Vận hành tối ưu của trang trại gió kết nối với lưới điện

Luận văn thạc sĩ

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là : Đỗ Đức Việt
Sinh ngày 28/02/1980
Học viên lớp cao học khóa 2012B – chuyên ngành Kỹ thuật điện – Trường Đại học
Bách khoa Hà Nội, hiện đang công tác tại khoa Điện&BDCN - Trường Cao đẳng
nghề Bách khoa Hà Nội
Xin cam đoan: Đề tài “Vận hành tối ưu trang trại gió kết nối với lưới điện công suất
nhỏ” do PGS.TS. Lê Văn Doanh hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi,
tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc rõ ràng.
Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung đề
cương và yêu cầu của giáo viên hướng dẫn. Nếu sai tôi xin chịu hoàn toàn trách
nhiệm trước Hội đồng Khoa học và trước pháp luật.
Hà Nội, ngày

tháng

Tác giả luận văn

ĐỖ ĐỨC VIỆT

i

năm 2015


Luận văn thạc sĩ

ii

Luận văn thạc sĩ

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 30 quốc gia sản xuất điện gió hàng đầu nhất thế giới (MW) ..................... 19
Bảng 1.2 Tốc độ gió trung bình ở một số địa phương trên cả nước. ...................... 200
Bảng 1.3 Tiềm năng năng lượng gió ở độ cao 65m so với mặt đất. ....................... 211
Bảng 1.4 Tiềm năng năng lượng gió Việt Nam tại độ cao 80m. .............................. 21
Bảng 2.1 Các loại cấu hình máy phát điện gió........................................................ 300
Bảng 3.1 So sánh các giải pháp phụ trợ .................................................................. 522
Bảng 3.2 Bảng phụ tải trên đảo Phú Quý ................................................................ 533
Bảng 4.1 Trình bày việc so sánh giữa các loại máy phát điện gió: ......................... 688

iii


Luận văn thạc sĩ

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình1.1 Lịch sử phát triển điện gió ............................................................................ 9
Hình 1.2 Cấu trúc của hệ thống phát điện sức gió. ................................................... 10
Hình 1.3 a) Tuabin gió trục ngang kiểu 3 cánh; b) Tuabin gió trục đứng ................ 11
Hình 1.4 Tổng công suất đặt điện gió trên thế giới năm 1997 – 2013 [MW] .......... 16
Hình 1.5 Tổng công suất điện gió lắp đặt mới từ năm 1998- 2013[MW] .............. 166
Hình 1.6 Tổng công suất điện gió lắp đặt trên thế giới 1997- 2020[MW] ............... 17
Hình 1.7 10 quốc gia tăng trưởng hàng đầu [%] - sản xuất trên 200MW............... 187
Hình 2.1 Các cấu hình tuabin gió ............................................................................ 300
Hình 3.1 Hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel trên đảo Phú Quý .................... 444
Hình 3.2 Đáp ứng tần số với sự thay đổi tải với số lượng khác nhau của máy phát

diesel........................................................................................................................ 477
Hình 3.3 Đáp ứng tần số khi tăng tải đổi đột ngột ở các mức thâm nhập khác nhau
................................................................................................................................. 477
Hình 3.4. Lưu đồ thuật toán để tính toán quá trình vận hành trạm điện gió – diesel
theo hướng trạm điện gió phát công suất cực đại có thể ......................................... 555
Hình 3.5 Kết quả tính toán quá trình phát điện theo đồ thị phụ tải ở trên, ứng với
máy phát điện gió 2 MW. ........................................................................................ 566
Hình 3.6 Kết quả tính toán quá trình phát điện theo đồ thị phụ tải ở trên, ứng với
máy phát điện gió1MW.............................................................................................58
Hình 3.7 Kết quả tính toán quá trình phát điện theo đồ thị phụ tải ở trên, ứng với
máy phát điện gió 500kW.........................................................................................60
Hình 4.1 So sánh giữa DIFG và PMSM/SCIG ....................................................... 666
Hình 4.2 Máy phát điện đồng bộ nam châm vính cửu nối với lưới .......................... 69
iv


Luận văn thạc sĩ

Hình 4.3. Mô hình tuabin gió dùng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu .... 69
Hình 4.4 Các tool box hệ thống trang trại gió kết nối với lưới ............................... 700
Hình 4.5 Tool box mô tả các thông số vào ra của tuabin gió ................................. 700
Hình 4.6 Sơ đồ các khối điều khiển máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu .. 711
Hình 4.7 Kết quả mô phỏng khi kết nối với lưới 3MW, vận tốc gió v = 5m/s ....... 722
Hình 4.8 Kết quả mô phỏng khi kết nối với lưới 3MW, vận tốc gió v=7m/s ......... 733
Hình 4.9 Kết quả mô phỏng với lưới 3MW, vận tốc gió v = 9m/s ......................... 744
Hình 4.10 Kết quả mô phỏng với lưới 3MW, vận tốc gió v=12m/s ....................... 755

