ứng dụng matlab simulink mô phỏng converter điều khiển máy phát điện không đồng bộ nguồn kép dfig

Bộ converter là thiết bị điện tử công suất chỉ biến đổi khoảng 1/3 tổng công suất máy phát, nghĩa là giảm được tổn hao trong linh kiện điện tử công suất so với cấu hình phải biến đổi toà

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

ỨNG DỤNG MATLAB SIMULINK MÔ PHỎNG CONVERTER ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ

NGUỒN KÉP DFIG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN

Ths Hoàng Đăng Khoa Tô Minh Nguyện

MSSV: 1111021

Ngành: Kỹ Thuật Điện – Khóa: 37

Tháng 5/2015

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Đặt vấn đề cho đề tài

Khi mức sống của người dân càng cao, nền kinh tế ngày càng hiện đại thì nhu cầu về năng lượng cũng ngày càng lớn và việc phát triển điện năng thực sự là một thách thức đối với nhiều quốc gia Nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về năng lượng đồng thời bảo vệ môi trường, phát triển bền vững, những nguồn năng lượng sạch đã và đang được thế giới quan tâm nhiều hơn Những nguồn năng lượng

vô tận từ thiên nhiên bao gồm năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng sóng biển, năng lượng thủy triều…Tất cả những loại năng lượng sạch này góp phần rất lớn vào việc thay đổi cuộc sống nhân loại, cải thiện thiên nhiên, môi trường Trong đó phát triển năng lượng gió được ưu tiên hàng đầu Ưu điểm của năng lượng gió là dễ khai thác, thời gian xây dựng ngắn và chi phí vận hành tương đối thấp

Tuy nhiên, nếu muốn đẩy mạnh việc khai thác nguồn năng lượng này trong tương lai thì công nghệ phải được cải tiến, chi phí xây dựng phải thấp và giá mua điện phải cao hơn mức giá hiện tại

Giới thiệu đề tài

Năng lượng gió biến đổi thành điện năng thông qua turbine gió và máy phát Nhưng trong thực tế, vận tốc gió luôn biến đổi nên hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi được sử dụng rộng rãi Bộ converter điều khiển tối ưu công suất nhận được từ gió, giảm lực tác động lên kết cấu cơ khí và có khả năng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng một cách độc lập

Hệ thống biến đổi năng lượng gió làm việc ở tốc độ thay đổi thì sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép DFIG là phù hợp nhất trong thời điểm hiện tại

Bộ converter là thiết bị điện tử công suất chỉ biến đổi khoảng 1/3 tổng công suất máy phát, nghĩa là giảm được tổn hao trong linh kiện điện tử công suất so với cấu hình phải biến đổi toàn bộ công suất phát như hệ thống biến đổi năng lượng gió sử dụng máy phát đồng bộ từ đó giảm được chi phí đầu tư

Hệ thống DFIG kết nối trực tiếp với lưới điện phải có khả năng điều khiển độc lập giữa công suất tác dụng và công suất phản kháng để duy trì hệ số công suất cũng như ổn định điện áp lưới trong giới hạn cho phép, góp phần nâng cao chất lượng điện năng và độ tin cậy của hệ thống điện Bộ converter là bộ phận thực hiện vai trò này Do đó, đề tài: “Ứng dụng Matlab Simulink mô phỏng bộ converter điều khiển máy phát phát điện gió DFIG ” nhằm tìm hiểu và xây dựng mô hình điều khiển của bộ converter

Điểm nhấn của luận văn

- Xây dựng mô hình toán học bộ converter điều khiển máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép DFIG

- Tìm hiểu hệ thống máy phát DFIG và bộ chuyển đổi công suất Converter

- Dùng phần mềm Matlab Simulink để mô phỏng bộ converter điều khiển máy phát điện không đồng bộ nguồn kép DFIG

Kết cấu của đề tài

Nội dung chính của đề tài gồm 6 chương:

CHƯƠNG 1: Tổng quan về năng lượng điện gió

CHƯƠNG 2: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió

CHƯƠNG 3: Mô hình toán học máy phát điện không đồng bộ nguồn kép DFIG CHƯƠNG 4: Xây dựng mô hình điều khiển converter

CHƯƠNG 5: Mô hình điều khiển converter trong matlab simulink

CHƯƠNG 6: Kết luận và kiến nghị

MỤC LỤC

CHƯƠNG: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN GIÓ 1

1.1 Lịch sử phát triển năng lượng gió 1

1.1.1 Quá trình hình thành năng lượng gió 1

1.1.2 Quá trình sử dụng năng lượng gió 2

1.2 Những thuận lợi và hạn chế khi sử dụng gió để sản xuất điện 8

1.3 Tình hình phát triển điện gió trên thế 10

1.3.1 Tình hình chung 10

1.3.2 Công nghệ điện gió 14

1.3.3 Các cường quốc điện gió của thế giới 16

1.3.3.1 Công suất điện gió tính theo mật độ dân số 16

1.3.3.2 Công suất điện gió tính theo công suất lắp đặt 17

1.3.3.3 Triển vọng tương lai của điện gió 20

1.4 Tình hình phát triển điện gió ở Việt Nam 21

1.4.1 Tiềm năng lượng điện gió 21

1.4.2 Các dự án điện gió ở Việt Nam 24

1.4.3 Thuận lợi và khó khăn về phát triển điện gió 26

CHƯƠNG II: HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ 28

2.1 Năng lượng gió 28

2.2 Cấu tạo hệ thống năng gió 30

2.2.1 Tháp đỡ 30

2.2.2 Cánh quạt tuabin 31

2.2.3 Bộ phận điều khiển hướng gió (hệ thống yaw) 32

2.2.4 Hộp số 32

2.2.5 Máy phát điện trong tuabin gió 33

2.2.6 Bộ phận đo tốc độ gió 34

2.3 Thành phần máy phát điện gió 35

2.3.1 Phân loại cánh quạt turbine gió 35

2.3.1.1 Cánh quạt turbine gió bố trí theo trục đứng 35

2.3.1.2 Cánh quạt turbine gió bố trí theo trục ngang 36

2.3.1.3 So sánh cánh quạt turbine bố trí theo trục đứng và cánh quạt turbine bố trí theo trục ngang 37

2.3.2 Các loại máy phát điện trong hệ thống năng lượng gió 37

2.3.3 Các loại hệ thống turbine gió 38

2.3.3.1 Hệ thống turbine gió làm việc với tốc độ cố định 38

2.3.3.2 Hệ thống turbine gió hoạt động với tốc độ thay đổi 39

2.3.4 Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi với máy phát nguồn kép 41

