Ứng dụng phần mềm matlabsimulink mô phỏng hệ điện gió – diesel

LỜI CẢM ƠN
Đề tài “Ứng dụng phần mềm Matlab/Simulink mô phỏng hệ điện Gió –
Diesel” đã được hoàn thành với sự nỗ lực hết mình của bản thân, sự giúp đỡ của
gia đình, bạn bè, nhà trường và tập thể xã hội.
Em xin trân thành cảm ơn tới gia đình, bạn bè và người thân đã tạo mọi điều
kiện về vật chất lẫn tinh thần để em có thể tập trung tâm trí cho đề tài này.
Một lần nữa em xin trân thành cảm ơn!
Hà Nội,
Người viết


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN...........................................................................................................i
DANH MỤC BẢNG...............................................................................................iv
DANH MỤC HÌNH.................................................................................................v
LỜI MỞ ĐẦU..........................................................................................................1
Chương I: Tổng quan................................................................................................3
1.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng điện sức gió trên thế giới.................................3
1.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng điện sức gió ở Việt Nam.................................6
1.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Tuabin gió......................................................9
1.3.1. Sự hình thành gió và đặc trưng của gió..........................................................9
1.3.2 Cấu tạo của tubin gió.....................................................................................11
1.3.3 Các kiểu tua bin gió hiện nay........................................................................12
1.3.4 Công suất các loại tua bin gió........................................................................13
1.3.5 Nguyên lý hoạt động của các tuabin gió......................................................14
1.4 Tổng quan về hệ năng lượng Diesel.................................................................14
1.4.1 Nhiên liệu Diesel...........................................................................................14
1.4.2 Máy phát điện Diesel.....................................................................................14
1.4.3 Động cơ Diesel..............................................................................................16
1.4.4 Lợi ích của phát điện Diesel làm nguồn dự phòng trong hệ thống điện gió ở
lưới điện độc lập.....................................................................................................17

1.5 Phối hợp giữa hệ lai Gió – Diesel.....................................................................17
1.5.1 Giới thiệu chung...........................................................................................17
1.5.2 Ưu điểm của hệ thống điện gió......................................................................18
1.5.3 Nhược điểm của hệ thống điện gió................................................................18
1.5.4 Phạm vi ứng dụng của hệ thống điện gió – Diesel........................................19
Chương II: Phương pháp và phương tiện nghiên cứu............................................20
2.1 Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm........................................................20
2.2 Phương tiện nghiên cứu....................................................................................20
ii


2.2.1 Khái quát về Matlab......................................................................................20
2.2.2 Khái quát về Simulink...................................................................................24
2.2.3 Khai báo tham số trong Simulink..................................................................30
Chương III: Cơ sở khoa học và thực tiễn...............................................................30
3.1 Thiết lập mô hình mô phỏng tốc độ gió............................................................31
3.1.1 Gió cơ bản.....................................................................................................31
3.1.2 Trận gió..........................................................................................................32
3.1.3 Gió có tốc độ thay đổi từ từ...........................................................................32
3.1.4 Gió thay đổi ngẫu nhiên................................................................................33
3.2 Thiết lập mô hình mô phỏng động học tuabin gió............................................34
3.3 Thiết lập mô hình mô phỏng máy phát Diesel..................................................36
3.4 Thiết lập mô hình mô phỏng hệ thống điện Gió –Diesel..................................40
Chương IV: Kết quả và thảo luận...........................................................................43
4.1 Kết quả mô phỏng tốc độ gió...........................................................................43
4.2 Kết quả mô phỏng điện áp của hệ điện Gió-Diezel..........................................43
4.3 Kết luận............................................................................................................45
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................47
I Kết luận................................................................................................................47
II Kiến nghị............................................................................................................47

TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................49

iii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Công suất định mức năng lượng gió của các nước trên thế giới năm 2007
..................................................................................................................................6
Bảng 1.2: Phân loại cấp độ gió theo tốc độ gió trung bình.....................................11
Bảng 3.1 Các thông số điều khiển động cơ Diesel.................................................38
Bảng 3.2 Thông số mô hình động cơ Diesel phù hợp nhất....................................40

iv


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Công suất điện gió trên thế giới trong thời gian 2000-2015......................5
Hình 1.2 Năm tổ máy của nhà máy điện gió tầm cỡ MW đầu tiên ở Việt Nam ở
xã Bình Thạnh, huyện Tuy Phong , tỉnh Bình Thuận...............................................7
Hình 1.3 Mô hình hoàn lưu khí quyển với các trung tâm khí áp bề mặt có tính đến
sự phân bố không đều giữa đất liền và biển...........................................................10
Hình 1.4 Cấu tạo tua bin gió...................................................................................11
Hình 1.5 Tua bin gió theo trục đứng.......................................................................13
Hình 1.6 Tua bin gió theo trục ngang.....................................................................13
Hình 1.7 Mô hình máy phát điện Diesel................................................................15
Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý phát điện.......................................................................16
Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý dòng điện xoay chiều 3 pha..........................................16
Hình 2.1 (a) Công ty MathWorks, (b) Phần mềm Matlab-Simulink......................21
Hình 2.2 Chỉ thư mục làm việc cho Matlab...........................................................22
Hình 2.3 Không gian làm việc của Matlab...............................................................22

