BÀI BÁO CÁO THỰC TẬP-THIẾT KẾ TUABIN PHONG ĐIỆN LOẠI NHỎ

Tuy nhiên các nhà máy điện kiểu này có thể phát ra tiếng ồn ảnh hưởng tới các loài thuỷ sinh, hơn nữa đây là một việc làm còn nhiều khó khăn nên đây sẽ là nguồn năng lượng được khai thác

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

CHƯƠNG I ĐẶT VẤN ĐỀ 3

1.1 Biến đổi khí hậu dưới góc nhìn năng lượng 3

1.1.1 Năng lượng trong mối tương quan với biến đổi khí hậu 3

1.1.2 Năng lượng hóa thạch 4

1.1.3 Năng lượng xanh 6

1.2 Năng lượng gió - nguồn năng lượng tái tạo 8

1.2.1 Nguồn gốc của năng lượng gió 8

1.2.2 Thế mạnh của năng lượng gió 10

1.3 Năng lượng gió tại Việt Nam –tiềm năng & thách thức 11

1.3.1 Tổng quan về năng lượng điện 11

1.3.2 Những lợi ích về môi trường và xã hội của điện gió 12

1.3.3 Tiềm năng điện gió ở Việt Nam 13

1.3.4 Đề xuất khu vực xây dựng điện gió tại Việt Nam 15

1.3.5 Các trạm điện năng lượng gió đã & đang xây dựng tại Việt Nam 15

CHƯƠNG II CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 19

2.1 Xây dựng hệ thống điện gió quy mô nhỏ 19

2.2 Sử dụng năng lượng có hiệu quả trong căn nhà của bạn 20

2.3 Năng lượng gió có thiết thực 21

2.4 Công suất tuabin gió 22

2.5 Các bộ phận cơ bản của một hệ thống điện gió quy mô nhỏ 23

2.5.1 Tuabin gió 24

2.5.2 Tháp đở 25

2.5.3 Bộ điều khiển sạc bình ắc quy 26

2.5.4 Bộ phận xả điện 27

2.5.5 Hệ thống bình ắc quy 27

2.5.6 Hệ thống hiển thị 27

2.5.7 Tủ điện 1 chiều 27

2.5.9 Máy phát điện dự phòng 27

2.5.10 Bảng điện xoay chiều 27

2.5.11 Hệ thống nối với mạng điện lưới 28

2.6 Chi phí lắp đặt cho hệ thống điện gió 28

2.7 Năng lượng tuabin gió tạo ra 28

2.8 Cường độ gió ở mỗi khu vực 30

2.9 Chọn lựa nơi lắp đặt tối ưu cho tuabin gió 30

CHƯƠNG III TÍNH TOÁN KHÍ ĐỘNG HỌC & THIẾT KẾ CÁNH 32

3.1 Tính toán khí động học tuabin gió trục ngang 32

3.1.1 Khái niệm hoạt động thực của rotor 32

3.1.2 Thuyết động lượng và hệ số công xuất của rotor 34

3.1.3 Số Betz giới hạn 36

3.1.4 Lý thuyết đĩa rotor 37

3.1.5 Vết quay 37

3.2 Xây dựng đặc tính khí động cánh quạt rotor & thiết kế cánh quạt 39

3.2.1 Profin cánh 39

3.2.2 Chiều dài dây cung cánh 40

3.2.3 Góc đặt cánh 43

3.2.4 Tính hệ số dòng chảy 47

3.2.5 Tính hệ số công suất và giá trị công suất của cánh rotor 48

3.3 Thiết kế cánh 52

3.3.1 Vật liệu 52

3.3.2 Tính toán tải trọng gió 52

3.3.3 Tính toán kiểm nghiệm chi tiết Cánh 56

CHƯƠNG IV HỘP DẪN ĐỘNG HÀNH TINH 66

4.1 Chọn hộp số & phân phối tỷ số truyền cho hộp hành tinh một cấp A103 66

4.1.1 Giới thiệu chung về hệ dẫn động hành tinh 66

4.1.2 Phân phối tỷ số truyền cho hệ hành tinh 1 cấp 66

4.1.3 Tính chọn số răng các bánh răng 1 cấp 67

4.1.4 Tính vận tốc quay của các trục 72

4.1.5 Xác định chính xác hiệu suất cho truyền động hành tinh 72

4.1.7 Xác định momen xoắn và công suất trên các trục 73

4.2 Tính toán thiết kế các bộ truyền bánh răng 74

4.2.1 Chọn vật liệu 74

4.2.2 Xác định ứng suất cho phép 74

4.2.3 Tính thông số các bộ truyền 75

CHƯƠNG V KẾT LUẬN 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

CHƯƠNG I ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 Biến đổi khí hậu dưới góc nhìn năng lượng

Biến đổi khí hậu (BĐKH) đang là vấn đề lớn nhất của thế giới hiện đại và là vấn

đề đau đầu của thế giới tương lai Khi nghiên cứu sâu về lĩnh vực này các nhà môi trường học phát hiện ra mối tương quan rất lớn giữa biến đổi khí hậu và năng lượng Năng lượng và cách sử dụng năng lượng chính là nguyên nhân gây nên BĐKH

1.1.1 Năng lượng trong mối tương quan với biến đổi khí hậu

Trong thế kỷ bùng nổ của khoa học công nghệ với sức mạnh cơ khí con người

đã nghĩ rằng mình đã đi đến đỉnh điểm của sự thỏa mãn với lượng hàng hóa dồi dào trong khi sức lao động bỏ ra lại không lớn bởi đã có đội ngũ máy móc đảm nhiệm rất nhiều việc nặng nhọc Tuy nhiên vấn đề năng lượng lại khiến loài người đau đầu bởi than đá, dầu mỏ ngày càng khan hiếm hơn và họ tiến tới các nguồn năng lượng khác là thủy điện, năng lượng hạt nguyên tử… Khi con người đã bước đầu làm giảm “cơn khát” năng lượng thì lại phải đối đầu với một vấn đề mới đó là BĐKH và khi con

mối tương quan giữa BĐKH và năng lượng ,tìm ra những giải pháp hữu hiệu ứng phó với biến đổi khí hậu

1.1.2 Năng lượng hóa thạch

Nhiệt điện là điện được sản xuất nhờ nhiệt năng từ việc đốt các nguồn nguyên liệu hoá thạch (chủ yếu là than đá và dầu mỏ) Khi tìm ra nguồn năng lượng này con người

đã rất đỗi vui mừng vì nó là lời giải tốt nhất về năng lượng thời kỳ đó Tuy nhiên thế

kỷ 19 và đầu thế kỷ 20 là thời kỳ phát thải khí nhà kính được đánh giá là lớn và ồ ạt nhất từ trước tới thời bấy giờ Khi đốt các nhiên liệu hoá thạch tạo ra điện (nói chung

và chuyển hoá thành cơ năng nói riêng) đã tạo ra rất nhiều khí CO2 Sau 100 năm phân

rã đến cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21 con người bắt đầu phải hứng chịu hậu quả từ cuộc cách mạng công nghiệp để lại với những biến đổi bất thường của khí hậu và nhất

là các hiện tượng thời tiết cực đoan : mưa axit,lũ lụt,hạn hán,nhiệt độ tăng,băng tan…

