đánh giá một số mô hình turbine gió khi kết nối lưới điện bằng phương pháp mô phỏng động

Do đặc điểm của các nhà máy gió đó là công suất nhỏ, công suất phát ra không ổn định, công suất phụ thuộc vào điều kiện khí hậu bên ngoài, có thể có các nguồn song hài… do đó, để các nhà

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNN

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

- -

PHAN THỊ NGUYỆT NGA

ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ MÔ HÌNH TURBINE GIÓ KHI KẾT NỐI LƯỚI ĐIỆN BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG ĐỘNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI, 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNN

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

- -

PHAN THỊ NGUYỆT NGA

ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ MÔ HÌNH TURBINE GIÓ KHI KẾT NỐI LƯỚI ĐIỆN BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG ĐỘNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số : 60.52.02.02

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS NGUYỄN ĐĂNG TOẢN

HÀ NỘI, 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa được sử dụng để bảo vệ một học vị nào

Tôi xin cam đoan mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều được chỉ rõ nguồn gốc

Hà Nội, ngày 4 tháng 9 năm 2014 Tác giả luận văn

Phan Thị nguyệt Nga

Tôi xin cảm ơn các thầy cô giáo ở bộ môn Hệ thống điện, khoa Cơ - Điện và Viện đào tạo sau đại học Học viện Nông nghiệp Việt Nam đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tôi học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn

Tôi xin cảm ơn các bạn bè đã giúp đỡ tôi thu thập thông tin, số liệu phục vụ cho nghiên cứu và xin cảm ơn bạn bè, người thân đã giúp tôi trong lĩnh vực công nghệ thông tin, giúp tôi có thể sử dụng thành công phần mềm PSS/E

Lời cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình tôi, những người luôn bên cạnh tôi, chăm sóc, chia sẻ, động viên tôi, những lúc khó khăn, giúp tôi có thể hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 4 tháng 9 năm 2014 Tác giả luận văn

Phan Thị nguyệt Nga

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC III DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT VI DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG VII

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1

CHƯƠNG 1 - GIỚI THIỆU CHUNG 3

1.1 KHÁI NIỆM VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ 3

1.2 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA NĂNG LƯỢNG GIÓ 3

1.2.1 Sự phát triển của công suất tương ứng với đường kính rotor 5

1.2.2 Sự phát triển hiệu suất của thiết bị WEA 6

1.2.3 Lợi ích kinh tế của việc sử dụng năng lượng gió 6

1.3 NHỮNG YẾU TỐ THÚC ĐẨY PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG GIÓ 7

1.3.1 Nhu cầu tiêu dùng năng lượng tăng nhanh 7

1.3.2 Sự cạn kiệt của nguồn năng lượng hóa thạch 7

1.3.3 Vấn nạn về ô nhiễm môi trường trên toàn thế giới 8

1.3.4 Năng lượng hạt nhân, không phát thải CO 2 , nhưng “lợi bất cập hại” 9

1.3.5 Nâng cao hiệu quả kinh tế 10

1.4 HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG ĐIỆN GIÓ TRÊN THẾ GIỚI 10

1.4.1 Khu vực Châu Âu 12

1.4.2 Khu vực Bắc Mỹ 12

1.4.3 Khu vực Mỹ LaTinh 12

1.4.4 Khu vực Châu Úc 12

1.4.5 Khu vực Châu Phi 13

1.4.6 Khu vực Châu Á 13

1.5 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN GIÓ ĐẾN MÔI TRƯỜNG 13

1.5.1 Ảnh hưởng của tiếng ồn 14

1.5.2 Ảnh hưởng đến cảnh quan và địa hình 14

1.5.3 Ảnh hưởng đến sinh thái biển 14

1.5.4 Ảnh hưởng đến các loài chim và động vật 14

1.5.5 Ảnh hưởng đến sóng vô tuyến 15

1.5.6 Ảnh hưởng đến đường hàng không 15

1.5.7 Ảnh hưởng đến sức khỏe con người 15

1.6 SỰ KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG GIÓ Ở VIỆT NAM 15

1.6.1 Chế độ gió ở Việt Nam 15

1.6.2 Các nghiên cứu và ứng dụng năng lượng gió ở Việt Nam 17

1.6.3 Thị trường điện gió Việt Nam 18

1.7 KẾT LUẬN 20

CHƯƠNG 2 - NHÀ MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ 21

2.1 XÂY DỰNG NHÀ MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ 21

2.1.1 Khảo sát lưu lượng gió 21

2.1.2 Lựa chọn địa điểm 21

2.2 KẾT CẤU CƠ BẢN CỦA NHÀ MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ 22

2.2.1 Cánh quạt 23

2.2.2 Hệ thống rotor 24

2.2.3 Hệ thống quay, trục và bộ phận phanh hãm 25

2.2.4 Hộp số 26

2.2.5 Máy phát điện 28

2.2.6 Máy biến thế 30

2.2.7 Trụ và chân đế 30

2.2.8 Thùng Nacelle 31

2.2.9 Các thành phần khác 31

2.3 ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ 32

2.4 MÔ HÌNH HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ 33

2.4.1 Hệ thống cơ 34

2.4.2 Hệ thống khí động học 35

2.4.3 Hệ thống điện 37

2.4.4 Hệ thống Pitch servos 39

2.5 TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG TỪ GIÓ 40

2.6 CÁC LOẠI TURBINE GIÓ 41

2.6.1 Các kiểu turbine gió trục đứng 41

2.6.2 Các kiểu turbine gió trục ngang 44

2.6.3 So sánh turbine trục đứng và trục ngang 44

2.7 KẾT LUẬN 46

CHƯƠNG 3 - MÔ HÌNH TURBINE GIÓ VÀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG 47

3.1 KẾT NỐI NHÀ MÁY ĐIỆN GIÓ VÀO LƯỚI ĐIỆN 47

3.1.1 Turbine gió tốc độ cố định (SCIG) 47

3.1.2 Turbine gió tốc độ thay đổi với rotor cực ẩn (WRIG) 49

3.1.3 Turbine gió tốc độ thay đổi với máy phát điện cảm ứng kép (DFIG) 49

3.1.4 Turbine gió có bộ biến đổi đầy đủ (FCWT) 51

3.2 CÁC YÊU CẦU KẾT NỐI NHÀ MÁY ĐIỆN GIÓ VÀO LƯỚI ĐIỆN 52

3.2.1 Công suất đặt cực đại của nhà máy phát điện gió 52

3.2.2 Cấp điện áp và tần số kết nối của nhà máy phát điện gió 54

3.2.3 Kiểm soát công suất phản kháng và điều chỉnh điện áp 55

3.2.4 Chất lượng điện năng 56

3.3 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỆN – PSS/E 59

3.3.1 Giới thiệu chung 59

3.3.2 Giới thiệu tổng quan về chương trình PSS/E 59

3.4 CÁC MÔ HÌNH TURBINE TRONG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 60

3.4.1 Turbine gió tốc độ thay đổi với máy phát điện cảm ứng kép (DFIG) 60

3.4.2 Turbine gió có bộ độ biến đổi đầy đủ (FCWT) 65

3.5 KẾT LUẬN 68

CHƯƠNG 4 - MÔ PHỎNG ĐỘNG TURBINE GIÓ KẾT NỐI LƯỚI ĐIỆN 69

4.1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỆN KẾT NỐI TURBINE GIÓ 69

4.1.1 Tương đương hóa mô hình kết nối nhà máy điện gió 69

4.1.2 Sự khác biệt trong cách biến đổi mô hình tương đương hóa 77

4.1.3 Mô hình nghiên cứu mô phỏng động 79

4.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 83

4.2.1 Điện áp và tần số 84

4.2.2 Công suất 86

4.2.3 Mô phỏng khác 88

4.3 KẾT LUẬN 92

CHƯƠNG 5 – KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 93

5.1 KẾT LUẬN 93

5.2 KIẾN NGHỊ 93

TÀI LIỆU THAM KHẢO 95

PHỤ LỤC 1 98

PHỤ LỤC 2 110

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DFIG: Doubly-Fed Induction Generator, Máy phát điệncảm ứng kép

EOCC: Equivalent of Complete Circuit, Tương đương hóa toàn mạch

EOML: Equivalent of Major Lines, Tương đương hóa mạch chính

FCWT: Full converter wind turbine, Turbine gió với bộ biến đổi đầy đủ

FRT: Fault ride through, Khả năng vượt qua sự cố

GWEO: Global Wind Energy Outlook Năng lượng gió toàn cầu

HAWT: Horizontally Axis Wind Tuabin, Turbine gió trục ngang

ICAO: Internationa Civil Aviation Organizition, Tổ chức hàng không dân dụng quốc tế

IEA: The International Energy Agency, Viện năng lượng quốc tế

LVRT: Low voltage ride through, Khả năng phục hồi khi điện áp thấp

NABU: Nature and Biodiversity Conservation Union, Tổ chức bảo tồn sinh học, thiên nhiên

NMWEC: New Mexico Wind Energy Center, trung tâm năng lượng gióMexico NREL: National Renewable Energy Laboratory, Phòng thí nghiệmNăng lượng tái tạoquốc gia

OECD: Organisation for Economic Cooperation and Development, Tổ chức Hợp tácvà phát triển kinh tế

PCC: Point of common coupling, Vị trí kết nối chung

PNM: Public Service Company of Mexico, Công ty dịch vụ công cộng của Mexico PSS/E: Power System Simulation /Engineering, Mô phỏng hệ thống điện/Kỹ thuật PWM: Pulse-Width Modulation, Điều chế độ rộng xung

