Mô hình máy phát điện nam châm vĩnh cửu sử dụng cho turbine gió

Để khai thác hiệu quả hơn về năng lượng gió phù hợp với điều kiện gió ở Việt Nam tốc độ gió không cao, gió quẩn, gió có chiều thay đổi liên tục… thì cần có máy phát điện phù hợp để đáp ứ

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THỦ ĐỨC

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN NAM CHÂM VĨNH CỬU SỬ

DỤNG CHO TURBINE GIÓ

Chủ nhiệm đề tài: Tôn Ngọc Triều

Thủ Đức, tháng 3 năm 2015

LỜI NÓI ĐẦU

Trên thế giới và ở Việt Nam hiện nay nhu cầu tiêu thụ năng lượng ngày càng tăng dần và đã có rất nhiều cảnh báo về tiết kiệm năng lượng Các ngành công nghiệp nói chung và ngành điện nói riêng vẫn sử dụng năng lượng hóa thạch là chủ yếu Vì thế, việc tìm ra những nguồn năng lượng mới, đồng thời cần phải tiết kiệm năng lượng trở thành vấn đề cấp bách hiện nay Trước đây, việc đầu tư tìm kiếm nguồn năng lượng mới và tìm kiếm các giải pháp tiết kiệm nguồn năng lượng có chi phí khá cao và không mang lại hiệu quả kinh tế cao

Ngày nay nguồn năng lượng mới và các giải pháp tiết kiệm năng lượng đã phát huy và chứng tỏ được hiệu quả cũng như tính ưu việt của mình Chúng tác động to lớn đến môi trường, kinh tế - xã hội, sản xuất công nghiệp, đời sống của con người Về môi trường, chúng góp phần lớn để giảm thiểu tối đa những tác động xấu đến môi trường, từ

đó tạo ra những ảnh hưởng tích cực đến kinh tế - xã hội Trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp, không những tiết kiệm chi phí về năng lượng, đồng thời các máy móc thiết bị sản xuất được cải tiến theo hướng nhỏ gọn, hiệu năng cao hơn

Để khai thác hiệu quả hơn về năng lượng gió phù hợp với điều kiện gió ở Việt Nam (tốc độ gió không cao, gió quẩn, gió có chiều thay đổi liên tục…) thì cần có máy phát điện phù hợp để đáp ứng được nhu cầu sử dụng công suất nhỏ của các hộ gia đình cũng như thực hiện nghiên cứu mô hình máy phát nam châm vĩnh cửu trong nghiên cứu

và giảng dạy tại nhà trường, tác giả nghiên cứu và thực hiện đề tài “Mô hình máy phát

điện nam châm vĩnh cửu sử dụng cho turbine gió” Đề tài này nghiên cứu và thực hiện

dựa trên nhiều nguồn tài liệu nước ngoài và Việt Nam cũng như qua quá trình giảng dạy

và tham gia thực tế Nhưng do kiến thức và thời gian có hạn nên không tránh khỏi những sai sót và còn hạn chế trong đề tài nghiên cứu Rất mong sự đóng góp ý kiến của Quý thầy cô, các bạn sinh viên để đề tài được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn Quý Thầy, Cô lãnh đạo Nhà

trường đã tạo điều kiện để chủ nhiệm đề tài thực hiện nghiên cứu đề tài

“Mô hình máy phát điện nam châm vĩnh cửu sử dụng cho turbine gió”

Xin chân thành cảm ơn tất cả Quý Thầy, Cô đã hỗ trợ chủ nhiệm

đề tài trong suốt thời gian nghiên cứu và thực nghiệm mô hình tại Trường Cao đẳng Công nghệ Thủ Đức và Đại Học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố

3.2 Các đơn vị từ, thuật ngữ và phân loại các loại vật liệu từ 25

4.2 Mô hình turbine gió trục đứng sử dụng máy phát điện là nam châm vĩnh cửu 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Chương 1 GIỚI THIỆU

xa tốc độ khám phá trữ lượng dầu mới Mặc khác, sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch để lại nhiều hậu quả về ô nhiễm môi trường, gây ra hiệu ứng nhà kính, góp phần làm gia tăng nhiệt

độ trái đất…

Để giải quyết các vấn đề này, một mặt chúng ta phải khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng hóa thạch này một cách hợp lý, mặt khác chúng ta phải tìm ra các nguồn năng lượng khác để thay thế Thế giới đang tìm kiếm những nguồn năng lượng tái sinh có thể cung cấp năng lượng một cách bền vững trong tương lai Những nguồn năng lượng ấy có thế kể đến như: năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng mặt trời, năng lượng từ trường… hoặc những dạng năng lượng tái sinh khác Trong đó, công nghệ về năng lượng từ trường đã

và đang được thế giới chú trọng phát triển khai thác Ví dụ: tàu siêu tốc chạy trên nệm từ trường có thể đạt vận tốc hơn 500km/h, công nghệ làm mát bằng từ trường…

Để khai thác hiệu quả hơn về năng lượng gió phù hợp với điều kiện gió ở Việt Nam phần lớn là: tốc độ gió không cao, gió quẩn, gió có chiều thay đổi liên tục… thì cần phải lựa chọn turbine gió phù hợp cũng như các thành phần nhằm nâng cao hiệu suất, giá thành thấp

và có cấu tạo đơn giản của cả hệ thống turbine để đáp ứng được nhu cầu sử dụng công suất nhỏ của các hộ gia đình (như ở các hộ gia đình: vùng sâu, vùng xa, miền núi, hải đảo, các vùng không thể đưa điện lưới đến được) cũng như thực hiện nghiên cứu mô hình máy phát điện sử dụng nam châm vĩnh cửu nhằm phục vụ trong nghiên cứu và làm mô hình trực quan

để phục vụ giảng dạy tại nhà trường Vì vậy, tác giả nghiên cứu và thực hiện đề tài “Mô hình

máy phát điện nam châm vĩnh cửu sử dụng cho turbine gió”

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ

 Nghiên cứu tổng quan về năng lượng gió

 Nghiên cứu mô hình vật lý thiết bị chịu ảnh hưởng của từ trường tĩnh

 Xây dựng và thí nghiệm trên mô hình máy phát điện gió đệm từ bằng nam châm vĩnh cửu để giảm ma sát

 Phát triển mô hình máy phát điện gió trục đứng sử dụng máy phát điện bằng nam châm vĩnh cửu

1.3 Phương pháp nghiên cứu

 Nghiên cứu lý thuyết

 Thực nghiệm trên mô hình

1.4 Ý nghĩa khoa học của đề tài

 Phát triển năng lượng gió trục đứng công suất nhỏ ứng dụng trong các hộ gia đình

 Đề tài mở ra một hướng đi mới trong việc sử dụng các dạng năng lượng tái tạo vào thực tiễn trong viễn cảnh các nguồn năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt

 Làm mô hình trực quan trong giảng dạy: Môn học Giáo dục sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả, môn học Năng lượng tái tạo, nôm học Máy điện Đồng thời làm tài liệu nghiên cứu và tham khảo trong nhà trường

