năng lượng gió Năng lượng tái tạo

Năng lượng tái tạo hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn, là năng lượng mà xuất phát từ tài nguyên thiên nhiên như ánh sáng mặt trời , gió , mưa , thủy triều , và nhiệt địa nhiệt , sinh khối …

Chương 1: GIỚI THIỆU

1.1 Giới thiệu chung

a Năng lượng tái tạo

- Năng lượng tái tạo hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những

nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn, là năng lượng mà xuất phát từ tài nguyên thiên nhiên như ánh sáng mặt trời , gió , mưa , thủy triều , và nhiệt địa nhiệt , sinh khối …

- Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái sinh là tách một phần năng lượng từ các quy trình diễn biến liên tục trong môi trường Các quy trình này thường được thúc đẩy đặc biệt là từ Mặt Trời

- Theo ý nghĩa về vật lý, năng lượng không được tái tạo mà trước tiên là

do Mặt Trời mang lại và được biến đổi thành các dạng năng lượng hay các vật mang năng lượng khác nhau Tùy theo trường hợp mà năng lượng này được sử dụng ngay tức khắc hay được tạm thời dự trữ

- Việc sử dụng khái niệm "tái tạo" theo cách nói thông thường là dùng để chỉ đến các chu kỳ tái tạo mà đối với con người là ngắn đi rất nhiều (thí dụ như khí sinh học so với năng lượng hóa thạch) Trong cảm giác về thời gian của con người thì Mặt Trời sẽ còn là một nguồn cung cấp năng lượng trong một thời gian gần như là vô tận Mặt Trời cũng là nguồn cung cấp năng lượng liên tục cho nhiều quy trình diễn tiến trong bầu sinh quyển Trái Đất Những quy trình này có thể cung cấp năng lượng cho con người và cũng mang lại những cái gọi

là nguyên liệu tái tăng trưởng Luồng gió thổi, dòng nước chảy và nhiệt lượng của Mặt Trời đã được con người sử dụng trong quá khứ Quan trọng nhất trong thời đại công nghiệp là sức nước nhìn theo phương diện sử dụng kỹ thuật và theo phương diện phí tổn sinh thái

Ngược lại với việc sử dụng các quy trình này là việc khai thác các nguồn năng lượng như than đá hay dầu mỏ, những nguồn năng lượng mà ngày nay được tiêu dùng nhanh hơn là được tạo ra rất nhiều Theo ý nghĩa của định nghĩa tồn tại "vô tận" thì phản ứng tổng hợp hạt nhân (phản ứng nhiệt hạch), khi có thể thực hiện trên bình diện kỹ thuật, và phản ứng phân rã hạt nhân (phản ứng phân hạch) với các lò phản ứng tái sinh, khi năng lượng hao tốn lúc khai thác uranium hay thorium có thể được giữ ở mức thấp, đều là những nguồn năng lượng tái tạo mặc dù là thường thì chúng không được tính vào loại năng lượng

+ Thay thế xăng, dầu để chạy các động cơ (ôtô, tàu thủy, máy bay, );

+ Cấp nguồn cho nhu cầu sinh hoạt tại chỗ (đun nước, sưởi ấm, nấu ăn, )

+ Thay thế nhiên liệu thông thường trong bốn lĩnh vực riêng biệt: điện , nước nóng / sưởi ấm không gian , nhiên liệu vận tải

Ngoài ra ,năng lượng tái tạo là một nguồn năng lượng sạch,không gây ô nhiễm môi trường và thân thiện với con người

Đi đôi với phát triển kinh tế, vài năm trở lại đây nhiều quốc gia trên thế giới đầu tư vào khai thác các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, sức gió… và hướng đi này đã tỏ ra sáng suốt trong bối cảnh luôn

có biến động trong thị trường dầu mỏ thế giới.

