Nghiên cứu, đánh giá hiện trạng năng lượng gió và đề xuất các giải pháp nhằm phát triển năng lượng gió tại việt nam

LỜI CÁM ƠN
Được sự phân công của Viện Môi trường Trường Đại học Hàng Hải Việt
Nam và sự đồng ý của Thầy giáo hướng dẫn TS.Phạm Tiến Dũng, em đã thực
hiện đề tài: “ Nghiên cứu, đánh giá hiện trạng năng lượng gió và đề xuất các giải
pháp nhằm phát triển năng lượng gió tại Việt Nam”.
Để hoàn thành luận văn này, em xin chân thành cám ơn các thầy cô giáo
đã tận tình hướng dẫn, giảng dạy trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và rèn
luyện ở Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam, đặc biệt là các thầy cô trong Viện
Môi Trường.
Em xin chân thành cám ơn Thầy giáo hướng dẫn TS.Phạm Tiến Dũng đã
tận tình, chu đáo hướng dẫn em thực hiện luận văn này.
Mặc dù có nhiều cố gắng để thực hiện đề tài một cách hoàn chỉnh nhất,
song do thời gian cũng như hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm nên em không
thể tránh khỏi những sai sót nhất định mà bản thân chưa nhận thấy được. Em rất
mong nhận được sự góp ý của thầy cô và các bạn để luận văn được hoàn chỉnh
hơn.
Em xin chân thành cám ơn!
Hải Phòng, ngày tháng năm 2015
Sinh viên
Nguyễn Thị Thái Vi


MỤC LỤC


MỘT SỐ TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI
BTU

British thermal unit - đơn vị nhiệt Anh

GWEC Global Wind Energy Council - Hội đồng năng lượng gió toàn cầu

IEA

Energy Information Administration - Cơ quan thông tin năng lượng

IEO

International Energy Outlook - Triển vọng năng lượng quốc tế

OECD

Organization for Economic Cooperation and Development Tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế

OPEC

Organization of Petroleum Exporting CountriesTổ chức các nước xuất khẩu dầu mỏ

ROW

Rest of the World - Phần còn lại của thế giới

WB

World Bank - Ngân hàng thế giới

WMO

World Meteorological Organization - Tổ chức khí tượng thế giới

WWEC World Wind Energy Association -Hiệp hội năng lượng gió thế giới

DANH MỤC CÁC BẢNG
Số bảng
1.1
2.1
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6

Tên bảng
Trang
Tiêu thụ năng lượng và lượng khí thải CO2 của Thế giới chia
8
theo khu vực 1990-2025
15
Hướng gió tự nhiên ở các vĩ độ khác nhau
Công suất và tốc độ gia tăng điện gió ở một số nước trên thế
31
giới (2011-2013)
32
Phân loại tuabin gió theo công suất
Tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam tại độ cao 65m
36
theo Atlas gió năm 2001
Tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam tại độ cao 80m theo
36
Atlas gió năm 2010
Thống kê diện tích tiềm năng gió lí thuyết theo tỉnh (km2)

42
2
Thống kê diện tích tiềm năng gió kỹ thuật theo tỉnh (km )
43


DANH MỤC HÌNH VẼ
Số hình
1.1
1.2
1.3
2.1
2.2
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5

Tên hình
Lịch sử và dự án sử dụng năng lượng trên Thế giới phân
theo nguồn năng lượng giai đoạn 1990-2040 (đơn vị: nghìn
triệu triệu Btu)
Biểu đồ tiêu thụ năng lượng thế giới
Lượng khí thải CO2 phân theo khu vực (đơn vị: tỉ tấn)
Các hướng gió chính toàn cầu
Thống kê tốc độ gió trung bình trên toàn thế giới từ năm
1983-1993, dựa trên dữ liệu đo đạc từ vệ tinh GEOS-1
Mô hình hòa lưới điện quốc gia của điện gió
Phân tích lực lên cánh tuabin

Cấu tạo chi tiết của tuabin gió
Công suất điện gió toàn cầu cài đặt hằng năm và tích lũy
(1997-2014)
Atlas gió Việt Nam năm 2001, độ cao 65m

Trang
4
4
7
15
16
20
21
21
30
35


MỞ ĐẦU
Thực tế chứng minh, năng lượng đóng vai trò quan trọng trong tăng
trưởng kinh tế và bảo vệ môi trường cũng như trong cuộc sống của con người.
Hiện nay cùng với sự phát triển kinh tế và gia tăng dân số dẫn đến tốc độ tiêu
thụ năng lượng ngày càng tăng, làm cho các nguồn năng lượng truyền thống
ngày càng trở nên khan hiếm. Thách thức lớn đối với hầu hết các quốc gia trên
thế giới chính là việc thỏa mãn nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng. Một
trong những vấn đề về năng lượng là sự thiếu hụt điện do việc sử dụng điện
ngày càng gia tăng nhằm phục vụ cho các nhu cầu như sinh hoạt, sản xuất và các
mục đích khác. Bên cạnh đó, sự biến đổi khí hậu toàn cầu đang diễn ra nhanh và
khó lường trong những năm gần đây là hậu quả lâu dài của việc sử dụng quá
nhiều các nhiên liệu hóa thạch. Do vậy, trên thế giới nói chung và Việt Nam nói

riêng cần phải có các chiến lược trung và dài hạn nhằm đảm bảo an ninh lương
thực bằng cách khai thác tiết kiệm, hiệu quả và giảm thiểu sự phụ thuộc vào
những nguồn năng lượng truyền thống như than đá, dầu khí…, đồng thời mở
rộng ứng dụng các nguồn năng lượng mới, đặc biệt ưu tiên phát triển các nguồn
năng lượng tái tạo như năng lượng gió, mặt trời, thủy triều, sinh khối…
Theo đánh giá của WB (2007), Việt Nam là một trong năm nước sẽ bị ảnh
hưởng nghiêm trọng của biến đổi khí hậu và nước biển dâng. Và một trong
những giải pháp ứng phó với biến đổi khí hậu, đem lại hiệu quả lâu dài là hạn
chế sử dụng nhiên liệu hóa thạch, khai phá nguồn năng lượng mới, đặc biệt là
nguồn năng lượng tái tạo. Trong khi đó, nước ta với hơn 3000 km đường biển và
nằm trong khu vực khí hậu nhiệt đới gió mùa nên được đánh giá là một trong
những quốc gia có tiềm năng năng lượng gió khá tốt. Tuy nhiên, hiện nay các dự
án điện gió ở Việt Nam vẫn chưa thu hút được các nhà đầu tư trong và ngoài
nước, điện gió vẫn chưa phát huy được hết tiềm năng của mình. Do vậy, việc
nghiên cứu đánh giá tiềm năng năng lượng gió nhằm tìm ra giải pháp ứng phó
với biến đổi khí hậu, ô nhiễm môi trường cũng như thỏa mãn nhu cầu về năng
lượng là điều cần thiết, nhất là với tốc độ tăng trưởng kinh tế của Việt Nam như
hiện nay. Đó là lí do em chọn đề tài:
“ Nghiên cứu, đánh giá hiện trạng năng lượng gió và đề xuất các giải
pháp nhằm phát triển năng lượng gió tại Việt Nam”.
5


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NĂNG
LƯỢNG TRÊN THẾ GIỚI
1.1.

