Đề tài Tìm hiểu và trình bài thiết kế một hệ thống điện gió

Nội dung text: Đề tài Tìm hiểu và trình bài thiết kế một hệ thống điện gió

1. - Năng lượng điện gió là một nguồn năng lượng tái tạo, không bao giờ I, Tổng quan có thể bị cạn kiệt như các năng lượng truyền thống, việc sử dụng năng lượng gió sẽ làm giảm sự phụ thuộc của chúng ta vào nhiên liệu hóa thạch. năng lượng - Chí phí vận hành thấp, chí phí xây dựng và lắp đặt đang giảm nhờ sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật. điện gió: - Tối ưu hóa diện tích đất, tốc độ tăng trưởng cao và có tiềm năng lớn trong tương lai. 5
2. Bản đồ phân bố tốc độ gió I, Tổng quan năng Việt Nam ở độ cao 80 mét được thực hiện từ Bộ công lượng điện gió: thương,TrueWind Solutions LCC (Mỹ) và Ngân hàng thế giới năm 2010. Đây là tài liệu đánh giá tiềm năng gió tại Việt Nam. Bản đồ phân bố tốc độ gió được thực hiện với phần mềm mô phỏng ‘MesoMap’. Kết quả mô phỏng được trình bày trên bản đồ hiển thị tốc độ gió trung bình theo màu với độ phân giải là 1 km. Bản đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam ở độ cao 80 mét. 6
3. I, Tổng quan năng lượng điện gió: • Kết quả mô phỏng của mô hình có thể sai lệch từ 5 đến 8% so với tốc độ gió để dự toán sản lượng điện hàng năm cho một cánh đồng điện gió. • Tuy nhiên đây là một nguồn thông tin quan trọng vì Bản đồ phân bố tốc độ gió cung cấp cho các nhà đầu tư có cái nhìn tổng thể về những địa điểm có tiềm năng gió cao thích hợp để xây dựng nhà máy điện gió. Bản đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam ở độ cao 80 mét. 7
4. I, Tổng quan năng lượng điện gió: • Tài nguyên gió của Việt Nam chủ yếu nằm dọc theo bờ biển dài hơn 3.000 km, ở các vùng đồi núi, cao nguyên ở miền Bắc và miền Trung, Tây Nguyên. Tính đến yếu tố hạn chế về sử dụng đất, ngoại trừ các khu vực núi có độ dốc hơn 30%, các không gian gián đoạn có diện tích dưới 1 km² và các khu vực có khả năng tiếp cận lưới điện trong phạm vi 10 km, tiềm năng kỹ thuật của điện gió trên bờ vào khoảng 42 GW phù hợp triển khai dự án điện gió quy mô lớn. 8
5. II, Những vấn đề kỹ thuật Vận tốc (tốc độ) gió (V) là thông số quan trọng nhất, cần được đánh giá với độ chính xác tối đa có thể, để tính tiềm năng về năng lượng gió của khu vực nghiên cứu. Ngoài ra các yếu tố như chiều cao cột gió, hướng gió cũng cần được xét đến cẩn thận. Theo Quy chuẩn về các điều kiện tự nhiên được áp dụng trong xây dựng của Việt Nam được Bộ Xây dựng ban hành năm 2008 (QCXDVN 02: 2008/BXD), khảo sát gió tại các trạm khí tượng được lấy theo hai điều kiện: (i) Trung bình trong thời gian 3 giây, ở độ cao 10m so với mốc chuẩn, ứng với địa hình dạng B (địa hình tương đối trống trải, có một số vật cản thưa thớt cao không quá 10m). (ii) Trung bình theo xác suất với chu kỳ lặp 20 năm. 9
