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

ppt 43 trang ngocly 18/05/2021 1100
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Năng lượng tái tạo - Chương 3: Năng lượng gió (Phần 3) - Nguyễn Quang Nam", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pptbai_giang_nang_luong_tai_tao_chuong_3_nang_luong_gio_phan_3.ppt

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

  1. 408004 Năng lượng tái tạo Giảng viên: TS. Nguyễn Quang Nam 2013 – 2014, HK1 nqnam@hcmut.edu.vn Bài giảng 9 1
  2. Ch. 3: Năng lượng gió 3.9. Ước lượng năng lượng của tuabin gió 3.10. Tính toán các đặc tính vận hành của tuabin gió 3.11. Tính toán kinh tế 3.12. Tác động môi trường của máy phát điện gió Bài giảng 9 2
  3. Phân cấp công suất gió Bài giảng 9 3
  4. Ước lượng năng lượng tuabin gió • Không phải toàn bộ năng lượng gió được giữ lại – rôto loại bỏ bớt gió tốc độ cao, còn gió tốc độ thấp thì quá chậm để vượt qua lực cản. • Tùy thuộc vào rôto, hộp số, máy phát, tháp, điều khiển, vùng đất, và gió. • Hiệu suất chuyển đổi toàn bộ (Cphg) là khoảng 30% PW PE PB h g Power to Power in CP Power Electricity the Wind Rotor Extracted Gearbox & by Generator BladesBài giảng 9 4
  5. Ví dụ 6.11 – Năng lượng tuabin gió hàng năm • Cần dùng (6.16) để tìm v ở 50 m, với z cho độ nhám cấp 1 là 0,03 m (từ bảng 6.4) ln(Hz / ) vv= 0 (6.16) ln(Hz0 / ) ln(50 / 0.03) v ==5 m/s 6.39 m/s ln(10 / 0.03) • Do đó, mật độ công suất trung bình của gió tại 50 m từ (6.48) là 61 3 P /m22= (1.225)( 6.39) = 304.5 W/m avg 2 Bài giảng 9 5
  6. Ví dụ 6.11 – Năng lượng tuabin gió hàng năm • Đường kính rôto là 48 m và hiệu suất toàn bộ là 30%, do đó công suất trung bình của tuabin gió là 2 2 Pavg =0.3 ( 304.5 W/m)  ( 48) = 165303 W 4 • Do đó, năng lượng cung cấp trong 1 năm là Energy= 165.303 kW  8760 hrs/yr = 1.44 106 kWh/yr Bài giảng 9 6
  7. Trang trại gió • Thông thường, sẽ có ý nghĩa hơn nếu lắp đặt một số lượng lớn tuabin gió tại một trang trại hay công viên gió. • Lợi ích – Có thể tận dụng vị trí có gió tốt – Giảm chi phí phát triển – Đơn giản hóa liên kết với hệ thống truyền tải – Truy cập tập trung để vận hành và bảo dưỡng • Nên lắp bao nhiêu tuabin ở một vị trí? Bài giảng 9 7
  8. Trang trại gió • Ta biết rằng gió giảm tốc độ khi xuyên qua cánh. Công suất lấy ra từ cánh: 1 22 Pbd=− m( v v ) (6.18) 2 • Trích công suất bằng cánh sẽ làm giảm công suất đến được máy nằm phía sau • Khoảng cách giữa các tuabin bao nhiêu là đủ để tốc độ gió được phục hồi trước khi gặp tuabin tiếp theo? Bài giảng 9 8
  9. Trang trại gió Bài giảng 9 9