Năng lượng

“ Năng lượng là một dạng tài nguyên vật chất xuất phát từ hai nguồn chủ

yếu: Năng lượng mặt trời và năng lượng lòng đất.” (Trích Bộ tài nguyên và môi
trường - Tổng cục môi trường (VEA)).
•

Năng lượng mặt trời tồn tại ở các dạng chính: bức xạ mặt trời, năng lượng

sinh học (sinh khối động thực vật), năng lượng chuyển động của khí quyển
và thủy quyển (gió, sóng, các dòng hải lưu, thủy triều, dòng chảy sông…),
năng lượng hóa thạch (than, dầu, khí đốt, hóa dầu).
• Năng lượng lòng đất gồm nhiệt lòng đất biểu hiện ở các nguồn địa nhiệt, núi
lửa và năng lượng phóng xạ tập trung ở các nguyên tố như U, Th, Po,…
Theo Chuyên đề năng lượng – VnGG Energy Group: “ Về cơ bản, năng
lượng được chia thành hai loại, năng lượng chuyển hóa toàn phần (không tái tạo)
và năng lượng tái tạo dựa vào đặc tính của nguồn nhiên liệu sinh ra nó.”
Năng lượng chuyển hóa toàn phần: đây là một dạng năng lượng mà nhiên liệu
sản sinh ra nó không có khả năng tái sinh và vĩnh viễn mất đi. Đại diện bao
gồm:
•

Năng lượng hóa thạch: các loại nhiên liệu được tạo thành bởi quá trình phân

hủy kị khí của các sinh vật chết bị chôn vùi cách đây hơn 300 triệu năm. Các
nguyên liệu này chứa hàm lượng cacbon và hydrocacbon cao.[12]
• Năng lượng hạt nhân: (hay nguyên tử năng) là một loại công nghệ hạt nhân
được thiết kế để tách năng lượng hữu ích từ hạt nhân nguyên tử thông qua
các lò phản ứng hạt nhân có kiểm soát[12].
“Năng lượng tái tạo (hay năng lượng tái sinh) là năng lượng từ những
nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn. Vô hạn có hai nghĩa
hoặc là năng lượng tồn tại nhiều đến mức mà không thể trở thành cạn kiệt vì sự
sử dụng của con người (ví dụ năng lượng mặt trời) hoặc là năng lượng tự tái tạo

trong thời gian ngắn và liên tục (ví dụ năng lượng sinh khối) trong các quy trình
còn diễn tiến trong một thời gian dài trên Trái Đất”[12].
•
•
•

Năng lượng mặt trời
Năng lượng gió
Năng lượng thủy triều
6


• Năng lượng sức nước
• Năng lượng sóng biển
• Năng lượng địa nhiệt
• Năng lượng sinh khối
1.2.
Tình hình sử dụng năng lượng trên thế giới

Thế giới vào những năm đầu của thế kỉ 21 đang đứng trước nhiều vấn đề
cần phải đối mặt. Trong đó, vấn đề được xem là nóng bỏng nhất và thu hút sự
quan tâm của tất cả các nhà khoa học cũng như Chính Phủ các quốc gia hiện nay
là hiện tượng ấm lên toàn cầu do tác động của hiệu ứng nhà kính và sự khủng
hoảng về năng lượng. Theo dự báo của Cơ quan thông tin năng lượng (IEA) vào
năm 2013, mức tiêu thụ năng lượng trên toàn thế giới có thể tăng thêm 56%
(ước tính khoảng 524 nghìn triệu triệu Btu năm 2010 và tới 820 nghìn triệu triệu
Btu vào năm 2040) mà nhu cầu chủ yếu sẽ rơi vào các quốc gia có nền kinh tế
đang phát triển mạnh, ví dụ như Trung Quốc hay Ấn Độ ở Châu Á[14].
Các cuộc chiến để giành giật nguồn tài nguyên thiên nhiên đặc biệt là dầu
mỏ, khí tự nhiên, nguồn nước đang có xu thế ngày càng gia tăng trên thế giới.

Thế giới ngày càng nổi cộm lên các cuộc tranh giành này. Như là dầu lửa, tuyến
đường vận chuyển cũng như thị trường sản xuất và tiêu thụ dầu lửa thường xảy
ra ở các khu vực phong phú nguồn tài nguyên thiên nhiên nhưng lại có tình hình
chính trị không ổn định như ở Trung Đông, Châu Phi…
Dân số tăng nhanh và tốc độ đô thị hóa chóng mặt trên toàn cầu cũng là
một yếu tố ảnh hưởng mạnh đến nhu cầu về năng lượng. Dân số thế giới tăng từ
khoảng 5,5 tỷ người trong năm 1993 lên tới 7 tỷ người vào năm 2010 trong đó
dân số của các nước thuộc tổ chức Hợp tác và Phát triển kinh tế (OECD) tăng
lên khoảng 100 triệu người ước tính vào khoảng 7%. Dân số ở các nước còn lại
(ROW-Rest of the World) sẽ tiếp tục tăng lên và vượt qua mức 78% trong năm
2010. Do vậy, dù mức tăng trưởng kinh tế ở những nước này phân bố đều ra cho
số dân thì thu nhập bình quân đầu người vẫn giảm, cho dù tổng sản phẩm quốc
nội có tăng lên. Khi dân số tăng thì số dân sống ở khu vực thành thị của các
nước ROW cũng tăng lên cộng thêm với quá trình đô thị hóa sẽ làm cho các đòi
hỏi về năng lượng tăng cao, như năng lượng sử dụng cho thắp sáng, công
nghiệp, giao thông vận tải, thương mại, dịch vụ…
Về nét chung của nhu cầu năng lượng thế giới, có ba điểm cần lưu ý. Thứ
nhất, nhu cầu về năng lượng của thế giới tiếp tục tăng lên đều đặn trong hơn hai
thập kỉ qua. Thứ hai là nguồn năng lượng hóa thạch vẫn chiếm 90% tổng nhu
7


cầu về năng lượng cho đến năm 2025. Thứ ba nhu cầu đòi hỏi về năng lượng của
từng khu vực trên thế giới cũng không giống nhau.
Ngay từ năm 2004, Tài liệu của Cơ quan Thông tin Năng lượng đã dự báo
rằng nhu cầu tiêu thụ tất cả các nguồn năng lượng đang có xu hướng tăng nhanh.
Giá của năng lượng hóa thạch dùng cũng vẫn rẻ hơn so với các nguồn năng
lượng khác.

Hình 1.1 Lịch sử và dự án sử dụng năng lượng trên Thế giới phân theo nguồn

năng lượng giai đoạn 1990-2040 (đơn vị: nghìn triệu triệu Btu)
Dầu mỏ vẫn được coi là nguồn năng lượng chính cho toàn thế giới tới
năm 2025. Thống kê của IEO2004 cho thấy, với nhu cầu đòi hỏi về dầu mỏ tăng
lên 1,9% mỗi năm thì trong vòng 24 năm tới, mức tiêu thụ 77 triệu thùng/ngày
năm 2001 sẽ tăng lên tới 121 triệu thùng/ngày vào năm 2025, mà nhu cầu lớn
nhất sẽ là từ Mỹ và các nước đang phát triển ở châu Á như Ấn Độ, Trung
Quốc… Các quốc gia này có thể sẽ chiếm tới 60% nhu cầu của thế giới[14].