1.5 Giới hạn đề tài

Từ những kiến thức được nghiên cứu và tham gia thực hiện các công trình ở trường học và ngoài thực tế, tác giả xây dựng mô cơ bản nhất để xem xét sự ảnh hưởng của từ trường nam châm vĩnh cửu đến chất lượng điện áp của máy biến áp, ứng dụng từ trường của nam châm vĩnh cửu để làm đệm từ giảm ma sát cho máy phát điện nhằm sử dụng cho máy phát điện gió trục đứng trên mô hình Mô hình tạo ra điện năng từ năng lượng từ trường của nam châm vĩnh cửu thông qua mô hình máy phát điện sử dụng nam châm vĩnh cửu phục vụ

cho phát điện gió trục đứng công suất nhỏ sử dụng cho hộ gia đình

1.6 Điểm mới của đề tài

 Xây dựng mô hình ảnh hưởng của từ trường

 Xây dựng mô hình máy phát điện sử dụng nam châm vĩnh cửu

1.7 Nội dung của đề tài

Chương 1: Giới thiệu

Chương 2: Tổng quan về năng lượng gió

Chương 3: Vật liệu từ và nam châm vĩnh cửu

Chương 4: Mô hình và thực nghiệm

Chương 5: Kết luận và đề nghị

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

2.1 Lịch sử phát triển máy phát điện gió

Hàng nghìn năm nay con người đã biết khai thác sức gió để vận hành các cỗ máy phục

vụ cho cuộc sống của mình, từ việc dựa vào sức gió để dong buồm ra khơi cho đến vận hành các máy bơm nước hay xay ngũ cốc Hình ảnh cối xay gió trên những miền quê phương Tây

đã trở nên tiêu biểu qua nhiều thế kỷ

Hình 2.1 Turbine gió đầu tiên của Charles F.Brush, Cleveland, Ohio 1888

Đến cuối thế kỷ 19 chiếc máy phát điện dùng sức gió đầu tiên ra đời, với tên gọi là turbine-gió để phân biệt với cối-xay-gió (biến năng lượng gió thành cơ năng) Charles F Brush đã tạo ra chiếc turbine gió có khả năng phát điện đầu tiên trên thế giới tại Cleveland, Ohio vào năm 1888 Giống như một cối xay gió khổng lồ có đường kính 17m với 144 cánh bằng gỗ mỏng, Hình 2.1

Năm 1891 nhà khí tượng học người Đan Mạch Poul The Mule Cour xây dựng một turbine thử nghiệm ở Askov – Đan Mạch, Hình 2.2 Turbine gió này có một rô to bốn cánh kiểu cánh máy bay và có trục quay nhanh hơn

Năm 1922, kỹ sư người Phần Lan S.J.Savonius đã cải tiến nguyên lý đẩy của khái

niệm trục đứng bằng cách thay thế cánh buồm bằng hai cốc hình tròn, Hình 2.3

Hình 2.2 Turbine gió của Poul la Cour, Askov, Đan Mạch năm 1897

Năm 1931, kỹ sư người Pháp George Darrieus phát minh ra turbine gió trục đứng Darrieus Dựa vào nguyên lý kéo, turbine này có hai (hoặc nhiều hơn) cánh mềm dạng cánh máy bay Một đầu cánh gắn ở đỉnh và một đầu gắn xuống đáy của trục đứng chính turbine, giống như một cái máy đánh trứng khổng lồ Sau đó những mẫu thiết kế được cải tiến với cánh quạt có rãnh để hiệu suất turbine cao hơn

Hình 2.3 Turbine gió trục đứng kiểu Savonius

Năm 1950 kỹ sư Johannes Juhl, đã phát triển turbine gió 3 cánh có khả năng phát điện xoay chiều, đây chính là tiền thân của turbine gió Đan Mạch hiện đại Cuộc khủng hoảng dầu hoả vào năm 1973, đã làm cho con người quan tâm trở lại đến tính thương mại của năng lượng gió và làm tiền đề cho sự phát triển công nghệ cao hơn tại Đan Mạch và Califonia

Tuy nhiên mãi đến những năm 1980, công nghệ turbine gió mới đủ thuận lợi để tồn tại, xét về mặt kinh tế, để các turbine gió cỡ lớn phát điện Hầu hết các nghiên cứu và phát triển đều tiến hành trên turbine trục ngang, mặc dù vẫn có các nghiên cứu sâu hơn trên mẫu thiết kế trục đứng Darrieus ở Canada và Mỹ vào những năm 1970 và 1980, mà đỉnh cao của

nó là chiếc máy với đường kính rô to là 100m có công suất 4.2MW với tên gọi “Eole C” tại

Cap Chat – Quebec, Hình 2.4 Tuy nhiên nó chỉ vận hành được có 6 tháng thì hư hỏng cánh quạt, do sức chịu đựng của cánh quạt quá kém

Hình 2.4 Turbine gió trục đứng Darrieus kiểu “Eole C” tại Cap Chat, Quebec

Châu Âu dẫn đầu trong lĩnh vực năng lượng gió, vào năm 1982 công suất tối đa của các turbine gió chỉ có 50 kW Đến năm 1995 các turbine gió thương mại đã đạt công 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

2.2 Năng lượng gió thế giới

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, công nghệ turbine gió có thể giải quyết được các vấn đề: cạn kiệt nguồn tài nguyên hóa thạch, hiệu ứng nhà kính, tuân thủ các điều khoản trong Nghị định Thư Kyoto về hiện tượng trái đất ấm dần lên

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, Hình 2.5 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

Hình 2.5 Biểu đồ tăng trưởng công suất lắp đặt năng lượng gió theo năm

Năm 2006 tổng sản lượng điện gió toàn 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:

Các nước Trung Đông, Viễn Đông và Nam Mỹ cũng bắt đầu đưa năng lượng gió vào nền công 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

2.3 Năng lượng gió phân tán

Sự gia tăng nhanh chóng công suất lắp đặt hàng năm trên thế giới của ngành công nghiệp năng lượng gió phần lớn là do các máy phát điện ngày càng lớn hơn, hiệu suất cao hơn Những cánh đồng gió với các máy phát cực lớn tập trung đã tạo ra lượng điện năng không thua kém gì các nhà máy điện truyền thống Tuy nhiên để có thể làm được điều này thì không phải quốc gia nào, vùng đất nào cũng làm được

Điều kiện gió đóng vai trò quyết định đến sản lượng điện tạo ra nhiều hay ít, mô hình

và kích cỡ máy phát Việc hòa lưới các máy phát cỡ lớn cũng gặp rất nhiều khó khăn vì làm mất ổn định hệ thống và chí phí tăng cao Chính vì lẽ đó các hệ thống năng lượng gió phân tán đang ngày càng được quan tâm Các hệ thống này thường có công suất nhỏ có thể vận hành ở những nơi vận tốc gió thấp, độc lập và thích hợp cho các hộ gia đình, vùng nông thôn, làng, xã và cụm dân cư, vùng sâu, vùng xa, hải đảo…

Các hệ thống năng lượng gió phân tán cung cấp nguồn năng lượng tái sinh giúp cải thiện môi trường, làm giảm áp lực trên lưới điện đồng thời cũng tạo việc làm, cung cấp nguồn năng lượng an toàn cho hộ gia đình, nông trại, trường học, nhà máy, các tiện nghi công cộng, công ty điện và các vùng xa xôi hẻo lánh Người Mỹ đã đi tiên phong ở lĩnh vực công nghệ turbine gió công suất nhỏ từ những năm 1920, cho đến nay ngành công nghiệp này Mỹ vẫn là nước có công nghệ, nhà máy và thị phần đứng đầu thế giới

Các hệ thống gió phân tán thường cung cấp điện cho người dùng phía đồng hồ điện

mà không cần các đường dây truyền tải, đưa ra thêm một sự chọn lựa mang tính cạnh tranh cao, giá thành thấp so với các hệ thống dùng tấm pin mặt trời mà hiện nay đang được dùng nhiều ở các căn hộ trong thành phố Các turbine phân tán cỡ nhỏ tạo ra điện ở vận tốc gió thấp hơn so với các loại cỡ lớn của ngành điện lực thường phải nằm ở những vùng có vận tốc gió cao Từ những yếu tố đó, kết hợp với việc giá điện ngày càng tăng, nhu cầu điện ngày càng lớn đã thúc đẩy mạnh ngành công nghiệp máy phát điện gió phân tán phát triển, tạo thế cân bằng và mở rộng thị trường một cách nhanh chóng