  10. Trang trại gió • Kết quả nghiên cứu ở slide trước đó xem xét các cụm vuông, nhưng các cụm vuông không có ý nghĩa lắm • Các cụm hình chữ nhật với vài hàng dài sẽ tốt hơn • Khoảng cách được khuyến cáo là 3-5 lần đường kính rôto giữa các tháp trên cùng một hàng, và 5-9 lần đường kính rôto giữa các hàng • Các hàng thường được đặt lệch nhau • Phổ biến là theo hướng gió thịnh Bài giảng 9 10
  11. Trạng trại gió – Khoảng cách tối ưu Số liệu ước tính cho GE 1.5 MW ở vùng trung tây là 1 tháp mỗi 80 acre 3D to 5D Figure 6.29 7D Khoảng cách tối ưu là 3-5 5D to 9D lần đường kính rô to giữa các tháp và 5-9 lần giữa 4D các hàng Bài giảng 9 11
  12. Ví dụ 6.12 – Tiềm năng của một trang trại gió • Một trang trại gió có khoảng cách 4 lần đường kính rôto dọc theo hàng, và 7 lần đường kính rôto giữa các hàng • Hiệu suất tuabin gió là 30%, hiệu suất cụm là 80% 4D 7D 7D 4D Bài giảng 9 12
  13. Ví dụ 6.12 – Tiềm năng của một trang trại gió a. Tính sản lượng năng lượng hàng năm trên mỗi đơn vị diện tích đất nếu mật độ công suất ở chiều cao trục máy là 400-W/m2 (giả sử 50 m, gió cấp 4) b. Chi phí thuê đất là bao nhiêu $/kWh nếu đất được thuê từ một nông dân với mức $100/acre-năm? Bài giảng 9 13
  14. Ví dụ 6.12 – Tiềm năng của một trang trại gió a. Với 1 tuabin gió: Diện tích đất bị chiếm = 4D 7D = 28D2 1 Annual Energy Production= hAv3  t  2 1 where v32= 400 W/m and A = D2 2 4 Sản lượng năng lượng hàng năm/diện tích đất 400 W 2 8760hr 1 kWh = (D m)   0.3  0.8  = 23.588 m2 4yr 28 D 2 (m 2  yr) Bài giảng 9 14
  15. Ví dụ 6.12 – Tiềm năng của một trang trại gió $100 b. 1 acre = 4047m2 Land Cost= acre yr Trong phần (a), ta tìm được Annual Energy kWh = 23.588 Land Area (m2  yr) Hay tương đương kWh 4047 m2 kWh 23.588 = 95,461 (m2  yr) acre (acre yr) Do đó, chi phí thuê trên mỗi kWh là $100 / acre yr lease cost= = $0.00105/kWh 95,461 kWh / acre yr Bài giảng 9 15
  16. Sự thay đổi của gió theo thời gian • Chúng ta cần xem xét không chỉ mức độ thường xuyên của gió mà còn tương quan giữa thời gian có gió và phụ tải điện. • Biểu đồ gió thay đổi khá nhiều theo vị trí địa lý, trong đó vùng ven biển và núi có gió ổn định hơn. Bài giảng 9 16
  17. Cánh rôto trích năng lượng gió như thế nào Nguyên lý Bernoulli – áp suất khí phía trên thấp hơn áp suất khí phía dưới vì nó phải di chuyển xa hơn, tạo ra lực nâng. Bài giảng 9 17
  18. Cánh rôto trích năng lượng gió như thế nào • Không khí di chuyển về phía cánh tuabin do chuyển động của gió, nhưng cũng gió chuyển động của cánh tuabin • Mũi cánh tuabin di chuyển nhanh hơn nhiều so với gốc cánh, do đó cánh tuabin được xoắn dần từ gốc đến mũi cánh tuabin, để giữ cho góc xung kích ổn định Bài giảng 9 18
  19. Cánh rôto trích năng lượng gió như thế nào • Tăng góc xung kích (angle of attack) sẽ làm tăng lực nâng, nhưng cũng làm tăng lực ghì lại • Nếu góc xung kích quá lớn, tuabin sẽ bị “đứng” khi nhiễu khí động làm mất lực nâng Bài giảng 9 19
  20. Đường cong công suất lý tưởng hóa Vận tốc gió vào, vận tốc gió định mức, vận tốc gió cắt thoát Bài giảng 9 20
  21. Đường cong công suất lý tưởng hóa • Ở dưới vận tốc vào, tuabin không tạo ra công suất • Sau đó, công suất tăng theo lũy thừa 3 của vận tốc gió • Ở trên vận tốc định mức, tuabin gió hoạt động ở công suất định mức (cắt bỏ công suất thừa) • Có 2 phương pháp phổ biến để cắt bỏ công suất thừa – Điều khiển góc pitch – chỉnh góc xoay của cánh để giảm góc xung kích – Điều khiển dừng (thụ động) – cánh được thiết kế để tự động giảm hiệu suất khi gió mạnh – Điều khiển dừng tích cực – chỉnh góc xoay của cánh để làm dừng tuabin Bài giảng 9 21
  22. Đường cong công suất lý tưởng hóa • Ở trên vận tốc vận tốc gió cắt thoát, gió quá mạnh để có thể vận hành tuabin một cách an toàn, máy sẽ được dừng, công suất ra bằng 0 • Rôto có thể được dừng bằng cách cố ý xoay cánh nhằm tạo ra điều kiện dừng • Khi rôto đã dừng, một thiết bị hãm cơ khí sẽ khóa chặt rôto vào trục máy Bài giảng 9 22
  23. Tối ưu đường kính rôto • Nếu nâng đường kính cánh rôto, VR sẽ nhỏ hơn ở cùng công suất. Nếu giữ nguyên vận tốc VR thì sẽ tạo ra công suất cao hơn khi nâng đường kính cánh. Bài giảng 9 23
  24. Hàm phân bố tích lũy vận tốc gió • Dựa vào hàm mật độ xác suất, ta có thể tính được xác suất (tích lũy) để vận tốc gió nằm trong một vùng nào đó, từ đó có thể tính được năng lượng. • Phân bố Weibull có hàm phân bố tích lũy là k V − F(V ) =1− e c • Hoàn toàn có thể xác định xác suất để vận tốc gió luôn lớn hơn V: k V − prob(v V ) =1− F(V ) = e c Bài giảng 9 24
  25. Ví dụ 6.13 – Đường cong công suất • Tuabin gió NEG Micon 1000/54 (1000 kW định mức và đường kính cánh 54 m) có Vc = 4 m/s, VR = 14 m/s, và VF = 25 m/s. Nếu coi vận tốc gió tuân theo phân bố Rayleigh với vận tốc trung bình 10 m/s. a)Trong năm có bao nhiêu giờ vận tốc gió VF? c) Mỗi năm tuabin phát ra bao nhiêu kWh, nếu hoạt động ở công suất định mức? Bài giảng 9 25
  26. Ví dụ 6.13 – Đường cong công suất a) Dùng (6.54) 2 2 V 4 − C − 4 v 4 10 F(VC ) =1− e =1− e = 0,1181 Số giờ có vận tốc gió VF sẽ là 2 V − C 4 v 1− F(VF ) = 8760 e 2 25 − = 8760 e 4 10 = 65 giờ/năm Bài giảng 9 26
  27. Ví dụ 6.13 – Đường cong công suất c) Tương tự, ta sẽ tìm số giờ vận tốc gió > VR 2 V − R 4 v 1− F(VR ) = 8760 e 2 14 − 4 10 = 8760 e =1879giờ/năm Số giờ có vận tốc gió nằm giữa VR và VF sẽ là 1879 – 65 = 1814 giờ/năm Điện năng sản xuất trong 1 năm là E = 1000 kW 1814 h = 1,814 106 kWh/năm Bài giảng 9 27
  28. Khảo sát đường cong công suất (Weibull) Bài giảng 9 28
  29. Khảo sát đường cong công suất (Weibull) • Có thể tính gần đúng xác suất, đơn giản hóa quá trình tính toán xác suất. v+ v/2 prob(v − v / 2 V v + v / 2)= f (v)dv f (v) v v− v/2 Bài giảng 9 29
