Sử dụng năng lượng gió đang là một xu thế trên thế giới do: giảm chi phí nhiên liệu, khả năng sản xuất trên qui mô lớn và kết nối được với lưới điện chính. Việt Nam là một trong số rất nhiều quốc gia có tiềm năng để phát triển điện gió, đây sẽ là nguồn năng lượng lớn có thể khai thác bổ sung cho nguồn điện lưới quốc gia, thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt và cải thiện môi trường. Ở những vùng có lưới điện quốc gia, điện gió sẽ được hoà vào lưới điện quốc gia. Việc ổn định lưới trong trường hợp này do các nhà máy điện truyền thống đảm nhiệm. Tuy nhiên ở những vùng hải đảo hay miền núi xa xôi, nơi chưa có lưới điện quốc gia thì điện gió sẽ được sử dụng hỗn hợp với các máy phát diesel và ổn định lưới sẽ được thực hiện cục bộ tại lưới độc lập này.Việc duy trì ổn định đối với các hệ thống điện quy mô nhỏ có sử dụng các tua bin gió là một thách thức về mặt kỹ thuật, do đặc điểm bất định của nguồn phát và do quán tính nhỏ của các máy phát điện trong các hệ thống điện nhỏ. Trong số các phương pháp, các phần mềm được ứng dụng thì Matlab là phần mềm được ứng dụng trong rất nhiều ngành nghề, lĩnh vực như viễn thông, tự động hóa, điện,… vì Matlab có hỗ trợ rất mạnh về toán học và có Toolbox và Simulink cực kỳ khổng lồ. Xét về ứng dụng của Matlab cho lĩnh vực điện năng, Matlab có những ứng dụng mô phỏng các hệ thống điện đơn giản, cho kết quả nhanh và độ chính xác cao.
Trang 1LỜI CẢM ƠN
Đề tài “Ứng dụng phần mềm Matlab/Simulink mô phỏng hệ điện Gió – Diesel” đã được hoàn thành với sự nỗ lực hết mình của bản thân, sự giúp đỡ của
gia đình, bạn bè, nhà trường và tập thể xã hội.
Em xin trân thành cảm ơn tới gia đình, bạn bè và người thân đã tạo mọi điều kiện về vật chất lẫn tinh thần để em có thể tập trung tâm trí cho đề tài này.
Một lần nữa em xin trân thành cảm ơn!
Hà Nội,
Người viết
Trang 2MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN i
DANH MỤC BẢNG iv
DANH MỤC HÌNH v
LỜI MỞ ĐẦU 1
Chương I: Tổng quan 3
1.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng điện sức gió trên thế giới 3
1.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng điện sức gió ở Việt Nam 6
1.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Tuabin gió 9
1.3.1 Sự hình thành gió và đặc trưng của gió 9
1.3.2 Cấu tạo của tubin gió 11
1.3.3 Các kiểu tua bin gió hiện nay 12
1.3.4 Công suất các loại tua bin gió 13
1.3.5 Nguyên lý hoạt động của các tuabin gió 14
1.4 Tổng quan về hệ năng lượng Diesel 14
1.4.1 Nhiên liệu Diesel 14
1.4.2 Máy phát điện Diesel 14
1.4.3 Động cơ Diesel 16
1.4.4 Lợi ích của phát điện Diesel làm nguồn dự phòng trong hệ thống điện gió ở lưới điện độc lập 17
1.5 Phối hợp giữa hệ lai Gió – Diesel 17
1.5.1 Giới thiệu chung 17
1.5.2 Ưu điểm của hệ thống điện gió 18
1.5.3 Nhược điểm của hệ thống điện gió 18
1.5.4 Phạm vi ứng dụng của hệ thống điện gió – Diesel 19
Chương II: Phương pháp và phương tiện nghiên cứu 20
2.1 Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm 20
2.2 Phương tiện nghiên cứu 20
Trang 32.2.1 Khái quát về Matlab 20
2.2.2 Khái quát về Simulink 24
2.2.3 Khai báo tham số trong Simulink 30
Chương III: Cơ sở khoa học và thực tiễn 30
3.1 Thiết lập mô hình mô phỏng tốc độ gió 31
3.1.1 Gió cơ bản 31
3.1.2 Trận gió 32
3.1.3 Gió có tốc độ thay đổi từ từ 32
3.1.4 Gió thay đổi ngẫu nhiên 33
3.2 Thiết lập mô hình mô phỏng động học tuabin gió 34
3.3 Thiết lập mô hình mô phỏng máy phát Diesel 36
3.4 Thiết lập mô hình mô phỏng hệ thống điện Gió –Diesel 40
Chương IV: Kết quả và thảo luận 43
4.1 Kết quả mô phỏng tốc độ gió 43
4.2 Kết quả mô phỏng điện áp của hệ điện Gió-Diezel 43
4.3 Kết luận 45
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 47
I Kết luận 47
II Kiến nghị 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO 49
Trang 4DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Công suất định mức năng lượng gió của các nước trên thế giới năm 2007
6
Bảng 1.2: Phân loại cấp độ gió theo tốc độ gió trung bình 11
Bảng 3.1 Các thông số điều khiển động cơ Diesel 38
Bảng 3.2 Thông số mô hình động cơ Diesel phù hợp nhất 40
Trang 5DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Công suất điện gió trên thế giới trong thời gian 2000-2015 5
