Nghiên cứu tua bin gió cỡ nhỏ kết hợp tấm solar cho hộ gia đình

..

i

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình
nào khác.
Tơi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn
(Ký và ghi rõ họ tên)

HUỲNH THANH TÂM


ii

LỜI CÁM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin gửi đến thầy TS Võ Hồng Duy lịng tri ân sâu sắc. Trong suốt
q trình thực hiện luận văn, Tiến sĩ Võ Hồng Duy là người đã tận tình hướng dẫn, định
hướng và cung cấp những góp ý cần thiết để tơi có thể hồn thành bản luận văn này.
Khơng chỉ học hỏi được kiến thức của thầy, tơi cịn học được ở thầy phương pháp nghiên
cứu, cách thức làm việc khoa học và cũng như sự nhiệt tâm của người thầy với học trị.
Để có được kiến thức như hơm nay, tơi xin chân thành cảm ơn các thầy trong bộ
môn Cơ Điện tử - trường đại học Công Nghệ thành phố Hồ Chí Minh.
Tơi xin gửi lời cảm ơn đến kỹ sư Đồn Văn Toản, người đã có những góp ý quý báu
cũng như đã cung cấp cho tôi nhiều tài liệu tham khảo có giá trị liên quan đến đề tài
nghiên cứu này, và đã giúp đỡ tôi trong các việc tiến hành các thí nghiệm kiểm chứng.
Ngồi ra tơi xin gửi lời cám ơn đến sự hỗ trợ của các bạn kỹ sư, sinh viên đang làm

việc và học tập tại Phịng Thí nghiệm Cơ Điện Tử- trường Bách Khoa Tp HCM, nơi tơi
đã tiến hành các thí nghiệm kiệm chứng.
Sau cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các người thân, bạn bè và đồng nghiệp,
những người đã luôn động viên và hỗ trợ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 07 năm 2016

HUỲNH THANH TÂM


iii

TĨM TẮT
Mục tiêu chính của luận văn là tập trung vào nhằm tính tốn, thiết kế và chế tạo
máy phát điện gió trục đứng kết hợp solar pannel cơng suất nhỏ dựa trên các cơ sở lý
thuyết.
Nội dung nghiên cứu luận văn bao gồm:
* Phân tích và lựa chọn các phương án: sẽ bao gồm hai phần: phần một trình
bày về việc phân tích và lựa chọn các phương án của tua bin gió; phần 2 trình bày về
việc phân tích và lựa chọn các phương án của pin mặt trời.
* Thiết kế và chế tạo cơ khí: tác giả thiết kế tua bine gió trục đứng dựa trên
tốc độ gió 6m/s. Tác giả sử dụng các dữ liệu cảm biến cường độ sáng BH1750 để tính
tốn các thơng số cần thiết cho việc điều khiển xoay tấm pin.
* Thực nghiệm kiểm chứng: tác giả sử dụng mơ hình để kiểm nghiệm khả
năng hòa điện của hệ thống vào lưới điện EVN, kiểm nghiệm độ ổn định của hệ thống
và tính hiệu quả của hệ thống.


iv

ABSTRACT
Based on the literature reviews and theories, this study aims at the calculating,
designingand manufacture for a small productivity generator which absorbs the power
from a solar panel and vertical axis wind turbine.
The thesis includes:
Analyzing and choosing the solutions for both solar panel and vertical axis
wind turbine.
Designing and manufacture: Based on the wind speed at 6m/s to make a vertical
axis wind turbine and based on a BH1750 light intensity sensor for calculating the
proper parameters to turn the solar panel.
Experiment: using the model to test the capability of integrating into EVN grid,
the stability and effectiveness of the system.


v
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN........................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ii
TÓM TẮT ................................................................................................................ iii
ABSTRACT............................................................................................................... iv
MỤC LỤC .................................................................................................................. v
DANH MỤC HÌNH ................................................................................................viii
DANH MỤC BẢNG................................................................................................... x
Chương 1: TỔNG QUAN ............................................................................................ 1
1.1. Đặt vấn đề ......................................................................................................... 1
1.2. Giới thiệu chung về năng lượng gió và năng lượng mặt trời .............................. 2
1.2.1. Năng lượng gió........................................................................................... 2
1.2.2. Năng lượng mặt trời ................................................................................... 3
1.2.3. Kết hợp năng lượng gió và năng lượng mặt trời.......................................... 4
1.3. Tiềm năng về năng lượng gió và năng lượng mặt trời ở Việt Nam .................... 5

1.3.1. Khảo sát gió ở Việt Nam ............................................................................ 5
1.3.2. Tiềm năng về năng lượng gió ở Việt Nam .................................................. 7
1.3.3. Tiềm năng về năng lượng mặt trời ở Việt Nam......................................... 10
1.4. Tìm hiểu về tua bin gió và pin năng lượng mặt trời ......................................... 12
1.4.1. Tua bin gió ............................................................................................... 12
1.4.1.1.Khái niệm ............................................................................................... 12
1.4.1.2.Phân loại ................................................................................................ 12
1.4.1.3.Một số loại tua bin gió ............................................................................ 14
1.4.2. Pin mặt trời .............................................................................................. 17
1.4.2.1.Khái niệm ............................................................................................... 17


