Kinh Tế - Quản Lý - Công Nghệ Thông Tin, it, phầm mềm, website, web, mobile app, trí tuệ nhân tạo, blockchain, AI, machine learning - Công Nghệ - Technology i TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LÝ THUYẾT THIẾT KẾ VÀ ỨNG DỤ NG NĂNG LƯỢNG GIÓ (Bản dịch xuất bản lần thứ nhất) Tác giả: J.F. Manwell, J.G. McGowan và A.L. Rogers Biên dịch từ tiếng Anh: Bộ môn Thủy điện Năng lượng tái tạo HÀ NỘI – 2017 ii LỜI NÓI ĐẦU Nhằm đáp ứng yêu cầu đào tạo sinh viên hệ đại học chuyên ngành "Năng lượng tái tạo" của Trường Đại học Thủy lợi cũng như của các ngành liên quan, các giảng viên của Bộ môn Thủy điện và Năng lượng tái tạo đã tiến hành Biên dịch cuốn sách này từ bản tiếng Anh: J.F. Manwell, J.G. McGowan and Al. Rogers (2002). Wind Energy Explained : Theory, Design and Application. Chúng tôi xin chân thành cảm ơn sự hợp tác, giúp đỡ, động viên từ các cơ quan liên quan, đồng nghiệp, bạn bè và gia đình trong quá trình thực hiện biên dịch. Bản dịch được xuất bản lần đầu tiên nên không tránh khỏi sai sót, do vậy kính mong nhận được phản hồi và ý kiến đóng góp xây dựng của các đọc giả. Các ý kiến xin gửi về: Bộ môn Thủy điện và Năng lượng tái tạo; Trường Đại học Thủy lợi, 175 Tây Sơn, Hà Nội; Chúng tôi xin chân thành cảm ơn ý kiến đóng góp quý giá của quý đọc giả để cuốn sách đượ c hoàn thiện hơn. Bộ môn Thủy điện và Năng lượng tái tạo iii i MỤC LỤC Chương 1 Giới thiệu: Năng lượng gió hiện nay và nguồn gốc của nó ......................................................... 4 1.1 Các Tua bin gió hiện đại: ................................................................................................................................. 4 1.2 Lịch sử khai thác năng lượng gió .................................................................................................................. 11 Chương 2 Các đặc điểm và tài nguyên gió ....................................................... Error Bookmark not defined. 2.1 Giới thiệu............................................................................................................... Error Bookmark not defined. 2.2 Những đặc điểm chung của tài nguyên gió ........................................................... Error Bookmark not defined. 2.3 Những đặc điểm của tầng khí quyển ranh giới .................................................... Error Bookmark not defined. 2.4 Phân tích dữ liệu gió và Ước tính tài nguyên ....................................................... Error Bookmark not defined. 2.5 Ước tính sản xuất năng lượng từ tua bin gió sử dụng các phương pháp kỹ thuật thống kê .. Error Bookmark not defined. 2.6 Tổng quan về dữ liệu đánh giá nguồn tài nguyên khả dụng ................................ Error Bookmark not defined. 2.7 Các dụng cụ đo lường và đo lường gió ................................................................. Error Bookmark not defined. 2.8 Những đề tài nâng cao .......................................................................................... Error Bookmark not defined. Chương 3 Khí động học của tua bin gió .......................................................... Error Bookmark not defined. 3.1 Tổng quan ............................................................................................................. Error Bookmark not defined. 3.2 Thuyết động lượng một chiều và giới hạn Betz .................................................... Error Bookmark not defined. 3.3 Tua bin gió trục ngang lý tưởng có sự quay của dòng đuôi ................................. Error Bookmark not defined. 3.4 Cánh quạt bay và khái niệm chung về Khí động học ......................................... Error Bookmark not defined. 3.5 Thuyết momen và thuyết phần tử cánh quạt ....................................................... Error Bookmark not defined. 3.6 Hình dáng cánh quạt cho rô-to lý tưởng không bị sự quay dòng đuôi. ............... Error Bookmark not defined. 3.7 Dự đoán hoạt động của cánh quạt rô-to nói chung .............................................. Error Bookmark not defined. 3.8 Hình dạng cánh cho rô-to tối ưu với việc chuyển động xoay dòng đuôi. ............. Error Bookmark not defined. 3.9 Phương pháp thiết kế rô-to tổng quát .................................................................. Error Bookmark not defined. 3.10 Phương pháp tính toán hiệu suất rô-to HAWT đơn giản. ................................ Error Bookmark not defined. 3.11 Ảnh hưởng của số cánh quạt và lực cản lên hiệu suất tối ưu ............................. Error Bookmark not defined. 3.12 Các đề tài khí động lực học tiên tiến................................................................... Error Bookmark not defined. Chương 4 Cơ học và Động học ......................................................................... Error Bookmark not defined. 4.1 Giới thiệu chung .................................................................................................... Error Bookmark not defined. 4.2 Các nguyên lý chung ............................................................................................. Error Bookmark not defined. 4.3 Động lực rô-to cánh quạt của tua bin gió ............................................................. Error Bookmark not defined. 4.4 Mô hình động năng chi tiết và chuyên dụng ........................................................ Error Bookmark not defined. Chương 5 Điện trong các loại tua bin gió ......................................................... Error Bookmark not defined. 5.1 Tổng quan ............................................................................................................. Error Bookmark not defined. 5.2. Những khái niệm cơ bản về năng lượng điện ...................................................... Error Bookmark not defined. 5.3 Bộ biến áp công suất ............................................................................................. Error Bookmark not defined. 5.4 Các máy điện ......................................................................................................... Error Bookmark not defined. 5.5 Bộ biến đổi công suất ............................................................................................ Error Bookmark not defined. 5.6 Các thiết bị điện đi kèm ........................................................................................ Error Bookmark not defined. Chương 6 Thiết kế tua bin gió .......................................................................... Error Bookmark not defined. 6.1 Tổng quan ............................................................................................................. Error Bookmark not defined. ii 6.2 Quy trình thiết kết ................................................................................................ Error Bookmark not defined. 6.3 Các cấu trúc địa hình học tua bin gió ................................................................... Error Bookmark not defined. 6.4 Các vật liệu ............................................................................................................ Error Bookmark not defined. 6.5 Các bộ phận của máy ............................................................................................ Error Bookmark not defined. 6.6 Tải tua bin gió ....................................................................................................... Error Bookmark not defined. 6.7 Hệ thống tua bin gió phụ và các bộ phận của nó ................................................. Error Bookmark not defined. 6.8 Đánh giá thiết kế ................................................................................................... Error Bookmark not defined. 6.9 Dự tính đường cong công suất .......................................................................... Error Bookmark not defined. Chương 7 Điều khiển tua bin gió...................................................................... Error Bookmark not defined. 7.1 Giới thiệu chung .................................................................................................... Error Bookmark not defined. 7.2 Tổng quan về hệ thống điều khiển tua bin gió ..................................................... Error Bookmark not defined. 7.3 Hoạt động điển hình của tua bin kết nối với lưới điện ......................................... Error Bookmark not defined. 7.4 Tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát và hệ thống xử lý ............................ Error Bookmark not defined. 7.5 Nguyên lý làm việc của điều khiển động học ........................................................ Error Bookmark not defined. Chương 8 Vị trí lắp đặt, thiết kế và tích hợp hệ thống cho tua bin gió ............. Error Bookmark not defined. 8.2 Tổng quan ............................................................................................................. Error Bookmark not defined. 8.2 Chọn vị trí đặt tua bin gió..................................................................................... Error Bookmark not defined. 8.3 Những vấn đề lắp đặt và vận hành ....................................................................... Error Bookmark not defined. 8.4. Trạm năng lượng gió ........................................................................................... Error Bookmark not defined. 8.5 Tua bin gió và các trạm năng lượng gió trong lưới điện ...................................... Error Bookmark not defined. 8.6 Trạm năng lượng gió ngoài khơi .......................................................................... Error Bookmark not defined. 8.7 Việc vận hành trong thời tiết khắc nghiệt ............................................................ Error Bookmark not defined. 8.8 Hệ thống điện hỗn hợp .......................................................................................... Error Bookmark not defined. Tài liệu tham khảo ...................................................................................................... Error Bookmark not defined. Chương 9 Kinh tế năng lượng gió .................................................................... Error Bookmark not defined. 9.1 Giới thiệu............................................................................................................... Error Bookmark not defined. 9.2 Tổng quan đánh giá kinh tế của hệ thống năng lượng gió ................................... Error Bookmark not defined. 9.3 Vốn đầu tư cho hệ thống năng lượng gió ............................................................. Error Bookmark not defined. 9.4 Chi phí vận hành và bảo dưỡng ........................................................................... Error Bookmark not defined. 9.5 Giá trị của năng lượng gió .................................................................................... Error Bookmark not defined. 9.5.1 Tổng quan........................................................................................................... Error Bookmark not defined. 9.6 Các phương pháp phân tích kinh tế ..................................................................... Error Bookmark not defined. 9.7 Xem xét thị trường năng lượng gió ...................................................................... Error Bookmark not defined. Chương 10 Hệ thống năng lượng gió: xem xét khía cạ nh và tác động môi trường .......Error Bookmark not defined. 10.1 Giới thiệu ............................................................................................................. Error Bookmark not defined. 10.2 Tác động của chim đối với các Tua bin gió ........................................................ Error Bookmark not defined. 10.3 Tác động trực quan của tua bin gió .................................................................... Error Bookmark not defined. 10.4 Tiếng ồn của tubine gió ....................................................................................... Error Bookmark not defined. 10.5 Hiệu ứng giao thoa điện từ.................................................................................. Error Bookmark not defined. 10.6 Tác động môi trường liên quan đến việc sử dụng dất ........................................ Error Bookmark not defined. 10.7 Các xem xét về môi trường ................................................................................. Error Bookmark not defined. iii Lời giới thiệu Công nghệ khai thác năng lượng từ nguồn gió tự nhiên đã phát triển mạnh mẽ qua vài thập niên gần đây. Hiện nay dù đã có những cố gắng để viết về công nghệ này trong một cuốn tài liệu. Việc thiếu thốn tài liệu, đi kèm với mong muốn tiến xa hơn đã trở thành động lực để viết nên cuốn sách này. Các tài liệu trong cuốn sách này đã phát triển từ các quá trình giảng dạy Kỹ thuật Năng lượng gió, mộ t bộ bài thuyết trình đã được giảng dạy tại Đại Học Massachusetts từ giữa năm 1970. Những ghi chú sau này được sửa đổi khá nhiều và mở rộng hơn, với sự hỗ trợ của phòng thí nghiệm năng lượng hữu dụng mới - Bộ Năng lượng Quốc gia Hoa Kỳ. Cuốn sách này cung cấp một mô tả về các chủ đề là kiến thức cơ bản về chuyển đổi của năng lượng gió thành điện năng để đưa vào sử dụng. Những chủ đề này bao gồm nhiều lĩnh vực, từ lĩnh vực khí tượ ng, khoa học kỹ thuật tới kinh tế và liên quan tới vấn đề môi trường. Cuốn sách bắt đầu với một giới thiệu về nhìn nhận một cách tổng quan về công nghệ, giải thích cách đưa kiến thức đó đưa đến cái nhìn ngày nay. Chương kế tiếp mô tả các nguồn tài nguyên gió và cách thức để nó trở thành năng lượng sử dụng. Chương 3 thảo luậ n về nguyên tắc khí động học và giải thích tiến trình gió làm quay tua bin động cơ máy phát. Chương 4 nghiên cứu sâu về lĩnh vực chức năng và cơ khí của các chi tiết trong tua bin, và xem xét mối quan hệ giữ a cánh quạt và phần còn lại của bộ máy phát. Chương 5 chỉ ra sơ lược về các thiết bị điện bên ngoài của máy phát điện từ năng lượng gió, đặc biệt là liên quan trực tiếp đến hệ chuyển đổi sang điện năng. Chương 7 kiể m tra tua bin gió và hệ thống điều khiển gió. Chương 8 Thảo luận về vị trí xây lắp tua bin gió và hòa nhập vào lưới điện riêng và chung. Chương 9 tính kinh tế của việc phát triển năng lượng gió. Nó mô tả các phương pháp tính toán về kinh tế, từ đó chỉ ra hiệu quả từ việc ứng dụng năng lượng gió và có thể so sánh với các hình thức ứng dụng năng lượng từ nguồn khác. Cuối cùng, chương 10 mô tả các mặt ảnh hưởng tới môi trường do sả n xuất điện từ năng lượng gió. Cuốn sách này chủ yếu dùng như sách giáo khoa dành cho sinh viên ngành kỹ thuật và các chuyên gia trong lĩnh vực liên quan mà họ đã bắt đầu vào nghiên cứu năng lượng gió. Cuốn sách này cũng có thể sử dụng cho những người có kiến thức nền tảng về toán học và vật lý khi họ muốn có được sự hiểu biết về vấn đề này. Nó sẽ có ích cho những người muốn tự mình thiết kế một tua bin gió. Với người khác, nó sẽ đem lạ i sự hiểu biết các nguyên lý cơ bản về hoạt động của tua bin và thiết kế chi tiết đầy đủ để đánh giá cao nhữ ng khía cạnh trong đó có mặt quan tâm của họ. Các lĩnh vực bao gồm nơi xây dựng tua bin, kết nối vào mạng lưới điện, vấn đề môi trường, kinh tế, chính sách pháp luật. Nghiên cứu về năng lượng gió xuyên suốt một loạt lĩnh vực. Từ đó nảy sinh khả năng mà nhiều đọ c giả chưa có nền tảng như mọi người nên hầu hết các chương có bao gồm giới thiệu một số tài liệu tham khả o. Khi thích hợp, độc giả được giới thiệu đến các nguồn khác để biết thêm chi tiết. Những giải pháp cho nhữ ng vấn đề đưa ra ở cuối cuốn sách có thể được tìm thấy tại trang web: www.wiley.co.ukwindenergy 4 Chương 1 Giới thiệu: Năng lượng gió hiện nay và nguồn gốc của nó Sự tái xuất hiện của gió như một nguồn năng lượng quan trọng của thế giới phải được xếp vào mộ t trong những phát hiện quan trọng cuối thế kỷ XX. Sự ra đời của động cơ hơi nước theo sau đó là sự xuấ t hiện của các công nghệ khác để biến đổi nhiên liệu hoá thạch thành năng lượng hữu ích dường như đã loạ i bỏ mãi mãi vai trò quan trọng của gió trong các dạng năng lượng khác. Trong thực tế, vào gi ữa năm 1950 đã xuất hiện điều này. Tuy nhiên cuối năm 1960 dấu hiệu đầu tiên của một sự đảo chiều có thể được thấy rõ và đầu năm 1990 sự đảo chiều cơ bản đã diễn ra một cách rõ ràng. Để hiểu được điều gì đang xảy ra cần phải xem xét 5 yếu tố chính. Yếu tố đầu tiên trong tất cả 5 yếu tố đó là nhu cầu. Việc nhận thấy sự hữu hạn của nguồn dự trữ nhiên liệu hoá thạch c ủa trái đất cũng như sự nhận biết về ảnh hưởng bất lợi của việc đốt những nhiên liệu này để tạo ra năng lượng đã khiế n nhiều người tìm kiếm những thay đổi. Yếu tố thứ hai đó là tiềm năng. Gió có ở khắp mọi nới trên trái đất và ở một số nơi có nguồn gió dồi dào. Gió được sử dụng rộng rãi trong quá khứ cho cơ khí cũng như vận tải. Chắc chắn có thể hiểu được việc tái sử dụng gió. Yếu tố thứ ba là khả năng công nghệ. Nói riêng, có các diễn biến trong các lĩnh vực khác, khi ứng dụng vào các Tua bin gió có thể cách mạng hoá chúng theo cách mà chúng có thể được