CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN VỀ ĐIỆN GIÓ 1. Tổng quan về điện gió 1. Sự hình thành và phát triển năng lượng gió Bức xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và không khí nóng không đều nhau. Một nửa bề mặt của Trái Đất (mặt ban đêm) bị che khuất không nhận được bức xạ của Mặt Trời và thêm vào đó là bức xạ Mặt Trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn là ở các cực, do đó có sự khác nhau về nhiệt độ và vì thế là khác nhau về áp suất mà không khí giữa xích đạo và 2 cực cũng như không khí giữa mặt ban ngày và mặt ban đêm của Trái Đất di động tạo thành gió.
Trái Đất xoay tròn cũng góp phần vào việc làm xoáy không khí và vì trục quay của Trái Đất nghiêng đi (so với mặt phẳng do quỹ đạo Trái Đất tạo thành khi quay quanh Mặt Trời) nên cũng tạo thành các dòng không khí theo mùa. Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay quanh trục của Trái Đất nên không khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển động thẳng mà tạo thành các cơn gió xoáy có chiều xoáy khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu. Nếu nhìn từ vũ trụ thì trên Bắc bán cầu không 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.
Ngoài các yếu tố có tính toàn cầu trên gió cũng bị ảnh hưởng bởi địa hình tại từng địa phương. Do nước và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất nóng lên nhanh hơn nước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay hồ vào đất liền. Vào ban đêm đất liền nguội đi nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra theo chiều ngược lại. Năng lượng gió đã được sử dụng từ hằng trăm năm nay.
Con người đã dùng năng lượng gió để di chuyển thuyền buồm hay khinh khí cầu, ngoài ra năng lượng gió còn được sử dụng để tạo công cơ học nhờ vào các cối xay gió. Từ những ngày đầu, năng lượng gió chỉ được sử dụng vào những mục đích đơn giản như giúp quay cối xay bột, giúp thiết bị bơm nước hoạt động, hoặc lợi dụng sức gió để giúp con người vận chuyển hàng hóa bằng thuyền. Đặc điểm nổi bật của thiết bị này là cánh đón gió được bố trí xung quanh một trục đứng, minh họa một mô hình cánh gió được lắp đặt tại Trung Mỹ vào cuối thế kỷ 19, mô hình này cũng có cấu tạo cánh đón gió quay theo trục đứng. Kể từ thế kỷ 13, các cối xay gió bắt đầu xuất hiện nhiều tại lĩnh vực Châu Âu với thiết kế các cánh đón gió quay theo phương ngang.
4 Hình 1-1: Cối xay gió cánh quạt theo phương ngang tại Châu Âu sau thế kỷ 13 Trong những năm tiếp theo, các thiết kế của thiết bị chạy bằng sức gió ngày càng được hoàn thiện và được sử dụng rộng rãi trong khá nhiều các lĩnh vực ứng dụng: chế tạo các máy bơm nước, hệ thống tưới tiêu trong nông nghiệp, các thiết bị xay xát, xẻ gỗ, nhuộm vải. Cho đến đầu thế kỷ 19, cùng với sự xuất hiện của máy hơi nước, thiết bị chạy bằng sức gió dần dần bị thay thế. Lịch sử con người đã bước sang thời kỳ mới với những công cụ mới: máy chạy bằng hơi nước. Cuối thế kỷ 19: Những bước đi đầu tiên Năm 1888, Charles F.Brush đã đặt nền móng cho lĩnh vực sản xuất điện gió bằng cách cho ra đời chiếc máy chạy phát điện bằng gió đầu tiên, được lắp đặt tại Cleverland, Ohio với một số và thông số kỹ thuật như: Cánh được ghép thành xuyến tròn, đường kính vòng ngoài 17 m, sử dụng hộp số (tỉ số truyền 50:1) ghép giữa cánh tuabin với trục máy phát, tốc độ định mức của máy phát là 500 vòng/phút, Công suất phát định mức là 12 kW.
Thiết kế đầu tiên của Charles Brush đã đặt tiền đề để các dạng thiết kế tiếp theo về tuabin gió tiếp theo được ra đời. Hình 1-2: Tuabin gió đầu tiên của Charles E.Brush 5 Cho đến đầu những năm 1910, đã có nhiều máy phát điện chạy bằng sức gió công suất 25 kW được lắp đặt tại Đan Mạch nhưng giá thành điện năng do chúng sản xuất ra không cạnh tranh được với giá thành các nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch truyền thống. Mặc dù gặp khó khăn do không chiếm lĩnh được thị trường, những thế hệ máy phát điện chạy bằng sức gió vẫn tiếp tục được thiết kế và lắp đặt. Ví dụ như các máy phát công suất từ 1kW đến 3 kW được lắp đặt tại vùng nông thôn của đồng bằng lớn tại Mỹ, vào những năm 1925 hay máy phát Balaclava công suất 1000kW lắp đặt tại Nga năm 1931 hay máy phát Gedser công suất 200kW, lắp đặt tại đảo Gedser, Đông Nam Đan Mạch.