2.4.1 Rotor 45

2.4.2 Trụ tháp 46

2.4.3 Hộp số 47

2.4.4 Máy phát 48

2.4.5 Hệ thống góc pitch 48

2.4.6 Hệ thống yaw 49

CHƯƠNG III: MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN

NGUỒN KÉP DFIG 50

3.1 Tổng quan về turbine gió máy phát điện nguồn kép DFIG 50

3.2 Mô hình turbine gió với máy phát điện nguồn kép DFIG 52

3.2.1 Mô hình turbine gió 52

3.2.2 Phương trình chuyển đổi hệ qui chiếu 55

3.2.2.1 Phương trình chuyển đổi từ hệ abc sang hệ αβ 55

3.2.2.2 Phương trình chuyển đổi từ hệ abc sang hệ dq 56

3.2.3 Mô hình toán học của DFIG 57

3.2.3.1 Mô hình toán học của DFIG trong hệ trục toạ độ tĩnh αβ 58

3.2.3.2 Mô hình toán học của DFIG trong hệ trục toạ độ đồng bộ dq 60

CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CONVERTER 63

4.1 Hệ thống máy phát điện không đồng bộ nguồn kép DFIG 63

4.1.1 Đặt vấn đề 63

4.1.2 Cấu tạo của máy phát DFIG 64

4.1.3 Nguyên lý hoạt động của máy phát điện DFIG 65

4.2 Xây dựng mô hình converter điều khiển máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) 67

4.2.1 Điều khiển converter phía lưới (GSC) 67

4.2.2 Điều khiển converter phía rotor (RSC) 69

CHƯƠNG V: MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN CONVERTER TRONG MATLAB SIMULINK 71

5.1 Mô hình converter điều khiển máy phát điện DFIG 1.5 MW 72

5.1.1 Khối tính Ps và Qs 76

5.1.1.1 Khối “abc2dq” 76

5.1.2 Mô hình điều khiển converter phía rotor 78

5.1.2.1 Khối “Tính ims” 79

5.1.2.2 Khối “Tính voltage” 80

5.1.2.3 Mô hình khối PWM 80

5.1.2.4 Bộ điều chỉnh PID Setpiont weighting và Anti-Windup 82

5.1.3 Mô hình điền khiển convertor phía lưới 82

5.1.3.1 Khối “calculate Pr” 83

5.1.3.2 Khối DC link điều khiển điện áp DC 85

5.1.3.3 Khối tính góc deta 85

5.1.3.4 Khối abc sang dq 86

5.1.3.5 Khối Vdq sang idq 87

5.1.3.6 Khối tính id và iq 87

5.1.3.7 Khối “Calculate P&Q” 88

5.1.4 Mô hình bộ nghịch lưu cấp nguồn cho rotor máy phát 88

5.2 Kết quả mô phỏng và nhận xét 89

5.2.1 Kết quả mô phỏng 89

5.2.1.1 Kết quả mô phỏng với tốc độ gió cố định 89

5.2.1.2 Kết quả mô phỏng với tốc độ gió thay đổi 93

5.2.2 Nhận xét 96

CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 98

6.1 Kết luận 98

6.2 Kiến nghị 98

TÀI LIỆU THAM KHẢO 100

MỤC LỤC HÌNH

Hình 1.1: Tốc độ gió nguồn từ vệ tinh NASA's Quick Scatterometer (QuikSCAT) 1

Hình 1.2: Những cối xay gió đầu tiên được dựng lên ở Ba Tư vào khoảng thế kỉ thứ V 2

Hình 1.3: Mô hình cối xay gió xuất hiện sau TK 13 3

Hình 1.4 : Chiếc máy bơm nước chạy bằng sức gió phía Tây nước Mỹ những năm

1800………4

Hình 1.5: Máy phát điện sức gió do Charles F.Brush chế tạo 5

Hình 1.6: Máy phát Gedser công suất 200kW 6

Hình 1.7: Một số loại turbine gió được sử dụng phổ biến điện nay 11

Hình 1.8: Tình hình phát triển năng lượng điện gió toàn cầu theo số liệu thống kê của hội đồng năng lượng gió toàn cầu (GWEC) năm 2014[3] 13

Hình 1.9: Công suất điện gió lắp đặt hàng năm từ 1997-2014 (theo GWEC)[4] 14

Hình 1.10: Cột turbine điện gió lớn nhất thế giới hiện nay Vestas V164-8.0 MW Đan Mạch 15

Hình 1.11: Đồ thị 1 mô tả thứ tự các nước phát triển điện gió với số liệu ở thời điểm 2012 (theo QWEC)[4] 16

Hình 1.12: Đồ thị 2 mô tả thứ tự 15 nước phát triển điện gió nhất với số liệu ở thời điểm năm 2012 (theo GWEC)[4] 17

Hinh 1.13: Công suất điện gió lắp đặt tại các quốc gia dẫn đầu từ năm 1980-2013 (theo GEWC)[4] 18

Hình 1.14: Công suất năng lượng điện gió toàn cầu từ năm 1997-2014 (theo GWEC)[4] 19

Hình 1.15: Mười nước có năng lượng điện gió lắp đặt lớn nhất năm 2013 (theo GWEC)[4] 19

Hình 1.16: Các turbine điện gió được lắp đặt tại Việt Nam 22

Hình 1.17: Bản đồ phân bố tốc độ gióViệt Nam ở độ cao 80 mét (2010) 23

Hình 2.1: Tháp đỡ hình trụ 30

Hình 2.2 Cánh quạt turbine 31

Hình 2.2: Cánh của turbine gió 31

Hình 2.3: Bộ phận điều khiển hướng gió 32

Hình 2.4: Hộp số và máy phát điện 33

Hình 2.5: Bộ phận đo tốc độ gió 34

Hình 2.7: Cánh quạt turbine gió bố trí theo trục ngang 36

Hình 2.6: Cánh quạt turbine gió bố trí theo trục đứng 35

Hình 2.8: Máy phát DFIG 38

Hình 2.9: Hệ thống turbine gió hoạt động với tốc độ cố định 39

Hình 2.10: Hệ thống turbine gió làm việc với tốc độ thay đổi với máy phát đồng bộ 40

Hình 2.11: Hệ thống turbine gió làm việc với tốc độ thay đổi với máy phát không đồng bộ nguồn kép 41

Hình 2.12: Cấu trúc của hệ thống làm việc với tốc độ thay đổi sử dụng DFIG 41

Hình 2.13: Tuabin điện gió GE 1.6 của Mỹ 43

Hình 2.14: Cấu tạo của turbine GE 44

Hình 2.16: Trụ tuabin GE 1.6 MW 46

Hình 2.17: Móng turbine xây dựng trên biển ở Bạc Liêu 47

Hình 2.18: Hộp số turbine gió 47

Hình 2.19: Hệ thống điều khiển góc pitch 48

Hình 2.20: Hệ thống yaw 49

Hình 3.1: Tuabin gió với máy phát điện nguồn kép DFIG 50

Hình 3.3: Mối quan hệ giữa công suất và tốc độ cánh quạt ở nhiều cấp tốc độ gió khác nhau 52

Hình 3.4: Quan hệ Cp và λ 53

Hình 3.5: Mô hình turbine gió[8],[9] 54

Hình 3.6: Mối liên hệ giữa trục toạ độ abc và αβ[2] 55

Hình 3.7: Mối liên hệ giữa trục abc và dq[2] 56

Hình 3.8: Sơ đồ tương đương RL của stator và rotor 57

Hình 3.9: Mạch tương đương máyđiện DFIG trong hệ trục 59

Hình 4.10 Mạch tương đương máyđiện DFIG trong hệ toạ độ đồng bộ dq 60

Hình 4.1: Nguyên lý hoạt động của máy phát điện……… 65

Hình 4.2: Mô hình bộ converter cầu 3 pha phía lưới 68

Hình 5.1: Mô hình tổng thể điều khiển converter của máy phát điện DFIG (1.5MW) 72

Hình 5.2: Sơ đồ tổng quát của khối CONVERTER 74

Hình 5.3: Sơ đồ chi tiết của khối CONVERTER 75

Hình 5.4: Sơ đồ khối tính Ps&Qs 76

Hình 5.5: Sơ đồ khối abc2dq 76

Hình 5.6: Sơ đồ khối tính vdq 77

Hình 5.7: Sơ đồ khối tính idq 77

Hình 5.8: Sơ đồ khối tính P&Q 78

Hình 5.9: Mô hình điều khiển converter phía rotor 78

Hình 5.10: Khối “Tính ims” tính toán vị trí rotor và dòng từ hóa 79

Hình 5.11: Mô hình abc →anphabeta 79

Hình 5.12 Khối “tính voltage” tính điện áp điều chỉnh rotor 80

Hình 5.13: Mô hình khối PWM 80

Hình 5.14: Khối vdq-vabc 81

Hình 5.15: Khối PWM chi tiết 81

Hình 5.16: Bộ điều chỉnh PID Setpiont weighting và Anti-Windup 82

Hình 5.17: Mô hình điền khiển convertor phía rotor 82

Hình 5.19: Khối chuyển tọa độ abc sang tọa độ dq 83

Hình 5.20: Khối tính vdq 84

Hình 6.21 Khối tính idq 84

Hình 5.21: Khối tính idq 84

Hình 5.22: Khối tính Pr&Qr 85

Hình 5.23: Khối DC-link điều khiển điện áp DC 85

Hình 5.24: Tính góc deta 85

Hình 5.25: Khối abc2anphabe 86

Hình 5.26: Khối chuyển tọa độ abc sang dq 86

Hình 5.27: Khối Vdq-idq 87

Hình 5.28: Khối tính id và iq 87

Hình 5.29: Khối Calculate PQ 88

Hình 5.30: Mô hình bộ nghịch lưu cấp nguồn cho rotor máy phát 88

Hình 5.31: Kết quả điều khiển converter của động cơ DFIG 1.5MW với tốc độ gió

cố định 92

Hình 5.32: Kết quả điều khiển converter của động cơ DFIG 1.5MW với tốc độ gió thay đổi 96