v

Luận văn thạc sĩ

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU..........................................................................................................1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN GIÓ............................................... 4
1.1 Sự hình thành năng lượng gió .............................................................................. 4
1.2 Vật lý học về năng lượng gió ................................................................................ 4
1.3 Sử dụng năng lượng gió ....................................................................................... 5
1.4 Sản xuất điện từ năng lượng gió .......................................................................... 6
1.5 Những yếu tố thúc đẩy phát triển năng lượng gió................................................ 6
1.5.1 Sự cạn kiệt của nguồn năng lượng hóa thạch ................................................. 6
1.5.2 Vấn nạn ô nhiễm môi trường trên toàn thế giới ............................................. 7
1.6 Khái quát về điện gió ........................................................................................... 8
1.6.1 Lịch sử phát triển điện gió .............................................................................. 8
1.6.2 Khái quát về cấu trúc của tuabin điện gió .................................................... 10
1.7 Tình hình sản xuất điện gió trên thế giới ......................................................... 111
1.7.1 Nhóm các nước dẫn đầu thị trường điện gió năm 2013 ............................. 111
1.7.2 Thị trường năng động trên tất cả các châu lục .............................................. 12
1.7.3 Triển vọng trên toàn thế giới cho cuối năm 2013 ......................................... 14
1.7.4 Báo cáo thống kê năng lượng gió năm 2013 .............................................. 144
1.8 Tình hình sản xuất điện gió ở Việt Nam ............................................................ 19
1.8.1 Tiềm năng điện gió ở Việt Nam ................................................................... 19
1.8.2 Tình hình sản xuất điện gió ở Việt Nam..................................................... 211

vi


Luận văn thạc sĩ

CHƢƠNG 2 - CÁC CẤU HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ VÀ CÁC
LOẠI MÁY PHÁT ĐIỆN DÙNG TRONG TUABIN GIÓ.....................
.277
2.1 Tổng quan về các cấu hình tuabin gió .............................................................. 277
2.1.1 Tuabin gió có tốc độ không đổi .................................................................. 277
2.1.2 Tuabin gió tốc độ biến đổi .......................................................................... 277
2.2 Tổng quan về các loại điều khiển điện năng .................................................... 288
2.3 Cấu hình máy phát điện gió ............................................................................... 29
2.3.1 Cấu hình loại A .......................................................................................... 300
2.3.2 Cấu hình loại B .......................................................................................... 322
2.3.3 Cấu hình loại C ........................................................................................... 333
2.3.4 Cấu hình loại D ........................................................................................... 333
2.4 Các loại máy phát điện sử dụng trong tuabin gió ............................................ 333
2.4.1 Máy phát điện không đồng bộ (cảm ứng) ................................................... 344
2.4.1.1 Máy phát điện không đồng bộ roto lồng sóc (SCIG) .............................. 355
2.4.1.2 Máy phát điện không đồng bộ roto dây quấn (WRIG) ............................ 366
2.4.1.3 Máy phát điện cảm ứng OptiSlip ............................................................ 366
2.4.1.4 Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) .................................. 377
2.4.2 Các máy phát điện đồng bộ .......................................................................... 38
2.4.2.1 Máy phát điện đồng bộ roto dây quấn (WRSG) ........................................ 39
2.4.2.2 Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) ............................... 39
2.4.3 Các loại máy phát điện khác ........................................................................ 40
2.4.3.1 Máy phát điện cao áp (HVG)..................................................................... 40
2.4.3.2 Các máy phát điện từ kháng thay đổi (SRG) ............................................. 41
2.4.3.3 Máy phát điện từ trường ngang (TFG) ..................................................... 41

CHƢƠNG 3 - ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ ĐẢO PHÚ QUÝ...43
3.1 Thực trạng hệ thống điện gió – diesel trên đảo Phú Quý .................................... 43
3.2 Đánh giá đầu tư dự án phong điện Phú Quý ...................................................... 46
vii

Luận văn thạc sĩ

3.2.1 Những hạn chế của hệ thống hỗn hợp diesel – gió trên đảo Phú Quý. ......... 46
3.3.2 Một số giải pháp kỹ thuật phụ trợ cho hệ thống hỗn hợp diesel - gió .......... 50
3.3 Phương án lựa chọn, chủng loại công suất và chế độ vận hành tối ưu cho trạm
điện gió ốc đảo .......................................................................................................... 53
3.3.1 Lựa chọn máy phát điện gió DFIG có công suất nhỏ hơn 2 MW ................ 53
Kết luận chương 3....................................................................................................64

CHƢƠNG 4 - MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG NAM CHÂM VĨNH
CỬU...............................................................................................................65
4.1 Nam châm vĩnh cửu siêu mạnh..........................................................................65
4.2 Máy phát điện sử dụng nam châm siêu mạnh ..................................................... 65
4.3 Mô phỏng trang trại gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu
trên Matlab-simulink ................................................................................................. 68
4.3.1 Trường hợp thứ nhất: .................................................................................... 72
4.3.2 Trường hợp thứ 2: ........................................................................................ 73
4.3.3 Trường hợp thứ 3: ........................................................................................ 74
4.3.4 Trường hợp thứ 4: ......................................................................................... 75

