1. T
ổng quát
2. S
ự phát triển của công nghệ Tua-bin điện gió
3. Nguyên t
ắc kỹ thuật
6. Chu
ẩn mực so sánh trong đầu tư trang trại điện gió
4. Th
ất thóat cơ năng.
10. Th
ử nghiệm điện gió với những công nghệ khác
8. Trang tr
ại điện gío lắp đặt trên biển
7. Cánh đồng điện gío lắp đặt trên đất liền
9. Tích tr
ữ năng lượng từ gió.
11. Th
ị trường điện gió Việt Nam
1. T
ổng quát
Fraunhofer Institute for Wind Energy and Energy System Technology Szenario sử dụng 100% năng lượng tái tạo tại CHLB Đức – Năm 2050
Tài liệu công bố tháng 2 năm 2009 1 Exajoule = 277,778 Tỉ kW
"Exa" E (1 Trillion) = 1018
"Joule" = Đơn vị của năng lượng
PV photovoltaics
Kí
ch thước và công suất những lọai Tua-bin điện gió đã được
s
ản xuất hàng loạt tính đến năm 2011
Tia n
ắng mặt trời chiếu vào mặt đất thay đổi không đồng đều
làm nhi
ệt 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 tr
ục nên tạo ra mùa, ngày, đêm.
Gió.
Chính vì s
ự thay đổi nhiệt độ của khí quyển làm không khí
chuy
ển 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 khuất
không nh
ận 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
c
ầu, Nam bán cầu và đường xích đạo cũng như nhiệt độ ở biển và
trên
đất liền luôn khác nhau.
T
ừ sự quay quanh trục của trái đất nên không khí chuyển động
xoáy theo nh
ững chiều khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán
c
ầu làm nhiệt độ của khí quyển thay đổi phát sinh những vùng áp
Mô hình hoàn l
ưu khí quyển với các trung tâm khí áp bề
m
ặt 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 trên giây (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 được biểu thị bằng phương vị đông, tây, nam, bắc hoặc theo góc là lấy hướng bắc làm mốc ở vị trí 00 hoặc 3600và 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…
Nguyên tắc của cột đo gió.
Hoa tốc độ gió Hoa tốc độ gió trung bình
Nh
ững số liệu về vận tốc gió được chuyển vào phần mềm, thí dụ
như phần mềm Windrose để hiển thị hoa gió về vận tốc và hướng
gió c
ủa từng thời điểm và từng vị trí. Hình hiển thị vận tốc và hướng
gió
được định theo chiều đông, tây, nam, bắc và thường được chia
thành 12 ho
ặc 36 mảng trong một vòng tròn, trong mỗi mảng là trị
Bản đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam ở độ cao 80 mét
-Tiêu chu
ẩn lớp gió cho Tua-bin điện gió.
Uỷ ban Kỹ thuật Điện Quốc tế IEC (International Electrotechnical Commission) đưa ra những Tiêu chuẩn lớp gió của Tua-bin cho những vùng có tiềm năng gió ít hoặc nhiều theo vận tốc gió trung bình và sự xáo động gió trong năm.
Tiêu chuẩn Lớp gió cho Tua-bin điện gió [59]
Tiêu chuẩn Tua-bin theo loại (IEC) I (vùng có gió mạnh) II (vùng có gió khá mạnh) III (vùng có gió trung bình) IV (vùng có gió yếu) Vận tốc gió tiêu biểu của 50
năm v REF 50 m/s 42,5 m/s 37,5 m/s 30 m/s
Vận tốc gió trung bình trong năm v TB
10 m/s 8,5 m/s 7,5 m/s 6 m/s
Vận tốc gió cao nhất trong 50 năm 1.4 v REF
70 m/s 59,5 m/s 52,5 m/s 42 m/s
Vận tốc gió cao nhất trong 1
Tua-bin điện gió trục đứng Darrieus - Tua-bin điện gió trục ngang.
Công ngh
ệ điện gió trước đây gồm hai loại, loại trục đứng lọai:
Savonius, l
ọai Darieus và trụng ngang. Tua-bin điện gió Darrieus
có h
ệ số công suất thấp nhưng vì cấu hình giản dị, dễ thiết kế và
d
ễ sản xuất nên những loại Tua-bin điện gió này thường được sản
xu
ất cho những nơi cần công suất khoảng từ 5 đến 20kW.
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
Trước kia một số Tua-bin điện gió trục ngang được thiết kế có
hướng đón gió từ phía sau (down wind rotor) nhưng phương pháp
này có nhi
ều nhược điểm như dòng gió luôn bị xáo động do gió
th
ổi vào thân trụ rồi mới đến cánh quạt.
T
ừ khoảng năm 1995 Tua-bin điện gió được thiết kế với nguyên
t
ắc đón gió từ phía sau không còn được sử dụng rộng rãi. Phần lớn
nh
ững loại Tua-bin điện gió hiện nay được thiết kế có hướng đón
gió t
ừ phía trước (up wind rotor).
Tua-bin đón gió từ phía sau
(down wind rotor)
Tua-bin đón gió từ phía trước (up wind rotor)
T
ừ thế kỉ 12, người Âu châu bắt đầu sử dụng quạt gió để xay ngũ
c
ốc. Sức gió làm quay cánh quạt và cơ năng này được chuyển vào
nh
ững cối xay. Những cánh quạt này thường có trục ngang và được
c
ải tiến liên tục, hiện nay phần lớn Tua-bin điện gió trên thế giới
v
ẫn ứng dụng nguyên tắc này.
T
ại Bắc Mỹ mãi đến thế kỉ 19 việc ứng dụng sức gió để bơm nước
m
ới được phát triển nhờ kỹ thuật cánh quạt tự động ngừng lại để
tránh
hư hại khi gió phát triển thành bão. Với nguyên tắc này quạt
gió
bơm nước đã được dùng rộng rãi ở Bắc Mỹ.
Năm 1888 dựa trên nguyên tắc quạt gió bơm nước, Charles Francis
Brush
người Mỹ đã chế tạo ra cánh quạt điện từ sức gió với công
su
ất 12 kW để sử dụng trong gia đình, nguồn trữ điện lúc ấy của
Năm 1891, Poul La Cour người Đan Mạch với sự hỗ trợ của nhà
nước Đan Mạch đã thành công trong việc thử nghiệm chuyển cơ
năng từ cánh quạt gió qua điện năng tại Askov - Jütland và đã là nền
t
ảng của công nghệ điện gió ngày nay.
