Tài liệu Hướng dẫn thí nghiệm các nguồn năng lượng thay th

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI BỘ MÔN THỦY ĐIỆN VÀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO ThS. HỒ NGỌC DUNG ( Chủ biên ) – ThS. HỒ SỸ MÃO HƯỚNG DẪN THÍ NGHIỆM CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG THAY THẾ HÀ NỘI - 2017 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI BỘ MÔN THỦY ĐIỆN VÀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO ThS. HỒ NGỌC DUNG ( Chủ biên ) – ThS. HỒ SỸ MÃO HƯỚNG DẪN THÍ NGHIỆM CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG THAY THẾ HÀ NỘI - 2017 LỜI NÓI ĐẦU Cuốn “Hướng dẫn thí nghiệm các nguồn năng lượng thay thế” được xuất bản nhằm phục vụ giảng dạy môn học Thí nghiệm các nguồn năng lượng thay thế và được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các môn học thuộc lĩnh vực năng lượng tái tạo. Cấu trúc cuốn sách gồm 6 chương, được chia làm 2 phần với nội dung được trình bày theo hướng tiếp cận những phương pháp nghiên cứu hiện đại trên thế giới, bao gồm: Phần 1-Năng lượng gió và Phần 2- Năng lượng mặt trời. Cuốn sách do các tác giả ThS. Hồ Ngọc Dung, ThS.Hồ Sỹ Mão biên soạn và đã được thông qua tại bộ môn Thủy điện và năng lượng tái tạo. Trong quá trình biên soạn, các tác giả đã nhân được sự ủng hộ, góp ý rất thiết thực và quý báu của TS. Nguyễn Viết Ngư giảng viên Trường Đại học sư phạm kỹ thuật Hưng Yên và các đồng nghiệp trong bộ môn Thủy điện và năng lượng tái tạo. Đây là tài liệu được xuất bản lần đầu nên không thể tránh khỏi những khiếm khuyết, rất mong sự góp ý của bạn đọc để nâng cao chất lượng trong những lần tái bản sau. Các tác giả i MỤC LỤC PHẦN 1. NĂNG LƢỢNG GIÓ 1 CHƢƠNG 1. LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN LÝ VẬN HÀNH TUABIN GIÓ 1 1.1. Năng lượng gió và các yếu tố ảnh hưởng đến năng lượng gió 1 1.1.1. Năng lượng của luồng gió 1 1.1.2. Tốc độ gió 1 1.1.3. Mật độ không khí 6 1.1.4. Diện tích quét của cánh tuabin gió 7 1.2. Biến đổi động năng của dòng khí thành cơ năng thông qua tuabin gió 7 1.2.1. Các mặt cắt khí động lực: lực nâng và lực cản khí động lực 7 1.2.2. Nguyên lý vận hành roto của tuabin gió 10 1.2.3. Công suất thu được từ tuabin gió 10 1.3. Giới thiệu tuabin gió 13 1.3.1. Cấu tạo tuabin gió 13 1.3.2. Thông số đặc trưng của tuabin gió 14 1.3.3. Đường đặc tính của tuabin gió 16 1.3.4. Đánh giá hiệu suất làm việc của tuabin gió 17 CHƢƠNG 2. HƢỚNG DẪN THÍ NGHIỆM TUABIN GIÓ WG/EV 21 2.1. Tuabin gió WG/EV vận hành ngoài trời 21 2.1.1. Giới thiệu chung 21 2.1.2. Định vị tuabin gió 21 2.1.3. Lắp ráp rotor 22 2.1.4. Thiết bị điều chỉnh nạp điện 23 2.2. Máy phát phong năng WG/EV vận hành trong nhà 23 2.2.1. Thiết bị và các bộ phận chính 23 2.2.2. Điều khiển hệ thống 24 2.3. Giới thiệu các thiết bị chính 28 2.3.1. Máy phát điện không chổi than 28 2.3.2. Thiết bị tích