Năng lượng tái tạo - Chương 3: Năng lượng gió - Phân cấp công suất gió

408004Năng lượng tái tạoGiảng viên: TS. Nguyễn Quang Nam2013 – 2014, HK1ài giảng 9Ch. 3: Năng lượng gió3.9. Ước lượng năng lượng của tuabin gió3.10. Tính toán các đặc tính vận hành của tuabin gió3.11. Tính toán kinh tế3.12. Tác động môi trường của máy phát điện gió2Bài giảng 9Phân cấp công suất gió3Bài giảng 9Ước lượng năng lượng tuabin gióKhông phải toàn bộ năng lượng gió được giữ lại – rôto loại bỏ bớt gió tốc độ cao, còn gió tốc độ thấp thì quá chậm để vượt qua lực cản.Tùy thuộc vào rôto, hộp số, máy phát, tháp, điều khiển, vùng đất, và gió.Hiệu suất chuyển đổi toàn bộ (Cphg) là khoảng 30% Power in the Wind Power Extracted by Blades Power to Electricity Rotor Gearbox & Generator4Bài giảng 9Ví dụ 6.11 – Năng lượng tuabin gió hàng nămCần 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) là5Bài giảng 9Ví dụ 6.11 – Năng lượng tuabin gió hàng nămĐường kính rôto là 48 m và hiệu suất toàn bộ là 30%, do đó công suất trung bình của tuabin gió làDo đó, năng lượng cung cấp trong 1 năm là6Bài giảng 9Trang trại gióThông 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 tốtGiảm chi phí phát triểnĐơn giản hóa liên kết với hệ thống truyền tảiTruy cập tập trung để vận hành và bảo dưỡngNên lắp bao nhiêu tuabin ở một vị trí?7Bài giảng 9Trang trại gióTa 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 sauKhoảng cách giữa các tuabin bao nhiêu là đủ để tốc độ gió được phục hồi trước khi gặp tuabin tiếp theo?8Bài giảng 9Trang trại gió9Bài giảng 9Trang trại gióKết quả nghiên cứu ở slide trước đó xem xét các cụm vuông, nhưng các cụm vuông không có ý nghĩa lắmCác cụm hình chữ nhật với vài hàng dài sẽ tốt hơnKhoảng 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 hàngCác hàng thường được đặt lệch nhauPhổ biến là theo hướng gió thịnh10Bài giảng 9Trạng trại gió – Khoảng cách tối ưuFigure 6.29Khoảng cách tối ưu là 3-5 lần đường kính rô to giữa các tháp và 5-9 lần giữa các hàng3D to 5DSố liệu ước tính cho GE 1.5 MW ở vùng trung tây là 1 tháp mỗi 80 acre 5D to 9D 7D4D11Bài giảng 9Ví dụ 6.12 – Tiềm năng của một trang trại gió 7DMột trang trại gió có khoảng cách 4 lần đường kính rôto dọc theo hàng, và 7 lần đường kính rôto giữa các hàngHiệu suất tuabin gió là 30%, hiệu suất cụm là 80%4D4D 7D12Bài giảng 9Ví dụ 6.12 – Tiềm năng của một trang trại gióa. Tính sản lượng năng lượng hàng năm trên mỗi đơn vị diện tích đất nếu mật độ công suất ở chiều cao trục máy là 400-W/m2 (giả sử 50 m, gió cấp 4)b. Chi phí thuê đất là bao nhiêu $/kWh nếu đất được thuê từ một nông dân với mức $100/acre-năm?13Bài giảng 9Ví dụ 6.12 – Tiềm năng của một trang trại gióVới 1 tuabin gió: Diện tích đất bị chiếm = 4D  7D = 28D2 Sản lượng năng lượng hàng năm/diện tích đất14Bài giảng 9Ví dụ 6.12 – Tiềm năng của một trang trại giób. 1 acre = 4047m2 Trong phần (a), ta tìm đượcHay tương đươngDo đó, chi phí thuê trên mỗi kWh là15Bài giảng 9Sự thay đổi của gió theo thời gianChúng 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.16Bài