Hình 2.4 Tạo mới một chương trình trong M-File.................................................23
Hình 2.5 Ứng dụng của Simulink trong ngành điện.................................................25
Hình 2.6 Khởi động màn hình làm việc của Simulink...........................................25
Hình 2.7 Khởi động Simulink từ cửa sổ làm việc Command Window của Matlab....26
Hình 2.8 Thanh công cụ chính trên Simulink..........................................................26
Hình 2.9 Thao tác nối hai khối mô phỏng..............................................................28
Hình 2.10 Kéo thả khối cần chọn ra cửa sổ mới....................................................29
Hình 2.11 Hộp đối thoại về đặc tính của khối........................................................30
Hình 2.12 Khai báo tham số và phương pháp mô phỏng.......................................30
Hình 3.1 Mô hình mô phỏng tốc độ gió.................................................................34
Hình 3.2 Đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa
Hình 3.3 Đường cong mối quan hệ giữa

và ....................................35

và tốc độ gió.....................................36

Hình 3.4 Mô hình động học tuabin gió trên phần mềm Matlab/Simulink.............36
v


Hình 3.5 Hệ thống động cơ Diesel và hàm truyền.................................................37
Hình 3.6 Sơ đồ mô phỏng động cơ Diesel..............................................................38
Hình 3.7 Các thông số điều khiển động cơ Diesel trên phần mềm Matlab/Simulink
................................................................................................................................38
Hình 3.8 Dạng đồ thị tốc độ của động cơ Diesel khi K = 20.................................39
Hình 3.9 Dạng đồ thị tốc độ của động cơ Diesel khi K =40..................................39
Hình 3.10 Hệ thống đơn giản hóa hệ thống hỗn hợp gió – diesel..........................40
Hình 3.11 Lược đồ minh họa hệ lai Diesel – Gió độc lập....................................41
Hình 3.12 Sơ đồ hàm truyền hệ thống năng lượng Diesel – Gió..........................41

Hình 3.13 Sơ đồ mô phỏng hệ ghép nối Gió – Diesel............................................41
Hình 4.1 Kết quả mô phỏng tốc độ gió..................................................................43
Hình 4.2 Dạng điện áp 3 pha..................................................................................44
Hình 4.3 Dòng điện áp pha A.................................................................................45
Hình 4.4 Tốc độ quay của máy không đồng bộ......................................................45
Hình 4.5 Hình ảnh chạy mô phỏng hệ ghép nối Gió – Diesel trên phần mềm
Simulink.................................................................................................................46

vi


LỜI MỞ ĐẦU
Sử dụng năng lượng gió đang là một xu thế trên thế giới do: giảm chi phí
nhiên liệu, khả năng sản xuất trên qui mô lớn và kết nối được với lưới điện chính.
Việt Nam là một trong số rất nhiều quốc gia có tiềm năng để phát triển điện gió,
đây sẽ là nguồn năng lượng lớn có thể khai thác bổ sung cho nguồn điện lưới quốc
gia, thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt và cải thiện
môi trường. Ở những vùng có lưới điện quốc gia, điện gió sẽ được hoà vào lưới
điện quốc gia. Việc ổn định lưới trong trường hợp này do các nhà máy điện truyền
thống đảm nhiệm. Tuy nhiên ở những vùng hải đảo hay miền núi xa xôi, nơi chưa
có lưới điện quốc gia thì điện gió sẽ được sử dụng hỗn hợp với các máy phát
diesel và ổn định lưới sẽ được thực hiện cục bộ tại lưới độc lập này.Việc duy trì
ổn định đối với các hệ thống điện quy mô nhỏ có sử dụng các tua bin gió là một
thách thức về mặt kỹ thuật, do đặc điểm bất định của nguồn phát và do quán tính
nhỏ của các máy phát điện trong các hệ thống điện nhỏ.
Trong số các phương pháp, các phần mềm được ứng dụng thì Matlab là
phần mềm được ứng dụng trong rất nhiều ngành nghề, lĩnh vực như viễn thông, tự
động hóa, điện,… vì Matlab có hỗ trợ rất mạnh về toán học và có Toolbox và
Simulink cực kỳ khổng lồ. Xét về ứng dụng của Matlab cho lĩnh vực điện năng,
Matlab có những ứng dụng mô phỏng các hệ thống điện đơn giản, cho kết quả

nhanh và độ chính xác cao.

1


Nội dung của đề tài:
Ngoài lời mở đầu, phần kết luận và kiến nghị đề tài gồm 4 chương.
Chương I: Tổng quan.Trong chương này nội dung nói đến tình hình nghiên
cứu ứng dụng điện sức gió trên thế giới và ở Việt Nam,hệ năng lượng Diesel, giải
thích được phối hợp giữa hệ lại Gió – Diesel.
Chương II: Phương pháp và phương tiện nghiên cứu. Ở chương này tìm
hiểu và giới thiệu về phần mềm Matlab/Simulink.
Chương III: Cơ sở khoa học và thực tiễn. Ở chương 3 ta sẽ thiết lập được
các mô hình như: thiết lập mô hình mô phỏng tốc độ gió,thiết lập mô hình mô
phỏng động học tua bin gió,thiết lập mô hình mô phỏng máy phát Diesel,thiết lập
mô hình mô phỏng hệ thống điện Gió – Diesel.
Chương IV: Kết quả và thảo luận. Trong chương này từ các mô hình mô
phỏng ta thu được các kết quả mô phỏng tốc độ gió, kết quả mô phỏng điện áp của
hệ điện Gió – Diesel.

