Vài nét về các máy phát phong điện

Các máy phát điện lợi dụng sức gió (dưới đây gọi tắt là trạm phong điện) đã được sử dụng nhiều ở các nước châu Âu, Mỹ và các nước công nghiệp phát triển khác. Nước Đức đang dẫn đầu thế giới về công nghệ phong điện.

Tới nay hầu hết vẫn là các trạm phong điện trục ngang, gồm một máy phát điện có trục quay nằm ngang, với rotor (phần quay) ở giữa, liên hệ với một tua bin 3 cánh đón gió. Máy phát điện được đặt trên một tháp cao hình côn. Trạm phát điện kiểu này mang dáng dấp những cối xay gió ở châu Âu từ những  thế kỷ trước, nhưng rất  thanh nhã và hiện đại.

Các trạm phong điện trục đứng gồm một máy phát điện có trục quay thẳng đứng, rotor nằm ngoài được nối với các cánh đón gió đặt thẳng đứng. Trạm phong điện trục đứng có thể hoạt động bình đẳng với mọi hướng gió nên hiệu qủa cao hơn, lại có cấu tạo đơn giản, các bộ phận đều có kích thước không quá lớn nên vận chuyển và lắp ráp dễ dàng, độ bền cao, duy tu bảo dưỡng đơn giản. Loại này mới xuất hiện từ vài năm gần đây nhưng đã được nhiều nơi sử dụng.

Hiện có các loại máy phát phong điện với công suất rất khác nhau, từ 1 kW tới hàng chục ngàn kW. Các trạm phong điện có thể hoạt động độc lập hoặc cũng có thể nối với mạng điện quốc gia. Các trạm độc lập cần có một bộ nạp, bộ ắc-quy và bộ đổi điện. Khi dùng không hết, điện được tích trữ vào ắc-quy. Khi không có gió sẽ sử dụng điện phát ra từ ắc-quy. Các trạm nối với mạng điện quốc gia thì không cần bộ nạp và ắc-quy.

Các trạm phong điện có thể phát điện khi tốc độ gió từ 3 m/s (11 km/h), và tự ngừng phát điện khi tốc độ gió vượt quá 25 m/s (90 km/h). Tốc độ gió hiệu qủa từ  10 m/s tới 17 m/s, tùy theo từng thiết bị phong điện.

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 dòng nước mạnh với những điều kiện đặc biệt và cần diện tích rất lớn cho hồ chứa nước.

Các trạm phong điện có thể đặt gần nơi tiêu thụ điện, như vậy sẽ tránh được chi phí cho việc xây dựng đường dây tải điện.

Trước đây, khi công nghệ phong điện còn 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 được sản xuất hàng 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.  

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 Việt nam.

Các trạm phong điện có thể đặt ở đâu ?

Trạm phong điện có thể đặt ở những địa điểm và vị trí khác nhau, với những giải pháp rất linh hoạt và phong phú:

Các trạm phong điện đặt ở ven biển cho sản lượng cao hơn các trạm nội địa vì bờ biển thường có gió mạnh. Giải pháp này tiết kiệm đất xây dựng, đồng thời việc vận chuyển các cấu kiện lớn trên biển cũng thuận lợi hơn trên bộ. Giải bờ biển Việt Nam trên 3000 km có thể tạo ra công suất hàng tỷ kW phong điện.

Những mỏm núi, những đồi hoang không sử dụng được cho công nghiệp, nông nghiệp cũng có thể đặt được trạm phong điện. Trường hợp này không cần làm trụ đỡ cao, tiết kiệm đáng kể chi phí xây dựng.

Trên mái nhà cao tầng  cũng có thể đặt  trạm phong điện, dùng cho các nhu cầu trong nhà và cung cấp điện cho thành phố khi không dùng hết điện. Trạm điện này càng có ý nghĩa thiết thực khi thành phố bất ngờ bị mất điện.

Ngay tại các khu chế xuất cũng có thể đặt các trạm phong điện. Nếu tận dụng không gian phía trên các nhà xưởng để đặt các trạm phong điện thì sẽ giảm tới mức thấp nhất diện tích đất xây dựng và chi phí  làm đường dây điện.

