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

= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ =
⋅
2and D
4
A pi=
15Bài giảng 9
Ví dụ 6.12 – Tiềm năng của một trang trại gió
b. 1 acre = 4047m2
2
Annual Energy kWh23.588 
Land Area (m yr)= ⋅
$100Land Cost 
acre yr
=
⋅
2
2
kWh 4047 m kWh23.588 95,461(m yr) acre (acre yr)⋅ =⋅ ⋅
Trong phần (a), ta tìm được
Hay tương đương
$100 / acre yrlease cost = $0.00105/kWh 
95,461 kWh / acre yr
⋅
=
⋅
Do đó, chi phí thuê trên mỗi kWh là
16Bài giảng 9
Sự thay đổi của gió theo thời gian
• Chúng ta cần xem xét không chỉ mức độ thường 
xuyên của gió mà còn tương quan giữa thời gian 
có gió và phụ tải điện.
• Biểu đồ gió thay đổi khá nhiều theo vị trí địa lý, 
trong đó vùng ven biển và núi có gió ổn định hơn.
17Bài giảng 9
Cánh rôto trích năng lượng gió như thế nào
Nguyên lý Bernoulli – áp suất khí phía trên thấp hơn áp suất 
khí phía dưới vì nó phải di chuyển xa hơn, tạo ra lực nâng.
18Bài giảng 9
Cánh rôto trích năng lượng gió như thế nào
• Không khí di chuyển về phía cánh tuabin do chuyển 
động của gió, nhưng cũng gió chuyển động của cánh 
tuabin
• Mũi cánh tuabin di chuyển nhanh hơn nhiều so với 
gốc cánh, do đó cánh tuabin được xoắn dần từ gốc 
đến mũi cánh tuabin, để giữ cho góc xung kích ổn định
19Bài giảng 9
Cánh rôto trích năng lượng gió như thế nào
• Tăng góc xung kích (angle of attack) sẽ làm tăng lực 
nâng, nhưng cũng làm tăng lực ghì lại
• Nếu góc xung kích quá lớn, tuabin sẽ bị “đứng” khi 
nhiễu khí động làm mất lực nâng
20Bài giảng 9
Đường cong công suất lý tưởng hóa
Vận tốc gió vào, vận tốc gió định mức, vận tốc gió cắt thoát
21Bài giảng 9
Đường cong công suất lý tưởng hóa
• Ở dưới vận tốc vào, tuabin không tạo ra công suất
• Sau đó, công suất tăng theo lũy thừa 3 của vận tốc gió
• Ở trên vận tốc định mức, tuabin gió hoạt động ở công 
suất định mức (cắt bỏ công suất thừa)
• Có 2 phương pháp phổ biến để cắt bỏ công suất thừa
– Điều khiển góc pitch – chỉnh góc xoay của cánh để giảm góc 
xung kích
– Điều khiển dừng (thụ động) – cánh được thiết kế để tự động 
giảm hiệu suất khi gió mạnh
– Điều khiển dừng tích cực – chỉnh góc xoay của cánh để làm 
dừng tuabin
22Bài giảng 9
Đường cong công suất lý tưởng hóa
• Ở trên vận tốc vận tốc gió cắt thoát, gió quá mạnh 
để có thể vận hành tuabin một cách an toàn, máy sẽ 
được dừng, công suất ra bằng 0
• Rôto có thể được dừng bằng cách cố ý xoay cánh 
nhằm tạo ra điều kiện dừng
• Khi rôto đã dừng, một thiết bị hãm cơ khí sẽ khóa 
chặt rôto vào trục máy
23Bài giảng 9
Tối ưu đường kính rôto
• Nếu nâng đường kính cánh rôto, VR sẽ nhỏ hơn ở cùng công 
suất. Nếu giữ nguyên vận tốc VR thì sẽ tạo ra công suất cao 
hơn khi nâng đường kính cánh.
24Bài giảng 9
Hàm phân bố tích lũy vận tốc gió
• Dựa vào hàm mật độ xác suất, ta có thể tính được xác suất 
(tích lũy) để vận tốc gió nằm trong một vùng nào đó, từ đó có
thể tính được năng lượng.
• Phân bố Weibull có hàm phân bố tích lũy là
• Hoàn toàn có thể xác định xác suất để vận tốc gió luôn lớn 
hơn V:
( )
k
c
V
eVF