Từ các số liệu khảo sát, cho thấy hiện nay ngành công nghiệp năng lượng gió phân tán này 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, công ty và các ứng dụng gió công nghiệp cỡ nhỏ

- Loại cỡ nhỏ dùng cho cho cụm dân cư

- Các hệ thống gió - diesel

- Bơm nước tưới tiêu

- Khử muối trong nước

1.3.1 Công nghệ điện gió phân tán trên thế giới

Thị trường máy phát điện gió phân tán xưa nay được biết là rất khó đánh giá, vì nó nằm rải rác không tập trung Thị trường công nghệ máy phát điện gió cỡ nhỏ không giống như thị trường máy phát điện gió cỡ lớn Hiện nay các nhà máy chế tạo máy phát điện nhỏ của Mỹ đang dẫn đầu cả về công nghệ lẫn số lượng, họ chủ yếu sản xuất các turbine gió nhỏ gồm nhiều chủng loại khác nhau và hầu như trên thế giới cũng chỉ gần ấy các công nghệ

Bảng 2.1 cho thấy tổng quan về tiềm năng thị trường gió thế giới thông qua các phân đoạn thị trường và số liệu này cũng cho biết kích cỡ turbine gió cho từng phân đoạn Theo đó

ta thấy mảng lớn nhất trên đồ thị như Hình 2.6, nếu tính dung lượng Megawatt lắp đặt chính

là gió cộng đồng Về lịch sử Cộng đồng châu Âu dẫn đầu về gió cộng đồng, với khoảng 80% các turbine gió được lắp đặt cho các ứng dụng cộng đồng Thị trường này hiện nay được đánh giá là đạt khoảng 8.2GW với các máy dưới 1MW

Khi so sánh với thị trường nội địa của Mỹ thì thế giới có 3 thị trường nổi bật:

- Thứ nhất là loại turbine gió cộng đồng cỡ nhỏ, đang rất được ưa chuộng trên thế giới và đang có xu hướng thay thế ngày càng tăng thị trường máy phát độc lập

- Thứ hai là các mô hình ứng dụng gió - diesel cũng rất mạnh và chiếm thị phần khá lớn

- Cuối cùng là máy phát điện gió cỡ nhỏ cũng đóng một vai trò quan trọng

Thị trường máy phát độc lập mặc dù không lớn như turbine gió cộng đồng cỡ nhỏ nhưng vẫn có tiềm năng rất lớn Mặc dù, hầu hết các thị trường tiềm năng này đều nằm ngoài các nước phát triển, hiện nay Trung Quốc đã lắp đặt 170000 turbine gió mini công suất từ 60 – 200W

Bảng 2.1 Tổng công suất lắp đặt (MW) trên thế giới đến năm 2020

Năm Off-grid Hộ gia đình Nông trại/công

nghiệp/công ty

Cụm dân cư Gió/diesel

Hình 2.6 Biểu đồ tăng trưởng công suất lắp đặt trên thế giới đến năm 2020

Nếu xét về số máy đã lắp đặt thì thị phần lớn nhất chính là máy phát độc lập hay máy phát điện gió nhỏ ở các vùng sâu, nông thôn Tuy nhiên, với các máy phát điện gió độc lập này thường có công suất thấp, khoảng từ vài kilowatt trở xuống

Tổng cộng các thị phần thì đến cuối năm 2020 sẽ có khoảng 1.500.000 máy Tổng tăng trưởng qua từng năm ước tính khoảng 20% Tuy nhiên do khảo sát chưa đầy đủ nên các khoảng giá trị cực tiểu, cực đại hay trung bình sẽ có sự chênh lệch khá lớn, như Hình 2.7

Thị phần tiềm năng dự đoán sẽ rất lớn cho nông nghiệp, thương mại và công nghiệp

nhỏ, nguyên nhân là do các chính sách hỗ trợ cho loại này lớn Chẳng hạn, ở Đức, khi hiệu

suất điện cao hơn thì số KWh tạo ra có giá trị kinh tế cao sẽ được miễn thuế Trung Quốc cũng đang nổ lực hết sức cho các mục tiêu về năng lượng tái sinh, bằng chứng là số lượng turbine gió nhỏ hiện nay Trung Quốc đang dẫn đầu

Công nghệ gió phân tán mở ra một con đường đầy triển vọng cho người dân toàn cầu trong việc sử dụng những tiềm năng năng lượng trong tương lai Cho đến nay, con người hầu

như lệ thuộc hoàn toàn vào các dịch vụ cung cấp năng lượng bên ngoài như các nhà máy phát điện truyền thống Mặc dù người ta vẫn có thể đầu tư với một kinh phí vừa phải để chủ động trong đáp ứng những nhu cầu về năng lượng cho chính mình, chẳng hạn như các tấm panô năng lượng mặt trời, máy phát điện sử dụng năng lượng hóa thạch, tuy nhiên nguồn năng lượng cá nhân dạng này khó đạt đến số lượng nhiều Việc giảm đáng kể giá thành và đa dạng chọn lựa của công nghệ gió phân tán kết hợp với các chính sách hỗ trợ từ nhà nước và nhiều

tổ chức khác trên thế giới, đã làm thay đổi nhận thức và làm tăng động lực phát triển dành cho năng lượng gió Các tài liệu báo cáo này đã cho thấy triển vọng có thật đầy tiềm năng cho thị trường ứng dụng gió phân tán, và mặc dù vẫn còn tồn tại những rào cản về mặt kỹ thuật nhưng không phải không vượt qua được

Hình 2.7 Biên độ dao động công suất dự đoán ở tất cả các phân đoạn

Các đánh giá khác cũng chỉ ra rằng cần phải hiểu nhiều hơn về thị trường này và có những phân tích sâu hơn cho các vấn đề quan tâm đặc biệt Nếu các quốc gia đang hướng tới các nguồn năng lượng thân thiện môi trường, thì đòi hỏi phải có các chính sách hỗ trợ tốt, nâng cấp các hệ thống truyền tải điện lớn, ứng dụng gió phân tán: từ các máy phát điện gia đình đến máy phát điện gió cỡ lớn và các hệ thống kết hợp gió - diesel đều phải được triển khai đồng bộ, nếu làm được điều này thì chắc chắn nó sẽ đóng một vai trò hết sức quan trọng trong hệ thống điện quốc gia

2.3.2 Máy phát điện độc lập cỡ nhỏ (off-grid)

Các hệ thống năng lượng gió cỡ nhỏ đáp ứng nhu cầu về nguồn năng lượng độc lập cho các hộ gia đình, hay cụm dân cư nông thôn trên khắp thế giới Các turbine gió cỡ nhỏ chính là nguồn năng lượng phân tán đầy tiềm năng sẽ phát triển nhanh chóng trong 20 năm tới Chìa khoá cho sự thành công về mặt chiến lược lâu dài cho bất kỳ hệ thống năng lượng gió cỡ nhỏ nào là phải lắp đặt một hệ thống được thiết kế tốt có cấu trúc đảm bảo nhu cầu vận hành và bảo dưỡng lâu dài