Tiềm năng năng lượng tái tạo không hè thua kém các nguồn năng lượng khác.Vấn đề ở chỗ là các quốc gia nhận thức được thế mạnh nội tại

trong phát triển năng lượng tái tạo đến đâu và đầu tư phát triển và ứng dụng như thế nào

1.2 Giới thiệu về nguồn năng lượng gió,mục đích của đề tài.

Trong các nguồn cung cấp năng lượng tái tạo thì gió là một nguồn năng lượng thiên nhiên mà loài người đang nhắm đến cho nhu cầu về năng lượng trên thế giới trong tương lai

a Năng lượng gió :

- Năng lượng gió được mô tả như một quá trình, nó được sử dụng để phát

ra năng lượng cơ hoặc điện Tuabin gió sẽ chuyển đổi từ động lực của gió thành năng lượng cơ Năng lượng cơ này có thể sử dụng cho những công việc cụ thể như là bơm nước hoặc các máy nghiền lương thực hoặc cho một máy phát có

- Gió là một dạng của năng lượng mặt trời Gió được sinh ra là do nguyên nhân mặt trời đốt nóng khí quyển, do trái đất xoay quanh mặt trời và do sự không đồng đều trên bề mặt trái đất Luồng gió thay đổi tuỳ thuộc vào địa hình trái đất, luồng nước, cây cối, con người sử dụng luồng gió hoặc sự chuyển động năng lượng cho nhiều mục đích như: đi thuyền, thả diều và phát điện.

Khi bức xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và không khí nóng không đều nhau Một nửa bề mặt của Trái Đất, mặt ban đêm, bị che khuất không nhận được bức xạ của Mặt Trời

và thêm vào đó là bức xạ Mặt Trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn là ở các cực, do đó có sự khác nhau về nhiệt độ và vì thế khác nhau về áp suất mà không khí giữa xích đạo và 2 cực cũng như không khí giữa mặt ban ngày và mặt ban đêm của Trái Đất di động tạo thành gió Trái Đất xoay tròn cũng góp phần vào việc làm xoáy không khí và vì trục quay của Trái Đất nghiêng đi (so với mặt phẳng do quỹ đạo Trái Đất tạo thành khi quay quanh Mặt Trời) nên cũng tạo thành các dòng không khí theo mùa

Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay quanh trục của Trái Đất nên không khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển động thắng mà tạo thành các cơn gió xoáy có chiều xoáy khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu Nếu nhìn từ vũ trụ thì trên Bắc bán cầu không khí di chuyển vào một vùng áp thấp ngược với chiều kim đồng hồ và ra khỏi một vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ Trên Nam bán cầu thì chiều hướng ngược lại

- Ngoài các yếu tố có tính toàn cầu trên gió cũng bị ảnh hưởng bởi địa hình tại từng địa phương Do nước và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất nóng lên nhanh hơn nước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay hồ vào đất liền Vào ban đêm đất liền nguội đi nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra theo chiều ngược lại

- Ưu điểm của năng lượng gió là tận dụng được nguồn năng lượng vô tận

là gió, không bị khống chế quy mô diện tích đầu tư Ngoài ra, phong điện không tổn thất chi phí vận hành, nơi sản xuất điện và tiêu thụ điện được thu hẹp khoảng cách một cách đáng kể Hơn nữa, máy phát điện từ gió có thể đễ dàng

bổ sung máy phát điện thông thường khi nhu cầu dùng điện của người dân tăng lên Gió còn là nguồn nguyên liệu sạch, không làm ô nhiễm không khí và nước khi tạo điện năng, có khả năng giảm đáng kể lượng khí CO2 thải ra môi trường

và ứng dụng của nguồn năng lượng này trong tương lai ở các quốc gia trên thế giới như : chế tạo được các tuabin gió có giá thành hợp lý,đảm bảo được các điều kiên làm việc ,kiểm soát được lượng gió vào tuabin, sử dụng nguồn điện năng từ gió một cách có hiệu quả ,kinh tế không gây lãng phí.

