Thiết kế máy phát điện sử dụng năng lượng gió

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT
NAM
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP

==========o0o==========

BÁO CÁO
Học kỳ: 1 – Năm học: 2022 – 2023

Đề tài: Ứng dụng năng lượng gió

Ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Chuyên ngành Điện tự động công nghiệp

Giảng viên hướng
dẫn:

TS. Đặng Hồng Hải


ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN 2

Ứng dụng của năng lượng gió phát điện

Giáo viên hướng dẫn
Ký và ghi rõ họ tên


Lời cảm ơn

Nghiên cứu năng lượng gió và ứng dụng năng lượng gió là một đề
tài hay, với yêu cầu thiết kế tính tốn chi tiết địi hỏi người thiết kế phải
vận dụng hầu hết các kiến thức cơ sở cũng như chuyên ngành về hệ
thống năng lượng gió và áp dụng các tài liệu liên quan về xử lý và tính
tốn 1 cách chính xác. Qua đề tài này nhóm chúng em có điều kiện sử
dụng những kiến thức đã học vào thực thế, cũng như cho thấy tầm quan
trọng của năng lượng gió mà nó phù hợp với nhu cầu tương lai. Đây là
một trong những kinh nghiệm quý báu và cần thiết cho một người kĩ sư
tương lai.
Trong q trình thực hiện đồ án tốt nghiệp, Nhóm em đã cố
gắng tìm tịi, học hỏi và nghiên cứu kiến thức để hoàn thành bản đồ
án. Do kinh nghiệm và kiến thức của bản thân còn nhiều hạn chế nên
báo cáo đồ án 2 này của Nhóm em khó tránh khỏi những thiếu sót.
Chúng em rất mong nhận được sự góp ý từ phía thầy cơ để em hồn
thiện thêm kiến thức cho bản thân.
Qua đây nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Đặng
Hồng Hải đã hướng dẫn và giúp đỡ trong suốt quá trình làm đồ án
này.

Sinh viên thực hiện


MỤC LỤ
MỞ ĐẦU..........................................................................................................viii
CHƯƠNG 1. LÍ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIĨ...........9
1.1

Thực trạng năng lượng và mơi trường.....................................................9

1.2

Sự hình thành năng lượng gió.................................................................11

1.3

Các đặc trưng của năng lượng gió.........................................................12

1.4

1.3.1

Tốc độ gió................................................................................12

1.3.2

Hướng gió................................................................................13

Ưu, nhược điểm của năng lượng gió....................................................13
1.4.1

Ưu điểm...................................................................................13

1.4.2

Nhược điểm.............................................................................14

CHƯƠNG 2. Hệ thống năng lượng gió phát điện.......................................15
2.1

Cấu tạo của tua bin gió..........................................................................15

2.2

Nguyên lý làm việc của tua bin gió........................................................17

2.3

Phân loại hệ thống điện gió...................................................................18
2.3.1

Hệ thống điện gió khơng kết nối lưới....................................18

2.3.2

Hệ thống điện gió kết nối điện lưới khơng có ắc quy...........19

2.3.3

Hệ thống điện gió kết nối lưới có ắc quy dự phòng..............20

2.3.4

Các thành phần cơ bản của hệ thống máy phát điện gió.......21

2.3.4.1. Cánh quạt gió.............................................................................22
2.3.4.2. Máy phát điện gió......................................................................22
2.3.4.3. Bộ điều khiển............................................................................25
2.3.4.4. Bộ ắc quy...................................................................................25
2.3.4.5. Bộ sạc ăc quy.............................................................................26

2.3.4.6. Bộ biến đổi................................................................................26
2.3.4.7. Cánh rotor...................................................................................27
2.3.4.8. Máy phát điện............................................................................27
2.4

Một số loại tua bin gió...........................................................................28

2.5
Ví dụ về mơ hình hệ thống phát điện bằng năng lượng gió cơng suất
nhỏ (20kW).........................................................................................................30
2.5.1

Tổng quan hệ thống.................................................................30

2.5.2

Nguyên tắc hoạt động.............................................................30