trữ năng lượng 28 2.4. Bộ nghịch lưu DC/AC 29 CHƢƠNG 3. BÀI THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH TUABIN GIÓ WG/EV 31 3.1. Bài thí nghiệm 1: Đặc tính của công suất đầu ra với tần số của động cơ 31 3.2. Bài thí nghiệm 2: Đo các thông số của gió tại nơi lắp đặt máy phát phong năng 32 3.3. Bài thí nghiệm 3: Đo các thông số dòng điện của máy phát với các thiết bị đo 33 3.4. Bài thí nghiệm 4: Đánh giá các thông số dòng điện của hệ thống khi thay đổi phụ tải 35 3.5. Bài thí nghiệm 5: Đánh giá công suất của tuabin gió bằng phương pháp đường đặc tính công suất 36 3.6. Bài thí nghiệm 6: Đánh giá công suất lớn nhất có thể sử dụng bởi tuabin gió 38 3.7. Bài thí nghiệm 7: Đánh giá tổng công suất có được trong luồng gió 38 3.8. Bài thí nghiệm 8: Đánh giá hiệu suất lớn nhất theo lý thuyết của tuabin gió và hiệu suất thực 39 3.9. Bài thí nghiệm 9: Đánh giá năng lượng lớn nhất có thể thu được từ gió tại nơi lắp đặt đã biết 39 PHẦN II. NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI 41 ii CHƢƠNG 4. LÝ THUYẾT VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI 41 4.1. Bức xạ mặt trời 41 4.1.1. Giới thiệu 41 4.1.2. Bức xạ mặt trời 41 4.1.3. Góc giờ 46 4.2. Đánh giá năng lượng mặt trời 47 4.2.1. Giới thiệu 47 4.2.2. Bức xạ trực tiếp tức thời trên bề mặt 47 4.2.3. Bức xạ toàn phần tức thời trên bề mặt 48 4.2.4. Năng lượng trực tiếp tới một bề mặt 49 4.3. Lý thuyết về tấm pin quang điện 50 4.3.1. Vật liệu bán dẫn 50 4.3.2. Hiệu ứng quang điện 52 4.3.3. Pin quang điện 55 4.3.4. Kết nối điện giữa các module 55 4.3.5. Đường đặc tính của pin quang điện 57 4.3.6. Điện năng phát ra từ một hệ thống quang điện 59 4.3.7. Mối quan hệ giữa bề mặt và hiệu suất 60 CHƢƠNG 5. HƢỚNG DẪN THÍ NGHIỆM HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN PM/EV 61 5.1. Giới thiệu 61 5.2. Các bộ phận 61 5.3. Phương pháp kết nối của hai tấm pin quang điện 62 5.4. Phương thức hoạt động 63 5.5. Quy ước dấu của các dòng điện 63 5.6. Thiết bị tích trữ năng lượng (tương tự bộ tuabin gió, mục 2.3.2) 63 5.7. Hệ thống điều phối điện năng của pin quang điện 63 5.7.1. Điều khiển phân phối điện 64 5.7.2. Bộ theo dõi mặt trời 65 5.8. Pin quang điện 68 5.8.1. Giới thiệu chung 68 5.8.2. Các thông số kỹ thuật và đường đặc tính của module quang điện 68 5.8.3. Sơ đồ mạch điện của liên kết giữa các tế bào quang điện. 68 5.8.4. Mặt cắt của tấm pin quang điện 69 5.9. Nhật xạ kế 69 5.9.1. Nguyên lý hoạt động 69 5.9.2. Phương pháp đo 70 CHƢƠNG 6. BÀI THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI PM/EV 71 6.1. Bài thí nghiệm 1: Xác định đường đặc tính của các tấm pin quang điện với các cấu hình khác nhau. 71 6.1.1. Đường đặc tính I-V của tấm pin phía dưới 71 6.1.2. Đường đặc tính I-V của hai tấm pin mắc nối tiếp 73 6.1.3. Đường đặc tính I-V của hai tấm pin mắc song song 74 iii 6.2. Bài thí nghiệm