Hình 1.2 Năm tổ máy của nhà máy điện gió tầm cỡ MW đầu tiên ở Việt Nam ở xã Bình Thạnh, huyện Tuy Phong , tỉnh Bình Thuận 7
Hình 1.3 Mô hình hoàn lưu khí quyển với các trung tâm khí áp bề mặt có tính đến sự phân bố không đều giữa đất liền và biển 10
Hình 1.4 Cấu tạo tua bin gió 11
Hình 1.5 Tua bin gió theo trục đứng 13
Hình 1.6 Tua bin gió theo trục ngang 13
Hình 1.7 Mô hình máy phát điện Diesel 15
Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý phát điện 16
Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý dòng điện xoay chiều 3 pha 16
Hình 2.1 (a) Công ty MathWorks, (b) Phần mềm Matlab-Simulink 21
Hình 2.2 Chỉ thư mục làm việc cho Matlab 22
Hình 2.3 Không gian làm việc của Matlab 22
Hình 2.4 Tạo mới một chương trình trong M-File 23
Hình 2.5 Ứng dụng của Simulink trong ngành điện 25
Hình 2.6 Khởi động màn hình làm việc của Simulink 25
Hình 2.7 Khởi động Simulink từ cửa sổ làm việc Command Window của Matlab 26
Hình 2.8 Thanh công cụ chính trên Simulink 26
Hình 2.9 Thao tác nối hai khối mô phỏng 28
Hình 2.10 Kéo thả khối cần chọn ra cửa sổ mới 29
Hình 2.11 Hộp đối thoại về đặc tính của khối 30
Hình 2.12 Khai báo tham số và phương pháp mô phỏng 30
Hình 3.1 Mô hình mô phỏng tốc độ gió 34
Hình 3.2 Đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa và .35
Hình 3.3 Đường cong mối quan hệ giữa và tốc độ gió 36
Hình 3.4 Mô hình động học tuabin gió trên phần mềm Matlab/Simulink 36
Trang 6Hình 3.5 Hệ thống động cơ Diesel và hàm truyền 37
Hình 3.6 Sơ đồ mô phỏng động cơ Diesel 38
Hình 3.7 Các thông số điều khiển động cơ Diesel trên phần mềm Matlab/Simulink .38
Hình 3.8 Dạng đồ thị tốc độ của động cơ Diesel khi K = 20 39
Hình 3.9 Dạng đồ thị tốc độ của động cơ Diesel khi K =40 39
Hình 3.10 Hệ thống đơn giản hóa hệ thống hỗn hợp gió – diesel 40
Hình 3.11 Lược đồ minh họa hệ lai Diesel – Gió độc lập 41
Hình 3.12 Sơ đồ hàm truyền hệ thống năng lượng Diesel – Gió 41
Hình 3.13 Sơ đồ mô phỏng hệ ghép nối Gió – Diesel 41
Hình 4.1 Kết quả mô phỏng tốc độ gió 43
Hình 4.2 Dạng điện áp 3 pha 44
Hình 4.3 Dòng điện áp pha A 45
Hình 4.4 Tốc độ quay của máy không đồng bộ 45
Hình 4.5 Hình ảnh chạy mô phỏng hệ ghép nối Gió – Diesel trên phần mềm Simulink 46
Trang 7LỜI MỞ ĐẦU
Sử dụng năng lượng gió đang là một xu thế trên thế giới do: giảm chi phínhiên liệu, khả năng sản xuất trên qui mô lớn và kết nối được với lưới điện chính.Việt Nam là một trong số rất nhiều quốc gia có tiềm năng để phát triển điện gió,đây sẽ là nguồn năng lượng lớn có thể khai thác bổ sung cho nguồn điện lưới quốcgia, thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt và cải thiệnmôi trường Ở những vùng có lưới điện quốc gia, điện gió sẽ được hoà vào lướiđiện quốc gia Việc ổn định lưới trong trường hợp này do các nhà máy điện truyềnthống đảm nhiệm Tuy nhiên ở những vùng hải đảo hay miền núi xa xôi, nơi chưa
có lưới điện quốc gia thì điện gió sẽ được sử dụng hỗn hợp với các máy phátdiesel và ổn định lưới sẽ được thực hiện cục bộ tại lưới độc lập này.Việc duy trì
ổn định đối với các hệ thống điện quy mô nhỏ có sử dụng các tua bin gió là mộtthách thức về mặt kỹ thuật, do đặc điểm bất định của nguồn phát và do quán tínhnhỏ của các máy phát điện trong các hệ thống điện nhỏ
Trong số các phương pháp, các phần mềm được ứng dụng thì Matlab làphần mềm được ứng dụng trong rất nhiều ngành nghề, lĩnh vực như viễn thông, tựđộng hóa, điện,… vì Matlab có hỗ trợ rất mạnh về toán học và có Toolbox vàSimulink cực kỳ khổng lồ Xét về ứng dụng của Matlab cho lĩnh vực điện năng,Matlab có những ứng dụng mô phỏng các hệ thống điện đơn giản, cho kết quảnhanh và độ chính xác cao
Trang 8Nội dung của đề tài:
Ngoài lời mở đầu, phần kết luận và kiến nghị đề tài gồm 4 chương
Chương I: Tổng quan.Trong chương này nội dung nói đến tình hình nghiêncứu ứng dụng điện sức gió trên thế giới và ở Việt Nam,hệ năng lượng Diesel, giảithích được phối hợp giữa hệ lại Gió – Diesel
Chương II: Phương pháp và phương tiện nghiên cứu Ở chương này tìmhiểu và giới thiệu về phần mềm Matlab/Simulink
Chương III: Cơ sở khoa học và thực tiễn Ở chương 3 ta sẽ thiết lập đượccác mô hình như: thiết lập mô hình mô phỏng tốc độ gió,thiết lập mô hình môphỏng động học tua bin gió,thiết lập mô hình mô phỏng máy phát Diesel,thiết lập
