Seminar Điện gió - Kỹ sư Nguyễn Ngọc Tân

ĐiỆN GÍO

1. Tổng quát 2. Sự phát triển của công nghệ Tua-bin điện gió 3. Nguyên tắc kỹ thuật 4. Thất thóat cơ năng. 5. Phân tích toán tiềm năng gió, dự toán sản lượng điện. 6. Chuẩn mực so sánh trong đầu tư trang trại điện gió 7. Cánh đồng điện gío lắp đặt trên đất liền 8. Trang trại điện gío lắp đặt trên biển 9. Tích trữ năng lượng từ gió. 10. Thử nghiệm điện gió với những công nghệ khác 11. Thị trường điện gió Việt Nam

1. Tổng quát Sự phát triển Năng lượng điện từ gío tại Đức, Âu châu và Thế giới

Fraunhofer Institute for Wind Energy and Energy System Technology Szenario sử dụng 100% năng lượng tái tạo tại CHLB Đức – Năm 2050

1 Exajoule = 277,778 Tỉ kW

"Exa" E (1 Trillion) = 1018 "Joule" = Đơn vị của năng lượng

Tài liệu công bố tháng 2 năm 2009 PV photovoltaics CSP concentrated solar power

Kích thước và công suất những lọai Tua-bin điện gió đã được sản xuất hàng loạt tính đến năm 2011

Trang trại điện gió tại Mỹ

Gió. Tia nắng mặt trời chiếu vào mặt đất thay đổi không đồng đều làm nhiệt độ trong bầu khí quyển, nước và không khí luôn khác nhau, trái đất luôn quay trong quỹ đạo xung quanh mặt trời và tự quay quanh trục nên tạo ra mùa, ngày, đêm. Từ sự quay quanh trục của trái đất nên không khí chuyển động xoáy theo những chiều khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu làm nhiệt độ của khí quyển thay đổi phát sinh những vùng áp cao và áp thấp. Ngoài ra vào ban đêm, một nửa bề mặt của trái đất, bị che khuất không nhận được tia nắng mặt trời, nửa bề mặt kia là ban ngày nên cường độ tia nắng cao hơn, thêm vào đó nhiệt độ ở Bắc bán cầu, Nam bán cầu và đường xích đạo cũng như nhiệt độ ở biển và trên đất liền luôn khác nhau. Chính vì sự thay đổi nhiệt độ của khí quyển làm không khí chuyển động. Sự chuyển động của không khí được gọi là gió.

Mô hình hoàn lưu khí quyển với các trung tâm khí áp bề mặt có tính đến sự phân bố đất biển không đều.

Tốc độ và hướng gió Đơn vị của tốc độ gío được tính theo kilomet trên giờ (km/h) hoặc mét trên giây (m/s) hoặc knot (kn: hải lý trên giờ) hoặc Mile trên giờ (mph) tại Mỹ. • 1 kn = 1 sm/h = 1,852 km/h = 0,514 m/s • 1 m/s = 3,6 km/h = 1,944 kn = 2,237 mph • 1 km/h = 0,540 kn = 0,278 m/s = 0,621 mph • 1 mph = 1,609344 km/h = 0,8690 kn = 0,447 m/s Hướng gió là hướng mà từ đó gió thổi tới điểm quan trắc. Hướng gió được biểu thị bằng phương vị đông, tây, nam, bắc hoặc theo góc là lấy hướng bắc làm mốc ở vị trí 00 hoặc 3600 và tính theo chiều kim đồng hồ. Như vậy hướng đông ứng với góc 900, hướng nam ứng với góc 1800, hướng tây ứng với góc 2700.) Ngoài ra, người ta còn dùng cấp gió để chỉ tốc độ gió như cấp gió Beaufort. (Francis Beaufort 1806) và được viết tắt là bft. Biểu đồ này đầu tiên được đưa ra để đánh giá ảnh hưởng của gío cho thuyền buồm và việc vận chuyển trên sông hồ, biển… Giáo Trình Khí Tượng Cơ sở DHKHTN - 2012

Nguyên tắc của cột đo gió. Nguyên tắc cột đo gió và Tua-bin.

Cột đo gió tại Huyện Bình Đại - Bến Tre

Hoa tốc độ gió

Hoa tốc độ gió trung bình

Những số liệu về vận tốc gió được chuyển vào phần mềm, thí dụ như phần mềm Windrose để hiển thị hoa gió về vận tốc và hướng gió của từng thời điểm và từng vị trí. Hình hiển thị vận tốc và hướng gió được định theo chiều đông, tây, nam, bắc và thường được chia thành 12 hoặc 36 mảng trong một vòng tròn, trong mỗi mảng là trị số vận tốc gió thường nhất trong ngày hoặc trong tháng.

Bản đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam ở độ cao 80 mét -

Tiêu chuẩn lớp gió cho Tua-bin điện gió. Uỷ ban Kỹ thuật Điện Quốc tế IEC (International Electrotechnical Commission) đưa ra những Tiêu chuẩn lớp gió của Tua-bin cho những vùng có tiềm năng gió ít hoặc nhiều theo vận tốc gió trung bình và sự xáo động gió trong năm. Tiêu chuẩn Lớp gió cho Tua-bin điện gió [59] Tiêu chuẩn Tua-bin theo loại (IEC)

I (vùng có gió mạnh)

II (vùng có gió khá mạnh)

III (vùng có gió trung bình)

IV (vùng có gió yếu)

Vận tốc gió tiêu biểu của 50 năm v REF

50 m/s

42,5 m/s

37,5 m/s

30 m/s

Vận tốc gió trung bình trong năm v TB

10 m/s

8,5 m/s

7,5 m/s

6 m/s

Vận tốc gió cao nhất trong 50 70 m/s năm 1.4 v REF

59,5 m/s

52,5 m/s

42 m/s

Vận tốc gió cao nhất trong 1 năm 1.05 v REF

44,6 m/s

39,4 m/s

31,5 m/s

52,5 m/s

2. Sự phát triển của công nghệ Tua-bin điện gió Công nghệ điện gió trước đây gồm hai loại, loại trục đứng lọai: Savonius, lọai Darieus và trụng ngang. Tua-bin điện gió Darrieus có hệ số công suất thấp nhưng vì cấu hình giản dị, dễ thiết kế và dễ sản xuất nên những loại Tua-bin điện gió này thường được sản xuất cho những nơi cần công suất khoảng từ 5 đến 20kW.

Tua-bin điện gió trục đứng Darrieus - Tua-bin điện gió trục ngang.

Tua-bin trục đứng Darrieus tại Heroldstat CHLB Đức

Tua-bin trục đứng Savonius

Tua-bin trục đứng Savonius 3 tầng

Tua-bin trục đứng HDarrieus tại Nam cực

Trước kia một số Tua-bin điện gió trục ngang được thiết kế có hướng đón gió từ phía sau (down wind rotor) nhưng phương pháp này có nhiều nhược điểm như dòng gió luôn bị xáo động do gió thổi vào thân trụ rồi mới đến cánh quạt. Từ khoảng năm 1995 Tua-bin điện gió được thiết kế với nguyên tắc đón gió từ phía sau không còn được sử dụng rộng rãi. Phần lớn những loại Tua-bin điện gió hiện nay được thiết kế có hướng đón gió từ phía trước (up wind rotor).

Tua-bin đón gió từ phía sau (down wind rotor)

Tua-bin đón gió từ phía trước (up wind rotor)

Từ thế kỉ 12, người Âu châu bắt đầu sử dụng quạt gió để xay ngũ cốc. Sức gió làm quay cánh quạt và cơ năng này được chuyển vào những cối xay. Những cánh quạt này thường có trục ngang và được cải tiến liên tục, hiện nay phần lớn Tua-bin điện gió trên thế giới vẫn ứng dụng nguyên tắc này. Tại Bắc Mỹ mãi đến thế kỉ 19 việc ứng dụng sức gió để bơm nước mới được phát triển nhờ kỹ thuật cánh quạt tự động ngừng lại để tránh hư hại khi gió phát triển thành bão. Với nguyên tắc này quạt gió bơm nước đã được dùng rộng rãi ở Bắc Mỹ. Năm 1888 dựa trên nguyên tắc quạt gió bơm nước, Charles Francis Brush người Mỹ đã chế tạo ra cánh quạt điện từ sức gió với công suất 12 kW để sử dụng trong gia đình, nguồn trữ điện lúc ấy của ông là những bình ác-quy.

Quạt gió xay ngũ cốc - Hà Lan

Quạt gió bơm nước - Úc

Năm 1891, Poul La Cour người Đan Mạch với sự hỗ trợ của nhà nước Đan Mạch đã thành công trong việc thử nghiệm chuyển cơ năng từ cánh quạt gió qua điện năng tại Askov - Jütland và đã là nền tảng của công nghệ điện gió ngày nay. Năm 1920 Albert Betz, nhà vật lý người Đức đã nghiên cứu về nguyên tắc khí động lực học của cánh quạt điện gió và chứng minh trên phương diện vật lý là chỉ có thể thu được tối đa là 59,259 % năng lượng chuyển động kinetic của gió, việc này ảnh hưởng quan trọng đến khả năng đón gió của cánh quạt. Cho đến nay việc tạo dáng và thiết kế những cánh quạt điện gió hiện đại vẫn dựa trên những kiến thức này.

 Vào những đầu năm 80, khái niệm công nghệ tua-bin, được gọi là “Khái Niệm Đan Mạch”, trong công nghệ này tua-bin họat động với một tốc độ nhất định và cần có hộp số.  Cho đến nay, phần lớn những Tua-bin được lắp đặt trên thế giới sử dụng hộp số để chuyển tốc độ số vòng quay của cánh quạt lên cao và truyền đến máy phát điện.  Từ năm 1993 công nghiệp điện gió sử dụng máy phát điện nam châm vĩnh được sản xuất và đưa vào thị trường. Nguyên tắc của lọai máy phát điện này là sử dụng nam châm vĩnh cửu kết hợp nhiều cực trong một vòng khung và được gắn trực tiếp với hệ thống Rotor

Định luật Betz ứng dụng trong thiết kế cánh quạt Năng lượng gió là nguồn năng lượng do chuyển động của không khí với một vận tốc trong một thời gian nhất định. Theo định luật Betz, (Nhà vật lý người Đức - Albert Betz 1885-1968) về động lực học khí quyển thì nguồn năng lượng gió này không thể chuyển tất cả sang một loại năng lượng khác.

A

m v2 vT v1 Tua-bin điện gió

Động năng thu được trong dòng gió là 59,259 %. Tỷ lệ công suất tối đa thu được này vì thế được gọi là Hệ số công suất Betz hoặc Hệ số Betz.

Cơ năng E của một khối lượng không khí m chuyển động với vận tốc v là: E= 1/2 m . v2 Thể tích khối lượng không khí chuyển động qua một mặt phẳng A trong một đơn vị thời gian là: V=v.A Khối lượng không khí chuyển động còn phụ thuộc vào mật độ của không khí ρ. m=ρ.A.v Công suất P thu được lệ thuộc vào Khối lượng không khí chuyển động, vận tốc gió, mật độ của không khí ρ, thiết diện A của vòng quay cánh quạt. P= 1/2 m . v2 = 1/2 ρ . A . v3 Với sự khác biệt của vận tốc gió tại cánh quạt và sau cánh quạt thì: m = ρ . A1 . v1 = ρ . A2 . v2 và công suất P sẽ là: P = 1/2 ρ . A . ( v21 - v22) = 1/2 m (v21 - v22)

Khi Tua-bin điện gió có diện tích cánh quạt cố định A, công suất thu được không bị thất thoát là P, Mật độ ρ của không khí không thay đổi, áp suất phía trước và sau cánh quạt không khác biệt thì Tua-bin điện gió chỉ có thể thu được từ cánh quạt với hệ số công suất Cp (power coefficient) tối đa là: Cp max = 16/27 = 0, 59259 Cơ năng thu được trong dòng gió là 59,259 %. Tỷ lệ công suất tối đa thu được này vì thế được gọi là Hệ số công suất Betz hoặc Hệ số Betz. Cơ năng lý tưởng Pmech của hệ thống cánh quạt lệ thuộc vào vận tốc gió, mật độ không khí, hệ số Betz và diện tích mặt đón gió của cánh quạt và được tính theo phương trình:

Để tính được công suất điện có thể thu được phải tính đến hệ số công suất của máy phát điện và hệ số công suất của hộp số, như thế công suất điện Pel sẽ là: Pel: Công suất [W]. η: Hệ số công suất của máy phát điện và hộp số. Cp: Hệ số Betz 0, 59259. v: Vận tốc gió (m/s). ρ: Mật độ của không khí là 1,225 Kg/m3 A:

Thiết diện của dòng gió đi qua (m2).

Vì thế vận tốc gió là yếu tố quan trọng nhất của công suất, vận tốc tăng 3 lần thì công suất đạt được tăng theo lũy thừa 3

Những trụ điện gió lắp đặt năm 1987 tại CHLB Đức

Cánh đồng điện gió trên đất liền tại Aurich CHLB Đức, công suất mỗi trụ 7,5MWh.

3. Nguyên tắc kỹ thuật Cấu hình Tua-bin điện gió trục ngang dùng hộp số

3.1 Cánh quạt, đùm

Sự phân bố lực tác động F vào cánh quạt với góc < 20°

Cánh quạt điện gió khi thiết kế phải đáp ứng nguyên tắc khí động lực học và định luật Betz để tạo được công suất cao ổn định kể cả ở tình trạng điều chỉnh số vòng quay của hệ thống cánh Rotor cũng như những yếu tố chi tiết khác như độ ồn phát sinh, tần số rung khi hoạt động.

Cấu trúc những lớp vật liệu của cánh quạt

Cánh quạt thô với vật liệu composite, sợi carbon chưa hoàn thành

Cánh quạt Tua-bin Growian

Cấu hình cánh quạt tùy theo công nghệ và việc chọn lựa vật liệu nên có nhiều thiết kế khác nhau nhưng phần lớn đều dựa trên kinh nghiệm cấu hình chế tạo cánh máy báy như của Hội đồng tư vấn hàng không NACA-Mỹ (National Advisory Committee for Aeronautics) hoặc Viện Khí động lực học Liên xô với cấu hình TsAGI hoặc những viện nghiên cứu khác cũng như những Nhà khoa học Khí động lực học, thí dụ như cấu hình FX (Franz Xaver Wortmann), cấu hình YH (Clark Profile), cấu hình HQ (Horstmann/Quast) vv...

Những thiết diện và cấu hình khác nhau của cánh quạt điện gió

Độ bền vật liệu và khả năng sản xuất là những yếu tố chính. Việc chọn lựa vật liệu cánh quạt được dựa trên kinh nghiệm chế tạo cánh máy bay và những vật liệu này là: Density

Strenght of

Young's

Ultim. tensile

Young's

Fatigue limit

γ

material -

modulus

strenght to d.

mod. To d

±δA

δB

E

δB/γ

E/γ

g/cm3

N/mm2

kN/mm2

km

103 km

107 N/mm2

Thép St. 52 Hợp kim thép 1.7735.4 Nhôm AlZnMgCu

7,85 7,85

520 680

210 210

6,6 8,7

2,7 2,7

60 70

2,7

480

70

18

2,6

40

Nhôm AlMg5 (có thể hàn) Hợp kim Titan 3.7164.1 Sợi thủy tinh Epoxy (E-Glas) Sợi Carbon – Epoxy

2,7

236

70

8,7

2,6

20

4,5

900

110

20

2,4

1,7

420

15

24,7

0,9

35

1,4

550

44

39

3,1

100

1,25 0,38

450 65

24 8

36 17

1,9 2,1

20

0,58

75

11

13

1,9

35

Vật liệu

Sợi Aramid Gỗ thông Stika spruce Gổ - Epoxy

Số cánh quạt của Tua-bin

Dựa trên nguyên tắc vật lý và Khí động lực học, những nghiên cứu và thử nghiệm về số cánh quạt cho Tua-bin điện gió đã được thực hiện từ nhiều thập niên trước ở nhiều nơi trên thế giới, diện tích quét gió phụ thuộc vào bề mặt cũng như chiều dài cánh quạt nên trên nguyên tắc số cánh quạt của Tua-bin không là yếu tố quyết định cơ bản về công suất. Trụ Tua-bin điện gió trục ngang có thể có 1, 2, 3 hoặc 4 cánh. Trong hai thập niên vừa qua vì yếu tố kinh tế cũng như kỹ thuật, Tua-bin địện gió trục ngang 3 cánh đã dần thay thế tất cả những loại Tua-bin khác. Thử nghiệm Tua-bin một cánh MOD-0 năm 1985 tại Mỹ

Những Tua-bin một cánh quạt được đưa vào hoạt động từ những năm 1985 với công suất từ 25 đến 1000kW, ưu điểm của Tua-bin điện gió một cánh là giảm được trọng lượng so với những Tua-bin hai hoặc ba cánh, số vòng quay nhanh có thể lên đến 49 vòng trong một phút nên tạo được công suất cao và giá thành thấp. Trên phương diện động lực học thì số cánh quạt càng ít thì hiệu quả càng cao nhưng trên phương diện cơ học thì khi Tua-bin họat động với số vòng quay nhanh sẽ phát sinh những nhược điểm cơ bản như tần số rung của Tua-bin điện gió sẽ mất ổn định ảnh hưởng đến những chi tiết khác của hệ thống, sự phân bố lực của một cánh quạt vào trục và thân trụ không đều nên độ bền hệ thống giảm rất nhiều, ngoài ra khi Tua-bin điện gió hoạt động sẽ phát sinh ra tiếng ồn rất cao, đặc biệt là những Tua-bin sử dụng hộp số. Trong thiết kế Tua-bin điện gió, hệ số vận tốc gió tại đầu cánh (tip speed ratio) λ (lambda) là tỉ lệ giữa vận tốc tại vòng quay của đầu cánh quạt và vận tốc của dòng gió thổi điến v. Đây là yếu tố quan trọng giữa việc quyết định số cánh quạt, công suất, độ bền và kinh phí sản xuất. Hệ số vận tốc gió tại đầu cánh λ là: λ = vtop/v trong đó: vtop : Vận tốc tốc gió tại đầu cánh quạt (m/s). v : Vận tốc gió (m/s).

Hệ số vận tốc gió tại đầu cánh nhỏ thường có những nhược điểm là momen xoắn α tăng, những bộ phận cơ của Tua-bin điện gió phải được thiết kế phù hợp vì cơ năng sẽ bị thất thóat nhiều. Khi hệ số vận tốc gió tại đầu cánh tăng, số cánh quạt và diện tích mặt đón gió có thể giảm để tiếp nhận nguồn cơ năng ổn định. Số cánh quạt và hệ số vận tốc gió tại đầu cánh với cấu hình thường sử dụng. Số cánh quạt n

λ n ở Hệ số Betz lý tưởng

1

≈ 15

2

≈ 10

3

≈ 6-8

Tua-bin điện gió ba cánh nhờ sự phân bố đều về lực trong diện tích vòng quay nên họat động ổn định hơn Tua-bin điện gió một hoặc hai cánh và có tỉ lệ công suất cao hơn khoảng 3-4% so với Tua-bin điện gió hai cánh, ngòai ra độ rung hệ thống ít bi xáo động nên hạn chế được những ảnh hưởng cơ của những chi tiết khác trong Tua-bin.

Việc nâng số cánh quạt của Tua-bin điện gió lên bốn cánh hoặc nhiều hơn chỉ đạt được công suất thêm tối đa là 1 đến 2% so với Tua-bin điện gió ba cánh nên những Tua-bin loại nhiều cánh chỉ tồn tại trong quá trình thử nghiệm vì không kinh tế.

Hệ số vận tốc gió tại đầu cánh λ và cấu hình NACA 4415 theo số cánh quạt Hội đồng cố vấn Hàng không Mỹ – NACA –(National Advisory Committee for Aeronautics)

Phần lớn những Tua-bin điện gió hiện nay trên thế giới được thiết kế theo loại trục ngang và có công suất từ vài kW đế trên 10 MW.

Tua-bin hai cánh lắp dặt trên biển

Tua-bin điện gió trục ngang 3 Cánh - 1987

Tua-bin điện gió trục ngang 4 cánh (thử nghiệm) - 1942

Trên phương diện động lực học thì số cánh quạt càng ít thì hiệu quả càng cao nhưng trên phương diện cơ học thì khi Tua-bin họat động với số vòng quay nhanh sẽ phát sinh những nhược điểm cơ bản như: Tần số rung của Tua-bin điện gió sẽ mất ổn định ảnh hưởng đến những chi tiết khác của hệ thống. Sự phân bố lực của một cánh quạt vào trục và thân trụ không đều nên độ bền hệ thống giảm rất nhiều Khi Tua-bin điện gió hoạt động sẽ phát sinh ra tiếng ồn cao, đặc biệt là những Tua-bin sử dụng hộp số.

Đùm và hệ thống nối cánh quạt - Rotor và máy phát điện vòng

Hệ thống nối cánh quạt - Rotor

Hệ thống đùm nối cánh quạt - Rotor và máy phát điện vòng

3.2 Những nguyên tắc điều chỉnh hệ thống Rotor

Vì vận tốc gió luôn thay đổi nên trong thiết kế, để có một công suất ổn định Tua-bin chỉ có thể hoạt động tối ưu với một vận tốc gió nhất định. Để đạt được những yêu cầu này, hệ thống Rotor phải có những chức năng tự điều chỉnh theo vận tốc và hướng gió và tự ngưng hoạt động bằng những hệ thống thắng để bảo đảm an toàn. Stall control - Điều chỉnh dòng gió thổi vào cánh quạt

Việc điều chỉnh hệ thống Rotor trước đây thường theo nguyên tắc điều chỉnh tình trạng gió trượt của cánh quạt (Stall control – pasiv hoặc activ), trong thập niên vừa qua việc điều chỉnh này được thực hiện bằng phương thức chỉnh quay mặt đón gió của cánh quạt (Pitch control).

Pitch control – Điều chỉnh mặt đón gió của cánh quạt Việc điều chỉnh mặt đón gió của cánh quạt thực sự là để điều chỉnh số vòng quay của hệ thống Rotor. Vận tốc gió luôn thay đổi nên việc điều chỉnh, tăng và giới hạn cơ năng từ dòng gió là yếu tố quan trọng để Tua-bin điện gió có thể hoạt động lâu dài và ổn định. Khi dòng gió có vận tốc thấp, hệ thống cánh quạt phải chỉnh mặt diện tích đón gió cao để có được công suất tối ưu. Khi vận tốc gió lên cao, hệ thống cánh quạt phải giảm mặt đón gió để tiếp tục hoạt động Khi vận tốc gió lên quá cao, hệ thống cánh quạt phải tự chỉnh góc không đón gió để ngưng hoạt động, tránh hư hại cho Tua-bin điện gió.

Hệ thống Rotor hoạt động, cánh quạt quay chỉnh mặt đón gió tối ưu (0°) ở vận tốc gió từ 4 đến 11 m/s

Hệ thống Rotor hoạt động, mặt cánh quạt chỉnh góc đón gió từ 0 - 90° ở vận tốc gió từ 12 đến 25 m/s

Từ lực tác động của gió vào bề mặt cánh quạt, cơ năng sẽ truyền đến những ổ vòng bi (Ball roller bearings) và làm quay hệ thống Rotor. Những vòng bi này thường có một hoặc nhiều lớp. Cánh quạt của những Tua-bin điện gió có công suất cao thường sử dụng vòng bi 2 lớp có 4 điểm tiếp xúc (Four point contact bearings).

Vòng bi 4 điểm tiếp xúc loại 1 lớp

Vòng bi 4 điểm tiếp xúc loại 2 lớp

Yaw control - Chỉnh Tua-bin điện gió theo hướng gió Hướng gió thay đổi tùy theo từng thời điểm, vị trí và theo mùa.Tua-bin điện gió muốn đạt được hiệu quả về công suất cũng phải chỉnh theo hướng gió, đặc biệt là những Tua-bin điện gió trục ngang. Phương pháp chỉnh Tua-bin theo hướng gió gồm hai loại: phương pháp chỉnh thụ động và phương pháp chỉnh tích cực. Trong phương thức chỉnh thụ động, hệ thống cánh quạt khi quay sẽ tùy theo hướng gió và quay đến vị trí có hướng gió mạnh nhất nhờ đuôi chong chóng gió (weather vane) gắn trên thùng Nacelle. Tuy nhiên phương pháp này chỉ có thể áp dụng được đối với những Tua-bin điện gió có trọng lượng thấp, công suất từ 5 đến 20 kW và đường kính cánh quạt khoảng 10 mét.

Hầu hết Tua-bin điện gió cỡ trung và lớn hiện nay đều áp dụng phương pháp chỉnh Tua-bin theo hướng gió tích cực, với phương pháp này, việc quay hệ thống Rotor về hướng gió thổi được thực hiện bằng những động cơ thủy lực hoặc động cơ điện và được gọi là động cơ góc phương vị (Azimuth motor hoặc Yaw motor).

Hệ thống chỉnh hướng gió - Tua-bin Westinghouse WTG-0600

A4 Động cơ góc phương vị (Azimuth motor) Tua-bin Multibrid [

Động cơ góc phương vị (azimuth motor)

Bánh răng có hai lớp vòng bi 4 điểm tíêp xúc

Trụ

Động cơ chỉnh Tua-bin theo hướng gió và bánh răng vòng

3.3 Hệ thống quay, trục và bộ phận thắng

Hệ thống quay và trục là những bộ phận chuyển cơ năng từ hệ thống Rotor đến máy phát điện. Trong trường hợp Tua-bin sử dụng hộp số thì những bộ phận này truyền chuyển động quay đến hộp số để có vận tốc số vòng quay cao và sau đó truyền đến máy phát điện. Những bộ phận khác là vòng nối trục, bánh thắng và những chi tiết phụ. Tất cả những chi tiết cơ và điện này đều được lắp đặt trong thùng Nacelle để hạn chế những ảnh hưởng có thể gây hư hại của thời tiết cũng như chất bẩn trong không khí. Trong công nghệ điện gió, trục quay của hệ thống Rotor họat động với vận tốc số vòng quay thấp, tùy theo công nghệ, nhà sản xuất và công suất mà vận tốc này có những khác biệt và điển hình là:

• Tua-bin điện gió có công suất đến 600kW: vận tốc số vòng quay từ 16 đến 49 vòng trong một phút. • Tua-bin điện gió có công suất cao trên 2MW: vận tốc số vòng quay từ 3,5 đến 22 vòng trong một phút. • Tua-bin điện gió có công suất trên 5MW: vận tốc số vòng quay từ 3,5 đến 13,9 vòng trong một phút. Thí dụ như Tua-bin điện gió REpower 6M công suất 6MW, số vòng quay là 7,7 đến 12,1 trong một phút, Tua-bin Nordex N150/6000 công suất 6MW số vòng quay là 3,5 đến 13,9 trong một phút; Tua-bin Enercon E128 7,5MW số vòng quay từ 5 đến 11,7 trong một phút.

Bộ phận nối trục với vòng nối GRP (glass-reinforced plastic)

Bánh thắng - Tua-bin Nordex N-80

Bánh thắng tại trục có vòng quay cao của hộp số

Tùy theo công nghệ và tùy theo nhà sản xuất, nguyên tắc xếp đặt những hệ thống, bộ phận và chi tiết cơ trong Tua-bin điện gió có một số khác biệt.

3.4 Nguyên tắc xếp đặt tua-bin Nguyên tắc xếp đặt rời:

Áp dụng nguyên tắc xếp đặt rời: những chi tiết chính của Tua-bin điện gió như trục, bộ phận nối trục, hộp số, máy phát điện được lắp đặt theo thứ tự, trục được giữ bằng hai ổ lăn riêng, một cố định và một hở. Nguyên tắc này có thể ứng dụng cho loại Tua-bin điện gió với vận tốc số vòng quay thấp hoặc lọai có số vòng quay cao. Nguyên tắc xếp đặt rời - Tua-bin Enercon E32.

1 - Generator. 2 - Bộ phận nối. 3 - Hộp số bánh răng trụ (spur gear). 4 - Bánh thắng. 5 - Hệ thống ổ lăn. 6 - Hệ thống thủy lực. 7 - Hệ thống chỉnh góc mặt đón gió. 8 - Ổ lăn đỡ trục. 9 - Hộp số bánh răng xếp đặt vòng (planetary gear). 10 - Hệ thống Rotor.

Trục Rotor với hai ổ lăn theo nguyên tắc xếp đặt rời - Tua-bin điện gió Vestas V66

Chi tiết Tua-bin với nguyên tắc xếp đặt rời

Nguyên tắc xếp đặt kết hợp: Áp dụng nguyên tắc xếp đặt kết hợp: một chi tiết như ổ lăn đỡ trục của Tua-bin điện gió được đặt trong hộp số, ổ lăn đỡ trục chính được đặt tại đầu trục và nằm ngay tại phần Rotor. Nguyên tắc này còn được gọi là nguyên tắc đỡ trục với ổ lăn tại 3 điểm.

Nguyên tắc xếp đặt kết hợp - Tua-bin HSV 250.

Tua-bin với ổ bi đỡ trục tại 3 điểm (nguyên tắc kết hợp)

Xếp đặt chi tiết Tua-bin với nguyên tắc kết hợp

Nguyên xếp đặt tắc chung: Áp dụng nguyên tắc xếp đặt tắc chung: Chi tiết ổ lăn đỡ trục của Tua-bin điện gió được đặt trong hộp số, trục không dùng ổ lăn để hở và không dùng bộ phận nối trục rời. Đối với những Tua-bin điện gió không sử dụng hộp số, những chi tiết truyền động được hội nhập vào hệ thống Rotor và máy phát điện.

Trục Tua-bin điện gió một ổ bi đỡ với nguyên tắc xếp đặt chung - Vestas V90

3.5 Hộp số Hệ thống cánh quạt của Tua-bin điện gió có vận tốc số vòng quay thấp và thông thường từ 3,5 đến 22 vòng trong một phút, những Tua-bin điện gió lọai hai cánh cũng chỉ họat động tối đa đến vận tốc số vòng quay là 49 vòng trong một phút. Vận tốc số vòng quay của máy phát điện (ngọai trừ máy phát điện nam châm vĩnh cửu) thông thường từ 900 đến 2000 vòng trong một phút. Để chuyển vận tốc số vòng quay của hệ thống Rotor lên cao, hộp số được lắp đặt sau trục chính của Rotor. Hộp số có chức năng chuyển vận tốc số vòng quay thấp từ hệ thống cánh quạt lên vận tốc số vòng quay cao của máy phát điện. Tỉ lệ truyền động của hộp số có thể lên đến 1:100, thí dụ như vận tốc số vòng quay của hệ thống Rotor là 10 vòng trong một phút thì vận tốc chuyển đổi sau hộp số sẽ là 1000 vòng trong một phút.

Hộp số bánh răng trụ (spur gear)

Nguyên tắc hộp số bánh răng trụ

Chính diện

Hướng nhìn từ bên trái

Nguyên tắc hộp số bánh răng trụ 3 cấp

Nguyên tắc hộp số bánh răng xếp đặt vòng

Hộp số bánh răng xếp đặt vòng 3 cấp của Tua-bin điện gió với công suất từ 2 đến 3MW

Nguyên tắc hộp số kết hợp 1 bộ bánh răng trụ và 3 bộ bánh răng xếp đặt vòng

Hộp số WinDrive chỉnh lực xoay với nguyên tắc thủy động - Tua-bin điện gió BARD 3.2 MW

Công nghệ này vì thế cần rất nhiều chi tiết cơ họat động với tốc độ cao nên việc bảo trì cần thưc hiện thường xuyên, độ bền của hộp số dễ bị hư hại vì trục quay dễ bị cong do trọng lượng hệ thống cánh quạt cao, ổ lăn dễ bị hư hại và một yếu tố quan trọng nữa là tốc độ gió luôn thay đổi. Phần lớn những Tua-bin thế hệ cũ này thường phải thay hộp số sau 5 đến 7 năm họat động. Ngòai ra để giảm lực ma sát và giảm nhiệt, hộp số phải họat động trong dầu, để bảo đảm hệ thống quay họat động, dầu phải được thay theo một chu kỳ nhất định. Vì thế việc bảo trì phải thường xuyên và lâu, đó là chưa kể đến thời gian Tua-bin phải ngưng họat động và sản lượng điện mất. Cũng vì hộp số và máy phát điện họat động với tốc độ số vòng quay cao nên độ ồn phát sinh cũng lớn nên những Tua-bin này không thể lắp đặt ở gần khu dân cư.

3.6 Máy phát điện. Trong công nghiệp điện gió gồm những lọai máy phát điện: • Máy phát điện dị bộ (Asynchron generator). • Máy phát điện dị bộ kép (Double fed asynchron generator). • Máy phát điện đồng bộ (Synchron generator). • Máy phát điện đồng bộ vòng (Annular Generator) hoặc máy phát điện nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet Generator). Phần lớn máy phát điện trong Tua-bin điện gió tạo ra dòng điện xoay chiều ba pha, tương tự những máy phát điện thông thường. Tùy theo lọai Tua-bin điện gió mà máy phát điện có công suất và điện thế khác nhau

• 12 V, 24 V ho ặc 48 V: Tua-bin điện gió dưới 2 kW. • 120 V đến 240 V: Tua-bin điện gió từ 2 đến 10 kW. • 400 V: Tua-bin điện gió đến 600 kW. • 400 V: Tua-bin điện gió trên 1,0 MW không hộp số • 690 V: Tua bin đi ện gió trên 600 kW có / không hộp số.

Máy phát điện dị bộ (Asynchron generator) Cho đến khỏang năm 1990, Tua-bin điện gió họat động với số vòng quay cố định theo nguyên tắc Tua-bin Đan Mạch. Với nguyên tắc này cơ năng từ hệ thống Rotor được chuyển vào hộp số để tăng vận tốc số vòng quay phù hợp với máy phát điện. Máy phát điện của những Tua-bin điện gió theo nguyên tắc Đan Mạch là máy phát điện dị bộ có hiệu thế và tần số phù hợp với yêu cầu của lưới điện nên dòng điện có thể chuyển trực tiếp vào lưới điện.

Nguyên tắc máy phát điện dị bộ

Máy phát điện dị bộ kép (Double-fed asynchronous generator - dASG) Từ năm 1996 phần lớn Tua-bin điện gió sử dụng máy phát điện dị bộ kép (Double-fed asynchronous generator - dASG). Máy phát điện này được thiết kế nối thêm với bộ đổi tần để điều chỉnh dòng điện nên có thể họat động với vận tốc số vòng quay khác nhau, một phần dòng điện khoảng từ 20 đến 40% được chuyển qua bộ phận đổi tần để phù hợp với tần số và công suất điện qui định.

Nguyên tắc máy phát điện dị bộ kép và lưới điện.

Máy phát điện đồng bộ (Synchron generator) Máy phát điện đồng bộ họat động theo nguyên tắc cảm ứng điện từ và được kích thích bởi chuyển động quay. Tại máy phát điện đồng bộ, nguồn từ trường trong lõi được kích họat bằng dòng điện một chiều tại vòng ngòai hoặc phần lõi được kích thích bởi nam châm vĩnh cửu. Trong máy phát điện nam châm vĩnh cửu, chuyển động quay của lõi tại phần tĩnh (Stator) tạo ra dòng điện xoay chiều. Công suất và tần số điện lệ thuộc vào vận tốc số vòng quay của lõi.

Nguyên tắc máy phát điện đồng bộ

Hình 3-116. Nguyên tắc máy phát điện đồng bộ với lõi nhánh.

Nguyên tắc máy phát điện đồng bộ với lõi đặc

Máy phát điện đồng bộ AEG

Nguyên tắc máy phát điện đồng bộ và lưới điện.

Với những ưu điểm nổi bật của máy phát điện dị bộ kép và máy phát điện đồng bộ, công nghiệp điện gió những năm vừa qua gần như không còn sử dụng máy phát điện dị bộ như trước đây.

ASG: máy phát điện dị bộ - SG: máy phát điện đồng bộ - dASG: máy phát điện dị bộ kép.

Thị trường máy phát điện đến năm 2004

Máy phát điện đồng bộ trong Tua-bin Vestas

3.7 Máy phát điện nam châm vĩnh cửu. Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanet magnet generator) được sử dụng nhiều trong kỹ nghệ từ những năm 1960 và chủ yếu trong những động cơ có công suất thấp. Trong hai thập niên vừa qua việc nghiên cứu và ứng dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu đã phát triển nhanh, điển hình là sự ứng dụng trong kỹ nghệ sản xuất ổ đĩa cứng, màn hình LCD trong tin học hoặc điện thoại cảm ứng cũng như trong kỹ nghệ xe hơi. Sử dụng Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu, hộp số và máy phát điện thông thường cuả Tua-bin điện gió hiện được thay thế bằng những mảng nam châm quay vòng từ cơ năng của hệ thống cánh quạt. Với nguyên tắc thíêt kế giản dị này, máy phát điện họat động với tốc độ số vòng quay rất thấp nhưng nguồn điện năng sản xúât cao. Những ưu điểm cơ bản khác là máy phát điện không cần bôi trơn bằng dầu, thời gian bảo trì ngắn, độ bền cao và độ ồn phát sinh cũng thấp. như trong Tua-bin điện gió Avantis, Enercon, Vensys hoặc đôi khi ở phía sau như Tua-bin điện gió ScanWind. Lọai máy phát điện này vì thế còn được gọi là máy phát điện vòng (Annular Generator).

Nam châm vĩnh cửu được cấu tạo từ các các hợp chất của các nguyên tố đất hiếm (rare earth) và kim loại chuyển tiếp có khả năng giữ từ tính cao và là nguồn tạo ra từ trường như chất Samarium - Cobalt, Neodym (Nd), Dysprosium (Dy) hoặc Terbium (Tb).

Cuộn dây đồng trong bộ phận tĩnh Stator

Cảm ứng điện từ xảy ra trong những cuộn dây đồng của bộ phận tĩnh Stator nhờ những lớp nam châm vĩnh cửu đặt tại vòng quay Rotor. Khi Rotor quay, nguồn từ trường làm chuyển động những nguyên tử electron và phát sinh ra dòng điện.

Tua-bin điện gió sử dụng máy phát điện vòng hoặc máy phát điện nam châm vĩnh cửu, cơ năng của hệ thống Rotor được truyền động trực tiếp (direct drive) đến máy phát điện nên không cần hộp số. Tuy nhiên tùy theo công nghệ, một số nhà sản xuất Tua-bin điện gió sử dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu nhưng vẫn sử dụng hộp số như Tua-bin điện gió GE 2.5-100 công suất 2,5 MW hoặc PowerWind 90 công suất 2,5 MW. Trong máy phát điện đồng bộ kích thích bởi nam châm vĩnh cửu, hai bộ phận chính là bộ phận quay (Rotor) và bộ phận tĩnh (Stator).

Rotor máy phát điện và phận lõi Stator - Tua-bin Avantis

Rotor máy phát điện và phận lõi Stator - Tua-bin Enercon

Rotor máy phát điện nam châm vĩnh cửu - Tua-bin Avantis

Nguyên tắc kích thích bởi nam châm vĩnh cửu. Trong nguyên tắc kích thích bởi nam châm vĩnh cửu, công suất Tua-bin điện gió chỉ điều khiển được theo vận tốc số vòng quay của Rotor và có ưu điểm là không cần một nguồn điện từ bên ngòai. Nguyên tắc kích thích từ dòng điện ngòai. Trong nguyên tắc kích thích từ dòng điện ngòai, máy phát điện chỉ khởi động được khi có một dòng điện ngòai kích họat. Nguyên tắc tự kích thích. Trong nguyên tắc tự kích thích, nguồn từ trường trong máy phát điện sẽ tự kích thích nhờ dòng điện xoay chiều được chuyển qua điện một chiều.

Cấu trúc Tua-bin Vensys s ử dụng máy điện nam châm vĩnh cửu - kích thích bởi nam châm vĩnh cửu

Cấu trúc Tua-bin Enercon sử dụng máy điện nam châm vĩnh cửu - kích thích từ dòng điện ngòai

Hệ thống nối cánh quạt - Rotor và Máy phát điện vòng

Hệ thống biến thế Transformator Hệ thống làm mát

Máy phát điện Generator

Hệ thống đổi tần

Hệ thống cánh Rotor

Thùng Nacelle

Trụ

Máy phát điện nam châm vĩnh cửu trong Tua-bin Avantis

Máy phát điện nam châm vĩnh cửu trong Tua-bin Enercon E70

Máy phát điện nam châm vĩnh cửu trong Tua-bin ScanWind

Thùng Nacelle của Tua-bin điện gió Dewind

Thùng Nacelle của Tua-bin điện gió Fuhrländer

Thùng Nacelle của Tua-bin điện gió Avantis

Thùng Nacelle của Tua-bin điện gió Micon

3.8 Trụ, chân đế. Trụ của Tua-bin điện gió là phần có trọng tải cao nhất trong hệ thống. Tùy theo lọai Tua-bin điện gió, công suất và địa điểm lắp đặt mà độ cao của Tua-bin khác nhau, trọng lượng của trụ Tua-bin điện gió có công suất lớn thường lên đến nhiều trăm tấn, kinh phí sản xuất, vận chuyển và lắp đặt thông thường từ 15 đến 25 phần trăm tổng số kinh phí của Tua-bin Chiều cao của trụ Tua-bin điện gió được thiết kế theo vị trí lắp đặt và được chia làm hai lọai, lọai trụ thấp được lắp đặt tại vùng ven biển và ngòai khơi với tỉ lệ so với cánh quạt là từ 1,0 đến 1,4. Lọai trụ cao được lắp đặt tại vùng đồi núi hoặc trên đất liền xa bờ biển có tỉ lệ so với cánh quạt từ 1,2 đến 1,8. Trong thiết kế trụ, vật liệu, hình dạng và khả năng chịu lực tác động từ dòng gió, bão cũng như khả năng vận chuyển đến công trường điện gió là những yếu tố cơ bản. Những năm gần đây, những yếu tố này đã được tiêu chuẩn hóa trong Tiêu chuẩn của Uỷ ban Kỹ thuật Điện Quốc tế IEC 61400-1 Wind Turbines Design Requirements hoặc Tiêu chuẩn kỹ nghệ châu Âu EN 50308 - Wind turbines - Protective measures - Requirements for design, operation and maintenance.

Công suất của Tua-bin lệ thuộc vào độ lớn của Tua-bin và độ cao của trụ

Trụ Tua-bin điện gió gồm lọai trụ cột nhỏ, trụ lưới (lọai ráp từ những thanh sắt), trụ ống thép, trụ bê-ton, trụ kết hợp thép và bê-ton.

Cột và dây cáp giữ Tua-bin điện gió

Trụ lưới

Trụ ống thép

Đọan chân trụ và vòng nối hai lớp đinh ốc Sản xuất trụ ống thép

Trụ bê-ton đúc tại nhà sản xuất và khi hòan thành đưa đến công trường

Trụ bê-ton đúc tại địa điểm xây dựng

Trụ kết hợp thép và bê-ton (hybrid)

Chân đế. Chân đế Tua-bin điện gió lắp đặt trên đất liền được xây dựng với vật liệu là bêton lõi sắt và những ống nhựa để dẫn dây cáp điện cũng như một hoặc nhiều đường dây thép không rỉ phục vụ việc nối đất để chống sét.

Nguyên tắc chân đế với ống nhựa PVC và cáp nối đất. Chân đế tròn với vòng nối trụ, ống PVC và cáp nối đất.

Chân đế lục giác

Chân đế nhiều cạnh

Chân đế hình chữ thập

Lắp đặt đọan trụ dưới vào chân đế

3.9 Hệ thống điều khiển. Hệ thống điều khiển Tua-bin điện gió gồm những tủ điện trong thùng Nacelle và một tủ điều khiển khác trên mặt đất trong thân trụ. Hệ thống điều khiển gồm những máy vi tính kiểm tra mọi tình trạng của Tua-bin điện gió. Những tủ điện đặt trong thùng Nacelle ngòai hệ thống đổi tần còn có công dụng điều khiển hệ thống chỉnh góc đón gío của cánh quạt, chỉnh Tua-bin theo hướng gió, chỉnh vận tốc số vòng quay của hệ thống cánh quạt theo tín hiệu về vận tốc và hướng gió từ thiết bị đo gió nằm trên thùng Nacelle. Hệ thống điều khiển còn có chức năng chỉnh công suất điện theo yêu cầu sản xuất cũng như chức năng đình chỉ Tua-bin họat động khi vận tốc gió lên quá cao. Những chức năng khác không kém phần quan trọng là tự điều chỉnh tần số rung của hệ thống, theo dõi nhiệt độ của máy phát điện, hộp số và những thiết bị khác trong thùng Nacelle. Khi hệ thống điều khiển nhận được tín hiệu vượt quá thông số kỹ thuật cho phép, Tua-bin điện gió phải tự động ngưng họat động để tránh hư hại.

Tủ điều khiển đặt trong thân trụ

Màn hình hiện thị số giờ họat động và những thông tin khác đặt trong thân trụ

Để bảo đảm Tua-bin điện gió họat động hiệu quả, việc theo dõi và kiểm tra tình trạng của Tua-bin điện gió được thực hiện với sự hỗ trợ của hệ thống máy tính và phần mềm được nối mạng chung với Đài Khí tượng, trạm biến thế và hệ thống lưới điện theo phương thức điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition)

Sơ đồ nối mạng hệ thống Tua-bin điện gió

Với sự hỗ trợ của máy vi tính và phần mềm chuỵên ngành, trung tâm điều hành Cánh đồng điện gió theo dõi, kiểm tra thường trực và nhận được tất cả những tín hiệu của từng Tua-bin điện gió. Tương tự như tủ điều khiển đặt trong thân trụ, những thông số cần thiết như tình trạng họat động, thời gian ngưng hoạt động của từng bộ phận trong Tua-bin điện gió được thực hiện với Nguyên tắc theo dõi hệ thống từ xa Condition Monitoring System (CMS).

Màn hình trung tâm điều hành Cánh đồng điện gió

Hệ thống đổi tần của Tua-bin điện gió với Transistor có cực điều khiển cách ly (IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor ) và tủ điện nối mạng - PCS Green Line.

