Nghiên cứu lựa chọn công nghệ và thiết bị để khai thác và sử dụng các loại năng lượng tái tạo trong chế biến nông lâm thủy sản, sinh hoạt và bảo vệ môi trường nông thôn

Với những vùng nông thôn xa xôi hẻo lánh, những vùng miền núi hải đảo nơi có tiềm năng về năng lượng gió thì việc sử dụng các động cơ gió phát điện và bơm nước phục vụ cho sản xuất và đờ

VIỆN KHOA HỌC THỦY LỘI

BÁO CÁO TỔNG KẾT CHUYÊN ĐE

NẢNG LƯỢNG GIÓ

THUỘC ĐỀ TẢI KC 07.04:

“NGHIÊN cúư, LựA CHỌN CÔNG NGHỆ VÀ THIÊT BỊ ĐẺ KHAI THÁC VÀ

SỬDỤNG CÁC LOẠI NĂNG LƯỢNG TAI TẠO TRONG CHẾ BIẾN NÔNG,LÂM, THỦY SẢN, SINH HOẠT NÔNG THÔN VÀ BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG”

Chủ nhiệm đề tài: KS DƯƠNG THỊ THANH LƯƠNG

5817-13

16/5/2006

HÀ NỘI - 5/2006

Trường Đại Học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh Trung tâm Nghiên cứu Thiết bị nhiệt và Năng lượng mới

BÁO CÁO KHKT ĐỀ TÀI KC - 07 - 04

“Nghiên cứu lựa chọn công nghệ và thiết bị để khai thác và sử dụng các loại năng lượng tái tạo trong chế biến nông - lâm - thủy

sản, sinh hoạt và bảo vệ môi trường nông thôn”

PHẦN NĂNG LƯỢNG GIÓ

Tp.HCM 12/2003

h tt f ' - d u v ■

LỜI MỞ ĐẦU

Việt Nam là một nước nông nghiệp với hơn 80% dân sô" đang sống và

làm việc tại nông thôn Trong đó khoảng 47% sông ở các đồng bằng sông

Hồng và sông cửu Long với tiềm năng đâ"t đai, tài nguyên khoáng sản, rừng

biển to lớn Do đó nông thôn luôn luôn đóng vai trò quan trọng trong sự nghiệp

phát triển kinh tế - xã hội của đất nước Để thúc đẩy sự phát triển của các

ngành kinh tế, nâng cao dân trí, giảm tỷ lệ gia tăng dân sô" Nhà nước đã có

nhiều chính sách về xây dựng và phát triển nông thôn - Một trong các chính

sách lớn đó là chương trình điện khí hóa nông thôn và chương trình KHCN

KC - 07 “ Công nghiệp hóa và hiện đại hóa nông thôn ” Theo dự báo

về nhu cầu tiêu thụ điện ở nông thôn đến năm 2010 (trong tổng sơ đồ phát

triển điện lực Việt Nam giai đoạn IV) đã dự kiến về cơ bản công cuộc điện khí

hoá nông thôn sẽ hoàn thành vào năm 2010 với khoảng 70% sô" hộ nông thôn

được sử dụng lưới điện quốc gia

Ngày 12/02/1999 Chính phủ đã ra quyết định sô" 22/1999 QĐTT phê

duyệt đề án điện nông thôn đến năm 2000 với nguyên tắc chỉ đạo “ Việc đưa

điện về nông thôn phải kết hợp giữa phát triển điện quốc gia và điện tại chỗ

như: thủy điện nhỏ, điện gió, điện mặt trời, hầm khí biogas Trên cơ sở phân

tích tôi ưu các chỉ thị và các yếu tô" khác liên quan ”

Với những vùng nông thôn xa xôi hẻo lánh, những vùng miền núi hải

đảo nơi có tiềm năng về năng lượng gió thì việc sử dụng các động cơ gió phát

điện và bơm nước phục vụ cho sản xuất và đời sông là giải pháp tôi ưu Tuy

http://www.ebook.edu.vn

nhiên vấn đề đặt ra là: làm thế nào để sử dụng một cách có hiệu quả nguồn

năng lượng vô tận này?

Đề tài nhánh phần Năng lượng Gió thuộc “Đề tài KC - 07 - 04” đã

được thực hiện với mục tiêu : Xác định các giải pháp công nghệ và chế tạo

các loại thiết bị Động cơ gió nhằm đáp ứng nhu cầu thị trường trong nước

để khai thác và sử dụng có hiệu quả nguồn năng lượng gió phục vụ sản xuất

và sinh hoạt cho các vùng nông thôn Việt Nam.

Với mục tiêu này, đề tài nhánh phần “Năng lượng Gió” đã tiến hành

việc phân tích một cách có hệ thông các yếu tô" về tiềm năng gió, về nhu cầu

năng lượng phục vụ sản xuất và đời sông của các vùng nông thôn Việt Nam

cũng như trình độ công nghệ để tìm ra các vân đề tồn tại trong thiết kế và công

nghệ chế tạo nhằm đưa ra những mẫu thiết bị thích hợp có khả năng ứng dụng

trong thực tế sản xuất và đời sông

Để nâng cao chất lượng công việc trong nghiên cứu, thiết kế đề tài đã

tập hợp được một đội ngũ chuyên gia liên ngành như: điện - điện tử, công

nghệ thông tin, công nghệ tự động hoá, công nghệ chế tạo máy và vật liệu

mới

Trong quá trình nghiên cứu đề tài cũng tập trung nghiên cứu kỹ các tài

liệu trong và ngoài nước, tiến hành lựa chọn một cách có chọn lọc những mẫu

nghiên cứu phù hợp với điều kiện công nghệ và chế độ gió Việt Nam

Nội dung nghiên cứu và các công việc chính của đề tài:

1 Nghiên cứu các tài liệu kỹ thuật, phân tích mẫu mã của nước ngoài về

động cơ gió phát điện và bơm nước để thực hiện việc nghiên cứu mẫu

2 Nghiên cứu lý thuyết, tính toán thiết kế các câu thành cơ bản của động

cơ gió phát điện vận tốc chậm, động cơ gió phát điện quay nhanh, động

http://www.ebook.edu.vn

xe gió, cơ cấu định hướng

3 Nghiên cứu các giải pháp khoa học công nghệ

4 Chế tạo lắp đặt thử nghiệm 04 hệ thông động cơ gió phát điện và bơm

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KC 07 - 04 - PHAN NĂNG LƯỢNG GIÓ

Chương1

NĂNG LƠựNG GIÓ TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

§ 1 -1 Ngoài nước

Kể từ cuộc khủng hoảng dầu lửa đầu thập niên 70, nhiều nước trên thế

giới đã điều chỉnh chính sách năng lượng hướng về các nguồn năng lượng mới

và năng lượng tái tạo Trong đó ở một sô" nước thì năng lượng gió được đánh

gía như một nguồn năng lượng có thể đóng góp một phần đáng kể trong cân

bằng năng lượng quốc gia

1.1.1 Sự phát triển của các đông cơ giỏ công suất lởn hoà mang lưới

điên quô'c gia:

• Tổng công suất lắp đặt và sô" lượng động cơ gió được lắp đặt

trên thế giới:

Từ năm 1991 trở về trước, Mỹ luôn là quốc gia dẫn đầu về tổngcông suất lắp đặt các tuabin gió, riêng ở bang Caliíornia (1991) sô" lượng

các tuabin gió được lắp đặt là 16387 cái và tổng công suất là 1679 MW

Nhưng cho đến nay, Châu Ẩu đã vượt qua Mỹ về công suất lắp đặt và

đang có xu hướng phát triển mạnh mẽ

Hiệp hội Năng lượng Gió Hoa Kỳ (AWEA) dự định tới năm 2007

sẽ lắp đặt trên 4.000 MW Còn mục tiêu của Hiệp Hội Năng lượng Gió

Châu Âu đến năm 2030, tổng công suâ"t lắp đặt các tuabin gió lên đến

đến ngày 18/07/2001 tổng công suâ"t lắp đặt trên toàn thê" giới là 18.6100

MW Riêng Châu Âu là 13.664 MW Dưới đây là bảng thông kê công

suất lắp đặt động cơ gió của các nước trên thê" giới tính đến ngày

18/07/2001

http://www.ebook.edu.vn

diễn trên hình 1

http://www.ebook.edu.vn

1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

Abb 1: Entwicklung der Windenergienutzung in Europa und weltweit [1]

