Đồ án Kỹ thuật: tốt nghiệp ứng dụng năng lượng gió để phát điện

Đồ án nghiên cứu tốt nghiệp ứng dụng năng lượng gió để phát điện, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán kỹ thuật.

• Tác giả: Nguyễn Trí Cường
• Người hướng dẫn: PGS.TS Trương Việt Anh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điện - Điện tử
• Đề tài: Ứng Dụng Năng Lượng Gió Để Phát Điện - Mô Hình Máy Phát Điện Turbine Cánh Kép
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Đồ Án Tốt Nghiệp Ứng Dụng Năng Lượng Gió

Đồ án tốt nghiệp ứng dụng năng lượng gió là một dự án học thuật được thực hiện tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, chuyên ngành Điện-Điện Tử. Đề tài này tập trung vào việc mô hình hóa máy phát điện turbine cánh kép để khai thác hiệu quả năng lượng gió. Việc lựa chọn đề tài này xuất phát từ nhu cầu thực tiễn về phát triển năng lượng tái tạo tại Việt Nam, một nước được đánh giá dồi dào về tài nguyên gió. Đồ án không chỉ giúp sinh viên củng cố kiến thức lý thuyết mà còn áp dụng thực tế trong lĩnh vực phát điện từ năng lượng gió, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường.

1.1. Mục Đích và Ý Nghĩa Của Đề Tài

Mục đích chính của đồ án ứng dụng năng lượng gió là nghiên cứu và phát triển công nghệ máy phát điện turbine hiệu suất cao. Ý nghĩa của đề tài nằm ở việc khai thác tài nguyên gió bền vững, giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Đây là một bước quan trọng trong chuyển đổi năng lượng xanh và phát triển kinh tế bền vững tại Việt Nam.

1.2. Phạm Vi Và Cấu Trúc Nội Dung

Đồ án bao gồm 5 chương chính từ lý thuyết cơ bản đến ứng dụng thực tế. Nội dung trình bày chi tiết về nguyên lý hoạt động turbine gió, thiết kế máy phát điện, thí nghiệm và so sánh kết quả thực tế. Mỗi chương được cấu trúc logic, giúp người đọc hiểu rõ các khía cạnh khác nhau của công nghệ phát điện từ gió.

II. Nền Tảng Lý Thuyết Và Kiến Thức Chuyên Ngành

Nền tảng lý thuyết về năng lượng gió là yếu tố quan trọng để hoàn thành đồ án tốt nghiệp. Trong đó, kiến thức về nguyên lý động lực học chất lỏng, cơ học ứng dụng và điện - điện tử là những môn học cơ bản. Sinh viên cần nắm vững các khái niệm về lực tác động của gió trên cánh turbine, chuyển đổi năng lượng cơ học thành điện năng, và tối ưu hóa hiệu suất phát điện. Các kiến thức này không chỉ được học trong các môn đại cương mà còn được mở rộng và ứng dụng cụ thể trong dự án turbine cánh kép.

2.1. Các Khái Niệm Cơ Bản Về Năng Lượng Gió

Năng lượng gió là dạng năng lượng tái tạo từ sự chuyển động của không khí trong khí quyển. Công suất có sẵn từ dòng gió phụ thuộc vào vận tốc gió, diện tích cánh turbine, và mật độ không khí. Hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến năng lượng gió là nền tảng để thiết kế hiệu quả máy phát điện turbine gió.

2.2. Kỹ Thuật Thiết Kế Turbine Cánh Kép

Turbine cánh kép là thiết kế cải tiến với hai cánh quay để tối ưu hóa việc tiếp nhận gió. Kỹ thuật thiết kế bao gồm tính toán góc cánh tối ưu, chọn vật liệu chịu lực cao, và cân bằng động. Đây là ứng dụng thực tế của kiến thức cơ học và vật liệu học trong phát điện từ năng lượng gió.