vi
1.4.2.2.Phân loại ................................................................................................ 18
1.5. Tình hình nghiên cứu trong nước .................................................................... 19
1.6. Mục tiêu, phạm vi của đề tài ........................................................................... 21
1.6.1. Mục tiêu ................................................................................................... 21
1.6.2. Nhiệm vụ đề tài ........................................................................................ 21
1.6.3. Phạm vi đề tài........................................................................................... 21
1.7. Tổ chức luận văn ............................................................................................. 21
Chương 2: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN .............................................. 22
2.1. Phân tích và lựa chọn các phương án của tua bin gió ....................................... 22
2.1.1. So sánh giữa tua bin gió trục đứng và tua bin gió trục ngang .................... 22
2.1.2. Lựa chọn loại tua bin gió trục đứng .......................................................... 23
2.2. Phân tích và lựa chọn các phương án khung pin năng lượng mặt trời .............. 24
2.2.1. Phân tích và lựa chọn phương án giữa pannel trục đơn và trục kép ........... 24
2.2.2. Tấm pin quay theo hướng mặt trời............................................................ 26
Chương 3: CƠ SỞ THIẾT KẾ, THIẾT KẾVÀ CHẾ TẠO CƠ KHÍ ........................... 27
3.1. Cơ sở thiết kế .................................................................................................. 27
3.1.1. Cơ sở thiết kế tua bin gió trục đứng .......................................................... 27

3.1.2. Cơ sở lý thuyết về tấm năng lượng mặt trời .............................................. 33
3.1.3. Tính tốn ắc qui (battery) ......................................................................... 34
3.2. Phương án thiết kế .......................................................................................... 36
3.2.1. Nhu cầu điện năng cho một hộ gia đình .................................................... 36
3.2.2. Máy phát điện gió trục đứng cánh trịn (Savonius).................................... 36
3.2.3. Khung Solar panel chuyển động theo ánh sáng mặt trời............................ 48
Chương 4: THIẾT KẾ SƠ ĐỒ ĐIỆN VÀ ĐIỀU KHIỂN ........................................... 50
4.1. Sơ đồ chung .................................................................................................... 50


vii
4.1.1. Bộ điều khiển sạc ..................................................................................... 50
4.1.2. Bộ inverter ............................................................................................... 52
4.1.3. Sơ đồ đấu dây của hệ thống ...................................................................... 53
4.2. Điều khiển tấm pin hướng theo mặt trời .......................................................... 54
4.2.1. Vi điều khiển PIC16F877A ...................................................................... 55
4.2.2. Cảm biến cường độ sáng .......................................................................... 56
4.2.3. Cách bố trí cảm biến................................................................................. 57
4.2.4. Cơng tắc hành trình .................................................................................. 58
4.2.5. Lưu đồ giải thuật điều khiển xoay tấm pin ................................................ 59
4.2.6. Lưu đồ giải thuật đo vận tốc gió ............................................................... 62
Chương 5: THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ &HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .......... 63
5.1. Mục tiêu thực nghiệm ..................................................................................... 63
5.2. Thiết bị thực nghiệm ....................................................................................... 63
5.3. Quá trình thực nghiệm..................................................................................... 64
5.4. Nhận xét, đánh giá .......................................................................................... 68
5.5. Hướng phát triển đề tài.................................................................................... 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 71

viii

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Các ứng dụng của năng lượng gió ....................................................... 3
Hình 1.2. Biểu đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam, độ cao 80m. ............................. 8
Hình 1.3. Biểu đồ bức xạ mặt trời và tiềm năng của Việt Nam .......................... 11
Hình 1.4. Tua bin gió trục ngang downwind và upwind .................................... 12
Hình 1.5. Upwind tua bin.................................................................................. 13
Hình 1.6. Tua bin gió trục đứng ........................................................................ 14
Hình 1.7.Tua bin gió Savonius.......................................................................... 15
Hình 1.8. Tua bin gió Gorlov ............................................................................ 15
Hình 1.9. Tua bin gió kiểu Darrieus .................................................................. 16
Hình 1.10. Tua bin Giromill ( H-rotor )............................................................. 16
Hình 1.11.Tấm pin mặt trời............................................................................... 18
Hình 1.12.Các dạng pin mặt trời ....................................................................... 18
Hình 2.1. Bộ truyền đai răng ............................................................................. 24
Hình 2.2. Mơ hình 1 trục và mơ hình 2 trục định hướng theo mặt trời ............... 25
Hình 3.1.Khí động học cánh rotor ..................................................................... 27
Hình 3.2. Cơng suất tua bin gió ......................................................................... 30
Hình 3.4. Rotor Savonius .................................................................................. 32
Hình 3.5.Hoạt động hế thơng pin Mặt trời......................................................... 34
Hình 3.6.Lưu đồ thiết kế tua bin gió.................................................................. 37
Hình 3.7. Cơng suất tua bin gió ......................................................................... 39
Hình 3.8.Motor generator ................................................................................. 40
Hình 3.9. Lực tác dụng lên cánh ....................................................................... 41
Hình 3.10.Bản vẽ thiết kế góc đặt cánh ............................................................. 44
Hình 3.11.Mơ hình 3D góc đặt cánh ................................................................. 44
Hình 3.18.Đai răng 180XL-037 ........................................................................ 45
Hình 3.19.Cơng cụ tính tốn đai răng ................................................................ 46
Hình 3.20.Cánh đón gió khi lắp vào mơ hình .................................................... 47

