ĐiỆN GÍONguyễn Ngọc Tân

Công nghiệpThời báo Kinh Tế Sài Gòn & Trung tân Kinh tế châu Á - TBD - Thành phố Hồ Chí Minh ngày 06 tháng 4 năm 2012

1. Tổng quát.2. Sự phát triển của công nghệ tua-bin điện gió.3. Sơ lược về kỹ thuật.

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

4. Thất thóat cơ năng.

10. Thử nghiệm điện gió với những công nghệ khác.

8. Trang trại điện gío lắp đặt trên biển.

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

9. Tích trữ năng lượng từ gió.

11. Thị trường điện gió Việt Nam.

5. Phân tích và xác định tiềm năng gió, dự toán sản lượng điện.

13. Đọan phim ngắn về điện mặt trời và điện gió.

14. Thảo luận.

Nội dung

12. Tua-bin điện gió và kinh phí đầu tư.

Năng lượng tái tạo 1. Tổng quát.

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

Tài liệu công bố tháng 2 năm 20091 Exajoule = 277,778 Tỉ kW"Exa" E (1 Trillion) = 1018

"Joule" = Đơn vị của năng lượngPV photovoltaicsCSP concentrated solar power

- - - Sau sự cố Fukishima , CHLB Đức quyết định đóng cửa tất cả những nhà máy điện nguyên tử vào năm 2022 (ghi chú thêm từ NNT)

Tia nắng mặt trời chiếu vào mặt đất thay đổi không đồng đềulàm nhiệt độ trong bầu khí quyển, nước và không khí luôn khácnhau, trái đất luôn quay trong quỹ đạo xung quanh mặt trời và tựquay quanh trục nên tạo ra mùa, ngày, đêm.

Gió.

Chính vì sự thay đổi nhiệt độ của khí quyển làm không khíchuyển động. Sự chuyển động của không khí được gọi là gió.

Ngoài ra vào ban đêm, một nửa bề mặt của trái đất, bị che khuấtkhông nhận được tia nắng mặt trời, nửa bề mặt kia là ban ngàynên cường độ tia nắng cao hơn, thêm vào đó nhiệt độ ở Bắc báncầu, Nam bán cầu và đường xích đạo cũng như nhiệt độ ở biển vàtrên đất liền luôn khác nhau.

Từ sự quay quanh trục của trái đất nên không khí chuyển độngxoáy theo những chiều khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam báncầu làm nhiệt độ của khí quyển thay đổi phát sinh những vùng ápcao và áp thấp.

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

Giáo Trình Khí Tượng Cơ sở DHKHTN - 2012

• 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

Đơn vị của tốc độ gío được tính theo kilomet trên giờ (km/h) hoặc mét trêngiây (m/s) hoặc knot (kn: hải lý trên giờ) hoặc Mile trên giờ (mph) tại Mỹ.

Hướng gió là hướng mà từ đó gió thổi tới điểm quan trắc. Hướng gió đượcbiểu thị bằng phương vị đông, tây, nam, bắc hoặc theo góc là lấy hướng bắclàm mốc ở vị trí 00 hoặc 3600 và tính theo chiều kim đồng hồ. Như vậy hướngđông ứng với góc 900, hướng nam ứng với góc 1800, hướng tây ứng với góc2700.)

Ngoài ra, người ta còn dùng cấp gió để chỉ tốc độ gió như cấp gióBeaufort. (Francis Beaufort 1806) và được viết tắt là bft. Biểu đồ này đầu tiênđược đưa ra để đánh giá ảnh hưởng của gío cho thuyền buồm và việc vậnchuyển trên sông hồ, biển…

Tốc độ và hướng gió.

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

Bản đồ phân bố tốc độ gióViệt Nam ở độ cao 80 métđược thực hiện từ Bộ côngthương,TrueWind SolutionsLCC (Mỹ) và Ngân hàngthế giới năm 2010. Đây làtài liệu đánh giá tiềm nănggió tại Việt Nam.

Bản đồ phân bố tốc độ gió được thực hiện với phần mềm mô phỏng ‘MesoMap’. Kết quả mô phỏng được trình bày trên bản đồ hiển thị tốc độ gió trung bình theo màu với độ phân giải là 1 km.

Kết quả mô phỏng của mô hình có thể sai lệch từ 5 đến 8% so vớitốc độ và hướng gió thực nên không thể dựa vào Bản đồ phân bốtốc độ gió để dự toán sản lượng điện hàng năm cho một cánh đồngđiện gió.

Tuy nhiên đây là một nguồn thông tin quan trọng vì Bản đồ phânbố tốc độ gió cung cấp cho các nhà đầu tư có cái nhìn tổng thể vềnhững địa điểm có tiềm năng gió cao thích hợp để xây dựng nhàmáy điện gió.

Để xác định chính xác tiềm năng gió và dự toán được sản lượngđiện hàng năm của dự án điện gió, cần có số liệu gió trung bìnhtrong năm, số liệu này phải chính xác (!). Việc này chỉ có thể thựchiện được khi dựa theo phương pháp đo gió SODAR (SoundDetecting And Ranging) hoặc xây dựng cột đo gió. Thời gian đo ítnhất phải là 1 năm, tốt nhất là 10 năm.

Nguyên tắc cột đo gió và tua-bin.

Với số liệu thu được từcột đo gió ở độ cao thấphơn (tại những vùng bằngphẳng và trống trải) ta cóthể tính ra được tốc độ gióở độ cao tâm cánh quạtcủa Tua-bin điện gió dựatheo phương trình:

trong đó:v1: Tốc độ gió ở độ cao thứ 1 (m/s).v2: Tốc độ gió ở độ cao thứ 2 (m/s).Z1: Độ cao thứ nhất (m).Z2: Độ cao thứ hai (m).α: Hệ số Hellman từ 0,06 đến 0,60 tùy theo địa hình, vị trí, độ vẩn đục

của môi trường không khí.

Hoa tốc độ gió Hoa tốc độ gió trung bình

Những số liệu về tốc độ và hướng gió của từng thời điểm và từng vịtrí được hiển thị bằng hoa gió. Hướng gió trong hoa gió được địnhtheo chiều đông, tây, nam, bắc và thường được chia thành 12 hoặc36 mảng trong một vòng tròn. Diện tích trong mỗi mảng được hiểnthị bằng màu là tốc độ gió trung bình trong ngày hoặc trong tháng.

Cột đo tốc độ và hướng gió tiêu biểu.

Cột đo gió tại Huyện Bình Đại - Bến Tre

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 gióít hoặc nhiều theo tốc độ gió trung bình và sự xáo động gió trong năm.

Tiêu chuẩn Lớp gió cho tua-bin điện gió

Tiêu chuẩn tua-bin theo loại (IEC)

I(vùng có

gió mạnh)

II(vùng cógió khá mạnh)

III(vùng cógió trung

bình)

IV(vùng cógió yếu)

Tốc độ gió tiêu biểu của 50 năm v REF

50 m/s 42,5 m/s 37,5 m/s 30 m/s

Tốc độ gió trung bình trong năm v TB

10 m/s 8,5 m/s 7,5 m/s 6 m/s

Tốc độ gió cao nhất trong 50 năm 1.4 v REF

70 m/s 59,5 m/s 52,5 m/s 42 m/s

Tốc độ gió cao nhất trong 1 năm 1.05 v REF

52,5 m/s 44,6 m/s 39,4 m/s 31,5 m/s

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

Công nghệ điện gió gồm hai loại, loại trục đứng: Savonius,Darieus và loại trụng ngang. Tua-bin điện gió trục đứng có hệ sốcông suất thấp nhưng vì cấu hình giản dị, dễ thiết kế và dễ sảnxuất nên những loại tua-bin điện gió này thường được sản xuấtcho những nơi cần công suất khoảng từ 5 đến 20kW.

2. Sự phát triển của công nghệ tua-bin điện gió.

Quạt gió xay ngũ cốc - Hà Lan Quạt gió bơm nước - Úc

Tua-bin trục đứng Savonius

Tua-bin trục đứng Savonius 3 tầng

Tua-bin trục đứng Darrieus tại Heroldstat -CHLB Đức

Tua-bin trục đứng H-Darrieus tại Nam cực

Tua-bin trục đứng.

10MW Aerogenerator X ©Wind Power Ltd & Grimshaw2010 / GB

Trước kia một số tua-bin điện gió trục ngang được thiết kế cóhướng đón gió từ phía sau (down wind rotor), phương pháp này cónhiều nhược điểm như dòng gió luôn bị xáo động do gió thổi vàothân trụ rồi mới đến cánh quạt.Từ khoảng năm 1995 tua-bin điện gió được thiết kế với nguyên tắcđón gió từ phía sau không còn được sử dụng rộng rãi. Phần lớnnhững tua-bin điện gió hiện nay được thiết kế có hướng đón gió từphía trước (up wind rotor).

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

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

Cho đến nay, phần lớn những tua-bin lắp đặt trên thế giới sửdụng hộp số để chuyển tốc độ số vòng quay của cánh quạt lên caovà truyền đến máy phát điện.

Từ năm 1993 công nghiệp điện gió sử dụng máy phát điện namchâm vĩnh cửu được sản xuất và đưa vào thị trường. Nguyên tắccủa lọai máy phát điện này là sử dụng nam châm vĩnh cửu kếthợp nhiều cực trong một vòng khung và được gắn trực tiếp với hệthống Rotor. Công nghệ này trong những năm 90 không pháttriển vì giá thành vật liệu nam châm vĩnh cửu từ đất hiếm rất cao.Những năm vừa qua việc khai thác đất hiếm tăng nên công nghệmáy phát điện nam châm vĩnh cửu phát triển nhanh.

