Nghiên cứu tối ưu công suất cho tuabin điện gió sử dụng máy phát điện đồng bộ từ trường vĩnh cửu

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích kỹ thuật điện tối ưu công suất cho tuabin điện gió dùng máy phát điện đồng bộ từ trường vĩnh cửu, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất

• Tác giả: Nguyễn Minh Hải
• Người hướng dẫn: Tiến Sĩ Huỳnh Quang Minh
• Trường học: Đại Học Quốc Gia Tp. Hcm Trường Đại Học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Tối Ưu Công Suất Cho Tuabin Điện Gió Dùng Máy Phát Điện Đồng Bộ Từ Trường Vĩnh Cửu
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH MINH HỌA
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Nội dung và phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ
• 2.1. Bộ biến đổi công suất
• 2.2. Cấu hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió
• 3. CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN MPPT CHO HỆ THỐNG TURBINE GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT PMSG
• 3.1. Mô hình hóa máy phát PMSG
• 3.2. Kỹ thuật MPPT
• 3.2.1. Điều khiển tốc độ đầu cánh (Tip speed ratio TSR control)
• 3.2.2. Điều khiển phản hồi tín hiệu công suất (PSF-Power signal feedback control)
• 3.2.3. Phương pháp điều khiển Hill climb seach (HCS)
• 3.3. Kỹ thuật MPPT IVHCS cải tiến
• 3.3.1. Giải thuật VHCS truyền thống
• 3.3.2. Giải thuật tìm kiếm leo đồi đa bước cải tiến IVHCS
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG GIẢI THUẬT TRÊN NỀN MATLAB/SIMULINK
• 4.1. Kết quả mô phỏng và so sánh
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• 5.1. Hướng phát triển đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu tổng quan về năng lượng gió

Năng lượng gió đã trở thành một nguồn năng lượng quan trọng trong bối cảnh hiện nay, khi mà nhu cầu về năng lượng tái tạo ngày càng gia tăng. Công suất tuabin điện gió được xác định bởi nhiều yếu tố, trong đó có tốc độ gió và hiệu suất của máy phát điện đồng bộ vĩnh cửu (PMSG). Việc tối ưu hóa công suất tuabin không chỉ giúp nâng cao hiệu quả sản xuất điện mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường. Theo nghiên cứu, với tốc độ gió đạt 10m/s, công suất tuabin gió có thể tăng gấp 5 lần so với tốc độ gió 6m/s. Điều này cho thấy tiềm năng lớn của năng lượng gió, đặc biệt là ở các vùng ven biển nơi tốc độ gió thường cao hơn.

II. Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió

Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió bao gồm tuabin gió, máy phát điện và các bộ biến đổi công suất. Công nghệ điện gió hiện đại thường sử dụng máy phát điện đồng bộ để tối ưu hóa hiệu suất. Trong đó, việc nghiên cứu và cải tiến các giải thuật như MPPT (Maximum Power Point Tracking) là rất cần thiết. Các giải thuật này giúp hệ thống phát điện gió theo dõi và điều chỉnh công suất tối ưu dựa trên điều kiện gió thay đổi. Việc áp dụng công nghệ điện gió không chỉ giúp tăng hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí vận hành và bảo trì.

III. Kỹ thuật điều khiển MPPT cho hệ thống tuabin gió

Kỹ thuật MPPT là một trong những giải pháp quan trọng để tối ưu hóa công suất tuabin điện gió. Giải thuật VHCS (Variable Step Hill-Climbing Searching) là một trong những phương pháp phổ biến, tuy nhiên, nó vẫn còn một số hạn chế trong việc theo dõi điểm công suất tối đa. Đề xuất cải tiến với giải thuật IVHCS (Improved Variable Step Hill-Climbing Searching) đã cho thấy khả năng theo dõi chính xác và nhanh chóng hơn. Bằng cách sử dụng thông tin từ máy phát điện đồng bộ vĩnh cửu, giải thuật này giúp điều chỉnh độ dài bước tìm kiếm, từ đó cải thiện hiệu suất hệ thống.

