ thống đảo hướng được dùng đế giữ trục của cánh quạt được bố trí theo hướng thích hợp với gió Bộ phận cấu thành cơ bản là vòng bi lớn để liên kết khung chính với cột tháp Điều khiến đảo hướng chủ động nói chung được sử dụng với một tua bin ngược gió, tua bin này
5
Trang 16bao gồm một hoặc nhiều mô-tơ đảo hướng, mỗi mô-tơ truyền lực cho bánh răng hành tinh ngược chiều bánh răng chính được gắn chặt với vòng bi đảo hướng.Thiết bị này được điều khiến bởi hệ thống điều khiến đảo hướng tự động với bộ cảm biến chiều gió thường được gắn
ở vỏ tua bin gió Đôi khi phanh xoay đảo hướng được sử dụng loại thiết kế này đê giữ vỏ ở đúng vị trí Hệ thống xoay đảo hướng tự do (có nghĩa là chúng có thể tự điều chỉnh theo hướng gió) thường được sử dụng trên máy xuôi gió
1.1.1.5 Cột tháp và móng
Mục này bao gồm kết cấu của cột tháp và móng Thiết kế của các loại cột tháp chính hiện nay đang sử dụng là dạng đứng sử dụng các ống thép, tháp làm bằng các thanh sắt bắt chéo nhau (hoặc giàn đỡ), và cột bằng bê tông Đối với các tua bin nhỏ hơn người ta sử dụng các cột dùng dây neo về đặc trưng, chiều cao của cột bằng 1 hoặc 1,5 lần đường kính của cánh quạt, thông thường chiều cao cùa cột ít nhất là 20m Việc chọn cột tháp bị ảnh hưởng rất nhiều bởi đặc điếm của vị trí Độ cứng của cột tháp là yếu tố chính trong hệ thống động lực của tua bin gió vì khả năng kết họp dao động giữa cánh quạt và cột tháp Đối với các tua bin
có cánh quạt xuôi gió, hiệu quả của bóng cột tháp (dòng xoáy được tạo ra bởi luồng không khí xung quanh cột tháp) trên động học của tua bin, sự biến đổi điện năng, và phát sinh tiếng ồn phải được xem xét Ví dụ, do bóng của cột tháp nên các tua bin xuôi gió thường ồn hơn các tua bin ngược gió.
1.1.1.6 Bộ điểu khiển
Đối với tua bin gió hệ thống điều khiển rất là quan trọng đối với cả quá trình hoạt động của máy và việc sản xuất năng lượng Hệ thống điều khiên tua bin gió bao gồm các bộ phận cấu thành sau:
• Bộ cảm biến - tốc độ, vị trí, lưu lượng, nhiệt độ, dòng điện, điệp áp, v.v.
• Bộ điều khiến - kỳ thuật cơ khí, mạch điện, máy tính.
• Bộ chuyến điện - bộ đóng ngắt, bộ khuyếch đại điện, bơm thuỷ lực và van.
• Bộ dẫn động - môtơ, pit-tông, nam châm, cuộn dây.
Thiết kế của hệ thống điều khiển áp dụng cho tua bin gió theo kỹ thuật điều khiển truyền thống Có nhiều khía cạnh, tuy nhiên khá rõ ràng đối với các tua bin gió và được đề cập trong chương 7 Bộ điều khiên tua bin gió bao gồm 3 khía cạnh chính và việc cân bằng đúng đắn những yêu cầu của chúng:
• Thiết lập trên những biên trên và giới hạn mômen và công suất được thực hiện bởi hệ thống truyền lực
• Tăng tối đa tuối thọ của các rô-to truyền lực và các bộ phận cấu thành kết cấu khác khi có
sự thay đổi trong hướng gió, tốc độ (bao gồm cơn gió mạnh) và dòng rối cũng như chu kì bắt đầu-kết thúc của tua bin gió.
• Tăng tối đa năng lượng sản xuất.
Trang 171.1.1.7 Hệ thống cân bằng điện năng
Ngoài máy phát điện, hệ thống tua bin gió còn sử dụng một số thiết bị điện khác Ví dụ như các dây cáp, thiết bị đóng ngắt, máy biến áp, máy chuyển đổi năng lượng điện, tụ điều chỉnh hệ số công suất, mô-tơ đảo hướng và góc nghiêng Chi tiết về các khía cạnh điện của chính các tua bin gió sẽ được đề cập ở chương 5 Kết nối với mạng lưới điện sẽ được đề cập ở chương 8.
1.1.2 Ước tính sản lượng điện
Sản lượng điện của tua bin gió thay đổi với tốc độ gió và mỗi tua bin gió có một biểu đồ thể hiện công suất đặc trưng Với một biểu đồ như vậy có thể dự đoán được sản lượng điện của tua bin gió mà không cần xem xét chi tiết kĩ thuật của các bộ phận cấu thành khác của tua bin gió Biểu đồ công suất cho biết sản lượng điện năng giống như hàm số của tốc độ gió cao tại vị trí moay-ơ Hình 1.4 minh họa ví dụ về biếu đồ công suất cho một tua bin gió điên hình.
Hình 1.4 Đường đặc tính công suất cho một tua bin gió điến hình
Hiệu suất của máy phát điện tua bin gió có thể liên quan tới 3 điếm quan trọng trên thang
đo tốc độ:
• Tốc độ đóng: tốc độ tối thiểu mà máy sẽ cung cấp điện năng hữu ích.
• Tốc độ gió định mức: tốc độ gió mà công suất định mức (thông thường là sản lượng điện tối đa của máy phát điện) đạt được.
• Tốc độ ngắt: tốc độ gió tối đa mà tua bin được phép cung cấp điện năng (thường bị hạn chế bởi thiết kế kỹ thuật và hạn chế an toàn).