Điện khí hóa ngành đường sắt là xu hướng tất yếu của các nước công nghiệp. Chỉ cần đặt với khoảng cách 10 km một trạm 4800kW dọc các tuyến đường sắt đã có đủ điện năng cho tất cả các đoàn tàu ở Việt nam hiện nay. Các vùng phong điện lớn đặt gần tuyến đường sắt cũng rất thuận tiện trong việc vận chuyển và dựng lắp. Các đầu máy diesel và than đá tiêu thụ lượng nhiên liệu rất lớn và gây ô nhiễm môi trường sẽ được thay thế bằng đầu máy điện trong tương lai.

Đặt một trạm phong điện bên cạnh các trạm bơm thủy lợi ở xa lưới điện quốc gia sẽ  tránh được việc xây dựng đường dây tải điện với chi phí lớn gấp nhiều lần chi phí xây dựng một trạm phong điện. Việc bảo quản một trạm phong điện cũng đơn giản hơn việc bảo vệ đường dây tải điện rất nhiều.

Nhà máy nước ngọt đặt cạnh những trạm phong điện là mô hình tối ưu để giải quyết việc cung cấp nước ngọt cho vùng đồng bằng sông Cửu Long, tiết kiệm nhiên liệu và đường dây điện.

Một trạm phong điện 4 kW có thể đủ điện cho một trạm kiểm lâm trong rừng sâu hoặc một ngọn hải đăng xa đất liền. Một trạm 10 kW đủ cho một đồn biên phòng trên núi cao, hoặc một đơn vị hải quân nơi đảo xa. Một trạm 40 kW có thể đủ cho một xã vùng cao, một đoàn thăm dò địa chất hay một khách sạn du lịch biệt lập, nơi đường dây chưa thể vươn tới được. Một nông trường cà phê hay cao su trên cao nguyên có thể xây dựng trạm phong điện hàng trăm hoặc hàng ngàn kW, vừa phục vụ đời sống công nhân, vừa cung cấp nước tưới và dùng cho xưởng chế biến sản phẩm....

Không phải nơi nào đặt trạm phong điện cũng có hiệu quả như nhau. Để có sản lượng điện cao cần tìm đến những nơi có nhiều gió. Các vùng đất nhô ra biển và các thung lũng sông thường là những nơi có lượng gió lớn. Một vách núi cao có thể là vật cản gió nhưng cũng có thể lại tạo ra một nguồn gió mạnh thường xuyên, rất có lợi cho việc khai thác phong điện. Khi chọn địa điểm đặt trạm có thể dựa vào các số liệu thống kê của cơ quan khí tượng hoặc kinh nghiệm của nhân đân địa phương, nhưng chỉ là căn cứ sơ bộ. Lượng gió mỗi nơi còn thay đổi theo từng địa hình cụ thể và từng thời gian. Tại nơi dự định dựng trạm phong điện cần đặt các thiết bị đo gió và ghi lại tổng lượng gió hàng năm, từ đó tính ra sản lượng điện có thể khai thác,  tuơng ứng với từng thiết bị phong điện. Việc này càng quan trọng hơn khi xây dựng các trạm công suất lớn hoặc các vùng phong điện tập trung.

Gió là dạng năng lượng vô hình và mang tính ngẫu nhiên rất cao nên khi đầu tư vào lĩnh vực này cần có các số liệu thống kê đủ tin cậy. Rào cản chủ yếu đối với việc phát triển phong điện ở Việt nam chính là sự thiếu thông tin về năng lượng gió.

