CHƯƠNG 1 TỎNG QUAN NĂNG LƯỢNG GIÓ II Tinh hình phát triển năng lượng gió trên thé giới Năng lượng gió đã được con người khai thác vào thế kỷ XIII ở Châu Âu bằng việc tạo ra các cối xay gió để phục vụ cho sản xuất nông nghiệp.1: Cối xay gió cô ở đảo Ha Lan (http://: en.wikipedia) Ky nguyên của máy phát điện dùng sức gió bat đầu vào cận những năm 1900. Tuabin gió hiện đại đầu tiên được thiết kế đặc biệt cho máy phát điện được xây dựng bởi người Đan Mạch trong năm 1890. Nó cung cấp điện cho vùng nông thôn với công suât định mức nhỏ. Ngày nay gió là một nguồn năng lượng phát triển nhanh nhất trên toàn thế giới và đã giữ vững vị trí này trong những năm trở lại đây.
Năng suất gió toàn cầu đã tăng trong suốt 5 năm vừa qua, với tong công suất lắp đặt đạt 283GW (2012-xem hình 1. Các nước dẫn đầu trong lĩnh vực khai thác năng lượng gió được sắp xếp trong hình 1.2 Công suất điện gió 1996-2012 [GWEC] Added ¡in 2012 TM 2011 total +24 a HA Nã +1? +13 +08 409 +01 | ã Km ss =: China United Germany Spain India United ltaly France Canada Portugal States Kingdom Hình 1.3: Top 10 các nước sản xuất điện gió nhiều nhất tính đến năm 2012 [GWEC] Theo Hiệp Hội Nang Luong Gió toàn cầu (GWEC), đến năm 2030, tong sản lượng điện gió có thể đạt mức 2000GW. Cơ cấu các khu vực phát triển năng lượng gió như hình 14 16 DECD Asia Pacific3% ——— OECD North America 20% OECD Asia Paxific 4% ————————— OECD Korth America 21% China 28% Cine 26% L#in Area Letis = — 7 ren ——~5% Man-IED _ Asia ” i Kon-&@ Asia 7% india 0% orca Europe 231%: / OECD Ezeee 20% India 8% ' Easiepe Emap Eanecie ! Eastern Europe ý Eurava 456 ˆ \ Arica 4% Middle East 1% Arica 5% Widdle East 1% 2020 2030 2020 20130 DECD North America 156,366 295,822 OECD Korth America 173,684 399,912 Latin Amesica 13,144 82,242 Latin America 32,680 104,103 DECD Europe 291,419 337,234 OECD Europe 225,577 386,017 Africa 19,039 15,287 Africa 20,955 86,012 Middle East 1,333 11,999 Middle East 1,333 14,165 Eastern Europe ! Eurasia 14,244 62,051 Eastern Europe ý Eurasia 24,748 75,669 Indla 49,111 125,382 Indls 33,872 154,20! Ren-0FCD Asis 6,261 30,710 Hon-DECD Asa 16,033 137,231 Ching 216,646 414,406 China 230,048 497,505 OECD Asia Pacific 17,318 £6,623 OED Asia Pacific 19,686 793.1 Global Total / MW 712,081 1,479,767 GiebaiTetal/MW 800,615 1,933,989 Hình 1.4: Dự báo công suất gió toàn cầu đến năm 2030(GW) [GWEC] 1.2 Tình hình phát triển năng lượng gió ở Việt Nam Đầu tư vảo phát triển bền vững năng lượng tái tạo, trong đó có năng lượng gió để kịp thời tạo nguồn bồ sung điện năng giai đoạn 2010- 2020 dang là hướng đi day tiềm năng và nhận được sự quan tâm đặc biệt của Chính phủ. Gần đây, Chính phủ đã xác định rõ các mục tiêu trong định hướng phát triển dạng “điện xanh” này.
Trong đó, năng lượng gid được xem như la một lĩnh vực trọng tâm, do Việt Nam được xem là nước có giàu tiềm năng nhất trong khu vực Đông Nam Á. Một số nghiên cứu đánh giá cho thấy Việt Nam có tiềm năng gió để phát triển các dự án điện gió với quy mô lớn là rất khả thi. 17 Bản đồ tiềm năng gió của Ngân hàng Thế giới (Worldbank, 2001) được xây dựng cho bốn nước trong khu vực Đông Nam Á (gồm: Việt Nam, Cam-pu-chia, Lào, và Thái Lan) dựa trên phương pháp mô phỏng bằng mô hình số trị khí quyén. Theo kết quả từ ban dé năng lượng gió nay, tiềm năng năng lượng gió ở độ cao 65 m của Việt Nam là lớn nhất so với các nước khác trong khu vực, với tiểm năng năng lượng gió lý thuyết lên đến 513.