sử dụng. Ba yếu tố đầu tiên này là cần thiết để thúc đẩy sự tái xuất hiện của năng lượng gió, nhưng chưa đủ. Phải cần thêm hai yếu tố nữa, thứ nhất là cái nhìn về cách mới để sử dụng năng lượng gió, thứ hai là mong muốn chính trị để thực hiện. Nhận thức đó bắt đầu trước năm 1960 với các cá nhân như Poul la Cour, Albert Betz, Palmer Putnam và Percy Thomas. Nó được tiếp tục bởi Johannes Juul, E.W. Golding, Ulrich Hutter and William Heronemus, nhưng đã nhanh chóng truyền tới nhiều người khác và được đề cập đến rất nhiều. Vào lúc bắt đầu của sự tái xuất hiện của gió, chi phí năng lượng từ Tua bin gió cao hơn so với chi phí năng lượng hóa thạch. Sự hỗ trợ của chính phủ được yêu cầu để thực hiện các nghiên cứu, phát triển và thử nghiệm, để cung cấp các qui định cải cách để cho phép tua bin gió liên kết với mạng lưới điện, và để cung cấp các ưu đãi để giúp đẩy nhanh việc triển khai công nghệ mới. Các chính sách cần thiết cho sự hỗ trợ này xuất hiện vào các thời điểm khác nhau và mức độ khác nhau. Ở một số quốc gia: đầu tiên tại Hoa Kỳ, Đan Mạch và Đức, và hiện nay ở nhiều nơi còn lại trên thế giới. Mục đích của chương này là cung cấp một cái nhìn khái quát về công nghệ năng lượng gió ngày nay để thiết lập bối cảnh cho phần còn lại của cuốn sách. Nó đã thêm các các câu hỏi như: công nghệ gió hiện đại trông như thế nào? nó được sử dụng để làm gì? nó nhận cách này như thế nào? nó sẽ đi đâu. 1.1 Các Tua bin gió hiện đại: Hình 1.1: Tua bin gió hiện đại 5 Tua bin gió như đã được miêu tả trong cuốn sách này là một bộ máy chuyển đổi sức gió thành điện năng. Bộ máy này trái ngược với “cối xay gió” dùng để chuyển đổi sức gió thành cơ năng. Giống như các máy phát điện, các tua bin gió được nối với hệ thống điện. Hệ thống điện bao gồm các mạch pin, hệ thống điện quy mô hộ gia đình, riêng rẽ hoặc từng vùng, và hệ thống cung cấp điện lớn. Trong tổng số các tua bin gió, các tua bin gió được sử dụng thường xuyên nhất là các tua bin gió khá nhỏ - công suất 10kW hoặc nhỏ hơn. Trong tổng công suất phát điện, các tua bin mà hình thành phần lớn công suất nói chung là khá lớn - trong khoảng 500kW đến 2MW. Những tua bin lớn hơn được sử dụng chủ yếu trong hệ thống điện lớn, phần lớn ở Châu Âu hoặc Hoa Kỳ. Một tua bin gió hiện đại điển hình nối với lưới điện, được minh hoạ trong hình 1.1. Để hiểu các tua bin gió được sử dụng thế nào, thật hữu ích khi xem xét ngắn gọn một số thực trạng cơ bản qua sự vận hành. Trong các tua bin gió hiện đại, quá trình biến đổi sử dụng lực nâng khí động lực để tạo ra mô men xoắn chủ động trên trục quay, kết quả đầu tiên trong việc tạo ra lực cơ học và sự chuyển đổi của nó thành điện trong máy phát điện. Các tua bin gió không giống như hầu hết các máy phát điệ n khác, có thể sản xuất năng lượng chỉ khi ngay lập tức có gió. Không thể lưu giữ và sử dụng gió sau mộ t thời gian, sản lượng của tua bin gió là như vậy rất dao động và không thể điều phối (hầu hế t tua bin gió có thể làm là giới hạn phát điện ít hơn năng lượng mà gió có thể sinh ra). Bất cứ một hệ thố ng nào mà tua bin gió kết nối phải xem xét đến sự biến đổi này. Trong các hệ thống điện lớn hơn, tua bin gió được sử dụng để giảm tổng phụ tải điện và như vậy kết quả trong việc giảm cũng như số máy phát điện truyền thống đang được sử dụng hoặc nhiên liệu mà các máy phát đó đang tiêu thụ. Ở các hệ thống điện nhỏ hơn, có thể có năng lượng lưu giữ, máy phát điện dự phòng và một số hệ thống điều khiển được đặc biệt hóa. Mộ t thực tế nữa là gió không thể vận chuyển được: nó chỉ có thể biến đổi tại nơi mà nó đang đang thổ i. Trong quá khứ, một sản phẩm như lúa mì được làm ra nhờ cối xay gió và sau đó được vận chuyển tới các nơi sử dụng. Ngày nay, khả năng của năng lượng điện truyền tải thông qua đường dây tải điện để bù nhất đị nh cho việc gió không có khả năng vận chuyển được. Trong tương lai hệ thống năng lượng dự a vào hydro có thể cộng thêm vào khả năng này. 1.1.1 Thiết kế Tua bin gió hiện đại Ngày nay phần lớn các thiết kế chung của Tua bin gió là Tua bin gió có trục nằ m ngang (HAWT) và đây là loại duy nhất được thảo luận chi tiết trong cuốn sách này. Trục quay song song với mặt đấ t. Những rô-to HAWT thường được phân loại theo định hướng (gió thổi từ trên hoặc từ dưới của cộ t tháp). thiết kế ổ trục – moay-ơ (cố định hoặc quay được), bộ điều chỉnh cánh quạt (kiểu mất tố c hay góc nghiêng), số cánh quạt (thường là 2 hoặc 3 cánh) và chúng được nghiêng như thế nào với gió (xoay đảo hướng tự do hay xoay đảo hướng chủ động). Hình minh hoạ 1.2 chỉ ra bố trí theo dạng xuôi gió và ngượ c gió. Hình 1.2: Hình trạng rô-to HAWT Hướng gió Hướng gió Xuôi gió Ngược gió 6 Những hệ thống phụ chính của trục ngang đặc trưng được chỉ ra trong hình minh hoạ 1.3 bao gồm: Rô-to gồm cánh quạt và trục đỡ. Hệ thống truyền lực bao gồm các bộ phận quay của Tua bin gió (loại trừ cánh quạt), gồm trụ c, hộp số, đầu nối, phanh cơ khí và máy phát điện. Vỏ bọc và khung chính bao gồm hộp tua bin gió, tấm đế và hệ thống xoay đảo hướng. Cột tháp và bệ đỡ. Bộ phận điều khiển tua bin. Hệ thống cân bằng điện năng bao gồm dây cáp, thiết bị đóng ngắt, máy biến áp và có thể có các thiết bị chuyển đổi điện năng. Hình 1.2: Sơ đồ những bộ phận chính của một tua bin gió . Chức năng chính trong thiết kế cối xay gió và cấu trúc bao gồm: Số cánh quạt (phổ biến là 2 hoặc 3 cánh). Cánh quạt định hướng: xuôi gió hoặc ngược gió. Vật liệu làm cánh quạt, phương pháp xây dựng và hình dạng. Thiết kế mayơ: cố định, di động hoặc khớp xoay. Bộ điều khiển nguồn thông qua bộ điều khiển khí động lực (điều khiển mất tốc) hoặc góc nghiêng cánh quạt thay đổi (điều khiển góc nghiêng). Tốc độ cố định hoặc tốc độ biến thiên của rô-to. Vỏ tua bin Điều khiển Truyền lực Phát điện Khung chính Hệ thống xoay Hệ thống cân bằng điện năng Móng Cánh quay Trục Trụ đỡ 7 Định hướng bằng cách tự điêu chỉnh (xoay tự do), hoặc điều khiển trực tiếp (xoay chủ động). Máy phát điện đồng bộ hoặc máy phát điện cảm ứng. Hộp số hoặc máy phát điện nối trực tiếp. Giới thiệu ngắn về tổng quan của vài bộ phận cấu thành quan trọng nhất như sau. Thảo luậ n chi tiết hơn về toàn bộ hệ số thiết kế của các bộ phận cấu thành này và những phần quan trọng khác của hệ thống Tua bin gió sẽ được đề cập trong chương 3, 4, 5, 6 và 7 của cuốn sách này. 1.1.1.1 Bộ phận Rô-to Rô-to gồm có moay-ơ và các cánh quạt. Chúng thường được coi như là những bộ phận cấ u thành quan trọng nhất của rô-to cả về hiệu suất và toàn bộ chi phí. Ngày nay hầu hết các tua bin đều có rô-to ngược gió với 3 cánh quạt. Có vài tua bin xuôi gió và vài loại có 2 cánh quạt. Tua bin 1 cánh được xây dựng trong quá khứ, nhưng không còn được sản xuất. Phần lớn các tua bin cỡ trung bình, đặc biệt các tua bin từ Đan Mạch sử dụng điều khiển mất tốc và góc nghiêng cánh cố định (được miêu tả trong chương 3, 6 và 7). Số hãng sản xuất của Mỹ sử dụng điều khiển góc nghiêng, giờ đây dường như xu hướng chung là tăng việc sử dụng điều khiển góc nghiêng đặc biệt trong các tua bin lớn. Các cánh quạt ở phần lớn các tua bin được làm từ hợp chất composite, cơ bản là chất dẻo cốt sợi thuỷ tinh (GRP), nhưng đôi khi thì gỗtấm epoxy được sử dụng để làm cánh quạt. Những vấn đề này được trình bày chi tiết hơn ở chương Khí động học (chương 3) và chương Thiết kế (chương 6). 