Hình 3.21.Mơ hình 3D tổng quan...................................................................... 48
Hình 3.22. Máy phát điện gió hồn thiện .......................................................... 48


ix
Hình 3.23.Hệ thống pin mặt trời hồn thiện ...................................................... 49
Hình 4.1.Sơ đồ khối chung của hệ thống ........................................................... 50
Hình 4.2.Bộ điều khiển sạc VS3024N ............................................................... 50
Hình 4.3.Đấu dây của bộ điều khiển sạc VS3024N ........................................... 51
Hình 4.4.Bộ inverter grid tied micro ................................................................. 52
Hình 4.5. Các ngõ đấu dây của thiết bị .............................................................. 53
Hình 4.6. Sơ đồ đấu dây chung của hệ thống .................................................... 54
Hình 4.7. Sơ đồ chân của PIC16F877A............................................................. 55
Hình 4.8. Cảm biến cường độ sáng BH1750 ..................................................... 56
Hình 4.9. Bố trí cảm biến cường độ sáng BH1750 ............................................ 57
Hình 4.10.Hiện tượng dội với cơng tắc cơ khí (Bouncing and Debouncing)...... 58
Hình 4.12. Lưu đồ giải thuật điều khiển xoay tấm pin ....................................... 59
Hình 4.13. Sơ đồ giải thuật đọc encoder hiển thị tốc độ gió .............................. 62
Hình 5.1. Hệ thống thực nghiệm ....................................................................... 63
Hình 5.2.Dụng cụ đo thứ 1 dùng để đo dịng trong q trình thực nghiệm......... 63
Hình 5.3. Dụng cụ đo thứ 2 dùng để đo dịng, áp, cơng suất, cos .................... 64
Hình 5.4.Dụng cụ đo thứ 3 dùng để đo dịng, áp, cơng suất, cos ..................... 64
Hình 5.5.Thiết bị tiêu thụ điện AC dùng trong quá trình thực nghiệm ............... 64
Hình 5.6. Kết quả đo cơng suất thực nghiệm của thiết bị 2 ................................ 68
Hình 5.7.Kết quả đo công suất thực nghiệm của thiết bị 3 ................................. 68


x

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1. Tiềm năng gió Việt Nam, độ cao 65m so với mặt đất. ......................... 9
Bảng 2.1. Bảng so sánh giữa tua bin gió trục đứng và tua bin gió trục ngang .... 22
Bảng 2.2. Bảng so sánh giữa tua bin gió Savonius và tua bin gió Darrieus ........ 23
Bảng 2.4. Bảng so sánh giữa pannel trục đơn và pannel trục kép...................... 25
Bảng 3.1. Điện sử dụng của 1 hộ gia đình ......................................................... 36
Bảng 3.1. Thơng số động cơ.............................................................................. 40
Bảng 3.2. Kích thước cơ bản của tua bin ........................................................... 44
Bảng 5.1. Kết quả đo bước 1 ............................................................................. 65
Bảng 5.2. Kết quả đo bước 2 ............................................................................. 66
Bảng 5.3. Kết quả đo bước 3 ............................................................................. 67


1

Chương 1: TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
Một trong những yếu tố quan trọng để duy trì sự sống trên Trái Đất và thiết yếu
cho sự tiến bộ của xã hội lồi người là năng lượng. Do đó, trong những năm gần đây,
năng lượng đã trở thành mối quan tâm hàng đầu của các nước, nhất là khi các nguồn
năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt.
Tiến sĩ Walter Kohn, người được trao giải Nobel Hoá học năm 1998 và đang làm
việc tại Trường đại học California, phân hiệu tại Santa Barbara, đã lưu ý rằng dầu mỏ
và khí thiên nhiên, hiện nay vẫn đang cung cấp khoảng 60% tổng năng lượng tồn cầu
và được dự đốn là từ nay cho đến 10 – 30 năm sau vẫn chiếm một tỷ trọng cao nhất.
Sau đó, hai nguồn nhiên liệu này sẽ giảm tỷ lệ một cách nhanh chóng.
Nhiều thập kỷ qua, cùng với sự phát triển kinh tế, khoa học, quân sự… việc tiêu
thụ năng lượng cũng tăng lên một cách đáng kể. Cùng với đó, các vấn đề ơ nhiễm mơi
trường, sự nóng lên Trái Đất, biến đổi khí hậu…đã, đang và sẽ ảnh hưởng nghiêm
trọng đến sự sống còn của thế hệ tương lai. Vấn đề đặt ra là phải tìm kiếm những
nguồn năng lượng mới – năng lượng tái tạo, không gây ô nhiễm môi trường và không

gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người. Năng lượng mặt trời và năng lượng gió đã
nhận được sự chú ý đặc biệt của các nhà khoa học các nước và đã có nhiều cuộc
nghiên cứu, phát triển và ứng dụng thành công.
“Những nghiên cứu và phát triển liên tục các nguồn năng lượng thay thế sẽ
nhanh chóng thúc đẩy sự xuất hiện một kỷ nguyên mới trong Lịch sử lồi người, trong
đó hai nguồn điện tái sinh là điện gió và điện mặt trời sẽ đóng góp áp đảo trong
ngành năng lượng”. Một nhà khoa học đã từng được giải Nobel đã nói như vậy tại Hội
nghị lần thứ 240 của Hội Hoá học Mỹ.
Sự kết hợp giữa năng lượng gió và năng lượng mặt trời sẽ là xu hướng khai thác
năng lượng tái tạo trong tương lai vì đây là hai nguồn năng lượng sạch và vô tận đối
với con người. Nhưng nếu chỉ khai thác một trong hai nguồn năng lượng trên thì lượng
điện sinh ra sẽ bị gián đoạn và khơng ổn định. Vì năng lượng mặt trời chỉ có thể khai
thác vào ban ngày (ban đêm khơng có nắng), chưa kể điều kiện thời tiết thất thường


2
khi mưa bão, khi mây nhiều nắng ít. Tương tự, năng lượng gió khai thác được cũng
khơng ổn định vì vận tốc gió và hướng gió thay đổi theo mùa, khác biệt giữa ban ngày
và ban đêm (ban đêm vận tốc gió thổi lớn hơn ban ngày).
Nhận thấy sự kết hợp năng lượng gió và mặt trời sẽ mang lại hiệu quả khai thác
tốt hơn. Đồng thời, cùng với niềm đam mê trong lĩnh vực cơ điện tử cũng như mong
muốn áp dụng những kiến thức đã học vào thực tế, em đã quyết định chọn và thực hiện
đề tài này.
1.2. Giới thiệu chung về năng lượng gió và năng lượng mặt trời
1.2.1. Năng lượng gió
Năng lượng gió là động năng của khơng khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái
Đất. Năng lượng gió cũng là một hình thức gián tiếp của năng lượng của mặt trời. Sử
dụng năng lượng gió là một trong các cách lấy năng lượng xa xưa nhất.
Do Trái Đất luôn quay trong quỹ đạo xung quanh mặt trời và tự quay quanh trục
nên bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất không đều nhau, làm nhiệt độ trong

bầu khí quyển, nước và khơng khí ln khác nhau. Mặt khác, vào ban đêm, một nữa bề
mặt của Trái Đất bị che khuất nên không nhận được tia nắng mặt trời, nửa bề mặt còn
lại là ban ngày nên cường độ bức xạ cao hơn. Thêm vào đó nhiệt độ ở Bắc bán cầu,
Nam bán cầu và đường xích đạo cũng như nhiệt độ ở biển và đất liền ln có sự khác
nhau. Chính vì sự thay đổi nhiệt độ của khí quyển làm khơng khí chuyển động và sự
chuyển động của khơng khí được gọi là gió.
Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay quanh trục của
Trái Đất nên khơng khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển động thẳng
mà tạo thành các cơn gió xốy có chiều xốy khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán
cầu. Nếu nhìn từ vũ trụ thì trên Bắc bán cầu khơng khí di chuyển vào một vùng áp thấp
ngược với chiều kim đồng hồ và ra khỏi một vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ.
Trên Nam bán cầu thì chiều hướng ngược lại.
Ngồi ra, do nước và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất nóng nhanh
hơn nước, tạo nên sự khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay sông, hồ vào


3
đất liền. Vào ban đêm đất nguội đi nhanh hơn nước và hiệu ứng này có chiều ngược
lại.
Cách đây hàng trăm năm, con người đã biết sử dụng năng lượng gió để di chuyển
bằng thuyền buồm, khinh khí cầu, tạo ra cơng cơ học làm quay cối xoay gió, tua bin
điện – gió,…

Hình 1.1. Các ứng dụng của năng lượng gió [1]
1.2.2. Năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời là một trong những nguồn năng lượng tái tạo cực kỳ quan
trọng và cần thiết đối với sự sống trên Trái Đất nói chung và sự phát triển của xã hội
lồi người nói riêng. Nó cũng là nguồn gốc của các loại năng lượng tái sinh khác như
năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng thủy triều của các dòng sơng…
Trong phạm vi nào đó, có thể nói năng lượng mặt trời là vô tận đối với con người.

Nhưng để khai thác và sử dụng nguồn năng lượng này cần phải biết về các tính chất và
đặc trưng cơ bản của nó, đặc biệt là khi tới bề mặt Trái Đất.
Bức xạ mặt trời bị hấp thụ một phần trên bầu khí quyển Trái đất, nên một phần
nhỏ hơn tới được bề mặt Trái Đất, gần 1.000 Watt/m2 năng lượng mặt trời tới Trái Đất
trong điều kiện trời quang đãng khi mặt trời ở gần thiên đỉnh. Mỗi giây mặt trời phát ra
3,968.1026J (tương ứng với đốt cháy 1,32.1016 tấn than), với khối lượng khoảng
1,98.1030 kg. Nhiệt độ trung tâm biến đổi từ 10 triệu đến 20 triệu C.
Các ứng dụng của năng lượng mặt trời phổ biến hiện nay bao gồm hai lĩnh vực
chủ yếu:


