Mô hình máy phát điện gió trục đứng

TÌNH HÌNH NĂNG LƯỢNG GIÓ TRÊN THẾ GIỚI Nguồn năng lượng mà chúng ta sử dụng ngày nay chủ yếu là năng lượng hóa thạch như: than đá, dầu mỏ, các sản phẩm từ dầu mỏ, khí thiên nhiên… Các ng

ỦY BAN NHÂN DÂN TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THỦ ĐỨC

oOo—

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

Tên đề tài: MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ

TRỤC ĐỨNG Chủ nhiệm đề tài : Nguyễn Phát Lợi

Tp.Hồ Chí Minh, năm 2019

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THỦ ĐỨC

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

Tên đề tài: MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ

TRỤC ĐỨNG

Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Phát Lợi

- TP.HCM, Ngày 25 tháng 2 năm 2019 -

Thực hiện: Nguyễn Phát Lợi Trang i

MỤC LỤC

Trang CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH KHAI THÁC VÀ SỬ DỤNG NĂNG

LƯỢNG GIÓ TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 1

1.1 TÌNH HÌNH NĂNG LƯỢNG GIÓ TRÊN THẾ GIỚI 1

1.2 TÌNH HÌNH NĂNG LƯỢNG GIÓ TẠI VIỆT NAM 4

CHƯƠNG 2: CÁC GIẢI PHÁP KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG GIÓ 6

2.1 CẤU TẠO CỦA HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ 6

2.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ 7

2.3 CÁC GIẢI PHÁP KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG GIÓ 7

2.3.1 Turbine gió kiểu Savonius, VAWT dùng lực đẩy 9

2.3.2 Turbine gió kiểu Darrieus, VAWT dùng lực nâng 10

2.3.3 Turbine gió kiểu Helical 12

2.3.4 Turbine gió kiểu Giromill (H – rotor) 12

2.3.5 Turbine kiểu Cycloturbine 13

2.3.6 Turbine kiểu Lenz2 14

2.3.7 Kết luận 15

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ TRỤC ĐỨNG 16

3.1 MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ TRỤC ĐỨNG 16

3.2 CẤU TẠO MÔ HÌNH 17

3.2.1 Phần cánh quạt 17

3.2.2 Phần trục nâng và hệ thống truyền động 18

3.2.3 Cụm động cơ – máy phát 18

3.2.4 Cụm điều khiển – Hiển thị 19

Thực hiện: Nguyễn Phát Lợi Trang ii

3.3 HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG 19

3.4 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 20

3.5 BÀI TẬP THÍ NGHIỆM 20

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 23

4.1 KẾT LUẬN 23

4.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 23

TÀI LIỆU THAM KHẢO 24

Thực hiện: Nguyễn Phát Lợi Trang iii

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Trang

Hình 1.1: Thống kê tình hình sử dụng năng lượng tái tạo trên toàn cầu năm 2017 3

Hình 1.2: Dữ liệu sơ bộ công suất lắp đặt các turbin gió trên toàn cầu năm 2017 3

Hình 1.3: Thông tin về 9 dự án điện gió tại Việt Nam, trong đó 6 dự án đầu tiên đã đưa vào hoạt động 5

Hình 2.1: Các thành phần của turbine gió 6

Hình 2.2: Rô to Savonius có mặt cắt ngang hình chữ S 10

Hình 2.3: Nguyên lý khí động học của cánh máy bay 10

Hình 2.4: VAWT kiểu Darrieus, rô to có dạng hình chữ C 11

Hình 2.5: Turbine có cánh giá Helical 12

Hình 2.6: Giromill turbine 13

Hình 2.7: Turbine kiểu Cycloturbine 14

Hình 2.8: Turbine kiểu Lenz2 14

Hình 3.1: Mô hình Máy phát điện gió trục đứng 16

Hình 3.2a: Thông số cánh quạt 17

Hình 3.2b: Thông số cánh quạt 17

Hình 3.3: Hệ thống truyền động qua dây curoa 18

Hình 3.4: Cụm động cơ – máy phát 18

Hình 3.5: Cụm điều khiển – hiển thị 19

Thực hiện: Nguyễn Phát Lợi Trang 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH KHAI THÁC VÀ SỬ DỤNG