Hình 1.2 Biểu đồ tiêu thụ năng lượng thế giới
Theo Cơ quan thông tin năng lượng (IEA), nhu cầu dầu mỏ thế giới năm
2015 sẽ tăng lên 1,4 triệu thùng/ngày so với mức 1,2 triệu thùng hiện nay, chủ
yếu đến từ các nền kinh tế thị trường mới nổi và các quốc gia công nghiệp mới.
Nhu cầu của Trung Quốc, nước tiêu thụ dầu lớn thứ hai thế giới, sẽ tăng 4,2% từ
8


mức 3,3% trong năm nay, trong khi nhu cầu của quốc gia tiêu thụ dầu hàng đầu
là Mỹ chỉ tăng 0,2%, đạt mức 19,1 triệu thùng/ngày. Về sản xuất, IEA dự báo
các quốc gia ngoài Tổ chức các nước xuất khẩu dầu mỏ (OPEC) vẫn giữ vững
mức tăng trưởng trung bình 1,2 triệu thùng/ngày trong năm 2015, trong đó Mỹ
và Canada đóng vai trò chính. Với sự phát triển mạnh mẽ của ngành công
nghiệp dầu cát ở Canada, sản lượng dầu đá phiến sét ở phía Nam bang Texas
(Mỹ) trong năm nay tiếp tục tăng 34%, đạt mức 1,4 triệu thùng/ngày và sẽ lên
đến 1,6 triệu thùng/ngày vào năm tới. Theo IEA, trong năm 2015, nhu cầu dầu
thô của OPEC sẽ giảm xuống 29,8 triệu thùng/ngày chủ yếu do hoạt động sản
xuất ở một số nước OPEC bị gián đoạn nghiêm trọng do khủng hoảng chính trị
trong nước. Trong khi đó, các nguồn cung cấp dầu mỏ toàn cầu sẽ trở nên đa
dạng hơn với triển vọng tăng trưởng sản xuất tương đối mạnh của Brazil, Anh,
Việt Nam, Malaysia, Na Uy và Colombia. IEA đồng thời cảnh báo những rủi ro
từ các nguồn cung dầu mỏ ở Trung Đông và Bắc Phi, nhất là ở Iraq và Lybia.

Với nhu cầu sử dụng năng lượng hóa thạch và sự dao động về giá dầu như
hiện nay thì nguồn tài nguyên thiên nhiên quý hiếm mà chúng ta gọi là “vàng
đen” này cũng sẽ đứng trên bờ vực của sự cạn kiệt và đẩy thế giới vào một sự
khủng hoảng trầm trọng về năng lượng. Vấn đề nóng bỏng này sẽ chỉ có thể
được làm “hạ nhiệt” đi nếu như tìm ra được một nguồn năng lượng mới thay nó
hoặc tận dụng và tìm cách khai thác triệt để các nguồn năng lượng tuần hoàn sẵn
có trong tự nhiên như: năng lượng gió, năng lượng mặt trời hay các nguồn năng
lượng có thể tái tạo lại. Đây là nhiệm vụ rất lớn và là mối quan tâm của tất cả
các quốc gia trên thế giới trong việc giữ gìn một thế giới ổn định và phát triển,
nhưng giải quyết vấn đề này bằng cách nào, như thế nào thì lại là một bài toán
khó tìm ra lời giải và luôn mang tính thời sự nóng hổi ở khắp nơi trên toàn thế
giới.
1.3.

Năng lượng và các vấn đề về ô nhiễm môi trường và thay đổi khí hậu

Các nguồn năng lượng hóa thạch trên thế giới dần cạn kiệt, thêm nữa là
những vấn đề môi trường nảy sinh trong quá trình khai thác đã dẫn đến việc
khuyến khích sử dụng năng lượng tái tạo để giảm bớt sự ô nhiễm và tránh gây
cạn kiệt nguồn năng lượng hóa thạch. Nhưng do chưa có những điều luật cụ thể
về vấn đề này nên dầu mỏ, than đá, khí thiên nhiên vẫn được coi là nguồn nhiên
liệu chủ yếu để nhằm thỏa mãn những đòi hỏi về năng lượng và chính điều đó sẽ
dẫn đến sự cạn kiệt nguồn năng lượng hóa thạch trong một thời gian không xa.
9


“ Sản xuất và sử dụng năng lượng là nguyên nhân chủ yếu làm thay đổi
khí hậu” (Robert Priddle, Giám đốc điều hành, Cơ quan nguyên tử quốc tế
(IEA).”
Khi đề cập về tình hình dự trữ, khai thác hay sử dụng các nguồn năng

lượng nhất là nguồn năng lượng hóa thạch trên thế giới, chúng ta không thể bỏ
qua những tác động trực tiếp cũng như gián tiếp của các hoạt động đó đối với
môi trường. Hiện nay cũng như trong các thập kỉ sắp tới, việc làm sao để giảm
thiểu khí nhà kính sinh ra trong quá trình sử dụng và đốt cháy năng lượng là một
vấn đề vô cùng cấp thiết vì sự gia tăng lượng khí nhà kính sẽ gây ra sự thay đổi
khí hậu toàn cầu do trái đất nóng lên và làm cho không khí trở nên ô nhiễm nặng
nề. Chúng ta sẽ đề cập đến các yếu tố do việc tiêu thụ năng lượng tác động lên
môi trường, khí quyển do đó làm tăng các chất gây ô nhiễm cho không khí như
chì, SOx, NOx, các vật chất hữu cơ không ổn định. Ở nhiều quốc gia còn quan
tâm đến cả việc giảm lượng thủy ngân tạo ra trong quá trình sản xuất điện năng
để tránh gây ô nhiễm đất, sông ngòi, ao hồ và đại dương.
1.3.1.

Lượng khí thải Cacbon đioxit trên toàn cầu gây ra do sử dụng năng
lượng

Ngày 26-5-2014, Cơ quan khí tượng học thế giới (WMO) thông báo, nồng
độ khí CO2 trong khí quyển đã vượt "ngưỡng mới", cho thấy tính cấp bách của
các nỗ lực hạn chế lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính làm Trái Đất nóng lên.
WMO cho biết: “Nồng độ khí CO2 trung bình trong khí quyển lần đầu tiên đã
vượt mức 400 phần triệu ở bán cầu Bắc, khu vực ô nhiễm hơn bán cầu Nam.
Hiện tượng này từng xảy ra ở bán cầu Bắc vào mùa Xuân, nhưng đây là lần đầu
tiên hàm lượng CO2 trung bình của tháng vượt ngưỡng này. WMO cho biết
thêm, nồng độ CO2 trung bình trên toàn cầu sẽ vượt ngưỡng 400 phần triệu vào
năm 2015 hoặc 2016, so với 393,1 phần triệu trong năm 2012. Theo người đứng
đầu WMO - Michel Jarraud, cần phải coi thay đổi trên là hồi chuông cảnh tỉnh
về thực trạng khí thải gây biến đổi khí hậu. Ông đồng thời cảnh báo thế giới
không còn nhiều thời gian để ngăn chặn chiều hướng này gia tăng. Nồng độ CO 2
trong khí quyển thời kỳ tiền Cách mạng công nghiệp là 278 phần triệu và tăng
trung bình 2 phần triệu mỗi năm trong thập kỷ qua”[17].

Tổng quan năng lượng năm 2004 (IEO 2004) đã dự đoán về sự phát sinh
khí thải CO2 có liên quan đến năng lượng chủ yếu là khí thải CO 2 do con người
gây ra trên toàn cầu. Căn cứ vào những kì vọng về tăng trưởng kinh tế khu vực
10


và sự lệ thuộc vào nguồn năng lượng hóa thạch, IEO 2004 đã cho thấy sự thải
khí CO2 trên toàn cầu sẽ tăng nhanh hơn rất nhiều trong cùng một chu kì so với
những năm 1990. Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) mới công bố, lượng
khí thải gây hiệu ứng nhà kính CO 2 trên toàn cầu đã tăng 1,4%, lên mức kỷ lục
31,6 tỷ tấn trong năm 2012. Sự tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch tăng cao đặc biệt là
ở những nước đang phát triển phải có trách nhiệm rất lớn đối với việc tăng rất
nhanh lượng khí thải cacbon đioxit bởi vì mức tăng trưởng kinh tế và sự gia tăng
dân số cao hơn nhiều lần so với các nước công nghiệp hóa, mà cùng với nó sẽ là
việc nâng cao mức sống, cũng như nhu cầu về năng lượng sử dụng trong quá
trình công nghiệp hóa. Về lượng khí thải CO2 trên toàn cầu, có thể thấy rằng các
nước đang phát triển sẽ chiếm đa phần trong việc sử dụng năng lượng trên thế
giới. Khí nhà kính nhiều nhất trong số những nước này chính là Trung Quốc,
quốc gia có tốc độ tăng trưởng thu nhập bình quân đầu người cũng như sử dụng
nhiên liệu hóa thạch cao nhất.

