Bài giảng Năng lượng tái tạo - Chương 2: Năng lượng gió

Chương này được biên soạn nhằm cung cấp cho sinh viên:
Tổng quan về năng lượng gió.
Tiềm năng phát triển năng lượng gió tại Việt Nam.
Các kiểu turbine gió.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của turbine gió.
Mối quan hệ giữa các thông số trong máy phát điện gió.
Lưu đồ thiết kế máy phát điện gió công suất nhỏ.
Câu hỏi chương 2:
Câu 1: Anh/chị hãy trình bày lịch sử sử dụng năng lượng gió của loài người?
Câu 2: Anh/chị hãy cho biết thực trạng, tiềm năng ứng dụng năng lượng gió tại Việt Nam.
Câu 3: Anh/chị hãy trình bày các kiểu turbine gió? So sánh máy phát điện gió trục đứng và trục ngang? 
Câu 4: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của turbine gió?
Câu 5: Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất máy phát điện gió?
Chương 2: Năng lượng gió
2.1 Lịch sử ứng dụng năng lượng gió
Hàng nghìn năm nay con người đã biết khai thác sức gió để vận hành các cỗ máy phục vụ cho cuộc sống của mình, từ việc dựa vào sức gió để dong buồm ra khơi cho đến vận hành các máy bơm nước hay xay ngũ cốc. Hình ảnh cối xay gió trên những miền quê phương Tây đã trở nên tiêu biểu qua nhiều thế kỷ [12].
Hình 2.1. Turbine gió đầu tiên của Charles F.Brush, Cleveland, Ohio 1888 [25]
Đến cuối thế kỷ 19 chiếc máy phát điện dùng sức gió đầu tiên ra đời, với tên gọi là turbine-gió để phân biệt với cối-xay-gió (biến năng lượng gió thành cơ năng). Charles F Brush đã tạo ra chiếc turbine gió có khả năng phát điện đầu tiên trên thế giới tại Cleveland, Ohio vào năm 1888 [20]. Giống như một cối xay gió khổng lồ có đường kính 17m với 144 cánh bằng gỗ mỏng, Hình 1.1. Năm 1891 nhà khí tượng học người Đan Mạch Poul The Mule Cour xây dựng một turbine thử nghiệm ở Askov – Đan Mạch, Hình 1.2. Turbine gió này có một rô to bốn cánh kiểu cánh máy bay và có trục quay nhanh hơn.
Năm 1922, kỹ sư người Phần Lan S.J.Savonius đã cải tiến nguyên lý đẩy của khái niệm trục đứng bằng cách thay thế cánh buồm bằng hai cốc hình tròn, Hình 1.3. Năm 1931, kỹ sư người Pháp George Darrieus phát minh ra turbine gió trục đứng Darrieus. Dựa vào nguyên lý kéo, turbine này có hai (hoặc nhiều hơn) cánh mềm dạng cánh máy bay. Một đầu cánh gắn ở đỉnh và một đầu gắn xuống đáy của trục đứng chính turbine, giống như một cái máy đánh trứng khổng lồ. Sau đó những mẫu thiết kế được cải tiến với cánh quạt có rãnh để hiệu suất turbine cao hơn. 
Năm 1950 kỹ sư Johannes Juhl, đã phát triển turbine gió 3 cánh có khả năng phát điện xoay chiều, đây chính là tiền thân của turbine gió Đan Mạch hiện đại. Cuộc khủng hoảng dầu hoả vào năm 1973, đã làm cho con người quan tâm trở lại đến tính thương mại của năng lượng gió và làm tiền đề cho sự phát triển công nghệ cao hơn tại Đan Mạch và Califonia.
Hình 2.2. Turbine gió của Poul la Cour, Askov, Đan Mạch năm 1897 [25]
Hình 2.3. Turbine gió trục đứng kiểu Savonius [26]
Tuy nhiên mãi đến những năm 1980, công nghệ turbine gió mới đủ thuận lợi để tồn tại, xét về mặt kinh tế, để các turbine gió cỡ lớn phát điện. Hầu hết các nghiên cứu và phát triển đều tiến hành trên turbine trục ngang, mặc dù vẫn có các nghiên cứu sâu hơn trên mẫu thiết kế trục đứng Darrieus ở Canada và Mỹ vào những năm 1970 và 1980, mà đỉnh cao của nó là chiếc máy với đường kính rô to là 100m có công suất 4.2MW với tên gọi “Eole C” tại Cap Chat – Quebec, Hình 1.4. Tuy nhiên nó chỉ vận hành được có 6 tháng thì hư hỏng cánh quạt, do sức chịu đựng của cánh quạt quá kém.
Hình 2.4. Turbine gió trục đứng Darrieus kiểu “Eole C”, Cap Chat, Quebec [4]
Châu Âu dẫn đầu trong lĩnh vực năng lượng gió, vào năm 1982 công suất tối đa của các turbine gió chỉ có 50 kW. Đến năm 1995 các turbine gió thương mại đã đạt công suất lên gấp 10 lần, tức khoảng 500 KW. Trong thời gian đó, chi phí xây dựng các turbine gió giảm đột ngột, chi phí sản xuất điện năng giảm đi một nửa. Một số lượng lớn turbine gió từ cỡ lớn trở thành loại cực nhỏ, vì sản lượng của chúng chỉ vài kWh/tháng. Các turbine gió ngày nay được xây dựng với kích thước lên đến 3 MW và đường kính là 100m. Hiện nay có nhiều nhà máy sản xuất turbine gió kích thước lớn.
