Bài giảng Công nghiệp điện gió - Nguyễn Ngọc Tân

200 trang hapham 1530

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Công nghiệp điện gió - Nguyễn Ngọc Tân", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_cong_nghiep_dien_gio_nguyen_ngoc_tan.pdf

Nội dung text: Bài giảng Công nghiệp điện gió - Nguyễn Ngọc Tân

Công nghiệp ĐiỆN GÍO Thời báo Kinh Tế Sài Gòn & Trung tân Kinh tế châu Á - TBD - Thành phố Hồ Chí Minh ngày 06 tháng 4 năm 2012 Nguyễn Ngọc Tân
Nội dung 1. Tổng quát. 2. Sự phát triển của công nghệ tua-bin điện gió. 3. Sơ lược về kỹ thuật. 4. Thất thóat cơ năng. 5. Phân tích và xác định 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. 12. Tua-bin điện gió và kinh phí đầu tư. 13. Đọan phim ngắn về điện mặt trời và điện gió. 14. Thảo luận.
1. Tổng quát. Năng lượng tái tạo
Fraunhofer Institute for Wind Energy and Energy System Technology Kịch bản sử dụng 100% năng lượng tái tạo tại CHLB Đức – Năm 2050 - - - 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) 1 Exajoule = 277,778 Tỉ kW 18 Tài liệu công bố tháng 2 năm 2009 "Exa" E (1 Trillion) = 10 PV photovoltaics "Joule" = Đơn vị của năng lượng CSP concentrated solar power
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
Bản đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam ở độ cao 80 mét được thực hiện từ Bộ công thương,TrueWind Solutions LCC (Mỹ) và Ngân hàng thế giới năm 2010. Đây là tài liệu đánh giá tiềm năng gió 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. Bản đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam ở độ cao 80 mét.
Kết quả mô phỏng của mô hình có thể sai lệch từ 5 đến 8% so với tốc độ và hướng gió thực nên không thể dựa vào Bản đồ phân bố tốc độ gió để dự toán sản lượng điện hàng năm cho một cánh đồng điện gió. Tuy nhiên đây là một nguồn thông tin quan trọng vì Bản đồ phân bố tốc độ gió cung cấp cho các nhà đầu tư có cái nhìn tổng thể về những địa điểm có tiềm năng gió cao thích hợp để xây dựng nhà máy điện gió. Để xác định chính xác tiềm năng gió và dự toán được sản lượng điện hàng năm của dự án điện gió, cần có số liệu gió trung bình trong năm, số liệu này phải chính xác (!). Việc này chỉ có thể thực hiện được khi dựa theo phương pháp đo gió SODAR (Sound Detecting And Ranging) hoặc xây dựng cột đo gió. Thời gian đo ít nhất phải là 1 năm, tốt nhất là 10 năm.
Với số liệu thu được từ cột đo gió ở độ cao thấp hơn (tại những vùng bằng phẳng và trống trải) ta có thể tính ra được tốc độ gió ở độ cao tâm cánh quạt của Tua-bin điện gió dựa theo 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. Nguyên tắc cột đo gió và tua-bin.
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 vị trí được hiển thị bằng hoa gió. Hướng gió trong hoa gió được định theo chiều đông, tây, nam, bắc và thường được chia thành 12 hoặc 36 mảng trong một vòng tròn. Diện tích trong mỗi mảng được hiển thị 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 gió ít hoặc nhiều theo tốc độ gió trung bình và sự xáo động gió trong năm. Tiêu chuẩn Lớp gió cho tua-bin điện gió I II III IV Tiêu chuẩn tua-bin theo loại (vùng có (vùng có (vùng có (vùng có (IEC) gió mạnh) gió khá gió trung gió yếu) mạnh) bình) Tốc độ gió tiêu biểu của 50 50 m/s 42,5 m/s 37,5 m/s 30 m/s năm v REF Tốc độ gió trung bình trong 10 m/s 8,5 m/s 7,5 m/s 6 m/s năm v TB Tốc độ gió cao nhất trong 50 70 m/s 59,5 m/s 52,5 m/s 42 m/s năm 1.4 v REF Tốc độ gió cao nhất trong 1 52,5 m/s 44,6 m/s 39,4 m/s 31,5 m/s năm 1.05 v REF
2. Sự phát triển của công nghệ tua-bin điện gió. Công nghệ điện gió gồm hai loại, loại trục đứng: Savonius, Darieus và loại trụng ngang. Tua-bin điện gió trục đứng 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.
