1. Lịch sử hình thành
2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
2.1. Cấu tạo
2.2. Nguyên lý
3. Phân loại
3.1. Phân loại theo kích thước
3.2. Phân loại theo cấu tạo
4. Ứng dụng vào công trình
4.1. Hiệu quả
4.2. Giải pháp thiết kế
1. Greenway Self-park - Chicago
Bahrain World Trade Centre
Pearl River Tower - Guangzhou
LIÊN HỆ MỞ RỘNG
1. Tiềm năng của công nghệ khai thác gió
2. Tiềm năng ứng dụng công nghệ ở Việt Nam
1. Lịch sử hình thành
2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
2.1. Cấu tạo
2.2. Nguyên lý
3. Phân loại
3.1. Phân loại theo kích thước
3.2. Phân loại theo cấu tạo
4. Ứng dụng vào công trình
4.1. Hiệu quả
4.2. Giải pháp thiết kế
1. Greenway Self-park - Chicago
Bahrain World Trade Centre
Pearl River Tower - Guangzhou
LIÊN HỆ MỞ RỘNG
1. Tiềm năng của công nghệ khai thác gió
2. Tiềm năng ứng dụng công nghệ ở Việt Nam
ĐẶT VẤN ĐỀ
Khai thác điện gió đã và đang là nguồn năng lượng sạch, đóng góp vào 25% nguồn năng lượng tái tạo hòa vào tổng nguồn điện trên thế giới. Hiện nay điện gió đang đóng góp 109 GW/ năm, theo dự báo của IRENA là 360 GW/ năm vào năm 2050
Các Turbine hiện tại cần một khoảng diện tích rộng để lắp đặt và cánh quạt phải đưa lên cao đến rất cao để có thể đạt thông thoáng gió. Ta đặt ra nghi vấn liệu có hiệu quả để tận dụng chiều cao của các tòa nhà và công trình để lắp đặt các Turbine để khai thác gió
Vào thế kỷ thứ 7
Cối xay gió đầu tiên được biết đến là một
tuabin thẳng đứng được phát minh ở Ba
Tư, hay Iran ngày nay. Chúng được sử dụng
để xay ngũ cốc và bơm nước
Cối xay gió truyền thống của châu Âu trở nên phổ biến
Tua bin gió tạo ra điện đầu tiên được phát minh
ở Scotland Giáo sư James Blyth của trường Cao đẳng Anderson
Chỉ vài tháng sau, Charles. F. Brush đã chế tạo một tuabin gió ở Cleveland, Ohio. Tuabin Brush là một tuabin nằm ngang,cánh quạt có đường kính
17 mét được gắn trên một tòa tháp 18 mét. Rôto có 144 cánh và quay chậm. Nó có công suất 12 kW
Nhà khoa học Đan Mạch Poul la Cour đã
chế tạo một tuabin gió để cung cấp năng
lượng chiếu sáng tại một trường trung học
địa phương ở ngôi làng nhỏ Askov.
Những năm 1930
Chứng kiến những thí nghiệm đầu tiên với
tuabin gió quy mô tiện ích.
Ở Yalta, thuộc Liên Xô cũ, một tuabin 100 kW đã
được dựng lên
Vào năm 1941
Tuabin có quy mô MW đầu tiên được xây dựng ở
Castleton, Vermont. Do kỹ sư Palmer Putnam
chế tạo, tuabin có công suất 1,25MW
Kinh tế dầu mỏ ngừng trệ. Giá cả tăng Chính phủ Mỹ bắt đầu đổ tiền vào việc phát triển các nguồn nhiên liệu thay thế. Năng lượng gió trở thành tâm điểm chú ý.
NASA đã dẫn đầu một cuộc thử nghiệm đa năng vào năng lượng gió với mục tiêu tạo ra cơ sở hạ tầng chạy bằng năng lượng gió quy mô tiện ích ở Hoa Kỳ. Từ năm 1975 đến năm 1996, tổng cộng có 14 tuabin đã được chế tạo và thử nghiệm
MOD-5B–lớnnhấtthếgiới khi được chế tạo vào
năm 1987. Nó có đường kính cánh quạt là 100 mét và công suất 3,2 MW.