Fig 1: Development of the v/ind energy use in Europe and world-wide [1]

Như đã thấy trên hình (1) sự tăng trưởng của việc lắp đặt cáctuabin gió từ 1998 là dấu hiệu cho thấy ngày càng nhiều hơn các nước

quan tâm và đang phát triển việc sử dụng năng lượng gió

Kết luận này hoàn toàn được củng cô' bằng dự đoán về sự pháttriển năng lượng gió cho đến năm 2007 Theo dự đoán này , năng lượng

được sản xuất từ các tuabin gió có triển vọng tăng từ 32.037MW đến

hơn 83.000MW trên toàn thế giới đến năm 2007 [2]

Riêng ở Châu Âu, tới năm 2007, công suất được lắp đặt có triểnvọng tăng đến 58.000MW Điều này có nghĩa là sự phát triển năng

lượng gió hàng năm trên thế giới sẽ là 6.960MW/năm Theo dự tính

trên, Châu Âu sẽ chiếm 68% tổng công suất lắp đặt trên toàn cầu

Cũng trên hình 1 ta có thể thấy: công suất lắp đặt tích lũy từ WTs(tuabin gió) ở Châu Ẩu là 23.832MW vào cuối năm 2002 và trên toàn

thế giới là 32.037MW Như vậy cho thấy hiện nay Châu Âu nắm giữ 1

vai trò chủ chốt trong ngành công nghiệp năng lượng gió

http://www.ebook.edu.vn

36000 31500 27000 22500 18000 13500 9000 4500

0

Kum uliert

e instal lierte Leist ung, MW

Accu mulat

ed Install

ed Capa city, MW

Total Installation End

Tab 1: Windenergienutzung weltweit (Stand 31 12.2002) und Prognosen bis 2007 [1]

Tab 1: Wind energy use worldwide (Status 31.12.2002) and prognosis until 2007 [1]

http://www.ebook.edu.vn

ở Châu Mỹ, công suất lắp đặt các WTs đã giảm đi:

Năm 2000 : 180MW Năm 2001 : 1.745MW Năm 2002 : 495MW

Ở Châu Á cũng vậy, công suất lắp đặtgiảm đi 17%, năm 2001(511MW) xuống 424MW năm 2002 Ở những Châu Lục khác, công suấtlắp đặt mới tăng từ 42MW (2001) tới 147MW (2002) Ba nước ở ChâuẨu: Đức, Tây Ban Nha, Đan Mạch vẫn là những nước hàng đầu trongviệc lắp đặt WTs Trong tổng sô" 6.163MW lắp đặt ở Châu Âu năm 2002

có 5270MW được lắp đặt ở 3 nước này Hiện nay các công ty sản xuâ"ttuabin gió lớn nhất trên thế giới phần lớn thuộc về Châu Âu

Abb 3: Anteile der Anbieter von WEA auí dem VVeltmarkt bézogen auf die installierte Leistung der im Jahr 2002 verkauíten WEA

Fig 3: Shares of the suppliers of WTGS at the world market v/ith respect to the installed capacity oi WTGS sold in 2002.

http://www.ebook.edu.vn

Ecotècnia (ES) Others

11,5%

Abb 4: Anteil der VVindenergie nach Kontinenten in %

Fíg 4: Wind energy use by continents in %

• Sự phát triển về công nghệ sản xuất tuabin gió [2]:

Bắt đầu từ những năm 1970, những cơ quan hàng không lớn trên thế giới

ngay từ đầu đã thử thiết kế những tuabin gió vài MW mà không đi theo con

đường mòn là nâng đường kính bánh xe gió lên từ từ và họ đã phạm phải sai

lầm khi nghĩ với trình độ công nghệ cao của họ sẽ thích hợp cho việc thiết kế

các động cơ gió

Trong khi đó những người “tiên phong” trong lĩnh vực năng lượng gió

của thế giới đã đi bằng con đường khác :

Do thiếu trình độ công nghệ cao và đội ngũ kỹ sư quan trọng họ đã bắt

đầu bằng việc nghiên cứu những động cơ gió công suất nhỏ mà cũng đã đầy

khó khăn Công nghệ bắt đầu là công nghệ mượn : dạng khí động từ sổ tay cũ

của NASA, cánh được thiết kế như cánh máy bay, thông sô" vật liệu từ cơ sở

của hàng không, hộp sô", máy phát, hệ thông định hướng từ những động cơ gió

bơm nước cũ

Với việc hoàn thiện, cải tiến và nâng kích thước (công suất) một cách từ

từ Con đường bắt đầu của đội “tiên phong” với việc mượn công nghệ đã được

chứng minh một cách thành công trong thực tê"

Từ những năm 1980, các hãng sản xuâ"t động cơ gió trên thê" giới mới chỉ

sản xuất được các động cơ gió có đường kính bánh xe gió là 20m (100kW), sau

đó phát triển lên đến 40m (500kW) - Đến đầu những năm 1990 mới bắt đầu

http://www.ebook.edu.vn

xuất hiện khoảng 14 động cơ gió với đường kính 50m (750kW) đến 80m (3.000

kW) - Tuy nhiên những mẫu này chỉ mang tính thử nghiệm

Sau hơn 25 năm phát triển công nghệ tuabin gió, cho đến nay các hãng

sản xuất của Đan Mạch, Đức, Mỹ, Hà Lan, Tây Ban Nha đã đưa ra thị trường

thương mại các loại động cơ gió tiêu chuẩn với công suất từ 500 -r 1.500 kw

Các hãng sản xuất đã chế tạo các động cơ gió ngày càng lổn hơn và giá

thành 1 kWh ngày càng rẻ đi Hiện Hà Lan đang thử nghiệm những mẫu động

cơ gió từ 3 -i-4 MW, hãng ENERON (Đức) sẽ cho ra đời loại động cơ gió 5MW

trong khoảng 1 vài năm tới Với sự phát triển của nền công nghiệp sản xuất

động cơ gió hiện nay, việc lắp đặt các động cơ gió ngoài biển đã mở ra một

triển vọng lớn cho các quốc gia có tiềm năng gió ngoài khơi nhưng diện tích

đất liền bị hạn chế như Hà Lan, Đan Mạch

Nếu trên đất liền nhà máy điện gió công suất vài chục MW được cho là

lớn thì đối với ngoài khơi nó là mức tối thiểu để đạt được hiệu quả Với công

trình trên đất liền : thiết bị chiếm 75% kinh phí, còn ở ngoài khơi thiết bị chỉ

chiếm 40% vốn đầu tư; chi phí lớn nhất dành cho nền móng và nối với lưới

điện - Hơn nữa, khai thác và bảo trì cũng tốn kém hơn Tuy nhiên, với cùng

công suất lắp đặt, sản lượng điện phát ra trên biển khơi sẽ lớn hơn nhiều so với

việc lắp đặt trên đất liền

Trong 40 năm tới, nếu chương trình được thực hiện, người Đan Mạch có

thể tự hào là những người đầu tiên trên thế giới đã sản xuất Vi sản lượng điện

từ biển cả

Với một nguồn than quá ô nhiễm, với một ý thức mạnh mẽ đối với vấn

đề môi trường, một tiềm năng về phong điện trên bờ bị hạn chế nhưng cực lớn

trên biển và một nền công nghệ về quạt gió có kỹ năng tốt nhất trên thế giới,

những điều kiện này đã hội tụ cho Đan Mạch là quốc gia đứng đầu trong lĩnh

vực phong điện ngoài biển khơi

Năm 1991, Đan Mạch đã lắp 11 động cơ gió của hãng BONUS (Đan

Mạch) với công suất 450 kW/ cái tại bờ biển phía nam Zeeland (chi phí cao hơn

lắp đặt trên đất liền 85%)