Quạt gió xay ngũ cốc - Hà Lan Quạt gió bơm nước - Úc
Tua-bin trục đứng Tua-bin trục đứng H- Darrieus tại Heroldstat - Darrieus tại Nam cực CHLB Đức Tua-bin trục đứng Tua-bin trục đứng Savonius Savonius 3 tầng
Trước kia một số tua-bin điện gió trục ngang được thiết kế có hướng đón gió từ phía sau (down wind rotor), 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 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 Tua-bin đón gió từ phía sau (down wind rotor) trước (up wind rotor)
. Vào đầu những 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 để giữ tần số điện phù hợp với lưới điện. . Cho đến nay, phần lớn những tua-bin 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 cửu 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. Công nghệ này trong những năm 90 không phát triển 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 nghệ máy phát điện nam châm vĩnh cửu phát triển nhanh.
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 tốc độ 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. A2 A m v2 vT v1 Tua-bin điện gió
Albert Betz, chứng minh trên phương diện vật lý là chỉ có thể thu được tối đa là 59,26 % 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. Những trụ điện gió lắp đặt năm 1987 tại CHLB Đức.
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 loạt tính 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.
3. Nguyên tắc kỹ thuật. Cấu hình tua-bin điện gió trục ngang dùng hộp số.
3.1 Cánh quạt. Dòng gió khi vào cánh quạt gây ra tình trạng gió trượt (Stall effect) 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.
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 Nga 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.
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 máy bay. Độ bền vật liệu và khả năng sản xuất là những yếu tố chính. Những vật liệu này là: Density Strenght of Young's Ultim. tensile Young's mod. Fatigue limit Kh lượng material - modulus strenght to d. to density ±δ riêng γ (ĐBVL) δB (ĐB dẻo) E (ĐB Kéo) δB/γ (ĐBdẻo/d)E/γ (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 60 Hợp kim thép 1.7735.4 7,85 680 210 8,7 2,7 70 Nhôm AlZnMgCu 2,7 480 70 18 2,6 40 Nhôm AlMg5 (có thể 2,7 236 70 8,7 2,6 20 hàn) Hợp kim Titan 4,5 900 110 20 2,4 3.7164.1 Sợi thủy tinh - Epoxy 1,7 420 15 24,7 0,9 35 (E-Glas) Sợi Carbon – Epoxyd 1,4 550 44 39 3,1 100 Sợi Aramid 1,25 450 24 36 1,9 Gỗ thông 0,38 65 8 17 2,1 20 Stika spruce 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 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. Thử nghiệm tua-bin một cánh MOD-0 năm 1985 tại Mỹ.
Trên phương diện khí 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. Tua-bin điện gió một cánh 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. Sự phân bố lực của một cánh 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.
Trên lý thuyết thì số cánh quạt của tua-bin không là yếu tố quyết định về công suất nhưng trên thực tế, tua-bin điện gió hai cánh có thể 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 10-12 trong 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 vì họat động với số vòng quay nhanh, tần số rung của Tua-bin mất ổn định ảnh hưởng đến những chi tiết khác của hệ thống. Sự phân bố lực của cánh quạt vào trục, thùng và thân trụ tùy thuộc 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 thì tần số rung hệ thống tăng nên Tua-bin điện gió dễ bị giao động và phát sinh ra tiếng ồn cao.
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 tác động đến những chi tiết khác trong tua- bin. 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. Số cánh quạt và hệ số tốc độ 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
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. λ = vtop/v trong đó: vtop : tốc độ tốc gió tại đầu cánh (m/s). v : tốc độ gió (m/s). 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)
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 đến 10 MW. Tua-bin điện gió hai cánh lắp Tua-bin điện gió trục Tua-bin điện gió trục ngang 4 đặt trên biển ngang 3 Cánh - 1987 cánh (thử nghiệm) - 1942
Đùm và hệ thống nối cánh quạt - Rotor và máy phát điện vòng. Hệ thống đùm nối cánh quạt - Rotor và máy phát điện vòng. Hệ thống nối cánh quạt - Rotor.
