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

1Bài giảng 7
408004
Năng lượng tái tạo
Giảng viên: TS. Nguyễn Quang Nam
2013 – 2014, HK1
nqnam@hcmut.edu.vn
2Bài giảng 7
Ch. 3: Năng lượng gió
3.1. Lịch sử phát triển năng lượng gió
3.2. Các loại tuabin gió
3.3. Công suất gió
3.4. Ảnh hưởng chiều cao của tháp
3Bài giảng 7
Lịch sử phát triển năng lượng gió
• Tuabin gió dùng để phát điện đầu tiên được coi là của 
Charles F. Brush, tại Cleveland, Ohio năm 1888
• 12 kW
• Được dùng để nạp 
điện cho ắc-quy trong 
tầng hầm của gia đình
Note the 
person
4Bài giảng 7
Lịch sử phát triển năng lượng gió
• Tuabin gió đầu tiên bên ngoài nước Mỹ dùng để tạo ra điện 
được chế tạo bởi Poul la Cour vào năm 1891 tại Đan Mạch
• Được dùng để 
điện phân nước 
để chế tạo 
hydro cho các 
đèn đốt khí ở 
trường học
5Bài giảng 7
Lịch sử phát triển năng lượng gió
• Tại Mỹ - hệ thống điện gió đầu tiên được xây dựng vào 
cuối những năm 1890
• Đến những năm 1930 và 1940, hàng trăm ngàn hệ thống 
được dùng trong các khu nông thôn chưa có điện lưới
• Sự quan tâm bị suy giảm khi lưới điện được mở rộng và
nguồn điện tin cậy, rẻ tiền có thể mua dễ dàng
• Khủng 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 thuế
• Lại được quan tâm từ những năm 1990
6Bài giảng 7
Công suất lắp đặt điện gió toàn cầu
7Bài giảng 7
Công suất điện gió lắp đặt hàng năm
8Bài giảng 7
Thay đổi lịch sử kinh tế điện gió
Nguồn: National Renewable
Energy Lab (NREL), Energy 
Analysis Office
9Bài giảng 7
10 quốc gia lắp đặt điện gió nhiều nhất
Country MW Capacity % of Global Capacity
PR China 62,364 26.2
USA 46,919 19.7
Germany 29,060 12.2
Spain 21,674 9.1
India 16,084 6.8
France 6,800 2.9
Italy 6,737 2.8
UK 6,540 2.7
Canada 5,265 2.2
Portugal 4,083 1.7
Total top 10 205,526 86.5%
2011
10Bài giảng 7
11Bài giảng 7
12Bài giảng 7
13Bài giảng 7
Các loại tuabin gió
• “Cối xay gió”- dùng để nghiền hạt thành bột
• Nhiều 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”
14Bài giảng 7
Các loại tuabin gió
15Bài giảng 7
Tuabin gió trục đứng
• Rôto Darrieus – dạng trục đứng duy nhất đạt được thành 
công thương mại
• Gió đập vào cánh đứng, còn gọi là cánh bay, tạo ra lực 
nâng làm chuyển động quay
• Không cần điều hướng (quay quanh 
trục đứng) để giữ cánh đối diện với gió
• Các máy cồng kềnh trong buồng máy 
được đặt dưới đất
• Khi tốc độ gió thấp thì các cánh nằm 
gần mặt đất hơn
16Bài giảng 7
Tuabin 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 gió
• Hiệu ứng che khuất – khi một cánh quay xuống và khuất 
sau tháp, lượng gió đến nó sẽ tạm thời giảm xuống và cánh 
gập lại
17Bài giảng 7
Tuabin gió trục ngang
• “Upwind” HAWT – cánh nằm phía trước tháp (đầu gió)
• Hầu hết tuabin gió hiện đại thuộc loại này
• Cánh nằm ở “đầu gió” so với tháp
• Cần thuật toán điều hướng hơi phức tạp để giúp cho tuabin 
luôn hướng đối diện với gió
• Vận hành êm hơn và tạo ra công suất cao hơn
18Bài giảng 7
Số cánh tuabin
• Cối xay gió có nhiều cánh
– cần cung cấp mô men khởi động lớn để hỗ trợ trọng 
lượng của trục
– phải có khả năng hoạt động ở tốc độ gió thấp để bơm 
nước cần như liên tục
– diện tích hứng gió của rôto lớn hơn
• Các 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 khác
• Hầu hết tuabin gió hiện đó có hai hoặc ba cánh
19Bài giảng 7
Số 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. 
20Bài giảng 7
Số 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.
21Bài giảng 7
Công suất gió
• Xét động năng của một “gói” không khí với khối 
lượng m di chuyển với vận tốc v
• Chia cho thời gian để nhận được công suất
• Tốc độ truyền khối là (ρ là kl riêng của không khí)
21KE (6.1)
2
mv=
21 passing though APower through area A (6.2)
2
m
v
t
 