Hình 1.3 Lượng khí thải CO2 phân theo khu vực (đơn vị: tỉ tấn)
Năm 2010, lượng khí thải CO2 từ các nước công nghiệp hóa chiếm tới
50% toàn cầu, tiếp theo sau đó là các nước đang phát triển chiếm tới 37%, các
nước Đông Âu và Liên Xô cũ chiếm 12,5%. Tới năm 2025, các nước công
nghiệp hóa được dự đoán là sẽ thải ra một lượng khí CO 2 chiếm 42% của lượng
khí thải toàn cầu, trong khi đó lượng CO2 thải ra ở các nước đang phát triển là
46%, Đông Âu và Liên Xô cũ vào khoảng 12%. (Bảng 1.1).
Trong thế giới công nghiệp hóa, hơn một nửa lượng khí thải CO 2 năm
2010 là sử dụng dầu mỏ, tiếp theo đó là lượng khí thải là do sử dụng than. Theo

dự báo qua từng giai đoạn thì dầu vẫn là nguồn nhiên liệu chủ yếu gây ra khí
thải CO2 ở các quốc gia công nghiệp hóa vì nó vẫn là một phần quan trọng được
sử dụng trong ngành vận tải. Sử dụng khí tự nhiên và lượng khí thải sinh ra
11


trong quá trình sử dụng cũng được dự đoán là sẽ tăng lên, đặc biệt trong ngành
công nghiệp điện và có thể lượng khí thải sinh ra trong quá trình sử dụng khí tự
nhiên sẽ lên tới 24% vào năm 2025.
Bảng 1.1 Tiêu thụ năng lượng và lượng khí thải CO2 của Thế giới chia theo
khu vực 1990-2025
Khu vực
Các nước công
nghiệp hóa
Đông Âu/ Liên
Xô cũ
Các nước đang
phát triển
Châu Á
Trung Đông
Châu Phi
Trung/ Nam Mỹ
Tổng số thế giới

Tiêu thụ năng lượng
Lượng khí thải CO2
(Nghìn triệu triệu Btu)
(Triệu tấn)
1990 2001 2010 2025 1990
2001

2010
2025
182,
236, 281,
15,54
211,5
10,462 11,634 12,938
8
3
4
3
76,3

53,3

59,0

75,6

89,3

139,
2

175,
5

52,5

85,0

110,6

13,1
9,3
14,4
348,
4

20,8
12,4
20,9
403,
9

25,0
14,6
25,4
470,
8

265,
9
173,
4
34,1
21,5
36,9
622,
9

4,902

3,148

3,397

4,313

6,200

9,118

11,379

17,16
8

3,994

6,012

7,647

11,801

846
656
703

1,299
843
964

1,566
971
1,194

21,563

23,899

27,715

2,110
1,413
1,845
37,12
4

Dầu mỏ và than đã và đang được coi là năng lượng chính gây ra phần lớn
lượng khí thải CO2 ở các nước đang phát triển. Trung Quốc và Ấn Độ vẫn được
cho là hai nước sử dụng nguồn than nội địa để dùng trong việc phát điện và các
hoạt động công nghiệp. Hầu hết các khu vực đang phát triển vẫn sẽ tiếp tục sử
dụng chủ yếu là dầu mỏ để đáp ứng các nhu cầu về năng lượng, đặc biệt là năng
lượng sử dụng trong lĩnh vực vận tải.
Phần lớn các nhà khoa học ủng hộ giả thuyết cho rằng việc tăng nồng độ
các khí nhà kính do con người gây ra, hiệu ứng nhà kính chủ yếu do sự tăng
lượng khí thải CO2 sẽ làm tăng nhiệt độ toàn cầu (sự nóng lên của khí hậu toàn
cầu) và như vậy sẽ làm thay đổi khí hậu trong các thập kỉ và thập niên tới.

1.3.2. Giải pháp
1.3.2.1. Nghị định thư Kyoto về cắt giảm khí nhà kính

Nhu cầu về năng lượng và cùng với nó là lượng khí thải CO 2 và các khí
khác mà ta thường gọi chung là “khí nhà kính” đã và đang tăng lên trong suốt 50
năm qua. Sự tăng lên của lượng khí nhà kính này sẽ làm cho khí hậu toàn cầu
12


ấm lên và kéo theo nhiều vấn đề khác liên quan. Sự thay đổi khí hậu là vấn đề
quan tâm lớn nhất của toàn cầu có liên quan rất lớn đến việc sản xuất cũng như
tiêu thụ năng lượng. Hội nghị của Liên Hợp Quốc về Sự thay đổi Khí hậu
(UNFCCC) họp tại Kyoto tháng 12 năm 1997 đã đưa ra một thỏa thuận chung
về khí hậu nhằm ngăn ngừa việc biến đổi khí hậu, gọi tắt là Nghị định thư
Kyoto.
Nghị định thư Kyoto nêu rõ việc ngăn ngừa biến đổi khí hậu là trách
nhiệm chung của tất cả các nước, song có phân biệt theo mức độ phát triển kinh
tế, trong đó buộc 38 quốc gia công nghiệp phải hạn chế thải khí nhà kính (chủ
yếu CO2) để ngăn chặn hiện tượng nóng lên toàn cầu. Theo đó, chậm nhất là vào
năm 2012, 38 nước phải cắt giảm ít nhất là 5% lượng khí thải với năm 1990,
mức dao động giữa các quốc gia của Liên minh Châu Âu là 8% đến 10% (đối
với Iceland), nhưng do ràng buộc với nghị định thư với từng nước trong khối có
khác nhau nên một số nước kém phát triển trong EU có thể được phép giữ cho
mức tăng đến 27% (so với 1999), riêng Mỹ phải giảm 7% vì nước này chỉ chiếm
6% dân số thế giới, nhưng nền sản xuất khổng lồ của họ lại gây ra 25% tổng
lượng khí thải toàn cầu.
Để đạt được mục tiêu cắt giảm khí nhà kính như đã đề ra, các nước trong
Annex I có thể tiến hành việc giám sát sự giảm lượng khí thải trong nước hay
“phương thức linh hoạt” giữa các nước. Nghị định thư Kyoto về khí hậu sử dụng
3 cơ chế linh hoạt “flexible mechanisms” để giúp cho các nước đạt được chỉ tiêu

cắt giảm khí nhà kính bằng một phương thức có hiệu quả thương mại nhất.
•

Cơ chế Buôn bán khí thải quốc tế: Phương thức này cho phép các nước

Annex I chuyển một lượng khí thải cho phép tới các nước khác trong Annex I
bắt đầu từ năm 2008 với một mức giá cho phép. Ví dụ như một nước trong
Annex I muốn giảm mức khí thải của mình năm 2010 xuống 10 triệu tấn CO 2
thì có thể bán lại chứng chỉ giảm lượng khí thải cho các nước sản sinh vượt
trội lượng khí thải cho phép trong Annex I.
• Cơ chế Hợp tác thực hiện (JI): Phương thức này cho phép các nước trong
Annex I thông qua Chính Phủ hay các tổ chức hợp pháp để đầu tư cho việc
cắt giảm khí thải cho chính nước mình hay thu nhận các cách thực hiện từ
các nước khác và áp dụng vào đất nước mình.