6. 1,Tương quan tốc độ gió và độ cao: Như ta đã biết, càng lên cao, không khí càng loãng (mật độ không khí càng giảm), và vận tốc gió càng tăng. Sự phân bố tốc độ gió tuân theo các qui luật về chất khí (các phân tử khí). Đối với chất khí, có hai qui luật phân bố được áp dụng từ trước đến nay, đó là qui luật Maxwell và qui luật Weibull. 10
7. 2, Chiều cao của cột tuabin: Ngoài ra, cột tua bin cần đặt xa các vách đá Tùy thuộc vào địa hình cụ thể, căn cứ vào chiều cao H của các dốc, hoặc các vị trí có độ cao thay đổi đột ngột vật cản (lồi/lõm của mặt đất, chiều cao của nhà/công trình xây tối thiểu 300m. dựng, cây/rừng v.v ), sự chuyển động của không khí (gió) sẽ bị nhiễu loạn ở một độ cao nhất định so với mặt đất (khoảng 2H). Vì vậy, tua bin gió phải được đặt ở độ cao lớn hơn 2H, như trong sơ đồ minh họa (không theo tỷ lệ) sau: 2 11
8. 3, Tốc độ tối đa: Tốc độ gió tối đa là đặc tính quan trọng của gió để đánh giá nguy cơ gẫy tua bin gió khi tính độ bền của tua bin gió. Vì nhiều nguyên nhân, trong đó, quan trọng nhất là do đặc tính thiết kế cánh gió của con quay đo gió, việc có được các số liệu thống kê tin cậy về tốc độ gió tối đa là rất khó. Vì vậy, trong thời gian gần đây, tốc độ gió tối đa thường được xác định bằng phương pháp tính toán (ngoại suy). 12
9. Các thông số về phân bố tốc độ gió; tốc độ gió tối đa; và hướng gió. Khi xem xét sự phân bố của tốc độ gió, cần đặc biệt chú ý đến sự lặp lại và số lần lặp lại của hướng gió có tốc 4, Hướng gió: độ gió bằng 0 và tốc độ gió nhỏ (để xác định thời gian không phát điện của tua bin), cũng như sự lặp lại và số lần lặp lại của các tốc độ gió nguy hiểm (>21m/s hoặc >25m/s) để xác định nguy cơ bị gẫy của tua bin gió. Những số liệu về tốc độ và hướng gió của từng thời điểm và từng vị trí được hiển thị bằng hoa gió. Hướng gió trong hoa gió được định theo chiều đông, tây, nam, bắc và thường được chia thành 12 hoặc 36 mảng trong một vòng tròn. Diện tích trong mỗi mảng được hiển thị bằng màu là tốc độ gió trung bình trong ngày hoặc trong tháng. 13
10. III, Công suất tuabin: m: Khối lượng không khí qua cánh quạt gió(kg) a: Tiết diện mà luồng không khí đi qua(m) v: vận tốc gió(m/s) D: là khối lượng riêng không khí (kg/m 3). H: là hiệu suất của tuabin gió. 14
11. III, Công suất tuabin: Khối lượng không khí qua cánh quạt gió phụ thuộc vào tiết diện mà luồng không khí đi qua, vận tốc gió và khối lượng riêng của không khí. à khối lượng riêng không khí (kg/m 3). A là tiết diện mà không khí đi qua. 15
12. III, Công suất tuabin: Trong đó A: là tiết diện mà không khí đi qua. R: là bán kính tuabin. 16
13. III, Công suất tuabin: m: Khối lượng không khí qua cánh quạt gió(kg) a: Tiết diện mà luồng không khí đi qua(m) v: vận tốc gió(m/s) D: là khối lượng riêng không khí (kg/m 3). H: là hiệu suất của tuabin gió. 17
14. IV,QUY TRÌNH ĐO HIỆU SUẤT TUABIN: 1, Thu thập số liệu: Số liệu sẽ được thu thập liên tục ở tần số lấy mẫu là 1 Hz hoặc cao hơn. Nhiệt độ không khí, áp suất không khí, trạng thái của tua bin gió và lượng mưa, nếu đo, có thể được lấy mẫu ở tần số nhỏ hơn nhưng ít nhất một phút một lần. Giá trị trung bình Độ lệch tiêu chuẩn Các số liệu được thu thập : Giá trị lớn nhất Giá trị nhỏ nhất 18