Kết luận chƣơng 4.........................................................................................76
KẾT LUẬN CHUNG....................................................................................77
Tài liệu tham khảo........................................................................................78

viii


Luận văn thạc sĩ

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài:
Ở vùng sâu, vùng xa và hải đảo, nơi mà điện lưới quốc gia chưa được kéo đến,
máy phát điện diesel là nguồn cung cấp năng lượng chính. Máy phát điện diesel có
một số nhược điểm: giá thành sản xuất điện cao, chi phí vận chuyển nhiên liệu cao,
gây ô nhiễm môi trường. Một giải pháp khắc phục cả vấn đề kinh tế và môi trường
dựa trên cơ sở các máy phát điện diesel đã có là một hệ thống kết hợp năng lượng
gió và các máy phát điện diesel. Kể từ đầu thâp niên 80, hệ thống điện kết hợp gió diesel độc lập đã được chấp nhận và sử dụng rộng rãi như là hệ thống điện cho các
vùng sâu, vùng xa và hải đảo.
Tuy nhiên, gió là nguồn năng lượng tự nhiên thay đổi bất định nên dẫn đến
những biến động về công suất. Sự biến động quá mức về công suất gây ảnh hưởng
xấu đên chất lượng điện năng trong hệ thống phân phối, đặc biệt là tần số và điện
áp. Trong hệ thống lưới điện lớn, những biến động này có thể có ít ảnh hưởng đến
chất lượng điện năng tổng thể của hệ thống. Với các mạng lưới nhỏ cô lập như hải
đảo, những dao động này có thể có ảnh hưởng đáng kể, thậm chí làm mất ổn định.
Do đó kiểm soát điện áp và tần số của hệ thống điện gió kết nối với lưới điện công
suất nhỏ là một thách thức lớn. Hệ thống như vậy đòi hỏi phải có các phướng pháp
điều khiển, vận hành tốt nhất để duy trì sự ổn định dù cho có những thay đổi bất
định về năng lượng gió và phụ tải, trong khi muốn sử dụng tối đa nguồn tài nguyên
gió.
Xuất phát từ tình hình thực tế trên và nhằm góp phần vào quá trình đưa ra các
giải pháp vận hành tối ưu các trang trại gió kết nối với lưới nhỏ cô lập, trong khuôn
khổ khóa học, được sự giúp đỡ của các thầy cô giáo thuộc Viện Điện, Bộ môn Hệ
thống điện và PGS.TS. Lê Văn Doanh tác giả đã lựa chọn đề tài tốt nghiệp của mình
là “ Vận hành tối ưu của trang trại gió kết nối với lưới điện ”.
2. Lịch sử nghiên cứu:

1

Luận văn thạc sĩ

Hiện nay trên thế giới và Việt Nam chỉ có những công trình nghiên cứu về hệ
thống hôn hợp gió – diesel, hệ thống tuabin gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam
châm vĩnh cửu kết nối với lưới điện “công suất lớn”.
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu:
Mục đích của đề tài: phân tích các nhược điểm của hệ thống điện gió kết hợp
với diesel ở lưới cô lập trên đảo Phú Quý, trên cơ sở đó đưa ra các giải pháp nhằm
khắc phục các nhược điểm đồng thời đưa ra các phương án lựa chọn máy phát điện
gió có công suất đặt phù hợp cho các dự án điện gió – diesel mới nhằm giảm thiểu
năng lượng diesel và tận dụng tối đa năng lượng gió. Ngoài ra luận văn xây dựng
mô hình trang “trại gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu kết
nối với lƣới điện công suất nhỏ”, mô phỏng hệ thống trên Matlab nhằm chứng
minh hệ thống có thể làm việc ổn định, từ đó làm cơ sở lựa chọn máy phát điện nam
châm vĩnh cửu cho các dự án điện gió - diesel cho lưới ốc đảo.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Hệ thống điện gió – diesel trên đảo Phú Quý
- Trang trại gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu kết nối
với lưới điện công suất nhỏ.
- Nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng trên Matlab - Simulink
4. Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả
Trong luận văn tác giả đưa ra các giải pháp phụ trợ giúp hệ thống điện gió –
diesel trên đảo Phú Quý hoạt động động tốt hơn
Đưa ra phương án lựa chọn máy phát điện DFIG có công suất nhỏ hơn 2MW
hiện có trên đảo Phú Quý mang lại nhiều lợi ích như giảm năng lượng sử dụng cho
diesel do giảm năng lượng cung cấp cho các máy phát điện không đồng bộ nguồn
kép, khả năng thâm nhập của máy phát điện gió cao và linh hoạt hơn với các chế độ
gió khác nhau cũng như khi phụ tải thay đổi. Vì thế khi xây dựng dự án điện gió cho
hải đảo cần chú ý lựa chọn chủng loại và công suất đặt cho máy phát điện gió sao

cho sử dụng tối ưu nguồn năng lượng gió.

2


Luận văn thạc sĩ

Mô phỏng hệ thống trang trại gió sử dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu
kết nối với lưới điện công suất nhỏ hoạt động ổn định với các chế độ gió và tải khác
nhau, do đó có thể sử dụng máy phát điện sử dụng nam châm vĩnh cửu để lắp đặt
ngoài ốc đảo.
5. Phương pháp nghiên cứu.
- Phân tích, tổng hợp các giải pháp phụ trợ cho hệ thống điện gió – diesel trên
đảo Phú Quý
- Tính toán lựa chọn máy phát điện gió có công suất đặt cho máy phát điện gió
sao cho sử dụng tối ưu nguồn năng lượng gió.
- Xây dựng mô hình trang trại gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm
vĩnh cửu kết nối với lưới điện công suất nhỏ và mô phỏng trên Matlab – Simulink.

