Nghiên cứu bộ biến đổi ứng dụng trong máy phát điện gió loại máy phát

Tuy nhiên nếu muốn đẩy mạnh nguồn năng lượng này trong tương lai, chúng ta cần phải hoàn chỉnh thêm công nghệ cũng như làm thế nào để đạt được năng suất chuyển động năng của gió thành đi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

HỌ VÀ TÊN: ĐINH THỊ TRUNG HIẾU

ĐỀ TÀI LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU BỘ BIẾN ĐỔI ỨNG DỤNG TRONG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ LOẠI MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ CÓ TRỤC NỐI CỨNG VỚI TURBINE GIÓ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: THIẾT BỊ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

1 TS Nguyễn Thế Công

Hà Nội – 2014

LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Đinh Thị Trung Hiếu

Sinh ngày 02 tháng 03 năm 1982

Học viên lớp cao học Khóa 2011B; Lớp 11BKTĐTBĐ.KH; Ngành Kỹ

thuật điện, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Hiện đang công tác tại Trường Đại học Hải Dương

Xin cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu bộ biến đổi ứng dụng trong máy phát

điện gió loại máy phát đồng bộ có trục nối cứng với tuabine gió” do thầy giáo,

TS Nguyễn Thế Công hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi Tất cả các

tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng

Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong đề cương và yêu cầu của Thầy giáo hướng dẫn Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng khoa học Nhà trường và trước pháp luật

Hà Nội, ngày tháng năm 2014

Tác giải luận văn

Đinh Thị Trung Hiếu

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương, được sự động viên,

giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy giáo hướng dẫn TS Nguyễn Thế Công,

luận văn với đề tài “Nghiên cứu bộ biến đổi ứng dụng trong máy phát điện gió

loại máy phát đồng bộ có trục nối cứng với tuabine gió” đã hoàn thành

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:

Thầy giáo hướng dẫn TS Nguyễn Thế Công đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả

hoàn thành luận văn này

Khoa đào tào Sau đại học; Các thầy giáo, cô giáo Viện điện – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập tại Trường, cũng như quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn

Toàn thể đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân đã quan tâm, động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành bản luận văn

Tác giải luận văn

Đinh Thị Trung Hiếu

MỤC LỤC

1.1 Sơ lược về phát triển năng lượng gió trên thế giới 13

1.1.1 Nhu cầu và hiện trạng phát triển năng lượng gió 13

1.1.3 Lịch sử phát triển của công nghệ điện gió 17 1.2 Tình hình nghiên cứu và khai thác năng lượng gió ở Việt Nam 19

1.2.3 Quá trình phát triển công nghệ năng lượng gió ở Việt Nam 25 1.2.4 Cơ hội và thách thức khi triển khai dự án điện gió 27

Chương 2 – TỔNG QUAN CÁC HỆ PHONG ĐIỆN HIỆN NAY 30

2.1.2 Sự biến đổi năng lượng khí động học thành năng lượng điện 32

2.3 Các công nghệ điện gió hiện nay trên thế giới 40 2.4 Các cấu trúc điển hình máy phát gió đang sử dụng hiện nay 49

2.4.2 Máy phát KĐB roto dây quấn (Nguồn kép – DFIG) 50

2.4.3 Máy phát ĐB nam châm vĩnh cửu (PMSG) 51

Chương 3 – NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾT BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN 53 3.1 Giới thiệu chung về phương pháp điều khiển 53

3.2 Phương pháp điều khiển tựa từ thông FOC (Field Oriented Control ) 54

3.2.1 Thiết kế bộ điều khiển tốc độ và dòng điện 57

3.3 Thuật toán điều khiển không cảm biến tốc độ (Sensorless control) 67

Chương 4 – MÔ PHỎNG KẾT QUẢ BĂNG MATLAB/SIMULINK 79

4.1 Xây dựng sơ đồ khối sử dụng Matlab/Simulink 79

4.1.6 Sơ đồ kết nối điều khiển momen tựa từ thông FOC với máy

phát PMSG

82

4.1.7 Khối máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSG 83

4.1.11 Sơ đồ khối điều khiển tựa từ thông FOC không cảm biến 85

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

7 HAWT Tuabine gió trục ngang

9 DFIG Máy phát không đồng bộ nguồn kép

10 PMSG Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu

11 FOC Thuật toán điều khiển momen tựa từ thông

Bảng 1.4 Bảng tiềm năng năng lượng gió theo độ cao 80m 23 Bảng 1.5 Bảng tiềm năng năng lượng gió theo độ cao 65m 23

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Tổng năng lượng gió toàn cầu giai đoạn 1996 - 2012 14 Hình 1.2 Quá trình phát triển công nghiệ điện gió thương mại ở Mỹ 18 Hình 1.3 Các công nghệ điện gió theo vị trí đặt tua - bin 18 Hình 1.4 Biều đồ cơ cấu công suất nguồn điện đến năm 2020 ở VN 19 Hình 2.1 Hàm phân bố cho Rayleigh với các tốc độ gió khác nhau 31

Hình 2.3 Khí động học chuyển đổi thành năng lượng điện 33

Hình 2.6 Hệ số công suất của các lọa tuabine gió 35

Hình 2.12 Nhà máy điện gió Doesburger, Ede, Hà lan 43

Hình 2.14 Tua-bin Darrieus cao 30 m ở đảo Magdalen (Pháp) 46

Hình 2.15 Tuabine Giromill 47 Hình 2.16 Sơ đồ cấu trúc máy phát không đồng bộ lồng sóc 49 Hình 2.17 Sơ đồ cấu trúc máy phát không đồng bộ roto dây quấn 50 Hình 2.18 Sơ đồ cấu trúc máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu 51 Hình 3.1 Sơ đồ thuật toán điều khiển theo PP tựa từ thông FOC 55 Hình 3.2 Phương pháp điều khiển tựa từ thông có cảm biến 56 Hình 3.3 Cấu trúc mạch vòng điều khiển trục d, q 57 Hình 3.4 Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện trục q 58 Hình 3.5 Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện trục q 59 Hình 3.6 Quỹ đạo nghiệm của bộ điều khiển dòng điện theo trục q 59 Hình 3.7 Đồ thị Bode của bộ điều khiển dòng điện theo trục q 62 Hình 3.8 Kết quả mô phỏng đáp ứng của bộ điều khiển dòng PI 62

Hình 3.10 Cấu trúc mạch vòng điều khiển tốc độ trục q có bộ phản hồi 64

Hình 3.12 Đồ thị bode của bộ điều khiển dòng điện theo trục d 67 Hình 3.13 Sơ đồ thuật toán điều khiển momen tựa từ thông FOC 68 Hình 3.14 Vecto sức điện động cảm ứng (e) trong hệ tọa độ quy chiếu

cố định

69

Hình 3.15 Sơ đồ của phương pháp điều khiển từ thông 71 Hình 3.16 Sơ đồ khối của thuật toán ước lượng vị trí roto 73

Hình 4.8 Khối cân bằng cơ 83

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

- Năng lượng là một trong những nhu cầu thiết yếu của con người và là một yếu tố đầu vào không thể thiếu được của hoạt động kinh tế Ngày nay trữ lượng nhiên liệu hóa thạch như than, dầu, khí đang ngày càng cạn kiệt Trong hoàn cảnh

đó, con người càng quan tâm đến việc tìm kiếm các nguồn năng lượng mới để thay thế nhiên liệu hóa thạch, đáp ứng nhu cầu năng lượng của mình