Năm 1920 Albert Betz, nhà vật lý người Đức đã nghiên cứu về
nguyên t
ắc khí động lực học của cánh quạt điện gió và chứng minh
trên
phương diện vật lý là chỉ có thể thu được tối đa là 59,259 %
năng lượng chuyển động kinetic của gió, việc này ảnh hưởng quan
tr
ọng đến khả năng đón gió của cánh quạt. Cho đến nay việc tạo
dáng và thi
ết kế những cánh quạt điện gió hiện đại vẫn dựa trên
Cho
đến nay, phần lớn những Tua-bin được lắp đặt trên thế giới
s
ử dụng hộp số để chuyển tốc độ số vòng quay của cánh quạt lên
cao và truy
ền đến máy phát điện.
T
ừ năm 1993 công nghiệp điện gió sử dụng máy phát điện nam
châm v
ĩnh được sản xuất và đưa vào thị trường. Nguyên tắc của
l
ọai máy phát điện này là sử dụng nam châm vĩnh cửu kết hợp
nhi
ều cực trong một vòng khung và được gắn trực tiếp với hệ
th
ống Rotor
Vào nh
ững đầu năm 80, khái niệm công nghệ tua-bin, được
g
ọi là “Khái Niệm Đan Mạch”, trong công nghệ này tua-bin họat
Tua-bin điện gió v1 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 không
khí v
ới một vận tốc trong một thời gian nhất định. Theo định luật
Betz, (Nhà v
ật lý người Đức - Albert Betz 1885-1968) về động lực
h
ọc khí quyển thì nguồn năng lượng gió này không thể chuyển tất
c
ả sang một loại năng lượng khác.
Động năng thu được trong dòng gió là 59,259 %. Tỷ lệ công suất
t
ối đa thu được này vì thế được gọi là Hệ số công suất Betz hoặc
Cơ năng E của một khối lượng không khí m chuyển động với vận tốc v là: E= 1/2 m . v2
Thể tích khối lượng không khí chuyển động qua một mặt phẳng A trong một đơn vị thời gian là:
V = v . A
Khối lượng không khí chuyển động còn phụ thuộc vào mật độ của không khí ρ. m = ρ . A . v
Công suất P thu được lệ thuộc vào Khối lượng không khí chuyển động, vận tốc gió, mật độ của không khí ρ, thiết diện A của vòng quay cánh quạt.
P= 1/2 m . v2 = 1/2 ρ . A . v3
Với sự khác biệt của vận tốc gió tại cánh quạt và sau cánh quạt thì: m = ρ . A1 . v1 = ρ . A2 . v2
và công suất P sẽ là: P = 1/2 ρ . A . ( v2
Khi Tua-bin
điện gió có diện tích cánh quạt cố định A, công suất thu
được không bị thất thoát là P, Mật độ ρ của không khí không thay
đổi, áp suất phía trước và sau cánh quạt không khác biệt thì Tua-bin
điện gió chỉ có thể thu được từ cánh quạt với hệ số công suất C
p(power coefficient) t
ối đa là: C
p max= 16/27 = 0, 59259
Cơ năng thu được trong dòng gió là 59,259 %. Tỷ lệ công suất tối đa
thu
được này vì thế được gọi là Hệ số công suất Betz hoặc Hệ số
Betz.
Cơ năng lý tưởng P
mechc
ủa hệ thống cánh quạt lệ thuộc vào vận tốc
gió, m
ật độ không khí, hệ số Betz và diện tích mặt đón gió của cánh
Để tính được công suất điện có thể thu được phải tính đến hệ số
công su
ất của máy phát điện và hệ số công suất của hộp số, như thế
công su
ất điện P
els
ẽ là:
Pel: Công suất [W].
η: Hệ số công suất của máy phát điện và hộp số. Cp: Hệ số Betz 0, 59259.
v: Vận tốc gió (m/s).
ρ: Mật độ của không khí là 1,225 Kg/m3
A: Thiết diện của dòng gió đi qua (m2).
Vì th
ế vận tốc gió là yếu tố quan trọng nhất của công suất, vận tốc
Những trụ điện gió lắp đặt năm 1987 tại CHLB Đức
Cánh đồng điện gió trên đất liền tại Aurich CHLB Đức, công suất mỗi trụ 7,5MWh.
Cấu hình Tua-bin điện gió trục ngang dùng hộp số
Sự phân bố lực tác động F vào cánh quạt với góc < 20°
Cánh qu
ạt điện gió khi thiết kế phải đáp ứng nguyên tắc khí động
l
ực 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
c
ũng như những yếu tố chi tiết khác như độ ồn phát sinh, tần số
rung khi ho
ạt động.
Cấu trúc những lớp vật liệu của cánh quạt
Cánh quạt thô với vật liệu composite, sợi carbon chưa hoàn thành
Cấu hình cánh quạt tùy theo công nghệ và việc chọn lựa vật liệu nên có nhiều thiết kế khác nhau nhưng phần lớn đều dựa trên kinh nghiệm cấu hình chế tạo cánh máy báy như của Hội đồng tư vấn hàng không NACA-Mỹ (National Advisory Committee for Aeronautics) hoặc Viện Khí động lực học Liên xô với cấu hình TsAGI hoặc những viện nghiên cứu khác cũng như những Nhà khoa học Khí động lực học, thí dụ như cấu hình FX (Franz Xaver Wortmann), cấu hình YH (Clark Profile), cấu hình HQ (Horstmann/Quast) vv...
Độ bền vật liệu và khả năng sản xuất là những yếu tố chính. Việc chọn lựa vật liệu cánh quạt được dựa trên kinh nghiệm chế tạo cánh máy bay và những vật liệu này là:
Density γ Strenght of material -δB Young's modulus E Ultim. tensile strenght to d. δB/γ Young's mod. To d E/γ Fatigue limit ±δA Vật liệu g/cm3 N/mm2 kN/mm2 km 103 km 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 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 – Epoxy 1,4 550 44 39 3,1 100
Sợi Aramid 1,25 450 24 36 1,9
Gỗ thông Stika spruce
0,38 65 8 17 2,1 20
Số cánh quạt của Tua-bin
D
ựa trên nguyên tắc vật lý và Khí động lực học, những nghiên
c
ứu và thử nghiệm về số cánh quạt cho Tua-bin điện gió đã được
th
ực hiện từ nhiều thập niên trước ở nhiều nơi trên thế giới, diện
tích quét gió ph
ụ thuộc vào bề mặt cũng như chiều dài cánh quạt
nên trên nguyên t
ắc số cánh quạt của Tua-bin không là yếu tố
quy
ết định cơ bản về công suất.