2


Chương I: Tổng quan
1.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng điện sức gió trên thế giới
Nhận thức được tầm quan trọng của năng lượng tái tạo nói chung và năng
lượng gió nói riêng, chính phủ của nhiều quốc gia trên thế giới đang dốc tiền của,
nhân lực vào việc nghiên cứu và đưa vào sử dụng thực tiễn năng lượng gió, giúp
giảm sự căng thẳng năng lượng ở các nước.
Trên khắp châu Âu 13.805 MW điện gió đã được lắp đặt trong năm 2015.

Các quốc gia thành viên Liên minh châu Âu (EU) chiếm cho 12.800 MW trong
tổng số có 141,6 GW lắp đặt trong EU với tổng khả năng tích lũy của 147.8 GW
cho tất cả của châu Âu. Hệ thống điện gió được lắp đặt trong năm 2015 chiếm
44,2% của tất cả các điện gió được lắp đặt với công suất khá cao. Năng lượng gió
đã vượt qua thủy điện là nguồn lớn thứ ba trong EU với thị phần 15,6% tổng công
suất điện vào cuối của năm 2015. Năng lượng tái tạo chiếm 77% các nhà máy điện
mới lắp đặt vào năm 2015 (22,3 GW trong tổng số 29 GW) mà gió chiếm 44%
mức lắp đặt trong EU tổng thể một lần nữa đáng kể biến động trên khắp châu Âu.
Đức đã chiếm gần 50% tổng số lắp đặt năng lượng gió của EU 6.013 MW. Ba Lan
là 1.266 MW và Pháp là 1.073 MW là chỉ có hai thị trường khác để lắp đặt trên 1
GW trong năm. Trong một số trước đây thị trường lành mạnh như Thụy Điển và
Vương quốc Anh, lắp đặt bị chậm lại đáng kể. Vào cuối năm 2015, EU đã có 142
GW của gió được lắp đặt công suất điện trong đó có 131 GW là trên đất liền và 11
GW ngoài khơi. Tuy nhiên, 47% của tất cả các lắp đặt mới của EU trong 2015 đã
diễn ra tại Đức và 73% xảy ra trong bốn thị trường hàng đầu, một xu hướng tương
tự trong năm 2014. Điều này là không giống như những năm trước khi lắp đặt đều
ít tập trung và trải rộng trên nhiều thị trường châu Âu 26,4 tỷ EUR đã được đầu tư
vào năng lượng gió ở châu Âu trong năm 2015, cao hơn so với tổng vốn đầu tư
năm 2014 là 40%. Trong khi năng lượng gió vẫn đang lắp đặt thì năng lượng mặt
trời chiếm 29%; than 16% và khí đốt 6,4%. Đức vẫn là quốc gia có lắp đặt lớn
nhất EU năng lượng (44,9 GW), tiếp theo là Tây Ban Nha (23 GW), Anh (13,6
3


GW), Pháp (10 GW) và Ý (9 GW). Thụy Điển, Đan Mạch, Ba Lan và Bồ Đào Nha
từng có nhiều hơn 5 GW.Lắp đặt hàng năm của điện gió ở châu Âu đã tăng lên
trong suốt 14 năm qua từ 3,2 GW vào năm 2000 để 12,8 GW vào năm 2015 với
tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) là 9% chiếm năng lượng gió cho một
phần ba của tất cả lắp đặt điện mới kể từ năm 2000 tại EU. Trong năm 2015, thị
trường nội địa hàng năm tại EU giảm 7,8%, nhưng lắp đặt xa bờ hơn gấp đôi so

với năm 2014. Nhìn chung, lắp đặt hàng năm năng lượng gió EU tăng 6,3% so với
năm 2014 gió ngoài khơi chiếm gần một phần tư tổng số EU lắp đặt điện gió vào
năm 2015 và đầu tư ra nước ngoài ở châu Âu tăng gấp đôi lên 13,3 tỷ EUR. Nó là
một năm kỷ lục về tài chính và lắp đặt lưới kết nối Đức (2.282 MW), Vương quốc
Anh (572 MW) và Hà Lan (180 MW) là ba nước để kết nối lưới điện tua bin gió
mới ra nước ngoài trong năm 2015, với 14 dự án đạt hoàn thành. Anh vẫn còn có
khả năng gió lớn nhất ngoài khơi ở châu Âu tại 5.067 MW, chiếm 46% tổng số lắp
đặt ở châu Âu. Đức đã có một năm xuất sắc và đã tăng lên vị trí thứ hai trong năm
2015. Đức chứng kiến tổng lắp đặt tăng đến 3.295 MW (29,9%) với 1.271 MW
(11,5%), Đan Mạch là thứ ba, tiếp theo tại Bỉ 712 MW (6,5%), Hà Lan tại 427
MW (3,9%), và Thụy Điển với 202 MW (1,8%). thị trường nhỏ khác bao gồm
Phần Lan với 26 MW, Ai-len với 25 MW, Tây Ban Nha với 5 MW, Na Uy với 2
MW và Bồ Đào Nha với 2 MW trên nền kinh tế khủng hoảng và các biện pháp
thắt lưng buộc bụng được thực hiện trên khắp châu Âu tiếp tục cản trở sự phát
triển của ngành công nghiệp năng lượng gió. Các năm trước có thể sẽ khó khăn
nhưng rộng hơn chuyển dịch đầu tư từ các nhiên liệu hóa thạch có thể thúc đẩy sự
phát triển năng lượng tái tạo ở châu Âu. Ngoài EU, Thổ Nhĩ Kỳ là thị trường lớn
nhất châu Âu, với lắp đặt hàng năm của 956 MW vào năm 2015. Các thị trường
Thổ Nhĩ Kỳ đạt công suất tổng cộng 4.694 MW vào năm ngoái. Nhìn về phía
trước, tương lai của Thổ Nhĩ Kỳ khu vực gió sẽ hứa hẹn.

