Nghiên cứu về tuabin gió trong hệ thống tuabin gió trên khí cầu

Hình 2.58 Các đặc tính của dạng sóng Hình 2.59 Một số hình ảnh thực tế về cuộn kháng AC Reactor Hình 2.60 Hình ảnh thực tế về cuộn kháng DC Reactor Hình 2.61 Hình ảnh thực tế về điện trở

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

SKC 0 0 6 8 1 9

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU VỀ TUABIN GIÓ TRONG HỆ THỐNG TUABIN GIÓ TRÊN KHÍ CẦU

MÃ SỐ:SV2019-93

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật

TP Hồ Chí Minh, Tháng 10 Năm 2019

NGHIÊN CỨU VỀ TUABIN GIÓ TRONG HỆ THỐNG TUABIN

GIÓ TRÊN KHÍ CẦU

SV2019-93

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU VỀ TUABIN GIÓ TRONG HỆ THỐNG TUABIN

GIÓ TRÊN KHÍ CẦU

SV2019-93

Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật

Dân tộc: Kinh

Lớp, khoa: 15142CL1- Khoa Đào tạo Chất lượng Cao

Ngành học: Công nghệ kĩ thuật Điện – Điện tử

Người hướng dẫn: Th.S Trần Tùng Giang

TP Hồ Chí Minh, Tháng 10 Năm 2019

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ iii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii

MỞ ĐẦU 2

1 Đặt vấn đề 2

2 Phạm vi nghiên cứu: 3

CHƯƠNG 1– GIỚI THIỆU 4

1.1 Tổng quan về nền công nghiệp năng lượng và tiềm năng năng lượng gió trên thế giới. 4

1.2 Giới thiệu về các hệ thống turbine gió truyền thống và AirBorne Wind Energy 6

1.2.1 Hệ thống turbine gió truyền thống. 6

1.2.2 Hệ thống Airborne Wind Energy 8

1.3 Tình hình nghiên cứu về các hệ thống AWE trên thế giới 10

1.4 Ý nghĩa đề tài 12

CHƯƠNG 2 – CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14

2.1 Đặc trưng của gió 14

2.1.1 Sự hình thành gió 14

2.1.2 Phân bố tốc độ gió 16

2.1.3 Năng lượng từ gió 19

2.1.4 Giới hạn của năng lượng gió 21

2.1.5 Sự chuyển đổi năng lượng gió và hiệu suất rotor 22

2.1.6 Đường cong công suất tuabin gió 25

2.1.7 Tiềm năng và phân bố tốc độ gió tại Việt Nam - Viet Nam Wind Atlat [19] 26

2.2 Hệ thống AWE 32

2.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 32

2.2.3 Lực tác động vào hệ thống 35

2.2.4 Tính toán Rotor 36

2.2.5 So sánh với các hệ thống AWE khác 38

2.3 Turbine nam châm vĩnh cửu 43

2.3.1 Khái niệm 43

2.3.2 Lí do chọn tuabin nam châm vĩnh cửu 55

2.3.3 Phân loại tuabin gió nam châm vĩnh cửu 56

2.3.4 Các công thức tính toán thông số 59

2.4 Biến Tần 66

2.4.1 Định nghĩa 66

2.4.2 Công thức về tốc độ động cơ xoay chiều 3 pha biến tần 67

2.4.3 Các bộ phận cơ bản của biến tần 68

2.4.4 Các đặc tính dạng sóng 71

2.4.5 Chức năng các phụ kiện dành cho biến tần 71

2.4.6 Tác dụng của biến tần 73

2.4.7 Lợi ích mà biến tần mang lại trong các ngành sản xuất 74

2.4.8 Nhược điểm của máy biến tần 75

CHƯƠNG 3 - THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN 77

3.1 Mô hình đề xuất của hệ thống 77

3.2 Thiết kế khí cầu và các bộ phận trên khí cầu 78

3.2.1 Lực tác động vào hệ thống 78

3.2.2 Thiết kế cơ khí 82

3.3 Các thông số tuabin gió 84

3.4 Lựa chọn biến tần cho hệ thống 89

3.5 Tính toán tổn thất trên đường dây truyền về từ tuabin xuống mặt đất 92

3.5.1 Xác định tiết diện dây dẫn/cáp 93

3.5.2 Kiểm tra sụt áp 93

3.6 Tính toán, so sánh chi phí hệ thống tuabin gió trên khí cầu 94

CHƯƠNG 4 - KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 95

4.1 Kết luận 95

4.2 Hướng phát triển đề tài 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 96

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ

Hình 1.1 Mục tiêu năng lượng tái tạo của các thành viên EU vào năm 2020

Hình 1.2 Tổng công suất lắp đặt của năng lượng gió được dự đoán đến 2020

Hình 1.3 Turbine gió Vestas V164

Hình 1.4 Các thành phần chính của tuabin gió

Hình 1.5 Hai giai đoạn của hệ thống AWE trong ý tưởng thứ 1

Hình 1.6 Hai hình thức của hệ thống AWE

Hình 1.7 Bản đồ phân bố đề tài nghiên cứu và phát triển hệ thống AWE rên thế giới trong năm 2013

Hình 1.8 Các hệ thống AWE sử dụng diều mềm

Hình 1.9 Hệ thống Lighter- than- air và hệ thống diều kiểu máy bơm nước

Hình 2.1 Phân bố nhiệt lượng qua góc đón ánh sáng của các phần trên Trái Đất

Hình 2.2 Sơ đồ vòng hoàn lưu khí quyển

Hình 2.3 Hiện tượng gió cắt theo chiều cao (trái) và theo hướng (phải)

Hình 2.4 Biểu đồ tốc độ gió thay đổi theo chiều cao Tính toán với tốc độ gió 10m/s tại

độ cao 10m và α =0.14

Hình 2.5 Gió thổi qua bề mặt diện tích quét của cánh turbine

Hình 2.6 Diện tích của cánh turbine

Hình 2.7 Đường cong hiệu suất rotor theo lý thuyết

Hình 2.8 Công suất đầu ra phụ thuộc vào vận tốc gió và tốc độ turbine

Hình 2.9 Đường cong hiệu suất rotor

Hình 2.10 Góc pitch của cánh quạt turbine

Hình 2.11 Đường cong công suất của turbine gió

Hình 2.12 Bản đồ đánh giá tiềm năng phân bố tốc độ gió tại Việt Nam ở độ cao 100m Hình 2.13 Bản đồ đánh giá tiềm năng năng lượng mà gió mang lại tại Việt Nam ở độ cao 100m

Hình 2.14 Phân loại hệ thống Airborne Wind Turbine

Hình 2.15 Hệ thống Makani M600 vào năm 2017

Hình 2.16 Hệ thống Kite Power

Hình 2.17 Các Hệ thống AWE trên thế giới

Hình 2.18 Các lực tác dụng lên hệ thống

Hình 2.19 Hệ thống AWE - Lighter Than Air (MARS)

Hình 2.20 Hệ thống AWE được hổ trợ bởi khí cầu ABWI

Hình 2.21 Hệ thống Autogyro (máy bay) được thiết kế bởi Roberts

Hình 2.22 Hệ thống Airborne Wind Turbine của công ty Altaeros (BAT)

Hình 2.23 Hệ thống Airborne Wind Turbine Makani khi đang ở mặt đất

Hình 2.24 Hệ thống Airborne Wind Turbine Makani khi chuyển động trên không Hình 2.25 Cấu trúc chung của hệ thống điện gió công suất nhỏ

Hình 2.26 Mặt cắt các máy điện

Hình 2.27 Mô hình đơn giản của máy điện đồng bộ ba pha rotor cực lồi

Hình 2.28 Mô hình đơn giản của máy điện đồng bộ ba pha rotor cực ẩn

Hình 2.29 Lõi thép phần cảm ở stato

Hình 2.30 Rotor cực ẩn (trái) và rotor cực hiện (phải)

Hình 2.31 Mặt cắt của một động cơ đồng bộ PM

Hình 2.32 Nguyên lí làm việc cơ bản

Hình 2.33 Cấu trúc một máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu đơn giản

