BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------HỌ VÀ TÊN: ĐINH THỊ TRUNG HIẾU

ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
NGHIÊN CỨU BỘ BIẾN ĐỔI ỨNG DỤNG TRONG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ
LOẠI MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ CÓ TRỤC NỐI CỨNG VỚI TURBINE GIÓ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH: THIẾT BỊ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
1. TS. Nguyễn Thế Công

Hà Nội – 2014

1


LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Đinh Thị Trung Hiếu
Sinh ngày 02 tháng 03 năm 1982
Học viên lớp cao học Khóa 2011B; Lớp 11BKTĐTBĐ.KH; Ngành Kỹ
thuật điện, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Hiện đang công tác tại Trường Đại học Hải Dương.
Xin cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu bộ biến đổi ứng dụng trong máy phát
điện gió loại máy phát đồng bộ có trục nối cứng với tuabine gió” do thầy giáo,
TS. Nguyễn Thế Công hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các
tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.
Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội
dung trong đề cương và yêu cầu của Thầy giáo hướng dẫn. Nếu sai tôi hoàn toàn
chịu trách nhiệm trước Hội đồng khoa học Nhà trường và trước pháp luật.

Hà Nội, ngày tháng năm 2014
Tác giải luận văn

Đinh Thị Trung Hiếu

2


LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương, được sự động viên,
giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy giáo hướng dẫn TS. Nguyễn Thế Công,
luận văn với đề tài “Nghiên cứu bộ biến đổi ứng dụng trong máy phát điện gió
loại máy phát đồng bộ có trục nối cứng với tuabine gió” đã hoàn thành.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:
Thầy giáo hướng dẫn TS. Nguyễn Thế Công đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả
hoàn thành luận văn này.
Khoa đào tào Sau đại học; Các thầy giáo, cô giáo Viện điện – Trường Đại
học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập tại Trường,
cũng như quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn.
Toàn thể đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân đã quan tâm, động
viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành bản luận văn.

Tác giải luận văn

Đinh Thị Trung Hiếu

3



MỤC LỤC
NỘI DUNG

Trang

Trang phụ bìa

1

Lời cam đoan

2

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

6

Danh mục các bảng

7

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

7

PHẦN MỞ ĐẦU

10

Chƣơng 1 – TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG GIÓ


13

1.1. Sơ lược về phát triển năng lượng gió trên thế giới

13

1.1.1 Nhu cầu và hiện trạng phát triển năng lượng gió

13

1.1.2. Những ưu điểm của phong điện

16

1.1.3. Lịch sử phát triển của công nghệ điện gió

17

1.2. Tình hình nghiên cứu và khai thác năng lượng gió ở Việt Nam

19

1.2.1. Nhu cầu năng lượng của Việt Nam

19

1.2.2. Tiềm năng năng lượng gió ở Việt Nam

20


1.2.3. Quá trình phát triển công nghệ năng lượng gió ở Việt Nam

25

1.2.4. Cơ hội và thách thức khi triển khai dự án điện gió

27

Chƣơng 2 – TỔNG QUAN CÁC HỆ PHONG ĐIỆN HIỆN NAY

30

2.1 Đặc điểm của gió và biến đổi năng lượng

30

2.1.1 Đặc điểm của gió

30

2.1.2 Sự biến đổi năng lượng khí động học thành năng lượng điện

32

2.2 Khí động lực học của tuabin gió

35

2.2.1 Động lực học cánh gió tuabin


35

2.2.2 Động lực học của rotor

38

2.3 Các công nghệ điện gió hiện nay trên thế giới

40

2.4. Các cấu trúc điển hình máy phát gió đang sử dụng hiện nay

49

2.4.1. Máy phát không đồng bộ lồng sóc (IG)

49

2.4.2. Máy phát KĐB roto dây quấn (Nguồn kép – DFIG)

50

4


2.4.3. Máy phát ĐB nam châm vĩnh cửu (PMSG)

51


Chƣơng 3 – NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾT BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN

53

3.1. Giới thiệu chung về phương pháp điều khiển

53

3.2. Phương pháp điều khiển tựa từ thông FOC (Field Oriented Control )

54

3.2.1 Thiết kế bộ điều khiển tốc độ và dòng điện

57

3.2.2. Bộ điều khiển dòng điện trên trục q

58

3.2.3 Bộ điều khiển tốc độ theo trục q

63

3.2.4. Bộ điều khiển tốc độ theo trục d

66

3.3. Thuật toán điều khiển không cảm biến tốc độ (Sensorless control)


67

3.3.1. Xác định vị trí ban đầu

71

3.3.2. Ước lượng vị trí và tốc độ của roto

72

Chƣơng 4 – MÔ PHỎNG KẾT QUẢ BĂNG MATLAB/SIMULINK

79

4.1. Xây dựng sơ đồ khối sử dụng Matlab/Simulink

79

4.1.1. Khối ước lượng từ thông stator

79

4.1.2. Khối ước lượng hóa dòng điện stator

79

4.1.3. Khối hiệu chỉnh vị trí

80


4.1.4. Khối cập nhật giá trị từ thông

80

4.1.5. Khối hiệu chỉnh vị trí rotor

81

4.1.6. Sơ đồ kết nối điều khiển momen tựa từ thông FOC với máy

82

phát PMSG
4.1.7. Khối máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSG

83

4.1.8. Khối cân bằng cơ

83

4.1.9. Khối từ thông trục dq

84

4.1.10. Khối mô men điện từ

84

4.1.11. Sơ đồ khối điều khiển tựa từ thông FOC không cảm biến


85

4.2. Kết quả mô phỏng

86

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

88

TÀI LIỆU THAM KHẢO

89

5


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
KÝ HIỆU

STT

Ý NGHĨA

1

KĐB

Không đồng bộ


2

ĐB

Đồng bộ

3

NLTT

Năng lượng tái tạo

4

NLG

Năng lượng gió

5

BĐG

Bản đồ gió

6

VAWT

Tuabine gió trục đứng


7

HAWT

Tuabine gió trục ngang

8

DC

Bộ băm áp một chiều

9

DFIG

Máy phát không đồng bộ nguồn kép

10

PMSG

Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu

11

FOC

Thuật toán điều khiển momen tựa từ thông


6


DANH MỤC CÁC BẢNG
TÊN BẢNG

Trang

Bảng 1.1a. Biểu đồ cơ cấu năng lượng gió toàn cầu năm 2012

15

Bảng 1.1b. Tổng công suất lắp đặt năng lượng gió toàn cầu năm 2012

15

Bảng 1.2. Bảng cấp gió Beaufor

20

Bảng 1.3 Bảng tiềm năng gió ở Việt Nam

22

Bảng 1.4 Bảng tiềm năng năng lượng gió theo độ cao 80m

23

Bảng 1.5 Bảng tiềm năng năng lượng gió theo độ cao 65m


23

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang

TÊN HÌNH
Hình 1.1. Tổng năng lượng gió toàn cầu giai đoạn 1996 - 2012

14

Hình 1.2. Quá trình phát triển công nghiệ điện gió thương mại ở Mỹ

18

Hình 1.3. Các công nghệ điện gió theo vị trí đặt tua - bin

18

Hình 1.4 Biều đồ cơ cấu công suất nguồn điện đến năm 2020 ở VN

19

Hình 2.1. Hàm phân bố cho Rayleigh với các tốc độ gió khác nhau

31

Hình 2.2. Dữ liệu gió thử nghiệm

32


Hình 2.3. Khí động học chuyển đổi thành năng lượng điện

33

Hình 2.4. Tốc độ gió V và tốc độ đầu cánh

34

Hình 2.6. Hệ số công suất của các lọa tuabine gió

35

Hình 2.7. Đường cong biểu diễn Kp

36

Hình 2.8. Các lực tác dụng lên cánh gió

37

Hình 2.9. Tác dụng của gió lên các cánh

39

Hinh 2.10. Cấu tạo tuabin gió trục đứng

41

Hình 2.11. Cấu tạo tuabine gió trục ngang


42

Hình 2.12. Nhà máy điện gió Doesburger, Ede, Hà lan

43

Hình 2.13. Tua – bin 1, 2 và 3 cánh quạt

44

Hình 2.14. Tua-bin Darrieus cao 30 m ở đảo Magdalen (Pháp)

46

7


Hình 2.15. Tuabine Giromill

47

Hình 2.16 Sơ đồ cấu trúc máy phát không đồng bộ lồng sóc

49

Hình 2.17. Sơ đồ cấu trúc máy phát không đồng bộ roto dây quấn

50


Hình 2.18. Sơ đồ cấu trúc máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu

51

Hình 3.1. Sơ đồ thuật toán điều khiển theo PP tựa từ thông FOC

55

Hình 3.2. Phương pháp điều khiển tựa từ thông có cảm biến

56

Hình 3.3. Cấu trúc mạch vòng điều khiển trục d, q

57

Hình 3.4. Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện trục q

58

Hình 3.5. Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện trục q

59

Hình 3.6 Quỹ đạo nghiệm của bộ điều khiển dòng điện theo trục q

59

Hình 3.7 Đồ thị Bode của bộ điều khiển dòng điện theo trục q


62

Hình 3.8 Kết quả mô phỏng đáp ứng của bộ điều khiển dòng PI

62

Hình 3.9 Mạch vòng điều khiển tốc độ theo trục q

63

Hình 3.10 Cấu trúc mạch vòng điều khiển tốc độ trục q có bộ phản hồi

64

Hình 3.11 Đồ thị bode của bộ điều khiển tốc độ

66

Hình 3.12. Đồ thị bode của bộ điều khiển dòng điện theo trục d

67

Hình 3.13. Sơ đồ thuật toán điều khiển momen tựa từ thông FOC

68

Hình 3.14. Vecto sức điện động cảm ứng (e) trong hệ tọa độ quy chiếu

69


cố định
Hình 3.15 Sơ đồ của phương pháp điều khiển từ thông

71

Hình 3.16. Sơ đồ khối của thuật toán ước lượng vị trí roto

73

Hình 3.17. Đồ thị dự đoán vị trí của roto

77

Hình 4.1. Khối ước lượng từ thông

79

Hình 4.2. Khối ước lượng dòng điện stator

80

Hình 4.3 Kkhối hiệu chỉnh vị trí

80

Hình 4.4. Khối cập nhật giá trị từ thông

81

Hình 4.5 Khối hiệu chỉnh vị trí roto


81

Hình 4.6. Giao diện giữa FOC với PMSG

82

Hình 4.7. Khối máy phát PMSG

83

8


Hình 4.8. Khối cân bằng cơ

83

Hình 4.9. Khối từ thông trục dq

84

Hình 4.10. Khối mô men

84

Hình 4.11. Sơ đồ khối điều khiển từ thông FOC

85


Hình 4.12. Từ thông trục d – q

86

Hình 4.13. Kết quả vị trí và tốc độ của roto

86

Hình 4.14 Sức điện động và tốc độ máy phát

87

9


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
- Năng lượng là một trong những nhu cầu thiết yếu của con người và là một
yếu tố đầu vào không thể thiếu được của hoạt động kinh tế. Ngày nay trữ lượng
nhiên liệu hóa thạch như than, dầu, khí đang ngày càng cạn kiệt. Trong hoàn cảnh
đó, con người càng quan tâm đến việc tìm kiếm các nguồn năng lượng mới để thay
thế nhiên liệu hóa thạch, đáp ứng nhu cầu năng lượng của mình.
- Nguồn năng lượng tái tạo (renewable energy) là nguồn năng lượng phát
sinh từ các nguồn tài nguyên thiên nhiên như: tia nắng mặt trời, gió, mưa, thủy
triều, nhiệt từ lòng đất và vì thế các loại năng lượng này được tái tạo một cách tự
nhiên. Như vậy năng lượng gió là một trong các nguồn năng lượng tái tạo. Trên
phạm vi toàn cầu, năng lượng gió là nguồn năng lượng phát triển nhanh nhất và đã
phát triển nhanh chóng thành một ngành công nghiệp hoàn thiện và bùng nổ toàn
cầu. Ngoài ra phát triển năng lượng gió góp phần cải thiện ô nhiễm môi trường. Tuy
nhiên nếu muốn đẩy mạnh nguồn năng lượng này trong tương lai, chúng ta cần phải

hoàn chỉnh thêm công nghệ cũng như làm thế nào để đạt được năng suất chuyển
động năng của gió thành điện năng cao, để từ đó có thể hạ giá thành và cạnh tranh
được với những nguồn năng lượng khác.
- Hiện nay ở Việt Nam có nhiều điều kiện thuận lợi để phát triển năng lượng
gió, cùng với sự phát triển của công nghệ sản xuất, lắp đặt rẻ hơn cũng như việc
điều khiển các máy phát điện gió được dễ dàng. Để chuyển động năng của gió thành
điện năng người ta dùng hệ thống máy phát điện kết hợp với turbine gió. Trên thế
giới hiện nay, hệ thống năng lượng gió đang sử dụng các loại máy phát không đồng
bộ roto lồng sóc hoặc roto dây quấn và máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu có
trục nối cứng với turbin. Hệ thống máy phát không đồng bộ roto lồng sóc hoặc dây
quấn đã được thiết kế và đưa vào sử dụng rộng rãi trên thế giới, tuy nhiên hệ thống
này có nhược điểm là kết cấu cồng kềnh, có hộp số, hiệu suất thấp, chi phí bảo trì
bảo dưỡng cao. Xu hướng mới hiện nay trên thế giới là nghiên cứu hệ thống điện

10


gió sử dụng máy phát đồng bộ kích từ không chổi than hoặc nam châm vĩnh cửu
đang được các nhà nghiên cứu quan tâm, lựa chọn bởi vì hệ thống này khắc phục
được một số nhược điểm của hệ máy phát không đồng bộ đó là: hiệu suất cao (do
không có dòng điện roto), quan trọng hơn hệ thống máy phát đồng bộ nam châm
vĩnh cửu không sử dụng hộp số, nên giảm đáng kể trọng lượng và chi phí bảo hành
bảo dưỡng. Ngoài ra, do có số đôi cực lớn nên phạm vi biến thiên tốc độ rộng, điều
chỉnh được công suất phản kháng.
Xuất phát từ tình hình thực tế trên và nhằm góp phần thiết thực vào sự phát
triển ngành Kỹ thuật điện nói riêng, trong khuôn khổ của khóa học Cao học, chuyên
ngành Thiết bị điện tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, được sự tạo điều kiện
giúp đỗ của Nhà trường, Khoa đào tạo Sau đại học, Thầy giáo hướng dẫn TS.
Nguyễn Thế Công, tác giả đã lựa chọn đề tài tốt nghiệp của mình là: “Nghiên cứu
bộ biến đổi ứng dụng trong máy phát điện gió loại máy phát đồng bộ có trục nối

cứng với turbine gió”
2. Lịch sử nghiên cứu
- Hệ thống năng lượng gió sử dụng máy phát KĐB lồng sóc;
- Hệ thống năng lượng gió sử dụng máy phát KĐB dây quấn;
- Hệ thống năng lượng gió sử dụng máy phát ĐB kích từ không chổi than.
3. Mục đích nghiên cứu
Việc nâng cao hiệu suất chuyển động năng của gió thành điện năng để giảm
giá thành là vấn đề quan trọng trong suốt quá trình sử dụng nguồn năng lượng sạch
trong tương lai. Để nâng cao được hiệu suất sử dụng năng lượng gió thì cần phải có
bộ điểu khiển hợp lý. Do đó, mục tiêu của đề tài là:
- Nghiên cứu cấu trúc, thuật toán và thiết kế bộ biến đổi khi tốc độ gió hạn
chế đảm bảo được chất lượng nguồn.
- Mô phỏng hệ khi thay đổi các tham số trong bộ biến đổi để kiểm nghiệm
kết quả nghiên cứu.
4. Các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả

11


- Về mặt lý luận, đề tài đóng góp phương pháp nghiên cứu, phương pháp thiết kế bộ
biến đổi trong hệ máy phát đồng bộ có trục nối cứng với turbine gió. Từ đó đưa ra
kết luận về ưu nhược điểm của hệ thống điện gió nghiên cứu
- Về mặt thực tiễn: Đề tài đưa ra một phương án điều khiển mới, hoàn chỉnh để
nâng cao chất lượng điều khiển, dễ dàng trong thiết kế và điều chỉnh hệ thống đồng
thời tạo cơ hội cho hướng phát triển mới trong việc sử dụng nguồn năng lượng sạch
cho hiện tại và tương lai.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu tài liệu;
- Phương pháp quan sát;
- Phương pháp thực nghiệm: sử dụng phần mềm mô phỏng phỏng Matlab

