Chương 1: Tổng quan Chương 2: Giới thiệu về năng lượng gió và ứng dụng của tuabin gió trên các đường cao tốc Chương 3: Nhận định đánh giá khả năng áp dụng tại Việt Nam Chương 4: Tổng kết Kỹ năng chuyên nghiệp cho kỹ sư - HK222 Trang 2/28 Đại học Quốc gia TP.HCM Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM Chương 2 Giới thiệu về năng lượng gió và ứng dụng của tuabin gió trên các đường cao tốc 2.1 Giới thiệu về năng lượng gió và ứng dụng của năng lượng gió hiện nay 2.1 Năng lượng gió là gì? Gió là một trong những loại năng lượng được sử dụng rất lâu đời. Từ xa xưa cha ông ta đã biết sữ dụng năng lượng gió để di chuyên thuyền buồm trên biển. Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái Đất. Năng lượng gió là một hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời.
Sử dụng năng lượng gió là một trong các cách lấy năng lượng xa xưa nhất từ môi trường tự nhiên. Năng lượng gió trong turbin là quá trình gió sử dụng hoạt động di chuyển của mình quay tuabin gió để tạo ra năng lượng cơ học. Tuabin gió là thiết bị giúp chuyển hóa động năng thành cơ năng. Người ta sử dụng năng lượng gió để tạo ra điện, vận dụng sự chuyển động của luồng không khí trong không trung tạo ra chuyển động.
Tuabin gió giữ trách nhiệm mang năng lượng gió chuyển thành điện năng 2.2 Ứng dụng của năng lượng gió Từ nhiều thế kỷ trước, con người đã biết tận dụng sức gió để phục vụ sản xuất và tạo ra điện. Ngoài ra năng lượng gió còn được sử dụng để tạo công cơ học nhờ vào các cối xay gió. Trước cách mạng công nghiệp, người ta đã biết dùng sức gió cho nhiều hoạt động kinh tế trên đất liền. Người Hà Lan dùng quạt gió làm cạn châu thổ sông Rhin để lấn biển mở rộng lãnh thổ của họ.
Sau cách mạng công nghiệp, với sự phát triển của điện lực, người ta đã thử dùng những quạt gió để sản xuất điện. Kỹ năng chuyên nghiệp cho kỹ sư - HK222 Trang 3/28 Đại học Quốc gia TP.HCM Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM Ý tưởng dùng năng lượng gió để sản xuất điện hình thành ngay sau các phát minh ra điện và máy phát điện. Lúc đầu nguyên tắc của cối xay gió chỉ được biến đổi nhỏ và thay vì là chuyển đổi động năng của gió thành năng lượng cơ học thì dùng máy phát điện để sản xuất năng lượng điện. Khi bộ môn cơ học dòng chảy tiếp tục phát triển thì các thiết bị xây dựng và hình dáng của các cánh quạt cũng được chế tạo đặc biệt hơn.
Ngày nay người ta gọi đó tuabin gió. Vì gió không thổi đều đặn nên, để cung cấp năng lượng liên tục, năng lượng điện phát sinh từ các tuabin gió chỉ có thể được sử dụng kết hợp chung với các nguồn năng lượng khác như năng lượng mặt trời. Theo AWEA (Hội năng lượng gió Hoa Kỳ) thì, năm 2009, Hoa Kỳ đã lắp đặt 9.922 MW công suất điện gió, tăng 39% so với 2008 và nâng tổng công suất điện gió lắp đặt ở Hoa Kỳ lên hơn 35. Nước ta có trên 3.000 km chiều dài bờ biển và 90% lãnh thổ của ta là đồi núi.
Có ý kiến nói rằng tổng công suất phong năng của ta ước đạt 513.360 MW, bằng hơn 200 lần công suất của Thủy điện Sơn La thì hơi quá. Nhưng chắc chắn địa thế của ta rất thuận lợi để khai thác phong năng. Nông nghiệp, hơn nửa tổng số lao động của cả nước, dùng sức con người và súc vật là chính. Vài nơi dùng động cơ máy nổ và máy điện.