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 1.1: Tiềm năng gió của Việt Nam ở độ cao 80m so với mặt đất năm 2010…23 Bảng 2.1: Các cấp độ gió tại vị trí cách mặt đất 10m và 30m[1] 30

Cp: Hiệu suất rotor hay hiệu suất của cánh quạt tuabin

CDC: Điện dung trung gian của converter [F]

G

γ: Tỉ số của tốc độ gió

I

is: Dòng điện stator [A]

ir: Dòng điện rotor [A]

ims: Dòng điện từ hóa [A]

id: Dòng điện trục d trong hệ qui chiếu dq [A]

iq: Dòng điện trục q trong hệ qui chiếu dq [A]

J

JG: Moment quán tính máy phát [kg.m2]

JT: Moment quán tính tuabin [kg.m2]

λ: Tỉ số tốc độ

Lsλ: Điện cảm rò dây quấn stator [H]

Lrλ: Điện cảm rò dây quấn rotor [H]

Lf: Điện cảm cuộn kháng lọc converter phía lưới [H]

M

mf: Tỉ số điều chế tần số

ma: Tỉ số điều chế biên độ

N

Nr: Số vòng dây quấn rotor

Ns: Số vòng dây quấn stator

ngear: Tỉ số hộp số

O

ωturb: Vận tốc của tuabin [rad/s]

ωr: Vận tốc góc của rotor [rad/s]

ωs: Vận tốc góc của stator [rad/s]

ωm: Vận tốc góc cơ trục rotor máy phát [rad/s]

ωslip: Tốc độ trượt máy phát [rad/s]

P

Ptotal: Tổng công suất máy phát DFIG [W]

Ps: Công suất stator máy phát [W]

Pr: Công suất rotor máy phát [W]

Pgird: Công suất converter phía lưới [W]

Pm: Công suất điện từ [W]

Pturb: Công suất tuabin [W]

Qs: Công suất phản kháng cực stator [VAr]

Qr: Công suất phản kháng cực rotor [VAr]

Qg: Công suất phản kháng converter phía lưới [VAr]

R

Rf: Điện trở cuộn kháng lọc converter phía lưới [Ω]

ρ: Mật độ không khí [kg/m3

] R: Bán kính cánh quạt [m]

Rs: Điện trở stator [Ω]

S

s: Độ trượt của máy phát

T

Tturb: Moment trục tuabin [Nm]

Tshaft: Moment trục thanh truyền [N.m]

Te: Moment điện từ [N.m]

V

Vd: Tốc độ gió sau cánh quạt [m/s]

V: Tốc độ gió đi vào cánh quạt [m/s]

Vw: Vận tốc gió đi qua cánh quạt [m/s]

va: Điện áp pha a [V]

vb: Điện áp pha b [V]

vc: Điện áp pha c [V]

vd: Điện áp trục d trong hệ qui chiếu dq [V]

vq: Điện áp trục q trong hệ qui chiếu dq [V]

vα: Điện áp trục α trong hệ qui chiếu αβ[V]

vβ: Điện áp trục trong β hệ qui chiếu αβ[V]

U

UDC: Điện áp một chiều trung gian của converter [V]

* Các ký hiệu chỉ số:

- Chỉ số trên:

s : Qui về phía stator

r : Qui về phía rotor

ref hoặc * : Giá trị đặt

- Chỉ số dưới:

s: Các đại lượng của stator

r: Các đại lượng của rotor

T: Các đại lượng của tuabin

d, q: Các đại lượng qui chiếu trục d hoặc q trong hệ qui chiếu dq

αβ: Các đại lượng qui chiếu trục α hoặc βtrong hệ qui chiếu αβ

a, b, c: Các đại lượng pha a, pha b, pha c tương ứng

DANH SÁCH CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT

AC: Active Current

DC: Direction Current

DFIG: Doubly - Fed Induction Generator

DFIM: Doubly - Fed Induction Machine

GSC: Gird Side Converter

IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor

PI: Proportional Integrator

PID: Proportional Integrator Derivation

PWM: Pulse-Width Modulation

RSC: Rotor Side Converter

V/f: Voltage/frequency

VSC: Voltage-Source Converters

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN GIÓ

1.1 Lịch sử phát triển năng lượng gió

1.1.1 Quá trình hình thành năng lượng gió

Bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và không khí nóng không 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 không khí giữa xích đạo và hai cực cũng như không khí giữa mặt ban ngày và ban đêm của trái đất di động tạo thành gió Trái đất xoay tròn cũng góp phần vào việc làm xoáy không 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 dòng không khi theo mùa

Hình 1.1: Tốc độ gió nguồn từ vệ tinh NASA's Quick Scatterometer (QuikSCAT)

Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay quanh trục của trái đất nên không khí từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển động thẳng mà tạo thành các cơn gió xoáy có chiều xoáy khác nhau giữa bắc bán

cầu và nam bán cầu Nếu nhìn từ vũ trụ thì trên bắc bán cầu không 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

Ngoài các yếu tố có tính toàn 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 xảy

ra theo chiều ngược lại

1.1.2 Quá trình sử dụng năng lượng gió

Vào cuối những năm 1970, cuộc khủng hoảng về dầu mỏ đã buộc con người phải tìm các nguồn năng lượng mới thay thế, một trong số đó là năng lượng gió Những năm về sau, rất nhiều các chương trình nghiên cứu và phát triển năng lượng gió được thực hiện với nguồn tài trợ từ các Chính phủ, bên cạnh các dự án nghiên cứu do các cá nhân, tổ chức tự đứng ra thực hiện

Hình 1.2: Những cối xay gió đầu tiên được dựng lên ở

Ba Tư vào khoảng thế kỉ thứ V

Lịch sử phát triển của thế giới loài người đã chứng kiến những ứng dụng của năng lượng gió vào cuộc sống từ rất sớm Gió giúp quay các cối xay bột, gió giúp các thiết bị bơm nước hoạt động và gió thổi vào cánh buồm giúp đưa các con

thuyền đi xa

Theo những tài liệu cổ còn giữ lại được thì bản thiết kế đầu tiên của chiếc cối xay hoạt động nhờ vào sức gió là vào khoảng thời gian những năm 500 - 900 sau CN tại Ba Tư (Irac ngày nay) Đặc điểm nổi bật của thiết bị này đó là các cánh

những tấm gỗ Những bản hứng gió này được gắn vào cần trung tâm sử dụng thanh chống ngang Kích thước của bản hứng gió được quyết định bởi các vật liệu sử dụng thường thì là dài 5m và cao 9m

Muộn hơn nữa, kể từ sau thế kỷ 13, các cối xay gió xuất hiện tại châu Âu (Tây Âu) với cấu trúc có các cánh đón gió quay theo phương ngang, chúng phức tạp hơn mô hình thiết kế tại Ba Tư Cối xay hạt được sử dụng hầu hết ở Âu Châu, người Pháp thu nhập kỹ thuật này vào năm 1105 sau Công Nguyên và ở Anh năm 1191 trước Công Nguyên Cải tiến cơ bản của thiết kế này là đã tận dụng được lực nâng khí động học tác dụng vào cánh gió do đó sẽ làm hiệu suất biến đổi năng lượng gió của cối xay gió thời kỳ này cao hơn nhiều so với mô hình thiết kế từ những năm

500 - 900 tại Ba Tư

Hình 1.3: Mô hình cối xay gió xuất hiện sau TK 13

Trong suốt những năm tiếp theo, các thiết kế của thiết bị chạy bằng sức gió càng ngày được hoàn thiện và được sử dụng rộng rãi trong khá nhiều các lĩnh vực ứng dụng: chế tạo các máy bơm nước, hệ thống tưới tiêu trong nông nghiệp, các thiết bị xay xát, xẻ gỗ, nhuộm vải

