Luận văn Đánh giá tiềm năng năng lượng gió vùng biển ven bờ Việt Nam

ên các khu vực còn có ảnh hưởng của địa hình và các hoàn lưu địa phương. Trên khu vực vịnh Bắc Bộ hướng gió đông bắc và đông chiếm ưu thế tuyệt đối, các hướng gió nam và tây nam chỉ chiếm một phần nhỏ. Vào đến ven biển Trung Bộ hướng gió thịnh hành hàng năm chịu ảnh hưởng rất mạnh của địa hình dải bờ chạy theo hướng tây bắc -đông nam rồi chuyển dần qua hướng bắc - nam. Ở Nam Bộ hướng gió thịnh hành là tây nam với gió mùa Tây Nam hoạt động vào mùa hạ. Hướng gió thịnh hành trên các hòn đảo cũng tương tự như trên biển thể hiện qua hình sau: Cô Tô Bạch Long Vĩ Hòn Ngư Cồn Cỏ Côn Đảo Phú Quốc Hình 6: Hoa gió tại trạm khí tượng ở một số hòn đảo [8] Đánh giá tiềm năng năng lượng gió vùng biển ven bờ Việt Nam Trần Thị Bé 25 K19 Cao học Môi Trường Các đảo ở khu vực Bắc Bộ có hướng gió thịnh hành là đông bắc vì ở đây gió mùa Đông Bắc chiếm ưu thế như các đảo Cô Tô, Bạch Long Vĩ. Các đảo ở Trung Bộ có hướng tây bắc - đông nam hoặc bắc - nam như các đảo Hòn Ngư (Nghệ An), Cồn Cỏ (Quảng Trị), Lý Sơn (Quảng Ngãi). Tới Phú Quý (Bình Thuận) chế độ gió ở đây thịnh hành với hai hướng là đông bắc và tây nam. Ra khỏi ảnh hưởng của địa hình vùng bờ Trung Bộ, gió trên các đảo của vùng biển phía Nam có dạng chung của cơ chế gió mùa. Tuy nhiên những ảnh hưởng của địa hình khu vực cũng làm cho chúng khác nhau đáng kể. Ở Côn Đảo (Bà Rịa - Vũng Tàu) vẫn chịu ảnh hưởng của gió mùa Đông Bắc nên có hướng chính là đông bắc. Đảo Phú Quốc (Kiên Giang) nằm xa về phía tây nam khuất sau đồng bằng Nam Bộ so với hướng gió đông bắc và do các núi che chắn ở trên đảo nên hướng gió phân tán. 1.4.2.2. Tốc độ gió tầng thấp khu vực Biển Đông Với đặc tính các hoàn lưu như trên, có thể thấy hoàn lưu Đông Bắc có vai trò quan trọng hơn. Gió mùa Tây Nam mặc dù khá mạnh song khi tới Biển Đông thường đã suy yếu hoặc do bị các khối núi trên bán đảo Đông Dương ngăn cản hoặc cũng đã vượt khá xa từ khu vực xích đạo chủ yếu ở phần tây Ấn Độ Dương nên khi tới nam Biển Đông đã suy yếu. Mặt khác các dòng gió này thường hình thành từng đợt mạnh xen kẽ những đợt gió yếu làm cho tốc độ gió trung bình cả tháng thấp không như mùa đông. Có thể thấy trên Biển Đông nói chung và ven biển nước ta nói riêng hình thành 2 mùa gió khá rõ rệt. Mùa đông có tốc độ gió lớn hơn ở vịnh Bắc Bộ, vùng biển Trung Bộ. Đối với vùng biển Nam Bộ gió thường yếu đi rõ rệt, với các đảo phía đông thì tốc độ gió lớn hẳn vào gió mùa mùa đông như ở Côn Đảo, còn với các đảo phía tây nam thì tốc độ gió lớn hơn trong mùa hạ hay gió mùa Tây Nam như ở Phú Quốc. Có thể đây là ảnh hưởng của địa hình khu vực địa phương quanh đảo. Trên các hải đảo phía đông lãnh thổ, gió thổi rất mạnh. Tại các đảo phía nam do gần xích đạo gió thổi có tốc độ nhỏ hơn so với các đảo phía đông. Đánh giá tiềm năng năng lượng gió vùng biển ven bờ Việt Nam Trần Thị Bé 26 K19 Cao học Môi Trường Chương 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu * Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của Luận văn là năng lượng gió (cụ thể là tốc độ gió và mật độ năng lượng gió). * Phạm vi nghiên cứu: Phạm vi nghiên cứu của Luận văn là vùng biển ven bờ và các hải đảo của Việt Nam (Hình 8), cách đường bờ khoảng 50km (trừ một số hòn đảo ngoài khơi), được chia thành các khu vực sau: - Vùng biển Bắc Bộ bao gồm 5 tỉnh: Quảng Ninh, Hải Phòng, Thái Bình, Nam Định, Ninh Bình. - Vùng biển Bắc Trung Bộ bao gồm 6 tỉnh: Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh, Quảng Bình, Quảng Trị, Thừa Thiên Huế. - Vùng biển Nam Trung Bộ bao gồm 8 tỉnh, thành phố: Đà Nẵng, Quảng Nam, Quảng Ngãi, Bình Định, Phú Yên, Khánh Hòa, Ninh Thuận, Bình Thuận. - Vùng biển Nam Bộ bao gồm 9 tỉnh, thành phố: Bà Rịa-Vũng Tàu, Thành phố Hồ Chí Minh, Tiền Giang, Bến Tre, Trà Vinh, Sóc Trăng, Bạc Liêu, Cà Mau, Kiên Giang. - Các đảo gần bờ bao gồm 7 đảo: Cô Tô, Hòn Dấu, Hòn Ngư, Cồn Cỏ, Lý Sơn, Côn Đảo, Phú Quốc. - Các đảo xa bờ bao gồm 2 đảo: Bạch Long Vĩ, Phú Quý. Khu vực nghiên cứu và vị trí các trạm khí tượng dùng để khai thác số liệu về tốc độ gió thể hiện qua hình sau: Đánh giá tiềm năng năng lượng gió vùng biển ven bờ Việt Nam Trần Thị Bé 27 K19 Cao học Môi Trường Hình 7: Khu vực nghiên cứu 2.2. Phương pháp nghiên cứu Một số phương pháp dùng để tính toán tiềm năng lý thuyết năng lượng gió được sử dụng trong nghiên cứu của Luận văn này là: 2.2.1. Phương pháp tính toán tốc độ gió ở các độ cao khác nhau Để đánh giá tiềm năng năng lượng gió tại một độ cao nào đó của khu vực, cần phải biết giá trị tốc độ gió ở độ cao đó. Song, trong thực tế, trên thế giới nói chung và ở nước ta nói riêng, số trạm quan trắc cao không (có thể quan trắc được gió trên các độ cao) rất ít. Do đó, những nơi không có thiết bị quan trắc gió trên cao, phải xác định gió cho các độ cao một cách gián tiếp dựa vào tốc độ gió mặt đất quan trắc được từ các trạm khí tượng bằng một hàm phân bố gió theo độ cao. Đánh giá tiềm năng năng lượng gió vùng biển ven bờ Việt Nam Trần Thị Bé 28 K19 Cao học Môi Trường Phân bố gió theo độ cao (thường gọi là profil gió) ở từng khu vực, từng thời điểm cụ thể phụ thuộc không chỉ vào độ gồ ghề của mặt đệm mà cả tầng kết nhiệt của khí quyển và một số yếu tố khác. Nếu chỉ dừng ở những đặc trưng trung bình dài ngày như trung bình tháng, nămnhững ảnh hưởng của các đặc trưng môi trường tới profil gió nhỏ nên người ta thường chỉ để ý đến ảnh hưởng của độ nhám của lớp bề mặt. Khi đó quy luật biến đổi theo độ cao của tốc độ gió trong lớp gần mặt đất có thể biểu diễn theo 2 hàm cơ bản là logarit và lũy thừa. Người ta thường gọi là quy luật loga hay lũy thừa. Hiện nay, trên thế giới thường áp dụng 2 quy luật này để ước lượng gián tiếp profil gió theo độ cao. Tuy nhiên, theo nhiều tài liệu cho thấy, sử dụng hàm phân bố loga vừa tiện lợi vừa phù hợp khá tốt đối với tốc độ gió trong lớp khí quyển từ mặt đất đến độ cao khoảng 100m. Quy luật loga nhằm mô phỏng sự biến đổi theo chiều thẳng đứng của tốc độ gió ngang trong lớp biên, chủ yếu là lớp bề mặt (từ mặt đất đến độ cao khoảng 100m). Ở những lớp cao thuộc khí quyển tự do thì phân bố gió lại tuân theo luật gió địa chuyển. Nếu biết tốc độ gió V1 ở độ cao z1 có thể tính được tốc độ gió Vz ở độ cao zz theo công thức sau: )z/zln( )z/zln( V V 01 0z 1 z = (2.1) Suy ra: )/ln( )/ln( . 