Bài giảng Hệ Thống Điện Gió (Wind Power Systems) - Nguyễn Hữu Phúc (ĐHBK TPHCM)

Khám phá lịch sử phát triển hệ thống điện gió và tìm hiểu các loại tuabin gió trục ngang (HAWT), trục đứng (VAWT) trong bài giảng Năng lượng tái tạo.

• Tác giả: Nguyễn Hữu Phúc
• Trường học: Đại học Bách khoa TP.HCM
• Chuyên ngành: Điện - Điện tử
• Đề tài: Hệ Thống Điện Gió: Lịch Sử Phát Triển & Các Loại Tuabin
• Loại tài liệu: Tài liệu môn học
• Địa điểm: TP.HCM

Tóm tắt

I. Lịch Sử Phát Triển Hệ Thống Điện Gió

Hệ thống điện gió có một lịch sử phát triển kéo dài hơn một thế kỷ. Tuabin gió đầu tiên được Charles F. Brush chế tạo năm 1888 ở Cleveland, Ohio với công suất 12 kW, dùng để sạc pin tại tầng hầm của một biệt thự. Năm 1891, Poul la Cour ở Đan Mạch xây dựng tuabin gió ngoài Mỹ đầu tiên, sử dụng điện để điện phân nước tạo khí hydro cho đèn gas. Đến những năm 1930-1940, hàng trăm nghìn hệ thống điện gió đã được sử dụng ở các khu vực nông thôn chưa được kết nối lưới điện. Sự quan tâm giảm đi khi lưới điện mở rộng và cung cấp điện giá rẻ. Khủng hoảng dầu năm 1970 đã khơi dậy lại năng lượng gió, và từ những năm 1990 đến nay, ngành công nghiệp tuabin gió phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu.

1.1. Tuabin Gió Tiên Phong Của Charles F. Brush

Tuabin gió Brush năm 1888 là mốc đánh dấu khởi đầu của hệ thống điện gió hiện đại. Với công suất 12 kW, nó không chỉ chứng minh khả năng chuyển đổi năng lượng gió thành điện năng, mà còn tạo nên nền tảng cho các phát triển sau này. Thiết bị này sử dụng pin lưu trữ để cung cấp điện cho tòa nhà, đặc biệt là tầng hầm, thể hiện ứng dụng thực tế đầu tiên của tuabin gió.

1.2. Sự Phục Hưng Của Năng Lượng Gió Hiện Đại

Sau khủng hoảng dầu 1970, hệ thống điện gió được tái khám phá như một giải pháp năng lượng tái tạo bền vững. Các chính phủ bắt đầu cấp các khoản trợ cấp thuế để khuyến khích tuabin gió. Từ những năm 1990 trở đi, công nghệ tuabin gió đã tiến bộ vượt bậc, chi phí sản xuất giảm đáng kể, và hệ thống điện gió trở thành một trong những năng lượng tái tạo đáng tin cậy nhất.

II. Hiện Trạng Phát Triển Toàn Cầu

Năng lượng gió đã trở thành một trong những năng lượng tái tạo quan trọng nhất trên toàn cầu. Đến cuối năm 2008, công suất điện gió lắp đặt toàn cầu đạt hơn 120.000 MW, với Hoa Kỳ chiếm 25.170 MW (20,4% sản lực toàn cầu). Hệ thống điện gió tăng trưởng nhanh chóng, đặc biệt ở các nước Châu Âu và Châu Á. Trong nửa đầu năm 2009, Mỹ đã lắp đặt thêm khoảng 4.000 MW, chứng tỏ sự phục hồi mạnh mẽ của ngành. Năng lượng gió đang trở thành lựa chọn hàng đầu cho các quốc gia muốn giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và phát triển bền vững.

