KHÁI QUÁT 1.1 Định nghĩa năng lượng gió Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái Đất.. Trang trại điện gió 1.2 Sự hình thành năng lượng gió Bức xạ Mặt
Trang 1CHUYÊN ĐỀ 10: KỸ THUẬT SẢN XUẤT NĂNG LƯỢNG GIÓ NHÀ MÁY
PHONG ĐIỆN TUY PHONG
1 KHÁI QUÁT
1.1 Định nghĩa năng lượng gió
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 Sử dụng năng lượng gió là một trong các cách lấy năng lượng xa xưa nhất từ môi trường tự nhiên và đã được biết đến từ thời kỳ Cổ đại
Hình 1 Trang trại điện gió
1.2 Sự hình thành năng lượng gió
Bức xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và không khí nóng không đều nhau Một nửa bề mặt của Trái Đất, mặt ban đêm, bị che khuất không nhận được bức xạ của Mặt Trời và thêm vào đó là bức xạ Mặt Trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn là ở các cực, do đó có sự khác nhau về nhiệt độ và vì thế là khác nhau về áp suất mà không khí giữa xích đạo và 2 cực cũng như không khí giữa mặt ban ngày và mặt ban đêm của Trái Đất di động tạo thành gió Trái Đất xoay tròn cũng góp phần vào việc làm xoáy không khí và vì trục quay của Trái Đất nghiêng đi (so với mặt phẳng do quỹ đạo Trái Đất tạo thành khi quay quanh Mặt Trời) nên cũng tạo thành các dòng không khí theo mùa
Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay quanh trục của Trái Đất nên không khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển động thắng mà tạo thành các cơn gió xoáy có chiều xoáy khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu Nếu nhìn từ vũ trụ thì trên Bắc bán cầu không khí di chuyển vào một vùng áp thấp ngược với chiều kim đồng hồ và ra khỏi một vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ Trên Nam bán cầu thì chiều hướng ngược lại
Trang 2Ngoài các yếu tố có tính toàn cầu trên gió cũng bị ảnh hưởng bởi địa hình tại từng địa phương Do nước và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất nóng lên nhanh hơn nước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay hồ vào đất liền Vào ban đêm đất liền nguội đi nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra theo chiều ngược lại
1.3 Sản xuất điện từ năng lượng gió
Vì gió không thổi đều đặn nên năng lượng điện phát sinh từ các tuốc bin gió chỉ có thể được sử dụng kết hợp chung với các nguồn năng lượng khác để cung cấp năng lượng liên tục Tại châu Âu, các tuốc bin gió được nối mạng toàn châu Âu, nhờ vào đó mà việc sản xuất điện có thể được điều hòa một phần Một khả năng khác là sử dụng các nhà máy phát điện có bơm trữ để bơm nước vào các bồn chứa ở trên cao và dùng nước để vận hành tuốc bin khi không đủ gió Xây dựng các nhà máy điện có bơm trữ này là một tác động lớn vào thiên nhiên vì phải xây chúng trên các đỉnh núi cao
Mặt khác vì có ánh sáng Mặt Trời nên gió thổi vào ban ngày thường mạnh hơn vào đêm
và vì vậy mà thích ứng một cách tự nhiên với nhu cầu năng lượng nhiều hơn vào ban ngày Công suất dự trữ phụ thuộc vào độ chính xác của dự báo gió, khả năng điều chỉnh của mạng lưới và nhu cầu dùng điện
