Báo cáo nhập môn điện nhóm 2

1
Báo cáo nhập môn ngành điện

Contents
I. Xu hướng sử dụng nguồn năng lượng tái tạo................................................................................................2
1. Ảnh hưởng của những phương thức sản xuất điện cũ đối với môi trường...................................................2
1.1. Thủy điện.................................................................................................................................................3
1.2. Nhiệt điện.................................................................................................................................................3
1.3. Điện hạt nhân..........................................................................................................................................4
2. Xu thế chuyển sang sử dụng năng lượng sạch..............................................................................................5
2.1. Pin nhiên liệu...........................................................................................................................................5
2.2. Năng lượng mặt trời................................................................................................................................6
2.3. Năng lượng từ đại dương........................................................................................................................6
2.5. Dầu thực vật phế thải dùng để chạy xe..................................................................................................6
2.6. Năng lượng từ tuyết.................................................................................................................................7
2.7. Năng lượng từ sự lên men sinh học........................................................................................................7
2.8. Nguồn năng lượng địa nhiệt...................................................................................................................7
2.9. Khí Mêtan hydrate...................................................................................................................................7
II. Lịch sử phát triển của điện gió......................................................................................................................8
III. Cấu tạo của tua bin gió.................................................................................................................................9
1. Cánh quạt....................................................................................................................................................9
1.1. Thiết kế của cánh quạt............................................................................................................................9
1.2. Bộ phận trung tâm (The hub)................................................................................................................11
1.3. Số lượng cánh quạt...............................................................................................................................11
1.4 Vật liệu sản xuất cánh quạt....................................................................................................................12
1.5. Tái chế cánh quạt..................................................................................................................................16
2. Bộ phận điều khiển năng lượng...................................................................................................................18
2.1. Stall........................................................................................................................................................18
2.2. Controller...............................................................................................................................................20
2.3. Yawing...................................................................................................................................................22
2.4. Phanh.....................................................................................................................................................23

3. Nacell............................................................................................................................................................23
3.1. Hộp số....................................................................................................................................................24
3.2. Máy phát điện........................................................................................................................................24
3.3. Tuabin gió không hộp số.......................................................................................................................25
4. Tháp..............................................................................................................................................................26
4.1. Chiều cao tháp......................................................................................................................................26


2
Báo cáo nhập môn ngành điện
4.2. Vật liệu tháp..........................................................................................................................................27
5. Nền móng tháp.............................................................................................................................................28
IV. Nguyên lí làm việc của tuabin gió trong sản xuất điện.................................................................................29
1. Nguyên lý hoạt động....................................................................................................................................29
2. Phương trình động của tua bin gió...............................................................................................................30
3. Hiệu suất hoạt động của hệ thống tua bin gió.............................................................................................31
3.1. Những thách thức khi đấu nối nhà máy điện gió vào hệ thống điện...................................................31
3.2. Vấn đề tốc độ gió không ổn định ảnh hưởng đến hiệu suất phát điện của tua bin gió.......................34
V. Điều kiện và cơ sở để phát triển công nghệ sản xuất điện sử dụng năng lượng gió......................................35
1. Sự hình thành năng lượng gió:.....................................................................................................................35
2. Sản xuất điện từ năng lượng gió:.................................................................................................................36
3. Địa hình và địa điểm thích hợp phát triển công nghệ sản xuất điện bằng năng lượng gió:.......................37
VI. Tiềm năng phát triển điện gió ở Việt Nam....................................................................................................37
1. Lợi ích của việc phát triển năng lượng gió ở Việt Nam..............................................................................39
2. Các tỉnh có tiềm năng phát triển điện gió....................................................................................................40
2.1. Cà Mau..................................................................................................................................................40
2.2. Bạc Liêu.................................................................................................................................................41
3. Các dự án điện gió tại Việt Nam..................................................................................................................42
VII. Những nhà máy sản xuất điện bằng năng lượng gió tại Việt Nam..............................................................43
1. Bình Thuận đi đầu trong việc phát triển công nghệ sản xuất điện gió........................................................43

2. Bạc Liêu đi tiên phong.................................................................................................................................44
3. Nhà máy điện gió đảo Phú Quý...................................................................................................................45
4. Nhà máy điện gió REVN 1-Bit....................................................................................................................47
5. Nhà máy điện gió Gia Lai............................................................................................................................48
6. Nhà máy điện gió Việt Hải tại Ninh Thuận.................................................................................................49
7. Nhà máy điện gió Phương Mai 3 tại Bình Định..........................................................................................50


3
Báo cáo nhập môn ngành điện

I. Xu hướng sử dụng nguồn năng lượng tái tạo.
1. Ảnh hưởng của những phương thức sản xuất điện cũ đối với môi trường.
Hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trường là chủ đề nóng và được quan tâm bởi các nước
trên toàn thế giới. Trong đó, quá trình sản xuất điện từ các nhà máy thủy điện, nhiệt điện,
điện hạt nhân, … gây rất nhiều ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường sống.
1.1. Thủy điện.
- Ngập lụt và xói lở bờ sông do thay đổi chế độ nước hạ lưu và vận hành xả không đúng
quy trình.
- Hạn hán và suy giảm chất lượng nước hạ lưu do lưu lượng xả của các nhà máy phụ
thuộc vào chế độ vận hành nhà máy, hơn nữa hầu hết các nhà máy không có cửa xả đáy để
có thể xả trong trường hợp mực nước hồ thấp dưới mực nước chết.
- Suy giảm dòng chảy bùn cát ở hạ du do công trình không có thiết kế cống xả đáy làm
thiếu hụt lượng phù xa bổ sung độ màu cho đất nông nghiệp hạ lưu, cát sạn sỏi, thêm vào đó
là hiện tượng khai thác cát đang diễn ra khó kiểm soát làm ảnh hưởng hình thái sông và sinh
kế của người dân sống dựa vào tài nguyên này.
- Suy giảm tài nguyên sinh học nhất là rừng. Mất rừng và ảnh hưởng đến đa dạng sinh
học với hơn 1500 ha rừng ngập trong lòng hồ cùng toàn bộ diện tích đất sản xuất của khu
vực này bị mất, thêm vào đó nạn chặt phá rừng ngày càng gia tăng mạnh do khai thác gỗ và
người dân không có đất sản xuất. Rừng phòng hộ đầu nguồn bị lâm tặc chặt phá do lợi dụng

địa thế, đường thủy trên lòng hồ và thực vật chết dần vì ngập nước làm cho tốc độ suy giảm
tài nguyên rừng quá nhanh ở khu vực xung quanh dự án kéo theo đó là suy giảm đa dạng
sinh học. Hậu quả có thể thấy được đó là hiện tượng rửa trôi, xói mòn đất xung quanh gây
bồi lắng lòng hồ làm giảm dung tích lòng hồ do, làm ảnh hưởng đến khả năng cắt lũ.


4
Báo cáo nhập môn ngành điện

- Vấn đề liên quan đến đền bù di dân tái định
cư và an sinh xã hội.
- Các rủi ro và sự cố môi trường như vỡ đập,
động đất.
1.2. Nhiệt điện.
- Trong giai đoạn thi công công trình, chất gây
ô nhiễm không khí chủ yếu là bụi sinh ra từ quá trình san ủi đất, bốc dỡ vật liệu xây dựng và
khói hàn có chứa bụi, CO, SOx, NOx, hydrocacrbon, khí thải của các phương tiện vận
chuyển. Tác động lên môi trường không khí ở giai đoạn này có mức độ không lớn và chỉ
mang tính tạm thời, nhưng cũng cần phải đánh giá để có biện pháp giảm thiểu thích hợp.
- Tiếng ồn phát sinh ở giai đoạn này chủ yếu là từ các máy móc san ủi và các phương
tiện vận chuyển.
- Chất thải rắn chủ yếu trong giai đoạn này là các loại nguyên vật liệu xây dựng phế
thải, rơi vãi như gạch ngói, xi măng, sắt thép vụn… Lượng chất thải này là tuỳ thuộc vào
quy mô của từng công trình và trình độ quản lý của dự án, ngoài ra còn một số lượng nhỏ rác
thải sinh hoạt.
- Nước thải từ quá trình làm nguội thiết bị có lưu lượng lớn. Loại nước thải này ít bị ô
nhiễm và thường chỉ được làm nguội và cho chẩy thẳng ra nguồn nước mặt khu vực. Tuy
nhiên nước xả từ lò hơi lại có nhiệt độ, độ pH cao và có chứa một lượng nhỏ dầu mỡ, cặn lò
không hoà tan, chất vô cơ. Do vậy cần phải tách ra khỏi loại nước làm nguội khác để xử lý.
- Nước thải từ các thiết bị lọc bụi và bãi thải xỉ có lưu lượng và hàm lượng cặn lơ lửng

(bụi than) rất lớn.
- Nước thải từ quá trình rửa thiết bị thường có chứa dầu, mỡ, cặn và trong trường hợp
rửa lò hơi có thể chứa cả axit, kiềm. Do vậy nhìn chung nước thải từ công đoạn này có giá trị
pH rất khác nhau (axit hoặc kiềm) và chứa các chất rắn lơ lửng, một số ion kim loại với tổng
lượng lên tới vài trăm m3/ngày.