Thử nghiệm Tua-bin một cánh MOD-0 năm
1985 tại Mỹ
Tr
ụ Tua-bin điện gió trục ngang
có th
ể có 1, 2, 3 hoặc 4 cánh.
Trong hai th
ập niên vừa qua vì
y
ếu tố kinh tế cũng như kỹ
thu
ật, Tua-bin địện gió trục
ngang 3 cánh
đã dần thay thế
Trên phương diện động lực học thì số cánh quạt càng ít thì hiệu quả càng cao nhưng trên phương diện cơ học thì khi Tua-bin họat động với số vòng quay nhanh sẽ phát sinh những nhược điểm cơ bản như tần số rung của Tua-bin điện gió sẽ mất ổn định ảnh hưởng đến những chi tiết khác của hệ thống, sự phân bố lực của một cánh quạt vào trục và thân trụ không đều nên độ bền hệ thống giảm rất nhiều, ngoài ra khi Tua-bin điện gió hoạt động sẽ phát sinh ra tiếng ồn rất cao, đặc biệt là những Tua-bin sử dụng hộp số.
Những Tua-bin một cánh quạt được đưa vào hoạt động từ những năm 1985 với công suất từ 25 đến 1000kW, ưu điểm của Tua-bin điện gió một cánh là giảm được trọng lượng so với những Tua-bin hai hoặc ba cánh, số vòng quay nhanh có thể lên đến 49 vòng trong một phút nên tạo được công suất cao và giá thành thấp.
Trong thiết kế Tua-bin điện gió, hệ số vận tốc gió tại đầu cánh (tip speed ratio) λ (lambda) là tỉ lệ giữa vận tốc tại vòng quay của đầu cánh quạt và vận tốc của dòng gió thổi điến v. Đây là yếu tố quan trọng giữa việc quyết định số cánh quạt, công suất, độ bền và kinh phí sản xuất. Hệ số vận tốc gió tại đầu cánh λ là:
λ = vtop/v trong đó:
vtop: Vận tốc tốc gió tại đầu cánh quạt (m/s). v : Vận tốc gió (m/s).
Hệ số vận tốc gió tại đầu cánh nhỏ thường có những nhược điểm là momen xoắn α tăng, những bộ phận cơ của Tua-bin điện gió phải được thiết kế phù hợp vì cơ năng sẽ bị thất thóat nhiều. Khi hệ số vận tốc gió tại đầu cánh tăng, số cánh quạt và diện tích mặt đón gió có thể giảm để tiếp nhận nguồn cơ năng ổn định.
Số cánh quạt n λ n ở Hệ số Betz lý tưởng
1 ≈ 15
2 ≈ 10
3 ≈ 6-8
Số cánh quạt và hệ số vận tốc gió tại đầu cánh với cấu hình thường sử dụng.
Tua-bin điện gió ba cánh nhờ sự phân bố đều về lực trong diện tích vòng quay nên họat động ổn định hơn Tua-bin điện gió một hoặc hai cánh và có tỉ lệ công suất cao hơn khoảng 3-4% so với Tua-bin điện gió hai cánh, ngòai ra độ rung hệ thống ít bi xáo động nên hạn chế được những ảnh hưởng cơ của những chi tiết khác trong Tua-bin.
Việc nâng số cánh quạt của Tua-bin điện gió lên bốn cánh hoặc nhiều hơn chỉ đạt được công suất thêm tối đa là 1 đến 2% so với Tua-bin điện gió ba cánh nên những Tua-bin loại nhiều cánh chỉ tồn tại trong quá trình thử nghiệm vì không kinh tế.
Hệ số vận tốc gió tại đầu cánh λ và cấu hình NACA 4415 theo số cánh quạt
Phần lớn những Tua-bin điện gió hiện nay trên thế giới được thiết kế theo loại trục ngang và có công suất từ vài kW đế trên 10 MW.
Tua-bin điện gió trục ngang 3 Cánh - 1987
Tua-bin điện gió trục ngang 4 cánh (thử nghiệm) - 1942
Tua-bin hai cánh lắp dặt trên biển
Trên
phương diện động lực học thì số cánh quạt càng ít thì hiệu
qu
ả 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
b
ản như:
T
ần số rung của Tua-bin điện gió sẽ mất ổn định ảnh hưởng đến
nh
ững chi tiết khác của hệ thống.
S
ự phân bố lực của một cánh quạt vào trục và thân trụ không đều
nên
độ bền hệ thống giảm rất nhiều
Khi Tua-bin
điện gió hoạt động sẽ phát sinh ra tiếng ồn cao, đặc
Hệ thống nối cánh quạt - Rotor
Hệ thống đùm nối cánh quạt - Rotor và máy phát điện vòng
3.2 Những nguyên tắc điều chỉnh hệ thống Rotor
Vì v
ận tốc gió luôn thay đổi nên trong thiết kế, để có một công suất
ổn định Tua-bin chỉ có thể hoạt động tối ưu với một vận tốc gió
nh
ất định. Để đạt được những yêu cầu này, hệ thống Rotor phải có
nh
ững chức năng tự điều chỉnh theo vận tốc và hướng gió và tự
ngưng hoạt động bằng những hệ thống thắng để bảo đảm an toàn.
Vi
ệc điều chỉnh hệ thống Rotor trước đây thường theo nguyên tắc
điều chỉnh tình trạng gió trượt của cánh quạt (Stall control – pasiv
ho
ặc activ), trong thập niên vừa qua việc điều chỉnh này được thực
hi
ện bằng phương thức chỉnh quay mặt đón gió của cánh quạt (Pitch
control).
