SƠ LƯỢC VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ

1. Giới thiệu chung

Toàn cầu, tổng mức tiêu thụ năng lượng sơ cấp hàng năm (2005) ước tính là 500.1015 Btu. Riêng nước Mỹ tiêu thụ 105.1015 Btu, tập trung trong các lĩnh vực: Công nghiệp, giao thông, thương mại và dân dụng được minh họa trong Hình 1.1. Khoảng 40% tổng mức năng lượng sơ cấp được sử dụng để sản xuất điện. Gần 70% năng lượng được sử dụng trong nhà và văn phòng dưới dạng điện năng. Nhu cầu điện trên toàn thế giới là 15 nghìn tỷ kWh (2005) và đạt 19 nghìn tỷ kWh trong 2015. Mức gia tăng trung bình hàng năm về nhu cầu điện năng trên toàn thế giới là 2,6%. Tốc độ gia tăng ở các nước đang phát triển được dự đoán khoảng 5%, gần gấp đôi mức tăng trung bình của thế giới. Điện trên thế giới được sản xuất chủ yếu bằng nhiên liệu hóa thạch trong hơn hai thế kỷ, vài nơi nhu cầu điện có thể được đáp ứng bằng các nhà máy điện hạt nhân nhưng chỉ mới hơn 5 thập kỷ qua. Những lo ngại môi trường ngày càng gia tăng trong những năm gần đây liên quan đến sự nóng lên toàn cầu và những tác động tiêu cực của phát thải carbon đã đặt ra một yêu cầu mới về các nguồn năng lượng sạch và bền vững như gió, biển, mặt trời, sinh khối và năng lượng địa nhiệt. Trong số này, năng lượng gió và mặt trời đã phát triển đáng kể trong 10 năm qua. Cả hai đều là nguồn năng lượng dồi dào và không gây ô nhiễm. Ngoài ra, với hai nguồn năng lượng này, điện có thể được sản xuất và cung cấp cho khu vực lân cận, gần các nhà máy sản xuất; do đó, giúp tiết giảm chi phí lắp đặt hệ thống đường dây điện cao thế chạy từ khu vực ngoại thành và nội thành. Việc cho phép tư nhân hoá và khuyến khích lựa chọn của người tiêu dùng đối với các nguồn năng lượng xanh (green power) ở nhiều nước đang giúp mở rộng thị trường cho điện gió (wind power) và quang điện (Photovoltaic Energy) với tốc độ ngày càng tăng.

Hinh 1.1Hình 1.1: Tỉ lệ tiêu thụ năng lượng trong 3 lĩnh vực lớn của Mỹ

Tổng nhu cầu điện ở Mỹ đã đạt gần 4 nghìn tỷ kWh trong năm 2005, với tổng giá trị đạt 300 tỷ đô la. Để đáp ứng nhu cầu này, các cơ sở với công suất hơn 800 GW được lắp đặt tại Hoa Kỳ. Nhu cầu điện trên cả nước đã tăng lên theo tổng sản phẩm quốc dân (GNP). Với tốc độ đó, Mỹ cần phải bổ sung 200 GW vào 2015.

Trung Quốc hiện là nước tiêu thụ điện lớn thứ hai thế giới sau Mỹ. Nhu cầu điện năng của Trung Quốc tăng 15% trong năm 2003, so với dự báo của các nhà hoạch định kinh tế chỉ 5% . Hiện tại, tổng nhu cầu đã vượt quá 460 GW vào cuối 2005. Ấn Độ là một quốc gia có nhu cầu năng về lượng tăng hơn 10% mỗi năm. Tốc độ gia tăng này, cùng với số dân đông, sẽ làm cho hai quốc gia này phát triển nhanh chóng thị trường cho tất cả các nguồn năng lượng điện, bao gồm cả năng lượng tái tạo.