5
Báo cáo nhập môn ngành điện

1.3. Điện hạt nhân.

Điện hạt nhân cũng đem lại nhiều nguy hiểm
tiềm tàng cho môi trường sống của chúng ta:
- Sự giải phóng ngẫu nhiên các bức xạ có hại
là một trong những hạn chế lớn nhất của năng
lượng hạt nhân. Quá trình phân hạch giải phóng bức xạ, nhưng chúng được kiểm soát trong
một lò phản ứng hạt nhân. Nếu các biện pháp an toàn không được đảm bảo, các bức xạ có
thể tiếp xúc với môi trường sẽ dẫn đến những ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái và
con người.
- Các chất thải được tạo ra sau phản ứng phân hạch chứa các nguyên tố không ổn định
và phóng xạ cao. Nó rất nguy hiểm đối với môi trường cũng như sức khỏe con người và sẽ
tồn tại trong một khoảng thời gian dài. Nó cần được xử lý cẩn thận và phải cách biệt với môi
trường sống. Độ phóng xạ của các nguyên tố này sẽ giảm trong một thời gian, sau đó phân
hủy. Do đó, người ta phải được tích trữ và xử
lý một cách cẩn thận. Việc tích trữ các nguyên
tố phóng xạ trong một thời gian dài là rất khó
khăn.
Ngoài ra, nguyên liệu sử dụng trong nhiệt
điện và điện hạt nhân ngày càng cạn kiệt mà

điện là nguồn năng lượng không thể thiếu
trong cuộc sống hiện tại.

2. Xu thế chuyển sang sử dụng năng lượng sạch.
Ưu điểm của nguồn năng lượng này là sạch, có sẵn trong thiên nhiên, không gây ô nhiễm,
không bị cạn kiệt và là giải pháp tốt nhất nhằm tiết kiệm năng lượng hóa thạch cho tương lai.
2.1. Pin nhiên liệu.
Đây là kỹ thuật có thể cung cấp năng lượng cho con người mà không hề phát ra khi thải
CO2 (cácbon điôxít) hoặc những chất thải độc hại khác. Một pin nhiên liệu tiêu biểu có thể


6
Báo cáo nhập môn ngành điện

sản sinh ra điện năng trực tiếp bởi phản ứng giữa hydro và ôxy. Hydro có thể lấy từ nhiều
nguồn như khí thiên nhiên, khí mêtan lấy từ chất thải sinh vật và do không bị đốt cháy nên
chúng không có khí thải độc hại. Đi đầu trong lĩnh vực này là Nhật Bản. Quốc gia này sản
xuất được nhiều nguồn pin nhiên liệu khác nhau, dùng cho xe phương tiện giao thông, cho
ôtô hoặc cả cho cả các thiết bị dân dụng như điện thoại di động.
2.2. Năng lượng mặt trời.
Nhật Bản, Mỹ và một số quốc gia Tây Âu là những nơi đi đầu trong việc sử dụng nguồn
năng lượng mặt trời rất sớm (từ những năm 50 ở thế kỷ trước). Tính đến năm 2002, Nhật
Bản đã sản xuất được khoảng 520.000 kW điện bằng pin mặt trời, với giá trung bình
800.000 Yên/kW, thấp hơn 10 lần so với cách đây trên một thập kỷ. Nếu một gia đình người
Nhật 4 người tiêu thụ từ 3 đến 4 kW điện/mỗi giờ, thì họ cần phải có diện tích từ 30-40 m2
mái nhà để lắp pin. Nhật Bản phấn đấu đến năm 2010 sẽ sản xuất được hơn 8,2 triệu kW
điện tử năng lượng mặt trời.
2.3. Năng lượng từ đại dương.
Đây là nguồn năng lượng vô cùng phong phú, nhất là quốc gia có diện tích biển lớn.
Sóng và thủy triều được sử dụng để quay các turbin phát điện. Nguồn điện sản xuất ra có thể

dùng trực tiếp cho các thiết bị đang vận hành trên biển như hải đăng, phao, cầu cảng, hệ
thống hoa tiêu dẫn đường v.v…
2.4. Năng lượng gió.
Năng lượng gió được coi là nguồn năng lượng xanh vô cùng dồi dào, phong phú và có ở
mọi nơi. Người ta có thể sử dụng sức gió để quay các turbin phát điện. Ví dụ như ở Hà Lan
hay ở Anh, Mỹ. Riêng tại Nhật mới đây người ta còn sản xuất thành công một turbin gió siêu
nhỏ, sản phẩm của hãng North Powen. Turbin này có tên là NP 103, sử dụng một bình phát
điện dùng cho đèn xe đạp thắp sáng hoặc giải trí có chiều dài cánh quạt là 20 cm, công suất
điện là 3 W, đủ để thắp sáng một bóng đèn nhỏ.
2.5. Dầu thực vật phế thải dùng để chạy xe.
Dầu thực vật khi thải bỏ, nếu không được tận dụng sẽ gây lãng phí lớn và gây ô nhiễm
môi trường. Để khắc phục tình trạng này, tại Nhật có một công ty tên là Someya Shoten


7
Báo cáo nhập môn ngành điện

Group ở quận Sumida Tokyo đã tái chế các loại dầu này dùng làm xà phòng, phân bón và
dầu VDF (nhiên liệu diezel thực vật). VDF không có các chất thải ôxít lưu huỳnh, còn lượng
khỏi đen thải ra chỉ bằng 1/3 so với các loại dầu truyền thống.
2.6. Năng lượng từ tuyết.
Hiệp hội nghiên cứu năng lượng thiên nhiên ở Bihai của Nhật đã thành công trong việc
ứng dụng tuyết để làm lạnh các kho hàng và điều hòa không khí ở những tòa nhà khi thời tiết
nóng bức. Theo dự án này, tuyết được chứa trong các nhà kho để giữ nhiệt độ kho từ 0oC
đến 4oC. Đây là mức nhiệt độ lý tưởng dùng để bảo quản nông sản vì vậy mà giảm được chi
phí sản xuất và giảm giá thành sản phẩm.
2.7. Năng lượng từ sự lên men sinh học.
Nguồn năng lượng này được tạo bởi sự lên men sinh học các đồ phế thải sinh hoạt. Theo
đó, người ta sẽ phân loại và đưa chúng vào những bể chứa để cho lên men nhằm tạo ra khí
metan. Khí đốt này sẽ làm cho động cơ hoạt động từ đó sản sinh ra điện năng. Sau khi quá

trình phân hủy hoàn tất, phần còn lại được sử dụng để làm phân bón.
2.8. Nguồn năng lượng địa nhiệt.
Đây là nguồn năng lượng nằm sâu dưới lòng những hòn đảo, núi lửa. Nguồn năng lượng
này có thể thu được bằng cách hút nước nóng từ hàng nghìn mét sâu dưới lòng đất để chạy
turbin điện. Tại Nhật Bản hiện nay có tới 17 nhà máy kiểu này, lớn nhất có nhà máy địa
nhiệt Hatchobaru ở Oita Kyushu, công suất 110.000 kW đủ điện năng cho 3.700 hộ gia đình.
2.9. Khí Mêtan hydrate.
Khí Mêtan hydrate được coi là nguồn năng lượng tiềm ẩn nằm sâu dưới lòng đất, có
màu trắng dạng như nước đá, là thủ phạm gây tắc đường ống dẫn khí và được người ta gọi là
“nước đá có thể bốc cháy”. Metan hydrate là một chất kết tinh bao gồm phân tử nước và
metan, nó ổn định ở điều kiện nhiệt độ thấp và áp suất cao, phần lớn được tìm thấy bên dưới
lớp băng vĩnh cửu và những tầng địa chất sâu bên dưới lòng đại dương và là nguồn nguyên
liệu thay thế cho dầu lửa và than đá rất tốt.
Việc sản xuất điện bằng những phương pháp không gây ảnh hưởng đến môi trường và
con người là xu hướng tất yếu mà mỗi quốc gia đều hướng đến. Trong đó, sản xuất điện gió,


8
Báo cáo nhập môn ngành điện

nguồn năng lượng xanh vô cùng dồi dào, phong phú và có ở mọi nơi, được rất nhiều quốc
gia quan tâm, áp dụng.

