Thiết kế mô phỏng hệ thống tái tạo năng lượng gió với bộ truyền động thủy tĩnh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

ĐOÀN MINH DUY

THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG
HỆ THỐNG TÁI TẠO NĂNG LƢỢNG GIÓ
VỚI BỘ TRUYỀN ĐỘNG THUỶ TĨNH
Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ khí
Mã số: 60520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2015


CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học : .....................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1 : ...........................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 : ...........................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc
Gia Tp. HCM ngày.....tháng....năm 2015
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghirõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. ..............................................................

2. ..............................................................
3. ..............................................................
4. ..............................................................
5. ..............................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trƣởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƢỞNG KHOA…………


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:

ĐOÀN MINH DUY

Ngày, tháng, năm sinh: 24/12/1986
Chuyên ngành:

MSHV:

13041055

Nơi sinh: Cần Thơ

Kỹ thuật cơ khí

Mã số :

60520103

I. TÊN ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG TÁI TẠO NĂNG LƢỢNG GIĨ
VỚI BỘ TRUYỀN ĐỘNG THUỶ TĨNH
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Tìm hiểu các phƣơng pháp tái tạo năng lƣợng gió hiện nay.
- Thiết kế và xây dựng mơ hình tốn cho bộ truyền động thủy tĩnh.
- Sử dụng phần mềm AMEsim và Matlab/simulink để mơ phỏng mơ hình tốn
học đã đƣợc xây dựng.
- So sánh kết quả mô phỏng trên phần mềm AMEsim và Matlab/simulink.
- Phân tích kết quả đạt đƣợc và đánh giá hiệu quả của mơ hình đã thiết kế.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 18/08/2014
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 14/06/2015
V. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên):
TS. LÊ THANH DANH
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

Tp. HCM, ngày.... tháng.... năm 2015
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TS. Lê Thanh Danh
TRƢỞNG KHOA CƠ KHÍ
(Họ tên và chữ ký)

LỜI CÁM ƠN

Đầu tiên, tơi muốn cảm ơn gia đình của mình. Cám ơn bố mẹ và những
ngƣời thân yêu ln bên cạnh chăm sóc, động viên để tơi có thể vững bƣớc trên con
đƣờng học tập cho tới ngày hơm nay.
Trong q trình thực hiện luận văn tơi đã gặp rất nhiều khó khăn mà tƣởng
chừng khơng thể giải quyết đƣợc, nhƣng may mắn, tôi luôn đƣợc sự giúp đỡ và
hƣớng dẫn tận tình từ ngƣời Thầy của mình. Từ khi bắt đầu luận văn, bƣớc chân
vào một lĩnh vực mới, cho đến ngày hoàn thành, Thầy đã hƣớng dẫn và luôn tạo
mọi điều kiện thuận lợi cho tôi để tìm hiểu về lý thuyết cũng nhƣ thực hiện mơ
hình. Với sự kính trọng và cảm kích tơi xin gởi lời cám ơn tới TS. Lê Thanh Danh
ngƣời thầy đã luôn giúp đỡ, cho tôi những lời khuyên bổ ích trong q trình thực
hiện luận văn.
Tơi xin gởi lời cám ơn tới q Thầy Cơ trong Khoa Cơ Khí đã giúp đỡ tơi
trong q trình làm luận văn, cũng nhƣ đã bỏ thời gian xem xét đề tài. Tôi xin cảm
ơn quý Thầy Cô đã tham gia giảng dạy chƣơng trình đào tạo thạc sỹ ngành Kỹ thuật
cơ khí niên khóa 2013-2015 đã trang bị cho tơi những kiến thức bổ ích trong những
năm học qua.
Cuối cùng tơi xin cảm ơn những ngƣời bạn đã luôn giúp đỡ tôi trong suốt
những tháng ngày học cao học.

TP. Hồ Chí Minh, ngày 08 tháng 06 năm 2015


NỘI DUNG LUẬN VĂN
Sự khủng hoảng chi phí năng lƣợng và sự ấm dần lên toàn cầu là kết quả của
việc gia tăng các hợp chất carbon dioxide, điều này mở ra nhu cầu cấp thiết trong
việc tìm kiếm nguồn năng lƣợng thay thế mới, điển hình là gió và năng lƣợng mặt

trời. Mặt dù cơng nghệ năng lƣợng gió đã đƣợc phát triển rất nhiều, nhƣng nó vẫn
đối mặt với sự cạnh tranh không ngừng của các nguồn năng lƣợng khống sản.
Trƣớc tình hình đó, để tạo ra một nguồn năng lƣợng mới khả dụng có thể cạnh tranh
với các nguồn năng lƣợng truyền thống, cụ thể là phát triển Tuabin gió để chuyển
đổi năng lƣợng của gió thành nguồn năng lƣợng nhƣ mong muốn. Chính Vì vậy,
việc phát triển năng suất tối đa cho Tuabin gió đã và đang đặt ra nhiều thách thức
đối với các nhà nghiên cứu.
Trong luận văn này đã đƣa ra một cách tiếp cận hồn tồn mới cùng với hệ
thống tiện lợi, đó là Tuabin gió với bộ tuyền động thủy tỉnh. Đặc điểm của bộ
truyền động thủy tĩnh là khả năng truyền năng lƣợng và moment trong suốt quá
trình hoạt động với năng suất cao. Bên cạnh đó với sự phát triển vƣợt bậc của cơng
nghệ Motor thủy lực đã gióp phần đƣa bộ truyền động tiến xa hơn trong việc thay
thế các cơ cấu truyền độngthông thƣờng bằng một mộ truyền động rất hiệu quả và
vô cùng tiện lợi, một bộ truyền kết nối trực tiếp giữa các van thủy lực và Máy phát
điện.
Thơng qua việc xây dựng các mơ hình tốn học cho bộ truyền động thủy tĩnh,
mục tiêu chính của luận văn là phát triển mơ hình tốn học cho tồn bộ Tuabin gió
và hệ thống truyền động thủy tĩnh, qua đó tiến hành phân tích tính tốn nhằm năng
cao hiệu suất Tuabin gió. Chính vì lẽ đó, việc phân tích động học thủy tĩnh cho bộ
truyền động thủy tĩnh là rất quan trọng đòi hỏi sự đầu tƣ rất nhiều.
Để mơ tả q trình hoạt động của hệ thống, mơ hình tốn học Tuabin gió với
bộ truyền động thủy tĩnh có thể điều khiển tốc độ đầu ra, một mơ hình mơ phỏng
hồn tồn trong mơi trƣờng MATLAB/SIMULINK đã đƣợc đƣa vào luận văn kèm
theo đó là những thuật tốn điều khiển tốc độ đầu ra của mơ hình. Mơ hình này sẽ
đƣợc kiểm tra lại với sự trợ giúp của phần mềm thiết kế thủy lực AMEsim để đánh