- Nguồn năng lượng tái tạo (renewable energy) là nguồn năng lượng phát sinh từ các nguồn tài nguyên thiên nhiên như: tia nắng mặt trời, gió, mưa, thủy triều, nhiệt từ lòng đất và vì thế các loại năng lượng này được tái tạo một cách tự nhiên Như vậy năng lượng gió là một trong các nguồn năng lượng tái tạo Trên phạm vi toàn cầu, năng lượng gió là nguồn năng lượng phát triển nhanh nhất và đã phát triển nhanh chóng thành một ngành công nghiệp hoàn thiện và bùng nổ toàn cầu Ngoài ra phát triển năng lượng gió góp phần cải thiện ô nhiễm môi trường Tuy nhiên nếu muốn đẩy mạnh nguồn năng lượng này trong tương lai, chúng ta cần phải hoàn chỉnh thêm công nghệ cũng như làm thế nào để đạt được năng suất chuyển động năng của gió thành điện năng cao, để từ đó có thể hạ giá thành và cạnh tranh được với những nguồn năng lượng khác

- Hiện nay ở Việt Nam có nhiều điều kiện thuận lợi để phát triển năng lượng gió, cùng với sự phát triển của công nghệ sản xuất, lắp đặt rẻ hơn cũng như việc điều khiển các máy phát điện gió được dễ dàng Để chuyển động năng của gió thành điện năng người ta dùng hệ thống máy phát điện kết hợp với turbine gió Trên thế giới hiện nay, hệ thống năng lượng gió đang sử dụng các loại máy phát không đồng

bộ roto lồng sóc hoặc roto dây quấn và máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu có trục nối cứng với turbin Hệ thống máy phát không đồng bộ roto lồng sóc hoặc dây quấn đã được thiết kế và đưa vào sử dụng rộng rãi trên thế giới, tuy nhiên hệ thống này có nhược điểm là kết cấu cồng kềnh, có hộp số, hiệu suất thấp, chi phí bảo trì bảo dưỡng cao Xu hướng mới hiện nay trên thế giới là nghiên cứu hệ thống điện

gió sử dụng máy phát đồng bộ kích từ không chổi than hoặc nam châm vĩnh cửu đang được các nhà nghiên cứu quan tâm, lựa chọn bởi vì hệ thống này khắc phục được một số nhược điểm của hệ máy phát không đồng bộ đó là: hiệu suất cao (do không có dòng điện roto), quan trọng hơn hệ thống máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu không sử dụng hộp số, nên giảm đáng kể trọng lượng và chi phí bảo hành bảo dưỡng Ngoài ra, do có số đôi cực lớn nên phạm vi biến thiên tốc độ rộng, điều chỉnh được công suất phản kháng

Xuất phát từ tình hình thực tế trên và nhằm góp phần thiết thực vào sự phát triển ngành Kỹ thuật điện nói riêng, trong khuôn khổ của khóa học Cao học, chuyên ngành Thiết bị điện tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, được sự tạo điều kiện

giúp đỗ của Nhà trường, Khoa đào tạo Sau đại học, Thầy giáo hướng dẫn TS

Nguyễn Thế Công, tác giả đã lựa chọn đề tài tốt nghiệp của mình là: “Nghiên cứu

bộ biến đổi ứng dụng trong máy phát điện gió loại máy phát đồng bộ có trục nối cứng với turbine gió”

2 Lịch sử nghiên cứu

- Hệ thống năng lượng gió sử dụng máy phát KĐB lồng sóc;

- Hệ thống năng lượng gió sử dụng máy phát KĐB dây quấn;

- Hệ thống năng lượng gió sử dụng máy phát ĐB kích từ không chổi than

3 Mục đích nghiên cứu

Việc nâng cao hiệu suất chuyển động năng của gió thành điện năng để giảm giá thành là vấn đề quan trọng trong suốt quá trình sử dụng nguồn năng lượng sạch trong tương lai Để nâng cao được hiệu suất sử dụng năng lượng gió thì cần phải có

bộ điểu khiển hợp lý Do đó, mục tiêu của đề tài là:

- Nghiên cứu cấu trúc, thuật toán và thiết kế bộ biến đổi khi tốc độ gió hạn chế đảm bảo được chất lượng nguồn

- Mô phỏng hệ khi thay đổi các tham số trong bộ biến đổi để kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu

4 Các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả

- Về mặt lý luận, đề tài đóng góp phương pháp nghiên cứu, phương pháp thiết kế bộ biến đổi trong hệ máy phát đồng bộ có trục nối cứng với turbine gió Từ đó đưa ra kết luận về ưu nhược điểm của hệ thống điện gió nghiên cứu

- Về mặt thực tiễn: Đề tài đưa ra một phương án điều khiển mới, hoàn chỉnh để nâng cao chất lượng điều khiển, dễ dàng trong thiết kế và điều chỉnh hệ thống đồng thời tạo cơ hội cho hướng phát triển mới trong việc sử dụng nguồn năng lượng sạch cho hiện tại và tương lai

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu;

- Phương pháp quan sát;

- Phương pháp thực nghiệm: sử dụng phần mềm mô phỏng phỏng Matlab simulink để tính toàn và mô phỏng bộ biến đổi Đánh giá kết quả và đề xuất hướng phát triển của đề tài

6 Cấu trúc của luận văn

Luận văn bao gồm 3 chương:

Chương 1 giới thiệu tổng quan về năng lượng gió Trong đó tác giả giới thiệu

về việc khai thác năng lượng gió cho hệ phong điện hiện nay trên thế giới nói chung

và ở Việt Nam nói riêng

Tiếp theo chương 2 tác giả giới thiệu về hệ thống phong điện, quá trình chuyển đổi từ phong năng thành điện năng Việc sử dụng các loại máy phát khác nhau cũng được giới thiệu, từ đó dẫn đến cấu trúc của hệ thống, đặc biệt là cấu trúc

hệ máy phát - bộ biến đổi điện (Generator – Converter) cũng thay đổi

Chương 3 của luận văn, tác giả tập trung thiết kế bộ biến đổi điện cho hệ phong điện sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu có trục nối trực tiếp với rotor của turbine gió

Chương 4 là chương cuối cùng của luận văn, chương này trình bày phần mô phỏng sử dụng Matlab Simulink cho hệ thống để đánh giá kết quả đang nghiên cứu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

1.1 Sơ lược về phát triển năng lượng gió trên thế giới [9, 10, 11]

1.1.1 Nhu cầu và hiện trạng phát triển năng lượng gió

Các máy phát điện lợi dụng sức gió (gọi tắt là trạm phong điện) đã được sử dụng nhiều ở các nước châu Âu, châu Mỹ và các nước công nghiệp phát triển khác Nước Đức đang dẫn đầu thế giới về công nghệ phong điện Theo định nghĩa, năng lượng tái tạo (renewable energy) là năng lượng phát sinh từ các nguồn tài nguyên thiên nhiên như: tia nắng mặt trời, gió, mưa, thuỷ triều, nhiệt từ lòng đất và vì thế các loại năng lượng này được tái tạo một cách tự nhiên Như vậy năng lượng gió là một trong các nguồn năng lượng tái tạo Năng lượng gió ban tặng cho hành tinh chúng ta cơ hội giảm khí thải carbon, bầu không khí trong lành và nền văn minh bền vững Năng lượng gió cũng tạo cơ hội cho các nước trên thế giới cơ hội cải thiện an ninh năng lượng và thúc đẩy tăng trưởng kinh tế của mỗi nước

Theo đánh giá của các chuyên gia năng lượng, với mức độ sử dụng hiện nay, các nhiên liệu hoá thạch (như dầu mỏ, khí đốt, than đá, vv…) sẽ cạn kiệt trong vòng

