khả năng thích ứng của hệ thống tuabin gió trong điều kiện bão ở việt nam giai đoạn hiện nay luận văn ths. biến đổi khí hậu

Bên cạnh lợi thế đó còn có nhiều hạn chế làm kìm hãm sự phổ biến rộng rãi của loại tuabin gió này như: Việc lắp đặt loại tuabin gió loại này chỉ có thể lắp đặt được ở các vị trí thấp như

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

KHOA SAU ĐẠI HỌC

VŨ DUY HÙNG

KHẢ NĂNG THÍCH ỨNG CỦA HỆ THỐNG TUABIN GIÓ TRONG ĐIỀU KIỆN BÃO Ở VIỆT NAM GIAI

ĐOẠN HIỆN NAY

LUẬN VĂN THẠC SĨ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

HÀ NỘI – 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

KHOA SAU ĐẠI HỌC

VŨ DUY HÙNG

KHẢ NĂNG THÍCH ỨNG CỦA HỆ THỐNG TUABIN GIÓ TRONG

ĐIỀU KIỆN BÃO Ở VIỆT NAM GIAI ĐOẠN HIỆN NAY

LUẬN VĂN THẠC SĨ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

Chuyên ngành: BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

Mã số: Chương trình đào tạo thí điểm

Người hướng dẫn khoa học: TS Ngô Đức Thành

HÀ NỘI – 2014

Em xin chân thành cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới Ts Ngô Đức Thành, Bộ môn Khí tượng, Khoa Khí tượng - Thủy văn và Hải dương học, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, đã tận tâm hướng dẫn em qua từng buổi học trên lớp cũng như những buổi nói chuyện, thảo luận về lĩnh vực Biến đổi khí hậu, đặc biệt là đề tài luận văn Nếu không có những lời hướng dẫn, dạy bảo của thầy thì bài luận văn này của em rất khó có thể hoàn thiện được Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn thầy

Luận văn được thực hiện trong khoảng thời gian 6 tháng với nội dung nghiên cứu

về “Khả năng thích ứng của hệ thống Tuabin gió trong điều kiện bão ở Việt Nam

giai đoạn hiện nay” thuộc chuyên ngành Biến đổi khí hậu, đây là một ngành mới của

Đại học Quốc gia Hà Nội được nhà nước giao nhiệm vụ đào tạo, và là ngành duy nhất trong khu vực Đông Nam Á Biến đổi khí hậu là chương trình mới cả về kiến thức, phương thức tổ chức, cách thức tiến hành và là lĩnh vực học thuật có tính liên ngành cao, nội dung hàm chứa kiến thức tổng hợp của nhiều ngành thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau lần đầu tiên được tổ chức đào tạo bậc thạc sĩ ở Việt Nam Do vậy, kiến thức còn hạn chế và còn nhiều bỡ ngỡ của em không tránh khỏi những thiếu sót là điều chắc chắn, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý Thầy Cô và các bạn học cùng lớp để kiến thức của em trong lĩnh vực này được hoàn thiện hơn

Sau cùng, em xin kính chúc quý Thầy Cô trong Khoa Sau đại học – Đại học Quốc gia Hà Nội, Ban giám hiệu nhà trường, đặc biệt là Gs Ts Hoàng Văn Vân cùng toàn thể Khoa Sau đai học thật dồi dào sức khỏe, niềm tin để tiếp tục thực hiện sứ mệnh cao đẹp của mình là truyền đạt kiến thức cho thế hệ mai sau và hoàn thành nhiệm vụ lớn lao của trường và nhà nước giao phó

MỤC LỤC

Trang

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT i

DANH MỤC CÁC BẢNG ii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ iii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG TUABIN GIÓ 5

I.1 CÁC HỆ THỐNG TUABIN GIÓ 5

I.2 TÌNH HÌNH BÃO Ở VIỆT NAM 28

CHƯƠNG II PHƯƠNG PHÁP LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 41

II.1 CƠ SỞ DỮ LIỆU 41

II.2 PHƯƠNG PHÁP LUẬN 42

CHƯƠNG III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 44

III.1 TÍNH TOÁN THỐNG KÊ TÌNH HÌNH BÃO VIỆT NAM 1950-2012 44

III.2 BẢN ĐỒ GIÓ MÔ PHỎNG GIÓ CỰC ĐẠI – KHẢ NĂNG THÍCH ỨNG CỦA HỆ THÔNG TUABIN GIÓ 50

KẾT LUẬN 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

i

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT

ATNĐ Áp thấp nhiệt đới

GRADS Grid Analysis and Display System

GWEC Global Wind Energy Council

HAWT Tuabin gió trục ngang

IEC International Electrotechnical Commission

IGBT Transistor GateBipolar

IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change

NEDO New Energy and Industrual Technology Development Organization NetCDF Network Common Data Form

NLTT Năng lƣợng Tái tạo

PVN Petrovietnam – Tập đoàn Dầu khí quốc gia Việt Nam

PWM Pulse-width modulation

REVN Công ty Cổ phần NLTT Việt Nam

SRREN Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change

Mitigation VAWT Tuabin gió trục đứng

WMO Tổ chức khí tƣợng thế giới

ii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng I-1: Các tiêu chuẩn áp dụng thiết kế tuabin gió 22

Bảng I-2: Phân loại tuabin gió theo tốc độ gió và sự nhiễu loại 23

Bảng I-3: Hiện trang khai thác năng lƣợng gió ở Việt Nam 27

Bảng I-4: Bảng cấp gió và mô tả mức độ nguy hiểm 32

Bảng I-5: Tọa độ ranh giới phân vùng hoạt động của bão đối với Việt Nam 35

Bảng I-6: Ranh giới vùng biển gần bờ đối với Việt Nam 35

Bảng III-1: Tốc độ gió cực đại tuyệt đối trên các vùng bờ biển Việt Nam 47

Bảng III-2: Tần số bão phân theo cấp khu vực tính toán 48

Bảng III-3: Tốc độ gió cực đại theo các giai đoạn 52

Bảng III-4: Một số hãng tuabin gió lắp đặt ở Việt Nam hiện nay 53

iii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình I-1: Hướng trục và số các cánh rotor 5

Hình I-2: Một số loại tuabin gió 5

Hình I-3: Tuabin gió downwind (trái) và upwind (phải) 6

Hình I-4: Các thành phần chính của tuabin gió trục ngang 7

Hình I-5: Nền móng của tuabin gió Enercon E-33 (trái) và E-70 (phải) 9

Hình I-6: Các lực tác động lên cánh quạt 10

Hình I-7: Tuabin gió trục ngang hiện nay 10

Hình I-8: Bộ điều chỉnh độ nghiêng cánh 12

Hình I-9: Minh họa điều chỉnh độ nghiêng cánh 13

Hình I-10: Minh họa điều chỉnh giảm tốc 14

Hình I-11: Công suất lắp đặt điện gió từ 1996-2012 24

Hình I-12: Cơ cấu, công suất điện gió thế giới đến năm 2012 25

Hình I-13: Hình ảnh bão NARI chụp từ vệ tinh MTSAT2 ngày 13-10-2013 29

Hình I-14: Hình ảnh quỹ đạo bão BEBINCA tháng 6, 2013 31

Hình I-15: Phân bố xoáy thuận nhiệt đới giai đoạn 1851-2006 33

Hình I-16: Phân vùng bão ảnh hưởng đến Việt Nam 36

Hình I-17: Quỹ đạo các cơn bão xuất hiện ở Tây Bắc Thái Bình Dương giai đoạn 1950 đến nay 37