giá độ tin cậy của mơ hình. Dựa trên cơ sở mơ hình tốn học đã đề ra, luận văn cũng
sử dụng thêm những thông số thiết kế của các thiết bị thủy lực từ những nhà sản
xuất có tên tuổi nhầm nâng cao tính thiết thực cho mơ hình, chính Vì vậy, kết quả

đạt đƣợc từ mơ hình có thể tiến hành so sánh với những Tuabin gió phổ biến hiện
nay.


CONTENT
The rise in fuel costs and the impact of global warming due to increase in
carbon dioxide emissions have led to renewed interest in renevewable energy,
primarily wind and solar. Although wind energy technology has developed
considerably, it stil faces major challenges that prevent it from competing with
fossil fuels. With the demands to obtain energy from renewable energy resources,
utilization of the wind turbines to convert the wind energy into the desired usable
form with maximum efficiency has been faced with ever increasing research efforts.
In this study taken a different approach with conventional systems, wind
turbine with hydrostatic tranmision system is considered. Hydrostatic tranmision
system characterized with high power and torque transmission along with
significant efficiency, capable of reliably controlling the performance of the system,
and persistent hydraulic components, has been replaced with the conventional
mechanical power train system between the vane and electric generator.
With the complete mathematical model of a hydraulic transmission concept
for use in wind turbines is presented. The main focus has been to develop a model
that take into account the most important dynamics affecting the wind turbine and
the hydraulic tranmission system involved, such that the model can be used to
anlyze the dynamic feasibility of a hyraulic transmission concept. Further, dynamic
analysis of a hydraulic tranmission system for wind turbines is investigated.
To explain the performance of the proposed system, a mathematical model of
wind

turbine

with

variable

speed

hydrostatic

transmission

in

the

MATLAB/SIMULINK software has been established and the system control
algorithm is presented. And the model of a hydraulic transmission will be checked
with the AMEsim software to evaluate the result reliability. Based on the detailed
mathematical model and using the information of hydraulic equipments from
famous vendors and manufacturers to make the results ever realistic, simulation
results showing the great performance compared to the today's conventional wind
turbines.


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do tôi thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn
của TS. Lê Thanh Danh.
Các kết quả trình bày là trung thực, các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc
xuất xứ rõ ràng.
Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
TP.HCM, ngày 08 tháng 06 năm 2015

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ....................................................................................iii
LỜI CÁM ƠN ....................................................................................................................... iv
NỘI DUNG LUẬN VĂN ...................................................................................................... v
CONTENT ...........................................................................................................................vii
MỤC LỤC ............................................................................................................................ ix
CHƢƠNG 1:TỔNG QUAN .................................................................................................. 1
1.1. Tiềm năng của năng lƣợng gió ở Việt Nam ............................................................ 5
1.2. Cấu tạo chung củaTuabin gió .................................................................................. 6
1.3. Các phƣơng pháp nâng cao năng suất Tuabin gió hiện nay .................................... 8
1.3.1. Phƣơng pháp xoay gióc pitchcánh quạt gió ..................................................... 8
1.3.2. Phƣơng pháp sử dụng máy phát điện đồng bộ sử dụng nam châm vĩnh cửu
nối lƣới 10
1.3.3.
liệu

Phƣơng pháp điều khiển nối lƣới cho Tuabin gió kết hợp với nguồn pin nhiên
12

1.4. Giới thiệu bộ truyền động thủy tĩnh cho Tuabin gió ............................................. 14
1.5. Mục tiêu của luận văn ........................................................................................... 17
CHƢƠNG 2: MƠ HÌNH TUABIN GIĨ ............................................................................. 19
2.1. Khí động lực học Tuabin gió và giới hạn Betz ..................................................... 19
2.2. Cơng suất Tuabin gió ............................................................................................ 21
2.3. Bốn vùng hoạt động của một Tuabin gió điển hình .............................................. 24
2.4. Đặc tính của gió và các ảnh hƣởng của nó ............................................................ 27
2.5. Mơ hình chảy rối của gió ...................................................................................... 30
2.6. Ảnh hƣởng của dòng chảy rối đối với khả năng chuyển đổi năng lƣợng của
Tuabin gió ........................................................................................................................ 31

2.6.1. Q trình gia tăng năng lƣợng do điều kiện gió bất định tại vùng 2 ............. 32
2.6.2. Quá trình suy giảm năng lƣợng do điều kiện gió bất định trong suốt quá trình
chuyển đổi từ vùng 2 đến vùng 3 ................................................................................. 33
2.6.3.