Chương 2: TỔNG QUAN.

2.1 Lịch sử phát triển

Lịch sử phát triển của thế giới loài người đã chứng kiến những ứng dụng của năng lượng gió vào cuộc sống từ rất sớm Gió giúp quay các cối xay bột, gió giúp các thiết bị bơm nước hoạt động, và gió thổi vào cánh buồm giúp đưa các con thuyền đi xa…

Trước thế kỷ 19, giai đoạn đầu tiên:

- Từ cách đây 5000 năm, loài người đã biết khai thác năng lượng gió với những con thuyền buồm Khoảng 1700 năm trước công nguyên người Iran đã

có những cối xay nhờ sức gió Từ thế kỷ thứ 10 người châu Âu chế ra cối xay gió trục ngang với các bánh răng truyền động Thế kỷ 15 người Hà Lan bắt đầu công cuộc quai đê lấn biển, cần bơm nước biển ra ngoài đê, họ đã gắn xuống phía dưới các cối xay gió một guồng nước

- Muộn hơn nữa, kể từ sau thế kỷ 13, các cối xay gió xuất hiện tại châu Âu (Tây Âu) với cấu trúc có các cánh đón gió quay theo phương ngang, chúng phức tạp hơn mô hình thiết kế tại Ba Tư Cải tiến cơ bản của thiết kế này là đã tận dụng được lực nâng khí động học tác dụng vào cánh gió do đó sẽ làm hiệu suất biến đổi năng lượng gió của cối xay gió thời kỳ này cao hơn nhiều so với

mô hình thiết kế từ những năm 500 - 900 tại Ba Tư

Hình 1: Mô hình cối xay gió xuất hiện sau TK 13

- Trong suốt những năm tiếp theo, các thiết kế của thiết bị chạy bằng sức

Hình 2: Chiếc máy bơm nước chạy bằng sức gió, Mỹ 1800

- Năm 1888, Charles F Brush đã chế tạo chiếc máy phát điện chạy sức gió đầu tiên, và đặt tại Cleveland, Ohio Nó có đặc điểm:

* Cánh được ghép thành xuyến tròn, đường kính vòng ngoài 17m;

* Sử dụng hộp số (tỉ số truyền 50:1) ghép giữa cánh turbine với trục máy phát;

* Tốc độ định mức của máy phát là 500 vòng/phút;

* Công suất phát định mức là 12kW

Hình 3: Máy phát điện sức gió do Charles F.Brush chế tạo

- Năm 1891, tại trường đại học Askov Đan Mạch, giáo sư Paul LaCours đã hoàn thành thiết bị phong điện đầu tiên với máy phát điện một chiều sau khi nghiên cứu một cách hệ thống việc sử dụng năng lượng gió để phát điện

Hình 4: Paul LaCours, Đan Mạch 1891

- Sau thế chiến thứ nhất, các công trình turbin gió được chú ý hơn rất nhiều, đặc biệt việc nghiên cứu cơ bản về cơ chế hoạt động cánh quạt các máy bay quân sự và dân dụng Năm 1920 Betz đã vận dung “Lý thuyêt bề mặt chủ động” vào các turbin gió và đã thu được tới 59% động năng của gió Trên nền tảng lý thuyết turbin mới đã xuất hiện những bước đầu các công trình turbin gió hiện đại, như máy phát Balaclava công suất 100kW lắp đặt tại Nga năm 1931 hay máy phát Gedser công suất 200kW, lắp đặt tại đảo Gedser, đông nam Đan Mạch

Hình 5: Máy phát Gedser (200kW), Đan Mạch 1931

 Sự phát triển của máy phát điện chạy sức gió trong thời kỳ này có đặc điểm sau:

+ Ít về số lượng, lắp đặt rải rác nhưng tập trung chủ yếu ở Mỹ, các nước Tây Âu như Đan Mạch, Đức, Pháp, Anh, Hà Lan;