giảng 9Cánh rôto trích năng lượng gió như thế nàoNguyên 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.17Bài giảng 9Cánh rôto trích năng lượng gió như thế nàoKhông khí di chuyển về phía cánh tuabin do chuyển động của gió, nhưng cũng gió chuyển động của cánh tuabinMũi 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 định18Bài giảng 9Cánh rôto trích năng lượng gió như thế nàoTăng góc xung kích (angle of attack) sẽ làm tăng lực nâng, nhưng cũng làm tăng lực ghì lạiNếu góc xung kích quá lớn, tuabin sẽ bị “đứng” khi nhiễu khí động làm mất lực nâng19Bài giảng 9Đường cong công suất lý tưởng hóaVận tốc gió vào, vận tốc gió định mức, vận tốc gió cắt thoát20Bài giảng 9Đường cong công suất lý tưởng hóaỞ dưới vận tốc vào, tuabin không tạo ra công suấtSau đó, công suất tăng theo lũy thừa 3 của vận tốc gióỞ 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 thừaĐiều khiển góc pitch – chỉnh góc xoay của cánh để giảm góc xung kíchĐiều khiển dừng (thụ động) – cánh được thiết kế để tự động giảm hiệu suất khi gió mạnhĐiều khiển dừng tích cực – chỉnh góc xoay của cánh để làm dừng tuabin21Bài giảng 9Đường cong công suất lý tưởng hóaỞ 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 0Rôto có thể được dừng bằng cách cố ý xoay cánh nhằm tạo ra điều kiện dừngKhi rôto đã dừng, một thiết bị hãm cơ khí sẽ khóa chặt rôto vào trục máy22Bài giảng 9Tối ưu đường kính rôtoNếu nâng đường kính cánh rôto, VR sẽ nhỏ hơn ở cùng công suất. Nếu giữ nguyên vận tốc VR thì sẽ tạo ra công suất cao hơn khi nâng đường kính cánh.23Bài giảng 9Hàm phân bố tích lũy vận tốc gióDựa 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 làHoàn toàn có thể xác định xác suất để vận tốc gió luôn lớn hơn V:24Bài giảng 9Ví dụ 6.13 – Đường cong công suấtTuabin gió NEG Micon 1000/54 (1000 kW định mức và đường kính cánh 54 m) có Vc = 4 m/s, VR = 14 m/s, và VF = 25 m/s. Nếu coi vận tốc gió tuân theo phân bố Rayleigh với vận tốc trung bình 10 m/s.Trong năm có bao nhiêu giờ vận tốc gió VF?Mỗi năm tuabin phát ra bao nhiêu kWh, nếu hoạt động ở công suất định mức?25Bài giảng 9Ví dụ 6.13 – Đường cong công suấtDùng (6.54)Số giờ có vận tốc gió VF sẽ làgiờ/năm26Bài giảng 9Ví dụ 6.13 – Đường cong công suấtTương tự, ta sẽ tìm số giờ vận tốc gió > VRSố giờ có vận tốc gió nằm giữa VR và VF sẽ là1879 – 65 = 1814 giờ/nămĐiện năng sản xuất trong 1 năm làE = 1000 kW  1814 h = 1,814106 kWh/nămgiờ/năm27Bài giảng 9Khảo sát đường cong công suất (Weibull)28Bài giảng 9Khảo sát đường cong công suất (Weibull)Có thể tính gần đúng xác suất, đơn giản hóa quá trình tính toán xác suất.29Bài giảng 9Ví dụ 6.14 – Tính gần đúng xác suấtVận 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.30Bài giảng 9Ví dụ 6.15 – Ước lượng điện năng sinh raXét 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 nămXác định hiệu suất trung bình tổng thể của hệ thốngTính năng suất phát điện kWh/năm từ mỗi m2 diện tích cánh rôto.31Bài giảng 9Ví dụ 6.15 – Ước lượng điện năng sinh raTa 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 đượcNăng suất phát điện kWh/năm từ mỗi m2 diện tích cánh rôto có thể được tính theo đúng ý nghĩa của thuật ngữ đã nêu.32Bài giảng 9Ước lượng điện năng sinh raDù số giờ gió hoạt động ở vận tốc thấp là rất lớn, năng lượng mà nó cung cấp là không đáng kể.33Bài giảng 9Ước lượng điện năng bằng hệ số sử dụngTương tự như với hệ thống điện mặt trời, chúng ta cũng có khái niệm hệ số sử dụng (CF – Capacity Factor), tức là tỷ số giữa năng lượng thu được hàng năm và tích số của công suất định mức (PR) và số giờ trong năm.CF = (Năng lượng thực nhận/8760)/PRCF = Công suất trung bình/Công suất danh địnhSinh viên xem ví dụ 6.16 trong tài liệu.34Bài giảng 9Ước lượng điện năng bằng CFDùng đường cong công suất thực để tính CF ở các vận tốc gió khác nhau.Coi CF có dạng tuyến tính như sauTa 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)35Bài giảng 9Ví dụ 6.17 – Ước lượng điện năng với CFTuabin gió có PR = 900 W và D = 2,13 m. Vận tốc gió trung bình là 6 m/s (Rayleigh). Ước tính điện năng mà tuabin cung cấp.Dùng (6.65):Vậy, điện năng cung cấp sẽ làkWh/năm36Bài giảng 9Tính toán kinh tế Vốn đầu tư trên kW tuabin gió giảm dần.37Bài giảng 9Xét 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/nămHệ số thu hồi vốn là (i = 0,07, n = 15) là 0,1087Tổng số tiền cần thanh toán hàng năm là (2500*0,1087 + 100) = 374, 49 USD/nămVí dụ 6.18 – Tuabin gió cỡ nhỏ38Bài giảng 9Để 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/nămChi phí trung bình mỗi kWh sẽ là374,5/3035 = 0,123 USD/kWhNhận xét?Ví dụ – Tuabin gió cỡ nhỏ39Bài giảng 9Tính kinh tế theo quy môHiện tại, các trang trại gió lớn sản xuất ra điện năng kinh tế hơn so với các nhà máy nhỏCác yếu tố dẫn đến chi phí thấpCông 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 kínhCánh to hơn vươn cao hơn, nhận được gió mạnh hơnChi phí cố định liên quan đến xây dựng được trải đều trên các MW dung lượngQuản lý hiệu quả các trang trại gió lớn thường dẫn đến chi phí vận hành và bảo trì thấp hơn (nhân viên tại chỗ).40Bài giảng 9Các khía cạnh môi trường của điện gióViện Hàn lâm Quốc gia Hoa Kỳ đã xuất bản một báo cáo về các vấn đề liên quan vào năm 2007Hệ thống điện gió không sinh ra ô nhiễm không khí và không phát thải CO2; chúng cũng hầu như không tiêu thụ nướcĐiện gió được coi như là giải pháp thay thế các nguồn năng lượng khác (thường là nhiên liệu hóa thạch) dẫn đến giảm ô nhiễmCác ảnh hưởng khác được xem xét là trên sinh vật, chủ yếu là chim và dơi, và đối với con người41Bài giảng 9Khía cạnh môi trường của điện gióTuabin gió xa bờ cần nước tương đối nông, do đó khoảng cách từ bờ tối đa phụ thuộc vào đáy biểnHệ số dung lượng có xu hướng tăngkhi tuabin gió đượcđặt càng xa bờImage Source: National Renewable Energy Laboratory42Bài giảng 9Khía cạnh môi trường, đối với con ngườiTuabin 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 nháyTiếng ồn xuất phát từ 1) hộp số/máy phát và 2) tương tác khí động của cánh với gióTác 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 mTuy 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 hơn43Bài giảng 9