Tiểu luận Năng lượng gió

1 Tiểu luận NĂNG LƯỢNG GIÓ 2 NĂNG LƯỢNG GIÓ Trong bối cảnh sự thay đổi khí hậu đang ngày càng hiện hữu thì người ta ngày càng ý thức được hơn sự hữu hạn của các nguồn tài nguyên. Giá dầu khí và giá lương thực tăng từng ngày, cùng với đó là sự tăng trưởng không ngừng của dân số thế giới báo hiệu sẽ nổ ra một cuộc cạnh tranh gay gắt hơn trong cuộc đua tìm kiếm các nguồn năng lượng và các tài nguyên khác. Nhưng cùng với đó là sự đa dạng sinh học, một kho báu của các nguồn tài nguyên kinh tế chưa được khai thác, lại đã và đang bị đe dọa và hủy hoại một cách vô trách nhiệm. Trong khi đó, gió là một nguồn năng lượng sạch và vô hạn, nó miễn dịch với những biến động và biến động của ngành công nghiệp nhiên liệu hóa thạch. Ý tưởng dùng năng lượng gió để sản xuất điện hình thành ngay từ thời Trung cổ. Từ sau những cuộc khủng hoảng dầu trong thập niên 1970 việc nghiên cứu sản xuất năng lượng từ các nguồn khác được đẩy mạnh trên toàn thế giới. Mặc dù điện gió bắt đầu được thế giới nghiên cứu từ 25 năm trước, nhưng chỉ trong gần 10 năm trở lại đây nó mới khẳng định được vị trí trên thị trường năng lượng thế giới khi sản lượng điện gió tăng trưởng một cách ngoạn mục với tốc độ trung bình 28%/năm, cao nhất trong tất cả các nguồn năng lượng hiện có. Một nghiên cứu mới cho rằng, chỉ riêng gió mặt đất cũng có thể bảo đảm hơn 20 lần năng lượng tiêu thụ của toàn thế giới, còn những turbines trên diều không khí về tiềm năng có thể thu được một số lượng năng lượng lớn hơn đến 100 lần nhu cầu hiện nay. Điều đó chứng tỏ gió là nguồn năng lượng hiện đại số một trên thế giới hiện nay. 3 Chương một: Tổng quan về năng lượng gió 1. Khái niệm Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái Đất. Năng lượng gió là một hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời. 2. Sự hình thành năng lượng gió NGUYÊN NHÂN HÌNH THÀNH GIÓ Bức xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất không đồng đều làm cho nước và bầu khí quyển nóng lên không đều nhau, dẫn tới sự chênh lệch về áp suất làm cho không khí dịch chuyển tạo thành gió. VD mặt ban ngày của Trái Đất nhận được nhiều ánh sáng mặt trời hơn mặt ban đêm và cường độ bức xạ ở xích đạo lớn hơn ở 2 cực Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay quanh trục của Trái Đất nên không khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển động thẳng mà tạo thành các cơn gió xoáy có chiều xoáy khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu. Trục quay của Trái Đất nghiêng so với mặt phẳng quỹ đạo do nó tạo thành khi quay quanh Mặt Trời tạo thành các dòng không khí theo mùa. Gió địa phương. VD gió biển: ban ngày gió thổi từ biển vào đất liền, ban đêm gió thổi theo chiều ngược lại. 4 3. Vật lý học về năng lượng gió Năng lượng gió là động năng của không khí chuyển động với vận tốc v. Khối lượng đi qua một mặt phẳng hình tròn vuông góc với chiều gió trong thời gian t là: ݉ = ߩܸ = ߩܣݒݐ = ݌ߨݎଶݒݐ ρ: tỷ trọng của không khí V: là thể tích khối lương không khí đi qua mặt cắt ngang hình tròn diện tích A, bán kinh r trong thời gian t. Vì thế động năng E và công suất P của gió là: ܧ = 12݉ݒଶ = ߨ2 ߩݎଶݐݒଷ ܲ = ܧ ݐ = ߨ2 ߩݎଶݒଷ Ta thấy công suất gió tăng theo lũy thừa 3 của vận tốc gió nên vận tốc gió là một trong những yếu tố quyết định khả năng sử dụng