Nghiên cứu thiết bị và công nghệ phát điện sử dụng sức gió cung cấp điện năng cho cụm dân cư vùng ven biển và hải đảo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI









BÙI THANH THẢO

NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ VÀ CÔNG NGHỆ PHÁT ðIỆN
SỬ DỤNG SỨC GIÓ CUNG CẤP ðIỆN NĂNG CHO
CỤM DÂN CƯ VÙNG VEN BIỂN VÀ HẢI ðẢO





LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT



Chuyên ngành : Kỹ thuật ñiện
Mã số : 60.52.02.02

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. TRẦN MẠNH HÙNG

HÀ NỘI - 2012
Trng i hc Nụng nghip H Ni Lun vn thc s khoa hc k thut


i

LI CAM OAN

Tờn tụi l: Bựi Thanh Tho
Sinh ngy 20 thỏng 01 nm 1980
Hc viờn lp cao hc khoỏ 17 - in khớ húa Nụng nghip v Phỏt
trin nụng thụn - Trng i hc Nụng nghip H Ni.
Hin ủang cụng tỏc ti khoa Khoa hc C bn - Trng Cao ủng
ngh C ủin Tõy Bc Huyn Lc Thy, Hũa Bỡnh.
Xin cam ủoan: ti Nghiên cứu thiết bị và công nghệ phát điện sử
dụng sức gió cung cấp điện năng cho cụm dân c vùng ven biển và Hải đảo
do thy giỏo PGS.TS Trn Mnh Hựng hng dn l cụng trỡnh nghiờn cu
ca riờng tụi. Tt c cỏc ti liu tham kho ủu cú ngun gc, xut x rừ
rng. Tỏc gi xin cam ủoan tt c nhng ni dung trong lun vn ủỳng nh
ni dung trong ủ cng v yờu cu ca thy giỏo hng dn. Nu sai tụi
hon ton chu trỏch nhim trc Hi ủng khoa hc v trc phỏp lut.
H Ni, ngy 20 thỏng 8 nm
2012
Tỏc gi lun vn



Bựi Thanh Tho

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………


ii

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian hơn 2 năm học và tập nghiên cứu tại ðại học Nông
nghiệp Hà Nội, với sự giúp ñỡ ủng hộ của các thầy cô giáo, các bạn bè
ñồng nghiệp, gia ñình cũng như sự nỗ lực của bản thân ñến nay tôi ñã hoàn
thành bản luận văn với ñầy ñủ nội dung của ñề tài.
Tuy nhiên, do còn hạn chế về kiến thức, tài liệu tham khảo và trình
ñộ ngoại ngữ, ñồng thời thời gian nghiên cứu không dài cũng như ñây là
một lĩnh vực còn tương ñối mới mẻ nên ñề tài sẽ không thể tránh khỏi
những thiếu sót nhất ñịnh. Tôi rất mong nhận ñược sự ñóng góp ý kiến của
các thầy cô giáo, bạn bè ñồng nghiệp và những ai quan tâm ñến vấn ñề này
ñể bản luận văn ñược hoàn chỉnh và có ý nghĩa hơn.
Cuối cùng tác giả xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo, các cán
bộ giảng dạy thuộc Khoa sau ñại học, Khoa Cơ ðiện Trường ðại học Nông
nghiệp Hà Nội, và ñặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn và cảm ơn sâu sắc tới
cán bộ hướng dẫn khoa học PGS.TS Trần Mạnh Hùng ñã trang bị kiến
thức, dẫn dắt, chỉ bảo và ñộng viên tôi trong suốt thời gian qua.
Hà Nội, ngày 20 tháng 8 năm
2012
Tác giả luận văn



Bùi Thanh Thảo

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ðOAN 0
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi
DANH MỤC CÁC HÌNH vii

LỜI MỞ ðẦU 1
1. Lý do chọn ñề tài 1
2. Mục ñích của ñề tài 3
3. Nội dung nghiên cứu 3
4. Phương pháp nghiên cứu 4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 5
1.1. ðôi nét về lịch sử nghiên cứu và phát triển của máy phát ñiện sức gió 5
1.1.1. Lịch sử phát triển của máy phát ñiện chạy bằng sức gió 5
1.1.2. ðặc ñiểm chung của máy phát ñiện chạy bằng sức gió 8
1.1.3. Những lợi ích khi sử dụng gió ñể sản xuất ñiện (ñiện gió) 9
1.2. Tình hình khai thác năng lượng gió trên thế giới 11
1.3. Tiềm năng năng lượng gió ở Việt Nam 13
1.3.1. Tốc ñộ gió, cấp gió. 13
1.3.2. Chế ñộ gió ở Việt Nam 14
1.4. Hiện trạng khai thác năng lượng gió 19
1.5. Các dự án ñiện gió ñang triển khai 21

1.6. Kết luận chương 1. 23
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN TRIỂN KHAI
ðỀ TÀI 24
2.1. Nguyên lý chung phát ñiện bằng sức gió 24
2.2. Gió và năng lượng của gió. 24
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………


iv

2.2. Tìm hiểu hệ thống tuabin gió 27
2.2.1. Tuabin gió trục ngang 27
2.2.2. Hệ thống tuabin gió trục ñứng 32
2.2.3. Kết luận 33
2.3. Khí ñộng lực học của tuabin gió 33
2.3.1. ðộng lực học cánh gió tuabin 33
2.3.2. ðộng lực học của roto 36
2.4. Phương pháp ñiều khiển cánh gió của tuabin trục ñứng 37
2.4.1 Lý luận chung 37
2.4.2. Phương pháp xác ñịnh góc cánh ñiều khiển của tuabin gió trục ñứng. 40
2.5. Tìm hiểu về máy phát ñiện sử dụng năng lượng gió. 43
2.5.1. Máy phát ñiện không ñồng bộ 44
2.5.2. Máy phát ñiện một chiều. 45
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 46
3.1. Sơ ñồ thiết kế hệ thống tuabin gió. 46
3.2. Xác ñịnh nhu cầu năng lượng của một hộ dân và của một cụm dân cư 46
3.3. Xác ñịnh vùng gió ñặt tuabin 46
3.4. Thiết kế tính toán tuabin gió công suất nhỏ 47
3.4.1. Thiết kế mô hình tubin gió 48
3.4.2. Cánh gió 48