−
−=1
( ) ( )
k
c
V
eVFVvprob






−
=−=≥ 1
25Bài giảng 9
Ví dụ 6.13 – Đường cong công suất
• Tuabin gió NEG Micon 1000/54 (1000 kW định mức 
và đường kính cánh 54 m) có Vc = 4 m/s, VR = 14 
m/s, và VF = 25 m/s. Nếu coi vận tốc gió tuân theo 
phân bố Rayleigh với vận tốc trung bình 10 m/s.
a)Trong năm có bao nhiêu giờ vận tốc gió < VC?
b)Trong năm có bao nhiêu giờ vận tốc gió > VF?
c) Mỗi năm tuabin phát ra bao nhiêu kWh, nếu hoạt 
động ở công suất định mức?
26Bài giảng 9
Ví dụ 6.13 – Đường cong công suất
a) Dùng (6.54)
Số giờ có vận tốc gió < VC sẽ là
8760 × 0,1181 = 1034 giờ/năm
b) Tương tự, số giờ có vận tốc gió > VF sẽ là
( ) 1181,011
22
10
4
44
=−=−=






−





−
pipi
eeVF v
V
C
C
( )
658760
87601
2
2
10
25
4
4
=×=
×=−






−






−
pi
pi
e
eVF v
V
F
C
giờ/năm
27Bài giảng 9
Ví dụ 6.13 – Đường cong công suất
c) Tương tự, ta sẽ tìm số giờ vận tốc gió > VR
Số giờ có vận tốc gió nằm giữa VR và VF sẽ là
1879 – 65 = 1814 giờ/năm
Điện năng sản xuất trong 1 năm là
E = 1000 kW × 1814 h = 1,814×106 kWh/năm
( )
18798760
87601
2
2
10
14
4
4
=×=
×=−






