Tiềm năng gió biển của Việt Nam

Đối với vùng biển đảo thì tiềm năng năng lượng gió vơ cùng to lớn, hình 1.3. Tuy nhiên, đây mới chỉ là tiềm năng lý thuyết. Tiềm năng có thể khai thác được và tiềm năng

kinh tế kỹ thuật sẽ nhỏ hơn nhiều. Đây sẽ là một nguồn năng lượng tiềm năng đáng kể có thể khai thác bổ sung cho nguồn điện quốc gia, thay thế cho các nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt. Ở phía Bắc đèo Hải Vân thì mùa gió mạnh chủ yếu trùng với mùa gió đơng bắc. Trong đó: các khu vực giàu tiềm năng nhất là Quảng Ninh, Quảng Bình và Quảng Trị. Ở phía Nam đèo Hải Vân thì mùa gió mạnh trùng với mùa gió tây nam và các vùng tiềm năng nhất thuộc cao nguyên Tây Nguyên, các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long và đặc biệt là khu vực hai tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận.

Theo nghiên cứu của Ngân hàng Thế giới, trên lãnh thổ Việt Nam hai vùng giàu tiềm năng nhất để phát triển điện gió là Sơn Hải (Ninh Thuận) và vùng đồi cát ở độ cao 60 – 100 m phía tây Hàm Tiến đến Mũi Né (Bình Thuận). Gió vùng này khơng những có vận tốc trung bình lớn mà cịn có một thuận lợi là số lượng các cơn bão khu vực ít và gió có xu thế ổn định là những điều kiện rất thuận lợi để phát triển điện gió. Trong những tháng có gió mùa tỷ lệ gió nam và đơng nam lên đến 98% với vận tốc trung bình 6 – 7 m/s tức là vận tốc có thể xây dựng các trạm điện gió cơng suất 3 – 3,5 MW.

Theo “Quy hoạch phát triển Điện lực Quốc gia giai đoạn 2006 – 2015 có xét triển vọng đến 2025” năng lượng tái tạo là một trong những nguồn cơng suất đóng góp vào tổng cơng suất của tồn bộ hệ thống. So với thủy điện và nhiệt điện tuy năng lượng tái tạo có quy mơ nhỏ nhưng từng giai đoạn tổng công suất luôn tăng lên, dự kiến Việt Nam sẽ phấn đấu để tỷ lệ năng lượng tái tạo chiếm khoảng 3% tổng công suất điện năng tới năm 2010 và 6% vào năm 2030. Trong đó tiềm năng xây dựng điện gió Việt Nam từ nay tới năm 2030 là khoảng 400 MW. .

Có thể nhận ra rằng, so với các nguồn điện như nhiệt điện và thủy điện thì điện gió tận dụng được nguồn năng lượng vơ tận là gió. Nguồn năng lượng này không bị hạn chế về quy mơ diện tích đầu tư. Gió là nguồn ngun liệu sơ cấp sạch, khơng gây ơ nhiễm khơng khí và nước khi tạo ra điện. Và vì vậy, có khả năng giảm một cách đáng kể lượng khí CO2 thải ra mơi trường, hạn chế các hiện tượng mưa axít do khí thải SO2. Mặt khác, với đặc trưng phân tán và nằm sát khu dân cư nên năng lượng điện gió có thể giúp tiết kiệm chi phí

truyền tải. Bên cạnh đó, đây cũng chính là cơ hội giúp cho việc đa dạng hóa các nguồn năng lượng mà là điều kiện quan trọng để tránh phụ thuộc vào một hoặc một số ít nguồn năng lượng chủ yếu và cũng chính điều này nhằm giảm các rủi ro và tăng cường an ninh năng lượng.

Từ những yêu cầu trên em rất muốn tập trung vào việc thực hiện tìm hiểu phân tích mơ hình thực nghiệm điện gió để nghiên cứu đề tài: “Xây dựng giải thuật tìm điểm cơng

suất cực đại của hệ thống điện tuabin gió” .

