Năng lượng gió: Những vấn đề kỹ thuật

Năng lượng gió: Các vấn đề chung

Các thông số về gió

Các thông số về gió, hay còn gọi là các đặc tính khí hậu của gió, đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong việc triển khai các dự án điện gió. Trong đó, các giá trị tốc độ gió trung bình cao nhất trong một năm, hướng gió chủ đạo trong năm, v.v... có thể được tham khảo từ các số liệu thống kê của các trạm khí tượng thủy văn, nhưng cần được xác định lại cụ thể cho từng vị trí và phải được xử lý chính xác trước khi sử dụng cho việc thiết kế/áp dụng các tua bin gió.

Ở Việt Nam, cũng như trên thế giới, tại các trạm khí tượng thủy văn, các cột đo gió thường chỉ có chiều cao 10m tính từ mặt đất. Trong qui hoạch về khai thác năng lượng gió, tốc độ gió cần được đo ở các độ cao khác nhau. Ví dụ, để đánh giá tiềm năng về gió ở vùng đồng bằng, tốc độ gió có thể được đo ở độ cao trên 40m, ở vùng có nhiều vật cản (đô thị hay khu dân cư) - trên 60m v.v...

Các thông số về gió (hay các đặc tính của gió) được sử dụng trong lĩnh vực phát triển (lắp đặt/xây dựng) các tua bin phát điện bằng gió (tua bin gió) thường được chia thành 3 nhóm như sau:

Nhóm 1: Gồm các số liệu thống kê cho phép xác định được chế độ gió của khu vực khảo sát và sơ bộ đánh giá được tiềm năng về phong điện của khu vực khảo sát đó.

Nhóm 2: Gồm các số liệu cho phép xác định được mối tương quan tối ưu giữa công suất của luồng gió với công suất của tua bin gió. Dựa trên cơ sở của các thông số này, có thể dự tính được mức độ khai thác/sử dụng thực tế các tiềm năng của gió.

Nhóm 3: Gồm các thông số/số liệu về các điều kiện (hay các chế độ gió) không phù hợp với điều kiện làm việc của tua bin gió. Chế độ này được hình thành khi có những cơn gió lặng và yếu (trong năng lượng gió được gọi là năng lượng tĩnh), cũng như khi có những cơn gió mạnh và rất mạnh (phải dừng hoạt động của tua bin để đảm bảo an toàn).

Để giải quyết các vấn đề đặt ra của tua bin gió, ta phải chọn các thông số khí hậu tương ứng của gió. Gió là một đại lượng véc tơ. Trong hệ tọa độ cực, véc tơ gió có hai thành phần: mô đun của véc tơ hoặc tốc độ gió, được biểu thị bằng m/s và hướng của gió (được xác định trong 8, hoặc 16 hướng).

Vận tốc gió

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.

Để thu được các giá trị ổn định cho việc tính tốc độ gió trung bình (Vtb), cần có các số liệu thống kê trong nhiều năm. Để thu được các đặc tính lặp lại của các tốc độ gió khác nhau, cần có số liệu thống kê hơn 10 năm.

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), vận tốc 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.

Như vậy, về mặt thống kê và xác suất (toán học), các số liệu đã được hợp pháp hóa này tương đối tin cậy, có thể sử dụng và tham khảo cho việc phát triển các dự án điện gió. Trong nhiều trường hợp, so với các số liệu đo gió của các dự án điện gió có thời gian đo chỉ 1-2 năm, thì số liệu thống kê này còn đáng tin cậy hơn vì dãy số thống kê rất dài (tới 20 năm) và chu kỳ đo rất ngắn (có 3 giây).

Vấn đề là phải xử lý số liệu của các trạm khí tượng này như thế nào?

Vận tốc gió và độ cao cột gió

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.

Tổ chức Khí tượng Thế giới - World Meteorological Organization - WMO (hiện có 191 quốc gia là thành viên) đã chính thức công nhận (trong các tài liệu kỹ thuật của mình) sự phân bố của tốc độ gió tuân theo qui luật phân bố Maxwell (vì trên thực tế nó cho kết quả chính xác hơn Weibull).

Ví dụ: Biết vận tốc gió ở độ cao 10m là 1,6 m/s, ta có thể tính được gần đúng: vận tốc gió ở độ cao 60m là 2,07 m/s; ở độ cao 80m- 2,15 m/s; ở độ cao 100m- 2,22 m/s; ở độ cao 120m- 2,28 m/s.

Tần suất (số lần lặp lại) của vận tốc gió

Điều quan trọng khi xử lý các số liệu thống kê về vận tốc gió là tần suất lặp lại của gió theo các cấp (mức độ) tăng dần của vận tốc gió. Về lý thuyết, độ chính xác/ổn định của số liệu thống kê phụ thuộc vào: độ dài của dẫy số thống kê (10, 15, 20 năm - càng dài càng chính xác), và phụ thuộc vào việc phân ra các cấp vận tốc tăng dần. Thông thường, người ta phân ra thành 6 (hoặc 7) cấp độ tăng dần của vận tốc gió (m/s) như sau: 0÷1; 2÷5; 6÷11; 12÷15; 16÷20 (hoặc 21÷24) và >21 (hoặc >25).

Việc phân mức độ cần tính đến độ chính xác của các số liệu thống kê thu được của các chong chóng gió thời tiết ở các trạm khí tượng. Tần suất (sự lặp lại) của gió được biểu thị bằng số lượng các trường hợp tính bằng phần trăm, và được thống kê riêng biệt cho mỗi mùa.

Phân bố vận tốc gió là bất đối xứng, do đó, vận tốc gió phân bố trên một diện tích hứng gió được xác dựa trên các thông số thống kê cơ bản như: độ lệch chuẩn - độ lệch trung bình, độ lệch bậc 2 (standard deviation), hệ số biến đổi (coefficient of variation) và hệ số bất đối xứng (coefficient of asymmetry) v.v...

Lập phương trung bình của vận tốc gió

Lưu ý: Phần lớn các động cơ được thiết kế với tốc độ gió từ nhỏ nhất để đưa tua bin vào hoạt động (cut-in wind speed), thường là 3m/s đến tốc độ gió lớn nhất phải dừng hoạt động của tua bin (cut-out wind speed) thường là 25m/s. 

Tốc độ gió 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). Bản chất của phương pháp tính này là sự phân bố về tốc độ gió (thu được qua các số liệu khí tượng) mang tính thống kê/kinh nghiệm (empirical distribution) có thể được xác định gần đúng bằng một phương trình phân bố nào đó. Vì vậy, bằng phương trình đó, người ta có thể xác định được tốc độ gió tối đa.

Lưu ý: Trong hộ chiếu của một số tua bin gió có đưa ra tốc độ gió tối đa mà tua bin gió có thể không bị đổ/gẫy (survival wind speed/tipspedd), thông thường là 50m/s đối với các tháp gió cao, và 60m/s đối với tháp gió thấp.

Hướng gió

Trong thực tế, để chuyển đổi hướng gió từ sơ đồ 16 hướng thành sơ đồ 8 hướng, người ta áp dụng các công thức (các giả định) sau:

Bắc + Bắc Đông Bắc = Bắc.

Đông Bắc + Bắc Đông Bắc = Đông Bắc.

Đông + Nam Đông Nam = Đông v.v...

Lưu ý, trong xác định tốc độ gió và hướng gió, chỉ số thống kê về biên độ (R) cũng thường được sử dụng. Chỉ số này cho biết mức độ ổn định của các hướng gió. Nếu chỉ số này tiến tới giá trị 0 (R =>0), hướng gió được coi là ổn định, nếu R=>max, hướng gió - không ổn định.

Tóm lại, các chỉ số chủ yếu về khí tượng có ảnh hưởng quyết định đến việc khai thác/sử dụng năng lượng gió gồm:

1/ Các thông số về phân bố tốc độ gió; tốc độ gió tối đa; và trung bình lập phương của tốc độ 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 tốc 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.

2/ Hướng gió trong sơ đồ mạng gió 8 hướng (hoặc 16 hướng), độ lặp lại của hướng gió và phân bố trong cả năm trên diện tích khảo sát.

Việc thống kê các chỉ số này là rất cần thiết để đánh giá chế độ làm việc của tua bin gió.

Công suất của gió và của tua bin gió

Áp lực của gió (F) lên các cánh quạt của tua bin được xác định bằng công thức:

Chiều cao của cột tua bin (cột gió)

Lỗi kỹ thuật có thể xẩy ra khi xác định chiều cao (so với mặt đất) của cột gió (chiều cao đặt tua bin). Khi tua bin gió được đặt ở độ cao thấp hơn mức cần thiết (đây là lỗi thường gặp) cũng tương tự như các tấm PV của điện mặt trời được đặ trong bóng râm.

Như trên đã nêu, khi chiều cao tăng, vận tốc gió tăng và độ quẩn (tính nhiễu loại/turbulence) của gió giảm.

Tùy thuộc vào địa hình cụ thể, căn cứ vào chiều cao H của các vật cản (lồi/lõm của mặt đất, chiều cao của nhà/công trình xây 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:

Theo sơ đồ trên, gió quẩn sẽ xẩy ra ở độ cao thấp hơn 2 lần và trong giới hạn lớn hơn 20 lần so với chiều cao của vật cản.

Lưu ý: tháp/cột tua bin càng cao, chi phí xây dựng cột càng tăng, nhưng chi phí tăng thêm này sẽ được hoàn rất nhanh nhờ tăng được vận tốc của gió.

Ngoài ra, cột tua bin cần đặt xa các vách đá dốc, hoặc các vị trí có độ cao thay đổi đột ngột tối thiểu 300m.

Góc thổi của gió

Góc thổi (α) của gió (угол атаки/attack angle) là góc giữa hướng của véc tơ dòng chảy của khí (hoặc gió) và hướng đặc tính (thiết kế) theo chiều dọc của cánh quạt (hay cánh máy bay) được biểu thị trong sơ đồ sau:

Góc thổi của gió là thông số được ghi trong các tài liệu kỹ thuật của tuabin gió./.

TS. NGUYỄN THÀNH SƠN - TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM