nghiên cứu, thiết kế và thi công mô hình máy phát điện gió turbine trục đứng công suất nhỏ

Ngay cả tại Phú Quốc Ờ Kiên giang là nơi ựược ựánh giá là có tiềm năng gió tốt mà vẫn không phát triển ựược năng lượng gió trên bình diện rộng, qua tìm hiểu tài liệu khảo sát tại Sở Công

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ TURBINE

TRỤC ĐỨNG CÔNG SUẤT NHỎ

MÃ SỐ: T67 - 2008

S 0 9

S KC 0 0 2 1 1 8

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ

TURBINE TRỤC ĐỨNG CÔNG SUẤT NHỎ

ĐỀ TÀI CẤP TRƯỜNG MÃ SỐ : T 67 - 2008

NGƯỜI THỰC HIỆN CNĐT: TS TRƯƠNG VIỆT ANH Th.S ĐỖ ANH KHOA

TÓM TẮT

Việt Nam với lợi thế khoảng 3260 km bờ biển và gần 3000 hòn ñảo lớn nhỏ [15], là quốc gia có tiềm năng năng lượng gió khá lớn so với nước trong khu vực Tiềm năng này hiện ñang ñược nhà nước ñặc biệt quan tâm và ñược xem là một trong những nguồn năng lượng sẽ góp phần ñáng kể cho nhu cầu về ñiện ñang ngày càng thiếu thốn trầm trọng tại Việt nam

Bên cạnh các các cỗ máy phát ñiện gió cỡ lớn thì các máy phát ñiện gió phân tán cỡ nhỏ dùng cho hộ gia ñình, cụm dân cư cũng ñang ñược áp dụng rất thành công trên thế giới Các máy phát ñiện cỡ nhỏ có ưu ñiểm hơn so với loại cỡ lớn là có thể vận hành ở ñiều kiện gió thấp

Các máy phát ñiện gió ñộc lập cỡ nhỏ cung cấp nguồn năng lượng tái sinh, sạch, chủ ñộng cho hộ gia ñình, nông trại, hải ñảo, tàu thuyền,…làm giảm áp lực lên lưới ñiện

Với những lý do trên, luận văn tập trung nghiên cứu mô hình máy phát ñiện sử dụng năng lượng gió trục ñứng công suất nhỏ Kiểu turbine trục ñứng Lenz2 trong ñề tài này có thể vận hành tốt ở những ñiều kiện gió không lý tưởng, giá thành thấp, dễ lắp ñặt, bảo dưỡng và có thể chế tạo bằng các nguồn nguyên liệu sẵn có tại Việt nam

Sản phẩm của ñề tài là mô hình máy phát ñiện trục ñứng kiểu Lenz2, cao 0,6m và ñường kính là 0,5m, công suất ngõ ra: 0,49W ở vận tốc gió 3m/s, hiệu suất của hệ thống khoảng 10%

ABSTRACT

Vietnam, with 3650 km of coast line and 3000 islands, is one of the nations with the most wind energy potential in Southeast Asia In recent years, the government has paaid special attention to this field and regards it as the significant energy resource

to reduce the serious lack of electricity demand in Vietnam

Beside the large scale wind machines, the small-scale-distributed wind energy systems are very successful globally The advantage of distributed wind energy systems is that they can operate in low wind speeds

Distributed wind energy systems provide clean, renewable power for on-site use and help relieve pressure on the power grid They also provide jobs and contribute

to energy security for homes, farms, schools, factories, private and public facilities, distribution utilities, and remote locations

For the above reasons, this project focused on the small scale Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) The Lenz2 turbine in this thesis could operate at non-ideal conditions, at a low cost, with simple assembly, and low maintenance It is easy to make it by raw materials in Vietnam

The study outcome was that, one VAWT Lenz2 (height 0.6m, diameter 0.5m) had electrical power output about 0.49 Watts in 3m/s and total system efficiency estimated to be 10%

MỤC LỤC

TÓM TẮT 1

ABSTRACT 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC KÝ HIỆU 6

DANH MỤC BẢNG BIỂU 9

DANH MỤC HÌNH VẼ, đỒ THỊ 11

CHƯƠNG 0: GIỚI THIỆU 14

0.1 Tình hình năng lượng của thế giới 14

0.2 Những thuận lợi khi dùng năng lượng gió 15

0.3 Mục tiêu của ựề tài 16

0.4 Phương pháp nghiên cứu 18

0.5 Bố cục ựề tài 18

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 19

1.1 Năng lượng gió thế giới 19

1.2 Năng lượng gió phân tán 22

1.2.1 Công nghệ ựiện gió phân tán trên thế giới 23

1.2.2 Máy phát ựiện ựộc lập cỡ nhỏ (off-grid) 27

1.2.2.1 Bối cảnh chung về ứng dụng 28

1.2.2.2 Máy phát ựiện cỡ nhỏ trong giai ựoạn hiện nay 28

1.2.2.3 đánh giá thị trường toàn cầu 29

1.3 Năng lượng gió Việt Nam 33

1.4 Tiềm năng phát triển năng lượng gió công suất bé tại Việt Nam 35

CHƯƠNG 2: LỊCH SỬ MÁY PHÁT đIỆN GIÓ 38

2.1 Lịch sử phát triển 38

2.2 Các kiểu turbin gió 41

2.2.1 Turbin gió trục ựứng và trục ngang 41

2.2.2 Các kiểu turbin gió trục ñứng 42

2.2.2.1 Savonius: Kiểu dùng lực ñẩy 42

2.2.2.2 Darrieus, VAWT dùng lực nâng 43

2.2.2.3 Các kiểu turbine lực nâng khác 45

2.3 So sánh turbine trục ñứng và trục ngang 46

2.4 Kết luận 48

CHƯƠNG 3: LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN MÁY PHÁT ðIỆN GIÓ 50

3.1 Năng lượng gió .50

3.2 Hiệu suất tuabin C p 53

3.2.1 Tỉ số tốc ñộ ñỉnh (Tip Speed Ratio viết tắt TSR) 54

3.2.2 Tính hiệu suất turbine theo TSR và ω bằng phương pháp lặp 56

3.2.3 Góc Pitch 59

3.2.4 Góc tới (Angle of attack), γ 60

3.3 Hiệu suất truyền ñộng 61

3.4 Hiệu suất máy phát .63

3.5 Hiệu suất hệ thống .66

3.6 Cánh tuabin 66

3.7 Mối quan hệ giữa ñộ cao và tốc ñộ gió 67

3.8 Các thành phần của turbine gió 68

3.9 Công suất ñịnh mức và vận tốc gió ñịnh mức 70

3.10 Vận tốc gió ngưỡng vào (Cut–in wind speed) 70

3.11 Vận tốc gió Cut-out [12] 71

3.12 Mối quan hệ giữa các thông số 72

3.13 Lưu ñồ tính toán thiết kế 74

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ ðO ðẠT 76

4.1 Giới thiệu 76

4.2 Thiết kế máy phát ñiện gió trục ñứng công suất bé kiểu Lenz2 77

4.2.1 Tiêu chí thiết kế 77

4.2.2 Tắnh toán thiết kế .77

4.2.2.1 Công suất ngõ ra của hệ thống 78

4.2.2.2 Cánh tuabin kiểu Lenz2 79

4.2.2.3 Trục rôto ( Shaft) 82

4.2.2.4 Bộ nhông .84

4.2.2.5 Máy phát (Generator) .85

4.2.2.6 Cánh tay giữ máy phát .87

4.2.3 Các mô hình .88

4.3 Mô tả thắ nghiệm, kết quả ựo ựạt 89

4.3.1 Kết quả ựo ựạt Mô hình 1 (Hình 4.12a) 89

4.3.2 Kết quả ựo ựạt Mô hình 2 .90

4.3.3 Kết quả ựo ựạt Mô hình 3 .90

4.3.4 Kết quả ựo ựạt Mô hình 4 .91

4.3.5 Kết quả ựo ựạt Mô hình 5 .91

4.3.6 Kết quả ựo ựạt Mô hình 6 .100

4.4 đánh giá và so sánh kết quả : 100

4.5 Ứng dụng mô hình 102

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 104

TÀI LIỆU THAM KHẢO 107

DANH MỤC KÝ HIỆU

opt

ω : Vận tốc quay tối ưu của rôto

TSR : Tip Speed Ratio - Tỉ số tốc ñộ ñỉnh

opt

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Sản lượng ñiện toàn cầu ñến năm 2007 20