3


Luận văn thạc sĩ

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN GIÓ
1.1 Sự hình thành năng lƣợng 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 vào
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 hai 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 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
thẳng 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.
1.2 Vật lý học về năng lƣợng gió
Năng lượng gió là động năng của không khí chuyển động với vận tốc . Khối
lượng đi qua một mặt phẳng hình tròn vuông góc với chiều gió trong thời gian 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:

4


Luận văn thạc sĩ

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 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.
1.3 Sử dụng năng lƣợng gió
Năng lượng gió đã được sử dụng từ hằng trăm năm nay. Con người đã dùng
năng lượng gió để di chuyển thuyền buồm hay khinh khí cầu, ngoài ra năng lượng
gió còn được sử dụng để tạo công cơ học nhờ vào các cối xay gió.
Ý tưởng dùng năng lượng gió để sản xuất điện hình thành ngay sau các phát
minh ra điện và máy phát điện. Lúc đầu nguyên tắc của cối xay gió chỉ được biến
đổi nhỏ và thay vì là chuyển đổi động năng của gió thành năng lượng cơ học thì
dùng máy phát điện để sản xuất năng lượng điện. Khi bộ môn cơ học dòng chảy tiếp
tục phát triển thì các thiết bị xây dựng và hình dáng của các cánh quạt cũng được
chế tạo đặc biệt hơn. Ngày nay người ta gọi đó là tuốc bin gió, khái niệm cối xay
gió không còn phù hợp nữa vì chúng không còn có thiết bị nghiền. Từ sau những

5


Luận văn thạc sĩ

cuộc khủng hoảng dầu mỏ từ thập niên 1970 việc nghiên cứu sản xuất năng lượng
từ các nguồn tái tạo được đẩy mạnh trên toàn thế giới, kể cả việc phát triển các tuốc
bin gió hiện đại.
1.4 Sản xuất điện từ năng lƣợng 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
năng lượng liên tục. Tại đại lục và thềm lục địa các tuốc bin gió được nối mạng với
lưới công suất vô cùng lớn, nhờ đó việc sản xuất điện có thể được điều hòa một
phần. Một khả năng khác là sử dụng các nhà máy phát điện tích năng để bơm nước
vào các hồ chứa ở trên cao và dùng nước để vận hành tuabin khi không đủ gió. Xây
dựng các nhà máy thủy điện tích năng này tác động lớn vào thiên nhiên vì phải xây
chúng trên vùng 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
turbine để quay máy phát điện. Như vậy năng lượng gió được lưu trữ và sử dụng ổn
định hơn Nếu cộng tất cả các chi phí bên ngoài kể cả các tác hại đến môi trường, thì
năng lượng gió bên cạnh sức nước là một trong những nguồn năng lượng rẻ tiền
nhất.
1.5 Những yếu tố thúc đẩy phát triển năng lƣợng gió
1.5.1 Sự cạn kiệt của nguồn năng lƣợng hóa thạch
Nhu cầu về năng lượng toàn cầu đang tăng từng ngày. Cơ quan năng lượng
quốc tế IEA (The International Energy Agency) dự đoán tới năm 2030 nhu cầu thế
giới tăng hơn hiện tại 60%, khoảng 4800GW. Hai phần ba năng lượng tăng này
được tập trung tại Trung Quốc, Ấn Độ và một số nền kinh tế đang tăng trưởng

6


Luận văn thạc sĩ

mạnh khác. IEA dự báo đến năm 2030 các nhà máy phát điện với công suất lớn hơn
2000 GW cần được xây dựng ở các nước thuộc Tổ chức hợp tác và phát triển kinh
tế để thay thế các trạm đã hoạt động quá lâu.
Khi nhu cầu năng lượng ngày càng tăng cùng với việc thiếu các biện pháp sử
dụng hiệu quả các nguồn năng lượng hóa thạch, đặc biệt là khí đốt đang dần cạn
kiệt. Ở Châu Âu nguồn nhiên liệu dầu và khí đốt tập trung chủ yếu ở vùng Biển Bắc
đang suy giảm nhanh chóng. Hiện tại 50% nguồn năng lượng cung cấp cho Châu
Âu là nhập khẩu. Chỉ trong hai thập kỷ con số này được dự đoán tăng lên 70%.
Thậm chí nguồn Urani hiện tại là nguồn nhiên liệu cung cấp hơn 30% sản lượng
điện cho Châu Âu cũng đánh giá là suy kiệt trong vòng 40 năm tới. Hiện tại các
nước Châu Âu đang nắm giữ nhỏ hơn 2% lượng Urani dự trữ của thế giới.
Đối lập với sự thiếu hụt trầm trọng của nguồn nhiên liệu truyền thống mà giá
cả lại không ổn định, năng lượng gió đang là nguồn tài nguyên tự nhiên thực sự
chiếm ưu thế và phù hợp với các nước trên thế giới. Sử dụng nguồn năng lượng này
không những tiết kiệm chi phí nguyên liệu, không phải đối mặt với các rủi ro từ
chính sách quản lý địa chính mà còn không phụ thuộc vào nguồn cung cấp nhiên
liệu như dầu, khí đốt từ các nước có bất ổn về mặc chính trị.
1.5.2 Vấn nạn ô nhiễm môi trƣờng trên toàn thế giới
Sự phát triển nguồn năng lượng gió còn được thúc đẩy mạnh mẽ do yêu cầu
cấp bách chống lại sự thay đổi khí hậu toàn cầu, mối đe dọa lớn nhất đối với môi
trường mà thế giới phải đối mặt.
Dự án về thay đổi khí hậu của Hiệp hội liên chính phủ tại Liên hiệp quốc chỉ
ra rằng nhiệt độ trung bình của thế giới trong thập kỷ tới sẽ tăng thêm 5,80C. Dự
đoán này được dựa trên những biến đổi không ngừng của khí hậu, hiện tượng băng
tan ở hai cực của địa cầu, những vùng đất trũng dần biến mất, bão tố hạn hán hay