Hình 2.34 Bản đồ từ trường cho máy phát có các kích thước bm= 28 mm (k = 0,297) và

b0 = 15 mm

Hình 2.35 Sự biến thiên của thông lượng tương hỗ với chiều dài nam châm

Hình 2.36 Sự biến thiên của thông lượng tương hỗ với kích thước khe hở rotor

Hình 2.37 Sự biến thiên của thông lượng rò rỉ với kích thước khe hở rotor

Hình 2.38 So sánh giữa máy phát DFIG và PMDD

Hình 2.39 Cấu tạo máy phát từ thông xuyên tâm

Hình 2.40 Phía ngoài của roto máy phát RF PMDD

Hình 2.41 Hình ảnh vòng bi cho lõi sắt của máu phát RF PMDD

Hình 2.42 Máy phát AF PMDD rãnh kép với stator đôi

Hình 2.43 Bề mặt máy phát TFPM lõi đơn

Hình 2.44 Cấu trúc máy phát TF PMDD theo lí thuyết (không có bộ tập trung dòng) Hình 2.45 Đặc tính quan hệ giữa Cp và λ của tuabin gió

Hình 2.46 Đường đặc tính công suất – tốc độ gió của tuabin gió

Hình 2.47 Sơ đồ tương đương của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong

Hình 2.48 Bề mặt rotor với diện tích bề mặt tạo ra một lực

Hình 2.49 Biến tần trên Matlab

Hình 2.50 Sơ đồ mạch bên trong biến tần

Hình 2.51 Nguyên lý hoạt động biến tần

Hình 2.52 Các bộ phận của biến tần

Hình 2.53 Cách tạo điện áp DC từ lưới AC

Hình 2.54 Hình mô phỏng trên Psim

Hình 2.55 Bộ Nghịch lưu trên Psim

Hình 2.56 Modun công suất IGBT

Hình 2.57 Sóng hình tam giác nhiều chấm biểu thị sóng mang và đường tròn biểu thị một phần sóng dạng sin

Hình 2.58 Các đặc tính của dạng sóng

Hình 2.59 Một số hình ảnh thực tế về cuộn kháng AC Reactor

Hình 2.60 Hình ảnh thực tế về cuộn kháng DC Reactor

Hình 2.61 Hình ảnh thực tế về điện trở hãm

Hình 2.62 Cách thức hoạt động của biến tần

Hình 3.1a Mô hình thiết kế đề xuất của hệ thống (điện)

Hình 3.1a Mô hình thiết kế đề xuất của hệ thống (cơ)

Hình 3.2 Các lực tác dụng lên hệ thống

Hình 3.3 Sơ đồ lực tác động vào khí cầu

Hình 3.4 Giá trị lực nâng của và khối lượng nâng được của khí cầu với kích thước khác nhau, tại nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn

Hình 3.5 Kích thước của khung cố định turbine

Hình 3.6 Phương pháp kết dây truyền tải và cáp neo

Hình 3.7 Tời có tay quay

Hình 3.8 Cấu tạo bên trong động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu của hãng VEM Hình 3.9a) Rotor với nam châm được gắn bên ngoài

Hình 3.9b) Rotor được phủ lớp vỏ ngoài

Hình 3.10 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu của hãng VEM

Hình 3.11 Hộp nối dây và mặt trên của động cơ

Hình 3.12 Kích thước các bộ phận của động cơ

Hình 3.13 Thông số lựa chọn biến tần Vfd-075M điện áp vào trên 500V

Hình 3.14 Hình ảnh thực tế biến tần VFD-M và cách đọc mã sản phẩm

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Các giá trị tiêu biểu của tham số độ nhám, z0

Bảng 2.2 Tổng công suất toàn cầu mà các dạng năng lượng tái tạo mang lại

Bảng 2.3 Thống kê diện tích tiềm năng gió kỹ thuật theo tỉnh (km2)

Bảng 2.4 Tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam tại độ cao 65 m theo Atlas gió năm

2001

Bảng 2.5 Tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam tại độ cao 80m theo Atlas gió năm

2010

Bảng 2.6 Mật độ ρ tương ứng với nhiệt độ trong áp suất tiêu chuẩn và độ cao

Bảng 2.7 Giá trị thông lượng từ tính máy phát

Bảng 2.8 Giá trị thông lượng từ tính khi thay đổi khe hở rotor

Bảng 3.1 Thông số kích thước và cấu trúc của khung và cánh turbine

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật biến tần VFD075M53A

Bảng 3.3 Chi phí của tuabin gió trên khí cầu ở độ cao 100 m

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Nghiên cứu về tuabin gió trong hệ thống tuabin gió trên khí cầu

- Lớp: 15142CL1 Khoa: ĐT-CLC Năm thứ: 4 Số năm đào tạo: 4

- Người hướng dẫn: Th.S.Trần Tùng Giang

2 Mục tiêu đề tài: Nghiên cứu, thiết kế mô hình tuabin gió trên khí cầu phục vụ

cho việc cung cấp điện khẩn cấp và những nơi khó truyền tải điện

3 Tính mới và sáng tạo: Kích thước, trọng lượng nhẹ hơn so với các hệ thống điện

khác

4 Kết quả nghiên cứu: Báo cáo tổng kết

5 Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng

và khả năng áp dụng của đề tài: cung cấp điện trong hộ gia đình, sử dụng ở

những nơi khó truyền tải điện như vùng sâu vùng xa, biển đảo; cung cấp điện cho

các vùng sau thiên tai lũ lụt

6 Công bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài hoặc nhận xét,

đánh giá của cơ sở đã áp dụng các kết quả nghiên cứu:

Ngày 30 tháng 9 năm 2019

SV chịu trách nhiệm chính thực hiện đề tài

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Hiện nay, cùng với sự phát triển kinh tế và gia tăng dân số dẫn đến tốc độ sử dụng năng lượng ngày càng tăng, làm cho các nguồn năng lượng truyền thống ngày càng trở nên khan hiếm Một trong những vấn đề về năng lượng là sự thiếu hụt điện do việc sử dụng điện ngày càng gia tăng nhằm phục vụ cho các nhu cầu như sản xuất, sinh hoạt và các mục đích khác Do vậy, trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng cần có các chiến lược chung và dài hạn nhằm đảm bảo an ninh năng lượng bằng cách khai thác tiết kiệm, hiệu quả và giảm thiểu sự phụ thuộc vào những nguồn năng lượng truyền thống như than đá, dầu khí, thủy điện… đồng thời mở rộng ứng dụng các nguồn năng lượng mới, đặc biệt ưu tiên phát triển các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, mặt trời, thủy triều, sinh khối.…

Việt Nam là nước có hơn 3000km đường bờ biển và nằm trong khu vực có khí hậu nhiệt đới gió mùa nên được đánh giá là một trong những quốc gia có tiềm năng năng lượng gió khá tốt Tuy nhiên, hiện nay các dự án điện gió ở Việt Nam vẫn chưa thu hút được các nhà đầu tư trong và ngoài nước, điện gió vẫn chưa phát huy được hết tiềm năng của mình Với mô hình hệ thống turbine gió truyền thống thì hiệu suất năng lượng thu được vẫn chưa mấy khả quan cho các nhà đầu tư Bên cạnh đó, nếu xét về tiềm năng của năng lượng gió thì hơn 65% năng lượng gió hiện tại nằm ở độ cao mà các hệ thống turbine gió truyền thống không thể vươn đến, hoặc phải chi trả thêm một khoản lớn chi phí đầu tư cho việc xây dựng trụ turbine cao hơn và chi phí bảo trì Chưa kể đến việc các nhà máy điện gió trên đất liền chiếm dụng khá nhiều đất đai và ô nhiễm tiếng ồn

Có thể dễ dàng thấy một định luật rằng càng lên cao gió càng mạnh và càng ổn định

vì không có ma sát với bề mặt Trái Đất hoặc các công trình Do vậy, không chỉ tại Việt Nam mà còn cả trên toàn thế giới, lượng năng lượng của ngành công nghiệp điện gió mang lại hiện tại được xem là vẫn chưa phản ánh đúng tiềm năng to lớn của nó Theo các nghiên cứu nếu có thể tận dụng hết tiềm năng của gió thì sẽ đủ đáp ứng hơn 20 lần lượng năng lượng mà cả thế giới cần

Do đó, một khái niệm mới về “High Attitude Wind Energy” sớm được các nhà nghiên cứu tập trung nghiên cứu và đưa ra các thiết kế về hệ thống Airborne Wind Energy để có thể giúp Turbine có thể lấy được nguồn năng lượng từ gió ở độ cao không giới hạn

