Luận văn Nghiên cứu phát triển hệ thống năng lượng gió trụ ngang công suất nhỏ sử dụng hiệu ứng hầm gió Wind Cube (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu phát triển hệ thống năng lượng gió trụ ngang công suất nhỏ sử dụng hiệu ứng hầm gió Wind Cube (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HUỲNH TẤN ÐẠT NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ TRỤ NGANG CÔNG SUẤT NHỎ SỬ DỤNG HIỆU ỨNG HẦM GIÓ WIND CUBE NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 S K C0 0 4 9 4 0 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 9/2016
2. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ và tên: HUỲNH TẤN ĐẠT Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 16/10/1990 Nơi sinh: Bình Thuận Quê quán: Bình Thuận. Dân tộc: Kinh Địa chỉ liên lạc: Thôn 5, xã Hàm Đức, huyện Hàm Thuận bắc, tỉnh Bình Thuận. Điện thoại nhà riêng: 0902.839.201 E-mail: dathuynhtan238@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Cao Đẳng Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2008 đến 07/2011 Nơi học: Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng Ngành học: Cơ Khí Chế Tạo Máy. Môn thi tốt nghiệp: Thực hiện đồ án tốt nghiệp. Ngày và nơi thi tốt nghiệp: 19/07/2011 tại Trường Cao Đẳng KTuật Cao Thắng 2. Đại Học Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2013 đến 01/2014 Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh. Ngành học: Cơ Khí Chế Tạo Máy. Môn thi tốt nghiệp: Thực hiện đồ án tốt nghiệp. Ngày và nơi thi tốt nghiệp: 21/01/2014 tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh. III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2014 - Nay Công ty điện tử SAMSUNG Kỹ sư cơ khí i
3. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 9 năm 2016 Huỳnh Tấn Đạt ii
4. LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện luận văn “Nghiên cứu phát triển hệ thống năng lượng gió trụ ngang công suất nhỏ sử dụng hiệu ứng hầm gió Wind Cube” em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ của quý thầy, cô các chuyên gia, các công ty, bạn bè và gia đình. Nhờ đó em đã đạt được một số kết quả nhất định. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến thầy hướng dẫn khoa học PGS. TS. Đặng Thiện Ngôn, đã dành nhiều thời gian, tâm huyết truyền đạt những kiến thức khoa học quý báu, hướng dẫn, định hướng, động viên em trong quá trình thực hiện luận văn. Em xin gửi đến thầy Tùng khoa Điện – Điện tử lời cảm ơn chân thành, đã tin tưởng và hết mình giúp đỡ em trong quá trình thí nghiệm tại trung tâm thí nghiệm điện gió. Xin cảm ơn quý thầy, cô Trường ĐHSPKT TP. HCM đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức nền tảng, chuyên môn cho em trong thời gian em học tập tại trường. Em xin cảm ơn gia đình bạn bè đã luôn ở bên em, luôn quan tâm, động viên em. Em xin chân thành cảm ơn! Tp. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 09 năm 2016 Sinh viên thực hiện Huỳnh Tấn Đạt iii
5. TÓM TẮT Máy phát điện gió trục ngang công suất nhỏ hiện đang được sử dụng phổ biến ở nhiều nơi trên thế giới đã và đang giúp giảm nguồn cung cứng điện. Tuy nhiên, đa số các máy được thiết kế để hoạt động với tốc độ gió v > 6 m/s không thể sử dụng tại thành phố Hồ Chí Minh, nơi có tốc độ gió trung bình vào khoảng < 6 m/s. Các nghiên cứu về hiệu ứng hầm gió (WindCube) cho thấy có thể ứng dụng hiệu ứng hầm gió để giúp các máy phát điện gió có thể hoạt động được ở tốc độ gió nhỏ hơn tốc độ thiết kế. Đề tài trình bày các kết quả nghiên cứu về việc xác định các thông số của hầm gió cũng như các thông số liên quan khác cho một máy phát điện gió công suất nhỏ (24V, 300W). Bằng kỹ thuật mô phỏng, kết cấu của hầm gió đã được xác định và một mô hình thực tế đã được chế tạo để kiểm nghiệm các kết quả mô phỏng. Số liệu thu được từ mô phỏng cũng như qua kiểm nghiệm thực tế cho phép đề xuất kết cấu hầm gió cho một máy phát điện gió công suất nhỏ hoạt động ở tốc độ gió vào khoảng 2,5 m/s. iv
6. ABSTRACT Small Horizontal-Axis Wind Turbine ̣(HAWT) is being placed more popular on over the world and reduced power supplied from the others. However, most of them were designed to operate more than 6 m/s wind speed, so it can’t be used in Ho Chi Minh city, where has everage wind speed is smaller 6 m/s. The studies of WindCube effects presented that small HAWT can be operated in smaller than the rated wind speed. This article shows the results of the studies about WindCube’s parameter determination and others for a small wind generator (24V, 300W). The simulation technique was used to determine of the WindCube structure, a equipment model was made for the testing of the simulation results. Experimental data from the simulation and testing process allow to suggest the WindCube structure for a small HAWT, which can operate about 2.5 m/s wind speed. v
7. MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT iv ABSTRACT v MỤC LỤC vi DANH SÁCH CÁC BẢNG x DANH SÁCH CÁC HÌNH xi Chương 1 1 GIỚI THIỆU 1 1.1 Lý do chọn đề tài 1 1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2 1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2 1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 3 1.5 Phương pháp nghiên cứu 3 1.5.1 Phương pháp kế thừa 3 1.5.2 Phương pháp thu thập thông tin 3 1.5.3 Phương pháp tính toán thiết kế 3 1.5.4 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 3 1.6 Kết cấu của đồ án tốt nghiệp 3 Chương 2 5 TỔNG QUAN 5 vi
8. 2.1 Tổng quan về năng lượng gió 5 2.1.1 Năng lượng gió 5 2.1.2 Nguyên nhân hình thành gió 5 2.1.3 Đơn vị và hướng gió 5 2.1.4 Bản đồ gió Việt Nam 6 2.2 Tổng quan về máy phát điện gió 10 2.2.1 Lịch sử phát triển máy phát điện gió 10 2.2.2 Giới thiệu tuabin gió 12 2.2.2.1 Tuabin gió trục ngang (HAWT) 13 2.2.2.2 Tuabin gió trục đứng (VAWT) 15 2.2.3 Những lợi ích khi sử dụng gió để sản xuất điện 15 2.3 Tiềm năng phát triển năng lượng gió công suất nhỏ tại Việt Nam 17 2.4 Hầm gió 19 2.5 Các nguyên cứu trong và ngoài nước 19 2.5.1 Nguyên cứu ngoài nước 19 2.5.2 Nghiên cứu trong nước 22 2.6 Các vấn đề còn tồn tại trong nghiên cứu hiện nay 22 Chương 3 23 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 23 3.1 Cơ sở lý thuyết tuabin gió trục ngang 23 3.1.1 Khái niệm hoạt động thực của rotor 23 3.1.2 Thuyết động lượng và hệ số công suất của rotor 24 3.1.3 Số Betz giới hạn 25 3.1.4 Công suât tuabin gió 26 3.1.5 Tỉ số tốc độ đầu cánh (TSR) 28 3.1.6 Động lực học cánh tuabin 30 3.1.6.1 Góc Pitch (휷) 30 vii
