Chương 1 - TỔNG QUAN 1. Tổng quan về năng lượng gió Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển trái đất, đây là một hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời. Năng lượng gió là một nguồn năng lượng sạch, có khả năng tái tạo. Con người từ lâu đã biết sử dụng năng lượng gió để di chuyển thuyền buồm, khinh khí cầu hoặc cối xay gió.
Ý tưởng dùng năng lượng gió để sản xuất điện hình thành sau khi ra đời các phát minh về điện và máy phát điện. Từ sau cuộc khủng hoảng dầu lửa vào những năm 1970, việc nghiên cứu sản xuất năng lượng từ các nguồn khác nhau được đẩy mạnh trên toàn thế giới, kể cả việc phát triển các tua-bin gió hiện đại. Nguyên lý phát điện từ năng lượng gió như sau: tua-bin gió biến động năng của gió thành động năng của tua-bin, chuyển động quay của tua-bin dẫn đến chuyển động quay của máy phát điện và tạo ra điện. Để truyền điện đi xa hơn, người ta dùng máy biến thế để tăng hiệu điện thế.
Điện năng được truyển tải đi đến nơi sử dụng qua đường dây tải điện. Hiện trạng phát triển điện gió trên thế giới 1. Hiện trạng phát triển điện gió Từ sau cuộc khủng hoảng dầu lửa trong thập niên 70 của thế kỷ 20, việc nghiên cứu sản xuất năng lượng từ các nguồn khác, nhất là từ gió, được đẩy mạnh trên toàn thế giới. Điện gió cũng là một trong những công nghệ phát điện bằng năng lượng tái tạo với giá thành tương đối thấp và có tốc độ tăng trưởng nhanh nhất trên thế giới hiện nay.
Theo Báo cáo Năng lượng gió thế giới năm 2012 [28] của Hiệp hội Năng lượng gió thế giới (World Wind Energy Association - WWEA) cho biết: Trong năm 2012, trên toàn thế giới mới lắp đặt thêm được 44.609MW điện gió, nâng tổng công suất lắp đặt của điện gió đạt 282. 275MW (Hình 1), đóng góp khoảng 580 TWh điện mỗi năm, đáp ứng 3% nhu cầu tiêu thụ điện trên toàn thế giới, doanh thu từ điện gió ước tính là 75 tỷ USD. Trần Thị Bé 3 K19 Cao học Môi Trường LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đánh giá tiềm năng năng lượng gió vùng biển ven bờ Việt Nam Tốc độ tăng trưởng của điện gió trong năm 2012 trên toàn thế giới là 19,3%, đây là mức tăng thấp nhất trong 10 năm trở lại đây. Trong đó, châu Á là khu vực dẫn đầu về công suất điện gió mới được lắp đặt (chiếm 36,3% toàn thế giới), tiếp theo là Bắc Mỹ (31,3%) và châu Âu (27,5%), còn lại là các khu vực khác: châu Mỹ Latinh (3,9%), Australia (0,8%) và châu Phi (0,2%).
WWEA cũng dự đoán công suất điện gió trên toàn thế giới có thể sẽ đạt 500.000MW vào năm 2016 và đạt ít nhất là 1.000MW vào cuối năm 2020. Hình 1: Tổng công suất lắp đặt điện gió trên thế giới trong giai đoạn 1997 - 2012 (MW) [28] Hiện nay, trên thế giới có 100 nước đang sử dụng điện gió. Trong đó, 10 nước đứng đầu về công suất điện gió là: Trung Quốc, Mỹ, Đức, Tây Ban Nha, Ấn Độ, Anh, Italy, Pháp, Canada, Bồ Đào Nha. Chỉ riêng 10 nước này đã chiếm 86% công suất điện gió trên toàn thế giới.
