(Đề tài NCKH) nghiên cứu về tuabin gió trong hệ thống tuabin gió trên khí cầu

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 c

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

MÃ SỐ:SV2019-93

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN

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

SKC006819

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2019

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

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 .

2.4.2 Công thức về tốc độ động cơ xoay chiều 3 pha biến tần 2.4.3 Các bộ phận cơ bản của biến tần .

2.4.4 Các đặc tính dạng sóng .

2.4.5 Chức năng các phụ kiện dành cho biến tần 2.4.6 Tác dụng của biến tần .

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

2.4.8 Nhược điểm của máy biến tần .

CHƯƠNG 3 - THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN .

3.1 Mô hình đề xuất của hệ thống .

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

3.2.1 Lực tác động vào hệ thống .

3.2.2 Thiết kế cơ khí .

3.3 Các thông số tuabin gió. .

3.4 Lựa chọn biến tần cho hệ thống .

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

3.5.1 Xác định tiết diện dây dẫn/cáp .

3.5.2 Kiểm tra sụt áp .

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

CHƯƠNG 4 - KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

4.1 Kết luận .

4.2 Hướng phát triển đề tài .

TÀI LIỆU THAM KHẢO .

ii

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 giớitrong 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 100mHình 2.13 Bản đồ đánh giá tiềm năng năng lượng mà gió mang lại tại Việt Nam ở độcao 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 bêntrong

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 thướckhác 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

iv

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 năm2001

Bảng 2.5 Tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam tại độ cao 80m theo Atlas gió năm2010

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

vi

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 vùngsau 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 dụngnăng lượng ngày càng tăng, làm cho các nguồn năng lượng truyền thống ngày càngtrở nên khan hiếm Một trong những vấn đề về năng lượng là sự thiếu hụt điện doviệc 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 nóiriêng cần có các chiến lược chung và dài hạn nhằm đảm bảo an ninh năng lượngbằng cách khai thác tiết kiệm, hiệu quả và giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhữngnguồn năng lượng truyền thống như than đá, dầu khí, thủy điện… đồng thời mởrộng ứng dụng các nguồn năng lượng mới, đặc biệt ưu tiên phát triển các nguồnnăng 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 hậunhiệt đới gió mùa nên được đánh giá là một trong những quốc gia có tiềm năngnăng lượng gió khá tốt Tuy nhiên, hiện nay các dự án điện gió ở Việt Nam vẫn chưathu hút được các nhà đầu tư trong và ngoài nước, điện gió vẫn chưa phát huy đượchết tiềm năng của mình Với mô hình hệ thống turbine gió truyền thống thì hiệu suấtnăng lượng thu được vẫn chưa mấy khả quan cho các nhà đầu tư Bên cạnh đó, nếuxét về tiềm năng của năng lượng gió thì hơn 65% năng lượng gió hiện tại nằm ở độcao mà các hệ thống turbine gió truyền thống không thể vươn đến, hoặc phải chi trảthêm một khoản lớn chi phí đầu tư cho việc xây dựng trụ turbine cao hơn và chi phíbảo trì Chưa kể đến việc các nhà máy điện gió trên đất liền chiếm dụng khá nhiềuđất 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 tạiViệt Nam mà còn cả trên toàn thế giới, lượng năng lượng của ngành công nghiệpđiện gió mang lại hiện tại được xem là vẫn chưa phản ánh đúng tiềm năng to lớncủa nó Theo các nghiên cứu nếu có thể tận dụng hết tiềm năng của gió thì sẽ đủ đápứng 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 nhànghiên cứu tập trung nghiên cứu và đưa ra các thiết kế về hệ thống Airborne WindEnergy để có thể giúp Turbine có thể lấy được nguồn năng lượng từ gió ở độ caokhông 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 nhưvùng 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 khuvực 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 vùngsau 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 viênhướng dẫn, các thầy cô, các bài báo khoa học và từ các tổ chức đã thiết kế các hệthống AWE trên thế giới, …Từ đó, đưa ra định hướng và ý tưởng thiết kế cho hệthống 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 trongtừng điều kiện thời tiết Khả năng chịu được tối đa của hệ thống trong các điều kiệnthời 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