Ngày nay, việc xây dựng các nhà máy sản xuất điện năng đang trở nên phức tạp ở nhiều nơi trên thế giới vì khó khăn trong việc tìm vị trí cho lắp đặt các cơ sở sản xuất và truyền tải điện dưới bất kỳ hình thức nào. Tại Mỹ, không có nhà máy điện hạt nhân nào được yêu cầu hoặc thiết lập từ năm 1978. Với mức chi phí cao, những đổi mới về thiết kế liên quan đến an toàn trong quá trình xây dựng và sự phản đối của cộng đồng địa phương đối với các nhà máy này, các nhà máy điện hạt nhân không phải là lựa chọn hàng đầu trong ba thập kỷ qua. Nếu không có nhà máy điện hạt nhân mới được xây dựng và các nhà máy hiện tại không được cấp phép lại khi hết thời hạn 40 năm, sản lượng điện hạt nhân dự kiến sẽ giảm mạnh sau năm 2010. Sự suy giảm này phải được thay thế bằng các nguồn năng lượng khác. Với giá khí đốt tăng dài hạn, các cơ sở sản xuất có khả năng sẽ dùng than để sản xuất điện. Mỹ có trữ lượng than khổng lồ, tương đương với hơn 250 năm sử dụng ở mức hiện tại. Tuy nhiên, điều này sẽ yêu cầu các công nghệ đốt than sạch (clean coal-burning technologies) để có được sự chấp thuận hoàn toàn từ cộng đồng.

Các giải pháp thay thế cho điện hạt nhân và nhiên liệu hóa thạch là các công nghệ năng lượng tái tạo như: thủy điện, ngoài các công nghệ đã đề cập bên trên. Các dự án thủy điện quy mô lớn ngày càng trở nên khó triển khai hơn trong những năm gần đây do cạnh tranh trong việc sử dụng đất và tài nguyên nước. Các yêu cầu tái cấp phép của các nhà máy thủy điện hiện tại thậm chí có thể dẫn đến việc yêu cầu loại bỏ một số đập nhằm bảo vệ hoặc phục hồi môi trường sống của động vật hoang dã. Ngược lại, trong số các nguồn năng lượng tái tạo khác, gió và mặt trời gần đây đã cho thấy sự tăng trưởng nhanh chóng trên toàn thế giới.

Hiện trạng và lợi ích của các nguồn năng lượng tái tạo được so sánh với các nguồn thông thường trong Bảng 1.1 và Bảng 1.2.

bang 1.1
Bảng 1.1: So sánh các nguồn năng lượng tái tạo và năng lượng truyền thống
bang 1.2
Bảng 1.2: Lợi ích của việc sử dụng điện tái tạo

Các nhà khoa học và nhà kinh tế về năng lượng tin rằng nguồn năng lượng tái tạo sẽ nhận được nhiều khuyến khích của quốc gia hơn nếu lợi ích xã hội của chúng được công nhận đầy đủ. Ví dụ, giá trị của việc không tạo ra 1 tấn CO2, SO2 và NOx, và giá trị của việc không xây dựng đường dây điện cao thế dài chạy qua khu vực nông thôn và thành thị không được phản ánh đầy đủ cho giá của năng lượng tái tạo hiện tại. Nếu năng lượng tái tạo có được chứng nhận về việc giảm ô nhiễm của phát thải 600 tấn CO2 trên mỗi một triệu kWh điện tiêu thụ, chúng sẽ có được sự thúc đẩy lớn hơn nữa cùng với những ưu đãi nhiều hơn so với hiện tại của chính phủ Mỹ.

Đối với các ngành công nghiệp năng lượng mặt trời và điện gió của Mỹ, luôn có thêm sự cạnh tranh trên thị trường quốc tế. Chính phủ các nước khác hỗ trợ các ngành công nghiệp năng lượng xanh thông qua các nghiên cứu được tài trợ cao, các khoản vay chi phí thấp, thuế suất ưu đãi và giá thành được đảm bảo. Dưới những ưu đãi như vậy, tốc độ tăng trưởng của năng lượng gió ở Đức và Ấn Độ đã trở thành một hiện tượng trong thập kỷ qua.

Năm 2005, Mỹ sản xuất gần 4 nghìn tỷ kWh điện, 70% trong số đó (2,8 nghìn tỷ kWh) từ nhiên liệu hóa thạch và phần lớn là từ than đá. Lượng phát thải ước tính vượt quá 2,5 tỷ tấn CO2, 20 triệu tấn SO2 và 8 triệu tấn NOx. Ảnh hưởng sức khỏe của các phát thải này là mối quan tâm đáng kể đối với người dân Mỹ. Sự phát xạ của điện từ trường xung quanh đường dây điện cao áp là một mối quan tâm khác gần đây cũng đã trở thành vấn đề môi trường.