Đƣờng cong năng lƣợng gió dƣới sự ảnh hƣởng của dịng chảy rối ............. 34

CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC CHO HỆ THỐNG ........................... 37
3.1. Mơ hình tốn học bộ truyền động cơ khí .............................................................. 38
3.2. Mơ hình tốn họcBơm thủy lực ............................................................................ 40
3.3. Mơ hình tốn học bình tích áp............................................................................... 41
3.4. Mơ hình tốn học van an tồn ............................................................................... 43
3.5. Mơ hình tốn học Motor thủy lực ......................................................................... 44
3.6. Mơ hình tốn học bộ truyền thủy tĩnh Tuabin gió ................................................ 45
3.6.1. Mơ hình tốn học trên nhánh áp suất cao ...................................................... 45
3.6.2.

Mơ hình tốn học trên nhánh áp suất thấp ..................................................... 46

CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN....................................................................... 49
CHO MẠCH THỦY TĨNH ................................................................................................. 49
4.1. Phƣơng trình động lực học của trục rotor của máy phát điện ............................... 49
4.2. Thiết kế bộ điều khiển ........................................................................................... 50
CHƢƠNG 5: MƠ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ......................................................................... 55
5.1. Xây dựng mơ hình Matlab/simulink ..................................................................... 55


5.1.1.

Cơng suất Tuabin gió ..................................................................................... 55

Mơ hình Tuabin đƣợc phát triển trên phần mềm Matlab/Simulink nhƣ sau: .............. 55
5.1.2.

Mơ hình hộp số Tuabin gió ............................................................................ 55

5.1.3.

Mơ hình bộ truyền động thủy tĩnh ................................................................. 57

5.2. So sánh kết quả mô phỏng với phần mềm AMEsim ............................................. 62
5.3. Kết quả mô phỏng Tuabin gió với bộ truyền động thủy tĩnh ................................ 67
5.3.1. Kết quả mơ phỏng khi khơng có bộ điều khiển với tốc độ gió trung bình
12m/s ....................................................................................................................... 69
5.3.2. Kết quả mơ phỏngvớibộ Bộ điều khiển trƣợt thích nghi trong điều kiện gió
thay đổi với tốc độ trung bình là 12m/s ....................................................................... 71
5.3.3. So sánh kết quảmơ phỏng khi có và khơng có Bộ điều khiển trƣợt thích nghi
trong trƣờng hợp tốc độ gió thay đổi ........................................................................... 74
CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .................................................... 79
6.1. Đánh giá ................................................................................................................ 79
6.1.1. Các nhiệm vụ hoàn thành............................................................................... 79
6.1.2.

Hạn chế .......................................................................................................... 79

6.2. Hƣớng phát triển ................................................................................................... 79
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 80


DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1. 1:Cơng suất điện gió trên thế giới thời gian 1996- 2008 .......................................... 3
Hình 1. 2:Sự phát triển của cơng suất điện gió trên thế giới theo khu vực*. ......................... 4
Hình 1. 3:Sơ đồ cấu tạo hệ thống Tuabin gió truyền thống ................................................... 7
Hình 1. 4: Cấu tạo Tuabin gió có sử dụng động cơ bƣớc để xoay gióc pitch ........................ 9
Hình 1. 5: Sơ đồ cấu trúc cơ bản Tuabin gió nối lƣới ......................................................... 11
Hình 1. 6: Sơ đồ hệ thống điều khiển nối lƣới cho Tuabin gió ........................................... 13
Hình 1. 7: Bộ truyền động thủy tĩnh trong Tuabin gió ........................................................ 14

Hình 2. 1: Biểu đồ quan hệ giữa hệ số hiệu suất Tuabin gió và tỷ số b ............................... 20
Hình 2. 2: Mối quan hệ giữa hiệu suất Cp và tỷ số tốc độ λ ................................................ 23
Hình 2. 3: Mối quan hệ giữa tốc độ và cơng suất Tuabin gió .............................................. 23
Hình 2. 4: Các vùng hoạt động của Tuabin gió ................................................................... 24
Hình 2. 5: Đồ thị năng lƣợng Tuabin gió AOC 15/50[24] .................................................. 27
Hình 2. 6: Phổ tốc độ gió minh họa (dựa theo lý thuyết của Van Der Hoven)[24] ............. 29
Hình 2. 7: Sự tụt giảm năng lƣợng khi tốc độ gió bất định[24] ........................................... 34
Hình 2. 8: Ảnh hƣởng của tốc độ gió thay đổi[24] .............................................................. 36

Hình 3. 1: Mơ hình truyền động thủy tĩnh của Tuabin gió .................................................. 37
Hình 3. 2: Bộ truyền động cơ khí Tuabin gió [13] .............................................................. 38
Hình 3. 3: Động lực học trục Bơm thủy lực ........................................................................ 41
Hình 3. 4: Cơ chế hoạt động của bình tích áp ...................................................................... 41
Hình 3. 5: Biểu đồ lƣu lƣợng qua khỏi van an tồn ............................................................. 43
Hình 3. 6: Động lực học trục Motor thủy lực ...................................................................... 44
Hình 3. 7: Mô tả lƣu lƣợng vào ra Bơm thủy lực ................................................................ 45
Hình 3. 8: Mơ tả lƣu lƣợng vào ra Motor ............................................................................ 46

Hình 4. 1: Sơ đồ lực trên trục rotor của máy phát điện........................................................ 49
Hình 4. 2: Sơ đồ khối của bộ điều khiển trƣợt thích nghi.................................................... 53
Hình 4. 3: Mơ hình bộ điều khiển trƣợt thích nghi .............................................................. 54

Hình 5. 1: Tính tốn cơng suất Tuabin gió và lựa chọn tốc độ Rotor tối ƣu ....................... 55
Hình 5. 2:Cân bằng động học trên trục Rotor ...................................................................... 55
Hình 5. 3: Hộp số Tuabin gió .............................................................................................. 56
Hình 5. 4: Tính lƣu lƣợng của Bơm và Motor ..................................................................... 57
Hình 5. 5: Tính tốn lƣu lƣợng qua van an tồn .................................................................. 58
Hình 5. 6: Tính tốn lƣu lƣợng ra khỏi bình tích áp khi áp suất P1 ≥ P0gas .......................... 59
Hình 5. 7: Tính tốn lƣu lƣợng ra khỏi bình tích áp khi áp suất P1 < P0gas ....................... 59
Hình 5. 8: Động lực học trên nhánh áp suất cao .................................................................. 60
Hình 5. 9: Mơ hình bộ truyền động thủy tĩnh ...................................................................... 61
Hình 5. 10: Mơ hình bộ truyền động thủy tĩnh mơ phỏng trên AMEsim ............................ 62
Hình 5. 11: Kết quả mơ phỏng bộ truyền động thủy tĩnh tại vị trí Bơm .............................. 64


Hình 5. 12: Kết quả mơ phỏng bộ truyền động thủy tĩnh tại vị trí bình tích áp ................... 65
Hình 5. 13: Kết quả mô phỏng bộ truyền động thủy tĩnh tại vị trí Motor ........................... 66
Hình 5. 14: Mơ hình truyền động thủy tĩnh đƣợc phát triển trên phần mềm
Matlab/Simulink .................................................................................................................. 67
Hình 5. 15: Kết quả mơ phỏng Tuabin gió khi khơng có điều khiển................................... 71
Hình 5. 16: Kết quả mơ phỏng Tuabin gió khi khơng có điều khiển................................... 73
Hình 5. 17: Kết quả mơ phỏng Tuabin gió trong trƣờng hợp có và khơng có hệ thống lƣu
trữ năng lƣợng ...................................................................................................................... 74
Hình 5. 18: Kết quả mơ phỏng máy phát điện trong trƣờng hợp 1 ...................................... 75
Hình 5. 19:Kết quả mơ phỏng trong trƣờng hợp mơ hình có và khơng có bộ điều khiển với
tốc độ gió ngẫu nhiên ở tốc độ trung bình 12m/s trong 3000s ............................................ 76
Hình 5. 20: Kết quả mô phỏng máy phát điện trong trƣờng hợp 2 ...................................... 77


DANH MỤC BIỂU BẢNG
Bảng 1. 1: Công suất định mức năng lƣợng gió .................................................................... 4
Bảng 1. 2: Bảng cấp gió Beaufor ........................................................................................... 5

Bảng 1. 3: Tiềm năng gió của Đơng Nam Á (ở độcao 65m) ................................................. 6

Bảng 2. 1: Phân loại cấp độ gió theo tốc độ gió trung bình[7] ............................................ 28

Bảng 5. 1: Các thông số cài đặt cho mơ hình ...................................................................... 62
Bảng 5. 2: Bảng kết quả mơ phỏng bộ truyền động thủy tĩnh ............................................. 66
Bảng 5. 3: Bảng thông số thiết kế của bộ truyền động cơ khí Tuabin gió ........................... 68


GVHD: TS. LÊ THANH DANH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƢƠNG 1:TỔNG QUAN
Trong xu hƣớng phát triển hiện nay các nhà khoa học đã làm nên những điều
kỳ diệu, phát minh ra vô vàn những cơng cụ máy móc giúp năng cao năng suất lao
động, giúp đáp ứng những nhu cầu không ngừng của xã hội. Tuy nhiên, sự phát
triển mạnh mẽ đó cũng kéo theo một hiểm nguy tiềm tàn khi mà nguồn năng lƣợng
tự nhiên đang ngày một cạn kiệt. Sự khan hiếm dần các nguồn năng lƣợng đã tạo
nên một viễn cảnh không xa cho sự sụp đổcủa nền kinh tế thế giới. Năng lƣợng hoá
thạch ngày càng cạn kiệt, tranh chấp lãnh thổ, xung đột lợi ích ngày càng gia tăng
đang đẩy thế giới vào tình thế ngày càng bất ổn định, cỗ máy kinh tế thế giới đang
ngày càng phình to theo hƣớng ngày càng trì trệ dẫn đến những cuộc khủng hoảng
và suy thoái kinh tế. Bất ổn chính trị rất có thể xảy ra tại nhiều nơi trên thế giới. Bên
cạnh đó việc sử dụng quá nhiều năng lƣợng hóa thạch khiến một loạt các vấn đề về
môi trƣờng nảy sinh. Trái Đất ấm dần lên, đất canh tác bị thu hẹp, môi trƣờng bị
thay đổi, dịch bệnh xuất hiện khó lƣờng và khó kiểm sốt hơn, thiên tai ngày càng
mạnh hơn, mùa màng thất thu ảnh hƣởng đến vấn đề lƣơng thực. Tất cả những điều
đó tiềm ẩn một thế giới hỗn độn, tranh chấp, khơng kiểm sốt.
Xuất phát thực tiễn đó, các nguồn năng lƣợng có thể phục hồi (renewable