những thay đổi ngày càng khắc nghiệt của thời tiết. Nguyên nhân chính của sự biến
đổi khí hậu chính là do lượng khí thải quá mức vào khí quyển gây ra hiệu ứng nhà
kính. Trong khi đó, nếu xét về khía cạnh sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng thì
năng lượng tái tạo giải quyết triệt để vấn đề phát thải khí CO2. Một động thái của

7


Luận văn thạc sĩ

quốc tế nhằm chống lại sự thay đổi khí hậu toàn cầu đó là Nghị định thư Kyoto
1997. Mục tiêu của nghị định này là giảm lượng khí thải CO2 của các thành viên tổ
chức hợp tác và phát triển kinh tế (OECD) từ năm 1990 tới năm 2012 xuống
khoảng 5,2%.
Ngoài những ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường khi đốt các nhiên liệu hóa
thạch còn phải kể đến những tác động khác như ô nhiễm không khí. Đây chính là
mối quan tâm lớn nhất của Ấn Độ, Trung Quốc và Mỹ khi mà nền công nghiệp ở
đây đang sử dụng một lượng lớn than đá trong các nhà máy nhiệt điện. Các nhà máy
nhiệt điện thường gây ra các tác động đến môi trường như phá hủy cảnh quan xung
quanh, những nguy hiểm khi tiềm kiếm và khai thác các nguồn nhiên liệu hóa thạch,
ô nhiễm khi có sự cố tràn dầu, các nguy cơ tiềm ẩn ảnh hưởng tới sức khỏe con
người khi tiếp xúc với bức xạ điện từ trong quá trình lao động thường ngày, trong
quá trình xử lý chất thải khi sử dụng năng lượng hạt nhân.
Như vậy, sau nhu cầu đảm bảo năng lượng thì đấu tranh chống lại sự biến đổi
khí hậu chính là động lực thúc đẩy năng lượng gió phát triển.
1.6 Khái quát về điện gió
1.6.1 Lịch sử phát triển điện gió
Từ thời cổ xưa năng lượng gió đã được chuyển thành cơ năng nhằm giảm
nhân lực trong nhiều công việc. Gió đã được ứng dụng trên thuyền buồm và tàu
thuyền từ hàng nghìn năm trước trước Công nguyên. Cũng từ rất sớm con người đã

chế tạo ra những cỗ máy sử dụng sức gió, bánh xe gió của kỹ sư Heron ở
Alexandria (Hy Lạp) trong thế kỷ thứ I là một trường hợp được biết đến sớm nhất
của việc sử dụng gió tạo ra sức mạnh của một cỗ máy .
Cối xay gió là trường hợp ứng dụng năng lượng gió phổ biến nhất từ nhiều thế
kỷ trước. Cối xay gió đầu tiên được sử dụng ở Iran vào thế kỷ thứ IX hoặc có thể
sớm hơn là khoảng thế kỷ thứ VII. Việc sử dụng các cối xay gió đã trở thành rộng
rãi trên khắp Trung Đông và Trung Á, sau đó lan sang Trung Quốc và Ấn Độ.
Khoảng 1000 năm sau Công Nguyên, cối xay gió đã được sử dụng để bơm nước
biển làm muối ở Trung Quốc và Sicily. Cối xay gió đã được sử dụng rộng rãi ở Tây

8


Luận văn thạc sĩ

Bắc Âu để xay ngũ cốc từ những năm 1180, và cối xay gió bơm nước cũng được sử
dụng trong nông nghiệp. Cối xay gió đã được sử dụng ở Hà Lan vào thế kỷ XIV để
ráo nước khu vực đồng bằng của sông Rhine. Chính người nhập cư đã sớm mang
công nghệ từ châu Âu đến các nơi khác trên thế giới. Tại Mỹ, sự phát triển của cối
xay gió bơm nước là yếu tố quan trọng trong việc trồng trọt và chăn nuôi của các
khu vực rộng lớn không có nước. Cối xay gió bơm nước đóng góp vào việc mở
rộng các hệ thống vận tải đường sắt trên toàn thế giới, nhờ bơm nước từ các giếng
nước cho đầu máy hơi nước. Đây là những lý do làm cho tuabin gió xuất hiện trên
mọi miền nông thôn ở Mỹ.

a)

b)

c)

d)

e)

f)