Nền công nghiệp turbine gió cỡ nhỏ đã chiếm lĩnh thị trường toàn cầu Với khoảng 1.7

tỷ người không có điều kiện sử dụng điện lưới, thị trường điện khí hoá nông thôn được đánh giá là khoảng 26GW Năng lượng cho các làng xa xôi hẻo lánh sẽ được thiết kế như là một hệ thống hoàn chỉnh gồm các loại gió, pin mặt trời, bình ắc quy và các máy phát diesel Thử thách chính là giá thành của hệ thống, kích cỡ các thành phần hệ thống và tiến hành sản xuất với số lượng nhiều để làm giảm giá thành

Ứng dụng của các máy phát điện độc lập cở nhỏ: các hệ thống năng lượng gió cỡ nhỏ

có nhiều kích cỡ đáp ứng vừa đủ nhu cầu năng lượng và điều kiện gió tại chỗ của người tiêu dùng Thị trường này bao gồm các ứng dụng cung cấp điện gió cho hộ gia đình hay cụm dân

cư ở các vùng nông thôn, vùng không có điện lưới tại các nước đã và đang phát triển Về kích

cỡ rất đa dạng từ các hệ thống nhỏ cho hộ gia đình (60W trở lên) cho đến loại lớn hơn, như các hệ thống cho cụm dân cư làng xã công suất hàng trăm kW tích hợp vào hệ thống phát điện diesel Tại Mỹ, hầu hết người dân ở các vùng hẻo lánh không có lưới điện đều thích dùng năng lượng gió để đáp ứng nhu cầu về điện của họ hoặc tự chủ động về năng lượng cho chính họ Trong khi các nước đang phát triển thì mong muốn các hệ thống điện gió nhỏ cung cấp năng lượng cho hộ gia đình hay làng xã ở các vùng hẻo lánh để giảm chi phí đầu tư cơ sở

hạ tầng vì nguồn tài chính bị hạn chế Năng lượng gió có thể cung cấp một lượng năng lượng đáng kể cho hộ gia đình hay cụm dân cư mà hiện nay đang dùng công nghệ diesel, để làm giảm về nhu cầu nguồn năng lượng hóa thạch

Máy phát điện cỡ nhỏ trong giai đoạn hiện nay: các hệ thống năng lượng gió nhỏ đã có cách đây nhiều thập kỷ tuy nhiên chỉ mang tính chất nghiệp dư, vào khoảng đầu thế kỷ 20 thì những máy phát điện gió ban đầu thường lắp đặt ở các cánh đồng nhỏ hay trại nuôi gia súc ở miền Tây của nước Mỹ, hầu hết những nơi này đã quen dùng năng lượng gió để bơm nước Trước khi có các chương trình điện khí hoá nông thôn lớn tại nước Mỹ, nhiều nông trại ở nông thôn đã lắp đặt các hệ thống phát điện gió để sử dụng như nguồn năng lượng tại chỗ Tuy nhiên, nó mất dần tầm quan trọng khi các chương trình điện khí hoá nông thôn lớn tại

Mỹ được thực hiện sau Chiến Tranh Thế Giới Thứ II Nhưng trong những năm gần đây một lần nữa ngành công nghiệp máy phát điện gió nhỏ lại trở nên phổ biến khi nhiều người chuyển về sống ở nông thôn hay những vùng không có điện lưới và hầu hết các bang này đều dùng đồng hồ điện kế mạng Đồng hồ điện kế mạng cho phép khách hàng dùng điện lưới có thể dùng máy phát điện gió của họ để bù vào phần điện vượt quá trong tháng của họ

Ngành công nghiệp turbine gió cỡ nhỏ tăng trưởng đều đặn, nhưng không phát triển nhanh như turbine gió cỡ lớn Cho đến nay, đã có hơn 430000 máy phát điện cỡ nhỏ đã được lắp trên khắp thế giới, tạo ra lượng điện năng khoảng 110MW Hầu hết, các turbine gió cỡ nhỏ áp dụng thành công thường có công suất khoảng vài trăm Watt Thị trường turbine gió cỡ nhỏ lớn nhất hiện nay chính là Trung Quốc và Mông Cổ Các turbine gió này thường được dùng để cung cấp điện cho các hộ gia đình độc lập Trên thế giới cũng có khoảng 150 hệ thống ghép lại, loại này sử dụng turbine gió lớn hơn, thường khoảng 1kW đến 50kW

2.4 Năng lượng gió 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 không 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 Quí, Côn Đảo có tốc độ gió trong khoảng 4.0- 6.6m/s Tuy nhiên cũng nên nói thêm rằng tiềm năng năng 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 khảo sát gần đây nhất của IOE, Việt Nam có khoảng 31000km2 đất có thể đưa vào khai thác năng lượng gió, trong đó có 865km2 tương đương với 3572MW với điện có thể được tạo ra với giá thành ít hơn 6UScents/kWh Nghiên cứu cũng đã minh chứng được rằng năng lượng gió sẽ là giải pháp tốt cho khoảng 300000 hộ cư dân nông thôn không có điện Trong khi năng lượng gió có thể mang đến những lợi ích về môi trường, kinh tế, xã hội… Nhưng hiện nay lượng điện năng khai thác từ gió gần như là con số không Nhà nước cũng chưa có chính sách hỗ trợ, khuyến khích nào cho năng lượng gió Vì vậy, nhiệm vụ ưu tiên hàng đầu hiện nay là đặt mục tiêu cho phát triển năng lượng tái sinh và để tìm tòi nghiên cứu công nghệ mới phù hợp với Việt Nam

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 Hòn 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 Hòa) 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 Sông 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 Phòng Công 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 hoàn 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 toàn Nhà máy điện gió thứ 2 của cả nước 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 công 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 hòa 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 công 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 công suất phát điện 120 MW với vốn đầu tư 120 triệu USD (gần 2000 tỉ đồng) do tập đoàn 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 vòng 10 năm, giá thành điện không cao 5UScents/kWh Theo dự báo đến năm

2010, suất đầu tư nguồn điện bằng sức gió chỉ còn khoảng 700- 800USD/kW, giá thành 3.5– 4.0UScents/kWh Với quy mô nhỏ thì đặc biệt hữu ích cho vùng sâu, vùng xa và hải đảo Với quy mô lớn thì thường được phát triển ở những vùng trống, khô cằn ở vùng Nam Trung

bộ như Quảng Ngãi, Bình Định, Khánh Hòa, Bình Thuận

Tiềm năng phát triển năng lượng gió công suất nhỏ tại Việt Nam

Việt Nam hiện vẫn còn khoảng 4.5 triệu dân, đặc biệt các hộ vùng sâu, vùng xa, hải

đảo… vẫn chưa có điện Theo quy hoạch phát triển mạng lưới điện thì dự kiến đến năm 2010, vẫn còn trên 1000 xã (trong tổng số hơn 9000 xã) đại diện cho 500000 hộ dân với dân số khoảng 3 triệu người vẫn chưa có lưới điện quốc gia

Như vậy, căn cứ vào tổng quan tình hình năng lượng và xu hướng phát triển của năng lượng gió phân tán trên thế giới mà ta đã phân tích ở trên, thì mô hình máy phát điện công suất nhỏ rất phù hợp với điều kiện Việt Nam Sau đây là những lý do vì sao cần phải phát triển mô hình máy phát điện công suất nhỏ tại Việt Nam:

- Có thể giải quyết được ngay nhu cầu điện chiếu sáng cho một phần đáng kể trong tổng số 4.5 triệu dân vùng sâu, vùng xa chưa có điện, đặc biệt là các cụm dân cư độc lập mà việc hòa lưới điện sẽ rất tốn kém và lâu dài