năng lượng gió. Công suất gió có thể được sử dụng thông qua một turbines để phát điện, nhỏ hơn rất nhiều so với năng lượng của luồng gió vì vận tốc của gió ở phía sau một turbines không thể giảm xuống bằng không. Trên lý thuyết chỉ có thể lấy tối đa là 59,3% năng lượng tồn tại trong luồng gió. 4. Ưu, nhược điểm của năng lượng gió Ưu điểm Nhược điểm - Là một nguồn tài nguyên tái tạo hoàn toàn, sạch và không gây ô nhiễm môi trường. - Nguồn nguyên liệu miễn phí, không tốn nhiên liệu. - Chi phí vận hành thấp. - Hiệu suất cao. - Lợi nhuận cao, giá thành thấp. - Tốn ít diện tích xây dựng, không ảnh hưởng nhiều đến trồng trọt và chăn nuôi. - Có thể lắp turbines gió ở nhiều địa hình khác nhau nên tiết kiệm được chi phí truyền tải. - Hầu như vô cùng bền vững. - Vốn đầu tư ban đầu lớn, chi phí lắp ráp và chi phí bảo trì cao. - Phải có trình độ kỹ thuật cao khi thiết kế và vận hành. - Phụ thuộc hoàn toàn vào thời tiết. - Ô nhiễm tiếng ồn. - Turbines quay ảnh hưởng đến tầm quan sát xa và nhiễu sóng vô tuyến. => Ngoài ra còn 1 số ảnh hưởng khác nhưng các ảnh hưởng này đều không đáng kể. 5 5. Ứng dụng của năng lượng gió Từ lâu năng lượng gió đã được con người biết đến và sử dụng để tạo thành cơ năng thay thế cho sức lao động nặng nhọc của con người. Thế kỷ XIV, năng lượng gió đã được sử dụng để tạo công cơ học nhờ các cối xay gió, làm di chuyển thuyền buồm và khinh khí cầu. Cùng với sự phát triển của Khoa học kỹ thuật hiện đại và nhu cầu năng lượng, đặc biệt là năng lượng sạch, năng lượng gió được chú trọng trong nghiên cứu phát triển và có nhiều ứng dụng trong cuộc sống. Cối xay gió Thuyền buồm Khinh khí cầu Năng lượng gió được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như kinh tế, du lịch, chính trị như xe chạy bằng năng lượng gió tiết kiệm nhiên liệu, các turbines gió cho các động cơ máy bay phản lực dùng trong chiến tranh, các cánh đồng gió mang lại cảnh quan đẹp thu hút khách du lịch,... Đặc biệt, động cơ gió còn có ứng dụng quan trọng trong bơm nước và công nghệ phát điện. Năng lượng gió có rất nhiều ứng dụng 5.1. Ứng dụng động cơ gió bơm nước Động cơ gió bơm nước có hai loại máy bơm nước hỗ trợ là máy bơm qua lại truyền thống và hệ thống máy bơm khí nén. Máy bơm qua lại truyền thống có cối xay gió nằm trực tiếp trên nguồn nước. Bơm nước bằng guồng đạp nước truyền thống có chi phí rẻ nhưng hiệu suất thấp hoặc bằng bơm piston hoặc bơm màng để hiệu suất cao hơn. 6 Hệ thống bơm khí nén được sử dụng phổ biến hơn vì chi phí thấp. Đây là loại máy bơm dựa vào hoạt động của cối xay gió để nén khí kích hoạt máy bơm nằm trong nước. Nước được bơm cho đến khi van nổi lên để đóng mở cửa, đồng thời khí nén hất nước ra cửa bơm và đẩy lên máng. Động cơ gió bơm nước 5.2. Ứng dụng động cơ gió phát điện Đây là ứng dụng quan trọng nhất của động cơ gió. Dựa trên nguyên tắc hoạt động của cối xay gió, người ta nghiên cứu máy phát điện gió để sản xuất điện năng. Trên cơ sở áp dụng những thành tựu mới của khoa học công nghệ, các cánh gió của cối xay gió cũng như các thiết bị xây dựng được chế tạo đặc biệt hơn thành turbines gió. Hệ thống phát điện gió 7 Chương hai: Turbines gió 1. Phân loại - Turbines gió trục ngang (cánh dạng khí động). - Turbines gió trục đứng: dạng cánh phẳng trục đứng. dạng roto cánh tròn trục đứng. trục đứng Darrieus. Nội dung Turbines gió cánh dạng khí động (được sử dụng rộng rãi nhất) Turbines gió cánh phẳng trục đứng Cấu tạo cánh gió Có dạng khí động học, cho hiệu suất sử dụng rất cao, sử dụng cho động cơ gió phát điện. - Cánh gió phẳng. - Hai bên trục là hai phần cánh gió. Hoạt động của bánh công tác gió - Trục cánh gió trùng với hướng gió => R với lực thành phần Y tạo momen quay. - Khi bánh công tác gió quay, trên mỗi phân tố của cánh đều có dòng khí chảy vào. - Tam giác vận tốc và lực tác dụng lên cánh làm nó quay. Tại mỗi thời điểm chỉ một phần cánh gió chuyển động trùng hướng gió, phần kia xu hướng chuyển động ngược hướng gió. => chế tạo thêm tấm chắn thích hợp để làm giảm lực cản. Phân loại - Loại ít cánh (quay nhanh) với số cánh từ 1 đến 4. - Loại nhiều cánh (quay chậm) với số cánh tới 24. Hệ số sử dụng 0,3 – 0,42 0,1 – 0,18 Nhược điểm - Chi phí sản xuất khá cao. - Chỉ đón gió một hướng. - Vcánh ≤ Vgió - Bề mặt chiếm chỗ của bánh công tác gió gần như bị che phủ hoàn toàn. 8 Nội dung Turbines gió roto cánh tròn trục đứng Turbines gió trục đứng Darrieus (đang được nghiên cứu ứng dụng) Cấu tạo cánh gió Được cấu tạo bởi hai nửa hình trụ (như một thùng phuy bổ đôi) gộp so le với nhau và quay quanh trục thẳng đứng. - Hai cánh dạng thẳng và cong. - Cánh có biến dạng khí động học. Ưu điểm Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo Kết cấu gọn nhẹ nên có hiệu suất khá cao ~ 35% Nhược điểm - Tốc độ chậm (độ cao tốc Z = 0,9 – 1,0) - Tỷ trọng lớn. - Momen khởi động của động cơ lớn nhưng hiệu suất thấp – chỉ bằng 18%. - Sản xuất gợn sóng momen quay lớn, mang tính chu kỳ. - Momen xoắn ban đầu là rất thấp. * Đồ thị so sánh hiệu suất sử dụng năng lượng gió của các loại turbines gió: Hiệu suất sử dụng năng lượng gió của một số loại turbines gió 1. Cối xay gió cổ Hà Lan 2. Savorius 3. Nhiều cánh 4. Lý tưởng 5. Ba cánh 6. Hai cánh tốc độ cao 7. Darrieur 9 2. Turbines gió trục ngang 2.1: Cấu tạo Blades (Cánh quạt) Gió thổi qua các cánh quạt làm nó chuyển động và quay. Rotor Bao gồm cánh quạt và trục. Pitch (Bước răng) Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho rotor quay với tốc độ hợp lý nhất nhằm đạt hiệu suất sinh điện cao nhất. Nó bảo vệ cánh quạt và rotor trong điều kiện gió quá lớn. Blake (Phanh đĩa) Có thể áp dụng máy móc, điện, thủy lực để dừng rotor trong trường hợp khẩn cấp. Low – speed shaft (Trục tốc độ thấp) Rotor quay trục tốc độ thấp ở khoảng 30 đến 60 vòng một phút. Gear box (Hộp số) Kết nối các trục tốc độ thấp với trục tốc độ cao và tăng tốc độ quay từ khoảng 30 - 60 vòng/phút (rpm) khoảng 1000 - 1800 rpm. Generator (Máy phát điện) Thông thường, một máy phát điện cảm ứng sản xuất 60 chu kỳ AC điện. Controller (Bộ điều khiển) Khởi động máy với tốc độ gió khoảng 8-16 dặm/giờ (mph) và tắt máy tại khoảng 55 mph. Turbines không hoạt động ở tốc độ gió ở trên khoảng 55 mph vì họ có thể bị hư hỏng bởi những cơn gió cao. Anemometer (Máy đo gió) Bộ đo lường tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điểu khiển. Wind vane (Gió cánh) Để xử lý hướng gió và liên lạc với các ổ đĩa yaw để định hướng turbines gió. Nacelle (Thùng máy bay) Thùng máy bay nằm trên đỉnh tháp và bao gồm hộp số, trục thấp và tốc độ cao, máy phát điện, bộ điều khiển và phanh. High – speed shaft (Trục quay tốc độ cao) Ổ đĩa