Châu Âu dẫn đầu trong lĩnh vực năng lượng gió, vào năm 1982 cơng suất tối đa của các turbine gió chỉ có 50 kW. Đến năm 1995 các turbine gió thương mại đã đạt cơng suất lên gấp 10 lần, tức khoảng 500 KW. Trong thời gian đó, chi phí xây dựng các turbine gió giảm đột ngột, chi phí sản xuất điện năng giảm đi một nửa. Một số lượng lớn turbine gió từ cỡ lớn trở thành loại cực nhỏ, vì sản lượng của chúng chỉ vài kWh/tháng. Các turbine gió ngày nay được xây dựng với kích thước lên đến 3 MW và đường kính là 100m. Hiện nay có nhiều nhà máy sản xuất turbine gió kích thước lớn.
Năng lượng gió trên thế giới hiện đang trong thời kỳ phát triển rực rỡ nhất, đặc biệt là các Nước Cộng đồng châu Âu, cơng nghệ turbine gió có thể giải quyết được các vấn đề: cạn kiệt nguồn tài ngun hóa thạch, hiệu ứng nhà kính, tn thủ các điều khoản trong Nghị định Thư Kyoto về hiện tượng trái đất ấm dần lên.
81
Công suất lắp đặt năng lượng gió trên thế giới tăng theo hàm mũ, và tăng gấp hai lần công suất của những năm cuối thập kỷ. Điều mà từ trước đến nay không một công nghệ năng lượng nào làm được. Mặc dù phải đối 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.
Năm 2006 tổng sản lượng điện gió tồn cầu đạt 74.223 MW, tức tăng thêm 15.197 MW so với năm 2005 là 59.091MW. Những nước có sản lượng cao ấn tượng nhất là:
• Đức : 20.621 MW
• Tây Ban Nha : 11.615 MW • Hoa Kỳ : 11.603 MW • Ấn Độ : 6.270 MW • Đan Mạch : 3.136 MW
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 tích cực phát triển mở rộng tăng cơng suất năng lượng gió.
Các nước Trung Đơng, Viễn Đơng và Nam Mỹ cũng bắt đầu đưa năng lượng gió vào nền cơng nghiệp năng lượng của nước mình. Hiện tại các nước này có những dự án phát triển đến năm 2010 đạt được sản lượng là 150 GW.
Tốc độ mở rộng phụ thuộc vào mức độ hỗ trợ của chính phủ, chính quyền các nước cũng như cộng đồng quốc tế. Đây cũng là trách nhiệm chính cho các nước trong việc tuân thủ cắt giảm lượng khí thải Carbon Dioxide theo Nghị Định Thư Kyoto về cắt giảm khí thải gây hiệu ứng nhà kính.
Một làn sóng công nghệ mới đã và đang phát triển nhanh chóng với mục tiêu tương lai là cải thiện công suất và giảm giá thành. Hiện nay ngành cơng nghiệp năng lượng gió có 7 phân đoạn thị trường, bao gồm:
- Loại cỡ nhỏ cho vùng hẻo lánh hay vùng không có lưới điện quốc gia. - Loại dùng cho nhà riêng có lưới điện quốc gia.
- Trang trại, cơng ty và các ứng dụng gió cơng nghiệp cỡ nhỏ. - Loại cỡ nhỏ dùng cho cho cụm dân cư.
- Các hệ thống gió - diesel. - Bơm nước tưới tiêu.
82 - Khử muối trong nước.
Bảng 3. 1 Tổng công suất lắp đặt (MW) trên thế giới đến năm 2020
Năm Off-grid Hộ gia đình
Nơng trại/cơng nghiệp/cơng ty
Cụm dân cư Gió/diesel Cỡ Turbine 5kW 12.5kW Large : 325 kW Net Bill : 30Kw 750kW 200kW 2005 3.261 14 0 8.250 10 2010 3.118 36 154 17.250 310 2015 6.275 99 410 40.125 1.810 2020 10.693 286 666 95.625 3.810
3.2. Sự hình thành năng lượng gió
Nguyên lý cơ bản của năng lượng gió: 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 nhau. 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 khác nhau về nhiệt độ và vì thế là khác nhau về áp suất mà 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 và vì trục quay của Trái Đất nghiêng đi (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.
Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay quanh trục của Trái Đất nên khơng khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển động thẳng mà tạo thành các cơn gió xốy có chiều xốy khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu. Nếu nhìn từ vũ trụ thì trên Bắc bán cầu khơng khí di chuyển vào một vùng áp thấp ngược với chiều kim đồng hồ và ra khỏi một vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ. Trên Nam bán cầu thì chiều hướng ngược lại.
Ngồi các yếu tố có tính tồn cầu trên gió cũng bị ảnh hưởng bởi địa hình tại từng địa phương. Do nước và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất nóng lên nhanh hơn nước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay hồ vào đất liền. Vào ban đêm đất liền nguội đi nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra theo chiều ngược lại.
