Nghiên cứu tìm năng và quy hoạch phát triển năng lượng gió ở việt nam

Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------

HOÀNG HỮU THỜI

NGHIÊN CỨU TIỀM NĂNG VÀ QUY
HOẠCH PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG GIÓ Ở
VIỆT NAM
Chuyên ngành: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN
Mã số ngành: 60.52.50

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2006


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS. NGUYỄN BỘI KHUÊ

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày

tháng 7 năm 2006


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
TP. HCM, ngày

tháng

năm 2006

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Hoàng Hữu Thời

Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 15-04-1976

Nơi sinh: Đắc Lắc

Chuyên nghành: Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện

MSHV: 01804514

I-

TÊN ĐỀ TÀI:
Nghiên cứu tiềm năng và quy hoạch phát triển năng lượng gió ở Việt Nam

II-

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

-

Giới thiệu tổng quan về năng lượng gió.

-

Ứng dụng lý thuyết mờ (fuzzy logic) để quy hoạch phát triển năng lượng
gió ở việt nam.

-

Phương pháp đo gió & sử dụng số liệu đo gió ở đảo Phú Quốc để khảo sát
quy luật thay đổi của tốc độ gió theo độ cao và tính gồ ghề của mặt đất.

-

Vận hành nhà máy điện gió trong hệ thống điện.

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06-02-2006
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 06-07-2006
V-

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS. TS. Nguyễn Bội Khuê

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM NGÀNH

CN BỘ MÔN
QL CHUYÊN NGÀNH

PGS. TS. Nguyễn Bội Khuê

----------------------------

----------------------------

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được hội đồng chun ngành thơng qua.
Ngày

tháng

năm 2006

TRƯỞNG PHỊNG ĐT – SĐH

TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH

----------------------------

----------------------------

LỜI CẢM ƠN
Trước hết tôi xin chân thành cảm ơn thầy PGS. TS. Nguyễn Bội Khuê đã tận tình
giúp đỡ và hướng dẫn tơi hồn thành tốt luận văn này. Kế đến tôi cũng muốn gửi lời
cảm ơn đến các Thầy, Cơ trong khoa Điện – Điện Tử và Phịng Đào Tạo Sau Đại Học
đã tạo mọi điều kiện thuận lợi trong q trình học tập.
Và sau cùng tơi xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Công ty Điện lực 2, bạn bè,
đồng nghiệp và Lãnh đạo phòng Kỹ thuật sản xuất - Công ty Điện lực 2 và đặc biệt là
ThS. Quách Lâm Hưng đã hỗ trợ và tạo mọi điều kiện cho tơi trong q trình học tập
và thực hiện luận văn này.

TP. HCM, ngày 24 tháng 6 năm 2006.
Hoàng Hữu Thời


Chương 0: Giới Thiệu Đề Tài

Chương: 0

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
0.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Năng lượng điện thực sự không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại và là một lĩnh
vực hết sức cơ bản để phát triển kinh tế xã hội của một quốc gia. Thực vậy, thế kỷ 21
là thế kỷ của công nghệ thông tin, công nghệ tự động, cơng nghiệp hóa nơng nghiệp.
Cùng với xu hướng tồn cầu hóa hiện nay thì chủ trương cơng nghiệp hóa hiện đại hóa
đất nước của nhà nước ta đã đặt ngành Điện lực thành cơ sở hạ tầng để phát triển kinh
tế và là thước đo cho sự phát triển kinh tế xã hội của nước nhà.
Để thực hiện thắng lợi chủ trương trên, ngành điện phải đi trước một bước để đáp
ứng được nhu cầu về năng lượng cho các ngành cơng nghiệp khác và khơng cịn cách
nào khác là phải tập trung phát triển thật nhanh các loại nguồn phát điện. Các loại hình

nguồn điện có thể phát triển hiện nay là: Thủy điện, Nhiệt điện, Điện hạt nhân và các
nguồn năng lượng tái tạo khác. Tuy nhiên, trong quá trình quy hoạch và phát triển các
loại nhà máy trên thì có nhiều tiêu chí được đặt ra và một trong những tiêu chí được
nhiều quốc gia quan tâm hiện nay là sự tác động đến môi trường sống như: ơ nhiễm
khơng khí, ơ nhiễm nguồn nước,…
Thực vậy, trong các năm qua nền kinh tế nước ta đã có rất nhiều chuyển biến tích
cực với tốc độ phát triển phụ tải điện bình quân là 15%/năm. Tuy nhiên, về cơ bản với
sự quy hoạch các loại nguồn điện hiện nay vẫn chưa đáp ứng được sự tăng trưởng phụ
tải và thực tế năm 2005 & 2006 chúng ta phải nhập khẩu điện từ các nước lân cận để
đáp ứng một phần nhu cầu phụ tải. Trong thời gian qua, với sự tăng giá của thị trường
dầu mỏ thế giới và những tác động bất lợi từ điều kiện tự nhiên đã gây cho ngành điện
khơng ít khó khăn trong việc huy động nguồn phát điện, đứng trước những khó khăn
trên địi hỏi ngành điện phải có một tầm nhìn chiến lược để phát triển đa dạng hóa các
loại nguồn nhằm đáp ứng được sự tăng trưởng bền vững của kinh tế nước nhà.
Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ chế tạo máy
phát điện gió cùng với những ưu việt mà máy phát điện gió mang lại thì nguồn năng
lượng này đã trở thành một nguồn năng lượng thực sự cạnh tranh trên thị trường nguồn
điện cho các nhà đầu tư vào lĩnh vực này.
Nước ta là một nước có khí hậu nhiệt đới với vị trí địa lý tương đối đặc trưng,
phía đơng là bờ biển kéo dài trên 3000km phía tây là dảy Trường Sơn với địa hình đồi
núi cao. Với địa lý như vậy đã gây ra khơng ít khó khăn cho phát triển kinh tế xã hội
đất nước, tuy nhiên bên cạnh đó nó cũng mang lại rất nhiều thuận lợi để phát triển
nguồn điện như: thủy điện, năng lượng mặt trời, năng lượng gió,…
Với vị trí địa lý như mơ tả trên thì chúng ta có một tiềm năng lớn để phát triển
nguồn năng lượng gió. Cụ thể dựa vào [9] thì tiềm năng năng lượng gió ở độ cao 65m
cho khu vực đất liền của nước ta là 513.450 MW. Mặt khác chúng ta có rất nhiều
thuận lợi để xây dựng các cánh đồng gió ở các khu vực dọc theo dãy Trường Sơn là

Trang 1/121

Chương 0: Giới Thiệu Đề Tài

những năm gần đây nhà nước đã đầu tư xây dựng và cơ bản hoàn tất tuyến đường quốc
lộ đi dọc theo dãy Trường Sơn.
Với một tiềm năng lớn như vậy thì Tổng Cơng Ty Điện Lực Việt Nam - EVN là
một doanh nghiệp nhà nước hoạt động trong lĩnh vực kinh doanh điện năng phải nhanh
chóng xúc tiến hướng quy hoạch và phát triển năng lượng gió. Để thực hiện phát triển
nguồn năng lượng này thì chúng ta đã có được rất nhiều bài học kinh nghiệm của các
nước đi trước như: cách đo gió, cơng suất tổ máy, độ cao lắp đặt, tính ổn định khi nối
vào hệ thống lớn,… để xây dựng những cánh đồng gió phù hợp với điều kiện địa lý
thực tế.
Với những yêu cầu và tiềm năng nêu trên, luận án tập trung nghiện cứu về
phương pháp quy hoạch phát triển năng lượng gió, nghiên cứu quy luật thay đổi của
tốc độ gió theo độ cao và độ gồ ghề của mặt đất, tìm hiểu vận hành nhà máy điện gió
trong hệ thống điện và đề xuất kế hoạch phát triển nhà máy điện gió trong hệ thống
điện Việt Nam.
0.2. NHIỆM VỤ VÀ MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN
Với hướng phát triển đề cập trên, nhiệm vụ và mục tiêu của luận văn đặt ra là:

-

Giới thiệu tổng quan về năng lượng gió.

-

Ứng dụng lý thuyết mờ (fuzzy logic) để quy hoạch phát triển năng lượng
gió ở việt nam.

-

Phương pháp đo gió & sử dụng số liệu đo gió ở đảo phú quốc để khảo sát
quy luật thay đổi của tốc độ gió theo độ cao và tính gồ ghề của mặt đất.

-

Vận hành nhà máy điện gió trong hệ thống điện.