Vào năm 2000 đến nay
Năng lượng gió đã được quan tâm trở lại khi cuộc khủng hoảng khí hậu xuất hiện trước mắt công chúng. Kể từ đó năng lượng gió đã được triển khai hàng loạt trên khắp thế giới. Turbine trở nên lớn hơn, mạnh hơn và hiệu quả hơn.
2.2 Đặc điểm
Tua bin được bảo dưỡng đúng cách và thỉnh thoảng được thay thế các bộ phận của chúng sẽ có tuổi thọ từ 25 đến 30 năm
Các tuabin gió ngừng hoạt động được tháo dỡ khỏi nền móng và tái cấu trúc. Hầu hết các tuabin đều được tái chế, bao gồm tháp, trục rôto, hộp số, máy phát điện và thanh trục. Các cánh quạt không thể được tái chế và việc thải bỏ các cánh tua-bin cũ đang trở thành một vấn đề ngày càng tăng.
Đối với hầu hết các tuabin, 55 dặm một giờ là ngưỡng, sau đó chúng chuyển sang một loại “chế độ sinh tồn”. Khi máy đo gió nhận được tốc độ gió cao, cánh quạt sẽ tắt để tránh làm hỏng các cánh quạt và hộp số. Các cánh quạt tự bảo vệ mình hơn nữa bằng cách tạo lông, hoặc tự làm phẳng để giảm diện tích bề mặt đối mặt với gió mạnh.
(Vinay Anam- Slideshare)
-
Hiện có 2 loại turbine gió, được lắp đặt trên đất liền hoặc ngoài khơi. Tháp turbine gió có thể lên tới 100m. Turbine gió có thể cấu tạo từ 2 hoặc 3 cánh quạt, chiều dài cánh từ 35-60m. Được thiết kế có thể quay dưới tác động của sức gió từ 10km/h trở lên. Tốc độ gió tối ưu là 50km/h. Tuy nhiên, khi gió quá mạnh (trên 90km/h), turbine gió sẽ ngưng hoạt động để đảm bảo an toàn.Khi cánh quạt quay, nó khởi động trục quy tốc độ thấp bên trong vỏ turbine. Tốc độ quay của trục từ 30-60 vòng/ phút chưa đủ để tạo ra điện. Nhưng trục quay sẽ liên kết với hộp số bên trong làm tốc độ quay tăng cao lên tới 1.200-1.500 vòng/ phút.
Trục quay thứ 2 này liên kết trực tiếp với máy phát điện. Máy phát có nhiệm vụ biến đổi động năng thành điện năng. Điện sau đó được đưa tới trạm biến áp qua hệ thống dây điện hoặc cáp ngầm để tăng áp trước khi hòa vào lưới điện.
Đã có sự quan tâm của các kiến trúc sư, kỹ sư môi trường xây dựng, nhà phát triển và chính phủ liên quan đến việc lắp đặt các tuabin gió vào môi trường đô thị hoặc xây dựng do khả năng cung cấp năng lượng phân định có thể cung cấp giải pháp cho quá trình đô thị hóa ngày càng tăng và nhu cầu năng lượng tái tạo và các tòa nhà bền vững . Về lý thuyết, các tuabin gió được đặt trên tầng thượng của một tòa nhà cao tầng để khai thác năng lượng gió, có thể tận dụng vùng cao hơn của biên dạng vận tốc gió mà không bị ảnh hưởng đáng kể bởi độ nhám bề mặt
(Biểu đồ vận tốc gió ở lớp ranh giới bên trong đô thị.)
4.2 Giải pháp thiết kế
Kích thước của WT phụ thuộc vào không gian trống
Trên sân thượng Khe hở giữa 2 tòa nhà Tích hợp ở thân tòa nhà
(https://www.mdpi.com/2079-3197/6/1/24/htm)
Trên sân thượng với quy mô nhỏ
Trên mặt bên của toà nhà với quy mô nhỏ
Việc ứng dụng điện gió vào công
trình có nhiều cách khác nhau tuy nhiên để đạt được hiệu quả công trình cần chú ý đến 1 số yếu tố như vị trí đặt các turbine và kết hợp với các yếu tố thiết kế hình khối và mặt đứng . - Cụ thể:
+ Trên mặt đứng ta có thể làm hệ modun các turbine đều nhau để tạo 1 thể thống nhất tại 1 vị trí mà theo ý đồ thiết kế mà ta muốn.
