Tài liệu Nghiên cứu mô phỏng tương tác lỏng rắn tác dụng lên cánh tuốc bin gió cở nhỏ trục ngang bằng phần mềm ansys

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG HUỲNH KIM TÚ NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG TƯƠNG TÁC LỎNG – RẮN TÁC DỤNG LÊN CÁNH TUỐC BIN GIÓ CỠ NHỎ TRỤC NGANG BẰNG PHẦN MỀM ANSYS LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG HUỲNH KIM TÚ NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG TƯƠNG TÁC LỎNG - RẮN TÁC DỤNG LÊN CÁNH TUỐC BIN GIÓ CỠ NHỎ TRỤC NGANG BẰNG PHẦN MỀM ANSYS Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số: 60520116 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS. Phan Thành Long Đà Nẵng – Năm 2017 i  Lời cam đoan Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Huỳnh Kim Tú ii MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài: .......................................................................................... 1 2. Mục đích và ý nghĩa của đề tài ..................................................................... 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:................................................................ 2 4. Phương pháp nghiên cứu:.............................................................................. 2 5. Nội dung nghiên cứu ..................................................................................... 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU .......................... 5 1.1. Tình hình sử dụng năng lượng gió hiện nay trên thế giới. ...................... 5 1.1.1. Tình hình năng lượng chung:................................................................... 5 1.1.2. Tình hình sử dụng năng lượng gió trên thế giới: ..................................... 5 1.2. Tình hình sử dụng năng lượng gió hiện nay tại Việt Nam. ..................... 6 1.2.1. Tiềm năng gió tại Việt Nam và khu vực ven biển Miền Trung. ............. 6 1.2.2. Tình hình sử dụng năng lượng gió hiện nay tại Việt Nam: ..................... 9 1.3. Tình hình nghiên cứu, chế tạo tuốc bin gió.............................................. 12 1.3.1. Tình hình nghiên cứu chế tạo tuốc bin gió: .......................................... 12 1.3.2. Tình hình nghiên cứu chế tạo tuốc bin gió cở nhỏ trục ngang. ............ 13 1.4. Kết luận: ................................................................................................. 13 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CÁNH TUỐC BIN GIÓ ........... 14 2.1. Cấu tạo hoạt động và nguyên lý làm việc của tuốc bin gió. .................... 14 2.2. Lý thuyết về cánh tuốc bin gió. ................................................................ 15 2.2.1. Các thông số vận hành tuốc bin gió: ..................................................... 15 2.2.2. Cách tiếp cận theo thể tích kiểm tra: ..................................................... 19 2.2.3. Tham số vận hành và hiệu suất tối ưu của tuốc bin gió. ....................... 20 2.2.4. Lý thuyết phần tử cánh BEM. ............................................................... 22 2.3. Các dạng biên dạng cánh của tuốc bin gió cở nhỏ: .................................. 27 2.4. Lý thuyết về sức bền cánh:....................................................................... 32 2.4.1. Lực khí động tác dụng lên tuốc bin gió: ............................................... 