- Việt Nam có cả hàng ngàn km bờ biển, tập trung nhiều khu đô thị, cụm dân cư ven biển

có nguồn gió phù hợp với mô hình máy phát điện nhỏ (vận tốc gió từ 2m/s-6m/s) Đối tượng này nếu được khai thác tốt sẽ làm giảm áp lực đáng kể lên lưới điện quốc gia

- Các hộ dân cư trên hàng ngàn đảo nhỏ ngoài khơi Việt Nam, tàu thuyền đánh cá nhỏ có thể tự chủ nguồn năng lượng cho chính mình với giá thành thấp hơn việc dùng máy phát diesel như hiện nay

- Chi phí đầu tư cho máy phát điện gió công suất nhỏ sẽ có giá thành rẻ hơn loại dùng tấm pin mặt trời có cùng công suất

- Có thể nhân rộng mô hình và sử dụng các nguồn nhiên liệu tại địa phương

- Dễ bảo trì, sửa chữa, thời gian sử dụng lâu hơn loại dùng tấm pin mặt trời

- Các máy phát điện gió công suất nhỏ có thể hoạt động ở vận tốc gió thấp hơn so với các máy phát cỡ lớn

- Dễ chế tạo với số lượng nhiều để giảm giá thành và bán lại cho người dân với giá hỗ trợ Như trên ta thấy, với 7 phân đoạn thị trường máy phát điện gió phân tán trên thế giới thì tùy theo quốc gia, tùy theo điều kiện mà mỗi nước có những đặc thù riêng Tuy nhiên, nhìn chung các máy phát điện gió công suất bé khoảng từ vài chục Watt đến vài trăm Watt đã chiếm ưu thế rõ rệt về số lượng và công nghệ Các nước như Trung Quốc, Ấn Độ, Srilanca, Mông Cổ… là những nước châu Á thành công trong việc phát triển điện gió nhỏ

Việt Nam có tiềm năng về năng lượng gió khá lớn so với các nước trong khu vực, điều này là một thuận lợi lớn Việc đánh giá đúng mức chế độ gió và phát triển mô hình máy phát điện gió công suất nhỏ là hoàn toàn phù hợp với điều kiện kinh tế của Việt Nam hiện nay, phù hợp với xu thế phát triển của thế giới Vấn đề đặt ra ở đây là chúng ta sẽ lựa chọn mô hình nào máy phát điện gió nào để phù hợp cho điều kiện gió cũng như điều kịện kinh tế của Việt Nam

2.5 Các kiểu turbine gió

2.5.1 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 mô men quay trục turbine, như Hình 2.8

Turbine gió trục ngang (HAWT) có rô 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 yêu cầu phải có một hệ thống điều chỉnh hướng gió bằng cơ khí để đảm bảo các cánh quạt luôn luôn hướng thẳng góc với chiều gió

Hình 2.8 Cấu tạo turbine trục đứng và trục ngang

1 Chiều gió đến của

13 Cánh rô to với góc bước cố định

14 Nền rô to

Turbine gió trục đứng (VAWT) có cánh nằm dọc theo trục chính đứng Loại này không cần phải điều chỉnh cánh quạt theo hướng gió và có thể hoạt động ở bất kỳ hướng gió nào Việc duy tu bảo quản và duy trì vận hành rất dễ dàng vì các bộ phận chính như máy phát, hệ thống truyền động đều được đặt ngay trên mặt đất Tuy nhiên nó cần có không gian rộng hơn cho các dây chằng chống đỡ hệ thống

2.5.2 Các kiểu turbine gió trục đứng

2.5.2.1 Savonius, kiểu dùng lực đẩy

Loại dùng lực đẩy làm việc theo nguyên tắc chân vịt tàu Nếu giữa cánh chân vịt và nước không có sự chảy qua, thì vận tốc cực đại đạt được bằng với vận tốc tiếp tuyến của cánh quạt Tương tự turbine gió trục đứng kiểu đẩy, vận tốc tại đầu cánh quạt đôi khi có thể vượt quá vận tốc gió

Các kiểu VAWT dùng nguyên tắc lực đẩy trước đây đã từng được sử dụng bằng cách dùng các tấm dẹp bằng kim loại hay gỗ, các vật hình cốc hay thùng phuy để làm vật đẩy

Rô to Savonius là rô to có mặt cắt ngang hình chữ S, như Hình 1.9 Nó chủ yếu dựa vào lực đẩy nhưng cũng sử dụng một phần nhất định lực nâng khí động học Được tạo ra tại Phần Lan, loại VAWT dùng lực đẩy có mô men khởi động lớn nhưng vận tốc quay nhỏ, trong khi loại lực nâng thì ngược lại Hơn nữa, công suất ngõ ra so với tỷ số trọng lượng thì nhỏ Bởi vì

ở vận tốc thấp, nó được đánh giá là không phù hợp để phát điện mặc dù cũng có thể làm được nếu dùng bộ nhông truyền động để tăng tốc lên Các cối xay gió dựa vào lực đẩy thì có nhiều ứng dụng hữu ích như xay ngũ cốc hay bơm nước Một thuận lợi chính của turbine gió trục đứng dùng lực đẩy là nó có thể tự khởi động được, trong khi loại VAWT dùng lực nâng thì không

Hình 2.9 Rô to Savonius có mặt cắt ngang hình chữ S 2.5.2.2 Darrieus, VAWT dùng lực nâng

Kiểu lực nâng làm việc theo lý thuyết khí động học của cánh máy bay Các cánh rô to

có mặt cắt ngang được thiết kế theo kiểu cánh máy bay sao cho quãng đường mà gió lướt qua mặt cánh ở mặt này thì dài hơn quãng đường ở mặt kia như Hình 2.10, do đó vận tốc gió ở hai mặt cánh khác nhau Áp dụng đẳng thức Bernoulli, ta có thể thấy vận tốc khác nhau tạo ra các lực khác nhau, lực này làm đẩy cánh rô to xoay khi gió thổi qua

Hình 2.10 Nguyên lý khí động học của cánh máy bay

VAWT kiểu Darrieus đầu tiên được thiết kế dựa trên lực nâng Chiếc máy có đặc điểm

là rô to có dạng hình chữ C như Hình 2.11, loại này giống một cái máy đánh trứng Dạng này thường được thiết kế với rô to có hai hay ba cánh Có mô men khởi động thấp nhưng khi quay rồi thì có vận tốc quay lớn, do đó nó thích hợp khi nối với máy phát đồng bộ

Với cùng kích thước, trọng lượng và giá thành thì công suất ngõ ra của nó sẽ lớn hơn loại turbine gió trục đứng kiểu đẩy

Khi hòa vào lưới điện, trở ngại này có thể được khắc phục bằng cách: ban đầu máy phát được coi như một động cơ nhận dòng từ lưới điện, khi động cơ đạt đến vận tốc phát điện, vận tốc tại đỉnh cánh quạt bằng vận tốc gió, thì nó đổi vai trò thành máy phát để phát điện lên lưới Đối với trường hợp hoạt động độc lập, thì rô to Darrieus có thể kết hợp với một

rô to Savonius có cùng kích thước để tạo mô men khởi động

Hình 2.11 VAWT kiểu Darrieus, rô to có dạng hình chữ C

Nếu xét ở góc độ cánh quạt, thì sự chuyển động tròn của cánh quạt sẽ hướng cánh quạt

về phía đầu gió, nếu góc tới của gió và cánh quạt lớn hơn 0, thì thành phần đẩy của lực nâng

sẽ làm quay turbine

Góc tới thay đổi theo hướng quay từ - 20 đến 20 độ và không được vượt quá 20 độ, khi góc lớn hơn 20 độ thì luồng khí thổi dọc theo cánh quạt không còn tạo thành lớp khí để tạo một lực nâng cánh quạt lên (điều kiện tiên quyết của turbine loại này) gây xáo trộn và làm turbine ngưng hoạt động