+ Trên sân thượng turbine có thể tạo điểm nhấn nổi bật cho công trình
evaluation
I. Nhà đỗ xe tự động nhiều tầng Greenway - Chicago
Thông tin chung
Kiến trúc sư: HOK
Địa điểm: 60 West Kinzie St, Chicago, Mỹ
Năm hoàn thành: 2010
Thể loại: Nhà đỗ xe, công trình hạ tầng xã hội
Chủ đầu tư: Friedman
Công trình với chiến lược cung cấp 33.500m2 sàn đỗ xe xanh để giảm
lượng phát thải carbon và lượng tiêu thụ năng lượng trở thành nhà
đỗ xe “xanh” đầu tiên ở Chicago
Công trình gồm 11 tầng cung cấp dịch vụ để xe 24/7 cho 900 phương
tiện với hệ thống khai thác và tái sử dụng năng lượng tự
nhiên, tăng hiệu quả sử dụng năng lượng
Chicago, mùa hè ấm áp, độ ẩm cao, mùa đông rất lạnh, lộng gió.
Gió lệ thuộc vào địa hình khu vực, tốc độ gió và hướng
gió cùng đa dại thay đổi theo giờ.
Tốc độ gió trung bình ở Chicago cũng tùy thuộc vào mùa
Mùa gió T9 - T5 với tốc độ trung bình 11.4 dặm /h
Mùa gió lặng T5 - T9 năm sau 8.5 dặm /h
(Biểu đồ gió trung bình của Chicago)
Ở góc phía Tây Nam của tòa nhà là hệ
thống 12 cặp Turbine gió (HAWT) được xếp chồng lên nhau theo chiều thẳng đứng
Hệ thống Turbine cánh xoắn bằng nhựa được xếp theo cặp, gắn vào góc công trình. tạo đủ năng lượng thắp sáng cho công trình tiêu thụ vào ban đêm. phần điện năng dư thừa sẽ được hòa vào lưới điện quốc gia
mùa Hè
12 Turbine trục đứng S594 được sử dụng để khai thác gió, cánh được dập từ nhôm, cho trọng lượng nhẹ, thiết kế để có thể sản xuất điện từ những cơn gió nhẹ 11,1 dặm/h Ưu điểm của cánh trục đứng là có thể khai thác gió từ mọi hướng trong một trường gió rộng và hiệu quả trong việc khai thác trong môi trường đô thị.
Mỗi Turbine có thể sản xuất tới
4.5kWh điện năng để tự
tiêu thụ hoặc hòa lại vào lưới điện Chicago
- Hệ thống kính bao che được thiết kế tối ưu tăng độ
thông thoáng và lấy ánh sáng tự nhiên, giảm tối đa
việc sử dụng năng lượng trong thông gió và chiếu sáng - Hệ thống thu và tái sử dụng nước mưa và mái “xanh”
Tường bê tông đúc sẵn module để giảm hao phí vật
liệu
Sử dụng vật liệu xây dựng trong bán kính 100 đặm - Theo đuổi chứng chỉ LEED cho công trình xanh
Thông tin chung
Kiến trúc sư: Atkins
Địa điểm: thủ đô Manama, Bahrain
Thời gian xây dựng: 2004-2008
Chiều cao: 240m với 50 tầng
Thể loại: Cao ốc văn phòng với khối đế là TTTM
Tổng diện tích: 120.000m2
Chủ đầu tư: Friedman
Chi phí đầu tư xây dựng: 150 triệu USD
Bahrain : một quốc gia ở trung đông - Tây Á, được bao bọc bởi biển
Khu đất xây dựng: nằm sát đường bở biển
Chức
Khí hậu khu vực Khí hậu Bahrain thường có nền nhiệt tăng dần vào buổi sáng khi có sức nóng mặt trời tạo ra sự bốc hơi, từ đó, lượng hơi đó sẽ luân chuyển với lượng không
khí từ biển, tạo ra các luồng không khí lớn là gió
Khí hậu cục bộ Khu đất hướng trực tiếp ra biển tạo nên diện tiếp xúc lớn với gió hướng Tây Bắc từ biển vào
Nhà cao tầng tiêu tốn nhiều
lượng năng lượng cũng như chịu tải trọng ngang khá lớn
Gió là yếu tố ảnh hướng đến công trình tuy nhiên cũng là nguồn năng lượng lớn có thể khai thác
là yếu tố cần xem xét tiết kiệm cũng như sử dụng hợp lý, tính đến khả năng khai thác các nguồn năng lượng hiện hữu
Mặt bằng hình elip với khoảng mở hướng ra phía biển như cánh buồm tạo điều kiền đón gió vào phần giữa công trình, tạo thành một áp lực gió từ trước vào phía sau tòa nhà.
