Tiềm năng năng lượng gió cho Tua-bin gió nhỏ, tập trung ở khu vực đồng bằng duyên hải phía Bắc của Huế, tốc độ trung bình ở độ cao 30m đo được vào khoảng 5,5-6,0 m/s và có nơi sát vùng d
Trang 1KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
TÌM HIỂU VÀ KHAI THÁC NĂNG LƢỢNG
ĐIỆN GIÓ TẠI VIỆT NAM
Trang 21 Họ và tên sinh viên được giao đề tài:
2 Tên đề tài:
TÌM HIỂU VÀ KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG ĐIỆN GIÓ TẠI VIỆT NAM
3 Nội dung:
CHƯƠNG 1: TIỀM NĂNG VÀ TRỮ LƯỢNG NĂNG LƯỢNG GIÓ
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ
CHƯƠNG 3: TUA-BIN ĐIỆN GIÓ
CHƯƠNG 4: MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG TUA-BIN ĐIỆN GIÓ
CHƯƠNG 5: KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG ĐIỆN GIÓ TẠI VIỆT NAM
CHƯƠNG 6: MỘT SỐ NHÀ MÁY PHONG ĐIỆN TẠI BÌNH THUẬN
4 Kết quả:
Tp.HCM, ngày ….tháng….năm 2017
Trang 3-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Trang 4-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Trang 5CHƯƠNG 1: TIỀM NĂNG VÀ TRỮ LƯỢNG NĂNG LƯỢNG GIÓ 1
1.1 Tiềm năng và trữ lượng gió trên thế giới 1
1.2 Tiềm năng và trữ lượng gió ở Việt Nam 2
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ 6
2.1 Gió 6
2.2 Các đặc trưng của năng lượng gió 7
2.2.1 Tốc độ gió 7
2.2.2 Hướng gió 8
2.3 Tiêu chuẩn lớp gió cho tua-bin 13
2.4 Ưu và nhược điểm của năng lượng gió 14
2.4.1 Ưu điểm 14
2.4.2 Nhược điểm 15
CHƯƠNG 3: TUA-BIN ĐIỆN GIÓ 17
3.1 Nguyên tắc 17
3.2 Cánh quạt 22
3.2.1 Định luật Betz trong ứng dụng thiết kế cánh quạt 23
3.2.2 Thiết kế cánh quạt 27
3.2.3 Những trạng thái có thể xảy ra đối với cánh quạt 30
3.2.4 Số cánh quạt của tua-bin 31
3.3 Hệ thống rotor 34
3.4 Những nguyên tắc điều chỉnh hệ thống rotor 36
3.4.1 Điều chỉnh trình trạng gió trượt của cánh quạt 37
3.4.2 Điều chỉnh mặt đón gió của cánh quạt 38
3.4.3 Tốc độ gió khi tua-bin khởi động 40
3.4.4 Tốc độ gió khi tua bin ngưng hoạt động 41
3.4.5 Hệ thống chỉnh cánh quạt khi có bão 42
3.4.6 Hệ thống chỉnh tua-bin theo hướng gió 43
3.5 Hệ thống quay, trục và bộ phận thắng 44
Trang 63.7.1 Thùng Nacelle 50
3.7.2 Những hệ thống phụ 52
3.8 Trụ, chân đế 55
3.8.1 Trụ, chân đế trên đất liền 55
3.8.2 Trụ, chân đế trên biển 58
CHƯƠNG 4: MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG TUA-BIN ĐIỆN GIÓ 63
4.1 Máy phát điện không đồng bộ (cảm ứng) (Asynchronous (induction) generator) 63
4.1.1 Máy phát điện cảm ứng lồng sóc – SCIG ( Squirrel cage induction generator ) 66
4.1.2 Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn – WRIG 69
4.2 Máy phát điện đồng bộ (Synchronous generator) 88
4.2.1 Máy phát điện đồng bộ rotor dây quấn – WRSG (Wound Roto Synchronous Generator.) 91
4.2.2 Máy phát điện nam châm vĩnh cửu – PMSG (Permanent magnet synchronous generator) 91
4.3 Các loại máy phát điện khác 96
4.3.1 Máy phát điện cao áp – HVG (Highvoltage generator) 96
4.3.2 Máy phát điện từ hóa chuyển đổi – TWRG (The switched reluctance generator) 97
4.3.3 Máy phát điện ngang dòng – TFG (Transverse flux generator) 98
CHƯƠNG 5: KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG ĐIỆN GIÓ TẠI VIỆT NAM 99
5.1 Ứng dụng xây dựng nhà máy điện gió tại khu vực bắc Bình Thuận Dự Án điện gió Phú Lạc thuộc xã Phú Lạc, huyện Tuy Phong 99
5.1.1 Khảo sát địa điểm 101
5.1.2 Tính toán tua-bin gió 102
5.1.2.1 Công thức tính toán 102
5.1.2.2 Yêu cầu mỗi tua-bin có công suất định mức 2MW 104
5.1.2.3 Chọn tua-bin gió 106
5.2 Kết nối lưới điện 111
a Điều kiện khi kết nối hệ thống điện gió với lưới điện 111
b Nối dây cáp cánh đồng điện gió 112
Trang 7Cho đến nay Việt Nam còn một số trở ngại lớn làm chậm bước việc xây dựng, phát triển sản xuất điện gió 125
CHƯƠNG 6: CÁC NHÀ MÁY PHONG ĐIỆN TẠI BÌNH THUẬN…… 118
6.1 Giới thiệu một số dự án điện gió tại bình thuận
6.1.1 Dự án điện gió Tuy Phong
6.1.2 Dự án điện gió Phú Quý
6.2 Những thuận lợi và khó khăn tại các dư án điện gió Bình Thuận
Trang 8DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 1.1: Tổng công suất lắp đặt điện gió trên Thế giới 1
Hình 1.2: Tổng sản lượng điện gió trên Thế giới năm 2011 2
Hình 1.3: Tua bin điện gió ven biển Bạc Liêu 4
Hình 2.1: Mô hình hoàn lưu khí quyển với các trung tâm khí áp bề mặt có tính đến sự phân bố đất biển không đều 7
Hình 2.2: Bản đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam ở độ cao 80 mét 10
Hình 2.3: Hoa tốc độ gió Hoa tốc độ gió trung bình 12
Hình 2.4: Cột đo tốc độ và hướng gió tiêu biểu 13
Hình 2.5: Cột đo gió tại Huyện Bình Đại - Bến Tre 13
Hình 3.1: Cấu hình tua-bin điện gió trục ngang dùng hộp số 17
Hình 3.2: Tua-bin điện gió loại trục đứng 18
Hình 3.3: Tuabin điện gió loại trục ngang 19
Hình 3.4: Hướng đón gió của tua-bin 20
Hình 3.5: Mặt cắt tua-bin điện gió sử dụng hộp số Nordex N100/2500-Đường kính cánh quạt: 99,8m-công suất 2,5MW 21
Hình 3.6: Ống động lực học Betz trong điều kiện lý tưởng 23
Hình 3.7: Tỉ số vận tốc v2/v1 25
Hình 3.8: Sự phân bố lực tác động F vào cánh quạt với góc <200 27
Hình 3.9: Những thiết diện và cấu hình khác nhau của cánh quạt điện gió 28