simulink để tính toàn và mô phỏng bộ biến đổi. Đánh giá kết quả và đề xuất hướng
phát triển của đề tài.
6. Cấu trúc của luận văn
Luận văn bao gồm 3 chương:
Chương 1 giới thiệu tổng quan về năng lượng gió. Trong đó tác giả giới thiệu
về việc khai thác năng lượng gió cho hệ phong điện hiện nay trên thế giới nói chung
và ở Việt Nam nói riêng.
Tiếp theo chương 2 tác giả giới thiệu về hệ thống phong điện, quá trình
chuyển đổi từ phong năng thành điện năng. Việc sử dụng các loại máy phát khác
nhau cũng được giới thiệu, từ đó dẫn đến cấu trúc của hệ thống, đặc biệt là cấu trúc
hệ máy phát - bộ biến đổi điện (Generator – Converter) cũng thay đổi.
Chương 3 của luận văn, tác giả tập trung thiết kế bộ biến đổi điện cho hệ
phong điện sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu có trục nối trực tiếp
với rotor của turbine gió.
Chương 4 là chương cuối cùng của luận văn, chương này trình bày phần mô
phỏng sử dụng Matlab Simulink cho hệ thống để đánh giá kết quả đang nghiên cứu.

12


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG GIÓ

1.1. Sơ lƣợc về phát triển năng lƣợng gió trên thế giới [9, 10, 11]
1.1.1 Nhu cầu và hiện trạng phát triển năng lượng gió
Các máy phát điện lợi dụng sức gió (gọi tắt là trạm phong điện) đã được sử
dụng nhiều ở các nước châu Âu, châu Mỹ và các nước công nghiệp phát triển khác.
Nước Đức đang dẫn đầu thế giới về công nghệ phong điện. Theo định nghĩa, năng
lượng tái tạo (renewable energy) là năng lượng phát sinh từ các nguồn tài nguyên
thiên nhiên như: tia nắng mặt trời, gió, mưa, thuỷ triều, nhiệt từ lòng đất và vì thế
các loại năng lượng này được tái tạo một cách tự nhiên. Như vậy năng lượng gió là

một trong các nguồn năng lượng tái tạo. Năng lượng gió ban tặng cho hành tinh
chúng ta cơ hội giảm khí thải carbon, bầu không khí trong lành và nền văn minh bền
vững. Năng lượng gió cũng tạo cơ hội cho các nước trên thế giới cơ hội cải thiện an
ninh năng lượng và thúc đẩy tăng trưởng kinh tế của mỗi nước.
Theo đánh giá của các chuyên gia năng lượng, với mức độ sử dụng hiện nay,
các nhiên liệu hoá thạch (như dầu mỏ, khí đốt, than đá, vv…) sẽ cạn kiệt trong vòng
100 năm nữa. Trong hoàn cảnh đó, đương nhiên con người quan tâm đến việc tìm
kiếm phương án thay thế nhiên liệu hoá thạch, đáp ứng nhu cầu năng lượng của
mình. Mặt khác, trong nhiều thập niên qua, những lo ngại về nóng ấm và biến đổi
khí hậu toàn cầu đã bắt buộc các nhà lập chính sách tìm cách thoát khỏi việc dùng
nhiên liệu hoá thạch, nguồn gốc gây nên phát thải khí nhà kính. Trong hoàn cảnh
này, đòi hỏi phát triển công nghệ khai thác nguồn năng lượng tái tạo. Trong các loại
năng lượng tái tạo, năng lượng gió thường là lựa chọn hấp dẫn nhất cho phát triển
nguồn điện mới nhìn từ góc độ kinh tế, an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường.
Trên phạm vi toàn cầu, năng lượng gió là nguồn năng lượng phát triển nhanh nhất
với tốc độ tăng trưởng trung bình hàng năm xấp xỉ 29% trong vòng mười năm vừa
qua. Đến năm 2008, công suất lắp đặt điện gió toàn cầu đã vượt quá 121 GW, tức là
hơn mười lăm lần công suất điện gió mười năm trước đây, khi đó công suất điện gió
toàn cầu chỉ cỡ 7.6 GW. Với công suất này hàng năm sẽ sản xuất được 260 tỷ kWh

13


và cắt giảm được 158 triệu tấn CO2. năng lượng gió đã phát triển nhanh chóng
thành một ngành công nghiệp hoàn thiện và bùng nổ toàn cầu. Thị trường lắp đặt
tuabin gió toàn cầu năm 2008 cỡ $48 tỷ. Triển vọng tương lai của công nghiệp điện
gió toàn cầu là rất khích lệ và được dự đoán tăng hơn 70% trong vòng vài năm tới
để đạt tới công suất cỡ 190 GW vào năm 2010.

Hình 1.1. Tổng năng lượng gió toàn cầu giai đoạn 1996 - 2012

(Nguồn: được dịch từ hội năng lượng gió thế giới)
Theo nghiên cứu của Hội đồng năng lượng gió thế giới (Global Wind Energy
Coucil), tính đến năm 2011 thị trường năng lượng gió toàn cầu tăng 6% so với năm
2010 và đạt 40,5 GW công suất gió mới đại diện cho 70 tỷ USD đầu tư. Ở Bắc Mỹ,
thị trường tăng hơn 30% trong năm 2011, các nước lắp đặt 6810 MW trong 32
bang, với tổng số cài đặt công suất gần 47 GW vào cuối năn 2011 và hơn 50 GW
vào tháng 6 năm 2012. Canada đã có một năm kỷ lục trong năm 2011, cài đặt 1267
MW. Công suất lắp đặt có thể đạt tới 1500 MW vào năm 2012. Canada hiện nay có
công suất lắp đặt tổng cộng là 5265 MW. Trong năm 2012, điện gió được tạo ra ở
Trung Quốc lên tới 100.400.000.000 kWh, khoảng 2% tổng sản lượng điện của
nước này vào năm trước, tăng từ 1,5% trong năm 2011. Trung quốc đạt 75,3 GW
công suất điện gió vào cuối năm 2012. Trung Quốc hiện nay tiếp tự dẫn đầu thế giới
trong công suất lắp đặt năng lượng gió tích lỹ. Bảng 1.1 dưới đây cho thấy nhu cầu
năng lượng gió của 10 nước đứng đầu trên thế giới.

