Kinh Tế - Quản Lý - Công Nghệ Thông Tin, it, phầm mềm, website, web, mobile app, trí tuệ nhân tạo, blockchain, AI, machine learning - Công Nghệ - Technology i TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LÝ THUYẾT THIẾT KẾ VÀ ỨNG DỤ NG NĂNG LƯỢNG GIÓ (Bản dịch xuất bản lần thứ nhất) Tác giả: J.F. Manwell, J.G. McGowan và A.L. Rogers Biên dịch từ tiếng Anh: Bộ môn Thủy điện Năng lượng tái tạo HÀ NỘI – 2017 ii LỜI NÓI ĐẦU Nhằm đáp ứng yêu cầu đào tạo sinh viên hệ đại học chuyên ngành "Năng lượng tái tạo" của Trường Đại học Thủy lợi cũng như của các ngành liên quan, các giảng viên của Bộ môn Thủy điện và Năng lượng tái tạo đã tiến hành Biên dịch cuốn sách này từ bản tiếng Anh: J.F. Manwell, J.G. McGowan and Al. Rogers (2002). Wind Energy Explained : Theory, Design and Application. Chúng tôi xin chân thành cảm ơn sự hợp tác, giúp đỡ, động viên từ các cơ quan liên quan, đồng nghiệp, bạn bè và gia đình trong quá trình thực hiện biên dịch. Bản dịch được xuất bản lần đầu tiên nên không tránh khỏi sai sót, do vậy kính mong nhận được phản hồi và ý kiến đóng góp xây dựng của các đọc giả. Các ý kiến xin gửi về: Bộ môn Thủy điện và Năng lượng tái tạo; Trường Đại học Thủy lợi, 175 Tây Sơn, Hà Nội; Chúng tôi xin chân thành cảm ơn ý kiến đóng góp quý giá của quý đọc giả để cuốn sách đượ c hoàn thiện hơn. Bộ môn Thủy điện và Năng lượng tái tạo iii i MỤC LỤC Chương 1 Giới thiệu: Năng lượng gió hiện nay và nguồn gốc của nó ......................................................... 4 1.1 Các Tua bin gió hiện đại: ................................................................................................................................. 4 1.2 Lịch sử khai thác năng lượng gió .................................................................................................................. 11 Chương 2 Các đặc điểm và tài nguyên gió ....................................................... Error Bookmark not defined. 2.1 Giới thiệu............................................................................................................... Error Bookmark not defined. 2.2 Những đặc điểm chung của tài nguyên gió ........................................................... Error Bookmark not defined. 2.3 Những đặc điểm của tầng khí quyển ranh giới .................................................... Error Bookmark not defined. 2.4 Phân tích dữ liệu gió và Ước tính tài nguyên ....................................................... Error Bookmark not defined. 2.5 Ước tính sản xuất năng lượng từ tua bin gió sử dụng các phương pháp kỹ thuật thống kê .. Error Bookmark not defined. 2.6 Tổng quan về dữ liệu đánh giá nguồn tài nguyên khả dụng ................................ Error Bookmark not defined. 2.7 Các dụng cụ đo lường và đo lường gió ................................................................. Error Bookmark not defined. 2.8 Những đề tài nâng cao .......................................................................................... Error Bookmark not defined. Chương 3 Khí động học của tua bin gió .......................................................... Error Bookmark not defined. 3.1 Tổng quan ............................................................................................................. Error Bookmark not defined. 3.2 Thuyết động lượng một chiều và giới hạn Betz .................................................... Error Bookmark not defined. 3.3 Tua bin gió trục ngang lý tưởng có sự quay của dòng đuôi ................................. Error Bookmark not defined. 3.4 Cánh quạt bay và khái niệm chung về Khí động học ......................................... Error Bookmark not defined. 3.5 Thuyết momen và thuyết phần tử cánh quạt ....................................................... Error Bookmark not defined. 3.6 Hình dáng cánh quạt cho rô-to lý tưởng không bị sự quay dòng đuôi. ............... Error Bookmark not defined. 3.7 Dự đoán hoạt động của cánh quạt rô-to nói chung .............................................. Error Bookmark not defined. 3.8 Hình dạng cánh cho rô-to tối ưu với việc chuyển động xoay dòng đuôi. ............. Error Bookmark not defined. 3.9 Phương pháp thiết kế rô-to tổng quát .................................................................. Error Bookmark not defined. 3.10 Phương pháp tính toán hiệu suất rô-to HAWT đơn giản. ................................ Error Bookmark not defined. 3.11 Ảnh hưởng của số cánh quạt và lực cản lên hiệu suất tối ưu ............................. Error Bookmark not defined. 3.12 Các đề tài khí động lực học tiên tiến................................................................... Error Bookmark not defined. Chương 4 Cơ học và Động học ......................................................................... Error Bookmark not defined. 4.1 Giới thiệu chung .................................................................................................... Error Bookmark not defined. 4.2 Các nguyên lý chung ............................................................................................. Error Bookmark not defined. 4.3 Động lực rô-to cánh quạt của tua bin gió ............................................................. Error Bookmark not defined. 4.4 Mô hình động năng chi tiết và chuyên dụng ........................................................ Error Bookmark not defined. Chương 5 Điện trong các loại tua bin gió ......................................................... Error Bookmark not defined. 5.1 Tổng quan ............................................................................................................. Error Bookmark not defined. 5.2. Những khái niệm cơ bản về năng lượng điện ...................................................... Error Bookmark not defined. 5.3 Bộ biến áp công suất ............................................................................................. Error Bookmark not defined. 5.4 Các máy điện ......................................................................................................... Error Bookmark not defined. 