Luận văn
Nghiên cứu thiết kế hệ
thống phát điện bằng
sức gió công suất nhỏ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
4
MỤC LỤC
Nội dung phần
Trang
TRANG PHỤ BÌA
LỜI MỞ ĐẦU
1
MỤC LỤC
4
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
7
DANH MỤC CÁC BẢNG
8
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
9
CHƢƠNG 1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NĂNG LƢỢNG MỚI
VÀ TÁI TẠO TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
5
CHƢƠNG 2. NGUỒN NĂNG LƢỢNG GIÓ
TIỀM NĂNG VÀ ỨNG DỤNG Ở VIỆT NAM
34
2.1. Vật lý học về năng lƣợng gió
34
2.1.1. Các đặc trưng cơ bản về năng lượng gió
34
2.1.2. Năng lượng gió
37
2.2. Tiềm năng năng lƣợng gió ở Việt Nam
39
2.2.1. Tốc độ gió, cấp gió
39
2.2.2. Chế độ gió ở Việt Nam
40
2.3. Sản xuất điện từ năng lƣợng gió ở Việt Nam
43
CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG CẤU TRÚC TỔNG QUÁT
HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ
46
3.1. Cấu trúc tổng quát của hệ thống phát điện bắng sức gió
46
3.1.1 Tổng quan về hệ thống
46
3.1.2 Cấp điều khiển hiện trường
49
3.1.3 Cấp điều khiển hệ thống
53
81
4.2.5. Tính toán độ tăng nhiệt
81
4.2.6. Chỉ tiêu tiêu hao vật tư
83
4.2.7. Tổng kết các số liệu thiết kế
84
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
86
TÀI LIỆU THAM KHẢO
88
PHỤ LỤC
90
DSP: Bộ vi xử lý tín hiệu
BĐKHT: Bộ điều khiển hiện trƣờng
BĐKCT: Bộ điều khiển chƣơng trình Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
8
DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu
1.1
Sơ đồ hộp thu NLMT theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính
1.2
Sơ đồ cấu tạo một pin mặt trời tinh thể Si
1.3
Sơ đồ một bộ thu để sản xuất nước nóng
1.4
Hệ thống sưởi ấm nhà cửa hay chuồng trại sử dụng
NMT
2.1
Bề mặt cánh bánh công tác động cơ gió chiếm chỗ khi
quay
3.1
Sơ đồ khối hệ thống phát điện sức gió
3.2
Sơ đồ phân cấp trong hệ thống điều khiển trạm phát
điện sức gió
3.3
Các thành phần của hệ thống điều khiển hiện trường
3.4
Cấu trúc phần cứng card điều khiển
10 dòng năng lượng chảy ở chế độ MP thuộc phạm vi
dưới (b) và trên đồng hồ (c)
3.13
Khái quát cấu trúc hệ thống PĐCSG sử dụng máy phát
loại KĐB-RDQ
3.14
Máy phát đồng hồ kích thích vĩnh cửu có thể được sử
dụng theo 1 trong 2 phương án: a) Điện áp MP được
chỉnh lưu đơn giản; b) Điện áp MP được chỉnh lưu có
ĐK tuỳ theo sức tiêu thụ nhờ NL và MP
3.15
a) Hệ thống PĐCSG dùng MP loại ĐB-KTVC cùng với
bộ CL đơn giản nên phải có thêm mạch tải giả; b) Sơ
đồ chi tiết của mạch tải giả
3.16
Hệ thống PĐCSG với dàn ắc-quy (có bộ ĐK nạp) và
mạch tải giả sen giữa CL và NL
3.17
Khái quát cấu trúc hệ thống PĐCSG sử dụng MP
loại ĐB-KTVC công suất nhỏ
4.1
Mô hình trạm phát điện sử dụng sức gió công suất nhỏ
nhất định. Tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, bạn bè
đồng nghiệp và những ai quan tâm đến vấn đề này để bản luận văn được hoàn chỉnh và
có ý nghĩa hơn.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo, các cán bộ giảng dạy
thuộc Khoa sau đại học Trường Đại học KTCN Thái Nguyên, và đặc biệt tôi xin bày
tỏ lòng biết ơn và cảm ơn sâu sắc tới cán bộ hướng dẫn khoa học TS. Nguyễn Như
Hiển đã trang bị kiến thức, dẫn dắt, chỉ bảo và động viên tôi trong suốt thời gian qua.