Các biểu đồ công suất của máy móc hiện nay thường có thế được lấy từ các nhà sản xuất Các biếu đồ thường được bắt nguồn từ các thử nghiệm tại chỗ, sử dụng các phương pháp thừ nghiệm đã được chuẩn hoá Chúng sẽ được đề cập đến trong chương 6, cũng có thể ước lượng được dạng biểu đồ công suất gần đúng cho một máy cụ thể Tuy nhiên, chẳng hạn như một qui trình không có nghĩa là một công việc đơn giản bởi vì nó bao gồm cách xác định những
7
Trang 18đặc trưng cùa điện nủng của rỗ-to tua bin gió và máy phát điện, tý số truyền và các bộ phận Cấu thảnh hiệu suất
1.1.3 Các khái niệm khác về tua bin gió
Tông quan vê tua bin gió dược cung càp ticn già định câu trúc liên kẽt cùa một kiều cơ bàn, là câu trác hên két mà dùng cánh quạt trục ngang, được điêu khiên bời lục nâng Một lưu
ý rang rất nhiồu các cấu tróc liên kết đà được đua ra, và một sỗ đà được xây dựng Chưa có cấu trúc liên kết nào thảnh công nhu nhùng cấu ink liên kêt sữ dụng trục ngang, cánh quạt điều khiên lực nâng Tuy nhiên có thè dùng vài từ hợp lệ đẽ tóm tat ngủn gọn một sỏ những khái niệm khác Di trước HAWT là tua bin gió trục dọc Darrieus Khái niệm này được nghiên cứu rộng rãi cá ớ Hơa Kỳ vả Canada vào những thộp niên 1970 và 19X0 Mộc dù có một số tinh nâng hâp dan nhưng cãc HAWT chua thè phù hợp VỚI giá bãn diện Tuy nhiên, có thè rang khái niệm có the xuất hiện lại lần nữa cho một số ứng dụng
Một khái niệm khác xuât hiện theo chu kì là bộ tập trung Mục đích là đặt kênh gió đè tảng nâng suất cũa các cánh quạt Nhưng vần đề là chi phí cho việc xây dụng một bộ tập trung hiệu quá mà thinh thoáng có thê chịu được gió cực mạnh luôn luôn đai hon giã các thiết bị.Cuối cũng, một số cánh quạt sử dụng lực kéo thay vi lực nâng đà được đưa ra Một khái niệm, cánh quạt Savonius đà được sử dụng cho một sổ ứng dụng máy bom nước nhó Có 2 vân de co ban với các cánh quạt: (1) kém hiệu quá (xem binh luận về máy sứ dụng lục kéo ớ chương 3 và (2) thật khô de báo vệ chúng khói gió cục mạnh Thật là nghi ngại không bict những cánh quạt như thê hao giờ sẽ được sứ dụng rộng rãi trong tua hm gió không'.'
Người dọc quan tâm den một sô sự đa dạng cùa các khái niệm tua bin gió có thê tham kháo Nelson (1996) Cuốn sách này cung cấp mô lã về một sơ hệ thông gió cải liền Đánh giá về nhừng loại cối xay giỏ được đưa ra õ Eldridge (19X0) vã Le Gourieres (19X2) Một sổ thiết kế cái tiến hơn được hỗ trọ cung cấp lãi liệu bời Bộ năng lượng Mỳ (DOE) (1979, 19X0) Một số khái niệm thú vị vẽ tua bin giỏ được minh hoạ trong Hinh 1.5 và 1.6
Trang 19Các loai tua bin true ngang
Nhiều cành kiểu bánh xe
Kiếu vuỏng góc Kiểu bân đap Bộ phát tân Bộ tập trung
Savonius vuông góc
Hình 1.5 Mô phong các tua bin trục ngang (Eldridge, 1980)
Trang 20Tiêu biêu cho loại sức kẻo
Dạng tấm
ịẽn chân
Dạng chén Savonius Savonius
nbièu cánh Tiêu biềư cho loại súc năng
Tua bin
Kiéu cánh máy bay
Đó< hướng Ánh sáng mat trời
Hình 1.6 Mô phong các tua bin trục dứng (Eldridge, 1980)
1.2 Lịch sử khai thác năng lirợng gió
Dó là dánh giá dẽ xem xét inột máng cùa lịch sir khai thác nâng lượng gió Lịch sir phục vụ cho giái thích minh họa cho các vẩn dề mà hộ thống năng lượng sức gió vẫn còn phái đối mặt cho tới ngày nay, cung cãp cái nhìn sâu sãc vè lý do người ta làm tua bin theo cách riêng Trong phần tóm tắt sau, các khái niệm được nhấn mạnh đều có sự liên quan đặc biệt thích hợp với ngày nay
Độc giã quan tâm tới mỏ lá dãy đú hơn về lịch sử ngành khai thác năng lượng gió hãy tim tới: Park (1981) Eldridge (1980) Inglis (1978), Freris (1990) Dodge (2000) và Ackermann
& Soder (2000) Golding (1977) trình bày lịch sư thiết kế tua bin gió lử thời Ba-tư cồ cho tới giữa những năm 1950 Them vào phân sơ lược cùa những di tích lích sứ sứ dụng sức gió, Johnson (1985) trình bày lịch sư cua thé hệ nâng lượng điện tái tạo lữ gió Hoa Kỹ nghiên cứu
và làm việc trong giai đoạn lữ 1970-1985 trên trục ngang, dọc và cài tiến các loại tua bin gió Nhũng đánh giã lịch sử một cách toàn diện về hệ thống dùng năng lượng gió và tua bin gió có trong cuốn sách cùa spera (1994) Gipe (1995), và Harrison cùng cộng sự (2000) Eggleston
Trang 21vã Stoddard (19X7) đề ra bối cành lịch sử của các thành phân chú chót có trong tua bin gió hiện dại Berger (1997) cung cáp một hình ánh hap dan ve những buổi đau tiên công nghệ năng lượng gió nôi lên đặc biệt tại các miên khai thác gió bang California.
1.2.1 Sơ hrọc lịch sứ cũa coi xay gió
Chiéc còi xay gió đâu tiên dược ghi nhận đà xây dụng bói người Ba-Tư vào khoang nãin
900 sau công nguyên Dãy lã điểm chú ý cho cối xay gió (Hình 1.7) dọc theo trục và được kéo bâng thiết bị Như vậy chúng vỏn đà không hiệu quã đạc biệt rất dề bị hông do gặp phái gió lởn
Hình 1.7 Cối xay gió đàu tiên cùa người Ba-Tư (Gipc 1995)
Công nghệ nâng lượng giô dã xuảt hiện ớ Châu Au trong suốt thòi kỳ Trung cô Tât cà có những còi xay gió trục nãni ngang, chúng được sứ dụng cho tàl cá những việc nhu bom nước, xay hạt, xé gồ và các công cụ đôi hói sức lực Những cối xay gió dầu tiên được xây dựng trên các trụ vậy mà toàn bộ máy xay có thì' chuyến đòi sang mặt có gió (hoặc lệch hướng) khi hướng gió thay đôi Cỏi xay gió thưởng có bốn cánh đón gió số lượng và kích thước cũa cánh cỏ thế dựa trên việc dễ xây dựng cũng như kinh nghiệm về độ vùng chác (li lệ diện lích cánh trên vùng quay) Một điẽn hình cùa côi xay gió của Châu Âu minh họa trong Hĩnh 1 X (Hills 1994)