3

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 nguồnnăng lượng sạch với chi phí thấp Xã hội văn minh hiện tại gần như phụ thuộc hoàntoàn 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 TạiBelgium (Vương quốc Bỉ), 70% tổng năng lượng tiêu dùng trong năm 2010-2014đều 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 củađộng thực vật bị chôn vùi và bị yếm khí phân hủy Trong khi đó tất cả các nguồnnăng 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 hóathạch sẽ vô cùng đắt đỏ Nguồn nhiêu liệu hóa thạch chỉ được cung cấp bởi một số ítcác quốc gia, và các quốc gia này hợp tác thành một tổ chức tên OPEC, tổ chức nàyảnh hưởng đáng kể đến giá dầu quốc tế [2] Tình trạng này làm gia tăng nghiêmtrọng về các vấn đề liên đến chính trị và kinh tế của hầu hết các quốc gia trên thếgiới

Hơn nữa, việc đốt các nhiên liệu hóa thạch góp phần gia tăng sự biến đổi khíhậu 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 từnguồn năng lượng tái tạo Đó là một bước tiến lớn, đi trước định hướng đạt được20% năng lượng tái tạo trước 2020, được định ra trong các mục tiêu của hiệp ướcEU2020 (Hình 1.1) [4] Mục tiêu này định ra trước năm 2020, giảm lượng khí thảinhà 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 Thôngthường, 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 phảnứng bị ngừng hoạt động do phát hiện các lỗ hổng nhỏ bên trong lò và một lò nữa bịđóng của do rò rỉ dầu vào năm 2014 [5] Mặc dù năng lượng hạt nhân được xem lànguồn năng lượng không tạo ra khí nhà kính và ô nhiễm không khí, nhưng cácnguyên tố phóng xạ được sử dụng của năng lượng hạt nhân là mối đe dọa đối vớimôi trường sống của loài người Bởi vì lò phản ứng tạo ra các chất tải phóng xạ vàtồn tại các chi phí ẩn số, ví dụ xây dựng các kho chứa chất thải phóng xạ khi chúnggia tăng Sau tai nạn tại nhà máy điện hạt nhân Fukushima 2011, cả thế giới bắt đầuquan ngại về tính an toàn của điện hạt nhân [6] Tại Bỉ, các kế hoạch bãi bỏ việc sửdụng năng lượng hạt nhân trước 2025 Cùng với đó Đức cũng đã đóng cửa 8 lò phảnứng Tham vọng trong tương lai của Đức là hoàn toàn chuyển đổi định hướng nănglượng hạt nhân sang năng lượng tái tạo, nâng cao hiệu suất và sự ổn định Mục tiêucuối cùng là từ bỏ hoàn toàn sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và các nguồnnăng lượng không tái tạo khác [7]

Chìa khóa chính trong nổ lực hướng đến năng lượng cung cấp bền vững làgiảm 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 táitạo như thủy điện, mặt trời, gió, sinh khối và địa nhiệt Vào năm 2012 tại Norway97% sản lượng điện lắp đặt là năng lượng tái tạo, chủ yếu là thủy điện, nhưng nó làngoại lệ và sẽ không thể khả thi với tất cả các nước [8] Trên toàn thế giới, phần lớncác vị trí thích hợp cho thủy điện đều đã được khai thác Phần lớn các quốc giakhông có tiềm năng lớn về thủy điện như Norway, các khoảng đầu tư lớn sẽ phảiđược chi cho việc xây dựng

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

Năng lượng gió là đại diện cho nguồn năng lượng chính của thế hệ turbinemới và là thành phần quan trọng của ngành công nghiệp năng lượng Với vai trò dẫnđầu của kỹ thuật năng lượng, sự tăng trưởng của điện gió và sự phát triển của khoahọc 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 Vàtrong 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 từmặt đất [10] Vì thế, lượng năng lượng gió có thể chuyển đổi thành dạng năng lượngkhác xấp xỉ 1.26x 107 MW Và bởi vì con số này cao gấp 20 lần giá trị hiện tại củatổng năng lượng tiêu thụ toàn cầu, nên năng lượng gió có thể đáp ứng toàn bộ nănglượng mà thế giới cần

5

So sánh với các nguồn năng lượng truyền thống khác, năng lượng có một sốlợi 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 lượnggió có thể làm giảm sự phụ thuộc và nguồn năng lượng hóa thạch, một nguồn nănglượng 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 lượngMặt Trời [11]

