Đồ án Năng lượng gió đi sâu tìm hiểu điểm công suất cực đại cho tuabin gió

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢN LÝ VÀ CÔNG NGHỆ HẢI PHÒNG

-------------------------------

ISO 9001:2015

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGÀNH : ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP

Sinh viên

: Đào Hữu Toàn

Giảng viên hướng dẫn: ThS. Ngô Quang Vĩ

HẢI PHÒNG – 2020

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢN LÝ VÀ CÔNG NGHỆ HẢI PHÒNG

-----------------------------------

NĂNG LƯỢNG GIÓ ĐI SÂU TÌM HIỂU ĐIỂM CÔNG

SUẤT CỰC ĐẠI CHO TUABIN GIÓ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

NGÀNH: ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP

Sinh viên

: Đào Hữu Toàn

Giảng viên hướng dẫn: ThS. Ngô Quang Vĩ

HẢI PHÒNG – 2020

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢN LÝ VÀ CÔNG NGHỆ HẢI PHÒNG

--------------------------------------

NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP

Sinh viên: Đào Hữu Toàn

Lớp : DC2001

Mã SV : 1612102016

Ngành : Điện Tự Động Công Nghiệp

Tên đề tài: Năng lượng gió đi sâu tìm hiểu điểm công suất cực đại cho

tuabin gió

1

NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI

1. Nội dung và các yêu cầu cần giải quyết trong nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp

………………………………………………………………………….............

2. Các tài liệu, số liệu cần thiết

………………………………………………………………………….............

3. Địa điểm thực tập tốt nghiệp

………………………………………………………………………….............

2

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP

: Ngô Quang Vĩ

Họ và tên

Học hàm, học vị

: Thạc sĩ

Cơ quan công tác

: Trường Đại học Quản lý và Công nghệ Hải Phòng

Nội dung hướng dẫn : Toàn bộ đề tài

Đề tài tốt nghiệp được giao ngày 30 tháng 03 năm 2020

Yêu cầu phải hoàn thành xong trước ngày 30 tháng 06 năm 2020

Đã nhận nhiệm vụ ĐTTN

Sinh viên

Đã giao nhiệm vụ ĐTTN

Giảng viên hướng dẫn

Hải Phòng, ngày tháng năm 2020

HIỆU TRƯỞNG

3

Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

-------------------------------------

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TỐT NGHIỆP

Họ và tên giảng viên

Đơn vị công tác

: Ngô Quang Vĩ

: Trường Đại học Quản lý và Công nghệ Hải Phòng

: Đào Hữu Toàn

Họ và tên sinh viên

Chuyên ngành

: Điện Tự Động Công Nghiệp

Nội dung hướng dẫn : Toàn bộ đề tài

1. Tinh thần thái độ của sinh viên trong quá trình làm đề tài tốt nghiệp

.........................................................................................................................

2. Đánh giá chất lượng của đồ án/khóa luận( so với nội dung yêu cầu đã đề

ra trong nhiệm vụ Đ.T.T.N, trên các mặt lý luận, thực tiễn, tính toán số

liệu... )

.........................................................................................................................

3. Ý kiến của giảng viên hướng dẫn tốt nghiệp

Được bảo vệ

Không được bảo vệ

Điểm hướng dẫn

Hải Phòng, ngày......tháng.....năm 2020

Giảng viên hướng dẫn

(ký và ghi rõ họ tên)

4

Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

-------------------------------------

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊM CHẤM PHẢN BIỆN

Họ và tên giảng viên:.........................................................................................

Đơn vị công tác:.................................................................................................

Họ và tên sinh viên: .................................Chuyên ngành:..............................

Đề tài tốt nghiệp: ...........................................................................................

............................................................................................................................

1. Phần nhận xét của giảng viên chấm phản biện

.........................................................................................................................

2. Những mặt còn hạn chế

.........................................................................................................................

