39

Chương 3
HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ
3.1. Sơ lược về lịch sử phát triển hệ thống điện gió
Lịch sử phát triển của thế giới nhân loại, từ rất sớm đã chứng kiến
những phát minh sử dụng năng lượng gió ứng dụng vào cuộc sống. Từ những
việc đơn giản như sử dụng năng lượng gió quay các cối xay bột, làm các thiết
bị bơm nước hoạt động và gió thổi vào cánh buồm giúp đưa các con thuyền đi
xa.
Thiết kế được biết đến sớm nhất là cối xay gió có các cánh đón gió hình
chữ nhật được bố trí xung quanh một trục đứng, xuất hiện ở Ba Tư vào khoàng
(500 – 700 AD) sau công nguyên.

Hình 3.1 Bánh xe gió trục đứng cánh đón gió bằng gỗ thiết kế bởi Giáo sư
Blyth được xây dựng ở London 1905
Vào những năm (1300 - 1875 sau Công Nguyên), Cối xay gió trục ngang
đầu tiên xuất hiện ở thế giới phương Tây dựa theo mô hình cối xay gió trục
dọc ở Ba tư.


40

Hình 3.2 Cối xay gió Tây Ban Nha ở La Mancha
Quá trình cải tiến, hoàn thiện những cánh quạt cối xay gió làm gia tăng
hiệu quả, mất thời gian khoảng 500 năm. Cánh quạt cối xay gió trong thời gian
này là tiền thân cho việc nghiên cứu thiết kế các turbine gió có cánh hiện đại
như ngày hôm nay.
Các tài liệu đầu tiên về hệ thống phát điện bằng sức gió được lập vào
năm 1887 do một người Scotland tên là James Blyth, các tài liệu này được
biên soạn dựa trên việc nghiên cứu tạo ra năng lượng chiếu sáng cho ngôi nhà

là định hướng thẳng đứng có thể nhận gió từ mọi hướng mà không cần phải
điều chỉnh.
Trong chiến tranh thế giới thứ hai, turbine gió loại nhỏ được sử dụng để
sạc pin tàu ngầm của Đức như một biện pháp bảo tồn nhiên liệu.
Từ năm 1973-trở đi cuộc khủng hoảng giá dầu đã thúc đẩy mạnh sự
nghiên cứu và phát triển nguồn năng lượng gió. Tại Mỹ từ năm 1974 đến giữa
những năm 1980 đã cho thử nghiệm hoạt động 13 turbine gió, trong bốn mẫu
thiết kế turbine gió lớn. Đây là chương trình phát triển nghiên cứu đi tiên
phong trong công nghệ turbine nhiều megawatt sử dụng ngày nay.

Hình 3.5 Cụm 3 turbine 7,5 megawatt Mod-2 ở ngọn đồi Goodnoe
Washington vào năm 1981
Theo thông tin từ hội nghị năng lượng gió quốc tế tại Bonn diễn ra
ngày 03 -07- 2012 thì hiện nay có tổng cộng, 98 quốc gia và khu vực đã được


43

xác định trên toàn thế giới sử dụng năng lượng gió để phát điện, và cho đến
hôm nay turbine gió lớn nhất có công suất định mức là 10MW, đường kính
130 mét

Hình 3.6. Kích thước turbine điện gió đã được sản xuất đến năm 2012
3.2. Cấu trúc và đặt điểm chung của hệ thống điện gió

Hiện nay turbine gió trong hệ thống điện gió có hai loại, một loại
turbine gió trục đứng và một loại turbine gió trục ngang

Hình 3.7. a)Turbin gió trục đứng


nhiễm môi trường, dễ chọn địa điểm và tiết kiệm đất xây dựng (xây dựng trạm
ngoài biển, những mỏm núi, những đồi hoang không sử dụng được cho công
nghiệp, nông nghiệp. Điện gió có thể đặt gần nơi tiêu thụ điện, giảm được chi
phí cho việc xây dựng đường dây tải điện.
3.3.2. Khó khăn
Chi phí đầu tư lớn, giá bán điện chưa cạnh tranh được với các nguồn
năng lượng khác.
3.4. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống điện gió