5.5 Bộ biến đổi công suất ............................................................................................ Error Bookmark not defined. 5.6 Các thiết bị điện đi kèm ........................................................................................ Error Bookmark not defined. Chương 6 Thiết kế tua bin gió .......................................................................... Error Bookmark not defined. 6.1 Tổng quan ............................................................................................................. Error Bookmark not defined. ii 6.2 Quy trình thiết kết ................................................................................................ Error Bookmark not defined. 6.3 Các cấu trúc địa hình học tua bin gió ................................................................... Error Bookmark not defined. 6.4 Các vật liệu ............................................................................................................ Error Bookmark not defined. 6.5 Các bộ phận của máy ............................................................................................ Error Bookmark not defined. 6.6 Tải tua bin gió ....................................................................................................... Error Bookmark not defined. 6.7 Hệ thống tua bin gió phụ và các bộ phận của nó ................................................. Error Bookmark not defined. 6.8 Đánh giá thiết kế ................................................................................................... Error Bookmark not defined. 6.9 Dự tính đường cong công suất .......................................................................... Error Bookmark not defined. Chương 7 Điều khiển tua bin gió...................................................................... Error Bookmark not defined. 7.1 Giới thiệu chung .................................................................................................... Error Bookmark not defined. 7.2 Tổng quan về hệ thống điều khiển tua bin gió ..................................................... Error Bookmark not defined. 7.3 Hoạt động điển hình của tua bin kết nối với lưới điện ......................................... Error Bookmark not defined. 7.4 Tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát và hệ thống xử lý ............................ Error Bookmark not defined. 7.5 Nguyên lý làm việc của điều khiển động học ........................................................ Error Bookmark not defined. Chương 8 Vị trí lắp đặt, thiết kế và tích hợp hệ thống cho tua bin gió ............. Error Bookmark not defined. 8.2 Tổng quan ............................................................................................................. Error Bookmark not defined. 8.2 Chọn vị trí đặt tua bin gió..................................................................................... Error Bookmark not defined. 8.3 Những vấn đề lắp đặt và vận hành ....................................................................... Error Bookmark not defined. 8.4. Trạm năng lượng gió ........................................................................................... Error Bookmark not defined. 8.5 Tua bin gió và các trạm năng lượng gió trong lưới điện ...................................... Error Bookmark not defined. 8.6 Trạm năng lượng gió ngoài khơi .......................................................................... Error Bookmark not defined. 8.7 Việc vận hành trong thời tiết khắc nghiệt ............................................................ Error Bookmark not defined. 8.8 Hệ thống điện hỗn hợp .......................................................................................... Error Bookmark not defined. Tài liệu tham khảo ...................................................................................................... Error Bookmark not defined. Chương 9 Kinh tế năng lượng gió .................................................................... Error Bookmark not defined. 9.1 Giới thiệu............................................................................................................... Error Bookmark not defined. 9.2 Tổng quan đánh giá kinh tế của hệ thống năng lượng gió ................................... Error Bookmark not defined. 9.3 Vốn đầu tư cho hệ thống năng lượng gió ............................................................. Error Bookmark not defined. 9.4 Chi phí vận hành và bảo dưỡng ........................................................................... Error Bookmark not defined. 9.5 Giá trị của năng lượng gió .................................................................................... Error Bookmark not defined. 9.5.1 Tổng quan........................................................................................................... Error Bookmark not defined. 9.6 Các phương pháp phân tích kinh tế ..................................................................... Error Bookmark not defined. 9.7 Xem xét thị trường năng lượng gió ...................................................................... Error Bookmark not defined. Chương 10 Hệ thống năng lượng gió: xem xét khía cạ nh và tác động môi trường .......Error Bookmark not defined. 10.1 Giới thiệu ............................................................................................................. Error Bookmark not defined. 10.2 Tác động của chim đối với các Tua bin gió ........................................................ Error Bookmark not defined. 10.3 Tác động trực quan của tua bin gió .................................................................... Error Bookmark not defined. 10.4 Tiếng ồn của tubine gió ....................................................................................... Error Bookmark not defined. 10.5 Hiệu ứng giao thoa điện từ.................................................................................. Error Bookmark not defined. 10.6 Tác động môi trường liên quan đến việc sử dụng dất ........................................ Error Bookmark not defined. 