III. Quá Trình Thực Hiện Và Phương Pháp Nghiên Cứu

Quá trình thực hiện đồ án ứng dụng năng lượng gió kéo dài 16 tuần với các bước cụ thể từ khảo sát tài liệu, lý thuyết, đến thiết kế và thí nghiệm. Phương pháp nghiên cứu kết hợp tìm hiểu lý thuyết từ các tài liệu chuyên ngành, mô hình hóa máy phát điện, và thí nghiệm để xác nhân kết quả. Sinh viên được hướng dẫn tận tình bởi PGS.TS Trương Việt Anh, người chuyên gia trong lĩnh vực năng lượng tái tạo và điện - điện tử. Sự kết hợp giữa học tập lý thuyết và ứng dụng thực tế giúp sinh viên phát triển kỹ năng kỹ thuật và tư duy sáng tạo.

3.1. Giai Đoạn Khảo Sát Và Thu Thập Tài Liệu

Giai đoạn đầu tiên của đồ án tốt nghiệp là khảo sát tài liệu về công nghệ turbine gió hiện tại, các nghiên cứu trước đó, và tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế. Việc thu thập dữ liệu từ thư viện trường, cơ sở dữ liệu khoa học, và tư vấn các chuyên gia giúp sinh viên xây dựng nền tảng vững chắc cho thiết kế máy phát điện.

3.2. Thiết Kế Mô Phỏng Và Thí Nghiệm

Giai đoạn thiết kế bao gồm tính toán thông số kỹ thuật, mô phỏng hoạt động turbine, và đánh giá hiệu suất. Thí nghiệm thực tế được tiến hành để xác nhận kết quả lý thuyết, so sánh hiệu suất giữa các mẫu, và rút ra các kết luận hướng phát triển cho ứng dụng năng lượng gió trong tương lai.

IV. Kết Quả Ứng Dụng Và Hướng Phát Triển

Kết quả của đồ án ứng dụng năng lượng gió chứng minh tính khả thi của máy phát điện turbine cánh kép trong việc khai thác hiệu quả năng lượng gió. Sản phẩm chính của đồ án bao gồm mô hình turbine hoạt động, dữ liệu thí nghiệm chi tiết, và báo cáo kỹ thuật toàn diện. Ứng dụng thực tế của đề tài này rất rộng: từ phát điện độc lập tại các vùng nông thôn, hỗ trợ lưới điện quốc gia, đến giảm phát thải carbon. Hướng phát triển tiếp theo bao gồm tối ưu hóa thiết kế, nâng cao hiệu suất chuyển đổi, và giảm chi phí sản xuất để năng lượng gió có thể phát triển bền vững tại Việt Nam.

4.1. Kết Quả Chính Và Những Phát Hiện Quan Trọng

Kết quả thí nghiệm cho thấy hiệu suất hoạt động của turbine cánh kép đạt được mức tối ưu dưới điều kiện gió nhất định. Phát hiện quan trọng là góc cánh 25 độ cho hiệu suất cao nhất, và chế độ vận hành linh hoạt giúp cải thiện khả năng phát điện trong điều kiện gió biến thiên. Những kết quả này xác nhận tính khả thi của mô hình turbine cánh kép.

4.2. Ứng Dụng Thực Tiễn Và Triển Vọng Phát Triển

Ứng dụng thực tiễn của đồ án năng lượng gió bao gồm cung cấp điện cho vùng nông thôn, hỗ trợ lưới điện thành phố, và bảo vệ môi trường. Triển vọng phát triển trong tương lai là tăng kích thước turbine, cải tiến công nghệ điều khiển, và giảm chi phí để phổ biến rộng rãi công nghệ phát điện từ năng lượng gió tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Sơ lược lịch sử phát triển của Turbine gió. Vào cuối những năm 1970, cuộc khủng hoảng về dầu mỏ đã buộc con người phải tìm các nguồn năng lượng mới thay thế, một trong số đó là năng lượng gió. Những năm về sau, rất nhiều các chương trình nghiên cứu và phát triển năng lượng gió được thực hiện với nguồn tài trợ từ các Chính phủ, bên cạnh các dự án nghiên cứu do các cá nhân, tổ chức tự đứng ra thực hiện. Lịch sử phát triển của thế giới loài người đã chứng kiến những ứng dụng của năng lượng gió vào cuộc sống từ rất sớm.