4


Hình 1.1 Công suất điện gió trên thế giới trong thời gian 2000-2015
Trong số 20 thị trường lớn nhất trên thế giới, riêng ở châu Âu đã có 13
nước với Đức là nước dẫn đầu về công suất của các nhà máy dùng năng lượng gió
với khoảng cách xa so với các nước còn lại. Tại Đức, Đan Mạch và Tây Ban Nha,
năng lượng gió phát triển liên tục trong nhiều năm qua là nhờ sự nâng đỡ của
chính phủ. Nhờ vào đó mà một ngành công nghiệp mới đã phát triển tại 3 quốc gia

này với công nghệ Đức (bên cạnh các phát triển mới từ Đan Mạch và Tây Ban
Nha) đã được sử dụng trên thị trường nhiều hơn trong những năm vừa qua . Công
suất định mức của các nhà máy sản xuất điện gió vào năm 2007 được nâng lên
93.924 MW. Công suất này thay đổi dựa trên sức gió qua các năm, các nước, các
vùng như chúng ta có thể thấy trong bảng 1.1.[2]

5


Bảng 1.1 Công suất định mức năng lượng gió của các nước trên thế giới năm
2007
TT
Quốc gia
Công suất (MW)
01 Đức
22.247
02 Hoa Kỳ
16.818
03 Tây Ban Nha
15.145
04 Ấn Độ
8.000
05 Trung Quốc
6.050
06 Đan Mạch
3.125
07 Ý
2.726
08 Pháp
2.454

09 Anh
2.389
10 Bồ Đào Nha
2.150
11 Ca na đa
1.846
12 Hà Lan
1.746
13 Nhật
1.538
14 Áo
982
15 Hy Lạp
871
16 Úc
824
17 Ai Len
805
18 Thụy Điển
788
19 Na Uy
333
20 Niu Di Lân
322
21 Những nước khác
2.953
Thế giới
94.112

1.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng điện sức gió ở Việt Nam

Tiềm năng gió của Việt Nam rất lớn, vì thế việc nghiên cứu phát triển năng
lượng gió là một công việc cần thiết. Sự nghiên cứu triển khai năng lượng gió ở
Việt Nam đã đi những bước đầu tiên. Nhưng cơ bản sự phát triển năng lượng gió
trong nước còn nhỏ lẻ, còn khá khiêm tốn so với tiềm năng to lớn của Việt Nam.
Hiện tại Việt Nam có tất cả 20 dự án diện gió với dự kiến sản xụất 20 GW. Nguồn
điện gió này sẽ kết nối với hệ thống điện lưới quốc gia và sẽ được phân phối và
quản lý bởi Tổng Công Ty Điện Lực Việt Nam. Trong thời gian qua (tháng 4 năm
2004), Việt Nam đã lắp đặt trạm năng lượng gió công suất 858kW trên đảo Bạch
6


Long Vĩ do chính phù tài trợ và các tổ máy được chế tạo bởi hãng Technology SA
(Tây Ban Nha). Ngoài ra Trung Tâm Năng Lượng Tái Tạo và Thiết Bị Nhiệt
(RECTARE) Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh đã lắp đặt trên 800 tua
bin gió trong hơn 40 tỉnh thành với sự tài trợ của Hiệp hội Việt Nam – Thụy Sĩ tập
trung nhiều nhất gần Nha Trang, trong đó có gần 140 tua bin gió đã hoạt động. Ở
Cần Giờ thành phố Hồ Chí Minh với sự hỗ trợ của Pháp cũng đã lắp đặt được 50
tua bin gió. Tuy nhiên những tua bin gió trên đều có công suất nhỏ khoảng vài kw
mức độ thành công không cao vì không được bảo dưỡng thường xuyên theo đúng
yêu cầu.
Tháng 8-2008 Fuhrlaender AG, một tập đoàn sản xuất tua bin gió hàng đầu
của Đức đã bàn giao 5 tổ máy (cánh quạt gió) sản xuất điện gió đầu tiên cho dự án
điện gió tại Tuy Phong, Bình Thuận với mỗi tổ máy có công suất 1.5MW (cũng
xin ghi nhận nơi đây thời tiết ở Tuy Phong rất khô khan, nhưng có nhiều nắng và
gió. Tốc độ gió trung bình ở đây là 6.7 m/s). Tổ máy đầu tiên được lắp đặt vào
tháng 11-2008 và chính thức hoàn thành kết nối vào điện lưới quốc gia vào tháng
8 năm 2009.

Hình 1.2 Năm tổ máy của nhà máy điện gió tầm cỡ MW đầu tiên ở Việt Nam ở
xã Bình Thạnh, huyện Tuy Phong , tỉnh Bình Thuận.