Vào đầu những năm 80, khái niệm công nghệ tua-bin, đượcgọi là “Khái Niệm Đan-Mạch”. Trong công nghệ này tua-binhọat động với một tốc độ nhất định để giữ tần số điện phù hợpvới lưới điện.

Tua-bin điện gióv1

vT

v2

A

m

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

A2

Những trụ điện gió lắp đặt năm 1987 tại CHLB Đức.

Albert Betz, chứngminh trên phương diệnvật lý là chỉ có thể thuđược tối đa là 59,26 %năng lượng chuyểnđộng kinetic của gió,việc này ảnh hưởngquan trọng đến khảnăng đón gió của cánhquạt.Cho đến nay việc tạodáng và thiết kế nhữngcánh quạt điện gió hiệnđại vẫn dựa trên nhữngkiến thức này.

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

Kích thước và công suất những lọai tua-bin điện gió đã được sản xuất hàng loạttính đến năm 2012.

Cánh đồng điện gió trên đất liền tại Aurich CHLB Đức, công suất mỗi trụ 6 – 7,5MW.

Trang trại điện gió tại Mỹ.

Cấu hình tua-bin điện gió trục ngang dùng hộp số.

3. Nguyên tắc kỹ thuật.

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 độnglực học và định luật Betz để tạo được công suất cao ổn định, kể cảở tình trạng điều chỉnh số vòng quay của hệ thống cánh Rotorcũng như những yếu tố chi tiết khác như độ ồn phát sinh, tần sốrung khi hoạt động.

3.1 Cánh quạt.

Dòng gió khi vào cánh quạt gây ra tình trạng gió trượt (Stall effect)

Cánh quạt tua-bin Growian.

Cấu hình cánh quạt tùy theo công nghệ và việc chọn lựa vật liệunên có nhiều thiết kế khác nhau nhưng phần lớn đều dựa trên kinhnghiệm cấu hình chế tạo cánh máy báy như của Hội đồng tư vấnhàng không NACA-Mỹ (National Advisory Committee forAeronautics) hoặc Viện Khí động lực học Nga với cấu hình TsAGIhoặc những viện nghiên cứu khác cũng như những Nhà khoa họcKhí động lực học, thí dụ như cấu hình FX (Franz XaverWortmann), cấu hình YH (Clark Profile), cấu hình HQ(Horstmann/Quast) vv...

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

Cấu trúc những lớp vật liệu của cánh quạt.

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

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

Density

Kh lượng

riêng γ

Strenght of

material -

(ĐBVL) δB

Young's

modulus

(ĐB dẻo) E

Ultim. tensile

strenght to d.

(ĐB Kéo) δB/γ

Young's mod.

to density

(ĐBdẻo/d)E/γ

Fatigue limit

±δ

(ĐB mỏi) A

Vật liệu g/cm3 N/mm2 kN/mm2 107 N/mm2

Thép St. 52 7,85 520 210 6,6 2,7 60Hợp kim thép 1.7735.4 7,85 680 210 8,7 2,7 70Nhôm AlZnMgCu 2,7 480 70 18 2,6 40Nhôm AlMg5 (có thể hàn)

2,7 236 70 8,7 2,6 20

Hợp kim Titan 3.7164.1

4,5 900 110 20 2,4

Sợi thủy tinh - Epoxy (E-Glas)

1,7 420 15 24,7 0,9 35

Sợi Carbon – Epoxyd 1,4 550 44 39 3,1 100Sợi Aramid 1,25 450 24 36 1,9Gỗ thông Stika spruce

0,38 65 8 17 2,1 20

Gổ - Epoxy 0,58 75 11 13 1,9 35

3.2 Số cánh quạt của tua-bin.Dựa trên nguyên tắc vật lý và khí động lực học, những nghiêncứu và thử nghiệm về số cánh quạt cho tua-bin điện gió đã đượcthực hiện từ nhiều thập niên trước ở nhiều nơi trên thế giới.

Thử nghiệm tua-bin một cánh MOD-0 năm 1985 tại Mỹ.

Trụ tua-bin điện gió trục ngang cóthể có 1, 2, 3 hoặc 4 cánh.

Diện tích quét gió phụ thuộc vàobề mặt cũng như chiều dài cánhquạt nên trên nguyên tắc, số cánhquạt của tua-bin không là yếu tốquyết định cơ bản về công suất.

Trên phương diện khí động lực học thì số cánh quạt càng ít thìhiệu quả càng cao nhưng trên phương diện cơ học thì khi tua-binhọat động với số vòng quay nhanh sẽ phát sinh những nhượcđiểm cơ bản như tần số rung của tua-bin điện gió sẽ mất ổn địnhảnh hưởng đến những chi tiết khác.

Tua-bin điện gió một cánh được đưa vào hoạt động từ nhữngnăm 1985 với công suất từ 25 đến 1000kW. Ưu điểm của tua-binđiện 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 vòngtrong một phút nên tạo được công suất cao và giá thành thấp.

Sự phân bố lực của một cánh vào trục và thân trụ không đều nênđộ bền hệ thống giảm rất nhiều, ngoài ra khi tua-bin điện gió hoạtđộng sẽ phát sinh ra tiếng ồn rất cao.

Trên lý thuyết thì số cánh quạt của tua-bin không là yếu tố quyếtđịnh về công suất nhưng trên thực tế, tua-bin điện gió hai cánh cóthể đạt được công suất cao hơn Tua-bin một cánh khoảng 10%.

Hệ số tốc độ gió tại đầu cánh (tip speed ratio) đạt đến 10-12trong khi Tua-bin điện gió 3 cánh chỉ khoảng từ 6 đến 8.

Tuy nhiên Tua-bin điện gió hai cánh cũng có nhược điểm là vìhọat động với số vòng quay nhanh, tần số rung của Tua-bin mấtổn định ảnh hưởng đến những chi tiết khác của hệ thống.

Sự phân bố lực của cánh quạt vào trục, thùng và thân trụ tùythuộc vào vị trí của cánh quạt, khi cánh quạt ở vị trí thẳng đứng,tần số rung của cánh thấp nhưng khi cánh ở vị trí nằm ngang thìtần số rung hệ thống tăng nên Tua-bin điện gió dễ bị giao độngvà phát sinh ra tiếng ồn cao.

Tua-bin điện gió ba cánh nhờ sự phân bố đều về lực trong diệntích vòng quay nên họat động ổn định hơn tua-bin điện gió mộthoặc hai cánh và có tỉ lệ công suất cao hơn khoảng 3-4% so vớitua-bin điện gió hai cánh.Ngòai ra độ rung hệ thống ít bi xáo động nên hạn chế đượcnhững ảnh hưởng cơ tác động đến những chi tiết khác trong tua-bin.

Số cánh quạt n λ n ở Hệ số Betz lý tưởng

1 ≈ 15

2 ≈ 10

3 ≈ 6-8

Số cánh quạt và hệ số tốc độ gió tại đầu cánh với cấu hình thường sử dụng.

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 nhữngloại tua-bin khác.

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

Hệ số tốc độ 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)

λ = vtop/v

trong đó:vtop : tốc độ tốc gió tại đầu cánh (m/s).

v : tốc độ gió (m/s).

Phần lớn những tua-bin điện gió hiện nay trên thế giới được thiếtkế theo loại trục ngang và có công suất từ vài kW đến 10 MW.

Tua-bin điện gió trục ngang 3 Cánh - 1987

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

Tua-bin điện gió hai cánh lắp đặt trên biển

Hệ thống nối cánh quạt - Rotor.

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

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

3.3 Những nguyên tắc điều chỉnh hệ thống Rotor.Vì tốc độ gió luôn thay đổi nên trong thiết kế, để có một công suấtổn định, tua-bin chỉ có thể hoạt động tối ưu với một tốc độ gió nhấtđịnh. Để đạt được những yêu cầu này, hệ thống Rotor phải cónhững chức năng tự điều chỉnh theo tốc độ và hướng gió và tựngưng hoạt động bằng những hệ thống thắng để bảo đảm an toàn.

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

Stall control - Điều chỉnh dòng gió thổi trượt vào cánh quạt.

Pitch control – Điều chỉnh mặt đón gió của cánh quạt.

Việc điều chỉnh mặt đón gió của cánh quạt thực sự là để điều chỉnhsố vòng quay của hệ thống Rotor. tốc độ gió luôn thay đổi nên việcđiều chỉnh, tăng hoặc hạn chế cơ năng từ dòng gió là yếu tố quantrọng để tua-bin điện gió có thể hoạt động lâu dài và ổn định.

Khi tốc độ gió lên quá cao, hệ thống cánh quạt phải tự chỉnh góckhông đón gió để ngưng hoạt động, tránh hư hại cho tua-bin điệngió và như thế chính là dựa trên nguyên tắc khí động lực học đểthắng cánh quạt khi cần thiết.

Khi dòng gió có tốc độ thấp, hệ thống cánh quạt phải chỉnh mặtdiện tích đón gió cao để có được công suất tối ưu.

Khi tốc độ gió lên cao, hệ thống cánh quạt phải giảm mặt đón gióđể tiếp tục hoạt động.

Hệ thống Rotor hoạt động, cánh quạt quay chỉnh mặt đón gió tối ưu (0°) ở tốc

độ gió từ 4 đến 11 m/s.

Hệ thống Rotor hoạt động, mặt cánh quạt chỉnh góc đón gió từ 0 - 90° ở tốc

độ gió từ 12 đến 25 m/s.

