THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ 48MW

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN
----------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ 48MW
TẠI TỈNH TRÀ VINH

Giảng viên hướng dẫn:
Sinh viên thực hiện:
Mã sinh viên:
Ngành:
Lớp:
Niên Khóa:

ThS. NGUYỄN HỮU KHOA
BÙI VĂN ÁI
1883010103
CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
Đ13H12B
2018-2020

TP.Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2020


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU .............................................................................................................................................. 4
CHƯƠNG 1: LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG ĐIỆN GIÓ ............................. 5
1.1.

Tổng Quan Năng Lượng Gió ...................................................................................................... 5

1.2.

Lịch Sử Phát Triển Năng Lượng Điện Gió Trên Thế Giới ...................................................... 6

1.3.

Các Vấn Đề Về Năng Lượng Điện Gió Ở Việt Nam ................................................................. 9

1.4.

Quy Trình Đầu Tư Phát Triển Dự Án Điện Gió Tại Việt Nam .............................................14

CHƯƠNG 2: CẤU TẠO HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN GIÓ .....................................................16
2.1 Cánh (Blades) ...................................................................................................................................17
2.2 Hệ Thống Điều Chỉnh Góc Cánh (Pitch System) ..........................................................................18
2.3 Trục Cánh Quạt (Hub):...................................................................................................................19
2.4 Hệ Thống Điều Chỉnh Theo Hướng Gió (Yaw System)................................................................19
2.5 Trụ tháp (Tower) .............................................................................................................................20
2.6 Trục Truyền Động tuabin và Các Ổ Bi Đỡ Chặn .........................................................................21
2.7 Hệ Thống Hãm .................................................................................................................................23
2.8 Vỏ Tuabin (Nacelle) .........................................................................................................................23
2.9 Máy Phát ...........................................................................................................................................24
2.10 Máy biến thế ...................................................................................................................................33
2.11 Hệ thống điều khiển và bảo vệ ......................................................................................................33
CHƯƠNG 3: TỐC ĐỘ GIÓ VÀ SỰ PHÂN BỐ NĂNG LƯỢNG .........................................................34
3.1 Tốc Độ Gió Và Mối Quan Hệ Với Công Suất ................................................................................34
3.2 Công Suất Lấy Ra Từ Gió ...............................................................................................................34
3.3 Diện Tích Vùng Cánh Quạt Qt Qua ...........................................................................................35

3.4 Mật Độ Khơng Khí...........................................................................................................................35
3.5 Sự Phân Bố Tốc Độ Gió ...................................................................................................................36
3.6 Vấn Đề Truyền Động Trong Máy Phát ..........................................................................................40
CHƯƠNG 4: SỰ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG VÀ MÔ HÌNH HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIĨ ........43
4.1 Mối Quan Hệ Giữa Cơng Suất Và Tốc Độ.....................................................................................43
4.2 Mơ Hình Tuabin Gió .......................................................................................................................45
4.3 Máy Phát Doubly Fed Induction Generator (DFIG) ....................................................................49
4.4 Vận Hành Máy Phát Điện Gió Trong Hệ Thống Độc Lập ...........................................................53
4.5 Vận Hành Máy Phát Điện Gió Trong Hệ Thống Lớn ..................................................................57
4.6 Những yêu cầu khi kết nối máy phát vào hệ thống điện...............................................................58
CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ 48MW TẠI TỈNH TRÀ VINH ...........................64

Trang 2


Tổng Quan Nhà Máy .............................................................................................................................64
5.1 Giải Pháp Công Nghệ Nhà Máy .....................................................................................................65
5.2 Giải Pháp Xây Dựng Nhà Máy .......................................................................................................77
5.3 Giải Pháp Ðấu Nối Lưới Ðiện .........................................................................................................79
5.4 Giải Pháp Kỹ Thuật TBA 22/110kV ..............................................................................................80
5.5 Giải Pháp Kỹ Thuật Ðường Dây 110kV ........................................................................................86
5.6 Tổng mức đầu tư và phân tích tài chính dự án .............................................................................89
5.7 Đánh giá hiệu quả của dự án về mặt kinh tế - xã hội: ..................................................................91
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................................................92

Trang 3


LỜI NÓI ĐẦU
Trong cuộc sống hiện đại, điện năng rất cần cho cuộc sống sinh hoạt và phục

vụ sản suất trên mọi lĩnh vực. Nền kinh tế càng phát triển thì nhu cầu điện năng
càng tăng lên.
Nguồn nguyên liệu sơ cấp cho phát điện từ than đá hay dầu khí đang ngày
dần cạn kiệt và tác động xấu đến môi trường. Phát triển năng lượng bền vững là
mối quan tâm hàng đầu của các quốc gia trên thế giới nhằm đảm bảo nguồn cung
ứng điện lâu dài và giảm thiểu các tác động đến môi trường từ các nguồn năng
lượng hố thạch hay dầu khí. Sử dụng nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng
gió với tiềm năng vơ tận đã trở thành xu thế phát triển tất yếu của mọi quốc gia.
Việt Nam với lợi thế đường bờ biển trải dài hơn 3000 km và khí hậu cận nhiệt
đới gió mùa đã được khảo sát và đánh giá có tiềm năng gió lớn trong khu vực.
Việc xây các nhà máy điện gió là một giải pháp có thể giúp nâng cao sản lượng
điện của Việt Nam trong những năm tới. Theo lộ trình, Việt Nam sẽ phát triển
800 MW điện gió vào năm 2020, chiếm khoảng 0,8% tổng nhu cầu điện. Mục
tiêu là phát triển 2.000 MW điện gió vào năm 2025 và 6.000 MW vào năm 2030.
Xuất phát từ nhu cầu thực tế chung, cùng với những kiến thức chuyên ngành
đã được học, em đã được giao thực hiện đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống điện
gió 48MW tại tỉnh Trà Vinh.
Trong thời gian thực hiện đồ án, với sự nỗ lực của bản thân và được sự giúp
đỡ tận tình của các thầy giáo, đặc biệt là ThS. Nguyễn Hữu Khoa em đã hoàn
thành bản đồ án này. Em mong nhận được sự đánh giá nhận xét của các thầy cơ
giúp em hồn thiện đề tài và phát triển ứng dụng trong thực tế công việc sau này.
Em xin chân thành cảm ơn!
Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2020
Sinh viên

Bùi Văn Ái

Trang 4

Chương 1: Lịch Sử Phát Triển Và Hiện Trạng Sử Dụng Điện Gió

CHƯƠNG 1: LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG ĐIỆN
GIĨ
1.1. Tổng Quan Năng Lượng Gió
Sử dụng năng lượng gió là một trong các cách lấy năng lượng xa xưa nhất từ môi
trường tự nhiên và đã được biết đến từ thời kỳ Cổ đại. Người Ai Cập lợi dụng sức
gió đẩy cánh buồm để đưa tàu ra khơi từ những năm 3500 trước Công nguyên, người
châu Âu những năm 600 sau Công nguyên sử dụng cối xay gió để xay xát lúa mỳ…
Cho đến khi đầu thế kỷ 20 năng lượng gió được sử dụng nhằm cung cấp lực cơ học
cho việc bơm nước hay cối xay thóc. Ở thời điểm bắt đầu của nền cơng nghiệp hiện
đại, việc dùng nguồn năng lượng gió được thay thế bởi những loại động cơ đốt trong
hay hệ thống điện mà nó được xem như một nguồn năng lượng ổn định và thích hợp
nhất.
Vào đầu năm thập niên 70 thế kỷ trước với cơn sốt giá dầu đầu tiên, nổi bật nhất
là sự xuất hiện trở lại của năng lượng gió. Thời gian này, sự nổi bật chính là dùng
năng lượng gió thay thế năng lượng cơ để kéo máy phát điện. Phương pháp này nó
có thể cung cấp nguồn năng lượng điện tin cậy và xác thực hơn sử dụng các kỹ thuật
năng lượng khác.
Đến nay trên thế giới vẫn sử dụng chủ yếu các nguồn năng lượng hóa thạch (khoảng
80%) như: than, dầu mỏ, các sản phẩm từ dầu mỏ, khí thiên nhiên và chỉ 20% cho
các loại năng lượng tái tạo như gió, nắng, thủy điện, sinh khối… và năng lượng
nguyên tử.