Pitch control –
Điều chỉnh mặt đón gió của cánh quạt
Vi
ệc điều chỉnh mặt đón gió của cánh quạt thực sự là để điều chỉnh
s
ố vòng quay của hệ thống Rotor. Vận tốc gió luôn thay đổi nên
vi
ệc điều chỉnh, tăng và giới hạn cơ năng từ dòng gió là yếu tố
quan tr
ọng để Tua-bin điện gió có thể hoạt động lâu dài và ổn định.
Khi v
ận tốc gió lên quá cao, hệ thống cánh quạt phải tự chỉnh góc
không
đón gió để ngưng hoạt động, tránh hư hại cho Tua-bin điện
gió.
Khi dòng gió có v
ận tốc thấp, hệ thống cánh quạt phải chỉnh mặt
di
ện tích đón gió cao để có được công suất tối ưu.
Khi v
ận tốc gió lên cao, hệ thống cánh quạt phải giảm mặt đón gió
Hệ thống Rotor hoạt động, cánh quạt quay chỉnh mặt đón gió tối ưu (0°) ở vận
tốc gió từ 4 đến 11 m/s
Hệ thống Rotor hoạt động, mặt cánh quạt chỉnh góc đón gió từ 0 - 90° ở vận
T
ừ 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. Nh
ững vòng bi này thường có một hoặc nhiều lớp. Cánh
qu
ạt của những Tua-bin điện gió có công suất cao thường sử dụng
vòng bi 2 l
ớp có 4 điểm tiếp xúc (Four point contact bearings).
Yaw control - Ch
ỉnh Tua-bin điện gió theo hướng gió
Hướng gió thay đổi tùy theo từng thời điểm, vị trí và theo
mùa.Tua-bin
điện gió muốn đạt được hiệu quả về công suất cũng
ph
ải 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
H
ầu hết Tua-bin điện gió cỡ trung và lớn hiện nay đều áp dụng
phương pháp chỉnh Tua-bin theo hướng gió tích cực, với phương
pháp này, vi
ệc quay hệ thống Rotor về hướng gió thổi được thực
hi
ện bằng những động cơ thủy lực hoặc động cơ điện và được
g
ọi 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 [
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 tíêp xúc Trụ
3.3 Hệ thống quay, trục và bộ phận thắng
H
ệ thống quay và trục là những bộ phận chuyển cơ năng từ hệ
th
ống Rotor đến máy phát điện. Trong trường hợp Tua-bin sử
d
ụng hộp số thì những bộ phận này truyền chuyển động quay đến
h
ộp số để có vận tốc số vòng quay cao và sau đó truyền đến máy
phát
điện.
Nh
ững bộ phận khác là vòng nối trục, bánh thắng và những chi
ti
ết phụ. Tất cả những chi tiết cơ và điện này đều được lắp đặt
trong thùng Nacelle
để hạn chế những ảnh hưởng có thể gây hư
h
ại của thời tiết cũng như chất bẩn trong không khí.
Trong công ngh
ệ điện gió, trục quay của hệ thống Rotor họat
động với vận tốc số vòng quay thấp, tùy theo công nghệ, nhà sản
xu
ất và công suất mà vận tốc này có những khác biệt và điển
• Tua-
bin điện gió có công suất cao trên 2MW: vận tốc số vòng
quay t
ừ 3,5 đến 22 vòng trong một phút.
• Tua-bin
điện gió có công suất trên 5MW: vận tốc số vòng quay
t
ừ 3,5 đến 13,9 vòng trong một phút. Thí dụ như Tua-bin điện gió
REpower 6M công su
ất 6MW, số vòng quay là 7,7 đến 12,1 trong
m
ột 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 s
ố vòng quay từ 5 đến 11,7 trong một phút.
• Tua-
bin điện gió có công suất đến 600kW: vận tốc số vòng quay
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 ngh
ệ 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 m
ột số khác biệt.
Áp dụng nguyên tắc xếp đặt rời: những chi tiết chính của Tua-bin điện gió như trục, bộ phận nối trục, hộp số, máy phát điện được lắp đặt theo thứ tự, trục được giữ bằng hai ổ lăn riêng, một cố định và một hở. Nguyên tắc này có thể ứng dụng cho loại Tua-bin điện gió với vận tốc số vòng quay thấp hoặc lọai có số vòng quay cao.
3.4 Nguyên t
ắc xếp đặt tua-bin
Nguyên tắc xếp đặt rời - Tua-bin Enercon E32.
1 - Generator. 2 - Bộ phận nối. 3 - Hộp số bánh răng trụ (spur gear). 4 - Bánh thắng. 5 - Hệ thống ổ lăn. 6 - Hệ thống thủy lực. 7 - Hệ thống chỉnh góc mặt đón gió. 8 - Ổ lăn đỡ trục. 9 - Hộp số bánh răng xếp đặt vòng (planetary gear). 10 - Hệ thống Rotor. Nguyên tắc xếp đặt rời:
Áp d
ụng nguyên tắc xếp đặt kết hợp: một chi tiết như ổ lăn đỡ
tr
ục của Tua-bin điện gió được đặt trong hộp số, ổ lăn đỡ trục
chính
được đặt tại đầu trục và nằm ngay tại phần Rotor. Nguyên
t
ắc này còn được gọi là nguyên tắc đỡ trục với ổ lăn tại 3 điểm.
Nguyên tắc xếp đặt kết hợp - Tua-bin HSV 250.
Nguyên t
ắc xếp đặt kết hợp:
Nguyên xếp đặt tắc chung:
Áp dụng nguyên tắc xếp đặt tắc chung: Chi tiết ổ lăn đỡ trục của Tua-bin điện gió được đặt trong hộp số, trục không dùng ổ lăn để hở và không dùng bộ phận nối trục rời. Đối với những Tua-bin điện gió không sử dụng hộp số, những chi tiết truyền động được hội nhập vào hệ thống Rotor và máy phát điện.
3.5 H
ộp số
H
ệ thống cánh quạt của Tua-bin điện gió có vận tốc số vòng quay
th
ấp và thông thường từ 3,5 đến 22 vòng trong một phút, những
Tua-bin
điện gió lọai hai cánh cũng chỉ họat động tối đa đến vận tốc
s
ố vòng quay là 49 vòng trong một phút. Vận tốc số vòng quay của
máy phát
điện (ngọai trừ máy phát điện nam châm vĩnh cửu) thông
thường từ 900 đến 2000 vòng trong một phút.