0.3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN
Luận văn này đi sâu tìm hiểu và nghiên cứu các vấn đề sau:

-

Tổng quan về lịch sử phát triển năng lượng gió, cấu tạo của máy phát điện
gió, các thiết bị đo gió và chiến lược phát triển năng lượng gió trên thế giới.

-

Giới thiệu tổng quan lý thuyết mờ và ứng dụng lý thuyết mờ để mô phỏng
quy hoạch năng lượng gió ở Việt Nam.

-

Sử dụng số liệu đo gió ở đảo Phú Quốc để khảo sát quy luật thay đổi của tốc
độ gió theo độ cao và độ gồ ghề của mặt đất.

-

Tìm hiểu phương thức vận hành nhà máy điện gió hệ thống điện nhỏ (hệ
thống điện độc lập) và trong hệ thống điện lớn (hệ thống điện quốc gia).

0.4. NHỮNG ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN VĂN

-

Ứng dụng lý thuyết mờ (Fuzzy Logic) để quy hoạch phát triển năng lượng
gió.

-

Sử dụng số liệu đo gió để khảo sát quy luật thay đổi của tốc độ gió theo độ
cao và độ gồ ghề của mặt đất.

Trang 2/121


Chương 0: Giới Thiệu Đề Tài

0.5. GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN
Trong tình hình phát triển kinh tế xã hội hiện nay, để đáp ứng được nhu cầu năng
lượng Tổng Công Ty Điện Lực Việt Nam đã bỏ ra rất nhiều tiền để đầu tư các nhà
máy điện như Thủy điện và Nhiệt điện lớn, bên cạnh đó cũng khuyến khích các doanh
nghiệp đầu tư để phát triển các thủy điện nhỏ nhằm để đáp ứng nhu cầu cơ bản về
năng lượng. Tuy nhiên, với thời gian xây dựng các loại hình nhà máy trên thường kéo
dài và tốc độ phát triển kinh tế nước ta có dấu hiệu tăng trưởng rất nhanh thì việc
nghiên cứu phát triển nguồn năng lượng gió là rất cần thiết để bổ sung một sản lượng
điện lớn cho hệ thống điện vì nó có ưu điểm là chế tạo sẵn và lắp ráp nhanh.
Tuy nhiên để xây dựng các cánh đồng điện gió thì vấn đề đặt ra là lập kế hoạch
phát triển cho từng năm tùy thuộc vào chính sách hỗ trợ của nhà nước và biến động giá
cả thị trường. Bên cạnh đó cũng đặt ra nhiều hướng phát triển mới như là: phát triển

điện gió trên biển, nghiên cứu tính ổn định của hệ thống điện gió khi đấu nối vào hệ
thống điện với tỷ trong lớn và nghiên cứu phương án tích trữ năng lượng điện gió phát
ra trong thời gian phụ tải thấp điểm.
0.6. NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN THẠC SỸ
Nội dung luận văn tập trung giải quyết các vấn đề chính thơng qua các chương
sau đây:
Chương 0: Giới thiệu đề tài
0.1.
0.2.
0.3.
0.4.
0.5.
0.6.

ĐẶT VẤN ĐỀ ---------------------------------------------------------------------------------- 1
NHIỆM VỤ VÀ MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN ------------------------------------------ 2
PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN --------------------------------------------- 2
NHỮNG ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN VĂN --------------------------------------------------- 2
GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN -------------------------------------------------- 3
NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN THẠC SỸ ------------------------------------------------- 3

Chương 1: Tổng quan về năng lượng gió
1.1. GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ ----------------------------------------------------- 6
1.2. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ CẤU TẠO TUA BIN GIÓ ------- 6
1.2.1.
Lịch sử phát triển năng lượng gió------------------------------------------------------- 6
1.2.2.
Cấu tạo của tua bin gió ----------------------------------------------------------------- 10
1.3. CÁC THIẾT BỊ ĐO GIÓ -------------------------------------------------------------------- 12
1.3.1.

Cột đo gió-------------------------------------------------------------------------------- 12
1.3.2.
Thiết bị đo tốc độ gió------------------------------------------------------------------- 12
1.3.3.
Thiết bị đo hướng gió ------------------------------------------------------------------ 13
1.3.4.
Thiết bị đo nhiệt độ --------------------------------------------------------------------- 13
1.3.5.
Thiết bị đo áp suất khơng khí---------------------------------------------------------- 14
1.3.6.
Thiết bị lưu trữ dữ liệu ----------------------------------------------------------------- 14
1.3.7.
Bin năng lượng mặt trời---------------------------------------------------------------- 14
1.3.8.
Thiết bị thu thập số liệu từ xa --------------------------------------------------------- 14
1.3.9.
Nguyên tắc bố trí các thiết bị đo lên cột đo ------------------------------------------ 15
1.4. KẾ HOẠCH PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG GIÓ MỸ --------------------------------- 16
1.4.1.
Tổng quan về lịch sử phát triển ------------------------------------------------------- 16
1.4.2.
Hướng phát triển của năng lượng gió trong tương lai ------------------------------ 18
1.4.3.
Mục tiêu và phương pháp thực hiện -------------------------------------------------- 21
1.5. KẾ HOẠCH PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG GIÓ THẾ GIỚI ------------------------- 22
Trang 3/121


Chương 0: Giới Thiệu Đề Tài

1.5.1.
Phương pháp luận----------------------------------------------------------------------1.5.2.
Tình trạng điện gió tồn cầu----------------------------------------------------------1.5.3.
Tài ngun gió của Thế giới và nhu cầu điện --------------------------------------1.5.4.
12% nguồn điện thế giới từ năng lượng gió ----------------------------------------1.5.5.
12 % Năng lượng gió trước năm 2020 và Đầu tư, chi phí & việc làm-----------1.5.6.
12% điện gió năm 2020, Những lợi ích về mơi trường----------------------------1.5.7.
Những khuyến cáo chính sách -------------------------------------------------------1.6. GIỚI THIỆU TIỀM NĂNG NĂNG LƯỢNG GIÓ Ở VIỆT NAM--------------------1.7. KẾT LUẬN -----------------------------------------------------------------------------------

22
26
29
30
32
35
36
41
43

Chương 2: Ứng dụng lý thuyết mờ (Fuzzy Logic) để quy hoạch phát triển năng
lượng gió ở Việt Nam
2.1. GIỚI THIỆU ---------------------------------------------------------------------------------- 44
2.2. LÝ THUYẾT LÔ GÍC MỜ (FUZZY LOGIC)-------------------------------------------- 44
2.2.1.
Khái niệm về tập mờ ------------------------------------------------------------------- 44
2.2.2.
Các phép toán trên tập mờ ------------------------------------------------------------- 47
2.2.3.
Biểu diễn tập mờ: ----------------------------------------------------------------------- 51
2.2.4.

Luật hợp thành mờ---------------------------------------------------------------------- 51
2.2.5.
Giải mờ ---------------------------------------------------------------------------------- 60
2.2.6.
Các bước thiết kế một bộ mờ---------------------------------------------------------- 63
2.3. TIỀM NĂNG GIÓ Ở VIỆT NAM---------------------------------------------------------- 63
2.4. ỨNG DỤNG LƠ GÍC MỜ ĐỂ QUY HOẠCH NĂNG LƯỢNG GIÓ ĐẾN NĂM 2020
-------------------------------------------------------------------------------------------------- 64
2.4.1.
Xác định số biến ngõ vào, ngõ ra và hàm thuộc của nó ---------------------------- 64
2.4.2.
Lưu đồ quy hoạch năng lượng gió ---------------------------------------------------- 66
2.4.3.
Suy luận mờ ----------------------------------------------------------------------------- 67
2.5. KẾT LUẬN ----------------------------------------------------------------------------------- 68

Chương 3: Ứng dụng số liệu đo gió ở đảo Phú Quốc để khảo sát quy luật thay đổi
của tốc độ gió theo độ cao và độ gồ ghề của mặt đất
3.1. GIỚI THIỆU ---------------------------------------------------------------------------------- 70
3.2. MỐI LIÊN HỆ GIỮA TỐC ĐỘ GIĨ Ở NHỮNG ĐỘ CAO KHÁC NHAU THEO
ĐỊA HÌNH MẶT ĐẤT ------------------------------------------------------------------------------- 70
3.3. PHƯƠNG PHÁP ĐO NHANH ------------------------------------------------------------- 72
3.4. TÍNH TOÁN HỆ SỐ NHÁM (α) CHO CÁC CỘT ĐO Ở PHÚ QUỐC--------------- 74
3.5. KHẢO SÁT QUY LUẬT THAY ĐỔI CỦA TỐC ĐỘ GIĨ THEO ĐỘ CAO VÀ
TÍNH GỒ GHỀ CỦA MẶT ĐẤT ------------------------------------------------------------------- 76
1.5.1.
Vị trí 1 - Mũi Dương - Nằm ở bắc đảo: ---------------------------------------------- 77
1.5.2.
Vị trí 2 – Vịnh Đầm - Nằm ở đơng nam đảo:---------------------------------------- 83
1.5.3.