Hình 1-3: Hệ thống tuabin gió kết hợp máy phát của Gesder, Đan Mạch Tóm lại, sự phát triển của máy phát điện chạy sức gió trong thời kỳ này có đặc điểm đó là ít về số lượng, lắp đặt rải rác, tập trung chủ yếu tại các nước như Mỹ, các nước Tây Âu như Đan Mạch, Đức, Hà Lan, Pháp; công suất máy phát thấp, chủ yếu nằm ở mức vài chục kW (từ 12 kW-30kW). Giai đoạn từ năm 1970-1990: đánh dấu bước ngoặt thị trường ứng dụng cho các máy phát điện sức gió chỉ thật sự phát triển vào những năm cuối thập kỷ 70 thuộc thế kỷ 20, khi cuộc khủng hoảng dầu mỏ nổ ra. Thời gian đó, California nổi lên như một địa điểm thu hút các dự án lắp đặt máy phát điện sức gió của các nhà sản xuất như: Mỹ, Đan Mạch, Anh, Đức, Hà Lan,…Trong 6 năm, 15000 máy phát điện sức gió được lắp đặt trong đó một nửa là các nhà sản xuất châu Âu với công suất máy phát nằm trong phạm vi từ 55kW -200 kW. Giai đoạn từ năm 1990 đến nay- giai đoạn phát triển: Sự phát triển của việc ứng dụng năng lượng gió trong thời kỳ này không phải xuất phát từ cuộc khủng hoảng dầu mỏ mà từ những yêu cầu phải bảo vệ môi trường tại các nước.
Năng lượng gió được 6 đánh giá là nguồn năng lượng sạch, có tiềm năng khai thác, đặc biệt đối với các nước có nền kinh tế phát triển. Chính phủ các nước xúc tiến tài trợ cho dự án nghiên cứu năng lượng mới gồm cả năng lượng gió, cộng thêm sự phát triển của các thị trường California trước đó đã tạo đà mới. Nhiều máy phát điện tiếp tục được lắp đặt với dải công suất ngày càng lớn, lên đến vài chục MW. Năm 1990, công suất máy phát lắp đặt chỉ đạt mức 200kW nhưng đến năm 2003 đã 5 MW.
Kéo theo công suất của một trung tâm điện gió tăng vọt, năm 2000 công suất chỉ vào khoảng vài chục MW nhưng đến năm 2003 đã lên đến vài trăm MW. Tập đoàn Điện lực Việt Nam cho biết, tính đến hết ngày 31/10/2021, đã có 69 nhà máy điện gió với tổng công suất 3298,95 MW đã được công nhận vận hành thương mại COD. Như vậy, nếu bao gồm cả 15 nhà máy điện gió đã được công nhận COD và vào vận hành từ trước đây thì trong hệ thống điện quốc gia đã có tổng cộng 84 nhà máy điện gió với tổng công suất 3980,27 MW được công nhận vận hành thương mại COD trong tổng số 106 nhà máy điện gió (tổng công suất 5755,5 MW) gửi văn bản và hồ sơ đăng ký chương trình đóng điện, hòa lưới, thử nghiệm và đề nghị công nhận vận hành thương mại (COD). Tuabin gió và nhà máy điện gió a.
Tuabin gió Tuabin gió là một trong những thiết bị quan trọng sử dụng trong sản xuất điện gió, được sử dụng để biến đổi động năng của gió thành cơ năng, làm quay máy phát tạo ra điện. Cấu tạo chi tiết của một tuabin gió bao gồm một số phần chính miêu tả dưới đây: Hình 1-4: Tuabin trục ngang đón gió phía trước và phía sau 7 Cánh quạt & Rotor: Đặc điểm chính của tuabin gió là các cánh quạt. Hầu hết có ba, mặc dù một số thiết kế chỉ yêu cầu hai cánh. Các cánh quạt có hình dạng giống như cánh máy bay.
Thiết kế khí động học này tạo ra lực nâng nhiều hơn lực cản, khiến các cánh quạt quay. Kể từ khi các cánh quay, chúng hứng chịu gió một cách tương đối. Mặc dù gió vuông góc với các cánh quạt, đầu trên của cánh gió chịu nhiều gió nhất. Vì vậy, các nhà thiết kế nghiêng các cánh quạt theo hướng tương đối của gió để tối đa hóa hiệu quả.
Tốc độ và hướng gió tương đối thay đổi một chút đi từ gốc của lưỡi đến đầu ngọn. Các cánh hiệu quả nhất có một chút xoắn để tận dụng hiệu ứng này. Các cánh được gắn vào một trung tâm hình nón. Cùng với nhau, các cánh quạt và trục tạo thành rôto quay theo chiều gió.
Hộp số: Tự bản thân, các tuabin gió quay quá chậm để tự sản xuất năng lượng. Để quay máy phát điện đủ nhanh để tạo ra điện, cần phải có hộp số để tăng tốc độ quay. Hộp số bao gồm một trục tốc độ cao và một trục tốc độ thấp. Rotor được nối với trục tốc độ thấp, trục này nối với trục tốc độ cao và đến lượt nó, nối với máy phát điện.
Hộp số đảm bảo rằng đủ mô-men xoắn, hoặc năng lượng quay, đến máy phát điện để tạo ra điện. Máy phát điện: Máy phát điện là nơi sản xuất ra điện năng. Mô-men xoắn tạo ra bởi Rotor được khuếch đại trong hộp số và sau đó được chuyển thành năng lượng điện. Giống như hầu hết các máy phát điện, máy phát điện trong tuabin gió quay một cánh quạt được kết nối với một nam châm điện để tạo ra điện.
Phanh tốc độ (Brake): Để tránh bị hư hại khi có gió tốc độ cao, các tuabin gió được trang bị phanh hãm tốc độ. Nếu tốc độ gió vượt quá 55 dặm/giờ, ngắt sẽ bật lên, dừng chuyển động quay của các cánh quạt. Điều này bảo vệ cánh quạt, hộp số và máy phát điện khỏi bị hư hỏng. Vỏ: Tất cả các bộ phận trên được đặt bên trong Nacelle.
Các Nacelle là hộp phía sau các cánh quạt và Rotor. Nó bảo vệ hộp số, cánh quạt và máy phát điện khỏi tiếp xúc với các yếu tố. Máy đo gió & Wind vane: Máy đo gió là một thiết bị đo tốc độ gió.