Bảng 1.2: Tổng công suất lắp ñặt (MW) trên thế giới ñến năm 2020 24

Bảng 1.3: Sử dụng ñiện ở các nước ñang phát triển theo vùng ( Năm 2000) 32

Bảng 3.1: Hiệu suất turbine ứng với từng kiểu khác nhau 59

Bảng 3.2: Tỷ lệ máy ñiện gió cỡ nhỏ với các vận tốc gió ñịnh mức thông dụng 70

Bảng 3.3: Tỷ lệ máy ñiện gió cỡ nhỏ với các vận tốc cut-in thông dụng 71

Bảng 3.4: Tỷ lệ % máy ñiện gió cỡ nhỏ với các vận tốc Cut-out thông dụng 72

Bảng 4.1: Các thông số và kích thước của mô hình turbine Lenz2 78

Bảng 4.1: Kết quả ño ñạt công suất ngõ ra máy phát ñiện gió mô hình 1, với ñộng cơ DC, tỷ số nhông 1:6 loại bánh răng, R=180(Ohm) vận tốc gió 2 và 3m/s 89

Bảng 4.2: Kết quả ño ñạt công suất ngõ ra máy phát ñiện gió mô hình 2, với Dynamo 12VAC, Không sử dụng bộ nhông , R=180(Ohm) vận tốc gió 2 và 3m/s 90

Bảng 4.3: Kết quả ño công suất ngõ ra máy phát ñiện gió mô hình 3, Dynamo xe ñạp 3W, tỷ lệ nhông 1:5, dây curoa, R=180(Ohm), vận tốc gió 2 và 3m/s 90 Bảng 4.4: Kết quả ño ñạt công suất ngõ ra máy phát ñiện gió mô hình 4, với ñộng cơ DC 24V, 15W, tỷ số nhông 1:10 dùng bánh răng dây curoa, R=180(Ohm), vận tốc gió 2 và 3m/s 91

Bảng 4.5: Kết quả ño công suất ngõ ra P của mô hình 5, với cuộn dây máy phát cỡ dây 0.18mm, quấn 1500 vòng, vận tốc gió u=3m/s 93

Bảng 4.6: Kết quả ño công suất ngõ ra P của mô hình 5, với cuộn dây máy phát có cỡ dây 0.18mm, quấn 1500 vòng, vấn tốc gió u=2m/s 94

Bảng 4.7: Kết quả ño công suất ngõ ra P của mô hình 5, với cuộn dây máy phát có cỡ dây 0.18mm, quấn 1400 vòng, vấn tốc gió u=3m/s 94

Bảng 4.8: Kết quả ño công suất ngõ ra P của mô hình 5, với cuộn dây máy phát có

cỡ dây 0.18mm, quấn 1400 vòng, vấn tốc gió u=2m/s 95 Bảng 4.9: Kết quả ño công suất ngõ ra P của mô hình 5, với cuộn dây máy phát có

cỡ dây 0.18mm, quấn 1300 vòng, vấn tốc gió u=3m/s 95 Bảng 4.10: Kết quả ño công suất ngõ ra P của mô hình 5, với cuộn dây máy phát có

cỡ dây 0.18mm, quấn 1300 vòng, vấn tốc gió u=2m/s 95 Bảng 4.11: Kết quả ño công suất ngõ ra P của mô hình 5, với cuộn dây máy phát có

cỡ dây 0.18mm, quấn 1100 vòng, vấn tốc gió u=3m/s 96 Bảng 4.12: Kết quả ño công suất ngõ ra P của mô hình 5, với cuộn dây máy phát có

cỡ dây 0.18mm, quấn 1100 vòng, vấn tốc gió u=2m/s 96 Bảng 4.13: Kết quả ño công suất ngõ ra P của mô hình 5, với cuộn dây máy phát có

cỡ dây 0.25mm, quấn 1600 vòng, vấn tốc gió u=3m/s 98 Bảng 4.14: Kết quả ño công suất ngõ ra P của mô hình 5, với cuộn dây máy phát có

cỡ dây 0.25mm, quấn 1200 vòng, vấn tốc gió u=3m/s 98 Bảng 4.15: Kết quả ño công suất ngõ ra P của mô hình 5, với cuộn dây máy phát có