Từ lực tác động của gió vào bề mặt cánh quạt, cơ năng sẽ truyềnđến những ổ vòng bi (Ball roller bearings) và làm quay hệ thốngrotor. Những vòng bi này thường có một hoặc nhiều lớp. Cánh quạtcủa những tua-bin điện gió có công suất cao thường sử dụng vòngbi 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 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 phảichỉnh theo hướng gió, đặc biệt là những tua-bin điện gió trụcngang. 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 sẽtùy theo hướng gió và quay đến vị trí có hướng gió mạnh nhất nhờđuôi chong chóng gió (weather vane) gắn trên thùng Nacelle. Tuynhiên 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 vàđường kính cánh quạt khoảng 10 mét.

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

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

Động cơ góc phương vị (Azimuth motor) tua-bin Multibrid 5MW .

A4

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

Động cơ góc phương vị(azimuth motor)

Bánh răng có hai lớp vòng bi 4 điểm tiếp xúc

Trụ

• Tua-bin điện gió có công suất cao trên 2MW: tốc độ số vòngquay từ 3,5 đến 22 vòng trong một phút.

• Tua-bin điện gió có công suất trên 5MW: tốc độ số vòng quaytừ 3,5 đến 13,9 vòng trong một phút. Thí dụ như tua-bin điện gióREpower 6M công suất 6MW, số vòng quay là 7,7 đến 12,1 trongmột phút, tua-bin Nordex N150/6000 công suất 6MW số vòngquay là 3,5 đến 13,9 trong một phút; tua-bin Enercon E1287,5MW số vòng quay từ 5 đến 11,7 trong một phút.

• Tua-bin điện gió có công suất đến 600kW: tốc độ số vòng quay từ 16 đến 49 vòng trong một phút.

Bánh thắng, bộ phận nối trục với vòng nối GRP(glass-reinforced plastic).

Bánh thắng tại trục có vòng quay cao của hộp số.

Bánh thắng - Tua-bin Nordex N-80.

Tùy theo công nghệ và tùy theo nhà sản xuất, nguyên tắc xếp đặtnhững hệ thống, bộ phận và chi tiết cơ trong tua-bin điện gió cómột số khác biệt.

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.

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:

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

3.4 Hộp số.Hệ thống cánh quạt của tua-bin điện gió có tốc độ số vòng quaythấp và thông thường từ 3,5 đến 22 vòng trong một phút, nhữngtua-bin điện gió lọai hai cánh cũng chỉ họat động tối đa đến tốc độsố vòng quay là 49 vòng trong một phút. Tốc độ số vòng quay củamáy phát điện (ngọai trừ máy phát điện nam châm vĩnh cửu) thôngthường từ 900 đến 2000 vòng trong một phút.

Để chuyển tốc độ số vòng quay của hệ thống Rotor lên cao, hộp sốđược lắp đặt sau trục chính của Rotor. Hộp số có chức năngchuyển tốc độ số vòng quay thấp từ hệ thống cánh quạt lên tốc độsố vòng quay cao của máy phát điện.

Tỉ lệ truyền động của hộp số có thể lên đến 1:100, thí dụ như tốcđộ số vòng quay của hệ thống Rotor là 10 vòng trong một phút thìtốc độ chuyển đổi sau hộp số sẽ là 1000 vòng trong một phút.

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 3 bộ bánh răng xếp đặt vòng và 1 bộ bánh răng trụ.

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 độcao nên việc bảo trì cần thưc hiện thường xuyên.Hộp số dễ bị hư hại vì trục quay dễ bị cong do trọng lượng hệthống cánh quạt cao, ổ lăn dễ bị hư hại và một yếu tố quan trọngnữa là tốc độ gió luôn thay đổi.

Ngòai ra vì họat động với tốc độ cao, cơ năng một phần chuyển quanhiệt năng nên hộp số phải bôi trơn và làm mát bằng dầu. Khi nhiệtđộ tăng cao tua-bin phải ngưng họat động.

Sau những sự cố của nhiều Tua-bin điện gió Clipper Windpower2,5 MW sử dụng hộp số tại Mỹ, báo cáo năm 2007 của Viện Nănglượng tái tạo quốc gia Mỹ - NREL National Renewable EnergyLaboratory thuộc Bộ Năng Lượng Mỹ (US DOE) đã xác định hộpsố trong Tua-bin điện gió là một bộ phận có tỉ lệ gây ra sự cố caonhất làm tăng chi phí cho ngành năng lượng điện gió.

Một trường hợp khác là 30 Tua-bin điện gió Vestas V90-3MW lắpđặt ngòai biển của Trang trại điện gió Kentish Flats tại ThamesAnh quốc năm vào 2005 đã phải thay mới hòan toàn sau hai nămhọat động.Theo như báo cáo năm 2008 của Viện Năng lượng tái tạo thế giới -(Renewable Energy World) thì nhiều sự cố xảy ra làm Cánh đồngđiện gió phải ngưng hoạt động là do hệ thống hộp số bị hư hại. Việcbảo trì, sửa chữa hộp số chiếm một tỉ lệ từ 15 đến 20 phần trăm tiềnđầu tư.

Để khắc phục và giải quyết những nhược điểm cơ bản từ Tua-binđiện gió sử dụng hộp số, đầu năm 2011 Bộ năng lượng Mỹ đãquyết định hỗ trợ 700 triệu USD cho việc nghiên cứu và thửnghiệm Tua-bin điện gió không dùng hộp số.

Báo cáo này cũng nhấn mạnh là tuổi thọ ít nhất 20 năm mà nhàsản xuất đưa ra đều không thể đạt được.

3.5 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 điệnxoay chiều ba pha, tương tự những máy phát điện thông thường.Tùy theo lọai tua-bin điện gió mà máy phát điện có điện thế vàcông suất 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 vòngquay cố định theo nguyên tắc tua-bin Đan Mạch. Với nguyên tắcnày cơ năng từ hệ thống Rotor được chuyển vào hộp số để tăng tốcđộ số vòng quay phù hợp với máy phát điện.

Nguyên tắcmáy phát điện dị bộ.

Máy phát điện của những tua-bin điện gió theo nguyên tắc ĐanMạch là máy phát điện dị bộ có hiệu thế và tần số đáp ứng yêu cầucủa lưới điện nên dòng điện có thể chuyển trực tiếp vào mạng điệnquốc gia.

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 dịbộ kép (Double-fed asynchronous generator - dASG). Máy phátđiện này được thiết kế nối thêm với bộ đổi tần để điều chỉnhdòng điện nên có thể họat động với tốc độ số vòng quay khácnhau, một phần dòng điện khoảng từ 20 đến 40% được chuyểnqua bộ phận đổi tần để phù hợp với tần số và công suất điện quiđịnh.

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 từvà được kích thích bởi chuyển động quay. Tại máy phát điện đồngbộ, nguồn từ trường trong lõi được kích họat bằng dòng điện mộtchiều tại vòng ngòai hoặc phần lõi được kích thích bởi nam châmvĩnh cửu.

Nguyên tắc máy phát điện đồng bộ.

Trong máy phát điện nam châm vĩnh cửu, chuyển động quay củalõi tại phần tĩnh (Stator) tạo ra dòng điện xoay chiều.Công suất và tần sốđiện lệ thuộc vào tốcđộ số vòng quay củalõi và số cặp cực.

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.

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

Thị trường máy phát điện trong công nghiệp điện gió đến năm 2004.

Máy phát điện đồng bộ trong tua-bin Vestas.

3.6 Máy phát điện nam châm vĩnh cửu.Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanet magnetgenerator) được sử dụng nhiều trong kỹ nghệ từ những năm 1960và chủ yếu trong những động cơ có công suất thấp. Trong hai thậpniên vừa qua việc nghiên cứu và ứng dụng máy phát điện namchâm vĩnh cửu đã phát triển nhanh, điển hình là ứng dụng trong kỹnghệ sản xuất ổ đĩa cứng, màn hình LCD trong tin học hoặc điệnthoại cảm ứng cũng như trong kỹ nghệ xe hơi.

Sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu, hộp số vàmáy phát điện thông thường cuả tua-bin điện gió được thay thếbằng những mảng nam châm quay vòng từ cơ năng của hệ thốngcánh quạt. Với nguyên tắc thiết kế giản dị này, máy phát điện họatđộng với tốc độ số vòng quay rất thấp nhưng nguồn điện năng sảnxuất cao. Những ưu điểm cơ bản khác là máy phát điện không cầnbôi trơn bằng dầu, thời gian bảo trì ngắn, độ bền cao và độ ồn phátsinh cũng thấp.

Nam châm vĩnh cửu được cấu tạo từ các các hợp chất của các nguyên tố đấthiếm (rare earth) và kim loại chuyển tiếp có khả năng giữ từ tính cao và là nguồntạo 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 sảy ra trong những cuộn dây đồng của bộ phậntĩnh Stator nhờ những lớp nam châm vĩnh cửu đặt tại vòng quayRotor. Khi Rotor quay, nguồn từ trường làm chuyển động nhữngnguyên tử electron và phát sinh ra dòng điện.

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.

Nguyên tắc kích thích từ dòng điện ngòai.

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.

Trong nguyên tắc kích thích từ dòng điện ngòai, máy phát điện chỉ khởi động được khi có một dòng điện từ bên ngòai kích họat.

Trong nguyên tắc kích thích bởi nam châm vĩnh cửu, công suất tua-bin điện gió chỉ điều khiển được theo tốc độ số vòng quay của Rotor và có ưu điểm là không cần một nguồn điện từ bên ngòai.

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

Cấu trúc tua-bin Vensys sử dụng máy điện nam châm vĩnh cửu - kích thích bởi nam châm vĩnh cửu.

