BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO XÂY DỰNG CÔNG CỤ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HOẠT ĐỘNG TRANG TRẠI GIÓ GVHD: TS. NGUYỄN XUÂN VIÊN SVTH: GIANG GIA HUY LÊ PHÚ QUÍ SKL009685 Tp.Hồ Chí Minh, tháng 12/2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ---------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP XÂY DỰNG CÔNG CỤ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HOẠT ĐỘNG TRANG TRẠI GIÓ SVTH: GIANG GIA HUY MSSV: 19154029 SVTH: LÊ PHÚ QUÍ MSSV: 19154049 GVHD: TS. NGUYỄN XUÂN VIÊN TP.
Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ---------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chuyên ngành: Năng lượng tái tạo Tên đề tài XÂY DỰNG CÔNG CỤ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HOẠT ĐỘNG TRANG TRẠI GIÓ SVTH: GIANG GIA HUY MSSV: 19154029 SVTH: LÊ PHÚ QUÍ MSSV: 19154049 GVHD: TS. NGUYỄN XUÂN VIÊN TP. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2022 LỜI CẢM ƠN Nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy Cô bộ môn Năng lượng tái tạo, khoa Cơ khí động lực, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã hỗ trợ chúng em thực hiện đồ án.
Đặc biệt, chúng em xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Xuân Viên - người đã hướng dẫn nhóm chúng em hoàn thành đồ án này. Trong quá trình thực hiện đồ án, mặc dù đã cố gắng để hoàn thiện đề tài nhưng do điều kiện về thời gian cũng như kinh nghiệm còn hạn chế nên không thể tránh được những thiếu sót. Vì vậy nhóm chúng em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của quý Thầy Cô để có thể hoàn thiện hơn đồ án của mình. Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn! 1 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .1 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT.4 DANH MỤC HÌNH ẢNH.5 DANH MỤC BẢNG BIỂU.
Lịch sử năng lượng gió. Hiện trạng và tiềm năng của năng lượng gió. Lý do chọn đề tài. Mục tiêu đề tài.
Nội dung nghiên cứu và giới hạn đề tài. Nội dung nghiên cứu. Giới hạn đề tài. Năng lượng gió và ứng dụng.
Cơ chế hình thành gió. Tính toán năng lượng gió. Đo lường năng lượng gió. Tua bin gió và hệ thống SCADA.
Tua bin gió. Hệ thống SCADA. Tiêu chuẩn và công cụ được sử dụng trong đồ án. Tiêu chuẩn IEC 61400-12-1 đo hiệu suất hoạt động của tua bin gió sản xuất điện.
Ngôn ngữ lập trình Python. XÂY DỰNG CÔNG CỤ VẼ ĐƯỜNG CONG CÔNG SUẤT. Đường cong công suất trong đánh giá hiệu năng hoạt động trang trại gió. Các bước xây dựng công cụ vẽ đường cong công suất.
Thu thập số liệu. Lọc số liệu. Chuẩn hóa số liệu. Vẽ đường cong công suất.
Xây dựng giao diện. Đánh giá hiệu năng trang trại gió. BÀN LUẬN KẾT QUẢ THỰC HIỆN. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ.
Hướng phát triển .66 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO.70 3 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT COP26 Climate Change Conference 26 SCADA Supervisory Control And Data Acquisition PLC Programmable Logic Controllers RTU Remote Terminal Units HMI Human Machine Interface IEC International Electrotechnical Commission WTG Wind Turbine Generator LIDAR Light Detection And Ranging 4 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Cối xay gió [1] .2: Tua bin gió do giáo sư James Blyth phát minh [2] .3: Tua bin gió do Charles F. Brush phát minh [2] .4: Tua bin gió Darrieus [3] .5: Tua bin gió ngoài khơi 16 MW do Goldwind sản xuất [4] .6: Thủ tướng Phạm Minh Chính tại Hội nghị COP26 [7] .7: Quy hoạch điện gió các vùng đến năm 2030 [6] .1: Hoàn lưu khí quyển với các trung tâm khí áp [8] .2: Không khí đi qua mặt phẳng hình tròn vuông góc với chiều gió .3: Cột đo gió và hướng gió tiêu biểu [9] .4: LIDAR của hãng ZX Lidar [10] .5: Tua bin gió trục ngang và tua bin gió trục đứng [11] [12] .6: Móng tua bin gió trên bờ [13] .7: Móng tua bin gió ngoài khơi [14] .8: Cánh quạt và hub [15] [16] .9: Hệ thống truyền động [17] .10: Các loại máy phát điện được sử dụng trong tua bin gió [18] .11: Nacelle và hệ thống Yaw [19] [20].12: Cảm biến đo gió và hướng gió [21] .13: Cấu trúc SCADA .14: SCADA Network trong một nhà máy điện gió .15: Yêu cầu về khoảng cách từ cột khí tượng đến tua bin gió [22] .1: Đường cong công suất điển hình .2: Thông số kỹ thuật GW155-4.3: Số liệu thực tế về tốc độ gió và công suất đầu ra thu thập từ SCADA .4: Số liệu trước vào sau khi lọc .5: Giá trị rỗng trong bộ số liệu .6: Đồ thị tọa độ điểm của WTG10 .7: Các giá trị ngoại lai .8: Phát hiện các giá trị ngoại lai với z-scores [24].9: Đồ thị điểm sau khi được lọc bằng phân phối chuẩn .10: Đồ thị tọa độ điểm sau khi lọc hết các giá trị ngoại lai .11: Phương pháp bin theo tiêu chuẩn IEC .12: Đường cong công suất của WTG 10 .13: Đường cong công suất của WTG3 và WTG10.14: Đường cong công suất của các tua bin gió trong trang trại .15: Bố trí layout .16: Sơ đồ nhánh bố trí layout .17: Giao diện sau khi xây dựng .18: Các khối chức năng trên giao diện .19: Chức năng song ngữ .20: Hướng dẫn sử dụng .21: Nhập và kiểm tra thông tin cần nhập (khi nhập sai hoặc chưa đủ thông tin) .22: Nhập và kiểm tra thông tin cần nhập (khi nhập đúng và đầy đủ thông tin) .23: Xuất dữ liệu .24: Thông báo khi xuất dữ liệu thành công .25: Bộ số liệu sau khi xử lý .27: Các tệp thu thập được sau xử lý.28: Thống kê Power Curve Compliance các tua bin gió ở trang trại .1: Phương án ban đầu.2: Đường cong công suất được vẽ từ SCADA .3: So sánh kết quả từ công cụ và SCADA .65 6 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2. Một số dạng móng phổ biến của các dự án điện gió ngoài khơi .1: Đặc điểm các vùng trong đường cong công suất .2: Số liệu về đường cong công suất tham khảo theo hợp đồng .3: Đối chiếu bộ số liệu thu thập với tiêu chuẩn IEC 61400-12-1. Lịch sử năng lượng gió Năng lượng gió là sự di chuyển của các dòng không khí trong bầu khí quyển Trái Đất và có nguồn gốc từ năng lượng Mặt Trời.
Khai thác động năng từ gió là một trong những cách khai thác năng lượng lâu đời nhất từ môi trường tự nhiên và đã được biết đến từ thời kỳ Cổ đại. Con người đã biết khai thác động năng của gió từ xa xưa. Các thủy thủ sử dụng gió để di chuyển thuyền buồm trên biển trong nhiều thiên niên kỷ. Năng lượng gió còn được dùng để tạo công cơ học nhờ vào các cối xay gió.
Cối xay gió là thiết bị cơ học được phát minh ra để nghiền ngũ cốc. Nhờ vào động năng của gió để làm quay một trục cam bên trong dẫn động một máy nghiền ngũ cốc. Bên cạnh đó, một số cối xay gió còn được sử dụng để bơm nước ở một số nơi.1: Cối xay gió [1] Ý tưởng sản xuất điện từ năng lượng gió được hình thành sau các phát minh ra điện và máy phát điện, và tua bin gió được xem là một cải tiến mới dựa trên các cối xay gió. Tua bin gió được phát minh bởi giáo sư James Blyth ở Scotland vào tháng 7 năm 1887 là tua bin gió đầu tiên được sử dụng để sản xuất điện.
Tua bin gió có chiều cao 10 m được sử dụng để cung cấp ánh sáng cho ngôi nhà của ông. Đây là ngôi nhà đầu tiên trên thế giới được cung cấp điện bằng năng lượng gió.2: Tua bin gió do giáo sư James Blyth phát minh [2] Ở Cleveland, Ohio, từ năm 1887 - 1888, Charles F. Brush đã thiết kế và chế tạo một tua bin gió lớn hơn tại nhà riêng và hoạt động từ năm 1888 - 1900. Tua bin gió khá lớn với một cánh quạt có đường kính 17 m, gắn trên một tòa tháp cao 18 m, nó quay tương đối chậm vì có tới 144 cánh.
Công suất là 12 kW, được sử dụng để cung cấp năng lượng cho hệ thống chiếu sáng và máy móc trong phòng thí nghiệm của ông.3: Tua bin gió do Charles F. Brush phát minh [2] 9 Năm 1891, nhà khoa học người Đan Mạch, Poul la Cour, đã chế tạo một tua bin gió với mục đích sử dụng để sản xuất hydro bằng phương pháp điện phân, được lưu trữ để sử dụng trong các thí nghiệm và thắp sáng trường học ở Askov. Ở Đan Mạch có khoảng 2500 cối xay gió vào năm 1900 được sử dụng cho các phụ tải như máy bơm và nhà máy, tạo ra công suất cực đại được ước tính khoảng 30 MW. Ở Đan Mạch, năng lượng gió là một phần quan trọng của quá trình điện khí hóa phi tập trung trong quý đầu tiên của thế kỷ 20.
Đến năm 1908 đã có 72 máy phát điện chạy bằng sức gió từ 5 kW đến 25 kW. Các tua bin gió lớn nhất có độ cao 24 m với rô to 4 cánh đường kính 23 m. Năm 1931, tua bin gió Darrieus được phát minh, tua bin gió trục thẳng đứng khác biệt so với tua bin gió trục ngang thông thường. Hướng thẳng đứng có thể nhận gió từ bất kỳ hướng nào mà không cần điều chỉnh.
Máy phát điện và hộp số bánh răng có thể nằm yên trên mặt đất thay vì trên đỉnh tháp.4: Tua bin gió Darrieus [3] Năm 1957, Johannes Juul đã lắp đặt một tua bin gió đường kính 24 m tại Gedser, hoạt động 10 năm. Đây là tua bin gió 3 cánh, trục ngang, điều chỉnh trạng thái tương tự như những tua bin gió hiện được sử dụng để phát triển điện gió thương mại. Từ năm 1974 đến giữa những năm 1980, chính phủ Hoa Kỳ đã làm việc với ngành công nghiệp để cải tiến công nghệ và cho phép các tua bin gió thương mại lớn. Các tua bin 10 gió của NASA được phát triển theo một chương trình nhằm tạo ra một ngành công nghiệp tua bin gió quy mô tiện ích ở Hoa Kỳ, tổng cộng 13 tua bin gió thử nghiệm đã được đưa vào hoạt động với 4 thiết kế chính.
Các công nghệ khác do NASA tiên phong bao gồm: tháp hình ống bằng thép, vật liệu cánh composite, điều khiển bước sóng từng phần, thiết kế kỹ thuật khí động học. Khi thế kỷ 21 bắt đầu, mối lo ngại ngày càng lớn về an ninh năng lượng, sự nóng lên toàn cầu, cũng như sự cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch cuối cùng đã dẫn đến việc mở rộng sự quan tâm đến năng lượng tái tạo.