cỡ dây 0.25mm, quấn 800 vòng, vấn tốc gió u=3m/s 99

DANH MỤC HÌNH VẼ, ðỒ THỊ

Hình 0.1: Hành tinh chúng ta cịn bao nhiêu dầu? 15

Hình 1.1: Biểu đồ tăng trưởng cơng suất lắp đặt năng lượng giĩ năm .20

Hình 1.2: Biểu đồ tăng trưởng cơng suất lắp đặt trên thế giới đến năm 2020 .26

Hình 1.3: Biên độ dao động cơng suất dự đốn ở tất cả các phân đoạn 27

Hình 2.1: Turbine giĩ đầu tiên của Charles F.Brush tại Cleveland, Ohio 1888 38

Hình 2.2: Turbine giĩ thử nghiệm Poul la Cour tại Askov, ðan Mạch năm 1897 39

Hình 2.3: Turbine giĩ trục đứng kiểu Savonius 39

Hình 2.4: Turbine giĩ trục đứng Darrieus kiểu “Eole C” tại Cap Chat, Quebec 40

Hình 2.5: Cấu tạo turbine trục đứng và trục ngang 42

Hình 2.6: Rơ to Savonius cĩ mặt cắt ngang hình chữ S 43

Hình 2.7: Nguyên lý khí động học của cánh máy bay 44

Hình 2.8: VAWT kiểu Darrieus, rơ to cĩ dạng hình chữ C 44

Hình 2.9: Turbine kiểu Giromill 46

Hình 2.10: Turbine Cyclo 46

Hình 3.1: Năng lượng của khối khơng khí 50

Hình 3.2: Biễu diễn luồng khí thổi qua một turbine giĩ lý tưởng 52

Hình 3.3: Hiệu suất tuabin là hàm theo TSR 55

Hình 3.4: Lưu đồ giải lặp để tìm Cp 58

Hình 3.5: ðịnh nghĩa “gĩc pitch” β và “gĩc tới” γ 60

Hình 3.6: Hiệu suất từng phần của tồn hệ thống 61

Hình 3.7: Hiệu suất truyền ứng với 1, 2, 3 tầng bánh răng 62

Hình 3.8: Hiệu suất máy phát ứng với ba cỡ máy 65

Hình 3.9: ðộ vững rơto theo TSR 67

Hình 3.10: Các thành phần của turbine giĩ 68

Hình 3.11: Sơ đồ quan hệ các thơng số thiết kế máy phát điện giĩ nhỏ 73

Hình 3.12: Lưu ñồ thiết kế 75

Hình 4.1: Cánh theo tỷ lệ ñường kính rôto 80

Hình 4.2: Mặt cắt ngang một cánh Lenz2 80

Hình 4.3: Bộ khung gỗ bằng ván ép của từng cánh 81

Hình 4.4: Nhôm tấm ốp quanh bộ khung gỗ theo chiều hình vẽ 82

Hình 4.5: Mặt cắt ngang của rôto bên trái và thực tế hình bên phải 82

Hình 4.6a: Dĩa thép phía dưới 83

Hình 4.6b: Kiểu trục số 1, sau khi ñược bắt cánh vào 83

Hình 4.6c: ðầu trên trục bắt ốc dính vào máy phát 83

Hình 4.7a: Hub trên chặn lại bằng ốc 84

Hình 4.7b: Hub dưới thả lỏng 84

Hình 4.7c: Trục số 2 khi lắp cánh hoàn chỉnh 84

Hình 4.8a: Bánh răng lớn 62 răng 85

Hình 4.8b: Cơ cấu thay ñổi bánh răng nhỏ 85

Hình 4.8c: Bánh răng nhỏ 10 răng 85

Hình 4.9a: Hệ thống với bộ nhông kiểu 2 85

Hình 4.9b: Truyền qua dây curoa 85

Hình 4.9c: Chu vi bánh nhông lớn 50cm, bánh nhỏ là 10cm 85

Hình 4.10a: Máy phát 1 (Motor DC 24V, 4A 15W) 87

Hình 4.10b: Máy phát 2 (Dynamo xe ñạp) 87

Hình 4.10c Máy phát 3 (Quạt trần cải tiến) 87

Hình 4.10d: Máy phát 4 (Dynamo xe hơi.) 87

Hình 4.11a: Bản vẽ 88

Hình 4.11b: Sản phẩm sau khi chế tạo 88

Hình 4.12a: Mô hình 1 89

Hình 4.12b: Mô hình 2 89

Hình 4.12c: Mô hình 3 89

Hình 4.12d: Mô hình 4 89

Hình 4.12e: Mô hình 5 89

Hình 4.12f: Mô hình 6 89

Hình 4.13 và 4.14: Quạt trần ñuổi muỗi và các thành phần cấu tạo 92

Hình 4.15: ðo dòng, áp ngõ ra ứng với các giá trị R khác nhau 93

Hình 4.15: ðồ thị các ñường cong công suất ứng với dây 0.18mm 97

Hình 4.16: ðồ thị các ñường cong công suất với cỡ dây 0.25mm 100

Hình 4.17: Năng lượng tạo ra chiếu sáng hơn 50 bóng ñèn Led 103

Hình 4.18: Mô hình 5 turbine trục ñứng kiểu Lenz 2 103

CHƯƠNG 0: GIỚI THIỆU

0.1 Tình hình năng lượng của thế giới

Càng ngày người ta càng lo ngại về một cuộc khủng hoảng năng lượng cĩ thể làm thay đổi nền văn minh lồi người, nguy cơ này đang ngày một đến gần, bởi

vì thế giới vẫn cịn đang tiếp tục phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hĩa thạch (Leggett, 2006) Dầu, than đá và khí đốt chiếm khoảng 75% nhu cầu năng lượng thế giới, mỗi ngày trên thế giới sử dụng đến 80 triệu thùng dầu Và đương nhiên trong tương lai nhu cầu tồn cầu về dầu hỏa sẽ vượt xa khả năng cung cấp Từ năm 1985, tốc độ khai thác dầu và tiêu thụ đã vượt xa tốc độ khám phá trữ lượng dầu mới (Hình 1) Cơng ty BP dự đốn rằng với tốc độ sử dụng như hiện nay, thì chỉ trong vịng 40

năm nữa sẽ cạn kiệt nguồn dẩu hoả [5]

Thế giới đang tìm kiếm một nguồn năng lượng tái sinh cĩ thể cung cấp năng lượng một cách bền vững trong tương lai Các cơng nghệ khai thác nguồn năng lượng phát sinh từ bức xạ mặt trời như: năng lượng mặt trời, thủy triều, sĩng biển

và năng lượng giĩ đã chiếm vị trí tiên phong trong cuộc chạy đua này

Các chính phủ đã đĩn nhận các cơng nghệ này một cách hết sức nghiêm túc,

và đưa ra các mục tiêu đầy tham vọng cho sản lượng điện tạo ra từ các nguồn năng lượng tái sinh trên Người dân ngày càng ý thức về sự tàn phá và ơ nhiễm mơi trường từ các nguồn nhiên liệu hố thạch và năng lượng hạt nhân Trong khi các nguồn năng lượng tái sinh cĩ thể khai thác tự do và khơng bao giờ cạn kiệt

Năng lượng giĩ là một nguồn năng lượng sạch cĩ thể thay thế các nguồn năng lượng truyền thống Các ứng dụng của nĩ tại các nước đang phát triển giúp làm giảm hiệu ứng nhà kính và giữ gìn được các nguồn năng truyền thống đang cạn kiệt Các quốc gia đã và đang phát triển đều xem năng lượng giĩ là nguồn năng lượng lý tưởng phù hợp với xu hướng phát triển mới của nhân loại, được ưu tiên

ñầu tư số một trong các chính sách về năng lượng

Hình 0.1: Hành tinh chúng ta còn bao nhiêu dầu?

(Nguồn: The Independent, 20 January 2006)

0.2 Những thuận lợi khi dùng năng lượng gió

Những thuận lợi khi dùng năng lượng gió [5], bao gồm:

- Giảm hay thay thế việc xây dựng các nhà máy ñiện truyền thống dùng năng lượng hóa thạch

- Không gây ô nhiễm môi trường khi turbine vận hành sản xuất ñiện năng

- Là nguồn năng lượng không bao giờ cạn kiệt

- Dễ dàng tăng thêm công suất khi cần thiết

- Việc lắp ñặt và xây dựng các turbine gió tương ñối nhanh

- Mặc dù năng lượng gió hiện nay có giá ñắt hơn nhiều so với nguồn năng lượng truyền thống, nhưng nó không bị ảnh hưởng bởi giá nguyên liệu và sự gián ñoạn cung cấp

- Ở các nước phát triển nhà nước hỗ trợ về thuế và các ưu ựãi khác

- Tạo ra nhiều công ăn việc làm hơn so với các nhà máy năng lượng khác, khi cùng sản xuất ra 1 ựơn vị năng lượng Số người làm việc cho các trung tâm năng lượng gió trên khắp thế giới khoảng 100.000 công nhân Một Megawatt ựiện gió cần từ 2.5 Ờ 3 nhân công làm việc ẦẦ

- Các turbine gió mang lại nhiều lợi ắch kinh tế cho nông dân và các chủ ựất từ nguồn thu cho thuê ựất nơi ựặt các máy phát ựiện gió, mà không làm ảnh hưởng ựến việc canh tác ngay trên mảnh ựất ựó

- Công nghệ năng lượng gió có thể thay ựổi cho nhiều ứng dụng có công suất từ nhỏ ựến lớn Thời gian từ khi khảo sát ựến lắp ựặt và vận hành ngắn, và những

thuận lợi khác mà các nhà máy ựiện kiểu truyền thống không làm ựược

0.3 Mục tiêu của ựề tài

Năng lượng gió Việt Nam với lợi thế bờ biển trải dài 3260 km và gần 3000 hòn ựảo lớn nhỏ [15] rất có tiềm năng, theo ựánh giá của Ngân hàng thế giới tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam tương ựối khá so với các nước đông Nam Á, nhưng so với thế giới thì thấp [2] Việc khai thác năng lượng gió tại Việt Nam còn rất hạn chế, một phần là do nhà nước chưa có chắnh sách hỗ trợ thắch hợp phần khác

là do chế ựộ gió của Việt nam không cao, chỉ tập trung ở một vài nơi, do ựó khó lòng phát triển trên diện rộng

để các máy phát ựiện gió cỡ lớn hoạt ựộng hiệu quả, thì các máy này phải ựược ựặt tại những nơi có gió mạnh Ngay cả tại Phú Quốc Ờ Kiên giang là nơi ựược ựánh giá là có tiềm năng gió tốt mà vẫn không phát triển ựược năng lượng gió trên bình diện rộng, qua tìm hiểu tài liệu khảo sát tại Sở Công Nghiệp Kiên giang ựược biết tại Phú quốc chỉ có một ựiểm duy nhất có thể lắp ựặt ựược máy phát ựiện gió công suất lớn, còn các nơi khác tại Phú Quốc ựều có chế ựộ gió không ựạt yêu cầu Tại Rạch Giá vận tốc gió trung bình khoảng 4m/s Những mô hình ựiện gió công suất bé tại Việt Nam cũng chưa thật sự thuyết phục, bởi vì cấu trúc phức tạp giá thành cao, người dùng không thể tự bảo quản ựược nên sau một thời gian hoạt ựộng