01 0 1 zz zzVV zz = (2.2) Trong đó, Vz là tốc độ gió ở độ cao cần tính zz, V1 là tốc độ gió quan trắc mặt đất, z0 là độ gồ ghề của mặt đệm, mức z1 là độ cao của máy đo gió mặt đất (z1 = 10 mét). Do độ cao cần tính thường lớn hơn độ cao đo gió mặt đất (zz > z1) nên Vz > V1 hay tốc độ gió tăng theo độ cao của địa hình. Ngoài ra, mức độ tăng lên của tốc độ gió theo độ cao phụ thuộc vào độ gồ ghề của mặt đệm (z0). Khi độ gồ ghề của mặt đệm càng lớn thì tốc độ gió ở độ cao cần tính (Vz) càng tăng nhanh. Đánh giá tiềm năng năng lượng gió vùng biển ven bờ Việt Nam Trần Thị Bé 29 K19 Cao học Môi Trường 2.2.1.1. Bộ số liệu về tốc độ gió dùng để tính toán năng lượng gió Số liệu gió quan trắc trên các trạm khí tượng bề mặt, phục vụ chủ yếu việc dự báo thời tiết và các nghiên cứu khí hậu, nên thường chưa đáp ứng được yêu cầu tính toán các đặc trưng khí hậu gió phục vụ mục tiêu khai thác năng lượng gió do khoảng cách đo khá lớn (3 - 6 giờ), thiết bị đo thay đổi và thường là độ chính xác chưa cao, độ cao đặt máy đo thấp (10m)Tuy nhiên, đây là các bộ số liệu đủ dài để phản ánh những biến động vốn có của chế độ gió mà không bộ số liệu khảo sát nào có thể có được. Nếu chỉ dựa vào số liệu đo một thời gian ngắn để đánh giá tiềm năng năng lượng gió sẽ không thể phản ánh được những đặc tính của nó gắn với những điều kiện địa phương, dẫn đến những đánh giá thiếu chính xác về nguồn năng lượng có thể khai thác cũng như những tính thất thường của nó. Trên vùng lãnh hải của nước ta, hầu như chưa có trạm quan trắc khí tượng nào đặt trực tiếp trên bề mặt biển như ở nhiều nước. Có 4 trạm phao đo các yếu tố khí tượng hải văn do Na Uy tài trợ, đặt tại một số khu vực biển gần bờ thuộc các tỉnh Trung Bộ nhưng chỉ hoạt động được một ít ngày thì bị mất, hầu như chưa có số liệu thu thập được. Thay vào đó, chúng ta có các trạm khí tượng hải văn đặt trên các đảo nằm rải rác trên vùng biển dọc bờ từ Bắc vào Nam, đã hoạt động liên tục trong nhiều thập kỷ gần đây. Do nguồn số liệu đo đạc về gió trên mặt biển chưa có và do hạn chế về nguồn kinh phí cũng như thời gian nghiên cứu có hạn nên trong Luận văn này, nguồn số liệu về gió dùng để tính toán năng lượng gió được thu thập từ 45 trạm khí tượng bao gồm 36 trạm duyên hải và 9 trạm hải đảo, thời gian quan trắc là trong 10 năm (1995 - 2004). Các trạm này tiêu biểu cho vùng duyên hải và các đảo gần bờ thuộc lãnh thổ Việt Nam, trải dài từ Bắc xuống Nam. Nguồn số liệu này chủ yếu được thu thập từ các Báo cáo nghiên cứu khoa học cấp Nhà nước, cấp Bộ đã được phê duyệt và nghiệm thu [3, 10]. Các trạm khí tượng dùng để khai thác số liệu về tốc độ gió tầng thấp (10m) sử dụng trong Luận