Hình: Tỷ lệ các nguồn điện năng và tổng các năng lượng năm 2019
Tuy nhiên các nguồn năng lượng than đá và dầu mỏ đang dần cạn kiệt và nó gây phát
thải các khí thải ảnh hưởng lớn tới môi trường.
Ngày nay, phát triển năng lượng bền vững là mối quan tâm hàng đầu của các quốc
gia trên thế giới nhằm đảm bảo nguồn cung ứng điện lâu dài và giảm thiểu các tác
Trang 5

Chương 1: Lịch Sử Phát Triển Và Hiện Trạng Sử Dụng Điện Gió

động đến mơi trường từ các nguồn năng lượng hoá thạch. Sử dụng nguồn năng lượng
tái tạo (năng lượng gió, mặt trời, sinh khối…) với tiềm năng vơ tận đã trở thành xu
thế phát triển tất yếu của mọi quốc gia.
Sản xuất điện năng từ nguồn năng lượng gió là một ngành cơng nghiệp đã và đang
phát triển rất mạnh mẽ cùng với sự tiến bộ không ngừng về cơng nghệ chế tạo các
thành phần của nó, đáp ứng nhu cầu năng lượng của con người ngày càng lớn, tạo ra
hàng triệu việc làm mới từ chuỗi sản xuất, cung ứng và vận hành các hệ thống năng
lượng gió. Là nguồn năng lượng bền vững và lâu dài, năng lượng gió là một giải
pháp thay thế tiềm năng cho các nguồn năng lượng truyền thống (than đá, dầu,
khí…). Tính sẵn có của nguồn năng lượng này lớn hơn rất nhiều so với nhu cầu năng
lượng trong tương lai có thể dự báo được.
1.2. Lịch Sử Phát Triển Năng Lượng Điện Gió Trên Thế Giới
Tuabin gió đầu tiên cho việc phát điện đã được thuyết minh vào thời gian đầu của
thế kỷ 20, kỹ thuật được cải tiến từng bước đến thập niên 70, vào cuối thập niên 90
năng lượng gió đã quay trở lại như nột trong những nguồn năng lượng quan trọng.
Kỹ thuật năng lượng gió bản thân nó cũng phát triển về kích cỡ và cơng suất rất
nhanh, vào năm 1985 công suất là 55kw cho cánh quạt có chiều dài là 15m, đến năm
1995 cơng suất là 1500kw cho cánh quạt có chiều dài là 66mm, đến 2018 cơng suất
là 8000kw cho cánh quạt có chiều dài là 180m:

Hình: Lịch sử phát triển kích cỡ và cơng suất tuabin gió trên thế giới
Ngồi phát triển về kích cỡ và cơng suất chế tạo thì cơng suất lắp mới hàng năm trên
thế giới của tuabin gió và điện mặt trời cũng đang tăng lên nhanh chóng vượt xa với
các nguồn năng lượng tái tạo còn lại.
Trang 6

Chương 1: Lịch Sử Phát Triển Và Hiện Trạng Sử Dụng Điện Gió

(Nguồn: Renewables 2020 Global Status Report)

Hình: Cơng suất lắp mới các nguồn năng lượng tái tạo trên toàn thế giới

(Nguồn: Renewables 2020 Global Status Report)

Hình: Biểu đồ tổng cơng suất lắp đặt nhà máy điện gió trên tồn thế giới và
phần công suất bổ sung từ năm 2009 đến năm 2019
Riêng trong năm 2019 trên thế giới có thêm 60GW cơng suất điện gió được đầu tư
xây dựng và đưa vào sử dụng, nâng tổng công suất lắp đặt điện gió trên thế giới lên
đến 651GW.

Trang 7


Chương 1: Lịch Sử Phát Triển Và Hiện Trạng Sử Dụng Điện Gió

(Nguồn: Renewables 2020 Global Status Report)

Hình: Tổng cơng suất lắp điện gió ở 10 nước đứng đầu thế giới và phần công
suất bổ sung riêng năm 2019.
Riêng ở châu Á, Trung Quốc và Ấn Ðộ là các nước có tốc độ tăng truởng đầu tư lắp
đặt nhà máy điện gió cao nhất tính đến năm 2019. Như ta có thể thấy, từ năm 2009
đến nay, điện gió ln là nguồn thu hút vốn lớn của các chủ đầu tư trên tồn thế giới.

(Nguồn: Renewables 2020 Global Status Report)

Hình: Xu hướng đầu tư vào năng lượng tái tạo từ năm 2009 đến 2019
Theo ước tính từ báo cáo Renewables 2020 Gloabal Status Report của REN21, từ
năm 2018-2019 chi phí giá thành điện năng quy dẫn (LCOE) của các nhà máy điện
gió trên bờ đã giảm 10% và 28% đối với dự án điện gió ngồi khơi. LCOE giảm là
sự kết hợp giữa việc giảm chi phí vốn đầu tư và hiệu suất của các tuabin gió ngày
càng được cải thiện. Mức LCOE đã giảm đáng kể tại tất cả các khu vực trên thế giới.