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

Máy phát điện nam châm vĩnh cửu trong tua-bin Avantis.

Máy phát điện Generator

Hệ thống cánh Rotor

Hệ thống làm mát

Thùng Nacelle

Hệ thống đổi tần

Hệ thống biến thế Transformator

Trụ

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 gióDewind.

Thùng Nacelle của tua-bin điện gió Fuhrländer.

Thùng Nacelle của tua-bin điện gió Micon.

Thùng Nacelle của tua-bin điện gió Avantis.

3.7 Trụ, chân đế.

Trụ của tua-bin điện gió là phần có trọng tải cao nhất trong hệthống. Tùy theo lọai tua-bin điện gió, công suất và địa điểm lắpđặt mà độ cao của tua-bin khác nhau, trọng lượng của trụ tua-binđiện gió có công suất lớn thường lên đến nhiều trăm tấn, kinh phísản xuất, vận chuyển và lắp đặt thông thường từ 15 đến 25 phầntrăm tổng số kinh phí của tua-bin.

Chiều cao của trụ tua-bin điện gió được thiết kế theo vị trí lắp đặtvà được chia làm hai lọai, lọai trụ thấp được lắp đặt tại vùng venbiển 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 bờbiển có tỉ lệ so với cánh quạt từ 1,2 đến 1,8.

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 nhữngthanh 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.

Sản xuất trụ ống thép.

Đọan chân trụ và vòng nối hai lớp đinh ốc.

Trụ bê-ton đúc tại nhà sản xuất, khi hòan thành được 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 bê-ton lõi sắt và những ống nhựa để dẫn dây cáp điện cũng như một hoặc nhiềuđường 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.

Hệ thống điều khiển tua-bin điện gió gồm những tủ điện trongthùng Nacelle và một tủ điều khiển khác trên mặt đất trong thântrụ. Hệ thống điều khiển gồm những máy vi tính kiểm tra mọi tìnhtrạng của tua-bin điện gió.

3.8 Hệ thống điều khiển.

Hệ thống điều khiển còn có chức năng chỉnh công suất điện theoyêu cầu sản xuất cũng như chức năng đình chỉ tua-bin họat độngkhi tốc độ gió lên quá cao.

Những tủ điện đặt trong thùng Nacelle ngòai hệ thống đổi tần còncó công dụng điều khiển hệ thống chỉnh góc đón gío của cánhquạt, chỉnh tua-bin theo hướng gió, chỉnh tốc độ số vòng quay củahệ thống cánh quạt theo tín hiệu về tốc độ và hướng gió từ thiết bịđo gió nằm trên thùng Nacelle.

Tủ điều khiển đặt trong thân trụ.

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

Sơ đồ nối mạng hệ thống tua-bin điện gió.

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

Tương tự như tủ điều khiển đặt trong thân trụ, những thông số cầnthiết như tình trạng họat động, thời gian ngưng hoạt động của từngbộ phận trong tua-bin điện gió được thực hiện với Nguyên tắc theodõi 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 năngtối đa là 59,3% nhưng trên thực tế hệ số Betz có thể đạt được nằm trong khoảngcP = 0,4 đến 0,58 nghĩa là khoảng từ 70 % đến 88 % của trị số lý tưởng 59,3%

Những nhân tố về thất thóat năng lượng

Thất thóat cơ năng do kỹ thuật cánh quạt không đáp ứng được những điều kiệnlý tưởng về Khí động lực học, hệ thống trục, hộp số, hệ thống chỉnh góc đóngió của cánh quạt, hệ thống chỉnh tua-bin theo hướng gió và những bộ phận cơbị ma sát cũng như những yếu tố thất thóat của hệ thống điện, bộ đổi tần, máyphát điện, máy biến thế và việc kết nối với lưới điện.

Ngòai những yếu tố thất thóat về kỹ thuật, thời gian tua-bin điệngió không họat động hoặc chỉ họat động với công suất thấp lànhững thất thóat lớn về năng lượng.

Theo thống kê thì phần lớn những tua-bin điện gió lắp đặt trên đấtliền ở vị trí có tiềm năng gió trung bình chỉ họat động được khoảng5000 giờ trong năm (một năm có 8760 giờ). Trong 5000 giờ nàytua-bin điện gió chỉ đạt được công suất thiết kế khi có tốc độ gió ~12 m/s và thời gian này chỉ chiếm khoảng từ 15 đến 25% trên đấtliền.

Đó là chưa kể đến thời gian tua-bin điện gió phải ngưng họat độngđể bảo trì hoặc sửa chữa cũng như khi tua-bin bị ảnh hưởng bởinhững nhân tố khác.

5. Phân tích và xác định tiềm năng gió, dự toán sản lượng điện.Trong công nghiệp điện gió, việc phân tích và xác định tiềm nănggió được thực hiện với những phần mềm chuyên ngành nhưMeteowind Climate, MesoMap, Minerva. Việc phân tích và dựtóan sản lượng điện dựa trên số liệu về hướng gió, tốc độ gió trungbình trong năm, mật độ của không khí, vị trí, độ cao tâm cánh quạt,địa hình nơi lắp đặt và biểu đồ công suất của tua-bin.Phần mềm phân tích và tính toán tiềm năng gió.

Meteowind Climate:

MesoMapMinerva

Phần mềm phân tích và dự tóan sản lượng điện (Micrositing).WAsPWindFarmerWindProWindSimMeteowind Complex

101

Loại tua-bin Đất sd

Công suất thiết kế

Đất sử dụng

Chiều cao cột

Đường kính

Sản lượng điện hàng

năm

Hiệu suất Trang trại điện 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 33.2

Model B 2.5MW (direct drive) 666 100 6.7 80 93.2 5.393 91.3 24.6

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 6.64Mật độ năng lượng trung bình W/m² 317.17 317.89

Thí dụ về dự toán sản lượng, hiệu suất, hệ số công suất.

102

Loại tua-bin

Đất DA

Công suất thiết kế

Đất sử dụng

Chiều cao cột

Đường kính cánh quạt

Sản lượng điện hàng

năm

Công suất tổng cộng hàng năm

Hiệu suất Trang trại điện gió

Hệ số công suất

ha MW Ha / MW m m MWh/Tua-bin GWh % %

Model A 2.3MW (direct drive) 666 100 8.0 99 106 6,683 241 92.6 33.2Model B - 3MW (direct drive) 666 133.4 5.0 99 106 6,381 370 82.5 31.7Model C 1.5MW (gearbox) 666 133.5 5.0 80 82.5 3,613 322 85.3 27.5

A. 8 ha/MW – 36 Tua-bin B. 5 ha/MW – 58 Tua-bin C. 5 ha/MW – 89 Tua-bin

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

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 tưhiện 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 từngMega Watt (Euro-$/MW) điện gió được lắp đặt.

Chuẩn mực Hệ số công suất được tính với những yếu tố như thờigian họat động, sản lượng điện của trang trại điện gió, thế nhưng hệsố công suất thường được tính dựa theo công suất lý tưởng củatừng tua-bin khi họat động ở tốc độ cao nhất.

Trong những nhà máy nhiệt điện hoặc thủy điện, hệ số công suất cóthể là chuẩn mực tương đối hòan chỉnh nhưng trong công nghiệpđiện gió, tốc độ gió luôn thay đổi, tua-bin điện gió lắp đặt trên đấtliền thường không đạt được công suất thiết kế nên hệ số công suấtkhông thể là chuẩn mực chính trong một trang trại điện gió.

Việc so sánh dựa theo chuẩn mực nêu trên chưa nói lên được yếu tốquan trọng như chọn lựa lọai công nghệ và cơ bản là tính kinh tếcủa dự án. Vì thế tất cả những chuẩn mực này không nêu ra đượcgiá trị đích thực trong việc quyết định vì yếu tố cơ bản mà nhà đầutư muốn biết là tiền vốn đầu tư và sự hòan vốn cũng như Chỉ số nộihoàn (IRR - Interal rate of Return).

Trong công nghiệp điện gió, hệ số công suất của tua-bin vì thếkhông nói lên được tính khả thi của dự án. Theo Hiệp hội điện gióĐan Mạch thì " Cơ bản về tính kinh tế là giá thành của từng kWhchứ không phải là hệ số công suất của tua-bin".

Chuẩn mực công suất trên diện tích lắp đặt MW/m2 là tỉ lệ côngsuất và diện tích sử dụng. Chuẩn mực này chỉ để đáp ứng nhu cầusử dụng đất trong hợp đồng. Trên thực tế không phải số lượng tua-bin lắp đặt nhiều trong một diện tích là có tính kinh tế cao vì nếudòng gió bị xáo động thì tua-bin không thể đạt được công suất thiếtkế.

Tua-bin điện gió tại Bahrain năm 2007Công suất 3 tua-bin: 1,2 MW.

7. Cánh đồng điện gío lắp đặt trên đất liềnOnshore Windpark

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

hessenenergie.de

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

Cánh đồng điện gío Tehachapi-Rass – California - USA.

Cánh đồng điện gió tại Mỹ - 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 phần 11.

Offshore Windpark

8. Trang trại điện gío lắp đặt trên biển

Tua-bin điện gió trên biển.