2.1. Công Suất Lắp Đặt Tại Các Quốc Gia Hàng Đầu

10 quốc gia hàng đầu về công suất điện gió lắp đặt chiếm 86,2% sản lực toàn cầu. Mỹ dẫn đầu với 25.170 MW, tiếp theo là các quốc gia Châu Âu như Đức, Tây Ban Nha và Pháp. Tuabin gió tập trung ở các vùng có tài nguyên gió phong phú, được xác định qua bản đồ tài nguyên gió toàn cầu. Sự phân bổ này phản ánh tiềm năng năng lượng gió của từng khu vực.

2.2. Xu Hướng Tăng Trưởng Của Điện Gió

Hệ thống điện gió toàn cầu tăng trưởng ổn định hàng năm. Công nghệ tuabin gió ngày càng hiệu quả, chi phí lắp đặt và vận hành giảm xuống. Năng lượng gió trở nên cạnh tranh hơn với các nguồn năng lượng truyền thống, thu hút đầu tư lớn từ các quốc gia phát triển lẫn đang phát triển.

III. Các Loại Tuabin Gió Chính

Có hai loại tuabin gió chính được sử dụng trong hệ thống điện gió: tuabin gió trục ngang (HAWT - Horizontal Axis Wind Turbines) và tuabin gió trục dọc (VAWT - Vertical Axis Wind Turbines). Tuabin gió trục ngang chiếm ưu thế thị trường hiện nay, bao gồm hai dạng: tuabin gió hướng gió (upwind) và tuabin gió lưng gió (downwind). Tuabin gió trục dọc có ưu điểm không cần điều khiển hướng, nhưng hiệu suất thấp hơn. Mỗi loại tuabin gió có những đặc điểm riêng, phù hợp với những điều kiện gió và ứng dụng khác nhau. Số lượng cánh quay của tuabin gió ảnh hưởng lớn đến hiệu suất và tốc độ quay.

3.1. Tuabin Gió Trục Ngang HAWT

Tuabin gió trục ngang (HAWT) là loại tuabin gió phổ biến nhất trong hệ thống điện gió hiện đại. Tuabin gió hướng gió (upwind) có cánh quay phía trước tháp, hoạt động mượt mà và hiệu suất cao, nhưng cần hệ thống điều khiển hướng phức tạp. Tuabin gió lưng gió (downwind) có cánh phía sau tháp, tự động hướng theo gió mà không cần điều khiển hướng, nhưng chịu tác động hiệu ứng che bóng khi cánh đi qua tháp.

3.2. Tuabin Gió Trục Dọc VAWT

Tuabin gió trục dọc (VAWT), đặc biệt là rotor Darrieus, chỉ có một số ít thành công thương mại. Loại tuabin gió này chấp nhận gió từ mọi hướng, không cần điều khiển hướng, và có thể đặt máy móc nặng ở mặt đất. Tuy nhiên, cánh quay gần mặt đất nơi tốc độ gió thấp, dẫn đến hiệu suất thấp hơn tuabin gió trục ngang.

IV. Số Lượng Cánh Quay Và Hiệu Suất

Số lượng cánh quay của tuabin gió đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất hoạt động. Tuabin gió có nhiều cánh hoạt động ở tốc độ quay thấp, cung cấp mô-men xoắn cao, phù hợp với các ứng dụng như bơm nước. Tuabin gió 2 hoặc 3 cánh hoạt động ở tốc độ cao, tạo hiệu suất điện tốt hơn và giảm thiểu rung động gây ra bởi cánh. Ngày nay, hầu hết tuabin gió hiện đại sử dụng 2 hoặc 3 cánh, cân bằng giữa hiệu suất năng lượng và chất lượng điện. Số lượng cánh ít hơn giúp giảm nhiễu từ gió và tăng tuổi thọ thiết bị. Sự lựa chọn số cánh phụ thuộc vào loại tuabin gió, tài nguyên gió địa phương và mục tiêu ứng dụng.