100 năm nữa Trong hoàn cảnh đó, đương nhiên con người quan tâm đến việc tìm kiếm phương án thay thế nhiên liệu hoá thạch, đáp ứng nhu cầu năng lượng của mình Mặt khác, trong nhiều thập niên qua, những lo ngại về nóng ấm và biến đổi khí hậu toàn cầu đã bắt buộc các nhà lập chính sách tìm cách thoát khỏi việc dùng nhiên liệu hoá thạch, nguồn gốc gây nên phát thải khí nhà kính Trong hoàn cảnh này, đòi hỏi phát triển công nghệ khai thác nguồn năng lượng tái tạo Trong các loại năng lượng tái tạo, năng lượng gió thường là lựa chọn hấp dẫn nhất cho phát triển nguồn điện mới nhìn từ góc độ kinh tế, an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường Trên phạm vi toàn cầu, năng lượng gió là nguồn năng lượng phát triển nhanh nhất với tốc độ tăng trưởng trung bình hàng năm xấp xỉ 29% trong vòng mười năm vừa qua Đến năm 2008, công suất lắp đặt điện gió toàn cầu đã vượt quá 121 GW, tức là hơn mười lăm lần công suất điện gió mười năm trước đây, khi đó công suất điện gió toàn cầu chỉ cỡ 7.6 GW Với công suất này hàng năm sẽ sản xuất được 260 tỷ kWh

và cắt giảm được 158 triệu tấn CO2 năng lượng gió đã phát triển nhanh chóng thành một ngành công nghiệp hoàn thiện và bùng nổ toàn cầu Thị trường lắp đặt tuabin gió toàn cầu năm 2008 cỡ $48 tỷ Triển vọng tương lai của công nghiệp điện gió toàn cầu là rất khích lệ và được dự đoán tăng hơn 70% trong vòng vài năm tới

để đạt tới công suất cỡ 190 GW vào năm 2010

Hình 1.1 Tổng năng lượng gió toàn cầu giai đoạn 1996 - 2012

(Nguồn: được dịch từ hội năng lượng gió thế giới) Theo nghiên cứu của Hội đồng năng lượng gió thế giới (Global Wind Energy Coucil), tính đến năm 2011 thị trường năng lượng gió toàn cầu tăng 6% so với năm

2010 và đạt 40,5 GW công suất gió mới đại diện cho 70 tỷ USD đầu tư Ở Bắc Mỹ, thị trường tăng hơn 30% trong năm 2011, các nước lắp đặt 6810 MW trong 32 bang, với tổng số cài đặt công suất gần 47 GW vào cuối năn 2011 và hơn 50 GW vào tháng 6 năm 2012 Canada đã có một năm kỷ lục trong năm 2011, cài đặt 1267

MW Công suất lắp đặt có thể đạt tới 1500 MW vào năm 2012 Canada hiện nay có công suất lắp đặt tổng cộng là 5265 MW Trong năm 2012, điện gió được tạo ra ở Trung Quốc lên tới 100.400.000.000 kWh, khoảng 2% tổng sản lượng điện của nước này vào năm trước, tăng từ 1,5% trong năm 2011 Trung quốc đạt 75,3 GW công suất điện gió vào cuối năm 2012 Trung Quốc hiện nay tiếp tự dẫn đầu thế giới trong công suất lắp đặt năng lượng gió tích lỹ Bảng 1.1 dưới đây cho thấy nhu cầu năng lượng gió của 10 nước đứng đầu trên thế giới

Bảng 1.1a Biểu đồ cơ cấu năng lượng gió toàn cầu năm 2012

Tên nước Tổng công suất lắp đặt

Bảng 1.1b Tổng công suất lắp đặt năng lượng gió toàn cầu năm 2012

1.1.2 Những ưu điểm của phong điện

Ưu điểm dễ thấy nhất của phong điện là không tiêu tốn nhiên liệu, không gây

ô nhiễm môi trường như các nhà máy nhiệt điện, dễ chọn địa điểm và tiết kiệm đất xây dựng; khác hẳn với các nhà máy thủy điện chỉ có thể xây dựng gần nước mạnh với những điều kiện đặc biệt và cần diện tích rất lớn cho hồ chứa nước

Những trạm phong điện có thể đặt gần nơi tiêu thụ điện, như vậy sẽ tránh được được chi phí cho việc xây dựng đường dây tải điện

Trước đây, khi công nghệ phong điện còn rất ít được ứng dụng, việc xây dựng một trạm phong điện rất tốn kém, chi phí cho thiết bị và xây lắp đều rất đắt nên chỉ được áp dụng trong một số trường hợp thật cần thiết Ngày nay, phong điện

đã trở nên rất phổ biến, thiết bị đuợc sản xuất hang loạt, công nghệ lắp ráp đã hoàn thiện nên chi phí cho việc hoàn thành một trạm phong điện hiện nay chỉ bằng ¼ so với năm 1986

Xét theo khía cạnh môi trường thì năng lượng gió là một lựa chọn hoàn hảo Như đã biết, biến đổi khí hậu hiện là sự đe doạ môi trường lớn nhất mà thế giới đang phải đối mặt Trong một báo cáo đánh giá công bố năm 2007, nhóm nghiên cứu liên chính phủ về biến đổi khí hậu (Intergovernmental Panel on Climate Change-IPCC) đã đưa ra một trong những thông điệp chính là „để tránh những tàn phá, thiệt hại tồi tệ nhất của biến đổi khí hậu, phát thải khí hiệu ứng nhà kính toàn cầu phải đạt đỉnh và bắt đầu giảm trước năm 2020‟ Mặc dù khu vực năng lượng (phát điện) không phải là thủ phạm duy nhất gây nên biến đổi khí hậu, song nó là nguồn phát khí thải lớn nhất, chiếm khoảng 40% khí thải CO2 và khoảng 25% của tất cả các loại khí thải Những lựa chọn chủ yếu để giảm khí thải trong khu vực năng lượng từ nay đến 2020 gồm ba giải pháp cơ bản (i) hiệu suất năng lượng cao

và tiết kiệm năng lượng; (ii) chuyển nhiên liệu từ than sang gas và (iii) năng lượng tái tạo mà chủ yếu là năng lượng gió Phát điện gió không phát thải bất kỳ carbon dioxide gây nên biến đổi khí hậu cũng như ô nhiễm không khí Trong một thế giới ngày càng „ràng buộc carbon‟, năng lượng gió là một đầu tư bảo đảm không rủi ro

so với các đầu tư phát thải nhiều carbon Một điều nữa cũng cần nói đến là phát điện

năng lượng gió không gây quan ngại cho nhu cầu sử dụng nước, một tài nguyên quý hiếm đang bị đe doạ cạn kiệt nước trong tương lai

Phong điện đã trở thành một trong những giải pháp năng lượng quan trọng ở nhiều nước và cũng rất phù hợp với điều kiện ở Việt Nam

1.1.3 Lịch sử phát triển của công nghệ điện gió

Năng lượng gió đã được sử dụng từ hàng nghìn năm nay Con người đã dùng năng lượng gió để di chuyển thuyền buồm hay khinh khí cầu, ngoài ra năng lượng gió còn được sử dụng để tạo công cơ học nhờ vào các cối xay gió Năng lượng gió

có thể được khai thác để sử dụng rất nhiều trong cuộc sống hàng ngày nhưng hiện nay việc khai thác thương mại và sử dụng chủ yếu là để phát điện

Lúc đầu nguyên tắc của cối xay gió chỉ chuyển đổi động năng của gió thành năng lượng cơ học Ý tưởng dùng năng lượng gió để sản xuất điện hình thành ngay sau các phát minh ra điện và máy phát điện Đan Mạch là quốc gia đầu tiên trên thế giới xây dựng trạm phát điện bằng sức gió với công suất nhỏ 5-25 KW Khi bộ môn

cơ học dòng chảy tiếp tục phát triển thì các thiết bị xây dựng và hình dáng của các cánh quạt cũng được chế tạo đặc biệt hơn Ngày nay, người ta gọi đó tua-bin gió, khái niệm cối xay gió không còn phù hợp nữa vì chúng không còn có thiết bị nghiền

Công nghệ chế tạo tua-bin gió ngày càng phát triển với thiết kế tối ưu, kiểu dáng đẹp, vật liệu siêu bền và nhẹ Đường kính rotor ngày càng tăng đồng thời với công suất điện tạo thành tăng Hình 1.2 dưới đây mô tả quá trình phát triển công nghệ điện gió thương mại ở Mỹ, có các bước tương đồng với quá trình phát triển điện gió trên thế giới, trong đó bước phát triển đáng chú ý là đưa các cánh đồng quạt gió từ đất liền ra ngoài vùng biển có độ sâu đến hơn 100m để tránh nhược điểm chiếm diện tích đất sinh sống lớn của các cánh đồng quạt gió ở trên bờ, đường kính rotor khoảng 20m vào giữa những năm 1980 thì hiện nay đường kính rotor đã đạt được hơn 100m (lớn hơn so với cánh quạt của máy bay 747)

Những năm 1980

CS: 750KW Rotor: 46 m

CS: 3,6 MW Rotor: 104 m

CS: 1,5 MW Rotor: 77 m

CS: 2,5 MW Rotor: 93 m

Hình 1.2 Quá trình phát triển công nghệ điện gió thương mại ở Mỹ

3 chân, cố định, độ sâu 20-80m

Tua-bin đế nổi, độ sâu 40-900m Công nghệ hiện nay

Hình 1.3 Các công nghệ điện gió theo vị trí đặt tua-bin

1.2 Tình hình nghiên cứu và khai thác năng lƣợng gió ở Việt Nam [1, 3, 4, 5, 6, 7]

1.2.1 Nhu cầu năng lượng của Việt Nam

Xu thế rất rõ nét trong cân bằng năng lượng của Việt Nam là cung ngày càng nhỏ hơn cầu Tốc độ sử dụng năng lượng thương mại của Việt Nam tăng nhanh hơn tốc độ tăng trưởng kinh tế Việt Nam Trong 19 năm từ 1998 đến 2007, sử dụng năng lượng thương mại đã tăng với tốc độ trung bình là 12,1%/năm, trong khi GDP của Việt Nam tăng 7,3%/năm Tổng lượng năng lượng của Việt Nam tăng từ 387 kgoe (kg quy đổi ra dầu) trên 1000$ GDP vào năm 1998 đến 573 kgoe/1000USD năm 2007

Trong khi đó, Việt Nam đứng trong số 15 nước có số dân đông nhất thế giới, nhưng về nguồn năng lượng hóa thạch không tái tạo (dầu, khí, than, uranium), Việt Nam chỉ đứng vào hàng trung bình thấp của thế giới Hiện nay nhiên liệu hóa thạch nội địa ngày càng cạn kiệt, giá dầu thế giới tăng cao và sự phụ thuộc ngày càng nhiều hơn vào giá năng lượng thế giới, khả năng đáp ứng năng lượng đủ cho nhu cầu trong nước ngày càng khó khăn và trở thành một thách thức lớn

Vì vậy, việc phát triển các nguồn NLTT ngày càng có vai trò lớn trong cân bằng năng lượng và có ý nghĩa quan trọng trong vấn đề an ninh năng lượng của Việt Nam

Hình 1.4 Biều đồ cơ cấu công suất nguồn điện đến năm 2020 ở Việt Nam

1.2.2 Tiềm năng năng lượng gió ở Việt Nam

1.2.2.1 Tốc độ gió, cấp gió

Một trong các thông số đặc trưng của gió là tốc độ gió, kí hiệu là V, đơn vị có thể là m/s hay km/h Căn cứ vào tốc độ gió người ta chia thành các cấp và bảng cấp gió được sử dụng phổ biến trên thế giới hiện nay là bảng cấp gió Bô-Pho (Beaufor) với 17 cấp được cho ở bảng 1.2 dười đây

Cấp gió Tốc độ gió Áp suất gió trung

bình (kg/m2) Đặc điểm của gió

bình năm, tốc độ gió cực đại Vmax và tần suất xuất hiện các tốc độ gió gọi tắt là tần suất tốc độ gió

1.2.2.2 Chế độ gió ở Việt Nam

Việt Nam nằm ở khu vực gần xích đạo trong khoảng 8 đến 23 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 gió trung bình ở vùng ven biển từ 4,5 đến 6 (m/s) (ở độ cao 10 đến 12m) Tại các đảo xa tốc độ gió đạt 6 đến 8 (m/s) Như vậy tuy không cao bằng tốc độ gió ở các nước Bắc Âu ở vĩ độ cao nhưng cũng đủ lớn để sử dụng động cơ gió có hiệu quả

Còn ở các vùng đồng bằng tốc độ gió nhỏ hơn 4 (m/s), do đó việc sử dụng động cơ gió khó đem lại hiệu quả Ở các vùng núi tốc độ gió còn thấp hơn trừ một vài vùng núi cao và những nơi có địa thế đặc biệt tạo ra những hành lang hút gió

Một đặc điểm nữa của gió ở Việt Nam là hàng năm có nhiều cơn bão mạnh kèm theo gió giật đổ bộ vào miền Bắc và miền Trung Tốc độ gió cực đại đo được trong các cơn bão tại Việt Nam đạt tới 45 (m/s) (bão cấp 14) Vì vậy khi nghiên cứu chế tạo động cơ gió ở Việt Nam phải chú ý đến chống bão và lốc

Tiềm năng gió của Việt Nam có thể đánh giá thông qua các số liệu về gió của Cục Khí tượng Thuỷ văn được cho trong bảng 1.3

Trong bảng 1.3 vận tốc gió được đo ở độ cao 10 đến 12m Các động cơ gió công suất lớn vài trăm đến 1000 (kW) thường được lắp trên độ cao 50 đến 60m Song các dữ liệu vận tốc gió ở độ cao trên 12m thì ta chưa có Vì vậy để có thể xác định tốc độ gió ở độ cao 50 – 60m thì ta có thể tính theo công thức sau:

1/5

1 1

V là vận tốc gió cần tìm trên độ cao h

V1 là vận tốc gió đo được gần mặt đất trên độ cao h1

Bảng 1.3 Bảng tiềm năng gió ở Việt Nam

(m/s)

Mật độ công suất gió (W/m2 )

Mật độ năng lượng năm

1.2.2.3 Một số dự án nghiên cứu về năng lượng gió ở Việt Nam

Theo báo cáo tổng quan về năng lượng tái tạo của GS.TS Nguyễn Thế Mịch thì tiềm năng năng gió ở Việt Nam là rất lớn

Tiềm năng năng lượng gió theo độ cao 80m, được thể hiện dưới bảng sau:

Bảng 1.4 Bảng tiềm năng năng lượng gió theo độ cao 80m

Tốc độ gió

trung bình

< 4 (m/s)

4 – 5 (m/s)

5 – 6 (m/s)

6 – 7 (m/s)

7 – 8 (m/s)

8 – 9 (m/s)