Mục tiêu

Nghiên cứu, thiết kế mô hình tuabin gió trên khí cầu công suất 7,5kW phục vụ cho

việc cung cấp điện trong hộ gia đình, sử dụng ở những nơi khó truyền tải điện như vùng sâu vùng xa, biển đảo Ngoài ra, hệ thống được tích hợp thêm các tính năng để

có thể đo đạc các thông số thời tiết cũng như truyền tải mạng Internet trong khu vực Mặt khác, với kích thước, trọng lượng nhẹ hơn so với các hệ thống điện khác,

hệ thống tuabin gió trên khí cầu là giải pháp cho việc cung cấp điện cho các vùng sau thiên tai lũ lụt

Phương pháp, cách tiếp cận

- Đề tài được tiếp cận qua việc nghiên cứu các thông tin và tài liệu từ giảng viên hướng dẫn, các thầy cô, các bài báo khoa học và từ các tổ chức đã thiết kế các hệ thống AWE trên thế giới, …Từ đó, đưa ra định hướng và ý tưởng thiết kế cho hệ thống phù hợp với mục đích nghiên cứu của mình Thu thập lý thuyết từ các nguồn

và tiến hành mô phỏng được chất lượng điện năng của hệ thống bằng cách tính toán

và lựa chọn thiết bị phù hợp với hệ thống Nghiên cứu hoạt động của hệ thống trong từng điều kiện thời tiết Khả năng chịu được tối đa của hệ thống trong các điều kiện thời tiết khác nhau

Về phương pháp nghiên cứu:

Đánh giá tiềm năng và phân bố tốc độ gió tại lãnh thổ Việt Nam

+ Khảo sát tốc độ gió và chọn độ cao cho hệ thống turbine gió trên khí cầu

+ Tính toán và thiết kế hệ thống khí cầu bằng các công thức cân bằng lực và khí động lực học

+ Tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý của các loại turbine gió, từ đó lựa chọn và thiết kế turbine gió phù hợp cho hệ thống

+ Sử dụng các công thức tính toán sụt áp trên đường dây truyền tải từ hệ thống trên không đến mặt đất

+ Từ số liệu tính toán và kiến thức để tìm ra nguyên nhân và đưa ra giải pháp để giảm tổn hao do sụt áp trên đường dây truyền tải

- Về phạm vi nghiên cứu:

+ Đánh giá tiềm năng năng lượng gió tại Việt Nam ở các độ cao khác nhau

+ Về turbine gió: Về turbine gió: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động; Các công thức tính toán cũng như lựa chọn thiết bị chuyển đổi của turbine gió

+Thực hiện mô hình thí nghiệm thực tế để đánh giá và nhận xét

2 Phạm vi nghiên cứu:

+ Giới thiệu và giải thích nguyên lý hoạt động của hệ thống AWE

+ Trình bày các đặt trung của gió và đánh giá năng lượng gió của Việt Nam

+ Cấu tạo của hệ thống khí cầu

+ Turbine nam châm vĩnh cửu sử dụng cho hệ thống

+ Thiết kế hệ thống với Turbine 7,5KW và lựa chọn thiết bị cho hệ thống

+ Mô hình hóa hệ thống thử nghiệm ngoài thực tế

+ Đánh giá và kết luận

CHƯƠNG 1– GIỚI THIỆU

1.1 Tổng quan về nền công nghiệp năng lượng và tiềm năng năng lượng gió trên thế giới

Một trong những vấn đề cấp thiết của xã hội ngày nay là tìm kiếm nguồn năng lượng sạch với chi phí thấp Xã hội văn minh hiện tại gần như phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn năng lượng hóa thạch cho việc cung cấp năng lượng điện sử dụng,

đó là một điều đáng tiếc và còn có đem lại những hậu quả nghiêm trọng Tại Belgium (Vương quốc Bỉ), 70% tổng năng lượng tiêu dùng trong năm 2010-2014 đều từ năng lượng hóa thạch [1] Có ba phân loại năng lượng hóa thạch đó là dầu

mỏ, khí đốt và than, tất cả được hình thành từ hàng triệu năm trước từ hóa thạch của động thực vật bị chôn vùi và bị yếm khí phân hủy Trong khi đó tất cả các nguồn năng lượng hóa thạch đều là các nguồn năng lượng hạn chế, vào một thời điểm nào

đó nó sẽ cạn kiệt Và trước khi tính đến thời điểm đó thì giá của nhiên liệu hóa thạch sẽ vô cùng đắt đỏ Nguồn nhiêu liệu hóa thạch chỉ được cung cấp bởi một số

ít các quốc gia, và các quốc gia này hợp tác thành một tổ chức tên OPEC, tổ chức này ảnh hưởng đáng kể đến giá dầu quốc tế [2] Tình trạng này làm gia tăng nghiêm trọng về các vấn đề liên đến chính trị và kinh tế của hầu hết các quốc gia trên thế giới

Hơn nữa, việc đốt các nhiên liệu hóa thạch góp phần gia tăng sự biến đổi khí hậu Gần 10% hiệu ứng nhà kính trên toàn thế giới vào 2012 đến từ Liên Minh Châu Âu [3] Trong năm 2012, gần 14% tổng số năng lượng tiêu thụ tại EU được tạo ra từ nguồn năng lượng tái tạo Đó là một bước tiến lớn, đi trước định hướng đạt được 20% năng lượng tái tạo trước 2020, được định ra trong các mục tiêu của hiệp ước EU2020 (Hình 1.1) [4] Mục tiêu này định ra trước năm 2020, giảm lượng khí thải nhà kính xuống dưới 20% so với 1990, đạt hiệu suất năng lượng ở mức 20% và tăng tỉ lệ sử dụng năng lượng tái tạo trong tổng số năng lượng sử dụng lên 20%

Hình 1.1 Mục tiêu năng lượng tái tạo của các thành viên EU vào năm 2020

Một nguồn năng lượng quan trọng khác là năng lượng hạt nhân Thông thường, xấp xỉ 54% nguồn điện được tạo ra tại Bỉ đến từ năng lượng hạt nhân, ở 7

lò phản ứng, 4 lò ở Doel và 3 lò ở Tihange Tuy nhiên vào tháng 3/2015, 2 lò phản ứng bị ngừng hoạt động do phát hiện các lỗ hổng nhỏ bên trong lò và một lò nữa bị đóng của do rò rỉ dầu vào năm 2014 [5] Mặc dù năng lượng hạt nhân được xem là nguồn năng lượng không tạo ra khí nhà kính và ô nhiễm không khí, nhưng các nguyên tố phóng xạ được sử dụng của năng lượng hạt nhân là mối đe dọa đối với môi trường sống của loài người Bởi vì lò phản ứng tạo ra các chất tải phóng xạ và tồn tại các chi phí ẩn số, ví dụ xây dựng các kho chứa chất thải phóng xạ khi chúng gia tăng Sau tai nạn tại nhà máy điện hạt nhân Fukushima 2011, cả thế giới bắt đầu quan ngại về tính an toàn của điện hạt nhân [6] Tại Bỉ, các kế hoạch bãi bỏ việc sử dụng năng lượng hạt nhân trước 2025 Cùng với đó Đức cũng đã đóng cửa 8 lò phản ứng Tham vọng trong tương lai của Đức là hoàn toàn chuyển đổi định hướng năng lượng hạt nhân sang năng lượng tái tạo, nâng cao hiệu suất và sự ổn định Mục tiêu cuối cùng là từ bỏ hoàn toàn sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và các nguồn năng lượng không tái tạo khác [7]

Chìa khóa chính trong nổ lực hướng đến năng lượng cung cấp bền vững là giảm lượng năng lượng sử dụng bằng cách sử dụng các kỹ thuật có hiệu suất cao, giảm lượng năng lượng tiêu dùng và chuyển sang hướng các nguồn năng lượng tái tạo như thủy điện, mặt trời, gió, sinh khối và địa nhiệt Vào năm 2012 tại Norway 97% sản lượng điện lắp đặt là năng lượng tái tạo, chủ yếu là thủy điện, nhưng nó là ngoại lệ và sẽ không thể khả thi với tất cả các nước [8] Trên toàn thế giới, phần lớn các vị trí thích hợp cho thủy điện đều đã được khai thác Phần lớn các quốc gia không có tiềm năng lớn về thủy điện như Norway, các khoảng đầu tư lớn sẽ phải được chi cho việc xây dựng

Tập trung vào năng lượng gió, năng lượng gió là một dạng chuyển đổi của năng lượng mặt trời, được hình thành từ các phản ứng hạt nhân của Hydrogen(H) và Helium (He) ở trong lõi Mặt Trời Phản ứng Hidro -Heli tạo ra nhiệt và các dòng bức xạ điện từ, từ Mặt Trời vào không gian theo mọi hướng Và một phần bức xạ Mặt Trời được hấp thụ bởi Trái Đất, và năng lượng mà các bức xạ đó có thể cung cấp toàn bộ năng lượng mà Trái Đất cần