Gió tiếp tục là nguồn năng lượng ờ châu Âu trong thời gian trước cách mạng công nghiệp, nhưng bãt dàu giam tâm quan trọng cua nó sau thời diêm đó Dó là lý do khicn nó dán bị quên lãng có thê quy cho nguyên nhân chú yếu không có khá nàng điều phối và không có khá nàng vận chuyên Than đá có nhiều thế mạnh inà giỏ không có Than đá có thê được vân chuyền đên bất cứ nơi nào sử dụng bất cú lúc nào cân thiết Khi than đã đà được sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ hơi nước, sân lượng cùa máy phát có thế điều chinh phù họp VÓI cóng suất tai Thủy điện có một vài diêm tương đổng với phong diện, đẫ không bị lu mờ nhiêu Diêu này không có gì nghi ngờ, vi thủy điện có kha năng di chuyên và dicti phôi (thông qua hò chứa tích trữ nước)
Trang 22Hình 1.8 Cõi xay gió đa giác (Hills 1994) Hĩnh ánh cùa Cambridge University PressTrước khi suy giam, cỏi xay giỏ châu Au dã dạt đen mức dộ tinh xào trong thiêt ké Trong phân côi xay gió sau này (hay "cói xay dạng áo rộng"), phân lờn các máy xay gió dược xây dựng cố định Chi có phẩn đầu trên có the di chuyền bàng cách quay mặt về hưởng gió Cơ chế đáo hướng hằng tay hao gồm cà hai cánh tay và rô-to đáo hướng riêng biệt Thiết kế cùa cánh đón gió giỏng nhu cánh quạt, bao gồm cã nắc xoăn Sàn lưọng công suất cũa một số máy
có thế đuọc điều chinh bừi một hệ thống tự động kiểm soát Đây lã tiền thân của hệ thống được James Watt sư dụng trẽn động cơ hơi nước Trong trường hop một CÔI xay gió dùng bộ đièu khiển con lảc sỗ cám biên khi rỏ-to dược tăng tõc Cái “vó" đờ khung cánh gom nhiêu bán lé nho, lãp ghép các tâm chân Bộ diêu khiên dược nôi thông hên két các ban lé Nó sẽ
mớ bán lê do đó làm giâm lục và qua dó vặn tôc đã được bộ điêu khiên nhanh hon thõng thưởng Nó sè đóng bàn lề khi mà cần tâng lực
Một trong những phát triẻn đáng kề trong thế kỳ XVIII là sự ra đỡi cua khoa học thực nghiệm vã đánh giá ve coi xay gió Một người Anh John Smeaton băng cách sứ bộ dụng cụ như trong Hình 1.9 khám phá ra ba nguyên tác co bán vẫn được áp dụng:
• Tổc độ cùa các đầu mút cánh ti lệ thuận với tốc độ gió
• Mô men xoăn tỏi đa tý lệ thuận với binh phương tốc dộ gió
• Nâng lượng tôi da ty lộ với lũy thừa ba tóc dộ gió
Trong the ký XVIII, cổi xay gió châu Âu dại diện cho dinh cao cùa cách liếp cận khai thác nàng lượng gió cho nâng lượng cơ học bao gồm một số các tinh nàng mà sau này được kết hợp một sô máy phát điện dùng lua bin giỏ ban đầu
Trang 23Hình 1.9 Thiẽt bị đo gió trong phông thi nghiệm Smeaton
Trong khi côi xay giỏ châu Au dược nhập vào nảm cuối cùng, một bièn thê cùa côi xay gió dược dưa vào sứ «lụng rộng rãi ó Hoa Kỳ Loại cỏi xay gió này được minh họa trong Hình 1.10 và được hầu hết sứ dụng đế bom nước, dặc biệt ờ mien Tây Họ đà sử dụng trong các trang trại nuôi gia súc, cung cấp nước cho những đầu máy xe lừa Những côi xay đặc hiệt gấn nhiều cảnh thường gọi tát là “cánh quạt xay gió" Một trong nhùng linh nâng dáng kê nhát cùa chúng là thật đơn gián nhưng lại có hệ thống điều chinh hiệu quá Hệ thống nay cho phép các tua bin chạy không cần người giám sát trong thời gian dãi Hệ thõng điểu khiên này bão trước cho hệ thông điêu khicn tự động mã ngây nay lã một bộ phận câu thành tua bin gió hiện đại
Hĩnh 1.10 Thiết kẽ của máy bơm nước dùng sức máy xay gió Hoa Kỳ (Bộ Nông nghiệp Hoa
Kỳ)
Trang 241.2.2 Quá trình phát triển
Ban đầu gió được sứ dụng đê sán xuất điện, như là Cộnh tranh với việc tạo nảng lượng cơ học, bao gôm những thành cõng trong phát trién thương mại cùa máy phát điện sức gió cỡ nho vã nghiên cứu thực nghiệm máy phát điện sức gió cỡ lớn
Khi máy phát điện ra đời cho tới cuòi the kỳ XIX, thì thật hợp lý khi người ta có thê quay máy phát bang việc thứ gắn chúng vào cối xay gió Ó Hoa Kỳ hầu hết nhừng diem đáng chú ý ban đâu do Chanes Brush xây dụng ờ Cleveland, bang Ohio trong năm 1888 Các tua bin của Brush dà không tạo ra bất kỳ xu hướng nào nhưng trong các núm sau đó máy phát điện cờ nho đà được phô biên rộng rãi Nhưng lua bin cờ nho do Marcellus Jacobs tiên phong dược minh họa trong Hinh 1.11, ỡ một vài diêm chinh là thê hộ sau của máy bơm nước dùng cánh quạt máy xay gió Điêm quan trọng là rô-to dã cỏ ba cánh VÓI hình dụng cánh quạt bay và bãt đâu được làp trên tua bin cho đen nay Một đặc lính nũa cua tua bin Jacobs lã dã dược diên hình tích họp trong hệ thông điện quy mô hộ gia đinh hoàn chinh bao gôm cả pin lưu trữ Nhũng tua bin của Jacobs dược xem như thiết kề tiên phong cho các loại tua bin cở nhô hiện dại giong như cũa Bergey & mây phái điện sức gió Tây Nam Việc mõ rộng các trung tàm điện lưới dưởi sự quan lý cùa Văn phỏng điện khi hóa nông thôn trong suốt nhừng năm 1930 đánh dấu sụ băt đầu cua việc sứ dụng rộng rãi máy phát điện sức gió cờ nhó ÍI nhât lã cho lới nay
Hình 1.11 Tua bin Jacobs (Jacobs, 1961)Nứa dầu cùa the kỳ 20 cùng chứng kiến việc xây dựng hay mô phòng sồ lượng cùa tua bin gió cờ lim đà có ảnh hưởng dáng kê lởi sự phát triền công nghệ ngày nay Có lè chuỗi tua bin quan trọng nhắt là ớ Đan Mạch Giừa năm IS9I vã 1918 Poul La Cour cho xây dựng hơn 100 tua bin phát điện cho tống cóng suất trong khoáng 20 -r 35 kw Thiel kế cua ông dựa liên thế