Việt Nam là nước có công suất điện gió đứng thứ 59/100 theo xếp loại của WWEA, thể hiện trong bảng sau: Trần Thị Bé 4 K19 Cao học Môi Trường LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đánh giá tiềm năng năng lượng gió vùng biển ven bờ Việt Nam Bảng 1: Công suất và tốc độ gia tăng điện gió ở một số nước trên thế giới trong giai đoạn 2010 - 2012 [28] Vị trí Quốc gia Tổng công Tổng công Tổng công Công suất Tỷ lệ gia năm suất năm suất năm suất năm gia tăng tăng năm 2012 2010 2011 2012 năm 2012 2012 (%) (MW) (MW) (MW) (MW) 1 Trung Quốc 44.415 7,7 4 Tây Ban Nha 20.201 936 17,8 10 Bồ Đào Nha 3. 58 Philippines 33,0 33,0 33,0 0,0 0,0 59 Việt Nam 31,0 31,0 31,0 0,0 0,0 1. Hiện trạng phát triển điện gió ngoài khơi Điện gió ngoài khơi ở đây được hiểu là điện gió được xây dựng trên mặt nước, bao gồm cả trên biển và các hồ trong lục địa. Từ một tua-bin gió đầu tiên được xây dựng ngoài khơi ở Thụy Điển vào năm 1990 với công suất 300kW, qua 15 năm phát triển rất chậm, đến năm 2005 các công trình điện gió ngoài khơi đã tăng mạnh.
Năm 2006 đã có 18 dự án điện gió ngoài khơi được xây dựng trên toàn thế giới với tổng công suất 804MW. Đến cuối năm 2012, theo báo cáo Năng lượng gió thế giới năm 2012 của WWEA, toàn thế giới có 5.426MW điện gió ngoài khơi chiếm tỷ lệ 4,3% trong tổng công suất điện gió, trong đó có 1.903 KW mới lắp đặt trong năm 2012, tốc độ tăng trưởng của điện gió ngoài Trần Thị Bé 5 K19 Cao học Môi Trường LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đánh giá tiềm năng năng lượng gió vùng biển ven bờ Việt Nam khơi trong năm 2012 lên tới 54%, trong đó Vương quốc Anh là quốc gia có mức tăng trưởng điện gió ngoài khơi lớn nhất với 1.423MW điện gió mới được lắp đặt trong năm 2012. Hiện nay, có 13 nước trên thế giới có điện gió ngoài khơi (Bảng 2), đứng đầu là 5 nước: Anh, Đan Mạch, Trung Quốc, Bỉ, Đức. Bảng 2: Công suất điện gió ngoài khơi ở một số nước trên thế giới trong giai đoạn 2009 - 2012 [28] Vị trí Quốc gia Tổng công Tổng công Tổng công Công suất Tổng năm suất năm suất năm suất năm gia tăng công suất 2012 2009 2010 2011 năm 2012 năm 2012 (MW) (MW) (MW) (MW) (MW) 1 Anh 688 1.947,9 2 Đan Mạch 663,6 854 857,6 63,4 921 3 Trung Quốc 23 123 222,3 167,3 389,6 4 Bỉ 30 195 195 184,5 379,5 5 Đức 72 107 215,3 65 280,3 6 Hà Lan 247 249 249 0 249 7 Thụy Điển 164 164 164 0 164 8 Phần Lan 30 30 30 0 30 9 Nhật Bản 1 2 25,2 0,1 25,3 10 Ireland 25 25 25 0,2 25,2 11 Tây Ban Nha 10 10 10 0 10 12 Na Uy 2,3 2,3 2,3 0 2,3 13 Bồ Đào Nha 2 2 2 0 2 Tổng cộng 1.
Hiện trạng phát triển công nghệ tua-bin gió 1. Phân loại tua-bin gió Bắt đầu từ những cối xay gió xa xưa, hiện nay với sự phát triển nhanh chóng về công nghệ và vật liệu, trên thế giới đã xuất hiện nhiều loại tua-bin gió khác nhau, Trần Thị Bé 6 K19 Cao học Môi Trường LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đánh giá tiềm năng năng lượng gió vùng biển ven bờ Việt Nam về cơ bản có thể chia chúng thành 2 loại chính: loại trục đứng và loại trục ngang, dựa vào định hướng trục quay của cánh quạt. * Tua-bin gió trục đứng: Tua-bin gió trục đứng có thể đón gió từ mọi hướng nên hiệu quả cao hơn, cùng với cấu tạo đơn giản, các bộ phận đều có kích thước không quá lớn nên vận chuyển và lắp ráp dễ dàng, độ bền cao, duy tu bảo dưỡng đơn giản. Tuy nhiên, loại tua-bin này cũng có nhiều hạn chế nên không được phổ biến rộng rãi, chẳng hạn như: - Khó có thể đặt tua-bin thẳng đứng trên tháp cao, chỉ đặt được ở các vị trí thấp như mặt đất hoặc nóc các tòa nhà nơi có độ cao thấp, tua-bin phải hoạt động trong dòng không khí xáo động nhiều hơn, ở gần mặt đất có tốc độ gió thấp hơn nên năng lượng thu được rất thấp.