máy phát điện. Là trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao. 10 Yaw drive (Ổ đĩa Yaw) Dùng để giữ cho rotor luôn luôn hướng về hướng gió chính khi có sự thay đổi hướng gió. Yaw motor (Động cơ Yaw) Động cơ cung cấp cho “Yaw drive” định được hướng gió. Tower (Trụ đỡ Nacelle) Towers được làm từ thép ống, bê tông, hoặc lưới thép. Bởi vì tốc độ gió tăng lên với chiều cao, tháp cao cho phép turbines dễ nắm bắt năng lượng hơn và tạo ra nhiều điện hơn. 2.2: Nguyên lý làm việc Tăng tốc * Vì sao turbines trục ngang phổ biến hơn turbines trục đứng? Với thiết kế trục đứng cùng các cánh được bố trí lệch tâm bao quanh trục quay, turbines gió trục đứng có thể đón gió từ mọi hướng khác nhau mà không cần bánh lái định hướng. Thế nên turbines trục đứng sẽ có hiệu suất rất cao. Turbines gió trục đứng có nhiều ưu thế nổi trội hơn các turbines trục ngang như chúng có thể được lắp đặt gần nhau hơn trong các trang trại gió, tiết kiệm không gian sản xuất. Turbines gió trục đứng có kết cấu khá đơn giản, không gây ra nhiều tiếng ồn và không yêu cầu nhiều vào cấu trúc hỗ trợ. Nó không đòi hỏi nhiều gió để phát điện, nên có thể được lắp gần mặt đất. Do đó mang lại thuận tiện trong việc bảo trì và có thể được cài đặt trên ống khói hoặc các cấu trúc tương tự. Tuy nhiên hiện nay trên thế giới, turbines trục đứng vẫn chưa được sử dụng phổ biến như turbines trục ngang do có một số hạn chế đang được nghiên cứu khắc phục. Turbines gió trục đứng thường có xu hướng chững lại theo hướng gió, lúc khởi động thường có momen xoắn rất thấp, nhưng sản xuất gợn sóng momen quay lại rất lớn và mang tính chu kỳ. Thiết kế của trục đứng khi gặp gió cánh quạt sẽ cong đi để đón gió nên chịu momen uốn, trong thời gian dài sẽ gây ra sự nứt và vỡ cánh quạt. Cánh quạt quay Roto quay Trục tốc độ thấp quay Hộp số Trục tốc độ cao quay Máy phát điện hoạt động ĐIỆN Điện sản sinh ra đi vào một máy biến áp, chuyển đổi điện của máy phát điện khoảng 700 V cho hệ thống phân phối 11 Tốc độ gió thay đổi theo chiều cao, càng lên cao thì tốc độ gió càng nhanh và mượt mà hơn do ma sát của gió với bề mặt Trái Đất. Thế nên để sử dụng tối ưu năng lượng gió, người ta phải lắp đặt động cơ càng cao so với mặt đất càng tốt. Cánh gió của turbines trục đứng thường được lắp gần mặt đất nên không đón được gió vận tốc cao như ở trục ngang. 3. Tính toán lắp đặt turbines gió 3.1: Các điều kiện lắp đặt Địa hình: Các turbines gió đặt ở ven biển cho sản lượng cao hơn các trạm nội địa vì bờ biển thường có gió mạnh. Giải pháp này tiết kiệm đất xây dựng, đồng thời việc vận chuyển các cấu kiện lớn trên biển cũng thuận lợi hơn trên bộ. Những mỏm núi, những đồi hoang không sử dụng được cho công nghiệp, nông nghiệp cũng có thể đặt được turbines gió. Trường hợp này không cần làm trụ đỡ cao, tiết kiệm đáng kể chi phí xây dựng. Ngoài ra, turbines gió còn có thể được đặt trên nóc tòa nhà cao tầng hoặc khu chế xuất. Vận tốc gió: Các turbines gió có thể phát điện khi tốc độ gió từ 3 m/s và tự ngừng phát điện khi tốc độ gió vượt quá 25 m/s. Tốc độ gió hiệu quả từ 10 - 17 m/s. Công suất: Tùy theo mục đích sử dụng mà tính toán công suất cho turbines gió, có thể từ 1 kW tới hàng chục ngàn kW. 12 3.2: Tính toán sơ bộ các đặc tính của turbines gió 3.2.1: Một số thông số của turbines gió Đường kính cánh gió: ܦ = ඨ2080 ܰ ܸଷߦ ߟ m V: tốc độ gió (m/s). D: công suất (kW). ξ: hệ số sử dụng năng lượng gió. Số vòng quay của cánh gió: ݊ = 30߱ ߨ = 30ܼܸ ߨܴ vòng/phút Z: độ cao tốc đặc trưng cho độ quay nhanh của cánh gió. R: bán kính của công tác gió (m). V: vận tốc gió (m/s) 3.2.2: Biên dạng cánh 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. 