Nghiên cứu những vấn đề kinh tế kỹ thuật của nhàmáy điện gió phối hợp với hệ thống diesel áp dụng cho đảo phú quý

TÓM TẮT Có thể thấy khuynh hướng xây dựng ngày càng nhiều nhà máy phong điện để giảm các tác động môi trường.Trong nhiều báo cáo đã đưa mục tiêu vào năm 2020 phong điện trên thế giới sẽ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGHIÊN CỨU NHỮNG VẤN ĐỀ KINH TẾ KỸ THUẬT CỦA NHÀ MÁY ĐIỆN GIÓ PHỐI HỢP VỚI HỆ THỐNG

DIESEL ÁP DỤNG CHO ĐẢO PHÚ QUÝ

CHUYÊN NGÀNH: MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN

MÃ SỐ NGÀNH: 2.06.07

Người thực hiện luận án :

Người hướng dẫn luận án :

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 07 NĂM 2004

in to electricity

As a result of this, in the near future,wind turbines may start to influence the behaviour of electric power systems This paper will present the techno-economic studies for a wind powered turbine farm synchronized with a diesel power plant for Phu Quy Island This paper also utilizes software program WAsP 8.0 to simulate the wind field in order to determine the location of the wind powered turbine plant for optimum power output for Phu Quy Island starting in the period 2006-2010 This is one of the first works aimed at following up the developing tendency of wind power as well as ending the frequent power failures at island – a remote area that cannot be linked to the national power grid system

TÓM TẮT

Có thể thấy khuynh hướng xây dựng ngày càng nhiều nhà máy phong điện để giảm các tác động môi trường.Trong nhiều báo cáo đã đưa mục tiêu vào năm 2020 phong điện trên thế giới sẽ đạt được 12 % lượng điện phát ra,cũng như dự báo rằng tốc độ tăng trưởng hàng năm của phong điện trong giai đoạn 1998-2040 sẽ vào khoảng 10-40 %.Trong đó tiềm năng gió ở Việt Nam rất lớn.Các ưu điểm chính của sản xuất điện từ nguồn tái sinh là không phát thải khí độc hại và sự tồn tại bất tận của nguồn để được chuyển thành điện năng.Kết quả là trong tương lai gần các nhà máy phong điện có thể bắt đầu ảnh hưởng tính chất của hệ thống điện

Đề tài này sẽ trình bày các nghiên cứu vấn đề kinh tế kỹ thuật của nhà máy phong điện phối hợp với hệ thống Diesel áp dụng cho đảo Phú Quý cùng với chương trình WasP 8.0 mô phỏng trường gió của đảo để xác định các vị trí nhà máy phong điện có công suất tối ưu phát ra điện năng mang lại hiệu quả nhất cho đảo Phú Quý trong giai đoạn 2005-2010.Đây là một trong những công trình khởi đầu nhằm mục đích theo kịp xu hướng phát triển chung về năng lượng gió cũng như giải quyết những vấn đề cung cấp điện cho những vùng hải đảo,vùng xa mà việc liên kết với lưới điện quốc gia ít có khả năng thực hiện

MỤC LỤC

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 3

CHƯƠNG 1:8 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ 8

1.1 GIỚI THIỆU NGUỒN NĂNG LƯỢNG GIÓ 10

1.2 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG GIÓ TRÊN THẾ GIỚI: 11

1.3 XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG GIÓ TRONG THẾ KỶ 21: 14

1.3.1 Xu hướng chung: 14

1.3.2 Hiện trạng và xu hướng ở một số khu vực trên thế giới: 15

1.4 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG LƯỢNG GIÓ CỦA VIỆT NAM: 17

CHƯƠNG 2: NHỮNG PHƯƠNG PHÁP THÔNG DỤNG TÍNH TOÁN NĂNG LƯỢNG GIÓ 22

2.1 PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO NĂNG LƯỢNG 23

2.1.1 Xác định sơ bộ bước đầu vùng gió tiềm năng: 23

2.1.2 Những thiết bị khảo sát năng lượng gió chuẩn: 25

2.1.3 Những phương pháp thống kê năng lượng gió thường được sử dụng: 27

2.2 PHƯƠNG PHÁP TÍNH NĂNG LƯỢNG GIÓ: 28

2.2.1 Tính năng lượng gió bằng hàm phân bố Weibull 28

2.2.2 Phương pháp nội suy tốc độ gió ở những độ cao khác nhau: 30

2.2.3 Mô phỏng trường gió bằng chương trình WAsP8.0 để xác định công suất, ví trí nhà máy phong điện: 31

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG SỐ LIỆU PHỤ TẢI VÀ GIÓ ĐỂ XÁC ĐỊNH CÔNG SUẤT VÀ TỈ LỆ GIỮA GIÓ VÀ DIESEL 35

3.1 XÂY DỰNG HỆ THỐNG SỐ LIỆU PHỤ TẢI CHO ĐẢO PHÚ QUÍ 36

3.1.1 Đặc điểm tự nhiên và xã hội đảo Phú Quí: 36

3.1.2 Sự cần thiết hình thành và phát triển khu kinh tế đảo Phú Quý 38

3.1.3 Hiện trạng kinh tế xã hội khu kinh tế đảo Phú Quý 40

3.1.4 Định hướng xây dựng và phát triển khu kinh tế đảo Phú Quý (2010) theo mô hình kinh tế đặc thù 42

3.1.5 Hiện trạng cấp, sử dụng và dự báo nhu cầu điện của đảo Phú Quý 43

3.2 PHƯƠNG ÁN PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG CHO ĐẢO PHÚ QUÍ 45

3.2.1 Cân đối phát triển nguồn và phụ tải 45

3.2.2 Các phương án chọn nguồn năng lượng bổ sung 45

3.2.3 Phương án lựa chọn là nguồn năng lượng gió 46

3.3 XÂY DỰNG HỆ THỐNG SỐ LIỆU GIÓ CỦA ĐẢO PHÚ QUÍ 47

3.3.1 Nghiên cứu số liệu gió đảo Phú Quí: 47

3.3.2 Xử lý số liệu gió đảo Phú Quí: 48

3.4 XÁC ĐỊNH CÔNG SUẤT VÀ TỈ LỆ HỢP LÝ GIỮA GIÓ & DIESEL 49

CHƯƠNG 4: CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT VẬN HÀNH GIỮA NHÀ MÁY PHONG ĐIỆN VÀ HỆ THỐNG DIESEL 53

4.1 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ MÁY DIESEL HIỆN HỮU 54

4.1.1 Vị trí địa điểm nhà máy: 54

4.1.2 Mô tả công nghệ nhà máy: 54

4.2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ MÁY PHONG ĐIỆN 56

4.3 PHƯƠNG THỨC VẬN HÀNH NHÀ MÁY PHONG ĐIỆN & DIESEL 68

4.3.1 Các nguyên lý cơ bản vận hành nối lưới Nhà máy phong điện đang áp dụng trên thế giới 68 4.3.2 Kết hợp vận hành điện gió và Diesel áp dụng cho đảo Phú Quý 77

4.3.3 Phân tích kinh tế ,tài chính 80

CHƯƠNG 5: TỐI ƯU HÓA SỰ LÀM VIỆC CỦA NHÀ MÁY PHONG ĐIỆN TRÊN CƠ SỞ XÂY DỰNG CÁC NGUỒN PHỤ TẢI SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG GIÓ THỪA 84

5.1 MỘT SỐ HỆ THỐNG LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG THƯỜNG ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG

PHÁT ĐIỆN BẰNG TURBINE GIÓ 85

5.1.1 Hệ thống pin Ắc qui 85

5.1.2 Kỹ thuật trữ năng bằng bánh đà: 85

5.1.3 Hệ thống thủy điện hoàn năng: 85

5.1.4 Hệ thống trữ năng bằng khí nén 87

5.2 ỨNG DỤNG HỆ THỐNG TURBINE GIÓ CÁCH BIỆT TRONG HỆ THỐNG SẢN XUẤT KHÍ HYDRO: 87

5.2.1 Giới thiệu: 87

5.2.2 Thiết kế: 88

5.2.3 Phân tích kỹ thuật: 89

5.2.4 Phân tích kinh tế: 91

5.2.5 Kết luận: 93

5.3 MÔ HÌNH ỨNG DỤNG HỆ THỐNG TURBINE GIÓ CÔ LẬP TRONG VIỆC SẢN XUẤT NƯỚC NGỌT 94

5.3.1 Giới thiệu: 94

5.3.2 Mô tả hệ thống: 94

5.3.3 Phương thức hoạt động: 95

5.3.4 Kết luận: 97

5.4 P HƯƠNG ÁN ĐỀ XUẤT CHO VIỆC TỐI ƯU HOÁ SỰ LÀM VIỆC CỦA NHÀ MÁY PHONG ĐIỆN ĐẢO P HÚ Q UÝ 97

5.4.1 Giai đoạn 1 : 97

5.4.2 Giai đoạn 2 : 97

CHƯƠNG 6 : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO 100

PHỤ LỤC 104

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1 Đặt vấn đề:

Để mở đầu luận văn này,xin được đưa ra Bức tranh năng lượng toàn cầu

của tạp chí Newsweek (tháng 1/2003)

Rất nhiều chuyên gia cho rằng trong 50 năm tới,năng lượng khí Hydro,năng lượng gió và năng lượng mặt trời sẽ là những nguồn nhiên liệu chủ yếu để cung cấp năng lượng cho thế giới,trong khi đó các nhiên liệu hóa thạch dần đóng vai trò kém quan trọng hơn.Tuy nhiên việc bảo tồn những nhiên liệu này vẫn là quan trọng trong thời kỳ quá độ.(Xem hình đính kèm)

Đứng trước tình thế nguồn năng lượng thủy điện có giới hạn, nguồn năng

lượng dầu mỏ đang cạn dần Đồng thời vấn đề ô nhiễm môi trường do việc đốt nhiên liệu gây ra, trong thế kỷ 21 các nước có xu hướng tìm nguồn năng lượng sạch để thay thế So với năng lượng mặt trời, năng lượng sinh học, năng lượng địa nhiệt và năng lượng sóng,… thì năng lượng gió là tối ưu nhất về mặt kỹ thuật, an toàn về môi trường Trong chiến lược năng lượng của các quốc gia trên thế giới có tiềm năng về năng lượng gió, nguồn năng lượng gió được chọn là nguồn năng lượng thay thế trong tương lai.Tuy nhiên ở Việt Nam,công việc này còn rất mới mẻ Hiện tại, ở Việt Nam năng lượng gió chỉ dùng cho máy bơm và máy phát điện với số lượng ít và công suất nhỏ Ngoài ra còn có một số chương trình, đề tài, dự án nghiên cứu sử dụng năng lượng gió được tiến hành nhưng chưa mang lại hiệu quả rỏ nét nhưng tiềm năng về gió thì ở Việt Nam rất dồi dào

Những năm gần đây, Chính phủ, các cơ quan nghiên cứu về năng lượng sạch và Tổng Công ty Điện lực Việt Nam cũng đã quan tâm nhiều hơn đến nguồn năng lượng gió Hiện nay, ở bán đảo Phương Mai, Bình Định đang bắt đầu khởi động thực hiện nhà máy phong điện đầu tiên, lớn nhất Việt Nam

Ngoài ra, Tổng Công ty Điện Lực Việt Nam cũng đang giao nhiệm vụ lập các dự án nghiên cứu khả thi xây dựng nhà máy phong điện ở đảo Phú Quốc, tỉnh Kiên Giang và đảo Phú Quý, tỉnh Bình Thuận.Đây là những vị trí cách biệt đất liền,việc kết nối lưới khó khả thi,vì vậy việc nghiên cứu lắp đặt nhà máy phong điện cho đảo và phối hợp chúng với hệ thống diesel hiện hữu của đảo là việc làm hết sức cấp bách