Vị trí 3 – Vườn Táo - Nằm ở hướng đông của miền trung đảo: ------------------- 89
3.6. KẾT LUẬN ----------------------------------------------------------------------------------- 95

Chương 4: Vận hành nhà máy điện gió hệ thống điện
4.1. GIỚI THIỆU ---------------------------------------------------------------------------------4.2. MÁY ĐIỆN SỬ DỤNG TRONG TUA BIN GIÓ ---------------------------------------4.2.1.
Máy điện một chiều -------------------------------------------------------------------4.2.2.
Máy điện đồng bộ----------------------------------------------------------------------4.2.3.
Máy điện không đồng bộ --------------------------------------------------------------

Trang 4/121

96
96
96
97
97


Chương 0: Giới Thiệu Đề Tài

4.3. CÁC SƠ ĐỒ NỐI LƯỚI ------------------------------------------------------------------- 104
4.4. VẬN HÀNH MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ TRONG HỆ THỐNG ĐỘC LẬP ------------ 105
4.4.1.
Hệ thống gió độc lập ------------------------------------------------------------------ 106
4.4.2.
Hệ thống ghép với diesel-------------------------------------------------------------- 107
4.5. VẬN HÀNH MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ TRONG HỆ THỐNG LỚN ------------------ 111
4.6. KẾT LUẬN ---------------------------------------------------------------------------------- 118
4.6.1.
Vận hành trong hệ thống lớn --------------------------------------------------------- 118

4.6.2.
Khi vận hành trong hệ thống nhỏ ---------------------------------------------------- 118

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài
5.1.
5.2.

KẾT LUẬN ---------------------------------------------------------------------------------- 119
HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI --------------------------------------------------- 120

TÀI LIỆU THAM KHẢO--------------------------------------------------------------------------- 121

Trang 5/121


Chương 0: Giới Thiệu Đề Tài

Chương: 1

TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ
1.1. GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ
Ngành năng lượng toàn cầu trong những năm qua đã đặt ra nhiều thách thức cho
những người làm chính sách như là sự thay đổi khí hậu tồn cầu, đáp ứng nhu cầu tăng
về sử dụng năng lượng và đảm bảo an ninh cung cấp năng lượng. Năng lượng gió là
một cơng nghệ hiệu quả nhất và đã sẵn sàng cho phát triển quy mơ lớn trên tồn cầu
nhằm giải quyết những thách thức đặt ra ở trên. Điện gió có thể được lắp đặt nhanh
hơn so với các nhà máy điện truyền thống khác. Đây là một yếu tố quan trọng nhằm
đáp ứng được tốc độ phát triển nhanh nhu cầu điện trong nền kinh tế.
Năng lượng gió là một nguồn năng lượng có quy mơ lớn, an tồn và sạch. Khơng
giống như nhiên liệu thơng thường, điện gió là một nguồn điện quy mơ lớn, ổn định và

hầu như có ở mỗi nước trên thế giới. Nó giúp đảm bảo an ninh năng lượng, tránh được
nhiều chi phí mua nhiên liệu và tránh được các rũi ro khi phải lệ thuộc vào nhiên liệu
nhập khẩu và chính sách nước khác.
Để có cơ sở tìm hiểu và nghiên cứu nguồn năng lượng gió, trong chương này tập
trung tìm hiểu và nghiên cứu về lịch sử phát triển năng lượng gió, cấu tạo tua bin gió,
giới thiệu thiết bị đo gió và quy hoạch phát triển năng lượng gió ở Mỹ và Thế giới.
1.2. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ CẤU TẠO TUA BIN
GIĨ
1.2.1. Lịch sử phát triển năng lượng gió
Các thông tin về kỹ thuật và lịch sử phát triển năng lượng gió trong phần này
trình bày như sau [1].
1.2.1.1. Sự khởi đầu của năng lượng gió (từ năm 1000 trước công nguyên đến năm
1300 sau công nguyên)
Lịch sử phát triển năng lượng gió cho thấy sự tiến hóa chung từ việc sử dụng
những thiết bị đơn giản như là: thiết bị ánh sáng điều khiển bởi khí động học, thiết bị
tời và thiết bị nâng khí động học trong thời kỳ hiện đại. Nhưng trong giai đoạn này,
người ta khơng hình dung được lực nâng khí động học (lực mà làm máy bay bay) là
một khái niệm hiện đại mà khái niệm này không được biết trong thời kỳ cổ đại. Dĩ
nhiên, sử dụng năng lượng gió được biết sớm nhất là thuyền buồm và cơng nghệ này
có một tác động quan trọng đến sự phát triển sau này của những cối xay gió kiểu cánh
buồm (sail-type). Những thủy thủ thời xưa đã hiểu lực nâng và sử dụng nó mỗi ngày,
mặc dù họ khơng có khái niệm vật lý để giải thích tại sao nó làm việc được.
Cối xay gió đầu tiên được phát triển để tự động hóa những cơng việc bơm nước
và xay ngũ cốc và thiết kế được được biết sớm nhất là hệ thống trục đứng phát triển ở
Ba Tư vào khoảng năm 500 đến năm 900 sau công nguyên. Việc sử dụng năng lượng
gió đầu tiên dường như là bơm nước, nhưng phương pháp chính xác vận chuyển nước
thì khơng biết bởi vì khơng có bản vẽ hoặc thiết kế nào cịn lại mà chỉ có những giải
Trang 6/121

Chương 0: Giới Thiệu Đề Tài

thích truyền miệng. Tài liệu thiết kế được biết đầu tiên là cối xay gió Ba Tư (Persian
windmill), với những cánh buồm thẳng đứng được làm từ bó cây sậy hoặc gỗ và gắn
liền tới trục quay thẳng đứng trung tâm bởi thanh giằng nằm ngang như hình dưới.

Hình 1.1: Cối xay gió của người Ba Tư (Persian windmill)
Cối xay gió trục đứng cũng được sử dụng ở Trung Quốc, mà được quả quyết như
nơi sinh ra cối xay gió. Trong khi người ta tin rằng cối xay gió được phát minh ở
Trung Quốc cách đây hơn 2000 được sử dụng rộng rãi và có thể là chính xác, tài liệu
thực tế sớm nhất của một cối xay gió Trung Quốc là năm 1219 sau công nguyên bởi
chuyên gia người Trung Quốc tên là Yehlu Chhu - Tshai. Ở đây, những ứng dụng
chính vẫn là bơm nước và xay ngũ cốc.
Một trong những ứng dụng thành cơng nhất của năng lượng gió (mà vẫn cịn tồn
tại) là sử dụng rộng rãi máy bơm nước trên đảo Crete. Ở đây, hàng trăm cối xay gió rơ
to cánh buồm bơm nước cho những cánh đồng và vật ni.

Hình 1.2: Cối xay gió cánh buồm bơm nước ở đảo Crete
1.2.1.2. Cối xay gió ở Phương Tây (từ năm 1300 đến năm 1875 sau cơng ngun)
Những cối xay gió đầu tiên xuất hiện ở phía tây Châu Âu có cấu hình trục ngang.
Lý do cho sự tiến hóa bất ngờ từ thiết kế tua bin trục thẳng của người Ba Tư không
được biết, nhưng thực tế những bánh xe vận hành nước ở Châu Âu cũng có cấu hình
trục nằm ngang và mơ hình kỹ thuật những cối xay gió thời kỳ đầu có thể là một phần
câu trả lời. Một lý do khác có thể là hiệu suất cấu trúc cao hơn của máy tời nằm ngang
so với máy thẳng đứng. Những minh họa đầu tiên (năm 1270 sau cơng ngun) cho
thấy cối xay gió bốn cánh được treo trên một cột trung tâm (do đó gọi là “postmill”)
mà cối xay gió loại này có những ưu điểm kỹ thuật hơn so với cối xay Ba Tư. Những
cối xay này sử dụng liên kết khớp gỗ và vòng răng để truyền động trục ngang đến trục
đứng để quay cối đá. Bánh răng này dường như phù hợp cho sử dụng cối xay gió trục
đứng từ những bánh xe nước trục ngang phát triển bởi Vitruvius.