Tới nay đã có một số công ty nước ngoài đến Việt nam tìm cách khai thác phong điện, nhưng vì chưa đủ những số liệu cần thiết nên cũng chưa có sự đầu tư nào đáng kể vào thị trường này. Một hãng Đức đã xây dựng tại Ấn độ hàng ngàn trạm phong điện, có cơ sở thường trực giám sát hoạt động các trạm qua hệ thống vệ tinh viễn thông, xử lý kỹ thuật ngay khi cần thiết, và hoàn toàn hài lòng về kết quả đã thu được ở Ấn độ. Hãng này cũng đã đến Việt Nam tìm thị trường nhưng chưa quyết định đầu tư, vì chưa có đủ cứ liệu để xây dựng trên quy mô lớn, còn với quy mô nhỏ thì lợi tức không đủ bù lại chi phí cho một cơ sở kỹ thuật thường trực. Một công ty khác chuẩn bị xây dựng 12 trạm phong điện với công suất 3000 kW trên huyện đảo Lý Sơn đã khẳng định công nghệ phong điện rất phù hợp với Việt Nam!

Tính kinh tế của phong điện

Chi phí để xây dựng một trạm phong điện gồm :

-                 Chi phí cho máy phát điện và các cánh đón gió chiếm phần chủ yếu. Có nhiều hãng sản xuất các thiết bị này, nhưng với giá bán và chất lượng kỹ thuật rất khác nhau.

- &nbsnbsp;              Chi phí cho bộ ổn áp và hòa mạng, tự động đưa dòng điện về điện áp và tần s̔#7907;p với mạng điện quốc gia.

-                 Chi phí cho ắc-quy, bộ nạp và thiết bị đổi điện từ ắc-quy trở lại điện xoay chiều. Các bộ phận này chỉ cần cho các trạm hoạt động độc lập.

-                 Chi phí cho phần tháp hoặc trụ đỡ tùy thuộc chiều cao trụ, trọng lượng thiết bị và các điều kiện địa chất công trình. Phần tháp có thể sản xuất tại Việt Nam để giảm chi phí. Với các trạm phong điện đặt trên nóc nhà cao (H.7) thì chi phí này hầu như không đáng kể.

-                 Chi phí cho việc vận chuyển tới nơi xây dựng và công việc lắp đặt trạm.   Chi phí này ở Việt Nam rẻ hơn rất nhiều so với các nước khác, đặc biệt nếu xây dựng ở vùng ven biển, ven sông hoặc dọc theo các tuyến đường sắt.

1)     So sánh chi phí đầu tư giữa phong điện và thủy điện

Toàn bộ chi phí cho một trạm phong điện 4800 kW khoảng 3 000 000 Euro.

Với 500 trạm phong điện loại 4800 kW sẽ có công suất 2,4 triệu kW, bằng 

công suất nhà máy thủy điện Sơn La , tổng chi phí sẽ là :

          500 x  3 000 000 €    =   1,50 tỷ Euro  =  1,875 tỷ USD,

chi phí này nhỏ hơn 2,4 tỷ USD, là dự toán xây dựng nhà máy thủy điện Sơn La.

2) Giá thành mỗi kWh

Giá thành một kWh điện trong 10 năm đầu có thể tính như sau:

Sản lượng điện của trạm trong 1 năm là : 4800kW x 2200 giờ = 10 560 000 kWh

(ở đây tính trạm chỉ đủ gió để hoạt động 2200 giờ - khoảng ¼ thời gian một năm)

Một trạm 4800 kW  trong 10 năm có sản lượng điện là  105 600 000 kWh

Chi phí để xây dựng trạm là                                    3 000 000 €

Chi phí duy tu bảo dưỡng trong 10 năm là :               240 000 €

Toàn bộ chi phí trong 10 năm đầu là                 3 240 000 €

Chi phí cho 1 kWh là :

      3 240 000  :   105 600 000  =  0,031 €

Tính ra tiền Việt Nam với tỷ giá 20 000 Đồng / 1 € :   

      0,031 x 20 000  =   620 đồng / kWh

     Giá thành 1 kWh  điện trong 10 năm tiếp theo:

10 năm tiếp theo chỉ phải chi cho việc duy tu bảo dưỡng, giá thành sẽ là :

      240 000 €   :   105 600 000 kWh   =   0,0023 € / 1 kWh

Tính ra tiền Việt Nam  :    0,0023 x 20 000  =  46 đồng / 1 kWh

Không công nghệ nào cung cấp điện giá rẻ như phong điện.

3) Sau bao lâu thì thu hồi được vốn đầu tư ?