Vì thế, là một nguồn năng lượng hứa hẹn với nhiều tiềm năng, năng lượnggió 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 thểcung cấp toàn bộ năng lượng cho cả thế giới Tiềm năng của gió đã được biết vàkhai thác bởi nhân loại từ lâu về trước Gió giúp thuyền bè di chuyển, cối xay gióđược dùng để bơm nước và nghiền ngũ cốc Tuabin gió lần đầu tiên tạo ra điện đượctạo ra vào năm 1887 với đường kính rotor 17m, lắp đặt trên tháp cao 18m và tạo rađiện 12KW [12] Hình 1.3 là của Vestas V164, hiện tại là tuabin có công suất lớnnhất thế giới 8MW, lắp đặt và vận hành vào tháng 1/2014 Hệ thống đầu tiên đượclắp đặt để chạy thử nghiệm tại Đan Mạch với tháp cao 140m và sải cánh tuabin dài80m 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 phátgiúp 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

+ Nắp tuabin

+ Trục truyền đồng tốc độ thấp: có chức năng truyền động công suất gió đến hộp số

+Hộp số: giúp thay đổi tỷ số truyền động vì cánh quạt rotor tuabin gió quay với tốc

độ rất chậm, trong khi đó máy phát cần tốc độ cao hơn và hộp số được sử dụng đểtăng tốc trục quay khi đưa vào máy phát

+ 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

7

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 vàkhông ổn định so với gió ở độ cao cao hơn Thậm chí để đạt được độ cao đó, thì hệthống tuabin cũng phải đòi hỏi việc xây dựng cấu trúc thật lớn dựa vào các nguyênnhân 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 đóngió tốc độ cao nhất nên hiệu suất của nó là cao nhất Phần bên trong của cánh cóvai 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 đượcđưa ra ở đây là phần ngoài, phần lớn nhất của tuabin gió, dây buộc, máy phát và mộtcái đế nhỏ để cố định và vận hành hệ thống Với ý tưởng này một lượng lớn các vậtliệu xây dựng sẽ được tiết kiệm và cả chi phí đầu tư ban đầu Phần ngoài của tuabinthông thường được thay thế bởi diều hoặc khí cầu, có thể kết nối lưới hoặc hoạtđộng độc lập, và nó bay theo hướng gió Có một số khả năng để tạo ra điện từ hệthống 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 giữdây buộc Trong đó điện năng được sinh ra bởi diều tại tốc độ gió cao trên không vàbằng lực nâng diều lên cao sẽ kéo theo dây buộc Vì dây buộc được kéo lên làmquay 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 đãđược thả hết và chỉ còn lại một lực nhỏ từ diều kéo và lực căng dây triệt tiêu nêndây rất dễ quấn lại bằng việc sử dụng một lượng nhỏ năng lượng tạo ra Kết hợp cảhai 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 dùngcác 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 vớitốc 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 làtạo ra năng lượng Và nó được gọi là „AWE‟.[48]

Hình 1.6 Hai hình thức của hệ thống AWE

9

Các thành phần trên không của AWE có thể là diều cánh cứng hoặc diều cánhmềm 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 vànhiều bậc tự do trong khi diều cánh cứng có thể được mô phỏng như một phần củakhí cầu trong khí động lực học.

Với hệ thống AWE, ngoài ưu điểm có thể hoạt động và thu được năng lượnggió lớn ở độ cao lớn và ổn định mà còn nằm ở việc có thể cung cấp công suất đầu ragần bằng công suất định mức của nó Bên cạnh đó hệ thống rất “linh động” khi cóthể thay đổi vị trí hoạt động dễ dàng và không cần bỏ ra khoản chi phí lớn cho việcxây 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 hệthống 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 tổchức 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 tàinghiên cứu có thể được phân loại thành hai nhóm chính: Nhóm nghiên cứu theođịnh luật Loyd‟s và sử dụng hệ thống diều để thu thập năng lượng gió và nhómkhác 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: Nhómlàm diều cánh cứng và diều cánh mềm; nhóm làm máy phát ở mặt đất và làm máyphát ở trên cao.

