Báo cáo năng lượng gió (7)

Bên cạnh sự phát triển mạnh mẽ đó nhân loại cũng đang phải đối mặt vớinhiều nguy cơ do sự phát triển đó mang lại như hiệu ứng nhà kính, ô nhiễm môitrường, thiên tai, địch hoạ.Theo ước tí

ĐẶT VẤN ĐỀ

Nhân loại đang sống trong thế kỷ thứ 21- kỷ nguyên của sự phát triển vượt bậc

về khoa học công nghệ và ứng dụng các thành quả công nghệ mới Đồng hành cùng sựphát triển này là sự tiêu tốn các nguồn năng lượng không tái tạo là dầu mỏ, than đá,điện năng Bên cạnh sự phát triển mạnh mẽ đó nhân loại cũng đang phải đối mặt vớinhiều nguy cơ do sự phát triển đó mang lại như hiệu ứng nhà kính, ô nhiễm môitrường, thiên tai, địch hoạ.Theo ước tính của Liên Hợp Quốc thì trong vòng một trămnăm qua nhân loại đã sử dụng khoảng 30% tổng trữ lượng dầu mỏ mà thế giới có được

và dự báo trong vòng 30 năm tiếp theo thì nhu cầu này sẽ tăng lên gấp ba(số liệu tínhđến tháng 5 năm 2008), tuy nhiên đối với mỗi quốc gia và vùng lãnh thổ thì nhu cầu vềnăng lượng là không thể không có và nó là điều kiện tiên quyết cho sự phát triển củabản thân quốc gia đó, đặc biệt là đối với các quốc gia đang phát triển Vì thế, ý thức vềviệc sử dụng năng lượng hợp lý, tiết kiệm đã dần trở thành nhu cầu ở mỗi quốc gia vàđòi hỏi các quốc gia phải có những biện pháp tích cực để sử dụng năng lượng đượchợp lý nhất? Để có thể làm được việc này, thì bên cạnh việc sử dụng và quản lý nhucầu năng lượng hợp lý thì việc nghiên cứu, phát triển, ứng dụng và sử dụng các nguồnnăng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng gió, năng lượng Mặt Trời.là vôcùng bức thiết bởi sự dồi dào, sẵn có và đặc biệt là không gây ô nhiễm môi trường củacác nguồn năng lượng này

Ngày nay các cơ quan chức năng ,các nhà khoa học đang khuyến khích conngười sử dụng những năng lượng sạch , và năng lượng gió là ví dụ điển hình , đặc biệttrong công nghệ sản xuất điện.Ưu điểm dễ thấy nhất của điện bằng sức gió là khôngtốn nhiên liệu , không gây ô nhiễm môi trường như các nhà nhiệt điện ,dễ chọn điađiểm và tiết kiệm đất xây dựng , khác hẳn với các nhà máy thủy điện chỉ có thể xâydựng gần dòng nước mạnh với những điều kiện đặc biệt và cần diện tích lớn cho hồchứa nước

Bài tiểu luận dưới đây nhằm giới thiệu về “hệ thống biến đổi của máy phát điện sứcgió của nam châm vĩnh cửu” để mọi người thấy nguyên lý hoạt động , cấu tạo cũng như lợi ích của năng lượng gió trong việc sản xuất điện

NGÔ THỊ THƯƠNG THƯƠNG :20114162

sự quay quanh trục của trái đất nên không khí đi từ vùng cao đến vùnh thấp không chuyển động mà tạo thành các cơn gió có chiều xoáy khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu

Trục quay của Trái Đất nghiêng so với mặt phẳng quỹ đạo

do nó tạo thành khi quay quanh Mặt Trời tạo thành các dòng không khí theo mùa

Gió địa phương nhưgió biển ban ngày thổi từ biển vào đất liền ban đêm gió thổi ngược lại

NGUYÊN NHÂN HÌNH THÀNH GIÓ

I Tổng quan về năng lượng gió

1 Khái niệm

Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái Đất.

Năng lượng gió là một hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời

2 Sự hình thành năng lượng gió

NGUYÊN NHÂN HÌNH THÀNH GIÓ

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 thẳng mà tạo thành các cơn gió xoáy có chiều xoáy khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu.

Trục quay của Trái Đất nghiêng so với mặt phẳng quỹ đạo

do nó tạo thành khi quay quanh Mặt Trời tạo thành các dòng không khí theo mùa.