4. Thất thóat cơ năng. Theo định luât Betz, cơ năng từ gió trên lý thuyết chỉ có thể chuyển qua cơ năng tối đa là 59,3% nhưng trên thực tế hệ số Betz có thể đạt được nằm trong khoảng cP = 0,4 đến 0,58 nghĩa là khoảng từ 70 % đến 88 % của trị số lý tưởng 59,3% vì những sự thất thóat cơ năng do kỹ thuật như cánh quạt không đáp ứng được những điều kiện lý tưởng về Khí động lực học, hệ thống trục, hộp số, hệ thống chỉnh góc đón gió của cánh quạt, hệ thống chỉnh Tua-bin theo hướng gió và những bộ phận cơ bị ma sát cũng như những yếu tố thất thóat của hệ thống điện, bộ đổi tần, máy phát điện, máy biến thế và việc kết nối với lưới điện.

Những nhân tố về thất thóat năng lượng

Những bộ phận cơ bị ma sát làm nhiệt độ tăng, đó là phần cơ năng thất thóat vì chuyển qua nhiệt năng, đặc biệt là đối với những Tua-bin điện gió sử dụng hộp số. Ngòai những yếu tố thất thóat về kỹ thuật, thời gian Tua-bin điện gió không họat động hoặc chỉ họat động với công suất thấp là những thất thóat lớn về năng lượng. Theo thống kê thì phần lớn những Tua-bin điện gió lắp đặt trên đất liền ở vị trí có tiềm năng gió thấp chỉ họat động được khoảng 5000 giờ trong năm (một năm có 8760 giờ). Trong 5000 giờ này Tua-bin điện gió chỉ đạt được công suất thiết kế khi có vận tốc gió ~ 12 m/s và thời gian này chỉ chiếm khoảng từ 15 đến 25% trên đất liền. Đó là chưa kể đến thời gian Tua-bin điện gió phải ngưng họat động để bảo trì hoặc sửa chữa cũng như khi Tua-bin bị ảnh hưởng bởi những nhân tố khác.

Những nhân tố tác động vào Tua-bin điện gió • Dòng gió chéo. Vận tốc gió thay đổi theo độ cao và hướng gió thường không từ một chiều nhất định nên cánh quạt phải tự điều chỉnh góc mặt đón gió cũng như Tua-bin phải được quay chỉnh theo hướng gió. • Hướng gió thay đổi bất ngờ. Khi hướng gío thay đổi bất ngờ, lực tác động vào hệ thống cánh quạt và Tua-bin điện gió thay đổi nhanh và xảy ra tình trạng tải trọng khắc nghiệt (extreme load) theo nhiều hướng khác nhau làm ảnh hưởng đến hệ thống. • Nhiệt độ. Nhiệt độ từng nơi thay đổi theo địa điểm lắp đặt và theo mùa nên Tua-bin điện gió phải bảo đảm họat động hòan chỉnh ở nhiệt độ từ: -20 đến + 50°C. • Mật độ không khí. Mật độ không khí tại nơi lắp đặt Tua-bin điện gió tuy có khác nhau nhưng không nhiều nên được định trong điều kiện bình thường ở độ cao tại mặt biển là: ρ = 1,225 kg/m3. • Cường độ tia nắng. Cường độ tia nắng từng nơi khác nhau nhưng không nhiều, để tiêu chuẩn hóa cho việc tính tóan sức chịu đựng của Tua-bin điện gió, cường độ tia nắng nên được định là: 1.000 W/ m2 .

• Khả năng nước đọng trên cánh quạt bị đông đá. Tại những vùng ôn đối, nhiệt độ trong mùa đông đôi khi xuống rất thấp, hệ thống cánh quạt có thể bị đông đá do những hạt nước trong không khí bám vào cánh quạt và thùng Nacelle. Những Tua-bin điện gió lắp đặt tại những địa điểm này cần có hệ thống sưởi phù hợp. • Hàm lượng muối trong không khí. Hàm lượng muối trong không khí tại những vùng gần biển và đặc biệt là trên mặt biển rất cao nên hệ thống cánh, những chi tiết khác của Tua-bin điện gió tiếp xúc với không khí và hệ thống làm mát phải có lớp bảo vệ như sơn hoặc nhựa chịu được hàm lượng muối cao trong không khí hoặc thiết kế bằng thép không rỉ. • Dòng gió bị xáo động vì thân trụ. Hệ thống cánh quạt của Tua-bin điện gió trục ngang nằm gần nơi thân trụ. Trên lý thuyết thì khoảng cách từ hệ thống cánh quạt đến thân trụ nên ngắn nhất để chiều dài thùng Nacelle thấp và trọng lượng hệ thống giảm cũng như giữ trục ít bị cong. Khi vận tốc gió lên cao, cánh quạt sẽ có xu hướng cong về phía thân trụ nên phải có một khoảng cách phù hợp để tránh cánh quạt đụng vào thân trụ

• Ảnh hưởng đến những Tua-bin điện gió bên cạnh. Tỉ lệ gió xáo động tại tâm cánh quạt được tính khoảng từ 16 đến 18%, khi dòng gío đến hệ thống cánh quạt, một phần dòng gió sẽ chuyển hướng và gây xáo động chung quanh và phía sau Tua-bin. Những Tua-bin điện gió lắp đặt bên cạnh sẽ có những dòng gió với vận tốc khác biệt. • Ảnh hưởng của lưới điện. Theo Tiêu chuẩn của Uỷ ban Kỹ thuật Điện Quốc tế IEC 64100.1 những thông số kỹ thuật của Tua-bin điện gió và sai số có thể chấp nhận được như những tác động xảy ra khi Tua-bin điện gió khởi động hoặc khi đột ngột ngưng họat động cũng như hiệu thế và tần số dòng điện không được gây ảnh hưởng đến lưới điện. • Tua-bin điện gió tại vùng đồi núi. Vận tốc và hướng gió tại vùng đồi núi như đã trình bày ờ phần Gió núi - gió thung lũng khác biệt với gió đồng bằng và gió ở vùng biển, vì thế việc xác định vị trí lắp đặt từng Tua-bin điện gió tại vùng đồi núi phải phù hợp với tiềm năng và hướng gió.

5. Phân tích toán tiềm năng gió, dự toán sản lượng điện. Trong công nghiệp điện gió, việc phân tích và tính toán tiềm năng gió được thực hiện với những phần mềm chuyên ngành như Meteowind Climate, MesoMap, Minerva. Việc phân tích và dự tóan sản lượng điện được thực hiện từ những phần mềm chuyên ngành: Phần mềm phân tích và tính toán tiềm năng gió. MesoMap Minerva Meteowind Climate:

Phần mềm phân tích và dự tóan sản lượng điện (Micrositing). WAsP WindFarmer WindPro WindSim Meteowind Complex

Dự toán sản lượng, hiệu suất, hệ số công suất

Phân phối gió tại 80.00 mét. (19/1/2006-19/1/2007) Thông số Đơn vị Kết quả đo Weibull fit Tốc độ gió trung bình m/s 6.73 6.64 Mật độ năng lượng trung bình W/m² 317.17 317.89 Đất sd

Công suất thiết kế

Đất xử dụng

Chiều cao cột

Đường kính

Điện năng sx hàng năm

Hiệu suất Trang trại gió

Hệ số công suất

ha

MW

Ha / MW

m

m

MWh / Tua-bin

%

%

Model A 2.3MW (direct drive)

666

82.8

8.0

99

100.6

6,683

92.6

Model B 2.5MW (direct drive)

666

100

6.7

80

93.2

5,393

91.3

Loại tua-bin

33.2 24.6109

Việc bố trí từng Tua-bin điện gió trên biển thường được định theo tiềm năng và hướng gió với sự hỗ trợ của phần mềm chuyên ngành như WAsP, WindFarmer, WindPro, WindMap, WindSim hoặc Meteowind Complex Phần mềm trong công nghiệp điện gió.

A. 8 ha/MW – 36 Tua-bin

B. 5 ha/MW – 58 Tua-bin

C. 5 ha/MW – 89 Tua-bin

Đất DA

Công suất mặc định

Đất xử dụng

Chiều cao cột

Đường kính

Năng lượng tua-bin sx hàng năm

Công suất trại gió hàng năm

Hiệu suất trại gió

Hệ số công suất

ha

MW

Ha / MW

m

m

MWh/Tua-bin

GWh

%

%

100 133.4 133.5

8.0 5.0 5.0

99 99 80

106 106 82.5

6,683 6,381 3,613

241 370 322

92.6 82.5 85.3

33.2 110 31.7 27.5

Loại tua-bin

Model A 2.3MW (direct drive) 666 Model B - 3MW (direct drive) 666 Model C 1.5MW (gearbox) 666

6. Chuẩn mực so sánh trong đầu tư trang trại điện gió

Trong việc đánh giá hiệu quả của trang trại điện gió và vốn đầu tư hiện nay có nhiều xu hướng khác biệt. Những chuẩn mực chính là: Chuẩn mực Tỉ lệ giá thành Tua-bin theo Euro hoặc Dollar cho từng Mega Watt (Eyro-$/MW) điện gió được lắp đặt Chuẩn mực công súât trên diện tích lắp đặt MW/m2 là tỉ lệ công suất và diện tích sử dụng. Chuẩn mực này chỉ để đáp ứng nhu cầu sử dụng đất trong hợp đồng. Trên thực tế không phải là số lượng Tua-bin lắp đặt nhiều trong một diện tích là có tính kinh tế cao vì nếu tốc độ gió thấp thì Tua-bin không thể đạt được công suất thíêt kế, ngòai ra với một diện tích nhỏ, Tua-bin lắp đặt gần nhau dòng gió sẽ bị xáo động, cơ năng từ gió sẽ bị thất thóat nhiều ảnh hưởng trực tiếp đến sản lượng điện. Chuẩn mực Hệ số công suất được tính với những yếu tố như thời gian họat động, sản lượng điện của trang trại điện gió, thế nhưng hệ số công suất thường được tính dựa theo công súât thiết kế lý tưởng của từng Tua-bin khi họat động ở tốc độ cao nhất. Trong những nhà máy nhiệt điện hoặc thủy điện, hệ số công suất có thể là chuẩn mực tương đối hòan chỉnh nhưng trong công nghiệp điện gió, tốc độ gió luôn thay đổi, Tua-bin điện gió lắp đặt trên đất liền thường không đạt được công suất thíêt kế nên hệ số công suất này không thể là chuẩn mực chính trong một trang trại điện gió.

Thật ra trong công nghiệp điện gió, hệ số công suất của Tua-bin không nói lên được tính kinh tế của Tua-bin điện gió, theo Hiệp hội điện gió Đan Mạch thì " Cơ bản về tính kinh tế là giá thành của từng kWh chứ không phải là hệ số công suất của Tua-bin". Việc so sánh này chưa nói lên được yếu tố quan trọng như chọn lựa lọai công nghệ và cơ bản là tính kinh tế của dự án. Vì thế tất cả những chuẩn mực trên không nêu ra được giá trị đích thực trong việc quyết định vì yếu tố cơ bản mà nhà đầu tư muốn biết là tiền vốn đầu tư và sự hòan vốn và Chỉ số nội hoàn (IRR - Interal rate of Return). Trong kế họach tính tóan, ngòai việc so sánh giá thành PPA (Purchase price allocation) của trang thiết bị, những yếu tố quan trọng cơ bản nữa là thời gian họat động của từng Tua-bin, chi phí vận hành cũng như bảo trì, sửa chữa trang thiết bị của Trang trại điện gió trong suốt đời sống của công trình. Phương pháp tính tóan việc đầu tư và sự hòan vốn trong kinh tế thường được gọi là Cash-Flow Calculation. Với phương pháp này việc dự tóan vốn đầu tư, chi phí vận hành thường được tính cho Trang trại điện gió với đời sống công trình ít nhất là 20 năm. Ngòai ra mức lạm phát về tiền tệ ảnh hưởng đến tiền lời và thời gian hòan vốn cũng là những yếu tố phải tính đến.

7. Cánh đồng điện gío lắp đặt trên đất liền Onshore Windpark

Cánh đồng điện gío Krystofovy Hamry trên vùng núi (900m trên mặt biển) – Tiệp khắc

Cánh đồng điện gío Helpershain và Ulrichstein-Helpershain- Germany hessenenergie.de

Green World Group Ltd.

Cánh đồng điện gío Tehachapi-Rass – California - USA

wetter.com

Cánh đồng điện gío Trandeiras-Portugal – Công suất 18,2 MW

Chi tiết về Cánh đồng điện gío lắp đặt trên đất liền xin được trình bày trong mục 11.

8. Trang trại điện gío lắp đặt trên biển Offshore Windpark

Tua-bin điện gió trên biển Trên mặt biển mật độ không khí thấp, độ ma sát của không khí và sự xáo động của gió ít hơn trong đất liền, dòng gió ngòai biển đều và có vận tốc cao hơn nên số giờ Tua-bin điện gió họat động gần như liên tục, theo thống kê của Hiệp hội điện gió Anh quốc (British Wind Energy Association) thì Tua-bin điện gió lắp đặt trên biển có số giờ họat động trong năm khoảng 8000 giờ (một năm có 8760 giờ). Trong 8000 giờ này Tua-bin điện gió đạt được công suất thiết kế khi có vận tốc gió từ 12 đến 15 m/s, vận tốc này chiếm khoảng 4000 đến 4500 giờ, tương ứng từ 50 đến 56% tổng số giờ họat động nên cao hơn trên đất liền rất nhiều. Chính vì thế chiến lược xây dựng Cánh đồng điện gió trên biển hiện nay là trọng tâm phát triển của công nghiệp điện gió.

Những Trang trại điện gió trên biển theo công suất.

Tỉ lệ phần trăm công suất và Tua-bin điện gió lắp đặt trên biển tính đến năm 2011 trên thế giới

© Epoch Times Europe

bauforum24.biz

Chân đế của những Tua-bin điện gió lắp đặt trên biển. Để chịu được tác động của biển, chân đế của những Tua-bin điện gió lắp đặt trên biển phải được thiết kế đúng yêu cầu kỹ thuật là chịu được mọi lực động (dynamic) và lực tĩnh (static) từ trọng lượng của Tua-bin trong mọi vận tốc gió, hướng gió, sóng, bão, dòng chảy. Phần chân đế dưới mặt biển phải chịu được áp lực của nước ở độ sâu của nền biển, không bị lún, không bi nghiêng và đứng vững ở mọi tình trạng của thời tiết biển. Tùy theo những yếu tố như độ sâu của nền biển, dòng chảy của nước biển, chiều cao của sóng, đặc tính của nền biển tại địa điểm lắp đặt Tua-bin điện gió mà việc thiết kế và xây dựng chân đế có những phương thức khác nhau, những dạng chân đế hiện nay gồm: • Chân đế trọng lực (Gravity). • Chân đế thùng (Brucket). • Chân đế đơn (Monopile). • Đế tháp 3 chân (Tripod) và Đế tháp lưới (Jacket). • Chân đế kết hợp. • Chân đế nhiều cọc (Multipiles) và chân đế nổi (Floating).

Chân đế trọng lực (Gravity). Chân đế thùng (Brucket).

Chân đế đơn (Monopile) Và sơ đồ đóng chân đế trên nền biển .

Đế tháp ba chân (Tripod) và đế tháp lưới (jacket)

Vận chuyển đế tháp 3 chân đến vị trí lắp đặt Tua-bin điện gió trên biển

Đế tháp ba chân và đế tháp lưới kết hợp trọng lực.

Gravity Ven b ờ 0-9 mét Monopile 0-30 mét

Tripod 20-80 mét

Floating 40-90 mét

Những ảnh hưởng tác động đến Tua-bin điện gió trên biển

Trang trại điện gió trên biển với chân đế đơn

Vận chuyển trang thiết bị Tua-bin điện gió trên biển

German Offsore – Wind Kraft Journal – 2010

Vận chuyển chân đế trọng lực đến khu vực ven bờ

Đặt đế tháp 3 chân xuống biển

Trụ móng đơn Monopile và khớp nối

Đóng trụ móng đơn ngoài khơi

Vận chuyển trang thiết bị Tua-bin điện gió trên biển German Offshore – Wind Kraft Journal – 2010

Lắp đặt trụ và thùng Nacelle ngoài khơi với tàu nâng

Lắp đặt Tua-bin điện gió trên biển

German Offshore – Wind Kraft Journal – 2010

Lắp đặt Tua-bin điện gió trên biển

Cánh đồng điện gío Nysted (165MW) cách bờ biển 9km gồm 72 trụ, mỗi trụ 2,3MWh Đan Mạch (245 Mio. Eu)

Cánh đồng điện gío Windpark Horns Rev 2 „Horns Rev 2“ cách bờ biển Đan Mạch khỏang 40 km, gồm 91 trụ, mỗi trụ có công suất 2,3MWh, tổng cộng 209 MWh (800 GWh 1 năm - 200 000 hộ gia đình) Theo Lutz Siemers - Bilfinger Berger thì Horns Rev 2 hiện nay là cánh đồng điện gío trên biển lớn nhất thế giới.

Cánh đồng điện gió ngòai khơi khi hòan thành

Tua-bin điện gió thử nghiệm với công suất 10MW Clipper Windpower (2011)

9. Tích trữ năng lượng từ gió.

Theo Viện năng lượng quốc tế International Energy Agency (IEA), trên lý thuyết, tiềm năng gió toàn cầu có thể tạo ra đến 1,3 triệu TeraWatt giờ trong năm và cũng theo báo các của trường Đại học Harvard – Mỹ thì tiềm năng gió trên thế giới có thể tạo ra một công suất điện nhiều gấp 40 lần điện năng tiêu thụ hiện nay trên thế giới, nhưng khi không có gió thì Tua-bin điện gió không thể sản xuất ra điện, tuy nhiên vì ánh sáng mặt trời làm thay đổi nhiệt độ ban ngày nhiều hơn ban đêm nên ban ngày thường có gió mạnh hơn nên thích ứng một cách tự nhiên với nhu cầu năng lượng cao của ban ngày. Vấn đề cơ bản của công nghệ điện gió hiện nay là làm thế nào lưu trữ được nguồn năng lượng điện thu được. Các nhà khoa học hiện nghiên cứu chuyển năng lượng điện gió bằng cách trữ chất khí Hydrogen (Windgas) hoặc khí ép (Compressed air energy storage) để dự trữ. Với phương pháp này quạt điện gió truyền động trực tiếp để làm quay máy nén khí. Động năng của gió được tích lũy vào hệ thống những bình khí nén và luân phiên tuần tự phun vào các Tua-bin để quay máy phát điện. Tháng 3 năm 2011 một số nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu thành công việc chuyển đổi năng lượng gió thành chất khí Methane và đưa trực tiếp vào được mạng khí đốt quốc gia. Như vậy năng lượng gió được lưu trữ và có thể điểu khiển để ổn định trong sử dụng cũng như bảo đảm liên tục đuợc dòng điện đến người tiêu dùng. Tuy nhiên phương pháp này vẫn chưa hòan chỉnh và chưa được phổ biến rộng rãi.

Trong việc lưu trữ điện vào bình ác-quy, công nghệ ác-quy hiện nay vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu tích trữ điện và sử dụng của kỹ nghệ, ngoài ra công nghệ sản xuất bình ác-quy có công suất lớn và giữ được thời gian lâu vẫn chưa thành công nếu không muốn nói là chưa thực hiện được. Tuy thế hiện nay đã có những dự án thiết kế bình ác-quy có công suất lên đến 1MW, tương tự một máy phát điện nhỏ. Vì những lý do trên năng lượng điện gió chỉ có thể đáp ứng được một phần nhu cầu tiêu thụ của con người, việc kết hợp dự trữ điện chỉ có thể thực hiện được nhờ những năng lượng tái tạo khác như năng lượng từ Ánh sáng mặt trời, năng lượng Sinh khối, Địa nhiệt hoặc năng lượng từ sự Chuyển động của sóng trên mặt biển hoặc Dòng chảy của biển hoặc từ Nhiệt lượng của biển hoặc Thủy điện sử dụng máy bơm nước (Pumped-storage hydroelectricity). Riêng phương pháp dự trữ điện sử dụng máy bơm nước có kỹ thuật tương đối hoàn chỉnh và đang được ứng dụng rộng rãi tại nhiều nơi trên thế giới. Trong việc dự tóan công suất điện gió tiêu thụ để điều chỉnh sản lượng giữa điện gió và các nguồn điện năng khác, những Đài Khí Tượng trên thế giới có thể dự đoán chính xác trên 90% hoặc hơn tiềm năng và hướng gió cho từng vị trí trên thế giới cho 3 ngày trước, việc điều chỉnh công suất điện vì thế cũng không phải là một bài toán nan giải.

10. Thử nghiệm điện gió với những công nghệ khác Song song với ứng dụng nguyên tắc Tua-bin điện gió trục ngang, nhiều viện nghiên cứu và một số công ty trên thế có những thử nghiệm chuyển cơ năng từ dòng gió qua điện năng, thí dụ như dùng những cánh buồm nhờ sức gió chạy trên những đường ray như công ty Big Energie - Pháp hoặc Greenbird - Anh, hoặc thử nghiệm những con diều có diện tích 20 mét vuông thả trên bầu trời ở những độ cao khác nhau và có thể cao đến 800 mét trên mặt biển như của công ty Skysails CHLB Đức. Thử nghiệm điện gió từ diều

Tua-bin điện gió nổi ngòai khơi. Việc xây dựng và lắp đặt chân đế cho Tua-bin điện gió trên biển tại những nơi có nền biển sâu hơn 50 mét thường rất phức tạp và chi phí cao. Dựa theo kinh nghiệm xây dựng dàn khoan dầu nổi trên biển, một số nhà sản xuất Tua-bin điện gió và viện nghiên cứu thử nghiệm phương pháp xây dựng dàn đế nổi được gắn với những dây cáp thép và những trụ đóng trên nền biển. Tuy nhiên vì lực tác động của Tua-bin điện gió khác biệt với những dàn khoan dầu nên phương pháp này hiện nay còn một số trở ngại. Năm 2009, Tập đòan Năng lượng Na-Uy Statoil-Hydro hợp tác với nhà sản xuất Tua-bin điện gió Siemens thử nghiệm công trình điện gió nổi ngòai khơi Hywind tại vùng biển Åmøy Fjord gần thành phố Stavanger - Nauy. Chân đế nổi của công trình này gồm một ống bê-ton được giữ nổi bằng phao và được gắn với ba dây cáp nối với những mảng bê-ton đặt dưới nền biển ở độ sâu 220 mét. Dàn nổi này giữ một Tua-bin điện gió Siemens SWT-2.3-82 với công suất 2,3 MW, đường kính cánh quạt là 82 mét, độ cao tâm cánh quạt là 65 mét, tổng cộng trọng lượng hệ thống là 5.200 tấn và có hệ thống giữ cân bằng ở những tình trạng sóng khác nhau. Tua-bin điện gió nổi ngòai khơi Hywind đã hòan thành vào cuối năm 2009.

Tua-bin điện gió nổi Hywind Song song với thử nghiệm này, nhiều nghiên cứu với những phương pháp khác cũng được thực hiện, thí dụ như công trình thử nghiệm Sway Concept của công ty dầu lửa Shell, Statkraft và Inocean.

