Khóa luận Tìm hiểu năng lượng gió và khai thác năng lượng gió tại Việt Nam

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG GIÓ TẠI VIỆT NAM SINH VIÊN : TRẦN TRƯỜNG TRIỆU MSSV : 11056481 LỚP : ĐHĐI7C GVHD : THS. VÕ TẤN LỘC TP. HCM, NĂM 2015 i PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 1. Họ và tên sinh viên được giao đề tài: Trần Trường Triệu – 11056481 – ĐHĐI7C 2. Tên đề tài: TÌM HIỂU NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG GIÓ TẠI VIỆT NAM 3. Nội dung:  CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ.  CHƯƠNG 2: CÁC LÝ THUYẾT CƠ BẢN.  CHƯƠNG 3: CẤU TẠO TUA-BIN GIÓ.  CHƯƠNG 4: MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG TUA-BIN ĐIỆN GIÓ.  CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. 4. Kết quả: Giảng viên hướng dẫn: Tp. Hồ Chí Minh, Ngày Tháng Năm 2015 Sinh viên: Trần Trường Triệu ii NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- iii MỤC LỤC PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ................................................... 1 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ......................................................... ii MỤC LỤC ....................................................................................................................... ii DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ ...................................................................................... vi DANH SÁCH CÁC BẢNG ........................................................................................ viii DANH MỤC VIẾT TẮT ................................................................................................ ix CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ ................................................. 1 1.1 Thực trạng năng lượng và môi trường ............................................................... 1 1.2 Sự hình thành năng lượng gió ............................................................................ 4 1.3 Các đặc trưng của năng lượng gió ..................................................................... 5 1.3.1 Tốc độ gió.................................................................................................... 5 1.3.2 Hướng gió .................................................................................................... 6 1.4 Ưu điểm năng lượng gió .................................................................................... 7 1.5 Nhược điểm năng lượng gió .............................................................................. 8 CHƯƠNG 2: CÁC LÝ THUYẾT CƠ BẢN ................................................................... 9 2.1 Nguyên lý biến đổi năng lượng gió ................................................................... 9 2.2 Phân loại Tua-bin gió ....................................................................................... 13 2.3 Các dạng truyền động ...................................................................................... 14 2.4 Định luật cảm ứng điện từ................................................................................ 16 2.5 Định luật lực điện từ ........................................................................................ 17 2.6 Hòa đồng bộ ..................................................................................................... 17 CHƯƠNG 3: CẤU TẠO TUA-BIN GIÓ ..................................................................... 18 3.1 Roto gió ............................................................................................................ 22 3.1.1 Hệ thống Roto ........................................................................................... 22 3.1.2 Những nguyên tắc điều chỉnh hệ thống Roto ............................................ 28 3.2 Bộ truyền động và bộ phận thắng .................................................................... 30 3.3 Vỏ và hệ thống định hướng .............................................................................. 31 3.4 Bộ điều khiển ................................................................................................... 33 3.5 Hệ thống chống sét, chống cháy nổ ................................................................. 33 3.6 Tháp và nền ...................................................................................................... 33 iv 3.7 Máy phát điện (Sẽ được trình bày trong chương 4). ........................................ 33 CHƯƠNG 4: MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG TUA-BIN ĐIỆN GIÓ ........................... 34 4.1 Máy phát điện không đồng bộ (Cảm ứng hoặc Dị bộ) .................................... 35 4.1.1 Lý thuyết ................................................................................................... 35 4.1.1.1 Cấu tạo máy phát điện không đồng bộ .................................................. 35 4.1.1.2 Nguyên lý hoạt động .............................................................................. 36 4.1.2 Máy phát điện không đồng bộ lồng sóc - SCIG ........................................ 37 a. Single-Speed WECS ..................................................................................... 37 b. Two-Speed WECS Operation by Two Generators ....................................... 38 c. Khởi động SCIG với Softstarter ................................................................... 39 d. Ưu và nhược điểm ........................................................................................ 40 4.1.3 Máy phát điện không đồng bộ Roto dây quấn .......................................... 