ñều hư hỏng và ngừng hoạt ñộng

Vì vậy cần phải có một mô hình máy phát ñiện gió công suất bé ñộc lập dùng cho hộ gia ñình, công suất từ vài chục ñến khoảng 500 Watt Cấu trúc máy ñiện gió này phải thật ñơn giản, người dân có thể tự lắp ñặt với những vật liệu hiện có tại ñịa phương, chi phí cho một máy phát không quá 5.000.000 ñồng, mỗi tháng máy có thể cung cấp lượng ñiện năng khoảng 60 kWh ñủ cho nhu cầu chiếu sáng và các tiện nghi ñơn giản khác

Mục tiêu của ñề tài là ñưa ra một mô hình máy phát ñiện trục ñứng công suất

bé dùng cho các vùng có chế ñộ gió không tốt, chiều gió thay ñổi liên tục, gió quẩn, tốc ñộ gió thấp

Sau khi nghiên cứu nhiều tài liệu nước ngoài về các ứng dụng mô hình năng lượng gió công suất bé, bảng phân tích nhân tố [9] ñánh giá nhu cầu người dùng ở các nước phát triển và các nước ñang phát triển, ñề tài ñã ñi theo hướng máy phát ñiện trục ñứng công suất bé có cánh kiểu Lenz2 Bởi vì chi phí cho các máy phát trục ñứng sẽ có giá thành thấp vì không cần trụ ñỡ, có thể lắp ñặt ngay trên nóc nhà, tận dụng ñược nguồn gió từ nhiều hướng, người dân có thể tự chế tạo theo kích cỡ phù hợp với nhu cầu sử dụng của mình Nghĩa là kiểu máy phát này rất ñơn giản về mặt cấu tạo và có hiệu suất khá

Cánh kiểu Lenz2 do Ed Ward phát triển năm 2005 [4], ñây là loại cánh cải tiến từ kiểu Darieuss và Venturi vừa nâng vừa kéo, thích hợp với ñiều kiện gió thấp,

tỉ số TSR tối ưu bằng 0,8 Hiệu suất tối ưu ứng với TSR = 0,8 là 39% Máy có thể phát ñiện với vận tốc gió từ 2m/s trở lên

ðặc ñiểm nổi bật của ñề tài này là tính ứng dụng rất cao và ña dạng, vì ngoài nông thôn mô hình này còn có thể sử dụng trong thành phố, chiếu sáng công cộng,

có thể dùng ñể chiếu sáng vườn cây ban ñêm ñể ñuổi chim, dơi…

0.4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu trên mô hình vật lý và kiểm tra với các thiết kế tiêu chuẩn

0.5 Bố cục ñề tài

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Năng lượng gió thế giới

Năng lượng gió trên thế giới hiện ñang trong thời kỳ phát triển rực rỡ nhất, ñặc biệt là các Nước Cộng ðồng Châu Âu, công nghệ turbine gió có thể giải quyết ñược các vấn ñề: cạn kiệt nguồn tài nguyên hóa thạch, hiệu ứng nhà kính, tuân thủ các ñiều khoản trong Nghị ñịnh Thư Kyoto về hiện tượng trái ñất ấm dần lên

Công suất lắp ñặt năng lượng gió trên thế giới tăng theo hàm mũ, và tăng gấp hai lần công suất của những năm cuối thập kỷ (Hình.1.1) ðiều mà từ trước ñến nay không một công nghệ năng lượng nào làm ñược Mặc dù phải ñối diện với nhiều khó khăn trong khâu truyền tải, cung cấp, nhưng thị trường năng lượng gió của năm 2006 tăng một cách chóng mặt tới 32% sản lượng năm 2005 … Bảng 1.1 [5]

Ta thấy năm 2006 tổng sản lượng ñiện gió toàn cầu ñạt 74.223 MW, tức tăng thêm 15.197 MW so với năm 2005 là 59.091 MW [5] Những nước có sản lượng cao

Hình 1.1: Biểu ñồ tăng trưởng công suất lắp ñặt năng lượng gió năm

(Nguồn: Global Wind Energy Council :GWEC)

Bảng 1.1: Sản lượng ñiện toàn cầu ñến năm 2007 QUỐC GIA SẢN LƯỢNG [MW]

TỔNG CỘNG THẾ GIỚI: 74,223

Với tình hình phát triển nhanh chóng như hiện nay tại các nước châu âu, cho thấy sản lượng của các nước này sẽ còn tiếp tục tăng Mỹ và Canada cũng tắch cực phát triển mở rộng tăng công suất năng lượng gió

Các nước Trung đông, Viễn đông và Nam Mỹ cũng bắt ựầu ựưa năng lượng gió vào nền công nghiệp năng lượng của nước mình Hiện tại các nước này có những

dự án phát triển ựến năm 2010 ựạt sản lượng 150 GW

Tốc ựộ mở rộng phụ thuộc vào mức ựộ hỗ trợ của chắnh phủ, chắnh quyền các nước cũng như cộng ựồng quốc tế đây cũng là trách nhiệm chắnh cho các nước trong việc tuân thủ cắt giảm lượng khắ thải Carbon Dioxide theo Nghị định Thư Kyoto về cắt giảm khắ thải gây hiệu ứng nhà kắnh

Một làn sóng công nghệ mới ựã và ựang phát triển nhanh chóng với mục tiêu tương lai là cải thiện công suất và giảm giá thành

1.2 Năng lượng gió phân tán

Sự gia tăng nhanh chóng công suất lắp ựặt hằng năm trên thế giới của ngành công nghiệp năng lượng gió phần lớn là do các máy phát ngày càng lớn hơn, hiệu suất cao hơn Những cánh ựồng gió với các máy phát cực lớn tập trung ựã tạo ra lượng ựiện năng không thua gì các nhà máy ựiện truyền thống Tuy nhiên ựể có thể làm ựược ựiều này thì không phải quốc gia nào, vùng ựất nào cũng làm ựược

điều kiện gió ựóng vai trò quyết ựịnh ựến sản lượng ựiện tạo ra nhiều hay ắt,

mô hình và kắch cỡ máy phát Việc hòa lưới các máy phát cỡ lớn cũng gặp rất nhiều khó khăn vì làm mất ổn ựịnh hệ thống và chắ phắ tăng cao Chắnh vì lẽ ựó các hệ thống năng lượng gió phân tán ựang ngày càng ựược quan tâm Các hệ thống này thường có công suất nhỏ có thể vận hành ở những nơi vận tốc gió thấp, ựộc lập và thắch hợp cho các hộ gia ựình vùng nông thôn, làng, xã, cụm dân cư

Các hệ thống năng lượng gió phân tán cung cấp nguồn năng lượng tái sinh giúp cải thiện môi trường, làm giảm áp lực trên lưới ựiện ựồng thời cũng tạo việc

làm, cung cấp nguồn năng lượng an toàn cho hộ gia ñình, nông trại, trường học, nhà máy, các tiện nghi công cộng, công ty ñiện, các vùng xa xôi hẻo lánh Người Mỹ ñã

ñi tiên phong ở lĩnh vực công nghệ turbine gió công suất nhỏ từ những năm 1920, cho ñến nay ngành công nghiệp này Mỹ vẫn là nước có công nghệ, nhà máy và thị phần ñứng ñầu thế giới

Các hệ thống gió phân tán thường cung cấp ñiện cho người dùng phía ñồng hồ ñiện mà không cần các ñường dây truyền tải, ñưa ra thêm một sự chọn lựa có tính cạnh tranh cao, giá thành thấp so với các hệ thống dùng tấm pin mặt trời mà hiện nay ñang ñược dùng nhiều ờ các căn hộ trong thành phố Các turbine phân tán cỡ nhỏ tạo

ra ñiện ở vận tốc gió thấp hơn so với các loại cỡ lớn của ngành ñiện lực thường phải nằm ở những vùng có vận tốc gió cao Từ những yếu tố ñó, kết hợp với việc giá ñiện ngày càng tăng, nhu cầu ñiện ngày càng lớn ñã thúc ñẩy mạnh ngành công nghiệp máy phát ñiện phân tán phát triển, tạo thế cân bằng, mở rộng thị trường một cách nhanh chóng