Để chuyển vận tốc số vòng quay của hệ thống Rotor lên cao, hộp
s
ố được lắp đặt sau trục chính của Rotor. Hộp số có chức năng
chuy
ển vận tốc số vòng quay thấp từ hệ thống cánh quạt lên vận
t
ốc số vòng quay cao của máy phát điện.
T
ỉ lệ truyền động của hộp số có thể lên đến 1:100, thí dụ như vận
t
ốc số vòng quay của hệ thống Rotor là 10 vòng trong một phút thì
H
ộp số bánh răng trụ (spur gear)
Nguyên tắc hộp số bánh răng trụ
Chính diện Hướng nhìn từ bên trái Nguyên tắc hộp số bánh răng trụ 3 cấp
Công ngh
ệ này vì thế cần rất nhiều chi tiết cơ họat động với tốc độ
cao nên vi
ệc bảo trì cần thưc hiện thường xuyên, độ bền của hộp
s
ố dễ bị hư hại vì trục quay dễ bị cong do trọng lượng hệ thống
cánh qu
ạt cao, ổ lăn dễ bị hư hại và một yếu tố quan trọng nữa là
t
ốc độ gió luôn thay đổi. Phần lớn những Tua-bin thế hệ cũ này
thường phải thay hộp số sau 5 đến 7 năm họat động.
Ngòai ra
để giảm lực ma sát và giảm nhiệt, hộp số phải họat động
trong d
ầu, để bảo đảm hệ thống quay họat động, dầu phải được
thay theo m
ột chu kỳ nhất định. Vì thế việc bảo trì phải thường
xuyên và lâu,
đó là chưa kể đến thời gian Tua-bin phải ngưng họat
động và sản lượng điện mất. Cũng vì hộp số và máy phát điện họat
động với tốc độ số vòng quay cao nên độ ồn phát sinh cũng lớn
3.6
Máy phát điện.
Trong công nghiệp điện gió gồm những lọai máy phát điện: • Máy phát điện dị bộ (Asynchron generator).
• Máy phát điện dị bộ kép (Double fed asynchron generator). • Máy phát điện đồng bộ (Synchron generator).
• Máy phát điện đồng bộ vòng (Annular Generator) hoặc máy phát điện nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet Generator).
Phần lớn máy phát điện trong Tua-bin điện gió tạo ra dòng điện xoay chiều ba pha, tương tự những máy phát điện thông thường. Tùy theo lọai Tua-bin điện gió mà máy phát điện có công suất và điện thế khác nhau
• 12 V, 24 V ho
ặc 48 V: Tua-bin điện gió dưới 2 kW.
•
120 V đến 240 V: Tua-bin điện gió từ 2 đến 10 kW.
• 400 V: Tua-
bin điện gió đến 600 kW.
• 400 V: Tua-
bin điện gió trên 1,0 MW không hộp số
Máy phát điện dị bộ (Asynchron generator)
Cho đến khỏang năm 1990, Tua-bin điện gió họat động với số vòng quay cố
định theo nguyên tắc Tua-bin Đan Mạch. Với nguyên tắc này cơ năng từ hệ
thống Rotor được chuyển vào hộp số để tăng vận tốc số vòng quay phù hợp với
máy phát điện. Máy phát điện của những Tua-bin điện gió theo nguyên tắc Đan
Mạch là máy phát điện dị bộ có hiệu thế và tần số phù hợp với yêu cầu của lưới
điện nên dòng điện có thể chuyển trực tiếp vào lưới điện.
Nguyên tắc
Máy phát điện dị bộ kép (Double-fed asynchronous generator - dASG)
Từ năm 1996 phần lớn Tua-bin điện gió sử dụng máy phát điện dị bộ kép (Double-fed asynchronous generator - dASG). Máy phát điện này được thiết kế nối thêm với bộ đổi tần để điều chỉnh dòng điện nên có thể họat động với vận tốc số vòng quay khác nhau, một phần dòng điện khoảng từ 20 đến 40% được chuyển qua bộ phận đổi tần để phù hợp với tần số và công suất điện qui định.
Máy phát điện đồng bộ (Synchron generator)
Máy phát điện đồng bộ họat động theo nguyên tắc cảm ứng điện từ và được kích thích bởi chuyển động quay. Tại máy phát điện đồng bộ, nguồn từ trường trong lõi được kích họat bằng dòng điện một chiều tại vòng ngòai hoặc phần lõi được kích thích bởi nam châm vĩnh cửu. Trong máy phát điện nam châm vĩnh cửu, chuyển động quay của lõi tại phần tĩnh (Stator) tạo ra dòng điện xoay chiều. Công suất và tần số điện lệ thuộc vào vận tốc số vòng quay của lõi.
Hình 3-116. Nguyên tắc máy phát điện đồng bộ với lõi nhánh.
Nguyên tắc máy phát điện đồng bộ với lõi đặc
Nguyên tắc máy phát điện đồng bộ và lưới điện.
V
ới những ưu điểm nổi bật của máy phát điện dị bộ kép và máy
phát
điện đồng bộ, công nghiệp điện gió những năm vừa qua
ASG: máy phát điện dị bộ - SG: máy phát điện đồng bộ - dASG: máy phát điện dị bộ kép.
3.7
Máy phát điện nam châm vĩnh cửu.
Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanet magnet generator) được sử dụng nhiều trong kỹ nghệ từ những năm 1960 và chủ yếu trong những động cơ có công suất thấp. Trong hai thập niên vừa qua việc nghiên cứu và ứng dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu đã phát triển nhanh, điển hình là sự ứng dụng trong kỹ nghệ sản xuất ổ đĩa cứng, màn hình LCD trong tin học hoặc điện thoại cảm ứng cũng như trong kỹ nghệ xe hơi.
Sử dụng Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu, hộp số và máy phát điện thông thường cuả Tua-bin điện gió hiện được thay thế bằng những mảng nam châm quay vòng từ cơ năng của hệ thống cánh quạt. Với nguyên tắc thíêt kế giản dị này, máy phát điện họat động với tốc độ số vòng quay rất thấp nhưng nguồn điện năng sản xúât cao. Những ưu điểm cơ bản khác là máy phát điện không cần bôi trơn bằng dầu, thời gian bảo trì ngắn, độ bền cao và độ ồn phát sinh cũng thấp.
như trong Tua-bin điện gió Avantis, Enercon, Vensys hoặc đôi khi ở phía sau như Tua-bin điện gió ScanWind. Lọai máy phát điện này vì thế còn được gọi là máy phát điện vòng (Annular Generator).
