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

408004 
Năng lượng tái tạo 
Giảng viên: TS. Nguyễn Quang Nam 
2013 – 2014, HK1 
nqnam@hcmut.edu.vn 
1 
Bài giảng 9 
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 
2 
Bài giảng 9 
Phân cấp công suất gió 
3 
Bài giảng 9 
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 (C p h g ) là khoảng 30% 
	Power in the Wind 
	Power Extracted by Blades 
	Power to Electricity 
Wind 
	Rotor 
	Gearbox & Generator 
4 
Bài giảng 9 
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) 
Do đó, mật độ công suất trung bình của gió tại 50 m từ (6.48) là 
5 
Bài giảng 9 
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 
Do đó, năng lượng cung cấp trong 1 năm là 
6 
Bài giảng 9 
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? 
7 
Bài giảng 9 
Trang trại gió 
Ta biết rằng gió giảm tốc độ khi xuyên qua cánh. Công suất lấy ra từ cánh: 
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? 
8 
Bài giảng 9 
Trang trại gió 
9 
Bài giảng 9 
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 
10 
Bài giảng 9 
Trạng trại gió – Khoảng cách tối ưu 
Figure 6.29 
Khoảng cách tối ưu là 3-5 lần đường kính rô to giữa các tháp và 5-9 lần giữa các hàng 
3D to 5D 
Số liệu ước tính cho GE 1.5 MW ở vùng trung tây là 1 tháp mỗi 80 acre 
5D to 9D 
7D 
4D 
11 
Bài giảng 9 
Ví dụ 6.12 – Tiềm năng của một trang trại gió 
 7D 
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 
4D 
 7D 
12 
Bài giảng 9 
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/m 2 (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? 
13 
Bài giảng 9 
Ví dụ 6.12 – Tiềm năng của một trang trại gió 
Với 1 tuabin gió: 
	 Diện tích đất bị chiếm = 4D 7D = 28D 2 
	Sản lượng năng lượng hàng năm/diện tích đất 
14 
Bài giảng 9 
Ví dụ 6.12 – Tiềm năng của một trang trại gió 
b. 1 acre = 4047m 2 
Trong phần (a), ta tìm được 
Hay tương đương 
Do đó, chi phí thuê trên mỗi kWh là 
15 
Bài giảng 9 
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. 
16 
Bài giảng 9 
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. 
17 
Bài giảng 9 
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 
18 
Bài giảng 9 
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 
19 
Bài giảng 9 
Đường cong công suất lý tưởng hóa 
Vận tốc gió vào, vận tốc gió định mức, vận tốc gió cắt thoát 
20 
Bài giảng 9 
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 
21 
Bài giảng 9 
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 
22 
Bài giảng 9 
Tối ưu đường kính rôto 
Nếu nâng đường kính cánh rôto, V R sẽ nhỏ hơn ở cùng công suất. Nếu giữ nguyên vận tốc V R thì sẽ tạo ra công suất cao hơn khi nâng đường kính cánh. 
23 
Bài giảng 9 
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 
Hoàn toàn có thể xác định xác suất để vận tốc gió luôn lớn hơn V: 
24 
Bài giảng 9 
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 V c = 4 m/s, V R = 14 m/s, và V F = 25 m/s. Nếu coi vận tốc gió tuân theo phân bố Rayleigh với vận tốc trung bình 10 m/s. 
Trong năm có bao nhiêu giờ vận tốc gió < V C ? 
Trong năm có bao nhiêu giờ vận tốc gió > V F ? 
Mỗi năm tuabin phát ra bao nhiêu kWh, nếu hoạt động ở công suất định mức? 
25 
Bài giảng 9 
Ví dụ 6.13 – Đường cong công suất 
Dùng (6.54) 
Số giờ có vận tốc gió < V C sẽ là 
8760 0,1181 = 1034 giờ/năm 
Tương tự, số giờ có vận tốc gió > V F sẽ là 
giờ/năm 
26 
Bài giảng 9 
Ví dụ 6.13 – Đường cong công suất 
Tương tự, ta sẽ tìm số giờ vận tốc gió > V R 
Số giờ có vận tốc gió nằm giữa V R và V F sẽ là 
1879 – 65 = 1814 giờ/năm 
Điện năng sản xuất trong 1 năm là 
E = 1000 kW 1814 h = 1,814 10 6 kWh/năm 
giờ/năm 
27 
Bài giảng 9 
Khảo sát đường cong công suất (Weibull) 
28 
Bài giảng 9 
Khảo sát đường cong công suất (Weibull) 
Có thể tính gần đúng xác suất, đơn giản hóa quá trình tính toán xác suất. 
29 
Bài giảng 9 
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. 
30 
Bài giảng 9 
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. 
Tính điện năng cung cấp trong 1 năm 
Xác định hiệu suất trung bình tổng thể của hệ thống 
Tính năng suất phát điện kWh/năm từ mỗi m 2 diện tích cánh rôto. 
31 
Bài giảng 9 
Ví dụ 6.15 – Ước lượng điện năng sinh ra 
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. 
Hiệu suất là tỷ số giữa điện năng sinh ra và năng lượng gió nhận được 
Năng suất phát điện kWh/năm từ mỗi m 2 diện tích cánh rôto có thể được tính theo đúng ý nghĩa của thuật ngữ đã nêu. 
32 
Bài giảng 9 
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. 
33 
Bài giảng 9 
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 (P R ) và số giờ trong năm. 
CF = (Năng lượng thực nhận/8760)/P R 
CF = Công suất trung bình/Công suất danh định 
Sinh viên xem ví dụ 6.16 trong tài liệu. 
34 
Bài giảng 9 
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 
Ta sẽ rút ra được (với phân bố Rayleigh) 
Do đó có thể tính điện năng do tuabin gió cung cấp hàng năm một cách khá chính xác và đơn giản. 
(6.65) 
35 
Bài giảng 9 
Ví dụ 6.17 – Ước lượng điện năng với CF 
Tuabin gió có P R = 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): 
Vậy, điện năng cung cấp sẽ là 
kWh/năm 
36 
Bài giảng 9 
Tính toán kinh tế 
Vốn đầu tư trên kW tuabin gió giảm dần. 
37 
Bài giảng 9 
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 
Ví dụ 6.18 – Tuabin gió cỡ nhỏ 
38 
Bài giảng 9 
Để ước tính năng lượng do tuabin cung cấp hàng năm, chúng ta sẽ dùng hệ số dung lượng trong (6.65) 
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? 
Ví dụ – Tuabin gió cỡ nhỏ 
39 
Bài giảng 9 
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). 
40 
Bài giảng 9 
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 CO 2 ; 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 
41 
Bài giảng 9 
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 tăngkhi tuabin gió đượcđặt càng xa bờ 
Image Source: National Renewable Energy Laboratory 
42 
Bài giảng 9 
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 
43 
Bài giảng 9