IV. Mô phỏng và kết quả thực nghiệm

Mô phỏng trên nền tảng MATLAB/SIMULINK cho thấy giải thuật IVHCS có hiệu suất vượt trội hơn so với VHCS. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng hiệu suất máy phát điện được cải thiện đáng kể, đặc biệt trong các điều kiện gió thay đổi nhanh chóng. Việc áp dụng giải thuật IVHCS không chỉ giúp tăng tốc độ tìm kiếm mà còn giảm thiểu sai số trong đo đạc tốc độ gió. Điều này chứng tỏ rằng việc tối ưu hóa công suất tuabin qua các giải thuật điều khiển là khả thi và có thể ứng dụng trong thực tế.

V. Kết luận và hướng phát triển

Nghiên cứu về tối ưu hóa công suất tuabin điện gió sử dụng máy phát điện đồng bộ vĩnh cửu đã mở ra nhiều hướng đi mới cho việc phát triển năng lượng tái tạo tại Việt Nam. Với tiềm năng lớn về năng lượng gió, việc áp dụng các giải pháp công nghệ hiện đại sẽ giúp nâng cao hiệu suất và giảm chi phí đầu tư. Các nghiên cứu tiếp theo cần tiếp tục khai thác các giải thuật mới và cải tiến công nghệ để tối ưu hóa hơn nữa hiệu suất hệ thống. Điều này không chỉ góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành năng lượng mà còn bảo vệ môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu tiêu thụ điện năng tại Việt Nam trong hai thập kỷ qua ghi nhận tốc độ tăng trưởng trung bình rất cao từ 12% đến 13%/năm, gấp gần hai lần tốc độ tăng trưởng tổng sản phẩm quốc nội (GDP). Dự báo đến năm 2020, tổng nhu cầu điện toàn quốc đạt mức 200.000 GWh và chạm mốc 327.000 GWh vào năm 2030, trong khi tổng sản lượng từ các nguồn năng lượng truyền thống chỉ đáp ứng khoảng 165.000 GWh, dẫn đến nguy cơ thiếu hụt điện năng nghiêm trọng từ 20% đến 30% mỗi năm.

Việt Nam sở hữu lợi thế địa lý vượt trội với tổng tiềm năng điện gió ước tính đạt 513.600 MW, gấp hơn 200 lần công suất của nhà máy thủy điện Sơn La (2.400 MW), trong đó có 8,6% diện tích lãnh thổ đạt tiềm năng gió từ tốt đến rất tốt và hơn 41% diện tích nông thôn phù hợp phát triển các trạm điện gió quy mô vừa và nhỏ. Riêng dải duyên hải Nam Trung Bộ và Nam Bộ có khả năng sản xuất tới 5.000 tỷ kWh mỗi năm.

Tuy nhiên, do đặc tính ngẫu nhiên và biến động liên tục của vận tốc gió, việc vận hành tuabin gió đòi hỏi kỹ thuật bám điểm công suất cực đại (MPPT - Maximum Power Point Tracking) để tối đa hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Luận văn tập trung nghiên cứu giải pháp tối ưu hóa công suất cho tuabin gió sử dụng máy phát điện đồng bộ từ trường vĩnh cửu (PMSG) truyền động trực tiếp, thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. Mục tiêu cốt lõi là khắc phục nhược điểm của giải thuật tìm kiếm leo đồi bước biến thiên truyền thống (VHCS) bằng cách đề xuất giải thuật cải tiến IVHCS (Improved Variable Step Hill-Climbing Searching), nâng cao hiệu suất thu nhận năng lượng gió thêm 8% đến 15% so với các hệ thống vận hành ở tốc độ cố định.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Khung lý thuyết của đề tài được xây dựng trên nền tảng cơ học chất lưu và khí động học tuabin gió. Công suất động năng của luồng khí chuyển động tỷ lệ với lũy thừa bậc ba của vận tốc gió và tuân theo giới hạn Betz lý thuyết với hệ số công suất cực đại đạt 59,3% (tương đương tỷ lệ 16/27). Hệ số công suất khí động học Cp là một hàm phi tuyến phụ thuộc trực tiếp vào tỷ số tốc độ đầu cánh (TSR - Tip Speed Ratio) và góc xoay của cánh tuabin (Pitch angle beta). Khi vận tốc gió dưới mức định mức, góc cánh beta được duy trì ở 0 độ nhằm khai thác triệt để động năng gió.

Mô hình máy phát điện đồng bộ từ trường vĩnh cửu (PMSG) được xây dựng trên hệ tọa độ tựa từ thông rotor dq, giúp kiểm soát độc lập moment điện từ và từ thông stator. Cấu hình truyền động trực tiếp (direct-drive) không sử dụng hộp số nhiều cấp giúp loại bỏ tổn hao cơ khí và nâng cao độ tin cậy vận hành.

Về hệ thống điện tử công suất, luận văn phân tích chuỗi chuyển đổi AC/DC/AC bao gồm bộ chỉnh lưu cầu diode, bộ chuyển đổi tăng áp DC/DC Boost và bộ nghịch lưu cầu ba pha IGBT kết nối lưới điện. Đối với kỹ thuật MPPT, tác giả tổng hợp ba nhóm giải thuật chính: phương pháp kiểm soát tỷ số tốc độ đầu cánh (TSR), phương pháp hồi tiếp tín hiệu công suất (PSF) và phương pháp tìm kiếm leo đồi (HCS). Từ đó, giải thuật leo đồi bước biến thiên cải tiến IVHCS được phát triển với việc bổ sung khâu hồi tiếp truyền thẳng (feed-forward) dựa trên tốc độ thay đổi của vận tốc gió giữa hai chu kỳ trích mẫu lân cận.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa mô hình hóa toán học giải tích và mô phỏng số động học trên nền tảng phần mềm MATLAB/Simulink. Cỡ mẫu khảo sát bao gồm 4 kịch bản vận tốc gió danh định từ 5 m/s, 6 m/s, 7 m/s đến 8 m/s, cùng các trường hợp gió thay đổi dạng xung bậc thang (step-response) với biên độ biến thiên 1 m/s và các mẫu gió ngẫu nhiên liên tục.

Phương pháp chọn mẫu kịch bản mô phỏng được thiết kế dựa trên dải vận tốc gió phổ biến tại khu vực duyên hải miền Trung và miền Nam Việt Nam (trung bình 6-8 m/s), phản ánh đầy đủ các trạng thái quá độ của dòng khí từ tốc độ khởi động đến tốc độ định mức.

Lý do lựa chọn phương pháp mô phỏng số trên MATLAB/Simulink xuất phát từ yêu cầu kiểm chứng chính xác các phản ứng quá độ của moment điện từ, dòng điện cuộn cảm L, điện áp một chiều DC-link và công suất tác dụng trong điều kiện kiểm soát nghiêm ngặt các tham số môi trường, điều mà các hệ thống thực nghiệm phần cứng quy mô lớn khó thực hiện an toàn ở giai đoạn nghiên cứu ban đầu. Toàn bộ quá trình thu thập dữ liệu lý thuyết, xây dựng mô hình khối và phân tích kết quả mô phỏng được tiến hành từ tháng 01/2017 đến tháng 12/2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và phân tích định lượng trên MATLAB/Simulink đã mang lại những kết quả quan trọng:

Thứ nhất, giải thuật IVHCS cải tiến rút ngắn thời gian đáp ứng xác lập điểm công suất cực đại từ 30% đến 40% so với giải thuật VHCS truyền thống khi vận tốc gió thay đổi đột ngột giữa các mức 5 m/s, 6 m/s, 7 m/s và 8 m/s. Hệ thống nhanh chóng đưa tốc độ rotor máy phát đạt đến điểm làm việc tối ưu tương ứng với đỉnh của đường cong hệ số công suất.

Thứ hai, hiện tượng chao đảo và dao động công suất quanh điểm cực đại (MPP) ở trạng thái xác lập được triệt tiêu đáng kể. Sai số bám công suất của IVHCS giảm xuống dưới 1,5%, trong khi giải thuật VHCS bước lớn truyền thống gây ra độ lệch công suất từ 4% đến 6% do bước nhảy tìm kiếm cố định không kịp thích ứng.

Thứ ba, giải thuật IVHCS loại bỏ thành công sự phụ thuộc vào độ chính xác tuyệt đối của cảm biến đo gió (anemometer). Nhờ cơ chế chỉ sử dụng hiệu số sai lệch vận tốc gió giữa hai mẫu đo kế tiếp thay vì giá trị đo tức thời, hệ thống giảm thiểu tới 80% tác động tiêu cực của sai số đo lường và nhiễu loạn khí quyển.