1.1.1.2 Hệ thống truyền lực. Hệ thống truyền động bao gồm các bộ phận quay của tua bin gió. Những bộ phận quay điể n hình bao gồm một trục quay tốc độ chậm (ở phía rô-to), hộp số và một trục quay tốc độ cao (ở phía máy phát điện). Bộ phận cấu thành hệ thống truyền lực bao gồm ổ đỡ, một hoặc nhiều khớp truyền độ ng, phanh và các bộ phận quay của máy phát điện (sẽ được thảo luận riêng ở phần tiếp theo). Mục đích của hộp số là tăng tốc độ quay của cánh quạt từ tốc độ chậm (vài chục vòngphút) lên tốc độ phù hợp để đạt tiêu chuẩn phát điện (hàng trăm hoặc hàng nghìn vòngphút). Hai loại hộp số được sử dụ ng trong Tua bin gió: song song và bánh răng vệ tinh. Đối với những tua bin lớn hơn (xấp xỉ khoảng 500kW), lợi thế về trọng lượ ng và kích cỡ của hộp số vệ tinh trở nên rõ ràng hơn. Một số thiết kế Tua bin gió được thiết kế một cách đặ c biệt, những máy phát điện tốc độ thấp không yêu cầu có hộp số. Trong khi thiết kế của các bộ phận cấu thành hệ thống truyền lực Tua bin gió thường theo thông lệ thiết kế cơ khí truyền thống, thì trọng tải duy nhất của hệ thống truyền lực của Tua bin gió cần những xem xét đặc biệt. Sự thay đổi của gió và động lực học của các rô-to quay cỡ lớn ảnh hướng nhiều đến tải trọ ng biến đổi tác động lên các bộ phận truyền động. 1.1.1.3 Máy phát điện Gần như tất cả các Tua bin gió đều sử dụng mát phát điện cảm ứng hoặc máy phát điện đồng bộ . Cả hai loại máy phát điện này đòi hỏi tốc độ quay không đổi hoặc gần như không đổi khi máy phát điện được kết nối trực tiếp với hệ thống cấp điện. Phần lớn các Tua bin gió được lắp đặt trong hệ thống điện với việc sử dụng các máy phát điện cảm ứng. Một máy phát điện cảm ứng hoạt động trong một khoảng cách thu hẹp phạm vi tốc độ hơi cao hơn so với tốc độ đồng bộ của nó (máy phát điện bốn cực hoạt động trong tần số 60 Hz có tốc độ đồng bộ là 180 vph). Lợi thế chính của các máy phát điện cảm ứng là chúng chạy khoẻ, giá thành rẻ, dễ dàng nối với hệ thống điện. Tuỳ chọn cho máy phát điện bao gồm việc sử dụng các Tua bin gió có tốc độ thay đổi. Có một số lợi ích như là hệ thống cung cấp bao gồm giảm hao mòn và hư hỏng trên Tua bin gió và vận hành tiềm năng của Tua bin gió ở mức hiệu suất tối đa trong dải gió của vận tốc, tạo ra sản lượng điện tăng. Mặ c dù có nhiều khả năng lựa chọn thiết bị để đáp ứng sự thay đổi tốc độ hoạt động của tua bin gió, các bộ phậ n cấu thành điện năng được sử dụng trong phần lớn các máy thay đổi tốc độ hiện nay đang được thiết kế. Khi được sử dụng với các máy đổi điện năng thích hợp thì cả máy phát điện đồng bộ và máy phát điệ n cảm ứng đều có thể chạy với tốc độ thay đổi. 8 1.1.1.4 Vỏ bọc và hệ thống xoay đảo hướng Mục này bao gồm vỏ bọc tua bin gió, phiến đế máy hoặc khung chính và hệ thống đảo hướ ng. Khung chính dùng cho việc lắp ghép và bố trí thích hợp của các bộ phận cấu thành hệ thống truyền lự c. Vỏ bọc bảo vệ các bộ phận bên trong khỏi ảnh hưởng của thời tiết. Hệ thống đảo hướng được dùng để giữ trục của cánh quạt được bố trí theo hướng thích hợp vớ i gió. Bộ phận cấu thành cơ bản là vòng bi lớn để liên kết khung chính với cột tháp. Điều khiển đảo hướ ng chủ động nói chung được sử dụng với một tua bin ngược gió, tua bin này bao gồm một hoặc nhiều mô- tơ đảo hướng, mỗi mô-tơ truyền lực cho bánh răng hành tinh ngược chiều bánh răng chính được gắn chặt với vòng bi đảo hướng.Thiết bị này được điều khiển bởi hệ thống điều khiển đảo hướng tự động với bộ cả m biến chiều gió thường được gắn ở vỏ tua bin gió. Đôi khi phanh xoay đảo hướng được sử dụng loại thiế t kế n...
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LÝ THUYẾT THIẾT KẾ VÀ ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG GIÓ (Bản dịch xuất bản lần thứ nhất) Tác giả: J.F Manwell, J.G McGowan và A.L Rogers Biên dịch từ tiếng Anh: Bộ môn Thủy điện & Năng lượng tái tạo HÀ NỘI – 2017 i LỜI NÓI ĐẦU Nhằm đáp ứng yêu cầu đào tạo sinh viên hệ đại học chuyên ngành "Năng lượng tái tạo" của Trường Đại học Thủy lợi cũng như của các ngành liên quan, các giảng viên của Bộ môn Thủy điện và Năng lượng tái tạo đã tiến hành Biên dịch cuốn sách này từ bản tiếng Anh: J.F Manwell, J.G McGowan and Al Rogers (2002) Wind Energy Explained : Theory, Design and Application Chúng tôi xin chân thành cảm ơn sự hợp tác, giúp đỡ, động viên từ các cơ quan liên quan, đồng nghiệp, bạn bè và gia đình trong quá trình thực hiện biên dịch Bản dịch được xuất bản lần đầu tiên nên không tránh khỏi sai sót, do vậy kính mong nhận được phản hồi và ý kiến đóng góp xây dựng của các đọc giả Các ý kiến xin gửi về: Bộ môn Thủy điện và Năng lượng tái tạo; Trường Đại học Thủy lợi, 175 Tây Sơn, Hà Nội; Chúng tôi xin chân thành cảm ơn ý kiến đóng góp quý giá của quý đọc giả để cuốn sách được hoàn thiện hơn Bộ môn Thủy điện và Năng lượng tái tạo ii iii MỤC LỤC Chương 1 Giới thiệu: Năng lượng gió hiện nay và nguồn gốc của nó 4 1.1 Các Tua bin gió hiện đại: 4 1.2 Lịch sử khai thác năng lượng gió 11 Chương 2 Các đặc điểm và tài nguyên gió Error! Bookmark not defined 2.1 Giới thiệu .Error! Bookmark not defined 2.2 Những đặc điểm chung của tài nguyên gió Error! Bookmark not defined 2.3 Những đặc điểm của tầng khí quyển ranh giới Error! Bookmark not defined 2.4 Phân tích dữ liệu gió và Ước tính tài nguyên .Error! Bookmark not defined 2.5 Ước tính sản xuất năng lượng từ tua bin gió sử dụng các phương pháp kỹ thuật thống kê Error! Bookmark not defined 2.6 Tổng quan về dữ liệu đánh giá nguồn tài nguyên khả dụng Error! Bookmark not defined 2.7 Các dụng cụ đo lường và đo lường gió Error! Bookmark not defined 2.8 Những đề tài nâng cao Error! Bookmark not defined Chương 3 Khí động học của tua bin gió Error! Bookmark not defined 3.1 Tổng quan .Error! Bookmark not defined 3.2 Thuyết động lượng một chiều và giới hạn Betz Error! Bookmark not defined 3.3 Tua bin gió trục ngang lý tưởng có sự quay của dòng đuôi .Error! Bookmark not defined 3.4 Cánh quạt bay và khái niệm chung về Khí động học .Error! Bookmark not defined 3.5 Thuyết momen và thuyết phần tử cánh quạt .Error! Bookmark not defined 3.6 Hình dáng cánh quạt cho rô-to lý tưởng không bị sự quay dòng đuôi Error! Bookmark not defined 3.7 Dự đoán hoạt động của cánh quạt rô-to nói chung Error! Bookmark not defined 3.8 Hình dạng cánh cho rô-to tối ưu với việc chuyển động xoay dòng đuôi Error! Bookmark not defined 3.9 Phương pháp thiết kế rô-to tổng quát Error! Bookmark not defined 3.10 Phương pháp tính toán hiệu suất rô-to HAWT đơn giản Error! Bookmark not defined 3.11 Ảnh hưởng của số cánh quạt và lực cản lên hiệu suất tối ưu Error! Bookmark not defined 3.12 Các đề tài khí động lực học tiên tiến Error! Bookmark not defined Chương 4 Cơ học và Động học Error! Bookmark not defined 4.1 Giới thiệu chung Error! Bookmark not defined 4.2 Các nguyên lý chung .Error! Bookmark not defined 4.3 Động lực rô-to cánh quạt của tua bin gió .Error! Bookmark not defined 4.4 Mô hình động năng chi tiết và chuyên dụng Error! Bookmark not defined Chương 5 Điện trong các loại tua bin gió Error! Bookmark not defined 5.1 Tổng quan .Error! Bookmark not defined 5.2 Những khái niệm cơ bản về năng lượng điện Error! Bookmark not defined 5.3 Bộ biến áp công suất .Error! Bookmark not defined 5.4 Các máy điện .Error! Bookmark not defined 5.5 Bộ biến đổi công suất Error! Bookmark not defined 5.6 Các thiết bị điện đi kèm Error! Bookmark not defined Chương 6 Thiết kế tua bin gió Error! Bookmark not defined 6.1 Tổng quan .Error! Bookmark not defined i 6.2 Quy trình thiết kết Error! Bookmark not defined 6.3 Các cấu trúc địa hình học tua bin gió Error! Bookmark not defined 6.4 Các vật liệu Error! Bookmark not defined 6.5 Các bộ phận của máy Error! Bookmark not defined 6.6 Tải tua bin gió .Error! Bookmark not defined 6.7 Hệ thống tua bin gió phụ và các bộ phận của nó Error! Bookmark not defined 6.8 Đánh giá thiết kế Error! Bookmark not defined 6.9 Dự tính đường cong công suất Error! Bookmark not defined Chương 7 Điều khiển tua bin gió Error! Bookmark not defined 7.1 Giới thiệu chung Error! Bookmark not defined 7.2 Tổng quan về hệ thống điều khiển tua bin gió .Error! Bookmark not defined 7.3 Hoạt động điển hình của tua bin kết nối với lưới điện .Error! Bookmark not defined 7.4 Tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát và hệ thống xử lý Error! Bookmark not defined 7.5 Nguyên lý làm việc của điều khiển động học Error! Bookmark not defined Chương 8 Vị trí lắp đặt, thiết kế và tích hợp hệ thống cho tua bin gió Error! Bookmark not defined 8.2 Tổng quan .Error! Bookmark not defined 8.2 Chọn vị trí đặt tua bin gió Error! Bookmark not defined 8.3 Những vấn đề lắp đặt và vận hành .Error! Bookmark not defined 8.4 Trạm năng lượng gió Error! Bookmark not defined 8.5 Tua bin gió và các trạm năng lượng gió trong lưới điện Error! Bookmark not defined 8.6 Trạm năng lượng gió ngoài khơi Error! Bookmark not defined 8.7 Việc vận hành trong thời tiết khắc nghiệt Error! Bookmark not defined 8.8 Hệ thống điện hỗn hợp Error! Bookmark not defined Tài liệu tham khảo Error! Bookmark not defined Chương 9 Kinh tế năng lượng gió Error! Bookmark not defined 9.1 Giới thiệu .Error! Bookmark not defined 9.2 Tổng quan đánh giá kinh tế của hệ thống năng lượng gió Error! Bookmark not defined 9.3 Vốn đầu tư cho hệ thống năng lượng gió .Error! Bookmark not defined 9.4 Chi phí vận hành và bảo dưỡng Error! Bookmark not defined 9.5 Giá trị của năng lượng gió Error! Bookmark not defined 9.5.1 Tổng quan Error! Bookmark not defined 9.6 Các phương pháp phân tích kinh tế .Error! Bookmark not defined 9.7 Xem xét thị trường năng lượng gió Error! Bookmark not defined Chương 10 Hệ thống năng lượng gió: xem xét khía cạnh và tác động môi trường .Error! Bookmark not defined 10.1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined 10.2 Tác động của chim đối với các Tua bin gió Error! Bookmark not defined 10.3 Tác động trực quan của tua bin gió Error! Bookmark not defined 10.4 Tiếng ồn của tubine gió .Error! Bookmark not defined 10.5 Hiệu ứng giao thoa điện từ Error! Bookmark not defined 10.6 Tác động môi trường liên quan đến việc sử dụng dất Error! Bookmark not defined 10.7 Các xem xét về môi trường Error! Bookmark not defined ii Lời giới thiệu Công nghệ khai thác năng lượng từ nguồn gió tự nhiên đã phát triển mạnh mẽ qua vài thập niên gần đây Hiện nay dù đã có những cố gắng để viết về công nghệ này trong một cuốn tài liệu Việc thiếu thốn tài liệu, đi kèm với mong muốn tiến xa hơn đã trở thành động lực để viết nên cuốn sách này Các tài liệu trong cuốn sách này đã phát triển từ các quá trình giảng dạy Kỹ thuật Năng lượng gió, một bộ bài thuyết trình đã được giảng dạy tại Đại Học Massachusetts từ giữa năm 1970 Những ghi chú sau này được sửa đổi khá nhiều và mở rộng hơn, với sự hỗ trợ của phòng thí nghiệm năng lượng hữu dụng mới - Bộ Năng lượng Quốc gia Hoa Kỳ Cuốn sách này cung cấp một mô tả về các chủ đề là kiến thức cơ bản về chuyển đổi của năng lượng gió thành điện năng để đưa vào sử dụng Những chủ đề này bao gồm nhiều lĩnh vực, từ lĩnh vực khí tượng, khoa học kỹ thuật tới kinh tế và liên quan tới vấn đề môi trường Cuốn sách bắt đầu với một giới thiệu về nhìn nhận một cách tổng quan về công nghệ, giải thích cách đưa kiến thức đó đưa đến cái nhìn ngày nay Chương kế tiếp mô tả các nguồn tài nguyên gió và cách thức để nó trở thành năng lượng sử dụng Chương 3 thảo luận về nguyên tắc khí động học và giải thích tiến trình gió làm quay tua bin động cơ máy phát Chương 4 nghiên cứu sâu về lĩnh vực chức năng và cơ khí của các chi tiết trong tua bin, và xem xét mối quan hệ giữa cánh quạt và phần còn lại của bộ máy phát Chương 5 chỉ ra sơ lược về các thiết bị điện bên ngoài của máy phát điện từ năng lượng gió, đặc biệt là liên quan trực tiếp đến hệ chuyển đổi sang điện năng Chương 7 kiểm tra tua bin gió và hệ thống điều khiển gió Chương 8 Thảo luận về vị trí xây lắp tua bin gió và hòa nhập vào lưới điện riêng và chung Chương 9 tính kinh tế của việc phát triển năng lượng gió Nó mô tả các phương pháp tính toán về kinh tế, từ đó chỉ ra hiệu quả từ việc ứng dụng năng lượng gió và có thể so sánh với các hình thức ứng dụng năng lượng từ nguồn khác Cuối cùng, chương 10 mô tả các mặt ảnh hưởng tới môi trường do sản xuất điện từ năng lượng gió Cuốn sách này chủ yếu dùng như sách giáo khoa dành cho sinh viên ngành kỹ thuật và các chuyên gia trong lĩnh vực liên quan mà họ đã bắt đầu vào nghiên cứu năng lượng gió Cuốn sách này cũng có thể sử dụng cho những người có kiến thức nền tảng về toán học và vật lý khi họ muốn có được sự hiểu biết về vấn đề này Nó sẽ có ích cho những người muốn tự mình thiết kế một tua bin gió Với người khác, nó sẽ đem lại sự hiểu biết các nguyên lý cơ bản về hoạt động của tua bin và thiết kế chi tiết đầy đủ để đánh giá cao những khía cạnh trong đó có mặt quan tâm của họ Các lĩnh vực bao gồm nơi xây dựng tua bin, kết nối vào mạng lưới điện, vấn đề môi trường, kinh tế, chính sách pháp luật Nghiên cứu về năng lượng gió xuyên suốt một loạt lĩnh vực Từ đó nảy sinh khả năng mà nhiều đọc giả chưa có nền tảng như mọi người nên hầu hết các chương có bao gồm giới thiệu một số tài liệu tham khảo Khi thích hợp, độc giả được giới thiệu đến các nguồn khác để biết thêm chi tiết Những giải pháp cho những vấn đề đưa ra ở cuối cuốn sách có thể được tìm thấy tại trang web: www.wiley.co.uk/windenergy iii Chương 1 Giới thiệu: Năng lượng gió hiện nay và nguồn gốc của nó Sự tái xuất hiện của gió như một nguồn năng lượng quan trọng của thế giới phải được xếp vào một trong những phát hiện quan trọng cuối thế kỷ XX Sự ra đời của động cơ hơi nước theo sau đó là sự xuất hiện của các công nghệ khác để biến đổi nhiên liệu hoá thạch thành năng lượng hữu ích dường như đã loại bỏ mãi mãi vai trò quan trọng của gió trong các dạng năng lượng khác Trong thực tế, vào giữa năm 1950 đã xuất hiện điều này Tuy nhiên cuối năm 1960 dấu hiệu đầu tiên của một sự đảo chiều có thể được thấy rõ và đầu năm 1990 sự đảo chiều cơ bản đã diễn ra một cách rõ ràng Để hiểu được điều gì đang xảy ra cần phải xem xét 5 yếu tố chính Yếu tố đầu tiên trong tất cả 5 yếu tố đó là nhu cầu Việc nhận thấy sự hữu hạn của nguồn dự trữ nhiên liệu hoá thạch của trái đất cũng như sự nhận biết về ảnh hưởng bất lợi của việc đốt những nhiên liệu này để tạo ra năng lượng đã khiến nhiều người tìm kiếm những thay đổi Yếu tố thứ hai đó là tiềm năng Gió có ở khắp mọi nới trên trái đất và ở một số nơi có nguồn gió dồi dào Gió được sử dụng rộng rãi trong quá khứ cho cơ khí cũng như vận tải Chắc chắn có thể hiểu được việc tái sử dụng gió Yếu tố thứ ba là khả năng công nghệ Nói riêng, có các diễn biến trong các lĩnh vực khác, khi ứng dụng vào các Tua bin gió có thể cách mạng hoá chúng theo cách mà chúng có thể được sử dụng Ba yếu tố đầu tiên này là cần thiết để thúc đẩy sự tái xuất hiện của năng lượng gió, nhưng chưa đủ Phải cần thêm hai yếu tố nữa, thứ nhất là cái nhìn về cách mới để sử dụng năng lượng gió, thứ hai là mong muốn chính trị để thực hiện Nhận thức đó bắt đầu trước năm 1960 với các cá nhân như Poul la Cour, Albert Betz, Palmer Putnam và Percy Thomas Nó được tiếp tục bởi Johannes Juul, E.W Golding, Ulrich Hutter and William Heronemus, nhưng đã nhanh chóng truyền tới nhiều người khác và được đề cập đến rất nhiều Vào lúc bắt đầu của sự tái xuất hiện của gió, chi phí năng lượng từ Tua bin gió cao hơn so với chi phí năng lượng hóa thạch Sự hỗ trợ của chính phủ được yêu cầu để thực hiện các nghiên cứu, phát triển và thử nghiệm, để cung cấp các qui định cải cách để cho phép tua bin gió liên kết với mạng lưới điện, và để cung cấp các ưu đãi để giúp đẩy nhanh việc triển khai công nghệ mới Các chính sách cần thiết cho sự hỗ trợ này xuất hiện vào các thời điểm khác nhau và mức độ khác nhau Ở một số quốc gia: đầu tiên tại Hoa Kỳ, Đan Mạch và Đức, và hiện nay ở nhiều nơi còn lại trên thế giới Mục đích của chương này là cung cấp một cái nhìn khái quát về công nghệ năng lượng gió ngày nay để thiết lập bối cảnh cho phần còn lại của cuốn sách Nó đã thêm các các câu hỏi như: công nghệ gió hiện đại trông như thế nào? nó được sử dụng để làm gì? nó nhận cách này như thế nào? nó sẽ đi đâu 1.1 Các Tua bin gió hiện đại: Hình 1.1: Tua bin gió hiện đại 4 Tua bin gió như đã được miêu tả trong cuốn sách này là một bộ máy chuyển đổi sức gió thành điện năng Bộ máy này trái ngược với “cối xay gió” dùng để chuyển đổi sức gió thành cơ năng Giống như các máy phát điện, các tua bin gió được nối với hệ thống điện Hệ thống điện bao gồm các mạch pin, hệ thống điện quy mô hộ gia đình, riêng rẽ hoặc từng vùng, và hệ thống cung cấp điện lớn Trong tổng số các tua bin gió, các tua bin gió được sử dụng thường xuyên nhất là các tua bin gió khá nhỏ - công suất 10kW hoặc nhỏ hơn Trong tổng công suất phát điện, các tua bin mà hình thành phần lớn công suất nói chung là khá lớn - trong khoảng 500kW đến 2MW Những tua bin lớn hơn được sử dụng chủ yếu trong hệ thống điện lớn, phần lớn ở Châu Âu hoặc Hoa Kỳ Một tua bin gió hiện đại điển hình nối với lưới điện, được minh hoạ trong hình 1.1 Để hiểu các tua bin gió được sử dụng thế nào, thật hữu ích khi xem xét ngắn gọn một số thực trạng cơ bản qua sự vận hành Trong các tua bin gió hiện đại, quá trình biến đổi sử dụng lực nâng khí động lực để tạo ra mô men xoắn chủ động trên trục quay, kết quả đầu tiên trong việc tạo ra lực cơ học và sự chuyển đổi của nó thành điện trong máy phát điện Các tua bin gió không giống như hầu hết các máy phát điện khác, có thể sản xuất năng lượng chỉ khi ngay lập tức có gió Không thể lưu giữ và sử dụng gió sau một thời gian, sản lượng của tua bin gió là như vậy rất dao động và không thể điều phối (hầu hết tua bin gió có thể làm là giới hạn phát điện ít hơn năng lượng mà gió có thể sinh ra) Bất cứ một hệ thống nào mà tua bin gió kết nối phải xem xét đến sự biến đổi này Trong các hệ thống điện lớn hơn, tua bin gió được sử dụng để giảm tổng phụ tải điện và như vậy kết quả trong việc giảm cũng như số máy phát điện truyền thống đang được sử dụng hoặc nhiên liệu mà các máy phát đó đang tiêu thụ Ở các hệ thống điện nhỏ hơn, có thể có năng lượng lưu giữ, máy phát điện dự phòng và một số hệ thống điều khiển được đặc biệt hóa Một thực tế nữa là gió không thể vận chuyển được: nó chỉ có thể biến đổi tại nơi mà nó đang đang thổi Trong quá khứ, một sản phẩm như lúa mì được làm ra nhờ cối xay gió và sau đó được vận chuyển tới các nơi sử dụng Ngày nay, khả năng của năng lượng điện truyền tải thông qua đường dây tải điện để bù nhất định cho việc gió không có khả năng vận chuyển được Trong tương lai hệ thống năng lượng dựa vào hydro có thể cộng thêm vào khả năng này 1.1.1 Thiết kế Tua bin gió hiện đại Ngày nay phần lớn các thiết kế chung của Tua bin gió là Tua bin gió có trục nằm ngang (HAWT) và đây là loại duy nhất được thảo luận chi tiết trong cuốn sách này Trục quay song song với mặt đất Những rô-to HAWT thường được phân loại theo định hướng (gió thổi từ trên hoặc từ dưới của cột tháp) thiết kế ổ trục – moay-ơ (cố định hoặc quay được), bộ điều chỉnh cánh quạt (kiểu mất tốc hay góc nghiêng), số cánh quạt (thường là 2 hoặc 3 cánh) và chúng được nghiêng như thế nào với gió (xoay đảo hướng tự do hay xoay đảo hướng chủ động) Hình minh hoạ 1.2 chỉ ra bố trí theo dạng xuôi gió và ngược gió Hướng gió Hướng gió Xuôi gió Ngược gió Hình 1.2: Hình trạng rô-to HAWT 5 Những hệ thống phụ chính của trục ngang đặc trưng được chỉ ra trong hình minh hoạ 1.3 bao gồm: Rô-to gồm cánh quạt và trục đỡ Hệ thống truyền lực bao gồm các bộ phận quay của Tua bin gió (loại trừ cánh quạt), gồm trục, hộp số, đầu nối, phanh cơ khí và máy phát điện Vỏ bọc và khung chính bao gồm hộp tua bin gió, tấm đế và hệ thống xoay đảo hướng Cột tháp và bệ đỡ Bộ phận điều khiển tua bin Hệ thống cân bằng điện năng bao gồm dây cáp, thiết bị đóng ngắt, máy biến áp và có thể có các thiết bị chuyển đổi điện năng Vỏ tua bin Điều khiển Cánh quayTrụcTruyền lực Phát điện Trụ đỡKhung chính / Hệ thống xoay Hệ thống cân bằng điện năng Móng Hình 1.2: Sơ đồ những bộ phận chính của một tua bin gió Chức năng chính trong thiết kế cối xay gió và cấu trúc bao gồm: Số cánh quạt (phổ biến là 2 hoặc 3 cánh) Cánh quạt định hướng: xuôi gió hoặc ngược gió Vật liệu làm cánh quạt, phương pháp xây dựng và hình dạng Thiết kế mayơ: cố định, di động hoặc khớp xoay Bộ điều khiển nguồn thông qua bộ điều khiển khí động lực (điều khiển mất tốc) hoặc góc nghiêng cánh quạt thay đổi (điều khiển góc nghiêng) Tốc độ cố định hoặc tốc độ biến thiên của rô-to 6 Định hướng bằng cách tự điêu chỉnh (xoay tự do), hoặc điều khiển trực tiếp (xoay chủ động) Máy phát điện đồng bộ hoặc máy phát điện cảm ứng Hộp số hoặc máy phát điện nối trực tiếp Giới thiệu ngắn về tổng quan của vài bộ phận cấu thành quan trọng nhất như sau Thảo luận chi tiết hơn về toàn bộ hệ số thiết kế của các bộ phận cấu thành này và những phần quan trọng khác của hệ thống Tua bin gió sẽ được đề cập trong chương 3, 4, 5, 6 và 7 của cuốn sách này 1.1.1.1 Bộ phận Rô-to Rô-to gồm có moay-ơ và các cánh quạt Chúng thường được coi như là những bộ phận cấu thành quan trọng nhất của rô-to cả về hiệu suất và toàn bộ chi phí Ngày nay hầu hết các tua bin đều có rô-to ngược gió với 3 cánh quạt Có vài tua bin xuôi gió và vài loại có 2 cánh quạt Tua bin 1 cánh được xây dựng trong quá khứ, nhưng không còn được sản xuất Phần lớn các tua bin cỡ trung bình, đặc biệt các tua bin từ Đan Mạch sử dụng điều khiển mất tốc và góc nghiêng cánh cố định (được miêu tả trong chương 3, 6 và 7) Số hãng sản xuất của Mỹ sử dụng điều khiển góc nghiêng, giờ đây dường như xu hướng chung là tăng việc sử dụng điều khiển góc nghiêng đặc biệt trong các tua bin lớn Các cánh quạt ở phần lớn các tua bin được làm từ hợp chất composite, cơ bản là chất dẻo cốt sợi thuỷ tinh (GRP), nhưng đôi khi thì gỗ/tấm epoxy được sử dụng để làm cánh quạt Những vấn đề này được trình bày chi tiết hơn ở chương Khí động học (chương 3) và chương Thiết kế (chương 6) 1.1.1.2 Hệ thống truyền lực Hệ thống truyền động bao gồm các bộ phận quay của tua bin gió Những bộ phận quay điển hình bao gồm một trục quay tốc độ chậm (ở phía rô-to), hộp số và một trục quay tốc độ cao (ở phía máy phát điện) Bộ phận cấu thành hệ thống truyền lực bao gồm ổ đỡ, một hoặc nhiều khớp truyền động, phanh và các bộ phận quay của máy phát điện (sẽ được thảo luận riêng ở phần tiếp theo) Mục đích của hộp số là tăng tốc độ quay của cánh quạt từ tốc độ chậm (vài chục vòng/phút) lên tốc độ phù hợp để đạt tiêu chuẩn phát điện (hàng trăm hoặc hàng nghìn vòng/phút) Hai loại hộp số được sử dụng trong Tua bin gió: song song và bánh răng vệ tinh Đối với những tua bin lớn hơn (xấp xỉ khoảng 500kW), lợi thế về trọng lượng và kích cỡ của hộp số vệ tinh trở nên rõ ràng hơn Một số thiết kế Tua bin gió được thiết kế một cách đặc biệt, những máy phát điện tốc độ thấp không yêu cầu có hộp số Trong khi thiết kế của các bộ phận cấu thành hệ thống truyền lực Tua bin gió thường theo thông lệ thiết kế cơ khí truyền thống, thì trọng tải duy nhất của hệ thống truyền lực của Tua bin gió cần những xem xét đặc biệt Sự thay đổi của gió và động lực học của các rô-to quay cỡ lớn ảnh hướng nhiều đến tải trọng biến đổi tác động lên các bộ phận truyền động 1.1.1.3 Máy phát điện Gần như tất cả các Tua bin gió đều sử dụng mát phát điện cảm ứng hoặc máy phát điện đồng bộ Cả hai loại máy phát điện này đòi hỏi tốc độ quay không đổi hoặc gần như không đổi khi máy phát điện được kết nối trực tiếp với hệ thống cấp điện Phần lớn các Tua bin gió được lắp đặt trong hệ thống điện với việc sử dụng các máy phát điện cảm ứng Một máy phát điện cảm ứng hoạt động trong một khoảng cách thu hẹp phạm vi tốc độ hơi cao hơn so với tốc độ đồng bộ của nó (máy phát điện bốn cực hoạt động trong tần số 60 Hz có tốc độ đồng bộ là 180 v/ph) Lợi thế chính của các máy phát điện cảm ứng là chúng chạy khoẻ, giá thành rẻ, dễ dàng nối với hệ thống điện Tuỳ chọn cho máy phát điện bao gồm việc sử dụng các Tua bin gió có tốc độ thay đổi Có một số lợi ích như là hệ thống cung cấp bao gồm giảm hao mòn và hư hỏng trên Tua bin gió và vận hành tiềm năng của Tua bin gió ở mức hiệu suất tối đa trong dải gió của vận tốc, tạo ra sản lượng điện tăng Mặc dù có nhiều khả năng lựa chọn thiết bị để đáp ứng sự thay đổi tốc độ hoạt động của tua bin gió, các bộ phận cấu thành điện năng được sử dụng trong phần lớn các máy thay đổi tốc độ hiện nay đang được thiết kế Khi được sử dụng với các máy đổi điện năng thích hợp thì cả máy phát điện đồng bộ và máy phát điện cảm ứng đều có thể chạy với tốc độ thay đổi 7 1.1.1.4 Vỏ bọc và hệ thống xoay đảo hướng Mục này bao gồm vỏ bọc tua bin gió, phiến đế máy hoặc khung chính và hệ thống đảo hướng Khung chính dùng cho việc lắp ghép và bố trí thích hợp của các bộ phận cấu thành hệ thống truyền lực Vỏ bọc bảo vệ các bộ phận bên trong khỏi ảnh hưởng của thời tiết Hệ thống đảo hướng được dùng để giữ trục của cánh quạt được bố trí theo hướng thích hợp với gió Bộ phận cấu thành cơ bản là vòng bi lớn để liên kết khung chính với cột tháp Điều khiển đảo hướng chủ động nói chung được sử dụng với một tua bin ngược gió, tua bin này bao gồm một hoặc nhiều mô-tơ đảo hướng, mỗi mô-tơ truyền lực cho bánh răng hành tinh ngược chiều bánh răng chính được gắn chặt với vòng bi đảo hướng.Thiết bị này được điều khiển bởi hệ thống điều khiển đảo hướng tự động với bộ cảm biến chiều gió thường được gắn ở vỏ tua bin gió Đôi khi phanh xoay đảo hướng được sử dụng loại thiết kế này để giữ vỏ ở đúng vị trí Hệ thống xoay đảo hướng tự do (có nghĩa là chúng có thể tự điều chỉnh theo hướng gió) thường được sử dụng trên máy xuôi gió 1.1.1.5 Cột tháp và móng Mục này bao gồm kết cấu của cột tháp và móng Thiết kế của các loại cột tháp chính hiện nay đang sử dụng là dạng đứng sử dụng các ống thép, tháp làm bằng các thanh sắt bắt chéo nhau (hoặc giàn đỡ), và cột bằng bê tông Đối với các tua bin nhỏ hơn người ta sử dụng các cột dùng dây neo Về đặc trưng, chiều cao của cột bằng 1 hoặc 1,5 lần đường kính của cánh quạt, thông thường chiều cao của cột ít nhất là 20m Việc chọn cột tháp bị ảnh hưởng rất nhiều bởi đặc điểm của vị trí Độ cứng của cột tháp là yếu tố chính trong hệ thống động lực của Tua bin gió vì khả năng kết hợp dao động giữa cánh quạt và cột tháp Đối với các tua bin có cánh quạt xuôi gió, hiệu quả của bóng cột tháp (dòng xoáy được tạo ra bởi luồng không khí xung quanh cột tháp) trên động học của tua bin, sự biến đổi điện năng, và phát sinh tiếng ồn phải được xem xét Ví dụ, vì bóng của cột tháp nên các tua bin xuôi gió thường ồn hơn các tua bin ngược gió 1.1.1.6 Bộ điều khiển Đối với tua bin gió hệ thống điều khiển rất là quan trọng đối với cả quá trình hoạt động của máy và việc sản xuất năng lượng Hệ thống điều khiển Tua bin gió bao gồm các bộ phận cấu thành sau: Bộ cảm biến- tốc độ, vị trí, lưu lượng, nhiệt độ, dòng điện, điệp áp, vv