Mặc dù hiệu suất của diều cánh mềm được ước tính thấp hơn so với diềucánh 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 phítrên một mét vuông gió Nó cũng an toàn hơn để vận hành và ngay cả khi nó hưhỏng, 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 làGerman Company Skysails, TU Delft, Nhóm SwissKitePower ở FHNW và ETHZurich, KiteGen ở Polytecnico Torino, UC Santa Barbara và University ofLimerick

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 trênthế 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 mặtđất và bộ điều khiển Từ bộ điều khiển này, dây cáp sẽ kết nối với diều Bộ điềukhiển có động cơ Servo để điều khiển diều Hệ thống EnerKite và KiteGe trên hình1.8c và 1.8d, sử dụng nhiều dây cáp để điều khiển diều, có khối lượng diều nhỏnhưng lực cản của dây lớn và cần phải điều khiển sự khác nhau về chiều dài các dâyvới máy phát lớn

11

Một loại hệ thống khác được thể hiện ở hình 1.9 Trong đó có cả hệ thốngLighter- 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 ốngbao lấy turbine gió Hệ thống trong hình 1.9, lớp vỏ ống làm theo khuôn, nó khôngchỉ cung cấp lực nâng của khí cầu, mà còn cả lực nâng của khí đông lực thông quagió thổi qua ống Nó làm giảm các lực gió “blowdown” (lực cản của gió với bề mặtlớn), 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 nângkhí 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 máybơm 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 tyAltaeros Energies, hệ thống BAT (Bouyant Air Turbine) Mục tiêu chính của đề tàinày là tính toán, thiết kế và mô phỏng, đề suất tối ưu cho hệ thống AWE, kết hợpvới làm mô hình từ những tính toán và mô phỏng để đánh giá toàn diện hơn về hệthống thiết kế

Ở cuối đề tài, đánh giá và kết luận sẽ được đưa ra dựa trên mô phỏng, tínhtoán và mô hình thực tế, từ đó có thể thấy được tiềm năng của năng lượng gió trêncao của hệ thống AWE Nếu đề tài này thành công, nó sẽ đưa ra một hệ thốngtuabine năng lượng mới có thể cung cấp lượng điện năng với giá thành rẻ hơn so vớinăng 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 xâydựng mục tiêu góp phần làm giảm lượng khí CO2 thải ra trên toàn thế giới Sự lựachọn để làm đồ án này là dựa theo thiết kế của hệ thống BAT, vì nó dễ dàng để môphỏng 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 lượnggió tại Việt Nam và từ các số liệu gió thu được, tiến hành tính toán và thiết kế hệthống sao cho phù hợp với việc sử dụng và phục vụ ngành công nghiệp năng lượngtrong nước

13

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 chênhlệch áp suất khí quyển Gió thổi từ nơi có áp suất cao đến nơi có áp suất thấp Chênhlệch Áp suất khí quyển càng lớn, gió thổi càng mạnh dẫn đến năng lượng gió thuđược 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 MặtTrời, lực Coriolis do chuyển động quanh trục của Trái Đất và địa hình địa lý củakhu 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 nhiệtlượng không đều của Mặt Trời là yếu tố quan trọng nhất [49] Sự phân bố khôngđều 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 songsong tại hai Cực, cho nên xích đạo là nơi có năng lượng được cung cấp bởi Mặt Trờilớn 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 vùngchênh lệch nhiệt độ từ Xích Đạo đến các Cực, và cũng như các chênh lệch về ápsuất từ các Cực đến Xích Đạo Vì thế các không khí nóng với mật độ không khí thấphơn tại Xích Đạo di chuyển lên cao và đi đến các Cực, cùng với đó không khí lạnhvới 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 tạothành 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 mộtmặt phẳng Elip Đây là góc nghiêng của Trái Đất khi quay quanh Mặt Trời và kếtquả 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 nhưthực vật, đá, cát, nước, băng, … Mỗi loại vật liệu lại có độ phản chiếu và độ hấp thụphóng xạ Mặt Trời khác nhau, ví dụ như nhiệt độ cao tại vùng xa mạc và nhiệt độthấp 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 nhiềunúi, thung lũng, đồi, … trên Trái Đất dẫn đến sự khác nhau về bức xạ Mặt Trời giữabên 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 hưởngđến hướng gió và tốc độ của nó Lực Coriolis được hình thành từ việc quay quanhtrục 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 LựcCoriolis phụ thuộc vào vĩ độ Nó bằng không tại Xích Đạo và đạt đến giá trị caonhất ở hai Cực Bên cạnh đó, một số sự chuyển hướng của gió cũng phụ thuộc vàotốc độ gió, gió chậm chỉ thay đổi một ít còn các luồng gió càng mạnh càng chuyểnhướng nhiều