Người Hà Lan, với nhà thiết kế Jan Adrianenszoon, là những người đi tiên

trong lĩnh vực thiết kế và phát minh vài loại cối xay Ngoài việc xay hạt, cối xay gió còn được dùng để tháo nước những vùng đầm lầy ở Hà Lan Những cối xay gió này được du nhập vào Mỹ vào khoảng những năm 1700, nhờ vào thực dân Hà Lan Loại này mô phỏng theo cối xay gió bơm nước được cho là một trong những ứng dụng thành công của năng lượng gió Turbine gió nhiều cánh xuất hiện trong lịch sử năng lượng gió vào khoảng những năm 1800 Rotor tương đối nhỏ có đường kính khoảng

từ một đến vài mét được sử dụng chủ yếu để bơm nước từ vài mét dưới mặt đất để phục vụ cho nông nghiệp Những máy bơm nước này với những cánh quạt bằng kim loại và thiết kế cải tiến hơn

Cho đến đầu thế kỷ 19, cùng với sự xuất hiện của máy hơi nước, thiết bị chạy bằng sức gió dần dần bị thay thế Lịch sử con người đã bước sang thời kỳ mới với những công cụ mới: máy chạy hơi nước

Hình 1.4: Chiếc máy bơm nước chạy bằng sức gió

phía Tây nước Mỹ những năm 1800

Năm 1888, Charles F Brush đã chế tạo chiếc máy phát điện chạy sức gió đầu tiên, và đặt tại Cleveland, Ohio Có đặc điểm sau:

Hình 1.5: Máy phát điện sức gió do Charles F.Brush chế tạo

Trong những năm tiếp sau, một số mẫu thiết kế khác đã được thực hiện tuy nhiên vẫn không đem lại bước đột phát đáng kể Ví dụ mẫu thiết kế của Dane Poul

La Cour năm 1891 Cho đến đầu những năm 1910, đã có nhiều máy phát điện chạy bằng sức gió công suất 25kW được lắp đặt tại Đan Mạch nhưng giá thành điện năng do chúng sản xuất ra không cạnh tranh được với giá thành của các nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hoá thạch Mặc dù gặp khó khăn do không có thị trường, những thế hệ máy phát điện chạy bằng sức gió vẫn tiếp tục được thiết kế và lắp đặt

Ví dụ như các máy phát công suất từ 1 đến 3 kW được lắp đặt tại vùng nông thôn của Đồng bằng lớn, Mỹ, vào những năm 1925 hay máy phát Balaclava công suất 100kW lắp đặt tại Nga năm 1931 hay máy phát Gedser công suất 200kW, lắp đặt tại đảo Gedser, đông nam Đan Mạch Sự phát triển của máy phát điện chạy sức gió trong thời kỳ này có đặc điểm sau:

- Ít về số lượng, lắp đặt rải rác nhưng tập trung chủ yếu ở Mỹ, các nước Tây Âu như Đan Mạch, Đức, Pháp, Anh, Hà Lan;

- Công suất máy phát thấp chủ yếu nằm ở mức vài chục kW

Hình 1.6: Máy phát Gedser công suất 200kW

Kỷ nguyên của máy phát điện dùng sức gió bắt đầu vào cận những năm

1900 Tuabin gió hiện đại đầu tiên được thiết kế đặc biệt cho máy phát được xây dựng bởi người Đan Mạch trong năm 1890 Nó cung cấp điện cho vùng nông thôn Lần đầu tiên hộp truyền động gia tốc được giới thiệu trong mẫu thiết kế Hệ thống này hoạt động trong 20 năm với công suất định mức là 12kW

Nhiều phương pháp hệ thống cũng được ứng dụng trong thiết kế kỹ thuật của turbine trong suốt giai đoạn này Với kết cấu vững chắc thấp và cánh quạt thiết

kế theo động lực học, những hệ thống này đã hoạt động một cách ấn tượng Năm

1910, vài trăm loại máy kiểu này đã cung cấp điện năng cho những ngôi làng ở Đan Mạch Vào khoảng năm 1925, máy phát điện bằng sức gió đã có mặt trên thị trường

Mỹ

Nhà máy năng lượng gió thực nghiệm sau đó được xây dựng ở các nước khác như Mỹ, Đan Mạch, Pháp, Đức, Anh Một sự phát triển đáng chú ý trong hệ thống lớn này là turbine 1250kW thiết kế bởi Palmer C Putman

Nghiên cứu tập trung về nguyên lý hoạt động của turbine gió xuất hiện trong những năm 1950 Ví dụ như rotor nhẹ và có tốc độ cố định phát triển ở Đức vào năm 1968 Chúng có cánh làm bằng sợi thủy tinh được gắn trên cột rỗng cố định bởi các dây cáp chằng, loại lớn nhất có đường kính 15m và công suất 100kW

Trong những năm sau đó, nguồn sơ cấp để sản xuất ra điện khai thác từ nhiên liệu hóa thạch trở nên rẻ và tin cậy hơn Trong khi đó, nguồn năng lượng khai thác từ gió tốn 12 đến 30cent/kWh trong năm 1940, thì với sản lượng tương tự khai thác thì từ những nguồn nhiên liệu khác chỉ tốn đến 3 đến cent/kWh vào năm 1970 Chi phí cho điện năng khai thác từ nhiên liệu hóa thạch giảm xuống thấp hơn 3cent/kWh năm 1970 Nhiên liêu hóa thạch có nhiều nơi với giá rẻ hơn trong thời điểm đó Một vài dự án hạt nhân cũng được bắt tay vào thực hiện, và được tin tưởng rằng nó sẽ là nguồn năng lượng cuối cùng cho nhu cầu năng lượng trong tương lai

Do đó mối quan tâm về năng lượng gió giảm từ từ, đặt biệt trong năm 1970

Tuy nhiên khủng hoảng dầu 1973 đã buộc các nhà khoa học, kỹ sư và những nhà hoạch định chính sách phải suy nghĩ kỹ lại về việc dựa vào nhiên liệu hóa thạch Họ nhận ra rằng sự xáo trộn về chính sách hạn chế và giá cả leo thang của nhiên liệu hóa thạch Hơn nữa, người ta còn nhận thấy rằng nguồn dự trữ nhiên liệu hóa thạch sớm hay muộn sẽ bị cạn kiệt Năng lượng hạt nhân không được chấp nhận vì nhiều lý do về sự an toàn Những nhân tố trên đã làm sống lại mối quan tâm

về năng lượng gió Nghiên cứu về sự phân tích nguồn năng lượng, sự phát triển của thiết bị và các kỹ thuật giảm hao phí đã được tăng cường Mỹ đã giao phó cho cơ quan hàng không và không gian Hoa Kỳ (NASA) việc phát triển turbine cỡ lớn Kết quả là một loạt turbine trục ngang với tên gọi là MOD-0, MOD-1, MOD-2 và MOD-5 ra đời

Việc nghiên cứu và phát triển năng lượng gió được trở nên mạnh mẽ hơn trong những năm sau đó Một vài sáng kiến mới như turbine xoáy, kiểu tăng cường máy khuếch tán, rotor Musgrove…Cũng đã được đề nghị trong giai đoạn đó Nguyên mẫu thiết kế của các loại turbine loại này đã được chế tạo và thử nghiệm Tuy nhiên, mẫu thiết kế với cánh trục ngang đã nỗi bật trên thị trường tiêu dùng

Các máy phát điện sử dụng sức gió đã được sử dụng nhiều ở các nước châu

Âu, Mỹ và các nước công nghiệp phát triển khác Nước Đức đang dẫn đầu thế giới

về công nghệ điện sử dụng sức gió (điện gió) Tới nay đa số vẫn là các máy phát điện turbine gió trục ngang, gồm một máy phát điện có trục quay nằm ngang, với rotor (phần quay) ở giữa, liên hệ với một turbine 3 cánh đón gió Máy phát điện được đặt trên một tháp cao hình côn Trạm phát điện kiểu này mang dáng dấp những cối xay gió ở châu Âu từ những thế kỷ trước, nhưng rất thanh nhã và hiện đại Các máy phát điện turbine gió trục đứng gồm một máy phát điện có trục quay

thẳng đứng, rotor nằm ngoài được nối với các cánh đón gió đặt thẳng đứng Loại này có thể hoạt động bình đẳng với mọi hướng gió nên hiệu qủa cao hơn, lại có cấu tạo đơn giản, các bộ phận đều có kích thước không quá lớn nên vận chuyển và lắp ráp dễ dàng, độ bền cao, duy tu bảo dưỡng đơn giản Loại này mới xuất hiện từ vài năm gần đây nhưng đã được nhiều nơi quan tâm và sử dụng