3.2.3: Chọn số cánh - Với turbines gió phát điện yêu cầu tốc độ cao, hiệu suất cao nhưng không đòi hỏi momen khởi động lớn, nên dùng ít cánh, thường là 2 đến 3 cánh với prophin dạng khí động học. - Với turbines gió bơm nước không yêu cầu tốc độ cao nhưng đòi hỏi momen khởi động lớn nên phải có nhiều cánh, thông thường là từ 10 đến 24 cánh và chỉ dùng dạng cánh tấm công hiệu suất thấp hơn. 13 Chương ba: Ngành công nghiệp gió trên thế giới 1. Lịch sử phát triển năng lượng gió - Từ 5000 năm trước Công nguyên, loài người đã biết vận dụng gió để làm lực đẩy các thuyền buồm trên sông Nile ở Ai Cập. Vào khoảng 2000 năm trước Công nguyên, người Lưỡng Hà đã biết dùng cánh quạt gió để dẫn thủy nhập điền. Trong lúc đó, vào khoảng 700 năm sau Công nguyên, người Ba Tư và các dân tộc vùng Trung Đông dùng quạt gió có trục đứng để xay lúa mì và các loại hạt. - Thế kỷ 13 sau Công nguyên, châu Âu và Trung Quốc bắt đầu phát triển cối xay gió trục ngang và cả trục đứng. - Thế kỷ 14, các cối xay gió được xây dựng như các nhà máy bằng gỗ, bằng gạch hoặc đá ở Hà Lan để xay ngũ cốc và thoát nước. - 1887, Jame Blyth là người đầu tiên tạo ra điện bằng một turbines gió trục dọc. - 1888, chế tạo thành công turbines gió quy mô lớn Charles Brush. - 1931, phát minh ra turbines gió Darrieus. - 1902, turbines gió được ứng dụng làm máy phát điện trên tàu buồm "Chance", New Zealand. - 1941, turbines gió kích thước megawatt đầu tiên trên thế giới được Hoa Kỳ chế tạo. - Trong thế kỷ 20, năng lượng gió đã trải qua nhiều giai đoạn thăng trầm. Ngay sau khi Thế chiến thứ hai chấm dứt, giá dầu sụt giảm mạnh nên công nghệ gió hầu như bị ngưng trệ hoàn toàn. Nhưng khi khủng hoảng dầu hỏa nổ ra vào thập niên 70, công nghệ nghiên cứu và phát triển nguồn điện năng này lớn mạnh ngay sau đó. - 1980, các trang trại gió bắt đầu được xây dựng. - 1990, bắt đầu phát triển các turbines gió đa-megawatt. - 2008, nhiều nước đầu tư khai thác năng lượng gió, đánh dấu sự phát triển mạnh mẽ nhất của ngành công nghiệp gió trên thế giới. 2. Tình hình phát triển năng lượng gió 2.1: Tình hình chung Hiện nay trên thế giới có hàng ngàn turbines gió đang hoạt động với tổng công suất khoảng 239 MW, trong đó điện gió tại châu Âu chiếm 55% (2011). Trong vòng 10 năm (2001 – 2011), công suất điện gió lắp đặt của thế giới tăng gần 10 lần. 81% việc lắp đặt điện gió là ở Mỹ và châu Âu (Đức, Tây Ban Nha) và một số nước châu Á (Trung Quốc, Ấn Độ). 14 Công suất lắp đặt điện gió tăng nhanh nhất vào năm 2009, ở mức 32% so với năm 2008, đánh dấu sự phát triển rộng rãi của ngành công nghiệp điện gió cũng như sự đầu tư của các nước phát triển vào nền công nghiệp này. Cho đến năm 2008, Đức vẫn là nước dẫn đầu thế giới về công suất lắp đặt điện gió. Nhưng trong các năm gần đây, cùng với sự phát triển của công nghệ điện gió, các nước khác cũng đã vươn lên mạnh mẽ và đạt được sự tăng trưởng đáng kể. Đến năm 2010, Trung Quốc đã vươn lên dẫn đầu thế giới với tổng