3.4.3. Tay ñòn 49
3.4.4. Trục trụ 50
3.4.5. Ổ bi tự lựa 50
3.4.6. ðĩa gắn ổ bi 51
3.4.7. Bánh ñà 51
3.4.8. Thanh truyền ñộng 52
3.4.9. ðai chuyền tải 52
3.4.10. ðế trụ 53
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………


v

3.4.11. Máy phát 53
3.5. Thiết kế mạch nạp acquy 54
3.5.1. Các linh kiện ñiện tử 54
3.5.2: Mạch ñiều khiển 58
KẾT LUẬN VÀ ðỀ XUẤT 65
1. Kết luận 65
2. ðề xuất 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO
67






Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1. Công suất ñịnh mức năng lượng gió của các nước trên thế giới
năm 2007 13

Bảng 1.2. Bảng cấp gió Beaufor 14

Bảng 1.3. Vận tốc gió của Việt Nam ñược ño ở ñộ cao 10 ñến 12m 16

Bảng 1.4. Số liệu tốc ñộ gió ở ñộ cao 65 m theo nguồn EVN và WB 17

Bảng 1.5. Hiện trạng khai thác năng lượng gió Việt Nam 21

Bảng 1.6. Các dự án ñiện gió ñang triển khai 22

Bảng 2.1 Góc cánh ñiều khiển ở các vị trí khác nhau 42


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………


vii

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Mô hình cánh gió tại Trung Mỹ, cuối TK 19 5