=  
 
 passing though A
= = A (6.3)mm v
t
ρ&
22Bài giảng 7
Công suất gió
Kết hợp (6.2) và (6.3),
( ) 21Power through area A A 
2
v vρ=
31P A (6.4)
2W
vρ= Công suất gió
PW (W) = công suất gió
ρ (kg/m3) = kl riêng kk (1.225kg/m3 tại 15˚C và 1 atm)
A (m2) = tiết diện mà gió xuyên qua
v (m/s) = tốc độ gió theo phương pháp tuyến của A (1 m/s = 
2,237 mph)
23Bài giảng 7
Công suất gió
Công suất gió, trên mỗi m2 tiết diện, tại 
15◦C và 1 atm.
• Công suất tăng theo 
lũy thừa ba của vận 
tốc
• Tốc độ gấp đôi tạo 
ra công suất gấp tám
• Năng lượng gió
trong 1 giờ ở 20 mph 
bằng năng lượng gió
trong 8 giờ ở 10 mph
• Quan hệ phi tuyến, 
chúng ta không thể
dùng tốc độ gió trung 
bình
24Bài giảng 7
Công suất gió
• Công suất gió cũng tỷ lệ thuận với A
• Với một tuabin gió trục ngang, A = (pi/4)D2, do đó công 
suất gió tỷ lệ thuận với đường kính bình phương
• Chi phí gần như tỷ lệ thuận với đường kính cánh
• Điều này giải thích lý do các tuabin lớn hiệu quả hơn 
về chi phí
31P A (6.4)
2W
vρ=
25Bài giảng 7
Ví dụ 1 – Năng lượng trên 1 m2
• 100 giờ có gió ở 6 m/s
• 50 giờ có gió ở 3 m/s và 50 giờ có gió ở 9 m/s – tốc độ gió
trung bình là 6 m/s
31Energy A 
2
v tρ= ∆
( ) ( )33 21Energy 1.225 kg/m (1m ) 6 m/s 100 h=13,230 Wh 2=
( ) ( )33 21Energy (3 m/s) 1.225 kg/m (1m ) 3 m/s 50 h=827 Wh 2=
( ) ( )33 21Energy (9 m/s) 1.225 kg/m (1m ) 9 m/s 50 h=22,326 Wh 2=
total = 23,152 Wh Đừng dùng tốc độ gió trung bình!
26Bài giảng 7
Mật độ không khí theo nhiệt độ – áp suất
• P = áp suất tuyệt đối (atm)
• M.W. = phân tử lượng không khí (g/mol) = 28,97 g/mol
• T = nhiệt độ tuyệt đối (K)
• R = hằng số khí lý tưởng = 8.2056·10-5·m3·atm·K-1·mol-1
• Khối lượng riêng của không khí tăng khí hạ nhiệt độ
3M.W. 10
 (6.7)P
RT
ρ
−
⋅ ⋅
=
27Bài giảng 7
Mật độ không khí hiệu chỉnh theo độ cao
 (6.10)dP g
dz
ρ= −( ) ( ) (6.9)dP P z dz P z g dzρ= + − = −
41.185 10 (6.12)dP P
dz
= − ⋅
41.185 101 atm (6.13)HP e− ⋅= ⋅
Với H tính bằng m
Dùng 6.7, chúng ta có phương trình vi phân theo áp suất:
28Bài giảng 7
Mật độ không khí – hệ số hiệu chỉnh
• Có thể hiệu chỉnh khối lượng riêng không khí theo nhiệt độ
và cao độ bằng các hệ số hiệu chỉnh
• Hệ 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.
1.225 (6.14)T AK Kρ =
29Bài giảng 7
Mật độ không khí – hệ số hiệu chỉnh
30Bài giảng 7
Ảnh hưởng của độ cao – độ nhám bề mặt
• Vì 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 gió
• Ở cách mặt đất vài trăm mét, có rất nhiều sự cản trở đối với 
gió – các bề mặt trơn tru (nước) sẽ tốt hơn
• Tốc độ gió cao hơn ở các cao độ cao hơn – tháp cao hơn thì
tốt hơn
• Rừng cây và tòa nhà làm giảm tốc độ gió nhiều
• Có thể đặc trưng hóa ảnh hưởng của bề mặt gồ ghề và độ 
cao đối với tốc độ gió
31Bài giảng 7
Ảnh hưởng của độ cao – độ nhám bề mặt
• α = hệ số ma sát – trong bảng 6.3
• v = tốc độ gió tại độ cao H
• v0 = tốc độ gió tại độ cao H0 (H0 thường là 10 m)
• Giá trị điển hình của α trong không gian mở là 1/7
• Với một thành phố lớn, α = 0.4; nước lặng yên, α = 0.1
0 0
 (6.15)v H
v H
α
 
=  
 
• Theo trường phái Mỹ
32Bài giảng 7
Ảnh hưởng của độ cao – độ nhám bề mặt
• Công thức thay thế (dùng ở châu Âu)
• z là “chiều dài nhám” – cho trong bảng 6.4
• Chú 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 tế
0 0
ln( / )
 (6.16)
ln( / )
v H z
v H z
=
3 3
0 0 0
= (6.17)P v H
P v H
α
   
=    
   
33Bài giảng 7
Ảnh hưởng của độ cao – độ nhám bề mặt
Với một thành phố nhỏ, tốc độ gió ở 100 m gấp đôi ở 10 m
Các khu vực có bề mặt trơn tru sẽ ít có thay đổi theo độ cao
34Bài giảng 7
Ví dụ 2 – Ứng suất rôto
• Tìm tỷ số công suất gió tại 
điểm cao nhất và thấp nhất
• Công suất gió ở đỉnh cánh 
cao hơn 45%! 
• Tuabin gió có tâm tại 50-m và rôto đường kính 30-m, α = 0.2
3 0.2
0
65
 = 1.45
35
P
P
⋅
 
=  
 
50 m
35 m
65 m