http://www.ebook.edu.vn

Tháng 10/1995, nhà máy thứ 2 của Đan Mạch trên biển khơi(TUNOKNOB) bắt đầu vận hành với 10 động cơ gió công suất 500 kw/cái của

hãng VESTAS (Đan Mạch) Theo Bộ trưởng Môi trường Đan Mạch đã thông

báo: đến năm 2005 Đan Mạch sẽ xây dựng 5 nhà máy phong điện “trên mặt

biển” với tổng công suất là 750 MW, đến năm 2015 công suất lắp đặt trên biển

sẽ đạt 2.300 MW ở 5 vị trí trên và đến năm 2030 sẽ đạt 4.000MW hoặc có thể

lớn hơn con sô" nêu trên từ 1.000 -r 2.000 MW

Tại hội nghị Kyoto về việc kiểm soát các loại khí thải lồng kính, Đan

Mạch đã cam kết mức khí C02 thải ra không gian vào năm 2005 sẽ giảm 20%

so với mức năm 1998 dựa trên việc khai thác tiềm năng gió ngoài khơi nhằm

thay thế các nhà máy nhiệt điện đốt than

1.1.2 sư phát triển các đông cơ giỗ công suất nhỏ :

Mặc dù các nước công nghiệp tiên tiến tập trung phát triển các động cơ

gió công suâ"t lớn hòa mạng điện quốc gia nhưng bên cạnh đó kỹ thuật công

nghệ sản xuất động cơ gió nhỏ vẫn được chú trọng nhằm phục vụ cho các vùng

xa xôi, hẻo lánh đặc biệt là trợ giúp về kỹ thuật và công nghệ cho các nước

đang phát triển

Trong khu vực Châu Á, Trung Quốc là một điển hình về việc phát triển

các động cơ gió phát điện công suất nhỏ Trong kế hoạch 5 năm lần 5,6,7 (1981

- 1995) Trung Quốc đã đầu tư kinh phí lớn cho việc nghiên cứu và phát triển

hàng loạt các các động cơ gió công suất nhỏ Các chính quyền địa phương đã

có những biện pháp khuyến khích sản xuất chế tạo và hỗ trợ giá Phần lớn

những tuabin gió mini đang hoạt động ở Nội Mông được trợ cấp 20% kinh phí

Đến cuối năm 2000 đã có khoảng 180.000 động cơ gió phát điện được

lắp đặt ở Trung Quốc Trong sô" đó khoảng 80% ở Nội Mông Khả năng hàng

năm Trung Quô"c có thể sản xuất 20.000 cái Nếu tính về khả năng sản xuất và

sô" lượng những động cơ gió phát điện công suất nhỏ đã được lắp đặt thì Trung

Quốc hiện đang giữ vị trí hàng đầu trên thê" giới

Hiện Trung Quô"c có khoảng 10 nhà máy sản xuất động cơ gió Trong

đó, điển hình là nhà máy SLMW Khả năng sản xuất của nhà máy này là

10.000 động cơ gió trong 1 năm Các động cơ gió nhỏ này được bán cho không

chỉ 24 địa phương mà còn xuất khẩu sang 22 nước khác nhau như : Indonesia,

Thụy Điển Mông cổ, Đức và Thái Lan [3]

Năm 1988 nhà máy SAHMF đã hợp tác với Công ty SVIAB (Thụy Điển)

để nhập công nghệ chế tạo các động cơ gió 100W, 300W, 500W và 750W đáp

ứng được thị trường trong nước và xuất khẩu

Cho đến nay họ đã chế tạo được 30 chủng loại động cơ gió từ 50W đến

5kW Con đường phát triển của họ cũng bắt đầu từ những động cơ gió công

suất cực nhỏ 50W đến 100W Sau đó là việc hợp tác với các công ty nước

ngoài để nhập công nghệ tiến tiến nhằm nâng từ từ công suất động cơ gió lên

300W, 500W, 750W và tới 5 kW Trong số đo loại 100W, 300W va 500W là

loại được người tiêu dùng ưa chuông nhất

1.1.3 sư phát triển các đông cơ giỏ bơm nứđc trên thế giởi:

Động cơ gió bơm nước được chia thành 3 loại:

a / Thế hê đẩu tiên :

Các loại bơm gió cổ điển, loại nhiều cánh, động cơ gió của Mỹ,loại bơm gió cỡ nhỏ với hộp giảm tốc

• Ưu điểm : tỉ tốc đầu mút cánh thấp (Ằ-0 < 1), độ tin cậy

cao (hơn 20 năm), bảo dưỡng ít

• Khuyết điểm : trọng lượng lớn, giá thành đầu tư cao,

Hiện nay có khoảng 100 hãng sản xuất động cơ gió bơm nước trênthế giới Các hãng sản xuất ở các nước có truyền thông như Mỹ, Uc,

Nam Phi, Tây Ban Nha vẫn còn sản xuất các loại bơm gió thế hệ đầu

tiên (trước 1850) Trên thế giới có khoảng 20% động cơ gió bơm nước

được sản xuất tại các nước đang phát triển như Ân Độ, Trung Quốc,

Kênia, Nam Phi, Bắc Phi, Indonesia, Philippines, Srilanka, Achentina

Cho tới nay An Độ được đánh giá là một trong những quốc giađiển hình trong việc nghiên cứu, thử nghiệm và sản xuất kinh doanh

động cơ gío bơm nước Ngay từ những năm 1950 An Độ đã nhập khấu

160 động cơ gió Southerncross nhưng sau vài ba năm những động cơ gió

này đều bị bỏ rơi do thiếu đội ngũ chuyên môn được đào tạo và thiếu

các bộ phận thay thế - Động cơ gió hầu như bị lãng quên

Sau cuộc khủng hoảng dầu lửa năm 1973, Ấn Độ lại quan tâm trởlại với chương trình quốc gia về năng lượng gió bằng dự án thứ 6 (1980 -

1985) Kết quả của dự án này là hơn 1700 động cơ gió được lắp đặt, chủ

yếu là mẫu 12 - PU 500 của tổ chức CWD (Hà Lan) Rút kinh nghiệm từ

những động cơ gió này năm 1985 - 1990 ( dự án thứ 7) được soạn thảo

và thực hiện với việc tập trung kinh phí để giới thiệu những thiết kế mới,

hỗ trợ lắp đặt, bảo quản và sửa chữa thiết bị Việc sản xuất kinh doanh

động cơ gió bơm nước tăng nhanh vào cuối năm 1992 và đã lắp đặt được

3.500 cái

Dự án thứ 8 (1992 - 1997) nhằm thực hiện lắp đặt 5.000 động cơgió bơm nước vớ việc thương mại hóa trọn vẹn

Dự án thứ 9 (1997 - 2002) của""n Độ nhằm triển khai các mục tiêu

• Thực hiện việc nghiên cứu phát triển, cải tiến thiết kế và

tăng hiệu suất làm việc của động cơ gío bơm nước

• Thử nghiệm trên hiện trường và lập các mô hình trình diễn

• Củng cô" và phát triển các cơ sở sản xuất động cơ gió bơm

khẩu các thiết bị nước ngoài, cải tiến cho phù hợp và sản xuất trong

nước hoặc cộng tác với công ty nước ngoài để sản xuất trong nước

§ 1 - 2 Trong nước

Có thể nói Việt Nam khởi đầu việc nghiên cứu năng lượng gió không

muộn hơn nhiều quốc gia Châu Á khác Việc nghiên cứu năng lượng gió được

đề xuất 1972 tại Bộ Đại Học và đến năm 1974 đã thành lập nhóm nghiên cứu

đầu tiên về phong điện Việc nghiên cứu năng lượng gió ở nước ta có thể chia

thành những thời kì sau:

Năm 1975-1978:

Nhóm đề tài liên bộ (Bộ Đại Học - Bộ Giao Thông Vận Tải) động

cơ gió sạc bình accu công suất l,5kW với đường kính 5m và đã lắp đặt thử

nghiệm tại ty Bảo Đảm Hàng Hải - Hải Phòng, sau một vài năm thì ngừng

hoạt động

Năm 1976: Chi cục muôi Nam Hà cũng lắp đặt 20 động cơ gió bơm

nuớc với đường kính 3,6 m và sô" cánh là 6 để phục vụ việc sản xuất muôi

Sau vài ba năm những động cơ này cũng ngừng hoạt động do bị ăn mòn và

thiếu bảo trì sữa chữa

Năm 1978: Nhóm nghiên cứu Viện NCKH KT Điện - Bộ Điện Lực

cũng bắt tay vào nghiên cứu một sô" mẫu động cơ gió đơn giản như: động cơ

gió trục ngang cánh vải, động cơ gió savonius Hai mẫu này hiệu suất thấp,

kết câu cồng kềnh, năng suất bơm nhỏ, không có cơ câu an toàn nên không

đáp ứng được nhu cầu sử dụng Những động cơ gió này đã ngừng hoạt động

sau một thời gian thử nghiệm

Năm 1985-1990: Chương trình năng lượng mới đổi sang mã sô" 52C

và do Bộ Giáo Dục và Đào Tạo chủ trì

Trong thời gian này đã có thêm nhiều cơ quan tham gia nghiên cứu

về năng lượng gió như: Viện Kỹ Thuật Quân Sự (Bộ Quốc Phòng), Viện

Kỹ Thuật Giao Thông (Bộ Giao Thông Vận Tải), Trường Đại Học Cơ Điện,

Trường Đại Học Bách Khoa Tp HCM, Trung tâm Phát Thanh và Truyền

Hình Tp HCM, Xí nghiệp Cơ Khí 2-9 Tp HCM

Những cơ quan này đã nghiên cứu, thiết kế chế tạo và lắp đặt thửnghiệm một sô" mẫu động cơ gió phát điện công suất nhỏ và động cơ gió

bơm nước Tất cả những mẫu này chỉ mang tính chất thử nghiệm chứ chưa

triển khai được vào thực tê" ứng dụng

• Từ năm 1990 đến nay:

Trung tâm Nghiên Cứu Thiết Bị Nhiệt và Năng Lượng Mới là cơquan duy nhất chủ trì thực hiện các dự án, đề tài câ"p nhà nước về năng

lượng gió đã được đánh giá xuâ"t sắc

♦ Đề tài câ"p nhà nước: “Nghiên cứu thiết kê" chê" tạo động cơ gió

bơm nước cột áp cao” - 1991

♦ Đề tài câ"p nhà nước: “Động cơ gió phát điện vận tô"c chậm”

-1992 Được Hội Đồng Bộ Trưởng khen thưởng

♦ Dự án p cấp nhà nước: “Dây chuyền chê" tạo động cơ gió phát

điện công suất nhỏ sạc bình accu” - 1994

♦ Đề tài câ"p Bộ: “ Động cơ gió trục đứng kiểu Darrieus” - 1994

♦ Dự án p cấp nhà nước: “Động cơ gió trục đứng cánh

mềm”-1994- 1995

♦ Dự án hỗ trợ khoa học và công nghệ: “Xây dựng mô hình làngnăng lượng gió cho phường đảo Vĩnh Nguyên Nha Trang, lắp đặt

50 hệ thông động cơ gió phát điện PD 170-6”

♦ Đề tài khoa học câ"p thành phô": “Xây dựng mô hình làng nănglượng gió cho Ấp Thiềng Liềng Cán Gáo - Huyên cần Giờ, lắpđặt 50 hệ thông động cơ gió phát điện PD 170-6”

♦ Đề tài câ"p nhà nước: “Nghiên cứu khả năng khai thác và sử dụng

năng lượng gió ở khu vực miền núi và hải đảo phía Nam”

♦ Dự án của một sô" tổ chức phi chính phủ như Hội Hữu Nghị Thụy

Sĩ 7d Việt Nam và tổ chức ACCT đã hỗ trợ lắp đặt 200 hệ thống

động cơ gió phát điện PD 170-6 cho các tỉnh khu vực phía Nam

(1995 - 1996)

♦ Đề tài cấp Bộ: “Nghiên cứu khả năng ứng dụng Tổ Hợp Gió

-Diesel công suất 100kW”

♦ Đề tài cấp Bộ: “Nghiên cứu khả năng điện khí hoá các vùng quần

đảo hải đảo Việt Nam bằng Tổ Hợp Gió - Diesel”

♦ Tham gia đề tài cấp nhà nước: “Giải pháp cung cấp điện cho vùng

sâu, vùng xa của ĐBSCL”

Ngoài ra còn nhiều công trình dự án về năng lượng gió mà

RECTERE đã làm cho các tỉnh Nhìn lại khoảng thời gian qua ở Việt Nam, việc nghiên cứu nănglượng gió được tiến hành theo 3 xu hướng sau:

1 Xu hướng tiến ngay vào thiết kế chế tạo động cơ gió có kíchthước và công suất lớn (10kW) Xu hướng này đã bị thất bại ngaykhi đang lắp đặt dở dang (động cơ gió 10kW ở cần Giờ), hayđộng cơ gió tại Cà Ná, Minh Hải, Đà Nấng chỉ hoạt động trong

thời gian rất ngắn đã bị hỏng

2 Xu hướng sao chép nguyên mẫu mã nước ngoài hoặc nhập thẳng

thiết bị và chỉ cần ứng dụng Xu hướng này cũng đã được chứngminh trong thực tế là không đạt kết quả tốt

3 Xu hướng nghiên cứu phân tích các mẫu của nước ngoài, lắp đặtthử nghiệm để cải tiến hay để xuất mẫu mã cho phù hợp với công

nghệ Việt Nam, chế độ gió và nhu cầu sử dụng

Xu hướng thứ 3 đã được RECTERE kiên trì theo đuổi từ năm 1990đến nay và thu được một sô" kết quả đáng khích lệ nhưPD 170-6 chính là

được cải tiến từ mẫu KOALA của Ba Lan sau một thời gian lắp đặt thử

nghiệm và cải tiến hoàn thiện thiết kế và công nghệ

Cho đến nay, RECTERE đã lắp đặt được hơn 900 động cơ gió PD170-6 và hơn 100 động cơ gió trục đứng cánh mềm HL 250, HL 300, HL

350 tại hơn 40 tỉnh thành trong cả nước Con sô" này thực ra còn quá khiêm

tốn so với tiềm năng gió ở nhiều vùng nông thôn của nước ta

http://www.ebook.edu.vn

Ngoài ra , RECTERE đã hợp tác với một sô" Công ty của Mỹ, ĐanMạch để tiến hành nghiên cứu khả năng ứng dụng Tổ Hợp Gió - Diesel

công suất lớn với công nghệ nuớc ngoài phục vụ cho việc điện khí hoá các

vùng nông thôn quần hải đảo Việt Nam

RECTERE đã lắp đặt một sô" trạm đo gió ở độ cao 30m (ở Cà Ná,Mũi Né, Phú Quốc, Bạch Long Vỹ) để thu thập sô" liệu gió bằng máy đo gió

tự ghi nhằm tiến hành các nghiên cứu tiền khả thi cho các dự án lắp đặt

những động cơ gió lớn hòa mạng điện quốc gia (vùng ven biển nơi có lưới

điện quô"c gia) hoặc hòa mạng điện diesel (như ở Huyện đảo Bạch Long

Vỹ, Huyện đảo Phú Quô"c)

