Bài giảng Năng lượng tái tạo - Chương 2: Năng lượng gió - ThS. Nguyễn Bá Thành

Chương 2 Năng lượng gió 1 Chương này được biên soạn nhằm cung cấp cho sinh viên: o Tổng quan về năng lượng gió. o Tiềm năng phát triển năng lượng gió tại Việt Nam. o Các kiểu turbine gió. o Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của turbine gió. o Mối quan hệ giữa các thông số trong máy phát điện gió. o Lưu đồ thiết kế máy phát điện gió công suất nhỏ. Câu hỏi chương 2: Câu 1: Anh/chị hãy trình bày lịch sử sử dụng năng lượng gió của loài người? Câu 2: Anh/chị hãy cho biết thực trạng, tiềm năng ứng dụng năng lượng gió tại Việt Nam. Câu 3: Anh/chị hãy trình bày các kiểu turbine gió? So sánh máy phát điện gió trục đứng và trục ngang? Câu 4: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của turbine gió? Câu 5: Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất máy phát điện gió? ThS. Nguyễn Bá Thành Chương 2 Năng lượng gió 2 Chương 2: Năng lượng gió 2.1 Lịch sử ứng dụng năng lượng gió Hàng nghìn năm nay con người đã biết khai thác sức gió để vận hành các cỗ máy phục vụ cho cuộc sống của mình, từ việc dựa vào sức gió để dong buồm ra khơi cho đến vận hành các máy bơm nước hay xay ngũ cốc. Hình ảnh cối xay gió trên những miền quê phương Tây đã trở nên tiêu biểu qua nhiều thế kỷ [12]. Hình 2.1. Turbine gió đầu tiên của Charles F.Brush, Cleveland, Ohio 1888 [25] Đến cuối thế kỷ 19 chiếc máy phát điện dùng sức gió đầu tiên ra đời, với tên gọi là turbine­gió để phân biệt với cối­xay­gió (biến năng lượng gió thành cơ năng). Charles F Brush đã tạo ra chiếc turbine gió có khả năng phát điện đầu tiên trên thế giới tại Cleveland, Ohio vào năm 1888 [20]. Giống như một cối xay gió khổng lồ có đường kính 17m với 144 cánh bằng gỗ mỏng, Hình 1.1. Năm 1891 nhà khí tượng học người Đan Mạch Poul The Mule Cour xây dựng một turbine thử nghiệm ở Askov – Đan Mạch, Hình 1.2. Turbine gió này có một rô to bốn cánh kiểu cánh máy bay và có trục quay nhanh hơn. Năm 1922, kỹ sư người Phần Lan S.J.Savonius đã cải tiến nguyên lý đẩy của khái niệm trục đứng bằng cách thay thế cánh buồm bằng hai cốc hình tròn, Hình 1.3. Năm 1931, kỹ ThS. Nguyễn Bá Thành Chương 2 Năng lượng gió 3 sư người Pháp George Darrieus phát minh ra turbine gió trục đứng Darrieus. Dựa vào nguyên lý kéo, turbine này có hai (hoặc nhiều hơn) cánh mềm dạng cánh máy bay. Một đầu cánh gắn ở đỉnh và một đầu gắn xuống đáy của trục đứng chính turbine, giống như một cái máy đánh trứng khổng lồ. Sau đó những mẫu thiết kế được cải tiến với cánh quạt có rãnh để hiệu suất turbine cao hơn. Năm 1950 kỹ sư Johannes Juhl, đã phát triển turbine gió 3 cánh có khả năng phát điện xoay chiều, đây chính là tiền thân của turbine gió Đan Mạch hiện đại. Cuộc khủng hoảng dầu hoả vào năm 1973, đã làm cho con người quan tâm trở lại đến tính thương mại của năng lượng gió và làm tiền đề cho sự phát triển công nghệ cao hơn tại Đan Mạch và Califonia. Hình 2.2. Turbine gió của Poul la Cour, Askov, Đan Mạch năm 1897 [25] Hình 2.3. Turbine gió trục đứng kiểu Savonius [26] Tuy nhiên mãi đến những năm 1980, công nghệ turbine gió mới đủ thuận lợi để tồn tại, xét về mặt kinh tế, để các turbine gió cỡ lớn phát điện. Hầu hết các nghiên cứu và phát ThS. Nguyễn Bá Thành Chương 2 Năng lượng gió 4 triển đều tiến hành trên turbine trục ngang, mặc dù vẫn có các nghiên cứu sâu hơn trên mẫu thiết kế trục đứng Darrieus ở Canada và Mỹ vào những năm 1970 và 1980, mà đỉnh cao của nó là chiếc máy với đường kính rô to là 100m có công suất 4.2MW với tên gọi “Eole C” tại Cap Chat – Quebec, Hình 1.4. Tuy nhiên nó chỉ vận hành được có 6 tháng thì hư hỏng cánh quạt, do sức chịu đựng của cánh quạt quá kém. Hình2.4.TurbinegiótrụcđứngDarrieuskiểu“EoleC”,CapChat,Quebec[4] Châu Âu dẫn đầu trong lĩnh vực năng lượng gió, vào năm 1982 công suất tối đa của các turbine gió chỉ có 50 kW. Đến năm 1995 các turbine gió thương mại đã đạt công suất lên gấp 10 lần, tức khoảng 500 KW. Trong thời gian đó, chi phí xây dựng các turbine gió giảm đột ngột, chi phí sản xuất điện năng giảm đi một nửa. Một số lượng lớn turbine gió từ cỡ lớn trở thành loại cực nhỏ, vì sản lượng của chúng chỉ vài kWh/tháng. Các turbine gió ngày nay được xây dựng với kích thước lên đến 3 MW và đường kính là 100m. Hiện nay có nhiều nhà máy sản xuất turbine gió kích thước lớn. Năng lượng gió trên thế giới hiện đang trong thời kỳ phát triển rực rỡ nhất, đặc biệt là các Nước Cộng đồng châu Âu, công nghệ turbine gió có thể giải quyết được các vấn đề: cạn kiệt nguồn tài nguyên hóa thạch, hiệu ứng nhà kính, tuân thủ các điều khoản trong Nghị định Thư Kyoto về hiện tượng trái đất ấm dần lên. Công suất lắp đặt năng lượng gió trên thế giới tăng theo hàm mũ, và tăng gấp hai lần công suất của những năm cuối thập kỷ, Hình 1.5. Điều mà từ trước đến nay không một ThS. Nguyễn Bá Thành Chương 2 Năng lượng gió 5 công nghệ năng lượng nào làm được. Mặc dù phải đối diện với nhiều khó khăn trong khâu truyền tải, cung cấp, nhưng thị trường năng lượng gió của năm 2006 tăng một cách chóng mặt tới 32% sản lượng năm 2005 [25]. Hình 1.5. Biểu đồ tăng trưởng công suất lắp đặt năng lượng gió theo năm Năm 2006 tổng sản lượng điện gió toàn cầu đạt 74.223 MW, tức tăng thêm 15.197 MW so với năm 2005 là 59.091MW [5]. Những nước có sản lượng cao ấn tượng nhất là: • Đức : 20.621 MW • Tây Ban Nha : 11.615 MW • Hoa Kỳ : 11.603 MW • Ấn Độ : 6.270 MW • Đan Mạch : 3.136 MW Với tình hình phát triển nhanh chóng như hiện nay tại các nước châu Âu, cho thấy sản lượng của các nước này sẽ còn tiếp tục tăng. Mỹ và Canada cũng tích cực phát triển mở rộng tăng công suất năng lượng gió. Các nước Trung Đông, Viễn Đông và Nam Mỹ cũng bắt đầu đưa năng lượng gió vào nền công nghiệp năng lượng của nước mình. Hiện tại các nước này có những dự án phát triển đến năm 2010 đạt được sản lượng là 150 GW. Tốc độ mở rộng phụ thuộc vào mức độ hỗ trợ của chính phủ, chính quyền các nước cũng như cộng đồng quốc tế. Đây cũng là trách nhiệm chính cho các nước trong việc tuân thủ cắt giảm lượng khí thải Carbon Dioxide theo Nghị Định Thư Kyoto về cắt giảm khí thải gây hiệu ứng nhà kính. Một làn sóng công nghệ mới đã và đang phát triển nhanh chóng với mục tiêu tương lai là cải thiện công suất và giảm giá thành. ThS. Nguyễn Bá Thành ... - --nqh--