CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG MÁY PHÁT ðIỆN SỨC GIÓ 1.1 GIÓ VÀ NĂNG LƯỢNG GIÓ Từ lâu con người ñã biết sử dụng năng lượng gió ñể tạo ra cơ năng thay thế cho sức lao ñộng nặng nhọc, ñiển hình là các thuyền buồm chạy bằng sức gió, các cối xay gió xuất hiện từ thế kỷ 14 ñược dùng phổ biến từ thế kỷ 17, thịnh vượng nhất vào thế kỷ 18 ñặc biệt ở Hà Lan với hàng ngàn chiếc. Từ thế kỷ 19 ñến nửa ñầu thế kỷ 20 với sự xuất hiện và phát triển của máy hơi nước và các loại ñộng cơ ñốt trong, các cối xay gió hầu như bị lãng quên. Nhưng từ vài chục năm gần ñây với nguy cơ cạn dần các nguồn nhiên liệu khai thác ñược từ lòng ñất và vấn ñề ô nhiễm môi trường do việc ñốt hàng ngày một khối lượng lớn các nguồn nhiên liệu hóa thạch nêu trên. Việc nghiên cứu sử dụng các dạng năng lượng tái tạo của thiên nhiên trong ñó có năng lượng gió lại ñược nhiếu nước trên thế giới kể cả các nước có nền công nghiệp năng lượng phát triển rất mạnh như Nga, Mỹ, Pháp, CHLB ðức, Hà Lan, Anh, ðan Mạch, Thụy ðiển…ñặc biệt quan tâm.
Trên cơ sở áp dụng các thành tựu mới của nhiều nghành khoa học tiên tiến như thủy khí ñộng lực học, tự ñộng ñiều khiển, cơ học kết cấu, truyền ñộng thủy lực, vật liệu mới…việc nghiên cứu sử dụng năng lượng gió ñã ñạt ñược những tiến bộ rất lớn cả về chất lượng các thiết bị và quy mô ứng dụng. Từ các cối xay gió với các cánh gió ñơn giản hiệu suất sử dụng năng lượng thấp chỉ khoảng 20%, ñến nay các ñộng cơ gió phát ñiện với cánh quạt có biên dạng khí ñộng học ngày một hoàn thiện hơn có thể ñạt ñược hiệu suất sử dụng năng lượng cao tới 42%. Nhiều phương pháp và hệ thống tự ñộng ñiều khiển hiện ñại ñã ñược sử dụng ñể tự ñộng ổn ñịnh số vòng quay của ñộng cơ gió. Những ñộng cơ gió phát ñiện lớn còn dùng cả hệ thống tự ñộng ñiện thủy lực và máy tính ñiện tử ñiều khiển.
Nhiều vật liệu mới ñã ñược sử dụng ñể chế tạo cánh như hợp kim nhôm, polime cốt sợi thủy tinh với ñộ bền cao trong mọi ñiều kiện thời tiết và chịu ñược sức gió của bão. Tại những nơi có gió tốt, người ta ghép nhiều ñộng cơ gió với nhau tạo thành “rừng máy phát ñiện gió”. Người ta ñã có thể chế tạo những ñộng cơ gió phát ñiện rất lớn ñường kính tới 80m, công suất tới 3000 kW. Tuy nhiên ñối với mỗi nước quy mô phát triển của việc ứng dụng năng lượng gió còn phụ thuộc vào vị trí ñịa lý, ñặc ñiểm tiềm năng gió và trình ñộ công nghiệp Gió là một dạng của năng lượng mặt trời.
Gió ñược sinh ra là do nguyên nhân mặt trời ñốt nóng khí quyển, do trái ñất xoay quanh mặt trời và do sự không ñồng ñều trên bề mặt trái ñất. Luồng gió thay ñổi tuỳ thuộc vào ñịa hình trái ñất, luồng nước, cây cối, con người sử dụng luồng gió hoặc sự chuyển ñộng năng lượng cho nhiều mục ñích Nguyễn Thị Minh Thảo, Lớp K13 TðH - ðHKTCN 1 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật như: ñi thuyền, thả diều và phát ñiện. Năng lượng gió ñược mô tả như một quá trình, nó ñược sử dụng ñể phát ra năng lượng cơ hoặc ñiện. Tuabin gió sẽ chuyển ñổi từ ñộng lực của gió thành năng lượng cơ.
Năng lượng cơ này có thể sử dụng cho những công việc cụ thể như là bơm nước hoặc các máy nghiền lương thực hoặc cho một máy phát có thể chuyển ñổi từ năng lượng cơ thành năng lượng ñiện. Trong số các nguồn năng lượng thay thế, năng lượng gió có thể ñại diện cho cơ hội tăng trưởng mạnh nhất tại Việt Nam. Các cuộc khảo sát cho thấy rằng khoảng 85% ñất ñai Việt Nam có ñộ cao và tốc ñộ gió trung bình phù hợp ñể phát ra năng lượng gió. Các chuyên gia Ngân hàng Thế giới ñã kết luận Việt Nam có khả năng tạo ra 513.360 MW hàng năm từ năng lượng gió – gấp 10 lần tổng công suất phát ñiện quốc gia dự kiến cho năm 2020.1 Ưu ñãi ñầu tư cho các dự án năng lượng mặt trời và gió tại Việt Nam ðặc biệt các tỉnh Bình Thuận và Ninh Thuận ở ven biển ñược xem là có tiềm năng lớn nhất cho năng lượng gió tại những vùng ñất lớn khô cằn và không phải là ñất nông nghiệp màu mỡ.
Hiện nay, có hơn 20 dự án ñiện gió tại Việt Nam, chủ yếu ở Bình Thuận (12 dự án trên ñất liền và huyện ñảo Phú Quý), Ninh Thuận, Bình ðịnh, Phú Yên và huyện ñảo Côn ðảo của tỉnh Bà Rịa- Vũng Tàu, nơi lượng gió cũng như tốc ñộ gió trung bình cao nhất so với phần còn lại của ñất nước. * Tổng quan về năng lượng gió (phong ñiện) Các máy phát ñiện sử dụng sức gió ñã ñược sử dụng nhiều ở các nước châu Âu, Mỹ và các nước công nghiệp phát triển khác. Nước ðức ñang dẫn ñầu thế giới về công nghệ ñiện sử dụng sức gió (phong ñiện). Số hóaNguyễn Thị Minh bởi Trung Thảo, tâm Học liệuLớp K13học – Đại TðH - ðHKTCN Thái Nguyên 2 http://www.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Số thứ tự Quốc gia Công suất (MW) 01 ðức 22.818 03 Tây Ban Nha 15.389 10 Bồ ðào Nha 2.150 11 Ca na ña 1.538 14 Áo 982 15 Hy Lạp 871 16 Úc 824 17 Ai Len 805 18 Thụy ðiển 788 19 Na Uy 333 20 Niu Di Lân 322 21 Những nước khác 2.112 Nguồn: World Wind Energy Association, thời ñiểm: Cuối 2007 và dịch từ Wikipedia ðức Bảng 1: Thống kê sử dụng năng lượng gió trên thế giới Số hóaNguyễn Thị Minh bởi Trung Thảo, tâm Học liệuLớp K13học – Đại TðH - ðHKTCN Thái Nguyên 3 http://www.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Tới nay ña số vẫn là các máy phát ñiện tuabin gió trục ngang, gồm một máy phát ñiện có trục quay nằm ngang, với rotor (phần quay) ở giữa, liên hệ với một tuabin 3 cánh ñón gió.
Máy phát ñiện ñược ñặt trên một tháp cao hình côn. Trạm phát ñiện kiểu này mang dáng dấp những cối xay gió ở châu Âu từ những thế kỷ trước, nhưng rất thanh nhã và hiện ñại. Các máy phát ñiện tuabin gió trục ñứng gồm một máy phát ñiện có trục quay thẳng ñứng, rotor nằm ngoài ñược nối với các cánh ñón gió ñặt thẳng ñứng. Loại này có thể hoạt ñộng bình ñẳng với mọi hướng gió nên hiệu qủa cao hơn, lại có cấu tạo ñơn giản, các bộ phận ñều có kích thước không quá lớn nên vận chuyển và lắp ráp dễ dàng, ñộ bền cao, duy tu bảo dưỡng ñơn giản.
Hiện có các loại máy phát ñiện dùng sức gió với công suất rất khác nhau, từ 1kW tới hàng chục ngàn kW. Các trạm phát ñiện này có thể hoạt ñộng ñộc lập hoặc cũng có thể nối với mạng ñiện quốc gia. Các trạm ñộc lập cần có một bộ nạp, bộ ắc- quy và bộ ñổi ñiện. Khi dùng không hết, ñiện ñược tích trữ vào ắc quy.
Khi không có gió sẽ sử dụng ñiện phát ra từ ắc-quy. Các trạm nối với mạng ñiện quốc gia thì không cần bộ nạp và ắc-quy. Các trạm phát ñiện dùng sức gió có thể phát ñiện khi tốc ñộ gió từ 3 m/s (11 km/h), và tự ngừng phát ñiện khi tốc ñộ gió vượt quá 25 m/s (90 km/h). Tốc ñộ gió hiệu qủa từ 10 m/s tới 17 m/s, tùy theo từng loại máy phát ñiện.2 Hình ảnh bên trong MPð sức gió * Những ưu ñiểm của phong ñiện Ưu ñiểm dễ thấy nhất của phong ñiện là không tiêu tốn nhiên liệu, không gây ô nhiễm môi trường như các nhà máy nhiệt ñiện, dễ chọn ñịa ñiểm và tiết kiệm ñất xây dựng, khác hẳn với các nhà máy thủy ñiện chỉ có thể xây dựng gần dòng nước mạnh với những ñiều kiện ñặc biệt và cần diện tích rất lớn cho hồ chứa nước.Các trạm phong ñiện có thể ñặt gần nơi tiêu thụ ñiện, như vậy sẽ tránh ñược chi phí cho việc xây dựng ñường dây tải ñiện.Trước ñây, khi công nghệ phong ñiện còn ít ñược ứng dụng, việc Số hóaNguyễn Thị Minh bởi Trung Thảo, tâm Học liệuLớp K13học – Đại TðH - ðHKTCN Thái Nguyên 4 http://www.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng một trạm phong ñiện rất tốn kém, chi phí cho thiết bị và xây lắp ñều rất ñắt nên chỉ ñược áp dụng trong một số trường hợp thật cần thiết.
Ngày nay phong ñiện ñã trở nên rất phổ biến, thiết bị ñược sản xuất hàng loạt, công nghệ lắp ráp ñã hoàn thiện nên chi phí cho việc hoàn thành một trạm phong ñiện hiện nay chỉ bằng 1/4 so với năm 1986. Phong ñiện ñã trở thành một trong những giải pháp năng lượng quan trọng ở nhiều nước, và cũng rất phù hợp với ñiều kiện Việt nam. * Các trạm phong ñiện có thể ñặt ở ñâu? Trạm phong ñiện có thể ñặt ở những ñịa ñiểm và vị trí khác nhau, với những giải pháp rất linh hoạt và phong phú. Các trạm phong ñiện ñặt ở ven biển cho sản lượng cao hơn các trạm nội ñịa vì bờ biển thường có gió mạnh.
Giải pháp này tiết kiệm ñất xây dựng, ñồng thời việc vận chuyển các cấu kiện lớn trên biển cũng thuận lợi hơn trên bộ. Giải bờ biển Việt Nam trên 3000 km có thể tạo ra công suất hàng tỷ kW phong ñiện. Những mỏm núi, những ñồi hoang không sử dụng ñược cho công nghiệp, nông nghiệp cũng có thể ñặt ñược trạm phong ñiện. Trường hợp này không cần làm trụ ñỡ cao, tiết kiệm ñáng kể chi phí xây dựng.
Trên mái nhà cao tầng cũng có thể ñặt trạm phong ñiện, dùng cho các nhu cầu trong nhà và cung cấp ñiện cho thành phố khi không dùng hết ñiện. Trạm ñiện này càng có ý nghĩa thiết thực khi thành phố bất ngờ bị mất ñiện.Ngay tại các khu chế xuất cũng có thể ñặt các trạm phong ñiện. Nếu tận dụng không gian phía trên các nhà xưởng ñể ñặt các trạm phong ñiện thì sẽ giảm tới mức thấp nhất diện tích ñất xây dựng và chi phí làm ñường dây ñiện.ðiện khí hóa ngành ñường sắt là xu hướng tất yếu của các nước công nghiệp. Chỉ cần ñặt với khoảng cách 10 km một trạm 4800kW dọc các tuyến ñường sắt ñã có ñủ ñiện năng cho tất cả các ñoàn tàu ở Việt nam hiện nay.
Các vùng phong ñiện lớn ñặt gần tuyến ñường sắt cũng rất thuận tiện trong việc vận chuyển và dựng lắp. Các ñầu máy diesel và than ñá tiêu thụ lượng nhiên liệu rất lớn và gây ô nhiễm môi trường sẽ ñược thay thế bằng ñầu máy ñiện trong tương lai.