Hình 1.2. Mô hình cối xay gió xuất hiện sau thế kỷ 13 6

Hình 1.3. Chiếc máy bơm nước chạy bằng sức gió, những năm 1800 6

Hình 1.4. Máy phát ñiện sức gió do chariles F.Brush chế tạo 7

Hình 1.5. Công suất ñiện gió trên thế giới trong thời gian 1996-2008 12

Hình 1.6. Bản ñồ tài nguyên gió của nước ta ở ñộ cao 80m 18

Hình 1.7. Năm tổ máy của nhà máy ñiện gió ở tỉnh Bình Thuận 20

Hình 2.1. Sơ ñồ nguyên lý chung phát ñiện bằng sức gió 24

Hình 2.2. Cấu trúc tổng quát của tuabin gió trục ngang 28

Hình 2.3. Một số loại tháp ñỡ cơ bản 29

Hình 2.4. Mô hình tổng quát của tuabin gió trục ñứng 32

Hình 2.5. ðường cong biểu diễn K
P
34

Hình 2.6. Các lực tác dụng lên cánh gió 35

Hình 2.7. Tác ñộng của gió lên các cánh 37

Hình 2.8. Phân tích ñộng lực học của cánh gió 41

Hình 2.9. Góc ñiều khiển của 1 cánh gió ở 10 vị trí khác nhau 43

Hình 2.10. Hai loại hệ thống phát ñiện chạy sức gió sử dụng MP KðB 44

Hình 3.1. Hình vẽ mô hình tuabin gió trục ñứng 48

Hình 3.2. Hình vẽ mô tả một cánh gió 49

Hình 3.3. Hình ảnh mô tả tay ñòn 49

Hình 3.4. Hình ảnh trục trụ 50

Hình 3.5. Hình ảnh ổ bi tựa 50

Hình 3.6. Hình ảnh ñĩa gắn ổ bi 51

Hình 3.7. Hình ảnh bánh ñà 51

Hình 3.8. Hình thanh truyền ñộng 52

Hình 3.9. ðai truyền tải 52

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………


viii

Hình 3.10. Hình ảnh ñế trụ 53

Hình 3.11. Hình ảnh máy phát 53

Hình 3.12. Thông số và cấu tạo của LM350 54

Hình 3.13 Thông số cấu tạo của Diode 55

Hình 3.14 Cấu tạo và thông số của bộ khuyếch ñại BC547. 56

Hình 3.15. Cấu tạo thông số của BD140. 57

Hình 3.16 Nguyên lý của mạch nạp ắc quy 58

Hình 3.17. Mạch layout của mạch nạp ắc quy 59

Hình 3.18 Mô phỏng mạch nạp ắc quy 59

Hình 3.19. Hình ảnh 3D của mạch nạp 60

Hình 3.20. Cấu tạo và thống số Diot 1N5401 61

Hình 3.21 Cấu tạo và thông số của BC547 62

Hình 3.22 Mạch ñầu ra chạy ñộng cơ và ñèn led 63

Hình 3.23. Hình ảnh thực tế của tuabin gió thiết kế trong ñề tài 64

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………


1

LỜI MỞ ðẦU

1. Lý do chọn ñề tài
Năm 1973 cuộc khủng hoảng dầu lửa nghiêm trọng ñã xẩy ra. Kết quả
là với việc dầu mỏ khan hiếm mà nhu cầu thì quá lớn, cuộc khủng hoảng làm
tăng giá dầu thô gấp 4 lần. Chính cuộc khủng hoảng năng lượng này ñã gây ra
cuộc khủng hoảng kinh tế 1973-1975 trên quy mô toàn cầu. Tiếp ñến là cuộc
khủng hoảng dầu lửa năm 1979, làm cho giá dầu tăng từ 50$/thùng lên
100$/thùng. Trong mấy năm gần ñây, các nhà khoa học hàng ñầu của Mỹ,
Nga, Trung Quốc, Ấn ðộ… ñã ñưa ra lời cảnh báo về một cuộc khoảng hoảng
năng lượng trong thế kỷ 21. Như vậy, vấn ñề năng lượng ñang trở nên hết sức
cấp bách, không chỉ ñe dọa ñến tăng trưởng kinh tế thế giới, mà còn ñe dọa
trực tiếp hoà bình, an ninh quốc tế. Nguồn năng lượng hoá thạch, món quà
cực kỳ quý báu của thiên nhiên ban tặng con người ñang cạn kiệt. Vậy, nguồn
năng lượng nào sẽ hỗ trợ cho năng lượng hoá thạch? ðó là vấn ñề mà cả cộng
ñồng quốc tế ñã và ñang tìm mọi biện pháp ñể giải quyết. Trước tác ñộng sâu
sắc của cuộc khủng hoảng năng lượng toàn cầu, nhiều quốc gia và các tổ chức
liên kết khu vực ñã tích cực nghiên cứu, triển khai các giải pháp tìm nguồn
năng lượng mới. Giải pháp của thế giới là ña dạng hóa nguồn năng lượng
như: Năng lượng hạt nhân, năng lượng tái sinh và năng lượng sinh học.
Tỷ suất tăng trưởng của toàn thế giới về các dạng năng lượng ñiện
năm 1990-2000 là: năng lượng gió: 32%; năng lượng mặt trời: 20,1%; khí
thiên nhiên: 1,6%; năng lượng nguyên tử: 0,6%; than ñá: 1%. Như vậy tỷ
suất tăng trưởng của năng lượng mới ñã và ñang phát triển trên phạm vi
toàn thế giới. Trong ñó ñiện gió có tốc ñộ tăng trưởng cao nhất.
Trong những năm gần ñây, trên thế giới năng lượng gió ñã ñược sử
dụng hiệu quả vượt xa cả sự mong ñợi, công suất ñiện do năng lượng gió
mang lại hiện nay trên toàn thế giới vào khoảng 50.000MW Các trạm
phong ñiện ñã ñược sử dụng ở nhiều nước Mỹ, ðức, Thụy ñiển và các nước
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

2

công nghiệp phát triển khác. Nước ðức ñang dẫn ñầu thế giới về công nghiệp
phong ñiện với 15% ñiện năng ñược sản xuất từ gió. Năng lượng gió ñược
ñánh giá là thân thiện với môi trường và ít ảnh hưởng xấu về mặt xã hội,
ưu ñiểm nổi bật của phong ñiện là không tiêu tốn nhiên liệu, không gây ô
nhiễm môi trường như các nhà máy nhiệt ñiện, dễ chọn ñịa ñiểm và tiết
kiệm ñất xây dựng.
Việt Nam nằm trong khu vực cận nhiệt ñới gió mùa với bờ biển dài ñó
là ñiều kiện thuận lợi cơ bản cho việc phát triển phong ñiện. So sánh tốc ñộ
gió trung bình trong vùng Biển ðông Việt Nam và các vùng biển lân cận cho
thấy gió tại Biển ðông khá mạnh và thay ñổi nhiều theo mùa. Trong chương
trình ñánh giá về Năng lượng cho Châu Á, Ngân hàng Thế giới ñã có một
khảo sát chi tiết về năng lượng gió khu vực ðông Nam Á, trong ñó có Việt
Nam. Theo tính toán của nghiên cứu này, trong bốn nước ñược khảo sát thì
Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất và hơn hẳn các quốc gia lân cận là Thái
Lan, Lào và Campuchia. Nếu xét tiêu chuẩn ñể xây dựng các trạm ñiện gió cỡ
nhỏ phục vụ cho phát triển kinh tế ở những khu vực khó khăn thì Việt Nam có
ñến 41% diện tích nông thôn có thể phát triển ñiện gió loại nhỏ. ðặc biệt,
nước ta có bờ biển dài, có nhiều hòn ñảo lớn nhỏ, ñây là ñiều kiện thuận lợi
cho sự khai thác năng lượng từ gió.
Hiện tại Việt Nam ñã có nhiều dự án sản xuất ñiện từ gió, nhưng các dự
án này ñều sử dụng công nghệ và thiết bị của nước ngoài do ñó nguồn vốn
ñầu tư lớn không phù hợp với ñiều kiện kinh tế của các vùng núi, ven biển và
hải ñảo của nước ta. Mặt khác ñể phát huy khả năng tự lực trong nước, chúng
ta cần phải nghiên cứu hoàn chỉnh thêm công nghệ cũng như làm thế nào ñể
ñạt ñược năng suất chuyển ñộng năng của gió thành ñiện năng cao ñể từ ñó có
thể hạ giá thành và cạnh tranh ñược với những nguồn năng lượng khác.