Hình1.1 Lịch sử phát triển điện gió
a) Bánh xe gió của Heron ở Alexandria; b) Cối xay gió ban đầu ở châu Âu; c) Cối
xay gió ở Hà Lan; d) Tuabin điện gió của James Blyth ở Marykirk; e) Cối xay gió
đã được sử dụng phổ biến trên Great Plains để bơm nước và tạo ra điện đầu thế kỷ
XX; f) Tuabin điện gió ngày nay.
Tháng 7 năm 1887, giáo sư James Blyth người Scotland đã xây dựng một
tuabin gió trong khu vườn kề nhà nghỉ của mình ở Marykirk và sử dụng điện sản
xuất để sạc ắc quy và cấp cho các bóng đèn trong nhà . Thí nghiệm của ông đạt một
bằng sáng chế của Vương quốc Anh vào năm 1891. Khoảng năm 1887 – 1888,
Charles F. Brush đã thí nghiệm và chế tạo ra một máy phát điện sức gió đạt công
suất khoảng 12kW, đây được coi là máy phát điện sức gió có quy mô lớn đầu tiên.
Trong thập niên 1890, các nhà khoa học Đan Mạch và nhà phát minh Poul La Cour
9


Luận văn thạc sĩ

cũng xây dựng các tuabin gió để tạo ra điện. La Cour là người đầu tiên khám phá ra
rằng tuabin gió có ít cánh quạt quay nhanh hơn và hiệu quả nhất trong việc tạo ra
điện vào năm 1904, sau đó ông thành lập Hiệp hội thợ điện gió.
Đến giữa những năm 1920, máy phát điện gió từ 1kW đến 3kW phát triển bởi
các công ty như Parris-Dunn và Jacobs Wind-electric. Điện gió được sử dụng rộng
rãi trong các lĩnh vực nông nghiệp ở Great Plains miền Tây Trung của Hoa Kỳ

những năm 1940 .
Trong những năm 1920, tuabin gió trục đứng đầu tiên được xây dựng bởi
người Pháp ở George Darrieus. Vào năm 1931 tuabin điện gió ngang trục 100kW
tiền thân của máy phát điện gió ngang trục hiện đại đã được sử dụng ở Yalta, ở Liên
Xô. Năm 1956, Johannes Juul là một cựu sinh viên của La Cour đã xây dựng tuabin
gió ba cánh 200 kW tại Gedser - Đan Mạch, nó có ảnh hưởng nhiều đến thiết kế
tuabin sau này.
Năm 1975, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ tài trợ cho một dự án phát triển các tuabin
gió quy mô lớn. Dự án tuabin gió của NASA xây dựng 13 tuabin điện gió thử
nghiệm, đã mở đường cho công nghệ điện gió ngày nay. Kể từ đó, tuabin điện gió
đã tăng lên rất nhiều về kích cỡ với công suất. Sản xuất tuabin gió đã mở rộng sang
nhiều nước và sản xuất điện từ gió được dự kiến sẽ tăng trên toàn thế giới trong thế
kỷ 21.
1.6.2 Khái quát về cấu trúc của tuabin điện gió

Hình 1.2 Cấu trúc của hệ thống phát điện sức gió.
Một tuabin điện gió là sự hợp thành từ ba phần: phần khí động lực, phần cơ,
phần điện (hình 1.2). Công dụng của từng phần thể hiện thông qua chức năng của
các bộ phận chính trong hệ thống như sau:

10


Luận văn thạc sĩ

+ Tuabin chuyển đổi năng lượng của gió thành cơ năng ở dạng chuyển động
quay;
+ Hộp số có chức năng biến chuyển động quay tốc độ thấp của tuabin thành
chuyển động quay tốc cao phù hợp với tốc độ yêu cầu của máy phát;
+ Máy phát có chức năng biến đổi cơ năng thành điện năng;

+ Bộ biến đổi biến đổi điện năng của máy phát với những thông số chưa phù
hợp với lưới điện thành phù hợp để kết nối được với lưới điện.
Ngoài ra để tuabin hoạt động được cần có một hệ thống điều khiển để phối hợp
hoạt động giữa các bộ phận với nhau.
Có thể chia tuabin điện gió ra thành hai loai:
-

Trục ngang (hình 1.3a) nhiều cánh tốc độ chậm, ba hoặc hai cánh tốc độ
nhanh;

-

Trục đứng (hình 1.3b): khiểu Savonius, Darrieur...

a)

b)

Hình 1.3 a) Tuabin gió trục ngang kiểu 3 cánh; b) Tuabin gió trục đứng
Cần nhấn mạnh rằng các tuabin trục đứng còn đang được thử nghiệm mẫu, trừ một
số kiểu công suất nhỏ công nghiệp do hãng Winside thực hiện. Hầu như toàn bộ
tuabin công nghiệp là kiểu ngang trục.
1.7 Tình hình sản xuất điện gió trên thế giới
1.7.1 Nhóm các nƣớc dẫn đầu thị trƣờng điện gió năm 2013
Trung Quốc, Đức, Ấn Độ và Vương quốc Anh vẫn là những nước sản xuất
điện gió truyền thống, Trung Quốc, Mỹ, Đức, Tây Ban Nha và Ấn Độ, chiếm 73%
tổng công suất điện gió toàn cầu. Tuy nhiên, xét về năng lực mới, Mỹ và Tây Ban
11