MUFOW-Concept (Multiple Unit Floating Offshore Windfarm) Công trình thử nghiệm MUFOW-Concept (Multiple Unit Floating Offshore Windfarm) của A. Henderson thuộc Đại học London - Anh quốc

11. Thị trường điện gió Việt Nam Việt Nam có nguồn tài nguyên gió rất dồi dào và nhiều nhất Đông Nam Á. Từ những yếu tố này Nhà nước Việt Nam đã có chính sách phát triển nguồn năng lượng gió và chính phủ đã phê duyệt chiến lược Phát triển năng lượng quốc gia đến năm 2020 và tầm nhìn đến năm 2050 với mục tiêu tăng tỉ lệ năng lượng tái tạo lên 5% vào năm 2020 và 11% vào năm 2050. Tháng 7 năm 2011, Nhà nước đã thông qua quyết định đầu tiên về giá thu mua cho điện năng sạch hoặc điện năng tái tạo (FIT - Feed-in tariff). Việc thanh tóan được thực hiện trực tiếp với Công ty Điện Lực Việt Nam EVN với giá mua điện là 7,8 US ct/kWh. Ngòai ra thuế nhập thiết bị hoặc tiền sử dụng đất cho công trình cũng được ưu đãi. Hiện nay một số công trình xây dựng cánh đồng điện gió đã và đang được tiến hành tại Việt Nam, điển hình là:  Cánh đồng điện gió Tuy Phong - Bình Thuận do công ty Cổ phần năng lượng tái tạo Việt Nam (REVN) đầu tư với công suất 120MW gồm 80 Tuabin điện gió Fuhrländer 1,5 MW. Giai đọan I đã hoàn thành vào năm 2011 với 20 Tua-bin.

 Cánh đồng điện gió Bạc Liêu do Công ty TNHH Xây dựng-Thương mại Du lịch Công Lý đầu tư với công suất 99 MW gồm 80 Tua-bin điện gió GE Energy 1,5 MW và đã được chính thức khởi công vào tháng 11 năm 2011. Song song đó nhiều dự án xây dựng cánh đồng điện gió khác đang trong quá trình làm kế họach hoặc đang tiến hành xin giấy phép để triển khai, điển hình là những dự án:  Cánh đồng điện gió Phước Dân - Tỉnh Ninh Thuận do Công ty Cổ phần Năng lượng Thương Tín đầu tư với công suất 50 MW.  Cánh đồng điện gió Mẫu Sơn - Tỉnh Lạng Sơn do Avantis-Energy CHLB Đức liên doanh đầu tư với công suất 160 MW.  Cánh đồng điện gió Ninh Hải - Tỉnh Ninh Thuận do Công ty Phong điện Thuận Bình đầu tư với công suất 50 - 70 MW. Ngòai ra một số dựa án khác cũng đang có những kế họach liên doanh đầu tư như dự án liên doanhEAB Viet Wind Power Co. Ltdvới cánh đồng điện gió Phước Hữu - Ninh Phước hoặc những dự án khác tại Bến Tre, Lâm Đồng, Kiên Giang, Sóc Trăng, Tiền Giang, Trà Vinh hoặc công ty tư vấn đầu tư năng lượng tái tạo Aerogie Plus - Thụy Sĩ với hệ thống Hybrid wind-diesel tại Côn Đảo. Kể cả những dự án đang tiến hành thủ tục xin đầu tư tính đến cuối năm 2011 thì tổng số dự án điện gió hiện nay tại Việt Nam là 37.

Ngòai nhân tố về tiềm năng gió, những nhân tố khác cũng là yếu tố quan trọng trong việc quyết định địa điểm của công trình điện gió và có thể tóm lược với những điểm chính như sau: • Tiềm năng gió. • Địa hình. • Yêu cầu tối thiểu về địa chất. • Khu vực hàng hải hoặc hàng không • Khu vực ảnh hưởng đến nông nghiệp, ngư nghiệp, lâm nghiệp hoặc những ngàng nghề khác. • Khu dân cư, khu vực bảo vệ sinh thái, rừng phòng hộ hoặc tương tự. • Điều kiện biến động của thời tiết. • Khả năng bị ngập lụt, động đất. • Những ảnh hưởng gây thất thóat. • Lưới điện hiện có tại gần công trường. • Khả năng vận chuyển Tua-bin điện gió đến công trường. • Những ảnh hưởng tác động đến môi trường.

Cánh đồng điện gío xây dựng trên đất liền có ưu điểm là kinh phí xây dựng ít tốn kém, việc bảo trì tương đối dễ dàng, thế nhưng nhược điểm là phải có diện tích đất lớn, có đường vận chuyển phù hợp đến nơi lắp đặt và tiềm năng gió không cao như trên biển. Việc chọn lựa địa điểm cần chú ý tránh gần khu dân cư, khu vực bảo vệ sinh thái, rừng phòng hộ, di tích, thắng cảnh và tránh việc phải xây dựng thêm đường vận chuyển, đường dây tải điện cao thế, điều kiện đất đai của địa điểm xây dựng phải phù hợp như độ cứng của đất, nhiệt độ, độ ẩm, lượng muối bụi trong không khí vv... Trong việc vận chuyển cánh quạt, thùng Nacelle, trụ và việc lắp đặt phải có những loại xe và cẩu phù hợp, bến cảng phải chịu được trọng lượng cuả thùng Tua-bin, trụ. Đường đi đến công trường xây dựng phải có sức chiụ lực phù hợp để có thể vận chuyển được những cánh quạt có chiều dài 45 mét hoặc dài hơn.

Theo Peter Althoff, một chuyên gia điện lực người Đức của Tập đòan điện lực Đức và Pháp EnBW-EDF, người đã làm việc nhiều năm tại Đồng bằng sông Cửu Long và những tỉnh miền Trung lưu ý về những điều kiện khó khăn về cơ sở hạ tầng tại Việt Nam. Đặc biệt về việc vận chuyển trang thiết bị có kích thước lớn, cồng kềnh và có trọng tải cao. Công trình Cánh đồng điện gío nên có đường đến từ bến cảng, cảng phải chiụ được trọng lượng cao của phần Tua-bin. Tua-bin điện gió công suất 2,3 hoặc 2,5 MW sẽ nặng khoảng 90 tấn, đường kính máy phát điện nam châm vĩnh cửu là 4-5 mét, chiều dài cánh quạt là 45 mét vv... Rất nhiều nơi tại Việt Nam có tiềm năng gío cao nhưng ở vùng sâu vùng xa, khả năng vận chuyển đến nơi đó không thể thực hiện được vì những cây cầu đôi khi chỉ chịu được trọng tải 5 tấn và chiều rộng của cầu dưới 4 mét. Đường dây dẫn điện nằm ở độ cao thấp; việc vận chuyển qua sông đôi khi không thực hiện được vì đáy sông không đủ sâu, sà lan không vào được; đường vận chuyển có trọng tải thấp; nền đất có độ cứng yếu, đặc biệt là tại những vùng ven biển miền Nam. Nói chung là công trình xây dựng Cánh đồng điện gío phải phù hợp với những yêu cầu kỹ thuật và có tính kinh tế và tính xã hội khả thi

Vận chuyển thiết bị đến địa điểm xây dựng.

Vận chuyển cánh quạt bằng xe tải

Vận chuyển đọan trụ bằng xe tải

Dựng trụ Tua-bin điện gió trên đất liền

Sơ đồ tiến hành dựng trụ và khu vực lắp đặt Tua-bin điện gió cho hệ thống cánh quạt có đường kính 100 mét.

Qui trình lắp đặt từng trụ tua-bin theo kế họach.

Xe xích cẩu phục vụ nâng hệ thống cánh Rotor

12. Ảnh hưởng đến môi trường Cánh đồng điện gió sử dụng nguồn năng lượng từ gió để tạo ra điện năng và là năng lượng tái tạo thuộc loại điện sạch vì không phát thải khí nhà kính, không làm thay đổi khí hậu toàn cầu, không tạo ra chất gây ô nhiễm môi trường, không gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến các hoạt động nông nghiệp, lâm nghiệp, ngư nghiệp, nuôi trồng và sinh sống của con người và những động vật khác. Tuy nhiên để bảo vệ môi trường, bảo vệ sinh thái, bảo vệ sự sinh sống của tất cả mọi động vật, bảo vệ hoạt động và nhu cầu con người, những công trình điện gió phải chấp hành những qui định cơ bản như khoảng cách tối thiểu từ Tua-bin điện gió đến khu dân cư, bảo đảm cảnh quan không bị thay đổi quá nhiều, độ ồn phát sinh khi hoạt động phải nằm trong giới hạn qui định và hạn chế những ảnh hưởng khác như hiện tượng nhấp nháy lúc hoạt động dưới ánh nắng mặt trời hoặc gây nguy hại cho các loài chim, dơi hoặc động vật khác.

Hiện nay khoảng cách từ nơi lắp đặt Tua-bin điện gió đến khu dân cư và những địa điểm được bảo vệ chưa được tiêu chuẩn hóa. Tuy nhiên một số nơi trên thế giới có qui định riêng theo vùng, thí dụ như Qui định về khoảng cách Tua-bin điện gió của Tiểu bang Schleswig Holstein – CHLB Đức Khoảng cách Tua- Khoảng cách Tuabin có chiều cao bin có chiều cao h < 100 m h ≥ 100 m Nơi dân cư thưa, ít nhà 300 m 3,5 x h Nơi dân cư trung bình 500 m 5xh Thị xã, nơi có nhà nghỉ, cắm trại 1000 m 10 x h Đường cao tốc, đường liên tỉnh, liên 50-100 m 1xh xã Ít nhất 200 m Ít nhất 200 m Vùng bảo vệ thiên nhiên, bảo vệ 4xh Trường hợp đặc sinh thái, bảo vệ di tích, rừng quốc biệt 500 m gia hoặc tương tự Rừng 200 m 200 m Sông, hồ Ít nhất 50 m Ít nhất 50 m 1xh

Vùng

Ảnh hưởng của tiếng ồn. Cũng như tất cả những máy móc hoặc thiết bị cơ, Tua-bin điện gió khi hoạt động sẽ phát sinh một độ ồn nhất định. Độ ồn này do sự chuyển động của những hệ thống cơ trong Tua-bin điện gió và dòng gió tác động vào cánh quạt. Tùy theo công nghệ, nhà sản xuất và công suất mà độ ồn phát sinh của Tua-bin điện gió khác nhau. Như đã trình bày ở phần trên, Tua-bin điện gió trục ngang hai cánh có độ ồn rất cao nên chỉ được lắp đặt ngoài khơi xa tầm nhìn thông thường. Tua-bin điện gió ba cánh sử dụng hộp số có độ ồn cao hơn Tua-bin sử dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu không dùng hộp số. Độ ồn được xác định với thiết bị đo, phương pháp đo dựa theo tiêu chuẩn đo ở tình trạng Tua-bin điện gió họat động với 95% công suất thiết kế, tương tự độ ồn phát sinh cao nhất khi Tua-bin họat động ở vận tốc gió từ 10 đến 12 m/s.