Do đó công suất hoạt động của tua-bin trục đứng thấp hơn. - Tua-bin trục đứng phải sử dụng các dây chằng để giữ cho hệ thống đứng yên, đáy chịu toàn bộ trọng lượng của rotor nằm trên trụ. Các dây chằng được nối với đỉnh trụ làm giảm áp lực hướng xuống mỗi khi gió giật. Với rotor đặt gần mặt đất là nơi tốc độ gió thấp hơn do cản trở bề mặt địa hình, tua-bin trục đứng không sản xuất được nhiều điện như tua-bin trục ngang ở cùng độ cao.
* Tua-bin gió trục ngang: Đây là loại tua-bin gió đang được thương mại hóa và sử dụng rộng rãi hiện nay. Loại này thường có 3 cánh, đôi khi cũng có 2 cánh và có cả loại 1 cánh. Tua- bin gió 3 cánh quạt hoạt động theo chiều gió với bề mặt cánh quạt hướng về chiều gió đang thổi. Tua-bin gió trục ngang có ưu điểm là có bệ tháp cao cho phép tua-bin gió trục ngang tiếp cận gió mạnh hơn khi hướng gió hoặc tốc độ gió thay đổi.
Công suất các loại tua-bin gió Hiện nay có nhiều loại tua-bin gió với công suất lớn nhỏ khác nhau, theo công suất có thể chia tua-bin gió thành các loại như bảng sau: Trần Thị Bé 7 K19 Cao học Môi Trường LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đánh giá tiềm năng năng lượng gió vùng biển ven bờ Việt Nam Bảng 3: Phân loại tua-bin gió theo công suất [12] Loại Công suất Đường kính rotor Nhỏ 10 - 50kW 5 – 16m Trung bình 50 - 500kW 16 – 45m Lớn 0,5 - 10 MW 45 – 130m Các tua-bin gió loại nhỏ có công suất dưới 50kW có thể tự điều chỉnh theo hướng gió, hoạt động được với tốc độ gió thấp thường được sử dụng cho hộ gia đình, viễn thông hoặc bơm nước, đôi khi cũng dùng để nối với máy phát diezen, pin và hệ thống quang điện. Các hệ thống này được gọi là hệ thống lai ghép và điển hình là sử dụng cho các vùng sâu, vùng xa, những địa phương chưa có điện hoặc những nơi mà mạng điện không thể nối tới các khu vực này. Các tua-bin gió phát điện thường có công suất khá lớn từ 0,5 - 10MW. Tuy nhiên, cho đến nay loại tua-bin gió phát điện có công suất vừa từ 800kW đến 2.500kW được ứng dụng phổ biến nhất.
Để có dãy công suất tua-bin gió lớn hơn, các tua-bin gió thường được xây dựng thành cụm, tạo thành các trang trại điện gió phát điện với qui mô công suất thường từ 20 - 100MW và có khả năng cung cấp năng lượng lớn hơn cho lưới điện. Các tua-bin gió có công suất lớn thường phát điện để nối với lưới điện quốc gia. Do nhiều hạn chế, hiệu suất năng lượng của tua-bin chỉ đạt tối đa khoảng 59% so với tiềm năng năng lượng gió tự nhiên. Tuy nhiên, sau 20 năm do những tiến bộ trong thiết kế, hiệu suất ngày nay đã có thể tăng lên tới 80% do kỹ thuật cánh quạt máy bay đã được áp dụng trong thiết kế cánh quạt tua-bin.
Hiện trạng phát triển điện gió ở Việt Nam 1. Vai trò của điện gió ở Việt Nam 1.