Luận văn thạc sĩ

Nha đã hầu như không đóng một vai trò nào, họ đại diện cho ít hơn 1% của thị
trường, do đó các thị phần của nhóm năm nước lớn giảm xuống chỉ còn 57%. Lần
đầu tiên Anh đã bước vào thị trường hàng đầu bằng cách trở thành thị trường lớn
thứ hai cho các tua bin gió lắp đặt mới. Tổng cộng, bốn nước lắp đặt hơn 1GW
trong nửa đầu năm 2013: Trung Quốc (5,5 GW công suất mới), Anh (1,3GW), Ấn
Độ (1,2GW) và Đức (1,1GW). Trong năm 2012, chỉ có ba quốc gia có công suất lắp
đặt hơn 1GW. Mười nước sản xuất điện gió hàng đầu cho thấy một bức tranh đa
dạng trong nửa đầu của năm 2013:
Năm quốc gia thực hiện mạnh mẽ hơn trong 2012: Trung Quốc, Đức, Anh,
Canada, Đan Mạch.
Năm nƣớc thấy một thị trƣờng giảm: Tây Ban Nha, Ấn Độ, Ý, Pháp, Mỹ.
Sau khi thiết lập một kỷ lục mới với 13 GW lắp đặt mới trong 2012. Mỹ cho thấy
một số bế tắc thực tế, với chỉ 1,6 MW công suất lắp đặt mới, so với 2.883 MW một
năm trước. Bồ Đào Nha bật ra khỏi danh sách của 10 thị trường hàng đầu và bây
giờ đứng vị trí thứ 11và được thay thế bởi Đan Mạch.
1.7.2 Thị trƣờng năng động trên tất cả các châu lục
Điều quan trọng là phải nhận thấy rằng đây là lần đầu tiên thị trường năng
động nhất có thể được tìm thấy trên tất cả các châu lục: Mười thị trường lớn nhất
cho các tua bin gió mới bên cạnh Trung Quốc, Anh, Ấn Độ, và Đức: Thụy Điển
(526MW), Australia (475MW), Đan Mạch (416MW), Romania (384MW) và
Canada (377 MW). Brazil là thị trường lớn thứ 10 khi lắp thêm 281MW, là quốc gia
gió lớn nhất Mỹ Latinh. Công suất điện gió toàn cầu đã đạt 296GW, dự kiến cho cả
năm là 318GW. Sự sụt giảm đáng kể của Mỹ dấn đến sự suy giảm toàn cầu, một
phần trong số đó được bù đắp bởi các thị trường mới như Trung Quốc đã đạt tổng
công suất 80GW. Một quốc gia châu Phi thực hiện một bước quan trọng và trở
thành thị trường gió năng động nhất như Ma-rốc cho thấy tốc độ tăng trưởng cao
nhất với 34,4 % chỉ trong vòng sáu tháng, tiếp theo là Romania (21,6%), Australia
(18,4%) và Anh (16,2%).

12


Luận văn thạc sĩ

Châu Âu:
Châu Âu vẫn là lục địa với công suất lắp đặt lớn nhất, nhưng các thị trường
châu Âu cho thấy một bức tranh khá đa dạng trong nửa đầu năm 2013: Lần đầu tiên,
Vương quốc Anh với 1,3GW công suất lắp mới, là thị trường lớn nhất với tổng
công suất 9,6 GW, Vương quốc Anh củng cố vị trí số ba ở châu Âu và số 6 trên
toàn thế giới.
Đức vẫn là một trong số không bị thách thức bởi thị trường điện gió ở châu
Âu, với khả năng lắp mới 1,1GW và tổng cộng 32,4 GW. Thụy Điển (526 MW
mới), Đan Mạch (416 MW mới) và Romania (384 MW mới) thuộc về thị trường
tăng trưởng lớn nhất châu Âu, trong khi Tây Ban Nha vẫn là nước đứng thứ 2 Châu
Âu với công suất lắp đặt mới nhỏ hơn 122 MW.
Châu Á: Thống trị bởi Trung Quốc và Ấn Độ.
Đến nay Trung Quốc đã trở thành thị trường gió lớn nhất, một lần nữa vào
năm 2013 thêm 5,5 GW trong sáu tháng. Trung Quốc chiếm 39% thị trường thế giới
cho các tuabin gió mới, nhiều hơn hơn 29% trong cả năm 2012. Vào tháng Sáu năm
2013, Trung Quốc có công suất lắp đặt tổng thể hơn 80,8 GW. Ấn Độ thêm 1,2
GW, ít hơn trong nửa đầu năm 2012, khi nó được lắp đặt 1,5 GW. Những triển vọng
của thị trường Ấn Độ vẫn chưa rõ ràng do chính sách không chắc chắn. Nhật Bản và
các thị trường gió Hàn Quốc vẫn đang tăng trưởng ở mức rất khiêm tốn, với cả hai
quốc gia có mức tăng trưởng tỷ lệ ít hơn 2% trong nửa đầu của năm 2013. Do tăng
trưởng chậm này, Nhật Bản giảm trong bảng xếp hạng tổng thể từ vị trí 13 đến 15.
Bắc Mỹ:
Thị trường Mỹ đã sụt giảm đáng kể trong việc nửa đầu của năm 2013 chỉ bổ
sung thêm 1,6 MW giữa tháng Giêng và tháng Sáu năm 2013, sau khi lắp đặt 2.883

MW một năm trước đây, sự không chắc chắn từ tình hình không rõ ràng về tương
lai của Tín dụng thuế sản xuất đã dẫn đến tình hình bất thường này: Trong năm
2012, hầu hết các nhà đầu tư đã cố gắng để kết nối các trang trại gió của mình vào
lưới điện để tránh hết thời hạn dự kiến đến của tín dụng thuế sản xuất. Vì áp lực
này, nhiều trang trại gió đã lên mạng mà nếu không sẽ được khánh thành vào năm