33 2.4.2. Lực hấp dẫn tác dụng lên cánh tuốc gió: .............................................. 34 2.4.3. Lực ly tâm ............................................................................................. 34 2.4.4. Lực hồi chuyển: ..................................................................................... 34 2.5. Kết luận: ................................................................................................... 35 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ TUỐC BIN GIÓ CỠ NHỎ ............................... 36 3.1. Các vấn đề khi thiết kế cánh tuốc bin gió cỡ nhỏ: ................................... 36 3.2. Thiết kế tuốc bin gió cỡ nhỏ trục ngang phù hợp với điều kiện làm việc iii ven biển Miền Trung: ...................................................................................... 36 3.2.1. Yêu cầu thiết kế của tuốc bin gió: ......................................................... 36 3.2.2. Thiết kế cánh tuốc bin gió: .................................................................... 38 3.2.3. Chế tạo cánh tuốc bin gió:..................................................................... 41 3.2.4. Kiểm nghiệm việc thiết kế cánh tuốc bin gió: ...................................... 43 3.3. Kết luận: ................................................................................................... 46 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC LỎNG - RẮN TÁC DỤNG LÊN CÁNH TUỐC BIN GIÓ CỠ NHỎ TRỤC NGANG ......................... 47 4.1.Lý thuyết FSI............................................................................................. 47 4.1.1. Giới thiệu về lý thiết FSI. ...................................................................... 47 4.1.2. Xây dựng bài toán FSI: ........................................................................ 50 4.2. Mô phỏng tương tác lỏng - rắn tác dụng của cánh tuốc bin gió cỡ nhỏ trục ngang bằng phần mềm mô phỏng ANSYS. .................................................... 51 4.2.1. Giới thiệu bài toán: ................................................................................ 51 4.2.2. Giới thiệu phần mềm Ansys Fluent: ...................................................... 53 4.2.3. Mô hình hóa bài toán: ............................................................................ 59 4.2.4. Thiết lập thông số mô phỏng: ................................................................ 62 4.2.5. Kết quả: .................................................................................................. 64 4.3. Kết luận: ................................................................................................. 69 CHƯƠNG 5:KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ................................................... 70 5.1. Kết quả đạt được: ..................................................................................... 70 5.2. Đánh giá kết quả: ..................................................................................... 71 5.3. Kết luận và hướng phát triển đề tài: ......................................................... 