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 suất ổn định, tua-bin chỉ có thể hoạt động tối ưu với một tốc độ gió nhất định. Để đạt được những yêu cầu nà y, hệ thống Rotor phải có những chức năng tự điều chỉnh theo tốc độ 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 trượt 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. tốc độ gió luôn thay đổi nên việc điều chỉnh, tăng hoặc hạn chế 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 tốc độ thấp, hệ thống cánh quạt phải chỉnh mặt diện 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 gió để tiếp tục hoạt động. Khi tốc độ 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 và như thế chính là dựa trên nguyên tắc khí động lực học để thắng cánh quạt khi cần thiết.
Hệ thống Rotor hoạt động, cánh quạt Hệ thống Rotor hoạt động, mặt cánh quay chỉnh mặt đón gió tối ưu (0°) ở tốc quạt chỉnh góc đón gió từ 0 - 90° ở tốc độ gió từ 4 đến 11 m/s. độ 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 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 nà y, 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 5MW .
Động cơ góc phương vị Bánh răng có hai lớp Trụ (azimuth motor) vòng bi 4 điểm tiếp xúc Động cơ chỉnh tua-bin theo hướng gió và bánh răng vòng.
• Tua-bin điện gió có công suất đến 600kW: tốc độ số vòng quay từ 16 đến 49 vòng trong một phút. • Tua-bin điện gió có công suất cao trên 2MW: tốc độ số vòng quay từ 3,5 đến 22 vòng trong một phút. • Tua-bin điện gió có công suất trên 5MW: tốc độ 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.
Bánh thắng, 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.
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 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 tốc độ số vòng quay là 49 vòng trong một phút. Tốc độ 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 tốc độ 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 tốc độ số vòng quay thấp từ hệ thống cánh quạt lên tốc độ số vòng quay cao của máy phát điện. Tỉ lệ truyền động của hộp số có thể lên đến 1:100, thí dụ như tốc độ số vòng quay của hệ thống Rotor là 10 vòng trong một phút thì tốc 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 độ cao nên việc bảo trì cần thưc hiện thường xuyên. 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. Ngòai ra vì họat động với tốc độ cao, cơ năng một phần chuyển qua nhiệt năng nên hộp số phải bôi trơn và làm mát bằng dầu. Khi nhiệt độ tăng cao tua-bin phải ngưng họat động. Sau những sự cố của nhiều Tua-bin điện gió Clipper Windpower 2,5 MW sử dụng hộp số tại Mỹ, báo cáo năm 2007 của Viện Năng lượng tái tạo quốc gia Mỹ - NREL National Renewable Energy Laboratory thuộc Bộ Năng Lượng Mỹ (US DOE) đã xác định hộp số trong Tua-bin điện gió là một bộ phận có tỉ lệ gây ra sự cố cao nhất làm tăng chi phí cho ngành năng lượng điện gió.
Báo cáo này cũng nhấn mạnh là tuổi thọ ít nhất 20 năm mà nhà sản xuất đưa ra đều không thể đạt được. Một trường hợp khác là 30 Tua-bin điện gió Vestas V90-3MW lắp đặt ngòai biển của Trang trại điện gió Kentish Flats tại Thames Anh quốc năm vào 2005 đã phải thay mới hòan toàn sau hai năm họat 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 đồng điện gió phải ngưng hoạt động là do hệ thống hộp số bị hư hại. Việc bảo trì, sửa chữa hộp số chiếm một tỉ lệ từ 15 đến 20 phần trăm tiền đầu tư. Để khắc phục và giải quyết những nhược điểm cơ bản từ Tua-bin điện gió sử dụng hộp số, đầu năm 2011 Bộ năng lượng Mỹ đã quyết định hỗ trợ 700 triệu USD cho việc nghiên cứu và thử nghiệm Tua-bin điện gió không dùng hộp số.