3. Ý kiến của giảng viên chấm phản biện

Được bảo vệ

Không được bảo vệ

Điểm hướng dẫn

Hải Phòng, ngày......tháng.....năm 2020

Giảng viên chấm phản biện

( ký và ghi rõ họ tên)

5

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦ U ___________________________________________________ 8

CHƯƠNG 1. LÍ THUYẾ T T Ổ NG QUAN V Ề NĂNG LƯỢNG GIÓ _______ 10

1.1 Th ự c tr ạng năng lượng và môi trườ ng_____________________________ 10

1.2 S ự hình thành năng lượng gió ___________________________________ 13

1.3 Các đặc trưng của năng lượng gi ó ________________________________ 14

1.3.1 T ốc độ gió ________________________________________________ 14

1.3.2 Hướng gió ________________________________________________ 16

1.4 Ưu điểm năng lượng gió _______________________________________ 16

1.5 Nhược điểm năng lượng gió ____________________________________ 17

CHƯƠNG 2: CÁC LÝ THUYẾT CƠ BẢN VÀ CẤ U T ẠO TUA BIN GIÓ __ 19

2.1 Nguyên lý biến đổi năng lượng gió _______________________________ 19

2.2 Phân loạ i Tua-bin gió _________________________________________ 22

2.3 Các d ạ ng truy ền độ ng _________________________________________ 23

2.4 Đị nh lu ậ t c ả m ứng điệ n t ừ ______________________________________ 25

2.4.1 Trườ ng h ợ p t ừ thông xuyên qua vòng dây biến thiên ________________ 25

2.4.2 Trườ ng h ợ p thanh d ẫ n chuy ển độ ng trong t ừ trườ ng ________________ 25

2.5 Đị nh lu ậ t l ực điệ n t ừ __________________________________________ 25

2.6 Hòa đồ ng b ộ ________________________________________________ 26

2.7 C ấ u T ạ o Tua-Bin Gió _________________________________________ 27

2.8 Roto gió ____________________________________________________ 30

2.8.1 H ệ th ố ng Roto _____________________________________________ 30

2.8.2 Nh ữ ng nguyên tắc điề u ch ỉ nh h ệ th ố ng Roto ______________________ 37

2.9 B ộ truy ền động và bộ ph ậ n phan h ________________________________ 39

2.10 V ỏ và hệ th ống định hướ n g ____________________________________ 40

CHƯƠNG 3. ĐI SÂU TÌM HIỂU ĐIỂM CÔNG SUẤT CƯC ĐẠ I CHO TUA

BIN GIÓ VÀ MÔ PHỎ NG MATLAB ______________________________ 42

3.1 Gi ớ i thi ệ u chung _____________________________________________ 42

3.2. B ộ bi ến đổ i DC-DC.__________________________________________ 45

3.3 B ộ bi ến đổ i DC-DC tăng áp (Boost converter).______________________ 46

6

LỜI MỞ ĐẦU

Nhu cầu về năng lượng trong thời đại khoa học kỹ thuật không ngừng gia

tăng. Tuy nghiên các nguồn năng lượng truyền thống đang được khai thác như :

than đá, dầu mỏ, khí đốt, khí thiên nhiên và ngay cả thủy điện…đang ngày càng

cạn kiệt. Không những thế chúng còn có tác hại xấu đối với môi trường như: gây

ra ô nhiễm môi trường, ô nhiễm tiếng ồn, mưa axit, trái đất ấm dần lên, thủng

tầng ozon... Do đó, việc tìm ra và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng

lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió và năng lượng gió là rất

cần thiết.

Việc nghiên cứu năng lượng gió ngày càng thu hút sự quan tâm của các

nhà nghiên cứu, nhất là trong tình trạng thiếu hụt nghiêm trọng năng lượng hiện

nay. Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch, dồi dào, hoàn toàn miễn

phí, không gây ô nhiễm môi trường và không gây ô nhiễm tiếng ồn … Hiện nay,

năng lượng gió đã dần dần đi vào cuộc sống của con người, chúng được áp dụng

khá rộng rãi trong dân dụng và trong công nghiệp dưới nhiều hình thức khác

nhau.