2.5.3

Phân cấp điều khiển hệ thống................................................31


2.6

2.5.4

Thông số của tua bin loại 20kW.............................................32

2.5.5

Cơ cấu gập đuôi, dừng hoạt động của tuabin........................32

2.5.6

Cấp điều khiển hiện trường...................................................32

2.5.7

Module nghịch lưu...................................................................34

2.5.8

Module nạp acquy....................................................................34

2.5.9

Module điện trở đốt.................................................................34

2.5.10

Cấp điều khiển hệ thống........................................................35

2.5.11

Điều khiển và giám sát từ xa...................................................35

Cơ sở lý thuyết năng lượng gió.............................................................36
2.6.1

Tốc độ gió và mối liên hệ cơng suất.......................................36

2.6.2

Diện tích qt của rotor...........................................................37

2.6.3

Mật độ khơng khí....................................................................37

2.6.4

Đo gió.......................................................................................38

CHƯƠNG 3. MƠ PHỎNG HỆ THỐNG BẰNG MATLAB SIMULINK...39
3.1

3.2

Thiết kế và tính tốn...............................................................................39
3.1.1

Sơ đồ nối dây...........................................................................39

3.1.2

Mạch biến đổi năng lượng......................................................40

Điện tử công suất...................................................................................41
3.2.1

Diode cơng suất.......................................................................41

3.2.1.1. Cấu tạo......................................................................................41
3.2.1.2. Ngun lý hoạt động.................................................................42
3.2.1.3. Đặc tính vôn-ampe.....................................................................42

3.3

3.2.2

Transistor công suất.................................................................43

3.2.3

Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha dùng Diode...................................48

3.2.4

Chỉnh lưu cầu 3 pha dùng Tiristor...........................................49

Mô phỏng................................................................................................50
3.3.1

Giới thiệu matlab simulink......................................................50

DANH MỤC HÌNH ẢN


Hình 1. 1 Bản đồ phân cấp gió..........................................................................10

Hình 1. 2 Lắp đặt tubin gió................................................................................14
Hình 2. 1 Cấu tạo của tuabin gió.......................................................................15
Hình 2. 2 Sơ đồ hệ thống tuabin gió..................................................................18
Hình 2. 3 Hệ Thống điện gió khơng kết nối lưới.............................................19
Hình 2. 4 Hệ thống điện gió kết nối điện lưới khơng có ắc quy......................20
Hình 2. 5 Hệ thống điện gió kết nối lưới có ắc quy dự phịng.........................21
Hình 2. 6 Sơ đồ tổng qt tuabin gió..................................................................21
Hình 2. 7 Sơ đồ khối hệ thống tuabin gió..........................................................22
Hình 2. 8 Một số loại cánh quạt gió..................................................................22
Hình 2. 9 Tuabin gió trục đứng trục ngang........................................................23
Hình 2. 10 Quan hệ giữ công suất tuabin và tốc độ gió....................................25
Hình 2. 11 Ác Quy..............................................................................................26
Hình 2. 12 Bộ biến đổi inverter.........................................................................27
Hình 2. 13 Máy phát điện...................................................................................27
Hình 2. 14 Biểu đồ tốc độ gió và cơng suất tuabin...........................................29
Hình 2. 15 Sơ đồ hệ thống tuabin gió cơng suất 20KW....................................30
Hình 2. 16 Sơ đồ khối phân cấp điều khiển......................................................31
Hình 2. 17Cơ chế gập đi của tuabin..............................................................32
Hình 2. 18 Sơ đồ phân cấp điều khiển hiện trường.........................................33
Hình 2. 19 Module nghịch lưu............................................................................34
Hình 2. 20 Quan hệ giữa hiệu suất rotor và tỉ lệ V0/V.....................................37
Hình 2. 21 Thiết bị đo gió Anemometer.............................................................38
Hình 2. 22 Lựa chọn chiều cao tuabin gió theo cơng suất mong muốn.............38
Hình 3. 1 Cấu tạo của diode cơng suất..............................................................41
Hình 3. 2 Ngun lý của diode...........................................................................42
Hình 3. 3 Đặc tính vơn-ampe của diode.............................................................42
Hình 3. 4 Cấu tạo của transistor cơng suất........................................................43
Hình 3. 5 Ngun lý hoạt động của transistor cơng suất...................................44
Hình 3. 6 đặc tính tính của transistor..................................................................46
Hình 3. 7 Cấu tạo của Tiristor...........................................................................46