Bức xạ Mặt Trời chiếu

xuống bề mặt Trái Đất

không đồng đều làm

cho nước và bầu khí

quyển nóng lên không

đều nhau, dẫn tới sự

Gió địa phương

VD gió biển: ban ngày gió thổi từ biển vào đất liền, ban đêm gió thổi theo chiều ngược lại.

NGÔ THỊ THƯƠNG THƯƠNG :20114162

3 Vật lý học về năng lượng gió

Năng lượng gió là động năng của không khí chuyển động với vận tốc v Khối

lượng đi qua một mặt phẳng hình tròn vuông góc với chiều gió trong thời gian t là:

ρ: tỷ trọng của không khí

V: là thể tích khối lương không khí đi qua mặt cắt ngang hình tròn diện tích A, bán kinh r trong thời gian t

Vì thế động năng E và công suất P của gió là:

Ta thấy công suất gió tăng theo lũy thừa 3 của vận tốc gió nên vận tốc gió là một trong những yếu tố quyết định khả năng sử dụng năng lượng gió

Công suất gió có thể được sử dụng thông qua một turbines để phát điện, nhỏ hơnrất nhiều so với năng lượng của luồng gió vì vận tốc của gió ở phía sau một turbineskhông thể giảm xuống bằng không Trên lý thuyết chỉ có thể lấy tối đa là 59,3% nănglượng tồn tại trong luồng gió

4 Ưu, nhược điểm của năng lượng gió

- Là một nguồn tài nguyên tái tạo hoàn

toàn, sạch và không gây ô nhiễm môi

trường

- Nguồn nguyên liệu miễn phí, không tốn

- Vốn đầu tư ban đầu lớn, chi phí lắp ráp

và chi phí bảo trì cao

- Phải có trình độ kỹ thuật cao khi thiết kế

và vận hành

NGÔ THỊ THƯƠNG THƯƠNG :20114162

- Hiệu suất cao

- Lợi nhuận cao, giá thành thấp

- Tốn ít diện tích xây dựng, không ảnh

hưởng nhiều đến trồng trọt và chăn nuôi

- Có thể lắp turbines gió ở nhiều địa hình

khác nhau nên tiết kiệm được chi phí

truyền tải

- Hầu như vô cùng bền vững

- Turbines quay ảnh hưởng đến tầm quan sát xa và nhiễu sóng vô tuyến

=> Ngoài ra còn 1 số ảnh hưởng khác nhưng các ảnh hưởng này đều không đáng kể

5 Ứng dụng của năng lượng gió

Từ lâu năng lượng gió đã được con người biết đến và sử dụng để tạo thành cơ năngthay thế cho sức lao động nặng nhọc của con người Thế kỷ XIV, năng lượng gió đãđược sử dụng để tạo công cơ học nhờ các cối xay gió, làm di chuyển thuyền buồm vàkhinh khí cầu Cùng với sự phát triển của Khoa học kỹ thuật hiện đại và nhu cầu nănglượng, đặc biệt là năng lượng sạch, năng lượng gió được chú trọng trong nghiên cứuphát triển và có nhiều ứng dụng trong cuộc sống

Cối xay gió Thuyền buồm Khinh khí cầu

Năng lượng gió được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như kinh tế, du lịch, chính trịnhư xe chạy bằng năng lượng gió tiết kiệm nhiên liệu, các turbines gió cho các động cơmáy bay phản lực dùng trong chiến tranh, các cánh đồng gió mang lại cảnh quan đẹpthu hút khách du lịch, Đặc biệt, động cơ gió còn có ứng dụng quan trọng trong bơmnước và công nghệ phát điện

Năng lượng gió có rất nhiều ứng dụng

5.1 Ứng dụng động cơ gió bơm nước

Động cơ gió bơm nước có hai loại máy bơm nước hỗ trợ là máy bơm qua lại truyềnthống và hệ thống máy bơm khí nén

Máy bơm qua lại truyền thống có cối xay gió nằm trực tiếp trên nguồn nước Bơmnước bằng guồng đạp nước truyền thống có chi phí rẻ nhưng hiệu suất thấp hoặc bằngbơm piston hoặc bơm màng để hiệu suất cao hơn

