TẠI VIỆT NAM.
5.1. Ứng dụng xây dựng nhà máy điện gió tại khu vực bắc Bình Thuận. Dự Án điện gió Phú Lạc thuộc xã Phú Lạc, huyện Tuy Phong. Án điện gió Phú Lạc thuộc xã Phú Lạc, huyện Tuy Phong.
Theo Quy hoạch điện VII, tổng công suất nguồn điện gió đƣợc phát triển từ mức không đáng kể hiện nay lên khoảng 1.000 MW vào năm 2020, khoảng 6.200 MW vào năm 2030; điện năng sản xuất từ nguồn điện gió chiếm tỉ trọng từ 0,7% năm 2020 lên 2,4% vào năm 2030. Theo nghiên cứu của Ngân hàng Thế giới, Việt Nam là nƣớc có tiềm năng gió lớn nhất trong khu vực Đơng Nam Á. Hơn 39% tổng diện tích VN đƣợc ƣớc tính có tốc độ gió trung bình hằng năm lớn hơn 6m/giây ở độ cao 65m. Trong đó, những khu vực hứa hẹn nhất cho phát triển điện gió chủ yếu nằm ở các vùng ven biển và cao nguyên miền Nam Trung Bộ và miền Nam của Việt Nam. Cũng theo nghiên cứu của Ngân hàng Thế Giới, ƣớc lƣợng khoảng 8,6% tổng diện tích lãnh thổ Viêt Nam có tiềm năng gió với mức từ “cao” đến “rất cao”, phù hợp cho việc triển khai tuabin gió cỡ lớn (với tốc độ gió trên 7,0 m/s).
Bảng 5.1: So sánh các kết quả giữa EVN và Ngân hàng Thế Giới, tốc độ gió tại một số địa điểm theo tạp chí khoa học cơng nghệ.
STT Địa điểm Vận tốc gió trung bình ở độ cao 65 m trên mặt đất (m/s)
EVN WB
1 Móng Cái, Quảng Ninh 5,80 7,35
2 Van Lý, Nam Định 6,88 6,39
3 Sầm Sơn, Thanh Hóa 5,82 6,61
4 Kỳ Anh, Hà Tĩnh 6,48 7,02
5 Quảng Ninh, Quảng Bình 6,73 7,03
6 Gio Linh, Quảng Trị 6,53 6,52
8 Tu Bong, Khánh Hòa 5,14 6,81
9 Phƣớc Minh, Ninh Thuận 7,22 8,03
10 Đà Lạt, Lâm Đồng 6,88 7,57
11 Tuy Phong, Bình Thuận 6,89 7,79
12 Duyên Hải, Trà Vinh 6,47 7,24
Tạp chí khoa học cơng nghệ xây dựng
số 10/9-2011
13 Hải Phòng 6,7
14 Huế 7,4
15 Quảng Ngãi 6,6
16 Tuy Hòa, Phú Yên 7,5
17 Pleiku 7,0
18 Buôn Mê Thuột 7,0
19 Bạc Liêu 6,8
20 Thạnh Phú, Bến Tre 7,5
21 Côn Sơn, Bà Rịa - Vũng
Tàu 8,5
22 Sóc Trăng 6,3
23 Cà Mau 7,5
24 Tiền Giang 7,0
Năm 2007 EVN đã tiến hành nghiên cứu đánh giá tiềm năng gió cho sản xuất điện. Nghiên cứu đã xác định đƣợc các vùng thích hợp cho phát triển điện gió với tổng cơng suất kỹ thuật khoảng 1.785 MW. Trong đó, miền Trung nơi đƣợc xem là có tiềm năng gió lớn nhất trên cả nƣớc với khoảng 880 MW tập trung chủ yếu 2 tỉnh Quảng Bình và Bình Định, tiếp đến vùng có tiềm năng đứng thứ 3 là miền Nam với khoảng 885 MW, tập trung chủ yếu ở 2 tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận.
