Bài học

Vận dụng: năng lượng gió theo điều kiện tự nhiên

Mục tiêu bài học

Sau bài học này, em đọc và giải thích được bảng/biểu đồ công suất phát theo tốc độ gió, nhận biết được quan hệ không tuyến tính giữa chúng, tính được điện năng khi tốc độ gió thay đổi trong ngày, và so sánh được hai phương án lắp đặt tua-bin gió để chọn phương án hiệu quả hơn.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước đã nêu: công suất phát của tua-bin gió phụ thuộc rất mạnh vào tốc độ gió, và điện năng vẫn tính bằng $A = P.t$ . Bài này dùng số liệu công suất thực đo ở các tốc độ gió khác nhau để em thấy rõ mối quan hệ đó bằng con số, thay vì chỉ nghe mô tả định tính.

Bài trước đã nêu: công suất phát của tua-bin gió phụ thuộc rất mạnh vào tốc độ gió, và điện năng vẫn tính bằng $A = P.t$. Bài này dùng số liệu công suất thực đo ở các tốc độ gió khác nhau để em thấy rõ mối quan hệ đó bằng con số, thay vì chỉ nghe mô tả định tính.

Khởi động

Hai tua-bin cùng loại đặt ở hai vùng: vùng A có tốc độ gió trung bình 6 m/s, vùng B có tốc độ gió trung bình 9 m/s — chỉ chênh 3 m/s. Vậy mà sản lượng điện của vùng B cao hơn vùng A đến hơn hai lần. Vì sao một chênh lệch tốc độ gió nhỏ lại tạo ra chênh lệch công suất lớn đến vậy?

Kiến thức trọng tâm

Vì vậy, khi khảo sát địa điểm cho một dự án điện gió, kỹ sư đo đạc tốc độ gió trung bình trong nhiều tháng trước khi quyết định đầu tư, thay vì chỉ nhìn vào số giờ có gió thổi. Ven biển Nam Trung Bộ, các vùng biển nông ngoài khơi, và cao nguyên Tây Nguyên được ưu tiên chính vì tốc độ gió trung bình ở đó cao và ổn định hơn phần lớn khu vực đất liền khác của Việt Nam.

Công suất phát của tua-bin gió tăng rất nhanh khi tốc độ gió tăng — nhanh hơn nhiều so với việc tăng đều theo từng đơn vị tốc độ. Bảng số liệu thực nghiệm dưới đây (bằng biểu đồ cột) cho công suất phát của một loại tua-bin ở các tốc độ gió khác nhau: khi tốc độ gió tăng từ 4 lên 8 m/s (gấp đôi), công suất không chỉ tăng gấp đôi mà tăng gấp nhiều lần hơn thế. Đây là lý do vị trí lắp đặt — chọn đúng vùng có tốc độ gió trung bình cao và ổn định — quan trọng hơn nhiều so với việc chỉ tăng số lượng tua-bin ở một vùng gió yếu. Vì vậy, khi khảo sát địa điểm cho một dự án điện gió, kỹ sư đo đạc tốc độ gió trung bình trong nhiều tháng trước khi quyết định đầu tư, thay vì chỉ nhìn vào số giờ có gió thổi. Ven biển Nam Trung Bộ, các vùng biển nông ngoài khơi, và cao nguyên Tây Nguyên được ưu tiên chính vì tốc độ gió trung bình ở đó cao và ổn định hơn phần lớn khu vực đất liền khác của Việt Nam.

Số liệu minh hoạ: tốc độ gió tăng gấp đôi (từ 4 lên 8 m/s) nhưng công suất tăng gấp 8 lần, không phải gấp đôi.