7


Chiều cao của mỗi cái tháp là 103.75 m và đường kính của cánh quạt là 37.5
m. Tòan bộ thiết bị của 15 tổ máy còn lại của giai đọan 1 sẽ được hòan thành trong
thời gian sắp tới để hoàn tất việc lắp đặt toàn bộ 20 tổ máy cho giai đọan 1. Tổng
công suất của nhà máy điện gió tại Bình Thuận trong giai đoạn này là 30MW do
Công Ty Cổ Phần Năng Lượng Tái Tạo Việt Nam (REVN) làm chủ đầu tư. Thời
gian hoạt động của dự án là 49 năm. Nhà máy được xây dựng trên diện tích
328ha.Theo kế hoạch giai đoạn 2 sẽ mở rộng sau đó với công suất lên 120MW.
Tháng 10-2008 tại Hà Nội đã diễn ra lễ ký kết giữa Tổng Công Ty Điện Lực
Dầu Khí Việt Nam (PV Power) thuộc Tập Đoàn Dầu Khí Việt Nam và Tập Đoàn
Luyện Kim của Argentina Industrias Metallurgica Pescamona S.A.I.yF (IMPSA)
thỏa thuận chi tiết về việc sản suất và phát triển các dự án điện gió và thủy điện tại
Việt Nam. Hai bên đã đồng ý góp vốn để kinh doanh và thương mại hóa tua bin
gió, phát triển và quản lý các dự án điện gió, cung cấp các dịch vụ bảo trì, sửa
chữa các thiết bị điện gió ở Việt Nam. Hai bên cũng đã kí thỏa thuận hợp tác triển
khai nhà máy điện gió công suất 1 GW trên diện tích 10.000 ha nằm cách xã Hòa
Thắng huyện Bắc Bình tỉnh Bình Thuận khoảng 6 km về hướng đông bắc. Nhà
máy sẽ được lắp đặt tua bin gió IMPESA Unipower IWP –Class II công suất
2,1MW các tổ máy gồm nhiều tua bin gió cho phép sản xuất 5,5Gwh/năm. Dự
kiến tổng vốn đầu tư cho dự án là 2,35 tỷ USD trong 5 năm. Hai bên cũng thỏa
thuẩn về dự án sản xuất tua bin gió công suất 2MW có sải cánh quạt dài 80m cho
Việt Nam và cho xuất khẩu ra nước ngoài.
Những đế án khác chẳng hạn như: Phương Mai - Quy-Nhơn với công xuất
2.5 MW do chuyên viên tập đòan Avantis Energy Group; Hai đề án với công xuất
150 MW & 80 MW tại tỉnh Lâm Đồng đang được tích cực triễn khai; Công ty
Thụy Sĩ Aerogie Plus Solution AG lắp đặt nhà máy điện gió có công xuất 7.5 MW
kết hợp với động cơ diesel tại Côn Đảo , tỉnh Bà Rịa- Vũng Tàu.Thế giới tiến tới

những nguồn năng lượng tái tạo đó là một xu thế không thể thay đổi, với xu thế đó
Việt Nam đang có những bước chuyển mình để phù hợp, thích nghi cho dù còn
8


chưa nhanh và mạnh nhưng đó là một công việc cần làm và cần đẩy mạnh nhiều
hơn nữa.[1]
1.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Tuabin gió
1.3.1. Sự hình thành gió và đặc trưng của gió
1.3.1.1 Sự hình thành gió
Gió trên trái đất được tạo ra là do có sự chuyển động của không khí trong
khí quyển khi có sự thay đổi áp suất khí quyển. Sự thay đổi này chính là do sự
khác nhau về nhiệt độ khi ánh sáng mặt trời chiếu xuống ở những phần khác nhau
trên bề mặt trái đất. Bề mặt ở gần xích đạo bao giờ cũng được nóng hơn bề mặt
nằm xa xích đạo. Mặt trời làm nóng bầu khí quyển bao quanh trái đất, khối không
khí ở phía nữa bề mặt trái đất được mặt trời hâm nóng di chuyển lên cao, tạo ra
một khoảng chống chân không, lập tức liền được thay thế khoảng chống này bằng
một khối không khí lạnh từ phía không được hâm nóng. Ở vùng núi cao, buổi sáng
đón ánh nắng mặt trời sớm, không khí ở đây bị hâm nóng trước sẽ bốc lên cao để
lại một khoảng chống, lập tức được thay thế bằng khối không khí lạnh từ chân núi
hoặc thung lũng, nơi ánh nắng mặt trời chưa chiếu đến. Sự di chuyển của không
khí như vậy đã tạo nên gió. Nước và đất có nhiệt dung khác nhau, ban ngày đất
nóng nhanh hơn nước. Ban ngày, mặt đất bị nóng nhanh hơn nước biển, không khí
nóng từ mặt đất bốc lên cao liền được không khí lạnh từ mặt biển điền vào, tạo ra
gió biển mát mẻ cho những dải đất ven biển. Ban đêm, hiện tượng xảy ra ngược
lại, gió từ đất liền lại thổi theo chiều trở ra biển vì đất nguội nhanh hơn nước trong
khi mặt nước biển vẫn còn ấm. Trái đất quay chung quanh mặt trời gây ra các
dòng xoáy không khí cũng tạo ra gió theo từng mùa.
Bản đồ vận tốc gió theo mùa, do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được
tạo thành từ sự quay quanh trục của Trái Đất nên không khí đi từ vùng áp cao đến

vùng áp thấp không chuyển động thẳng mà tạo thành các cơn gió xoáy có chiều
xoáy khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu. Nếu nhìn từ vũ trụ thì trên Bắc
bán cầu không khí di chuyển vào một vùng áp thấp ngược với chiều kim đồng hồ
9


và ra khỏi một vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ, còn trên Nam bán cầu thì
chiều hướng ngược lại.

