Nghiên cứu đánh giá hệ thống năng lượng điện gió phục vụ cho địa bàn huyện tri tôn

Nghiên cứu đánh giá hệ thống năng lượng điện gió phục vụ cho địa bàn huyện tri tôn Nghiên cứu đánh giá hệ thống năng lượng điện gió phục vụ cho địa bàn huyện tri tôn Nghiên cứu đánh giá hệ thống năng lượng điện gió phục vụ cho địa bàn huyện tri tôn Nghiên cứu đánh giá hệ thống năng lượng điện gió phục vụ cho địa bàn huyện tri tôn

NỘI DUNG

TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

1.1 Thực trạng năng lượng và môi trường

Trong bối cảnh xã hội phát triển và chất lượng cuộc sống ngày càng cao, nhu cầu năng lượng, đặc biệt là điện năng, đang gia tăng mạnh mẽ Dự báo cho thấy nhu cầu năng lượng toàn cầu có thể tăng gấp đôi vào năm 2050 và ba lần vào cuối thế kỷ 21 Hiện nay, 80% năng lượng thế giới phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, nguồn năng lượng này không chỉ gây ô nhiễm môi trường mà còn đang dần cạn kiệt Các chuyên gia cảnh báo rằng trong vòng 5 năm tới, thế giới có thể đối mặt với khủng hoảng thiếu năng lượng do tốc độ cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch diễn ra nhanh chóng Để tránh tình trạng này, việc giảm sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng hóa thạch là điều cần thiết và cần thực hiện càng sớm càng tốt.

Tại Việt Nam, các chuyên gia từ Viện Khoa học Năng lượng đã phân tích số liệu thống kê và so sánh sự tăng trưởng kinh tế với sự phát triển của ngành công nghiệp điện năng, từ đó đưa ra dự báo về tình trạng thiếu hụt năng lượng điện trong tương lai.

+ Năm 2015 : nhu cầu điện năng ước tính khoảng 131 TWh, khả năng cung cấp gần 121 TWh, chênh lệch cung cầu gần 10 TWh, tương đương thiếu hụt khoảng 10 tỉ kWh

+ Năm 2020 : mức thiếu hụt điện năng tăng lên khoảng 40 tỉ kWh

+ Năm 2030 : dự đoán thiếu hụt điện năng là trên 50 tỉ kWh

Hình 1.1: Biểu đồ cung cầu điện năng nước ta từ năm 2015 đến năm 2030

Sự tăng trưởng kinh tế đang làm gia tăng khoảng cách giữa cung và cầu điện năng, tạo ra áp lực lớn hơn cho hệ thống điện Trong bối cảnh tài nguyên năng lượng cạn kiệt, biến đổi khí hậu và giới hạn trong khai thác thủy điện, việc thay đổi cấu trúc các thành phần điện năng là cần thiết Nếu không có sự thay đổi này, chúng ta sẽ không thể giải quyết vấn đề thiếu hụt điện năng hiện tại và trong tương lai.

Giải pháp cho vấn đề năng lượng đang là thách thức lớn đối với các nhà khoa học toàn cầu Tại Việt Nam, bên cạnh việc phát triển thêm các nhà máy thủy điện và nhiệt điện, chính phủ khuyến khích nhập khẩu điện từ các nước láng giềng như Lào và Trung Quốc để đáp ứng nhu cầu trong nước Tuy nhiên, đây chỉ là giải pháp tạm thời; mục tiêu chính là tìm ra nhiều nguồn năng lượng mới, đặc biệt là năng lượng tái tạo, thân thiện với môi trường và phong phú về trữ lượng.

Năng lượng tái tạo hiện nay chủ yếu vẫn ở dạng tiềm năng, và công nghệ khai thác cũng như lưu trữ các nguồn năng lượng này chưa đáp ứng đủ nhu cầu sử dụng của con người.

Việc sử dụng hiệu quả và tiết kiệm nguồn năng lượng là một yêu cầu thiết yếu trong bối cảnh xã hội hiện đại Để đạt được điều này, các công nghệ mới đang được nghiên cứu và phát triển liên tục nhằm tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng.