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 72 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt DAWT Diffuser augmented wind turbine Bộ khuyếch tán gió qua tuốc bin Re Reynolds Hệ số Reynolds Cd Drag Coefficient Hệ số cản Cl Lift Coefficient Hệ số nâng Cp Pressure Coeficient Hệ số áp suất CFD Computional Fluid Dynamics Phương pháp tính toán động lực học lưu chất FSI Fluid-structure interaction Tương tác lỏng rắn FEA Finite Element Analysis Phân tích bằng phần tử hửu hạn v DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu 2.1 2.2 3.1 3.2 3.3 3.4 4.1 Tên bảng Trang Dữ liệu của tuốc bin gió đường kính 7m Bergey BWC XL 10 KW và tuốc bin gió đường kính 80 m 17 Vestas V80 2 MW. Các thông số của họ cánh SG. 28 Giá trị bán kính tuốc bin gió được chia thành 10 đoạn 34 bằng nhau Hệ số đầu mũi cánh tại các bánh kính ri 35 Bảng xác định góc tới ϕ, góc xoắn Ɵ , chiều dài dây 37 cung c tại các bán kính ri Thông số kỹ thuật của vật liệu chế tạo cánh tuốc bin 41 Các thông số cấu trúc chính của cánh tuốc bin 44 Tjaereborg vi DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình Biểu đồ công suất điện gió trên thế giới trong thời gian từ năm 200 - 2015 1.2 Biểu đồ năng lượng gió tại Việt Nam ở độ cao 30m Sơ đồ phân bố tốc độ gió trung bình năm ở vùng biển ven 1.3 bờ Việt Nam tại độ cao 10m và 100m 1.4 Tiềm năng điện gió ở biển Việt Nam 1.5 Công trình điện gios tại Tuy Phong, Bình Thuận 1.6 Nhà máy điện gió Bạc Liêu Qui mô phát triển tuốc bin gió của thế giới từ năm 1908 1.7 đến nay 1.8 Một tuốc bin gió với công suất 1,5MW 2.1 Kết cấu của tốc bin gió Biểu đồ công suất tuốc bin gió đường kính 7 m Bergey 2.2 BWC XL 10 KW tại mực nước biển. Biểu đồ công suất tuốc bin gió đường kính 80m Vestas 2.3 V80 2 MW. Hệ số công suất biến thể với tỷ lệ vận tốc đầu mũi cánh 2.4 cho tuốc bin gió Vestas V80 Thể tích kiểm tra tuốc bin gió bán kính r trong dòng chảy 2.5 đồng nhất 2.6 Hệ số lực đẩy tại cảm ứng trục lớn Mặt cắt ngang ống dòng hình vành khuyên của phần tử 2.7 cánh 2.8 Vận tốc của phần tử cánh ở bán kính r 2.9 Lực cản và lực nâng trên phần tử cánh 2.10 Biên dạng cánh 4 chữ số của NACA 2.11 Biên dạng cánh SG hiện đại dùng cho tuốc bin gió Biểu đồ hệ số lực nâng của biên dạng cánh SG6040 và 2.12 a SG6043 Biểu đồ hệ số lực cản của biên dạng cánh SG 6040 và SG 2.12 b 6043 2.12 c Biểu đồ biểu thị tỷ lệ hệ số lực nâng/ lực cản của biên 1.1 Trang 5 6 7 7 9 10 11 12 13 16 16 18 19 21 23 24 25 27 28 29 30 30 vii Số hiệu 2.13 2.14 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 Tên hình dạng cánh SG 6040 và SG 6043 Các lực tác dụng lên tuốc bin gió Lực khí động tác dụng lên cánh tuốc bin. Đồ thị quan hệ giữa hệ số lực cản. lực nâng với số Renold =300.000 Đồ thị hệ số lực nâng theo góc tấn của biên dạng cánh SG 6043 Xét các profin cánh tại các mặt dòng từ 1 đến 10 Các lực tác dụng lên phần tử cánh Mặt cắt ngang của một cánh tuốc bin. Mặt cắt ngang của một cánh tuốc bin có khung xương (dầm) ở giữa Cánh tuốc bin sau khi chế tạo hoàn chỉnh. Biên dạng cánh tuốc bin gió SG 6043 Đồ thị biểu thị quan hệ lực cản Cd và lực nâng Cl Đồ thị biểu thị quan hệ lực nâng Cl và góc tấn α Đồ thị quan hệ tỷ số lực nâng/ lực cản với góc tấn α Đồ thị biểu thị quan hệ hệ số công cuất với vận tốc gió Đồ thị biểu thị quan hệ công suất P[w] với vận tốc gió Sơ đồ phương pháp tiếp cận khối (a) và cách tiếp cận từng phần (b) Mô hình lưới thích nghi và lưới không thích nghi Sơ đồ của các miền chất lỏng và rắn trong một bài toán FSI. Sơ đồ tương tác lỏng rắn FSI Liên kết kết quả từ module Fluent sang module Ansys Static Mechanical. Động cơ đốt