Trng i hc Nụng nghip H Ni Lun vn thc s khoa hc k thut


3

Xut phỏt t tỡnh hỡnh thc t trờn v gúp phn thit thc xõy dng h
thng phỏt ủin s dng nng lng giú phự hp vi ủiu kin kinh t cũn
gp nhiu khú khn ca ngi dõn ven bin v Hi ủo. Vỡ vy nghiờn cu ủ
ti: Nghiên cứu thiết bị và công nghệ phát điện sử dụng sức gió cung cấp
điện năng cho cụm dân c vùng ven biển và Hải đảo vn l vic lm bc thit
cú ý ngha khoa hc v thc tin.
2. Mc ủớch ca ủ ti
Nghiờn cu tip cn k thut cụng ngh s dng nng lng sc giú
phỏt ủin cung cp ủin nng cho cm dõn c vựng ven bin v hi ủo gúp
phn gim thiu ụ nhim, bo v mụi trng.
Thit kt h thng phỏt ủin s dng nng lng giú cụng sut nh phự
hp vi nhu cu nng lng ủin v giỏ thnh ủu t phự hp vi ủiu kin
kinh t cũn nhiu khú khn ca dõn c vựng ven bin v hi ủo, nht l
nhng ni cha cú li ủin quc gia.
3. Ni dung nghiờn cu
- Tng quan tỡnh hỡnh nghiờn cu ng dng cụng ngh phỏt ủin bng
sc giú phc v sn xut v ủi sng trong v ngoi nc.
- Nghiờn cu tim nng nng lng giú v gii phỏp thit b v cụng
ngh chuyn ủi ủin nng t sc giú phự hp vi ủiu kin mụi trng, ủi
sng v sn xut ca dõn c vựng ven bin v hi ủo.
- Thit k h thng mỏy phỏt ủin cụng sut nh s dng nng lng giú
phự hp vi tim nng giú ca Vit Nam.
- í ngha khoa hc: ỏnh giỏ v d bỏo ủc tỡnh hỡnh nghiờn cu v
s dng nng lng giú trờn th gii cng nh Vit Nam. ng thi nờu

lờn vai trũ ca nng lng giú trong hin ti v trong tng lai.
- í ngha thc tin: Tỡm ra ủc gii phỏp phự hp vi ủiu kin thc
t ca nc ta hin nay ủ la chn xõy dng mt h thng phỏt ủin bng
ngun phỏt nng lng giú cụng sut nh tng ng vi tim nng giú ca
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………


4

Việt Nam, tạo ñiều kiện phát triển kinh tế phù hợp với chiến lược phát triển
của ñịa phương, nhất là ở những vùng hải ñảo, vùng núi mà ñiện lưới quốc
gia chưa có khả năng vươn tới ñược.
4. Phương pháp nghiên cứu
ðể giải quyết ñược những vấn ñề của ñề tài ñặt ra, tôi sử dụng các phương
pháp nghiên cứu sau ñây:
- Tổng hợp ñánh giá về các nguồn năng lượng mới và tái tạo, hiện trạng về
ứng dụng năng lượng gió trên thế giới và ở Việt Nam.
- Phân tích tiềm năng về nguồn năng lượng gió ở Việt Nam ñể ñưa ra biện
pháp sử dụng một cách hợp lý và hiệu quả nhất.
- Kết hợp nghiên cứu lý thuyết, ñiều tra khảo sát và thực nghiệm ñể xác
ñịnh và lựa chọn công nghệ, các thông số kết cấu, phương pháp thiết kế máy
phát ñiện sức gió.
- Tính toán, thiết kế hệ thống phát ñiện sử dụng năng lượng gió công
suất nhỏ gió phù hợp với ñiều kiện môi trường, ñời sống và sản xuất của dân
cư ven biển và hải ñảo, ñặc biệt là vùng chưa có ñiện lưới quốc gia.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………


5

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN

1.1. ðôi nét về lịch sử nghiên cứu và phát triển của máy phát ñiện sức gió
1.1.1. Lịch sử phát triển của máy phát ñiện chạy bằng sức gió
Vào cuối những năm 1970, cuộc khủng hoảng về dầu mỏ ñã buộc
con người phải tìm các nguồn năng lượng mới thay thế, một trong số ñó là
năng lượng gió. Những năm về sau, rất nhiều các chương trình nghiên cứu và
phát triển năng lượng gió ñã ñược thực hiện với nguồn tài trợ của chính phủ,
bên cạnh các dự án của nghiên cứu do cá nhân, tổ chức ñứng ra thực hiện.
Lịch sử phát triển của thế giới loài người ñã chứng kiến những ứng dụng
của năng lượng gió vào cuộc sống từ rất sớm. Gió giúp quay các cuối xay bột,
gió giúp các thiết bị bơm nước hoạt ñộng và gió thổi vào cánh buồm giúp ñưa
con thuyền ñi xa. Theo những tài liệu cổ còn giữ lại ñược thì bản thiết kế ñầu
tiên của chiếc cối xay gió hoạt ñộng nhờ vào sức gió là khoảng thời gian những
năm 500-900 sau Công nguyên tại Ba Tư (Irac ngày nay). ðặc ñiểm nổi bật của
thiết bị này ñó là cánh ñón gió ñược bố trí xung quanh một trục ñứng, minh họa
một mô hình cánh gió ñược lắp ñặt tại Trung Mỹ vào cuối thế kỷ 19 (Hình 1.1),
mô hình này cũng có cấu tạo cánh ñón gió quay theo trục ñứng.

Hình 1.1 Mô hình cánh gió tại Trung Mỹ, cuối TK 19
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………


6

Muộn hơn nữa, kể từ sau thế kỉ 13, các cối xay gió xuất hiện tại châu
Âu (Tây Âu) với cấu trúc có cánh ón gió quay theo phương ngang (Hình 1.2),
nhìn chung phức tạp hơn mô hình thiết kế tại Ba Tư. Cải tiến cơ bản của thiết
kế này là tận dụng ñược lực nâng khí ñộng học tác dụng vào cánh gió do ñó
sẽ làm hiệu suất biến ñổi nâng lượng gió của cối xay gió thời kì này cao hơn
nhiều so với mô hình thiết kế những năm 500-900 tại Ba Tư
.

Hình 1.2. Mô hình cối xay gió xuất hiện sau thế kỷ 13
Trong suốt những năm tiếp theo, các thiết kế của thiết bị chạy bằng sức gió
càng ngày ñược hoàn thiện và ñược sử dụng rộng rãi trong khá nhiều các lĩnh vực
ứng dụng: Chế tạo các máy bơm nước, hệ thống tưới tiêu trong nông nghiệp, các
thiết bị xay xát, xẻ gỗ, nhuộm vải…Cho ñến ñầu thế kỷ 19, cùng với sự xuất hiện
của máy hơi nước, thiết bị chạy bằng sức gió dần dần bị thay thế. Lịch sử con
người ñã bước sang thời kỳ mới: Máy chạy bằng hơi nước (Hình 1.3)

Hình 1.3. Chiếc máy bơm nước chạy bằng sức gió, những năm 1800
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………


7

Năm 1888, Charles F. Brush ñã chế tạo chiếc máy phát ñiện chạy sức
gió ñầu tiên, và ñặt tại Cleveland, Ohio (Hình 1.4). Nó có ñặc ñiểm:
- Cánh ñược ghép thành xuyến tròn, ñường kính vòng ngoài 17m;
- Sử dụng hộp số (tỉ số truyền 50:1) ghép giữa cánh tuabin với trục máy phát
- Tốc ñộ ñịnh mức của máy phát là 500 vòng/phút;
- Công suất phát ñịnh mức là 12kW.

Hình 1.4. Máy phát ñiện sức gió do chariles F.Brush chế tạo
Trong những năm tiếp sau, một số mẫu thiết kế khác ñã ñược thực hiện
tuy nhiên vẫn không ñem lại bước ñột phát ñáng kể. Ví dụ mẫu thiết kế của
Dane Poul La Cour năm 1891. Cho ñến ñầu những năm 1910, ñã có nhiều
máy phát ñiện chạy bằng sức gió công suất 25kW ñược lắp ñặt tại ðan Mạch
nhưng giá thành ñiện năng do chúng sản xuất ra không cạnh tranh ñược với
giá thành của các nhà máy nhiệt ñiện sử dụng nhiên liệu hoá thạch. Mặc dù
gặp khó khăn do không có thị trường, những thế hệ máy phát ñiện chạy bằng
sức gió vẫn tiếp tục ñược thiết kế và lắp ñặt.
Ví dụ như các máy phát công suất từ 1 ñến 3 kW ñược lắp ñặt tại vùng
nông thôn của ðồng bằng lớn của nước Mỹ, vào những năm 1925 hay máy
phát Balaclava công suất 100kW lắp ñặt tại Nga năm 1931 hay máy phát
Gedser công suất 200kW, lắp ñặt tại ñảo Gedser, ñông nam ðan Mạch.
Sự phát triển của máy phát ñiện chạy sức gió trong thời kỳ này có ñặc
ñiểm sau:

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………


8

- Ít về số lượng, lắp ñặt rải rác nhưng tập trung chủ yếu ở Mỹ, các nước
Tây Âu như ðan Mạch, ðức, Pháp, Anh, Hà Lan;
- Công suất máy phát thấp chủ yếu nằm ở mức vài chục kW
1.1.2. ðặc ñiểm chung của máy phát ñiện chạy bằng sức gió
Các máy phát ñiện sử dụng sức gió ñã ñược sử dụng nhiều ở các nước
châu Âu, Mỹ và các nước công nghiệp phát triển khác. Nước ðức ñang dẫn
ñầu thế giới về công nghệ ñiện sử dụng sức gió (ñiện gió).
Tới nay ña số vẫn là các máy phát ñiện tuabin gió trục ngang, gồm một
máy phát ñiện có trục quay nằm ngang, với rotor (phần quay) ở giữa, liên hệ

với một tuabin 3 cánh ñón gió. Máy phát ñiện ñược ñặt trên một tháp cao
hình côn. Trạm phát ñiện kiểu này mang dáng dấp những cối xay gió ở châu
Âu từ những thế kỷ trước, nhưng rất thanh nhã và hiện ñại.
Các máy phát ñiện tuabin gió trục ñứng gồm một máy phát ñiện có trục
quay thẳng ñứng, rotor nằm ngoài ñược nối với các cánh ñón gió ñặt thẳng
ñứng. Loại này có thể hoạt ñộng bình ñẳng với mọi hướng gió nên hiệu qủa
cao hơn, lại có cấu tạo ñơn giản, các bộ phận ñều có kích thước không quá
lớn nên vận chuyển và lắp ráp dễ dàng, ñộ bền cao, duy tu bảo dưỡng ñơn
giản. Loại này mới xuất hiện từ vài năm gần ñây nhưng ñã ñược nhiều nơi
quan tâm và sử dụng.
Hiện có các loại máy phát ñiện dùng sức gió với công suất rất khác
nhau, từ 1 kW tới hàng chục ngàn kW. Các trạm phát ñiện này có thể hoạt
ñộng ñộc lập hoặc cũng có thể nối với mạng ñiện quốc gia. Các trạm ñộc lập
cần có một bộ nạp, bộ ắcquy và bộ ñổi ñiện. Khi dùng không hết, ñiện ñược
tích trữ vào ắc-quy. Khi không có gió sẽ sử dụng ñiện phát ra từ ắc-quy. Các
trạm nối với mạng ñiện quốc gia thì không cần bộ nạp và ắc-quy.
Các trạm phát ñiện dùng sức gió có thể phát ñiện khi tốc ñộ gió từ 3m/s
(11 km/h), và tự ngừng phát ñiện khi tốc ñộ gió vượt quá 25 m/s (90 km/h).
Tốc ñộ gió hiệu qủa từ 10 m/s tới 17 m/s, tùy theo từng loại máy phát ñiện.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………