1.2. Nhiê ̣m vu ̣ và mu ̣c tiêu của luận văn

Việc nghiên cứu “Xây dựng giải thuật tìm điểm cơng suất cực đại của hệ thống điện

tuabin gió” là nghiên cứu thuật tốn liên quan đến điều khiển theo dõi điểm cơng suất tối

đa.

Sự biến đổi năng lượng gió được thực hiện bởi tổ hợp tuabin gió và máy phát. Trong thực tế, vận tốc gió ln biến đổi nên hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi được sử dụng rộng rãi. Phạm vi thay đổi tốc độ rộng cho phép điều khiển tối đa công suất nhận được từ gió.

Đối với hệ thống biến đổi năng lượng gió làm việc ở tốc độ thay đổi, Lượng công suất đầu ra từ hệ thống chuyển đổi năng lượng gió (WECS) phụ thuộc vào độ chính xác mà các điểm công suất đỉnh được theo dõi bởi các điểm công suất tối đa (MPPT) điều khiển của hệ thống (WECS) không phân biệt các loại máy phát điện được sử dụng. Nghiên cứu này cung cấp một đánh giá trong quá khứ và hiện tại điều khiển MPPT được sử dụng để trích xuất tối đa sức mạnh từ (WECS) bằng cách sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG).

Vì vậy mục tiêu của đề tài này là: “Xây dựng giải thuật tìm điểm cơng suất cực đại

của hệ thống điện tuabin gió”.

1.3. Giới ha ̣n và pha ̣m vi nghiên cứu của luận văn

Các nghiên cứu của đề tài tập trung đưa ra những ưu điểm, nhược điểm của các loại máy phát điện gió thơng dụng được sử dụng trong hệ thống điện gió hiện nay, từ đây chọn

mơ hình máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu cho điểu khiển theo dõi điểm công suất tối đa.

Phạm vi nghiên cứu của đề tài sẽ đưa ra những cơ sở lý thuyết và các kết quả thu được từ mơ hình trong phịng thí nghiệm. Từ đó hiểu hơn được về điện gió thực tế.

1.4. Phương pháp nghiên cứu

Về lý thuyết:

 Thu thập tài liệu về lý thuyết về hệ thống điện gió.  Giới thiệu mơ hình PMSG.

 Thuật tốn để điều khiển. Về thực nghiệm:

 Từ các cơ sở lý thuyết tiến hành thực nghiệm với mơ hình, thu thập kết quả, phân tích, kiểm nghiệm với lý thuyết.

 Sử dụng mơ hình thực nghiệm cho việc đo đạc kết quả.

1.5. Kết quả dự kiến

Tìm hiểu về lĩnh vực phát điện bằng sức gió, những thuận lợi và khó khăn trong việc phát triển năng lượng gió, tiềm năng về năng lượng gió của Việt Nam.

Tìm hiểu các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió: sự phân bố gió, hiệu suất của tuabin gió, vận hành hệ thống năng lượng gió tốc độ cố định và thay đổi.

Tìm hiểu máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) sử dụng trong hệ thống chuyển đổi năng lượng gió.

Tìm hiểu về mơ hình tốn học của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG).

Tìm hiểu về phương pháp điều khiển, ứng dụng vào điều khiển. Thực nghiệm mơ hình thực tế để thử nghiệm, thu thập kết quả.

1.6. Nội dung luận văn

Chương 1: Giới thiệu đề tài Chương 2: Tổng quan

Chương 3: Các lý thuyết liên quan Chương 4: Nghiên cứu về máy phát Chương 4: Nghiên cứu về máy phát

Chương 5: Phương pháp điều khiển MPPT cho PMSG Chương 6: Kết quả thực nghiệm của đề tài Chương 6: Kết quả thực nghiệm của đề tài

CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN

2.