10.7 Các xem xét về môi trường ................................................................................. Error Bookmark not defined. iii Lời giới thiệu Công nghệ khai thác năng lượng từ nguồn gió tự nhiên đã phát triển mạnh mẽ qua vài thập niên gần đây. Hiện nay dù đã có những cố gắng để viết về công nghệ này trong một cuốn tài liệu. Việc thiếu thốn tài liệu, đi kèm với mong muốn tiến xa hơn đã trở thành động lực để viết nên cuốn sách này. Các tài liệu trong cuốn sách này đã phát triển từ các quá trình giảng dạy Kỹ thuật Năng lượng gió, mộ t bộ bài thuyết trình đã được giảng dạy tại Đại Học Massachusetts từ giữa năm 1970. Những ghi chú sau này được sửa đổi khá nhiều và mở rộng hơn, với sự hỗ trợ của phòng thí nghiệm năng lượng hữu dụng mới - Bộ Năng lượng Quốc gia Hoa Kỳ. Cuốn sách này cung cấp một mô tả về các chủ đề là kiến thức cơ bản về chuyển đổi của năng lượng gió thành điện năng để đưa vào sử dụng. Những chủ đề này bao gồm nhiều lĩnh vực, từ lĩnh vực khí tượ ng, khoa học kỹ thuật tới kinh tế và liên quan tới vấn đề môi trường. Cuốn sách bắt đầu với một giới thiệu về nhìn nhận một cách tổng quan về công nghệ, giải thích cách đưa kiến thức đó đưa đến cái nhìn ngày nay. Chương kế tiếp mô tả các nguồn tài nguyên gió và cách thức để nó trở thành năng lượng sử dụng. Chương 3 thảo luậ n về nguyên tắc khí động học và giải thích tiến trình gió làm quay tua bin động cơ máy phát. Chương 4 nghiên cứu sâu về lĩnh vực chức năng và cơ khí của các chi tiết trong tua bin, và xem xét mối quan hệ giữ a cánh quạt và phần còn lại của bộ máy phát. Chương 5 chỉ ra sơ lược về các thiết bị điện bên ngoài của máy phát điện từ năng lượng gió, đặc biệt là liên quan trực tiếp đến hệ chuyển đổi sang điện năng. Chương 7 kiể m tra tua bin gió và hệ thống điều khiển gió. Chương 8 Thảo luận về vị trí xây lắp tua bin gió và hòa nhập vào lưới điện riêng và chung. Chương 9 tính kinh tế của việc phát triển năng lượng gió. Nó mô tả các phương pháp tính toán về kinh tế, từ đó chỉ ra hiệu quả từ việc ứng dụng năng lượng gió và có thể so sánh với các hình thức ứng dụng năng lượng từ nguồn khác. Cuối cùng, chương 10 mô tả các mặt ảnh hưởng tới môi trường do sả n xuất điện từ năng lượng gió. Cuốn sách này chủ yếu dùng như sách giáo khoa dành cho sinh viên ngành kỹ thuật và các chuyên gia trong lĩnh vực liên quan mà họ đã bắt đầu vào nghiên cứu năng lượng gió. Cuốn sách này cũng có thể sử dụng cho những người có kiến thức nền tảng về toán học và vật lý khi họ muốn có được sự hiểu biết về vấn đề này. Nó sẽ có ích cho những người muốn tự mình thiết kế một tua bin gió. Với người khác, nó sẽ đem lạ i sự hiểu biết các nguyên lý cơ bản về hoạt động của tua bin và thiết kế chi tiết đầy đủ để đánh giá cao nhữ ng khía cạnh trong đó có mặt quan tâm của họ. Các lĩnh vực bao gồm nơi xây dựng tua bin, kết nối vào mạng lưới điện, vấn đề môi trường, kinh tế, chính sách pháp luật. Nghiên cứu về năng lượng gió xuyên suốt một loạt lĩnh vực. Từ đó nảy sinh khả năng mà nhiều đọ c giả chưa có nền tảng như mọi người nên hầu hết các chương có bao gồm giới thiệu một số tài liệu tham khả o. Khi thích hợp, độc giả được giới thiệu đến các nguồn khác để biết thêm chi tiết. Những giải pháp cho nhữ ng vấn đề đưa ra ở cuối cuốn sách có thể được tìm thấy tại trang web: www.wiley.co.ukwindenergy 4 Chương 1 Giới thiệu: Năng lượng gió hiện nay và nguồn gốc của nó Sự tái xuất hiện của gió như một nguồn năng lượng quan trọng của thế giới phải được xếp vào mộ t trong những phát hiện quan trọng cuối thế kỷ XX. Sự ra đời của động cơ hơi nước theo sau đó là sự xuấ t hiện của các công nghệ khác để biến đổi nhiên liệu hoá thạch thành năng lượng hữu ích dường như đã loạ i bỏ mãi mãi vai trò quan trọng của gió trong các dạng năng lượng khác. Trong thực tế, vào gi ữa năm 1950 đã xuất hiện điều này. Tuy nhiên cuối năm 1960 dấu hiệu đầu tiên của một sự đảo chiều có thể được thấy rõ và đầu năm 1990 sự đảo chiều cơ bản đã diễn ra một cách rõ ràng. Để hiểu được điều gì đang xảy ra cần phải xem xét 5 yếu tố chính. Yếu tố đầu tiên trong tất cả 5 yếu tố đó là nhu cầu. Việc nhận thấy sự hữu hạn của nguồn dự trữ nhiên liệu hoá thạch c ủa trái đất cũng như sự nhận biết về ảnh hưởng bất lợi của việc đốt những nhiên liệu này để tạo ra năng lượng đã khiế n nhiều người tìm kiếm những thay đổi. Yếu tố thứ hai đó là tiềm năng. Gió có ở khắp mọi nới trên trái đất và ở một số nơi có nguồn gió dồi dào. Gió được sử dụng rộng rãi trong quá khứ cho cơ khí cũng như vận tải. Chắc chắn có thể hiểu được việc tái sử dụng gió. Yếu tố thứ ba là khả năng công nghệ. Nói riêng, có các diễn biến trong các lĩnh vực khác, khi ứng dụng vào các Tua bin gió có thể cách mạng hoá chúng theo cách mà chúng có thể được sử dụng. Ba yếu tố đầu tiên này là cần thiết để thúc đẩy sự tái xuất hiện của năng lượng gió, nhưng chưa đủ. Phải cần thêm hai yếu tố nữa, thứ nhất là cái nhìn về cách mới để sử dụng năng lượng gió, thứ hai là mong muốn chính trị để thực hiện. Nhận thức đó bắt đầu trước năm 1960 với các cá nhân như Poul la Cour, Albert Betz, Palmer Putnam và Percy Thomas. Nó được tiếp tục bởi Johannes Juul, E.W. Golding, Ulrich Hutter and William Heronemus, nhưng đã nhanh chóng truyền tới nhiều người khác và được đề cập đến rất nhiều. Vào lúc bắt đầu của sự tái xuất hiện của gió, chi phí năng lượng từ Tua bin gió cao hơn so với chi phí năng lượng hóa thạch. Sự hỗ trợ của chính phủ được yêu cầu để thực hiện các nghiên cứu, phát triển và thử nghiệm, để cung cấp các qui định cải cách để cho phép tua bin gió liên kết với mạng lưới điện, và để cung cấp các ưu đãi để giúp đẩy nhanh việc triển khai công nghệ mới. Các chính sách cần thiết cho sự hỗ trợ này xuất hiện vào các thời điểm khác nhau và mức độ khác nhau. Ở một số quốc gia: đầu tiên tại Hoa Kỳ, Đan Mạch và Đức, và hiện nay ở nhiều nơi còn lại trên thế giới. Mục đích của chương này là cung cấp một cái nhìn khái quát về công nghệ năng lượng gió ngày nay để thiết lập bối cảnh cho phần còn lại của cuốn sách. Nó đã thêm các các câu hỏi như: công nghệ gió hiện đại trông như thế nào? nó được sử dụng để làm gì? nó nhận cách này như thế nào? nó sẽ đi đâu. 1.1 Các Tua bin gió hiện đại: Hình 1.1: Tua bin gió hiện đại 5 Tua bin gió