Hình 3.10: Cấu trúc những lớp vật liệu của cánh quạt 28
Hình 3.11: Cánh quạt tua-bin Growian 29
Hình 3.12: Hệ số tốc độ gió tại đầu cánh và cấu hình NACA 4415 theo số cánh quạt.32 Hình 3.13: Các trạng thái hoạt động của cánh quạt 34
Hình 3.14: Nguyên tắc khí động lực học ứng dụng điều chỉnh tránh gió 36
Hình 3.15: Tốc độ gió và góc chỉnh cánh quạt 38
Hình 3.16: Vòng bi 4 điểm tiếp xúc 39
Trang 9Hình 3.18: Đường biểu diễn công suất và tốc độ gió của tua-bin 3 MW có hệ thống
chỉnh cánh quạt theo bão 41
Hình 3.19: Hệ thống chỉnh tua-bin theo hướng gió –Tua-bin Westinghouse WTG-0600 42
Hình 3.20: Động cơ góc phương vị (Azimuth motor) tua-bin Multibrid 5MW 43
Hình 3.21: Động cơ chỉnh tua-bin theo hướng gió và bánh răng vòng 43
Hình 3.22: Trục rotor với hai ổ lăn theo nguyên tắc xếp đặt rời - Tua-bin điện gió Vestas V66 45
Hình 3.23: Chi tiết tua-bin với nguyên tắc xếp đặt rời 45
Hình 3.24: Tua-bin với ổ bi đỡ trục tại 3 điểm (nguyên tắc kết hợp) 46
Hình 3.25: Xếp đặt chi tiết tua-bin với nguyên tắc kết hợp 46
Hình 3.26: Trục tua-bin điện gió một ổ bi đỡ với nguyên tắc xếp đặt chung – Vestas V90 47
Hình 3.27: Bánh thắng tại trục có vòng quay cao của hộp số 47
Hình 3.28: Bánh thắng - Tua-bin Nordex N-80 48
Hình 3.29: Hộp số bánh răng xếp đặt vòng 3 cấp của tua-bin điện gió với công suất từ 2 đến 3 MW 49
Hình 3.30: Nguyên tắc hộp số kết hợp 3 bộ bánh răng xếp đặt vòng và 1 bộ bánh răng trụ 49
Hình 3.31: Thùng Nacelle của tua-bin điện gió Avantis 50
Hình 3.32: Thùng Nacelle của tua-bin điện gió Fuhrländer 51
Hình 3.33: Màn hình hiện thị số giờ họat động và những thông tin khác đặt trong thân trụ 52
Hình 3.34: Sơ đồ nối mạng hệ thống tua-bin điện gió 52
Hình 3.35: Công suất của tua-bin lệ thuộc vào độ lớn của tua-bin và độ cao của trụ 55
Hình 3.36: Cột và dây cáp giữ tua-bin điện gió Trụ lưới Trụ ống thép 55
Hình 3.37: Đọan chân trụ và vòng nối hai lớp đinh ốc 56
Hình 3.38: Chân đế lục giác 56
Hình 3.39: Chân đế nhiều cạnh 57
Trang 10(Monopile) và sơ đồ đóng chân đế trên nền biển 58
Hình 3.42: Đế tháp nhiều chân (multipod) và đế tháp lưới (jacket) 59
Hình 3.43: Đế tháp ba chân và đế tháp lưới kết hợp trọng lực 59
Hình 3.44: Loại chân đế và độ sâu của nền biển 60
Hình 3.45: Tua-bin điện gió nổi Hywind 61
Hình 3.46: Tua-bin điện gió thử nghiệm (study) 10MW Aerogenerator X © Wind Power Ltd & Grimshaw - 2010 / GB H 130 mét L 270m 61
Hình 3.47: Tua-bin điện gió thử nghiệm (study) - Đại học Kyushu - Nhật Ø112mét 61 Hình 4.1: Cấu tạo stator của máy phát điện không đồng bộ 63
Hình 4.2: Cấu tạo rotor lồng sóc của máy phát điện không đồng bộ 64
Hình 4.3: Cấu tạo rotor dây quấn của máy phát điện không đồng bộ 64
Hình 4.4: Máy phát điện không đồng bộ lồng sóc - Hãng ABB 65
Hình 4.5: Hệ thống máy phát SCIG một cấp tốc độ nối lưới 66
Hình 4.6: Hệ thống máy phát SCIG hai cấp tốc độ nối lưới 66
Hình 4.7: Hệ thống OSIG nối lưới 69
Hình 4.8: Máy phát điện DFIG trong Tua-bin gió-Hãng ABB 70
Hình 4.9: Cấu trúc máy phát điện dị bộ kép nối lưới 71
Hình 4.10: Sơ đồ điều khiển tua-bin có tốc độ thay đổi của DFIG 73
Hình 4.11: Nguyên tắc của hệ thống đổi tần 74
Hình 4.12: Sơ đồ mạch tương đương DFIG trạng thái ổn định với converter phía rotor 76
Hình 4.13: Sơ đồ mạch tương đương DFIG trạng thái ổn định với converter phía rotor được sắp xếp lại 78
Hình 4.14: Trạng thái hoạt động trạng thái siêu đồng bộ DFIG 79
Hình 4.15: Dòng công suất DFIG trong trạng thái hoạt động siêu đồng bộ 79
Hình 4.16: Trạng thái hoạt động chế độ dưới đồng bộ DFIG 80
Hình 4.17: Dòng công suất DFIG trong trạng thái hoạt động dưới đồng bộ 81
Hình 4.18: Sơ đồ biểu diễn cấu trúc hệ thống DFIG khi khởi động 85
Hình 4.19: Dây quần stator máy phát đồng bộ đang được thi công 87
Hình 4.20: Cấu tạo rotor cực lồi của máy phát điện đồng bộ 88
Trang 11Hình 4.22: Máy phát điện nam châm vĩnh cửu trong tua-bin ScanWind 91
Hình 4.23: Máy phát điện nam châm vĩnh cửu trong tua-bin Avantis 91
Hình 4.24: Cuộn dây đồng trong bộ phận tĩnh Stator 92
Hình 4.25: Rotor máy phát điện và phận lõi Stator - Tua-bin Avantis 92
Hình 4.26: Nguyên tắc kích thích từ dòng điện ngoài 93
Hình 4.27: Nguyên tắc tự kích thích 93
Hình 4.28: Cấu trúc tua-bin Vensys sử dụng máy điện nam châm vĩnh cửu - kích thích bởi nam châm vĩnh cửu 94
Hình 4.29: Cấu trúc tua-bin Enercon sử dụng máy điện nam châm vĩnh cửu - kích thích từ dòng điện ngoài 94
Hình 4.30: Máy phát điện nam châm vĩnh cửu trong tua-bin Enercon E70 94
Hình 5.1: Vị trí cánh đồng gió Phú Lạc trên bản đồ 100
Hình 5.2: Vị trí nhà máy điện gió xây dựng tại Phú Lạc-Tuy Phong-Bình Thuận 100
Hình 5.3: Tiêu chuẩn sắp xếp vị trí Tua-bin gió trong cánh đồng gió 104
Hình 5.4: Tổng quan về các tua-bin gió Vestas hoạt động trong lớp gió khác nhau 105
Hình 5.5: Cấu trúc bên trong tua-bin V100 – 2 của hãng Vestas 105
Hình 5.6: Đường kính cánh quạt và chiều cao của trụ tua-bin V100 – 2 107
Hình 5.7: Đặc tuyến công suất tua-bin Vestas V100 – 2 MW 108
Hình 5.8: Sơ đồ bố trí tua-bin điện gió trên cánh đồng gió Phú Lạc 108
Hình 5.9: Mô hình cánh đồng điện gió nối lưới 114