13


•

Cơ chế phát triển sạch (CDM): Phương thức này tương tự như Hợp tác thực
hiện nhưng việc cắt giảm khí thải có thể thực hiện cả ở các nước không nằm
trong Annex I.

Việt Nam chúng ta dù dã đặt bút ký vào Nghị định thư Kyoto nhưng do là
nước đang phát triển, chúng ta không bị bắt buộc giảm thải khí nhà kính, xong
chúng ta cũng chủ trương tham gia và đẩy mạnh các dự án theo Cơ chế Phát
triển sạch (CDM) và dự đoán chúng ta có thể thu được thêm khoảng 250 triệu
USD từ việc bán chứng chỉ giảm phát thải trong khoảng thời gian 2008-2012 tới.
Chúng ta đã và đang tiến hành áp dụng CDM cho một số dự án tiêu biểu trong

đó có dự án thu hồi khí đồng hành ở Mỏ dầu Rạng Đông.
Mục tiêu của Kyoto 1997 đó là làm giảm các khí thải độc hại như CO 2,
methan, NOx, hyđroflorơcacbon (HFCs), peflorơcacbon (PFCs) và sulfua
hexaflorit (SF6). Hiện nay thì lượng khí CO 2 vẫn chiếm thành phần chủ yếu
trong các loại khí nhà kính ở hầu hết các nước Annex I, tiếp theo sau đó là
methan và NOx.
Nghị định thư Kyoto sẽ có hiệu lực sau 90 ngày kể từ khi có ít nhất 55
nước trong đó bao gồm cả các nước nằm trong Annex I, tạo ra tổng cộng 55%
lượng khí nhà kính toàn cầu năm 1990, đặt bút phê chuẩn. “Kể từ tháng 9/2011
đã có khoảng 191 nước kí kết tham gia chương trình này. Trong đó có khoảng 36
nước phát triển (với liên minh Châu Âu được tính là một) được yêu cầu phải có
hành động giảm thiểu khí thải nhà kính mà họ đã cam kết cụ thể trong nghị trình
(lượng khí này chiếm hơn 61.6% của lượng khí của nhóm nước Annex I cần cắt
giảm). Nghị định thư cũng được khoảng 137 nước đang phát triển tham gia kí
kết trong đó gồm Brasil, Trung Quốc và Ấn Độ nhưng không chịu ràng buộc xa
hơn các vấn đề theo dõi diễn biến và báo cáo thường niên về vấn đề khí
thải”[12].
Nhưng dù đã bắt đầu có hiệu lực, Nghị định thư Kyoto về cắt giảm khí
nhà kính cũng không đủ sức để làm chậm bớt đi sự ấm lên toàn cầu, một thảm
họa trước mắt của trái đất. Trái đất ấm lên sẽ làm băng ở Bắc Cực tan nhanh và
gây ra lụt lội hay các tai biến thiên nhiên không lường trước được. Chính vì vậy,
các quốc gia cần phải có động thái tích cực và những biện pháp kiên quyết để
ngăn chặn thảm họa này.
1.3.2.2.

Giảm bớt ô nhiễm khi sử dụng năng lượng

14

Rất nhiều nước hiện nay đề ra những chính sách tại chỗ để hạn chế những
khí thải khác CO2 sinh ra do quá trình sử dụng năng lượng. Ô nhiễm không khí
liên quan tới năng lượng đang gây chú ý đặc biệt gồm có NOx, SO2, chì, các chất
thải dạng hạt, các chất thải hữu cơ có thể bay hơi… bởi vì chúng sẽ bay lên tầng
ozon và hình thành tầng khói, gây mưa axit và nhiều vấn đề khác liên quan đến
sức khỏe con người. NOx sinh ra trong quá trình đốt cháy ở nhiệt độ cao như
trong quá trình vận hành xe hơi, máy móc và các nhà máy phát điện. SO 2 sinh ra
trong quá trình đốt cháy nhiên liệu có chứa hàm lượng lưu hùynh cao dùng cho
phát điện hay trong quá trình luyện kim, lọc dầu và các quá trình công nghiệp
khác; lượng khí thải từ các nhà máy nhiệt điện phần lớn là SOx.
Các chất thải hữu cơ bay hơi được sinh ra từ nhiều nguồn khác nhau như
từ quá trình vận tải, nhà máy hóa chất, lọc dầu, các công xưởng. Để hạn chế
lượng khí thải độc hại sinh ra do đốt cháy nhiên liệu, nhiều quốc gia đã chuyển
từ việc sử dụng than sang sử dụng khí để phát điện. Để giảm lượng khí độc hại
sinh ra trong quá trình vận tải, một số nước áp dụng công nghệ cao để tạo ra
những loại máy móc hay ô tô đạt tiêu chuẩn cũng như hạn chế hàm lượng sulfur
trong xăng, dầu để đảm bảo hạn chế đến mức tối đa lượng khí thải.
Chất thải chì được tạo ra trong quá trình máy móc vận hành sử dụng xăng
pha chì. Ảnh hưởng độc hại của chì, đặc biệt là đối với trẻ em đã được nghiên
cứu kỹ trong suốt 3 thập niên qua. Hầu hết các nước ở Châu Phi, Liên Xô cũ,
Trung Đông và Mỹ Latin là vẫn còn dùng xăng pha chì còn các nước khác, hiện
nay đã chuyển sang dùng xăng không pha chì. Những nước vẫn còn dùng nhiên
liệu pha chì thì xăng pha chì là nguyên nhân chủ yếu chiếm 90% khí thải có chì
ở khu vực đô thị.
Thêm vào đó, ở nhiều nước chất thải có chứa thủy ngân sinh ra trong quá
trình sử dụng năng lượng cũng đang trở thành một vấn đề đối với những nước
công nghiệp. Trong vài thập kỷ qua, nhiều nước đã bắt đầu đánh giá tác động
độc hại của thủy ngân đối với sức khỏe con người và môi trường. Thủy ngân là
chất tích tụ bền vững trong cơ thể theo thời gian. Cá kiếm, cá hồi, các loài chim
ăn cá và hải cẩu là những loài vật chịu ảnh hưởng nhiều nhất của việc tích tụ

thủy ngân. Mặc dù thủy ngân có mặt cả ở trên đất liền cũng như ở ngoài biển
nhưng nó thường tập trung nhiều nhất trong hệ sinh thái biển. Chất thải chứa
thủy ngân sinh ra trong quá trình sử dụng năng lượng đang trở thành mối quan
tâm đặc biệt ở các nước công nghiệp. Nguồn gây ra thủy ngân do hoạt động của
con người bao gồm các hoạt động như: đốt cháy năng lượng tĩnh, sản xuất kim
15


loại màu, sản xuất gang, thép, xi măng, chế biến dầu khí và tiêu hủy rác. Trong
những nguyên nhân vừa nêu trên thì việc phát điện, đốt cháy rác thải đô thị và
chế biến dầu khí là có liên quan đến việc sử dụng năng lượng và hiện nay các
nước đều đang tìm cách giảm lượng thủy ngân sinh ra do nhiệt điện, sử dụng
than bằng cách thay thế nó bởi nguồn nhiên liệu khác, ví dụ như khí tự nhiên.
Và như vậy, các vấn đề ô nhiễm môi trường và biến đổi khí hậu có thể
được giải quyết phần nào nếu như chúng ta lưu ý đến mấy vấn đề sau trong quá
trình sử dụng năng lượng:
Cố gắng không sử dụng xăng dầu pha chì
Kiểm soát và điều khiển lượng chất thải thủy ngân sinh ra trong quá trình sử

•
•

dụng năng lượng.
• Xây dựng quy chế kiểm soát các khí thải, sao cho hạn chế tới mức tối đa các
khí thải độc hại.

CHƯƠNG II. NĂNG LƯỢNG GIÓ
Tổng quan về năng lượng gió

2.1.

Năng lượng gió là một nguồn năng lượng quan trọng và có tiềm năng rất
lớn. Đây là dạng năng lượng sạch, phong phú và là nguồn cung cấp năng lượng
gần như vô tận. Công nghệ và kỹ thuật khai thác năng lượng gió phát triển vượt
bậc trong 2 thập kỷ vừa qua, ví dụ như công suất tuabin gió hiện nay lớn gấp
100 lần so với 20 năm trước. Do đó, năng lượng gió được liệt vào một trong
những dạng năng lượng hoàn nguyên sản xuất điện năng phát triển nhanh nhất
trong thời gian gần đây, với tốc độ gia tăng trung bình mỗi năm là 26%.
Các lợi thế chính của năng lượng gió:
•

Sạch, không gây ô nhiễm: năng lượng gió không thải khí và suy kiệt theo
thời gian. 1 turbin gió công suất 1 MW vận hành trong một năm có khả năng
giảm thiểu 1.500 tấn C02, 6,5 tấn SO2, 3,2 tấn NO2, 60 cân anh thủy ngân ...
16


Tăng cường phát triển kinh tế địa phương: các nông trại gió có khả năng

•

nâng cao thu nhập của chủ đất qua các hình thức cho thuê đất để phát triển
trại gió, đưa tới việc tăng lợi tức từ thuế cho cộng đồng địa phương.
• Đa dạng về hình thức và qui mô: ứng dụng năng lượng gió gồm nhiều hình
thức và qui mô từ nhỏ đến lớn, từ các trại gió tập trung đến các hệ thống phát
điện gia dụng.
• Ổn định giá năng lượng: với khả năng đóng góp và đa dạng hóa năng lượng,
năng lượng gió có thể góp phần giảm sự phụ thuộc vào các dạng năng lượng
truyền thống (năng lượng hóa thạch) vốn thay đổi theo giá thành và khả năng
cung cấp.

• Giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu nhập khẩu, góp phần giữ vốn đầu tư nội địa
và hạn chế sự phụ thuộc vào nguồn cung cấp nguyên liệu từ nước ngoài.
Với vai trò và khả năng giảm thiểu tỷ lệ khí nhà kính của năng lượng gió,
các nước phát triển đang đẩy mạnh các kế hoạch khai triển điện gió đầy tham
vọng. Trong đó gần đây nhất là các dự án phát triển điện gió ngoài khơi, cho dù
dạng điện gió ngoài khơi thường có chi phí khai thác cao hơn nhưng nguồn gió
rất dồi dào và ít các tác động môi trường hơn. Điện gió cũng đang thu hút dần sự
chú ý của các nước đang phát triển do nó có thể được khai triển tương đối nhanh
chóng ở những khu vực đang có nhu cầu cấp bách về điện năng. Điện gió cũng
có thể là giải pháp có hiệu quả kinh tế để thay thế một khi các nguồn nhiên liệu
truyền thống bị khan hiếm hoặc giá cả dao động mạnh, bất ổn. Điện gió cũng có
những ứng dụng rất phù hợp ở các địa phương vùng sâu vùng xa do khả năng
linh hoạt của nó trong quy mô phát triển.
2.2.

Sự hình thành năng lượng gió

Năng lượng gió, như hầu hết các nguồn năng lượng khác trên Trái Đất,
xuất phát từ Mặt Trời. Bức xạ mặt trời khi chiếu lên Trái Đất không phân bố
nhiệt đồng đều ở trên bề mặt các lục địa và đại dương. Sự phân bố nhiệt chênh
lệch này tạo ra áp suất cao và áp suất thấp, từ đó sinh ra gradient áp suất giữa
các khu vực khác nhau. Theo định luật 2 nhiệt động học, gradient nhiệt này sẽ
phải được thu nhỏ tối đa (trở về trạng thái cân bằng). Tự nhiên luôn tìm đến
trạng thái năng lượng thấp nhất (bền nhất) để đạt tối đa entropy. Để bù trừ cho
sự chênh lệch áp suất, khối không khí từ vùng áp suất cao sẽ di chuyển về vùng
áp suất thấp, từ đó tạo nên gió. Mỗi giờ đồng hồ, Mặt Trời phóng thích ra một
nguồn năng lượng khổng lồ khoảng 174.423 x10 9 kWh vào Trái đất. Khoảng 117


2% năng lượng này chuyển thành năng lượng gió, tương đương với 50-100 lần

tổng năng lượng sinh khối chuyển từ toàn bộ tất cả cây cối trên Trái Đất. Các
cơn gió lớn gây bởi sự chênh lệch nhiệt và áp suất giữa vùng cực (nhận ít nhiệt
từ Mặt Trời) và xích đạo (nhận nhiều nhiệt nhất).
Như vậy, khu vực gần xích đạo (vĩ tuyến 0 0) được hun nóng hơn tất cả
diện tích còn lại trên bề mặt Trái Đất. Từ đây, khối khí nóng (nhẹ hơn khối khí
lạnh) sẽ bốc lên bầu trời cho đến khi đạt tới độ cao 10 km và tỏa ra về hướng
cực Bắc và cực Nam. Giả sử Trái Đất hoàn toàn đứng yên, khối khí này sẽ bay
tới 2 cực, hạ xuống bề mặt trái đất và di chuyển trở lại về xích đạo. Tuy nhiên do
Trái Đất tự quay quanh trục, mọi di chuyển về cực Bắc đều bị lệch về phía bên
phải. Lý do tương tự, mọi di chuyển về cực Nam đều bị lệch về phía bên trái.
Hiện tượng này là do tác động của lực Coriolis. Như vậy ở bán cầu Bắc, gió đổi
hướng theo chiều ngược kim đồng hồ khi nó đến gần khu vực áp thấp. Ở bán cầu
Nam, gió đổi hướng theo chiều kim đồng hồ khi nó đến gần khu vực áp thấp.
“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”[11].
Tại vĩ độ 300 ở cả hai bán cầu, lực Coriolis không cho phép dòng khí di
chuyển xa hơn nữa về phía cực. Tại vĩ độ này có một khu vực cao áp, do dòng
khí dồn lại và bắt đầu di chuyển về phía mặt đất. Ngược lại, do gió thổi lên trên
ở khu vực xích đạo, sẽ có một khu vực hạ áp sinh ra và thu hút luồng khí từ 2
cực. Tại các cực cũng xuất hiện vùng cao áp do nhiệt độ không khí giảm xuống
đáng kể.
Như vậy, do tác động của lực Coriolis xuất phát tự chuyển động tự quay
quanh trục của Trái Đất, hướng gió tự nhiên ở các vĩ độ khác nhau được tóm tắt
ở Bảng 2.1. Hướng gió là hướng mà từ đó gió thổi tới điểm quan trắc. Hướng
gió được biểu thị bằng phương vị đông (E), tây (W), nam (S), bắc (N) hoặc theo
góc là lấy hướng bắc làm mốc ở vị trí 0 0 hoặc 3600 và tính theo chiều kim đồng
hồ. Như vậy hướng đông ứng với góc 900, hướng nam ứng với góc 1800, hướng

tây ứng với góc 2700.
Bảng 2.1 Hướng gió tự nhiên ở các vĩ độ khác nhau
Vĩ độ
Hướng