2 Mục tiêu và nhiệm vụ:

Hiện nay tại đảo Phú Quý (xem hình đính kèm) chỉ có một nguồn điện

diesel do ngành điện đầu tư, gồm có 6 máy, công suất mỗi máy 500kW Do giá

thành điện hiện nay rất đắt (trên 5.344đ/kWh), càng phát điện nhiều càng lỗ nên

chi nhánh điện Phú Quý chỉ phát điện 12 giờ mỗi ngày, cung cấp chủ yếu cho phụ tải sinh hoạt của nhân dân trên đảo Để làm giảm giá thành điện năng trên đảo, đồng thời đảm bảo cung cấp điện đầy đủ cho mọi nhu cầu sinh hoạt, sản xuất của nhân dân trên đảo và các khu côngnghiệp trên đảo trong tương lai, cần phải tìm một nguồn năng lượng khác rẻ để bổ sung Đảo Phú Quý ở xa đất liền, cách Phan Thiết 120km, nên việc cấp điện từ lưới điện Quốc gia là hoàn toàn không khả thi

Trong các nguồn năng lượng còn lại (khí đốt, thủy triều, địa nhiệt, sinh khối, mặt

trời, gió, …) chỉ có nguồn năng lượng gió là khả thi nhất

Do tốc độ gió luôn thay đổi, có lúc gió mạnh, nhưng cũng có lúc lặng gió, nên công suất phát ra của nhà máy phong điện luôn thay đổi, không ổn định, thậm chí có lúc không phát ra công suất Trong trường hợp turbine gió được nối vào lưới điện quốc gia, do công suất của hệ thống lớn nên vấn đề này không làm ảnh hưởng đến tần số, điện áp phát ra của hệ thống

Trong trường hợp xây dựng nhà máy phong điện ở những vùng hải đảo, vùng sâu, vùng xa, không có lưới điện quốc gia, để đảm bảo cung cấp điện liên tục cho phụ tải, cần phải phối hợp với một nguồn điện ổn định, có thể điều khiển được công suất phát ra, thí dụ như nguồn diesel Ở trường hợp này, với một nhu cầu phụ tải nhất định, cần phải xác định tỉ lệ phong điện và diesel thích hợp để hệ thống vận hành đảm bảo tính kinh tế và kỹ thuật Tỉ lệ này phụ thuộc vào tiềm năng gió ở khu vực xây dựng nhà máy, đồ thị phụ tải của vùng, hệ thống điều khiển phong điện và diesel và giá thành điện năng của từng loại năng lượng Đây chính là nhiệm vụ của đề tài được đặt ra

3 Phạm vi nghiên cứu của đề tài:

Luận văn này mong muốn trình bày một cách có hệ thống về tổng quan tình hình sử dụng năng lượng gió trên Thế giới, và các nghiên cứu nhằm phối hợp nhà máy phong điện với hệ thống diesel để áp dụng cho đảo Phú Quý mà từ trước tới nay chưa thực hiện được do chưa có sự quan tâm đúng mức của các cấp lãnh đạo ở Việt Nam về nguồn năng lượng sạch này; phạm vi bao gồm:

Tổng quan về tình hình sử dụng năng lượng gió trên TG

Các phương pháp thông dụng tính toán năng lượng gió trong thập kỷ này Xây dựng hệ thống số liệu gió và phụ tải nhằm xác định công suất và tỷ lệ phong điện và Diesel thích hợp để hệ thống vận hành đảm bảo tính kinh tế kỹ thuật

Nghiên cứu mô phỏng trường gió bằng chương trình WasP 8.0 để xác định công suất, vị trí tối ưu nhà máy phong điện

Đề ra các giải pháp tối ưu hóa sự làm việc của nhà máy phong điện

4 Điểm mới của đề tài:

Kết quả của nghiên cứu sẽ giải quyết được vấn đề cấp điện cho các vùng hải đảo,vùng sâu, vùng xa không kết nối được lưới điện Quốc Gia hoặc quá tốn kém để kết nối

Đến nay, số động cơ giĩ nối với các hệ thống điện qui mơ lớn chỉ chiếm một phần nhỏ của tổng lượng tải hệ thống điện Phần tải cịn lại của hệ thống điện là phần lớn nhất được đáp ứng bởi các nhà máy nhiệt điện, điện hạt nhân và thuỷ điện truyền thống

Tua bin giĩ hầu như khơng tham gia vào điều khiển điện thế và tần số và nếu hiện tượng rối xảy ra, các động cơ giĩ sẽ được cắt và nối lại khi trở lại hoạt động bình thường Do đĩ, sự hiện diện của tua bin giĩ, tần số và điện thế được duy trì bằng cách điều khiển các nhà máy điện lớn như trong trường hợp khơng cĩ tua bin giĩ hiện diện

Điều này cĩ thể chỉ khi sự tham gia của tua bin giĩ vẫn cịn thấp Tuy nhiên, khuynh hướng là tăng lượng điện sản xuất từ giĩ Do đĩ, sự xâm nhập của phong

điện trong các hệ thống điện sẽ tăng và chúng cĩ thể bắt đầu ảnh hưởng tính chất của tồn bộ hệ thống điện, dẫn đến là khơng thể vận hành một hệ thống điện chỉ bằng cách điều khiển các nhà máy điện qui mơ lớn truyền thống Do đĩ, rất quan trọng để nghiên cứu tính chất của tua bin giĩ trong một hệ thống điện và tương tác của chúng với các thiết bị sản xuất điện khác và với phụ tải

Ngoài ra đề tài còn nghiên cứu sử dụng phần mềm WasP 8.0 để giải quyết vấn đề công suất,vị trí của nhà máy phong điện tối ưu nhất mà từ trước tới nay chưa được áp dụng tại Việt Nam

5 Giá trị thực tiễn của đề tài:

Luận văn này thực hiện trong bối cảnh Tổng Công Ty Điện lực Việt Nam đã quan tâm đến vấn đề nóng bỏng trong tương lai về năng lượng tái tạo (năng lượng sạch) chiều hướng mà Thế Giới đang nghiên cứu phát triển, và đã giao nhiệm vụ cho các Công Ty Tư Vấn Xây Dựng Điện 1,3,4 tiến hành nghiên cứu xây dựng quy hoạch tiềm năng gió cho cả 3 miền đất nước Việt Nam.Đồng thời giao nhiệm vụ cho Công Ty Tư Vấn Xây Dựng Điện 3 lập BCNCKT dự án trạm phát phong điện cho đảo Phú Quý Công TyTVXDĐ3 đang tiến hành lắp đặt các cột đo gió ở độ cao 60 m, tại Bắc và Nam đảo Phú Quý, với mục đích lấy số liệu để kiểm chứng kết quả tính toán bằng số liệu được cung cấp bởi Đài khí tượng

thủy văn (1980-2003) Đây là những công trình khởi đầu nhằm từng bước theo kịp

xu hướng phát triển chung của Thế Giới.Chính vì vậy việc nghiên cứu các vấn đề kinh tế kỹ thuật của nhà máy phong điện phối hợp với hệ thống diesel áp dụng cho đảo Phú Quý rất có giá trị thực tiễn và mang tính thời sự cao

Luận án nghiên cứu những vấn đề nêu trên nhằm tạo tiền đề cũng như giải quyết những vấn đề bức xúc về cung cấp điện cho những vùng hải đảo,vùng sâu, vùng xa mà việc liên kết với lưới điện Quốc Gia ít có khả năng khả thi

Đề tài còn có thể giúp cho nghành Điện định hướng và vận động theo xu hướng phát triển của Thế Giới,cũng như phù hợp với hoàn cảnh của Việt Nam

6 Nội dung của đề tài:

Luận văn được phân thành các mục như sau:

Giới thiệu đề tài

Chương1: Tổng quan về năng lượng gió

Giới thiệu nguồn năng lượng gió

Tình hình sử dụng năng lượng gió trên thế giới

Tình hình sử dụng năng lượng gió ở Việt Nam

Chương 2: Những phương pháp thông dụng tính toán năng lượng gió

Phương pháp dự báo năng lượng

Phương pháp tính năng lượng gió

Chương 3: Xây dựng hệ thống số liệu phụ tải và gió để xác định công suất và tỉ

lệ giữa gió và diesel

Xây dựng hệ thống số liệu phụ tải cho đảo Phú Quý

Xây dựng hệ thống số liệu gió đảo Phú Quý

Xác định công suất và tỉ lệ giữa gió & Diesel cho đảo Phú Quý

Chương 4: Các vấn đề kỹ thuật vận hành giữa nhà máy phong điện và hệ thống

Diesel

Hệ thống điều khiển nhà máy deiesel hiện hữu của đảo

Hệ thống điều khiển nhà máy phong điện

Phương thức vận hành nhà máy phong điện và diesel

Chương 5: Tối ưu hóa sự làm việc của nhà máy phong điện trên cơ sở xây ựng

các nguồn phụ tải sử dụng năng lượng gió thừa

Một số hệ thống lưu trữ năng lượng thường được sử dụng trong phát điện bằng turbine gió

Ứng dụng hệ thống turbin gió cách biệt trong hệ thống sản xuất

Khí hydro

Mô hình ứng dụng hệ thống turbin gió cô lập trong việc sản xuất

Nước ngọt

Phương án đề xuất cho việc tối ưu hoá sự làm việc của nhà máy phong

điện Phú Quý

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển của đề tài

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

Trong những năm gần đây, môi trường của trái đất của chúng ta đang có những thay đổi lớn theo chiều hướng xấu Những nguyên nhân gây tác động xấu đến môi trường trái đất đã được xác định và phân tích Vấn đề cải thiện môi trường bằng nhiều cách như tiết kiệm năng lượng, bảo vệ rừng, giảm lượng khí độc hại thải vào môi trường … đã được xem xét rất nhiều

Ngay tại hội nghị năng lượng toàn cầu năm 1977, lần đầu tiên Hội Đồng

Năng Lượng Thế Giới (The World Energy Council -WEC) đã thảo luận về vấn đề

khí thải CO2 Hội nghị đã kết thúc với điều khoản thống nhất là cấp thiết phải cơ cấu lại cấu trúc các nguồn năng lượng trên toàn thế giới và quá trình này phải được thực hiện trên phạm vi toàn cầu chứ không phải chỉ ở một số nước hay vùng

nào đó Giáo sư Wolf Hafele (Áo) chủ trì hội nghị, đã tổng kết và đặt ra chương

trình thực hiện đến năm 2030 sao cho tỉ lệ năng lượng có nguồn gốc từ nhiên liệu hoá thạch phải giảm xuống còn dưới một phần ba và hai phần ba nguồn năng lượng còn lại sẽ được cung cấp từ các nguồn khác mà chủ yếu dựa trên nguồn năng lượng hạt nhân và năng lượng pin mặt trời, năng lượng gio.ù Nhưng gần đây,

vào năm 1996, những số liệu do Cơ Quan Năng Lượng Quốc Tế (International

Energy Agency - IEA) đã tổng kết:

• Nhu cầu năng lượng trên toàn thế giới hiện nay vẫn tăng đều Kể từ năm

1982 đến nay mỗi năm nhu cầu năng lượng tăng khoảng 2.2%

• Nguyên liệu hoá thạch vẫn đóng vai trò chủ yếu và chiếm tỉ lệ 90% trong nguồn cung cấp năng lượng

• Nhu cầu năng lượng tăng mạnh chủ yếu ở các nước đang phát triển, đặc biệt là tăng mạnh nhất ở Trung Quốc và khu vực châu Á

Cơ Quan Năng Lượng Quốc Tế dự báo cơ cấu năng lượng trên thế giới như sau:

Nhu cầu năng lương sơ cấp và lượng điện năng sản suất năm 2010

Tỉ lệ tăng trung bình năm trong khoảng 1993-2010

Năng lượng sơ cấp (Mtoe)

Năng lượng điện (TWh)

Năng lượng sơ cấp (%)

Năng lượng điện (%)

Như vậy qua 20 năm kể từ hội nghị năng lượng toàn cầu năm 1977 những dữ liệu trên cho thấy chưa có những thành quả cụ thể trong việc thay đổi cơ cấu năng lượng trên toàn thế giới Tuy nhiên, theo tài liệu của tạp chí IEEE - hội nghị năng lượng tồn cầu vào tháng 5/2003 cĩ dự báo rằng tốc độ tăng trưởng hàng năm của phong điện trong giai đoạn 1998 - 2040; sẽ vào khoảng 10 - 40% Nếu dự báo này thành hiện thực thì vào năm 2040 sẽ cung cấp hơn 20% nhu cầu đđiện năng của Thế giới