Hình 5.10: Sơ đồ SVC điển hình 115
Trang 12Bảng 2.1: Các cấp gió 8
Bảng 2.2: Tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam (Theo World Bank-2001) 8
Bảng 2.3: Tên viết tắt của 16 hướng gió Việt Nam và Thế Giới 9
Bảng 2.4: Tiêu chuẩn lớp gió cho tua-bin điện gió 14
Bảng 3.1: Tỉ lệ tua-bin điện gió đón gió từ phía sau và đón gió từ phía trước 20
Bảng 3.2: Sức bền vật liệu trong công nghiệp chế tạo cánh quạt điện gió 29
Bảng 3.3: Số cánh quạt và hệ số tốc độ gió tại đầu cánh 32
Bảng 3.4: So sánh các trạng thái hoạt động của cánh quạt 35
Bảng 4.1: Máy phát DFIG có công suất 1,5 MW, 690 V, 50 Hz có các thông số 82
Bảng 4.2: Kết quả tính toán máy phát DFIG trong 3 trường hợp tốc độ 84
Bảng 5.1: So sánh các kết quả giữa EVN và Ngân hàng Thế Giới, tốc độ gió tại một số địa điểm theo tạp chí khoa học công nghệ 97
Bảng 5.2: Tiềm năng kỹ thuật của năng lượng gió tại Việt Nam 98
Bảng 5.3: Các bộ phận bên trong của tua-bin V100 – 2 Vestas 106
Bảng 5.4: Thông số kỹ thuật của tua-bin Vestas V100 – 2 MW 106
Bảng 5.5: Dòng điện định mức cho cáp một lõi với cách điện là XLPE 112
Bảng 5.6: Dòng điện định mức cho cáp 3 lõi với cách điện là XLPE 112
Bảng 5.7: Hệ số hiệu chỉnh cho nhiệt độ môi trường đất 113
Bảng 5.8: Hệ số hiệu chỉnh cho các nhóm cáp 3 lõi đi trong ống đơn xếp nằm ngang chôn trong đất 113
Bảng 5.9: Hệ số hiệu chỉnh cho các nhóm mạch nhánh 3 pha dùng cáp một lõi đi trong ống đơn chon trong đất 113
Trang 13CHƯƠNG 1: TIỀM NĂNG VÀ TRỮ LƯỢNG NĂNG
LƯỢNG GIÓ
1.1 Tiềm năng và trữ lượng gió trên thế giới
Trên phạm vi toàn cầu năng lượng gió là nguồn năng lượng phát triển nhanh
nhất với tốc độ tăng trưởng trung bình hàng năm xấp xỉ 29% trong vòng 10 năm Đến
năm 2008, công suất lắp đặt điện gió toàn cầu đã gần vượt quá 121 GW, tức là hơn 15
lần công suất điện gió 10 năm trước đây, khi đó công suất điện gió toàn cầu chỉ cỡ 7,6
GW Với công suất này hàng năm sẽ sản xuất được 260 tỷ kWh và cắt giảm được 158
triệu tấn CO2 Năng lượng gió đã phát triển nhanh chóng thành một ngành công nghiệp
hoàn thiện và bùng nổ toàn cầu Thị trường lắp đặt tuabin gió toàn cầu năm 2008 cỡ
$48 tỷ
Trong số 20 thị trường lớn nhất trên thế giới, chỉ riêng châu Âu đã có 13 nước
với Đức là nước dẫn đầu về công suất của các nhà máy dùng năng lượng gió với
khoảng cách xa so với các nước còn lại Tại Đức, Đan Mạch và Tây Ban Nha việc phát
triển năng lượng gió liên tục trong nhiều năm qua được nâng đỡ bằng quyết tâm chính
trị Nhờ vào đó mà một ngành công nghiệp mới đã phát triển tại 3 quốc gia này Công
nghệ Đức (bên cạnh các phát triển mới từ Đan Mạch và Tây Ban Nha) đã được sử
dụng trên thị trường nhiều hơn trong những năm vừa qua
Trang 14Hình 1.2: Tổng sản lượng điện gió trên Thế giới năm 2011
Công nghiệp điện gió từ sau biến cố nổ nhà máy điện nguyên tử Fukushima ở
Nhật Bản năm 2011 đã trở thành ngành công nghiệp chủ lực để thay thế công nghiệp
điện hạt nhân ở nhiều nơi trên thế giới Nhiều quốc gia đã và đang xem xét lại kế
hoạch năng lượng nguyên tử và tìm nguồn năng lượng sạch để dần thay thế những loại
năng lượng truyền thống từ dầu, than, khí đốt, điện hạt nhân và một phần thủy điện Tỉ
lệ sản lượng điện từ điện gió tại nhiều nước trên thế giới đang mỗi ngày một tăng, điển
hình là Mỹ, kế hoạch phát triển điện gió của bộ năng lượng Mỹ năm 2030 là 300.000
MW tương đương 20% lượng điện tiêu thụ của nước Mỹ Tại Đức, năm 2010 tỉ lệ điện
gió chiếm 7,7% nhưng đến cuối năm 2012 là 9,8% và Đức đã có kế hoạch đến năm
2020 lắp đặt 1.200 tua-bin điện gió trên biển với công suất dự tính là 10.000 MW và
tăng lên 25.000 MW năm 2030, đến cuối năm 2050 thì tỉ lệ điện gió ở Đức sẽ là 50%
Trong khi đó tai Đan Mạch tỉ lệ điện gió hiện nay là 26% và tỉ lệ này sẽ tăng lên 50%
vào năm 2030
1.2 Tiềm năng và trữ lượng gió ở Việt Nam
Nằm trong khu vực 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 năng lượng cho
châu Á, Ngân hàng thế giới có 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 bốn
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
Trang 15thổ 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 Thái Lan là 0,2%, ở Lào là 2,9%, và ở Campuchia là 0,2%
Tổng điện năng điện gió của Việt Nam là 513.600 MW tức là bằng hơn 200 lần
công suất của thủy điện Sơn La và hơn 10 lần tổng dự báo ngành điện vào năm 2020
Nếu xét tiêu chuẩn để xây dựng các trạm điện gió cỡ nhỏ phục vụ cho phát triển kinh
tế ở những vùng 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 nước láng giềng thì Campuchia có
6%, Lào có 13% và Thái Lan có 9% diện tích nông thôn có thể phát triển điện gió loại
nhỏ Đây quả thật là ưu đãi dành cho Việt Nam mà chúng ta chưa nghĩ đến cách tận
dụng
Ở Việt Nam, các khu vực có thể phát triển năng lượng gió không trải đều trên
toàn bộ lãnh thổ Với ảnh hưởng của gió mùa thì chế độ gió cũng khác nhau Nếu ở
phía bắc đèo Hải Vân thì mùa gió mạnh chủ yếu trùng với mùa gió đông bắc, trong đó
các khu vực giàu tiềm năng nhất là Quảng Ninh, Quảng Bình, và Quảng Trị Ở phần
phía nam đèo Hải Vân, mùa gió mạnh trùng với mùa gió tây nam, và các vùng tiềm