Năng lượng gió là đại diện cho nguồn năng lượng chính của thế hệ turbine mới và là thành phần quan trọng của ngành công nghiệp năng lượng Với vai trò dẫn đầu của kỹ thuật năng lượng, sự tăng trưởng của điện gió và sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã đưa ra một sự thật là không có giới hạn nào cho tỷ lệ phần trăm của năng lượng gió có thể chuyển đổi thành điện năng [9] Tổng năng lượng

mà Mặt Trời cung cấp cho Trái Đất đã được ước tính xấp sỉ 1.8 x 1011 MW Và trong đó chỉ có 2% (khoảng 3.6 x 109

MW) là được chuyển đổi sang năng lượng gió

và khoảng 35% năng lượng gió không được sử dụng trong khoảng độ cao 1000m từ mặt đất [10] Vì thế, lượng năng lượng gió có thể chuyển đổi thành dạng năng lượng khác xấp xỉ 1.26x 107 MW Và bởi vì con số này cao gấp 20 lần giá trị hiện tại của tổng năng lượng tiêu thụ toàn cầu, nên năng lượng gió có thể đáp ứng toàn

bộ năng lượng mà thế giới cần

So sánh với các nguồn năng lượng truyền thống khác, năng lượng có một số lợi ích và lợi thế Không giống như năng lượng hóa thạch tạo ra các khí thải độc hại

và năng lượng hạt nhân tạo ra các chất thải phóng xạ, năng lượng gió là nguồn sạch

và thân thiện với môi trường Là một nguồn năng lượng vô tận và miễn phí, và còn

có thể lắp đặt ở hầu hết mọi nơi trên Trái Đất Bên cạnh đó việc sử dụng năng lượng gió có thể làm giảm sự phụ thuộc và nguồn năng lượng hóa thạch, một nguồn năng lượng mà có thể cạn kiệt một ngày nào đó, dựa vào năng lượng tiêu thụ hiện tại Hơn nữa, giá điện cho mỗi kWh của năng lượng gió sẽ thấp hơn so với năng lượng Mặt Trời [11]

Vì thế, là một nguồn năng lượng hứa hẹn với nhiều tiềm năng, năng lượng gió được tin rằng sẽ đóng vai trò trong nền công nghiệp toàn cầu trong thế kỷ 21

Hình 1.2 Tổng công suất lắp đặt của năng lượng gió được dự đoán đến 2020

1.2 Giới thiệu về các hệ thống turbine gió truyền thống và AirBorne Wind Energy

1.2.1 Hệ thống turbine gió truyền thống

Thật thú vị khi biết rằng năng lượng gió là dạng năng lượng tái tạo và có thể cung cấp toàn bộ năng lượng cho cả thế giới Tiềm năng của gió đã được biết và khai thác bởi nhân loại từ lâu về trước Gió giúp thuyền bè di chuyển, cối xay gió được dùng để bơm nước và nghiền ngũ cốc Tuabin gió lần đầu tiên tạo ra điện được tạo ra vào năm 1887 với đường kính rotor 17m, lắp đặt trên tháp cao 18m và tạo ra điện 12KW [12] Hình 1.3 là của Vestas V164, hiện tại là tuabin có công suất lớn nhất thế giới 8MW, lắp đặt và vận hành vào tháng 1/2014 Hệ thống đầu tiên được lắp đặt để chạy thử nghiệm tại Đan Mạch với tháp cao 140m và sải cánh tuabin dài 80m với lớp vỏ nhẹ [13]

Vấn đề hạn chế của năng lượng gió và hầu hết các nguồn năng lượng khác đó

là chỉ một phần nhỏ tiềm năng năng lượng là có thể được tận dụng với công nghệ

hiện tại và nó còn phải dựa vào các yếu tố chính trị hay kinh tế để có thể đạt được mục tiêu đặt ra

Hình 1.3: Turbine gió Vestas V164

Cấu tạo tuabin gió được trình bày ở hình 1.4 bao gồm các thành phần chính sau:

+ Cánh: có tác dụng hứng gió tạo chuyển động quay để quay trục rotor tới máy phát giúp máy phát phát ra điện Bộ điều khiển góc pitch cũng nằm trên cánh quạt rotor, giúp cánh quạt có thể xoay tối đa 450 để tối ưu lượng công suất phát ra

+ Bộ hãm: có tác dụng hãm tuabin gió khi cần thiết

+ Máy phát điện: có chức năng chuyển từ cơ năng thành điện năng

+ Trục truyền động tốc độ cao: có chức năng truyền động công suất cơ đến máy phát điện

+ Khung: có chức năng bao bọc cho hệ thống tuabin gió

+ Trụ tháp: có chức năng đỡ tuabin gió

Hình 1.4 Các thành phần chính của tuabin gió

Ngày nay, hiệu suất tuabin gió ngày càng tăng so với thế kỉ 19 và đầu thế kỉ

20, nhưng vẫn chỉ vận hành ở độ cao khoảng 100m, nơi mà tốc độ gió yếu hơn và không ổn định so với gió ở độ cao cao hơn Thậm chí để đạt được độ cao đó, thì hệ thống tuabin cũng phải đòi hỏi việc xây dựng cấu trúc thật lớn dựa vào các nguyên nhân sau:

o Tháp cao để khai thác gió ở độ cao cao hơn, nơi mà gió sẽ mạnh hơn và ổn định hơn

o Tháp này cần phải chống lại được momen uốn tạo ra bởi lực trên rotor, vì thế nó phải mạnh và có nền móng tốt

o Lực tác động lên mặt cánh tỉ lệ theo phương trình bậc hai với hiệu suất tốc độ gió tại mặt phẳng chuyển động Phần ngoài cùng của cánh tuabin là vùng đón gió tốc độ cao nhất nên hiệu suất của nó là cao nhất Phần bên trong của cánh có vai trò hỗ trợ các phần còn lại

1.2.2 Hệ thống Airborne Wind Energy

Một phương pháp mới đặt ra để thu được năng lượng gió và tránh những mặt

đã nêu trên đó chính là hệ thống Airborne Wind Energy [14] Điều đổi mới được đưa ra ở đây là phần ngoài, phần lớn nhất của tuabin gió, dây buộc, máy phát và một cái đế nhỏ để cố định và vận hành hệ thống Với ý tưởng này một lượng lớn các vật liệu xây dựng sẽ được tiết kiệm và cả chi phí đầu tư ban đầu Phần ngoài của tuabin thông thường được thay thế bởi diều hoặc khí cầu, có thể kết nối lưới hoặc hoạt động độc lập, và nó bay theo hướng gió Có một số khả năng để tạo ra điện từ

hệ thống AWE Hai khả năng lớn nhất là:

Trong ý tưởng đầu tiên, máy phát sẽ nằm ở mặt đất và nối với cái tời có giữ dây buộc Trong đó điện năng được sinh ra bởi diều tại tốc độ gió cao trên không và bằng lực nâng diều lên cao sẽ kéo theo dây buộc Vì dây buộc được kéo lên làm quay tời và từ đó quay trục máy phát và sinh ra điện Có 2 giai đoạn, giai đoạn đầu

là giai đoạn tạo ra năng lượng khi dây kéo làm quay tời và giai đoạn thứ 2 là khi dây

đã được thả hết và tại đây bắt đầu giai đoạn tiêu thụ năng lượng Vì lúc này, dây đã được thả hết và chỉ còn lại một lực nhỏ từ diều kéo và lực căng dây triệt tiêu nên dây rất dễ quấn lại bằng việc sử dụng một lượng nhỏ năng lượng tạo ra Kết hợp cả hai quá trình được hệ thống phát điện, nó được gọi là “pumping cycle”[48]

Hình 1.5: Hai giai đoạn của hệ thống AWE trong ý tưởng thứ 1

Trong ý tưởng khác, máy phát sẽ được đưa lên aeroplane (khí cầu) Và dùng các cánh quạt ngược để làm xoay trục tuabin Cánh quạt này xoay bởi tốc độ gió khi

ở trên cao và trong luồng gió thổi Tốc độ gió lớn dẫn đến làm quay máy phát với tốc độ cao Năng lượng được chuyển xuống đất bằng các dây dẫn Phương pháp này

có lợi thế vì nó không cần quá trình sử dụng năng lượng và chỉ có một quá trình là tạo ra năng lượng Và nó được gọi là „AWE‟.[48]