Thứ tư, cấu hình máy phát PMSG truyền động trực tiếp kết hợp bộ biến đổi DC/DC Boost điều khiển chu kỳ nhiệm vụ bằng IVHCS giúp hệ số công suất của toàn hệ thống WECS luôn duy trì ở mức cao từ 0,45 đến 0,48, tiệm cận rất sát giới hạn khí động học của cánh tuabin thiết kế.

Thảo luận kết quả

Cơ chế mang lại sự vượt trội của giải thuật IVHCS nằm ở việc tích hợp linh hoạt giá trị hồi tiếp truyền thẳng theo tốc độ biến thiên của gió. Khi vận tốc gió thay đổi nhanh, thuật toán tự động mở rộng bước tìm kiếm để tăng tốc độ bám điểm MPP; khi hệ thống tiến gần đến đỉnh công suất, bước tìm kiếm tự động thu hẹp để tránh hiện tượng vọt lố và dao động cơ học.

Các kết quả nghiên cứu được minh chứng trực quan thông qua hệ thống biểu đồ đáp ứng động học trong không gian thời gian. Biểu đồ đường cong công suất theo thời gian (P-t) thể hiện rõ quỹ đạo quá độ mượt mà của IVHCS, giảm độ vọt lố moment tới 65% và rút ngắn thời gian quá độ khoảng 0,25 giây so với VHCS. Biểu đồ quan hệ giữa điện áp phát ra, dòng điện cuộn cảm L và tốc độ rotor cho thấy sự ổn định cao của mạch DC-link trung gian ngay cả khi xuất hiện các nhiễu loạn gió dạng bước nhảy.

So sánh với các nghiên cứu sử dụng thuật toán TSR đòi hỏi cảm biến đo gió đắt tiền hay thuật toán PSF cần dữ liệu đặc tính công suất chính xác của nhà sản xuất, giải thuật IVHCS thể hiện tính độc lập cao, không cần biết trước thông số chi tiết của tuabin mà vẫn đảm bảo tốc độ đáp ứng tương đương các thuật toán bám trực tiếp hiện đại.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp và khuyến nghị kỹ thuật:

1. Tích hợp giải thuật IVHCS vào các bộ vi xử lý tín hiệu số (DSP) chuyên dụng: Các đơn vị nghiên cứu và chế tạo biến tần công nghiệp nên nhúng thuật toán IVHCS vào chip vi điều khiển DSP TMS320F28335 hoặc bo mạch FPGA nhằm xử lý chu kỳ trích mẫu dưới 10 mili-giây, hoàn thành việc thử nghiệm phần cứng trong thời gian 6 đến 12 tháng.
2. Ưu tiên cấu hình máy phát PMSG truyền động trực tiếp cho các dự án điện gió ngoài khơi: Các chủ đầu tư trang trại phong điện tại khu vực Nam Trung Bộ và Tây Nam Bộ cần lựa chọn tuabin PMSG dải công suất từ 3 MW đến 5 MW nhằm cắt giảm từ 15% đến 20% chi phí vận hành và bảo dưỡng hộp số trong vòng đời dự án 20 năm.
3. Nâng cấp cấu hình bộ biến đổi công suất DC/DC và nghịch lưu hòa lưới: Doanh nghiệp thiết kế trạm phát điện cần áp dụng cấu hình chuyển đổi đa mức hoặc Back-to-Back 2 level để kiểm soát điện áp một chiều DC-link ổn định từ 700 V đến 1000 V, giữ độ méo sóng hài dòng điện THD dưới 3% theo tiêu chuẩn IEEE 519 trong lộ trình 18 tháng.
4. Chuẩn hóa quy trình quan trắc và lọc tín hiệu gió tại các trạm phát: Đơn vị quản trị vận hành lưới điện gió cần lắp đặt hệ thống cảm biến đo gió siêu âm kết hợp thuật toán lọc nhiễu Kalman với chu kỳ cập nhật dữ liệu dưới 100 mili-giây, cung cấp tín hiệu đầu vào chất lượng cao cho các khối MPPT cục bộ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Hệ thống Năng lượng: Nắm bắt phương pháp mô hình hóa toán học hệ tọa độ dq cho máy phát PMSG, các kỹ thuật điều khiển vector FOC và quy trình xây dựng khối mô phỏng giải thuật MPPT nâng cao trên MATLAB/Simulink.
• Kỹ sư R&D thiết kế thiết bị điện tử công suất: Tham khảo cấu hình mạch chỉnh lưu, mạch tăng áp Boost DC/DC và thuật toán điều chế độ rộng xung PWM để tối ưu hóa hiệu suất bộ biến đổi cho các trạm phát điện năng lượng tái tạo từ 10 kW đến 500 kW.
• Chủ đầu tư và nhà quản lý dự án năng lượng tái tạo: Khai thác các dữ liệu so sánh kinh tế - kỹ thuật giữa máy phát SCIG, DFIG và PMSG, cùng các chỉ số giá thành sản xuất điện gió từ 48 đến 60 USD/MWh để lập báo cáo nghiên cứu tiền khả thi cho các dự án quy mô từ 20 MW đến 100 MW.
• Kỹ sư vận hành và bảo trì trạm điện gió (O&M): Hiểu rõ đặc tính dao động moment, quá độ điện áp và đáp ứng của tuabin khi thay đổi vận tốc gió đột ngột, từ đó xây dựng quy trình giám sát và kế hoạch bảo dưỡng phòng ngừa sự cố hiệu quả.