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 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 điện thế và công 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 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 tốc độ 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 đáp ứng yêu cầu của lưới điện nên dòng điện có thể chuyển trực tiếp vào mạng điện quốc gia. 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 tốc độ 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 tốc độ số vòng quay của lõi và số cặp cực. Nguyên tắc máy phát điện đồng bộ.
Nguyên tắc máy phát điện đồng bộ Nguyên tắc máy phát điện đồng bộ với lõi nhánh. 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 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 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 được thay thế bằng những mảng nam châm quay vòng từ cơ năng của hệ thống cánh quạt. Với nguyên tắc thiết kế giản dị nà y, máy phát điện họat động với tốc độ số vòng quay rất thấp nhưng nguồn điện năng sản xuất 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.
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 sảy 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.
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 tốc độ 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 từ bên 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 sử 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.
3.7 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.
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.
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 nhiều đường dây thép không rỉ phục vụ việc nối đất để chống sét. Chân đế tròn với vòng nối trụ, ống PVC và cáp nối đất. Nguyên tắc chân đế với ống nhựa 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.
3.8 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 tốc độ số vòng quay của hệ thống cánh quạt theo tín hiệu về tốc độ 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 tốc độ gió lên quá cao.
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.
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% Thất thóat cơ năng do kỹ thuật 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
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 trung bình 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 tốc độ 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.
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 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 dựa trên số liệu về hướng gió, tốc độ gió trung bình 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. MesoMap Minerva Meteowind Climate: Phần mềm phân tích và dự tóan sản lượng điện (Micrositing). WAsP WindFarmer WindPro WindSim Meteowind Complex
Thí dụ về 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 Hiệu suất Đất Công suất Đất sử Chiều Đường Sản lượng Hệ số Loại tua-bin điện hàng Trang trại sd thiết kế dụng cao cột kính công suất năm điện gió 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 24.6101
Việc bố trí từng tua-bin điện gió được định theo tiềm năng và hướng gió với sự hỗ trợ của phần mềm chuyên ngành trong công nghiệp điện gió như WAsP, WindFarmer, WindPro, WindMap, WindSim hoặc Meteowind Complex. A. 8 ha/MW – 36 Tua-bin B. 5 ha/MW – 58 Tua-bin C. 5 ha/MW – 89 Tua-bin Đường Sản lượng Công suất Hiệu suất Đất Công suất Đất sử Chiều kính Hệ số điện hàng tổng cộng Trang trại DA thiết kế dụng cao cột cánh công suất năm hàng năm điện gió Loại tua-bin quạt 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 33.2 Model B - 3MW (direct drive) 666 133.4 5.0 99 106 6,381 370 82.5 10231.7 Model C 1.5MW (gearbox) 666 133.5 5.0 80 82.5 3,613 322 85.3 27.5
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 (Euro-$/MW) điện gió được lắp đặt. 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 suất 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 thiết kế nên hệ số công suất không thể là chuẩn mực chính trong một trang trại điện gió.
Chuẩn mực công suất 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 số lượng tua- bin lắp đặt nhiều trong một diện tích là có tính kinh tế cao vì nếu dòng gió bị xáo động thì tua-bin không thể đạt được công suất thiết kế. Việc so sánh dựa theo chuẩn mực nêu trên 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 này 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 cũng như Chỉ số nội hoàn (IRR - Interal rate of Return). Trong công nghiệp điện gió, hệ số công suất của tua-bin vì thế không nói lên được tính khả thi của dự án. 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".
Tua-bin điện gió tại Bahrain năm 2007 Công suất 3 tua-bin: 1,2 MW.
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
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.
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 tốc độ cao 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 tốc độ gió từ 12 đến 15 m/s, tốc độ 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 Trang trại điện gió trên biển hiện nay là trọng tâm phát triển của công nghiệp 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 được xây 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.
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 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 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.
Gravity Ven b ờ 0-9 mét Monopile 0-30 mét Tripod 20-80 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.
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.
Vận chuyển trang thiết bị tua-bin điện gió trên biển. German Offshore – Wind Kraft Journal – 2010
Đặt đế tháp 3 chân xuống biển.
