LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TUABIN GIÓ

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

NGUYỄN MINH TUẤN

PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TUABIN
GIÓ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT


2

Hà Nội - Năm 2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

NGUYỄN MINH TUẤN

PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TUABIN
GIÓ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 60.52.02.16

3

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - Năm 2015
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

Cán bộ hướng dẫn chính: Đại tá, Tiến sĩ: Nguyễn Ngọc Hòa

Cán bộ chấm phản biện 1: ......................................................


4

Cán bộ chấm phản biện 2: .......................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
Ngày ... tháng ... năm 2015


5

Tôi xin cam đoan:
Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực, của tôi,
không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và pháp luật Việt Nam. Nếu sai tôi hoàn
toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật.

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Minh Tuấn

MỞ ĐẦU
Dân số thế giới tăng với tốc độ chóng mặt và đi kèm theo đó nhu cầu sử
dụng năng lượng của con người tất yếu sẽ tăng cao. Do mức tiêu thụ quá lớn
và tăng quá nhanh nên nguồn năng lượng hiện có ngày càng cạn kiệt.


6

Ở Việt Nam tốc độ tăng trưởng trung bình của sản lượng điện trong 20
năm trở lại đây đạt mức rất cao, khoảng 12-13%/năm, tức là gần gấp đôi tốc
độ tăng trưởng GDP của nền kinh tế. Và theo dự báo của Tổng công ty Điện
lực Việt Nam, nếu tốc độ tăng trưởng GDP trung bình tiếp tục được duy trì ở
mức 7,1%/năm thì nhu cầu điện sản xuất của Việt Nam vào năm 2020 sẽ là
khoảng 200.000 GWh, vào năm 2030 là 327.000 GWh. Trong khi đó, ngay cả
khi huy động tối đa các nguồn điện truyền thống thì sản lượng điện trong
nước của chúng ta cũng chỉ đạt mức tương ứng là 165.000 GWh (năm 2020)
và 208.000 GWh (năm 2030). Điều này nói lên, nền kinh tế sẽ bị thiếu hụt
điện một cách nghiêm trọng và tỷ lệ thiếu hụt có thể lên tới cỡ 30% mỗi năm.
Đứng trước thách thức thiếu hụt điện mà không nằm ngoài xu thế chung
của toàn cầu, chính phủ đã đưa ra nhiều giải pháp như: tăng giá điện (dự kiến
tăng 20%); đảm bảo an ninh năng lượng bằng cách: thứ nhất là mở rộng khai
thác những nguồn năng lượng truyền thống, thứ hai là phát triển các nguồn
năng lượng mới, đặc biệt là các nguồn năng lượng sạch và có khả năng tái
tạo, giải pháp này là quan trọng hơn rất nhiều so với giải pháp đầu.
Một điều đáng lưu ý là trong hàng loạt giải pháp phát triển nguồn điện

để đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế (như nhập khẩu điện, phát triển thủy
điện, hay điện hạt nhân), dường như Việt Nam còn bỏ quên điện sức gió, một
nguồn điện mà trong mấy năm trở lại đây có tốc độ phát triển cao nhất trên thị
trường điện thế giới, hơn nữa giá thành điện gió ngày càng rẻ và rất thân thiện
với môi trường.
Theo số liệu nghiên cứu của tổ chức phát triển năng lượng gió Châu Á,
trên lãnh thổ Việt Nam, các vùng giàu tiềm năng nhất để phát triển năng
lượng gió như là: Sơn Hải (Ninh Thuận), vùng đồi cát ở độ cao 60 - 100m
phía tây Hàm Tiến đến Mũi Né (Bình Thuận) và khu vực Bán đảo Phương
Mai (Bình Định). Trong những tháng có gió mùa, tỷ lệ gió nam và đông nam


7

lên đến 98% với vận tốc trung bình 6 - 7m/s, tức là vận tốc có thể xây dựng
các trạm điện gió công suất 3 - 3,5 MW. Thực tế là người dân khu vực Ninh
Thuận cũng đã tự chế tạo một số máy phát điện gió cỡ nhỏ nhằm mục đích
thắp sáng. Hơn thế nữa tại Ninh Phước-Ninh Thuận đã khởi công xây dựng
giai đoạn 1 với 4 trụ tuabin gió với công suất 6 MW và sẽ thực hiện giai đoạn
2 còn lại với 16 trụ tuabin gió của dự án với tổng công suất là 30 MW. Tại
Bình Định dự án nhà máy phong điện Phương Mai 3 với tổng công suất 21
MW.
Khi các nhà máy phong điện được đưa vào vận hành có hiệu quả thì
công việc “điều khiển” toàn bộ hệ thống hết sức quan trọng, vấn đề là làm sao
đảm bảo chất lượng điện áp, tránh quá tải cơ học và thu nhận công suất một
cách hiệu quả nhất. Các bộ phận như là: hệ thống khí động học, hệ thống cơ,
hệ thống điện, hệ thống điều khiển pitch cũng như bộ phận kết nối lưới phải
được phối kết hợp một cách chặt chẽ, linh hoạt và có độ chính xác cao.
Chính vì vậy luận văn này tập trung vào việc tìm hiểu cấu tạo, phân tích
và mô phỏng các hệ thống điều khiển trạm điện gió. Đây là những kiến thức