văn này được nêu ở Bảng 8 sau đây: Đánh giá tiềm năng năng lượng gió vùng biển ven bờ Việt Nam Trần Thị Bé 30 K19 Cao học Môi Trường Bảng 8: Danh sách các trạm khí tượng vùng duyên hải và hải đảo dùng để khai thác số liệu về tốc độ gió tầng thấp [3, 10] TT Tên trạm Tỉnh Vĩ độ Bắc (độ) Kinh độ Đông (độ) Độ cao (m) Số obs 1 Móng Cái Quảng Ninh 21,52 107,97 7 8 2 Tiên Yên 21,33 107,40 14 8 3 Cửa Ông 21,02 107,35 60 4 4 Cô Tô 20,98 107,77 70 4 5 Bãi Cháy 20,97 107,07 87 8 6 Phù Liễn Hải Phòng 20,80 106,63 113 8 7 Hòn Dấu 20,67 106,80 38 4 8 Bạch Long Vĩ 20,13 107,72 68 8 9 Thái Bình Thái Bình 20,42 106,38 3 4 10 Văn Lý Nam Định 20,12 106,30 3 4 11 Ninh Bình Ninh Bình 20,25 105,98 2 4 12 Sầm Sơn Thanh Hóa 19,75 105,90 2 4 13 Tĩnh Gia 19,45 105,78 5 4 14 Quỳnh Lưu Nghệ An 19,13 105,63 3 4 15 Hòn Ngư 18,80 105,77 113 4 16 Vinh 18,67 105,68 6 8 17 Hà Tĩnh Hà Tĩnh 18,35 105,90 3 8 18 Kỳ Anh 18,10 106,27 3 8 19 Ba Đồn Quảng Bình 17,75 106,42 8 4 20 Đồng Hới 17,47 106,62 7 8 21 Cồn Cỏ Quảng Trị 17,17 107,35 6 4 22 Đông Hà 16,83 107,10 4 4 23 Huế Thừa Thiên Huế 16,43 107,58 17 8 24 Đà Nẵng Đà Nẵng 16,07 108,35 6 8 25 Tam Kỳ Quảng Nam 15,57 108,47 5 4 26 Lý Sơn Quảng Ngãi 15,38 109,15 12 4 27 Quảng Ngãi 15,12 108,80 8 8 Đánh giá tiềm năng năng lượng gió vùng biển ven bờ Việt Nam Trần Thị Bé 31 K19 Cao học Môi Trường TT Tên trạm Tỉnh Vĩ độ Bắc (độ) Kinh độ Đông (độ) Độ cao (m) Số obs 28 Hoài Nhơn Bình Định 14,52 109,03 6 4 29 Quy Nhơn 13,77 109,22 5 8 30 Tuy Hòa Phú Yên 13,08 109,28 11 8 31 Nha Trang Khánh Hòa 12,30 109,13 5 8 32 Cam Ranh 11,92 109,15 7 4 33 Phan Thiết Bình Thuận 10,93 108,10 9 8 34 Hàm Tân 10,68 107,75 5 4 35 Phú Qúy 10,52 108,93 5 8 36 Vũng Tàu Bà Rịa-Vũng Tàu 10,37 107,08 4 8 37 Côn Đảo 8,68 106,60 7 8 38 Mỹ Tho Tiền Giang 10,35 106,40 2 4 39 Ba Tri Bến Tre 10,05 106,60 12 4 40 Càng Long Trà Vinh 9,98 106,20 7 4 41 Sóc Trăng Sóc Trăng 9,60 105,97 3 4 42 Bạc Liêu Bạc Liêu 9,30 105,72 2 4 43 Cà Mau Cà Mau 9,18 105,15 3 8 44 Rạch Giá Kiên Giang 10,02 105,07 2 8 45 Phú Quốc 10,22 103,97 2 8 Nguồn số liệu về gió dùng để tính toán năng lượng gió trong Luận văn này được thu thập từ 45 trạm khí tượng vùng duyên hải và hải đảo Việt Nam với khoảng thời gian quan trắc trong 10 năm (1995 - 2004). Vì độ lớn của năng lượng tỉ lệ thuận với tam thừa của tốc độ gió nên độ tin cậy của kết quả tính toán phụ thuộc rất chặt chẽ vào độ chính xác của nguồn số liệu đo đạc. Do đó, việc hiệu chỉnh số liệu là rất quan trọng, điều này sẽ loại trừ được các sai số thô, sai số hệ thống, loại trừ tính bất đồng nhất trong các chuỗi số liệu và tuyển chọn các chuỗi số liệu cần thiết, hợp lý và đủ cho mục đích tính toán năng lượng gió. Đánh giá tiềm năng năng lượng gió vùng biển ven bờ Việt Nam Trần Thị Bé 32 K19 Cao học Môi Trường Việc phát hiện và loại bỏ các số liệu xấu được tiến hành trên dãy số liệu trung bình năm và trung bình từng tháng của cả thời gian quan sát ở mỗi trạm. Số liệu khả nghi là các giá trị lạ chưa từng xảy ra hoặc