Từ các số liệu khảo sát [3], ñiều tra của U.S Department of Energy (DOE)

Wind, Hydropower Technologies Program và National Renewable Energy Laboratory’s (NREL’s), National Wind Technology Center (NWTC) cho thấy hiện

nay ngành công nghiệp năng lượng gió phân tán này có 7 phân ñoạn thị trường, bao gồm:

- Loại cỡ nhỏ cho vùng hẻo lánh hay không có lưới ñiện quốc gia

- Loại dùng cho nhà riêng có lưới ñiện

- Trang trại, công ty, các ứng dụng gió công nghiệp cỡ nhỏ

- Loại cỡ nhỏ dùng cho cho cụm dân cư

- Các hệ thống gió-diesel

- Bơm nước tưới tiêu

- Khử muối trong nước

1.2.1 Công nghệ ñiện gió phân tán trên thế giới

Thị trường máy phát ñiện gió phân tán xưa nay ñược biết là rất khó ñánh giá,

vì nó nằm rải rác không tập trung Thị trường công nghệ máy phát ñiện gió cỡ nhỏ không giống như thị trường máy phát ñiện gió cỡ lớn Hiện nay các nhà máy chế tạo máy phát ñiện nhỏ của Mỹ ñang dẫn ñầu cả về công nghệ lẫn số lượng, họ chủ yếu sản xuất các turbine gió nhỏ gồm nhiều chủng loại khác nhau và hầu như trên thế giới cũng chỉ gần ấy các công nghệ

Bảng 1.2 cho chúng ta tổng quan về tiềm năng thị trường gió thế giới thông qua các phân ñoạn thị trường Lưu ý bảng cũng cho biết kích cỡ turbine gió cho từng phân ñoạn Theo ñó ta thấy mảng lớn nhất trên ñồ thị nếu tính theo dung lượng

Megawatt lắp ñặt chính là gió cộng ñồng (community wind) Về lịch sử Cộng ðồng Châu Âu dẫn ñầu về gió cộng ñồng, với khoảng 80% các turbine gió ñược lắp ñặt cho

các ứng dụng cộng ñồng Thị trường này hiện nay ñược ñánh giá là ñạt khoản 8.2

GW với các máy dưới 1 MW

Khi so sánh với thị trường nội ñịa của Mỹ thì thế giới có 3 thị trường nổi bật:

- Thứ nhất là loại Turbine gió cộng ñồng “cỡ nhỏ”, ñang rất ñược ưa chuộng

trên thế giới và ñang có xu hướng thay thế ngày càng tăng thị trường máy phát ñộc lập (off-grid)

- Thứ hai là các mô hình ứng dụng gió-diesel cũng rất mạnh và chiếm thị phần

khá lớn

- Cuối cùng là máy phát ñiện gió gia ñình cỡ nhỏ cũng ñóng một vai trò quan

trọng

Thị trường off-grid mặc dù không lớn như Turbine gió cộng ñồng “cỡ nhỏ”

nhưng vẫn chứa ñựng tiềm năng rất lớn Mặc dù hầu hết các thị trường tiềm năng này ñều nằm ngoài các nước phát triển, hiện nay Trung Quốc ñã lắp ñặt 170.000 turbine gió mini công suất từ 60 – 200W

Bảng 1.2: Tổng công suất lắp ñặt (MW) trên thế giới ñến năm 2020

Năm Off-grid Hộ gia

ñình

Nông trại/công nghiệp/công ty

Nếu xét về số máy ñã lắp ñặt thì thị phần lớn nhất chính là off-grid hay máy phát ñiện gió nhỏ (small-system) ở vùng sâu, nông thôn; tuy nhiên với các máy phát ñiện gió off-grid này thường có công suất thấp, khoảng từ vài kilowatt trở xuống Tổng cộng các thị phần thì ñến cuối năm 2020 sẽ có khỏang 1.500.000 máy Tổng tăng trưởng qua từng năm ước tính khoảng 20% Tuy nhiên do khảo sát chưa ñầy ñủ nên các khoảng giá trị cực tiểu, cực ñại hay trung bình sẽ có sự chênh lệch khá lớn (Hình 1.3)

Nông trại, công ty, xưởng công nghiệp Gió/Dầu Diesel

Hộ gia ñình Cộng ñồng “Cỡ nhỏ”

Hình 1.2: Biểu đồ tăng trưởng cơng suất lắp đặt trên thế giới đến năm 2020

Thị phần tiềm năng dự đốn sẽ rất lớn cho farm, business, and small

industrial, nguyên nhân là do các chính sách hỗ trợ cho loại này lớn (Ví dụ: ở ðức,

khi hiệu suất điện cao hơn thì số Kilowatt-giờ tạo ra cĩ giá trị kinh tế cao sẽ được miễn thuế) Trung Quốc cũng đang nổ lực hết sức cho các mục tiêu về năng lượng tái sinh, bằng chứng là số turbine giĩ mini hiện nay Trung Quốc đang dẫn đầu

Cơng nghệ giĩ phân tán mở ra một con đường đầy triển vọng cho người dân tồn cầu trong việc sử dụng những tiềm năng năng lượng tương lai Cho đến nay, con người hầu như lệ thuộc hồn tồn vào các dịch vụ cung cấp năng lượng bên ngồi như các nhà máy phát điện truyền thống Mặc dù người ta vẫn cĩ thể đầu tư với một kinh phí vừa phải để chủ động trong đáp ứng những nhu cầu về năng lượng cho chính mình, chẳn hạn như các tấm panơ năng lượng mặt trời, máy phát điện sử dụng năng lượng hĩa thạch, tuy nhiên nguồn năng lượng cá nhân dạng này khĩ đạt đến số lượng nhiều Việc giảm đáng kể giá thành và đa dạng chọn lựa của cơng nghệ giĩ phân tán kết hợp với các chính sách hỗ trợ từ nhà nước và nhiều tổ chức khác trên thế giới, đã làm thay đổi nhận thức và làm tăng động lực phát triển dành cho năng lượng giĩ Các tài liệu báo cáo này đã cho thấy triển vọng cĩ thật đầy tiềm năng cho thị trường ứng dụng giĩ phân tán, và mặc dù vẫn cịn tồn tại những rào cản về mặc kỹ thuật nhưng khơng phải khơng vượt qua được

Hình 1.3: Biên độ dao động cơng suất dự đốn ở tất cả các phân đoạn

Các đánh giá khác cũng chỉ ra rằng cần phải hiểu nhiều hơn về thị trường này

và cĩ những phân tích sâu hơn cho các vấn đề quan tâm đặc biệt Nếu các quốc gia đang hướng tới các nguồn năng lượng thân thiện mơi trường, thì địi hỏi phải cĩ các chính sách hỗ trợ tốt , nâng cấp các hệ thống truyền tải điện lớn, ứng dụng giĩ phân tán: từ các máy phát gia đình đến máy điện giĩ cỡ lớn và các hệ thống kết hợp giĩ-diesel đều phải được triển khai đồng bộ, nếu làm được điều này chắc chắn nĩ sẽ đĩng

một vai trị hết sức quan trọng trong hệ thống điện quốc gia

1.2.2 Máy phát điện độc lập cỡ nhỏ (off-grid)

Các hệ thống năng lượng giĩ cỡ nhỏ đáp ứng nhu cầu về nguồn năng lượng độc lập cho các hộ gia đình, hay cụm dân cư nơng thơn trên khắp thế giới Các turbine giĩ cỡ nhỏ chính là nguồn năng lượng phân tán đầy tiềm năng sẽ phát triển nhanh trong 20 năm tới Chìa khố cho sự thành cơng về mặt chiến lược lâu dài cho bất kỳ hệ thống năng lượng giĩ cỡ nhỏ nào là phải lắp đặt một hệ thống được thiết kế tốt cĩ cấu trúc đảm bảo nhu cầu vận hành, bảo dưỡng lâu dài