Gió giúp quay các cối xay bột, gió giúp các thiết bị bơm nước hoạt động, và gió thổi vào cánh buồm giúp đưa các con thuyền đi xa. Theo những tài liệu cổ còn giữ lại được thì bản thiết kế đầu tiên của chiếc cối xay hoạt động nhờ vào sức gió là vào khoảng thời gian những năm 500 - 900 sau CN tại Ba Tư (Irac ngày nay). Đặc điểm nổi bật của thiết bị này đó là các cánh đón gió được bố trí xung quanh một trục đứng, minh hoạ một mô hình cánh gió đựợc lắp tại Trung Mỹ vào cuối thế kỷ 19, mô hình này cũng có cấu tạo cánh đón gió quay theo trục đứng Hình 1.Mô hình cánh gió tại Trung Mỹ, cuối TKXIX Muộn hơn nữa, kể từ sau thế kỷ 13, các cối xay gió xuất hiện tại Châu Âu (Tây Âu) với cấu trúc có các cánh đón gió quay theo phương ngang, chúng phức tạp hơn mô hình thiết kế tại Ba Tư. Cải tiến cơ bản của thiết kế này là đã tận dụng đựợc lực nâng khí động học tác dụng vào cánh gió do đó sẽ làm hiệu suất biến đổi năng lượng gió của cối xay gió thời kỳ này cao hơn nhiều so với mô hình thiết kế từ những năm 500 - 900 tại Ba Tư.

Mô hình cối xay gió xuất hiện sau TKXIII Trong suốt những năm tiếp theo, các thiết kế của thiết bị chạy bằng sức gió càng ngày được hoàn thiện và được sử dụng rộng rãi trong khá nhiều các lĩnh vực ứng dụng: chế tạo các máy bơm nước, hệ thống tưới tiêu trong nông nghiệp, các thiết bị xay xát, xẻ gỗ, nhuộm vải… Cho đến đầu thế kỷ 19, cùng với sự xuất hiện của máy hơi nước, thiết bị chạy bằng sức gió dần dần bị thay thế. Lịch sử con người đã bước sang thời kỳ mới với những công cụ mới: máy chạy hơi nước. Máy bơm nước chạy bằng gió, phía Tây nước Mỹ những năm 1800 Năm 1888, Charles F. Brush đã chế tạo chiếc máy phát điện chạy sức gió đầu 2 tiên và đặt tại Cleveland, Ohio.

Nó có đặc điểm: - Cánh được ghép thành xuyến tròn, đường kính vòng ngoài 17m - Sử dụng hộp số (tỉ số truyền 50:1) ghép giữa cánh Turbine với trục máy phát; - Tốc độ định mức của máy phát là 500 vòng/phút; - Công suất phát định mức là 12kW. Máy phát điện sức gió do Charles F.Brush chế tạo Trong những năm tiếp sau, một số mẫu thiết kế khác đã được thực hiện tuy nhiên vẫn không đem lại bước đột phá đáng kể. Ví dụ mẫu thiết kế của Dane Poul La Cour năm 1891. Cho đến đầu những năm 1910, đã có nhiều máy phát điện chạy bằng sức gió công suất 25kW được lắp đặt tại Đan Mạch nhưng giá thành điện năng do chúng sản xuất ra không cạnh tranh được với giá thành của các nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hoá thạch.

Mặc dù gặp khó khăn do không có thị trường, những thế hệ máy phát điện chạy bằng sức gió vẫn tiếp tục được thiết kế và lắp đặt.2 Tình hình năng lượng gió trên thế giới hiện nay. Nhận thức được tầm quan trọng của năng lượng tái sinh nói chung và năng lượng gió nói riêng, chính phủ của nhiều quốc gia trên thế giới đang tăng cường đầu tư tiền bạc, nhân lực vào việc nghiên cứu và đưa vào sử dụng thực tiễn năng lượng gió, giúp giảm sự căng thẳng năng lượng ở các nước. 3 Nhu cầu năng lượng trên thế giới. Theo số liệu: BTM consult, windpower monthly, IWR, ISET M.