Trước năm 1390, người Hà Lan trình bày cải tiến thiết kế cối xay gió trụ tháp
(tower wind), loại cối xay gió này đã xuất hiện hơi sớm dọc theo biển Mediterranean
như hình dưới. Người Hà Lan đã đưa ra tiêu chuẩn cần thiết cho cối xay gió đặt trên

Trang 7/121


Chương 0: Giới Thiệu Đề Tài

trụ tháp. Cả thiết kế cối xay loại trụ và cối xay trụ tháp sau này đã được định hướng về
hướng gió bằng tay và thực hiện bằng cách đẩy một đòn bẩy lớn ở phía sau cối xay.

Hình 1.3: Cối xay gió cánh buồm trục ngang
Cải tiến chính của cối xay gió Châu Âu là sử dụng những cánh buồm của người
thiết kế để tạo ra lực nâng khí động học hình 1.4. Đặc tính này tạo ra sự cải tiến hiệu
suất rơ to so với cối xay gió người Ba Tư bởi cho phép tăng tốc độ rơ to.

Hình 1.4: Cối xay gió cải tiến của người Hà Lan
Q trình hồn thiện cối xay gió cánh buồm làm cải tiến hiệu suất tăng lên mất
500 năm. Cùng thời gian này quá trình được hồn tất, những cối xay gió cánh buồm có
những đặc tính chính nhận ra bởi những nhà thiết kế hiện đại đang quyết định sự cải
tiến cánh quạt tua bin gió hiện đại.
Những cối xay này là "động cơ điện" của thời kỳ tiền công nghiệp ở Châu Âu.
Những ứng dụng rất đa dạng như là: bơm nước, tưới nông nghiệp, cối xay ngũ cốc,…
và xử lý những sản phẩm khác như: đồ gia vị, ca cao, sơn và thuốc lá.
Trong khi việc ứng dụng tiếp tục vào trong thế kỷ 19, việc sử dụng những cối
xay gió trụ tháp lớn hơn suy giảm với việc sử dụng những động cơ hơi nước tăng lên.
1.2.1.3. Vai trò của những hệ thống nhỏ hơn
Hàng trăm năm, ứng dụng quan trọng nhất của những cối xay gió ở mức sinh
hoạt đã máy móc hóa sử dụng việc bơm nước liên quan đến những hệ thống nhỏ với

đường kính rơ to từ một tới vài mét. Những hệ thống này được hoàn thiện ở Hoa Kỳ
trong thế kỷ 19, bắt đầu với cối xay gió Halladay năm 1854 và tiếp tục tới những thiết
kế Dempster và Aermotor, mà vẫn còn sử dụng ngày nay.
Những cối xay đầu tiên có bốn cánh làm bằng gỗ. Hầu hết cối xay có đi để
định hướng theo hướng gió. Điều khiển tốc độ của vài mơ hình được thực hiện bởi
phần bản lề điều chỉnh cánh, vì thế nó có thể gập lại giống như một cái dù khi có gió
lớn, hoạt động mà sẽ làm giảm bớt diện tích đón gió của rơ to. Tính quan trọng nhất
của cối xay gió loại cánh quạt ở Mỹ là sự phát triển những cánh quạt bằng thép vào
năm 1870 như hình dưới.
Trang 8/121


Chương 0: Giới Thiệu Đề Tài

Hình 1.5: Cối xay gió bơm nước bằng cánh thép ở tây Mỹ (cuối những năm 1800)
1.2.1.4. Sự phát triển của thế kỷ 20
Ảnh hưởng rõ ràng nhất của điện gió trong thế kỷ 20 là việc sử dụng điện tăng
lên. Nhưng ta sẽ bắt đầu với những gì trong q khứ.
ƒ

Sử dụng gió quy mô lớn đầu tiên để sản xuất điện.
Sử dụng tua bin gió lớn đầu tiên để phát điện là một hệ thống xây dựng ở
Cleveland, Ohio năm 1888 bởi Charles F. Brush. Máy điện Brush (hình dưới) là
một cối xay gió đặt trên trụ với một rơ to nhiều cánh có đường kính 17m, có một
cái đi lớn để chỉnh rơ to theo hướng gió. Đây là tua bin gió đầu tiên kết hợp
một hộp số (với một tỷ số là 50:1) để điều chỉnh quay máy phát điện ở một tốc độ
vận hành yêu cầu (trong trường hợp này là 500 vịng/phút).

Hình 1.6: Sử dụng tua bin gió loại lớn đầu tiên để phát điện (ở Cleveland, Ohio, 1888)
Năm 1891, Dane Poul La Cour phát triển máy điện gió có cơng suất điện ở ngõ

ra đầu tiên kết hợp nguyên lý thiết kế khí động học đã sử dụng tốt ở các cối xay
gió trụ tháp ở Châu Âu. Tốc độ cao hơn của rô to La Cour tạo ra những cối xay
gió trong thực tế hồn tồn cho phát điện. Trước chiến tranh thế giới thứ nhất,
máy điện 25kW đã sử dụng rộng khắp ở Đan Mạch, nhưng các nhà máy điện hơi
nước chạy bằng nhiên liệu hóa thạch lớn hơn và rẻ hơn đã đẩy những cối xay gió
ra khỏi thương mại.
ƒ

Hệ thống nhỏ đầu tiên
Tua bin gió cơng suất điện nhỏ đầu tiên đơn giản sử dụng cánh quạt điều chỉnh
để truyền động trực tiếp máy phát điện. Giữa những năm 1920, máy phát điện gió
cơng suất 1 đến 3kW phát triển bởi những công ty như là Parris-Dunn và Jacobs
Wind-Electric sử dụng rộng rãi ở các khu vực nơng thơn ở phía tây Gread Plains
hình 1.7. Những hệ thống được lắp đặt đầu tiên để đốt đèn cho các nông trại và
nạp ắc quy sử dụng cấp nguồn cho các radio. Những sử dụng của họ được mở
rộng đến toàn bộ mạng điện ứng dụng cho truyền động động cơ điện một chiều,
bao gồm tủ lạnh, máy giặt và các dụng cụ điện.

Trang 9/121


Chương 0: Giới Thiệu Đề Tài

Hình 1.7: Tua bin điện gió có cơng suất đến kW
Sự chuyển nhượng những hệ thống này được đẩy nhanh trong suột thời gian sau
những năm 1930 đến 1940 bởi hai hệ số: nhu cầu của các nông trại đối với số
lượng công suất lớn nhất hơn bao giờ về nhu cầu và Great Depression mà đã
khuyến khích chính quyền liên bang Mỹ khuyến khích kinh tế nông thôn bằng
cách mở rộng lưới điện thông qua những khu vực này.
Trong khi thị trường đối với máy điện gió nhỏ loại mới của bất kỳ loại nào đã bị

ăn mòn lớn ở Mỹ trong năm 1950, việc sử dụng hệ thống điện và cơ tiếp tục mở
rộng khắp Châu Âu và ở những khu vực có gió, khí hậu khơ tìm thấy những vùng
ở Châu Âu và Úc.
1.2.2.

Cấu tạo của tua bin gió

Nhà máy điện gió gồm một nhóm nhiều tua bin gió nối vào hệ thống điện thông
qua đường dây truyền tải, cấu tạo tua bin gió thơng thường là loại có 2 hoặc 3 cánh [2].
Cấu tạo chi tiết mơ tả như hình sau.
Điều chỉnh
cánh
Trục tốc độ
thấp
Rơ to

Hộp số
Máy phát
Bộ điều
khiển

Hướng
gió

Đo vận tốc
gió

Thắng

Truyền động

hướng

Động cơ
truyền động
hướng

Trục tốc độ
cao

Vỏ tua bin

Đo hướng
gió

Cánh quạt Tháp gió

Hình 1.8: Cấu trúc của một tua bin điện gió
1.

Thiết bị đo vận tốc gió (Anemometer): Dùng để đo tốc độ gió và truyền
dữ liệu tốc độ gió đo được vào bộ điều khiển.

Trang 10/121


Chương 0: Giới Thiệu Đề Tài

2.

Cánh quạt (Blades): Hầu hết tua bin có 2 hoặc 3 cánh, gió thổi qua các

cánh này làm cho các cánh chuyển động quay.

3.

Thắng (Brake): Một thắng đĩa có thể điều khiển bằng cơ, bằng điện hay
bằng thủy lực để dừng rô to trong những trường hợp khẩn cấp.

4.