năng nhất thuộc cao nguyên Tây Nguyên, các tỉnh ven biển đồng bằng sông Cửu
Long, và đặc biệt là khu vực ven biển của hai tỉnh Bình Thuận, Ninh Thuận
Khu vực Đồng bằng sông Cửu Long có tiềm năng năng lượng gió tương đối
khá, nhất là khu vực duyên hải, tốc độ gió trung bình từ 7-7,5 m/s ở độ cao 65m Đảo
Côn Sơn có tiềm năng khá cao, tốc độ gió trung bình đạt 8-9 m/s Hai huyện Duyên
hải (tỉnh Trà Vinh) và huyện Thạnh Phú (tỉnh Bến Tre), tốc độ gió trung bình đạt 7-7,5
m/s Khu vực Tây Nguyên của Việt Nam, vùng núi Bảo Lộc có tiềm năng gió khá lớn,
tốc độ gió đạt 7-7,5 m/s (cao độ so với mực nước biển 800-1000m) Trong khi đó, khu
vực Pleiku và Buôn Mê Thuột (cao độ so với mực nước biển 500m) cũng có tiềm năng
năng lượng gió tương đối tốt, tốc độ gió đạt 7 m/s Khu vực Duyên hải Nam Trung bộ
của Việt Nam có tiềm năng rất tốt, tốc độ gió từ 8-9,5 m/s, tuy nhiên những nơi này
thường tập trung ở vùng núi cao độ 1600-2000m so với mực nước biển Khu vực miền
núi phía Tây Quy Nhơn và Tuy Hòa cao độ so với mực nước biển 1000-1200m, tốc độ
gió đạt 7,5-7,8 m/s Khu vực Huyện Ninh Phước (tỉnh Ninh Thuận), tốc độ gió trung
Trang 16Quý (tỉnh Bình Thuận) có tiềm năng năng lượng gió cũng khá lớn, trên các đỉnh núi và
biển gần bờ khu vực Ninh Thuận, Bình Thuận và Lâm Đồng tốc độ gió trung bình lên
đến 9 m/s Khu vực Bắc Trung Bộ, dãy Trường Sơn chạy dọc biên giới Lào-Việt,
những nơi có cao độ 1800m, tốc độ gió trung bình có thể lên đến 8,5-9 m/s, có nơi lên
đến 9,0-9,5 m/s Tuy nhiên, một số nơi có khả năng phát triển điện gió được tìm thấy
thuộc khu vực vùng núi đồi biên giới của Lào và Việt Nam về phía Tây của Huế, cao
độ từ 400-800m tốc độ gió trung bình đạt đến 7-8 m/s Khu vực đông Trường Sơn, cao
độ 800-1200m cũng có tiềm năng gió tương tự, tốc độ gió trung bình 7,0-8,0 m/s
Tiềm năng năng lượng gió cho Tua-bin gió nhỏ, tập trung ở khu vực đồng bằng duyên
hải phía Bắc của Huế, tốc độ trung bình ở độ cao 30m đo được vào khoảng 5,5-6,0 m/s
và có nơi sát vùng duyên hải còn vượt quá 6,0 m/s Vùng duyên hải của Quảng Ngãi
và Trường Sơn Đông, tiềm năng gió ở mức khá tốt tập trung ở vùng núi cao có cao độ
khoảng 1100m Khu vực Miền Bắc, đặc biệt khu vực duyên hải gần Hải Phòng có tốc
độ gió trung bình 6,5-7 m/s Hải đảo ngoài khơi, đỉnh đồi tốc độ gió đo được lên đến
hơn 7m/s, tuy nhiên sẽ giảm rất nhanh khi đi sâu vào trong đất liền Tốc độ gió trung
bình đo được đạt 8-9 m/s tại một số đỉnh núi cao độ 1300-1800m so với mực nước
biển Vùng biên giới Lào-Việt Nam, vùng Đông Nam của Vinh và vùng đồi núi Đông
Bắc biên giới Trung Quốc – Việt Nam cao độ 700-1000m có tiềm năng gió rất tốt
(Nguồn: Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng số 10/9-2011)
Hình 1.3: Tua bin điện gió ven biển Bạc Liêu
Trang 17Trước đó, vào ngày 29 - 5 - 2013, 10 tua bin điện gió đầu tiên có công suất 16
MW, sản lượng điện năng khoảng 56 triệu kWh/năm của nhà máy điện gió Bạc Liêu
đã hòa lưới điện quốc gia
Nhà máy điện gió Bạc Liêu được đặt dọc theo đê Biển Đông, kéo dài từ phường
Nhà Mát đến ranh giới tỉnh Sóc Trăng và chiểm tổng diện tích gần 500 ha Khi hoàn
thành toàn bộ, nhà máy sẽ có tổng công suất là 99,2 MW, dự kiến mỗi năm phát lên
lưới điện quốc gia khoảng 320 triệu kWh
Cùng với nhà máy điện gió ở Bình Thuận, nhà máy ở Bạc Liêu có thể xem là
điểm đột phá mở đường xây dựng nền công nghiệp phong điện non trẻ, nhưng được kỳ
vọng là một nguồn điện trụ cột trong tương lai ở Việt Nam
Với điều kiện địa lý thuận lợi có bờ biển dài, lượng gió nhiều và phân bổ khá
đều quanh năm, tính đến cuối tháng 1 năm 2012 trên địa bàn tỉnh Bình Thuận đã xây
dựng 16 dự án điện gió với tổng công suất dự tính khoảng 1.300 MW
Trong số 16 dự án nói trên, Dự án Nhà máy điện gió Tuy Phong, đặt tại xã Bình
Thạnh, huyện Tuy Phong, tỉnh Bình Thuận do Công ty cổ phần Năng lượng tái tạo
Việt Nam (REVN) đầu tư được triển khai đầu tiên và đi vào hoạt động từ ngày
18/4/2012 Theo kế hoạch, giai đoạn 2 của dự án xây dựng và lắp đặt 60 trụ điện gió
(hay tua bin), sẽ nâng tổng công suất của toàn bộ Nhà máy Phong điện Tuy Phong lên
120 MW
Ở tỉnh Bình Thuận, sau Dự án Tuy Phong, dự án điện gió ở đảo Phú Quý với 3
tua bin, tổng công suất 6 MW đã lắp đặt xong và thử vận hành an toàn, góp phần giải
quyết tình trạng thiếu điện sinh hoạt và sản xuất cho 33.000 dân trên đảo và giảm chi
phí sản xuất điện do giảm thời gian vận hành của nhà máy điện Diesel
Ngoài ra, cũng ở Bình Thuận, một dự án điện gió tại xã Hòa Thắng, huyện Bắc
Bình cũng trong giai đoạn thi công và một số dự án khác đang chuẩn bị triển khai
Trang 18CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ
2.1 Gió
Tia nắng mặt trời chiếu vào mặt đất thay đổi không đồng đều làm nhiệt độ trong
bầu khí quyển, nước và không khí luôn khác nhau, trái đất luôn quay trong quỹ đạo
xung quanh mặt trời và tự quay quanh trục nên tạo ra mùa, ngày, đêm Từ sự quay
quanh trục của trái đất nên không khí chuyển động xoáy theo những chiều khác nhau
giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu làm nhiệt độ của khí quyển thay đổi phát sinh
những vùng áp cao và áp thấp
Ngoài ra vào ban đêm, một nửa bề mặt của trái đất, bị che khuất không nhận
được tia nắng mặt trời, nửa bề mặt kia là ban ngày nên cường độ tia nắng cao hơn,
thêm vào đó nhiệt độ ở Bắc bán cầu, Nam bán cầu và đường xích đạo cũng như nhiệt
độ ở biển và trên đất liền luôn khác nhau Chính vì sự thay đổi nhiệt độ của khí quyển
làm không khí chuyển động Sự chuyển động của không khí được gọi là gió
Hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự tự quay của trái đất làm không khí đi từ
áo cao đến áp thấp không chuyển động thẳng mà tạo thành các cơn gió xoáy có chiều
xoáy khác nhau giữa bắc bán cầu và nam bán cầu Nếu nhìn từ vũ trụ thì trên bắc bán
cầu không khí di chuyển vào một áp thấp ngược với chiều kim đồng hồ và ra khỏi một
áp cao theo chiều kim đồng hồ Trên nam bán cầu thì chiều hướng ngược lại
Ngoài các yếu tố có tính toàn cầu trên, gió cũng bị ảnh hưởng bởi địa hình tại từ
ng địa phương, đã tạo nên các loại gió như : gió đất – biển, gió núi – thung lũng, gió
phơn
Tóm lại trên Trái Đất có những loại gió chính là gió Đông cực đới, gió Tín
Phong, gió Tây Gió Tín Phong thổi từ rìa phía nam dải áp cao cận nhiệt đơi ở khoảng
300 vĩ Bắc và Nam đến dải áp thấp xích đạo, gió Tây ôn đới thổi từ dải áp cao ở 300 vĩ
Bắc-Nam về dải áp thấp ở khoảng 600 vĩ Bắc (Nam), còn gió Đông cực đới thổi từ dải
áp thấp cận cực đến hai cực Bắc và Nam Do sự vận động tự quay của Trái Đất, gió
Tín Phong và gió Tây ôn đới không thổi thằng theo hướng kinh tuyến mà lệch về bên
phải ở Bắc bán cầu và bên trái ở Nam bán cầu Tín Phong và gió Tây ôn đới tạo thành
hai hoàn lưu khí quyển quan trọng nhất trên bề mặt Trái Đất
Trang 19Hình 2.1: Mô hình hoàn lưu khí quyển với các trung tâm khí áp bề mặt có tính đến sự
phân bố đất biển không đều
2.2 Các đặc trưng của năng lượng gió
2.2.1 Tốc độ gió
Tốc độ gió là đại lượng đặc trưng biểu thị mức độ chuyển động ngang nhanh
hay chậm của không khí tương ứng với bề mặt Trái Đất
Đơn vị của tốc độ gió được tính theo kilomet trên giờ (km/h) hoặc mét trên giây
(m/s) hoặc knot (kn: hải lý trên giờ) hoặc Mile trên giờ (mph) tại Mỹ
• 1 kn = 1 sm/h = 1,852 km/h = 0,514 m/s
• 1 m/s = 3,6 km/h = 1,944 kn = 2,237 mph
• 1 km/h = 0,540 kn = 0,278 m/s = 0,621 mph
• 1 mph = 1,609344 km/h = 0,8690 kn = 0,447 m/s
Trang 20Theo bản đồ phân bố các cấp độ gió của tổ chức khí tượng thế giới và bản đồ
phân bố các cấp tốc độ gió của khu vực Đông Nam Á, do tổ chức True Wind Solutions
LLC (Mỹ) lập theo yêu cầu của Ngân hàng Thế giới, xuất bản năm 2001 cho thấy:
Khu vực ven biển từ Bình Định đến Bình Thuận, Tây Nguyên, dãy Trường Sơn phía
Bắc trung bộ, nhiều nơi có tốc độ gió đạt từ 7.0; 8.0 và 9.0 m/giây, có thể phát điện với
công suất lớn (nối lưới điện quốc gia), hầu hết ven biển còn lại trên lãnh thổ, một số
nơi, vùng núi trong đất liền
Bảng 2.2: Tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam (Theo World Bank-2001)
Trang 21Hướng gió là hướng của luồng khí từ đâu thổi tới người quan sát Hướng gió
được biểu thị bằng phương vị đông, tây, nam, bắc hoặc theo góc là lấy hướng Bắc làm
mốc ở vị trí 00 hoặc 3600 và tính theo chiều kim đồng hồ Như vậy hướng Đông tương
ứng với góc 900, hướng Nam ứng với góc 1800, hướng Tây ứng với góc 2700
Bảng 2.3: Tên viết tắt của 16 hướng gió Việt Nam và Thế Giới
Ngoài ra, người ta còn dùng cấp gió để chỉ tốc độ gió như cấp gió Beaufort
(Francis Beaufort 1806) và được viết tắt là bft Biểu đồ này đầu tiên được đưa ra để
đánh giá ảnh hưởng của gió cho thuyền buồm và việc vận chuyển trên sông hồ, biển…
Bản đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam ở độ cao 80 mét được thực hiện từ Bộ
công thương, TrueWind Solutions LCC (Mỹ) và Ngân hàng thế giới năm 2010 Đây là
tài liệu đánh giá tiềm năng gió tại Việt Nam Bản đồ phân bố tốc độ gió được thực hiện
với phần mềm mô phỏng „MesoMap‟ Kết quả mô phỏng được trình bày trên bản đồ
hiển thị tốc độ gió trung bình theo màu với độ phân giải là 1 km
Trang 22Hình 2.2: Bản đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam ở độ cao 80 mét
Trang 23Kết quả mô phỏng của mô hình có thể sai lệch từ 5 đến 8% so với tốc độ và
hướng gió thực nên không thể dựa vào Bản đồ phân bố tốc độ gió để dự toán sản
lượng điện hàng năm cho một cánh đồng điện gió
Tuy nhiên đây là một nguồn thông tin quan trọng vì Bản đồ phân bố tốc độ gió
cung cấp cho các nhà đầu tư có cái nhìn tổng thể về những địa điểm có tiềm năng gió
cao thích hợp để xây dựng nhà máy điện gió Để xác định chính xác tiềm năng gió và
dự toán được sản lượng điện hàng năm của dự án điện gió, cần có số liệu gió trung
bình trong năm, số liệu này phải chính xác Việc này chỉ có thể thực hiện được khi dựa
theo phương pháp đo gió SODAR (Sound Detecting And Ranging) hoặc xây dựng cột
đo gió Thời gian đo ít nhất phải là 1 năm, tốt nhất là 10 năm
Với số liệu thu được từ cột đo gió ở độ cao thấp hơn (tại những vùng bằng
phẳng và trống trải) ta có thể tính ra được tốc độ gió ở độ cao tâm cánh quạt của
Tua-bin điện gió dựa theo phương trình:
1
loglog
v v z z
α: Hệ số Hellman từ 0,06 đến 0,60 tùy theo địa hình, vị trí, độ vẩn đục
của môi trường không khí
Trang 24Hình 2.3: Hoa tốc độ gió Hoa tốc độ gió trung bình
Những số liệu về tốc độ và hướng gió của từng thời điểm và từng vị trí được
hiển thị bằng hoa gió Hướng gió trong hoa gió được định theo chiều đông, tây, nam,
bắc và thường được chia thành 12 hoặc 36 mảng trong một vòng tròn Diện tích trong
mỗi mảng được hiển thị bằng màu là tốc độ gió trung bình trong ngày hoặc trong
tháng
Trang 25Hình 2.4: Cột đo tốc độ và hướng Hình 2.5: Cột đo gió tại Huyện Bình Đại gió
tiêu biểu Bến Tre
2.3 Tiêu chuẩn lớp gió cho tua-bin
Uỷ ban Kỹ thuật Điện Quốc tế IEC (International Electrotechnical Commission)
đƣa ra những Tiêu chuẩn lớp gió của tua-bin cho những vùng có tiềm năng gió
ít hoặc nhiều theo tốc độ gió trung bình và sự xáo động gió trong năm
Trang 26Bảng 2.4: Tiêu chuẩn lớp gió cho tua-bin điện gió
2.4 Ưu và nhược điểm của năng lượng gió
2.4.1 Ưu điểm
Năng lượng gió là nguồn năng lượng cạnh tranh: ngày nay năng lượng gió đã
được nghiên cứu kĩ, và giá thành có thể cạnh tranh với các nguồn năng lượng khác
Năm 2006, trong báo cáo của viện nghiên cứu năng lượng mới, giá thành năng lượng
gió chỉ cao hơn nhà máy điện chạy năng lượng than đá một ít và tương đương với năng
lượng khí thiên nhiên, nhưng không thải khí CO2
Năng lượng gió có thể dự đoán trước: giá dầu, ga thiên nhiên, than đá và các
nhiên liệu khác dao động lên xuống không dự đoán được Giá của năng lượng gió là
dự đoán được – nó miễn phí Đây là nguồn động lực lớn cho người dân và chính phủ
đầu tư tiền vào
Năng lượng gió nhanh: nhanh ở đây có nghĩa là một nhà máy điện chạy bằng
sức gió được xây dựng nhanh chóng, điều này có ý nghĩa lớn với các quốc gia đang
thiếu điện như nước ta
Năng lượng gió độc lập: chúng ta biết gió là nguồn năng lượng vô tận và không
thuộc quyền quản lý của một tổ chức nào, mọi người dân, tổ chức đều có quyền sử
dụng năng lượng gió
Trang 27 Năng lượng gió là nguồn năng lượng sạch: ưu điểm dễ thấy nhất của điện bằng
sức gió là không tiêu tốn nhiên liệu, không gây ô nhiễm môi trường như các nhà máy
điện, dễ chọn địa điểm và tiết kiệm đất xây dựng, khác hẳn với các nhà máy thủy điện
chỉ có thể xây dựng gần dòng nước mạnh với những điều kiện đặc biệt và cần diện tích
rất lớn cho hồ chứa nước Các Tua-bin gió sau khi đã hết tuổi thọ hoạt động có thể tái
chế đến 80%
Các trạm điện bằng sức gió có thể đặt gần nơi tiêu thụ điện, như vậy sẽ tránh
đuợc chi phí cho việc xây dựng đường dây tải điện Ngày nay điện bằng sức gió đã trở
nên rất phổ biến, thiết bị được sản xuất hàng loạt, công nghệ lắp ráp đã hoàn thiện nên
chi phí cho việc hoàn thành một trạm điện bằng sức gió hiện nay thấp và thời gian chỉ
khoảng 1-2 năm
2.4.2 Nhược điểm
Điểm bất thuận lợi chính yếu của nguồn năng lượng gió là phụ thuộc vào
thiên nhiên Dù công nghệ gió đang phát triển cao, và giá thành của một Tua-bin gió
giảm dần từ hơn 10 năm qua, xét về chất lượng điện năng thì mức đầu tư ban đầu cho
nguồn năng lượng này vẫn còn cao hơn mức đầu tư các nguồn năng lượng cổ điển
Gió đến từ thiên nhiên cho nên không đáp ứng được những nhu cầu cần thiết
của con người, vì con người không thể kiểm soát được nguồn gió và nguồn điện năng
này không thể giữ lại được và điện dư thừa trừ khi chuyển điện qua các bình điện dự
trữ, rất tốn kém và không hiệu quả kinh tế
Nguồn gió nhiều và đều đặn thường ở khu vực xa thành phố, do đó ngoài việc
sử dụng tại chỗ, điện năng từ gió khó được chuyển về các khu đông dân cư Do đó,
trước khi có những biện pháp nhằm giải quyết các bất lợi trên, năng lượng từ gió có
thể xem như một nguồn năng lượng dự phòng ngoài các nguồn năng lượng chính yếu
khác
Ảnh hưởng đáng lưu tâm của Tua-bin gió là gây ra tiếng động làm đảo lộn các
luồng gió trong không khí có thể làm xáo trộn hệ sinh thái của các loài chim hoang dã
và gây ra nhiều trở ngại cho việc phát sóng trong truyền thanh và truyền hình
Trang 28Tất nhiên, gió là dạng năng lƣợng vô hình và mang tính ngẫu nhiên rất cao nên
khi đầu tƣ vào lĩnh vực này cần có các số liệu thống kê đủ tin cậy Nhƣng chắc chắn
chi phí đầu tƣ cho điện bằng sức gió thấp hơn so với thủy điện
Trang 29CHƯƠNG 3: TUA-BIN ĐIỆN GIÓ
3.1 Nguyên tắc
Tua-bin điện gió là thiết bị dùng chuyển động năng của sự vận chuyển không
khí thành cơ năng và từ cơ năng chuyển thành điện năng để cung cấp cho tải tiêu thụ
Để tạo được một Tua-bin điện gió dựa trên nhiều kiến thức trong các lĩnh vực như: cơ
khí, điện, điện tử, khí tượng v.v… Trong những thập niên vừa qua, việc nghiên cứu,
thử nghiệm và đưa vào hoạt động có nhiều tiến triển đặc biệt Cấu trúc Tua-bin gió
Máy phát điện với hộp số hoặc không dùng hộp số
Hệ thống chỉnh lưu tua-bin theo hướng gió tại đầu trục
Hệ thống điều khiển và thiết bị điện
Hệ thống chống sét, chống cháy nổ
Trụ, chân đế và hệ thống than
Trang 30Hình 3.1: Cấu hình tua-bin điện gió trục ngang dùng hộp số
Trang 31Công nghệ điện gió theo thị trường có thể chia thành ba nhóm: nhóm tua-bin
