Bài tìm hiểu sơ lược về năng lượng gió và một số vấn đề liên quan! Mong mọi người trao đổi và góp ý!

1. BÀI TÌM HIỂU
VẬT LÍ MÔI TRƯỜNG
Nhóm 2: Lê Thành Đạt
Nguyễn Thái Hà

2. Mục lục
• 5.1.2 Ô nhiễm do phương tiện vận chuyển và phương tiện đi lại
• 5.1.3 Năng lượng Eolic ( Năng lượng gió )
• Tìm hiểu thêm: Nguyễn tắc hoạt động Tuabin gió

3. 5.1.2. Ô nhiễm do phương tiện vận chuyển và phương tiện đi lại
• Xe cộ là tác nhân chính gây ô nhiễm môi trường. Điều này có thể thấy rõ đặc biệt
là vào giờ cao điểm ở các thành phố lớn. Hạn chế sự thải ra của các chất gây ô
nhiễm, hay kiểm soát bản chất hóa học của chúng có hiệu quả rõ rệt trong các vấn
đề ô nhiễm không khí và tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch.

4. 1. Giả thiết rằng lực kéo của không khí Fd và lực cản Fr tác dụng lên một chiếc
xe đang chuyển động đều với vận tốc v là không đổi. Hãy tìm tổng công suất hao
phí dùng để thắng những lực trên.
• Bài giải 1 (cấp độ A):
Công suất hao phí bằng công thực hiện được trong một đơn vị thời gian để thắng
lực ma sát
W = F.d/t,
trong đó: d là độ dời và t là thời gian lực ma sát không đổi F = Fd + Fr tác dụng lên
vật. Vì d/t = v – tốc độ không đổi của chiếc xe nên ta có
W = (Fd + Fr)v

5. • Bài giải 2 (cấp độ B):
Công suất hao phí W là tỉ lệ mà năng lượng E được sử dụng để thắng lực cản
W = dE/dt = 푤 =
푑퐸
푑푡
=
푑
푑푡
푥(푡)
( 0
푑푥퐹) =
푑
푑푡
푡
퐹푣푑푡) = 퐹푣 = (퐹푑 + 퐹푟 )푣,
( 0
trong đó: v = dx/dt là vận tốc của xe. Biểu thức này vẫn đúng kể cả khi lực cản và
vận tốc v không là hằng số

6. 2. Một chiếc xe có khối lượng m = 1000kg, hệ số cản của không khí là Cd = 0.3, và
diện tích bề mặt phía trước xe là A = 1.89 m2. Tác nhân chính gây hao phí năng
lượng khi xe chạy ở tốc độ thấp và tốc độ cao là gì? Ở tốc độ nào (km/h) công suất
hao phí do lực cản không khí cân bằng với công suất hao phí do lực ma sát trượt?
Tốc độ này có khác với tốc độ mà tại đó lực cản không khi bằng lực ma sát trượt
không? Mật độ không khí là ρ = 1.2kg/m3 và hệ số ma sát trượt là Cr = 0.01
• Bài giải:
Lực cản không khí được tính bằng công thức:
Fd = (Cd/2)ρAv2,
trong đó v là tốc độ của xe
Lực ma sát trượt được tính bằng công thức:
Fr = Cr.mg,
trong đó g là gia tốc trọng trường

7. Công suất hao phí do lực cản làW = Wd + Wr,
trong đóWd = (Cd/2)ρAv3 vàWr = Crmgv
Tỉ lệ giữa công suất năng lượng hao phí do lực cản không khí và do lực ma sát trượt
là
푊푑
푊푟
=
퐶푑휌퐴
2퐶푟푚푔
푣2
tỉ lệ thuận với bình phương vận tốc của xe. Lực ma sát trượt chiếm ưu thế khi xe
chạy ở tốc độ thấp còn lực cản không khí đóng vai trò lớn hơn khi ở tốc độ cao.
Công suất hao phí do lực cản không khí và do ma sát trượt bằng nhau khi
(Cd/2)ρAv2 = Cr.mg
hay
푣 = (
2퐶푟
퐶푑
푚푔
휌퐴
)1/2= (
2. 0.01
0.3
(1. 103 푘푔)(9.81 푚. 푠−2)
1.2푘푔푚−3 (1.89 푚2)
)1/2= 17
푚
푠
= 61
푘푚
ℎ
Điều kiện để Fd = Fr giống điều kiện đểWd = Wr và vì thế xảy ra ở cùng tốc độ của
xe

