Bài giảng Năng lượng tái tạo - Chương 3: Năng lượng gió (Phần 1) - Nguyễn Quang Nam

Nội dung text: Bài giảng Năng lượng tái tạo - Chương 3: Năng lượng gió (Phần 1) - Nguyễn Quang Nam

1. 408004 Năng lượng tái tạo Giảng viên: TS. Nguyễn Quang Nam 2013 – 2014, HK1 nqnam@hcmut.edu.vn Bài giảng 7 1
2. Ch. 3: Năng lượng gió 3.1. Lịch sử phát triển năng lượng gió 3.2. Các loại tuabin gió 3.3. Công suất gió 3.4. Ảnh hưởng chiều cao của tháp Bài giảng 7 2
3. Lịch sử phát triển năng lượng gió • Tuabin gió dùng để phát điện đầu tiên được coi là của Charles F. Brush, tại Cleveland, Ohio năm 1888 • 12 kW • Được dùng để nạp điện cho ắc-quy trong tầng hầm của gia đình Note the person Bài giảng 7 3
4. Lịch sử phát triển năng lượng gió • Tuabin gió đầu tiên bên ngoài nước Mỹ dùng để tạo ra điện được chế tạo bởi Poul la Cour vào năm 1891 tại Đan Mạch • Được dùng để điện phân nước để chế tạo hydro cho các đèn đốt khí ở trường học ài giảng 7 4
5. Lịch sử phát triển năng lượng gió • Tại Mỹ - hệ thống điện gió đầu tiên được xây dựng vào cuối những năm 1890 • Đến những năm 1930 và 1940, hàng trăm ngàn hệ thống được dùng trong các khu nông thôn chưa có điện lưới • Sự quan tâm bị suy giảm khi lưới điện được mở rộng và nguồn điện tin cậy, rẻ tiền có thể mua dễ dàng • Khủng hoảng dầu vào những năm 1970 tạo ra làn sóng quan tâm đến năng lượng gió đến khi chính phủ Mỹ dừng chương trình hoàn thuế • Lại được quan tâm từ những năm 1990 Bài giảng 7 5
6. Công suất lắp đặt điện gió toàn cầu Bài giảng 7 6
7. Công suất điện gió lắp đặt hàng năm Bài giảng 7 7
8. Thay đổi lịch sử kinh tế điện gió Nguồn: National Renewable Energy Lab (NREL), Energy Analysis Office Bài giảng 7 8
9. 10 quốc gia lắp đặt điện gió nhiều nhất Country MW Capacity % of Global Capacity PR China 62,364 26.2 USA 46,919 19.7 Germany 29,060 12.2 Spain 21,674 9.1 India 16,084 6.8 France 6,800 2.9 Italy 6,737 2.8 UK 6,540 2.7 Canada 5,265 2.2 Portugal 4,083 1.7 Total top 10 205,526 86.5% 2011 Bài giảng 7 9
10. Bài giảng 7 10
11. Bài giảng 7 11
12. Bài giảng 7 12
13. Các loại tuabin gió • “Cối xay gió”- dùng để nghiền hạt thành bột • Nhiều tên gọi khác nhau - “máy phát chạy bằng sức gió”, “máy phát gió”, “tuabin gió”, “máy phát tuabin gió (WTG)”, “hệ thống chuyển đổi năng lượng gió (WECS)” • Có thể ở dạng tuabin trục ngang (HAWT) hoặc tuabin trục đứng (VAWT) • Một nhóm tuabin gió được đặt tại nơi được gọi là “nông trại gió” hay “công viên gió” Bài giảng 7 13
14. Các loại tuabin gió Bài giảng 7 14
15. Tuabin gió trục đứng • Rôto Darrieus – dạng trục đứng duy nhất đạt được thành công thương mại • Gió đập vào cánh đứng, còn gọi là cánh bay, tạo ra lực nâng làm chuyển động quay • Không cần điều hướng (quay quanh trục đứng) để giữ cánh đối diện với gió • Các máy cồng kềnh trong buồng máy được đặt dưới đất • Khi tốc độ gió thấp thì các cánh nằm gần mặt đất hơn Bài giảng 7 15
16. Tuabin gió trục ngang • “Downwind” HAWT – tuabin gió với cánh nằm phía sau tháp (đuôi gió) • Không cần điều hướng – các tuabin loại này tự động định hướng theo hướng gió • Hiệu ứng che khuất – khi một cánh quay xuống và khuất sau tháp, lượng gió đến nó sẽ tạm thời giảm xuống và cánh gập lại Bài giảng 7 16