Hiện có các loại máy phát điện dùng sức gió với công suất rất khác nhau,

từ 1 kW tới hàng chục ngàn kW Các trạm phát điện này có thể hoạt động độc lập hoặc cũng có thể nối với mạng điện quốc gia Các trạm độc lập cần có một bộ nạp,

bộ ắcquy và bộ đổi điện Khi dùng không hết, điện được tích trữ vào ắc-quy Khi không có gió sẽ sử dụng điện phát ra từ ắc-quy Các trạm nối với mạng điện quốc gia thì không cần bộ nạp và ắc-quy

Các trạm phát điện dùng sức gió có thể phát điện khi tốc độ gió từ 3 m/s (11 km/h), và tự ngừng phát điện khi tốc độ gió vượt quá 25 m/s (90 km/h) Tốc độ gió hiệu qủa từ 10 m/s tới 17 m/s, tùy theo từng loại máy phát điện

1.2 Những thuận lợi và hạn chế khi sử dụng gió để sản xuất điện

Thuận lợi dễ thấy nhất của điện gió là không tiêu tốn nhiên liệu, tận dụng được nguồn năng lượng vô tận là gió, không gây ô nhiễm môi trường như các nhà máy nhiệt điện, không làm thay đổi môi trường và sinh thái như nhà máy thủy điện, không có nguy cơ gây ảnh hưởng lâu dài đến cuộc sống của người dân xung quanh như nhà máy điện hạt nhân, dễ chọn địa điểm và tiết kiệm đất xây dựng, khác hẳn với các nhà máy thủy điện chỉ có thể xây dựng gần dòng nước mạnh với những điều kiện đặc biệt và cần diện tích rất lớn cho hồ chứa nước Các trạm điện gió có thể đặt gần nơi tiêu thụ điện, như vậy sẽ tránh được chi phí cho việc xây dựng đường dây tải điện Trước đây, khi công nghệ phong điện còn ít được ứng dụng, việc xây dựng một trạm điện gió rất tốn kém, chi phí cho thiết bị và xây lắp đều rất đắt nên chỉ được áp dụng trong một số trường hợp thật cần thiết Ngày nay điện gió đã trở nên rất phổ biến, thiết bị được sản xuất hàng loạt, công nghệ lắp ráp đã hoàn thiện nên chi phí cho việc hoàn thành một trạm điện gió hiện nay chỉ bằng 1/4 so với năm

1986

Các trạm điện gió có thể đặt ở những địa điểm và vị trí khác nhau, với những giải pháp rất linh hoạt và phong phú:

- Các trạm điện gió đặt ở ven biển cho sản lượng cao hơn các trạm nội địa vì bờ biển thường có gió mạnh Giải pháp này tiết kiệm đất xây dựng, đồng thời việc vận chuyển các cấu kiện lớn trên biển cũng thuận lợi hơn trên bộ

- Những mỏm núi, những đồi hoang không sử dụng được cho công nghiệp, nông nghiệp cũng có thể đặt được trạm phong điện Trường hợp này không cần làm trụ đỡ cao, tiết kiệm đáng kể chi phí xây dựng

- Trên mái nhà cao tầng cũng có thể đặt trạm điện gió, dùng cho các nhu cầu trong nhà và cung cấp điện cho thành phố khi không dùng hết điện Trạm điện này càng có ý nghĩa thiết thực khi thành phố bất ngờ bị mất điện

- Ngay tại các khu chế xuất cũng có thể đặt các trạm điện gió Nếu tận dụng không gian phía trên các nhà xưởng để đặt các trạm điện gió thì sẽ giảm tới mức thấp nhất diện tích đất xây dựng và chi phí làm đường dây điện

- Đặt một trạm điện gió bên cạnh các trạm bơm thủy lợi ở xa lưới điện quốc gia sẽ tránh được việc xây dựng đường dây tải điện với chi phí lớn gấp nhiều lần chi phí xây dựng một trạm điện gió Việc bảo quản một trạm điện gió cũng đơn giản hơn việc bảo vệ đường dây tải điện rất nhiều

- Một trạm điện gió 4 kW có thể đủ điện cho một trạm kiểm lâm trong rừng sâu hoặc một ngọn hải đăng xa đất liền Một trạm 10 kW đủ cho một đồn biên phòng trên núi cao, hoặc một đơn vị hải quân nơi đảo xa Một trạm 40 kW có thể đủ cho một xã vùng cao, một đoàn thăm dò địa chất hay một khách sạn du lịch biệt lập, nơi đường dây chưa thể vươn tới được Một nông trường cà phê hay cao

su trên cao nguyên có thể xây dựng trạm điện gió hàng trăm hoặc hàng ngàn kW, vừa phục vụ đời sống công nhân, vừa cung cấp nước tưới và dùng cho xưởng chế biến sản phẩm

Tuy nhiên không phải nơi nào đặt trạm điện gió cũng có hiệu quả như nhau Để có sản lượng điện cao cần tìm đến những nơi có nhiều gió Các vùng đất nhô ra biển và các thung lũng sông thường là những nơi có lượng gió lớn Một vách núi cao có thể là vật cản gió nhưng cũng có thể lại tạo ra một nguồn gió mạnh thường xuyên, rất có lợi cho việc khai thác điện gió Khi chọn địa điểm đặt trạm có thể dựa vào các số liệu thống kê của cơ quan khí tượng hoặc kinh nghiệm của nhân đân địa phương, nhưng chỉ là căn cứ sơ bộ Lượng gió mỗi nơi còn thay đổi theo từng địa hình cụ thể và từng thời gian Tại nơi dự định dựng trạm điện gió cần đặt các thiết bị đo gió và ghi lại tổng lượng gió hàng năm, từ đó tính ra sản lượng điện

có thể khai thác, tương ứng với từng thiết bị điện gió Việc này càng quan trọng hơn khi xây dựng các trạm công suất lớn hoặc các vùng điện gió tập trung

1.3 Tình hình phát triển điện gió trên thế

1.3.1 Tình hình chung

Sau một thời gian tạm lắng vào cuối năm 2009, cơn sốt giá dầu trên thị trường thế giới lại đang “nóng” lên với mức giá đã vượt qua ngưỡng 75 USD/thùng trong tháng Tư năm 2006 Việc giá dầu mỏ tăng cao một cách kỷ lục trong thời gian qua đã và đang gây ra những ảnh hưởng rất lớn đối với nền kinh tế nhiều quốc gia khiến cho vấn đề tìm kiếm và phát triển các nguồn năng lượng có thể tái tạo để thay thế cho dầu lửa, khí đốt tự nhiên và các nguồn tài nguyên về nhiên liệu hóa thạch đang dần bị cạn kiệt trên trái đất ngày càng trở nên bức thiết hơn

Nhu cầu của các quốc gia nằm ngoài Tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế (OECD) tăng hơn 90%, đóng góp vào mức tăng nhu cầu năng lượng sơ cấp toàn cầu

từ 52% đến 63% Trung Quốc và Ấn Độ chiếm 53% mức tăng vào năm 2030 Song song với sự phát triển mạnh của các nước khối ASEAN, điều này cũng góp phần tái tập trung tâm điểm tựa của nền năng lượng toàn cầu về Châu Á Ngoài Châu Á, có thể thấy mức độ tăng trưởng nhanh nhất ở Trung Đông, đóng góp 10% vào sự gia tăng nhu cầu Năng lượng hóa thạch vẫn là nguồn chủ đạo, chiếm 77% mức tăng nhu cầu từ 2007-2030 Mặc dù nhu cầu dầu lửa giảm 2,2% vào năm 2009, tiếp theo mức giảm 0,2% năm 2008, dự báo nhu cầu này sẽ phục hồi khi nền kinh tế thế giới thoát khỏi khủng hoảng, tăng từ khoảng 85 triệu thùng/ngày vào năm 2008 lên 105 triệu thùng/ngày năm 2030, tăng khoảng 24%