Nếu góc tới từ 0 đến 20 độ thì cánh quạt dễ dàng đạt tốc độ cao, tuy nhiên nó không thể tự khởi động được, đây là đặc điểm của turbine Darrieus Do đó, người ta phải quay nó đến một tốc độ đủ lớn để nó tự hoạt động

Turbine Darrieus nguyên thủy có một số bất lợi như: độ dao động lớn làm hư cánh quạt, gây ồn, hiệu suất thấp, chính vì vậy đã làm hạn chế sự thành công của nó

1.5.2.3 Các kiểu turbine lực nâng khác

Một biến thể của turbine Darrieus là kiểu Giromill như Hình 2.12, có cánh thẳng đứng Turbine Cyclo là một kiểu khác nữa của VAWT loại này sử dụng máy định chiều gió để thay đổi bước cánh turbine thông qua bộ cơ khí như Hình 2.13 Ngoài ra, còn có các kiểu dùng tháp phát điện dạng ống và/hay xoắn để đổi chiều gió làm tăng vận tốc gió

Hình 2.12 Turbine kiểu Giromill Hình 2.13 Turbine Cyclo

2.6 So sánh turbine trục đứng và trục ngang

Đã có nhiều tranh luận xoay quanh vấn đề này, có thể nói bắt đầu từ khi phát minh ra các bộ chuyển đổi năng lượng gió Các chuyên gia đã đưa ra nhiều quan điểm khác nhau Dennis G.Shepherd đã so sánh hai loại turbine này một cách toàn diện nhất trong tác phẩm

“Năng lượng gió”, ông đã đưa ra những ưu và nhược điểm tương đối của hai loại turbine này như sau:

Ưu điểm của VAWT so với HAWT:

 Một turbine gió trục đứng truyền thống là một cỗ máy không hướng Nghĩa là VAWT hoạt động mà không phụ thuộc vào hướng gió Như vậy hệ thống xoay hướng gió phức tạp của HAWT sẽ không cần thiết ở VAWT

 VAWT được đặt ngay trên nền đất, khác với HAWT phải được đưa lên tháp cao Hộp

số, máy phát và dàn cơ khí điều khiển rất nặng, do đó nếu đặt dưới đất thì việc lắp đặt, bảo trì

sẽ rất thuận tiện và dễ dàng

 Với cùng một công suất ngõ ra, tổng chiều cao của HAWT (bao gồm tháp) sẽ cao hơn rất nhiều so với loại trục đứng Darrieus gây tác động rõ rệt đến xung quanh Về phương diện này, các turbine gió trục đứng được coi như thân thiện với môi trường hơn so với loại trục ngang

 Các cánh quạt của VAWT không bị phải chịu đựng áp lực khi xoay Cánh của VAWT

rẻ và bền cao hơn so với HAWT

 VAWT được thiết kế sao cho tải ly tâm được cân bằng bởi các lực trên cánh quạt, như vậy tránh được mô men xoắn

 Các dây cáp chằng VAWT chiếm khá nhiều diện tích, nên có thể gây khó khăn cho việc tận dụng phần đất bên dưới turbine, đất đai thường canh tác, trồng trọt bên dưới

 Toàn bộ trọng lượng của VAWT được đặt lên bộ đệm đỡ phía dưới, bộ đệm này rất cứng, linh hoạt và có độ tin cậy cao khi vận hành Tuy nhiên khi bộ đệm này hư hỏng, thì đòi hỏi phải tháo dỡ xuống toàn bộ máy phát để sửa chữa hoặc thay thế

 Đối với VAWT, mô men quay và công suất ngõ ra thay đổi thất thường một cách tuần hoàn khi cánh quạt đi vào và ra khỏi vùng tác động của gió trong mỗi vòng quay, trong khi ở HAWT mô men quay và công suất ngõ ra khá ổn định

Do mô men quay của VAWT thay đổi tuần hoàn, nên tạo ra nhiều tần số dao động tự nhiên Điều này rất nguy hiểm và cần phải được loại bỏ nhanh chóng bởi bộ điều khiển cơ khí, nếu không sự cộng hưởng sẽ gây hư hỏng nghiêm trọng cho rô to Trong khi đó một HAWT nếu được thiết kế kỹ lưỡng sẽ không có những vấn đề rung động như vậy

Sự phát triển mang tính cạnh tranh và những gì làm được của turbine trục ngang sẽ bị hạn chế trong tương lai, phần lớn là do tải trọng của những cánh quạt ngày càng lớn Có thể nhận thấy rằng, mặc dù hiệu suất thấp nhưng turbine trục đứng không chịu áp lực nhiều từ tải trọng của nó, điều làm giới hạn kích thước của turbine trục ngang

Xét về mặc hiệu quả kinh tế, các nhà phân tích cho rằng: nếu trước đây các turbine trục đứng với công suất ngõ ra khoảng 10 MW được phát triển thì ít nhất nó cũng làm được những gì mà turbine trục ngang làm được ngày nay, nhưng chi phí trên một đơn vị công suất thấp hơn nhiều, do đó vấn đề hiệu suất của turbine trục đứng thấp 19% đến 40% so với 56% turbine trục ngang là không quan trọng

Turbine trục ngang và trục đứng như trên đã phân tích đều có ưu và nhược điểm nhất định Loại trục ngang có hiệu suất cao hơn nhưng chi phí cũng lớn, hệ thống khá phức tạp và chỉ hoạt động tốt khi vận tốc gió lớn Trong khi loại trục đứng có hạn chế là hiệu suất thấp nhưng bù lại dễ thiết kế, bảo dưỡng và giá thành thấp, đồng thời hoạt động tốt trong điều kiện gió thấp, chiều gió thay đổi liên tục

Việc chọn mô hình trục đứng hay trục ngang khi thiết kế sẽ phụ thuộc vào điều kiện gió tại nơi đó và các tiêu chí thiết kế, các tiêu chí này sẽ được đưa vào bảng phân tích nhân tố

và tùy vào nhu cầu người dùng ở từng quốc gia mà các tiêu chí sẽ có trọng số khác nhau, tiêu chí nào có trọng số lớn nhất sẽ được chọn để thiết kế Theo tài liệu nhóm nghiên cứu này đã dùng bảng phân tích nhân tố với 7 tiêu chí sau, để đánh giá nhu cầu sử dụng của các nước đang phát triển:

1 Giá thành thấp

2 Được thiết kế dễ dàng sản xuất với số lượng lớn

3 Hiệu suất cao

4 Ít duy tu bảo quản

5 Bền

6 Hoạt động có hiệu quả ở các điều kiện gió không lý tưởng, gió quẩn

7 Lắp đặt dễ dàng

Hình 2.14 Kiểu dáng của VAWT

Kết quả cho thấy tiêu chí hiệu suất cao, giá thành thấp có trọng số lớn nhất và đã được chọn làm tiêu chí thiết kế để phù hợp với máy phát điện gió công suất nhỏ Như vậy, nó đánh giá đúng cho điều kiện gió ở Việt Nam, khoảng 4m/s và đặc biệt cho luận văn này Với nghiên cứu máy phát điện gió của luận văn này được xây dựng với điều kiện vận tốc gió thấp tại Việt Nam, cần phải được làm việc hiệu suất cao và giá thành thấp cũng như đảm bảo được hết các yêu cầu còn lại Những tiêu chí này hoàn toàn phù hợp với mô hình trục đứng Từ những lý do đó bản thân đã chọn đề tài nghiên cứu trên mô hình turbine gió trục đứng với kiểu dáng cánh Lenz2 vì kiểu dáng cánh Lenz2 này dễ dàng trong thiết kế chế tạo và thi công

Thanh đở Trục quay

Tay quay

Đế Cánh gió

Bộ phận nối cánh

gió với tay quay và

điều chỉnh cánh

Đỉnh trục quay

so với các dạng cánh khác

Các thành phần của turbine gió

Các thành phần của máy phát điện gió được mô tả như Hình 2.115 Máy phát điện gió hầu hết đều có các thành phần chính như sau:

Hình 2.15 Các thành phần của turbine gió

 Cánh (Blade): Cánh rô to là các thành phần chính của turbine dùng để bắt năng lượng gió

và chuyển đổi năng lượng gió này thành năng lượng cơ làm quay trục turbine Việc thay đổi góc pitch của cánh có thể làm tối ưu năng lượng thu được từ gió

 Hub: Hub là điểm tâm nơi các cánh gắn vào và gắn liền với trục tốc độ thấp

 Hộp số (Gear box): Hộp số là hộp chuyển đổi vận tốc quay từ trục tốc độ thấp sang trục

tốc độ cao

 Phanh (Brake): Phanh có cơ cấu giống phanh xe hơi, dùng để hãm và dừng hẳn tất cả các

thành phần của turbine trong quá trình công nhân sửa chữa, duy tu Ở các turbine cỡ lớn thường có đến hai hệ thống phanh độc lập

 Máy phát (Generator): Máy phát được nối vào trục tốc độ cao, là bộ phận chính chuyển

đổi năng lượng cơ từ trục tốc độ cao thành năng lượng điện ở ngõ ra

 Máy đo tốc độ và hướng gió (Anemometer and Wind vane): Hai thiết bị này sử dụng để

xác định vận tốc gió và chiều gió

 Bộ xoay hướng gió (Yaw drive): Bộ xoay hướng gió có nhiệm vụ xoay cánh luôn luôn

hướng vuông góc với luồng gió, đối với loại turbine trục đứng thì bộ phận này là không cần thiết

 Bộ điều khiển (Controller): Bộ điều khiển là một hệ thống máy tính có thể giám sát và

điều khiển hoạt động turbine Chẳng hạn, khi gió đổi hướng hệ thống này sẽ điều chỉnh để xoay cánh luôn luôn hướng vuông góc với chiều gió, hoặc thay đổi góc pitch để năng lượng thu được luôn là tối ưu Khi có gió bão hoặc sự cố hệ thống sẽ cho dừng hoạt động toàn bộ hệ thống để đảm bảo an toàn

cuộn và nối cuộn dây với một ắc-quy Một từ trường được tạo ra bên trong cuộn dây, nhưng

nó chỉ tồn tại khi dòng điện vẫn còn chạy qua cuộn dây

Ví dụ 2: Một thanh nam châm thông thường không có một mối liên hệ rõ ràng với dòng điện thì nó sẽ làm việc như thế nào? Từ trường được tạo ra bởi nam châm được liên hệ với sự chuyển động và tương tác của các electron (các hạt tích điện âm) chuyển động theo quỹ đạo hạt nhân của mỗi nguyên tử Hiện tượng điện là sự chuyển động của các electron ở trong một cuộn dây hoặc trong một nguyên tử, như vậy mỗi nguyên tử biểu hiện như một nam châm vĩnh cửu nhỏ xíu vốn có sẵn của nó Electron đang quay tròn tạo ra một mômen từ quỹ đạo của riêng nó, được đo bằng magneton Bohr (B), và cũng có một mômen từ spin tương ứng với nó vì electron tự quay, giống như Trái Đất quay trên trục của bản thân nó (được minh họa trên hình 3.1)

Trong hầu hết các vật liệu đều có mômen từ tổng cộng, nhờ các electron tạo thành nhóm từng cặp, gây ra mômen từ bị triệt tiêu bởi lân cận của nó Trong các vật liệu từ nào đó, các mômen từ với một tỷ lệ lớn của các electron đã được sắp xếp, khi tạo ra một từ trường đồng nhất Trường được tạo ra trong vật liệu từ (hoặc bằng một nam châm điện) có một hướng chảy và nam châm bất kỳ nào cũng đều thể hiện một lực để cố gắng sắp xếp nó theo từ trường ngoài, giống như cái kim la bàn Các lực này được sử dụng để điều khiển motor điện, tạo âm thanh trong một hệ loa, kiểm soát cuộn tiếng trong CD player

Hình 3.1 Quỹ đạo của một electron quay xung quanh hạt nhân của nguyên tử

3.2 Các đơn vị từ, thuật ngữ và phân loại các loại vật liệu từ

Bảng 3.1: Đơn vị từ trong hai hệ đơn vị tính

 Độ từ hóa (M) của vật liệu: Mômen từ trên một đơn vị thể tích của vật liệu

 Độ từ hóa riêng (): Mômen từ trên một đơn vị khối lượng

 Cảm ứng từ (B) của vật liệu: Từ thông tổng cộng của từ trường đi qua một đơn vị tiết diện cắt ngang của vật liệu

0 là độ từ thẩm của chân không ( ), là tỷ số của B/H được đo trong chân không

(3.3)

(3.4)

(3.5)

Hình 3.2 Bảng tuần hoàn cc nguyên tố

Từ bảng tuần hoàn có thể biết bản chất từ của các nguyên tố:

có từ trường ngoài đặt vào Dưới ảnh hưởng của một từ trường ngoài (H) các electron đang quay sẽ chuyển động tạo thành một loại dòng điện, tạo ra độ từ hóa (M) trong hướng đối diện với phương của từ trường ngoài Tất cả vật liệu đều có hiệu ứng nghịch từ, song thường trong trường hợp mà hiệu ứng nghịch từ bị bao phủ bởi hiệu ứng thuận từ hay sắt từ lớn hơn Giá trị của độ cảm từ là độc lập với nhiệt độ

Hình 3.3 Cấu trúc và đường cong từ hóa của chất nghịch từ

- Chất thuận từ: Có vài lý thuyết về chất thuận từ, phù hợp cho một số loại vật liệu Mô

hình Langevin đúng cho các vật liệu với các electron định xứ không tương tác với nhau, ở các trạng thái mà mỗi nguyên tử có một mômen từ định hướng hỗn loạn do sự chuyển động nhiệt Việc áp đặt một từ trường ngoài đã tạo ra một sự sắp xếp một ít các mômen này và vì vậy mà một độ từ hóa thấp theo cùng phương như từ trường ngoài Khi tăng nhiệt độ, do sự chuyển động nhiệt sẽ tăng lên, nó sẽ trở nên khó hơn để sắp xếp các mômen từ nguyên tử và

vì vậy, độ cảm từ sẽ giảm xuống

Hình 3.4 Cấu trúc và đường cong từ hóa của chất thuận từ

Bản chất này được biết như định luật Curie và được cho trong phương trình (3.6), ở đó

C là một hằng số vật liệu được gọi là hằng số Curie

Các vật liệu tuân theo định luật này là các vật liệu trong đó các mômen từ được định

xứ tại vị trí nguyên tử hay ion và ở đó không có tương tác giữa các mômen từ lân cận Muối hidrat của các kim loại chuyển tiếp, như CuSO4.5H2O, là các ví dụ của loại này có bản chất như các ion kim loại chuyển tiếp, có một mômen từ, được bao quanh bởi nhiều các ion hay các nguyên tử không từ, ngăn cản tương tác giữa các mômen từ lân cận

