Chương I:TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ 4 I) Lịch sử hình thành : 4 1) Khái niệm năng lượng gió 4 2) Lịch sử hình thành và phát triển 5 II) Quá trình phát triển của động cơ gió phát điện : 8 III) Ưu nhược điểm của năng lượng gió : 14 Chương II:TRIỂN VỌNG PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG GIÓ TẠI VIỆT NAM 17 I. Tiềm năng phát triển năng lượng gió ở Việt Nam: 17 II) Cơ chế chính sách phát triển năng lượng gió ở Việt Nam: 20 1) Các dự án điện gió tại Việt Nam 21 2) Những khó khăn , trở ngại cho sự phát triển điện gió tại Việt Nam 23 Chương III:TURBINE GIÓ 24 I) Sơ lược lịch sử phát triển của turbine gió : 24 II) Các loại Turbine gió thông dụng : 26 III) Cấu tạo cơ bản của một turbine gió: 30 6) Cấu tạo 30 7) Nguyên lí làm việc : 31 8) Lắp đặt turbine gió : 32 IV) Các mô hình turbine gió : 33 Chương IV:TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TURBINE GIÓCHO 4 HỘ GIA ĐÌNH 36 I) Yêu cầu thiết kế : 36 II) Tính toán các thông số của Turbin gió 37 1) Lựa chọn máy phát điện 37 2) Tính toán bán kính cánh quạt rotor 39 3) Tính toán tốc độ gió tiếp tuyến đầu cánh 39 4) Tính góc đặt β ở tiết diện đặc biệt của cánh NACA 2412 41 5) Lực quay ,vận tốc góc,momen quay của rotor 45 6) Chọn cáp cho Turbine 45 7) Thiết bị định hướng gió 49 8) Hệ thống phanh 50 9) Chống sét cho tuabin điện gió 50 Chương V: TÍNH TOÁN CHỌN CÁC THIẾT BỊ TRONG HỆ THỐNG 52 I) Chọn bộ điều khiển ( controller ) : 52 II) Chọn công suất bộ biến đổi nguồn ( inverter ) : 55 III) Tính toán chọn Acquy: 56 IV) Sơ đồ hệ thống : 57 Chương VI:TÍNH KINH TẾ CỦA HỆ THỐNG TUABINE GIÓ 58 I) Lợi ích từ việc sử dụng turbine gió: 58 II) Tính toán giá thành lắp đặt : 58 Chương I: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ I) Lịch sử hình thành : 1) Khái niệm năng lượng gió : Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái Đất là một hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời. Sử dụng năng lượng gió là một trong các cách khai thác năng lượng xa xưa nhất từ tự nhiên và đã được biết đến từ thời kỳ Cổ Đại. Bởi sự ảnh hưởng không đồng đều của nhiệt độ mặt trời vào bầu khí quyển làm cho không khí giữa vùng này và vùng khác bị chênh lệch về áp suất do vậy sinh ra sự chuyển động không khí từ vùng có áp suất cao đến vùng không khí có áp suất thấp và sự chuyển động đó được gọi là gió . Chúng ta biết sự chuyển động của gió tạo ra một lực cơ học và nó ở dạng lực mặt do vậy nó cũng có chiều có hướng và có độ lớn cũng có nghĩa là có năng lượng ở dạng cơ năng nên từ xa xưa con người đã biết lợi dụng sức gió để ứng dụng vào cuộc sống (cối xay gió, thuyền buồm,…) nhưng đấy là những ứng dụng đơn giản còn trong thời đại hiện nay có sự nghiên cứu và đã được ứng dụng rộng rãi, năng lượng gió được chuyển sang điện năng. Việc ứng dụng đó gọi là sử dụng năng lượng gió. 2) Lịch sử hình thành và phát triển: a) Vấn đề về năng lượng cho tương lai : Nhân loại bước vào thế kỷ XXI. Thiếu hụt năng lượng và vấn nạn ô nhiễm môi trường đang là những mối đe dọa sự phát triển bền vững của ngôi nhà chung “trái đất” của chúng ta và ngay cả nguồn thủy điện tưởng như vô hại đến môi trường thì nay người ta đã phải quan tâm đến những hậu quả nghiêm trọng là làm mất cân bằng sinh thái. Do vậy, việc khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió, năng lượng Mặt Trời…là hướng đi quan trọng trong quy hoạch phát triển năng lượng, đảm bảo an ninh năng lượng cho mỗi quốc gia. Năng lượng là một trong những vấn đề cấp thiết mà con người cần giải quyết và là một trong những yếu tố quan trọng không thể thiếu được của hoạt động kinh tế. Khi mức sống của người dân càng được nâng cao cao, trình độ sản xuất của nền kinh tế ngày càng hiện đại thì nhu cầu về năng lượng cũng ngày càng phát triển theo, và việc thỏa mãn yêu cầu này thực sự là một câu hỏi lớn dành cho hầu hết mọi quốc gia. Và Việt Nam cũng không trãnh khỏi vấn đề đó, sự phát triển của nền kinh tế từ sau cải cách làm gia tăng nhu cầu về điện tăng một cách nhanh chóng trong khi khả năng cung ứng chưa phát triển kịp thời để đáp ứng nhu cầu đó. Nếu tiếp tục, nguy cơ thiếu điện và năng lượng vẫn sẽ còn là một câu hỏi lớn của ngành điện lực Việt Nam cũng như của các doanh nghiệp và người dân cả nước. Với giá xăng dầu lên cao, năng lượng trở thành một vấn đề đặt lên hàng đầu cho mọi quốc gia kể cả những nước đã phát triển. Giá xăng dầu lên kéo theo giá các năng lượng khác như khí đốt, than… cũng tăng mạnh theo.Thêm vào đó là vấn đề ô nhiễm môi trường, than hay dầu khí thải nhiều hóa chất ô nhiễm, làm nóng trái đất dẫn đến xảy ra các hiện tượng hiệu ứng nhà kính... Năng lượng từ dầu khí đã đẩy mạnh công cuộc sản xuất của nhân loại trong hàng trăm năm nay. Nhưng nguồn năng lượng này đang suy giảm theo từng ngày do sự khai thác cùa con người, theo ước tính trữ lượng dầu sẽ hết trong thời gian sắp tới. Tìm kiếm nguồn năng lượng mới là một nguồn năng lượng tái tạo và sạch với môi trường đã trở thành một nhu cầu, một bài toán cho nhân loại. Trong các nguồn năng lượng tái tạo cho đến nay, chỉ có thủy điện là đang được khai thác đáng kể trong cuộc sống hiện nay. Trong những nguồn năng lượng: điện gió, điện mặt trời, trái đất, biomass cho đến nay tiềm năng phát triển lớn là năng lượng gió và năng lượng mặt trời. Đó được xem như dạng năng lượng quan trọng trong tương lai, đó là nguồn năng lượng sạch, vô tận và là nguồn năng lượng thân thiện với môi trường không ảnh hưởng hệ sinh thái. b) Quá trình hình thành và phát triển của năng lượng gió : Lịch sử phát triển của thế giới loài người đã chứng kiến những ứng dụng của năng lượng gió vào cuộc sống từ rất lâu về trước.Gió giúp quay các cối xay, gió thổi vào cánh buồm giúp đưa các con thuyền đi xa.Theo những tài liệu từ người xưa còn giữ lại thì bản thiết kế đầu tiên của chiếc cối xay hoạt động nhờ vào sức gió là vào khoảng thời gian những năm 500 900 sau CN tại Ba Tư Đặc điểm nổi bật của thiết bị này đó là các cánh đón gió được bố trí xung quanh một trục đứng, minh hoạ một mô hình cánh gió đựợc lắp tại Trung Mỹ vào cuối thế kỷ 19, mô hình này cũng có cấu tạo cánh đón gió quay theo trục đứng giống như trong hình dưới. Hình 1.1 Mô hình cánh gió tại Trung Mỹ, cuối TK 19 Sau đó kể từ thế kỉ thứ 13 , các cối xay gió xuất hiện tại Tây Âu với cấu trúc có các cánh đón gió theo phương quay ngang chúng có cấu tạo phức tạp hơn mô hình thiết kế tại Ba Tư. Cải tiến cơ bản của thiết kế này là đã tận dụng đựợc lực nâng khí động học tác dụng vào cánh gió do đó sẽ làm hiệu suất biến đổi năng lượng gió của cối xay gió thời kỳ này cao hơn nhiều so với mô hình thiết kế từ những năm 500 900 tại Ba Tư.
QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ
Lịch sử hình thành
1) Khái niệm năng lượng gió :
Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái Đất là một hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời Sử dụng năng lượng gió là một trong các cách khai thác năng lượng xa xưa nhất từ tự nhiên và đã được biết đến từ thời kỳ Cổ Đại.