số 2: Đánh giá các thông số dòng điện của hệ thống khi phụ tải thay đổi 75 PHỤ LỤC 77 PHẦN 1. THÍ NGHIỆM TUABIN GIÓ WG/EV 77 PHẦN 2. THÍ NGHIỆM PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI PM/EV 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO 99 iv DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Các hệ số mấp mô của mặt đất 2 Bảng 1.2 Ảnh hưởng của phân phối tần suất khác nhau của tốc độ gió đối với các địa điểm có cùng vận tốc trung bình 4 Bảng 2.1. Thông số kỹ thuật của bộ nghịch lưu DC/AC 29 Bảng 3.1 Tần số - Công suất -số vòng quay đồng bộ 31 Bảng 4.1 Hệ số phản xạ tại các bề mặt khác nhau 49 Bảng 4.2 Năng lượng khe trống và hiệu suất lý thuyết của pin quang điện 51 Bảng 4.3 Số liệu đặc tính của một pin quang điện silic trong trường hợp tham khảo 58 Bảng 4.4 Quan hệ giữa hiệu suất và diện tích module của một hệ thống có Pmax = 1kWp 60 Bảng 5.1 Các kiểu kết nối giữa hai tấm pin 62 Bảng 5.2 Thông số kỹ thuật của bộ điều tiết Genius 64 Bảng 5.3 Góc nghiêng tối ưu cho panel lắp đặt tại vĩ độ 20°Bắc 65 Bảng 5.4 Các thông số kỹ thuật của pin quang điện 68 v DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Dao động tức thời của tốc độ gió 2 Hình 1.2. Giới thiệu biểu đồ tốc độ gió gần mặt đất (dòng lớp biên) 2 Hình 1.3 Tốc độ gió tăng theo độ cao 3 Hình 1.4 Công suất của tuabin gió tăng theo độ cao 3 Hình 1.5 Đường tấn suất điển hình và đường phân bố Weibull tương ứng thể hiện tần suất (%) của một vận tốc gió nào đó trong một khoảng thời gian đã biết (ví dụ 1 năm) 5 Hình 1.6 Phân bố tốc độ gió trung bình và xu hướng biến đổi theo thời gian 5 Hình 1.7 Đường phân bố lũy tích Weibull 6 Hình 1.8 Mật độ khí với độ cao và nhiệt độ 6 Hình 1.9 Kích thước hình học của máy phát dùng trong thí nghiệm WG/EV 7 Hình 1.10 Tác động động lực học của một dòng khí lên mặt cắt cánh: 8 Hình 1.11 Đặc trưng hình học của mặt cắt khí động học 8 Hình 1.12 Hệ số áp lực theo lý thuyết trên mặt lồi và trên mặt đáy cánh (nét đứt) cho dạng mặt cắt NACA 6210 (a) và 6410 (b) ; cả hai trường hợp dùng  = 0,740 9 Hình 1.13 Hệ số nâng Cs và hế số cản CR của mặt cắt đối xứng seri NACA 9 Hình 1.14 Sự hình thành chuyển động của tuabin gió 10 Hình 1.15 Phân bố vận tốc và áp lực gần bản cánh của cối xay gió 10 Hình 1.16 Ống dòng của thuyết động lượng Betz 11 Hình 1.17 Biểu đồ áp lực và vận tốc của dòng khí đi qua tuabin gió trục ngang 11 Hình 1.18 Hệ số công suất của một vài tuabin gió theo tỷ số tốc độ ở chu vi với tốc độ gió 13 Hình 1.19 Máy phát điện gió trục ngang 14 Hình 1.20 Các hình dạng của tuabin gió trục ngang 15 Hình 1.21 Lệch hướng của tuabin gió trục ngang 16 Hình 1.22 Các loại tháp 16 Hình 1.23 Đường đặc tính công suất của tuabin gió 17 Hình 1.24 Điện năng trung bình năm thực tế của các tuabin loại nhỏ 18 Hình 1.25. Các đường đặc tính công suất và điện năng hàng tháng của tuabin