Hình I-18: Quỹ đạo các cơn bão xuất hiện ở Việt Nam giai đoạn 1950 đến nay 38

Hình I-19: Tần số xuất hiện theo khoảng tốc độ gió giai đoạn 1950 đến nay 38

Hình I-20: Bão ở khu vực phía Nam (Việt Nam) giai đoạn từ 1950 đến nay 39

Hình I-21: Tần số xuất hiện theo khoảng tốc độ gió giai đoạn 1950 đến nay cho khu vực phía Nam 39

iv

Hình I-22: Tốc độ gió lớn nhất năm tại một số trạm tiêu biểu (1961-2007) 40

Hình II-1: Định dạng số liệu “best track” 41

Hình II-2: Số liệu tái phân tích hiển thị trong phần mềm GrADS 42

Hình II-3: Phương pháp tính toán 42

Hình II-4: Mô tả miền tính 43

Hình III-1: Số lượng bão từng năm ảnh hưởng đến Việt Nam (1950 – 2012) 44

Hình III-2: Tần số bão phân theo các cấp ảnh hưởng đến Việt Nam (1950 – 2012) 45

Hình III-3: Tần số bão theo cấp trên các vùng bờ biển Việt Nam (1950 – 2012) 46

Hình III-4: Tần số bão ảnh hưởng đến các vùng bờ biển Việt Nam (theo tháng) 46

Hình III-5: Tần số bão trên khu vực biển Đông (1950 – 2012) 48

Hình III-6: Tốc độ gió cực đại từ số liệu Unisys và số liệu tái phân tích 49

Hình III-7: Mô phỏng tốc độ gió cực đại xuất hiện ở Việt Nam – biển Đông giai đoạn 1950-2012 50

Hình III-8: Tốc độ gió cực đại 30 năm trong giai đoạn 1950-1980 và 1982-2012 51

Hình III-9: Tốc độ gió cực đại 50 năm trong giai đoạn 1950-1999 và 1963-2012 51

Hình III-10: Biến thiên tốc độ gió trong cơn bão LOLA tháng 12, 1993 53

Hình III-11: Quỹ đạo của cơn bão LOLA tháng 12, 1993 54

Hình III-12: Biến thiên tốc độ gió trong cơn bão LUCY tháng 11, 1962 55

Hình III-13: Quỹ đạo của cơn bão LUCY tháng 11, 1962 55

Hình III-14: Các cơn bão có tốc độ gió cực đại trên 50 m/s đi vào Việt Nam 56

Hình III-15: Quỹ đạo và tốc độ gió cực đại cơn bão HARRIET tháng 7, 1971 57

1

MỞ ĐẦU

Các nguồn năng lượng tái tạo hiện đang đáp ứng khoảng 14% nhu cầu năng lượng trên toàn thế giới, và đã sẵn sàng đóng một vai trò lớn hơn nữa trong việc cung cấp năng lượng trong tương lai [14] Các công nghệ này cung cấp phần rất quan trọng trong việc thích ứng với biến đổi khí hậu với chu kỳ phát thải khí nhà kính thấp nhất

so với than, dầu và các nhiên liệu khác Chu kỳ phát thải khí nhà kính của năng lượng tái tạo cực đại khoảng 120 gCO2eq/kWh, trong khi đó, năng lượng hạt nhân khoảng

230 gCO2eq/kWh, của dầu khoảng 1200 gCO2eq/kWh và của Than khoảng gần 1700 gCO2eq/kWh [11] Trong các công nghệ được áp dụng cho phát điện thì năng lượng gió xếp thứ hai sau thuỷ điện về công suất lắp đặt và tốc độ tăng trưởng [14] Theo thống kê cho đến hết năm 2012, công suất thương mại trên toàn thế giới khoảng 280 GW[18]

Biến đổi khí hậu đang là mối đe doạ môi trường lớn nhất đối với toàn nhân loại

Ở Việt Nam, những năm gần đây, thiên tai và các hiện tượng khí hậu cực đoan như bão, lũ, lốc, tố, lụt, triều cường, hạn hán… dường như xảy ra với tính chất dị thường hơn, gây nhiều thiệt hại cho sản xuất, đời sống ở những vùng bị ảnh hưởng và việc dự báo, phòng tránh trở nên khó khăn hơn Biến đổi khí hậu làm tăng tần xuất và cường

độ các hiện tượng khí hậu, thời tiết cực đoan, như nắng nóng, gió mạnh trong bão và

tố, lốc, mưa lớn, ngập lụt, sạt lở đất, giông, sét, … và làm tăng điều kiện nóng ấm vốn

có của khí hậu nhiệt đới gió mùa, tác động đến độ bền của vật liệu xây dựng và các công trình xây dựng

Chịu tác động trực tiếp của biến đổi khí hậu, song lĩnh vực năng lượng tái tạo có vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu thông qua các giải pháp giảm nhẹ và thích ứng của bản thân các công trình Việc cải tạo và xây dựng

2

mới những nhà máy điện mặt trời, điện gió, điện địa nhiệt, điện sinh khối… theo hướng tiết kiệm tài nguyên, năng lượng, giảm phát thải nhà kính, thân thiện với môi trường có ý nghĩa thiết thực và lâu dài với chúng ta hiện nay và trong tương lai Đây là một trong các giải pháp nhằm làm giảm nhẹ tình trạng trái đất ngày một nóng lên Những tác động nghiêm trọng nhất của biến đổi khí hậu vẫn có thể giảm nhẹ được nếu chúng ta thực hiện được những nỗ lực nhằm chuyển đổi các hệ thống năng lượng hiện nay Các nguồn năng lượng tái tạo có tiềm năng lớn để thay thế sự phát thải các chất khí gây hiệu ứng nhà kính từ quá trình đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch và do

đó làm giảm nhẹ sự biến đổi khí hậu Nếu chúng ta thực hiện đúng thì các nguồn năng lượng tái tạo có thể đóng góp cho sự phát triển kinh tế và xã hội, giúp chúng ta tiếp cận tới nguồn cung cấp năng lượng an toàn - bền vững và làm giảm các tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người từ việc cung cấp năng lượng [11]

Bão nhiệt đới là một trong những hiện tượng thời tiết nguy hiểm nhất, đặc biệt đối với những nơi nằm trong vùng hoạt động của bão – xoáy thuận nhiệt đới như nước

ta Với tốc độ gió cực đại gần tâm, bão có thể trực tiếp gây nên những thiệt hại nặng

nề Bão thường kèm theo mưa lớn có thể gây lũ lụt trên diện rộng và nước dâng trong bão Đặc biệt, cùng với xu thế nóng lên của khí hậu toàn cầu, sức tàn phá và mức độ nguy hiểm của bão cũng tăng lên[9] Theo số liệu thống kê về bão trên thế giới từ năm

1851 đến năm 2006[12], tính trung bình cho toàn cầu, số cơn xuất hiện ở vùng Tây-Bắc Thái Bình Dương chiếm tỷ lệ và cường độ lớn nhất so với các vùng khác

Đặc biệt, lãnh thổ Việt Nam nằm trong khu vực chịu tác động của bão và áp thấp nhiệt đới Tây-Bắc Thái Bình Dương, trong đó khu vực tần suất bão cực đại chuyển dịch dần từ bắc xuống nam, từ vĩ tuyến 20˚N vào đầu mùa đến vĩ tuyến 10˚N vào cuối mùa, theo quy luật bão trên biển Đông Cùng với sự chuyển dịch này, số lượng bão cũng giảm theo[2] Bão ảnh hưởng đến Việt Nam từ tháng 6 đến tháng 12 Tháng có nhiều bão ảnh hưởng là tháng 9, trong khi đó tháng 1, 2 và 3 rất hiếm khi có bão Trong hơn 50 năm qua (1954-2006) đã có 380 cơn bão và áp thấp nhiệt đới ảnh hưởng đến Việt Nam Thiệt hại do bão và ATNĐ trong giai đoạn này: Bình quân mỗi năm có 280 người chết và mất tích; thiệt hại về kinh tế khoảng 3.400 tỷ đồng/năm Theo thống kê nhiều năm, có tới 80 – 90% dân số Việt Nam chịu ảnh hưởng của bão[1]

3

Những cơn bão mạnh đổ bộ vào đất liền trùng hợp với thời điểm triều cường, nước biển dâng cao là tổ hợp thiên tai cực kỳ nguy hiểm, có sức tàn phá nặng nề đối với khu vực ven biển; những cơn bão mạnh khi đi sâu vào đất liền ngoài sự tàn phá do gió mạnh còn kèm theo mưa lớn trên diện rộng và thường gây ra lũ quét, lũ lớn, lụt,