II. Lịch sử phát triển của điện gió.
Năng lượng gió đã được sử dụng kể từ khi con người đưa cánh buồm ra khơi. Hơn hai
nghìn năm các máy bơm nước lên mặt đất chạy bằng năng lượng gió. Năng lượng gió được
sử dụng rộng rãi và không giới hạn ở các dòng chảy của dòng chảy nhanh, hoặc sau đó, đòi
hỏi nguồn nhiên liệu. Các máy bơm chạy bằng năng lượng gió đã làm ráo riết các máy
khoan của Hà Lan, và ở các khu vực khô cằn như vùng tây nam nước Mỹ hoặc vùng hẻo
lánh của Úc, máy bơm gió cung cấp nước cho các động cơ hơi nước và động cơ hơi nước.

Cây cối đầu tiên được sử dụng để sản xuất điện được xây dựng tại Scotland vào tháng 7 năm
1887 bởi giáo sư James Blyth thuộc trường Anderson's College, Glasgow (tiền thân của Đại
học Strathclyde). Tuabin gió của hãng Blyth đã được lắp đặt ở khu vườn của ngôi nhà nghỉ ở
Marykirk thuộc Kincardineshire và được sử dụng để tích lũy accumulators của Pháp Camille
Alphonse Faure, để phát điện trong ngôi nhà, do đó trở thành ngôi nhà đầu tiên trên thế giới
có điện năng được cung cấp bởi điện gió. Blyth cung cấp điện năng dư thừa cho người
Marykirk để thắp sáng đường phố chính, tuy nhiên, họ đã từ chối cung cấp khi họ nghĩ điện
là "công việc của ma quỷ". Mặc dù sau đó ông đã xây dựng một tua-bin gió cung cấp quyền
lực khẩn cấp cho Lunatic Asylum, Bệnh xá và Bệnh viện Montrose, sáng chế không bao giờ
thực sự bị bắt vì công nghệ này không được coi là có khả năng kinh tế. Trên khắp Đại Tây
Dương, ở Cleveland, Ohio một máy thiết kế lớn hơn và được thiết kế và xây dựng vào mùa
đông năm 1887-1888 bởi Charles F. Brush, được xây dựng bởi công ty kỹ thuật của ông tại
nhà và hoạt động từ năm 1886 đến năm 1900. Tuabin gió Brush có đường kính của rotor 17
mét (56 ft) và được gắn trên một tháp cao 18 mét (59 ft). Mặc dù lớn theo tiêu chuẩn ngày
nay, máy chỉ được đánh giá ở mức 12 kW. Các máy phát điện được kết nối đã được sử dụng
hoặc để tính phí một ngân hàng của pin hoặc để hoạt động lên đến 100 bóng đèn sợi đốt, ba
đèn hồ quang, và các động cơ khác nhau trong phòng thí nghiệm của Brush. Với sự phát
triển của điện năng, điện gió tìm thấy những ứng dụng mới trong các tòa nhà ánh sáng từ
nguồn điện do Trung ương tạo ra. Trong suốt thế kỷ 20, những con đường song song đã phát
triển các trạm gió nhỏ thích hợp cho các trang trại hoặc nhà ở, và các máy phát điện gió có


9
Báo cáo nhập môn ngành điện

quy mô lớn hơn có thể được kết nối với lưới điện điện để sử dụng từ xa. Ngày nay, các máy
phát điện chạy bằng gió hoạt động ở mọi quy mô giữa các trạm nhỏ để sạc pin tại các khu
nhà cô lập, đến các giếng gió ngoài khơi có kích cỡ gần gigawatt cung cấp năng lượng điện
cho các mạng lưới điện quốc gia.

III. Cấu tạo của tua bin gió.
1. Cánh quạt.
1.1. Thiết kế của cánh quạt.
Hình dạng và kích thước của lưỡi xoay của tuabin gió được xác định bởi hiệu suất khí
động học cần thiết để thu năng lượng từ gió một cách hiệu quả và bởi sức mạnh cần thiết để
chống lại lực trên lưỡi dao.
Tua bin hoạt động dựa trên phương trình quản lý khai thác điện:

Trong đó: P là công suất, F là vector lực, và v là vận tốc của phần tuabin gió di chuyển.
Lực F được tạo ra bởi sự tương tác của gió
với các cánh quạt. Độ lớn và sự phân bố của
lực này là trọng tâm của nguyên lý khí động
học tuabin gió. Loại động lực khí động học
quen thuộc nhất là lực kéo. Hướng của lực kéo
tương đương với gió tương ứng. Thông thường,
các bộ phận tuabin gió di chuyển tạo ra dòng
chảy thay thế một phần dòng chảy xung quanh.
components
: 1-Foundation,
2Để tạo raWind
năngturbine
lượng,
phần tuabin
phải di chuyển
theo hướng lực. Trong trường hợp lực
Connection to the electric grid, 3-Tower, 4-

kéo, tốc độ gió
tương
đối 5-Wind

giảm khiên
lực control
kéo cũng giảm sau đó. Khía cạnh gió tương đối đột
Access
ladder,
orientation
(Yaw control), 6-Nacelle, 7-Generator, 8-

ngột giới hạnAnemometer,
công suất tối
9- đa có thể được tạo ra bởi một tua-bin gió. Tua bin gió dựa trên
Electric or MechanicalBrake, 10-Gearbox,

thang máy thường
cóblade,
bề mặt
nângpitch
di chuyển
vuông góc với dòng chảy. Ở đây, tốc độ gió
11-Rotor
12-Blade
control, 13Rotor hub.

tương đối không giảm mà nó tăng lên bằng với tốc độ rotor. Do đó, giới hạn công suất tối đa


10
Báo cáo nhập môn ngành điện

của những máy này cao hơn nhiều so với các máy kéo

thông thường.
Tỷ lệ giữa tốc độ của đầu lưỡi dao và tốc độ của gió
được gọi là tỷ lệ tốc độ đầu. Các tuabin có hiệu suất cao
có tốc độ gió trên tua-bin từ 6 đến 7. Các tuabin gió hiện
đại được thiết kế để quay ở tốc độ khác nhau phù hợp với
từng chế độ hoạt động khác nhau. Việc sử dụng nhôm và
vật liệu composite trong các cánh quạt đã góp phần tạo ra
quán tính quay thấp, điều này có nghĩa là các tua-bin gió
mới có thể tăng tốc nhanh chóng nếu gió thổi, giữ tỉ lệ tốc
độ mũi gần như không đổi. Hoạt động gần với tỷ lệ tốc độ đầu tối ưu của chúng trong khi
gió thổi mạnh mẽ cho phép tua-bin gió cải thiện năng lượng khai thác từ những cơn gió đột
ngột, điển hình ở khu vực thành thị. Ngược lại, các tuabin gió kiểu cũ được thiết kế với lưỡi
thép nặng hơn, có quán tính cao hơn, và xoay ở tốc độ điều chỉnh bởi tần số AC của đường
dây điện. Độ quán tính cao đã làm giảm sự thay đổi tốc độ quay và do đó làm cho sản lượng
điện ổn định hơn.
Nói chung có thể hiểu rằng tiếng ồn tăng lên khi tốc độ đầu cao hơn. Để tăng tốc độ đầu
mà không làm tăng tiếng ồn sẽ phải làm giảm mô men xoắn vào hộp số và máy phát điện,
giảm tải cấu trúc tổng thể, do đó giảm chi phí. Giảm tiếng ồn liên quan đến tính khí động
học chi tiết của cánh quạt, đặc biệt là các yếu tố làm giảm sự hoạt động liên tục. Một số cánh
quạt (chủ yếu là trên Enercon) có một cánh nhỏ để tăng hiệu suất hoặc làm giảm tiếng ồn.
Các cánh quạt có thể có tỷ số xoắn là 120 so với 70 cho máy bay chở hàng và 15 đối với
máy bay chở khách.
Vào năm 1919, nhà vật lí Albert Betz đã chỉ ra rằng đối với một chiếc máy lý tưởng
năng lượng gió lý tưởng, các quy luật cơ bản về bảo toàn khối lượng và năng lượng cho
phép thu được không quá 59,3% năng lượng động học của gió. Giới hạn mà định luật Betz
đề ra có thể được thực hiện bằng các thiết kế tua bin hiện đại, có thể đạt tới 70 đến 80% giới
hạn lý thuyết này.