hệ cối xay dạng áo rộng cùa Đan Mạch Một trong nhùng tinh năng vượt trội là nó sir dụng diện dè sán xuât hydro, sau dó khí hydro lại dược dùng đê chicu sáng Tiẽp theo sau tua bin dia La Cour Là một sò do công ty Lykkcgaard và F.L Smidth sàn xuất trước the chiên 2 Công suất cùa irong khoáng 30 đen 60 kW Ngay khi chiên tranh kct thúc, Johannes Juul
Trang 25dụng lên lua bin Gedser 200kW minh họa trong Hình 1.12 miền đông-nam Đan Mạch, cỗ máy ba cánh đã được cãi (lẽn đặc biệt trong đó dưạ trên nguyên tảc thất tốc cùa khí động học trong điêu khiên điện và dùng mây phát diện cam ứng, chứ không phai nhiêu máy phát diện đóng bộ kiêu truyền thõng hơn Một máy phát diện cám ứng được dơn gian hơn rát nhiêu dê kèl nôi vào lưỡi diện chung -SO với máy phát điện đòng hộ Thài tôc cùng là một cách đơn giàn
đế kiềm soát diện Có hai khái niệm hình thành nên cốt lòi cùa sự có mặt quan trọng cùa người Đan Mạch trong Nâng lượng gió nhùng năm 1980 (xem thêm tại http://www.risoe.dk/
vã http:/Avww.windpower.dk/ đê biết thêm chi tiết về công nghệ nâng lượng gió tại Đan Mạch) Một trong những người tiên phong trong công nghệ nùng lượng gió nhừng năm 1950
là Lìrich Húttcr ớ Đức Ỏng đã tộp trung công việc vào áp dụng các nguyên tắc khí động học hiộn dọi vào thièt kẻ tua bin gió Nhicu khái niệm õng dã từng dùng hiộn nay van dược sứ dụng ờ một sô hình thức
Hình 1.12 Tua bin Gedser - Đan Mạch
Tại Hoa Kỳ, tua bin cỗ lởn xây dựng đâu liên là Smiíh-Pulnam được xây tại dôi ờ Grandpa Vermont cuối nhừng năm 1930 (Putnam 1948) Với dường kính 53.3 m và công suât đạt tới 1,25 MW đây là tua bin gió lớn nhát lừ trước đó cho tới khi hoãn thành vã trong nhiêu năm tiẽp theo Tua bin này minh họa trong Hình 1.13 cũng lớn dáng kê (rong những tua bin lớn có hai cánh Vè mặt nảy, trước dó là tua bin hai cánh cua Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, trong cuối những năm 1970 đâu 1980 Những tua bin cũng nòi tiêng cùng Công ty xây dụng
nó, s Morgan Smith, dà có kinh nghiệm lâu dài trong thúy điện, mong muốn được sản xuất
vã thương mại hóa tua bin gió Không may, tua bin của Smith-Putnam quá lớn, quá sớm, so với trinh độ kỳ thuật nàng lượng gió hiện có Năm 1945 khi bị ánh hưởng từ việc cánh bị hỏng, toàn bộ dự án bỊ hủy bõ
1.2.3 Sụ hồi sinh cùa năng lưọng gió
Sụ hôi sinh cùa nâng lượng gió có thê được coi như bãt dâu trơ lại vào cuối những năm I960 Cuốn sách Silent Spring (Carson 1962) dã làm cho nhiêu người biẽt rõ hậu quá cùa việc phát Iricn công nghiệp lới ánh hường tới môi trường Units lo Growth (Meadows và
Trang 26nnk- 1972) đi theo củng một quan điềm, tranh luận tàng tăng trưởng tụ phát sê chác chắn dần tới một lã thiên tai hoỗc sự biền đỏi Trong số các thú phạm dâ được xác đinh đó là nhiên liệu hóa thạch Những nguy hiểm tiêm tàng cùa nâng lượng hạt nhàn cũng đã trơ thành vãn dè đại chúng tại thời diêm dó Thao luận VC các chú dê dó dã hình thành cơ sớ cho một phong trào bào vệ môi trường và bât đâu ùng hộ cho các nguôn nãng lượng sạch.
Hình 1.13 Tua bin gió Smith-Putnam (Eldridge năm 1980)
Tại Hoa Kỹ mặc dù cỏ gia tăng mối quan ngại đến vấn đề mỏi trường, nhưng không nhiều
sự kiện mới trong phát triẽn công nghệp nâng lượng gió cho tới sự kiện tràn dảu từ giữa nhũng năm 1970 Dưới sự quán lý cua Carter, một cố găng mới được băt đâu đẽ phát tnẽn
’thay thê" nguồn năng lượng cũ một trong sổ dó là năng lượng gió Bó Nâng lượng Hoa Kỳ (DOE) đứng ra lài trụ một sô dụ án đè thúc đây phát tricn công nghệ này Hâu het các nguồn lực được cấp cho những cỏ máy lớn vái kết quà hỗn hợp Các máy móc có công suất tù 100
kW (đường kính 38 rn) NASA MOD-O cho tỏi 3,2 MW Boeing Mod-5B với đường kính 98
m Nhiều sô liệu tot đà được tạo ra nhưng không có trưởng họp tua bin cờ lớn não đưa lởi nhừng dự án thương mại DOE cùng hồ trọ phát triển những dự án lua bin gió cờ nhó và xây dựng một thư nghiệm nho cho các cồ máy nhó tại Rocky Flats, bang Colorado Một số nhà sàn xuất tua bin gió cở nho cũng bãt dầu dây mạnh tiên trinh, nhưng không có nhiều hoạt dộng cho tói cuỏi những năm 1970
Những cơ hội lớn đã xuât hiện như là kct quá cua những thay dôi trong câu trúc điêu hành cấp diện và cung cắp ưu đài Chính phu liên bang Hoa Kỳ, (hông qua 1-uật điều hành công ích núm năm 1978 yêu câu cốc cóng ty cãp điện (1) cho phép lua bin gió kêl nối với inạng lưới diện và (2) chi trà phan “chi phí tránh được" cho mồi kWh cùa máy phát điện sức giô và đưa vào lưới điện chung Chi phi tránh được ihực tế vẫn được tranh luận, nhưng ở nhiều công ty điện lực tiêu bang có thè chi trá đu sao cho phát điện gió bảt đầu tụo hiệu qua kinh tê Ngoài
ra, chính phu liên bang vã một so ticu bang dã cung câp các khoán tín dụng thúc dâu lư cho nhùng người dã lãp dật tua bin gió Tiêu bang có cung cáp cãc ưu đãi tốt nhât và cũng là có các khu vực có nguồn gió lốt đó là California Có thê lắp đặt một số tua bin cỡ nho thành một nhỏm ("trang trại gió") đồng thời kết nối vào mạng lưới điện chung dề bán điện thu tiền
Trang 27Phát tricn gió ở California mạnh mê Trong chi vãi năm háng ngân tua bin gió đà được láp đặt tại đó nhát là ơ Altamont Pass San Gorgonio Pass và Tchachipi Một lắp đặt điên hĩnh dược minh họa trong Hình 1.14 Tông công suất vào khoang 1500 MW Tuy nhiên những năm dâu, phát trién gió cùa California gặp phái dày khó khăn Nhiêu cỗ máy chú yếu vần là