gió mô hình AIR403 19 Hình 1.26 Điện năng trung bình năm của một tuabin gió 20 Hình 1.27 Đường cong đánh giá AEO của một tuabin gió cỡ nhỏ Bergey 850 20 vi Hình 2.1. Mô hình thí nghiệm WG/EV 21 Hình 2.2 Vị trí của cột chống của tuabin gió 22 Hình 2.4 Vị trí đúng của tuabin gió đặt trên trụ 1,5 m 22 Hình 2.3 Khoảng cách cần thiết khi quay 22 Hình 2.5 Lắp đặt máy phát phong năng 23 Hình 2.6 Hệ thống máy phát phong năng vận hành trong nhà, mod.WG-I/EV 24 Hình 2.7 Điều khiển biến tần từ thiết bị điều khiển bằng tay 24 Hình 2.8. Điều khiển inverter bằng máy tính 26 Hình 2.9 Đường đặc tính công suất đầu ra/tần số cung cấp của động cơ 26 Hình 2.10 - Đường đặc tính công suất đầu ra/tần số cung cấp của động cơ (đường cong số 2) 27 Hình 2.11. So sánh các đường đặc tính công suất đầu ra với tần số cung cấp 27 Hình 2.12 Chi tiết máy phát điện gió sử dụng trong mô hình thí nghiệm WG/EV. 28 Hình 3.1 Đường đặc tính công suất đầu ra / tần số cung cấp của động cơ 31 Hình 3.2 Đường cong công suất đầu ra với số vòng quay của trục 32 Hình 3.3 Đường đặc tính công suất và số vòng quay của tuabin Air X – cung cấp bởi nhà sản xuất 32 Hình 4.1 Bức xạ của bức xạ ngoài khí quyển trong năm 41 Hình 4.2 Biểu đồ quan hệ giữa bước sóng và bức xạ mặt trời 41 Hình 4.3. Sự biến đổi bức xạ mặt trời theo hàm của chiều cao 42 Hình 4.4.Bức xạ đơn sắc trên trái đất khi mặt trời ở thiên đỉnh (m = 1) và ở nơi không khí bị hạn chế (m = 0) 42 Hình 4.5 Biểu đồ phân bố quang phổ của bức xạ mặt trời trên mặt đất với các điều kiện không khí khác nhau. a) Trời quang đãng, b) Trời có mây và độ ẩm cao 43 Hình 4.6 Ảnh hưởng của vĩ độ tới giá trị của bức xạ mặt trời trực tiếp 44 Hình 4.7 Sự thay đổi giá trị góc lệch trong năm 44 Hình 4.8. Sự thay đổi theo mùa của giá trị mật độ năng lượng bình quân bức xạ trên mặt đất theo mặt phẳng ngang với các vĩ độ khác nhau 45 Hình 4.9 Mật độ năng lượng bình quân tháng của bức xạ mặt trời 45 Hình 4.10 Tọa độ của mặt trời ảnh hưởng bởi vị trí quan trắc ở trên mặt đất (điểm C) 46 Hình 4.11 Góc định hướng vị trí của bề mặt và mặt trời 48 Hình 4.12 Năng lượng bình quân ngày trên bề mặt với các góc nghiêng khác nhau 49 Hình 4.13 Mạng tinh thể silic và vùng hóa trị và vùng dẫn 50 vii Hình 4.14 Sơ đồ mạng tinh thể Silic loại P và N 51 Hình 4.15 Sơ đồ lớp chuyển tiếp P-N 52 Hình 4.16 Các thành phần chính của một tấm pin mặt trời 53 Hình 4.17 Sự tương tác khác nhau của các photon với pin mặt trời với lớp chuyển tiếp P-N 53 Hình 4.18 Đường đặc tính điện áp - dòng điện của lớp chuyển tiếp P-N 54 Hình 4.19 mô tả mạch điện tương đương của một tế bào quang điện 54 Hình 4.20 Module, panel, trường quang điện 55 Hình 4.21 Sơ đồ song song đấu nối các chuỗi panel 56 Hình 4.22 Đường đặc tính I ~ V và P ~ V của một module quang điện 57 Hình 4.23 Đường đặc tính dòng điện -điện áp của pin silic quang điện với sự thay đổi về bức xạ mặt trời và nhiệt độ pin (tế bào) quang điện 58 Hình 4.24 đường đặc tính I ~ V của pin siclic với các giá trị bức xạ mặt trời khác nhau59 Hình 4.25 Đường đặc tính của một module (A), của hai module nối tiếp nhau (B), của hai module mắc song song (C) và của hai cặp module mắc nối tiếp - song song (D) 59 Hình 5.1 Các bộ phận chính của bộ thí nghiệm PM/EV 62 Hình 5.2 Kết nối giữa hai module 62 Hình 5.3 Sơ đồ mạch điện khi nghiên cứu đặc tính của các tấm pin 63 Hình 5.4 Sơ đồ lắp đặt bộ điều tiết điện 64 Hình 5.5 Hệ thống quay quanh trục ngang một góc tự do 65 Hình 5.6a - Bức xạ lên tấm pin trong tháng 1 với góc β = 19° và 41° 66 Hình 5.6b Bức xạ lên tấm pin trong tháng 7 với góc β = 19° và 41° 66 Hình 5.7 Hệ thống quay quanh trục quay 66 Hình 5.8a các tấm pin quay với góc β = 19°, với trường hợp sử dụng và không sử dụng thiết bị theo dõi mặt trời 67 Hình 5.8b Các tấm pin quay với góc β = 19° trong tháng 7, có sử dụng và không sử dụng thiết bị theo dõi mặt trời 67 Hình 5.9 Sự gia tăng cường độ bức xạ mặt trời lên một tấm pin quang điện khi sử dụng thiết bị theo dõi mặt trời trong tháng Sáu 67 Hình 5.10 Sơ đồ hệ thống điều khiển thiết bị theo dõi mặt trời 68 Hình 5.11 Đường đặc tính của tấm pin quang điện 69 Hình 5.12 Sơ đồ mạch điện của sự liên kết giữa các tế bào quang điện 69 Hình 6.1 Đường đặc tính I - V của tấm pin dưới 72 viii Hình 6.2 Đường đặc tính I - V của hai tấm pin mắc nối tiếp 73 Hình 6.3 Đường đặc tính I-V của hai tấm pin mắc song song 74 Hình 6.4 Đường đặc tính P-V của tấm pin bên dưới 75 ix DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT Ptot W Tổng năng lượng gió Vi m/s Vận tốc của luồng gió * m kg/s Thông lượng không khí ρ kg/m3 A m2 Diện tích quét của luồng gió Vm m/s Vận tốc trung bình V m/s Vận tốc tức thời V0 m/s Vận tốc gió ở độ cao ban đầu V m/s Vận tốc gió ở độ cao lắp đặt tuabin Ho m Độ cao ban đầu H m Độ cao lắp đặt tuabin α Mật độ không khí Hệ số mấp mô Hệ số mô hình năng lượng EPF R m Bán kính roto A m2 Diện tích quét của cánh tuabin gió - diện tích chắn gió Hệ số áp lực CP p N/m2 Áp lực của điểm đang xét trên mặt cắt p0 N/m2 Áp lực của dòng liên tục v0 m/s Vận tốc của dòng liên tục v m/s Vận tốc của dòng khí tại điểm trên mặt cắt S N/m Lực nâng R N/m Lực cản l m Chiều dài của dây cung CS Hệ số nâng; CR Hệ số cản x Hệ số công suất CP Hệ số công suất thực tế lớn nhất Cpmax E kWh Điện năng trung bình năm AEO kWh Điện năng trung bình năm Hệ số khối không khí AM z độ Góc thiên đỉnh a độ Góc phương vị mặt trời h độ Góc giờ L độ Vĩ độ δ độ Góc lệch mặt trời ts Giờ Giờ mặt trời αw độ Góc phương vị bề mặt β độ góc nghiêng của bề mặt i độ góc tới α độ góc cao mặt trời Ib0 W/m2 bức xạ trực tiếp tức thời lên mặt phẳng ngang Gb W/m2 bức xạ trực tiếp vuông góc lên mặt nghiêng Gd W/m2 bức xạ khuếch tán Gr W/m2 thành phần phản xạ từ mặt đất Id0 W/m2 bức xạ khuếch tán lên bề mặt ngang Gr W/m2 tổng xạ Rr hệ số nghiêng của bức xạ phản xạ ρ hệ số phản xạ của đất Eb Wh/m2 năng lượng bức xạ mặt trời trực tiếp xi PHẦN 1. NĂNG LƢỢNG GIÓ CHƢƠNG 1. LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN LÝ VẬN HÀNH TUABIN GIÓ 1.1. Năng lƣợng gió và các yếu tố ảnh hƣởng đến năng lƣợng gió Sự phát triển đáng kể về nhu cầu sử dụng năng lượng cùng với sự cần thiết giới hạn ảnh hưởng tiêu cực của việc sử dụng nguồn năng lượng truyền thống đến môi trường đã khuyến khích sự quan tâm vào các nguồn năng lượng sạch, đặc biệt thông qua việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo. Năng lượng gió là một nguồn năng lượng ưu việt được đánh giá có thể tái tạo. Các đặc tính không khí thải và năng lượng có chi phí thấp là lý do chính cho sự gia tăng theo cấp lũy thừa việc sử dụng nguồn năng lượng này. 1.1.1. Năng lƣợng của luồng gió Tổng năng lượng có thể khai thác trong một luồng gió bằng động năng, được xác định theo công thức: * Ptot  m Vi 2 2 (1.1) * Trong đó: Ptot - tổng năng lượng gió,W; Vi - vận tốc của luồng gió, m/s; m - thông lượng không khí, kg/s. Xác định theo công thức: * m  AVi (1.2) Trong đó: ρ - mật độ không khí, kg/m3; A - diện tích quét của luồng gió, m2 Kết hợp hai phương trình (1.1) và (1.2): Ptot  AVi 3 2 (1.3) Tổng năng lượng có thể khai thác được trong một luồng gió tỷ lệ thuận với lũy thừa ba của vận tốc, diện tích quét của luồng gió và mật độ không khí. Vì tổng năng lượng gió tỷ lệ với lũy thừa bậc ba của vận tốc nên thông số quan trọng nhất trong xác định năng lượng gió chính là vận tốc của luồng gió. Do đó, phân tích thống kê tốc độ gió tại nơi lắp đặt thiết bị sẽ là tiền đề cần thiết cho việc tính toán điện năng thu được từ việc chuyển đổi động năng của luông gió thông qua tuabin gió. 1.1.2. Tốc độ gió Tốc độ gió không chỉ thay đổi từ nơi này sang nơi khác mà còn biến đổi đáng kể theo thời gian tại cùng một vị trí bởi vì tốc độ gió phụ thuộc vào dạng gồ ghề và độ cao so với mặt đất. Do đó các thông số cần thiết cho việc xác định kích cỡ của một tuabin gió, bao gồm: vận tốc gió trung bình (hàng ngày và hàng năm), vận tốc tức thời, mức độ nhiễu loạn và hướng gió chủ đạo. Những thông số đặc trưng cơ bản này phụ thuộc địa điểm được xem xét lắp đặt và chỉ có thể thu thập được sau vài năm tiến hành khảo sát và đo đạc. 1.1.2.1. Ảnh hưởng của độ cao lắp đặt và độ gồ ghề của bề mặt Trong thực tế, vận tốc gió cục bộ biến đổi đáng kể theo thời gian (hình 1.1). Vận tốc trung bình Vm được xác định trong một khoảng thời gian cho trước, khi thêm một giá trị chênh lệch vân tốc ν vào giá trị trung bình Vm thì sẽ được vận tốc tức thời V. Vận tốc gió 1 tại mặt đất bằng 0 (do ma sát giữa không khí và mặt đất), càng lên cao vận tốc gió càng tăng, thông thường tăng cho đến độ cao 2 km. Từ độ cao này trở lên độ dốc của biểu đồ tốc độ gió sẽ bằng 0 (hình 1.2). Sự biến đổi tốc độ gió thường được biểu diễn qua hàm số mũ như sau: (V/V0)=(H/H0) (1.4) Trong đó: V0 - vận tốc gió ở độ cao ban đầu, m/s; V - vận tốc gió ở độ cao cần tính, m/s; Ho- độ cao ban đầu, m; H - độ cao cần tính tốc độ gió, m; α - hệ số mấp mô. Hình 1.1. Dao động tức thời của tốc độ gió Hình 1.2. Giới thiệu biểu đồ tốc độ gió gần mặt đất (dòng lớp biên) Hệ số mấp mô thể hiện đặc điểm hình dáng của bề mặt: mức độ mấp mô càng lớn (ví dụ có nhiều cây cối) thì hệ số mấp mô sẽ càng tăng. Hệ số này có thể giảm xuống đến giá trị 0,1 khi mặt đất bằng phẳng, ngược lại có thể đạt tới giá trị 0,25 khi mặt đất khá mấp mô (bảng 1.1). Chú ý rằng các chướng ngại vật như các tòa nhà, cây cối và các yếu tố tự nhiên khác có thể quyết định đến việc tính toán công suất của máy phát tuabin gió. Trên thực tế, các chướng ngại vật đều gây bất lợi đến vận tốc gió và càng lên cao thì tốc độ gió trung bình cũng tăng theo. Bảng 1.1. Các hệ số mấp mô của mặt đất Hình dáng của mặt đất Bề mặt nhiều nước Độ mấp mô 0 Hệ số α 0,01 Mặt đất thoáng với một vài chướng ngại vật 1 0,12 Đất nông nghiệp với nhiều tòa nhà và hàng rào (để bảo vệ, bờ giậu, v.v..) 2 Khu vực nông nghiệp có nhiều cây, gỗ và làng xã 3 0,16 0,28 Vì độ cao lắp đặt tuabin gió có ảnh hưởng đến tốc độ gió, nên các nhà sản xuất tuabin gió phải chỉ rõ độ cao cho phép lắp đặt. Dữ liệu độ cao này được ghi trên bảng thông số hoặc bảng chỉ dẫn của thiết bị. Nếu độ cao lắp đặt không được chỉ rõ thì sử dụng độ cao chuẩn 2 là 10m tính từ mặt đất. Hình 1.3 và 1.4 thể hiện mức tăng tốc độ gió và công suất phát ra từ máy phát điện gió theo độ cao. Để minh họa tầm quan trọng của độ cao lắp đặt tuabin, chúng ta xét một ví dụ sau đây. Giả sử sẽ lắp đặt tuabin gió ở một thảm cỏ có hệ số mấp mô là 0,14. Nếu độ cao lắp đặt gấp đôi độ cao ban đầu thì tốc độ gió tại vị trí lắp đặt tăng lên 10% V = (H/Ho)αVo = (2/1)0.14Vo = 1.1Vo Độ cao chênh lệch gấp đôi cũng sẽ dẫn tới công suất tăng 34% P = (H/Ho)3αPo = (2/1)3x0.14Po = 1.34Po Những nghiên cứu này chỉ ra rằng điện năng sản xuất ra chỉ có thể đạt tối ưu khi các tuabin gió được lắp đặt tại các địa điểm chính xác. Hình 1.3 Tốc độ gió tăng theo độ cao Hình 1.4 Công suất của tuabin gió tăng theo độ cao 1.1.2.2. Sự phân bố tần suất của tốc độ gió Tần suất phân bố tốc độ gió theo thời gian (tháng hoặc năm) rất quan trọng để đánh giá năng lượng được sinh ra từ tuabin gió. Điện năng thu được có thể được trữ vào pin, ắc 3 quy, dùng trực tiếp cho các hộ dùng điện độc lập hoặc kết nối lưới điện. Điện năng có đơn vị là kWh và được tính bằng công suất nhân với các khoảng thời gian (hệ số phụ tải của máy đã được tính đến) khi xu hướng biến đổi tốc độ gió theo thời gian đã biết. Chú ý rằng việc sử dụng tốc độ gió trung bình có thể dẫn đến các kết quả không phù hợp với