Nam châm vĩnh cửu được cấu tạo từ các các hợp chất của các nguyên tố đất hiếm (rare earth) và kim loại chuyển tiếp có khả năng giữ từ tính cao và là nguồn tạo ra từ trường như chất Samarium - Cobalt, Neodym (Nd), Dysprosium (Dy) hoặc Terbium (Tb).
Cuộn dây đồng trong bộ phận tĩnh Stator
C
ảm ứng điện từ xảy ra trong những cuộn dây đồng của bộ phận
t
ĩnh Stator nhờ những lớp nam châm vĩnh cửu đặt tại vòng quay
Rotor. Khi Rotor quay, ngu
ồn từ trường làm chuyển động những
Tua-bin điện gió sử dụng máy phát điện vòng hoặc máy phát điện nam châm vĩnh cửu, cơ năng của hệ thống Rotor được truyền động trực tiếp (direct drive) đến máy phát điện nên không cần hộp số. Tuy nhiên tùy theo công nghệ, một số nhà sản xuất Tua-bin điện gió sử dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu nhưng vẫn sử dụng hộp số như Tua-bin điện gió GE 2.5-100 công suất 2,5 MW hoặc PowerWind 90 công suất 2,5 MW.
Trong máy phát điện đồng bộ kích thích bởi nam châm vĩnh cửu, hai bộ phận chính là bộ phận quay (Rotor) và bộ phận tĩnh (Stator).
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 ngòai kích họat.
Trong nguyên tắc kích thích bởi nam châm vĩnh cửu, công suất Tua-bin điện gió chỉ điều khiển được theo vận tốc số vòng quay của Rotor và có ưu điểm là không cần một nguồn điện từ bên ngòai.
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
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
Thùng Nacelle của Tua-bin điện gió Dewind
Thùng Nacelle của Tua-bin điện gió Micon Thùng Nacelle của Tua-bin điện gió Avantis
3.8 Tr
ụ, chân đế.
Trụ của Tua-bin điện gió là phần có trọng tải cao nhất trong hệ thống. Tùy theo lọai Tua-bin điện gió, công suất và địa điểm lắp đặt mà độ cao của Tua-bin khác nhau, trọng lượng của trụ Tua-bin điện gió có công suất lớn thường lên đến nhiều trăm tấn, kinh phí sản xuất, vận chuyển và lắp đặt thông thường từ 15 đến 25 phần trăm tổng số kinh phí của Tua-bin
Chiều cao của trụ Tua-bin điện gió được thiết kế theo vị trí lắp đặt và được chia làm hai lọai, lọai trụ thấp được lắp đặt tại vùng ven biển và ngòai khơi với tỉ lệ so với cánh quạt là từ 1,0 đến 1,4. Lọai trụ cao được lắp đặt tại vùng đồi núi hoặc trên đất liền xa bờ biển có tỉ lệ so với cánh quạt từ 1,2 đến 1,8.
Trong thiết kế trụ, vật liệu, hình dạng và khả năng chịu lực tác động từ dòng gió, bão cũng như khả năng vận chuyển đến công trường điện gió là những yếu tố cơ bản. Những năm gần đây, những yếu tố này đã được tiêu chuẩn hóa trong Tiêu chuẩn của Uỷ ban Kỹ thuật Điện Quốc tế IEC 61400-1 Wind Turbines Design Requirements hoặc Tiêu chuẩn kỹ nghệ châu Âu EN 50308 - Wind turbines - Protective measures - Requirements for design, operation and maintenance.
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.
Sản xuất trụ ống thép
Đọan chân trụ và vòng nối hai lớp đinh ốc
Trụ bê-ton đúc tại nhà sản xuất và khi hòan thành đưa đến công trường
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.
Nguyên tắc chân đế với ống nhựa PVC và cáp nối đất.
Chân đế lục giác
Chân đế hình chữ thập
Hệ thống điều khiển Tua-bin điện gió gồm những tủ điện trong thùng Nacelle và một tủ điều khiển khác trên mặt đất trong thân trụ. Hệ thống điều khiển gồm những máy vi tính kiểm tra mọi tình trạng của Tua-bin điện gió. Những tủ điện đặt trong thùng Nacelle ngòai hệ thống đổi tần còn có công dụng điều khiển hệ thống chỉnh góc đón gío của cánh quạt, chỉnh Tua-bin theo hướng gió, chỉnh vận tốc số vòng quay của hệ thống cánh quạt theo tín hiệu về vận tốc và hướng gió từ thiết bị đo gió nằm trên thùng Nacelle.
3.9 H
ệ thống điều khiển.
Hệ thống điều khiển còn có chức năng chỉnh công suất điện theo yêu cầu sản xuất cũng như chức năng đình chỉ Tua-bin họat động khi vận tốc gió lên quá cao.
Những chức năng khác không kém phần quan trọng là tự điều chỉnh tần số rung của hệ thống, theo dõi nhiệt độ của máy phát điện, hộp số và những thiết bị khác trong thùng Nacelle. Khi hệ thống điều khiển nhận được tín hiệu vượt quá thông số kỹ thuật cho phép, Tua-bin điện gió phải tự động ngưng họat động để tránh hư hại.
Tủ điều khiển đặt trong thân trụ
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 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)
Với sự hỗ trợ của máy vi tính và phần mềm chuỵên ngành, trung tâm điều hành Cánh đồng điện gió theo dõi, kiểm tra thường trực và nhận được tất cả những tín hiệu của từng Tua-bin điện gió. Tương tự như tủ điều khiển đặt trong thân trụ, những thông số cần thiết như tình trạng họat động, thời gian ngưng hoạt động của từng bộ phận trong Tua-bin điện gió được thực hiện với Nguyên tắc theo dõi hệ thống từ xa Condition Monitoring System (CMS).
Hệ thống đổi tần của Tuabin điện gió với Transistor có cực điều khiển cách ly (IGBT -Insulated Gate Bipolar Transistor ) và tủ điện nối mạng - PCS Green Line.
4. Th
ất thóat cơ năng.