mô hình thử nghiệm vả chưa đạt đến mức hoàn thiện Tín dụng thúc đầu tư (trái vói một tín dụng thuế sản xuầt) có thề cho rang không phái là cách tốt nhất đe khuyến khích phát triển và triên khai sán xuât máy mốc đặc biệt khi không có nghía lã đê xác nhận máy mốc sẻ thực sụ hoạt động như nhả sán xuãt tuyên bố Khi các khoản tín dụng thuê lien bang được rút lại dưới
sụ quán lý Reagan vào đâu nhừng năm 1980 phong trào phát triên gió đà sụp đò
Hình 1.14 Trang trại gió California (Phông thí nghiệm quốc gia Nâng lượng tái tạo)Tua bin gió dược láp đặt tại California đã không kc den đối VỚI những sàn phàm sàn xuất tại Hoa Kỳ Trong thực tế, nó không được lâu trước khi tua bin cùa Dan Mạch bắt đầu hiện diện phần lớn trong nhùng trang trại gió cùa California Máy móc cua Dan Mạch đà có một số van đê ở khâu lăp ráp tại California, nhưng nhìn chung chat lượng cũa họ tốt hon những sân phàm cùng loại của Hoa Kỳ Khi lắt cá vấn đề được dàn xếp và phong trào công nghệ gió kết thúc, hau hốt các sán phẩm cùa nhà san xuất đen tir Hoa Kỳ đă từ bó thị trường Những nhà sán xuất cùa Dan Mạch dã tái cơ câu hoặc nhập lọi và dã có thê tiếp tục phát tricn
Trong những năm 1990 thập men chứng kiên sự chuyên nhượng cùa một trong nhũng nhà sán xuâl lớn nhàt Hoa Kỳ là Kennctech Windpower (năm 1996) tâm diêm cùa sân xuãt tua bin gió này đà hoàn toàn chuyến giao sang Châu Âu, nhắt là ở Dan Mạch và Dức Mối quan tâm lời sụ gia lảng nhiệt độ trãi đãt và nỗi lo ngại vẽ thành quà cúa điện hạt nhân sè dày mạnh nhu cẩu cho nâng lượng gió ờ đó cùng như cho các quốc gia khác Một sô nhà cung cấp lớn cùa châu Âu được thiết lập nhã máy sàn xuất ở các quốc gia khác, như Tây Ban Nha Án Độ
và Hoa Kỳ
Trong 25 nãm qua, kích cỡ thương phâm cua tua bin gió đã dạt tới mức lớn nhài, như trong Hình 1.15 đã tâng trong khoáng 50 kW đèn 2 MW, VỚI tua bin có công suãt dang thiêt kê lên tới 5 MW Tống công suất lap đặt trên toàn thề giới trong năm 2001 vào khoáng 20.000 MW,
Trang 28chú yếu được lủp đạt ở Châu Âu Các hệ thống nâng lượng giô ngoái khơi cũng đang tích cực phát mèn ớ Châu Âu Tiôu chuẩn thict kê vã các thú tục cap giây chứng nhận máy móc đà dược xác lập do dó hiệu suat và sự tin cậy dã vươn xa trong những thập niên 1970 và 1980 Chi phí cho năng lượng gió đã giam xuồng tới độ mà tại một sỏ khu vục nó gân như cạnh tranh với các nguồn truyền thống, thậm chí khi không được ưu đãi Trong nhũng quốc gia được ưu dài, mức độ phát triển khá mạnh
Hình 1.15 Kích thước, chiêu cao và đường kính cùa tua bin gió
1.2.4 Công nghệ nên lang của tua bin gió hiện đại
Công nghệ sử dụng tua bin gió đà ngũ quên trong nhiều năm qua được thức tinh vào cuối the kỹ XX vì thế giới cùa nhừng cơ hội mới Công nghệ phát triển ờ nhiều lình vực khác đà được điều chinh phù hợp với cõng nghệ năng lượng gió và thúc đày nó hồi sinh Một trong rắt nhiêu linh vục, trong dỏ có dóng góp cho một thè hệ mõi cua những tua bin gió gồm các khoa học vật liệu, khoa học máy tinh, khí động học, phương pháp phân tích, kicm tra và điện tứ cồng suât Khoa học vật liệu đã mang lại hợp chài mói tạo ra những cánh tua bin, và hợp kim
từ những thành phần kim loại Sự phát men công nghệ tin học đà tạo điểu kiện thuận lợi trong quá trình thiết kế phân lích, giám sát và kiểm soảt Phương pháp thiết kế khi động học được phát triền ban đầu cho ngành công nghiệp hàng không, bây giở đà được điều chinh phù hợp cho tua bin giỏ Các phương pháp phân tích hiện nay đà phát triền tới thời điềm có thề hiểu biết sâu hơn trước về một thiẽt ke mới có thè vận hãnh tót hơn cãi trước đây Kiêm tra bằng cách sư dụng mỏt loạt VC cám ứng dã dược thương mại hóa hiện có vã thiêt bị phân tích cho phcp ngirời thief ke hicu rõ hơn cách thức hoạt dộng thực sự cùa tua bin mói Điện tư công suâl là một lỉnh vực tương đòi mới, chi bãt đâu sừ dụng trong tua bin gió Điện tư công suãt
có thế giúp kết nối các tua bin máy phát diện thuồng suốt với mạng lưới diện, cho phép các lua bin chạy ở lốc độ biến thiên, nâng cao phát diện, giâm thiêu hu hòng, và mang lợi cho công ty điện lực; tạo diều kiện thuận lọi khi vận hành trong hệ thống điện nhó độc lập; chuyên đỏi nủng lượng đen vã từ noi lưu trừ
Trang 291.2.5 Nhũng xu hướng chung
Tua bin gió đà phát triền rát mạnh trong 25 năm qua Chúng trò nên tin cậy hon hiệu quá chi phí tót hơn và vận hành êm hon Tuy nhicn không the kct luận là giai đoạn lien hóa dã qua Nó sc van có the the giam bót chi phí năng lượng tại các khu vực có lưu lượng gió tháp Tua bin sứ dụng cho cộng dông dân cư héo lánh van cân dược thương mại hóa Thu nâng lượng gió từ ngoài khơi mởi chi là bắt đầu Có rất nhiều vị trí tiềm nàng ngoài khơi nhưng vần khó khai thác Khi mã náng lượng gió trỡ thành nguồn cung cấp tỷ lệ nhiêu hon cho lượng điện toàn cầu thì các vãn đẽ truyền tãi gián đoạn vả lưu trừ phái được xem xét lại
Vần còn áp lực tiếp tục diễn ra đặt lẽn vai nhã thiết kế đề cái thiện hiệu quả trong chi phí cũa tua bin gió trong các ứng dụng Cai lien phương pháp phân tích, thict kê vã cho sán xuất chê tạo hàng loạt cân dược dè ra Cơ hội cũng tôn tại cho sự phát triển cùa vật liệu mới dê tảng tuôi thợ tua bin gió Xem xét them sẽ phái có đè đáp úng các yêu càu cùa dự án đặc biệt Trong lât cà các tnròng họp, sụ tiên bộ cùa ngành công nghiệp giô đại diện cho CƯ hội và thách thức cho một loạt ngành, đặc biệt là co khi, điện tứ, vật liệu, khi dộng học, điều khiên,
và kỳ thuật xây dụng cùng như khoa học máy tính