4
- Thứ nhất là năng lượng mặt trời được biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờ
các tế bào quang điện bán dẫn hay còn gọi là pin mặt trời.
- Thứ hai đó là sử dụng năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt năng, ở đây ta dùng
các thiết bị thu bức xạ nhiệt mặt trời và tích trữ nó dưới dạng nhiệt năng.
1.2.3. Kết hợp năng lượng gió và năng lượng mặt trời
Một máy phát điện tua bin gió lai năng lượng mặt trời là một giải pháp thay thế
nguồn năng lượng tương lai. Nó sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp với năng lượng
gió để tạo ra một nguồn năng lượng độc lập tin cậy và nhất quán. Năng lượng mặt trời
và năng lượng gió là hai trong số những nguồn năng lượng có trữ lượng lớn nhất trên
hành tinh. Cả hai đều là những nguồn năng lượng tái tạo dồi dào quanh năm ở tất cả
các lĩnh vực.
Trong khi năng lượng mặt trời hoặc năng lượng gió sử dụng một mình có thể
biến động nhưng khi được sử dụng chung với nhau nó cung cấp một nguồn năng lượng
đáng tin cậy. Ở nhiều khu vực,khi mặt trời mạnh nhất là lúc tốc độ gió thấp và ngược
lại khi tốc độ gió cao nhất là ánh nắng mặt trời là yếu nhất (vào mùa đơng). Giải pháp
hồn hảo là kết hợp hai nguồn năng lượng để tạo ra một dịng chảy năng lượng khơng
đổi. Hệ thống hybrid nàycân bằng các biến động về năng lượng để cung cấp cho một
dòng chảy năng lượng ổn định cao hơn.

Máy phát điện tua bin gió lai năng lượng mặt trời sử dụng tấm pin mặt trời thu
ánh sáng và chuyển đổi nó thành năng lượng cùng với các tua-bin gió thu thập năng
lượng từ gió. Bộ điều khiển phụ trách việc sạc năng lượng trước khi nó được lưu trữ
trong các ngân hàng pin. Một biến tần, thay đổi dòng điện từ DC đến AC , hoặc xen kẽ
hiện nay là loại năng lượng được sử dụng trong hầu hết các gia đình và các doanh
nghiệp.


5
1.3. Tiềm năng về năng lượng gió và năng lượng mặt trời ở Việt Nam
1.3.1. Khảo sát gió ở Việt Nam
Tốc độ gió: Là đại lượng biểu thị mức độ chuyển động ngang nhanh hay chậm
của khơng khí tương ứng với bề mặt trái đất.
Đơn vị của tốc độ gió được tính theo kilo–mét trên giờ (km/h) hoặc mét trên giây
(m/s) hoặc knot(kt: hải lý trên giờ) hoặc Mile trên giờ (mph) tại Mỹ.
1 kt = 1,852km/h = 0,514 m/s.
1mph= 1,609344 km/h = 0,8690 kt = 0,447 m/s.
Hướng gió là chiều chuyển động của khơng khí thổi tới điểm quan trắc và thường
là từ vùng áp cao tới vùng áp thấp . Hướng gió được biểu thị bằng phương vị đông,
tây, nam , bắc hoặc theo gốc là lấy hướng bắc làm mốc ở vị trí 00 hoặc 3600 và tính
theo chiều kim đồng hồ . Như vậy , hướng đơng ứng với 900 , hướng nam ứng với góc
1800 và hướng tây ứng với góc 2700.
Hoạt động của gió mùa nước ta :
*Gió Tín phong:
- Nguồn gốc: từ trung tâm cao áp trên biển Thái Bình Dương thổi về Xích đạo.
- Hướng gió: Đơng Bắc thời gian hoạt động: quanh năm.
*Gió mùa mùa đơng:
- Nguồn gốc: khối khơng khí lạnh xuất phát từ trung tâm cao áp Xibia di chuyển
vào nước ta.
- Hướng gió: Đơng Bắc - Tây Nam. Thời gian hoạt động: từ tháng 11 đến tháng 4

năm sau. Phạm vi hoạt động: từ dãy Bạch Mã ra Bắc.
- Đặc điểm:
+ Vào đầu mùa đông (tháng 11, 12, 1): có đặc tính lạnh, khơ, mang lại thời tiết
lạnh, khô cho miền Bắc.


6
+Nửa sau mùa đơng, Gió này thổi qua biển sau đó mới đi vào đất liền mang theo
hơi ẩm từ biển gây nên thời tiết lạnh ẩm, mưa phùn cho vùng ven biển và đồng bằng ở
miền Bắc.
- Tính chất: Gió mùa Đơng Bắc chỉ hoạt động từng đợt, khơng kéo dài liên tục,
cường độ mạnh nhất vào mùa đông, ở miền Bắc hình thành mùa đơng kéo dài 2-3
tháng. Khi di chuyển xuống phía Nam, loại gió này suy yếu dần bởi bức chăn địa hình
là dãy Bạch Mã.
* Gió mùa mùa hạ ( Gió mùa Tây Nam):
- Nguồn gốc: xuất phát từ trung tâm áp thấp Ấn Độ - Mianma hút gió từ Bắc Ấn
Độ Dương qua vịnh Bengan vào nước ta.
- Hướng gió: Tây Nam, thời gian hoạt động: từ tháng 5 - 10.
- Đặc điểm :
+ Đầu mùa hạ, khối khí nhiệt đới ẩm từ Bắc Ấn Độ Dương di chuyển theo hướng
Tây Nam xâm nhập trực tiếp và gây mưa lớn cho Đồng bằng Nam Bộ và Tây Nguyên,
ngoài ra khi vượt dãy Trường Sơn còn gây hiệu ứng cho khu vực Bắc Trung Bộ và
Nam Tây Bắc với kiểu thời tiết khơ, nóng.
+ Giữa và cuối mùa hạ (từ tháng 6): Gió mùa Tây Nam xuất phát từ cao áp cận
chí tuyến bán cầu Nam hoạt động mạnh. Khi vượt qua vùng biển xích đạo, khối khí
này trở nên nóng ẩm hơn, thường gây mưa lớn và kéo dài cho các vùng đón gió ở Nam
Bộ và Tây Nguyên, cùng với dải hội tụ nhiệt đới gây mưa lớn cho cả 2 miền Nam, Bắc
và mưa vào tháng 9 cho Trung Bộ.
+ Riêng miền Bắc, do áp thấp Bắc Bộ, khối khí này di chuyển theo hướng Đơng
Nam vào Bắc Bộ tạo nên "gió mùa Đông Nam" vào mùa hạ ở miền Bắc nước ta.

