CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN − Mô hình máy phát điện gió 2 tầng cánh, dùng kéo 2 phần độc lập của máy phát (rotor và stator) tạo thành 2 rotor độc lập ngược chiều – rotor 1 và rotor 2 để 𝑑𝜙 có thể tăng cường biến đổi để tăng sức điện động 𝐸. 𝑑𝑡 − Mô hình máy phát điện gió 2 tầng cánh đồng trục có chiều quay khác nhau cùng tác động lên bánh răng thứ 3 để hỗ trợ mô-men cho trục bánh răng kết hợp hộp số. BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 5 CHƯƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2.1 Tổng quan lý thuyết về năng lượng tái tạo 2.1 Các khái niệm Năng lượng tái tạo: còn được gọi là năng lượng sạch, là năng lượng thu được từ các dòng năng lượng tuần hoàn và liên tục từ tự nhiên. Chẳng hạn như ánh sáng mặt trời, gió thổi luôn xuất hiện liên tục từng ngày. Năng lượng không thể tái tạo hay còn gọi là năng lượng “bẩn”, là năng lượng thu được từ các kho năng lượng hình thành từ tự nhiên trong lòng đất do con người khai thác sử dụng và có thời hạn, chẳng hạn như dầu, khí đốt và than đá. Một nguồn năng lượng bền vững là : • Không bị mất đi khi sử dụng liên tục • Không gây ô nhiễm • Không ảnh hưởng sức khoẻ con người 2.2 Ưu, nhược điểm của năng lượng tái tạo Năng lượng tái tạo có khá nhiều ưu điểm, chẳng hạn như: • Nguồn năng lượng có chất lượng sạch, ít gây ô nhiễm nên thân thiện với môi trường.
• Có khả năng phục hồi nên không bị cạn. • Có ích và tính ứng dụng cao như tối ưu chi phí sử dụng điện cho các hộ gia đình, nhà máy, doanh nghiệp, … Tuy nhiên, năng lượng tái tạo cũng tồn tại nhiều nhược điểm như: • Đầu tư ban đầu tốn kém do chi phí dành cho xây dựng hệ thống các trang thiết bị cao cấp và hiện đại. • Có tính ổn định không cao do bắt nguồn từ thiên nhiên và phải chịu tác động từ các tác nhân làm ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động. BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 6 CHƯƠNG 2.3 Các nguồn năng lượng tái tạo trên Trái Đất Năng lượng tái tạo là dòng năng lượng có tốc độ hồi phục bằng tốc độ tiêu thụ.
Về căn bản, năng lượng tái tạo trên Trái Đất chủ yếu có nguồn gốc từ mặt trời 2.1 Năng lượng mặt trời trực tiếp Năng lượng mặt trời là sự chuyển đổi trực tiếp từ ánh sáng sang điện năng bằng hiệu ứng quang điện (thông qua các tấm pin năng lượng mặt trời). Năng lượng mặt trời có thể được khai thác bằng nhiều cách nhờ việc ứng dụng các công nghệ hiện đại: sưởi ấm, quang điện, kiến trúc năng lượng mặt trời, năng lượng mặt trời tập trung, .1 Nhà máy nhiệt mặt trời dùng gương tập trung ánh sáng làm nguồn nhiệt Hình 2.2 Hệ thống pin quang điện áp mái và các trang trại điện mặt trời BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 7 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hiện nay, con người tận dụng nguồn năng lượng mặt trời theo nhiều cách như đun nóng nước, tạo ra điện cho các thiết bị điện,. đáp ứng các nhu cầu khác nhau trong sinh hoạt.3 Bộ thu nhiệt mặt trời dùng để đun nấu, sưởi ấm 2.2 Năng lượng mặt trời gián tiếp Năng lượng từ gió và năng lượng thủy điện đều là kết quả của sự chênh lệch nhiệt độ nóng lên của bề mặt Trái đất và chuyển động của Trái Đất, dẫn đến không khí chuyển động (gió) và lượng mưa hình thành vì bầu không khí được nâng lên (liên quan đến thủy điện).