Bởi sự ảnh hưởng không đồng đều của nhiệt độ mặt trời vào bầu khí quyển làm cho không khí giữa vùng này và vùng khác bị chênh lệch về áp suất do vậy sinh ra sự chuyển động không khí từ vùng có áp suất cao đến vùng không khí có áp suất thấp và sự chuyển động đó được gọi là gió
Chúng ta biết sự chuyển động của gió tạo ra một lực cơ học và nó ở dạng lực mặt do vậy nó cũng có chiều có hướng và có độ lớn cũng có nghĩa là có năng lượng ở dạng cơ năng nên từ xa xưa con người đã biết lợi dụng sức gió để ứng dụng vào cuộc sống (cối xay gió, thuyền buồm,…) nhưng đấy là những ứng dụng đơn giản còn trong thời đại hiện nay có sự nghiên cứu và đã được ứng dụng rộng rãi, năng lượng gió được chuyển sang điện năng Việc ứng dụng đó gọi là sử dụng năng lượng gió.
2) Lịch sử hình thành và phát triển: a) Vấn đề về năng lượng cho tương lai :
Nhân loại bước vào thế kỷ XXI Thiếu hụt năng lượng và vấn nạn ô nhiễm môi trường đang là những mối đe dọa sự phát triển bền vững của ngôi nhà chung “trái đất” của chúng ta và ngay cả nguồn thủy điện tưởng như vô hại đến môi trường thì nay người ta đã phải quan tâm đến những hậu quả nghiêm trọng là làm mất cân bằng sinh thái Do vậy, việc khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió, năng lượng Mặt Trời…là hướng đi quan trọng trong quy hoạch phát triển năng lượng, đảm bảo an ninh năng lượng cho mỗi quốc gia.
Năng lượng là một trong những vấn đề cấp thiết mà con người cần giải quyết và là một trong những yếu tố quan trọng không thể thiếu được của hoạt động kinh tế Khi mức sống của người dân càng được nâng cao cao, trình độ sản xuất của nền kinh tế ngày càng hiện đại thì nhu cầu về năng lượng cũng ngày càng phát triển theo, và việc thỏa mãn yêu cầu này thực sự là một câu hỏi lớn dành cho hầu hết mọi quốc gia Và Việt Nam cũng không trãnh khỏi vấn đề đó, sự phát triển của nền kinh tế từ sau cải cách làm gia tăng nhu cầu về điện tăng một cách nhanh chóng trong khi khả năng cung ứng chưa phát triển kịp thời để đáp ứng nhu cầu đó Nếu tiếp tục, nguy cơ thiếu điện và năng lượng vẫn sẽ còn là một câu hỏi lớn của ngành điện lực Việt Nam cũng như của các doanh nghiệp và người dân cả nước.
Với giá xăng dầu lên cao, năng lượng trở thành một vấn đề đặt lên hàng đầu cho mọi quốc gia kể cả những nước đã phát triển Giá xăng dầu lên kéo theo giá các năng lượng khác như khí đốt, than… cũng tăng mạnh theo.Thêm vào đó là vấn đề ô nhiễm môi trường, than hay dầu khí thải nhiều hóa chất ô nhiễm, làm nóng trái đất dẫn đến xảy ra các hiện tượng hiệu ứng nhà kính
Năng lượng từ dầu khí đã đẩy mạnh công cuộc sản xuất của nhân loại trong hàng trăm năm nay Nhưng nguồn năng lượng này đang suy giảm theo từng ngày do sự khai thác cùa con người, theo ước tính trữ lượng dầu sẽ hết trong thời gian sắp tới Tìm kiếm nguồn năng lượng mới là một nguồn năng lượng tái tạo và sạch với môi trường đã trở thành một nhu cầu, một bài toán cho nhân loại Trong các nguồn năng lượng tái tạo cho đến nay, chỉ có thủy điện là đang được khai thác đáng kể trong cuộc sống hiện nay Trong những nguồn năng lượng: điện gió, điện mặt trời, trái đất, biomass cho đến nay tiềm năng phát triển lớn là năng lượng gió và năng lượng mặt trời Đó được xem như dạng năng lượng quan trọng trong tương lai, đó là nguồn năng lượng sạch, vô tận và là nguồn năng lượng thân thiện với môi trường không ảnh hưởng hệ sinh thái. b) Quá trình hình thành và phát triển của năng lượng gió :
Lịch sử phát triển của thế giới loài người đã chứng kiến những ứng dụng của năng lượng gió vào cuộc sống từ rất lâu về trước.Gió giúp quay các cối xay, gió thổi vào cánh buồm giúp đưa các con thuyền đi xa.Theo những tài liệu từ người xưa còn giữ lại thì bản thiết kế đầu tiên của chiếc cối xay hoạt động nhờ vào sức gió là vào khoảng thời gian những năm 500 - 900 sau CN tại Ba Tư Đặc điểm nổi bật của thiết bị này đó là các cánh đón gió được bố trí xung quanh một trục đứng, minh hoạ một mô hình cánh gió đựợc lắp tại Trung Mỹ vào cuối thế kỷ 19, mô hình này cũng có cấu tạo cánh đón gió quay theo trục đứng giống như trong hình dưới.
Hình 1.1 Mô hình cánh gió tại Trung Mỹ, cuối TK 19
Sau đó kể từ thế kỉ thứ 13 , các cối xay gió xuất hiện tại Tây Âu với cấu trúc có các cánh đón gió theo phương quay ngang chúng có cấu tạo phức tạp hơn mô hình thiết kế tại Ba Tư Cải tiến cơ bản của thiết kế này là đã tận dụng đựợc lực nâng khí động học tác dụng vào cánh gió do đó sẽ làm hiệu suất biến đổi năng lượng gió của cối xay gió thời kỳ này cao hơn nhiều so với mô hình thiết kế từ những năm 500 - 900 tại Ba Tư.
H ình 1.2 Mô hình cối xay gió xuất hiện sau TK 13
Trong suốt những năm tiếp theo đó, các thiết kế của thiết bị chạy bằng sức gió càng ngày được hoàn thiện và được sử dụng rộng rãi trong khá nhiều các lĩnh vực ứng dụng: chế tạo các máy bơm nước, hệ thống tưới tiêu trong nông nghiệp, các thiết bị xay xát, xẻ gỗ, nhuộm vải… Cho đến đầu thế kỷ 19, cùng với sự xuất hiện của máy hơi nước, thiết bị chạy bằng sức gió dần dần bị thay thế bởi máy hơi nước.
Hình 1.3 Chiếc máy bơm nước chạy bằng sức gió, phía Tây nước Mỹ những năm 1800
Một số ứng dụng của năng lượng gió trong thực tế:
Hình 1.4: Thuyền buồm Hình 1.5 Cối xay gió
Quá trình phát triển của động cơ gió phát điện
Dựa trên nguyên lý hoạt động của cối xay gió,các nhà khoa học đã nghiên cứu máy phát điện gió để sản xuất điện năng dực vào sức gió Trên cơ sở áp dụng những thành tựu mới của khoa học công nghệ, các cánh gió của cối xay gió cũng như các thiết bị xây dựng được chế tạo đặc biệt hơn thành turbine gió.
Năm 1888 Charles F Brush Tool phát minh ra một cối xay gió lớn mà tạo ra điện ở Cleveland, Ohio Nó có thể sản xuất 12 kW điện.Cối xay gió bắt đầu được gọi là “tuabine gió.” Năm 1900 Tuabine gió điện xuất hiện trên khắp châu Âu và được sử dụng để cung cấp năng lượng nhà ở nông thôn và các trang trại ở Mỹ.
Năm 1920 Nhà phát minh người Pháp GJM Darrieus phát triển một động cơ tuabine trục thẳng đứng, bao gồm mảnh mai, lưỡi cong gắn vào đầu và cuối của một ống thẳng đứng quay. Thiết kế này thường được gọi là một “eggbeater” theo hình dạng tuabine.
Năm 1931 Nga xây dựng nhà máy điện thương mại đầu tiên sử dụng một tua-bin gió để sản xuất điện.
Năm 1941 Tuabin gió lớn (1,250 kW) được xây dựng ở Vermont để đáp ứng với tình trạng thiếu hụt năng lượng Điều này cung cấp điện cho người dân ở các địa phương trong nhiều năm trong Thế chiến II.
Năm 1971 Trang trại gió ngoài khơi đầu tiên trên thế giới bắt đầu hoạt động ngoài khơi bờ biển của Đan Mạch.
Trong suốt thời gian phát triển có nhiều cánh đồng điện gió được xây dựng nhằm phục vụ việc cung cấp năng lượng cho con người Có thể kể tên một số cánh đồng năng lượng gió tiêu biểu như :
HORNS REV II của Đan Mạch được đưa vào vận hành năm 2009 với công suất của mỗi trụ là 2,3 MW và tổng công suất là 209MW.
WINDPARK THANET được khánh thành tại Anh năm 2010 với tổng công suất là 300M.
Năm 2012 cánh đồng điện gió trên biển LONDON ARRY khánh thành với tổng công suất 630MW. hình 1.6 Các trụ của cánh đồng điện gió LONNDON ARRY
Hình 1.7 Cối xay gió bên sườn đê biển bảo vệ cho vùng đất trồng trọt hầu như hoàn toàn nằm dưới mực nước biển tại Flevoland, Hà Lan
Sự bùng nổ của ngành năng lượng gió trên thế giới : Các quốc gia hàng đầu trong ngành năng lượng gió là :
Đức: Là nước dẫn đầu thế giới về phát triển điện gió.Đến cuối năm 2003, tổng công suất lắp đặt điện gió của nước Đức đã đạt đến 14.600MW, chiếm hơn một nửa của toàn Châu Âu, hơn 1/3 của toàn thế giới.Năm 2010, lượng điện gió chiếm 7% tổng lượng điện toàn quốc Nước Đức đã có quy hoạch dài hạn mới về phát triển điện gió, mục tiêu là đến năm
2025 sẽ đưa tỷ lệ trên lên ít nhất 25%, đến năm 2050 là 50% trên tổng năng lượng cả nước.