Năng lượng gió có rất nhiều các ưu điểm ưu việt. Vì vậy, cần có một

phương pháp nào đó để theo dõi được sự di chuyển của điểm có công suất cực

đại và áp đặt cho hệ thống làm việc tại đó. Do đó nên em đã chọn đề tài: “ Năng

lượng gió đi sâu tìm hiểu điểm công suất cực đại cho tuabin gió ”. Đề tài này

được trình bày trong 3 chương:

- Chương 1 : Lí thuyết tổng quan về năng lượng gió

- Chương 2 : Các lí thuyết cơ bản và cấu tạo tuabin gió .

- Chương 3 : Đi sâu tìm hiểu điểm công suất cực đại và mô phỏng

Matlab.

8

Trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp, em đã cố gắng tìm tòi, học hỏi

và nghiên cứu kiến thức để hoàn thành bản đồ án. Do kinh nghiệm và kiến thức

của bản thân còn nhiều hạn chế nên báo cáo đồ án tốt nghiệp này của em khó

tránh khỏi những thiếu sót. Vậy em rất mong nhận được sự góp ý từ phía thầy cô

để em hoàn thiện thêm kiến thức cho bản thân.

Qua đây em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo ThS. Ngô Quang

Vĩ đã hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp.

Hải Phòng, ngày....tháng....năm 2020

Sinh viên thực hiện

Đào Hữu Toàn

9

CHƯƠNG 1. LÍ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

1.1Thực trạng năng lượng và môi trường

Năng lượng là một trong các điều kiện thiết yếu của đời sống con người.

Từ thế kỷ 20, con người đã sử dụng năng lượng hóa thạch, năng lượng hạt nhân,

bước đầu sử dụng năng lượng tái tạo để phát điện nhằm phục vụ sản xuất và cải

thiện đời sống cho nhân loại. Ngày nay trữ lượng than, dầu, khí đang ngày càng

cạn kiệt. Mặt khác, khi dùng chúng phát điện sẽ thải khí nhà kính vào khí quyển

làm cho Trái Đất ngày càng nóng lên, gây biến đổi khí hậu toàn cầu. Xây dựng

các nhà máy điện bằng sức gió là một giải pháp nhanh chóng nâng cao sản

lượng điện, đáp ứng nhu cầu điện năng trong một thời gian không lâu.

Các máy phát điện sử dụng sức gió đã được sử dụng nhiều ở các nước

Châu Âu, Châu Mỹ và các nước công nghiệp phát triển khác. Sau thảm họa

Chernobyl (Ukraine 1986), cuộc đấu tranh đòi hủy bỏ các nhà máy điện nguyên

tử tại Đức diễn ra ngày càng mãnh liệt nên điện bằng sức gió phát triển rất

mạnh, sản lượng đã vượt xa sản lượng thủy điện và trở thành nguồn năng lượng

đáng kể trên cường quốc công nghiệp này.

Tại Việt Nam, năm 2004 đầu tư cho đảo Bạch Long Vĩ 800 kW điện gió

414 kW kết hợp điêden hết 938150 USD. Đầu tư cho điện gió không lớn so với

đầu tư cho các nhà máy điện khác tại Việt Nam: nhà máy điện Uông Bí 890000

USD/MW, Nhà máy điện Ninh Bình 2 gần 1 triệu USD/MW, Nhà máy điện Khí

Phú Mỹ 3: 627784 USD/MW, thủy điện Đại Ninh: 1.45 triệu USD/MW, thủy

điện Sơn la 1 triệu USD/MW.