Trụ móng đơn Monopile và khớp nối. Đóng trụ móng đơn ngoài khơi.
Lắp đặt trụ tua-bin điện gió trên biển German Offshore – Wind Kraft Journal – 2010
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 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).
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. 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 nắng mặt trời làm thay đổi nhiệt độ ban ngày nhiều hơn ban đêm, ban ngày thường có gió mạnh hơn nên thích ứng 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 là làm thế nào lưu trữ được nguồn năng lượng 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 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 làm 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. 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 nắng 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 Bơm nước đến hồ tích năng nhờ máy bơm (Pumped-storage hydroelectricity). Riêng phương pháp dự trữ điện với hồ tích năng có kỹ thuật tương đối hoàn chỉnh và đang được ứng dụng rộng rãi tại nhiều nơi trên thế giới.
10. Thử nghiệm điện gió với những công nghệ khác. 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 cọc 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 gặp 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 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.
Tua-bin điện gió thử nghiệm (study) - Đại học Kyushu - Nhật. Ø112 mét.
Điện gió từ diều. Song song với ứng dụng nguyên tắc tua- bin điện gió trục ngang hoặc trục đứng, nhiều viện nghiên cứu và một số công ty trên thế giới có những thử nghiệm chuyển cơ năng từ gió qua điện năng với những phương án khác. 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 từ 200 đến 800 mét trên mặt biển như của công ty Skysails CHLB Đức.
Thử nghiệm điện gió từ diều. Công suất điện thu được theo mét vuông.
11. Thị trường điện gió Việt Nam. Tháng 7 năm 2011, Chính phủ 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 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 Tuy Phong - Bình Thuận - công suất 120MW gồm 80 tua-bin điện gió Fuhrländer 1,5 MW (CHLB Đức). 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. Giai đoạn 1 gồm 10 tua-bin điện gió GE Energy - Công suất mỗi trụ 1,6 MW đã được chính thức khởi công vào tháng 11 năm 2011. . Cánh đồng điện gió hoặc Nhà máy điện gió Phú Quý - huyện đảo Phú Quý - Bình Thuận do Tổng công ty Điện lực dầu khí Việt Nam đầu tư với công suất 6MW sử dụng tua-bin điện gió Vestas - Đan Mạch lọai 2,0MW đang trong quá trình kết nối điện. . Cánh đồng điện gió Phương Mai do Công ty Cổ phần Phong điện Phương Mai làm chủ đầu tư đã được chính thức khởi công tại 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 MW và 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).
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). 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. . Cánh đồng điện gió Cần Giờ - TP HCM được đề nghị từ Công ty TNHH Xây dựng-Thương mại-Du lịch Công Lý - công suất 200 MW gồm 125 Tua-bin điện gió GE-E 1,6 MW. Ngòai ra một số dựa án khác cũng đang có những kế họach liên doanh đầu tư như dự án liên doanh EAB Viet Wind Power Co. Ltd với 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, công suất 7,5 MW, (+3 MW diesel ).
Kể cả những dự án đang tiến hành thủ tục xin đầu tư tính đến nay thì tổng số dự án điện gió hiện nay tại Việt Nam là 50. Trong việc làm kế hoạch xây dựng những trang trại điện gió, ông 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 hoặc 49 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, hạ tầng cơ sở và có tính kinh tế, tính xã hội khả thi.
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 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, là năng lượng tái tạo và 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 cần bất kỳ một lọai nhiên liệu nào, 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, cảnh quan, 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 được 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. Vùng Khoảng cách tua- Khoảng cách tua- bin 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 5 x h Thị xã, nơi có nhà nghỉ, cắm trại 1000 m 10 x h Đường cao tốc, đường liên tỉnh, liên 50-100 m 1 x h xã Vùng bảo vệ thiên nhiên, bảo vệ Ít nhất 200 m Ít nhất 200 m sinh thái, bảo vệ di tích, rừng quốc Trường hợp đặc 4 x h gia hoặc tương tự biệt 500 m Rừng 200 m 200 m Sông, hồ Ít nhất 50 m Ít nhất 50 m 1 x h
Ảnh hưởng của tiếng ồn. Cũng như tất cả những máy móc hoặc thiết bị cơ, điện, 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 phát sinh ngoài yếu tố thiết kế và sản xuất còn lệ thuộc vào mật độ của không khí, tốc độ 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 tốc độ gió khác nhau là những trị số trong bảng dưới: Tốc độ gío Độ ồn 4 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) Tác động tiếng ồn giảm theo khoảng cách. Ở khoảng cách 200 mét tính từ tâm hệ thống cánh quạt sẽ là 49 dB(A). Trị số độ ồn này tương tự tiếng ồn nơi văn phòng làm việc thông thường.