Trang 8


Chương 1: Lịch Sử Phát Triển Và Hiện Trạng Sử Dụng Điện Gió

Ðó là bằng chứng cho thấy các bước tiến của việc chi phí lắp đặt các tuabin gió đang
đạt tới mức độ cạnh tranh nhất.
1.3. Các Vấn Đề Về Năng Lượng Điện Gió Ở Việt Nam
Nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài, Việt Nam có thuận lợi
cơ bản để phát triển năng lượng gió. So sánh tốc độ gió trung bình trong vùng biển
Ðông Việt Nam và các vùng biển lân cận cho thấy gió tại biển Ðơng khá mạnh và
thay đổi nhiều theo mùa. Việt Nam có tiềm năng gió rất lớn, với tổng tiềm năng
phong điện ước đạt 513.360 MW.
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 tồn lãnh thổ với cơng suất kỹ thuật
1.785MW. Trong đó miền Trung được xem là có tiềm năng gió lớn nhất cả nước với
khoảng 880 MW tập trung ở hai tỉnh Quảng Bình, Quảng Trị và Bình Ðịnh, tiếp đến
vùng có tiềm năng thứ hai là miền Nam Trung Bộ với công suất khoảng 855MW,
tập trung ở hai tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận.
Bảng: Tiềm năng năng lượng gió trên đất liền Việt Nam

Trang 9

Chương 1: Lịch Sử Phát Triển Và Hiện Trạng Sử Dụng Điện Gió

(Nguồn: EVN, 2007)

Hình: Ðịa điểm đặt các trạm đo gió của EVN và các chủ đầu tư khác
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 2.200MW (tốc độ gió trung bình năm trên 7m/s).
Tiềm năng năng lượng gió tại Việt Nam:

Trang 10


Chương 1: Lịch Sử Phát Triển Và Hiện Trạng Sử Dụng Điện Gió

Nguồn: GIZ

Hình: Bản đồ tài ngun gió và quy hoạch điện gió của Việt Nam
Trong khn khổ hợp tác giữa Bộ Công thương (MoIT) và Dự án Năng lượng Gió
GIZ (Hợp tác Phát triển Ðức 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 ở 3 độ cao 80, 60, và 40m so với bề mặt đất). Áp
dụng các tiêu chuẩn IEC 61400-12 trong suốt q trình đo gió, Dự án này được mong
Trang 11


Chương 1: Lịch Sử Phát Triển Và Hiện Trạng Sử Dụng Điện Gió

đợi sẽ cung cấp dữ liệu gió có tính đại điện cho các vùng có tiềm năng gió của Việt
Nam để phục vụ cho phát triển điện gió trong thời gian tới.
Cho đến nay, có rất nhiều dự án điện gió đã được xây dựng trên lãnh thổ Việt Nam.
Ngồi ra cịn nhiều dự án đang trong q trình xin thủ tục và chủ trương đầu tư.
Bảng: Các nhà máy điện gió đã và đang vận hành tại Việt Nam
STT

Tên nhà máy

Chủ đầu tư

Năm vận
hành
2003 tới
2006 dừng

Tổng công ty điện lực Việt
850kW
Nam
Cty CP Năng lượng Tái tạo
2 Tuy Phong 1 (Bình Thuận)
30MW
03/2011
Việt Nam
3 Đảo Phú Quý (Bình Thuận) PVN chuyển giao EVN
6MW
08/2012
4 Bạc Liêu – giai đoạn 1
Cty XD-TM-DL Công Lý
16MW

08/2013
5 Bạc Liêu – giai đoạn 2
Cty XD-TM-DL Cơng Lý
83,2MW 05/2016
Phú Lạc – giai đoạn 1 (Bình Cty CP Phong điện Thuận
6
24MW
09/2016
Thuận)
Bình (TBW)
7 Hướng Linh 2 (Quảng Trị) Cty Tân Hoàn Cầu
30MW
05/2017
Đầm Nại – giai đoạn 1
Cty TSV & Cty The Blue
8
7,8MW 01/2018
(Ninh Thuận)
Circle
Đầm Nại – giai đoạn 2
Cty TSV & Cty The Blue
9
30MW
03/2019
(Ninh Thuận)
Circle
10 Mũi Dinh (Ninh Thuận)
Cty EAB Newenergy GmbH 37,6MW 04/2019
Trung Nam – giai đoạn 1
11