9

1.1.3. Những lợi ích khi sử dụng gió ñể sản xuất ñiện (ñiện gió)
Ưu ñiểm dễ thấy nhất của ñiện gió là không tiêu tốn nhiên liệu, tận
dụng ñược nguồn năng lượng vô tận là gió, không gây ô nhiễm môi trường
như các nhà máy nhiệt ñiện, không làm thay ñổi môi trường và sinh thái như
nhà máy thủy ñiện, không có nguy cơ gây ảnh hưởng lâu dài ñến cuộc sống
của người dân xung quanh như nhà máy ñiện hạt nhân, dễ chọn ñịa ñiểm và

tiết kiệm ñất xây dựng, khác hẳn với các nhà máy thủy ñiện chỉ có thể xây
dựng gần dòng nước mạnh với những ñiều kiện ñặc biệt và cần diện tích rất
lớn cho hồ chứa nước.
Các trạm ñiện gió có thể ñặt gần nơi tiêu thụ ñiện, như vậy sẽ tránh
ñược chi phí cho việc xây dựng ñường dây tải ñiện.
Trước ñây, khi công nghệ phong ñiện còn ít ñược ứng dụng, việc xây
dựng một trạm ñiện gió rất tốn kém, chi phí cho thiết bị và xây lắp ñều rất ñắt
nên chỉ ñược áp dụng trong một số trường hợp thật cần thiết. Ngày nay ñiện
gió ñã trở nên rất phổ biến, thiết bị ñược sản xuất hàng loạt, công nghệ lắp
ráp ñã hoàn thiện nên chi phí cho việc hoàn thành một trạm ñiện gió hiện
nay chỉ bằng 1/4 so với năm 1986.
Các trạm ñiện gió có thể ñặt ở những ñịa ñiểm và vị trí khác nhau, với
những giải pháp rất linh hoạt và phong phú:
- Các trạm ñiện gió ñặt ở ven biển cho sản lượng cao hơn các trạm nội
ñịa vì bờ biển thường có gió mạnh. Giải pháp này tiết kiệm ñất xây dựng, ñồng
thời việc vận chuyển các cấu kiện lớn trên biển cũng thuận lợi hơn trên bộ.
- Những mỏm núi, những ñồi hoang không sử dụng ñược cho công
nghiệp, nông nghiệp cũng có thể ñặt ñược trạm phong ñiện. Trường hợp này
không cần làm trụ ñỡ cao, tiết kiệm ñáng kể chi phí xây dựng.
- Trên mái nhà cao tầng cũng có thể ñặt trạm ñiện gió, dùng cho các
nhu cầu trong nhà và cung cấp ñiện cho thành phố khi không dùng hết ñiện.
Trạm ñiện này càng có ý nghĩa thiết thực khi thành phố bất ngờ bị mất ñiện.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………


10

- Ngay tại các khu chế xuất cũng có thể ñặt các trạm ñiện gió. Nếu tận
dụng không gian phía trên các nhà xưởng ñể ñặt các trạm ñiện gió thì sẽ giảm
tới mức thấp nhất diện tích ñất xây dựng và chi phí làm ñường dây ñiện.

- ðặt một trạm ñiện gió bên cạnh các trạm bơm thủy lợi ở xa lưới ñiện
quốc gia sẽ tránh ñược việc xây dựng ñường dây tải ñiện với chi phí lớn gấp
nhiều lần chi phí xây dựng một trạm ñiện gió. Việc bảo quản một trạm ñiện
gió cũng ñơn giản hơn việc bảo vệ ñường dây tải ñiện rất nhiều.
- Một trạm ñiện gió 4 kW có thể ñủ ñiện cho một trạm kiểm lâm trong
rừng sâu hoặc một ngọn hải ñăng xa ñất liền. Một trạm 10 kW ñủ cho một
ñồn biên phòng trên núi cao, hoặc một ñơn vị hải quân nơi ñảo xa. Một trạm
40 kW có thể ñủ cho một xã vùng cao, một ñoàn thăm dò ñịa chất hay một
khách sạn du lịch biệt lập, nơi ñường dây chưa thể vươn tới ñược. Một nông
trường cà phê hay cao su trên cao nguyên có thể xây dựng trạm ñiện gió hàng
trăm hoặc hàng ngàn kW, vừa phục vụ ñời sống công nhân, vừa cung cấp
nước tưới và dùng cho xưởng chế biến sản phẩm
Tuy nhiên không phải nơi nào ñặt trạm ñiện gió cũng có hiệu quả như
nhau. ðể có sản lượng ñiện cao cần tìm ñến những nơi có nhiều gió. Các
vùng ñất nhô ra biển và các thung lũng sông thường là những nơi có lượng
gió lớn. Một vách núi cao có thể là vật cản gió nhưng cũng có thể lại tạo ra
một nguồn gió mạnh thường xuyên, rất có lợi cho việc khai thác ñiện gió. Khi
chọn ñịa ñiểm ñặt trạm có thể dựa vào các số liệu thống kê của cơ quan khí
tượng hoặc kinh nghiệm của nhân ñân ñịa phương, nhưng chỉ là căn cứ sơ bộ.
Lượng gió mỗi nơi còn thay ñổi theo từng ñịa hình cụ thể và từng thời gian.
Tại nơi dự ñịnh dựng trạm ñiện gió cần ñặt các thiết bị ño gió và ghi lại tổng
lượng gió hàng năm, từ ñó tính ra sản lượng ñiện có thể khai thác, tương ứng
với từng thiết bị ñiện gió. Việc này càng quan trọng hơn khi xây dựng các
trạm công suất lớn hoặc các vùng ñiện gió tập trung.