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 tia nắng 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 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, Đức, Thụy Điển và một số nước khác tại châu Âu. Vì sự phát triển nà y, ảnh hưởng của những Trang trại 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 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 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 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 sóng điện từ (electromagnetic waves) của 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 gần như 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. 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 đến hệ thống thông tin lưu động hàng không. Thông thường trong bán kính khỏang 10 km tính từ trung tâm của sân ba y, 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 ít 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. Thế nhưng 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 tốc độ 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. Trong thập niên vừa qua 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, tốc độ gió và tốc độ 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. 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 sẽ 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.
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 báo cáo chính tức (Official Press Release) của Tuần báo kinh tế CHLB Đức Wirtschaftswoche tháng 01 năm 2011 thì Cánh đồng điện gió West Wind tại Wellington - Tân Tây Lan thì giá thành một Kilowatt điện chỉ khỏang từ 4 đến 4,5 Euro-Cent trong khi giá thành của 1 Kilowatt điện của nhà máy 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-bin Enercon E-82, lọai 2MW năm 2010, kinh phí cho công suất mỗi KiloWatt là 1786 Euro, trong khi giá thành của mỗi Kilowatt của Cánh đồng điện gió Königsfeld tại CHLB Đức chỉ khoảng 1100 Euro và kinh phí trung bình trên thế giới trong năm 2011 là dưới 1000 Euro cho mỗi Kilowatt. Kinh phí cho tua-bin điện gió tại Việt Nam có nhiều khác biệt do việc vận chuyển, do chi phí thêm cho hạ tầng cơ sở, lưới điện, đường và đặc biệt là những chi phí phụ quá cao.
Việc phân tích vốn đầu tư của từng tua-bin điện gió vì thế cũng phụ thuộc 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 cho tua-bin điện gió lắp đặt trên đất liền kể cả vận chuyển và lắp đặt là khoảng 77,1 %, tỉ lệ phần trăm còn lại là chân đế, kinh phí nối điện, tư vấn 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 Gash CHLB Đức năm 2011 thì kinh phí xây dựng trang trại điện gió trên biển có tỉ lệ khác vì việc đặt dây cáp dẫn điện vào đất liền và xây dựng chân đế trên nền biển tốn kém hơn trên đất liền và cũng tùy theo độ sâu của nền biển, khoảng cách mà tỉ lệ này có thể thay đổi như bảng dưới: Đề mục Tỉ lệ % Tua-bin điện gió, kể cả máy biến thế và hệ thống 33-50% - (tùy theo dự án) điều khiển 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, trong công nghiệp điện gió, thời gian hoàn vốn lệ thuộc vào sự hỗ trợ giá điện của từng nước. Tại những nước phát triển có giá điện được hỗ trợ cao từ phía Nhà nước, thời gian hoàn vốn tương đối nhanh. Kinh phí đầu tư cho Cánh đồng điện gió hiện nay cao và thời gian hoàn vốn thường lâu hơn những công trình nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch hoặc thủy điện. Đối với điện nguyên tử, kinh phí đầu tư tương tự như kinh phí đầu tư điện gió nhưng hệ số công suất cao và việc hoàn vốn cũng nhanh hơn. Thế nhưng nguy cơ tiềm ẩn của điện nguyên tử chỉ có thể xác định được một phần nhỏ qua những biến cố đã xảy ra trên thế giới. Khi van lò điện nguyên tử bị hở sẽ gây ra cháy nổ và phát sinh những chất phóng xạ Casium, Plutonium và Jod lan truyền vào môi trường không khí.