4.1. Tuabin Gió Nhiều Cánh Với Hiệu Suất Thấp

Tuabin gió với nhiều cánh (6 cánh trở lên) cung cấp mô-men xoắn cao ở tốc độ thấp, rất hữu ích cho bơm nước và các tác vụ yêu cầu công suất khởi động lớn. Loại tuabin gió này hoạt động hiệu quả ngay cả ở tốc độ gió thấp, đảm bảo hoạt động liên tục. Tuy nhiên, do quay chậm, hiệu suất điện thấp hơn.

4.2. Tuabin Gió 2 3 Cánh Với Hiệu Suất Cao

Tuabin gió 2 hoặc 3 cánh là tiêu chuẩn của tuabin gió hiện đại cho sản xuất điện năng. Số lượng cánh ít giúp giảm rung động và gây rối từ gió khi một cánh vượt cánh khác. Tuabin gió 3 cánh nổi tiếp hơn vì cân bằng tốt hơn giữa hiệu suất điện và độ bền cơ học.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Green Energy Course- Renewable Energy Systems Biên sọan: Nguyễn Hữu Phúc Khoa Điện- Điện Tử- Đại Học Bách Khoa TPHCM Wind Power Systems Photos taken near Moraine View State Park, IL Historical Development of Wind Power • The first known wind turbine for producing electricity was by Charles F. Brush turbine, in Cleveland, Ohio in 1888 • 12 kW • Used electricity to charge batteries in the cellar of the Note the owner’s mansion person http://www.org/en/pictures/brush.htm Historical Development of Wind Power • First wind turbine outside of the US to generate electricity was built by Poul la Cour in 1891 in Denmark • Used electricity from his wind turbines to electrolyze water to make hydrogen for the gas lights at the schoolhouse http://www.org/en/pictures/lacour.htm Historical Development of Wind Power • In the US - first wind-electric systems built in the late 1890’s • By 1930s and 1940s, hundreds of thousands were in use in rural areas not yet served by the grid • Interest in wind power declined as the utility grid expanded and as reliable, inexpensive electricity could be purchased • Oil crisis in 1970s created a renewed interest in wind until US government stopped giving tax credits • Renewed interest again since the 1990s Global Installed Wind Capacity Global Wind Energy Council http://www.net/fileadmin/documents/PressReleases/PR_stats_annex_table_2nd_feb _final_final.pdf Annual Installed Wind Capacity Global Wind Energy Council http://www.net/fileadmin/documents/PressReleases/PR_stats_annex_table_2nd_feb _final_final.pdf Growth in US Wind Power Capacity With new installations of about 4000 MW in First Half 2009 Historical Change in Wind Economics, Constant 2005 Dollars Source: National Renewable Energy Lab (NREL), Energy Analysis Office Top 10 Countries - Installed Wind Capacity (as of the end of 2008) Country MW Capacity % of Global Capacity US 25,170 MW 20.4% Total top 10 104,104 MW 86.2% Global Wind Energy Council http://www.net/fileadmin/documents/PressReleases/PR_stats_annex_table_2nd_feb _final_final.pdf US Wind Resources http://www.gov/pdfs/wind_maps/us_windmap.pdf http://www.org/en/pictures/lacour.htm Wind Resource Atlas of SouthEast Asia Wind Resource Atlas of SouthEast Asia Vietnam is really going green • First windmills of 2, 0 MW/unit already installed along Natonal Highway 1 A in Tuy Phong District- Binh Thuan Province => Demand for Green Power is a must in Vietnam in the near future. => Training and Researches in the field of Green Energy related to electric power really attract undergraduate and graduate students. Worldwide Wind Resource Map Source: www.edu/WindPower/ResourceMap/index-world.html Types of Wind Turbines • “Windmill”- used to grind grain into flour • Many different names - “wind-driven generator”, “wind generator”, “wind turbine”, “wind-turbine generator (WTG)”, “wind energy conversion system (WECS)” • Can have be horizontal axis wind turbines (HAWT) or vertical axis wind turbines (VAWT) • Groups of wind turbines are located in what is called either a “wind farm” or a “wind park” Horizontal axis wind turbines (HAWT) are either upwind machines (a) or downwind machines (b).

Vertical axis wind turbines (VAWT) accept the wind from any direction (c). Vertical Axis Wind Turbines • Darrieus rotor - the only vertical axis machine with any commercial success • Wind hitting the vertical blades, called aerofoils, generates lift to create rotation • No yaw (rotation about vertical axis) control needed to keep them facing into the wind • Heavy machinery in the nacelle is located on the ground • Blades are closer to ground where windspeeds are lower http://www.uk/Darrieus-Wind-Turbines.htm http://www.com/topics/Darrieus_wind_turbine Horizontal Axis Wind Turbines • “Downwind” HAWT – a turbine with the blades behind (downwind from) the tower • No yaw control needed- they naturally orient themselves in line with the wind • Shadowing effect – when a blade swings behind the tower, the wind it encounters is briefly reduced and the blade flexes Horizontal Axis Wind Turbines • “Upwind” HAWT – blades are in front of (upwind of) the tower • Most modern wind turbines are this type • Blades are “upwind” of the tower • Require somewhat complex yaw control to keep them facing into the wind • Operate more smoothly and deliver more power Number of Rotating Blades • Windmills have multiple blades – need to provide high starting torque to overcome weight of the pumping rod – must be able to operate at low windspeeds to provide nearly continuous water pumping – a larger area of the rotor faces the wind • Turbines with many blades operate at much lower rotational speeds - as the speed increases, the turbulence caused by one blade impacts the other blades • Most modern wind turbines have two or three blades •Wind turbines with many blades operate with much lower rotational speed than those with fewer blades. As the rpm of the turbine increases, the turbulence caused by one blade affects the efficiency of the blade that follows. •With fewer blades, the turbine can spin faster before this interference becomes excessive.

•And a faster spinning shaft means that generators can be physically smaller in size. •Most modern European wind turbines have three rotor blades, while American machines have tended to have just two. •Three-bladed turbines show smoother operation since impacts of tower interference and variation of windspeed with height are more evenly transferred from rotors to drive shaft. They also tend to be quieter.