Câu hỏi thường gặp

Giải thuật IVHCS cải tiến có điểm gì khác biệt so với giải thuật VHCS truyền thống? Giải thuật IVHCS bổ sung khối hồi tiếp truyền thẳng dựa trên tốc độ thay đổi của vận tốc gió giữa hai mẫu lân cận. Cơ chế này cho phép tự động điều chỉnh độ dài bước tìm kiếm linh hoạt, giúp tăng tốc độ bám điểm cực đại thêm 30% đến 40% và triệt tiêu dao động công suất quanh điểm MPP.

Tại sao máy phát PMSG truyền động trực tiếp lại vượt trội hơn máy phát DFIG và SCIG? Máy phát PMSG sử dụng rotor nam châm vĩnh cửu nên không cần dòng kích từ từ bên ngoài, loại bỏ hoàn toàn hệ thống chổi than, vành trượt và hộp số cơ khí đắt tiền. Cấu hình này giúp giảm hơn 20% tổn hao cơ học, giảm chi phí bảo trì và nâng cao hệ số công suất toàn hệ thống.

Ý nghĩa của giới hạn Betz 59,3% trong thiết kế tuabin điện gió là gì? Giới hạn Betz là định luật nhiệt động lực học khẳng định một tuabin gió chỉ có thể trích xuất tối đa 59,3% động năng từ luồng không khí đi qua diện tích quét của cánh quạt. Trong thực tế, các hệ thống tuabin 3 cánh hiện đại vận hành với hệ số Cp đạt từ 40% đến 48% đã được coi là rất tối ưu.

Thuật toán IVHCS giải quyết vấn đề đo gió không chính xác như thế nào? Thuật toán IVHCS không sử dụng giá trị vận tốc gió tuyệt đối mà chỉ tính toán độ chênh lệch vận tốc gió delta vw giữa hai chu kỳ trích mẫu kế tiếp. Nhờ đó, các sai số đo tĩnh hoặc độ trôi cảm biến của thiết bị anemometer hầu như không ảnh hưởng đến độ chính xác bám điểm cực đại của hệ thống.

Mô hình nghiên cứu trong luận văn được kiểm chứng tại những dải vận tốc gió nào? Nghiên cứu tiến hành mô phỏng chi tiết tại 4 mức vận tốc gió tiêu chuẩn gồm 5 m/s, 6 m/s, 7 m/s và 8 m/s, kết hợp các kịch bản gió thay đổi đột ngột dạng xung bậc thang nhằm kiểm tra toàn diện khả năng đáp ứng quá độ, độ vọt lố moment và độ ổn định điện áp DC-link.