8. 5.1.3 Năng lượng Eolic ( Năng lượng gió )
• Có một giới hạn cơ sở (giới hạn Betz) cho hiệu suất của cối xay gió chuyển đổi
năng lượng gió thành cơ năng chạy máy móc. Nhìn chung, tiềm năng và giới hạn
của các nguồn năng lượng tái tạo cần được hiểu rõ trước khi cho rằng chúng là
giải pháp cho mọi vấn đề nảy sinh do yêu cầu tiêu thụ năng lượng ngày một tăng.
Điều này không có nghĩa là chúng ta nên tránh né các nguồn năng lượng tái tạo:
chúng đáng để ta bỏ công tìm hiểu khi điều kiện cho phép và chúng sẽ trở nên
ngày càng cạnh tranh hơn với năng lượng hóa thạch khi mà giá xăng dầu mới đây
lại tăng

9. 1. Đánh giá năng lượng thu được tối ra của một cối xay gió với một rotơ bán kính r
= 4m hoạt động trong gió chuyển động đều ổn định với vận tốc 10m/s với hiệu suất
η = 40%. Kết quả phụ thuộc thế nào vào vận tốc gió? Có thực tế không? Nếu thay
thế 1 nhà máy năng lượng hạt nhân hoặc 1 nhà máy nhiệt điện bằng một cánh đồng
cối xay gió?
Gợi ý: Tính động năng của một hình trụ không khí thẳng đứng có bán kính r có một
đầu gắn với cánh quạt cối xay gió
• Bài giải:
Cối xay gió chuyển hóa động năng của không khí tác động vào nó thành điện năng.
Tính động năng của một hình trụ không khí thẳng đứng có bán kính r có một đầu
gắn với rotơ cối xay gió (hình 1). Trong suốt thời gian t, không khí truyền qua rotơ
dịch chuyển một đoạn L = vt, trong đó v là vận tốc gió không đổi.

10. Động năng của không khí chưa trong hình trụ có chiều dài L và bán kính r là:
1
2
푚푣2 =
1
2
휌푎푖푟 퐿휋푟2 푣2 =
1
2
휌푎푖푟휋푟2푣3푡
trong đó 푚 = 휌푎푖푟 퐿휋푟2 là khối lượng không khí chưa trong hình trụ có thể tích V
= πr2L. Năng lượng thu được của cối xay gió với hiệu suất η là
푊 =
푑퐸푡ạ표 푟푎
푑푡
= 휂
푑(
푚푣2
2
)
푑푡
=
휂휋
2
휌푎푖푟 푟2푣3
và nó phụ thuộc vào nguồn năng lượng thứ ba của gió với vận tốc v. Cụ thể,
푤 =
0.40휋
2
1.2
푘푔
푚3 4푚 2 10
푚
푠
3
= 104푊
Để thay thế một nhà máy công suất 1GW với một cánh đồng cối xay gió, cần
1GW/104W = 105
cối xay gió, giả thiết đơn giản rằng sự có mặt của 1 cối xay gió không làm giảm hiệu
suất của cối xay gió gần đấy.