mô hình mô phỏng hệ thống điện Gió – Diesel
Chương IV: Kết quả và thảo luận Trong chương này từ các mô hình môphỏng ta thu được các kết quả mô phỏng tốc độ gió, kết quả mô phỏng điện áp của
hệ điện Gió – Diesel
Trang 9Chương I: Tổng quan
1.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng điện sức gió trên thế giới
Nhận thức được tầm quan trọng của năng lượng tái tạo nói chung và nănglượng gió nói riêng, chính phủ của nhiều quốc gia trên thế giới đang dốc tiền của,nhân lực vào việc nghiên cứu và đưa vào sử dụng thực tiễn năng lượng gió, giúpgiảm sự căng thẳng năng lượng ở các nước
Trên khắp châu Âu 13.805 MW điện gió đã được lắp đặt trong năm 2015.Các quốc gia thành viên Liên minh châu Âu (EU) chiếm cho 12.800 MW trongtổng số có 141,6 GW lắp đặt trong EU với tổng khả năng tích lũy của 147.8 GWcho tất cả của châu Âu Hệ thống điện gió được lắp đặt trong năm 2015 chiếm44,2% của tất cả các điện gió được lắp đặt với công suất khá cao Năng lượng gió
đã vượt qua thủy điện là nguồn lớn thứ ba trong EU với thị phần 15,6% tổng côngsuất điện vào cuối của năm 2015 Năng lượng tái tạo chiếm 77% các nhà máy điệnmới lắp đặt vào năm 2015 (22,3 GW trong tổng số 29 GW) mà gió chiếm 44%mức lắp đặt trong EU tổng thể một lần nữa đáng kể biến động trên khắp châu Âu.Đức đã chiếm gần 50% tổng số lắp đặt năng lượng gió của EU 6.013 MW Ba Lan
là 1.266 MW và Pháp là 1.073 MW là chỉ có hai thị trường khác để lắp đặt trên 1
GW trong năm Trong một số trước đây thị trường lành mạnh như Thụy Điển vàVương quốc Anh, lắp đặt bị chậm lại đáng kể Vào cuối năm 2015, EU đã có 142
GW của gió được lắp đặt công suất điện trong đó có 131 GW là trên đất liền và 11
GW ngoài khơi Tuy nhiên, 47% của tất cả các lắp đặt mới của EU trong 2015 đãdiễn ra tại Đức và 73% xảy ra trong bốn thị trường hàng đầu, một xu hướng tương
tự trong năm 2014 Điều này là không giống như những năm trước khi lắp đặt đều
ít tập trung và trải rộng trên nhiều thị trường châu Âu 26,4 tỷ EUR đã được đầu tưvào năng lượng gió ở châu Âu trong năm 2015, cao hơn so với tổng vốn đầu tưnăm 2014 là 40% Trong khi năng lượng gió vẫn đang lắp đặt thì năng lượng mặttrời chiếm 29%; than 16% và khí đốt 6,4% Đức vẫn là quốc gia có lắp đặt lớn
Trang 10nhất EU năng lượng (44,9 GW), tiếp theo là Tây Ban Nha (23 GW), Anh (13,6GW), Pháp (10 GW) và Ý (9 GW) Thụy Điển, Đan Mạch, Ba Lan và Bồ ĐàoNha từng có nhiều hơn 5 GW.Lắp đặt hàng năm của điện gió ở châu Âu đã tănglên trong suốt 14 năm qua từ 3,2 GW vào năm 2000 để 12,8 GW vào năm 2015với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) là 9% chiếm năng lượng gió chomột phần ba của tất cả lắp đặt điện mới kể từ năm 2000 tại EU Trong năm 2015,thị trường nội địa hàng năm tại EU giảm 7,8%, nhưng lắp đặt xa bờ hơn gấp đôi
so với năm 2014 Nhìn chung, lắp đặt hàng năm năng lượng gió EU tăng 6,3% sovới năm 2014 gió ngoài khơi chiếm gần một phần tư tổng số EU lắp đặt điện gióvào năm 2015 và đầu tư ra nước ngoài ở châu Âu tăng gấp đôi lên 13,3 tỷ EUR
Nó là một năm kỷ lục về tài chính và lắp đặt lưới kết nối Đức (2.282 MW), Vươngquốc Anh (572 MW) và Hà Lan (180 MW) là ba nước để kết nối lưới điện tua bingió mới ra nước ngoài trong năm 2015, với 14 dự án đạt hoàn thành Anh vẫn còn
có khả năng gió lớn nhất ngoài khơi ở châu Âu tại 5.067 MW, chiếm 46% tổng sốlắp đặt ở châu Âu Đức đã có một năm xuất sắc và đã tăng lên vị trí thứ hai trongnăm 2015 Đức chứng kiến tổng lắp đặt tăng đến 3.295 MW (29,9%) với 1.271
MW (11,5%), Đan Mạch là thứ ba, tiếp theo tại Bỉ 712 MW (6,5%), Hà Lan tại
427 MW (3,9%), và Thụy Điển với 202 MW (1,8%) thị trường nhỏ khác bao gồmPhần Lan với 26 MW, Ai-len với 25 MW, Tây Ban Nha với 5 MW, Na Uy với 2
MW và Bồ Đào Nha với 2 MW trên nền kinh tế khủng hoảng và các biện phápthắt lưng buộc bụng được thực hiện trên khắp châu Âu tiếp tục cản trở sự pháttriển của ngành công nghiệp năng lượng gió Các năm trước có thể sẽ khó khănnhưng rộng hơn chuyển dịch đầu tư từ các nhiên liệu hóa thạch có thể thúc đẩy sựphát triển năng lượng tái tạo ở châu Âu Ngoài EU, Thổ Nhĩ Kỳ là thị trường lớnnhất châu Âu, với lắp đặt hàng năm của 956 MW vào năm 2015 Các thị trườngThổ Nhĩ Kỳ đạt công suất tổng cộng 4.694 MW vào năm ngoái Nhìn về phíatrước, tương lai của Thổ Nhĩ Kỳ khu vực gió sẽ hứa hẹn