17. Tuabin gió trục ngang • “Upwind” HAWT – cánh nằm phía trước tháp (đầu gió) • Hầu hết tuabin gió hiện đại thuộc loại này • Cánh nằm ở “đầu gió” so với tháp • Cần thuật toán điều hướng hơi phức tạp để giúp cho tuabin luôn hướng đối diện với gió • Vận hành êm hơn và tạo ra công suất cao hơn Bài giảng 7 17
18. Số cánh tuabin • Cối xay gió có nhiều cánh – cần cung cấp mô men khởi động lớn để hỗ trợ trọng lượng của trục – phải có khả năng hoạt động ở tốc độ gió thấp để bơm nước cần như liên tục – diện tích hứng gió của rôto lớn hơn • Các tuabin với nhiều cánh hoạt động ở tốc độ quay thấp hơn nhiều – khi tốc độ tăng lên, nhiễu khí động của một cánh sẽ làm ảnh hưởng các cánh khác • Hầu hết tuabin gió hiện đó có hai hoặc ba cánh Bài giảng 7 18
19. Số cánh tuabin • Các tuabin gió với nhiều cánh hoạt động ở tốc độ quay thấp hơn nhiều so với các tuabin có ít cánh. Khi tốc độ quay của tuabin tăng lên, nhiễu khí động do một cánh tạo ra làm ảnh hưởng đến hiệu suất của cánh tiếp theo. • Khi có ít cánh hơn, tuabin có thể quay nhanh hơn trước khi nhiễu khí động này trở nên quá lớn. Trục quay nhanh hơn nghĩa là máy phát có thể có kích thước nhỏ hơn. • Hầu hết tuabin gió hiện đại ở châu Âu có ba cánh, còn các tuabin của Mỹ chỉ có hai cánh. Bài giảng 7 19
20. Số cánh tuabin • Các tuabin ba cánh hoạt động êm ái hơn vì tác động của nhiễu động tháp và thay đổi tốc độ gió theo độ cao được truyền một cách đều hơn từ rôto đến trục truyền động. Chúng cũng có xu hướng ít gây ồn hơn. Tuy nhiên, cánh thứ ba cũng làm gia tăng khối lượng và chi phí tuabin đáng kể. • Một rôto có ba cánh cũng gây khó khăn hơn khi được cẩu lên buồng máy để lắp đặt hoặc thay thế. Bài giảng 7 20
21. Công suất gió • Xét động năng của một “gói” không khí với khối lượng m di chuyển với vận tốc v 1 KE= mv2 (6.1) 2 • Chia cho thời gian để nhận được công suất 1 m passing though A 2 Power through area A= v (6.2) 2 t • Tốc độ truyền khối là (r là kl riêng của không khí) m passing though A mv= = r A (6.3) t Bài giảng 7 21
22. Công suất gió Kết hợp (6.2) và (6.3), 1 Power through area A= (r Avv) 2 2 1 P= r Av3 (6.4) Công suất gió W 2 PW (W) = công suất gió ρ (kg/m3) = kl riêng kk (1.225kg/m3 tại 15˚C và 1 atm) A (m2) = tiết diện mà gió xuyên qua v (m/s) = tốc độ gió theo phương pháp tuyến của A (1 m/s = 2,237 mph) Bài giảng 7 22
23. Công suất gió • Công suất tăng theo lũy thừa ba của vận tốc • Tốc độ gấp đôi tạo ra công suất gấp tám • Năng lượng gió trong 1 giờ ở 20 mph bằng năng lượng gió trong 8 giờ ở 10 mph • Quan hệ phi tuyến, chúng ta không thể dùng tốc độ gió trung Công suất gió, trên mỗi m2 tiết diện, tại bình 15◦C và 1 atm. Bài giảng 7 23
24. Công suất gió 1 P= r Av3 (6.4) W 2 • Công suất gió cũng tỷ lệ thuận với A • Với một tuabin gió trục ngang, A = (p/4)D2, do đó công suất gió tỷ lệ thuận với đường kính bình phương • Chi phí gần như tỷ lệ thuận với đường kính cánh • Điều này giải thích lý do các tuabin lớn hiệu quả hơn về chi phí Bài giảng 7 24