làm cơ sở lựa chọn tuabin gió phù hợp với những điều kiện thay đổi của gió,
cũng như áp dụng trong khai thác và vận hành các dự án phát điện sử dụng
năng lượng gió ở Việt Nam.

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ
1.1 Năng lượng gió và sự phát triển của công nghiệp điện gió
1.1.1 Khái niệm về năng lượng gió


8

Tia nắng mặt trời chiếu vào mặt đất thay đổi không đồng đều làm nhiệt
độ trong bầu khí quyển, nước và không khí luôn khác nhau, trái đất luôn quay
trong quỹ đạo xung quanh mặt trời và tự quay quanh trục nên tạo ra mùa,
ngày và đêm. Chính vì sự thay đổi nhiệt độ của khí quyển làm không khí
chuyển động. Sự chuyển động của không khí được gọi là gió. Ngoài ra vào
ban đêm, một nửa bề mặt của trái đất bị che khuất không nhận được tia nắng
mặt trời, nửa bề mặt kia là ban ngày nên cường độ tia nắng cao hơn, thêm vào
đó nhiệt độ ở Bắc bán cầu, Nam bán cầu và đường xích đạo cũng như nhiệt độ
ở biển và trên đất liền luôn khác nhau. Từ sự quay quanh trục của trái đất nên
không khí chuyển động xoáy theo những chiều khác nhau giữa Bắc bán cầu
và Nam bán cầu làm nhiệt độ của khí quyển thay đổi phát sinh những vùng áp
cao và áp thấp.
Năng lượng gió được mô tả như một quá trình, nó được sử dụng để
phát ra năng lượng cơ hoặc điện. Tuabin gió sẽ chuyển đổi động năng của gió
thành năng lượng cơ. Năng lượng cơ này có thể sử dụng cho những công việc
cụ thể như là bơm nước hoặc các máy nghiền ngũ cốc hoặc cho một tổ máy
phát để biến đổi tiếp từ năng lượng cơ thành năng lượng điện.
1.1.2 Quá trình phát triển của công nghiệp điện gió

Quá trình phát triển của việc sử dụng năng lượng gió nhằm sản xuất ra
điện năng như một ngành công nghiệp đã được bắt đầu vào những năm 70 của
thế kỷ 20 với những thí nghiệm đầu tiên. Tuy nhiên sự phát triển bùng nổ của
lĩnh vực này đã diễn ra vào những năm 80. Trong khoảng thời gian này người
ta bắt đầu tài trợ cho những nghiên cứu sử dụng năng lượng gió để tạo ra năng
lượng điện. Về sử dụng năng lượng điện gió đã bắt đầu trước hết ở Đức và
hiện nay là trên phạm vi quốc tế. Dưới tác động của luật cung ứng điện ra đời
vào năm 1991 (ở Đức), cho đến cuối năm 2003 có đến khoảng 2/3 thiết bị sử
dụng năng lượng gió ở Châu Âu được lắp đặt ở Cộng Hòa Liên Bang Đức. Từ


9

thời điểm đó, ở Đức có nhiều thiết bị WEA (Wind Energy Association) với
công suất lắp đặt vào khoảng 20.261 MW. Hiện nay ở Đức năng lượng điện
gió đáp ứng được 5,7% tổng năng lượng tiêu thụ.
1.1.3 Hiện trạng sử dụng điện gió trên thế giới
Thị trường năng lượng điện gió toàn cầu đã và đang được phát triển
nhanh chóng hơn tất cả các năng lượng tái tạo khác. Tổng công suất của toàn
thế giới vào thời điểm năm 1995 khoảng 4800MW và cho đến năm 2005 tăng
gấp hơn 12 lần đạt 59000MW. Thị trường quốc tế ước tính về doanh thu năm
2006 đạt trên 13 tỷ Euro và 18 tỷ Euro vào năm 2007, thu hút khoảng 15000
nhân công trên thế giói. Sự thành công của điện gió đã kéo theo sự quan tâm
của các nhà đầu tư từ các tổ chức tài chính và ngành cung cấp năng lượng
truyền thống
Năm 2005 lĩnh vực điện sử dụng năng lượng gió đã đưa vào sử dụng
các hệ thống với tổng công suất lên đến 11531 MW ở hơn 30 nước, đạt mức
tăng trưởng 40% năm và 24% kể từ khi phát triển. Tính đến năm 2005 tổng
công suất các trạm điện gió trên toàn thế giới đạt khoảng 59084 MW. Năng
lượng gió hiện tại là nguồn cung cấp năng lượng ở hơn 50 nước trên thế giới.