rất hiếm gặp trong cả thời gian quan sát. Ngoài ra, còn tồn tại một vấn đề cần quan tâm là sự có mặt của tần suất cao các cấp độ gió yếu và đặc biệt là lặng gió. Thời gian lặng gió có thể được xem như thời gian có tốc độ gió ở dưới 1 ngưỡng VT nào đó (thường VT < 2m/s) phụ thuộc vào kỹ năng quan trắc của quan trắc viên và đặc tính làm việc của máy đo gió. Khi đó, trong kết quả ghi chép lại ở thời gian lặng gió thì tốc độ gió có giá trị V = 0m/s. Do vậy, giá trị trung bình theo tháng, năm của tốc độ gió thực (số liệu ghi chép theo thực tế đo được của máy) nhỏ hơn nhiều so với giá trị trung bình theo tháng, năm của tốc độ gió đã tách lặng (sau khi đã loại bỏ các giá trị V = 0m/s ra khỏi chuỗi số liệu để tính toán), điều này thể hiện rõ trong Bảng 9 dưới đây. Trong Luận văn này chỉ sử dụng giá trị trung bình của tốc độ gió đã tách lặng ở các trạm khí tượng vùng duyên hải và hải đảo trong thời gian có gió mùa mùa hạ (từ tháng 5 đến tháng 9), trong thời gian có gió mùa mùa đông (từ tháng 10 đến tháng 4 năm sau), và cả năm để tính toán mật độ năng lượng gió nhằm đánh giá tiềm năng năng lượng gió. Bảng 9: Tốc độ gió thực và tốc độ gió tách lặng trung bình theo mùa, năm tại các trạm khí tượng vùng duyên hải và hải đảo, độ cao 10m [3, 10] Đơn vị:m/s TT Tên trạm Vận tốc gió thực Vận tốc gió tách lặng Mùa hạ Mùa đông Năm Mùa hạ Mùa đông Năm 1 Móng Cái 1,7 1,7 1,7 2,7 2,7 2,7 2 Tiên Yên 1,6 1,7 1,7 3,3 3,4 3,4 3 Cửa Ông 3,1 3,1 3,1 3,2 3,2 3,2 4 Cô Tô 4,2 4,6 4,4 4,5 4,9 4,7 5 Bãi Cháy 2,6 2,6 2,6 2,9 3,0 3,0 6 Phù Liễn 3,1 2,9 3,0 3,8 3,3 3,6 7 Hòn Dấu 5,1 4,4 4,7 5,4 4,5 5,0 Đánh giá tiềm năng năng lượng gió vùng biển ven bờ Việt Nam Trần Thị Bé 33 K19 Cao học Môi Trường TT Tên trạm Vận tốc gió thực Vận tốc gió tách lặng Mùa hạ Mùa đông Năm Mùa hạ Mùa đông Năm 8 Bạch Long Vĩ 6,0 6,5 6,3 6,2 6,7 6,5 9 Thái Bình 2,6 2,8 2,7 3,1 3,2 3,2 10 Văn Lý 3,7 3,4 3,5 3,7 3,5 3,7 11 Ninh Bình 1,8 1,9 1,9 2,5 2,8 2,6 12 Sầm Sơn 2,4 2,1 2,2 3,2 3,0 3,1 13 Tĩnh Gia 1,9 1,8 1,8 2,9 2,9 2,9 14 Quỳnh Lưu 2,1 2,0 2,0 3,4 3,3 3,4 15 Hòn Ngư 3,6 3,9 3,8 4,2 5,2 4,7 16 Vinh 1,8 1,6 1,8 2,9 2,5 2,7 17 Hà Tĩnh 1,4 1,5 1,5 2,9 3,0 3,0 18 Kỳ Anh 2,7 2,4 2,5 3,8 3,7 3,8 19 Ba Đồn 2,1 2,1 2,1 2,6 2,7 2,6 20 Đồng Hới 2,2 2,5 2,4 3,1 3,7 3,4 21 Cồn Cỏ 3,4 4,0 3,8 3,7 4,7 4,2 22 Đông Hà 3,0 2,3 2,6 3,8 2,9 3,4 23 Huế 1,5 1,6 1,5 2,7 2,9 2,9 24 Đà Nẵng 1,2 1,7 1,5 2,0 2,4 2,2 25 Tam Kỳ 1,8 1,7 1,8 2,7 3,0 2,9 26 Lý Sơn 3,2 5,5 4,5 3,6 6,1 5,1 27 Quảng Ngãi 1,3 1,6 1,5 2,5 2,8 2,6 28 Hoài Nhơn 1,4 1,8 1,6 2,4 3,2 2,8 29 Quy Nhơn 1,5 2,2 1,9 3,0 3,5 3,2 30 Tuy Hòa 1,9 2,3 2,1 2,6 3,3 3,1 31 Nha Trang 1,7 2,9 2,4 3,2 5,1 4,4 32 Cam Ranh 2,2 3,0 2,7 2,8 3,6 3,2 33 Phan Thiết 2,9 3,2 3,1 3,8 4,3 4,1 34 Hàm Tân 1,4 1,6 1,5 2,9 3,4 3,1 35 Phú Qúy 5,9 5,3 5,5 6,6 5,4 6,0 Đánh giá tiềm năng năng lượng gió vùng biển ven bờ Việt Nam Trần Thị Bé 34 K19 Cao học Môi Trường TT Tên trạm Vận tốc gió thực Vận tốc gió tách lặng Mùa hạ Mùa đông Năm Mùa hạ Mùa đông Năm 