Theo định luât Betz, cơ năng từ gió trên lý thuyết chỉ có thể chuyển qua cơ năng tối đa là 59,3% nhưng trên thực tế hệ số Betz có thể đạt được nằm trong khoảng
cP = 0,4 đến 0,58 nghĩa là khoảng từ 70 % đến 88 % của trị số lý tưởng 59,3% vì những sự thất thóat cơ năng do kỹ thuật như cánh quạt không đáp ứng được những điều kiện lý tưởng về Khí động lực học, hệ thống trục, hộp số, hệ thống chỉnh góc đón gió của cánh quạt, hệ thống chỉnh Tua-bin theo hướng gió và những bộ phận cơ bị ma sát cũng như những yếu tố thất thóat của hệ thống điện, bộ đổi tần, máy phát điện, máy biến thế và việc kết nối với lưới điện.
Những bộ phận cơ bị ma sát làm nhiệt độ tăng, đó là phần cơ năng thất thóat vì chuyển qua nhiệt năng, đặc biệt là đối với những Tua-bin điện gió sử dụng hộp số.
Ngòai những yếu tố thất thóat về kỹ thuật, thời gian Tua-bin điện gió không họat động hoặc chỉ họat động với công suất thấp là những thất thóat lớn về năng lượng.
Theo thống kê thì phần lớn những Tua-bin điện gió lắp đặt trên đất liền ở vị trí có tiềm năng gió thấp chỉ họat động được khoảng 5000 giờ trong năm (một năm có 8760 giờ). Trong 5000 giờ này Tua-bin điện gió chỉ đạt được công suất thiết kế khi có vận tốc gió ~ 12 m/s và thời gian này chỉ chiếm khoảng từ 15 đến 25% trên đất liền.
Đó là chưa kể đến thời gian Tua-bin điện gió phải ngưng họat động để bảo trì hoặc sửa chữa cũng như khi Tua-bin bị ảnh hưởng bởi những nhân tố khác.
Những nhân tố tác động vào Tua-bin điện gió
• Dòng gió chéo.
Vận tốc gió thay đổi theo độ cao và hướng gió thường không từ một chiều nhất định nên cánh quạt phải tự điều chỉnh góc mặt đón gió cũng như Tua-bin phải được quay chỉnh theo hướng gió.
• Hướng gió thay đổi bất ngờ.
Khi hướng gío thay đổi bất ngờ, lực tác động vào hệ thống cánh quạt và Tua-bin điện gió thay đổi nhanh và xảy ra tình trạng tải trọng khắc nghiệt (extreme load) theo nhiều hướng khác nhau làm ảnh hưởng đến hệ thống.
• Nhiệt độ.
Nhiệt độ từng nơi thay đổi theo địa điểm lắp đặt và theo mùa nên Tua-bin điện gió phải bảo đảm họat động hòan chỉnh ở nhiệt độ từ: -20 đến + 50°C.
• Mật độ không khí.
Mật độ không khí tại nơi lắp đặt Tua-bin điện gió tuy có khác nhau nhưng không nhiều nên được định trong điều kiện bình thường ở độ cao tại mặt biển là: ρ = 1,225 kg/m3.
• Cường độ tia nắng.
Cường độ tia nắng từng nơi khác nhau nhưng không nhiều, để tiêu chuẩn hóa cho việc tính tóan sức chịu đựng của Tua-bin điện gió, cường độ tia nắng nên được định là: 1.000 W/ m2 .
• Khả năng nước đọng trên cánh quạt bị đông đá.
Tại những vùng ôn đối, nhiệt độ trong mùa đông đôi khi xuống rất thấp, hệ thống cánh quạt có thể bị đông đá do những hạt nước trong không khí bám vào cánh quạt và thùng Nacelle. Những Tua-bin điện gió lắp đặt tại những địa điểm này cần có hệ thống sưởi phù hợp.
• Hàm lượng muối trong không khí.
Hàm lượng muối trong không khí tại những vùng gần biển và đặc biệt là trên mặt biển rất cao nên hệ thống cánh, những chi tiết khác của Tua-bin điện gió tiếp xúc với không khí và hệ thống làm mát phải có lớp bảo vệ như sơn hoặc nhựa chịu được hàm lượng muối cao trong không khí hoặc thiết kế bằng thép không rỉ.
• Dòng gió bị xáo động vì thân trụ.
Hệ thống cánh quạt của Tua-bin điện gió trục ngang nằm gần nơi thân trụ. Trên lý thuyết thì khoảng cách từ hệ thống cánh quạt đến thân trụ nên ngắn nhất để chiều dài thùng Nacelle thấp và trọng lượng hệ thống giảm cũng như giữ trục ít bị cong. Khi vận tốc gió lên cao, cánh quạt sẽ có xu hướng cong về phía thân trụ nên phải có một khoảng cách phù hợp để tránh cánh quạt đụng vào thân trụ
• Ảnh hưởng đến những Tua-bin điện gió bên cạnh.
Tỉ lệ gió xáo động tại tâm cánh quạt được tính khoảng từ 16 đến 18%, khi dòng gío đến hệ thống cánh quạt, một phần dòng gió sẽ chuyển hướng và gây xáo động chung quanh và phía sau Tua-bin. Những Tua-bin điện gió lắp đặt bên cạnh sẽ có những dòng gió với vận tốc khác biệt.
• Ảnh hưởng của lưới điện.
Theo Tiêu chuẩn của Uỷ ban Kỹ thuật Điện Quốc tế IEC 64100.1 những thông số kỹ thuật của Tua-bin điện gió và sai số có thể chấp nhận được như những tác động xảy ra khi Tua-bin điện gió khởi động hoặc khi đột ngột ngưng họat động cũng như hiệu thế và tần số dòng điện không được gây ảnh hưởng đến lưới điện.
• Tua-bin điện gió tại vùng đồi núi.
Vận tốc và hướng gió tại vùng đồi núi như đã trình bày ờ phần Gió núi - gió
thung lũng khác biệt với gió đồng bằng và gió ở vùng biển, vì thế việc xác định vị trí lắp đặt từng Tua-bin điện gió tại vùng đồi núi phải phù hợp với tiềm năng và hướng gió.
5. Phân tích toán ti
ềm năng gió, dự toán sản lượng điện.
