Chương 1: Lý do chọn đề tài, ý nghĩa khoa học – thực tiễn, đối tượng, phạm vi và mục tiêu nghiên cứu. - Chương 2: Trình bày tổng quan về năng lượng gió, máy phát điện gió và kết cấu hầm gió. Các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến việc cải tiến nâng cao năng suất cho tuabin gió - Chương 3: Cơ sở lý thuyết về tuabin gió trục ngang, cơ sở lý thuyết về dòng chảy ảnh hưởng đến tuabin gió, các công thức để tính toán, thiết kế hầm gió - Chương 4: Xác định kết cấu hầm gió thông qua mô phỏng, thí nghiệm và chế tạo thực nghiệm để đánh giá kết quả - Chương 5: Thực nghiệm – Đánh giá - Chương 6: Kết luận – Kiến nghị 4 Luan van Chương 2 TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan về năng lượng gió 2.1 Năng lượng gió Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển của Trái Đất. Năng lượng gió là một hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời.2 Nguyên nhân hình thành gió Bức xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và mặt đất nóng không đều nhau.
Bức xạ mặt trời ở vùng xích đạo nhận được nhiều hơn so với hai cực. Thêm vào đó hiện tượng ngày và đêm trên Trái Đất cũng tạo ra sự khác biệt nhiệt độ giữa các vùng trên bề mặt Trái Đất và vì thế sẽ khác nhau về áp suất tạo nên sự di chuyển không khí. Sự di chuyển của không khí được gọi là gió. Trái Đất xoay đi cũng góp phần vào việc làm xoáy không khí và trục Trái Đất nghiêng đi cũng tạo nên các dòng không khí theo mùa.
Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay quanh trục của Trái Đất nên không khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển động thắng 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 vùng áp thấp ngược với chiều kim đồng hồ và ra khỏi một vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ. Trên Nam bán cầu thì chiều hướng ngược lại.3 Đơn vị và hướng gió Đơn vị của tốc độ gió được tính theo kilomet trên giờ (km/h) hoặc mét trên giây (m/s) hoặc knot ( kn: hải lý trên giờ) hoặc Mile trên giờ (mph) tại Mỹ. 1 mph = 1,609344 km/h = 0,8690 kn =0,447 m/s Hướng gió là hướng mà từ đó gió thổi tới điểm quan trắc.
Hướng gió được biểu thị bằng phương vị đông, tây nam, bắc hoặc theo góc là lấy hướng bắc làm 5 Luan van mốc ở vị trí 0° hoặc 360° và tính theo chiều kim đồng hồ. Như vậy hướng đông ứng với 90°, hướng nam ứng với 180° và hướng tây ứng với góc 270°.1 Cột xác định hướng gió 2.4 Bản đồ gió Việt Nam Nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài, lại có gió Tây Nam thổi vào mùa hè, Việt Nam có một thuận lợi cơ bản để phát triển năng lượng gió. So sánh tốc độ gió trung bình trong vùng Biển Đông Việt Nam và các vùng biển lân cận cho thấy gió tại biển Đông khá mạnh và thay đổi nhiều theo mùa. Trong năm 2001, Ngân hàng Thế giới tài trợ xây dựng bản đồ gió cho 4 nước Việt Nam – Lào – Campuchia - Thái Lan nhằm hỗ trợ phát triển năng lượng gió cho khu vực [8].
Bản nghiên cứu này với dữ liệu gió lấy từ trạm khí tượng thủy văn và dữ liệu từ phần mềm mô phỏng MesoMap, đưa ra ước tính sơ bộ về tiềm năng gió ở Việt Nam tại độ cao 65m và 30m cách mặt đất. 6 Luan van Hình 2.2 Bản đồ gió tại độ cao 65m Hình 2.3: Bản đồ gió tại độ cao 30m Theo kết quả từ bản đồ năng lượng gió này, tiềm năng gió của Việt Nam là lớn nhất so với 3 nước còn lại: hơn 39% tổng diện tích Việt Nam được ước tính có diện tích gió trung bình hằng năm lớn hơn 6m/s ở độ cao 65m, tương đương với tổng công suất 512GW. Đặc biệt hơn, hơn 8% diện tích Việt Nam, được xếp có tiềm năng gió rất tốt. 7 Luan van Bảng 2.
1: Tiềm năng gió của Việt Nam ở độ cao 65m so với mặt đất. [8] Ở độ cao 30m và 65m, nơi có tiềm năng lớn để phát triển phong điện là vùng núi và cao nguyên Tây Nguyên đặc biệt là khu vực rộng lớn tiếp giáp 2 tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận, duyên hải Nam Trung Bộ mà tiềm năng lớn nhất là Ninh Thuận và Bình Thuận (vùng này có vận tốc gió trung bình lớn, xu hướng ổn định và có số lượng bão trong khu vực ít), xa hơn về phía bắc là khu vực hai tỉnh Quảng Bình và Quảng Trị. Tại những khu vực này gió mạnh, vận tốc 6-8m/s phù hợp để lắp đặt các tuabin có công suất lớn (3 – 3,5MW). Vùng duyên hải Bắc Bộ từ Quảng Ninh, Hải Phòng đến Thanh Hóa, duyên hải Nam Bộ là những vùng có tiềm năng đáng kể, vận tốc gió từ 4-6m/s, phù hợp với tua bin có công suất trung bình.
Tuy nhiên bảng đồ gió của ngân hàng thế giới được đánh giá là quá lạc quan và có sự chênh lệch với số liệu đo gió thực tế của tập đoàn điện lực Việt Nam EVN. Sự chênh lệch này có thể là do sai số trong mô phỏng tính toán (bảng 2. 2: So sánh vận tốc gió trung bình của EVN và bản đồ gió của WB. [9] 8 Luan van Đầu năm 2010, bộ Công Thương với sự hỗ trợ của ngân hàng thế giới, đơn vị thực hiện là AWS Truepower - tiền thân là TrueWind Solutions tạo một bản đồ gió mới cho Việt Nam để cập nhật vào bản đồ gió trước đó.4: Bản đồ phân bố tốc độ gió của Việt Nam ở độ cao 80m [3] Theo bản đồ mới này, khu vực đầy hứa hẹn để phát triển năng lượng gió là duyên hải Nam Bộ, Nam Trung Bộ và khu vực đèo núi miền Trung Việt Nam.
Dọc theo duyên hải Nam Trung Bộ tốc độ gió trung bình được dự đoán sẽ đạt 6,5-7m/s. Khu vực khác có tốc độ gió khả quan (5-6m/s) là duyên hải gần Cần Thơ. Khu vực thứ ba được quan tâm là khu vực đèo núi phía tây tỉnh Bình Định, khu vực giáp ranh giữa Gia Lai và Đắc Lắc. Đi ngược về phía bắc thì duyên hải gần Quảng Bình và phía đông nam Hà Nội, ở những khu vực này chủ yếu là gió từ biển vào và gió Tây khô nóng.
9 Luan van Ở Bắc Bộ, nhiều nơi có thể khai thác tốt như khu vực Đông Bắc. Ở Tây Bắc, tại các điểm trên cao và cao nguyên Mộc Châu, dọc theo dãy Hoàng Liên Sơn năng lượng rất khả quan (tốc độ gió tại độ cao 80m là 4-5m/s). Một số nơi như vùng núi thấp và trung du Bắc Bộ, các khu vực thấp ở phía Tây Bắc, vùng núi thấp Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh và khu vực nằm sâu trong đất liền của đồng bằng Nam Bộ, tại độ cao này vẫn có tiềm năng hạn chế. Trong đất liền, Tây Nguyên là khu vực giàu tiềm năng nhất (5.75m/s), chỉ trừ vùng đất thấp phía tây giáp với Campuchia tiềm năng vẫn thấp, còn các nơi khác việc khai thác năng lượng gió tại độ cao này đều cho hiệu quả khả quan.
3: Tiềm năng năng lượng gió tại độ cao 80m theo atlas [3] Kết quả mô phỏng có thể sai lệch từ 5-8% so với tốc độ và hướng gió thực nên không thể dựa vào bản đồ phân bố tốc độ gió để dự toán sản lượng điện hằng năm cho một cánh đồng gió[5]. Tuy nhiên đây là một nguồn thông tin quan trọng vì bản đồ phân bố tốc độ gió cung cấp cho các nhà đầu tư có cái nhìn tổng thể về những địa điểm có tiềm năng với tốc độ gió cao thích hợp để xây dựng nhà máy điện gió.2 Tổng quan về máy phát điện gió 2.1 Lịch sử phát triển máy phát điện gió Hàng nghìn năm nay con người đã biết khai thác sức gió để vận hành những cỗ máy phục vụ cho cuộc sống của mình, từ việc vận dụng sức gió để dong buồm ra khơi cho đến vận hành các máy bơm nước hay xay ngũ cốc. Brush đã chế tạo máy phát điện chạy bằng sức gió đầu tiên đặt tại Cleveland, Ohio [4] với các đặc điểm: - Cánh được ghép thành xuyến tròn, đường kính 17m. - Sử dụng hộp số (tỉ số truyền 50:1) ghép giữa cánh tuabin với trục máy phát.
10 Luan van - Tốc độ định mức của máy là 500vòng/phút. - Công suất phát định mức 12KW.5: Tuabin gió Charles F.Brush Năm 1891 tuabin gió đầu tiên được chế tạo bên ngoài nước Mỹ để phát điện tại Đan Mạch bởi Poul la Cour. Tuabin gió này có một trục bốn cánh kiểu cánh máy bay và có trục quay nhanh hơn.6: Tuabin gió Poul la Cour 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.
Sự phát triển 11 Luan van của máy phát điện chạy sức gió trong thời kỳ này có đặc điểm ít về số lượng, lắp đặt rải rác nhưng tập trung chủ yếu ở Mỹ, các nước Tây Âu như Đan Mạch, Đức, Pháp, Hà Lan với công suất máy phát thấp chủ yếu nằm ở mức vài chục kW. Tua bin Savonius được phát minh bởi kỹ sư người Phần Lan – Sigurd Johannes Savonius vào năm 1922. Đây là một dạng tua bin gió trục đứng đơn giản bao gồm các gầu dạng bán xy-lanh lắp trên trục quay hoặc một khung sườn. Năm 1931 kĩ sư người Pháp Geoge Darrieus phát minh tuabin gió trục đứng Darrieus.
Tuabin mày có hai cánh mềm dạng cánh máy bay. Một đầu cánh gắn ở đỉnh và một đầu cánh gắn xuống đáy trục chính tuabin, giống như một cái máy đánh trứng khỏng lồ. Sau đó nhứng mẫu thiết kế được cải tiến với cánh quạt có rãnh để hiệu suất cao hơn. Thị trường ứng dụng cho các máy phát điện sức gió chỉ thật sự phát triển vào những năm cuối thập kỷ 70 thuộc thế kỷ 20, khi mà cuộc khủng hoảng dầu mỏ nổ ra.
Trong thời kỳ này, máy phát điện sức gió được lắp đặt thành từng vườn sức gió và được vận hành độc lập bởi các nhà phát triển.