Năng lượng đóng vai trò thiết yếu trong đời sống con người và là yếu tố quan trọng cho mọi hoạt động kinh tế Tuy nhiên, trữ lượng than, dầu và khí đang cạn kiệt, và việc sử dụng chúng để phát điện dẫn đến phát thải khí nhà kính, góp phần vào hiện tượng nóng lên toàn cầu Điều này đã gây ra những thảm họa như hạn hán và bão lụt, ngày càng trở nên nghiêm trọng trên toàn thế giới.

1.2 Sự hình thành năng lượng gió

Năng lượng gió, một dạng năng lượng gián tiếp từ năng lượng mặt trời, là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển trái đất Sự hình thành của năng lượng gió liên quan đến nhiều nguyên nhân khác nhau.

Bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt trái đất không đều, với một nửa bề mặt (mặt ban đêm) không nhận được ánh sáng Bức xạ gần xích đạo cao hơn so với các cực, dẫn đến sự chênh lệch áp suất không khí Sự khác biệt này giữa không khí ở xích đạo và hai cực, cùng với sự chênh lệch giữa mặt ban ngày và ban đêm, tạo ra sự di động của không khí, hình thành nên gió.

Trái đất xoay tròn tạo ra sự xoáy không khí, do trục quay của nó nghiêng so với mặt phẳng quỹ đạo quanh mặt trời, dẫn đến sự hình thành các dòng không khí theo mùa.

Hiệu ứng Coriolis là kết quả của sự tự quay của trái đất, khiến cho không khí di chuyển từ áp cao đến áp thấp không theo đường thẳng mà tạo ra các cơn gió xoáy Ở bắc bán cầu, không khí di chuyển vào áp thấp theo chiều ngược kim đồng hồ và ra khỏi áp cao theo chiều kim đồng hồ, trong khi ở nam bán cầu, hướng di chuyển là ngược lại.

Gió không chỉ chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố toàn cầu mà còn bị tác động bởi địa hình địa phương, dẫn đến sự hình thành của các loại gió đặc trưng như gió đất – biển, gió núi – thung lũng và gió phơn.

1.3 Tình hình sử dụng điện gió hiện nay và những triển vọng trong tương lai

Trong gần một thập kỷ qua, năng lượng gió đã khẳng định vị thế của mình trên thị trường toàn cầu, với sản lượng điện gió tăng trưởng ấn tượng khoảng 28% mỗi năm, cao nhất so với các nguồn năng lượng khác Sự tiến bộ công nghệ đột phá đã giúp giảm đáng kể chi phí sản xuất điện gió, đồng thời nâng cao công suất, hiệu quả và độ tin cậy của các nhà máy điện gió.

1.4 Tiềm năng và tình hình khai thác điện gió tại Việt Nam

1.4.1 Tiềm năng khai thác năng lượng gió tại Việt Nam

Theo bản đồ phân bố tốc độ gió của tổ chức Khí tượng thế giới và True Wind Solutions, khu vực ven biển từ Bình Định đến Bình Thuận, Tây Nguyên, và dãy Trường Sơn phía bắc trung bộ có tốc độ gió từ 7.0 đến 9.0 m/giây, cho phép phát điện với công suất lớn và kết nối vào lưới điện quốc gia Trong khi đó, một số khu vực ven biển và vùng núi trong đất liền có tốc độ gió từ 5.0 đến 6.0 m/giây, có khả năng khai thác để tạo nguồn điện độc lập cho các vùng sâu, vùng xa.

