Tổng hợp về sự phát triển của máy phát điện tua bin gió trên thế giới

TỔNG HỢP VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA
MÁY PHÁT ĐIỆN TUA BIN GIÓ TRÊN
THẾ GIỚI
N.GOUDARZU – W. D. ZHU
Đại học Maryland, bang Baltimore, Hoa Kỳ

KS. TRẦN KHÁNH HƯNG biên dịch
Công ty Tư vấn điện miền Nam

Năng lượng gió - một nguồn năng lượng sạch và dồi dào – ược ánh giá là một trong
những nguồn cung năng lượng mới cho thế giới và hiện nay ang ược khai thác ngày càng
nhiều. Trong những thập niên gần ây, tua bin gió với các loại máy phát iện khác nhau ã
ược nghiên cứu nhằm gia tăng cơng suất khai thác, giảm chi phí, và mở rộng khả năng ứng
dụng của tua bin gió cho các cơng trình ngồi biển và trong bờ. Bài viết này tổng hợp và thống
kê sự phát triển của các loại cơng nghệ tua bin gió khác nhau, cũng như ánh giá ưu khuyết
iểm của từng loại. Ngoài ra, bài viết cịn so sánh các tua bin gió trên phương diện kỹ thuật
và xu hướng sử dụng của từng loại trên thị trường. Xu hướng sử dụng các loại máy phát iện
với công suất 2.5MW và cao hơn sẽ ược ánh giá trong bài viết này ể tăng hiểu biết cho bạn
ọc về thị trường máy phát iện sử dụng năng lượng gió.

1. GIỚI THIỆU
Trong những năm gần ây,
năng lượng tái tạo nhận ược
sự chú ý và ủng hộ mạnh mẽ
trên toàn thế giới. Một vài loại
năng lượng tái tạo như thủy
iện ược coi như ã hồn
thiện về cơng nghệ, tuy nhiên,
các loại năng lượng khác như
năng lượng mặt trời vẫn cịn
nhiều hạn chế. Năng lượng gió

ã ược sử dụng từ hai ngàn
năm trước: cối xay gió tận
dụng năng lượng gió từ năm
200 trước cơng ngun, sử
dụng roto tốc ộ cố ịnh. Năng
lượng gió là một dạng năng
lượng dồi dào, có sẵn trên
tồn thế giới ược coi là một
lựa chọn rất tốt ể làm nguồn
cung phát iện.
Tua bin gió thu thập năng
lượng iện bằng việc sử dụng
máy phát ể chuyển ổi ộng
năng sang iện. Vì vậy, việc sử
dụng máy phát hiệu quả, áng
tin cậy và ơn giản hơn sẽ tối
ưu hóa hiệu năng thu thập và
tăng cơng suất ầu ra. Bài viết
ánh giá những thiết kế khác
nhau máy phát iện tua bin
gió (bao gồm trong bờ và ngồi
biển) với những tiêu chí bao
gồm: giới hạn tốc ộ, giá thành,
trọng lượng, kích thước, chỉ số
18

BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 4 / 2018

chất lượng iện khi hòa lưới. Ngồi ra, các loại máy phát cịn ược
so sánh các iểm ưu nhược dựa trên những tiêu chuẩn kỹ thuật

chuyên sâu hơn ể có thể kết luận ược ý tưởng máy phát tối ưu
nhất. Bài viết còn thống kê thị phần máy phát công suất trên 2.5MW
sử dụng trong tua bin gió, xu hướng của thị trường và cơng nghệ
máy phát iện hiện nay trên thế giới.

2. MÁY PHÁT ĐIỆN (SỬ DỤNG ĐIỆN TỪ)
Máy phát iện có thể ược phân loại dựa trên phạm vi ứng dụng
hoặc nguyên lý hoạt ộng. Bài viết sẽ phân loại dựa trên nguyên lý
hoạt ộng. Hình 1 thể hện các loại máy phát iện, bao gồm các loại
máy phát DC (1 chiều) cho ến máy phát sử dụng công nghệ tiên
tiến như siêu dẫn nhiệt ộ cao (high-temperature-superconducting - HTS). Bài viết chủ yếu tập trung vào máy phát iện xoay chiều
nhiều pha (AC poly-phase) vì ây là loại ược sử dụng nhiều nhất
trong nền cơng nghiệp năng lượng gió.