Hình 1.1 Nhà máy nhiệt điện Belchatow ở Ba Lan

Điện từ nguồn thuỷ điện được cho là cứu cánh đối với môi trường và giảm áp lực với nguồn nguyên liệu hoá thạch vốn hữu hại lại đang bị khai thác cạn kiệt bởi lượng khí CO2 của nó phát thải vào bầu khí quyển ít hơn rất nhiều so với các nguồn nguyên liệu hoá thạch trước đó Tuy nhiên các nhà khoa học môi trường lại chứng minh điều ngược lại Các tuabin nước gần như không phát thải ra các khí gây hiệu ứng nhà kính

nhưng việc xây dựng các hồ thuỷ điện lại tạo ra một loại khí có sức “huỷ diệt” môi trường gấp gấp 23 lần so với khí CO2 (tính trong 100 năm) – khí Mêtan (CH4) Khí này sinh ra do việc phân huỷ chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí Việc dâng nước các

hồ thuỷ điện đã nhấn chìm rất nhiều cây cối cùng các động vật có trong khu vực lòng

hồ Các sinh vật này sẽ phân huỷ trong lòng nước và tạo ra lượng khí CH4 rất lớn Hiện nay tuy trong các dự án xây dựng thuỷ điện thường có phần công việc là dọn dẹp khu vục lòng hồ, tuy nhiên nhiệm vụ này thường ít được chú trọng bởi nhiều người cho rằng đó là một công việc tốn kém và ít bị ảnh hưởng Tuy nhiên nhìn nhận ở góc

độ môi trường thì đó là hành động phá hại môi trường ghê gớm Bởi vậy có thể nói thuỷ điện sạch mà không sạch

Hình 1.2 Nhà máy thủy điện Sơn La

Năng lượng nguyên tử nếu so với hai nguồn năng lượng kể trên thì sạch hơn rất nhiều Trong lịch sử nhân loại đã ghi nhận thảm hoạ hạt nhân Chernobyl vào năm

1986 tại Ukraina (khi đó còn là một phần của Liên bang Xô Viết) đã trở thành thảm hoạ hạt nhân đáng tiếc nhất trong lịch sử nhân loại Mới đây trận động đất và sóng thần ở Nhật Bản đã tàn phá các nhà máy điện hạt nhân gây ra sự rò rỉ phóng xạ lớn ảnh hưởng nghiêm trọng tới đời sống con người bởi tác động môi trường sâu sắc Sau những sự kiện đó nhiều nước đã xem xét lại kế hoạch phát triển năng lượng dựa vào năng lượng hạt nhân Tuy nhiên nhìn ở góc độ môi trường và tính an toàn thì năng

nhà kính nếu được vận hành an toàn và hơn nữa nếu khai thác 100 vạn tấn than sẽ có vài người chết trược tiếp và hàng tỉ người trên thế giới bị tác động gián tiếp từ BĐKH Trong khi đó những vụ việc đáng tiếc về hạt nhân trên thế giới thì mới chỉ có 2

Hình 1.3 Nhà máy điện hạt nhân tại

Đức

Hình 1.4.Nhà máy điện hạt nhân Fukushima (Nhật Bản) 3 phút sau vụ nổ

thứ 2

1.1.3 Năng lượng xanh

Các loại năng lượng tái tạo được coi là giải pháp thân thiện với môi trường Gió,

ánh sáng, sóng biển được coi là những năng lượng tái tạo vô biên mà con người có thể

sử dụng được

Phong điện (điện có được từ năng lượng gió) được ví là than trắng Theo tính toán của các nhà khoa học thì năng lượng từ than đá đem lại cho toàn thế giới mỗi năm chỉ bằng 1/3.000 năng lượng từ sức gió đem lại Như vậy năng lượng gió là một nguồn năng lượng lớn vô cùng Nhìn nhận ở góc độ môi trường thì đây là một giải pháp rất hiệu quả bởi nhìn chung các thiết bị phát điện từ gió không trực tiếp phát thải khí nhà

kính Việc xây dựng các trạm phong điện cũng hầu như không tạo ra các khí độc hại với môi trường do đó phong điện được coi là năng lượng xanh

Hình 1.5 Công viên điện gió ngoài khơi Anh

Quang năng là sử dụng ánh sáng mặt trời tạo ra điện Đây là nguồn năng lượng tương lai của loài người Hiện nay trên thế giới xuất hiện rất nhiều nhà máy quang điện với công suất lên đến hàng trăm MW Vấn đề của quang điện là thời gian nắng và diện tích xây dựng cũng đã được giải quyết Thời gian nắng trong ngày sẽ được hấp thu toàn bộ vì có thể sử dụng thiết bị cảm biến quang với các tấm pin quang điện Còn diện tích xây dựng thì nhà máy quang điện lớn nhất thế giới hiện nay mới chỉ chiếm diện tích của 27 sân vận động còn nếu so sánh với một khu vực lòng hồ thủy điện thì quá nhỏ Hơn nữa những nơi được ưu tiên xây dựng nhà máy quang điện thường là các vùng sa mạc

Hình 1.6 Hệ thống năng lượng mặt trời trên đảo Đá Lát-Trường Sa

Thủy triều, sóng cũng là nguồn năng lượng tái tạo vô biên Hiện nay đã có nhiều công trình nghiên cứu về việc biến sóng thành điện Tuy nhiên các nhà máy điện kiểu này có thể phát ra tiếng ồn ảnh hưởng tới các loài thuỷ sinh, hơn nữa đây là một việc làm còn nhiều khó khăn nên đây sẽ là nguồn năng lượng được khai thác và sử dụng trong tương lai

Ngoài ra khí Hidro cũng là một nguồn năng lượng xanh bởi khí này khi đốt chỉ tạo

ra hơi nước, hơn nữa việc tạo ra khí này cũng có lợi với môi trường Hơn 71% bề mặt trái đất là nước, việc điện phân nước sẽ tạo ra khí oxi và khí Hidro Việc đốt cháy khí Hidro tạo ra hơi nước và năng lượng…

Ngoài các nguồn năng lượng kể trên các nhà khoa học cũng đang rất nỗ lực trong việc tìm kiếm các loại năng lượng mới thân thiện với môi trường hơn và có sức mạnh hơn Tuy nhiên việc sử dụng hợp lý các nguồn năng lượng hiện tại cũng là giải pháp bảo vệ môi trường Nhưng trên hết là hãy tăng diện tích “bể khí” nhà kính bằng cách tăng diện tích rừng để tạo ra “lá phổi xanh” cho địa cầu

1.2 Năng lượng gió - nguồn năng lượng tái tạo

1.2.1 Nguồn gốc của năng lượng gió

Từ xa xưa , sức gió đã được con người ở nhiều nơi trên thế giới vận dụng vào phục vụ cuộc sống Con người đã dùng năng lượng gió để di chuyển thuyền buồm hay

khinh khí cầu, ngoài ra năng lượng gió còn được sử dụng để tạo công cơ học nhờ vào các cối xay gió

Hình 1.7 Cối xay gió ở Hà Lan

Ý tưởng dùng năng lượng gió để sản xuất điện hình thành ngay sau các phát minh

ra điện và máy phát điện Lúc đầu nguyên tắc của cối xay gió chỉ được biến đổi nhỏ và thay vì là chuyển đổi động năng của gió thành năng lượng cơ học thì dùng máy phát điện để sản xuất năng lượng điện Khi bộ môn cơ học dòng chảy tiếp tục phát triển thì các thiết bị xây dựng và hình dáng của các cánh quạt cũng được chế tạo đặc biệt hơn Ngày nay người ta gọi đó tuốc bin gió, khái niệm cối xay gió không còn phù hợp nữa

vì chúng không còn có thiết bị nghiền Từ sau những cuộc khủng hoảng dầu trong thập niên 1970 việc nghiên cứu sản xuất năng lượng từ các nguồn khác được đẩy mạnh trên toàn thế giới, kể cả việc phát triển các tuốc bin gió hiện đại

Đến những năm cuối của thế kỷ 20, sức gió mới được sử dụng hiệu quả với quy

mô như một ngành công nghiệp năng lượng Tính đến năm 2008, tổng công suất các trạm điện gió của thế giới đã đạt trên 100.000 MW, với sản lượng điện đủ cung cấp cho nhu cầu sinh hoạt hàng ngày của 150 triệu người Dự kiến đến năm 2020, tổng công suất các trạm điện gió của thế giới sẽ đạt 2-3 triệu MW (gấp 20-30 lần hiện nay) Nước Đức hiện đứng đầu thế giới về điện gió với tổng công suất lắp đặt lên tới 22.000