Đây là một thị trường lớn cho những máy bơm nước chạy bằng sức gió cần sớm khai thác.2 Ứng dụng của tuabin gió trên các đường cao tốc Các ứng dụng của tuabin gió trên các đường cao tốc bao gồm: • Giảm lực lưu thông gió: Khi các xe cộ di chuyển trên đường cao tốc, chúng tạo ra lực lưu thông gió tác động lên các vật cản trong môi trường xung quanh. Nhờ vậy, các phương tiện giao thông có thể di chuyển dễ dàng và an toàn hơn. • Tăng hiệu quả năng lượng: Các tuabin gió có thể được sử dụng để tạo ra điện năng từ sức gió trên đường cao tốc. Năng lượng này có thể được sử dụng để cung cấp cho các thiết bị chiếu sáng, camera an ninh, hệ thống thông tin giao thông,.
• Giảm tiếng ồn: Các tuabin gió cũng có thể được sử dụng để giảm tiếng ồn tạo ra bởi các xe cộ trên đường cao tốc. Chúng có thể tạo ra một vùng "yên tĩnh" xung quanh đường cao tốc, giúp giảm thiểu ảnh hưởng tiếng ồn đến môi trường xung quanh. Để tìm hiểu rõ hơn ứng dụng tuabin gió trong thực tiễn, nhóm chọn ra 2 địa điểm đã áp dụng thành công mô hình tuabin gió trên đường cao tốc là Pakistan và Ấn Độ. Đây là 2 nước nằm trong khu vực Châu Á nhằm cho nhóm hiểu rõ hơn về nguyên lí của tuabin gió dạng ống trụ.
Trong phần này, nhóm sẽ tìm hiểu xem ở Ấn Độ và Pakistan có những đặc điểm tự nhiên cũng như về sơ đồ thiết kế mô hình của tuabin của 2 nước này, làm tiền đề để đánh giá mô hình tuabin gió khi áp dụng tại Việt Nam. Kỹ năng chuyên nghiệp cho kỹ sư - HK222 Trang 4/28 Đại học Quốc gia TP.HCM Trường Đại Học Bách Khoa TP.1 Ứng dụng tuabin gió dạng ống trụ trên các đường cao tốc ở Ấn Độ 2.1 Đặc điểm tự nhiên - Vận tốc gió: Vận tốc gió là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến việc lắp đặt tuabin gió trên đường cao tốc tại Ấn Độ. Để đạt được hiệu suất hoạt động và công suất sản xuất điện tối đa, việc chọn vị trí lắp đặt tuabin gió trên đường cao tốc cần phải dựa trên nghiên cứu và phân tích sức gió tại khu vực đó. Ở Ấn Độ, vận tốc gió trung bình thường xuyên dao động trong khoảng từ 4 đến 7,5 m/s, tùy thuộc vào địa hình và mùa vụ.
Với vận tốc gió này, các tuabin gió có thể hoạt động hiệu quả và sản xuất điện ổn định. Tuy nhiên, nếu vận tốc gió quá thấp, tuabin gió sẽ không đạt hiệu suất cao và không đủ để sản xuất điện. Nếu vận tốc gió quá mạnh, tuabin gió sẽ phải tự động ngừng hoạt động để tránh các rủi ro về an toàn. Do đó, việc phân tích sức gió tại khu vực đó và lựa chọn tuabin gió phù hợp là rất quan trọng trong việc triển khai dự án tuabin gió trên đường cao tốc tại Ấn Độ.
- Khí hậu: Khí hậu ở Ấn Độ rất đa dạng và ảnh hưởng đến việc triển khai các dự án tuabin gió trên đường cao tốc. Ấn Độ có khí hậu nóng, khô và ẩm ở một số khu vực, trong khi các khu vực khác lại có khí hậu mát mẻ và ôn hòa. Vùng bắc của Ấn Độ thường trải qua mùa đông lạnh và mưa mùa hạ, trong khi miền nam thường trải qua mùa khô và mưa mùa đông. Với một số khu vực của Ấn Độ, gió mùa cũng có ảnh hưởng lớn đến việc triển khai các dự án tuabin gió.