Nói chung cho đến nay, chúng ta mới đạt được một sô" kết quả nhất

định trong việc nghiên cứu triển khai các động cơ gió công suất nhỏ và

động cơ gió bơm nước Trong vân đề khai thác sử dụng năng lượng gió ở

quy mô công nghiệp điều quan trọng là phải tiến hành các nghiên cứu tiền

khả thi, tức là phải đo đạc tốc độ gió, hước gió, áp suất v.v trong vòng ít

nhất là 1 năm bằng máy đo gió tự ghi

http://www.ebook.edu.vn

Chương2LƯA CHỌN DỐI TƯƠNG NGHIÊN CƯU

§ 2 - 1 Cơ sở chon đối tương nghiên cứu, cách tiếp cân và thiết kế

nghiên cứu

Đôi tượng nghiên cứu của đề tài được lựa chọn xuất phát từ việc phân

tích nhu cầu sử dụng, trình độ công nghệ và chế độ gió ở các vùng nông thôn

Việt Nam

• Tiềm năng về Năng lương Gió ở Viêt Nam:

Nước ta với 3000km bờ biển và nằm trong khu vực gió mùa được đánh

giá là có khả năng sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng gió

Năng lượng gió được tính gần đúng bằng công thức :

E = 0,6V 3 .K

V- vận tốc gió trung bình

K- hệ sô" lưu lượng - Đó là tỷ lệ giữa năng lượng thực của gió với năng

lượngđược tính toán từ tốc độ gió trung bình

Trong thời gian vừa qua, Viện khí tượng thủy văn cũng đã hoàn thành

các bản đồ phân vùng gió đánh giá mật độ gió ở nhiều nơi trên đất nước (xem

phụ lục 1)

Trên quan điểm khai thác năng lượng gió thì các sô" liệu của khí tượng

thủy văn mới chỉ giúp chúng ta có một nhận định khái quát chung về trữ năng

và những hướng gió chính của từng khu vực Còn việc lựa chọn những địa điểm

cụ thể để việc lắp đặt động cơ gió một cách có hiệu quả và đặc biệt đôi với

những động cơ gió công suất lớn (vài trăm kW trở lên) thì phải tiến hành đo

đạc với những thiết bị đo gió tự ghi Các thiết bị này cho phép thu thập sô" liệu

gió 10 phút 1 lần

Các sô" liệu của các trạm khí tượng thủy văn được lấy theo các obf Mỗi

obf cách nhau từ 4-6 giờ Theo kết quả nghiên cứu của W.A.M Jasen {51 cho

thây khoảng thời gian lấy trung bình tô"c độ gió càng lớn thì giá trị của tổng

http://wwwiebook.edu.vn

năng lượng gió tính toán giảm đi Cũng theo kết quả nghiên cứu trong tài liệu

[4] thì tổng năng lượng tính toán với tập hợp tốc độ trung bình một giờ một và

ba giờ một so với tốc độ trung bình 10 phút 1 lần nhỏ hơn lần lượt là 5,3% và

10,6% Còn nếu tập hợp tốc độ gió 6 giờ 1 lần thì sẽ nhỏ hơn tới 14,8%

Sự chênh lệch này phụ thuộc vào mức độ dao động gió ở từng vùng, tốc

độ gió dao động càng nhiều thì độ chênh lệch càng lớn và ngược lại

Trong khi đó năng lượng gió được tạo ra tỷ lệ với lập phương của vận

tốc gió Ví dụ với cùng chế độ gió cấp 3 (v=3.4m/s - 5.4m/s) thì năng lượng gió

thu được ở 5m/s lớn hơn gấp 2 lần năng lượng gió thu được ở vận tốc gió 4m/s

với cùng một diện tích hứng gió

Bản đồ phân bô" tốc độ gió trung bình được xây dựng trên sô" liệu của 206

trạm khí tượng thủy văn toàn quốc., và cho một hình ảnh khái quát về tình hình

phân bô" tốc độ gió trên lãnh thổ Việt Nam như sau :

• Ngoài khơi gió thổi mạnh và giảm dần khi vào đất liền Tại các hải

đảo phía đông nước ta có tốc độ gió trung bình năm từ 6-8 m/s Ớ xa

bờ và gần bờ là 5-6 m/s Riêng các hải đảo phía Tây và Tây Nam chỉ

3-4 m/s

• Vùng duyên hải tiếp giáp với đồng bằng Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ từ

Diễn Châu đến cửa Tùng có tô"c độ gió trung bình năm trên 4 m/s

• Khu vực từ đèo Hải Vân đến Quảng Ngãi do khuât gió Tây Nam nên

tô"c độ gió trung bình của vùng này chỉ khoảng 1-2 m/s

Khi đánh giá tiềm năng gió cần lưu ý đến hệ sô" K (hệ sô" ảnh hưởng)

Giá trị K ở một sô" vùng đặc trưng như sau :

• Cao nguyên : K = 4 - 4,5

• Đồng bằng Bắc Bộ : K < 2,5

• Đồng bằng Nam Bộ : K = 3,5 - 4

Như vậy với cùng tốc độ gió trung bình thì năng lượng sinh ra ở đồng

bằng Nam Bộ lớn gâ"p 1,3-1,5 lần so với đồng bằng Bắc Bộ

Khu vực Tây Bắc và phần phía Bắc Trung Bộ có hệ sô" ảnh hưởng tương

đôi lớn K = 3-3,5 Đặc biệt ở vùng Tây Nguyên phần lớn đều có K = 4-4,5, đây

cũng là khu vực có hệ sô" K lớn nhất lãnh thổ nước ta Địa hình càng phức tạp

http://www.ebook.edu.vn

thì hệ sô" K càng lớn Đôi với Bắc Bộ, ở nửa miền đồng bằng nằm sâu trong đất

liền có mật độ năng lượng khoảng 300 - 500 kWh/m2, nửa miền về phía biển

có mật độ năng lượng khoảng 300 - 500 kWh/m2 và tăng nhanh 500 - 900

kWh/m2 từ miền duyên hải ra ven bờ

ở vùng đồng bằng Nam Bộ do địa hình bằng phẳng, sông nước kênh

rạch thoáng đãng và biển bao bọc 2 phía nên mật độ năng lượng gió khá lớn, từ

300 - 500 kWh/m2 và ở ven biển là 500 kWh/m2.Vùng núi thấp, khu vực trung du Bắc Bộ, Bắc Trung Bộ và khu vực Nam

Trung Bộ khuất sau dãy Trường Sơn là những vùng có tiềm năng nhỏ nhâ"t trên

toàn lãnh thổ (mật độ năng lượng dưới 200 kWh/m2) Riêng khu vực gần biên

giới Đông Bắc Bắc Bộ do trực tiếp chịu ảnh hưởng của gió mùa Đông BĂc thì

có tiềm năng gió lớn hơn

Tuỳ theo vị trí tương đôi với hướng xâm nhập của gió mùa mà có những

nơi mật độ năng lượng có thể lên tới 400 - 500 kWh/m2 Nhìn chung, Trung Bộ

có tiềm năng gió đáng kể, khu vực phía Tây có tổng năng lượng hàng năm

khoảng 200 - 500 kWh/m2, phần phía Đông mở ra phía biển từ 500 - 900

kWh/m2, vùng Tây Nguyên cũng có tiềm năng gió khá phong phú

Tóm lại, nước ta nằm trong khu vực châu Á gió mùa, nhiều nơi có vận

tốc gió trung bình cao đánh giá một tiềm năng lớn để có thể phục vụ việc phát

triển năng lượng gió tại Việt Nam

• Nhu cẩu về đông cơ gió phát điên công suất nhỏ:

Theo dự kiến về cơ bản chương trình điện khí hóa nông thôn ở nước ta

sẽ hoàn thành vào năm 2010 với khoảng 70% sô" hộ nông dân được sử dụng

điện lưới quốc gia Như vậy, trên toàn quô"c vẫn còn khoảng 30% sô" hộ dân ở

nông thôn vùng sâu, vùng cao, biên giới, hải đảo không thể có lưới điện quốc

gia Do đặc điểm về địa hình, nhu cầu năng lượng bị phân tán ( người dân sông

rải rác) và phụ tải điện bé với thu nhập thấp, đời sông còn nhiều khó khăn, nhu

cầu năng lượng của người dân chỉ hạn chê" ở việc thắp sáng, nghe đài, xem tivi

và thông tin liên lạc Trong khi đó ở những vùng này lại có tiềm năng về gió

rất lớn vì vậy nhu cầu sử dụng các loại động cơ gió phát điện công suất nhỏ là

rất lớn

http://www.ebook.edu.vn

• Nhu cầu về đông cơ ạiổ bơm nứđc:

Nước ta là nước nông nghiệp với khoảng 4,72 triệu ha đất trồng lúa; 1,24

triệu ha trồng cây lâu niên; 6,5 trồng cây ngắn hạn và nhu cầu tưới tiêu rất lớn

Ngoài ra, nước ta còn rất nhiều khu vực nông thôn, miền núi và đặc biệt là

đồng bằng sông cửu Long đang sử dụng nguồn nước mặt làm nguồn nước sinh

hoạt chính vì vậy rất ảnh hưởng tới sức khỏe của người dân và cộng đồng Đây

là một vấn đề hết sức bức xúc Để giải quyết vấn đề này chương trình nước

sạch nông thôn với sự đầu tư của Chính phủ, sự hỗ trợ của các tổ chức quốc tế

(UNICEF, Hội chữ thập đỏ ) đã được triển khai mạnh mẽ

Đặc biệt chương trình nước sạch của UNICEF đã cung cấp một sô" lượng

đáng kể các giếng khoan và bơm tay cho các vùng nông thôn Việt Nam Việc

sử dụng các động cơ gió bơm nước cột áp cao lưu lượng nhỏ ( bơm giếng sâu)

phục vụ cấp nuớc sinh hoạt và động cơ gió cột áp thâ"p lưu lượng lớn phục vụ

tưới tiêu trong nông nghiệp ở những vùng có tiềm năng về gió sẽ là phương án

tôi ưu phục vụ cho sản xuất, sinh hoạt và bảo vệ môi trường nông thôn

Trên cơ sở xác định được đôi tượng cần nghiên cứu là động cơ gió phát

điện công suất nhỏ, động cơ gió bơm nước cột áp cao và động cơ gió bơm nước

cột áp thấp, đề tài đã sử dụng các cách tiếp cận sau :

• Tiếp cân hê thống : Thiết bị động cơ gió nói chung rất phức tạp và

phụ thuộc vào nhiều yếu tô": vận tốc gió, nhu cầu sử dụng (công suất,

lưu lượng và cột áp), trình độ công nghệ và các quan điểm thiết kê"

khác nhau Quá trình nghiên cứu và p hát triển động cơ gió trên thê"

giới đã có một bề dày lịch sử Chính vì vậy, việc sử dụng phươngpháp phân tích các vân đề một cách có hệ thông là một điều rất cầnthiết giúp tìm ra các vân đề tồn tại trong thiết kê" và công nghệ, cácvân đề bức xúc cần giải quyết tránh việc nghiên cứu trùng lặp

• Tiếp cân liên ngành : Để chê" tạo động cơ gió cần đến sự tham gia

của khá nhiều ngành : trước hết là ngành cơ khí chê" tạo, ngành điện

- điện tử về phương diện làm các máy phát chuyên dụng, các bộ bảo

vệ bình accu và các bộ điều chỉnh , ngành vật liệu mới về phươngdiện làm các bánh xe gió, máy công tác Chính vì vậy, để nâng cao

chất lượng của các sản phẩm nghiên cứu, đề tài cần tập hợp đội ngũ

chuyên gia trong các lĩnh vực trên

http://www.ebook.edu.vn

• Tiếp cân trên cơ sỏ kế thừa cổ chon loc : Việc nghiên cứu pháttriển các động cơ gió phát điện công suất nhỏ và các động cơ gióbơm nước đã được các nước công nghiệp tiên tiến rất quan tâm, đặcbiệt nhằm mục đích giúp đỡ các nước đang phát triển - Rất nhiều dự

án với nhiều mẫu mã thiết kế đã được lắp đặt tại các nước như:

Trung Quốc, An Độ, Kenia, Nam Phi, Bắc Phi, Indonesia, Argentina,

Srilanka, Philippines v.v Do vậy việc nghiên cứu, phân tích kỹ các

tài liệu của nước ngoài và nghiên cứu theo mẫu là rất quan trọng

Việc chọn mẫu nghiên cứu phải dựa trên sự phù hợp về chế độ gió ,nhu cầu sử dụng và điều kiện công nghệ - Bên cạnh đó cần phảiphôi hợp với những kết quả nghiên cứu trong nước trước đây để tìm

ra các giải pháp tối ưu

• Tiếp cân trên cơ sở phân tích xu hướng toàn cẩu hóa : Cho đếnnay chỉ có một sô" rất ít động cơ gió được nhập vào Việt Nam bằngnhiều con đường khác nhau và có thể nói là thị trường động cơ giócòn “chưa mở cửa” đối với các thiết bị của Trung Quốc và các nướccông nghiệp tiên tiến do nhiều lý do Nhưng trong tương lai sự cạnhtranh này là tất yếu Chính vì vậy cần phân tích các lợi thế của thiết

bị trong nước, đồng thời vừa nghiêu cứu thị trường vừa lập các quan

hệ giữa nghiên cứu - sản xuất và triển khai ứng dụng để có thể tạothành các mạng lưới liên kết nhằm đưa sản phẩm nghiêu cứu vào sản

xuất

§ 2 - 2 Phươns pháp nghiên cứu và kỹ tỉiuât đã sử duns

1 / Phương pháp nghiên cứu :

* Phương pháp thu thập thông tin và nghiên cứu tài liệu :Trong quá trình phát triển năng lượng gió nhiều nước trên thế giớ đã đầu

tư rất nhiều cho việc nghiên cứu chế tạo các mẫu động cơ gió bơm nước và

động cơ gió phát điện Họ đã đạt được rất nhiều thành tựu trong nghiên cứu lý

thuyết và các thử nghiệm Nhiều dự án được triển khai thành công với các mẫu

thiết bị đạ được lắp đặt và ứng dụng trong thực tế

Ngay ở trong nước cũng có một sô" mẫu thiết bị đã được nghiên cứu Mặc

dù chưa triển khai được vào thực tê" sản xuất vì còn một sô" vân đề kỹ thuật cần

phải giải quyết nhưng chắc chắn việc thu thập thông tin nghiên cứu và phân

http://www.ebook.edu.vn

tích các tài liệu kỹ thuật ngoài nước và trong nước là phương pháp rất quan

trọng Nó sẽ giúp cho đề tài tiếp thu được những thành tựu mới và khắc phục

được những vấn đề còn tồn tại

Thông qua mạng Internet, thông qua các đề tài các cấp, thông qua các

nghiên cứu thường xuyên, các quan hệ hợp tác với nhiều tổ chức Quốc tế,

RECTERE đã thu thập được nhiều những tài liệu kỹ thuật, các tạp chí, các thiết

kế giúp cho việc triển khai nghiên cứu của đề tài

2 / Phương pháp thu thâp thông tin qua nghiên cứu mẫu :

Phương pháp này cho phép thu thập được nhiều thông tin tổng hợp bằng

trực quan Song vấn đề quan trọng là lựa chọn mẫu nào để nghiên cứu và sử

dụng kỹ thuật nào để khảo sát mẫu cần nghiên cứu qua các thông tin và các

tài liệu kỹ thuật đã được thu thập để lựa chọn những mẫu phù hợp

Để đánh giá lựa chọn mẫu mã của các thiết bị động cơ gió phát điện và

bơm nước cần tập trung vào những điểm chính sau đây :

• Sô" lượng và thời gian đã lắp đặt loại mẫu đó Nó đánh giámức độ đón nhận của thị trường và đồng thời cũng nói lên chất

lượng của sản phẩm

• Vận tốc gió khởi động - vận tốc gió định mức Nó đánh giá

sự phù hợp với chế độ gió ở Việt Nam

• Công suất định mức và lưu lượng nước nói lên sự phù hợpvới nhu cầu năng lượng của vùng nông thôn Việt Nam

• Dạng profil cánh và vật liệu cánh Phải lựa chọn xem nên

sử dụng loại profil cánh nào và loại vât liệu cánh nào để phù hợpvới điều kiện tự nhiên và công nghệ Việt Nam

• Loại máy công tác phôi hợp tải với động cơ gió

3 / Xây dưng những mô hình thử nghiêm máy công tác ( máy bơm, máy

phát, các hê thông truyền đông ):

Đây là một khâu râ"t quan trọng trong nghiên cứu giúp cho việc nghiên

cứu được hoàn thiện Các thử nghiệm cho phép ta đánh giá trực quan các hoạt

động của máy công tác, các hệ thông truyền động, sự phù hợp trong thiết kế

cũng như xây dựng được đặc tính tổng hợp của máy phát, của bơm để giải

quyết bài toán phôi hợp tải giữa động cơ gío và máy công tác

http://www.ebook.edu.vn

4 / Nghiên cứu tai hiên trường :

Trong quá trình thử nghiệm tại xưởng để nghiên cứu, dù đã rất cô" gắng

để tạo ra các điều kiện hoạt động giông với thực tế nhưng trong chừng mực

nào đó còn có nhiều hạn chế không khắc phụ được đặc biệt đôi với năng lượng

gió ( sự thay đổi tốc độ và hướng, điều kiện ăn mòn, phèn, mặn )

Bằng việc lắp đặt thử nghiệm tại hiện trường trong một thời gian dài

chúng ta có thể thu nhận được các sô" liệu rất phong phú về các tác động của tự

nhiên (chế độ gió, độ ăn mòn kim loại) và tác động của con người (kỹ năng

quản lý vận hành, phụ tải sử dụng ) và có thể đánh giá được độ bền, độ ổn

định làm việc thông qua hàng tháng trời vận hành liên tục Ngoài ra việc lắp

đặt thử nghiệm tại hiện trường còn giúp cho người nghiên cứu bằng trực quan

nhận ra những tồn tại trong thiết kê" để từ đó có thể hoàn thiện việc nghiên cứu

hiệu quả hơn

5 / Kỹ thuât đã sử dung :

a / Sử dung máy tính phuc vu cho công tác tính toán thiết kê":

o Một sô" phần mềm đã được sử dụng để tính toán và thiết kê" toàn

bộ hệ thông động cơ gió trên máy tính như: Mechanical,Autocad,

Excel

o Sử dụng phần mềm chuyên dụng NRG MicroSite 2.0 để phân tích

xử lý các sô" liệu gió thu thập

b / Sử dung các thiết bi đo hiên đai đô chính xác cao: như máy đo gió

tự ghi NRG 9.200 PLUS, thiết bị đo kiểm máy phát, thiết bị kiểm

nghiệm bơm, các máy đo gió cầm tay cơ khí, điện tử Dụng cụ đo sô"

vòng quay bằng quang học

http://www.ebook.edu.vn

http://www.ebook.edu.vn

Chương 3NGHIÊN cứu MỘT số LÝ THUYẾT

TÍNH CÁNH

§ 3 - 1 Phương nháp tính cánh của Glauert

Để thiết kế động cơ gió, việc quan trọng hàng đầu là tính toán các thông

sô" hình học của lá cánh ( độ dài cung cánh tại từng tiết diện, góc đặt cánh

tương ứng) Để làm việc này cần phải sử dụng đến các lý thuyết về động cơ

gió

Mặc dù động cơ gió đã tồn tại hàng nghìn năm nay nhưng lý thuyết về

động cơ gió chỉ thực sự định hình và phát triển mạnh mẽ vào đầu đầu thế kỷ 20

với các công trình của Betz (1923) về mô hình động cơ gió lý tưởng Những lý

thuyết này dựa trên những giả thiết lý tưởng (trường vận tốc không bị nhiễu

loạn, dòng khí coi như dòng chất lưu không bị nén )Trên thực tế, trường vận tốc phía sau động cơ gió chịu những biến đổi

đáng kể do sự xuâ"t hiện một sô" dạng cuộn xoáy gây tổn thất đến hiệu suất khí

động

Hiệu suất thực tê" của động cơ gió (Cp) luôn luôn nhỏ hơn hiệu suất lý

tưởng (cpBetz)

Để đáp ứng các nhu cầu chính xác hơn về tính toán khả năng vận hành

thực của các động cơ gió cần phải dựa trên mô hình thực của bánh xe gió Đó

là cơ sở của mọi lý thuyết về đông cơ gió thực đã được phát triển đồng thời ở

nhiều nước với các tên tuổi như: Steíaniak, Glauert

Tất cả các tác giả nói trên đều xuâ"t phát từ việc nghiên cứu các mô hình

cuộn xoáy và sự khác nhau chỉ ở những giả thiết phụ, những phương pháp giải

quyết bài toán

Các kết quả thu được từ những lý thuết này không chênh nhau đáng kể

và đều khá sát với thực tế Trong đó việc tính cánh theo phương pháp Glauert

được xem là hiện đại nhất

http://www.ebook.edu.vn

Phương pháp Glauert dựa trên giả thuyết về mô hình dòng xoáy 3 thành

phần :

1 Xoáy trung tâm xuất phát từ moayơ cuốn quanh trục của rotor và

song song với vận tốc

2 Xoáy đầu cánh : các chưỗi xoáy xuất phát từ đầu cánh tạo thành ống

xoay quanh rotor

3 Xoáy xung quanh biên dạng cánh :

Trường vận tốc cảm ứng có thể khảo sát như một kết quả chồngchất 3 dạng cuộn xoáy và do vậy vận tốc thực tại các điểm sẽ làtô3ng hợp của vận tốc gió tự nhiên không nhiễu loạn và vận tốcgió cảm ứng gây bởi cuộn xoáy

a) Eolienne lente b) Êolienne rapide.

Để khảo sát các vận tốc cảm ứng, một sơ đồ điện tương đương đã được

sử dụng Trong đó hệ thông dây dẫn đóng vai trò các cuộn xoáy thông qua

từ trường mà nó sinh ra Việc tính toán nhờ vậy được đơn giản hơn

Trong lý thuyết Gluaert việc xác định các thông sô" hình học cánh được

tính toán trong điều kiện tôi ưu : tại nơi mặt cắt, công suâ"t cục bộ đạt giá trị

cực đại và khi đó cánh được coi như không có lực kháng(tg2 = CD/CL), được

thực hiện trên cơ sở xác định các hệ số biến thiên vận tốc k và h trong điều

kiện tôi ưu

Khi đó, các biểu thức k và h có dạng :

bằng chương trình máy tính (OPTI) cho những giá trị của X nằm trong

khoảng 0,1 và 10 và được thể hiện trên bảng 7 của bảng tài liệu [3]

Sau khi tính được các đại lượng trên thì với sô" cánh và profil cánh đã

chọn ta có thể xác định được độ dài cung cánh c và góc đặt cánh p = ộ - a

bằng các biểu thức :

cotgộ = X 1 + h = Xe

1 +k

CT B.C = 871 ( 1 - k) . _

1

a : góc tấn tôi ưu ứng với profil cánh đã chọn

http://www.ebook.edu.vn

§ 3 - 2 Phươns pháp thiết kế bánh xe gió của Kragten (CWD)

Dựa trên lý thuyết cơ bản của Glauert ( 1935), các chuyên gia của

tổ chức CWD ( Hà Lan) đã đưa ra cách tính toán các thông sô" hình học của

cánh một cách đơn giản hơn nhưng vẫn bảo đảm được các điều kiện tôi ưu

hoặc gần tôi ưu trong trong phạm vi hiệu suất sử dụng năng lượng gió (Cp) có

thể đạt được

Tất cả rotor của các mẫu dộng cơ gió CWD và nhiều những động

cơ gió khác đã được thiết kế theo các công thức mà A Kragten đã đưa ra trong

tài liệu [4] Kết quả đo trong ông khí động cho thây thông sô" hình học của các

cánh động cơ gió CWD đã đạt được kết quả tốt

a Các thông sô" của bánh xe gió :Dạng hình học của bánh xe gió được xác định bằng những thông sô"