1.4.2 Khả năng khai thác năng lượng gió ở Việt Nam tại các độ cao khác nhau

Năm 2001, Ngân hàng Thế giới đã tài trợ cho việc xây dựng bản đồ gió tại bốn quốc gia: Campuchia, Lào, Thái Lan và Việt Nam, nhằm thúc đẩy phát triển năng lượng gió trong khu vực Nghiên cứu này sử dụng dữ liệu gió từ các trạm khí tượng thủy văn và mô hình MesoMap, cung cấp ước tính sơ bộ về tiềm năng gió ở Việt Nam tại độ cao 65m và 30m, tương ứng với độ cao trục của các turbine gió lớn và nhỏ được lắp đặt ở các khu vực có lưới điện mini độc lập.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Xét một khối không khí có khối lượng m chuyển động với vận tốc v Động năng của nó E được cho bởi

2.2 Đường cong công suất của Tuabine gió

Hình 2.1: Đồ thị mối tương quan giữa công suất và vận tốc gió

2.3 Nguyên lý biến đổi năng lượng gió

- Gió là luồng không khí chuyển động và năng lượng gió chính là động năng của luồng không khí chuyển động đó

Rotor gió là bộ phận chính dùng để đón gió và chuyển đổi năng lượng gió thành cơ năng thông qua trục quay Cấu trúc của rotor gió bao gồm một giàn xoay với các lá cánh được gắn trên đó Để hoạt động hiệu quả, rotor gió cần được đặt trong một trường gió vuông góc với mặt rotor, theo lý thuyết Bezt’s.

- Động năng của khối không khí (luồng gió) di chuyển với vận tốc v (m/s) là:

- Thể tích của khối khí đó là:

- Khối lượng khối khí với mật độ ρ (kg/m3) là:

- Năng lượng từ của khối khí di chuyển đó là:

- Câu hỏi đặt ra là có bao nhiêu năng lượng từ khối không khí đó được hấp thụ

Cần xem xét động năng của khối khí sau khi đi qua Rotor Đối với Rotor hình đĩa, hiệu động năng của khối khí trước và sau khi qua Rotor cần được phân tích kỹ lưỡng.

- Theo định luật bảo toàn khối lượng ta có: 𝜌𝑣1𝑆1 = 𝜌𝑣2𝑆2 (Kg/s)

Hình 2.2: Ống động lực học Bezt trong điều kiện khí lý tưởng

- Công suất được Rotor hấp thụ là:

Hiệu suất của Rotor đạt cực đại khi v2 = 0, điều này chỉ xảy ra khi vận tốc khối khí đầu vào v1 = 0, tức là không có gió Vì vậy, cần chú ý đến tỷ số v2/v1 đạt cực đại, điều này yêu cầu quan tâm đến lực không khí tác động lên cánh quạt.

- Công suất gió đặt trên cánh quạt là:

- Mặt khác ta lại có:

- Từ đó khối lượng không khí qua là;

- Công suất cơ ta nhận được:

- Mặt khác động năng nguồn khí:

- Ta lập được hệ số hấp thụ gió Cp là:

CP là thông số quan trọng đánh giá phần trăm năng lượng mà Rotor có khả năng hấp thụ từ luồng gió Nó được coi là hệ số công suất của Tua-bin gió, theo thuyết Bezt’s như thể hiện trong hình 2.3.

Hình 2.3: Tỉ số vận tốc V 2 /V 1

Tỉ số cực đại của vận tốc là : V2/V1 = 1/3 nên:

Trong thực tế, hệ số công suất (Cp) của các động cơ gió quay chậm thường dao động từ 0.4 đến 0.5 Nguyên nhân là do trong điều kiện vận hành thực tế, động cơ gió phải đối mặt với các tổn thất do sự hình thành luồng xoáy khi không khí di chuyển qua cánh quạt.

- Tuabine gió gồm có 2 loại : Tuabine gió trục đứng và tuabine gió trục ngang

Hình 2.4: Tuabine gió trục đứng

Máy phát điện và hộp số có thể lắp đặt trên mặt đất, giúp dễ dàng trong việc bảo trì và sửa chữa Tua-bin không cần thùng Nacelle, và chân trụ thấp hơn so với tua-bin trục ngang Lực tác động vào cánh quạt được phân bố đồng đều, đảm bảo trục quay không bị cong.