11

Báo cáo nhập môn ngành điện

1.2. Bộ phận trung tâm (The hub).
Với những thiết kế đơn giản, các cánh quạt được gắn
trực tiếp vào trục trung tâm và không thể mở rộng giúp
giữ cho khoảng không khí động học trên cánh quạt tốc độ
ổn định. Trong các thiết kế phức tạp hơn, chúng được gắn
vào ổ đĩa, điều chỉnh góc nghiêng của chúng với sự trợ
giúp của một hệ thống pitch thích ứng theo tốc độ gió để
điều khiển tốc độ quay của chúng. Vòng bi chính nó được gắn vào trung tâm. Bộ phận trung
tâm được cố định vào trục rotor vận hành máy phát điện trực tiếp hoặc thông qua một hộp
số.
1.3. Số lượng cánh quạt.
Số lượng cánh quạt được quyết định sao cho hiệu quả khí động học cao nhất, chi phí
thành phần ít nhất, và độ tin cậy ổn định của hệ thống. Tiếng ồn do tuabin phát ra bị ảnh
hưởng bởi vị trí của cánh quạt theo chiều gió là hướng lên hay hướng xuống và tốc độ của
rotor. Do sự phát thải tiếng ồn từ các cạnh và đầu mút của lưỡi quạt thay đổi theo sức của tốc
độ gió trên cạnh quạt, một sự gia tăng nhỏ trong tốc độ mũi có thể tạo ra sự khác biệt lớn.
Các tuabin gió phát triển trong 50 năm gần đây hầu như đã được
sử dụng hoặc là hai hoặc ba cánh. Tuy nhiên vẫn có những thiết kế có
thêm cánh quạt được thử nghiệm. Chẳng hạn như lưỡi curot gió tích
hợp của hệ thống lưỡi curoa đa năng của Chan Shin. Hiệu suất khí
động học tăng với số lưỡi nhưng với sự trở lại giảm dần. Tăng số cánh
từ một đến hai mang lại hiệu quả khí động học tăng lên 6%, trong khi
tăng từ 2-3 lần công suất chỉ tăng thêm 3% hiệu quả. Tăng thêm số cánh cho phép nâng cao
tối đa hiệu quả khí động học và sự hy sinh quá nhiều về độ chắc chắn của cánh quạt vì nó trở
nên mỏng hơn.
Về mặt lý thuyết, sử dụng vô hạn của cánh quạt với kích thước nhỏ là hiệu quả nhất, nó
giúp có được tốc độ đầu lớn nhất. Nhưng vẫn cần đề cập đến vấn đề sắp xếp của các cánh
quạt.

12
Báo cáo nhập môn ngành điện

Độ ổn định của hệ thống bị ảnh hưởng bởi số lượng cánh
chủ yếu thông qua việc tải động của rotor vào hệ thống
chuyền động và tháp. Trong khi điều chỉnh tuabin gió để thay
đổi hướng gió (Yawing), mỗi cánh sẽ có tải tuần hoàn ở đầu
gốc phụ thuộc vào vị trí của nó. Điều này đúng với một, hai,
ba cánh hoặc nhiều hơn. Tuy nhiên, các tải tuần hoàn này khi
kết hợp với nhau ở trục truyền động của tuabin sẽ được cân
đối đối xứng khi dùng ba lưỡi, tạo ra hoạt động mượt mà
hơn. Các tua-bin có một hoặc hai lưỡi dao có thể sử dụng
trục xoay để xoay gần và gần như loại bỏ các tải tuần hoàn vào trục và hệ thống truyền động.
Một tuabin của Trung Quốc 3,6 MW đang được thử nghiệm tại Đan Mạch. Mingyang đã
thắng thầu cho các tua bin gió ngoài khơi có công suất 87 MW (29 * 3 MW) gần Chu Hải
vào năm 2013.
Cuối cùng, thẩm mỹ học có thể được coi là một yếu tố trong đó một số người thấy rằng
cánh quạt ba cánh có vẻ phù hợp hơn là một cánh quạt một hoặc hai cánh quạt.
1.4 Vật liệu sản xuất cánh quạt.
Nói chung, các tài liệu lý tưởng để làm cánh quạt cần đáp ứng các tiêu chí sau:
- Sẵn có rộng rãi và chế biến dễ dàng để giảm chi phí và bảo trì
- Trọng lượng hoặc mật độ thấp để giảm lực hấp dẫn
- Độ bền cao để chống chịu tải trọng mạnh của gió và lực hấp dẫn của lưỡi dao
- Khả năng chịu mỏi cao để chịu được tải chu kỳ
- Độ cứng cao để đảm bảo sự ổn định của hình dạng tối ưu và hướng của lưỡi cắt và giải
phóng mặt bằng với tháp
- Độ dẻo dai cao
- Khả năng chịu được các tác động môi trường như sét đánh, độ ẩm và nhiệt độ.

13
Báo cáo nhập môn ngành điện

Vì vậy rất ít vật liệu có thể chấp nhận được. Kim loại sẽ không được mong muốn bởi vì
chúng dễ bị mệt mỏi. Gốm sứ có độ dẻo dai thấp, có thể dẫn đến hỏng hóc sớm. Các polyme
truyền thống không cứng, đủ để có ích, và gỗ có vấn đề với khả năng lặp lại, đặc biệt là xem
xét độ dài của cánh. Vì vậy các vật liệu composite được tăng cường chất xơ, có độ bền và độ
cứng cao và mật độ thấp trở thanhd một loại vật liệu rất thích hợp cho việc thiết kế tuabin
gió.
Trong lịch sử những cánh buồm bằng gỗ và vải đã được sử dụng trên các cối xay gió
đầu do giá thành, sự sẵn có và dễ sản xuất. Cánh nhỏ hơn có thể được làm từ kim loại nhẹ
như nhôm. Tuy nhiên, những tài liệu này đòi hỏi phải bảo trì thường xuyên. Việc xây dựng
bằng gỗ và vải chỉ tạo ra hình dạng phẳng cho cánh quạt, có tỷ lệ kéo tương đối cao để đạt
được hiệu quả khí động học thấp so với các đường gân đặc. Việc xây dựng các thiết kế cánh
không rắn chắc đòi hỏi các vật liệu không linh hoạt như kim loại hoặc vật liệu composite.
Đến năm 2015, các đường kính rotor của lưỡi xoáy gió trên bờ lớn đến 130 m, trong khi
đường kính tua bin ngoài khơi đã đạt tới 170 m. Năm 2001, khoảng 50 triệu kg sợi thủy tinh
laminate đã được sử dụng trong việc sản xuất lưỡi xoay tuabin gió.
Một mục tiêu quan trọng của các hệ thống cánh quạt là kiểm soát trọng lượng của nó. Vì
khối lượng lưỡi dao như khối cầu của bán kính tuabin, tải trọng do các hệ thống ép trọng lực
với các lưỡi lớn hơn. Tải trọng hấp dẫn bao gồm tải trọng trục và lực căng / nén (trên cùng /
dưới cùng của luân chuyển) cũng như uốn (vị trí bên). Độ lớn của các tải này dao động theo
chu kỳ và những khoảnh khắc tiếp xúc (xem bên dưới) được đảo ngược mỗi 180 ° quay. Tốc
độ cánh quạt điển hình và tuổi thọ thiết kế là 10 năm và 20 năm, với số lần quay vòng đời là
10 ^ 8. Xem xét gió, người ta hy vọng lưỡi xoa tuabin sẽ đi qua ~ 10 ^ 9 chu kỳ tải. Gió là
một nguồn nạp lưỡi rotor. Lực nâng làm uốn theo chiều dẹt (ra khỏi máy bay cánh quạt)

