huyện Vân Đồn
Huyện đảo Cô Tô là một trong những huyện đảo lớn nhất của Việt Nam, nằm ở phía Đông Bắc tỉnh Quảng Ninh, cách thành phố Hạ Long 110 hải lý về phía Đông, cách huyện Vân Đồn 50 hải lý. Do đó, nghiên cứu tìm ra các giải pháp công nghệ hợp lý để điện khí hoá huyện đảo trên cơ sở khai thác tài nguyên năng lượng thiên nhiên là một nhiệm vụ khoa học công nghệ cấp thiết và có ý nghĩa chính trị xã hội rất to lớn.
Để có những số liệu chính xác về chế độ gió, trong khuôn khổ nghiên cứu của mình, các nhà khoa học Viện Khoa học Năng lượng đã xây dựng một hệ thống đo trực tiếp gồm các thiết bị đo hiện đại có độ chính xác cao, có khả năng làm việc bền vững, tin cậy trong mọi điều kiện thời tiết tại khu vực hải đảo. Thông qua hệ thống, số liệu về chế độ gió được đo liên tục với khoảng đo 10 phút, điều này phù hợp với yêu cầu công nghệ điện gió hiện đại và các phần mềm tính toán phổ biến hiện nay trên thế giới.
Số liệu về gió được tiến hành đo tại hai vị trí trên đảo Cô Tô, đó là trạm đo trên đồi truyền hình cạnh trạm khí tượng thuỷ văn (vị trí 1) và trạm đo tại bưu điện ở trung tâm huyện (vị trí 2). Các thiết bị đo được lắp đặt tại vị trí 1 bao gồm 4 thiết bị đo tốc độ gió ở các độ cao 10m, 25m, 35m, và 45m, 2 thiết bị đo hướng gió ở độ cao 10m và 45m. Thiết bị được lắp đặt tại vị trí 2 bao gồm thiết bị đo tốc độ gió và hướng gió ở độ cao 25m. Các dữ liệu được cập nhật và truyền về trung tâm máy tính tại Viện Khoa học Năng lượng thông qua đường truyền Internet.
Căn cứ vào số liệu đo trực tiếp bức xạ mặt trời và chế độ gió trong một năm của Viện Khoa học Năng lượng và các dữ liệu trong nhiều năm tại trạm khí tượng thuỷ văn Cô Tô, cũng như dữ liệu của các khu vực phụ cận, các nhà khoa học đã tiến hành tính toán xác định các thông số đặc trưng để đánh giá về tiềm năng và khả năng khai thác năng lượng gió cho huyện đảo Cô Tô.
HV: Nguyễn Xuân Khánh 50
Căn cứ vào dữ liệu nhiều năm (25 năm) về chế độ gió của trạm khí tượng thủy văn Cô Tô và kết quả đo gió trực tiếp trong 1 năm của Viện Khoa học Năng lượng cho thấy chế độ gió tại Cô Tô có những đặc điểm sau:
Ở huyện đảo Cô Tô có hai mùa gió trong năm, mùa gió Đông Bắc vào thời kỳ lạnh và mùa gió Đông Nam vào thời kỳ nóng. Các hoàn lưu gió mùa này kết hợp với điều kiện địa hình phức tạp nơi đây tạo nên chế độ gió rất đặc trưng với hai hướng gió chính là gió Đông Bắc và gió Nam. Gió chiếm ưu thế hơn cả về tần suất lẫn tốc độ là gió Đông Bắc, bên cạnh đó gió Đông cũng có một vai trò đáng kể. Tại Cô Tô, những khu vực có địa hình thuận lợi cho gió Đông và Đông Bắc xâm nhập sẽ là nơi có tiềm năng năng lượng gió rất khả quan như các đỉnh cao không bị các dãy núi khác che chắn, sườn núi cao đón gió Đông Bắc và Đông, các vùng thấp giữa các vệt núi chạy song song với hướng Đông Bắc - Tây Nam, các khe núi hoặc đèo chạy dọc theo hướng Đông Bắc - Tây Nam hoặc Đông - Tây.
Dựa vào cơ sở dữ liệu đo gió tại Cô Tô, các nhà khoa học đã tiến hành tính toán xác định các đại lượng đặc trưng về chế độ gió, tiềm năng năng lượng gió tại các độ cao 10m, 35m, 50m, 80m. Kết quả tính toán cho thấy càng lên cao năng lượng gió tại Cô Tô càng lớn và khả năng khai thác càng hiệu quả. Nếu như ở độ cao 10m mật độ năng lượng trung bình và tổng năng lượng trung bình năm mới chỉ đạt 55,6W/m2
và 489,1kWh/m2 thì các con số này đã tăng lên khoảng 7 lần là 383,1W/m2 và 3371,5kWh/m2 ở độ cao 80m.
Theo tiêu chuẩn đánh giá của Hiệp hội Năng lượng gió Thế giới, tại độ cao 25m thích hợp sử dụng điện gió công suất nhỏ.Từ độ cao 50m đến 80m có khả năng sử dụng máy phát điện sức gió công suất vừa và lớn. Mức độ khai thác hiệu quả nguồn năng lượng này phụ thuộc vào công nghệ điện gió. Công nghệ càng hiện đại, hiệu suất biến đổi càng cao thì hiệu quả khai thác nguồn năng lượng gió càng lớn. Do đó, các nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu, phân tích đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật các loại máy điện gió hiện đại với các thang công suất khác nhau và lựa chọn loại máy phù hợp với từng độ cao và điều kiện cụ thể của huyện đảo Cô Tô. Các loại máy điện gió công suất nhỏ 10 kW đến các máy điện gió công suất lớn 1,5 MW
HV: Nguyễn Xuân Khánh 51
có thể sử dụng có hiệu quả ở Cô Tô. Tại các vị trí trên vùng núi cao và các vùng biển gần bờ, thuận lợi nhất là vùng Đông và Đông Bắc của huyện đảo đã mở ra khả năng xây dựng các nhà máy điện gió công suất lớn, đáp ứng nhu cầu năng lượng của Cô Tô và còn có thể bổ sung nguồn năng lượng điện cho hệ thống điện lưới quốc (hiện Cô Tô đã có điện lưới Quốc Gia kéo đến).
Hình 7: Hai vị trí đo gió trên đảo Cô Tô 2.4. Đánh giá môi trường chiến lược trong hoạt động điện gió
Theo luật bảo vệ môi trường12 Quy hoạch điện gió không phải lập báo cáo đánh giá môi trường chiến lược. Tuy nhiên, ở đây đề xuất lập báo cáo này cho đề án bởi:
(i) chưa có quy hoạch điện gió cấp tỉnh, cấp quốc gia, tức là chưa có báo cáo đánh giá môi trường được tiến hành;
(ii) điện gió cũng có các tác động tiêu cực vào trong thực tế, các quốc gia đã khai thác điện gió cũng có yêu cầu phai lập báo cáo này;
(iii) quy hoạch điện gió cấp quốc gia là bức tranh tổng thể của các quy hoạch cấp tỉnh, do vậy cần đảm bảo quy hoạch cấp tỉnh là phù hợp. Luật Bảo vệ Môi trường quy định báo cáo đánh giá môi trường chiến lược phải được lập riêng. Thông tư số 08/2006/TT-BTNMT ngày 08/09/2006 của Bộ Tài nguyên và Môi trường
HV: Nguyễn Xuân Khánh 52
cung cấp hướng dẫn chi tiết về cấu trúc và những yêu cầu về nội dung về đánh giá môi trường chiến lược trong hoạt động điện gió.
Các tác động tiêu cực có thể của điện gió trong giai đoạn vận hàng bao gồm: - Tác động tới con người và động vật do tiếng ồn, bóng râm, và do ảnh hưởng tới sóng vô tuyến .
- Tác động tới chim di trú, và dơi do có thể bị va chạm.
- Ảnh hưởng về cảnh quan do thay đổi cảnh quan và sử dụng đất
Trong thực tế, các tác động ảnh hưởng về môi trường đã được xem xét trong quá trình lựa chọn khu vực phù hợp phát triển điện gió thông qua đề xuất vùng đệm và vùng loại trừ.
2.5. Giải pháp công nghệ và xây dựng nhà máy điện gió
2.5.1. Tổng quan phần thiết bị của nhà máy điện gió
2.5.1.1. Rotor
* Khái quát chung:
Hiện nay rotor 3 cánh quạt đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới do các yếu tố sau:
Hiệu suất: hiệu suất cao hơn các loại khác đối với vận tốc gió từ 3,5 m/s trở lên. Về lý thuyết thì hiệu suất càng tăng lên cùng với số cánh quạt. Nếu như tăng số cánh quạt từ 2 lên 3 thì hiệu suất sẽ tăng lên vào khoảng 3% đến 4%. Tuy nhiên, nếu tăng số cánh quạt lên 4 thì hiệu suất chỉ tăng thêm từ 1% đến 2%.