> 9 (m/s) Diện tích

(Km2) 95.916 70.868 40.473 2.435 222 20 1 Diện tích (%) 45,7 33,8 19,3 1,2 0,1 0,01 0 Tiềm năng

(MW) 956.161 708.678 404.732 24.351 2.202 200 10

Tiềm năng năng lượng gió theo độ cao 65m, được thể hiện dưới bảng sau:

Bảng 1.5 Bảng tiềm năng năng lượng gió theo độ cao 65m

Tốc độ gió

trung bình Thấp

< 6 (m/s)

Trung bình 6-7 (m/s)

Tương đối cao 7-8 (m/s)

Cao

8 – 9 (m/s)

NLG của Đông Nam Á‟(Wind Energy Resource Atlas of South East Asia-WB), gọi tắt là bản đồ gió BĐG-01, bản đồ được phát hành tháng 9/2001 BĐG-01 là tập tài liệu đánh giá tiềm năng tài nguyên gió cho bốn nước Campuchia, Lào, Thái lan và Việt Nam BĐG-01 được thực hiện dựa trên phần mềm mô hình mô phỏng thời tiết

„MesoMap‟ Tại Việt Nam, Atlas đã sử dụng số liệu mặt đất của 9 trạm khí tượng của Viện Khí tượng thủy văn Việt Nam và trạm Phước Hòa – Bình Định của viện Vật lý địa cầu

Ngoài ra, còn có nhiều nghiên cứu tiềm năng năng lượng gió của các nhà khoa học trong nước như các nghiên cứu của TS.Tạ Văn Đa, PGS.TS Trần Việt Liễn, Trần Hữu Quốc

Tại Diễn đàn kinh tế Biển tổ chức ở Hà Tĩnh cuối, TS Nguyễn Bách Phúc - Chủ tịch Hội Tư vấn Khoa học Công nghệ và Quản lý Tp.HCM HASCON, Viện trưởng Viện Điện- Điện tử -Tin học EEI và KS Phạm Cương - Chủ tịch HĐTV kiêm Tổng GĐ Công ty Năng lượng Tái tạo Điện lực Dầu khí đã có bài tham luận

về tiềm năng của năng lượng gió Việt Nam là: “Với chiều dài bờ biển hơn 3000 km, chạy dọc từ Bắc vào Nam, Việt Nam được đánh giá là đất nước có tiềm năng điện gió rất lớn Nếu khai thác hết tiềm năng gió thì tổng công suất điện gió có thể lớn gấp 20 lần tổng công suất điện hiện tại của Việt Nam”

Theo khảo sát của Tập đoàn Điện lực Việt nam (EVN), những vùng có thể tạo

ra nguồn năng lượng điện gió với hiệu quả cao tập trung vào Trung trung bộ (Quảng Bình đến Khánh Hòa), Nam Trung bộ (Ninh Thuận, Bình Thuận) và các tỉnh Nam bộ (Bạc Liêu, Sóc Trăng ) trong đó hai tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận đươc coi là hai tỉnh có tiềm năng lớn nhất, là khu vực đầu tư cho Điện gió khả thi nhất

Theo số liệu bản đồ năng lượng gió được lập, với tốc độ gió từ 6-7m/s ở độ cao từ 60-80 m khu vực hai tỉnh Bình Thuận và Ninh Thuận có thể xây dựng lắp đặt nhiều trang trại gió (Wind farm) với tổng công suất lên đến 9500 MW (gấp gần 4 lần nhà máy thủy điện Sơn La)

Hiện nay Ninh Thuận và Bình Thuận đang kêu gọi nhiều nhà đầu tư tham gia đầu tư các dự án điện gió Hiệp hội Điện gió tỉnh Bình Thuận đã được thành lập hơn

3 năm, hoạt động rất đều đặn, đã góp phần vào công tác tư vấn, môi giới cho các Nhà đầu tư, đã đề nghị Ủy ban Nhân dân Tỉnh Bình Thuận kịp thời tháo gỡ những vướng mắc khó khăn cho những đối tác quan tâm đầu tư xây dựng trang trại Điện gió

1.2.3 Quá trình phát triển công nghệ khai thác năng lượng gió ở Việt Nam

1.2.3.1 Giai đoạn trước năm 2000

Công nghệ điện gió đã được nghiên cứu và tự chế tạo tại Việt Nam hoặc mua của nước ngoài, của các Viện nghiên cứu và trường học hoặc tư nhân với quy mô

công suất nhỏ từ 200W hoặc 300W đến 3KW Các dự án điện gió được tiến hành tại các vùng không có lưới điện quốc gia Tuy nhiên có số lượng ít, tuổi thọ thiết bị

ngắn từ 6 tháng đến 1 năm

1.2.3.2 Giai đoạn sau năm 2000

*) Dự án điện gió tại Hải Hậu (Nam Định)

Tua-bin có công suất 30KW +10KW diesel do tổ chức NEDO Nhật bản trợ giúp thiết bị Dự án mang tính chất nghiên cứu thử nghiệm do trung tâm năng lượng mới của trường Đại học Bách khoa Hà Nội tiếp nhận và lắp đặt tại biển Hải Thịnh - Nam Định Trạm điện này đã hoạt động với các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật tương đối hấp dẫn cho đến khi khu vực xung quanh trạm mọc lên các ngôi nhà ở của dân cao 3-5 tầng che kín mọi hướng gió Hiện nay máy ngừng hoạt động không khai thác được do bị hỏng hóc và không được tu sửa

*) Dự án điện gió 2KW và diesel tại Kontum

Dự án cũng do NEDO tài trợ và do Viện Năng lượng thực hiện Dự án đã

phát huy tác dụng

*) Dự án điện gió 800KW Bạch Long Vĩ

Do Trung ương đoàn Thanh niên cộng sản Hồ Chí Minh làm chủ đầu tư bằng nguồn vốn ngân sách cấp Đơn vị thực hiện tổng đội TNXP Hải Phòng thực hiện

Dự án gồm một tua-bin gió có công suất 800KW, thiết bị tua-bin MADE 800KW của hãng Made endesa Tây Ban Nha 800 KVA; 2 máy phát điện diezel công suất 414KVA/máy và hệ thống mạng lưới, nhà điều hành… với tổng vốn đầu

AE52-tư là 34 tỷ đồng Sau bốn năm xây dựng và lắp đặt, cánh quạt gió bắt đầu quay và

phát điện năm 2004 với công suất từ 50KW đến 400KW Máy chỉ duy trì hoạt động được 1 năm và không liên tục Trạm điện đã ngừng hoạt động từ tháng 6 năm 2006 – Nguyên nhân là do phương án lựa chọn thiết bị không phù hợp Ngay thời gian vận hành đầu tiên có chuyên gia trực tiếp vận hành và xử lý nhưng hệ thống thiết bị

đo điều khiển tự động thường xuyên hư hỏng, phải sửa chữa thay thế Khi hết thời gian bảo hành, chuyên gia về nước, lực lượng vận hành của trạm không đủ trình độ khắc phục Đảo xa đất liền nên không có chuyên gia có trình độ chuyên môn cao để

hỗ trợ Trạm điện gió phải ngừng hoạt động

*) Dự án điện gió Tuy Phong – Bình Thuận – công suất 30MW

Do công ty cổ phần Năng lượng tái tạo Việt Nam làm chủ đầu tư, sử dụng thiết bị của hãng Flurender, đã lắp đặt và đưa vào vận hành 5 tổ máy 7,5 MW hòa với lưới điện quốc gia Đây là dự án có quy mô công nghiệp do 1 công ty đầu tư của Việt Nam đã mạnh dạn thực hiện đã thành công Nhà máy đã hòa với lưới điện quốc gia, nhưng chưa có hợp đồng giá điện chính thức Hiện công ty đang tiếp tục xây lắp 15 tổ máy còn lại đạt công suất 30MW và có thể nâng lên 120MW