Năng lượng gió trên thế giới hiện đang trong thời kỳ phát triển rực rỡ nhất, đặc biệt là các Nước Cộng đồng châu Âu, công nghệ turbine gió có thể giải quyết được các vấn đề: cạn kiệt nguồn tài nguyên hóa thạch, hiệu ứng nhà kính, tuân thủ các điều khoản trong Nghị định Thư Kyoto về hiện tượng trái đất ấm dần lên.
Công suất lắp đặt năng lượng gió trên thế giới tăng theo hàm mũ, và tăng gấp hai lần công suất của những năm cuối thập kỷ, Hình 1.5. Điều mà từ trước đến nay không một công nghệ năng lượng nào làm được. Mặc dù phải đối diện với nhiều khó khăn trong khâu truyền tải, cung cấp, nhưng thị trường năng lượng gió của năm 2006 tăng một cách chóng mặt tới 32% sản lượng năm 2005 [25].
 Hình 1.5. Biểu đồ tăng trưởng công suất lắp đặt năng lượng gió theo năm
Năm 2006 tổng sản lượng điện gió toàn cầu đạt 74.223 MW, tức tăng thêm 15.197 MW so với năm 2005 là 59.091MW [5]. Những nước có sản lượng cao ấn tượng nhất là:
Đức : 20.621 MW
Tây Ban Nha : 11.615 MW
Hoa Kỳ : 11.603 MW
Ấn Độ : 6.270 MW
Đan Mạch : 3.136 MW
Với tình hình phát triển nhanh chóng như hiện nay tại các nước châu Âu, cho thấy sản lượng của các nước này sẽ còn tiếp tục tăng. Mỹ và Canada cũng tích cực phát triển mở rộng tăng công suất năng lượng gió.
Các nước Trung Đông, Viễn Đông và Nam Mỹ cũng bắt đầu đưa năng lượng gió vào nền công nghiệp năng lượng của nước mình. Hiện tại các nước này có những dự án phát triển đến năm 2010 đạt được sản lượng là 150 GW.
Tốc độ mở rộng phụ thuộc vào mức độ hỗ trợ của chính phủ, chính quyền các nước cũng như cộng đồng quốc tế. Đây cũng là trách nhiệm chính cho các nước trong việc tuân thủ cắt giảm lượng khí thải Carbon Dioxide theo Nghị Định Thư Kyoto về cắt giảm khí thải gây hiệu ứng nhà kính.
Một làn sóng công nghệ mới đã và đang phát triển nhanh chóng với mục tiêu tương lai là cải thiện công suất và giảm giá thành. 
Từ các số liệu khảo sát [10], cho thấy hiện nay ngành công nghiệp năng lượng gió phân tán này có 7 phân đoạn thị trường, bao gồm:
Loại cỡ nhỏ cho vùng hẻo lánh hay vùng không có lưới điện quốc gia.
Loại dùng cho nhà riêng có lưới điện quốc gia.
Trang trại, công ty và các ứng dụng gió công nghiệp cỡ nhỏ.
Loại cỡ nhỏ dùng cho cho cụm dân cư.
Các hệ thống gió - diesel.
Bơm nước tưới tiêu.
Khử muối trong nước. 
Bảng 1.1. Tổng công suất lắp đặt (MW) trên thế giới đến năm 2020
Năm
Off-grid
Hộ gia đình
Nông trại/công nghiệp/công ty
Cụm dân cư
Gió/diesel
Cỡ
Turbine
5kW
12.5kW
Large : 325 kW
Net Bill : 30Kw
750kW
200kW
2005
3.261
14
0
8.250
10
2010
3.118
36
154
17.250
310
2015
6.275
99
410
40.125
1.810
2020
10.693
286
666
95.625
3.810
2.2 Nguyên lý cơ bản của năng lượng gió
Bức xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và không khí nóng không đều nhau. Một nửa bề mặt của Trái Đất, mặt ban đêm, bị che khuất không nhận được bức xạ của Mặt Trời và thêm vào đó là bức xạ Mặt Trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn là ở các cực, do đó có sự khác nhau về nhiệt độ và vì thế là khác nhau về áp suất mà không khí giữa xích đạo và 2 cực cũng như không khí giữa mặt ban ngày và mặt ban đêm của Trái Đất di động tạo thành gió. Trái Đất xoay tròn cũng góp phần vào việc làm xoáy không khí và vì trục quay của Trái Đất nghiêng đi (so với mặt phẳng do quỹ đạo Trái Đất tạo thành khi quay quanh Mặt Trời) nên cũng tạo thành các dòng không khí theo mùa.
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 thắng mà tạo thành các cơn gió xoáy có chiều xoáy khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu. Nếu nhìn từ vũ trụ thì trên Bắc bán cầu không khí di chuyển vào một vùng áp thấp ngược với chiều kim đồng hồ và ra khỏi một vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ. Trên Nam bán cầu thì chiều hướng ngược lại.