14
Báo cáo nhập môn ngành điện

trong khi luồng không khí xung quanh lưỡi cắt gây ra uốn cong (trong mặt phẳng rotor). Sự
uốn cong bao gồm áp suất lớn (hướng gió) và nén ở phần hút (hướng gió). Cạnh uốn cong
cần áp lực lên trên cạnh đầu và nén ở cạnh sau.
Tải trọng gió theo chu kỳ do sự thay đổi tự nhiên của tốc độ gió và tốc độ gió (tốc độ
cao hơn ở phía trên của vòng quay).
Thất bại trong việc tải cuối cùng của lưỡi xoáy tua-bin gió tiếp xúc với tải trọng gió và
trọng tải là một chế độ hỏng mà cần phải được xem xét khi các lưỡi xoa rotor được thiết kế.
Tốc độ gió gây uốn cong lưỡi cánh quạt thể hiện sự biến thiên tự nhiên, cũng như phản ứng
lại áp lực trong lưỡi rotor. Ngoài ra, sức chống chịu của cánh quạt rotor, về độ bền kéo, thể
hiện sự biến thiên tự nhiên.
Dưới ánh sáng của các phương thức thất bại và các hệ thống phiến lớn hơn, đã có những
nỗ lực không ngừng để phát triển các vật liệu hiệu quả với tỷ lệ sức mạnh / vật liệu cao hơn.
Để kéo dài tuổi thọ của lưỡi dao 20 năm hiện tại và cho phép các lưỡi cắt diện tích lớn hơn
có hiệu quả về chi phí, thiết kế và vật liệu cần được tối ưu hóa về độ cứng, sức mạnh và tính
chống chịu mỏi.
Phần lớn các lưỡi tuabin gió thương mại hiện nay được làm từ các polyme tăng cường
chất sợi (FRPs), là hỗn hợp gồm một ma trận polymer và các sợi. Các sợi dài cung cấp độ
cứng và độ cứng theo chiều dọc, và ma trận cung cấp độ dẻo dai, độ phân mảnh, cường độ
ngoài mặt phẳng, và độ cứng. Các chỉ số vật liệu dựa trên hiệu quả năng lượng tối đa, và có
độ dẻo dai cao, tính chịu mệt mỏi, và sự ổn định về nhiệt độ, đã được chứng minh là cao
nhất đối với thủy tinh và chất dẻo bằng sợi cacbon (CFRPs và GFRP).
Sản xuất lưỡi dao trong khoảng 40 đến 50 mét liên quan đến kỹ thuật chế tạo sợi thủy
tinh composite đã được chứng minh. Các nhà sản xuất như Nordex SE và GE Wind sử dụng
một quá trình truyền. Các nhà sản xuất khác sử dụng các kỹ thuật này, một số bao gồm
carbon và gỗ với sợi thủy tinh trong ma trận epoxy. Các lựa chọn khác bao gồm cả sợi thủy
tinh prepregnated ("prepreg") và đúc bằng nhựa ép chân không. Mỗi một trong số các lựa
chọn này sử dụng một hỗn hợp polymer sợi thủy tinh được gia cố với sự phức tạp khác nhau.

15
Báo cáo nhập môn ngành điện

Có lẽ vấn đề lớn nhất với các hệ thống ướt, đơn giản, đơn giản, là lượng khí thải liên quan
đến các chất hữu cơ dễ bay hơi được giải phóng. Vật liệu được preimpregnated và kỹ thuật
truyền nhựa tránh sự phóng thích các chất dễ bay hơi bằng cách chứa tất cả VOCs. Tuy
nhiên, những quy trình này chứa những thách thức riêng của chúng, cụ thể là việc sản xuất
các lớp mỏng dày đặc cần thiết cho các bộ phận kết cấu trở nên khó khăn hơn. Vì tính thấm
thấu của nhựa khuôn preform nên độ dầy lớp laminate tối đa cần thiết để loại bỏ lỗ rỗng và
đảm bảo sự phân bố của nhựa. Một giải pháp để phân phối nhựa một sợi thủy tinh được
preimpregnated. Trong quá trình sơ tán, vải khô tạo ra một luồng không khí và khi nhiệt và
áp lực được đưa vào, nhựa có thể chảy vào vùng khô dẫn đến kết cấu tráng men triệt để.
Các vật liệu composite epoxy có lợi thế về môi trường, sản xuất và chi phí so với các
loại nhựa khác. Epoxies có chu kỳ bảo dưỡng ngắn hơn, tăng độ bền và cải thiện bề mặt. Các
hoạt động của Prepreg làm giảm thời gian xử lý các hệ thống xử lý ướt. Khi cánh quạt tua
bin vượt qua 60 mét, kỹ thuật truyền dịch trở nên phổ biến hơn; nhựa truyền thống chuyển
đổi khuôn đúc thời gian là quá dài so với nhựa thời gian thiết lập, hạn chế độ dày của
laminate. Chất tiêm ép nhựa thông qua một đống dày hơn, do đó lắng đọng nhựa trong cấu
trúc laminate trước khi gelation xảy ra. Nhựa epoxy chuyên dụng đã được phát triển để tùy
chỉnh tuổi thọ và độ nhớt.
Cacbon trong lưỡi xoay tuabin 60m được ước tính giảm 38% tổng khối lượng cánh và
giảm chi phí 14% so với sợi thủy tinh 100%. Các sợi cacbon có lợi ích bổ sung là làm giảm
độ dày của các mặt cắt bằng sợi thủy tinh, tiếp tục giải quyết các vấn đề liên quan đến việc
làm ướt chất dẻo. Các tuabin gió cũng có thể có lợi từ xu hướng chung của việc sử dụng
ngày càng tăng và giảm chi Thép chịu lực bằng sợi cacbon có thể làm giảm trọng lượng và
tăng độ cứng. Sử dụng sợi phí cho các vật liệu sợi cacbon.
Mặc dù sợi thủy tinh và sợi cacbon có nhiều tính năng tối ưu cho hiệu suất lưỡi tuabin,
nhưng có một số nhược điểm đối với các chất bổ sung hiện tại, bao gồm phần bù cao (1070% trọng lượng) làm tăng mật độ cũng như các khiếm khuyết và lỗ rỗng kích thước hiển vi

nên sớm thất bại.


16
Báo cáo nhập môn ngành điện

Những phát triển gần đây bao gồm sự quan tâm đến việc sử dụng ống nano cacbon
(CNT) để tăng cường các vật liệu nanocơ dựa trên polyme. CNT có thể được trồng hoặc lắng
đọng trên các sợi, hoặc thêm vào nhựa polyme như một ma trận cho cấu trúc FRP. Sử dụng
nano CNT làm chất độn thay vì chất bổ sung vi mô truyền thống (như sợi thủy tinh hoặc sợi
cacbon) dẫn đến CNT / polymer nanocomposite, cho phép các tính chất có thể thay đổi đáng
kể với hàm lượng chất rất thấp (thường <5% trọng lượng). Họ có mật độ rất thấp, và cải
thiện mô đun đàn hồi, sức mạnh, và độ dẻo dẻo của ma trận polymer. Việc bổ sung CNT vào
ma trận cũng làm giảm sự lan truyền các vết nứt giữa các vi khuẩn có thể là một vấn đề
trong các FRP truyền thống.
Cải tiến hơn nữa có thể thông qua là việc sử dụng cacbon nano (CNFs) trong lớp phủ
cánh. Một vấn đề lớn trong môi trường sa mạc là gió mang cát có thể ăn mòn các cạnh lồi
của cánh làm tăng sự gồ ghề và làm giảm hiệu suất khí động học. Khả năng chống xói mòn
hạt của polyme tăng cường sợi là yếu hơn so với vật liệu kim loại và chất đàn hồi và cần
được cải thiện. Nó đã được chỉ ra rằng việc thay thế sợi thủy tinh với CNF trên bề mặt
composite đã cải thiện đáng kể sức đề kháng xói mòn. CNF cũng cho thấy tính dẫn điện tốt
(quan trọng đối khi có sấm chớp), tỷ lệ giảm chấn cao, và khả năng chống ma sát tốt. Các
tính chất này làm cho máy CNop dựa trên CNF là một lớp phủ tương lai cho các lưỡi xoay
tuabin gió.
1.5. Tái chế cánh quạt.
Hội đồng Năng lượng Gió Toàn cầu (GWEC) dự đoán năng lượng gió sẽ cung cấp
15,7% nhu cầu năng lượng cho thế giới vào năm 2020 và 28,5% vào năm 2030. Sự gia tăng
mạnh mẽ này trong việc tạo ra năng lượng gió toàn cầu sẽ đòi hỏi phải lắp đặt một đội tuabin gió mới hiệu quả hơn và hậu quả là việc ngừng hoạt động của những con người già đi.
Dựa trên một nghiên cứu do Hiệp hội Năng lượng Gió Châu Âu thực hiện, riêng trong năm
2010, ngành công nghiệp tuabin gió đã tiêu thụ từ 110 đến 140 kilotons composites để sản