Kết luận

• Xây dựng hoàn chỉnh mô hình toán học giải tích và mô hình mô phỏng động học của hệ thống chuyển đổi năng lượng gió sử dụng máy phát PMSG truyền động trực tiếp trên MATLAB/Simulink.
• Đề xuất thành công giải thuật tìm kiếm leo đồi đa bước cải tiến IVHCS, giải quyết triệt để sự xung đột giữa tốc độ tìm kiếm và độ ổn định trạng thái xác lập của các phương pháp HCS truyền thống.
• Nâng cao hiệu suất trích xuất công suất cực đại từ 8% đến 15%, giảm thời gian quá độ bám điểm MPP tới 40% và hạ mức sai số công suất xuống dưới 1,5%.
• Kiểm chứng tính khả thi và độ tin cậy của thuật toán qua 4 dải vận tốc gió thực tế từ 5 m/s đến 8 m/s trong điều kiện nhiễu loạn gió thay đổi liên tục.
• Đóng góp giải pháp công nghệ thiết thực cho ngành năng lượng tái tạo tại Việt Nam, hỗ trợ hiện thực hóa mục tiêu phát triển trên 20 GW điện gió hòa lưới quốc gia.

Lộ trình phát triển tiếp theo bao gồm việc triển khai thực nghiệm giải thuật IVHCS trên phần cứng nhúng DSP trong vòng 12 tháng và nghiên cứu kết hợp trí tuệ nhân tạo (mạng nơ-ron ANN hoặc logic mờ Fuzzy) trong vòng 24 tháng nhằm tối ưu hóa khả năng thích nghi của hệ thống tuabin gió ngoài khơi. Luận văn là công trình khoa học giá trị, cung cấp cơ sở kỹ thuật vững chắc cho các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực điện gió hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Giới thiệu: Khái quát về năng lượng gió: Đã từ lâu, con người đã biết sử dụng năng lượng gió. Xứ Hòa Lan, nổi tiếng với những quạt gió khắp nước họ. Ngày xưa năng lượng này được xử dụng để xay lúa, bơm nước.

Kể từ khi có năng lượng dầu khí, năng lượng gió lùi dần vào quên lãng. Nhưng kể từ khi khủng hoảng năng lượng năm 1970, năng lượng tái tạo được chú ý trở lại. Sự chú ý này càng được gia tăng với vấn đề quả đất hâm nóng. Vào thập niên 1980, những trại điện gió (wind farm) bắt đầu được thiết kế và xây cất.

Trong hơn hai mươi năm qua, điện gió đã có những bước tiến vượt bậc. Với giá thành ban đầu gấp mười lần giá điện sản xuất từ than, giá một kilowatt-giờ điện sản xuất bằng gió đã tiến gần giá US $ 6 cents/kW-h điện sản xuất từ than đá. Tất cả những trại điện gió đều dùng loại turbine trục ngang. Phần lớn công xuất của những turbine ngang ở mức 1.5 MW cho tới 3 MW.

Hiện nay ở các nơi trên thế giới, nhiều dự án được đề ra với mục đích nâng cao sự đóng góp của năng lượng tái tạo. Ở Âu châu, nhiều quốc gia nêu mục tiêu 20% năng lượng tái tạo năm 2020. Ở Trung Quốc, mục tiêu nêu ra 3% điện từ nguồn tái tạo (không tính thủy điện). Tại bang Texas ở Mỹ,nhà kinh doanh TB Pickens sẽ thiết lâp trại điện gió trên 4.000 MW, chi phí trên 4 tỷ dollar.

Hiện nay các công ty làm phụ tùng điện gió sản xuất không đủ cung cấp cho nhu cầu. Năng lượng gió ngoài biển Để thực sự khai thác tiềm năng điện gió, phải ra biển. Tiềm năng gió ngoài biển so với trong lục địa Hình 1.1 nêu tiềm năng điện gió ngoài biển ở Âu Châu. Trên lục địa, vận tốc gió khoảng 6 mét/giây.

Ngoài khơi, vận tốc gió lên đến trên 10 mét/giây. Năng lượng gió tỷ lệ với vận tốc gió luỹ thừa 3. Thế có nghĩa với vận tốc gió đó, năng lượng điện gió sẽ tăng gấp gần 5 lần. Nếu tính theo tiềm năng, nước Na-Uy có khả năng sản xuất 20.000 tỷ kW-h mỗi năm, đủ dùng cho 2 tỷ gia đình tại các nước phát triển (hơn cả dân số Âu Châu).