Vì những vấn đề này, các nguồn năng lượng tái tạo dự kiến sẽ được xem là trọng tâm trong quy hoạch năng lượng của tất cả các nước trên thế giới. Ngoài ra, năng lượng gió hiện nay đã trở thành nguồn năng lượng mới rẻ tiền nhất Bảng 1.3. Do đó, năng lượng gió đã đạt tốc độ tăng trưởng cao nhất về công suất phát điện xét trong giai đoạn 1993 đến 2003 (Hình 1.2).

bang 1.3
Bảng 1.3: Chi phí cho các công nghệ sản xuất năng lượng quy mô lớn ở Mỹ
Hinh 1.2
Hình 1.2: Mức tăng trưởng trung bình của các cơ sở sản xuất năng lượng khác nhau từ 1993 – 2003

Green Pricing là một chương trình điện tái tạo được cung cấp bởi khoảng 350 công ty phân phối năng lượng tại Mỹ. 6% người tiêu dùng đủ điều kiện ở Texas đã chuyển sang nguồn năng lượng tái tạo. Trong chương trình này, các công ty ở Texas được yêu cầu mua Chứng nhận năng lượng tái tạo trên thị trường mở để bù đắp một phần lượng điện được tạo ra theo cách truyền thống mà họ đã bán cho khách hàng. Mỗi chứng nhận đại diện cho 1 MW điện được sản xuất từ gió, mặt trời, hoặc các nguồn năng lượng tái tạo khác. Người tiêu dùng có thể chọn mua điện từ các nguồn tái tạo với mức giá thêm khoảng 1,5 cent / kWh hoặc 5 đô la mỗi tháng cho mỗi 300 kWh. Kết quả vào năm 2004, gần 350 MW công suất điện sản xuất bằng năng lượng tái tạo được cung cấp. Trong số này, hơn 95% là điện gió. Một cuộc khảo sát năm 2003 về mức sẵn lòng trả của người tiêu dùng cho điện năng từ các nguồn tái tạo được mô tả trong Hình 1.3.

Hinh 1.3
Hình 1.3: Mức sẵn lòng trả cho năng lượng xanh của người tiêu dùng tại Mỹ

2. Năng lượng gió

Năng lượng gió được sử dụng đầu tiên cho các thuyền buồm ở sông Nile khoảng 5000 năm trước. Năng lượng gió ngoài việc dùng cho giao thông vận tải còn có nhiều mục đích khác: Người Châu Âu sử dụng gió để xay ngũ cốc và bơm nước trong những năm 1700 và 1800. Cối xay gió đầu tiên dùng để sản xuất điện ở nông thôn Hoa Kỳ được lắp đặt vào năm 1890. Một tuabin thử nghiệm với công suất lớn là 2 MW được lắp đặt vào năm 1979 trên Núi Howard Knob gần Boone, NC và một tuabin 3 MW được lắp đặt 1988 tại Berger Hill ở Orkney, Scotland.

Ngày nay, các tuabin gió lớn hơn thường được lắp đặt, cạnh tranh thương mại với các cơ sở sản xuất điện khác trong việc cung cấp năng lượng sạch, và kinh tế ở nhiều nơi trên thế giới. Công suất trung bình của các tuabin gió là 300 kW cho đến đầu những năm 1990. Các tuabin mới được lắp đặt có công suất từ 1 đến 3 MW. Tua bin gió công suất 5 MW đã được phát triển và đang được thử nghiệm ở một số quốc gia, bao gồm Mỹ.

Việc sử dụng các nhà máy và thiết kế tuabin cải tiến đã góp phần giảm chi phí sản xuất điện gió quy mô lớn từ 35 cent/kWh vào năm 1980 xuống còn 3 đến 4 cent/kWh vào năm 2004 tại những nơi thích hợp (Hình 2.1). Ở mức giá này, năng lượng gió đã trở thành nguồn năng lượng điện ít tốn kém nhất trên thế giới, ít tốn kém hơn than đá, dầu mỏ, hạt nhân, và hầu hết các nhà máy đốt khí tự nhiên. Do đó, điện gió đã tăng trưởng 30% từ năm 1993 đến năm 2003. Trên thế giới, hơn 40.000 MW công suất điện gió  được tạo ra, và hơn 100.000 MW vào năm 2010.

Hinh 2.1Hình 2.1: Chi phí sản xuất điện gió giảm dần từ 1980 – 2005

Năng lượng gió trên Thế giới

Bởi vì năng lượng gió đã trở thành nguồn năng lượng điện ít tốn kém nhất cũng tương thích với các chương trình bảo vệ môi trường, nhiều nước đã thúc đẩy công nghệ điện  gió bằng các chương trình quốc gia và ưu đãi thị trường.

Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), với nguồn quỹ từ 14 quốc gia, đã hỗ trợ các dự án nghiên cứu và chuyển giao thông tin về phát triển năng lượng gió. Các quốc gia bao gồm Austria, Canada, Đan Mạch, Phần Lan, Đức, Ý, Nhật Bản, Hà Lan, New Zealand, Na Uy, Tây Ban Nha, Thụy Điển, Anh và Mỹ. Vào đầu năm 1995, hơn 25.000 tuabin gió hòa vào lưới điện đã đưa vào hoạt động ở các nước thành viên của IEA, với công suất điện khoảng 3.500 MW. Các tuabin này sản xuất hơn 6 triệu MWh năng lượng vào năm 1995. Năm 2001, công suất điện gió trên toàn thế giới vào khoảng 25.000 MW. Đức là nước dẫn đầu, tiếp theo là Hoa Kỳ, Tây Ban Nha, Đan Mạch và Ấn Độ. Tại Đức, 8% điện năng đến từ các nguồn năng lượng tái tạo (Bảng 2.1).

bang 2.1
Bảng 2.1: Các khu vực sản xuất điện gió trên thế giới

Tổng công suất điện gió tích lũy trong năm 2002 trên toàn thế giới là 32.037 MW. Trong đó, 7.227 MW đã được bổ sung vào năm 2002, dẫn đến tốc độ tăng trưởng hàng năm là 22,5%. Công suất tăng thêm 85% (6.163 MW) trong năm 2002 ở châu Âu. Triển lãm Global Wind Power 2004 tại Chicago do Hiệp hội Năng lượng gió Hoa Kỳ (AWEA) và Hiệp hội Năng lượng Gió Châu Âu (EWEA) tổ chức đã thông báo cho 3.500 đại biểu rằng công suất điện gió tăng thêm 8.113 MW vào năm 2003, với tổng giá trị đầu tư 9 tỷ USD, cho thấy tốc độ tăng trưởng 26% và tổng công suất 39.294 MW. Sự gia tăng lớn nhất xảy ra ở Đức.

3. Các hợp phần chính của hệ thống

 Hệ thống điện gió bao gồm một hoặc nhiều tuabin gió vận hành cùng lúc. Mỗi tuabin được tạo thành từ các hợp phần cơ bản sau:

  • Tháp (Tower structure)
  • Rotor với hai hoặc ba cánh quạt (blades)
  • Trục với bánh răng cơ học
  • Bộ phận phát điện
  • Các bộ cảm biến và điều khiển

Trong một trang trại điện gió (wind farm) hiện đại, mỗi tuabin phải có hệ thống điều khiển riêng để cung cấp các chức năng vận hành và an toàn từ một địa điểm ở xa (Hình 3.1). Nó cũng phải có một hoặc nhiều thành phần bổ sung sau đây:

  • Máy đo gió (Anemometers), đo tốc độ gió và truyền dữ liệu đến bộ điều khiển.
  • Nhiều cảm biến (sensors) để theo dõi và điều chỉnh các thông số cơ học và thống số điện khác nhau. Một tuabin công suất 1 MW có thể có hàng trăm cảm biến khác nhau.
  • Bộ điều khiển, có thể bắt đầu vận hành khi tốc độ gió đạt từ 8 đến 15 dặm/h và tắt ở tốc độ gió 50 đến 70 dặm/h để bảo vệ các cánh quạt khỏi bị quá áp và máy phát nhiệt quá nóng.
  • Hệ thống truyền dẫn để kết nối nhà máy với lưới điện khu vực.
Hinh 3.1
Hình 3.1 Trung tâm điều khiển trang trại điện gió Baix Ebre, Catalonia, Tây Ban Nha

3.1 Tháp (TOWER)

 Tháp hỗ trợ chống đỡ rô-to và là vỏ bọc có chứa thiết bị cơ khí, máy phát điện, và cá bộ phận điều khiển khác. Trước đây, chiều cao của tháp chỉ nằm trong khoảng 20 đến 50 m. Đối với các tuabin cỡ vừa và lớn, chiều cao tháp xấp xỉ bằng đường kính rotor, ví dụ tuabin gió 600 kW (Hình 3.2). Tua-bin nhỏ thường được gắn trên tháp cao gấp vài đường kính rotor. Nếu không, các tua-bin sẽ hoạt động kém hiệu quả do tốc độ gió thấp ở khu vực gần mặt đất. Hình 3.3 cho thấy chiều cao tháp của các tuabin gió có kích thước khác nhau liên quan đến một số cấu trúc đã nêu.