a) Năng lượng từ gió Sự phân bố không đều ánh sáng mặt trời trên Trái Đất và chuyển động của hành tinh Trái Đất dẫn đến dòng không khí chạy từ xích đạo về hai cực được khai thác bởi tuabin gió. Năng lượng từ gió được biết đến là nguồn năng lượng rẻ nhất ở một vài quốc gia trên thế giới. Có thể kể đến các tiểu bang như California, Texas, Oklahoma, Kansas và Iowa của Hoa Kỳ sở hữu những khu vực có tốc độ gió cao giúp sản xuất ra lượng điện gió dồi dào. BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 8 CHƯƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.4 Năng lượng gió được tận dụng để sản xuất điện b) Năng lượng thủy điện Bức xạ mặt trời làm bốc hơi nước biển, tạo thành mưa cấp nước cho sông, suối. Đập và tuabin thuỷ điện khai thác năng lượng này. Thủy điện là nguồn năng lượng tái tạo đang dẫn đầu ở hầu hết các quốc gia, với các nhà máy thủy điện quy mô rất lớn. Thủy điện phụ thuộc vào nước – thường là dòng nước chảy với tốc độ nhanh ở các con sông hoặc nước chảy nhanh từ trên cao xuống như thác, chúng ta sẽ tận dụng sức nước để thiết lập các tuabin máy phát điện.
Tuy nhiên, trên thế giới rất nhiều nhà máy thủy điện lớn hay đập thủy điện siêu lớn không được xem là nguồn năng lượng tái tạo. Bởi vì nhưng con đập này làm chuyển hướng và giảm dòng chảy tự nhiên, làm ảnh hưởng đến quần thể động vật và con người sinh sống quanh dòng sông đó.5 Năng lượng thuỷ điện BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 9 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT c) Năng lượng sịnh học Năng lượng sinh học (còn được gọi là năng lượng sinh khối) là nguồn năng lượng bắt nguồn từ động vật và cây trồng. Nguồn năng lượng này có thể sử dụng trực tiếp như việc thực vật quang hợp, chuyển hoá CO2 thành Cacbon hoặc trực tiếp dựa vào sự đốt cháy để sinh nhiệt.
Tuy nhiên, năng lượng sinh học đang dần dần không còn được coi là nguồn năng lượng sạch hoàn toàn do gần đây, theo nghiên cứu của các nhà khoa học thì việc đốt sinh khối có nguồn gốc thực vật sẽ sinh ra lượng CO2 lớn. Điều này sẽ gây tác động tiêu cực đến môi trường sống. Một số dạng năng lượng sinh khối có lượng thải CO2 thấp được lựa chọn trong một số trường hợp. Ví dụ, mùn cưa và phoi từ các xưởng cưa sẽ nhanh chóng phân hủy và giải phóng carbon với lượng thấp.6 Năng lượng sinh học 2.3 Năng lượng không bắt nguồn từ mặt trời Các dạng năng lượng tái sinh khác không phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời là năng lượng địa nhiệt, là kết quả của sự phân rã phóng xạ từ các khoáng vật ở lớp vỏ Trái đất kết hợp với với nhiệt trong tâm Trái đất, và năng lượng thủy triều là sự chuyển đổi năng lượng hấp dẫn.
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 10 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT a) Năng lượng địa nhiệt Dưới tác dụng của lực hấp dẫn, vật chất tại tâm Trái Đất bị nén lại tạo ra nhiệt năng. Những khu vực có độ dốc địa nhiệt đủ cao sẽ có thể khai thác được và sinh ra điện. Tuy nhiên, công nghệ khai thác nguồn năng lượng này vẫn còn bị hạn chế ở một vài nơi.