Thái nguyên, ngày 10 tháng 05 năm 2008 Vũ Thị Thanh Phương
2 TỔNG QUAN
I. Tính cấp thiết của để tài:
Trong các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển kinh tế xã hội ở Việt
Nam đó chính là hệ thống điện lưới Quốc gia. Nó có ý nghĩa rất quan trọng song song
với sự phát triển nhanh chóng của các lĩnh vực an ninh, quốc phòng, sản xuất, công
nghiệp, du lịch, Nhu cầu về sản xuất và tiêu thụ điện năng tăng lên ngày một rõ rệt.
Trong những năm gần đây các hoạt động nghiên cứu, ứng dụng năng lượng mới
và tái tạo để thiết kế những hệ thống phát điện ở nước ta đang phát triển khá mạnh mẽ
và rộng khắp. Đặc biệt từ lâu con người đã biết sử dụng năng lượng gió để tạo ra cơ
năng thay thế cho sức lao động nặng nhọc, điển hình là các thuyền buồn chạy bằng sức
gió, các cối xay gió xuất hiện từ thế kỉ XIV. Hơn thế nữa từ vài chục năm gần đây với
nguy cơ cạn kiệt dần những nguồn nhiên liệu khai thác được từ lòng đất và vấn đề ô
nhiễm môi trường do việc đốt hàng ngày một khối lượng lớn các nguồn nhiên liệu hoá
thạch.
Từ những điều kiện và tình hình thực tế trên việc nghiên cứu, sử dụng các dạng
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG
PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
11
CHƢƠNG 1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NĂNG LƢỢNG MỚI
VÀ TÁI TẠO TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM
1.1. Các nguồn và công nghệ sử dụng năng lƣợng mới và tái tạo
1.1.1. Các nguồn năng lượng mới và tái tạo
a. Nguồn năng lượng mặt trời
Đây là nguồn năng lượng vô cùng quan trọng đối với sự tồn tại và phát triển
của sự sống trên trái đất. Có thể nói đây là nguồn năng lượng rất phong phú mà
thiên nhiên đã ban tặng cho chúng ta. Năng lượng mặt trời thu được trên trái đất là
năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ ặt trời đến trái đất. Chúng ta sẽ tiếp
tục nhận được dòng năng lượng này cho đến khi phản ứng hạt nhân trên mặt trời hết
nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa.
b. Nguồn năng lượng gió
Năng lượng gió là một dạng chuyển tiếp của năng lượng mặt trời, bởi chính
ánh nắng ban ngày đã đun nóng bầu khí quyển, tạo nên tình trạng chênh lệch nhiệt
độ và áp suất giữa nhiều vùng khác nhau, và các khối không khí từ những khu vực
có áp suất cao sẽ dịch chuyển nhanh đến những vùng có áp suất thấp hơn, tạo ra
chúng ta.
Năng lượng sinh khối hoàn toàn có thể thay thế các nguồn năng lượng hoá
thạch đang bị khai thác cạn kiệt và gây ra ô nhiễm môi trường nặng nề
e. Nguồn năng lượng địa nhiệt
Địa nhiệt là nguồn năng lượng tự nhiên ở trong lòng quả đất, dưới một lớp
vỏ không khí không dày lắm , nhiệt độ lên đến 1000
0
C đến hơn 4000
0
C. Còn ở lớp
trên cùng của vỏ Trái đất chỉ có nhiệt độ bình quân trong năm là 15
0
C, dưới lớp đó
là một lớp có nhiệt độ bình quân là 540
0
C, còn tại lớp lõi trong nhiệt độ bình quân
là 7000
0
C. Khối năng lượng khổng lồ đó tồn tại đồng hành với Trái đất và là nguồn
năng lượng vô hạn sinh ra từ các chuỗi phản ứng hạt nhân, sự phân hủy các chất
phóng xạ tiến hành thường xuyên trong lòng Trái đất như Thori (Th), Protactini
(Pa), Urani (U) vv, năng lượng do các phản ứng phóng xạ được tích tụ trong lòng
quả đất hàng triệu năm với một lượng khổng lồ làm nóng chảy lõi quả đất dưới áp
suất cao. Đi sâu xuống lòng đất 2-40m (tùy địa điểm) ta sẽ gặp tầng Thường ôn, tức
là tầng có nhiệt độ không chịu ảnh hưởng của nhiệt độ Mặt Trời. Dưới tầng Thường
ôn càng xuống sâu nhiệt độ càng tăng.