Tại bán cầu Bắc, Hoàn lưu Hadley nằm giữa xích đạo và vĩ tuyến 30 bắc, tạonên khí hậu nhiệt đới và cận nhiệt đới Không khí nóng tại xích đạo bay lên cao vàhướng về cực bắc ở tầng cao khí quyển Khối không khí này bị lệch hướng bởi lựcCoriolis và tạo thành Gió Mậu Dịch Tại vĩ tuyến 30 độ Bắc, lực Coriolis trở nênmạnh hơn và cân bằng độ chênh lệch áp suất và kết quả gió bị làm lệch hướng sanghướng tây Không khí tích tụ ở tầng khí quyển phía trên tạo thành vành đai áp suấtcao 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 lạitheo 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 vớikhối không khí lạnh từ cực bắc tại vĩ tuyến 60 Dưới tác dụng của lực Coriolis, khốikhông khí chuyển động này bị làm lệch hướng và tạo thành gió Tây Ôn Đới Vònghoàn lưu Polar nằm giữa cực Bắc và vĩ tuyến 60 Không khí lạnh thổi từ cực Bắctheo dọc bề mặt đến xích đạo Tại gần vĩ tuyến 60, dưới tác dụng của lực Coriolislàm cho không khí lệch hướng tạo thành gió Đông Cực

15

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 tựnhiên và công trình của con người Lực cản ma sát và sự cản trở trên bề mặt làmgiảm 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 thổiqua 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 hiệuứng gió cắt (gió xén) Gió cắt là hiện tượng thay đổi tốc độ và hướng gió trên mộtmột khoảng cách về chiều cao (hình 2.3) Sự thay đổi tốc độ gió theo chiều cao làyếu tố quan trọng để xác định lượng năng lượng mà turbine gió có thể tạo ra Sựthay đổi tốc độ gió với chiều cao có thể ước lượng với nhiều điều kiện khí quyểnkhác 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]:

v  v0





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)

17

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 tiêuchuẩn Tuy nhiên, sử dụng dữ liệu tại 10m và số mũ 0.14 để ước tính tiềm năng giótại 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 chínhxác hơn

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

Mô tả địa hình

Snow, flat ground – tuyết, địa hình bằng phẳng

Calm open sea – bề mặt biển lặng

Blown sea – bề mặt biển có song

Snow, cultivated farmland – đất canh tác có tuyết

Grass – cỏ

Crops – cây trồng

Farmland and grassy plains - Đất nông nghiệp và

đồng cỏ

Few trees - Ít cây

Many trees, hedges, few buildings - Nhiều cây,

hàng rào, nhà

Forest and woodlands – Rừng

Cities and large towns - Thành phố và thị trấn

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

E

kinetic

Với m là khối lượng không khí và v là vận tốc gió trong khoảng thời gianphù hợp Vậy công suất của gió có thể được xác định bằng động năng trong khoảngthời gian:

P =

Wind

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:

m = ρAvVới 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:

P

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:

A

Với: l là chiều dài của cánh và r là bán kính của mũi Vì thế khi tăng gấp đôi chiều

dài của cánh, diện tích quét tăng lên gấp 4 lần với l>>2r nên A

20

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 ốngdẫn 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 côngsuất 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% đượcchuyển đổi thành năng lượng gió và 35% trong số đó bị tiêu tan trong vòng 1 kmtrên bề mặt Trái Đất Đây là năng lượng gió có sẵn để chuyển đổi sang các dạngnăng lượng khác

Lượng năng lượng thu được sẽ bị giới hạn bởi các yếu tố như khí hậu; tuynhiên, sự không chắc chắn là rất lớn trong việc xác định yếu tố đó Con người sẽ sửdụng 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 sẵntrong vòng 1 km trên bề mặt Khi các giá trị này được áp dụng cho bốn mươi támtiểu bang liền kề của Hoa Kỳ, năng lượng thu được sẽ là 2x1012 W (2 TW), hoặc 62quads / 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 hơnlượng năng lượng mặt trời Năng lượng gió có sẵn có thể đáp ứng khoảng hai mươilần năng lượng tiêu thụ toàn cầu

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

SolarWindHydroGeothermalTides

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

Hệ số công suất lớn nhất được xác định như sau:

Hệ số công suất cực đại:

C

(2.10)(2.11)

(2.12)(2.13)

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.