90-600N
NE

60-300N
SW

30-00N
NE
18

0-300S
SE

30-600S
NW

60-900S
SE


gió

Đông Bắc

Tây Nam

Đông Bắc

Đông Nam

Tây Bắc

Đông Nam

Hình 2.1 Các hướng gió chính toàn cầu
Nguời ta thường phân biệt 3 loại gió chính:
• Gió toàn cầu: gây ra bởi sự chênh lệch về nhiệt độ và áp suất, thổi ở độ cao
khoảng 1000 m so với mặt đất, không phụ thuộc nhiều vào bề mặt Trái Đất.
Loại gió này không là nguồn năng lượng cho điện gió.
• Gió bề mặt : thổi trên mặt đất cho đến độ cao 100 m. Loại gió này phụ thuộc
mật thiết vào điều kiện mặt đất, địa hình (giảm vận tốc gió). Lưu ý là hướng
gió thổi gần mặt đất khác rất xa hướng gió thổi trên cao (hướng gió toàn cầu).
Gió bề mặt là nguồn năng lượng chính yếu cho điện gió.
• Gió địa phương (gió biển, gió bờ ...): gió bề mặt phụ thuộc mật thiết vào điều
kiện khí hậu tại địa phương. Gió địa phương hầu hết được sử dụng tại các hệ
thống điện gió, đặc biệt là gió biển và gió bờ. Vào ban ngày, mặt trời hun
nóng đất liền nhanh hơn mặt biển. Khối khí trên bề mặt do đó bốc hơi, thổi ra
ngoài biển, tạo khu vực áp suất thấp trên bề mặt và hút khí lạnh từ ngoài biển
thổi vào đất liền. Đây gọi là gió biển. Khi mặt trời lặn và đêm xuống, thông
thường có một khoảng thời gian tương đối đứng gió do nhiệt độ bề mặt đất
liền và mặt biển chênh lệch rất ít. Vào ban đêm, gió thổi hướng ngược lại, với
vận tốc thấp hơn.
Tuy rằng gió toàn cầu có vai trò quan trọng trong việc xác định hướng gió
chủ đạo trong khu vực, các điều kiện khí hậu địa phương có thể nắm ảnh hưởng
chủ đạo đến hướng gió của khu vực. Gió địa phương luôn "đè chồng" lên các hệ

thống gió qui mô lớn hơn, có nghĩa là hướng gió ảnh hưởng bởi tác động chung
giữa hiệu ứng toàn cầu và địa phương. Như vậy khi gió qui mô lớn giảm cường
độ, gió địa phương sẽ có thể lấn át.
Đơn vị của tốc độ gió được tính theo kilomet trên giờ (km/h) hoặc mét
trên giây (m/s) hoặc kot (kn: hải lí trên giờ) hoặc mile trên giờ (mph) tại Mĩ.
•

1 kn = 1 sm/h = 1,852 km/h = 0,514 m/s
19


•
•
•

1 m/s = 3,6 km/h = 1,944 kn = 2,237 mph
1 km/h = 0,540 kn = 0,278 m/s = 0,621 mph
1 mph = 1,609344 km/h = 0,8690 kn = 0,447 m/s

Hình 2.2 Thống kê tốc độ gió trung bình trên toàn thế giới từ năm 1983-1993,
dựa trên dữ liệu đo đạc từ vệ tinh GEOS-1[6]
Một cơn gió được coi là mạnh khi đạt vận tốc từ 51 đến 101km/h. Nếu gió
đạt vận tốc từ 6,4 đến 50km/h thì nó được gọi là gió nhẹ. Các khu vực có tốc độ
gió > 6 m/s (tô gam màu vàng- nâu) được xem là tiềm năng khai thác điện gió
mang lại lợi ích kinh tế. Do đó đa phần các tài nguyên gió phân bố trên bề mặt
các đại dương (đặc biệt tại 2 phía cực) và tại các đồng bằng rộng lớn nằm sâu
trong các lục địa. Một số khu vực ven biển cũng có tiềm năng, đặc biệt là vào
ban đêm.
2.3.

Vật lý học về năng lượng gió

Bởi vì không khí có trọng lượng, các khối khí di chuyển tạo gió có động
năng. Động năng này được chuyển thành điện năng nhờ turbin gió. 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:
m = ρ.V = ρ.A.v.t = ρ.π.r2.v.t (2.1)
trong đó: ρ là tỉ trọng không khí (khoảng 1,225 kg/m3 ở mực nước biển, khi cao
độ càng tăng tỉ trọng không khí càng giảm), V là thể tích khối lượng không khí
đi qua mặt cắt ngang hình tròn diện tích A, r là bán kính trong, t là thời gian.
Vì thế tổng động năng của một khối khí Ekin bằng ½ tích của trọng lượng
khối khí m với bình phương vận tốc của nó v:
Ekin = ½ m v2 = π/2 ρ r2t v3
(2.2)
Động năng của gió sẽ tăng gấp 4 lần nếu vận tốc gió tăng gấp đôi. Mặt
khác, vận tốc gió nhanh gấp 2 lần sẽ cho phép gấp đôi khối lượng không khí
luồng qua turbin trong một đơn vị thời gian, như vậy năng lượng chuyển đổi
20


tổng cộng qua turbin tăng gấp 8 lần. Tóm lại, vận tốc gió tăng dù nhỏ cũng có
khả năng tăng năng lượng sinh điện một cách đáng kể.
Công suất P của gió là:
P = Ekin/t = π/2 ρ r2v3
(2.3)
Tổng công suất của gió tỷ lệ với thập phương giá trị vận tốc gió: P ~ v3
Theo tính toán của Bộ Năng Lượng Hoa Kỳ, tiềm năng lý thuyết toàn cầu
của năng lượng gió là 5.800 quadrillion BTU mỗi năm (1 quad tương đương với
172 triệu thùng dầu thô hoặc 45 triệu tấn than), tức là gấp 15 lần nhu cầu năng
lượng của thế giới hiện nay.

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, ví dụ như thông qua một tuabin 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
(Cp), do Albert Betz tìm ra vào năm 1926. Theo lý thuyết, Cp =16/27 = 0,59,
nhưng trên thực tế Cp nằm vào khỏang 0,35. Với hệ số hoàn thiện, công
thức tính công suất trên có thể viết lại như sau:
P = ½ Cp ρ A v3
(2.4)
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 tuabin 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 tuabin gió là điều không thể
được. Trường hợp này đồng nghĩa với việc là lượng không khí phía sau một
tuabin gió phải đứng yên.
Nếu tính công suất (lý thuyết) do tuabin gió tạo ra cho 1m 2 bề mặt cánh
quạt quét trực tiếp với hướng gió, chúng ta được mật độ công suất gió (W/m2).
Mật độ công suất gió chỉ phụ thuộc vào tốc độ gió v và tỷ trọng không khí ρ, có
giá trị bằng:
P/A = ½ ρv3
(2.5)
2.4.

Sử dụng năng lượng 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 kinh khí cầu, ngoài ra năng
21


lượng gió còn được sử dụng để tạo công cơ học nhờ vào các cối xay gió. Trong
lịch sử, người Ai Cập lợi dụng sức gió đẩy cánh buồm để đưa tàu ra khơi, người
Châu Âu xử dụng cối xay gió để xay xát lúa mỳ…Sau đó, người Hà Lan đã cải
thiện về cơ bản cối xay gió để có thể đón liên tục được hướng gió. Người Mĩ cải
tiến cối xay gió để xay ngũ cốc và bơm nước. Theo những tài liệu cổ còn giữ lại
được thì bản thiết kế đầu tiên của chiếc cối xay hoạt động nhờ vào sức gió là vào
khoảng thời gian những năm 500 - 900 sau công nguyên tại Ba Tư (lrac ngày
nay). Đặc điểm nổi bật của thiết bị này đó là các cánh đón gió được bố trí xung
quanh một trục đứng. Muộn hơn nữa, kể từ sau thế kỷ 13, các cối xay gió xuất
hiện tại châu Âu (Tây Âu) với cấu trúc có các cánh đón gió quay theo phương
ngang, chúng phức tạp hơn mô hình thiết kế tại Ba Tư. Cải tiến cơ bản của thiết
kế này là đã tận dụng được lực nâng khí động học tác dụng vào cánh gió do đó
sẽ làm hiệu suất biến đổi năng lượng gió của cối xay gió thời kỳ này cao hơn
nhiều so với mô hình thiết kế từ những năm 500 - 900 tại Ba Tư. Trong suốt
những năm tiếp theo, các thiết kế của thiết bị chạy bằng sức gió càng ngày được
hoàn thiện và được sử dụng rộng rãi trong khá nhiều các lĩnh vực ứng dụng: chế
tạo các máy bơm nước, hệ thống tưới tiêu trong nông nghiệp, các thiết bị xay
xát, xẻ gỗ, nhuộm vải. Cho đến đầu thế kỷ 19, cùng với sự xuất hiện của máy
hơi nước, thiết bị chạy bằng sức gió dần dần bị thay thế.
“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 tuabin gió, khái

niệm cối xay gió không còn phù hợp nữa vì chúng không còn có thiết bị nghiền.
Từ sau những cuộc khủng hoảng dầu trong thập niên 1970 việc nghiên cứu sản
xuất năng lượng từ các nguồn khác được đẩy mạnh trên toàn thế giới, kể cả việc
phát triển các tuabin gió hiện đại. Sự ra đời của tuabin gió đã đưa việc ứng dụng
năng lượng gió sang một trang mới. Đến cuối những năm 90 của thế kỉ 20 việc
ứng dụng năng lượng gió đã có nhiều tiến bộ quan trọng mang tính đột phá.
Bước sang thế kỉ 21, con người đang từng bước đưa năng lượng gió vào để thay
thế các nguồn năng lượng truyền thống và có thể nói, chúng ta đang ở bước đầu

22


của thời kì bùng nổ năng lượng gió. Nhiều nơi trên thế giới các trang trại điện
gió với quy mô lớn với hàng trăm hàng ngàn tuabin gió được xây dựng”. [11]
2.5.
Sản xuất điện từ gió
2.5.1. Nguyên lý để chuyển gió thành điện năng

Nguyên lý phát điện từ năng lượng gió như sau: tuabin gió biến động
năng của gió thành động năng của tuabin, chuyển động quay của tuabin dẫn đến
chuyển động quay của máy phát điện và tạo ra điện. Để truyền điện đi xa hơn,
người ta dùng máy biến thế để tăng hiệu điện thế. Điện năng được truyền tải đi
tới nơi sử dụng qua đường dây tải điện.

Hình 3.1 Mô hình hòa lưới điện quốc gia của điện gió
Một cách đơn giản là một tuabin 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 tuabin
gió lại sử dụng gió để tạo ra điện. Các tuabin gió 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 tuabin gió được đặt trên trụ cao để thu hầu hết năng
lượng gió. Ở tốc độ 30 mét trên mặt đất thì các tuabin gió thuận lợi: Tốc độ
nhanh hơn và ít bị các luồng gió bất thường. Các tuabin gió có thể sử dụng cung
cấp điện cho nhà cửa, các cơ sở kinh doanh, trường học hoặc xây dựng, chúng
có thể nối tới một mạng điện để phân phối mạng điện ra rộng hơn.
2.5.2. Tuabin của một trạm điện gió

Khi hướng gió đến chia làm hai lực:
-

Lực trượt: Hiệu quả kém khoảng 10-15%.
23


-

Lực nâng: Nếu trục roto ở vị trí thẳng đứng thì hiệu quả trung bình đạt 30%
lượng điện, còn nằm ngang đến 2-3 cánh thì hiệu quả cao hơn khoảng 4050%.

Hình 3.2 Phân tích lực lên cánh tuabin
Lực tác dụng lên tuabin phụ thuộc vào trọng lực không khí, vận tốc gió,
diện tích của cánh quạt và động năng của gió, được tính theo công thức:
F = Cp ½ ρ v2 A (3.1)
Trong đó: Cp là hệ số (= 16/27), A là diện tích cách quạt gió mà chính là diện tích
hình tròn A=π r2 với r là bán kính cánh quạt. ½ ρ v2 là động năng trong 1m 3
không khí.
Trong ứng dụng của năng lượng gió thì tuabin gió đóng vai trò quan trọng
trong việc biến gió thành điện năng. Tuabin gió thu năng lượng nhờ chuyển đổi
lực thổi của gió thành lực quay để quay các quạt của rotor. Năng lượng chuyển
đổi từ gió sang rotor phụ thuộc vào mật độ không khí, diện tích rotator và vận

tốc gió. Ba thành phần chính trong tuabin gió bao gồm rotor, nacelle (trong đó
có hộp điều tốc: gearbox, máy phát điện và hộp điều khiển và thiết bị theo dõi)
và cột/tháp chống (tower). Tuổi thọ trung bình của của tuabin là 20 năm, trong
thời gian hoạt động phải giám sát, bảo dưỡng thường xuyên.

24


Hình 3.3 Cấu tạo chi tiết của tuabin gió
“Một tuabin gió thường có cấu tạo chi tiết như sau:
1. Blades: Cánh quạt gió
2. Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục
3. Pitch: Bước răng điều chỉnh cánh. Cánh được làm nghiêng một ít để giữ

cho Roto quay trong gió không quá cao hay quá thấp để tạo ra điện
4. Brake: Bộ hãm. Dùng để dừng roto trong tình trạng khẩn cấp bằng điện,
bằng sức nước hoặc bằng động cơ
5. Low speed shaft: Trục quay tốc độ thấp
6. Gear box: Hộp bánh răng. Bánh răng được nối trục có tốc độ thấp với trục
có tốc độ cao và tăng tốc độ quay từ 30 – 60 vòng/phút tới 1200-1500
vòng/phút
7. Generator: Máy phát điện
8. Controller: Bộ điều khiển, bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở tốc độ
gió khoảng 8 đến 16 dặm/ 1 giờ và tắt động cơ khoảng 65 dặm/ 1 giờ
9. Anemoneter: Bộ đo lường tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ
điều khiển
10. Wind vane: Chong chóng gió để xử lý hướng gió và liên lạc với Yaw drive
để định hướng Tuabin
11. Nacelle: Vỏ tuabin, gồm Roto và vỏ bọc ngoài, toàn bộ được đặt trên đỉnh
trụ. Dùng bảo vệ các thành phần trong vỏ.

12. Hight speed shaft: Trục truyền động tốc độ cao
13. Yaw drive: Điều chỉnh hướng, dùng để giữ Roto luôn luôn hướng về
hướng gió khi có sự thay đổi hướng gió
14. Yaw motor: Động cơ cung cấp cho Yaw drive định hướng gió
25