Trên mặt biển mật độ không khí thấp, độ ma sát của không khí vàsự xáo động của gió ít hơn trong đất liền, dòng gió ngòai biển đềuvà có tốc độ cao nên số giờ tua-bin điện gió họat động gần như liêntục, theo thống kê của Hiệp hội điện gió Anh quốc (British WindEnergy Association) thì tua-bin điện gió lắp đặt trên biển có số giờhọat 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 khicó tốc độ gió từ 12 đến 15 m/s, tốc độ này chiếm khoảng 4000 đến4500 giờ, tương ứng từ 50 đến 56% tổng số giờ họat động nên caohơn trên đất liền rất nhiều. Chính vì thế chiến lược xây dựng Trangtrại điện gió trên biển hiện nay là trọng tâm phát triển của côngnghiệp điện gió.Thí dụ như theo Hiệp hội điện gió Âu châu, riêng trong năm 2010,16 trang trại điện gió với công suất tổng cộng là 3.972MW đã đượcxây dựng trên biển.

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.

Tùy theo những yếu tố như độ sâu của nền biển, dòng chảy củanước biển, chiều cao của sóng, đặc tính của nền biển tại địa điểmlắp đặt tua-bin điện gió mà việc thiết kế và xây dựng chân đế cónhững phương thức khác nhau, những dạng chân đế hiện naygồm:

• 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 nhiều chân (multipod) và đế tháp lưới (jacket).

Vận chuyển đế tháp 3 chân (Tripod) đến vị trí lắp đặt tua-bin điện gió trên biển.

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

Monopile0-30 mét

GravityVen bờ 0-9 mét

Tripod20-80 mét

Floating 40-90 mét

Lọai chân đế và độ sâu của nền biển.

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

Trang trại điện gió trên biển với chân đế đơn.

German Offsore – Wind Kraft Journal – 2010

Vận chuyển trang thiết bị tua-bin điện gió trên biển.

Vận chuyển chân đế trọng lực đến khu vực ven bờ.

German Offshore – Wind Kraft Journal – 2010

Vận chuyển trang thiết bị tua-bin điện gió trên biển.

Đặt đế tháp 3 chân xuống biển.

Trụ móng đơn Monopile và khớp nối.

Đóng trụ móng đơn ngoài khơi.

German Offshore – Wind Kraft Journal – 2010

Lắp đặt trụ tua-bin điện giótrên biển

Lắp đặt hệ thống cánh tua-bin điện gió trên biển.

Lắp đặt trụ và thùng nacelle ngoài khơi với tàu nâng.

Cánh đồng điện gío Nysted (165MW)

cách bờ biển 9kmgồm 72 trụ, mỗi trụ 2,3MWh

Đan Mạch (245 Mio. Eu).

„Horns Rev 2“ cách bờ biển Đan Mạch khỏang 40 km, gồm 91 trụ, mỗi trụ có công suất2,3MWh, tổng cộng 209 MWh (800 GWh 1 năm - 200.000 hộ gia đình).

Cánh đồng điện gío Windpark Horns Rev 2.

Cánh đồng điện gió ngòai khơi khi hòan thành.

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

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 triệuTeraWatt giờ trong năm.

Cũng theo báo các của trường Đại học Harvard – Mỹ thì tiềm nănggió trên thế giới có thể tạo ra một công suất điện nhiều gấp 40 lầnđiện năng tiêu thụ hiện nay trên thế giới, nhưng khi không có gió thìtua-bin điện gió không thể sản xuất ra điện.

9. Tích trữ năng lượng từ gió.

Tuy nhiên vì ánh nắng mặt trời làm thay đổi nhiệt độ ban ngàynhiều hơn ban đêm, ban ngày thường có gió mạnh hơn nên thíchứng một cách tự nhiên với nhu cầu năng lượng cao của ban ngày.

Mặc dù vậy vấn đề cơ bản của công nghệ điện gió hiện nay vẫn làlàm thế nào lưu trữ được nguồn năng lượng thu được.

Các nhà khoa học hiện nghiên cứu chuyển năng lượng điện gióbằng cách trữ chất khí Hydrogen (Windgas) hoặc khí ép(Compressed air energy storage) để dự trữ. Với phương pháp nàyquạt điện gió truyền động làm quay máy nén khí. Động năng củagió được tích lũy vào hệ thống những bình khí nén và luân phiêntuần tự phun vào các tua-bin để làm quay máy phát điện.

Tháng 3 năm 2011 một số nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứuthành công việc chuyển đổi năng lượng gió thành chất khí Methanevà đưa trực tiếp vào được mạng khí đốt quốc gia.

Như vậy năng lượng gió được lưu trữ và có thể điểu khiển để ổnđịnh trong sử dụng cũng như bảo đảm liên tục đuợc dòng điện đếnngười tiêu dùng. Tuy nhiên phương pháp này vẫn chưa hòan chỉnhvà chưa được phổ biến rộng rãi.

Trong việc lưu trữ điện vào bình ác-quy, công nghệ ác-quy hiệnnay vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu tích trữ điện và sử dụng củakỹ nghệ, ngoài ra công nghệ sản xuất bình ác-quy có công suấtlớn và giữ được thời gian lâu vẫn chưa thành công nếu khôngmuốn nói là chưa thực hiện được.Vì những lý do trên năng lượng điện gió chỉ có thể đáp ứng đượcmột phần nhu cầu tiêu thụ của con người, việc kết hợp dự trữđiện chỉ có thể thực hiện được nhờ những năng lượng tái tạokhác như năng lượng từ Ánh nắng mặt trời, năng lượng Sinhkhối, Địa nhiệt hoặc năng lượng từ sự Chuyển động củasóng trên mặt biển hoặc Dòng chảy của biển hoặc từ Nhiệt lượngcủa biển hoặc Bơm nước đến hồ tích năng nhờ máy bơm(Pumped-storage hydroelectricity).Riêng phương pháp dự trữ điện với hồ tích năng có kỹ thuậttương đối hoàn chỉnh và đang được ứng dụng rộng rãi tại nhiềunơi trên thế giới.

Việc xây dựng và lắp đặt chân đế cho tua-bin điện gió trên biển tạinhững nơi có nền biển sâu hơn 50 mét thường rất phức tạp và chiphí cao.

Tua-bin điện gió nổi ngòai khơi.

10. Thử nghiệm điện gió với những công nghệ khác.

Dựa theo kinh nghiệm xây dựng dàn khoan dầu nổi trên biển, mộtsố nhà sản xuất tua-bin điện gió và viện nghiên cứu thử nghiệmphương pháp xây dựng dàn đế nổi được gắn với những dây cápthép và những cọc đóng trên nền biển.

Tuy nhiên vì lực tác động của tua-bin điện gió khác biệt vớinhững dàn khoan dầu nên phương pháp này hiện nay còn gặp mộtsố trở ngại.

Năm 2009, Tập đòan Năng lượng Na-Uy Statoil-Hydro hợp tác vớinhà sản xuất tua-bin điện gió Siemens thử nghiệm công trình điệngió nổi ngòai khơi Hywind tại vùng biển Åmøy Fjord gần thành phốStavanger - Nauy.

Dàn nổi này giữ một tua-bin điện gió Siemens SWT-2.3-82 vớicông suất 2,3 MW, đường kính cánh quạt là 82 mét, độ cao tâmcánh quạt là 65 mét, tổng cộng trọng lượng hệ thống là 5.200 tấn vàcó hệ thống giữ cân bằng ở những tình trạng sóng khác nhau.

Tua-bin điện gió nổi ngòai khơi Hywind đã hòan thành vào cuốinăm 2009.

Chân đế nổi của công trình này gồm một ống bê-ton được giữ nổibằng phao và được gắn với ba dây cáp nối với những mảng bê-tonđặt dưới nền biển ở độ sâu 220 mét.

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

MUFOW-Concept (Multiple Unit Floating Offshore Windfarm)

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

Tua-bin điện gió thử nghiệm (study) Grimshaw - Aerogenerator - 9MW - GB.

H 130 métL 270m

Tua-bin điện gió thử nghiệm (study).10MW Aerogenerator X © Wind Power Ltd & Grimshaw - 2010 / GB.

Tua-bin điện gió thử nghiệm (study) - Đại học Kyushu - Nhật. Ø112 mét.

Song song với ứng dụng nguyên tắc tua-bin điện gió trục ngang hoặc trục đứng,nhiều viện nghiên cứu và một số công tytrên thế giới có những thử nghiệmchuyển cơ năng từ gió qua điện năng vớinhững phương án khác.

Thí dụ như dùng những cánh buồm nhờsức gió chạy trên những đường ray nhưcông ty Big Energie - Pháp hoặcGreenbird - Anh, hoặc thử nghiệm nhữngcon diều có diện tích 20 mét vuông thảtrên bầu trời ở những độ cao từ 200 đến800 mét trên mặt biển như của công tySkysails CHLB Đức.

Điện gió từ diều.

Thử nghiệm điện gió từ diều.

Công suất điện thu được theo mét vuông.

Tháng 7 năm 2011, Chính phủ đã thông qua quyết định đầu tiên vềgiá 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 tyĐiện 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 trìnhcũng được ưu đãi.

11. Thị trường điện gió Việt Nam.

Hiện nay một số công trình xây dựng cánh đồng điện gió đã vàđang được tiến hành tại Việt Nam, điển hình là:

Cánh đồng điện gió Tuy Phong - Bình Thuận do công ty Cổphần năng lượng tái tạo Việt Nam (REVN) đầu tư với công suất120MW gồm 80 tua-bin điện gió Fuhrländer 1,5 MW. Giai đọanI đã hoàn thành vào năm 2011 với 20 tua-bin.

Cánh đồng điện gió Tuy Phong - Bình Thuận - công suất 120MW gồm 80tua-bin điện gió Fuhrländer 1,5 MW (CHLB Đức). Giai đọan I đã hoànthành 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.Giai đoạn 1 gồm 10 tua-bin điện gió GE Energy - Công suất mỗitrụ 1,6 MW đã được chính thức khởi công vào tháng 11 năm2011.