STT Miền Tiềm năng kỹ thuật (MW) 1 Bắc 50 2 Trung 880 3 Nam 855 Tổng cộng 1.785
Bình Thuận với điều kiện tự nhiên vơ cùng thuận lợi có đƣờng bờ biển trải dài, là một trong những tỉnh miền Trung có tiềm năng gió rất lớn đặc biêt là khu vực xã Phú Lạc có tốc độ gió trung bình là 7,8 m/s đo ở độ cao 65 m so với mặt đất. Tỉnh nhà đang có nhiều dự án rất lớn nhƣ sân bay Phan Thiết… do vậy nhu cầu sử dụng điện rất cao nên đề xuất xây dựng nhà máy điện gió góp phần phục vụ phát triển kinh tế - xã hội của tỉnh và đảm bảo an ninh năng lƣợng quốc gia.
5.1.1. Khảo sát địa điểm.
Tại Bình Thuận, kết quả khảo sát cho thấy đây là một trong những tỉnh có tiềm năng phát triển năng lƣợng gió rất lớn và đã đƣợc đƣa vào quy hoạch phát triển điện gió. Thơng thƣờng, với trình độ cơng nghệ tiên tiến hiện nay chỉ cần sức gió 3m/s là các tuabin đã vận hành phát điện;
Dự án nhà máy điện gió có tổng cơng suất 24MW với 12 trụ tuabin phát điện, mỗi tuabin có cơng suất 2MW, xây dựng trên diện tích 400 ha trên Khn viên Nhà máy và bãi đặt động cơ gió đƣợc bố trí trên tồn bộ đồi cát thuộc xã Phú Lạc. Ngồi địa hình, qua khảo sát về chế độ và tốc độ gió cho thấy, Nhà máy sẽ hứng đƣợc 2 hƣớng gió chủ đạo quanh năm: Hƣớng gió Đơng Bắc thuộc thời kỳ gió mùa – mùa đơng và hƣớng gió Tây Nam thuộc thời kỳ gió mùa- mùa hè. Với chế độ gió qua khảo sát đƣợc trên địa bàn thì từ 10 giờ đến 21 giờ, tốc độ gió cao hơn thời gian từ 22 giờ đến 9 giờ trong ngày. Do đó,việc phát điện của Nhà máy Điện gió sẽ góp phần đáp ứng đƣợc nhu cầu sử dụng điện của địa phƣơng.
Hình 5.1: Vị trí nhà máy Phong Điện Phú Lạc trên bản đồ.
Hình 5.2: Vị trí phân bố trụ gió được xây dựng tại xã Phú Lạc.
5.1.2. Tính tốn tua-bin gió. 5.1.2.1. Cơng thức tính tốn. 5.1.2.1. Cơng thức tính tốn.
Hệ thống điện gió. Trong đó:
P: Cơng suất của dịng gió ở điều kiện bình thƣờng. Pm: Công suất cơ sau khi truyền qua hệ thống tua-bin gió. Pt: Công suất sau khi qua bộ truyền động.
Pe: Công suất điện ngõ ra của máy phát điện. a. Cơng suất của dịng gió ở điều kiện bình thƣờng.
1 . . 3 1 . .R .2 3 2 2 P A v v (W) Trong đó: v: Tốc độ gió [m/s]. : Mật độ của khơng khí = 1,225 [kg/m3]. A: Thiết diện của dịng gió đi qua = 2
.R
[m2]. b. Cơng suất cơ sau khi truyền qua hệ thống tua-bin gió.
1 . . . 3 1 . . .R .2 3 . 2 2 mPPP P C A v C v C P (W) Trong đó: CP: Hệ số Betz = 0,59259. c. Công suất sau khi qua bộ truyền động.
Pt m.Pm (W)
Trong đó: m là hiệu suất của bộ truyền động. Thất thoát truyền động chủ yếu do độ ma sát của bánh răng của hộp số và trụ đỡ của trục xoay. Tỉ lệ thất thoát chủ yếu phụ thuộc vào chất lƣợng bộ truyền động. Thông thƣờng tỉ lệ thất thoát ở mỗi tầng bánh răng là 1% đến 2%.
Pe g.Pt (W)
Trong đó: g là hiệu suất của máy phát điện gió. Đối với những máy phát chất lƣợng tốt có hiệu suất là 0,85 với cơng suất định mức là 2KW, là 0.9 đối với 20KW và bằng 0,96 đối với máy phát có cơng suất định mức là 2MW (Nguồn: chƣơng 4 trang 16 - 17 trong: “Wind energy Systems by Dr. Gary L. Johnson”).