trong được mô hình hóa bằng ANSYS Fluent Bộ giải dựa trên áp suất. Thuật toán của bộ giải dựa trên mật độ Mô hình cánh tuốc bin gió 1 KW. Cánh tuốc bin đặt trong hình trụ bao quanh cánh Mô hình chia lưới trong Ansys Meshing Trang 32 32 36 36 38 39 41 42 42 43 43 43 44 44 45 47 48 49 51 52 52 56 56 59 59 60 viii Số hiệu Tên hình Trang 4.12 Giá trị độ lệch của việc chia lưới 61 4.13 4.14 4.15 4.16 4.17 4.18 4.19 4.20 4.21 4.22 Chất lượng trực giao của việc chia lưới Hệ số co của việc chia lưới Bảng lựa chọn mô hình rối trong phân tích CFD Bảng lựa chọn điều kiện biên trong phân tích CFD Bộ giải áp suất, giải bài toán phụ thuộc vào thời gian Lực áp suất tác dụng lên cánh tuốc bin gió Phân bố vận tốc trên cánh tuốc bin gió Phân bố áp suất trên cánh tuốc bin gió. Đường dòng của gió qua cánh tuốc bin Cánh tuốc bin không có thanh chống ở giữa. Biến dạng của cánh tuốc bin gió dưới ảnh hưởng của lực khí động trong trường hợp cánh tuốc bin không có thanh ở giữa cánh. Cánh tuốc bin gió có thanh chống ở giữa. Biến dạng của cánh tuốc bin gió trong trường hợp cánh có thanh chống ở giữa. Phân bố ứng suất Von Misses trên bề mặt cánh tuốc bin. Biến dạng của cánh tuốc bin gió dưới ảnh hưởng của lực khí động 62 62 63 63 64 64 65 65 66 67 4.23 4.24 4.25 4.26 4.27 67 68 68 69 69 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài: Khai thác, sản xuất và tiêu thụ năng lượng có nguồn gốc hóa thạch (dầu mỏ, than đá) là các nguyên nhân chính làm tăng lượng khí nhà kính dẫn đến biến đổi khí hậu - một mối nguy của toàn cầu, nhưng nhu cầu về năng lượng lại ngày càng tăng nhanh. Trong khi đó, các nguồn năng lượng hóa thạch đang cạn dần và có tác động mạnh đến môi trường, các nguồn thủy điện thì rất nhạy cảm với hệ sinh thái và thiên tai như lũ lụt, động đất. Năng lượng hạt nhân thì có nhiều nguy cơ mất an toàn và thiếu biện pháp dài hạn cho các chất thải hạt nhân. Vì thế, công nghệ năng lượng ở các nước tiên tiến hiện nay đang chuyển dần sang các nguồn tái tạo và sạch như mặt trời, gió, khí sinh học, sóng và thủy triều. Trong đó, khai thác điện từ gió và mặt trời là các công nghệ năng lượng tái tạo phát triển nhanh nhất. Khai thác năng lượng từ gió dường như là khả thi và đáng tin cậy nhất ở nhiều nước với tỷ lệ phát triển hàng năm khoảng 25-30%. Công nghiệp điện gió với tốc độ đầu tư và phát triển công nghệ có thể cung cấp tới 12% nhu cầu về điện của toàn cầu vào năm 2050. Hơn nữa, điện gió cũng đóng góp lớn cho giảm thiểu khí nhà kính, dự báo sẽ làm giảm 0.5 tỷ tấn CO2 (9.2%) vào năm 2020 và làm giảm 3 tỷ tấn CO2 (7.8%) vào năm 2050 [1]. Tiềm năng điện gió ở Việt nam là lớn hơn rất nhiều lần so với các nước lục địa. Đặc biệt tại miền duyên hải miền Trung và Nam Bộ tiềm năng về điện gió là rất lớn. Tuy nhiên việc khai thác năng lượng gió hiện nay tại vùng ven biển miền Trung chưa được quan tâm đầu tư đúng mức. Có rất nhiều lý do dẫn đến việc khai thác năng lượng gió chưa được đầu tư đúng mức như: - Giá thành nhập khẩu máy móc, thiết bị (như cánh quạt, tuốc bin gió, máy phát điện v.v…) từ nước ngoài là rất cao. - Các cánh tuốc bin gió do nước ngoài chế tạo là loại cánh tuốc bin cỡ lớn không phù hợp với sức gió có vận tốc từ 5 - 7m/s của khu vực ven biển miền Trung Việt Nam nên từ đó hiệu quả khai thác và sử dụng không cao. - Tuốc bin gió cỡ lớn đã được nghiên cứu kỹ nhưng tuốc bin gió cỡ nhỏ vẫn phải nghiên cứu thêm vì phụ thuộc vào vị trí lắp đặt và điều kiện sử dụng khác nhau. Vì các lý do nêu trên tôi chọn đề tài “ Nghiên cứu mô phỏng tương tác lỏng – rắn tác dụng lên cánh tuốc bin gió cỡ nhỏ trục ngang bằng phần mềm Ansys” nhằm góp phần vào nghiên cứu, chế tạo các cánh tuốc bin gió phù hợp với điều 2 kiện làm việc tại Việt Nam nói chung và khu vực ven biển Miền Trung nói riêng. 