như đã được miêu tả trong cuốn sách này là một bộ máy chuyển đổi sức gió thành điện năng. Bộ máy này trái ngược với “cối xay gió” dùng để chuyển đổi sức gió thành cơ năng. Giống như các máy phát điện, các tua bin gió được nối với hệ thống điện. Hệ thống điện bao gồm các mạch pin, hệ thống điện quy mô hộ gia đình, riêng rẽ hoặc từng vùng, và hệ thống cung cấp điện lớn. Trong tổng số các tua bin gió, các tua bin gió được sử dụng thường xuyên nhất là các tua bin gió khá nhỏ - công suất 10kW hoặc nhỏ hơn. Trong tổng công suất phát điện, các tua bin mà hình thành phần lớn công suất nói chung là khá lớn - trong khoảng 500kW đến 2MW. Những tua bin lớn hơn được sử dụng chủ yếu trong hệ thống điện lớn, phần lớn ở Châu Âu hoặc Hoa Kỳ. Một tua bin gió hiện đại điển hình nối với lưới điện, được minh hoạ trong hình 1.1. Để hiểu các tua bin gió được sử dụng thế nào, thật hữu ích khi xem xét ngắn gọn một số thực trạng cơ bản qua sự vận hành. Trong các tua bin gió hiện đại, quá trình biến đổi sử dụng lực nâng khí động lực để tạo ra mô men xoắn chủ động trên trục quay, kết quả đầu tiên trong việc tạo ra lực cơ học và sự chuyển đổi của nó thành điện trong máy phát điện. Các tua bin gió không giống như hầu hết các máy phát điệ n khác, có thể sản xuất năng lượng chỉ khi ngay lập tức có gió. Không thể lưu giữ và sử dụng gió sau mộ t thời gian, sản lượng của tua bin gió là như vậy rất dao động và không thể điều phối (hầu hế t tua bin gió có thể làm là giới hạn phát điện ít hơn năng lượng mà gió có thể sinh ra). Bất cứ một hệ thố ng nào mà tua bin gió kết nối phải xem xét đến sự biến đổi này. Trong các hệ thống điện lớn hơn, tua bin gió được sử dụng để giảm tổng phụ tải điện và như vậy kết quả trong việc giảm cũng như số máy phát điện truyền thống đang được sử dụng hoặc nhiên liệu mà các máy phát đó đang tiêu thụ. Ở các hệ thống điện nhỏ hơn, có thể có năng lượng lưu giữ, máy phát điện dự phòng và một số hệ thống điều khiển được đặc biệt hóa. Mộ t thực tế nữa là gió không thể vận chuyển được: nó chỉ có thể biến đổi tại nơi mà nó đang đang thổ i. Trong quá khứ, một sản phẩm như lúa mì được làm ra nhờ cối xay gió và sau đó được vận chuyển tới các nơi sử dụng. Ngày nay, khả năng của năng lượng điện truyền tải thông qua đường dây tải điện để bù nhất đị nh cho việc gió không có khả năng vận chuyển được. Trong tương lai hệ thống năng lượng dự a vào hydro có thể cộng thêm vào khả năng này. 1.1.1 Thiết kế Tua bin gió hiện đại Ngày nay phần lớn các thiết kế chung của Tua bin gió là Tua bin gió có trục nằ m ngang (HAWT) và đây là loại duy nhất được thảo luận chi tiết trong cuốn sách này. Trục quay song song với mặt đấ t. Những rô-to HAWT thường được phân loại theo định hướng (gió thổi từ trên hoặc từ dưới của cộ t tháp). thiết kế ổ trục – moay-ơ (cố định hoặc quay được), bộ điều chỉnh cánh quạt (kiểu mất tố c hay góc nghiêng), số cánh quạt (thường là 2 hoặc 3 cánh) và chúng được nghiêng như thế nào với gió (xoay đảo hướng tự do hay xoay đảo hướng chủ động). Hình minh hoạ 1.2 chỉ ra bố trí theo dạng xuôi gió và ngượ c gió. Hình 1.2: Hình trạng rô-to HAWT Hướng gió Hướng gió Xuôi gió Ngược gió 6 Những hệ thống phụ chính của trục ngang đặc trưng được chỉ ra trong hình minh hoạ 1.3 bao gồm: Rô-to gồm cánh quạt và trục đỡ. Hệ thống truyền lực bao gồm các bộ phận quay của Tua bin gió (loại trừ cánh quạt), gồm trụ c, hộp số, đầu nối, phanh cơ khí và máy phát điện. Vỏ bọc và khung chính bao gồm hộp tua bin gió, tấm đế và hệ thống xoay đảo hướng. Cột tháp và bệ đỡ. Bộ phận điều khiển tua bin. Hệ thống cân bằng điện năng bao gồm dây cáp, thiết bị đóng ngắt, máy biến áp và có thể có các thiết bị chuyển đổi điện năng. Hình 1.2: Sơ đồ những bộ phận chính của một tua bin gió . Chức năng chính trong thiết kế cối xay gió và cấu trúc bao gồm: Số cánh quạt (phổ biến là 2 hoặc 3 cánh). Cánh quạt định hướng: xuôi gió hoặc ngược gió. Vật liệu làm cánh quạt, phương pháp xây dựng và hình dạng. Thiết kế mayơ: cố định, di động hoặc khớp xoay. Bộ điều khiển nguồn thông qua bộ điều khiển khí động lực (điều khiển mất tốc) hoặc góc nghiêng cánh quạt thay đổi (điều khiển góc nghiêng). Tốc độ cố định hoặc tốc độ biến thiên của rô-to. Vỏ tua bin Điều khiển Truyền lực Phát điện Khung chính Hệ thống xoay Hệ thống cân bằng điện năng Móng Cánh quay Trục Trụ đỡ 7 Định hướng bằng cách tự điêu chỉnh (xoay tự do), hoặc điều khiển trực tiếp (xoay chủ động). Máy phát điện đồng bộ hoặc máy phát điện cảm ứng. Hộp số hoặc máy phát điện nối trực tiếp. Giới thiệu ngắn về tổng quan của vài bộ phận cấu thành quan trọng nhất như sau. Thảo luậ n chi tiết hơn về toàn bộ hệ số thiết kế của các bộ phận cấu thành này và những phần quan trọng khác của hệ thống Tua bin gió sẽ được đề cập trong chương 3, 4, 5, 6 và 7 của cuốn sách này. 1.1.1.1 Bộ phận Rô-to Rô-to gồm có moay-ơ và các cánh quạt. Chúng thường được coi như là những bộ phận cấ u thành quan trọng nhất của rô-to cả về hiệu suất và toàn bộ chi phí. Ngày nay hầu hết các tua bin đều có rô-to ngược gió với 3 cánh quạt. Có vài tua bin xuôi gió và vài loại có 2 cánh quạt. Tua bin 1 cánh được xây dựng trong quá khứ, nhưng không còn được sản xuất. Phần lớn các tua bin cỡ trung bình, đặc biệt các tua bin từ Đan Mạch sử dụng điều khiển mất tốc và góc nghiêng cánh cố định (được miêu tả trong chương 3, 6 và 7). Số hãng sản xuất của Mỹ sử dụng điều khiển góc nghiêng, giờ đây dường như xu hướng chung là tăng việc sử dụng điều khiển góc nghiêng đặc biệt trong các tua bin lớn. Các cánh quạt ở phần lớn các tua bin được làm từ hợp chất composite, cơ bản là chất dẻo cốt sợi thuỷ tinh (GRP), nhưng đôi khi thì gỗtấm epoxy được sử dụng để làm cánh quạt. Những vấn đề này được trình bày chi tiết hơn ở chương Khí động học (chương 3) và chương Thiết kế (chương 6). 