Bài giảng "Năng lượng tái tạo - Chương 3 (Bài 9): Năng lượng gió" cung cấp cho người học các kiến thức: Ước lượng năng lượng của tuabin gió, tính toán các đặc tính vận hành của tuabin gió, tính toán kinh tế, tác động môi trường của máy phát điện gió. Mời các bạn cùng tham khảo.
Giảng viên: TS. Nguyễn Quang Nam
2013 – 2014, HK1
Bài giảng 9
1
http://www4.hcmut.edu.vn/~nqnam/lecture.php nqnam@hcmut.edu.vn
3.9. Ước lượng năng lượng của tuabin gió
3.10. Tính toán các đặc tính vận hành của tuabin gió
3.11. Tính toán kinh tế
3.12. Tác động môi trường của máy phát điện gió
Bài giảng 9
2
Bài giảng 9
3
• Không phải toàn bộ năng lượng gió được giữ lại – rôto loại bỏ bớt gió tốc độ cao, còn gió tốc độ thấp thì quá chậm để vượt qua lực cản.
• Tùy thuộc vào rôto, hộp số, máy phát, tháp, điều khiển,
vùng đất, và gió.
g) là khoảng 30%
• Hiệu suất chuyển đổi toàn bộ (Cp
h
EP Power to Electricity
WP Power in the Wind
PC Rotor
g Gearbox & Generator
BP Power Extracted by Blades Bài giảng 9
4
(cid:0)
• Cần dùng (6.16) để tìm v ở 50 m, với z cho độ nhám cấp 1
=
v
(6.16)
v 0
ln( ln(
=
v =
5 m/s
6.39 m/s
H z ) / H z ) / 0 ln(50 / 0.03) ln(10 / 0.03)
• Do đó, mật độ công suất trung bình của gió tại 50 m từ
2
2
=
là 0,03 m (từ bảng 6.4)
(cid:0)
/m
(1.225) 6.39 = 304.5 W/m
6 1 p 2
Bài giảng 9
5
(6.48) là avgP
• Đường kính rôto là 48 m và hiệu suất toàn bộ là 30%, do
p
2
đó công suất trung bình của tuabin gió là
0.3 304.5 W/m
48 = 165303 W
avgP
4
= 6
״
Energy 165.303 kW 8760 hrs/yr = 1.44 10 kWh/yr
Bài giảng 9
6
• Do đó, năng lượng cung cấp trong 1 năm là
• Thông thường, sẽ có ý nghĩa hơn nếu lắp đặt một số lượng lớn tuabin gió tại một trang trại hay công viên gió.
• Lợi ích
– Có thể tận dụng vị trí có gió tốt
– Giảm chi phí phát triển
– Đơn giản hóa liên kết với hệ thống truyền tải
• Nên lắp bao nhiêu tuabin ở một vị trí?
Bài giảng 9
7
– Truy cập tập trung để vận hành và bảo dưỡng
• Ta biết rằng gió giảm tốc độ khi xuyên qua cánh.
2
2
=
-
Công suất lấy ra từ cánh: ( & m v
(6.18)
P b
v d
1 2
• Trích công suất bằng cánh sẽ làm giảm công suất
đến được máy nằm phía sau
• Khoảng cách giữa các tuabin bao nhiêu là đủ để
tốc độ gió được phục hồi trước khi gặp tuabin tiếp theo?
Bài giảng 9
8
Bài giảng 9
9
• Kết quả nghiên cứu ở slide trước đó xem xét các cụm vuông, nhưng các cụm vuông không có ý nghĩa lắm
• Các cụm hình chữ nhật với vài hàng dài sẽ tốt hơn
• Khoảng cách được khuyến cáo là 3-5 lần đường kính rôto giữa các tháp trên cùng một hàng, và 5-9 lần đường kính rôto giữa các hàng
• Các hàng thường được đặt lệch nhau
• Phổ biến là theo hướng gió thịnh
Bài giảng 9
10
3D to 5D
Figure 6.29
7D
5D to 9D
4D
Số liệu ước tính cho GE 1.5 MW ở vùng trung tây là 1 tháp mỗi 80 acre
Bài giảng 9
11
Khoảng cách tối ưu là 3-5 lần đường kính rô to giữa các tháp và 5-9 lần giữa các hàng
• Một trang trại gió có khoảng cách 4 lần đường kính rôto dọc theo hàng, và 7 lần đường kính rôto giữa các hàng
• Hiệu suất tuabin gió là 30%, hiệu suất cụm là 80%
4D
7D
7D
4D
Bài giảng 9
12
a. Tính sản lượng năng lượng hàng năm trên mỗi
đơn vị diện tích đất nếu mật độ công suất ở chiều
cao trục máy là 400-W/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?
Bài giảng 9
13
a. Với 1 tuabin gió:
3
r
Av
Annual Energy Production
Diện tích đất bị chiếm = 4D (cid:0) =
p
3
2
2
=
=
vr
A
where
400 W/m
and
D
1 2
4
7D = 28D2 1 D� � h t 2
hr
=
=
) 2
(
p ����� D m
0.3 0.8
23.588
2
Sản lượng năng lượng hàng năm/diện tích đất
8760 yr
400 W 2 m
4
1 D 28
kWh 2 (m yr)
Bài giảng 9
14
(cid:0)
=
Land Cost
b. 1 acre = 4047m2
$100 acre yr
Trong phần (a), ta tìm được
=
23.588
(cid:0)
Annual Energy Land Area
kWh 2 (m yr)
Hay tương đương
2
=
23.588
95, 461
kWh 2 � (m yr)
4047 m � acre
kWh � (acre yr)
Do đó, chi phí thuê trên mỗi kWh là
(cid:0)
=
lease cost
= $0.00105/kWh
(cid:0)
$100 / acre yr 95, 461 kWh / acre yr
Bài giảng 9
15
(cid:0)
• Chúng ta cần xem xét không chỉ mức độ thường
xuyên của gió mà còn tương quan giữa thời gian
có gió và phụ tải điện.
• Biểu đồ gió thay đổi khá nhiều theo vị trí địa lý,
trong đó vùng ven biển và núi có gió ổn định hơn.
Bài giảng 9
16
Bài giảng 9
17
Nguyên lý Bernoulli – áp suất khí phía trên thấp hơn áp suất khí phía dưới vì nó phải di chuyển xa hơn, tạo ra lực nâng.
• Không khí di chuyển về phía cánh tuabin do chuyển
động của gió, nhưng cũng gió chuyển động của cánh tuabin
• Mũi cánh tuabin di chuyển nhanh hơn nhiều so với gốc cánh, do đó cánh tuabin được xoắn dần từ gốc đến mũi cánh tuabin, để giữ cho góc xung kích ổn định
Bài giảng 9
18
• Tăng góc xung kích (angle of attack) sẽ làm tăng lực
nâng, nhưng cũng làm tăng lực ghì lại
• Nếu góc xung kích quá lớn, tuabin sẽ bị “đứng” khi
nhiễu khí động làm mất lực nâng
Bài giảng 9
19
Bài giảng 9
20
Vận tốc gió vào, vận tốc gió định mức, vận tốc gió cắt thoát
• Ở dưới vận tốc vào, tuabin không tạo ra công suất
• Sau đó, công suất tăng theo lũy thừa 3 của vận tốc gió
• Ở trên vận tốc định mức, tuabin gió hoạt động ở công
suất định mức (cắt bỏ công suất thừa)
• Có 2 phương pháp phổ biến để cắt bỏ công suất thừa
– Điều khiển góc pitch – chỉnh góc xoay của cánh để giảm góc
xung kích
– Điều khiển dừng (thụ động) – cánh được thiết kế để tự động
giảm hiệu suất khi gió mạnh
– Điều khiển dừng tích cực – chỉnh góc xoay của cánh để làm
dừng tuabin
Bài giảng 9
21
• Ở trên vận tốc vận tốc gió cắt thoát, gió quá mạnh để có thể vận hành tuabin một cách an toàn, máy sẽ được dừng, công suất ra bằng 0
• Rôto có thể được dừng bằng cách cố ý xoay cánh
nhằm tạo ra điều kiện dừng
• Khi rôto đã dừng, một thiết bị hãm cơ khí sẽ khóa
chặt rôto vào trục máy
Bài giảng 9
22
Bài giảng 9
23
• Nếu 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.
• Dựa vào hàm mật độ xác suất, ta có thể tính được xác suất
(tích lũy) để vận tốc gió nằm trong một vùng nào đó, từ đó có thể tính được năng lượng.
k
• Phân bố Weibull có hàm phân bố tích lũy là
V c
VF
e
(cid:0) 1 • Hoàn toàn có thể xác định xác suất để vận tốc gió luôn lớn
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)
k
hơn V:
V c
prob
Vv
VF
e
1
Bài giảng 9
24
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)
• Tuabin 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.
a) Trong năm có bao nhiêu giờ vận tốc gió < VC?
b) Trong năm có bao nhiêu giờ vận tốc gió > VF?
c) Mỗi năm tuabin phát ra bao nhiêu kWh, nếu hoạt
động ở công suất định mức?
Bài giảng 9
25
2
2
(cid:0)
(cid:0)
a) Dùng (6.54)
V C v
4
4
4 10
e
e
1
1
,0
1181
VF C
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)
Số giờ có vận tốc gió < VC sẽ là
8760 (cid:0) 0,1181 = 1034 giờ/năm
2
(cid:0)
b) Tương tự, số giờ có vận tốc gió > VF sẽ là
V C v
4
e
1
8760
VF F
2
(cid:0)
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)
4
25 10
e
8760
65
Bài giảng 9
26
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) giờ/năm
2
(cid:0)
c) Tương tự, ta sẽ tìm số giờ vận tốc gió > VR
V R v
4
e
1
8760
VF R
2
(cid:0)
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)
4
14 10
e
8760
1879
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) giờ/năm
Số giờ có vận tốc gió nằm giữa VR và VF sẽ là
1879 – 65 = 1814 giờ/năm
Điện năng sản xuất trong 1 năm là
Bài giảng 9
27
E = 1000 kW (cid:0) 1814 h = 1,814(cid:0) 106 kWh/năm
Bài giảng 9
28
• Có thể tính gần đúng xác suất, đơn giản hóa quá trình tính
toán xác suất.
v
v
2/
(cid:0) (cid:0)
prob
v
v
vV
v
dvvf
vf
v
2/
2/
v
v
2/
Bài giảng 9
29
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)
• Vận tốc gió phân bố theo hàm mật độ Rayleigh. Tìm xác suất
vận tốc gió nằm giữa 6,5 m/s và 7,5 m/s. So sánh với kết quả
ước lượng xấp xỉ từ pdf với vận tốc trung bình 7 m/s.
• Sinh viên xem tài liệu để thấy phép tính gần đúng chỉ lệch
0,2%.
• Do đó, có thể dùng đường cong công suất và hàm mật độ
xác suất phù hợp để ước lượng khá chính xác điện năng
Bài giảng 9
30
được tạo ra từ một tuabin gió.
• Xét tuabin gió NEG Micon 1000/60 (1000 kW công suất
danh định, đường kính cánh 60 m) tại điểm lắp đặt có công
suất gió tuân theo phân bố Rayleigh có vận tốc gió trung
bình 7 m/s.
a) Tính điện năng cung cấp trong 1 năm
b) Xác định hiệu suất trung bình tổng thể của hệ thống
c) Tính năng suất phát điện kWh/năm từ mỗi m2 diện tích cánh
Bài giảng 9
31
rôto.
a) Ta sẽ cần tính điện năng ở mỗi vận tốc gió
Từ đó lập được bảng thống kê điện năng cung cấp được
trong năm.
b) Hiệu suất là tỷ số giữa điện năng sinh ra và năng lượng gió
nhận được
c) Năng suất phát điện kWh/năm từ mỗi m2 diện tích cánh rôto
Bài giảng 9
32
có thể được tính theo đúng ý nghĩa của thuật ngữ đã nêu.
• Dù số giờ gió hoạt động ở vận tốc thấp là rất lớn, năng
Bài giảng 9
33
lượng mà nó cung cấp là không đáng kể.
• Tương tự như với hệ thống điện mặt trời, chúng ta cũng có
khái niệm hệ số sử dụng (CF – Capacity Factor), tức là tỷ số
giữa năng lượng thu được hàng năm và tích số của công
suất định mức (PR) và số giờ trong năm.
CF = (Năng lượng thực nhận/8760)/PR
CF = Công suất trung bình/Công suất danh định
Bài giảng 9
34
• Sinh viên xem ví dụ 6.16 trong tài liệu.
• Dùng đường cong công suất thực để tính CF ở các vận tốc
gió khác nhau.
• Coi CF có dạng tuyến tính như sau
(cid:0) (cid:0)
• Ta sẽ rút ra được (với phân bố Rayleigh)
(cid:0) (cid:0) (6.65)
• Do đó có thể tính điện năng do tuabin gió cung cấp hàng
Bài giảng 9
35
năm một cách khá chính xác và đơn giản.
• Tuabin 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):
CF
V
087,0
087,0
6
324,0
2
P R 2 D
9,0 13,2
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)
• Vậy, điện năng cung cấp sẽ là
E
CF
8760
8760
324,09,0
2551
P R
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)
Bài giảng 9
36
kWh/năm
Bài giảng 9
37
• Vốn đầu tư trên kW tuabin gió giảm dần.