Trang 11Hình 1.1 Công suất điện gió trên thế giới trong thời gian 2000-2015
Trong số 20 thị trường lớn nhất trên thế giới, riêng ở châu Âu đã có 13nước với Đức là nước dẫn đầu về công suất của các nhà máy dùng năng lượng gióvới khoảng cách xa so với các nước còn lại Tại Đức, Đan Mạch và Tây Ban Nha, năng lượng gió phát triển liên tục trong nhiều năm qua là nhờ sự nâng đỡ củachính phủ Nhờ vào đó mà một ngành công nghiệp mới đã phát triển tại 3 quốc gianày với công nghệ Đức (bên cạnh các phát triển mới từ Đan Mạch và Tây BanNha) đã được sử dụng trên thị trường nhiều hơn trong những năm vừa qua Côngsuất định mức của các nhà máy sản xuất điện gió vào năm 2007 được nâng lên93.924 MW Công suất này thay đổi dựa trên sức gió qua các năm, các nước, cácvùng như chúng ta có thể thấy trong bảng 1.1.[2]
Trang 12Bảng 1.1 Công suất định mức năng lượng gió của các nước trên thế giới năm
1.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng điện sức gió ở Việt Nam
Tiềm năng gió của Việt Nam rất lớn, vì thế việc nghiên cứu phát triển nănglượng gió là một công việc cần thiết Sự nghiên cứu triển khai năng lượng gió ởViệt Nam đã đi những bước đầu tiên Nhưng cơ bản sự phát triển năng lượng giótrong nước còn nhỏ lẻ, còn khá khiêm tốn so với tiềm năng to lớn của Việt Nam.Hiện tại Việt Nam có tất cả 20 dự án diện gió với dự kiến sản xụất 20 GW Nguồnđiện gió này sẽ kết nối với hệ thống điện lưới quốc gia và sẽ được phân phối vàquản lý bởi Tổng Công Ty Điện Lực Việt Nam Trong thời gian qua (tháng 4 năm2004), Việt Nam đã lắp đặt trạm năng lượng gió công suất 858kW trên đảo Bạch
Trang 13Long Vĩ do chính phù tài trợ và các tổ máy được chế tạo bởi hãng Technology SA(Tây Ban Nha) Ngoài ra Trung Tâm Năng Lượng Tái Tạo và Thiết Bị Nhiệt(RECTARE) Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh đã lắp đặt trên 800 tuabin gió trong hơn 40 tỉnh thành với sự tài trợ của Hiệp hội Việt Nam – Thụy Sĩ tậptrung nhiều nhất gần Nha Trang, trong đó có gần 140 tua bin gió đã hoạt động ỞCần Giờ thành phố Hồ Chí Minh với sự hỗ trợ của Pháp cũng đã lắp đặt được 50tua bin gió Tuy nhiên những tua bin gió trên đều có công suất nhỏ khoảng vài kwmức độ thành công không cao vì không được bảo dưỡng thường xuyên theo đúngyêu cầu.
Tháng 8-2008 Fuhrlaender AG, một tập đoàn sản xuất tua bin gió hàng đầucủa Đức đã bàn giao 5 tổ máy (cánh quạt gió) sản xuất điện gió đầu tiên cho dự ánđiện gió tại Tuy Phong, Bình Thuận với mỗi tổ máy có công suất 1.5MW (cũngxin ghi nhận nơi đây thời tiết ở Tuy Phong rất khô khan, nhưng có nhiều nắng vàgió Tốc độ gió trung bình ở đây là 6.7 m/s) Tổ máy đầu tiên được lắp đặt vàotháng 11-2008 và chính thức hoàn thành kết nối vào điện lưới quốc gia vào tháng
8 năm 2009
Hình 1.2 Năm tổ máy của nhà máy điện gió tầm cỡ MW đầu tiên ở Việt Nam ở xã
Bình Thạnh, huyện Tuy Phong , tỉnh Bình Thuận
Trang 14Chiều cao của mỗi cái tháp là 103.75 m và đường kính của cánh quạt là 37.5
m Tòan bộ thiết bị của 15 tổ máy còn lại của giai đọan 1 sẽ được hòan thànhtrong thời gian sắp tới để hoàn tất việc lắp đặt toàn bộ 20 tổ máy cho giai đọan 1.Tổng công suất của nhà máy điện gió tại Bình Thuận trong giai đoạn này là30MW do Công Ty Cổ Phần Năng Lượng Tái Tạo Việt Nam (REVN) làm chủđầu tư Thời gian hoạt động của dự án là 49 năm Nhà máy được xây dựng trêndiện tích 328ha.Theo kế hoạch giai đoạn 2 sẽ mở rộng sau đó với công suất lên120MW
Tháng 10-2008 tại Hà Nội đã diễn ra lễ ký kết giữa Tổng Công Ty ĐiệnLực Dầu Khí Việt Nam (PV Power) thuộc Tập Đoàn Dầu Khí Việt Nam và TậpĐoàn Luyện Kim của Argentina Industrias Metallurgica Pescamona S.A.I.yF(IMPSA) thỏa thuận chi tiết về việc sản suất và phát triển các dự án điện gió vàthủy điện tại Việt Nam Hai bên đã đồng ý góp vốn để kinh doanh và thương mạihóa tua bin gió, phát triển và quản lý các dự án điện gió, cung cấp các dịch vụ bảotrì, sửa chữa các thiết bị điện gió ở Việt Nam Hai bên cũng đã kí thỏa thuận hợptác triển khai nhà máy điện gió công suất 1 GW trên diện tích 10.000 ha nằm cách