Ớ đây : Cp, r|Tr, T|gen, lần lượt là : hiệu suất sử dụng năng lượng gió ( Cp =

0,4 - 0,45), hiệu suất truyền động và hiệu suất của máy phát điện Các đại

lượng này không phải là hằng sô" mà phụ thuộc râ"t nhiều vào sự phối hợp tải

giữa bánh xe gió và máy phát

Với một sự kết hợp nhất định giữa bánh xe gió, bộ truyền động, máy

phát và hệ thông an toàn sẽ có một đường cong năng lượng - vận tốc tương ứng

(Pci-V)

Năng lượng sản xuất ra trong một khoảng thời gian nhất định ( ví dụ như

một năm) phụ thuộc vào đường cong pcl - V và sự phân bô" vận tốc gió tại vị trí

http://www.ebook.edu.vn

— -7 -7 - 29

Ta có thể chọn sô" cánh trên những cơ sở sau :

• Khi B tăng, sự mất mát đầu mút cánh giảm và vì vậy Cptăng với sự tăng của B Hình 2 [4] minh họa ảnh hưởng vủa B đôivới cp (Cp/ CL = 0) Tuy nhiên, sự khác biệt này chỉ lớn đôi vớirotor 1 cánh và 2 cánh còn giữa 3 và 6 cánh thì có thể bỏ qua

• Nếu B nhỏ thì cung cánh sẽ lổn vì vậy sô" Reynold cục bộ

sẽ lớn Giá trị cực tiểu của CD/CL thấp hơn khi cánh khí động cósô" Reynold cao và vì vậy Cp cũng cao hơn Có nghĩa là Cp tăng

theo sự tăng của cung cánh

• Để cho cánh có thể chịu được moment xoắn và momentuốn và chông lại sự rung động, không ổn định về mặt khí động thìcung cánh không nên quá nhỏ so với chiều dài cánh

• Với những rotor quay chậm thường có nhiều cánh Nếudùng ít cánh thì cung cánh c sẽ lớn và điều này kết hợp vớikhoảng cách yêu cầu giữa rotor và cột sẽ dẫn đến moment lớncủa lực bên của rotor quanh tâm cột Điều này có thể gây nên tình

trạng không ổn định của hệ thống an toàn

http://www.ebook.edu.vn

• Động cơ gió dùng đuôi định hướng hay có hệ thông an toànbằng cách quay bánh xe gió ra khỏi hướng gió thì phải có sô" cánhlớn hơn 3.

của bán kính cục bộ r Với rotor quay nhanh đầu mút cánh mỏng bởi vì nó có tỉ

sô" CE>/CL thấp Phần dầy thuuộc về gốc cánh bời vì cần độ bền uốn

Ngoài ra, việc lựac chọn profil cánh của bánh xe gió còn phải phù hợp

với điều kiện công nghệ chê" tạo và lắp đặt Bánh xe gió phải có kết câu đơn

giản, dễ tháo lắp để có thể lắp ráp mà không đòi hỏi các phương tiện phức tạp

như cần cẩu Có như vậy mới phù hợp với các vùng nông thôn Việt Nam

b Tính toán thông sô" hình hoc của cánh :Giả sử bán kính rotor R, sô" cánh B, À,d và dạng profil cánh đã được

chọn trước

Ta chia cánh ra thành một sô" tiết diện Sô" tiết diện nhiều hay ít tuỳ

thuộc vào độ chính xác yêu cầu Ớ mỗi tiết diện đó ta sẽ tính (c) và (p)

Khoảng cách giữa những tiết diện này nên nhỏ hơn ở gô"c cánh và lớn hơn ở

đầu mút cánh Giả sử cánh kết thúc ở khoảng o, 2R Một lựa chọn tô"t đầu tiên

là lây 7 vị trí từ A —» G như minh họa hình dưới đây Sau đó ta lập thành bảng

biểu diễn tất cả các thông sô" đã tính toán cho từng vị trí khác nhau

http://www.ebook.edu.vn

Lưu ý : Bán kính r gốc cánh thường được lấy trong khoảng từ 0,2 - 0,3R.

Bán kính này tạo nên 1 khoảng trông ở gốc cánh được gọi là cửa sổ cánh, cửa

sổ này là chỗ gió sẽ thoát ra sau, nó có tác dụng làm giảm trọng lượng cánh

(đặc biệt là đối với những động cơ gió nhiều cánh bơm nước) Nhiều khi do

điều kiện vật liệu người ta có thể làm cửa sổ này lổn hơn nhiều so với tỉ lệ 0,2

- 0,3R

Từ các giá trị tính toán của cung cánh (c) và góc đặt p để đảm bảo cánh

có kích thước triển khai thuận lợi, kinh tế, dễ gia công ta tiến hành tuyến tính

hoá các thông sô" hình học của cánh Việc tuyến tính hóa này sẽ gây nên sự

mất mát nhỏ về công suất nhưng nếu ta tiến hành một cách tinh tế thì phần

trăm mất mát này sẽ giảm

Biết rằng 75% công suất là do rotor nhận được từ nửa phần ngoài của

cánh vì diện tích quét biến thiên tỉ lệ với bình phương của bán kính rotor Chính

vì vậy việc tuyến tính hóa cung cánh và góc đặt cánh được tính toán ở 2 tiết

diện ri= 0,5R và r2= 0,4R Có nghĩa là chiều dài cung cánh và góc đặt cánh

được tính toán ở 02 tiết diện trên sẽ được giữ nguyên còn các tiết diện khác sẽ

được tính lại Để làm việc này ta giải hệ phương trình sau :

Prl - bl r l + b2

Pr2 = t>l r 2 + b2

Sau khi xác định được các hệ sô" ai, a2, bi,b2 ta sẽ lần lượt tính lại các

thông sô" (c) và (Ị3) ở mọi tiết diện

Từ các giá trị cmớj này ta tính được hệ sô" choán : a = E s cánh

Squét

Ta phải kiểm tra giá trị của hệ sô" choán theo đồ thị hoặc theo bảng, ơ sẽ phụ

thuộc vào X nếu nó nằm ngoài giới hạn cho phép thì ta phải tiến hành lại việc

tính toán bằng cách tăng hoặc giảm sô" cánh và điều chỉnh X.

Có thể tính toán các thông sô" hình học của cánh theo 02 trường hợp sau :

o Tính cho trường hợp hệ sô" lực nâng không đổi trên suốt

chiều dài cánh (CL = const)

o Tính cho trường hợp cung cánh c cô" định: Trường hợp nàychỉ sử dụng khi đã có sấn loại tole làm cánh với kích thướccô" định

Ớ đây chúng ta sẽ tính toán các thông sô" hình học của động cơ gió bơm

nước và động cơ gió phát điện trong trường hợp CL = const

Để tính toán các thông sô" hình học của bánh xe gió ta cần các thông số

ban đầu và các công thức tính toán sau:

Góc đặt cánhCung cánhDiện tích quétDiện tích cánhr)/2

b- Đông cơ gió bơm nước cốt áp thấp BP 450 - 12

Các thông sô" ban đẩu:

• Đường kính bánh xe gió: D = 4,5m (R = 2,25m)

• Bán kính cửa sổ gió (gô"c cánh): r = 0,6m

Các thông sô" thay đổi cho từng phương án khác nhau:

c- Động cơ giỏ phát điện vận tốc chậm PD 280 - 3

Các thông sô" ban đẩu:

• Đường kính bánh xe gió: D = 2,8m (R = l,4m)

• Bán kính cửa sổ gió (gốc cánh): r = 0,3mCác thông sô" thay đổi cho từng phương án khác nhau: