CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Khái quát về năng lượng gió Từ hàng nghìn năm trước, năng lượng gió đã được con người biết đến và khai thác nhằm phục vụ nhu cầu đời sống sinh hoạt hàng ngày. Có thể kể đến nền văn minh Trung Quốc khoảng 200 năm trước Công nguyên, họ đã biết dùng cánh quạt gió để dẫn nước vào các ruộng vườn; người Ba Tư và các dân tộc vùng Trung Đông dùng quạt gió có trục đứng để xay lúa mì và các loại hạt. Trong thế kỷ XX, năng lượng gió đã trải qua nhiều giai đoạn thăng trầm cùng với tình hình thế giới và nguồn cung cấp dầu mỏ/than đá: Khi Đại chiến thế giới thứ II chấm dứt, giá dầu sụt giảm mạnh, dẫn đến ngành công nghệ gió hầu như bị ngưng trệ hoàn toàn.
Tuy nhiên, khi khủng hoảng dầu mỏ nổ ra vào thập niên 70, các nghiên cứu về turbine gió đã bắt đầu được chú ý và ngày càng phát triển lớn mạnh. Ngày nay, công nghệ gió tiến bộ là niềm hy vọng của thế giới trong tương lai trước vấn nạn nóng lên toàn cầu. Nguồn năng lượng gió tương tự như năng lượng mặt trời, vì gió là nguyên nhân của sự hâm nóng bầu khí quyển quanh mặt trời, do sự chuyển vận của Trái đất, và do mặt đất lồi lõm. Hiện tại, giá thành của nguồn điện năng này giao động từ 10 đến 15 centUSD/kWh tùy theo nguồn gió của từng địa phương.
Đây là một nguồn năng lượng sạch vì nguyên liệu được dùng là "gió”, do đó không làm ô nhiễm không khí như nguồn điện năng sản xuất ở các nhà máy phát điện từ than hay khí đốt. Tuy nhiên, dù công nghệ gió đang phát triển cao, và giá thành của một turbine gió giảm dần từ hơn 10 năm qua, mức đầu tư ban đầu cho nguồn năng lượng này vẫn còn cao hơn mức đầu tư các nguồn năng lượng truyền thống [39]. Lịch sử phát triển năng lượng gió Trong các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng gió được đánh giá là có tiềm năng lớn, đang được nghiên cứu, khai thác nhằm từng bước giảm sử dụng năng lượng hóa thạch ở nhiều quốc gia trên thế giới. Cho tới nay, công dụng cổ xưa nhất của năng lượng gió được biết đến là chạy thuyền buồm.
Các thủy thủ cổ đại đã biết 4 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com tận dụng sức gió trong việc di chuyển thuyền đi theo hướng mong muốn dù không có đủ kiến thức vật lý để giải thích hiện tượng này. Người Trung Quốc khoảng 200 năm trước Công nguyên đã biết dùng cánh quạt gió để dẫn nước vào các ruộng vườn; người Ba Tư và các dân tộc vùng Trung Đông dùng quạt gió có trục đứng để xay lúa mì và các loại hạt. Ngoài ra, cũng từ rất lâu, các kiến trúc sư đã cho xây dựng hệ thống thông gió tự nhiên trong các ngôi nhà. Ở Việt Nam, từ xa xưa đã có những ứng dụng gió vào công việc nhà nông và di chuyển trên sông, trên biển.
Cụ thể, ngư phủ Việt Nam đã dùng thuyền buồm để ra khơi đánh cá quanh những hải đảo, hòn đảo quốc gia và sử dụng máy quay gió để sàng thóc loại bỏ hạt lép, rơm rạ hay chọn hướng Nam làm nhà để hưởng gió mát về mùa hè và tránh rét về mùa đông. Các máy bơm chạy bằng gió góp phần mở rộng hệ thống vận chuyển đường sắt trên khắp thế giới qua việc bơm nước từ các giếng nước để phục vụ các đầu máy xe lửa. Sự ra đời của những chiếc cối xay gió đánh dấu bước phát triển đầu tiên trong ứng dụng năng lượng gió, chuyển đổi từ động năng của gió thành năng lượng cơ học để phục vụ cho việc xay ngũ cốc và bơm nước. Mẫu cối xay gió cổ nhất được biết đến là hệ thống cối xay trục thẳng đứng của người Persia (Mỹ).
Tài liệu về những mẫu cối xay còn được lưu truyền lại cho đến nay mô tả rằng: chúng có các cánh buồm làm từ rất nhiều bó gỗ hoặc bó sậy, tất cả được đính vào chính giữa trục đứng nhờ các thanh ngang. Vào thế kỷ XIX, người Mỹ đã cố gắng mô phỏng lại gần đúng những mô tả qua lời nói này và cho ra đời hình ảnh về tổ tiên của những chiếc cối xay gió (hình 1. Các máy bơm bằng gió góp phần mở rộng hệ thống vận chuyển đường sắt trên khắp thế giới qua việc bơm nước từ các giếng nước để phục vụ các đầu máy xe lửa. Trong thế kỷ XX, năng lượng gió đã trải qua nhiều giai đoạn thăng trầm cùng với tình hình thế giới và nguồn cung cấp dầu mỏ/than đá.
Khi Đại chiến thế giới thứ II chấm dứt, giá dầu mỏ sụt giảm mạnh, dẫn đến ngành công nghệ gió hầu như bị ngưng trệ hoàn toàn. Tuy nhiên, khi khủng hoảng dầu mỏ nổ ra vào thập niên 70, các nghiên cứu về turbine gió bắt đầu được chú ý và ngày càng phát triển lớn mạnh. 5 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Cối xay gió trục đứng (vietnamnet.vn) Trung Quốc cũng được coi là một trong những quốc gia đầu tiên sử dụng cối xay dạng trục đứng để bơm nước và xay thóc.
Tại Mỹ, người ta sử dụng cối xay gió để bơm nước tưới tiêu cho những vùng rộng lớn nhằm đối phó lại sự thiếu nguồn nước mặt. Các máy bơm bằng gió góp phần mở rộng hệ thống vận chuyển đường sắt trên khắp thế giới qua việc bơm nước từ các giếng nước để phục vụ các đầu máy xe lửa [36]. Thế kỷ XIX chứng kiến sự xuất hiện của những mô hình turbine gió hiện đại đầu tiên tại nhiều quốc gia trên khắp thế giới. Từ năm 1887 đến 1900, Charles F.
Bush, người Mỹ, đã sử dụng một cỗ máy chạy bằng sức gió cung cấp điện cho gia đình và phòng thí nghiệm của ông. Vào năm 1890, nhà khoa học, đồng thời là nhà phát minh người Đan Mạch, Poul la Cour đã cho xây dựng các turbine gió để sản xuất điện, mô hình này sau đó được dùng để sản xuất hydro. Vào năm 1979, Kuriant, Vestas, Nordtank, và Bonus, người Đan Mạch đã khởi đầu ngành công 6 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com nghiệp điện gió cận đại bằng sự ra đời của một loạt các turbine gió. Các turbine này có kích thước nhỏ hơn các turbine ngày nay và có công suất từ 20-30kW.
Sau đó, người ta đã tăng dần kích thước và công suất của chúng lên tới 7MW. Đến nay, việc nghiên cứu và phát triển rộng rãi hoạt động khai thác năng lượng gió đang được các nước trên thế giới nhận thức rõ ràng, rất nhiều quốc gia đã xem năng lượng gió là chiến lược nòng cốt để phát triển kinh tế như Đan Mạch, Đức, Trung Quốc, Ba Lan, Thụy Điển. Họ coi phát triển năng lượng gió như là một bước tiến rõ nét trong việc tiến tới sự “phát triển bền vững” của nhân loại [36]. Sơ lược các loại máy phát điện bằng sức gió Các turbine gió phát điện thường có công suất khá lớn từ 50 kW đến 3.
Ở Đức đã chế tạo thử nghiệm một số turbine gió có công suất đến 6. Song cho đến nay loại turbine gió phát điện có công suất từ 800 kW đến 2.500kW được ứng dụng phổ biến nhất. Các turbine gió thường được xây dựng thành cụm - tạo thành các trang trại điện gió phát điện với qui mô công suất thường từ 20MW - 100MW. Hiện nay các turbine gió được sản xuất ở nhiều nước trong đó có Đan Mạch, CHLB Đức, Tây Ban Nha, Hà Lan, Anh, Nhật, Ấn Độ, Trung Quốc… Tuy nhiên 10 hãng sản xuất turbine gió hàng đầu thế giới (chiếm đến hơn 90 % thị trường) chỉ tập trung ở 4 nước: Đan Mạch, CHLB Đức, Tây Ban Nha và Mỹ (Riêng Đan Mạch chiếm 60 % thị trường xuất khẩu turbine gió của thế giới.
Turbine gió có thể chia thành 2 loại chính: trục đứng và trục ngang, dựa vào trục quay của turbine. Turbine trục đứng đã được nghiên cứu từ rất lâu, có ưu điểm là có thể hoạt động bình đẳng với mọi hướng gió, 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 nhưng lại có nhiều nhược điểm hơn so với trục ngang (chẳng hạn như turbine trục đứng khó đưa lên cao, hiệu suất thấp… so với loại trục ngang). Vì vậy, hiện nay turbine trục ngang được các nước sử dụng nhiều hơn so với turbine trục đứng. Luận văn sẽ tập trung miêu tả về turbine trục ngang [14].
7 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Các bộ phận chính của turbine gió (miêu tả ở hình 1.2): Cánh: Được làm bằng vật liệu đặc biệt, có độ cứng cao và làm giảm xác suất sét đánh. Cánh được nối với thân của rotor qua hệ thống ổ bi để đảm bảo cho cánh quạt có thể điều khiển quay linh hoạt theo vận tốc gió và hướng gió. Cánh quạt của các turbine gió được phân thành ba loại theo bảng 1.1: Phân loại cánh quạt turbine gió Loại cánh quạt Công suất turbine Đường kính quét của cánh quạt Cỡ nhỏ Từ 10 - 50 kW Từ 5 - 16 m Cỡ trung bình Từ 50 - 500 kW Từ 16 - 45 m Cỡ lớn Từ 500 - 6.000 kW Từ 45 - 130 m Máy phát điện: Có hai loại: Máy phát không đồng bộ và phát đồng bộ Bệ máy, khung và vỏ bọc turbine: Toàn bộ hệ thống chuyển động, máy phát, phanh hãm, thiết bị điều khiển… được đặt trên một bệ máy vững chắc. Khung vỏ bọc và bệ máy tạo thành hộp kín, bên trong có hệ thống làm mát, bên ngoài có lớp bảo vệ chống sét để bảo vệ cho turbine trong mọi điều kiện thời tiết.
Toàn bộ hệ thống thiết bị turbine được gắn với đầu của cột tháp turbine qua hệ thống vòng bi trục đỉnh, có thể quay xung quanh trục thẳng đứng nhờ động cơ. Cột tháp: Hiện có 3 loại: Cột bằng tôn cuộn và hàn thành ống; Cột bằng thép hình lắp ghép và Cột bằng bê tông cốt thép. Tùy theo các điều kiện cụ thể của từng nơi và từng nước, người ta lựa chọn một trong các loại trên. Tuy nhiên, hiện nay đa số các hãng trên thế giới đều thiết kế cột tháp có kết cấu bằng tôn cuộn hình côn, kết cấu bằng phương pháp hàn.
Tùy theo chiều cao, cột được chia thành nhiều đoạn, kết cấu giữa cột và bệ móng, giữa các đoạn của cột dùng mặt bích và bu lông. Cột sau khi chế tạo được sơn bằng loại sơn tốt chịu được môi trường khắc nghiệt, bên trong có trang bị dàn thang leo.