úng ngập nghiêm trọng Vì vậy, bão và lũ được coi là hai loại thiên tai phổ biến nhất

và nguy hiểm nhất đối với Việt Nam

Tính đến nay (8/2013), ở Việt Nam đã có nhà máy điện gió ở huyện Tuy Phong – Bình Thuận đi vào hoạt động, với công suất lắp đặt là 30 MW, sử dụng 20 tuabin gió công suất 1,5 MW của hãng Fulander, do Công ty Cổ phần Năng lượng tái tạo Việt Nam làm chủ đầu tư Nhà máy điện gió Bạc Liêu với tổng công suất 16 MW (1,6 MW

x 10 hãng GE) hòa lưới điện tháng 5/2013, do Công ty trách nhiệm hữu hạn Xây dựng

- Thương mại và Du lịch Công Lý làm chủ đầu tư Và nhà máy điện gió tại đảo Phú Quí với tổng công suất 6 MW (2 MW x 3, hãng VESTAS) do Tập đoàn Dầu khí quốc gia Việt Nam (PVN) đầu tư đã đi vào hoạt động tháng 8/2012 Các tuabin gió này cũng được thiết kế theo tiêu chuẩn Châu âu và các tai nạn giống như ở Okinawa và

Miyakojima (Nhật Bản) cũng có thể xảy ra ở Việt Nam trong điều kiện biến đổi của

Quyết định Phê duyệt Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011 –

2020 có xét đến 2030 của Chính phủ số 1208/QĐ-TTg, trong đó thể hiện mục tiêu của Chính phủ Việt Nam là ưu tiên phát triển nguồn năng lượng tái tạo cho sản xuất điện, tăng tỷ lệ điện năng sản xuất từ 3,5% năm 2010, lên 4,5% tổng điện năng sản xuất vào năm 2020 và 6,0% vào năm 2030 Cụ thể, riêng đối với nguồn năng lượng gió, đưa tổng công suất nguồn điện gió từ khoảng 30 MW lên khoảng 1.000 MW (chiếm khoảng 0,7% của tổng điện năng sản xuất) vào năm 2020, khoảng 6.200 MW (chiếm khoảng 2,4%) vào năm 2030

Các cơ chế hỗ trợ cũng như các văn bản pháp lý đang được Bộ Công Thương xây dựng và hoàn thiện Hy vọng, trong thời gian không xa, các thủ tục và thông tin về phát triển đến với nhà đầu tư sẽ rõ ràng và đầy đủ hơn và các nhà máy điện gió sẽ được phát triển mạnh mẽ trong tương lai không xa ở Việt Nam

Với các lý do đã nêu ở trên mà đề tài luận văn được chọn có tên: „Khả năng

thích ứng của hệ thống Tuabin gió trong điều kiện Bão ở Việt Nam giai đoạn hiện nay‟

Dựa trên hiện trạng phát triển các hệ thống Tuabin gió của Việt Nam mà phạm vi nghiên cứu của đề tài luận văn được giới hạn ở những khu vực mà Tuabin gió được lắp đặt ở Việt Nam giai đoạn hiện nay Khu vực được đánh giá trong luận văn tính từ tỉnh Ninh Thuận – Bình Thuận đến Cà Mau

Nôi dung của luận văn gồm có:

5

CHƯƠNG I TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG TUABIN GIÓ

I.1 CÁC HỆ THỐNG TUABIN GIÓ

Tuabin gió là một loại thiết bị chuyên dùng để chuyển đổi động năng của gió thành điện năng Tùy theo tiềm năng năng lượng gió, nhu cầu sử dụng thực tế, điều kiện tự nhiên và kinh tế - xã hội của từng khu vực mà có thể sử dụng các loại tuabin gió khác nhau

Các tuabin gió được phân loại dựa trên sự tương tác giữa các cánh quạt với gió trên phương diện khí động lực học, sự định hướng của trục rotor so với bề mặt đất và các loại động cơ khác với truyền thống hoặc các loại động cơ đặc biệt Sự tương tác khí động lực học của các cánh quạt với gió thông qua lực cản, lực nâng hoặc cả hai lực này (Hình I-1)

Hình I-1: Hướng trục và số các cánh rotor

Dựa vào trục quay của tuabin gió ta có thể chia tuabin gió thành 2 loại chính: Loại trục đứng (VAWT – Vertical Axis Wind Turbine) và loại trục ngang (HAWT – Horizontal Axis Wind Turbine) (Hình I-2)

Hình I-2: Một số loại tuabin gió

Các rotor của tuabin gió trục ngang HAWT cần được giữ vuông góc với dòng gió

6

để thu được năng lượng cực đại Chuyển động quay của rotor này xung quanh trục tháp được thực hiện bởi phần đuôi trên các rotor nhận gió từ phía trước (upwind) hoặc bởi dạng hình côn trên các rotor nhận gió từ phía sau (downwind) (Hình I-3) Dạng hình côn là nơi mà các cánh tạo một góc so với mặt phẳng quay Các tuabin gió trục đứng có đặc điểm thuận lợi hơn các tuabin gió trục ngang là khả năng nhận gió từ bất

kỳ hướng nào Tuy nhiên, sự bất lợi của tuabin gió trục đứng là do rotor của nó gần mặt đất hơn so với tuabin gió trục ngang nên có sự biến đổi năng lượng trên mỗi phần của rotor trong quá trình chuyển động

Hình I-3: Tuabin gió downwind (trái) và upwind (phải)

Tuabin gió trục đứng có lợi thế như: Cấu tạo đơn giản, kích thước của các bộ phận không quá lớn nên lắp đặt và vận chuyển dễ dàng, độ bền cao, duy trì và bảo dưỡng đơn giản, thêm vào đó là có thể hoạt động bình đẳng với mọi hướng nên hiệu quả sản sinh điện năng cao Bên cạnh lợi thế đó còn có nhiều hạn chế làm kìm hãm sự phổ biến rộng rãi của loại tuabin gió này như: Việc lắp đặt loại tuabin gió loại này chỉ

có thể lắp đặt được ở các vị trí thấp như mặt đất hoặc nóc các tòa nhà, tuabin gió phải hoạt động trong điều kiện dòng không khí có nhiều xáo động, ở các độ cao này tốc độ gió không cao do sự cản trở của địa hình nên năng lượng thu được rất thấp, đối với các tháp cao nơi mà có tốc độ gió cao hơn thì lại rất khó lắp đặt Để giữ cho hệ thống tuabin gió trục đứng đứng yên cần phải sử dụng các dây chằng, các dây chằng này được nối với đỉnh trụ để giảm áp lực hướng xuống mỗi khi gió giật

Tuabin gió trục ngang là loại phổ biến hơn tuabin gió trục đứng Loại tuabin gió này thường có 2 hay 3 cánh quạt, trong đó tuabin gió 3 cánh quạt hoạt động theo chiều gió với bề mặt cánh quạt hướng về chiều gió đang thổi là phổ biến nhất

Đối với các động cơ gió khác với các loại thông thường hay các động cơ gió đặc biệt được đánh giá, phân loại giống như các tuabin gió khác Phân loại chính dựa theo hiệu suất của hệ thống, yêu cầu về cấu trúc, chất lượng và các đặc trưng của vật liệu

7

I.1.1 Cấu tạo Tuabin gió

Đối với tuabin gió trục đứng, trục rotor chính có phương thẳng đứng, chính điều này mà máy phát và hộp số có thể lắp đặt gần mặt đất, vì vậy tháp đỡ không cần nâng chúng và việc bảo dưỡng sẽ trở nên dễ dàng hơn