2. Mục đích và ý nghĩa của đề tài 2.1. Mục tiêu của đề tài: - Thiết kế cánh tuốc bin gió cỡ nhỏ trục ngang phù hợp với sức gió của khu vực ven biển Miền Trung, Việt Nam. - Đánh giá độ bền của cánh tuốc bin gió cỡ nhỏ trục ngang trong tương tác lỏng - rắn. 2.1. Ý nghĩa của đề tài: Góp phần nghiên cứu chế tạo hoàn chỉnh tuốc bin gió loại này. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 3.1. Đối tượng nghiên cứu: Cánh tuốc bin gió cỡ nhỏ trục ngang với công suất phát điện nhỏ hơn 2 KW. 3.2. Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu lý thuyết về cánh tuốc bin và khí động học trên cánh tuốc bin gió. - Tính tối ưu các thông số kỹ thuật của cánh tuốc bin gió trong điều kiện sức gió của khu vực ven biển Miền Trung Việt Nam. - Tính toán, kiểm nghiệm độ bền cánh tuốc bin gió theo điều kiện làm việc dựa vào tương tác lỏng - rắn. - Chỉ nghiên cứu việc chế tạo cánh tuốc bin gió cỡ nhỏ trục ngang không nghiên cứu việc chế tạo các chi tiết còn lại của tuốc bin gió. 4. Phương pháp nghiên cứu: - Kết hợp giữa lý thuyết và mô phỏng. - Sử dụng phần mềm ANSYS. 5. Nội dung nghiên cứu Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU: 1.1. Tình hình sử dụng năng lượng gió hiện nay trên thế giới. 1.1.1. Tình hình năng lượng chung. 1.1.2. Tình hình sử dụng năng lượng gió trên thế giới. 1.2. Tình hình sử dụng năng lượng gió hiện nay tại Việt Nam. 1.2.1. Tiềm năng gió tại Việt Nam và khu vực ven biển Miền Trung 1.2.2. Tình hình sử dụng năng lượng gió hiện nay tại Việt Nam 1.3. Tình hình nghiên cứu, chế tạo tuốc bin gió. 1.3.1. Tình hình nghiên cứu chế tạo tuốc bin gió 1.3.2. Tình hình nghiên cứu chế tạo tuốc bin gió cở nhỏ trục ngang. 3 1.4. Kết luận. Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CÁNH TUỐC BIN GIÓ. 2.1. Cấu tạo hoạt động và nguyên lý làm việc của tuốc bin gió. 2.2. Lý thuyết về cánh tuốc bin gió. 2.2.1. Các thông số vận hành tuốc bin gió. 2.2.2. Cách tiếp cận theo thể tích kiểm tra. 2.2.3. Tham số vận hành và hiệu suất tối ưu của tuốc bin gió. 2.3. Các dạng biên dạng cánh của tuốc bin gió cở nhỏ. 2.4. Lý thuyết về sức bền cánh. 2.4.1. Lực khí động tác dụng lên tuốc bin gió. 2.4.2. Lực hấp dẫn tác dụng lên cánh tuốc gió. 2.4.3. Lực ly tâm. 2.4.4. Lực hồi chuyển. 2.5. Kết luận. Chương 3: THIẾT KẾ TUỐC BIN GIÓ CỠ NHỎ. 3.1. Các vấn đề khi thiết kế cánh tuốc bin gió cỡ nhỏ. 3.2. Thiết kế tuốc bin gió cỡ nhỏ trục ngang phù hợp với điều kiện làm việc ven biển Miền Trung. 3.2.1. Yêu cầu thiết kế của tuốc bin gió. 3.2.2. Thiết kế cánh tuốc bin gió. 3.2.3. Chế tạo cánh tuốc bin gió. 3.2.4. Kiểm nghiệm việc thiết kế cánh tuốc bin gió. 3.3. Kết luận. Chương 4: NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC LỎNG - RẮN TÁC DỤNG LÊN CÁNH TUỐC BIN GIÓ CỠ NHỎ TRỤC NGANG. 4.1.Lý thuyết FSI. 4.1.1. Giới thiệu về lý thiết FSI. 4.1.2. Xây dựng bài toán FSI. 4.2. Mô phỏng tương tác lỏng - rắn tác dụng của cánh tuốc bin gió cỡ nhỏ trục ngang bằng phần mềm mô phỏng ANSYS. 4.2.1. Giới thiệu bài toán. 4.2.2. Giới thiệu phần mềm Ansys Fluent. 4.2.3. Mô hình hóa bài toán. 4.2.4. Thiết lập thông số mô phỏng. 4.2.5. Kết quả. 4.3. Kết luận. 4 CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN. 5.1. Kết quả đạt được. 5.2. Đánh giá kết quả. 5.3. Kết luận và hướng phát triển đề tài. 5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1. Tình hình sử dụng năng lượng gió hiện nay trên thế giới. 1.1.1. Tình hình năng lượng chung: Làm thế nào để đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng của con người là một trong các vấn đề nóng bỏng trong thời gian tới. Hiện nay, trên thế giới sự giới hạn nguồn năng lượng tỷ lệ nghịch với nhu cầu ngày càng tăng của các khu vực và trên thế giới. Vấn đề an ninh năng lượng của thế giới đang trở nên bức bách hơn bao giờ hết. Việc sử dụng năng lượng hiện nay đang tập trung ở nguồn năng lượng hóa thạch. Theo thống kê, các nguồn năng lượng con người đang tiêu thụ gồm 41,7% dầu mỏ, 24,7% than, 21,% ga, 6,% năng lượng nguyên tử, 6,% thủy điện và năng lượng gió, mặt trời, địa nhiệt, năng lượng sinh học, thủy triều, vv… chỉ chiếm khoảng gần 1% nhu cầu năng lượng của con người [3]. Theo dự báo của Cơ quan năng lượng quốc tế, nếu lượng tiêu thụ năng lượng của thế giới tiếp tục giữ mức như hiện nay, nhu cầu năng lượng sẽ tăng hơn 30% vào năm 2030, riêng về nhu cầu của dầu lửa có thể tăng đến 41%. Trong bối cảnh hiện nay, đảm bảo an ninh năng lượng phục vụ sự phát triển bền vững, giảm sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng nhập khẩu từ bên ngoài, đặc biệt là dầu mỏ, trở thanh vấn đề đặc biệt quan tâm ở quốc gia. Sự tăng trưởng về nhu cầu năng lượng tập trung vào các nước đang phát triển. Dự kiến các nước này nhu cầu năng lượng sẽ đạt 50% nhu cầu năng lượng của thế giới vào năm 2030. Các dạng năng lượng truyền thống như than, dầu mỏ, khí đốt.vv… đang ngày càng cạn kiệt. Nhiều nước trong khu vực ASEAN có nguồn dầu khí, trong đó Brunei, Inđônêsia thuộc nhóm các nước xuất khẩu dầu. Nhưng nhu cầu năng lượng của khu vực như hiện nay sẽ dẫn đến nguy cơ phải chịu sự phụ thuộc vào nhập khẩu năng lượng. Theo nghiên cứu dự báo của giám đốc Trung tâm năng lượng ASEAN, mức độ phụ thuộc này có thể đạt khoảng 49% đến 58%. 1.1.2. Tình hình sử dụng năng lượng gió trên thế giới: Nhận thức được tầm quan trọng của năng lượng tái sinh nói chung và năng lượng gió nói riêng, chính phủ của nhiều quốc gia trên thế giới đang dốc tiền của, nhân lực vào việc nghiên cứu và đưa vào sử dụng thực tiễn năng lượng gió giúp giảm sự căng thẳng năng lượng ở các nước. Tính đến cuối năm 2015, tổng công suất phát điện đặt tổng cộng trên toàn thế giới từ sức gió lên tới 432.883 MW, tăng 17% so với năm trước đó. Lắp đặt 6 điện gió toàn cầu tăng thêm 63.330 MW, 51.447 MW và 35.467 MW vào năm 2015, 2014 và 2013 tương ứng [19]. Từ năm 2010, hơn một nửa của tất cả các năng lượng gió mới đã được bổ sung ngoài các thị trường truyền thống của châu Âu và Bắc Mỹ, chủ yếu là do sự bùng nổ tại Trung Quốc và Ấn Độ. Vào cuối năm 2015, Trung Quốc đã có 145 GW điện gió được lắp đặt. Trong năm 2015, Trung Quốc lắp đặt gần một nửa công suất điện gió trên của thế giới. Một số quốc gia đã sử dụng điện gió ở mức độ tương đối cao, chẳng hạn như chiếm 39% sản lượng điện sử dụng ở Đan Mạch, 18% ở Bồ Đào Nha, 16% ở Tây Ban Nha, 14% ở Ireland và 9% ở Đức vào năm 2010. Tính đến năm 2011, 83 quốc gia trên toàn thế