Gió hầu như có mặt khắp nơi. Tuy nhiên tính chất gió tùy thuộc nhiều yếu tố khác
nhau và thường phân bố không đều trên quy mô lớn cũng như trong từng địa phương.
Tiềm năng gió lớn nhất trên thế giới nằm ở vùng hàn đới và cực đới. Tại những vùng
này, cường độ gió trung bình từ 7 m/s đến 11 m/s. Nằm trong khu vực cận nhiệt đới
gió. So sánh tốc độ gió trung bình trong vùng Biển Đông Việt Nam và các vùng biển
lân cận cho thấy gió tại Biển Đơng khá mạnh và thay đổi nhiều theo mùa.


7
1.3.2. Tiềm năng về năng lượng gió ở Việt Nam
Thuận lợi cơ bản để phát triển năng lượng gió ở Việt Nam: nằm trong khu vực
cận nhiệt đới gió mùa, có bờ biển chạy dài giáp với biển Đơng. Gió tại vùng biển
Đông Việt Nam khá mạnh và thay đổi theo mùa khi so sánh tốc độ gió trung bình tại
đây với các vùng biển lân cận.
Kết quả khảo sát chi tiết về năng lượng gió khu vực Đơng Nam Á của Ngân hàng
thế giới trong chương trình đánh giá về năng lượng cho châu Á. Theo đó, tổng tiềm
năng điện gió của Việt Nam ước đạt 513.360 MW tức là bằng hơn 200 lần công suất
của thuỷ điện Sơn La, và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện vào năm
2020.
Theo tính tốn của nghiên cứu này, trong bốn nước được khảo sát thì Việt Nam
có tiềm năng gió lớn nhất và hơn hẳn các quốc gia lân cận là Thái Lan, Lào và
Campuchia. Trong khi Việt Nam có hơn 39% tổng diện tích được ước tính có diện tích
gió trung bình hằng năm lớn hơn 6m/s ở độ cao 65m. Đặc biệt hơn, hơn 8,6% diện tích
lãnh thổ được đánh giá là tốt đến rất tốt để xây dựng các trạm điện gió cỡ lớn thì diện
tích này ở Campuchia là 0,2%, ở Lào là 2,9% và ở Thái Lan cũng chỉ là 0,2%.
Theo nghiên cứu của Ngân hàng thế giới (WB), hai vùng giàu tiềm năng nhất để
phát triển năng lượng gió của nước ta là Sơn Hải (Ninh Thuận) và vùng đồi cát ở độ
cao 60-100m phía tây Hàm Tiến đến Mũi Né (Bình Thuận). Gió vùng này khơng
những có vận tốc trung bình lớn mà cịn có một thuận lợi khác. Đó là số lượng các cơn
bão khu vực ít và gió có xu thế ổn định. Đây là những điều kiện rất thuận lợi để phát

triển năng lượng gió. Trong những tháng có gió mùa, tỷ lệ gió Nam và Đơng Nam lên
đến 98% với vận tốc trung bình 6-7m/s, tức là vận tốc có thể xây dựng các trạm điện
gió công suất 3-3,5MW.


8

Hình 1.2. Biểu đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam, độ cao 80m.


9
Bảng 1.1. Tiềm năng gió Việt Nam, độ cao 65m so với mặt đất.
Tốc độ gió trung bình Thấp
<6m/s

Trung bình Tương đối cao Cao
6-7m/s

Rất cao

7-8m/s

8-9m/s

>9m/s

Diện tích (Km2)

197.242 100.367

25.679

2.178

111

Diện tích (%)

60,60

30,80

7,90

0,70

>0

401.444

102.716

8.748

452

Tiềm năng (MW)

Vùng duyên hải Bắc Bộ từ Quảng Ninh, Hải Phịng đến Thanh Hóa, dun hải
Nam Bộ là những vùng có tiềm năng đáng kể, vận tốc gió từ 4-6m/s, phù hợp với tuabin có cơng suất trung bình.

