Nghiên cứu thiết kế hệ thống phát điện bằng sức gió công suất nhỏ

4 MỤC LỤC Nội dung phần Trang TRANG PHỤ BÌA LỜI MỞ ĐẦU 1 MỤC LỤC 4 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 7 DANH MỤC CÁC BẢNG 8 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 9 CHƢƠNG 1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NĂNG LƢỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 11 1.1. Các nguồn và công nghệ sử dụng năng lƣợng mới và tái tạo 11 1.1.1. Các nguồn năng lượng mới và tái tạo 11 1.1.2. Các công nghệ sử dụng năng lượng mới và tái tạo 13 1.2. Vai trò của các nguồn năng lƣợng mới và tái tạo hiện tại và trong tƣơng lai 20 1.2.1. Các ứng dụng của NLMT 20 1.2.2. Các ứng dụng của năng lượng gió 22 1.2.3. Các ứng dụng của năng lượng sinh khối 22 1.2.4. Các ứng dụng của năng lượng thuỷ điện nhỏ 22 1.2.5. Các ứng dụng của năng lượng địa nhiệt 23 1.2.6. Các ứng dụng của năng lượng đại dương 24 1.3. Năng lƣợng mới và tái tạo ở Việt Nam 24 1.3.1. Nguồn và tiềm năng 24 1.3.2. Hiện trạng nghiên cứu ứng dụng NLTT ở Việt Nam 27 1.3.3. Triển vọng phát triển của NLTT 29 5 CHƢƠNG 2. NGUỒN NĂNG LƢỢNG GIÓ TIỀM NĂNG VÀ ỨNG DỤNG Ở VIỆT NAM 34 2.1. Vật lý học về năng lƣợng gió 34 2.1.1. Các đặc trưng cơ bản về năng lượng gió 34 2.1.2. Năng lượng gió 37 2.2. Tiềm năng năng lƣợng gió ở Việt Nam 39 2.2.1. Tốc độ gió, cấp gió 39 2.2.2. Chế độ gió ở Việt Nam 40 2.3. Sản xuất điện từ năng lƣợng gió ở Việt Nam 43 CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG CẤU TRÚC TỔNG QUÁT HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ 46 3.1. Cấu trúc tổng quát của hệ thống phát điện bắng sức gió 46 3.1.1 Tổng quan về hệ thống 46 3.1.2 Cấp điều khiển hiện trường 49 3.1.3 Cấp điều khiển hệ thống 53 3.2. Nghiên cứu về hệ thống Turbine gió 54 3.2.1. Mô tả Turbine 54 3.2.2. Vận hành turbine 56 3.3. Nghiên cứu về máy phát điện sử dụng năng lƣợng gió 59 3.3.1. Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ 59 3.3.2. Phương pháp điều khiển máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu 63 CHƢƠNG IV. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ Ở VÙNG NÚI VIỆT NAM 68 4.1. Mô hình trạm phát điện sử dụng sức gió công suất nhỏ 68 4.1.1. Tổng quan về hệ thống 68 4.1.2. Nguyên lý làm việc của hệ thống 68 4.2. Thiết kế máy phát điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu 1,5kW 70 4.2.2. Tính toán mạch từ 70 4.2.3. Tổn hao ở chế độ làm việc định mức 79 6 4.2.4. Các dặc tính làm việc của máy phát điện 81 4.2.5. Tính toán độ tăng nhiệt 81 4.2.6. Chỉ tiêu tiêu hao vật tư 83 4.2.7. Tổng kết các số liệu thiết kế 84 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 88 PHỤ LỤC 90 7 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT NLMT: Năng lƣợng mặt trời NLG: Năng lƣợng gió TL - HL: Thƣợng lƣu và hạ lƣu NLM & TT: Năng lƣợng mới và tái tạo NLTT: Năng lƣợng tái tạo PĐCSG: Phát điện chạy sức gió KĐB: Không đồng bộ KĐB - RDQ: Không đồng bộ rotor dây quấn DFIG: Máy phát không đồng bộ nguồn kép KĐB - RLS: Không đồng bộ rotor lồng sóc ĐK: ĐIều khiển NL: Nghịch lƣu MP: Máy phát HSCS: Hệ số công suất NLPL: Nghịch lƣu phía lƣới NLMP: Nghịch lƣu máy phát ĐB - KTVC: Đồng bộ kích thích vĩnh cửu CL: Chỉnh lƣu SG: Máy phát sức gió tạo năng lƣợng xoay chiều DSP: Bộ vi xử lý tín hiệu BĐKHT: Bộ điều khiển hiện trƣờng BĐKCT: Bộ điều khiển chƣơng trình 8 DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Nội dung Trang 1.1 Một số kết quả chính của hoạt động nghiên cứu ứng dụng NLTT ở Việt Nam 2.1 Bảng cấp gió Beaufor 2.2 Bảng tiềm năng gió ở Việt Nam 2.3 Bảng đo vận tốc gió trên độ cao 12m và 50m 4.1 Tham số nam châm N38 của Công ty NINBO (Trung Quốc) 4.2 Các số liệu thiết kế của máy phát ĐB-KTVC 1,5kW 9 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình, đồ thị Nội dung Trang 1.1 Sơ đồ hộp thu NLMT theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính 1.2 Sơ đồ cấu tạo một pin mặt trời tinh thể Si 1.3 Sơ đồ một bộ thu để sản xuất nước nóng 1.4 Hệ thống sưởi ấm nhà cửa hay chuồng trại sử dụng NMT 2.1 Bề mặt cánh bánh công tác động cơ gió chiếm chỗ khi quay 3.1 Sơ đồ khối hệ thống phát điện sức gió 3.2 Sơ đồ phân cấp trong hệ thống điều khiển trạm phát điện sức gió 3.3 Các thành phần của hệ thống điều khiển hiện trường 3.4 Cấu trúc phần cứng card điều khiển 3.5 Cấu trúc của Module điện trở hãm 3.6 Các thành phần chính của Turbine WESTWIND 3.7 Hệ thống vành ghóp và thanh quét lấy điện (nằm trong thân Turbine) 3.8 Hệ thống lò xo lật cánh khi tốc độ gió quá lớn 3.9 Đuôi Turbine có thể tự gập khi gió mạnh khi gió mạnh hay gập bằng tay 3.10 Hai loại hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy phát 3.11 Đặc tính công suất có thể khai thác được từ gió với các tốc độ khác nhau: Cần điều khiển máy phát sao cho luôn đạt mức tối đa 3.12 Phạm vi hoạt động của máy phát KĐB-RDQ (a) với 10 dòng năng lượng chảy ở chế độ MP thuộc phạm vi dưới (b) và trên đồng hồ (c) 3.13 Khái quát cấu trúc hệ thống PĐCSG sử dụng máy phát loại KĐB-RDQ 3.14 Máy phát đồng hồ kích thích vĩnh cửu có thể được sử dụng theo 1 trong 2 phương án: a) Điện áp MP được chỉnh lưu đơn giản; b) Điện áp MP được chỉnh lưu có ĐK tuỳ theo sức tiêu thụ nhờ NL và MP 3.15 a) Hệ thống PĐCSG dùng MP loại ĐB-KTVC cùng với bộ CL đơn giản nên phải có thêm mạch tải giả; b) Sơ đồ chi tiết của mạch tải giả 3.16 Hệ thống PĐCSG với dàn ắc-quy (có bộ ĐK nạp) và mạch tải giả sen giữa CL và NL 3.17 Khái quát cấu trúc hệ thống PĐCSG sử dụng MP loại ĐB-KTVC công suất nhỏ 4.1 Mô hình trạm phát điện sử dụng sức gió công suất nhỏ 4.2 Kích thước rãnh lồng dây 4.3 Kích thước thanh nam châm 1 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của thế giới, nhu cầu sử dụng năng lượng cũng tăng cao. Năng lượng tái tạo còn gọi là năng lượng phi truyền thống nói chung, năng lượng gió nói riêng là một trong những lĩnh vực quan trọng và đang dần được quan tâm nghiên cứu ứng dụng rộng rãi. Một trong những vấn đề cần phải được giải quyết, đó là năng lượng gió không ổn định và mang tính chu kỳ. Năng lượng gió thường phụ thuộc vào nhiều yếu tố đặc biệt là không gian và thời gian. Chính vì thế việc nhanh chóng điều tra, đánh giá để xác định các số liệu về tốc độ gió ở một khu vực cụ thể là việc làm rất cần thiết và quan trọng đối với công tác nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sử dụng năng lượng gió. Sau thời gian hơn 2 năm học và tập nghiên cứu tại Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên tôi đã được giao đề tài luận văn tốt nghiệp với nội dung: “Nghiên cứu thiết kế hệ thống phát điện bằng sức gió công suất nhỏ”. Với sự giúp đỡ ủng hộ của các thầy cô giáo, các bạn bè đồng nghiệp, gia đình cũng như sự nỗ lực của bản thân đến nay tôi đã hoàn thành bản luận văn với đầy đủ nội dung của đề tài. Tuy nhiên, do còn hạn chế về kiến thức, tài liệu tham khảo và trình độ ngoại ngữ, đồng thời thời gian nghiên cứu không dài cũng như đây là một lĩnh vực còn tương đối mới mẻ nên bản luận văn của tôi sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, bạn bè đồng nghiệp và những ai quan tâm đến vấn đề này để bản luận văn được hoàn chỉnh và có ý nghĩa hơn. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo, các cán bộ giảng dạy thuộc Khoa sau đại học Trường Đại học KTCN Thái Nguyên, và đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn và cảm ơn sâu sắc tới cán bộ hướng dẫn khoa học TS. Nguyễn Như Hiển đã trang bị kiến thức, dẫn dắt, chỉ bảo và động viên tôi trong suốt thời gian qua. Thái nguyên, ngày 10 tháng 05 năm 2008 Vũ Thị Thanh Phương 2 TỔNG QUAN I. Tính cấp thiết của để tài: Trong các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển kinh tế xã hội ở Việt Nam đó chính là hệ thống điện lưới Quốc gia. Nó có ý nghĩa rất quan trọng song song với sự phát triển nhanh chóng của các lĩnh vực an ninh, quốc phòng, sản xuất, công nghiệp, du lịch,... Nhu cầu về sản xuất và tiêu thụ điện năng tăng lên ngày một rõ rệt. Trong những năm gần đây các hoạt động nghiên cứu, ứng dụng năng lượng mới và tái tạo để thiết kế những hệ thống phát điện ở nước ta đang phát triển khá mạnh mẽ và rộng khắp. Đặc biệt từ lâu con người đã biết sử dụng năng lượng gió để tạo ra cơ năng thay thế cho sức lao động nặng nhọc, điển hình là các thuyền buồn chạy bằng sức gió, các cối xay gió xuất hiện từ thế kỉ XIV. Hơn thế nữa từ vài chục năm gần đây với nguy cơ cạn kiệt dần những nguồn nhiên liệu khai thác được từ lòng đất và vấn đề ô nhiễm môi trường do việc đốt hàng ngày một khối lượng lớn các nguồn nhiên liệu hoá thạch. Từ những điều kiện và tình hình thực tế trên việc nghiên cứu, sử dụng các dạng năng lượng tái tạo của thiên nhiên trong đó có năng lượng gió lại được nhiều nước trên thế giới đặc biệt được quan tâm. Trên cơ sở áp dụng các thành tựu mới của nhiều ngành khoa học tiên tiến thì việc nghiên cứu sử dụng năng lượng gió đã đạt được những tiến bộ rất lớn cả về chất lượng các thiết bị và quy mô ứng dụng. Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của sức gió là để tạo ra hệ thống phát điện. Vì vậy đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống phát điện bằng sức gió công suất nhỏ” mang tính cấp thiết và có ý nghĩa rất quan trọng điều kiện tình hình kinh tế - xã hội ở Việt Nam hiện nay. 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: - Ý nghĩa khoa học: Đánh giá và dự báo được tình hình nghiên cứu và sử dụng các nguồn năng lượng mới và tái tạo trên thế giới cũng như ở Việt Nam hiện. Đồng thời nêu lên vai trò của các nguồn năng lượng mới và tái tạo hiện tại và trong tương lai - Ý nghĩa thực tiễn: Tìm ra được giải pháp phù hợp với điều kiện thực tế của nước ta hiện nay để lựa chọn xây dựng một hệ thống phát điện bằng nguồn phát năng lượng gió công suất nhỏ tương ứng với tiềm năng gió của Việt Nam, tạo điều kiện phát 3 triển kinh tế phù hợp với chiến lược phát triển của địa phương, nhất là ở những vùng núi mà điện lưới quốc gia chưa có khả năng vươn tới được. 3. Phương pháp nghiên cứu: Để giải quyết được những vấn đề của đề tài đặt ra, tác giả sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau đây: - Tổng hợp đánh giá về các nguồn năng lượng mới và tái tạo, hiện trạng về ứng dụng các nguồn NLM & TT trên thế giới và ở Việt Nam - Phân tích tiềm năng về nguồn năng lượng gió ở Việt Nam để đưa ra biện pháp sử dụng một cách hợp lý và hiệu quả nhất - Xây dựng nghiên cứu cấu trúc tổng quát hệ thống phát điện bằng sức gió - Tính toán, thiết kế hệ thống phát điện sử dụng năng lượng gió công suất nhỏ ở vùng núi Việt Nam, đặc biệt là vùng chưa có điện lưới quốc gia. 4. Nội dung nghiên cứu: Bản luận văn được chia làm 4 chương với nội dung như sau: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ 11 CHƢƠNG 1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NĂNG LƢỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 1.1. Các nguồn và công nghệ sử dụng năng lƣợng mới và tái tạo 1.1.1. Các nguồn năng lượng mới và tái tạo a. Nguồn năng lượng mặt trời Đây là nguồn năng lượng vô cùng quan trọng đối với sự tồn tại và phát triển của sự sống trên trái đất. Có thể nói đây là nguồn năng lượng rất phong phú mà thiên nhiên đã ban tặng cho chúng ta. Năng lượng mặt trời thu được trên trái đất là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ ặt trời đến trái đất. Chúng ta sẽ tiếp tục nhận được dòng năng lượng này cho đến khi phản ứng hạt nhân trên mặt trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa. b. Nguồn năng lượng gió Năng lượng gió là một dạng chuyển tiếp của năng lượng mặt trời, bởi chính ánh nắng ban ngày đã đun nóng bầu khí quyển, tạo nên tình trạng chênh lệch nhiệt độ và áp suất giữa nhiều vùng khác nhau, và các khối không khí từ những khu vực có áp suất cao sẽ dịch chuyển nhanh đến những vùng có áp suất thấp hơn, tạo ra hiện tượng gió thổi đều khắp trên bề mặt địa cầu. c. Nguồn năng lượng thuỷ điện nhỏ Từ các con sông, suối chảy từ nguồn xuống biển đều mang theo một tiềm năng về năng lượng (gọi là thuỷ năng). Thông thường nguồn thuỷ năng phụ thuộc vào độ dốc sông suối và lưu lượng nước chảy qua. Nguồn thuỷ năng có thể phân bố đều hoặc không đều trên một đoạn sông suối. Để tập trung năng lượng của dòng chảy, nghĩa là để tạo được độ chênh lệch mực nước giữa thượng lưu và hạ lưu người ta sử dụng một số phương pháp kiểu trạm thuỷ điện như: Phương pháp tập trung năng lượng bằng đập ngăn, phương pháp tập trung năng lượng bằng đường dẫn và phương pháp tổng hợp tập trung năng lượng dòng chảy. d. Nguồn năng lượng sinh khối Sinh khối bao gồm các loài thực vật sinh trưởng và phát triển trên cạn cũng NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ 12 như ở dưới nước, các phế thải hữu cơ như: rơm rạ, vỏ trấu, bã mía, vỏ cà phê..., các loại phế thải động vật như: phân người, phân gia súc, gia cầm.... Sinh khối là nguồn năng lượng đầu tiên của loài người và mặc dù ngày nay các nguồn năng lượng hoá thạch như: tha đá, dầu mỏ, khí đốt là các nguồn năng lượng chính nhưng sinh khối vẫn còn được sử dụng với một khối lượng và tỉ lệ khá lớn, nhất là ở các nước đang phát triển. Sinh khối là một nguồn năng lượng có khả năng tái sinh. Nó tồn tại và phát triển được trên hành tinh chúng ta là nhờ có ánh sáng mặt trời. Các loại thực vật hấp thụ ánh sáng mặt trời để thực hiện các phản ứng quang hợp, biến đổi các khoáng chất, nước và các nguyên tố vô cơ khác thành các chất hữu cơ. Phản ứng quang hợp còn là phản ứng cơ bản tạo ra thức ăn cho động vật. Nếu kể đến cả sản phẩm oxy của phản ứng quang hợp ta có thể nói rằng sinh khối nói chung và thực vật nói riêng có ý nghĩa quyết định đối với sự sống trên hành tinh chúng ta. Năng lượng sinh khối hoàn toàn có thể thay thế các nguồn năng lượng hoá thạch đang bị khai thác cạn kiệt và gây ra ô nhiễm môi trường nặng nề e. Nguồn năng lượng địa nhiệt Địa nhiệt là nguồn năng lượng tự nhiên ở trong lòng quả đất, dưới một lớp vỏ không khí không dày lắm , nhiệt độ lên đến 10000C đến hơn 40000C. Còn ở lớp trên cùng của vỏ Trái đất chỉ có nhiệt độ bình quân trong năm là 150C, dưới lớp đó là một lớp có nhiệt độ bình quân là 5400C, còn tại lớp lõi trong nhiệt độ bình quân là 70000C. Khối năng lượng khổng lồ đó tồn tại đồng hành với Trái đất và là nguồn năng lượng vô hạn sinh ra từ các chuỗi phản ứng hạt nhân, sự phân hủy các chất phóng xạ tiến hành thường xuyên trong lòng Trái đất như Thori (Th), Protactini (Pa), Urani (U)...vv, năng lượng do các phản ứng phóng xạ được tích tụ trong lòng quả đất hàng triệu năm với một lượng khổng lồ làm nóng chảy lõi quả đất dưới áp suất cao. Đi sâu xuống lòng đất 2-40m (tùy địa điểm) ta sẽ gặp tầng Thường ôn, tức là tầng có nhiệt độ không chịu ảnh hưởng của nhiệt độ Mặt Trời. Dưới tầng Thường ôn càng xuống sâu nhiệt độ càng tăng. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ 13 Theo đánh giá của các chuyên gia, có khoảng 10% diện tích vỏ quả đất có chữa các nguồn địa nhiệt có thể đánh giá được tiềm năng của nó. Các nguồn này có thể cung cấp cho nhân loại một nguồn năng lượng rất lớn. f. Nguồn năng lượng đại dương Nguồn năng lượng này được chia thành 3 loại chính: Năng lượng thuỷ triều, năng lượng nhiệt đại dương và năng lượng sóng biển. Tiềm năng là vô cùng to lớn, gió thổi trên một khoảng không gian bao la trên các đại dương sẽ tạo ra sóng biển dữ dội, liên tục và mang theo một nguồn năng lượng có thể nói là vô tận. Thuỷ triều là kết quả giữa lực hút của mặt trời, mặt trăng với quả đất và do sự chuyển động của quả đất xung quanh mặt trời, cũng như sự quay xung quanh trục nghiêng của quả đất. Với năng lượng nhiệt đại dương có thể xem như một nhà máy nhiệt hoạt động với nguồn nóng trên bề mặt và nguồn lạnh dưới tầng sâu tương tự các máy nhiệt trong các nhà máy nhiệt điện, nhưng máy nhiệt đại dương lại không cần dùng một loại nhiên liệu nào cả. Nhiệt độ đại dương không biến đổi nhiều từ ban ngày sang ban đêm và vì vậy có thể coi là nguồn nhiệt rất ổn định. tuy nhiên có thể sẽ thay đổi theo mùa và phụ thuộc vào khoảng cách đến xích đạo. Cuối cùng là năng lượng sóng biển, đây cũng là một nguồn năng lượng rất lớn và hấp dẫn. Tiềm năng năng lượng sóng biển phụ thuộc vào vị trí địa lý, thậm chí ngay ở một vị trí đã cho năng lượng sóng biển cũng biến đổi theo thời gian từng giờ, từng ngày và từng mùa. 1.1.2. Các công nghệ sử dụng năng lượng mới và tái tạo a. Công nghệ năng lượng mặt trời (NLMT) * Công nghệ nhiệt mặt trời - Hiệu ứng nhà kính: Hiệu ứng nhà kính là một trong những hiệu ứng quan trọng nhất được ứng dụng để khai thác năng lượng mặt trời (NLMT). Ta khảo sát một hộp thu nhiệt mặt trời như hình 1.1. Mặt trên hộp được đậy bằng tấm kính (1). Thành xung quanh và đáy hộp có lớp vật liệu cách nhiệt dày (2). Đáy trong của hộp được làm bằng tấm NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ 14 kim loại dẫn nhiệt tốt, mặt trên của nó phủ một lớp sơn đen, hấp thụ nhiệt tốt và được gọi là tấm hấp thụ (3). 4 1 2 3 TÊm kÝnh Líp vá c¸ch nhiÖt TÊm hÊp thô Tia s¸ng mÆt trêi 1 2 3 4 Hình 1.1. Sơ đồ hộp thu NLMT theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính Các tia bức xạ mặt trời có bước sóng  < 0,7m tới mặt hộp thu, đi qua tấm kính phủ phía trên (1), tới bề mặt tấm hấp thụ (3). Tấm này hấp thụ năng lượng bức xạ mặt trời và chuyển hoá thành nhiệt làm cho tấm hấp thụ nóng lên, khi đó nó trở thành nguồn phát xạ thứ cấp phát ra các tia bức xạ nhiệt có bước sóng  > 0,7m , hướng về mọi phía. Các tia đi lên phía trên bị tấm kính ngăn lại, không ra ngoài được. Nhờ vậy, hộp thu liên tục nhận bức xạ mặt trời nên tấm hấp thụ được nung nóng dần lên và có thể đạt đến nhiệt độ hàng trăm độ. Như vậy năng lượng nhiệt mặt trời bị "giam" trong hộp, giống như một cái bẫy nhiệt - năng lượng vào được nhưng không thể ra đựơc. Đó là nguyên lý “hiệu ứng nhà kính”. - Bộ thu phẳng: Bộ thu phẳng có hình khối hộp chữ nhật, trên cùng được đậy bằng một hay vài lớp kính xây dựng trong suốt. Cũng có thể thay lớp kính này bằng các tấm trong suốt khác như thuỷ tinh hữu cơ, polyester, v.v... Đối với vật liệu ngoài thuỷ tinh tuy có độ bền cơ học cao hơn, nhưng độ già hoá lại nhanh, do đó hệ số truyền qua sau khoảng 5 –10 năm có thể giảm 5  10%. Tấm hấp thụ là một tấm kim loại dẫn nhiệt tốt, mặt trên có phủ một lớp sơn hấp thụ ánh sáng màu đen. Lớp hấp thụ cần có hệ số hấp thụ càng cao càng tốt, ví NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ 15 dụ > 85%, thì hiệu suất bộ thu sẽ có thể có giá trị cao. Ngoài ra, tấm hấp thụ bằng vật liệu kim loại còn để việc hàn các thành phần khác (ví dụ ống nước bằng kim loại nếu bộ thu dùng để đun nước nóng) được dễ dàng hơn. Thành hộp xung quanh và đáy hộp là một lớp vật liệu cách nhiệt khá dày để giảm hao phí nhiệt từ tấm hấp thụ ra xung quanh. Vật liệu cách nhiệt thường dùng là “xốp bọt biển” (polystyrene) màu trắng rất nhẹ được sản xuất dưới dạng tấm hoặc hạt,... cũng có thể dùng vật liệu khác như bông thuỷ tinh, mút, gỗ khô, mùn cưa,... Nếu cách nhiệt tốt thì trong những ngày nắng, nhiệt độ tấm hấp thụ có thể đạt đến 100 115oC hoặc cao hơn. * Công nghệ điện mặt trời (ĐMT) - Công nghệ nhiệt điện mặt trời Người ta sử dụng bộ thu hội tụ đi kèm bộ dõi theo mặt trời (tracker) để hội tụ các tia mặt trời đúng diện tích cần thiết kế. Đối với các bộ thu không yêu cầu độ hội tụ cao thì sự định hướng bộ thu có thể chỉ cần điều chỉnh vài ba lần trong một ngày và có thể thực hiện bằng tay. Nhưng với các bộ thu yêu cầu độ hội tụ cao thì cần phải điều chỉnh sự định hướng bộ thu một cách liên tục. Đa số các bộ hội tụ này là các bộ hội tụ máng parabol, các tia sáng mặt trời được hội tụ lại trên đường tiêu hội tụ, tại đường tiêu này nhiệt độ có thể đạt 4000C hay cao hơn. - Công nghệ pin mặt trời (PMT) Đây còn gọi là công nghệ pin quang điện, khác với công nghệ nhiệt điện mặt trời là năng lượng mặt trời được hội tụ nhờ các hệ thống gương hội tụ để tập trung ánh sáng mặt trời thành các nguồn nhiệt có mật độ năng lượng thì ở công nghệ pin mặt trời, năng lượng mặt trời được biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào quang điện bán dẫn được chế tạo từ các vật liệu bán dẫn điện. Các pin mặt trời sản xuất ra điện năng một cách liên tục chừng nào còn bức xạ mặt trời tới nó. Khi chiếu ánh sáng mặt trời vào mặt trên của pin, ánh sáng sẽ tạo ra trong các lớp bán dẫn lân cận lớp tiếp xúc pn (4) các cặp điện tử – lỗ trống. Các cặp này NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ 16 4 3 5 6 12 ¸nh s¸ng mÆt trêi 7 Líp chÊt chèng ph¶n x¹ ¸nh s¸ng §iÖn cùc lưới mÆt trªn Líp b¸n dÉn n_Si 1 2 3 Líp tiÕp xóc b¸n dÉn p_n Líp b¸n dÉn p_Si §iÖn cùc dưới Bãng ®Ìn 4 5 6 7 Hình 1.2. Sơ đồ cấu tạo một pin mặt trời tinh thể Si là các hạt dẫn điện mang điện tích âm (điện tử) và điện tích dương (lỗ trống). Do tính chất đặc biệt của lớp tiếp xúc bán dẫn, nên tại lớp tiếp xúc (4) đã có sẵn một điện trường tiếp xúc Etx. Điện trường này lập tức tách điện tử và lỗ trống trong các cặp điện tử, lỗ trống vừa được ánh sáng tạo ra và bắt chúng chuyển động theo các chiều ngược nhau để tạo thành dòng điện. Vì vậy nếu nối các điện cực trên và dưới bằng một dây dẫn có bóng đèn (7) thì sẽ có một dòng điện qua bóng đèn và đèn sáng. Hiện tượng chiếu ánh sáng vào lớp tiếp xúc bán dẫn pn ta thu được dòng điện ở mạch ngoài được gọi là hiệu ứng Quang - Điện. Như vậy pin mặt trời hoạt động dựa trên hiệu ứng quang- điện để sản xuất điện. b. Nguồn năng lượng gió Năng lượng gió (NLG) thường được khai thác từ các trạm đặt ở độ cao (20- 70)m so với bề mặt trái đất. Trên độ cao lớn (8-12)km gọi là tầng đối lưu, có gió thường xuyên hơn và gọi là dòng chảy luồng (hay luồng khí). Gió loại này có vận NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ 17 tốc lớn (25-80)m/s, tiềm năng năng lượng của chúng lớn hơn nhiều. Đặc tính gió ở tầng này khác nhiều so với đặc tính gió trên mặt đất. Song sử dụng gió ở độ cao này gặp phải một số khó khăn rất lớn về mặt kỹ thuật khi chuyển tải điện từ độ cao lớn tới mặt đất. Đặc tính quan trọng nhất đánh giá động năng của gió là vận tốc. Dưới ảnh hưởng của một loạt các yếu tố khí tượng (sự nhiễu loạn khí quyển, sự thay đổi tác động của mặt trời và lượng năng lượng nhiệt truyền tới mặt đất...), đồng thời các điều kiện địa hình tại chỗ, tốc độ gió thay đổi cả về giá trị và hướng. Đặc trưng của NLG là tập hợp các dự liệu cần thiết và đủ độ tin cậy đặc trưng cho gió như là một nguồn năng lượng và cho phép làm rõ giá trị năng lượng của nó. Đó cũng là một hệ thống các dữ liệu đặc trưng cho chế độ gió ở các vùng khác nhau, trên cơ sở đó có thể tính toán các chế độ và thời gian làm việc của tổ máy với công suất này hoặc khác, và năng lượng tổng cộng có thể khai thác được. Đặc tính đặc trưng quan trọng nhất là mật độ phân bố các vận tốc gió khác nhau, diễn biến các chu kỳ làm việc và sự lặng gió, các chế độ vận tốc cực đại (bão). Ngoài ra cần phải kể đến là hàm quy luật thống kê tần số biến đổi vận tốc gió trong khoảng thời gian xác định. Khi biết quy luật xác định và thông số của hàm này và khi có các đặc tính của các tổ máy NLG, có thể đánh giá được năng lượng sản ra, thời gian dừng làm việc, hệ số sử dụng, công suất lắp đặt, hiệu quả kinh tế...vv. c. Nguồn năng lượng sinh khối * Các công nghệ nhiệt hoá Công nghệ sinh hoá sử dụng các phản ứng lên men sinh khối như lên men rượu, lên men kỵ khí nhờ các chủng loại vi sinh để biến đổi sinh khối ở áp suất và nhiệt độ thấp thành các loại nhiên liệu khí (khí sinh học) hoặc lỏng (ethanol, methanol…). * Các công nghệ biến đổi sinh hoá Ngược lại công nghệ nhiệt hoá sử dụng các quá trình nhiệt độ cao để biến đổi sinh khối nhờ các quá trình đốt cháy, nhiệt phân, khí hoá, chất lỏng. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ 18 d. Nguồn năng lượng thuỷ điện nhỏ * Phương pháp tập trung năng lượng bằng đập ngăn Phương pháp này là đắp đập tạo nên độ chênh mực nước giữa thượng lưu và hạ lưu. Đập có nhiều loại: đập đất, đập đá và đập bêtông. Còn trạm thuỷ điện có thể bố trí sau đập hay trong lòng đập. Trạm thuỷ điện này gọi là trạm thuỷ điện sau đập hay trạm thuỷ điện trong lòng đập. Vì độ cao đập hạn chế nên phương pháp này được sử dụng chỉ cho các đoạn sông suối có độ dốc nhỏ. Cột nước toàn phần của trạm thuỷ điện được xác định bằng hiệu mực nước thượng lưu và hạ lưu. * Phương pháp tập trung năng lượng bằng đường dẫn Phương pháp này sử dụng đường dẫn để tạo độ chênh mực nước giữa thượng lưu và hạ lưu. Trạm thuỷ điện này gọi là trạm thuỷ điện đường dẫn. Đường dẫn có thể bằng đường ống hoặc kênh dẫn. Trạm thuỷ điện dạng này thích hợp với các con sông, suối có độ dốc lớn hay có bậc thác. * Phương pháp tổng hợp tập trung năng lượng dòng chảy Phương pháp này tạo độ chênh mực nước bằng đập ngăn và bằng đường dẫn đối với đoạn sông có độ dốc khác nhau. Độ chênh mực nước của trạm bằng tổng độ chênh mực nước đập tạo nên và độ chênh của đường dẫn. Trạm thuỷ điện dạng này gọi là trạm thuỷ điện tổng hợp. Cột áp toàn phần được xác định bằng tổng cột áp do đập và đường dẫn tạo nên. e. Nguồn năng lượng địa nhiệt Địa nhiệt là nguồn năng lượng nhiệt tự nhiên ở trong lòng Quả đất. Có 4 loại nguồn địa nhiệt. Đó là: nguồn nước nóng, nguồn áp suất địa nhiệt, nguồn đá nóng khô, các núi lửa hoạt động và magma. Nguồn nước nóng là nguồn nước bị nung nóng dưới áp suất cao, các nguồn hơi nước hay hỗn hợp của chúng ở trong các tầng đá xốp rỗ, hoặc ở trong các khe nứt gãy của đá, nó bị giữ lại bởi một lớp đá khác đặc kín và không thấm. Nguồn áp suất địa nhiệt là các nguồn chứa nước muối có nhiệt độ trung bình và chứa khí metan hoà tan. Các nguồn này bị vỏ quả đất nén lại dưới áp suất cao dưới các tầng trầm tích sâu và bị bao bọc bởi các lớp đất sét và trầm tích không NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ 19 thấm nước. Các nguồn đá nóng khô bao gồm các khối đá ở nhiệt độ cao từ 900C đến 650 0 C. Các nguồn đá này có thể bị nứt gãy nên có thể chứa một ít hoặc không có nước nóng. Để khai thác nguồn địa nhiệt này người ta khoan sâu đến tầng đá, tạo ra các nứt gãy nhân tạo, sau đó sử dụng một chất lỏng nào đó làm chất vận chuyển nhiệt bơm qua tầng đá đã bị nứt gãy để thu nhiệt. Năng lượng địa nhiệt ở các lỗ hổng núi lửa đang hoạt động. Magma là đá nóng chảy có nhiệt độ nóng chảy từ 7000C đến 16000C. Khi còn nằm dưới vỏ quả đất đá nóng chảy là một phần của vỏ quả đất có độ dày khoảng từ 24km đến 48km. Các nguồn Magma chứa một nguồn năng lượng khổng lồ, lớn nhất trong các nguồn địa nhiệt, nhưng nó ít khi ở gần mặt đất nên việc khai thác rất khó khăn. f. Nguồn năng lượng đại dương * Năng lượng thuỷ triều Năng lượng thuỷ triều có tính chu kỳ, có thể là nửa ngày, nửa năm hoặc dài hơn. Các chu kỳ này ảnh hưởng đến độ chênh lệch của thuỷ triều. Biên độ của các chu kỳ thuỷ triều tăng lên một cách rất đáng kể, ở một số vùng biển có địa hình đặc biệt như ở các cửa sông, ở các vịnh dạng hình phễu, ở các khu vực có các đảo hay các doi đất chia mặt biển thành từng ngăn tạo ra sự phản xạ và cộng hưởng sóng biển. * Năng lượng nhiệt đại dương Có thể xem như một nhà máy nhiệt hoạt động với nguồn nóng trên bề mặt và nguồn lạnh dưới tầng sâu tương tự các máy nhiệt trong các nhà máy nhiệt điện, nhưng máy nhiệt đại dương lại không cần dùng một loại nhiên liệu nào cả. * Năng lượng sóng biển Đây cũng là một nguồn năng lượng rất lớn và hấp dẫn. Tiềm năng năng lượng sóng biển phụ thuộc vào vị trí địa lý, thậm chí ngay ở một vị trí đã cho năng lượng sóng biển cũng biến đổi theo thời gian từng giờ, từng ngày và từng mùa. Tuỳ theo nguyên lý hoạt động mà các thiết bị khai thác sóng biển được nghiên cứu, thiết kế và chế tạo theo từng loại khác nhau. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ 20 1.2. Vai trò của các nguồn năng lƣợng mới và tái tạo hiện tại và trong tƣơng lai Các nguồn năng lượng lượng mới và tái tạo (NLM & TT) đóng một vai trò hết sức quan trọng, bởi lẽ hiện nay hầu hết các nước đã và đang phát triển đều quan tâm đến vấn đề năng lượng. Chính sách an ninh năng lượng cũng như hoạch định các chính sách sử dụng tiết kiệm và phát triển nguồn năng lượng mới và tái tạo đang làm nóng các quốc gia này. Việc nghiên cứu để khai thác và ứng dụng các nguồn NLM & TT bổ sung cho các nguồn năng lượng truyền thống đang ngày một cạn kiệt là một việc làm hết sức cần thiết và cấp bách. Sau đây ta đi nghiên cứu các ứng dụng của các nguồn NLM & TT để thấy rõ vai trò quan trọng của chúng. 1.2.1. Các ứng dụng của NLMT a. Sản xuất nước nóng Hình 1.3. Sơ đồ một bộ thu để sản xuất nước nóng Về cơ bản một thiết bị sản xuất nước nóng là một bộ thu NMT. Trong thiết bị đun nước, người ta hàn vào tấm hấp thụ một hệ thống ống kim loại (như các ống bằng đồng hay ống nước mạ kẽm, xem hình 1.3) và sau đó cho nước chảy qua hệ ống đó. Nhiệt từ tấm hấp thụ sẽ được truyền qua thành ống vào nước và làm nước 4 1 2 3 5 N•íc nãng ra N•íc l¹nh vµo TÊm kÝnh Líp vá c¸ch nhiÖt TÊm hÊp thô 1 2 3 Tia s¸ng mÆt trêi èng dÉn n•íc kim lo¹i 4 5 (a) (b) NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ 21 nóng dần lên. b. Sấy bằng nhiệt mặt trời Phần lớn các thiết bị sấy hiện đại đều sử dụng hiệu ứng nhà kính. Khí nóng được tạo ra trong bộ thu hoặc buồng thu nhiệt mặt trời và được cho thổi qua sản phẩm sấy theo chu trình đối lưu tự nhiên hay đối lưu cưỡng bức c. Sưởi ấm nhà cửa, chuồng trại 1 1 2 3 3 4 5 Bé thu n¨ng lượng mÆt trêi B×nh tÝch nhiÖt B¬m hay qu¹t 1 2 3 Nguån ®èt dù phßng Hệ thèng èngế sưởi 4 5 Hình 1.4. Hệ thống sưởi ấm nhà cửa hay chuồng trại sử dụng NMT NMT cũng thường được sử dụng để sưởi ấm nhà cửa, chuồng trại chăn nuôi trong mùa đông. Hình 1.4 là một hệ thống sưởi ấm nhà cửa, chuồng trại nhờ không khí nóng được sản xuất ra từ các bộ thu NMT. d. Nguồn điện pin mặt trời nối lưới Dàn pin mặt trời gồm nhiều modun pin mặt trời được ghép nối lại với nhau (nối nối tiếp, song song hay hỗn hợp) và lắp đặt trên mái nhà hay nơi có nắng suốt ngày. Khi có nắng dàn pin mặt trời phát ra dòng điện một chiều. Dòng điện này NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ 22 được cho qua Bộ biến đổi điện (inverter) để biến đổi thành dòng điện xoay chiều (ví dụ dòng điện 220V, 50Hz) và qua công tơ điện CT1 đưa vào lưới điện quốc gia (hay địa phương). ._.Trong phương pháp này mạng lưới điện quốc gia hay địa phương đóng vai trò như một hệ thống tích trữ điện năng (hay một nhà băng điện năng). Tuy nhiên phương pháp này chỉ ứng dụng được những khu vực có lưới điện. 1.2.2. Các ứng dụng của năng lượng gió a. Ứng dụng động cơ gió phát điện Động cơ gió phân làm 3 loại: Loại cánh dạng khí động, loại rôto cánh phẳng trục đứng và loại rôto cánh tròn trục đứng. Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của động cơ gió là để chạy máy phát điện. Các động cơ gió dùng để kéo máy phát điện thường là các máy ít cánh có số vòng quay tương đối lớn. Điều quan trọng khi dùng động cơ gió chạy máy phát điện là phải đảm bảo sự phối hợp tải giữa động cơ gió và máy phát điện, vì máy phát điện thường có tốc độ quay lớn hơn động cơ gió do đó cần sử dụng máy phát có tốc độ quay thấp hoặc sử dụng các bộ truyền trung gian như hộp số, đai truyền, biến tốc thuỷ lực,... b. Ứng dụng động cơ gió bơm nước Đây là ứng dụng quan trọng thứ hai của NLG. Người ta sử dụng các loại bơm khác nhau ghép nối với động cơ gió để bơm nước. Có thể chia động cơ gió bơm nước làm hai nhóm: Nhóm động cơ gió bơm nước cột áp thấp, lưu lượng lớn. Chiều cao bơm chỉ (1-2)m. Loại này hay dùng cho các vùng làm muối và tưới ruộng lúa. Nhóm thứ hai thuộc loại cột áp cao, lưu lượng nhỏ. Chiều cao cột nước đạt tới (15- 35)m. Loại này phục vụ chủ yếu tưới cà phê, hồ tiêu, chè trên các vùng cao nguyên. 1.2.3. Các ứng dụng của năng lượng sinh khối Khí sinh học có rất nhiều ứng dụng như thắp sáng, dùng làm nhiên liệu đun nấu, phát điện, v.v... Ngoài ra công nghệ khí sinh học còn là một công nghệ làm sạch môi trường. 1.2.4. Các ứng dụng của năng lượng thuỷ điện nhỏ a. Tuabin nước chạy máy phát điện NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ 23 Tuabin được nối trực tiếp với máy phát điện hoặc gián tiếp thông qua các bộ truyền động. Công suất của máy phát điện sẽ được xác định theo công suất của tuabin, còn vòng quay của máy phát được chọn theo số vòng quay đồng bộ. b. Tuabin kéo bơm Để phục vụ cho việc cung cấp nước sinh hoạt và nước tưới cho vùng sâu, vùng xa, nơi có nguồn thuỷ năng nhỏ, người ta sử dụng tuabin để trực tiếp kéo bơm. Tổ hợp như vậy gọi là bơm thuỷ luân. Tuabin kéo bơm có hai loại: Buồng hở và buồng kín 1.2.5. Các ứng dụng của năng lượng địa nhiệt Nhiệt từ các nguồn hay từ mỏ địa nhiệt có thể khai thác nhờ sử dụng một số chất lỏng tự nhiên của quả đất để làm chất làm việc vận chuyển nhiệt. Năng lượng nhiệt này có thể cho qua tuabin để phát điện hoặc dùng một cách trực tiếp cho các quá trình gia nhiệt hoặc chế biến nhiệt công nghiệp. Để khai thác các nguồn địa nhiệt người ta thường sử dụng phương pháp khoan như: khai tác dầu hay khí đốt. Đối với các nguồn địa nhiệt nông và nhiệt độ không cao (thấp hơn 1700C) thường người ta khai thác nhiệt một cách trực tiếp hoặc sử dụng gián tiếp qua bộ trao đổi nhiệt. Để sử dụng năng lượng điạ nhiệt có hiệu quả thông thường người ta sử dụng ngay tại chỗ, nơi có nguồn địa nhiệt khai thác, vì khi dẫn nhiệt đi xa (ống dẫn) hao phí nhiệt sẽ lớn. Năng lượng địa nhiệt có nhiệt độ thấp hay trung bình có thể dùng để sưởi ấm hay sản xuất nước nóng cho các mục đích sinh hoạt trong các gia đình hay các cơ sở công cộng như: trường học, bệnh viện, nhà hàng, khách sạn...vv. Các chất lỏng địa nhiệt cũng được dùng để tạo ra nguồn nhiệt cho các quá trình công nghiệp như sản xuất hoá chất hay đun nấu. Nhiệt và hơi nước từ nguồn địa nhiệt cũng được sử dụng cho công nghiệp thực phẩm, sản xuất hàng hoá tiêu dùng, sưởi ấm chuồng trại chăn nuôi gia súc, gia cầm hay sử dụng trong các nhà kính trồng rau quả...vv. Năng lượng địa nhiệt có thể dùng quay các động cơ tạo ra cơ năng. Trong các chất lỏng địa nhiệt còn chứa nhiều kim loại và khoáng chất quý NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ 24 như: kali, cacbonat, bạc, bo, chì, kẽm...vv. Thu hồi các chất này khi khai thác các nguồn các nguồn địa nhiệt cũng là một nguồn sản phẩm phụ rất có giá trị. 1.2.6. Các ứng dụng của năng lượng đại dương a. Phát điện khi thuỷ triều lên, xuống hoặc cả hai chiều Khi thuỷ triều lên hoặc xuống người ta tạo ra sự chênh lệch giữa nước trong hồ với nước bên ngoài làm cho cột nước có độ cao xác định nhờ hệ thống các kênh dẫn. Sau đó mở các cửa kênh cho nước dẫn qua các tuabin và phát điện. Các tuabin làm việc đến khi nào cột nước giữa mực nước biển ngoài cửa kênh và trong hồ giảm một nửa thì dừng lại. b. Nhà máy nhiệt điện đại dương Nước nóng ở lớp nước bề mặt đại dương được dùng để làm nóng một lớp chất lỏng có nhiệt độ bay hơi thấp - chất lỏng này được gọi là chất lỏng làm việc – như Amoniac, Freon hay Propan. Chất lỏng làm việc khi đi qua buồng có áp suất thấp sẽ bị bốc hơi. Hơi này được cho qua tuabin làm quay tuabin phát điện, sau đó hơi đi qua buồng ngưng tụ được làm lạnh bằng nước biển lạnh lấy từ các tầng nước sâu và được bơm trở về buồng hoá hơi, ...vv Một ứng dụng khác là nước biển nóng được làm “bay hơi nổ” trong một buồng chân không. Hơi nước được dẫn để xả qua một tuabin hơi để phát điện, sau đó đi vào bình ngưng tụ dùng nước biển lạnh tự nhiên. Điều hấp dẫn của hệ thống này là hơi nước sau khi ngưng tụ trong buồng ngưng tụ là nước sạch đã được chưng cất. Nó có thẻ dùng như một nguồn nước sạch phục vụ sinh hoạt và công nghiệp. 1.3. Năng lƣợng mới và tái tạo ở Việt Nam 1.3.1. Nguồn và tiềm năng Việt nam được thiên nhiên ban tặng cho một tài nguyên năng lượng tái tạo (LNTT) rất đa dạng và khá dồi dào. Chúng ta có gần như tất cả các loại nguồn LNTT như nguồn năng lượng mặt trời, thuỷ điện nhỏ, gió, địa nhiệt, sinh khối, thuỷ triều, sóng biển và nhiệt đại dương với trữ lượng khá lớn. a. Năng lượng mặt trời Việt nam nằm trong vành đai nhiệt đới có vĩ độ từ 8 đến 23 độ Bắc nên có NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ 25 năng lượng bức xạ mặt trời (NLMT) khá lớn. Tuy nhiên tuỳ thuộc vào điều kiện tự nhiên mà NLMT có sự biến đổi từ vùng này sang vùng khác. Vùng Đông Bắc là khu vực chịu ảnh hưởng mạnh nhất của gió mùa Đông Bắc lạnh và ẩm nên NLMT thấp nhất cả nước. Mật độ NLMT biến đổi trong khoảng từ 250 đến 400 cal/cm2. ngày. Số giờ nắng trung bình cả năm trong khoảng 1600 đến 1900 giờ. Vùng Tây Bắc gồm các tỉnh Lai Châu, Sơn La, Lào Cai,... và vùng Bắc Trung Bộ có NLMT khá lớn. Mật độ NLMT biến đổi trong khoảng từ 300 đến 500 cal/cm 2 .ngày. Số giờ nắng trung bình cả năm khoảng 1800 đến 2100 giờ. Đặc điểm chung của bức xạ mặt trời ở miền Bắcc là có sự thay đổi rất rõ rệt giữa mùa Đông (tháng 12, 1, 2) và mùa Hè (tháng 5, 6, 7, 8). NLMT về mùa Hè nói chung lớn gấp 1,5 đến 2 lần so với mùa Đông. Từ Đà nẵng trở vào NLMT rất tốt và phân bố tương đối điều hoà trong suốt cả năm. Mật độ NLMT biến đổi trong khoảng từ 350 đến 500 cal/cm2.ngày. Số giờ nắng trung bình cả năm trong khoảng 2000 đến 2600 giờ. Đây là khu vực ứng dụng NLMT rất hiệu quả b. Thuỷ điện nhỏ Thuỷ điện nhỏ được hiểu là các trạm thuỷ điện có công suất dưới 10 MW. Do không cần phải xây dựng các hồ chứa nước lớn dẫn đến sự huỷ hoại môi trường cảnh quan nên thuỷ điện nhỏ được xếp vào NLTT. Việt Nam có nguồn tài nguyên thuỷ điện nhỏ rất lớn, tập trung chủ yếu ở vùng núi phía Bắc và biên giới phía Tây. Tổng tiềm năng thuỷ điện nhỏ được xác định khoảng 1800 đến 2000 MW, trong đó: * Loại có công suất 100 đến 10 000 MW có 500 trạm với tổng công suất 1400 đến 1800 MW, chiếm hơn 90% tổng tiềm năng thuỷ điện nhỏ . * Loại có công suất dưới 100 KW có khoảng 2500 trạm với tổng công suất 100 đến 200 MW, chiếm 7 đến 10% tổng công suất thuỷ điện nhỏ . * Đặc biệt các thuỷ điện cực nhỏ, dưới 5 KW đã được khai thác sử dụng rất rộng rãi để cấp điện sinh hoạt cho các hộ gia đình miền núi. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ 26 c. Năng lượng gió Tiềm năng năng lượng gió (NLG) của Việt Nam chỉ vào loại trung bình. Hầu hết các khu vực trên đất liền có NLG thấp, khai thác không hiệu quả. Chỉ có một vài nơi, do có địa hình đặc biệt nên gió tương đối khá. Tuy nhiên công suất lại không lớn. Chỉ dọc theo bờ biển và trên các hải đảo NLG tốt hơn. Nơi có gió tốt nhất là đảo Bạch Long Vĩ, tốc độ gió trung bình năm đạt 7,1 đến 7,3 m/s. Tiếp đến là các khu vực các đảo Trường Sa, Phú Quý, Côn Đảo,...vv có tốc độ gió trung bình khoảng 4,0 đến 6,5 m/s. Cần nhấn mạnh rằng tiềm năng NLG ở nước ta chưa được điều tra đánh giá đầy đủ vì phần lớn số liệu về NLG chủ yếu chỉ thu thập qua các trạm khí tượng - thuỷ văn, tức là chỉ đo được ở độ cao 10 đến 12m trên mặt đất. HIện nay đang có khoảng 10 cột đo gió ở độ cao từ 30 đến 50m. d. Năng lượng sinh khối Nước ta có diện tích rừng rất lớn lại là nước nông nghiệp nên có tiềm năng năng lượng sinh khối khá lớn. Sinh khối vẫn còn là nguồn năng lượng chính của nông thôn Việt Nam, nó chiếm khoảng 60 đến 70% tổng tiêu thụ năng lượng khu vực nông thôn. Tổng khả năng cung cấp sinh khối thực tế cho khu vực nông thôn, miền núi nước ta năm 2000 là 77 triệu tấn gỗ tương đương (Số liệu Viện Năng Lượng), trong đó sinh khối có nguồn gốc từ gỗ là 24,5 triệu tấn còn lại là phế thải nông, công nghiệp là 52,5 triệu tấn. Tính theo nhiệt năng, tỷ trọng của năng lượng từ gỗ củi là 38,5%, rơm rạ là 35,5%, vỏ trấu là 9,4%, bã mía là 3,6% và phế thải công nghiệp là 13%. Có hai nguồn sinh khối khá lớn là vở trấu và bã mía. Việt nam có khoảng 100 nhà máy xay xát, hàng năm thải ra khoảng 6,5 triệu tấn vỏ trấu. Nếu tận dụng để sản xuất điện có thể cung cấp 75 – 100MW. Tuy nhiên cho đến nay vẫn chỉ có một lượng trấu rất nhỏ được sử dụng để sản xuất gạch, ngói, gốm sứ và đun nấu trong gia đình. Ngoài ra chúng ta còn có 43 nhà máy mía đường, hàng năm thải ra 4,5 triệu tấn bã mía. Tiềm năng sản xuất điện từ bã mía là 200 – 250MW. Đến nay khoảng 70 đến 80 % lượng bã mía đã được sử dụng để sản xuất điện. e. Khí sinh học (Biomass) NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ 27 Nguyên liệu cho sản xuất khí sinh học là các phế thải của người và gia súc, gia cầm (phân người, trâu, bò, gà, vịt...) và các phế thải hữu cơ công, nông, lâm nghiệp. Tổng tiềm năng được tính toán là khoảng 10 000 triệu m3/năm, trong đó từ người là 624 triệu (6,3%), gia súc 3062 triệu (31%) và từ phế phẩm khác là 6269 triệu m3/năm (63%) (Số liệu Viện Năng Lượng). Công nghệ khí sinh học hiện đang rất phát triển ở nước ta. f. Năng lượng địa nhiệt Theo kết quả đã biết thì nước ta có khoảng 300 nguồn nước nóng có nhiệt độ từ 30 đến 1100C, trong đó khu vực Tây - Bắc có 78 nguồn (26%), Nam Trung Bộ có 61 nguồn (20%). Tuy nhiên phần lớn các nguồn có nhiệt độ cao lại nằm ở khu vực Nam Trung Bộ, chiếm 61% tổng số nguồn nhiệt độ cao trên cả nước. Tiềm năng năng lượng địa nhiệt nước ta dự tính khoảng 200 – 250 MW. g. Năng lượng đại dương Năng lượng đại dương bao gồm năng lượng thuỷ triều, sóng biển và nhiệt đại dương. Mặc dù nước ta có bờ biển dài trên 3000km và vùng biển rộng lớn, nhưng cho đến nay chưa có đánh giá về tiềm năng nguồn năng lượng to lớn này. Nhưng trong tương lai đây là nguồn năng lượng quan trọng cần nghiên cứu và khai thác. 1.3.2. Hiện trạng nghiên cứu ứng dụng NLTT ở Việt Nam Mặc dù một số công nghệ NLTT đã được nghiên cứu ứng dụng ở nước ta từ những thập kỷ 60 (chủ yếu là thuỷ điện nhỏ) nhưng cho đến nay vẫn chưa có bước phát triển đáng kể. Tất cả các nghiên cứu ứng dụng đều mang tính tự phát, manh mún, qui mô nhỏ và trình độ còn thấp. Phần lớn các dự án NLTT thực hiện được là nhờ các nguồn tài trợ quốc tế. Các dự án từ nguồn kinh phí chính phủ Việt Nam là rất ít và rất nhỏ. Về mặt vĩ mô, cho đến nay nước ta vẫn chưa có một chính sách rõ ràng nào về NLTT và đó là nguyên nhân của tính tản mạn, cảm tính và tự phát của các hoạt động nghiên cứu ứng dụng NLTT ở nước ta. Trong vài chục năm qua một số nhóm hoạt động trên lĩnh vực năng lượng, nhờ sự vận động của mình đã triển khai một số dự án về điện mặt trời, về thiết bị NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ 28 nhiệt mặt trời, thuỷ điện nhỏ, khí sinh học và điện gió, ...Các kết quả về hoạt động nghiên cứu được cho trong bảng 1.1 TT Công nghệ Hiện trạng 1 Điện mặt trời Đã thiết kế lắp đặt khoảng 1,5 MW, trong đó khoảng 35% cho thông tin viễn thông, 30% cho giao thông đường thuỷ, 30% cho hộ gia đình và cơ quan, cộng đồng nông thôn vùng sâu, vùng xa, miền núi và 5% cho các ứng dụng khác. Các hệ thống lớn nhất là Trung tâm Hội nghị Quốc gia (150kWp), Mang Yang Gia Lai (100 kWp) Nhiệt mặt trời Chủ yếu là thiết kế, sản xuất, lắp đặt các thiết bị đun nước nóng sinh hoạt cho hộ gia đình, khách sạn, trường học, bệnh viện, ... khoảng 1,5 triệu m2 đã được lắp đặt 2 Thuỷ điện nhỏ * Đã xây dựng 300 trạm loại công suất <100kW và 90 trạm loại >100kW với tổng công suất 100MW. Hiện nay chỉ còn khoảng 100 trạm với tổng công suất 70MW đang hoạt động * Khoảng 13- 14 vạn gia đình khu vực miền núi đang sử dụng các máy thuỷ điện siêu nhỏ (công suất từ 200W đến vài kW) * Thuỷ điện nhỏ là công nghệ ưu tiên số một trong các công nghệ NLTT đối với Việt Nam 3 Năng lượng gió * Đã lắp đặt được 1 tua bin 800kW ở đảo Bạch Long Vĩ (2004) nhưng không có thông tin gì về hoạt động của hệ thống này * Khoảng 900 tuabin gió với công suất trong giải từ 150W đến 10kW đã được lắp đặt cấp điện cho các hộ gia đình hay cụm gia đình khu vực bờ biển, hải đảo,...Hiện nay chỉ còn khoảng 130 máy còn hoạt động NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ 29 * Khoảng 10 hệ thống đo gió ở các độ cao từ 20 đến 50m đang hoạt động * Một số dự án đang được chuẩn bị: Phương Mai (Qui Nhơn) 15MW, Tu Bông (Khánh Hoà) 20MW 4 Sinh khối * 63% của 4,5 triệu tấn bã mía đã được sử dụng để phát điện 150 – 200MW * 23% của 6,5 triệu tấn trấu được dùng cho mục đích năng lượng * Dự án đang thực hiện: Nhà máy xử lý rác để sản xuất điện 15MW và phân hữu cơ NPK 1500-3000 tấn/năm đang thực hiện ở Thành Phố Hồ Chí Minh 5 Khí sinh học Khoảng 60 000 hầm khí sinh học có thể tích từ 3 đến 30m 3 đã được xây dựng và đang sản xuất khoảng 110 triệu m3 khí/năm, 70% là qui mô gia đình 6 Bếp đun cải tiến Đã nghiên cứu thiết kế chế tạo các bếp cải tiến có hiệu suất biến đổi năng lượng từ 25-30% Bảng1.1. Một số kết quả chính của hoạt động nghiên cứu ứng dụng NLTT ở Việt Nam Các chương trình lớn đang triển khai hiện nay: - Chương trình hành động NLTT (REAP) do ngân hàng thế giới tài trợ về phát triển NLTT phục vụ điện khí hoá nông thôn (400 triệu USD) do Bộ Công Thương làm chủ đầu tư. - Chương trình điện mặt trời cho 300 xã miền núi, hải đảo khó khăn nhất (30 triệu USD ODA Phần Lan) do Uỷ Ban dân tộc làm chủ đầu tư. - Chương trình điện khí hoá nông thôn Việt Nam - Thuỵ Điển VSRE (5 triệu USD viện trợ không hoàn lại) do Bộ Công Thương làm chủ đầu tư. 1.3.3. Triển vọng phát triển của NLTT NLTT là sự lựa chọn của tương lai, là xu hướng chung của cả thế giới, là trách nhiệm của mọi quốc gia. Tại sao? NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ 30 a. Nhu cầu tiêu dùng năng lượng của nhân loại tăng nhanh chóng Do dân số trên thế giới tăng không ngừng. Hiện nay là 6 tỉ người và còn tăng lên nữa. Mặt khác nhu cầu tiêu dùng năng lượng của con người cũng tăng cao. Trung bình một người hiện nay tiêu thụ gấp 15 lần so với một người cách đây 100 năm. Năm 2000 thế giới tiêu thụ 423x1012MJ. Tổng tiêu thụ năng lượng hiện nay trên toàn thế giới tăng 16 lần so với đầu thế kỷ 19. Hơn nữa càng vào các giai đoạn sau sự tiêu thụ năng lượng càng lớn. Chỉ trong khoảng thời gian từ 1970 đến năm 2000, tiêu thụ năng lượng thế giới đã tăng 2 lần. Xu hướng này vẫn tiếp tục mạnh mẽ mà chưa có dấu hiệu nào chậm lại. b. Nguồn năng lượng hoá thạch cạn kiện Có đến 80% tổng năng lượng sử dụng hiện nay là các nguồn năng lượng hoá thạch (than, dầu mỏ, khí đốt tự nhiên ). Do mức tiêu thụ quá lớn và tăng quá nhanh như đã nói ở trên, nên nguồn năng lượng này đang cạn kiệt nhanh chóng . Hãy hình dung rằng, để hình thành được lượng than, dầu, khí đốt như thế giới chúng ta có, thiên nhiên cần một thời gian hàng 100 triệu năm. Nhưng để khai thác nó con người chỉ cần vài trăm năm. Theo số liệu công bố tại hội nghị quốc tế về năng lượng tại Bon, cộng hòa liên bang Đức tháng 10 – 2003, thì trữ lượng năng lượng hoá thạch của thế giới chỉ còn 34 triệu tỉ MJ (34x1012MJ), trong đó than chiếm khoảng 60% (19630x1012MJ), dấu các loại khoảng 22%(9185x1012MJ) và khí đốt còn 5110x1012MJ. Với mức tiêu thụ như năm 200 (423x1012MJ/năm) thì nguồn năng lượng hoá thạch còn lại chỉ đủ cho thế giới chúng ta sử dụng thêm khoảng 80 năm, trong đó than 200 năm, dầu khoảng 48 năm, khí đốt khoảng 15 năm và uranium còn 40 năm. Do nguồn cạn kiệt, trong khi đó nhu cầu tiêu dùng lại ngày càng tăng, nên giá năng lượng sẽ tăng cao. Đối với dầu, chỉ trong vòng 10 đến 20 năm nữa, số lượng còn lại chỉ bằng một nửa lượng có hiện nay, và khi đó giá dầu sẽ tăng lên gấp nhiều lần so với giá dầu hiện nay. Ngoài ra hơn 70% dự trữ dầu, 65 % khí đốt còn lại tập trung vào một số nước trong “elip chiến lược” gồm Arập-xêut, Irac, Iran và Nga. “thế giới phương tây” gồm nhiều nước công nghiệp phát triển lại thuộc về khu NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ 31 vực “đói năng lượng”. Đây chính là nguy cơ dẫn đến các bất ổn về chính trị và có thể dẫn tới các cuộc chiến tranh. Việt Nam cũng không nằm ngoài vòng cạn kiệt nguồn năng lượng hoá thạch như đã nói ở trên. Theo dự báo thì chỉ sau 15 đến 20 năm nữa thì ta phải nhập than, dầu và khí đốt cũng chỉ còn khai thác được khoảng 40 đến 60 năm nữa. Thế thì sau 50 năm nữa thế giới trong đó có Việt Nam ta sẽ phải giải quyết vấn đề cung cấp năng lượng như thế nào đây? c. Khí hậu toàn cầu đã trở nên mất cân bằng Như đã biết kinh tế - xã hội - môi trường có mối quan hệ chặt chẽ và tương hỗ. Sử dụng năng lượng hoá thạch làm phát thải vào môi trường rất nhiều khí và chất độc hại. Các khí như SO2, NO gây ra mưa axít, làm hư hại các công trình văn hoá kiến trúc, kinh tế xã hội. Khí CO tạo ra loại bụi bồ hóng độc hại. Đặc biết CO2 là một khí gây hiệu ứng nhà kính làm khí quyển của quả đất nóng lên. Hiện nay, mỗi năm các hoạt động sản xuất tiêu dùng năng lượng hoá thạch làm phát thải vào môi trường 23,5 tỉ tấn CO2. Tổng khối lượng CO2 tích tụ trong khí quyển quả đất đến nay đạt con số khổng lồ là 1000 tỉ tấn, trong đó 50% do phát khí trong vòng 50 năm cuối thế kỷ 20. Mặc dù CO2 không phải là khí nhà kính duy nhất, nhưng sự đóng góp của nó là 50%. Theo tính toán thì với tốc độ phát thải như hiện nay đến năm 2100 nhiệt độ khí quyển mặt đất sẽ tăng lên từ 1,5 đến 5,80C kéo theo sự thay đổi hàng loạt về khí hậu trên hành tinh của chúng ta, trong đó có các biến đổi chưa lường hết được. Nói riêng, sự tăng nhiệt độ, làm cho băng ở 2 cực sẽ tan ra, nước biển vào cuối thế ký này có thể dâng lên cao hơn 13cm làm ngập chìm nhiều lãnh thổ của các quốc gia, nhiều quốc đảo sẽ bị biến mất. Sự tăng nhiệt độ của khí quyển còn dẫn đến sự biến đổi và sự phân bố lượng mưa, làm thay đổi các vùng khí hậu và thảm thực vật, làm xuất hiện các điều kiện thời tiết bất thường, đất đai sẽ suy giảm chất lượng, sa mạc hoá thế giới sẽ lâm vào nạn đói lương thực, ...vv. Như vậy, con người muốn tiếp tục tồn tại và phát triển trên hành tinh này thì không còn cách nào khác là ngay từ bây giờ phải hợp tác cùng nhau tìm cách hạn chế các phế thải do sử dụng năng lượng hoá thạch nói chung và CO2 nói riêng. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ 32 d. Năng lượng hạt nhân, không phát thải CO2, nhưng “lợi bất cập hại” Có thể nói, năng lượng hạt nhân là nguồn không gây ra phát thải CO2 và các khí nhà kính khác. Tuy nhiên các rủi ro do các nhà máy hạt nhân gây ra thì thật khó lường ngay cả ở trình độ khoa học và công nghệ tiên tiến hiện nay. Những hiểm hoạ cho loài người từ nhà máy năng lượng hạt nhân có nguồn gốc rất đa dạng, từ những hạn chế về kỹ thuật, công nghệ, trình độ, con người, nước sử dụng, đến các vấn đề chính trị, xã hội. Những rủi ro có nguồn gốc từ sự không hoàn thiện của việc thiết kế và xây dựng nhà máy năng lượng hạt nhân. Các rủi ro loại này gây ra những ảnh hưởng rất lớn và ở phạm vi rộng tới sức khoẻ con người. Các ảnh hưởng này có thể gây ra từ từ, lâu dài nên rất khó nhận biết. Tất cả các khâu công nghệ trong một nhà máy năng lượng hạt nhân đều tạo ra các vật liệu phóng xạ, trong đó có một số trực tiếp bức xạ các chất phóng xạ vào môi trường. Sự bảo vệ các vật liệu này mặc dù đã rất được chú ý song vẫn không thể triệt để và rủi ro có thể xảy ra bất cứ thời gian nào, công nghệ nào, ... Sự bảo vệ tuyệt đối, sự lạm dụng nguyên liệu hạt nhân là không thể. Mỗi khi các nhiên liệu hạt nhân nguy hiểm này rơi vào tay kẻ khủng bố, hay một quốc gia, hay một nhóm quốc gia “phía bên kia” thì hậu quả là không thể lường được. Tất cả các rủi ro nói trên không còn là “lý thuyết” mà trong thực tế, ở nơi này nơi kia và ở mức độ này hay mức độ khác, đã từng xảy ra. Tóm lại, nếu nhìn nhận một cách đầy đủ hơn về năng lượng hạt nhân chúng ta có thể nói rằng, sử dụng năng lượng hạt nhân thì “lợi bất cập hại”. e. Năng lượng tái tạo Là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường và có trữ lượng vô cùng lớn do tính tái tạo của nó. Mặc dù hiện nay một số công nghệ NLTT còn đòi hỏi chi phí cao. Nhưng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, thì công nghệ NLTT sẽ nhanh chóng được hoàn thiện và giá NLTT do đó sẽ giảm xuống nhanh chóng. Ngoài ra do cạn kiệt nên giá năng lượng hoá thạch sẽ ngày càng tăng cao nên cơ hội cạnh tranh của NLTT là một hiện thực. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ 33 Tóm lại có thể nói rằng NLTT là sự lựa chọn đúng đắn cho tương lai. Kết luận này cũng đúng đắn với Việt Nam chúng ta. 34 CHƯƠNG 2. NGUỒN NĂNG LƯỢNG GIÓ TIỀM NĂNG VÀ ỨNG DỤNG Ở VIỆT NAM 2.1. Vật lý học về năng lượng gió 2.1.1. Các đặc trưng cơ bản về năng lượng gió Gió, có thể nói đó là một quá trình địa vật lý rất phức tap, vì vậy chỉ có thể dự báo sự biến đổi với xác suất nhất định. Đặc tính quan trọng nhất đánh giá động năng của gió là vận tốc. Dưới ảnh hưởng của một loạt các yếu tố khí tượng (sự nhiễu loạn khí quyển, sự thay đổi tác động của mặt trời và lượng năng lượng nhiệt truyền tới mặt đất...), đồng thời các điều kiện địa hình tại chỗ, tốc độ gió thay đổi cả về giá trị và hướng. Hướng véctơ vận tốc cho thấy vị trí tính theo góc của nó ứng với hướng được lấy làm gốc tính toán (thường là hướng Bắc). Vận tốc gió có tác động đáng kể tới động cơ gió và ảnh hưởng tới hệ thống điều chỉnh tự động, việc sản sinh ra năng lượng phụ thuộc trước hết vào vận tốc gió trung bình theo thời gian và diện tích bề mặt bánh công tác động cơ gió. Vận tốc gió trung bình theo thời gian xác định bằng tỷ số của tổng các giá trị vận tốc gió tức thời đo được với số lần đo trong khoảng thời gian đo. )s/m( n V V i  (2.1) Tương tự thì vận tốc gió trung bình ngày được xác định bằng tỷ lệ tổng vận tốc gió trung bình giờ với thời gian 24 giờ trong ngày. Còn tốc độ gió trung bình năm: )s/m( 365 V V ngay nam   (2.2) Tốc độ gió trung bình ở một vùng nhất định được xác định từ các số liệu theo dõi của các trạm khí tượng hoặc các máy thám không đặc biệt. Tuy nhiên chỉ số của các máy đo gió còn chịu ảnh hưởng của điều kiện địa hình vĩ mô và vi mô của vùng xung quanh, mức độ che khuất của trạm khí tượng. Điều đó cần chú ý khi tính chuyển đổi vận tốc gió đối với mỗi vùng cụ thể, 35 thậm chí khi nó nằm gần trạm khí tượng. Vận tốc gió trung bình thay đổi đáng kể trong thời gian khác nhau trong ngày, trong các tháng và các mùa. Do vậy người ta phân biệt diễn biến vận tốc theo ngày, tháng, mùa đặc trưng cho xu hướng chung thay đổi vận tốc trong các chu kỳ thời gian kể trên. Mạch động vận tốc gió và năng lượng dòng khí gây nên bởi đạc tính hình thành cấu trúc của gió các đặc điểm địa phương và ảnh hưởng của các điều kiện cảnh quan và địa hình. Nó có ý nghĩa rất quan trọng vì nó thường là nguyên nhân gây hư hỏng tổ máy. Đặc tính mạch động vận tốc gió được đánh giá bởi gia tốc dòng khí, độ kéo dài của cơn gió và sự trùng hợp của các cơn gió ở những điểm khác nhau của bề mặt chứa bánh công tác động cơ gió và hệ số gió giật Kgiật, là tỷ số giữa vận tốc gió cực đại Vmax với vận tốc gió trung bình V trong một khoảng thời gian (thường không quá 2 phút) Việc nghiên cứu sự biến đổi của vận tốc sẽ thuận lợi hơn nhờ sự phân tích tổng hợp tính quy luật và sự biến đổi ngẫu nhiên cường độ gió trong một khoảng thời gian chọn trước cũng như trên một diện tích không gian hữu hạn. Thông thường ở các trạm khí tượng vận tốc gió trung bình được xác định trong khoảng thời gian không dưới 2 phút. Cường độ giật càng giảm nhiều khi diện tích tiết diện càng lớn. Diễn biến tốc độ gió theo ngày ở các điểm nằm khác nhau vài km, thậm chí vận tốc gió trung bình theo giờ cũng rất khác nhau. Cường độ gió giật trung bình trong khoảng thời gian T có thể đánh giá bằng biểu thức: V 2 (t) =    T 0 2 T dt)t(Vlim (2.3) Hướng gió thường đóng vai trò ít quan trọng hơn khi sử dụng năng lượng gió. Tuy nhiên trong những điều kiện cảnh quan khác nhau, gió với các hướng khác nhau có các đặc điểm đặc trưng: vận tốc và gió giật lớn hơn hoặc nhỏ hơn. Gradien vận tốc theo góc có ảnh hưởng đáng kể tới sự làm việc của các cơ cấu điều chỉnh hường tự động và trọng lượng con quay. Gió giật gây lên bởi cấu 36 trúc rối của dòng chảy ảnh hưởng tới sự làm việc của các hệ thống điều chỉnh tự động tần số quay và giới hạn công suất của bánh công tác gió và đồng thời ảnh hưởng tới sự ổn định của hệ thống. Năng lượng E của dòng khí có tiết diện ngang với diện tích F được xác định theo biểu thức: 2 mV E 2  (J) (2.4) Khối lượng không khí chảy qua tiết diện F trong 1 giây với vận tốc V bằng: m = FV (kg/s) (2.5) Thay vào biểu thức 2.4 ta được: 2 FV E 3  (J/s) (2.6) Trong đó:  = 1,23 (kg/m3)là khối lượng riêng của không khí, trong điều kiện thường (T = 150C, p = 760mmHg) Như vậy, năng lượng gió thay đổi tỷ lệ bậc ba với vận tốc. Bánh công tác gió có thể biến đổi một phần năng lượng này thành năng lượng hữu ích và được đánh giá bằng hệ số sử dụng năng lượng gió (NLG) Đặc trưng của NLG là tập hợp các dự liệu cần thiết và đủ độ tin cậy đặc trưng cho gió như là một nguồn năng lượng và cho phép làm rõ giá trị năng lượng của nó. Đó cũng là một hệ thống các dữ liệu đặc trưng cho chế độ gió ở các vùng khác nhau, trên cơ sở đó có thể tính toán các chế độ và thời gian làm việc của tổ máy với công suất này hoặc khác, và năng lượng tổng cộng có thể khai thác được. Đặc tính đặc trưng quan trọng nhất là mật độ phân bố các vận tốc gió khác nhau, diễn biến các chu kỳ làm việc và sự lặng gió, các chế độ vận tốc cực đại (bão). Các giá trị vận tốc gió trung bình năm và trung bình mùa cũng là những đặc trưng quan trọng, thuận lơi để đánh giá tiềm năng NLG. Đặc tính quan trọng hơn cần phải kể đến là hàm quy luật thống kê tần số biến đổi vận tốc gió trong khoảng thời gian xác định. Khi biết quy luật xác định và thông số của hàm này và khi có các đặc tính của các tổ máy NLG, có thể đánh giá được năng lượng sản ra, thời gian dừng làm việc, hệ số sử dụng, công suất lắp đặt, hiệu 37 quả kinh tế...vv. Vận tốc gió tính theo giá trị tuyệt đối và độ lặp của nó tính theo tỷ lệ thời gian của chu kỳ ta được: n V V kp 1 e V V V V f                 (2.7) Trong đó: f là tần số hay độ lặp của vận tốc V V là vận tốc trung bình trong chu kỳ tính toán V là vận tốc mà độ lặp tương đối của nó xác định trong khoảng từ (V - V/2) đến (V + V/2) V là khoảng gradien vận tốc được chọn 2.1.2. Năng lượng gió Dòng không khí chuyển động giống như bất kỳ một vật thể chuyển động nào khác đều có một động năng. Một trong các dạng sử dụng động năng là biến nó thành cơ năng. Động năng của vật thể bất kỳ kể cả năng lượng gió được xác định bằng biểu thức 2.4. Năng lượng của dòng khí chuyển động với vận tốc V qua tiết diện ngang F được xác định như sau: Thể tích không khí chuyển động với vận tốc V qua tiết diện F trong 1 giây bằng: Vk = VF (m 3 /s) (2.8) Thể tích này nhân với trọng lượng riêng  của không khí ta nhận được lưu lượng trọng lượng của không khí: G =  VF (N/s) (2.9) Lưu lượng khối lượng của không khí bằng: g VF g G m   (Ns/m) (2.10) Biểu thức /g gọi là khối lượng riêng hay mật độ không khí kí hiệu là  (kNs 2 /m 4 ). Thay giá trị /g =  vào biểu thức 2.11 ta được: m = .V.F (Ns/m) (2.11) 38 Hình 2.1. Bề mặt cánh bánh công tác động cơ gió chiếm chỗ khi quay Thay giá trị m vào biểu thức 2.8 ta được: 2 mV2 = 2 V.F.V. 2 = 2 V.F. 3 (Nm/s =W) (2.12) Biểu thức này xác định năng lượng gió qua tiết diện F trong 1 giây. Cần nhấn mạnh rằng, năng lượng gió tỷ lệ bậc 3 với vận tốc gió và tỷ lệ bậc nhất với tiết diện F. Động cơ gió chỉ biến đổi một phần năng lượng này thành cơ năng và được xác định bằng hệ số sử dụng năng lượng gió ký hiệu là . Bởi vậy động năng gió có tiết diện F (hình 2.1) sẽ sản ra công trong 1 giây bằng: 2 .F.V. T 3   (J/s) (2.13) Hệ số sử dụng năng lượng gió  là tỷ số giữa công động cơ gió thực hiện được trong 1 giây với năng lượng dòng khí chảy qua tiết diện có diện tích bằng diện tích bề mặt cánh bánh công tác gió chiếm chỗ khi quay trong 1 giây. Đặc tính ưu việt của gió là một nguồn năng lượng có ở mọi nơi. Xong việc ứng dụng năng lượng gió trong các quá trình sản xuất là hết sức khó khăn. Mật độ không khí nhỏ hơn 800 lần so với mật độ nước, bởi vậy để nhận được công suất lớn cần phải có động cơ gió kích thước rất lớn. Chẳng hạn để nhận được công suất 10._.