2.1. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu

Nhận thức được tầm quan trọng của năng lượng tái sinh nói chung và năng lượng gió nói riêng, chính phủ của nhiều quốc gia trên thế giới đang dốc tiền của, nhân lực vào việc nghiên cứu và đưa vào sử dụng thực tiễn năng lượng gió, giúp giảm sự căng thẳng năng lượng ở các nước.

Một vài thập kỷ trở lại đây năng lượng gió đang là nguồn năng lượng có tốc độ phát triển nhanh nhất trong các nguồn năng lượng. Tốc độ tăng trưởng trung bình hàng năm đối với việc lắp đặt tuabin gió là khoảng 30% trong 10 năm qua. Vào cuối năm 2014, công suất phát điện của các nhà máy điện gió tồn cầu tăng lên đến 369.553 MW từ 47.620 MW vào năm 2004. Đến cuối năm 2020, dự kiến con số này sẽ tăng lên hơn 1.260.000 MW, đủ cho 12% tiêu thụ điện của thế giới. Các quốc gia có tổng công suất lắp đặt cao nhất là Đức (20.622 MW), Tây Ban Nha (11.615 MW), Mỹ (11.603 MW), Ấn Độ (6270 MW) và Đan Mạch (3136 MW). Theo như báo cáo Hội đồng năng lượng gió tồn cầu, Châu  u tiếp tục dẫn đầu thị trường với 48.545 MW của công suất lắp đặt vào cuối năm 2006, bằng với 65% của thế giới. Các hiệp hội năng lượng gió Châu Âu cũng đặt mục tiêu đáp ứng 23% nhu cầu về điện của Châu  u bằng năng lượng gió vào năm 2030. Những con số đó đã chỉ ra rằng, thị trường toàn cầu cho năng lượng điện được sản xuất bởi máy phát điện tuabin gió đã tăng trưởng đều đặn, gián tiếp thúc đẩy sự phát triển của các cơng nghệ điện - gió, qua đó tăng khả năng cạnh tranh trên thị trường điện.

Hình 2.1. Thống kê về cơng suất lắp đặt nhà máy gió 1997 – 2014

Ngồi ra, Bộ Cơng thương và Ngân hàng Thế giới (2010)11 đã tiến hành cập nhật thêm số liệu quan trắc (đo gió ở 3 điểm) vào bản đồ tiềm năng gió ở độ cao 80 m cho Việt Nam. Kết quả cho thấy tiềm năng năng lượng gió ở độ cao 80 m so với bề mặt đất là trên 2.400 MW (tốc độ gió trung bình năm trên 7 m/s).

Hình 2.2. Tiềm năng gió của việt Nam ở độ cao 80m so với bề mặt đất

Cho đến nay chưa có một nghiên cứu đánh giá tiềm năng gió cho riêng Việt Nam một cách sâu rộng do thiếu số liệu quan trắc phục vụ phát triển điện gió. Gần đây, trong khuôn khổ hợp tác giữa Bộ Công thương (MoIT) và Dự án Năng lượng Gió GIZ (Hợp tác Phát triển Đức GIZ) (gọi tắt, Dự án Năng lượng Gió GIZ/MoIT), một chương trình đo gió tại 10 điểm trên độ cao 80m đang được tiến hành tại các tỉnh cao nguyên và duyên hải Trung Bộ (đo ở 3 độ cao 80, 60, và 40 m so với bề mặt đất). Á p dụng các tiêu chuẩn IEC 61400-12 trong suốt q trình đo gió, Dự án này được mong đợi sẽ cung cấp dữ liệu gió có tính đại diện cho các vùng có tiềm năng gió của Việt Nam để phục vụ cho phát triển điện gió trong thời gian tới. Ngồi ra, các báo cáo về quy trình và tiêu chuẩn lắp đặt cột đo gió cũng đang được hoàn thiện và sẽ là tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhà phát triển điện gió nói chung.

CHƯƠNG 3

CÁ C LÝ THUYẾT LIÊ N QUAN

3.