11. Lựa chọn đó rõ ràng là không tưởng và cối xay gió chỉ phù hợp để sản xuất những
lượng nhỏ năng lượng eolic. Sự phụ thuộc của năng lượng thu được vào v3 khiến
cho cối xay gió chỉ có tác dụng ở những vùng có gió mạnh đi qua

12. 2. a. Năng lượng tối đa trên lí thuyết một cối xay gió có rotor ngang (cánh quạt có
bán kính R = 1.5m) hoạt động trong gió thổi theo phương ngang có vận tốc trung
bình v = 3.1m/s? Mật độ không khí ở 20°C là 1.2kg/m3. Năng lượng này có đủ dùng
cho gia đình không?
b. Giả thiết rằng cối xay gió được nâng cấp thành một cánh quạt có bán kính 5m,
được đặt trên 1 tháp mà cho phép cánh quạt quay với tốc độ cao hơn là 4m/s. Năng
lượng lớn nhất có thể sinh ra theo lí thuyết là bao nhiêu?
• Bài giải:
Hiệu suất cao nhất có thể có của cối xay gió với cánh quạt nằm ngang là “Betz
limit”
ηBetz = 16/27 = 59%
Không khí tác động lên cánh quạt theo phương ngang trong thời gian rất nhỏ dt đi
ngang qua 1 hình trụ có bán kính R và chiều dài vdt và mang theo năng lượng gió có
giá trị
푑퐸 =
1
2
푑푚푣2 =
1
2
휌 푑푉 푣2 =
1
2
휌(휋푅2푣푑푡)푣2

13. và công suất
푑퐸
푑푡
=
휋
2
휌푅2푣3
Gió không bị chặn lại bởi cánh quạt và chỉ một phần nhỏ so với ηBetz của năng lượng
này có thể được chuyển thành điện năng (tức là trên thực tế, công suất thực nhỏ hơn
giới hạn Betz), hay:
휂퐵푒푡푧
푑퐸
푑푡
=
휋휂퐵푒푡푧
2
휌푅2푣3 =
휋. 0.59
2
1.2
푘푔
푚3 1.5푚 2 3.1
푚
푠
3
= 75푊
một lượng quá nhỏ kể cả cho điện sử dụng trong gia đình
b. Đối với cối xay gió đã được nâng cấp thì con số này là:
휂퐵푒푡푧
푑퐸
푑푡
=
휋휂퐵푒푡푧
2
휌푅2푣3 =
휋. 0.59
2
1.2
푘푔
푚3 5.0푚 2 4.0
푚
푠
3
= 1.8. 103푊
tức là gấp 24 lần so với kết quả trước. Điều này không có gì là đáng ngạc nhiên khi
gấp đôi kích thước cánh quạt làm gấp 4 lần năng lượng sinh ra và gấp đối tốc độ gió
nhân 8 lần năng lượng. Kết quả này cho thấy cối xay gió lớn nên được đưa vào
nghiêm cứu kĩ hơn

14. 3. (B) Năng suất trên lí thuyết của một cối xay gió có cánh quạt ngang đặt trong gió
thổi theo phương ngang có thể được biểu diễn bằng phương trình
휂 =
2 − 푣푟푎
(푣푣à표 + 푣푟푎)(푣푣à표
2 )
3
2푣푣à표
trong đó vvào và vra là vận tốc bên trên và bên dưới của tua-bin. Tìm giá trị lớn nhất
có thể có của η (gọi là giới hạn Betz)
• Bài giải:
Ta có x ≡ vra/vvào, vì thế có thể khử một trong hai giá trị trong biểu thức. Hiệu suất
khi này trở thành:
휂 푥 =
1
2
1 + 푥 1 − 푥2
với 0 ≤ x ≤ 1, và chúng ta đi tìm giá trị lớn nhất của η(x) trong khoảng này.
Vì η(x) là hàm một đa thức, nó liên tục với mọi giá trị của đạo hàm. Ngoài ra, η(0) =
½ và η(1) = 0. Đạo hàm đầu tiên có giá trị:
푑휂
푑푥
= −
1
2
3푥2 + 2푥 − 1 = −
3
2
푥 + 1 푥 −
1
3