5.1.2.2. u cầu mỗi tua-bin có cơng suất định mức 2MW. a. Bán kính cánh quạt.
Dựa vào cơng thức tính cơng suất cơ sau khi truyền qua hệ thống tua-bin gió ta tính đƣợc bán kính diện tích mặt đón gió của cánh quạt từ đó ta có thể chọn đƣợc bán kính cánh quạt của tua-bin điện gió muốn sử dụng.
6 33 1,8.10 57( ) 0,5. P. . .0,5.0,59259.1, 225. .(7,8) P Rm C v
Theo số liệu khảo sát của EVN tốc độ gió tại xã Phú Lạc, Bình Thuận ở độ cao 65m là 7,8m/s nhƣng thực tế có thể cao hơn tốc độ gió trung bình này.
b. Số lƣợng cánh quạt.
Trên phƣơng diện khí động lực học thì số cánh quạt càng ít thì hiệu quả càng cao nhƣng trên phƣơng diện cơ học thì tua-bin hoạt động với số vịng quay nhanh sẽ phát sinh những nhƣợc điểm cơ bản nhƣ tần số rung của tua-bin điện gió sẽ mất ổn định ảnh hƣởng đến những chi tiết khác của hệ thống, sự phân bố lực của một cánh quạt vào trục và thân trụ không đều nên độ bền hệ thống giảm đi rất nhiều, ngoài ra khi tua-bin điện gió hoạt động sẽ phát ra tiếng ồn rất lớn, đặc biệt là những tua-bin sử dụng hộp số.
Tua-bin điện gió ba cánh nhờ sự phân bố đều về lực trong diện tích vịng quay nên họat động ổn định hơn tua-bin điện gió một hoặc hai cánh và có tỉ lệ cơng suất cao hơn khoảng 3-4% so với tua-bin điện gió hai cánh. Ngồi ra độ rung hệ thống ít bi xáo động nên hạn chế đƣợc những ảnh hƣởng cơ tác động đến những chi tiết khác trong tuabin. Việc nâng số cánh quạt của tua-bin điện gió lên bốn cánh hoặc nhiều hơn chỉ đạt đƣợc công suất thêm tối đa là 1 đến 2% so với tua-bin điện gió ba cánh nên những tua-bin loại nhiều cánh chỉ tồn tại trong q trình thử nghiệm vì khơng kinh tế.
Qua quá trình thử nghiệm và thống kê trong thời gian hoạt động của tua-bin điện gió với những số cánh quat khác nhau, tua bin điện gió ba cánh gần nhƣ đã đạt đƣợc một tiêu chuẩn về công suất và độ bền cũng nhƣ độ ồn phát sinh thấp nhất và cơ bản có tính kinh tế cao hơn những tua-bin điện gió một, hai hoặc bốn cánh. Tuy nhiên khi tua-bin điện gió lắp đặt xa bờ biển, độ ồn không là yếu tố quyết định nên một số cơng trình ngồi khơi sử dụng loại tua-bin điện gió hai cánh. Tuy thế cho đến nay hầu hết những cơng trình điện gió lắp đặt trên đất liền và ngoài khơi đều sử dụng loại tua- bin điện gió ba cánh. (Nguồn: Điện gió & quạt gió bơm nƣớc – Nguyễn Ngọc) Vì vậy ta chọn tua-bin điện gió có số cánh quạt là ba.
c. Chiều quay của cánh quạt tua-bin điện gió.
Về phƣơng diện vật lý, cơng suất của tua-bin điện gió khơng lệ thuộc vào chiều quay của hệ thống cánh quạt và hiện nay cũng khơng có một tiêu chuẩn riêng, thế nhƣng hầu nhƣ tất cả mọi nhà sản xuất tua-bin điện gió trên thế giới đều định chiều quay của hệ thống cánh quạt, quan trắc từ hƣớng gió thổi đến là chiều kim đồng hồ. d. Trụ.
Chiều cao của trụ tua-bin điện gió đƣợc thiết kế theo vị trí lắp đặt và đƣợc chia làm hai lọai, lọai trụ thấp đƣợc lắp đặt tại vùng ven biển và ngoài khơi với tỉ lệ so với đƣờng kính cánh quạt là từ 1,0 đến 1,4. Lọai trụ cao đƣợc lắp đặt tại vùng đồi núi hoặc trên đất liền xa bờ biển có tỉ lệ so với đƣờng kính cánh quạt từ 1,2 đến 1,8. (Nguồn: Điện gió & quạt gió bơm nƣớc – Nguyễn Ngọc).
e. Bố trí các tua-bin điện gió.
Khoảng cách giữa các tua-bin gió bằng:
3 – 5 lần đƣờng kính cánh quạt, ở góc 900 so với hƣớng gió chính.
5 – 10 lần đƣờng kính cánh quạt theo hƣớng gió chính.
Đối với dự án gió lớn hơn, khoảng cách xa hơn là cần thiết.
Trong dự án các tua-bin gió sẽ đƣợc lắp đặt trên đất liền gồm có 12 tua-bin nên ta có sơ đồ bố trí nhƣ sau:
Hình 5.3: Tiêu chuẩn sắp xếp vị trí Tua-bin gió trong cánh đồng gió. (Nguồn: “The Wind Farm Layout Optimization Problem-By M.Samorani”) (Nguồn: “The Wind Farm Layout Optimization Problem-By M.Samorani”)
5.1.2.3. Chọn tua-bin gió.
Trên thế giới có nhiều nhà sản xuất tua-bin điện gió lớn, trung và nhỏ nhƣ: Vestas (Đan Mạch), GE Energy (Hoa Kỳ), Gamesa (Tây Ban Nha), Enercon (Đức), Suzlon (Ấn Độ), Siemens (Đan Mạch / Đức), Acciona (Tây Ban Nha), Goldwind (Trung quốc), Nordex (Đức), Sinovel (Trung quốc) nhƣng trong dự án ta chọn tua-bin của hãng Vestas là một công ty của Đan Mạch chuyên thiết kế, sản xuất, bán, lắp đặt và vận hành các tua-bin gió lớn nhất thế giới.
Hình 5.4: Tổng quan về các tua-bin gió Vestas hoạt động trong lớp gió khác nhau.
Hình 5.5: Cấu trúc bên trong tua-bin V100 –2 của hãng Vestas. Bảng 5.3: Các bộ phận bên trong của tua-bin V100 –2MW của Vestas. Bảng 5.3: Các bộ phận bên trong của tua-bin V100 –2MW của Vestas.
1. Bộ điều khiển cánh 11. Máy biến áp 2. Xi lanh điều khiển góc nghiêng 12. Cánh quạt
3. Bệ cánh quạt 13. Vịng bi cánh
4. Trục chính 14. Hệ thống khóa Roto
5. Hệ thống làm mát bằng nƣớc 15. Bình dầu thủy lực
6. Hộp số 16. Bệ máy
7. Thắng đĩa 17. Bánh răng định hƣớng
8. Nơi móc cần nâng 18. Mối nối bằng nhựa dẻo 9. Bộ điều khiển và bộ đổi điện 19. Máy phát không đồng bộ 10. Bộ thu phát sóng và cảm biến 20. Hệ thống làm mát máy phát
Bảng 5.4: Thông số kỹ thuật của tua-bin Vestas V100 – 2 MW.
Công suất
Công suất thiết kế 2000 kW (50 Hz)
Tốc độ gió tua-bin bắt đầu khởi động 3 m/s Tua-bin hoạt động đạt cơng suất thiết kế
với tốc độ gió 20 m/s
Tốc độ gió tua-bin ngừng hoạt động 18 m/s Tốc độ gió cao nhất tua-bin có thể đứng vững 52,5 m/s
Loại cấp gió tiêu biểu IEC IIIA
Máy phát điện
Nguyên tắc Không đồng bộ rotor dây quấn, vòng trƣợt.
