<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI </b>

<b>ĐỒ ÁN NHẬP MƠN NGÀNH ĐIỆN Tìm hiểu năng lượng điện gió, cơ chế chuyển hóa và sản xuất </b>

An Ng c Hà ọMSSV: 20212781 Ngành điều khiển và tự động hóa EE2

<b><small>• Giáo viên hưỡng dẫn: Nguyễn Hồng Nam • Bộ mơn: Nhập môn ngành điện </small></b>

<small>ử</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

<b>MỤC LỤC </b>

<b>Mở đầu……….2 </b>

<b>Chương 1: T ng quan v</b>ổ ềnăng lượng điện gió………....3

1.1. Sự hình thành gió và năng lượng gió………..3

1.2. Lịch sử của năng lượng gió……….4

1.3. Sản xuất điệ ừ n t năng lượng gió……….6

<b>Chương 2: Tuabin gió và các loạ</b>i tuabin gió…...8

2.1. Tổng quan về tuabin gió……….8

2.2. Các loại tuabin gió………..9

2.2.1. Tuabin gió tr c ngang (HAWT)ụ ………9

2.2.2. Tuabin gió tr c thụ ẳng đứng (VAWT)…………...10

2.2.3. Các loại tuabin gió khác………13

<b>Chương 3: C u t</b>ấ ạo và cơ chế ản xu s ất điện của tuabin gió………16

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

<b>Mở đầu </b>

Chất lượng cu c sộ ống con người ngày càng được nâng cao bởi các thi t b và công c h ế ị ụ ỗ trợ con người lao động, h c tọ ập và vui chơi. Hầu hết trong số chúng hiện nay đều tiêu thụ điện. Nhu cầu sử d ng ụđiện ngày càng tăng cao trong 20 năm trở ại đây. Việc này đòi l hỏi con người phải tìm cách sản xuất ra thật nhiều điện phục vụ cho nhu cầu sử d ng chúng. ụ

Thuở sơ khai, con người khai thác nhiên li u hóa th ch, không ệ ạtái t o, s d ng chúng vào các nhà máy nhiạ ử ụ ệt điện đề ả s n xuất điện tiêu dùng. Điểm l i c a chúng là d ợ ủ ễ thực hi n, d tri n khai. Tuy nhiên ệ ễ ểchúng l i gây ra nhi u h u quạ ề ậ ả khôn lường khi chúng tr c ti p gây ô ự ếnhiễm môi trường nghiêm trọng, mặt khác nguồn tài nguyên sẵn có này đăng cạn kiệt vơ cùng nhanh. Nhiên liệu hóa thạch là lo i nhiên ạliệu không tái t o, v i nhu c u s dạ ớ ầ ử ụng điện cao như hiện nay, sẽ ạ c n kiệt trong vài chục năm tới đây. Con người lạ ầi c n phải tìm cách đểsản xuất điện m t cách b n v ng, hộ ề ữ ợp lý, lâu dài, và cũng không được gây h i nhi u cho h sinh thái. T ạ ề ệ ừ đó, người ta bắt đầu khai thác nguồn năng lượng tái tạo. Nguồn năng lượng tái tạo có nhiều loại, như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng thủy triều,… cùng chung đặc điểm là không hoặc rất lâu cạn kiệt, hơn nữa việc khai thác, sử dụng chúng không gây h i nhi u cho môi ạ ề trường.

Khai thác và s d ng nguử ụ ồn năng lượng tái t o tr thành xu ạ ởhướng mới cho các nước phát triển, đặc biệt ph i k đến năng lượng ả ểgió. Khai thác, s n xuả ất điệ ừn t gió, cơ chế chuyển hóa năng lượng gió thành năng lượng điện bằng tuabin được thực hiện như thế nào? Đó là vấn đề đồ án này sẽ làm rõ cho người đọc trong các trang tiếp theo.

Đồ án c a em có ngu n thơng tin tham kh o t internet. ủ ồ ả ừ Đây là lần đầu tiên em làm đồ án, em mong nếu có lỗi hay sai sot gì mong thầy cơ bỏ qua cho em.

ảm ơn!