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG
PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG
PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
14
kim loại dẫn nhiệt tốt, mặt trên của nó phủ một lớp sơn đen, hấp thụ nhiệt tốt và
được gọi là tấm hấp thụ (3).
4
1
2
3
TÊm kÝnh
Líp vá c¸ch nhiÖt
TÊm hÊp thô
Tia s¸ng mÆt trêi
1
2
3
4Hình 1.1. Sơ đồ hộp thu NLMT theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính
Các tia bức xạ mặt trời có bước sóng < 0,7m tới mặt hộp thu, đi qua tấm
kính phủ phía trên (1), tới bề mặt tấm hấp thụ (3). Tấm này hấp thụ năng lượng bức
xạ mặt trời và chuyển hoá thành nhiệt làm cho tấm hấp thụ nóng lên, khi đó nó trở
thành nguồn phát xạ thứ cấp phát ra các tia bức xạ nhiệt có bước sóng > 0,7m ,
hướng về mọi phía. Các tia đi lên phía trên bị tấm kính ngăn lại, không ra ngoài
được. Nhờ vậy, hộp thu liên tục nhận bức xạ mặt trời nên tấm hấp thụ được nung
nóng dần lên và có thể đạt đến nhiệt độ hàng trăm độ. Như vậy năng lượng nhiệt
tụ cao thì sự định hướng bộ thu có thể chỉ cần điều chỉnh vài ba lần trong một ngày
và có thể thực hiện bằng tay. Nhưng với các bộ thu yêu cầu độ hội tụ cao thì cần
phải điều chỉnh sự định hướng bộ thu một cách liên tục. Đa số các bộ hội tụ này là
các bộ hội tụ máng parabol, các tia sáng mặt trời được hội tụ lại trên đường tiêu hội
tụ, tại đường tiêu này nhiệt độ có thể đạt 400
0
C hay cao hơn.
- Công nghệ pin mặt trời (PMT)
Đây còn gọi là công nghệ pin quang điện, khác với công nghệ nhiệt điện mặt
trời là năng lượng mặt trời được hội tụ nhờ các hệ thống gương hội tụ để tập trung
ánh sáng mặt trời thành các nguồn nhiệt có mật độ năng lượng thì ở công nghệ pin
mặt trời, năng lượng mặt trời được biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào
quang điện bán dẫn được chế tạo từ các vật liệu bán dẫn điện. Các pin mặt trời sản
xuất ra điện năng một cách liên tục chừng nào còn bức xạ mặt trời tới nó.
Khi chiếu ánh sáng mặt trời vào mặt trên của pin, ánh sáng sẽ tạo ra trong
các lớp bán dẫn lân cận lớp tiếp xúc pn (4) các cặp điện tử – lỗ trống. Các cặp này
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG
PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
16
4
3
5
6
1
2
¸nh s¸ng mÆt trêi
7
Líp chÊt chèng ph¶n x¹
70)m so với bề mặt trái đất. Trên độ cao lớn (8-12)km gọi là tầng đối lưu, có gió
thường xuyên hơn và gọi là dòng chảy luồng (hay luồng khí). Gió loại này có vận
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG
PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
17
tốc lớn (25-80)m/s, tiềm năng năng lượng của chúng lớn hơn nhiều. Đặc tính gió ở
tầng này khác nhiều so với đặc tính gió trên mặt đất. Song sử dụng gió ở độ cao này
gặp phải một số khó khăn rất lớn về mặt kỹ thuật khi chuyển tải điện từ độ cao lớn
tới mặt đất.
Đặc tính quan trọng nhất đánh giá động năng của gió là vận tốc. Dưới ảnh
hưởng của một loạt các yếu tố khí tượng (sự nhiễu loạn khí quyển, sự thay đổi tác
động của mặt trời và lượng năng lượng nhiệt truyền tới mặt đất ), đồng thời các
điều kiện địa hình tại chỗ, tốc độ gió thay đổi cả về giá trị và hướng.
Đặc trưng của NLG là tập hợp các dự liệu cần thiết và đủ độ tin cậy đặc
trưng cho gió như là một nguồn năng lượng và cho phép làm rõ giá trị năng lượng
của nó. Đó cũng là một hệ thống các dữ liệu đặc trưng cho chế độ gió ở các vùng
khác nhau, trên cơ sở đó có thể tính toán các chế độ và thời gian làm việc của tổ
máy với công suất này hoặc khác, và năng lượng tổng cộng có thể khai thác được.