Hoa Kỳ: Từ thế kỷ 20 đến nay, Hoa Kỳ đã trở thành một trong những thị trường lớn nhất về điện gió.Năm 2007, với công suất lắp đặt là 5329 MW, thị trường năng lượng gió Hoa
Kỳ đã tăng thêm 27% so với toàn cầu.Texazs tiếp tục trở thành trung tâm phát triển dự án năng lượng gió ở Hoa Kỳ với dự án năng lượng gió có công suất hơn 45GW đang được triển khai.
Trung Quốc: Năm 2004 Trung Quốc đã có 43 khu điện gió với tổng công suất là 850
MW Tính đến cuối năm 2011, Trung Quốc đã dẫn đầu thế giới về năng lượng gió với tổng công suất lắp đặt năng lượng gió lên tới 62,4 GW.Mục tiêu đến năm 2020, công suất điện gió của nước này sẽ tăng lên tới 20GW, gấp 10 lần công suất hiện tại.
Đan Mạch: Thu nhập về xuất khẩu các sản phẩm điện gió của Đan Mạch hàng năm đã đạt đến 5-6 tỷ USD, sản phẩm máy phát điện gió của Đan Mạch chiếm 60- 70% thị trường thế giới.Đan Mạch hiện đang là nước đứng đầu thế giới về phát triển năng lượng gió với hơn 22% lượng điện của Đan Mạch được sản xuất từ nguồn năng lượng này.
Anh: Đến năm 2010, Anh đã lắp đặt 3.000 tổ máy điện gió cỡ lớn tại bờ biển phía đông và phía tây để có thể cung cấp điện gió cho 1/6 tổng số hộ gia đình.Điện gió chiếm 15% tổng lượng điện phát ra của toàn nước Anh.
-Hiện nay, cả thế giới đang tìm các nguồn năng lượng sạch bền vững dần thay thế các năng lượng hóa thạch vốn luôn có vấn đề là ô nhiễm môi trường và đang dần cạn kiệt theo thời gian Các quốc gia phát triển ngày nay tập trung cho những nguồn năng lượng mới không chỉ thân thiện với môi trường mà còn đang cố gắng phát triển những nguổn năng lượng đó thêm rộng rãi
-Do tính kinh tế và an toàn của nguồn năng lượng này nên các hệ thống nhà máy điện năng lượng gió đã được các quốc gia trên thế giới triển khai ngày càng nhiều Những nước sử dụng năng lượng gió nhiều nhất trên thế giới là Đức, Tây Ban Nha, Hoa Kỳ, Đan Mạch, Ấn Độ…… Chỉ tính riêng trong năm 2007 thế giới đã xây mới được khoảng 20073 MW điện, trong đó Mỹ với 5244 MW, Tây Ban Nha 3522MW, Trung Quốc 3449 MW, 1730 MW ở Ấn Độ và 1667 ở Đức, nâng công suất định mức của các nhà máy sản xuất điện từ gió lên 94.112
MW Công suất này có thể thay đổi dựa trên sức gió qua các năm, các nước, các vùng Trong năm 2004, với 25.000 GWh, lần đầu tiên tại Đức sản xuất điện từ năng lượng gió đã vượt qua được nguồn cung cấp điện từ năng lượng tái sinh khác được sử dụng nhiều nhất cho đến thời điểm này là thủy điện với 20.900 GWh.
Hình 1.8 Một cánh đồng phong năng của công ty sản xuất năng lượng gió Goldwind,
Hình 1.9a Biểu đồ Công suất lắp đặt mới của các Hình 1.9b Biểu đồ khả năng tích lũy của các nước nước trong năm 2014 ( MW ) trong năm 2014 ( MW )
Bảng 1.11 Dự báo phát triển năng lượng gió toàn cầu 2007-2030
Bảng1.12 năng lượng gió các quốc gia hàng đầu trên thế giới
Hình 1.10 Top 10 cường quốc năng lượng gió
Con người đã nảy ra ý tưởng dùng năng lượng gió để sản xuất điện dựa trên nguyên lý hoạt động của cối xay gió biến động năng của gió thành năng lượng làm quay động cơ sản xuất năng lượng điện Khi cuộc cách mạng dầu hỏa những năm 1970 nổ ra, nhu cầu về năng lượng càng trở nên cấp thiết làm phát sinh ra nhu cầu dùng các nguồn năng lượng thay thế khác như năng lượng tái tạo Năng lượng gió là nguồn cung cấp năng lượng vô tận có khả năng bù đắp thiếu hụt năng lượng và với các nguồn năng lượng khác thì tổng chi phí để triển khai dự án năng lượng gió là thân thiện với môi trường và ít gây ảnh hưởng xấu về mặt xã hội.
Ưu nhược điểm của năng lượng gió
Năng lượng gió là nguồn năng lượng có thể tái tạo, trong khi than đá và gỗ là những nguồn năng lượng không thể tái tạo được sau khi đạ khai thác cạn kiệt và năng lượng gió sẽ luôn tồn tại Nếu có sự nỗ lực lớn hơn để đưa năng lượng gió vào khai thác, sẽ làm giảm việc sử dụng các nguồn không thể tái tạo được, và không để việc khai thác các nguồn năng lượng này ảnh hưởng đến đời sống sau này.
Sự nóng lên cảu toàn cầu là một trong những vấn đề lớn nhất đối với toàn nhân loại, theo các báo cáo được công bố một yêu cầu cấp thiết là phải giảm rác thải và các chất ô nhiễm trong bầu khí quyển của Trái đất Năng lượng gió là lựa chọn số một thay thế cho nhu cầu năng lượng của chúng ta, bởi nó không gây ô nhiễm trên diện rộng như các nhiên liệu hóa thạch đang sử dụng hiện nay.
Phải khai phá cả một vùng đất lớn để xây dựng một nhà máy điện Nhưng với một nhà máy điện sử dụng năng lượng gió chỉ cần một diện tích nhỏ để xây dựng Sau khi lắp đặt các tuabine, khu vực này vẫn có thể được sử dụng cho canh tác hoặc các hoạt động nông nghiệp khác mà không ảnh hưởng tới hệ sinh thái.
Một trong những lợi thế lớn nhất của năng lượng gió so với các nguồn năng lượng tái tạo khác là hiệu quả về mặt chi phí Không đòi hỏi nhiều các chi phí liên quan đến việc mua, vận chuyển nhiên liệu vào tuabine gió, như các nhà máy điện hoạt động bằng than, dầu khí Và với những tiến bộ trong công nghệ, năng lượng gió sẽ trở nên rẻ hơn sẽ làm giảm được lượng vốn phải bỏ ra để đáp ứng nhu cầu về năng lượng.
Chi phí lắp đặt một tuabine gió là thấp hơn so với một nhà máy điện than, các nước không có nhiều kinh phí, có thể lựa chọn sử dụng phương án hiệu quả với chi phí thấp mà vẫn đáp ứng được nhu cầu về năng lượng.
Giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu nhập khẩu và hạn chế sự phụ thuộc vào nguồn cung cấp nguyên liệu từ nước ngoài.
Những mỏm núi, những đồi hoang không sử dụng được cho công nghiệp, nông nghiệp cũng có thể đặt được trạm điện bằng sức gió không cần làm trụ đỡ cao, tiết kiệm đáng kể chi phí xây dựng.
Nhược điểm lớn nhất năng lượng gió là nó không liên tục Điện có thể được sản xuất và cung cấp đầy đủ khi gió đủ mạnh, cũng có thời điểm gió yếu và lặng gió việc sản xuất điện bằng năng lượng gió là không thể hoàn thiện Việc nỗ lực thực hiện lưu trữ năng lượng gió thành công và sử dụng nó kết hợp với các dạng năng lượng khác Tuy nhiên, để nguồn năng lượng này trở thành một nguồn năng lượng chính trong tương lai cần những nỗ lực này phải được đẩy mạnh và phát triển nhanh chóng và rộng rãi.
Do tính chất không liên tục của năng lượng gió, nên cần phải được lưu trữ hoặc phải sử dụng thêm các nguồn năng lượng thông thường Tuy nhiên, việc lưu trữ nó tốn khá nhiều chi phí không đáp ứng kịp thời nhu cầu điện năng.
Những báo cáo về sự nguy hiểm mà cối xay gió gây ra với các loài chim Do chiều cao đáng kể của các cối xay gió nên thường gây ra sự va chạm với các loài chim đang bay, và một số lượng lớn các loài chim chết vì lý do này Nhưng cũng không đáng kể so với các nguyên nhân như va vào dây tải điện hoặc máy bay và các phương tiện giao thông.