Ngoài các yếu tố có tính toàn cầu trên gió cũng bị ảnh hưởng bởi địa hình tại từng địa phương. Do nước và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất nóng lên nhanh hơn nước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay hồ vào đất liền. Vào ban đêm đất liền nguội đi nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra theo chiều ngược lại.
Năng lượng gió là động năng của không khí chuyển động với vận tốc . Khối lượng đi qua một mặt phẳng hình tròn vuông góc với chiều gió trong thời gian  là:
 (2.1)
với ρ là 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 (kin) và công suất P của gió là:
 (2.2)
 (2.3)
Điều đáng chú ý là công suất gió tăng theo lũy thừa 3 của vận tốc gió và vì thế vận tốc gió là một trong những yếu tố quyết định khi muốn sử dụng năng lượng gió.
Công suất gió có thể được sử dụng, thí dụ như thông qua một tuốc bin gió để phát điện, nhỏ hơn rất nhiều so với năng lượng của luồng gió vì vận tốc của gió ở phía sau một tuốc bin 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. Trị giá của tỷ lệ giữa công suất lấy ra được từ gió và công suất tồn tại trong gió được gọi là hệ số Betz, do Albert Betz tìm ra vào năm 1926.
Có thể giải thích một cách dễ hiểu như sau: Khi năng lượng được lấy ra khỏi luồng gió, gió sẽ chậm lại. Nhưng vì khối lượng dòng chảy không khí đi vào và ra một tuốc bin gió phải không đổi nên luồng gió đi ra với vận tốc chậm hơn phải mở rộng tiết diện mặt cắt ngang. Chính vì lý do này mà biến đổi hoàn toàn năng lượng gió thành năng lượng quay thông qua một tuốc bin gió là điều không thể được. Trường hợp này đồng nghĩa với việc là lượng không khí phía sau một tuốc bin gió phải đứng yên.
2.3 Năng lượng gió tại Việt Nam 
Tiềm năng về năng lượng gió Việt Nam chỉ vào loại trung bình. Hầu hết, các khu vực trên đất liền có năng lượng gió thấp khai thác không hiệu quả. Chỉ có một vài nơi, do có địa hình đặc biệt nên gió tương đối khá tuy nhiên công suất lại không lớn. Chỉ dọc theo bờ biển và trên các hải đảo năng lượng gió tốt hơn. Nơi có nguồn năng lượng tốt nhất là đảo Bạch Long Vĩ, tốc độ trung bình năm đạt được từ 7.1-7.3m/s. Tiếp đến là các khu vực đảo Trường Sa, Phú Quí, Côn Đảo... có tốc độ gió trong khoảng 4.0- 6.6m/s. Tuy nhiên cũng nên nói thêm rằng tiềm năng năng lượng gió Việt Nam chưa được điều tra đánh giá đầy đủ vì phần lớn số liệu về năng lượng gió chủ yếu chỉ thu thập qua các trạm Khí tượng Thủy văn, tức chỉ đo ở độ cao từ 10m đến 12m trên mặt đất. Chúng ta đang thiếu số liệu về năng lượng gió ở các độ cao trên 40m. Hiện nay đang có khoảng 10 cột đo gió ở độ cao từ 30m đến 60m [9].
Theo khảo sát gần đây nhất của IOE [7], Việt Nam có khoảng 31000km2 đất có thể đưa vào khai thác năng lượng gió, trong đó có 865km2 tương đương với 3572MW với điện có thể được tạo ra với giá thành ít hơn 6UScents/kWh. Nghiên cứu cũng đã minh chứng được rằng năng lượng gió sẽ là giải pháp tốt cho khoảng 300000 hộ cư dân nông thôn không có điện. Trong khi năng lượng gió có thể mang đến những lợi ích về môi trường, kinh tế, xã hội Nhưng hiện nay lượng điện năng khai thác từ gió gần như là con số không. Nhà nước cũng chưa có chính sách hỗ trợ, khuyến khích nào cho năng lượng gió. Vì vậy, nhiệm vụ ưu tiên hàng đầu hiện nay là đặt mục tiêu cho phát triển năng lượng tái sinh và để tìm tòi nghiên cứu công nghệ mới phù hợp với Việt Nam. 
Theo số liệu của Ngân Hàng Thế Giới [14] khảo sát năm 2000 thì Việt Nam do điều kiện địa lý và thời tiết giữa các vùng là khác nhau nên tốc độ gió trung bình và chiều gió có sự khác nhau:
Vùng Tây Bắc Việt Nam (Lai Châu, Điện Biên Sơn La) có vận tốc gió trung bình hàng năm khoảng từ 0.5 – 1.9m/s.
Khu vực miền núi phía Bắc (Cao Bằng, Lạng Sơn, Sa Pa) có vận tốc gió trung bình cao hơn, nhưng cũng chỉ khoảng từ 1.5 – 3.1m/s, vận tốc cực đại trung bình khoảng trên 40m/s.
Đồng Bằng Bắc Bộ (Tam Đảo, Hà Nội) có vận tốc gió trung bình khoảng 2.0 – 3.5m/s. Vận tốc trung bình cực đại trên 35m/s.
Vùng bờ biển từ Móng Cái tới Hòn Gai, Phú Liên, Thanh Hóa, Vinh, Đồng Hới có vận tốc gió trung bình tăng, khoảng 2.0 – 4.0m/s. Cực đại trên 50m/s.