Phạm vi quay 9,3 rpm đến 16,6 rpm Tốc độ quay thực tế 14,9 rpm Cos 0,9 Hiệu suất >96,5% Hệ thống cánh quạt Đƣờng kính cánh quạt 100 m Diện tích quét 7.854 m2 Cánh quạt
Vật liệu Sợi thủy tinh Epoxy và sợi cacbon
Chiều dài 49 m Trọng lƣợng 70 tấn Hệ thống điện Tần số lƣới điện 50/60 Hz Hiệu thế 690 V Hệ thống làm mát Làm mát bằng nƣớc và gió
Điều chỉnh cơng suất
Hệ thống thắng phụ Bánh thắng điều khiển bằng thủy lực
Hộp số Một giai đoạn hành tinh và hai giai đoạn
xoắn ốc Thùng Nacelle Chiều cao 5,4 m Chiều dài 10,4 m Chiều rộng 3,5 m Độ ồn 105 dB(A) Trụ
Độ cao tại tâm cánh quạt 80/95 m
Hình 5.6: Đường kính cánh quạt và chiều cao của trụ tua-bin V100 – 2.
Hình 5.8: Sơ đồ bố trí tua-bin điện gió trên cánh đồng gió Phú Lạc.
5.2. Kết nối lƣới điện.
a. Điều kiện khi kết nối hệ thống điện gió với lƣới điện.
Việc kết nối lƣới điện cho cánh đồng gió cần đáp ứng đầy đủ những yêu cầu kỹ thuật nhƣ việc cung cấp nguồn điện và hạn chế đƣợc những ảnh hƣởng gây xáo dịng điện, bảo đảm giữ mạng điện chính ổn định, đáp ứng đƣợc tất cả những mã số về mạng điện cũng nhƣ yêu cầu giảm truyền dòng điện áp. Yêu cầu kỹ thuật về mạng lƣới điện trên thế giới có những điểm khác biệt nên tua-bin điện gió sản xuất phải tuân thủ những yêu cầu kỹ thuật riêng của từng và chủ yếu là:
Điều kiện kỹ thuật của mạng lƣới điện.
Ổn định điện áp khi kết nối lƣới.
Cùng tần số, tần số có thể dao động từ 49Hz đến 50,3Hz và khi tần số nằm ngồi giới hạn 47Hz đến 53Hz trong 300ms thì phải đƣợc cắt ra khỏi lƣới điện.
Đảm bảo sự ổn định của hệ thống điện: khi hệ thống lƣới thiếu hụt cơng suất thì hệ thống điện gió có thể phát cơng suất góp phần đảm bảo sự ổn định điện áp của hệ thống theo yêu cầu.
Dịng điện thất thốt tối đa phải đƣợc định trƣớc.
Hệ thống bảo vệ mạng điện.
Hệ thống bảo vệ tua-bin.
Hệ thống bảo vệ khi bị chạm điện.
Ảnh hƣởng của lƣới điện vào tua-bin.
Trong dự án chúng ta sử dụng tua-bin vestas V100 – 2MW nên phƣơng pháp kết nối lƣới điện là phƣơng pháp nối gián tiếp thông qua bộ đổi tần, tua-bin hoạt động với tốc độ số vòng quay khác nhau nên máy phát điện sản xuất dịng điện xoay chiều có tần số khơng ổn định, dịng điện này phải đƣợc chuyển qua điện một chiều, qua hệ thống lọc và chuyển vào hệ thống đổi tần để chuyển ngƣợc trở lại thành điện xoay chiều (AC – DC – AC) với tần số ổn định.
b. Nối dây cáp cánh đồng điện gió.
Việc nối dây cáp điện cần đƣợc thiết kế tối ƣu, việc tiến hành phải hoàn chỉnh theo quy trình cơng nghệ để tránh thất thốt điện và đạt đƣợc độ an toàn cao trong sản lƣợng cũng nhƣ có chi phí thấp nhất. việc thất thốt điện xảy ra do chiều dài dây dẫn điện, cấu hình, tiết diện của dây điện. Chiều dài dây dẫn điện, vị trí tua-bin điện gió và những điểm nối cáp là một trong những yếu tố quan trọng để hạn chế sự thất thốt. Để có độ bền, độ cách điện cao, dây cáp điện cần có độ dẻo và thiết diện phù hợp, chịu