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

<b>CHƯƠNG 1 </b>

<b>TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN GIĨ </b>

<b>1.1. Sự hình thành gió và năng lượng gió </b>

Gió được hình thành do các khối khí quyển di chuyển từ nơi có áp suất cao v ề nơi có áp suất th p. S ấ ở dĩ xảy ra điều này là do b m t trái ề ặđất, khí quyển và nước được bức xạ m t tr i chi u xuống không đều ặ ờ ếnên dẫn đến m t mộ ặt không được chiếu sáng, mặt ban đêm sẽ lạnh đi, còn m t còn l i, s nóng lên. Khi kh i khí khác nhau vặ ạ ẽ ố ề nhiệt độ, chúng s chênh l ch nhau v áp su t. Kh i khí có áp suẽ ệ ề ấ ố ất cao s nẽ ặng hơn, và di chuyển xuống, còn ngược lại khối khí áp suất thấp sẽ nhẹ và bay lên. Các kh i khí tố ừ đó có xu hướng di chuy n tể ừ nơi có áp suất cao v ềnơi có áp suất thấp

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

.

Ngồi ra gió cũng được hình thành dựa trên hiệu ứng Coriolis, hiệu ứng gây ra do s quay quanh trục cự ủa trái đất làm cho các khối khí quyển chệch hướng và sinh ra gió.

Gió khi di chuy n mang mể ột động năng nhất định. Năng lượng gió được sinh ra chính là động năng của khơng khí chuyển động với vận tốc nhất định. Vận tốc càng cao, động năng hay năng lượng gió càng lớn.

Tham khào: Cơng th c vứ ật lý tính động năng chuyển động c a gió ủKhối lượng khơng khí đi qua một mặt phẳng hình trịn vng góc với chiều gió trong thời gian t là:

với ρ là tỷ trọng của không khí, V là th tích khể ối lương khơng khí đi qua m t c t ngang hình trịn di n tích A, bán kinh r trong th i gian t. ặ ắ ệ ờVì th ế động năng E (kin) và cơng suất P của gió là:

Từ đó ta thấy điều đáng chú ý là cơng suất gió tăng theo lũy thừa 3 của vận t c gió vì th v n t c gió là m t trong nh ng y u t quyố , ế ậ ố ộ ữ ế ố ết định khi muốn s dử ụng năng lượng gió

<b>1.2. Lịch s c</b>ử ủa năng lượ<b>ng gió </b>

Năng lượng gió đã được sử dụng từ hàng trăm năm nay. Từ những chiếc thuy n bu m, c i xay gió cho t i nh ng chi c khinh khí c u, tề ồ ố ớ ữ ế ầ ất cả đều s dử ụng năng lượng gió. Thời sơ khai, con người ứng d ng gió ụvào vi c di chuy n, thì sau dệ ể ần cũng có cối xay gió, cơng trình dùng năng lượng gió tạo ra cơng cơ học để xay lúa t o b t. Ngày nay chiạ ộ ếc

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

cối xay gió c ổ điển vẫn được nhiều nơi giữ ại v l ừa là để ử ụ s d ng, vừa là để lưu giữ một kỳ quan của địa phương (như cối xay gió của Hà Lan).

Ngay khi ch tế ạo ra điện và máy phát điện, con người đã nghĩ tới việc dùng gió để sản xuất điện. Ban đầ ừ ối xay gió cơ bảu t c n v i nhớ ững biến đổi nhỏ, người ta dùng gió sinh công cơ học để tạo ra điện. Nhưng sau này, khi bộ môn khoa học Cơ học dịng chảy phát tri n thì ểthiết b và hình dáng cánh quị ạt cũng được thiết kế đặc biệt hơn, giúp tận d ng tụ ối đa động năng mà gió mang lại. Từ sau đó, người ta cũng có tên m i thay cho c i xay gió, tuabin gió, vì c i xay gió gớ ố ố ốc đã bịthay đổi nhi u v c u trúc cánh ề ề ấ quạt và ph n nghi n c a cầ ề ủ ối xay cũng được lo i bỏ. ạ

Từ khủng hoảng d u nhầ ững năm 1970, với m i lo ng i v nghiên liố ạ ề ệu hóa thạch và khí đố các nướt, c trên tồn thế giới cũng đẩy mạnh việc

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

nghiên c u và s n xuứ ả ất điệ ừ năng lượng gió n t nhằm tìm ra bi n pháp ệsản xuất điện lâu dài, b n v ng và thân thi n về ữ ệ ới mơi trường.

<small>Hình 3: Tua bin gió ngày nay </small>

<b>1.3. Sản xu</b>ất điệ<b>n từ năng lượng gió </b>

Tuabin gió là thi t b giúp biế ị ến đổi động năng của gió thành cơ năng. Sản xuất điệ ừ gió đượn t c nhiều nước trên thế giới s d ng r ng rãi. ử ụ ộTuy nhiên, s n xuả ất điện gió có nhược điểm, đó là gió thổi khơng đều dẫn đến việc cung cấp điện liên tục trở nên khó khăn hơn.