1.1.1.2 Hệ thống truyền lực. Hệ thống truyền động bao gồm các bộ phận quay của tua bin gió. Những bộ phận quay điể n hình bao gồm một trục quay tốc độ chậm (ở phía rô-to), hộp số và một trục quay tốc độ cao (ở phía máy phát điện). Bộ phận cấu thành hệ thống truyền lực bao gồm ổ đỡ, một hoặc nhiều khớp truyền độ ng, phanh và các bộ phận quay của máy phát điện (sẽ được thảo luận riêng ở phần tiếp theo). Mục đích của hộp số là tăng tốc độ quay của cánh quạt từ tốc độ chậm (vài chục vòngphút) lên tốc độ phù hợp để đạt tiêu chuẩn phát điện (hàng trăm hoặc hàng nghìn vòngphút). Hai loại hộp số được sử dụ ng trong Tua bin gió: song song và bánh răng vệ tinh. Đối với những tua bin lớn hơn (xấp xỉ khoảng 500kW), lợi thế về trọng lượ ng và kích cỡ của hộp số vệ tinh trở nên rõ ràng hơn. Một số thiết kế Tua bin gió được thiết kế một cách đặ c biệt, những máy phát điện tốc độ thấp không yêu cầu có hộp số. Trong khi thiết kế của các bộ phận cấu thành hệ thống truyền lực Tua bin gió thường theo thông lệ thiết kế cơ khí truyền thống, thì trọng tải duy nhất của hệ thống truyền lực của Tua bin gió cần những xem xét đặc biệt. Sự thay đổi của gió và động lực học của các rô-to quay cỡ lớn ảnh hướng nhiều đến tải trọ ng biến đổi tác động lên các bộ phận truyền động. 1.1.1.3 Máy phát điện Gần như tất cả các Tua bin gió đều sử dụng mát phát điện cảm ứng hoặc máy phát điện đồng bộ . Cả hai loại máy phát điện này đòi hỏi tốc độ quay không đổi hoặc gần như không đổi khi máy phát điện được kết nối trực tiếp với hệ thống cấp điện. Phần lớn các Tua bin gió được lắp đặt trong hệ thống điện với việc sử dụng các máy phát điện cảm ứng. Một máy phát điện cảm ứng hoạt động trong một khoảng cách thu hẹp phạm vi tốc độ hơi cao hơn so với tốc độ đồng bộ của nó (máy phát điện bốn cực hoạt động trong tần số 60 Hz có tốc độ đồng bộ là 180 vph). Lợi thế chính của các máy phát điện cảm ứng là chúng chạy khoẻ, giá thành rẻ, dễ dàng nối với hệ thống điện. Tuỳ chọn cho máy phát điện bao gồm việc sử dụng các Tua bin gió có tốc độ thay đổi. Có một số lợi ích như là hệ thống cung cấp bao gồm giảm hao mòn và hư hỏng trên Tua bin gió và vận hành tiềm năng của Tua bin gió ở mức hiệu suất tối đa trong dải gió của vận tốc, tạo ra sản lượng điện tăng. Mặ c dù có nhiều khả năng lựa chọn thiết bị để đáp ứng sự thay đổi tốc độ hoạt động của tua bin gió, các bộ phậ n cấu thành điện năng được sử dụng trong phần lớn các máy thay đổi tốc độ hiện nay đang được thiết kế. Khi được sử dụng với các máy đổi điện năng thích hợp thì cả máy phát điện đồng bộ và máy phát điệ n cảm ứng đều có thể chạy với tốc độ thay đổi. 8 1.1.1.4 Vỏ bọc và hệ thống xoay đảo hướng Mục này bao gồm vỏ bọc tua bin gió, phiến đế máy hoặc khung chính và hệ thống đảo hướ ng. Khung chính dùng cho việc lắp ghép và bố trí thích hợp của các bộ phận cấu thành hệ thống truyền lự c. Vỏ bọc bảo vệ các bộ phận bên trong khỏi ảnh hưởng của thời tiết. Hệ thống đảo hướng được dùng để giữ trục của cánh quạt được bố trí theo hướng thích hợp vớ i gió. Bộ phận cấu thành cơ bản là vòng bi lớn để liên kết khung chính với cột tháp. Điều khiển đảo hướ ng chủ động nói chung được sử dụng với một tua bin ngược gió, tua bin này bao gồm một hoặc nhiều mô- tơ đảo hướng, mỗi mô-tơ truyền lực cho bánh răng hành tinh ngược chiều bánh răng chính được gắn chặt với vòng bi đảo hướng.Thiết bị này được điều khiển bởi hệ thống điều khiển đảo hướng tự động với bộ cả m biến chiều gió thường được gắn ở vỏ tua bin gió. Đôi khi phanh xoay đảo hướng được sử dụng loại thiế t kế n...
Trang 1Tác giả: J.F Manwell, J.G McGowan và A.L Rogers
Biên dịch từ tiếng Anh:
Bộ môn Thủy điện & Năng lượng tái tạo
HÀ NỘI – 2017
Trang 2ii
LỜI NÓI ĐẦU
Nhằm đáp ứng yêu cầu đào tạo sinh viên hệ đại học chuyên ngành "Năng lượng tái tạo" của Trường Đại học Thủy lợi cũng như của các ngành liên quan, các giảng viên của Bộ môn Thủy điện
và Năng lượng tái tạo đã tiến hành Biên dịch cuốn sách này từ bản tiếng Anh: J.F Manwell, J.G
McGowan and Al Rogers (2002) Wind Energy Explained : Theory, Design and Application
Chúng tôi xin chân thành cảm ơn sự hợp tác, giúp đỡ, động viên từ các cơ quan liên quan, đồng nghiệp, bạn bè và gia đình trong quá trình thực hiện biên dịch
Bản dịch được xuất bản lần đầu tiên nên không tránh khỏi sai sót, do vậy kính mong nhận được phản hồi và ý kiến đóng góp xây dựng của các đọc giả Các ý kiến xin gửi về:
Bộ môn Thủy điện và Năng lượng tái tạo;
Trường Đại học Thủy lợi, 175 Tây Sơn, Hà Nội;
Chúng tôi xin chân thành cảm ơn ý kiến đóng góp quý giá của quý đọc giả để cuốn sách được hoàn thiện hơn
Bộ môn Thủy điện và Năng lượng tái tạo
Trang 3iii
Trang 5i
MỤC LỤC
Chương 1 Giới thiệu: Năng lượng gió hiện nay và nguồn gốc của nó 4
1.1 Các Tua bin gió hiện đại: 4 1.2 Lịch sử khai thác năng lượng gió 11
Chương 2 Các đặc điểm và tài nguyên gió Error! Bookmark not defined.
2.1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined 2.2 Những đặc điểm chung của tài nguyên gió Error! Bookmark not defined 2.3 Những đặc điểm của tầng khí quyển ranh giới Error! Bookmark not defined 2.4 Phân tích dữ liệu gió và Ước tính tài nguyên Error! Bookmark not defined 2.5 Ước tính sản xuất năng lượng từ tua bin gió sử dụng các phương pháp kỹ thuật thống kê Error! Bookmark
not defined
2.6 Tổng quan về dữ liệu đánh giá nguồn tài nguyên khả dụng Error! Bookmark not defined 2.7 Các dụng cụ đo lường và đo lường gió Error! Bookmark not defined 2.8 Những đề tài nâng cao Error! Bookmark not defined
Chương 3 Khí động học của tua bin gió Error! Bookmark not defined.
3.1 Tổng quan Error! Bookmark not defined 3.2 Thuyết động lượng một chiều và giới hạn Betz Error! Bookmark not defined 3.3 Tua bin gió trục ngang lý tưởng có sự quay của dòng đuôi Error! Bookmark not defined 3.4 Cánh quạt bay và khái niệm chung về Khí động học Error! Bookmark not defined 3.5 Thuyết momen và thuyết phần tử cánh quạt Error! Bookmark not defined 3.6 Hình dáng cánh quạt cho rô-to lý tưởng không bị sự quay dòng đuôi Error! Bookmark not defined 3.7 Dự đoán hoạt động của cánh quạt rô-to nói chung Error! Bookmark not defined 3.8 Hình dạng cánh cho rô-to tối ưu với việc chuyển động xoay dòng đuôi Error! Bookmark not defined 3.9 Phương pháp thiết kế rô-to tổng quát Error! Bookmark not defined 3.10 Phương pháp tính toán hiệu suất rô-to HAWT đơn giản Error! Bookmark not defined 3.11 Ảnh hưởng của số cánh quạt và lực cản lên hiệu suất tối ưu Error! Bookmark not defined 3.12 Các đề tài khí động lực học tiên tiến Error! Bookmark not defined
Chương 4 Cơ học và Động học Error! Bookmark not defined.
4.1 Giới thiệu chung Error! Bookmark not defined 4.2 Các nguyên lý chung Error! Bookmark not defined 4.3 Động lực rô-to cánh quạt của tua bin gió Error! Bookmark not defined 4.4 Mô hình động năng chi tiết và chuyên dụng Error! Bookmark not defined
Chương 5 Điện trong các loại tua bin gió Error! Bookmark not defined.
5.1 Tổng quan Error! Bookmark not defined 5.2 Những khái niệm cơ bản về năng lượng điện Error! Bookmark not defined 5.3 Bộ biến áp công suất Error! Bookmark not defined 5.4 Các máy điện Error! Bookmark not defined 5.5 Bộ biến đổi công suất Error! Bookmark not defined 5.6 Các thiết bị điện đi kèm Error! Bookmark not defined
Chương 6 Thiết kế tua bin gió Error! Bookmark not defined.
6.1 Tổng quan Error! Bookmark not defined
Trang 6ii
6.2 Quy trình thiết kết Error! Bookmark not defined 6.3 Các cấu trúc địa hình học tua bin gió Error! Bookmark not defined 6.4 Các vật liệu Error! Bookmark not defined 6.5 Các bộ phận của máy Error! Bookmark not defined 6.6 Tải tua bin gió Error! Bookmark not defined 6.7 Hệ thống tua bin gió phụ và các bộ phận của nó Error! Bookmark not defined 6.8 Đánh giá thiết kế Error! Bookmark not defined 6.9 Dự tính đường cong công suất Error! Bookmark not defined
Chương 7 Điều khiển tua bin gió Error! Bookmark not defined.
7.1 Giới thiệu chung Error! Bookmark not defined 7.2 Tổng quan về hệ thống điều khiển tua bin gió Error! Bookmark not defined 7.3 Hoạt động điển hình của tua bin kết nối với lưới điện Error! Bookmark not defined 7.4 Tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát và hệ thống xử lý Error! Bookmark not defined 7.5 Nguyên lý làm việc của điều khiển động học Error! Bookmark not defined
Chương 8 Vị trí lắp đặt, thiết kế và tích hợp hệ thống cho tua bin gió Error! Bookmark not defined.
8.2 Tổng quan Error! Bookmark not defined 8.2 Chọn vị trí đặt tua bin gió Error! Bookmark not defined 8.3 Những vấn đề lắp đặt và vận hành Error! Bookmark not defined 8.4 Trạm năng lượng gió Error! Bookmark not defined 8.5 Tua bin gió và các trạm năng lượng gió trong lưới điện Error! Bookmark not defined 8.6 Trạm năng lượng gió ngoài khơi Error! Bookmark not defined 8.7 Việc vận hành trong thời tiết khắc nghiệt Error! Bookmark not defined 8.8 Hệ thống điện hỗn hợp Error! Bookmark not defined Tài liệu tham khảo Error! Bookmark not defined
Chương 9 Kinh tế năng lượng gió Error! Bookmark not defined.
9.1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined 9.2 Tổng quan đánh giá kinh tế của hệ thống năng lượng gió Error! Bookmark not defined 9.3 Vốn đầu tư cho hệ thống năng lượng gió Error! Bookmark not defined 9.4 Chi phí vận hành và bảo dưỡng Error! Bookmark not defined 9.5 Giá trị của năng lượng gió Error! Bookmark not defined 9.5.1 Tổng quan Error! Bookmark not defined 9.6 Các phương pháp phân tích kinh tế Error! Bookmark not defined 9.7 Xem xét thị trường năng lượng gió Error! Bookmark not defined
Chương 10 Hệ thống năng lượng gió: xem xét khía cạnh và tác động môi trường Error! Bookmark not
defined.
10.1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined 10.2 Tác động của chim đối với các Tua bin gió Error! Bookmark not defined 10.3 Tác động trực quan của tua bin gió Error! Bookmark not defined 10.4 Tiếng ồn của tubine gió Error! Bookmark not defined 10.5 Hiệu ứng giao thoa điện từ Error! Bookmark not defined 10.6 Tác động môi trường liên quan đến việc sử dụng dất Error! Bookmark not defined 10.7 Các xem xét về môi trường Error! Bookmark not defined
Trang 7iii
Lời giới thiệu
Công nghệ khai thác năng lượng từ nguồn gió tự nhiên đã phát triển mạnh mẽ qua vài thập niên gần đây Hiện nay dù đã có những cố gắng để viết về công nghệ này trong một cuốn tài liệu Việc thiếu thốn tài liệu, đi kèm với mong muốn tiến xa hơn đã trở thành động lực để viết nên cuốn sách này
Các tài liệu trong cuốn sách này đã phát triển từ các quá trình giảng dạy Kỹ thuật Năng lượng gió, một
bộ bài thuyết trình đã được giảng dạy tại Đại Học Massachusetts từ giữa năm 1970 Những ghi chú sau này được sửa đổi khá nhiều và mở rộng hơn, với sự hỗ trợ của phòng thí nghiệm năng lượng hữu dụng mới - Bộ Năng lượng Quốc gia Hoa Kỳ
Cuốn sách này cung cấp một mô tả về các chủ đề là kiến thức cơ bản về chuyển đổi của năng lượng gió thành điện năng để đưa vào sử dụng Những chủ đề này bao gồm nhiều lĩnh vực, từ lĩnh vực khí tượng, khoa học kỹ thuật tới kinh tế và liên quan tới vấn đề môi trường Cuốn sách bắt đầu với một giới thiệu về nhìn nhận một cách tổng quan về công nghệ, giải thích cách đưa kiến thức đó đưa đến cái nhìn ngày nay Chương
kế tiếp mô tả các nguồn tài nguyên gió và cách thức để nó trở thành năng lượng sử dụng Chương 3 thảo luận
về nguyên tắc khí động học và giải thích tiến trình gió làm quay tua bin động cơ máy phát Chương 4 nghiên cứu sâu về lĩnh vực chức năng và cơ khí của các chi tiết trong tua bin, và xem xét mối quan hệ giữa cánh quạt và phần còn lại của bộ máy phát Chương 5 chỉ ra sơ lược về các thiết bị điện bên ngoài của máy phát điện từ năng lượng gió, đặc biệt là liên quan trực tiếp đến hệ chuyển đổi sang điện năng Chương 7 kiểm tra tua bin gió và hệ thống điều khiển gió Chương 8 Thảo luận về vị trí xây lắp tua bin gió và hòa nhập vào lưới điện riêng và chung Chương 9 tính kinh tế của việc phát triển năng lượng gió Nó mô tả các phương pháp tính toán về kinh tế, từ đó chỉ ra hiệu quả từ việc ứng dụng năng lượng gió và có thể so sánh với các hình thức ứng dụng năng lượng từ nguồn khác Cuối cùng, chương 10 mô tả các mặt ảnh hưởng tới môi trường do sản xuất điện từ năng lượng gió