Việt Nam vẫn còn 4,5 triệu dân, đặc biệt các hộ vùng sâu, vùng xa vẫn chưa có
điện. Theo quy hoạch phát triển mạng lưới điện thì dự kiến đến năm 2010, vẫn còn đến
trên 1000 xã (trong tổng số hơn 9000 xã ) đại diện cho 500.000 hộ dân với dân số
khoảng 3 triệu người vẫn chưa có lưới điện quốc gia.
Như vậy căn cứ tình hình năng lượng và bản đồ phân bố tốc độ gió đã khảo sát ở
trên thì mơ hình máy phát điện cơng suất nhỏ phù hợp với điều kiện Việt Nam. Sau
đây là những lý do vì sao phát triển mơ hình máy phát điện cơng suất nhỏ ở Việt Nam:
- Có thể giải quyết được ngay nhu cầu điện chiếu sáng cho một phần đáng kể
trong tổng số 4,5 triệu dân vùng sâu, vùng xa chưa có điện. Đặc biệt là các cụm
dân cư độc lập mà việc hòa lưới điện sẽ rất tốn kém.
- Việt Nam có hàng ngàn km bờ biển, tâp trung nhiều khu đơ thị, cụm dân cư ven
biển có nguồn gió phù hợp với mơ hình phát triển máy phát điện gió cơng suất
nhỏ (4m/s-6m/s). Đối tượng này nếu được khai thác tốt sẽ giảm đáng kể áp lực
lên lưới điện quốc gia.
- Các hộ dân cư trên các đảo nhỏ, tàu thuyền đánh cá nhỏ có thể tự chủ nguồn
năng lượng cho chính mình với giá thành thấp hơn việc dùng máy phát diesel
như hiện nay.


10
- Chi phí đầu tư cho máy phát điện cơng suất nhỏ rẻ hơn so với tấm pin mặt trời
có cùng cơng suất.
- Việt Nam có tiềm năng năng lượng gió khá lớn, hoạt động ở vận tốc gió thấp
hơn so với máy phát cỡ lớn.
Việt Nam có tiềm năng năng lượng gió khá lớn so với các nước trong khu vực,
điều này là một thuận lợi lớn. Các nước như Trung Quốc, Ấn Độ, Srilanka, Mông
Cổ…là những nước châu Á thành cơng trong việc phát triển điện gió nhỏ. Việc đánh
giá đúng mức, chế độ gió và phát triển mơ hình máy phát điện cơng suất nhỏ là hồn
tồn phù hợp với điều kiện kinh tế của Việt Nam hiện nay, phù hợp với xu thế phát
triển của thế giới. Vấn đề đặt ra ở đây là chúng ta lựa chọn mơ hình máy phát điện gió

nào để phù hợp với điều kiện gió và điều kiện kinh tế của Việt Nam.
1.3.3. Tiềm năng về năng lượng mặt trời ở Việt Nam
Với ưu điểm là một nước có tiềm năng về năng lượng Mặt Trời, có lãnh thổ trải
dài từ vĩ độ 8 Bắc đến 23 Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ tương đối cao.
Do đó việc sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam đang được khuyến khích và áp
dụng trong mọi lĩnh vực đời sống và sản xuất.
Phía Bắc bình qn có khoảng từ 1.800-2.100 giờ nắng/năm, phía Nam (từ Đà
Nẵng trở vào) bình quân từ 2.000-2.600 giờ nắng/năm. Bức xạ mặt trời là một nguồn
tài nguyên to lớn cho các tỉnh miền Trung và miền Nam trong quá trình phát triển bền
vững.
Việt Nam là một quốc gia đang phát triển, do đó nhu cầu năng lượng ngày càng
tăng. Hiện tại chính sách quốc gia của Việt Nam về nhu cầu năng lượng dựa vào việc
thiết lập hệ thống các nhà thủy điện, nhà máy nhiệt điện tua bin hơi và tua bin khí, một
số nhà máy điện nguyên tử… Tuy nhiên, để đảm bảo phát triển bền vững và đặc biệt
cân bằng được năng lượng của quốc gia trong tương lai, Việt Nam đã và đang tập
trung nghiên cứu phát triển các nguồn năng lượng mới trong đó Năng lượng mặt trời
vẫn là một nguồn năng lượng tối ưu trong tương lai cho điều kiện Việt Nam đứng về
phương diện địa dư và nhu cầu phát triển kinh tế. Những chuyển biến gần đây cho thấy
ứng dụng, khai thác năng lượng mặt trời đã có những bước tiến mới.


11

Hình 1.3. Biểu đồ bức xạ mặt trời và tiềm năng của Việt Nam
Hướng đến việc xây dựng ngành công nghiệp điện mặt trời Việt Nam lên hàng
đầu khu vực và cạnh tranh thế giới về công nghệ và sản lượng vào năm 2025. Dự thảo
2010-2025 đã vạch ra các mục tiêu cụ thể là khai thác hiệu quả điện mặt trời, đảm bảo
an ninh năng lượng quốc gia trong mọi tình huống (250 MWp = 456,25 tỷ KWh/năm),
cùng với lưới điện khí hóa 100% tồn bộ lãnh thổ Việt Nam vào năm 2025.

