1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ QUỐC PHÒNG
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
NGUYỄN MINH TUẤN
PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TUABIN
GIÓ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
2
Hà Nội - Năm 2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ QUỐC PHÒNG
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
NGUYỄN MINH TUẤN
PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TUABIN
GIÓ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 60.52.02.16
TÁC GIẢ LUẬN VĂN
Nguyễn Minh Tuấn
MỞ ĐẦU
Dân số thế giới tăng với tốc độ chóng mặt và đi kèm theo đó nhu cầu sử
dụng năng lượng của con người tất yếu sẽ tăng cao. Do mức tiêu thụ quá lớn
và tăng quá nhanh nên nguồn năng lượng hiện có ngày càng cạn kiệt.
6
Ở Việt Nam tốc độ tăng trưởng trung bình của sản lượng điện trong 20
năm trở lại đây đạt mức rất cao, khoảng 12-13%/năm, tức là gần gấp đôi tốc
độ tăng trưởng GDP của nền kinh tế. Và theo dự báo của Tổng công ty Điện
lực Việt Nam, nếu tốc độ tăng trưởng GDP trung bình tiếp tục được duy trì ở
mức 7,1%/năm thì nhu cầu điện sản xuất của Việt Nam vào năm 2020 sẽ là
khoảng 200.000 GWh, vào năm 2030 là 327.000 GWh. Trong khi đó, ngay cả
khi huy động tối đa các nguồn điện truyền thống thì sản lượng điện trong
nước của chúng ta cũng chỉ đạt mức tương ứng là 165.000 GWh (năm 2020)
và 208.000 GWh (năm 2030). Điều này nói lên, nền kinh tế sẽ bị thiếu hụt
điện một cách nghiêm trọng và tỷ lệ thiếu hụt có thể lên tới cỡ 30% mỗi năm.
Đứng trước thách thức thiếu hụt điện mà không nằm ngoài xu thế chung
của toàn cầu, chính phủ đã đưa ra nhiều giải pháp như: tăng giá điện (dự kiến
tăng 20%); đảm bảo an ninh năng lượng bằng cách: thứ nhất là mở rộng khai
thác những nguồn năng lượng truyền thống, thứ hai là phát triển các nguồn
năng lượng mới, đặc biệt là các nguồn năng lượng sạch và có khả năng tái
tạo, giải pháp này là quan trọng hơn rất nhiều so với giải pháp đầu.
Một điều đáng lưu ý là trong hàng loạt giải pháp phát triển nguồn điện
làm cơ sở lựa chọn tuabin gió phù hợp với những điều kiện thay đổi của gió,
cũng như áp dụng trong khai thác và vận hành các dự án phát điện sử dụng
năng lượng gió ở Việt Nam.
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ
1.1 Năng lượng gió và sự phát triển của công nghiệp điện gió
1.1.1 Khái niệm về năng lượng gió
8
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 và đêm. 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. 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. 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.
Năng lượng gió được mô tả như một quá trình, nó được sử dụng để
phát ra năng lượng cơ hoặc điện. Tuabin gió sẽ chuyển đổi động năng của gió
thành năng lượng cơ. Năng lượng cơ này có thể sử dụng cho những công việc
cụ thể như là bơm nước hoặc các máy nghiền ngũ cốc hoặc cho một tổ máy
phát để biến đổi tiếp từ năng lượng cơ thành năng lượng điện.
1.1.2 Quá trình phát triển của công nghiệp điện gió
Trong số này quốc gia có công suất lắp đặt điện gió lớn nhất vào năm 2005 là
Đức (18428 MW), xếp sau là Tây Ban Nha (10027 MW), Mỹ (9148 MW),
Ấn Độ (4430 MW) và Đan Mạch (3122 MW).
+ Châu Âu:
Liên minh Châu Âu hiện đang dẫn đầu thế giới về sử dụng năng lượng
gió với công suất lắp đặt 40500 MW tính đến năm 2005 chiếm 69% tổng
năng lượng gió toàn cầu. Mục tiêu tổng thể cho toàn Châu Âu là năng lượng
tái tạo sẽ đóng góp 21% lượng điện năng tiêu thụ. Mục tiêu hiện tại của
EWEA (Cơ quan năng lượng gió Châu Âu ) là đạt công suất điện gió khoảng
75000 MW tại Châu Âu vào năm 2010, 180000 MW vào năm 2020 và
10
300000 MW vào năm 2030. Quốc gia đứng đầu Châu Âu về năng lượng gió
là Đức. Điện gió hiện đáp ứng được 5,7% lượng điện tiêu thụ tại Đức với
công suất lắp đặt lên đến 18428 MW vào cuối năm 2005. Điện gió tại Tây
Ban Nha cũng phát triển mạnh mẽ từ những năm giữa của thập niên 1990.