NĂNG LƯỢNG GIÓ TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM

1.1 TÌNH HÌNH NĂNG LƯỢNG GIÓ TRÊN THẾ GIỚI

Nguồn năng lượng mà chúng ta sử dụng ngày nay chủ yếu là năng lượng hóa thạch như: than đá, dầu mỏ, các sản phẩm từ dầu mỏ, khí thiên nhiên… Các nguồn năng lượng này là hữu hạn, nó chỉ có thể đảm bảo cho nhu cầu về năng lượng của chúng ta trong một thời gian nhất định Do đó, càng ngày người ta càng lo ngại về một cuộc khủng hoảng năng lượng có thể xảy ra làm thay đổi nền văn minh của loài người, bởi vì thế giới vẫn còn đang phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch Dầu, than đá và khí đốt chiếm khoảng 75% nhu cầu năng lượng thế giới, mỗi ngày trên thế giới sử dụng đến

80 triệu thùng dầu Đương nhiên trong tương lai nhu cầu toàn cầu về dầu hỏa sẽ vượt xa khả năng cung cấp Từ năm 1985, tốc độ khai thác dầu và tiêu thụ đã vượt xa tốc độ khám phá trữ lượng dầu mới Công ty BP dự đoán với tốc độ sử dụng như hiện nay, thì chỉ trong vòng 40 năm nữa sẽ cạn kiệt nguồn dầu hoả Mặt khác, sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch để lại nhiều hậu quả về ô nhiễm môi trường, gây ra hiệu ứng nhà kính, góp phần làm gia tăng nhiệt độ trái đất…

Để giải quyết các vấn đề này, một mặt chúng ta phải khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng hóa thạch này một cách hợp lý, mặt khác chúng ta phải tìm ra các nguồn năng lượng khác để thay thế Thế giới đang tìm kiếm một nguồn năng lượng tái sinh có thể cung cấp năng lượng một cách bền vững trong tương lai, nguồn năng lượng

ấy có thể kể đến như: năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng mặt trời… hoặc

là nguồn năng lượng tái sinh khác Trong đó công nghệ về năng lượng gió đang được thế giới chú trọng phát triển để khai thác Các chính phủ đã đón nhận các công nghệ này một cách hết sức nghiêm túc và đưa ra các mục tiêu đầy tham vọng cho sản lượng điện tạo ra từ các nguồn năng lượng tái sinh trên Người dân ngày càng ý thức về sự tàn phá

và ô nhiễm môi trường từ các nguồn nhiên liệu hoá thạch và năng lượng hạt nhân Trong khi các nguồn năng lượng tái sinh có thể khai thác tự do và không bao giờ cạn kiệt Năng lượng gió là một nguồn năng lượng sạch có thể thay thế các nguồn năng lượng truyền thống Các ứng dụng của nó tại các nước đang phát triển giúp làm giảm hiệu ứng nhà kính và giữ gìn được các nguồn năng truyền thống đang cạn kiệt Các quốc gia đã và

Thực hiện: Nguyễn Phát Lợi Trang 2

đang phát triển đều xem năng lượng gió là nguồn năng lượng lý tưởng phù hợp với xu hướng phát triển mới của nhân loại, được ưu tiên đầu tư hàng đầu trong các chính sách

về năng lượng Khi sử dụng năng lượng gió có những thuận lợi như sau:

- Giảm hay thay thế các nhà máy điện truyền thống dùng năng lượng hóa thạch

- Không gây ô nhiễm môi trường khi turbine vận hành sản xuất điện năng

- Là nguồn năng lượng không bao giờ cạn kiệt

- Dễ dàng tăng thêm công suất khi cần thiết

- Việc lắp đặt và xây dựng các turbine gió tương đối nhanh

- Mặc dù năng lượng gió hiện nay có giá đắt hơn nhiều so với nguồn năng lượng truyền thống, nhưng nó không bị ảnh hưởng bởi giá nguyên liệu và sự gián đoạn cung cấp

- Ở các nước phát triển nhà nước hỗ trợ về thuế và các ưu đãi khác

- Tạo ra nhiều công ăn việc làm hơn so với các nhà máy năng lượng khác, khi cùng sản xuất ra một đơn vị năng lượng

- Các turbine gió mang lại nhiều lợi ích kinh tế cho nông dân và các chủ đất từ nguồn thu cho thuê đất nơi đặt các máy phát điện gió, mà không làm ảnh hưởng đến việc canh tác ngay trên mảnh đất đó

- Công nghệ năng lượng gió có thể thay đổi cho nhiều ứng dụng có công suất từ nhỏ đến lớn Thời gian từ khi khảo sát đến lắp đặt và vận hành ngắn và có những thuận lợi khác mà các nhà máy điện kiểu truyền thống không làm được