xã Hòa Thắng huyện Bắc Bình tỉnh Bình Thuận khoảng 6 km về hướng đông bắc.Nhà máy sẽ được lắp đặt tua bin gió IMPESA Unipower IWP –Class II công suất2,1MW các tổ máy gồm nhiều tua bin gió cho phép sản xuất 5,5Gwh/năm Dựkiến tổng vốn đầu tư cho dự án là 2,35 tỷ USD trong 5 năm Hai bên cũng thỏathuẩn về dự án sản xuất tua bin gió công suất 2MW có sải cánh quạt dài 80m choViệt Nam và cho xuất khẩu ra nước ngoài
Những đế án khác chẳng hạn như: Phương Mai - Quy-Nhơn với công xuất2.5 MW do chuyên viên tập đòan Avantis Energy Group; Hai đề án với công xuất
150 MW & 80 MW tại tỉnh Lâm Đồng đang được tích cực triễn khai; Công tyThụy Sĩ Aerogie Plus Solution AG lắp đặt nhà máy điện gió có công xuất 7.5 MWkết hợp với động cơ diesel tại Côn Đảo , tỉnh Bà Rịa- Vũng Tàu.Thế giới tiến tớinhững nguồn năng lượng tái tạo đó là một xu thế không thể thay đổi, với xu thế đó
Trang 15Việt Nam đang có những bước chuyển mình để phù hợp, thích nghi cho dù cònchưa nhanh và mạnh nhưng đó là một công việc cần làm và cần đẩy mạnh nhiềuhơn nữa.[1]
1.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Tuabin gió
1.3.1 Sự hình thành gió và đặc trưng của gió
1.3.1.1 Sự hình thành gió
Gió trên trái đất được tạo ra là do có sự chuyển động của không khí trongkhí quyển khi có sự thay đổi áp suất khí quyển Sự thay đổi này chính là do sựkhác nhau về nhiệt độ khi ánh sáng mặt trời chiếu xuống ở những phần khác nhautrên bề mặt trái đất Bề mặt ở gần xích đạo bao giờ cũng được nóng hơn bề mặtnằm xa xích đạo Mặt trời làm nóng bầu khí quyển bao quanh trái đất, khối khôngkhí ở phía nữa bề mặt trái đất được mặt trời hâm nóng di chuyển lên cao, tạo ramột khoảng chống chân không, lập tức liền được thay thế khoảng chống này bằngmột khối không khí lạnh từ phía không được hâm nóng Ở vùng núi cao, buổi sángđón ánh nắng mặt trời sớm, không khí ở đây bị hâm nóng trước sẽ bốc lên cao đểlại một khoảng chống, lập tức được thay thế bằng khối không khí lạnh từ chân núihoặc thung lũng, nơi ánh nắng mặt trời chưa chiếu đến Sự di chuyển của khôngkhí như vậy đã tạo nên gió Nước và đất có nhiệt dung khác nhau, ban ngày đấtnóng nhanh hơn nước Ban ngày, mặt đất bị nóng nhanh hơn nước biển, không khínóng từ mặt đất bốc lên cao liền được không khí lạnh từ mặt biển điền vào, tạo ragió biển mát mẻ cho những dải đất ven biển Ban đêm, hiện tượng xảy ra ngượclại, gió từ đất liền lại thổi theo chiều trở ra biển vì đất nguội nhanh hơn nước trongkhi mặt nước biển vẫn còn ấm Trái đất quay chung quanh mặt trời gây ra cácdòng xoáy không khí cũng tạo ra gió theo từng mùa
Bản đồ vận tốc gió theo mùa, do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis đượctạo thành từ sự quay quanh trục của Trái Đất nên không khí đi từ vùng áp cao đếnvùng áp thấp không chuyển động thẳng mà tạo thành các cơn gió xoáy có chiềuxoáy khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu Nếu nhìn từ vũ trụ thì trên Bắc
Trang 16bán 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, còn trên Nam bán cầu thìchiều hướng ngược lại
Hình 1.3 Mô hình hoàn lưu khí quyển với các trung tâm khí áp bề mặt có tính
đến sự phân bố không đều giữa đất liền và biển.
Ngoài các yếu tố có tính toàn cầu trên gió cũng bị ảnh hưởng bởi địa hìnhtại từng địa phương Do nước và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đấtnóng lên nhanh hơn nước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biểnhay hồ vào đất liền Vào ban đêm đất liền nguội đi nhanh hơn nước và hiệu ứngnày xảy ra theo chiều ngược lại
1.3.1.2 Đặc trưng của gió
Đặc trưng của gió gồm: tốc độ gió và cấp độ gió
Tốc độ gió là đặc trưng quan trọng của gió Sức gió thổi mạnh hay yếu từkhu vực này đến khu vực khác là do mức độ chênh (gradient) về nhiệt độ hoặc ápsuất không khí ở trong khí quyển những khu vực kế cận Tốc độ gió tính bằngm/giây, tốc độ gió của một vùng nào đó thường lấy giá trị tốc độ gió trung bình đo
Trang 17ở vị trí cách mặt đất khoảng 10m hoặc 30m tại địa phương cụ thể Dựa vào tốc độgió, có thể chia thành các cấp độ gió khác nhau như sau (bảng 1.2)
Bảng 1.2: Phân loại cấp độ gió theo tốc độ gió trung bình
1.3.2 Cấu tạo của tubin gió
Hình 1.4 Cấu tạo tua bin gió
Chú thích:
Trang 181 Blades: cánh quạt gió.