Hình 1: Biểu đồ các loại máy phát


AC machines: Máy phát iện xoay chiều
Single phase: 1 pha
Synchronous: máy phát ồng bộ
Shaded pole hysteresis Reluctance Permanent Magnet: máy phát cực từ xẻ rãnh
Induction: máy phát cảm ứng từ
Squirrel cage: máy phát lồng sóc
Wound rotor: máy phát rotor dây quấn
Universal Machines: Máy phát vạn năng
Polyphase: Nhiều pha
Induction: cảm ứng từ
Squirrel cage: máy phát lồng sóc
Wound rotor: máy phát rotor dây quấn
Synchronous: ồng bộ

Wound field: từ trường kích
Permanent magnet: nam châm vĩnh cữu
HTS: vật liệu siêu dẫn
DC machines: máy phát một chiều
Homopolar HTS: Vật liêu siêu dẫn ồng cực

2.1 MÁY PHÁT CẢM ỨNG
2.1.1 MÁY PHÁT ROTO LỒNG SÓC (SCIG
SQUIRREL-CAGE INDUCTION GENERATOR)
Máy phát roto lồng sóc (SCIG) là loại máy phát
tốc ộ cố ịnh thông dụng nhất trong các loại tua
bin gió trong một thời gian dài. Ưu iểm của máy
phát SCIG là chi phí sản xuất ại trà thấp, nguyên
lý công nghệ ơn giản, dễ sử dụng và kết nối
trực tiếp với lưới iện. Tuy nhiên, tốc ộ của máy
phát SCIG có khoảng giới hạn nhỏ và khơng thay
ổi ược. Máy phát SCIG có hộp truyền ộng a
cấp và hộp truyền ộng ln có cơng suất phản
kháng.

2.1.2 MÁY PHÁT CẢM ỨNG KÍCH TỪ KÉP
(DFIG DOUBLY-FED INDUCTION GENERATOR)
Sự gia tăng trong công suất thu thập ược, yêu
cầu chất lượng iện khi hòa lưới cũng như chỉ
tiêu giảm tải tiếng ồn và ứng suất tác dụng lên hệ
thống truyền lực là những ưu tiên trong thiết kế
của máy phát DFIGs, loại máy phát ược chế tạo
vào những năm cuối thập niên 90 với tốc ộ vận
hành có thể thay ổi ược. Nguyên lý hoạt ộng
của DFIG khá giống với máy phát SCIG, nhưng

roto của DFIG có 3 cuộn dây pha thay vì một
lồng sóc như roto của SCIG. Máy phát DFIG có
khoảng tốc ộ quay lớn nhờ vào kiểm sốt chiều
của dịng cơng suất tác dụng, và cơng suất phản
kháng có thể kiểm sốt ược nhờ vào dịng iện
roto trong converter. Ứng dụng chải than và hộp
truyền ộng a cấp trong máy phát DFIG cần
ược bảo dưỡng thường xuyên và có khả năng

hư hỏng. Sản lượng iện thu thập ược hịa lưới
thơng qua converter iện tử có giá thành cao và
rất nhạy cảm với dịng q tải. Ngồi ra, trong
trường hợp nhiễu ộng lưới iện, khả năng tự
iều chỉnh của máy phát hoạt ộng rất phức tạp.

2.2 MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ (SG SYNCHRONOUS
GENERATOR)
Máy phát ồng bộ (SGs ) là một thiết kế tân
tiến ang dần dần ược thị trường ưa chuộng trở
lại và ang ược coi là một dạng ộng cơ có tính
cạnh tranh cho dạng máy phát iện cảm ứng.
Động cơ SG tốc ộ cố ịnh ã ược sử dụng trong
tua bin gió. Máy phát ồng bộ a pha có nhiều
loại thiết kế, như rotor dùng dịng một chiều từ
hóa, rotor dùng bánh răng, rotor sử dụng nam
châm vĩnh cữu (PM – Permanent magnet), rotor
có từ trở (reluctance) biến thiên, cùng nhiều loại
rotor khác ã ược nghiên cứu và phát triển.
Tua bin gió a tốc khơng bánh răng thường sử
dụng ộng cơ SGs tốc ộ thấp, moment xoắn cao.