−






−
pi
pi
e
eVF v
V
R
R
giờ/năm
28Bài giảng 9
Khảo sát đường cong công suất (Weibull)
29Bài giảng 9
Khảo sát đường cong công suất (Weibull)
• Có thể tính gần đúng xác suất, đơn giản hóa quá trình tính 
toán xác suất.
( ) ( ) ( ) vvfdvvfvvVvvprob vv
vv
∆⋅≈=∆+≤≤∆− ∫
∆+
∆−
2/
2/
2/2/
30Bài giảng 9
Ví dụ 6.14 – Tính gần đúng xác suất
• Vận tốc gió phân bố theo hàm mật độ Rayleigh. Tìm xác suất 
vận tốc gió nằm giữa 6,5 m/s và 7,5 m/s. So sánh với kết quả 
ước lượng xấp xỉ từ pdf với vận tốc trung bình 7 m/s.
• Sinh viên xem tài liệu để thấy phép tính gần đúng chỉ lệch 
0,2%.
• Do đó, có thể dùng đường cong công suất và hàm mật độ
xác suất phù hợp để ước lượng khá chính xác điện năng 
được tạo ra từ một tuabin gió.
31Bài giảng 9
Ví dụ 6.15 – Ước lượng điện năng sinh ra
• Xét tuabin gió NEG Micon 1000/60 (1000 kW công suất 
danh định, đường kính cánh 60 m) tại điểm lắp đặt có công 
suất gió tuân theo phân bố Rayleigh có vận tốc gió trung 
bình 7 m/s.
a) Tính điện năng cung cấp trong 1 năm
b) Xác định hiệu suất trung bình tổng thể của hệ thống
c) Tính năng suất phát điện kWh/năm từ mỗi m2 diện tích cánh 
rôto.
32Bài giảng 9
Ví dụ 6.15 – Ước lượng điện năng sinh ra
a) Ta sẽ cần tính điện năng ở mỗi vận tốc gió
Từ đó lập được bảng thống kê điện năng cung cấp được 
trong năm.
b) Hiệu suất là tỷ số giữa điện năng sinh ra và năng lượng gió
nhận được
c) Năng suất phát điện kWh/năm từ mỗi m2 diện tích cánh rôto 
có thể được tính theo đúng ý nghĩa của thuật ngữ đã nêu.
33Bài giảng 9
Ước lượng điện năng sinh ra
• Dù số giờ gió hoạt động ở vận tốc thấp là rất lớn, năng 
lượng mà nó cung cấp là không đáng kể.
34Bài giảng 9
Ước lượng điện năng bằng hệ số sử dụng
• Tương tự như với hệ thống điện mặt trời, chúng ta cũng có
khái niệm hệ số sử dụng (CF – Capacity Factor), tức là tỷ số
giữa năng lượng thu được hàng năm và tích số của công 
suất định mức (PR) và số giờ trong năm.
CF = (Năng lượng thực nhận/8760)/PR
CF = Công suất trung bình/Công suất danh định
• Sinh viên xem ví dụ 6.16 trong tài liệu.
35Bài giảng 9
Ước lượng điện năng bằng CF
• Dùng đường cong công suất thực để tính CF ở các vận tốc 
gió khác nhau.
• Coi CF có dạng tuyến tính như sau
• Ta sẽ rút ra được (với phân bố Rayleigh)
• Do đó có thể tính điện năng do tuabin gió cung cấp hàng 
năm một cách khá chính xác và đơn giản.
bVmCF +=
2087,0 D
PVCF R−= (6.65)
36Bài giảng 9
Ví dụ 6.17 – Ước lượng điện năng với CF
• Tuabin gió có PR = 900 W và D = 2,13 m. Vận tốc gió trung 
bình là 6 m/s (Rayleigh). Ước tính điện năng mà tuabin 
cung cấp.
• Dùng (6.65):
• Vậy, điện năng cung cấp sẽ là
324,0
13,2
9,06087,0087,0 22 =−×=−= D
PVCF R
2551324,09,087608760 =××=××= CFPE R
kWh/năm
37Bài giảng 9
Tính toán kinh tế
• Vốn đầu tư trên kW tuabin gió giảm dần.
38Bài giảng 9
• Xét một tuabin gió 0,9 kW có cánh 2,13m được lắp ở độ cao 
trục có tốc độ gió trung bình là 6,7 m/s.
• Giả sử chi phí cho tuabin là 1.600 USD và chi phí lắp 
đặt/phụ là 900 USD.
• Tổng chi phí 2.500 USD được thực hiện bằng khoản vay 15 
năm, lãi suất 7%. 
• Chi phí vận hành và bảo dưỡng hằng năm là 100 USD/năm
• Hệ số thu hồi vốn là (i = 0,07, n = 15) là 0,1087
• Tổng số tiền cần thanh toán hàng năm là (2500*0,1087 + 
100) = 374, 49 USD/năm
Ví dụ 6.18 – Tuabin gió cỡ nhỏ
39Bài giảng 9
• Để ước tính năng lượng do tuabin cung cấp hàng năm, 
chúng ta sẽ dùng hệ số dung lượng trong (6.65)
• Tổng năng lượng do tuabin cung cấp sẽ khoảng
(0,9)kW⋅(8760)h/năm⋅0,385 = 3035 kWh/năm
• Chi phí trung bình mỗi kWh sẽ là
374,5/3035 = 0,123 USD/kWh
• Nhận xét?
Ví dụ – Tuabin gió cỡ nhỏ
( )( ) 385,0
13,2
9,07,6087,0087,0 22 =−=−= D
P
vCF R
40Bài giảng 9
Tính kinh tế theo quy mô
• Hiện tại, các trang trại gió lớn sản xuất ra điện năng kinh tế 
hơn so với các nhà máy nhỏ
• Các yếu tố dẫn đến chi phí thấp
– Công suất gió tỷ lệ với diện tích quét của cánh (bình 
phương đường kính) còn chi phí tháp thay đổi theo lũy 
thừa nhỏ hơn bình phương của đường kính
– Cánh to hơn vươn cao hơn, nhận được gió mạnh hơn
– Chi phí cố định liên quan đến xây dựng được trải đều trên 
các MW dung lượng
– Quản lý hiệu quả các trang trại gió lớn thường dẫn đến chi 
phí vận hành và bảo trì thấp hơn (nhân viên tại chỗ).
41Bài giảng 9
Các khía cạnh môi trường của điện gió
• Viện Hàn lâm Quốc gia Hoa Kỳ đã xuất bản một báo cáo về
các vấn đề liên quan vào năm 2007
• Hệ thống điện gió không sinh ra ô nhiễm không khí và
không phát thải CO2; chúng cũng hầu như không tiêu thụ 
nước
• Điện gió được coi như là giải pháp thay thế các nguồn năng 
lượng khác (thường là nhiên liệu hóa thạch) dẫn đến giảm ô 
nhiễm
• Các ảnh hưởng khác được xem xét là trên sinh vật, chủ yếu 
là chim và dơi, và đối với con người
42Bài giảng 9
Khía cạnh môi trường của điện gió
• Tuabin gió xa bờ cần nước tương đối nông, do đó khoảng 
cách từ bờ tối đa phụ thuộc vào đáy biển
• Hệ số dung lượng 
có xu hướng tăng
khi tuabin gió được
đặt càng xa bờ
Image Source: National Renewable Energy Laboratory
43Bài giảng 9
Khía cạnh môi trường, đối với con người
• Tuabin gió thường cải thiện sức khỏe của nhiều người, 
nhưng một số sinh sống gần đó có thể bị ảnh hưởng bởi tiếng 
ồn và bóng nhấp nháy
• Tiếng ồn xuất phát từ 1) hộp số/máy phát và 2) tương tác khí 
động của cánh với gió
• Tác động ồn thường ở mức trung bình (50-60 dB) khi ở gần 
(40 m), và thấp hơn khi đi xa (35-45 dB) ở 300 m
– Tuy nhiên các tần số của tuabin gió cũng cần được xem xét, với 
tần số “hum” khoảng 100 Hz, và một số tần số cận và dưới 
ngưỡng nghe được (20 Hz hay thấp hơn)
• Bóng nhấp nháy chủ yếu ảnh hưởng đến các quốc gia ở vĩ độ
cao, vì mặt trời xuống thấp có thể tạo ra bóng dài hơn