Bộ điều khiển (Controller): Bộ điều khiển khởi động máy ở tốc độ 3.5m/s
đến 7m/s và ngừng máy ở tốc độ 29m/s. Tua bin không thể hoạt động ở tốc
độ gió trên 29m/s bởi vì máy phát điện có thể bị quá nhiệt.

5.

Hộp số (Gear box): Hộp số kết nối từ trục có tốc độ thấp đến trục có tốc độ
cao và tăng tốc độ quay từ khoảng 30÷60 vịng trên phút (rpm) đến khoảng
1200÷1500 vịng trên phút (rpm), là tốc độ quay cần thiết cho hầu hết các
máy phát điện để sinh ra điện. Hộp số là một phần đắt tiền của tua bin gió
và các kỹ sư đang khám phá các máy phát “truyền động trực tiếp” mà hoạt
động ở tốc độ quay thấp hơn và không cần các hộp số.

6.

Máy phát điện (Generator): Máy phát điện thông thường là máy phát
không đồng bộ và tạo ra điện xoay chiều có tần số 50Hz hoặc 60Hz.

7.

Trục tốc độ cao (High-speed shaft): Trục này truyền động máy phát điện.

8.

Trục tốc độ thấp (Low-speed shaft): Rô to quay trục tốc độ thấp vào
khoảng 30-60 vòng trên phút (rpm).

9.

Vỏ tua bin (Nacelle): Vỏ tua bin đặt ở đỉnh trụ tháp và bao gồm: hộp số,
các trục tốc độ cao và thấp, máy phát điện, bộ điều khiển và thắng. Một vỏ
bọc bảo vệ các bộ phận bên trong vỏ tua bin. Vỏ này đủ lớn cho các kỹ
thuật viên đứng làm việc ở bên trong.

10. Điều chỉnh cánh (Pitch): Bộ này dùng để chỉnh góc đón gió của các cánh
bằng cách xoay quanh trục của nó, việc điều chỉnh này để giữ rô to quay cố
định ở vận tốc gió cao hoặc thấp mà vẫn có thể phát điện.
11. Rô to (rotor): Rô to bao gồm các cánh và trục quay.
12. Tháp gió (Tower): Tháp gió làm từ thép hình ống hoặc thép thanh. Bởi vì
tốc độ gió tăng theo chiều cao, do vậy các tháp gió cao hơn thì tua bin có
thể nhận được nhiều năng lượng hơn và sinh ra nhiều điện năng hơn.
13. Hướng gió (Wind direction): là tua bin hướng theo hướng gió, gọi như
vậy bởi vì tua bin hoạt động đối diện với hướng gió. Các loại tua bin khác
được thiết kế để chạy theo hướng gió khi thay đổi hướng gió.
14. Thiết bị đo hướng gió (Wind vane): Thiết bị đo hướng gió và thơng tin
đến bộ điều khiển hướng để định hướng tua bin đúng với hướng của gió.
15. Điều chỉnh hướng (Yaw drive): Đối với tua bin đối mặt với hướng gió,
điều chỉnh hướng được sử dụng để điều chỉnh rơ to đối diện với hướng gió
khi mà thay đổi hướng gió.
16. Động cơ điều chỉnh hướng (Yaw motor): Phần công suất để điều chỉnh
hướng tua bin.

Trang 11/121


Chương 0: Giới Thiệu Đề Tài

1.3.

CÁC THIẾT BỊ ĐO GIÓ

Đo lường gió nhằm phục vụ cho cơng tác dự báo và quy hoạch phát triển năng
lượng gió, đo gió được thực hiện nhờ các thiết bị sau [3]:
1.3.1.

Cột đo gió

Có hai loại cột đo gió thường được sử dụng, đó là cột có dạng hình ống và cột có
dạng tam giác được lắp ghép lại bằng các thanh sắt.
-

Cột đo gió hình ống được làm bằng các ống kim loại có đường kính thích
hợp như hình 1.9. Cột gồm nhiều đoạn được lắp ghép lại với nhau ở công
trường và đứng vững được nhờ các dây chằng. Loại cột này có ưu điểm là
dễ dàng lắp ráp cũng như tháo rời. Tuy nhiên, với kết cấu trụ như thế này dễ
gây rung và có thể làm ảnh hưởng đến tính chính xác của thiết bị đo.

Hình 1.9: Cột đo gió loại hình trụ trịn
-

Cột đo gió hình tam giác được cấu tạo từ những thanh thép hình trịn hoặc

hình dẹp được hàn lại với nhau như hình 1.10. Thân chịu lực chính của cột
này là ba thanh thép ở 3 đỉnh của tam giác. Cột gồm nhiều đoạn hình khối
tam giác nối lại với nhau và đứng vững được nhờ các dây chằng. Loại cột
này có ưu điểm là dễ sản xuất, chắc chắn và thích hợp cho những khu vực
có độ cao lớn. Tuy nhiên với kết cấu cột như thế này khó để trèo lên khi cần
thiết.

Hình 1.10: Cột đo gió loại hình tam giác
1.3.2.

Thiết bị đo tốc độ gió

Tốc độ gió là một thơng số hết sức quan trọng để xác định tài nguyên năng lượng
gió. Việc đo gió ở nhiều độ cao khác nhau trên cùng một cột đo dùng để xác định hệ số
nhám của bề mặt đất. Các độ cao điển hình của thiết bị đo gió thường được sử dụng là
40m, 25m và 10m.

Trang 12/121


Chương 0: Giới Thiệu Đề Tài

Có hai loại thiết bị đo gió chủ yếu là loại đo gió bằng các chén và đo gió bằng
cánh quạt. Thiết bị đo gió thường được sử dụng là loại chén, thiết bị này được cấu tạo
từ ba hoặc bốn cánh hình chén. Nguyên lý hoạt động là khi gió đẩy vào những chiếc
chén này thì nó sẽ làm quay trục quay nối với những chiếc chén. Sự chuyển động tròn
của trục quay được chuyển thành tốc độ gió thơng qua một hệ thống bánh răng. Một
bộ biến đổi của thiết bị đo sẽ biến đổi sự chuyển động tròn của trục thành các tín hiệu
điện để đưa vào bộ lưu trữ.

Hình 1.11: Thiết bị đo tốc độ gió
1.3.3.

Thiết bị đo hướng gió

Để xác định hướng gió chính người ta phải lắp đặt thiết bị đo hướng gió. Thơng
tin về tần suất hướng gió rất quan trọng cho việc xác định bề mặt địa hình cũng như
định hướng cho việc bố trí các máy phát điện gió.
Thiết bị này dùng để nghị nhận lại sự thay đổi của hướng gió theo thời gian với
phạm vi hoạt động của nó là từ 0-3590 với độ phân giải ghi nhận cho mỗi độ. Vị trí
hướng gió sẽ được bộ này ghi nhận và chuyển thành tín hiệu điện để đưa vào bộ lưu
trữ.

Hình 1.12: Thiết bị đo hướng gió
1.3.4.

Thiết bị đo nhiệt độ

Nhiệt độ là thơng số quan trọng của môi trường vận hành máy phát điện gió và
thơng thường được đo ở độ cao gần mặt đất (2 hoặc 3m) hoặc ở độ cao của máy phát
điện. Các thơng số này được dùng để tính tốn mật độ khơng khí, là một biến số để
ước lượng mật độ cơng suất gió.
Thiết bị đo nhiệt độ làm việc trên nguyên lý biến đổi điện trở của vật liệu theo
nhiệt độ môi trường và việc đo được giá trị điện trở thì sẽ xác định được nhiệt độ mơi
trường.

Hình 1.13: Thiết bị đo nhiệt độ

Trang 13/121

Chương 0: Giới Thiệu Đề Tài

1.3.5.

Thiết bị đo áp suất khơng khí

Áp suất khơng khí được sử dụng cùng với nhiệt độ của khơng khí để xác định
mật độ khơng khí. Thực sự khó khăn để xác định chính xác thơng số này trong mơi
trường gió bởi vì áp suất sẽ thay đổi khi có gió thổi qua vỏ của thiết bị đo.
Hầu hết các thiết bị đo thông số này sử dụng bộ biến đổi điện áp và ngõ ra là điện
áp chuẩn được đưa vào bộ lưu trữ. Thiết bị này cần phải được cấp nguồn công suất để
hoạt động chính xác.

Hình 1.14: Thiết bị đo áp suất khơng khí
1.3.6.

Thiết bị lưu trữ dữ liệu

Dùng để lưu trữ dữ liệu đo được từ các thiết bị nói trên. Thiết bị này thường đặt
gần mặt đất nhằm để thuận tiện cho việc lấy ra các dữ liệu từ bộ nhớ của nó.