Hinh 3.2
Hình 3.2: Các thông số chính của 1 tuabin điện gió 600KW
Hinh 3.3
Hình 3.3: Chiều cao tháp với các mức công suất khác nhau

Tháp cấu trúc thép và bê tông đều đang được sử dụng rộng rãi. Tháp phải cao ít nhất 25 đến 30 m để tránh sự nhiễu động do cây cối và các tòa nhà gần đó gây ra. Tháp có quy mô lớn thường cao hơn nhiều lần nhằm tận dụng ưu thế của gió mạnh ở những độ cao đó.

3.2 Tua -bin (TURBINE)

Các Tua-bin gió được sản xuất với nhiều kích thước khác nhau, từ vài kW cho các nhu cầu độc lập đến một vài MW cho các nhà máy sản xuất suất điện có quy mô. Kích thước tuabin tăng dần khi công nghệ phát triển. Kích cỡ trung bình của tuabin được lắp đặt trên toàn thế giới vào năm 2002 là hơn 1 MW. Đến cuối năm 2003, khoảng 1200 tuabin 1.5 MW được sản xuất bởi GE Wind Energy đã được lắp đặt và đang hoạt động. Ngày nay, các tua-bin lớn hơn thường được lắp đặt trên quy mô thương mại, chẳng hạn như tuabin 3.6 MW của GE cho các trang trại gió ngoài khơi ở Châu Âu và Mỹ, mang đến sự hiệu quả về chi phí. Tốc độ gió định mức của tuabin này là 14 m/giây, với khoảng tốc độ gió vận hành là từ 3.5 m/giây đến 25 m/giây. Đường kính cánh quạt là 104 m với chiều cao tháp 100 m trên mặt đất và 75 m ngoài khơi. Vào tháng 8 năm 2002,mẫu tuabin gió 4.5 MW của Enercon được lắp đặt gần Magdeburgh ở miền đông nước Đức. Nó có đường kính rotor 113 m, chiều cao trung tâm 124 m và vỏ bọc hình trứng.

Wind_Turbine_new_egg_shape_design
Thiết kế vỏ bọc hình trứng cho Tuabin điện gió

Tháp bê tông cốt thép của nó có đường kính chân đế là 12 m, giảm dần còn 4 m ở phía trên. Ngày nay, ngay cả các tuabin 5 MW cũng đang được lắp đặt tại các trang trại gió ngoài khơi (offshore wind farm). Khối lượng của tuabin 5 MW có thể thay đổi từ 150 đến 300 tấn của vỏ bọc và 70 đến 100 tấn cánh quạt, tùy thuộc vào công nghệ sản xuất được áp dụng tại thời điểm thiết kế. Các thiết kế hiện đại nhất sẽ càng nhẹ hơn về khối lượng. Các nhà sản xuất tua bin gió hàng đầu trên thế giới được liệt kê trong Bảng 3.1, với Vestas của Đan Mạch dẫn đầu với 22% thị phần của thế giới. Các nhà cung cấp chính ở Mỹ là GE Wind (52%), Vestas (21%), Mitsubishi (12%), NEG Micon (10%), và Gamesha (3%).

bang 3.1
Bảng 3.1: Các nhà cung ứng tuabin gió trên thế giới (năm 2004)

3.3 Cánh quạt (BLADES)

Các Tua bin gió hiện đại có hai hoặc ba cánh quạt, hình dạng tương tự như những cánh máy bay (hình 3.4) được lắp đặt cẩn thận và sử dụng các nguyên tắc khí động học để tạo càng nhiều năng lượng càng tốt. Thiết kế cánh máy bay sử dụng bề mặt phía trên dài hơn trong khi bề mặt đáy vẫn còn phần nào đồng nhất. Theo nguyên lý Bernoulli, một “lực nâng” được tạo ra phía trên cánh bởi sự chênh lệch áp suất gió do các bề mặt trên và dưới. Lực nâng khí động lực học này có thể giúp cánh tuabin gió quay về trung tâm. Ngoài lực nâng trên cánh, lực kéo được tạo ra, hoạt động vuông góc với cánh, làm giảm lực nâng và làm chậm rotor. Mục tiêu thiết kế là để có được tỷ lệ giữa lực nâng-kéo cao nhất có thể thay đổi dọc theo chiều dài của cánh để tối ưu hóa công suất đầu ra của tuabin ở các tốc độ vận hành khác nhau.

hinh 3.4
Hình 3.4: Thiết kế cánh quạt theo nguyên lý khí động lực học

Thiết kế khí động học của cánh rất quan trọng vì nó quyết định khả năng tạo ra năng lượng. Các cánh quạt có kích thước lớn và nhỏ có các nguyên lý thiết kế khác nhau đáng kể. Các tua-bin nhỏ thường lắp đặt trên một tháp có độ cao lớn hơn đường kính cánh quạt nhiều lần, và thường không cần giám sát, đòi hỏi kế hoạch bảo trì không khắt khe. Nhưng một tua-bin lớn lại có xu hướng tối ưu hóa hiệu suất khí động học để thu năng lượng tối đa có thể. Trong cả hai trường hợp, chi phí cánh quạt thường được giữ nhỏ hơn 10% tổng chi phí lắp đặt.

 3.4 Bộ điều khiển vận tốc (SPEED CONTROL)

Công nghệ điện gió đã thay đổi đáng kể trong 25 năm qua. Các tuabin gió công suất lớn đang được lắp đặt ngày nay có xu hướng thiết kế có thể hoạt động với nhiều tốc độ gió khác nhau. Mặt khác, các tuabin nhỏ phải có bộ kiểm soát tốc độ với chi phí thấp và đơn giản. Các phương pháp kiểm soát tốc độ rơi vào các loại sau:

Không có điều khiển tốc độ: Trong trường hợp này, toàn bộ hệ thống được thiết kế để chịu được tốc độ gió cực mạnh trong khu vực.

Yaw and tilt control: Quay rôto theo hướng gió. Tuy nhiên, khi cánh quạt quay với những lực quán tính lớn, thường gây ra tiếng ồn lớn, đôi khi vượt quá giới hạn cho phép tại địa phương.

Pitch control: có thể thay đổi góc nghiêng của cánh quạt phù hợp với sự thay đổi của tốc độ gió để điều khiển rotor.

Stall control: Nghiêng dần dần và dịch chuyển trục rotor theo hướng gió.

hinh 3.5
Hình 3.5: Pitch Control
hinh 3.6
Hình 3.6: Stall control
hinh 3.7
Hình 3.7: Yaw and Pitch control

3.5 Phạm vi lắp đặt

Khi lắp đặt nhiều tua-bin trong một trang trại gió, cần phải tối ưu hóa khoảng cách giữa các tuabin để thu được nhiều năng lượng gió nhất. Khoảng cách này phụ thuộc vào địa hình, hướng gió, tốc độ gió và kích thước tuabin. Khoảng cách tối ưu giữa 2 tuabin xét theo hướng gió thường bằng 8 đến 12 đường kính cánh quạt, và bằng 2 đến 4 đường kính cánh quạt theo chiều vuông góc hướng gió (Hình 3.8).

Hinh 3.8
Hình 3.8: Khoảng cách tối ưu giữa các tuabin trong 1 trang trại điện gió trên bề mặt bằng phẳng

Một trang trại gió bao gồm 20 tuabin, với công suất 500 kW, cần từ 1 đến 2 km2 đất. Trong số này, dưới 5% diện tích đất sẽ dùng cho xây dựng các tuabin và đường vào. Phần đất còn lại có thể tiếp tục sử dụng theo mục đích ban đầu. Do đó, các tuabin gió có thể cùng tồn tại với các hoạt động chăn nuôi gia súc, canh tác nông nghiệp, nuôi trồng hay đánh bắt thủy hải sản và mục đích giải trí (hinh 3.9). Số lượng tuabin trong các trang trại gió thay đổi rất nhiều, dao động từ một vài đến hàng trăm tùy thuộc vào công suất điện yêu cầu của trang trại. Các quy tắc khoảng cách này sẽ đảm bảo rằng các tuabin cuối hướng gió không bị che chắn.

hinh 3.9
Hình 3.9: Chăn nuôi và sản xuất điện gió tại Đức

Một số trang trại gió đã sử dụng khoảng cách hẹp từ 5 – 6 đường kính cánh quạt theo hướng gió. Ví dụ MI tại Mackinaw đã báo cáo các tuabin hướng gió quay chậm hơn. Tốc độ gió không ổn định và không đồng đều giữa các tuabin có thể làm giảm hiệu suất phát điện và giảm tuổi thọ của máy móc.

4. Các tác động môi trường

 4.1 Tiếng ồn (AUDIBLE NOISE)

Các Tuabin gió nói chung hoạt động khá yên tĩnh, không gây ra tiếng ồn đối với khu vực xung quanh. Các nhà sản xuất tuabin gió cung cấp dữ liệu mức độ ồn của máy theo dB so với khoảng cách tính từ tháp (Tower). Một tuabin 600 KW có thể tạo ra tiếng ồn 55 dB ở khoảng cách 50 m từ tuabin và 40-dB ở khoảng cách 250 m. Bảng 4.1 so sánh mức độ ồn của tuabin với các mức ồn khác được biết đến. Bảng này cho thấy tiếng ồn từ tuabin ở khoảng cách 50 m tạo ra không cao hơn so với nhà máy cỡ vừa. Tuy nhiên, đây là tiếng ồn ổn định. Ngoài ra, tuabin sẽ tạo ra tiếng ồn lớn hơn khi các hệ thống xoay khi hướng gió thay đổi. Trong cả hai trường hợp, các quy định về tiếng ồn của địa phương cần phải được tuân thủ. Đã có các trường hợp khiếu nại về tiếng ồn do các cộng đồng lân cận báo cáo. Mặc dù ô nhiễm tiếng ồn không phải là một vấn đề lớn với các trang trại gió, nó phụ thuộc vào việc có ai nghe thấy tiếng ồn từ các tuabin trong khi hoạt động hay không. Nhưng cũng có đề xuất rằng tiếng ồn từ các tua-bin (offshore) có thể lan truyền vào nước và gây xáo trộn cho môi trường sống trong đại dương.

bang 4.1
Bảng 4.1: Các mức ồn so với mức ồn từ tuabin gió

Nói chung, có hai nguồn chính của tiếng ồn phát ra từ tuabin gió. Một là từ động cơ, vốn có trong hệ thống truyền động, thường có mức ổn định trong mọi thời điểm vận hành. Một được tạo ra bởi khí động học của cánh quạt quay, và phát ra tiếng ồn, đơn giản là tiếng ồn khí động học (the aerodynamic noise). Loại tiếng ồn này thường xuất hiện khi tốc độ quay của các cánh quạt bắt đầu thay đổi theo tốc độ gió và có thể gây ra hầu hết các vấn đề cũng như các khiếu nại. Một số cư dân mô tả tiếng ồn ầm ầm từ các tuabin giống như một chiếc ủng trong máy sấy quần áo. Một tuabin gió lớn có thể tạo ra mức ồn tổng hợp lên đến 100 dB, và giảm dần đến mức bình thường trong khoảng cách 1,5 km. Các điều kiện tồi tệ nhất là khi gió thổi nhẹ và các âm thanh xung quanh (back ground noise) ở mức nhỏ nhất. Cư dân một số nơi trong bán kính 1 km đã than phiền với chính quyền về tiếng ồn từ các tuabin gió.

4.2 Nhiễu điện từ (ELECTROMAGNETIC INTERFERENCE_EMI)

Bất kỳ cấu trúc tĩnh hoặc di chuyển nào ở gần đài phát thanh hoặc TV đều gây trở ngại cho việc truyền phát tín hiệu (EMI). Các tuabin gió, là một cấu trúc lớn, có thể gây ra EMI làm cản trở hiệu quả hoạt động của máy phát hoặc máy thu vùng lân cận. Ngoài ra, các cánh quạt của tuabin gió khi đang hoạt động có thể phản xạ tín tín hiệu điện từ trong vùng lân cận, gây nhiễu ở một số tần số truyền sóng. Đặc tính và cường độ của các EMI phụ thuộc vào một số tham số. Các thông số chính bao gồm: vị trí của tuabin gió đến đài phát thanh hoặc tháp truyền hình, tính chất điện vật lý của cánh quạt, tần số tín hiệu và đặc tính truyền sóng điện từ tần số cao trong bầu khí quyển địa phương.