1.1 GIỚI THIỆU NGUỒN NĂNG LƯỢNG GIÓ

Cho đến cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21 có nhiều vấn đề mà con người cần phải xem xét lại trong việc cung cấp năng lượng: từ việc nguồn năng lượng hóa thạch đang cạn dần, giá và nguồn cung cấp dầu ngày càng không ổn định đến việc gây ô nhiễm môi trường do đốt nhiên liệu hóa thạch cũng trở nên trầm trọng cần được giải quyết ngay và nhiều nước trên thế giới đã bắt đầu áp dụng những luật thuế về môi trường, khí thải … Tất cả những yếu tố trên dẫn đến việc xem xét về cả lợi ích môi trường lẫn lợi ích kinh tế trong sử dụng nguồn năng lượng sạch

Vấn đề năng lượng sạch là một trong những vấn đề được quan tâm nhiều nhất hiện nay như là một sự lựa chọn cho nguồn năng lượng thay thế trong tương lai Có nhiều nguồn năng lượng sạch được người ta quan tâm đến như năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió, năng lượng sóng biển, năng lượng thủy triều … Những nguồn năng lượng sạch này sẽ góp phần rất lớn vào việc cải tạo cuộc sống và môi trường sống của nhân loại và điểm đặc biệt là chúng có thể coi là nguồn năng lượng vô tận

Tất cả các nguồn năng lượng có thể tái sinh (trừ năng lượng thủy triều và

năng lượng địa nhiệt) và kể cả các nguồn năng lượng hoá thạch (như than đá, dầu hỏa …) xét cho cùng đều bắt nguồn từ năng lượng mặt trời Bức xạ mặt trời đến

trái đất trung bình vào khoảng 10.000.000 gigawatt Chỉ 1 đến 2 phần trăm năng

lượng này được chuyển thành gió.(Gấp 50 đến 100 lần của toàn bộ năng lượng

được chuyển hoá từ mặt trời của toàn bộ cây cối trên toàn trái đất)

Năng lượng gió được tạo ra do sự dịch chuyển các khối khí Sự dịch chuyển các khối không khí cơ bản được tạo ra bởi sự hâm nóng không đều của khí quyển của mặt trời và các chuyển động của trái đất Tuy nhiên phần lớn những luồng gió rất mạnh và ổn định lại phân bố ở độ cao mà kỹ thuật hiện nay chưa sử dụng được Các đặc điểm chính của nguồn năng lượng gió đang có khả năng sử dụng được là gián đọan và với mật độ năng lượng thấp Chính vì vậy nguồn năng lượng gió hiện nay chỉ có thể lắp đặt với ở một số địa điểm nhất định với công suất cũng còn rất hạn chế

Đứng trước tình thế nguồn năng lượng thủy điện có giới hạn cộng với nhu cầu thay đổi nguồn năng lượng đang bức bách thì năng lượng gió là nguồn năng lượng đáng xem xét So với năng lượng mặt trời, năng lượng sinh học, năng lượng

địa nhiệt và năng lượng sóng… thì năng lượng gió có khả năng thực hiện về mặt kỹ thuật và an toàn về môi trường

Thống kê về tình hình sử dụng các dạng năng lượng tái sinh trong sản xuất điện năng trên thế giới năm 1994:

Công suất lắp đặt Sản lượng điện hàng năm

(Nguồn: WEC Survey of Energy Resorces, năm 1995)

Đến cuối năm 1997, tổng cơng suất lắp đặt tồn cầu: 7.600MW và đến cuối năm 2002 là: 31.128 MW

1.2 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG GIÓ TRÊN THẾ GIỚI

Nguồn năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng cổ điển nhất đã được con người sử dụng Điển hình là các cối xay gió ở châu Âu Sau đó việc sử dụng rộng rãi các động cơ gió ở châu Âu bị chững lại và không phát triển tiếp

do sự ra đời của động cơ hơi nước, mà động cơ hơi nước ở thời đó tiêu biểu cho một nguồn năng lượng thay thế gọn và đáng tin cậy hơn rất nhiều

Trong thế kỷ 20, việc phát triển công nghiệp điện đã thay đổi các tiêu

chuẩn tiện nghi và tiêu thụ năng lượng Sự ra đời động cơ đốt trong, sử dụng các nhiên liệu hóa thạch khả thi và cạnh tranh về kinh tế, đã gây ra tình trạng sa sút trong sử dụng năng lượng gió Tuy nhiên vào cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21 thì vấn đề sử dụng năng lượng gió để phát điện lại được người ta quan tâm rất nhiều

Trong những năm đầu thập niên 30, với việc di dân, mở rộng khu vực

sinh sống ở Mỹ và cả Liên Xô dẫn tới việc hệ thống cung cấp điện quốc gia không đáp ứng kịp Do đó đã có những cố gắng tạo ra nguồn năng lượng tại chỗ,

ở những vùng xa, hẻo lánh Ở Mỹ từ năm 1933 đã bắt đưa những turbine gió cỡ nhỏ vào phát điện phục vụ cho các vùng nông thôn Những turbine gió này có bộ phận cánh quạt mô phỏng cánh quạt máy bay thời đó và làm bằng gỗ, có 2 hay 4 cánh Máy phát nổi tiếng và được sử dụng rộng rãi nhất là máy phát điện năng lượng gió Jacob có công suất 1kW ở tốc độ gió 5.5m/s với 3 cánh cánh quạt đường kính 4.27m

Giữa những năm 1930 và 1960, hàng ngàn máy phát loại này được bán ra

ở Mỹ và các nước khác Thế nhưng, trong năm 1960, với chính sách điện khí hóa nông thôn được tiến hành rộng khắp, người dân ở các vùng xa đã được cung cấp

điện từ điện lưới quốc gia với giá rẻ và tin cậy đã làm việc sản xuất máy phát sử dụng năng lượng gió kiểu Jacob bị ngưng lại

Ở Liên Xô, ngoài việc phát triển những turbine gió cho những vùng xa còn có những nghiên cứu để nối các nhà máy phát sử dụng năng lượng gió có qui mô vừa và lớn vào lưới điện Năm 1931, máy phát sử dụng năng lượng gió lớn nhất được xây dựng ở khu vực Crime, với công suất 100kW, cung cấp 280MWh mỗi năm, đạt 32% hệ số sử dụng Các mô hình nhỏ hơn cũng đã được thử nghiệm nhưng với sự phát hiện ra các nguồn nhiên liệu hóa thạch dồi dào tại Liên Xô có lẽ làm cho các dự án này không còn được quan tâm, chú ý phát triển nữa

Các nỗ lực để tiết kiệm các nhiên liệu hóa thạch trong chiến tranh thế giới thứ II dẫn đến một vài quốc gia thiết kế và xây dựng các máy phát sử dụng năng lượng gió cỡ vừa và lớn Sau chiến tranh thế giới thứ II, các nhà máy điện chạy dầu và các nhà máy thủy điện lớn có sự cạnh tranh rất mạnh về gía thành sản xuất điện năng, và các máy phát sử dụng năng lượng gió sau đó chỉ được xây dựng cho các mục đích nghiên cứu Nhiều quốc gia vẫn còn giữ các chương trình gió trong phòng thí nghiệm, trong số đó có Vương Quốc Anh, Đan Mạch, Pháp và Đức

Trong thập niên 60, tất cả các dự án năng lượng gió bị ngừng lại do giá

dầu giảm và sự mở rộng của các mạng năng lượng thủy điện và nhiệt điện Ngoài

ra viễn cảnh các trạm trung tâm hạt nhân rẻ tiền cung cấp nguồn năng lượng lớn, ổn định và an toàn cao đã tác động làm việc đầu tư nghiên cứu, phát triển và ứng dụng động cơ gió càng chậm chạp

Trong những năm 70, sau khi xảy ra cuộc khủng hoảng dầu hỏa thế giới

lần thứ nhất, gắn liền với việc phát triển công nghệ điện tử công suất (cho phép phát triển các hệ thống chuyển đổi AC/DC/AC, làm cho việc tích trữ năng lượng và hệ thống điều khiển tốc độ dễ dàng hơn Đầu tư vào năng lượng gió với tỷ lệ lớn vào thương mại tăng lên

Hoạt động giới thiệu năng lượng gió ở Mỹ được thực hiện qua pháp chế kiểm soát nguồn phát điện tư nhân, việc mua bán của nó được tiến hành bởi các công ty điện lực và có khuyến khích thuế đối với những người đầu tư vào các máy phát sử dụng năng lượng gió Vì thế các máy phát sử dụng năng lượng gió 20-500kW được chế tạo, chứng tỏ hấp dẫn hơn về mặt kinh tế do việc giảm sự ảnh hưởng thay đổi bất thường của gió và dễ dàng bảo trì theo chu kỳ

Hiện nay tính đến cuối năm 1999, với công nghệ tiến bộ hiện nay đã chế

tạo được các tháp gió:

• Công suất 750-1.000 kW với đường kính cánh quạt là 50 m

• Công suất 1.500-2.500 kW với đường kính cánh quạt là 60-80 m

• Công suất 3.600 kW với đường kính cánh quạt là 104 m

• Điều này cho phép xây dựng các nhà máy có công suất lớn thỏa mãn được các loại phụ tải có dải công suất lớn

Hiện nay do thành tựu cùa công nghệ vật liệu mới cho phép chế tạo những cánh turbine gió có độ tin cậy cao,thời gian phục vụ lâu dài.Các vấn đề kỹ

thuật khác như sử dụng vật liệu chế tạo để xây dựng tháp gió với chiều cao lớn,ổn định trong điều kiện khắc nghiệt của gió bão,lốc đều được giải quyết trên thực tế

Kỹ thuật turbine gió ngày càng được tin cậy và công nghệ chế tạo luôn được cải thiện đã làm giảm chi phí lắp đặt và giá thành sản xuất điện năng bằng năng lượng gió.Điều đó thể hiện ở tốc độ phát triển rất nhanh của turbine gió trên

thế giới trong những năm qua với tỉ lệ tăng trưởng trung bình qua 5 năm

(1995-1999) là 32%

Một số nước ở châu Á như Trung Quốc,Ấn Độ cũng đã triển khai nhiều dự án năng lượng gió.Trung Quốc năm 2000 đã lắp đặt 1.000 MW và Ấn Độ dự kiến sau năm 2002 mỗi năm sẽ lắp đặt 200-300 MW.Các quốc gia dẫn đầu trong nghành công nghiệp năng lượng gió thuộc về Châu Âu như Đan Mạch,Đức, Tây Ban Nha,Thụy Điển… Tổng công suất lắp đặt của những turbine gió trên toàn thế giới đạt 13.932 MW Các turbine gió này chủ yếu được lắp đặt ở Mỹ và các nước châu Âu đặc biệt ở Đan Mạch, Đức và Vương Quốc Anh Năng lượng phát của

những turbine gió này đạt 30 TWh (30 tỉ kWh) Bảng sau cho thấy tốc độ phát

triển rất nhanh của turbine gió trên thế giới trong những năm qua:

Bảng tốc độ tăng trường của thị trường các turbine gió trên thế giới:

lắp đặt hằng năm (MW)

Tỉ lệ tăng trưởng tính theo số hàng bán được hằng năm (%)

Tổng công suất đã lắp đặt tính đến cuối năm (MW)

Tỉ lệ tăng trưởng tính theo tổng công suất đã lắp đặt(%)

(Nguồn: World Market Update, tháng 3 năm 2000)

Theo số liệu thống kê của World Market Update (tháng 3 năm 2000) thì

gía điện năng phát bằng turbine gió giảm từ 6.15 UScent/kWh (năm 1995) xuống

còn 4.6 UScent(1999) Giá lắp đặt turbine gió hiện tại tính trung bình vào khoảng

1.000 USD/kW Trước đây, turbine gió chỉ được lắp đặt trên đất liền Từ năm

1990 đã có những turbine gió được xây dựng trên biển ta có thể tham khảo số liệu trong bảng sau:

Bảng công suất lắp đặt turbine gió trên biển trong phạm vi toàn cầu

Quốc gia (vị trí) Số turbine CS(MW) Năm lắp đặt

Thụy Điển (Bockstigen) 5 2.75 1997

(Nguồn: World Market Update, tháng 3 năm 2000)