Trên th c t , có ự ế nhiều cách để khắc ph c vụ ấn đề này, đó là sử ụng dacquy tích tr ữ điện, ho c dùng k t h p v i nguặ ế ợ ớ ồn năng lượng m t tr i. ặ ờSử d ng acquy dụ ự trữ ảnh hưởng bởi độ chính xác c a vi c d báo ủ ệ ựgió, khả năng điểu ch nh mỉ ạng lưới và nhu c u s dầ ử ụng điện. Còn s ửdụng k t hế ợp năng lượng m t tr i thi kh c phặ ờ ắ ục điểm y u c a nhau: ế ủNăng lượng gió thì d i ồ dào hơn vào ban đêm, còn năng lượng m t trặ ời thì thay th vào bu i sáng. ế ổ

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

Ngoài ra người ta cịn có cơng nghệ khác để tích trữ năng lượng của gió: dùng máy nén khí. Động năng của tuabin sẽ được dùng trực tiếp để quay máy nén khí, tích lũy động năng của gió vào nhi u bình khí ềnén b t k gió m nh hay nh . H ấ ể ạ ẹ ệ thống bình khí nén này s ln phiên ẽphun vào xoay động cơ của máy phát điện để tạo ra điện. Hệ thống gồm nhi u bình khí thay phiên nhau nén và x khí sề ả ẽ giúp người ta điều khiển được công suất đầu ra của tuabin gió, đảm bảo nguồn điện ổn định.

Bên c nh sạ ức nước, năng lượng gió sau khi tr chi phí thi cơng lừ ắp đặt, chi phí phụ là một trong nh ng nguữ ồn năng lượng r ẻ tiền nhất.

<b>Kết luận: Chương này ta đã tìm hiể</b>u tổng quan về gió, năng lượng gió và điện gió. Chương sau sẽ đi tìm hiểu sâu hơn về cấu tạo và cơ chế hoạt động của tuabin gió.

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

<b>CHƯƠNG 2 </b>

<b>TUABIN GIÓ VÀ CÁC LOẠI TUABIN GIÓ </b>

<b>2.1. T ng quan v tuabin gió </b>ổ ề

Tuabin gió là thi t b g m nhi u phế ị ồ ề ần khác nhau như: máy phát điện, hộp s , cánh ố quạt, rotor, phanh, thi t b ế ị điều khiển và c m bi n,.. hoả ế ạt động trên nguyên lý chung dùng sức gió qua các tay đòn làm quay bộ phận (cuộn dây, nam châm) bên trong máy phát điện sinh ra hiện tượng cảm ứng điện t , từ ừ đó tạo ra điện năng.

<small>Hình 4: Tuabin gió </small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

• Tuabin gió khơng cánh

• Tuabin cánh quạt quay ngược (Counter-Rotating Turbine)

<small>Hình 5: Các lo i tuabin gió tr c thạụẳng đứng</small>

<b>2.2.1. Tuabin gió tr c ngang (HAWT) </b>ụ

Khi nghĩ đến tuabin gió, người ta thường nghĩ tới loại tuabin gió này. Tuabin gió này phổ biến nh t trong các lo i tuabin và có th d dàng ấ ạ ể ễnhận di n b i thiết k khá giống một cánh qu t của chúng. Chúng ệ ở ế ạthường có một cánh quạt 3 lưỡi (có tuabin 2 cánh nhưng khơng ph ổbiến), được gắn lên m t tr c thộ ụ ẳng đứ , khá gi ng m t chi c chong ng ố ộ ế

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

chóng tre đồ chơi. Cánh quạt của chúng hứng gió theo hướng vng góc v i gió nên g i là tuabin gió tr c ngang. ớ ọ ụ

<small>Hình 6: Tuabin gió trục ngang (HAWT) </small>

HAWT s d ng l c nâng v i các cánh có hình dử ụ ự ớ ạng đặc biệt để ạ t o ra điện, cơ chế tương tự cơ chế sử dụng lực nâng của máy bay. Mặc dù vậy, t l l c nâng cỉ ệ ự ủa tuabin thường lớn hơn gấp nhiề ầu l n so v i t ớ ỉlệ lực nâng của cánh máy bay thương mại thông thường. Chúng thường được đặt trên cao cách mặt đất để tận dụng tối đa tốc độ gió. Cho đến nay, đây là loại tuabin được nghiên cứu kỹ lưỡng nhất.