Hình 1.3 Mô hình hoàn lưu khí quyển với các trung tâm khí áp bề mặt có tính
đến sự phân bố không đều giữa đất liền và biển.
Ngoài các yếu tố có tính toàn cầu trên gió cũng bị ảnh hưởng bởi địa hình
tại từng địa phương. Do nước và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất
nóng lên nhanh hơn nước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển
hay hồ vào đất liền. Vào ban đêm đất liền nguội đi nhanh hơn nước và hiệu ứng
này xảy ra theo chiều ngược lại.
1.3.1.2 Đặc trưng của gió
Đặc trưng của gió gồm: tốc độ gió và cấp độ gió.
Tốc độ gió là đặc trưng quan trọng của gió. Sức gió thổi mạnh hay yếu từ
khu vực này đến khu vực khác là do mức độ chênh (gradient) về nhiệt độ hoặc áp
suất không khí ở trong khí quyển những khu vực kế cận. Tốc độ gió tính bằng
m/giây, tốc độ gió của một vùng nào đó thường lấy giá trị tốc độ gió trung bình đo

10


ở vị trí cách mặt đất khoảng 10m hoặc 30m tại địa phương cụ thể. Dựa vào tốc độ
gió, có thể chia thành các cấp độ gió khác nhau như sau (bảng 1.2)
Bảng 1.2: Phân loại cấp độ gió theo tốc độ gió trung bình
Cấp

độ gió
1

Tốc độ gió ở độ cao 10m
Tốc độ m/giây Tốc độ m/h
<4.4
<9.8

Tốc độ gió ở độ cao 10m
Tốc độ m/giây Tốc độ m/h
<5.6
<12.5

2

4.4 – 5.1

9.8 – 11.5

5.6 – 6.4

12.5 – 14.3

3

5.1 – 5.6

11.5 – 12.5

6.4 – 7.0

14.3 – 15.7

4

5.6 – 6.0

12.5 – 13.4

7.0 – 7.5

15.7 – 16.8

5

6.0 – 6.4

13.4 – 14.3

7.5 – 8.0

16.8 – 17.9

6

6.4 7.0

14.3 – 15.7

8.0 – 8.8

17.9 -19.7

7

>7.0

>15.7

>8.8

>19.7

1.3.2 Cấu tạo của tubin gió

Hình 1.4 Cấu tạo tua bin gió
Chú thích:
11


1. Blades: cánh quạt gió.
2. Rotor : bao gồm các cánh quạt và trục
3. Pitch : Bước răng. 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 (phanh). 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 1.200-1.500
vòng/phút.

7. Generator: Động cơ 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/s1 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, 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: Dùng để giữ Roto luôn luôn hướng về hướng gió khi có sự
thay đổi hướng gió
4.Yaw motor: Động cơ cung cấp cho Yaw drive định hướng gió
15.Tower: Trụ đỡ. Được làm từ thép hình trụ hoặc lưới thép
1.3.3 Các kiểu tua bin gió hiện nay
Các tuabin gió hiện nay được chia thành hai loại: trục đứng và trục ngang

12


Hình 1.5 Tua bin gió theo trục đứng

Hình 1.6 Tua bin gió theo trục ngang
1.3.4 Công suất các loại tua bin gió
- Dãy công suất tua bin gió thuận lợi từ 50 kW tới công suất lớn hơn cỡ vài
MW. Để có dãy công suất tua bin gió lớn hơn thì tập hợp thành một nhóm nhưng
tua bin với nhau trong một trại gió và nó sẽ cung cấp năng lượng lớn hơn cho lưới
điện.
- Các tua bin gió loại nhỏ có công suất dưới 50kW được sử dụng cho gia
đình. Viễn thông hoặc bơm nước đôi khi cũng dùng để nối với máy phát điện

diezen, pin và hệ thống quang điện. Các hệ thống này được gọi là hệ thống lai gió
và điển hình là sử dụng cho các vùng sâu vùng xa, những địa phương chưa có lưới
điện, những nơi mà mạng điện không thể nối tới các khu vực này.

13


1.3.5 Nguyên lý hoạt động của các tuabin gió
- Các tua bin gió tạo ra điện một cách đơn giản là một tua bin gió làm việc
trái ngược với một máy quạt điện, thay vì sử dụng điện để tạo ra gió như quạt điện
thì ngược lại tua bin gió lại sử dụng gió để tạo ra điện.
- Các tua bin gió hoạt động theo một nguyên lý rất đơn giản. Năng lượng
của gió làm cho 2 hoặc 3 cánh quạt quay quanh 1 rotor. Mà rotor 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 30m trên mặt đất thì các tua bin gió thuận lợi: Tốc độ nhanh hơn và ít bị các
luồng gió bất thường. Các tua bin gió có thể sử dụng cung cấp điện cho nhà cửa
hoặc xây dựng, chúng có thể nối tới một mạng điện để phân phối mạng điện ra
rộng hơn.
- Nhìn từ phía ngoài vào một xưởng năng lượng gió thấy được một nhóm
các tua bin làm việc và tạo ra điện nhờ các đường dây tiện ích.
Điện được truyền qua dây dẫn phân phối từ các nhà, các cơ sở kinh doanh,
các trường học …
1.4 Tổng quan về hệ năng lượng Diesel
1.4.1 Nhiên liệu Diesel
Nhiên liệu Diesel được sản xuất chủ yếu từ phân đoạn gazoil và là sản phẩm
của quá trình chưng cất trực tiếp dầu mỏ, có đầy đủ những tính chất lý hóa phù
hợp cho động cơ Diesel mà không cần phải áp dụng những quá trình biến đổi hóa
học phức tạp.Ngoài việc sử dụng nhiên liệu diesel nhiều trong các ngành công
nghiệp, máy phát điện Diesel được thiết kế để đáp ứng nhu cầu của các doanh