41 4.1.3.1 Máy phát điện cảm ứng optislip - OSIG ................................................ 41 4.1.3.2 Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép - DFIG ................................. 43 a. Cấu tạo....................................................................................................... 43 b. Sơ đồ mạch tương đương của hệ thống DFIG trong trạng thái ổn định với bộ Converter phía Roto .................................................................................... 44 c. Các trạng thái hoạt động của DFIG .......................................................... 48 d. Tính toán số liệu cụ thể khi DFIG hoạt động ở 3 trạng thái ..................... 50 e. Khởi động máy phát DFIG........................................................................ 55 f. Ưu và nhược điểm của DFIG .................................................................... 56 4.2 Máy phát điện đồng bộ .................................................................................... 58 4.2.1 Lý thuyết ................................................................................................... 58 4.2.1.1 Cấu tạo ................................................................................................... 58 4.2.1.2 Nguyên lý hoạt động .............................................................................. 59 4.2.2 Máy phát điện đồng bộ Roto dây quấn - WRSG ...................................... 60 4.2.3 Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cữu - PMSG ............................... 61 4.3 Các loại tiềm năng khác ................................................................................... 65 4.3.1 Máy phát điện cao áp - Highvoltage generator (HVG) ............................. 65 4.3.2 Máy phát điện từ hóa chuyển đổi - The switched reluctance generator ... 65 4.3.3 Máy phát điện ngang dòng - Transverse flux generator - TFG ................ 66 CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................ 67 v 5.1 Ứng dụng thiết kế nông trường gió ở Mũi Né, Phan Thiết .............................. 67 5.1.1 Khảo sát địa điểm ...................................................................................... 67 5.1.2 Tính toán Tua-bin gió ................................................................................ 72 5.1.2.1 Công thức liên quan ............................................................................... 72 5.1.2.2 Yêu cầu mỗi Tua-bin gió có công suất định mức 2MW ....................... 73 5.1.3 Chọn Tua-bin gió ...................................................................................... 74 5.2 Kết luận ............................................................................................................ 85 5.3 Hướng phát triển: nông trường gió và bộ bù tĩnh ............................................ 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 88 LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ 89 vi DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Bản đồ phân bố gió ở Việt Nam tại độ cao 80 mét (World Bank-2001). ....... 3 Hình 2.1: Ống động lực học Bezt trong điều kiện khí lý tưởng. ................................... 10 Hình 2.2: Tỉ số vận tốc v2/v1. ......................................................................................... 12 Hình 2.3: Tua-bin gió dọc trục. ..................................................................................... 13 Hình 2.4: Tua-bin gió trục ngang. ................................................................................. 14 Hình 3.1: Cấu hình Tua-bin điện gió trục ngang và thân trụ dùng hộp số. ................... 19 Hình 3.2: Cấu tạo bên trong Tua-bin gió trục ngang. .................................................... 20 Hình 3.3: Hệ thống đùm nối cánh quạt.......................................................................... 22 Hình 3.4: Cấu trúc bên trong cánh quạt Tua-bin gió Growian. ..................................... 23 Hình 3.5: Nguyên tắc khí động học điều chỉnh cánh quạt. ........................................... 24 Hình 3.6: Các trạng thái hoạt động của cánh quạt. ........................................................ 27 Hình 3.7: Khí động học trong điều chỉnh cánh quạt. .................................................... 28 Hình 3.8: Động cơ điều khiển góc Pitch cánh quạt trong Tua-bin gió. ......................... 29 Hình 3.9: Hộp số bánh răng trong Tua-bin gió 2MW đến 3MW. ................................. 30 Hình 3.10: Bánh thắng tại trục tốc độ cao trong Tua-bin gió. ....................................... 30 Hình 3.11: Vòng bi 1 lớp và 2 lớp. ................................................................................ 31 Hình 3.12: Thùng Nacelle hãng Avantis. ...................................................................... 31 Hình 3.13: Cảm biến gió gồm chén gió và đuôi chong chóng. ..................................... 32 Hình 3.14: Hệ thống chỉnh Tua-bin theo hướng gió. .................................................... 32 Hình 4.1: Cấu tạo Stato máy phát điện không đồng bộ. ................................................ 35 Hình 4.2: Máy phát điện không đồng bộ lồng sóc-Hãng ABB. .................................... 37 Hình 4.3: Hệ thống máy phát SCIG 1 cấp tốc độ nối lưới. ........................................... 37 Hình 4.4: Hệ thống máy phát SCIG 2 cấp tốc độ nối lưới. ........................................... 38 Hình 4.5: Gía trị dòng đỉnh khi khởi động SCIG khi kết nối lưới trực tiếp. ................. 