Năm 2007 một loạt các động cơ gió với công suất 1764 MW đã được đưa vào
sử dụng tăng 20% so với năm 2004.
+ Khu vực Bắc Mỹ:
Năm 2005 gần 1/4 công suất lắp đặt điện gió mới của thế giới tập trung
ở Bắc Mỹ, nâng tổng công suất của khu vực này tăng lên ở mức xếp thứ 37.
Điện sản xuất từ gió tăng lên mạnh mẽ ở cả 2 quốc gia Mỹ và Canada.
Cơ quan năng lượng điện gió Mỹ (Amerrican Wind Energy Association
– AWEA) ước tính điện sản xuất từ gió sẽ đóng góp khoảng 6% vào điện lưới
nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng điện tại Mỹ vào năm 2020. Ở Canada công
suất điện gió của nước này đã tăng một cách ấn tượng đạt 54% trong năm
2005, hiện tại tổng công suất đạt 683 MW.
+ Châu Úc:
thuộc chính phủ của các nước Châu Âu. Trên vùng diện tích lớn hơn 700 km 2
ở Gabal El-Zayt đã được xác định mốc chỉ giới cho trang trại gió 3000 MW.
Địa điểm này rất thích hợp do tốc độ gió trung bình đạt tới 10,5 m/s. Với tổng
công suất điện gió hiện tại là 145 MW các nhà quản lý năng lượng tái tạo của
Ai Cập đang dự kiến nâng con số này lên 850 MW vào năm 2010 và kỳ vọng
tới giai đoạn 2020 - 2025 sẽ đạt 2750 MW. Ở miền Nam, Nam Phi đã lắp đặt
một trạm nhỏ đầu tiên vào năm 2002 còn các dự án lớn đang chờ sự hậu thuẫn
của thị trường.
•
Châu Á:
Vùng lục địa Châu Á đang phát triển mạnh nguồn điện gió sinh hoạt gia
đình với số thiết bị lắp đặt chiếm tới 19% tổng số động cơ gió năm 2005. Với
tốc độ tăng trưởng hơn 46% đã nâng công suất điện gió của Châu Á đạt gần
7000 MW.
Thị trường điện gió Châu Á tập trung chủ yếu ở Ấn Độ nơi chiếm tới
4430 MW trong đó số động cơ mới lắp đặt khoảng 1430 MW. Con số này đã
12
đẩy Ấn Độ lên vị trí số thứ 4 trong bảng xếp hạng các nước phát triển điện gió
trên thế giới. Tập đoàn sản xuất động cơ gió của Ấn Độ (Indian Wind Tuabin
Manufacturers Association - IWTMA) thông báo trong vòng 3 năm tới mỗi
năm có khoảng 1500 đến 1800 MW động cơ gió đã được đặt hàng. Chính phủ
Ấn Độ đã khuyến khích và hỗ trợ ngành năng lượng gió thông qua việc miễn
giảm thuế. Viện nghiên cứu khí tượng Trung Quốc (Chinese Meteorology
Reseach Institute) ước tính tiềm năng xây dựng các trạm điện gió trong đất
liền của Trung Quốc có thể đạt khoảng 253 GW và trong tương lai hơn 750
trước khi thực hiện các dự án gió do điều kiện khí hậu biến động và không ổn
định đặc biệt tại những vùng núi.
Hàn Quốc và Đài Loan cũng bắt đầu phát triển mạnh từ năm 2005 với
gần 100 MW động cơ gió được lắp đặt hàng năm. Philippin được đánh giá có
tiềm năng gió tốt nhất trong vùng Nam Á, tuy vậy tính đến tháng 12 năm
2005 mới chỉ có một trang trại điện gió 25 MW được hoàn thành tại đây.
Chính phủ Philippin đang đặt mục tiêu đạt công suất tối thiểu 417 MW điện
gió trong mười năm tới, cùng lúc phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc
gia của Mỹ có cơ sở tại đây dự báo tiềm năng điện gió của nước này có thể
lên tới 70000 MW cung cấp sản lượng điện hàng năm hơn 195 tỷ kWh.