The third blade, however, does add considerably to the weight and cost of the turbine. •A three-bladed rotor also is somewhat more difficult to hoist up to the nacelle during construction or blade replacement. Power in the Wind • Consider the kinetic energy of a “packet” of air with mass m moving at velocity v 1 2 KE  mv (6.1) 2 • Divide by time and get power 1  m passing though A  2 Power through area A   v (6.2) 2 t  • The mass flow rate is (r is air density) m passing though A m = =  Av (6.3) t Power in the Wind Combining (6.3), 1 Power through area A    Av  v 2 2 1 PW   Av3 (6.4) Power in the wind 2 PW (Watts) = power in the wind ρ (kg/m3)= air density (1.225kg/m3 at 15˚C and 1 atm) A (m2)= the cross-sectional area that wind passes through v (m/s)= windspeed normal to A (1 m/s = 2.237 mph) Power in the Wind (for reference solar is about 600 w/m^2 in summer) • Power increases like the cube of wind speed • Doubling the wind speed increases the power by eight • Energy in 1 hour of 20 mph winds is the same as energy in 8 hours of 10 mph winds • Nonlinear, so we cannot use average wind speed Power in the wind, per square meter of cross section, at 15◦C and 1 atm.5 Power in the Wind 1 PW   Av3 (6.4) 2 • Power in the wind is also proportional to A • For a conventional HAWT, A = (π/4)D2, so wind power is proportional to the blade diameter squared • Cost is roughly proportional to blade diameter • This explains why larger wind turbines are more cost effective Example 01 – Energy in 1 m2 of Wind 1 Energy   Av3t 2 • 100 hours of 6 m/s winds 1 3 Energy  1.225 kg/m  (1m )  9 m/s  50 h=22,326 Wh 3 2 2 Don’t use average total = 23,152 Wh windspeed! Air Density for Different Temperatures and Pressures P  M.7) RT • P = absolute pressure (atm) • M. = molecular weight of air (g/mol) = 28.97 g/mol • T = absolute temperature (K) • R = ideal gas constant = 8.2056·10-5·m3·atm·K-1·mol-1 • Air density is greater at lower temperatures Air Density Altitude Correction Figure 6.7 dP dP  P( z  dz )  P( z )   g  dz (6.7, we get a differential equation in terms of pressure: dP 4 1.13) dz where H is in meters Air Density Correction Factors • Can correct air density for temperature and altitude using scale factors   1.14) • Temperature correction factors KT and altitude correction factors KA are in Tables 6.2 respectively Impact of Elevation and Earth’s Roughness on Windspeed • Since power increases like the cube of windspeed, we can expect a significant economic impact from even a moderate increase in windspeed • There is a lot of friction in the first few hundred meters above ground – smooth surfaces (like water) are better • Windspeeds are greater at higher elevations – tall towers are better • Forests and buildings slow the wind down a lot • Can characterize the impact of rough surfaces and height on wind speed Impact of Elevation and Earth’s Roughness on Windspeed  v  H    (6.15) v0  H 0  • α = friction coefficient – given in Table 6.3 • v = windspeed at height H • v0 = windspeed at height H0 (H0 is usually 10 m) • Typical value of α in open terrain is 1/7 • For a large city, α = 0.4; for calm water, α = 0.1 Impact of Elevation and Earth’s Roughness on Windspeed • Alternative formulation (used in Europe) v ln( H / z )  (6.16) v0 ln( H 0 / z ) • z is the “roughness length” – given in Table 6.4 • Note that both equations are just approximations of the variation in windspeed due to elevation and roughness– the best thing is to have actual measurements Impact of Elevation and Earth’s Roughness on Power in the Wind • Combining (6.17) P0  v0   H 0  • The other constants in the power in the wind equation (6.4) are the same, so they just cancel: 1  Av3 P 2  P0 1  Av 3 0 2 Impact of Elevation and Earth’s Roughness on Windspeed Figure 6.8 For a small town, windspeed at 100 m is twice that at 10 m Areas with smoother surfaces have less variation with height Ex.

02- Rotor Stress • Wind turbine with hub at 50-m and a 30-m diameter rotor, α = 0.2 65 m • Find the ratio of power in the wind at highest point to 50 m lowest point 30.45 P0  35  • Power in the wind at the top of the blades is 45% higher! Picture may not be to scale Maximum Rotor Efficiency • Two extreme cases, and neither makes sense- • Downwind velocity is zero – turbine extracted all of the power • Downwind velocity is the same as the upwind velocity – turbine extracted no power • Albert Betz 1919 - There must be some ideal slowing of the wind so that the turbine extracts the maximum power Maximum Rotor Efficiency • Constraint on the ability of a wind turbine to convert kinetic energy in the wind into mechanical power • Think about wind passing though a turbine- it slows down and the pressure is reduced so it expands Figure 6.9 Power Extracted by The Blades 1 Pb  m  v 2  vd 2  (6.18) 2 • ṁ = mass flow rate of air within stream tube • v = upwind undisturbed windspeed • vd = downwind windspeed • From the difference in kinetic energy between upwind and downwind air flows and (6.2) Determining Mass Flow Rate • Easiest to determine at the plane of the rotor because we know the cross sectional area A • Then, the mass flow rate from (6.19) • Assume the velocity through the rotor vb is the average of upwind velocity v and downwind velocity vd: v  vd  v  vd  vb = m   A   2  2  Power Extracted by the Blades • Then (6.18) becomes 1  v  vd  2 Pb   A  2  2    v  vd  2 (6.22) 2  2  Power Extracted by the Blades 1  v  v  2   v  2 2 Pb   A  v   (6.