Chi phí cho cánh quạt cũng là một trong những yếu tố chi phí quyết định liên quan đến chi phí đầu tư cũng như chi phí vận hành. Đối với loại tua-bin có 3 cánh quạt thì chi phí đầu tư cho cánh quạt chiếm 20÷30% chi phí toàn bộ thiết bị. Vì vậy, các loại tua-bin với 3 cánh quạt là một sự kết hợp tối ưu giữa hiệu suất tác động và chi phí.
Đối với các đặc tính cũng như động học của các loại tua-bin có 3 cánh quạt thì các thiết bị này có một sự phân bố đồng đều hơn về trọng lực cũng như khí động học trên toàn chu vi rotor.
HV: Nguyễn Xuân Khánh 53
* Cánh quạt:
Cánh quạt của một tua-bin có công suất từ 1,5 đến 2,5MW thường có chiều dài từ 37m đến 45m. Các cánh quạt này ở mỗi vòng quay sẽ chịu tải trọng rất khác nhau phụ thuộc vào vận tốc gió. Đối với một tua-bin có chiều cao trục quay là 125m, đường kính rotor cỡ 90m thì vận tốc gió ở các đỉnh cánh quạt phía trên có thể đạt tới 7,6 đến 7,8m/s và vận tốc gió ở các đỉnh cánh quạt phía dưới có thể đạt tới 5,4 đến 5,6m/s; cánh quạt được làm từ nhựa kết hợp với sợi thủy tinh hoặc sợi cacbon, chịu lực tốt.
* Giới hạn về mặt công suất/ Điều khiển cánh quạt
Đối với mọi tua-bin gió, cần có giới hạn về công suất để tránh các thiết bị quá tải.
Đối với các rotor có cánh quạt điều khiển theo kiểu góc nhỏ (Pitch) thì vị trí các cánh quạt có thể được điều khiển nhờ vào một động cơ ở trục quay. Bộ điều khiển điện tử sẽ đo thường xuyên công suất đầu ra của các thiết bị ở một tải trọng danh nghĩa. Nếu như giá trị đo quá cao hoặc quá thấp thì các cánh quạt sẽ được điều khiển quay hướng vào hoặc hướng ra khỏi hướng gió một cách tương ứng.
Thông qua việc điều chỉnh cánh quạt này có thể đảm bảo được rằng cánh quạt luôn nằm ở một góc đúng đắn hợp lý nhất và do đó, có thể đạt được một sự tối ưu về lượng điện năng tạo ra.
2.5.1.2.Bộ phận truyền lực
* Khái quát chung:
Bộ phận truyền lực sẽ gồm những bộ phận sau: - Hộp số
- Khớp nối - Phanh
- Trục quay nhanh kết nối giữa hộp số và máy phát - Máy phát
HV: Nguyễn Xuân Khánh 54
* Hộp số:
Trong lĩnh vực máy phát điện sử dụng năng lượng gió, người ta thường sử dụng hai loại hộp số sau:
Hộp số bánh răng trụ tròn: Ở loại hộp số 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 kiểu hành tinh: Hộp số kiểu hành tinh có cấu tạo từ 3 loại bánh răng khác nhau. Một bánh răng có cài răng phía trong được gắn với trục quay chậm và tạo thành khung bên ngoài. Ở trung tâm là một bánh răng nhỏ đóng vai trò như “mặt trời” trong hệ mặt trời, bánh răng nhỏ này được nối với nhau thông qua nhiều bánh răng vệ tinh. Do vậy tỷ số truyền động có thể đạt tới 1:12.
Do trong thực tế cần phải có tỷ số truyền động giữa trục quay chậm và trục quay nhanh lên đến 1:100 nên hộp số sẽ có cấu tạo từ nhiều cấp truyền khác nhau, ở những cấp truyền này sẽ sử dụng cả cấp truyền bánh răng trụ cũng như cấp truyền kiểu hành tinh.
* Trục quay chậm: Trục quay chậm làm nhiệm vụ truyền chuyển động quay của rotor vào hộp số.
* Khớp nối:
Đối với các tua-bin cỡ nhỏ thì máy phát được nối trực tiếp vào hộp số thông qua trục quay nhanh. Tuy nhiên, đối với quá trình truyền lực ở các thiết bị cỡ lớn thì sẽ luôn xuất 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 và máy phát. Nhờ vào khớp nối này có thể ngăn cản được hiện tượng căng xoắn cũng như các tải trọng bổ sung trong quá trình truyền lực.