15. Giá trị x+1 là dương trong khoảng này, và dấu của η(x) là ngược với dấu của
푥 −
1
3
và
푑휂
푑푥
> 0 푛ế푢 0 ≤ 푥 <
1
3
푑휂
푑푥
< 0 푛ế푢
1
3
< 푥 ≤ 1
Vậy ta có thể kết luận η(x) đạt cực đại địa phương tại x = 1/3. Vì η(1/3) = 16/27 ≈
0.59 > η(0) = 0.5, đây cũng là cực đại trong khoảng [0,1].
Vì thế, giới hạn Betz của cối xay gió theo phương ngang là:
ηBetz = 16/27 = 59%

16. NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA TUABIN GIÓ

17. • Làm cách nào để các tuabin gió tạo ra điện? Nói một cách đơn giản, một
tuabin gió có nguyên tắc hoạt động trái ngược với một chiếc quạt. Thay cho
việc sử dụng điên để tạo ra gió, như chiếc quạt, thì tuabin gió lại sử dụng
gió để tạo ra điện. Gió làm quay các cánh quạt, các cánh quạt này làm quay
trục, trục này gắn với một máy phát điện từ đó tạo ra điện.
• http://energy.gov/eere/wind/how-does-wind-turbine-work: trang web mô tả
nguyên tắc làm việc của tuabin gió.
• Gió là một dạng của năng lượng mặt trời và là kết quả của sự nung nóng
không đều khí quyển từ năng lượng của mặt trời do sự không bằng phẳng
của bề mặt Trái đất và do sự nghiêng trục quay của Trái đất.
• Gió được miêu tả trong quá trình ở trên đã được sử dụng để tạo ra năng
lượng cơ học hay điện. Các tuabin gió đã chuyển đổi động năng của gió
thành năng lượng cơ học. Năng lượng cơ học này có thể sử dụng cho các
nhiệm vụ cụ thể(như xay ngũ cốc hoặc bơm nước) hoặc sử dụng cho một
máy phát điện chuyển đổi năng lượng cơ học thành điện năng.

18. CÁC LOẠI TUABIN GIÓ
• Tua bin gió hiện đại được chia thành hai loại cơ bản: loại có trục nằm ngang, được
mô tả như trong hình ảnh bên trái, và loại có trục nằm dọc, như mô hình
eggbeater-style của Darrieus, một nhà phát minh người Pháp ở bức tranh bên phải.
Tuabin gió có trục nằm ngang thông thường có hai hoặc ba cánh. Những tuabin
gió ba cánh hoạt động “ngược chiều gió” với các cánh tuabin tiếp xúc trực tiếp với
gió.
• Tuabin gió có thể được xây dựng trên đất liền hoặc tại các vùng nước lớn như đại
dương hoặc hồ lớn. Hiện nay ở Việt Nam, tuabin gió đã được vận hành sử dụng tại
một số nơi như Bình Thuận, Hải Phòng.

19. KÍCH THƯỚC TUABIN GIÓ
• Các tuabin lớn có công suất từ 100 KW đến lớn như một vài MW. Các tuabin gió
càng rộng thì hiệu suất càng lớn. Thông thường một trang trại gió gồm nhiều các
tuabin gió rộng, cung cấp nguồn điện năng lớn cho lưới điện quốc gia.

20. TRANG TRẠI GIÓ

21. • Các trang trại gió lớn nhất trên thế giới được xây dựng tại bờ biển các nước như
Trung Quốc, Mĩ.
• Ví dụ các trang trại gió ở Cam Túc, Trung Quốc, có công suất hơn 5000 MW và
đặt mục tiêu nâng công suất lên thành 20000 MW vào năm 2020.
• Trung tâm năng lượng gió Alta California, Mĩ là trang trại gió trên bờ lớn nhất bên
ngoài Trung Quốc, với công suất 1020 MW.
• Tính đến tháng 4 năm 2013, với công suất 630 MW trang trại gió London Array
trong vương quốc Anh là trang trại gió ngoài khơi lớn nhất trên thế giới.