Rotor của máy phát truyền ộng trực tiếp (DD –
Direct Drive) ược kết nối trực tiếp vào trục của
cánh rotor. Vì vậy máy phát DD phải xoay ở tốc
ộ thấp, dẫn ến việc cần phải cung cấp moment
xoắn lớn hơn so với các loại máy phát có truyền
ộng. Máy phát DD khơng cần truyền ộng, do
ó hệ cơ khí trong máy phát ược có tải trọng
thiết kế lớn ể ảm bảo khả năng chịu moment
xoắn lến, dẫn ến máy phát có khối lượng và kích
thước lớn. Tuy nhiên, giá thành chế tạo và tiếng
ồn ược giảm áng kể cũng như ộ ổn ịnh và tin
cậy của hệ thống ược nâng cao vì loại trừ ược
khả năng hư hỏng của bộ truyền ộng. Vì những
ưu thế kể trên, máy phát truyền ộng trực tiếp
(DD) ược coi là một giải pháp kinh tế tốt mặc
dù tiền ầu tư ban ầu khá lớn. Thiết kế của máy
phát DD có thể dựa trên một trong hai nhu cầu:
máy phát có kích thước nhỏ nhất với u cầu về
cơng suất và hiệu năng, hoặc máy phát có hiệu
năng lớn nhất với kích thước và cơng suất cố ịnh.
Máy phát iện truyền ộng trực tiếp ồng bộ
thường ược trang bị 3 cuộn dây pha trên stator; dây quấn rotor ược cung cấp dòng DC từ
một mạch iện riêng biệt, dạng máy phát này
ược gọi là máy phát iện ồng bộ cảm ứng từ
EESGs (Electrically Excited Synchronous Generator). Thay vì dây quấn, rotor có thể sử dụng nam
châm vĩnh cửu (PMs, Permanent Magnet), loại
máy phát này là máy phát iện ồng bộ sử dụng
nam châm vĩnh cữu, gọi tắt là PMSG (Permanent
Magnet Synchronous Generator).

2.2.1 MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ CẢM ỨNG TỪ
(EESG - ELECTRICALLY EXCITED SYNCHRONOUS
GENERATOR)
Máy phát EESG ược sử dụng lần ầu tiên ở
Đức vào năm 1992, ược thiết kế bởi Enercon

BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 4 / 2018

19


với tốc ộ ứng với công
suất 500kW. Stator của
máy phát EESG giống với
máy phát cảm ứng iện
với ba cuộn dây pha; rotor
của máy EESG có trục nhơ
ra thường ược sử dụng ở
tốc ộ thấp. Biên ộ và tần
số của iện áp ược kiểm
soát bằng bộ chuyển ổi
converter. So sánh với máy
phát PMSG, EESG không cần
dùng nam châm vĩnh cữu
(PMs); nhờ ó giảm thiểu
giá thành sản xuất và máy
phát dạng EESG là loại máy
phát ược sử dụng nhiều
nhất trong các máy phát
truyền ộng trực tiếp (DD)

cỡ lớn trong tua bin gió.
Một khuyết iểm của EESG
là việc phải kích dịng trong
cuộc dây rotor bằng dòng
một chiều sử dụng bàn
chải carbon hay chổi than,
hoặc sử dụng vòng tiếp
iện. Máy phát cần những
bộ phận iện tử ắt tiền,
cũng như nhu cầu làm mát
là một trong những nhược
iểm khác. EESG thuờgn có
kích thước ường kính rotor rất lớn. Tuabin gió của
Enercon, tuabin E-126 là
một trong những tuabin
trong ất liền lớn nhất thế
giới với công suất 7.58MW
có ường kính rotor dài
126m. Đường kính khổng
lồ như vậy khiến cho việc
vận chuyển và lắp ặt rất
khó khăn.

2.2.2 MÁY PHÁT ĐIỆN
ĐỒNG BỘ SỬ DỤNG NAM
CHÂM VĨNH CỮU (PMSG
– PERMANENT MAGNETS
SYNCHRONOUS
GENERATOR)
Loại máy phát sử dụng

nam châm vĩnh cữu (PM) là
ược xem là ứng dụng tiên
tiến và có nhiều triển vọng
nhất trong loại tuabin gió
truyền ộng trực tiếp (DD
– direct driven). Tập oàn
General Electric (GE), Zephyros, Mitsubishi và Siemens
là những nhà sản xuất ứng
20

dụng máy phát PMSG vào thiết kế tua bin gió của họ. Rotor trong máy
phát PMSG là những nam châm vĩnh cữu. Cảm ứng từ ược cung cấp
nhờ vào các nam châm này thay vì dùng dây cuộn kích từ, tuy nhiên
dây cuộc stator hoạt ộng dựa trên ngun tắc giống như máy phát ba
thì EESG. PMSGs có nhiều ưu iểm so với EESG như ường kính rotor
có kích thước nhỏ hơn, khơng sử dụng những bộ phân cơ khí phức tạp
dễ hư hỏng như cuộc kích iện, việc tản nhiệt dễ dàng hơn, và tỉ lệ công
suất ầu ra trên khối lượng tốt hơn. Công nghệ PMSG giảm trọng lượng
cho máy phát nhờ vào loại bỏ bộ truyền ộng, khe khí và khoảng từ
cách tốt hơn giúp giảm thiểu liên kết từ thông. Khuyết iểm của máy
phát PMSG là giá thành cao của nam châm vĩnh cữu, sản xuất và lắp ráp.
Tình trạng khử từ của nam châm vĩnh cữu khi gặp nhiệt ộ cao cũng
là một nhược iểm của máy phát PMSG. Tuy nhiên, trong vài năm trở
lại ây, những tiến bộ trong sản xuất nam châm vĩnh cữu cũng như giá
thành sản xuất giảm ang khiến cho máy phát PMSG trở nên hấp dẫn
hơn. Hình 2 thể hiện những chọn lựa trong thiết kế cho máy phát PMSG
sử dụng trong tua bin gió truyền ộng trực tiếp. Những phương án thiết
kế bao gồm: dòng hướng tâm (dạng ĩa), dòng ngang và dòng hướng
tâm. Thiết kế sử dụng dịng hướng tâm là thơng dụng nhất.

Hình 2: Biểu đồ các thiết kế của máy phát PMSGs trong tuabin truyền động trực
tiếp (DD turbine)

PMSG
Axial flux: dòng hướng trục
Single stator, single rotor: một stato một roto
One teetered stator, two rotors: stator treo, 2 rotor
Torus (one toothless stator, two rotors): hình xuyến (một
stator khơng răng, 2 roto)
Circumferential current: dịng iện chạy chu vi
sử dụng nam châm vĩnh cữu
Transverse flux: dòng hướng ngang
Radial flux: dòng hướng tâm
Trên thế giới hiện nay có 2 nhà sản xuất, Multibird của Đức/Pháp
và WinWind của Phần Lan ã có thể kết hợp một máy phát tua bin gió
truyền ộng trực tiếp sử dụng nam châm vĩnh cữu (DD PM) với bộ
truyền ộng một buồng. Thiết kế này tối giản hóa bộ truyền ộng, giúp
cho máy phát có hiệu năng cao hơn so với tua bin gió ba buồng.

BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 4 / 2018


2.2.3 MÁY PHÁT ĐIỆN
ĐỒNG BỘ SỬ DỤNG VẬT
LIỆU SIÊU DẪN (HTS SG
– HIGH TEMPERATURE
SUPERCONDUCTIVITY
SYNCHRONOUS
GENERATOR)
Nghiên cứu về ứng

dụng của vật liệu siêu dẫn
(HTS) trong các loại máy
cơ khí có ộng cơ quay
bắt ầu từ nhữn gnăm
1980. Vật liệu HTS thô,
dây dẫn HTS hoặc sự kết
hợp của chúng có thể sử
dụng trong các máy HTS .
Ứng dụng vật liệu HTS ể
chế tạo máy, ược biết là
những máy sử dụng công
nghệ ồng bộ, cảm ứng
từ, hoặc ồng cực ã ược
nghiên cứu từ khá lâu.
Hiện nay, thế hệ thứ hai
của vật liệu HTS ã ược
giới thiệu vào thị trường.
Tua bin gió khơng sử dụng
hộp truyền ộng có tốc ộ
xoay thấp hơn có thể sử
dụng dây HTS. Tập oàn
GE ã tiến hành nghiên
cứu phát triển máy phát
iện ồng bộ có cơng suất
100MW sử dụng cuộc cảm
ứng làm bằng vật liệu HTS.
Công ty Windtec Solution
ặt ra mục tiêu thiết kế
tua pin gió có cơng suất
10MW sử dụng máy phát

HTS. Máy phát HTS cịn
có những ứng dụng khác
ngồi tua bin gió như trong
lĩnh vực hàng hải. Thế hệ
mới của dây dẫn HTS ảm
bảo giá thành thấp hơn
khoảng 25% so với thế
hệ thứ nhất giúp cho việc
ứng dụng vật liệu HTS có
tính kinh tế hơn trong việc
sản xuất tuabin gió. Cuộn
HTS có thể hoạt ộng ở
nhiệt ộ rất cao (cao hơn
30 ộ Kelvin) và có thể
làm mát dễ dàng nếu cho
dù phải dùng tủ lạnh dân
dụng bình thường. Mật ộ
năng lượng ạt ược của
dây HTS (200A/mm) cao
hơn so với vật liệu thông

thường (5A/mm trong máy phát EESGs) nhờ vậy giảm ược áng kể
kích thước của rotor. Khối lượng của máy phát cũng sẽ giảm từ 4 lần nếu
so với máy phát DFIG, và 2 lần nếu so với máy phát PMSG.

3. SO SÁNH GIỮA CÁC HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN
Amieli và cộng sự ã nghiên cứu tính khả thi của việc thay thế máy
phát cảm ứng từ trong những trang trại phong năng bằng máy phát
PMSG (máy phát iện ồng bộ sử dụng nam châm vĩnh cữu) và cho thấy
rằng máy phát PMSG có lợi thế hơn về cơng suất, kích thước tuabin và

cách hịa lưới. Những nghiên cứu của Soens, Poore and Lettenmaier, Li và
Chen tập trung vào việc so sánh giữa máy phát cảm ứng từ và máy phát
PMSG trong tình trạng làm việc với tốc ộ khác nhau. Ở hai công suất
khác nhau, 500kW và 3MW, máy phát PMSG có kích thước lớn hơn so với
máy phát SCIG, tuy nhiên hiệu suất truyền ộng tốt hơn và bộ truyền
ộng cũng có trọng lượng nhỏ hơn. Bảng 1 tổng quan về công năng giữa
các loại máy phát khác nhau (SCIG, DFIG, SG, PMSG, EESG, và máy phát
HTS) trong ứng dụng tua bin gió cơng suất lớn. So sánh ược phân vùng
từ tốt (Excellent – E) ến tồi (Poor – P). Từ khi tua bin gió truyền ộng
trực tiếp ược sử dụng, bộ dẫn ộng khơng cịn là bắt buộc trong thiết
kế. Tuy nhiên, tuabin sử dụng truyền ộng trực tiếp (DD) to hơn và ắt
tiền hơn so với tuabin sử dụng bộ dẫn ộng. Bù lại tua bin DD bền hơn
và hiệu năng cao hơn. Tua bin DD với máy phát PMSG có thể ược thiết
kế với kích thước và giá thành nhỏ hơn khi cùng công suất ầu ra so với
máy phát EESG. Trong nghiên cứu về tuabin DD của Bang, có thể kết luận
rằng máy phát DD PMSG với bộ dẫn ộng một buồng có cơng suất thất
thốt thấp hơn, cơng suất hiệu quả cao cũng như tỉ lệ năng lượng thu
ược trên chi phí là tốt hơn so với máy phát SCIGs, DFIGs, EESG. Trong
nghiên cứu của Lewis, máy phát HTS có thể giảm giá thành sản xuất nhờ
vào việc sử dụng vật liệu HTS thế hệ thứ 2. Khi hoạt ộng cùng cơng
suất với nhau, máy phát HTS có hiệu năng và kích thước nhỏ hơn so với
những máy phát cảm ứng khác.
Khi sử dụng Bảng 1, cần có sự thay ổi và chỉnh sửa tùy theo mức ộ
quan trọng của từng tiêu chí ánh giá. Những khía cạnh như kinh tế, môi
trường, hạn chế về kỹ thuật cần ược cân nhắc nhằm ánh giá những
ứng dụng của tuabin gió một cách thiết thực nhất. Ví dụ như với tuabin
gió ngồi biển, những tiêu chí như bảo dưỡng, kích thước, ộ phức tạp
khi lắp ặt và ộ bền sẽ quan trọng hơn so với ộ ồn.
Bảng 1: So sánh về năng suất của từng loại máy phát

Torque density: Độ ặc moment xoắn
Speed range: Khoảng tốc ộ hoạt ộng
Cost: Giá thành
Size: Kích cỡ
Gearbox requirement: Cần có bộ dẫn ộng
BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 4 / 2018

21


Converter size: Kích
thước bộ chuyển ổi
converter
Efficiency: Hiệu suất
Reliablilty: Độ bền
Maintenance: Bảo trì
Noise level: Độ ồn
Fault detection: Khả
năng phát hiện lỗi
Power factor: Hệ số
công suất
Power quality: Chất
lượng iện
Power range: Biên ộ
công suất
Simple structure: Cấu
trúc ơn giản
Reduce head-mass:
Giảm khối lượng ầu
trục

4. XU HƯỚNG PHÁT
TRIỂN CỦA MÁY
PHÁT TUA BIN GIĨ
Thị trường máy
phát khơng còn tập
trung ứng dụng vào
dạng máy SCIG từ
những năm 1990 và
từ khi dạng máy DFIG
chiếm lĩnh thị trường
từ năm 2003, SCIG là
dạng máy phát có thị
phần nhỏ nhất. Máy
phát DFIG với khả năng
vận hành a tốc ộ có
nhiều ưu thế hơn so
với máy SCIG dùng rotor quay cảm ứng. Từ
cuối thập niên 2000,
máy phát DFIG chiếm
lĩnh thị trường với thị
phần trên 85% vào năm
2008. Nhiều loại máy
phát ồng bộ (SG) khác
có thị phần dao ộng
chút ít trong chu kỳ từ
năm 1995 ến 2004,
nhưng nhìn chung ều
có sự tăng trưởng ều
trong thị trường tua bin

gió. Thị trường tua bin
gió ngồi biển gia tăng
áng kể dẫn ến nhu
cầu cho loại tua bin có
cơng suất lớn và bền
tăng cao. Tuy nhiên,
máy phát dùng nam
châm vĩnh cữu (PM)
22