Cty CP ĐT-XD Trung Nam 39,95MW 05/2019
(Ninh Thuận)
Trung Nam – giai đoạn 2
12
Cty CP ĐT-XD Trung Nam
64MW
11/2019
(Ninh Thuận)
13 Hướng Linh 1 (Quảng Trị) Cty Tân Hồn Cầu
30MW
03/2020
Cơng ty CP Phong điện Miền
14 Phương Mai 3 - giai đoạn 1
21MW
05/2020
Trung
Tổng đang vận hành
419,55MW
Điện gió trên bờ của Việt Nam được chia thành 6 vùng. Theo tổng hợp, cơng suất
điện gió trên bờ đã được phê duyệt và đang trình bổ sung quy hoạch như sau:
Bảng: Quy hoạch điện gió các tỉnh dự kiến tới năm 2030:
Đã được bổ sung quy
Tên vùng
Đã đăng ký đầu tư (MW)
hoạch (MW)
Bắc bộ
Bắc Trung bộ
372
Trung Trung bộ
560

2.522
Tây Ngun
286,8
10.174
1

Đảo Bạch Long Vĩ (Hải
Phịng)

Cơng suất

Trang 12


Chương 1: Lịch Sử Phát Triển Và Hiện Trạng Sử Dụng Điện Gió

Nam Trung bộ
Nam bộ
Tồn quốc

2.030
2.099
4.975,8

2.461
14.775
30.304

Theo báo cáo của Viện Năng lượng năm 2020, tổng tiềm năng kỹ thuật điện gió
ngồi khơi của nước ta là khoảng 160 GW, trong đó Quảng Ninh (11 GW); Hà

Tĩnh (4,4 GW); Ninh Thuận (25 GW); Bình Thuận (42 GW); Trà Vinh (20 GW).
Có thể nhận thấy tiềm năng năng lượng gió tại Việt Nam là rất lớn và là ngành kinh
tế năng lượng có triển vọng phát triển cao. Trong các năm trở lại đây, với các cơ chế
khuyến khích phát triển năng lượng tái tạo, đặc biết là cơ chế khuyến khích về giá
đã được Thủ Tuớng Chính phủ quy định tại Quyết định số 39/2018/QÐ-TTg ngày
10/9/2018, thị trường điện gió trong nước được dự báo sẽ có những tiến triển đáng
kể.

Trang 13


Chương 1: Lịch Sử Phát Triển Và Hiện Trạng Sử Dụng Điện Gió

1.4. Quy Trình Đầu Tư Phát Triển Dự Án Điện Gió Tại Việt Nam
Tổng hợp các giai đoạn đầu tư phát triển dự án điện gió tại Việt Nam:

Giai đoạn A: Chuẩn bị

Giai đoạn B: Phát triển dự án:

Trang 14


Chương 1: Lịch Sử Phát Triển Và Hiện Trạng Sử Dụng Điện Gió

Giai đoạn C: Thực hiện dự án; Giai đoạn D: Vận hành và bảo dưỡng

Trang 15

Chương 2: Cấu Tạo Hệ Thống Năng Lượng Điện Gió

CHƯƠNG 2: CẤU TẠO HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN GIÓ
Hệ thống tuabin điện gió thơng thường gồm các thành phần sau:















Cánh quạt (Blades)
Hệ thống điều chỉnh góc cánh (Pitch system)
Trục cánh quạt (Hub)
Hệ thống điều chỉnh theo hướng gió (Yaw system)
Tháp (Tower)
Trục truyền động và các ổ bi đỡ chặn
Hệ thống bánh răng chuyển đổi tốc độ (Gearbox )
Hệ thống hãm (Brake)
Hệ thống thủy lực (Hydraulic Station)
Máy phát điện (Generator)
Máy biến thế (Transformers)

Vỏ tuabin (Nacelle)
Hệ thống điều khiển và bảo vệ (Controller)
Một số hệ thống khác

Hình: Cấu tạo chung của một tuabin gió điển hình

Trang 16


Chương 2: Cấu Tạo Hệ Thống Năng Lượng Điện Gió

2.1 Cánh (Blades)
Cánh tuabin có nhiệm vụ trích xuất năng lượng động học của gió và chuyển đổi nó
thành cơ năng quay trục truyền động như mô men dẫn động và tốc độ quay của tuabin
tương ứng với tốc độ gió nhất định. Tất cả các dạng cánh của tuabin gió là được thiết
kế để nhận năng lượng từ luồng không khí chuyển động.

Hình: Các loại cánh tuabin gió
Về mơ hình cánh tuabin gió, dựa trên mơ hình loại trục đứng và trục ngang, sẽ phát
triển nhiều đạng cánh khác nhau. Ðến thời điểm hiện tại, mơ hình tuabin gió trục
ngang với 3 cánh đang phổ biến.
Các tuabin gió trục ngang có một, hai hoặc ba cánh quạt. Để tối ưu giữa hiệu suất và
chi phí chế tạo, trong những năm gần đây thường sử dụng nhất là loại ba cánh quạt.
Theo nguyên lý động lực học thì tốc độ quay tối ưu mà các cánh đồng gió thường
hoạt động là ở tốc độ đỉnh là 60m/s - 70m/s, ở trừng hợp này thì loại ba cánh quạt có
hiệu suất cao hơn loại hai cánh quạt từ 2% - 3%.
Cánh được thiết kế để nhận lực nâng của gió bằng cách tạo các áp lực khác nhau lên
hai bề mặc cánh quạt, để hiệu suất đạt giá trị cao nhất thì cánh quạt phải được vặn
xoắn và vót thon dài.

Trang 17


Chương 2: Cấu Tạo Hệ Thống Năng Lượng Điện Gió

Hình: Cánh tuabin V100 của hãng Vestas với bán kính dài 49m

Cấu tạo và nguyên lý cánh tuabin
Vật liệu cánh quạt: Gỗ là một cấu trúc composite tự nhiên với mật độ thấp, độ bền
tốt, nhưng bị hạn chế là không chịu được ẩm, tuy nhiên trong kỹ thuật vấn đề này đã
được khắc phục. Đến nay, hầu hết cánh quạt điều được làm bằng fibre thủy tinh hoặc
fibre được gia cố thêm polyester hoặc epoxy.
2.2 Hệ Thống Điều Chỉnh Góc Cánh (Pitch System)
Dùng cho những loại tuabin gió điều chỉnh góc tấn cánh theo tốc độ gió khác nhau,
hệ thống điều khiển dùng để điều chỉnh góc cánh quạt cho những công suất vào khác
nhau và ở một tốc độ gió cao với mức cơng suất nhận được tối ưu và khơng q giới
hạn khi gió tăng cao. Hệ thống điều chỉnh góc cánh cịn có chức năng hãm động lực

Trang 18


Chương 2: Cấu Tạo Hệ Thống Năng Lượng Điện Gió

để dừng tuabin khi cần sửa chữa hoặc dừng khẩn cấp sự cố. Đối với tuabin gió ba
cánh quạt thì cơ cấu chấp hành điều chỉnh góc cánh mỗi một cánh quạt sẽ có một
động cơ hoặc một xylanh thủy lực.

Hình: Hệ thống Pitch dùng kiểu động cơ và kiểu xylanh thủy lực
2.3 Trục Cánh Quạt (Hub):
Trục cánh quạt dùng để kế nối các cánh quạt lại với nhau và nối với trục truyền động

chính. Trục cánh quạt cịn là nơi lắp hệ thống điều chỉnh góc cánh ở trên.

Hình: Trục cách quạt (Hub)
2.4 Hệ Thống Điều Chỉnh Theo Hướng Gió (Yaw System)
Hệ thống dùng để điều chỉnh cho tuabin luôn ln hướng về hướng gió chính khi có
sự thay đổi hướng gió.
Hệ thống có các động cơ, bộ encoder đo góc quay và các vành bánh răng kết
nối giữa khung đỡ vỏ tuabin và đầu trụ tháp dùng điều chỉnh hướng tuabin dùng để
điều chỉnh tuabin đúng với hướng gió khi hướng gió thay đổi. Khi góc quay quá 7200

Trang 19


Chương 2: Cấu Tạo Hệ Thống Năng Lượng Điện Gió

so với vị trí cài đặt ban đầu hệ thống tự động dừng tuabin và quay ngược lại để tránh
xoắn cáp điện bên trong tháp tuabin.

Encoder của
hệ thống
chống xoắn
cáp điện

Hình: Các động cơ và vành điều chỉnh hướng tuabin
2.5 Trụ tháp (Tower)
Trụ dùng để đỡ và lắp toàn bộ các thiết bị tuabin ở độ cao phù hợp. Bởi vì tốc độ gió
tăng lên nếu trụ càng cao, trụ đỡ cao hơn để thu được năng lượng gió nhiều hơn và
phát ra điện nhiều hơn.
Loại chung nhất của tháp là loại trụ và loại mắt cáo (những thanh thép hình được
ghép lại với nhau), kết cấu của chúng làm bằng thép hoặc bê tơng đối với một tuabin

gió nhỏ có thể xích lại bằng dây.
Tuy theo vị trí lắp đặt tuabin cịn có các loại nền móng để lắp trụ tháp tuabin lên như
tuabin trên đất liền thường là móng đài bê tơng, móng cọc đài bê tơng; với tuabin
trên biển thì có các loại móng cóc thép đơn, móng 3 cọc thép, móng 4 cọc thép, móng
cọc bê tơng đài cao hay dạng phao nổi kèm cáp neo.

Trang 20


Chương 2: Cấu Tạo Hệ Thống Năng Lượng Điện Gió

Hình: Các kiểu tháp trụ tuabin gió
Tháp dạng trụ: Dạng chung nhất của tháp loại trụ là bằng thép và được chế tạo từng
đốt dạng hình ống thon dần từ gốc đến ngọn. Thích hợp cho vùng có thời tiết xấu và
đạt được chiều cao lớn, thường có kích thước từ 80 – 125m.

Hình: Cột tuabin gió dạng tháp trụ thép và tháp trụ bê tông kết hợp trụ thép
2.6 Trục Truyền Động tuabin và Các Ổ Bi Đỡ Chặn
Trục truyền động của tuabin gió để truyền động mơmen từ trục cánh tới hộp bánh
răng tăng tốc, trục chính quay tốc độ thấp khoảng 4-18 vòng/phút.

Trang 21


Chương 2: Cấu Tạo Hệ Thống Năng Lượng Điện Gió

Hộp số (Gear box): Ðược sử dụng để chuyển năng lượng cơ học và tăng tốc độ quay
từ trục quay tốc độ thấp đến trục quay có tốc độ cao. Để nhỏ gọn và đảm bảo truyền
động tăng tốc thì thường dùng loại hộp số hành tinh.

Hình: Hộp số điển hình của Tuabin gió

Trang 22


Chương 2: Cấu Tạo Hệ Thống Năng Lượng Điện Gió

2.7 Hệ Thống Hãm
Cơng suất gió tỷ lệ lũy thừa bật ba với vận tốc gió. Vì vậy cơng suất này sẽ thay đổi
rất lớn khi vận tốc gió thay đổi, khi tốc độ gió cao làm cho cơng suất gió rất lớn sẽ
làm ảnh hưởng lớn đến độ bền cơ hoặc hư hỏng tuabin gió, để hạn chế vấn đề này
thì trong tuabin gió phải được thiết kế một bộ hãm.
Hãm động lực: Hãm động lực hoạt động bằng giảm mức độ nhận năng lượng của
cánh quạt hay sự thay đổi góc của cánh quạt để ngăn cản độ lớn của lực động lực tác
dụng lên cánh quạt, hãm động lực được ưa thích hơn hãm cơ.
Hãm cơ: Hãm cơ được đặt trên trục truyền động làm hạn chế tốc độ quay của tuabin
và có thể làm cho tuabin hồn tồn dừng hẳn, vị trí đặt thích hợp là trục truyền động
nhanh, đầu ra của hộp tăng tốc (gear box).
2.8 Vỏ Tuabin (Nacelle)
Vỏ tuabin được đặt ở đỉnh tháp, và nó dùng để chứa đựng các bộ phận như: hộp bánh
răng, các trục tốc độ, máy phát, hệ thống hãm, máy biến thế, các tủ điện…Vỏ này
thông thường được làm bằng khung dầm thép xung quanh bọc composite và được
thiết kế lớn có cửa thơng lên nóc để các cơng nhân có thể đứng làm việc bên trong
và bên trên nóc.

Trang 23


Chương 2: Cấu Tạo Hệ Thống Năng Lượng Điện Gió

2.9 Máy Phát
Máy phát điện là thiết bị biến đổi cơ năng thành điện năng thông thường sử dụng
nguyên lý cảm ứng điện từ. Máy phát điện là thiết bị chính có thể đươc ví như là trái
tim của nhà máy phát điện.
Các máy phát điện cơ bản bao gồm một stator và một rotor. Stator là thành phần cố
định của máy phát thường được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện có rãnh để gắn các
cuộn dây theo một quy luật nhất định. Rotor là thành phần quay của máy phát, trục
rotor nhận mô men quay từ trục tuabin truyền qua hộp bánh răng.
Máy phát sử dụng trong tuabin gió có các loại: máy phát điện một chiều (DC), máy
phát điện xoay chiều đồng bộ (SG), máy phát điện xoay chiều không đồng bộ (AG).
Máy phát điện một chiều (DC) thường dùng cho các tuabin gió nhỏ dùng để nạp ắc
quy hay chiếu sáng cho hộ gia đình khi chưa có lưới điện.
Hiện nay tuabin gió cỡ lớn sử dụng nhiều trong công nghiệp chủ yếu thường sử dụng
máy phát điện xoay chiều đồng bộ và máy phát điện xoay chiều không đồng bộ.
Trong máy phát xoay chiều, rotor chịu trách nhiệm tạo ra từ trường quay cho máy
phát. Một rotor có thể chứa nam châm vĩnh cửu, nam châm điện hoặc roto lồng sóc
tạo ra từ trường quay cùng trục rotor. Nhờ vào đó, từ trường quay đặt lên các cuộn
dây của stator và cảm ứng một điện áp trên các cực của stator. Khi tốc độ quay của
từ trường stator bằng tốc độ quay của từ trường rotor, máy phát được gọi là máy phát
đồng bộ, nếu khơng thì gọi là máy phát khơng đồng bộ.

Hình: Phân loại máy phát xoay chiều trong điện gió

Trang 24


Chương 2: Cấu Tạo Hệ Thống Năng Lượng Điện Gió

Máy điện đồng bộ
Máy phát đồng bộ (SG) hoạt động với tốc độ đồng bộ, phụ thuộc vào tần số của lưới

điện, bất chấp độ lớn của mô men xoắn đặt lên.
Tốc độ của SG được xác định bằng tần số của từ trường quay và bằng số cặp cực của
rotor. Nếu máy phát SG có số lượng cực phù hợp nhất định (ví dụ: cơ cấu đa cực) nó
có thể được sử dụng trong các ứng dụng truyền động trực tiếp mà không cần đến hộp
số.
Máy phát SG không cần đến dịng kích từ, khơng tiêu thụ cơng suất phản kháng và
vì thế khơng cần đến thiết bị bù cơng suất phản kháng.
Hai loại SG điển hình thường được sử dụng trong cơng nghiệp tuabin gió:
Máy phát đồng bộ sử dụng nam châm vĩnh cửu (PMSG) có một stator dây quấn,
trong khi roto được trang bị một hệ thống cực bằng nam châm vĩnh cửu. Loại máy
phát này có hiệu suất cao vì khơng cần bất kỳ nguồn năng lượng kích thích nào. Tuy
nhiên những vật liệu được sử dụng để sản xuất các nam châm vĩnh cửu tương đối đắt
đỏ và khó sản xuất. Thêm vào đó, việc sử dụng các nam châm vĩnh cửu để kích từ
yêu cầu trang bị thêm một bộ chuyển đổi công suất cùng kích cỡ để điều chỉnh điện
áp và tần số máy phát đồng bộ với điện áp và tần số của lưới điện truyền tải tương
ứng.
Máy phát đồng bộ rotor dây quấn (WRSG) phổ biến trong công nghiệp điện năng
như thủy điện, nhiệt điện. Các cuộn dây stator của chúng được kết nối với lưới điện
và vì thế tốc độ quay hoàn toàn tuân theo tần số của lưới điện. Cuộn dây rotor, nơi
có dịng điện một chiều chạy qua là một nam châm điện, tạo ra từ trường kích thích
quay với tốc độ đồng bộ.
Máy điện không đồng bộ
Máy điện không đồng bộ hầu hết là dùng để truyền động cho tải cơ và phát điện.
Máy điện không đồng bộ ba pha có dây quấn stator nối với lưới điện, nhờ hiện tượng
cảm ứng điện từ có được sức điện động cảm ứng và dòng điện bên dây quấn rotor.
Máy phát khơng đồng bộ có một vài ưu điểm như mạnh mẽ, cơ khí đơn giản và được
chế tạo quy mô rộng, đa dạng với giá thành thấp. Nhược điểm lớn của chúng là stator
cần có dịng kích từ. Vì máy phát không đồng bộ không được trang bị các nam châm
vĩnh cửu và khơng được kích từ riêng rẽ, chúng tiêu thụ cơng suất phản kháng để tạo
kích thích. Cơng suất phản kháng có thể được cung cấp từ lưới điện hoặc các thiết bị

điện tử công suất.
Trong các máy phát không đồng bộ, một điện trường được sản sinh giữa rotor và từ
trường quay stator qua chuyển động tương đối gọi là chuyển động trượt tạo ra một
Trang 25