Đối với tuabin gió trục ngang, về cơ bản, một hệ thống chuyển đổi năng lượng gió gồm có một tháp đỡ tuabin và rotor tuabin gió, trong đó rotor tuabin gió gồm có trục và các cánh rotor[16] Hầu hết các tuabin gió hiện đại là các tuabin gió trục ngang với 3 cánh thường được đặt theo chiều gió đang thổi tới tháp tuabin và vỏ bọc tuabin (Hình I-4) Bên ngoài vỏ bọc thường được trang bị các máy đo gió và một thiết bị chỉ hướng gió (cờ chỉ hướng gió) để đo tốc độ và hướng gió Vỏ bọc có chứa các thành phần quan trọng của tuabin gió như hộp số, bộ phận phanh cơ khí, máy phát điện, các

hệ thống điều khiển, đĩa chỉnh hướng gió, Các tuabin gió không chỉ được lắp đặt rải rác trên đất liền mà còn được lắp đặt tập trung lại như các trang trại gió với công suất lên tới hàng trăm MW mà có thể được so sánh với các hệ thống phát điện hiện đại

Nguồn: www.intechopen.com

Hình I-4: Các thành phần chính của tuabin gió trục ngang

Tuabin gió trục ngang có thể chia thành 2 loại chủ yếu sau: Thứ nhất là loại có hộp số, đây là loại tuabin gió truyền thống và đã được cải tiến rất nhiều Hiện tại loại này chiếm phần lớn thị phần trên thế giới Máy phát điện được nối với tuabin gió

Trên thế giới có các mô hình tuabin gió khác nhau nhưng phần lớn chúng giống nhau về cơ chế hoạt động hoặc có các thành phần có các chức năng rất giống nhau Dựa trên đặc trưng này, các thành phần chính của hầu hết các tuabin gió có thể mô tả chung như dưới đây

I.1.1.1 Tháp đỡ và nền móng của Tuabin gió

Một trong những bộ phận quan trọng nhất của tổ máy tuabin gió là tháp đỡ tuabin Việc lắp đặt một tuabin gió trên tháp đỡ càng cao thì sản lượng điện càng tăng

do càng lên cao tốc độ gió càng tăng Lý do để lắp đặt tuabin gió càng cao càng tốt đó là: Càng lên cao, ảnh hưởng của địa hình xung quanh đối với tốc độ và hướng gió càng giảm Tuy nhiên, có những hạn chế cần được xem xét như độ cao của một tháp đỡ như thế nào là phù hợp cho một ứng dụng cụ thể và các yêu cầu về kết cấu cần thiết để

đỡ được các tuabin gió, kể cả trọng lượng của tuabin gió là bao nhiêu, các loại lực gì (gió lớn, tuyết, mưa) sẽ tác động tới tuabin gió và duy trì trong thời gian bao lâu Các quy định/qui phạm theo vùng cũng đóng một vai trò trong việc đưa ra các quyết định

về chiều cao tối đa cho phép lắp đặt tuabin

Có rất nhiều loại tháp đỡ tuabin gió với các kích thước khác nhau và một trong các loại tháp đỡ chính đó là loại cột tháp Tháp đỡ có thể được làm bằng thép hình trụ hoặc thanh giằng bằng thép

Thiết kế nền móng tuabin gió để đảm bảo sự ổn định của tuabin gió đối với tất cả các điều kiện hoạt động của tuabin gió Việc thiết kế nền móng tuabin gió không chỉ phụ thuộc vào các điều kiện ổn định ở bên dưới mặt đất mà còn phụ thuộc vào cả những thay đổi của các điều điện thời tiết Như vậy, để đỡ được trọng lượng và tải trọng tĩnh khổng lồ của tuabin gió với nhiều tác động không lường trước là những vấn

đề, thử thách cực kỳ lớn, và vô cùng khó khăn đối với việc thiết kế nền móng tuabin

9

gió Nền móng của tháp đỡ không phải đặt cố định mà có thể được đặt nghiêng hoặc trồi lên Móng cọc phải mở rộng từ 1/3 đến 2/3 so với độ cao của tháp trên mặt đất Điều này cần có những yêu cầu về khảo sát và nghiên cứu địa kỹ thuật tỉ mỉ để ước định các điều kiện tại vị trí cụ thể trong việc xác định nền móng Đối với các thiết kế nền móng tuabin gió ngoài khơi, nhất là các tuabin gió lắp đặt ở các vùng nước sâu, chi phí cho nghiên cứu, khảo sát lớn hơn rất nhiều so với nền móng của các tuabin gió lắp đặt trên bờ

Hình I-5: Nền móng của tuabin gió Enercon E-33 (trái) và E-70 (phải) I.1.1.2 Rotor

Rotor là bộ phận quan trọng nhất của tuabin gió với nhiều cánh gắn với trục chính Nó là bộ phận chịu trách nhiệm thu năng lượng gió cơ học và chuyển năng lượng này thành điện năng Khi đường kính của rotor tăng lên thì năng lượng gió thu được sẽ tăng lên Do đó, các tuabin gió thường được thiết kế gần với một đường kính nào đó phù hợp với năng lượng gió dự tính

Các rotor được thiết kế dựa trên nguyên lý khí động lực học lực cản và lực nâng Các rotor được thiết kế theo lực cản, hoạt động dựa trên ý tưởng “đẩy” các cánh quạt tạo nên chuyển động quay của rotor Các tuabin gió này có tốc độ quay chậm hơn so với các tuabin gió khác nhưng công suất của mô men quay lớn tạo cho chúng có những lợi thế đối với các ứng dụng bơm nước Với các rotor được thiết kế dựa trên lực nâng, các cánh được thiết kế có chức năng giống như cánh máy bay Mỗi cánh được thiết kế tạo lực nâng khi gió tác động vào cánh Các cánh này hoạt động dựa trên định luật cơ bản Bernoulli với hình dạng cánh gây nên sự chênh lệch áp suất giữa bề mặt trên và bề mặt dưới của cánh, sự chênh lệch về áp suất này gây ra một lực hướng lên trên làm nâng các cánh Trong trường hợp này, lực nâng là nguyên nhân làm cho rotor quay

Hình I-7: Tuabin gió trục ngang hiện nay

11

Chất liệu chính của các cánh quạt là các vật liệu tổng hợp được gia cố bằng các sợi thủy tinh và sợi các-bon Các lớp của cánh thường được dán cùng với nhựa tổng hợp epoxy Gỗ, nhựa epoxy và hợp chất gỗ sợi epoxy không được sử dụng rộng rãi trong quá trình chế tạo cánh rotor Một trong các lợi thế chính của các cánh quạt làm bằng gỗ là chúng có thể được tái chế Hợp kim nhôm và sắt là những vật liệu nặng và chịu độ mỏi của vật liệu, những vật liệu này thường chỉ được sử dụng cho các tuabin gió cỡ nhỏ Nhìn chung, tất cả các cánh quạt đều được dựng lên giống như các cánh máy bay

b) Trục rotor

Trục rotor là bộ phận trung tâm của rotor mà các cánh quạt được gắn vào đó Trục rotor phần lớn thường được làm bằng gang hoặc thép đúc Trục rotor dẫn trực tiếp năng lượng từ các cánh quạt vào máy mát điện Nếu các tuabin gió có hộp số thì trục rotor được kết nối tới trục truyền động tốc độ thấp, chuyển năng lượng từ gió sang năng lượng quay Nếu tuabin gió không có hộp số thì trục rotor truyền năng lượng trực tiếp sang máy phát điện Cánh quạt có thể được gắn với trục rotor theo nhiều cách khác nhau: Hoặc là ở một vị trí cố định với một khớp nối, hoặc là như một con lắc Ngày nay, hầu hết các nhà chế tạo sử dụng một trục rotor cố định Nó chứng tỏ được

độ bền, làm giảm số thành phần chuyển động lỗi và nó tương đối dễ lắp ráp

c) Điều chỉnh công suất của tuabin gió

Phần lớn các tuabin gió thường được các nhà chế tạo thiết kế để tạo ra công suất cực đại (công suất định mức) ứng với tốc độ gió tính toán (định mức) nằm trong giới hạn từ 11 – 15 m/s (khoảng 40-54 km/h) Các tuabin gió thiết kế cho khoảng tốc

độ gió cao hơn tốc độ gió định mức 15 m/s là không nhiều do gió mạnh rất hiếm khi xảy ra