công suất lắp đặi điện gió là 42.3 GW. Đứng thứ hai là Hoa Kỳ, Đức rơi xuống vị trí thứ 3. STT Quốc gia Công suất (MW) STT Quốc gia Công suất (MW) 01 Đức 22.247 11 Ca-na-đa 1.846 02 Mỹ 16.818 12 Hà Lan 1.746 03 Tây Ban Nha 15.145 13 Nhật 1.538 04 Ấn Độ 8.000 14 Áo 982 05 Trung Quốc 6.050 15 Hy Lạp 871 06 Đan Mạch 3.125 16 Úc 824 07 Ý 2.726 17 Ai-len 805 08 Pháp 2.454 18 Thụy Điển 788 09 Anh 2.389 19 Na Uy 333 10 Bồ Đào Nha 2.150 20 Newziland 322 Những nước khác 2.953 Thế giới 94.112 Công suất định mức lắp đặt turbines gió trên thế giới (2007) 15 Tuy nhiên, năm 2010 thị trường điện gió đã giảm lần đầu tiên trong 20 năm, giảm 7% so với 38,6 GW vào năm 2009, nguyên nhân chủ yếu là do một năm đáng thất vọng tại Mỹ, cũng như suy giảm ở châu Âu. Đây là một kết quả của cuộc khủng hoảng tài chính, sự sụt giảm của các đơn đặt hàng turbines gió, nhu cầu về điện OECD sụt giảm. Hoa Kỳ, một thị trường truyền thống về năng lượng gió mạnh nhất, đã giảm 50% lượng lắp đặt từ 10 GW trong năm 2009 xuống chỉ còn hơn 5 GW vào năm 2010. Sự phát triển theo thời gian đã làm cho giá thành điện năng phát ra từ turbines gió giảm từ 6,15 UScent/kWh (năm 1995) xuống còn 4,6 UScent/kWh (năm 1999) và đến năm 2005 chỉ còn 3,91 UScent/kWh. Giá thành lắp đặt tua-bin gió hiện tại trung bình vào khoảng 1000 USD/kW. Với giá thành điện năng sản xuất từ điện gió ngày càng rẻ, kỹ thuật ngày càng tin cậy, "Năng lượng gió hiện đang nhanh chóng vượt ra khỏi thị trường “nước giàu” truyền thống, khiến sự cạnh tranh tăng lên". Đây là một xu hướng chúng ta đang mong đợi cho sự phát triển hơn nữa trong tương lai, không chỉ ở riêng châu Á. mà còn ở châu Mỹ Latinh, đặc biệt là Brazil và Mexico, và ở cả hai miền Bắc lẫn tiểu vùng Sahara châu Phi. * Nhà máy điện gió ngoài khơi có công suất lớn nhất thế giới: Ngày 15/2/2012, nhà máy điện gió Walney ngoài khơi biển Cumbria (Vương quốc Anh) vừa chính thức đi vào hoạt động. Với 102 turbines trải rộng trên diện tích 73km2 trên biển cho khả năng sản xuất tối đa 367,2MW điện, Walney được cho là nhà máy điện gió trên biển lớn nhất thế giới. Với công suất này, Walney có thể cung cấp đủ điện cho khoảng 320.000 hộ dân - một nửa dân số vùng Cumbria. Nhà máy điện Walney được chia thành hai cụm: Walney 1 và Walney 2. Walney 1 gồm 51 turbines cao 137m. Mỗi turbines có đường kính vòng quay cánh quạt 107m. Walney 2 cũng có 51 turbines nhưng có chiều cao đến 150m. Mỗi turbines có ba cánh quạt 18 tấn, đường kính vòng quay 120m. Mặc dù có sự khác biệt về kích thước giữa hai cụm máy nhưng công suất mỗi turbines đều là 3,6MW. 16 * Turbines gió lớn nhất thế giới: Ngày 10/10/2012, các chuyên gia của Hãng Vestas (Đan Mạch) cho biết họ đã chế tạo thành công turbin gió lắp đặt ngoài khơi có số hiệu V164 với đường kính 164 m, công suất 7-8 MW. Trước đó, kỷ lục đường kính cánh quạt thuộc về mẫu G10X do Hãng Gamesa (Tây Ban Nha) lắp đặt, với 128 m và công suất 4,5 MW. Vestas thì không chỉ đạt công suất 8 MW mà dòng turbin gió V164 còn có chi phí thấp hơn, bền và ổn định hơn. Hiện Hãng Vestas đang tiếp tục thử nghiệm cho đến đầu năm 2013, dự kiến các turbin V164 sẽ được chính thức lắp đặt vào năm 2014. 