•
Điện gió ngoài khơi:
Khả năng cố định được các động cơ gió xuống nền đáy biển đã mở ra
một kỷ nguyên mới cho năng lượng gió, đặc biệt tại Bắc Âu nơi các dự án lớn
sẽ thuận lợi hơn khi được xây dựng tại các vùng nước nông ven biển. Trang
trại điện gió ngoài khơi đầu tiên được xây dựng tại Đan Mạch. Tại đây đã
hoàn thành 160 MW trại điện gió tại Horns Rev ở Biển Bắc và 158 MW tại
Nysted thuộc biển Bantic. Hai dự án lớn hơn cũng đang được triển khai ở đây.
Anh cũng nằm trong các nước dẫn đầu của phong trào điện gió ngoài
khơi với tổng công suất 214 MW được tiến hành ở bốn địa điểm và trong
14
tương lai hơn 1000 MW đã được thỏa thuận xây dựng tại 8 địa điểm khác.
Một dự án đặc biệt (mỗi trang trại gió hơn 1000 MW) theo kế hoạch được đặt
tại 3 vị trí chiến lượt ngoài khơi do chính phủ Anh chỉ định. Một số trang trại
điện gió xa bờ khác được xây dựng xung quanh bờ biển Thụy Điển và Ireland
1
Móng Cái
3,6
2
Than Uyên
2,3
3
Hà Nội
3,2
4
Bãi Cháy
4,1
5
Nam Định
4,6
11
Quảng Bình
5,0
12
Của Tùng
4,,1
13
Đông Hà
4,1
14
Huế
3,1
15
Đà Nẵng
2,4
21
Tuy Hòa
4,0
22
Buôn Ma Thuột
4,3
23
Liên Khương
4,6
24
Nha Trang
3,1
16
25
Trường Sa
7,9
1.1.5 Các nghiên cứu và ứng dụng năng lượng gió ở Việt Nam
Việc nghiên cứu và ứng dụng năng lượng gió ở Việt Nam đã bắt đầu
vào những năm 1970 với sự tham gia của nhiều cơ quan. Từ năm 1984 với sự
tham gia của chương trình “Tiến bộ khoa học kỹ thuật nhà nước” về Năng
lượng mới và tái tạo đã có một số kết quả về động cơ phát điện chạy bằng sức
gió sau:
+ Máy phát điện PD170-6, công suất 120 W nạp ắcquy của trường Đại
học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh.
+ Máy phát điện PH500, công suất 500 W của trường Đại học bách
khoa Hà Nội.
+ Máy WINDCHARGER, công suất 200 W nạp ắcquy (theo thiết kế
của Mỹ) do một số cơ quan cải tiến thiết kế và chế tạo.
+ Máy phát điện gió công suất 150 W của Trung tâm nghiên cứu
SOLALAB Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh
1.1.6 Một số mô hình phát điện gió ở Việt Nam
Các máy phát điện sức gió công suất cực nhỏ được sử dụng chủ yếu cho
mục đích thắp sáng gia đình, chạy máy thu thanh, thu hình…
Do đặc điểm gió không liên tục nên máy phát điện gió thường được
dùng để nạp điện cho ắcquy, rồi thông qua bộ rung biến đổi điện một chiều
17
12V hoặc 24V thành điện xoay chiều 220V hoặc sử dụng liên hợp cùng với
các thiết bị phát điện khác như Pin Mặt trời hoặc máy phát điện Điêzen.
•
+ Mô hình phát điện gió công nghiệp (công suất lớn):
Hình 1.3: Mô hình phát điện gió công nghiệp
Cho tới nay nước ta mới xây dựng được hệ thống phát điện gió-điêzen
tại huyện đảo Bạch Long Vĩ để cung cấp điện cho cư dân trên đảo.
19
Đây là trạm điện gió lớn nhất được xây dựng ở nước ta cho tới thời
điểm hiện tại.
+ Công suất máy phát điện gió 800 kW.
+ Công suất máy phát điezen (2 chiếc) 2 x 400 kWA.
+ Lưới điện 10kV ngầm.
+ Đầu tư 813 000 USD (không kể phần lưới điện).
+ Giá bán điện 1200 - 3000 VNĐ/kWh.
Hiện tại hệ thống vẫn đang hoạt động bình thường. Tuy nhiên, do còn
thiếu kinh nghiệm trong khai thác vận hành nên hệ thống máy phát điện này
chưa phát huy hết hiệu quả của nó.