+ Công suất máy phát thấp chủ yếu nằm ở mức vài chục kW

- Những bước khởi hành ngoạn mục đã đình trệ khi thế chiến thứ 2 bùng

nổ Riêng tại Mỹ công nghệ phong điện vẫn phát triển Cùng với nhà sản xuất thiết bị thủy điện Smith, lần đầu tiên kỹ sư Palmer C Putnam đã hòa mạng một thiết bị phong điện cỡ lớn (công suất 1250kW) với sự tham gia của các nhà khoa học nổi tiếng Thiết bị hoạt động từ 1941 tới 1945 Điện năng sản xuất theo cách này đắt hơn khoảng 50%, vì vậy dự án của Putnam đã không phổ biến rộng rãi được

Hình 6: Smit-Putnam, 1250 KW, Mỹ 1941

- Sau thế chiến thứ 2, trong việc tái thiết châu Âu, phong điện lại được quan tâm nhiều vào thập kỷ 50 Thông qua tổ chức hợp tác kinh tế châu Âu (OEEC) các chuyên gia từ Anh, Đan Mạch, Đức, Pháp v.v đã gặp gỡ và trao đổi kinh nghiệm về phong điện

+ Huetter đã theo đuổi một đề án hiện đại, cánh bằng sợi thủy tinh, điều chỉnh đầu cánh bằng thủy lực, máy phát điện đồng bộ 50 Hz Thiết bị hoạt động tới năm 1968 sau nhiều lần gián đoạn

Hình 7: Huetter, 100 KW, Đức 1958

+ Johannes Juul đi theo một hướng khác hẳn Mục đích của ông là một phương án hòa mạng đơn giản và đảm bảo Ông đã dựng nên thiết bị Gedser nổi tiếng, hoạt động từ 1957 tới 1962 qua nhiều giờ hòa mạng Ý tưởng của ông là: một động cơ điện không đồng bộ được làm quay bởi một turbin gió, trở thành một máy phát điện không đồng bộ Bộ cánh đơn giản bằng gỗ nguyên tấm có các thanh thép gia cường, được cấu tạo hợp lí về khí động học, khi gặp gió mạnh sẽ tự điều chỉnh để công suất phát nằm trong một giới hạn nhất định Tấm hãm hình mái chèo có tác dụng giới hạn tốc độ quay, hạn chế lực văng cánh quạt khi gió quá mạnh và phải ngắt mạch điện

Hình 8: J Juul, Gedser 200 KW, Đan Mạch 1957

- Đầu những năm 60 dầu hỏa Trung Đông hạ giá nhiều, hành trình của phong điện lại bị gián đoạn Với hai cơn sốt giá dầu lửa 1973 và 1978 người ta lại tìm đến phong điện Năm 1977 những thiết bị phong điện Gedser của Juul lại được dựng lên với mục đích nghiên cứu để hòa vào mạng Với sự hỗ trợ của nhà nước, các hãng hàng không và không gian vũ trụ đã dựng lên những trạm phong điện lớn ở Mỹ, Đức, Thụy Điển và vài nước khác

Hầu hết đều ngừng hoạt động sau vài trăm giờ vì những trở ngại kỹ thuật : sớm quá, to quá, đắt quá Trường hợp ngoại lệ là thiết bị Maglarp 300 kW, đã hoạt động được với trên 20000 giờ hòa mạng, hoặc thiết bị TVIND 2000kW tới nay vẫn hoạt động, mặc dù tác giả là một nhà sáng chế nghiệp dư