giá trị thực. Khi tốc độ như nhau tại các thời đoạn ngắn có tốc độ cao sẽ làm tăng sản lượng điện hàng năm lên đáng kể, điều này cũng tương tự với các thời đoạn dài hơn nhưng có vận tốc nhỏ hơn. Như đã biết trung bình lũy thừa bậc ba của một dải phân bố tốc độ nào đó luôn cao hơn lũy thừa bậc ba giá trị trung bình của cùng dải phân bố tốc độ đó. Vì vậy, trên thực tế tốc độ gió trung bình được cân đối theo hệ số mô hình năng lượng EPF (Energy Pattern Factor) khi tính toán công suất sinh ra từ gió, từ đó đánh giá năng lượng có thể thu được trong một thời gian xác định. Hệ số mô hình năng lượng EPF chính là tỷ số giữa trung bình lũy thừa ba các giá trị vận tốc của một dải phân bố được xét với lũy thừa ba giá trị trung bình của các vận tốc đó: EPF  1 n 3  Vi n i 1 1 n    Vi   n i 1  (1.5) 3 Nếu giá trị vận tốc trung bình trong khoảng thời gian nào đó đã biết V , thì từ công thức (1.3) có công thức mật độ công suất của gió: D 3 1 V EPF , (W/m2) 2 (1.6) Bảng 1.2 chỉ ra tầm quan trọng của hệ số EPF thông qua so sánh 3 địa điểm. Nhìn bên ngoài thì các địa điểm này có cùng đặc tính về tình trạng gió đó là có chung giá trị vận tốc trung bình nhưng thực tế chúng có hệ số EPF khác nhau. Bảng 1.2 Ảnh hưởng của phân phối tần suất khác nhau của tốc độ gió đối với các địa điểm có cùng vận tốc trung bình Vận tốc gió trung bình hàng năm (m/s) Vận tốc gió trung bình hàng năm (mph) Mật độ năng lượng gió (W/m2) EPF (hệ số mấu năng lượng hay hệ số lũy thừa ba) Celebra, Portorico 6,3 14 220 1,4 Tiana Beach, New York 6,3 14 285 1,9 San Giorgio, California 6,3 14 365 2,4 Địa điểm 4 Hình 1.5 Đường tấn suất điển hình và đường phân bố Weibull tương ứng thể hiện tần suất (%) của một vận tốc gió nào đó trong một khoảng thời gian đã biết (ví dụ 1 năm) Hình 1.5 biểu diễn một đường tần suất điển hình liên quan đến sự phân bố tần suất của tốc độ gió. Đường tần suất này thể hiện tần suất (dựa trên số liệu quan trắc trong một vài năm) mà một vận tốc xác định có thể đạt được, vận tốc này bao gồm V và V+V (V=1 m/s như hình vẽ trên). Ví dụ, tần suất gió có thể đạt được tốc độ trong phạm vi từ 4,5 đến 5,5 m/s bằng 0,104 tương ứng với khoảng thời gian 0,104x8760 = 910 giờ trong một năm bởi vì đường tần suất được xét trong khoảng thời gian một năm. Các biểu đồ tương tự của đường phân bố tần suất có thể theo biểu diễn theo thời gian là hàng năm, theo mùa hoặc theo tháng (hình 1.6). Đường phân bố Weibull (hình 1.5) mô tả sự phân bố tần suất, trong đó phần diện tích bên dưới đường cong luôn bằng 1 hay tổng phần trăm của các tần suất tương ứng cho mỗi giá trị vận tốc trong thời đoạn xem xét sẽ bằng 100%. Ngoài ra “đường phân bố tần suất lũy tích” (hình 1.7) được dùng để xác định số giờ/năm khi một tốc độ nào đó bị vượt quá. Hình 1.6 Phân bố tốc độ gió trung bình và xu hướng biến đổi theo thời gian (Thành phố Florence) 5