Trong trường hợp gió mạnh hơn, cần thiết phải bỏ đi phần năng lượng gió dư thừa đó để đảm bảo cho một mức năng lượng cực đại được duy trì ổn định để cấp lên lưới điện và do vậy cũng tránh được sự hủy hoại tuabin gió

Các tuabin gió bắt đầu sinh điện tại tốc độ gió khởi động quanh giá trị 2,5-4 m/s (khoảng 9-14 km/h) và tốc độ gió mà tuabin gió ngừng hoạt động là từ 25-34 m/s (khoảng 90-122 km/h) Tốc độ gió cực đại (tốc độ gió còn lại) cao hơn ngưỡng tốc độ

12

gió mà tuabin gió phải ngừng hoạt động, nằm trong giới hạn từ 40-72 m/s (khoảng 144–259 km/h) sẽ phá huỷ tuabin gió

Các tuabin gió có 3 chế độ hoạt động:

- Hoạt động dưới tốc độ gió định mức

- Hoạt động quanh tốc độ gió định mức (thường ở công suất định mức)

- Hoạt động trên tốc độ gió định mức

Nếu tốc độ gió định mức bị vượt qua thì công suất phải được giới hạn lại Do

đó, tất cả các tuabin gió được thiết kế với một sự điều chỉnh công suất mà đạt được mục đích này và tránh tình trạng vượt quá Có các cách khác nhau để đảm bảo độ an toàn cho các tuabin gió này, cách đó là cách điều chỉnh độ nghiêng cánh và điều chỉnh đuôi cánh

Bộ điều chỉnh độ nghiêng cánh – Pitch control

Khái niệm điều chỉnh độ nghiêng cánh được xây dựng giữa những năm 1990 và

2000 và hoạt động bằng việc quay các cánh quạt vào trong hay ra ngoài hướng gió thổi tới theo một quy luật điều chỉnh Một thiết bị đo gió được đặt trên một đỉnh của vỏ liên tục kiểm tra tốc độ gió và gửi những tín hiệu tới bộ phận dẫn động độ nghiêng cánh, từ

đó điều chỉnh góc các cánh để thu năng lượng gió với hiệu suất cao nhất

Hình I-8: Bộ điều chỉnh độ nghiêng cánh

Các tuabin gió tiêu chuẩn hiện đại thường nghiêng các cánh quạt khi có gió lớn

để ngăn cản tốc độ quay tăng lên tới mức độ nguy hiểm không thể kiểm soát Khi độ nghiêng cánh cần có sự tác động để chống lại mô men quay của cánh quạt thì nó cần phải có một dạng điều khiển góc nghiêng nào đó, dạng điều khiển góc nghiêng đó chính là thiết bị kéo quay tròn Thiết bị này điều khiển một cách chính xác các góc

13

cánh trong lúc chống đỡ lại sức nặng rất lớn của mô men quay

Hình I-9: Minh họa điều chỉnh độ nghiêng cánh

Nguyên lý làm việc của phương pháp điều chỉnh độ nghiêng cánh là làm giảm tỉ

lệ giữa lực nâng so với lực cản thông qua giảm góc tới Các cánh quay tránh gió khi tốc độ gió quá lớn

Có nhiều tuabin sử dụng các hệ thống thủy lực để điều chỉnh độ nghiêng cánh Các hệ thống này thường chịu tải bằng lò xo, vì vậy, nếu công suất thủy lực hỏng, các cánh tự động cụp lại

Các tuabin khác thì sử dụng một động cơ điện phụ cho mỗi cánh để điều chỉnh độ nghiêng cánh Chúng có một ắc qui nhỏ dự phòng trong trường hợp lưới điện hỏng Một vài tuabin gió nhỏ (dưới 50 kW) có độ nghiêng cánh thay đổi thường sử dụng các hệ thống hoạt động dựa trên lực li tâm mà không sử dụng bộ điều khiển điện hoặc bộ điều khiển thủy lực

Trong một tuabin điều chỉnh độ nghiêng cánh, bộ phận điều khiển điện kiểm tra điện năng của tuabin một vài lần trên một giây, khi điện năng quá cao, bộ phận điều khiển điện sẽ gửi mệnh lệnh tới bộ phận cơ khí điều khiển độ nghiêng cánh trực tiếp làm nghiêng nhẹ các cánh quạt tránh hướng gió Tương tự như vậy, các cánh được quay trở lại hứng gió bất cứ khi nào tốc độ gió giảm xuống Do vậy, các cánh quạt phải có khả năng quay xung quanh trục dọc cánh để nghiêng khi cần thiết

Trong điều kiện hoạt động bình thường (dưới hay quanh tốc độ gió định mức) bộ phận điều chỉnh thường nghiêng các cánh lệch một vài độ trong mỗi lần gió thay đổi

để giữ các cánh quạt nằm ở góc tối ưu, và để thu được điện năng cực đại ở tất cả các

14

tốc độ gió khác nhau

Bộ điều chỉnh giảm tốc – Stall control

Khái niệm bộ điều chỉnh giảm tốc mà ở đó điện năng được điều chỉnh qua việc giảm tốc các cánh quạt sau khi đạt được tốc độ quay định mức Khi tốc độ quay của rotor ổn định thì góc tới của các cánh tăng lên cùng với sự tăng lên của tốc độ gió Khi tốc độ gió tăng lên, các cánh bắt đầu giảm tốc, lực nâng giảm và lực cản tăng L/D tới một tỷ lệ lực nâng và lực kéo giảm đi khi góc tới tăng lên, do đó làm giảm mô-men xoắn của truyền động Sự điều chỉnh khí động lực học của cánh tương đối ít, điều đó

có nghĩa rằng cánh được thiết kế khá đặc biệt để việc giảm tốc xảy ra ở tốc độ gió định mức với vị trí góc tới tối ưu nhất (tỷ lệ L/D là giá trị rất nhạy cảm)

Trong các tuabin gió được điều chỉnh giảm tốc, các cánh được khóa cố định vào một vị trí và không được điều chỉnh trong quá trình hoạt động Thay cho các cánh được thiết kế theo hình dạng khí động lực học để làm tăng sự giảm tốc, thì góc tới của cánh so với hướng gió phải được chọn sao cho công suất của tuabin đạt cực đại và bảo

vệ được tuabin trong trường hợp tốc độ gió tăng lên tới độ không thể kiểm soát được Khi tốc độ gió thực tế trong diện tích cánh tăng lên thì góc tới của cánh quạt cũng tăng lên, cho tới tới điểm nào đó nó bắt đầu giảm tốc Do vậy, để đảm bảo rằng ở trạng thái tốc độ gió trở nên quá lớn có thể tạo ra những nhiễu động trên mặt sau của cánh quạt

và ngăn cản lực nâng cánh quạt từ những tác động của rotor

Hình I-10: Minh họa điều chỉnh giảm tốc

Điều chỉnh giảm tốc dựa trên nguyên lý giảm tỉ lệ lực nâng so với lực cản thông qua việc làm tăng góc tới Điểm không thuận lợi là các cánh nằm nghiêng cố định để bắt đầu giảm tốc khi tốc độ gió quá lớn, thêm vào đó là khi các cánh được giảm tốc sẽ

15

gây ra những rung động và nhiễu

Giảm tốc làm việc thông qua sự tăng lên của góc mà tốc độ gió tương đối đập vào các cánh (góc tới) và nó làm giảm cường độ lực cản Sự giảm tốc đơn giản là do bởi nó có thể xảy ra một cách thụ động (nó tăng lên khi tốc độ gió tăng), hay chủ động (góc cánh quạt được điều chỉnh hay dược đặt nghiên để tạo ra sự giảm tốc dọc các cánh) Phương pháp điều chỉnh sự giảm tốc chủ động cho phép điện năng được điều chỉnh chính xác hơn phương pháp điều chỉnh giảm tốc thụ động

Những lợi thế chính của việc điều chỉnh giảm tốc đó là nó tránh được các bộ phận chuyển động trong bản thân rotor và do đó một hệ thống điều chỉnh phức tạp từ

đó không có cùng độ phức tạp về cơ khí và về hoạt động giống như các tuabin gió điều chỉnh độ nghiêng cánh Các tuabin gió điều chỉnh giảm tốc thường được cân nhắc về

