Chương 1: Giới thiệu. Chương 2: Tổng quan Chương 3: Khảo sát và tính toán Chương 4: Mô hiǹ h hóa và mô phỏng Chương 5: Kết luận và Hướng phát triển HVTH: Hoàng Văn Bình Page 5 Thiết kế bộ nghịch lưu cho máy phát điện đồng bộ năng lượng gió công suất nhỏ hòa lưới điện quốc gia GVHD: TS. Lê Chí Kiên 2.1 Tổng quan về năng lượng gió 2.1 Lịch sử phát triển máy phát điện gió Hàng nghìn năm nay con người đã biết khai thác sức gió để vận hành các cỗ máy phục vụ cho cuộc sống của mình, từ việc dựa vào sức gió để dong buồm ra khơi cho đến vận hành các máy bơm nước hay xay ngũ cốc. Hình ảnh cối xay gió trên những miền quê phương Tây đã trở nên tiêu biểu qua nhiều thế kỷ.
1 Turbine gió đầu tiên của Charles F.Brush, Cleveland, Ohio 1888 Đến cuối thế kỷ 19 chiếc máy phát điện dùng sức gió đầu tiên ra đời, với tên gọi là turbine-gió để phân biệt với cối-xay-gió ( biến năng lượng gió thành cơ năng). Charles F Brush đã tạo ra chiếc turbine gió có khả năng phát điện đầu tiên trên thế giới tại Cleveland, Ohio vào năm 1888. Giống như một cối xay gió khổng lồ có đường kính 17m với 144 cánh bằng gỗ mỏng, Hình 2.1 HVTH: Hoàng Văn Bình Page 6 Thiết kế bộ nghịch lưu cho máy phát điện đồng bộ năng lượng gió công suất nhỏ hòa lưới điện quốc gia GVHD: TS. Lê Chí Kiên Năm 1891 nhà khí tượng học người Đan Mạch Poul The Mule Cour xây dựng một turbine thử nghiệm ở Askov – Đan Mạch, Hình 2.
Turbine gió này có một rô to bốn cánh kiểu cánh máy bay và có trục quay nhanh hơn. 2 Turbine gió của Poul la Cour, Askov, Đan Mạch năm 1897 Năm 1922, kỹ sư người Phần Lan S.Savonius đã cải tiến nguyên lý đẩy của khái niệm trục đứng bằng cách thay thế cánh buồm bằng hai cốc hình tròn, Hình 2. Năm 1931, kỹ sư người Pháp George Darrieus phát minh ra turbine gió trục đứng Darrieus. Dựa vào nguyên lý kéo, turbine này có hai (hoặc nhiều hơn) cánh mềm dạng cánh máy bay.
Một đầu cánh gắn ở đỉnh và một đầu gắn xuống đáy của trục đứng chính turbine, giống như một cái máy đánh trứng khổng lồ. Sau đó những mẫu thiết kế được cải tiến với cánh quạt có rãnh để hiệu suất turbine cao hơn. Năm 1950 kỹ sư Johannes Juhl, đã phát triển turbine gió 3 cánh có khả năng phát điện xoay chiều, đây chính là tiền thân của turbine gió Đan Mạch hiện đại. Cuộc khủng hoảng dầu hoả vào năm 1973, đã làm cho con người quan tâm trở lại đến tính thương mại của năng lượng gió và làm tiền đề cho sự phát triển công nghệ cao hơn tại Đan Mạch và Califonia.
HVTH: Hoàng Văn Bình Page 7 Thiết kế bộ nghịch lưu cho máy phát điện đồng bộ năng lượng gió công suất nhỏ hòa lưới điện quốc gia GVHD: TS. Lê Chí Kiên Hình 2. 3 Turbine gió trục đứng kiểu Savonius Tuy nhiên mãi đến những năm 1980, công nghệ turbine gió mới đủ thuận lợi để tồn tại, xét về mặt kinh tế, để các turbine gió cỡ lớn phát điện. Hầu hết các nghiên cứu và phát triển đều tiến hành trên turbine trục ngang, mặc dù vẫn có các nghiên cứu sâu hơn trên mẫu thiết kế trục đứng Darrieus ở Canada và Mỹ vào những năm 1970 và 1980, mà đỉnh cao của nó là chiếc máy với đường kính rô to là 100m có công suất 4.2MW với tên gọi “Eole C” tại Cap Chat – Quebec, Hình 2.
Tuy nhiên nó chỉ vận hành được có 6 tháng thì hư hỏng cánh quạt, do sức chịu đựng của cánh quạt quá kém. Châu Âu dẫn đầu trong lĩnh vực năng lượng gió, vào năm 1982 công suất tối đa của các turbine gió chỉ có 50 kW. Đến năm 1995 các turbine gió thương mại đã đạt công suất lên gấp 10 lần, tức khoảng 500 KW. Trong thời gian đó, chi phí xây dựng các turbine gió giảm đột ngột, chi phí sản xuất điện năng giảm đi một nửa.
Một số lượng lớn turbine gió từ cỡ lớn trở thành loại cực nhỏ, vì sản lượng của chúng chỉ vài KWh/tháng. Các turbine gió ngày nay được xây dựng với kích thước lên đến 3 MW và đường kính là 100m. Hiện nay có nhiều nhà máy sản xuất turbine gió kích thước lớn. HVTH: Hoàng Văn Bình Page 8 Thiết kế bộ nghịch lưu cho máy phát điện đồng bộ năng lượng gió công suất nhỏ hòa lưới điện quốc gia GVHD: TS.
Lê Chí Kiên Hình 2. 4 Turbine gió trục đứng Darrieus kiểu “Eole C” tại Cap Chat, Quebec 2.2 Năng lượng gió thế giới Năng lượng gió trên thế giới hiện đang trong thời kỳ phát triển rực rỡ nhất, đặc biệt là các Nước Cộng đồng châu Âu, công nghệ turbine gió có thể giải quyết được các vấn đề: cạn kiệt nguồn tài nguyên hóa thạch, hiệu ứng nhà kính, tuân thủ các điều khoản trong Nghị định Thư Kyoto về hiện tượng trái đất ấm dần lên. Tổng công suất lắp đặt điện gió trên toàn thế giới tính đến cuối năm 2011 là 239.Tính trung bình hằng năm công suất lắp điện gió tăng từ 20-30% qua các năm được thể hiện trong hình 2.5 Qua bảng thống kê sơ bộ trong hình 2.6, ta có thể khái quát thực trạng về sự phát triển năng lượng gió trong những năm gần đây. Điển hình nhất là Trung Quốc năm 2009 chỉ đứng thứ 2 trên thế giới với tổng công suất lắp đặt 25.
Sang năm 2010 Trung Quốc vượt lên dẫn đầu thế giới và tiếp tục đứng vị trí đầu vào năm 2011 với tổng công suất lắp đặt lên tới 62.733MW bỏ xa nước thứ hai là Mỹ tới 16. HVTH: Hoàng Văn Bình Page 9 Thiết kế bộ nghịch lưu cho máy phát điện đồng bộ năng lượng gió công suất nhỏ hòa lưới điện quốc gia GVHD: TS. Lê Chí Kiên Với tình hình phát triển nhanh chóng như hiện nay tại các nước châu Âu, cho thấy sản lượng của các nước này sẽ còn tiếp tục tăng. Mỹ và Canada cũng tích cực phát triển mở rộng tăng công suất năng lượng gió.
5 Biểu đồ công suất điện gió qua các năm trên thế giới Các nước Trung Đông, Viễn Đông và Nam Mỹ cũng bắt đầu đưa năng lượng gió vào nền công nghiệp năng lượng của nước mình. Hiện tại các nước này có những dự án phát triển đến năm 2010 đạt được sản lượng là 150 GW. Tốc độ mở rộng phụ thuộc vào mức độ hỗ trợ của chính phủ, chính quyền các nước cũng như cộng đồng quốc tế. Đây cũng là trách nhiệm chính cho các nước trong việc tuân thủ cắt giảm lượng khí thải Carbon Dioxide theo Nghị Định Thư Kyoto về cắt giảm khí thải gây hiệu ứng nhà kính.
Một làn sóng công nghệ mới đã và đang phát triển nhanh chóng với mục tiêu tương lai là cải thiện công suất và giảm giá thành. HVTH: Hoàng Văn Bình Page 10 Thiết kế bộ nghịch lưu cho máy phát điện đồng bộ năng lượng gió công suất nhỏ hòa lưới điện quốc gia GVHD: TS. Lê Chí Kiên Hình 2. 6 Công suất lắp đặt điện gió của 13 nước đứng đầu thế giới 2.3 Năng lượng gió Việt Nam và tiềm năng phát triển năng lượng gió 2.1 Năng lượng gió Việt Nam Tiềm năng về năng lượng gió Việt Nam chỉ vào loại trung bình.
Hầu hết, các khu vực trên đất liền có năng lượng gió thấp khai thác không hiệu quả. Chỉ có một vài nơi, do có địa hình đặc biệt nên gió tương đối khá tuy nhiên công suất lại không lớn. Chỉ dọc theo bờ biển và trên các hải đảo năng lượng gió tốt hơn. Nơi có nguồn năng lượng tốt nhất là đảo Bạch Long Vĩ, tốc độ trung bình năm đạt được từ 7.
Tiếp đến là các khu vực đảo Trường Sa, Phú Quí, Côn Đảo. có tốc độ gió trong khoảng 4. Tuy nhiên cũng nên nói thêm rằng tiềm năng năng lượng gió Việt Nam chưa được điều tra đánh giá đầy đủ vì phần lớn số liệu về năng lượng gió chủ yếu chỉ thu thập qua các trạm Khí tượng Thủy văn, tức chỉ đo ở độ cao từ 10m đến 12m trên mặt đất. Chúng ta đang thiếu số liệu về năng lượng gió ở các độ cao trên 40m.
Hiện nay đang có khoảng 10 cột đo gió ở độ cao từ 30m đến 65m. HVTH: Hoàng Văn Bình Page 11 Thiết kế bộ nghịch lưu cho máy phát điện đồng bộ năng lượng gió công suất nhỏ hòa lưới điện quốc gia GVHD: TS. Lê Chí Kiên Hình 2. 7 Gió trung bình hàng năm ở độ cao 65 m và 30m HVTH: Hoàng Văn Bình Page 12 Thiết kế bộ nghịch lưu cho máy phát điện đồng bộ năng lượng gió công suất nhỏ hòa lưới điện quốc gia GVHD: TS.
Lê Chí Kiên Hình 2. 8 Gió trung bình hàng năm ở độ cao 65 m vào mùa Xuân và mùa Hạ HVTH: Hoàng Văn Bình Page 13 Thiết kế bộ nghịch lưu cho máy phát điện đồng bộ năng lượng gió công suất nhỏ hòa lưới điện quốc gia GVHD: TS. Lê Chí Kiên Hình 2. 9 Gió trung bình hàng năm ở độ cao 65 m vào mùa Thu và mùa Đông Theo khảo sát gần đây nhất của IOE, Việt Nam có khoảng 31000km2 đất có thể đưa vào khai thác năng lượng gió, trong đó có 865km2 tương đương với HVTH: Hoàng Văn Bình Page 14 Thiết kế bộ nghịch lưu cho máy phát điện đồng bộ năng lượng gió công suất nhỏ hòa lưới điện quốc gia GVHD: TS.
Lê Chí Kiên 3572MW với điện có thể được tạo ra với giá thành ít hơn 6UScents/kWh. Nghiên cứu cũng đã minh chứng được rằng năng lượng gió sẽ là giải pháp tốt cho khoảng 300000 hộ cư dân nông thôn không có điện. Trong khi năng lượng gió có thể mang đến những lợi ích về môi trường, kinh tế, xã hội… Nhưng hiện nay lượng điện năng khai thác từ gió gần như là con số không. Nhà nước cũng chưa có chính sách hỗ trợ, khuyến khích nào cho năng lượng gió.
Vì vậy, nhiệm vụ ưu tiên hàng đầu hiện nay là đặt mục tiêu cho phát triển năng lượng tái sinh và để tìm tòi nghiên cứu công nghệ mới phù hợp với Việt Nam. Theo số liệu của Ngân Hàng Thế Giới khảo sát năm 2000 thì Việt Nam do điều kiện địa lý và thời tiết giữa các vùng là khác nhau nên tốc độ gió trung bình và chiều gió có sự khác nhau: - Vùng Tây Bắc Việt Nam (Lai Châu, Điện Biên Sơn La) có vận tốc gió trung bình hàng năm khoảng từ 0. - Khu vực miền núi phía Bắc (Cao Bằng, Lạng Sơn, Sa Pa) có vận tốc gió trung bình cao hơn, nhưng cũng chỉ khoảng từ 1.1m/s, vận tốc cực đại trung bình khoảng trên 40m/s.