Vùng bờ biển từ Huế tới Tuy Hòa (Huế, Đà Nẵng, Quảng Ngãi, Quy Nhơn, Tuy Hòa) có vận tốc gió trung bình khá ổn định khoảng 3.0 - 5.0m/s. Cực đại trên 35m/s.
Vùng bờ biển từ Nha Trang tới Rạch Giá (Nha Trang, Phan Thiết, Vũng Tàu, Phú Quốc, Rạch Giá) có vận tốc trung bình 2.4–6.1m/s, cực đại trên 30m/s.
Vùng Đồng Bằng Sông Cửu Long (Thành phố Hồ Chí Minh, Cần Thơ, Cà Mau) có vận tốc gió trung bình khoảng 2.2–4.0m/s, cực đại 26m/s.
Tây Nguyên (Đà Lạt, Pleiku) có vận tốc gió trung bình khoảng 2.4–4.5m/s, cực đại 24m/s. 
Những dự án năng lượng gió đã và đang triển khai tại Việt Nam: nhà máy phát điện sức gió đầu tiên ở Việt Nam phải kể đến là nhà máy đặt tại huyện đảo Bạch Long Vỹ, TP Hải Phòng. Công suất 800KW với vốn đầu tư 0.87 triệu USD (14 tỉ đồng). Như vậy, với giá bán điện 0.05USD/KWh (750VNĐ/KWh) thì thời gian hoàn vốn là 7 - 8 năm. Thực tế cho thấy, mặc dù trong năm 2005, đã có 3 cơn bão lớn, tốc độ gió đều vượt qua cấp 12 nhưng turbine gió - phát điện vẫn vận hành an toàn. Nhà máy điện gió thứ 2 của cả nước đặt ở huyện đảo Lý Sơn (Quảng Ngãi) vận hành bằng sức gió, có kết hợp máy phát điện diesel với tổng công suất 7MW, tổng vốn đầu tư gần 200 tỷ đồng. Dự án được chia làm 3 giai đoạn: giai đoạn 1 được thực hiện trong hai năm 2007 và 2008 có công suất 2.5 MW, vốn đầu tư 80 tỷ đồng cung cấp cho 4000 hộ dân với gần 20000 nhân khẩu. Giai đoạn 2 nâng công suất lên 5MW thực hiện trong các năm 2008 - 2009 và giai đoạn 3 được thực hiện trong các năm 2009 - 2012 sẽ công suất lên trên 10MW.
Nhiều dự án điện gió rất lớn với mục tiêu hòa vào lưới điện quốc gia vẫn đang được xúc tiến. Dự án xây dựng Nhà máy phong điện 3, tại khu kinh tế Nhơn Hội, tỉnh Bình Định với tổng vốn đầu tư hơn 35.7 triệu USD. Theo thiết kế, nhà máy được đầu tư xây dựng toàn bộ 14 turbine, 14 máy biến áp đồng bộ cùng các trang thiết bị và dịch vụ kèm theo. Sản lượng điện hằng năm của nhà máy hoà vào lưới điện quốc gia đạt khoảng 55 triệu kWh sau khi nhà máy đi vào hoạt động cuối năm 2008. Hiện tại, nhà máy điện gió đang được xây dựng tại Bình Thuận với công suất khá lớn.
Một dự án đầu tư rất lớn đang có thể trở thành hiện thực ở Việt Nam đó là xây dựng nhà máy điện gió có công suất phát điện 120 MW với vốn đầu tư 120 triệu USD (gần 2000 tỉ đồng) do tập đoàn EurOriont đầu tư chính. Để có một hình dung về con số này, hãy so sánh với thủy điện - thủy lợi Rào Quán ở Quảng Trị, vốn đầu tư 2000 tỉ đồng và công suất phát điện là 64 MW.
Vậy, nhìn chung các dự án điện gió có suất đầu tư 1000USD/kW, khả năng thu hồi vốn trong vòng 10 năm, giá thành điện không cao 5UScents/kWh. Theo dự báo đến năm 2010, suất đầu tư nguồn điện bằng sức gió chỉ còn khoảng 700- 800USD/kW, giá thành 3.5– 4.0UScents/kWh. Với quy mô nhỏ thì đặc biệt hữu ích cho vùng sâu, vùng xa và hải đảo... Với quy mô lớn thì thường được phát triển ở những vùng trống, khô cằn ở vùng Nam Trung bộ như Quảng Ngãi, Bình Định, Khánh Hòa, Bình Thuận...
2.4 Các kiểu turbine gió
2.4.1 Turbine gió trục đứng và trục ngang
Có nhiều kiểu thiết kế khác nhau cho turbine gió, và được phân ra làm hai loại cơ bản chính [13]: Turbine gió trục ngang (HAWT) và turbine gió trục đứng (VAWT). Các cánh quạt gió thường có các dạng hình dáng: cánh buồm, mái chèo, hìn ... ức (2-2) cho thấy toàn bộ năng lượng có thể thu được từ diện tích A.
Hình 2.2. Năng lượng của khối không khí
Mặt khác, ta biết mật độ không khí được biểu diễn theo đẳng thức:
	 (kg/m3)	(2-6)
Trong đẳng thức này:
: là áp suất, đơn vị là Pa.