Tài liệu tham khào
Ackermann, T„ Soder I (2000) Wind Energy Technology and Current Status: A Review
Renewable anil Sustainable Energy Reviews, 4 315-374
Berger J J (1997) Charging Ahead: The Business of Rewnewable Energy and What it Means for America Univ, of California Press Berkeley CA
Carson R (1962) Silent Spring, Houghton Mifflin New York
Danish Wind Turbine Manufacturers (2001) http://www.windpowcr.dk
Dodge, D M (2000) Illustrated History of Wind Power Development, hltp://telosnel.com/win<l
Eggleston D M„ Stoddard F s (1987) Wind Turbine Engineering Design Van Nostrand Reinhold New York
Eldridge F R (1980) Wind Machines, 2nd Edition Van Nostrand Reinhold New YorkFreris, L L (1990) Wind Energy Conversion Systems Prentice Hall New York
Gipc p (1995) Wind Energy Conies of Age Wiley New York
Golding, E w (1977) The Generation of Electricity by Wind Power E & F N Spon, London
Harrison, R , Hau E., Snel II (2000) Large Wind Turbines: Design and Economics Wiley Chichester
Hills R L (1994) Power from Wind Cambridge University Press Cambridge, UK
Inglis D R (1978) Windpower and Other Energy Options University of Michigan Press, Ann Arbor Ml
Trang 30Jacobs M L (1961) Experience with Jacobs Wind-Driven Electric Generating Plant 1931-1957 Proc, of the United Nations Conference on New Sources of Energy Vol 7 Rome
337 339
Johnson, G L <1985) Wind Energy Systems Prentice Hall Englewood Cliffs, NJ
Lx Gouriercs, D (19X2) Wind Power Plants Pergamon Press, Oxford
Meadows D.H., Meadows, D.L., Randers J., Behrens III w.w (1972) The Limits to
Growth. Universe Books New York
Nelson V (1996) Wind Energy and Wind Turbines Alternative Energy Institute Canyon TX
Park J (1981) The Wind Power Book Chesire Books, Palo Alto CA
Putnam, p c (1948) Power From the Wind Van Nostrand Reinhold, New York
Spera, D A (cd.) (1994) Wind Turbine Technology: Fundamental Concepts of Wind Turftine Engineering ASME Press, New York
US Department of Energy (1979) Wind Energy Innovative Systems Conference
Proceedings. Solar Energy Research Institute (SERI)
US Department of Energy (1980) SER! Second Wind Energy Innovative Systems
Conference Proceedings Solar Energy Research Institute (SERI)
Trang 31Chương 2 Các dặc diêm và tài nguyên gió
2.1 Giói thiệu
Chương nảy sồ trình bày lại một chũ đề quan trọng về năng lượng gió: tài nguyên gió và các đậc điếm Những gì đề cập đến trong chương nãy cỏ thế được sứ dụng trực tiếp cho nhừng khía cạnh cùa năng lượng gió được tháo luận trong nhùng phân khác cua cuồn sách Ví dụ những hicu biot VC những nét dộc tnmg cùa gió cỏ liên quan den nhũng chu de sau
• Thiết kế hệ thống - Thiết ke hệ chổng cần kiến thức ve những diều kiện gió tiêu biêu, cùng như thông tin vê tính chất thât thường cùa gió Thòng tin này được sử dụng đê thièt kê tua bin gió cho một địa diêm đặc biệt
• Ước lượng hiệu suất - Ước lượng hiệu suất cần xác định rò công suất nâng lượng dự tính
và hiệu quã cùa một hệ thống nủng lượng nhắt định dựa vào tài nguyên gió
• Chọn địa điềm Các diều kiện đế chọn địa điém gồm việc đánh giá hoặc dự đoán các ưu diem hen quan cùa những địa diem dược xét cho một hoặc nhiêu tua bin gió
■ Quá trinh hoat dộng - Quá trinh hoạt dỏng càn thõng tin ve tài nguyên gió de sir dụng cho việc quan lý tái trọng, quy tác vận hãnh (ví dụ như khơi động và kểt thúc), và dự đoán về việc bão dường và tuôi thọ hệ thõng
Đầu chương lã cuộc tháo luận chung về nhùng đặc trưng cứa tài nguyên gió, sau đô lả mục
vê đặc diêm của lâng khí quyên ranh giói thích hợp với các ứng dụng nâng lượng gió Hai mục tiếp theo trình bày một số chú đề chơ phép phân tích dừ liệu gió ước lượng tài nguyên và xác định rõ san lượng điện cùa tua bin giố dựa trên dừ liệu tài nguyên giố, hoặc tử một lượng
dữ liệu gió giới hạn (như tôc độ gió trung bình) Tiếp sau là một bán tóm tât đánh giá tài nguycn gió toàn càu Mực sau đỏ đánh giá các phương phãp đánh giá tài nguyền giỏ và các thiêt bị đo đạc Kêt thúc chương là ban tóm tãt các vân dê nâng cao trong lỉnh vục mô ta dặc điém tài nguyên gió
Sự quan trọng cùa các chữ đẽ nãy được đê cập đèn trong nhiều phân liên quan đen đặc diêm và lài nguyên gió trong các sách tham kháo Bao gom các tham khâo cù như Golding (1977) và Putman (1978) cùng như Eldridge (1980) Johnson (1985) Freris (1990) vả Spera (1994) Thêm vào đó ứng dụng được trinh bày trong các tài liệu nguồn gió bao gồm trong nhiêu cuồn sách dóng góp vào chu dê này Các sách bao gôm Justus (1978, Hiester và 1’ennel (1981), Rohatgi và Nelson! 1994)
2.2 Nhùng đặc điểm chung cúa lài nguyên gió
Khi thào luận ve những dặc diêm chung của tài nguyên gió chúng ta cân quan tâm dên một
số chú đề như sự hình thành cùa tài nguyên gió toàn cầu, những đặc diêm chung cùa gió và ưởc tính tiềm nàng của lài nguyên gió
Trang 322.2.1 Tài nguyên gió: sụ hình thành trên Trái đất
2.2 / / Mô hình trên toàn cầu
Gió trẽn Trái dât hình thành do sự chênh lệch áp suàt trên bê mặt Trái dât tạo ra bới sụ nóng lẻn không đều cùa trái đất nhờ bửc xạ nhiệt mặt trời Ví dụ, một lượng hức xạ nhiệt dược hấp thụ ờ xích đạo lớn hơn ớ hai cực Sự biến đôi trong nàng lượng hấp thụ dược tạo nên những dỏng đối lưu tại tầng thấp hon của khí quyên (lẳng đối lưu) Vi vậy, trong một mô hình luồng đon gián, không khí nâng lén tại xich đạo và hạ thắp dần ở hai cực Sự lưu thông cua không khi do sự nóng lẽn không đều bị ánh hướng rãt lớn cùa sụ tự quanh trục của Trái đãt (với tốc độ khoang 600 km/h tại xích đụo, giam dẩn đèn 0 ở hai cực) Ben cạnh đó năng lượng mặt trời thay dôi theo mùa cũng tọo nên sự đa dạng trong luỏng lưu thõng không khi