Cuốn sách này chủ yếu dùng như sách giáo khoa dành cho sinh viên ngành kỹ thuật và các chuyên gia trong lĩnh vực liên quan mà họ đã bắt đầu vào nghiên cứu năng lượng gió Cuốn sách này cũng có thể sử dụng cho những người có kiến thức nền tảng về toán học và vật lý khi họ muốn có được sự hiểu biết về vấn
đề này Nó sẽ có ích cho những người muốn tự mình thiết kế một tua bin gió Với người khác, nó sẽ đem lại
sự hiểu biết các nguyên lý cơ bản về hoạt động của tua bin và thiết kế chi tiết đầy đủ để đánh giá cao những khía cạnh trong đó có mặt quan tâm của họ Các lĩnh vực bao gồm nơi xây dựng tua bin, kết nối vào mạng lưới điện, vấn đề môi trường, kinh tế, chính sách pháp luật
Nghiên cứu về năng lượng gió xuyên suốt một loạt lĩnh vực Từ đó nảy sinh khả năng mà nhiều đọc giả chưa có nền tảng như mọi người nên hầu hết các chương có bao gồm giới thiệu một số tài liệu tham khảo Khi thích hợp, độc giả được giới thiệu đến các nguồn khác để biết thêm chi tiết Những giải pháp cho những vấn đề đưa ra ở cuối cuốn sách có thể được tìm thấy tại trang web: www.wiley.co.uk/windenergy
Trang 8bỏ mãi mãi vai trò quan trọng của gió trong các dạng năng lượng khác Trong thực tế, vào giữa năm 1950
đã xuất hiện điều này Tuy nhiên cuối năm 1960 dấu hiệu đầu tiên của một sự đảo chiều có thể được thấy
rõ và đầu năm 1990 sự đảo chiều cơ bản đã diễn ra một cách rõ ràng
Để hiểu được điều gì đang xảy ra cần phải xem xét 5 yếu tố chính Yếu tố đầu tiên trong tất cả 5 yếu tố đó là nhu cầu Việc nhận thấy sự hữu hạn của nguồn dự trữ nhiên liệu hoá thạch của trái đất cũng như sự nhận biết về ảnh hưởng bất lợi của việc đốt những nhiên liệu này để tạo ra năng lượng đã khiến nhiều người tìm kiếm những thay đổi Yếu tố thứ hai đó là tiềm năng Gió có ở khắp mọi nới trên trái đất
và ở một số nơi có nguồn gió dồi dào Gió được sử dụng rộng rãi trong quá khứ cho cơ khí cũng như vận tải Chắc chắn có thể hiểu được việc tái sử dụng gió Yếu tố thứ ba là khả năng công nghệ Nói riêng, có các diễn biến trong các lĩnh vực khác, khi ứng dụng vào các Tua bin gió có thể cách mạng hoá chúng theo cách mà chúng có thể được sử dụng Ba yếu tố đầu tiên này là cần thiết để thúc đẩy sự tái xuất hiện của năng lượng gió, nhưng chưa đủ Phải cần thêm hai yếu tố nữa, thứ nhất là cái nhìn về cách mới để sử dụng năng lượng gió, thứ hai là mong muốn chính trị để thực hiện Nhận thức đó bắt đầu trước năm 1960 với các cá nhân như Poul la Cour, Albert Betz, Palmer Putnam và Percy Thomas Nó được tiếp tục bởi Johannes Juul, E.W Golding, Ulrich Hutter and William Heronemus, nhưng đã nhanh chóng truyền tới nhiều người khác và được đề cập đến rất nhiều Vào lúc bắt đầu của sự tái xuất hiện của gió, chi phí năng lượng từ Tua bin gió cao hơn so với chi phí năng lượng hóa thạch Sự hỗ trợ của chính phủ được yêu cầu
để thực hiện các nghiên cứu, phát triển và thử nghiệm, để cung cấp các qui định cải cách để cho phép tua bin gió liên kết với mạng lưới điện, và để cung cấp các ưu đãi để giúp đẩy nhanh việc triển khai công nghệ mới Các chính sách cần thiết cho sự hỗ trợ này xuất hiện vào các thời điểm khác nhau và mức độ khác nhau Ở một số quốc gia: đầu tiên tại Hoa Kỳ, Đan Mạch và Đức, và hiện nay ở nhiều nơi còn lại trên thế giới Mục đích của chương này là cung cấp một cái nhìn khái quát về công nghệ năng lượng gió ngày nay để thiết lập bối cảnh cho phần còn lại của cuốn sách Nó đã thêm các các câu hỏi như: công nghệ gió hiện đại trông như thế nào? nó được sử dụng để làm gì? nó nhận cách này như thế nào? nó sẽ đi đâu
1.1 Các Tua bin gió hiện đại:
Hình 1.1: Tua bin gió hiện đại
Trang 95
Tua bin gió như đã được miêu tả trong cuốn sách này là một bộ máy chuyển đổi sức gió thành điện năng Bộ máy này trái ngược với “cối xay gió” dùng để chuyển đổi sức gió thành cơ năng Giống như các máy phát điện, các tua bin gió được nối với hệ thống điện Hệ thống điện bao gồm các mạch pin, hệ thống điện quy mô hộ gia đình, riêng rẽ hoặc từng vùng, và hệ thống cung cấp điện lớn Trong tổng số các tua bin gió, các tua bin gió được sử dụng thường xuyên nhất là các tua bin gió khá nhỏ - công suất 10kW hoặc nhỏ hơn Trong tổng công suất phát điện, các tua bin mà hình thành phần lớn công suất nói chung là khá lớn - trong khoảng 500kW đến 2MW Những tua bin lớn hơn được sử dụng chủ yếu trong hệ thống điện lớn, phần lớn ở Châu Âu hoặc Hoa Kỳ Một tua bin gió hiện đại điển hình nối với lưới điện, được minh hoạ trong hình 1.1
Để hiểu các tua bin gió được sử dụng thế nào, thật hữu ích khi xem xét ngắn gọn một số thực trạng
cơ bản qua sự vận hành Trong các tua bin gió hiện đại, quá trình biến đổi sử dụng lực nâng khí động lực
để tạo ra mô men xoắn chủ động trên trục quay, kết quả đầu tiên trong việc tạo ra lực cơ học và sự chuyển đổi của nó thành điện trong máy phát điện Các tua bin gió không giống như hầu hết các máy phát điện khác, có thể sản xuất năng lượng chỉ khi ngay lập tức có gió Không thể lưu giữ và sử dụng gió sau một thời gian, sản lượng của tua bin gió là như vậy rất dao động và không thể điều phối (hầu hết tua bin gió có thể làm là giới hạn phát điện ít hơn năng lượng mà gió có thể sinh ra) Bất cứ một hệ thống nào mà tua bin gió kết nối phải xem xét đến sự biến đổi này Trong các hệ thống điện lớn hơn, tua bin gió được sử dụng
