Khảo sát và tính toán thiết kế hệ thống điện gió kết hợp Diesel cho Côn Đảo

TRƯƠNG TRỌNG HIẾU

KHẢO SÁT VÀ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ KẾT HỢP DIESEL CHO
CÔN ĐẢO
Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ NHIỆT
Mã số:

605280

LUẬN VĂN THẠC SĨ


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG - HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

Cán bộ chấm nhận xét 1: .....................................................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2: .....................................................................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. Hồ Chí
Minh ngày 31 tháng 07 năm 2015
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ tịch - GS.TS Lê Chí Hiệp.......................................................................................
2. Thư ký - TS. Hà Anh Tùng ...........................................................................................
3. ủy viên - TS. Trần Văn Hưng ........................................................................................
4. ủy viên PB - TS. Nguyễn Văn Tuyên ...........................................................................
5. ủy viên PB - PGS.TS Hoàng An Quốc .........................................................................
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

I.

Họ tên học viên: Trương Trọng Hiếu

MSHV: 12824809

Ngày, tháng, năm sinh: 06/08/1986

Nơi sinh: Khánh Hòa

Chuyên ngành: Công nghệ Nhiệt

Mã số: 605280

TÊN ĐỀ TÀI: Khảo sát và tính toán thiết kế hệ thống điện gió kết hợp Diesel cho Côn
Đảo.

II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
• Khảo sát và thu thập dữ liệu bao gồm: số liệu vận tốc gió trung bình trong một năm, số
liệu phụ tải của huyện Côn Đảo.
• Phân tích số liệu, tính toán sản luợng điện hàng năm, tính toán cuờng độ rối của gió để
lựa chọn loại turbine phù hợp nhất.
• Tính toán cấu hình của nhà máy điện gió và khả năng ổn định điện của hệ thống.
• Phân tích, đánh giá tính khả thi của nhà máy điện gió Côn Đảo.
• Đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu quả sản xuất điện của hệ thống.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/01/2015
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 14/06/2015
V.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN THẾ BẢO
Tp. HCM, ngày ... tháng ... năm 2015
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ


GVHD: TS NGUYỄN THỂ BẢO
SVTH: TRUONG TRỌNG HIẾU

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LỜI CẢM ƠN

Năng lượng gió, một trong những nguồn năng lượng xu thế mới của thời đại. Để
thực hiện một luận văn hoàn chỉnh về nó đòi hỏi một quá trình học tập và nghiên cứu sâu

do tính chất còn mới mẻ và ít phổ biến ở Việt Nam. Để đạt được những thành quả trong
nghiên cứu đó, ngoài nỗ lực không ngừng nghỉ của chính bản thân thì bên cạnh đó còn có
sự giúp đỡ và đóng góp thầm lặng nhưng đầy tâm huyết của các thầy cô, bạn bè, đồng
nghiệp và người thân.
Trên hết, tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc nhất đến TS. Nguyễn Thế Bảo nói riêng, cũng
như các thầy cô trong bộ môn nói chung, những người đã luôn quan tâm và giúp đỡ tận
tình về mặt kiến thức chuyên môn để tôi có thể hoàn thành luận văn này.
Ngoài ra, tôi cũng xin cảm ơn đến công ty cổ phần phát triển công nghệ Tài Nguyên
Xanh đã cùng phối hợp, hỗ trợ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong việc khảo sát
và thu thập số liệu quan trọng trong quá trình tính toán thực hiện đề tài luận văn.
Cuối cùng, tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình tôi, những
người đã và luôn bên cạnh chia sẽ mọi khó khăn và động viên tình thần cho tôi trên con
đường sự nghiệp.
Tp. HCM, ngày 15 tháng 06 năm 2015
Trương Trọng Hiếu


GVHD: TS NGUYỄN THỂ BẢO
SVTH: TRUONG TRỌNG HIẾU

LUẬN VĂN THẠC sĩ

TÓM TẮT
Năng lượng là một trong những nhu cầu thiết yếu của con người và là một yếu tố
không thể thiếu được của các hoạt động sản xuất. Tuy nhiên, không phải tất cả mọi vùng
đều có khả năng tiếp cận với lưới điện quốc gia, đặc biệt là các huyện đảo. Chính vì thế,
việc sản xuất điện tại chỗ bằng cách tận dụng các nguồn năng lượng tái tạo, mà cụ thể là
điện gió sẽ là một giải pháp góp phần giảm bớt gánh nặng cho lưới điện quốc gia cũng như
góp phần đưa điện về với cuộc sống của người dân ở những vùng xa xôi hẻo lánh.
Để xây dựng một nhà máy điện gió, có thể nói có rất nhiều rủi ro và cần phải phân

tích đánh giá một cách chi tiết nhất. Tuy nhiên, các nghiên cứu về nguồn năng lượng này
chỉ ở mức thu thập, tổng hợp số liệu và đánh giá chung hiện hạng chứ chưa đi sâu vào phân
tích đánh giá tiềm năng của năng lượng gió, chế độ nhiễu loạn tại khu vực đó và cấu hình
phù hợp để hệ thống vận hành ổn định, mà những điều này lại ảnh hưởng khá nhiều đến
chi phí đầu tư ban đầu.
Giữa bối cảnh hiện nay, đề tài “Khảo sát và tính toán thiết kế hệ thống điện gió kết
hợp Diesel” ra đời nhằm giúp cho chúng ta có thêm cơ sở khoa học, công cụ hỗ trợ trong
việc tính toán và phòng ngừa những sai sót, lãng phí không đáng có.
Trong quá trình thực hiện luận văn, tác giả sử dụng số liệu đo đạc thực tế tại Côn
Đảo để làm dữ liệu đầu vào và chương trình Matlab để lập trình, thiết kế phần mềm chuyên
dụng cho việc tính toán. Do hạn chế về mặt thời gian, cũng như kinh phí nên luận văn chỉ
có được số liệu trong một năm để phục vụ cho công việc mô phỏng. Nhưng đây cũng sẽ là
cơ sở để nhân rộng mô hình cho các dự án điện gió sau này.
Kết quả nghiên cứu cho thấy tiềm năng năng lượng gió mà khu vực Côn Đảo sẽ
mang lại, cũng như lựa chọn được loại turbine phù hợp với điều kiện khí hậu nơi đây. Kết
quả thực tiễn sẽ góp phần vào việc xây dựng nhà máy điện gió đầu tiên tại huyện Côn Đảo.


GVHD: TS NGUYỄN THỂ BẢO
SVTH: TRUONG TRỌNG HIẾU

LUẬN VĂN THẠC SĨ

ABSTRACT

Power is one of necessary demands of human life and an indispensable factor to
manufacturing activities. However, not every area is able to connect to the national power
grid, especially islands. Therefore, on-site generation by using renewable energy, which in
this case is wind power is a feasible solutions to reduce load for national power grid as well
as provide electricity for people in distant regions.

There are a lot of risks when it comes to constructing a wind power factory. Detailed
analysis is required. However, current researches related to this subject concentrates mostly
on data collecting and state estimation. Those researches haven’t focus on analysing wind
power potential, ah turbulence in areas where wind turbines will be built, and proper
configuration to make system work stably, while all those things impact a lot on the capital
cost.
In the current circumstance, the subject “Investigation, calculation and design of
wind-diesel hybrid power system” was conceived to provide US more tools and scientific
base for designing and preventing unnecessary failure and waste.
During making this thesis, the author used data which were measured at Con Dao
island as model input and used Matlab software for programing, designing. Due to limited
time and capital cost, the input series for modeling was collected within one year. However,
this is still a good reference source for the following wind power projects.
The research result shows the wind power potential of Con Dao area, as well as
adequate wind turbine for Con Dao’s weather. The practical result will contribute into
constructing the first wind power factory in Con Dao.


GVHD: TS NGUYỄN THỂ BẢO
SVTH: TRUONG TRỌNG HIẾU

LUẬN VĂN THẠC sĩ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan kết quả của luận văn là thành quả lao động của bản thân, không
sao chép từ bất kỳ công trình nghiên cứu của tác giả khác, số liệu và tài liệu tham khảo sử
dụng trong luận văn đều được trích dẫn rõ ràng theo đúng quy định của Bộ Giáo dục và
Đào tạo. Tôi xin chịu trách nhiệm hoàn toàn về các kết quả của luận văn.
Tp. HCM, ngày 15 tháng 06 năm 2015

Trương Trọng Hiếu


GVHD: TS NGUYỄN THỂ BẢO
SVTH: TRUONG TRỌNG HIẾU

LUẬN VĂN THẠC SĨ

MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẶC ĐIỂM NGUỒN GIÓ CÔN ĐẢO .................. 6
1.1.

Tổng quan về năng lượng gió ............................................................................. ố

1.1.1.

Những ưu điểm của năng lượng gió ................................................................... ố

1.1.2.

Những nhược điểm của năng lượng gió .............................................................. 7

1.2.

Điều kiện tự nhiêntại Côn Đảo ............................................................................ 7

1.2.1.

Vị trí địa lý .......................................................................................................... 7

1.2.2.

Đặc điểm địa hình ................................................................................................ 8

1.2.3.

Đặc điểm khí hậu - thủy văn............................................................................... 8

CHUƠNG 2: PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG VÀ LỰA CHỌN
TURBINE GIÓ ................................................................................ .11
2.1.

Công nghệ nhà máy điện gió ............................................................................. 11

2.1.1.

Tổng quan về công nghệ turbine gió ............................................................... 11

2.1.2.

Công nghệ Nhà máy điện gió huyện Côn Đảo .................................................. 13

2.1.3.

Tối ưu hóa thiết kế công nghệ ........................................................................... 14

2.2.

Mô hình hóa thống kê dữ liệu gió ..................................................................... 14

2.2.1.

Số liệu tốc độ gió khu vực dự án ....................................................................... 15

2.2.2.

Giá trị tốc độ gió trung bình .............................................................................. 17

2.2.3.

Các công thức tính toán về năng lượng gió ....................................................... 18

2.2.4.

Mô hình thống kê dữ liệu tốc độ gió ................................................................. 18

2.2.5.

Mật độ công suất của vận tốc gió ...................................................................... 20

2.2.6.

Hiệu chỉnh tỷ trọng không khí theo nhiệt độ ..................................................... 21

2.2.7.

Sự phân bố về tốc độ gió theo chiều cao ........................................................... 22

2.2.8.

Mối tưomg quan giữa các đại lượng đặc trưng của hàm Weibull ..................... 25

2.3.

Phân tích, đánh giá tiềm năng gió ..................................................................... 25

2.3.1.

Biến thiên tốc độ gió trung bình theo giờ trong năm ........................................ 25

.3.2.

Tần suất xuât hiện các cấp độ gió...................................................................... 27

2.3.3.

Các đặc trưng thống kê của chuỗi số liệu phục vụ tính toán năng lượng ........... 28

2.3.4.

Quy đổi số liệu vận tốc gió ................................................................................ 29

2.4.

Lựa chọn công nghệ, công suất phát điện và ước tính sản lượng điện hàng
năm.................................................................................................................... 35

2.4.1. Lựa chọn kiểu turbine ............................................................................................ 35
2.4.2.

Lựa chọn công nghệ turbine .............................................................................. 37

2.4.3.

Lựa chọn công suất phát điện............................................................................ 40


LUẬN VĂN THẠC sĩ

GVHD: TS NGUYỄN THỂ BẢO
SVTH: TRUONG TRỌNG HIẾU

2.5.

ước tính sản lượng điện hàng năm .................................................................... 43

2.5.1.

Kết quả mô phỏng tần suất tốc độ gió ............................................................... 43

2.5.2.

Đặc tính phát điện của máy phát turbine gió .................................................... 45

2.5.3.

ước tính sản lượng điện hằng năm .................................................................... 47

2.5.4.

Tính toán cường độ nhiễu loạn và lựa chọn lớp turbine gió ............................. 49

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG WIND - DIESEL ................. 54
3.1.

Giải pháp ổn định công suất nhà máy ............................................................... 54

3.1.1.

Sự cần thiết phải trang bị giải pháp ổn định...................................................... 54

3.1.2.

Sơ đồ hệ thống Wind - Diesel ........................................................................... 56

3.1.3.

Nguyên lý vận hành .......................................................................................... 57

3.2.

Mô hình toán học của hệ thống Wind - Diesel.................................................. 57

3.2.1.

Mô hình turbine gió........................................................................................... 58

3.2.2.

Mô hình Battery ................................................................................................ 58

3.2.3.

Mô hình máy phát điện Diesel .......................................................................... 59

3.2.4.

Mô hình tính toán lượng khí phát thải do Diesel tạo ra .................................... 60

3.3.

Mô hình độ ổn định nguồn điện cung cấp của hệ thống ................................... 60

3.4.

Cơ chế hoạt động của hệ thống Wind-Diesel-Battery....................................... 61

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH KINH TẾ VÀ XÂY DỰNG PHẦN MỀM MÔ
PHỎNG TÍNH TOÁN WIND - DIESEL.. ......................................... 65
4.1.

Mô hình kinh tế ................................................................................................. 65

4.1.1.

Mô hình doanh thu ............................................................................................ 65

4.1.2.

Mô hình chi phí đầu tư ban đầu của hệ thống Wind - Diesel............................ 66

4.1.3.

Mô hình chi phí hàng năm của hệ thống Wind - Diesel.................................... 67

4.1.4.

Phân tích so sánh các phương án đầu tư ........................................................... 69

4.2.

Xây dựng phần mềm mô phỏng tính toán hệ thống Wind - Diesel................... 76

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ ................................................................. 94
5.1.

Kết luận ............................................................................................................. 94

5.2.

Kiến nghị ........................................................................................................... 94

5.3.

Hướng phát triển của đề tài ............................................................................... 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 95

GVHD: TS NGUYỄN THỂ BẢO
SVTH: TRUONG TRỌNG HIẾU

LUẬN VĂN THẠC sĩ

PHẦN MỞ ĐẦU
1.

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Trong những năm gần đây, Chính phủ đang rất quan tâm hỗ trợ phát triển các dự

án điện gió tại Việt Nam. Gần đây nhất là quyết định về việc phê duyệt danh mục Dự án
“Quy hoạch phát triển điện gió Việt Nam” sử dụng vốn hỗ trợ phát triển chính thức của
Chính phủ Đức vào ngày 30 tháng 08 năm 2014.
Để tiếp cận với những công nghệ nhà máy điện gió hiện đại trên thế giới, điều trước
tiên là chúng ta phải có một nền tảng kiến thức cơ bản về năng lượng gió. Đặc biệt, một dự
án điện gió dù là nối lưới hay độc lập thì hoạt động cốt lõi để đánh giá tính khả thi của một
dự án điện gió chính là quy trình đánh giá tiềm năng gió (WRA). Dữ liệu đầu ra của WRA
sẽ là dữ liệu đầu vào của các bước phân tích tài chính, đánh giá tính khả thi của toàn bộ dự
án.
Hiện nay, tại Côn Đảo nói riêng cũng như các vùng sâu vùng xa trên khắp cả nước
vẫn đang vật lộn với tình trạng thiếu điện, trong khi đó nhu cầu của người dân vẫn không
ngừng gia tăng. Để giải quyết thực trạng thiếu điện tại Côn Đảo, công ty cổ phần phát triển
Tài Nguyên Xanh mong muốn phát triển xây dựng nhà máy điện gió tại đây để đáp ứng
nhu cầu cho người dân cũng như giảm thiểu việc phát thải khí nhà kính.
Với mong muốn nghiên cứu sâu về lĩnh vực điện gió, mặt khác, được sự tin tưởng
và ủy thác của công ty Tài Nguyên Xanh, từ thực tiễn nêu trên, việc lựa chọn đề tài: “Khảo
sát & Tính toán thiết kế hệ thống điện gió kết hợp Diesel cho huyện Côn Đảo ' làm luận
văn sẽ cung cấp thêm các thông tin khoa học phục vụ cho việc xây dựng nhà máy điện gió

đầu tiên tại Côn Đảo cũng như tài liệu tham khảo hữu ích cho các dự án điện gió sau này.
2.

MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHUƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

a.

Mục tiêu

b.

•

Thiết kế hệ thống Wind - Diesel cho huyện Côn Đảo.

•

Xây dựng phần mềm tính toán về năng lượng gió đầu tiên trong nước.

Nội dung nghiền cứu
•

Đánh giá tiềm năng gió dựa trên số liệu khảo sát.

•

Ước tính sản lượng điện hàng năm.

•

Tính toán thiết kế hệ thống điện gió kết hợp với hệ thống Diesel.

•

Phân tích, đánh giá hiệu quả kinh tế.

•

Đề xuất các giải pháp để nâng cao chất lượng hệ thống.
__ 1 __


GVHD: TS NGUYỄN THỂ BẢO
SVTH: TRUONG TRỌNG HIẾU

LUẬN VĂN THẠC sĩ

Phương pháp nghiên cứu

c.

> Phương pháp thực nghiệm: khảo sát thực địa nhằm thu thập số liệu đo gió trong một
năm (số liệu thu thập tối thiểu để tính toán).
> Phương pháp toán học
•

Phương pháp phân tích thống kê;

•

Sử dụng hàm phân phối Weibull để tìm các đại lượng đặc trung của gió;

•

Nhiệt động học đối với không khí;

•

Phương pháp mô hình hóa: sử dụng phần mềm Matlab để thực hiện lập trình
tính toán.

3.

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

a.

Tình hình nghiên cứu trong nước
Một số nghiên cứu đánh giá cho thấy Việt Nam có tiềm năng gió để phát triển các

dự án điện gió với quy mô lớn. Bản đồ tiềm năng gió của Ngân hàng Thế giới (Worldbank,
2001) được xây dựng cho bốn nước trong khu vực Đông Nam Á (gồm: Việt Nam, Campu-chia, Lào, và Thái Lan) dựa trên phương pháp mô phỏng bằng mô hình số trị khí quyển.
Tuy nhiên, các kết quả mô phỏng này được đánh giá là khá khác biệt so với kết quả tính
toán dựa trên số liệu quan trắc của EVN, sự khác biệt này có thể là do sai số tính toán mô
phỏng.
Năm 2007, EVN cũng đã tiến hành nghiên cứu đánh giá tiềm năng gió, xác định
các vùng thích hợp cho phát triển điện gió trên toàn lãnh thổ với công suất kỹ thuật 1.785
MW. Trong đó miền Trung Bộ được xem là có tiềm năng gió lớn nhất cả nước với khoảng
880 MW tập trung ở hai tỉnh Quảng Bình và Bình Định, tiếp đến vùng có tiềm năng thứ
hai là miền Nam Trung Bộ với công suất khoảng 855 MW, tập trung ở hai tỉnh Ninh Thuận

và Bình Thuận.
Năm 2010, Bộ Công thương và Ngân hàng Thế giới đã tiến hành cập nhật thêm số
liệu quan trắc (đo gió ở 3 điểm) vào bản đồ tiềm năng gió ở độ cao 80m cho Việt Nam.
Kết quả cho thấy tiềm năng năng lượng gió ở độ cao 80m so với bề mặt đất là trên 2.400
MW (tốc độ gió trung bình năm trên 7 m/s).

-2-


LUẬN VĂN THẠC sĩ

GVHD: TS NGUYỄN THẾ BẢO
SVTH: TRƯƠNG TRỌNG HIÉU

Bảng thống kê sơ bộ tiềm năng giỏ của Việt Nam ở độ cao 80m so với bề mặt đất.
TicđẠglổtninflbinh raintÍỄÍi

4-5 Til's

5-6 m,'S

1

í km ) Diệntích chlím í%)
rềm nỉng (MWJ

457
S56.1Ẽ1

4Ũ.473

2.435

19.3

1,2

4Õ4 73Í

24Ỉ51

liiỈỊƯ

TOỐ.67Ẫ

220

2.2Ú2

Gần đây, trong khuôn khổ hợp tác giữa Bộ Công thương (MoIT) và Dự án Năng
lượng Gió GIZ (Hợp tác Phát triển Đức GIZ) (gọi tắt, Dự án Năng lượng Gió GIZ/MoIT),
một chương trình đo gió tại 10 điểm trên độ cao 80m đang được tiến hành tại các tỉnh cao
nguyên và duyên hải Trung Bộ (đo ờ 3 độ cao 80,60, và 40m so với bề mặt đất). Áp dụng
các tiêu chuẩn IEC 61400-12 trong suốt quá trình đo gió. Dự án này được mong đợi sẽ
cung cấp dữ liệu gió cố tính đại diện cho các vùng có tiềm năng gió của Việt Nam để phục
vụ cho phát triển điện gió Ưong thời gian tói. Ngoài ra, các báo cáo về quy trình và tiêu
chuẩn lắp đặt cột đo gió cũng đang được hoàn thiện và sẽ là tài liệu tham khảo hữu ích cho
các nhà phát triền điện gió nối chung.
Hiện nay, các dự án phong điện đã triển khai như: Tuy Phong (120MW), Bạc Liêu
(120MW), Phú Quý (3x2MW), Phương Mai 1 (30MW), Nhơn Hội (27MW), Duyên Hải

(30MW),...Đặc biệt, các dự án này đều phụ thuộc vào các đơn vị tư vấn nước ngoài
(Fuhrlaender, GE, Vestas, GIZ.„) và dựa trên phần mềm WindPro, HOMER, WasP,...để
phân tích đánh giá tiềm năng gió, nghiên cứu tiền khả thi, khả thỉ, phân tích kỉnh tế-kỹ
thuật. Điều này cho thấy rằng, mặc dù đất nước ta hiện nay đang rất chứ trọng phát triển
lĩnh vực điện gió, tuy nhiên chứng ta vẫn chưa cố một nghiên cứu đánh giá tiềm năng giỏ
cho riêng Việt Nam một cách sâu rộng.
Khố khăn của việc chậm phát triển này bắt nguồn từ việc thiếu sổ liệu quan trắc để
phục vụ phát frìển điện gió. Nhìn chung, các nghiên cứu về năng lượng gió chỉ dừng lại ở
múc độ thống kê báo cáo sơ bộ, chưa đỉ sâu vào phân tích đánh giá tiềm năng gió cho từng
khu vực cụ thể và đến nay chưa cố một công cụ, phần mềm tính toán năng lượng gió trong
nước nào đáp ứng được. Vì vậy, chung ta vẫn phải chịu sụ chi phổi và lệ thuộc rất nhiều
vào các phần mềm tính toán của nước ngoài vối chỉ phí bản quyền hàng năm rất cao.
b.

Tình hình nghiên cứu trên thế giói
Nhận thức được tầm quan họng của năng lượng tái sinh nói chung và năng lượng

-3-


GVHD: TS NGUYỄN THỂ BẢO
SVTH: TRUONG TRỌNG HIẾU

LUẬN VĂN THẠC sĩ

gió nói riêng, chính phủ của nhiều quốc gia ưên 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 [19],
Năm 2009, Takashi Hiyama và Heri Suryoatmojo thuộc trường Đại Học Kumamoto
đã đi vào nghiên cứu tối ưu hóa hệ thống Wind - PV - Diesel và đánh giá lượng CO2 phát

thải bằng thuật toán GA (Genetic algorithm) [15],
Năm 2011, hai tác giả R.Sebastián và Penax Alzola thuộc phòng nghiên cứu điện,
điện tử và kỹ thuật điều khiển, trường Đại học Tây Ban Nha đã mô hình hóa thành công hệ
thống Wind - Diesel độc lập với hệ thống lưu trữ năng lượng (BESS) dựa trên Matlab Simulink. Kết quả mô phỏng đã so sánh và chỉ ra sự cải tiến đặc biệt trong hệ thống có
BESS và không có BESS [17], Trong nghiên cứu này, tác giả tính toán dựa trên khái niệm
về mức độ xâm nhập gió để thực hiện cho quá trình mô phỏng.
Năm 2013, tác giả Saeid Lotíĩ Trazoiei đến từ trường Đại học Islamic Azad đi sâu
vào nghiên cứu tối ưu hệ thống solar-wind-diesel cho khu vực nông thôn phía nam Iran
[16], Mục tiêu chính của nghiên cứu đi vào tối ưu chi phí cho hệ thống với vòng đời dự án
kéo dài đến 20 năm. Để tìm ra chi phí thấp nhất và sự kết hợp giữa các thiết bị một cách
tốt nhất, tác giả đã so sánh giữa các thuật toán ICA (Imperialist competitive algorithm) với
các thuật toán PSO (Particle Swarm Optimization) và ACO (Ant Colony optimization) để
tìm ra kết quả nhanh nhất và chính xác nhất.
Năm 2014, nhóm tác giả Kehe Wu, Huan Zhou và Jizhen Liu thuộc trường Đại học
Bắc Kinh, Trung Quốc đã bắt tay nghiên cứu tối ưu phân phối công suất phát điện của hệ
thống Wind-PV-Diese-Battery với lưới điện bằng thuật toán HIAGA (Hybrid iteration
adaptive genetic algorithm). Ket quả nghiên cứu chỉ ra tỷ lệ phân phối công suất tối ưu cho
hệ thống đảm bảo chi phí thấp nhất và tính ổn định hòa trộn cao nhất.
4.

Ý NGHĨA KHOA HỌC, THựC TIỄN VÀ TÍNH MỚI

a. Ý nghĩa khoa học
Kết quả đề tài có thể dùng làm cơ sở dữ liệu và tài liệu tham khảo cho các công
nghệ nhà máy điện gió tương tự.
b.

Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả của luận văn sẽ cung cấp một cái nhìn trực quan và sâu hơn về năng lượng

gió, qua đó giúp nhà đầu tư có đầy đủ cơ sở để thực hiện việc xây dựng nhà máy điện gió

—4—


GVHD: TS NGUYỄN THỂ BẢO
SVTH: TRUONG TRỌNG HIẾU

LUẬN VĂN THẠC sĩ

tại Côn Đảo.
Góp phần giảm bớt việc phát thải khí nhà kính, bảo vệ môi trường sống cũng như
góp phần tạo công ăn việc làm cho người dân huyện đảo.
c.

Tính mói của đề tài
Nghiên cứu sâu về sự ảnh hưởng của các thông số đặc trưng của gió đến kết quả

ước tính sản lượng điện hàng năm.
Nghiên cứu tính toán cường độ rối loạn và phân tích chọn loại turbine gió phù hợp
với điều kiện khí hậu tại khu vực khảo sát.
Lần đầu tiên sử dụng công cụ mô hình hóa trong nước để đánh giá tiềm năng năng
lượng gió cũng như việc phân tích đánh giá tính khả thi của dự án điện gió tại Côn Đảo.

5


GVHD: TS NGUYỄN THỂ BẢO
SVTH: TRUONG TRỌNG HIẾU

LUẬN VĂN THẠC sĩ

CHƯƠNG 1:
1.1.

TỔNG QUAN VÈ ĐẶC ĐIỂM NGUỒN GIÓ CÔN ĐẢO

Tổng quan về năng lượng gió
Gió là luồng dịch chuyển của không khí trên bề mặt Trái Đất. Gió là nguyên nhân
của bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất không đồng đều làm cho bầu khí
quyển, hơi nước và không khí nóng không đều nhau, sự chênh lệch nhiệt độ không
khí giữa các bán cầu do bề mặt Trái Đất bị che khuất nên không nhận được bức xạ
của Mặt Trời (hiện tượng ngày và đêm) và thêm vào đó là bức xạ mặt trời ở các
vùng gần xích đạo nhiều hơn nên cũng tạo ra sự khác nhau về nhiệt độ và vì thế
dẫn đến sự khác nhau về áp suất giữa các vùng không khí trên Trái Đất, giữa xích
đạo và 2 cực cũng như giữa mặt ban ngày và mặt ban đêm của Trái Đất, không khí
di động tạo thành gió. Ngoài ra, Trái Đất xoay tròn cũng góp phần vào việc làm
xoáy không khí và vì trục quay của Trái Đất nghiêng (so với mặt phẳng do quỹ đạo
Trái Đất tạo thành khi quay quanh Mặt Trời) nên đã tạo thành các dòng không khí
theo mùa. 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.
Không khí di chuyển tạo thành gió nên gió cũng bị ảnh hưởng bởi địa hình tại từng
khu vực trên Trái Đất. Do nước và đất có nhiệt dung riêng 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.

1.1.1.

Những ưu điểm của năng lượng gió
Năng lượng gió là nguồn nhiên liệu sạch vì được sinh ra bởi gió. Năng lượng gió
không gây ô nhiễm không khí như các loại nhiên liệu hóa thạch khác như: than,
dầu, khí đốt,...
Nguồn cung cấp năng lượng gió rất phong phú do gió xuất hiện ở mọi nơi trên bề
mặt Trái Đất.
Năng lượng gió là một dạng năng lượng có thể tự tái tạo lại được bởi tự nhiên. Giá
thành sản xuất điện năng từ gió ngày càng thấp do sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật
ngày nay.

-6-


GVHD: TS NGUYỄN THỂ BẢO
SVTH: TRUONG TRỌNG HIẾU

LUẬN VĂN THẠC sĩ

1.1.2.

Những nhược điểm của năng lượng gió
Mặc dù giá thành sản xuất điện năng từ gió càng ngày thấp tuy nhiên nó vẫn còn
cao để có thể cạnh tranh với các nguồn năng lượng hóa thạch.
Hiệu quả thu năng lượng gió còn phụ thuộc vào tiềm năng gió mạnh hay yếu của
mỗi vùng nên đòi hỏi vốn đầu tư ban đầu cao hơn so với các nguồn phát điện chạy
bằng nhiên liệu khác.
Năng lượng gió là một nguồn năng lượng không ổn định, không liên tục và không
dự trữ được. Mặt khác, năng lượng gió có thể khai thác không đồng thời với thời
điểm mà có nhu cầu về phụ tải.
Trong nhiều trường hợp, nơi có năng lượng gió tốt thường ở những vị trí cách xa

khu trung tâm hoặc vùng phụ tải.

1.2.

Điều kiện tự nhiên tại Côn Đảo

1.2.1.

VỊ trí địa lý
Huyện Côn Đảo thuộc tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu, nằm ở biển Đông cách Tp. Vũng
Tàu 185km và Tp. Hồ Chí Minh khoảng 230km, có tọa độ địa lý từ 8°34’ - 8°49’
vĩ độ Bắc và từ 106°31’ - 10ố°43’ kinh độ Đông. Tổng diện tích của Côn Đảo là
75,15km2 bao gồm 16 hòn đảo lớn nhỏ.
Điện gió Côn Đảo - Giai đoạn 1 nằm trên vịnh Côn Sơn, huyện Côn Đảo bao gồm
3 khu vực chính là: Khu vực lắp turbine trên biển, khu vực trung tâm điều

Hình 1-1: Bản đồ huyện Côn Đảo (tình Bà Rịa-Vũng Tàu) và Bản đồ vị trí khu
vực dự án

-7-


GVHD: TS NGUYỄN THỂ BẢO
SVTH: TRUONG TRỌNG HIẾU

LUẬN VĂN THẠC sĩ

1.2.2.

Đặc điểm địa hình

Côn Đảo bao gồm 16 hòn đảo lớn nhỏ trong đó đảo lớn nhất là Côn Sơn chiếm
khoảng 2/3 diện tích toàn quần thể, địa hình Côn Sơn chủ yếu là dạng đồi núi với
các dây đồi đá granit, chạy dài từ Đông Nam đến Đông Bắc. Đảo bị chia cắt thành
hai khu vực có cao độ khác nhau:
- Khu vực thấp, tương đối bằng phẳng nằm ven bờ chạy xung quanh sườn các
đồi núi, có độ cao trung bình 4-15m so với mực nước biển, độ dốc trung bình
3-25%.
- Khu vực đồi núi, các điểm cao nhất trên đảo Côn Sơn là núi Thánh giá với độ
cao 577m và núi Chúa cao 515m, các đảo nhỏ khác có độ cao trung bình 200m,
đa số các khu vực có độ cao trên 20m.

1.2.3.

Đặc điểm khí hậu - thủy vãn
Côn Đảo nằm gần xích đạo, có khí hậu nhiệt đới gió mùa, chịu ảnh hưởng của khí
hậu đại dương nên tương đối mát mẻ, dễ chịu quanh năm. Thời tiết ở Côn Đảo
trong một năm thay đổi không nhiều, có đặc điểm chung của khí hậu khu vực Miền
Nam, được người dân nơi đây khái niệm thành hai thời điểm cụ thể là mùa gió
chướng và mùa nắng. Mùa mưa ở Côn Đảo không kéo dài, vì vậy khí hậu và nhiệt
độ nơi đây luôn ổn định.
Côn Đảo chịu ảnh hưởng bởi chế độ gió mùa, trong một năm có hai (02) trào gió
mùa:
- Gió mùa Tây Nam từ Tháng V đến Tháng IX.
- Gió mùa Đông Bắc từ Tháng X đến Tháng IV năm sau (về mùa này có nhiều
cơn gió giật mạnh, tới cấp 6, cấp 7 và giật trên cấp 7. Do vậy, mùa này còn
được gọi là mùa gió chướng). Thời gian còn lại là mùa nắng và thời tiết ổn
định.
- Gió Bắc - Đông Bắc xuất hiện vào mùa đông với tần suất là từ 30 - 50%, và
Tây - Tây Nam vào mùa hè với tần suất là từ 60 -70%.

-8-


GVHD: TS NGUYỄN THỂ BẢO
SVTH: TRUONG TRỌNG HIẾU

LUẬN VĂN THẠC sĩ

Bảng 1-1: Bảng thống kê tốc độ gió trung bình các thảng trong năm
(độ cao 10m)
TỐC ĐÔ GIÓ CÁC THÁNG TRONG NĂM TAI Đô CAO lOm, m/s
•
•
•
7
I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

XI

XII

0,21 0,16 0,16
Mean 3,22 3,30 2,51

0,14

0,16

0,23

0,23

0,16

2,53

4,43

5,03

2,88
7,78

1,68
3,93

2,26
4,74

0,20
3,18

Max.

2,21
5,22

0,16
2,32

0,18

1,65

0,12
1,97

Min.

6,56 5,78 6,69

6,67

6,11

6,41

Biểu đồ 1-1: Biểu đồ tốc độ gió trung bình các thảng trong năm (độ cao 10m)
Biểu đồ vận tốc gió tại độ cao 10m
•

Đ

*

«

Min.
Mean
Max.

Tháng
Vùng Côn Đảo có hai (02) mùa phân biệt rõ rệt là mùa mưa và mùa khô:
- Mùa mưa: Từ hạ tuần Tháng rv đến thượng tuần Tháng XII. Mưa cao điểm
vào các Tháng VIII, IX. về mùa này, khí hậu khá ẩm ướt, lượng mưa trưng
bình là 2.200mm/năm.
- Mùa khô: Từ trưng tuần Tháng XII đến trưng tuần Tháng IV, khí hậu mát mẻ,
nhiệt độ trung bình hàng năm là 27°c. Tháng II là tháng mát mẻ nhất, nhiệt độ
trung bình chỉ khoảng 22°c, còn tháng năm là tháng oi bức nhất, nhiệt độ có
lúc lên tới 34°c. Mùa khô có gió mạnh từ Đông Bắc hoạt động khoảng từ Tháng
I đến Tháng II thường tạo ra những đợt sóng lớn và làm cho tầm nhìn bị hạn
chế. Ngoài ra, quần đảo cũng bị ảnh hưởng bởi những trận bão lớn ở các khu

vực xung quanh trong những năm gần đây.
Các đặc điểm khí hậu khác:
—9—


GVHD: TS NGUYỄN THỂ BẢO
SVTH: TRUONG TRỌNG HIẾU

LUẬN VĂN THẠC sĩ

- Nhiệt độ không khí trung bình năm là 26,6°c
- Độ ẩm không khí trung bình là 80%
- Tốc độ gió trung bình: 4 m/s
- Tốc độ gió tối đa: < 30 m/s.
Với điều kiện thuận lợi trên thì việc xây dựng Nhà máy điện gió huyện Côn Đảo
không những làm giảm sự phụ thuộc vào nguồn điện Diesel, khắc phục tình trạng
thiếu điện mà còn góp phần làm giảm phát thải khí nhà kính, không tạo ra chất gây
ô nhiễm môi truờng. Năng luợng gió là huớng đi phù hợp để phát triển năng lượng
bền vững, đảm bảo an ninh năng lượng cho Côn Đảo.

-10 -


GVHD: TS NGUYỄN THỂ BẢO
SVTH: TRUONG TRỌNG HIẾU

LUẬN VĂN THẠC sĩ

CHƯƠNG 2:

PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG VÀ LựA CHỌN
TURBINE GIÓ

2.1.

Công nghệ nhà máy điện gió

2.1.1.

Tổng quan về công nghệ turbine gió
Turbine gió là thiết bị có chức năng chuyển đổi động năng của gió thành năng
lượng cơ. Năng lượng cơ này có thể sử dụng để phát ra năng lượng điện được gọi
là điện gió. Các turbine gió hoạt động theo nguyên lý năng lượng của gió làm cho
các cánh quạt quay quanh 1 rotor. Rotor được nối với trục chính và trục chính sẽ
truyền động làm quay trục quay máy phát để tạo ra điện. Turbine gió luôn được đặt
trên trụ cao để thu hiệu quả năng lượng gió. Ở trên cao so với mặt đất thì các turbine
gió sẽ có tốc độ nhanh hơn và hạn chế được các luồng gió bất thường.
Để có dây công suất turbine gió lớn, các turbine gió được tập hợp thành một nhóm
với nhau được gọi là trang trại gió hay cánh đồng gió và nó sẽ cung cấp năng lượng
lớn hơn cho lưới điện. Các turbine gió có thể sử dụng cung cấp điện cho một mạng
điện để phân phối mạng điện ra rộng hơn.
về cấu tạo chung thì turbine gió đều được thiết kế với một rotor và một bộ phát
điện đặt tại đỉnh tháp. Các turbine thường được lắp đặt theo hướng gió hoặc sử
dụng cảm biến gió kết hợp với mô-tơ chế động. Các turbine cũng có một hộp số để
biến tốc độ xoay chậm của cánh quạt thành tốc độ xoay nhanh hơn, đủ để vận hành
máy phát điện, cấu tạo các cột turbine gió thông thường bao gồm:
- Bộ đo lường tốc độ gió (Anemometer): Truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điểu
khiển.
- Cánh quạt (Blades): Tiếp nhận năng lượng từ gió thổi qua để chuyển động và
quay.

- Bộ hãm (Brake): Để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp.
- Bộ điều khiển (Controller): Bộ điều khiển sẽ giới hạn tốc độ gió khởi động và
tốc độ gió ngắt động cơ để dừng các máy phát.
- Hộp số (Gear box): Tập hợp các bánh răng để nối trục có tốc độ thấp với trục
có tốc độ cao nhằm tăng tốc độ đến mức yêu cầu của máy phát điện.
- Máy phát (Generator): Thiết bị phát ra điện.
- Trực truyền động tốc độ cao (High - speed shaft): Trục truyền động của mảy
phát ở tốc độ cao.
-11 -


LUẬN VĂN THẠC sĩ

GVHD: TS NGUYỄN THẾ BẢO
SVTH: TRƯƠNG TRỌNG HIÉU

- Trực truyền động tốc độ thấp (Low - speed shaft): Trục quay tốc độ thấp.
- Vỏ (Nacelle): vỏ bọc ngoài dùng bảo vệ các thành phần bên trong vò, phải đủ
rộng để một người vận hành có thể đứng bên trong trong khi làm việc.
- Hệ thống điều chỉnh góc quay của cánh quạt (Pitch): Dùng đề điều chỉnh gỏc
nghiêng của cánh, cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho vận tốc
quay của rotor không quá cao hay quá thấp để tạo ra điện.
- Hệ thống điều chỉnh góc quay của vỏ (Yaw system)
- Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục.
- Tháp (Tower): Trụ đỡ Nacelle. Được làm bằng thép hình trự hoặc thanh dằn.
Hình 2-1: cấu tạo và các thành phần của một turbine gió điền hỉnh

Việc phân loại turbine trong tiêu chuẩn IEC-1400-1 được xác định theo tốc độ giỏ
trung bình, cường độ nhiễu loạn và một quy trình để xác định. Tiêu chuẩn 1EC1400-1 định nghĩa bốn lớp tiêu chuẩn gồm: I, n, m, rv và một lớp s. Đổi với lớp s,
tất cả các thông số trường gỉố phải được quy định bởi nhà sản xuất. Tốc độ gió

trung bình cho lóp I đến IV tương ứng là lOm/s, 8,5m/s, 7,5m/s và 6m/s. Ngoài các
lớp tiêu chuẩn, còn được chia thành lớp nhiễu loạn cao, nhiễu loạn trung bình và
nhiễu loạn thấp (lớp A, Đ và C).

- 12 -


LUẬN VĂN THẠC sĩ

2.1.2.

GVHD: TS NGUYỄN THẾ BẢO
SVTH: TRƯƠNG TRỌNG HIÉU

Công nghệ Nhà máy điện giỗ huyện Côn Đảo
Dự án Nhà máy điện gió huyện Côn Đảo được đầu tư với mục đích cấp điện cho
khu vực huyện Đảo. Nhà máy sẽ được trang bị các thiết bị hiện đại, các giải pháp
tốt mang lại hiệu quả về sản xuất điện năng. Công suất tổ máy được chọn trên cơ
sở phân tích an toàn cung cấp điện cho khu vực, tính ổn định lưới, và lỉnh hoạt
trong điều độ phụ tải.
Các hạng mục công nghệ chính của nhà máy dự kiến bao gồm:
- 2 trụ turbine giỏ đặt trên biển.
- Hệ thống cáp ngầm biển.
- Hệ thống Wind - Diesel.
- Trạm ngắt 22kV.
- Hệ thống cáp đấu nối trên bờ.
- Các thiết bị phục vụ việc đấu nối với lưới điện khu vực.
- Các hạng mục hạ tầng kỹ thuật; ...

Hình 2-2: Nhà mảy điện giỏ độc lập điển hình

2.1.3.

Tối ưu hóa thiết kế công nghệ
Mặc dù tiềm năng của nguồn năng lượng gió tại khu vực dự án có đủ khả năng
cung cấp năng lượng điện cho nhu cầu của huyện đảo, nhưng các nguồn năng lượng
này phụ thuộc nhiều vào thiên nhiên do gió không thổi đều đặn nên không có khả
năng cấp điện ổn định vì vậy năng lượng điện phát ra từ các turbine gió cần phải
- 13 -


GVHD: TS NGUYỄN THỂ BẢO
SVTH: TRUONG TRỌNG HIẾU

LUẬN VĂN THẠC sĩ

được sử dụng kết hợp chung với các nguồn năng lượng khác để điều hòa công suất
đầu ra và cung cấp năng lượng liên tục. Phương án cung cấp điện hợp lý được đề
xuất là nên kết hợp các nguồn điện truyền thống như nguồn điện diesel cho giai
đoạn hiện tại và các nguồn điện lưới khác trong tương lai.
Mặt khác, việc gió thổi không đều cũng như phụ tải điện không ổn định sẽ làm
công suất phát điện của turbine gió và công suất phụ tải luôn biến động vì vậy cần
thiết phải có một giải pháp kỹ thuật phù hợp để ổn định toàn bộ hệ thống. Các yêu
cầu giải pháp tối thiểu phải thỏa mãn các điều kiện sau:
- Bù công suất khi công suất phát từ năng lượng gió không đủ đáp ứng phụ tải.
- Có nguồn phát kết hợp phải có khả năng thay đổi công suất mịn để điều hòa
công suất đầu ra.
- Có khả năng lắp thêm phụ tải để sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng gió trong
trường hợp công suất phát từ turbine gió lớn hơn nhu cầu phụ tải.
- Thời gian đáp ứng phải đảm bảo đủ nhanh để ổn định hệ thống.
- Tối ưu tiêu hao nhiên liệu khi vận hành nguồn năng lương kết hợp.

- Vận hành ổn định và đảm bảo chất lượng điện năng.
2.2.

Mô hình hóa thống kê dữ liệu gió
Mô hình hóa thống kê dữ liệu gió là sự kết hợp giữa phương pháp thực nghiệm và
phương pháp toán học.
Phương pháp thực nghiệm: là cách thức đo đạc để thu thập số liệu chuỗi thời gian
tốc độ gió, đây là cơ sở để đánh giá thống kê. số liệu tốc độ gió theo giờ là dữ kiện
đầu vào không thể thiếu để giải bài toán mô hình trong các lĩnh vực kỹ thuật sử
dụng năng lượng gió. số liệu tốc độ gió phải được theo dõi một cách có hệ thống
từ lâu bằng cách lập trạm quan trắc khí tượng để thu thập một cách chi tiết số liệu
về tốc độ gió liên tục trong từng khoảng thời gian suốt một thời gian dài, thông
thường tối thiểu 01 năm. Sự hạn chế cả về số lượng và chất lượng của số liệu tốc
độ gió ảnh hưởng rất lớn đến tính chính xác của kết quả bài toán.
Phương pháp toán học:
-

Lý thuyết xác suất thống kê

-

Lý thuyết tính toán hàm mật độ phân bố Weibull

-

Nhiệt động lực học đối với không khí

-

Lập trình mô phỏng tính toán bằng Matlab

- 14 -


GVHD: TS NGUYỄN THỂ BẢO
SVTH: TRUONG TRỌNG HIẾU

LUẬN VĂN THẠC sĩ

2.2.1.

Số liệu tốc độ gió khu vực dự án
Địa điểm đo: tại Trạm viễn thông với các cao độ 30m, 50m, 60m trên mặt đất. Thời
gian đo: 03/2012 đến 03/2013.
Thời điểm đo: 10 phút/1 lần.
Thiết bị đo: Máy tự ghi liên tục trong ngày.

Hình 2-3a: Hình ảnh thực tế lắp đặt phong tốc kế tại Trạm viễn thông

- 15 -