Những khu vực được hứa hẹn có tiềm năng lớn trên toàn lãnh thô là khu vực ven biên và cao nguyên miên nam Trung Bộ và Nam Bộ. Bang 1-1: Tiềm năng gió của Việt Nam ở độ cao 80 m so với bề mặt đất Tốc độ gió trung bình | <4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 >9 (m/s) Dién tich 95.01 chiêm (%) Tiêm năng 956.202 200 10 (MW) Một số dự án điện gió ở Việt Nam: dự án điện gió ở Xã Bình Thạnh, huyện Tuy Phong, tỉnh Bình Thuận với 80 tuabin, tổng công suất 120 MW trong giai đoạn từ 2011 đến 2015) và đã đi vào hoạt động từ năm 2012. Dự án điện gió trên biển dau tiên nước ta ở đảo Phú Qui, tỉnh Bạc Liêu đã hoàn thành giai đoạn 1 với 10 tuabin, mỗi tuabin 1. Các cột điện gió trên biên thuộc Nha máy điện gió Bạc Liêu [ http//vietq.vn| 19 CHƯƠNG 2 HE THONG CHUYEN ĐÔI NANG LUONG GIO Chương này sẽ giới thiệu về hệ thống san xuất năng lượng điện va quá trình chuyên đổi các dạng năng lượng sơ cấp thành năng lượng điện.
Phần quan trọng trong chương này là đề cập đến việc khai thác năng lượng gió, miêu tả các hệ thong tuabin gió và các hệ thống biến đổi năng lượng gió dùng máy phát điện nguôn kép.1 Quá trình chuyền đối năng lượng gió 2.1 Sự hình thành gió Gió là sự di chuyển của khối không khí trong khí quyền, chủ yếu bắt nguồn do khác nhau về nhiệt độ giữa các vùng của trái đất. Vùng bức xạ mặt trời chiếu xuống trực tiếp một nữa trái đất (ban ngày) và một nữa bề mặt trái đất (ban đêm) bị che khuất không nhận được bức xạ từ mặt trời. Thêm vào đó là bức xạ mặt trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn là ở các cực. Điều này dẫn đến sự khác nhau về áp suất làm cho khối không khí giữa xích đạo và hai cực cũng như không khí giữa mặt ban ngày và mặt ban đêm của trái đất di chuyển tạo thành gió.
Bên cạnh, sự quay quanh trục của trái đất cũng góp phần làm xoáy luồng không khí, tạo thành các dòng không khí theo mùa.2 Mật độ phân bo gió Ham mật độ xác suất thông thường nhất để mô tả tốc độ gió là hàm phân bố Weibull, xem hình 2.la và được biéu diên bởi công thức: kK-l /V„/\# (2.C ( ) Trong đó k và C là hệ số hình dạng và hệ số tỷ lệ tương ứng. Hệ số này được điều chỉnh để phù hợp với dữ liệu gió tại một vi trí thích hợp. 20 " — Xác suat lớn nhat ứng Ê nos ⁄ | y N _ tốc độ gió tương ứng | a ˆ “+ , > g0eL / | Ẩ = o- ` E xe— Tốc đệ giỏ trung bình 004+ / i 4 .0 z , NG 0 it ——— 0 10 l 0 Ví `0 l » +0 Z < / z 3 ⁄ — | ⁄ ~ a Hình 2.1: (a) Phân bố xác suất Weibull và (b) Phân bố mật độ công suất [16] Hàm xác suất phân bố Weibull hình 2.1a cho thấy, tốc độ gió trung bình hiễm khi xảy ra ở mức gió thường xuyên hơn. Xác suất phân bố lớn nhất xảy ra tương ứng với vận tốc gió 5,5m/s trong khi tốc độ gió trung bình 7m/s.