Sụ khác nhau vê không gian trong sự truyền nhiệt tới khí quycn Trái dàt tạo nên sự khác nhau về áp suất khí quyên khiến cho không khí chuyên dộng từ nơi có ủp suất cao đến nơi có
áp suất thấp Lực chênh lệch áp suất theo phương thảng đứng thường bị triệt liêu bởi lực hấp dần Vì vậy gió thòi chú yếu theo phương nằm ngang, chịu tác dụng của chênh lệch áp suât ngang Đồng thời có nhừng lực tác dụng xen kê lãm xáo trộn nhiệt độ áp suất trẽn bề mặt Trái đắt Ngoài chênh lệch áp suắt vã lực hẳp dần quán tinh của không khi sự tự quay quanh IHIC cua Trái dãt, sự ma sát với be mặt Trái dât (tqo nên sự chuyên dộng không dêu) đêu anh hương den gió Sự anh hường cùa moi lực trên với hộ thòng gió thay dõi tuỳ theo mức đo vận động dang được xét tới
Như dà biếu diễn trong Hình 2.1, vòng tuần hoàn gió bao gồm sơ đồ gió cùa một vùng rộng lớn ảnh hưởng tỏi nhìrng con gió gân bề mặt, bao phú cà hành tinh, cần chú ý ràng sơ
đo này đà được tỏi giãn hoa vì nó không phàn ánh được ánh hưởng cùa mặt đất tới phán bố gió
2.2.1.2 Nguyên lý chuyển động cùa gió
Trong những sơ dó don giàn nhàt dè phác hoạ nguyên lý chuyên dộng cua gió bôn lực khí quycn có the dược xem xét Những lực này bao gôm áp lực, lực Coriolis tạo ra bới sụ quay quanh trục cùa Trái dầt, những lực quán tính tạo ra bời chuyến động tròn quy mô lởn, và lực
ma sát trên bề mật Trái đất
Hình 2.1 Sơ đô vòng tuân hoàn gió bê mặt (Hicstcr và Pennell, 1981)
Áp lực không khí (cho một đơn vị khối lượng), Fp được tính bàng:
Trang 33p dll
Trong đó p là mật độ không khí và II lủ hướng pháp tuyến với đường dàng áp dp/õn lã độ
lãng áp suất chuẩn vói đường đàng áp Lực Coriolis (mỗi khôi đơn vị), Fc một lực tưởng tượng tạo ra bởi nhùng đo đạc chuẩn xác về trạng thái tự quay (Trãi đắt), được tính bới:
Trong đố u lủ tốc độ gió và f là thông số Coriolis [/■ 2rưsin(0) ] 'ỉ> thể hiện vì độ và cư là góc quay cùa Trái đất VI vậy độ lởn của lực Coriolis phụ thuộc vào tốc độ gió và vĩ độ Hướng cua lực Coriolis vuông góc với hưởng cùa chuyên động cùa không khí Hợp lực cùa hai lực này gọi là giỏ trãi đât thường song song với dưỡng dăng áp (Hình 2.2)
Hình 2.2 Minh họa gió trái dât; F, áp lực không khi; F„ lực Coriolis
Độ lớn cùa gió geostrophic (gió trái dắt), ợ,, là hàm thê hiện sự cân băng giữa các lực và dược tính bang:
Trang 34Hình 2.3 Minh hoạ gió độ tăng; ut,; R bán kinh dường cong
Phương cưa gió cùng song song với đường dâng áp và là kèt quá cua sự cân bâng lực:
Lực cuối cùng ánh hương lới gió là lực ma sát VỚI mặt dầt Bê mật Trái đât tạo ra một lực
có phương ngang tác dụng vào luông khí dang chuyên động, khiên cho luông khí chuyên động chậm lại Lực này giâm dần khi càng lên cao và trờ nên không đáng kê bên trên tầng ranh giói (được định nghía lủ tang không khí gàn mặt đất nơi chịu ảnh hướng chú yếu cùa lực hấp dẫn) Bén trên tang ranh giới, gió trở lại cân bảng do không chịu lực ma sát và thôi với vận tóc giỏ độ lũng theo đường đủng áp Lực ma sát tại mặt đãt làm chệch hướng gió nhiêu hơn về vùng có áp suất thấp Những mục sau sỗ đe cụp chi tiết hơn về tầng ranh giói cùa Trái đât và nhừng dặc diêm cùa nỏ
2.2.1.3 Nhũng sadồ tuần hoãn không khi khác
Sơ đồ vòng tuần hoãn thông thưởng được miêu tà ờ trên thê hiện một cách chuân xác sơ đổ dành cho một mặt câu nhẫn Trên thực tế, be inậl Trãi dắt đa dạng về địa hình, với nhùng đại dương rộng lớn cùng như các lục địa Những địa hình khác nhau này ánh hường đen luồng không khi do sự thay đỏi cùa áp suất, sự hắp thu birc xạ nhiệt, và độ ấin không khi
Các dụi dương hoạt động như một nguồn năng lượng lớn Vi vậy chuyên động cùa không khi thưởng di kẽm với sụ tuân hoàn đợi dương Tát ca những tác dộng này dan tới những áp suốt khác nhau anh hương tới gió toàn càu rất nhicu gió khu vực như gió mùa Them vào dó
sự âm len hoặc lạnh di cùa vùng có the tạo ra gió khu vục hoạt dộng theo mùa hoặc hàng ngày bao gồm gió trên bicn và gió núi
Trang 35Vòng tuần hoàn không khí quy mô nhó hon cỏ thế được chia thành vòng tuần hoãn thứ hai
và thử ba Vòng tuân hoàn thử hai xuất hiện khi trung tâm cùa vùng áp suất cao hoặc thâp tạo
ra bói sự àm lên hoặc lạnh đi cùa không khí phía dưới Những vòng tuân hoàn thử hai gôm:
• Bão
• Vòng tuân hoàn gió mùa
• Siêu lổc nhiệt đởi
Nhùng vòng tuần hoàn thứ ba có quy mô nhó lả những vòng tuần hoàn khu vực có tính chác của gió trong vùng:
• Giô thỏi trên biên và lục địa
• Gió núi và thung lũng
• Luông không khí giông gió mùa (Ví dụ luồng không khí thòi qua California)
• Giô phơn (gió khò nóng bên suờn đón gió cùa những dãy núi)
• Bão có sâm sét và thưởng mưa to
• Lốc xoáy
Nhùng ví dụ cùa vòng tuân hoàn thứ ba gió núi và thung lùng, được thê hiện trong 1 lình 2.4 Trong ngày, không khi ấm ớ suôn núi bay lên và thế chỗ không khí lạnh nâng hơn phía trên nó Hướng gió đao ngược lại vào ban đêm khi không khi lạnh trượt theo sườn núi vã bị cán lại ơ nên thung lũng
Đô có thè ước lượng đúng tiêm nâng nâng lượng gió, quan trọng là người ta cân hiểu rõ những so đô gió này và những tác động địa phương khác cùa khu vục