Các yếu tố như tốc độ của gió và tần số của nó được đưa vào để tính toán trước khi lựa chọn nơi để lắp đặt một cối xay gió và đôi khi người dân địa phương phản đối kế hoạch này Một trong những lý do chính gây ra sự phản đối của họ là cối xay gió sẽ gây ra ô nhiễm tiếng ồn Một số ý kiến cho rằng tuabine gió làm ảnh hưởng xấu đến thẩm mỹ của một thành phố và ngành công nghiệp du lịch trong khu vực của họ sẽ ảnh hưởng xấu đến đời sống của họ.
Ngoài ra còn một số tác động không tốt khác gây ảnh hưởng đến hoạt động của radar vì vật liệu sản xuất máy phát điện là nam châm vĩnh cửu và nó cũngcó thể gây nguy hại sức khỏe con người, và các tai nạn như gãy cánh , nước đóng băng ở các thùng Nacelle ở các turbine vùng ôn đới
Xu hướng phát triển và một vài dự án điện gió trên thế giới :
“Đến năm 2040, những nền kinh tế đang phát triển sẽ dành một tỉ đô la cho các hệ thống quang điện hóa nhỏ, nhiều khả năng sẽ đưa điện tới được các làng mạc xa xôi"- Jenny Chase
Trưởng nhóm phân tích năng lượng mặt trời tại thời báo tài chính năng lượng mới của
Bloomberg cho biết Nhóm của cô cũng dự đoán đến năm 2030, máy móc chạy bằng năng lượng từ gió và mặt trời sẽ rẻ hơn so với máy móc chạy bằng những nguồn nhiên liệu hóa thạch. Ngày 20/10/2015 ,Google đã công bố khoản hỗ trợ dự án điện gió hồ Turkana ở phía Bắc Kenya Dự án này hứa hẹn sẽ cung cấp đủ nguồn năng lượng sạch cho khoảng 2 triệu hộ gia đình và chiếm 15% tổng công suất lưới điện quốc gia Theo ghi nhận, tốc độ gió trung bình tại hồ Turkana là 25 mph tương đương 11,1 m/s, trong khi tốc độ gió tối thiểu để phát điện là 6 m/s.
“Hywind là một dự án rất thú vị, về cả phương diện phát điện và tính sáng tạo công nghệ. Đây thực sự là một tuyên ngôn về chuyên môn và trình độ lao động của chúng tôi trong lĩnh vực năng lượng Chính vì những yếu tố này mà Statoil đã chọn Scotland để làm nơi đặt trang trại điện gió nổi lớn nhất thế giới”, ông John Swinney cho biết Bộ trưởng Bộ Tài chính Scotland tuyên bố “Theo dự kiến, công trình nhà máy điện gió nổi Hywind sẽ được khởi công vào năm 2016/2017 và sẽ hoàn tất trong năm 2017”.
Tháng 02/2016, chính phủ Anh đã duyệt dự án xây dựng cánh đồng năng lượng gió ngoài khơi lớn nhất thế giới Theo đó, dự án Hornsea Project One của tập đoàn DONG Energy của Đan Mạch sẽ tiến hành xây dựng cánh đồng năng lượng gió ngoài khơi, cách bờ biển Yorkshire (ở miền Bắc nước Anh) khoảng 120km về phía Nam.Brent Cheshire, giám đốc chi nhánh DONG Energy tại Anh, cho biết Hornsea Project One sẽ được hoàn thành vào năm 2020 Ông cũng khẳng định dự án mới sẽ cung cấp điện cho số lượng hộ gia đình nhiều hơn bất kỳ nhà máy điện gió nào đã được đưa vào hoạt động từ trước đến nay.Cụ thể hơn, Hornsea Project One sẽ có diện tích khoảng 400 kilomet vuông Dự án sẽ sử dụng khoảng 174 turbine gió khổng lồ,mỗi turbine cao 190m Dự kiến, trang trại điện gió mới sẽ có công suất 1.2 GW, có thể cung cấp điện cho hơn 1 triệu hộ gia đình tại Anh.
VỌNG PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG GIÓ TẠI VIỆT NAM
Tiềm năng phát triển năng lượng gió ở Việt Nam
Trong xu thế chung của thế giới, Việt Nam cũng không phải là ngoại lệ khi mà tốc độ tiêu dùng năng lượng trong những năm gần đây tăng nhanh một cách đáng kể Mức độ sử dụng năng lượng gia tăng cũng phản ánh tốc độ phát triển của nền kinh tế một đất nước Mặc dù có những bước phát triển chậm hơn trong những năm gần đây nhưng Việt Nam vẫn là nước có tốc độ tăng trưởng kinh tế cao trên thế giới Trong 5 năm trở lại đây, tốc độ tăng trưởng của Việt Nam luôn ở mức trên 5% và năm 2015 ước đạt 6,5% Tốc độ tăng trưởng kinh tế cao làm gia tăng nhu cầu về điện trong khi nguồn cung chưa đáp ứng kịp thời dẫn đến thiếu hụt điện năng phục vụ sản xuất và đời sống Đây là nỗi lo thường trực của ngành điện lực Việt Nam cũng như của Chính phủ Theo dự báo của Tổng Công ty Điện lực Việt Nam, năm 2020 Việt Nam sẽ cần khoảng 200.000 GWh, vào năm 2030 là 327.000 GWh Tuy nhiên, hiện nay khả năng cung cấp điện của chúng ta chỉ đạt mức 165.000 GWh (năm 2020) và 208.000 GWh (năm 2030) Như vậy, tỉ lệ thiếu hụt điện của Việt Nam là khoảng 20-30% mỗi năm Bên cạnh việc khai thác các nguồn năng lượng truyền thống thì cần đặc biệt chú trọng nguồn năng lượng sạch và nguồn năng lượng tái tạo Điện gió được xem là một trong những nguồn cung bổ sung đáng kể khi Việt Nam có nhiều thuận lợi trong việc khai thác nguồn năng lượng này.
Theo nghiên cứu, trên lãnh thổ Việt Nam hai vùng giàu tiềm năng nhất để phát triển năng lượng gió là Sơn Hải (Ninh Thuận) và vùng đồi cát ở độ cao 60-100m phía tây Hàm Tiến đến Mũi Né (Bình Thuận) Tại hai địa điểm này có thể xây dựng các trạm điện gió công suất 3 - 3,5
MW Đây là khu vực này dân cư thưa thớt, thời tiết khô nóng, khắc nghiệt, là những vùng dân tộc đặc biệt khó khăn của Việt Nam Ngoài ra, các vùng đảo ngoài khơi như Bạch Long Vĩ, đảoPhú Quý, Trường Sa là những địa điểm gió có vận tốc trung bình cao, tiềm năng năng lượng gió tốt, có thể xây dựng các trạm phát điện gió công suất lớn để cung cấp năng lượng điện cho dân cư trên đảo Cũng theo Ngân hàng Thế giới, Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất và hơn hẳn các quốc gia lân cận là Thái Lan, Lào và Campuchia Trong khi Việt Nam có tới 8,6% diện tích lãnh thổ được đánh giá có tiềm năng từ „tốt“ đến „rất tốt“ để xây dựng các trạm điện gió cỡ lớn thì diện tích này ở Campuchia là 0,2%, ở Lào là 2,9%, và ở Thái-lan cũng chỉ là 0,2% Tổng tiềm năng điện gió của Việt Nam ước đạt 513.360 MW tức là bằng hơn 200 lần công suất của thủy điện Sơn La, và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện vào năm 2020 Nếu xét tiêu chuẩn để xây dựng các trạm điện gió cỡ nhỏ phục vụ cho phát triển kinh tế ở những khu vực khó khăn thì Việt Nam có đến 41% diện tích nông thôn có thể phát triển điện gió loại nhỏ. Nếu so sánh con số này với các nước láng giềng thì Campuchia có 6%, Lào có 13% và Thái Lan là 9% diện tích nông thôn có thể phát triển năng lượng gió Bên cạnh đó, việc vận hành các nhà máy điện gió không phức tạp như các nhà máy điện hạt nhân hay thủy điện.
Hình 2.1 Biểu đồ phân bố tốc độ gió tại Việt Nam ở độ cao 80 mét
Với những điều kiện thuận lợi như vậy, vấn đề còn lại là chi phí giá thành để triển khai nguồn năng lượng này liệu có hợp lý? Tại châu Âu, các nhà máy điện gió không cần đầu tư vào đất đai để xây dựng các trạm tourbine mà thuê ngay đất của nông dân Giá thuê đất (khoảng20% giá thành vận hành thường xuyên) giúp mang lại một nguồn thu nhập ổn định cho nông dân, trong khi diện tích canh tác bị ảnh hưởng không nhiều Để hỗ trợ chi phí cho sản xuất điện gió, tại nhiều nước châu Âu cũng có chính sách bù giá giảm dần theo thời gian tạo hoặc hỗ trợ về thuế nhằm tạo điều kiện cho ngành công nghiệp điện gió phát triển.
Tại Việt Nam, nếu đầu tư xây dựng Nhà máy thủy điện Sơn La với công suất 2400 MW, tổng mức đầu tư là 2,4 tỷ USD Để có được 1 KW công suất cần đầu tư 1.000 USD trong 7 năm Trong khi đó để đầu tư cho 1 KW điện gió ở nhiều nước Châu Âu cũng vào khoảng 1.000 USD nhưng giá thành này giảm đều hàng năm do cải tiến công nghệ.
Với những dự án nhà máy điện gió đã triển khai ở Việt Nam như nhà máy điện gió Phương Mai ở Bình Định phục vụ cho Khu Kinh tế Nhơn Hội với tổng đầu tư kinh phí giai đoạn 1 cho 50MW điện là 65 triệu USD, dự án điện gió tại Tây Nguyên giai đoạn 1 công suất
28 MW, tổng mức đầu tư gần 1.400 tỷ đồng, dự kiến sẽ phát điện vào tháng 6/2016, với sản lượng hơn 100 triệu kWh/năm sẽ là những dự án phát triển năng lượng gió khả thi, tạo điền đề cho những dự án hứa hẹn tiếp theo trong tương lai.
Cơ chế chính sách phát triển năng lượng gió ở Việt Nam
Trong giai đoạn 2005 - 2030, nhu cầu năng lượng của Việt Nam sẽ tăng 4 lần Nhu cầu điện của Việt nam tăng 10%/năm đến năm 2025 Do đó Chính phủ Việt Nam đã nhận thấy tầm quan trọng của Năng lượng tái tạo và lập Tổng sơ đồ phát triển Năng lượng tái tạo dài hạn. Ngoài ra phát triển Năng lượng tái tạo ở Việt Nam còn mang lại nhiều lợi ích như kích thích phát triển nông thôn và và tạo các cơ hội việc làm, cải thiện đường xá nông thôn, giảm nhiệt điện, do đó giảm chi phí môi trường từ các dự án sử dụng nhiên liệu hóa thạch.
Trong trường hợp phát triển điện gió, Việt Nam có tiềm năng gió cao so với các nước trong khu vực Đông Nam Á Tổng tiềm năng năng lượng gió là 1.750MW Tốc độ gió trung bình ở khu vực có gió tốt là 6m/s ở độ cao 60m Tiềm năng gió cao hơn ở miền Trung và miền Nam của đất nước (đặc biệt ở Tây Nguyên, hải đảo và các khu vực ven biển), tương ứng khoảng 880MW và 855MW Ở miền Bắc, tiềm năng khoảng 50MW Hiện nay có một trang trại điện gió với tổng công suất 30 MW đang vận hành và một trang trại điện gió công suất 90 MW đang xây dựng.
Chính phủ và nhân dân bày tỏ sự ủng hộ phát triển điện gió, đặc biệt năng lượng gió sẽ đáp ứng nhu cầu điện đang tăng nhanh Khung thể chế cho phát triển Năng lượng tái tạo đang được xây dựng Mục tiêu của phát triển điện gió ở Việt Nam là 5% trong tổng sản lượng điện vào năm 2020 và 11% vào năm 2050.
Một nội dung chính của cơ chế khuyến khích được phê duyệt để thúc đẩy phát triển điện gió là giá điện quy định (FIT) FIT bằng 7,8 US cent/kWh Trong đó, EVN (Tập đoàn Điện lực Việt Nam) có nghĩa vụ mua điện từ các dự án điện gió ở mức giá 6,8USc/kWh Bù giá từ ngân sách nhà nước cho chủ đầu tư dự án điện gió là 0,1UScent/ kWh (từ Quỹ bảo vệ Môi trường Việt Nam) Ngoài ra, cơ chế hỗ trợ này cũng bao gồm giảm và miễn thuế thu nhập doanh nghiệp, thuế nhập khẩu, phí sử dụng đất, VAT và phí môi trường.
Tóm lại, những bước đầu tiên và những khuyến khích đã được thực hiện đối với phát triển điện gió trong 5 năm gần đây Tuy nhiên, có nhiều việc cần phải làm trước khi năng lượng gió đóng vai trò quan trọng trong phát triển năng lượng bền vững ở Việt Nam trong tương lai Đã có ý chí chính trị, nhưng cần nhiều hơn những biện pháp cụ thể trong các năm tới cho phát triển điện gió ở Việt Nam.
1) Các dự án điện gió tại Việt Nam :
Hiện Việt Nam đang có 3 dự án điện gió phát điện thương mại gồm dự án điện gió Tuy Phong công suất 30MW tại Bình Thuận; dự án điện gió đảo Phú Quý công suất 6MW tại tỉnh Bình Thuận; dự án điện gió Bạc Liêu công suất 16,5MW tại tỉnh Bạc Liêu.
Theo Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011-2020 có xét đến năm 2030 (Quy hoạch điện VII), mục tiêu phát triển năng lượng tái tạo của Việt Nam vào năm 2020 đạt 4,5%, năm 2030 là 6% trong tổng nguồn cung cấp điện của cảnước.
Trong đó, phát triển điện gió đạt 1.000MW vào năm 2020, đạt 6.200MW vào năm 2030, đưa tỷ trọng điện năng từ điện gió chiếm 0,7% năm 2020 lên 2,4% năm 2030
Hình 2.2 Các trụ điện gió thuộc Nhà máy điện gió Tuy Phong (Bình
Ngày 17-1-2016, tại vùng bãi bồi ven biển xã Vĩnh Trạch Đông, TP Bạc Liêu, tỉnh Bạc Liêu, Nhà máy điện gió Bạc Liêu chính thức được khánh thành, đưa vào hoạt động 62 turbine gió có tổng công suất 99,2 MW Nhà máy điện gió Bạc Liêu được khởi công xây dựng vào năm
2010, có diện tích hơn 1.300 ha, công suất là 99,2 MW, điện năng sản xuất khoảng 320 triệuKWh/năm, tổng mức đầu tư của dự án hơn 5.200 tỷ đồng do Công ty TNHH Xây dựng,Thương mại, Du lịch Công lý làm chủ đầu tư.
Hình 2.3 Nhà máy hoàn thành với 62 turbine gió, có tổng công suất 99,2 MW
Nhà máy Điện gió Phú Lạc có tổng diện tích 400ha, trong đó diện tích chiếm đất vĩnh viễn của dự án khoảng 11ha và diện tích chiếm đất tạm thời khoảng 8ha.Trong giai đoạn 1, nhà máy Điện gió Phú Lạc được thiết kế bao gồm 12 tuabin với công suất 24MW, có tổng vốn đầu tư hơn 1.000 tỷ đồng do Công ty Cổ phần phong điện Thuận Bình đầu tư, trong đó có 85% vốn vay từ Ngân hàng tái thiết Đức – KFW; Nhà thầu chính là Hydro China Coporation – Vesta cam kết sau 14 tháng thi công, tức là đến tháng 9/2016 sẽ hoàn thành và vận hành thương mại
Hình 2.4 Nhà máy điện gió Phú Lạc
Nhà máy điện gió khu du lịch Khai Long sẽ được xây dựng tại ấp Khai Long, xã Đất Mũi, huyện Ngọc Hiển, tỉnh Cà Mau Dự án có tổng công suất lắp đặt 100MW, diện tích sử dụng đất và mặt biển khoảng 2.165ha, được thực hiện trong giai đoạn 2016- 2018.
Từ các dự án đầu tư nhà máy điện gió nêu trên có thể thấy rằng Việt Nam đang coi trọng nguồn năng lượng phong phú và dồi dào này Tận dụng tốt các thế mạnh sẵn có về phát triển năng lượng gió sẽ giúp Việt Nam ổn định an ninh năng lượng cũng như góp phần bảo vệ môi trường và thúc đẩy phát triển kinh tế xã hội.
2) Những khó khăn , trở ngại cho sự phát triển điện gió tại Việt Nam :
Hạn chế số liệu về gió : Hiện chưa có số liệu đồng bộ và thống nhất trên phạm vi cả nước. Đã có nhiều đợt khảo sát nhưng chưa thật sự thành công.
Kinh tế , tài chính : Giá thành các dự án tăng cao do chi phí vật liệu , nhân công , tăng lên Hiện nay giá đầu tư dự án lớn ( 50MW) là 1700-2000USD/kW còn ở Việt Nam là 2200- 2500USD/kw.Ngoài ra do vốn đầu tư cao nhưng khi bán điện gió cũng không thật sự hợp lí nên không tạo được sự hào hứng đầu tư.
Nguồn nhân lực kĩ thuật : Hiện tại ở Việt Nam chưa có ngành đào tạo chuyên sâu về năng lượng tái tạo cũng như năng lượng gió Do đó khi rất thiếu nguồn nhân lực cho ngành công nghiệp còn non trẻ này.Bên cạnh đó còn phải đề cập việc thiếu các công nghệ chất lượng cao với mức đánh giá là chấp nhận được.
GIÓ
Sơ lược lịch sử phát triển của turbine gió
Cối xay gió đã được sử dụng ở Ba Tư (Iran ngày nay) năm 200 TCN bánh xe gió của Heron của Alexandria đánh dấu một trong những trường hợp đầu tiên được biết đến gió tạo năng lượng cho một máy tính trong lịch sử Tuy nhiên, người đầu tiên được biết đến cối xay gió thực tế đã được xây dựng ở Sistan , một khu vực giữa Afghanistan và Iran, từ thế kỷ thứ 7. Những “ Panemone” cối xay gió trục thẳng đứng, trong đó có ổ trục dài theo chiều dọc và có lưỡi hình chữ nhật Bắt đầu từ 6-12 cánh được bảo vệ trong sợi thảm hoặc chất liệu vải, những cối xay gió đã được sử dụng để xay ngũ cốc hoặc ép nước.