energy sources) mà thân thiện với môi trƣờng đang trở thành vấn đề cấp bách của
mỗi quốc gia trên thế giới. Một trong những nguồn năng lƣợng đó là năng lƣợng
gió.
Trên thế giới, vấn đề biến đổi năng lƣợng gió đã đƣợc nghiên cứu và phát triển
mạnh. Ví dụ nhƣ M. Kesraoul và N. Korichi đã đề xuất thuật toán điều khiển hệ
thống biến đổi năng lƣợng gió nhằm thu đƣợc cơng suất điện cao nhất[41]. Ph.
Delarue và các tác giả khác đã xây dựng mơ hình và điều khiển hệ thống biến đổi
năng lƣợng gió[20]. E. Muljadi nghiên cứu đáp ứng của Tuabin gió với tốc độ của
Rotor có thể điều khiển đƣợc[52]. Saikumar.s và các tác giả khác đã thiết kế thuật
toán điều khiển Tuabin gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu[59].
Cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21 này vấn đề về nguồn năng lƣợng cung cấp cần
phải xem xét lại: hiện nay nguồn năng lƣợng hóa thạch đang cạn dần, đồng thời vấn
HVTH: ĐỒN MINH DUY

Trang 1


GVHD: TS. LÊ THANH DANH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

đề gây ô nhiễm mơi trƣờng do việc đốt nhiên liệu hóa thạch càng trở nên trầm
trọng. Vấn đề năng lƣợng sạch đang đƣợc quan tâm nhiều và là một sự lựa chọn cho
ngành năng lƣợng thay thế trong tƣơng lai. Nguồn năng lƣợng sạch đang đƣợc quan
tâm nhƣ năng lƣợng gió, năng lƣợng mặt trời, năng lƣợng địa nhiệt, năng lƣợng
sóng biển, năng lƣợng thủy triều... Tất cả những loại năng lƣợng sạch này sẽ gióp
phần rất lớn vào việc cải tạo cuộc sống nhân loại và cải thiện môi trƣờng. Các hệ
thống năng lƣợng này đƣợc xem nhƣ là một sự lựa chọn thay thế cho các hệ thống
cung cấp từ lƣới điện quốc gia ở những vùng nông thôn biệt lập, nơi mà việc phát
triển lƣới điện không khả thi về mặt kinh tế, trong đó năng lƣợng gió đƣợc xem là

nguồn năng lƣợng dễ khai thác với công nghệ đơn giản và chi phí đầu tƣ và vận
hành tƣơng đối thấp.
Theo tính tốn của các nhà nghiên cứu, năng lƣợng từ mặt trời đến trái đất
khoảng 173.000 tỉ KW cịn năng lƣợng gió ƣớc tính khoảng 3.500 tỉ KW. Trên toàn
bộ bề mặt hành tinh chúng ta, năng lƣợng có thể khai thác đƣợc từ gió lớn hơn năng
lƣợng tồn bộ các dịng sơng trên Trái Đất từ 10 đến 20 lần.
Năng lƣợng gió đã đƣợc khai thác và ứng dụng từ rất lâu dùng để chạy Bơm
nƣớc, thuyền buồm, các cối xay gió đã xuất hiện từ thế kỷ 12. Từ đó đến nay việc
nghiên cứu và phát triển cơng nghệ sử dụng năng lƣợng gió này càng phát triển với
tốc độ ngày càng nhanh cả về số lƣợng lẫn chất lƣợng.
Hình 1.1 trình bày cơng suất sản xuất từ điện gió trên thế giới trong khoảng
thời gian từ 1996 đến 2008. Tổng lƣợng công suất sản xuất trên thế giới vào năm
2009 là 159,2 GW, với 340TWh năng lƣợng, xác nhận mức tăng trƣởng 31% mỗi
năm, một con số khá lớn giữa lúc nền kinh tế toàn cầu đang gặp nhiều khó khăn.
Theo thống kê trên thế giới, Đức, Tây Ban Nha, Hoa Kỳ, Đan Mạch và Ấn Độ là
những quốc gia sử dụng năng lƣợng gió nhiều nhất trên thế giới. Chẳng hạn vào
năm 2009, điện gió chiếm 8% tổng số điện xử dụng tại Đức; trong khi đó con số
này lên đến 14% ở Ai- len và 11% tại Tây Ban Nha. Hoa Kỳ sản xuất nhiều điện gió
nhất trên thế giới với cơng suấtnhảy vọt từ 6GW vào năm 2004 lên đến 35GW vào
2009 và điện gió chiếm 2,4% tổng số điện tiêu dùng. Trung Quốc và Ấn Độ cũng
HVTH: ĐOÀN MINH DUY

Trang 2


GVHD: TS. LÊ THANH DANH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

phát triển nhanh về nguồn năng lƣợng sạch này với 22,5 GW (Trung Quốc, 2009)

và 25GW (Ấn Độ, 2009).

Hình 1. 1:Cơng suất điện gió trên thế giới thời gian 1996- 2008
Trong số 20 thị trƣờng lớn nhất trên thế giới, riêng ở châu Âu đã có 13 nƣớc
với Đức là nƣớc dẫn đầu về công suất của các nhà máy dùng năng lƣợng gió với
khoảng cách xa so với các nƣớc cịn lại. Tại Đức, Đan Mạch và Tây Ban Nha, năng
lƣợng gió phát triển liên tục trong nhiều năm qua là nhờ sự nâng đỡ của Chính phủ
sở tại. Nhờ vào đó mà một ngành công nghiệp mới đã phát triển tại 13 quốc gia này.
Công nghệ Đức (bên cạnh các phát triển mới từ Đan Mạch và Tây Ban Nha) đã
đƣợc sử dụng trên thị trƣờng nhiều hơn trong những năm vừa qua. Công suất định
mức của các nhà máy sản xuất điện gió năm 2007 đƣợc nâng lên 94.112MW. Cơng
suất này thay đổi dựa trên sức gió qua các năm, các nƣớc, các vùng.