Nền công nghiệp tuabin gió cỡ nhỏ ñã chiếm lĩnh thị trường toàn cầu Với khoảng 1,7 tỷ người không có ñiều kiện sử dụng ñiện lưới, thị trường ñiện khí hoá nông thôn ñược ñánh giá là khoảng 26GW Năng lượng cho các làng xa xôi hẻo lánh

sẽ ñược thiết kế như là một hệ thống hoàn chỉnh gồm các loại gió, pin mặt trời, bình

ắc quy, và các máy phát diesel Thử thách chính là giá thành của hệ thống, kích cỡ các thành phần hệ thống, và tiến hành sản xuất với số lượng nhiều ñể làm giảm giá

thành

1.2.2.1 Bối cảnh chung về ứng dụng

Các hệ thống năng lượng gió cỡ nhỏ có nhiều kích cỡ ñáp ứng vừa ñủ nhu cầu năng lượng và ñiều kiện gió tại chỗ của người tiêu dùng Thị trường này bao gồm các ứng dụng cung cấp ñiện gió cho cho hộ gia ñình hay cụm dân cư ở các vùng nông thôn, vùng không có ñiện lưới tại các nước ñã và ñang phát triển Về kích cỡ rất ña dạng từ các hệ thống nhỏ cho hộ gia ñình (60W trở lên) cho ñến loại lớn hơn, như các

hệ thống cho cụm dân cư làng xã công suất hàng trăm KW tích hợp vào hệ thống phát ñiện diesel Tại Mỹ, hầu hết người dân ở các vùng hẻo lánh không có lưới ñiện ñều thích dùng năng lượng gió ñể ñáp ứng nhu cầu về ñiện của họ hoặc tự chủ ñộng về năng lượng cho chính họ Trong khi các nước ñang phát triển thì mong muốn các hệ thống ñiện gió nhỏ cung cấp năng lượng cho hộ gia ñình hay làng xã ở các vùng hẻo lánh ñể giảm chi phí ñầu tư cơ sở hạ tầng vì nguồn tài chính bị hạn chế

Năng lượng gió có thể cung cấp một lượng năng lượng ñáng kể cho hộ gia ñình hay cụm dân cư mà hiện nay ñang dùng công nghệ diesel, ñể làm giảm nhu cầu

về nguồn năng lượng hóa thạch

1.2.2.2 Máy phát ñiện cỡ nhỏ trong giai ñoạn hiện nay

Các hệ thống năng lượng gió nhỏ ñã có cách ñây nhiều thập kỷ tuy nhiên chỉ mang tính chất nghiệp dư, vào khoảng ñầu thế kỷ 20 thì những máy ban ñầu thường lắp ở các cánh ñồng nhỏ hay trại nuôi gia súc ở Miền tây nước Mỹ, hầu hết những nơi này ñã quen dùng năng lượng gió ñể bơm nước Trước khi có các chương trình ñiện khí hoá nông thôn lớn tại Mỹ, nhiều nông trại ở nông thôn ñã lắp các hệ thống phát

ựiện gió ựể sử dụng như nguồn năng lượng tại chỗ Tuy nhiên nó mất dần tầm quan trọng khi các chương trình ựiện khắ hoá nông thôn lớn tại Mỹ ựược thực hiện sau Chiến Tranh Thế Giới Thứ II Nhưng trong những năm gần ựây một lần nữa ngành công nghiệp máy phát ựiện gió nhỏ lại trở nên phổ biến khi nhiều người chuyển về sống ở nông thôn hay những vùng không có ựiện lưới và hầu hết các bang này ựều dùng ựồng hồ ựiện kế mạng (Net metering) đồng hồ ựiện kế mạng cho phép khách hàng dùng ựiện lưới có thể dùng máy phát ựiện gió của họ ựể bù vào phần ựiện vượt quá trong tháng của họ

Ngành công nghiệp turbine gió cỡ nhỏ tăng trưởng ựều ựặn, nhưng không phát triển nhanh như turbine gió cỡ lớn Cho ựến nay, ựã có hơn 430.000 máy phát ựiện cỡ nhỏ ựã ựược lắp trên khắp thế giới, tạo ra lượng ựiện năng khoảng 110MW Hầu hết các tuabin gió cỡ nhỏ áp dụng thành công thường có công suất khoảng vài trăm Watt

Thị trường turbine gió cỡ nhỏ lớn nhất hiện nay chắnh là Trung Quốc và Mông

Cổ Các turbine gió này thường ựược dùng ựể cung cấp ựiện cho các hộ gia ựình ựộc lập Trên thế giới cũng có khoảng 150 hệ thống ghép lai, loại này sử dụng turbine gió

lớn hơn (thường khoảng 1kW ựến 50kW)

1.2.2.3 đánh giá thị trường toàn cầu

Dự ựoán thị trường Mỹ

Tại Mỹ ngày nay, ước ựoán có khoảng hơn 35 MW ựiện ựược tạo ra từ hơn 90.000 máy có công suất khoảng từ 90W-25kW Thị trường gió nhỏ ở Mỹ hằng năm

Mức ựộ tăng trưởng các hệ thống turbine gió cỡ nhỏ tại Mỹ, chủ yếu tập trung

ở nông thôn và hộ gia ựình Việc thực hiện ựồng hồ ựiện kế mạng (net metering) ở các Bang của Mỹ ựã giúp cho ngành ựiện gió nhỏ phát triển Các hệ thống phát ựiện gió nhỏ ngày nay cũng góp phần quan trọng làm cho mạng ựiện nông thôn mạnh hơn

Có những thị trường rất tiềm năng tại Mỹ, chẵn hạn những làng nông thôn ở Mỹ không ựược ựiện khắ hóa Có khoảng 75.000 người sống ở 175 cộng ựồng trải dài suốt Alaska Trong số ựó, hơn 42.000 người sống ở 91 cộng ựồng có tiềm năng rất

lớn cho các hệ thống giĩ/diesel

Một thị trường khác cũng rất cĩ tiềm năng đĩ là hệ thống phát điện giĩ trên các tàu thuyền, thành thị, chiếu sáng cơng cộng cũng rất thơng dụng

Dự đốn thị trường thế giới

Việc dự đốn thị trường tồn cầu ứng dụng máy phát điện giĩ nhỏ, phân tán cho các vùng sâu hẻo lánh là một quá trình khơng đơn giản Các chính sách của chính phủ, kỹ thuật, giá năng lượng thay đổi liên tục sẽ tác động trực tiếp đến sự phát triển trong tương lai của thị trường này Nhu cầu về năng lượng cho thị trường thế giới sẽ tiếp tục tăng nhanh trong thời gian khơng xa (khoảng 10 năm), nhưng nĩ cũng chỉ được cung cấp bởi máy phát điện truyền thống Như vậy, khi giá dầu tiếp tục tăng trong thập kỷ tới, thì hiệu quả kinh tế của các máy phát điện nhỏ sẽ càng cao hơn

Người ta sẽ quan tâm và thích dùng cơng nghệ năng lượng giĩ vì là nguồn

tiếp tục tăng, năng lượng giĩ sẽ trở thành nguồn năng lượng lý tưởng thay thế máy phát điện chạy bằng dầu diesel ở các mạng điện nhỏ Các tuabin giĩ cỡ nhỏ (1kW đến 50kW) sẽ được vận chuyển bằng container và lắp đặt cho những nơi cĩ cơ sở hạ tầng kém Khi cần cĩ thể cho chúng vận hành theo từng module từ 2 đến 10 máy Theo dự đốn thời kỳ tăng trưởng tuyệt vời nhất của máy phát điện nhỏ ở thị trường tồn cầu

đã đến

Trung Quốc

Trung quốc đã trở thành nước dẫn đầu trong cơng nghệ giĩ nhỏ Với hơn 70 triệu người ở các vùng nơng thơn vẫn chưa cĩ lưới điện quốc gia Trung Quốc cĩ gần 125.000 làng, ấp với 8,89 triệu hộ gia đình khơng cĩ điện Khoảng 1 phần 3 trong số

đĩ cĩ thể được dùng năng lượng tái sinh, vì tốc độ điện khí hố nơng thơn rất chậm

và đắt tiền Khảo sát gần đây do Mỹ tiến hành đã cho thấy cĩ khoảng 45 hệ thống năng lượng làng, xã dùng cơng nghệ giĩ/mặt trời hoặc hệ thống lai với cơng suất lắp đặt khoảng 1.363 kW