36 Vũng Tàu 3,3 3,4 3,4 3,7 3,7 3,8 37 Côn Đảo 2,4 2,8 2,7 3,1 3,8 3,5 38 Mỹ Tho 1,7 1,7 1,7 3,8 3,7 3,7 39 Ba Tri 1,5 2,4 2,0 3,4 4,3 3,8 40 Càng Long 1,5 1,6 1,6 2,5 2,6 2,6 41 Sóc Trăng 1,8 2,0 1,9 2,7 2,9 2,8 42 Bạc Liêu 2,5 2,7 2,7 3,1 3,3 3,2 43 Cà Mau 1,5 1,9 1,7 2,6 3,1 2,9 44 Rạch Giá 3,8 2,1 2,8 4,3 2,8 3,8 45 Phú Quốc 3,9 2,2 2,9 4,5 3,0 3,8 2.2.1.2. Xác định đồ gồ ghề Để tính toán tốc độ gió ở các độ cao khác nhau chúng ta cần xác định độ gồ ghề của khu vực đặt trạm đo gió. Độ gồ ghề của khu vực đặt trạm phụ thuộc vào dạng địa hình của khu vực chung quanh và tình trạng của mặt đệm. Độ gồ ghề càng lớn khi địa hình có nhiều vật cản, do đó càng lên cao tốc độ gió càng tăng. Để ước lượng độ gồ ghề, Luận văn này sử dụng cách phân loại địa hình đối với các khu vực đặt trạm theo bảng phân loại địa hình của Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO) và tham khảo từ tài liệu [3], kết quả như sau: Bảng 10: Bảng phân loại địa hình và độ gồ ghề khu vực các trạm khí tượng vùng duyên hải và hải đảo [3] TT Tên trạm Nhóm loại địa hình Đặc điểm địa hình Độ gồ ghề Zo (m) 1 Móng Cái F Vùng ven biển, phía giáp Trung Quốc có nhiều đồi núi nhưng không cao, trong vòng 3km không có đồi núi 0,195 2 Tiên Yên F Có đồi núi cao bao bọc xung quanh nhưng không cao 0,195 Đánh giá tiềm năng năng lượng gió vùng biển ven bờ Việt Nam Trần Thị Bé 35 K19 Cao học Môi Trường TT Tên trạm Nhóm loại địa hình Đặc điểm địa hình Độ gồ ghề Zo (m) 3 Cửa Ông F Có đồi núi cao bao bọc xung quanh nhưng không cao, trạm đặt trên đồi cao gần 60m 0,195 4 Cô Tô G Đảo gần bờ 0,105 5 Bãi Cháy F Vùng ven biển thoáng, có đồi thấp 0,195 6 Phù Liễn E Vùng đồi núi cao, ít cây cối, bề mặt thoáng 0,37 7 Hòn Dấu G Đảo gần bờ 0,105 8 Bạch Long Vĩ H Đảo xa bờ 0,0445 9 Thái Bình G Đồng bằng ven biển 0,105 10 Văn Lý G Đồng bằng ven biển thoáng, ít nhà cao tầng 0,105 11 Ninh Bình E Ngoại ô thành phố, thị xã 0,37 12 Sầm Sơn F Thị xã ven biển, có núi 0,195 13 Tĩnh Gia F Thị trấn đồng bằng ven biển 0,195 14 Quỳnh Lưu F Đồng bằng ven biển, có núi 0,195 15 Hòn Ngư G Đảo gần bờ 0,105 16 Vinh C Thành phố đồng bằng lớn, nhiều nhà cao tầng 0,795 17 Hà Tĩnh C Thành phố đồng bằng lớn, nhiều nhà cao tầng 0,795 18 Kỳ Anh F Thị trấn đồng bằng ven biển 0,195 19 Ba Đồn E Vùng trung du thoáng 0,37 20 Đồng Hới F Thành phố ven biển, nhiều nhà cao tầng 0,195 21 Cồn Cỏ G Đảo gần bờ 0,105 22 Đông Hà F Đồng bằng ven biển, phía tây có đồi cỏ tranh 0,195 23 Huế B Thành phố vùng núi cao ít rừng cây, gần trạm tương đối thoáng 1,05 24 Đà Nẵng E Thành phố nhiều nhà cao tầng 0,37 Đánh giá tiềm năng năng lượng gió vùng biển ven bờ Việt Nam Trần Thị Bé 36 K19 Cao học Môi Trường TT Tên trạm Nhóm loại địa hình Đặc điểm địa hình Độ gồ ghề Zo (m) 25 Tam Kỳ E Thị xã gần núi, đồi cây thấp 0,37 26 Lý Sơn G Đảo gần bờ 0,105 27 Quảng Ngãi E Thị xã đồng bằng, gần núi cao, nhiều nhà cao tầng 0,37 28 Hoài Nhơn E Vùng đồi, gần núi, thoáng 0,37 29 Quy Nhơn F Thành phố ven biển, nhiều nhà cao tầng 0,195 