Hình 1.6 Hai hình thức của hệ thống AWE

Các thành phần trên không của AWE có thể là diều cánh cứng hoặc diều cánh mềm So với diều cánh mềm, diều cánh cứng dễ mô phỏng và dễ điều khiển hơn Việc mô phỏng diều cánh mềm liên quan đến động lực học với hệ thống phức tạp và nhiều bậc tự do trong khi diều cánh cứng có thể được mô phỏng như một phần của khí cầu trong khí động lực học

Với hệ thống AWE, ngoài ưu điểm có thể hoạt động và thu được năng lượng gió lớn ở độ cao lớn và ổn định mà còn nằm ở việc có thể cung cấp công suất đầu ra gần bằng công suất định mức của nó Bên cạnh đó hệ thống rất “linh động” khi có thể thay đổi vị trí hoạt động dễ dàng và không cần bỏ ra khoản chi phí lớn cho việc xây dựng tháp

Nhưng cũng không may thay khi lợi ích của hệ thống AWE phần lớn đến đến

từ chi phí Trong khi một tuabin gió chỉ cần hướng vào gió để vận hành, một hệ thống AWE cần phải được tính toán sao cho tạo ra một quỹ đạo hoạt động nhất định

1.3 Tình hình nghiên cứu về các hệ thống AWE trên thế giới

Với các tiềm năng lớn của hệ thống AWE, nhiều trường đại học và các tổ chức thương mại đã bắt đầu nghiên cứu và xây dựng các mô hình Hình 1.7 là bản

đồ về các đề tài nghiên cứu và phát triển hệ thống AWE trong năm 2013 Các đề tài nghiên cứu có thể được phân loại thành hai nhóm chính: Nhóm nghiên cứu theo định luật Loyd‟s và sử dụng hệ thống diều để thu thập năng lượng gió và nhóm khác thì phát triển theo các hình thức khác

Hình 1.7 Bản đồ phân bố đề tài nghiên cứu và phát triển hệ thống AWE rên thế giới

trong năm 2013 [15]

Trong nhóm đầu tiên, hai điểm phân biệt có thể thấy ở các nhóm là: Nhóm làm diều cánh cứng và diều cánh mềm; nhóm làm máy phát ở mặt đất và làm máy phát ở trên cao

Mặc dù hiệu suất của diều cánh mềm được ước tính thấp hơn so với diều cánh cứng, nhưng một số nhóm nghiên cứu vẫn tiến hành phát triển hệ thống này

So sánh với diều cánh cứng, diều cánh mềm cũng có tính cạnh tranh cao về chi phí trên một mét vuông gió Nó cũng an toàn hơn để vận hành và ngay cả khi nó hư

hỏng, nó cũng có thể tái sử dụng

Hình 1.8 Các hệ thống AWE sử dụng diều mềm

Một số nhóm nghiên cứu phát triển hệ thống AWE sử dụng diều cánh mềm

là German Company Skysails, TU Delft, Nhóm SwissKitePower ở FHNW và ETH Zurich, KiteGen ở Polytecnico Torino, UC Santa Barbara và University of Limerick

Trong đó công ty thành công nhất là Skysails [16] Trong một vài năm, họ đã

sử dụng diều cánh mềm cho buôn bán thương mại và một vài lắp đặt hệ thống trên thế giới Nó làm giảm lượng năng lượng tiêu dùng khoảng 30% Các nhà sản xuất

sử dụng hệ thống của nó để tạo ra điện, như hình 1.8a Hệ thống của họ giống với

TU delft, hình 1.8b Cả hai hệ thống đều sử dụng một dây đơn kết nối với đế ở mặt đất và bộ điều khiển Từ bộ điều khiển này, dây cáp sẽ kết nối với diều Bộ điều khiển có động cơ Servo để điều khiển diều Hệ thống EnerKite và KiteGe trên hình 1.8c và 1.8d, sử dụng nhiều dây cáp để điều khiển diều, có khối lượng diều nhỏ nhưng lực cản của dây lớn và cần phải điều khiển sự khác nhau về chiều dài các dây với máy phát lớn

Một loại hệ thống khác được thể hiện ở hình 1.9 Trong đó có cả hệ thống Lighter- than- air (khí cầu) Hệ thống Lighter – than – air là sự kết hợp giữa khí cầu

và khí động lực học để giữ hệ thống trên không Hệ thống sử dụng khí cầu dạng ống bao lấy turbine gió Hệ thống trong hình 1.9, lớp vỏ ống làm theo khuôn, nó không chỉ cung cấp lực nâng của khí cầu, mà còn cả lực nâng của khí đông lực thông qua gió thổi qua ống Nó làm giảm các lực gió “blowdown” (lực cản của gió với bề mặt lớn), là kết quả của lực cản khí động lực học lên hệ thống và kéo nó theo hướng gió

và đè nó xuống mặt đất Một hệ thống tận dụng hiệu ứng Magnus để tạo ra lực nâng khí động lực thể hiện ở hình 1.9 Một cylinder quay theo trục ngang với gió và tạo

ra lực lớn lên cáp kết nối hệ thống với mặt đất Nó hoạt động như chuyển động máy bơm để tạo ra điện

Hình 1.9 Hệ thống Lighter- Than- Air và hệ thống diều kiểu máy bơm nước

1.4 Ý nghĩa đề tài

Đề tài này lấy ý tưởng từ hệ thống AWE lighter-than-air của Công ty Altaeros Energies, hệ thống BAT (Bouyant Air Turbine) Mục tiêu chính của đề tài này là tính toán, thiết kế và mô phỏng, đề suất tối ưu cho hệ thống AWE, kết hợp với làm mô hình từ những tính toán và mô phỏng để đánh giá toàn diện hơn về hệ thống thiết kế

Ở cuối đề tài, đánh giá và kết luận sẽ được đưa ra dựa trên mô phỏng, tính toán và mô hình thực tế, từ đó có thể thấy được tiềm năng của năng lượng gió trên cao của hệ thống AWE Nếu đề tài này thành công, nó sẽ đưa ra một hệ thống tuabine năng lượng mới có thể cung cấp lượng điện năng với giá thành rẻ hơn so với năng lượng hóa thạch và một cách nhìn khác, hiệu quả hơn, chi phí đầu tư thấp hơn so với các cánh đống gió hiện tại Bên cạnh đó đề tài tập trung nghiên cứu về

mảng năng lượng tái tạo –năng lượng gió- một nguồn năng lượng sạch, từ đó xây dựng mục tiêu góp phần làm giảm lượng khí CO2 thải ra trên toàn thế giới Sự lựa chọn để làm đồ án này là dựa theo thiết kế của hệ thống BAT, vì nó dễ dàng để mô phỏng và không phụ thuộc vào các điều kiện gió như hệ thống sử dụng diều

Bên cạnh đó, đề tài cũng thực hiện nghiên cứu về tiềm năng và đánh giá năng lượng gió tại Việt Nam và từ các số liệu gió thu được, tiến hành tính toán và thiết kế hệ thống sao cho phù hợp với việc sử dụng và phục vụ ngành công nghiệp năng lượng trong nước

CHƯƠNG 2 – CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Đặc trưng của gió

2.1.1 Sự hình thành gió

Gió là kết quả của sự chuyển động của không khí dưới tác động của chênh lệch áp suất khí quyển Gió thổi từ nơi có áp suất cao đến nơi có áp suất thấp Chênh lệch Áp suất khí quyển càng lớn, gió thổi càng mạnh dẫn đến năng lượng gió thu được lớn hơn và năng lượng được chuyển đổi từ gió lớn hơn

Sự hình thành và chuyển động của gió rất rất phức tạp bới vì các yếu tố Trong số các yếu tố đó, các yếu tố quan trọng là phân bố nhiệt độ không đều từ Mặt Trời, lực Coriolis do chuyển động quanh trục của Trái Đất và địa hình địa lý của khu vực

2.1.1.1 Phân bố nhiệt lượng không đều của Mặt Trời.

Trong số tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến việc hính thành gió, phân bố nhiệt lượng không đều của Mặt Trời là yếu tố quan trọng nhất [49] Sự phân bố không đều bức xạ Mặt Trời có thể quy về 4 yếu tố