22

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

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:

C p ( , ) 0, 5176(116

23

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 (,)

24

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 tuabingió 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 đểthắng 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 cũngtăng theo và tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của vận tốc gió Khi vận tốc gió đạt đếngiá trị Vdm, công suất đầu ra bằng công suất định mức theo thiết kế Khi lớn hơnVdm thì cần phải điều chỉnh để hệ thống tuabin lượt bớt công suất nhằm tránh quátải cho máy phát

Vận tốc gió Cut-out (Vc-out): Khi tốc độ gió tiếp tục tăng và đạt đến ngưỡngVc-out thì hệ thống tuabin cần phải được ngưng hoạt động để bảo vệ máy phát vàcác 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 côngsuất 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 gócpitch

Khi dưới tốc độ gió định mức, tuabin cần sản sinh ra công suất lớn nhất cóthể 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 sẽliên tục kiểm tra công suất đầu ra của tuabin Khi công suất đầu ra quá lớn, bộ điềukhiển góc pitch sẽ phát tín hiệu để cấu trúc cơ khí xoay cánh quạt nhằm lượt bớtcông 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 nhiệtđiện), nguồn dầu mỏ cũng không còn nhiều kể từ năm 2030 trở đi Với những dự ánđiện hiện có, kể cả nhà máy điện hạt nhân với công suất 4.000MW, thì từ 10 đến 20năm 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 làgần gấp đôi tốc độ tăng trưởng GDP của nền kinh tế Theo dự báo của Tập đoànĐiện lực Việt Nam (EVN), nếu tốc độ tăng trưởng GDP trung bình tiếp tục đượcduy trì ở mức 7,1%/năm thì nhu cầu điện sản xuất của Việt Nam vào năm 2020 sẽ làkhoảng 200.000 GWh, vào năm 2030 là 327.000 GWh Trong khi đó, ngay cả khihuy động tối đa các nguồn điện truyền thống thì sản lượng điện nội địa cũng chỉ đạtmức tương ứng là 165.000 GWh (năm 2020) và 208.000 GWh (năm 2030) Điềunày có nghĩa là nền kinh tế sẽ bị thiếu hụt điện một cách nghiêm trọng, và tỷ lệ thiếuhụt có thể lên tới 20-30% mỗi năm Nếu dự báo này của EVN trở thành hiện thựcthì hoặc là phải nhập khẩu điện với giá đắt gấp 2-3 lần so với giá sản xuất trongnước, hoặc là hoạt động sản xuất của nền kinh tế sẽ rơi vào trì trệ Vì thế, Việt Namcần có chiến lược đảm bảo an ninh năng lượng bằng cách một mặt mở rộng khaithác 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 táitạo, 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 trênAtlas gió là khu vực có vận tốc gió trung bình năm trên 6,0m/s, có địa hình bằngphẳng hoặc có độ dốc nhỏ, có khả năng tiếp cận và khả năng đấu nối với lưới điệnquốc gia

26

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)

Với tiềm năng phong phú nêu trên, Việt Nam có khả năng khai thác năng

lượng gió để sản xuất điện với qui mô công nghiệp tại một số địa bàn thuộc duyên

hải miền Trung, Nam Trung Bộ, Tây Nguyên và đồng bằng sông Cửu Long Tuy

nhiên, do đặc thù về địa hình, cơ sở hạ tầng và chính sách vĩ mô, bên cạnh việc sử

dụng các thiết bị điện gió cỡ nhỏ phát điện độc lập (không nối lưới), trước mắt đến

năm 2020, Việt Nam có thể ưu tiên phát triển điện gió nối lưới tại các khu vực Nam

Trung Bộ, duyên hải miền Trung và đồng bằng sông Cửu Long Tổng công suất lắp

đặt điện gió đạt 1.000MW với sản lượng điện tương ứng là 2.190 GWh (bằng

0,75% điện thương phẩm toàn quốc năm 2020) Các khu vực có tiềm năng còn lại

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