Thực ra thì định luật Curie là trường hợp riêng của định luật Curie-Weiss tổng quát hơn (phương trình (3.7)), nó hợp nhất một hằng số nhiệt độ () và bắt nguồn từ lý thuyết Weiss, sử dụng cho các vật liệu sắt từ, kết hợp tương tác giữa các mômen từ

(2.6)

(3.7)

Trong phương trình (3.7),  có thể dương, âm hoặc bằng không Rõ ràng là khi  = 0, thì định luật Curie-Weiss bằng định luật Curie Khi  ≠ 0 thì có một tương tác giữa các mômen từ lân cận và các vật liệu chỉ là thuận từ ở trên một nhiệt độ chuyển tiếp nào đó Nếu

 > 0 thì vật liệu là sắt từ ở dưới nhiệt độ chuyển tiếp và giá trị  tương ứng với nhiệt độ chuyển tiếp ( nhiệt độ Curie, TC) Nếu  < 0 thì khi đó vật liệu là phản sắt từ ở dưới nhiệt độ chuyển tiếp ( nhiệt độ Néel, TN), song giá trị của  không liên quan tới TN

Một chú ý là phương trình này chỉ có giá trị khi vật liệu ở trong trạng thái thuận từ Nó cũng không có giá trị cho nhiều kim loại vì các electron góp vào mômen từ đều không định hướng Song định luật áp dụng cho một vài kim loại, chẳng hạn các đất hiếm, ở đó các electron 4f, tạo nên mômen từ là xếp chặt

Mô hình Pauli của tính thuận từ là đúng cho các kim loại mà ở đó các electron là tự do

và tương tác để tạo ra một vùng dẫn Điều này đúng cho hầu hết các kim loại thuận từ Trong mẫu này, các electron dẫn được xem như là tự do và dưới một trường ngoài một sự mất cân bằng giữa các electron với spin ngược nhau được tạo ra dẫn đến một độ từ hóa thấp có cùng phương với từ trường ngoài Độ cảm từ không phụ thuộc vào nhiệt độ, tuy rằng cấu trúc vùng electron có thể bị ảnh hưởng, và lại ảnh hưởng lên độ cảm từ

mômen từ của nguyên tử có thể tương tác lên nhau và sắp xếp song song với nhau Hiệu ứng này được giải thích theo lý thuyết cổ điển bằng sự có mặt của một trường phân tử bên trong vật liệu sắt từ, lần đầu tiên được đưa ra bởi Weiss vào năm 1907 Trường này đủ để từ hóa vật liệu đến trạng thái bão hòa Trong cơ học lượng tử, mô hình Heisenberg của sắt từ đã mô

tả sự định hướng song song của các mômen từ theo tương tác trao đổi giữa các mômen lân cận

Hình 3.5 Cấu trúc và đường cong từ hóa của chất có tính sắt từ

Weiss đã đưa ra sự có mặt của các đômen từ bên trong vật liệu, là các vùng mà ở đó các mômen từ nguyên tử được định hướng Sự dịch chuyển của các đômen này sẽ xác định vật liệu hưởng ứng như thế nào với một từ trường và như một hệ quả, độ cảm từ là một hàm của từ trường ngoài Vì vậy, các vật liệu sắt từ thường được so sánh theo độ từ hóa bão hòa (độ từ hóa khi tất cả các đômen đã được định hướng) hơn là theo độ cảm từ Trong bảng tuần hoàn các nguyên tố, chỉ có Fe, Co và Ni là chất sắt từ tại và trên nhiệt độ phòng Bởi vì các vật liệu sắt từ được nung lên trên nhiệt độ đó sẽ tạo nên sự chuyển động nhiệt của các nguyên

tử, nghĩa là bậc định hướng của các mômen từ nguyên tử giảm đi và vì vậy, độ từ hóa bão hòa cũng giảm xuống Dần dần, sự chuyển động nhiệt trở nên lớn đến mức vật liệu trở thành thuận từ, nhiệt độ của sự chuyển này là nhiệt độ Curie, TC (Fe: TC = 770oC, Co: TC = 1131oC

và Ni: TC = 358oC), trong đó TC là độ cảm từ thay đổi theo định luật Curie-Weiss

nhiệt độ phòng là Crom Các vật liệu phản sắt từ rất giống như các vật liệu sắt từ, nhưng tương tác trao đổi giữa các nguyên tử lân cận dẫn đến sự sắp xếp phản song song của các mômen từ nguyên tử Vì vậy, từ trường triệt tiêu và vật liệu xuất hiện bản chất giống như là một vật liệu thuận từ Giống như các vật liệu sắt từ, các vật liệu này trở thành thuận từ ở trên một nhiệt độ chuyển tiếp, được gọi là nhiệt độ Néel, TN (Cr: TN=37oC)

Hình 3.6 Cấu trúc và đường cong từ hóa của chất phản sắt từ

- Ferit từ: Ferit từ chỉ được quan sát trong các hợp chất có cấu trúc tinh thể phức tạp hơn so

với các nguyên tố thuần khiết Bên trong các vật liệu này các tương tác trao đổi dẫn đến một

sự sắp xếp song song của các nguyên tử trong cùng một vị trí tinh thể và sự sắp xếp phản song song trong các vị trí khác Vật liệu bị chia thành các đômen, giống như trong vật liệu sắt

từ và bản chất từ cũng như vậy, mặc dù các vật liệu ferit có độ từ hóa bão hòa thấp hơn

Hình 3.7 Cấu trúc và đường cong từ hóa của chất ferit từ

Ví dụ, trong ferit barium (BaO.6Fe2O3), ô đơn vị chứa 64 ion, trong đó các ion Ba và ôxi không có các mômen từ; 16 Fe3+ có các mômen từ sắp xếp song song và 8 Fe3+ sắp xếp phản song song, cho một độ từ hóa riêng song song với trường ngoài, nhưng với độ lớn tương đối thấp, chỉ 1/8 của các ion đóng góp vào độ từ hóa của vật liệu

3.3 Tính chất bên trong của vật liệu từ

- Độ từ hóa bão hòa (M S )

Độ từ hóa bão hòa (MS) là một phép đo số lượng cực đại của trường có thể được sinh

ra bởi một vật liệu Nó sẽ phụ thuộc vào cường độ của các mômen dipol trên các nguyên tử

cấu tạo vật liệu và chúng xếp chặt như thế nào đó với nhau

Mômen dipol nguyên tử sẽ bị ảnh hưởng bởi bản chất của nguyên tử và toàn bộ cấu trúc electron bên trong hợp chất Mật độ xếp của các mômen nguyên tử sẽ được xác định bởi cấu trúc tinh thể (tức là không gian của các mômen) và sự có mặt của các nguyên tố không có

từ tính bên trong cấu trúc Đối với các vật liệu sắt từ, tại các nhiệt độ nhất định, MS cũng sẽ phụ thuộc vào việc các mômen từ này sắp xếp tốt như thế nào, vì dao động nhiệt của các nguyên tử gây ra sự sai hỏng sắp xếp của các mômen và làm giảm MS Đối với các vật liệu ferit, không phải tất cả các mômen đều sắp xếp song song, ngay cả tại 0K và vì vậy, MS sẽ phụ thuộc vào sự sắp xếp tương đối của các mômen cũng như nhiệt độ

Độ từ hóa bão hòa cũng được xem như độ từ hóa tự phát, tuy nhiên số hạng này thường được sử dụng để mô tả độ từ hóa bên trong một đơn đômen từ Bảng 3.2 cho thấy được vài ví dụ các vật liệu thường dùng trong các ứng dụng từ tính

- Sự dị hướng