Durstewitz, BWE, WWEA, March 2009 nhu cầu sử dụng năng lượng cũng tăng lên đáng kể, được thể hiện qua biểu đồ dưới đây: Hình 1. Sự phát triển năng lượng điện gió tại Đức, Châu Âu và Thế giới Những số liệu chỉ rõ, sản lượng năng lượng gió liên tục tăng trên toàn thế giới, đáng kể nhất là tại Châu Âu, với 2000GWh năm 1995, sau đó tăng mạnh lên 25000GWh năm 2008. Trong khi đó, sản lượng năng lượng gió tại Đức tăng đều liên tục từ 1000GWh năm 1995 lên gần 10000GWh năm 2008. Theo thống kê trên thế giới, Đức, Tây Ban Nha, Hoa Kỳ, Đan Mạch và Ấn Độ là những quốc gia sử dụng năng lượng gió nhiều nhất trên thế giới.

Chẳng hạn vào năm 2009, điện gió chiếm 8% tổng số điện sử dụng tại Đức, trong khi đó con số này lên đến 14% ở Ai len và 11% tại Tây Ban Nha. Hoa Kỳ sản xuất nhiều điện gió nhất thế giới với công xuất nhảy vọt từ 6 GW vào năm 2004 lên đến 35 GW vào 2009 và điện gió chiếm 2.4% tổng số điện tiêu dùng. Trung Quốc và Ấn Độ cũng phát triễn nhanh về nguồn năng lượng sạch này với 22. Đến năm 2012, Đan Mạch đã vươn lên đầu bảng các quốc gia phát triển điện gió nhanh nhất.

Tiếp theo là các nước Tây Ban Nha, Bồ Đào Nha, Thụy Điển, Đức và Ai len cùng nằm trong top 5 “cường quốc” điện gió. Thứ tự sắp xếp trên có tính tương đối và dễ dàng thay đổi nhanh chóng vì ở các nước trên cũng như các nước lớn khác đang mọc lên những nhà máy điện gió mới ngày càng lớn hơn. Chẳng hạn, Canada, Áo và Hy Lạp đang nằm ngoài top 10 nhưng mỗi nước đang có các chính 4 sách năng lượng gió mạnh cho những năm tới và biết đâu vài năm sắp tới có quốc gia vươn lên top 5, thậm chí thứ bậc cao nữa. Mô tả thứ tự 15 nước phát triển điện gió nhất ở thời điểm năm 2012 Cơ quan Năng lượng tái tạo quốc tế (IRENA) ngày 7/4 thông báo công suất năng lượng tái tạo toàn cầu trong năm 2015 đạt 1.

Trong đó, công suất năng lượng gió trong năm 2015 đã tăng 17% do giá Turbine giảm 45% kể từ năm 2010. Từ tất cả những thống kê trên cho thấy, nhu cầu sử dụng năng lượng tái tạo, năng lượng mới là rất cần thiết nó liên tục tăng lên trong tương lai. Năm 2015 đánh dấu mức tăng kỷ lục của năng lượng tái tạo 5 1.3 Tìm năng năng lượng gió ở Việt Nam. Việt Nam nằm trong vùng gần xích đạo, trong khoảng 80 đến 240 vĩ độ Bắc, 1020 và 1.100 kinh độ Đông, thuộc khu vực nhiệt đới gió mùa.

Gió ở Việt Nam có hai mùa rõ rệt: Gió mùa Đông Bắc và gió mùa Đông Nam với tốc độ trung bình ở vùng ven biển từ 4,5 đến 6 m/s (ở độ cao 10-12m). Tại các vùng đảo xa, tốc độ gió đạt tới 6 đến 8 m/s, tuy không cao bằng tốc độ gió ở các nước Bắc Âu nhưng cũng đủ mạnh để sử dụng Turbine gió có hiệu quả. So với các nước trong khu vực Việt Nam có nguồn năng lượng gió khá dồi dào. Theo số liệu nghiên cứu của tổ chức phát triển năng lượng gió Châu Á, trên lãnh thổ Việt Nam, các vùng giàu tiềm năng nhất để phát triển năng lượng gió là: Sơn Hải (Ninh Thuận), vùng đồi cát phía tây Hàm Tiến đến Mũi Né (Bình Thuận) và khu vực Bán đảo Phương Mai (Bình Định).