83
Năng lượng gió là động năng của khơng khí chuyển động với vận tốc . Khối lượng đi qua một mặt phẳng hình trịn vng góc với chiều gió trong thời gian t là:
(3.1)
với ρ là tỷ trọng của khơng khí, V là thể tích khối lương khơng khí đi qua mặt cắt ngang hình trịn diện tích A, bán kinh r trong thời gian t.
Vì thế động năng E (kin) và cơng suất P của gió là:
(3.2) (3.3)
Điều đáng chú ý là cơng suất gió tăng theo lũy thừa 3 của vận tốc gió và vì thế vận tốc gió là một trong những yếu tố quyết định khi muốn sử dụng năng lượng gió.
Cơng suất gió có thể được sử dụng, thí dụ như thơng qua một tuốc bin gió để phát điện, nhỏ hơn rất nhiều so với năng lượng của luồng gió vì vận tốc của gió ở phía sau một tuốc bin khơng thể giảm xuống bằng khơng. Trên lý thuyết chỉ có thể lấy tối đa là 59,3% năng lượng tồn tại trong luồng gió. Trị giá của tỷ lệ giữa cơng suất lấy ra được từ gió và cơng suất tồn tại trong gió được gọi là hệ số Betz, do Albert Betz tìm ra vào năm 1926.
Có thể giải thích một cách dễ hiểu như sau: Khi năng lượng được lấy ra khỏi luồng gió, gió sẽ chậm lại. Nhưng vì khối lượng dịng chảy khơng khí đi vào và ra một tuốc bin gió phải khơng đổi nên luồng gió đi ra với vận tốc chậm hơn phải mở rộng tiết diện mặt cắt ngang. Chính vì lý do này mà biến đổi hồn tồn năng lượng gió thành năng lượng quay thơng qua một tuốc bin gió là điều khơng thể được. Trường hợp này đồng nghĩa với việc là lượng khơng khí phía sau một tuốc bin gió phải đứng n.
Năng lượng gió tại Việt Nam: Tiềm năng về năng lượng gió Việt Nam chỉ vào loại trung bình. Hầu hết, các khu vực trên đất liền có năng lượng gió thấp khai thác khơng hiệu quả. Chỉ có một vài nơi, do có địa hình đặc biệt nên gió tương đối khá tuy nhiên công suất lại không lớn. Chỉ dọc theo bờ biển và trên các hải đảo năng lượng gió tốt hơn. Nơi có nguồn năng lượng tốt nhất là đảo Bạch Long Vĩ, tốc độ trung bình năm đạt được từ 7.1-7.3m/s. Tiếp đến là các khu vực đảo Trường Sa, Phú Q, Cơn Đảo... có tốc độ gió trong khoảng 4.0- 6.6m/s. Tuy nhiên cũng nên nói thêm rằng tiềm năng năng
84
lượng gió Việt Nam chưa được điều tra đánh giá đầy đủ vì phần lớn số liệu về năng lượng gió chủ yếu chỉ thu thập qua các trạm Khí tượng Thủy văn, tức chỉ đo ở độ cao từ 10m đến 12m trên mặt đất. Chúng ta đang thiếu số liệu về năng lượng gió ở các độ cao trên 40m. Hiện nay đang có khoảng 10 cột đo gió ở độ cao từ 30m đến 60m.
Theo số liệu của Ngân Hàng Thế Giới khảo sát năm 2000 thì Việt Nam do điều kiện địa lý và thời tiết giữa các vùng là khác nhau nên tốc độ gió trung bình và chiều gió có sự khác nhau:
- Vùng Tây Bắc Việt Nam (Lai Châu, Điện Biên Sơn La) có vận tốc gió trung bình hàng năm khoảng từ 0.5 – 1.9m/s.
- Khu vực miền núi phía Bắc (Cao Bằng, Lạng Sơn, Sa Pa) có vận tốc gió trung bình cao hơn, nhưng cũng chỉ khoảng từ 1.5 – 3.1m/s, vận tốc cực đại trung bình khoảng trên 40m/s.
- Đồng Bằng Bắc Bộ (Tam Đảo, Hà Nội) có vận tốc gió trung bình khoảng 2.0 – 3.5m/s. Vận tốc trung bình cực đại trên 35m/s.
- Vùng bờ biển từ Móng Cái tới Hịn Gai, Phú Liên, Thanh Hóa, Vinh, Đồng Hới có vận tốc gió trung bình tăng, khoảng 2.0 – 4.0m/s. Cực đại trên 50m/s.
- Vùng bờ biển từ Huế tới Tuy Hòa (Huế, Đà Nẵng, Quảng Ngãi, Quy Nhơn, Tuy Hịa) có vận tốc gió trung bình khá ổn định khoảng 3.0 - 5.0m/s. Cực đại trên 35m/s.