45

3.4.1. Cấu tạo

Hình 3.8 Mô hình các thành phần chính của turbine gió
Thiết bị đo lường tốc độ gió (Anemometer): Dùng đo lường tốc độ
gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điểu khiển.
Cánh quạt (Blades): Gió thổi qua các cánh quạt là nguyên nhân làm
cho các cánh quạt chuyển động và quay.
Trục cánh quạt (Hub): Dùng để kết nối các cánh quạt lại với nhau và
nối với trục chính.
Bộ hãm (Brake): Dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp bằng
điện, bằng sức nước hoặc bằng động cơ.
Ví dụ: khi tốc độ gió cao sinh ra công suất gió rất lớn làm ảnh hưởng
đến độ bền cơ hoặc hư hỏng turbine gió hoặc trong trường hợp khẩn cấp, hệ
thống hãm có thể điều khiển bằng cơ hoặc bằng điện hay bằng thủy lực để
dừng rotor.
Bộ điều khiển (Controller): Bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở tốc
độ gió khoảng 8 đến 14 dặm/giờ tương ứng với 12 km/h đến 22 km/h và tắc



47

Hình 3.9. a) Cột tháp thanh sắt chéo (Lattice Tower); b) Cột tháp chằn giữ
(Guyed Tower); c) Cột tháp tiêu chuẩn tự do (Free Tower)
Đo hướng gió (Wind vane): Dùng để xử lý hướng gió và liên lạc với
“yaw drive” để định hướng turbine gió.
Truyền động hướng (Yaw drive): Dùng để giữ cho rotor luôn luôn
hướng về hướng gió chính khi có sự thay đổi hướng gió.
Động cơ truyền động hướng (Yaw motor): Động cơ cung cấp cho
“yaw drive” định được hướng gió
3.4.2. Nguyên lý hoạt động của các thành phần chính của turbine gió
Năng lượng gió làm cho hai hoặc ba cánh quạt quay quanh một rotor.
Mà rotor được nối với trục chính và trục chính sẽ truyền động làm quay trục
quay máy phát để phát ra điện. Dòng điện từ máy phát phát ra qua bộ chỉnh
lưu xoay chiều thành một chiều và sau đó nghịch lưu một chiều thành xoay
chiều có dạng sống hình sin và tần số ổn định là 50Hz giống như tần số của
lưới điện để hòa được vào lưới điện.
3.5. Đặt tính chung của các loại máy phát điện gió
3.5.1. Máy phát điện cảm ứng nguồn kép (doubly fed induction generat

--or DFIG)

Hình 3.10 Hệ thống máy phát điện nguồn kép


48

Máy phát điện cảm ứng nguồn kép là loại máy phổ biến dùng cho các
loại máy phát điện turbine gió loại lớn.

lớn, không thể hỗ trợ điều khiển điện áp lưới điện trong hầu hết các trường
hợp, chi phí của các công cụ chuyển đổi rất cao
3.5.3. Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (permanent magnet
synchronous generator - PMSG)

Hình 3.12 Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cữu
3.5.3.1. Ưu điểm
Máy phát điện loại này có một hiệu quả và năng suất tốt, các máy phát
điện có chi phí rẻ đầu tư, phát điện không có chổi than, được sử dụng cả hai
trong 50 Hz và 60 Hz lưới, khả năng lỗi lưới là ít phức tạp hơn, độ tin cậy cao
hơn do sự vắng mặt của các thành phần cơ khí như các vòng trượt.
3.5.3.2. Nhược điểm
Bộ chuyển đổi lớn hơn, đắt tiền hơn, thiệt hại trong chuyển đổi cao hơn
bởi vì tất cả công suất được xử lý bằng cách chuyển đổi, chi phí của nam châm
vỉnh cửu cao, khó khăn để xử lý trong sản xuất, khử từ của năm châm vĩnh
cửu ở nhiệt độ cao.
3.5.4. Máy phát điện đồng bộ dẫn động trực tiếp (direct-drive synchron-

ous generator- EESG)

Hình 3.13 Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cữu


50

3.5.4.1. Ưu điểm
Dẫn động trực tiếp, bộ truyền động đơn giản bởi bỏ qua hộp số, hiệu
quả và độ tin cậy cao, bộ dẫn động có độ ồn thấp
3.5.4.2. Nhược điểm



Vận tốc gió

VwB

Vận tốc gió cơ bản

VwG

Thành phần gió giật

VwR

Thành phần gió dốc

tốc độ gió cơ bản là một hằng số và được cho bởi:
VwB = C1, C1 = constant

(3.2)

các thành phần gió giật được biểu diễn như là một số hạng (1-cos) và được
cho bởi:
WwG

t < T1
0

 t − T1  

= C2 { 1 − COS π

t ≥ T4


trong đó:
C3 là giá tốc độ gió thay đổi lớn nhất của gió dốc.