Mối quan hệ giữa các luồng khí và tòa nhà tạo thành luồng khí chữ “S”, khi đó, tại điểm giao giữa luồng gió và các Turbine thì chúng gần như vuông góc với nhau. Điều này làm tăng hiệu sức khai thác điện năng trong công trình.
Theo phương đứng thì càng lên cao độ vuốt của công trình càng nhỏ kết hợp với lí do là càng lên cao gió càng lớn. Hai điều đó bù trừ lẫn nhau dẫn tới sự cân bằng phù hợp cho tòa nhà
tổng năng lượng thu được được dùng để
sáng 300 căn hộ hằng năm
lý tưởng khi lượng gió
Thông tin chung
Các thiết kế của Pearl River Tower nhằm giảm thiểu tác hại
đến môi trường và nó sẽ lấy năng lượng từ tự nhiên thụ
động xung quanh tòa nhà
Kiến trúc sư: Skidmore, Owings & Merrill
Địa điểm: Quảng Châu, Quảng Đông, Trung Quốc
Năm hoàn thành: 2013
Quy mô: 2,3 triệu foot vuông
Chiều cao: nhà 71 tầng
Thể loại: Văn phòng
Theo WHO, Quảng Châu nằm trong top những nước có chất lượng không khí tệ do sản xuất công nghiệp và phương tiện giao thông dày đặc. Người dân phải chịu
. Chính phủ Trung Quốc đã đề ra giải pháp giảm phát thải carbon ra
Trong bối cảnh đó, ý tưởng một công trình không phát thải trong thành phố (www.thatsmags.com)
Tập đoàn Pearl River cần xây
dựng 1 trụ sở tại trung tâm thành phố Quảng Châu. Nhóm thiết kế đã đề ra các giải pháp GIẢM mức TIÊU THỤ NĂNG LƯỢNG và PHÁT THẢI CARBON của tòa nhà
Được tiến hành xây dựng
Sau khi hoàn thành, tòa nhà sử dụng năng lượng ít hơn 30% so với các tòa nhà tương tự được xây dựng theo các quy tắc năng lượng nghiêm ngặt của Trung Quốc.
Tòa nhà được thiết kế với cách bảo tồn năng lượng trong nội tại, trong đó sử dụng các
Turbine gió và bản thu năng lượng mặt trời, các tế bào quang điện, hệ thống phân phối không khí dưới sàn, và hệ thống sưởi ấm và trần làm mát.
→Một trong những tòa nhà thân thiện với môi trường nhất trên thế giới.
KHỐI
Do Quảng Châu chịu ảnh hưởng chủ yếu
của gió mùa Đông Á nên mặt rộng phía
Nam của công trình được thiết kế lõm
vào để nhận gió, từ đó tận dụng triệt để chuyển hóa thành năng lượng gió. Trong
khi đó, mặt phía Bắc là vòng cung có
các tấm năng lượng mặt trời - khai thác năng lượng mặt trời
Nhờ các eo đón gió nhỏ hẹp và mặt lõm phía Nam của hình khối nên tối ưu hóa sự chênh lệch áp suất giữa mặt đón gió và mặt thoáng của tòa nhà, gió đi qua các eo này được tăng tốc
độ. Từ đó NĂNG LƯỢNG mà các tuabin khai thác sản lượng
điện gấp 8 lần so với tuabin đặt ở ngoài trời. Năng lượng được chuyển đổi thành năng lượng điện và được sử dụng trong tòa nhà.
Với thiết kế dạng trục đứng Helix, các Turbine gió trong công trình không phụ thuộc vào hướng gió, các tuabin có độ rung thấp, tiếng ồn thấp, hoạt động với nhiều hướng gió rất rộng. Do đó, tòa nhà này tận dụng được gió tăng tốc qua các eo gió này có thể được “thu hoạch” để tạo ra năng lượng điện sử dụng
Một số thông số kĩ thuật:
Trọng lượng: 4.6 tấn - Tốc độ quay giới hạn: 400 vòng/phút
Vật liệu: Cánh nhôm trục thép - Công suất : 6-12 MWh/ 1 năm
Các tính năng đặc biệt: - Không cần dừng hay bảo vệ khi có bão - Sản xuất năng lượng điện cực đại khi có bão Không phụ thuộc vào hướng của gió - Độ rung thấp, tiếng ồn thấp ( 0dB đo được từ khoảng cách 2m) - Chống tuyết, sương, nhiệt đồ và độ ẩm - Tuổi đời cao Ít bão dưỡng, chỉ cần bôi trơn định kì - An toàn
MỞ RỘNG
Không giống như các turbine truyền thống tạo ra năng lượng thông qua chuyển động của gió, sẽ không yêu cầu các bộ phận chuyển động cơ học mà thay vào đó sẽ sử dụng sự kết hợp của gió và nước để tạo ra
Công nghệ này được đặt tên là (bộ chuyển đổi năng lượng gió tĩnh điện) và được phát triển bởi Johan Smit và Dhiradj Djairam của TU Delft. Nó tạo ra năng lượng bằng cách sử dụng một điện trường
kim loại mỏng và vòi phun ra các giọt nước. làm cho các giọt chuyển động về phía các điện cực dương làm tăng thế năng của chúng - năng lượng mà một vật có được do vị trí của nó - và cho phép nó được khai thác.
Rotterdam, The Netherlands
Địa điểm: Rotterdam, the Netherlands. Kế hoạch xây dựng: 2022-2025.
Quy mô: 61.000m2 cho không gian công cộng, căn hộ, khách sạn, nhà hàng và là điểm thu hút khách du lịch.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Delft ở Hà Lan đã dẫn đầu sự phát triển của một “cối xay gió” có thể chuyển đổi năng lượng gió thành điện năng mà không cần sử dụng bất kỳ bộ phận chuyển động nào. Một nguyên mẫu của Bộ chuyển đổi năng lượng gió tĩnh điện, do công ty kiến trúc Mecanoo của Hà Lan thiết kế.
Rotterdam, The Netherlands
Chi phí bảo trì hệ thống rẻ hơn và ít gây mòn hơn do không có các bộ phận cơ khí chuyển động. Tính năng của Dutch windwheel không tạo ra tiếng ồn và không có bóng chuyển động. Bánh xe gió được trang bị bộ thu năng lượng mặt trời hỗn hợp nhiệt quang điện (PVT). Nó cũng tích hợp một hệ thống quản lý nước hiệu quả, thu nhận và sử dụng nước mưa bên trong cơ sở hoặc lưu trữ trong vùng đất ngập nước. Khí sinh học được sản xuất bằng cách thu gom chất thải hữu cơ từ tòa nhà. Toàn bộ cấu trúc được thiết kế để có thể tháo rời và tái sử dụng. Vật liệu địa phương, bến cảng và ngành công nghiệp thép xung quanh được đề xuất sử dụng để xây dựng cấu trúc.
Vortex Bladeless là một máy phát điện gió cộng hưởng rung động tạo ra xoáy. Nó khai thác năng lượng gió từ một hiện tượng xoáy được gọi là Vortex
Shedding. Hình trụ dao động trên một dải gió, sau đó tạo ra điện năng thông qua một hệ thống máy phát điện xoay chiều. Máy phát điện gió xoáy có các tính năng và hiệu quả chi phí theo thời gian tương tự với các tấm pin mặt trời hơn là các turbine gió thông thường.
1. Tiềm năng phát triển
Hệ thống bánh răng, trục xoay → tốn chi phí bảo dưỡng
Giảm 53% chi phí sản xuất Giảm 80% trọng lượng (https://www.electrichunter.com/ev-news/spain-building-next-generation-wind-power-plants)
LIÊN HỆ MỞ RỘNG
° Song song với hướng gió
° Quay trong điều kiện quy định (hướng gió, cường độ gió và luồng gió liên tục)
° Cánh quạt hướng về phía luồng gió
° Khó khăn trong kiểm tra, bảo trì
nhỏ gọn hơn và có mật độ năng lượng/ km2 lớn hơn nhiều so với HAWT. Tuy nhiên, trong điều kiện gió thấp, VAWT không thể tạo ra một lượng năng lượng đáng kể. Vấn đề này có thể được giải quyết với việc sử dụng gốm áp điện. Những đồ gốm này có thể chuyển đổi năng lượng thu được từ các rung động thành năng lượng điện có thể sử dụng được → Turbine gió trục đứng hỗ trợ áp điện là một giải pháp khả thi cho môi trường đông dân cư.
° Vuông góc với hướng gió
° Hoạt động tốt trong khu vực có điều kiện gió hỗn loạn (mái nhà, bờ biển, cảnh quan thành phố)
° Cánh quạt nhận luồng gió từ mọi hướng
° Kiểm tra, bảo trì dễ dàng
° Có thể hoạt động với tốc độ gió thấp
2. Tiềm năng ứng dụng công nghệ ở Việt Nam
Tiềm năng phát triển điện gió: Nằm trong vùng khí hậu gió mùa và được định hình bởi
đường bờ biển dài hơn 3.260km, Việt Nam có tiềm năng lớn trong
phát triển điện gió. 8,6% diện tích đất liền của Việt Nam rất
giàu tiềm năng, thuận lợi cho việc lắp đặt các turbine gió lớn đặc biệt tại vùng Đồng bằng sông Cửu Long những vùng ven biển, ngoài khơi thuộc các tỉnh Bạc Liêu, Cà Mau, Sóc Trăng, Trà Vinh, Bến Tre... có tiềm năng gió rất cao, dễ khai thác và rất thuận lợi cho việc đầu tư các dự án điện gió.(GIZ)
- Về đất đai, các địa phương trên có chiều dài bờ biển, vùng đất bãi bồi, - Về hạ tầng, có các đường điện 110kV hiện hữu rất thuận lợi cho việc đấu nối điện của dự án vào lưới điện quốc gia.
- Về nguồn lao động dồi dào, thuận lợi cho việc sử dụng để thực hiện dự án.
Hiện có 9 nhà máy/trang trại điện gió đang vận hành với tổng công suất 304,6 MW, trong đó lớn nhất là trang trại điện gió Bạc Liêu với gần 100 MW, nhỏ nhất là nhà máy điện gió Phú Quý 6 MW nối lưới độc lập (không nối lưới điện quốc gia) trên đảo Phú Quý, tỉnh Bình Thuận, còn lại là 7 nhà máy điện gió quy mô công suất nhỏ dưới 50 MW.
Bên cạnh đó, 18 dự án nhà máy/trang trại điện gió đã được khởi công và đang trong quá trình xây dựng với tổng công suất 812 MW, trong đó có 2 dự án có công suất từ 100 MW trở lên là Bạc
Liêu 3 và Khai Long (Cà Mau), còn lại 16 dự án có quy mô công suất nhỏ từ 20 MW đến 65 MW.
Điện gió sẽ được phát triển đáng kể từ công suất khoảng 600
MW năm 2020 lên trên 11-12 GW năm 2025 và trên 18-19 GW
năm 2030. Tỷ lệ công suất điện gió chiếm 12% tổng công suất
lắp đặt. công suất vào năm 2025 và 13% tổng công suất lắp đặt vào năm 2030.
Với điều kiện tài chính và công nghệ còn hạn chế, việc khai thác nguồn năng lượng từ gió ở nước ta chỉ đang dừng lại ở các turbin gió trục ngang ở các khu vực với diện tích rộng lớn (bãi biển, vùng núi,...)
→ Với những công nghệ điện gió mới như
Ewicon, vortex bladeless, VAWP có thể tận dụng được các không gian đô thị đông đúc của Việt Nam (công viên công cộng, mái nhà,...)