Theo bản đồ phân bố các cấp độ gió của tổ chức Khí tượng thế giới và

bản đồ phân bố các cấp tốc độ gió của khu vực Đông Nam Á, do tổ chức True

Wind Solutions LLC (Mỹ) lập theo yêu cầu của Ngân hàng Thế giới, xuất bản

năm 2001 cho thấy: Khu vực ven biển từ Bình Định đến Bình Thuận, Tây

Nguyên, dãy Trường Sơn phía Bắc trung bộ, nhiều nơi có tốc độ gió đạt từ 7.0;

8.0 và 9.0 m/giây, có thể phát điện với công suất lớn (nối lưới điện quốc gia),

hầu hết ven biển còn lại trên lãnh thổ, một số nơi, vùng núi trong đất liền.

10

Bảng 1.1: Tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam (Theo World Bank-2001)

Tốc độ gió TB

Kém

Khá (6-7

Tốt

Rất tốt (8-9 Tuyệt vời

(<6m/s)

m/s)

(>9 m/s)

(7-8 m/s)

Diện tích đất

197342

100367

25679

2187

113

(km2)

% Tổng diện tích

60.6

30.8

7.9

0.7

~0

MW tiềm năng

3kw

401444

102716

8748

452

11

Hình 1.1: Bản đồ phân bố gió ở Việt Nam tại độ cao 80 mét (World Bank-

2001).

Gần đây, Việt Nam đã đưa vào vận hành Tua-bin phát điện gió với công

suất 800 kW kết hợp điêden có công suất 414 kW tại đảo Bạch Long Vĩ. Tổng

công ty Điện lực Việt Nam đầu tư 142 tỷ đồng xây dựng hệ thống điện gió kết

12

hợp điêden tại đảo Phú Qúy (Bình Thuận). Hiện có ba phương áp xây dựng điện

gió: Phương Mai I 30 MW đang triển khai xây dựng, Phương Mai II 36 MW và

Phương Mai III 50 MW đang triển khai dự án khả thi.

Kết quả nêu trên chỉ dung cho dự án tiền khả thi, muốn xây dựng được dự

án khả thi phải có số liệu đo trực tiếp ở độ cao trên 65 m tại những nơi để Tua-

bin phát điện gió. Do đó, cần có một đề tài khoa học đánh giá diện tích đặt Tua-

bin gió, xác định tổng công suất điện gió trên toàn lãnh thổ, làm cơ sở để kêu

gọi các nhà đầu tư trong nước và ngoài nước.

Sử dụng điện gió sẽ tiết kiệm nguồn năng lượng hóa thạch, bảo vệ môi

trường và phát triển bền vững, khắc phục khủng hoảng năng lượng trong tương

lai. Ở nước ta có các diện tích ven biển, thềm lục địa, vùng Tây Nguyên và các

nơi khác trên lãnh thổ có nhiều tiềm năng về điện gió, rất cần được ưu tiên

nghiên cứu, khai thác điện gió để cùng với các nguồn điện khác đáp ứng nhu cầu

về điện phục vụ sản xuất và đời sống.

1.2Sự hình thành năng lượng gió

Năng lượng gió là hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời, là động

năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển trái đất. Sở dĩ như vậy là do

các nguyên nhân sau:

• Bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt trái đất không đều nhau. Một nửa bề

mặt trái đất (mặt ban đêm) bị che khuất không nhận được bức xạ mặt trời và

thêm vào đó là bức xạ mặt trời gần xích đạo nhiều hơn các cực dẫn đến có sự

khác nhau về áp suất, do đó không khí giữa xích đạo và hai cực cũng như không

khí giữa mặt ban ngày và ban đêm của trái đất di động tạo thành gió.

• Trái đất xoay tròn cũng góp phần làm xoáy không khí, vì trục quay của

trái đất nghiêng so với mặt phẳng quỹ đạo khi quay quanh mặt trời nên tạo thành

các dòng không khí theo mùa.

• Hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự tự quay của trái đất làm không

khí đi từ áo cao đến áp thấp không chuyển động thẳng mà tạo thành các cơn gió

13

xoáy có chiều xoáy khác nhau giữa bắc bán cầu và nam bán cầu. Nếu nhìn từ vũ

trụ thì trên bắc bán cầu không khí di chuyển vào một áp thấp ngược với chiều

kim đồng hồ và ra khỏi một áp cao theo chiều kim đồng hồ. Trên nam bán cầu

thì chiều hướng ngược lại.

• Ngoài các yếu tố có tính toàn cầu trên, gió cũng bị ảnh hưởng bởi địa

hình tại từng địa phương, đã tạo nên các loại gió như : gió đất - biển, gió núi -

thung lũng, gió phơn.

1.3 Các đặc trưng của năng lượng gió

Gió được đặc trưng bởi tốc độ và hướng di chuyển của không khí.

1.3.1 Tốc độ gió

Là khoảng cách di chuyển của không khí trong một đơn vị thời gian. Tốc

độ gió thường biểu thị bằng m/s, Km/h hoặc hải lý (Knot) (1 knot/h = 1.852

km/g ~ 0.5 m/s). Căn cứ vào tốc độ gió, gió được chia thành nhiều cấp theo bảng

1.2.

Bảng 1.2: Các cấp gió.

Cấp gió

KTS (knots)

<1

m/s

Km/s

<1

0

1

0 - 0.2

1 - 2

1 - 3

0 - 5

2

4 - 6

2 - 3

6 - 10

3

4

7 - 10

3 - 5

6 - 8

12 - 19

20 - 28

29 - 38

39 - 49

50 - 61

62 - 74

75 - 88

89 - 102

103 - 117

118 - 133

134 - 149

150 - 166

167 - 1836

184 - 201

10 - 16

17 - 21

22 - 27

28 - 33

34 - 40

41 - 47

47 - 55

56 - 63

64 - 71

72 - 80

81 - 89

90 - 99

100 - 108

5

6

8 - 11

11 - 14

14 - 17

17 - 21

21 - 24

24 - 28

28 - 33

33 - 37

37 - 41

41 - 46

46 - 51

51 - 56

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

14

17

109 - 118

56 - 61

202- 220

15

1.3.2 Hướng gió

Hướng gió là hướng của luồng khí từ đâu thổi tới người quan sát. Hướng

gió có thể biểu thị bằng độ phương vị từ 0 - 360⁰. Trong khí tượng thực hành

người ta chia 360⁰phương vị ra làm 16 phần bằng nhau gọi là các hướng gió.

Bảng 1.3: Tên viết tắt của 16 hướng gió Việt Nam và Thế Giới.

Ký hiệu

Kí hiệu

STT

Tên tiếng Việt

STT

Tên tiếng Việt

chung

N

chung

S

1

2

3

4

5

6

7

8

Hướng Bắc

Bắc Đông Bắc

Đông Bắc

9

Hướng Nam

Nam Tây Nam

Tây Nam

NNE

NE

10

11

12

13

14

15

16

SSW

SW

Đông Đông Bắc

Hướng Đông

Đông Đông Nam

Đông Nam

ENE

E

Tây Tây Nam

Hướng Tây

Tây Tây Bắc

Tây Bắc

WSW

W

ESE

SE

WNW

NW

Nam Đông Nam

SSE

Bắc Tây Bắc

NNW

1.4 Ưu điểm năng lượng gió

• Năng lượng gió là nguồn năng lượng cạnh tranh: ngày nay năng lượng gió

đã được nghiên cứu kĩ, và giá thành có thể cạnh tranh với các nguồn năng

lượng khác. Năm 2006, trong báo cáo của viện nghiên cứu năng lượng

mới, giá thành năng lượng gió chỉ cao hơn nhà máy điện chạy năng lượng

than đá một ít và tương đương với năng lượng khí thiên nhiên, nhưng

không thải khí CO₂.