giới đang sử dụng năng lượng gió ở mức độ thương mại. Đóng góp của năng lượng gió vào tổng sản lượng tiêu thụ điện trên toàn thế giới vào cuối năm 2014 là 3,1% [19] Hình 1.1 trình bày công suất sản suất từ điện gió trên thế giới trong khoảng thời gian từ năm 2000 đến 2015. Hình 1.1 : Biểu đồ công suất điện gió trên thế giới trong thời gian từ năm 20002015 [19] 1.2. Tình hình sử dụng năng lượng gió hiện nay tại Việt Nam. 1.2.1. Tiềm năng gió tại Việt Nam và khu vực ven biển Miền Trung. a. Tiềm năng gió tại Việt Nam Nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài, Việt Nam có một thuận lợi cơ bản để phát triển năng lượng gió. So sánh tốc độ gió trung bình trong vùng Biển Đông Việt Nam và các vùng biển lân cận cho thấy gió tại Biển Đông khá mạnh và thay đổi nhiều theo mùa. 7 Trong chương trình đánh giá về Năng lượng cho Châu Á, Ngân hàng Thế giới đã có một khảo sát chi tiết về năng lượng gió khu vực Đông Nam Á, trong đó có Việt Nam. Như vậy Ngân hàng Thế giới đã làm hộ Việt Nam một việc quan trọng, trong khi Việt Nam còn chưa có nghiên cứu nào đáng kể. Theo tính toán của nghiên cứu này, trong bốn nước được khảo sát thì Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất và hơn hẳn các quốc gia lân cận là Thái Lan, Lào và Campuchia. Trong khi Việt Nam có tới 8,6% diện tích lãnh thổ được đánh giá có tiềm năng lớn để xây dựng các trạm điện gió cỡ lớn, trong khi đó thì diện tích này ở Campuchia là 0,2%, ở Lào là 2,9%, và ở Thái-lan cũng chỉ là 0,2%. Tổng tiềm năng điện gió của Việt Nam ước đạt 513.360 MW tức là bằng hơn 200 lần công suất của thủy điện Sơn La và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện vào năm 2020. Tất nhiên, để chuyển từ tiềm năng lý thuyết thành tiềm năng có thể khai thác, đến tiềm năng kỹ thuật và cuối cùng thành tiềm năng kinh tế là cả một câu chuyện dài; nhưng điều đó không ngăn cản việc chúng ta xem xét một cách thấu đáo tiềm năng to lớn về năng lượng gió ở Việt Nam [18]: Hình 1.2: Biểu đồ năng lượng gió tại Việt Nam ở độ cao 30 m [16] 8 Nếu xét tiêu chuẩn để xây dựng các trạm điện gió cỡ nhỏ phục vụ cho phát triển kinh tế ở những khu vực khó khăn thì Việt Nam có đến 41% diện tích nông thôn có thể phát triển điện gió loại nhỏ. Nếu so sánh con số này với các nước láng giềng thì Campuchia có 6%, Lào có 13% và Thái Lan là 9% diện tích nông thôn có thể phát triển năng lượng gió. Đây quả thật là một ưu đãi dành cho Việt Nam mà chúng ta còn thờ ơ chưa nghĩ đến cách tận dụng. Hình 1.3: Sơ đồ phân bố tốc độ gió trung bình năm ở vùng biển ven bờ Việt Nam tại độ cao 10m và 100m Hình 1.4. Tiềm năng điện gió ở Biển Việt Nam 9 b. Tiềm năng gió tại khu vực Miền Trung Việt Nam: Từ hình 1.2 và 1.3 ta thấy tiềm năng gió tại khu vực Miền Trung Việt Nam là rất lớn. Đặc biệt ở độ cao 30m tốc độ gió từ 5 m/s – 7 m/s rải đều khắp các tỉnh của khu vực miền trung Việt Nam. Còn ở độ cao 10m tốc độ gió 5 – 7m/s phân bố nhiều nhất ở các tỉnh như Thanh Hóa, Quảng Bình, Quảng Trị, Quảng Nam, Quảng Ngãi, Khánh Hòa, Phan Thiết, Bình Thuận. Tìm năng gió tuy là rất lớn như vậy nhưng việc khai thác, sử dụng năng lượng gió tại khu vực này chưa tương xứng với tiềm năng hiện có của nó. 1.2.2. Tình hình sử dụng năng lượng gió hiện nay tại Việt Nam: Tiềm năng gió của Việt Nam rất lớn, vì thế việc nghiên cứu phát triển năng lượng gió là một công việc cần thiết. Sự nghiên cứu triển khai