nghiệp vừa và nhỏ, làm nguồn dự phòng cho các hệ lưới điện độc lập, giảm chi
phí nguồn điện dự phòng và làm cho máy phát điện dễ dàng cài đặt đang trở thành
tiêu chí hiện nay.
1.4.2 Máy phát điện Diesel
Một máy phát điện (MFĐ) Diesel là sự phối hợp của một động cơ Diesel
14


với một máy phát điện (thường là MFD xoay chiều để tạo ra năng lượng điện

.
Hình 1.7 Mô hình máy phát điện Diesel
Trong đó:
(1) Động cơ
(2) Máy phát điện xoay chiều
(3) Hệ thống nhiên liệu
(4) Ổn áp
(5) Hệ thống làm mát
(6) Hệ thống xả
(7) Bộ nạp acquy
(8) Controlpanel hay thiết bị điều khiển
(9) Kết cấu khung chính
1.4.2.1 Máy phát điện xoay chiều
Máy phát điện xoay chiều là thiết bị biến đổi cơ năng thành điện năng ở
dạng dòng xoay chiều, nguồn cơ năng sơ cấp có thể là các động cơ tua bin hơi,
tuabine nước, động cơ đốt trong, tua bin gió hoặc các nguồn cơ năng khác.
1.4.2.2 Nguyên lý làm việc
MFĐ xoay chiều tạo ra điện theo nguyên lý tương tự như MFĐ một chiều,
cụ thể là, khi từ trường xung quanh một dây dẫn thay đổi, một dòng điện cảm ứng
được tạo ra trong dây dẫn. Thông thường thì phần nam châm quay gọi là rotor còn

phần cuộn dây đặt cố định trong lõi sắt gọi là stator. Từ trường của rotor sẽ quét
qua các thanh dẫn của stator và cảm ứng ra một suất điện động xoay chiều, nó như
một đầu vào cơ học làm cho rotor quay.
15


a- Sơ đồ nguyên lý;

b- Dòng điện xoay chiều 1 pha trong một chu kỳ

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý phát điện
Mối liên hệ giữa cảm ứng được tạo ra trong dây dẫn và vị trí của nam châm
được chỉ ra trong Hình1.8. Dòng điện lớn nhất được sinh ra khi cực N và cực S
của nam châm gần với cuộn dây nhất. Tuy nhiên, chiều dòng điện ở mỗi nửa vòng
quay của nam châm lại ngược nhau.
Dựa theo nguyên lý trên, để sinh ra dòng điện một cách hiệu quả hơn, máy
phát điện 3 pha dùng 3 cuộn dây bố trí lệch nhau một góc 120o trên stator
Mỗi cuộn A, B, C được đặt chênh nhau 120 o. Khi nam châm quay giữa
chúng dòng điện xoay chiều được sinh ra trong mỗi cuộn dây. Dòng điện bao gồm
3 dòng xoay chiều được gọi là “dòng xoay chiều 3 pha”.

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý dòng điện xoay chiều 3 pha
1.4.3 Động cơ Diesel
Động cơ diesel có thể có dạng hai chu kỳ hoạt động hoặc bốn chu kỳ và
được lựa chọn tùy thuộc vào phương thức hoạt động. Động cơ diesel, có hai cách
làm mát, bằng không khí hoặc bằng chất lỏng làm mát, cả hai đều là các dạng thích
hợp có thể được lựa chọn. Sử dụng làm mát bằng chất lỏng với máy phát điện
diesel là tốt nhất, vì nó yên tĩnh khi hoạt động và kiểm soát nhiệt độ đồng đều.
Nguyên lý hoạt động: để tạo ra năng lượng chạy máy phát động cơ 4 kỳ sẽ
lặp lại tuần hoàn, nhiên liệu được nén với áp suất cao khi tiếp xúc với không khí