Tính với giá điện bình quân ở Việt Nam hiện nay là 1200 đồng / 1 kWh

tương đương  0,06 €)  sau 5 năm, sản lượng điện của trạm có trị giá là :

5  x  10 560 000  x  0,06   =   3 168 000 €

Giá trị sản lượng này tương đương chi phí xây dựng 1 trạm 4800 kWh cùng với chi  phí bảo dưỡng máy trong 5 năm. Như vậy chỉ cần 5 năm đã thu hồi toàn bộ vốn đầu tư xây dựng trạm phong điện. Sau khi đã thu hồi đủ vốn, chi phí hàng năm chỉ còn rất nhỏ so với lợi tức do trạm phong điện mang lại.

Thời gian thu hồi vốn còn phụ thuộc các yếu tố khác liên quan tới sản lượng điện thực tế của trạm. Trên đây tính với trạm hoạt động 2200 giờ/năm. Nếu trạm chỉ hoạt động 1100 giờ/năm hoặc ít hơn thì phải trên 10 năm mới thu hồi đủ vốn. Sản lượng của trạm phong điện phụ thuộc vào lượng gió tại địa điểm đặt trạm và tính năng thiết bị. Máy phát phong điện của các nhà sản xuất khác nhau có thể cùng công suất danh định như nhau nhưng sản lượng điện rất khác nhau.

Kinh phí, nhân lực và thời gian cho việc xây dựng phong điện

Nhiệt điện và thủy điện thường được phát đi từ những nhà máy có công suất lớn, cần có sự đầu tư, xây dựng và quản lý của ngành điện lực Nhà nước.  

Các trạm phong điện có vốn đầu tư nhỏ hơn nhiều, dù xây dựng đơn chiếc hay hàng loạt. Một địa phương, một nhà đầu tư, một doanh nghiệp hoặc cá nhân cũng có thể sở hữu được một hoăc một số trạm phong điện, tùy theo nhu cầu và khả năng tài chính của mình. Có thể phát động một phong trào toàn dân làm phong điện. Khi đó chủ trương điện lực đi trước một bước sẽ trở thành hiện thực.

Có thể thực hiện phong trào toàn dân làm phong điện  theo những cách như sau :

1)Nhà nước cho phép các địa phương, các ngành, các nhà đầu tư, các doanh nghiệp hoặc cá nhân được quyền xây dựng và sở hữu một số trạm phong điện, tùy theo nhu cầu và khả năng tài chính của mình. Chủ sở hữu được quyền sử dụng sản lượng điện sản xuất ra hoặc bán cho ngành điện lực qua lưới điện quốc gia. Hiện đang còn một khoảng cách lớn giữa cung và cầu về điện năng ở nước ta. Khu vực điện lực do tư nhân sở hữu chỉ góp phần rút ngắn khoảng cách này, nhưng không thể trở thành nhân tố cạnh tranh với ngành điện Nhà nước. Hơn nữa thông qua việc thu mua điện của các trạm phong điện tư nhân và phân phối lại qua mạng điện quốc gia, ngành điện Nhà nước còn thu được một khoản kinh phí đáng kể.

2)Ngành điện vận động các nhà đầu tư, các doanh nghiệp hoặc cá nhân đóng  trước từ 1 tới 5 năm tiền điện, và cam kết sau này người đóng tiền trước sẽ được giảm giá điện theo một tỷ lệ đáng kể, trong một thời gian tùy theo số tiền đóng trước. Đây là một cách huy động vốn để xây dựng phong điện. Chỉ cần số tiền điện 5 năm đã huy động được, có thể đủ kinh phí để xây dựng số trạm phong điện có sản lượng tương ứng với nhu cầu của người ứng tiền. Việc cam kết giảm giá điện sẽ làm cho các doanh nghiệp yên tâm khi ứng tiền trước, trong tình hình giá dầu khí và các loại nhiên liệu tăng liên tục từ nhiều năm nay. Sau khi xây dựng xong, ngành điện có thể bán trạm phong điện để có vốn làm các trạm khác.