15. 2, Loại bỏ số liệu: Tuabin không thể vận hành do sự cố • Để đảm bảo chỉ những số liệu có được khi tua Thiết bị thử nghiệm hỏng hóc hoặc bin vận hành bình thường mới được sử dụng xuống cấp (v.d. do băng tuyết) vào phân tích, và để số liệu không bị hỏng thì Tua bin bị dừng bằng tay hoặc đang trong giai đoạn các bộ số liệu sẽ bị loại bỏ ra khỏi cơ sở dữ thử nghiệm hoặc vận hành bảo dưỡng liệu trong các trường hợp sau : Hướng gió nằm ngoài (các) khu vực đo như quy định trong hình 1. 19
16. Phương pháp bin : Quy trình giảm số liệu bằng gộp nhóm các số liệu cho một thông số nhất định thành các khoảng tốc độ gió(bin) GHI CHÚ: Đối với mỗi bin, số lượng các bộ số liệu hoặc mẫu số liệu và tổng của chúng được ghi và giá trị thông số trung bình trong từng bin được tính. 20
17. Xác định đường cong công suất đo được : Đường cong công suất được xác định bằng áp dụng “phương pháp bin” cho các bộ số liệu chuẩn , sử dụng các bin 0,5 m/s và bằng tính toán các giá trị trung bình của tốc độ gió đã chuẩn hóa và công suất ra đối với từng bin tốc độ gió theo các công thức sau: Trong đó : Vi : tốc độ gió đã chuẩn hóa và lấy trung bình trong bin i Vn,i,j : tốc độ gió đã chuẩn hóa của bộ số liệu j trong bin i Pi : công suất đầu ra đã chuẩn hóa và lấy trung bình trong bin i Pn,i,j : công suất đầu ra đã chuẩn hóa của bộ số liệu j trong bin i Ni : số các bộ số liệu của 10 phút đo trong bin i 21
18. Hệ số công suất ( Hiệu suất ): • Hệ số công suất, H của tua bin gió được tính theo phương trình sau: −ℎ 353 29,3( +273) ρ = . 푒 0 +273 Trong đó : H :Hệ số công suất Vi : tốc độ gió đã chuẩn hóa và lấy trung bình trong bin i Pi : công suất đầu ra đã chuẩn hóa và lấy trung bình trong bin i Ar : diện tích quét rotor của tuabin gió ( m2 ) 3 ρ0 : mật độ không khí tham chiếu ( kg/m ) T : nhiệt độ không khí ( °C ) H : độ cao của gió so với mực nước biển ( m ) 22
19. V, Cách chọn turbin gió: Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại tuabin gió. Chúng được chia thành hai loại chính: trục ngang giống với các nhà máy gió kiểu cũ và tua bin trục đứng. Hầu hết các hệ thống lắp đặt sử dụng trục ngang, tuabin trục dọc thường được tìm thấy nhiều nhất trong môi trường đô thị. Nguyên mẫu tuabin gió kiểu mới trên đảo Okinawa Các tuabin gió của nhà máy điện gió Mũi Dinh (Thuận Nam, tỉnh Ninh Thuận) 23
20. V, Cách chọn turbin gió: Turbin gió bao gồm 2 loại chính: Loại turbin Ưu điểm Nhược điểm Turbin trục đứng -Ít hao mòn và hỏng hóc Hiệu suất không cao -An toàn cho người lao động và Chỉ thích hợp ở môi trường đô ít gây hại tới môi trường hơn thị -Có thể hoạt động trong nhiều điều kiện thời tiết -Chi phí lắp đặt vận hành thấp Turbin trục ngang -Hiệu quả cao -Khó lắp đặt và bảo chì,chi phí -Công suất đầu ra cao đầu tư cao -Độ tin cậy cao -Gây ảnh hưởng đến môi trường sinh thái -Quy định để được lắp đặt khá nghiêm ngặt 24
