Bài giảng môn Năng lượng tái tạo - Chương 3: Năng lượng gió (Phần 1) - Nguyễn Quang Nam

408004Năng lượng tái tạoGiảng viên: TS. Nguyễn Quang Nam2013 – 2014, HK1ài giảng 7Ch. 3: Năng lượng gió3.1. Lịch sử phát triển năng lượng gió3.2. Các loại tuabin gió3.3. Công suất gió3.4. Ảnh hưởng chiều cao của tháp2Bài giảng 7Lịch sử phát triển năng lượng gióTuabin gió dùng để phát điện đầu tiên được coi là của Charles F. Brush, tại Cleveland, Ohio năm 1888 kWĐược dùng để nạp điện cho ắc-quy trong tầng hầm của gia đìnhNote the person3Bài giảng 7Lịch sử phát triển năng lượng gióTuabin gió đầu tiên bên ngoài nước Mỹ dùng để tạo ra điện được chế tạo bởi Poul la Cour vào năm 1891 tại Đan MạchĐược dùng để điện phân nước để chế tạo hydro cho các đèn đốt khí ở trường họcài giảng 7Lịch sử phát triển năng lượng gióTại Mỹ - hệ thống điện gió đầu tiên được xây dựng vào cuối những năm 1890Đến những năm 1930 và 1940, hàng trăm ngàn hệ thống được dùng trong các khu nông thôn chưa có điện lướiSự quan tâm bị suy giảm khi lưới điện được mở rộng và nguồn điện tin cậy, rẻ tiền có thể mua dễ dàngKhủng hoảng dầu vào những năm 1970 tạo ra làn sóng quan tâm đến năng lượng gió đến khi chính phủ Mỹ dừng chương trình hoàn thuếLại được quan tâm từ những năm 19905Bài giảng 7Công suất lắp đặt điện gió toàn cầu6Bài giảng 7Công suất điện gió lắp đặt hàng năm7Bài giảng 7Thay đổi lịch sử kinh tế điện gióNguồn: National RenewableEnergy Lab (NREL), Energy Analysis Office8Bài giảng 710 quốc gia lắp đặt điện gió nhiều nhấtCountryMW Capacity% of Global CapacityPR China62,36426.2USA46,91919.7Germany29,06012.2Spain21,6749.1India16,0846.8France6,8002.9Italy6,7372.8UK6,5402.7Canada5,2652.2Portugal4,0831.7Total top 10205,52686.5%20119Bài giảng 710Bài giảng 711Bài giảng 712Bài giảng 7Các loại tuabin gió“Cối xay gió”- dùng để nghiền hạt thành bộtNhiều tên gọi khác nhau - “máy phát chạy bằng sức gió”, “máy phát gió”, “tuabin gió”, “máy phát tuabin gió (WTG)”, “hệ thống chuyển đổi năng lượng gió (WECS)”Có thể ở dạng tuabin trục ngang (HAWT) hoặc tuabin trục đứng (VAWT)Một nhóm tuabin gió được đặt tại nơi được gọi là “nông trại gió” hay “công viên gió”13Bài giảng 7Các loại tuabin gió14Bài giảng 7Tuabin gió trục đứngRôto Darrieus – dạng trục đứng duy nhất đạt được thành công thương mạiGió đập vào cánh đứng, còn gọi là cánh bay, tạo ra lực nâng làm chuyển động quayông cần điều hướng (quay quanh trục đứng) để giữ cánh đối diện với gióCác máy cồng kềnh trong buồng máy được đặt dưới đấtKhi tốc độ gió thấp thì các cánh nằm gần mặt đất hơn15Bài giảng 7Tuabin gió trục ngang“Downwind” HAWT – tuabin gió với cánh nằm phía sau tháp (đuôi gió)Không cần điều hướng – các tuabin loại này tự động định hướng theo hướng gióHiệu ứng che khuất – khi một cánh quay xuống và khuất sau tháp, lượng gió đến nó sẽ tạm thời giảm xuống và cánh gập lại16Bài giảng 7Tuabin gió trục ngang“Upwind” HAWT – cánh nằm phía trước tháp (đầu gió)Hầu hết tuabin gió hiện đại thuộc loại nàyCánh nằm ở “đầu gió” so với thápCần thuật toán điều hướng hơi phức tạp để giúp cho tuabin luôn hướng đối diện với gióVận hành êm hơn và tạo ra công suất cao hơn17Bài giảng 7Số cánh tuabinCối xay gió có nhiều cánhcần cung cấp mô men khởi động lớn để hỗ trợ trọng lượng của trụcphải có khả năng hoạt động ở tốc độ gió thấp để bơm nước cần như liên tụcdiện tích hứng gió của rôto lớn hơnCác tuabin với nhiều cánh hoạt động ở tốc độ quay thấp hơn nhiều – khi tốc độ tăng lên, nhiễu khí động của một cánh sẽ làm ảnh hưởng các cánh khácHầu hết tuabin gió hiện đó có hai hoặc ba cánh18Bài giảng 7Số cánh tuabin Các tuabin gió với nhiều cánh hoạt động ở tốc độ quay thấp hơn nhiều so với các tuabin có ít cánh. Khi tốc độ quay của tuabin tăng lên, nhiễu khí động do một cánh tạo ra làm ảnh hưởng đến hiệu suất của cánh tiếp theo. Khi có ít cánh hơn, tuabin có thể quay nhanh hơn trước khi nhiễu khí động này trở nên quá lớn. Trục quay nhanh hơn nghĩa là máy phát có thể có kích thước nhỏ hơn. Hầu hết tuabin gió hiện đại ở châu Âu có ba cánh, còn các tuabin của Mỹ chỉ có hai cánh. 19Bài giảng 7Số cánh tuabin Các tuabin ba cánh hoạt động êm ái hơn vì tác động của nhiễu động tháp và thay đổi tốc độ gió theo độ cao được truyền một cách đều hơn từ rôto đến trục truyền động. Chúng cũng có xu hướng ít gây ồn hơn. Tuy nhiên, cánh thứ ba cũng làm gia tăng khối lượng và chi phí tuabin đáng kể. Một rôto có ba cánh cũng gây khó khăn hơn khi được cẩu lên buồng máy để lắp đặt hoặc thay thế.20Bài giảng 7Công suất gióXét động năng của một “gói” không khí với khối lượng m di chuyển với vận tốc vChia cho thời gian để nhận được công suấtTốc độ truyền khối là (r là kl riêng của không khí)21Bài giảng 7Công suất gió Kết hợp (6.2) và (6.3),Công suất gióPW (W) = công suất gióρ (kg/m3) = kl riêng kk (1.225kg/m3 tại 15˚C và 1 atm)A (m2) = tiết diện mà gió xuyên quav (m/s) = tốc độ gió theo phương pháp tuyến của A (1 m/s = 2,237 mph)22Bài giảng 7Công suất gióCông suất gió, trên mỗi m2 tiết diện, tại 15◦C và 1 atm.Công suất tăng theo lũy thừa ba của vận tốcTốc độ gấp đôi tạo ra công suất gấp támNăng lượng gió trong 1 giờ ở 20 mph bằng năng lượng gió trong 8 giờ ở 10 mphQuan hệ phi tuyến, chúng ta không thể dùng tốc độ gió trung bình23Bài giảng 7Công suất gióCông suất gió cũng tỷ lệ thuận với AVới một tuabin gió trục ngang, A = (p/4)D2, do đó công suất gió tỷ lệ thuận với đường kính bình phươngChi phí gần như tỷ lệ thuận với đường kính cánhĐiều này giải thích lý do các tuabin lớn hiệu quả hơn về chi phí24Bài giảng 7Ví dụ 1 – Năng lượng trên 1 m2100 giờ có gió ở 6 m/s50 giờ có gió ở 3 m/s và 50 giờ có gió ở 9 m/s – tốc độ gió trung bình là 6 m/sĐừng dùng tốc độ gió trung bình!25Bài giảng 7Mật độ không khí theo nhiệt độ – áp suấtP = áp suất tuyệt đối (atm)M.W. = phân tử lượng không khí (g/mol) = 28,97 g/molT = nhiệt độ tuyệt đối (K)R = hằng số khí lý tưởng = 8.2056·10-5·m3·atm·K-1·mol-1Khối lượng riêng của không khí tăng khí hạ nhiệt độ26Bài giảng 7Mật độ không khí hiệu chỉnh theo độ caoVới H tính bằng mDùng 6.7, chúng ta có phương trình vi phân theo áp suất:27Bài giảng 7Mật độ không khí – hệ số hiệu chỉnhCó thể hiệu chỉnh khối lượng riêng không khí theo nhiệt độ và cao độ bằng các hệ số hiệu chỉnhHệ số hiệu chỉnh nhiệt độ KT và hệ số hiệu chỉnh cao độ KA được ghi tương ứng trong bảng 6.1 và 6.2.28Bài giảng 7Mật độ không khí – hệ số hiệu chỉnh29Bài giảng 7Ảnh hưởng của độ cao – độ nhám bề mặtVì công suất tăng theo lũy thừa ba của tốc độ gió, chúng ta có thể dự đoán một tác động kinh tế lớn từ một sự gia tăng vừa phải của tốc độ gióỞ cách mặt đất vài trăm mét, có rất nhiều sự cản trở đối với gió – các bề mặt trơn tru (nước) sẽ tốt hơnTốc độ gió cao hơn ở các cao độ cao hơn – tháp cao hơn thì tốt hơnRừng cây và tòa nhà làm giảm tốc độ gió nhiềuCó thể đặc trưng hóa ảnh hưởng của bề mặt gồ ghề và độ cao đối với tốc độ gió30Bài giảng 7Ảnh hưởng của độ cao – độ nhám bề mặtα = hệ số ma sát – trong bảng 6.3v = tốc độ gió tại độ cao Hv0 = tốc độ gió tại độ cao H0 (H0 thường là 10 m)Giá trị điển hình của α trong không gian mở là 1/7Với một thành phố lớn, α = 0.4; nước lặng yên, α = 0.1Theo trường phái Mỹ31Bài giảng 7Ảnh hưởng của độ cao – độ nhám bề mặtCông thức thay thế (dùng ở châu Âu)z là “chiều dài nhám” – cho trong bảng 6.4Chú ý rằng hầu hết các phương trình chỉ là xấp xỉ của những thay đổi của tốc độ gió theo độ cao và độ nhám – tốt nhất là đo đạc thực tế32Bài giảng 7Ảnh hưởng của độ cao – độ nhám bề mặtVới một thành phố nhỏ, tốc độ gió ở 100 m gấp đôi ở 10 mCác khu vực có bề mặt trơn tru sẽ ít có thay đổi theo độ cao33Bài giảng 7Ví dụ 2 – Ứng suất rôtoTìm tỷ số công suất gió tại điểm cao nhất và thấp nhấtCông suất gió ở đỉnh cánh cao hơn 45%! Tuabin gió có tâm tại 50-m và rôto đường kính 30-m, α = 0.250 m35 m65 m34Bài giảng 7