(3.4)


52

T3 và T4 là các thành phần gió bắt đầu và ngừng của gió dốc, tương
ứng.
Các thành phần tiếng ồn của tốc độ gió không được làm mô hình hóa,
lực quán tính turbine lớn không đáp ứng với các biến đổi tốc độ gió tần số
cao.

Hình 3.15 Biên dạng gió dùng để mô phỏng
3.6.2.

Mô hình toán học turbine

3.6.2.1. Thành phần biến đổi năng lượng gió
Cơ năng E của một khối lượng không khí m chuyển động với vận tốc v
có thể được diễn tả như sau:

1
E= m.v 2
2


dm
(mv 2 ) = (2mv + v 2 m
)
2 dt
2
dt
dt

cho vận tốc gió v không đổi
dv
=0
dt
do đó có thể diễn tả vận tốc v và tốc độ dòng chất như sau:
P=

1 d
1 g
(mv 2 ) = m v 2
2 dt
2

(3.7)

nếu không khí thổi qua mặt phẳng có tiết diện A, tỷ trọng không khí là ρ và tỷ
lệ dòng chất là
g

mρ.A.v
=




54

Hình 3.16 a) Công suất có được từ gió

Hình 3.16 b) Mối liên quan công

suất,
tốc độ gió, chiều cao
Ngoài ra khi turbine điện gió có diện tích cánh quạt cố định A, công
suất thu được không bị thất thoát là P, Mật độ của không khí ρ không thay đổi,
áp suất phía trước và sau cánh quạt không khác biệt thì turbine điện gió có thể
thu được từ cánh quạt với hệ số công suất Cp tối đa gọi là hệ số công suất Betz
hoặc hệ số Betz.
3.6.2.2.Định luật Betz

Định luật Betz cũng đưa ra những lý thuyết về gió như: Định luật Betz
tương tự hiệu suất chu trình Carnot trong nhiệt động lực học thừa nhận rằng
một động cơ nhiệt không thể trích xuất tất cả các năng lượng từ một nguồn
năng lượng và phải loại bỏ một phần dòng nhiệt đầu vào của nó trở lại môi
trường. Trong khi đó, các hiệu suất chu trình Carnot có thể được thể hiện trong
các điều kiện của nhiệt độ T1 của dòng nhiệt độ cấp vào tuyệt đối và nhiệt độ
T2 thải nhiệt tuyệt đối.

η=

T1-T2
T2
=1T1

nén được, phương trình bảo tồn khối lượng hoặc liên tục có thể được viết là:
•

m =ρS1V1 =ρSV=ρS2 V2 =constant

(3.12)


56

điều này thể hiện thực tế là tốc độ luồng không khí là một hằng số dọc theo
luồng gió. Định lý Euler cho các lực tác dụng bởi gió trên rotor như sau:
F = ma = m

dV •
= m ∆V = ρ SV .(V1 − V2 )
dt

(3.13)

năng lượng gia tăng được thực hiện trong luồng gió được cho bởi:
dF=Fdx

(3.14)

từ các thành phần công suất của các luồng gió là:
P=

dE
dx

1
2
P=ρSV(V -V
)2
2
1

(3.18)

2

hai biểu thức công suất P tương đương diển tả trong phương trình (3.16) và
(3.18) , chúng ta nhận được:
P=

1
ρ SV (V 2 − V 2 ) = ρ SV 2 (V1 − V2 )
2
1

2

(3.19)

các biểu hiện cuối cùng ngụ ý rằng:

hoặc

1 2
1


1
ρ S .(V12 − V22 )
2

1
ρ S .(V1 + V2 ) 2 (V1 − V2 )
4
1
= ρ S .(V 2 − V22 ) 2 (V1 + V2 )
4

(3.22)

F=ρSV 2 .(V1 − V2 ) =

(3.23)

1

gọi b là nhân tố nhiễu của năng lượng gió qua cánh quạt, nhân tố b bằng tỷ lệ
tốc độ đầu cánh quạt V1 chia tốc độ V2 sau cánh quạt
b=

V1
V2

(3.24)

từ phương trình (3.22) lực F có thể được diển tả như sau:

dụng phương trình. (3.9) như sau:
1
3
P 2 ρ SV
1
Joules watts
P= =
= ρV 3 ,( 2 ),( 2 ).
S
S
2
m .s
m
•

(3.27)

Thành phần điện động học của các luồng gió đầu cánh quạt không bị
nhiễu với V = V1 và trên một diện tích mặt cắt ngang S trở thành:
1
joules
W= ρ SV13 ,( 2 m 2 ), watts.
2
m .s