: là nhiệt độ Kelvin.
Như vậy, năng lượng gió từ đẳng thức (2-2) được biểu diễn lại như sau:
	(W)	 	(2-7)
Đối với không khí ở điều kiện bình thường thì = 101.3 Pa và = 273 K, với A là diện tích quét (m2) và u là vận tốc gió (m/s). Khi đó phương trình được rút gọn lại là:
	 (W)	(2-8)
Phương trình tổng quát (2-4) nên được dùng khi vị trí đặt turbine gió có độ cao vài trăm mét so với mặt nước biển hoặc nhiệt độ lớn đáng kể so với 00C. 
Hình 2.2 biểu diễn vật lý của một turbine gió khi có khối không khí lớn di chuyển làm thay đổi tốc độ gió và áp suất không khí. Hình 2.3 biểu diễn một turbine trục ngang truyền thống kiểu có cánh dạng chong chóng.
Nếu như ta xem khối không khí di chuyển ban đầu khi chưa tiếp cận turbine gió có đường kính d1, vận tốc u1, áp suất . Vận tốc khối khí sẽ giảm khi tiếp xúc với turbine làm cho luồng khí giãn ra bằng với đường kính d2 của turbine gió. Áp lực không khí sẽ tăng cực đại ở ngay trước turbine và sẽ giảm ngay khi qua khỏi turbine. Chính động năng (kinetic energy) trong không khí được chuyển thành năng lượng tiềm ẩn (potential energy) để gây ra sự tăng áp suất này. Sau khi qua khỏi turbine sẽ vẫn còn nhiều động năng được chuyển đổi thành năng lượng tiềm ẩn để làm tăng áp suất không khí trở lại bình thường. Điều này làm cho tốc độ gió tiếp tục giảm cho tới khi áp suất trở lại cân bằng. Một khi tốc độ gió tiến đến điểm thấp, thì tốc độ của khối khí sẽ tăng trở lại sao cho u4 = u1 như bầu không khí xung quanh nó.
Hình 2.7. Biểu diễn luồng khí thổi qua một turbine gió lý tưởng
Có thể biểu diễn theo các điều kiện tối ưu, khi công suất cực đại được truyền từ khối khí sang turbine. Ta có các quan hệ sau:
Khi đó công suất cơ thu được từ gió sẽ có sự khác biệt giữa ngõ vào và ngõ ra:
	(W)	 (2-9)
Đẳng thức trên được phát biểu rằng một turbine lý tưởng sẽ thu được 8/9 năng lượng từ luồng gió tự nhiên. Tuy nhiên, như Hình 2.3 ta thấy khối khí có diện tích nhỏ hơn diện tích turbine, và điều này có thể làm sai kết quả do diện tích A1 khó xác định.
Phương pháp bình thường biểu diễn phần năng lượng thu được theo tốc độ gió và diện tích turbine A2. Phương pháp này cho ta:
	(W)	 (2-10)
Hệ số 16/27= 0.593 thường được gọi là hệ số Betz. Nghĩa là một turbine không thể thu được nhiều hơn 59.3% năng lượng của khối khí có cùng diện tích. Thực tế cho thấy phần năng lượng thu được luôn luôn ít hơn, nguyên nhân là do hệ thống cơ khí không hoàn hảo. Ở điều kiện tối ưu kết quả tốt nhất có thể thu được cũng chỉ khoảng 35% - 40% năng lượng từ gió, mặc dù người ta khẳng định là hoàn toàn có thể thu được tới 50%. Một turbine mà có thể thu được tới 40% năng lượng từ gió, tức thu được khoảng 2/3 năng lượng mà một turbine lý tưởng thu được cũng được coi là rất tốt.
2.7 Hiệu suất turbine gió
Phần năng lượng thu được từ năng lượng gió của các turbine trong thực tế thường do giá trị quyết định, chính là hiệu suất của turbine. Theo luật Benz, hiệu suất tối ưu nhất của một turbine là 59.3%, tất cả các turbine gió trong thực tế đều không đạt đến giá trị này, mà chỉ nằm trong khoảng từ 20-30% [5]. Vậy công suất cơ ngõ ra, công suất làm quay trục tốc độ thấp, trong thực tế được biểu diễn theo đẳng thức sau:
	 	(W)	 (2-11)
	: Công suất cơ	
Turbine Darrieus hoạt động với góc pitch không đổi trong khi đó các turbine trục ngang cỡ lớn thường có góc pitch thay đổi. Góc pitch được thay đổi để duy trì ở giá trị lớn nhất theo tốc độ của turbine, hoặc có khi được điều chỉnh giảm trong khi đang tăng theo tốc độ gió để duy trì công suất ngõ ra ở giá trị định mức của turbine.
không là hằng số, mà thay đổi theo: tốc độ gió, tốc độ quay (TSR) của turbine, và các thông số cánh như góc tới và góc pitch và kiểu dáng cánh.