Cánh đồng điện gió hoặc Nhà máy điện gió Phú Quý - huyệnđảo Phú Quý - Bình Thuận do Tổng công ty Điện lực dầu khíViệt Nam đầu tư với công suất 6MW sử dụng tua-bin điện gióVestas - Đan Mạch lọai 2,0MW đang trong quá trình kết nối điện.

Cánh đồng điện gió Phương Mai do Công ty Cổ phần Phongđiện Phương Mai làm chủ đầu tư đã được chính thức khởi côngtại Bình Định vào đầu tháng 4 năm 2012, công suất giai đoạn 1:30MW gồm 12 tua-bin điện gió lọai 2,5MW, giai đoạn 2: 75 MWvà giai đoạn 3: 100MW.

Cánh đồng điện gió Bạc Liêu - Công suất 99 MW - Giai đoạn 1 gồm 10 tua-bin điện gió GE Energy - (Mỹ), công suất mỗi trụ 1,6 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 (Tiền Phong).

Song song đó nhiều dự án xây dựng cánh đồng điện gió khác đangtrong quá trình làm kế họach hoặc đang tiến hành xin giấy phép đểtriển khai, điển hình là những dự án:

Cánh đồng điện gió tại huyện đảo Phú Quý (Bình Thuận) công suất 6MW- Tua-bin điện gió Vestas – Đan-Mạch. (Dong Nai Radio & Television).

Ngòai ra một số dựa án khác cũng đang có những kế họach liêndoanh đầu tư như dự án liên doanh EAB Viet Wind Power Co.Ltd với cánh đồng điện gió Phước Hữu - Ninh Phước hoặc nhữngdự án khác tại Bến Tre, Lâm Đồng, Kiên Giang, Sóc Trăng, TiềnGiang, Trà Vinh hoặc công ty tư vấn đầu tư năng lượng tái tạoAerogie Plus - Thụy Sĩ với hệ thống Hybrid wind-diesel tại CônĐảo, công suất 7,5 MW, (+3 MW diesel ).

Cánh đồng điện gió Ninh Hải - Tỉnh Ninh Thuận do Công tyPhong điện Thuận Bình đầu tư với công suất 50 - 70 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 Phước Dân - Tỉnh Ninh Thuận do Công tyCổ phần Năng lượng Thương Tín đầu tư với công suất 50 MW.

Cánh đồng điện gió Cần Giờ - TP HCM được đề nghị từ Côngty TNHH Xây dựng-Thương mại-Du lịch Công Lý - công suất200 MW gồm 125 Tua-bin điện gió GE-E 1,6 MW.

Trong việc làm kế hoạch xây dựng những trang trại điện gió, ôngPeter Althoff, một chuyên gia điện lực người Đức của Tập đòanđiện lực Đức và Pháp EnBW-EDF, người đã làm việc nhiều năm tạiĐồng bằng sông Cửu Long và những tỉnh miền Trung lưu ý vềnhững 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, cồngkềnh và có trọng tải cao.

Tua-bin điện gió công suất 2,3 hoặc 2,5 MW sẽ nặng khoảng 90tấn, đường kính máy phát điện nam châm vĩnh cửu là 4-5 mét,chiều dài cánh quạt là 45 hoặc 49 mét vv...

Công trình Cánh đồng điện gío nên có đường đến từ bến cảng,cảng phải chiụ được trọng lượng cao của phần tua-bin.

Kể cả những dự án đang tiến hành thủ tục xin đầu tư tính đến naythì tổng số dự án điện gió hiện nay tại Việt Nam là 50.

Rất nhiều nơi tại Việt Nam có tiềm năng gío cao nhưng ở vùng sâuvùng xa, khả năng vận chuyển đến nơi đó không thể thực hiện đượcvì những cây cầu đôi khi chỉ chịu được trọng tải 5 tấn và chiều rộngcủa cầu dưới 4 mét.

Nói chung là công trình xây dựng Cánh đồng điện gío phải phù hợpvới những yêu cầu kỹ thuật, hạ tầng cơ sở và có tính kinh tế, tính xãhội khả thi.

Đường dây dẫn điện nằm ở độ cao thấp; việc vận chuyển qua sôngđôi khi không thực hiện được vì đáy sông không đủ sâu, sà lankhông vào được; đường vận chuyển có trọng tải thấp; nền đất cóđộ cứng yếu, đặc biệt là tại những vùng ven biển miền Nam.

Vận chuyển thiết bị đến địa điểm xây dựng.

Vận chuyển cánh quạt bằng xe tải.

Vận chuyển đọan thân 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 trụtua-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 điệnnăng, là năng lượng tái tạo và thuộc loại điện sạch vì không phátthải khí nhà kính, không làm thay đổi khí hậu toàn cầu, không tạo rachất gây ô nhiễm môi trường, không cần bất kỳ một lọai nhiên liệunào, không gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến các hoạt động nôngnghiệp, lâm nghiệp, ngư nghiệp, nuôi trồng và sinh sống của conngười và những động vật khác.Tuy nhiên để bảo vệ môi trường, bảo vệ sinh thái, cảnh quan, bảo vệsự sinh sống của tất cả mọi động vật, bảo vệ hoạt động và nhu cầucon người, những công trình điện gió phải chấp hành những quiđịnh cơ bản như khoảng cách tối thiểu từ tua-bin điện gió đến khudân cư, bảo đảm cảnh quan không bị thay đổi quá nhiều, độ ồn phátsinh khi hoạt động phải nằm trong giới hạn qui định và hạn chếđược những ảnh hưởng khác như hiện tượng nhấp nháy lúc hoạtđộng 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.

Vùng Khoảng cách tua-bin có chiều cao

h < 100 m

Khoảng cách tua-bin có chiều cao

h ≥ 100 mNơi dân cư thưa, ít nhà 300 m 3,5 x hNơi dân cư trung bình 500 m 5 x hThị xã, nơi có nhà nghỉ, cắm trại 1000 m 10 x hĐường cao tốc, đường liên tỉnh, liên xã

50-100 m 1 x h

Vùng bảo vệ thiên nhiên, bảo vệ sinh thái, bảo vệ di tích, rừng quốc gia hoặc tương tự

Ít nhất 200 mTrường hợp đặc

biệt 500 m

Ít nhất 200 m4 x h

Rừng 200 m 200 mSông, hồ Ít nhất 50 m Ít nhất 50 m

1 x h

Cũng như tất cả những máy móc hoặc thiết bị cơ, điện, tua-binđiện gió khi hoạt động sẽ phát sinh một độ ồn nhất định. Độ ồnnày do sự chuyển động của những hệ thống cơ trong tua-bin điệngió và dòng gió tác động vào cánh quạt. Tùy theo công nghệ, nhàsản xuất và công suất mà độ ồn phát sinh của tua-bin điện gió khácnhau. Như đã trình bày ở phần trên, tua-bin điện gió trục ngang haicánh có độ ồn rất cao nên chỉ được lắp đặt ngoài khơi xa tầm nhìnthông thường. Tua-bin điện gió ba cánh sử dụng hộp số có độ ồncao hơn tua-bin sử dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu khôngdùng hộp số.

Ảnh hưởng của tiếng ồn.

Độ ồn phát sinh ngoài yếu tố thiết kế và sản xuất còn lệ thuộc vàomật độ của không khí, tốc độ gió và độ cao của hệ thống cánhquạt. Độ ồn thông thường tại tâm hệ thống cánh của tua-bin điệngió có công suất từ 2 đến 3 MW ở khoảng 98 đến 109 dB(A).

Tốc độ gío Độ ồn4 m/s 94,4 dB (A)5 m/s 99,4 dB (A)6 m/s 102,5 dB (A)7 m/s 103,6 dB (A)8 m/s 104,0 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 cánhquạt 80 m theo những tốc độ gió khác nhau là những trị số trongbảng dưới:

Tác động tiếng ồn giảm theo khoảng cách. Ở khoảng cách 200 méttính từ tâm hệ thống cánh quạt sẽ là 49 dB(A). Trị số độ ồn nàytương tự tiếng ồn nơi văn phòng làm việc thông thường.

Cánh đồng điện gió thường được xây dựng tại những nơi xa khu dâncư hoặc ven bờ hoặc ngoài khơi. Tuy nhiên những công trình nàycũng ảnh hưởng một phần đến cảnh quan và địa hình nên phải phùhợp những qui định của từng nơi và đặc biệt phải giữ đúng khoảngcách qui định đến những địa điểm như vùng bảo vệ thiên nhiên, bảovệ sinh thái, bảo vệ di tích, rừng quốc gia, rừng phòng hộ hoặc khudân cư. Ngòai tua-bin điện gió, ảnh hưởng đến cảnh quan cần phảitính đến hệ thống lưới điện và những đường dây cáp điện lắp đặt.

Hệ thống cánh quạt của những tua-bin điện gió có lớp sơn hoặcnhựa bảo vệ bóng khi họat động dưới tia nắng mặt trời sẽ gây rahiện tượng phản chiếu ánh sáng. Vì thế những tua-bin điện gío hiệnnay thường có lớp sơn hoặc nhựa bảo vệ mờ (matt) không phảnchiếu. Hiện tượng này chỉ còn với một số nhỏ những tua-bin điệngió thế hệ cũ.

Ảnh hưởng đến cảnh quan và địa hình.

Ảnh hưởng do phản chiếu (disco effect).

Tùy theo vị trí và độ lớn của tua-bin điện gió, khi có ánh sáng mặttrời và tua-bin điện gió họat động sẽ gây ra hiện tượng nhấp nháy vìánh sáng mặt trời bị cánh qụat ngăn cách tạo ra những vùng sáng vàtối không đều nên gây ra cảm nhận khó chịu. Tuy nhiên, tác độngnày chỉ có ảnh hưởng trong một phạm vi nhỏ dưới chân tua-bin điệngió.