Chất Jod 131 tụ lại ở đường hô hấp của con người, gây ra ung thư đường thở. Chất Casium 137 tồn tại trong thời gian khoảng 30 năm và hấp thụ vào thức ăn, nước uống rồi sau đó đọng lại ở cơ bắp và hệ thần kinh gây ra ung thư, rối loạn hệ truyền giống. Trong nông nghiệp, chất phóng xạ từ những cơn mưa nhiễm vào cây lúa, ngũ cốc, trái cây, rau củ. 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 hệ sinh thái biển, thấm vào rong rêu, nhiễm vào các loài tôm cá, hải sản cũng như những sinh vật khác sống trong biển và nguy hiểm hơn nữa là những nguy cơ này vẫn tồn tại rất lâu cả khi lò nguyên tử không còn họat động.
Từ những cơn mưa phóng xạ, quá trình thấm thấu của mặt đất có thể giảm bớt mức nguy hại nhưng việc nhiễm chất phóng xạ vào mặt đất, sông hồ và nguồn nước ngầm cũng không thể trong một thời gian ngắn mà tự thiêu hủy được. Chính đáng hơn, với tinh thần trách nhiệm đối với xã hội, với môi trường hiện tại và thế hệ tương lai, những dự án gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng đến hệ sinh thái, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe của con người, những dự án này phải cải tạo lại môi trường sống và có kinh phí bồi thường những mất mát nghiêm trọng về vật chất, tài sản và quan trọng hơn nữa là tính mạng con người.
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, hệ sinh thái và đền bù tất cả những thiệt hại do công trình gây ra. Khi những yêu cầu chính đáng trên được Nhà nước qui định bằng pháp luật và Nhà đầu tư chấp hành nghiêm chỉnh thì chắc chắn là kinh phí cho điện gió sẽ thấp hơn kinh phí đầu tư của những công trình nhiệt điện, thủy điện hoặc điện nguyên tử rất nhiều. Chính vì những lý do trên mà những lọai năng lượng sạch như điện 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 quan tâm và mong muốn một ngày nào đó môi trường sống của con người và những động vật khác trên hành tinh địa cầu được sạch hơn và an toàn hơn.
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 Phương Nam - TP Hồ Chí Minh. Nguyễn Ngọc Tân nguyenngoctan@hotmail.com
Backup
Lắp đặt cột đo tốc độ và hướng gió 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 chính xác khi Sensor bị nghiêng. • Thiết bị đo không được nằm gần thân cột để tránh vùng gió xáo động, thanh giữ thiết 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 cao nhất 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 và cao 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 có khoảng cách đến thiết bị đo gió chính là 50 cm, thanh thu sét phải được gắn chặt vào 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 ít nhất 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 thân cột với từng khoảng cách 0,5 mét, tốt nhất là đường dây nên nằm phía trong thân cột. Dây phải có độ bền vật liệu cao, chịu được ảnh hưởng của thời tiết, tia nắng mặt trời và muối trong không khí, đặc biệt tại những nơi ven bờ hoặc ngòai khơi.
Hệ số Hellman Hệ số Hellman (exponential coefficient) là hệ số mũ dự toán về lớp ma sát của khí quyển tùy theo địa hình. Trên mặt biển hệ số Hellman α là khoảng 0,06; trong thành phố là từ 0,4 đến 0,60. Hệ số Hellman tại những địa hình khác nhau
Tua-bin điện gió tùy theo công suất thường có độ cao tâm cánh quạt khoảng từ 90 đến 135 mét. Tuy nhiên những trị số về tốc độ gió của những Đài Khí Tượng trên thế giới cũng là cơ sở để tính ra tốc độ gió ở những độ cao khác nhau 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: Phương pháp tính tốc độ gió tại tâm cánh quạt này không áp dụng được cho những nơi có địa hình nhấp nhô như đồi núi, rừng hoặc nơi có nhiều chướng ngại như nhà cao tầng. Tại những nơi này việc xác định tiềm năng gió phải dựa theo phương pháp đo SODAR.
Điện mặt trời