14


Bảng 1.1a. Biểu đồ cơ cấu năng lượng gió toàn cầu năm 2012
Tên nƣớc

Tổng công suất lắp đặt
(MW)

Phần trăm tỷ lệ (%)

Trung Quốc

75,324


26.7

Mỹ

60,007

21.2

Đức

31,308

11.1

Tây ban nha

22,796

8.1

Ấn độ

18,421

6.5

Vương quốc anh

8,445


3.0

Ý

8,144

2.9

Pháp

7,564

2.7

Canada

6,200

2.2

Bồ đào nha

4,525

1.6

Các nước khác

39,853


14.1

Tổng công suất 10 nƣớc

242,734

85.9

Tổng công suất toàn cầu

282,587

100.0

Bảng 1.1b. Tổng công suất lắp đặt năng lượng gió toàn cầu năm 2012

15


1.1.2. Những ưu điểm của phong điện
Ưu điểm dễ thấy nhất của phong điện là không tiêu tốn nhiên liệu, không gây
ô nhiễm môi trường như các nhà máy nhiệt điện, dễ chọn địa điểm và tiết kiệm đất
xây dựng; khác hẳn với các nhà máy thủy điện chỉ có thể xây dựng gần nước mạnh
với những điều kiện đặc biệt và cần diện tích rất lớn cho hồ chứa nước.
Những trạm phong điện có thể đặt gần nơi tiêu thụ điện, như vậy sẽ tránh
được được chi phí cho việc xây dựng đường dây tải điện.
Trước đây, khi công nghệ phong điện còn rất ít được ứng dụng, việc xây
dựng một trạm phong điện rất tốn kém, chi phí cho thiết bị và xây lắp đều rất đắt
nên chỉ được áp dụng trong một số trường hợp thật cần thiết. Ngày nay, phong điện
đã trở nên rất phổ biến, thiết bị đuợc sản xuất hang loạt, công nghệ lắp ráp đã hoàn

thiện nên chi phí cho việc hoàn thành một trạm phong điện hiện nay chỉ bằng ¼ so
với năm 1986.
Xét theo khía cạnh môi trường thì năng lượng gió là một lựa chọn hoàn hảo.
Như đã biết, biến đổi khí hậu hiện là sự đe doạ môi trường lớn nhất mà thế giới
đang phải đối mặt. Trong một báo cáo đánh giá công bố năm 2007, nhóm nghiên
cứu liên chính phủ về biến đổi khí hậu (Intergovernmental Panel on Climate
Change-IPCC) đã đưa ra một trong những thông điệp chính là „để tránh những tàn
phá, thiệt hại tồi tệ nhất của biến đổi khí hậu, phát thải khí hiệu ứng nhà kính toàn
cầu phải đạt đỉnh và bắt đầu giảm trước năm 2020‟. Mặc dù khu vực năng lượng
(phát điện) không phải là thủ phạm duy nhất gây nên biến đổi khí hậu, song nó là
nguồn phát khí thải lớn nhất, chiếm khoảng 40% khí thải CO2 và khoảng 25% của
tất cả các loại khí thải. Những lựa chọn chủ yếu để giảm khí thải trong khu vực
năng lượng từ nay đến 2020 gồm ba giải pháp cơ bản (i) hiệu suất năng lượng cao
và tiết kiệm năng lượng; (ii) chuyển nhiên liệu từ than sang gas và (iii) năng lượng
tái tạo mà chủ yếu là năng lượng gió. Phát điện gió không phát thải bất kỳ carbon
dioxide gây nên biến đổi khí hậu cũng như ô nhiễm không khí. Trong một thế giới
ngày càng „ràng buộc carbon‟, năng lượng gió là một đầu tư bảo đảm không rủi ro
so với các đầu tư phát thải nhiều carbon. Một điều nữa cũng cần nói đến là phát điện

16


năng lượng gió không gây quan ngại cho nhu cầu sử dụng nước, một tài nguyên quý
hiếm đang bị đe doạ cạn kiệt nước trong tương lai.
Phong điện đã trở thành một trong những giải pháp năng lượng quan trọng ở
nhiều nước và cũng rất phù hợp với điều kiện ở Việt Nam.
1.1.3. Lịch sử phát triển của công nghệ điện gió
Năng lượng gió đã được sử dụng từ hàng nghìn năm nay. Con người đã dùng
năng lượng gió để di chuyển thuyền buồm hay khinh khí cầu, ngoài ra năng lượng
gió còn được sử dụng để tạo công cơ học nhờ vào các cối xay gió. Năng lượng gió

có thể được khai thác để sử dụng rất nhiều trong cuộc sống hàng ngày nhưng hiện
nay việc khai thác thương mại và sử dụng chủ yếu là để phát điện.
Lúc đầu nguyên tắc của cối xay gió chỉ chuyển đổi động năng của gió thành
năng lượng cơ học. Ý tưởng dùng năng lượng gió để sản xuất điện hình thành ngay
sau các phát minh ra điện và máy phát điện. Đan Mạch là quốc gia đầu tiên trên thế
giới xây dựng trạm phát điện bằng sức gió với công suất nhỏ 5-25 KW. Khi bộ môn
cơ học dòng chảy tiếp tục phát triển thì các thiết bị xây dựng và hình dáng của các
cánh quạt cũng được chế tạo đặc biệt hơn. Ngày nay, người ta gọi đó tua-bin gió, khái
niệm cối xay gió không còn phù hợp nữa vì chúng không còn có thiết bị nghiền.
Công nghệ chế tạo tua-bin gió ngày càng phát triển với thiết kế tối ưu, kiểu
dáng đẹp, vật liệu siêu bền và nhẹ. Đường kính rotor ngày càng tăng đồng thời với
công suất điện tạo thành tăng. Hình 1.2 dưới đây mô tả quá trình phát triển công
nghệ điện gió thương mại ở Mỹ, có các bước tương đồng với quá trình phát triển
điện gió trên thế giới, trong đó bước phát triển đáng chú ý là đưa các cánh đồng
quạt gió từ đất liền ra ngoài vùng biển có độ sâu đến hơn 100m để tránh nhược
điểm chiếm diện tích đất sinh sống lớn của các cánh đồng quạt gió ở trên bờ, đường
kính rotor khoảng 20m vào giữa những năm 1980 thì hiện nay đường kính rotor đã
đạt được hơn 100m (lớn hơn so với cánh quạt của máy bay 747).