SCIG: Squirrel-Cage Induction Generator, Máy phát điện cảm ứng lồng sóc

SODAR: Sound Detecting And Ranging, Phát hiện âm thanh và khoảng cách THD: Total Harmonic Distortion, Tổng độ méo sóng hài

VAWT: Vertically Axis Wind Tuabin, Tua-bin gió trục đứng

WEA: Wind Energy Association, Hiệp hội Năng lượng gió

WECS: Wind Energy Conversion Systems, Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió WRIG: Wound Rotor Induction Generator, Máy phát điện cảm ứng roto cực ẩn WWEA: World Wind Energy Association,Hiệp hội điện gió toàn cầu

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG

Hình 1-1 Quá trình hình thành gió 3

Hình 1-2 Turbine gió đầu tiên của Charles F.Brush, Cleveland, Ohio 1888 4

Hình 1-3 Turbine gió của Poul Lacour, Askov, Đan Mạch năm 1897 4

Hình 1-4 Turbine gió trục đứng kiểu Savonius 4

Hình 1-5 Turbine gió trục đứng Darrieus kiểu “Eole C” tại Cap Chat, Quebec 5

Hình 1-6 Kích thước và công suất turbine điện gió đã sản xuất tính đến năm 2012 6 Hình 1-7 Giá thành sản xuất điện đến năm 2025 6

Hình 1-8 Lượng thải CO2 trên 1 kWh theo các dạng nguồn năng lượng 9

Hình 1-9 Giá thành sản xuất điện năm 2012 khi tính tất cả những khoản chi phí phụ 10

Hình 1-10 Tổng công suất lắp đặt từ 2010 - 2013 [MW] 11

Hình 1-11 Công suất điện gió trên thế giới từ năm 1997 và dự toán đến năm 2020 11

Hình 1-12 Tổng công suất lắp đặt năm 2013 [MW] 12

Hình 1-13 Bản đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam ở độ cao 80m 16

Hình 2-1 Cấu hình turbine điện gió sử dụng hộp số 22

Hình 2-2 Sơ đồ turbine điện gió sử dụng hộp số 22

Hình 2-3 Sơ đồ turbine điện gió không sử dụng hộp số 23

Hình 2-4 Cánh quạt 23

Hình 2-5 Rotor turbine điện gió 24

Hình 2-6 Đùm và hệ thống nối cánh quạt - Rotor và máy phát điện vòng 24

Hình 2-9 Trục quay 25

Hình 2-7.Vòng bi 4 điểm tiếp xúc loại 1 lớp 25

Hình 2-8 Vòng bi 4 điểm tiếp xúc loại 2 lớp 25

Hình 2-10 Khớp nối 26

Hình 2-11 Bộ phận phanh hãm 26

Hình 212 Hộp số bánh răng xếp đặt vòng 3 cấp của turbine gió (công suất từ 2 -3MW) 27

Hình 2-13 Nguyên tắc hộp số kết hợp 3 bộ bánh răng xếp đặt vòng và 1 bộ bánh

răng trụ 27

Hình 2-14 Nguyên tắc máy phát điện dị bộ 28

Hình 2-15 Nguyên tắc máy phát điện dị bộ kép và lưới điện 28

Hình 2-16 Nguyên tắc máy phát điện đồng bộ 29

Hình 2-17 Rotor máy phát điện và phần lõi Stator - Turbine Avanti 29

Hình 2-18.Trụ của turbine điện gió 30

Hình 2-19 Chân đế của turbine điện gió 31

Hình 2-20 Thùng Nacelle của turbine điện gió Dewind 31

Hình 2-21 Sơ đồ khối của hệ WECS tốc độ thay đổi góc cắt thay đổi 33

Hình 2-22 Mô hình hệ thống cơ của turbine gió 35

Hình 2-23 Đường cong mô tả sự thay đổi hệ sốC Qvà C P 36

Hình 2-24 Mô hình máy phát nối trực tiếp với lưới 37

Hình 2-25 Mô hình máy phát nối lưới thông qua bộ biến đổi điện tử công suất 38

Hình 2-26 Mô hình nối lưới của máy phát không đồng bộ nguồn kép 38

Hình 2-27 Mô hình bộ điều chỉnh theo kiểu điều chỉnh góc cắt 39

Hình 2-28 Cấu tạo turbine trục đứng và trục ngang 41

Hình 2-29 Nguyên tắc turbine điện gió Savonius 42

Hình 2-30 VAWT kiểu Darrieus, rô to có dạng hình chữ C 43

Hình 2-31 Nguyên tắc turbine điện gió Darrieus 43

Hình 2-32 VAWT - biến thể kiểu Darrieus 44

Hình 2-34 Turbine đón gió từ phía sau 44

Hình 2-34 Turbine đón gió từ phía trước 44

Hình 3-1 Turbine gió tốc độ cố định 47

Hình 3-2 Đặc tính momen của máy điện SCIG 48

Hình 3-3 Turbine gió tốc độ thay đổi với rotor cực ẩn 49

Hình 3-4 Turbine gió tốc độ thay đổi với máy phát điện cảm ứng 50

Hình 3-5 Turbine gió tốc độ biến đổi đầy đủ 51

Hình 3-6 Khả năng phục hồi sau sự cố của một turbine gió 53

Hình 3-7 Điện áp – tần số làm việc của turbine gió 55

Hình 3-8 Đường cong giới hạn công suất phản kháng cho turbine gió 56

Hình 3-9 Turbine gió có máy phát không đồng bộ nguồn kép 60

Hình 3-10 Sơ đồ khối bộ điều khiển của turbine gió DFIG 61

Hình 3-11 Các đầu vào và ra trong turbine gió 61

Hình 3-12 Mô hình động turbine gió 62

Hình 3-13 Máy phát điện và điều chỉnh mô hình cánh quạt 62

Hình 3-14 Sơ đồ vector của điện áp và dòng điện trên hệ trục αβ và dq 63

Hình 3-15 Mô hình điều khiển điện 64

Hình 3-16 Mô hình điều khiển điện áp 64

Hình 3-17 Mô hình tổng điều khiển điện của DFIG 65

Hình 3-18 Turbine gió với bộ biến đổi công suất đầy đủ FCWT 65

Hình 3-19 Cấu trúc chung của mô hình turbine gió FCWT 66

Hình 3-20 Mô hình động máy phát điện turbine gió FCWT 66

Hình 3-21 Máy phát điện và mô hình chuyển đổi 67

Hình 3-22 Mô hình điều khiển điện áp 67

Hình 4-1 Mô hình đơn giản của một nhà máy điện gió kết nối lưới điện 70

Hình 4-2 Sơ đồ một sợi tương đương lưới điện NMWEC 70

Hình 4-3 Sơ đồ hệ thống đường dây thu 71

Hình 4-4 Sơ đồ đường dây trung áp 71

Hình 4-5 Tham số tổng trở Z1, Z2 và Z3 kết nối của nhóm 3 tuabin 73

Hình 4-6 Các biến tham số của nhóm 3 tuabin 74

Hình 4-7 Điện dung của đường dây của một nhà máy điện gió công suất lớn 76

Hình 4-8: Mô hình hóa máy biến áp của nhà máy điện gió 76

Hình 4-9 Sơ đồ đại diện mạch điện hoàn chỉnh của NMWEC 78

Hình 4-10 Sơ đồ mạch điện chỉ gồm đường trục chính của NMWEC 78

Hình 4-11 Sơ đồ nhà máy điện gió gồm 18 tuabin 80

Hình 4-12 Sơ đồ tương đương hóa nhà máy điện gió 80

Hình 4-13: Sơ đồ 18 tuabin gió trong phần mềm PSS/E 82

Hình 4-14: Sơ đồ tương đương hóa mô hình 18 tuabin gió 82

Hình 4-15 Thông số điện áp trong mô phỏng 1 (pu) 84

Hình 4-16 Thông số điện áp trong mô phỏng 2 (pu) 84

Hình 4-17 Thông số điện áp turbine loại TW3 và TW4 (pu) 85

Hình 4-18 Độ lệch tần số trong mô phỏng 1 (pu) 85

Hình 4-19 Độ lệch tần số trong mô phỏng 2 (pu) 85

Hình 4-20 Độ lệch tần số trong turbine loại TW3 và TW4 (pu) 86

Hình 4-21 Công suất điện của turbine loại TW3 và TW4 (pu) 86

Hình 4-22 Công suất của turbine trước và sau khi sự cố trong mô phỏng 1 (pu) 87

Hình 4-23 Công suất của turbine trước và sau khi sự cố trong mô phỏng 2 (pu) 87

Hình 4-24 Công suất phản kháng phát lên lưới khi sự cố của TW3 và TW4 (pu) 88

Hình 4-25 Thông số điện áp turbine loại TW3 (pu) 88

Hình 4-26 Thông số điện áp turbine loại TW4 (pu) 89

Hình 4-27 Độ lệch tần số của turbine loại WT3 (pu) 89

Hình 4-28 Độ lệch tần số của turbine loại WT4 (pu) 90

Hình 4-29 Công suất điện của turbine loại TW3 (pu) 90

Hình 4-30 Công suất phản kháng của turbine loại TW3 (pu) 91

Hình 4-31 Công suất điện của turbine loại TW4 (pu) 91

Hình 4-32 Công suất phản kháng của turbine loại TW4 (pu) 91

Bảng 4-1 Kết quả tính toán theo 2 phép biến đổi 79

Bảng 4-2 Kết quả trở kháng khác 79

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Hệ thống điện (HTĐ) là một trong những cơ sở hạ tầng quan trọng của nền kinh tế quốc dân đối với mọi quốc gia Tuy nhiên các HTĐ nói chung đang phải đối mặt với nhiều thách thức như: sự tăng nhanh nhu cầu phụ tải, các áp lực về môi trường, sự cạn kiệt nguồn năng lượng sơ cấp Do đó việc tìm hiểu, nghiên cứu ứng dụng các nguồn năng lượng tái tạo là một trong những yêu cầu cần thiết cho các HTĐ nói chung và HTĐ Việt Nam nói riêng Có nhiều nguồn năng lượng tái tạo khác nhau, nhưng nguồn năng lượng tái tạo với công suất lớn, có khả năng sản xuất thương mại và kết nối được vào lưới điện chính thì năng lượng gió đặc biệt được quan tâm và nghiên cứu ứng dụng rộng rãi trên thế giới và Việt Nam

Hiện nay, Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) dự đoán đến năm 2020, nhu cầu điện của Việt Nam sẽ khoảng 200.000 GWh Trong đó các nguồn điện truyền thống như thuỷ điện, nhiệt điện, điện khí chỉ đạt mức là 165.000GWh, như vậy sẽ thiếu hụt khoảng 20-30% lượng điện mỗi năm Do đó, việc đầu tư vào các nguồn năng lượng khác, đặc biệt là năng lượng tái tạo là điều cần phải được quan tâm, nghiên cứu kỹ lưỡng, và khai thác, sản xuất Việt Nam là một đất nước có tiềm năng khá lớn về năng lương gió

Theo số liệu nghiên cứu của tổ chức phát triển năng lượng gió Châu Á, trên lãnh thổ Việt Nam, các vùng giàu tiềm năng nhất để phát triển các nhà máy phát điện gió như là: Sơn Hải (Ninh Thuận), vùng đồi cát ở độ cao 60-100m phía tây Hàm Tiến đến Mũi Né (Bình Thuận) và khu vực Bán đảo Phương Mai (Bình Định)

Do đặc điểm của các nhà máy gió đó là công suất nhỏ, công suất phát ra không ổn định, công suất phụ thuộc vào điều kiện khí hậu bên ngoài, có thể có các nguồn song hài… do đó, để các nhà máy phong điện có thể được kết nối vào lưới điện chính, thì việc nghiên cứu các loại tua bin gió, các điều kiện kết nối cần được quan tâm và nghiên cứu kỹ lượng để đảm bảo chất lượng điện áp, tránh quá tải cơ học và thu công suất một cách tối ưu nhất

Vì lý do đó, tác giả lựa chọn đề tài: “Đánh giá một số mô hình turbine gió khi kết nối lưới điện bằng phương pháp mô phỏng động” với mục đích là tập

trung vào việc nghiên cứu năng lượng của gió, các nhà máy điện gió và đánh giá một số mô hình turbine khi kết nối với lưới điện bằng phương pháp mô phỏng động,

các kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng cho một dự án phát điện sử dụng năng lượng gió ở Việt Nam

Luận văn được thực hiện các nội dung sau:

- GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

- Chương 1: Giới thiệu chung

- Chương 2: Nhà máy phát điện gió

- Chương 3: Mô hình turbine gió và phần mềm mô phỏng

- Chương 4: Mô phỏng động turbine gió kết nối lưới điện

- Chương 5: Các kết luận và kiến nghị

- TÀI LIỆU THAM KHẢO

- PHỤ LỤC

CHƯƠNG 1 - GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 KHÁI NIỆM VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

Bức xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặtTrái Đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và không khí nóng không đều nhau cũng như không khí giữa mặt

ban ngày và mặt ban đêm của Trái Đất.Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được

tạo thành từ sự quay quanh trục của Trái Đất nên không khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển động thắng mà tạo thành các cơn gió xoáy có chiều xoáy khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu Do sự khác nhau về áp suất và nhiệt độ cũng như quá trình quay của Trái Đất, khối không khí sẽ chuyển động và tạo ra những dòng không khí khác nhau vào các thời gian khác nhau trong năm Chính vì sự thay đổi nhiệt độ của khí quyển làm không khí chuyển động.Sự chuyển động của không khí được gọi là gió.Có thể sử dụng động năng của khối không khí chuyển động này chạy turbine gió để phát ra điện năng [2], [7], [8]

Hình 1-1.Quá trình hình thành gió

Chỉ có 1- 2% năng lượng bức xạ từ Mặt Trời được chuyển thành năng lượng gió.Lượng năng lượng biến chuyển thành năng lượng gió này có giá trị khoảng 1013MWh

1.2 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA NĂNG LƯỢNG GIÓ

Con người đã biết khai thác sức gió từ lâu như việc dựa vào sức gió để dong buồm ra khơi, vận hành các máy bơm nước hay xay ngũ cốc Cối xay gió đầu tiên trục ngang được tìm thấy ở những bài lịch sử ở Ba Tư, Tây Tạng, Trung Quốc vào khoảng 1000 năm sau công nguyên Cối xay gió xuất hiện ở Anh vào khoảng năm

1150, ở Pháp khoảng 1180, ở Đức vào năm 1222, ở Đan Mạch vào năm 1259.Ở Châu Âu, cối xay gió được phát triển và cải tiến từ thế kỷ 12 đến thế kỷ 19.Đến cuối thế kỷ 19 chiếc máy phát điện dùng sức gió đầutiên ra đời, với tên gọi là turbinegió

để phân biệt với cốixaygió (biến năng lượng gió thành cơ năng).Charles F Brush đã tạo ra chiếc turbine gió có khả năng phát điện đầu tiên trên thế giới tại Cleveland,

Ohio vào năm 1888 Giống như một cối xay gió khổng lồ có đường kính 17m với

144 cánh bằng gỗ mỏng để nghiền lúa, chuyển hàng hóa, chuyển nước đến các hồ Hình 1-2

Hình 1-2.Turbine gió đầu tiên của Charles F.Brush, Cleveland, Ohio 1888

Năm 1891 nhà khí tượng học người Đan Mạch Poul The Mule Cour xây dựng một turbine thử nghiệm ở Askov - Đan Mạch, Hình 1-3 Turbine gió này có một rô to bốn cánh kiểu cánh máy bay và có trục quay nhanh hơn

Hình 1-3 Turbine gió của Poul Lacour, Askov, Đan Mạch năm 1897

Năm 1922, kỹ sư người Phần Lan S.J.Savonius đã cải tiến nguyên lý đẩy củakhái niệm trục đứng bằng cách thay thế cánh buồm bằng hai cốc hình tròn hình 1-4

Hình 1-4 Turbine gió trục đứng kiểu Savonius

Năm 1931, kỹ sư người Pháp George Darrieus phát minh ra turbine gió trục đứng Darrieus, turbine này có hai (hoặc nhiều hơn) cánh mềm dạng cánh máy bay Năm 1950 kỹ sư Johannes Juhl, đã phát triển turbine gió 3 cánh có khả năng phát điện xoay chiều, đây chính là tiền thân của turbine gió Đan Mạch hiện đại.Cuộc

khủng hoảng dầu hoả vào năm 1973, đã làm cho con người quan tâm trở lại đến tính thương mại của năng lượng gió và làm tiền đề cho sự phát triển công nghệ cao hơn tại Đan Mạch và Califonia.Đến những năm 1980, công nghệ turbine gió mới đủ thuận lợi để tồn tại, xét về mặt kinh tế, để các turbine gió cỡ lớn phát điện.Những năm 1970 và 1980, mà đỉnh cao của nó là chiếc máy với đường kính rô to là 100m

có công suất 4,2MW với tên gọi “Eole C” tại Cap Chat - Quebec, Canada, hình 1-5

Hình 1-5 Turbine gió trục đứng Darrieus kiểu “Eole C” tại Cap Chat, Quebec

Dưới tác động của luật cung cấp điện ra đời vào năm 1991 (ở Đức), cho đến cuối năm 2003 có đến khoảng 2/3 các thiết bị sử dụng năng lượng gió ở Châu Âu được lắp đặt ở Cộng Hòa Liên Bang Đức Từ thời điểm đó, hiện nay ở Đức có khoảng 18.685 thiết bị WEA với công suất lắp đặt vào khoảng 20.621MW Như vậy

ở Đức năng lượng gió đáp ứng được 5,7% năng lượng điện tiêu thụ

1.2.1 Sự phát triển của công suất tương ứng với đường kính rotor

Vào những năm 80 xu hướng chủ yếu là phát triển những thiết bị có công suất từ 30 đến 50kW.Đến những năm 90, công suất được nâng lên từ 150 đến 250kW.Cho đến những năm cuối thập niên 90 người ta đã bắt đầu chế tạo ra những thiết bị có công suất lớn hơn 500kW đến 900kW.Kể từ năm 2000 cho đến nay, các nhà chế tạo đã nâng được công suất của thiết bị lên đến hàng MW.Hiện nay công suất được lắp đặt cỡ trung vào khoảng 2MW và thiết bị cỡ lớn có thể có công suất lên đến 6 ÷ 7,5MW trong tương lai

Một sự phát triển tương tự về mặt công suất có thể thấy ở chiều cao của trục

và đường kính của rotor.Các thiết bị loại lớn hiện nay được chào bán trên thị trường

có chiều cao trục vào cỡ 135m và đường kính rotor vào cỡ 127m.Hiện nay có nhiều nhà máy sản xuất turbine gió kích thước lớn [3]

Hình 1-6 Kích thước và công suất turbine điện gió đã sản xuất tính đến năm 2012

1.2.2 Sự phát triển hiệu suất của thiết bị WEA

Vào những năm 1990 giá mua 1 thiết bị WEA vào khoảng 1260 Euro/kW thì đến năm 2004 giá mua 1 thiết bị WEA đã giảm xuống còn 890 Euro/kW (giảm hơn 29%) Vốn đầu tư turbine gió có nhiều khác biệt, giá thành của turbine điện gió những năm gần đây đã xuống thấp hơn trước do thị trường có mức cạnh tranh cao Theo báo cáo của NREL, Cost Curve, in Black & Vaetch - Mỹ thì giá thành điện gió đến năm 2025 giảm chỉ còn 3US Cent cho 1kWh như hình 1-7 [4]

Hình 1-7 Giá thành sản xuất điện đến năm 2025

1.2.3 Lợi ích kinh tế của việc sử dụng năng lượng gió

Sự phát triển bùng nổ của“Phát điện sử dụng năng lượng gió” không chỉ ở Đức mà toàn thế giới, thể hiện những yếu tố về mặt kinh tế đầy hứa hẹn Có100 quốc gia và khu vực sử dụng năng lượng gió để phát điện và Iceland đã trở thành quốc gia thứ 100 đó là sử dụng năng lượng gió Ngành gió trong năm 2012 đã có

doanh thu 60 tỷ Euro/75 tỷ USD.Khi năng lượng gió được phát triển với qui mô công nghiệp sẽ thu hút một lực lượng đông đảo nhân công, góp phần nâng cao lợi ích kinh tế cho địa phương Hội đồng năng lượng gió toàn cầu (GWEO) ước tính tổng số nhân công tham gia vào lĩnh vực năng lượng gió toàn thế giới là 150.000 người.Theo tính toán vào năm 2020 sẽ tạo ra thêm 112.000 chỗ làm trong lĩnh vực này[24], [27]

Sự ra mắt của ấn bản 4 Tạp chí Triển vọng năng lượng gió toàn cầu chỉ ra rằng, năng lượng gió có thể cung cấp 12% điện toàn cầu vào năm 2020, tạo ra 1,4 triệu việc làm mới và giảm lượng khí thải CO2 hơn 1,5 tỷ tấn mỗi năm, hơn 5 lần mức hiện nay Đến năm 2030, năng lượng gió có thể cung cấp hơn 20% nguồn cung cấp điện năng trên toàn cầu Ấn bản 4 GWEO còn chỉ ra rằng, ngành công nghiệp này có thể sử dụng 2,1 triệu lao động vào năm 2020 - gấp 3 lần hiện nay khi được

hỗ trợ những chính sách đúng đắn[31]

1.3 NHỮNG YẾU TỐ THÚC ĐẨY PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG GIÓ

1.3.1 Nhu cầu tiêu dùng năng lượng tăng nhanh

Do dân số thế giới hiện đang tăng không ngừng, đến nay ước khoảnghơn 7 tỉ người và còn tăng lên nữa Mặt khác nhu cầu tiêu dùng năng lượng của con người cũng tăng cao Trung bình một người hiện nay tiêu thụ gấp 15 lần so với một người cách đây 100 năm.Năm 2010 thế giới tiêu thụ 423.1012MJ.Tổng tiêu thụ năng lượng hiện nay trên toàn thế giới tăng 16 lần so với đầu thế kỷ 19.Hơn nữa càng vào các giai đoạn sau sự tiêu thụ năng lượng càng lớn

1.3.2 Sự cạn kiệt của nguồn năng lượng hóa thạch

Nhu cầu về năng lượng toàn cầu đang tăng từng ngày Cơ quan năng lượng quốc

tế IEA dự đoán tới năm 2030 nhu cầu thế giới tăng hơn hiện tại 60%, khoảng 4800GW Khi nhu cầu năng lượng ngày càng tăng cùng với việc thiếu các biện pháp sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng hóa thạch (nguồn cung cấp chính chủ yếu cho các nhà máy phát điện), đặc biệt là khí đốt đang dần cạn kiệt.Ở Châu Âu nguồn nhiên liệu dầu và khí đốt tập trung chủ yếu ở vùng Biển Bắc đang suy giảm nhanh chóng Hiện tại trữ lượng năng lượng hoá thạch của thế giới chỉ còn 34 triệu

tỉ MJ (34.1012MJ), trong đó than chiếm khoảng 60% (19630.1012MJ), dầu các loại khoảng 22%(9185.1012MJ) và khí đốt còn 5110.1012MJ Với mức tiêu thụ như năm

2010 (423.1012MJ/năm) thì nguồn năng lượng hoá thạch còn lại chỉ đủ cho thế giới chúng ta sử dụng thêm khoảng 80 năm, trong đó than 200 năm, dầu khoảng 48 năm, khí đốt khoảng 15 năm và uranium còn 40 năm.Thậm chí nguồn Urani hiện tại là

nguồn nhiên liệu cung cấp hơn 30% sản lượng điện cho Châu Âu cũng đánh giá là suy kiệt trong vòng 40 năm tới[10]

Do những yếu tố tác động trên, trong 2 năm trở lại đây giá dầu thô và khí đốt

đã tăng không đúng quy luật Giá dầu thô tăng từ 25$ đến 35$/thùng năm 2004, đạt đến ngưỡng 100$/thùng vào đầu năm 2012, cho đến đầu tháng 4 năm 2013 là 111$/thùng và theo dự đoán sẽ còn tăng cao trong những năm tới Các phân tích chỉ

ra rằng sự lũy tiến của giá dầu thô bắt đầu từ năm 2002 đang tiến tới ngưỡng cuộc khủng hoảng năng lượng đã xảy ra vào thập niên 70 Giá dầu tăng nhanh đã gây ra tình trạng suy thoái kinh tế toàn cầu và tạo ra lạm phát không dự báo trước

Việt Nam cũng không nằm ngoài vòng cạn kiệt nguồn năng lượng hoá thạch như đã nói ở trên Theo dự báo thì chỉ sau 15 đến 20 năm nữa thì ta phải nhập than, dầu và khí đốt cũng chỉ còn khai thác được khoảng 40 đến 60 năm nữa.Thế thì sau

50 năm nữa thế giới trong đó có Việt Nam ta sẽ phải giải quyết vấn đề cung cấp năng lượng như thế nào đây?

1.3.3 Vấn nạn về ô nhiễm môi trường trên toàn thế giới

Sự phát triển nguồn năng lượng gió còn được thúc đẩy mạnh mẽ do yêu cầu cấp bách chống lại sự thay đổi khí hậu toàn cầu Đây được coi là mối đe dọa lớn nhất đối với môi trường mà thế giới phải đối mặt.Sử dụng năng lượng hoá thạch làm phát thải vào môi trường rất nhiều khí và chất độc hại.Các khí như SO2, NO gây ra mưa axít, làm hư hại các công trình văn hoá kiến trúc, kinh tế xã hội.Khí CO tạo ra loại bụi bồ hóng độc hại.Đặc biết CO2 là một khí gây hiệu ứng nhà kính làm khí quyển của quả đất nóng lên Hiện nay, mỗi năm các hoạt động sản xuất tiêu dùng năng lượng hoá thạch làm phát thải vào môi trường 23,5 tỉ tấn CO2 Tổng khối lượng CO2 tích tụ trong khí quyển quả đất đến nay đạt con số khổng lồ là 1000 tỉ tấn, trong đó 50% do phát khí trong vòng 50 năm cuối thế kỷ 20 Mặc dù CO2

không phải là khí nhà kính duy nhất, nhưng sự đóng góp của nó là 50% [1]

Hình 1-8 Lượng thả

Dự án về thay đổi khí h

ra rằng nhiệt độ trung bình c

quan Khí quyển và Đại d

Nino đã làm nhiệt độ trung b

trong tháng 3/2013).Trong khi

năng lượng thì năng lượng tái t

điện gió chỉ sản sinh ra kho

830920 tấn CO2)

Ngoài những ảnh h

thạch còn phải kể đến nh

cảnh quan xung quanh, các nguy c

Như vậy, sau nhu c

nhiều nước trên thế giới đ

nguồn năng lượng sạch hay n

cũng như những năng lượ

ng thải CO 2 trên 1 kWh theo các dạng nguồn năng l

đổi khí hậu của Hiệp hội liên chính phủ tại Liên hiình của thế giới trong thập kỷ tới sẽ tăng th

ại dương Mỹ, ngày 15/4/2013 cho biết hiện tư

độ trung bình trên bề mặt Trái Đất tăng lên mức kTrong khi đó, nếu xét về khía cạnh sử dụng hiợng tái tạo giải quyết triệt để vấn đề phát thải khí CO

n sinh ra khoảng 10 tấn CO2 trong khi 1GWh nhi

ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường khi đốt các nhinhững tác động khác như ô nhiễm không khí

nh quan xung quanh, các nguy cơ tiềm ẩn ảnh hưởng tới sức khỏe con

y, sau nhu cầu đảm bảo năng lượng thì đấu tranh chố

ộng lực thúc đẩy năng lượng gió phát triển

ng hạt nhân, không phát thải CO 2 , nhưng “lợi b

ạt nhân là nguồn không gây ra phát thải CO2

Tuy nhiên các rủi ro do các nhà máy hạt nhân gây ra thì th

khoa học và công nghệ tiên tiến hiện nay Các r

ớn và ở phạm vi rộng tới sức khoẻ con người Các lâu dài nên rất khó nhận biết

ò hạt nhân từ Fukishima ở Nhật Bản vào tháng 3 n

ới đã xem xét lại kế hoạch năng lượng hạt nhân vạch hay năng lượng tái tạo để dần thay thế năng lợng truyền thống từ than, dầu …

năng lượng

ên hiệp quốc chỉ

ng thêm 5,8oC (Cơ ượng thời tiết El

ức kỷ lục 13,5oC

ng hiệu quả nguồn

ải khí CO2(1GW trong khi 1GWh nhiệt điện than là

t các nhiên liệu hóa

m không khí như, phá hủy

ỏe con người

u tranh chống lại sự biến

Tóm lại, nếu nhìn nhận một cách đầy đủ hơn về năng lượng hạt nhân chúng

ta có thể nói rằng, sử dụng năng lượng hạt nhân thì “lợi bất cập hại”

1.3.5 Nâng cao hiệu quả kinh tế

Theo Viện Frauenhofer Institut của Đức năm 2012 thì trong tương lai gần, điện gió sẽ là loại năng lượng ít tốn kém nhất trong tất cả mọi loại năng lượng Theo báo cáo của Hiệp hội điện gió Đức và Greenpeace tháng 8 năm 2012 thì giá thành sản xuất điện gió năm 2012 khi tính tất cả những khoản chi phí phụ khác thấp hơn điện từ từ than đá, điện nguyên tử và điện mặt trời Vốn đầu tư và giá thành sản xuất của thủy điện hiện nay có tính kinh tế cao hơn những loại năng lượng khác vì những kinh phí đền bù và kinh phí cải tạo lại hệ sinh thái do nhà máy thủy điện gây ra chỉ được tính tượng trưng hoặc không tính vào kinh phí đầu tư [23], [26]

Hình 1-9 Giá thành sản xuất điện năm 2012 khi tính tất cả những khoản chi phí phụ

Tính đến năm 2012 chi phí vốn cho các turbine gió là thấp hơn đáng kể so với 2008-2010 nhưng vẫn ở trên mức 2002 Một báo cáo của Hiệp hội Năng lượng gió

Mỹ năm 2011 cho biết, "chi phí của gió đã giảm trong hai năm qua, trong khoảng (5

÷ 6) cent/1kWh, gần đây khoảng 2 cent/1kWh rẻ hơn so với điện than

1.4 HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG ĐIỆN GIÓ TRÊN THẾ GIỚI

Tổng công suất của toàn thế giới vào thời điểm năm 1995 khoảng 4,8GW và cho đến năm 2005 đã tăng gấp hơn 12 lần đạt 59GW Theo Hiệp hội điện gió thế giới WWEA thì công suất điện gió trên thế giới tính đến cuối năm 2012 là 282,275GW và sản lượng là 580TWh, đến cuốitháng sáu năm 2013 đạt 296,255GW (tổng công suất ghi trên nhãn).Bất chấp những khó khăn trong nền kinh tế, dự tính cho đến năm 2020, tổng công suất phong điện toàn cầu vẫn sẽ đạt 759GW, chiếm đến 12% tổng sản lượng điện thế giới và tiếp tục tăng đến 1600GW vào năm 2030

Nếu những yếu tố bất ổn trong thị trường được được giải quyết, con số này thậm chí

có thế lên tới 1150GW vào năm 2020 và 2500GW vào năm 2030 Đến năm 2050, châu Âu sẽ sử dụng 50% năng lượng gió trong tổng cán cân năng lượng (nhiệt điện, thủy điện, điện hạt nhân, điện mặt trời )[3], [28]

Hình 1-10.Tổng công suất lắp đặt từ 2010 - 2013 [MW]

Cũng theo WWEA thì công suất điện gió trên thế giới năm 2020 sẽ khoảng trên 1 triệu MW

Hình 1-11 Công suất điện gió trên thế giới từ năm 1997 và dự toán đến năm 2020

Theo IEA trên lý thuyết, tiểm năng gió toàn cầu có thể tạo ra đến 1,3 triệu

TW trong năm và cũng theo báo cáo của các trường Đại học Harvard - Mỹ thì tiểm năng gió trên thế giới có thể tạo ra một sản lượng nhiều gấp 40 lần điện năng tiêu thụ hiện nay trên thế giới, Hiệp hội điện gió Đức thì cho rằng tiềm năng gió trên thế giới trên lý thuyết có thể tạo ra một sản lượng điện gấp 200 lần lượng điện cần thiết cho xã hội.Năng lượng gió hiện tại là nguồn cung cấp năng lượng ở hơn 50 nước trên thế giới

[MW]

công suất lắp đặt năm 2012 công suất lắp đặt mới 2013

Hình 1-12.Tổng công suất lắp đặt năm 2013 [MW]

1.4.1 Khu vực Châu Âu

Châu Âu vẫn là lục địa với công suất lắp máy lớn nhất trong nửa đầu năm 2013: Vương quốc Anh với công suất mới 1,3GW ( tổng công suất 9,6GW).Đức vẫn là thị trường số một gió không bị thách thức ở châu Âu, với một công suất mới của 1,1GW (tổng cộng suất 32,4GW).Thụy Điển (526MW mới), Đan Mạch (416MW mới) và Romania (384MW mới)

1.4.3 Khu vực Mỹ LaTinh

Các thị trường lớn nhất Mỹ Latinh, Brazil, đã trở thành thị trường lớn thứ 14 trên toàn thế giới gió, sau khi cài đặt 281MW trong nửa đầu năm 2013 và đạt tổng công suất 2.788MW, với tốc độ tăng trưởng 11,2% Brazil dự kiến sẽ tiếp tục là thị trường dẫn đầu trong khu vực trong những năm tiếp theo tới

1.4.4 Khu vực Châu Úc

Phát triển rất đáng khích lệ đã xảy ra ở Úc có thị trường gió được lắp đặt thêm 475MW, bằng tốc độ tăng trưởng 18% so với cuối năm 2012, tương tự như năm 2012 Úc cũng đã đi trước một bước và là vị trí tại 13 quốc tế, từ vị trí trước

15

1.4.5 Khu vực Châu Phi

Nhà máy điện gió lớn nhất châu Phi có công suất 140MW, bao gồm 165 máy phát điện bằng sức gió.Kenya cũng sẽ xây dựng một nhà máy điện gió có công suất 300MW.Ethiopia cũng đang phát triển bền vững với việc xây dựng một nhà máy phong điện 120MW tại Mekele, thủ phủ của tỉnh Tigray.Nước đạt thành quả nhất là

Ai Cập Với tổng công suất điện gió hiện tại là 145MW các nhà quản lý năng lượng tái tạo của Ai Cập đang dự kiến nâng con số này lên 850MW vào năm 2010 và kỳ vọng tới giai đoạn 2020 - 2025 sẽ đạt 2750MW[25].Một trang trại gió lớn mới 100MW đã được cài đặt tại Ma-rốc, tăng công suất điện gió của nước này 391MW 1.4.6 Khu vực Châu Á

Châu Á bị chi phối bởi Trung Quốc và Ấn Độ lần nữa vào năm 2013, Trung Quốc đã cho đến nay thị trường gió lớn nhất, thêm 5,5GW trong sáu tháng, nhiều hơn một chút so với năm trước, khi 5,4GW được dựng lên.Trung Quốc chiếm 39% thị trường thế giới cho turbine gió mới, nhiều hơn 29% trong cả năm 2012.Vào tháng sáu năm 2013, Trung Quốc có công suất lắp đặt tổng thể của 80,8GW.Ấn Độ tăng 1,2GW, ít hơn so với nửa đầu năm 2012, khi nó được cài đặt 1,5GW Triển vọng của thị trường Ấn Độ vẫn chưa rõ ràng do sự không chắc chắn chính sách Các thị trường Nhật Bản và Hàn Quốc gió vẫn đang phát triển ở mức giá rất khiêm tốn, với cả hai nước cho thấy tốc độ tăng trưởng dưới 2% trong nửa đầu năm 2013 Do tăng trưởng chậm này, Nhật Bản đã giảm trong bảng xếp hạng tổng thể từ vị trí 13 đến 15 Mông Cổ thêm trang trại gió lớn đầu tiên là 50MW

1.5 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN GIÓ ĐẾN MÔI TRƯỜNG

Máy phát điện gió sử dụng nguồn năng lượng từ gió để tạo ra điện năng, là năng lượng tái tạo và thuộc loại điện sạch vì không phát thải khí nhà kính, không làm thay đổi khí hậu toàn cầu, không tạo ra chất gây ô nhiễm môi trường, không cần bất kỳ một loại nhiên liệu nào, không gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến các hoạt động nông nghiệp, lâm nghiệp, ngư nghiệp, nuôi trồng và sinh sống của con người

và những động vật khác Tuy nhiên để bảo vệ môi trường, bảo vệ sinh thái, cảnh quan, bảo vệ sự sinh sống của tất cả mọi động vật, bảo vệ hoạt động và nhu cầu con người, những công trình điện gió phải chấp hành những qui định cơ bản như khoảng cách tối thiểu từ turbine điện gió đến khu dân cư, bảo đảm cảnh quan không bị thay đổi quá nhiều, độ ồn phát sinh khi hoạt động phải nằm trong giới hạn qui định và hạn chế được những ảnh hưởng khác như hiện tượng nhấp nháy lúc hoạt động dưới ánh nắng mặt trời hoặc gây nguy hại cho các loài chim, dơi hoặc động vật khác [4]

1.5.1 Ảnh hưởng của tiếng ồn

Cũng như tất cả những máy móc hoặc thiết bị cơ, điện, turbine điện gió khi hoạt động sẽ phát sinh một độ ồn nhất định Độ ồn này do sự chuyển động của những hệ thống cơ trong turbine điện gió và dòng gió tác động vào cánh quạt Turbine điện gió ba cánh sử dụng hộp số có độ ồn cao hơn turbine sử dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu không dùng hộp số.Vì thế trong việc thiết kế turbine điện gió, việc cải tiến để giảm tiếng ồn vẫn là yếu tố cơ bản.Tóm lại, những turbine điện gió hiện đại được lắp đặt ở khoảng cách 200 mét, khi hoạt động với công suất cao nhất cũng không được phát sinh ra tiếng ồn cao hơn 45db(A)

1.5.2 Ảnh hưởng đến cảnh quan và địa hình

Cánh đồng điện gió thường được xây dựng tại những nơi xa khu dân cư hoặc ven bờ hoặc ngoài khơi Tuy nhiên những công trình này cũng ảnh hưởng một phần đến cảnh quan và địa hình nên phải phù hợp những qui định của từng nơi và đặc biệt phải giữ đúng khoảng cách qui định đến những địa điểm như vùng bảo vệ thiên nhiên, bảo vệ sinh thái, bảo vệ di tích, rừng quốc gia, rừng phòng hộ hoặc khu dân

cư Ngoàiturbine điện gió, ảnh hưởng đến cảnh quan cần phải tính đến hệ thống lưới điện và những đường dây cáp điện lắp đặt

1.5.3 Ảnh hưởngđến sinh thái biển

Những điểm nghiên cứu quan trọng về ảnh hưởng của turbine điện gió đến sinh thái biển là độ ồn và tần số rung trong nước biển khi lắp đặt chân đế và đóng trụ trên nền biển có thể ảnh hưởng đến sự sinh sống của các loài cá voi, cá heo Việc đặt dây cáp dưới nền biển để dẫn điện về đất liền có thể gây ảnh hưởng xáo động đến sự sinh sống của những sinh vật sống trong biển cũng như sinh thái biển, đặc biệt tại những vùng biển cần bảo vệ.Ngoài ra turbine gió có thể là chướng ngại vật cho tàu thuyền đi biển hoặc việc đánh bắt hải sản khi cánh đồng điện gió nằm gần khu vực này

1.5.4 Ảnh hưởng đến các loài chim và động vật

Theo báo cáo của Hiệp hội bảo vệ thiên nhiên NABU - CHLB Đức năm

2005 phân tích và đánh giá 127 tài liệu thống kê từ các nước đã lắp đặt những cánh đồng điện gió lớn như Anh quốc, Đan Mạch, Đức, Mỹ, Tây Ban Nha và những nước khác thì tỉ lệ chim và các loại động vật bị tai nạn do chạm vào đường dây tải điện hoặc xe chạy trên đường trên thế giới là khoảng 5 triệu mỗi năm nhưng tai nạn

do va chạm vào turbine điện gió hầu như không đáng kể.Turbine điện gió hiện đại

có tốc độ quay rất thấp chỉ ở khoảng từ 3 đến 16 vòng trong một phút nên chim,

giơi và những động vật khác dễ cảm nhận và tránh xa hệ thống cánh quạt.Tóm lại turbine điện gió chỉ ảnh hưởng không đáng kể đến các loài chim, giơi và động vật khác Tuy nhiên để đảm bảo an toàn cho chúng, cánh đồng điện gió không nên xây dựng tại những nơi có nhiều động vật này sinh sống

1.5.5 Ảnh hưởng đến sóng vô tuyến

Turbine điện gió có lớp sơn bảo vệ mờ không bị phản chiếu ánh sáng nhưng vẫn bị nhiễu do phản chiếu sóng điện từ của sóng phát thanh truyền hình và truyền thanh không dây cũng như sóng của mạng thông tin di động và chủ yếu là những hệ thống analog Tuy nhiên sự can nhiễu này rất thấp và không đáng kể, đặc biệt là đối với cánh quạt của những turbine điện gió hiện đại được thiết kế bằng vật liệu gần như không tác động vào sóng vô tuyến Mặc dù thế tua- bin điện gió cũng không nên lắp đặt trong phạm vi phát sóng chuẩn

1.5.6 Ảnh hưởng đến đường hàng không

Turbine điện gió có thể được cho là nguyên nhân gây trở ngại cho đường hàng không, đặc biệt là gây can nhiễu đến hệ thống thông tin lưu động hàng không Thông thường trong bán kính khỏang 10 km tính từ trung tâm của sân bay, việc xây dựng cánh đồng điện gió phải có sự đồng ý của cơ quan quản lý hàng không.Ảnh hưởng đến hệ thống radar.Vì thế turbine điện gió không được lắp đặt tại những địa điểm gần gần hệ thống radar, đặc biệt là radar bảo vệ an toàn bầu trời hoặc radar phục vụ thông tin lưu động hàng không

1.5.7 Ảnh hưởng đến sức khỏe con người

Turbine điện gió được lắp đặt tại những nơi xa sự họat động của con người nên ngoài tai nạn có thể xảy ra với nguời lao động làm việc trong thùng Nacelle hoặc trong cánh đồng điện gió không ảnh hưởng đến sức khỏe của con người Tuy nhiên cánh đồng điện gió có thể là những nơi tham quan thú vị nên một số ảnh hưởng dù nhỏ vẫn có thể xảy ra vẫn phải đề cập đến như khả năng cánh quạt bị gẫy, khả năng những hạt nước đông thành đá tại cánh quạt rơi xuống tại vùng ôn đới hoặc sự nguy hại trong việc khai thác chất Nd, hợp chất NdFeB của đất hiếm trong máy phát điện hoặc du trong hộp số

1.6 SỰ KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG GIÓ Ở VIỆT NAM

1.6.1 Chế độ gió ở Việt Nam

Việt Nam nằm ở khu vực gần xích đạo trong khoảng 80 ÷ 230 vĩ Bắc thuộc khu vực nhiệt đới gió mùa Gió ở Việt Nam có hai mùa rõ rệt: gió đông Bắc và gió đông Nam với tốc độ trung bình ở vùng ven biển từ 4,5÷ 6 m/s (ở độ cao 10 ÷12m)

Tại các vùng đảo xa, tốc độ gió đạt tới 6 ÷ 8 m/s Việt Nam với bờ biển dài hơn

3260 km nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa có địa hình tự nhiên đa dạng, đồng bằng, trung du, cao nguyên, có bờ biển dài là một lợi thế tiềm năng cho khai thác nguồn năng lượng sức gió

Theo nghiên cứu của Ngân hàng Thế giới, Việt Nam là nước có tiềm năng gió lớn nhất trong khu vực Đông Nam Á Hơn 39% tổng diện tích Việt Nam được ước tính có tốc độ gió trung bình hàng năm lớn hơn 6m/s ở độ cao 65m tương đương với công suất 512GW trong đó khoảng 8,6% diện tích được xếp vào loại tiềm năng gió rất tốt

Theo khảo sát của các nhà khoa học, năng lượng gió của Việt Nam có tổng công suất đạt 513,36GW, gấp 200 lần công suất của Nhà máy thủy điện Sơn La, hay bằng công suất của 500 lò phản ứng năng lương hạt nhân và gấp 10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện vào năm 2020

Theo khảo sát gần đây nhất, Việt Nam có khoảng 31000km2 đất có thể đưa vào khai thác năng lượng gió, trong đó có 865km2 tương đương với 3572MW với điện có thể được tạo ra với giá thành ít hơn 6UScents/kWh Nghiên cứu cũng đã minh chứng được rằng năng lượng gió sẽ là giải pháp tốt cho khoảng 300000 hộ cư

Hình 1-13.Bản đồ phân bố tốc độ

gió Việt Nam ở độ cao 80m

Bản đồ được thực hiện từ Bộ công

thương, TrueWind Solutions LCC

(Mỹ) và Ngân hàng thế giới năm

2010.Đây là tài liệu đánh giá tiềm

năng gió tại Việt Nam [22], [27]

Bản đồ phân bố tốc độ gió được

thực hiện với phần mềm mô phỏng

'MesoMap' Kết quả mô phỏng

được trình bày trên bản đồ hiển thị

tốc độ gió trung bìnhtheo màu với

độ phân giải là 1km

dân nông thôn không có điện Trong khi năng lượng gió có thể mang đến những lợi ích về môi trường, kinh tế, xã hội… Nhưng hiện nay lượng điện năng khai thác từ gió gần như là con số không [31]

Các tỉnh ven biển như Bình Thuận, Ninh Thuận, Lâm Ðồng và một phần tại tỉnh Trà Vinh, Bến Tre, Sóc Trăng là những khu vực có điều kiện tự nhiên rất thuận lợi cho xây dựng các nhà máy điện gió chạy bằng sức gió

Tại Ninh Thuận đến nay có tám dự án với tổng công suất lắp đặt đăng ký là 698MW Hiện Công ty cổ phần Năng lượng tái tạo Việt Nam (REVN) đã lắp được năm turbine 1,5MW, cao 85m tại huyện Tuy Phong, tỉnh Bình Thuận và sẽ lắp thêm bảy turbine nữa vào cuối năm 2009, đưa tổng công suất lắp đặt giai đoạn I lên 18

MW (giai đoạn II và III dự kiến sẽ lắp 80 turbine với tổng công suất 120MW) Tại Bình Thuận đã có 10 nhà đầu tư đăng ký đầu tư vào 12 dự án điện gió với tổng công suất đăng ký 1651MW, trong đó có hai dự án đã được cấp giấy phép đầu tư, một dự

án đã triển khai xây dựng và một dự án dự định khởi công vào tháng 10 năm nay Một đặc điểm cần phải chú ý là Việt Nam hàng năm có nhiều cơn bão mạnh kèm theo gió dật đổ bộ vào Miền Bắc và Miền Trung Tốc độ gió cực đại đo được trong các cơn bão tại Việt Nam đạt tới 45m/s (bão cấp 14) Vì vậy, khi nghiên cứu chế tạo động cơ gió ở Việt Nam phải chú ý chống bão và lốc

1.6.2 Các nghiên cứu và ứng dụng năng lượng gió ở Việt Nam

Việc nghiên cứu và ứng dụng năng lượng gió ở Việt Nam đã bắt đầu vào những năm 1970 với sự tham gia của nhiều cơ quan Từ năm 1984 với sự tham gia của chương trình “Tiến bộ khoa học kỹ thuật nhà nước” về năng lượng mới và tái tạo đã có một số kết quả

1.6.2.1 Về động cơ phát điện chạy bằng sức gió

- Máy phát điện PD170-6, công suất 120 W nạp ắc quy của trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh

- Máy phát điện PH500, công suất 500 W của trường Đại học bách khoa Hà Nội

- Máy WINDCHARGER, công suất 200 W nạp ắc quy (theo thiết kế của Mỹ) do một số cơ quan cải tiến thiết kế và chế tạo

- Máy phát điện gió công suất 150 W của Trung tâm nghiên cứu SOLALAB Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh

1.6.2.2Về động cơ gió bơm nước

- Máy D- 4 bơm cột nước thấp của Viện năng lượng, Bộ Công Thương

- Máy D- 3,2 bơm cột nước cao của Viện năng lượng, Bộ Công Thương

- Các máy PB 380-10 và 350-8 bơm cột nước cao do Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh thiết kế và chế tạo

- Máy OASIS bơm cột nước cao (trước đây do hợp tác xã 2- 9 Thành Phố Hồ Chí Minh cải tiến, thiết kế và chế tạo)

1.6.2.3Động cơ gió nhập ngoại

Với động cơ công suất 200 ÷ 500W (Úc, Mỹ, Trung Quốc…) trọn bộ, chất lượng tốt nhưng số lượng chưa đáng kể:

- West Wind 1,8kW đang hoạt động tốt tại Kon Tum

- Động cơ gió 800kW (Tây Ban Nha) tại Đảo Bạch Long Vĩ đang vận hành

- Động cơ gió 300kW (Nhật Bản) tại Hải Hậu - Nam Định, đây là trạm năng lượng hỗn hợp thử nghiệm

Thời gian gần đây do nhu cầu nghiên cứu, ứng dụng năng lượng gió phát triển mạnh, chúng ta đã nhập nhiều loại thiết bị phát điện sức gió của nước ngoài Tuy nhiên việc nhập và ứng dụng các thiết bị phát điện sức gió của nước ngoài còn đang trong giai đoạn thử nghiệm

1.6.3 Thị trường điện gió Việt Nam

Việt Nam hiện vẫn còn khoảng 4,5 triệu dân, đặc biệt các hộ vùng sâu, vùng

xa, hải đảo… vẫn chưa có điện Theo quy hoạch phát triển mạng lưới điện thì dự kiến đến năm 2010, vẫn còn trên 1000 xã (trong tổng số hơn 9000 xã) đại diện cho

500000 hộ dân với dân số khoảng 3 triệu người vẫn chưa có lưới điện quốc gia Tháng 7 năm 2011, Chính phủ đã thông qua quyết định đầu tiên về giá thu mua cho điện năng sạch hoặc điện năng tái tạo Việc thanh toán được thực hiện trực tiếp với Công ty Điện Lực Việt Nam EVN với giá mua điện là 7,8 USct/kWh Ngoài ra thuế nhập thiết bị hoặc tiền sử dụng đất cho công trình cũng được ưu đãi.Trạm biến áp để đấu nối lưới điện quốc gia được miễn, giảm tiền sử dụng đất, tiền thuê đất

Hiện nay một số công trình xây dựng cánh đồng điện gió đã và đang được tiến hành tại Việt Nam [4], điển hình là:

- Cánh đồng điện gió Tuy Phong - Bình Thuận do công ty Cổ phần năng lượng tái tạo Việt Nam (REVN) đầu tư với công suất 120MW gồm 80 turbine điện gió Fuhrländer 1,5MW Giai đọan I đã hoàn thành vào năm 2011 với 20 turbine

- Cánh đồng điện gió Bạc Liêu do Công ty TNHH Xây dựng- Thương mại - Du lịch Công Lý đầu tư với công suất 99MW Giai đoạn 1 gồm 10 turbine điện gió

GEEnergy - Công suất mỗi trụ 1,6MW đã được chính thức khởi công vào tháng 11 năm 2011

- Cánh đồng điện gió hoặc Nhà máy điện gió Phú Quý - huyện đảo Phú Quý - Bình Thuận do Tổng công ty Điện lực dầu khí Việt Nam đầu tư với công suất 6MW

sử dụng turbine điện gió Vestas - Đan Mạch lọai 2,0MW đang trong quá trình kết nối điện

- Cánh đồng điện gió Phương Mai do Công ty Cổ phần Phong điện Phương Mai làm chủ đầu tư đã được chính thức khởi công tại Bình Định vào đầu tháng 4 năm 2012, công suất giai đoạn 1: 30MW gồm 12 turbine điện gió lọai 2,5MW, giai đoạn 2: 75MW và giai đoạn 3: 100MW

Song song đó nhiều dự án xây dựng cánh đồng điện gió khác đang trong quá trình làm kế họach hoặc đang tiến hành xin giấy phép để triển khai, điển hình là những dự án:

- Cánh đồng điện gió Phước Dân - Tỉnh Ninh Thuận do Công ty Cổ phần Năng lượng Thương Tín đầu tư với công suất 50MW

- Cánh đồng điện gió Mẫu Sơn - Tỉnh Lạng Sơn do Avantis- Energy CHLB Đức liên doanh đầu tư với công suất 160MW

- Cánh đồng điện gió Ninh Hải - Tỉnh Ninh Thuận do Công ty Phong điện Thuận Bình đầu tư với công suất 50 - 70MW

- Cánh đồng điện gió Cần Giờ - TP HCM được đề nghị từ Công ty TNHH Xây dựng-Thương mại-Du lịch Công Lý - công suất 200MW gồm 125 Turbine điện gió GE-E 1,6MW

Ngoài ra một số dựa án khác cũng đang có những kế họach liên doanh đầu tư như dự án liên doanh EAB Viet Wind Power Co Ltd với cánh đồng điện gió Phước Hữu - Ninh Phước hoặc những dự án khác tại Bến Tre, Lâm Đồng, Kiên Giang, Sóc Trăng, Tiền Giang, Trà Vinh hoặc công ty tư vấn đầu tư năng lượng tái tạo Aerogie Plus - Thụy Sĩ với hệ thống Hybrid wind-diesel tại Côn Đảo, công suất 7,5MW, (+3MW diesel) Kể cả những dự án đang tiến hành thủ tục xin đầu tư tính đến nay thì tổng số dự án điện gió hiện nay tại Việt Nam là 50 Trong sơ đồ điện VII đã đưa

ra mục tiêu nâng tổng công suất nguồn điện gió từ mức không đáng kể hiện này lên khoảng 1000MW (tương đương công suất 1 lò phản ứng hạt nhân) vào năm 2020,

và khoảng 6200MW (tương đương 6 lò phản ứng hạt nhân) vào năm 2030 [1]

Từ các phân tích đó cho thấy việc xây dựng các nhà máy điện sử dụng năng lượng gió công suất lớn ở Việt Nam là hợp lý và sẽ mang lại hiệu quả cao, nhằm đáp ứng một phần nhu cầu sử dụng điện năng hiện nay

Để nhận biết về quá trình xây dựng cũng như kết cấu của một dự án phát điện chạy bằng sức gió, vấn đề này chúng ta sẽ tìm hiểu ở chương 2 tiếp theo sau

CHƯƠNG 2 - NHÀ MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ

2.1 XÂY DỰNG NHÀ MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ

2.1.1 Khảo sát lưu lượng gió

Để xác định chính xác tiềm năng gió và dự toán được sản lượng điện hàng năm của dự án điện gió, cần có số liệu gió trung bình trong năm, số liệu này phải chính xác Việc này chỉ có thể thực hiện được khi dựa theo phương pháp đo gió SODAR hoặc xây dựng cột đo gió

2.1.2 Lựa chọn địa điểm

2.1.2.1Lựa chọn vị trí đặt nhà máy

Việc lựa chọn địa điểm cũng như việc quy hoạch địa điểm thích hợp sẽ đóng vai trò quyết định đối với việc giảm thiểu các ảnh hưởng của nhà máy tới môi trường cũng như vận hành kinh tế sau này Vì vậy việc lựa chọn địa điểm chiếm vị trí ưu tiên hàng đầu, phải tiến hành qua nhiều bước và thỏa mãn một số điều kiện sau đây:

- Diện tích bề mặt cần phải đảm bảo từ 12 ÷ 14 hecta trên một thiết bị có công suất từ 2 ÷ 3 MW

- Các khoảng cách tới những công trình nhà ở, các ngôi nhà cá nhân, và khu vực công nghiệp thương mại thường từ 500 ÷ 1000m

- Khoảng cách đảm bảo tiếng ồn cho phép đối với turbine điện gió

- Khoảng cách đảm bảo hiệu ứng “Bóng râm hiệu ứng” cho phép đối với turbine điện gió

2.1.2.2 Hạ tầng cơ sở

Việc vận chuyển bêtông, turbine điện gió cũng như vận chuyển các cần trục cùng với các bộ phận đi kèm của nó thường được thực hiện bởi các xe tải hạng nặng, đôi khi các xe tải này còn có chiều dài quá khổ có khi dài tới 50m Chính vì vậy khi lập kế hoạch các con đường giao thông vận chuyển đi kèm cần phải chú ý đến những đòi hỏi tối thiểu liên quan đến việc xây dựng đường giao thông, chiều rộng của đường, các bán kính cong của đường

2.1.2.3 Nền móng

Nền móng có nhiệm vụ ngăn cản sự nghiêng uốn của turbine điện gió.Momen uốn lớn nhất xuất hiện ở trạng thái tĩnh của thiết bị khi vận tốc gió là lớn nhất Đặc biệt các thiết bị điều khiển theo kiểu “tự động chòng chành” thì các cánh quạt sẽ không quay được trong gió Do vậy sẽ xuất hiện các lực uốn tĩnh học

rất lớn Các thông số kỹ thuật của nền móng phụ thuộc rất lớn vào địa điểm thực tế (địa chất, các tính chất của nền đất), các điều kiện về khí hậu (khu vực gió), turbine điện gió (công suất, chiều cao)

2.2 KẾT CẤU CƠ BẢN CỦA NHÀ MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ

Một turbine gió có thể mô tả sơ bộ các thành phần chính của chúng như hình

vẽ [20]

Hình 2-1 Cấu hình turbine điện gió sử dụng hộp số

Hình 2-2.Sơ đồ turbine điện gió sử dụng hộp số

Hình 2-3.Sơ đồ turbine điện gió không sử dụng hộp số

2.2.1 Cánh quạt

Cánh quạt turbine điện gió là bộ phận đón dòng gió để quay và chuyển cơ năng vào hộp số rồi vào máy phát điện hoặc chuyển thẳng cơ năng vào máy phát điện nam châm vĩnh cửu.Cấu hình cánh quạt được thiết kế thon dài, bên trong thân cánh rỗng và có những phần chịu lực, bề mặt là những lớp nhựa tổng hợp và sơn bảo vệ.Đường kính cánh quạt phụ thuộc vào công suất, lớp gió tiêu chuẩn của turbine và công nghệ nên có chiều dài khác nhau Tùy theo thiết kế, đầu cánh quạt

có những hình dạng khác nhau, đến nay phần lớn những đầu cánh quạt đều có 1 trong những dạng như: đầu cánh tròn, đầu cánh nhọn, đầu cánh một cạnh thẳng, đầu cánh bẻ cong Trên lý thuyết và tính toán, cấu hình đầu cánh khác nhau thì cũng có những ưu và nhược điểm riêng như là tăng công suất hay giảm tiếng ồn nhưng trên thực tế thành công đạt được rất ít hoặc không đáng kể

Cánh quạt được cấu tạo từ 2 phần khung là phần hút và phần đẩy.Những phần này được kết nối với nhau thông qua các thanh nối Các phần khung này được

hổ trợ bởi các sợi thủy tinh hay sợi cacbon ở nhiều vị trí và được phủ bởi Polyester hoặc nhựa Epoxid

Hình 2-4.Cánh quạt

Trụ turbine điện gió trục ngang có thể có 1, 2, 3 hoặc 4 cánh.Tuy nhiên cho đến nay các công trình điện gió lắp đặt trên đất liền và trên biển đều sử dụng loại turbine điện gió 3 cánh

2.2.2 Hệ thống rotor

Hiện này turbine điện gió có đường kính cánh quạt lên tới 150m.Chiều dài cánh quạt là yếu tố quan trọng của công suất nhưng phải phù hợp với tổng thể của turbine gió

Hình 2-5 Rotor turbine điện gió

Hệ thống rotor là phần truyền chuyển động quay chính của turbine điện gió với chức năng đón dòng gió làm xoay cánh quạt để chuyển thành cơ năng.Trong hệ thống rotor thì cánh quạt được nối vào đùm bằng những vòng đinh ốc có độ bền cao Đùm và hệ thống rotor được nối vào trục và chuyển cơ năng thu được và hộp

số và máy phát điện Nếu trường hợp turbine không dùng hộp số thì được chuyển trực tiếp vào máy phát điện.Công suất turbine điện gió phụ thuộc vào tốc độ gió và

số vòng quay của rotor cũng như diện tích quét gió của cánh quạt.Để tối ưu hóa công suất, cấu hình cánh quạt thì bộ phận nối phải có một độ bền phù hợp ngoài ra trọng lượng và cấu hình các chi tiết khác cũng phải phù hợp để có thể vận chuyển đến nơi lắp đặt[21], [24]

Hình 2-6 Đùm và hệ thống nối cánh quạt - Rotor và máy phát điện vòng

a Hệ thống nối cánh quạt – Rotor b Hệ thống đùm nối cánh quạt - Rotor và

máy phát điện vòng

Từ lực tác động của gió vào bề mặt cánh quạt, cơ năng sẽ truyền đến những

ổ vòng bi và làm quay hệ thống rotor.Những vòng bi này thường có một hoặc nhiều lớp.Cánh quạt của những turbine điện gió có công suất cao thường sử dụng vòng bi 2 lớp có 4 điểm tiếp xúc [33]

2.2.3 Hệ thống quay, trục và bộ phận phanh hãm

Hệ thống quay và trục là những bộ phận chuyển cơ năng từ hệ thống rotor đến máy phát điện.Trong trường hợp turbine sử dụng hộp số thì những bộ phận này truyền chuyển động quay đến hộp số để có tốc độ số vòng quay cao và sau đó truyền đến máy phát điện

2.2.3.1Trục quay

Trục quay của hệ thống rotor hoạt động với tốc độ số vòng quay thấp, tùy theo công nghệ, nhà sản xuất và công suất mà tốc độ này có những khác biệt Turbine điện gió có công suất đến 600kW thì tốc độ vòng quay (16 ÷ 49) vòng/phút, turbine điện gió có công suất cao trên 2MWthì tốc độ vòng quay (3,5÷ 22) vòng/phút, turbine điện gió có công suất cao trên 5MW thì tốc độ vòng quay (3,5 ÷ 13,9) vòng/phút

thiết bị cỡ lớn thì sẽ luôn suất hiện một sự biến dạng nhất định.Chính vì vậy cần phải có một chi tiết kết nối linh động (khớp nối) giữa hộp số với máy phát.Nhờ vào khớp nối này có thể ngăn cản được hiện tượng căng xoắn cũng như các tải trọng bổ xung trong quá trình truyền lực Ngoài chức năng truyền chuyển động quay, khớp nối còn có chức năng giữ an toàn cho tốc độ số vòng quay của máy phát điện

ở trên trục quay nhanh của bộ phận truyền lực cũng có một hệ thống phanh đĩa Hệ thống phanh đĩa này sẽ được kích hoạt trong những trường hợp dừng hoạt động vì

an toàn hay vì một lý do khẩn cấp nào đó

turbine gió không sử dụng hộp số.Tuy nhiên phần lớn turbine điện gió đã lắp đặt trên thế giới hiện nay là sử dụng hộp số Trong lĩnh vực máy phát điện sử dụng năng lượng gió, người ta sử dụng các loại hộp số sau:

- Hộp số bánh răng trụ: Ở hộp số kiểu này thì một bánh răng lớn được lắp với trục quay chậm sẽ dẫn động một bánh răng nhỏ được lắp với trục quay nhanh Tỷ số truyền động của cặp bánh răng ăn khớp ở đây nhỏ hơn 1:5

- Hộp số bánh răng xếp đặt vòng: Hộp số bánh răng xếp đặt vòng có cấu tạo từ

3 loại bánh răng khác nhau Một bánh răng có răng phía trong được gắn với trục quay chậm và tạo thành khung bên ngoài

Hình 2-12 Hộp số bánh răng xếp đặt vòng 3 cấp của turbine gió (công suất từ 2 -3MW)

- Hộp số bánh răng kết hợp: những turbine hiện đại thường có loại hộp số kết hợp loại bánh răng trụ và bánh răng xếp đặt vòng

Hình 2-13 Nguyên tắc hộp số kết hợp 3 bộ bánh răng xếp đặt vòng và 1 bộ bánh răng trụ

- Hộp số với số vòng quay biến đổi: những turbine có công suất lớn hiện nay đều sử dụng hộp số có tốc độ vòng quay biến đổi để phù hợp với tốc độ số vòng quay luôn thay đổi của hệ thống cánh quạt và máy phát điện

Cho đến khỏang nă

định theo nguyên tắc turbine

Rotor được chuyển vào h

điện Máy phát điện của nh

Máy phát điện này

điện nên có thể họat động v

ện

hát làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng cơ học của rotor th

Turbine điện gió gồm những loại máy phát điện sau:

ào hộp số để tăng tốc độ số vòng quay phù hợp v

ủa những turbine điện gió theo nguyên tắc Đan M

ệu thế và tần số đáp ứng yêu cầu của lưới điện n

ào mạng điện quốc gia

Hình 2-14 Nguyên tắc máy phát điện dị bộ

Máy phát điện dị bộ kép

ần lớn turbine điện gió sử dụng máy phát điện d

Nguyên tắc máy phát điện dị bộ kép và lưới điệ

ày được thiết kế nối thêm với bộ đổi tần để đ ềđộng với tốc độ số vòng quay khác nhau, một ph

ủa rotor thành năng điện sau:

n nam châm vĩnh cửu

ới số vòng quay cố

ơ năng từ hệ thống

ợp với máy phát Đan Mạch là máy