Thực hiện: Nguyễn Phát Lợi Trang 3

Hình 1.1: Thống kê tình hình sử dụng năng lượng tái tạo trên toàn cầu năm 2017

Năng lượng gió trên thế giới hiện đang trong thời kỳ phát triển rực rỡ nhất, đặc biệt là các Nước Cộng đồng châu Âu, công nghệ turbine gió có thể giải quyết được các vấn đề: cạn kiệt nguồn tài nguyên hóa thạch, hiệu ứng nhà kính, tuân thủ các điều khoản trong Nghị định Thư Kyoto về hiện tượng trái đất ấm dần lên

Hình 1.2: Dữ liệu sơ bộ công suất lắp đặt các turbin gió trên toàn cầu năm 2017

Thực hiện: Nguyễn Phát Lợi Trang 4

Theo thống kê sơ bộ của WWEA (World Wind Energy Association) thì tính đến cuối năm 2017, công suất chung của các turbine gió trên toàn thế giới đạt 539,291 MW Điều này có nghĩa là so với năm 2016, công suất của các turbine gió tăng thêm 52,552

MW Với số lượng các turbine gió này có thể đáp ứng hơn 5% nhu cầu sử dụng điện của toàn cầu Đối với nhiều quốc gia, năng lượng gió đã trở thành một trụ cột trong chiến lược phát triển ngành năng lượng của họ nhằm loại bỏ năng lượng hoá thạch và hạt nhân Năm 2017, Đan Mạch đã lập kỉ lục thế giới mới với 43% nguồn năng lượng được lấy từ gió Ngày càng có nhiều quốc gia đạt được tỉ lệ năng lượng gió hai chữ số, bao gồm Đức, Ireland, Bồ Đào Nha, Tây Ban Nha, Thuỵ điển, Uruguay

1.2 TÌNH HÌNH NĂNG LƯỢNG GIÓ TẠI VIỆT NAM

Việt Nam có nguồn tài nguyên phong phú để phát triển điện gió Ước tính, tiềm năng kỹ thuật của năng lượng gió ở Việt Nam là 27 GW (gigawatt) Hiện tại, xấp xỉ 200

MW lượng công suất lắp đặt đã đưa vào hoạt động (với các nhà đầu tư trong nước và quốc tế) và khoảng 100 MW đang trong quá trình xây dựng sẽ được nối lưới vào năm

2018 Do vậy, điện gió còn rất nhiều tiềm năng chưa được phát triển

Bên cạnh đó, với mức tăng trưởng kinh tế từ khoảng 6-7%/năm trong khi mức tiêu thụ điện cũng tăng 10%/năm, Việt Nam cần nhiều nguồn năng lượng thay thế trong bối cảnh tiềm năng thủy điện đang cạn kiệt và nhiệt điện than không chỉ gây ô nhiễm môi trường mà cũng đắt đỏ do những diễn biến tăng giá than đá gần đây Hơn nữa, để xây dựng và phát triển nhà máy nhiệt điện chúng ta cần một thời gian rất dài, đôi khi trên10 năm, trong khi thời gian cho nhà máy điện gió và mặt trời lại khá nhanh, từ 3 đến 5 năm Theo tài liệu của GIZ đề xuất lên Bộ Công Thương “Đề xuất một phương thức khả thi để thúc đẩy điện gió ở Việt Nam (Proposal of an Appropiate Support Mechanism for Wind Power in Vietnam), có chín yếu tố mà nhà nước cần cải thiện như: có một đơn vị một cửa hỗ trợ hành chính các dự án điện gió, cải thiện việc đo chất lượng gió cho nhà đầu tư, có một thông tin nhất quán về quy hoạch dự án điện gió cấp tỉnh và cấp quốc gia, đưa ra quy trình minh bạch về việc cấp giấy phép cho một dự án điện gió, đưa ra các quy chuẩn nối lưới và mua điện…

Thực hiện: Nguyễn Phát Lợi Trang 5

Hình 1.3: Thông tin về 9 dự án điện gió tại Việt Nam, trong đó 6 dự án đầu tiên đã đưa vào

hoạt động

Thực hiện: Nguyễn Phát Lợi Trang 6

CHƯƠNG 2: CÁC GIẢI PHÁP KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG GIÓ