Hệ thống bơm khí nén được sử dụng phổ biến hơn vì chi phí thấp Đây là loại máybơm dựa vào hoạt động của cối xay gió để nén khí kích hoạt máy bơm nằm trongnước Nước được bơm cho đến khi van nổi lên để đóng mở cửa, đồng thời khí nén hấtnước ra cửa bơm và đẩy lên máng

Động cơ bơm nước

NGÔ THỊ THƯƠNG THƯƠNG :20114162

5.2 Ứng dụng động cơ gió phát điện

Đây là ứng dụng quan trọng nhất của động cơ gió Dựa trên nguyên tắc hoạt độngcủa cối xay gió, người ta nghiên cứu máy phát điện gió để sản xuất điện năng Trên cơ

sở áp dụng những thành tựu mới của khoa học công nghệ, các cánh gió của cối xay giócũng như các thiết bị xây dựng được chế tạo đặc biệt hơn thành turbines gió

Hệ thống phát điện gió

Chương hai: Turbines gió

1 Phân loại

- Turbines gió trục ngang (cánh dạng khí động)

- Turbines gió trục đứng: dạng cánh phẳng trục đứng,dạng roto cánh tròn trục đứng.trục đứng Darrieus

dung

Turbines gió cánh dạng khí động (được sử dụng rộng rãi nhất)

Turbines gió cánh phẳng trục

đứng

Cấu tạo

cánh gió

Có dạng khí động học, cho hiệu suất

sử dụng rất cao, sử dụng cho động cơ

- Trục cánh gió trùng với hướng gió

=> R với lực thành phần Y tạo momen

quay

- Khi bánh công tác gió quay, trên mỗi

phân tố của cánh đều có dòng khí chảy

=> chế tạo thêm tấm chắn thích hợp để làm giảm lực cản

Nội dung Turbines gió roto cánh tròn trục

đứng

Turbines gió trục đứng Darrieus (đang được nghiên

cứu ứng dụng)

NGÔ THỊ THƯƠNG THƯƠNG :20114162

Ưu điểm Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo Kết cấu gọn nhẹ nên có hiệu suất khá cao ~ 35%

Nhược

điểm

- Tốc độ chậm (độ cao tốc Z = 0,9 – 1,0)

- Tỷ trọng lớn

- Momen khởi động của động cơ lớn nhưng hiệu suất thấp – chỉ bằng 18%

- Sản xuất gợn sóng momen quay lớn, mang tính chu kỳ

- Momen xoắn ban đầu là rất thấp

* Đồ thị so sánh hiệu suất sử dụng năng lượng gió của các loại turbines gió:

Hiệu suất sử dụng năng lượng gió của một số loại turbines gió

1 Cối xay gió cổ Hà Lan

2 Savorius

3 Nhiều cánh

4 Lý tưởng

5 Ba cánh

Pitch (Bước răng)

Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho rotor quay với tốc độ hợp

lý nhất nhằm đạt hiệu suất sinh điện cao nhất Nó bảo vệ cánh quạt và rotortrong điều kiện gió quá lớn

Blake (Phanh đĩa)

Có thể áp dụng máy móc, điện, thủy lực để dừng rotor trong trường hợp khẩn cấp

Low – speed shaft (Trục tốc độ thấp)

Rotor quay trục tốc độ thấp ở khoảng 30 đến 60 vòng một phút

Gear box (Hộp số)

Kết nối các trục tốc độ thấp với trục tốc độ cao và tăng tốc độ quay từ khoảng 30

- 60 vòng/phút (rpm) khoảng 1000 - 1800 rpm

Generator (Máy phát điện)

Thông thường, một máy phát điện cảm ứng sản xuất 60 chu kỳ AC điện

Controller (Bộ điều khiển)

NGÔ THỊ THƯƠNG THƯƠNG :20114162

Khởi động máy với tốc độ gió khoảng 8-16 dặm/giờ (mph) và tắt máy tại khoảng

55 mph Turbines không hoạt động ở tốc độ gió ở trên khoảng 55 mph vì họ cóthể bị hư hỏng bởi những cơn gió cao

Anemometer (Máy đo gió)

Bộ đo lường tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điểu khiển

Wind vane (Gió cánh)

Để xử lý hướng gió và liên lạc với các ổ đĩa yaw để định hướng turbines gió

Nacelle (Thùng máy bay)