Từ 2007-2030, nhu cầu than đá tăng khoảng 53% và nhu cầu khí tự nhiên tăng lên 42% Nhu cầu điện tăng 76% từ 2010-2030, đòi hỏi thế giới phải có 4800

GW công suất bổ sung Than đá vẫn duy trì vai trò đứng đầu ngành năng lượng với lượng sản xuất tăng dao động từ 2-44% năm 2030 Bên cạnh đó, giá nhiên liệu hóa thạch tăng và mối lo lắng về an ninh năng lượng cùng biến đổi khí hậu sẽ khiến sản xuất điện tái sinh chiếm 18% năm 2007 tăng lên 22% năm 2030

Nguồn năng lượng thế giới đủ đáp ứng nhu cầu tăng đến năm 2030 và sau

đó, nếu tiếp tục duy trì các xu hướng năng lượng hiện tại, tác động tiêu cực lên biến đối khí hậu là điều không thể tránh khỏi Chúng đặt ra mối lo lớn về chất lượng

không khí, gây ra những tác động sâu rộng đến môi trường và sức khỏe cộng đồng, đặc biệt ở các quốc gia đang phát triển Đến năm 2030, mặc dù OECD sẽ nhập khẩu

ít dầu hơn hiện nay, nhưng một số các quốc gia không thuộc khối này, đặc biệt là Trung Quốc và Ấn Độ lại tăng mạnh nhập khẩu Hầu hết các quốc gia nhập khí tự nhiên cũng tăng nhập khẩu Trung Quốc sẽ sớm vượt qua Hoa Kỳ sau năm 2025, trở thành nước tiêu dùng lớn nhất thế giới về dầu và khí nhập khẩu, còn Ấn Độ sẽ vượt Nhật Bản sau năm 2020 để đứng ở vị trí thứ 3 Lợi nhuận tích lũy của OPEC từ xuất khẩu dầu và khí tăng lên đến 30000 tỉ USD trong giai đoạn 2010 và 2030, gần gấp 5 lần trong 26 năm qua

Theo dự đoán, tới năm 2030 thế giới sẽ còn 1,3 tỉ người chưa được dùng điện, so với mức 1,5 tỉ người hiện nay Kết nối điện toàn cầu chỉ có thể đạt được bằng cách đầu tư thêm vào ngành điện 35 tỉ USD mỗi năm trong giai đoạn 2010-

2030, với điều kiện nhu cầu năng lượng gốc và khí thải CO2 từ đó không đáng kể

Hình 1.7: Một số loại turbine gió được sử dụng phổ biến điện nay

Trong số các nguồn năng lượng có thể tái tạo được, nhiều nước trên thế giới đang đẩy mạnh phát triển trong những năm gần đây, điện gió đang tỏ ra có rất nhiều hứa hẹn Thống kê cho thấy, sản luợng điện sản xuất từ sức gió trên thế giới trong gần 10 năm trở lại đây đã tăng trưởng rất nhanh với tốc độ 28%/năm, cao nhất

sức gió trên thế giới đã đạt 47.317 MW Trong số đó, Đức là quốc gia dẫn đầu danh sách những nước có sản lượng cao nhất với 16.629 MW, chiếm 35% sản lượng điện sản xuất từ sức gió của toàn thế giới và đứng trên các nước Tây Ban Nha, Mỹ và Đan Mạch Chính phủ Đức đã đề ra mục tiêu tới năm 2030 sẽ đầu tư trên 45 tỉ euro

để phát triển ngành khai thác điện từ sức gió, nhằm dáp ứng 15% nhu cầu tiêu thụ điện của nước này là nguồn điện gió và tạo ra ít nhất 10.000 công ăn việc làm mới

Không chỉ các nước đang phát triển mà cả một số nước đang phát triển ở châu Á như Ấn Độ và Trung Quốc cũng rất thành công trong lĩnh vực phát triển điện gió Tính đến tháng 3/2005, công suất điện gió của Ấn Độ đạt mức 3.595 MW, đứng thứ năm trên thế giới về công suất Nếu như năm 2000 Ấn Độ mới chỉ đạt 1.220MW công suất điện gió, thì chỉ sau 5 năm, con số này tăng lên gấp 3 lần Thời điểm bước ngoặt đánh dấu sự khởi đầu của chiến lược phát triển điện gió của Ấn Độ

là vào năm 1980, khi Cơ quan Nguồn năng lượng của nước này được thành lập nhằm mục đích đa dạng hóa nguồn năng lượng để phục vụ cho sự phát triển nhanh của nền kinh tế Cơ quan này đã tiến hành nghiên cứu và triển khai các dự án năng lượng gió có khả năng đưa vào kinh doanh Chính phủ Ấn Độ cũng ban hành những chính sách ưu đãi để hỗ trợ cho dự án Kết quả là các Công ty Công nghiệp và thương mại, trong đó 97% là các Công ty tư nhân, đã tận dụng những ưu đãi này của nhà nước để đầu tư một cách mạnh mẽ vào các dự án, hình thành nên ngành công nghiệp điện gió Ấn Độ Hiện nay các công ty này đã tự sản xuất được các turbine phát điện bằng sức gió cho thị trường trong nước nước và xuất khẩu cả ra nước ngoài

Còn đối với Trung Quốc, dự án điện gió đầu tiên của Trung Quốc được triển khai từ năm 1986 Tuy nhiên, bước đi quan trọng thúc đẩy sự phát triển điện gió của nước này diễn ra vào năm 1994, khi Bộ trưởng Bộ Năng lượng Điện Trung Quốc ra quyết định đẩy mạnh phát triển năng lượng gió, một quyết định hết sức khó khăn vì vào thời điểm đó, ngành năng lượng gió trên thế giới vẫn chưa phát triển, trong khi giá dầu mỏ và than vẫn khá rẻ Để khắc phục điểm yếu này Bộ Năng lương của Trung Quốc đã phát triển những dự án quy mô lớn, đồng thời địa phương hóa các nhà máy sản xuất turbine gió để giảm giá thành, đồng thời giúp phát triến kinh tế của địa phương, đặc biệt là ở những vùng sâu, vùng xa nhờ đảm bảo cung ứng điện ổn định, tăng nguồn thu thuế và tạo thêm công ăn việc làm cho địa phương Với một bờ biển dài, Trung Quốc là một quốc gia có nhiều tiềm năng về năng luợng gió

Trong 20 năm qua, thị trường điện gió ở Trung Quốc được hình thành và không ngừng phát triển Đến cuối năm 2004 Trung Quốc đã có 43 khu vực sản xuất điện gió với tổng công suất là 850 MW, và trở thành một trong mười quốc gia đứng đầu thế giới về sản luợng điện gió Trong năm 2005, Trung Quốc đưa thêm nhiều turbine gió mới với công suất 450 MW vào vận hành Chính phủ Trung Quốc đã đề

ra mục tiêu đến năm 2020, công suất điện gió của nước này sẽ đạt 20.000 MW, tức

là tăng gấp 20 lần công suất hiện nay

Những tiến bộ về công nghệ có tính đột phá trong thời gian qua đã giúp làm tăng công suất, hiệu qủa và độ tin cậy của các trạm điện gió, đồng thời giảm giá thành điện gió xuống nhiều lần Theo đánh giá của các nhà chuyên môn, nếu cộng tất cả các chi phí khác như chi phí cho khắc phục các ảnh huởng của môi trường thì nặng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng rẻ tiền nhất Trong tương lai khi các nguồn năng luợng cổ điển như than đá dầu khí sẽ dần dần bị cạn kiệt, ngành công nghiệp điện gió sẽ tiếp tục đóng góp ngày một lớn và toàn diện vào đi sống kinh tế - xã hội của thế giới mà chúng ta đang sống

Hình 1.8: Tình hình phát triển năng lượng điện gió toàn cầu theo số liệu thống kê

của hội đồng năng lượng gió toàn cầu (GWEC) năm 2014[3]