Hiện nay nhà máy phong điện lớn nhất trên thế giới là trang trại gió trên biển Middelgrunden cách cảng Copenhagen 2 km của Đan Mạch với công suất là: 40 MW,bao gồm 20 turbine/ 2MW lắp đặt ở độ sâu 3-5 m

Việc phát triển kỹ thuật xây dựng nhà máy phong điện trên biển cho thấy tiềm năng khai thác của nguồn năng lượng này là rất lớn

Ở nhiều khu vực, năng lượng gió trở nên rẻ hơn năng lượng từ các nhà máy đốt than Và khi các công nghệ tiếp tục được cải thiện, việc giảm các chi phí sản xuất điện bằng năng lượng gió trong tương lai gần như là điều chắc chắn Ở nhiều quốc gia, gió có thể trở thành nguồn năng lượng kinh tế nhất trong thập kỷ tới

Hình ảnh cánh đồng gió tại vùng Kapple, Đan Mạch

1.3 XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG GIÓ THẾ KỶ 21

1.3.1 Xu hướng chung:

(Nguồn từ Workd Market Update 1999)

Giá thành mỗi đơn vị phong điện (kWh) đã giảm một cách đáng kể trong

thời gian qua Một cuộc thống kê ở Đan Mạch cho thấy giá thành giảm từ 1,10 DKK/kWh năm 1988 xuống còn 0,4 DKK/kWh năm1995 Từ năm 1995, loại turbine 500 kW đã được tối ưu hóa và nâng cấp lên thành 600kW và 700 kW với

chi phí cho loại turbine này trong một số trường hợp chỉ thấp bằng 1,6 UScent/kWh.Cuối năm 1998:

• Tổng chi phí đầu tư lắp đặt là khoảng 1000 USD/kW

• Giá thành điện năng trung bình 4.7 UScent/kWh

Để giảm giá thành là cả một quá trình phức tạp, vì là một sự kết hợp của những kinh nghiệm thu thập được trong quá trình sản xuất, cải tiến mô hình dựa trên cơ sở đo lường và những số liệu ghi nhận trong vận hành thực tế Trong đó,

"sức hút" từ những đòi hỏi của thị trường là nhân tố quan trọng nhất Trong thập niên 90, chi phí cho turbine gió giảm một cách đáng kể Ngành công nghiệp khai thác năng lượng gió trong những năm gần đây đã đi vào thương mại hóa Theo kết quả của một cuộc khảo sát lâu dài, giá thành trong năm 1998 là 4.7 UScent/kWh và sẽ giảm còn:

• 3.91 UScent/kWh trong năm 2005

• 3.32 UScent/kWh trong năm 2010

• 2.78 UScent/kWh trong năm 2015

• 2.47 UScent/kWh trong năm 2020

Dự đoán trên dựa vào giả thiết tổng công suất trên toàn thế giới hiện tại

là 14.000MW (năm 2000) sẽ tăng lên 12% vào năm 2020

Những yếu tố sau đây có khả năng làm giảm giá thành turbine gió trong tương lai:

• Bằng cách điều chỉnh tải tác động đến turbine hợp lý hơn và nhờ đó có thể giảm khối lượng turbine

• Sử dụng những vật liệu mới và tốt hơn làm cho turbine giảm khối lượng đáng kể

• Tối ưu hóa bộ điều khiển truyền động - điều khiển trực tiếp bằng cách dùng máy phát đồng bộ nhiều đôi cực hoặc dùng máy phát không đồng bộ kết hợp với hộp số điều khiển truyền động Điều khiển cánh quạt và điều khiển tốc độ quay cho phép người thiết kế giảm moment lớn nhất trên bộ điều khiển truyền động và giá thành các bộ phận sẽ giảm

• Tải trọng trên rotor và bộ điều khiển truyền động giảm, cho phép giảm khối lượng các cấu trúc hỗ trợ: khung máy và tháp

Với việc giảm giá thành sản xuất điện năng gió bằng những turbine gió trong tương lai gần, ta nhận thấy những turbine gió sẽ được ứng dụng rộng rãi trong tương lai

1.3.2 Hiện trạng và xu hướng ở một số khu vực trên thế giới:

(Nguồn từ Workd Market Update 1999)

Châu Mỹ:

Mỹ: Cho đến năm 2002 đã lắp đặt được: 4.685MW

Canada: Phần lớn điện năng sản xuất ra ở Canada là từ các nhà máy thủy

điện Nhưng với nhu cầu năng lượng của người dân gần đây ngày càng bức bách

mà nguồn thủy năng thì chỉ có nhất định và kết quả là năng lượng gió sẽ trở thành một nguồn năng lượng đáng kể bổ sung vào sự thiếu hụt này Dự án 100MW ở Gaspé Peninsula đã phê duyệt và sẽ được xây dựng trong một thời gian tới.

Các nước Mỹ La Tinh: Một tiềm năng to lớn về tài nguyên gió ở châu

Mỹ La Tinh đã được tìm thấy, đặc biệt là ở các nước như Argentine, Brazil và Chile Cản trở chính để phát triển nguồn năng lượng này là thiếu cơ sở hạ tầng về

điện (lưới điện cao áp) và những đóng góp cho ngành điện năng còn thấp Dự án

lớn đầu tiên hy vọng sẽ đạt được 60MW trên trang trại gió Đông Bắc của Brazil Năm ngoái ENERCON đã lắp đặt 2,5MW ở Brazil

Châu Âu:

Đan Mạch: Năm 1999 Đan Mạch là quốc gia có ngành công nghiệp năng

lượng gió phát triển nhất thế giới Nhiều năm qua chính phủ đã tài trợ khai thác năng lượng xanh và kết quả là hiện nay các turbine quay bằng sức gió cung cấp 11% lượng điện tiêu thụ ở Đan Mạch Theo những thông tin cuối cùng trên thị trường thì mức độ lắp đặt năm 2000 của Đan Mạch khoảng 200MW Phần lớn những nhà máy phong điện được lắp đặt năm 1999 đều sử dụng các loại turbine gió do các công ty trong nước cung cấp Quốc gia này hy vọng một tỷ lệ lớn các nhà máy điện năng lượng gió lắp đặt gần biển sẽ được xây dựng cho đến năm

2002 Dự án đầu tiên: 40 MW gần Copenhagen đã được công ty Bonus Energy lắp đặt năm 1999 Các dự án kế tiếp đã xây dựng trong năm 2000 Để lắp đặt các turbine mới sau tháng 1-2000 số tiền phải trả đã giảm từ 0,57 DKK/kWh xuống còn 0,43 DKK/kWh Cuối 1999, Đan Mạch đã lắp đặt được 1700MW và năm

2002 là: 2.880MW Tuy nhiên ở quốc gia này với tiềm năng lớn về tài nguyên gió và sự quan tâm của chính phủ thì nguồn năng lượng xanh sẽ còn phát triển hơn nữa trong tương lai với hàng loạt các dự án đã được phê duyệt và đang đi vào xây dựng

Đức: Là quốc gia có máy phát điện chạy bằng sức gió dẫn đầu thế giới

Gần đây chính phủ đã áp dụng giá mua năng lượng mới cho các nguồn năng lượng có thể tái tạo Đạo luật này nhằm mục đích tăng gấp đôi thành phần các nguồn năng lượng có thể tái tạo trong tổng thể nguồn năng lượng của Đức vào năm 2010 Hiệp hội năng lượng gió của Đức dự đoán tổng trữ lượng năng lượng gió của Đức đến cuối năm 2000 là 6000MW từ 9000 máy phát điện bằng sức gió và có thể tiếp tục tăng 20% mỗi năm Điều này cũng có nghĩa là Đức chiếm 1/2 năng lượng gió của châu Âu Vào năm 2003, Đức hy vọng chiếm 1/5 thị trường năng lượng gió thế giới Cho đến năm 2002 Đức đã lắp đặt 12.001MW

Tây Ban Nha: Ở Tây Ban Nha, một đất nước thiếu dầu và khí đốt, ngành

công nghiệp khai thác than lại đang xuống dốc thì trong thời điểm này nguồn năng lượng có thể tái tạo đang là nỗi bức xúc đặc biệt

Với một mô hình năng lượng sức gió rất khả quan, trong ba năm qua tốc độ phát triển năng lượng sức gió ở đây rất cao và hứa hẹn sẽ còn tăng trong tương lai Với một tiềm năng lớn về tài nguyên gió trên một diện tích rộng của đất

nước, ngành công nghiệp khai thác năng lượng sức gió ở Tây Ban Nha đang có những đóng góp tích cực và ổn định cho ngành điện của đất nước mình

Ngày nay Tây Ban Nha có một thị trường năng lượng sức gió đáng kể ở châu Âu với nhiều dự án lớn đã được công bố Trong năm 1999, ba trong số mười nhà sản xuất hàng đầu thế giới đã tham gia vào thị trường Tây Ban Nha đó là: GAMESA, MADE và ECONTFCIVIA Cho đến năm 2002 đã lắp đặt được: 4.830MW Với những thuận lợi nhất định ở trên, có thể dự báo rằng TBN sẽ lên

vị trí dẫn đầu trong vòng năm năm nữa

Thụy Điển: Ở quốc gia này đang tiếp tục tranh luận có nên ngừng các

nhà máy điện nguyên tử và thay vào đó là xây dựng và phát triển các nhà máy điện sức gió mà không làm tăng hàm lượng CO2 Kế hoạch đầu tiên là 600MW ở Barseback đã ngừng làm việc năm 1999 Tuy nhiên, những đóng góp của năng lượng sức gió vẫn không đủ mạnh để cạnh tranh với các nguồn năng lượng khác Riêng những kế hoạch phát triển chuyển ra biển hiện tại đang được chuẩn bị và dự án mới nhất trong kế hoạch này đã được phê chuẩn, lắp đặt trong năm 2000 –

2001 Ở Thụy Điển, động cơ chính thúc đẩy năng lượng sức gió phát triển chủ yếu dựa trên sự hỗ trợ 15% trên tổng chi phí vốn đầu tư

Châu Á:

Ấn Độ: Sự phát triển năng lượng gió ở Ấn Độ năm 1999 đã không đạt

được như sự mong đợi Dự kiến sau năm 2002 tốc độ phát triển năng lượng gió ở Ấn Độ mới được phục hồi và lắp đặt mỗi năm khoảng 200 – 300 MW Trong hai năm 1997-1998 tình trạng kinh tế của Ấn Độ không tác động nhiều đến sự phát triển năng lượng gió như các nước châu Á khác Hiện nay, ở Ấn Độ nhu cầu về điện năng là rất lớn và năng lượng gió là một trong những mục tiêu của chính phủ nước này Trên thực tế, nguồn tài nguyên gió ở Ấn Độ lớn hơn nhiều so với những gì mà họ khai thác được và dự báo trong tương lai Ấn Độ sẽ là một nước có ngành công nghiệp khai thác năng lượng sức gió phát triển

Trung Quốc: Nhiều dự án quốc tế và trong nước đang trong giai đoạn

hoàn thành và hy vọng sẽ mở ra một thị trường năng lượng gió lớn ở Trung Quốc trong tương lai Chính phủ Trung Quốc lắp đặt 1000MW vào cuối năm 2000 Mới đây,”Kế hoạch 5 năm” đã được chính phủ phê duyệt và một số nhà cung cấp turbine gió hàng đầu của Châu Âu đã đầu tư vào thị trường Trung Quốc Điều này dẫn đến tốc độ phát triển sẽ tăng lên đáng kể vào các năm từ 2000 trở đi

1.4 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG LƯỢNG GIÓ CỦA VIỆT NAM

Nói chung, tốc độ gió tối thiểu cần thiết cho các nông trại gió cho việc vận hành thương mại khoảng 6-7m/s ở độ cao của trục bánh xe turbine

Theo tài liệu "Wind Energy Resource Atlas of Southeast Asia" tiềm năng

năng lượng gió của Việt Nam ở độ cao 65m thể hiện ở bảng sau:

Đặc trưng Kém

(<6m/s) (6-7m/s) Tạm (7-8m/s) Tốt (8-9m/s) Rất tốt (>9m/s) Tuyệt

Hầu hết các trạm khí tượng địa phương này nằm trong các thị trấn và có thể có nhiều chướng ngại như các tòa nhà và cây cối làm cho việc đo đạc tốc độ và hướng gió giảm độ chính xác

Người ta cũng có thể nói rằng do sự phức tạp của hình dạng bờ biển Việt Nam mà hướng gió thực sự ở những nơi đặc biệt nào đó hoàn toàn khác với những

gì mà các trạm khí tượng địa phương đo được

Căn cứ theo Trạm Khí Tượng Trung Ương ở Hà Nội, những phương cách thực tế để thu thập dữ liệu gió ở các trạm khí tượng địa phương là để kiểm tra tốc độ gió và hướng gió nhiều lần mỗi ngày và ghi lại và lưu trữ theo sự vận hành hàng năm Dữ liệu gió được ghi lại và lưu trữ trong 24 giờ bằng thiết bị số rất cần thiết cho việc đánh giá dữ liệu gió của các trang trại gió hiện này không được trang bị cho các trạm khí tượng hiện tại

Theo cách nhìn này, dữ liệu từ các trạm khí tượng không thích hợp cho việc đánh giá nguồn gió cho các trang trại gió Để nhận ra sự phát triển thực sự của các trang trại gió này, việc thu thập và đánh giá dữ liệu gió bằng các thiết bị

thích hợp và phương pháp thu thập dữ liệu phải được tiến hành

Thực tế, Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa, với hơn 3260km bờ biển và hàng trăm đảo ven bờ, có nhiều điều kiện thuận lợi khai thác nguồn năng lượng gió để phát điện nhằm phục vụ cho các công trình dân dụng khác Tuy nhiên, từ năm 1980 trở lại đây nhiều nhà khoa học với các công trình, đề tài nghiên cứu khoa học các cấp mới chỉ tập trung nghiên cứu, khai thác nguồn năng

lượng gió để phát điện với công suất thấp (vài trăm đến 1000W), nhằm cung cấp

cho các hộ gia đình vùng sâu, vùng xa, hải đảo mà lưới điện quốc gia chưa tới Khai thác năng lượng gió theo hướng này cũng được đề cập đến trong kế hoạch phát triển nguồn điện đến năm 2010 của Tổng Công Ty Điện Lực Việt Nam

(EVN)

Hiện tại ở VN năng lượng gió chỉ dùng cho máy bơm và máy phát điện với số lượng quá ít cũng như công suất quá nhỏ Một số ít máy bơm có công suất nhỏ được lắp đặt như sau:

• Năm 1976, 20 bộ turbine gió đã được lắp đặt tại vùng làm muối ở Nam Hà nhằm mục đích sản xuất muối Thiết bị gồm 6 cánh đường kính 3,6m Vận hành được 4 năm và sau đó ngưng hoạt động do bị ăn mòn trầm trọng bởi muối

• Tại Vạn Lý, Nam Hà, Hội An cũng được lắp đặt tổng cộng 6 bộ với đường kính 6m kiểu DH-6

• Sau đó IE (Viện năng lượng) đã phát triển loại DN-4 với 16 cánh đường kính 4m, được lắp đặt tại Tam Kỳ, Hội An Và sau đó phát triển lên loại D4 với 12 cánh

Turbine gió dùng cho máy phát điện đã được lắp đặt ở Việt Nam từ thập niên 80 trở về sau Công suất lý tưởng có thể hoạt động tốt là từ 150W đến 500W

IE đã được EVN chấp thuận đầu tư và nghiên cứu máy phát năng lượng gió để dùng cho các vùng hải đảo và vùng sâu Kiểu D6 với 6 cánh quạt đường kính 6m đã được lắp đặt tại Hội An, công suất 1.2kW điện áp 12V

Để cung cấp điện cho các trạm phát sóng vô tuyến ở các khu đồi núi, IE phát triển loại FD4 với đường kính 4m công suất 700W Một bộ lắp ở Hải Vân, tuy nhiên đã bị hư hỏng do bão lớn

Nhằm mục đích sử dụng tại các khu vực không có điện lưới, IE phát triển loại IE-1700 với công suất 150W, điện áp 15V

Một số các chương trình, đề tài, dự án nghiên cứu phân bố và sử dụng năng lượng gió được tiến hành ở Việt Nam như sau:

• Chương trình nghiên cứu năng lượng mới trong giai đọan 1980 –1985 đã tổng kết số liệu gió ở độ cao 10m và xây dựng bản đồ phân bố tốc độ gió trên toàn lãnh thổ đã tạo điều kiện thuận lợi cho các dự án khai thác nguồn năng lượng gió ở Việt Nam

• Trong các năm 1995 – 1996 các dự án khảo sát, lập qui họach sử dụng các nguồn năng lượng gió, mặt trời cho miền núi và hải đảo hai huyện Hà

Quảng (Cao Bằng) và Sông Cầu (Phú Yên) Khảo sát lập qui họach sử

dụng các nguồn năng lượng gió, mặt trời và thủy điện nhỏ cho miền núi và hải đảo các tỉnh Quảng Ngãi và Bình Định đã thử nghiệm các thiết bị điện bằng sức gió để cung cấp điện cho vùng sâu, vùng xa thuộc các địa điểm nêu trên

• Trong các năm từ 1995-2000, Trung tâm nghiên cứu thiết bị nhiệt và năng lượng tái tạo (RECTERE) thuộc trường ĐHBK Tp Hồ Chí Minh đã nghiên cứu sử dụng năng lượng gió để phát điện, bơm nước và ca-nô nhỏ chạy bằng sức gió Tuy nhiên, các thiết bị này có công suất thấp từ vài trăm đến dưới 2000W Ngoài ra, Trung tâm đang triển khai nghiên cứu đánh giá

tiềm năng năng lượng gió ở độ cao cao hơn (30m) trên một số địa điểm

thuộc lãnh thổ Việt Nam Đồng thời với điều tra cơ bản nêu trên, một số các nhà máy công suất cỡ vài trăm W đến nhỏ hơn 2000W và lắp đặt cho một số vùng trên đất nước ta Song hiệu suất phát điện thấp và thường bị

gẫy đổ Một trong những nguyên nhân là do điều tra cơ bản chưa đầy đủ, đặc biệt là hiện tượng gió giật ở nơi đặt thiết bị phát điện

Về hiện trạng số liệu gió nước ta hiện nay có hai nguồn khảo sát, đó là của các cơ quan nghiên cứu trong và ngòai nước:

Số liệu đo đạc của nước ngoài: trong những năm gần đây, theo số liệu nghiên cứu của phòng thí nghiệm Tây Bắc Thái Bình Dương, một số vùng thuộc ven biển Trung Bộ Việt Nam, tại độ cao 10m, tốc độ gió dao động từ 4.4 – 5.1m/s nên rất nhiều nhà đầu tư nước ngòai đến Bình Định, Quảng Ngãi, Nha Trang thăm dò khả năng xây dựng nhà máy phát điện năng lượng gió tại đây Nhưng khi được biết tốc độ gió trung bình năm tại vùng này chỉ dao động từ 2 – 3m/s, với tốc độ này thì không thể dùng để phát điện ngay cả các thiết bị có công suất thấp

Thực trạng về công việc đo tốc độ gió, đánh giá tiềm năng năng lượng gió ở nước ta:

• Thiết bị đo tốc độ gió tại các trạm khí tượng trước đây thường dùng máy đo gió Wild, không đáp ứng được với yêu cầu điều tra tốc độ gió để phục vụ cho đánh giá, khai thác năng lượng gió

• Các phép đo tốc độ gió không liên tục trong ngày, mà thường đo 4 lần hay

8 lần/ngày

Vị trí đo tốc độ gió nằm trong khu vực khí tượng đã được xác định từ lâu Hiện nay, do sự phát triển đô thị, các công trình dân dụng, công nghiệp bao quanh trạm và làm sai lệch các giá trị tốc độ và hướng gió Hơn nữa, vị trí đo gió tại các trạm khí tượng không gần nơi dự định đặt nhà máy điện nên gây khó khăn cho việc đánh giá công suất phát và hiệu suất nhà máy

Đối với nhà máy điện năng lượng gió có công suất lớn (các máy phát cỡ

vài trăm kW) thường được đặt ở độ cao từ 40 – 60m Song, trước năm 1998, tại

Việt Nam chưa có một địa điểm nào khảo sát liên tục về tốc độ, hướng và gió giật ở độ cao này, muốn đánh giá chính xác về tốc độ gió, gió giật phục vụ cho việc xây dựng nhà máy điện với công suất lớn cần phải đo đạc, nghiên cứu qui luật phân bố đặc trưng gió ở độ cao 40 -60m gần địa điểm dự định xây dựng nhà máy.Những năm gần đây,Chính phủ,các cơ quan nghiên cứu về năng lượng sạch

và Tổng Công Ty Điện Lực Việt Nam (EVN) cũng đã quan tâm nhiều hơn đến nguồn năng lượng gió.Hiện nay,ở bán đảo Phương Mai (Bình Định)đã thực hiện

trong việc đo đạc,tính toán,bảo vệ giai đoạn chuẩn bị đầu tư và chuẩn bị khởi công xây dựng khu nhà máy phong điện đầu tiên,lớn nhất Việt Nam với công suất được duyệt là 100 MW.Giai đoạn 1 với công suất:15 MW dự kiến hoàn thành đưa vào hoạt động trong năm 2005

Cho đến nay, EVN cũng đang tiến hành các dự án nghiên cứu khả thi về

việc xây dựng các nhà máy phong điện ở đảo Phú Quốc (Kiên Giang)và đảo Phú Quí (Bình Thuận), và đồng thời giao nhiệm vụ cho các Công Ty Tư Vấn XDĐ

1,3,4 lập qui hoạch về tiềm năng gió cho cả 3 miền Nam, Trung, Bắc bộ.Các Công Ty Tư Vấn sẽ tiến hành xây dựng các cột khảo sát đo tốc độ gió ở cao độ 60m giúp cho việc lập phương án khả thi xây dựng các trang trại gió với công suất lớn

CHƯƠNG 2:

NHỮNG PHƯƠNG PHÁP THÔNG DỤNG TÍNH

TOÁN NĂNG LƯỢNG GIÓ

2.1 PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO NĂNG LƯỢNG

Chế độ gió hay phân bố gió ở một vùng là rất quan trọng trong việc xem xét lắp đặt những turbine gió tại vùng đó Việc xác định đúng tiềm năng gió của một vùng sẽ đem lại lợi nhuận và làm giảm rủi ro về tài chính Chính vì vậy để quyết định lắp đặt một turbine gió phải xác định tiềm năng gió của vùng theo những tiêu chuẩn nhất định

2.1.1 Xác định sơ bộ bước đầu vùng gió tiềm năng:

Ta có thể bước đầu xác định những vùng có tiềm năng về năng lượng gió thông qua những số liệu đo gió ở các trạm khí tượng Nhưng như đã nói ở trên, các số liệu này có khi không đủ và không phù hợp với những turbine gió Nhưng những số liệu này rất tốt cho việc nhận định tiềm năng gió của một vùng lúc đầu

Những phân bố gió của các vùng trên thế giới:

Mỗi một khu vực có những phân bố gió chuẩn tương đối Hiểu biết về điều này sẽ giúp ta trong quá trình xác định vùng gió tiềm năng

Mỗi một khu vực địa hình có những tác động đến phân bố gió khác nhau Những tác động có thể như sau:

• Thông qua sự chênh lệch áp suất của các vùng

• Khác nhau của khả năngï hấp thu năng lượng nhiệt từ mặt trời

• Khác nhau về độ ẩm giữa các vùng

• Những luồng gió cũng thường gắn liền với những đại dương Ở những vùng ven biển có khí hậu bờ biển tạo nên những vùng gió mạnh và ổn định trong cả năm như là gió mùa

Những vùng có gió ổn định theo mùa hay ngày thường được tạo ra bởi sự chênh lệch nhiệt độ tại vùng cục bộ Các loại gió biển hay gió núi là những loại phổ biến trong loại gió này

Ta xem một số vùng gió tiêu biểu:

Gió vùng nhiệt đới:

Ở vùng nhiệt đới, khu vực giữa hạ chí tuyến và đông chí tuyến Khu vực này nằm trong vùng ảnh hưởng của gió mậu dịch Gió từ xích đạo thổi lên và gió từ vùng ôn đới thổi xuống Cộng thêm sự tự quay của trái đất tạo cho khu vực này tính chất có gió vừa phải nhưng rất ổn định đủ để phát điện tốt quanh năm Đặc biệt ở ngay vùng 300bắc và nam gió mạnh và ổn định trong năm

Trong vùng này ta cũng ghi nhận những cơn bão và những trận cuồng phong rất lớn xảy đều đặn hàng năm vào những khoảng thời gian nhất định Những cơn bão này có vùng ảnh hưởng có thể rất lớn có thể lên đến > 300 km

Tốc độ gió cũng rất cao (Có những cơn bão có tốc độ gió lên đến 32m/s) và sức

tàn phá của những cơn bão này là rất nặng nề Nên khi thiết lập các nhà máy năng lượng gió cần phải chú ý đến cấu trúc đúng mức

Gió mùa:

Sự chênh lệch lớn về nhiệt độ giữa vùng lục địa châu Á và vùng biển là nguyên nhân tạo gió theo mùa ổn định được đặt tên là gió mùa Vào mùa hè, nhiệt độ lục địa châu Á được sưởi ấm tạo nên vùng có áp suất khí quyển thấp và nhiệt độ ở các vùng biển thì thấp hơn Bắt đầu từ tháng 6 những cơn gió lạnh, nhiều hơi nước thổi vào lục địa Ấn Độ Đem gió tây nam và những cơn mưa lớn khắp lục địa Ân Độ Đây gọi là gió mùa Những cơn gió này còn tiếp tục thổi đến tháng 9

Vào mùa đông trong, khi nhiệt độ của lục địa Ấn Độ lạnh đi nhanh chóng thì nhiệt độ ngoài biển lạnh đi chậm hơn rất nhiều Tạo nên vùng chênh lệch áp suất lớn Gió sẽ thổi từ vùng lục điạ Ấn Độ ra biển Luồng gió mùa thổi đến các vùng khác bao gồm cả châu Phi và nam châu Mỹ

Gió vùng ôn đới:

Gió vùng ôn đới được hình thành bởi những luồng không khí lớn giao thoa với nhau Những luồn không khí này là những luồng không khí nóng ở vùng nhiệt đới với những luồng lạnh ở vùng cực thổi xuống Gió ở vùng này thường rất mạnh, mạnh cả ở gần mặt đất lẫn trên cao Sự giao thoa của 2 luồn không khí một nóng ở vùng xích đạo và một lạnh ở vùng cực tạo nên những cơn gió tuy mạnh nhưng lại thất thường thay đổi hàng ngày

Những vùng, khu vực nơi có sự gặp nhau của luồng không khí lạnh từ vùng cực thổi xuống và không khí nóng ẩm từ vùng nhiệt đới thổi lên được xác định trước Những cơn gió mạnh nhất được ghi nhận ở vùng trung tâm giao thoa Tốc độ của những cơn gió này có thể sánh với những cơn bão của vùng nhiệt đới

Gió vùng cực:

Vùng cực có đặc điểm là mùa đông dài và mùa hè lại ngắn Ngoài ra, do lớp bề mặt của vùng cực lại là băng tuyết nên lại phản chiếu lại các tia bức xạ từ mặt trời Bề mặt luôn lạnh lẽo dẫn đến ít có những cơn xoáy Gió từ hướng đông thổi tới có thể rất mạnh

Sử dụng kinh nghiệm để nhìn thấy vùng gió tiềm năng:

Một số địa hình có thể có phân bố gió rất tốt, tốt hơn nhiều những vùng xung quanh Một cách tóm tắt những vùng có thể đánh giá một cách sơ bộ như sau:

• Những mỏm, đỉnh đồi hướng về phía có nhiều cơn gió mạnh

• Một số thung lũng có thể có được lượng gió lớn

• Những đáy thung lũng và những vùng vịnh thông thường có ít gió

• Cao nguyên thông thường có nhiều gió mạnh

• Những vùng duyên hải trống trải thường có nhiều gió mạnh

Một vùng có tiềm năng về gió có thể xác định ban đầu dựa vị trí địa lý Những ghi nhận trong quá khứ của vùng đất đó cũng phải được xem xét Ta phải đến tận nơi hiện trường sẽ tìm được thêm những thông tin hữu ích khác như hướng gió, cấu tạo địa hình … Ví dụ như ta có thể xem xét sự biến dạng của các cây to do gió thổi, cấu tạo, hình dáng và sự thay đổi của những đụn cát Tuy nhiên ta phải chú ý một số vùng có các cây to bị ngả theo hướng gió rất nhiều có thể là nơi có tiềm năng gió lớn nhưng cũng có thể vùng ấy chỉ có gió mạnh theo hướng đó vào đúng mùa sinh trưởng của cây

Hình vẽ sau cho thấy khu vực có thể là tiềm năng gió tốt:

Một phương pháp có thể nhìn thấy, ước lượng vận tốc gió bằng mắt thường là phương pháp phân chia các tốc độ gió sử dụng thang đo Beaufort

Xem trong phụ lục B

2.1.2 Những thiết bị khảo sát năng lượng gió chuẩn:

Theo quy định thống nhất của Tổ Chức Khí Tượng Thế Giới WMO thì đo lường gió trong công nghiệp năng lượng gió phải được thực hiện đo tốc độ, hướng gió và phải được lưu trữ như là hồ sơ năng lượng gió của vùng tại các thời điểm 0h, 3h, 6h, …, 18h, 24h mỗi ngày Tuy nhiên nhiều vùng số liệu này là mỗi giờ đồng hồ Hiện nay do công nghệ lưu trữ và sử lý thông tin phát triển nên việc lưu trữ này có thể thực hiện ở thời điểm từng 10 phút một

Thiết bị đo lường gió hiện nay thông thường được sử dụng là chong chóng gió:

Thiết bị đo tốc độ gió dạng chén

Theo tiêu chuẩn thì thiết bị đo gió phải được đặt ở trên cột ở độ cao cần

đo, mọi vật cản phải cách cột ít nhất 10 lần chiều cao của cột Hiện nay các số liệu đo được từ chong chóng gió được lưu trữ và xử lý tại một máy tính nhỏ đi kèm với bộ đo lường Máy tính có nhiệm vụ tính toán lại tốc độ gió trung bình trong khoảng thời gian đo lường Công việc này giúp loại bỏ đáng kể những sai số trong phép đo

Thiết bị đo gió dạng chén được dùng đo tốc độ và hướng gió theo chiều ngang Số liệu của thiết bị này cung cấp rất chính xác nhưng chỉ theo chiều ngang

Trong trường hợp cần thiết đo lường chính xác theo cả mọi hướng thì phải dùng thiết bị đo gió dạng chân vịt Thiết bị này giá thành cao, và không bền bằng thiết bị đo gió dạng chén Đồng thời do thông tin lấy về quá nhiều nên thông tin nhanh chóng làm đầy các băng từ lưu trữ nên cần phải liên tục thu thập thông tin

Hình ảnh của thiết bị đo gió dạng chân vịt

Số vòng quay của thiết bị đo gió là tỉ lệ thuận với tốc độ của gió Số liệu

đo được sẽ dựa vào sự thay đổi điện áp hay đếm xung Tất cả các thiết bị đo gió đều có những vận tốc ngưỡng thông thường là 2m/s, chỉ khi tốc độ gió lớn hơn ngưỡng này thì số liệu đo lường mới chính xác

Việc lưu trữ dữ liệu cũng là vấn đề cần giải quyết Các thiết bị lưu trữ phải làm việc tin cậy ở mọi điều kiện thời tiết khác nhau, đặc biệt là mưa Hiện nay một số thiết bị lưu trữ không còn được gắn trực tiếp tại cột đo gió mà thông tin được tự động gởi về trung tâm điều khiển thông qua đường dây điện thọai Việc truyền thông tin theo phương thức này giúp việc theo dõi đo lường được liên tục và giảm chi phí giám sát Rất nhiều trường hợp đã xảy ra một số lượng lớn thông tin đo lường đã bị mất do nước mưa thấm và do mất nguồn nuôi Khi sử

dụng phương pháp truyền dữ liệu về trung tâm thì mọi sự cố sẽ được phát hiện sớm nên thông tin lấy được sẽ liên tục và tin cậy

2.1.3 Những phương pháp thống kê năng lượng gió thường sử dụng:

Tùy theo mục đích mà những dạng mô tả phân bố gió khác nhau được sử dụng Sau đây ta mô tả 3 loại biểu diễn phân bố gió thường được sử dụng

Biểu đồ Hoa gió (Wind Rose):

Có nhiều phương pháp biểu diễn năng lượng gió Một trong những cách thức biểu diễn số liệu gió thông thường là sử dụng biểu đồ Hoa gió Biểu đồ Hoa gió biểu diễn được tần suất, tốc độ trung bình của gió ở mọi hướng, ngoài ra biểu đồ Hoa gió biểu diễn được năng lượng trung bình của gió theo mọi hướng

Hình ảnh tiêu biểu của một biểu đồ Hoa gió

Biểu đồ Hoa gió dùng để mô tả phân bố gió theo các hướng và có thể

chia làm 12 phần (tiêu chuẩn của châu Âu) Mỗi phần 300.(Biểu đồ này còn có thể

chia làm 8 hay 16 phần)

Ta chú ý mỗi phần của biểu đồ có 3 hình nêm:

• Hình nêm đầu tiên (hình nêm có bề ngang lớn nhất) biểu diễn cho tần suất

gió thổi theo hướng đó bằng gía trị của bán kính của hình nêm Nghĩa là phần trăm thời gian gió thổi theo hướng được chia

• Hình nêm thứ 2 (bé hơn hình nêm thứ nhất) là biểu diễn cho tốc độ trung

bình của gió thổi theo hướng được chia Giá trị cũng được tính bằng bán kính của hình nêm

• Hình nêm thứ 3 là hình nêm được tô màu là thông số quan trọng nhất Nó biểu diễn giá trị của năng lượng tính bằng tần suất nhân với hàm bậc ba của tốc độ gió trung bình

Nhìn vào biểu đồ trên ta sẽ thấy rõ ràng những tần suất, năng lượng và hướng gió chính trong năm Dữ liệu và biểu đồ có thể được chia ra theo tháng hay theo mùa trong năm.Tham khảo biểu diễn của biểu đồ hoa gió trong phần 2.2.3

(mô phỏng trường gió bằng chương trình WAsP 8.0)ù

Các biểu diễn theo bảng:

Cách biểu diễn theo bảng thống kê cũng được sử dụng Dữ liệu về gió cũng được lưu trữ gồm cả hướng gió, tốc độ gió và tần suất gió.Ví dụ bảng sau là

số liệu thống kê của một trạm đo gió ở nước Anh:

Bảng dữ liệu phân bố gió tại vùng ngoại ô nước Anh

Tốc độ gió

(m/s) Bắc Đông Bắc Đông Đông Nam Nam Tây Nam Tây Tây Bắc Tổng

Biểu diễn phân bố gió bằng phân bố Weibull:

Phân bố gió thông thường được mô tả bởi hàm phân bố Weibull Khi đã chuyển đổi thống kê gió về dạng hàm phân bố Weibull thì các phép tính năng lượng gió rất thích hợp và tiện lợi Đề tài này không áp dụng biểu diễn bằng phân

bố Weibull, tuy nhiên hàm phân bố Weibull sẽ được giới thiệu sơ lược trong phần

sau và trong chương trình WAsP 8.0 có kết hợp tính ra phân bố này

2.2 PHƯƠNG PHÁP TÍNH NĂNG LƯỢNG GIÓ

(Những công thức trình bày dưới đây được lấy từ chương trình dạy học về

năng lượng gió của trường De Montfort University trên mạng Internet Địa chỉ là http://www.iesd.dmu.ac.uk)