Trang 36Hình 2.5 Mức thời gian và không gian cùa chuyên động khi quyên (Spcra, 1994)
2.2.2.1 Sự thay đổi theo thời gian
Theo thông lệ sự đa dụng cùa tôc độ gió theo thòi gian có thê chia thành các mục sau:
• Nhiêu nâm
• Hàng năm
• Ngây đêm
• Ngủn hạn (những cơn gió mạnh và sự nhiễu loạn cua không khí)
Dánh giã về mỗi loại cũng như cãc nhận xét về sự biến đồi tốc độ gió phụ thuộc vào vị trí
và hướng gió như sau:
Nhiêu năm: Sự thay đôi tóc dộ gió cách năm xảy ra cách một khoang thôi gian lớn hon 1 năm Chúng có thê có ảnh hường lớn tôi sán lượng điện cùa một tua bin gió dài hạn Khá nãng ước tính tính biên thiên cách nân» tại một địa diêm gân quan trọng như ước tính lượng gió trung bình trong một thời gian dài tại một nơi Các nhà khi tượng học thướng kết luận rằng cằn có dừ liệu cùa 30 năm đẽ xảc định rõ nhừng tính chất lâu dài cùa thời tiết hay khí hậu và cần ít nhắt 5 năm đe biết được chính xác tốc độ gió trung binh hãng nâm tại một địa diêm xác định Tuy nhiên, những dừ liệu trong khoáng thời gian ngủn hơn cũng có thê hừu dụng Asplidcn và nnk (19X6) lưu ỷ răng theo thống kê dừ liệu ghi chép trong một nảm có the sư dụng đê dự doán tôc độ gió trung binh trong mùa với sai lệch khoáng 10% với dộ tin cậy 90%
Các nhà nghiên cứu vẫn đang tim kiếm nhừng phương pháp dáng tin cậy đe dự doán tốc độ gió trung bình lâu dài Sự phức tạp trong nhùng tương tác giừa những yếu tổ khi tượng học và địa hĩnh đà tạo ra sự đa dạng khiên cho việc này trờ nên khó khăn
Trang 37Hàng năm: Những sự thay đối quan trọng trong tốc độ giổ trung bình hang tháng hay mỗi mùa xuất hiện ớ hầu khắp mọi nơi trên Trái dắt Ví dụ ở một phần ba lãnh thồ phía đông nước Mỹ, gió thôi với tóc độ tòi da SUÔI mùa dông và dâu mùa xuân Nó có tôc dỏ tỏi da trong mùa xuân t,u những vùng dòng bâng rộng lớn, các bang Tning Bãc, bò biên Texas, khu vực lòng chão và thung lùng phía Tây, miền duyên hái Trung và Nam California; tốc độ lối đa trong mùa xuân tại hầu hết tất cà các khu vực mien núi cùa Mỹ trừ một vài khu vực Tây Nam noi có tốc độ gió tối đa vào mùa xuân; tỏc độ tỏi đa trong múa xuân và múa hẻ đường vãnh đai giô cùa bang Oregon Washington và California.
Hình 2.6 biếu diễn sự thay đối theo múa cua tốc độ gió o Billings Montana Diều đặc biệt cân lưu ý là hình vô miêu ta những thay đói tiêu biêu hàng tháng mà không dùng dừ liệu lưu trữ cùa một năm nêng lé nào
ThángHĩnh 2.6 Thay đồi hàng tháng cũa tốc độ gióTương tự Hĩnh 2.7 minh hoạ tằm quan trọng của sự thay đối lốc độ gió hãng núm và những tác động cua nó lên mật độ công suầt gió (w/m'j
Ngày dêm (thòi gian trong ngày): Tại ca nhùng vùng ôn đới và nhiýt đới những thay dõi kín cùa gió có thè dicn ra moi ngày dèm hoặc trong phạm vi một ngày Sự thay dôi cùa tòc độ gió này là do sụ ấm lén cùa bề inật Trải đất trong ngày Tốc độ gió thường tàng lên mỏi sáng, tốc độ gió Ihấp nhất từ nira đêm đến lúc mặt trời mọc Sự thay đối bức xạ nhiệt hàng ngày là nguyên nhân gây ra sự thay đôi toe độ gió hàng sáng ờ nhùng vũng ôn đới trên nhùng vùng đất tương đỏi bàng phăng Nhùng thay đỏi hàng sáng lớn nhát thường xây ra vào mùa xuân và mùa hè và nho nhất vảo mùa đỏng Hơn nữa, sự thay đồi tốc độ gió hãng sáng còn có thể phụ thuộc vào địa diem và độ cao so VỚI mật nước biên Ví dụ tại những nơi có đìa hình cao như núi hay dinh núi so dồ gió hãng sáng có thê rãt khác biột Sự thay dõi này có thê dược giái thích băng sụ hoã trộn hay truyền dộng lượng từ tâng áp cao tới tảng áp thảp hơn
Trang 38J FMAMJJASONO
ThăngHình 2.7 Sự thay đôi năng lượng gió theo mùa mồi đơn vị diện tích tại Amanllo TexasTheo Hình 2.8 moi năm có thè có những sự thay đòi dáng kẽ cùa hoạt dộng gió hãng sáng, ngay cá ở những nơi khá lộng gió Mặc dù nhũng nét tông quan cua chu kỳ gió hàng sáng có thè được thiết lập dựa trẽn dử liệu của một nãm, những thông tin chi tiết hon như biên độ dao động hàng sáng và thời diêm trong ngày khi mà tốc độ gió đạt mức tối đa không thê được xác định chính xác
Trang 3929
Trang 40Hình 2.9 Biếu đồ của tốc độ gió với thời gian trong thời gian ngắn
Sự nhiễu loạn của không khí có thế được coi như sự dao động bất thường ngẫu nhiên của tốc độ gió dựa trên tốc độ gió trung bình Những dao động này xảy ra theo ba hướng: theo chiều dọc (theo hướng gió), ở bên (vuông góc với hướng gió trung bình), và thẳng đứng Sự nhiễu loạn của không khí và những tác động của nó sẽ được thảo luận sâu hon trong những mục sau.
Một cơn gió mạnh là một hiện tượng riêng rẽ trong một vùng gió hỗn loạn Trong Hình 2.10, một cách để mô tả những thuộc tính của một cơn gió mạnh là đo: (a) biên độ, (b) thời điểm xuất hiện, (c) sự thay đổi lớn nhất và (d) thời điểm biến mất Tải trọng của tua bin tạo ra bởi những cơn gió mạnh có thế được xác định dựa vào bốn thuộc tính trên Ví dụ, tải trọng lớn nhất có thể được phân tích bằng cách xác định phản lực khi có cơn gió mạnh nhất trong thời gian hoạt động của tua bin.
2.2.2.2 Những sự thay đoi theo địa điếm và hướng gió
Những thay đổi theo địa điểm: Tốc độ gió cũng rất phụ thuộc vào địa hình khu vực và
loại đất bề mặt Ví dụ như trong Hình 2.11, sự khác biệt giữa hai địa điếm gần kề nhau có thế
dễ dàng nhận thấy Biểu đồ thể hiện tốc độ gió trung bình hàng tháng trong 5 năm tại hai nơi cách nhau 21 km (13 dặm) Tốc độ gió trung bình trong 5 năm chênh lệch khoảng 12% (4,75
và 4,25 m/s)