Trong số này quốc gia có công suất lắp đặt điện gió lớn nhất vào năm 2005 là
Đức (18428 MW), xếp sau là Tây Ban Nha (10027 MW), Mỹ (9148 MW),
Ấn Độ (4430 MW) và Đan Mạch (3122 MW).
+ Châu Âu:
Liên minh Châu Âu hiện đang dẫn đầu thế giới về sử dụng năng lượng
gió với công suất lắp đặt 40500 MW tính đến năm 2005 chiếm 69% tổng
năng lượng gió toàn cầu. Mục tiêu tổng thể cho toàn Châu Âu là năng lượng
tái tạo sẽ đóng góp 21% lượng điện năng tiêu thụ. Mục tiêu hiện tại của
EWEA (Cơ quan năng lượng gió Châu Âu ) là đạt công suất điện gió khoảng
75000 MW tại Châu Âu vào năm 2010, 180000 MW vào năm 2020 và


10

300000 MW vào năm 2030. Quốc gia đứng đầu Châu Âu về năng lượng gió
là Đức. Điện gió hiện đáp ứng được 5,7% lượng điện tiêu thụ tại Đức với
công suất lắp đặt lên đến 18428 MW vào cuối năm 2005. Điện gió tại Tây
Ban Nha cũng phát triển mạnh mẽ từ những năm giữa của thập niên 1990.
Năm 2007 một loạt các động cơ gió với công suất 1764 MW đã được đưa vào
sử dụng tăng 20% so với năm 2004.
+ Khu vực Bắc Mỹ:
Năm 2005 gần 1/4 công suất lắp đặt điện gió mới của thế giới tập trung
ở Bắc Mỹ, nâng tổng công suất của khu vực này tăng lên ở mức xếp thứ 37.
Điện sản xuất từ gió tăng lên mạnh mẽ ở cả 2 quốc gia Mỹ và Canada.
Cơ quan năng lượng điện gió Mỹ (Amerrican Wind Energy Association
– AWEA) ước tính điện sản xuất từ gió sẽ đóng góp khoảng 6% vào điện lưới
nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng điện tại Mỹ vào năm 2020. Ở Canada công
suất điện gió của nước này đã tăng một cách ấn tượng đạt 54% trong năm
2005, hiện tại tổng công suất đạt 683 MW.
+ Châu Úc:

Australia rất chú trọng vào tài nguyên gió nên đã tạo ra số lượng trạm
điện gió khổng lồ trên khắp các vùng miền và đặc biệt chiếm ưu thế tại những
vùng trang trại. Tốc độ tăng trưởng của điện gió đã tăng gấp đôi vào năm
2005, với 328 MW bổ sung thêm, đã nâng tổng công suất điện gió lên 708
MW. Cũng trong thời gian này các dự án với công suất lên tới 6000 MW đang
ở trong giai đoạn dự án tiền khả thi. Sự khuyến khích của nhà nước cho năng
lượng gió thông qua “ Mục tiêu cấp bách của năng lượng tái tạo” trong đó nêu
rõ sản lượng điện được sản xuất do năng lượng tái tạo vào năm 2010 phải đạt
9500 GWh, đáp ứng khoảng 1% lượng điện năng tiêu thụ của Australia. Hiệp
hội năng lượng gió của Úc (Wind Energy Association Auswind) đang vận
động tăng lượng đóng góp này lên 10% vào năm 2010. Nền công nghiệp tin


11

tưởng rằng với 600 MW điện gió lắp mới hàng năm thì năng lượng tái tạo của
Úc sẽ phát triển mạnh và duy trì các cơ sở sản xuất động cơ gió.
•

Châu Phi:

Việc phát triển mạnh mẽ tiềm năng gió ở Châu Phi được phân bố chủ
yếu ở hai miền Bắc và Nam do vận tốc gió tại dải nối hai miền rất thấp. Ở
miền Bắc điện gió được phát triển ở Marocco với công suất 64 MW đã được
hoàn thành và theo kế hoạch của quốc gia tính đến 2015 thì sẽ triển khai tiếp
600 MW điện gió nữa. Trong khi đó tại Tunisia đang mong đợi dự án 60 MW
đầu tiên trở thành hiện thực. Trong khu vực này nước đạt thành quả nhất
trong ngành điện gió là Ai Cập. Tại đây một số trang trại điện gió qui mô lớn
đã được xây dựng trên diện tích thiết kế 80 km 2 tại Zafarana thuộc vịnh Suez.
Hầu hết các dự án này được hoàn thành với sự hỗ trợ của các tổ chức cứu trợ

thuộc chính phủ của các nước Châu Âu. Trên vùng diện tích lớn hơn 700 km 2
ở Gabal El-Zayt đã được xác định mốc chỉ giới cho trang trại gió 3000 MW.
Địa điểm này rất thích hợp do tốc độ gió trung bình đạt tới 10,5 m/s. Với tổng
công suất điện gió hiện tại là 145 MW các nhà quản lý năng lượng tái tạo của
Ai Cập đang dự kiến nâng con số này lên 850 MW vào năm 2010 và kỳ vọng
tới giai đoạn 2020 - 2025 sẽ đạt 2750 MW. Ở miền Nam, Nam Phi đã lắp đặt
một trạm nhỏ đầu tiên vào năm 2002 còn các dự án lớn đang chờ sự hậu thuẫn
của thị trường.
•

Châu Á:

Vùng lục địa Châu Á đang phát triển mạnh nguồn điện gió sinh hoạt gia
đình với số thiết bị lắp đặt chiếm tới 19% tổng số động cơ gió năm 2005. Với
tốc độ tăng trưởng hơn 46% đã nâng công suất điện gió của Châu Á đạt gần
7000 MW.
Thị trường điện gió Châu Á tập trung chủ yếu ở Ấn Độ nơi chiếm tới
4430 MW trong đó số động cơ mới lắp đặt khoảng 1430 MW. Con số này đã


12

đẩy Ấn Độ lên vị trí số thứ 4 trong bảng xếp hạng các nước phát triển điện gió
trên thế giới. Tập đoàn sản xuất động cơ gió của Ấn Độ (Indian Wind Tuabin
Manufacturers Association - IWTMA) thông báo trong vòng 3 năm tới mỗi
năm có khoảng 1500 đến 1800 MW động cơ gió đã được đặt hàng. Chính phủ
Ấn Độ đã khuyến khích và hỗ trợ ngành năng lượng gió thông qua việc miễn
giảm thuế. Viện nghiên cứu khí tượng Trung Quốc (Chinese Meteorology
Reseach Institute) ước tính tiềm năng xây dựng các trạm điện gió trong đất
liền của Trung Quốc có thể đạt khoảng 253 GW và trong tương lai hơn 750

GW sẽ được triển khai trong các dự án ngoài khơi. Trang trại điện gió đầu
tiên của Trung Quốc được hoàn thành năm 1986 dưới dạng một dự án trình
diễn. Nhưng chỉ đến cuối năm 2005 tổng số động cơ gió được lắp đặt tại lục
địa Trung Quốc đã lên đến 1260 MW thể hiện tốc độ tăng trưởng đạt đến
60%. Cho đến nay những chính sách của chính phủ Trung Quốc đang khuyến
khích địa phương hóa các nhà máy sản xuất động cơ gió, nhờ đó giảm được
chi phí giúp cho điện gió có thể cạnh tranh với các nhà máy phát điện sử dụng
nhiên liệu hóa thạch. Ngành công nghiệp phát điện của Trung Quốc hiện đang
bị thống trị bởi các nhà máy nhiệt điện từ than đá, đây là nguyên nhân của các
vấn nạn ô nhiễm không khí và môi trường. Để phát triển nền công nghiệp sản
xuất động cơ gió của bản địa, Ủy ban cải cách và phát triển quốc gia (National
Development and Reform Commission - NDRC) đã quảng bá cho ý tưởng
“Giảm giá thành cho năng lượng gió” (Wind Power Concessions) để phát
triển thương mại rộng rãi. Mục tiêu hiện tại của Trung Quốc là đến cuối năm
2010 điện sản xuất từ gió đạt được 5000 MW. Trong một kế hoạch dài hạn
đến năm 2020 chính phủ Trung Quốc đã đề xuất nâng tổng công suất điện gió
lên 30GW, đưa lượng điện năng được sản suất từ năng lượng gió chiếm
khoảng 1,5% tổng sản lượng điện quốc gia.


13

Ngành công nghiệp điện gió của Nhật Bản cũng đang rất phát triển. Với
chính sách ưu đãi về giá cho các sản phẩm từ dự án năng lượng tái tạo và
những quỹ trợ cấp dành cho các dự án năng lượng sạch. Chính sách này đã
tạo đà tăng số trạm điện gió được lắp đặt tại Nhật Bản từ 461 MW vào thời
điểm cuối năm 2002 lên hơn 1000 MW tính đến tháng ba năm 2006. Mục tiêu
đặt ra của bộ máy chính phủ là nâng công suất điện gió của Nhật Bản lên
3000 MW vào năm 2015. Một trong các yếu tố cản trở kỳ vọng này là sự ràng
buộc lỏng lẻo khi đặt ra mục tiêu của RPS và những khó khăn không lường

trước khi thực hiện các dự án gió do điều kiện khí hậu biến động và không ổn
định đặc biệt tại những vùng núi.
Hàn Quốc và Đài Loan cũng bắt đầu phát triển mạnh từ năm 2005 với
gần 100 MW động cơ gió được lắp đặt hàng năm. Philippin được đánh giá có
tiềm năng gió tốt nhất trong vùng Nam Á, tuy vậy tính đến tháng 12 năm
2005 mới chỉ có một trang trại điện gió 25 MW được hoàn thành tại đây.
Chính phủ Philippin đang đặt mục tiêu đạt công suất tối thiểu 417 MW điện
gió trong mười năm tới, cùng lúc phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc
gia của Mỹ có cơ sở tại đây dự báo tiềm năng điện gió của nước này có thể
lên tới 70000 MW cung cấp sản lượng điện hàng năm hơn 195 tỷ kWh.
•

Điện gió ngoài khơi:

Khả năng cố định được các động cơ gió xuống nền đáy biển đã mở ra
một kỷ nguyên mới cho năng lượng gió, đặc biệt tại Bắc Âu nơi các dự án lớn
sẽ thuận lợi hơn khi được xây dựng tại các vùng nước nông ven biển. Trang
trại điện gió ngoài khơi đầu tiên được xây dựng tại Đan Mạch. Tại đây đã
hoàn thành 160 MW trại điện gió tại Horns Rev ở Biển Bắc và 158 MW tại
Nysted thuộc biển Bantic. Hai dự án lớn hơn cũng đang được triển khai ở đây.
Anh cũng nằm trong các nước dẫn đầu của phong trào điện gió ngoài
khơi với tổng công suất 214 MW được tiến hành ở bốn địa điểm và trong


14

tương lai hơn 1000 MW đã được thỏa thuận xây dựng tại 8 địa điểm khác.
Một dự án đặc biệt (mỗi trang trại gió hơn 1000 MW) theo kế hoạch được đặt
tại 3 vị trí chiến lượt ngoài khơi do chính phủ Anh chỉ định. Một số trang trại
điện gió xa bờ khác được xây dựng xung quanh bờ biển Thụy Điển và Ireland

với công suất lên đến 680 MW vào cuối năm 2015. Các dự án trong tương lai
đã lên kế hoạch hoặc đang triển khai tại vùng bờ biển Hà Lan, Bỉ, Pháp và
Tây Ban Nha. Ở Mỹ những trại điện gió xa bờ được tiến hành tại ven Biển
phía Nam bang Texas thuộc vịnh Mexico. Quá trình thi công các động cơ gió
ngoài khơi thì tốn kém hơn so với dự toán, do vậy một số các dự án vẫn dang
dở vì cần đánh giá lại tính toán kinh tế của nó. Một yếu tố được kỳ vọng để
xây dựng trang trại điện gió xa bờ đó là sự phát triển thương mại của các động
cơ gió thế hệ mới (công suất lớn hơn 5 MW). Một vấn đề khác đã được giải
quyết đó là chi phí xây dựng mạng lưới truyền tải điện từ ngoài khơi vào đất
liền sẽ được chia sẻ giữa đơn vị triển khai và vùng công nghiệp sẽ sử dụng
năng lượng điện gió.
1.1.4 Tình hình sử dụng năng lượng gió ở Việt Nam
Ở nước ta hiện nay các máy phát điện sử dụng sức gió đang còn dừng
lại ở dạng nghiên cứu hay chỉ ở công suất nhỏ lẻ phục vụ ở miền vùng núi xa
xôi hải đảo … Nhưng đứng trước tình hình khan hiếm nguồn năng lượng,
cộng với tiềm năng to lớn về năng lượng gió – đất nước có đường bờ biển dài,
lượng gió đều quanh năm …Thì vấn đề phát triển các hệ thống máy phát điện
sử dụng sức gió đóng vai trò hết sức quan trọng trong cung cấp điện. Qua kết
quả khảo sát thực tế và số liệu từ các trạm Quan trắc khí tượng quốc gia và
địa phương đã thống kê được tiềm năng gió ở một số vùng miền trên cả nước
(xem bảng 1.1).
Bảng 1.1: Tiềm năng gió ở một số vùng miền trên cả nước
TT

Khu vực, địa phương

Vận tốc gió trung bình m/s Ghi chú


15

1

Móng Cái

3,6

2

Than Uyên

2,3

3

Hà Nội

3,2

4

Bãi Cháy

4,1

5

Nam Định

4,6

6

Phú Liên

5,2

7

Thanh Hóa

3,3

8

Bạch Long Vĩ

9,5

9

Vinh

3,7

10

Kỳ Anh

4,,6

11

Quảng Bình

5,0

12

Của Tùng

4,,1

13

Đông Hà

4,1

14

Huế

3,1

15

Đà Nẵng

2,4

16

Quảng Nam

3,2

17

Cù Lao Chàm

5,5

18

Quảng Ngãi

3,1

19

Plây Cu

4,0

20

Qui Nhơn

5,2

21

Tuy Hòa

4,0

22

Buôn Ma Thuột

4,3

23

Liên Khương

4,6

24

Nha Trang

3,1


16

25

Phan Thiết

4,7

26

Vũng Tàu

4,7

27

Tân Sơn Nhất

4,1

28

Phú Quốc

4,6

29

Cao Lãnh

2,8

30

Trường Sa

7,9

1.1.5 Các nghiên cứu và ứng dụng năng lượng gió ở Việt Nam
Việc nghiên cứu và ứng dụng năng lượng gió ở Việt Nam đã bắt đầu
vào những năm 1970 với sự tham gia của nhiều cơ quan. Từ năm 1984 với sự
tham gia của chương trình “Tiến bộ khoa học kỹ thuật nhà nước” về Năng
lượng mới và tái tạo đã có một số kết quả về động cơ phát điện chạy bằng sức
gió sau:
+ Máy phát điện PD170-6, công suất 120 W nạp ắcquy của trường Đại
học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh.
+ Máy phát điện PH500, công suất 500 W của trường Đại học bách
khoa Hà Nội.
+ Máy WINDCHARGER, công suất 200 W nạp ắcquy (theo thiết kế
của Mỹ) do một số cơ quan cải tiến thiết kế và chế tạo.
+ Máy phát điện gió công suất 150 W của Trung tâm nghiên cứu
SOLALAB Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh
1.1.6 Một số mô hình phát điện gió ở Việt Nam
Các máy phát điện sức gió công suất cực nhỏ được sử dụng chủ yếu cho
mục đích thắp sáng gia đình, chạy máy thu thanh, thu hình…
Do đặc điểm gió không liên tục nên máy phát điện gió thường được
dùng để nạp điện cho ắcquy, rồi thông qua bộ rung biến đổi điện một chiều


17

12V hoặc 24V thành điện xoay chiều 220V hoặc sử dụng liên hợp cùng với
các thiết bị phát điện khác như Pin Mặt trời hoặc máy phát điện Điêzen.
•

Mô hình phát điện gió cho hộ gia đình:

Mô hình này sử dụng kết hợp máy phát gió công suất 150 - 300 W cùng
với dàn năng lượng Mặt trời. Điện phát ra được tích vào ắcquy sau đó thông
qua bộ rung biến đổi điện một chiều 12V hoặc 24V thành điện xoay chiều
220V để thắp sáng, chạy máy thu thanh, thu hình và chạy quạt công suất nhỏ.

Hình 1.1: Mô hình phát điện gió cho hộ gia đình
•

Mô hình phát điện gió cho cụm dân cư:

Sử dụng kết hợp máy phát gió công suất vài kW cùng với máy phát
điện Điêzen. Điện phát ra được phát lên lưới 220V cấp điện cho các hộ gia
đình. Nếu dùng với dàn năng lượng Mặt trời cần có hệ thống nạp ắcquy và hệ
thống rung để biến đổi điện một chiều thành điện xoay chiều.


18

Phụ tải
Dàn Pin mặt trời
Đồng hồ đo điện năng

Động cơ gió phát điện

Kho ắc qui

Hình 1.2: Mô hình phát điện gió cho cụm dân cư

+ Mô hình phát điện gió công nghiệp (công suất lớn):

Hình 1.3: Mô hình phát điện gió công nghiệp
Cho tới nay nước ta mới xây dựng được hệ thống phát điện gió-điêzen
tại huyện đảo Bạch Long Vĩ để cung cấp điện cho cư dân trên đảo.


19

Đây là trạm điện gió lớn nhất được xây dựng ở nước ta cho tới thời
điểm hiện tại.
+ Công suất máy phát điện gió 800 kW.
+ Công suất máy phát điezen (2 chiếc) 2 x 400 kWA.
+ Lưới điện 10kV ngầm.
+ Đầu tư 813 000 USD (không kể phần lưới điện).
+ Giá bán điện 1200 - 3000 VNĐ/kWh.
Hiện tại hệ thống vẫn đang hoạt động bình thường. Tuy nhiên, do còn
thiếu kinh nghiệm trong khai thác vận hành nên hệ thống máy phát điện này
chưa phát huy hết hiệu quả của nó.
Cùng với sự phát triển của nền kinh tế, nhu cầu cung cấp điện năng
ngày càng lớn. Và điện gió đang được kỳ vọng như là một trong những nguồn
điện của tương lai, xếp hàng sau điện hạt nhân nhưng đứng trước các nguồn
điện dùng năng lượng tái tạo như điện mặt trời, điện sinh khối v.v...
Việt Nam đã đưa ra mục tiêu nâng tổng công suất nguồn điện gió từ
mức không đáng kể hiện nay lên khoảng 1.000 MW (tương đương công suất 1
lò phản ứng hạt nhân) vào năm 2020, và khoảng 6.200 MW (tương đương
công suất 6 lò phản ứng hạt nhân) vào năm 2030; tức điện năng sản xuất từ
nguồn điện gió sẽ chiếm tỷ trọng từ 0,7% năm 2020 lên 2,4% vào năm 2030.
1.1.7 Hiện trạng công nghệ năng lượng gió ở Việt Nam
Lĩnh vực năng lượng gió ở nước ta chưa phát triển, có thể nói đang ở

giai đoạn nghiên cứu ứng dụng.
Chưa có đầy đủ số liệu về tiềm năng gió, nhất là trên độ cao lớn hơn
12m.


20

Các động cơ gió nhập của nước ngoài công suất cực nhỏ (< 1 - 5 kW),
thường thiết kế với vận tốc gió trung bình 8 - 9m/s. Các động cơ gió có công
suất lớn (vài trăm đến 1000 kW) thường thiết kế với vận tốc gió trung bình 12
- 13m/s, còn các động cơ gió công suất lớn thường lắp đặt trên độ cao 50m trở
lên. Vì vậy các động cơ gió của nước ngoài nhập vào Việt Nam làm việc
không hiệu quả, bởi vì ở độ cao này vận tốc gió trung bình lớn nhất ở nước ta
cũng chỉ đạt được trong khoảng 7,3 - 9,7 m/s (tốc độ gió đo được ở Đảo Bạch
Long Vĩ).
Thực tế chỉ mới lắp đặt được khoảng 1.500 động cơ gió mà chủ yếu cỡ
công suất nhỏ hơn 150 W.
Động cơ gió công suất 150 W là mẫu hoàn thiện và đang được ứng
dụng nhiều nhất cho một số hộ gia đình ở vùng có vận tốc gió trung bình Vtb >
4 m/s. Chất lượng loại này còn chưa ổn định do chế tạo đơn chiếc, nhiều công
đoạn thủ công. Giá thành 4 - 4,5 triệu đồng, vận hành đơn giản, tuổi thọ
khoảng 10 năm.
Động cơ gió công suất lớn hơn 500 W chỉ được chế tạo thử với số
lượng không đáng kể. Chất lượng chế tạo chưa cao, không có phương tiện thử
khí động học để xác định đặc tính của động cơ gió. Hệ thống điện của thiết bị
nói chung chưa hoàn thiện.
Động cơ gió nhập ngoại công suất 200 - 500 W (Úc, Mỹ, Trung
Quốc…) trọn bộ, chất lượng tốt nhưng số lượng chưa đáng kể:
-

West Wind 1,8 kW đang hoạt động tốt tại Kon Tum.
Động cơ gió 800 kW (Tây Ban Nha) tại Đảo Bạch Long Vĩ đang vận hành.


21

Hình 1.4: Động cơ gió có công suất nhỏ hơn 150W
-

Động cơ gió 300 kW (Nhật Bản) tại Hải Hậu - Nam Định, đây là trạm năng
lượng hỗn hợp thử nghiệm.

Hình 1.5: Động cơ gió có công suất 500W nhập ngoại
Đó là các động cơ gió hiện đại được chế tạo công nghiệp từ các nước
tiên tiến nhưng hiệu quả thì cần phải có thời gian theo dõi để xem xét có phù
hợp với chế độ gió và các điều kiện thời tiết ở Việt Nam hay không.
Hiện tại ở Việt Nam có nhiều dự án phát điện chạy bằng sức gió nối với
lưới điện Quốc gia, nhưng mới chỉ dùng lại ở giai đoạn báo cáo khả thi. Bởi
vì các số liệu về gió chưa có đủ độ tin cậy, không có đủ các chính sách và các


22

qui định về mua bán điện gió, ít có các nhà kinh doanh dám mạo hiểm đầu tư
vào lĩnh vực này.
1.2 Kết cấu cơ bản của một tuabin điện sức gió
Ta có thể mô tả sơ bộ các thành phần chính của một tuabin gió như trên
hình 1.6 sau đây.

Hình 1.6: Kết cấu cơ bản của trạm điện gió

1.2.1 Rôto
+ Khái quát chung:
Hiện nay ở Châu Âu sử dụng chủ yếu các loại thiết bị WEA với rôto có
3 cánh quạt. Điều này có thể giải thích như sau:
- Hiệu suất tác động (tỉ số giữa công suất hữu ích có thể sử dụng được
với công suất chi phí) tốt nhất có thể đạt được nhờ vào tốc độ quay nhanh so
với tốc độ quay chậm.
- Về mặt lý thuyết thì hiệu suất tác động tăng lên cùng với số cánh quạt.
Nếu như tăng số cánh quạt từ 2 lên 3 thì hiệu suất tác động tăng lên 3 đến 4%.


23

- Chi phí cho cánh quạt là một trong những yếu tố quyết định liên quan
đến chi phí đầu tư và chi phí vận hành. Đối với các thiết bị WEA có 3 cánh
quạt thì chi phí đầu tư cho cánh quạt chiếm vào khoảng 20 đến 30% chi phí
toàn bộ thiết bị. Vì vậy các thiết bị WEA 3 cánh quạt là sự kết nối ưu tiên nhờ
có hiệu suất tác động và chi phí hợp lý.
- Đối với các đặc tính về tải cũng như động học của các thiết bị WEA có
3 cánh quạt thì có thể sễ dàng nhận thấy rằng ở 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 rôto.
+ Cánh quạt:
Cánh quạt của một thiết bị WEA có công suất từ 2,0 đến 3,0 MW thường
có chiều dài từ 40 – 70m. Những cánh quạt này ở mỗi vòng quay sẽ chịu
những tải trọng rất khác nhau, nó phụ thuộc vào vận tốc gió. Đối với một thiết
bị WEA có chiều cao trục quay là 125m, đường kính rôto khoảng 90m thì vận
tốc gió ở các đỉnh cánh quạt phía trên có thể đạt đến 7,6 đến 7,8m/s. Do công
suất tỉ lệ với lập phương vận tốc gió nên phần công suất ứng với các đỉnh
cánh quạt phía trên là 650 kW trong khi phần công suất ứng với các đỉnh cánh

quạt phía dưới là 220 kW.


24

Cánh quạt được cấu tạo từ 2 phần khung là phần hút và phần đẩy. Những
phần này được kết nối với nhau thông qua các thanh nối. Các phần khung này
được tăng cường bởi các sợi thủy tinh hay sợi cácbon ở nhiều vị trí và được
phủ bởi Polyester hoặc nhựa Eboxy.
1.2.2 Bộ phận truyền lực
+ Khái quát chung:
Hầu hết tất cả các nhà sản xuất thiết bị WEA đều sử dụng một hộp số để
có thể chuyển đổi chuyển động quay chậm với mômen quay lớn của rôto
thành chuyển động quay với tốc độ cao của máy phát.
Các thiết bị WEA cỡ lớn (2,0 đến 3,0 MW) có tốc độ vòng quay của rôto
vào khoảng 20 vòng/phút. Trong khi đó số vòng quay của máy phát 100 –
1500 vòng/phút.
Bộ phận truyền lực bao gồm các bộ phận sau:
-

Hộp số

-

Khớp nối

-

Phanh

-

Trục quay nhanh kết nối giữa hộp số và máy phát

-

Máy phát

+ Hộp số:
Trong lĩnh vực máy phát điện sử dụng năng lượng gió, người ta thường
dùng hai loại hộp số sau:
- Hộp

số bánh răng trụ tròn

Ở hộp số kiểu này thì một bánh răng lớn được lắp với một trục quay
chậm dẫn động sẽ dẫn động một bánh răng nhỏ lắp với trục quay nhanh. Tỷ
số truyền động của cặp bánh răng ăn khớp ở đây nhỏ hơn 1:5.
- Hộp

số kiểu hành tinh.


25

Hộp số kiểu hành tinh có cấu tạo từ 3 loại bánh răng khác nhau. Một
bánh răng có răng phía trong được gắn với trục quay chậm và tạo thành khung
bên ngoài. Ở trung tâm là một bánh răng nhỏ đóng vai trò như một “hành
tinh” trong hệ mặt trời, bánh răng nhỏ này được nối với trục quay nhanh.
Bánh răng có răng phía trong và bánh răng nhỏ trung tâm được nối kết với

nhau thông qua rất nhiều bánh răng vệ tinh. Do vậy tỉ số truyền có thể đạt tới
1:12.

Do trong thực tế cần phải có tỉ số truyền giữa trục quay chậm và trục quay
nhanh lên đến 1:100 nên hộp số sẽ có cấu tạo từ nhiều cấp truyền khác nhau.
Ở những cấp truyền này sẽ sử dụng cấp truyền bánh răng trụ cũng như cấp
truyền kiểu hành tinh.
+ Trục quay chậm:
Trục quay chậm làm nhiệm vụ truyền chuyển động quay của rôto vào
hộp số.