<b>2.2.2. Tuabin gió tr c th</b>ụ ẳng đứ<b>ng (VAWT) </b>

Tuabin gió ti p c n gió theo mế ậ ột hướng cùng với hướng c a gió ủ được gọi là tuabin gió tr c thụ ẳng đứng (VAWT). Khác v i HAWT, chúng ớcó hai nguyên lý hoạt động: s dử ụng ự l c nâng, hoặc l c c n c a gió. ự ả ủVAWT thường được s dử ụng quy mơ nhỏ hơn HAWT. Chúng cũng ít được sử dụng ở quy mô công nghiệp. Thay vào đó, chúng thường được s dử ụng trên các mái nhà làm nguồn năng lượng b sung. Chúng ổ

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

thường đặt gần mặt đất, làm vi c kém hi u qu v i tệ ệ ả ớ ốc độ gió thấp hơn, nhưng bù lại dễ bào trì bảo dưỡng.

VAWT có hai lo i chính, là Darrieus và Savonius. Chúng r t khác ạ ấnhau v cách thu gió và nh ng thi t k cề ữ ế ế ủa chúng cũng phụ trợ cho nhiều mục đích khác nhau.

<b>• Darrieus </b>

Các tuabin gió Darrieus được nhận d ng b i hai cánh qu t ạ ở ạdạng cánh cong g n vào trắ ục trung tâm, t o cho chúng hình ạdạng “chiếc máy đánh trứng”. Các cánh qu t gạ ắn ở đầu và cuối trục và quay theo phương thẳng đứng xung quanh trục để ph n ảứng v i gió. Giớ ống như HAWT, tuabin gió Darrieus tạo ra điện bằng l c nâng. ự

Tua bin gió Darrieus có m t s ộ ốưu điểm. Thay vì như HAWT, phải vng góc với hướng gió hoạt động mới hiệu quả, chúng có hi u qu b t kệ ả ấ ể hướng gió. Chi phí c a tuabin Darrieus ủthường có phần r ẻ hơn, tuy v y ậtuabin Darrieus thường chỉ có cơng suất dưới 1 MW.

Nhưng tuabin Darrieus có quá nhiều nhược điểm. Chúng có xu

hướng kém hi u qu hơn HAWT vì các lưỡi dao quá g n mệ ả ầ ặt đất. Thiết k ế cũng không phù hợp v m t c u trúc ề ặ ấ ở quy mô l n. Dây Guy ớlà c n thiầ ết để giữ cho các tuabin lớn hơn không bị ậ s p. Tua-bin

<small>Hình 7: Tuabin gió trục đứng d ng Darrieus cao ạnhất thế giới hiện nay (110m) tại Quebec, Canada </small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

Darrieus có mơ-men xoắn ban đầu thấp, có nghĩa là chúng cần nguồn điện bên ngoài để khởi động. Chúng hiếm khi tự khởi động, ngay cả khi tốc độ gió lớn.

<b>• Savonius </b>

Tua bin gió Savonius là loại tuabin gió đơn giản nhất. Chúng bao g m tồ ối đa bốn gàu bán trục được g n theo chi u dọc v i một ắ ề ớtrục trung tâm. Các tuabin này tạo ra điện bằng cách sử dụng lực cản, làm cho chúng kém hiệu quả hơn. Chúng có xu hướng được sử dụng khi chi phí và độ tin cậy là những y u tố lế ớn hơn hiệu quả. Nhờ thi t k đơn giản, chúng ít ế ếyêu c u b o trì và hoàn toàn t ầ ả ựkhởi động.Chúng đặc bi t hệ ữu ích cho các ứng dụng tiêu th ụ điện năng thấp ở các vị trí xa. Phao nước sâu, máy bơm nước và quạt làm mát là những ứng dụng phổbiến cho tuabin savonius. Nhi u ềmáy đo gió là tuabin savonius, vì mục tiêu chính là đo tốc độ gió chứ khơng phải tạo ra điện

năng. Ở châu Âu, tuabin savonius đôi khi được s dụng làm qu ng ử ảcáo, trong đó một hình ảnh động hai khung đơn giản được đặt bên trong tuabin, sau đó được kích hoạt bằng chuyển động quay của tuabin.

<small>Hình 8: Tuabin Savonius dùng làm qu ng cáo ả</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

<b>2.2.3. Các lo i tuabin gió khác </b>ạ

<b>• Tua bin gió xi / hướng gió (downwind turbine) </b>

Tuabin hướng gió có b ngoài g n gi ng về ầ ố ới tuabin tr c ngang ụ(HAWT) bình thường, m c dù có mặ ột điểm khác bi t l n. Tua bin ệ ớhướng gió v cơ bản là quay ngược, nơiề rotor của tuabin được đặt làở cùng phía v i gióớ . Điều này đặt các lưỡi phía sau nacelle (bộ ph n ậchứa rotor).