2.2: Các nước phát triển hàng đầu Đức: Là nước dẫn đầu thế giới về phát triển điện gió. Đến cuối năm 2003, tổng công suất lắp đặt điện gió của nước Đức đã đạt đến 14.600MW, chiếm hơn một nửa của toàn Châu Âu, hơn 1/3 của toàn thế giới, Năm 2010, lượng điện gió chiếm 7% tổng lượng điện toàn quốc. Nước Đức đã có quy hoạch dài hạn mới về phát triển điện gió, mục tiêu là đến năm 2025 sẽ đưa tỷ lệ trên lên ít nhất 25%, đến năm 2050 là 50%. 17 Công suất lắp đặt turbines gió của Đức so với châu Âu và toàn thế giới Hoa Kỳ: Từ thế kỷ 20 đến nay, Hoa Kỳ đã trở thành một trong những thị trường lớn nhất về điện gió. Năm 2007, với công suất lắp đặt là 5329 MW, thị trường năng lượng gió Hoa Kỳ đã tăng thêm 27% so với toàn cầu. Texazs tiếp tục trở thành trung tâm phát triển dự án năng lượng gió ở Hoa Kỳ với dự án năng lượng gió có công suất hơn 45GW đang được triển khai. Trung Quốc: Năm 2004 Trung Quốc đã có 43 khu điện gió với tổng công suất là 850 MW. Tính đến cuối năm 2011, Trung Quốc đã dẫn đầu thế giới về năng lượng gió với tổng công suất lắp đặt năng lượng gió lên tới 62,4 GW. Mục tiêu đến năm 2020, công suất điện gió của nước này sẽ tăng lên tới 20GW, gấp 10 lần công suất hiện tại. Đan Mạch: Thu nhập về xuất khẩu các sản phẩm điện gió của Đan Mạch hàng năm đã đạt đến 5-6 tỷ USD, sản phẩm máy phát điện gió của Đan Mạch chiếm 60-70% thị trường thế giới. Đan Mạch hiện đang là nước đứng đầu thế giới về phát triển năng lượng gió với hơn 22% lượng điện của Đan Mạch được sản xuất từ nguồn năng lượng này. Anh: Đến năm 2010, Anh đã lắp đặt 3.000 tổ máy điện gió cỡ lớn tại bờ biển phía đông và phía tây để có thể cung cấp điện gió cho 1/6 tổng số hộ gia đình. Điện gió chiếm 15% tổng lượng điện phát ra của toàn nước Anh. 18 3. Khái quát năng lượng gió tại Việt Nam Đối với Việt Nam, tại các tỉnh vùng duyên hải chạy dài từ Ninh Thuận đến mũi Né, Bình Thuận là những vùng thuận lợi lớn để thiết trí các hệ thống turbines gió (vận tốc trung bình 6-7 m/s → công suất 3-3.5 MW). Trong một tương lai không xa, ước tính vào khoảng 30 năm nữa, các nguồn năng lượng hóa thạch như than đá, dầu khí sẽ dần dần bị cạn kiệt; thủy điện sẽ trở thành một hiểm họa lớn cho môi trường. Trong lúc đó điện năng từ các lò phản ứng hạt nhân vẫn còn là một khái niệm mơ hồ cho các nhà làm khoa học Việt Nam. Cuối cùng, chỉ còn lại hai nguồn điện năng sạch và có tính khả thi cao: đó là nguồn năng lượng mặt trời và năng lượng gió. Theo kết quả khảo sát của Ngân hàng Thế giới trong Chương trình đánh giá về năng lượng cho Á Châu, Việt Nam là một quốc gia có tiềm năng về năng lượng gió cao nhất Đông Nam Á, với 513.360 MW, tức là hơn 200 lần công suất của thủy điện Sơn La khi hoàn tất, và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện Việt Nam năm 2020. Nhà máy điện gió Tuy Phong 1 vừa chính thức được khánh thành và đi vào hoạt động ngày 18/4/2012. Đây là nhà máy điện gió đầu tiên của Việt Nam, được đặt tại xã Bình Thạnh, huyện Tuy Phong, tỉnh Bình Thuận, do công ty cổ phần Năng lượng tái tạo Việt Nam (REVN) đầu tư xây dựng với tổng vốn khoảng 2.000 tỷ đồng. Khởi công năm 2008, nhà máy có tổng công suất 30 MW, sử dụng 20 turbines gió loại 1.5 MW của Đức. Ngay sau khi đưa vào khai thác, nhà máy sẽ được kết nối vào lưới điện quốc gia (cấp 110kV), hàng năm cung cấp khoảng 85 triệu kWh điện và giảm phát thải 58.000 tấn CO2/năm. 19 Thiết nghĩ, ngay từ bây giờ, đã đến lúc Việt Nam cần phải quan tâm và bắt đầu xây dựng mạng lưới của hai nguồn điện năng này. Đây là một đầu tư đúng đắn và lâu dài cũng như khá tốn kém. Nếu không có những chuẩn bị ngay tức khắc, thì cuộc khủng hoảng năng lượng nhiều phần có thể xảy ra cho Việt Nam trong tương lai. Với đà gia tăng dân số hiện tại, với nhu cầu phát triển kinh tế hầu thâu ngắn cách biệt giàu - nghèo so với các quốc gia lân bang, thêm một lý do nữa để Việt Nam cần phải đẩy mạnh nguồn sản xuất năng lượng theo cấp số nhân chứ không phải cấp số cộng như hiện nay. 20 MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................................ 1 Chương một: Tổng quan về năng lượng gió ............................................................................ 2 1. Khái niệm ................................................................................................................................. 2 2. Sự hình thành năng lượng gió .................................................................................................. 2 3. Vật lý học về năng lượng gió ................................................................................................... 3 4. Ưu, nhược điểm của năng lượng gió ........................................................................................ 3 5. Ứng dụng của năng lượng gió .................................................................................................. 4 Chương hai: Động cơ gió ........................................................................................................... 6 1. Phân loại ................................................................................................................................... 6 2. Turbines gió trục ngang ............................................................................................................ 8 2.1: Cấu tạo ................................................................................................................................... 8 2.2: Nguyên lý làm việc ................................................................................................................ 9 3. Tính toán lắp đặt động cơ gió .................................................................................................. 10 3.1: Các điều kiện lắp đặt ............................................................................................................ 10 3.2: Tính toán sơ bộ các đặc điểm của turbines gió .................................................................... 11 Chương ba: Ngành công nghiệp gió trên thế giới ................................................................... 13 1. Lịch sử phát triển năng lượng gió ............................................................................................ 14 2. Tình hình phát triển năng lượng gió ........................................................................................ 14 2.1: Tình hình chung .................................................................................................................... 15 2.2: Các nước phát triển hàng đầu ............................................................................................... 16 3. Khái quát năng lượng gió tại Việt Nam ................................................................................... 17