2 Rotor : bao gồm các cánh quạt và trục
3 Pitch : Bước răng Cánh được làm nghiêng một ít để giữ cho Roto quaytrong gió không quá cao hay quá thấp để tạo ra điện
4 Brake: Bộ hãm (phanh) Dùng để dừng roto trong tình trạng khẩn cấpbằng điện, bằng sức nước hoặc bằng động cơ
5 Low speed shaft: Trục quay tốc độ thấp
6 Gear box: Hộp bánh răng Bánh răng được nối trục có tốc độ thấp vớitrục có tốc độ cao và tăng tốc độ quay từ 30 – 60 vòng/phút tới 1.200-1.500 vòng/phút
7 Generator: Động cơ phát điện
8 Controller: Bộ điều khiển bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở tốc độgió khoảng 8 đến 16 dặm/1 giờ và tắt động cơ khoảng 65 dặm/s1 giờ
9 Anemoneter: Bộ đo lường tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điều khiển
10.Wind vane: Chong chóng gió để xử lý hướng gió và liên lạc với Yawdrive để định hướng Tuabin
11.Nacelle: Vỏ, gồm Roto và vỏ bọc ngoài, toàn bộ được đặt trên đỉnh trụ.Dùng bảo vệ các thành phần trong vỏ
12.Hight speed shaft: Trục truyền động tốc độ cao
13.Yaw drive: Dùng để giữ Roto luôn luôn hướng về hướng gió khi có sựthay đổi hướng gió
4.Yaw motor: Động cơ cung cấp cho Yaw drive định hướng gió
15.Tower: Trụ đỡ Được làm từ thép hình trụ hoặc lưới thép
1.3.3 Các kiểu tua bin gió hiện nay
Các tuabin gió hiện nay được chia thành hai loại: trục đứng và trục ngang
Trang 19Hình 1.5 Tua bin gió theo trục đứng
Hình 1.6 Tua bin gió theo trục ngang 1.3.4 Công suất các loại tua bin gió
- Dãy công suất tua bin gió thuận lợi từ 50 kW tới công suất lớn hơn cỡ vài
MW Để có dãy công suất tua bin gió lớn hơn thì tập hợp thành một nhóm nhưngtua bin với nhau trong một trại gió và nó sẽ cung cấp năng lượng lớn hơn cho lướiđiện
- Các tua bin gió loại nhỏ có công suất dưới 50kW được sử dụng cho giađình Viễn thông hoặc bơm nước đôi khi cũng dùng để nối với máy phát điệndiezen, pin và hệ thống quang điện Các hệ thống này được gọi là hệ thống lai gió
và điển hình là sử dụng cho các vùng sâu vùng xa, những địa phương chưa có lướiđiện, những nơi mà mạng điện không thể nối tới các khu vực này
Trang 201.3.5 Nguyên lý hoạt động của các tuabin gió
- Các tua bin gió tạo ra điện một cách đơn giản là một tua bin gió làm việctrái ngược với một máy quạt điện, thay vì sử dụng điện để tạo ra gió như quạt điệnthì ngược lại tua bin gió lại sử dụng gió để tạo ra điện
- Các tua bin gió hoạt động theo một nguyên lý rất đơn giản Năng lượngcủa gió làm cho 2 hoặc 3 cánh quạt quay quanh 1 rotor Mà rotor được nối với trụcchính và trục chính sẽ truyền động làm quay trục quay máy phát để tạo ra điện
- Các tuabin gió được đặt trên trụ cao để thu hầu hết năng lượng gió Ở tốc
độ 30m trên mặt đất thì các tua bin gió thuận lợi: Tốc độ nhanh hơn và ít bị cácluồng gió bất thường Các tua bin gió có thể sử dụng cung cấp điện cho nhà cửahoặc xây dựng, chúng có thể nối tới một mạng điện để phân phối mạng điện rarộng hơn
- Nhìn từ phía ngoài vào một xưởng năng lượng gió thấy được một nhómcác tua bin làm việc và tạo ra điện nhờ các đường dây tiện ích
Điện được truyền qua dây dẫn phân phối từ các nhà, các cơ sở kinh doanh,các trường học …
1.4 Tổng quan về hệ năng lượng Diesel
1.4.1 Nhiên liệu Diesel
Nhiên liệu Diesel được sản xuất chủ yếu từ phân đoạn gazoil và là sản phẩmcủa quá trình chưng cất trực tiếp dầu mỏ, có đầy đủ những tính chất lý hóa phùhợp cho động cơ Diesel mà không cần phải áp dụng những quá trình biến đổi hóahọc phức tạp.Ngoài việc sử dụng nhiên liệu diesel nhiều trong các ngành côngnghiệp, máy phát điện Diesel được thiết kế để đáp ứng nhu cầu của các doanhnghiệp vừa và nhỏ, làm nguồn dự phòng cho các hệ lưới điện độc lập, giảm chiphí nguồn điện dự phòng và làm cho máy phát điện dễ dàng cài đặt đang trở thànhtiêu chí hiện nay
1.4.2 Máy phát điện Diesel
Một máy phát điện (MFĐ) Diesel là sự phối hợp của một động cơ Diesel
Trang 21với một máy phát điện (thường là MFD xoay chiều để tạo ra năng lượng điện
Hình 1.7 Mô hình máy phát điện Diesel
Trong đó:
(1) Động cơ(2) Máy phát điện xoay chiều(3) Hệ thống nhiên liệu
(4) Ổn áp(5) Hệ thống làm mát(6) Hệ thống xả(7) Bộ nạp acquy(8) Controlpanel hay thiết bị điều khiển(9) Kết cấu khung chính
1.4.2.1 Máy phát điện xoay chiều
Máy phát điện xoay chiều là thiết bị biến đổi cơ năng thành điện năng ởdạng dòng xoay chiều, nguồn cơ năng sơ cấp có thể là các động cơ tua bin hơi,tuabine nước, động cơ đốt trong, tua bin gió hoặc các nguồn cơ năng khác
1.4.2.2 Nguyên lý làm việc
MFĐ xoay chiều tạo ra điện theo nguyên lý tương tự như MFĐ một chiều,
cụ thể là, khi từ trường xung quanh một dây dẫn thay đổi, một dòng điện cảm ứngđược tạo ra trong dây dẫn Thông thường thì phần nam châm quay gọi là rotor cònphần cuộn dây đặt cố định trong lõi sắt gọi là stator Từ trường của rotor sẽ quétqua các thanh dẫn của stator và cảm ứng ra một suất điện động xoay chiều, nó nhưmột đầu vào cơ học làm cho rotor quay
Trang 22
a- Sơ đồ nguyên lý; b- Dòng điện xoay chiều 1 pha trong một chu kỳ
Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý phát điện
Mối liên hệ giữa cảm ứng được tạo ra trong dây dẫn và vị trí của nam châmđược chỉ ra trong Hình1.8 Dòng điện lớn nhất được sinh ra khi cực N và cực Scủa nam châm gần với cuộn dây nhất Tuy nhiên, chiều dòng điện ở mỗi nửa vòngquay của nam châm lại ngược nhau
Dựa theo nguyên lý trên, để sinh ra dòng điện một cách hiệu quả hơn, máyphát điện 3 pha dùng 3 cuộn dây bố trí lệch nhau một góc 120o trên stator
Mỗi cuộn A, B, C được đặt chênh nhau 120o Khi nam châm quay giữachúng dòng điện xoay chiều được sinh ra trong mỗi cuộn dây Dòng điện bao gồm
3 dòng xoay chiều được gọi là “dòng xoay chiều 3 pha”
Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý dòng điện xoay chiều 3 pha 1.4.3 Động cơ Diesel
Động cơ diesel có thể có dạng hai chu kỳ hoạt động hoặc bốn chu kỳ vàđược lựa chọn tùy thuộc vào phương thức hoạt động Động cơ diesel, có hai cáchlàm mát, bằng không khí hoặc bằng chất lỏng làm mát, cả hai đều là các dạng thíchhợp có thể được lựa chọn Sử dụng làm mát bằng chất lỏng với máy phát điệndiesel là tốt nhất, vì nó yên tĩnh khi hoạt động và kiểm soát nhiệt độ đồng đều
Nguyên lý hoạt động: để tạo ra năng lượng chạy máy phát động cơ 4 kỳ sẽlặp lại tuần hoàn, nhiên liệu được nén với áp suất cao khi tiếp xúc với không khí
Trang 23ở nhiệt độ và áp suất cao sẽ tạo ra sự cháy.
1.4.4 Lợi ích của phát điện Diesel làm nguồn dự phòng trong hệ thống điện gió
Không có bộ phận phát ra tia lửa mà nhiên liệu tự động đốt cháy Không
có bugi hoặc dây đánh lửa làm giảm chi phí bảo trì
Chi phí nhiên liệu cho mỗi kilowatt điện được sản xuất chiếm 30% –50% thấp hơn so với động cơ khí đốt
Máy phát điện động cơ diesel quay khoảng 1800 vòng/phút với nước làmmát động cơ đầy đủ, có thể hoạt động từ 12.000 đến 30.000 giờ trước khi cần phảibảo trì hoàn toàn
Tuổi thọ của động cơ Diesel cao hơn hẳn so với máy pháy điện chạy bằngđộng cơ khí đốt do nhiệt lượng của động cơ Diesel thấp hơn
1.5 Phối hợp giữa hệ lai Gió – Diesel
1.5.1 Giới thiệu chung
Hệ thống lai gió và diesel là một hệ thống máy phát điện sử dụng tua bingió kết hợp với máy phát điện diesel để sản xuất ra nguồn điện với chất lượng điện
áp, tính liên tục cung cấp điện cao
Trong quá trình hoạt động, khi kết hợp giữa hệ thống điện gió và máy phátdiesel sẽ xảy ra 3 trường hợp sau: trường hợp 1 chỉ có động cơ diesel hoạt động,trường hợp 2 có sự kết hợp giữa hệ thống điện gió và máy phát diesel hoạt động,trường hợp 3 chỉ có hệ thống tua bin gió hoạt động Khi công suất của phát điệntua bin gió nhỏ hơn công suất của tải thì máy phát diesel sẽ hoạt động Nếu nguồnđiện năng lượng gió không được đảm bảo do yếu tố thời tiết, thì đã có máy phát
Trang 24Diesel dự phòng hỗ trợ Các máy phát điện Diesel hiện đại được thiết kế đáp ứngnhu cầu năng lượng khẩn cấp, máy phát điện có thể cung cấp điện khẩn cấp chotất cả các tải quan trọng và lựa chọn tải mong muốn Vì thế, nguồn điện cung cấpcho tải đảm bảo không bị gián đoạn.
Hệ thống lai gió và diesel có những ưu điểm của cả hai hệ thống điện gió vàmáy phát diesel, khắc phục được nhược điểm của chúng
1.5.2 Ưu điểm của hệ thống điện gió
1.5.2.2 Thân thiện với môi trường
- Không gây ô nhiễm môi trường do không sản sinh ra các các chất khí độc
hại như: carbondioxit,oxitnitor,khí lưu huỳnh hoặc thủy ngân bay vào khí quyểngiống như các hìnhthức sản xuất điện truyền thống.Do đó năng lượng gió khôngtạo ra hiệu ứng nhà kính,đảm bảo cho môi trường an toàn
-Không sử dụng nhiên liệu nên năng lượng gió không mất thêm các chi phícho việc vận chuyển,thu hồi các nhiên liệu hoặc lưu trữ chất thải phóng xạ
1.5.3 Nhược điểm của hệ thống điện gió
- Phụ thuộc vào thời tiết vì chỉ phát điện khi có chế độ gió ổn định Bởi vậynên lắp ở các nơi có chế độ gió ổn định, tránh cây cối đề khi mưa to cây đổ va vàobảo làm hỏng các thiết bị Để đạt hiệu suất cao nhất, hàng tháng nên bảo dưỡnglau các cánh quạt gió bụi bận bám nên cánh đồng thời thường xuyên kiểm tra các
bộ phận trong cánh quạt gió
Trang 25- Chi phí vốn đầu tư trang thiết bị cũng như lắp đặt ban đầu khá lớn đòi hỏiphải có sự đầu tư trong nước và quốc tế cũng như chính phủ Tùy thuộc vào vị trílắp đặt mà nhà sản xuất có thể tối đa đươc hiệu suất hoạt động của hệ thống điệngió
- Để khắc phục khi hệ thống điện gió không sử dụng được thì dùng máy phátđiện Diesel cấp điện cho các thụ điện Máy phát điện diesel được áp dụng phổbiến do có ưu điểm chi phí đầu tư thấp và dễ vận hành Tuy nhiên việc sử dụngcác dạng nhiên liệu như xăng dầu để chạy máy có ảnh hưởng đến môi trường vàsức khỏe con người nên sử dụng máy phát diesel trong ngày là không nhiều chủyếu phục vụ giờ cao điểm hay khi cần thiết Có thể nói hệ thống lai giữa gió vàdiesel bổ xung và hoàn chỉnh cho nhau
1.5.4 Phạm vi ứng dụng của hệ thống điện gió – Diesel
Hệ thống điện gió và Diesel được ứng dụng ở các vùng sâu, vùng xa, hảiđảo cách xa đất liền,…chưa được kết nối với lưới điện quốc gia, nhu cầu sử dụngnăng lượng của con người ngày càng tăng, nguồn năng lượng gió để tạo ra điệnkhông những giúp giảm thiểu chi phí, không gây ô nhiễm môi trường mà còn đápứng nhu cầu sử dụng điện năng của người dân.[5]
Trang 26Chương II: Phương pháp và phương tiện nghiên cứu
2.1 Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm
Kết hợp nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm, thừa kế các kếtquả nghiên cứu trước đó,dựa trên các thành tựu khoa học công nghệ,khảo sát tiềmnăng năng lượng gió tại Việt Nam để lựa chọn mô hình, công cụ hỗ trợ mô phỏng
hệ thống kết hợp năng lượng Gió và Diesel
Các công việc cần làm trong bài đồ án tốt nghiệp:
2.2 Phương tiện nghiên cứu
Đồ án sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng hệ thống laiđiện Gió và máy Diesel
2.2.1 Khái quát về Matlab
MATLAB là phần mềm cung cấp môi trường tính toán số và lập trình, docông ty MathWorks thiết kế MATLAB cho phép tính toán số với ma trận, vẽ đồthị hàm số hay biểu đồ thông tin, thực hiện thuật toán, tạo các giao diện ngườidùng và liên kết với những chương trình máy tính viết trên nhiều ngôn ngữ lậptrình khác nhau
Trang 27(b)
Hình 2.1 (a) Công ty MathWorks, (b) Phần mềm Matlab-Simulink
Matlab là viết tắt của từ "MATrix LABoratory ", được Cleve Moler phátminh vào cuối thập niên 1970 Matlab hỗ trợ các công cụ tính toán, thiết kế, lậptrình cũng như công cụ Simulink giúp mô phỏng hệ thống hệ thống thực tế
Môi trường làm việc trong Matlab
Khởi động và chuẩn bị thư mục làm việc trong Matlab
Trước khi khởi động Matlab, thì người dùng nên tạo một thư mục làm việc
để chứa các file chương trình (C:\Mophonghethongpinquangdien_DSP) Matlab sẽthông dịch các lệnh được lưu trong file có dạng *m
Sau khi đã cài đặt Matlab thì việc khởi chạy chương trình chỉ đơn giản lànhấp vào biểu tượng Matlab trên desktop , hoặc vào Start\All Programs\
Trang 28Sau khi khởi động Matlab, ta tiến hành chỉ thư mục làm việc của mìnhcho Matlab Nhấp vào biểu tượng trên thanh công cụ và chọn thư mục làm việc(D:\Cuongdobucxathaydoi_Matlab)
Hình 2.2 Chỉ thư mục làm việc cho Matlab
Quản lý không gian làm việc của Matlab
Hình 2.3 Không gian làm việc của Matlab
Không gian làm việc của Matlab gồm có các phần cơ bản sau:
*Nút start: Ở góc dưới bên trái màn hình, cho phép chạy các ứng dụng mẫu(demos), các công cụ và cửa sổ chưa hiển thị khi khởi động Matlab
*Cửa sổ lệnh: Qúa trình khởi động đưa người dùng đến cửa sổ lệnh, nơi cácdòng lệnh được biểu thị bằng dấu ‘>>’ Đây là dấu hiệu cho thấy Matlab đang chờ
đánh một (câu) lệnh Có thể xóa trắng toàn bộ cửa sổ lệnh bằng lệnh : >> clc hoặc
vào Edit/Clear command Window Khi thực hiện lệnh này, toàn bộ các biến hiện
có không thay đổi hay bị mất đi
*Cửa sổ không gian làm việc (Workspace): Nơi lưu giữ các biến và dữ liệu
do người dùng nhập vào ngoại trừ những biến cục bộ thuộc về một M-file