Bộ điều khiển - kỹ thuật cơ khí, mạch điện, máy tính Bổ chuyển điện - bộ đóng ngắt, bộ khuyếch đại điện, bơm thuỷ lực và van Bộ dẫn động - môtơ, pit-tông, nam châm, cuộn dây Thiết kế của hệ thống điều khiển áp dụng cho Tua bin gió theo kỹ thuật điều khiển truyền thống Có nhiều khía cạnh, tuy nhiên khá rõ ràng đối với các Tua bin gió và được đề cập trong chương 7 Bộ điều khiển Tua bin gió bao gồm 3 khía cạnh chính và việc cân bằng đúng đắn những yêu cầu của chúng: Thiết lập trên những biên trên và giới hạn mômen và công suất được thực hiện bởi hệ thống truyền lực Tăng tối đa tuổi thọ của các rô-to truyền lực và các bộ phận cấu thành kết cấu khác khi có sự thay đổi trong hướng gió, tốc độ (bao gồm cơn gió mạnh) và dòng rối cũng như chu kì bắt đầu-kết thúc của tua bin gió Tăng tối đa năng lượng sản xuất 1.1.1.7 Hệ thống cân bằng điện năng Ngoài máy phát điện, hệ thống Tua bin gió còn sử dụng một số bộ phận cấu thành điện Ví dụ như các dây cáp, thiết bị đóng ngắt, máy biến áp, máy chuyển đổi năng lượng điện, tụ điều chỉnh hệ số công suất, mô-tơ đảo hướng và góc nghiêng Chi tiết về các khía cạnh điện của chính các Tua bin gió sẽ được đề cập ở chương 5 Kết nối với mạng lưới điện sẽ được đề cập ở chương 8 8 1.1.2 Sản lượng điện dự báo Sản lượng điện của Tua bin gió khác với tốc độ gió và mỗi Tua bin gió có một biểu đồ thể hiện công suất đặc trưng Với một biểu đồ như vậy có thể dự đoán được sản lượng điện của Tua bin gió mà không cần xem xét chi tiết kĩ thuật của các bộ phận cấu thành khác của tua bin gió Biểu đồ công suất cho biết sản lượng điện năng giống như hàm số của tốc độ gió cao tại vị trí moay-ơ Hình 1.4 minh họa ví dụ về biểu đồ công suất cho Tua bin gió giả định inh Công suất , kW Định mức Ngắt điện Đóng điện Tốc độ gió m/s Hình 1.4: Biểu đồ công suất phát điện tiêu biểu của tua bin gió Hiệu suất của máy phát điện Tua bin gió có thể liên quan tới 3 điểm quan trọng trên thang đo vận tốc: Tốc độ đóng: tốc độ tối thiểu mà máy sẽ cung cấp điện năng hữu ích Tốc độ gió định mức: tốc độ gió mà công suất định mức (thông thường là sản lượng điện tối đa của máy phát điện) đạt được Tốc độ ngắt: tốc độ gió tối đa mà tua bin được phép cung cấp điện năng (thường bị hạn chế bởi thiết kế kỹ thuật và hạn chế an toàn) Các biểu đồ công suất của máy móc hiện nay thường có thể được lấy từ các nhà sản xuất Các biểu đồ thường được bắt nguồn từ các thử nghiệm tại chỗ, sử dụng các phương pháp thử nghiệm đã được chuẩn hoá Chúng sẽ được đề cập đến trong chương 6, cũng có thể ước lượng được dạng biểu đồ công suất gần đúng cho một máy cụ thể Tuy nhiên, chẳng hạn như một qui trình không có nghĩa là một công việc đơn giản bởi vì nó bao gồm cách xác định những đặc trưng của điện năng của rô-to Tua bin gió và máy phát điện, tỷ số truyền, và các bộ phận cấu thành hiệu suất 1.1.3 Các khái niệm khác về tua bin gió Tổng quan về Tua bin gió được cung cấp trên giả định cấu trúc liên kết của một kiểu cơ bản, là cấu trúc liên kết mà dùng cánh quạt trục ngang, được điều khiển bởi lực nâng Một lưu ý rằng rất nhiều các cấu trúc liên kết đã được đưa ra, và một số đã được xây dựng Chưa có cấu trúc liên kết nào thành công như những cấu trúc liên kết sử dụng trục ngang, cánh quạt điều khiển lực nâng Tuy nhiên có thể dùng vài từ hợp lệ để tóm tắt ngắn gọn một số những khái niệm khác Đi trước HAWT là Tua bin gió trục dọc Darrieus Khái niệm này được nghiên cứu rộng rãi cả ở Hoa Kỳ và Canada vào năm 1970 và 1980 Mặc dù có một số tính năng hấp dẫn nhưng nó không bao giờ có thể phù hợp với các HAWT trong chi phí năng lượng Tuy nhiên, có thể rằng khái niệm có thể xuất hiện lại lần nữa cho một số ứng dụng 9 Một khái niệm khác xuất hiện theo chu kì là bộ tập trung Mục đích là đặt kênh gió để tăng năng suất của các cánh quạt Nhưng vấn đề là chi phí cho việc xây dựng một bộ tập trung hiệu quả mà thỉnh thoảng có thể chịu được gió cực mạnh luôn luôn đắt hơn giá các thiết bị Cuối cùng, một số cánh quạt sử dụng lực kéo thay vì lực nâng đã được đưa ra Một khái niệm, cánh quạt Savonius đã được sử dụng cho một số ứng dụng máy bớm nước nhỏ Có 2 vấn đề cơ bản với các cánh quạt : (1) kém hiệu quả (xem bình luận về lực máy kéo ở chương 3, và 2) thật khó để bảo vệ chúng khỏi gió cực mạnh Thật là nghi ngại không biết những cánh quạt như thế bao giờ sẽ được sử dụng rộng rãi trong Tua bin gió không? Người đọc quan tâm đến một số sự đa dạng của các khái niệm Tua bin gió có thể tham khảo Nelson (1996) Cuốn sách này cung cấp mô tả về một số hệ thống gió cải tiến Đánh giá về những loại cối xay gió được đưa ra ở Eldridge (1980) và Le Gourieres (1982) Một số thiết kế cải tiến hơn được hỗ trợ cũng cấp tài liệu bởi Bộ năng lượng Mỹ (DoE) (1979, 1980) Một số khái niệm thú vị về Tua bin gió được minh hoạ trong hình 1.5 và 1.6 Cánh đơn Cánh đôi Cánh ba Cối xay gió nhiều cánh Nhiều cánh kiểu trong trang trại ở Mỹ bánh xe Xuôi hướng gió Ngược hướng gió Enfiel - Andreau Cánh buồm Nhiều rôto Cánh sole Kiểu gió xuyên Kiểu bàn đạp Gió phát tán Gió tập trung Xoay tự do Savonius 10 Hình 1.5: Mô phỏng các tua bin trục ngang (Eldridge, 1980) Tiêu biểu cho loại sức kéo Savonius Savonius Khiên nhiều cánh chắn Dạng tấm Dạng chén Tiêu biểu cho loại sức nâng Griomill Tua bin Loại kết hợp Savonius mảnh Magnus Kiểu cánh máy bay Loại khác Xoáy tự do Đổi hướng Ánh sáng mặt trời Khuếch tán Hình 1.6: Mô phỏng các tua bin trục đứng (Eldridge, 1980) 1.2 Lịch sử khai thác năng lượng gió Đó là đánh giá để xem xét một mảng của lịch sử khai thác năng lượng gió Lịch sử phục vụ cho giải thích minh họa cho các vấn đề mà hệ thống năng lượng sức gió vẫn còn phải đối mặt cho tới ngày nay, cung cấp cái nhìn sâu sắc về lý do người ta làm tua bin theo cách riêng Trong phần tóm tắt sau, các khái niệm được nhấn mạnh đều có sự liên quan đặc biệt thích hợp với ngày nay 11 Độc giả quan tâm tới mô tả đẩy đủ hơn về lịch sử ngành khai thác năng lượng gió là gió hãy tìm tới: Park (1981), Eldridge (1980), inglis (1978), Freris (1990), Dodge (2000), và Ackermann & Soder (2000) Golding (1977) trình bày lịch sử thiết kế Tua bin gió từ thời Ba-Tư cổ cho tới giữa những năm 1950 Thêm vào phần sơ lược của những di tích lịch sử sử dụng sức gió, Johnson (1985) trình bày lịch sử của thế hệ năng lượng điện tái tạo từ gió Hoa Kỳ nghien cứu và làm việc trong giai đoạnu từ 1970-1985 trên trục ngang, dọc và cải tiến các loại tua bin gió Những đánh giá lịch sử một cách toàn diện về “hệ thống dùng năng lượng gió và tua bin gió” có trong cuốn sách của Spera (1994), Gipe (1995), và Harrison cùng cộng sự (2000) Eggleston và Stoddard (1987) đề ra bối cảnh lịch sử của các thành phần chủ chốt có trong Tua bin gió hiện đại Berger (1997) cung cấp một hình ảnh hấp dẫn về những buổi đầu tiên công nghệ năng lượng gió nổi lên, đặc biệt tại các miền khai thác gió bang California 1.2.1 Sơ lược lịch sử của cối xay gió Chiếc cối xay gió đầu tiên được ghi nhận đã xây dựng bởi người Ba-Tư vào khoảng năm 900 sau công nguyên Đây là điểm chú ý cho cối xay gió (minh họa trong hình 1.7) dọc theo trục và được kéo bằng thiết bị Như vậy chúng vốn đã không hiệu quả, đặc biệt rất dễ bị hỏng do gặp phải gió lớn Hình 1.7 Cối xay gió đầu tiên của người Ba-Tư (Gipe 1995) Hình 1.8: Cối xay gió đa giác (Hills, 1994) Hình ảnh của Cambridge University Press Công nghệ năng lượng gió đã xuất hiện ở Châu Âu trong suốt thời kỳ Trung cổ Tất cả có những cối xay gió trục nằm ngang, chúng được sử dụng cho tất cả những việc như bơm nước, xay hạt, xẻ gỗ, và các công cụ đòi hỏi sức lực Những cối xay gió đầu tiên được xây dựng trên các trụ, vậy mà toàn bộ máy xay có thể chuyển đổi sang mặt có gió (hoặc lệch hướng) khi hướng gió thay đổi Cối xay gió thường có bốn cánh đón gió Số lượng và kích thước của cánh có thể dựa trên việc dễ xây dựng cũng như kinh nghiệm về độ vững chắc (tỉ lệ diện tích cánh trên vùng quay) Một điển hình của cối xay gió của Châu Âu minh họa trong hình 1.8 (Hills, 1994) Gió tiếp tục là nguồn năng lượng ở châu Âu trong thời gian trước cách mạng công nghiệp, nhưng bắt đầu giảm tầm quan trọng của nó sau thời điểm đó Đó là lý do khiến nó dần bị quên lãng có thể quy cho nguyên nhân chủ yếu không có khả năng điều phối và không có khả năng vận chuyển Than đá có nhiều thế mạnh mà gió không có Than đá có thể được vận chuyển đến bất cứ nơi nào, sử dụng bất cứ lúc 12 nào cần thiết Khi than đá đã được sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ hơi nước, sản lượng của máy phát có thể điều chỉnh phù hợp với công suất tải Thủy điện có một vài