Cĩ hơn 170.000 tuabin giĩ mini (cơng suất từ 60-200 Watt) đang hoạt động tại

Trung quốc [3], trong số đĩ cĩ hơn 110.000 cái thuộc Mơng cổ Cĩ thêm 12.000 cái

đã lắp ở Mơng cổ Số lượng tuabin giĩ mini tăng hằng năm đã vượt quá 21.000 cái Chính phủ Trung Quốc dự đốn tổng cơng suất lắp đặt của các tuabin giĩ mini vào năm 2000 là 30 MW, đến năm 2020 sẽ là 140MW với tổng năng lượng tạo ra khoảng

nơi hẻo lánh của 23 tiểu bang của Ấn độ, và nhiều nơi trong số đĩ cĩ chế độ giĩ tốt

phát điện kiểu ghép-lai, với hơn 10 triệu người khơng cĩ điện lưới

Châu Âu

Châu âu cĩ mạng lưới điện rộng khắp, do đĩ ít cĩ nhu cầu về các hệ thống điện giĩ nhỏ Tuy nhiên, lại cĩ tiềm năng cho các hệ thống điện giĩ nhỏ cĩ đấu vào lưới điện, những hệ thống như vậy, người dân Châu Âu thấy thích hơn Các thành

viên của Cộng ðồng Châu Âu ñang nghiên cứu bằng nhiều hướng ñể thành công trong việc phát triển các hệ thống ñiện gió lai cho các nước ñang phát triển, cũng như

thay thế bằng các hệ thống gió-diesel cho các lưới ñiện nhỏ dùng 100% dầu diesel

Châu Phi

Châu phi từ trước ñến nay ít quan tâm ñến việc sử dụng công nghệ gió nhỏ Nam Phi, là nước phát triển bật nhất Châu Phi, cũng chỉ mới bắt ñầu xem xét nghiêm túc các hệ thống gió lai cho chương trình ñiện khí hoá nông thôn, và ñã có vài dự án

thử nghiệm tuabin gió lai cỡ nhỏ

Toàn cầu

Các hệ thống ñiện gió cỡ nhỏ và và các loại ghép lai sẽ là giải pháp tốt cho nhu cầu ñiện khí hoá nông thôn trên khắp thế giới Tương ñương 1,7 tỷ người trên thế giới không có ñiện Những thị trường ñiện ñầy tiềm năng nhưng chưa ñược khai thác là Châu Á và Châu Phi Bảng 1.3 so sánh giữa các thị trường ñiện chưa khai thác và mối quan hệ giữa chúng trên thế giới [3]

Bảng 1.3: Sử dụng ñiện ở các nước ñang phát triển theo vùng ( Năm 2000)

(Nguồn: Ngân Hàng Thế Giới, năm 2001)

Tổng dân số

Năm 2000 (ước lượng) Có ñiện Không ñiện

Tổng cộng

1.3 Năng lượng gió Việt Nam

Tiềm năng năng lượng gió Việt Nam chỉ vào loại trung bình [2] Hầu hết các khu vực trên ñất liền có năng lượng gió thấp khai thác không hiệu quả Chỉ có môt vài nơi, do có ñịa hình ñặc biệt nên gió tương ñối khá Tuy nhiên công suất lại không lớn Chỉ dọc theo bờ biển và trên các hải ñảo năng lượng gió tốt hơn Nơi có nguồn năng lượng tốt nhất là ñảo Bạch Long Vĩ, tốc ñộ trung bình năm ñạt ñược từ 7,1-7,3m/s Tiếp ñến là các khu vực ñảo Trường Sa, Phú quí, Côn ñảo .có tốc ñộ gió trong khoảng 4,0 - 6,6 m/s Tuy nhiên cũng nên nói thêm rằng tiềm năng năng lượng gió Việt Nam chưa ñược ñiều ta ñánh giá ñầy ñủ vì phần lớn số liệu về năng lượng gió chủ yếu chỉ thu thập qua các trạm Khí tượng Thủy văn, tức chỉ ño ở ñộ cao 10-12m trên mặt ñất Chúng ta ñang thiếu số liệu về năng lượng gió ở các ñộ cao trên 40m Hiện ñang có khoảng 10 cột ño gió ở ñộ cao từ 30-60m [2]

3.572MW với ñiện có thể ñược tạo ra với giá thành ít hơn 6 US cents/kWh Nghiên cứu cũng ñã minh chứng ñược rằng năng lượng gió sẽ là giải pháp tốt cho khoảng 300.000 hộ cư dân nông thôn không có ñiện Trong khi năng lượng gió có thể mang ñến những lợi ích về môi trường, kinh tế, xã hội … nhưng hiện nay lượng ñiện năng khai thác từ gió gần như là con số không Nhà nước cũng chưa có chính sách hỗ trợ, khuyến khích nào cho năng lượng gió Vì vậy nhiệm vụ ưu tiên hàng ñầu hiện nay là ñặt mục tiêu cho phát triển năng lượng tái sinh và ñể tìm tòi nghiên cứu công nghệ

mới phù hợp với Việt nam

Theo số liệu của Ngân Hàng Thế Giới [7] khảo sát năm 2000 trong chương trình “Asia EcoBest Work Programme 2000” thì Việt Nam do ñiều kiện ñịa lý và thời tiết giữa các vùng là khác nhau nên tốc ñộ gió trung bình và chiều gió có sự khác nhau:

- Vùng Tây Bắc Việt Nam (Lai Châu, ðiện Biên Sơn La): Vận tốc gió trung bình hằng năm khoảng từ 0,5 – 1,9 m/s

- Khu vực miền núi phắa Bắc (Cao Bằng Lạng Sơn, Sa Pa) có vận tốc gió trung bình cao hơn, nhưng cũng chỉ khoảng từ 1,5 Ờ 3,1 m/s, vận tốc cực ựại trung bình khoảng trên 40 m/s

- đồng Bằng Bắc Bộ (Tam ựảo, Hà nội): Vận tốc gió trung bình khoảng 2,0 Ờ 3,5 m/s Vận tốc trung bình cực ựại trên 35 m/s

- Vùng bờ biển từ Móng Cái tới Hòn Gai, Phú Liên, Thanh Hóa, Vinh, đồng Hới: vận tốc gió trung bình tăng, khoảng 2,0 Ờ 4,0 m/s Cực ựại trên 50m/s

- Vùng bờ biển từ Huế tới Tuy Hòa (Huế, đà Nẵng, Quảng Ngãi, Quy Nhơn Tuy Hòa): vận tốc gió trung bình khá ổn ựịnh khoảng 3,0 Ờ 5,0 m/s Cực ựại trên 35m/s

- Vùng bờ biển từ Nha Trang tới Rạch Giá (Nha Trang, Phan Thiết, Vũng tàu, Phú Quốc, Rạch Giá): vận tốc trung bình 2,4 Ờ 6,1 m/s, cực ựại trên 30m/s

- Vùng đồng Bằng Sông Cửu Long (Thành phố Hồ Chắ Minh, Cần thơ, Cà Mau): vận tốc gió trung bình xấp xỉ 2,2 Ờ 4,0 m/s, cực ựại 26m/s

- Tây Nguyên (đà Lạt, Pleiku): vận tốc gió trung bình xấp xỉ 2,4 Ờ 4,5 m/s, cực

ựại 24m/s

Những dự án năng lượng gió ựã và ựang triển khai tại Việt Nam

Nhà máy phát ựiện sức gió ựầu tiên ở VN phải kể ựến là nhà máy ựặt tại huyện ựảo Bạch Long Vỹ, TP Hải Phòng Công suất 800KW với vốn ựầu tư 0.87 triệu USD (14 tỉ ựồng) Như thế, với giá bán ựiện 0,05USD/KWh (750VNđ/KWh) thì thời gian hoàn vốn là 7-8 năm Thực tế cho thấy, mặc dù trong năm 2005, ựã có 3 cơn bão lớn, tốc ựộ gió ựều vượt qua cấp 12 nhưng tuabin gió-phát ựiện vẫn vận hành an toàn