21. 15 nhà cung cấp turbin gió lớn nhất thế giới(2019) 25
22. Không gian Chúng ta sẽ cần không gian để đặt tuabin gió cách xa các tòa nhà và các vật cản khác. Lý tưởng nhất là nó phải ở khoảng cách tương đương với khoảng mười lần chiều cao của vật cản. Tốt nhất là tránh xa các khu dân cư vì nhà máy điện gió thường sẽ gây khá nhiều tiếng ồn. Ngoài ra một ví trí thuận lợi, không gian thoáng đãng cũng rất hữu dụng cho việc hòa lưới quốc gia hoặc mua bán điện được thuận lợi và ít gặp rủi ro, đồng thời giảm thiểu chi phí lắp đặt đường dây nối lưới 26
23. 2, Tài nguyên gió: • Tốc độ gió là yếu tố quan trọng và quyết định lượng điện (và doanh thu) mà một tuabin gió sẽ tạo ra mỗi năm. Tốc độ gió cần được đo tại chỗ trước khi lắp đặt tuabin.Việc ước lượng và tính toán được tài nguyên gió cũng giúp ích cho việc chọn loại turbin có công suất đặt phù hợp. Các công cụ phần mềm dự đoán phức tạp đang được phát triển và trong vài năm tới sẽ làm cho việc khảo sát trở lên dễ dàng hơn. • Một số phần mềm dự báo mức gió hỗ trợ cho việc đo đạc và tính toán có thể kể đến như: WindForTm, Meteodyn Forecast, 27
24. 3, Chi phí đầu tư: Chi phí xây dựng lắp đặt duy trì và bảo hành một turbin gió là rất lớn. Vì vậy trước khi một dự án điện gió có thể hoàn vốn và sinh lời, nhà đầu tư cần tính toán cẩn thận nguồn vốn để có thể duy trì tốt nhà máy. Hiện nhà nước có một số cơ chế hỗ trợ các dự án điện gió như: -Miễn thuế nhập khẩu cho các linh kiện lắp ráp turbin gió -Giảm thuế thu nhập cá nhân với các dự án điện gió -Hỗ trợ vay vốn, hỗ trợ huy động vốn đầu tư cho các dự án điên gió -Trợ giá cho việc bán điện gió -Được ưu đãi về cơ sở hạ tầng đất đai(thuận tiện để liên kết với lưới điện) 28
25. Độ bền: • Tua bin gió là thiết bị cơ khí và có thể được đặt trong môi trường thời tiết khắc nghiệt. Các nhà sản xuất đều đưa ra cam kết về độ bền của turbin tuy nhiên đó chỉ là trong điều kiện phòng thí nghiệm khác so với thực tế; Ước lượng được thời gian hỏng hóc của turbin sẽ giúp đưa ra kế hoạch sửa chữa bảo hành hợp lý giúp tiết kiệm chi phí đầu tư và quá trình vận hành không gặp gián đoạn. • Chúng ta có thể biết được gần chính xác tuổi thọ của turbin hoặc tình trạng của turbin sau nhiều năm sử dụng bằng cách tham khảo kinh nghiệm của những nhà đầu tư đã duy trì nhà máy điện gió trước chúng ta 29
26. 5, Kích thước tuabin: Kích thước tuabin gió thường bị hạn chế bởi không gian và các hạn chế về quy hoạch của nhà nước. Các tuabin nhỏ có thể được lắp đặt trong một số trường hợp dưới sự cho phép của nhà nước. Nói chung, rôto càng lớn thì tuabin sẽ thu được nhiều năng lượng hơn. Tuy nhiên, không phải lúc nào chúng ta cũng muốn có kích thước máy phát điện lớn nhất . Máy phát điện lớn có điện trở lớn hơn và có thể ngăn tuabin gió khởi động trong điều kiện gió thấp hơn, vì vậy chúng ta cần tính toán kỹ lưỡng về tốc độ gió và tài nguyên gió từ đó đưa ra quyết định về kích thước của turbin . Turbin lớn sẽ sản xuất đc nhiều điện hơn, tuy nhiên nếu turbin quá lớn và gió không đủ mạnh sẽ không thể phát huy hết công suất của turbin, ngược lại nếu tài nguyên gió cao mà turbin không đủ lớn sẽ dẫn đến việc không tận dụng hết tài nguyên gió → thời gian hoàn vốn kéo dài 30