3.1. Sự hình thành gió, cấu tạo và hoạt động của tuabin gió

Có thể nhận thấy rằng, bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt trái đất khơng đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và khơng khí nóng khơng đều. Một nửa bề mặt của Trái Đất, mặt ban đêm, bị che khuất không nhận được bức xạ của Mặt Trời và thêm vào đó là bức xạ Mặt Trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn là ở các cực, do đó có sự chênh lệch về nhiệt độ. Điều này đẫn đến sự khác nhau về áp suất làm cho khối khơng khí giữa xích đạo và 2 cực cũng như khơng khí giữa mặt ban ngày và mặt ban đêm của Trái Đất di động tạo thành gió.

Trái Đất xoay trịn cũng góp phần vào việc làm xốy khơng khí. Mặt khác, trục quay của Trái Đất là nghiêng so với mặt phẳng do quỹ đạo Trái Đất tạo thành khi quay quanh Mặt Trời nên cũng tạo thành các dịng khơng khí theo mùa.

Ngồi các yếu tố trên gió cịn bị ảnh hưởng bởi cấu tạo của địa hình của từng địa phương.

3.2. Năng lượng gió

Năng lượng gió trung bình của một hệ thống điện gió trong một khoảng thời gian khảo sát: 𝐸𝑊 = ∫ 𝑃0𝑇𝑝 𝑤 𝑑𝑡 (3.1) 𝑃𝑤 =1 2Arv3 (3.2) Trong đó:  : mật độ khơng khí ( 3 /

kg m ), ở điều kiện chuẩn,  có giá trị 1,293 3

/

kg m

𝐴𝑟: diện tích quét của cánh turbin( 2

3.3. Sự phân bố vận tốc gió

Mối quan hệ giữa cơng suất và vận tốc gió theo lũy thừa bậc ba ở phương trình (3.2). Vận tốc gió là dữ liệu then chốt để đánh giá năng lượng gió tiềm năng thu được ở một vùng nào đó. Tuy nhiên, vận tốc gió ln thay đổi theo điều kiện thời tiết và điều kiện địa hình. Vận tốc gió trung bình phải được xác định để ước tính năng lượng kỳ vọng nhận được từ một vùng cụ thể, do vận tốc gió thường thay đổi theo mùa và có khuynh hướng lặp lại với chu kỳ một năm sau đó. Vì vậy, vận tốc gió trung bình có thể được xác định cho khoảng thời gian một năm.

Sự thay đổi vận tốc gió thường được mơ tả bởi hàm mật độ xác suất. Một trong những hàm mật độ xác suất được sử dụng phổ biến nhất để mơ tả vận tốc gió là hàm Weibull.

𝑓(𝑣) = k

c(v

c)k−1𝑒−(𝑣𝑐)𝑘 , 0 < 𝑣 < ∞ (3.3)

Trong đó:

k > 0 và c > 0 lần lượt là hệ số dạng và hệ số tỷ lệ.

Vì thế, vận tốc gió trung bình có thể được biểu diễn như sau:

𝑣̅ = ∫ 𝑣𝑓(𝑣)dv = ∫ 𝑣𝑘 𝑐 (𝑣 𝑐)𝑘−1 ∞ 0 ∞ 0 𝑒−(𝑣𝑐)𝑘𝑑𝑣 (3.4) Đặt: 𝑥 = (𝑣 𝑐)𝑘

Vận tốc gió trung bình được viết lại như sau:

𝑣̅ = 𝑐 𝑘∫ 𝑥 1 𝑘 𝑒−𝑥 ∞ 0 𝑑𝑥 = 𝑐 𝑘(1 k) (3.5) Trong đó: : hàm gamma

(y) = ∫ 𝑒0∞ −xxy−1dx (3.6) Trong đó: 𝑦 = 1 +1

𝑘

3.4. Sự chuyển đổi năng lượng gió và hiệu suất rotor

Cơng suất cơ đạt được từ gió thơng qua tuabin chính là sự khác nhau giữa động năng tích trữ của gió ở trước cánh quạt có vận tốc v và động năng của gió sau tuabin có vận tốc

𝑣𝑑.