Năng lượng gió hiện nay được sử dụng phổ biến tại hơn 80 quốc gia, với

24 quốc gia có công suất lắp đặt hơn 1.000 MW Công suất lắp đặt điện gió tích lũy cho mỗi nước, châu lục và thế giới 1982-2014 (hình 1.8)

Hội đồng Năng lượng gió toàn cầu (GWEC) công bố thống kê thị trường điện gió năm 2013 thì công suất toàn cầu tổng cộng đạt mức 318.137 MW, tức là tăng gần 200.000 MW trong năm năm qua Tuy nhiên, thị trường hàng năm đã giảm gần 10 GW đến 35.467 MW, sự sụt giảm nhanh chóng công suất lắp đặt một phần

là do hạn chế về chính sách do Quốc hội Mỹ và tình hình kinh tế thế giới năm 2012 chưa được phục hồi Trong năm 2013 thị trường điện gió tăng trưởng 12.5%, và dự báo những năm tiếp theo tăng trưởng sẽ được cải thiện đáng kể

Hình 1.9: Công suất điện gió lắp đặt hàng năm

từ 1997-2014 (theo GWEC)[4]

1.3.2 Công nghệ điện gió

Nguyên lý hoạt động của turbine gió cũng khá đơn giản Hiện tại, các turbine điện gió được chia làm hai loại: Loại theo trục đứng giống như máy bay trực thăng và loại theo trục ngang Trong đó, các loại turbine gió trục ngang là loại phổ biến có 2 hay 3 cánh quạt và turbine gió 3 cánh quạt được sử dụng rộng rãi hơn cả

Ở đây, turbine gió 3 cánh quạt hoạt động theo chiều gió với bề mặt cánh quạt hướng

về chiều gió đang thổi Cánh quạt hứng gió và quay để sinh ra điện theo một nguyên

lý đơn giản, làm việc trái ngược với một máy quạt điện; tức là thay vì sử dụng điện

để tạo ra gió như quạt điện thì ngược lại turbine gió lại sử dụng gió để tạo ra điện

Cụ thể, năng lượng của gió làm cho 2 hoặc 3 cánh quạt quay quanh 1 rotor Rotor lại nối với trục chính sẽ truyền chuyển động làm quay trục quay của máy phát để tạo ra dòng điện

Các turbine gió được đặt trên trụ cao khoàng 30m sẽ thu được hầu hết năng lượng gió, đồng thời ít bị các luồng gió bất thường gây rối Công suất của turbine gió thường nằm trong khoảng từ 50kW đến cỡ vài MW Hiện turbine gió có công suất lớn nhất là Turbine Vestas V164-8.0 MW được xây dựng ở Đan Mạch có chiều cao 220m, cổ cánh rộng 4,6m, sải cánh dài 80m khi hoạt động cánh quạt tạo ra vùng rộng 21.124m2, trọng lượng khoảng 390 tấn, mỗi trụ V164-8.0MW có thể cung cấp cho 7.500 căn hộ dân ở châu Âu Các turbine gió có thể sử dụng cung cấp điện cho mỗi công trình, xóm nhà và cũng có thể nối vào mạng lưới quốc gia để phân phối rộng hơn

Hình 1.10: Cột turbine điện gió lớn nhất thế giới hiện nay

Vestas V164-8.0 MW ở Đan Mạch

1.3.3 Các cường quốc điện gió của thế giới

1.3.3.1 Công suất điện gió tính theo mật độ dân số

Theo hội đồng năng lượng toàn cầu (GWEC) thì danh sách các quốc gia mạnh trên thế giới có công suất điện gió tính theo mật độ dân số và số liệu này chỉ được công bố đầy đủ đến năm 2012 Hai đồ thị về các cường quốc điện gió sắp xếp thứ bậc theo tổng công suất điện gió quốc gia theo đầu người (tính theo 1 triệu dân) Trong hình 1.11, tên các nước liệt kê ở cột bên trái theo thứ bậc từ cao xuống thấp Chiều dài các cột nằm ngang tương ứng với tổng công suất điện gió (đơn vị Mêga-oat) tính trên triệu dân

Đồ thị mô tả 47 quốc gia có tổng công suất điện gió tính trên đầu người (tính theo triệu dân) lớn nhất trên thế giới Ở đây, có 5 nước ở cuối cũng được xem

là quốc gia có điện gió, tuy chưa có đủ số liệu, trong đó có Việt Nam ; bên cạnh Iran, Venezyela, Ethiopia và Pakistan

Hình 1.11: Đồ thị 1 mô tả thứ tự các nước phát triển điện gió

với số liệu ở thời điểm 2012 (theo QWEC)[4]

Các số liệu thống kê sắp xếp thứ tự cũng được mô tả qua hình thức khác cho 15 nước phát triển điện gió hàng đầu ở thời điểm năm 2012 trên đồ thị hình 1.12 Độ lớn về công suất điện gió theo đầu dân số (kèm theo giá trị tương đối tính theo %) của mãng màu tương ứng với tên nước ghi trên cột dọc ở phía bên phải

Hình 1.12: Đồ thị 2 mô tả thứ tự 15 nước phát triển điện gió nhất

với số liệu ở thời điểm năm 2012 (theo GWEC)[4]

Ngoài ra, thống kê giá trị về tổng công suất điện gió tuyệt đối và tương đối trên triệu dân của 33 quốc gia điện gió hàng đầu trên thế giới thì Đan Mạch đã vươn lên đầu bảng các quốc gia điện gió tính trung bình trên đầu người Tiếp theo là các nước Tây ban Nha, Bồ Đào Nha, Thụy Điển, Đức và Ireland cùng nằm trong top 5 cường quốc điện gió

Thứ tự sắp xếp trên có tính tương đối và dễ dàng thay đổi nhanh chóng vì các nước trên cũng như các nước lớn khác đang mọc lên những nhà máy điện gió mới ngày càng lớn hơn Chẳng hạn, Canada, Áo và Hy Lạp đang nằm ngoài top 10 những mỗi nước đang có các chính sách năng lượng gió mạnh cho những năm tới

và biết đâu vài năm sắp tới có các quốc gia vươn lên top 5, đầu bảng thay vị trí quán quân của Đan Mạch cho năm 2012

1.3.3.2 Công suất điện gió tính theo công suất lắp đặt

Năm 2010, Trung Quốc vượt qua Mỹ trở thành quốc gia có công suất điện gió đứng đầu thế giới Năm 2014, Trung Quốc đẩy mạnh sản xuất điện gió từ 16.088 MW lên tới 91.412 MW trong nỗ lực của Văn phòng năng lượng quốc gia

đưa điện gió trở thành nguồn năng lượng có giá cạnh tranh với nguồn điện than vào năm 2020.

Hinh 1.13: Công suất điện gió lắp đặt tại các quốc gia dẫn đầu

từ năm 1980-2013 (theo GEWC)[4]

Kinh tế thế giới dần được phục hồi cùng với đó là tình hình chính trị bất ổn diễn ra nhiều nơi, môi trường ô nhiễm trầm trọng và việc khai thác nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng giảm, khó khăn hơn vì thế nhiều quốc gia đã đẩy mạnh phát triển cộng nghiệp năng lượng theo xu hướng sạch và bền vững Trong đó, xem phát triển điện gió là hướng đi hàng đầu Tới cuối năm 2013, trang trại gió được lắp đặt tại trên 80 quốc gia có khả năng tổng hợp 318.105 MW điện, đủ đáp ứng nhu cầu sử dụng điện của dân số tương đương Liên minh châu Âu là 506 triệu người, và năm

2014 khoảng 369.597 MW Đồ thị hình 1.14 cho thấy sự phát triển thú vị của ngành công nghiệp năng lượng gió trên thế giới

Hình 1.14: Công suất năng lượng điện gió toàn cầu

từ năm 1997-2014 (theo GWEC)[4]

Trong đó 10 nước có năng lượng điện gió lắp đặt lớn nhất được thống kê năm 2013 là những nước có nền kinh tế phát triển và công nghệ hàng đầu về lĩnh vực năng lượng

Hình 1.15: Mười nước có năng lượng điện gió lắp đặt

lớn nhất năm 2013 (theo GWEC)[4]