độ tin cậy hơn so với các tuabin gió điều chỉnh độ nghiêng cánh Mặt khác, sự điều chỉnh giảm tốc đại diện cho một vấn đề thiết kế khí động lực học rất phức tạp và những thách thức của thiết kế liên quan đến cấu trúc động lực học của toàn bộ tuabin gió Ví dụ, để tránh sự rung động của sự giảm tốc gây ra Ngoài ra, các tuabin gió được điều chỉnh độ nghiêng cánh thường được quan tâm ít hơn về hiệu suất so với tuabin gió được điều chỉnh giảm tốc Khoảng 2/3 tuabin gió hiện nay đang được lắp đặt trên thế giới hoạt động theo cơ chế điều chỉnh giảm tốc

Các phương pháp điều chỉnh điện năng khác

Một vài tuabin gió cũ sử dụng cánh liệng để điều chỉnh năng lượng của rotor Khả năng khác là làm trệch hướng phần nào đó của rotor so với hướng gió để giảm năng lượng Đây là công nghệ điều khiển bẻ lái hay còn gọi là điều chỉnh trệch hướng

mà trong thực tế chỉ được sử dụng cho các tuabin gió rất nhỏ (dưới 1 kW), vì nó làm cho rotor chịu ứng suất biến đổi theo chu kỳ mà có thể hủy hoại trực tiếp toàn bộ cấu trúc của rotor Thiết bị phanh của tuabin gió cỡ nhỏ cũng có thể được thực hiện bởi việc trút năng lượng từ máy phát vào trong một bộ điện trở và chuyển đổi động năng quay của tuabin thành nhiệt Phương pháp này có ích nếu tải động trên máy phát điện đột ngột giảm hoặc nó quá nhỏ để giữ tốc độ của tuabin hoạt động trong giới hạn cho phép của nó Theo chu kỳ, phanh làm cho các cánh chuyển động chậm lại và làm tăng hiệu ứng giảm tốc dẫn tới sự giảm hiệu suất của các cánh Trong quá trình quay của

16

phương pháp này, tuabin có thể được giữ ở một tốc độ an toàn mà vẫn duy trì được điện năng định mức trong trường hợp gió tăng Công nghệ này cũng chỉ được sử dụng cho các tuabin gió rất nhỏ và không thể được áp dụng cho các tuabin gió lớn

I.1.1.3 Vở bọc động cơ với hệ thống truyền động và thiết bị khác

Vỏ bọc động cơ chứa tất cả cơ cấu, máy móc của tuabin gió, tức là hệ thống truyền động gồm truyền động cơ khí (trục truyền động của rotor, các ổ bi và hộp số), máy phát điện và các thiết bị khác giống như khớp nối điện tử, đĩa chỉnh hướng gió, phanh cơ khí và hệ thống điều khiển và những thiết bị phụ trợ Bởi vì vỏ bọc động cơ cần quay để di động theo hướng gió nên có được kết nối với tháp đỡ thông qua các ổ

bi Việc chế tạo vỏ cho thấy nhà chế tạo đã quyết định đặt hệ thống truyền động và các thành phần khác như thế nào trên ổ bi

a) Hệ thống truyền động

Truyền động cơ khí

Hộp số là thành phần chính của sự truyền động cơ khí Do đường kính khổng lồ của cánh quạt mà rotor của tuabin gió cỡ lớn có khuynh hướng có tốc độ quay rất chậm (thường từ 18-50 rpm) Trong hầu hết các trường hợp, tốc độ quay này không đủ

để hoạt động máy phát điện của chúng với hiệu suất cực đại (đối với hầu hết các máy phát, tốc độ quay nằm trong giới hạn 1200-1800 rpm)

Giải pháp là sử dụng một hộp số truyền giữa trục ra của rotor và trục đầu vào của máy phát điện để tốc độ rotor có thể được ăn khớp với tốc độ vòng quay phù hợp theo yêu cầu của máy phát điện đối với mục đích sinh điện tối đa Trong trường hợp máy phát điện đồng bộ đa cực được đấu với lưới điện thông qua một bộ chuyển đổi điện quy mô đủ lớn mà tách riêng toàn bộ hệ thống máy phát điện từ lưới phụ, khi nó

có thể hoạt động ở tốc độ thấp thì hộp số có thể được bỏ qua Do đó, cấu trúc không hộp số là một giải pháp hiệu quả và đặc biệt có lợi và rất cần thiết cho các ứng dụng ngoài khơi, nơi mà yêu cầu bảo dưỡng thấp Trong trường hợp các tuabin gió có đường kính cánh quạt nhỏ hơn, hộp số truyền động giữa rotor và máy phát điện cũng

có thể được bỏ qua Giảm đường kính rotor dẫn đến độ dài cung mà rotor phải di chuyển trên một vòng nhỏ hơn, như vậy, tốc độ quay đối với một tốc độ gió nhất định của rotor có đường kính cánh nhỏ hơn sẽ lớn hơn tốc độ quay của rotor có đường kính

17

cánh lớn hơn Nếu tốc độ quay lớn hơn này phù hợp đới với loại máy phát điện đang được sử dụng, thì rotor có thể được kết nối thẳng với máy phát điện dẫn hệ thống ttruyền động trực tiếp giống cách trong hệ thống được kết nới với bộ chuyển đổi công suất Các hệ thống tuabin gió truyền động trực tiếp nhỏ hơn này chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng một chiều độc lập (không nối lưới) (sạc pin…)

Máy phát điện

Máy phát điện là thành phần của tuabin gió chịu trách nhiệm chuyển đổi chuyển động cơ học của rotor thành điện năng Các cánh truyền động năng từ gió thành năng lượng quay trong hệ thống truyền động và sau đó máy phát cung cấp năng lượng từ tuabin gió lên lưới điện

Máy phát điện có nhiều loại và kích cỡ khác nhau Sự phụ thuộc vào kích cỡ của rotor và lượng năng lượng cơ học thu được dẫn đến một máy phát có thể đươc chọn để tạo ra hoặc là điện áp xoay chiều hoặc là điện áp một chiều trên một loại công suất phát

Có hai loại máy phát điện chính để chuyển đổi năng lượng cơ học Loại thứ nhất là máy phát điện đồng bộ Máy phát điện đồng bộ hoạt động dựa trên nguyên lý

mà khi một nam châm được quay trong môi trường một cuộn dây điện thì sự thay đổi của trường điện từ trong không gian sẽ gây ra dòng điện và do đó điện áp trong cuộn dây điện được sinh ra Trong trường hợp này, nam châm được gắn với trục truyền động đầu vào của máy phát điện và được bao quanh bởi một vài cuộn cảm, mỗi một cuộn cảm có thể xem như là một đầu cực Khi trục truyền động quay sẽ làm cho nam châm vĩnh cửu cũng quay tạo ra sự thay đổi trường điện từ trước các cực bao quanh

nó Sự thay đổi này gây ra dòng điện trong các cực này và điện năng được tạo ra từ đó Các máy phát điện đồng bộ thường khá đơn giản và có thể được sử dụng rộng rãi đối trong một loạt các ứng dụng Loại thứ hai là máy phát điện không đồng bộ Đặc điểm quan trọng của các thiết bị này nằm ở rotor của nó mà chủ yếu là cái lồng hình trụ làm bằng các thanh đồng hoặc nhôm bao quanh đồng tâm một lõi sắt Cấu trúc rotor này trông như một cái lồng sóc và theo đó máy phát điện không đồng bộ có thể được gọi là máy phát điện lồng sóc Ngoài ra, rotor này được bao quanh bên ngoài bởi một loạt các cực gọi là stator Sự khác nhau của động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ

18

chính là ở trong tốc độ quay của rotor Động cơ đồng bộ là động cơ mà có tốc độ quay của rotor bằng tốc độ quay của từ trường còn động cơ không đồng bộ là động cơ điện hoạt động với tốc độ quay của Rotor chậm hơn so với tốc độ quay của từ trường Stator Máy phát điện không đồng bộ thực chất là được cấp năng lượng nhờ lưới điện