Trong những tháng có gió mùa, tỷ lệ gió nam và đông nam lên đến 98% với vận tốc trung bình 6-7m/s, có thể xây dựng các Turbine gió công suất tới 3MW. Tiềm năng gió của Việt Nam có thể đánh giá thông qua số liệu về gió của Cục Khí tượng Thủy văn theo bảng sau: Địa phương Tốc độ gió trung Mật độ công Mật độ năng lượng bình Vm (m/s) suất gió (W/m2) năm (E= KWh/m2) Pha Đin 3,2 22,5 751,1 Đảo Cô Tô 4,4 22,5 1317,9 Bãy Cháy 3,3 64,0 562,0 Bạch Long Vĩ 7,3 119,0 4487,0 Nam Định 3,6 72,0 631,0 Văn Lý 4,3 72,0 933,0 Đồng Hới 3,9 108,6 952,0 Quy Nhơn 4,1 106,6 935,0 Cam Ranh 4,2 124,3 1065,7 Đảo Phú Quý 6,8 108,0 3554,2 Playku 3,1 69,6 610,0 Đà Lạt 3,0 66,2 580,0 Vũng Tàu 3,9 101,1 886,0 Phú Quốc 3,7 97,5 855,0 Rạch Giá 3,2 47,7 476,0 Bạc Liêu 2,8 47,7 383,5 Trường Sa 6,3 307,1 2692,0 Bảng 1. Tiềm năng gió của Việt Nam 6 Trong bảng số liệu trên, tốc độ gió được đo ở độ cao 10 - 12m. Các động cơ gió công suất từ vài trăm đến 1.000 kW thường được lắp trên độ cao 50 - 70m.

Các số liệu đo gió ở độ cao trên đã xác định được tốc độ gió bằng công thức gần đúng sau: )1/ ℎ = 1( Trong đó: V : Vận tốc gió cần tìm trên độ cao h V1: Vận tốc gió đo được ở độ cao h1 1.4 Sự phát triển năng lượng gió ở Việt Nam. Tiềm năng gió của Việt Nam rất lớn, vì thế việc nghiên cứu phát triển năng lượng gió là một công việc cần thiết. Sự nghiên cứu triển khai năng lượng gió ở Việt Nam đã đi những bước đầu tiên. Hiện tại Việt Nam có tất cả 20 dự án điện gió với dự kiến sản xụất 20 GW với khoảng 3400 km bờ biển.

Theo tính toán, 2 tiềm năng sản xuất điện từ năng lượng gió có thể đạt được 24GW. Tính chi tiết, trên đất liền, tổng công suất 2 2 điện gió có thể đạt đến khoảng 800-1. Công suất ở các khu vực ven biển; Tây Nguyên và phía Nam có thể đạt khoảng 500-1.000 kwh/ /năm, còn ở các khu vực khác đạt dưới 500 kwh/ /năm. Nguồn điện gió này sẽ kết nối với hệ thống điện lưới quốc gia và sẽ được phân phối và quản lý bởi Tổng Công Ty Điện Lực Việt Nam.

Sự phân bố các nguồn điện năng nước ta năm 2020 7 Xét tiêu chuẩn để xây các trạm điện gió cỡ nhỏ phục vụ cho phát triển kinh tế ở những khu vực khó khăn thì Việt Nam có đến 41% diện tích nông thôn có thể phát triển điện gió loại nhỏ. Nếu so sánh con số này với các nước láng giềng thì Campuchia có 6%, Thái Lan có 9% và Lào có 13% diện tích nông thôn có thể phát triển năng lượng gió. Đây là ưu đãi dành cho Việt Nam, chúng ta cần tận dụng và khai thác nó. Theo Quy hoạch Điện VII đã được điều chỉnh trên đây, tổng công suất các nguồn điện năng tái tạo đến năm 2030 tăng trên 4 lần so với 10 năm trước đó (năm 2020).