Hình 9: TVIND, 2000 KW , 1977

- Đầu thập niên 80 các nhà tiểu sản xuất máy nông nghiệp Đan Mạch

(Vestas, Bonus, Nordtank, Windworld…) đã thành công với những turbin có đường kính 12 tới 15 m theo kiểu của Juul với máy phát không đồng bộ Các cánh Turbin bằng sợi thủy tinh dựa theo kiểu Huetter Với công suất 30, 55 hoặc 75 kW các thiết bị thành công về mặt kỹ thuật và kinh tế, được nhà nước đảm bảo hỗ trợ khi hòa mạng Sau hơn 20 năm liên tục phát triển, các nhà sản xuất nhỏ đã đưa ra thị trường những thiết bị với sải cánh 80 m tới 120 m, điều

mà trước đây các nền công nghiệp lớn chưa làm được

- Tin học và kỹ thuật viễn thông cũng đóng góp phần quan trọng trong sự hoàn thiện và việc điều hành… Các thiết bị phong điện ngày nay là thành quả của nhiều thế hệ các nhà khoa học và công nghệ thế giới trong suốt hàng trăm năm tìm tòi, thử nghiệm, cải tiến và sáng tạo Các thiết bị cùng dựa trên nguyên

lí chung về biến đổi năng lượng nhưng cấu tạo rất khác nhau, và mỗi loại thích hợp với những điều kiện cụ thể của từng địa điểm xây dựng

2.2 Ứng dụng và xu hướng phát triển

a Ứng dụng của năng lượng gió :

- Từ xa xưa, năng lượng gió được dùng để di chuyển thuyền buồm hay kinh khí cầu, dùng để tạo ra các công cơ học trong các cối xay gió…

- Ngày nay, ứng dụng phát triển nhất của nguồn năng lượng này là tạo ra nguồn điện năng nhờ vào các tuabin gió và đã được áp dụng nhiều ở các nước phát triển

- Ưu điểm dễ thấy nhất của điện bằng sức gió là không tiêu tốn nhiên liệu, không gây ô nhiễm môi trường như các nhà máy nhiệt điện, dễ chọn địa điểm và tiết kiệm đất xây dựng, khác hẳn với các nhà máy thủy điện chỉ có thể xây dựng gần dòng nước mạnh với những điều kiện đặc biệt và cần diện tích rất lớn cho hồ chứa nước

- Các trạm điện bằng sức gió có thể đặt gần nơi tiêu thụ điện, như vậy sẽ tránh được chi phí cho việc xây dựng đường dây tải điện Ngày nay điện bằng sức gió đã trở nên rất phổ biến, thiết bị được sản xuất hàng loạt, công nghệ lắp ráp đã hoàn thiện nên chi phí cho việc hoàn thành một trạm điện bằng sức gió hiện nay chỉ bằng 1/4 so với năm 1986 Trạm điện bằng sức gió có thể đặt ở những địa điểm và vị trí khác nhau, với những giải pháp rất linh hoạt và phong phú Các trạm điện bằng sức gió đặt ở ven biển cho sản lượng cao hơn các trạm nội địa vì bờ biển thường có gió mạnh Giải pháp này tiết kiệm đất xây dựng, đồng thời việc vận chuyển các cấu kiện lớn trên biển cũng thuận lợi hơn trên

bộ Dải bờ biển VN trên 3.000km có thể tạo ra công suất hàng tỉ kW điện bằng sức gió

- Những mỏm núi, những đồi hoang không sử dụng được cho công nghiệp, nông nghiệp cũng có thể đặt được trạm điện bằng sức gió Trường hợp này không cần làm trụ đỡ cao, tiết kiệm đáng kể chi phí xây dựng

- Trên mái nhà cao tầng cũng có thể đặt trạm điện bằng sức gió dùng cho các nhu cầu trong nhà và cung cấp điện cho thành phố khi không dùng hết điện Trạm điện này càng có ý nghĩa lớn hơn khi thành phố bất ngờ bị mất điện

- Đặt một trạm điện bằng sức gió bên cạnh các trạm bơm thủy lợi ở xa lưới điện quốc gia sẽ tránh được việc xây dựng đường dây tải điện với chi phí lớn gấp nhiều lần chi phí xây dựng một trạm điện bằng sức gió Việc bảo quản một trạm điện bằng sức gió cũng đơn giản hơn việc bảo vệ đường dây tải điện rất nhiều