• Xét một tuabin gió 0,9 kW có cánh 2,13m được lắp ở độ cao
trục có tốc độ gió trung bình là 6,7 m/s.
• Giả sử chi phí cho tuabin là 1.600 USD và chi phí lắp
đặt/phụ là 900 USD.
• Tổng chi phí 2.500 USD được thực hiện bằng khoản vay 15
năm, lãi suất 7%.
• Chi phí vận hành và bảo dưỡng hằng năm là 100 USD/năm
• Hệ số thu hồi vốn là (i = 0,07, n = 15) là 0,1087
• Tổng số tiền cần thanh toán hàng năm là (2500*0,1087 +
Bài giảng 9
38
100) = 374, 49 USD/năm
• Để ước tính năng lượng do tuabin cung cấp hàng năm,
chúng ta sẽ dùng hệ số dung lượng trong (6.65)
CF
v
,0
087
,0
087
7,6
385,0
2
P R 2 D
9,0 13,2
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)
• Tổng năng lượng do tuabin cung cấp sẽ khoảng
(0,9)kW(cid:0) (8760)h/năm(cid:0) 0,385 = 3035 kWh/năm
• Chi phí trung bình mỗi kWh sẽ là
374,5/3035 = 0,123 USD/kWh
Bài giảng 9
39
• Nhận xét?
• Hiện tại, các trang trại gió lớn sản xuất ra điện năng kinh tế
hơn so với các nhà máy nhỏ
• Các yếu tố dẫn đến chi phí thấp
– Công suất gió tỷ lệ với diện tích quét của cánh (bình
phương đường kính) còn chi phí tháp thay đổi theo lũy thừa nhỏ hơn bình phương của đường kính
– Cánh to hơn vươn cao hơn, nhận được gió mạnh hơn – Chi phí cố định liên quan đến xây dựng được trải đều trên
các MW dung lượng
– Quản lý hiệu quả các trang trại gió lớn thường dẫn đến chi
Bài giảng 9
40
phí vận hành và bảo trì thấp hơn (nhân viên tại chỗ).
• Viện Hàn lâm Quốc gia Hoa Kỳ đã xuất bản một báo cáo về
các vấn đề liên quan vào năm 2007
• Hệ thống điện gió không sinh ra ô nhiễm không khí và
không phát thải CO2; chúng cũng hầu như không tiêu thụ nước
• Điện gió được coi như là giải pháp thay thế các nguồn năng lượng khác (thường là nhiên liệu hóa thạch) dẫn đến giảm ô nhiễm
• Các ảnh hưởng khác được xem xét là trên sinh vật, chủ yếu
Bài giảng 9
41
là chim và dơi, và đối với con người
• Tuabin gió xa bờ cần nước tương đối nông, do đó khoảng
cách từ bờ tối đa phụ thuộc vào đáy biển
Image Source: National Renewable Energy Laboratory
Bài giảng 9
42
• Hệ số dung lượng có xu hướng tăng khi tuabin gió được đặt càng xa bờ
• Tuabin gió thường cải thiện sức khỏe của nhiều người,
nhưng một số sinh sống gần đó có thể bị ảnh hưởng bởi tiếng ồn và bóng nhấp nháy
• Tiếng ồn xuất phát từ 1) hộp số/máy phát và 2) tương tác khí
động của cánh với gió
• Tác động ồn thường ở mức trung bình (50-60 dB) khi ở gần
tần số “hum” khoảng 100 Hz, và một số tần số cận và dưới ngưỡng nghe được (20 Hz hay thấp hơn)
(40 m), và thấp hơn khi đi xa (35-45 dB) ở 300 m – Tuy nhiên các tần số của tuabin gió cũng cần được xem xét, với
Bài giảng 9
43
• Bóng nhấp nháy chủ yếu ảnh hưởng đến các quốc gia ở vĩ độ cao, vì mặt trời xuống thấp có thể tạo ra bóng dài hơn
![Đề ôn tập cuối kỳ môn Kỹ thuật nhiệt - Nhiệt động học [mới nhất]](https://cdn.tailieu.vn/images/document/thumbnail/2026/20260310/hoaphuong0906/135x160/60681773197823.jpg)
![Bài giảng thang máy và thang cuốn: Tổng hợp kiến thức [chuẩn nhất]](https://cdn.tailieu.vn/images/document/thumbnail/2026/20260310/hoaphuong0906/135x160/41471773283876.jpg)