EMI có thể là một vấn đề nghiêm trọng trong quy hoạch trang trại gió. Ví dụ, 5 trong số 18 trang trại gió ngoài khơi có kế hoạch xây dựng trên các bờ biển của Vương quốc Anh đã bị Bộ Quốc phòng Anh ngăn chặn do lo ngại sự ảnh hưởng của chúng đến radar và các đường bay đến các sân bay gần các khu vực được đề xuất. Các nghiên cứu chi tiết về ảnh hưởng chính xác của tua-bin gió lên sóng radar và các phần mềm điều chỉnh radar có thể làm giảm bớt những vấn đề này. Chi phí của các nghiên cứu như vậy và kiến nghị pháp lý nên được đưa vào quy hoạch ban đầu của các trang trại gió quy mô lớn. Đại học Liverpool ở Vương quốc Anh đã có nghiên cứu về sự ảnh hưởng của các trường điện từ phát ra từ các dây cáp trang trại gió ngoài khơi đến môi trường biển.

4.3 Ảnh hưởng đến các loài chim (EFFECTS ON BIRDS)

Ảnh hưởng của các trang trại gió lên động vật hoang dã và số lượng chim – bao gồm các loài đang bị đe dọa hay được bảo vệ bởi luật liên bang – đã tạo ra nhiều tranh cãi trong cộng đồng môi trường. Đặc tính sinh sản và kiếm ăn của một số loài chim có thể bị xáo trộn. Các cánh quạt tuabin gió có thể nặng tới 1,5 tấn và di chuyển với tốc độ lên đến 200 dặm/h, một vũ khí gây tử vong đối với bất kỳ sinh vật nào trên không.

Chim có thể bị giết hoặc ít nhất bị thương nếu chúng đụng độ với một cánh quạt. Thông thường, luồng gió do một tuabin hút vào sẽ kéo những con chim vào gần các cánh quạt. Mặc dù ít gặp, nhưng chim đôi khi bị thu hút bởi âm thanh của các tuabin (âm nhạc!) và bay vào các tháp. Mặt khác, các nghiên cứu tại một địa điểm ở bờ biển gần Đan Mạch đã cho thấy chim thay đổi hướng bay của chúng khoảng 200 m xung quanh các tuabin. Do đó, một trang trại gió có thể thay đổi đáng kể các con đường di cư của các quần thể chim. Trong một nghiên cứu khác, số lượng vịt nước giảm từ 75 đến 90% trong vòng 3 năm sau khi lắp đặt một trang trại gió ngoài khơi ở Đan Mạch. Sự sụt giảm lớn như vậy có thể có tác động lớn đến hệ sinh thái của khu vực xung quanh.

Tỷ lệ giết chim chết trong những năm 1980 đã giảm đáng kể cùng với sự gia tăng kích thước của các tuabin có lưỡi dao dài hơn, giúp chim nhìn thấy và tránh dễ dàng hơn. Tháp hình ống có tỷ lệ chim chết thấp hơn so với tháp dạng lưới, vì không thu hút chim làm tổ. Các trang trại gió mới cũng nằm cách xa các con đường di cư của chim.

Nhìn chung, các con đường di cư và nơi làm tổ của các loài chim quý hiếm đều được bảo vệ khỏi mối đe dọa từ các trang trại gió. Dưới những lo ngại này, việc xin phép các cơ quan địa phương cho việc quy hoạch 1 trang trại gió có thể mất nhiều thời gian và công sức.

4.4 Các tác động khác

Các tác động trực quan của trang trại gió có thể gây khó chịu cho các chủ sở hữu tài sản xung quanh trang trại gió. Vấn đề này lớn hơn đối với các trang trại gió ngoài khơi, khi các chủ sở hữu tài sản thường là những người có ảnh hưởng đáng kể đến các cơ quan hoạch định chính sách của khu vực. Dự án được đề xuất công khai ở Nantucket Sound đã gây nhiều tranh cãi bởi các chủ sở hữu cao cấp của bất động sản khu vực ven sông. Các nhà thiết kế trang trại gió có thể giảm thiểu các khiếu nại về mỹ quan bằng cách lắp đặt các tuabin giống hệt nhau và cách nhau một khoảng cách thống nhất. Bởi vì gió là một tác nhân vận chuyển chính của năng lượng trên toàn cầu, tác động của năng lượng bị loại bỏ bởi nhiều trang trại gió lớn trên quy mô lớn có thể ảnh hưởng đến khí hậu. Đây có thể là chủ đề của các nghiên cứu trong tương lai.

Biên dịch: Ngọc Tuyến

Nguồn: Wind and Solar Power System Design, Analysis and Operation của Mukund R. Patel

 

Advertisements

Trả lời

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Đăng xuất /  Thay đổi )

Google+ photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google+ Đăng xuất /  Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Đăng xuất /  Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Đăng xuất /  Thay đổi )

Connecting to %s