Hình 3. 8 Thời gian Toff.....................................................................................47
Hình 3. 9 Sơ đồ mạch Diode..............................................................................48
Hình 3. 10 Sơ đồ mạch cầu Tiristor...................................................................49


DANH MỤC BẢ
Bảng 1. 1 Tiềm Năng Năng lượng gió................................................................9
Bảng 1. 2 Các dự án điện gió ở Việt Nam.........................................................11
Bảng 1. 3 Các cấp gió........................................................................................12
Bảng 1. 4 Tên viết tắt của 16 hướng gió Việt Nam và Thế Giới.....................13
Y
Bảng 2. 1 Thông số 1 số loại tuabin..................................................................30
Bảng 2. 2 Thông số tuabin loại 20KW...............................................................34


MỞ ĐẦU

Nhu cầu về năng lượng trong thời đại khoa học kỹ thuật không
ngừng gia tăng. Tuy nghiên các nguồn năng lượng truyền thống đang được
khai thác như : than đá, dầu mỏ, khí đốt, khí thiên nhiên và ngay cả thủy
điện…đang ngày càng cạn kiệt. Do đó, việc tìm ra và khai thác các nguồn
năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng
lượng gió và năng lượng gió là rất cần thiết.
Việc nghiên cứu năng lượng gió ngày càng thu hút sự quan tâm của
các nhà nghiên cứu, nhất là trong tình trạng thiếu hụt nghiêm trọng năng
lượng hiện nay. Hiện nay, năng lượng gió đã dần dần đi vào cuộc sống của
con người, chúng được áp dụng khá rộng rãi trong dân dụng và trong cơng
nghiệp dưới nhiều hình thức khác nhau.

Với Hải Phịng là thành phố biển rất thích hợp với việc sử dụng

năng lượng gió. Vì vậy, trong tương lai rất có thể sẽ ứng dụng nhiều về
năng lượng giólên em chọn đề tài về “Ứng dụng năng lượng gió phát
điện”.


CHƯƠNG 1. LÍ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIĨ
1.1 Thực trạng năng lượng và môi trường
Năng lượng là một trong các điều kiện thiết yếu của đời sống con
người. Từ thế kỷ 20, con người đã sử dụng năng lượng hóa thạch, năng
lượng hạt nhân, bước đầu sử dụng năng lượng tái tạo để phát điện nhằm
phục vụ sản xuất và cải thiện đời sống cho nhân loại. Ngày nay trữ lượng
than, dầu, khí đang ngày càng cạn kiệt. Mặt khác, khi dùng chúng phát điện
sẽ thải khí nhà kính vào khí quyển làm cho Trái Đất ngày càng nóng lên, gây
biến đổi khí hậu tồn cầu. Xây dựng các nhà máy điện bằng sức gió là một
giải pháp nhanh chóng nâng cao sản lượng điện, đáp ứng nhu cầu điện năng
trong một thời gian không lâu.
Các máy phát điện sử dụng sức gió đã được sử dụng nhiều ở các
nước Châu Âu, Châu Mỹ và các nước công nghiệp phát triển khác. Sau thảm
họa Chernobyl (Ukraine 1986), cuộc đấu tranh đòi hủy bỏ các nhà máy điện
nguyên tử tại Đức diễn ra ngày càng mãnh liệt nên sản xuất điện bằng sức
gió đang phát triển mạnh mẽ.
Tốc độ gió
trung bình

Thấp
<6m/s

Trung
bình 67m/s

Tương
đối cao
7-8m/s

Cao
8-9
m/s

Diện tích
(km2)
Tỉ lệ diện
tích (%)
Tiềm Năng
(MW)

197.24
2
60,6

100.367

25.679

2.178

Rất
Cao
>9m/
s
111

30,8

7,9

0,7

>0

-

401.444

102.716

8.748

482

Bảng 1. 1 Tiềm Năng Năng lượng gió
Việt Nam là nước có tiềm năng năng lượng gió lớn nhất trong 4 nước
của khu vực, với hơn 39% tổng diện tích của Việt Nam được ước tính có tốc
độ gió trung bình hằng năm lớn hơn 6m/giây ở độ cao 65m, tương đương cơng
suất 512 GW. Đặc biệt, gần 8% diện tích Việt Nam được xếp hạng có tiềm
năng gió rất tốt, với tốc độ gió ở độ cao 65m là 7 – 8m/s.
Theo bản đồ phân bố các cấp độ gió của tổ chức Khí tượng thế giới và
bản đồ phân bố các cấp tốc độ gió của khu vực Đơng Nam Á, do tổ chức True
Wind Solutions LLC (Mỹ) lập theo yêu cầu của Ngân hàng Thế giới, khu vực
ven biển từ Bình Định đến Bình Thuận, Tây Nguyên, dãy Trường Sơn phía
Bắc trung bộ, nhiều nơi có tốc độ gió đạt từ 7.0; 8.0 và 9.0 m/giây, có thể phát

điện với công suất lớn (nối lưới điện quốc gia), hầu hết ven biển còn lại trên
lãnh thổ, một số nơi, vùng núi trong đất liền.

9


Hình 1. 1 Bản đồ phân cấp gió

10


Nước ta đã đưa vào vận hành Tua-bin phát điện gió tại nhiều điểm
như :
Sản Lượng

Năm

hàng năm

Hoạt

(KWh)

động

252

648

2021

Trung Nam Ninh Thuận

152

426

4/2019

Bạc Liêu

99(240*)

320

10/2012

Hiệp Thạnh

78

300

2021

Điện gió V1-2 Trà Vinh

48

163

2021

Dự án

PLM (MW)

Điện gió B&T Quảng
Bình

Tân Thuận

75
220
Bảng 1. 2 Các dự án điện gió ở Việt Nam

8/2021

1.2 Sự hình thành năng lượng gió
Năng lượng gió là hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời, là động
năng của khơng khí di chuyển trong bầu khí quyển trái đất. Sở dĩ như vậy là
do các nguyên nhân sau:
+ Bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt trái đất không đều nhau. Một nửa
bề mặt trái đất (mặt ban đêm) bị che khuất không nhận được bức xạ mặt trời
và thêm vào đó là bức xạ mặt trời gần xích đạo nhiều hơn các cực dẫn đến có
sự khác nhau về áp suất, do đó khơng khí giữa xích đạo và hai cực cũng như
khơng khí giữa mặt ban ngày và ban đêm của trái đất di động tạo thành gió.
+ Trái đất xoay trịn cũng góp phần làm xốy khơng khí, vì trục quay của
trái đất nghiêng so với mặt phẳng quỹ đạo khi quay quanh mặt trời nên tạo
thành các dịng khơng khí theo mùa.

+ Hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự tự quay của trái đất làm khơng
khí đi từ áo cao đến áp thấp không chuyển động thẳng mà tạo thành các cơn
gió
xốy có chiều xốy khác nhau giữa bắc bán cầu và nam bán cầu. Nếu nhìn từ
vũ trụ thì trên bắc bán cầu khơng khí di chuyển vào một áp thấp ngược với
chiều kim đồng hồ và ra khỏi một áp cao theo chiều kim đồng hồ. Trên nam
bán cầu thì chiều hướng ngược lại.
Ngồi các yếu tố có tính tồn cầu trên, gió cũng bị ảnh hưởng bởi địa
hình tại từng địa phương, đã tạo nên các loại gió như : gió đất - biển, gió núi thung lũng, gió phơn.
11


1.3 Các đặc trưng của năng lượng gió
Gió được đặc trưng bởi tốc độ và hướng di chuyển của không khí.
1.3.1

Tốc độ gió

Tốc độ gió, hay gió vận tốc dịng chảy, là một thành phần cơ bản trong
khí quyển lượng do khơng khí di chuyển từ khu vực áp suất cao cao đến áp
suất thấp, thường là do sự thay đổi về nhiệt độ. Hiểu đơn giản là khoảng cách
di chuyển của khơng khí trong một đơn vị thời gian. Tốc độ gió thường biểu
thị bằng m/s, Km/h hoặc hải lý (Knot) (1 knot/h = 1.852 km/h ~ 0.5 m/s). Căn
cứ vào tốc độ gió được chia thành nhiều cấp theo bảng.
Cấp Gió
0
1
2
3
4