để giảm tổng phụ tải điện và như vậy kết quả trong việc giảm cũng như số máy phát điện truyền thống đang được sử dụng hoặc nhiên liệu mà các máy phát đó đang tiêu thụ Ở các hệ thống điện nhỏ hơn, có thể có năng lượng lưu giữ, máy phát điện dự phòng và một số hệ thống điều khiển được đặc biệt hóa Một thực tế nữa là gió không thể vận chuyển được: nó chỉ có thể biến đổi tại nơi mà nó đang đang thổi Trong quá khứ, một sản phẩm như lúa mì được làm ra nhờ cối xay gió và sau đó được vận chuyển tới các nơi sử dụng Ngày nay, khả năng của năng lượng điện truyền tải thông qua đường dây tải điện để bù nhất định cho việc gió không có khả năng vận chuyển được Trong tương lai hệ thống năng lượng dựa vào hydro có thể cộng thêm vào khả năng này
1.1.1 Thiết kế Tua bin gió hiện đại
Ngày nay phần lớn các thiết kế chung của Tua bin gió là Tua bin gió có trục nằm ngang (HAWT)
và đây là loại duy nhất được thảo luận chi tiết trong cuốn sách này Trục quay song song với mặt đất Những rô-to HAWT thường được phân loại theo định hướng (gió thổi từ trên hoặc từ dưới của cột tháp) thiết kế ổ trục – moay-ơ (cố định hoặc quay được), bộ điều chỉnh cánh quạt (kiểu mất tốc hay góc nghiêng), số cánh quạt (thường là 2 hoặc 3 cánh) và chúng được nghiêng như thế nào với gió (xoay đảo hướng tự do hay xoay đảo hướng chủ động) Hình minh hoạ 1.2 chỉ ra bố trí theo dạng xuôi gió và ngược gió
Hình 1.2: Hình trạng rô-to HAWT
Trang 10 Bộ phận điều khiển tua bin
Hệ thống cân bằng điện năng bao gồm dây cáp, thiết bị đóng ngắt, máy biến áp và có thể có các thiết bị chuyển đổi điện năng
Hình 1.2: Sơ đồ những bộ phận chính của một tua bin gió
Chức năng chính trong thiết kế cối xay gió và cấu trúc bao gồm:
Số cánh quạt (phổ biến là 2 hoặc 3 cánh)
Cánh quạt định hướng: xuôi gió hoặc ngược gió
Vật liệu làm cánh quạt, phương pháp xây dựng và hình dạng
Thiết kế mayơ: cố định, di động hoặc khớp xoay
Bộ điều khiển nguồn thông qua bộ điều khiển khí động lực (điều khiển mất tốc) hoặc góc nghiêng cánh quạt thay đổi (điều khiển góc nghiêng)
Tốc độ cố định hoặc tốc độ biến thiên của rô-to
Trang 117
Định hướng bằng cách tự điêu chỉnh (xoay tự do), hoặc điều khiển trực tiếp (xoay chủ động)
Máy phát điện đồng bộ hoặc máy phát điện cảm ứng
Hộp số hoặc máy phát điện nối trực tiếp
Giới thiệu ngắn về tổng quan của vài bộ phận cấu thành quan trọng nhất như sau Thảo luận chi tiết hơn về toàn bộ hệ số thiết kế của các bộ phận cấu thành này và những phần quan trọng khác của hệ thống Tua bin gió sẽ được đề cập trong chương 3, 4, 5, 6 và 7 của cuốn sách này
1.1.1.2 Hệ thống truyền lực
Hệ thống truyền động bao gồm các bộ phận quay của tua bin gió Những bộ phận quay điển hình bao gồm một trục quay tốc độ chậm (ở phía rô-to), hộp số và một trục quay tốc độ cao (ở phía máy phát điện) Bộ phận cấu thành hệ thống truyền lực bao gồm ổ đỡ, một hoặc nhiều khớp truyền động, phanh và các bộ phận quay của máy phát điện (sẽ được thảo luận riêng ở phần tiếp theo) Mục đích của hộp số là tăng tốc độ quay của cánh quạt từ tốc độ chậm (vài chục vòng/phút) lên tốc độ phù hợp để đạt tiêu chuẩn phát điện (hàng trăm hoặc hàng nghìn vòng/phút) Hai loại hộp số được sử dụng trong Tua bin gió: song song và bánh răng vệ tinh Đối với những tua bin lớn hơn (xấp xỉ khoảng 500kW), lợi thế về trọng lượng
và kích cỡ của hộp số vệ tinh trở nên rõ ràng hơn Một số thiết kế Tua bin gió được thiết kế một cách đặc biệt, những máy phát điện tốc độ thấp không yêu cầu có hộp số
Trong khi thiết kế của các bộ phận cấu thành hệ thống truyền lực Tua bin gió thường theo thông lệ thiết kế cơ khí truyền thống, thì trọng tải duy nhất của hệ thống truyền lực của Tua bin gió cần những xem xét đặc biệt Sự thay đổi của gió và động lực học của các rô-to quay cỡ lớn ảnh hướng nhiều đến tải trọng biến đổi tác động lên các bộ phận truyền động
1.1.1.3 Máy phát điện
Gần như tất cả các Tua bin gió đều sử dụng mát phát điện cảm ứng hoặc máy phát điện đồng bộ
Cả hai loại máy phát điện này đòi hỏi tốc độ quay không đổi hoặc gần như không đổi khi máy phát điện được kết nối trực tiếp với hệ thống cấp điện
Phần lớn các Tua bin gió được lắp đặt trong hệ thống điện với việc sử dụng các máy phát điện cảm ứng Một máy phát điện cảm ứng hoạt động trong một khoảng cách thu hẹp phạm vi tốc độ hơi cao hơn so với tốc độ đồng bộ của nó (máy phát điện bốn cực hoạt động trong tần số 60 Hz có tốc độ đồng bộ là 180 v/ph) Lợi thế chính của các máy phát điện cảm ứng là chúng chạy khoẻ, giá thành rẻ, dễ dàng nối với hệ thống điện
Tuỳ chọn cho máy phát điện bao gồm việc sử dụng các Tua bin gió có tốc độ thay đổi Có một số lợi ích như là hệ thống cung cấp bao gồm giảm hao mòn và hư hỏng trên Tua bin gió và vận hành tiềm năng của Tua bin gió ở mức hiệu suất tối đa trong dải gió của vận tốc, tạo ra sản lượng điện tăng Mặc dù
có nhiều khả năng lựa chọn thiết bị để đáp ứng sự thay đổi tốc độ hoạt động của tua bin gió, các bộ phận cấu thành điện năng được sử dụng trong phần lớn các máy thay đổi tốc độ hiện nay đang được thiết kế Khi được sử dụng với các máy đổi điện năng thích hợp thì cả máy phát điện đồng bộ và máy phát điện cảm ứng đều có thể chạy với tốc độ thay đổi