Trong công nghiệp điện gió, việc phân tích và tính toán tiềm năng gió được thực hiện với những phần mềm chuyên ngành như Meteowind Climate, MesoMap, Minerva. Việc phân tích và dự tóan sản lượng điện được thực hiện từ những phần mềm chuyên ngành:
Phần mềm phân tích và tính toán tiềm năng gió.
Meteowind Climate: MesoMap
Minerva
Phần mềm phân tích và dự tóan sản lượng điện (Micrositing).
WAsP
WindFarmer WindPro WindSim
109 Loại tua-bin Đất sd Công suất thiết kế Đất xử dụng Chiều cao cột Đường kính Điện năng sx hàngnăm Hiệu suất Trang trại gió Hệ số công suất ha MW Ha / MW m m MWh / Tua-bin % %
Model A 2.3MW (direct drive) 666 82.8 8.0 99 100.6 6,683 92.6 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 6.64
Mật độ năng lượng trung bình W/m² 317.17 317.89 Dự toán sản lượng, hiệu suất, hệ số công suất
110 Loại tua-bin Đất DA Công suất mặc định Đất xử dụng Chiều cao cột Đường kính Năng lượng tua-bin sx hàng năm Công suất trại gió hàng năm Hiệu suất trại gió Hệ số công suất ha MW Ha / MW m m MWh/Tua-bin GWh % % 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 31.7
Model 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 trên biển thường được định theo tiềm năng và hướng gió với sự hỗ trợ của phần mềm chuyên ngành như WAsP, WindFarmer, WindPro, WindMap, WindSim hoặc Meteowind Complex Phần mềm trong công nghiệp điện gió.
6. Chu
ẩn mực so sánh trong đầu tư trang trại điện gió
Trong việc đánh giá hiệu quả của trang trại điện gió và vốn đầu tư hiện nay có nhiều xu hướng khác biệt. Những chuẩn mực chính là:
Chuẩn mực Tỉ lệ giá thành Tua-bin theo Euro hoặc Dollar cho từng Mega Watt (Eyro-$/MW) điện gió được lắp đặt
Chuẩn mực Hệ số công suất được tính với những yếu tố như thời gian họat động, sản lượng điện của trang trại điện gió, thế nhưng hệ số công suất thường được tính dựa theo công súât thiết kế lý tưởng của từng Tua-bin khi họat động ở tốc độ cao nhất. Trong những nhà máy nhiệt điện hoặc thủy điện, hệ số công suất có thể là chuẩn mực tương đối hòan chỉnh nhưng trong công nghiệp điện gió, tốc độ gió luôn thay đổi, Tua-bin điện gió lắp đặt trên đất liền thường không đạt được công suất thíêt kế nên hệ số công suất này không thể là chuẩn mực chính trong một trang trại điện gió.
Chuẩn mực công súât trên diện tích lắp đặt MW/m2 là tỉ lệ công suất và diện tích sử dụng. Chuẩn mực này chỉ để đáp ứng nhu cầu sử dụng đất trong hợp đồng. Trên thực tế không phải là số lượng Tua-bin lắp đặt nhiều trong một diện tích là có tính kinh tế cao vì nếu tốc độ gió thấp thì Tua-bin không thể đạt được công suất thíêt kế, ngòai ra với một diện tích nhỏ, Tua-bin lắp đặt gần nhau dòng gió sẽ bị xáo động, cơ năng từ gió sẽ bị thất thóat nhiều ảnh hưởng trực tiếp đến sản lượng điện.
Trong kế họach tính tóan, ngòai việc so sánh giá thành PPA (Purchase price allocation) của trang thiết bị, những yếu tố quan trọng cơ bản nữa là thời gian họat động của từng Tua-bin, chi phí vận hành cũng như bảo trì, sửa chữa trang thiết bị của Trang trại điện gió trong suốt đời sống của công trình. Phương pháp tính tóan việc đầu tư và sự hòan vốn trong kinh tế thường được gọi là Cash-Flow Calculation. Với phương pháp này việc dự tóan vốn đầu tư, chi phí vận hành thường được tính cho Trang trại điện gió với đời sống công trình ít nhất là 20 năm. Ngòai ra mức lạm phát về tiền tệ ảnh hưởng đến tiền lời và thời gian hòan vốn cũng là những yếu tố phải tính đến.
Việc so sánh này chưa nói lên được yếu tố quan trọng như chọn lựa lọai công nghệ và cơ bản là tính kinh tế của dự án. Vì thế tất cả những chuẩn mực trên không nêu ra được giá trị đích thực trong việc quyết định vì yếu tố cơ bản mà nhà đầu tư muốn biết là tiền vốn đầu tư và sự hòan vốn và Chỉ số nội hoàn (IRR - Interal rate of Return).
Thật ra trong công nghiệp điện gió, hệ số công suất của Tua-bin không nói lên được tính kinh tế của Tua-bin điện gió, theo Hiệp hội điện gió Đan Mạch thì " Cơ bản về tính kinh tế là giá thành của từng kWh chứ không phải là hệ số công suất của Tua-bin".
7
. Cánh đồng điện gío lắp đặt trên đất liền
hessenenergie.de Cánh đồng điện gío Helpershain và Ulrichstein-Helpershain- Germany
Offshore Windpark
Tua-
bin điện gió trên biển
Trên mặt biển mật độ không khí thấp, độ ma sát của không khí và sự xáo động của gió ít hơn trong đất liền, dòng gió ngòai biển đều và có vận tốc cao hơn nên số giờ Tua-bin điện gió họat động gần như liên tục, theo thống kê của Hiệp hội điện gió Anh quốc (British Wind Energy Association) thì Tua-bin điện gió lắp đặt trên biển có số giờ họat động trong năm khoảng 8000 giờ (một năm có 8760 giờ). Trong 8000 giờ này Tua-bin điện gió đạt được công suất thiết kế khi có vận tốc gió từ 12 đến 15 m/s, vận tốc này chiếm khoảng 4000 đến 4500 giờ, tương ứng từ 50 đến 56% tổng số giờ họat động nên cao hơn trên đất liền rất nhiều. Chính vì thế chiến lược xây dựng Cánh đồng điện gió trên biển hiện nay là trọng tâm phát triển của công nghiệp điện gió.
Tỉ lệ phần trăm công suất và Tua-bin điện gió lắp đặt trên biển tính đến năm 2011 trên thế giới