30 Tuy Hòa C Trạm nằm trong lòng thành phố, có núi ở xa 0,795 31 Nha Trang F Thành phố ven biển, phía tây có núi, thoáng 0,195 32 Cam Ranh F Thị xã ven biển, có núi, thoáng 0,195 33 Phan Thiết F Trạm ven biển, trên gò cao đất thoáng 0,195 34 Hàm Tân F Thị trấn gần biển, nhiều nhà cao tầng 0,195 35 Phú Qúy H Đảo xa bờ 0,0445 36 Vũng Tàu F Trạm ven biển, nhiều nhà cao tầng 0,195 37 Côn Đảo G Đảo gần bờ 0,105 38 Mỹ Tho F Vùng đồng bằng 0,195 39 Ba Tri F Vùng đồng bằng 0,195 40 Càng Long F Vùng đồng bằng 0,195 41 Sóc Trăng F Thị xã đồng bằng 0,195 42 Bạc Liêu F Đồng bằng, cạnh sân bay thoáng 0,195 43 Cà Mau F Thị xã đồng bằng 0,195 44 Rạch Giá F Thị xã đồng bằng ven biển 0,195 45 Phú Quốc G Đảo gần bờ 0,105 Do đó, căn cứ vào số liệu đo tốc độ gió V1 tại mặt đất (z1 = 10m) ở các trạm khí tượng, Luận văn đã sử dụng công thức (2.2) để xác định tốc độ gió V2 cho các mức độ cao z2 (50m, 100m, 150m) ở từng trạm. Đánh giá tiềm năng năng lượng gió vùng biển ven bờ Việt Nam Trần Thị Bé 37 K19 Cao học Môi Trường 2.2.2. Phương pháp tính toán mật độ năng lượng gió Năng lượng tức thời của luồng gió có vận tốc V trên diện tích S được đặt thẳng góc với luồng gió chính là động năng của khối không khí và được tính bằng công thức sau: 2 2 1 mVE = (2.3) Trong đó: - E: năng lượng tức thời của khối không khí trên diện tích S, (đơn vị: J/m2/s) - V: vận tốc của luồng gió (đơn vị:m/s) - m: khối lượng các phân tử không khí qua diện tích S trong 1 đơn vị thời gian, (đơn vị: kg/m2/s). Nếu S là đơn vị diện tích thì khối lượng các phân tử không khí đập trên S trong một giây sẽ là : Vm ρ= (2.4) Với : ρ (kg/m3) là khối lượng riêng (mật độ) của khối khí Như vậy : 3 2 1 VE ρ= (2.5) Đại lượng E được gọi là mật độ năng lượng gió tức thời tương ứng với vận tốc gió V và mật độ không khí ρ . Gió là một yếu tố biến thiên liên tục. Trong khoảng thời gian nào đó gió có phân bố theo hàm f(V) thì giá trị trung bình của V3 trong khoảng thời gian đó là 3V được xác định bởi biểu thức: dVVfV )( V 0 33 ∫ ∞ = (2.6) Do đó, mật độ năng lượng trung bình E trong khoảng thời gian đó là: dVVfV )(. 2 1 E 0 3 ∫ ∞ = ρ (2.7) Như vậy để tính E phải xác định 2 đại lượng ρ và f(V). Đánh giá tiềm năng năng lượng gió vùng biển ven bờ Việt Nam Trần Thị Bé 38 K19 Cao học Môi Trường Mật độ không khí ρ tăng hoặc giảm làm cho mật độ năng lượng gió E thay đổi theo với tỷ lệ tương ứng. Tuy nhiên, tại cùng một điểm mức biến thiên của ρ nhỏ hơn nhiều mức biến thiên của V3. Để đơn giản trong việc tính toán, với độ chính xác cho phép có thể coi ρ là một hằng số và lấy giá trị bằng 1,2 kg/m3. Chỉ với những điểm nằm đủ cao mới cần phải chú ý tới việc hiệu chỉnh giá trị ρ này. Do đó biểu thức (2.7) có thể viết thành: dVVfV )(.6,0 E 0 3 ∫ ∞ = (2.8) 2.2.2.1. Hàm phân bố tốc độ gió f(V) Trước đây, song song với việc nghiên cứu sự phân bố của tốc độ gió cho các mục đích khác nhau, các nhà khoa học đã đi sâu nghiên cứu và hoàn thiện việc chọn hàm phân bố tốc độ gió tối ưu cho mục đích khai