MW và sẽ tiếp tục phát triển các trạm điện gió ở ngoài khơi Mỹ, mặc dù là nước có

15.100 MW Đứng thứ tư trên thế giới về khai thác năng lượng gió là Ấn Độ với tổng công suất lắp đặt khoảng 8.000 MW Một điển hình trong việc phát triển năng lượng gió là Trung Quốc, theo dự kiến của chính phủ nước này, đến năm 2020 sẽ đưa tổng công suất của các trạm điện gió của Trung Quốc hiện nay là 6.050 MW lên tới 30.000

MW

Hình 1.8 Nhà máy điện sức gió lớn nhất Nam bán cầu do Úc và New Zealand xây

dựng

1.2.2 Thế mạnh của năng lượng gió

Ưu điểm của phong điện là không tiêu tốn nhiên liệu, không gây ô nhiễm môi trường, dễ chọn địa điểm, có thể đặt ở những địa điểm và vị trí khác nhau, với những giải pháp rất linh hoạt và phong phú Thông thường, các trạm phong điện 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 rất nhiều Tuy nhiên, những mỏm núi và những đồi hoang không

sử dụng được cho công nghiệp, nông nghiệp cũng có thể đặt được trạm phong điện, trường hợp này không cần làm trụ đỡ cao, tiết kiệm đáng kể chi phí xây dựng Ngay tại các khu công nghiệp cũng có thể đặt các trạm phong điện, nếu tận dụng không gian phía trên các nhà xưởng để đặt các trạm phong điện thì sẽ giảm tới mức thấp nhất diện

tích đất xây dựng và chi phí làm đường dây điện Theo các chuyên gia về năng lượng, đặt một trạm phong điện 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 phong điện, việc bảo quản một trạm phong điện cũng đơn giản hơn việc bảo vệ đường dây tải điện rất nhiều Một trạm phong điện 4 kW có thể đủ điện cho một trạm kiểm lâm trong rừng sâu hoặc một ngọn hải đăng xa đất liền Một trạm

10 kW đủ cho một đồn biên phòng trên núi cao, hoặc một đơn vị hải quân nơi đảo xa Một trạm 40 kW 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

1.3 Năng lượng gió tại việt nam –tiềm năng & thách thức

1.3.1 Tổng quan về năng lượng điện

Tổng công suất lắp đặt: 15,192 MW (cuối năm 2007)

Nhu cầu điện tiêu dùng của Việt Nam tăng hơn 10%/năm cho đến năm 2020 Hiện tại, Việt nam phải nhập khẩu điện từ Trung Quốc để chống việc thiếu điện tại miền Bắc Để cơ bản đáp ứng được nhu cầu về tiêu dùng điện nội bộ, Việt nam đã có kế hoạch xây dựng thêm 32 nhà máy điện Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN), Công ty Nhà nước, có kế hoạch đưa vào hoạt động 16 nhà máy thủy điện tăng công suất phát điện cho nhà máy điện than lên 400MW trong các năm tới trong khi tập đoàn Than Việt nam sẽ xây dựng thêm 8 nhà máy điện chạy than

Năng lượng gió tại Việt nam cho tới hiện tại chỉ mới được khai thác một số lượng nhỏ với sản lượng đầu ra dao động từ 150-200W Lượng điện tạo ra được sử dụng chủ yếu cho bơm nước tưới tiêu và nạp pin năng lượng Hiện thời, hơn 1,500 turbin gió với năng suất từ 15-200W đã được lắp đặt tại các vùng nông thôn và hải đảo tại Việt nam

vùng sâu vùng xa ở Việt nam là 1.25MW (cuối năm 2008) Các nghiên cứu sản xuất chỉ tập trung vào nhũng turbine gió nhỏ với công suất tối đa là 500W Turbine gió có công suấ lớn hơn 500W thì phải nhập khẩu

1.3.2 Những lợi ích về môi trường và xã hội của điện gió

Năng lượng gió được đánh giá là thân thiện nhất với môi trường và ít gây ảnh hưởng xấu về mặt xã hội Để xây dựng một nhà máy thủy điện lớn cần phải nghiên cứu kỹ lưỡng các rủi ro có thể xảy ra với đập nước Ngoài ra, việc di dân cũng như việc mất các vùng đất canh tác truyền thống sẽ đặt gánh nặng lên vai những người dân xung quanh khu vực đặt nhà máy, và đây cũng là bài toán khó đối với các nhà hoạch định chính sách Hơn nữa, các khu vực để có thể quy hoạch các đập nước tại Việt Nam cũng không còn nhiều

Song hành với các nhà máy điện hạt nhân là nguy cơ gây ảnh hưởng lâu dài đến cuộc sống của người dân xung quanh nhà máy Các bài học về rò rỉ hạt nhân cộng thêm chi phí đầu tư cho công nghệ, kĩ thuật quá lớn khiến càng ngày càng có nhiều sự ngần ngại khi sử dụng loại năng lượng này

Các nhà máy điện chạy nhiên liệu hóa thạch thì luôn là những thủ phạm gây ô nhiễm nặng nề, ảnh hưởng xấu đến môi trường và sức khỏe người dân Hơn thế nguồn nhiên liệu này kém ổn định và giá có xu thế ngày một tăng cao

Khi tính đầy đủ cả các chi phí ngoài – là những chi phí phát sinh bên cạnh những chi phí sản xuất truyền thống, thì lợi ích của việc sử dụng năng lượng gió càng trở nên

rõ rệt So với các nguồn năng lượng gây ô nhiễm (ví dụ như ở nhà máy nhiệt điện Ninh Bình) hay phải di dời quy mô lớn (các nhà máy thủy điện lớn), khi sử dụng năng lượng gió, người dân không phải chịu thiệt hại do thất thu hoa mầu hay tái định cư, và

họ cũng không phải chịu thêm chi phí y tế và chăm sóc sức khỏe do ô nhiễm

Ngoài ra với đặc trưng phân tán và nằm sát khu dân cư, năng lượng gió giúp tiết kiệm chi phí truyền tải Hơn nữa, việc phát triển năng lượng gió ở cần một lực lượng lao động là các kỹ sư kỹ thuật vận hành và giám sát lớn hơn các loại hình khác, vì vậy giúp tạo thêm nhiều việc làm với kỹ năng cao

Tại các nước Châu Âu, các nhà máy điện gió không cần đầu tư vào đất đai để xây dựng các trạm turbine mà thuê ngay đất của nông dân Giá thuê đất (khoảng 20% giá thành vận hành thường xuyên) giúp mang lại một nguồn thu nhập ổn định cho nông dân, trong khi diện tích canh tác bị ảnh hưởng không nhiều

Hình 1.9 Tuabin phong điện loại nhỏ Windspot

Cuối cùng, năng lượng gió giúp đa dạng hóa các nguồn năng lượng, là một điều kiện quan trọng để tránh phụ thuộc vào một hay một số ít nguồn năng lượng chủ yếu;

và chính điều này giúp phân tán rủi ro và tăng cường an ninh năng lượng

1.3.3 Tiềm năng điện gió ở Việt Nam

Nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài, Việt Nam có một thuận lợi cơ bản để phát triển năng lượng gió Trong chương trình đánh giá về năng lượng cho châu Á, Ngân hàng thế giới đã có một khảo sát chi tiết về năng lượng gió khu vực Đông Nam Á, trong đó có Việt Nam Theo tính toán của nghiên cứu này, trong 4 nước được khảo sát thì Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất và hơn hẳn các quốc gia lân cận

là Thái lan, Lào, Campuchia Trong khi Việt Nam có tới 8,6% diện tích lãnh thổ được đánh giá có tiềm năng từ “tốt” đến “rất tốt” để xây dựng các trạm điện gió cỡ lớn thì diện tích này ở Campuchia là 0,2%, ở Lào là 2,9%, và ở Thái Lan cũng chỉ là 0,2%

Hình 1.10 Bản đồ tốc độ gió của Việt Nam & các nước Đông Nam Á ở cao độ 65m

Địa Phương VTB (m/s) Địa Phương VTB (m/s)

Bảng 2 Tốc độ gió trung bình ở Việt Nam (m/s) Nguồn: Cục khí tượng thủy văn Trung Ương

Tổng tiềm năng điện gió của Việt Nam ước đạt 513.360MW tức là bằng hơn 200 lần công suất của thuỷ điện Sơn La và hơn 10 lần tổng công suất dự báo ngành điện vào năm 2020.Tất nhiên, để chuyển từ tiềm năng lý thuyết thành tiềm năng có thể khai thác, để tiềm năng kỹ thuật và cuối cùng thành tiềm năng kinh tế là cả một câu chuyện dài Nếu xét tiêu chuẩn để xây dựng các trạm điện gió cỡ nhỏ phục vụ cho phát triển kinh tế ở những khu vực khó khăn thì Việt Nam có đến 41% diện tích nông thôn có thể phát triển điện gió loại nhỏ Nếu so sánh con số này với các nước láng giềng thì Campuchia có 6%, Lào có 13% và Thái Lan là 9% diện tích nông thôn có thể phát triển năng lượng gió Đây là quả thật là ưu đãi dành cho Việt nam mà chúng ta còn thờ

ơ chưa nghĩa đến cách tận dụng

1.3.4 Đề xuất khu vực xây dựng điện gió tại Việt Nam

Theo nghiên cứu của Ngân Hàng Thế Giới, trên lãnh thổ Việt Nam, hai vùng giàu tiềm năng nhất để phát triển năng lượng gió là Sơn Hải (tỉnh Ninh Thuận) và vùng đồi cát ở độ cao 60-100m phía tây Hàm Tiến đến Mũi Né (tỉnh Bình Thuận) Gió vùng này không những có vận tốc trung bình lớn, còn có một thuận lợi là số lượng các cơn bão khu vực ít và gió có xu thế ổn định là những điều kiện rất thuận lợi để phát triển năng lượng gió Trong những tháng có gió mùa, tỷ lệ gió nam và đông nam lên đến 98% với vận tốc tring bình 6-7m/giây tức là vận tốc có thể xây dựng các trạm điện gió công suất 3-3,5MW Thực tế là người dân khu vực Ninh Thuận cũng đã tự chế tạo một số máy phát điện gió cỡ nhỏ nhằm mục đích thắp sáng Ở cả hai khu vực này dân cư thưa thớt, thời tiết khô nóng, khắc nghiệt và là những vùng dân tộc đặc biệt khó khăn của Việt Nam

Mặc dù có nhiều thuận lợi như đã nêu trên, nhưng khi nói đến năng lượng gió, chúng ta cần phải lưu ý một số đặc điểm riêng để có thể phát triển nó một cách có hiệu quả nhất Nhược điểm lớn nhất của năng lượng gió là sự phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và chế độ gió Vì vậykhi thiết kế cần nghiên cứu hết sức nghiêm túc chế độ gió, địa hình cũng như loại gió không có các dòng rối vốn ảnh hưởng không tốt đến máy phát Cũng vì lý do phụ thuộc trên, năng lượng gió tuy ngày càng hữu dụng nhưng không thể là năng lượng chủ lực

Một điểm cần lưu ý nữa là các trạm điện gió sẽ gây tiếng ồn trong khi vận hành cũng như phá vở cảnh quan tự nhiên và có thể ảnh hưởng đến tín hiệu của các sóng vô tuyến

Do đó, khi xây dựng các trạm điện gió cần tính toán khoảng cách hợp lý đến các khu dân cư, khu du lịch để không gây những tác động tiêu cực

1.3.5 Các trạm điện năng lượng gió đã & đang xây dựng tại Việt Nam

Tuốcbin điện gió ở VN được lắp đặt thành công tại đảo thanh niên Bạch Long Vĩ tháng 10/2004

Hình 1.11 Trạm điện gió đảo thanh niên Bạch Long Vĩ

Đây là trạm điện gió công suất lớn (800kW) đầu tiên ở VN được xây dựng và đưa vào khai thác tại đảo thanh niên Bạch Long Vĩ (đảo xa bờ nhất ở vịnh Bắc bộ) Công trình này trị giá gần 1 triệu USD, với các thiết bị được nhập từ Tây Ban Nha

Trong tháng 12/2006, Viện Cơ học đã lắp một trạm phát điện năng lượng gió và mặt trời tại Cù Lao Chàm, Hội An, Quảng Nam có công suất thiết kế là 1,5KW lắp đặt ở

độ cao 10-15m Theo khảo sát của Viện cơ học vận tốc gió ở Cù Lao Chàm trung bình

là 9- 10m/giây rất thuận lợi cho việc hoạt động tuabin gió Theo ước tính ban đầu, người dân sẽ chỉ phải trả 2000 – 2500 VND cho mỗi KW/h và có thể thấp hơn nếu có

sự hỗ trợ của Nhà Nước.(Trích Báo VnExpress ngày 28-10-2006)

Ở Việt Nam cũng đã có một dự án điện gió với công suất 50MW đó là nhà máy điện gió Phương Mai ở Bình Định phục vụ cho Khu kinh tế Nhơn Hội Tổng đầu tư giai đoạn 1 cho 50MW điện là 65 triệu USD và giá bán điện dự kiến là 45USD/MW/H Tiếc rằng tiến độ xây dựng nhà máy quá chậm chạp (mặc dù thời gian

dự kiến xây lắp chỉ trong khoảng 1 năm)

Dự án phong điện của Công ty GRETA ENERGY Inc (Canada) với vốn đầu tư 1.200 tỷ đồng đang chuẩn bị khởi công ở xã Công Hải, huyện Thuận Bắc Dọc theo quốc lộ 1A các trạm tuabin sẽ bám theo dãy Ba Hồ, phía tây ngọn núi Chúa và băng qua cánh đồng Nhím để đón những luồng gió thổi từ vịnh Cam ranh vào

Tập đoàn AEROGIE.PLUS của Thuỵ Sĩ vừa có giấy phép của tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu để xúc tiến triển khai dự án xây dựng nhà máy điện gió tại mũi Chim Chim của

Côn Đảo có công suất thiết kế 7,5MW với vốn đầu tư khoảng 19 triệu USD giai đoạn đầu dự kiến đi vào hoạt động vào cuối năm 2010 và dự tính sẽ tiếp tục xây thêm nhà máy 7MW tại mũi Cá Mập khi có điều kiện.(Theo Báo Sài Gòn Tiếp thị số 144 ngày 10/12/08)

Công ty KV VENTI của Czech cho biết, từ giữa năm tới họ sẽ tham gia xây dựng

12 dự án nhà máy điện gió tại Việt Nam Hiện tất cả 12 dự án điện gió nói trên đã được cấp phép đầu, trong đó 60% là nhà đầu tư trong nước, tổng sản lượng điện của các dự án khỏang 1.000 MW Qua khảo sát, Công ty nhận thấy Việt Nam có tổng trữ lượng năng lượng gió rất lớn, gấp 15 lần so với trữ lượng của Czech Theo khảo sát đánh giá của Ngân hàng thế giớivề năng lượng gió khu vực Đông Nam Á, Việt Nam

có tiềm năng gió lớn nhất khu vực với tổng công suất điện gió ước đạt hơn 53.000

MW, gấp 200 lần so với một nhà máy thủy điện trung bình của Việt Nam Mỗi một tuabin gió (có công suất từ 2-3 MW) cần chi phí khoảng 4 triệu USD, thời gian xây lắp khoảng 1 năm và thời gian vận hành sẽ kéo dài trong khoảng 25 năm (Theo Tuần san Báo Nhịp Cầu Đầu Tư số 110, ngày 08-14 tháng 12 năm 2008)

Hình 1.12 Nhà máy điện gió Bình Thuận

Ông Ing Peter L A Henigin, Giám đốc điều hành Công ty năng lượng tái tạo

ALTUS-Đức nói : “Đầu tư điện gió mau thu hồi vốn”

Hiện nay, với một địa điểm có gió tốt như ở VN, giá thành sẽ là 6-8xu EUR/KWh cho điện gió So với điện mặt trời, kinh phí đầu tư cho điện gió rẻ hơn nhiều vì giá thành nguyên vật liệu để sản xuất điện mặt trời khá đắt Đối với thuỷ điện, phải mất đến 50 năm mới thu hồi vốn thì điện gió chỉ cần 20 năm Trong các loại năng lượng tái tạo hiện có trên thế giới thì năng lượng gió có giá thành rẻ nhất

Hiện nay, nhu cầu này mỗi năm tăng lên 20%, như vậy sau 5 năm, nhu cầu này sẽ tăng gấp đôi Đây là một thị trường hấp dẫn Công ty chúng tôi hiện đang thiết kế một công viên gió với công suất 120MW ở miền trung Việt Nam Nếu mọi việc thuận lợi thì trong vòng vòng 1-2 năm nữa công viên gió này sẽ đi vào hoạt động

CHƯƠNG II

CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

2.1 Xây dựng hệ thống điện gió quy mô nhỏ

Hệ thống điện gió quy mô nhỏ có thể đáp ứng đáng kể cho nhu cầu năng lượng quốc gia Mặc dù các tuabin có thể cung cấp điện một phần đáng kể cho nhu cầu của các gia đình bình thường ở Mỹ với diện tích đất 0,24ha hoặc lớn hơn, có khoảng 21 triệu gia đình Mỹ xây nhà trên diện tích 0,24ha hoặc lớn hơn và 24% dân số Mỹ sống

ở nông thôn

Hệ thống điện gió quy mô nhỏ sẽ cấp điện cho bạn nếu như:

• Có đủ gió ở nơi bạn ở Thông thường phải đạt tối thiểu từ 4 hay 5m/s

• Hàng xóm của bạn hoặc khu vực của bạn cho phép lắp đặt các tháp cao

• Bạn có đủ khoảng trống

• Bạn có thể xác định được nhu cầu sử dụng điện của bạn hoặc muốn sản xuất

bao nhiêu điện

• Hệ thống điện gió hoạt động một cách kinh tế , hiệu quả

Hình 2.1 Nông trại sử dụng năng lượng điện gió

Tại sao phải chọn gió?

thống năng lượng gió quy mô nhỏ có thể làm giảm hóa đơn tiền điện của bạn từ 50% đến 90%, giúp bạn tránh được chi phí cao cho đường dây điện dài đến những vùng hẻo lánh, không bị cúp điện và không gây ô nhiễm

Tuabin gió hoạt động như thế nào?

Gió được tạo ra bởi sự bất cân bằng nhiệt do mặt trời trên bề mặt trái đất Tuabin gió biến đổi năng lượng động lực của gió thành lực cơ học để chạy máy phát sản xuất

ra điện sạch Các tuabin ngày nay là các nguồn tạo điện đa năng theo dạng môđun Cánh của tuabin được thiết kế dạng khí động học để nhận được năng lượng gió cực đại Gió làm quay các cánh tuabin, trục quay gắn với máy phát tạo ra điện

2.2 Sử dụng năng lượng có hiệu quả trong căn nhà của bạn

Trước khi lựa chọn hệ thống năng lượng gió cho căn nhà của bạn, bạn phải xem xét giảm tiêu thụ năng lượng bằng cách sử dụng hiệu quả năng lượng ở nhà hoặc ở văn phòng Giảm tiêu thụ năng lượng sẽ giảm đáng kế chi phí năng lượng và giảm kích thước hệ thống năng lượng tái tạo sử dụng trong hộ gia đình Để đạt được hiệu quả năng lượng tối đa, bạn phải xem xét các dụng cụ điện hiện có trong căn nhà Từ lớp cách nhiệt của tường nhà đến các bóng đèn, có nhiều cách làm cho nhà bạn đạt hiệu quả sử dụng năng lượng hơn

Biểu đồ : Năng lượng tiêu thụ hàng tháng

• Giảm nhu cầu sưởi ấm và làm mát đến 30% bằng cách đầu tư chỉ vài trăm USD cho lớp cách nhiệt phù hợp và các sản phẩm phù hợp với thời tiết

• Tiết kiệm tiền và tăng tính tiện nghi bằng cách bảo trì định kỳ và cải tạo hệ

thống sưởi ấm, thông gió và điều hòa

Căn cứ số liệu trung bình

Máy điều hòa nhiệt độ(44%)

Thắp sáng,nấu ăn,và các ứng dụng khác(33%)

Máy nước nóng(14%)

Tủ lạnh(9%)

• Thay các bóng đèn huỳnh quang bằng bóng đèn compact Thay 25% bóng đèn

có thể tiết kiệm khoảng 50% hóa đơn tiền điện

2.3 Năng lượng gió có thiết thực

Một hệ thống điện gió có thể cung cấp cho bạn một nguồn điện kinh tế và thiết thực nếu:

• Khu đất của bạn có một nguồn gió thường xuyên có tốc độ gió từ 4-5m/giây

• Nhà hoặc cơ sở của bạn tọa lạc trên diện tích đất tối thiểu 0,24ha ở nông thôn

• Hóa đơn tiền điện trung bình hơn 1 triệu đồng/tháng hoặc cao hơn

• Khu đất của bạn nằm ở khu hẻo lánh khó đưa hay không kéo đường dây điện vào (rất cần thiết cho bà con vùng sâu,vùng xa….)

• Kinh tế của bạn thoải mái với việc đầu tư lâu dài

 Các vấn đề trong vùng

Trước khi đầu tư một hệ thống năng lượng gió, bạn phải tìm hiểu các trở ngại tiềm tàng Một số đạo luật, ví dụ như hạn chế chiều cao của các kết cấu cho phép trong khu vực dân cư, hầu hết các quy định vùng là giới hạn chiều cao 10m

Hình 2.2 Giới hạn độ cao thiết kế

Hãy tìm hiểu các quy định của cơ quan quản lý đô thị nơi bạn định lắp đặt tuabin gió

Họ sẽ trả lời nếu bạn cần một giấy phép xây dựng và họ sẽ cung cấp cho bạn một bản liệt kê các yêu cầu

- Một số vấn đề khác như hàng xóm của bạn có thể phản đối một thiết bị gió vì nó chắn tầm nhìn của họ hoặc họ lo ngại đến tiếng ồn Hầu hết các vấn đề trong vùng và

quan Ví dụ mức độ tiếng ồn xung quanh của hầu hết các tuabin gió ở khu dân cư là khoảng 52- 55 dB (tương tự tiếng nói thì thầm) Điều này có nghĩa là

âm thanh của tuabin gió có thể phát ra tiếng động nhỏ cho phép nếu cố gắng lắng nghe, kích cỡ quạt gió lắp đặt có đường kính từ 2,7m đến 8m

2.4 Công suất tuabin gió

- Công suất của tuabin gió mà bạn cần tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng của bạn Tuabin gió loại gia đình có công suất khoảng 1KW – 100Kw Tuabin nhỏ hơn hoặc vi tuabin (“micro tuabin”- 20 – 500W) được dùng cho các mục đính khác nhau như sạc pin cho xe hoặc đồ chơi

- Tuabin từ 1 – 10KW có thể được sử dụng cho các mục đích như bơm nước, sử dụng các thiết bị dân dụng cho gia đình Năng lượng gió được sử dụng hàng thế kỷ nay

để bơm nước và xay lúa Dùng cho nhu cầu sinh hoạt, bạn phải thống kê tổng công suất các thiết bị (tính theo KW) cần sử dụng để giúp bạn xác định được công suất tuabin mà bạn cần Bởi vì hiệu quả sử dụng năng lượng thì thường rẻ hơn là sản xuất năng lượng, trước tiên hãy làm cho căn nhà của bạn sử dụng năng lượng hiệu quả, chắc chắn chi phí sẽ hiệu quả hơn và sẽ giảm được công sất tuabin mà bạn cần