Bảng 2.2. Hiệu suất turbine ứng với từng kiểu khác nhau
Hệ thống năng lượng gió
Hiệu suất %
Cấu trúc 
đơn giản
Thiết kế 
tối ưu
Turbine bơm nước nhiều cánh dùng cho nông trại 
10
20
Turbine bơm nước kiểu cánh buồm
10
25
Turbine bơm nước kiểu Darrieus
15
30
Máy phát điện nhỏ turbine kiểu Savonius
10
20
Máy phát điện cỡ nhỏ, turbine kiểu chong chóng (<2kW)
20
30
Máy phát điện cỡ trung, turbine kiểu chong chóng (từ 2-10Kw)
20
30
Máy phát điện cỡ lớn, turbine kiểu chong chóng (>10kW)
-----
30 – 45
Máy phát điện gió kiểu Darrieus
15
35
2.8 Thiết kế máy phát điện gió công suất nhỏ
Lưu đồ tính toán thiết kế cho máy phát điện gió công suất nhỏ, loại turbine trục đứng và kiểu dáng cánh Lenz2. Để đơn giản, đề tài đã tóm tắt toàn bộ các khâu thiết kế thành các bước như sau:
Bước 1: Khảo sát gió.
Đây là khâu khảo sát tốc độ gió ở các vùng cần cung cấp điện bằng năng lượng gió. Việc khảo sát này sẽ thực hiện khảo sát tát cả thời gian trong ngày. Để khảo sát được cần phải sử dụng thiết bị đo gió, như Hình 3.1.
Hình 2.8. Thiết bị đo vận tốc gió
Bước 2: Xác định vận tốc gió.
Thông thường số liệu khảo sát sẽ bị thay đổi liên tục, nên giá trị này xác định từ các số liệu khảo sát gió. Giá trị này được xác định lấy giá trị gió khảo sát mà tần số xuất hiện nhiều nhất để lựa chọn.
Bước 3: Xác định được giá trị công suất điện Pe ở ngõ ra mong muốn.
	Lựa chọn công suất ngõ ra mà khi máy phát điện gió phát điện ở vận tóc gió thường xuyên, đây là công suất thu được sau khi qua máy phát điện.
Bước 4: Xác định ước lượng diện tích cánh A sẽ thiết kế trong máy phát điện gió.
Diện tích cánh gió được lựa chọn phụ thuộc vào chiều cao cánh gió và độ rộng của cánh gió. Nếu như cánh gió có bán kính càng nhỏ thì sẽ turbine cánh gió sẽ quay với tốc độ càng lớn nhưng mô men quay càng nhỏ và ngược lại. Diện tích cánh gió được xác định như sau:
A=dm *h (m2)
Trong đó: 	A: Diện tích cánh gió (m2)
dm là đường kính cánh rô to (m); h là chiều cao cánh rô to (m).
Bước 5: Tính công suất gió tối đa thu được ứng với diện tích cánh rô to A (m2), khi tính ở nhiệt độ bình thường. Để tính công suất thu được sử dụng công thức: 
Pw=0.647*A.u3 (W).
Trong đó:
	Pw : Công suất gió (W)
	A: Diện tích cánh gió (m2) 
	u: Vận tốc gió (m/s)
Bước 6: Tính công suất cơ làm quay trục rô to: Pm = Cp*Pw (W). 
Đối với loại kiểu dáng cánh Lenz2 có tỷ số tối ưu TSR là 0.8. 
Nên sử dụng công thức: = 0.389 [11]
Bước 7: Công suất truyền qua bộ truyền động với hiệu suất truyền động là :
 	(W)	
Để xác định được hiệu suất truyền động:
Tính tốc độ quay của rô to cánh gió:
 (vòng/giây) = 60 (vòng/phút); 
với =0.8 (TSR)
Lựa chọn tỷ số truyền động i:
Với tốc độ quay của máy phát điện là n, tính được tỷ số truyền động i = n1/n2;
- Nếu i ≤ 7 thì lựa chọn một tầng bánh răng;
- Nếu 8 ≤ i ≤ 40 thì lựa chọn 2 tầng bánh răng, nếu như tỷ số truyền lớn hơn có thể chọn 3 hoặc 4 tầng bánh răng;
Hiệu suất truyền động được tính như sau: nếu lựa chọn 1 tầng thì hiệu suất là 0.99 và nếu thêm 1 tầng nữa thì hiệu suất sẽ giảm đi 1% nữa;
Bước 8: Công suất ngõ ra Pout của máy phát, với là hiệu suất của máy phát điện:
(W); 
Bước 9: Kiểm tra công suất ngõ ra Pout
Nếu Pout < Pe thì phải tăng lại diện tích cánh, tức phải quay lại Bước 4 để thực hiện lại việc chọn diện tích cánh phù hợp.
Nếu Pout > Pe thì thực hiện tiếp bước 10.
Bước 10: Đưa ra chi tiết kết quả:
Vận tốc gió định mức u (m/s);
Diện tích cánh rô to A (m2): đường kính cánh rô to dm (m); chiều cao cánh rô to h (m); số lượng cánh: 3 cánh; độ dày mỗi cánh: m = 0.1875*dm (m); chiều dài cánh: l = 0.4*dm(m).
Bộ truyền động: tỷ số truyền i; tốc độ quay của rô to n2 (vòng/phút); tốc độ quay của máy phát n1 (vòng/phút); số tầng bánh răng q (tầng); số răng của bánh răng ở mỗi tầng với bánh răng cơ sở là x răng;
Công suất đạt được Pout;
Hình dạng, kiểu dáng.