Cối xay gió đầu tiên xuất hiện ở châu Âu trong thời trung cổ Các ghi chép lịch sử đầu tiên của việc sử dụng của họ là ở Anh thế kỷ 11 hoặc 12 và có báo cáo cho rằng quân viễn chinh Đức dùng cối xay gió làm cung cấp cho Syria khoảng năm 1190 Vào thế kỷ 14, cối xay gió Hà Lan đã được sử dụng để bơm nước khu vực của đồng bằng sông Rhin.
Phát điện tuabin gió đầu tiên là một máy sạc pin được cài đặt vào tháng bảy năm 1887 Scotland Nhà bác học James Blyth để thắp sáng nhà nghỉ của mình tại Marykirk, Scotland. Một vài tháng sau đó phát minh người Mỹ Charles F.Brush xây dựng tuabin gió tự động hoạt động đầu tiên cho sản xuất điện ở Cleveland, Ohio Mặc dù Tuabin Blyth được coi là không kinh tế ở Vương quốc Anh, Tua-bin gió điện là chi phí hiệu quả hơn ở các quốc gia có dân số rải rác.
Hoạt động tự động turbine gió đầu tiên được xây dựng ở Cleveland vào năm 1887 bởi Charles F Brush Tool Cao 60 feet (18 m) , nặng 4 tấn (3,6 tấn) và được hỗ trợ một máy phát điện 12 kW.
Tại Đan Mạch năm 1900, đã có khoảng 2500 chiếc cối xay gió cho tải cơ khí như máy bơm và các nhà máy, sản xuất ước tính công suất kết hợp tối đa khoảng 30 MW Các máy lớn nhất trên đồng tháp cao 24m (79 ft) với bốn cánh quạt có đường kính 23 mét (75 ft) Năm 1908, có 72 máy phát điện gió điều khiển hoạt động tại Mỹ từ 5 kW đến 25 kW Khoảng thời gian chiến tranh thế giới thứ I, American các nhà sản xuất cối xay gió được sản xuất 100.000 chiếc cối xay gió cho trang trại mỗi năm, chủ yếu là bơm nước Vào những năm 1930, máy phát điện gió cho điện đã được phổ biến trong các trang trại, chủ yếu ở Hoa Kỳ, nơi hệ thống phân phối điện chưa được cài đặt Trong giai đoạn này, thép cường độ cao giá rất rẻ, và các máy phát điện được đặt trên đỉnh tháp cột làm bằng lưới thép tiền chế!
Một tiền thân của máy phát điện gió trục ngang hiện đại phục vụ tại Yalta , Liên Xô vào năm 1931 Đây là máy phát điện 100 kW một tháp cao 30 mét (98 ft), kết nối với hệ thống 6.3 kV phân phối địa phương Nó đã được báo cáo để có một yếu tố công suất hàng năm là 32%, không có nhiều khác nhau từ máy gió hiện nay Trong mùa thu năm 1941, Megawatt cấp tuabin gió đầu tiên đã được đồng bộ hóa với một mạng lưới tiện ích trong Vermont Smith-Putnam tuabin gió chỉ chạy 1.100 giờ trước khi bị hư hỏng nghiêm trọng Các thiết bị không được sửa chữa vì thiếu nguyên liệu trong thời gian chiến tranh.
Tiện ích đầu tiên lưới điện kết nối tua bin gió hoạt động tại Vương quốc Anh được xây dựng bởi John Brown & Copanny năm 1951 tại quần đảo Orkney
Năm 2012, Hãng Vestas (Đan Mạch) đã chế tạo thành công tuabin gió lớn nhất thế giới lắp đặt ngoài biển khơi mang số hiệu V164 với đường kính cánh quạt lên đến 164 m, công suất đạt từ 7 đến 8 MW và chiều dài mỗi cánh quạt là 80 m (dài hơn sải cánh máy bay Boeing 747).
Các loại Turbine gió thông dụng
1) Turbine gió trục ngang (hawt, cánh dạng khí động) :
Hình 3.1 Turbine gió trục ngang
Turbine gió trục ngang (hawt) có các phần chính của tuabine và máy phát điện đặt nằm ngang, ở phía trên đỉnh của tháp và quay theo hướng đón gió các turbine điều chỉnh theo hướng gió bằng cách sử dụng một bộ cảm biến gió cùng với một động cơ servo Hầu hết có một hộp số, biến chuyển động quay chậm của các cánh thành một vòng quay nhanh hơn để phù hợp tốc độ quay máy phát điện.Turbine được sử dụng trong các trang trại gió để sản xuất điện thương mại thường là ba cánh và chỉnh the hướng gió nhờ máy tính điều khiển động cơ. Turbine có tốc độ cực cao trên 320 km/h (200 mph), hiệu quả sử dụng cao, và mô-men xoắn thấp, nên có độ tin cậy cao Các cánh quạt thường có chiều dài 20m - 40m (66-130 ft) hoặc nhiều hơn Thép ống tháp chiều cao từ 60 đến 90 mét (200 đến 300 ft) Các cánh quạt xoay từ
10 đến 22 vòng mỗi phút, tốc độ đỉnh không vượt quá 90 mét mỗi giây (300 ft/s).Có một hộp số thường được sử dụng để đẩy mạnh tốc độ của máy phát điện, sử dụng ổ đĩa trực tiếp Một số mô hình hoạt động ở tốc độ không đổi, nhưng có thể nhận được nhiều năng lượng hơn bằng cách thay đổi tốc độ tuabine qua máy biến áp vào hệ thống truyền tải Tất cả các turbine được trang bị với các tính năng bảo vệ để tránh thiệt hại ở tốc độ gió cao nhờ hệ thống phanh.
2) Turbine gió trục dọc ( VAWTs):
Hình 3.1 Động cơ gió loại roto cánh thẳng trục đứng
-Turbin gió trục dọc (VAWTs) có rotor trục chính bố trí theo chiều dọc trụ máy phát Lợi thế quan trọng của sự sắp xếp này là tuabin không cần phải điều chỉnh theo hướng gió để có hiệu quả Đây là một lợi thế trên các nơi mà các hướng gió thay đổi thường xuyên Những khó khăn bao gồm các tốc độ quay thấp với mô-men xoắn cao hơn làm tăng chi phí vận hành và khó khăn trong việc mô hình hóa dòng chảy gió chính xác và có những thách thức của phân tích và thiết kế cánh quạt trước khi chế tạo một mẫu thử nghiệm.Với một trục thẳng đứng, máy phát điện và hộp số có thể được đặt gần mặt đất, bằng cách sử dụng một ổ đĩa trực tiếp từ lắp ráp cánh quạt hộp số trên mặt đất, do đó ta có thể bảo trì một cách dễ dàng hơn Turbine gió trục thẳng đứng đã được cải tiến trong nhiều năm: một đơn vị sản xuất lên đến 10 kW được xây dựng bởi Bruce Brill người Israel đi tiên phong trong những năm 1980 Thiết bị được đề cập trong báo cáo năm 1990 của Tiến sĩ Moshe Dan Hirsch, Israel quyết định đầu tư năng lượng và hỗ trợ trong 20 năm tiếp theo.
3) Động cơ gió loai rotor cách tròn trục đứng ( động cơ gió savonius): Động cơ gió loại này do một kỹ sư người Phần Lan là J savonius sáng chế năm1920 Mômen khởi động động cơ lớn nhưng hiệu suất thấp có thể dung động cơ gió loại này quay máy phát điện tốc độ thấp.
Hình 3.3 Động cơ gió savonius
4) Động cơ gió trục đứng Darieus: Động cơ gió loại náy do kỹ sư người Pháp là Darieus sang chế năm 1925 Ưu điểm nổi bật của động cơ gió Darieus là kết cấu gọn nhẹ, động cơ gió loại này vẫn trong giai đoạn nghiên cứu để hoàn thiện nên chưa được ứng dụng rộng rãi bằng loại động cơ cánh khí động
Hình 3.4 Động cơ gió Darieus cánh cong Hình 3.5 Động cơ gió Darieus cánh thẳng
Cấu tạo cơ bản của một turbine gió
1.Cối xay gió Hà Lan 2.Savorius 3.Nhiều cánh
4 Lí tưởng 5 Nhiều cánh 6.Hai cánh tốc độ cao 7 Darrieur
IV) Cấu tạo cơ bản của một turbine gió:
Hình 3.6 Cấu tạo turbine gió
Anemometer: Bộ đo lường và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điểu khiển trung tâm.
Blades: Cánh quạt Gió thổi qua các cánh quạt là nguyên nhân làm cho các cánh quạt chuyển động quay rotor.
Brake: Bộ hãm (phanh) Dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp bằng điện, bằng sức nước hoặc bằng động cơ khi tốc độ vượt giới hạn cho phép.
Controller: Bộ điều khiển Bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở tốc độ gió khoảng
8 đến 14 dặm/giờ tương ứng với 12 km/h đến 22 km/h và tắc động cơ khoảng 65 dặm/giờ tương đương với 104 km/h khi các máy phát này phát nóng.
Gear box: Hộp số Bánh răng được nối với trục có tốc độ thấp với trục có tốc độ cao và tăng tốc độ quay từ 30 đến 60 vòng/ phút lên 1200 đến 1500 vòng/ phút, tốc độ quay là yêu cầu của hầu hết các máy phát điện sản xuất ra điện.