- Thông thường một ngôi nhà ở nông thôn sử dụng khoảng 400 KWh điện mỗi tháng Dựa trên tốc độ gió trung bình 6m/giây trong khu vực, công suất một tuabin gió trong khoảng 1-3 KW là có thể đáp ứng đủ nhu cầu này Việc thống kê có thể cung cấp cho bạn một tuabin có công suất dự kiến cho cả năm theo tốc độ gió trung bình hàng năm Mặt khác cũng cần phải xác định tốc độ gió tối đa mà tuabin được thiết kế để vận hành an toàn Hầu hết các tuabin đều có hệ thống kiểm soát quá tốc độ gió để rotor ngừng quay khi tốc độ gió quá cao Thông tin này cùng với tốc độ gió khu vực và dự kiến nhu cầu năng lượng của bạn, sẽ giúp bạn quyết định kích thước tuabin sẽ đáp ứng tốt nhất nhu cầu sử dụng năng lượng của bạn

Hình 2.3 Điện gió sinh thái

2.5 Các bộ phận cơ bản của một hệ thống điện gió quy mô nhỏ

Hệ thống điện gió gia đình thường bao gồm một rotor, một máy phát gắn vào

khung, một đuôi (thường có), một tháp, dây dẫn và hệ thống cân bằng bao gồm: thiết

bị điều khiển, máy đổi điện, và/hoặc ắc quy (pin) Nhờ các cánh quạt, rotor thu năng

lượng động lực của gió và chuyển vào trong cơ cấu truyền động để truyền động máy

phát

Chú thích:

Wind Generator : Tuabin gió Tower : Tháp đở quạt

Charge controller : Bộ điều khiểu sạc bình

phòng

AC breaker panel : Bảng điện xoay chiều

Bảng 3 Các bộ phận cơ bản của hệ thống điện gió

Hình 2.4 Mô hình hệ thống điện gió quy mô nhỏ

Hình 2.5 Mô hình máy tuabin phong điện

2.5.2 Tháp đở

- Vì tốc độ gió tăng ở trên cao, nên tuabin được gắn trên tháp cao giúp cho tuabin

sản xuất được nhiều điện Tháp cũng đưa tuabin lên cao trên các luồng xoáy không khí

có thể có gần mặt đất do các vật cản trở không khí như đồi núi, nhà, cây cối Một

nguyên tắc chung là lắp đặt một tuabin gió trên tháp với đáy của cánh rotor cách các

vật cản trở tối thiểu 9m, nằm trong phạm vi đường kính khoảng 90m của tháp Số tiền

đầu tư tương đối ít trong việc tăng chiều cao của tháp có thế đem lại lợi ích lớn trong

sản xuất điện Ví dụ, để tăng chiều cao tháp từ 18m lên 33m cho máy phát 10kW sẽ

tăng tổng chi phí cho hệ thống 10%, nhưng có thể tăng lượng điện sản xuất 29%

Tháp tự đứng Tháp giăng cáp

Hình 2.6 Tháp đặt tuabin

- Có 2 loại tháp cơ bản: loại tự đứng và loại giăng cáp Hầu hết hệ thống điện gió

cho hộ gia đình thường sử dụng loại giăng cáp Tháp loại giăng cáp có giá rẻ hơn, có

thể bao gồm các phần giàn khung, ống (ống lớn hoặc nhỏ tùy thiết kế) và cáp Các hệ

thống treo dễ lắp đặt hơn hệ thống tự đứng Tuy nhiên do bán kính treo phải bằng ½

hoặc ¾ chiều cao tháp, nên hệ thống treo cần đủ chỗ trống để lắp đặt Mặc dù loại tháp

có thể nghiêng xuống được có giá đắt hơn, nhưng chúng giúp cho khách hàng dễ bảo

trì trong trường hợp các tuabin nhẹ, thường là 5kW hoặc nhỏ hơn

- Hệ thống tháp có thể nghiêng xuống được cũng có thể hạ tháp xuống mặt đất khi

thời tiết xấu như bão Tháp nhôm dễ bị gãy và nên tránh sử dụng Hầu hết các nhà sản

xuất tuabin đều cung cấp gói hệ thống năng lượng gió bao gồm cả tháp

2.5.3 Bộ điều khiển sạc bình ắc quy

Bộ phận này có nhiệm vụ chính là nạp điện cho hệ thống bình ắc quy và kiễm soát

tình trạng quá tải khi hệ thống bình ắc quy đầy Nếu trường hợp quá tải xãy ra, bộ

điều khiển này tự động chuyển lượng điện năng thừa này sang bộ phận xả điện

2.5.4 Bộ phận xả điện

Bộ phận này có nhiệm vụ tiêu thụ lượng điện năng thừa từ bộ điều khiển sạc bình

ắc quy Nó thực chất là một thiết bị điện trở đốt nóng trong không khí hay đun sôi nước

2.5.8 Bộ chuyển đổi điện DC ra AC

Bộ phận này có nhiệm vụ chuyển đổi dòng điện 1 chiều từ hệ thống bình ắc quy sang điện xoay chiều dưới dạng sóng sin chuẩn thông thường như điện lưới 220V hay 110V tuỳ theo từng quốc gia Bộ chuyển đổi này phải có công suất phù hợp hệ thống tuabin gió tương ứng

2.5.9 Máy phát điện dự phòng

Máy này chỉ dùng phòng khi sức gió tại khu vực yếu hay không có trong thời gian dài, trong tình huống khí hậu xấu nhất Máy có thể dùng khí biogas, dầu diesel, xăng tuỳ theo cấu tạo

2.5.10 Bảng điện xoay chiều

Tất cả các thiết bị điện dân dụng đều kết nối vào hệ thống tuabin gió thông qua bảng điện xoay chiều này Trong bảng điện này bao gồm các cầu chì bảo vệ tự động nhằm bảo vệ hệ thống điện xoay chiều với bộ phận chuyển đổi điện DC ra AC

2.5.11 Hệ thống nối với mạng điện lưới

Ở hệ thống nối với mạng điện lưới, chỉ một thiết bị cần thêm đó là bộ biến điện làm cho công suất tuabin phù hợp với mạng điện Thông thường ắc quy không cần thiết đối với hệ thống này

2.6 Chi phí lắp đặt cho hệ thống điện gió

Giá lắp đặt tùy thuộc phần lớn vào quy định ở vùng lắp đặt, giấy phép và các chi phí cho các tiện ích đi kèm Một hệ thống tuabin gia đình được lắp đặt tại Mỹ có giá từ 3.000 – 50.000 USD, tùy thuộc vào kích thước, nhu cầu sử dụng, và các thỏa thuận dịch vụ với nhà sản xuất ( theo Hiệp hội năng lượng gió Mỹ cho rằng chi phí cho một

hệ thống gió cho căn hộ tiêu biểu (10 kW) khoảng 32.000 USD so với hệ thống năng lượng mặt trời có giá hơn 80.000 USD)

Nguyên tắc chung để dự kiến chi phí cho một tuabin sử dụng với mục đích sinh hoạt là 1.000 – 5.000 USD cho mỗi kW Năng lượng gió trở nên rẻ hơn khi kích thước của rotor tăng lên Mặc dù các tuabin gia đình chi phí đầu tư ban đầu thấp hơn, nhưng

nó sẽ đắt hơn tương ứng Chi phí lắp đặt hệ thống năng lượng gió sử dụng sinh hoạt với tháp cao 24m, ắc quy, và bộ biến điện khoảng từ 15.000 – 50.000USD cho một tuabin gió công suất từ 3-10kW