• Năng lượng gió có thể dự đoán trước: giá dầu, ga thiên nhiên, than đá và

các nhiên liệu khác dao động lên xuống không dự đoán được. Giá của

năng lượng gió là dự đoán được - nó miễn phí. Đây là nguồn động lực lớn

cho người dân và chính phủ đầu tư tiền vào.

• Năng lượng gió nhanh: nhanh ở đây có nghĩa là một nhà máy điện chạy

bằng sức gió được xây dựng nhanh chóng, điều này có ý nghĩa lớn với các

quốc gia đang thiếu điện như nước ta.

16

• Năng lượng gió độc lập: chúng ta biết gió là nguồn năng lượng vô tận và

không thuộc quyền quản lý của một tổ chức nào, mọi người dân, tổ chức

đều có quyền sử dụng năng lượng gió.

• Năng lượng gió là nguồn năng lượng sạch: ưu điểm dễ thấy nhất của điện

bằng sức gió là không tiêu tốn nhiên liệu, không gây ô nhiễm môi trường

như các nhà máy điện, dễ chọn địa điểm và tiết kiệm đất xây dựng, khác

hẳn với các nhà máy thủy điện chỉ có thể xây dựng gần dòng nước mạnh

với những điều kiện đặc biệt và cần diện tích rất lớn cho hồ chứa nước.

Các Tua-bin gió sau khi đã hết tuổi thọ hoạt động có thể tái chế đến 80%.

• Các trạm điện bằng sức gió có thể đặt gần nơi tiêu thụ điện, như vậy sẽ

tránh đuợc chi phí cho việc xây dựng đường dây tải điện. Ngày nay điện

bằng sức gió đã trở nên rất phổ biến, thiết bị được sản xuất hàng loạt,

công nghệ lắp ráp đã hoàn thiện nên chi phí cho việc hoàn thành một trạm

điện bằng sức gió hiện nay thấp và thời gian chỉ khoảng 1 - 2 năm.

1.5 Nhược điểm năng lượng gió

Điểm bất thuận lợi chính yếu của nguồn năng lượng gió là phụ thuộc vào

thiên nhiên. Dù công nghệ gió đang phát triển cao, và giá thành của một Tua-bin

gió giảm dần từ hơn 10 năm qua, xét về chất lượng điện năng thì mức đầu tư ban

đầu cho nguồn năng lượng này vẫn còn cao hơn mức đầu tư các nguồn năng

lượng cổ điển.

Gió đến từ thiên nhiên cho nên không đáp ứng được những nhu cầu cần

thiết của con người, vì con người không thể kiểm soát được nguồn gió và nguồn

điện năng này không thể giữ lại được và điện dư thừa trừ khi chuyển điện qua

các bình điện dự trữ, rất tốn kém và không hiệu quả kinh tế.

Nguồn gió nhiều và đều đặn thường ở khu vực xa thành phố, do đó ngoài

việc sử dụng tại chỗ, điện năng từ gió khó được chuyển về các khu đông dân cư.

Do đó, trước khi có những biện pháp nhằm giải quyết các bất lợi trên, năng

lượng từ gió có thể xem như một nguồn năng lượng dự phòng ngoài các nguồn

năng lượng chính yếu khác.

17

Ảnh hưởng đáng lưu tâm của Tua-bin gió là gây ra tiếng động làm đảo

lộn các luồng gió trong không khí có thể làm xáo trộn hệ sinh thái của các loài

chim hoang dã và gây ra nhiều trở ngại cho việc phát sóng trong truyền thanh và

truyền hình.

Tất nhiên, gió là dạng năng lượng vô hình và mang tính ngẫu nhiên rất

cao nên khi đầu tư vào lĩnh vực này cần có các số liệu thống kê đủ tin cậy.

Nhưng chắc chắn chi phí đầu tư cho điện bằng sức gió thấp hơn so với thủy điện

18