loại nhỏ có công suất từ 0,4 đến 100 kW, nhóm loại trung từ 100 đến 999 kW và nhóm
loại lớn từ 1 MW trở lên
Trong tua-bin điện gió gồm 2 loại: loại trục đứng và loại trục ngang
Tua-bin trục đứng Darrieus tại Tua-bin trục đứng H Darrieus
Heroldstat -CHLB Đức tại Nam cực
Hình 3.2: Tua-bin điện gió loại trục đứng
Ưu điểm: không lệ thuộc vào hướng gió Hệ thống hộp số và máy phát nằm gần
mặt đất nên dễ dàng bảo trì Tua-bin không cần thùng Nacelle và chân trụ không cao
như Tua-bin trục ngang Lực tác động vào cánh quạt phân bố đều, trục quay không bị
cong vì trọng lượng hệ thống trục và momen xoắn Cánh quạt cấu hình giản dị, dễ sản
xuất, chi phí thấp
Nhược điểm: Hệ số công suất tương đối thấp, tối đa 40% Lực tác động và lực
ly tâm luôn thay đổi nên ảnh hưởng đến sức bền vật liệu
Trang 32Hình 3.3: Tuabin điện gió loại trục ngang
Ưu điểm: Hệ số công suất cao Hệ số tốc độ gió đầu cánh cao Công suất tạo ra
cao hơn
Nhược điểm: Lực tác động và lực xoắn không được phân bố đều nên độ bền
những chi tiết cơ bị ảnh hưởng Độ rung hệ thống không ổn định Độ ồn phát sinh cao
Thời gian đầu của công nghiệp điện gió, tua-bin trục ngang được thiết kế có
hướng đón gió từ phía sau (down wind rotor) nhưng phương pháp này có nhiều nhược
điểm như dòng gió luôn bị nhiễu động do gió thổi vào thân trụ rồi mới đến cánh quạt,
đặc biệt đối với những trụ điện có công suất cao, lực tác động vào tua-bin điện gió
không được phân bố đều làm ảnh hưởng đến độ bền của cánh quạt và của cả hệ thống,
ngoài ra độ ồn phát sinh cao và có khả năng dây cáp điện bên trong thân trụ bị cuốn
khi tua-bin điện gió quay nhiều về một hướng Ưu điểm của loại tua-bin điện gió này
là không cần hệ thống chỉnh hướng gió vì tua-bin nhẹ nên tự quay được mặt sau đến
chiều hướng gió
Trang 33Tua-bin đón gió từ phía sau Tua-bin đón gió từ phía trước
(down wind rotor) (up wind rotor) Hình 3.4: Hướng đón gió của tua-bin
Với ưu điểm này loại tua-bin điện gió trục ngang đón hướng gió từ phía sau chỉ
thích hợp cho những loại tua-bin có công suất thấp Từ khoảng năm 1995 tua-bin điện
gió được thiết kế với nguyên tắc đón gió từ phía sau không còn được sử dụng rộng rãi
Phần lớn những loại tua-bin điện gió hiện đại được thiết kế có hướng đón gió từ phía
trước (up wind rotor)
Bảng 3.1: Tỉ lệ tua-bin điện gió đón gió từ phía sau và đón gió từ phía trước
Tỉ lệ phần trăm tua-bin đón gió từ phía sau và phía trước
Việc điều chỉnh nguồn gió ổn định để sử dụng tương đối phức tạp, tuy nhiên
trong những năm gần đây yếu tố này đã được hạn chế một phần do cánh quạt được
Trang 34được tua-bin theo hướng gió tại đầu thân trụ Ngoài ra hệ thống điều khiển sự hoạt
động của tua-bin điện gió và những hệ thống khác đặt trong thùng Nacelle hoặc trong
thân trụ hoặc bên ngoài cũng được cải thiện hoàn chỉnh hơn
1 Cánh quạt 11 Máy phát điện
8 Không gian hở cho cẩu 18 Bộ phận nối Pitch
9 Hệ thống trao đổi nhiệt lượng 19 Động cơ Pitch
10 Thiết bị đo gió
Hình 3.5: Mặt cắt tua-bin điện gió sử dụng hộp số Nordex N100/2500-Đường kính
cánh quạt: 99,8m-công suất 2,5MW
3.2 Cánh quạt
Cánh quạt tua-bin điện gió là bộ phận đón gió để quay và chuyển cơ năng vào
hộp số rồi vào máy phát điện hoặc chuyển thẳng cơ năng vào máy phát điện nam châm
vĩnh cửu Dựa trên những nguyên tắc về khí động lực học, cánh quạt được tạo dáng,
Trang 35thiết kế phù hợp với những tình trạng khác biệt của dòng không khí chuyển động như
tốc độ gió, hướng gió, áp suất, mật độ, độ ẩm và nhiệt độ tại môi trường không khí của
nơi lắp đặt tua-bin điện gió Những cánh quạt tua-bin điện gió hiện đại thường được
làm bằng những vật liệu composite có độ bền cao và nhẹ kết hợp với nhôm hoặc thép
cứng
Cấu hình cánh quạt được thiết kế thon và dài, bên trong thân cánh rỗng và có
những phần chịu lực, bề mặt là những lớp nhựa tổng hợp và sơn bảo vệ Đường kính
cánh quạt tùy theo công suất, lớp gió tiêu chuẩn của tua-bin và công nghệ nên có kích
thước khác nhau
Ví dụ: Tua-bin điện gió Nordex N150-6000 công suất 6MW, đường kính cánh
quạt là 150m hoặc Siemens E-SWT-6.0-154 đường kính cánh quạt là 154m hoặc
tua-bin điện gió Enercon E-126 công suất 7,5MW đường kính cánh quạt là 127m hoặc
Vestas V90 công suất 2MW đường kính cánh quạt là 90m
3.2.1 Định luật Betz trong ứng dụng thiết kế cánh quạt
Năng lượng gió là nguồn năng lượng do chuyển động của không khí với một
tốc độ trong một thời gian nhất định Theo định luật Betz, (Nhà vật lý người Đức –
Albert Betz 1885-1968) về Động lực học khí quyển thì nguồn năng lượng gió này
không thể chuyển tất cả sang một loại năng lượng khác
Khi một khối lượng gió thổi vào tua-bin điện gió làm cánh quạt quay, năng
lượng của gió chuyển vào cánh quạt thành cơ năng Nguồn năng lượng mà gió chuyển
vào cánh quạt phụ thuộc vào vận tốc gió, mật độ của không khí và diện tích mặt đón
gió của cánh quạt
Cơ năng E của một khối lượng không khí m chuyển động với tốc độ v là:
2
1.2
Trang 36Thể tích khối lƣợng không khí chuyển động qua một mặt phẳng A trong một
đơn vị thời gian là:
V = v.A Khối lƣợng không khí chuyển động còn phụ thuộc vào mật độ của không khí
.