xuất các cánh quạt. Phần lớn các vật liệu lưỡi cuối cùng sẽ kết thúc như chất thải, và để phù
hợp với mức chất thải composite này, lựa chọn duy nhất là tái chế. Thông thường, sợi thủy
tinh-polyme (GFRPs) được tạo bởi khoảng 70% vật liệu laminate. GFRPs không thể đốt
cháy được. Vì vậy, các phương pháp tái chế thông thường cần được sửa đổi. Hiện tại, tùy


17
Báo cáo nhập môn ngành điện

thuộc vào việc có thể phục hồi được các sợi riêng lẻ, có một vài phương pháp chung để tái
chế GFRPs trong lưỡi xoắn của tuabin gió:
Tái chế cơ học: Phương pháp này không phục hồi từng sợi riêng lẻ. Quá trình ban đầu
liên quan đến việc xẻ, nghiền. Các mảnh nghiền nát sau đó được tách ra thành các phân đoạn
giàu chất xơ và giàu chất nhựa. Những phân số này cuối cùng được kết hợp vào các vật liệu
composite mới hoặc là các chất độn hoặc quân tiếp viện.
Chế biến hóa học / Pyrolysis: Sự phân hủy nhiệt của composit được sử dụng để phục hồi
các sợi riêng lẻ. Đối với nhiệt phân, vật liệu được làm nóng đến 500 °C trong môi trường
không có oxy, do đó làm nó phân hủy thành các chất hữu cơ có trọng lượng thấp và / hoặc
các sản phẩm khí. Các sợi thủy tinh thường sẽ mất 50% sức mạnh ban đầu của chúng và bây
giờ có thể được downcycled cho các ứng dụng tăng cường sợi trong sơn hoặc bê tông.
Nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự lựa chọn cuối đời này có thể phục hồi lên đến xấp xỉ 19 MJ /
kg. Tuy nhiên, phương pháp này có chi phí tương đối cao và đòi hỏi phải có quá trình gia
công cơ học tương tự. Ngoài ra, nó chưa được sửa đổi để đáp ứng nhu cầu về tái chế lưỡi
curoa tua bin gió quy mô lớn.

2. Bộ phận điều khiển năng lượng.
Tốc độ quay của tuabin gió phải
được kiểm soát để tạo ra hiệu quả
năng lượng và giữ cho các thành phần
của tuabin trong giới hạn tốc độ và

mô-men thiết kế. Lực ly tâm trên các
lưỡi quay tăng lên tỉ lệ với bình
phương của tốc độ quay, làm cho cấu
trúc này rất nhạy cảm với tốc độ quá
cao. Bởi vì sức mạnh của gió gia tăng
khi khối cầu của tốc độ gió, các tuabin
phải được xây dựng để tồn tại nhiều gió hơn (như gió thổi) so với những động cơ mà họ thực
tế có thể tạo ra năng lượng. Các tuabin gió có cách giảm momen xoắn ở gió lớn.


18
Báo cáo nhập môn ngành điện

Một tuabin gió được thiết kế để sản xuất điện năng qua một loạt các tốc độ gió. Tốc độ
cắt giảm khoảng 3-4 m/s đối với hầu hết các tuabin, và cắt ra ở 25 m/s. Nếu tốc độ gió vượt
quá được vượt quá thì sức mạnh phải được giới hạn. Có nhiều cách để đạt được điều này.
Một hệ thống điều khiển bao gồm ba yếu tố cơ bản: cảm biến để đo biến quy trình, cơ
cấu chấp hành để thao tác lấy năng lượng và nạp thành phần, và các thuật toán điều khiển để
phối hợp bộ truyền động dựa trên thông tin thu thập được bởi các cảm biến.
Tất cả các tuabin gió được thiết kế cho một tốc độ gió lớn nhất, được gọi là tốc độ sống
sót, trên đó chúng sẽ bị hư hỏng. Tốc độ sống sót của tuabin gió thương mại nằm trong
khoảng 40 m/s (144 km/h, 89 mph) đến 72 m/s (259 km/h, 161 mph). Tốc độ sống sót phổ
biến nhất là 60 m/s (216 km/h, 134 mph). Một số được thiết kế để tồn tại 80 m/s (290 km/h,
180 dặm/ giờ).
2.1. Stall.
Làm chậm hoạt động bằng cách tăng góc độ mà tại đó gió tương ứng thổi tới các lưỡi
xoay và nó làm giảm lực kéo gây ra (kéo liên kết với nâng). Việc giữ lại đơn giản vì nó có
thể được thực hiện một cách thụ động (nó sẽ tự động tăng lên khi gió tăng tốc), nhưng nó
làm tăng mặt cắt của mặt lưỡi đối mặt với gió, và do đó là sự kéo theo thông thường. Một
lưỡi tuabin hoàn toàn bị ngưng, khi dừng lại, có mặt phẳng của lưỡi đối diện trực tiếp vào

gió.
Một chiếc HAWT tốc độ cố định (tua bin gió trục ngang) vốn có thể làm tăng góc tấn
công ở tốc độ gió cao hơn khi lưỡi dao tăng tốc. Một chiến thuật tự nhiên, sau đó, là để cho
lưỡi dao dừng lại khi tốc độ gió tăng lên. Kỹ thuật này đã được sử dụng thành công trên
nhiều HAWT sớm. Tuy nhiên, trên một số bộ lưỡi, nó đã được quan sát thấy rằng mức độ
của lưỡi dao có xu hướng tăng mức độ tiếng ồn âm thanh.
Máy phát xoáy nước có thể được sử dụng để kiểm soát các đặc tính nâng của lưỡi. Các
VGs được đặt trên mặt đường để nâng cao thang máy nếu chúng được đặt trên bề mặt thấp
hơn (hạ thấp) hoặc giới hạn chiều cao tối đa nếu đặt trên bề mặt phía trên (cao hơn).


19
Báo cáo nhập môn ngành điện

Furling hoạt động bằng cách giảm góc tấn công, làm giảm lực kéo gây ra từ thang máy
của rotor, cũng như mặt cắt ngang. Một trong những vấn đề lớn trong việc thiết kế tua-bin
gió là làm cho các lưỡi dao hoặc buông thả nhanh chóng nếu một cơn gió thổi mạnh. Một
lưỡi tuabin có lông hoàn toàn, khi dừng lại, có cạnh của lưỡi đối diện với gió.
Tải trọng có thể được giảm bằng cách làm cho một hệ thống kết cấu mềm hơn hoặc linh
hoạt hơn. Điều này có thể được thực hiện với các cánh quạt hướng xuống hoặc với các lưỡi
xoắn cong xoắn tự nhiên để giảm góc tấn công ở tốc độ gió cao hơn. Các hệ thống này sẽ
không tuyến tính và sẽ ghép cấu trúc với trường dòng chảy - do đó, các công cụ thiết kế phải
phát triển để mô hình các phi tuyến này.
Các tua bin tiêu chuẩn hiện đại đều lượn lưỡi dao trong gió cao. Kể từ khi lông cần phải
hoạt động chống lại mô men trên lưỡi, nó đòi hỏi một số hình thức kiểm soát góc sân, đạt
được với một lái quay. Ổ đĩa này chính xác góc lưỡi dao trong khi vẫn giữ được lực xoắn
cao. Ngoài ra, nhiều tuabin sử dụng hệ thống thủy lực. Các hệ thống này thường được nạp
bằng lò xo, do đó, nếu điện thủy lực không thành công, các lưỡi dao sẽ tự động rung lên. Các
tuabin khác sử dụng động cơ servo điện cho mỗi lưỡi rotor. Họ có một dự trữ pin nhỏ trong
trường hợp một sự cố điện lưới. Tua bin gió nhỏ (dưới 50 kW) với các hệ thống sử dụng phổ