Thùng máy bay nằm trên đỉnh tháp và bao gồm hộp số, trục thấp và tốc độ cao, máy phát điện, bộ điều khiển và phanh

High – speed shaft (Trục quay tốc độ cao)

Ổ đĩa máy phát điện Là trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao

Yaw drive (Ổ đĩa Yaw)

Dùng để giữ cho rotor luôn luôn hướng về hướng gió chính khi có sự thay đổi hướng gió

Yaw motor (Động cơ Yaw)

Động cơ cung cấp cho “Yaw drive” định được hướng gió

Tower (Trụ đỡ Nacelle)

Towers được làm từ thép ống, bê tông, hoặc lưới thép Bởi vì tốc độ gió tăng lênvới chiều cao, tháp cao cho phép turbines dễ nắm bắt năng lượng hơn và tạo ranhiều điện hơn

* Vì sao turbines trục ngang phổ biến hơn turbines trục đứng?

Với thiết kế trục đứng cùng các cánh được bố trí lệch tâm bao quanh trục quay,turbines gió trục đứng có thể đón gió từ mọi hướng khác nhau mà không cần bánh láiđịnh hướng Thế nên turbines trục đứng sẽ có hiệu suất rất cao

Turbines gió trục đứng có nhiều ưu thế nổi trội hơn các turbines trục ngang nhưchúng có thể được lắp đặt gần nhau hơn trong các trang trại gió, tiết kiệm không giansản xuất Turbines gió trục đứng có kết cấu khá đơn giản, không gây ra nhiều tiếng ồn

và không yêu cầu nhiều vào cấu trúc hỗ trợ Nó không đòi hỏi nhiều gió để phát điện,nên có thể được lắp gần mặt đất Do đó mang lại thuận tiện trong việc bảo trì và có thểđược cài đặt trên ống khói hoặc các cấu trúc tương tự

Tuy nhiên hiện nay trên thế giới, turbines trục đứng vẫn chưa được sử dụng phổbiến như turbines trục ngang do có một số hạn chế đang được nghiên cứu khắc phục

Turbines gió trục đứng thường có xu hướng chững lại theo hướng gió, lúc khởi độngthường có momen xoắn rất thấp, nhưng sản xuất gợn sóng momen quay lại rất lớn vàmang tính chu kỳ Thiết kế của trục đứng khi gặp gió cánh quạt sẽ cong đi để đón giónên chịu momen uốn, trong thời gian dài sẽ gây ra sự nứt và vỡ cánh quạt

Tốc độ gió thay đổi theo chiều cao, càng lên cao thì tốc độ gió càng nhanh và mượt

mà hơn do ma sát của gió với bề mặt Trái Đất Thế nên để sử dụng tối ưu năng lượnggió, người ta phải lắp đặt động cơ càng cao so với mặt đất càng tốt Cánh gió củaturbines trục đứng thường được lắp gần mặt đất nên không đón được gió vận tốc caonhư ở trục ngang

ĐIỆN Điện sản sinh ra đi vào một máy biến áp, chuyển đổi điện

của máy phát điện khoảng 700 V cho hệ thống phân phối

NGÔ THỊ THƯƠNG THƯƠNG :20114162

3 Tính toán lắp đặt turbines gió

3.1: Các điều kiện lắp đặt

Địa hình:

Các turbines 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, đồngthời việc vận chuyển các cấu kiện lớn trên biển cũng thuận lợi hơn trên bộ

Những mỏm núi, những đồi hoang không sử dụng được cho công nghiệp,nông nghiệp cũng có thể đặt được turbines gió Trường hợp này không cầnlàm trụ đỡ cao, tiết kiệm đáng kể chi phí xây dựng

Ngoài ra, turbines gió còn có thể được đặt trên nóc tòa nhà cao tầng hoặckhu chế xuất

Vận tốc gió: Các turbines gió có thể phát điện khi tốc độ gió từ 3 m/s và tự ngừng phát

điện khi tốc độ gió vượt quá 25 m/s Tốc độ gió hiệu quả từ 10 - 17 m/s

Công suất: Tùy theo mục đích sử dụng mà tính toán công suất cho turbines gió, có thể

từ 1 kW tới hàng chục ngàn kW

3.2: Tính toán sơ bộ các đặc tính của turbines gió

3.2.1: Một số thông số của turbines gió

Đường kính cánh gió:

V: tốc độ gió (m/s).