Cùng với sự phát triển của nền kinh tế, nhu cầu cung cấp điện năng
ngày càng lớn. Và điện gió đang được kỳ vọng như là một trong những nguồn
điện của tương lai, xếp hàng sau điện hạt nhân nhưng đứng trước các nguồn
điện dùng năng lượng tái tạo như điện mặt trời, điện sinh khối v.v...
Việt Nam đã đưa ra mục tiêu nâng tổng công suất nguồn điện gió từ
mức không đáng kể hiện nay lên khoảng 1.000 MW (tương đương công suất 1
lò phản ứng hạt nhân) vào năm 2020, và khoảng 6.200 MW (tương đương
công suất 6 lò phản ứng hạt nhân) vào năm 2030; tức điện năng sản xuất từ
nguồn điện gió sẽ chiếm tỷ trọng từ 0,7% năm 2020 lên 2,4% vào năm 2030.
1.1.7 Hiện trạng công nghệ năng lượng gió ở Việt Nam
Lĩnh vực năng lượng gió ở nước ta chưa phát triển, có thể nói đang ở
West Wind 1,8 kW đang hoạt động tốt tại Kon Tum.
Động cơ gió 800 kW (Tây Ban Nha) tại Đảo Bạch Long Vĩ đang vận hành.
21
Hình 1.4: Động cơ gió có công suất nhỏ hơn 150W
-
Động cơ gió 300 kW (Nhật Bản) tại Hải Hậu - Nam Định, đây là trạm năng
lượng hỗn hợp thử nghiệm.
Hình 1.5: Động cơ gió có công suất 500W nhập ngoại
Đó là các động cơ gió hiện đại được chế tạo công nghiệp từ các nước
tiên tiến nhưng hiệu quả thì cần phải có thời gian theo dõi để xem xét có phù
hợp với chế độ gió và các điều kiện thời tiết ở Việt Nam hay không.
Hiện tại ở Việt Nam có nhiều dự án phát điện chạy bằng sức gió nối với
lưới điện Quốc gia, nhưng mới chỉ dùng lại ở giai đoạn báo cáo khả thi. Bởi
vì các số liệu về gió chưa có đủ độ tin cậy, không có đủ các chính sách và các
22
qui định về mua bán điện gió, ít có các nhà kinh doanh dám mạo hiểm đầu tư
vào lĩnh vực này.
1.2 Kết cấu cơ bản của một tuabin điện sức gió
Ta có thể mô tả sơ bộ các thành phần chính của một tuabin gió như trên
hình 1.6 sau đây.
Hình 1.6: Kết cấu cơ bản của trạm điện gió
quạt phía dưới là 220 kW.
24
Cánh quạt được cấu tạo từ 2 phần khung là phần hút và phần đẩy. Những
phần này được kết nối với nhau thông qua các thanh nối. Các phần khung này
được tăng cường bởi các sợi thủy tinh hay sợi cácbon ở nhiều vị trí và được
phủ bởi Polyester hoặc nhựa Eboxy.
1.2.2 Bộ phận truyền lực
+ Khái quát chung:
Hầu hết tất cả các nhà sản xuất thiết bị WEA đều sử dụng một hộp số để
có thể chuyển đổi chuyển động quay chậm với mômen quay lớn của rôto
thành chuyển động quay với tốc độ cao của máy phát.
Các thiết bị WEA cỡ lớn (2,0 đến 3,0 MW) có tốc độ vòng quay của rôto
vào khoảng 20 vòng/phút. Trong khi đó số vòng quay của máy phát 100 –
1500 vòng/phút.
Bộ phận truyền lực bao gồm các bộ phận sau:
-
Hộp số
-
Khớp nối
-
Phanh
nhau thông qua rất nhiều bánh răng vệ tinh. Do vậy tỉ số truyền có thể đạt tới
1:12.
Do trong thực tế cần phải có tỉ số truyền giữa trục quay chậm và trục quay
nhanh lên đến 1:100 nên hộp số sẽ có cấu tạo từ nhiều cấp truyền khác nhau.
Ở những cấp truyền này sẽ sử dụng cấp truyền bánh răng trụ cũng như cấp
truyền kiểu hành tinh.
+ Trục quay chậm:
Trục quay chậm làm nhiệm vụ truyền chuyển động quay của rôto vào
hộp số.
Copyright: Tài liệu đại học ©