3)Việc xây dưng các trung tâm phong điện lớn với hình thức công ty cổ phần, bán cổ phiếu chứng khoán... chắc chắn sẽ được hưởng ứng mạnh mẽ khi mọi người thấy được hiệu quả rất cao của việc đầu tư vào phong điện.

Một đội xây lắp từ 30 người có thể cất dựng được một trạm phong điện trục ngang, từ 5 người có thể hoàn thành một trạm phong điện trục đứng. Việc kiểm tra các thông số kỹ thuật và bảo dưỡng cần thực hiện định kỳ, với trạm phong điện trục ngang mỗi tháng một lần, với trạm trục đứng chỉ cần mỗi năm một lần. Không ngành sản xuất nào cần ít nhân công như phong điện. Tuy nhiên việc xây dựng hàng loạt trạm phong điện trên cả nước sẽ tạo  thêm việc làm cho hàng trăm ngàn lao động.               

Toàn bộ việc lắp dựng một trạm phong điện trục đứng 40 kW có thể hoàn thành trong 3 ngày, kể từ khi làm móng, dựng cột, lắp máy tới khi nghiệm thu và đưa vào hoạt động. Việc thi công các trạm phong điện trục ngang cần từ 15 tới 45 ngày, tùy theo loại trạm phong điện, chiều cao tháp và các điều kiện địa hình, địa chất, thủy văn nơi xây dựng. Không nhà máy điện nào có thể xây dựng nhanh như phong điện.

Để xây dựng một nhà máy thủy điện cần có sự chuẩn bị rất lâu từ trước. Riêng các việc điều tra, quy hoạch, chọn phương án... có thể kéo dài hàng chục năm. Đối với phong điện cũng cần thực hiện những bước này, nhưng nhanh hơn. Sau một thời gian sử dụng, nếu cần có thể rời trạm tới nơi khác. Nếu là trạm phong điện công suất nhỏ thì việc di chuyển càng không mấy khó khăn.

Sau khi gia nhập WTO, nền kinh tế Việt Nam đứng trước những thử thách lớn. Để vượt qua được những thử thách đó cần có một nền công nghiệp điện năng phát triển. Xây dựng phong điện là một giải pháp hiện thực, có hiệu quả cao, có thể nhanh chóng đáp ứng nhu cầu điện năng của cả nước.

Phong điện còn có thể phát huy tác dụng to lớn trong sự nghiệp tăng cường an ninh quốc phòng, nâng cao đời sống vật chất và tinh thần cho đồng bào các vùng sâu, vùng xa, công cuộc xóa đói giảm nghèo, và tạo thêm việc làm cho hàng triệu người lao động ở mọi nơi, trong mọi lĩnh vực hoạt động của đất nước.

Phong điện thực sự là môt kho báu vô tận ngay trước mắt. Tiền vốn là chìa khóa kho báu  đã nằm trong tay các doanh nhân.   Kho báu đang chờ người mở !

Tài liệu tham khảo :

• A. Betz: Windenergie und ihre Ausnutzung durch Windmühlen. Ökobuch, Kassel 1982 (unv. Reprint der Ausgabe Vandenhoeck & Ruprecht, Göttingen 1926)

• R. Gasch, J. Twele: Windkraftanlagen. 4. vollst. überarb. u. erw. Auflage. Teubner, Stuttgart 2005, ISBN 3-519-36334-8

• S. Geitmann: Erneuerbare Energien und alternative Kraftstoffe. 2. Auflage. Hydrogeit, Kremmen 2005, ISBN 3937863052

• Erich Hau: Windkraftanlagen. Springer Verlag, Berlin 2002, ISBN 3-540-42827-5

• Siegfried Heier: Windkraftanlagen: Systemauslegung, Netzintegration und Regelung. 4. Auflage. Teubner, Stuttgart 2005, ISBN 351936171X

• Jens-Peter Molly: Windenergie: Theorie, Anwendung, Messung. 2. vollst. überarb. u. erw. Auflage. Verlag C.F. Müller, Karlsruhe 1990, ISBN 3-7880-7269-5

• Horst Crome: Handbuch Windenergie-Technik. Ökobuch Verlag,ISBN 3922964788

Tiến sỹ Nguyễn Thế Việt