* Phanh:
Các tua-bin có 2 hệ thống phanh hoàn toàn độc lập với nhau. Hệ thống điều chỉnh góc nghiêng của cánh quạt đóng vai trò là hệ thống phanh chính. Với sự trợ giúp của hệ thống điều khiển “Pitch” thiết bị sẽ được tách ra hoàn toàn khỏi hướng gió thổi.
HV: Nguyễn Xuân Khánh 55
Ngoài ra, 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.
* Máy phát:
Máy phát làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng cơ học của rotor thành năng lượng điện, ở các tua-bin thưởng sử dụng máy phát đồng bộ lẫn máy phát không đồng bộ. Đối với các tua-bin công suất từ vài trăm đến vài MW thông thường phát dòng điện AC với hiệu điện thế từ 490V đến 690V.
* Máy biến thế
Máy biến thế làm nhiệm vụ biến chuyển dòng điện với hiệu điện thế 490V đến 690V lên đến hiệu điện thế cao hơn, thông thường là 22KV. Do vậy sẽ giảm được tổn thất điện năng trong quá trình truyền tải điện.
* Các thành phần khác
- Hệ thống quan trắc gió với cảm biến khí tượng - Hệ thống chống sét
- Thiết bị dập lửa phòng chống hỏa hoạn - Bộ phận đèn chiếu sáng cảnh báo
- Bộ phận ngăn ngừa hiệu ứng “Bóng râm chuyển động” - Bộ phận giám sát từ xa
2.5.2. Giải pháp công nghệ và xây dựng
2.5.2.1. Xây dựng móng
Móng tháp do hãng bán máy thiết kế trên cơ sở số liệu khoan thăm dò địa chất, kết cấu liên hệ tòa tháp mà móng, tháp và máy dựa theo thiết kế và giám sát của hãng cung cấp máy.
2.5.2.2.Lắp đặt tháp tua-bin và tua-bin gió
a) Tua bin gió:
Toàn bộ máy phát tua-bin gió là thiết bị trọn bộ trong đó bao gồm: Khung vỏ và bệ máy, rotor và cánh, hộp số, máy phát, kết cấu nối khung bệ máy với đầu tháp và
HV: Nguyễn Xuân Khánh 56
cơ cấu vận chuyển theo hướng gió, cơ cấu điều khiển đo lường tự động, cáp dẫn từ máy xuống chân tháp, hệ thống thang máy và cơ cấu thang trời.
Hình 8: Các bộ phận của tua - bin gió
1. Blades (Cánh quạt): Gió thổi qua các cánh quạt và là nguyên nhân cho các cánh quạt chuyển động và quay.
2. Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục
3. Pitch (Bước răng): Cách được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ rotor quay với tốc độ hợp lý nhất nhằm đạt hiệu suất sinh điện cao nhất và bảo vệ cánh quạt, rotor trong điều kiện gió quá lớn.
4. Brake (Bộ hãm-phanh): Dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp bằng điện, bằng sức nước hoặc bằng động cơ.
HV: Nguyễn Xuân Khánh 57
6. Gear-box (Hộp số): Bánh răng được nối với trục có tốc độ thấp với trục có tốc độ cao và tăng tốc độ quay từ 30 đến 60 vòng/phút lên 1200 đến 1500 vòng/phút, tốc độ quay là yêu cầu của hầu hết các máy phát điện sản xuất ra điện. Bộ bánh răng này rất đắt tiền, là một bộ phận của bộ động cơ và tua-bin gió.
7. Generator (Máy phát): Phát ra điện.
8. Controller (Bộ điều khiển): Bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở tốc độ gió khoảng 8 đến 14 dặm/h, tương ứng với 12km/h đến 22 km/h và tắc động cơ khoảng 65 dặm/h tương đương với 104km/h (do các máy phát điện tỏa nhiệt). 9. Anemometer: Bộ đo lường tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió đến bộ điều
khiển.
10. Wind vane: Để xử lý hướng gió và liên lạc với “yan drive” để định hướng tua- bin gió.
11. Nacelle: Vỏ. Bao gồm rotor và vỏ bọc ngoài, toàn bộ được đặt trên đỉnh trụ và bao gồm các phần: gear box, low and high-speed shafts, generator, controller, và brake. Vỏ bọc ngoài dùng để bảo vệ các thành phần bên trong vỏ. Một số vỏ