17


Sau năm 2000

Những năm
1990

Đƣờng kính rotor

Những

năm 1980

Ngoài khơi

Trên bờ

CS: 3,6 MW
Rotor: 104 m

CS: 750KW
Rotor: 46 m
CS: 33-300KW
Rotor: 33 m

CS: 2,5 MW
Rotor: 93 m

CS: 56-100KW
Rotor: 17m
CS: 1,5 MW
Rotor: 77 m

Hình 1.2. Quá trình phát triển công nghệ điện gió thương mại ở Mỹ

Tua-bin
trên bờ
Tua-bin
cột đơn, độ
sâu 0-30m


Tua-bin đế
3 chân, cố
định, độ sâu
20-80m
Tua-bin đế
nổi, độ sâu
40-900m

Công nghệ hiện nay

Hình 1.3. Các công nghệ điện gió theo vị trí đặt tua-bin

18


1.2. Tình hình nghiên cứu và khai thác năng lƣợng gió ở Việt Nam [1, 3, 4, 5, 6, 7]
1.2.1. Nhu cầu năng lượng của Việt Nam
Xu thế rất rõ nét trong cân bằng năng lượng của Việt Nam là cung ngày càng
nhỏ hơn cầu. Tốc độ sử dụng năng lượng thương mại của Việt Nam tăng nhanh hơn
tốc độ tăng trưởng kinh tế Việt Nam. Trong 19 năm từ 1998 đến 2007, sử dụng
năng lượng thương mại đã tăng với tốc độ trung bình là 12,1%/năm, trong khi GDP
của Việt Nam tăng 7,3%/năm. Tổng lượng năng lượng của Việt Nam tăng từ 387
kgoe (kg quy đổi ra dầu) trên 1000$ GDP vào năm 1998 đến 573 kgoe/1000USD
năm 2007.
Trong khi đó, Việt Nam đứng trong số 15 nước có số dân đông nhất thế giới,
nhưng về nguồn năng lượng hóa thạch không tái tạo (dầu, khí, than, uranium), Việt
Nam chỉ đứng vào hàng trung bình thấp của thế giới. Hiện nay nhiên liệu hóa thạch
nội địa ngày càng cạn kiệt, giá dầu thế giới tăng cao và sự phụ thuộc ngày càng
nhiều hơn vào giá năng lượng thế giới, khả năng đáp ứng năng lượng đủ cho nhu
cầu trong nước ngày càng khó khăn và trở thành một thách thức lớn.

Vì vậy, việc phát triển các nguồn NLTT ngày càng có vai trò lớn trong
cân bằng năng lượng và có ý nghĩa quan trọng trong vấn đề an ninh năng lượng
của Việt Nam.

Hình 1.4 Biều đồ cơ cấu công suất nguồn điện đến năm 2020 ở Việt Nam

19


1.2.2. Tiềm năng năng lượng gió ở Việt Nam
1.2.2.1. Tốc độ gió, cấp gió
Một trong các thông số đặc trưng của gió là tốc độ gió, kí hiệu là V,
đơn vị có thể là m/s hay km/h. Căn cứ vào tốc độ gió người ta chia thành các cấp và
bảng cấp gió được sử dụng phổ biến trên thế giới hiện nay là bảng cấp gió Bô-Pho
(Beaufor) với 17 cấp được cho ở bảng 1.2 dười đây.
Cấp gió

Tốc độ gió

Áp suất gió trung

Đặc điểm của gió

m/s

Km/h

bình (kg/m2)

0


0,0÷0,2

0,0÷1,0

0,0

Lặng gió

1

0,3÷1,5

1,0÷5,0

0,2

Gió êm

2

1,6÷3,3

6,0÷11

0,9

Gió nhẹ

3


3,4÷5,4

12÷19

2,2

Gió yếu

4

5,5÷7,9

20÷28

4,5

Gió vừa

5

8,0÷10,7

29÷38

7,8

Gió mát

6


10,8÷13,8

39÷49

12,5

Gió hơi mạnh

7

13,9÷17,1

50÷61

18,8

Gió mạnh

8

17,2÷20,7

62÷74

27,0

Gió rất mạnh

9


20,8÷24,4

75÷88

37,5

Gió bão

10

24,5÷28,4

89÷102

51,1

Bão

11

28,5÷32,6

113÷117

69,4

Bão mạnh

12


32,7÷36,9

118÷133

89,0

Bão rất mạnh

13

37,0÷41,4

134÷149

109,2

14

41,5÷46,1

150÷166

135,8

15

46,2÷50,9

167÷183


164,3

16

56,1÷61,2

202÷220

245,6

Bảng 1.2. Bảng cấp gió Beaufor
Trong thiên nhiên gió thường xuyên thay đổi tốc độ, vì vậy để đánh giá được
tiềm năng từng vùng người ta sử dụng các thông số gió trung bình Vtb, gồm trung