27. HỆ THỐNG BẢO VỆ Hệ thống an Yêu cầu đầu tiên phải là độ bền kết cấu và an toàn kỹ thuật toàn trong quá trình vận hành hoạt động của tuabin gió 31
28. 1. An toàn thiết bị điện 2. Rotor dừng ▪ An toàn quan trọng nhất các khía cạnh 3. Độ bền kết cấu của các cánh rôto 4. Rung động không ổn định ▪ Rủi ro do điều kiện 5. Phòng cháy chữa cháy thời tiết 6. Giao thông hàng không ➢ Bão ➢ Đóng băng ➢ Bảo vệ chống sét 35
29. 1. An toàn thiết bị điện Các quy định an toàn được cung cấp cho công nghệ này phải nghiêm ngặt tuân theo các tiêu chuẩn IEC( International Electrotechnical Commission) - Uỷ ban Kỹ thuật Điện Quốc tế gồm: • Sóng hài bậc cao, độ không sin điện áp trong giới hạn cho phép. • Độ lệch điện áp, biến thiên điện áp trong giới hạn cho phép. • Các giới hạn tổn hao công suất tác dụng • Bảo vệ lưới điện và thời gian nối lại sau các sự cố lưới điện 36
30. Điều cần thiết là các tuabin gió phải tự động dừng 2. Rotor dừng trong trường hợp trục trặc của một bộ phận quan trọng. Đảm bảo độ tin cậy của hệ thống phanh. 37
31. 3. Độ bền kết cấu của các cánh rôto ➢ Trong tuabin gió, một sự cố kết cấu có thể xảy ra của các cánh quạt sẽ gây ra một rủi ro nghiêm trọng ➢ Cánh quạt làm bằng vật liệu sợi composite. Nếu một lỗi cấu trúc xảy ra trong sợi composite , các cánh nhờ vật liệu này không đứt ra đột ngột mà là "sờn ra" 38
32. 4. Rung động không ổn định ➢ Sự cộng hưởng có thể xảy ra trong các cánh rôto, trong tháp hoặc trong toàn bộ tuabin. Do đó, hệ thống giám sát chứa một hệ thống phát hiện rung động đặc biệt. Nó bao gồm một số gia tốc kế được gắn tại các vị trí quan trọng trong tuabin gió. ➢ Khi rung động mạnh, nó sẽ kích hoạt hệ thống phanh. Tua bin gió lớn phức tạp có hệ thống phát hiện rung động điện tử. 40
33. 5. Phòng cháy chữa cháy Phương pháp giảm thiểu cháy nổ gián tiếp • Vỏ bọc cho buồng tuabin làm bằng các tấm đa lớp làm bằng sợi thủy tinh với đặc tính chống cháy chịu nhiệt cao • Cột tuabin thiết kế đi kèm với thiết bị chống sét và hệ thống bảo vệ chống nhiễu điện từ trong quá trình hoạt động, do đó giảm thiểu hỏa hoạn cháy nổ do sét đánh trực tiếp. Phương pháp giảm thiểu cháy nổ thông qua báo cháy và dùng bình chữa cháy xách tay • Lắp đặt đầu dò khói, báo nhiệt trong các đỉnh tháp nơi chứa buồng máy, thân trục tháp gió, đế tháp. • Lắp các thiết bị chuông còi đèn báo cháy ở trong khoang tháp để báo động, phát tín hiệu • Trang bị hệ thống điều khiển giám sát các đầu báo khói và kích hoạt tất cả các cảnh báo, bao gồm cả còi báo động và đèn hiệu hình ảnh • Trang bị bình chữa cháy xách tay. 41