Đặc tính đặc trưng quan trọng nhất là mật độ phân bố các vận tốc gió khác
nhau, diễn biến các chu kỳ làm việc và sự lặng gió, các chế độ vận tốc cực đại
(bão). Ngoài ra cần phải kể đến là hàm quy luật thống kê tần số biến đổi vận tốc gió
trong khoảng thời gian xác định. Khi biết quy luật xác định và thông số của hàm
này và khi có các đặc tính của các tổ máy NLG, có thể đánh giá được năng lượng
sản ra, thời gian dừng làm việc, hệ số sử dụng, công suất lắp đặt, hiệu quả kinh
tế vv.
c. Nguồn năng lượng sinh khối
* Các công nghệ nhiệt hoá
Công nghệ sinh hoá sử dụng các phản ứng lên men sinh khối như lên men
e. Nguồn năng lượng địa nhiệt
Địa nhiệt là nguồn năng lượng nhiệt tự nhiên ở trong lòng Quả đất. Có 4 loại
nguồn địa nhiệt. Đó là: nguồn nước nóng, nguồn áp suất địa nhiệt, nguồn đá nóng
khô, các núi lửa hoạt động và magma.
Nguồn nước nóng là nguồn nước bị nung nóng dưới áp suất cao, các nguồn
hơi nước hay hỗn hợp của chúng ở trong các tầng đá xốp rỗ, hoặc ở trong các khe
nứt gãy của đá, nó bị giữ lại bởi một lớp đá khác đặc kín và không thấm.
Nguồn áp suất địa nhiệt là các nguồn chứa nước muối có nhiệt độ trung bình
và chứa khí metan hoà tan. Các nguồn này bị vỏ quả đất nén lại dưới áp suất cao
dưới các tầng trầm tích sâu và bị bao bọc bởi các lớp đất sét và trầm tích không
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG
PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
19
thấm nước.
Các nguồn đá nóng khô bao gồm các khối đá ở nhiệt độ cao từ 90
0
C đến
650
0
C. Các nguồn đá này có thể bị nứt gãy nên có thể chứa một ít hoặc không có
nước nóng. Để khai thác nguồn địa nhiệt này người ta khoan sâu đến tầng đá, tạo ra
các nứt gãy nhân tạo, sau đó sử dụng một chất lỏng nào đó làm chất vận chuyển
nhiệt bơm qua tầng đá đã bị nứt gãy để thu nhiệt.
Năng lượng địa nhiệt ở các lỗ hổng núi lửa đang hoạt động. Magma là đá
nóng chảy có nhiệt độ nóng chảy từ 700
0
C đến 1600
0
tâm đến vấn đề năng lượng. Chính sách an ninh năng lượng cũng như hoạch định
các chính sách sử dụng tiết kiệm và phát triển nguồn năng lượng mới và tái tạo đang
làm nóng các quốc gia này. Việc nghiên cứu để khai thác và ứng dụng các nguồn
NLM & TT bổ sung cho các nguồn năng lượng truyền thống đang ngày một cạn
kiệt là một việc làm hết sức cần thiết và cấp bách. Sau đây ta đi nghiên cứu các ứng
dụng của các nguồn NLM & TT để thấy rõ vai trò quan trọng của chúng.
1.2.1. Các ứng dụng của NLMT
a. Sản xuất nước nóng
Hình 1.3. Sơ đồ một bộ thu để sản xuất nước nóng
Về cơ bản một thiết bị sản xuất nước nóng là một bộ thu NMT. Trong thiết bị
đun nước, người ta hàn vào tấm hấp thụ một hệ thống ống kim loại (như các ống
bằng đồng hay ống nước mạ kẽm, xem hình 1.3) và sau đó cho nước chảy qua hệ
ống đó. Nhiệt từ tấm hấp thụ sẽ được truyền qua thành ống vào nước và làm nước
4
1
2
3
5
N-íc nãng ra
N-íc l¹nh vµo
Bé thu n¨ng lượng mÆt trêi
B×nh tÝch nhiÖt
B¬m hay qu¹t
1
2
3
Nguån ®èt dù phßng
Hệ thèng èngế sưởi
4
5
Hình 1.4. Hệ thống sưởi ấm nhà cửa hay chuồng trại sử dụng NMT
NMT cũng thường được sử dụng để sưởi ấm nhà cửa, chuồng trại chăn nuôi
trong mùa đông. Hình 1.4 là một hệ thống sưởi ấm nhà cửa, chuồng trại nhờ không
khí nóng được sản xuất ra từ các bộ thu NMT.