2.1 CẤU TẠO CỦA HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ

Hình 2.1: Các thành phần của turbine gió

Các thành phần của máy phát điện gió được mô tả như Hình 2.1 Máy phát điện gió hầu hết đều có các thành phần chính như sau:

 Cánh (Blade): Cánh rô to là thành phần chính của turbine dùng để bắt năng lượng gió và chuyển đổi năng lượng gió này thành năng lượng cơ làm quay trục turbine Việc thay đổi góc pitch của cánh có thể làm tối ưu năng lượng thu được từ gió

 Hub: Hub là điểm tâm nơi các cánh gắn vào và gắn liền với trục tốc độ thấp

 Hộp số (Gear box): Hộp số là hộp chuyển đổi vận tốc quay từ trục tốc độ thấp sang trục tốc độ cao

 Phanh (Brake): Phanh có cơ cấu giống phanh xe hơi, dùng để hãm và dừng hẳn tất

cả các thành phần của turbine trong quá trình công nhân sửa chữa, duy tu Ở các turbine

cỡ lớn thường có đến hai hệ thống phanh độc lập

 Máy phát (Generator): Máy phát được nối vào trục tốc độ cao, là bộ phận chính chuyển đổi năng lượng cơ từ trục tốc độ cao thành năng lượng điện ở ngõ ra

 Máy đo tốc độ và hướng gió (Anemometer and Wind vane): Hai thiết bị này sử dụng để xác định vận tốc gió và chiều gió

Thực hiện: Nguyễn Phát Lợi Trang 7

 Bộ xoay hướng gió (Yaw drive): Bộ xoay hướng gió có nhiệm vụ xoay cánh luôn luôn hướng vuông góc với luồng gió, đối với loại turbine trục đứng thì bộ phận này là không cần thiết

 Bộ điều khiển (Controller): Bộ điều khiển là một hệ thống máy tính có thể giám sát

và điều khiển hoạt động turbine Chẳng hạn, khi gió đổi hướng hệ thống này sẽ điều chỉnh để xoay cánh luôn luôn hướng vuông góc với chiều gió, hoặc thay đổi góc pitch

để năng lượng thu được luôn là tối ưu Khi có gió bão hoặc sự cố hệ thống sẽ cho dừng hoạt động toàn bộ hệ thống để đảm bảo an toàn

2.3 CÁC GIẢI PHÁP KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG GIÓ

Có nhiều kiểu thiết kế khác nhau cho turbine gió, và được phân ra làm hai loại cơ bản chính: Turbine gió trục ngang (HAWT) và turbine gió trục đứng (VAWT) Các cánh quạt gió thường có các dạng hình dáng: cánh buồm, mái chèo, hình chén đều được dùng

để “bắt” năng lượng gió để tạo ra mô men quay trục turbine

Turbine gió trục ngang (HAWT) có rô to kiểu chong chóng với trục chính nằm ngang Số lượng cánh quạt có thể thay đổi, tuy nhiên thực tế cho thấy loại 3 cánh là có hiệu suất cao nhất HAWT có các thành phần cấu tạo nằm thẳng hàng với hướng gió, cánh quạt quay được truyền động thông qua bộ nhông và trục Loại turbine trục ngang không bị ảnh hưởng bởi sự xáo trộn luồng khí, nhưng yêu cầu phải có một hệ thống điều chỉnh hướng gió bằng cơ khí để đảm bảo các cánh quạt luôn luôn hướng thẳng góc với chiều gió

Thực hiện: Nguyễn Phát Lợi Trang 8

Turbine gió trục đứng (VAWT) có cánh nằm dọc theo trục chính đứng Loại này không cần phải điều chỉnh cánh quạt theo hướng gió và có thể hoạt động ở bất kỳ hướng gió nào Việc duy tu bảo quản và duy trì vận hành rất dễ dàng vì các bộ phận chính như máy phát, hệ thống truyền động đều được đặt ngay trên mặt đất Tuy nhiên nó cần có không gian rộng hơn cho các dây chằng chống đỡ hệ thống

Ưu điểm của VAWT so với HAWT

- Một turbine gió trục đứng truyền thống là một cỗ máy không hướng Nghĩa là VAWT hoạt động mà không phụ thuộc vào hướng gió Như vậy hệ thống xoay hướng gió phức tạp của HAWT sẽ không cần thiết ở VAWT

- VAWT được đặt ngay trên nền đất, khác với HAWT phải được đưa lên tháp cao Hộp số, máy phát và dàn cơ khí điều khiển rất nặng, do đó nếu đặt dưới đất thì việc lắp đặt, bảo trì sẽ rất thuận tiện và dễ dàng