Ví dụ

Tính điện năng khi tốc độ gió thay đổi trong ngày

1
Dùng bảng số liệu trên, một tua-bin hoạt động 4 giờ ở tốc độ gió trung bình 8 m/s và 4 giờ ở tốc độ gió trung bình 6 m/s trong một ngày (ngoài thời gian đó gió quá yếu, tua-bin gần như không phát điện đáng kể). Tính tổng điện năng tua-bin tạo ra trong ngày đó.
2
Theo bảng, ở 8 m/s công suất $P_1 = 400\,\text{kW}$ . Với $t_1 = 4\,\text{h}$ : $A_1 = 400 \times 4 = 1600\,\text{kWh}$ . (1)
Theo bảng, ở 8 m/s công suất $P_1 = 400\,\text{kW}$. Với $t_1 = 4\,\text{h}$: $A_1 = 400 \times 4 = 1600\,\text{kWh}$. (1)
3
Theo bảng, ở 6 m/s công suất $P_2 = 170\,\text{kW}$ . Với $t_2 = 4\,\text{h}$ : $A_2 = 170 \times 4 = 680\,\text{kWh}$ . (2)
Theo bảng, ở 6 m/s công suất $P_2 = 170\,\text{kW}$. Với $t_2 = 4\,\text{h}$: $A_2 = 170 \times 4 = 680\,\text{kWh}$. (2)
4
Từ (1) và (2), tổng điện năng: $A = A_1 + A_2 = 1600 + 680 = 2280\,\text{kWh}$ .
Từ (1) và (2), tổng điện năng: $A = A_1 + A_2 = 1600 + 680 = 2280\,\text{kWh}$.
5
Vậy tua-bin tạo ra 2280 kWh trong ngày đó. Dù hai khoảng thời gian bằng nhau (4 giờ mỗi khoảng), phần lớn sản lượng đến từ 4 giờ gió mạnh hơn — minh hoạ đúng điều bài học vừa nêu: tốc độ gió ảnh hưởng đến công suất mạnh hơn nhiều so với thời gian.

Ví dụ

Bài toán dạng thi: so sánh hai phương án đầu tư điện gió

1
So sánh hai phương án đầu tư: phương án A đặt tua-bin ở vùng có tốc độ gió trung bình ổn định 8 m/s suốt 6 giờ mỗi ngày; phương án B đặt ở vùng có tốc độ gió trung bình chỉ 6 m/s nhưng thời gian gió đủ mạnh kéo dài 10 giờ mỗi ngày. Dùng bảng số liệu ở trên, tính và so sánh sản lượng điện mỗi ngày của hai phương án, từ đó đề xuất phương án nên chọn.
So sánh hai phương án đầu tư: phương án A đặt tua-bin ở vùng có tốc độ gió trung bình ổn định 8 m/s suốt 6 giờ mỗi ngày; phương án B đặt ở vùng có tốc độ gió trung bình chỉ 6 m/s nhưng thời gian gió đủ mạnh kéo dài 10 giờ mỗi ngày. Dùng bảng số liệu ở trên, tính và so sánh sản lượng điện mỗi ngày của hai phương án, từ đó đề xuất phương án nên chọn.
2
Theo bảng, ở 8 m/s: $P = 400\,\text{kW}$ . $A_A = 400 \times 6 = 2400\,\text{kWh}$ . (1)
Theo bảng, ở 8 m/s: $P = 400\,\text{kW}$. $A_A = 400 \times 6 = 2400\,\text{kWh}$. (1)
3
Theo bảng, ở 6 m/s: $P = 170\,\text{kW}$ . $A_B = 170 \times 10 = 1700\,\text{kWh}$ . (2)
Theo bảng, ở 6 m/s: $P = 170\,\text{kW}$. $A_B = 170 \times 10 = 1700\,\text{kWh}$. (2)
4
Từ (1) và (2): $2400\,\text{kWh} > 1700\,\text{kWh}$ , nên phương án A cho sản lượng cao hơn dù thời gian gió mạnh ngắn hơn phương án B.
Từ (1) và (2): $2400\,\text{kWh} > 1700\,\text{kWh}$, nên phương án A cho sản lượng cao hơn dù thời gian gió mạnh ngắn hơn phương án B.
5
Vậy nên ưu tiên phương án A. Một vùng gió mạnh hơn dù thời gian ngắn hơn vẫn có thể cho sản lượng điện tổng cao hơn một vùng gió yếu hơn nhưng kéo dài, vì công suất tăng rất nhanh (không tuyến tính) theo tốc độ gió.

Sai lầm thường gặp

Nhiều bạn nghĩ thời gian có gió (số giờ) quan trọng hơn tốc độ gió, nên chọn vùng gió yếu nhưng kéo dài thay vì vùng gió mạnh nhưng ngắn hơn. Bảng số liệu cho thấy tốc độ gió ảnh hưởng đến công suất mạnh hơn nhiều so với chỉ kéo dài thời gian ở tốc độ thấp.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Công suất phát của tua-bin gió tăng rất nhanh, không tuyến tính, khi tốc độ gió tăng — một chênh lệch nhỏ về tốc độ gió có thể tạo ra chênh lệch lớn về sản lượng điện. Vì vậy địa điểm với tốc độ gió trung bình cao và ổn định quan trọng hơn việc chỉ kéo dài thời gian ở vùng gió yếu.

Cầu nối

Gió và mặt trời đều phụ thuộc thời tiết, thay đổi theo giờ và mùa. Bài sau chuyển sang hai nguồn tái tạo khác ổn định hơn nhiều: nước tích trong hồ chứa và sinh khối tích trữ sẵn năng lượng, có thể dùng bất cứ lúc nào cần.