Tua-bin điện gió lắp đặt ngoài khơi có nhiều ưu điểm như tiềmnăng gió đều và cao, diện tích mặt biển rộng và không ảnh hưởngđến cảnh quan, tiếng ồn nên trong thập niên vừa qua đã được xâydựng nhiều tại một số nước như Anh quốc, Đan Mạch, Đức, ThụyĐiển và một số nước khác tại châu Âu.

Ảnh hưởng đến sinh thái biển.

Vì sự phát triển này, ảnh hưởng của những Trang trại điện gió đếnsinh thái biển cũng được nhiều viện nghiên cứu thực hiện nhưngcho đến nay vẫn chưa có một tiêu chuẩn hoặc yêu cầu chung.

Ảnh hưởng nhấp nháy (flicker - interfering shadows).

Theo báo cáo của Hiệp hội bảo vệ thiên nhiên Nature andBiodiversity Conservation Union - NABU - CHLB Đức năm 2005phân tích và đánh giá 127 tài liệu thống kê từ các nước đã lắp đặtnhững 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 vậtbị tai nạn do chạm vào đường dây tải điện hoặc xe chạy trên đườngtrên thế giới là khỏang 5 triệu mỗi năm nhưng tai nạn do va chạmvào tua-bin 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 2006thì số vịt trời chết do bay vào cánh quạt là 732 và đó là một tỉ lệ rấtthấp so với những tai nạn khác.

Ảnh hưởng đến các loài chim và động vật.

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 thứcđược đó là những vật cản và hầu hết đều đổi hướng bay hoặc baycao hơn đỉnh của cánh Rotor với một khoảng cách an toàn, ngòaira sau một thời gian ngắn chim hoặc những động vật khác sẽ quenvà thích nghi nhanh.

Cũng theo những nghiên cứu trên về các lòai chim di chuyển từnơi này đến nơi khác hàng năm thì những tua-bin điện gió đượclắp đặt không ảnh hưởng đến chúng.

Đối với lòai dơi, dơi là động vật cần bảo vệ nghiêm ngặt nên mộtsố viện nghiên cứu như tại CHLB Đức, Mỹ, Úc thực hiện thốngkê 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 giórất 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 giơisinh sản từ tháng 8 đến tháng 9, đặc biệt là tai nạn này không dosự va chạm của dơi vào tua-bin điện gió mà là do cơ thể dơi bịchấn động vì áp suất (Barotrauma) do đầu cánh quạt gây ra.

Cánh đồng điện gió và đàn chim.

Tua-bin điện gió có lớp sơn bảo vệ mờ không bị phản chiếu ánhsáng nhưng vẫn bị nhiễu (interference) do phản chiếu sóng điện từ(electromagnetic waves) của sóng phát thanh truyền hình và truyềnthanh không dây cũng như sóng của mạng thông tin di động và chủyếu là những hệ thống analog.

Tuy nhiên sự can nhiễu này rất thấp và không đáng kể, đặc biệt làđối với cánh quạt của những tua-bin điện gió hiện đại được thiếtkế bằng vật liệu gần như không tác động vào sóng vô tuyến.

Ảnh hưởng đến sóng vô tuyến.

Nếu so với những tòa nhà cao tầng thì ảnh hưởng phản chiếu củasóng điện nhẹ hơn rất nhiều và có thể nói là không. Mặc dù thế tua-bin điện gió cũng không nên lắp đặt trong phạm vi phát sóng chuẩn(radio links).

Tua-bin điện gió có thể được cho là nguyên nhân gây trở ngại chođường hàng không, đặc biệt là gây can nhiễu đến hệ thống thôngtin lưu động hàng không.

Tuy nhiên dù Cánh đồng điện gió được xây dựng tại bất kỳ nơinào, mỗi trụ tua-bin điện gió lắp đặt phải có đèn tín hiệu luônluôn họat động hòan chỉnh, vì thế những ánh đèn tín hiệu này cóthể gây ra cảm giác khó chịu khi khoảng cách nhất định đến khudân cư ít hơn 300 mét.

Ảnh hưởng đến đường hàng không.

Thông thường trong bán kính khỏang 10 km tính từ trung tâmcủa sân bay, việc xây dựng Cánh đồng điện gió phải có sự đồngý của cơ quan quản lý hàng không.

Tua-bin điện gió được coi là nguyên nhân gây trở ngại cho nhữnghệ thống radar. Khi Cánh đồng điện gió gồm nhiều tua-bin điện giólắp đặt gần nhau sẽ có nhiều bóng râm từ thân trụ và có thể gây ảnhhưởng đến tầm quan sát xa (Operating range) của radar do luồngsóng của radar bị xáo động và chỉ ổn định lại sau một khỏang cáchtừ 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.

Ảnh hưởng đến hệ thống radar.

Vì thế tua-bin điện gió không được lắp đặt tại những địa điểm gầngần hệ thống radar, đặc biệt là radar bảo vệ an toàn bàu trời hoặcradar phục vụ thông tin lưu động hàng không.

Tua-bin điện gió được lắp đặt tại những nơi xa sự họat động củacon người nên ngoài tai nạn có thể xảy ra với nguời lao động làmviệc trong thùng Nacelle hoặc trong Cánh đồng điện gió không ảnhhưởng đến sức khỏe của con người.

Thế nhưng cánh đồng điện gió có thể là những nơi tham quan thú vịnên một số ảnh hưởng dù nhỏ vẫn có thể xảy ra vẫn phải đề cập đếnnhư khả năng cánh quạt bị gẫy, khả năng những hạt nước đôngthành đá tại cánh quạt rơi xuống tại vùng ôn đới hoặc sự nguy hạitrong việc khai thác chất Neodym (Nd), hợp chất Neodymium-Iron-Bor (NdFeB) của đất hiếm trong máy phát điện hoặc dầu trong hộpsố.

Ảnh hưởng đến sức khỏe con người.

Khi tua-bin điện gió họat động, cánh quạt có thể bị gẫy do nhữngnguyên nhân như bị sét đánh trực tiếp vào thân cánh, hoặc khi dolỗi thiết kế thiếu chính xác về dung sai độ cong của cánh quạt vàvật liệu kém chất lượng, hoặc khi cánh quạt họat động ở tốc độ giócao bị cong đụng vào thân trụ, hoặc do độ bền mỏi của vật liệucánh quạt không đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, hoặc khi cánh quạtquay mất thăng bằng và tần số rung của hệ thống cánh quạt và trụbị cộng hưởng.

Trong thập niên vừa qua những nguyên nhân này đã được hầu hếtnhững nhà sản xuất tua-bin điện gió khắc phục, cải tiến và gần nhưđã được lọai bỏ.

Khả năng cánh quạt bị gẫy.

Cánh đồng điện gió xây dựng tại vùng ôn đới hoặc những nơi màmùa đông có nhiệt độ xuống thấp, nước trong không khí tụ lại thâncánh, thùng Nacelle đông thành băng đá và văng xuống gây tainạn cho con người và những động vật khác.

Tùy theo độ cao của tua-bin điện gió, tốc độ gió và tốc độ số vòngquay cũng như vị trí hạt băng đá bám vào thân cánh quạt, nhữnghạt băng đá này văng xa đến 100 mét và có thể gây ra tai nạn, đặcbiệt là những quạt điện gió lắp đặt ven đường hoặc không giữđúng qui định về khỏang cách.

Khả năng nước đông thành đá và văng xuống gây tai nạn.

Tua-bin điện gió sử dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu đượcchế tạo với chất Neodym (Nd) từ hợp chất Neodymium-Iron-Bor(NdFeB) của đất hiếm. Theo như phân tích của Đài truyền hìnhARD - CHLB Đức (ARD Magazin Panorama) và tài liệu của cơquan Thông tấn Ideja - Agency for communication - Basel - ThụySĩ năm 2011 thì việc khai thác, tách chất Neodym (Nd) từ quặngđất hiếm để lại nhiều phần rác nguy hiểm đến sức khỏe con ngườinhư chất Uran và Thorium.

Những chất phóng xạ này có thể đi vào mạch nước nguồn ảnhhưởng đến hệ sinh thái, hệ thực vật và đặc biệt là sức khỏe củangười lao động và dân cư tại những địa điểm khai thác sẽ bị nguyhại nghiêm trọng. Chính vì những yếu tố này mà hiện nay một sốviện nghiên cứu trên thế giới về lãnh vực điện gió đang thửnghiệm để tìm ra một vật liệu khác thay thế cho chất Neodym.

Vật liệu có thể gây nguy hại cho sức khỏe con người.

12. Tua-bin điện gió và kinh phí đầu tư.Vốn đầu tư tua-bin điện gió hiện nay có nhiều khác biệt. Theo một báocáo chính tức (Official Press Release) của Tuần báo kinh tế CHLB ĐứcWirtschaftswoche tháng 01 năm 2011 thì Cánh đồng điện gió West Windtại Wellington - Tân Tây Lan thì giá thành một Kilowatt điện chỉ khỏangtừ 4 đến 4,5 Euro-Cent trong khi giá thành của 1 Kilowatt điện của nhàmáy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch là 6 Euro-Cent.

Cũng theo báo cáo này thì tại một Cánh đồng điện gió lắp đặt tua-binEnercon E-82, lọai 2MW năm 2010, kinh phí cho công suất mỗiKiloWatt là 1786 Euro, trong khi giá thành của mỗi Kilowatt của Cánhđồng điện gió Königsfeld tại CHLB Đức chỉ khoảng 1100 Euro và kinhphí trung bình trên thế giới trong năm 2011 là dưới 1000 Euro cho mỗiKilowatt.