để đặt bản thân nó vào trong chuyển động ban đầu Khi dòng điện từ lưới điện đi qua stator thì sinh ra một dòng điện cảm ứng trong bản thân của rotor lồng sóc, gây ra các trường điện từ phản kháng đặt rotor chuyển động ở một tốc độ quay cụ thể (tốc độ này được xác định bởi tần số của nguồn điện cung cấp và số cực trong stator) Sự phát sinh điện xảy ra khi gió làm cho tốc độ quay của cánh quạt tăng lên và cao hơn tốc độ chạy không tải do lưới điện Những điều hấp dẫn về hiện tượng đó là điện áp rất lớn có thể được tạo ra trong khi tốc độ quay của rotor chỉ tăng lên không đáng kể (điện áp có thể tăng lên đáng kể khi tốc độ quay từ 10-15 rpm) Với các rotor đang chuyển động thì mô-men xoắn tác động lên các trục cánh quạt rất ít

Tuy nhiên, các máy phát điện không đồng bộ phức tạp hơn nhiều so với các máy phát điện đồng bộ và cũng đòi hỏi một nguồn điện ban đầu để hoạt động Máy phát điện không đồng bộ thích hợp hơn cho các ứng dụng mà ở đó có tốc độ gió tương đối ổn định và hiếm khi giảm xuống dưới một giá trị nhất định

b) Các thiết bị khác

Bộ chuyển đổi điện tử công suất

Hệ thống điện tử công suất được sử dụng cho nhiều tuabin gió như là những khớp nối rất quan trọng trong việc đưa điện năng từ tuabin gió lên lưới điện Tuabin gió hoạt động trong điều kiện tốc độ quay biến biến đổi, do đó tần số trong máy phát điện cũng sẽ thay đổi theo, vì vậy, tần số trong máy phát điện muốn phát cố định lên lưới cần phải được tách riêng ra thông qua một hệ thống chuyển đổi điện tử công suất

Bộ chuyển đổi điện tử công suất cho phép các tuabin gió hoạt động ở tốc độ thay đổi (hoặc điều chỉnh), và do đó cho phép thiết lập hiệu suất thu năng lượng cao hơn các thiết bị tương tự đối với điều kiện tốc độ gió không đổi Trong điều kiện hoạt động với tốc độ thay đổi, hệ thống điều khiển được thiết kế để trích xuất tối đa năng lượng từ các tuabin gió và để có được điện áp cấp lên lưới điện liên tục với tần số cần thiết được điều chỉnh theo các loại tuabin gió sử dụng Với sự tiến bộ của công nghệ

19

điện tử công suất, mục tiêu này rất dễ thực hiện

Bộ chuyển đổi công suất là cầu nối giữa tải hoặc máy phát điện với lưới điện Tùy thuộc vào cấu trúc liên kết và các ứng dụng hiện tại trong hệ thống, mà năng lượng có thể đi trực tiếp vào cả máy phát điện và lên lưới điện Trong việc sử dụng bộ chuyển đổi, có ba điều quan trọng cần được xem xét là độ tin cậy, hiệu suất và chi phí

Các bộ chuyển đổi được thực hiện bởi các thiết bị điện điện tử và các mạch của các thiết bị điều khiển, thiết bị bảo vệ và các thiết bị dẫn động Hai loại khác nhau của các hệ thống chuyển đổi hiện đang sử dụng là: Bộ chuyển đổi tự chuyển mạch và bộ chuyển đổi chuyển mạch lưới Bộ chuyển đổi đảo mạch lưới là chuyển đổi thyristor có chứa 6 hoặc 12 xung hoặc thậm chí hơn, nó có thể tạo ra nhiều sóng hài Loại chuyển đổi này không kiểm soát công suất phản kháng và tiêu thụ công suất phản kháng cảm ứng

Loại khác của bộ chuyển đổi là hệ thống chuyển đổi tự chuyển mạch, là các bộ chuyển đổi biến điệu dải rộng xung (Pulse-width modulation - PWM) mà chủ yếu là

sử dụng Transistor lưỡng cực cổng cách ly (Transistor GateBipolar - IGBT) Ngược lại với các bộ chuyển đổi lưới chuyển mạch, bộ chuyển đổi tự chuyển mạch kiểm soát cả công suất thuần và công suất phản kháng Bộ chuyển đổi PWM do đó có khả năng cung cấp cho các nhu cầu về công suất phản kháng với việc chuyển đổi tần số cao mà làm cho chúng gây ra sóng

Đĩa chỉnh hướng gió

Đĩa chỉnh hướng gió là một thành phần quan trọng của hệ thống điều chỉnh trệch hướng của các tuabin gió trục ngang hiện đại Để đảm bảo cho các tuabin gió sản xuất được lượng điện năng tối đa ở tất cả các thời điểm, đĩa chỉnh hướng gió phải được điều chỉnh tích cực để giữ cho các cánh quạt luôn hướng về hướng gió khi hướng gió thay đổi Điều này được thực hiện bằng cách đo hướng gió nhờ một cái cờ chỉ hướng gió đặt trên mặt sau của vỏ bọc động cơ Tuabin gió được cho là có một lỗi về góc chỉnh trệch hướng hướng (độ trệch giữa gió và hướng chỉ tuabin) nếu rotor được đặt không phù hợp với gió Lỗi trệch hướng cho thấy sựu thất thoát một phần nhỏ năng lượng gió đang chuyển động qua diện tích cánh quạt Mất mát điện năng tỷ lệ thuận với cô sin của góc trệch hướng

20

Phanh cơ khí

Một tuabin gió có hai loại hệ thống phanh khác nhau Loại thứ nhất là hệ thống phanh đầu cánh và loại thứ 2 là phanh cơ khí (hoặc thanh) Phanh cơ khí được đặt trên trục truyền động nhanh nhỏ giữa hộp số và máy phát điện Phanh có khí này (gồm phanh đĩa hoặc phanh trống) chỉ được sử dụng khi khẩn cấp nếu phanh đầu cánh hỏng Phanh cũng được sử dụng khi các tuabin gió đang được sửa chữa để loại bỏ bất kỳ rủi

ro của tuabin đột nhiên xảy ra Phanh thường chỉ được áp dụng sau khi cánh cụp lại và

và phanh điện từ đã làm giảm tốc độ tuabin Phanh cơ khí có thể bị mòn đi nhanh chóng nếu được sử dụng để dừng tuabin từ tốc độ cao

Hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển động cơ tuabin gió được tham gia vào hầu hết các quá trình ra hoạt động an toàn của các tuabin gió Đồng thời, nó phải giám sát hoạt động bình thường của các tuabin gió và thực hiện các phép đo để theo dõi, kiểm soát, sử dụng thống kê…

Hệ thống điều khiển thường được dựa trên một số các máy tính chuyên dụng, được thiết kế đặc biệt dùng trong công nghiệp, liên tục theo dõi tình trạng của các tuabin gió và thu thập số liệu thống kê về hoạt động của nó Như tên của nó, bộ điều khiển cũng kiểm soát một số lượng lớn thiết bị chuyển mạch, bơm thủy lực, van và các động cơ trong tuabin gió

Một loạt các cảm biến đo trạng thái tuabin gió Những cảm biến này thường được sử dụng để đo nhiệt độ, hướng gió, tốc độ gió, tốc độ quay của cánh quạt, máy phát điện, điện áp và dòng điện của nó, và nhiều bộ phận quan trọng khác có thể được tìm thấy trong và xung quanh vỏ bọc động cơ (khoảng 100 đến 500 các giá trị tham số được đo trong một tuabin gió hiện đại), và hỗ trợ trong việc điều khiển tuabin Các máy tính và bộ cảm biến thường được sao lưu (dự phòng) trong tất cả các khu vực hoạt động nhạy cảm và an toàn của các máy tính, thiết bị mới, lớn hơn Bộ điều khiển liên tục so sánh các số liệu đo để đảm bảo các cảm biến và máy tính đang hoạt động một cách chính xác

21

22

I.1.2 Tiêu chuẩn thiết kế Tuabin gió

Các nhà máy điện gió phải đạt được các tiêu chuẩn an toàn và ổn định để đảm bảo sản xuất và cung cấp điện ổn định và an toàn cho người vận hành và hệ thống Hiện tại, Việt Nam chưa có tiêu chuẩn cho loại hình công nghệ này Tuy nhiên có thể

sử dụng các tiêu chuẩn quốc tế về công nghệ gió do IEC (International Electrotechnical Commission) soạn thảo, đã qui định rất cụ thể các tiêu chuẩn về chất lượng tuabin gió, máy phát, an toàn cho vận hành và chất lượng điện Hiện tại IEC đã được các hãng chế tạo lớn ở các nước Châu Âu và Mỹ áp dụng [7]

Trong giai đoạn đầu, việc lựa chọn và sử dụng công nghệ ổn định là rất quan trọng đối với Việt Nam khi mà cơ sở hạ tầng cho sửa chữa, thay thế chưa phát triển Các công nghệ lựa chọn phải chứng minh được có độ tin cậy cao, hoặc đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới Vì vậy trong giai đoạn chưa có tiêu chuẩn riêng cho Việt Nam, đề xuất ưu tiên lựa chọn công nghệ trong số các hãng có uy tín lớn trên thế giới nhưng dù chọn hãng nào, loại tuabin nào thì tất cả đều phải đáp ứng những tiêu chuẩn

đã quy định như được nêu ở bảng dưới đây Đây là 1 trong 3 chỉ tiêu chính cho việc đánh giá lựa chọn Chủ đầu tư nhận được hỗ trợ giá

Bảng I-1: Các tiêu chuẩn áp dụng thiết kế tuabin gió

IEC

Thiết kế- An toàn tuabin gió loại nhỏ IEC 61400-2

Đo hiệu suất sản lượng điện của tuabin gió IEC 61400-12-1

Tiêu chuẩn, chứng nhận chạy thử IEC 61400-22

Hệ thống thông tin cho việc kiểm tra và điều

khiển nhà máy điện gió

EC 61400-25-1 IEC 61400-25-2 Tiêu chuẩn thiết kế hộp số ISO 81400-4 Corr.1 (2006-09)

23

Các tuabin gió được thiết kế đối với các điều kiện đặc biệt Trong giai đoạn xây dựng và thiết kế, những giả định về những yếu tố khí hậu gió mà các tuabin được đặt trong đó được đưa ra Phân loại các tuabin gió chỉ là một trong các nhân tố cần xem xét trong quá trình lập kế hoạch phức tạp cho một nhà máy điện gió Việc phân loại gió nhằm xác định tuabin gió có phù hợp với các điều kiện gió thông thường của một

vị trí cụ thể hay không Việc phân loại tuabin gió được xác định thông qua 3 tham số là: Tốc độ gió trung bình tại độ cao trục tuabin, tốc độ gió giật cực đại trong 50 năm và

sự nhiễu loạn của dòng gió Dưới đây là bảng phân loại tuabin gió theo tốc độ gió và

sự nhiễu loạn của dòng gió

Bảng I-2: Phân loại tuabin gió theo tốc độ gió và sự nhiễu loại

hiệu

Tốc độ gió trung bình tại

độ cao trục tuabin (m/s)

Tốc độ gió giật cực đại trong 50 năm (m/s)

Nguồn: http://windwire.blogspot.com

Tốc độ gió cực đại tuyệt đối theo tiêu chuẩn IEC mà tuabin gió có thể chịu đựng được là 70 m/s

I.1.3 Các hệ thống Tuabin gió trên thế giới và Việt Nam

Hiện nay, các tuabin gió thế hệ mới, công suất lớn, diện tích quét lớn đang thay dần các tuabin gió thế hệ cũ (công suất nhỏ, diện tích quét nhỏ) Kết quả là giá tuabin (US$/kW) giảm Cùng với chính sách của nhiều quốc gia hỗ trợ điện gió, công suất lắp đặt tuabin gió của thế giới chỉ từ 14 GW (cuối năm 1999) đã tăng lên trên 12 lần trong vòng 10 năm, đạt trên 280 GW (cuối năm 2012), Hình I-11 Trung Quốc, từ không có

gì đáng kể đến cuối năm 2012 đã vươn lên đứng đầu trên thế giới về công suất lắp đặt (75324 MW, chiếm 26,7% tổng công suất lắp đặt của thế giới) Tốc độ lắp đặt tuabin gió của Trung Quốc trong năm 2012 đứng hàng thứ 2 trên thế giới, riêng trong năm

24

này, lắp đặt khoảng gần 13GW, Hình I-12

Nguồn: GWEC

Hình I-11: Công suất lắp đặt điện gió từ 1996-2012

Global Cumulative Installed Wind Capacity 1996-2012

6,100 7,600 10,200 13,600 17,400

23,900 31,100

39,431 47,620

59,091 73,938 93,889 120,624 158,975 198,001 238,050 282,587

USA, 60007 Germany,

31308 Spain, 22796

India, 18421

UK, 8445 Italy, 8144 France, 7564 Canada, 6200

Portugal, 4525

Rest of the world, 39853

25

Nguồn: GWEC

Hình I-12: Cơ cấu, công suất điện gió thế giới đến năm 2012

Năng lượng gió phát điện ở Việt Nam nước ta chưa phát triển do còn gặp nhiều khó khăn, cản trở: Chính sách, vốn đầu tư nghiên cứu, điều kiện khí hậu, công nghệ, nhân lực

Có nhiều cơ quan trong nước cùng nghiên cứu phát triển năng lượng gió trong điều kiện kinh phí hạn hẹp, thiếu cơ sở thực nghiệm, phòng thí nghiệm tạo ra sự manh mún, chồng chéo và lặp lại Nhân lực phần lớn không được đào tạo cơ bản, không nắm được lý thuyết chuyên sâu, không có kinh nghiệm thực tế Nhà nước chưa đầu tư thích đáng cho nghiên cứu và chưa có chính sách cụ thể để ưu đãi phát triển năng lượng gió Thực tế kết quả ứng dụng động cơ gió phát điện chỉ mới lắp đặt được khoảng

1000 thiết bị, chủ yếu là cỡ công suất < 200W và khoảng 120 động cơ gió bơm nước các loại Hiện nay số còn hoạt động không nhiều[4]

Động cơ gió phát điện công suất nhỏ hơn 200W, mức điện áp 12V hoặc 24V nạp

ắc quy được triển khai ứng dụng chủ yếu cho các hộ gia đình Chất lượng thiết bị chưa

ổn định, vận hành hệ thống đơn giản, đáp ứng được nhu cầu sử dụng điện cho một hộ gia đình ở những vùng không có lưới điện nhưng có gió tốt

Viện Năng lượng và một số cơ quan khác đã thành công trong mẫu động cơ gió nhỏ Với những mẫu động cơ gió phát điện lớn hơn cũng được chế tạo thử nghiệm nhưng không được ứng dụng rộng rãi

Những động cơ gió phát điện ngoại nhập phần nhiều có công suất từ 200 W –

500 W từ các nước: Úc, Mỹ, Trung Quốc trọn bộ (trừ cột) Chất lượng tốt, số lượng chưa đáng kể Một số động cơ gió phát điện trọn bộ ngoại nhập công suất lớn hơn như động cơ gió kiểu West Wind 1,8 kW đang hoạt động tốt tại Kon Tum, động cơ gió 30kW tại Hải Hậu hiện tại không làm việc do địa điểm không có gió tốt, động cơ gió 800kW đã lắp đặt và đang vận hành tại Bạch Long Vỹ, đến tháng 6/2006 hệ thống gặp

sự cố không hoạt động nữa

Việt Nam, tính đến nay (tháng 8/2013) hiện trạng khai thác và sử dụng năng lượng gió cho phát điện vẫn còn khiêm tốn với tổng công suất lắp đặt khoảng 52 MW Các tuabin nhỏ qui mô gia đình (150-200 W) vận hành tương đối tốt, chủ yếu lắp