Nếu tính theo giá trị kinh tế, năng lượng gió biển trị giá hơn 2,000 tỷ dollar, gấp hơn 10 lần Na-Uy thu được từ dầu khí. Gặt hái năng lượng gió biển Để gặt hát năng lượng gió biển, các nước Âu Châu đang tiến hành một số những dự án. Thông thường nhất là phương pháp của Đan Mạch: dùng turbine ngang, đóng cọc xuống đáy biển. Trại điện gió Horn Rev trong hình 1.2 tượng trưng cho phương pháp này.

Phương pháp này giải quyết được biển có độ sâu dưới 30 mét. Tuy thế giá thành vẫn cao bởi vì 4 lý do sau: • Giá turbine ngang cao • Giá xây nền móng cao 2 • Giá lắp ráp cao • Giá bảo trì cao Hình 1. Trại Điện Gió Horn Rev Ở Đan Mạch Vì thế cho nên ứng dụng của giải pháp này còn giới hạn. Trại Điện Gió Nổi Hình 1.

Turbine Gió Trục Dọc - VAWT - Ở California 3 Tiềm năng điện gió biển ở Việt Nam Tiềm năng điện gió ở Việt Nam thật là lớn gấp nhiều lần so với lục địa. Nếu tính theo Hình 1.4 thì miền duyên hải Nam Trung Bộ và Nam Bộ có khả năng sản xuất 5,000 tỷ kW-h mỗi năm, có khả năng chu toàn gấp nhiều lần nhu cầu điện cho Việt Nam và các nước lân cận. Gió Ngoài Biển Đông Để khai thác nguồn năng lượng này, dĩ nhiên cần đầu tư. Để khuyến khích đầu tư, chính quyền cần chính sách năng lượng tái tạo, mạng lưới điện, đầu tư … mong thu hút vốn ngoại cho các trại điện gió ngoài biển.

Năng lượng gió Định nghĩa: - Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái Đất. Năng lượng gió là một dạng năng lượng của Mặt Trời. Sử dụng năng lượng gió là một trong các cách lấy năng lượng xa xưa nhất. 4 Sự hình thành 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 đồng đều.

Một nửa bề mặt của Trái Đất, ban đêm, bị che khuất không nhận bức xạ của Mặt Trời và thêm vào đó là bức xạ Mặt Trời gần xích đạo nhiều hơn ở các cực, ở đó có sự khác nhau về nhiệt độ và vì thế có sự khác nhau về áp suất và không khí ở xích đạo và hai 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 nên cũng tạo không khí theo mùa. - Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay quanh trục củaTrái Đất nên không khí đi từ vùng áp cao đến áp thấp không chuyển động năng thắng mà tạo thành các cơn gió xoáy khác nhau từ Bắc bán cầu về Nam bán cầu. - Ngoài các yếu tố có tính toàn cầu trên gió cũng bị ảnh hưởng bởi từng địa hình của từng địa phương.

Do nước và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất nóng nhanh hơn nước, tạo nên sự khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay sông, hồ vào đất liền. Vào ban đêm nước nguội đi nhanh hơn và hiệu ứng này có chiều ngược lại. Sử dụng năng lượng gió: - Năng lượng gió đã được sử dụng hàng 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 tạo công cơ học để làm quay cối xay gió hay điện năng tubin-gió, xe chạy bằng năng lượng gió… Tình hình năng lượng gió ở Việt Nam Tình hình cung- cầu điện năng ở Việt Nam: - Tốc độ tăng trưởng trung bình của sản lượng điện ở Việt Nam trong 20 năm trở lại đây đạt mức rất cao, khoảng 12-13% /năm - tức là gần gấp đôi tốc độ tăng trưởng 5 GDP của nền kinh tế. Chiến lược công nghiệp hóa và duy trì tốc độ tăng trưởng cao để thực hiện, dân giàu, nước mạnh và tránh nguy cơ tụt hậu sẽ còn tiếp tục đặt lên vai ngành điện nhiều trọng trách và thách thức to lớn trong những thập niên tới. Để hoàn thành được những trọng trách này, ngành điện phải có khả năng dự báo nhu cầu về điện năng của nền kinh tế, trên cơ sở đó hoạch định và phát triển năng lực cung ứng của mình. - Việc ước lượng nhu cầu về điện không hề đơn giản, bởi vì nhu cầu về điện là nhu cầu dẫn xuất.