Hơn nữa, tiện ích của năng lượng địa nhiệt cũng bị giới hạn do vấn đề về mặt kỹ thuật. b) Năng lượng thủy triều Lực hấp dẫn của mặt trăng và mặt trời tạo ra chu kỳ thuỷ triều lên xuống. Ngoài ra có thể tận dụng dòng chảy của nước biển trong lòng đại dương Thủy triều cũng là một trong các dạng năng lượng được coi là sạch hoàn toàn và được ứng dụng để tạo ra điện nhờ vào quá trình chuyển đổi năng lượng. Năng lượng thủy triều chỉ có thể tạo ra ở những khu vực có vận tốc dòng chảy lớn hay thủy triều đủ cao.
Nguồn năng lượng tái tạo vẫn còn tồn tại một vài nhược điểm bên chưa thực sự được ứng dụng rộng rãi. Do đó, các nhà khoa học đang nghiên cứu các giải pháp đối mặt với cuộc khủng hoảng năng lượng có khả năng diễn ra trong thời gian tới.2 Tổng quan về năng lượng gió và tuabin gió 2.1 Sự hình thành của năng lượng gió Năng lượng gió là hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời, là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển trái đất. Sở dĩ như vậy là do các nguyên nhân sau: • Bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt trái đất không đều nhau. Một nửa bề mặt trái đất (mặt ban đêm) bị che khuất không nhận được bức xạ mặt trời và thêm vào đó là bức xạ mặt trời gần xích đạo nhiều hơn các cực dẫn đến có sự khác nhau về áp suất, do đó không khí giữa xích đạo và hai cực cũng như không khí giữa mặt ban ngày và ban đêm của trái đất di động tạo thành gió.
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 11 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT • Trái đất xoay tròn cũng góp phần làm xoáy không khí, vì trục quay của trái đất nghiêng so với mặt phẳng quỹ đạo khi quay quanh mặt trời nên tạo thành các dòng không khí theo mùa. • Hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự tự quay của trái đất làm không khí đi từ áp cao đến áp thấp không chuyển động thẳng mà tạo thành các cơn gió xoáy có chiều xoáy khác nhau giữa bắc bán cầu và nam bán cầu. Nếu nhìn từ vũ trụ thì trên bắc bán cầu không khí di chuyển vào một áp thấp ngược với chiều kim đồng hồ và ra khỏi một áp cao theo chiều kim đồng hồ.
Trên nam bán cầu thì chiều hướng ngược lại. • Ngoài các yếu tố có tính toàn cầu trên, gió cũng bị ảnh hưởng bởi địa hình tại từng địa phương, đã tạo nên các loại gió như: gió đất - biển, gió núi thung lũng, gió phơn.2 Một số lý thuyết cơ bản 2.1 Nguyên lý Lanchester-Betz-Zhukowsky Xem không khí đi qua tiết diện tuabin là một khối, động năng của khối không khí đập vào tuabin có tiết diện A trong khoảng thời gian t là: 1 1 1 (2.1) 𝐸= 𝑚𝑣 2 = (𝐴𝑣𝑡𝜌)𝑣0 2 = 𝐴𝑡𝜌𝑣 3 2 2 2 Trong đó • 𝜌: khối lượng riêng của không khí (kg/m3) • 𝑣: tốc độ gió • 𝑣𝑡: quãng đường trong 1s mà khối khí chuyển động được • 𝐴𝑣𝑡: Thể tích khối khí Hình 2.7 Khối khí đập vào cánh tuabin Từ đó ta thu được công suất: 𝐸 1 (2.2) 𝑃= = 𝐴𝜌𝑣 3 𝑡 2 BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 12 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Nguyên lý Lanchester-Betz-Zhukowsky tính toán năng lượng lớn nhất có thể khai thác từ gió, sử dụng một mô hình đơn giản giả thiết dòng không khí quanh tuabin có tốc độ ổn định. • Rotor được xem như một đĩa thu năng lượng • Áp suất sau tiết diện rotor thay đổi • Động lượng và động năng sau rotor giảm đi Hình 2.8 Ống động lực học Betz trong điều kiện lý tưởng Dựa vào hình 2.