Hình 1.15: Bộ xử lý và lưu trữ dữ liệu
1.3.7.

Bin năng lượng mặt trời

Bin năng lượng mặt trời dùng để nạp năng lượng cho ắc quy cấp nguồn điện cho
bộ lưu trữ dữ liệu và các thiết bị cảm biến trình bày ở trên.

Hình 1.16: Bin năng lượng mặt trời
1.3.8.

Thiết bị thu thập số liệu từ xa

Thiết bị này được kết nối với thiết bị lưu trữ dữ liệu nhằm gửi các thông tin thu
thập được về trung tâm kiểm sốt. Khi trang bị thiết bị này thì nhân viên vận hành
không cần đến hiện trường để lấy dữ liệu định kỳ từ thiết bị lưu trữ dữ liệu.

Hình 1.17: Thiết bị thu thập dữ liệu từ xa

Trang 14/121


Chương 0: Giới Thiệu Đề Tài

1.3.9.

Nguyên tắc bố trí các thiết bị đo lên cột đo

Thanh bảo vệ chống sét

Để thu thập được các số liệu đo gió chính xác, ngồi việc phải lựa chọn được
thiết bị có chất lượng tốt còn phải tuân thủ các quy định khi lắp đặt (bố trí) các thiết bị
đo gió lên cột đo. Cụ thể như hình sau.

1,5m
0,5m

Khoảng cách

đến TB đo gió
phía dưới: 20m

30ữ60cm

Khong cỏch: 7ìD

Chiu cao
ct o:
10/20/30m

Hỡnh 1.18: S b trớ thiết bị đo gió lên cột đo gió
Để lắp đặt đúng thiết bị đo tốc độ và hướng gió ta phải tn thủ theo kích thước
bố trí như hình trên. Cụ thể:
Bộ đo tốc độ gió trên cùng được lắp đồng trục với cột đo gió và phải được
bảo vệ chống sét đánh trực tiếp. Tâm của cột đo gió đến tâm của kim thu sét
là 0,5m và góc bảo vệ của kim thu sét so với thiết bị đo gió trên cùng phải
≤600.
-

Khoảng cách thẳng đứng từ phần cao nhất của đi thiết bị đo hướng gió
đến các cánh của thiết bị đo tốc độ gió trên cùng là 1,5m.

-

Khoảng cách thẳng đứng từ các cánh của thiết bị đo tốc độ gió phía dưới
đến các cánh của thiết bị đo tốc độ gió trên cùng là 20m.

-

Khoảng cách nằm ngang từ thân trụ đến trục thẳng đứng của thiết bị đo tốc
độ gió phía dưới và thiết bị đo hướng gió là 7×D (D là đường kính của cột
đo gió).

Trang 15/121


Chương 0: Giới Thiệu Đề Tài

-

Khoảng cách thẳng đứng từ xà nằm ngang để bắt thiết bị đo tốc độ và
hướng gió đến phần thấp nhất của thiết bị đo tốc độ và hướng gió là 30cm.

-

Khoảng cách thẳng đứng của cột đo từ mặt đất đến các cánh của thiết bị đo
tốc độ gió phía dưới có thể là 10m hoặc 20m hoặc 30m.

1.4.

KẾ HOẠCH PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG GIĨ MỸ

Kế hoạch phát triển năng lượng gió dài hạn này mơ tả những sự hổ trợ của
chương trình gió cho nghiên cứu tua bin gió trong điện lực và các ứng dụng khác. Kế
hoạch bao gồm các hoạt động với mục tiêu phát triển công nghệ và giảm các rào cản
chính sách [4].
1.4.1.

Tổng quan về lịch sử phát triển

Nghiên cứu hệ thống gió được Chính quyền liên bang Mỹ tài trợ thực hiện kể từ
năm 1972. Các chương trình ban đầu được thực hiện tại Tổ chức khoa học quốc gia
các nhu cầu của Công ty điện lực và do những tiềm năng của gió được xem như là giải
pháp tiết kiệm nhiên liệu trong thời kỳ khủng hoảng dầu. Các Công ty điện lực này tập
trung thực hiện một chương trình phát triển các tua bin gió lớn. Một số nội dung khác
của chương trình ban đầu bao gồm phân tích thị trường và kỹ thuật, đánh giá tác động
môi trường, thiết kế các hệ thống cải tiến, phát triển tua bin gió trục dọc và các ứng
dụng ở nơng thơn. Chương trình cũng đưa ra xem xét thiết kế và thử nghiệm đối với
các nhà sản xuất tua bin nhỏ.
Tại thời điểm này, các nhà phân tích tin rằng các tua bin lớn sẽ có tiềm năng lớn
về tỷ trọng đối với các nền kinh tế. Họ cũng tin rằng sản lượng điện năng sản xuất sẽ
tăng khi đấu nối vào lưới quốc gia các tua bin gió có chiều cao tháp càng lớn và các
Cơng ty điện lực sẽ quan tâm chủ yếu đến các tua bin có cơng suất lớn hơn. Khi
chương trình bắt đầu, người ta đã khơng xem xét tính khả thi của việc sử dụng các tua
bin lớn (được định nghĩa là các tua bin có cơng suất định mức ≥100kW) đấu nối vào
lưới điện quốc gia. Tua bin Mod-0, lắp đặt năm 1975 và các dạng biến thể của nó,
Mod-0A, tua bin 100kW được vận hành ở bốn khu vực đã chứng minh tính khả thi của
cơng nghệ tua bin lớn và cung cấp cơ sở thử nghiệm cho sự cải tiến hơn nữa. Tua bin
có cơng suất đến cỡ MW đầu tiên là Mod-1 (1979-1980) lại sinh ra tiếng ồn khó chịu,
và đưa đến việc nghiên cứu giảm thiểu tiếng ồn. Ba tua bin Mod-2, mỗi tua bin có
cơng suất định mức 2,5MW được triển khai từ 1980-1986. Những tua bin này thể hiện
một số cải tiến về thiết kế, nhưng vẫn gặp một số trở ngại về phụ tải và áp lực như loại
tua bin truyền thống ban đầu. Tua bin 3,2MW loại Mod-5B, là tua bin đời sau cùng và
lớn nhất trong họ sản phẩm này, đã chuẩn xác phần thiết kế chủ yếu của máy Mod-2
và thử nghiệm thành công năm 1988. Nhưng tua bin loại Mod-5B đã không bao giờ
được chấp nhận về mặt thương mại, một phần bởi vì giá dầu thấp đã tạo ra các điều
kiện thị trường không thuận lợi. Trong khi những thiết kế tua bin lớn không bao giờ
được triển khai thương mại, nghiên cứu này đã xác định các mặt hạn chế của các giải
pháp tiếp cận về thiết kế và giúp xác định phạm vị của sự nghiên cứu về sau và các nỗ

lực phát triển.
Một chương trình đáng kể khác thực hiện vào cuối những năm 1970 và đầu
những năm 1980 bao gồm: phát triển bản đồ gió quốc gia mà vẫn cập nhật sử dụng cho
đến ngày nay; khởi đầu nghiên cứu cánh máy bay để mà giảm độ nhạy va chạm, vì đây

Trang 16/121


Chương 0: Giới Thiệu Đề Tài

là một vấn đề trong khâu thiết kế các cánh tua bin sử dụng các cánh máy bay; và thực
hiện việc cải tạo vật liệu và các thiết kế cấu trúc đã phát triển thành cơ sở kiến thức
chuyên môn sử dụng bởi các nhà thiết kế ngày nay. Các công việc ban đầu cũng đã bắt
đầu xác định tính phức tạp ngồi ý muốn của dịng gió và xác định cách để giảm thiểu
các ảnh hưởng tiêu cực của nó lên tuổi thọ và độ tin cậy của tua bin.
Do được khuyến khích phát triển và cải cách các quy định, California trở thành
trung tâm phát triển điện gió giữa năm 1981 và 1985 (hình 1.19 chỉ ra các giai đoạn
phát triển tua bin gió ở đầu thập niên 80). Tất cả các tua bin ban đầu được sử dụng
trong kinh doanh đều nhỏ hơn so với các hệ thống được phát triển bởi chương trình tua
bin lớn (DOE). Ngành cơng nghiệp phát triển những hệ thống tua bin nhỏ này nhằm
giảm thiểu những rủi ro khi chưa có những cơng cụ thiết kế và mô phỏng. Các nhà sản
xuất tua bin nhỏ trong q trình tăng dần cơng suất các tua bin, chế tạo đã nghiệm ra
được các vấn đề của tua bin kích thước lớn và tính phức tạp của nó. Trong khi đó họ
cũng nhận được thuận lợi từ sự hỗ trợ về chính sách rất lớn của chính phủ. Các tua bin
ban đầu ở California đều có xuất xứ từ các công ty Mỹ, nhưng chỉ sau một hay hai
năm, với những thiết kế rất vững chắc các tua bin của Đan Mạch, Hà Lan và Châu Âu
đã chiếm lĩnh được thị trường đang tăng trưởng này. Khi nhu cầu lắp mới các tua bin
bắt đầu giảm từ năm 1986, do chính sách thuế và khuyến khích thị trường đầu tư
California, nhiều nhà sản xuất Mỹ đã phá sản.
Tua bin gió trong

những năn 1980

Tua bin gió trong
những năn 1990

Đường kính tơ to (m)

1.5MW
Đường
kính 77m

300kW – 750kW
Đường kính 30-60m
50kW – 300kW
Đường kính 15-30m

Tua bin gió cải tiến
trong tương lai

Hình 1.19: Sự phát triển cơng nghệ điện gió từ năm 1980
Năm 1990, chương trình tập trung lại vào các hoạt động và phát triển một chiến
lược mới trên cơ sở hợp tác giữa các Công ty điện lực và ngành công nghiệp. Điểm
nhấn mới này xuất hiện qua kinh nghiệm thu được từ các hoạt động nghiên cứu và
phát triển trước đây và từ sự hướng dẫn của chiến lược năng lượng quốc gia (NES), đã
được phát triển từ năm 1989 và năm 1990. Một yếu tố quan trọng của chiến lược này
là hỗ trợ để mở rộng việc sử dụng gió bên ngoài California. Cuối cùng bốn mục tiêu
được thực hiện: 1) duy trì việc sản xuất điện hiện hữu; 2) tăng tính cạnh tranh trong

Trang 17/121

Chương 0: Giới Thiệu Đề Tài

các ngành công nghiệp; 3) nâng cấp các cơ sở nghiên cứu; và 4) phát triển các tua bin
gió cao cấp.
Sở năng lượng bắt đầu thực hiện chương trình tua bin gió nâng cao (AWT) vào
năm 1990 nhằm hỗ trợ ngành công nghiệp Mỹ kết hợp công nghệ tiên tiến vào việc
thiết kế tua bin gió.
Giai đoạn đầu tiên của chương trình AWT là nghiên cứu thiết kế dựa trên các
khái niệm đã được hoàn tất năm 1992, đã xác định và đánh giá được sự cải thiện theo
dự kiến sẽ mang lại cho các tua bin gió hiện hữu tính cạnh tranh cao hơn trong vịng
một vài năm tới. Chương trình cũng phát hiện các cấu hình tiên tiến hơn sẽ cạnh tranh
được đối với thị phần phát điện lớn trong những năm sắp tới ở những khu vực có tốc
độ gió vừa phải. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng những cấu hình tiên tiến có khả
năng đạt được những cải thiện đáng kể về hiệu suất, độ tin cậy và giá điện.
Giai đoạn thứ hai của chương trình AWT là phát triển sản phẩm ngắn hạn tiếp tục
cho bốn năm tiếp theo. Những nỗ lực này bao gồm việc chế tạo và thử nghiệm các tua
bin mẫu để sản xuất điện với giá 0,05USD/kWh hoặc sử dụng tại những khu vực có
vận tốc gió nhỏ hơn 5,8m/s (13mph) trong ngắn hạn. Những sản phẩm này dự kiến sẽ
thu hẹp khoảng cách giữa công nghệ ban đầu và thế hệ kế tiếp của các tua bin điện lực.
Giai đoạn thứ 3 của chương trình AWT - phát triển sản phẩm thế hệ kế tiếp. Giai
đoạn này đã khuyến khích ngành cơng nghiệp Mỹ khám phá các khái niệm mới và áp
dụng công nghệ mới để phát triển mẫu hệ thống tua bin gió cấp điện lực. Mục tiêu là
tạo ra điện năng với giá 0,025USD/kWh hoặc sử dụng tại những khu vực có tốc độ gió
nhỏ hơn 6,7m/s (15mph). Giai đoạn thứ ba này được chia thành hai phần. Phần đầu là
dự án hỗ trợ cải tiến, DOE đã hỗ trợ ngành công nghiệp trong việc phát triển và thử
nghiệm của các bộ phận và hệ thống phụ trợ cải tiến. Phần thứ hai là dự án phát triển
tua bin thế hệ kế tiếp (NGTD), DOE đã hỗ trợ ngành công nghiệp phát triển các hệ
thống tua bin gió cấp điện lực kết hợp tất cả các cải tiến.
Thế hệ tua bin kế tiếp đã bắt đầu với ba nghiên cứu Định nghĩa khái niệm được

dự định để phát triển hiệu suất tin cậy và ước tính chi phí cho các hệ thống đề nghị của
nhà thầu phụ, cùng với kế hoạch công việc ban đầu, ngân sách và tiến độ cho giai đoạn
phát triển mẫu ban đầu của dự án. Bắt đầu năm 1997, hai tua bin được phát triển dưới
các hoạt động nêu trên và một trong hai thiết kế đã tạo thành sản phẩm thương mại rất
thành công.
Chiến lược công nghiệp ban đầu được thực hiện vào đầu những năm 1990 đã đặt
nền móng cho chương trình nghiên cứu và phát triển ngày nay. Chiến lược bắt đầu một
loạt nỗ lực các chương trình tài trợ để làm việc chặt chẻ hơn với các ngành công
nghiệp nhằm phát triển các tua bin gió có giá cạnh tranh đáng kể so với các thế hệ
trước của chúng.
Phần còn lại của dự án này sẽ trình bày chi tiết việc tập trung và chiến lược của
chương trình gió như nó đã được xây dựng trên sự thành công R&D quan trọng của
những năm 1990.
1.4.2.

Hướng phát triển của năng lượng gió trong tương lai

Năng lượng gió sẽ trở thành một nguồn năng lượng chủ yếu của quốc gia nào
mới chỉ bắt đầu khai thác đấu nối vào lưới điện quốc gia nguồn năng lượng to lớn này.
Trang 18/121


Chương 0: Giới Thiệu Đề Tài

Hội đồng gió đã đặt mục tiêu lắp đặt tại Mỹ công suất 100GW năm 2020. Việc triển
khai mở rộng hệ thống gió nhỏ hơn theo kiểu phân tán cũng là mục tiêu của ngành
công nghiệp này. Chương trình gió chấp nhận đi theo hướng phát triển trong tương lai
của tiềm năng gió.
Một số các yếu tố phi công nghệ cũng được xem xét để thúc đẩy phát triển thị
trường điện gió. Trong số các yếu tố đó là chính sách thuế, các tiêu chuẩn năng lượng

tái tạo và phát triển một thị trường cho người mua và bán năng lượng sạch. Sự cải tiến
nhanh chóng của cơng nghệ gió nhờ các yếu tố thị trường nêu trên đã đưa năng lượng
gió trở thành một nguồn quan trọng của năng lượng trong tương lai.
Khi nhìn về tương lai, chương trình năng lượng gió của DOE có ba hướng phát
triển mà cơng nghệ gió các cơng ty điện lực có thể đi theo. Mỗi hướng đi sẽ có những
thử thách cơng nghệ riêng và sẽ gặp phải những rào cản phi kỹ thuật riêng. Cả ba
hướng phát triển này đều bắt nguồn từ công nghệ hiện tại và định hướng để sản xuất ra
nguồn điện lớn từ những cánh đồng gió trên đất liền.
Thực trạng gió năm
2005

Hướng phát triển trên đất liền
Hướng phát triển trên đất Các
liềnrào cản
• Cơng nghệ tốc độ gió thấp
•

2-5MW
• Cơng nghệ tốc độ gió thấp
• 2-5MW

2012
Trên
đất liền
2012

•
truyền tải
Các rào cản •
truyền tải

3 cent/kW ở 13mph
Trên đất liền
Thị trường điện
• 3 cent/kW ở 13mph
• Thị trường điện

Hướng phát triển trên biển
•
•

Sản xuất điện lớn
• 3-5Cent/kWh ở
vùng 15mph
• Các cánh đồng
gió trên đất liền

Nước cạn hoặc sâu
5MW và lớn hơn

2012 và sau

Giá và Các rào
cản quy định

•
•

Trên biển
5 cent/kW

Vùng gió cao hơn

Hướng phát triển sát nhập

2020 và sau

•
•
•

•
•
•

Đất liền hoặc biển
Hydro
Nước sạch

Giá và Các rào
cản phụ

Các tua bin khách hàng
Điện năng
Sản xuất H2
Nước sạch (từ nước biển)

Hình 1.20: Ba giải pháp phát triển cho cơng nghệ gió điện lực
•

Hướng phát triển điện trên đất liền: khi chương trình hướng về tương lai,

chúng ta hình dung rằng hệ thống trên đất liền sẽ tiếp tục phát triển về dãy cơng
suất trong phạm vi 2÷5MW. Hướng phát triển này là một sự tập trung quan trọng
của chương trình gió hiện tại và mong đợi để có kết quả trong cơng nghệ tua bin
gió rất cạnh tranh về gía cả trong năm 2012. Nỗ lực của chương trình cũng sẽ mở
ra một nguồn tài nguyên lớn để phát triển gió và sẽ mang điện sinh ra từ gió đến
gần hơn ở những tâm phụ tải lớn. Những nỗ lực phát triển công nghệ tua bin như
được mô tả trong kế hoạch này sẽ giúp công nghệ trở nên cạnh tranh về giá cả.
Cuối cùng, các rào cản chính đối với việc sử dụng cơng nghệ này sẽ được trình
bày bởi sự tích hợp hệ thống, bao gồm khả năng và tính sẵn sàng của hệ thống
truyền tải.
Các khu vực tốc độ gió thấp thường nằm ở khu trung tâm phụ tải hơn do nó nằm
sâu trong đất liền, khu vực núi, cao nguyên và các khu vực ở nông thôn. Các khu
Trang 19/121


Chương 0: Giới Thiệu Đề Tài

vực có tốc độ gió cao hơn cũng thường nằm dọc theo các bờ biển, các khu vực
dun hải. Hình 1.21 mơ tả sự phong phú của năng lượng gió, từ bản đồ nhìn
thấy tiềm năng lớn của gió nếu những khu vực này có thể sử dụng hiệu quả hơn.
Những vùng này càng có ý nghĩa hơn khi nó gần tâm phụ và gần các đường dây
tải điện hiện hữu. Điều này sẽ làm cho giá truyền tải thấp hơn đáng kể và các yêu
cầu đối với việc xây dựng mở rộng các hệ thống truyền tải cũng giảm đáng kể.
Tài nguyên gió, đường dây truyền tải và các tâm phụ tải
Điện gió ở mức 4 và lớn hơn

Phân loại điện gió
Mức điện
gió

Tềim năng
gió

Vận tốc gió ở độ
cao 10m (m/s)

Tốt/Rất tốt

5,8-6,25

Cực tốt

6,7

Đường dây truyền tải
230kV và lớn hơn.
Tâm tải chủ yếu

Hình 1.21: Tài nguyên gió, Đường dây truyền tải và Tâm tải
•

Hướng phát triển trên biển: chúng ta hình dung hướng phát triển thứ hai là sự
di dời công nghệ hiện tại ở đất liền đến các khu vực biển. Trước hết sẽ bắt đầu
với những vùng tương đối cạn và sau đó đến những khu vực nước sâu hơn.
Những tua bin cho những khu vực này được sử dụng loại công suất lớn, điển hình
là 5MW và lớn hơn. Chương trình này đưa ra mục tiêu 5cents/kWh cho những
khu vực nước cạn đưa vào trước năm 2012 và sự đánh giá, cải thiện công nghệ
hiện tại cho phù hợp với mục tiêu công nghệ nước sâu. Quy trình cơng nghệ đi
theo hướng này có giá cao hơn và các rào cản có thể tạo ra sự trở ngại đáng kể
đối với việc phát triển ở những khu vực biển.

Ngày nay, sự phát triển điện gió chỉ tập trung và được giới hạn ở những khu vực
biển có mực nước nước cạn hơn 30m. Ở những độ sâu này, các cơng nghệ xây
dựng móng hiện tại vẫn có thể sử dụng được mà khơng cần phải nỗ lực nghiên
cứu bổ sung. Các nghiên cứu của các tổ chức quốc tế cho biết rằng có nhiều tiềm
năng về năng lượng gió ở trên biển ở mức nước có độ sâu 30 m và sâu hơn và
cũng dựa trên các nghiên cứu này cho thấy rằng nguồn tài nguyên gió tăng tỷ lệ
với khoảng cách từ bờ biển. Tuy nhiên, cần phải có những cơng nghệ mới trước
khi triển khai các tua bin gió nước sâu một cách kinh tế và an toàn. Việc lắp đặt ở
nước sâu hơn sẽ đòi hỏi nhiều dạng tùy chọn các cơ cấu phụ trợ để giữ các tua
Trang 20/121


Chương 0: Giới Thiệu Đề Tài

•

bin. Các tua bin biển hiện đại có thể sử dụng các loại vật liệu nhẹ khác nhau và
có đặc tính vận hành mang lại lợi ích thực sự từ mơi trường biển nước sâu đặc
thù. Chương trình đã bắt đầu với quá trình tập trung vào chương trình nghiên cứu
và phát triển cơng nghệ năng lượng gió nước sâu.
Hướng áp dụng sát nhập: hướng phát triển thứ ba dẫn đến việc thiết kế các hệ
thống tua bin cho các ứng dụng sát nhập như sản xuất hydro hay sản xuất và phân
phối nước sạch. Việc sản xuất khí hydro sẽ mở ra cơ hội cho nguồn năng lượng
gió tạo ra chi phí thấp, năng lượng sạch cho các ngành vận tải. Hai trong các ứng
dụng này đặt ra nhiều thử thách đáng kể cho các cơ quan phát triển năng lượng
gió là chi phí và các rào cản phụ. Hướng phát triển của chương trình là sẽ bắt đầu
có những tác động đáng kể vào thị trường trước 2020.

1.4.3.

Mục tiêu và phương pháp thực hiện

Nhu cầu quốc gia
Nước Mỹ phải đối mặt với nhiều thách thức như phải chuẩn bị để đáp ứng nhu
cầu năng lượng cho thế kỷ 21. Những yếu tố của thách thức chính sách năng
lượng gồm: khủng hoảng về nguồn cung cấp điện ở California, giá cả xăng dầu
và khí đốt thiên nhiên tăng giảm thất thường, các mối quan tâm mạnh mẽ về an
ninh của cơ sở hạ tầng năng lượng quốc nội và các nguồn cung cấp điện từ nước
ngồi và tính khơng chắc chắn về các lơi ích của việc tái cơ cấu ngành điện.
Mục tiêu của chương trình DOE
Mục tiêu đặt ra bao gồm việc giảm sự phụ thuộc vào nguồn dầu hỏa nước ngoài,
giảm gánh nặng giá năng lượng trong những trường hợp bất lợi, tăng hiệu suất
của công tác xây dựng và ứng dụng, giảm gánh nặng năng lượng cho ngành công
nghiệp, tăng công nghiệp năng lượng tái tạo nội địa. Hầu hết các mục tiêu đầu
liên quan đến chương trình gió và được ưu tiên vào: Tăng giá trị và triển khai
công nghệ năng lượng tái tạo bằng cách cải thiện hiệu suất và giảm giá thành và
bằng cách tạo điều kiện thuận lợi để chấp nhận thị trường công nghệ năng lượng
tái tạo.
Chương trình đã xác định các mục tiêu đối với khả năng hiện thực về mặt công
nghệ và các hoạt động ứng dụng cơng nghệ trong đó năng lượng gió được xem
như sự lựa chọn về một công nghệ tiến bộ hấp dẫn cho thế kỷ 21. Những mục
tiêu đó là:
-

Đến năm 2012, giảm giá điện từ các hệ thống gió lớn có tốc độ gió
5,5÷6m/s xuống cịn 3 cent/kWh cho các hệ thống ở đất liền và 5cent/kWh
cho các hệ thống ở trên biển.

-

Đến năm 2007, giảm giá điện từ các hệ thống điện gió phân phối xuống
10÷15 cent/kWh vào năm 2007 ở các khu vực gió 5m/s, mức tương tự mà
hiện tại đạt được cho gió 6m/s.

-

Đến năm 2012, hồn tất các cơng việc của chương trình xác định vào các
quy luật thị trường điện, những tác động của việc kết nối lưới điện giữa các
nước với nhau, các chiến lược vận hành và việc lập kế hoạch hệ thống nhằm
đưa năng lượng gió cạnh tranh mà khơng gặp bất lợi trong việc phục vụ nhu
cầu năng lượng quốc gia.
Trang 21/121