Năng lương gió

Công nghệ năng lượng gió có thể thay đổi cho nhiều ứng dụng có công suất từ nhỏ đến lớn. Thời gian từ khi khảo sát đến lắp đặt và vận hành ngắn và có những thuận lợi khác mà các nhà máy điện kiểu truyền thống không làm được

MỤC LỤC

Trang

Chương 4 Tính toán các thông số kỹ thuật của turbine và máy phát 19

CHƯƠNG 1 VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

Nguồn năng lượng mà chúng ta sử dụng ngày nay chủ yếu là năng lượng hóa thạch như: than đá, dầu mỏ, các sản phẩm từ dầu mỏ, khí thiên nhiên… Các nguồn năng lượng này là hữu hạn, nó chỉ có thể đảm bảo cho nhu cầu về năng lượng của chúng ta trong một thời gian nhất định Do đó, càng ngày người ta càng lo ngại về một cuộc khủng hoảng năng lượng có thể xảy ra làm thay đổi nền văn minh của loài người, bởi vì thế giới vẫn còn đang phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch Dầu, than đá và khí đốt chiếm khoảng 75% nhu cầu năng lượng thế giới, mỗi ngày trên thế giới sử dụng đến 80 triệu thùng dầu Và đương nhiên trong tương lai nhu cầu toàn cầu về dầu hỏa sẽ vượt xa khả năng cung cấp Từ năm 1985, tốc độ khai thác dầu và tiêu thụ đã vượt xa tốc độ khám phá trữ lượng dầu mới Công ty BP dự đoán rằng với tốc độ sử dụng như hiện nay, thì chỉ trong vòng 40 năm nữa sẽ cạn kiệt nguồn dầu hoả Mặt 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 l., mặt khác chúng ta phải tìm ra các nguồn năng lượng khác để thay thế Thế giới đang tìm kiếm một nguồn năng lượng tái sinh có thể cung cấp năng lượng một cách bền vững trong tương lai, nguồn năng lượng ấy có thể kể đến như: năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng mặt trời… hoặc là nguồn năng lượng tái sinh khác Trong đó công nghệ về năng lượng gió đang được thế giới chú trọng phát triển để khai thác Các chính phủ đã đón nhận các công nghệ này một cách hết sức nghiêm túc và đưa ra các mục tiêu đầy tham vọng cho sản lượng điện tạo ra từ các nguồn năng lượng tái sinh trên Người dân ngày càng ý thức về sự tàn phá và ô nhiễm môi trường từ các nguồn nhiên liệu hoá thạch và năng lượng hạt nhân Trong khi các nguồn năng lượng tái sinh có thể khai thác tự do và không bao giờ cạn kiệt Năng lượng gió là một nguồn năng lượng sạch

có thể thay thế các nguồn năng lượng truyền thống Các ứng dụng của nó tại các nước đang phát triển giúp làm giảm hiệu ứng nhà kính và giữ gìn được các nguồn năng truyền thống đang cạn kiệt Các quốc gia đã và đang phát triển đều xem năng lượng gió là nguồn năng lượng l tưởng phù hợp với xu hướng phát triển mới của nhân loại, được ưu tiên đầu tư hàng đầu trong các chính sách về năng lượng Khi sử dụng năng lượng gió có những thuận lợi như sau:

- Giảm hay thay thế việc xây dựng các nhà máy điện truyền thống dùng năng lượng hóa thạch

- Không gây ô nhiễm môi trường khi turbine vận hành sản xuất điện năng

- Là nguồn năng lượng không bao giờ cạn kiệt

- Dễ dàng tăng thêm công suất khi cần thiết

- Việc lắp đặt và xây dựng các turbine gió tương đối nhanh

- Mặc dù năng lượng gió hiện nay có giá đắt hơn nhiều so với nguồn năng lượng truyền thống, nhưng nó không bị ảnh hưởng bởi giá nguyên liệu và sự gián đoạn cung cấp.

- Ở các nước phát triển nhà nước hỗ trợ về thuế và các ưu đãi khác

- Tạo ra nhiều công ăn việc làm hơn so với các nhà máy năng lượng khác, khi cùng sản xuất ra một đơn vị năng lượng Số người làm việc cho các trung tâm năng lượng gió trên khắp thế giới khoảng 100000 công nhân Một Megawatt điện gió cần

từ 2.5 – 3.0 nhân công làm việc

- Các turbine gió mang lại nhiều lợi ích kinh tế cho nông dân và các chủ đất

từ nguồn thu cho thuê đất nơi đặt các máy phát điện gió, mà không làm ảnh hưởng đến việc canh tác ngay trên mảnh đất đó

- Công nghệ năng lượng gió có thể thay đổi cho nhiều ứng dụng có công suất

từ nhỏ đến lớn Thời gian từ khi khảo sát đến lắp đặt và vận hành ngắn và có những thuận lợi khác mà các nhà máy điện kiểu truyền thống không làm được

Hiện nay năng lượng gió ở Việt Nam với lợi thế bờ biển trải dài 3260 km và gần 3000 hòn đảo lớn nhỏ rất có tiềm năng, theo đánh giá của Ngân hàng thế giới thì tiềm năng về năng lượng gió của Việt Nam so với các nước trong khu vực là tương đối khá, nhưng so với thế giới thì vẫn thấp Việc khai thác năng lượng gió ở Việt Nam còn rất hạn chế, một phần là do nhà nước chưa có chính sách hỗ trợ thích hợp

và cũng do chế độ gió ở Việt Nam là không cao chỉ tập trung ở một vài nơi, nên khó phát triển trên diện rộng Để các máy phát điện gió cỡ lớn hoạt động hiệu quả, thì các máy này phải được đặt ở những nơi gió mạnh và năng lượng gió trên bình diện rộng Do vậy, với năng lượng gió ở Việt Nam sẽ thuận lợi khi dùng các loại máy phát điện gió công suất nhỏ sẽ phù hợp với tiềm năng gió của Việt Nam Những loại máy phát điện gió công suất nhỏ phù hợp với các vùng ở nông thôn, các vùng hải đảo và những vùng có tốc độ gió trung bình thay đổi nhiều

CHƯƠNG 2 KHÁI QUÁT 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 1.1 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 1.1

Năm 1891 nhà khí tượng học người Đan Mạch Poul The Mule Cour xây dựng một turbine thử nghiệm ở Askov – Đan Mạch, Hình 1.2 Turbine gió này có một rô to bốn cánh kiểu cánh máy bay và có trục quay nhanh hơn

Hình 1.2 Turbine gió của Poul la Cour, Askov, Đan Mạch năm 1897

Năm 1922, kỹ sư người Phần Lan S.J.Savonius đã cải tiến nguyên lý đẩy củakhái niệm trục đứng bằng cách thay thế cánh buồm bằng hai cốc hình tròn, Hình 1.3

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 1.3 Turbine gió trục đứng kiểu Savonius

Năm 1950 kỹ sư Johannes Juhl, đã phát triển turbine gió 3 cánh có khả năngphát 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 1.4 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 1.4.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 1.5 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 1.5 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

2.3.1 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 1.1 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 1.6, nếu tính theo 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 phầnkhá 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 1.1 Tổng công suất lắp đặt (MW) trên thế giới đến năm 2020

Năm Off-grid Hộ gia

đình

Nông trại/côngnghiệp/công ty

Cụm dâncư

Bảng 1.1 cho thấy công suất tích lũy dự đoán bán được của năm thị phần đó

và bảng này cũng trình bày cỡ turbine cho từng thị phần, trong khi Hình 1.6 thì lại cho thấy số máy lắp đặt được cho từng phân đoạn, ngoại trừ thị phần của máy phát điện độc lập hay máy phát điện gió cở nhỏ dự đoán tăng hơn 150.000 máy mỗi năm vào năm 2020 và chắc chắn sẽ làm ảnh hưởng lớn đến các thị phần khác

Hình 1.6 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 lệchkhá lớn, như Hình 1.7

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 các 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 cả

về mặt kỹ thuật nhưng không phải không vượt qua được

Hình 1.7 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 thích 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 cấp 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 thô, vùng không có lưới 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 lại) 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

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 Quốc, 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 cấp độ cao trên 40m Hiện nay đang có khoảng 10 cột đo gió ở độ cao từ 30m đến 60m [2]

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 (ĐàLạt, 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 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

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

CHƯƠNG 3 TÌM HIỂU TURBINE GIÓ 3.1 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, máy chèo, hình chén đều được dùng để “bắt” năng lượng gió để tạo ra momen quay trục turbine, như Hình 1.8

Turbine gió trục ngang (HAWT) có rôto 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 1.8 Cấu tạo turbine trục đứng và trục ngang

1 Chiều gió đến của HAWT 2 Đường kính roto

3 Chiều cao của Hub 4 Cánh rô to

5 Hộp số 6 Máy phát

7 Vỏ 8 Tháp HAWT

9 Chiều gió phía sau rô to 10 Chiều cao rô to

11 Tháp VAWT 12 Độ cao kính xích đạo

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

3.2 Các kiểu turbine gió trục đứng

3.2.1 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 qua 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 momen 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 1.9 Rô to Savonius có mặt cắt ngang hình chữ S3.2.2 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 1.10, 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 rôto xoay khi gió thổi qua

Hình 1.10 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 1.11, loại này giống một cái máy đánh trứng Dạng này thường được thiết kế với rô to có hai hay ba cánh Có momen 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 momen khởi động

Hình 1.11 VAWT kiểu Darrieus, rôto 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

3.3 Các thành phần của turbine gió

Các thành phần của máy phát điện gió được mô tả như Hình 2.1 [11] Máy phát điện gió hầu hết đều có các thành phần chính như sau:

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

sang trục tốc độ cao

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

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

Tháp (Tower): Tháp là trụ chính để đỡ toàn bộ hệ thống

Thùng chứa (Nacelle): Thùng chứa là thùng chứa toàn bộ các thành phần hệ

thống trừ cánh

Hình 2.1 Các thành phần của turbine gió

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA

TURBINE VÀ MÁY PHÁT 4.1 Năng lượng gió

Động năng của khối không khí có trọng lượng m, thổi với vận tốc u theochiều x là:

x : Độ dày khối khí, đơn vị m;

Giả sử khối khí đó được biểu diễn như Hình 2.2, với chiều x di chuyển theo

vận tốc u, ta thấy động năng tăng đều theo x, vì khối khí tăng đều

Như vậy, năng lượng của gió Pw, chính là đạo hàm động năng theo thời gian:

P w là công suất thu được từ gió Công thức này dùng cho trục đứng và cả trục ngang

Turbine sẽ lấy năng lượng gió theo chiều x, đẳng thức (2-2) cho thấy toàn bộ năng lượng có thể thu được từ diện tích A

Hình 2.2 Năng lượng của khối không khí

Mặt khác, ta biết mật độ không khí được biểu diễn theo đẳng thức: