Đánh giá khả năng sử dụng năng lượng gió để phát điện so với nhiệt điện chạy than của các tỉnh miền trung

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
------------------------------------

PHAN PHÚC ÁNH

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG
GIÓ ĐỂ PHÁT ĐIỆN SO VỚI NHIỆT ĐIỆN
CHẠY THAN CỦA CÁC TỈNH MIỀN TRUNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện – Hệ thống Điện

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS, TS. Nguyễn Lân Tráng
Hà Nội - năm 2013


LỜI CAM ĐOAN
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

Phan Phúc Ánh

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU ................................................................................. 1
1.1.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................. 1

1.1.1. Tính cấp thiết của đề tài ..................................................................... 1
1.1.2. Ý nghĩa khoa học ............................................................................... 2
1.1.3. Đối tượng nghiên cứu ........................................................................ 2
1.1.4. Phạm vi nghiên cứu............................................................................ 2
1.1.5. Tính thực tiễn ..................................................................................... 2
1.2. Mục đích của đề tài ................................................................................ 2
1.3. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................... 4
1.4. Nội dung nghiên cứu ............................................................................. 4
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ ................................. 5
2.1. Khái quát về năng lượng gió .................................................................... 5
2.1.1. Khái niệm năng lượng gió .................................................................... 5
2.1.2. Sự hình thành năng lượng gió ............................................................... 5
2.1.3. Vật lý học về năng lượng gió ................................................................ 5
Năng lượng gió là động năng của không khí chuyển động với vận tốc v. Khối
lượng đi qua một mặt phẳng hình tròn vuông góc với chiều gió trong thời gian
t là: ................................................................................................................. 5
2.1.4. Sử dụng năng lượng gió ........................................................................ 6
2.2. Kết cấu tua bin gió................................................................................... 8
2.2.1. Mô hình tham khảo của một hệ thống máy phát sức gió ....................... 8
2.2.2 Khái niệm động lực học của các tua bin gió ........................................... 9

2.2.3 Nguyên lý làm việc của một tua bin gió ............................................... 16


2. 2.4 Những căn cứ lựa chọn tua bin gió của nhà máy ................................. 17
2.2. Hiện trạng các nhà máy điện gió trên Thế giới ...................................... 21
2.2.1. Tình hình phát triển chung .................................................................. 21
2.2.2. Hiện trạng sử dụng năng lượng gió tại Châu Âu ................................. 24
2.2.3. Hiện trạng sử dụng năng lượng gió tại Châu Á ................................... 26
CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG GIÓ CỦA CÁC TỈNH MIỀN
TRUNG VIỆT NAM .................................................................................... 29
3.1. Sơ bộ về đặc điểm tự nhiên khu vực ...................................................... 29
3.1.1. Vị trí địa lý ......................................................................................... 29
3.1.2. Đặc điểm khí hậu thời tiết ................................................................... 30
3.1.3. Đánh giá các vùng gió tiềm năng ........................................................ 30
3.2. Hiện trạng nguồn và lưới điện khu vực .................................................. 34
3.2.1. Cơ cấu phụ tải của HTĐ miền Trung .................................................. 34
3.2.2. Hiện trạng nguồn của HTĐ miền Trung ............................................. 35
3.2.3. Hiện trạng lưới của HTĐ miền Trung ................................................. 37
3.2.4. Cơ cấu tiêu thụ điện miền Trung giai đoạn 2005-2025 ....................... 39
CHƯƠNG 4: SO SÁNH VỀ MẶT KINH TẾ, KỸ THUẬT VÀ XÃ HỘI
GIỮA CÁC NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN VỚI NHÀ MÁY ĐIỆN GIÓ .......... 41
Ở KHU VỰC MIỀN TRUNG VIỆT NAM .................................................. 41
4.1. Phân tích các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và xã hội của nhà máy điện gió . 41
4.1.1. Chỉ tiêu kinh tế ................................................................................... 41
4.1.2. Chỉ tiêu kỹ thuật ................................................................................ 50
4.1.3. Chỉ tiêu xã hội .................................................................................... 51
4.2. Phân tích các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và xã hội của nhà máy nhiệt điện
chạy than ...................................................................................................... 54
4.2.1. Chỉ tiêu kinh tế .................................................................................. 54
4.2.2. Chỉ tiêu kỹ thuật ................................................................................. 56

4.2.3. Chỉ tiêu xã hội .................................................................................... 60
4.3. Ứng dụng phần mềm phân tích dự án năng lượng sạch RETSCREEN
phân tích các chỉ tiêu kinh tế tài chính, kỹ thuật của nhà máy điện gió để so
sánh với nhà máy nhiệt điện ......................................................................... 66
4.3.1 Giới thiệu chung về phần mềm RETScreen ........................................ 66
4.3.2 Quy trình 5 bước của RETScreen ....................................................... 74
4.3.3 Sử dụng phần mềm RETScreen để đánh giá điện gió ở Cam Ranh Khánh Hòa ................................................................................................... 79
4.4. Phân tích độ nhạy và rủi ro ................................................................. 101
4.4.1. Phân tích độ nhạy ............................................................................ 101
4.5. So sánh về mặt kinh tế, kỹ thuật và xã hội 2 dự án điện gió và nhiệt điện
với công suất 30MW .................................................................................. 105
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 110


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Một số thông khí thải của nhà máy Nhiệt điện................................. 3
Bảng 2.1: Đặc tính kỹ thuật tua bin loại công suất 1.500 kW ....................... 20
Bảng 2.2 Sự phân bổ công suất điện gió trên các lục địa .............................. 22
Bảng 3.8 Thông số đánh giá tiềm năng năng lượng gió ................................ 32
Bảng 3.9 Vị trí tiềm năng tốt để phát triển điện gió quy mô công nghiệp tại
duyên hải miền Trung Việt Nam .................................................................. 33
Bảng 3.1: Cơ cấu phụ tải của HTĐ miền Trung ............................................ 34
Bảng 3.2: Tình hình phụ tải HTĐ miền Trung (tháng 9/2007) ...................... 34
Bảng 3.3: Hệ số phụ tải HTĐ miền Trung năm 2006 .................................... 35
Bảng 3.4: Thông số các nhà máy thuộc EVN ............................................... 36
Bảng 3.5: Thông số các nhà máy ngoài ngành .............................................. 36
Bảng 3.6: Cơ cấu nguồn của HTĐ miền Trung hiện tại ............................... 37

Bảng 3.7 Bảng cơ cấu tiêu thụ điện miền Trung giai đoạn 2005 –2025 ........ 39
Bảng 4.1 Số liệu tốc độ gió trung bình từng tháng, cả năm của dự án ........... 42
Bảng 4.2 Bảng kết quả tính toán sản lượng điện của dự án (20 tua bin) ........ 43
Bảng 4.3 Tổng hợp mức đầu tư của nhà máy điện gió 30MW ...................... 44
Bảng 4.4 Hệ số phát thải trung bình biên vận hành ....................................... 47
Bảng 4.5 Hệ số phát thải trung bình biên xây dựng ...................................... 48
Bảng 4.6 Bảng các chỉ tiêu kinh tế chính của dự án điện gió ........................ 49
Bảng 4.7 Biên chế lao động của dự án .......................................................... 50
Bảng 4.8 Bảng mô tả mức độ dB(A) theo lý thuyết với các nguồn âm thanh điểm
..................................................................................................................... 53
Bảng 4.9 Bảng dự trù nhu cầu ngoại tệ và nội tệ cho dự án Error! Bookmark
not defined.
Bảng 4.10 Bảng tổng hợp mức đầu tư của dự án .......................................... 55
Bảng 4.11 Bảng các chỉ tiêu kinh tế chính của dự án nhiệt điện ................... 56
Bảng 4.12 Biên chế lao động của dự án ........................................................ 59
\Bảng 4.14 Bảng tổng hợp các chỉ tiêu cơ bản của 2 dự án điện gió và nhiệt
điện 30MW ................................................................................................ 105


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ

Hình 2-1: Hệ thống biến đổi năng lượng gió .................................................. 8
Hình 2-2: Gió mặt và gió lưng ...................................................................... 10
Hình 2-3: Cánh của tua bin gió ..................................................................... 11
Hình 2-4: Hệ số công suất của tua bin gió theo Vwo/Vw ............................. 13
Hình 2-5: Hệ số công suất tối ưu của tua bin gió .......................................... 14
Hình 2-6: Công suất của tua bin gió theo tốc độ roto ở các tốc độ gió khác
nhau ............................................................................................................. 16
Hình 2-7: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của một tuabin gió ............................. 16
Hình 2-8: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của nhiều tuabin gió .......................... 17

Hình 2-9 Một số hình ảnh tiêu biểu của tua bin gió ...................................... 21
Hình 2-10 Tăng trưởng sản lượng điện gió thế giới năm 1999-2004............. 23
Hình 2-11 Nhóm 10 nước dẫn đầu về công suất điện gió năm 2004 ............. 23
Hình 2-12 Xây dựng các trạm điện gió tại khu vực tự trị Nội Mông ............. 27
Hình 2-13 Trạm điện gió tại Philippines ....................................................... 27
Hình 3-1 Đồ thị phụ tải của HTĐ miền Trung điển hình trong 2 mùa ........... 35
Hình 1: Phần khai báo thông tin dự án .......................................................... 82
Hình 2: Dữ liệu gió....................................................................................... 82
Hình 3: Đánh giá tài nguyên gió ................................................................... 83
Hình 4: Chọn turbin gió từ cơ sở dữ liệu của phần mềm ............................... 84
Hình 5: Số liệu về turbin được lựa chọn ....................................................... 84
Hình 6: Dữ liệu đường con nguồn điện và năng lượng turbin ....................... 85
Hình 8: Thôn tin về thất thoát và tính sẵn sàng của turbin ............................ 86
Hình 9: Dữ liệu mỗi turbin ........................................................................... 87
Hình 10: Hệ số công suất và sản lượng của mô hình .................................... 87
Hình 11: Mô hình hệ thống năng lượng ........................................................ 88


Hình 12: Chi phí đầu tư ban đầu ................................................................... 89
Hình 13: Chi phí hàng năng và định kỳ ........................................................ 89
Hình 14: Phát thải nhà kính trường hợp sản xuất điện bằng Than ................. 90
Hình 15: Phát thải nhà kính dự án năng lượng gió ........................................ 90
Hình 16: Các tham số tài chính..................................................................... 91
Hình 17: Thu nhập hàng năm của dự án ....................................................... 91
Hình 18: Phân tích tài chính của dự án khi không có hỗ trợ .......................... 92
Hình 19: Phân tích tài chính của dự án khi không có hỗ trợ .......................... 93
Hình 20: Phân tích tài chính của dự án khi có hỗ trợ phát thải CO2.............. 94
Hình 21: Giá điện được trợ cấp ở mức giá 100USD/MWh ........................... 95
Hình 22: Phân tích tài chính khi có hỗ trợ phát thải CO2 và trợ cấp giá ....... 95
Hình 23: Phân tích tài chính có hỗ trợ phát thải CO2, trợ cấp giá thêm ưu đãi

lãi suất tiền vay ............................................................................................ 96
Hình 24: Phân tích tài chính có hỗ trợ phát thải CO2, trợ cấp giá, ưu đãi lãi
suất tiền vay thêm khuyến khích và trợ cấp .................................................. 97


CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1.1.1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay cùng với sự phát triển công nghiệp và sự hiện đại hoá thì nhu cầu
năng lượng cũng rất cần thiết cho sự phát triển của đất nước. Vấn đề đặt ra là phát
triển nguồn năng lượng sao cho phù hợp mà không ảnh hưởng tới môi trường và
cảnh quang thiên nhiên. Trong khi đó, các nguồn năng lượng như than đá, dầu mỏ,
khí đốt ngày càng cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường và là nguyên nhân gây ra
hiệu ứng nhà kính. Để giảm những vấn đề trên ta phải tìm nguồn năng lượng tái tạo,
năng lượng sạch để thay thế hiệu quả, giảm nhẹ tác động của năng lượng đến tình
hình kinh tế an ninh chính trị quốc gia. Nhận thấy được tầm quan trọng của vấn đề
về năng lượng để phát triển. Việt Nam có các quan điểm về chính sách sử dụng
năng lượng hiệu quả nguồn năng lượng tái sinh trong đó có năng lượng gió. Năng
lượng gió là nguồn năng lượng tự nhiên dồi dào và phong phú, được ưu tiên được
đầu tư và phát triển ở Việt Nam. Nhiều dự án công trình đã được khởi công và xây
dựng với quy mô vừa và nhỏ tiêu biểu là điện gió ở bán đảo Bạch Long Vĩ có công
suất khoản 800Kw và công trình phong điện Phương Mai III ở tỉnh Bình Định đang
được xây dựng. Năng lượng điện gió là nguồn năng lượng sạch và có tìm năng rất
lớn. Nhà máy điện gió đầu tiên được xây dựng đầu tiên ở vùng nông thôn Mỹ vào
năm 1890. Ngày nay công nghệ điện gió phát triển mạnh và có sự cạnh tranh lớn,
với tốc độ phát triển như hiện nay thì không bao lâu nữa năng lượng điện sẽ chiếm
phần lớn trong thị trường năng lượng của Việt Nam nói chung và các tỉnh miền

Trung nói riêng có nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng, nguồn năng lượng
truyền thống dần dần không đáp ứng đủ nhu cầu sử dụng năng lượng của vùng. Do
vậy tôi chọn đề tài “ Đánh giá khả năng sử dụng năng lượng gió để phát điện so
với nhiệt điện chạy than của các tỉnh miền Trung” với mục đích góp phần vào
chiến lược phát triển năng lượng chung của các tỉnh miền Trung và cả nước. Ngoài
ra đề tài còn chỉ ra được tính ưu việt của nhà máy điện gió so với nhà máy nhiệt
điện chạy than cùng công suất về các mặt kinh tế, kỹ thuật và xã hội tại một số vị trí

1


tiềm năng của miền Trung nhằm đa dạng hoá các nguồn cung cấp và mang khả thi
cho phương án xây dựng nguồn năng lượng mới này.
1.1.2. Ý nghĩa khoa học
-

Đưa ra các biện pháp chính sách đồng bộ nhằm nghiên cứu, thúc đẩy

phát triển bền vững các nguồn cung cấp năng lượng tái tạo, góp phần đảm bảo an ninh
năng lượng, đảm bảo sự phát triển bền vững của các tỉnh miền trung và cả nước .
-

Tạo tiền đề cho các nghiên cứu khoa học tiếp theo.

1.1.3. Đối tượng nghiên cứu
-

Các nhà máy nhiệt điện chạy bằng than đá.

-

Các nhà máy điện sử dụng năng lượng gió.

1.1.4. Phạm vi nghiên cứu
Ở Việt Nam nói chung, các tỉnh miền Trung nói riêng và trên internet.
1.1.5. Tính thực tiễn
- Tổng hợp đánh giá về các nguồn năng lượng gió, hiện trạng về ứng dụng
các nguồn năng lượng gió trên thế giới và ở Việt Nam.
- Phân tích tiềm năng năng lượng gió ở một số địa điểm tại Miền Trung
Việt Nam để đưa ra biện pháp sử dụng một cách hợp lý và hiệu quả nhất.
- Phân tích các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật, xã hội của nhà máy điện gió và nhà
máy nhiệt điện chạy than trong 25 năm vận hành.
- Tổng hợp so sánh đánh giá giữa hai nhà máy và rút ra kết luận.
1.2. Mục đích của đề tài
Năng lượng gió đã được biết đến từ rất lâu và đã từng là một nguồn năng lượng
quan trọng với cuộc sống của con người. Giờ đây, cùng với chính sách bảo vệ môi
trường và phát triển bền vững, ứng dụng năng lượng gió đang và sẽ chú trọng phát triển
nhằm từng bước thay thế dần các nguồn năng lượng hoá thạch truyền thống.
- Hiện nay, để sản xuất 1 MWh điện, nhà máy nhiệt điện sẽ thải vào không
khí nhiều loại khí độc hại như: COx, SOx, NOx…

2


Bảng 1.1 Một số thông khí thải của nhà máy Nhiệt điện
Dạng nhà máy điện

Lượng khí thải (kg)
COx

SOx

NOx

Nhiệt điện chạy than

1.000

6,0

3,0

Nhiệt điện chạy dầu

850

5,0

1,8

Nhiệt điện khí

500

1,0

- Chúng ta đều biết, gió là nguồn năng lượng sạch vô tận. Nếu chi phí môi
trường, xã hội và sức khoẻ con người được phản ánh trong tính kinh tế của phát
điện, điện gió có thể cạnh tranh so với điện từ nhiên liệu hoá thạch. Không giống
như các nhà máy điện thông thường, điện gió không phát thải khí nhà kính (loại khí

làm cho thay đổi khí hậu) và không phát thải các loại khí khác. Điện gió thuộc cơ
chế phát triển sạch (CDM: Clean Development Mechanism) góp phần đáp ứng các
cam kết nghị định thư Kyoto của Việt Nam trong tương lai.
- Giá thành điện gió ổn định và không chịu ảnh hưởng bởi tính bất ổn của
nhiên liệu hoá thạch. Điện gió giúp tạo ra công ăn việc làm cho các địa phương có
nhà máy điện gió. Vì gió là nguồn vô tận, nên điện gió góp phần an ninh năng lượng
khác xa với nhiên liệu hoá thạch là loại nhiên liệu không tái sinh được.
- Công nghệ sử dụng năng lượng gió để phát điện đã phát triển đến mức hoàn
thiện, chi phí đầu tư và quản lý vận hành có cao hơn năng lượng hoá thạch, nhưng
năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng sạch nên được ưu tiên phát
triển tại nhiều nước trên thế giới. Song song với việc phát triển nguồn, yêu cầu phát
triển bền vững, giảm thiểu những tác nhân gây ảnh hưởng lớn đến môi trường sinh
thái cũng đã thực sự được quan tâm. Vì vậy, việc nghiên cứu khai thác sử dụng
nguồn năng lượng gió để phát điện là một giải pháp quan trọng trong chiến lược
phát triển đảm bảo an ninh năng lượng ở Việt Nam.
- Vì vậy “Đầu tư xây dựng 1 nhà máy điện gió tại vùng nhiều tiềm năng như
miền Trung Việt Nam” là hết sức cần thiết, phù hợp với chính sách phát triển năng
lượng ở nước ta và là xu thế của thời đại. Đây sẽ là bước khởi đầu quan trọng trong

3


việc sử dụng và phát triển nguồn năng lượng gió tại Việt Nam, tăng nguồn phát điện
tại chỗ, góp phần cải thiện điện áp và tăng thêm độ an toàn cung cấp điện cho địa
phương nơi đặt nhà máy.
1.3. Phương pháp nghiên cứu
Để giải quyết những vấn đề của đề tài đặt ra, tác giả sử dụng các phương
pháp nghiên cứu sau đây:
- Tổng hợp đánh giá về các nguồn năng lượng gió, hiện trạng về ứng dụng
các nguồn năng lượng gió trên thế giới và ở Việt Nam.

- Phân tích tiềm năng năng lượng gió ở một số địa điểm tại Miền Trung
Việt Nam để đưa ra biện pháp sử dụng một cách hợp lý và hiệu quả nhất.
- Phân tích các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật, xã hội của nhà máy điện gió và nhà
máy nhiệt điện chạy than trong 25 năm vận hành.
- Tổng hợp so sánh đánh giá giữa hai nhà máy và rút ra kết luận.
1.4. Nội dung nghiên cứu
Chương 1: Mở đầu
Chương 2: Tổng quan về năng lượng gió
Chương 3: Đánh giá tiềm năng gió của các tỉnh miền Trung Việt Nam
Chương 4: So sánh về mặt kỹ thuật, kinh tế và xã hội giữa các nhà máy nhiệt
điện chạy bằng than đá với các nhà máy điện gió ở khu vực miền Trung Việt Nam.
Trong quá trình thực hiện luận văn, mặc dù được sự chỉ bảo tận tình giúp đỡ
của thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Lân Tráng và các thầy giáo trong khoa Điện…bản
thân đã rất cố gắng, tuy nhiên do hạn hẹp về thời gian, cũng như kiến thức còn hạn
chế, luận văn này chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, tôi rất mong nhận
được sự đóng góp của các thầy cô giáo và các đọc giả để luận văn này được hoàn
thiện hơn nữa.

4


CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ
2.1. Khái quát về năng lượng gió
2.1.1. Khái niệm năng lượng gió
Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái
Đất. Năng lượng gió là một hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời. Sử dụng
năng lượng gió là một trong các cách lấy năng lượng xa xưa nhất từ môi trường tự
nhiên và đã được biết đến từ thời kỳ Cổ đại.
2.1.2. Sự hình thành năng lượng gió
Bức xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất không đồng đều làm cho bầu khí

quyển, nước và không khí nóng không đều nhau. Một nửa bề mặt của Trái Đất, mặt
ban đêm, bị che khuất không nhận được bức xạ của Mặt Trời và thêm vào đó là bức
xạ Mặt Trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn là ở các cực, do đó có sự khác nhau
về nhiệt độ và vì thế là khác nhau về áp suất mà không khí giữa xích đạo và 2 cực
cũng như không khí giữa mặt ban ngày và mặt ban đêm của Trái Đất di động tạo
thành gió. Trái Đất xoay tròn cũng góp phần vào việc làm xoáy không khí và vì trục
quay của Trái Đất nghiêng đi (so với mặt phẳng do quỹ đạo Trái Đất tạo thành khi
quay quanh Mặt Trời) nên cũng tạo thành các dòng không khí theo mùa.
Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay quanh trục
của Trái Đất nên không khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển động
thắng mà tạo thành các cơn gió xoáy có chiều xoáy khác nhau giữa Bắc bán cầu và
Nam bán cầu. Nếu nhìn từ vũ trụ thì trên Bắc bán cầu không khí di chuyển vào một
vùng áp thấp ngược với chiều kim đồng hồ và ra khỏi một vùng áp cao theo chiều
kim đồng hồ. Trên Nam bán cầu thì chiều hướng ngược lại.
Ngoài các yếu tố có tính toàn cầu trên gió cũng bị ảnh hưởng bởi địa hình tại
từng địa phương. Do nước và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất nóng
lên nhanh hơn nước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay hồ
vào đất liền. Vào ban đêm đất liền nguội đi nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra
theo chiều ngược lại.
2.1.3. Vật lý học về năng lượng gió
Năng lượng gió là động năng của không khí chuyển động với vận tốc v. Khối

5


lượng đi qua một mặt phẳng hình tròn vuông góc với chiều gió trong thời gian t là:

với ρ là tỷ trọng của không khí, V là thể tích khối lương không khí đi qua mặt cắt
ngang hình tròn diện tích A, bán kinh r trong thời gian t.
Vì thế động năng E (kin) và công suất P của gió là:

Điều đáng chú ý là công suất gió tăng theo lũy thừa 3 của vận tốc gió và vì thế
vận tốc gió là một trong những yếu tố quyết định khi muốn sử dụng năng lượng gió.
Công suất gió có thể được sử dụng, thí dụ như thông qua một tuốc bin gió để phát
điện, nhỏ hơn rất nhiều so với năng lượng của luồng gió vì vận tốc của gió ở phía
sau một tuốc bin không thể giảm xuống bằng không. Trên lý thuyết chỉ có thể lấy
tối đa là 59,3% năng lượng tồn tại trong luồng gió. Trị giá của tỷ lệ giữa công suất
lấy ra được từ gió và công suất tồn tại trong gió được gọi là hệ số Betz (xem Định
luật Betz), do Albert Betz tìm ra vào năm 1926.
Có thể giải thích một cách dễ hiểu như sau: Khi năng lượng được lấy ra khỏi
luồng gió, gió sẽ chậm lại. Nhưng vì khối lượng dòng chảy không khí đi vào và ra
một tuốc bin gió phải không đổi nên luồng gió đi ra với vận tốc chậm hơn phải mở
rộng tiết diện mặt cắt ngang. Chính vì lý do này mà biến đổi hoàn toàn năng lượng
gió thành năng lượng quay thông qua một tuốc bin gió là điều không thể được.
Trường hợp này đồng nghĩa với việc là lượng không khí phía sau một tuốc bin gió
phải đứng yên.
2.1.4. Sử dụng năng lượng gió
Vì gió không thổi đều đặn nên năng lượng điện phát sinh từ các tuốc bin gió chỉ
có thể được sử dụng kết hợp chung với các nguồn năng lượng khác để cung cấp

6


năng lượng liên tục. Tại châu Âu, các tuốc bin gió được nối mạng toàn châu Âu,
nhờ vào đó mà việc sản xuất điện có thể được điều hòa một phần. Một khả năng
khác là sử dụng các nhà máy phát điện có bơm trữ để bơm nước vào các bồn chứa ở
trên cao và dùng nước để vận hành tuốc bin khi không đủ gió. Xây dựng các nhà
máy điện có bơm trữ này là một tác động lớn vào thiên nhiên vì phải xây chúng trên
các đỉnh núi cao.
Mặt khác vì có ánh sáng Mặt Trời nên gió thổi vào ban ngày thường mạnh hơn

vào đêm và vì vậy mà thích ứng một cách tự nhiên với nhu cầu năng lượng nhiều
hơn vào ban ngày. Công suất dự trữ phụ thuộc vào độ chính xác của dự báo gió, khả
năng điều chỉnh của mạng lưới và nhu cầu dùng điện.
Người ta còn có một công nghệ khác để tích trữ năng lượng gió. Cánh quạt gió
sẽ được truyền động trực tiếp để quay máy nén khí. Động năng của gió được tích
lũy vào hệ thống nhiều bình khí nén. Hệ thống hàng loạt bình khí nén này sẽ được
luân phiên tuần tự phun vào các tuabin để quay máy phát điện. Như vậy năng lượng
gió được lưu trữ và sử dụng ổn định hơn (dù gió mạnh hay gió yếu thì khí vẫn luôn
được nén vào bình, và người ta sẽ dễ dàng điểu khiển cường độ và lưu lượng khí
nén từ bình phun ra), hệ thống các bình khí nén sẽ được nạp khí và xả khí luân
phiên để đảm bảo sự liên tục cung cấp năng lượng quay máy phát điện (khi 1 bình
đang xả khí quay máy phát điện thì các bình khác sẽ đang được cánh quạt gió nạp
khí nén vào).
Nếu cộng tất cả các chi phí bên ngoài (kể cả các tác hại đến môi trường thí dụ
như vì thải các chất độc hại) thì năng lượng gió bên cạnh sức nước là một trong
những nguồn năng lượng rẻ tiền nhất.
Phát triển năng lượng gió được tài trợ tại nhiều nước không phụ thuộc vào
đường lối chính trị, thí dụ như thông qua việc hoàn trả thuế (tại Hoa Kỳ), các mô
hình hạn ngạch hay đấu thầu (thí dụ như tại Anh, Ý) hay thông qua các hệ thống giá
tối thiểu (thí dụ như Đức, Tây Ban Nha, Áo, Pháp, Bồ Đào Nha, Hy lạp). Hệ thống
giá tối thiểu ngày càng phổ biến và đã đạt được một giá điện bình quân thấp hơn
trước, khi công suất các nhà máy lắp đặt cao hơn.
Trên nhiều thị trường điện, năng lượng gió phải cạnh tranh với các nhà máy
điện mà một phần đáng kể đã được khấu hao toàn bộ từ lâu, bên cạnh đó công nghệ

7


này còn tương đối mới. Vì thế mà tại Đức có đền bù giá giảm dần theo thời gian từ
những nhà cung cấp năng lượng thông thường dưới hình thức Luật năng lượng tái

sinh, tạo điều kiện cho ngành công nghiệp trẻ này phát triển. Bộ luật này quy định
giá tối thiểu mà các doanh nghiệp vận hành lưới điện phải trả cho các nhà máy sản
xuất điện từ năng lượng tái sinh. Mức giá được ấn định giảm dần theo thời gian.
Ngược với việc trợ giá (thí dụ như cho than đá Đức) việc khuyến khích này không
xuất phát từ tiền thuế, các doanh nghiệp vận hành lưới điện có trách nhiệm phải
mua với một giá cao hơn.
Bên cạnh việc phá hoại phong cảnh tự nhiên những người chống năng lượng
gió cũng đưa ra thêm các lý do khác như thiếu khả năng trữ năng lượng và chi phí
cao hơn trong việc mở rộng mạng lưới tải điện cũng như cho năng lượng điều chỉnh
2.2. Kết cấu tua bin gió
2.2.1. Mô hình tham khảo của một hệ thống máy phát sức gió

Hình 2-1: Hệ thống biến đổi năng lượng gió
Hệ thống gồm các thành phần cơ bản sau đây:
 Cánh gió: Các tua bin gió hiện đại thường có hai hoặc ba cánh gió.
 Pitch: Thiết bị được lật hoặc xoay để điều chỉnh tốc độ của roto.

8


 Thiết bị Yaw: thiết bị yaw có 2 chức năng. Khi tốc độ gió nhỏ hơn tốc độ
giới hạn theo thiết kế, nó giữ cho roto đối diện với nguồn gió khi hướng gió thay
đổi. Nhưng khi tốc độ gió vượt qua giới hạn theo thiết kế, đặc biệt là khi có gió bão,
nó dịch roto ra khỏi hướng gió.
 Chong chóng gió (vane): phát hiện hướng gió và kết hợp với thiết bị Yaw để
giữ cho tua bin phản ứng phù hợp với tốc độ gió cụ thể.
 Bộ đo tốc độ gió (anemometer): đo tốc độ gió rồi chuyển dữ liệu đến bộ điều
khiển.
 Phanh hãm (brake): phanh dạng đĩa, được dùng như phanh cơ khí, phanh điện
hoặc phanh thủy lực để dừng roto trong các tình huống khẩn cấp.

 Hộp số (gear box): hộp số được đặt giữa trục tốc độ thấp và trục tốc độ cao để
gia tăng tốc độ quay từ khoảng 20 đến 60 vòng/phút lên khoảng 1200 đến 1500
vòng/phút, đây là tốc độ quay mà hầu hết các máy phát cần để sản sinh ra điện
năng.
 Máy phát (generator): thường dùng các máy phát tự cảm ứng để phát điện năng
xoay chiều.
 Tháp (tower): tháp được làm từ thép phiến hoặc các thanh thép bắt chéo nhau.
Vì tốc độ gió tỷ lệ với độ cao nên tháp càng cao thì tua bin càng lấy được nhiều
năng lượng và sản sinh ra được càng nhiều điện năng.
2.2.2 Khái niệm động lực học của các tua bin gió
Trong đó các khái niệm quan trọng nhất là hệ số công suất của tua bin gió Cp
và góc điều chỉnh cánh gió. Trên cơ sở phân tích về động lực học sẽ dẫn đến vấn đề
làm thế nào để đạt được công suất đầu ra lớn nhất ứng với từng tốc độ gió đầu vào
khác nhau.
Trước khi nghiên cứu động lực học của tua bin gió chúng ta đưa ra một vài
khái niệm (xem hình 2-2).

9


Hình 2-2: Gió mặt và gió lưng
- Tốc độ gió: tốc độ gió tự do tại vị trí khảo sát.
- Tốc độ gió mặt (upstream wind speed): tốc độ gió ở khoảng cách đủ lớn đối
với cánh gió

.

- Tốc độ gió lưng (downstream wind speed): tốc độ gió ở khoảng cách đủ lớn
sau khi ra khỏi cánh gió

.

Trục roto: trục quay của roto.
- Bán kính roto: chiều dài của cánh gió

.

- Bán kính mặt cắt ngang của cánh gió: khoảng cách từ mặt cắt ngang của
cánh gió đến trục của roto

.

- Đường cung (chord line): đường thẳng nối đỉnh và đuôi của mặt cắt ngang
của cánh gió.
- Mặt xoay (plane of rotation): mặt phẳng được tạo ra bởi rìa của các cánh gió
khi cánh gió quay.
- Góc Pitch (pitch angle): góc giữa đường cung và mặt xoay.

10


Hình 2-3: Cánh của tua bin gió
Chú ý rằng
mọi

và

là hàm phụ thuộc thời gian,

,

với

.
Hơn nữa, tua bin gió lấy động năng của gió ở phía roto và do tiêu hao động

năng nên tốc độ gió ở đầu vào của cánh gió phải chậm lại khi ra khỏi cánh gió, vậy
nên

.
Hệ số công suất của tua bin gió.
Công suất cơ lấy ra từ tua bin gió phụ thuộc vào diện tích quét của cánh mà

diện tích này lại tỷ lệ với bình phương của bán kính roto (chiều dài cánh gió) và tỷ
lệ bậc ba với tốc độ gió:
Pt 

1
Rb2Vw3C p
2

(2-1)

Trong đó:
 = mật độ không khí,
= hệ số công suất của tua bin gió
Công suất thực lấy ra là khác nhau giữa công suất gió mặt và lưng.

11

Với một tốc độ gió cho trước, giá trị của

còn phụ thuộc vào tỷ lệ giữa tốc độ gió

mặt và tốc độ gió lưng:

Cp 

2
 Vwo    Vwo  
1 
 * 1  
 
 Vw    Vw  

2

Đặt

(2-2)

và chú ý rằng khi

sẽ không có biến đổi năng lượng, khi đó ta có

thể viết:

Lấy đạo hàm theo c thì giá trị lớn nhất của
dC p

dc



1  2c  3c 2
0
2

được tính

(2-4)

Phương trình có hai nghiệm:
- Nghiệm thứ nhất:
và

- Nghiệm thứ hai:

. Điều này mâu thuẫn với giả thiết
.

.
vào biểu thức của (2-2) ta có:

Thay

là hệ số động lực học quan trọng nhất của tua bin gió. Đặc tính

đối với

được vẽ như hình sau.
Giá trị lý thuyết của CP=0,593 chỉ ra rằng tua bin gió không thể lấy nhiều hơn
59,3% công suất gió hiện hữu (còn được biết đến như giới hạn Betz). Trong thiết kế thực
tế, giá trị của

nằm giữa 0,2 đến 0,5. Giá trị

12

trên 0,4 là chấp nhận được.


Hình 2-4: Hệ số công suất của tua bin gió theo Vwo/Vw
Một thuận lợi của phương trình (2-3) là nó đưa ra một tiêu chuẩn về lượng
công suất lớn nhất có thể được lấy ra từ gió. Tuy nhiên, công thức này lại không
đưa ra được mỗi quan hệ giữa hệ số công suất của tua bin gió

và cấu trúc hình

học của cánh, cũng như không đưa ra được mối quan hệ giữa tốc độ và cả các điều
kiện cần thiết của roto để đạt được hiệu suất tối đa cần thiết cho các thiết kế thực tế.
Vì vậy, điều cần thiết là phải xác định sự phụ thuộc của

vào các yếu tố này.

Có thể dễ nhận thấy rằng nếu roto quay rất chậm thì gió có thể dễ dàng đi
xuyên qua khe hở giữa các cánh gió. Khi đó,

. Ngược lại, khi roto quay

rất nhanh nó sẽ như một bức tường chắn gió, khi đó
tốc độ gió mặt cho trước

. Vì vậy, đối với một

, tốc độ của roto sẽ có ảnh hưởng trực tiếp đến giá trị

. Nói cách khác, nó ảnh hưởng đến giá trị

. Vậy nên, giá trị của

là phụ

thuộc vào quan hệ giữa tốc độ gió và tốc độ của roto (tua bin). Mối quan hệ này
được biểu diễn bằng một tỷ số giữa tốc độ tiếp tuyến ở rìa của cánh gió với tốc độ
gió mặt được gọi là TSR (Tip Speed Ratio). Đó là một hệ số vô hướng được định
nghĩa như sau:
 (t ) 

 (t ) Rb
Vw (t )

(2-5)

Trong đó (t) là tốc độ góc của roto (phía tốc độ thấp của hộp số).
Với trường hợp tua bin gió loại biến tốc, khi tốc độ gió cao công suất đầu ra của

13

máy phát có thể được giới hạn bằng cách thay đổi góc
phần sau) và giá trị của hệ số công suất

của cánh gió (xem

cũng thay đổi (phụ thuộc vào cấu trúc

hình học của cánh gió). Vì vậy, ta có thể viết:
Cp=(,pitch)
Quan hệ

có thể được xây dựng hoặc tính toán dựa trên việc mô

hình hóa tua bin gió và có thể được biểu diễn như sau:
 c2
  5i

C p ( , pitch )  c1   c3 pitch  c4 e  c6i
 i

c

(2-6)

Trong đó
1

i



1
0.035
 3
  0.08 pitch  pitch  1

và các hệ số

,

,

Trên thực tế, đặc tính

(2-7)
,

,

,

phụ thuộc từng loại tua bin gió.

là có sẵn với từng tua bin gió được chế tạo. Với

mục đích minh họa các phân tích tiếp theo, chúng ta lấy một quan hệ đơn giản giữa
(hình 2-5) với góc Pitch cố định bởi một hàm xấp xỉ hóa đường cong của đa
thức bậc 7:
Cp = 0,001001018+0,0017591834+0,00304280532+0,00412143353
+0,00256492994-0,00114737985+0,000138838366-0,00000544157397

Hình 2-5: Hệ số công suất tối ưu của tua bin gió

14

(2-8)


Trên hình vẽ, giá trị max của
tương ứng của

với

được gọi là giá trị tối ưu

được gọi là

và giá trị

.

Bây giờ chúng ta khảo sát công suất ra của tua bin khi tốc độ gió đầu vào
thay đổi.
Từ phương trình (2-1), với một tua bin gió đã cho ở một vị trí xác định, nơi
có mật độ không khí  là hằng số, công suất đầu ra của tua bin gió phụ thuộc vào
tốc độ gió đầu vào (tốc độ gió mặt) và hệ số công suất
Pt  aVw3C p

:

(2-9)

Ở đây a là 1 hằng số
a

1
Rb2
2

(2-10)

Vậy thì, đối với một tua bin gió và một tốc độ gió cho trước, nếu tốc độ của roto
thay đổi, công suất đầu ra cũng thay đổi tương ứng với sự thay đổi giá trị của hệ số
công suất

. Sự thay đổi này được minh họa trên hình 2-5. Trong đó, các đường cong

được xây dựng dựa trên các phương trình (2-1), (2-5) và (2-8).
Như vậy rõ ràng các giá trị tối ưu của

có được tương ứng với tốc độ gió mà ở đó

công suất đạt đỉnh trên các đường cong phân bố công suất như hình 2-5. Muốn đạt
được công suất lớn nhất tương ứng với tốc độ gió đã cho thì tốc độ của roto phải
được điều khiển phù hợp với tốc độ gió để duy trì giá trị tối ưu của

. Hơn nữa,

tốc độ của roto cũng được điều khiển để bảo vệ máy phát và các thiết bị điện khác
khỏi quá tải khi tốc độ gió quá nhỏ hoặc quá cao.

15


Hình 2-6: Công suất của tua bin gió theo tốc độ roto ở các tốc độ gió khác nhau
2.2.3 Nguyên lý làm việc của một tua bin gió
Các tua bin gió tạo ra điện như thế nào? Một cách đơn giản là một tua bin gió
làm việc trái ngược với một máy quạt điện, thay vì sử dụng điện để tạo ra gió như
quạt điện thì ngược lại tua bin gió lại sử dụng năng lượng gió để tạo ra điện. Hãy
xem hình vẽ sau để thấy được tua bin gió làm việc như thế nào:

Hình 2-7: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của một tuabin gió

16


Hình 2-8: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của nhiều tuabin gió

Các tua bin hoạt động theo một nguyên lý rất đơn giản. Năng lượng của gió
làm cho 2 hoặc 3 cánh quạt quay quanh 1 roto. Mà roto được nối với trục chính và
trục chính sẽ truyền động làm quay trục quay máy phát để tạo ra điện.
Các tua bin gió được đặt trên trụ cao để thu hầu hết năng lượng gió. Ở độ cao >30
mét trên mặt đất thì các tua bin gió thuận lợi: tốc độ nhanh hơn và ít bị các luồng
gió bất thường.
Các tua bin gió có thể sử dụng cung cấp điện cho nhà cửa hoặc xây dựng,
chúng có thể nối tới một mạng điện để phân phối mạng điện ra rộng hơn.
Nhìn từ phía ngoài vào một xưởng năng lượng gió thấy được một nhóm các
tua bin gió làm việc và tạo ra điện nhờ các đường dây tiện ích như thế nào. Điện
được truyền qua dây dẫn phân phối tới các nhà, các cơ sở kinh doanh, các trường
học…(xem hình vẽ 2-8)

2. 2.4 Những căn cứ lựa chọn tua bin gió của nhà máy
a. Các chỉ tiêu chung:
- Đường đặc tính công suất phát ra của máy phát điện gió phù hợp với chế độ
gió của vùng thực hiện nhà máy.
- Vận hành an toàn, chính xác.

17