2.2.1 Tính năng lượng gió bằng hàm phân bố Weibull:

Sự lựa chọn hàm thống kê tốc độ gió rất phức tạp Cũng vậy khi ta cho khoảng thời gian lấy mẫu cho hàm thống kê đó Nếu ta có khoảng thời gian thu thập dữ liệu phân bố gió dài ta có thể biết được xu hướng biến đổi của thời gian lấy mẫu quá ngắn thì có thể kết quả này sẽ không tiêu biểu Vì có thể ta đo nhằm

vào năm gió bất thường Tần suất đo lường sẽ là 10 phút hay mỗi giờ đồng hồ Các lần xuất hiện của các tốc độ gió khác nhau sẽ được đếm và thống kê trong cả

năm Thông thường để đảm bảo độ tin cậy số liệu cần phải đo và thống kê trong khoảng 10 năm

Dữ liệu đo được sẽ hữu ích hơn khi được biểu diễn dưới phương trình toán Rất nhiều hàm thống kê đã được đề nghị trong biểu diễn năng lượng gió Nhưng hàm phân phối Weibull 2 tham số là được chấp nhận để mô tả phân bố gió trên thế giới hiện nay

Hiện nay trên thế giới đã đồng ý thống nhất các phân bố gió đều phân bố theo dạng hàm Weibull 2 thông số c và k Hệ số k hay gọi là hệ số hình dạng của phân phối Weibull được công bố là trong khoảng 1 đến 3 còn hệ số c là hệ số tỉ lệ Tác dụng của phân phối Weibull làm chuẩn hóa số liệu đo lường giúp cho việc tính năng lượng đầu ra của turbine gió chính xác hơn Phương trình toán của hàm phân phối Weibull như sau:

Hàm phân phối Weibull

- u: là tốc độ gió Thông thường lấy trong khoảng 0,1,2 … đến 30m/s

- c: hệ số tỉ lệ

- k: là hệ số hình học hay là hệ số hình dạng

Khi k=2 hàm phân phối Weibull trở thành hàm phân phối Rayleigh Trong trường hợp k=1 thì hàm Weibull chuyển thành hàm phân phối mũ Hầu hết các thống kê gió của châu Âu đều thuộc hàm phân phối Weibull với thông số gần bằng 2

Giải phương trình trên ta thấy thông số c quan hệ rất mật thiết với giá trị trung bình của tốc độ gió

Ta có vận tốc trung bình được tính như sau:

ở đây hàm Γ là hàm gamma chuẩn Tương tự ta có:

Suy ra

Và năng lượng được tạo ra là:

Với E là mật độ công suất đơn vị tính là watt/m2

u c

k c

u= Γ +

) 1 (

k

n c

u n = nΓ +

) 3 1 ( 3

3

k c

u = Γ +

) 3 1 ( 2

1 3

k c

E= ρ Γ +

2.2.2 Phương pháp nội suy tốc độ gió ở những độ cao khác nhau:

Sự nhiễu loạn của khối không khí cũng được xem xét tương tự như là sự nhiễu loạn của các phân tử khí

Với u* là tốc độ gió bị cản ; k là hằng số vonKArman

Hằng số vonKArman thông thường lấy giá trị là 0.4 Giá trị z0 liên quan đến các lọai cây trên bề mặt, giá trị hằng số này đã được thống kê D là độ cao mà gió thổi không còn bị cản trở nữa Với những loại cây bụi, nhỏ thì giá trị của

z0 được lấy là zero Với những vật cản lớn như cây lớn, các ngôi nhà… thì ảnh hưởng đến gió là rất lớn Chiều cao vật cản sẽ được lấy gía trị trung bình Giá trị của D lúc này cũng lớn hơn chiều cao của các vật chắn gió Nhưng trên thực tế ít cánh đồng gió được xây dựng ở gần các khu rừng cao hay các khu dân cư Vì vậy gía trị của D và z0 thường được chọn là zero

Như vậy khi biết giá trị vận tốc gió ở độ cao zR thì ta có thể suy ra một cách gần đúng gía trị của vận tốc gió tại z theo công thức sau:

- u: là vận tốc gió ở độ cao cần chuyển đến

- uR: là vận tốc gió ở độ cao đo

- z: là độ cao ứng với vận tốc gió u

- zR: là độ cao đặt thiết bị đo gió

- z0: là độ cao trung bình các vật cản xung quanh

Tính toán thực tế có thể dùng công thức thực nghiệm sau:

Công thức thực nghiệm

Với:- α là hằng số tùy từng địa hình

- uR là tốc độ gió ở độ cao zR tương ứng

Giá trị α thông thường được chọn là bằng 0.1 đến 0.32 tùy theo địa hình của vùng gió Hằng số này cũng có thể được tính theo công thức sau:

- z: là độ cao ứng với vận tốc gió u

- zR: là độ cao đặt thiết bị đo gió

)ln(

)ln(

0

0

z z

z z u

u

R R

u

0 0

0

ln

1 ln

ln

ln ln

z

z z z

z z z z z

R R

u

u

Thực tế các giá trị hằng số trong các công thức trên chủ yếu là từ các gía trị thực nghiệm, thống kê

Hình biểu diễn tỉ lệ giữa tốc độ gió và độ cao

2.2.3 Mô phỏng trường gió bằng chương trình WAsP 8.0 để xác định công suất, ví trí nhà máy phong điện:

Giới thiệu phần mềm WasP 8.0:

WAsP là một chương trình máy tính cho phép tính ngoại suy số liệu gió theo chiều đứng và chiều ngang Trong chương trình chứa nhiều mô hình, mô tả trường gió trên các địa hình khác nhau và khu vực gần các vật chắn gió WAsP bao gồm 5 mô đun tính toán chính:

Phân tích dữ liệu thô: Chức năng này cho phép phân tích một chuỗi số

liệu gió đo được theo thời gian thành một bảng tóm tắt thống kê trường gió tại một vùng xác định Phần này được thực thi bằng một công cụ riêng biệt: OWC

Xuất tập dữ liệu gió: Dữ liệu gió được phân tích có thể được chuyển đổi

thành một tập dữ liệu gió hoặc trường gió của vùng Trong một tập dữ liệu gió, việc quan sát gió đã được “làm sạch”, không lưu tâm đến các điều kiện cụ thể của vùng Các tập dữ liệu gió không phụ thuộc vào vùng và các phân bố gió được qui về theo một vài điều kiện chuẩn

Ước tính trường gió: Sử dụng một tập dữ liệu gió được tính bởi WAsP

hoặc từ các nguồn khác, thí dụ European Wind Atlas, chương trình có thể ước tính trường gió tại một điểm bất kỳ bằng cách thực hiện tính toán ngược lại với tính toán xuất ra một tập dữ liệu gió Bằng cách mô tả địa hình xung quanh vùng dự đoán, mô hình có thể ước tính trường gió tại vùng này

Ước tính tiềm năng công suất gió: WAsP tính tổng năng lượng bằng số

liệu gió trung bình Ngoài ra, WAsP có thể ước tính được sản lượng điện thực tế

trung bình hàng năm của một turbine gió khi nhập vào đường cong công suất của turbine gió

Tính sản lượng điện của nhà máy điện gió: Nhập vào đường cong hệ số

nén và mặt bằng phân bố các turbine gió, WAsP có thể tính được tổn thất che gió cho mỗi turbine trong nhà máy và do đó xác định được sản lượng điện ròng hằng

năm của mỗi turbine và cả nhà máy (sản lượng điện tổng trừ đi tổn thất che gió)

Chương trình bao gồm các phần phân tích và ứng dụng, có thể tóm tắt như sau:

Phân tích

Chuỗi giá trị tốc độ và hướng gió theo thời gian -> Thống kê gió

Thống kê gió + mô tả vùng -> Các tập dữ liệu bản đồ gió

Ứng dụng

Các tập dữ liệu bản đồ gió + mô tả vùng -> Trường gió ước tính

Trường gió ước tính + đường cong công suất -> Công suất phát ước tính sản lượng điện của nhà máy điện gió

Công suất phát ước tính + các đặc điểm nhà máy và turbine gió -> sản lượng điện tổng và ròng hàng năm của mỗi turbine và của toàn nhà

máy

Hiện chương trình WAsP (Wind Atlas Analysis and Application Program)

được sử dụng rộng rãi trên thế giới để xử lý số liệu gió, tính điện năng của nhà máy điện gió

Chương trình này xử lý các số liệu gió đo được ở trạm quan sát, vẽ hoa gió tại điểm đo Địa hình xung quanh điểm đo sau đó được mô phỏng, nhập vào chương trình theo ba mô phỏng: độ nhám của địa hình, hình dạng địa hình và các chướng ngại vật Dựa vào địa hình mô phỏng này, chương trình sẽ tính được đặc tính gió tại từng vị trí đặt turbine Ứng với mỗi đường cong công suất của từng turbine, chương trình sẽ tính được công suất và điện năng phát ra của mỗi turbine

Trong cụm nhà máy phong điện có nhiều turbine gió, điện năng phát ra của nhà máy không phải bằng tổng điện năng phát ra của từng turbine khi xét

riêng (nhà máy chỉ có 1 turbine) Điều này do các turbine gây ảnh hưởng đến

nhau, có phần che bớt gió của nhau, nên điện năng tổng của nhà máy sẽ nhỏ hơn điện năng tổng cộng của từng turbine khi xét riêng Chương trình WasP 8.0 cũng tính được tổn thất này

Dựa vào kết quả tính toán của chương trình, xác định được các vị trí đặt turbine gió tối ưu, đồng thời tính được công suất, điện năng phát ra của nhà máy

Các kết quả ứng dụng chương trình WasP 8.0 trong tính toán năng lượng gió tại đảo Phú Quý :

Các dữ liệu đầu vào:

• Số liệu gió của trạm Khí Tượng Thủy Văn đảo Phú Quý đo ở độ cao 12m

(so với mặt đất) từ năm 1999-2003 Số liệu gió được ghi nhận từng giờ (có

24 số liệu gió trong 1 ngày)

• Bản đồ đảo Phú Quý đã được số hóa, bao gồm các đường đồng mức và các vùng có độ nhám khác nhau

• Tọa độ cột đo gió trên bản đồ

• Các chướng ngại vật xung quanh trạm đo gió giả thiết không đáng kể, có thể bỏ qua

Bản đồ phân bố năng lượng gió:

Giả thiết turbine sẽ được lắp dựng tại đảo Phú Quý có cao độ trục là 60m

(so với mặt đất) Chương trình tính và xác định được tốc độ gió trung bình năm, mật độ công suất, độ cao mặt đất so với mực nước biển, các trị số Weibull (A,k)

tại từng điểm trên bản đồ Các trị số khác nhau trên bản đồ được phân biệt với nhau bằng màu sắc Thí dụ trong bản đồ phân vùng mật độ công suất, màu xanh

thể hiện vùng có mật độ công suất thấp nhất (409W/m 2), màu vàng đậm nhất thể

hiện vùng có mật độ công suất cao nhất (1568W/m 2).Có thể xem Bản đồ công suất gió ở độ cao 60m trong chương trình WAsP

Để có được bản đồ phân vùng điện năng phát ra hàng năm, cần phải chọn loại turbine và đưa vào chương trình đường cong công suất của turbine đó.Trong quá trìnhchạy thử với các loại Turbine đều có kết quả của tùy từng loại.Để có số liệu phục vụ các chương sau giả sử chọn loại turbine Vestas V52-850kW Kết quả tính toán cho thấy, vùng đặt turbine gió tốt nhất là ở ngoài biển, sản lượng điện hàng năm có thể lên đến 4,442GWh Đối với các vùng trên đảo, tốt nhất là các vị trí dọc bờ biển , sườn núi phía Bắc đảo và một số khu vực phía Nam đảo

Một số vùng có cao độ lớn (so với mực nước biển) nhưng sản lượng điện năng hằng năm vẫn không cao Thí dụ tại đỉnh núi Cấm phía Bắc đảo (độ cao 107m),

sản lượng điện hàng năm chỉ đạt 3,344GWh, thấp hơn so với vị trí B5

(3,722GWh), ở gần bờ biển phía Bắc đảo (độ cao 14m) Có thể quan sát Bản đồ

sản lượng điện hàng năm ở độ cao 60m -máy V52-850kW trong chương trình WAsP

Như vậy, dựa vào bản đồ phân bố năng lượng gió, có thể xác định được

khu vực đặt turbine gió tối ưu (cho sản lượng điện năng hàng năm cao, dễ dàng thi

công, không ảnh hưởng đến quy hoạch, môi trường xung quanh,…)