20


bình năm, tốc độ gió cực đại Vmax và tần suất xuất hiện các tốc độ gió gọi tắt là tần
suất tốc độ gió.
1.2.2.2. Chế độ gió ở Việt Nam
Việt Nam nằm ở khu vực gần xích đạo trong khoảng 8 đến 23 vĩ Bắc thuộc
khu vực nhiệt đới gió mùa.
Gió ở Việt Nam có hai mùa rõ rệt: Gió Đông bắc và gió Đông nam với tốc
độ gió trung bình ở vùng ven biển từ 4,5 đến 6 (m/s) (ở độ cao 10 đến 12m). Tại các
đảo xa tốc độ gió đạt 6 đến 8 (m/s). Như vậy tuy không cao bằng tốc độ gió ở các
nước Bắc Âu ở vĩ độ cao nhưng cũng đủ lớn để sử dụng động cơ gió có hiệu quả.
Còn ở các vùng đồng bằng tốc độ gió nhỏ hơn 4 (m/s), do đó việc sử dụng
động cơ gió khó đem lại hiệu quả. Ở các vùng núi tốc độ gió còn thấp hơn trừ một
vài vùng núi cao và những nơi có địa thế đặc biệt tạo ra những hành lang hút gió.

Một đặc điểm nữa của gió ở Việt Nam là hàng năm có nhiều cơn bão mạnh
kèm theo gió giật đổ bộ vào miền Bắc và miền Trung. Tốc độ gió cực đại đo được
trong các cơn bão tại Việt Nam đạt tới 45 (m/s) (bão cấp 14). Vì vậy khi nghiên cứu
chế tạo động cơ gió ở Việt Nam phải chú ý đến chống bão và lốc.
Tiềm năng gió của Việt Nam có thể đánh giá thông qua các số liệu về gió của
Cục Khí tượng Thuỷ văn được cho trong bảng 1.3.
Trong bảng 1.3 vận tốc gió được đo ở độ cao 10 đến 12m. Các động cơ gió
công suất lớn vài trăm đến 1000 (kW) thường được lắp trên độ cao 50 đến 60m.
Song các dữ liệu vận tốc gió ở độ cao trên 12m thì ta chưa có. Vì vậy để có thể xác
định tốc độ gió ở độ cao 50 – 60m thì ta có thể tính theo công thức sau:
1/5

h
V  V1  
 h1 

Trong đó:
V là vận tốc gió cần tìm trên độ cao h
V1 là vận tốc gió đo được gần mặt đất trên độ cao h1.

21


Bảng 1.3 Bảng tiềm năng gió ở Việt Nam
Tên địa phương

Tốc độ trung bình Vtb

Mật độ công suất


Mật độ năng

(m/s)

gió (W/m2)

lượng năm
(E = kWh/m2)

Bãi Cháy

3,3

64,0

562

Bạch Long Vĩ

7,3

119

4487

Bạc Liêu

2,8

47,7


383,5

Cam Ranh

4,2

124,3

1065,7

Đảo Cô Tô

4,4

22,5

1.317,9

Đồng Hới

3,9

108,6

952

Đảo Phú Quý

6,8


108

3554,2

Đà Lạt

3

66,2

580

Lai Châu

2,0

22,5

131,8

Lạng Sơn

2,7

-

379,2

Nam Định


3,6

72,0

631

Pha Đin

3,2

22,5

751,1

Plâyku

3,1

69,6

610

Phú Quốc

3,7

97,5

855


Quy nhơn

4,1

106,6

935

Sóc Trăng

2,7

49,2

431

Thái Nguyên

2,3

22,5

154,3

Thanh Hoá

2,6

29,5


259

Tây Ninh

2,4

66,2

179,3

Tân Sơn Nhất

3,2

56,1

492

Trường Sa

6,3

307,1

2.692

Rạch Giá

3,2


47,7

476

Văn Lý

4,3

72,0

933,5

Vũng Tàu

3,9

101,1

886

22


1.2.2.3. Một số dự án nghiên cứu về năng lượng gió ở Việt Nam
Theo báo cáo tổng quan về năng lượng tái tạo của GS.TS. Nguyễn Thế Mịch
thì tiềm năng năng gió ở Việt Nam là rất lớn
Tiềm năng năng lượng gió theo độ cao 80m, được thể hiện dưới bảng sau:
Bảng 1.4 Bảng tiềm năng năng lượng gió theo độ cao 80m
Tốc độ gió


<4

4–5

5–6

6–7

7–8

8–9

>9

trung bình

(m/s)

(m/s)

(m/s)

(m/s)

(m/s)

(m/s)

(m/s)


95.916

70.868

40.473

2.435

222

20

1

45,7

33,8

19,3

1,2

0,1

0,01

0

2.202


200

10

Diện tích
(Km2)
Diện tích (%)
Tiềm năng
(MW)

956.161 708.678 404.732 24.351

Tiềm năng năng lượng gió theo độ cao 65m, được thể hiện dưới bảng sau:
Bảng 1.5 Bảng tiềm năng năng lượng gió theo độ cao 65m
Tốc độ gió
trung bình
Diện tích
(Km2)
Diện tích
(%)
Tiềm năng
(MW)

Thấp

Trung bình Tƣơng đối cao

Cao
8–9


Rất cao

< 6 (m/s)

6-7 (m/s)

7-8 (m/s)

197.242

100.367

25.679

2.178

111

60,6

30,8

7,90

0,70

0

401.444


102.716

8.8748

452

(m/s)

> 9 (m/s)

Dự án đầu tiên đánh giá định lượng tiềm năng gió của Việt Nam được tiến
hành trong 3 năm 1998-2001 do Ngân hàng Thế giới (WB) tài trợ và do Công ty tư
vấn True Wind Solutions (Mỹ) thực hiện. Dự án đã xây dựng „Bản đồ tài nguyên

23


NLG của Đông Nam Á‟(Wind Energy Resource Atlas of South East Asia-WB), gọi
tắt là bản đồ gió BĐG-01, bản đồ được phát hành tháng 9/2001. BĐG-01 là tập tài
liệu đánh giá tiềm năng tài nguyên gió cho bốn nước Campuchia, Lào, Thái lan và
Việt Nam. BĐG-01 được thực hiện dựa trên phần mềm mô hình mô phỏng thời tiết
„MesoMap‟. Tại Việt Nam, Atlas đã sử dụng số liệu mặt đất của 9 trạm khí tượng
của Viện Khí tượng thủy văn Việt Nam và trạm Phước Hòa – Bình Định của viện
Vật lý địa cầu.
Ngoài ra, còn có nhiều nghiên cứu tiềm năng năng lượng gió của các nhà
khoa học trong nước như các nghiên cứu của TS.Tạ Văn Đa, PGS.TS. Trần Việt
Liễn, Trần Hữu Quốc.
Tại Diễn đàn kinh tế Biển tổ chức ở Hà Tĩnh cuối, TS Nguyễn Bách Phúc Chủ tịch Hội Tư vấn Khoa học Công nghệ và Quản lý Tp.HCM HASCON, Viện
trưởng Viện Điện- Điện tử -Tin học EEI và KS Phạm Cương - Chủ tịch HĐTV

kiêm Tổng GĐ Công ty Năng lượng Tái tạo Điện lực Dầu khí đã có bài tham luận
về tiềm năng của năng lượng gió Việt Nam là: “Với chiều dài bờ biển hơn 3000 km,
chạy dọc từ Bắc vào Nam, Việt Nam được đánh giá là đất nước có tiềm năng điện
gió rất lớn. Nếu khai thác hết tiềm năng gió thì tổng công suất điện gió có thể lớn
gấp 20 lần tổng công suất điện hiện tại của Việt Nam”.
Theo khảo sát của Tập đoàn Điện lực Việt nam (EVN), những vùng có thể tạo
ra nguồn năng lượng điện gió với hiệu quả cao tập trung vào Trung trung bộ (Quảng
Bình đến Khánh Hòa), Nam Trung bộ (Ninh Thuận, Bình Thuận) và các tỉnh Nam bộ
(Bạc Liêu, Sóc Trăng..) trong đó hai tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận đươc coi là hai
tỉnh có tiềm năng lớn nhất, là khu vực đầu tư cho Điện gió khả thi nhất.
Theo số liệu bản đồ năng lượng gió được lập, với tốc độ gió từ 6-7m/s ở độ
cao từ 60-80 m khu vực hai tỉnh Bình Thuận và Ninh Thuận có thể xây dựng lắp đặt
nhiều trang trại gió (Wind farm) với tổng công suất lên đến 9500 MW (gấp gần 4
lần nhà máy thủy điện Sơn La).
Hiện nay Ninh Thuận và Bình Thuận đang kêu gọi nhiều nhà đầu tư tham gia
đầu tư các dự án điện gió. Hiệp hội Điện gió tỉnh Bình Thuận đã được thành lập hơn

24


3 năm, hoạt động rất đều đặn, đã góp phần vào công tác tư vấn, môi giới cho các Nhà
đầu tư, đã đề nghị Ủy ban Nhân dân Tỉnh Bình Thuận kịp thời tháo gỡ những vướng
mắc khó khăn cho những đối tác quan tâm đầu tư xây dựng trang trại Điện gió.
1.2.3. Quá trình phát triển công nghệ khai thác năng lượng gió ở Việt Nam
1.2.3.1. Giai đoạn trước năm 2000

Công nghệ điện gió đã được nghiên cứu và tự chế tạo tại Việt Nam hoặc mua
của nước ngoài, của các Viện nghiên cứu và trường học hoặc tư nhân với quy mô
công suất nhỏ từ 200W hoặc 300W đến 3KW. Các dự án điện gió được tiến hành tại
các vùng không có lưới điện quốc gia. Tuy nhiên có số lượng ít, tuổi thọ thiết bị

ngắn từ 6 tháng đến 1 năm
1.2.3.2. Giai đoạn sau năm 2000

*) Dự án điện gió tại Hải Hậu (Nam Định)
Tua-bin có công suất 30KW +10KW diesel do tổ chức NEDO Nhật bản trợ
giúp thiết bị. Dự án mang tính chất nghiên cứu thử nghiệm do trung tâm năng lượng
mới của trường Đại học Bách khoa Hà Nội tiếp nhận và lắp đặt tại biển Hải Thịnh Nam Định. Trạm điện này đã hoạt động với các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật tương đối
hấp dẫn cho đến khi khu vực xung quanh trạm mọc lên các ngôi nhà ở của dân cao
3-5 tầng che kín mọi hướng gió. Hiện nay máy ngừng hoạt động không khai thác
được do bị hỏng hóc và không được tu sửa.
*) Dự án điện gió 2KW và diesel tại Kontum
Dự án cũng do NEDO tài trợ và do Viện Năng lượng thực hiện. Dự án đã
phát huy tác dụng.
*) Dự án điện gió 800KW Bạch Long Vĩ
Do Trung ương đoàn Thanh niên cộng sản Hồ Chí Minh làm chủ đầu tư bằng
nguồn vốn ngân sách cấp. Đơn vị thực hiện tổng đội TNXP Hải Phòng thực hiện.
Dự án gồm một tua-bin gió có công suất 800KW, thiết bị tua-bin MADE AE52800KW của hãng Made endesa Tây Ban Nha 800 KVA; 2 máy phát điện diezel
công suất 414KVA/máy và hệ thống mạng lưới, nhà điều hành… với tổng vốn đầu
tư là 34 tỷ đồng. Sau bốn năm xây dựng và lắp đặt, cánh quạt gió bắt đầu quay và
25