Độ ồn phát sinh ngoài yếu tố thiết kế và sản xuất còn lệ thuộc vào mật độ của không khí, vận tốc gió và độ cao của hệ thống cánh quạt. Độ ồn thông thường tại tâm hệ thống cánh của Tua-bin điện gió có công suất từ 2 đến 3 MW ở khoảng 98 đến 109 dB(A). Thí dụ như độ ồn phát sinh của Tua-bin điện gió Vestas V90-1.8/2.0 MW ở mật độ không khí 1.225 kg/m³ và độ cao tâm cánh quạt 80 m theo những vận tốc gió khác nhau là những trị số trong Bảng Vận tốc gío 4 m/s 5 m/s 6 m/s 7 m/s 8 m/s

Độ ồn 94,4 dB (A) 99,4 dB (A) 102,5 dB (A) 103,6 dB (A) 104,0 dB (A)

Ảnh hưởng đến cảnh quan và địa hình. Cánh đồng điện gió thường được xây dựng tại những nơi xa khu dân cư hoặc ven bờ hoặc ngoài khơi. Tuy nhiên những công trình này cũng ảnh hưởng một phần đến cảnh quan và địa hình nên phải phù hợp những qui định của từng nơi và đặc biệt phải giữ đúng khoảng cách qui định đến những địa điểm như vùng bảo vệ thiên nhiên, bảo vệ sinh thái, bảo vệ di tích, rừng quốc gia, rừng phòng hộ hoặc khu dân cư. Ngòai Tua-bin điện gió, ảnh hưởng đến cảnh quan cần phải tính đến hệ thống lưới điện và những đường dây cáp điện lắp đặt. Ảnh hưởng do phản chiếu (disco effect). Hệ thống cánh quạt của những Tua-bin điện gió có lớp sơn hoặc nhựa bảo vệ bóng khi họat động dưới ánh sáng mặt trời sẽ gây ra hiện tượng phản chiếu ánh sáng. Vì thế những Tua-bin điện gío hiện nay thường có lớp sơn hoặc nhựa bảo vệ mờ (matt) không phản chiếu. Hiện tượng này chỉ còn với một số nhỏ những Tua-bin điện gió thế hệ cũ. Ảnh hưởng nhấp nháy (flicker - interfering shadows). Tùy theo vị trí và độ lớn của Tua-bin điện gió, khi có ánh sáng mặt trời và Tua-bin điện gió họat động sẽ gây ra hiện tượng nhấp nháy vì ánh sáng mặt trời bị cánh qụat ngăn cách tạo ra những vùng sáng và tối không đều nên gây ra cảm nhận khó chịu. Tuy nhiên, tác động này chỉ có ảnh hưởng trong một phạm vi nhỏ dưới chân Tua-bin điện gió.

Ảnh hưởng đến sinh thái biển. Tua-bin điện gió lắp đặt ngoài khơi có nhiều ưu điểm như đã trình bày ở phần trên như tiềm năng gió đều và cao, diện tích mặt biển rộng và không ảnh hưởng đến cảnh quan, tiếng ồn nên trong thập niên vừa qua đã được xây dựng nhiều tại một số nước như Anh quốc, Đan Mạch, CHLB Đức, Thụy Điển và một số nước khác tại châu Âu. Vì sự phát triển này, ảnh hưởng của những Cánh đồng điện gió đến sinh thái biển cũng được nhiều viện nghiên cứu thực hiện nhưng cho đến nay vẫn chưa có một tiêu chuẩn hoặc yêu cầu tiêu biểu chung. Ảnh hưởng đến các loài chim và động vật. Theo báo cáo của Hiệp hội bảo vệ thiên nhiên Nature and Biodiversity Conservation Union - NABU - CHLB Đức năm 2005 phân tích và đánh giá 127 tài liệu thống kê từ các nước đã lắp đặt những Cánh đồng điện gió lớn như Anh quốc, Đan Mạch, Đức, Mỹ, Tây Ban Nha và những nước khác thì tỉ lệ chim và các loại động vật bị tai nạn do chạm vào đường dây tải điện hoặc xe chạy trên đường trên thế giới là khỏang 5 triệu mỗi năm nhưng tai nạn do va chạm vào Tuabin điện gió hầu như không đáng kể.

Thí dụ như thống kê từ 140 Cánh đồng điện gió với 4.083 trụ Tua-bin điện gió tại miền bắc Tây Ban Nha từ năm 2000 đến năm 2006 thì số vịt trời chết do bay vào cánh quạt là 732 và đó là một tỉ lệ rất thấp so với những tai nạn khác. Những nghiên cứu và thống kê này xác định là dù ngày hoặc đêm, chim hoặc vịt trời bay qua nơi đặt Tua-bin điện gió đều nhận thức được đó là những vật cản và hầu hết đều đổi hướng bay hoặc bay cao hơn đỉnh của cánh Rotor với một khoảng cách an toàn, ngòai ra sau một thời gian ngắn chim hoặc những động vật khác sẽ quen và thích nghi nhanh. Cũng theo những nghiên cứu trên về các lòai chim di chuyển từ nơi này đến nơi khác hàng năm thì những Tua-bin điện gió được lắp đặt không ảnh hưởng đến chúng. Đối với lòai dơi, dơi là động vật cần bảo vệ nghiêm ngặt nên một số viện nghiên cứu như tại CHLB Đức, Mỹ, Úc thực hiện thống kê về tai nạn do dơi va chạm vào Tua-bin điện gió. Những thống kê này xác định số tai nạn dơi do Tua-bin điện gió rất thấp và hầu như không đáng kể, thí dụ như trong năm 2005, 13 dơi bị tai nạn tại CHLB Đức và xảy ra trong thời gian giơi sinh sản từ tháng 8 đến tháng 9, đặc biệt là tai nạn này không do sự va chạm của dơi vào Tua-bin điện gió mà là do cơ thể dơi bị chấn động vì áp suất (Barotrauma) do đầu cánh quạt gây ra.

Cánh đồng điện gió và đàn chim

Ảnh hưởng đến sóng vô tuyến. Tua-bin điện gió có lớp sơn bảo vệ mờ không bị phản chiếu ánh sáng nhưng vẫn bị nhiễu (interference) do phản chiếu của sóng điện từ (electromagnetic waves) từ sóng phát thanh truyền hình và truyền thanh không dây cũng như sóng của mạng thông tin di động và chủ yếu là những hệ thống analog. Tuy nhiên sự can nhiễu này rất thấp và không đáng kể, đặc biệt là đối với cánh quạt của những Tua-bin điện gió hiện đại được thiết kế bằng vật liệu không tác động vào sóng vô tuyến. Nếu so với những tòa nhà cao tầng thì ảnh hưởng phản chiếu của sóng điện nhẹ hơn rất nhiều và có thể nói là không ảnh hưởng. Mặc dù thế Tua-bin điện gió cũng không nên lắp đặt trong phạm vi phát sóng chuẩn (radio links). Ảnh hưởng đến đường hàng không . Tua-bin điện gió có thể được cho là nguyên nhân gây trở ngại cho đường hàng không, đặc biệt là gây can nhiễu có hại cho hệ thống thông tin lưu động hàng không. Thông thường trong bán kính khỏang 10 km tính từ trung tâm của sân bay, việc xây dựng Cánh đồng điện gió phải có sự đồng ý của cơ quan quản lý hàng không. Tuy nhiên dù Cánh đồng điện gió được xây dựng tại bất kỳ nơi nào, mỗi trụ Tua-bin điện gió lắp đặt phải có đèn tín hiệu luôn luôn họat động hòan chỉnh, vì thế những ánh đèn tín hiệu này có thể gây ra cảm giác khó chịu khi khoảng cách nhất định đến khu dân cư thấp hơn 300 mét.

Ảnh hưởng đến hệ thống radar . Tua-bin điện gió được coi là nguyên nhân gây trở ngại cho những hệ thống radar. Khi Cánh đồng điện gió gồm nhiều Tua-bin điện gió lắp đặt gần nhau sẽ có nhiều bóng râm từ thân trụ và có thể gây ảnh hưởng đến tầm quan sát xa (Operating range) của radar do luồng sóng của radar bị xáo động và chỉ ổn định lại sau một khỏang cách từ 300 đến 400 mét. Khi cánh quạt Tua-bin điện gió quay, sóng dội của radar (radar echo signal) sẽ bị ảnh hưởng về giới hạn thời gian (time limit) và có thể phát tín hiệu không chính xác. Vì thế Tua-bin điện gió không được lắp đặt tại những địa điểm gần gần hệ thống radar, đặc biệt là radar bảo vệ an toàn bàu trời hoặc radar phục vụ thông tin lưu động hàng không. Ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Tua-bin điện gió được lắp đặt tại những nơi xa sự họat động của con người nên ngoài tai nạn có thể xảy ra với nguời lao động làm việc trong thùng Nacelle hoặc trong Cánh đồng điện gió không ảnh hưởng đến sức khỏe của con người. Tuy nhiên Cánh đồng điện gió có thể là những nơi tham quan thú vị nên một số ảnh hưởng dù nhỏ vẫn có thể xảy ra vẫn phải đề cập đến như khả năng cánh quạt bị gẫy, khả năng những hạt nước đông thành đá tại cánh quạt rơi xuống tại vùng ôn đới hoặc sự nguy hại trong việc khai thác chất Neodym (Nd), hợp chất Neodymium-Iron-Bor (NdFeB) của đất hiếm trong máy phát điện hoặc dầu trong hộp số.

Khả năng cánh quạt bị gẫy. Khi Tua-bin điện gió họat động, cánh quạt có thể bị gẫy do những nguyên nhân như bị sét đánh trực tiếp vào thân cánh, hoặc khi do lỗi thiết kế thiếu chính xác về dung sai độ cong của cánh quạt và vật liệu kém chất lượng, hoặc khi cánh quạt họat động ở vận tốc gió cao bị cong đụng vào thân trụ, hoặc do độ bền mỏi của vật liệu cánh quạt không đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, hoặc khi cánh quạt quay mất thăng bằng và tần số rung của hệ thống cánh quạt và trụ bị cộng hưởng. Tuy nhiên những nguyên nhân này đã được hầu hết những nhà sản xuất Tua-bin điện gió khắc phục, cải tiến và gần như đã được lọai bỏ. Khả năng nước đông thành đá và văng xuống gây tai nạn. Cánh đồng điện gió xây dựng tại vùng ôn đới hoặc những nơi mà mùa đông có nhiệt độ xuống thấp, nước trong không khí tụ lại thân cánh, thùng Nacelle đông thành băng đá và văng xuống gây tai nạn cho con người và những động vật khác. Tùy theo độ cao của Tua-bin điện gió, vận tốc gió và vận tốc số vòng quay cũng như vị trí hạt băng đá bám vào thân cánh quạt, những hạt băng đá này văng xa đến 100 mét và có thể gây ra tai nạn, đặc biệt là những quạt điện gió lắp đặt ven đường hoặc không giữ đúng qui định về khỏang cách.

Vật liệu có thể gây nguy hại cho sức khỏe con người. Như đã trình bày trong phần Máy phát điện nam châm vĩnh cửu, Tua-bin điện gió sử dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu được chế tạo với chất Neodym (Nd) từ hợp chất Neodymium-Iron-Bor (NdFeB) của đất hiếm. Theo như phân tích của Đài truyền hình ARD - CHLB Đức (ARD Magazin Panorama) và tài liệu của cơ quan Thông tấn Ideja - Agency for communication - Basel - Thụy Sĩ năm 2011 thì việc khai thác, tách chất Neodym (Nd) từ quặng đất hiếm để lại nhiều phần rác nguy hiểm đến sức khỏe con người như chất Uran và Thorium Những chất phóng xạ này có thể đi vào mạch nước nguồn ảnh hưởng đến hệ sinh thái, hệ thực vật và đặc biệt là sức khỏe của người lao động và dân cư tại những địa điểm khai thác bị nguy hại nghiêm trọng. Chính vì những yếu tố này mà hiện nay một số viện nghiên cứu trên thế giới về lãnh vực điện gió đang thử nghiệm để tìm ra một vật liệu khác thay thế cho chất Neodym.

Cánh đồng điện gió Tuy Phong - Bình Thuận - công suất 120MW gồm 80 Tua-bin điện gió Fuhrländer 1,5 MW. Giai đọan I đã hoàn thành vào năm 2011 với 20 Tua-bin.

Cánh đồng điện gió Bạc Liêu Công suất 99 MW gồm 80 Tua-bin điện gió GE Energy 1,5 MW đã được chính thức khởi công vào tháng 11 năm 2011. Trụ Tua-bin đầu tiên đã được dựng vào tháng 1 năm 2012

Nguồn, chi tiết và tài liệu tham khảo xin xem tập sách ĐIỆN GIÓ. Phát hành ngày 12 tháng 3 năm 2012 từ Nhà xuất bản Lao Động, Công ty sách Mybook và Công ty Văn hóa Phương Nam - TP Hồ Chí Minh.