Các khu vực ven biển và các đồng bằng thường có gió mạnh hơn so với các khu vực nội địa. Những ngày gió mạnh có thể làm giảm hiệu suất của các tuabin gió hoặc đặt chúng vào rủi ro lớn hơn nếu không được thiết kế và xây dựng đúng cách. Ngoài ra, các cơn bão, lốc xoáy, lũ lụt, và nắng nóng cũng có thể làm giảm hiệu suất hoạt động của các tuabin gió hoặc gây ra thiệt hại đến chúng. Việc đánh giá các yếu tố khí hậu và xây dựng các tuabin gió đủ mạnh và bền vững để chịu đựng những tác động này là cần thiết để đảm bảo an toàn và hiệu quả cho các dự án tuabin gió trên đường cao tốc ở Ấn Độ.
- Vận tốc xe trên đường cao tốc: Ấn Độ có một hệ thống đường cao tốc phát triển với tổng chiều dài khoảng 30. Tuy nhiên, theo báo cáo của Tổ chức Y tế Thế giới, năm 2018, Ấn Độ là quốc gia có mức độ tai nạn giao thông cao nhất thế giới, với hơn 200.000 người chết mỗi năm do tai nạn giao thông. Vì vậy, khi triển khai các dự án tuabin gió trên đường cao tốc, cần phải thiết kế sao cho không ảnh hưởng đến tốc độ xe trên đường cao tốc và đảm bảo an toàn giao thông. Vận tốc xe trên đường cao tốc ở Ấn Độ khác nhau tùy thuộc vào nhiều yếu tố như loại đường cao tốc, tình trạng giao thông, độ phân cách, độ dốc, thời gian trong ngày, thời tiết, vv.
Theo một báo cáo năm 2021 của Tổng cục Đường bộ Ấn Độ, vận tốc trung bình của các phương tiện giao thông trên đường cao tốc ở Kỹ năng chuyên nghiệp cho kỹ sư - HK222 Trang 5/28 Đại học Quốc gia TP.HCM Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM Ấn Độ là khoảng 50-60 km/h. Tuy nhiên, trên một số tuyến đường cao tốc như Mumbai-Pune Expressway, Yamuna Expressway, Delhi-Jaipur Expressway, Chennai-Bengaluru Expressway, vận tốc có thể đạt tới 80-100 km/h trong một số đoạn đường. Ngoài ra, vận tốc trên đường cao tốc ở Ấn Độ còn bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác như tình trạng ô nhiễm, khả năng lái xe của tài xế, lối điều khiển phương tiện của các trạm thu phí, vv. Do đó, việc tính toán vận tốc của phương tiện và đảm bảo an toàn cho các thiết bị tuabin gió trên đường cao tốc sẽ đòi hỏi các phương pháp đánh giá rủi ro và phân tích kỹ thuật chi tiết.2 Mô hình ở Ấn Độ - Mô tả thiết kế mô hình: Tua-bin gió trục đứng có thể được lắp đặt trên dải phân cách giữa các tuyến đường để gió từ hai bên dải phân cách sẽ tác động tiếp tuyến ngược chiều nhau về hai phía của tua-bin, do đó làm tăng tốc độ gió hiệu quả tác động lên tua-bin.
Luồng gió này sẽ phụ thuộc vào vận tốc của xe, kích thước của xe và cường độ giao thông. Dựa trên các nghiên cứu đã đưa ra một thiết kế tuabin gió tối ưu. Năng lượng gió được khai thác thông qua phương pháp này có thể được sử dụng cho chiếu sáng đường phố, đèn tín hiệu giao thông, cổng thu phí, v.1 là một hình mẫu model đã được thí nghiệm và các thông số của model về bán kính, chiều cao, góc giữa 2 cánh quạt.1: Model turbin gió tại Ấn Độ Bảng 2.1: Bảng thông số về model Kỹ năng chuyên nghiệp cho kỹ sư - HK222 Trang 6/28 Đại học Quốc gia TP.HCM Trường Đại Học Bách Khoa TP.