- Vùng bờ biển từ Nha Trang tới Rạch Giá (Nha Trang, Phan Thiết, Vũng Tàu, Phú Quốc, Rạch Giá) có vận tốc trung bình 2.4–6.1m/s, cực đại trên 30m/s.
- Vùng Đồng Bằng Sơng Cửu Long (Thành phố Hồ Chí Minh, Cần Thơ, Cà Mau) có vận tốc gió trung bình khoảng 2.2–4.0m/s, cực đại 26m/s.
- Tây Nguyên (Đà Lạt, Pleiku) có vận tốc gió trung bình khoảng 2.4–4.5m/s, cực đại 24m/s.
Những dự án năng lượng gió đã và đang triển khai tại Việt Nam: nhà máy phát điện sức gió đầu tiên ở Việt Nam phải kể đến là nhà máy đặt tại huyện đảo Bạch Long Vỹ, TP Hải Phịng. Cơng suất 800KW với vốn đầu tư 0.87 triệu USD (14 tỉ đồng). Như vậy, với giá bán điện 0.05USD/KWh (750VNĐ/KWh) thì thời gian hồn vốn là 7 - 8 năm. Thực tế cho thấy, mặc dù trong năm 2005, đã có 3 cơn bão lớn, tốc độ gió đều vượt qua cấp 12 nhưng turbine gió - phát điện vẫn vận hành an tồn. Nhà máy điện gió thứ 2 của cả nước
85
đặt ở huyện đảo Lý Sơn (Quảng Ngãi) vận hành bằng sức gió, có kết hợp máy phát điện diesel với tổng công suất 7MW, tổng vốn đầu tư gần 200 tỷ đồng. Dự án được chia làm 3 giai đoạn: giai đoạn 1 được thực hiện trong hai năm 2007 và 2008 có cơng suất 2.5 MW, vốn đầu tư 80 tỷ đồng cung cấp cho 4000 hộ dân với gần 20000 nhân khẩu. Giai đoạn 2 nâng công suất lên 5MW thực hiện trong các năm 2008 - 2009 và giai đoạn 3 được thực hiện trong các năm 2009 - 2012 sẽ công suất lên trên 10MW.
Nhiều dự án điện gió 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 Định với tổng vốn đầu tư hơn 35.7 triệu USD. Theo thiết kế, nhà máy được đầu tư xây dựng toàn bộ 14 turbine, 14 máy biến áp đồng bộ cùng các trang thiết bị và dịch vụ kèm theo. Sản lượng điện hằng năm của nhà máy hoà vào lưới điện quốc gia đạt khoảng 55 triệu kWh sau khi nhà máy đi vào hoạt động cuối năm 2008. Hiện tại, nhà máy điện gió đang được xây dựng tại Bình Thuận với cơng suất khá lớn.
Một dự án đầu tư rất lớn đang có thể trở thành hiện thực ở Việt Nam đó là xây dựng nhà máy điện gió có cơng suất phát điện 120 MW với vốn đầu tư 120 triệu USD (gần 2000 tỉ đồng) do tập đồn EurOriont đầu tư chính. Để có 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 công suất phát điện là 64 MW.
Vậy, nhìn chung các dự án điện gió có suất đầu tư 1000USD/kW, khả năng thu hồi vốn trong vịng 10 năm, giá thành điện khơng cao 5UScents/kWh. Theo dự báo đến năm 2010, suất đầu tư nguồn điện bằng sức gió chỉ cịn khoảng 700- 800USD/kW, giá thành 3.5– 4.0UScents/kWh. Với quy mơ nhỏ thì đặc biệt hữu ích cho vùng sâu, vùng xa và hải đảo... Với quy mơ lớn thì thường được phát triển ở những vùng trống, khô cằn ở vùng Nam Trung bộ như Quảng Ngãi, Bình Định, Khánh Hịa, Bình Thuận...
3.3. Tởng quan về Tuabin gió
Turbine gió trục đứng và trục ngang: Có nhiều kiểu thiết kế khác nhau cho turbine gió, và được phân ra làm hai loại cơ bản chính: Turbine gió trục ngang (HAWT) và turbine gió trục đứng (VAWT). Các cánh quạt gió thường có các dạng hình dáng: cánh buồm, mái chèo, hình chén đều được dùng để “bắt” năng lượng gió để tạo ra mơ men quay trục turbine.
86
Turbine gió trục ngang (HAWT) có rơ to kiểu chong chóng với trục chính nằm ngang. Số lượng cánh quạt có thể thay đổi, tuy nhiên thực tế cho thấy loại 3 cánh là có hiệu suất cao nhất. HAWT có các thành phần cấu tạo nằm thẳng hàng với hướng gió, cánh quạt quay được truyền động thông qua bộ nhông và trục. Loại turbine trục ngang không bị ảnh hưởng bởi sự xáo trộn luồng khí (khí động học), nhưng u cầu phải có một hệ thống điều chỉnh hướng gió bằng cơ khí để đảm bảo các cánh quạt ln ln hướng thẳng góc với chiều gió.