Mặc dù hệ thống năng lượng gió có chi phí đầu tư ban đầu đáng kể, nhưng hệ thống này có thể cạnh tranh với các nguồn năng lượng thông thường khi bạn giảm chi phí hoặc không phải trả chi phí sử dụng trong thời gian dài Thời gian hoàn vốn dựa trên hệ thống mà bạn chọn lựa, nguồn gió ở nơi bạn sử dụng, giá điện ở khu vực bạn ở

và cách bạn sử dụng hệ thống Ví dụ, nếu bạn sống ở California sẽ giảm 50% chi phí

sử dụng năng lượng điện do sử dụng hệ thống gió quy mô nhỏ, có thiết bị đo và tốc độ gió trung bình hàng năm 6,7m/giây, thời gian hoàn vốn của bạn là khoảng 6 năm

2.7 Năng lượng tuabin gió tạo ra

Hầu hết các nhà sản xuất Mỹ phân loại tuabin của họ bằng lượng điện mà tuabin

có thể sản xuất an toàn ở một tốc độ gió cụ thể, thường khoảng giữa 10m/giây và 16m/giây.Công thức sau cung cấp các nhân tố quan trọng đối với việc vận hành tuabin gió Lưu ý rằng tốc độ gió, V, có một lũy thừa 3 Điều này có nghĩa khi tăng tốc độ gió rất ít sẽ làm tăng công suất tuabin rất nhiều Điều đó giải thích tại sao tháp cao hơn sẽ tăng hiệu quả của tuabin do tăng tốc độ gió (điều đó được thể hiện trong sơ đồ độ cao

và tăng tốc độ gió) Công thức để tính công suất tuabin gió là:

Công suất (P)=

Trong đó:

Hình 2.7 Biểu đồ phân mức năng lượng điện theo tốc độ gió

Diện tích quét của rotor A, quan trọng vì rotor là phần tuabin hứng năng lượng gió Vì vậy rotor càng lớn, năng lượng gió càng được hứng nhiều Mật độ không khí ρ thay đổi ít khi nhiệt độ thay đổi và độ cao Phân loại tuabin gió dựa trên điều kiện tiêu chuẩn 15°C ở cao độ mặt biển Điều chỉnh mật độ bằng cách tăng độ cao như đề cập ở phần thay đổi mật độ cao độ Thay đổi nhiệt độ ảnh hưởng đến tuổi thọ hoạt động của tuabin

- Mặc dù tính toán công suất gió minh họa cho tầm quan trọng của tuabin gió, thông số quan trọng nhất của sự vận hành của tuabin gió là sản lượng điện hàng năm

Sự khác nhau giữa điện lượng và công suất điện, điện lượng được đo bằng kWh là lượng điện tiêu thụ; công suất điện đo bằng kW là công suất điện tiêu thụ Lượng điện tiêu thụ hàng năm kWh/năm là cách tốt nhất để xác định cụ thể tuabin và tháp sẽ sản

- Một nhà sản xuất tuabin có thể hỗ trợ bạn tính lượng điện sản xuất mà bạn cần

Họ sẽ sử dụng cách tính toán dựa trên đường cong năng lượng tuabin gió riêng để tính toán, tốc độ gió hàng năm ở khu vực bạn, chiều cao của tháp mà bạn có kế hoạch sử dụng và mức độ liên tục của gió – dự tính lượng gió mỗi giờ Họ cũng phải điều chỉnh tính toán này theo cao độ của khu vực bạn Liên lạc với nhà sản xuất tuabin gió hoặc nhà bán lẻ nếu cần sự hỗ trợ tính toán

- Để có ước lượng sơ bộ về vận hành của tuabin gió riêng biệt, sử dụng công thức dưới đây:

Trong đó:

= Lượng điện tiêu thụ hàng năm (kWh/năm)

D = đường kính rotor (m)

V = vận tốc gió trung bình hàng năm (mph)

2.8 Cường độ gió ở mỗi khu vực

- Cường độ gió thổi và độ liên tục có đủ để hệ thống tuabin gió hoạt động hiệu quả không? Đó là câu hỏi chính và không luôn luôn dễ dàng trả lời Nguồn gió có thể thay đổi đáng kể trong một khu vực chỉ trong một vài dặm vì ảnh hưởng của địa hình lên lưu lượng gió Bây giờ, có các bước để bạn có thể trả lời câu hỏi trên

-Tốc độ gió trung bình cao nhất thường là dọc theo bờ biển, trên đỉnh núi, tuy nhiên nhiều vùng có nguồn gió mạnh đủ để hệ thống tuabin gió quy mô nhỏ hoạt động hiệu quả

- Một cách khác đo trực tiếp tốc độ gió nhờ máy đo tốc độ gió liên tục tại khu vực cần đặt tháp tối thiểu từ 1 -2 tháng để thu thập các số liệu về gió như tốc độ cao, thấp, trung bình hàng tháng, ngày, giờ để có quyết định đúng đắn về việc có nên đầu tư hệ thống gió một cách kinh tế

- Hệ thống đo gió các loại có giá khoảng 200–500 USD Chí phí này có thể lớn hoặc không lớn dựa trên tính chính xác của hệ thống tuabin được đề nghị lắp đặt Thiết

bị đo phải được lắp đặt ở độ cao đủ để tránh luồng xoáy tạo ra bởi cây cối, cao ốc và các chướng ngại khác Tốt nhất là nên để ở trên cao, cao độ bằng đỉnh tháp sẽ lắp đặt

hệ thống tuabin gió Nếu có một hệ thống tuabin gió quy mô nhỏ ở khu vực của bạn, bạn có thể có thông tin về điện lượng hàng năm của hệ thống và códữ liệu về tốc độ gió

2.9 Chọn lựa nơi lắp đặt tối ưu cho tuabin gió

Bạn có thể có các nguồn gió khác nhau trong cùng một khu đất Hơn nữa để đo hoặc tìm ra tốc độ gió hằng năm, bạn cần biết về hướng gió chính của khu vực bạn

Nếu bạn sống ở khu vực có địa hình phức tạp, phải cẩn thận khi chọn nơi lắp đặt Ví

dụ, nếu bạn lắp đặt tuabin gió ở trên đỉnh hoặc phía bên có gió của quả đồi, bạn sẽ có nhiều gió thường xuyên hơn so với bạn lắp đặt ở chân đồi hoặc ở phía bên chắn gió của quả đồi trong cùng một khu đất Ngoài vấn đề kiến tạo địa chất, bạn cần xem xét các vật cản trở hiện hữu như cây cối, nhà cửa, bạn cần có kế hoạch cho các vật cản trong tương lai như các tòa nhà và cây cối mới mà nó chưa phát triển hết độ cao Tuabin của bạn cần lắp đặt phía bên chiều chó gió của tòa nhà hoặc cây nối và cần cao hơn vật cản 90m, nằm trong khoảng 90m Bạn cũng cần có đủ khoảng trống để nâng lên và hạ tuabin xuống để bảo trì, và nếu tháp của bạn là loại giăng cáp, bạn cần có khoảng trống cho dây giăng

Hình 2.8 Minh họa điều kiện lắp đặt

Ghi chú :

Obstruction of the Wind by a Building or Tree of Height : Chiều cao vật cãn như nhà cửa, cây cối

Region of highly turbulent flow : Vùng ảnh hưởng gió cuộn nhiều nhất

Hệ thống cấp điện của bạn là độc lập hay nối với mạng điện, bạn cũng cần phải cân nhắc chiều dài dây dẫn nối tuabin và tải (nhà, ắc quy, bơm nước…) Một lượng điện đáng kể có thể bị hao hụt do điện trở dây dẫn – dây càng dài, hao hụt càng lớn Sử dụng nhiều dây và dây lớn hơn sẽ tăng chi phí lắp đặt Tổn hao đường dây lớn hơn khi

bạn dùng dòng DC thay vì dùng dòng xoay chiều AC Do đó, nếu bạn chạy dây dài, thì cần chuyển từ dòng DC sang AC