Kinh phí cho tua-bin điện gió tại Việt Nam có nhiều khác biệt do việcvận chuyển, do chi phí thêm cho hạ tầng cơ sở, lưới điện, đường và đặcbiệt là những chi phí phụ quá cao.

Việc phân tích vốn đầu tư của từng tua-bin điện gió vì thế cũng phụthuộc vào nhiều yếu tố, theo Báo cáo của Giáo sư tiến sĩ kỹ sư Dr.-Ing.Jochen Twele tại Bern - Thụy Sĩ vào năm 2006 thì kinh phí riêng chotua-bin điện gió lắp đặt trên đất liền kể cả vận chuyển và lắp đặt làkhoảng 77,1 %, tỉ lệ phần trăm còn lại là chân đế, kinh phí nối điện, tưvấn và những kinh phí phụ khác.

Tỉ lệ phần trăm kinh phí của tua-bin điện gió trên đất liền.

Cũng theo tài liệu của tác giả và Giáo sư tiến sĩ kỹ sư Dr.-Ing. Robert GashCHLB Đức năm 2011 thì kinh phí xây dựng trang trại điện gió trên biển có tỉ lệkhác vì việc đặt dây cáp dẫn điện vào đất liền và xây dựng chân đế trên nền biểntốn kém hơn trên đất liền và cũng tùy theo độ sâu của nền biển, khoảng cách màtỉ lệ này có thể thay đổi như bảng dưới:

Đề mục Tỉ lệ %Tua-bin điện gió, kể cả máy biến thế và hệ thốngđiều khiển

33-50% - (tùy theo dự án)

Trụ 5%Chân đế 15-18% (trụ Tripod)Móng trên nền biển 2-6%Lắp ráp trên biển 5-7%Dây cáp trung thế trong trang trại điện gió 2%Dây cáp cao thế dẫn đến đất liền 2-20% (tùy khỏang cách)Hệ thống đổi tần trên biển 4-10%Nối cáp với lưới điện trên đất liền 4-10%Kế họach, kiểm tra xây dựng, lắp đặt 4-7%Chi phí phục vụ tài chánh 3-6%

Theo những tính toán về vốn đầu tư và khả năng hoàn vốn, trongcông nghiệp điện gió, thời gian hoàn vốn lệ thuộc vào sự hỗ trợ giáđiện của từng nước. Tại những nước phát triển có giá điện được hỗtrợ cao từ phía Nhà nước, thời gian hoàn vốn tương đối nhanh.

Đối với điện nguyên tử, kinh phí đầu tư tương tự như kinh phí đầutư điện gió nhưng hệ số công suất cao và việc hoàn vốn cũng nhanhhơn. Thế nhưng nguy cơ tiềm ẩn của điện nguyên tử chỉ có thể xácđịnh được một phần nhỏ qua những biến cố đã xảy ra trên thế giới.

Kinh phí đầu tư cho Cánh đồng điện gió hiện nay cao và thời gianhoàn vốn thường lâu hơn những công trình nhiệt điện sử dụngnhiên liệu hóa thạch hoặc thủy điện.

Khi van lò điện nguyên tử bị hở sẽ gây ra cháy nổ và phát sinhnhững chất phóng xạ Casium, Plutonium và Jod lan truyền vào môitrường không khí.

Trong nông nghiệp, chất phóng xạ từ những cơn mưa nhiễm vàocây lúa, ngũ cốc, trái cây, rau củ.

Chất Jod 131 tụ lại ở đường hô hấp của con người, gây ra ung thưđường thở. Chất Casium 137 tồn tại trong thời gian khoảng 30năm và hấp thụ vào thức ăn, nước uống rồi sau đó đọng lại ở cơbắp và hệ thần kinh gây ra ung thư, rối loạn hệ truyền giống.

Trong chăn nuôi, chất phóng xạ thấm vào thức ăn động vật,truyền đến sữa, trứng, thịt.

Ngoài biển khơi, những cơn mưa có chất phóng xạ sẽ thấm vào hệsinh thái biển, thấm vào rong rêu, nhiễm vào các loài tôm cá, hảisản cũng như những sinh vật khác sống trong biển và nguy hiểmhơn nữa là những nguy cơ này vẫn tồn tại rất lâu cả khi lò nguyêntử không còn họat động.

Từ những cơn mưa phóng xạ, quá trình thấm thấu của mặt đất cóthể giảm bớt mức nguy hại nhưng việc nhiễm chất phóng xạ vàomặt đất, sông hồ và nguồn nước ngầm cũng không thể trong mộtthời gian ngắn mà tự thiêu hủy được.

Chính đáng hơn, với tinh thần trách nhiệm đối với xã hội, với môitrường hiện tại và thế hệ tương lai, những dự án gây ô nhiễm môitrường, ảnh hưởng đến hệ sinh thái, ảnh hưởng trực tiếp đến sứckhỏe của con người, những dự án này phải cải tạo lại môi trườngsống và có kinh phí bồi thường những mất mát nghiêm trọngvề vật chất, tài sản và quan trọng hơn nữa là tính mạng conngười.

Chính vì những lý do trên mà những lọai năng lượng sạch nhưđiện từ ánh nắng mặt trời, điện gió, địa nhiệt, điện từ sóng biển,khí sinh học hoặc tương tự được mọi người trong xã hội quantâm và mong muốn một ngày nào đó môi trường sống của conngười và những động vật khác trên hành tinh địa cầu đượcsạch hơn và an toàn hơn.

Khi những yêu cầu chính đáng trên được Nhà nước qui định bằngpháp luật và Nhà đầu tư chấp hành nghiêm chỉnh thì chắc chắn làkinh phí cho điện gió sẽ thấp hơn kinh phí đầu tư của những côngtrình nhiệt điện, thủy điện hoặc điện nguyên tử rất nhiều.

Cụ thể là kinh phí đầu tư những công trình nhiệt điện, thủy điện,điện nguyên tử phải có kinh phí để cải tạo lại môi trường, hệsinh thái và đền bù tất cả những thiệt hại do công trình gây ra.

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

Nguyễn Ngọc Tânnguyenngoctan@hotmail.com

Backup

Việc lắp đặt cột đo tốc độ và hướng gió nên theo hững nguyên tắc cơ bản:• Cột nên được lắp đặt thẳng đứng.• Những thiết bị đo gió phải nằm ở vị trí thẳng đứng vì trị số đo sẽ không chínhxác khi Sensor bị nghiêng.• Thiết bị đo không được nằm gần thân cột để tránh vùng gió xáo động, thanh giữthiết bị không được rung, độ rung nếu xảy ra sẽ làm số liệu sai.• Thiết bị đo gió chính (Top-Anemometer) phải đặt ở vị trí giữa cột tại điểm caonhất và không bị những vật khác cản ngòai thanh thu sét nhỏ nằm gần.• Thiết bị đo gió thứ hai hoặc thứ ba phải được lắp đặt trên một thanh kim lọai vàcao hơn thanh này từ 30 đến 60 cm ở vị trí 45 độ theo chiều gió chính.• Thanh thu sét có thiết diện khoảng 2 cm nên đặt ở vị trí cao nhất của cột và cókhoảng cách đến thiết bị đo gió chính là 50 cm, thanh thu sét phải được gắn chặtvào cột và không gây ra ảnh hưởng rung.• Đuôi chong chóng gió nên đặt ở vị trí cao nhưng dưới thiết bị đo gió chính ítnhất là 1,5 mét. Phương pháp lắp đặt tương tự như lắp đặt thiết bị đo gió.• Đường dây điện từ thiết bị đến cột và xuống tủ điện phải được gắn chặt vào thâncột với từng khoảng cách 0,5 mét, tốt nhất là đường dây nên nằm phía trong thâncột. Dây phải có độ bền vật liệu cao, chịu được ảnh hưởng của thời tiết, tia nắngmặt trời và muối trong không khí, đặc biệt tại những nơi ven bờ hoặc ngòai khơi.

Lắp đặt cột đo tốc độ và hướng gió

Hệ số Hellman (exponential coefficient) là hệ số mũ dự toán vềlớp ma sát của khí quyển tùy theo địa hình. Trên mặt biển hệ sốHellman α là khoảng 0,06; trong thành phố là từ 0,4 đến 0,60.

Hệ số Hellman

Hệ số Hellman tại những địa hình khác nhau

Phương pháp tính tốc độ gió tại tâm cánh quạt này không áp dụng được chonhững nơi có địa hình nhấp nhô như đồi núi, rừng hoặc nơi có nhiều chướngngại như nhà cao tầng. Tại những nơi này việc xác định tiềm năng gió phảidựa theo phương pháp đo SODAR.

Tua-bin điện gió tùy theo công suất thường có độ cao tâm cánh quạt khoảng từ90 đến 135 mét. Tuy nhiên những trị số về tốc độ gió của những Đài KhíTượng trên thế giới cũng là cơ sở để tính ra tốc độ gió ở những độ cao khácnhau theo công thức phổ biến được áp dụng là:

trong đó:: Tốc độ gió ở độ cao h. (velocity of the wind at height, h [m/s]).: Tốc độ gió ở độ cao h10 = 10 mét [m/s].

α : Hệ số Hellman từ 0,06 đến 0,60 tùy theo địa hình, vị trí bờ biển, trên núi, thung lũng, trong thành phố cũng như chất lượng của môi trường không khí. hoặc theo phương trình:

Điện mặt trời