Hình 2.9. Mô hình máy turbine gió trục đứng, kiểu dáng cánh Lenz2
Tất cả các bước thực hiện thiết kế cho máy phát điện gió công suất nhỏ loại trục đứng với kiểu dáng cánh Lenz2 được thể hiện trong lưu đồ như Hình 3.3.
 Lưu đồ thiết kế:
Hình 2.10. Lưu đồ thiết kế máy phát điện gió 
công suất nhỏ trục đứng, kiểu dáng cánh Lenz2
2.9 Tính toán thiết kế mô hình gió điển hình
3.9.1. Tiêu chí thiết kế máy phát điện gió công suất nhỏ
Hiệu suất cao.
Cấu tạo đơn giản.
Dễ vận hành và bảo dưỡng.
Thay đổi được tốc độ nhờ bộ truyền động.
Thay đổi được diện tích cánh rô to.
Ít duy tu, bảo quản.
Bền.
Công suất ngõ ra dự kiến của máy phát điện gió ở mức thường xuyên là khoảng 400W.
Hình 2.11. Cấu tạo của hệ thống máy phát điện gió công suất nhỏ 
dạng trục đứng với kiểu dáng cánh Lenz2
3.9.2. Tính toán lựa chọn, thiết kế máy phát điện gió công suất nhỏ
Trong máy phát điện gió bao gồm tất cả các bộ phận như sau:
Rô to: cánh rô to, cánh tay đòn, hub.
Bộ truyền động: hộp số chuyển đổi tỷ số truyền động trong cơ cấu truyền động, chủ yếu là hộp tăng tốc độ từ tốc độ thấp của rô to cánh gió sang tốc độ cao hơn của máy phát điện.
Trụ quay và giàn đỡ.
Máy phát điện.
Bộ phận nén và tích trữ điện, bộ phận xã điện.
Để thiết kế một hệ thống năng lượng gió, người ta cần biết trước các thông số để sử dụng trong quá trình tính toán về năng lượng gió:
Vận tốc gió định mức, số liệu này có được từ việc khảo sát, vận tốc này được tính từ giá trị trung bình của vận tốc gió nơi đặt turbine, thông qua khảo sát gió.
Loại trục turbine là loại turbine trục đứng hay trục ngang.
Đường kính rô to.
Diện tích quét rô to.
Kiểu dáng cánh...
Với mô hình thiết kế và thi công, loại máy phát điện gió turbine trục đứng (VAWT) kiểu dáng cánh Lenz2. Ở đây lựa chọn kiểu dáng cánh Lenz2 vì với loại cánh này dễ thiết kế và thi công hơn các loại cánh khác. Với các thông số đầu vào và đầu ra như Bảng 3.1:
Bảng 2.3. Các thông số đầu vào và đầu ra của mô hình
Thông số đầu vào
Vận tốc gió định mức:
8 m/s
Tỷ số tốc độ TRS
0.8
Số cánh
3 (hoặc 6)
Kiểu dáng cánh
Lenz2
Đường kính rô to (cực đại )
2m
Chiều cao cánh
3m
Số tầng
1 hoặc 2 tầng
Thông số đầu ra
Diện tích quét rô to
6m2
Công suất ngõ ra
 400W
Đường kính và số tầng
Cố định
Chất liệu cánh
Cánh tôn
Độ dày phù hợp
Chất liệu 
giàn và trụ đỡ
Sắt và thép
Sắt ống, vuông –
Thanh chữ V
Tính toán thiết kế và công suất ngõ ra:
1. Công suất thu được từ gió: 
Coi như mô hình được đặt và thử nghiệm ở điều kiện môi trường bình thường. Ở điều kiện bình thường, công suất gió sử dụng công thức (2–5):
= 0.647*6*83 = 1988W
Với A = 6 m2 và u = 8 m/s
2. Hiệu suất của turbine gió:
Theo tài liệu tham khảo [11] tỷ số TRS tối ưu của Lenz2 là 0.8. Sử dụng công thức (2– 25) để tính hiệu suất turbine: 
Với : = 0.389 là hiệu suất tối ưu của turbine gió trục đứng kiểu dáng cánh Lenz2.
3. Hiệu suất của bộ truyền động:
+ Tốc độ quay của rô to cánh quạt được tính theo công thức (2–35):
 (vòng/giây) = 60 (vòng/phút); với =0.8
=62vòng/phút
+ Tốc độ của máy phát điện n1:
i = n1/n2; với tỷ số truyền 8 ≤ i ≤ 40 nên chọn 2 tầng bánh răng để truyền động dễ dàng, chọn 2 tầng bánh răng như vậy hiệu suất còn lại là 98%, coi như mỗi tầng mất đi hiệu suất 1% nếu có bôi trơn và đặt trong hộp kín, là hiệu suất của bộ truyền động [3].
4. Hiệu suất của máy phát điện:
	Hiệu suất của máy phát điện được dự đoán là 27.8% đến 82.2% như trong thí nghiệm về máy phát điện thì hiệu suất phụ thuộc vào tốc độ quay của rô to của máy phát điện, = 27.8% đến 82.2% là hiệu suất của máy phát điện. Ở đây, giả sử hiệu suất máy phát đạt được 80%
5. Hiệu suất toàn hệ thống:
	Hiệu suất toàn hệ thống được tính theo công thức như sau:
Với: 
	= 0.389 là hiệu suất của turbine;
	= 0.98 là hiệu suất của bộ truyền động;
	= 0.8 là hiệu suất của máy phát điện.
	có giá trị 0.304. 