Đầu tiên là Trái Đất hình cầu và quay quanh Mặt Trời trên một mặt phẳng gọi là quỹ đạo Vì bề mặt Trái Đất vuông góc với ánh sáng Mặt Trời tại quỹ đạo và song song tại hai Cực, cho nên xích đạo là nơi có năng lượng được cung cấp bởi Mặt Trời lớn nhất trên một đơn vị diện tích và năng lượng thấp nhất tại hai Cực Bởi vì phân bố nhiệt lượng không đều trong không gian trên Trái Đất, hình thành các vùng chênh lệch nhiệt độ từ Xích Đạo đến các Cực, và cũng như các chênh lệch

về áp suất từ các Cực đến Xích Đạo Vì thế các không khí nóng với mật độ không khí thấp hơn tại Xích Đạo di chuyển lên cao và đi đến các Cực, cùng với đó không khí lạnh với mật độ cao hơn thổi từ các Cực thổi tới Xích Đạo Không xét đến việc Trái Đất tự quay quanh trục và sinh ra lực Coriolis, vòng hoàn lưu gió tại các bán cầu tạo thành các vòng hoàn lưu đơn

Hình 2.1 Phân bố nhiệt lượng qua góc đón ánh sáng của các phần trên Trái Đất

Thứ hai, Trái Đất tự quay quanh trục của nó với góc nghiêng 23.5 trên một mặt phẳng Elip Đây là góc nghiêng của Trái Đất khi quay quanh Mặt Trời và kết quả của việc phân bố nhiệt lượng không đều là sự hình thành các mùa ở Trái Đất

Thứ 3, bề mặt Trái Đất được bao phủ bởi nhiều loại vật liệu khác nhau như thực vật, đá, cát, nước, băng, … Mỗi loại vật liệu lại có độ phản chiếu và độ hấp thụ phóng xạ Mặt Trời khác nhau, ví dụ như nhiệt độ cao tại vùng xa mạc và nhiệt độ thấp tại các vùng băng giá, ngay cả khi cùng vĩ độ

Và nguyên nhân thứ tư là bề mặt Trái Đất không bằng phẳng Có rất nhiều núi, thung lũng, đồi, … trên Trái Đất dẫn đến sự khác nhau về bức xạ Mặt Trời giữa bên nắng và bên tối

2.1.1.2 Lực Coriolis

Trái Đất tự quay quanh trục của nó là một yếu tố quan trọng khác ảnh hưởng đến hướng gió và tốc độ của nó Lực Coriolis được hình thành từ việc quay quanh trục của Trái Đất, tác động đến hướng chuyển động của khí quyển Tại phía Bắc, gió bị chuyển hướng về bên phải còn ở phía Nam áp suất hướng theo bên trái Lực Coriolis phụ thuộc vào vĩ độ Nó bằng không tại Xích Đạo và đạt đến giá trị cao nhất ở hai Cực Bên cạnh đó, một số sự chuyển hướng của gió cũng phụ thuộc vào tốc độ gió, gió chậm chỉ thay đổi một ít còn các luồng gió càng mạnh càng chuyển hướng nhiều

Tại bán cầu Bắc, Hoàn lưu Hadley nằm giữa xích đạo và vĩ tuyến 30 bắc, tạo nên khí hậu nhiệt đới và cận nhiệt đới Không khí nóng tại xích đạo bay lên cao và hướng về cực bắc ở tầng cao khí quyển Khối không khí này bị lệch hướng bởi lực Coriolis và tạo thành Gió Mậu Dịch Tại vĩ tuyến 30 độ Bắc, lực Coriolis trở nên mạnh hơn và cân bằng độ chênh lệch áp suất và kết quả gió bị làm lệch hướng sang hướng tây Không khí tích tụ ở tầng khí quyển phía trên tạo thành vành đai áp suất cao cận nhiệt đới và do đó chìm trở lại bề mặt Trái đất, tách thành hai thành phần: Một phần trở ngược về Xích Đạo để tạo thành vòng hoàn lưu Hadley; phần còn lại theo bề mặt trái đất và thổi về cực bắc và hình thành vòng hoàn lưu Ferrel, nằm giữa vĩ tuyến 30 và 60 Tại đây gió vẫn hướng về cực Bắc cho đến khi nó va chạm với khối không khí lạnh từ cực bắc tại vĩ tuyến 60 Dưới tác dụng của lực Coriolis, khối không khí chuyển động này bị làm lệch hướng và tạo thành gió Tây Ôn Đới Vòng hoàn lưu Polar nằm giữa cực Bắc và vĩ tuyến 60 Không khí lạnh thổi từ cực Bắc theo dọc bề mặt đến xích đạo Tại gần vĩ tuyến 60, dưới tác dụng của lực Coriolis làm cho không khí lệch hướng tạo thành gió Đông Cực

Hình 2.2 Sơ đồ vòng hoàn lưu khí quyển 2.1.1.3 Địa hình khu vực

Sự thô ráp, không bằng phẳng của bề mặt trái đất là kết quả của cả địa hình tự nhiên và công trình của con người Lực cản ma sát và sự cản trở trên bề mặt làm giảm tốc độ gió và tạo ra hiệu ứng gió cắt (wind shear) Một ước lượng thực tế chỉ

ra rằng tốc độ gió tăng hơn 10% với độ cao tăng gấp đôi [17]

Trong đó một số công trình địa lý có thể làm tăng mật độ gió Chẳng hạn, gió thổi qua những ngọn núi có thể tạo thành những luồng gió với tốc độ cao

2.1.2 Phân bố tốc độ gió

Để xét được sự phân bố tốc độ gió theo chiều cao, cần quan tâm đến hiệu ứng gió cắt (gió xén) Gió cắt là hiện tượng thay đổi tốc độ và hướng gió trên một một khoảng cách về chiều cao (hình 2.3) Sự thay đổi tốc độ gió theo chiều cao là yếu tố quan trọng để xác định lượng năng lượng mà turbine gió có thể tạo ra Sự thay đổi tốc độ gió với chiều cao có thể ước lượng với nhiều điều kiện khí quyển khác nhau

Hình 2.3 Hiện tượng gió cắt theo chiều cao (trái) và theo hướng (phải)

Phương pháp thông thường để xác định tốc độ gió tại vùng cao hơn khi biết tốc độ gió tại vị trí thấp hơn là bằng định luật năng lượng, với hàm mũ là độ thô ráp của bề mặt, hàm mũ này sẽ cho ra tốc độ gió bằng không ngay tại bề mặt đất Định luật năng lượng của gió cắt là [50]:

0 0

Với v0 = tốc độ gió đo đạc được, H0 = độ cao biết được tốc độ gió v0; và H là

độ cao mong muốn biết được tốc độ gió

Số mũ gió cắt α nằm trong khoảng 1/7 (0.14) cho khí quyển với trạng thái ổn định (không khí giảm nhiệt độ với chiều cao) Tuy nhiên, nó rất da dạng, phụ thuộc vào địa hình và điều kiện khí quyển Từ công thức ở trên, sự thay đổi tốc độ gió theo chiều cao có thể được xác định (hình 2.4) Chú ý rằng với α =0.14, năng lượng gió tại 50m là gấp đôi so với tại 10m, bằng phương thức thuận lợi để ước ượng tốc

độ gió, rất nhiều bản đồ gió đưa ra tốc độ gió trong khoảng 10-50m Tuy nhiên, đối với cánh đồng gió, tiềm năng của năng lượng gió được xác định từ 50m của mũi turbine (hub)

Hình 2.4 Biểu đồ tốc độ gió thay đổi theo chiều cao.Tính toán với tốc độ gió 10m/s

tại độ cao 10m và α =0.14

Độ cao tiêu chuẩn tại 10m cho việc đo đạc trong điều kiện thời tiết tiêu chuẩn Tuy nhiên, sử dụng dữ liệu tại 10m và số mũ 0.14 để ước tính tiềm năng gió tại độ cao 50m cho một số vị trí sẽ không chính xác cho việc đánh giá tiềm năng của

cả cánh đồng gió Với các công thức khác được đưa ra sau đây sẽ toàn diện và chính xác hơn

Hlnz0

v = v

H0lnz0

v = v

H0

ln 1+

z0

Bảng 2.1 Các giá trị tiêu biểu của tham số độ nhám, z0 [50]

Snow, flat ground – tuyết, địa hình bằng phẳng 0.0001

Snow, cultivated farmland – đất canh tác có tuyết 0.002

Farmland and grassy plains - Đất nông nghiệp và

Many trees, hedges, few buildings - Nhiều cây,

Cities and large towns - Thành phố và thị trấn

1, 2

10ln

Động năng được sinh ra khi một vật khối lượng m chuyển động hoặc thay đổi vị trí hoặc có tốc độ quay Khi không khí chuyển động, động năng của không khí được xác định:

Tuy nhiên chỉ có một phần công suất gió được chuyển đổi thành năng lượng điện Khi gió đi qua Turbine và làm quay các cánh turbine, khối lượng dòng chảy khí được xác định:

Với ρ là mật độ không khí; A là diện tích quét của cánh turbine như hình 2.5

Thế công thức thứ (2.6) vào (2.5), Công suất của gió Pw có thể được xác định theo:

3

12

Wind

Với công thức thứ 4 chỉ ra để có được năng lượng gió lớn, cần tốc độ gió lớn, cánh turbine dài để tăng diện tích quét và mật độ không khí cao Vì đầu ra của công suất gió tỷ lệ với lập phương tốc độ gió vì thế sự thay đổi nhỏ của tốc độ gió

có thể dẫn đến một sự thay đổi lớn của năng lượng gió

Hình 2.5 Gió thổi qua bề mặt diện tích quét của cánh turbine [49]

Về phần diện tích cánh, diện tích quét có thể được tính từ công thức:

Hình 2.6 Diện tích của cánh turbine

2.1.4 Giới hạn của năng lƣợng gió

Năng lượng Mặt Trời tạo ra gió, và sau đó tiêu tán khi chuyển động hỗn loạn

và ma sát với bề mặt Trái Đất Bầu khí quyển Trái đất có thể được coi là một ống dẫn khổng lồ, và nếu năng lượng gió được lấy ra tại một địa điểm, thì ở vị trí sau đó

nó không còn nữa Do đó, điều quan trọng là phải phân biệt giữa động năng của gió, tốc độ và giới hạn của việc khai thác năng lượng đó, năng lượng trong gió và công suất tối đa có thể thu được

Một so sánh có thể được thực hiện trên cơ sở động năng của gió trên một đơn

vị diện tích bề mặt Trái đất Trong đầu vào của năng lượng mặt trời, chỉ có 2% được chuyển đổi thành năng lượng gió và 35% trong số đó bị tiêu tan trong vòng 1 km trên bề mặt Trái Đất Đây là năng lượng gió có sẵn để chuyển đổi sang các dạng năng lượng khác

Lượng năng lượng thu được sẽ bị giới hạn bởi các yếu tố như khí hậu; tuy nhiên, sự không chắc chắn là rất lớn trong việc xác định yếu tố đó Con người sẽ sử dụng các turbine thay thế cho các đặc điểm ma sát tự nhiên như cây cối, núi non, v.v., Gustavson [18] giả định giới hạn có thể thu được là 10% năng lượng gió có sẵn trong vòng 1 km trên bề mặt Khi các giá trị này được áp dụng cho bốn mươi tám tiểu bang liền kề của Hoa Kỳ, năng lượng thu được sẽ là 2x1012 W (2 TW), hoặc 62 quads / năm Một phân tích tương tự có thể được thực hiện cho thế giới Do đó, năng lượng gió đại diện cho một nguồn năng lượng rất lớn

Trên phạm vi toàn cầu, gió có thể được so sánh với các nguồn tái tạo khác (bảng 2) Ở những nơi có tốc độ gió lớn, năng lượng gió tương đương hoặc tốt hơn lượng năng lượng mặt trời Năng lượng gió có sẵn có thể đáp ứng khoảng hai mươi lần năng lượng tiêu thụ toàn cầu

Bảng 2.2 Tổng công suất toàn cầu mà các dạng năng lượng tái tạo mang lại [50]

2.1.5 Sự chuyển đổi năng lƣợng gió và hiệu suất rotor

Công suất cơ đạt được từ gió thông qua tuabin chính là sự khác nhau giữa

động năng tích trữ của gió ở trước cánh quạt có vận tốc v và động năng của gió sau

d

v v

Hệ số công suất cực đại:

2 p

Về lý thuyết không thể lớn hơn 59,3%, hệ số này còn được biết đến như là giới

hạn Betz để chỉ ra giới hạn công suất có thể nhận đƣợc từ gió

Hình 2.7 Đường cong hiệu suất rotor theo lý thuyết

Ngoài ra, nếu như rotor quay quá chậm thì gió sẽ dễ dàng đi xuyên qua mà không tác động nhiều lên cánh quạt Ngược lại, nếu rotor quay quá nhanh thì cánh quạt sẽ giống như một bức tường chắn và vận tốc gió phía sau cánh quạt gần như bằng không, hệ quả là hiệu suất rotor gần bằng không Như vậy, với một vận tốc gió cho trước thì hiệu suất rotor còn phụ thuộc vào tốc độ máy phát

Hiệu suất rotor thường được biểu diễn theo tỷ số,  (Tip speed ratio), được định nghĩa là tỷ số giữa vận tốc tiếp tuyến của đỉnh cánh quạt và vận tốc gió thổi theo hướng vuông góc với mặt phẳng quay của cánh quạt

 T.R b

v



Trong đó: tốc độ quay của tuabin (rotor) (rad/s)

bán kính của cánh quạt tuabin (m)

Trong thực tế, hiệu suất rotor không những phụ thuộc vào  mà còn phụ thuộc vào góc pitch của cánh quạt tuabin,  (rad) xoay quanh trục của chính nó Hầu hết, các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió có trang bị thiết bị điều khiển pitch như hình 3.4 nói chung là một hàm phi tuyến và khá phức tạp, nhà chế tạo thường cho giá trị Cp đối với mỗi loại tuabin như là hàm của  và góc 

Biểu thức xấp xỉ hiệu suất rotor được cho bởi:

21 ( )1

Hình 2.8 Công suất đầu ra phụ thuộc vào vận tốc gió và tốc độ tuabin

Hình 2.9 Đường cong hiệu suất rotor (, )

Hình 2.10 Góc pitch của cánh quạt turbine

2.1.6 Đường cong công suất tuabin gió

Một trong những thông số kỹ thuật quan trọng nhất đối với từng loại tuabin gió chính là đường cong công suất, hình 2.11, thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ gió

và công suất đầu ra Vận tốc gió Cut-in (Vc-in): là vận tốc gió tối thiểu cần có để thắng lực ma sát và tạo ra công suất

Hình 2.11 Đường cong công suất của turbine gió

Vận tốc gió định mức (Vdm): khi vận tốc gió tăng lên, công suất đầu ra cũng tăng theo và tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của vận tốc gió Khi vận tốc gió đạt đến giá trị Vdm, công suất đầu ra bằng công suất định mức theo thiết kế Khi lớn hơn Vdm thì cần phải điều chỉnh để hệ thống tuabin lượt bớt công suất nhằm tránh quá tải cho máy phát

Vận tốc gió Cut-out (Vc-out): Khi tốc độ gió tiếp tục tăng và đạt đến ngưỡng Vc-out thì hệ thống tuabin cần phải được ngưng hoạt động để bảo vệ máy phát và các cấu trúc cơ khí khác, trong trường hợp này công suất phát ra bằng không

Khi vận tốc gió lớn, cần phải hạn chế công suất đưa vào tuabin, điều khiển

cơ Trong đó, điều khiển góc pitch là phương pháp phổ biến nhất để điều khiển công suất cơ tạo ra bởi tuabin bằng cách thay đổi góc quay của cánh quạt quanh trục của nó Hầu hết, các tuabin gió tốc độ thay đổi được sẽ được trang bị bộ điều khiển góc pitch

Khi dưới tốc độ gió định mức, tuabin cần sản sinh ra công suất lớn nhất có thể bằng cách điều khiển góc pitch để cực đại hóa năng lượng nhận được

Khi trên tốc độ gió định mức, góc pitch cần được điều chỉnh một cách tương

tự để giới hạn công suất cơ bằng công suất định mức

Đối với tuabin gió có trang bị hệ thống điều khiển góc pitch, bộ điều khiển sẽ liên tục kiểm tra công suất đầu ra của tuabin Khi công suất đầu ra quá lớn, bộ điều khiển góc pitch sẽ phát tín hiệu để cấu trúc cơ khí xoay cánh quạt nhằm lượt bớt công suất và xoay cánh quạt theo chiều ngược lại khi tốc độ gió giảm