34. 6. An toàn hàng Các tuabin lớn, giống như tất cả các tòa nhà chọc trời không chiếu phía trên yêu cầu đánh dấu cảnh báo cho giao thông hàng không. Bao gồm một lớp sơn cảnh báo màu đỏ ở đầu cánh quạt. Điều này được chỉ định chiều cao của công trình vượt quá 100m so với mặt đất. Các đèn cảnh báo nguy hiểm được sử dụng để đánh dấu ban đêm thường là "đèn hiệu đa hướng nhấp nháy màu đỏ" hoặc là "đèn nhấp nháy" xoay. 42
35. ➢ Bão và lốc xoáy ➢ Tuabin chỉ được thiết kế cho vận tốc gió tối đa cho phép. Trong điều kiện thời tiết có những thay đổi đột ngột về hướng gió sẽ xảy ra mà hệ thống điều khiển chưa đáp ứng kịp hoặc điều khiển hệ thống không xử lý đủ nhanh bởi hệ thống an toan. Bão hoặc lốc xoáy gây phá hủy tuabin. ➢ Vì ngày nay tubin gió được xây dựng rất chắc chắn kiên cố, tính toán kĩ càng và có thể chịu được bão lớn. 43
36. ➢Bảo vệ chống sét ➢ Các hệ thống chống sét phải bảo vệ các bộ phận cơ khí khỏi bị hư hỏng như cũng như đảm bảo rằng các thành phần điện và điện tử không bị phá hủy hoặc chịu điện áp quá mức. ➢ Các thành phần chủ yếu bị ảnh hưởng bởi sét đánh là các cánh quạt. Nếu cánh được làm bằng thép, chúng sẽ tạo thành một dây dẫn sét lý tưởng do đó phải sử dụng các thiết bị chống sét đặc biệt . 44
37. ➢Đóng băng ➢ Một tác động môi trường cũng có thể dẫn đến suy giảm an toàn vận hành là sự tích tụ băng trên cánh quạt trong những điều kiện thời tiết nhất định. ➢ Thực tế tự nhiên, điều này chỉ ảnh hưởng đến các nước phía Bắc, có thể nói rằng thời tiết như vậy các điều kiện hiếm khi xảy ra ở các điểm ven biển hơn ở các dãy núi thấp. ➢ Băng có thể hình thành trên tất cả các bộ phận của tuabin gió đặc biệt khi thông gió các cửa hút gió, các lỗ mở khác và ở máy đo gió. ➢ Các biện pháp bảo vệ chống lại nguy cơ đóng băng đơn giản bao gồm hệ thống cảnh báo băng tự động tắt 45 tuabin,
38. Nguồn tài liệu tham khảo: 1. Công ty Cổ phần Tư vấn Đầu tư – Thiết kết và chuyển giao công nghệ Thành Nam (tháng 10/2008), Báo cáo nghiên cứu sơ bộ tiềm năng điện 2. Công ty tư vấn xây dựng điện 3 (tháng 02/2007), Báo cáo tổng hợp (Hiệu chỉnh theo kết luận họp thẩm định ngày 30/11/2006 tại EVN) – Quy hoạch năng lượng gió để phát điện tại các tỉnh duyên hải miền nam Việt Nam (Mã số CT: 54001F), TP Hồ Chí Minh. 3. Viện năng lượng (tháng 11/2006), Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2006- 2015 có xét triển vọng đến 2025 (Tổng sơ đồ VI), Hà Nội. 4. Viện năng lượng (2007), Dự án đầu tư Xây dựng công trình Phong Điện 1 -Tỉnh Bình Thuận, Hà Nội. 5. Tony Burton, David Sharpe, Nick Jenkins (2002), Wind Energy Handbook, Ervin Bossanyi - John Wiley & Sons, Ltd. 6. Paul Gipe (1993), Wind Power for Home & Business; Chelsea Green Publishing Company, White River Junction, Vermont Tontnes, England. 7. The European Wind Energy Association (June 2009), Annual report 2008, Brussels – Belgium. 8. World Wind Energy Association (February 2009), Annual report 2008, Bonn – Germany, . 9.The Economics of Wind Energy, Brussels - Belgium, March 2009. 10. Wind Energy Resource Atlas of Southeast Asia, World Bank, September 2001. 46