thác và sử dụng năng lượng gió. Đã có nhiều loại hàm phân bố khác nhau như hàm phân bố chuẩn (Pômôrsep - 1894), hàm Pearson loại V, hàm Pearson loại III (Putnam-1948 và Sherlock - 1951), phân bố loga chuẩn (Luna và Church - 1974), hàm Weibullđược nghiên cứu sử dụng. Trong vài chục năm gần đây, các công trình nghiên cứu về năng lượng gió của các nước đều khẳng định rằng hàm Weibull hai thông số không những cho xấp xỉ tốt với dãy số liệu thực nghiệm mà còn do tính chất đặc biệt của nó hàm này đã được sử dụng như một công cụ rất thuận tiện để phân tích và tính toán năng lượng gió. Hàm Weibull đối với mật độ xác suất tốc độ gió có dạng :               −      = − γγ βββ γ VVVf exp)( 1 (2.9) Với 0≥V , 0>β , 0>γ Trong đó : - V(m/s) : là giá trị vận tốc gió xuất hiện tại một địa điểm - β(m/s) : là tham số kích cỡ, có thứ nguyên của tốc độ gió và có giá trị xấp xỉ với tốc độ gió trung bình. Đánh giá tiềm năng năng lượng gió vùng biển ven bờ Việt Nam Trần Thị Bé 39 K19 Cao học Môi Trường - γ >0 : là tham số dạng, không thứ nguyên, nó cho biết hình dạng của đường phân bố. Như vậy, để đánh giá năng lượng gió cần xác định 2 tham số β và γ riêng cho mỗi trạm cần tính toán. 2.2.2.2. Ước lượng các tham số của hàm phân bố Weibull Hai tham số β và γ của hàm Weibull có thể ước lượng bằng một số phương pháp như: phương pháp đồ thị, phương pháp bình phương tối thiểu và phương pháp xác suất cực đại. Các tài liệu công bố trên thế giới hiện nay đều cho rằng 2 tham số β và γ ước lượng bằng phương pháp xác suất cực đại có mức chính xác tốt nhất. Phương pháp xác suất cực đại do Johnson và Knotz đề xuất dựa trên lý thuyết chọn các tham số β và γ sao cho xác suất mật độ L(β,γ) của từng quan trắc cá biệt Vi đối với dãy quan trắc cực đại: ∑∏               −      = = − γ γ γ γ βγβγβ i n i i n n VVL 1exp.1),( 1 1 . (2.10) Để tránh việc phức tạp trong việc cực đại hóa trực tiếp L(β,γ) thuận tiện hơn là cực đại hóa ln[L(β,γ)]: [ ] ( ) ∑∑       −−++               = γ γγ βγγβγβ ii VVnnL 1ln1ln.1ln.),(ln (2.11) ln[L(β,γ)] đạt cực đại khi β, γ thỏa mãn hệ phương trình: ( )[ ] ( )[ ] ( )∑∑ ∑ =−= =−= 0.ln1,ln 0,ln γ γ γγ βγγ γβ ββ γβ iii i VVVn d Ld Vn d Ld (2.12) Từ hệ phương trình (2.15) thu được: [ ] γγβ /11∑−= iVn (2.13) ( ) ( )[ ]∑ ∑∑ −− −= iiii VnVVV ln.ln 11γγγ (2.14) Đánh giá tiềm năng năng lượng gió vùng biển ven bờ Việt Nam Trần Thị Bé 40 K19 Cao học Môi Trường Giải các phương trình (2.13) và (2.14) khá phức tạp, có thể thực hiện bằng một quá trình lặp được viết cho một chương trình máy tính. 2.2.2.3. Tính mật độ năng lượng gió Trước tiên chúng ta tìm hiểu một tính chất chất đặc biệt của hàm Weibull. Mô men phi trung tâm bậc m của hàm Weibull là: ∫∫ ∞ − ∞       −      == 0 1 0 ]exp[)( dVVVVdVVfV mmm γγ βββ γµ (2.15) Đặt )1( γ m x += , γ β      = V t , và hàm Gamma có dạng: ∫ ∞ −− =Γ 0 1)( dttex xt (2.16) Do đó, biểu thức (2.15) trở thành:       +Γ= γ βµ mmm 1 (2.17) Chúng ta biết rằng giá trị trung bình là momen phi trung tâm bậc 1 của phân