5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16

Hải Lý (Knot)
<1
1-3
4-6
7-10
10-16
17-21
22-27
28-33
34-40
41-47
47-55
56-63
64-71
72-80
81-89
90-99

100-108

m/s
0-0.2
1-2
2-3
3-5
5-8
8-11
11-14
14-17
17-21
21-24
24-28
28-33
33-37
37-41
41-46
46-51
51-56

Bảng 1. 3 Các cấp gió

12

Km/h
<1
0-5
6-10
12-19

20-28
29-38
39-49
50-61
62-74
75-88
89-102
103-117
118-133
134-149
150-166
167-183
184-201


1.3.2

Hướng gió

Hướng gió là hướng của luồng khí từ đâu thổi tới người quan sát. Hướng
gió có thể biểu thị bằng độ phương vị từ 0 - 3600. Trong khí tượng thực hành
người ta chia 3600 phương vị ra làm 16 phần bằng nhau gọi là các hướng gió.

STT

Tên tiếng Việt

Ký hiệu
chung

STT

Tên tiếng Việt

Kí hiệu
chung

1

Hướng Bắc

N

9

Hướng Nam

S

2

Bắc Đơng Bắc

NNE

10

Nam Tây Nam

SSW

3

Đông Bắc

NE

11

Tây Nam

SW

4

Đông Đông Bắc

ENE

12

Tây Tây Nam

WSW

5

Hướng Đông

E

13

Hướng Tây

W

6

Đông Đông Nam

ESE

14

Tây Tây Bắc

WNW

7

Đông Nam

SE

15

Tây Bắc

NW

8

Nam Đông Nam

SSE

16

Bắc Tây Bắc

NNW

Bảng 1. 4 Tên viết tắt của 16 hướng gió Việt Nam và Thế Giới.
1.4 Ưu, nhược điểm của năng lượng gió
1.4.1

Ưu điểm

+ Nguồn năng lượng sạch, tái tạo được.
Khác hoàn toàn với các năng lượng tự nhiên khác như khoáng sản. Gió
được tạo ra nhờ sự chuyển động của luồng khơng khí. Do đó, năng lượng gió
giảm thiểu được sự phụ thuộc vào máy móc và các nhiên liệu hóa thạch.
Khơng giống như các nguồn tài ngun khác, gió là vơ tận nên khơng khan
hiếm.
+ Đưa ra mức chi phí hiệu quả.
Một tuabin gió có thể cung cấp điện năng cho nhiều hộ dân cư. Do đó
cả một hệ thống, quy mơ lưới điện sẽ ngày càng mở rộng. Vì vậy, biện pháp
này vừa mang lại lợi nhuận cho các doanh nghiệp vừa có lợi cho các hộ dân.
+ Mức tăng trưởng nhanh và rõ rệt.

Năng lượng gió hiện nay được nhiều quốc gia sử dụng. Do đó sản
lượng điện được sinh ra từ năng lượng này ngày càng nhiều. Trong đó cơng
suất điện gió được tích lũy có dấu hiệu tăng. Cụ thể là lượng năng lượng gió
tích lũy chiếm 2,5% tổng sản lượng điện. Một con số có dấu hiệu tích cực khi
lượng điện trên thế giới được sản xuất từ năng lượng sạch. Người ta tận
dụng kích cỡ của các tua bin để sản xuất năng lượng cho chính họ sử dụng.
13


Hoặc họ có thể bán lượng điện để mang lại lợi nhuận.
+ Dễ dàng lắp đặt một hệ thống tuabin gió trên diện tích sẵn có
Tuabin gió có thể được lắp trên các cánh đồng hoặc trang trại sẵn có. Bởi
phần diện tích xây dựng các tuabin gió khơng chiếm nhiều khơng gian.