Người ta còn có một công nghệ khác để tích trữ năng lượng gió Cánh quạt gió sẽ được truyền động trực tiếp để quay máy nén khí Động năng của gió được tích lũy vào hệ thống nhiều bình khí nén Hệ thống hàng loạt bình khí nén này sẽ được luân phiên tuần tự phun vào các turbine để quay máy phát điện Như vậy năng lượng gió được lưu trữ và sử dụng ổn định hơn (dù gió mạnh hay gió yếu thì khí vẫn luôn được nén vào bình, và người
ta sẽ dễ dàng điểu khiển cường độ và lưu lượng khí nén từ bình phun ra), hệ thống các bình khí nén sẽ được nạp khí và xả khí luân phiên để đảm bảo sự liên tục cung cấp năng lượng quay máy phát điện (khi 1 bình đang xả khí quay máy phát điện thì các bình khác
sẽ đang được cánh quạt gió nạp khí nén vào)
Nếu cộng tất cả các chi phí bên ngoài (kể cả các tác hại đến môi trường ví dụ như vì thải các chất độc hại) thì năng lượng gió bên cạnh sức nước là một trong những nguồn năng lượng rẻ tiền nhất
- Nguyên lí chuyển gió thành điện năng:
Trang 3Khi hướng gió đến được chia thành hai lực:
Lực trượt: Hiệu quả kém khoảng 10-15%
Lực nâng: Nếu trục rôto ở vị trí thẳng đứng thì hiệu quả trung bình đạt 30% lượng điện, còn nằm ngang với 2-3 cánh thì hiệu quả cao hơn khoảng 40-45%
Lực tác dụng lên tuabin phụ thuộc vào trọng lượng không khí, vận tốc gió, diện tích của cánh quạt và động năng của gió Nó được tính theo công thức: F = Cp(1/2)pV2A, trong
đó Cp là hệ số (= 16/27), A là diện tích của cánh quạt gió mà chính là diện tích hình tròn
A = nR2 với R là bán kính cánh quạt (1/2) pV2 là động năng trong 1m2 không khí Suy
ra, công suất của gió khi qua tuabin: Pgió = [Cp.(1/2)pV2A]V và rút gọn Pgió =
(p/2)AV3Cp
Sau khi tính toán công suất của sức gió: công suất lý thuyết và công suất thực tế, ta có đồ thị ở hình 3
Hình 2 Nguyên lí chuyển gió thành điện năng
Trang 4Hình 3 Biêu đồ mối quan hệ giữa các công suất
- Tuabin của một trạm điện gió : Trong ứng dụng năng lượng gió thì tuabin gió đóng vai trò quan trọng trong việc biến gió thành điện năng Bộ phận cơ bản của trạm điện gió là tuabin có trục rôto nằm ngang Cấu tạo của nó dựa vào hình 4 bao gồm:
- Cánh để đón hướng gió đến và tác động lên cánh tuabin Lực nâng làm cho cánh tuabin quay Bản thân mỗi cánh có thể tự quay xung quanh theo chiêu mũi tên như trong hình 4
- Chuyên động quay được truyên từ trục trên qua các bánh răng Nhờ cơ cấu chuyển động khớp mà có thể truyên chuyển động tới trục dưới để sang bộ phận tạo ra điện
- Vỏ tuabin bảo vệ các bộ phận bên trong và chống lại sự ôxy hóa của không khí
- Phanh dùng trong trường hợp tốc độ gió vượt quá mức cho phép nhằm bảo vệ tuabin gió hoạt động an toàn
- Bộ phận đón hướng gió có tác dụng đón hướng gió mạnh nhất để tối đa lượng điện
- Bộ phận khí tượng dùng để theo dõi tình hình khí tượng
- Môtơ lệch có tác dụng để tuabin có thể quay quanh cột nhằm đón đúng hướng gió
Hình 4.Cấu tạo của 1 tuabin gió
2 NHÀ MÁY PHONG ĐIỆN TUY PHONG
2.1 Khái quát
Trang 5Khi những cánh quạt đầu tiên của nhà máy điện gió, còn gọi là phong điện Tuy Phong (Bình Thuận) đưa nguồn điện hòa vào mạng lưới điện quốc gia, đó cũng là thời điểm khẳng định sự thành công của việc biến “gió trời” thành nguồn năng lượng sạch, xóa đi mối nghi ngờ của những người cho rằng dự án này không khả thi tại Việt Nam Đây cũng