13


Luận văn thạc sĩ

2013, vì thế chỉ có vài dự án mới còn lại trong năm 2013, tuy nhiên, thị trường sẽ
trở lại trong nửa cuối năm 2013 và đặc biệt trong năm 2014.
Châu Mỹ Latin:
Các thị trường lớn nhất Mỹ Latin, Brazil, đã trở thành 14 thị trường gió lớn
nhất trên toàn thế giới, sau khi lắp đặt 281 MW trong nửa đầu tiên của năm 2013 và
đạt tổng công suất 2.788 MW, với tỷ lệ tăng trưởng 11,2%. Brazil dự kiến sẽ tiếp
tục như thị trường dẫn đầu trong khu vực trong những năm tiếp theo.
Châu Đại dƣơng:
Phát triển rất đáng khích lệ đã xảy ra tại Úc nơi mà thị trường điện gió được
lắp đặt thêm 475 MW, tăng trưởng 18% so với cuối năm 2012, tương tự như trong
năm 2012. Australia cũng đã đi trước một bước và bây giờ là vị trí thứ 13 quốc tế.
Không tuabin mới được dựng lên ở New Zealand.
Châu Phi:
Một trang trại gió lớn mới 100 MW đã được lắp đặt ở Ma-rốc, tăng công suất
điện gió của nước này 391MW. Nhờ Ma-rốc, công suất gió Châu Phi tăng thêm gần
10%, cũng lần đầu tiên ở trên mức trung bình toàn cầu.
1.7.3 Triển vọng trên toàn thế giới cho cuối năm 2013
Trong nửa cuối năm 2013, 22 GW công suất dự kiến sẽ được lắp đặt thêm trên
toàn thế giới, trong đó sẽ mang lại lắp đặt mới hàng năm 35,7 GW. Tổng công suất

đặt điện gió dự kiến đạt 318 GW vào cuối năm 2013, đủ để cung cấp cho gần 4%
của toàn cầu nhu cầu điện. Giảm được mong đợi này trong lắp đặt mới là chủ yếu
do tình hình bất thường của Mỹ. Do đó, có thể được dự kiến rằng thị trường gió trên
thế giới giảm sẽ có thể phục hồi từ năm 2013 và thiết lập một kỷ lục mới trong năm
2014.
1.7.4 Báo cáo thống kê năng lƣợng gió năm 2013
Hội nghị năng lượng gió thế giới WWEC2014 diễn ra ở Thượng Hải vào ngày
08 tháng 4 năm 2014, WWEA đã trình bày các số liệu thống kê chính của Báo cáo
Năng lượng gió thế giới năm 2013: [17]

14


Luận văn thạc sĩ

-

Công suất điên gió thế giới đạt 318.529 MW vào cuối năm 2013, sau khi đạt
282.275 MW vào năm 2012.

-

35.550 MW công suất điện gió mới đã được bổ sung, tăng trưởng thấp nhất
kể từ năm 2008, và sau 44.609 MW vào năm 2012.

-

Tốc độ tăng trưởng chỉ đạt 12,8%, mức thấp nhất kể từ khi sử dụng năng
lượng gió hiện đại đã bắt đầu trên toàn thế giới.

-

Điện gió đóng góp gần 4% nhu cầu điện năng toàn cầu.

-

Tổng số 103 quốc gia hiện nay sử dụng năng lượng gió trên cơ sở thương
mại.

-

Cho đến nay Trung Quốc vẫn là thị trường gió hàng đầu với khả năng lắp
mới 16.000 MW và tổng công suất 91.324 MW.

-

Thị trường Mỹ đã sụt giảm đáng kể và lắp đặt chỉ 1GW, sau khi lắp 13GW
vào năm 2012.

-

Châu Á hiện có công suất lắp đặt tương tự như châu Âu (119 GW) và dự
kiến sẽ vượt qua châu Âu trong năm 2014 là lớn nhất lục địa gió.

-

Các thị trường năng động nhất với tốc độ tăng trưởng cao nhất vẫn có thể
được tìm thấy ở châu Mỹ Latin và Đông Âu cũng như lần đầu tiên ở châu
Phi, nơi Ma-rốc tăng trưởng 70%, tỷ lệ tăng trưởng cao thứ hai của tất cả các
nước, chỉ đứng sau Chile (76%).

-

Ở một số nước, điện gió chiếm tỷ lệ rất cao trong cung cấp điện; ở Đan Mạch
(34%) và Tây Ban Nha (21%), điên gió đã trở thành nguồn lớn nhất của điện;
còn Bồ Đào Nha (hơn 20%), Ireland (hơn 16%) và Đức (9%).

-

7,4 GW điện gió ngoài khơi đã được lắp đặt vào cuối năm 2013, và gần một
triệu tuabin gió nhỏ.

-

Đến năm 2020, WWEA dự kiến công suất điện gió đạt tới 700.000 MW.

15


Luận văn thạc sĩ

Hình 1.4 Tổng công suất đặt điện gió trên thế giới năm 1997 – 2013[MW]

Hình 1.5 Tổng công suất điện gió lắp đặt mới từ năm 1998- 2013[MW]

16


Luận văn thạc sĩ

Hì
nh 1.6 Tổng công suất điện gió lắp đặt trên thế giới 1997- 2020[MW]

17