HVTH: ĐOÀN MINH DUY

Trang 3


GVHD: TS. LÊ THANH DANH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Bảng 1. 1: Cơng suất định mức năng lƣợng gió
của các nƣớc trên thế giới năm 2007*

* Nguồn BTM World Market Update 2007, AWEA, Jan 2009, Worldpower
Monthly.

Hình 1. 2:Sự phát triển của cơng suất điện gió trên thế giới theo khu vực*.
* Nguồn BTM World Market Update 2007, AWEA, Jan 2009, Worldpower

Monthly.
HVTH: ĐOÀN MINH DUY

Trang 4


GVHD: TS. LÊ THANH DANH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

1.1. Tiềm năng của năng lƣợng gió ở Việt Nam
Nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài, Việt Nam có một thuận
lợi cơ bản để phát triển năng lƣợng gió. Trong chƣơng trình đánh giá năng lƣợng
cho châu Á, Ngân hàng thế giới đã có một khảo sát chi tiết về năng lƣợng gió khu
vực Đơng Nam Á trong đó có Việt Nam. Theo tính tốn của nghiên cứu này, trong
bốn nƣớc đƣợc khảo sát thì Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất và hơn hẳn các
quốc gia lân cận là Thái Lan, Lào, Campuchia. Trong khi Việt Nam có tới 8,6%
diện tích lãnh thổ đƣợc đánh giá có tiềm năng từ “tốt” đến “rất tốt” để xây dựng các
trạm điện gió cỡ lớn thì diện tích này ở Thái Lan là 0,2%, ở Lào là 2,9%, và ở
Campuchia là 0,2%.
Theo sốliệu của Ngân hàng thếgiới, tiềm năng gió của Việt Nam (ở độcao
65m) rất khả quan và ƣớc đạt 513.360MW, lớn hơn 200 lần công suất nhà máy thủy
điện Sơn La và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện đến năm 2020.
Đây quả thật là ƣu đãi dành cho Việt Nam mà chúng ta chƣa nghĩ đến cách tận
dụng. Đây sẽlà nguồn năng lƣợng tiềm năng đáng kểcó thể khai thác bổ sung cho
nguồnđiện lƣới quốc gia, thay thếcác nguồn năng lƣợng hóa thạch ngày càng cạn
kiệt và cải thiện môi trƣờng.
Bảng 1. 2: Bảng cấp gió Beaufor

* Nguồn: Ngân hàng Thế giới

HVTH: ĐOÀN MINH DUY

Trang 5


GVHD: TS. LÊ THANH DANH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Bảng 1. 3: Tiềm năng gió của Đơng Nam Á (ở độcao 65m)

1.2. Cấu tạo chung củaTuabin gió
Về ngun lý thì Tuabin gió làm việc trái ngƣợc với một máy quạt điện, thay
vì sử dụng điện để tạo ra gió nhƣ quạt điện thì ngƣợc lại Tuabin gió lại sử dụng gió
để tạo ra điện. Năng lƣợng của gió làm cho 2 hoặc 3 cánh quạt quay quanh 1 Rotor.
Mà rotor đƣợc nối với trục chính và trục chính sẽ truyền động làm quay trục quay
máy phát điện để tạo ra điện.
Các Tuabin gió đƣợc đặt trên trụ cao để thu hầu hết năng lƣợng gió. Ở độ cao
30m trên mặt đất thì các Tuabin gió thuận lợi hơn: đạt tốc độ ổn định và ít gặp phải
các luồng gió bất thƣờng. Điện năng đƣợc tạo ra dùng để phục vụ cho nhà cửa hoặc
xây dựng, chúng có thể nối tới một mạng điện để phân phối mạng điện rộng
hơn.Hình 1.3 chỉ ra cấu tạo chung của một Tuabin gió:

HVTH: ĐỒN MINH DUY

Trang 6


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. LÊ THANH DANH

MƠ HÌNH
TUABIN GIĨ

Chú thích:
1. Trụ đỡ
2. Cánh quạt gió
3. Rotor Tuabin gió
4. Bộ hãm tốc
5. Trục tốc độ thấp
6. Trục tốc độ cao
7. Yaw drive
8. Yaw motor
9. Hộp số
10. Máy phát điện
11. Cảm biến tốc độ gió

12. Chong chóng gió

Hình 1. 3:Sơ đồ cấu tạo hệ thống Tuabin gió truyền thống
* Nguồn: />Diễn giải:
1. Trụ đỡ: đƣợc làm từ thép hình trụ hoặc lƣới thép.
2. Cánh quạt gió.
3. Trục Rotor: bao gồm các cánh quạt và trục
4. Bộ hãm tốc (phanh):dùng để dừng Rotor trong tình trạng khẩn cấp bằng
điện, bằng thủy lực hoặc bằng động cơ.
5. Trục quay tốc độ thấp.
HVTH: ĐOÀN MINH DUY