12
1.4. Tìm hiểu về tua bin gió và pin năng lượng mặt trời
1.4.1. Tua bin gió
1.4.1.1. Khái niệm
Tua bin gió là máy dùng để biến đổi động năng của gió thành cơ năng. Máy năng
lượng này có thể được dùng trực tiếp như trong trường hợp của cối xay bằng sức gió,
hay biến đổi gián tiếp thành điện năng như trong trường hợp máy phát điện bằng sức
gió.
Máy phát điện bằng sức gió bao gồm vài thành phần khác nhau. Nhưng thành
phần quan trọng nhất vẫn là motor điện một chiều, loại dùng nam châm bền và cánh
đón lấy gió. Cịn lại là các bộ phận khác như: đi lái gió, trục và cột để dựng máy
phát, bộ phận đổi dịng điện để hợp với bình ắc qui và cuối cùng là 1 chiếc máy đổi
điện (inverter) để chuyển điện từ ắc quy thành điện xoay chiều thông dụng.
Máy phát điện tua bin gió thường sử dụng máy phát là loại xoay chiều có nhiều
cặp cực do kết cấu đơn giản và phù hợp đặc điểm tốc độ thấp của tua bin gió.
1.4.1.2. Phân loại
Về cơ bản có thể chia tua bin gió theo nhiều hình thức khác nhau: theo cấu tạo
hoạt động, theo công suất, hay theo số cánh quạt. Tuy nhiên, có thể chia tua bin gió
theo hai loại cơ bản sau đây: tua bin gió trục ngang và tua bin gió trục đứng.
Tua bin gió trục ngang:

Hình 1.4. Tua bin gió trục ngang downwind và upwind
So với tua bin gió trục đứng, tua bin gió trục ngang được thiết kế và sử dụng rộng
rãi hơn.


13
Một số đặc điểm tua bin gió trục ngang:
- Đây là loại tua bin có cơng suất cao.

- Cơng suất phát điện từ vài trăm W đến vài MW.
- Dải vận tốc gió hoạt động từ 4m/s – 25m/s.
- Chiều cao cột chống tua bin 6m (loại công suất nhỏ), 120m (loại công suất lớn).
- Số cánh quạt 2-3 cánh quạt.
- Bán kính cánh quạt 3m-45m.
- Số vịng quay cánh quạt 20-40vịng/phút.
- Cánh của tuabin gió phải có tiết diện hình học và góc nghiêng hợp lý thì mới
phát huy hiệu quả hấp thu gió.
- Tuy có hệ thống điều chỉnh hướng để đón gió xong vẫn giới hạn ở một góc
quay nhất định nên chỉ thích hợp ở những nơi có vận tốc gió ổn định.
- Tua bin gió ở quy mô nhỏ thường sử dụng loại upwind tua bin.

Hình 1.5. Upwind tua bin
Ưu điểm: Tránh được vùng tĩnh phía sau tháp.
Hạn chế: Cánh tua bin phải có độ cứng nhất định để khơng bị uốn cong về phía
trụ tháp, đặt ở một khoảng cách nhất định so với tháp.


14
Tua bin gió trục đứng:

Hình 1.6. Tua bin gió trục đứng
Đây là loại tua bin phát triển trong thời gian gần đây:
- Dải vận tốc gió hoạt động từ 3-40m/s.
- Chiều cao tua bin dưới 30m.
- Số cánh quạt: từ 2 cánh trở lên.
- Bán kính cánh quạt dưới 10m.
- So với tua bin gió trục ngang, cánh của tua bin gió trục đứng rẻ và bền hơn,
khơng phải chịu đựng áp lực khi xoay.
- Hiệu suất tuabin thấp hơn so với trục ngang khi hoạt động ở cùng một vận tốc

gió.
- Momen khởi động lớn.
- Dễ duy tu, bảo dưỡng, thay thế.
- Trong q trình vận hành ít gây tiếng ồn hơn loại tua bin trục ngang.
1.4.1.3. Một số loại tua bin gió
Trên thế giới việc sử dụng máy phong điện đã được thực hiện từ các thế kỷ trước
và thường dùng các loại phổ biến do các nhà khoa học cổ điển nghiên cứu tìm ra như:
Darrieus, Savonius, Gorlov, Giromill…Tương ứng là các loại turbine mang tên các
nhà khoa học phát minh ra, đặc điểm một số loại turbine thường gặp:


15
Tua bin gió Savonius:

Hình 1.7.Tua bin gió Savonius
Tua bin Savonius là loại tua bin gió đơn giản nhất, gồm hai hoặc nhiều nửa hình
trụ lắp đối diện theo hình chữ S, lệch tâm so với trục quay và có khe hở giữa hai cánh
để khơng khí qua suốt tua bin, khơng tạo trở lực. Sự lưu thơng này vừa có tác dụng
vừa đẩy vừa phản hồi áp lực gió thổi vào bề mặt hai cánh tạo thành ngẫu lực quay.
Momen quay giúp tua bin gió khởi động ở vận tốc gió thấp. Tuy nhiên momen của tua
bin lại khơng đồng đều theo hướng của hai cánh. Khi hai cánh song song với hướng
gió, momen tối thiểu, tua bin khơng thể khởi động được. Để khắc phục điều này người
ta gắn nhiều tua bin Savonius xếp chồng lên nhau. Như vậy lúc nào cũng có một tua
bin hướng theo một hướng thuận với sự khởi động của tua bin gió.
Tua bin xoắn Gorlov:

Hình 1.8. Tua bin gió Gorlov
Hiệu suất cao hơn 35% so với các tuabin trục đứng khác. Lực xoắn nhỏ, giảm
tiếng ồn, giảm rung động, độ cứng vững cao.