9. 3.1.6.2 Góc tới 휶 (Angle of attack) 30 3.1.6.3 Lực tác động lên cánh tuabin gió 30 3.1.7 Động lực học của rotor 32 3.2 Cơ sở lý thuyết dòng chảy 37 3.2.1 Trạng thái chuyển động của chất lưu 37 3.2.1.1 Tiêu chuẩn phân biệt hai trạng thái dòng chảy 38 3.2.1.2 Ảnh hưởng trạng thái chảy đối với quy luật tổn thất cột nước 39 3.2.2 Tổn thất dọc đường 39 3.2.2.1 Công thức tổng quát Dacxi 39 3.2.2.2 Thí nghiệm Nicuratsơ 40 3.2.3 Tổn thất cục bộ 41 3.2.3.1 Mất năng do thay đổi tiết diện chảy 41 3.2.3.2 Mất năng do thay đổi hướng chảy 42 3.3 Cơ sở lý thuyết hầm gió 43 3.3.1 Phương trình liên tục 43 3.3.2 Kết cấu hầm gió 44 3.3.3 Kết cấu cơ bản của hầm gió 45 Chương 4 47 XÁC ĐỊNH KẾT CẤU HẦM GIÓ 47 4.1 Ảnh hưởng của hầm gió đến tốc độ gió 47 4.1.1 Chọn loại tuabin sử dụng thí nghiệm 47 4.1.2 Xác định hầm gió thí nghiệm 47 4.1.3 Mô phỏng hầm gió thí nghiệm 48 4.1.4 Thí nghiệm 50 4.1.4.1 Mô tả thiết bị 50 4.1.4.2 Thiết bị đo kiểm 50 4.1.4.3 Các bước tiến hành thí nghiệm 51 viii
10. 4.1.4.4 Thí nghiệm 52 4.1.5 Kết quả thảo luận 54 4.1.6 Đánh giá 54 4.2 Ảnh hưởng của biên dạng đầu vào 54 4.3 Thiết kế kết cấu hầm gió 56 4.3.1 Thông số thiết kế hệ thống 56 4.3.2 Tuabin sử dụng 56 4.3.2 Xác định kết cấu hầm gió 57 4.3.2.1 Xác định đường kính ngoại tiếp 57 4.3.2.2 Xác định góc đầu thu 58 Chương 5 62 THỰC NGHIỆM – ĐÁNH GIÁ 62 5.1 Mô phỏng hoạt động của hầm gió 62 5.2 Thực nghiệm 64 5.2.1 Mô tả thiết bị 64 5.2.2 Thiết bị đo kiểm 65 5.2.3 Thiết bị tạo gió 65 5.2.4 Các bước tiến hành thực nghiệm 66 5.2.5 Thí nghiệm 67 5.3 Kết quả thảo luận 67 5.4 Đánh giá 68 5.5 Kết luận 68 Chương 6 69 KẾT LUẬN –KIẾN NGHỊ 69 6.1 Kết luận 69 6.2 Kiến nghị 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 ix
11. DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 2. 1: Tiềm năng gió của Việt Nam ở độ cao 65m so với mặt đất. [8] 8 Bảng 2. 2: So sánh vận tốc gió trung bình của EVN và bản đồ gió của WB. [9] 8 Bảng 2. 3: Tiềm năng năng lượng gió tại độ cao 80m theo atlas [3] 10 Bảng 4. 1: Các thông số của tuabin 47 Bảng 4. 2: Thông số đầu vào 48 Bảng 4. 3: Bảng số liệu tốc độ gió đầu vào, đầu ra 53 Bảng 4. 4: Các giá trị thu được từ mô phỏng và thực nghiệm 54 Bảng 4. 5: Thông số mô phỏng biên dạng đầu vào 54 Bảng 4. 6: Bảng số liệu mô phỏng biên dạng đầu vào 55 Bảng 4. 7: Các thông số tuabin gió Gudcraft 57 Bảng 4. 8: Thông số mô phỏng biên dạng góc đầu thu 58 Bảng 4. 9: Bảng số liệu mô phỏng góc đầu thu 58 Bảng 4. 10: Bảng tóm tắt tốc độ gió thu được 59 Bảng 5.1: Bảng số liệu tốc độ gió đầu vào, đầu ra 67 Bảng 5. 2: Chọn giá trị thực nghiệm 67 Bảng 5. 3: So sánh số liệu thu được từ thực nghiệm và mô phỏng 67 x
12. DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 2.1 Cột xác định hướng gió 6 Hình 2.2 Bản đồ gió tại độ cao 65m 7 Hình 2.3: Bản đồ gió tại độ cao 30m 7 Hình 2.4: Bản đồ phân bố tốc độ gió của Việt Nam ở độ cao 80m [3] 9 Hình 2.5: Tuabin gió Charles F.Brush 11 Hình 2.6: Tuabin gió Poul la Cour 11 Hình 2.7: Tuabin gió trục ngang 13 Hình 2.8: Cấu tạo của tuabin gió trục ngang 14 Hình 2.9: Tuabin gió trục đứng 15 Hình 2.10: Kết cấu cơ bản của hầm gió 19 Hình 2.11: Máy phát điện gió bước lá cánh thay đổi của Windspot 20 Hình 2.12: Máy phát điện sức gió tuabin kín (CWT) 20 Hình 2.13: Máy phát điện gió WINCUBE 21 Hình 2.14: Máy phát điện gio INVELOX 21 Hình 3.1: Sự thay đổi áp suất và vận tốc gió qua turbine 23 Hình 3.2: số giới hạn Betz 25 Hình 3.3: Năng lượng gió qua tuabin 27 Hình 3.4: Sơ đồ Công suất tuabin gió 28 Hình 3.5: Mối quan hệ giữa TSR và cP 29 Hình 3. 6: Góc Pitch (β ) và góc tới (α) 30 Hình 3.7: Sự di chuyển của luồng gió khi vào cánh tuabin 31 Hình 3.8: Các thành phần lực tác dụng lên cánh tuabin [8] 31 Hình 3.9: Gió ở cánh tuabin gió trục ngang 32 Hình 3.10: Tam giác vận tốc gió 33 Hình 3.11: Biễu diễn các thành phần vận tốc lên mặt cắt ngang của cánh 35 Hình 3.12: Thí nghiệm Rây-nôn 37 Hình 3.13: Thay đổi đột ngột góc 90ᵒ 42 Hình 3.14: Phương trình liên tục của dòng lưu chất 43 Hình 3.15: Kết cấu cơ bản của hầm gió 44 xi
13. Hình 3.16: Vị trí đặt cánh tuabin gió 45 Hình 3.17: Kết cấu cơ bản của hầm gió 45 Hình 4.1: Thiết kế và chế tạo hầm gió thí nghiệm 48 Hình 4.2: Mô phỏng xác định tốc độ gió ở đáy nhỏ hầm gió 49 Hình 4.3: Hệ thống ống, tuabin gió 6 cánh trục ngang 50 Hình 4.4: Thiết bị đo tốc độ gió và cường độ dòng điện 51 Hình 4.5: Biến tần điều khiển và động cơ tạo luồng gió 51 Hình 4.6: Thiết bị đo được đặt tại đáy lớn 52 Hình 4.7: Thiết bị đo được đặt tại đáy nhỏ 52 Hình 4.8: Thí nghiệm tốc độ gió ở đáy nhỏ hầm gió 53 Hình 4.9: Biểu đồ đánh giá ảnh hưởng của biên dạng đầu vào đến tốc độ gió 55 Hình 4.10: Thông số cơ bản của hầm gió 56 Hình 4.11: Tuabin gió WG300-24V - 300W - 6 57 Hình 4. 12: Biểu đồ so sánh ảnh hưởng của góc độ đầu thu tới tốc độ gió 61 Hình 5.1: Thiết kế và chế tạo hầm gió 62 Hình 5. 2: Mô phỏng xác định tốc độ gió ở đáy nhỏ hầm gió 64 Hình 5.3: Thiết bị thực nghiệm Gudcraft 64 Hình 5.4: Bố trí thiết bị thí nghiệm 64 Hình 5.5: Thiết bị đo kiểm 65 Hình 5.6: Thiết bị tạo gió nhân tạo 65 Hình 5. 7: Thiết bị đo được đặt tại đáy lớn 66 Hình 5. 8: Thiết bị đo được đặt tại đáy nhỏ 66 xii
14. Chương 1 GIỚI THIỆU 1.1 Lý do chọn đề tài Kinh tế Việt Nam đang trên đà phát triển theo hướng công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Thực tế, ngày càng nhiều máy móc được đưa vào phục vụ cho sản xuất và sinh hoạt con người, do đó nhu cầu về nguồn năng lượng điện phục vụ cho các hoạt động này sẽ tiếp tục duy trì ở mức cao. Tuy nhiên cho đến ngày nay, nguồn năng lượng này đang thiếu hụt trầm trọng. Mặc dù nhà nước đã có nhiều biện pháp để giải quyết vấn đề này như: xây thêm nhà máy phát điện, tăng sản lượng điện nhập khẩu, kêu gọi toàn dân thực hiện tiết kiệm điện. Nhưng hiện nay và trong tương lai, tình trạng thiếu điện vẫn là một vấn đề cấp bách. Theo dự báo của Tổng Công ty Điện lực Việt Nam, nếu tốc độ tăng trưởng GDP tiếp tục được duy trì ở mức 7,1%/năm thì nhu cầu điện sản xuất của Việt Nam vào năm 2020 sẽ là khoảng 200.000GWh, vào năm 2030 là 327.000GWh. Trong khi đó ngay cả khi huy động tối đa các nguồn điện truyền thống thì sản lượng điện nội địa của Việt Nam cũng chỉ đạt mức tương ứng là 165.000GWh và 208.000GWh. Điều này có nghĩa là nền kinh tế sẽ bị thiếu hụt điện một cách trầm trọng và tỉ lệ thiếu hụt có thể lên tới 20-30% mỗi năm. Máy phát điện gió được sử dụng rộng rãi ở châu Âu, Châu Mỹ và nhiều nơi khác trong khi đó ở Việt Nam lại chưa phát triển. Hiện nay nguồn điện năng của nước ta chủ yếu từ nhiệt điện khí, nhiệt điện than và thủy điện. Tuy nhiên việc khai thác nguồn năng lượng truyền thống này có những mặt trái như gây biến đổi khí hậu trong nước, hạn hán vào mùa khô, lũ lụt vào mùa mưa. Trong các nguồn năng lượng tái tạo để tạo ra điện, thì năng lượng gió có nhiều ưu điểm vì nó rẻ, phân bố trên toàn lãnh thổ, dễ sử dụng, có trữ lượng vô tận và thân thiện với môi trường. Vì thế khai thác năng lượng gió ở nước ta là một hướng đi đúng. Máy phát điện gió trục ngang công suất nhỏ có kết cấu nhỏ gọn phù hợp với địa hình lắp đặt cũng như điều kiện kinh tế tại Việt Nam. Do đó việc sử dụng máy 1
15. phát điện gió công suất nhỏ phục vụ nhu cầu sinh hoạt ngày càng được quan tâm và ứng dụng. Tuy nhiên, ở những vùng có tốc độ gió không cao, đặc biệt là thành phố Hồ Chí Minh với tốc độ gió trung bình < 6 m/s sẽ gặp nhiều khó khăn khi sử dụng máy phát điện gió công suất nhỏ và vấn đề đặt ra là phải có thiết bị tăng tốc độ gió để sử dụng cho những vùng có tốc độ gió thấp. Nhận thức được tầm quan trọng của tốc độ gió ảnh hưởng tới công suất phát điện của tuabin gió, các nghiên cứu giúp tăng tốc độ gió tác động vào cánh tuabin đã được triển khai. Hầm gió là một trong các hướng nghiên cứu khả thi giúp tăng tốc độ gió cho máy phát điện gió trục ngang công suất nhỏ. Từ kết quả nghiên cứu mô phỏng, một hầm gió thí nghiệm đã được thiết kế, chế tạo. Các thực nghiệm cần thiết đã được tiến hành để kiểm nghiệm các kết quả mô phỏng và tính hợp lý của kết cấu hầm gió đã đề xuất. 1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Ý nghĩa khoa học: + Đề xuất được cách thức tính toán, thiết kế hầm gió + Đề xuất được kết cấu hầm gió có thể ứng dụng trong máy phát điện gió trục ngang + Đánh giá khả năng ứng dụng của hầm gió trên máy phát điện gió trục ngang công suất nhỏ - Ý nghĩa thực tiễn: + Đề xuất được kết cấu hầm gió phù hợp ứng dụng trong tuabin gió trục ngang công suất nhỏ hoạt động ở tốc độ gió thấp < 6 m/s + Chế tạo thành công hầm gió ứng dụng cho tuabin gió trục ngang công suất ≤ 300 W và hoạt động tại thành phố Hồ Chí Minh. + Đánh giá được khả năng làm việc của hầm gió bằng thực nghiệm. 1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Nghiên cứu, thiết kế hầm gió ứng dụng trong các tuabin gió trục ngang công suất nhỏ 2
16. - Thiết kế, chế tạo và đánh giá khả năng ứng dụng của hầm gió trên máy phát điên gió trục ngang công suất nhỏ giúp tuabin hoạt động khi tốc độ gió trung bình không cao 2,5 m/s. 1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài - Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của đề tài là thiết kế, chế tạo hầm gió cho phát điện gió trục ngang công suất nhỏ. - Phạm vi nghiên cứu: Đề tài chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo hầm gió phục vụ cho máy phát điện gió trục ngang với công suất điện phát 100 – 300W, hoạt động được trong vận tốc gió 2,5 m/s. 1.5 Phương pháp nghiên cứu 1.5.1 Phương pháp kế thừa Kế thừa các công trình, kết quả nghiên cứu đã công bố của các tác giả trong và ngoài nước về lĩnh vực nghiên cứu liên quan đến việc cải tiến nâng cao năng suất cho tuabin gió nhằm tiết kiệm thời gian và đạt hiệu quả cao. 1.5.2 Phương pháp thu thập thông tin Tiếp cận các tài liệu nghiên cứu, các thông tin cần thiết có liên quan đến đề tài có trên các tạp chí khoa học, tài liệu chuyên ngành, qua các nguồn tin từ báo, đài, internet 1.5.3 Phương pháp tính toán thiết kế - Nghiên cứu đi từ phân tích lý thuyết, phân tích tiềm năng máy phát điện gió công suất nhỏ ở Việt Nam. - Thiết kế, mô phỏng dựa vào công cụ thiết kế 3D - So sánh, phân tích lựa chọn hầm gió phù hợp. - Từ phương án thiết kế được chọn, tiến hành chế tạo, kiểm tra đánh giá. 1.5.4 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Dựa vào thiết kế hoàn chỉnh để chế tạo thiết bị sau đó thử nghiệm lại, đánh giá. 1.6 Kết cấu của đồ án tốt nghiệp Đề tài được chia làm 5 chương với các nội dung như sau: 3
17. - Chương 1: Lý do chọn đề tài, ý nghĩa khoa học – thực tiễn, đối tượng, phạm vi và mục tiêu nghiên cứu. - Chương 2: Trình bày tổng quan về năng lượng gió, máy phát điện gió và kết cấu hầm gió. Các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến việc cải tiến nâng cao năng suất cho tuabin gió - Chương 3: Cơ sở lý thuyết về tuabin gió trục ngang, cơ sở lý thuyết về dòng chảy ảnh hưởng đến tuabin gió, các công thức để tính toán, thiết kế hầm gió - Chương 4: Xác định kết cấu hầm gió thông qua mô phỏng, thí nghiệm và chế tạo thực nghiệm để đánh giá kết quả - Chương 5: Thực nghiệm – Đánh giá - Chương 6: Kết luận – Kiến nghị 4
18. Chương 2 TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan về năng lượng gió 2.1.1 Năng lượng gió Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển của Trái Đất. Năng lượng gió là một hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời. 2.1.2 Nguyên nhân hình thành gió Bức xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và mặt đất nóng không đều nhau. Bức xạ mặt trời ở vùng xích đạo nhận được nhiều hơn so với hai cực. Thêm vào đó hiện tượng ngày và đêm trên Trái Đất cũng tạo ra sự khác biệt nhiệt độ giữa các vùng trên bề mặt Trái Đất và vì thế sẽ khác nhau về áp suất tạo nên sự di chuyển không khí. Sự di chuyển của không khí được gọi là gió. Trái Đất xoay đi cũng góp phần vào việc làm xoáy không khí và trục Trái Đất nghiêng đi cũng tạo nên các dòng không khí theo mùa. Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay quanh trục của Trái Đất nên không khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển động thắng mà tạo thành các cơn gió xoáy có chiều xoáy khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu. Nếu nhìn từ vũ trụ thì trên Bắc bán cầu không khí di chuyển vào một vùng áp thấp ngược với chiều kim đồng hồ và ra khỏi một vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ. Trên Nam bán cầu thì chiều hướng ngược lại. 2.1.3 Đơn vị và hướng gió Đơn vị của tốc độ gió được tính theo kilomet trên giờ (km/h) hoặc mét trên giây (m/s) hoặc knot ( kn: hải lý trên giờ) hoặc Mile trên giờ (mph) tại Mỹ. 1 kn = 1,852km/h = 0,514 m/s. 1 mph = 1,609344 km/h = 0,8690 kn =0,447 m/s Hướng gió là hướng mà từ đó gió thổi tới điểm quan trắc. Hướng gió được biểu thị bằng phương vị đông, tây nam, bắc hoặc theo góc là lấy hướng bắc làm 5
19. mốc ở vị trí 0° hoặc 360° và tính theo chiều kim đồng hồ. Như vậy hướng đông ứng với 90°, hướng nam ứng với 180° và hướng tây ứng với góc 270°. Hình 2.1 Cột xác định hướng gió 2.1.4 Bản đồ gió Việt Nam Nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài, lại có gió Tây Nam thổi vào mùa hè, Việt Nam có một thuận lợi cơ bản để phát triển năng lượng gió. So sánh tốc độ gió trung bình trong vùng Biển Đông Việt Nam và các vùng biển lân cận cho thấy gió tại biển Đông khá mạnh và thay đổi nhiều theo mùa . Trong năm 2001, Ngân hàng Thế giới tài trợ xây dựng bản đồ gió cho 4 nước Việt Nam – Lào – Campuchia - Thái Lan nhằm hỗ trợ phát triển năng lượng gió cho khu vực [8]. Bản nghiên cứu này với dữ liệu gió lấy từ trạm khí tượng thủy văn và dữ liệu từ phần mềm mô phỏng MesoMap, đưa ra ước tính sơ bộ về tiềm năng gió ở Việt Nam tại độ cao 65m và 30m cách mặt đất. 6
20. Hình 2.2 Bản đồ gió tại độ cao 65m Hình 2.3: Bản đồ gió tại độ cao 30m Theo kết quả từ bản đồ năng lượng gió này, tiềm năng gió của Việt Nam là lớn nhất so với 3 nước còn lại: hơn 39% tổng diện tích Việt Nam được ước tính có diện tích gió trung bình hằng năm lớn hơn 6m/s ở độ cao 65m, tương đương với tổng công suất 512GW. Đặc biệt hơn, hơn 8% diện tích Việt Nam, được xếp có tiềm năng gió rất tốt. 7
21. Bảng 2. 1: Tiềm năng gió của Việt Nam ở độ cao 65m so với mặt đất. [8] Ở độ cao 30m và 65m, nơi có tiềm năng lớn để phát triển phong điện là vùng núi và cao nguyên Tây Nguyên đặc biệt là khu vực rộng lớn tiếp giáp 2 tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận, duyên hải Nam Trung Bộ mà tiềm năng lớn nhất là Ninh Thuận và Bình Thuận (vùng này có vận tốc gió trung bình lớn, xu hướng ổn định và có số lượng bão trong khu vực ít), xa hơn về phía bắc là khu vực hai tỉnh Quảng Bình và Quảng Trị. Tại những khu vực này gió mạnh, vận tốc 6-8m/s phù hợp để lắp đặt các tuabin có công suất lớn (3 – 3,5MW). Vùng duyên hải Bắc Bộ từ Quảng Ninh, Hải Phòng đến Thanh Hóa, duyên hải Nam Bộ là những vùng có tiềm năng đáng kể, vận tốc gió từ 4-6m/s, phù hợp với tua bin có công suất trung bình. Tuy nhiên bảng đồ gió của ngân hàng thế giới được đánh giá là quá lạc quan và có sự chênh lệch với số liệu đo gió thực tế của tập đoàn điện lực Việt Nam EVN. Sự chênh lệch này có thể là do sai số trong mô phỏng tính toán (bảng 2.2). Bảng 2. 2: So sánh vận tốc gió trung bình của EVN và bản đồ gió của WB. [9] 8
22. S K L 0 0 2 1 5 4