Trang 7


GVHD: TS. LÊ THANH DANH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

6. Trục truyền động tốc độ cao.
7. Yaw drive: dùng để giữ Rotor ln ln hƣớng về hƣớng gió khi có sự thay
đổi hƣớng gió.
8. Yaw Motor: động cơ cung cấp cho Yaw drive định hƣớng gió.
9. Hộp bánh răng: bánh răng đƣợc 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.
10. Máy phát điện.
11. Cảm biến tốc độ gió.
12.Chong chóng gió: để xử lý hƣớng gió và kết nối đến Yaw drive để định
hƣớng Tuabin
1.3. Các phƣơng pháp nâng cao năng suất Tuabin gió hiện nay
1.3.1. Phƣơng pháp xoay gióc pitchcánh quạt gió
Nhƣợc điểm của động cơ gió là khi tốc độ gió thay đổi, tốc độ quay của
Tuabin cũng thay đổi theo. Tuy nhiên, máy phát điện gió cơng suất lớn địi hỏi phải
có hệ thống điều tốc tốt, đảm bảo số vòng quay của trục Tuabin nằm trong giới hạn
quy định. Hiện nay, thƣờng dùng phƣơng pháp xoay gióc pitch cánh Tuabin, điều
chỉnh diện tích bề mặt hứng gió của cánh Tuabin để ổn định tốc độ quay của Rotor.

HVTH: ĐOÀN MINH DUY

Trang 8

GVHD: TS. LÊ THANH DANH

Hệ thống
mạch đện

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Bộ điều khiển
gióc Pitch

Cánh
quạt

Khớp nối
Máy phát
điện

Rotor
Tuabin gió

Trục Rotor Tuabin gió
Vỏ Tuabin gió
Yaw drive
Tháp đỡ

Hình 1. 4: Cấu tạo Tuabin gió có sử dụng động cơ bƣớc để xoay gióc pitch
Với máy phát điện gió cơng suất nhỏ, việc xoay gióc pitch cánh quạt gió có
thể dùng phƣơng pháp ly tâm của khối lƣợng quay. Khi tốc độ gió thay đổi sẽ làm
tốc độ quay của Tuabin thay đổi, lực ly tâm của vật quay cũng thay đổi. Nếu gió
lớn, vận tốc gió tăng, lực ly tâm tăng lên, tác dụng lên cơ cấu xoay gióc pitchcánh

Tuabin làm giảm diện tích bề mặt hứng gió, dẫn đến hạn chế mức độ tăng tốc độ
quay của Tuabin. Khi gió dịu đi, vận tốc gió giảm xuống, cánh Tuabin tự xoay dần
về vị trí ban đầu, để duy trì tốc độ quay của Tuabin trong phạm vi cho phép. Kết cấu
máy sử dụng lực ly tâm để xoay gióc ptich cánh Tuabin tƣơng đối đơn giản, nhƣng
có nhƣợc điểm là đáp ứng chậm, độ chính xác điều chỉnh thấp, khoảng biến thiên
tốc độ quay của Tuabin quá lớn.
Một số nghiên cứu hiện nay cho thấy, động cơ bƣớc có thể sử dụng để
xoaygióc pitch cánh Tuabin cho máy phát điện gió. Nguyên lý làm việc của hệ
thống xoay cánh nhƣ sau: Đặt cho trục Tuabin gió một giới hạn tốc độ cho phép;
HVTH: ĐỒN MINH DUY

Trang 9


GVHD: TS. LÊ THANH DANH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

khi tốc độ gió lớn hơn quy định, trục Tuabin sẽ quay nhanh hơn, bộ phận cảm biến
nhận đƣợc tín hiệu, chuyển đến bộ điều khiển, bộ điều khiển so sánh với tốc độ
quay quy định, phát tín hiệu đến động cơ bƣớc, động cơ xoay gióc pitchcánh Tuabin
một gióc để giảm bề mặt hứng gió; khi tốc độ gió giảm, động cơ sẽ xoay cánh quạt
quay trở lại. Bằng cách này, tốc độ quay của trục Tuabin đƣợc điều chỉnh kịp thời,
khoảng dao động của tốc độ quay tƣơng đối nhỏ.
Cũng sử dụng ngun lý trên, một số Tuabin gió có tích hợp thêm cơ chế xoay
hƣớng hứng gió, bộ phận này gọi là Yaw drive. Khi gió đi ngang qua Tuabin gió, bộ
phận cảm biến nhận đƣợc tín hiệu (tín hiệu này có thể là vận tốc gió, áp lực gió),
chuyển đến bộ điều khiển, bộ điều khiển so sánh với thơng số cài đặt ban đầu, phát
tín hiệu đến Yaw drive, Yaw drive sẽ xoay Tuabin gió theo hƣớng tối ƣu nhất.
+ Ƣu điểm: Sử dụng động cơ bƣớc để xoaygióc cánh Tuabine, ổn định tốc độ

quay của trục Tuabine là một phƣơng án hiệu quả và đang đƣợc sử dụng rộng rãi.
Độ ổn định tốc độ quay của trục Tuabin sẽ tốt hơn so với dùng lực ly tâm. Kết cấu
của máy khơng phức tạp lắm, có thể tự chế tạo, lắp ráp.
Với phƣơng án này cho phép chúng ta thiết kế, chế tạo các máy phát điện gió
sử dụng ở những vùng có tài nguyên gió, giảm việc nhập khẩu thiết bị từ nƣớc
ngoài. Xa hơn nữa, chúng ta có thể chế tạo các máy phát điện gió có cơng suất lớn,
hồ vào lƣới điện quốc gia, cung cấp điện năng cho sản xuất và tiêu dùng.
+ Nhƣợc điểm: Chi phí cho phƣơng án này khá cao do phải sử dụng thêm
động cơ bƣớc trên mỗi cánh (thông thƣờng Tuabin gió có 3 cánh). Ngồi ra, việc
xây dựng hệ thống điều khiển gióc xoay rất phức tạp do tốc độ gió thay đổi thất
thƣờng (gió có dạng dịng chảy rối) và không ổn định về hƣớng.
1.3.2. Phƣơng pháp sử dụng máy phát điện đồng bộ sử dụng nam châm
vĩnh cửu nối lƣới
Một số nghiên cứu hiện nay cho thấy mơ hìnhđiều khiển Tuabin gió nối lƣới
dùng máy phátđiện đồng bộ nam châm vĩnh cửu rất khả thi và có thể áp dụng rộng
rãi. Vì tốc độ gió ln thay đổi theo thời gian, để Tuabin vận hành tốiƣu với vận tốc
HVTH: ĐOÀN MINH DUY