1.3.3.3 Triển vọng tương lai của điện gió

Tổ chức năng lượng gió Châu Âu đang tiến hành một chiến lược phát triển rầm rộ nhất cho năng lượng gió với mục tiêu đưa năng lượng gió vào nhóm những nguồn năng lượng quan trọng nhất Theo kế hoạch của tổ chức này, mục tiêu đến năm 2020, sản lượng điện gió sẽ đạt 194,8 GW, chiếm 12,1% tổng sản lượng điện năng của thế giới Theo kế hoạch này đến năm 2020, tổng công suất của Châu Âu sẽ

là 180 GW trong đó có 70 GW được xây dựng ngoài thềm lục địa gấp 72 lần công suất năm 1995, đủ cung cấp cho 195 triệu dân Các kế hoạch phát triển các trạm điện gió ngoài thềm lục địa cũng đang được tiến hành để lợi dụng gió biển và ước tính sẽ chiếm trên 40% sản lượng điện gió tương lai của Châu Âu Cũng theo dự đoán này thì năng lượng gió sẽ tăng dần và vượt qua nhiều nguồn năng lượng truyền thống nhưng tiềm ẩn rủi ro cao như điện hạt nhân và thủy điện lớn, và vào năm 2030 năng lượng gió sẽ trở thành nguồn năng lượng chiếm tỷ trọng lớn thứ hai,

chỉ đứng sau nhiệt điện

Hội đồng Năng lượng Gió Thế giới cũng đưa ra những dự báo hết sức khả quan cho triển vọng phát triển năng lượng điện gió Theo Hội đồng này, đến năm

2020 sản lượng điện gió sẽ chiếm tới 12,1% trong tổng sản lượng điện năng của thế giới Để đạt được mục tiêu này, thế giới sẽ đầu tư khoảng 100 tỷ USD mỗi năm vào điện gió, đồng thời tạo ra 2,3 triệu việc làm và giảm được một lượng đáng kể khí

CO2 gây hiệu ứng nhà kính Một thị trường về năng lượng gió sẽ phát triển mạnh

mẽ đưa giá thành lắp đặt cũng như vận hành điện gió xuống mức rẻ nhất, với chi phí lắp đặt khoảng 600 USD trên một đơn vị kW công suất và giá điện thương phẩm sẽ dưới 3 USD/kWh

Các nghiên cứu về năng lượng gió cũng như những thảo luận hiện nay đã tạo nên một không khí sôi nổi tại các hội nghị khoa học và trong dư luận xã hội Năng lượng gió ngày càng được quan tâm hơn, nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển bền vững về mặt năng lượng, đồng thời bảo đảm an ninh và sự tự chủ về năng lượng cho các quốc gia

Hơn nữa, điện gió còn tạo nên được một thị trường mới với các sản phẩm

có giá trị gia tăng cao và giúp tạo thêm nhiều việc làm mới cho xã hội Các dự báo

về tốc độ phát triển của năng lượng gió thường xuyên phải điều chỉnh để phản ánh chính xác hơn tốc độ tăng trưởng vượt bậc của ngành công nghiệp điện gió Chúng

ta chắc chắn sẽ thấy được đóng góp tích cực của ngành công nghiệp điện gió một

cách toàn diện vào đời sống kinh tế – chính trị thế giới trong một tương lai không

xa

1.4 Tình hình phát triển điện gió ở Việt Nam

1.4.1 Tiềm năng lượng điện gió

Nhu cầu điện năng ở mỗi nước và toàn thế giới không ngừng tăng Nhưng nguồn nhiên liệu than và khí đốt cho nhiệt điện không còn dồi dào và gây khó khăn lớn trong việc khắc phục ô nhiễm môi trường nặng nề Thủy điện lớn thì chủ yếu dựa vào thời tiết và địa thế sông ngòi Chỉ có điện hạt nhân đang đóng vai trò lớn, nhưng cũng bắt đầu có đâu hiệu chững lại Và nguồn năng lượng tái tạo nổi lên như một trong những nguồn cứu cánh Bên cạnh điện mặt trời, điện gió đang là nguồn đáp ứng không thể thiếu cho nhiều nước trên thế giới hiện tại và tương lai, trong đó

có Việt Nam Một số nghiên cứu đánh giá cho thấy Việt Nam có tiềm năng gió để phát triển các dự án điện gió với quy mô lớn là rất khả thi

Hội đồng năng lượng gió toàn cầu đánh giá Việt Nam với vị trí thuận lợi có

bờ biển trải dài đứng thứ 11 trong số các quốc gia khai thác điện gió ven biển đứng đầu thế giới Bản đồ tiểm năng gió của Ngân hàng thế giới (Worldbank, 2001) được xây dựng cho bốn nước trong khu vực Đong Nam Á (gồm : Việt Nam, Cam-pu-chia, Lào và Thái Lan) Trong khi Việt Nam có tới 8,6% diện tích lãnh thổ được đánh giá có tiềm năng từ tốt đến rất tốt để xây dựng các trạm điện gió cở lớn thì

diện tích này ở Campuchia là 0,2%, ở Lào 2,9% và ở Thái Lan cũng chỉ 0,2% Dựa

trên phương pháp mô phỏng bằng mô hình số trị khí quyển và theo kết quả từ bản

đồ năng lượng gió này, tiềm năng năng lượng gió ở độ cao 65m của Việt Nam là lớn nhất so với các nước khác trong khu vực, với tiềm năng năng lượng gió ý thuyết lên đến 513.360 MW tức là bằng hơn 200 lần công suất của thủy điện Sơn La và hơn 10 lần tổng cong suất dự báo của ngành điện vào năm 2020

Hình 1.16: Các turbine điện gió được lắp đặt tại Việt Nam

Những khu vực được hứa hẹn có tiềm năng lớn trên toàn lãnh thổ là khu vực ven biển và cao nguyên miền nam Trung Bộ và Nam Bộ Tuy nhiên, các kết quả mô phỏng này được đánh giá là khác biệt so với kết quả tính toán dựa trên số liệu quan trắc của EVN, sự khác biệt này có thể là do sai số tính toán mô phỏng

Tất nhiên, để chuyển từ tiềm năng lý thuyết thành tiềm năng có thể khai thác, đến tiềm năng kỹ thuật và cuối cùng thành tiềm năng kinh tế là cả một câu chuyện dài; nhưng điều đó không ngăn cản việc chúng ta xem xét một cách thấu đáo tiềm năng to lớn về năng lượng gió ở Việt Nam để phát triển

Nếu xét tiêu chuẩn để xây dựng các trạm điện gió cỡ nhỏ phục vụ cho phát triển kinh tế ở những khu vực khó khăn thì Việt Nam có đến 41% diện tích nông thôn có thể phát triển điện gió loại nhỏ Nếu so sánh con số này với các nước láng giềng thì Campuchia có 6%, Lào có 13% và Thái Lan là 9% diện tích nông thôn có thể phát triển năng lượng gió

Năm 2007, EVN cũng đã tiến hành nghiên cứu đánh giá tiềm năng gió, xác định các vùng thích hợp cho phát triển điện gió trên toàn lãnh thổ với công suất kỹ thuật 1.785 MW Trong đó, miền Trung Bộ được xem là có tiềm năng gió lớn nhất

cả nước với khoảng 880 MW tập trung ở hai tỉnh Quảng Bình và Bình Định, tiếp

đến vùng có tiềm năng thứ hai là miền Nam Trung Bộ với công suất khoảng 855

MW, tập tring chủ yếu ở hai tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận

Hình 1.17: Bản đồ phân bố tốc độ gióViệt Nam ở độ cao 80 mét (2010)

Ngoài ra, Bộ Công thương, TrueWind Solutions LCC (Mỹ) và Ngân hàng thế giới (2010) đã tiến hành cập nhật thêm số liệu quan trắc (đo gió ở 3 điểm) vào bản đồ tiềm năng gió ở cấp ộ cao 80m cho Việt Nam Kết quả cho thấy tiềm năng năng lượng gió ở độ cao 80m so với bề mặt đát là trên 2.400 MW (tốc độ gió trung bình năng trên 7m/s)

Bảng 1.1: Tiềm năng gió của Việt Nam ở độ cao 80m so với mặt đất năm 2010Tốc độ gió