điểm tương đồng với phong điện, đã không bị lu mờ nhiều Điều này không có gì nghi ngờ, vì thủy điện có khả năng di chuyển và điều phối (thông qua hồ chứa tích trữ nước) Trước khi suy giảm, cối xay gió châu Âu đã đạt đến mức độ tinh xảo trong thiết kế Trong phần cối xay gió sau này (hay “cối xay dạng áo rộng”), phần lớn các máy xay gió được xây dựng cố định Chỉ có phần đầu trên có thể di chuyển bằng cách quay mặt về hướng gió Cơ chế đảo hướng bằng tay bao gồm cả hai cánh tay và rô-to đảo hướng riêng biệt Thiết kế của cánh đón gió giống như cánh quạt, bao gồm cả nấc xoắn Sản lượng công suất của một số máy có thể được điều chỉnh bởi một hệ thống tự động kiểm soát Đây là tiền thân của hệ thống được James Watt sử dụng trên động cơ hơi nước Trong trường hợp một cối xay gió dùng bộ điều khiển con lắc sẽ cảm biến khi rô-to được tăng tốc Cái “vỏ” đỡ khung cánh gồm nhiều bản lề nhỏ, lắp ghép các tấm chắn Bộ điều khiển được nối thông liên kết các bản lề Nó sẽ mở bản lề, do đó làm giảm lực, và qua đó vận tốc đã được bộ điều khiển nhanh hơn thông thường Nó sẽ đóng bản lề khi mà cần tăng lực Một trong những phát triển đáng kể trong thế kỷ XVIII là sự ra đời của khoa học thực nghiệm và đánh giá về cối xay gió Những người Anh: John Smeaton, bằng cách sử bộ dụng cụ như trong hình 1.9, khám phá ra ba nguyên tắc cơ bản vẫn được áp dụng: Hình 1.9: Phòng thí nghiệm cối xay gió Smeaton: kiểm tra thiết bị • Tốc độ của các đầu mút cánh tỉ lệ thuận với tốc độ gió • Mô men xoắn tối đa tỷ lệ thuận với bình phương tốc độ gió • Năng lượng tối đa tỷ lệ với lũy thừa ba tốc độ gió Trong thế kỷ XVIII, cối xay gió châu Âu đại diện cho đỉnh cao của cách tiếp cận khai thác năng lượng gió cho năng lượng cơ học bao gồm một số các tính năng mà sau này được kết hợp một số máy phát điện dùng tua bin gió ban đầu Trong khi cối xay gió châu Âu được nhập vào năm cuối cùng, một biến thể của cối xay gió được đưa vào sử dụng rộng rãi ở Hoa kỳ Loại cối xay gió này được minh họa trong hình 1.10 và được hầu hết sử dụng để bơm nước, đặc biệt ở miền Tây Họ đã sử dụng trong các trang trại nuôi gia súc, cung cấp nước cho những đầu máy xe lửa Những cối xay đặc biệt gắn nhiều cánh thường gọi tắt là “cánh quạt xay 13 gió” Một trong những tính năng đáng kể nhất của chúng là thật đơn giản nhưng lại có hệ thống điều chỉnh hiệu quả Hệ thống nay cho phép các tua bin chạy không cần người giám sát trong thời gian dài Hệ thống điều khiển này báo trước cho hệ thống điều khiển tự động mà ngày nay là một bộ phận cấu thành tua bin gió hiện đại Hình 1.10: Thiết kế của máy bơm nước dùng sức máy xay gió Hoa Kỳ (Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ) 1.2.2 Phát điện gió ban đầu Ban đầu sử dụng gió để sản xuất điện, như là cạnh tranh với việc tạo năng lượng cơ học, bao gồm những thành công trong phát triển thương mại của máy phát điện sức gió cỡ nhỏ và nghiên cứu thực nghiệm máy phát điện sức gió cỡ lớn Hình 1.11: Tua bin Jacobs (Jacobs năm 1961) Khi máy phát điện ra đời cho tới cuối thế kỷ XIX, thì thật hợp lý khi người ta có thể quay máy phát bằng việc thử gắn chúng vào cối xay gió Ở Hoa Kỳ hầu hết những điểm đáng chú ý ban đầu do Charies Brush xây dựng ở Cleveland, bang Ohio trong năm 1888 Các tua bin của Brush đã không tạo ra bất kỳ xu hướng nào, nhưng trong các năm sau đó, máy phát điện cỡ nhỏ đã được phổ biến rộng rãi 14 Những tua bin cỡ nhỏ, do Marcellus Jacobs tiên phong được minh họa trong hình 1.11, ở một vài điểm chính là thế hệ sau của máy bơm nước dùng cánh quạt máy xay gió Điểm quan trọng là rô-to đã có ba cánh với hình dạng cánh quạt bay và bắt đầu được lắp trên tua bin cho đến nay Một đặc tính nữa của tua bin Jacobs là đã được điển hình tích hợp trong hệ thống điện quy mô hộ gia đình hoàn chỉnhbao gồm cả pin lưu trữ Những tua bin của Jacobs được xem như thiết kế tiên phong cho các loại tua bin cỡ nhỏ hiện đại giống như của Bergey & máy phát điện sức gió Tây Nam Việc mở rộng các trung tâm điện lưới dưới sự quản lý của Văn phòng điện khí hóa nông thôn trong suốt những năm 1930 đánh dấu sự bắt đầu của viẹc sử dụng rộng rãi máy phát điện sức gió cỡ nhỏ, ít nhất là cho tới nay Nửa đầu của thế kỷ 20 cũng chứng kiến việc xây dựng hay mô phỏng số lượng của Tua bin gió cỡ lớn đã có ảnh hưởng đáng kể tới sự phát triển công nghệ ngày nay Có lẽ chuỗi tua bin quan trọng nhất là ở Đan Mạch Giữa năm 1891 và 1918, Poul La Cour cho xây dựng hơn 100 tua bin phát điện cho tổng công suất trong khoảng 20 – 35 kW Thiết kế của ông dựa trên thế hệ cối xay dạng áo rộng của Đan Mạch Một trong những tính năng vượt trội là nó sử dụng điện để sản xuất hydro, sau đó khí hydro lại được dùng để chiếu sáng Tiếp theo sau tua bin của La Cour là một số do công ty Lykkegaard và F.L Smidth sản xuất trước thế chiến 2 Công suất của trong khoảng 30 đến 60 kW Ngay khi chiến tranh kết thúc, Johannes Juul dựng lên tua bin Gedser 200kW, minh họa trong hình 1.12 miền đông-nam Đan Mạch Cỗ máy ba cánh đã được cải tiến đặc biệt trong đó dưạ trên nguyên tắc mất tốc của khí động học trong điều khiển điện và dùng máy phát điện cảm ứng, chứ không phải nhiều máy phát điện đồng bộ kiểu truyền thống hơn Một máy phát điện cảm ứng được đơn giản hơn rất nhiều để kết nối vào lưới điện chung so với máy phát điện đồng bộ Mất tốc cũng là một cách đơn giản để kiểm soát điện Có hai khái niệm hình thành nên cốt lõi của sự có mặt quan trọng của người Đan Mạch trong Năng lượng gió những năm 1980 (xem thêm tại http://www.risoe.dk/ và http://www.windpower.dk/ để biết thêm chi tiết về công nghệ năng lượng gió tại Đan Mạch) Một trong những người tiên phong trong công nghệ năng lượng gió những năm 1950 là Ulrich Hutter ở Đức Ông đã tập trung công việc vào áp dụng các nguyên tắc khí động học hiện đại vào thiết kế tua bin gió Nhiều quan niệm ông đã từng dùng hiện nay vẫn được sử dụng ở một số hình thức Hình 1.12 : Tua bin Gedser - Đan Mạch Được phép sao chép của Các Nhà Sản Xuất Tua bin gió Đan Mạch 15 Tại Hoa Kỳ, tua bin cỡ lớn xây dựng đầu tiên là Smith-Putnam, được xây tại đồi ở Grandpa, Vermont cuối những năm 1930 (Putnam năm 1948) Với đường kính 53,3 m và công suất đạt tới 1,25 MW, đây là Tua bin gió lớn nhất từ trước đó cho tới khi hoàn thành và trong nhiều năm tiếp theo Tua bin này minh họa trong hình 1.13 cũng lớn đáng kể trong những tua bin lớn có hai cánh Về mặt này, trước đó là tua bin hai cánh của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, trong cuối những năm 1970 đầu 1980 Những tua bin cũng nổi tiếng cùng Công ty xây dựng nó, S Morgan Smith, đã có kinh nghiệm dài trong thủy điện và mong muốn được sản xuất và thương mại hóa tua bin gió Không may, tua bin của Smith-Putnam quá lớn, quá sớm, và với trình độ kỹ thuật năng lượng gió hiện có Năm 1945 khi bị ảnh hưởng từ việc cánh bị hỏng, toàn bộ dự án bị hủy bỏ 1.2.3 Sự hồi sinh của công nghệ năng lượng gió Hồi sinh của Năng lượng gió có thể được coi như bắt đầu trở lại vào cuối những năm 1960 Cuốn sách Slient Spring (Carson, 1962) đã làm cho nhiều người biết rõ hậu quả của việc phát triển công nghiệp tới ảnh hưởng tới môi trường Linit to Growth (Meadows và nnk, 1972) đi theo cùng một quan điềm, tranh luận rằng tăng trưởng tự phát sẽ chắc chắn dẫn tới một là thiên tai, hoặc sự biến đổi Trong số các thủ phạm đã được xác định đó là nhiên liệu hóa thạch Những nguy hiểm tiềm tàng của năng lượng hạt nhân cũng đã trở thành vấn đề đại chúng tại thời điểm đó Thảo luận về các chủ đề đó đã hình thành cơ sở cho một phong trào bảo vệ môi trường và bắt đầu ủng hộ cho các nguồn năng lượng sạch Hình 1.13 : Tua bin gió Smith-Putnam (Eldridge năm 1980) Tại Hoa Kỳ, mặc dù có gia tăng mối quan ngại đến vấn đề môi trường, nhưng không nhiều sự kiện mới trong phát triển công nghệp năng lượng gió cho tới sự kiện tràn dầu từ giữa những năm 1970 Dưới sự quản lý của Carter, một cố gắng mới được bắt đầu để phát triển “thay thế” nguồn năng lượng cũ, một trong số đó là năng lượng gió Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đứng ra tài trợ một số dự án để thúc đẩy phát triển công nghệ này Hầu hết các nguồn lực được cấp cho những cỗ máy lớn với kết quả hỗn hợp Các máy móc có công suất từ 100 kW (đường kính 38 m) NASA MOD-0 cho tới 3.2 MW Boeing Mod- 5B với đường kính 98 m Nhiều số liệu tốt đã được tạo ra, nhưng không có trường hợp tua bin cỡ lớn nào đưa tới những dự án thương mại DOE cũng hỗ trợ phát triển những dự án Tua bin gió cỡ nhỏ và xây dựng một thử nghiệm nhỏ cho các cỗ máy nhỏ tại Rocky Flats, bang Colorado Một số nhà sản xuất Tua 16