25. Ví dụ 1 – Năng lượng trên 1 m2 1 Energy= r Avt3 2 • 100 giờ có gió ở 6 m/s 1 3 Energy= ( 1.225 kg/m32) (1m )( 6 m/s) 100 h=13,230 Wh 2 • 50 giờ có gió ở 3 m/s và 50 giờ có gió ở 9 m/s – tốc độ gió trung bình là 6 m/s 1 3 Energy (3 m/s)= ( 1.225 kg/m32) (1m )( 3 m/s) 50 h=827 Wh 2 1 3 Energy (9 m/s)= ( 1.225 kg/m32) (1m )( 9 m/s) 50 h=22,326 Wh 2 Đừng dùng tốc độ gió trung bình! total = 23,152 Wh Bài giảng 7 25
26. Mật độ không khí theo nhiệt độ – áp suất PM.W. 10−3 r = (6.7) RT • P = áp suất tuyệt đối (atm) • M.W. = phân tử lượng không khí (g/mol) = 28,97 g/mol • T = nhiệt độ tuyệt đối (K) • R = hằng số khí lý tưởng = 8.2056·10-5·m3·atm·K-1·mol-1 • Khối lượng riêng của không khí tăng khí hạ nhiệt độ Bài giảng 7 26
27. Mật độ không khí hiệu chỉnh theo độ cao dP dP= Pz( + dz ) − Pz ( ) = − gdzr (6.9) =−rg (6.10) dz Dùng 6.7, chúng ta có phương trình vi phân theo áp suất: dP 4 = −1.185  104 P (6.12) Pe=1 atm−1.18510 H (6.13) dz Với H tính bằng m Bài giảng 7 27
28. Mật độ không khí – hệ số hiệu chỉnh • Có thể hiệu chỉnh khối lượng riêng không khí theo nhiệt độ và cao độ bằng các hệ số hiệu chỉnh r =1.225KKTA (6.14) • Hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ KT và hệ số hiệu chỉnh cao độ KA được ghi tương ứng trong bảng 6.1 và 6.2. Bài giảng 7 28
29. Mật độ không khí – hệ số hiệu chỉnh Bài giảng 7 29
30. Ảnh hưởng của độ cao – độ nhám bề mặt • Vì công suất tăng theo lũy thừa ba của tốc độ gió, chúng ta có thể dự đoán một tác động kinh tế lớn từ một sự gia tăng vừa phải của tốc độ gió • Ở cách mặt đất vài trăm mét, có rất nhiều sự cản trở đối với gió – các bề mặt trơn tru (nước) sẽ tốt hơn • Tốc độ gió cao hơn ở các cao độ cao hơn – tháp cao hơn thì tốt hơn • Rừng cây và tòa nhà làm giảm tốc độ gió nhiều • Có thể đặc trưng hóa ảnh hưởng của bề mặt gồ ghề và độ cao đối với tốc độ gió Bài giảng 7 30
31. Ảnh hưởng của độ cao – độ nhám bề mặt • Theo trường phái Mỹ vH = (6.15) vH00 • α = hệ số ma sát – trong bảng 6.3 • v = tốc độ gió tại độ cao H • v0 = tốc độ gió tại độ cao H0 (H0 thường là 10 m) • Giá trị điển hình của α trong không gian mở là 1/7 • Với một thành phố lớn, α = 0.4; nước lặng yên, α = 0.1 Bài giảng 7 31
32. Ảnh hưởng của độ cao – độ nhám bề mặt • Công thức thay thế (dùng ở châu Âu) vln( H / z ) = (6.16) v00ln( H / z ) • z là “chiều dài nhám” – cho trong bảng 6.4 • Chú ý rằng hầu hết các phương trình chỉ là xấp xỉ của những thay đổi của tốc độ gió theo độ cao và độ nhám – tốt nhất là đo đạc thực tế 33 P v H = = (6.17) P0 v 0 H 0 Bài giảng 7 32
33. Ảnh hưởng của độ cao – độ nhám bề mặt Với một thành phố nhỏ, tốc độ gió ở 100 m gấp đôi ở 10 m Các khu vực có bề mặt trơn tru sẽ ít có thay đổi theo độ cao Bài giảng 7 33
34. Ví dụ 2 – Ứng suất rôto • Tuabin gió có tâm tại 50-m và rôto đường kính 30-m, α = 0.2 • Tìm tỷ số công suất gió tại 65 m điểm cao nhất và thấp nhất 3 0.2 50 m P 65 = = 1.45 P0 35 35 m • Công suất gió ở đỉnh cánh cao hơn 45%! Bài giảng 7 34