năng lượng gió ở Việt Nam đã đi những bước đầu tiên. Nhưng cơ bản sự phát triển năng lượng gió trong nước còn nhỏ lẻ, còn khá khiêm tốn so với tiềm năng to lớn của Việt Nam. Hiện tại Việt Nam có tất cả 20 dự án diện gió với dự kiến sản xụất 20 GW. Nguồn điện gió này sẽ kết nối với hệ thống điện lưới quốc gia và sẽ được phân phối và quản lý bởi Tổng Công Ty Điện Lực Việt Nam. Trong thời gian qua (tháng 4 năm 2004) , Việt Nam đã lắp đặt trạm năng lượng gió công suất 858KW trên đảo Bạch Long Vĩ do chính phù tài trợ và các tổ máy được chế tạo bởi hãng Technology SA (Tây Ban Nha) . Ngoài ra Trung Tâm Năng Lượng Tái Tạo và Thiết Bị Nhiệt (RECTARE) Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh đã lắp đặt trên 800 tuốc bin gió trong hơn 40 tỉnh thành với sự tài trợ của Hiệp hội Việt Nam – Thụy Sĩ tập trung nhiều nhất gần Nha Trang, trong đó có gần 140 tuốc bin gió đã hoạt động. Ở Cần Giờ thành phố Hồ Chí Minh với sự hỗ trợ của Pháp cũng đã lắp đặt được 50 tuốc bin gió. Tuy nhiên những tuốc bin gió trên đều có công suất nhỏ khoảng vài KW mức độ thành công không cao vì không được bảo dưỡng thường xuyên theo đúng yêu cầu. Tháng 8-2008 Fuhrlaender AG, một tập đoàn sản xuất tuốc bin gió hàng đầu của Đức đã bàn giao 5 tổ máy (tuốc bin gió) sản xuất điện gió đầu tiên cho dự án điện gió tại Tuy Phong , Bình Thuận với mỗi tổ máy có công suất 1,5MW (nơi đây thời tiết ở Tuy Phong có nhiều nắng vá gió, tốc độ gió trung bình ở đây là 6,7 m/s). Tổ máy đầu tiên được lắp đặt vào tháng 11-2008 và chính thức hoàn thành kết nối vào điện lưới quốc gia vào tháng 8 năm 2009. 10 Hình 1.5 : Công trình điện gió tại Tuy Phong, Bình Thuận Trên hình 1.5 là 5 tổ máy của nhà máy điện gió tầm cỡ MW đầu tiên ở Việt Nam ở xã Bình Thạnh, huyện Tuy Phong , tỉnh Bình Thuận. Chiều cao của mỗi tháp là 103,75 m và đường kính của cánh tuốc bin là 37,5 m [18]. Toàn bộ thiết bị của 15 tổ máy còn lại của giai đọan 1 sẽ được hoàn thành trong thời gian sắp tới để hòan tất việc lắp đặt toàn bộ 20 tổ máy cho giai đọan 1. Tổng công suất của nhà máy điện gió tại Bình Thuận trong giai đoạn này là 30MW do Công Ty Cổ Phần Năng Lượng Tái Tạo Việt Nam (REVN) làm chủ đầu tư. Thời gian hoạt động của dự án là 49 năm. Nhà máy được xây dựng trên diện tích 328 ha. Theo kế hoạch giai đoạn 2 sẽ mở rộng sau đó với công suất lên 120MW [18]. Tháng 10-2008 tại Hà Nội đã diễn ra lễ ký kết giữa Tổng Công Ty Điện Lực Dầu Khí Việt Nam (PV Power) thuộc Tập Đoàn Dầu Khí Việt Nam và Tập Đoàn Luyện Kim của Argentina Industrias Metallurgica Pescamona S.A.I.yF (IMPSA) thỏa thuận chi tiết về việc sản suất và phát triển các dự án điện gió và thủy điện tại Việt Nam. Hai bên đã đồng ý góp vốn để kinh doanh và thương mại hóa tuốc bin gió, phát triển và quản lý các dự án điện gió, cung cấp các dịch vụ bảo trì, sửa chữa các thiết bị điện gió ở Việt Nam. Hai bên cũng đã kí thỏa thuận hợp tác triển khai nhà máy điện gió công suất 1 GW trên diện tích 10.000 ha nằm cách xã Hòa Thắng huyện Bắc Bình tỉnh Bình Thuận khoảng 6 km về hướng đông bắc. Nhà máy sẽ được lắp đặt tuốc bin gió IMPESA Unipower IWP –Class II công suất 2,1MW các tổ máy gồm nhiều tuốc bin gió cho phép sản xuất 5,5Gwh/năm. Dự kiến tổng vốn đầu tư cho dự án là 2,35 tỷ USD trong 5 năm. Hai bên cũng thỏa thuẩn về dự án sản suất tuốc bin gió công suất 2MW có sải cánh quạt dài 80m cho Việt Nam và cho xuất khẩu.