*) Dự án điện gió và diesel của đảo Lý Sơn- Quảng Ngãi

Năm 2002 viện Năng lượng lập báo cáo nghiên cứu khả thi dự án cấp điện cho huyện đảo Lý Sơn, dự kiến cấp điện cho đảo lớn gồm 6 tổ máy điện gió 250KW và 2 máy phát diesel 1000KVA Còn đảo nhỏ thì sử dụng nguồn pin mặt trời cộng với ắc quy và diesel nhỏ Dự án đã được EVN thẩm định và yêu cầu Viện Năng lượng khảo sát và bổ sung vận tốc gió sau đó hoàn thiện báo cáo khả thi để xét duyệt chính thức Nhưng đến năm 2009, tập đoàn than khoáng sản Việt Nam đã được bộ Công thương và chính phủ cho phép khởi công dự án nhiệt điện than 6MW với tổng mức đầu tư 237

tỷ VNĐ

*) Có 17 dự án đã đo gió hoặc đang lập báo cáo đầu tư, dự án đầu tư

Một số dự án đã có giấy phép đầu tư tổng công suất đạt 1.308MW Các dự

án này chủ yếu chờ cơ chế giá điện

- Dự án điện gió Phương Mai I: gặp rất nhiều khó khăn trong việc đàm phán bán giá điện Năm 2004: Dự kiến đầu tư với công suất 15MW, đã đề nghị Tập đoàn

điện lực và chính phủ cho bán giá điện 5cent USD/KWh đã không được chấp nhận

Từ 2005-2007: Dự kiến đầu tư với công suất 50MW, đã liên doanh với Cộng hòa Liên bang Đức tính toán và lập xong dự án với yêu cầu giá điện được bán 5,5 cent EUR tương đương 6,7cent USD/KWh Giá điện không được chấp nhận, phía Đức không vay được tiền của Ngân hàng Phát triển Liên bang Đức Dự án phải ngừng thực hiện

Phương Mai I-30MW: tháng 11 năm 2009 đã được UBND tỉnh Bình Định cấp giấy phép đầu tư, hiện đang tiến hành xét thầu mua thiết bị tua-bin không hộp

số loại AV 928 của hãng AVANTIS trụ sở tại Hồng Kông và EWT 2,0MW của Hà Lan, và hãng XEMC loại tua-bin Z8 2,2MW của Trung Quốc và triển khai dự án Với khung giá được chính phủ xét duyệt dự án có thể thực hiện được với hiệu quả kinh tế cao

- Và một số dự án khác như: Công ty Đầu tư & Phát triển năng lượng sạch châu Á (AGECO- tp SG) với hai dự án trạm điện gió Tiến Thành và Phước Thể ở Bình Thuận với công suất lắp đặt lần lượt là 51 và 30 MW; Công ty cổ phần NLG Trung ương (CWP - Central Wind Power Joint Stock Company) với dự án Phương Mai 3 công suất 21 MW; Công ty cổ phần Năng lượng Sài Gòn- Bình Định với dự

án 27 MW khu kinh tế Nhơn Hội…vv Tuy nhiên họ vẫn gặp nhiều khó khăn do không có chính sách ưu đãi, trước hết là giá ưu đãi (feed in tariff) như đã nói trên

1.2.4 Cơ hội và thách thức khi triển khai dự án điện gió

1.2.4.1 Cơ hội

 Chính phủ đã nhận thức được về vấn đề biến đổi khí hậu, đã yêu cầu các Bộ nghành, các ủy ban nhân dân thành phố đã có chương trình và hành động để phát triển mạnh nguồn năng lượng điện gió

 Nếu không có trợ giá của chính phủ cũng như các chính sách hỗ trợ, ưu tiên, chắc chắn các dự án NLG này không thể đi vào hoạt động và cạnh tranh với các hình thức sản xuất điện truyền thống Mới đây, theo thoả thuận ký kết giữa Bộ Công Thương và Tổ chức Hợp tác Kỹ thuật Đức (GTZ) tại Hà Nội, GTZ sẽ hỗ trợ 1 triệu Euro cho Việt Nam thực hiện dự án “Xây dựng khung pháp lý và hỗ

trợ kỹ thuật cho điện gió nối lưới tại Việt Nam” trong giai đoạn 2009-2011 Dự

án sẽ giúp triển khai một số chương trình như xây dựng khung pháp lý cho điện gió nối lưới và quy trình quy hoạch điện gió, chương trình thúc đẩy tiến bộ khoa học về điện gió và tư vấn các dự án điện gió tại Việt Nam

 Dự án Đánh giá tiềm năng gió tại một số địa điểm tại Việt Nam của Bộ Công thương do WB tài trợ đã lựa chọn 3 địa điểm đo gió (Phan Rang, Phan Thiết và Pleiku) Căn cứ vào kết quả đo gió đã tính toán giá thành điện gió cho 3 dự án và

đã trình khung giá điện gió hòa lưới điện quốc gia giá điện từ 6,37 đến 15,5 cent USD/KWh để Bộ Công Thương xem xét và trình Chính phủ phê duyệt Đây là cơ hội rất quan trọng nó giúp giải quyết những khó khăn mà các dự án điện gió mà thời gian qua gặp phải Đây là cở sở quan trọng để bộ Công Thương và Chính phủ xem xét duyệt khung giá điện gió và cho các nhà tư vấn, nhà đầu tư tham khảo trong quá trình xây dựng dự án điện gió

 Mục tiêu của Chính phủ là ưu tiên phát triển nguồn năng lượng tái tạo, phấn đấu tăng tỷ lệ sản lượng điện từ nguồn năng lượng tái tạo đạt 4,5% (năm 2020)

và 6% năm 2030, đồng thời thực hiện lộ trình hình thành thị trường điện cạnh tranh, tháo gỡ một phần khó khăn cho các nhà đầu tư năng lượng sạch

 Thủ Tướng chính phủ đã ban hành quyết định số 37/2011/QĐ-TTg ngày 29/6/2011 quy định cơ chế hỗ trợ phát triển điện gió tại Việt Nam, và quyết định

số 1208/2011/QĐ-TTg phê duyệt qui hoạch phát triển Điện lực Quốc gia giai đoạn 2011-2020 có tính đến năm 2030 Các quyết định này đã xác định cụ thể hơn về qui hoạch, về chế độ ưu đãi tạo điều kiện thuận lợi cho các Nhà đầu tư như: Ưu đãi về tín dụng đầu tư, miễn thuế nhập khẩu thiết bị, giảm thuế thu nhập doanh nghiệp, giảm tiền thuê đất, vv

 Tiềm năng gió của Việt Nam đã được xác định tương đối rõ được nhiều tổ chức trong nước và nước ngoài quan tâm và có kế hoạch đầu tư

 Năm tổ máy 1,5 MW của nhà máy điện Tuy Phong đã hòa lưới điện quốc gia

và vận hành tốt, 25 tổ máy đang được tiếp tục xây lắp Sự thành công của nhà máy này tạo niềm tin cho các nhà đầu tư khác tích cực triển khai các dự án điện gió