Hình 1. 2 Lắp đặt tubin gió

1.4.2

Nhược điểm

+ Đe dọa động vật hoang dã: Khi lắp đặt tuabin gió, nguy cơ về mất an
tồn cho các lồi động vật đã được cảnh báo. Các loài chim hay các sinh vật
khác có thể bay vào khu vực khi các tua bin đang hoạt động.
+ Chi phí lắp đặt cao: Hệ thống tua bin được xây dựng trên dây chuyền
công nghệ cao. Chính vì thế, mức chi phí lắp đặt cho tồn bộ hệ thống là
khơng rẻ.
+Ơ nhiễm tiếng ồn: Khi vận hành tuabin gió có thể tạo ra âm thanh ở
mức 50-60 decibel – ngưỡng âm thanh con người có thể nghe được. Nhưng
đối với cả một hệ thống thì khơng thể dám chắc về sự êm ái của nó khi hoạt
động. Rất có thể chúng có thể gây phiền toái cho các hộ dân khác.

+ Phụ thuộc vào thời tiết: Do được lắp đặt ngoài trời, nên các tuabin rất
dễ bị ảnh hưởng bởi môi trường tự nhiên. Gặp điều kiện thời tiết bất lợi như
gió bão mạnh có thể gây thiệt hại.
+ Hạn chế về vị trí lắp đặt: Năng lượng gió chỉ thích hợp ở các vị trí có
tốc độ gió cao.

14


CHƯƠNG 2. Hệ thống năng lượng gió phát điện
2.1 Cấu tạo của tua bin gió
Tua bin gió là một hệ thống năng lượng có tác dụng chuyển đổi động
năng của gió thành năng lượng cơ hay năng lượng điện.

Hình 2. 1 Cấu tạo của tuabin gió
Điện gió được xem là một trong những năng lượng bền vững hấp
dẫn nhất vì sản xuất sản lượng điện cao nhưng vẫn bảo vệ được mơi trường
Thiết bị tua bin gió bao gồm các phần chính sau:
Anemometer: Bộ đo lường tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới
bộ điểu khiển.
- Cánh quạt (Blades): Gió thổi qua các cánh quạt và là nguyên nhân làm
cho các cánh quạt chuyển động và quay.
- Bộ hãm (Brakes): Dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp bằng
điện, bằng sức nước hoặc bằng động cơ.
- Bộ điều khiển (Controller): Bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở
tốc độ gió khoảng 2m/s đến 3m/s và tắt động cơ khoảng 25m/s bởi vì các máy
phát này có thể phát nóng.
- Hộp số (Gear box): Bánh răng được nối với trục có tốc độ thấp với
15

trục có tốc độ cao và tăng tốc độ quay từ 30 đến 60 vòng/ phút lên 1200 đến
1500 vòng/ phút, tốc độ quay là yêu cầu của hầu hết các máy phát điện sản
xuất ra điện. Bộ bánh răng này rất đắt tiền, nó là một phần của bộ động cơ và
tuabin gió
Hiện nay, trên thế giới có hai cơng nghệ phổ biến là loại có hộp số và
khơng có hộp số, tùy thuộc vào ưu điểm và bí mật công nghệ mà các hãng lựa
chọn, chế tạo thiết bị cho riêng mình:
+ Loại có hộp số: dùng cho máy phát bình thường (chuyển đổi vịng
quay lên, tùy thuộc thiết kế có số cặp cực).
+ Loại khơng có hộp số: dùng cho máy phát kích từ bằng nam châm vĩnh
cửu (Trục Rotor chuyền thẳng đến trục máy phát, vòng quay tùy thuộc thiết
kế số cặp cực, số cực càng lớn thì vịng quay càng thấp)
- Máy phát (Generator): Máy phát làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng cơ
học của rotor thành năng lượng điện. Ở các tua bin thường sử dụng các máy
phát đồng bộ lẫn máy phát không đồng bộ. Đối với các tua bin cỡ công suất từ
vài trăm kW tới vài MW thơng thường phát dịng điện 3 pha AC với điện áp từ
400V đến 1000V.
- Trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao (High-speed shaft)
- Trục quay tốc độ thấp (Low-speed shaft)
- Vỏ (Nacelle): Bao gồm rotor và vỏ bọc ngoài, toàn bộ được dặt trên
đỉnh trụ và bao gồm các phần: hộp số, trục truyền động tốc độ cao và thấp,
máy phát, bộ điều khiển và bộ hãm. Vỏ bọc ngoài dùng bảo vệ các thành phần
bên trong vỏ. Một số vỏ phải đủ rộng để một kỹ thuật viên có thể đứng bên
trong trong khi làm việc.
- Bước răng (Pitch): Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ
cho rotor quay trong gió khơng q cao hay q thấp để tạo ra điện
- Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục.
Hiện nay rotor 3 cánh quạt được sử dụng rộng rãi trên thế giới, điều
này do các yếu tố sau đây:

+ Hiệu suất: Hiệu suất cao hơn các loại khác đối với vận tốc gió từ
6m/s đến 8m/s.
+ Về lý thuyết thì hiệu suất tăng lên cùng với số cánh quạt. Nếu như
tăng số cánh quạt từ 2 lên 3 thì hiệu suất sẽ tăng lên vào khoảng 3% đến 4%.
Tuy nhiên nếu tăng số cánh quạt lên 4 thì hiệu suất chỉ tăng thêm từ 1% đến
2%.
+ Đối với các đặc tính về tải cũng như khí động học của các loại tua
bin có 3 cánh quạt thì các thiết bị này có một sự phân bố đồng đều hơn về
trọng lực cũng như lực khí động học trên toàn bộ chu vi của rotor.
+ Cánh quạt của một tua bin có cơng suất từ 1MW đến 2,5MW thường
có chiều dài 25m đến 65m. Các cánh quạt này ở mỗi vòng quay sẽ chịu những
tải trọng rất khác nhau phụ thuộc vào vận tốc gió. Cánh quạt được làm từ
nhựa tổng hợp với sợi thuỷ tinh hoặc sợi carbon, chịu lực tốt.
+ Cấu trúc của cánh quạt cho tua bin gió có 2 loại: stall (cố định) và

16


Pitch (điều khiển xoay góc hứng gió)
· Loại Stall thường thiết kế cho các tua bin công suất thấp (≤ 300 kW)
· Loại Pitch thiết kế cho các tua bin có cơng suất cao hơn (≥ 500 kW)
+ Điều khiển cánh quạt:
Đối với các Rotor có cánh quạt điều khiển theo kiểu “Pitch” thì vị trí
của các cánh quạt có thể được điều khiển nhờ vào một động cơ điện ở trục
quay. Bộ điều khiển điện tử sẽ đo thường xuyên công suất đầu ra của thiết bị
ở một tải trọng danh nghĩa. Nếu như giá trị đo quá cao hoặc quá thấp thì các
cánh quạt sẽ được điều khiển quay hướng vào hoặc hướng ra khỏi hướng gió
một cách tương ứng (Tốc độ điều chỉnh góc của cánh là 5/s ).
+ Thông qua việc điều chỉnh cánh quạt này có thể đảm bảo được rằng
các cánh quạt ln nằm ở một góc đúng đắn hợp lý nhất và do đó có thể đạt

được một sự tối ưu về lượng điện năng tạo ra.
+ Khi vận tốc gió vượt giới hạn theo thiết kế thì bộ phận điều khiển
cánh tự động điều chỉnh góc của cánh trở về bằng 90 (song song với hướng
gió) đồng thời kết hợp với hệ thống phanh để rotor ngừng quay. Rotor sẽ tự
động ngừng quay với 2 mức: Nếu vận tốc gió tăng lên khoảng 25 m/s không
quá 10 phút hoặc 35 m/s không quá 2 giây.
- Trụ đỡ (Tower): Được làm bằng thép hình trụ hoặc thanh dằn bằng
thép. Bởi vì tốc độ gió tăng lên nếu trụ càng cao, trụ đỡ cao hơn để thu được
năng lượng gió
nhiều hơn và phát ra điện nhiều hơn.
- Wind vane: Để xử lý hướng gió và liên lạc với “yaw drive” để định
hướng tua-bin gió.
- Yaw drive: Dùng để giữ cho rotor luôn luôn hướng về hướng gió chính
khi có sự thay đổi hướng gió.
- Yaw motor: Động cơ cung cấp cho “yaw drive” định được hướng gió
2.2 Nguyên lý làm việc của tua bin gió
Với cấu tạo của tuabin gió như ta đã tìm hiểu ở trên thì một cách đơn
giản để tuabin có thể tạo ra điện từ gió là làm việc trái ngược với một máy
quạt điện, thay vì sử dụng điện để tạo ra gió như quạt điện thì ngược lại
tuabin gió lại sử dụng gió để tạo ra điện từ gió.
Trong điều kiện có gió nhờ hệ gồm 3 cánh quạt mà chuyển động của gió
được chuyển thành chuyển động quay của rotor. Khi rotor chuyển động sẽ làm
từ thông trong máy phát biến thiên và chuyển động quay của rotor được biến
đổi thành điện năng qua máy phát. Điện năng ra khỏi máy phát nhờ hai vòng
tiếp xúc và chổi than. Sau đó được chỉnh lưu qua mạch chỉnh lưu cầu 3 pha
không điều khiển và lọc bằng bộ lọc LC.
Dòng điện 1 chiều sẽ được chuyển trực tiếp thành dòng điện 1 pha với
trị số hiệu điện thế hiệu dụng 220V và tần số 50Hz qua bộ nghịch lưu 1 pha
hoặc được tăng thế qua bộ biến đổi dòng 1 chiều và chuyển thành dòng điện
xoay chiều 3 pha qua bộ nghịch lưu 3 pha dùng transistor công suất.