Tính công suất, điện năng phát ra của nhà máy có một turbine gió:

Ngoài các dữ liệu đầu vào đã nêu ở phần trên, chương trình yêu cầu xác định vị trí đặt turbine trên bản đồ Xem trình bày ví dụ kết quả tính toán của chương trình cho vị trí N2 một trong 3 vị trí đặt turbine khác nhau ở khu vực

Nam đảo ( còn 6 vị trí đặt turbine khác nhau ở sườn núi phía Bắc đảo-trong phụ

lục B) Từ kết quả trên cho thấy, ở khu vực sườn núi Bắc đảo, vị trí đặt turbine tại

B5 là tốt nhất, cho sản lượng điện hàng năm cao nhất (3,722 GWh), vị trí B1 kém nhất, cho sản lượng điện hàng năm thấp nhất (2,527 GWh) Tương tự, ở khu vực Nam đảo, vị trí N2 tốt nhất (3,632 GWh), vị trí N3 kém nhất (3,394 GWh)

Tính công suất, điện năng phát ra của nhà máy có nhiều turbine gió:

Tương tự, chương trình cũng yêu cầu xác định các vị trí đặt turbine của cụm nhà máy phong điện

Xem trình bày kết quả tính toán năng lượng phát ra của nhà máy gồm 3 turbine N2, N3, N4 của phía Nam đảo Nhà máy gồm 6 turbine B1,B2,…, B6 của phía Bắc đảo đính kèm trong phụ lục B

Kết quả tính toán cho thấy tổn thất che gió do các turbine ảnh hưởng lên

nhau trong nhà máy là không đáng kể (0,06->0,08%) Điều này cũng chứng tỏ

khoảng cách giữa các turbine và vị trí đặt các turbine là hợp lý

Thảm khảo thêm trong Phụ lục B:

• Công suất, điện năng phát ra của một số nhà máy điện gió có 1 turbine

gió.(công suất :1000 kW;1500 kW)

• Công suất, điện năng phát ra của cụm nhà máy phong điện Bắc đảo

• Bản đồ hoa gió ,hoa năng lượng tại các vị trí bố trí turbine

3.1 XÂY DỰNG HỆ THỐNG SỐ LIỆU PHỤ TẢI CHO ĐẢO PHÚ QUÍ 3.1.1 Đặc điểm tự nhiên và xã hội đảo Phú Quí:

Đặc điểm tự nhiên:

+ Vị trí địa lý:(Tham khảo hình trong phần giới thiệu đề tài)

Huyện đảo Phú Quý (cù lao Thu) là một quần đảo gồm 10 đảo chính: Phú Quý, Hòn Tranh, Hòn Trứng, Hòn Đen, Hòn Giữa, Hòn Đỏ, Hòn Đồ Lớn, Hòn Đồ Nhỏ, Hòn Tí và Hòn Hải

Trong đó chỉ có đảo Phú Quý và Hòn Tranh là có diện tích tương đối lớn và địa hình cao Các đảo nhỏ khác chủ yếu là các núi đá hoặc các bãi đá nổi lên giữa biển khơi và chỉ có ý nghĩa về mặt an ninh, quốc phòng như Hòn Hải chẳng

hạn, là vị trí xác định đường cơ sở của vùng lãnh hải quốc gia (có tọa độ 9 0 58’N và 109 0 05’E, đồng thời cũng là mõm nhô xa nhất của đường viền nội thủy Việt Nam ở phần Nam biển Đông)

Đảo Phú Quý có diện tích lớn nhất, dân cư tập trung sinh sống và các họat động kinh tế - xã hội khác hầu như tập trung tại đây Có diện tích tự nhiên

(theo số liệu không ảnh của Tổng Cục địa chính) là 16,52km2, tọa độ địa lý

10029’N-10033’N và 108055’E-108058’E Đảo có dạng hình chữ nhật lệch, chiều dài Bắc – Nam trên 7km, chiều rộng Đông – Tây khoảng 4,5km Đảo Phú Quý có vị trí kinh tế và quốc phòng quan trọng vì nằm tiếp cận với các tuyến đường hải vận từ Đông Bắc Á xuống vùng Vịnh Thái Lan như: TP Hồ Chí Minh – Hồng Kông, Nam Triều Tiên, Đài Loan, Vladivostock, Tokyo,…

Hòn Tranh cách Phú Quý 600m về phía Đông Nam, có dạng hình chữ S, nơi rộng nhất 400m, nơi dài nhất là 1.000m, diện tích khoảng 40ha Trước đây là một hoang đảo, chủ yếu là cỏ tranh, nhân dân khai phá trồng hoa màu, hiện nay đang được trồng rừng phục hồi môi trường Trên đảo hiện không có dân cư sinh sống, là nơi đặt trạm ra đa quan sát biển của lực lượng hải quân nhân dân Việt Nam

Khoảng cách của đảo Phú Quý tới các vùng lân cận là:

• Cách thành phố Phan Thiết 120km (về phía Đông Nam)

• Cách thị trấn Cam Ranh tỉnh Khánh Hòa 150km (về phía Nam)

• Cách thành phố Vũng Tàu 200km (về phía Đông)

• Cách Côn Đảo 330km (về phía Đông Bắc)

• Cách đảo Trường Sa 540km (về phía Tây Bắc)

+ Địa hình:

Trên đảo có các loại địa hình núi, đồi và các dải đất bằng Độ cao giảm dần từ phía Bắc xuống phía Nam Ơ phía Bắc có núi Cấm cao 106m, núi Cao Cát cao 86m Ở phía Nam có đồi Ông Đụn cao 46m Trung tâm đảo có những dải đồi cao 20-30m, giữa chúng là dải đất bằng Viền quanh đảo là dải thềm ven biển

cao 5m, ở đây có nổi lên những đụn cát cao 7-8m, thấp nhất là bãi Triều Dương cao 2m

+ Khí hậu và thủy văn:

Khí hậu của đảo thuộc khí hậu hải dương nhiệt đới gió mùa – xích đạo Có hau mùa rõ rệt: mùa gió Tây Nam từ tháng 5 đến tháng 10 Mùa gió Đông Bắc từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau

Nhiệt độ không khí trung bình năm: 270C

Độ ẩm không khí trung bình : 83%

Gió mùa Tây Nam tốc độ trung bình 5m/s, tốc độ cực đại 20-22m/s Gió mùa Đông Bắc tốc độ trung bình 3,8-4,7m, tốc độ cực đại 16-18m/s Trên đảo ít gặp bão, tần suất 0,66 lần/năm

Mưa: Lượng mưa trung bình năm 1.199mm mùa mưa bắt đầu từ tháng 5

đến tháng 11, trong đó tháng 10 có lượng mưa cao nhất (300mm), mùa ít mưa từ

tháng 12 đến tháng 4 năm sau, lượng mưa trung bình 10mm/tháng

Toàn đảo không có hệ thống sông, suối và nguồn nước mặt nào quan trọng Lưu lượng nước ngầm qua điều tra đạt cấp trữ lượng C1, 2.300m3/ngày

Đặc điểm xã hội:

+ Dân số và lao động:

Phú Quý từ xưa đã là nơi hội tụ của nhóm dân cư có nguồn gốc khác nhau, gồm người Chăm và người Kinh

- Dân số: Năm 1994, dân số đảo Phú Quý là 18.496 người (3.248 hộ) với

tỷ lệ tăng dân số là 2,95% Đến năm 1999, dân số đảo Phú Quý tăng lên 20.698

người (3.890 hộ) và tỷ lệ tăng dân số tự nhiên là 2,04% Năm 2000 có khoảng

Nhìn chung cơ cấu lao động phân bố ở các ngành nghề từ 1994-1999

chuyển dịch theo hướng tăng thêm trong ngành hải sản (từ 63,9% lên 69,5%), giảm ngành nông lâm nghiệp (từ 28,5% xuống 22,8%) và tỷ trọng ngành nghề tiểu thủ công nghiệp, dịch vụ không thay đổi (7,6%)

+ Chất lượng nguồn nhân lực:

Nhìn chung chất lượng nguồn nhân lực của đảo Phú Quý là khá bất cập Đây là huyện cuối cùng của tỉnh Bình Thuận chưa hòan thành công tác phổ cập giáo dục tiểu học và xóa mù chữ

Chất lượng nguồn nhân lực tại chỗ của đảo Phú Quý rất hạn chế, lực lượng lao động chủ yếu là lao động cơ bắp đánh bắt hải sản, sản xuất nông nghiệp, ngành nghề TTCN-dịch vụ chưa phát triển Lao động thông qua đào tạo chỉ có lao động quản lý nhà nước, đạt tỷ lệ khá thấp 1,54% Tuy nhiên, lực lượng lao động nghề biển Phú Quý có truyền thống đánh bắt biển khơi dài ngày và có kinh nghiệm nghề nghiệp cao Hiện nay lực lượng tàu thuyền đánh bắt ở ngư trường đảo Trường Sa chủ yếu là ngư dân Phú Quý

+ Mức sống dân cư:

Cùng với sự tăng trưởng kinh tế, thu nhập đầu người đảo Phú Quý có sự

cải thiện đáng kể Bình quân từ 2,1 triệu đồng/người (1995) tăng lên xấp xỉ 3,5 triệu đồng/người (1999), gấp 1,32 lần so với mức bình quân chung của tỉnh Bình

Thuận

Tòan huyện có 66,8% số hộ có xe gắn máy (so với 56% năm 1995), 77% hộ có radio-cassette (so với 45,5% năm 1995), 33,4% số hộ có ti vi, 96,7% số hộ có nhà ở kiên cố và bán kiên cố (so với 88,24% năm 1995)

Tòan huyện không có hộ đói, số hộ nghèo 400 hộ, chiếm tỷ lệ 10,28%

Chính vì những thành tựu phát triển kinh tế và cải thiện đời sống nêu trên, hiện nay số lượng lao động nhập cư của ngư dân các tỉnh ven biển miền Trung đến đảo Phú Quý ngày càng tăng và chưa được thống kế đầy đủ

3.1.2 Sự cần thiết hình thành và phát triển khu kinh tế đảo Phú Quý

So với một số đảo trong khu vực phía Nam thì đảo Phú Quý có qui mô dân số đứng hàng thứ hai sau đảo Phú Quốc của tỉnh Kiên Giang Tuy nhiên nhóm đảo Phú Quý có ưu thế hơn về khoảng cách xa hơn so với đất liền và Phú Quý gần đảo Trường Sa hơn so với từ Côn Đảo hoặc đảo Phú Quốc đi Trường Sa Chính vì thế, vị trí địa lý đảo Phú Quý có một vai trò khá quan trọng về an ninh quốc phòng và về kinh tế

Về quốc phòng, với vị trí nằm ngay trên đường cơ sở, trên tuyến trục, có thể kiểm soát toàn bộ tuyến hải vận quốc tế từ Đông Bắc Á xuống vịnh Thái Lan và việc gần Trường Sa hơn các đảo khác là những thuận lợi cơ bản trong việc vươn ra đánh bắt hải sản tại ngư trường Trường Sa Đảm bảo sự có mặt thường xuyên trong họat động kinh tế trong vùng biển này làm tăng thêm sự khẳng định chủ quyền quốc gia trên vùng biển Đông

Về kinh tế, Phú Quý có các lợi thế như sau:

Tiềm năng ngư trường khai thác hải sản của Phú Quý rất lớn Phú Quý lại nằm ngay giữa trung tâm ngư trường của tỉnh Bình Thuận và của cả nước Việc đầu tư cơ sở hạ tầng biển, phát triển các cơ sở chế biến, dịch vụ hậu cần sẽ mở ra khả năng xuất khẩu sản phẩm trực tiếp với thị trường khu vực Cho phép Phú Quý nói riêng và tỉnh Bình Thuận nói chung đưa sản lượng khai thác tăng lên nhiều lần, thu hút lực lượng khai thác hải sản xa bờ ra vùng biển khơi, có điều kiện bảo vệ nguồn lợi ven bờ, tăng cường sự có mặt dài ngày, thường xuyên trên biển