m A v
Công suất P thu đƣợc lệ thuộc vào khối lƣợng không khí chuyển động, tốc độ
gió, mật độ của không khí , thiết diện A của vòng quay cánh quạt
A: Thiết diện của vòng quay cánh quạt [m2]
Với sự khác biệt của tốc độ gió tại cánh quạt và sau cánh quạt thì:
Trang 37m : Khối lƣợng không khí
v1 : Tốc độ gió
vT : Tốc độ gió tại cánh quạt
v2 : Tốc độ gió sau cánh quạt
A : Thiết diện của dòng gió đi qua
Tốc độ gió tại tâm cánh quạt vT là :
P
P C P
Tỉ lệ giữa tốc độ gió tại cánh quạt và phía sau là v2/v1 nên hệ số này chỉ lệ thuộc
vào lực cản gió và hệ số công suât sẽ là :
1 1 2
Trang 38Hình 3.7: Tỉ số vận tốc v 2 /v 1
CP cực đại khi vận tốc là: v2/v1 = 1/3 nên:
Khi tua-bin điện gió có diện tích cánh quạt cố định A, công suất thu được không
bị thất thoát là P, mật độ của không khí không thay đổi, áp suất phía trước và sau
cánh quạt không khác biệt thì tua-bin điện gió chỉ có thể thu được từ cánh quạt với hệ
số công suất CP tối đa là :
CPmax=16/27=0,59259 Như thế động năng thu được trong dòng gió là 59,259% Tỉ lệ công suất tối đa
thu được này vì thế được gọi là hệ số công suất Betz hoặc hệ số Betz
Định luật bảo toàn động lượng là cơ sở của nguồn cơ năng từ gió của hệ thống
cánh quạt Theo nguyên lý cơ bản về cánh quạt thì công suất thu được phụ thuộc vào
cấu hình của cánh quạt và những nhân tố của dòng gió
Như thế công suất cơ năng lý tưởng Plý tưởng của hệ thống cánh quạt lệ thuộc vào
tốc độ gió, mật độ không khí, hệ số Betz và diện tích mặt đón gió của cánh quạt và
Trang 39v: Tốc độ gió [m/s]
: Mật độ của không khí = 1,225 [Kg/m3]
A: Thiết diện của dòng gió đi qua [m2]
Để tính toán công suất điện có thể thu được phải tính đến hệ số công suất của
máy phát điện và hệ số công suất của hộp số, như thế công suất điện Pđiện sẽ là:
A: Thiết diện của dòng gió đi qua [m2]
: Hệ số công suất của máy phát điện và hộp số
Vì thế tốc độ gió là yếu tố quan trọng nhất của công suất Khi tốc độ gió tăng 2
lần thì công suất đạt được tăng theo lũy thừa 3
3.2.2 Thiết kế cánh quạt
Cánh quạt điện gió khi thiết kế phải đáp ứng nguyên tắc khí động lực học và
định luật Betz để tạo được công suất cao ổn định, kể cả ở tình trạng điều chỉnh số vòng
quay của hệ thống cánh Rotor cũng như những yếu tố chi tiết khác như độ ồn phát
sinh, tần số rung khi hoạt động Cấu hình cánh quạt được thiết kế dài, có bề mặt cong
để thân cánh có được diện tích đón gió cao, tăng lực tác động F và giảm lực cản Fc, tại
đầu nhọn của cánh quạt nơi mà tốc độ quay cao nhất của cánh phải có sức ma sát ít
nhất
Khi dòng gió thổi vào cánh quạt thì dòng gió bị phân tán và áp suất ở mặt trên
sẽ tăng cao hơn mặt dưới Sự khác biệt vùng áp suất tạo ra một lực tác động F luôn
thẳng đứng với dòng gió tác động vào cánh quạt Lực tác động này là nguyên nhân làm
quay cánh quạt
Trang 40Khi cánh quạt được chỉnh mặt đón gió nhiều hơn với phương thức chỉnh góc
quay α từ 160 đến 190, lực tác động F sẽ tăng cao hơn lực cản Fc rất nhiều (lực cản Fc
được tạo ra từ sự ma sát của dòng gió trên bề mặt cánh quạt)
Khi góc chỉnh α từ 30 đến 190 thì lực cản Fc sẽ khoảng từ 0,2 đến 0,01% của lực
tác động F Lực cản Fc này sẽ tăng nhanh khi góc chỉnh α lớn hơn 200, vì thế hầu như
góc chỉnh của những tua-bin điện gió hiện đại chỉ nằm trong giới hạn từ 40
đến 200
Hình 3.8: Sự phân bố lực tác động F vào cánh quạt với góc <20 0
Lực tác động F phụ thuộc vào hệ số của lực tác động cA, mật độ của không khí,
diện tích (chiều rộng và chiều dài của cánh quạt) của dòng gió đi qua và tốc độ gió
F=cA/2Av2Trong đó:
cA: Hệ số của lực tác động theo góc α
: Mật độ của không khí
A: Diện tích của dòng gió đi qua
v: Tốc độ gió
Vì thế với việc chỉnh góc đón gió của cánh quạt, ta có thể chỉnh được lực tác
động vào cánh quạt, có nghĩa là chỉnh được số vòng quay của hệ thống rotor hoặc cụ
thể hơn là chỉnh được công suất của tua-bin điện gió
Cấu hình cánh quạt tùy theo công nghệ và việc chọn lựa vật liệu nên có nhiều
thiết kế khác nhau nhưng phần lớn đều dựa trên kinh nghiệm cấu hình chế tạo cánh
máy báy như của Hội đồng tư vấn hàng không NACA-Mỹ (National Advisory