39 Hình 4.6: Gía trị dòng đỉnh khi khởi động SCIG khi kết nối lưới gián tiếp thông qua bộ khởi động mềm. ............................................................................................................. 40 Hình 4.7: Hệ thống OSIG nối lưới. ............................................................................... 41 Hình 4.8: Máy phát điện DFIG trong Tua-bin gió-Hãng ABB. .................................... 43 Hình 4.9: Cấu trúc DFIG nối lưới. ................................................................................ 43 Hình 4.10: Sơ đồ mạch tương đương DFIG trạng thái ổn định với Converter phía Roto. .............................................................................................................................. 44 Hình 4.11: Sơ đồ mạch tương đương DFIG trạng thái ổn định với Converter phía Roto được sắp xếp lại. ............................................................................................................ 46 Hình 4.12: Hiệu suất liên quan đến tốc độ quay trong máy phát DFIG. ....................... 47 Hình 4.13: Trạng thái hoạt động trạng thái siêu đồng bộ DFIG. .................................. 48 Hình 4.14: Dòng công suất DFIG trong trạng thái hoạt động siêu đồng bộ. ................ 48 Hình 4.15: Trạng thái hoạt động chế độ dưới đồng bộ DFIG. ...................................... 49 Hình 4.16: Dòng công suất DFIG trong trạng thái hoạt động dưới đồng bộ. ............... 49 vii Hình 4.17: Sơ đồ biểu diễn cấu trúc hệ thống DFIG khi khởi động. ............................ 55 Hình 4.18: Stato máy phát điện đồng bộ. ...................................................................... 58 Hình 4.19: Roto máy phát điện đồng bộ........................................................................ 59 Hình 4.20: Máy phát điện WRSG số lượng cực từ cao. ................................................ 60 Hình 4.21: Hệ thống WRSG nối lưới. ........................................................................... 60 Hình 4.22: Cấu trúc phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cữu-PMSG. ............................ 61 Hình 4.23: Máy phát điện PMSG trong Tua-bin gió. .................................................... 62 Hình 4.24: Máy phát PMSG với các cực từ được gắn xung quanh bề mặt Roto. ......... 63 Hình 4.25: Máy phát PMSG với các cực lồi, nam châm ẩn vào bên trong. .................. 63 Hình 5.1: Vị trí Mũi né, Phan thiết, Bình Thuận trên bản đồ. ....................................... 69 Hình 5.2: Tốc độ gió tại độ cao 80m. ............................................................................ 69 Hình 5.3: Cánh đồng gió ngoài khơi. ............................................................................ 71 Hình 5.4: Công suất Tua-bin gió qua các khối. ............................................................. 72 Hình 5.5: Cấu trúc bên trong Tua-bin V90 2.0-IEC IIIA của hãng Vestas. .................. 75 Hình 5.6: Đặc tuyến công suất Tua-bin Vestas V90-IEC IIIA. .................................... 78 Hình 5.7: Tiêu chuẩn sắp xếp vị trí Tua-bin gió trong cánh đồng gió ngoài khơi. ....... 79 Hình 5.8: Sơ đồ bố trí Tua-bin gió trong cánh đồng gió ngoài khơi tại Mũi Né. .......... 80 Hình 5.9: Cáp nối dưới biển giữa các trụ Tua-bin gió. ................................................. 81 Hình 5.10: Trạm điều khiển cánh đồng gió ngoài khơi. ................................................ 81 Hình 5.11: Cáp vào bờ từ cánh đồng gió ngoài khơi. ................................................... 82 Hình 5.12: Cáp 3 pha dùng trong cánh đồng gió ngoài khơi. ....................................... 84 Hình 5.13: Sơ đồ SVC điển hình. .................................................................................. 86 viii DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 1.1: Tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam (Theo World Bank-2001) ............. 2 Bảng 1.2: Các cấp gió. ..................................................................................................... 5 Bảng 1.3: Tên viết tắt của 16 hướng gió Việt Nam và Thế Giới. ................................... 6 Bảng 2.1: Ưu, nhược điểm của bộ truyền động đai xích và bánh răng. ........................ 15 Bảng 3.1: Số cánh quạt liên quan đến hệ số tốc độ đầu cánh. ....................................... 25 Bảng 3.2: So sánh các dạng hoạt động của cánh quạt. .................................................. 26 Bảng 4.1: Thông số DFIG 1.5 MW, 690V, 50Hz. ........................................................ 50 Bảng 4.2: Kết quả tính toán máy phát DFIG trong 3 trường hợp tốc độ. ..................... 54 Bảng 5.1: Hướng gió các tháng trong năm tại Mũi Né, Phan Thiết. ............................. 70 Bảng 5.2: Các thông số Tua-bin Vestas V90 2.0-IEC IIIA. .......................................... 76 ix DANH MỤC VIẾT TẮT SCIG: Squirrel-cage Induction Generator. WECS: Wind energy conversion system. WRIG: Wound Rotor Induction Generator. OSIG: Optislip Induction Generator. DFIG: Doubly Fed Induction Generator. RSC: Rotor side converter. GSC: Grid side converter. WRSG: Wound Roto Synchronous Generator. PMSG: permanent magnet synchronous generator. HV: Highvoltage generator. SRG: Switched reluctance generator. TFG: Transverse flux generator. SVC: Static VAR Compensator. Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên: Trần Trường Triệu 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ 1.1 Thực 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