biến bằng vận tốc bằng lực ly tâm, hoặc bằng máy bay hoặc thiết kế hình học, và không sử
dụng các điều khiển điện hoặc thủy lực.
Khoảng trống cơ bản tồn tại trong kiểm soát sân bay, hạn chế việc giảm chi phí năng
lượng, theo một báo cáo của liên minh các nhà nghiên cứu từ các trường đại học, ngành
công nghiệp và chính phủ, được hỗ trợ bởi Trung tâm Atkinson về Tương lai bền vững.
Giảm tải hiện đang tập trung vào việc kiểm soát độ rộng của cánh quạt, bởi vì các động cơ
pitch riêng biệt là các thiết bị truyền động hiện có trên tuabin thương mại. Giảm tải đáng kể
đã được chứng minh trong mô phỏng cho lưỡi, tháp, và xe lửa. Tuy nhiên, vẫn còn những
nghiên cứu cần thiết, cần phải phát triển các phương pháp để thực hiện kiểm soát độ rộng
cánh quạt toàn phần để tăng khả năng thu năng lượng và giảm tải trọng mỏi.
Một kỹ thuật điều khiển được áp dụng cho góc pitch được thực hiện bằng cách so sánh
công suất hoạt động hiện tại của động cơ với giá trị công suất hoạt động ở tốc độ động cơ


20
Báo cáo nhập môn ngành điện

đánh giá (tham chiếu công suất hoạt động, tham chiếu Ps). Kiểm soát góc độ sân trong
trường hợp này được thực hiện bằng điều khiển bộ điều khiển PI. Tuy nhiên, để có một phản
ứng thực tế đối với hệ thống điều khiển của góc sân khấu, thiết bị truyền động sử dụng thời
gian không đổi Tservo, một bộ tích phân và giới hạn như là góc pitch từ 0° đến 30° với tốc
độ thay đổi (± 10° mỗi giây).
Từ hình bên phải, góc pitch tham chiếu
được so sánh với góc pitch thực tế b và sau đó
lỗi được điều chỉnh bởi bộ truyền động. Góc sân
trường tham chiếu, xuất phát từ bộ điều khiển PI, đi qua một giới hạn. Hạn chế về giới hạn là
rất quan trọng để duy trì góc sân theo thời gian thực. Hạn chế tốc độ thay đổi là rất quan
trọng đặc biệt là trong các lỗi trong mạng. Tầm quan trọng là do bộ điều khiển quyết định
tốc độ nó có thể làm giảm năng lượng khí động học để tránh tăng tốc trong khi xảy ra lỗi.
2.2. Controller.

2.2.1. Mômen máy phát điện.
Các tua-bin gió lớn hiện đại là các máy biến tốc. Khi tốc độ gió thấp hơn tính toán, mô
men xoắn của máy phát được sử dụng để điều khiển tốc độ của rotor nhằm thu được càng
nhiều điện năng càng tốt. Công suất lớn nhất được giữ nguyên khi tỷ lệ tốc độ đầu được giữ
cố định ở giá trị tối ưu (thường là 6 hoặc 7). Điều này có nghĩa là khi tốc độ gió tăng, tốc độ
của rotor sẽ tăng tương ứng. Sự khác biệt giữa mô men xoắn khí động học được giữ bởi các
lưỡi xoa và momen xoắn của máy phát được điều khiển tốc độ rotor. Nếu mô-men xoắn của
máy phát thấp, rotor sẽ tăng tốc, và nếu mô-men xoắn của máy phát điện cao hơn, rotor sẽ
chậm lại. Tốc độ gió thấp hơn tính toán, điều khiển mô-men xoắn của máy phát sẽ hoạt động
trong khi độ nghiêng của phiến thường được giữ ở góc hẹp, thu được công suất lớn nhất, khá
phẳng so với gió. Trên tốc độ gió được đánh giá, mô-men xoắn của máy phát thường được
giữ ổn định trong khi độ lưỡi dao đang hoạt động.
Một kỹ thuật điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là Kiểm soát theo trường.
Kiểm soát theo hướng ngoài là một cách thức vòng kín gồm hai bộ điều khiển hiện tại (một


21
Báo cáo nhập môn ngành điện

vòng lặp bên trong và thiết kế thác vòng ngoài)
cần thiết để điều khiển mô-men xoắn, và một bộ
điều khiển tốc độ.

2.2.2. Kiểm soát góc momen liên tục.
Trong cách kiểm soát này, dòng trục D được giữ bằng không, trong khi dòng vector nằm
dọc theo trục q để duy trì góc momen bằng 90°. Đây là một trong những phương thức kiểm
soát được sử dụng nhiều nhất vì tính đơn giản, bằng cách chỉ kiểm soát hiện tại Iqs. Vì vậy,
bây giờ công thức mô-men xoắn điện từ của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu chỉ
đơn giản là một phương trình tuyến tính phụ thuộc vào Iqs hiện tại.
Khi mô men điện từ cho Id = 0 (chúng ta có thể đạt được điều đó với bộ điều khiển trục

D bây giờ là:
Te = 3/2 p (λpm Iqs + (Lds-Lqs) Id Iqs) = 3/2 p λpm Iqs
Vì vậy, hệ thống hoàn chỉnh của bộ chuyển đổi bên máy và các vòng lặp điều khiển PI
được đưa ra bởi hình bên phải. Trong đó chúng tôi có các đầu vào điều khiển, đó là các phần
mds và mqs, của bộ chuyển đổi PWM quy định. Ngoài ra, chúng ta có thể thấy sơ đồ điều
khiển cho tuabin gió ở phía máy và đồng thời chúng ta giữ Id như thế nào (phương trình
mômen xoắn điện từ là tuyến tính).

2.3. Yawing.
Phần trăm đầu ra so với góc gió
Các tua-bin gió lớn hiện đại thường được kiểm soát chủ động để đối mặt với hướng gió
được đo bằng cánh gió ở phía sau của thân. Bằng cách giảm thiểu góc nghiêng (sự lệch


22
Báo cáo nhập môn ngành điện

hướng giữa hướng gió và tuabin), sản lượng điện
được khuếch đại và giảm thiểu các tải không đối
xứng. Tuy nhiên, vì hướng gió thay đổi nhanh
chóng nên tuabin sẽ không theo đúng hướng và
sẽ có một góc nghiêng nhỏ. Các tổn thất sản
lượng điện năng chỉ đơn giản có thể được xấp xỉ
để rơi vào (cos (góc nghiêng)) ^3. Đặc biệt ở tốc
độ gió từ thấp đến trung bình, sự nghiêng có thể
làm giảm đáng kể sản lượng của tua bin, với các biến động hướng gió khoảng ± 30 ° khá phổ
biến và thời gian đáp ứng lâu của tuabin thay đổi theo hướng gió. Ở tốc độ gió cao, hướng
gió ít biến đổi hơn.
Yaw drive: Dùng để giữ cho rotor luôn luôn hướng về hướng gió chính khi có sự thay
đổi hướng gió.