Tốc độ gió trung bình cũng là một hàm theo chiều cao. Mô hình toán được đưa ra là luật Prandtl logarithmic, được mô tả bởi phương trình: V„(z) _ In(z/ zp) (2., / Zo) Trong do z la chiều cao cách mat đất va Zzer là chiều cao tham khảo (thường là 10m) va zp là chiều cao do bé mặt địa hình, các giá tri tiêu biểu của thông SỐ này theo địa hình được liệt kê trong bang 2. Một công thức thực nghiệm khác mô tả ảnh hưởng của toc độ gió dén địa hình và tuân theo hàm sô mii như sau: W„(2) = Vo (Zyep WY” (23) Sref Trong đó, thong SỐ a phụ thuộc vào bề mặt địa hình và giá tri a tương ứng các loại địa hình khác nhau thể hiện ở cột cuối bảng 2.1: Giá trị điển hình chiều cao zy và thành phan a theo từng loại dia hình [16] Loai bé mat Z0(mm) li Bãi cát 0.1 Vùng có thấp 1 đến 10 0.13 Vùng cỏ cao 40 đến 100 0,19 Vung ngoai 6 1000 dén 2000 0,32 Sự tin cậy của phân bố Weibull phụ thuộc vào ước lượng chính xác thông số k va C. Để tính toán giá trị chính xác k và C, dữ liệu gió phải thu thập tương đối đầy đủ.
Trong nhiều trường hợp những thông tin như vậy không có sẵn. Dưới tình huống như vậy, một trường hợp đơn giản hóa mồ hình Weibull được đưa ra, xấp X1 k=2, c=2v/(sqrt(pi), với v là vận tốc gió trung bình.1), ta được ham mật độ xác suát, gọi là hàm Rayleigh: PW„)= 2= x7 V exp = (Ya Vy | (24) Trong hình 2.2 thể hiện mật độ xác suất tốc độ gió của phân bố Rayleigh, tương ứng tốc độ gió trung bình được vẽ trong hình là 5,4m/s, 6,8m/s và 8,2m/s. Mđsaxuôáấtc < 10 15 20 Toc độ gió (m/s) Hình 2.2: (a) Mật độ xác phân bố Rayleigh tương ứng vận tốc trung bình 5.3 Năng lượng gió Động năng gió trong một đơn vị thể tích E¿ = 1⁄2. Công suất xuyên qua khu vực có diện tích A với vận tốc gió trung bình v là: p 1 pay as © 2 Năng lượng gió tinh trong thời gian T, một năm là: 1 iv 3 O 2.4 Sự chuyển đổi năng lượng gió và hiệu suất rotor Năng lượng thực tế (hay công suất cơ) lay được từ gid Pr bởi cánh quạt tuabin chính bang sự khác nhau giữa động năng tích trữ trong gió ở phía trước cánh quạt có vận tốc v và động năng của gió dang sau cánh quạt có vận tốc vg | : (27) P= —- PAV C, 2 Trong đó, Cp được gọi là hiệu suất của cánh quạt tuabin (hay còn gọi ngăn gon hon là hiệu suất rotor), được tính: 1 2 C„==+z)Á—=zẺ) 28 y là tỷ số của tốc độ gió phía sau cánh quạt và tốc độ gió đi vào cánh quạt Va y= : 2.9) Đề tìm hệ số công suất lớn nhất lay dao hàm Cp theo biến y va cho đạo ham nay bang không dC, dt =slú+z)2z)+(-z?]ES0+zX~3z)=0 @.19 Suy ra yaorveil v 3 Hệ số công suất cực dai Cp max = 99 -3% 23 Gia trị lý thuyết Cy max Chi ra rang tuabin không thé lay nhiễu hon 59,3% năng lượng từ gió, đây còn được biết đến như một giới han Betz (Albert Betz s Law).
Đường cong hiệu suất rotor được cho ở hình 2. Một thuận lợi của công thức (2.9) là chỉ ra giới hạn công suất có thể nhận được từ gió. Tuy nhiên, công thức này chưa nêu ra được mối quan hệ giữa hiệu suất rotor với cau trúc hình học của từng loại tuabin gió cụ thể, cũng như mỗi quan hệ giữa hiệu suất rotor với tốc độ quay của máy phát. tô ! ! LÀN ! 5 04|-------- mm.2ƑT--T-TT~ ý ý“ TTTTr~~ rTTTNG I I I I N )jịp 622.