2.1.7 Tiềm năng và phân bố tốc độ gió tại Việt Nam - Viet Nam Wind Atlat [19]

Ở Việt Nam, tình trạng khó khăn về nguồn than đá được dự báo đã rất cận kề (năm 2012 bắt đầu phải nhập khẩu với số lượng lớn để phục vụ các nhà máy nhiệt điện), nguồn dầu mỏ cũng không còn nhiều kể từ năm 2030 trở đi Với những dự án điện hiện có, kể cả nhà máy điện hạt nhân với công suất 4.000MW, thì từ 10 đến 20 năm tới, Việt Nam vẫn thiếu điện Tốc độ tăng trưởng trung bình của sản lượng điện

ở Việt Nam trong 20 năm trở lại đây đạt mức rất cao, khoảng 12-13%/năm, tức là gần gấp đôi tốc độ tăng trưởng GDP của nền kinh tế Theo dự báo của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN), nếu tốc độ tăng trưởng GDP trung bình tiếp tục được duy trì ở mức 7,1%/năm thì nhu cầu điện sản xuất của Việt Nam vào năm 2020 sẽ là khoảng 200.000 GWh, vào năm 2030 là 327.000 GWh Trong khi đó, ngay cả khi huy động tối đa các nguồn điện truyền thống thì sản lượng điện nội địa cũng chỉ đạt mức tương ứng là 165.000 GWh (năm 2020) và 208.000 GWh (năm 2030) Điều này có nghĩa là nền kinh tế sẽ bị thiếu hụt điện một cách nghiêm trọng, và tỷ lệ thiếu hụt có thể lên tới 20-30% mỗi năm Nếu dự báo này của EVN trở thành hiện thực thì hoặc là phải nhập khẩu điện với giá đắt gấp 2-3 lần so với giá sản xuất trong nước, hoặc là hoạt động sản xuất của nền kinh tế sẽ rơi vào trì trệ Vì thế, Việt Nam cần có chiến lược đảm bảo an ninh năng lượng bằng cách một mặt mở rộng khai thác những nguồn năng lượng truyền thống; mặt khác, thậm chí còn quan trọng hơn, phát triển các nguồn năng lượng mới, đặc biệt là các nguồn năng lượng sạch và tái tạo, điển hình như năng lượng gió

2.1.7.1 Tiềm năng gió kỹ thuật

Khu vực có tiềm năng gió kỹ thuật của Việt Nam được xác định dựa trên Atlas gió là khu vực có vận tốc gió trung bình năm trên 6,0m/s, có địa hình bằng phẳng hoặc có độ dốc nhỏ, có khả năng tiếp cận và khả năng đấu nối với lưới điện quốc gia

Tổng diện tích khu vực có tiềm năng gió kỹ thuật của Việt Nam vào khoảng 1.932 km2, phân bố trên 13 tỉnh (Bảng 2.3) Tuy nhiên, tập trung chủ yếu tại các

tỉnh Bình Thuận, Ninh Thuận, Gia Lai, Đăk Lăk Tổng công suất điện gió nối lưới

về mặt kỹ thuật có thể lắp đặt trên địa bàn Việt Nam ước khoảng 7.728MW Lượng công suất này được ước tính dựa trên tổng diện tích khu vực có tiềm năng gió lý

thuyết và giả thiết rằng mật độ bố trí công suất tua-bin gió là 1MW/25ha

Bảng 2.3: Thống kê diện tích tiềm năng gió kỹ thuật theo tỉnh (km2)

(km 2 ) 6,0 - 6,5 6,5 - 7,0 >7,0

dự kiến sẽ được tiếp tục khai thác trong giai đoạn 2021 – 2030 với mức công suất tích lũy dự kiến của điện gió đạt 7.700MW (mức tăng trưởng bình quân 22,7%/năm) với sản lượng điện tương ứng là 16.863 GWh (bằng 2,74% điện thương phẩm toàn quốc năm 2030) [19-20]

2.1.7.2 Một số nghiên cứu đánh giá tiềm năng năng lượng gió ở Việt Nam

Trong thập niên vừa qua có một số công trình nghiên cứu được thực hiện bởi các tổ chức trong và ngoài nước đã phác thảo sơ lược bức tranh về tiềm năng năng lượng gió ở Việt Nam Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu này phần lớn tập trung nghiên cứu, đánh giá tiềm năng năng lượng gió ở trong đất liền, gần đây mới có một

số nghiên cứu về năng lượng gió ngoài biển Tại cấp độ quốc gia, một số đề án, dự

án, công trình nghiên cứu khoa học đã được thực hiện, có thể kể đến là:

- “Atlas tài nguyên năng lượng gió khu vực Đông Nam Á” (Wind Energy Resource Atlas of Southeast Asia) gồm 04 nước: Việt Nam, Lào, Campuchia và Thái Lan, được Ngân hàng Thế giới tài trợ thực hiện và ấn hành vào tháng 9 năm

- “Quy hoạch phát triển điện gió toàn quốc giai đoạn đến năm 2020, có xét đến 2030” do Tổng cục Năng lượng - Bộ Công Thương thực hiện vào năm 2012

- Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ “Đánh giá tài nguyên và khả năng khai thác năng lượng gió trên lãnh thổ Việt Nam” - Viện Khí tượng Thủy Văn, năm 2004 -

2007

- Đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước, mã số KC.09.19/06-10: “Nghiên cứu đánh giá tiềm năng các nguồn năng lượng biển chủ yếu và đề xuất các giải pháp khai thác” - Viện Cơ học - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, năm 2006 -

2010

Nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa với bờ biển kéo dài (trên 3000 km), Việt Nam được đánh giá là quốc gia có tiềm năng năng lượng gió khá lớn Tuy nhiên, giống như nhiều quốc gia đang phát triển khác, tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam vẫn chưa được lượng hoá ở mức độ thích hợp Cho đến nay, nguồn số liệu về gió chủ yếu được thu thập từ 150 trạm khí tượng thuỷ văn Dữ liệu gió do các trạm khí tượng thuỷ văn cung cấp, mặc dù có tính dài hạn nhưng vẫn chưa đáng tin cậy để đánh giá tiềm năng năng lượng gió trên diện rộng vì các trạm khí tượng thủy văn này thường được đặt ở trong thành phố hoặc thị trấn, việc đo gió được tiến hành ở độ cao 10m và dữ liệu chỉ được đọc 4 lần/ngày

Trong năm 2001, Ngân hàng thế giới (WB) đã tài trợ để xây dựng Atlas gió cho 4 nước (Campuchia, Lào, Thái Lan và Việt Nam) nhằm hỗ trợ phát triển năng lượng gió cho khu vực này Bản nghiên cứu này, với dữ liệu gió lấy từ trạm khí tượng thủy văn cùng với dữ liệu lấy từ mô hình mô phỏng MesoMap, đưa ra ước tính sơ bộ về tiềm năng gió ở Việt Nam tại độ cao 30m và 65m cách mặt đất, tương ứng với độ cao trục của các tua-bin gió nối lưới cỡ lớn và tua-bin gió nhỏ được lắp đặt ở những vùng có lưới mini độc lập Nghiên cứu này của WB chỉ ra rằng Việt Nam là nước có tiềm năng năng lượng gió tốt nhất trong 4 nước trong khu vực Tổng diện tích được đánh giá vào loại khá trở lên (có vận tốc trung bình năm tại độ cao lắp tua-bin từ 6m/s trở lên) là 128.340km2, chiếm tỷ lệ 39,4% diện tích cả nước, với tổng công suất điện gió ước đạt khoảng 513.360MW (Bảng 2.4) Đây là những con số được nhiều người trích dẫn nhất khi nói đến tiềm năng gió ở Việt Nam Tuy nhiên, Atlas gió này của WB được nhiều chuyên gia đánh giá là quá lạc quan và có thể mắc một số lỗi do tiềm năng gió được đánh giá dựa trên chương trình mô phỏng

Bảng 2.4: Tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam tại độ cao 65 m theo Atlas gió

Rất tốt 8-9m/s

Atlas tiềm năng gió cho thấy, các khu vực có tiềm năng gió tập trung ở khu vực duyên hải các tỉnh phía Nam Tổng diện tích được đánh giá có tiềm năng gió vào loại khá trở lên (có vận tốc trung bình năm tạo độ cao lắp tua-bin từ 6m/s trở lên) là 5.339km2, chiếm tỷ lệ 1,6% diện tích cả nước, với tổng công suất điện gió ước đạt 21.356MW Bảng tổng hợp kết quả đánh giá tiềm năng năng lượng gió ở độ cao 80m thể hiện ở bảng sau đây:

Bảng 2.5: Tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam tại độ cao 80m theo

Atlas gió năm 2010 [21]

Tốc độ gió trung bình Nghèo

<6m/s

Khá

6 -7m/s

Tốt 7-8m/s