ược công nhận là loại máy phát có hiệu suất cao nhất trong nhiều chủng
loại máy phát hiện hành trên thị trường. Hiệu năng cao của máy phát PM
có nhược iểm là chi phí sản xuất và nguyên vật liệu cao so với máy phát
DFIG. Bù lại cho chi phí ầu tư ban ầu cao là giảm thiểu chi phí bảo dưỡng
và bộ phận thay thế. Máy phát sử dụng nam châm vĩnh cữu ược công nhận
là thiết kế có tính kinh tế nhất trong những loại máy phát thông dụng trên
thị trường
Để hiểu ược xu hướng của máy phát dành riêng cho tuabia gió cỡ lớn,
thị trường máy phát với công suất từ 2.5MW trở lên cần ược tách riêng và
nghiên cứu. Bảng 2 và 3 thể thống kê các nhà sản xuất tua bin trên thế giới
với nhiều loại máy phát cảm ứng từ khác nhau (bao gồm máy phát loại SCIG
và DFIG) và máy phát ồng bộ (EESG và PMSG). Công suất ầu ra cũng như
ường kính rotor của máy phát cũng ược thống kê. Cần lưu ý rằng yếu tố
môi trường như sức và hướng gió sẽ ảnh hưởng ến cánh quạt hứng gió của
tuabin ể ạt ược cơng suất iện u cầu. Khoảng 70% tuabin công suất
lớn (2.5MW trở lên) loại sử dụng máy phát cảm ứng từ có cơng suất từ 2.5
ến 3MW. Máy phát cảm ứng từ loại DFIG của cơng ty Repower of Germany
có cơng suất 6MW là một trong những máy phát cảm ứng từ lớn nhất. Hơn
65% của tuabin công suất lớn (2.5MW trở lên) loại sử dụng máy phát SG có
cơng suất lớn hơn 3MW. Cơng ty Enercon của Đức sản xuất ược loại máy

phát ồng bộ EESG có cơng suất 7.58MW là tuabin lớn nhất sản xuất trong
năm 2012.

Bảng 2: Những tuabin cỡ lớn với máy phát cảm ứng từ trên thị trường Manufacturer:
Nhà sản xuất Power/rotor diameter: Tỉ số giữa công suất trên đường kính rotor

Bảng 3: Những tuabin cỡ lớn với máy phát đồng bộ trên thị trường
Manufacturer: Nhà sản xuất Power/rotor diameter: Tỉ số giữa cơng suất trên đường
kính rotor

BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 4 / 2018


Máy phát DFIG dẫn
ầu thị trường trong thập
kỷ gần ây ang dần dần
tăng kích thước tuabin gió,
qua ó giúp cho việc ầu
tư cho các tuabin gió cỡ
lớn trở nên hấp dẫn hơn.
Máy phát DFIG sử dụng
ặt thấp nhưng bắt buộc
phải tháo dỡ một vài cấu
kiện ể bảo dưỡng, ảm
bảo tính an toàn cho tuabin. Thị phần của máy
phát PMSG và EESG vẫn
chưa vượt mốc 22% nhưng
ang có à tăng trưởng
khá nhanh trong những
năm gần ây. Nhu cầu

cho tuabin gió cơng suất
lớn có khả năng vận hành
ở những vùng gió thổi
chậm và khả năng hòa
lưới ơn giản hơn khiến
cho những thiết kế PMSG
và EESG ang dần trở nên
hấp dẫn hơn. Máy phát sử
dụng nam châm vĩnh cữu
(PM) chủ yếu dùng nam
châm sắt có giá thành cao
hơn so với những bộ phận

thơng. Ở mức hoạt ộng cơng suất lớn, q trình bảo dưỡng ịnh kỳ và
không ịnh kỳ của máy phát sử dụng trong tuabin ngồi biển là rất dài
và có chi phí lớn hơn so với tuabin gió trong bờ. Vì vậy, ứng dụng thiết kế
PMSG vào những trường hợp trên (tuabin ngồi biển và hệ thống tuabin
cơng suất lớn) có tính kinh tế tốt, số vốn ầu tư ban ầu tăng nhưng giảm
khối lượng bảo dưỡng trong quá trình vận hành. Những tuabin cơng suất
lớn thường có cơng suất rơi vào khoảng từ 2.5MW ến 3MW, trong cùng
khoảng công suất này thì tuabin sử dụng máy phát SG chiếm khoảng
35%. Máy phát SG, ặc biệt là loại máy phát sử dụng nam châm vĩnh cữu
ang dẫn ầu thị phần trong tuabin gió cơng suất cực lớn (trên 3MW).
Tuabin sử dụng máy phát PM cơng suất lớn trên 3MW thường có ường
kính rotor lớn hơn so với máy phát cảm ứng từ có cùng cơng suất.
Bảng 4 thể hiện thị phần của từng nhà sản xuất tuabin gió từ năm
2005. Vestas ang là công ty tiên phong trong thị trường tuabin gió với
cơng suất từ 1 ến 4.5MW. Tuy nhiên thị phần của Vestas giảm từ 34.1%
trong năm 2004 ến 12.9% trong năm 2011. Thị trường tuabin gió ang
thu hút nhiều nhà ầu tư, vì vậy thị trường cạnh tranh khốc liệt hơn so