Nhà máy ựiện gió thứ 2 của cả nước ựặt ở huyện ựảo Lý Sơn vận hành bằng sức gió, có kết hợp máy phát ựiện diesel với tổng công suất 7MW, tổng vốn ựầu tư gần 200 tỷ ựồng Dự án ựược chia làm 3 giai ựoạn: giai ựoạn 1 ựược thực hiện trong hai năm 2007, 2008 có công suất 2,5 MW, vốn ựầu tư 80 tỷ ựồng cung cấp cho 4.000

hộ dân với gần 20.000 nhân khẩu Giai ựoạn 2 nâng công suất lên 5MW thực hiện trong các năm 2008-2009 và giai ựoạn 3 ựược thực hiện trong các năm 2009-2012 sẽ

cơng suất lên trên 10MW

Nhiều dự án điện giĩ rất lớn với mục tiêu hịa vào lưới điện Quốc gia vẫn đang được xúc tiến Dự án xây dựng Nhà máy phong điện 3, tại khu kinh tế Nhơn Hội, tỉnh Bình ðịnh với tổng vốn đầu tư hơn 35,7 triệu USD Theo thiết kế, nhà máy được đầu

tư xây dựng tồn bộ 14 tuabin, 14 máy biến áp đồng bộ cùng các trang thiết bị và dịch vụ kèm theo Sản lượng điện hằng năm của nhà máy hồ vào lưới điện quốc gia đạt khoảng 55 triệu kWh sau khi nhà máy đi vào hoạt động cuối năm 2008

Một dự án đầu tư rất lớn đang cĩ thể trở thành hiện thực ở VN đĩ là xây dựng nhà máy điện giĩ cĩ cơng suất phát điện 120 MW với vốn đầu tư 120 triệu USD (~2000 tỉ đồng) do tập đồn EurOriont đầu tư chính ðể cĩ một hình dung về con số này, hãy so sánh với thủy điện-thủy lợi Rào Quán ở Quảng Trị, vốn đầu tư 2000 tỉ đồng và cơng suất phát điện là 64MW

Vậy, nhìn chung các dự án điện giĩ cĩ suất đầu tư 1000 USD/kW, khả năng thu hồi vốn trong vịng 10 năm, giá thành điện khơng cao 5 UScents/kWh Theo dự báo đến năm 2010, suất đầu tư nguồn điện bằng sức giĩ chỉ cịn khoảng 700-800 USD/kW, giá thành 3,5 – 4,0 UScents/kWh Với quy mơ nhỏ thì đặc biệt hữu ích cho vùng sâu, vùng xa, hải đảo Với quy mơ lớn thì thường được phát triển ở những vùng

trống, khơ cằn ở Nam Trung bộ như Quảng Ngãi, Bình ðịnh, Khánh Hịa…

1.4 Tiềm năng phát triển năng lượng giĩ cơng suất bé tại Việt Nam

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

xa, hải đảo… vẫn chưa cĩ điện Theo quy hoạch phát triển mạng lưới điện thì dự kiến đến năm 2010, vẫn cịn trên 1000 xã (trong tổng số hơn 9000 xã) đại diện cho 500.000 hộ dân với dân số khoảng 3 triệu người vẫn chưa cĩ lưới điện quốc gia [8]

Tĩm lại:

Căn cứ vào tổng quan tình hình năng lượng và xu hướng phát triển của năng lượng giĩ phân tán trên thế giới mà ta đã phân tích ở trên, thì mơ hình máy phát điện cơng suất nhỏ rất phù hợp với điều kiện Việt Nam Sau đây là những lý do vì sao cần

phải phát triển mô hình máy phát ñiện công suất nhỏ tại Việt Nam:

- Có thể giải quyết ñược ngay nhu cầu ñiện chiếu sáng cho một phần ñáng kể trong tổng số 4,5 triệu dân vùng sâu, vùng xa chưa có ñiện, ñặc biệt là các cụm dân cư ñộc lập mà việc hòa lưới sẽ rất tốn kém và lâu dài

- Việt Nam có cả ngàn km bờ biển, tập trung nhiều khu ñô thị, cụm dân cư ven biển có nguồn gió phù hợp với mô hình máy phát ñiện nhỏ (vận tốc gió từ 2m/s - 6m/s) ðối tượng này nếu ñược khai thác tốt sẽ làm giảm áp lực ñáng kể lên lưới ñiện quốc gia

- Các hộ dân trên hàng ngàn ñảo nhỏ ngoài khơi Việt Nam, tàu thuyền ñánh cá nhỏ có thể tự chủ nguồn năng lượng cho chính mình với giá thành thấp hơn việc dùng máy phát diesel như hiện nay

- Chi phí ñầu tư cho máy phát ñiện gió công suất nhỏ sẽ có giá thành rẻ hơn loại dùng tấm pin mặt trời có cùng công suất

- Có thể nhân rộng mô hình và sử dụng các nguồn nhiên liệu tại ñịa phương

- Dễ bảo trì, sửa chữa, thời gian sử dụng lâu hơn loại dùng tấm pin mặt trời

- Các máy phát ñiện gió công suất bé có thể hoạt ñộng ở vận tốc gió thấp so với các máy phát cỡ lớn

- Dễ chế tạo với số lượng nhiều ñể giảm giá thành và bán lại cho người dân với giá hỗ trợ

Như trên ta thấy, với 7 phân ñoạn thị trường máy phát ñiện gió phân tán trên thế giới thì tùy theo quốc gia, tùy theo ñiều kiện mà mỗi nước có những ñặc thù riêng Tuy nhiên, nhìn chung các máy phát ñiện gió công suất bé khoảng từ vài chục Watt ñến vài trăm Watt ñã chiếm ưu thế rõ rệt về số lượng và công nghệ Các nước như Trung Quốc, Ấn ñộ, Srilanca, Mông Cổ,…là những nước Châu Á thành công trong việc phát triển ñiện gió nhỏ

Việt Nam có tiềm năng năng lượng gió khá lớn so với các nước trong khu vực, ñiều này là một thuận lợi lớn Việc ñánh giá ñúng mức chế ñộ gió và phát triển mô hình máy phát ñiện gió công suất nhỏ là hoàn toàn phù hợp với ñiều kiện kinh tế của

Việt Nam hiện nay, phù hợp với xu thế phát triển của thế giới Vấn ñề ñặt ra ở ñây là

ta sẽ chọn mô hình nào ñể phù hợp cho ñiều kiện gió, và ñiều kịện kinh tế của Việt Nam

Chương tiếp theo giúp chúng ta có cái nhìn tổng quan về lịch sử phát triển và các công nghệ ñiện gió hiện nay trên thế giới, từ ñó chọn ra một kiểu dáng phù hợp cho ñiều kiện Việt Nam

CHƯƠNG 2: LỊCH SỬ MÁY PHÁT ðIỆN GIÓ

2.1 Lịch sử phát triển

Hàng nghìn năm nay con người ñã biết khai thác sức gió ñể vận hành các cỗ máy phục vụ cho cuộc sống của mình, từ việc dựa vào sức gió ñể dong buồm ra khơi cho ñến vận hành các máy bơm nước hay xay ngũ cốc Hình ảnh cối xay gió trên những miền quê Phương tây ñã trở nên tiêu biểu qua nhiều thế kỷ

Hình 2.1: Turbine gió ñầu tiên của Charles F.Brush tại Cleveland, Ohio 1888

(Nguồn: Danish Wind Industry Association www.windpower.org )

ðến cuối thế kỷ 19 chiếc máy phát ñiện dùng sức gió ñầu tiên ra ñời, với tên gọi

là turbine-gió ñể phân biệt với cối-xay-gió (cối xay gió biến năng lượng gió thành cơ năng ñể xay ngũ cốc)

Charles F Brush tạo ra chiếc turbine gió có khả năng phát ñiện ñầu tiên trên thế giới tại Cleveland, Ohio năm 1888 (nhà khoa học Mỹ, 1890) [14] Giống như một cối