Trong khi các tuabin tr c ngang ụbình thường khác cần phải có yaw system, h ệ thống c m biả ến quay cánh qu t v ạ ề hướng vng góc với gió, tuabin hướng gió có một ưu điểm tuy t v i khệ ờ i chúng có th quay m t cách th ể ộ ụđộng để đối mặt với gió, tiết kiệm chi phí làm h ệ thống, nhất là đối với các tuabin cánh to, nặng. Ngồi ra các lưỡi dao có thể uốn cong và s n xu t b ng ả ấ ằvật li u linh hoệ ạt hơn, điều mà

ở HAWT khơng làm được, vì n u uốn conế g lưỡi dao của HAWT s ẽva vào tháp.

Tuy nhiên có một nhược điểm c a vi c không có hủ ệ ệ thống yaw system, đó là cánh quạt quay theo hướng tùy ý, nếu mà như vậy dây dẫn n i xu ng t tuabin s b r i n ng mà khó có th gố ố ừ ẽ ị ố ặ ể ỡ ra, điều mà khi dùng yaw system, ta có thể ễ d dàng kiểm soát.

Một nhược điểm khác của tuabin này so với HAWT là gió bị chẻ hướng khi va vào nacelle, làm giảm độ hiệu qu của tuabin, hơn nữa ảtrong th i gian dài s gây ra y u k t cờ ẽ ế ế ấu.

<small>tuabin hướng gió </small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

<b>• Tuabin gió khơng cánh </b>

Tua bin gió khơng cánh là m t thi t k m i sáng t o d a trên các dòng ộ ế ế ớ ạ ựgió xốy thay vì gió liên tục. Tua bin gió khơng cánh khơng có cánh quay, và được thi t k ế ế để đứng thẳng để dao động theo phản ứng của các dịng xốy.

Thiết kế c a chúng rủ ất đơn giản, vì vậy chúng có lợi trong việc vận chuyển, sản xuất, bảo quản và lắp đặt. Khơng có vịng bi, bánh răng hay các b ộ phận chuyển động mà s ẽ hư hỏng theo th i gian, vi c bờ ệ ảo trì tuabin khơng cánh tr nên r t d dàng. So v i tuabin gió có cánh ở ấ ễ ớthơng thường, chi phí để ạo ra điệ t n của nó thấp hơn 40%.

Các tuabin khơng cánh hoạt động d a trên m t nguyên lý cự ộ ộng hưởng được gọi là rung động do xốy. Khi gió va vào các v t th cùn, các ậ ểxốy gió được t o ra xung quang v t. Tuabin s dao ạ ậ ẽ động theo nguyên lý cộng hưởng, cho t i khi t n s c a nó g n b ng t n s cớ ầ ố ủ ầ ằ ầ ố ộng hưởng

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

của xốy gió. Khi tuabin rung, nó tạo ra điện bằng hệ thống máy phát điện.

Tuy v y, thi t k này vậ ế ế ẫn còn sơ khai và không hiệu qu so v i các ả ớthiết kế tuabin thông thường. Hơn nữa, dao động của tuabin phải đạt tới tốc độ khá cao m i sinh ra mớ ột lượng điện đáng kể. Tuy nhiên, tốc độ dao động càng cao thì độ rung tác động lên cột và n n gi nó sẽ ề ữcàng l n, lâu d n s ớ ầ ẽ gây ra hư hại cho n n tề ảng.

<b>• Counter-rotating turbine </b>

Thiết k tuabin này là m t thi t k thú vế ộ ế ế ị, trong đó HAWT gió ngược và gió xi được đặt trên cùng một tháp. Sau đó, hai rotor quay ngược l i nhau, v i tuabin gió ạ ớxi sẽ thu năng lượng cịn l i t tuabin ạ ừgió ngược. Các tuabin gió ngược đạt được hi u suệ ất tăng thêm 40% bằng cách thu năng lượng gió xi chiều. Chúng cũng không yêu cầu hộp số, và chúng tự điều chỉnh một cách thụ động theo hướng gió.

Mặc dù tuabin quay ngược chiều có vẻ có lợi nhưng chúng rất khó để chế ạ t o.

Các tuabin gió xi ph i nhả ỏ hơn tuabin gió ngược và phải được đặt ở chế độ ừ d ng ở tốc độ gió cao hơn. Chúng cũng phải được hẹn gi ờđể quay ở các tỷ l tệ ốc độ nhất định để ngăn chặn các rung động có thể dẫn đến hỏng k t cế ấu. Cho đến ngày nay, rất ít tuabin ại này lođược tiêu thụ trên thị trường.

<small>Hình 11: Tuabin counter-rotating </small>

</div>