6. Công suất toàn hệ thống:
Công suất toàn hệ thống được tính theo công thức như sau:
	Pe Pw= . Pw
	Pe = 0.304* 1988 =606W 
2.10 Mô phỏng hệ thống máy phát điện hỗn hợp gió –diesel (WDHS – Wind Diesel Hybrid System)
Trong tài liệu này tác giả xin trình bày mô phỏng hệ thống máy phát điện hỗn hợp gió –diesel (WDHS – Wind Diesel Hybrid System), đây là một hệ thống phát điện sử dụng máy phát turbine gió và máy phát diesel nhằm đảm bảo cung cấp điện tốt nhất cho phụ tải khi nguồn gió bị gián đoạn. Mục đích chính của hệ thống này là giảm tiêu hao nhiên liệu, do đó giảm chi phí vận hành hệ thống và giảm tác hại đến môi trường. Cấu tạo của WDHS gồm có máy phát diesel (DG), máy phát turbine gió (WTG), và tải. Động cơ đồng bộ (synchronous machine – SM) tạo ra điện thế và kiểm soát điện áp khi DO không hoạt động trong hệ thống. Tải tạm thời (dump load – DL) gồm có một bộ chuyển đổi công suất và các điện trở, tải này dung để điều tần cho hệ thống. Hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) gồm bộ lưu trữ năng lượng và bộ chuyển đổi công suất để lưu trử và sử dụng năng lượng như mong muốn. Bộ ESS được sử dụng trong WDHS là ắc quy (hình 4.1).
Bộ WDHS có 3 chế độ hoạt động: chỉ chạy máy phát diesel (diesel only – DO), chỉ chạy máy phát điện gió (wind only – WO) và chạy củng lúc máy phát diesel và gió (DW).
Trong chế độ DO, máy phát diesel cung cấp công suất phản kháng và công suất tác dụng cho phụ tải, máy phát điện gió không hoạt động (IT = OFF). 
Trong chế độ DW, máy phát turbine gió cùng máy phát diesel cung cấp điện năng cho tải (IG = IT = ON). 
Trong chế độ MO, máy phát diesel không hoạt động, chỉ duy nhất máy phát turbine gió hoạt động (IG = OFF, IT = ON). Bộ điểu chỉnh điện áp của SM sẽ điều khiển dòng kích từ để cung cấp công suất phản kháng cần thiết đảm bảo không bị sụt áp.
Để mô phỏng, tác giả dung phần mềm Matlab Simulink 7.8 Relaese 13. Trong giới hạn của đề tài, tác giả chỉ mô phỏng phần MO, không xét đến máy phát diesel. Các nghiên cứu về sự liên hệ giữa WTG và DG không được đề cập ở [30], [31], [32]. Hệ thống mô phỏng trên Matlab được trình bày như hình 4.2.
Mô hình trong hệ thống mô phỏng này sử dụng gồm có máy phát đồng bộ 380V, 300kVA; turbine gió kéo máy phát cảm ứng 380V, 275kVA; một phụ tải 50 kW và một phụ tải thay đổi (0 đến 446.25 kW). 
Khi tốc độ gió thấp, cả máy phát turbine gió và máy phát diesel cùng hoạt động cấp nguồn cho tải. Khi công suất gió đáp ứng nhu cầu phụ tải, có thể tắt máy phát diesel. Trong tất cả các chế độ gió, máy phát diesel được sử dụng như một máy bù đồng bộ (synchronous condenser) và bộ kích từ của nó điều chỉnh điện áp lưới bằng với giá trị thông thường. Một bộ tải biến đổi (secondary load bank) được sử dụng để điều chỉnh tần số hệ thống. 
Mô hình turbine gió sử dụng bảng Lookup 2D để tính mô men ngõ ra turbine gió (Tm), là hàm của vận tốc gió (w_Wind) và vận tốc turbine (w_Turb). 
Hình 2.12. Sơ đồ khối mô hình máy phát điện gió –diesel WDHS [28]
Hình 4.2 Mô phỏng máy phát điện turbine gió trên phần mềm Matlab
Khối tải phụ (secondary load) chứa 8 điện trở 3 pha mắc nối tiếp với switch GTO, công suất thay đổi từ 0 – 446.25 kW, mỗi bước nhảy là 1.75kW (hình 4.3).
Bộ điều chỉnh tần số sử dụng vòng khóa pha (PLL) để đo tần số của hệ thống. Tần số đo đuợc sẽ so sánh với tần số chuẩn (50/60Hz) để có được sai số. Sai lệch về tần số này đuợc biến thành sai lệch pha (phase error). Tín hiệu lệch pha được bộ điều khiển PD (Proportional-Differential) xuất ra theo công suất tải phụ (secondary load power). Tín hiệu này được chuyển đổi thành tín hiệu số 8 bit để điều khiển các switch của tải thay đổi tải phụ (secondary loads).
Hình 2.13. Đặc tính làm việc của turbine