16


ở nhiệt độ và áp suất cao sẽ tạo ra sự cháy.
1.4.4 Lợi ích của phát điện Diesel làm nguồn dự phòng trong hệ thống điện gió
ở lưới điện độc lập
Các động cơ diesel hiệu quả hơn và thích hợp hơn so với động cơ xăng bởi
các lý do sau đây:
 Máy phát điện động cơ diesel hiện đại đã khắc phục được nhược điểm
của mô hình động cơ điện đời trước. Đó là đã khắc phục được tình trạng gây ra
tiếng ồn lớn và yêu cầu bảo dưỡng đã ít hơn so với động cơ khí đốt
 Không có bộ phận phát ra tia lửa mà nhiên liệu tự động đốt cháy. Không
có bugi hoặc dây đánh lửa làm giảm chi phí bảo trì.
 Chi phí nhiên liệu cho mỗi kilowatt điện được sản xuất chiếm 30% – 50%
thấp hơn so với động cơ khí đốt.
 Máy phát điện động cơ diesel quay khoảng 1800 vòng/phút với nước làm
mát động cơ đầy đủ, có thể hoạt động từ 12.000 đến 30.000 giờ trước khi cần phải
bảo trì hoàn toàn.
 Tuổi thọ của động cơ Diesel cao hơn hẳn so với máy pháy điện chạy bằng
động cơ khí đốt do nhiệt lượng của động cơ Diesel thấp hơn
1.5 Phối hợp giữa hệ lai Gió – Diesel
1.5.1 Giới thiệu chung
Hệ thống lai gió và diesel là một hệ thống máy phát điện sử dụng tua bin
gió kết hợp với máy phát điện diesel để sản xuất ra nguồn điện với chất lượng điện
áp, tính liên tục cung cấp điện cao.
Trong quá trình hoạt động, khi kết hợp giữa hệ thống điện gió và máy phát
diesel sẽ xảy ra 3 trường hợp sau: trường hợp 1 chỉ có động cơ diesel hoạt động,
trường hợp 2 có sự kết hợp giữa hệ thống điện gió và máy phát diesel hoạt động,
trường hợp 3 chỉ có hệ thống tua bin gió hoạt động. Khi công suất của phát điện
tua bin gió nhỏ hơn công suất của tải thì máy phát diesel sẽ hoạt động. Nếu nguồn

điện năng lượng gió không được đảm bảo do yếu tố thời tiết, thì đã có máy phát
17


Diesel dự phòng hỗ trợ. Các máy phát điện Diesel hiện đại được thiết kế đáp ứng
nhu cầu năng lượng khẩn cấp, máy phát điện có thể cung cấp điện khẩn cấp cho
tất cả các tải quan trọng và lựa chọn tải mong muốn. Vì thế, nguồn điện cung cấp
cho tải đảm bảo không bị gián đoạn.
Hệ thống lai gió và diesel có những ưu điểm của cả hai hệ thống điện gió và
máy phát diesel, khắc phục được nhược điểm của chúng.
1.5.2 Ưu điểm của hệ thống điện gió
1.5.2.1 Tiết kiệm
- Năng lượng gió là nguồn năng lượng tự nhiên vô tận, không đòi hỏi nhiên
liệu.
- Không bị ảnh hưởng bởi việc cung cấp và nhu cầu nhiên liệu do đó không
phải chịu mức giá ngày càng tăng của xăng dầu.
1.5.2.2 Thân thiện với môi trường
- Không gây ô nhiễm môi trường do không sản sinh ra các các chất khí độc
hại như: carbondioxit,oxitnitor,khí lưu huỳnh hoặc thủy ngân bay vào khí quyển
giống như các hìnhthức sản xuất điện truyền thống.Do đó năng lượng gió không
tạo ra hiệu ứng nhà kính,đảm bảo cho môi trường an toàn.
-Không sử dụng nhiên liệu nên năng lượng gió không mất thêm các chi phí
cho việc vận chuyển,thu hồi các nhiên liệu hoặc lưu trữ chất thải phóng xạ.
1.5.3 Nhược điểm của hệ thống điện gió
- Phụ thuộc vào thời tiết vì chỉ phát điện khi có chế độ gió ổn định. Bởi vậy
nên lắp ở các nơi có chế độ gió ổn định, tránh cây cối đề khi mưa to cây đổ va vào
bảo làm hỏng các thiết bị. Để đạt hiệu suất cao nhất, hàng tháng nên bảo dưỡng
lau các cánh quạt gió bụi bận bám nên cánh đồng thời thường xuyên kiểm tra các
bộ phận trong cánh quạt gió.

18


- Chi phí vốn đầu tư trang thiết bị cũng như lắp đặt ban đầu khá lớn đòi hỏi
phải có sự đầu tư trong nước và quốc tế cũng như chính phủ. Tùy thuộc vào vị trí
lắp đặt mà nhà sản xuất có thể tối đa đươc hiệu suất hoạt động của hệ thống điện
gió.
- Để khắc phục khi hệ thống điện gió không sử dụng được thì dùng máy phát
điện Diesel cấp điện cho các thụ điện. Máy phát điện diesel được áp dụng phổ
biến do có ưu điểm chi phí đầu tư thấp và dễ vận hành. Tuy nhiên việc sử dụng
các dạng nhiên liệu như xăng dầu để chạy máy có ảnh hưởng đến môi trường và
sức khỏe con người nên sử dụng máy phát diesel trong ngày là không nhiều chủ
yếu phục vụ giờ cao điểm hay khi cần thiết. Có thể nói hệ thống lai giữa gió và
diesel bổ xung và hoàn chỉnh cho nhau.
1.5.4 Phạm vi ứng dụng của hệ thống điện gió – Diesel
Hệ thống điện gió và Diesel được ứng dụng ở các vùng sâu, vùng xa, hải
đảo cách xa đất liền,…chưa được kết nối với lưới điện quốc gia, nhu cầu sử dụng
năng lượng của con người ngày càng tăng, nguồn năng lượng gió để tạo ra điện
không những giúp giảm thiểu chi phí, không gây ô nhiễm môi trường mà còn đáp
ứng nhu cầu sử dụng điện năng của người dân.[5]

19