Trang 10


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. LÊ THANH DANH

gió nhất định thì hệ thống Rotor phải có chức năng tựđiều chỉnh theo sự thayđổi của
vận tốc và hƣớng gió. Máy phátđiệnđồng bộ nam châm vĩnh cửu hồn
tồnđápứngđƣợcđiều này, vì từ thơng luôn tồn tại sẵn nhờ hệ thống nam châm vĩnh
cửu dán trên bề mặt Rotor. Máy phátđiện hoạt động với tốc độ vòng quay thấp
nhƣng nguồn điện năng sản xuất cao. Đây là những ƣu điểm chính khi Tuabin gió

sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Ngoài ra để điều khiển nối
lƣới, ta dùng 2 bộ nghịch lƣu, nghịch lƣu phía máy phát điện dùng điều chỉnh
hòađồng bộ cho máy phátđiện cũng nhƣ tách máy phátđiện ra khỏi lƣới khi cần
thiết, nghịch lƣu phía lƣới nhằm giữ ổn định điện áp mạch một chiều trung gian.
Nghịch lƣu 1

Máy
phát điện

Nghịch lƣu 2
Lƣới điện

Điều khiển
kết nối

Hình 1. 5: Sơ đồ cấu trúc cơ bản Tuabin gió nối lƣới
Kết luận:
+ Ƣu điểm: Chi phí thấp, tận dụng triệt để nguồn năng lƣợng gió để vận hành
máy phát điện đồng bộ thông qua việc gắn thêm nam châm vĩnh cửu lên trục Tuabin
gió. Máy phátđiện hoạt động với tốc độ vòng quay thấp nhƣng nguồn điện năng sản
xuất cao. Hệ thống sử dụng 2 bộ nghịch lƣu để điều khiển dòng điện ra ổn định hơn
và đảm bảo hệ thống đƣợc an tồn với cơ cấu đóng ngắt tự động.
+ Nhƣợc điểm: Việc sử dụng hai bộ nghịch lƣu để điều khiển dịng điện ra đã
làm thất thốt và giảm mức năng lƣợng đầu ra. Ngồi ra, hệ thống khơng có cơ chế
dự trữ năng lƣợng phù hợp, điều này gây lãng phí điện năng.

HVTH: ĐỒN MINH DUY

Trang 11

LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. LÊ THANH DANH

1.3.3. Phƣơng pháp điều khiển nối lƣới cho Tuabin gió kết hợp với
nguồn pin nhiên liệu
Ngàynaycùngvớisựpháttriểnmạnhmẽ của thế giới, nhu cầu sử dụng năng lƣợng
của

con

ngƣời

ngày

càng

tăng.

Nguồn

năng

lƣợng

tái

tạo

nóichung,nguồnnănglƣợnggióvànguồnpin nhiênliệunóiriênglàdạngnguồnnănglƣợng
sạch, khơng gây ơ nhiễm mơi trƣờng, đồng thời tiềm năng về trữ lƣợng các loại
năng lƣợng này ở nƣớc ta rất lớn. Theo số liệu của Ngân hàng Thế giới, tiềm năng
gió của Việt Nam (ở độ cao 65m) rất khả quan, ƣớc đạt 513.360MW, lớn hơn 200
lầncơngsuấtnhàmáythủyđiệnSơnLa.Cơng nghệ pin nhiên liệu sử dụng để phát điện
có thể đạt hiệu suất khoảng 47% so với việc dùng các nguồn nhiên liệu hóa thạch,
hiệu suất đạt khoảng 35%. Tuy nhiên, để khai thác, sửdụng nguồn năng lƣợng gió
và nguồn điện pin nhiên liệu sao cho hiệuquả, giảm phát thải các chất gây ô nhiễm
môi trƣờng, đặc biệt là khí (CO2) đang là mục tiêu nghiên cứu của nhiều quốc gia.
Hệ thống điều khiển nối lƣới cho Tuabin gió kết hợp với nguồn điện pin
nhiênliệunhằmhƣớngđếnpháttriểnlƣớiđiện thôngminhvàđiềukhiểnlinhhoạtcácnguồn
năng lƣợng tái tạo.
Về cấu tạo, hệ thống nối lƣới cho Tuabin gió kết hợp với nguồn điện pin nhiên
liệu bao gồm các thành phần cơ bản, nhƣ hình 9. Hệ thống Tuabin gió qua máy phát
điện cho ra điện áp (AC), qua bộ chỉnh lƣu điện áp ra một chiều (DC). Dựa vào mối
quan hệ giữa điện áp đầu ra vàápsuấtriêngphầncủahydro,oxyvànƣớc của mô hình
pin nhiên liệu màng trao đổi proton – PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel
Cell), Pin nhiên liệu cho ra điện áp một chiều (DC). Các điện áp một chiều (DC)
này qua bộ nghịch lƣu (DC/AC) đƣa ra điện áp (AC) nối lƣới.

HVTH: ĐOÀN MINH DUY

Trang 12