Chẳng hạn như nhu cầu về điện sinh hoạt tăng cao trong mùa hè là do các hộ gia đình có nhu cầu điều hòa không khí, đá và nước mát. Tương tự như vậy, các công ty sản xuất cần điện là do điện có thể được kết hợp với các yếu tố đầu vào khác (như lao động, nguyên vật liệu v.) để sản xuất ra các sản phẩm cuối cùng. Nói cách khác, chúng ta không thể ước lượng nhu cầu về điện một cách trực tiếp mà phải thực hiện một cách gián tiếp thông qua việc ước lượng nhu cầu của các sản phẩm cuối cùng. Nhu cầu này,đến lượt nó, lại phụ thuộc vào nhiều biến số kinh tế và xã hội khác.

- Nếu tốc độ phát triển nhu cầu về điện tiếp tục duy trì ở mức rất cao 14-15%/năm như mấy năm trở lại đây thì đến năm 2010 cầu về điện sẽ đạt mức 90.000 GWh, gấp đôi mức cầu của năm 2005. Theo dự báo của Tổng Công ty Điện lực Việt Nam, nếu tốc độ tăng trưởng GDP trung bình tiếp tục được duy trì ở mức 7,1%/năm thì nhu cầu điện sản xuất của Việt Nam vào năm 2020 sẽ là khoảng 200.000 GWh, vào năm 2030 là 327. Trong khi đó, ngay cả khi huy động tối đa các nguồn điện truyền thống thì sản lượng điện nội địa của chúng ta cũng chỉ đạt mức tương ứng là 165. Điều này có nghĩa là nền kinh tế sẽ bị thiếu hụt điện một cách nghiêm trọng, và tỷ lệ thiếu hụt có thể lên tới 20-30% mỗi năm.

Nếu dự báo này của Tổng Công ty Điện lực trở thành hiện thực thì hoặc là chúng ta phải nhập khẩu điện với giá đắt gấp 2-3 lần so với giá sản xuất trong nước, hoặc là hoạt động sản xuất của nền kinh tế sẽ rơi vào đình trệ, còn đời sống của người dân sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng. Đứng trước thách thức thiếu hụt điện năng, chúng ta cần tìm ra một nguồn năng lượng mới, năng lượng gió. 6 Tiềm năng của năng lượng gió ở Việt Nam: - Nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài, Việt Nam có một thuận lợi cơ bản để phát triển năng lượng gió. Trong chương trình đánh giá năng lượng cho châu Á, Ngân hàng thế giới có đã có một khảo sát chi tiết về năng lượng gió khu vực Đông Nam Á trong đó có Việt Nam.

Theo tính toán của nghiên cứu này, trong bốn nước được khảo sát thì Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất và hơn hẳn các quốc gia lân cận là Thái Lan, Lào, Campuchia. Trong khi Việt Nam có tới 8,6% diện tích lãnh thổ được đánh giá có tiềm năng từ “tốt” đến “rất tốt” để xây dựng các trạm điện gió cỡ lớn thì diện tích này ởThái Lan là 0,2%, ở Lào là 2,9%, và ở Campuchia là 0,2%. - Tổng điện năng điện gió của Việt Nam là 513.600 MW tức là bằng hơn 200 lần công suất của thủy điện Sơn La và hơn 10 lần tổng dự báo ngành điện vào năm 2020. Nếu xét tiêu chuẩn để xây dựng các trạm điện gió cỡ nhỏ phục vụ cho phát triển kinh tế ở những vùng khó khăn thì Việt Nam có đến 41% diện tích nông thôn có thể phát triển điện gió loại nhỏ.

Nếu so sánh con số này với nước láng giềng thì Campuchia có 6%, Lào có 13% và Thái Lan có 9% diện tích nông thôn có thể phát triển điện gió loại nhỏ. Đây quả thật là ưu đãi dành cho Việt Nam mà chúng ta chưa nghĩ đến cách tận dụng. Các trạm điện năng lượng gió đã và đang được xây dựng ở Việt Nam: - Hiện tại Việt Nam có tất cả 20 dự án điện gió với dự kiến sản xụất 20 GW. Nguồn điện gió này sẽ kết nối với hệ thống điện lưới quốc gia và sẽ được phân phối và quản lý bởi Tổng Công Ty Điện Lực Việt Nam.