- Một trạm 40kW có thể đủ cho một xã vùng cao, một đoàn thăm dò địa chất hay một khách sạn du lịch biệt lập, nơi đường dây chưa thể vươn tới được Một nông trường cà phê hay cao su trên cao nguyên có thể xây dựng trạm điện bằng sức gió hàng trăm hoặc hàng ngàn kW, vừa phục vụ đời sống công nhân, vừa cung cấp nước tưới và dùng cho xưởng chế biến sản phẩm

- Tuy nhiên, Gió là dạng năng lượng vô hình và mang tính ngẫu nhiên rất cao nên khi đầu tư vào lĩnh vực này cần có các số liệu thống kê đủ tin cậy, và không phải nơi nào đặt trạm phong điện cũng có hiệu quả như nhau Để có sản lượng điện cao cần tìm đến những nơi có nhiều gió Các vùng đất nhô ra biển

tìm ra nguồn năng lượng gío không gây ô nhiễm và sử dụng hiệu quả là một yếu tố cực kỳ quan trọng trong việc bảo vệ thế giới mà ta đang sống.

Và cho đến hôm nay, công nghệ gió đã tiến đến mức độ là giá thành của loại điện năng này tương đương với giá thành của các nguồn điện năng khác như than đá, khí đốt, v.v Và đây cũng là nguồn hy vọng của thế giới trong tương lai trước vấn nạn hâm nóng toàn cầu Đảm bảo cung cấp một nguồn năng lượng sạch vì nguyên liệu được dùng là "gió" Nguồn năng lượng này không làm ô nhiễm không khí như nguồn điện năng xuất phát từ các nhà máy phát điện bằng than hay khí đốt Các turbine gió không tạo ra mưa acid do khí thải SO2, hay các khí nhà kính Nguồn năng lượng nầy tương tự như năng lượng mặt trời, vì gió là nguyên nhân của sự hâm nóng bầu khí quyển quanh mặt trời,

do sự chuyển vận của trái đất, và do mặt đất lồi lõm Ba yếu tố trên là ba nguyên nhân chính tạo thành gió Hiện tại, giá thành của nguồn điện năng nầy giao động từ 4 đến 6 xu/KW/giờ tùy theo nguồn gió của từng địa phương

- Năng lượng gió đang tăng trưởng với tỷ lệ 30% / năm, với công suất lắp đặt trên 158 gigawatt (GW) năm 2009, và được sử dụng rộng rãi ở châu Âu , châu Á , và Hoa Kỳ.Kết thúc năm 2009, tích lũy toàn cầu quang điện đã vượt qua 21 GW tại các nhà máy điện được phổ biến ở Đức và Tây Ban Nha

- Dự án sử dụng năng lượng gió đang được phát triển trên toàn thế giới với nhịp độ rất nhanh Trong tương lai, một nhà máy điện sức gió sẽ có diện tích lớn như Ả rập Xê út, và giá điện sẽ cao gấp đôi hiện nay Nhưng mặt khác, trái đất sẽ đủ gió để sản xuất điện năng đáp ứng nhu cầu của nhân loại Đó là kết luận lạc quan về tiềm năng của sức gió trong cuộc nghiên cứu tổng hợp nhất

về các nguồn gió trong đất liền trên toàn thế giới, được công bố trong tập san Energy Economics

- Tổ chức Năng lượng gió Châu Âu đang tiến hành một chiến lược phát triển rầm rộ nhất cho năng lượng gió với mục tiêu đưa năng lượng gió vào nhóm những nguồn năng lượng quan trọng nhất Theo kế hoạch của tổ chức này, mục tiêu đến năm 2020, sản lượng điện gió sẽ đạt 94,8 GW, chiếm 12,1% tổng sản lượng điện năng của thế giới Theo kế hoạch này đến năm 2020, tổng