(3.28)

3.6.2.6.Hệ số hiệu suất của turbine

Hệ số hiệu suất là tỷ lệ thứ nguyên của công suất khai thác P với công

Bảng 3.3 Hệ số hiệu suất Cp và các nhân tố nhiễu b
Cp 0.5 0.545 0.576 0.592 0.593 0.588 0.563 0.512 0.434 0.324 0.181 0
b 0
0.1
0.2
0.3
1/3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8 0.9 1
Khi b = 1, V1 = V2 và luồng gió không bị xáo trộn, dẫn đến một hiệu
suất bằng không. Khi b = 0, V1 = 0, turbine dừng tất cả các luồng không khí
và hiệu suất bằng 0,5. Nó có thể được nhận thấy từ đồ thị hệ số hiệu suất đạt
đến một tối đa khoảng b = 1/3
3.6.2.7.Hệ số hiệu suất lớn nhất, giới hạn BETZ

Trong định luật Bezt giá trị tối đa của hệ số hiệu suất Cp được tính theo
quy tắc dây chuyền của sự khác biệt:
d
dv
du
(u.v) = u + v
dx
dx
dx
lấy đạo hàm riêng của phương trình (3.30) ta có.



= -1, ⇒ V2 = -V1
V1

(3.32)

và nghiệm tự nhiên thực tế

( 1-3b ) =0
b=

V2 1
1
= , ⇒ V2 = V1
V1 3
3

(3.33)

Điều đó có nghĩa là hoạt động tối ưu, vận tốc V2 sau cánh quạt bằng
một phần ba của vận tốc V1 đầu cánh quạt. Giá trị tối đa của hệ số hiệu suất Cp
từ phương trình (3.30) trở thành:

1
1 − b2 ) ( 1 + b )
(
2
1
1  1 
= 1 − ( ) 2 ÷1 + ÷
2

1
1
V
2
( V1 +V2 ) =  V1 + 1 ÷= V1
2
2
3 3

(3.36)

từ phương trình liên tục (3.12) ta có kết quả như sau:
•

m = ρ S1V1 = ρ SV = ρ S 2V2 = cons tan t
V1 3
S1
V 2
V
S 2 = S1 1 = 3S1
V2
S = S1

(3.37)

Điều này ngụ ý rằng các tiết diện của hướng gió thổi luồng không khí
sau cánh quạt của turbine mở rộng gấp 3 lần diện tích của luồng gió đầu cánh
quạt.
3.6.2.8. Khai thác công suất của turbine lý tưởng


l
Pideal

Pupwind

Công suất khai thác của turbine lý tưởng
Công suất trước cánh quạt

Pdownwind Công suất sau cánh quạt

(3.38)


62

Điều này cho thấy giá trị 8/9 của năng lượng trong luồng gió trước cánh
quạt có thể được chiết xuất bởi turbine. Đó là một kết quả rối loạn kể từ khi
luồng gió trước cánh quạt có một tiết diện nhỏ hơn tiết diện chắn bởi turbine.
Phương pháp tiếp cận thứ hai mang lại kết quả chính xác bằng cách xác định
lại công suất khai thác tại các turbine gió bằng cách sử dụng các diện tích của
turbine là S = 3/2 S1.
1 8
ρ ( S1V13 )
2 9
1 82 3
= ρ(
SV1 )
2 93
1 16
= ρ ( S1V13 )


1
ρSV13
2

(3.41)

vì vậy, công suất cơ thực tế theo vòng quay của cánh quạt là:
1
Pm = CρSV
=13C P
p
2

p w

(3.42)


63

Hình 3.19. Hệ số turbine gió
Công suất cơ theo vòng quay cánh quạt được nối với một cơ cấu truyền
động hoặc hộp số đưa vào hiệu suất của cơ cấu truyền động hoặc hộp số, để
truyền tải công suất được cho bởi :
Pt =Cηp

t

1


Pe =CF.CηP ηt

g

]

(3.45)

các turbine gió tương tự có thể được gắn liền với kích cỡ cơ cấu truyền dẫn và
máy phát điện khác nhau sản xuất ra lượng điện năng khác nhau.
3.6.2.10. Hệ số vận tốc gió tại đầu cánh
Trong thiết kế turbine điện gió, hệ số vận tốc gió tại đầu cánh λ là tỉ lệ
giữa vận tốc tại vòng quay của đầu cánh quạt và vận tốc của luồng gió thổi đến
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

(3.46)