D: công suất (kW)

ξ: hệ số sử dụng năng lượng gió.

Số vòng quay của cánh gió:

Z: độ cao tốc đặc trưng cho độ quay nhanh của cánh gió.R: bán kính của công tác gió (m)

- Với turbines gió bơm nước không yêu cầu tốc độ cao nhưng đòi hỏi momen khởiđộng lớn nên phải có nhiều cánh, thông thường là từ 10 đến 24 cánh và chỉ dùng dạngcánh tấm công hiệu suất thấp hơn

NGÔ THỊ THƯƠNG THƯƠNG :20114162

1 Lịch sử phát triển năng lượng gió

- Từ 5000 năm trước Công nguyên, loài người đã biết vận dụng gió để làm lực đẩy cácthuyền buồm trên sông Nile ở Ai Cập Vào khoảng 2000 năm trước Công nguyên,người Lưỡng Hà đã biết dùng cánh quạt gió để dẫn thủy nhập điền Trong lúc đó, vàokhoảng 700 năm sau Công nguyên, người Ba Tư và các dân tộc vùng Trung Đôngdùng quạt gió có trục đứng để xay lúa mì và các loại hạt

- Thế kỷ 13 sau Công nguyên, châu Âu và Trung Quốc bắt đầu phát triển cối xay gió trục ngang và cả trục đứng

- Thế kỷ 14, các cối xay gió được xây dựng như các nhà máy bằng gỗ, bằng gạch hoặc

đá ở Hà Lan để xay ngũ cốc và thoát nước

- 1887, Jame Blyth là người đầu tiên tạo ra điện bằng một turbines gió trục dọc

- 1888, chế tạo thành công turbines gió quy mô lớn Charles Brush

- 1931, phát minh ra turbines gió Darrieus.

- 1902, turbines gió được ứng dụng làm máy phát điện trên tàu buồm "Chance", New Zealand

- 1941, turbines gió kích thước megawatt đầu tiên trên thế giới được Hoa Kỳ chế tạo

- Trong thế kỷ 20, năng lượng gió đã trải qua nhiều giai đoạn thăng trầm Ngay sau khiThế chiến thứ hai chấm dứt, giá dầu sụt giảm mạnh nên công nghệ gió hầu như bịngưng trệ hoàn toàn Nhưng khi khủng hoảng dầu hỏa nổ ra vào thập niên 70, côngnghệ nghiên cứu và phát triển nguồn điện năng này lớn mạnh ngay sau đó

- 1980, các trang trại gió bắt đầu được xây dựng.

- 1990, bắt đầu phát triển các turbines gió đa-megawatt.

- 2008, nhiều nước đầu tư khai thác năng lượng gió, đánh dấu sự phát triển mạnh mẽ nhất của ngành công nghiệp gió trên thế giới

2 Tình hình phát triển năng lượng gió

2.1: Tình hình chung

Hiện nay trên thế giới có hàng ngàn turbines gió đang hoạt động với tổng công suấtkhoảng 239 MW, trong đó điện gió tại châu Âu chiếm 55% (2011) Trong vòng 10năm (2001 – 2011), công suất điện gió lắp đặt của thế giới tăng gần 10 lần 81% việclắp đặt điện gió là ở Mỹ và châu Âu (Đức, Tây Ban Nha) và một số nước châu Á(Trung Quốc, Ấn Độ).

Công suất lắp đặt điện gió tăng nhanh nhất vào năm 2009, ở mức 32% so với năm

2008, đánh dấu sự phát triển rộng rãi của ngành công nghiệp điện gió cũng như sự đầu

tư của các nước phát triển vào nền công nghiệp này Cho đến năm 2008, Đức vẫn lànước dẫn đầu thế giới về công suất lắp đặt điện gió Nhưng trong các năm gần đây,cùng với sự phát triển của công nghệ điện gió, các nước khác cũng đã vươn lên mạnh

mẽ và đạt được sự tăng trưởng đáng kể Đến năm 2010, Trung Quốc đã vươn lên dẫnđầu thế giới với tổng công suất lắp đặi điện gió là 42.3 GW Đứng thứ hai là Hoa Kỳ,Đức rơi xuống vị trí thứ 3

STT Quốc gia Công suất (MW) STT Quốc gia Công suất (MW)