là dự án phong điện đầu tiên tại Việt Nam có quy mô lớn nhất khu vực Đông Nam Á Tuy Phong được biết đến là nơi “thiếu mưa thừa nắng gió”, cây cối khô cằn quanh năm Những vùng đất cằn bỏ hoang chạy dài, trụ lại nơi đây là những cây xương rồng già nua
xơ xác…Tuy vậy, nơi đây lại là vị trí đắc địa để xây dựng phong điện bởi lượng gió khá dồi dào mà chưa được khai thác nhiều năm qua Đó chính là lý do khiến các nhà đầu tư chọn Tuy Phong làm địa điểm xây dựng nhà máy phong điện, bất chấp việc đầu tư nơi đây mất khá nhiều công sức
Hình 5 Cánh đồng điện gió Tuy Phong
Nhà máy Phong điện là dự án điện gió có quy mô lớn đầu tiên tại Việt Nam do Công ty
cổ phần Năng lượng tái tạo Việt Nam (REVN) làm chủ đầu tư Cho đến thời điểm này, giai đoạn 1 của Dự án đã hoàn thành gồm 20 tuabin chiều cao cột 85 m, đường kính cánh quạt 77 m, công suất 1,5 MW/cột, tổng trọng lượng tuabin là 89,4 tấn, cột tháp là 165 tấn Tổng mức đầu tư giai đoạn 1 gần 820 tỷ đồng Khi cả 20 tổ máy đi vào hoạt động ổn định, sản lượng điện theo công suất thiết kế là 30 MW Đây không phải là một con số lớn nhưng lại vô cùng có ý nghĩa, mở đầu cho ngành công nghiệp điện gió tại Việt Nam
Cả Ban quản lý và đội vận hành chỉ có 30 người, nhưng phải đảm nhiệm một khối lượng
Trang 6công việc rất lớn Bắt đầu thực hiện Dự án từ năm 2008, sau 1 năm đã lắp dựng được 5 tổ máy và đến 5/8/2009, chính thức hòa lưới điện quốc gia Đến 2/3/2011, Trạm đã hoàn thành lắp dựng xong 15 tổ máy tiếp theo và đến thời điểm tháng 5/2011, cả 20 tổ máy đã hòa lưới điện
Hình 6 Cột điện gió Tuy Phong
2.2 Quá trình lắp ráp một trụ điện gió
Quá trình lắp ráp một trụ điện gió được tiến hành như sau: xây dựng trụ móng bêtông cốt thép nặng 800 tấn, lắp bốn đốt tháp thành một trụ cao 85m, tuabin được cẩu lên ráp vào đầu trụ tháp, ba cánh quạt (dài 37,5m, nặng 5,5 tấn/cánh) được lắp vào đầu “hup” dưới mặt đất, sau đó được hai cần cẩu 500 tấn nâng lên ráp vào đầu tuabin
Mỗi trạm phong điện trục ngang này gồm một máy phát điện có công suất 1,5MW Tốc
độ gió cho phép vận hành và phát điện là từ 3m/s đến dưới 25m/s (90km/h), trong khi tại Tuy Phong, tốc độ gió trung bình vào khoảng 8-14m/s Theo kế hoạch, giai đoạn 2 của
Dự án sẽ xây dựng và lắp đặt 60 trụ điện gió, nâng tổng công suất của Nhà máy Phong điện 1 Bình Thuận lên 120MW
Trang 7Hình 7 Cấu tạo trụ điện gió Tuy Phong
Các thiết bị để xây dựng trụ điện đã được nội địa hóa khoảng 30%, chỉ còn tuabin và cánh là nhập khẩu (cánh quạt hiện vẫn nhập của Thụy Điển, tuabin của Đức) Còn cột tuabin, trước phải nhập thì nay đã có Nhà máy UBI TOWER của Việt Nam sản xuất được Phần móng trước kia phải thuê tư vấn nước ngoài, thì nay phía Việt Nam cũng đã
tự làm được Dự kiến, sau 3 năm, Dự án sẽ hoàn thành giai đoạn 2 để đưa vào vận hành
80 trụ điện gió, hòa 120 MW điện vào lưới điện quốc gia, giảm sức ép thiếu điện cho Tập đoàn Điện lực Việt Nam