30 trọng lượng hệ thống trục và momen xoắn Cánh quạt cấu hình giản dị, dễ sản xuất, chi phí thấp

Hệ số công suất tương đối thấp và khó khăn trong việc kiểm soát tốc độ là những nhược điểm chính của hệ thống này Sự biến đổi liên tục của lực tác động và lực ly tâm có thể ảnh hưởng đến độ bền của vật liệu.

Hình 2.5:Tuabine gió trục ngang

+ Ưu điểm: Hệ số công suất cao Hệ số tốc độ gió đầu cánh cao Công suất tạo ra cao hơn

Nhược điểm của hệ thống là lực tác động và lực xoắn không được phân bố đồng đều, dẫn đến độ bền của các chi tiết cơ bị ảnh hưởng Hơn nữa, độ rung của hệ thống không ổn định và mức độ ồn phát sinh cao.

- Gồm có 3 dạng chính: truyền bánh răng, đai, xích

Bộ truyền bánh răng hoạt động dựa trên nguyên lý ăn khớp, cho phép truyền chuyển động và công suất thông qua sự ăn khớp của các răng trên bánh răng Nó có khả năng truyền chuyển động quay giữa hai trục song song, giao nhau hoặc chéo nhau, đồng thời có thể biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến và ngược lại.

Bộ truyền đai là cơ cấu thiết yếu dùng để truyền chuyển động quay giữa hai trục song song hoặc không song song Hệ thống này hoạt động nhờ vào các bánh đai được cố định trên trục và đai dẫn động, giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền động trong nhiều ứng dụng công nghiệp.

Bộ truyền xích là một cơ cấu quan trọng dùng để truyền chuyển động quay giữa các trục song song Nó bao gồm các bánh xích được lắp cố định trên các trục và một dây xích liền vòng, ôm khớp với hai bánh xích để đảm bảo sự truyền động hiệu quả.

Bảng 2.1: Ưu nhược điểm của bộ truyền động đai, xích và bánh răng Đặc điểm Bộ truyền Đai Xích Bánh răng

Hiệu suất Rất tốt Rất tốt Rất tốt

Chuyển động cưỡng lực Rất tốt Rất tốt Rất tốt

Khoảng cách trục lớn Rất tốt Rất tốt Không tốt

Khả năng chịu mài mòn Tốt Rất tốt Rất tốt

Sử dụng nhiều dãy Rất tốt Rất tốt Không tốt

Khả năng chịu nhiệt Không tốt Rất tốt Tốt

Tính trơ hóa học Không tốt Rất tốt Tốt

Làm việc trong dầu Không tốt Rất tốt Rất tốt

Khả năng tải Tốt Rất tốt Rất tốt

Vận tốc cao Rất tốt Không tốt Rất tốt

Dễ bảo trì Tốt Rất tốt Không tốt

Môi trường Không tốt Rất tốt Rất tốt

Dựa vào bảng ưu và nhược điểm, truyền động xích và bánh răng đều có những lợi ích cho tua-bin gió Tuy nhiên, truyền động xích không thể đạt được vận tốc cao (khoảng 1500 vòng/phút) cần thiết cho việc kéo máy phát điện, vì vậy bộ truyền bánh răng là lựa chọn tối ưu cho tua-bin gió.

2.6 Định luật cảm ứng điện từ

2.6.1 Trường hợp từ thông xuyên qua vòng dây biến thiên

Khi từ thông Φ = Φ(t) thay đổi qua một vòng dây, nó sẽ tạo ra sức điện động e(t) trong vòng dây Sức điện động này có hướng sao cho dòng điện được sinh ra sẽ tạo ra từ thông ngược lại, nhằm chống lại sự biến thiên của từ thông đã gây ra nó.

Sức điện động trong một vòng dây được tính theo công thức Maxwell [4]:

Nếu cuộn dây có N vòng sức điện động cảm ứng là:

Trong đó Ψ = NΦ (WB) gọi là từ thông móc vòng của cuộn dây

2.6.2 Trường hợp thanh dẫn chuyển động trong từ trường

- Khi thanh dẫn chuyển động thẳng góc với đường sức từ trong thanh dẫn cảm ứng sức điện động có trị số là: e = Blv (V) (2.20)

- B – là cường độ từ cảm (T)

- l – chiều dài tác dụng của thanh dẫn (m)

Chiều sức điện động cảm ứng được xác định theo quy tắc bàn tay phải, trong đó lòng bàn tay phải hướng vào chiều của đường sức từ, còn ngón tay cái duỗi ra để chỉ hướng của dòng điện cảm ứng.