1.2.4.2 Thách thức

 Giá điện của Việt Nam chưa theo đúng cơ chế thị trường và phù hợp với thực

tế, Điện gió khó cạnh tranh được với nguồn truyền thống các nhà đầu tư không tham gia đầu tư Thách thức này sẽ được khắc phục khi giá than và giá điện tiến tới giá cả của thị trường Hơn nữa khi có khung giá điện gió thì đây không còn là thách thức nữa

 Điện gió còn mới đối với Việt Nam hơn nữa còn thiếu các nhà tư vấn và hệ thống quản lý Để khắc phục thách thức này cần đúc rút kinh nghiệm các bài học thành công và thất bại của 10 năm phát triển của điện gió vừa qua, đồng thời cần tổ chức đào tạo tiếp thu kiến thức và kinh nghiệm của nước ngoài một cách kịp thời

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Khi nguồn tài nguyên hóa thạch ngày càng cạn kiệt, thế giới đã có xu hướng phát triển nguồn năng lượng tái tạo, trong đó có năng lượng gió để thay thế các nguồn năng lượng truyền thống, và đã có những bước phát triển mạnh mẽ cà về thiết bị và công nghệ biến đổi năng lượng gió thành điện năng

Ưu điểm dễ thấy nhất của năng lượng gió là không tiêu tốn nhiên liệu, tận dụng được nguồn năng lượng vô tận này sẽ cải thiện được môi trường sống vì năng lượng gió là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm, không làm thay đổi môi trường và sinh thái, không có nguy cơ gây ảnh hưởng lâu dài đến cuộc sống của con người, dễ chọn địa điểm và tiết kiệm đất để xây dựng

Đất nước ta để phát triển được năng lượng gió vì những lợi ích mà nguồn năng lượng gió mang lại, chúng ta cần phải có chiến lược lâu dài, chính sách hợp lý

để khuyến khích và thu hút các nhà đầu tư trong và ngoài nước nhằm phát triển ngành công nghiệp điện gió trong tương lai

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN CÁC HỆ PHONG ĐIỆN HIỆN NAY

2.1 Đặc điểm của gió và biến đổi năng lượng [1, 2, 11]

Sử dụng năng lượng gió hiệu quả là một nhiệm vụ khó khăn Như với tất cả các nguồn năng lượng, vấn đề về hiệu suất hoạt động của thiết bị luôn được đưa ra

và cần giải quyết tối ưu Tuy nhiên, trước khi giải quyết các khía cạnh kỹ thuật của nghiên cứu , chúng ta sẽ tóm tắt một số các đặc tính của tài nguyên gió

2.1.1 Đặc điểm của gió

Gió trên Trái đất hình thành do sự chênh lệch áp suất trên bề mặt Trái đất tạo

ra bởi sự nóng lên không đều của trái đất nhờ bức xạ nhiệt mặt trời Ví dụ, một lượng bức xạ nhiệt được hấp thụ ở xích đạo lớn ở hai cực Sự biến đổi trong năng lượng hấp thụ tạo nên những dòng đối lưu tại tầng thấp hơn của khí quyển (tầng đối lưu) Vì vậy, trong một mô hình luồng đơn giản, không khí nâng lên tại xích đạo và

hạ thấp dần ở hai cực Sự lưu thông của không khí do sự nóng lên không đều bị ảnh hưởng rất lớn của sự tự quanh trục của Trái đất (với tốc độ khoảng 600 km/h tại xích đạo, giảm dần đến 0 ở hai cực) Bên cạnh đó, năng lượng mặt trời thay đổi theo mùa cũng tạo nên sự đa dạng của gió

Gió là nguồn năng lượng thay đổi và các giá trị dữ liệu của các đại lượng đo

từ gió thường là rất lớn Vì vậy các phương pháp thống kê được sử dụng để mô tả gió Các phương pháp thống kê được sử dụng để dự đoán tiềm năng năng lượng tại một vùng nơi mà chúng ta cần phải biết các thống kê phân bố gió Hai phương pháp thống kê phân bố gió là phân bố Rayleigh và phân bố Weibull Phân bố Rayleigh dựa trên tốc độ gió trung bình trong khi đó phân phối Weibull có thể được suy ra từ tốc độ gió trung bình và độ lệch chuẩn và do đó nó chính xác hơn, tuy nhiên cần phải biết thêm một số thông tin về vùng đó Phân bố Rayleigh đơn giản hơn phân bố Weibull bởi nó có sai số tiêu chuẩn là 0,523 lần tốc độ gió trung bình Vì vậy phân

bố Rayleigh được sử dụng trong các mô phỏng bởi nó đơn giản hơn

Xác suất phân bố p(v) cho một Rayleigh được xác định:

 

2

4 2 2

v v

Một đặc điểm quan trọng nữa của gió là sự nhiễu loạn Sự nhiễu loạn của gió gây ra bởi sự hao mòn năng lượng từ động năng của gió thành nhiệt năng qua sự tạo

ra và biến mất không ngừng của những cơn gió xoáy nhỏ hơn (hay những cơn gió mạnh) Gió nhiễu loạn có thể có tốc độ trung bình không đổi trong khoảng 1 giờ hoặc hơn nhưng trong những khoảng thời gian ngắn hơn (phút hoặc ít hơn) nó có thể khá biến động Sự biến thiên của gió có vẻ như khá ngẫu nhiên nhưng thực tế nó

có những đặc trưng không rõ ràng Những đặc trưng này được diễn tả bằng một số đặc tính được thống kê như cường độ nhiễu loạn, hàm mật độ xác suất tốc độ gió,

Hình 2.1 Hàm xác suất phân bố cho Rayleigh với các tốc độ gió trung bình khác nhau

sự tự tương quan…Thống kê cơ bản nhất của sự nhiễu loạn là cường độ nhiệu loạn,

nó được đo bằng tỷ số giữa độ lệch chuẩn của tốc độ gió với tốc độ trung bình Cường độ nhiễu loạn thường trong khoảng 0,1 đến 0,4 Thông thường cường độ nhiễu loạn lớn nhất xảy ra ở những tốc độ gió thấp nhất, nhưng giá trị giới hạn thấp nhất tại một địa điểm cho trước sẽ phụ thuộc vào những đặc điểm địa hình và điều kiện bề mặt tại chỗ Hình 2.2

minh họa biểu đồ của một phần dữ liệu gió tại tần số 8 Hz Tốc độ trung bình trong

dữ liệu là 10,4 m/s và độ lệch chuẩn là 1,63 m/s Vì vậy cường độ nhiễu loạn trong khoảng thời gian 10 phút là 0,16 Dữ liệu gió này gần với chuỗi gió thực tế

2.1.2 Sự biến đổi năng lượng khí động học thành năng lượng điện

Dòng không khí chuyển động giống như bất kỳ một vật thể chuyển động nào khác đều có một động năng Một trong các dạng sử dụng động năng là biến

nó thành cơ năng Động năng của vật thể bất kỳ kể cả năng lượng gió được xác định bằng biểu thức:

2 (J) 2

Thể tích không khí chuyển động với vận tốc gió V v qua tiết diện S trong t

Năng lượng gió tỷ lệ bậc ba với vận tốc gió và tỉ lệ bậc nhất với tiết diện S

Hình 2.3 Khí động học chuyển đổi thành năng lượng điện

Tuabin gió chỉ biến đổi một phần năng lượng gió này thành cơ năng Vì vậy

ta cần xem xét tiếp những vấn đề sau đây

*) Tỷ số tốc độ đầu cánh (tip – speed ratio)