- Với cùng một công suất ngõ ra, tổng chiều cao của HAWT (bao gồm tháp) sẽ cao hơn rất nhiều so với loại trục đứng Darrieus gây tác động rõ rệt đến xung quanh

Về phương diện này, các turbine gió trục đứng được coi như thân thiện với môi trường hơn so với loại trục ngang

- Các cánh quạt của VAWT không bị phải chịu đựng áp lực khi xoay Cánh của VAWT rẻ và bền cao hơn so với HAWT

- VAWT được thiết kế sao cho tải ly tâm được cân bằng bởi các lực trên cánh quạt, như vậy tránh được mô men xoắn

ra của VAWT thấp hơn HAWT

- Các dây cáp chằng VAWT chiếm khá nhiều diện tích, nên có thể gây khó khăn cho việc tận dụng phần đất bên dưới turbine, đất đai thường canh tác, trồng trọt

- Toàn bộ trọng lượng của VAWT được đặt lên bộ đệm đỡ phía dưới, bộ đệm này rất cứng, linh hoạt và có độ tin cậy cao khi vận hành Tuy nhiên khi bộ đệm này

Thực hiện: Nguyễn Phát Lợi Trang 9

hư hỏng, thì đòi hỏi phải tháo dỡ xuống toàn bộ máy phát để sửa chữa hoặc thay thế

- Đối với VAWT, mô men quay và công suất ngõ ra thay đổi thất thường một cách tuần hoàn khi cánh quạt đi vào và ra khỏi vùng tác động của gió trong mỗi vòng quay, trong khi ở HAWT mô men quay và công suất ngõ ra khá ổn định

- Do mô men quay của VAWT thay đổi tuần hoàn, nên tạo ra nhiều tần số dao động

tự nhiên Điều này rất nguy hiểm và cần phải được loại bỏ nhanh chóng bởi bộ điều khiển cơ khí, nếu không sự cộng hưởng sẽ gây hư hỏng nghiêm trọng cho

rô to Trong khi đó một HAWT nếu được thiết kế kỹ lưỡng sẽ không có những vấn đề rung động như vậy Sự phát triển mang tính cạnh tranh và những gì làm được của turbine trục ngang sẽ bị hạn chế trong tương lai, phần lớn là do tải trọng của những cánh quạt ngày càng lớn Có thể nhận thấy rằng, mặc dù hiệu suất thấp nhưng turbine trục đứng không chịu áp lực nhiều từ tải trọng của nó, điều làm giới hạn kích thước của turbine trục ngang Xét về mặc hiệu quả kinh tế, các nhà phân tích cho rằng: nếu trước đây các turbine trục đứng với công suất ngõ ra khoảng 10 MW được phát triển thì ít nhất nó cũng làm được những gì mà turbine trục ngang làm được ngày nay, nhưng chi phí trên một đơn vị công suất thấp hơn nhiều, do đó vấn đề hiệu suất của turbine trục đứng thấp 19% đến 40% so với 56% turbine trục ngang là không quan trọng

2.3.1 Turbine gió kiểu Savonius, VAWT dùng lực đẩy

Loại dùng lực đẩy làm việc theo nguyên tắc chân vịt tàu Nếu giữa cánh chân vịt

và nước không có sự chảy qua, thì vận tốc cực đại đạt được bằng với vận tốc tiếp tuyến của cánh quạt Tương tự turbine gió trục đứng kiểu đẩy, vận tốc tại đầu cánh quạt đôi khi có thể vượt quá vận tốc gió

Các kiểu VAWT dùng nguyên tắc lực đẩy trước đây đã từng được sử dụng bằng cách dùng các tấm dẹp bằng kim loại hay gỗ, các vật hình cốc hay thùng phuy để làm vật đẩy Rô to Savonius là rô to có mặt cắt ngang hình chữ S, như Hình 2.2 Nó chủ yếu dựa vào lực đẩy nhưng cũng sử dụng một phần nhất định lực nâng khí động học Được tạo ra tại Phần Lan, loại VAWT dùng lực đẩy có mô men khởi động lớn nhưng vận tốc quay nhỏ, trong khi loại lực nâng thì ngược lại Hơn nữa, công suất ngõ ra so với tỷ số trọng lượng thì nhỏ Bởi vì ở vận tốc thấp, nó được đánh giá là không phù hợp để phát