  30. Ví dụ 6.14 – Tính gần đúng xác suất • Vận tốc gió phân bố theo hàm mật độ Rayleigh. Tìm xác suất vận tốc gió nằm giữa 6,5 m/s và 7,5 m/s. So sánh với kết quả ước lượng xấp xỉ từ pdf với vận tốc trung bình 7 m/s. • Sinh viên xem tài liệu để thấy phép tính gần đúng chỉ lệch 0,2%. • Do đó, có thể dùng đường cong công suất và hàm mật độ xác suất phù hợp để ước lượng khá chính xác điện năng được tạo ra từ một tuabin gió. Bài giảng 9 30
  31. Ví dụ 6.15 – Ước lượng điện năng sinh ra • Xét tuabin gió NEG Micon 1000/60 (1000 kW công suất danh định, đường kính cánh 60 m) tại điểm lắp đặt có công suất gió tuân theo phân bố Rayleigh có vận tốc gió trung bình 7 m/s. a) Tính điện năng cung cấp trong 1 năm b) Xác định hiệu suất trung bình tổng thể của hệ thống c) Tính năng suất phát điện kWh/năm từ mỗi m2 diện tích cánh rôto. Bài giảng 9 31
  32. Ví dụ 6.15 – Ước lượng điện năng sinh ra a) Ta sẽ cần tính điện năng ở mỗi vận tốc gió Từ đó lập được bảng thống kê điện năng cung cấp được trong năm. b) Hiệu suất là tỷ số giữa điện năng sinh ra và năng lượng gió nhận được c) Năng suất phát điện kWh/năm từ mỗi m2 diện tích cánh rôto có thể được tính theo đúng ý nghĩa của thuật ngữ đã nêu. Bài giảng 9 32
  33. Ước lượng điện năng sinh ra • Dù số giờ gió hoạt động ở vận tốc thấp là rất lớn, năng lượng mà nó cung cấp là không đáng kể. Bài giảng 9 33
  34. Ước lượng điện năng bằng hệ số sử dụng • Tương tự như với hệ thống điện mặt trời, chúng ta cũng có khái niệm hệ số sử dụng (CF – Capacity Factor), tức là tỷ số giữa năng lượng thu được hàng năm và tích số của công suất định mức (PR) và số giờ trong năm. CF = (Năng lượng thực nhận/8760)/PR CF = Công suất trung bình/Công suất danh định • Sinh viên xem ví dụ 6.16 trong tài liệu. Bài giảng 9 34
  35. Ước lượng điện năng bằng CF • Dùng đường cong công suất thực để tính CF ở các vận tốc gió khác nhau. • Coi CF có dạng tuyến tính như sau CF = mV + b • Ta sẽ rút ra được (với phân bố Rayleigh) P CF = 0,087V − R (6.65) D2 • Do đó có thể tính điện năng do tuabin gió cung cấp hàng năm một cách khá chính xác và đơn giản. Bài giảng 9 35
  36. Ví dụ 6.17 – Ước lượng điện năng với CF • Tuabin gió có PR = 900 W và D = 2,13 m. Vận tốc gió trung bình là 6 m/s (Rayleigh). Ước tính điện năng mà tuabin cung cấp. • Dùng (6.65): P 0,9 CF = 0,087V − R = 0,087 6 − = 0,324 D2 2,132 • Vậy, điện năng cung cấp sẽ là E = 8760 PR CF = 8760 0,9 0,324 = 2551 kWh/năm Bài giảng 9 36
  37. Tính toán kinh tế • Vốn đầu tư trên kW tuabin gió giảm dần. Bài giảng 9 37
  38. Ví dụ 6.18 – Tuabin gió cỡ nhỏ • Xét một tuabin gió 0,9 kW có cánh 2,13m được lắp ở độ cao trục có tốc độ gió trung bình là 6,7 m/s. • Giả sử chi phí cho tuabin là 1.600 USD và chi phí lắp đặt/phụ là 900 USD. • Tổng chi phí 2.500 USD được thực hiện bằng khoản vay 15 năm, lãi suất 7%. • Chi phí vận hành và bảo dưỡng hằng năm là 100 USD/năm • Hệ số thu hồi vốn là (i = 0,07, n = 15) là 0,1087 • Tổng số tiền cần thanh toán hàng năm là (2500*0,1087 + 100) = 374, 49 USD/năm Bài giảng 9 38
  39. Ví dụ – Tuabin gió cỡ nhỏ • Để ước tính năng lượng do tuabin cung cấp hàng năm, chúng ta sẽ dùng hệ số dung lượng trong (6.65) P 0,9 CF = 0,087v − R = (0,087)(6,7)− = 0,385 D2 2,132 • Tổng năng lượng do tuabin cung cấp sẽ khoảng (0,9)kW(8760)h/năm0,385 = 3035 kWh/năm • Chi phí trung bình mỗi kWh sẽ là 374,5/3035 = 0,123 USD/kWh • Nhận xét? Bài giảng 9 39
  40. Tính kinh tế theo quy mô • Hiện tại, các trang trại gió lớn sản xuất ra điện năng kinh tế hơn so với các nhà máy nhỏ • Các yếu tố dẫn đến chi phí thấp – Công suất gió tỷ lệ với diện tích quét của cánh (bình phương đường kính) còn chi phí tháp thay đổi theo lũy thừa nhỏ hơn bình phương của đường kính – Cánh to hơn vươn cao hơn, nhận được gió mạnh hơn – Chi phí cố định liên quan đến xây dựng được trải đều trên các MW dung lượng – Quản lý hiệu quả các trang trại gió lớn thường dẫn đến chi phí vận hành và bảo trì thấp hơn (nhân viên tại chỗ). Bài giảng 9 40
  41. Các khía cạnh môi trường của điện gió • Viện Hàn lâm Quốc gia Hoa Kỳ đã xuất bản một báo cáo về các vấn đề liên quan vào năm 2007 • Hệ thống điện gió không sinh ra ô nhiễm không khí và không phát thải CO2; chúng cũng hầu như không tiêu thụ nước • Điện gió được coi như là giải pháp thay thế các nguồn năng lượng khác (thường là nhiên liệu hóa thạch) dẫn đến giảm ô nhiễm • Các ảnh hưởng khác được xem xét là trên sinh vật, chủ yếu là chim và dơi, và đối với con người Bài giảng 9 41
  42. Khía cạnh môi trường của điện gió • Tuabin gió xa bờ cần nước tương đối nông, do đó khoảng cách từ bờ tối đa phụ thuộc vào đáy biển • Hệ số dung lượng có xu hướng tăng khi tuabin gió được đặt càng xa bờ Image Source: National Renewable Energy Laboratory Bài giảng 9 42
  43. Khía cạnh môi trường, đối với con người • Tuabin gió thường cải thiện sức khỏe của nhiều người, nhưng một số sinh sống gần đó có thể bị ảnh hưởng bởi tiếng ồn và bóng nhấp nháy • Tiếng ồn xuất phát từ 1) hộp số/máy phát và 2) tương tác khí động của cánh với gió • Tác động ồn thường ở mức trung bình (50-60 dB) khi ở gần (40 m), và thấp hơn khi đi xa (35-45 dB) ở 300 m – Tuy nhiên các tần số của tuabin gió cũng cần được xem xét, với tần số “hum” khoảng 100 Hz, và một số tần số cận và dưới ngưỡng nghe được (20 Hz hay thấp hơn) • Bóng nhấp nháy chủ yếu ảnh hưởng đến các quốc gia ở vĩ độ cao, vì mặt trời xuống thấp có thể tạo ra bóng dài hơn Bài giảng 9 43