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………


11

1.2. Tình hình khai thác năng lượng gió trên thế giới
Trong nhiều năm qua, do sự bùng nổ của công nghiệp hoá ở các nước
ñang phát triển ở châu Á, châu Phi và Mỹ La-tinh, nhu cầu dầu lửa của thế
giới ngày càng tăng một cách nhanh chóng. Theo Bộ Năng lượng Mỹ, nhu
cầu sử dụng dầu mỏ của thế giới ñến 2025 sẽ tăng thêm khoảng 35%. ðể ñáp
ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng các quốc gia ñều tập trung nghiên
cứu tìm nguồn năng lượng mới.

Hình 1.5, trình bày công xuất sản xuất từ ñiện gió trên thế giới trong
khoảng thời gian từ 1996 ñến 2008. Theo biểu ñồ này, sự phát triển năng
lượng gió trên thế giới tăng rất nhanh: Năm 2006 là 6100MW, nhưng ñến
năm 2008 là 120791MW. Tổng lượng công xuất sản xuất trên thế giới vào
năm 2009 là 159.2 GW, với 340 TWh năng lượng, xác nhận mức tăng
trưởng 31% mỗi năm, một con số khá lớn giữa lúc nền kinh tế toàn cầu ñang
gặp nhiều khó khăn. Theo thống kê trên thế giới, ðức, Tây Ban Nha, Hoa
Kỳ, ðan Mạch và Ấn ðộ là những quốc gia sử dụng năng lượng gió nhiều
nhất trên thế giới. Chẳng hạn vào năm 2009, ñiện gió chiếm 8% tổng số ñiện
sử dụng tại ðức; trong khi ñó con số này lên ñến 14% ở Ai len và 11% tại
Tây Ban Nha. Hoa Kỳ sản xuất nhiều ñiện gió nhất thế giới với công suất
nhảy vọt từ 6 GW vào năm 2004 lên ñến 35 GW vào 2009 và ñiện gió
chiếm 2.4% tộng số ñiện tiêu dùng. Trung Quốc và Ấn ðộ cũng phát triển
nhanh về nguồn năng lượng sạch này với 22.5 GW (Trung Quốc, 2009) và
10.9 25 GW (Ấn ðộ, 2009)

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………


12

Hình 1.5. Công suất ñiện gió trên thế giới trong thời gian 1996-2008
Trong số 20 thị trường lớn nhất trên thế giới, riêng ở châu Âu ñã có 13
nước với ðức là nước dẫn ñầu về công suất của các nhà máy dùng năng
lượng gió với khoảng cách xa so với các nước còn lại. Tại ðức, ðan Mạch và
Tây Ban Nha, năng lượng gió phát triển liên tục trong nhiều năm qua là nhờ
sự giúp ñỡ của chính phủ sở tại. Nhờ vào ñó mà một ngành công nghiệp mới
ñã phát triển tại 3 quốc gia này. Công nghệ ðức (bên cạnh các phát triển mới
từ ðan Mạch và Tây Ban Nha) ñã ñược sử dụng trên thị trường nhiều hơn
trong những năm vừa qua .
Công suất ñịnh mức của các nhà máy sản xuất ñiện gió vào năm 2007
ñược nâng lên 94.112 MW. Công suất này thay ñổi dựa trên sức gió qua các
năm, các nước, các vùng như chúng ta có thể thấy trong Bảng 1.1
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………


13

Bảng 1.1. Công suất ñịnh mức năng lượng gió của các nước trên thế giới
năm 2007

Số
TT

Quốc gia
Công suất
(MW)
Số
TT
Quốc gia
Công suất
(MW)
1
ðức 22.247
12
Hà Lan 1.746
2
Hoa Kỳ 16.818
13
Nhật 1.538
3
Tây Ban Nha 15.145
14
Áo 982
4
Ấn ðộ 8.000
15
Hy Lạp 871
5
Trung Quốc 6.050
16
Úc 824
6

ðan Mạch 3.125
17
Ai Len 805
7
Ý 2.726
18
Thụy ðiển 788
8
Pháp 2.454
19
Na Uy 333
9
Anh 2.389
20
Niu Di Lân 322
10
Bồ ðào Nha 2.150
21
Những nước khác

2.953
11
Ca na ña 1.846
22
Thế giới 94.112

1.3. Tiềm năng năng lượng gió ở Việt Nam
1.3.1. Tốc ñộ gió, cấp gió.
Một trong các thông số ñặc trưng của gió là tốc ñộ gió, kí hiệu là V,
ñơn vị là m/s hay km/h.

Căn cứ vào tốc ñộ gió người ta chia thành các cấp và bảng cấp gió
ñược sử dụng phổ biến trên thế giới hiện nay là bảng cấp gió Bô-Pho
(Beaufor) với 17 cấp ñược cho ở bảng 1.2 dưới ñây.





Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………


14

Bảng 1.2. Bảng cấp gió Beaufor

Tốc ñộ gió

Cấp gió

m/
s

km/
h

Áp suất gió trung

bình (kg/m2)
ðặc ñiểm của gió

0

0,0 ÷ 0,2

0,0 ÷ 1,0

0,0

Lặng gió
1

0,3 ÷ 1,5

1,0 ÷ 5,0

0,2
Gió êm
2

1,6 ÷ 3,3

6,0 ÷ 11

0,9
Gió nhẹ
3

3,4 ÷ 5,4

12 ÷ 19

2,2
Gió yếu
4

5,5 ÷ 7,9

20 ÷ 28

4,5
Gió vừa
5

8,0 ÷ 10,7

29 ÷ 38

7,8
Gió mát
6

10,8 ÷ 13,8

39 ÷ 49

12,5
Gió hơi mạnh
7

13,9 ÷ 17,1

50 ÷ 61

18,8
Gió mạnh
8

17,2 ÷ 20,7

62 ÷ 74

27,0
Gió rất mạnh
9

20,8 ÷ 24,4

75 ÷ 88

37,5
Gió bão
10

24,5 ÷ 28,4

89 ÷ 102

51,1
Bão
11

28,5 ÷ 32,6

113 ÷ 117

69,4
Bão mạnh
12

32,7 ÷ 36,9

118 ÷ 133

89,0
Bão rất mạnh
13

37,0 ÷ 41,4

134 ÷ 149

109,2

14

41,5 ÷ 46,1

150 ÷ 166

135,8

15

46,2 ÷ 50,9

167 ÷ 183

164,3

16

56,1 ÷ 61,2

202 ÷ 220

245,6


1.3.2. Chế ñộ gió ở Việt Nam
Việt Nam nằm ở khu vực gần xích ñạo trong khoảng 80 ñến 230 vĩ Bắc
thuộc khu vực nhiệt ñới gió mùa.
Gió ở Việt Nam có hai mùa rõ rệt: Gió ðông bắc và gió ðông nam với
tốc ñộ gió trung bình ở vùng ven biển từ 4,5 ñến 6 m/s (ở ñộ cao 10 ñến
12m). Tại

các ñảo xa tốc ñộ gió ñạt 6 ñến 8 m/s. Như vậy tuy không cao bằng
tốc ñộ gió ở các nước Bắc Âu ở vĩ ñộ cao nhưng cũng ñủ lớn ñể sử dụng
ñộng cơ gió có hiệu quả.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

15

Còn ở các vùng ñồng bằng tốc ñộ gió nhỏ hơn 4 m/s, do ñó việc sử
dụng ñộng cơ gió khó ñem lại hiệu quả.
Ở các vùng núi tốc ñộ gió còn thấp hơn trừ một vài vùng núi cao và
những nơi có ñịa thế ñặc biệt tạo ra những hành lang hút gió.
Một ñặc ñiểm nữa của gió ở Việt Nam là hàng năm có nhiều cơn bão mạnh
kèm theo gió giật ñổ bộ vào miền Bắc và miền Trung. Tốc ñộ gió cực ñại ño ñược
trong các cơn bão tại Việt Nam ñạt tới 45 m/s (bão cấp 14). Vì vậy khi nghiên cứu
chế tạo ñộng cơ gió ở Việt Nam phải chú ý ñến chống bão và lốc.
Tiềm năng gió của Việt Nam có thể ñánh giá thông qua các số liệu về
gió của Cục Khí tượng Thuỷ văn ñược cho trong bảng 1.3, số liệu tốc ñộ gió
ở ñộ cao 65 m theo nguồn EVN và WB trong bảng 1.4 và số liệu ño gió ở ñộ
cao 80m như hình 1.6.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………


16

Bảng 1.3. Vận tốc gió của Việt Nam ñược ño ở ñộ cao 10 ñến 12m


Tên


ñịa
phương

Tốc ñộ
trung bình
V
tb
(m/s)

Hệ số
ảnh


năng lượng
K


Mật ñộ công
suất gió (W/m
2
)

Mật ñộ năng


lượng
năm


(E =
kWh/m
2
)

Bãi Cháy
3,3

2,9

6,0

562

Bạch Long Vĩ
7,3

2,2

119

4.487

Bạc Liêu
2,8

3,5

47,7

383,5

Cam Ranh
4,2

2,7

124,3
1065,7
ðảo Cô Tô
4,4

2,9

22,5
1.317,9
ðồng Hới
3,9

3,1

108,6

952

ðảo Phú Quý
6,8

2,1

108
3554,2
ðà Lạt
3

4,5

66,2

580

Hà Nội
2,5

2,5

24,2

212,4

Lai Châu
2,0

3,0

22,5

131,8

Lạng Sơn
2,7

3,6

-

379,2

Nam ðịnh
3,6

2,5

72,0

631

Pha ðin
3,2

3,2

22,5

751,1

Plâyku
3,1

4,1

69,6

610

Phú Quốc
3,7

3,3

97,5

855

Quy nhơn
4,1

3,1

106,6

935

Sóc Trăng
2,7

4,2

49,2

431

Thái Nguyên
2,3

2,5

22,5

154,3

Thanh Hoá
2,6

2,9

29,5

259

Tây Ninh
2,4

2,3

66,2

179,3

Tân Sơn Nhất
3,2

2,9

56,1

492

Trường Sa
6,3

2,1

307,1

2.692

Rạch Giá
3,2

2,8

47,7

476

Văn Lý
4,3

2,3

72,0

933,5

Vũng Tàu
3,9

3,0

101,1

886