High – speed shaft: Trục truyền động của máy phát khi hoạt động ở tốc độ cao.
Low – speed shaft: Trục quay máy phát khi hoạt động ở tốc độ thấp
Nacelle: Vỏ Bao gồm rotor và vỏ bọc ngoài, được dặt trên đỉnh trụ và bao gồm các phần: gear box, low and high – speed shafts, generator, controller, and brake Vỏ bọc ngoài dùng bảo vệ các thành phần bên trong vỏ.
Pitch: Bước răng Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho rotor quay trong gió không quá cao hay quá thấp thích hợp nhất để tạo ra điện.
Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục trên turbine gió.
Tower: Trụ đỡ Nacelle Được làm bằng thép hình trụ hoặc thanh dằn bằng thép Bởi vì tốc độ gió tăng lên nếu trụ càng cao để thu được năng lượng gió nhiều hơn và phát ra điện nhiều hơn khi hoạt động.
Wind vane: Để xử lý hướng gió và liên lạc với “yaw drive” để định hướng turbine gió đón được nhiều gió nhất.
Yaw drive: Dùng để giữ cho rotor luôn luôn hướng về hướng gió chính khi có sự thay đổi hướng gió.
Yaw motor: Động cơ dùng để cung cấp cho “yaw drive” định được hướng gió khi hướng gió thay đổi.
Lí do turbine trục ngang phổ biến hơn trục đúng:
Trục tốc độ thấp quay
Máy phát điện hoạt động
Trục tốc độ cao quay
Tăng tốc Hộp số Điện sản sinh ra đi vào một máy biến áp, chuyển đổi điện Điện
- Turbines trục đứng vẫn chưa được sử dụng phổ biến như turbines trục ngang do có một số hạn chế đang được nghiên cứu khắc phục những nhược điểm của turbine gió trục đứng. Turbines gió trục đứng thường có xu hướng dừng lại theo hướng gió, lúc khởi động thường có momen xoắn rất thấp, nhưng sản xuất gợn sóng momen quay lại rất lớn và mang tính chu kỳ. Thiết kế của trục đứng khi gặp gió cánh quạt sẽ cong đi để đón gió nên chịu momen uốn cao, trong thời gian dài sẽ gây ra sự nứt và vỡ cánh quạt gây hư hỏng.
-Tốc độ gió thay đổi theo chiều cao, càng lên cao thì tốc độ gió càng nhanh và ổn định hơn do ma sát của gió với bề mặt Trái Đất Thế nên để sử dụng tối ưu năng lượng gió, người ta phải lắp đặt động cơ càng cao so với mặt đất càng tốt Cánh gió của turbines trục đứng thường được lắp gần mặt đất nên không đón được gió vận tốc cao như ở trục ngang.
Hình 3.7 Mối quan hệ giữa chiều cao và công suất của turbine gió
8) Lắp đặt turbine gió : Địa hình : Các turbines gió đặt ở ven biển cho sản lượng cao hơn các trạm nội địa vì bờ biển thường có gió mạnh hơn trong nội địa Giải pháp này tiết kiệm đất xây dựng, và việc vận chuyển các vật tư lớn trên biển cũng thuận lợi hơn trên bộ.Những mỏm núi, những đồi hoang không sử dụng được cho công nghiệp, nông nghiệp cũng có thể đặt được turbines gió Trong trường hợp này chỉ cần làm trụ đỡ thấp, tiết kiệm đáng kể chi phí xây dựng.Ngoài ra, turbines gió còn có thể được đặt trên nóc tòa nhà cao tầng hoặc khu chế xuất.
Vận tốc gió : Các turbines gió có thể phát điện khi tốc độ gió từ 3 m/s và tự ngừng phát điện khi tốc độ gió vượt quá 25 m/s Tốc độ gió hiệu quả từ 10 - 17 m/s.
Công suất : Tùy theo mục đích sử dụng mà tính toán công suất cho turbines gió, có thể từ một đến vài chục ngàn KW và hơn nữa.
*Các mô hình turbine gió :
Hình 3.8 Sơ đồ turbine gió độc lập
2) Mô hình turbine gió kết hợp pin năng lượng mặt trời:
Hình 3.9 Mô hình kết hợp giữa năng lượng gió và mặt trời
Hình 3.10 Hình ảnh thực tế của mô hình trên
3) Mô hình turbine gió có nối lưới:
Hình 3.11 Mô hình phát điện turbine gió có nối lưới
Dump Load: Tải nhiệt xả điện dư khi không dùng hết.
Battery Bank: Hệ thống bình ắc quy.
Inventer :Biến đổi một chiều DC ra AC.
Power utility gird: lưới điện.
TOÁN THIẾT KẾ TURBINE GIÓCHO 4 HỘ GIA ĐÌNH
Yêu cầu thiết kế
Công suất các phụ tải , thiết bị :
- Bảng phụ tải của một hộ gia đình:
Tải AC tiêu thụ Số lượng Công suất định mức (W)
Thời gian sử dụng (h/da)
Công suất tiêu thụ(Wh/da)
TV 2 100 3 600 Đèn ( đèn sợi đốt) 4 60 6 1440 Đèn (Đèn huỳnh quang) 5 30 10 1500
Tổng công suất tiêu thụ trong một giờ của môt hộ gia đình:
24 D9,58 W Tổng công suất của 4 hộ gia đình:
Chọn turbine gió có công suất 2000W
Tính toán các thông số của Turbin gió
1) Lựa chọn máy phát điện :
Ta chọn máy phát điện như sau :
- Loại: máy phát điện gió
- Số mô hình: BF-H-2kW
1 stator và rotor sử dụng cán nguội cao cấp cường độ ca
2.Nam châm chất lượng cao (40sh/42sh/40uh hiếm-NdFeB Trái đất ( bo sắt neodymi)
3.cuộn dây với 180 lớp chải có patincoat loạt men-bao gồm dây đồng tròn khả năng chịu nhiệt và cao cấp insluation
4 vòng bi sử dụng hoàn toàn- kèm theo Nsk/ntn/skf/c&u
5.Thấp khởi động momen xoắn Năng lượng gió sử dụng cao; kích thước nhỏ, ngoại hình đẹp, thấp rung động
6 thiết kế thân thiện của con người.Dễ dàng cài đặt,bảo trì và sửa chữa.
7.Cơ thể hộp kim nhôm:Chống ăn mòn/nước, bảo trì miễn phí
THÔNG SỐ KỸ THUẬT MÁY PHÁT 2KW công suất ra (W) 2kW
Tốc độ quay định mức (RPM) 200 Điện áp ra định mức ( V ) 110 VDC dòng điện ra định mức (A) 25
Mô men định mức ( NM) 20 Years
Tiêu chuẩn đánh giá: NSK Bearing high standards
Trục vật liệu Stainless steel high standards
Vỏ máy spheroidal graphite cast iron-
Nhiệt độ chịu được 180 Degarees C
Vật liệu làm nam châm NdFeB (Neodymium Iron Boron
Nhiệt độ chịu được của nam châm: 150 o C
Thép kỹ thuật High specification cold-rolled steel cold
2) Tính toán bán kính cánh quạt rotor :
Ta có công thức tính như sau:
Trong đó ví dụ như sau:
P: Công suất điện = 2000 W à: hệ số cụng suất mỏy phỏt=0,9 ρ: mật độ không khí = 1,225 Kg/m3
𝐶 𝑝 : hệ số betz ( chọn bằng 0,42) v: vận tốc gió chọn = 7m/s
A: tiết diện vòng quay của cánh quạt 𝑚 2
Vậy ta chọn bán kính turbine gió r = 3 m
3) Tính toán tốc độ gió tiếp tuyến đầu cánh :
Hệ số cao tốc tại đầu cánh : λ=V pp v b,83
Hình 4.2 Sơ đồ quan hệ giữa Cp và 𝜆 của turbine 3 cánh ta có Cp =0.42 nên ta chọn a=0,72 hệ số lực cản: a' a(1 a) / 2 0.72(1 0.72) /81 0.0025
Vận tốc tương đối của gió qua tiết diện r = 3 cánh
4) Tính góc đặt β ở tiết diện đặc biệt của cánh NACA 2412:
Hình 4.3 Tam giác vận tốc cho ta vận tốc tương đối của dòng chảy với phân tố cánh
-Tiết diện giữa cánh sinθ=U ∞ (1−a)
Tương ứng cho các vị trí trên ta có độ rộng của lưỡi cánh (độ dài chordline) Cùng với góc đặt cánh β ta dựng được cánh cần thiết của tuabin.
Công thức tính chiều dài chordline C:
Với số cánh của turbine gió là N=3,λ=9,𝐶 𝑙 =0,85.
Ta dùng phần mềm wind turbine blade calculator 2006 để tính cát thong số cánh quạt:
Hình 4.4 Chương trình tính thông số cánh quạt
Từ phần mềm t có được các thông số sau:
Các thông số cánh quạt:
Hình 4.5 Tỉ lệ chord của cánh turbine
HÌnh 4.6 Kích thước cánh quạt Bảng giá trị các thông số cánh quạt:
3 0.081 -1.8 0.081 Độ dày của cánh C = 10% ~ 13% chord ở tiết diện tương ứng
5) Lực quay ,vận tốc góc,momen quay của rotor:
-Khi đó vận tốc góc của rotor là:
- Các loại tháp tuabin hiện nay: tháp khung dàn, tháp hình ống, tháp dây nối đất.
- Đối với loại tuabin gió cho hộ gia đình, ta chọn loại trụ dây nối đất.
- Để thu được chất lượng gió tốt nhất ta nên làm chiều cao cột trụ lớn hơn 10m so với vật cản cao nhất.
Ví dụ: tòa nhà trong khu vực cao 10m nên ta thiết kế cột trụ cao 20m.
Trong trường hợp này chọn trụ cao 25m khá phù hợp với đề nghị từ nhà sản xuất là 20- 25m
Hình 4.6 tỉ lệ chiều cao tháp turbine so với vận tốc gió mô hình BF-H-2kW đánh giá( w) điện 2000 đánh giá điện áp( v) 220 đường kính cánh quạt( m) 3
Bắt đầu- lên tốc độ gió( m/s) 2
Cắt tốc độ gió( m/s) 3 đánh giá tốc độ gió( m/s) 10
An toàn tốc độ gió( m/s) 35 yawing loại thép
Luân phiên đánh giá cao tỷ lệ( r/m) 200 máy phát điện vật liệu hợp kim lưỡi vật liệu sợi thủy tinh lưỡi số 3 guy cáp
Bảng 4.4 Thông số kỹ thuật do nhà máy cung cấp
Hình 4.7 Lắp đặt dây cáp
Cáp với thông số kĩ thuật : Đường kính cáp
Lực kéo đứt tối thiểu
Phân bố tải trọng ngang do gió:
W o được tính theo công thức:
- K: là hệ số tính đến sự thay đổi của áp lực gió theo độ cao và địa hình dựa theo bảng 5 ,TCVN
-c:hệ số khí động xác định “theo bảng 6, TCVN 273-195” c = 1,2
Hình 4.8 Mô hình cách dựng tháp
7) Thiết bị định hướng gió :
Hình 4.9 Diện tích Đuôi chỉnh hướng gió kiểu vây cá
Hình 4.10 Hình ảnh thực tế đuôi cá với một turbine gió
Khi những cơn gió quá mạnh cần một hệ thống phanh cho turbine gió ngừng hoạt động bởi vì gió quá mạnh có thể làm hư hại đến máy phát điện và các bộ phận khác.Ta chọn phanh có thông số như sau:
-Mã :coremo 14FK400 100093-Hãng chế tạo :Gummi-Xuất sứ: England
Hình 4.11 mô hình hệ thống phanh
6) Chống sét cho tua-bin điện gió.
Sử dụng kim thu bằng sắt mạ kẽm đường kính 10mm đặt trên đỉnh vỏ thùng case.
Có 7 cọc thép nối đất song song, hình sao.
Chiều cao cần bảo vệ hx= 3000 cm
0,75 = 3173 cmℎ𝑘𝑖𝑚 = 3173 − 3000 = 173 cm => chọn kim thu sét 0,2m
Hình 4.12 mô hình chống sét turbine gió
TÍNH TOÁN CHỌN CÁC THIẾT BỊ TRONG HỆ THỐNG
Chọn bộ điều khiển ( controller )
Bảo vệ máy phát điện gió không bị quá tốc độ, quá điện áp và quá dòng.
Hỗ trợ nhiều loại turbine
Chức năng điều khiển bằng tay và tự động
Hỗ trợ chuyển đổi sạc gió và mặt trời. mô hình TEC-20-48 điện tua bin gió 2000 W năng lượng mặt trời công suất định mức600 W được đánh giá cao Pin Điện Áp 48 V 96 V gió-turbine đầu vào tối đa điện năng 3000 W gió-turbine đầu vào hiện tại max 60 A 45 A
Over-sạc điện áp 58.8 V 1116 V quá phí điện áp phục hồi 56 V 110 V
Over-Điện Áp phóng Điện 42.5 V 86 V
Over-xả Điện Áp phục hồi 47 V 92 V phương pháp điều khiển hai cách điều khiển với PWM miễn phí tải bị mất điện ≤6 mA điện áp bị mất trên sạc ≤0.26 V điện áp bị mất trên xả ≤0.15 V hiển thị
* LCD hiển thị pin sạc hiện tại; pin điện áp; hệ thống tình trạng hoạt động
* LED hiển thị pin tình hình; thiết bị trạng thái làm việc
Chế Độ bảo vệ năng lượng mặt trời tế bào xếp sạc, năng lượng mặt trời tế bào chống-kết nối đảo ngược, pin over-sạc, pin over-xả, pin anti-kết nối đảo ngược, quá tải, tải chống-kết nối đảo ngược, gió-turbine hiện tại giới hạn, gió-turbine xoay hạn chế, hướng dẫn sử dụng phanh chuyển đổi được trang bị. quá tải và bảo vệ ngắn mạch 1.25 lần giây./1.5 lần 5sec hành động nhiệt độ môi trường -25° C-+ 55° C độ ẩm < 85% RH không ngưng tụ chính-device Kích Thước 355 mét x 380 mét x 150 mét chính-thiết bị Trọng Lượng 7 KG
Dump-tải Kích Thước 420 mét X 200 mét X 160 mét
Dump-load Trọng Lượng 5 kg
Phương Pháp làm mát Quạt làm mát
Bảng5.1 thông số kỹ thuật bộ điều khiển do nhà sản xuất cung cấp:
Chọn công suất bộ biến đổi nguồn ( inverter )
-Công suất ra của bộ Inverter phải bằng 150% công suất tiêu thụ của toàn tải là 2kW
Ta chọn thiết bị sau:
Điện áp đầu vào:DC12V/24V/48V/110V
điện áp đầu ra:AC100/110/120V AC220/230/240V
Hình 5.2 bộ biến đội nguồn( inverter) mô hình 2000W tinh khiết biến tần điện áp đầu vào 12v/24v/48V DC điện áp đầu ra 100v/110v/120v/220v/230v/240v ac sản lượng điện 2000W ngay lập tức công suất đỉnh 4000W không tải curent vẽ < 0.75A hiệu quả > 87%
THD < 4% dạng sóng đầu ra tinh khiết sóng sin điện áp đầu vào 10v-15v/21v-30v/40v-60V tần số 50hz/60hz báo pin yếu 10.5& Plusmn; 0.3V/21& Plusmn;
0.5v/42& Plusmn; 0.5v dc pin thấp đóng cửa 10& Plusmn; 0.5v/20 quá áp tắt 15,5& Plusmn; 0.5v/30,5 quá tải 2000W hơn 10 giây hơn nhiệt đóng cửa đầu ra ngắn mạch cầu chì nhiệt độ làm việc Giữa- 10& deg; c và +50 °; c độ ẩm làm việc 20% rh ~90% rh không ngưng tụ nhiệt độ bảo quản Giữa- 30& deg; c và +70 °; c
Bảng 5.2 Thông số kỹ thuật inverter
W : Tổng Công suất tiêu thụ
V: Hiệu điện thế của bình ắc quy
AH: Dung lượng bình ắc quy
Hệ số năng suất hệ thống (pf) : thông thường lấy từ 0,6-0,8 chọn 0,7 T:
Theo công thức trên ta chọn :
- 4 bình Acquy Phoenix 1 2V-120AH TS121200
Tên hàng Acquy Phoenix 1 2V-120AH
Kiểu Acquy Khô kín khí,không cần bảo dưỡng Điện áp 12V
VI) Sơ đồ hệ thống :
Hình 5.4 sơ đồ hệ thống cập điện năng lượng gió có hòa lưới
KINH TẾ CỦA HỆ THỐNG TUABINE GIÓ
Lợi ích từ việc sử dụng turbine gió
-Sau khi hoàn vốn giá thành đầu tư thì năng lượng mà gió mang lại sẽ là nguồn miễn phí.
-Hiện nay không chỉ ở Việt Nam mà khắp nơi trên thế giới chính phủ đều khuyến khích và có các chính sách ưu đãi hơn về việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo.
-Đây là nguồn năng lượng từ thiên nhiên nên hầu như không phụ thuộc vào giá cả biến động trên thị trường.
-Giảm chi phí cho tiền điện hàng tháng.
-Ở mức đầu tư qui mô lớn hoàn toàn có thể bán lại điện cho nhà nước.
-Là nguồn năng lượng sạch không thải ra khí gây hiệu ứng nhà kính thân thiện với môi trường.
Tính toán giá thành lắp đặt
-Hệ thống Turbine gió : bao gồm máy phát điện , cánh , trụ và dây cáp :
Tiền đầu tư dây dẫn điện không đán kể ta có thể bỏ qua.
-Tổng tiền đầu tư cho hệ thống là : 77.535.098vnđ
-Giá tiền điện thời điểm hiện tại : 2.141 vnđ/kW
-Tổng lượng điện sản xuất trong một năm của hệ thống : 2x24x365520 kW
-Tổng thời gian hoàn vốn:
T = 17520 77535098 × 2141 = 2,067 năm => sau 2 năm sẽ hoàn vốn chi phí lắp đặt