𝑃𝑅 =1

2Arv3Cp (3.7)

Trong đó:

Cp: hiệu suất của tuabin (hệ số công suất của tuabin)

𝐶𝑝 =1

2(1 + 𝛾)(1 + 𝛾2) (3.8)

Trong đó:

: tỷ số của tốc độ gió sau cánh quạt và tốc độ gió vào cánh quạt

𝛾 = 𝑣𝑑

𝑣 (3.9)

Hệ số công suất lớn nhất được xác định bằng cách đạo hàm như sau:

𝑑𝐶𝑃 𝑑𝛾 = 0 (3.10) 𝛾 = 𝑣𝑑 𝑣 = 1 3

Hệ số công suất cực đại:

Về lý thuyết Cp không thể lớn hơn 59,3%; hệ số này còn được biết đến như là giới hạn Betz để chỉ ra giới hạn cơng suất có thể nhận được từ gió.

Hình 3.1. Đường cong hiệu suất rotor theo lý thuyết

Ngoài ra, nếu như rotor quay q chậm thì gió sẽ dễ dàng đi xuyên qua mà không tác động nhiều lên cánh quạt. Ngược lại, nếu rotor quay quá nhanh thì cánh quạt sẽ giống như một bức tường chắn và vận tốc gió phía sau cánh quạt gần như bằng khơng, hệ quả là hiệu suất rotor gần bằng không. Như vậy, với một vận tốc gió cho trước thì hiệu suất rotor còn phụ thuộc vào tốc độ máy phát.

Hiệu suất rotor thường được biểu diễn theo tỷ số,  (Tip speed ratio), được định nghĩa là tỷ số giữa vận tốc tiếp tuyến của đỉnh cánh quạt và vận tốc gió thổi theo hướng vng góc với mặt phẳng quay của cánh quạt.

 = rRb

v (3.12)

Trong đó:

Rb: bán kính của cánh quạt tuabin (m)

Trong thực tế, hiệu suất rotor không những phụ thuộc vào  mà cịn phụ thuộc vào góc pitch của cánh quạt tuabin,  (rad) xoay quanh trục của chính nó. Hầu hết, các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió có trang bị thiết bị điều khiển pitch như hình 3.4. Cp nói chung là một hàm phi tuyến và khá phức tạp, nhà chế tạo thường cho giá trị Cp đối với mỗi loại tuabin như là hàm của  và góc .

Biểu thức xấp xỉ hiệu suất rotor được cho bởi:

𝐶𝑝(,) = 0.22 (116 𝑖 − 0.4− 5) 𝑒 −22,5 𝑖 (3.13) Trong đó: 1 𝑖 = 1 + 0,08− 0,035 3+ 1

Hình 3.3. Đường cong hiệu suất rotor Cp(, )

3.5. Đường cong cơng suất tuabin gió

Một trong những thơng số kỹ thuật quan trọng nhất đối với từng loại tuabin gió chính là đường cong cơng suất, hình 3.5, thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ gió và cơng suất đầu ra. Trong đó, cần phân biệt các thơng số:

Vận tốc gió Cut-in (Vc-in): là vận tốc gió tối thiểu cần có để thắng lực ma sát và tạo ra cơng suất.

Vận tốc gió định mức (Vdm): khi vận tốc gió tăng lên, cơng suất đầu ra cũng tăng theo và tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của vận tốc gió. Khi vận tốc gió đạt đến giá trị V(dm), công suất đầu ra bằng công suất định mức theo thiết kế. Khi lớn hơn V(dm) thì cần phải điều chỉnh để hệ thống tuabin lượt bớt công suất nhằm tránh quá tải cho máy phát.

Vận tốc gió Cut-out (Vc-out): Khi tốc độ gió tiếp tục tăng và đạt đến ngưỡng Vc-out