CHƯƠNG III

TÍNH TOÁN KHÍ ĐỘNG HỌC & THIẾT KẾ CÁNH

3.1 Tính toán khí động học tuabin gió trục ngang

3.1.1 Khái niệm hoạt động thực của rotor

Rotor là yếu tố đầu tiên trong chuỗi các yếu tố chức năng của một tuabin gió Đặc tính khí động học và năng lượng của nó có một ảnh hưởng quyết định đến toàn bộ hệ thống trong nhiều khía cạnh Khả năng của rotor làm chuyển đổi một tỷ lệ tối đa năng lượng gió chảy qua khu vực quét của nó thành năng lượng cơ học rõ ràng ,là kết quả trực tiếp của các đặc tính khí động học rotor

Xét 1 tubin gió đặt trong dòng chảy của không khí như hình vẽ:

Hình 3.1 Tuabin đặt trong dòng chảy không khí

Dòng không khí được chia làm hai phần,phần tương tác với tuabin khí và phần không tương tác với tuabin khí, được phân cách bởi 1 lớp biên như hình vẽ.Ta xét đến dòng chảy của không khí khi đi qua rotor:

 Có sự trao đổi năng lượng dòng khí và tuabin nên dòng chảy phía sau tubin có

sự mất động năng làm vận tốc giảm xuống

 Dòng khí không chịu nén nên dòng khí chảy phía sau rotor có xu hướng giãn ra cho khớp với chuyển động dòng khí

 Cánh quạt rotor giống như 1 vật cản vì vậy dòng không khí phía trước rotor sẽ chảy chậm dần và giãn ra Điều này có nghĩa là áp suất dòng chảy trước rotor sẽ tăng dần lên

 Do dòng chảy là liên tục mà phía trước và phía sau rotor có sự trao đổi năng lượng.Vì vậy phía trước và phía sau rotor có 1 bước nhảy về áp suất

 Sau bước nhảy, áp suất thấp phía sau rotor sẽ tăng dần lên cân bằng với môi trường xung quanh.Khi đó vận tốc dong chảy tiếp tục giảm xuống

Từ những nhận xét trên cho thấy rằng: ở xa vô cùng,dòng chảy qua tuabin khí chỉ

có sự thay đổi về vận tốc

Hình 3.2 Sơ đồ hóa biến đổi dòng không khí

Đây là sơ đồ miêu tả các biến đổi của dòng khí khi đi qua đĩa rotor.Với các thông

số ∞,d, w lần lượt đặc trưng cho dòng chảy ở xa vô cùng phía trước rotor, tại rotor, và

xa vô cùng ở phía sau rotor

Xét định luật bảo toàn khối lượng cho dòng chảy qua rotor tại 3 tiết diện ở xa vô

cùng phía trước, ngay tại rotor, và ở xa vô cùng phía sau rotor:

= = Đặt

(3.1) Thay vào biểu thức trên ta được :

Ta thấy rằng với rotor có diện tích thì tương ứng với phần diện tích :

của dòng không khí là trao đổi năng lượng với rotor Hệ số a được gọi là

hệ số thu hẹp của dòng chảy Đây là một hệ số đặc trưng cho sự trao đổi năng lượng giữa dòng không khí là rotor

3.1.2 Thuyết động lượng và hệ số công xuất của rotor

Do mặt trước và mặt sau của rotor có bước nhảy về áp xuất nên xuất hiện lực và lực này là nguyên nhân thay đổi động lượng của dòng khí qua rotor

= ( - ) (3.2)

Phương trình Becnuli cho dòng chảy ta có :

Áp dụng cho dòng chảy trước đĩa

(3.3) Tương tự như vậy cho dòng chảy sau đĩa

(3.7)

Hệ số công suất của rotor là tỷ số giữa công truyền cho rotor và động năng dòng khí đi qua diện tích quét của rotor trong một đơn vị thời gian :

Thay vào trên ta có : (3.8)

3.1.3 Số Betz giới hạn

Đạo hàm biểu thức (3.8) theo a có :

Bảng 4 Biểu đồ biểu diễn hiệu suất Rotor

Ta thấy rằng:

tức là hiệu suất của rotor đạt max Đây cũng chính là nội dung định luật Betz được nhà vật lý người Đức Albert Betz tìm ra vào năm 1926 Với mọi loại tuabin thì đều không thể đạt được hệ số công suất lớn nhất này Không phải sự giới hạn khi thiết kế

mà dòng chảy của không khí vào tuabin bị thu hẹp đi so với dòng chảy tự do qua bề mặt rotor

Và điều này đã được chứng minh trong thực tế Các tuabin gió hiện đại ngày nay đều

(3.9) Căn cứ vào biểu thức (3.8) và (3.9) ta có đồ thị biến thiên hệ số công suất và hệ số lực đẩy theo hệ số a :

Hình 3.3 Đồ thị biến thiên hệ số công suất và hệ số lực đẩy

3.1.4 Lý thuyết đĩa rotor

Tương tác vật lý bao giờ cũng có 2 chiều Dòng khí tác dụng lên cánh quạt rotor thì rotor cánh quạt cũng tác dụng lại dòng khí Dưới đây trình bày cụ thể tương tác giưa dòng khí và cánh quạt rotor

3.1.5 Vết quay

Dòng khí tác dụng lên rotor 1 mômen quay và rotor cũng tác dụng lên dòng khí 1 mômen trực đối Và kết quả là mômen này làm cho dòng khí quay theo hướng ngược với rotor Dòng khí tăng động lượng góc và vì thế phía sau rotor dòng khí có thêm 1 vận tốc thành phần ngược với vận tốc quay của rotor

Hình 3.4 Vết quay rotor

Sự xuất hiện thành phần vận tốc tiếp tuyến sẽ làm cho động năng dòng khí tăng và làm giảm 1 phần áp năng của dòng khí Dòng khí vào đĩa rotor không có thành phần vận tốc tiếp tuyến, xong dòng khí ra khỏi đĩa có thành phần vận tốc tiếp tuyến Sự tăng vận tốc tiếp tuyến sảy ra trên suốt bề dày của đĩa mỏng và được đặc trưng bởi hệ số dòng chảy tiếp tuyến Dòng không khí ở mặt trước của đĩa rotor có vận tốc tiếp

tuyến là 0 Ngay ở mặt sau của đĩa vận tốc tiếp tuyến của đĩa là Với r là khoảng cách tới trục quay của đĩa rotor là vận tốc quay của đĩa rotor

Hình 3.5 Chuyển động phân tố cánh tại mặt cắt ngang

3.2 Xây dựng đặc tính khí động cánh quạt rotor & thiết kế cánh quạt

3.2.1 Profin cánh

Cánh quạt tuabin gió được sử dụng là các profin NACA Dòng NACA hiện tại đang được nghiên cứu NACA 5 số hoặc 6 số Với xu hướng tìm hiểu tính khí động của profin với góc tấn lớn ( có thể lên đến 80 độ)

Trong phần này ta xây dựng cánh quạt rotor sử dụng profin NACA 63415 Có các đặc tính sau đây :

 Chữ số đầu tiên nhân với 0.15 cho ta hệ số lực nâng thiết kế

 2 chữ số tiếp theo chia cho 2 cho ta (phần trăm theo dây cung C) khoảng cách từ

độ dày lớn nhất đến đầu mũi cánh

 2 chữ số cuối cho biết phần trăm độ dày lớn nhất của cánh theo dây cung

 F độ cong tối đa hoặc tỷ lệ độ vồng (f / c) tính theo phần trăm tối đa hay độ cong trên đường trung bình

 Vị trí của độ cong tối đa x f

 Độ dày cánh tối đa d , đường kính lớn nhất của cánh

 Bán kính mũi rn

Đây là dòng NACA 5 số có hệ số lực cản là nhỏ và chỉ số tương đối lớn (67 110)

Hình 3.6 Profin cánh số hiệu NACA 63415

Để phục vụ cho tính toán, ta tính gần đúng sự phụ thuộc theo góc tấn :

(3.10) Với tính theo radial và biến thiên trong khoảng từ , ứng với

3.2.2 Chiều dài dây cung cánh

Xuất phát từ biểu thức (3.17) liên quan tới mômen quay của rotor Để tiện cho tính toán, giả sử , khi đó :