d. Nguồn điện pin mặt trời nối lưới
Dàn pin mặt trời gồm nhiều modun pin mặt trời được ghép nối lại với nhau
(nối nối tiếp, song song hay hỗn hợp) và lắp đặt trên mái nhà hay nơi có nắng suốt
ngày. Khi có nắng dàn pin mặt trời phát ra dòng điện một chiều. Dòng điện này
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG
PHÁT ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
22
được cho qua Bộ biến đổi điện (inverter) để biến đổi thành dòng điện xoay chiều
(ví dụ dòng điện 220V, 50Hz) và qua công tơ điện CT
1
đưa vào lưới điện quốc gia
(hay địa phương). Trong phương pháp này mạng lưới điện quốc gia hay địa phương
đóng vai trò như một hệ thống tích trữ điện năng (hay một nhà băng điện năng). Tuy
truyền động. Công suất của máy phát điện sẽ được xác định theo công suất của
tuabin, còn vòng quay của máy phát được chọn theo số vòng quay đồng bộ.
b. Tuabin kéo bơm
Để phục vụ cho việc cung cấp nước sinh hoạt và nước tưới cho vùng sâu,
vùng xa, nơi có nguồn thuỷ năng nhỏ, người ta sử dụng tuabin để trực tiếp kéo bơm.
Tổ hợp như vậy gọi là bơm thuỷ luân. Tuabin kéo bơm có hai loại: Buồng hở và
buồng kín
1.2.5. Các ứng dụng của năng lượng địa nhiệt
Nhiệt từ các nguồn hay từ mỏ địa nhiệt có thể khai thác nhờ sử dụng một số
chất lỏng tự nhiên của quả đất để làm chất làm việc vận chuyển nhiệt. Năng lượng
nhiệt này có thể cho qua tuabin để phát điện hoặc dùng một cách trực tiếp cho các
quá trình gia nhiệt hoặc chế biến nhiệt công nghiệp. Để khai thác các nguồn địa
nhiệt người ta thường sử dụng phương pháp khoan như: khai tác dầu hay khí đốt.
Đối với các nguồn địa nhiệt nông và nhiệt độ không cao (thấp hơn 170
0
C)
thường người ta khai thác nhiệt một cách trực tiếp hoặc sử dụng gián tiếp qua bộ
trao đổi nhiệt. Để sử dụng năng lượng điạ nhiệt có hiệu quả thông thường người ta
sử dụng ngay tại chỗ, nơi có nguồn địa nhiệt khai thác, vì khi dẫn nhiệt đi xa (ống
dẫn) hao phí nhiệt sẽ lớn.
Năng lượng địa nhiệt có nhiệt độ thấp hay trung bình có thể dùng để sưởi ấm
hay sản xuất nước nóng cho các mục đích sinh hoạt trong các gia đình hay các cơ sở
công cộng như: trường học, bệnh viện, nhà hàng, khách sạn vv.
Các chất lỏng địa nhiệt cũng được dùng để tạo ra nguồn nhiệt cho các quá
trình công nghiệp như sản xuất hoá chất hay đun nấu. Nhiệt và hơi nước từ nguồn
địa nhiệt cũng được sử dụng cho công nghiệp thực phẩm, sản xuất hàng hoá tiêu
dùng, sưởi ấm chuồng trại chăn nuôi gia súc, gia cầm hay sử dụng trong các nhà
kính trồng rau quả vv. Năng lượng địa nhiệt có thể dùng quay các động cơ tạo ra
cơ năng.
Trong các chất lỏng địa nhiệt còn chứa nhiều kim loại và khoáng chất quý
LNTT như nguồn năng lượng mặt trời, thuỷ điện nhỏ, gió, địa nhiệt, sinh khối, thuỷ
triều, sóng biển và nhiệt đại dương với trữ lượng khá lớn.
a. Năng lượng mặt trời
Việt nam nằm trong vành đai nhiệt đới có vĩ độ từ 8 đến 23 độ Bắc nên có
Copyright: Tài liệu đại học ©