(90 0 ) theo chiều chuyển động của dây dẫn, các ngón tay còn lại chỉ chiều của dòng điện cảm ứng

- Khi thanh dẫn mang điện đặt thẳng góc với đường sức từ trường, thanh dẫn sẽ chịu một lực điện từ tác dụng có trị số là: f = Bil (N) (2.21)

- i – dòng điện chạy trong thanh dẫn (A)

- f – lực điện từ đo bằng Niuton (N)

Chiều của lực điện từ được xác định theo nguyên tắc bàn tay trái: đặt bàn tay trái lên đoạn mạch điện với các ngón tay hướng theo chiều dòng điện, trong khi các đường sức từ trường đi vào lòng bàn tay Khi đó, ngón tay cái sẽ chỉ ra hướng của lực tác động lên dây dẫn điện.

2.6.4 Hòa đồng bộ Để hòa điện vào lưới điện phát ra phải thỏa 3 điều kiện sau:

- Tần số máy phát ra phải bằng tần số lưới

- Điện áp máy phát ra phải bằng điện áp lưới

- Phải cùng thứ tự pha, và góc pha phải trùng với nhau

2.7 Cấu tạo của tuabine gió

KẾT LUẬN

4.1 Những kết quả đạt được:

Mục tiêu của luận văn là khảo sát địa điểm và đánh giá tiềm năng phát triển năng lượng gió tại huyện Tri Tôn, đồng thời nghiên cứu công nghệ xây dựng nhà máy năng lượng gió phù hợp với điều kiện địa phương.

4.1.1 Các kết quả đạt được trong đề tài

Qua thời gian nghiên cứu tác giả đã đạt được một số kết quả sau:

- Đánh giá được tiềm năng phát triển năng lượng gió tại huyện Tri Tôn

Nghiên cứu và lựa chọn địa điểm lắp đặt nhà máy điện là cần thiết để đáp ứng nhu cầu sử dụng điện năng của người dân sống dưới chân núi tại huyện Tri Tôn, tỉnh An Giang Việc này không chỉ đảm bảo cung cấp điện ổn định cho cộng đồng mà còn góp phần phát triển kinh tế địa phương.

- Tính toán được các thông số hệ thống ứng với công nghệ nhà máy khác nhau, so sánh, lựa chọn công nghệ phù hợp nhất

4.1.2Các hạn chế trong đề tài

Bên cạnh những kết quả đạt được, đề tài có những hạn chế sau:

Chưa xác định được chi phí cụ thể cho việc sản xuất và vận hành nhà máy với các công nghệ khác nhau, dẫn đến khó khăn trong việc lựa chọn công nghệ tối ưu nhất.

- Mới chỉ tính toán nhà máy điện phục vụ cho người dânsống dưới chân núi để phục vụ sinh hoạt và sản xuất

- Chưa nghiên cứu được nhiều hệ thống năng lượng điện gió để đưa ra đánh giá hệ thống năng lượng điện gió tại huyện Tri Tôn

4.2 Hướng phát triển của đề tài: Đề tài “Nghiên cứu, đánh giá hệ thống năng lượng điện gió phục vụ cho địa bàn huyện Tri Tôn”có thể được phát triển thêm như sau:

- Tính toán cụ thể chi phí sản xuất, vận hành, bảo dưỡng của nhà máy

- Tính toán nhà máy với công suất lớn hơn, nhân rộng tận dụng tối đa địa hình vùng bảy núi của địa phương.

- Nghiên cứu thêm nhiều hệ thống năng lượng điện gió trong và ngoài nước để đưa ra những đánh giá về hệ thống năng lượng điện gió.