với trước ây. Có nhiều cơng ty mới xuất hiện lần ầu tiên trong top mười
nhà sản xuất, Sinovel là một trong những công ty mới xuất hiện với thị
phần tăng từ 3.4% trong năm 2007 ến 9.0% trong năm 2011. Những
công ty khác như Siemens hầu hết giữ ngun thị phần qua các năm.
Mitsubishi khơng cịn nằm trong top 10 nhà sản xuất tuabin gió trên thế
giới gần ây. Những công ty chuyên sản xuất tuabin cũng ang ưa tuabin gió vào trong tầm ngắm của họ với thị phần 5% vào năm 2005 nhưng
ến năm 2011 ã lên ến 21%.

Tuy nhiên máy phát PM có
ộ bền và tin cây tốt hơn vì
ít thành phần cơ khí hơn.
Sắt không phải là vật liệu
tốt nhất ể sử dụng cho
máy phát PM. Đồng là vật
liệu nhẹ hơn so với sắt, có
khả năng tạo từ trường và
tính dẫn iện tốt ược coi
là loại vật liệu lý tưởng cho
máy phát PM, tuy nhiên
giá thành vật liệu rất cao
dẫn ến việc sử dụng ồng
cho máy phát PM vẫn chưa
mang tính kinh tế tốt nhất.

Công nghệ máy phát mới với giá thành thấp và ộ tin cậy cao hơn giúp
cho việc sản xuất máy phát cơng suất cực lớn dùng trong tuabin gió biển
khả thi hơn. Vestas ã khai triển tuabin gió biển với công nghệ tiên tiến
V-164 ứng dụng máy phát PMSG. Gaema ã ăng ký chứng chỉ sản xuất
tuabin gió cỡ lớn (công suất 5MW) vào năm 2012 và lắp ặt vào năm
2014. SeaTitan ã ưa vào thị trường máy phát HTS với hiệu năng có thể

lên ến 96% với ường kính rotor lên ến 190m.

Chướng ngại lớn nhất
trong việc sử dụng máy
phát PM so với máy phát
DFIG vẫn là giá thành ầu
tư ban ầu mặc dù hiệu
năng của máy PMSG có
thể bù lại cho nhược iểm
này. Dù vậy, với những loại
tuabin lớn với công suất
trên 3MW sử dụng trong
những dự án quy mơ lớn
thì PMSG là lựa chọn phổ

Những hạn chế về kết cấu chịu tải cũng như khả năng kiểm sốt
cơng suất là những khó khăn ầu tiên trong việc sử dụng máy phát
cơng suất lớn cho tuabin ngồi biển. Tuabin gió truyền ộng trực tiếp
của Enercon, tuabin E -126 có cơng suất 7.5MW khơng có bộ dẫn ộng
mà sử dụng một bộ truyền ộng trực tiếp - có giá thành rất ắt và kết
cấu rất lớn. Tuabin gió Clipper Windpower có cơng suất 2.5MW ở trang
trại phong năng cơng suất 20MW ở phía bắc thành phố New York bị hư
hỏng vì thiết kế kết cấu bị lỗi dẫn ến việc phân bố moment xoắn không
ều trong bộ truyền ộng. Những nghiên cứu gần ây trong công nghệ
truyền ộng a máy phát (MGD Multiple-Generator Drivetrain) ang giải
quyết những vấn ề lớn trong thiết kế MGD, giúp cho thiết kế MGD trở
nên bền hơn và có khoảng tốc ộ hoạt ộng cao hơn.

Bảng 4: Thống kê mười nhà sản xuất tuabin gió với thị phần lớn nhất từ năm
2005 -2011 Manufacturer: Nhà sản xuất

BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 4 / 2018

23


5. KẾT LUẬN
So sánh giữa những chủng loại máy phát
khác nhau, DFIGs ang là dạng máy phát phổ
biến nhất trong thị trường máy phát với hơn
80% thị phần tuabin gió. Tuy nhiên, do nhu
cầu sử dụng tuabin công suất lớn ang trên
à tăng trưởng, máy phát PMSG ang thu hút
ược sự chú ý của những nhà ầu tư trong vài
năm trở lại ây. Ưu iểm của loại máy phát
ồng bộ (SG) với hệ thống dây HTS là kích
thước nhỏ hơn khi vận hành ở cùng công suất
so với máy phát PMSG và DFIG ang cho thấy
khả năng ứng dụng máy phát SG vào sản xuất
tuabin gió có ường kính rotor cực lớn.
Sự gia tăng áng kể của thị phần tuabin
gió của các công ty vừa và nhỏ cho thấy tương
lai phát triển mạnh mẽ của công nghệ phong
năng. Sự phát triển thần tốc của công nghệ sản
xuất tuabin, cùng với sự ủng hộ mạnh mẽ của
các chính phủ trên thế giới sẽ giúp cho năng
lượng xanh ngày càng dồi dào và giúp cho con
người ngày càng ít phụ thuộc vào năng lượng
hóa thạch.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Solyali D, Redfern MA (2009) Have wind
turbines stop maturing?
In: IEEE 44th International Universities, Power
Engineering
Conference (UPEC)
2. Carlin PW, Laxson AS, Muljadi EB (2001) The
history and state of the art of variable-speed
wind turbine technology.National Renewable
Energy Laboratory, NREL/TP-500-28607,
Golden
3. Goudarzi N, Zhu WD, Bahari H (2013) Wind
energy conversion:the potential of a novel
ducted turbine for residential and commercial
applications. In: Proceedings of the ASME(2013)
International
Mechanical Engineering Congress & Exposition.
San Diego, California, USA (to be published)
4. World Wind Energy Association Reports
(2011) World wind energy report 2010. WorldWind Energy Association (WWEA),Bonn
5. Global Wind Energy Reports (2012) Global
wind energy outlook 2012. Global Wind Energy
Council (GWEC), Brussels
6. Goudarzi N (2011) Aerodynamic and electromagnetic modeling and analysis of a
variable torque generator for wind turbine
applications.Master Thesis, Department of Mechanical Engineering,
University of Maryland Baltimore County, Baltimore, MD, USA

24

BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 4 / 2018

TỔNG qUAN VỀ
HỆ THỐNG NĂNG

LƯỢNG MẶT TRỜI
TRÊN MÁI NHÀ
(Bài 1)

TS. ĐẶNG MẠNH CƯỜNG
ThS. TRƯƠNG TRUNG HIẾU
Trường Cao đẳng Điện lực TP. HCM

TÓM TẮT
Năng lượng mặt trời ang là nguồn năng lượng
tiềm năng và mang tính thời sự nhất tại Việt Nam
tại thời iểm hiện tại. Chính phủ ã ban hành nhiều
chính sách ưu ãi, trong ó quan trọng nhất là giá
mua iện, nhằm thu hút các nguồn lực ầu tư của xã
hội vào lĩnh vực khá mới mẽ này. Hiện tại có rất nhiều
dự án năng lượng mặt trời ược triển khai khắp trên
cả nước, trong ó ối với các hộ gia ình là lắp ặt các
bộ năng lượng mặt trời trên mái nhà. BẢN TIN SEEA
sẽ lần lượt giới thiệu nhiều bài với kỳ vọng sẽ mang
ến cho các kỹ sư, cán bộ kỹ thuật những kiến thức
nền tảng nhất ối ối với chủ ề này.

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA TẤM PIN NĂNG
LƯỢNG MẶT TRỜI (NLMT)
Từ 1839: Alexandre-Edmund Becquerel, một

nhà vật lý thực nghiệm trẻ ở Pháp, phát hiện ra hiệu
ứng quang iện ở tuổi 19, trong khi giúp cha mình
thử nghiệm với các pin iện phân tạo ra bởi hai iện
cực kim loại.
1888: Ed. Weston nhận ược bằng sáng chế
cho pin NLMT.
1953: D. Chapin, C. Fuller và G. Pearson Silicon
thực hiện một pin năng lượng mặt trời có diện tích
bề mặt 2 cm2 với hiệu xuất 4% (cơng bố trên trang
bìa NY Times).
1954: tại Siemens ở Đức, G. Spenke và nhóm
của ơng phát triển một phương pháp hiệu quả cho
việc sản xuất poly-Si: Các nhà khoa học và chuyên
gia từ Wacker và TU Munich tham gia trong cơng
trình này với Siemens. Cái ược gọi là Phương pháp
Siemens là cơng nghệ chính ể sản xuất pin NLMT và
bán dẫn loại Si.
tride (PECVD) như lớp phản chiếu và lớp thụ ộng,
mà hiện nay ược áp dụng cho hầu như tất cả pin
NLMT thương mại bằng Silicon.
Năm 1982: sản xuất iện quang trên toàn thế
giới ạt giá trị 10 MW.
1982: một nhà máy quang iện 01 MW ược
xây dựng bởi ARCO Solar với 100 trackers lưỡng trục
với c-Si module i vào sử dụng tại California.