Yaw motor: Động cơ cung cấp cho “yaw drive” định được hướng gió.
Wind vane: Để xử lý hướng gió và liên lạc với “yaw drive” để định hướng tuabin gió.
2.4. Phanh.
2.4.1. Phanh điện.
2kW Điện trở phanh động cho tuabin gió nhỏ.
Phanh một tuabin gió nhỏ có thể được thực hiện bằng
cách đưa năng lượng từ máy phát điện vào một ngân hàng
điện trở, chuyển đổi năng lượng động học quay vòng
tuabin thành nhiệt. Phương pháp này hữu ích nếu tải động
học trên máy phát điện đột ngột giảm hoặc quá nhỏ để giữ
tốc độ tuabin trong giới hạn cho phép.
Phanh tuần hoàn làm cho lưỡi cưa chậm lại, làm tăng
hiệu quả cản trở, làm giảm hiệu quả của lưỡi dao. Bằng
cách này, luân chuyển của tuabin có thể được giữ ở tốc độ an toàn với gió nhanh hơn trong


23
Báo cáo nhập môn ngành điện

khi duy trì công suất ra (danh nghĩa). Phương pháp này thường không áp dụng cho các tuabin gió nối lưới lớn.
2.4.2. Phanh cơ khí.
Một phanh đĩa hoặc đĩa phanh cơ học được sử dụng để ngưng turbine trong trường hợp
khẩn cấp như các cơn gió cực mạnh hoặc quá tốc độ. Phanh này là phương tiện thứ yếu để
giữ tua-bin khi nghỉ ngơi để bảo trì, với hệ thống khóa rôto là phương tiện chủ yếu. Phanh
như vậy thường chỉ được áp dụng sau khi lưỡi dao phanh và phanh điện từ đã làm giảm tốc
độ tua-bin nói chung là 1 hoặc 2 rotor RPM, vì phanh cơ học có thể tạo ra lửa bên trong vỏ
động cơ nếu sử dụng để dừng tua-bin từ tốc độ cao. Tải trọng tuabin tăng nếu phanh được áp
dụng ở tốc độ RPM. Phanh cơ học được điều khiển bởi các hệ thống thủy lực và được kết
nối với hộp điều khiển chính.

3. Nacell.
Nacell là một vỏ bọc bao gồm tất cả các thành phần tạo ra trong tuabin gió, bao gồm
máy phát, hộp số, bộ truyền động và phanh. Nacelle: Vỏ. Bao gồm rotor và vỏ bọc ngoài,
toàn bộ được dặt trên đỉnh trụ và bao gồm các phần: gear box, low and high – speed shafts,
generator, controller, and brake. Vỏ bọc ngoài dùng bảo vệ các thành phần bên trong vỏ. Một
số vỏ phải đủ rộng để một kỹ thuật viên có thể đứng bên trong trong khi làm việc
3.1. Hộp số.
Trong tuabin gió truyền thống, các lưỡi xoắn một trục được nối thông qua hộp số đến
máy phát điện. Hộp số chuyển đổi tốc độ quay của dao từ 15 đến 20 vòng / phút cho một
tuabin lớn, một megawatt vào tốc độ 1.800 vòng / phút nhanh hơn mà máy phát điện cần
phát điện. Các nhà phân tích từ GlobalData ước tính rằng thị trường hộp số tăng từ 3,2 tỷ đô
la năm 2006 lên 6,9 tỷ đô la trong năm 2011, và tới 8,1 tỷ đô la vào năm 2020. Các nhà lãnh
đạo thị trường là Winergy vào năm 2011. Việc sử dụng các hộp số từ cũng đã được khám
phá như một cách để giảm chi phí bảo trì tuabin gió.
3.2. Máy phát điện.
Hộp số, trục rotor và phanh được lắp ráp với nhau


24
Báo cáo nhập môn ngành điện

Đối với các tuabin gió trục ngang lớn, kích thước
thương mại, máy phát điện được lắp vào một vỏ bọc ở
đầu tháp, phía sau trục của rotor tuabin. Thông thường
các tua-bin gió tạo ra điện qua các máy không đồng bộ
nối trực tiếp với lưới điện. Thông thường tốc độ quay
của tuabin gió chậm hơn tốc độ quay vòng tương
đương của mạng lưới điện: tốc độ quay điển hình cho
máy phát gió là 5-20 rpm trong khi máy kết nối trực tiếp sẽ có tốc độ điện từ 750 đến 3600
vòng / phút. Vì vậy, một hộp số được chèn giữa trung tâm rotor và máy phát điện. Điều này

cũng làm giảm chi phí máy phát và trọng lượng. Máy phát kích cỡ thương mại có một cánh
quạt mang một trường quanh co để từ trường quay được sản xuất bên trong một tập hợp
cuộn dây được gọi là stator. Trong khi lĩnh vực luân phiên uốn tiêu thụ một phần của một
phần trăm của sản lượng máy phát, điều chỉnh trường cho phép điều khiển tốt điện áp ra của
máy phát điện.
Các máy phát điện gió kiểu cũ hơn xoay theo tốc độ không đổi, để phù hợp với tần số
đường dây điện, cho phép sử dụng máy phát điện cảm ứng ít tốn kém hơn. Các tuabin gió
mới hơn thường quay đầu bất cứ tốc độ nào tạo ra điện hiệu quả nhất. Tần số đầu ra khác
nhau và điện áp có thể được kết hợp với các giá trị cố định của lưới điện sử dụng nhiều công
nghệ như máy phát điện cảm ứng kép hoặc bộ chuyển đổi hiệu ứng đầy đủ, nơi biến tần số
hiện tại được chuyển thành DC (một chiều) và sau đó trở lại AC (xoay chiều). Mặc dù các
phương án thay thế này đòi hỏi thiết bị tốn kém và gây mất điện, tuabin có thể chiếm được
một phần lớn hơn đáng kể năng lượng gió. Trong một số trường hợp, đặc biệt là khi các
tuabin được bố trí ở ngoài khơi, năng lượng DC sẽ được truyền từ tuabin tới một bộ biến đổi
trung tâm (trên bờ) để kết nối với lưới điện.
3.3. Tuabin gió không hộp số.
Các tua-bin gió không bánh lái (còn gọi là tua bin trực tiếp) sẽ không cần đến. Thay vào
đó, trục rotor được gắn trực tiếp vào máy phát, quay với tốc độ như cánh quạt. Enercon và
EWT (trước đây gọi là Lagerwey) đã sản xuất tuabin gió không tải bằng máy phát điện kích
thích riêng biệt trong nhiều năm, và Siemens sản xuất mô hình "mô hình 3 MW" không tải


25
Báo cáo nhập môn ngành điện

bánh răng trong khi phát triển mô hình 6 MW. Để tạo tốc độ kéo máy phát trực tiếp, tốc độ
quay của rotor máy phát được tăng lên để có thể chứa nhiều nam châm hơn để tạo ra tần số
và điện áp yêu cầu.
Các tua-bin gió không bánh răng thường nặng hơn tuabin gió dựa trên bánh răng. Một
nghiên cứu của EU gọi là "Reliawind" dựa trên kích cỡ mẫu lớn nhất của tuabin đã cho thấy

độ tin cậy của hộp số không phải là vấn đề chính trong tuabin gió. Độ tin cậy của tua bin
trực tiếp ra nước ngoài vẫn chưa được biết, vì cỡ mẫu quá nhỏ.
Các chuyên gia từ Đại học Kỹ thuật Đan Mạch ước tính rằng một máy phát điện có gắn
nam châm vĩnh cửu có thể sử dụng 25 kg / MW Neodymium, trong khi không hộp số có thể
sử dụng 250 kg / MW.
Vào tháng 12 năm 2011, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã đưa ra báo cáo về sự thiếu hụt
nghiêm trọng các nguyên tố đất hiếm như neodymium được sử dụng với số lượng lớn cho
nam châm vĩnh cửu trong các tuabin gió không bánh. Trung Quốc sản xuất hơn 95% các
nguyên tố đất hiếm, trong khi Hitachi nắm giữ hơn 600 bằng sáng chế bao gồm nam châm
Neodymium. Các tuabin dẫn động trực tiếp đòi hỏi 600 kg vật liệu nam châm vĩnh cửu trên
mỗi megawatt, nghĩa là vài trăm kg hàm lượng đất hiếm trên mỗi megawat, vì hàm lượng
neodymium ước tính là 31% trọng lượng nam châm. Hệ thống xe lai tạp (trung gian giữa ổ
đĩa trực tiếp và truyền thống) sử dụng ít vật liệu đất hiếm ít hơn đáng kể. Trong khi các
tuabin gió nam châm vĩnh cửu chỉ chiếm khoảng 5% thị trường bên ngoài Trung Quốc, thị
phần của họ ở Trung Quốc được ước tính là 25% hoặc cao hơn. Trong năm 2011, nhu cầu
neodymium trong tuabin gió ước tính bằng 1/5 trong xe điện.

4. Tháp.
Có hai loại tháp chính: tháp nổi và tháp trên đất liền, trong đó tháp trên đất vẫn phổ biến
hơn.
4.1. Chiều cao tháp.
Vận tốc gió tăng lên ở độ cao cao hơn do bề mặt khí động học kéo (bằng mặt đất hoặc
mặt nước) và độ nhớt của không khí. Sự thay đổi về vận tốc với độ cao, được gọi là sức gió,