Tỷ số tốc độ đầu cánh là một hệ số cụ thể của tuabin gió, nó được định nghĩa bằng tỉ lệ của tốc độ đầu cánh của tuabin gió R v với tốc độ hiện tại của gió V v:

v v

R V

Trong đó  là tốc độ quay của tuabin, R v là bán kính tuabin

*) Hệ số công suất

Như đã nói ở trên, tuabin không thể hấp thu hoàn toàn năng lượng của khối

không khí (P) truyền đến Như vậy có một hệ số công suất:

3 2

1

v

gió gió

p

SV

P P

P C





Trong đó:

P gió là công suất hấp thu của tuabin (W)

S là diện tích quét bề mặt của tuabin gió (m2)

 là mật độ khối lượng không khí (kg.m-3), phụ thuộc vào chiều cao đặt tuabin gió

Vì vậy, năng lượng gió được phân tích thành công thức sau:

Tốc độ gió

Hình 2.4 Tốc độ gió V v và tốc độ đầu cánh R v

Tốc độ đầu cánh

1

v p

Hệ số công suất khác nhau cho từng loại tuabin gió

2.2 Khí động lực học của tuabin gió [2, 3, 11]

2.2.1 Động lực học cánh gió tuabin

Cánh gió là một bộ phận không thể thiếu trong một tuabin gió cho dù đó là tuabin trục đứng hay trục ngang Nó có nhiệm vụ chuyển năng lượng của gió thành động năng của tuabin thông qua động lực học của gió tác dụng lên cánh tuabin Để hiểu được sự hoạt động của cánh và quan trọng hơn là cơ chế biến đổi năng lượng của tuabin gió ta cần phải có những kiến thức cơ bản về khí động lực học cánh gió

Hình 2.6 Hệ số công suất của các loại tuabin gió

Nếu ta giả thiết các cánh đứng yên và không khí chuyển động với cùng một tốc độ, nhưng ở hướng ngược lại, các lực tác dụng vào cánh không thay đổi giá trị Khi đó lực tác dụng chỉ phụ thuộc vào tốc độ tương đối và góc tới tác dụng Vì vậy,

để dễ dàng cho việc giải thích, chúng ta hãy xét trường hợp cánh cố định, không khí

chuyển động với tốc độ vô hạn V

Áp lực của không khí lên bề mặt ngoài của cánh không là đều nhau: Ở bề mặt trên thì áp lực giảm còn ở bề mặt dưới thì áp lực tăng lên Để biểu diễn sự thay đổi của áp lực, trên đường vuông góc với biên dạng của bề mặt cánh, ta lấy một

đoạn có chiều dài bằng K p:

0 2 1 2

p

p p K

V





Trong đó p là áp lực tĩnh trên đường vuông góc với mặt cánh, và , p0, V là

các điều kiện vô cực

Kết hợp các giá trị khác nhau của K p ta có đường cong biểu diễn K p như trên

hình 2.7, K p nhận giá trị âm với các điểm ở phía mặt trên và nhận giá trị dương ở mặt dưới

Hợp lực của các thành phần lực khác nhau tác dụng lên cánh dưới tác dụng

của vận tốc gió V là F, nó thường nghiêng so với hướng của tốc độ tương đối, và

được cho bởi biểu thức:

2 1

2 r

Hình 2.7 Đường cong biểu diễn K p

Trong đó:  là tỷ khối của không khí

S là diện tích tác dụng, nó bằng tích của dây cung AB với chiều dài của cánh

Cr là tổng hệ số khí động lực học

V là tốc độ gió

Lực này có thể được chia thành hai phần:

- Một thành phần song song với vector V: Lực cản F d

- Một thành phần vuông góc vector V: lực nâng F1, F d và F 1 được cho bởi các biểu thức:

Nếu ta phân tích F thành hai thành phần F t trên phương dây cung AB và F n

trên phương vuông góc với AB ta được:

1

1

cos sin 2

F  SV C i C i

cos sin 2

Nếu gọi M là momen động lực học tương đối của F tác động lên mép trước của cánh Chúng ta có thể xác định hệ số momen Cm thông qua biểu thức:

2 1

2 m

Với l là chiều dài dây cung cánh gió

Từ đó ta thấy động lực học của cánh gió được đặc trưng bởi lực cản, lực nâng cánh và mômen động lực học

2.2.2 Động lực học của rotor

Các máy chạy bằng sức gió cổ xưa và các tuabin gió hiện đại ngày nay đều

có các cánh được gắn trên một trục và cấu tạo nên rotor Trước khi nghiên cứu về động lực học của rotor tuabin gió, chúng ta hãy đưa ra một số định nghĩa như sau:

- Trục rotor: là trục quay của rotor,

- Mặt phẳng quay: là mặt phẳng vuông góc với trục quay của rotor,

- Đường kính rotor: là đường kính của vùng quét bởi trục rotor,

- Trục cánh: là trục dọc cánh mà nó có thể tạo nên độ nghiêng của cánh so với mặt phẳng quay,

- Phần cánh trong bán kính r: là phần giao của cánh với một hình trụ có bán kính r có trục là trục của rotor,

- Góc nghiêng của cánh: là góc độ α giữa các dây cung của cánh tại r và bán kính của mặt phẳng quay

Ta xét một phần của chiều dài dr, dây cung l và góc độ α ở bán kính r của một cánh rotor

Phần này sẽ có tốc độ trong mặt phẳng quay bằng U = 2πrN

Nếu ta gọi V tốc độ gió dọc trục qua rotor, và vận tốc của dòng không khí so với cánh là W như hình 2.9:

Do đó, bộ phận cánh lệ thuộc vào sự tác động của dòng không khí ở tốc độ tương đối W Bộ phận cánh sẽ chịu tác dụng của lực động học dR Lực dR này được phân tích thành hai thành phần là lực nâng dRl và lực cản dRd tương ướng theo phương vuông góc và song song tốc độ tương đối W và phù hợp với góc tới i

Đánh giá sự đóng góp của lực động học dR vào lực dọc trục tác dụng bởi gió trên rotor và tác dụng vào mômen trên trục của rotor

Xác định giá trị dF và dM Với dF là hình chiếu của dR trên trục rotor và dM

là hình chiếu của mômen tương đối tác động lên trục rotor trên mặt phẳng quay

2.3 Các công nghệ điện gió hiện nay trên thế giới [2, 11]

Hiện nay, công nghệ điện gió rất phát triển, ngoài các dự án điện gió trên bờ người ta đã đưa điện gió ra ngoài khơi xa

Dù là điện gió trên bờ hay ngoài khơi, công nghệ điện gió hiện nay có thể chia thành 2 nhóm chính là tua-bin gió trục ngang và tua-bin gió trục thẳng đứng

a) Tua-bin gió trục ngang (HAWT- Horizontal Axis Wind Turbine)

*) Cấu tạo chung (Hình 2.10 và hình 2.11)

Tua-bin trục ngang truyền thống bao gồm các phần:

- Trục rotor chính: Rotor là bộ phận chiếm 20% chi phí của tua-bin gió, bao gồm các cánh quạt để chuyển năng lượng gió thành chuyển động quay tròn với vận tốc thấp hơn

- Bộ phận phát điện, thường chiếm 34% chi phí tua-bin, bao gồm máy phát điện, bộ điều khiển điện (control electronics) và bộ phận hộp số để chuyển chuyển động quay tốc độ nhỏ đầu vào thành chuyển động quay tốc độ cao đủ để phát điện

- Thành phần xây dựng hỗ trợ (structural support component), chiếm 15% chi phí lắp tua-bin, bao gồm tháp, bộ phận truyền chuyển động (yaw mechanism)

Các bin nhỏ được định hướng bằng van gió đơn giản, trong khi đó bin lớn thường sử dụng các cảm biến gió (wind sensor) đi kèm với các motor phụ