Trong trường hợp gió lớn (do đồng hồ đo tốc độ gió cung cấp) hệ thống
17


bảo vệ quá tốc độ sẽ làm việc. Hệ thống sẽ điều khiển tua-bin lệch khỏi
hướng có gió mạnh, điều này khiến tốc độ quay của rotor giữ ở giá trị ổn
định. Trong trường hợp khẩn cấp bộ phanh được lắp trên trục rotor sẽ siết lại
và dừng rotor lại

Hình 2. 2 Sơ đồ hệ thống tuabin gió
2.3 Phân loại hệ thống điện gió
2.3.1

Hệ thống điện gió khơng kết nối lưới

Năng lượng do tua bin gió phát ra sẽ được nạp vào ắc quy để dự trữ, khi
ắc quy đầy thì bộ điều khiển sẽ chuyển tồn bộ năng lượng sang dumpload
(tải tiêu thụ dự phòng) để tránh ắc quy nạp đầy sẽ gây hư hỏng.

18


Hình 2. 3 Hệ Thống điện gió khơng kết nối lưới
Ưu điểm: mơ hình này thường được sử dụng phổ biến hiện nay do dễ
lắp đặt, thích hợp cho những vùng đồi núi, vùng xa khơng có lưới điện truyền
tới.
Nhược điểm: gây ô nhiễm môi trường (dùng ắc quy), phải có chế độ bảo
quản tốt nếu khơng sẽ dẫn đến cháy nổ.
2.3.2

Hệ thống điện gió kết nối điện lưới khơng có ắc quy

Đây là mơ hình thân thiện với mơi trường do khơng sử dụng ắc quy axit
chì gây ơ nhiễm mơi trường. Năng lượng do tua bin gió phát ra sẽ được nối với
lưới điện địa phương thông qua bộ kết nối lưới. Nói cách khác, khi khơng sử
dụng điện thì hộ gia đình sẽ bán điện do tua bin gió phát ra cho cơng ty điện
lực địa phương. Khi hộ gia đình cần sử dụng điện thì sẽ mua điện từ công ty
điện lực. Lưới điện địa phương được xem như bộ dự trữ năng lượng cho tua
bin gió.

19


Hình 2. 4 Hệ thống điện gió kết nối điện lưới khơng có ắc quy
Ưu điểm: ít gây ơ nhiễm mơi trường, giảm chi phí đầu tư cho ắc quy.
Nhược điểm: giá bán điện của tua bin gió cịn khá cao, khả năng lắp đặt khó
khăn do phải phù hợp với mạng điện địa phương, nên mơ hình này chưa được
dùng nhiều ở Việt Nam.
2.3.3

Hệ thống điện gió kết nối lưới có ắc quy dự phịng

Đây là mơ hình kết hợp cả 2 dạng trên, vừa có kết nối lưới điện, vừa có
ắc quy dự phịng.
Ưu điểm: có tính liên tục cung cấp điện cao, khi lưới điện địa phương bị
gián đoạn thì tải tiêu thụ sẽ dùng năng lượng từ ắc quy dự phịng
Nhược điểm: chi phí lắp đặt cao.

20